膜生物反應(yīng)器處理廢水技術(shù)研究

目前，傳統(tǒng)的活性污泥工藝( Conventional ActivatedSludge，CAS) 廣泛地應(yīng)用于各種污水處理中，但采用重力式沉淀方式作為固－ 液分離手段帶來了很多方面的問題，如固－ 液分離效率不高、處理裝置容積負荷低、占地面積大、出水水質(zhì)不穩(wěn)定、傳氧效率低、能耗高以及剩余污泥產(chǎn)量大等。因此，傳統(tǒng)生物處理工藝處理后的水難以滿足越來越嚴格的污水排放標準，同時，經(jīng)濟的發(fā)展所帶來的水資源的日益短缺也迫切要求開發(fā)合適的污水資源化技術(shù)，以緩解水資源的供需矛盾。
在上述背景下，一種新型的水處理技術(shù)——膜生物反應(yīng)器( Membrane Bioreactor，MBR) 應(yīng)運而生，膜生物反應(yīng)器處理污水具有出水水質(zhì)優(yōu)異，操作運行簡單，污泥產(chǎn)率低，占地面積小等特點。
隨著膜分離技術(shù)和產(chǎn)品的不斷開發(fā)，MBR 也更具有實用價值，近年來許多國家都投入了大量資金用于開發(fā)此項技術(shù)。
1、膜生物反應(yīng)器及其廢水處理特點
1．1膜生物反應(yīng)器特點
膜生物反應(yīng)器( MBR) 是以酶，微生物或動、植物細胞為催化劑，進行化學反應(yīng)或生物轉(zhuǎn)化，同時憑借生物膜不斷的分離出反應(yīng)產(chǎn)物并截留催化劑而進行連續(xù)反應(yīng)的裝置。
MBR 有各種不同的類型，根據(jù)膜組件在MBR 中的作用，可將MBR 分為分離MBR、無泡曝氣MBR 和萃取MBR 3 種。而分離MBR 根據(jù)膜組件與生物反應(yīng)器的相互位置又分為分置式MBR( 見圖1) 和一體式MBR( 見圖2) 。分置式MBR 的膜組件與生物反應(yīng)器通過泵與管線連接。特點是: 相互干擾小，易于分別控制，膜組件也易于清洗、更換及增設(shè)。但混合液靠泵抽取進入膜組件，泵的高速旋轉(zhuǎn)會使某些微生物失活，另外也加大了動力消耗，其處理單位體積水的能耗是傳統(tǒng)活性污泥法的10～20 倍，運行費用增加。一體式MBR 的膜組件浸沒在生物反應(yīng)器中，曝氣器在膜組件的下方，混合液隨氣流向上流動，在膜表面產(chǎn)生的剪切力可迫使膠體顆粒離開膜表面，讓水透過。一體式MBR 的能耗小，工作壓力小，特別是管線少、體積小的特點使其易于在原有處理設(shè)施基礎(chǔ)上實現(xiàn)技術(shù)改造，減少改造成本和占地面積。

1． 2 膜生物反應(yīng)器( MBR) 廢水處理特點
膜生物反應(yīng)器( MBR) 工藝是膜分離技術(shù)與生物技術(shù)有機結(jié)合的新型廢水處理技術(shù)。它利用膜分離設(shè)備將生化反應(yīng)池中的活性污泥和大分子有機物質(zhì)截留住，省掉二沉池?；钚晕勰酀舛纫虼舜蟠筇岣?，水力停留時間( HRT) 和污泥停留時間( SRT) 可以分別控制，而難降解的物質(zhì)在反應(yīng)器中不斷反應(yīng)、降解。因此，膜生物反應(yīng)器( MBR)工藝通過膜分離技術(shù)大大強化了生物反應(yīng)器的功能。
在MBR 工藝中有機污染物的zui終去除仍是微生物細胞的新陳代謝作用，只是膜的固液分離強化了這種生物處理作用，與常規(guī)的活性污泥法相比較，克服了常規(guī)法不可避免的弊病，具有諸多優(yōu)點: 出水水質(zhì)好、系統(tǒng)流程簡單、設(shè)備少、占地面積小、控制靈活穩(wěn)定、泥齡長污泥產(chǎn)量低、易于實現(xiàn)自動控制、操作管理方便、節(jié)省運行成本。與傳統(tǒng)的生物處理方法相比，是目前zui有前途的廢水處理新技術(shù)之一。
2、影響MBR 工藝運行的主要因素
2．1有機負荷對MBR 運行的影響
研究表明，好氧MBR 出水受容積負荷與水力停留時間( HRT) 的影響較小，而厭氧MBR 出水受沖擊負荷與HRT 的影響較大。另外，在好氧MBR 中，污泥濃度隨容積負荷的增加迅速升高，有機物去除速率加快，污泥負荷基本保持不變，從而抑制出水水質(zhì)的惡化; 而在厭氧MBR 中，污泥濃度升高緩慢，因此厭氧MBR 出水水質(zhì)易受容積負荷的影響。
另有一些研究成果表明，不同污泥濃度均存在污泥在膜表面大量沉積的臨界膜通量，當膜通量小于臨界膜通量，膜污染主要由溶解性有機物在膜面的沉積引起; 當膜通量大于臨界膜通量，膜污染主要由懸浮污泥在膜面的沉積引起; 在污泥濃度較低時，曝氣強度對膜的污染影響不大，在中高污泥濃度條件下，增加曝氣強度有利于減緩膜污染。
2．2膜的固有性質(zhì)對MBR 運行的影響
膜的固有性質(zhì)包括親水性程度、膜表面的粗糙程度和膜孔徑大小等。憎水性膜對蛋白質(zhì)的吸附小于親水性膜，因此能獲得較高的膜通透量。但在濃差極化效果強烈時，這種作用不明顯。易受蛋白質(zhì)污染的膜有聚砜等，而憎水性強的聚烯烴膜等受到的污染程度較輕。另外，與膜表面有相同電荷的料液能改善膜表面的污染，提高膜通透量。膜孔徑的大小也會影響膜通透量的變化，當截留物相對分子質(zhì)量小于300000時，隨膜孔徑的增加，膜通量增加，大于300000時，膜通量隨孔徑變化不大; 膜孔徑增加至微濾范圍時，膜通量反而減少，這是因為細菌在膜孔內(nèi)滋生造成不可逆的堵塞所至。膜表面粗糙度增加使膜表面吸附污染物的可能性增加，同時使膜表面的攪動程度增加，阻礙污染物在膜表面的吸附，因而膜表面的粗糙度對膜通量的影響是兩方面作用的綜合表現(xiàn)。
2．3膜污染對MBR 運行的影響
膜生物反應(yīng)器運行中存在的主要問題是膜污染。在膜操作過程中，膜的滲透能量會逐漸降低，其主要原因就是膜污染。根據(jù)純化學和應(yīng)用化學協(xié)會( IUPAC， International Union of Pure andApplied Chemistry) 的定義，由于懸浮物或可溶性物質(zhì)沉積在膜的表面、孔隙和孔隙內(nèi)壁，從而造成膜通量降低的過程稱為膜污染。
膜污染可分為3種類型: 可逆性膜面污染，主要是水透過后被截留下來的部分活性污泥和膠體物質(zhì)，在濾壓差和透過水流的作用下堆積在膜表面而形成的凝膠層，即濾餅; 不可逆污染，是由溶解性物質(zhì)被膜內(nèi)微孔表面吸附或結(jié)晶，堵塞孔道，使膜通量減少的一種膜污染; 生物污染，由于在膜面和膜孔中有微生物所需的營養(yǎng)物質(zhì)，因而大量的微生物就會不可避免地在其中滋生，從而造成膜通量減小。生物污染可分為兩個階段，*階段是微生物( 包括各種細菌和微生物)通過向膜面的傳遞( 可以通過擴散、重力沉降、主體對流) 而能動地積累在膜面上形成生物膜( Biofilm); 當生物膜積累到一定程度引起膜通量的明顯下降時便是第二階段———生物污染( Biofouling) 。
膜污染是影響膜生物反應(yīng)器推廣應(yīng)用的主要因素。膜污染導(dǎo)致膜通量下降，增加膜組件更換和膜清洗的頻率，從而增加膜生物反應(yīng)器的運行費用。
3、膜生物反應(yīng)器在污水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀
3．1污水回用方面的應(yīng)用
隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴大，城市的用水量和廢水量不斷增加，造成城市水資源的日益不足，水質(zhì)日益惡劣，為解決這個問題，世界上許多國家相繼開展了許多污水資源化的研究。
膜生物反應(yīng)器在污水回用中的應(yīng)用早在20世紀80年代初日本就開始了這方面的研究。國外一些國家已經(jīng)實施。目前在日本已有近100處的高樓采用了膜生物反應(yīng)器工藝處理生活污水，并將處理出水回用于中水道系統(tǒng)。如日本北千住終點站大樓，其主要技術(shù)參數(shù)為: 混合液中的懸浮固體(MLSS) 為6000～10000 mg /L，水力停留時間為1．5～2．0h，5d生化需氧量(BOD5)負荷為0．79～1．42kg/(m3·d-1) 。所采用的超濾膜為孔徑10nm、切割相對分子質(zhì)量20000的聚丙烯腈平板膜。據(jù)報道該系統(tǒng)的出水已達到深度處理的標準，而且由于系統(tǒng)中的污泥已得到充分的消化，因此產(chǎn)泥量很小。該系統(tǒng)占地面積小，操作管理方便，使用情況良好。
3．2工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用
工業(yè)廢水中有機物濃度很高，有的還含有毒性物質(zhì)。對該種廢水處理普遍認為，厭氧法處理經(jīng)濟上優(yōu)于好氧法，但不同的厭氧工藝都要求保持較高的生物量、較長的泥齡、較短的水力停留時間，這使厭氧工藝的使用受到限制。將厭氧工藝與膜技術(shù)結(jié)合是一種理想的方法。厭氧處理能產(chǎn)生能量，污泥量較少，而膜分離能使存活時間較長的甲烷菌存活下來，從而保持較好的出水水質(zhì)。這是一種相互補充、相互依賴又相互協(xié)同的處理工藝，厭氧消化降解有機物使膜不易堵塞，而膜能將生物截留下來。何義亮等采用*混合的厭氧生物反應(yīng)器和板框超濾膜組件構(gòu)成的厭氧生物反應(yīng)器對高濃度食品廢水進行處理。結(jié)果表明，當HRT(水力停留時間) 超過50h，化學需氧量(COD)負荷在2～3kg/(m3·d-1)時，膜出水COD去除率可達80%～90%。
3．3土地填埋場堆肥瀝濾液處理
土地填埋場堆肥瀝濾液含有高濃度的污染物，其水質(zhì)和水量隨氣候條件與操作運行條件的變化而變化。MBR技術(shù)在1994年前就被多家污水處理廠用于該種污水的處理，通過MBR與逆滲透(RO)技術(shù)的結(jié)合，不僅能去除固體懸浮物(SS)、有機物和氮，而且能有效去除鹽類和重金屬，2000年美國Envirogen公司開發(fā)出一種MBR用于土地填埋場/堆肥瀝濾液的處理，該種MBR使用一種天然混合菌分解瀝濾液中的烴和氯代化合物，其處理污染物的濃度為常規(guī)廢水處理裝置的50～100倍，這是因為MBR能夠保留細菌并使細菌濃度達到50000g /L。在現(xiàn)場測試中，進液COD值高至40000mg/L，污染物的去除率達90%以上。
4、膜生物反應(yīng)器工藝在國內(nèi)的應(yīng)用展望
膜生物反應(yīng)器具有傳統(tǒng)生物反應(yīng)器所*的許多優(yōu)點，在城市污水、給水處理等方面有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。但是由于膜生物反應(yīng)器工藝的能耗高、膜易堵塞、難清洗等缺點使其在我國的推廣應(yīng)用受到限制。結(jié)合我國目前的經(jīng)濟發(fā)展水平和膜生物反應(yīng)器工藝的特點，膜生物反應(yīng)器在下列領(lǐng)域具有推廣應(yīng)用的潛力: 對污水處理水質(zhì)要求高或出水需回用或用地緊張的地方，如高層建筑的中水回用、居住小區(qū)生活污水的處理與回用等;中小規(guī)模的高濃度有機工業(yè)污水的處理; 利用膜的分離效果，并結(jié)合菌種的選育與保持，也可用于處理含難降解有機物的污水。
膜生物反應(yīng)器在推廣應(yīng)用中還存在許多問題，在未來的發(fā)展中還需要從研制、高強度、廉價的膜材料; 研究新型膜生物反應(yīng)器; 膜污染的機理及防治和膜生物反應(yīng)器經(jīng)濟性以及建立合理的設(shè)計方法和標準等重點研究方向解決存在的問題。
在水資源日益緊張的今天，隨著膜技術(shù)的發(fā)展和日益成熟，膜生物反應(yīng)器技術(shù)也必然會在我國成為一種實用技術(shù)而被廣泛應(yīng)用。如聚乙烯中空纖維膜、新型陶瓷膜的開發(fā)等已使其成本比以往有很大程度的降低。另外，各種新型膜生物反應(yīng)器的開發(fā)也使其運行費用大大降低，如在低壓下運行的抽吸式膜生物反應(yīng)器、厭氧式膜生物反應(yīng)器等與傳統(tǒng)的好氧加壓膜生物反應(yīng)器相比，其運行費用大幅度下降，新技術(shù)的開發(fā)將大大促進膜生物反應(yīng)器的發(fā)展與應(yīng)用。