MBR工艺在污水处理中的研究及应用

广东化工2014年第12期168www.gdchem.com第41卷总第278期MBR工艺在污水处理中的研究及应用李晓斌(徐州市环境保护科学研究所,江苏徐州22006摘要MBR在饮用水、生活污水、中水回用、造纸、印染、制药、石化、炼油等废水处理中的应用日益明显。文章主要介绍了MBR的典型类型、工艺特点及其应用中存在的瓶颈问题,重点阐明了MBR在各种废水处理中的应用,指出膜污染的控制措施,提出了今后的研究方向并展望其良好的发展前景[关键词]MBR;污水处理:膜污染;膜清洗;研究展望[中图分类号]X7[文献标识码]A[文章编号]071865(2014)2-016803MBR Process in Research and application of wastewater TreatmentLi XiaobinThe Environmental Science and Research Institute of Xuzhou, Xuzhou 221006, China)Abstract: Application of MBR in drinking water, sewage, water reuse, papermaking, printing and dyeing, pharmaceutical, petrochemical, and oil refiningwastewater treatment has been increasingly obvious. The paper mainly describes the typical membrane bioreactor types, technical characteristics and its applicationin the presence of bottlenecks, focusing on the application of MBR in wastewater treatment, points out that the membrane pollution control measures, the futuresearch directions are put forward, and its good development prospect is forecastedKeywords: MBR: sewage treatment: membrane fouling: membrane cleaning: research forecast膜生物反应器 Membrane Bi-oreactor,简写为MBR)是将高为膜分离MBR(用于同体的分离与截留)曝气式MBR(无泡曝气,效膜分离技术与生物反应器的生物降解作用有机结合的新型废水适用于高需氧量的废水处理)、萃取式MBR(用于工业废水中优先处理技术。实际上膜生物反应器是三类反应器的总称,分别是膜污染物的萃取)。其中,膜分离MBR应用最为广泛山。根据膜组曝气生物反应器(MABR)、萃取膜生物反应器EMBR)和膜分离生件与生物反应器的相对位置分为分置式(又称错流式MBR和一体物反应器(MBR),但由于前两种反应器尚处在实验室阶段,实际式(又称浸没式MBR,其中55%以上应用一体式MBR工程少,所以通常所说的膜-生物反应器指膜分离生物反应器1为分置式MBR工艺流程。生物反应器的混合液由泵增压后进入膜组件,在压力作用下混合液透过膜过滤后,达标排有机物质截留住,省掉二沉池:它几乎能将所有的微生物截留在活性污泥、大分子物质等被膜截留,通过循环泵回流至反应器内生物反应器中,这使MBR反应器中的生物污泥浓度提高,水力分置式MBR运行稳定可靠,操作方便,膜组件易于清洗你公时间HR和污泥停留时间SR可以分别控制:而难降解的更换以及增设。其不足之处在于料液循环流速很高(36m,造在反应器中不断反应、降解。因此,MBR工艺能使出水的有成较大的动力消耗,且循环泵产生的剪切力会影响微生物的活性机污染物含量降到最低,并且对难降解的工业废水也非常有效降低生物处理效果。故MBR工艺是目前最有前途的废水处理新技术之一,为解决城市废水处理和用水危机指明了方向。进水lMBR类型MBR工艺是由膜分离组件和生物反应器构成。根据膜材料不同可分为有机膜和无机膜。有机膜材料有PDF(聚偏氟乙烯)、PP(聚丙烯)、聚烯烃类膜、纤维素衍生类膜、聚酯类膜、聚砜类膜等,价格较便宜,但易污损:无机膜有陶瓷膜、多孔玻璃膜金属氧化膜等,使用寿命长,且能在恶劣的环境下工作,但价格较贵。根据膜孔孔径不同,膜可分为微滤、超滤、纳滤和反渗透膜,其中以微滤和超滤膜应用较多。根据生物反应器需氧量不同环泵蒙组件图1分置式MBR工艺流程图可分为好氧性MBR(主要处理城市废水和生活污水)和厌氧性MBR(主要处理高浓度有机废水)。根据膜组件类型分为管式、板Fig. I Separate MBR process flow diagram式、卷式和中空纤维膜。根据膜组件在MBR中所起作用不同分进水出水生物反应器受开泵生物反应器反泵生物反应器瓦冲泵反硝化)组合(1)组合(2)图2一体式MBR的两种组合形式g 2 Two combination forms an integrated MBR图2为一体式MBR的两种组合形式。膜组件直接置于生物根据生物脱反应器内,通过真空泵的负压抽吸得到过滤液,活性污泥、大分合形式:组合(1)曝VL中国煤化工,膜组件浸没于子物质等被膜截留在反应器内。好氧MBR的曝气器设置在膜的硝化反应器内,CNMHG池作为缺氧区正下方,曝气产生的气泡带动料液向上流动,在膜表面形成剪切而达到硝化反从离和清洗。组合力从而迫使胶体颗粒离开膜表面,降低膜污染(2)较为简单,将膜组件直接置于生物反应器内,通过真空泵的负稿日期]201405-09[作者简介」李晓斌(1972-),男,江苏徐州人,本科,高级工程师;从事环境规划与管理工作2014年第12期广东化工第41卷总第278期www.gdchem.com169压抽吸得到过滤液,活性污泥、大分子物质等被膜截留在反应器洗水以及生活污水等)。采用中空纤维膜,处理效率为COD975内。为减少膜面污染,一般泵的抽吸采取间断运行l合脱氮%、BOD968%、色度93.9%。功能不及组合(1在石化、炼油废水处理中,邬向东等采用膜生物反应器对与分置式MBR相比,式MBR最大特点是工艺简单、结广州石化炼油污水进行了工业实验研究。使用孔径为0.2-04m构紧凑、体积小、运行费用低、能耗小。但其在运行稳定性、操杓聚偏氟乙烯(PVDF)材质中空纤维膜,采用淹没式的帘式膜组件作管理及膜的清洗、更换上不及分置式。对该石化炼油污水进行了处理,其COD去除率达98%以上;氨2MBR技术优势氮去除率可达99%以上。出水量稳定,水质优异。实现了炼化污与传统活性污泥工艺相比,MBR具有以下优势水资源化,为企业节约了大量的新鲜水源,成为企业经济可持续发展的技术保证之一。王尧等拟改造某企业炼油废水处理工艺,(1)固液分离率高,出水水质好。混合液中的微生物和废水中由原来的厌氧生化+接触氧化+砂滤工艺改造成水解酸化+好氧悬浮物以及蛋白质等大分子有机物不能透过膜,使泥水得到很好+MBR工艺+臭氧接触氧化+生物活性炭吸附工艺。实验结果表明的分离,故出水中SS浓度低,有机物去除率高,另外,MBR还该工艺对COD去除率明显,对炼油废水的SS和浊度均能有效去滤除细菌、病毒等有害物质,可节省加药消毒所带来的长期运行费用,设备占地也小除,膜产水SS<5mg,浊<07NTU,为后续深度处理和回用提供了必要条件。截流反起器内,续现反应器内水为停图时间和污泥龄的完全分4MBR研究的热点问题4.1膜污染的3)耐冲击负荷。由于反应器内微生物浓度高。在负荷波动较膜污染是指在膜过滤过程中,污水中的微粒、胶体粒子或溶情况下,系统的去除效果变化也不大,处理的水质稳定质分子与膜发生物理化学作用,或因为浓差极化使某些溶质在膜(4)系统硝化效率较常规的生物反应器有所提高。这是由于污表面超过其溶解度及机械作用而引起在膜表面及膜孔内吸附、沉泥停留时间较长(一般控制在1545天),有利于增殖缓慢的微生积,造成膜孔径变小或堵塞,使膜通量与分离特性发生变化物(如固氮菌、硝化菌)以及难降解有机物分解菌的截留、生长和41.1成因繁殖。膜污染包括膜孔的堵塞和膜面沉积层的形成,一般有三种形(5)传质效率高,氧转移效率高达26%-60%左右式:沉淀污染、吸附污染、生物污染。这三种形式有时会同时发(6)剩余污泥产量低,降低了污泥处理处置费用。膜分离使污生,并且发生一种污染又可能加速另一种污染。膜吸附污染主要水中的大分子难降解成分在体积有限的生物反应器内有足够的停表现特征是膜对微生物表现出不同的生物亲和性、分子量、功能时间,大大提高了难降解有机物的降解效率。反应器在高容积团和构型。吸附污染和水中有机物形成凝胶层的稳定性影响了纯负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行,基本可以实现污泥零排放为(7)系统结构简单,操作管理方面,运行灵活稳定,容易操作而影响系统性能的现象。膜组件内部潮湿阴暗,是一个微生物生现自动化。但MBR也存在一些缺点,如膜污染问题,目前长的理想环境,所以一旦原水的生物活性水平较高,则极易发生尚没有有效的膜清洗技术。膜制造成本偏高以及能耗高这些问题膜的生物污染。生物污染问题比非活性的胶体污染或矿物质结垢极大地限制了MBR在实际工程中的应用更为严重3MBR在污水处理中的应用41.2控制措施4.1.2.1膜表面化学改性21世纪,MBR工艺技术不断发展,处理对象不断拓宽,应用领域不断加大。除饮用水处理、城市生活污水处理以外,MBR研究发现,由亲水性材料制成的膜与水分子间能形成氢键,在工业废水处理和难降解有机废水处理中的应用愈加广泛。可在膜表面形成一层有序的水分子层结构,这对保护膜免受污染3.1MBR在饮用水生产中的应用具有积极的作用。吕晓龙等采用化学接枝方法对PVDF中空纤维膜进行了亲水改性研究,结果表明:改性后PVDF中空纤维膜随着经济与技术的发展,各种生产废水和生活污水末达标准的亲水性得到了有效提高,膜通量得到显著改善,膜的抗污染能就直接排放到地表水体中,以及氮肥与杀虫剂在农业中的广泛应力明显加强4.1.2.2优化膜组件的构造正常生活造成威胁。 Lyonnaisedes Eaux公司在90年代中期开发出同时具有生物脱氮、吸附杀虫剂、去除浊度功能的MBR工艺般在膜组件设计和实际运行中,需要合理的流道结构和装1995年该公司在法国的 Touchy建成了日产饮用水400m23的工填密度。合理的流道结构能够使被截留的物质及时地被水流带走,人而减小了流道截面积,提高了流速,使流体处于稳态湍流状态出水中氮浓度低于0.1mgNO/L,杀虫剂浓度低于0.02另外还需控制好膜组件的装填密度,装填密度过高虽然能节约占地,但会形成部分受剪切力作用小的死区,不利于污染物的反向3.2MBR在城市生活污水处理中的应用扩散,加重污染目前,在国内,MBR工艺较多地应用在生活污水处理以>/维4.1.2.3预处理及投加填料污染膜的物质主要来自于活性污泥混合液,因此对污泥混合ABR工艺处理城市生活污水,HRT为24h。当进水COD为液进行有效预处理,使其达到膜组件的进水要求,是防止膜污染60490mg/L时,其去除率分别为大于93%和80%98%。Ueda的重要措施之一。通常采用的预处理方法有:过滤、化学絮凝等采用中空纤维抽吸式聚乙烯MBR处理乡村生活污水,膜通量pH调节、臭氧处理等。MBR中污泥浓度的高低对膜通量影响很为121L(m2h,HRT为13-16h,当进水BOD:为133mngL458大,污泥浓度过高则膜通量下降快,运行周期短;过低则会使处mg/L,进水SS为132mgL68mgL、总氮为32mgL19mgL理效果变差。为了既能提高MBR污泥浓度,保证处理效率,又磷为3.8mg1+30mgL时,去除率分比别为99%,99%83%能维持较高的膜通量,延缓膜污染,诸多研究者进行了向膜生物反应器中投加填料的试验研究,取得了良好的效果。目前使用较多的填料有粉末活性炭、PAC、泡沫填料等。近年来,由于MBR工艺具有生化效率高,抗负荷冲击能力4124优化操作条件强,出水水质稳定,占地面积小,排泥周期长,易实现自动控制研究发现,找到系统最佳的错流速度,以及此条件下的临界等优点,在工业废水及一些难降解废水处理中应用越来越广泛。通量,并且低压恒流操作,控制合理的曝气量,间歇抽吸时间,染废水处理中,浙江工业大学使用MBR处理造维持适宜的反应温度,可以减小膜阻力,改善膜的通透性,减缓纸综合废水(黑液中段废水和白水的混合液)并与传统的活性污泥膜污染,延长膜的寿命法与生物接触氧化法进行比较,实验结果表明用MBR处理造纸42膜的清洗废水通过污泥浓度的增加,出水CODa可以降低到100mgL以下前膜的清洗方法主要有物理清洗、化学清洗、物理-化纤业系统水力停留时间为18h),整个反应器的总去除率最高可达9%以上。韩怀芬等明,采用管式MBR处理造纸废液,原水COD清洗和生物清洗。物理清洗是利用高流速的水或空气和水的混合质量浓度为9001300mgL1.通过混凝沉淀后进人反应器,出海绵球清洗等。这种方法所需设备简单、不引入新污染物等特点可达一级排放标准。丁岚可等设计了缺氧好氧MBR处理装置该法清洗通过165天的运行试验结果表明系统稳定期COD的去除率可以久,只能作为中国煤化工效,清洗效果不能持达到950%,氨氮平均去除率可达965%,活性艳红染料x3B在水流中加入CNMHO钠等氧化剂、酸、碱、的去除率在60%73%之间,出水含有少量色度在制药废水处理中,王敏采用厌氧加一体式膜生物反应器络合剂、表面浩性、、沈凉們寺),进们连续循环清洗。化学清洗能清除复合污垢,迅速恢复膜通量,但是在实际运行中运工艺处理某中药废水(主要为洗药废水、制药废水、地面和设备冲多有不便,而且化学药剂会带来二次污染。在实际运行中,单纯广东化工2014年第12期170www.gdchem.com第41卷总第278期的物理或化学清洗不能最大限度地消除膜污染,通常采用物理学组合的清洗方法,该法一般能使膜的通透能力恢复90%以上参考文献。生物清洗是借助微生物、酶等生物活性剂的生物活动去除膜]苑宝玲,王洪杰,水处理新技术原理与应用M].北京:化学工业出版表面及膜内部的污染物。另外, January. I等人的研究表明9,社,2006:148-150用超声波可以测定膜污染的类型和大小。超声波清洗可以在MBR2]李志东,李娜,张洪林膜生物反应器MBR)处理废水的研究进展净过程中实行在线进行,然而由于超声波对微生物有杀灭作用,水技术,207,26(1):1821其在清洗过程中对活性污泥中的微生物的影响还有待进一步研3牛涛涛,汪建根,李振玉,等.膜生物反应器处理污水的研究进展门内5MBR的研究展望4]赵世杰.膜生物反应器的工艺特点与应用市政技术,200,21(1)53-5现阶段由于膜组件及材料价格昂贵,膜污染、膜清洗及高能耗等问题很大程度上限制了MBR在实际工程中的应用。本着清[5JFlemning H C. Bio-fouling on membranes: a microbiologicalapproach]. Desalination, 1998, 70: 95-199洁生产的思想,为促进MBR工艺在更多领域被广泛使用,其今[6 o ]Chiemchaisrie C, WongYK, Urase T. Organic Stabilization and Nitrogen后的研究重点应集中在以下几个方面:Removal in Membrane Separation Bioreactor for Domestic Wastewater成本高、寿命短、易受污染问题是影响膜生物反应器能否推广应[7uetr,HaaK, Kiknoka y. Treatment of Domestic Sewage from rural用的重要因素。目前已研制出的聚酰胺系列、聚丙酰胺系列等有Settlements a Membi ane Bioreactor for Domestic Wastewater机膜易污染,堵塞,只能在低温、低压下操作。应研制耐高温、 Treatmentl[. Wat Sei Tech,199,34(9)189196来,人们开始着力于仿生膜的制备研究,仿生膜具有良好的传递2001,27(2):1-3.8]韩怀芬,金漫彤.膜生物反应技术处理造纸废水试验[.水处理技术,性、分离性、选择性及生物兼容性,能解决许多传统膜材料难以克服的缺点。另外,还有将多种材料结合制膜的趋势。随着材料[9]韩怀芬,金漫形,黄玉柱,等,膜生物反应器处理难降解有机废水研究科学的发展,新型耐污染膜材料的开发将大大促进MBR工艺的[10丁岚,谢元华,钟圣俊,等,膜生物反应器法处理模拟印染废水门环境保护科学,2013,39(1)(2)改进曝气池池型。如曝气池内部放有填料,即悬浮活性污[11敏,雷易,一体式膜生物反应器处理中药废水2003,19(12):88-89膜的污染较小;曝气沉淀一体化池型,沉淀区的上部悬浮物浓度较低,因而降低高负荷混合液对膜的污染20。12]邬向东。膜生物反应器在石化污水处理与回用中的应用门中国膜工业信息,2005,109(3):11-19开发新型MBR工艺,并优化该工艺流程形式及运行条件。根据不同的水质及处理要求,用不同材质的膜及膜组件与各种生3]王尧,戴海平,吴杨超MBR工艺造炼油废水生化处理中的应用[.天物活性污泥废水处理技术相结合,开发出处理能力更大、耐污染14殷峻,陈英旭。膜生物反应器中的膜污染问题,环境污染治理技术垃圾焚烧厂沥滤液、动态膜生物反应器(DMBR)处理生活污与设备,2001,2(6):62-68.混凝MBR工艺处理印染废水、基因工程菌MBR工艺处理阿拉特]李军,张刚,江定国,等延缓膜生物反应器中膜污染的措施探讨[门]中国给水排水,2007,23(10):9-13聿废水等。另外,合理地调节曝气强度、抽吸间隔、膜清洗周期[l6]吕晓龙,韩殉,马世虎.聚偏氟乙烯中空纤维膜的改性研究[·天津等运行参数,控制适宜的压力、温度、流速等都能提高各种新型工业大学学报,2004,24-27MBR工艺处理效果。17Yeo A, Fane A G.m ance of indiidual fibe is in a sub merged6结语hollow fiber bundle[C]Proceeding of W A Special Conference Wate技术优势在各种防水处理中的应用了在的热点问题、与城市生,2m0142艺的现状。随着膜制造技术的进步,膜质量的提高和膜制造成本[19JJANUARY B, LIDIA W. Changes of some swage sludge parameters勺降低以及运行条件的优化,可以预见,MBR工艺在各种废水处repared with an ultrasonic field []. Water Sci Technol, 1997, 36(1):101-106和回用中将会愈来愈具有经济和技术上的竞争优势,为我国的2]孙秀云,王连军,田爱军,MBR在污水处理中的应用[.污染防治技废水处理工艺提供一种高效、简便、经济的选择,缓解了我国水术,2003,16(4):3941资源短缺的难题。(本文文献格式:李晓斌,MBR工艺在污水处理中的研究及应用[J].广东化工,2014,41(12):168-170)(上接第190页)3结论参考文献采用多种方法同步进行能力验证的盲样比对,可以使实验室1甄珍.微生物能力验证实验结果分析[],黑龙江农业科学,20116验证了检测人员的技术水平,该次能力验证共有190个实验室参[2]中华人民共和国卫生部,《化妆品卫生规范》(2007版)第四部分微生物加,其中142个实验室取得了满意结果,占参加此次能力验证实检验方法:四、铜绿假单胞菌[S]北京:中国标准出版社,2007[3]中华人民共和国卫生部,GBT7918.41987化妆品微生物标准检验方验室的747%,本实验室5个样品均取得满意结果。通过采用多法绿脓杆菌[S].北京:中国标准出版社,198种方法检验,结果表明,各种检测方法的测试结果相吻合;铜绿[4]中华人民共和国卫生部,《中华人民共和国药典》2010年版二部附录假单胞菌的检测中,《化妆品卫生规范》方法和国标方法中所用的X微生物限度检增菌液经过夜培养后比《中国药典》方法的增菌液更能初步判断查法[S].北京:国家药典委员会,2010出疑似菌的生长,金黄色葡萄球菌的检测中,国标方法及《中国5中华人民共和国卫生部,《化妆品卫生规范》(2007版)第四部分微生物高,不易出错,3M纸片法只需30h出检测结果,但结果需进[6]中华人民共和国卫生部,GBT7918.5-1987化妆品微生物标准检验方步用国标法确认,且成本较高, RiboFlow kit快速检测法只需法金黄色葡萄球菌[S].北京:中国标准出版社,198724h出检测结果,操作简单方便,值得推荐作为实验室的一种快[7中华人民共和国卫生部,中国国家标准化管理委员会.GB4789.10-2010速辅助检测方法。总之,这些方法各有其优缺点,综合应用在同食品安全国家标准食品微生物学检验金黄色葡萄球菌检验[S].北京:中国次实验中可以扬长避短,充分发挥其优点,从而使实验过程更标准出版社,2010加可控,报出结果更有把握性,为实验结果提供更有力的保证(本文文献格式力验证的多种方YH中国煤化工CNMHG,2014,41(1189-190)