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污水處理膜生物反應(yīng)器 MBR工藝分類與特點

      膜生物反應(yīng)器( Membrance Bioreactor Reactor，簡稱MBR)是膜分離與生物處理技術(shù)組合而成的廢水生物處理新工藝, 與傳統(tǒng)的生化處理技術(shù)相比，MBR具有以下主要特點：處理效率高、出水水質(zhì)好;設(shè)備緊湊、占地面積小;易實現(xiàn)自動控制、運行管理簡單。80年代以來，該技術(shù)愈來愈受到重視，成為水處理技術(shù)研究的一個熱點。目前，膜生物反應(yīng)器已應(yīng)用于美國、德國、法國、日本和埃及等十多個國家，處理規(guī)模在6～13000 m3/d。

      近兩年來，膜生物反應(yīng)器在我國國內(nèi)已進入了實用化階段。 MBR系統(tǒng)的處理對象從生活污水?dāng)U展到高濃度有機廢水和難降解工業(yè)廢水，如制藥廢水、化工廢水、食品廢水、屠宰廢水、煙草廢水、豆制品廢水、糞便污水、黃泔污水等。從目前的趨勢看，中水回用將是MBR在我國推廣應(yīng)用的主要方向。表1列舉了MBR在我國的應(yīng)用實例及處理效果。這些應(yīng)用實例表明：MBR對生活污水、高濃度有機廢水與難降解工業(yè)廢水的處理效果良好。

MBR工藝的組成與分類

      膜-生物反應(yīng)器主要由膜分離組件及生物反應(yīng)器兩部分組成。通常提到的膜 - 生物反應(yīng)器實際上是三類反應(yīng)器的總稱：

      ① 曝氣膜 - 生物反應(yīng)器 (Aeration Membrane Bioreactor, AMBR) ;

      ② 萃取膜 - 生物反應(yīng)器( Extractive Membrane Bioreactor, EMBR );

      ③ 固液分離型膜 - 生物反應(yīng)器( Solid/Liquid Separation Membrane Bioreactor, SLSMBR, 簡稱 MBR )。

曝氣膜-生物反應(yīng)器

      曝氣膜-生物反應(yīng)器最早見于 Cote.P 等1988年報道，采用透氣性致密膜(如硅橡膠膜)或微孔膜(如疏水性聚合膜)，以板式或中空纖維式組件，在保持氣體分壓低于泡點( Bubble Point )情況下，可實現(xiàn)向生物反應(yīng)器的無泡曝氣。該工藝的特點是提高了接觸時間和傳氧效率，有利于曝氣工藝的控制，不受傳統(tǒng)曝氣中氣泡大小和停留時間的因素的影響。

萃取膜-生物反應(yīng)器

      萃取膜-生物反應(yīng)器 又稱為 EMBR ( Extractive Membrane Bioreactor )。因為高酸堿度或?qū)ι镉卸疚镔|(zhì)的存在，某些工業(yè)廢水不宜采用與微生物直接接觸的方法處理;當(dāng)廢水中含揮發(fā)性有毒物質(zhì)時，若采用傳統(tǒng)的好氧生物處理過程，污染物容易隨曝氣氣流揮發(fā)，發(fā)生氣提現(xiàn)象，不僅處理效果很不穩(wěn)定，還會造成大氣污染。為了解決這些技術(shù)難題，英國學(xué)者 Livingston 研究開發(fā)了 EMB 。

      廢水與活性污泥被膜隔開來，廢水在膜內(nèi)流動，而含某種專性細(xì)菌的活性污泥在膜外流動，廢水與微生物不直接接觸，有機污染物可以選擇性透過膜被另一側(cè)的微生物降解。由于萃取膜兩側(cè)的生物反應(yīng)器單元和廢水循環(huán)單元是各自獨立，各單元水流相互影響不大，生物反應(yīng)器中營養(yǎng)物質(zhì)和微生物生存條件不受廢水水質(zhì)的影響，使水處理效果穩(wěn)定。系統(tǒng)的運行條件如 HRT 和 SRT 可分別控制在最優(yōu)的范圍，維持最大的污染物降解速率。

固液分離型膜-生物反應(yīng)器

      固液分離型膜-生物反應(yīng)器是在水處理領(lǐng)域中研究得最為廣泛深入的一類膜-生物反應(yīng)器，是一種用膜分離過程取代傳統(tǒng)活性污泥法中二次沉淀池的水處理技術(shù)。

      在傳統(tǒng)的廢水生物處理技術(shù)中，泥水分離是在二沉池中靠重力作用完成的，其分離效率依賴于活性污泥的沉降性能，沉降性越好，泥水分離效率越高。而污泥的沉降性取決于曝氣池的運行狀況，改善污泥沉降性必須嚴(yán)格控制曝氣池的操作條件，這限制了該方法的適用范圍。由于二沉池固液分離的要求，曝氣池的污泥不能維持較高濃度，一般在1.5~3.5g/L 左右，從而限制了生化反應(yīng)速率。水力停留時間(HRT )與污泥齡(SRT )相互依賴，提高容積負(fù)荷與降低污泥負(fù)荷往往形成矛盾。系統(tǒng)在運行過程中還產(chǎn)生了大量的剩余污泥，其處置費用占污水處理廠運行費用的25% ～40% 。傳統(tǒng)活性污泥處理系統(tǒng)還容易出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象，出水中含有懸浮固體，出水水質(zhì)惡化。針對上述問題， MBR 將分離工程中的膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)廢水生物處理技術(shù)有機結(jié)合，大大提高了固液分離效率，并且由于曝氣池中活性污泥濃度的增大和污泥中特效菌 ( 特別是優(yōu)勢菌群 ) 的出現(xiàn)，提高了生化反應(yīng)速率。同時，通過降低 F/M 比減少剩余污泥產(chǎn)生量(甚至為零)，從而基本解決了傳統(tǒng)活性污泥法存在的許多突出問題。

      根據(jù)膜組件和生物反應(yīng)器的組合方式，又可將膜 - 生物反應(yīng)器 分為分置式、一體式以及復(fù)合式三種基本類型。以下討論的均為固液分離型膜 - 生物反應(yīng)器。

分置式膜-生物反應(yīng)器

      分置式膜-生物反應(yīng)器把膜組件和生物反應(yīng)器分開設(shè)置，如圖所示。生物反應(yīng)器中的混合液經(jīng)循環(huán)泵增壓后打至膜組件的過濾端，在壓力作用下混合液中的液體透過膜，成為系統(tǒng)處理水;固形物、大分子物質(zhì)等則被膜截留，隨濃縮液回流到生物反應(yīng)器內(nèi)。

      分置式膜 - 生物反應(yīng)器的特點是運行穩(wěn)定可靠，易于膜的清洗、更換及增設(shè);而且膜通量普遍較大。但一般條件下為減少污染物在膜表面的沉積，延長膜的清洗周期，需要用循環(huán)泵提供較高的膜面錯流流速，水流循環(huán)量大、動力費用高 (Yamamoto, 1989) ，并且泵的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力會使某些微生物菌體產(chǎn)生失活現(xiàn)象 ( Brockmann and Seyfried, 1997 ) 。

一體式膜-生物反應(yīng)器

      一體式膜-生物反應(yīng)器是把膜組件置于生物反應(yīng)器內(nèi)部，如圖所示。進水進入膜-生物反應(yīng)器，其中的大部分污染物被混合液中的活性污泥去除，再在外壓作用下由膜過濾出水。這種形式的膜-生物反應(yīng)器由于省去了混合液循環(huán)系統(tǒng)，并且靠抽吸出水，能耗相對較低;占地較分置式更為緊湊，近年來在水處理領(lǐng)域受到了特別關(guān)注。但是一般膜通量相對較低，容易發(fā)生膜污染，膜污染后不容易清洗和更換。

復(fù)合式膜-生物反應(yīng)器

      復(fù)合式膜-生物反應(yīng)器在形式上也屬于一體式膜-生物反應(yīng)器，所不同的是在生物反應(yīng)器內(nèi)加裝填料，從而形成復(fù)合式膜-生物反應(yīng)器，改變了反應(yīng)器的某些性狀，如圖所示：

MBR工藝的特點

      與許多傳統(tǒng)的生物水處理工藝相比， MBR 具有以下主要特點：

      1 出水水質(zhì)優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定

      由于膜的高效分離作用，分離效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)沉淀池，處理出水極其清澈， 懸浮物和濁度接近于零，細(xì)菌和病毒被大幅去除 ，出水水質(zhì)優(yōu)于建設(shè)部頒發(fā)的生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)( CJ25.1-89 )，可以直接作為非飲用市政雜用水進行回用。

      同時，膜分離也使 微生物被完全被截流在生物反應(yīng)器內(nèi)， 使得系統(tǒng)內(nèi)能夠維持較高的微生物濃度，不但 提高了反應(yīng)裝置對污染物的整體去除效率，保證了良好的出水水質(zhì)，同時反應(yīng)器 對進水負(fù)荷(水質(zhì)及水量)的各種變化具有很好的適應(yīng)性，耐沖擊負(fù)荷，能夠穩(wěn)定獲得優(yōu)質(zhì)的出水水質(zhì)。

      2 剩余污泥產(chǎn)量少

      該工藝可以在高容積負(fù)荷、低污泥負(fù)荷下運行，剩余污泥產(chǎn)量低(理論上可以實現(xiàn)零污泥排放)，降低了污泥處理費用。

3 占地面積小，不受設(shè)置場合限制

      生物反應(yīng)器內(nèi)能維持高濃度的微生物量，處理裝置容積負(fù)荷高，占地面積大大節(jié)省; 該工藝流程簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積省，不受設(shè)置場所限制，適合于任何場合，可做成地面式、半地下式和地下式。

      4 可去除氨氮及難降解有機物

      由于微生物被完全截流在生物反應(yīng)器內(nèi)，從而有利于增殖緩慢的微生物如硝化細(xì)菌的截留生長，系統(tǒng)硝化效率得以提高。同時，可增長一些難降解的有機物在系統(tǒng)中的水力停留時間，有利于難降解有機物降解效率的提高。

      5 操作管理方便，易于實現(xiàn)自動控制

      該工藝實現(xiàn)了水力停留時間( HRT )與污泥停留時間( SRT )的完全分離，運行控制更加靈活穩(wěn)定，是污水處理中容易實現(xiàn)裝備化的新技術(shù)，可實現(xiàn)微機自動控制，從而使操作管理更為方便。

      6 易于從傳統(tǒng)工藝進行改造

      該工藝可以作為傳統(tǒng)污水處理工藝的深度處理單元，在城市二級污水處理廠出水深度處理(從而實現(xiàn)城市污水的大量回用)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

      7 膜-生物反應(yīng)器的不足

      膜-生物反應(yīng)器也存在一些不足。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

      1膜造價高，使膜 - 生物反應(yīng)器的基建投資高于傳統(tǒng)污水處理工藝;

      2 膜污染容易出現(xiàn)，給操作管理帶來不便;

      3 能耗高：首先 MBR 泥水分離過程必須保持一定的膜驅(qū)動壓力，其次是 MBR 池中 MLSS 濃度非常高，要保持足夠的傳氧速率，必須加大曝氣強度，還有為了加大膜通量、減輕膜污染，必須增大流速，沖刷膜表面，造成 MBR 的能耗要比傳統(tǒng)的生物處理工藝高。

      影響MBR應(yīng)用的關(guān)鍵因素研究

      由于膜通量的提高、膜壽命的延長會大幅度降低MBR的運行費用，因此，在保證出水水質(zhì)的前提下，膜通量應(yīng)盡可能大，這樣可減少膜的使用面積，降低基建費用與運行費用。因此控制膜污染，保持較高的膜通量，是MBR研究的重要內(nèi)容。而膜通量與膜材料、操作方式、水力條件等因素密切相關(guān)。

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