obs安卓版:膜生物反应器在我国的研究及应用

膜生物反应器在我国的研究及应用

表1  我国MBR研究状况 科研单位 篇数（%） 反应器 废水 清华大淡 35（33.6%) 分离式（无机膜）
抽吸淹没式 生活污水 同济大学 19（18.3) 分离式 高浓度有机废水 生态环境研究中心 10(9.6) 分离式 印染，石化废水 哈尔滨建筑大学 8(7.7) 重力淹没式 生活污水 天津大学 9(8.7) 重力淹没式 生活污水 其它高校及科研 23(22.1) 分离式 生活污水、啤酒废 单位 抽吸淹没式 水、港口污水等

1 MBR的忧点

　　在MBR的特点中，良好的出水水质与较低的污泥产率最受关注。
1.1 良好的污染物去除效果
MBR在我国的研究始于1993年，研究者对分离式MBR、抽吸淹没式MBR、重力淹没式MBR与传统生物处理工艺在城市污水处理方面进行的比较研究表明：各种MBR的出水水质均优于传统生物处理工艺表2和表3分别为MBR处理生活污水的实验参数与处理效果，经MBR处理后的生活污水，COD、BOD5、浊度都很低，大部分细菌、病毒被截留，出水水质已达到或优于建设部生活杂用水水质标准（CJ25.1-89），可直接作为楼房中水回用、城市园林绿化、扫除、消防等用水。并且膜的截留作用防止了硝化细菌的流失，给生物反应器内的高浓度硝化细菌的保持创造了有利的条件，从而大大提高了硝化效率。汪诚文、张军对一体式MBR硝化特性的研究表明：MBR对氮的去除效果高达97％。但研究也表明：MBR对氮的去除效果易受温度、冲击负荷、HRT等因素的影响。

表2  MBR处理生活污水的实验参数 MBR 流程 膜面积m² 膜材料 膜孔径μm 膜组件 膜通量L.m-2.h^-1 TMP/kPa 运行天数/d 分离式 好氧 0.04 陶瓷膜 300000* 管式 75-150
40 好氧+填料 0.88 PAN 20000* 平板超滤 20-45 150 60 好氧+填料 1.0 PS 30000* 中空 25-35 100 70 抽吸淹没式 A/O+填料 1 PVC 0.01 中空超滤 2.3 50-120 140 好氧 2.0 PE 0.03 中空 10.4 0-35 140 好氧 3.5 PP 0.05 中空 6 60 60 好氧 4 PVC 30000* 中空超滤 11 ＜100 30 好氧 13.9 PE 0.2 中空 8.7-12.8 60 160 好氧 32 PE 0.4 中空 11-13.8 ＜60 216 重力淹没式 好氧 0.3 PE 0.1 中空 27.7 10-52.6 30 好氧 1 PS 0.34 平板 3.6 15 34 好氧 8 PE 0.4 中空 12.5 5.4-11 38 好氧 12 PVDF 0.22 中空 16.7 0.8-1.3 150

* 截留分子量
　　在我国，MBR同时应用于生活污水与工业废水处理的研究。表4和表5分别为MBR处理各种工业废水的实验参数与处理效果。这些研究结果都表明：MBR对各种高浓度有机废水与难降解废水的COD，NH₃-N.SS，浊度等都达到良好的去除效果。1993年华东理工大学环境工程研究所进行了分离式陶瓷膜MBR处理人工合成污水和制药废水的可行性研究；1995年，樊耀波将MBR用于石油化工污水净化的研究；王连军用无机膜一生物反应器（IMBR）处理啤酒废水；何义亮采用膜一厌氧生物反应器处理高浓度食品废水：当COD负荷低于2kg/（m³.d）时，膜出水COD去除率在90％以上；营运涛用两相厌氧MBR处理人工配制淀粉废水：COD负荷在4－24kg／（m³.d）时，COD去除率可达95％以上；桂萍用MBR处理喹啉、EDTA、聚乙二醇三种难降解有机物，发现MBR对COD去除率、难降解有机物去除率、抗冲击负荷能力都高于活性污泥法；吴志超采用MBR与常规生物工艺处理巴西基酸生产废水的对比研究也表明：MBR产泥量少，污泥活性高，能提高大分子难降解有机物的去除率；樊耀波、郑祥用MBR处理毛纺印染废水的小试、中试研究表明：经MBR处理后的废水能达到中水回用标准。

　　%：去除率

表4  MBR处理工业废水的实验参数 废水 流程 膜面积m² 膜材料 膜孔径μm 膜形式 膜通量L.m^-2.h^-1 膜面流速m.s^-1 运行天数d 啤酒 好氧 0.022 陶瓷膜 - 管式 - 6.2 - 石化 好氧 0.035 PAN 50000* 中空 60-70 3.5 61 食品 厌氧 0.64 PES 20000* 板框式 12.5-25 - - 印染 A/O 12 PAN 50000* 中空 35-45 1.3-3.6 125 港口 接触氧化 - OE 0.1 中空 - - - 制药 好氧 - PP 0.2 中空 - - - 印染 A/O 44 PE 0.1 中空 9.1-12 - 160

　　*截留分子量

表5  MBR对工业废水的处理效果 废水 COD/mg,L^-1 NH₃-N/mg.L^-1 SS/mg.L^-1 U_V*/kg.m^-3.d^-1 Us*/kg.kg^-1.d^-1 HRT/h SRT/d 石化 进水 542 58.5 118 0.80 0.58 13.9 9.5 出水 26.7 7.3 4.6 去除率% 91 86 93 印染 进水 256.5 1.05 - 0.83-2.45 0.6-1.8 5.4-9.4 出水 20.2 0.56 - 去除率% 92.4 47 - 食品 进水 2000-15000 - 600-1000 2-5 0.33-0.63 60 出水 - - - 去除率% 70-90 - 100 啤酒 进水 413-1621 44-75 74-94 3.5-6.3 - 3.5-5 出水 ＜40 0.12-0.84 6-10 去除率% 96 99 90 港口 进水 120-150 10-30 200-450 1.5-2.2 - - 出水 ＜20 ＜5 0 去除率% - - - 巴西基酸 进水 3000-12000 - - 1.2-4.8 0.15-0.17 12-48 5-50 出水 139-160 - - 去除率% - - -

　　*Uv=容积负荷，Us=污泥负荷

1.2 污泥产率低
　　活性污泥法是城市污水和工业废水处理应用最广泛的生物处理方法，它把废水中的有机污染物转化为生物体、CO₂和H2O的同时，产生大量的剩余污泥。目前剩余污泥的处理与处置己成为污水处理厂能否正常运行的制约因素之一，它的费用占到污水处理厂总运行费用的25％－40％，甚至高达60％。因此，从源头减少污泥的产生量就显得非常必要和关键，这些因素推动和促进了具有剩余污泥少特点的MBR技术的开发及研究。
　　理论上讲，膜生物反应器能将污泥完全截留在生物反应器内，实现不排泥操作——污泥零排放。1991年，在MBR处理生活污水的小试中，Chaize和Huyard首次研究了MBR对污泥产率的影响，在SRT为50d和100d时，污泥产量大大减少，他们认为这是低F／M比例和较长污泥龄的结果。Muller在处理生活污水的中试研究发现：当污泥浓度（MLSS）高达4060gL-1和污泥完全截留SRT＝（∞）时，几乎不产生污泥。桂萍在不同SRT（5—80d）条件下，用一体式MBR处理生活污水发现：理论产率系数YG与衰减系数b值随SRT的延长而下降。刘锐用一体式MBR处理生活污水，在280天的未排泥的条件下运行，发现表观产率系数Yb随运行时间的延长呈明显的降低趋势，Yb从运行初期的0.248kgVSS／KgCOD下降为0.038kgVSS/KgCOD。张绍园应用食物链中能量递减的原理，在两段式MBR中引入后生动物一蠕虫（worm），发现有蠕虫存在时，其污泥产率低于常规活性污泥法污水处理系统；当蠕虫浓度保持100个/ml以上时，污泥产率为0.1kgSS/(kg去除COD），污泥产率为0.1kgSS／（kg去除COD），约为常规活性污泥法的1／4。但该方法还有待进一步的研究，如维持蠕虫在系统内最佳数量，使污泥产率趋向于零，达到不排放污泥的目的。

表6  MBR的污泥产率 SRT（d） Yb(kgVSS/KgCOD) b(l/d) SRT(d) Yb(kgVSS/kgCOD) b(l/d) 5 0.14 0.32 5 0.38 0.08 10 0.14 0.17 10 0.26-0.30 0.08 20 0.076 0.18 15 0.16-0.17 0.08 40 0.072 0.09 5 0.26 0.05 80 0.056 0.05 10 0.23 0.05 1315 0.038-0.248 0.023 20 0.19 0.05 - 0.04-0.12
50 0.098 0.05

2 膜生物反应器运行的影响因素

　　膜生物反应器由膜分离单元与生物处理单元组成，因此影响MBR稳定运行的因素不仅包括常规生物动力学参数：容积负荷、污泥浓度、污泥负荷等，还包括膜分离的参数：膜的固有性质（膜材料、膜孔径、荷电性等）、滤液的性质、操作方式、反应器的水力学条件等。其中生物动力学参数主要影响MBR的处理效果，膜分离参数主要影响MBR的处理能力。
2.1 影响MBR稳定运行的生物动力学参数
2.1.1 有机负荷
　　研究表明：好氧MBR出水受容积负荷与水力停留时间（HRT）的影响较小，而厌氧MBR出水受冲击负荷与HRT的影响较大。李红兵用MBR处理生活污水，在水力停留时间为1.5、5.8h，COD或负荷在高负荷（5.76Kg/(m³.d)与稳态运行新下0.8^-1 kg/(m³.d)处理效果基本相同，系统对COD去除率都达到90％以上。吴志超采用好氧MBR处理巴西基酸生产废水发现：容积负荷分别为1.2、2.4、3.6、4.8kg／m³.d)，出水COD浓度变化不大；且HRT对出水水质无明显的影响。而何义亮用厌氧MBR处理高浓度食品废水却发现：当容积负荷从2kg／（m³.d）升高到4.5kg／(m³.d），COD去除率从90％下降至70％；且HRT对处理效果有重要影响。对这些研究的比较发现：在好氧MBR中，污泥浓度随容积负荷的增加迅速升高，有机物去除速率加快，污泥负荷基本保持不变，从而抑制出水水质的恶化；而在厌氧MBR中，污泥浓度升高缓慢，污泥负荷与容积负荷几乎呈正相关关系，因此厌氧MBR出水水质易受容积负荷的影响。
李红兵、顾平对MBR处理生活污水的研究表明：冲击负荷对有机物的去除没有显著的影响，但NH₃－N受冲击负荷影响明显，出水NH3-N的恶化程度与冲击负荷的大小成正比。这一现象可能是由于膜的拦截作用对NH₃－N的去除并无贡献，因此MBR对氮的去除效果易受生物反应器处理效果影响。顾平的研究还发现：在冲击负荷条件下，膜通量衰减幅度是正常COD负荷的数十倍。通过分析冲击负荷期间进水COD和MLSS间的关系，发现反应器内MLSS的变化规律与最大膜通量的降低有类似之处，COD冲击负荷使反应器内活性污泥浓度迅速增加，混合液的粘度增加，从而使液-固分离困难；同时处于对数增长期的污泥活性高、有大量细胞外聚合物存在，增加了膜过滤阻力，导致膜最大出水量降低。
2.1.2 污泥浓度
　　污泥浓度是MBR系统的重要参数，不仅影响有机物的去除能力，还对膜通量产生影响。许多研究都表明污泥浓度与溶解性微生物产物是影响膜通量的重要参数。表7为MLSS对膜通量、过滤阻力的影响，这些研究成果表明：一定条件下污泥浓度越高，膜通量愈低。顾平在一体式MBR处理生活污水的研究却发现：当曝气强度足够大时（气水比近似100：1），MLSS由10g／L变化到35g/L时，MLSS与膜通量没有明显的相夫性；但如果降低暖气强度，MLSS对膜通量可能产生一定的影响。
　　污泥浓度对膜通量的影响程度与曝气强度，膜面循环流速，水力学条件等密切相关。桂萍应用正交试验的方法对一体式MBR中膜污染速度与污泥浓度、曝气量和膜通量的关系进行考察，研究结果表明：不同污泥浓度均存在一个污泥在膜表面大量沉积的临界膜通量，当膜通量小于临界膜通量，膜污染主要由溶解性有机物在膜面的沉积引起；当膜通量大于临界膜通量，膜污染主要由悬浮污泥在膜面的沉积引起；在污泥浓度较低时，曝气强度对膜的污染影响不大，在中、高污泥浓度条件下，增加曝气强度有利于减缓膜污染；临界膜通量J与污泥浓度MLSS、曝气强度QA有以下关系：QA／J=8.34e0.07MLSS.但该试验中各变量的取值范围较窄。刘锐在桂萍试验的基础上，采用均匀设计法，扩大各变量的取值范围，以膜过滤阻力上升速率K作为膜污染发展速度的表征指数，建立了膜污染发展速度模型：K=8.933*10⁷.△P.MLSS^0.532.J^0.376ULr^-3.047，膜过滤阻力上升速率K随膜通量J与污泥浓度MLSS的增加而增加，随膜间液体上升流速ULr的增加而减小。

表7  MLSS对膜通量、膜阻力的影响 膜材料 膜型式 MLSS/g.L^-1 溶解性COD/mg.L^-1 MLSS对膜通量、过滤阻力影响
MLSS/g.L^-1,MLSS*/mg.l^-1,Jv/m³.m^-2.d^-1,J/L.m^-2.h^-1 PS/PAN 分离式 - - Jv=-1.82log(MLSS*)+8.68 PAN.PS 分离式 5-15 - Jv=-1.57log(MLSS*)+7.8 - 一体式 - - Jv=-0.42log(MLSS*)+1.68 PAN 分离式 2-20 - J=-4.2062mlss+126.38 PE 一体式 1-10 70 Q_A/J=8.34e^0.07MLSS PS - 该文章同时发表在 "膜法水处理技术”博客圈，
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