膜生物反应器废水处理研究

前言
近年来，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们对水环境质量的要求也越来越高。传统的生物处理工艺出水难以满足越来越严格的污水排放标准的要求，各种新型、改良的生物处理技术应运而生。而其中最引入注目的是用膜分离技术代替传统的重力式固液分离技术：膜－生物反应器组合污水处理工艺。膜生物反应器国际上于20世纪60年代开始研究、90年代得到快速发展和应用。作为一种新型的水处理技术,由于具有占地少、出水水质好，运行稳定可靠的等优点,受到了国内外水处理界的高度重视。
 
1 MBR处理原理及类型
1.1 MBR处理原理
膜生物反应器是生物处理技术与膜分离技术相结合的一种新型、高效的污水处理技术。它主要由生物反应器和膜组件两单元设备组成。利用微生物对反映机制进行生物转化，利用膜组件分离反应产物，并截留生物体，实现水利停留时间与污泥停留时间的彻底分离，消除了传统活性工艺的污泥膨胀问题，并且由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌的出现，提高了生化反应速率，同时，通过降低F/M比减少了剩余污泥产量，提高生化处理效果。
 
1.2 MBR主要类型
按膜组件的作用方式,MBR可分为内压式和外压式两种。内压式中,水的透过方向是从管内向管外,而外压式相反。在实际应用中大多使用的是外压式MBR,因为内压式MBR流道往往较小,容易被污染颗粒所堵塞。
按膜分离技术与生物反应器的组合方式,可分为分置式和一体式(淹没式)两种MBR:分置式MBR是指膜组件与生物反应器分开设置,靠加压泵加压,从生物反应器抽水压入膜组件中,膜的滤过水排出系统。一体式MBR是将膜组件直接浸没在生物反应器中,微生物在曝气池中好氧降解有机污染物,空气搅动在膜表面产生紊流,在这种剪切力的作用下,胶体颗粒被迫离开膜表面,减缓膜的堵塞,膜出水靠抽吸泵抽吸出水。^[1]
按膜组件在生物反应器中的作用不同可分为三种:固液分离MBR、无气泡膜曝气生物反应器(MABR)和萃取膜生物反应器( EMBR) 。其中固液分离MBR是最常用的。
 
2 膜生物反应器在废水处理中的研究
2.1 生活废水处理的研究
生活废水是膜生物反应器在水处理中最早涉及的领域，研究和应用都比较广泛。日本在1985年开始的“水综合再生利用系统90年代计划”把MBR研究在污水处理对象和规模上都大大推进了一步；加拿大的Zenon公司首先推出了超滤管式膜生物反应器,并将其应用于城市污水处理。各种研究表明膜生物反应器对生活污水中的有机物、含氮化合物、磷及其细菌和病毒的去除具备有良好的效果。
MBR对生活污水中有机物的去除来自于生物反应器对有机物的降解作用和膜对有机物的去除作用。In－Soung Chang研究发现膜表面的沉积层对溶解物的截留去除起着重要的作用。^[2]与传统活性污泥法相比，MBR对有机物的去除效率要高很多。史红文^[3]等人用MBR对生活污水处理试验结果表明；膜生物反应器对生活污水中COD、BOD₅、SS、浊度的去除率分别达到90％～97％、97％～99％，92％～99％、98％～100％；出水水质好，易于回用。张寿通等^[4]把0.5μm孔径的平板式不锈钢膜组件应用于高温好氧膜生物反应器中处理合成生活废水.在35～55℃温度范围,反应器具有较高的污染物去除效率,出水水质稳定。平均进水COD为853.3mg/L,出水为19.2mg/L,去除率为97.7%。 此外，在污泥产率方面，Rosenberger^[5]等的中试研究得到了一个重要结论：在比负荷率足够低（F/M≈0.07～0.1KgCOD/(KgMLSS·d)）时，膜生物反应器的污泥产率为零，反应器可以在无污泥排放的条件下稳定运行。
MBR可以通过膜的截留作用, 使硝化菌长期停留在好氧池内,延长了污泥龄,满足了硝化菌的生长。同时,在MBR中还发现存在反硝化除磷菌, 在脱氮的同时也能有效地去除磷。目前,国内外采用厌氧或缺氧－好氧串联工艺或序批式厌氧/好氧工艺对膜生物反应器进行了同时脱氮除磷研究,取得了较好的脱氮除磷效率。迟军等^[6]采用两级A/O工艺对模拟生活污水进行处理, 脱氮率达96%, 除磷率达70%。试验还证明利用生物脱氮化学除磷可提高总磷去除率。对MBR脱氮除磷的机理，王宝贞等^[1]研究证明, 在活性污泥中存在着反硝化除磷菌(DPB) ,它们在缺氧条件下进行反硝化脱氮的同时, 还能摄取磷。K. H. Ahna^[7]A²/O 膜生物反应器工艺中观察到同步脱氮除磷的现象, 证明部分聚磷菌具有利用硝酸盐进行脱氮的能力, 即利用这种细菌来进行生物除磷脱氮既可以基本解决碳源需求等问题,又可以用DPB来实现传统除磷脱氮工艺中的反硝化菌和聚磷菌两类细菌的功能, 减少污泥产量, 降低污泥处置费用,减少构筑物数量和所需体积。
此外，MBR工艺用于城市和生活污水处理的另一大优势是其物理消毒作用。几乎所有的MBR都取得了对治病菌和病毒的有效去除，出水中肠道病毒，总大肠杆菌，粪大肠杆菌等都低于检测线。刑传宏等在利用城市污水的会用处理中，也得出了MBR处理后出水微生物指标能达到市政用水会用水指标，因此，MBR在灰水回用方面有很大的潜力和优势，其原因之一就是MBR具有很好的消毒作用。^[3]
 
2.2 工业废水处理的研究
MBR作为一种强化的生物处理工艺，在工业废水的处理中也收到重视。但是，由于工业废水水质差异很大，不像生活污水那种具有较多的共同特点，因此，采用的工艺多种多样。
许多工业废水中都含有碳氢化合物和表面活性剂的混合物，如石油工业废水，压缩机的浓缩液，润滑油等。传统生物处理技术往往难以彻底降解稳定液中的碳氢化合物。膜生物反应器在含油废水的处理中具有一定的优势。膜高效截留作用可截留胶体、大分子有机物以烃类化合物；高的污泥浓度提高了生化反应速率，较长的SRT提高了含油废水中一些难降解化合物的能力。Scholez&Fuchs^[8]研究了膜生物反应器对稳定乳液中碳氢化合物和表面活性剂的生物降解性能，结果表明：在水力停留时间为13.3h，进水条件（0.26～0.54）g（碳氢化合物）/g(MLSS).d的工艺条件下，膜生物反应器对燃料油和润滑油的去除率达99.99％。
　    印染废水是一种有机物含量高、色度深、有毒、难降解的工业废水,膜生物反应器具有较高的COD和色度去除效率;同时具有较强的耐冲击能力，完全具有处理印染废水的能力。Z. Badani^[9]等人采用分离式好氧膜生物反应器处理印染废水, COD、色度的去除率分别达到97%、70%以上。同帜^[10]等采用A/O膜生物反应器处理印染废水,当水力停留时间为9～10小时,进水COD、色度分别为1500～2300 mg/L、800 ～1200倍,对COD、色度的去除率分别达到了95%、90%;邹海燕^[11]等把混凝剂Fe(OH)₃投入到膜生物反应器中形成生物铁法－膜生物反应器,在处理印染废水时与普通膜生物反应器进行平行对比试验,结果表明,生物铁法-膜生物反应器在提高处理效果、减轻膜污染、改善污泥性能方面具有明显优势。
任防振^[12]等利用兼氧/好氧膜生物反应器工艺对食品废水处理。结果表明,投加粉末活性炭的兼氧/好氧与膜生物反应器组合(A/O+MBR)对食品废水表现出良好的净化效果,化学需氧量(COD)的平均去除率为96%,NH₃-N的平均去除率为91%,对浊度的去除率基本达到100%。J.A.Scatt等采用好氧膜生物MBR处理高浓度食品工业废水，研究所用的分离膜为陶瓷膜，在废水温度25℃，进水COD浓度9600mg/l,BOD₅浓度5300mg/l和氮营养元素缺乏的条件下，MBR对COD、BOD₅、SS分别达到了98%、99%、99%的去除率。^[2]
各种研究均表明，膜生物反应器无论在处理高浓度易降解有机废水方面还是在处理有毒难降解有机废水方面都发挥着自身的优势，比传统的废水生物处理工艺有更好的处理效果。
 
3 膜污染研究
膜污染一般指滤饼层污染和吸附性污染，前者源于截留组分在膜表面的富集积聚，是热力学可逆的污染；后者源于污染物在膜表面的黏附，属热力学不可逆的污染。膜污染是限制MBR发展及工业应用的突出问题。
 
3.1 膜污染影响因素
膜污染的影响因素主要来自三个方面：（1）膜工艺的参数。如膜表面的错流速度，渗透通量等，这些参数决定了膜过滤是处于超临界区还是亚临界区。（2）膜的性质。如膜的标称孔径和膜的浸润性等，这些因素决定了滤饼层污染和吸附性污染的程度。（3）进料液的性质。如污泥浓度、污泥粒径及其分布，胞外聚合物的浓度等，这些因素往往决定边界层的性质。^[13]
 
3.1.1 膜表面的错流速度
提高膜表面的错流速度一般能够改善膜的透过性，即提高膜的临界流量。文献报告几乎都认为临界流量与膜污染的错流速度成比例线性增加。Fane和Zenon分别在悬浮物浓度为5g/L膜生物反应器中和采用了Zenon公司的膜组件后观察到这一现象。Howell^[14]等采用了Kubota公司标称孔径为0.4μm的平板式膜组件进行了浸没式膜生物反应器的研究，发现临界流量随表面的曝气流速增加而增加，但临界流量增加到23L/(m².h)后不再随曝气量而增加。关于此现象的解释可能基于雷诺数和团流态，也可能基于不同曝气强度时气液两相中气泡的形态。不论基于何种理论，研究表明无论采用何种形式的膜组件，都存在一个最大的曝气量，超过这一最大值后，增加曝气量不再进一步促进滤饼层的去除。
 
3.1.2 微孔滤膜的孔径
粗孔膜比细孔膜具有更严重的滤饼层污染趋势。Hong^[15]在恒压过滤的膜生物反应器中观察到类似的现象。以污染产生的阻力Rf于膜的阻力Rm的比值来衡量污染的程度，实际运行的膜生物反应器表明，这一比之为20％～2000％；而对于孔径细于0.02μm的多孔膜，这一比值普遍低于100％，随膜孔径的增加比值急剧增加。
 
3.1.3污泥性质
从滤饼层的形成机理看，直觉的会认为随着生物反应池悬浮污泥浓度的增加，膜污染的程度也会增加，但是其他众多文献报道的数据却相差甚大。Howell^[14]等在曝气速率83mm/s）不变的条件下测试了污泥浓度分别为5.38g/L、9.14 g/L、12.46 g/L和21.07 g/L的工作曲线的滞后效应，得出了这样的结果：污泥浓度低于12.46 g/L时，随污泥浓度增加临界流量反而增加，当污泥浓度超过这一数值后，增加污泥浓度才会导致临界流量的降低。
对活性污泥各组分的膜污染问题上，学术界一直存在争议。尽管对此问题未达成共识，但却有一点是共同的结论：虽然溶解性物质和胶体物质的尺寸远小于滤饼层主要组成成分的悬浮固体，但是它们同样对滤饼层的形成起到相当大的贡献。
此外，Li^[16]研究还表明，污泥的颗粒化程度和沉降性能构成了影响滤饼层的本质因素。至于污泥浓度与滤饼层的关系，可以大致认为低浓度条件下(MLSS<6 g/L),活性污泥浓度对膜污染影响很小；在中等浓度下（MLSS＝8 g/L～12 g/L）膜污染几乎不受污泥浓度的影响，只有在高浓度（MLSS>15 g/L）的情况下，污泥浓度的提高才带来显著的滤饼层污染。Melin等^[17]认为最佳的污泥浓度应该是12 g/L～15 g/L的中等浓度范围。
 
3.2 膜污染防治
3.2.1优化运行条件
根据临界通量的概念,当膜通量>临界通量时,膜污染急剧发展;当膜通量<这个值时,膜污染不发生或者非常缓慢。临界通量与膜的性质、混合液性质、运行条件等有关。桂萍等研究表明: 缩短抽吸时间或延长暂停时间和增加曝气量均有利于减缓膜污染, 但过短的抽吸时间、过长的暂停时间和过大曝气量不能进一步地减轻膜污染, 因此应在保证一定产水量的前提下确定适宜的抽、停时间和曝气量。选择合适的水力操作条件等于是在过滤操作的同时控制了膜污染,是比较理想的控制膜污染的办法。不同的污泥浓度下存在不同的经济曝气强度,即膜过滤压差上升速率最小的曝气强度,基本上经济曝气强度与污泥浓度成正比例关系,污泥浓度分别为3、6、8和10 g/L时,对应的经济曝气强度为36、72、84和120m³/(m²·h)^[18]。
 
3.2.2改善膜的性能
污水处理中对膜材料的选择主要依据污水的性质和膜本身的性质。在有足够机械强度的前提下,膜的孔径越小,厚度越薄,孔隙率越高,意味着可以得到更高的膜通量。亲水性膜比憎水性膜污染速率低,具有更好的抗污染性质,在处理家庭污水的MBR中,后者的压力增长速率是前者的2倍。另外,污水中的颗粒和杂质大多带有负电荷胶团,选用荷负电的膜,利用同种电荷相斥的原理,使污染物不易在膜面沉积,从而在一定程度上防止膜污染。对膜面或膜材料作预处理,使其带负电也可以达到同样的效果。膜本身性质的强化对膜污染的控制会起到颇具广泛性的作用。Hai-Yin Yu^[19]和Shaoyuan Zhang^[20]研究指出对膜面做等离子处理就可以使膜面结构、形态和亲水性发生改变,从而得到具有低污染指数的膜。
 
3.2.3　预处理措施
对混合液进行絮凝、沉淀、投加填料等预处理, 可有效降低混合液悬浮物浓度, 改善活性污泥或膜表面的性质, 从而减缓膜污染的速率。Shon 等^[21]采用四种不同的预处理方法: FeCl₃絮凝、粉末活性炭吸附、絮凝和吸附、粒状活性炭过滤, 结果发现采用絮凝和吸附方法可有效防止膜污染, 对TOC的去除率达到90%。膜污染物的主要组成部分是亲水性有机化合物,但经过絮凝和吸附预处理的污染的膜表面和干净膜表面的接触角几乎相等, 这表明经过预处理的膜表面形成了保护层, 经过预处理的膜最高的出水有机物浓度下降^[22]。
 
 3.2.4　膜的清洗
膜的清洗主要包括水力清洗和化学清洗,水力清洗包括水外洗和反冲洗。化学清洗包括碱洗和酸洗, 实际中往往采用多种清洗方式的组合对膜进行清洗,先水洗、后碱洗、再酸洗、最后水洗是有效的方法, 一般可使膜通量恢复到100%,各清洗方式对膜通量恢复的贡献则是根据污、废水的性质不同而略有不同。也有应用非常规技术方法对膜进行清洗的报道,如超声波清洗就得到了较好的清洗效果。
 
4 　发展展望
随着膜制造技术的进步，膜成本降低，MBR将得到更广泛的应用，其发展趋势可归纳为以下几个方面:
(1) 加强适应于污水处理的高通量、耐污染、长寿命和低价格的膜材料与组件的开发。
(2)加强膜－生物反应器应用过程中膜污染及控制对策的研究。
(3)不断降低能耗、投资与运行成本, 促进MBR技术的规模化应用, 达到与常规活性污泥法等多级处理技术相竞争的水平。
(4)利用膜的高效分离效果, 可进行高效菌种的选育, 也可用于含难降解有机物污水的处理。
(5)探索新型MBR。探索研究具有脱N除P性能新型MBR组合工艺,为解决水体富营养化和废水再生回用提供新的途径。
 
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