MBR工藝在廢水處理中應(yīng)用進(jìn)展
膜生物反應(yīng)器(Membrane bioreactor，MBR)是一種將膜分離技術(shù)和生物降解技術(shù)有機(jī)結(jié)合而成的新型水處理技術(shù)。該工藝?yán)媚し蛛x設(shè)備將生化反應(yīng)池中的大分子有機(jī)物和活性污泥截留在池中，從而可*省掉二沉池；它幾乎能將所有的微生物截留在生物反應(yīng)器中，使得反應(yīng)器中保持很高的微生物量，污泥齡可以很長，使出水中的有機(jī)污染物含量降到zui低，有效地去除氮、磷污染物，因此，MBR工藝具有許多其它生物處理工藝不可比擬的優(yōu)勢。在應(yīng)用方面，MBR工藝既可用于生活污水的處理，也可用于難降解工業(yè)廢水的處理，經(jīng)處理排出的水還可以作為中水回用，所以MBR工藝具有廣闊的應(yīng)用前景。
1、MBR工藝概述
1.1 MBR工藝凈水原理
MBR工藝首先利用生物反應(yīng)器中微生物的降解作用對(duì)廢水進(jìn)行處理，再經(jīng)過膜的分離將大分子有機(jī)物和活性污泥截留在生物反應(yīng)器當(dāng)中。通過膜的分離技術(shù)大大強(qiáng)化了生物反應(yīng)器的處理性能，使活性污泥濃度大大提高，MBR工藝的水力停留時(shí)間(HRT)和污泥停留時(shí)間(SRT)可以分別進(jìn)行控制，提高了工藝的操作性。
1.2 類型
MBR的主要類型如表1所列。
| 分類依據(jù) | 種類 |
| 膜組件功能 | 膜—曝氣生物反應(yīng)器、萃取膜
生物反應(yīng)器、膜分離生物反應(yīng)器 |
| 膜組件與生物反應(yīng)器組合形式 | 分置式、一體式、復(fù)合式 |
| 膜組件形式 | 管式、板框式、中空纖維式 |
| 壓力驅(qū)動(dòng)形式 | 外壓式、抽吸式 |
| 生物反應(yīng)器類型 | 好氧型、厭氧型 |
表1 MBR的分類1.3 特點(diǎn)1.3.1 MBR工藝的*性(1)出水水質(zhì)穩(wěn)定。MBR能夠進(jìn)行的固液分離，膜單元能夠截留可溶性大分子化合物和微生物，出水水質(zhì)良好，可進(jìn)行回用。(2)耐負(fù)荷沖擊。MBR的微生物濃度遠(yuǎn)高于其他生物反應(yīng)器，裝置能夠處理的容積負(fù)荷大，當(dāng)進(jìn)水的有機(jī)物濃度變化較大時(shí)，單位質(zhì)量微生物在單位時(shí)間內(nèi)處理的有機(jī)物質(zhì)量，即有機(jī)負(fù)荷率變化不會(huì)很大，那么系統(tǒng)的處理效果也不會(huì)有很大變化。(3)工藝流程簡單，工藝參數(shù)易于控制。(4)剩余污泥量少，降低了污泥的處理費(fèi)用。(5)對(duì)氨氮和難降解有機(jī)物的去除效果良好。(6)操作管理方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。1.3.2 MBR 工藝的不足(1)膜組件造價(jià)高，工程投資較大，比常規(guī)處理方法高30%~50%。(2)膜容易被污染，需要定期進(jìn)行清洗，給操作管理帶來了不便。(3)能耗較高，因?yàn)槟嗨蛛x過程需要一定的膜驅(qū)動(dòng)力，而且生物反應(yīng)器中污泥濃度很高，要有足夠的氧傳遞速率，需要加大曝氣量。(4)目前的膜壽命都比較短，膜組件一般只能使用5 年左右，需要到期更換，進(jìn)一步增加了運(yùn)行成本。2、國內(nèi)外研究與應(yīng)用進(jìn)展2.1 國外研究與應(yīng)用進(jìn)展1966 年Dorr-Oliver公司*次將膜技術(shù)用于廢水處理。1969年美國的Smith結(jié)合活性污泥法和超濾膜組件進(jìn)行城市污水處理的研究，該研究中用膜分離技術(shù)取代了二沉池，形成了MBR工藝的雛形。20世紀(jì)70年代初期，MBR處理城市污水的研究規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，但由于膜生產(chǎn)技術(shù)的限制，20世紀(jì)70年代中期好氧MBR才開始在北美得到應(yīng)用。20世紀(jì)80年代，隨著膜材料的發(fā)展，MBR工藝也得到了迅速發(fā)展。由于日本國土面積小，地表水體因徑流距離短而導(dǎo)致自凈能力差，MBR技術(shù)得到大力研究和應(yīng)用。1983~1987年，日本就有13家公司使用好氧MBR工藝處理大樓廢水，處理后的水進(jìn)行中水回用。1985年日本的“水綜合再生利用系統(tǒng)90年代計(jì)劃”大大推進(jìn)了MBR的處理對(duì)象和規(guī)模。20世紀(jì)90年代以來，MBR工藝得到迅猛發(fā)展，并逐漸進(jìn)入應(yīng)用階段，許多歐洲國家將MBR用于生活污水和工業(yè)廢水的處理。世界上*套大型MBR安裝于美國俄亥俄州Mansfield的通用電機(jī)廠。由于的污水處理能力和中水回用效率，MBR在近年維持著每年高于10%的增長率。目前，世界上設(shè)計(jì)運(yùn)行能力zui大的MBR廢水處理工程是位于美國華盛頓州金縣的布賴特沃特污水處理工程，主體工程2011年9月開始運(yùn)營，設(shè)計(jì)處理量為13.6 萬m3/d，預(yù)計(jì)到2040年處理量將要達(dá)到20.4萬m3/d。近年來，人們對(duì)MBR 工藝的研究和應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，該技術(shù)正在逐漸趨于成熟。2.2 國內(nèi)研究與應(yīng)用進(jìn)展我國對(duì) MBR工藝的研究起步較晚，至今只有十多年的時(shí)間，但發(fā)展十分迅速。1991年，我國報(bào)道了MBR在日本的應(yīng)用情況，此后，MBR在我國污水處理方面的研究和應(yīng)用逐漸展開。在我國進(jìn)行MBR工藝研究的主要是一些高等院校和科研單位，1992年天津大學(xué)開展了利用中空纖維膜進(jìn)行泥水分離的研究，對(duì)MBR處理污水及回用進(jìn)行了研究。清華大學(xué)錢易教授的團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了九五科技攻關(guān)課題“膜生物反應(yīng)器處理染料等工業(yè)廢水研究”，863重大課題“新型膜生物反應(yīng)器的研制與應(yīng)用”等一系列重大科研項(xiàng)目。中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境中心的樊耀波、鄭祥等較深入研究了MBR反應(yīng)器在石化廢水及毛紡廢水的應(yīng)用。隨著研究的逐漸深入，MBR的處理對(duì)象延伸到石化廢水、高濃度有機(jī)廢水、食品廢水、啤酒廢水、礦區(qū)廢水、印染廢水、養(yǎng)殖廢水等，對(duì)不同廢水的處理效果、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、操作條件的優(yōu)化等方面均進(jìn)行了廣泛深入的研究。目前我國的MBR工藝雖較多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，但也有不少應(yīng)用于實(shí)際工程。截至2013年底，我國已有50多個(gè)規(guī)模超萬噸的MBR工程投入到運(yùn)行中，累計(jì)處理能力超過230萬噸/天。MBR工程在華北地區(qū)主要用于市政污水處理和再生水回用，在東南地區(qū)主要用來處理高濃度有機(jī)廢水與難降解工業(yè)廢水。預(yù)計(jì)到2015年，我國投入運(yùn)行和在建的MBR系統(tǒng)累計(jì)處理能力將超過500萬噸/天。表2列出了我國部分MBR工程的應(yīng)用情況。
| 單位 | 原水類型 | 水處理量/(m3·d-1) | 投運(yùn)年份 |
| 北京密云再生水廠 | 市政污水 | 45000 | 2006 |
| 北京北小河污水處理廠 | 生活污水 | 60000 | 2007 |
| 內(nèi)蒙古金橋電廠 | 電廠廢水 | 31000 | 2006 |
| 無錫碩放水處理廠 | 生活污水 | 20000 | 2009 |
| 廣東惠州大亞灣石化 | 石化污水 | 25000 | 2006 |
| 天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院 | 醫(yī)院污水 | 1000 | 2005 |
| 徐州卷煙廠污水處理及中水回用項(xiàng)目 | 卷煙廢水 | 2000 | 2007 |
| 安徽省某新農(nóng)村社區(qū)污水處理站 | 農(nóng)村污水 | 500 | 2012 |
表2 我國部分MBR工程從表2可以看出，我國MBR工藝的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)擴(kuò)展到生活污水、工業(yè)廢水、卷煙廢水、醫(yī)院廢水等各個(gè)行業(yè)。3、研究熱點(diǎn)與前景展望3.1 膜污染3.1.1 膜污染及其危害膜污染指的是與膜接觸的污水中的膠粒、微粒以及溶質(zhì)分子等在物理、化學(xué)、生化作用和機(jī)械作用下，在膜表面或膜的微孔內(nèi)積累、沉積，微生物在膜表面積累，使得膜孔徑變小和堵塞，使膜通量和分離特性大幅度下降的現(xiàn)象。膜污染的產(chǎn)生直接導(dǎo)致膜通量的下降，大大縮短了膜的使用壽命，就需要增加更換膜組件的頻次，從而提高了MBR系統(tǒng)的運(yùn)行成本。3.1.2 膜污染的來源(1)微生物產(chǎn)生的胞外聚合物(EPS)。EPS主要是在一定環(huán)境條件下，微生物在其代謝過程中分泌的包圍在微生物細(xì)胞壁外的多聚化合物，主要成分為蛋白質(zhì)和多糖。EPS的積累會(huì)引起混合液粘度的增加，容易在膜表面形成凝膠層，導(dǎo)致膜過濾阻力增加。(2)溶解性有機(jī)物質(zhì)(SMP)。SMP主要是微生物基質(zhì)分解過程和內(nèi)源呼吸過程中產(chǎn)生的腐殖質(zhì)、多糖和蛋白質(zhì)等物質(zhì)。這類物質(zhì)極易堵塞膜孔，而且還會(huì)對(duì)污泥活性產(chǎn)生影響引起嚴(yán)重的膜污染。(3)污泥濃度。MBR中的污泥具有較高的污泥濃度和SRT，隨著污泥濃度增加，污泥和污水的粘度都會(huì)隨之增加，一方面使得污泥在膜表面沉積，另一方面影響氧氣傳質(zhì)效率，兩方面的原因都會(huì)加劇膜污染。3.2 膜污染的控制措施(1)改善膜性質(zhì)。通過化學(xué)改性將疏水性膜轉(zhuǎn)變成親水性膜，親水膜與水分子之間形成氫鍵，能夠在膜表面形成一層水分子層，對(duì)保護(hù)膜免受污染有積極作用。常用的改性方法有接枝、共聚、交聯(lián)、等離子或放射性刻蝕等。(2)優(yōu)化膜組件設(shè)計(jì)。膜組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括膜材料和膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及合理的流道結(jié)構(gòu)和裝填密度。膜材料通常選用親水性的，膜結(jié)構(gòu)一般選用不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可降低膜孔堵塞。還需要結(jié)合水力條件，合理設(shè)計(jì)膜組件與曝氣裝置間的距離，既不影響氣體傳質(zhì)效率，又能提高液體的上升速率以減輕污泥在膜表面的積累。(3)優(yōu)化操作條件。對(duì)操作條件的優(yōu)化包括尋找系統(tǒng)的*錯(cuò)流速度，選擇合適的臨界膜通量，進(jìn)行間歇抽吸操作，采取合理的曝氣強(qiáng)度，選用合適的操作溫度。在上述條件的綜合作用下，可減小膜阻力、改善膜的通透性、zui大程度減輕膜污染，從而延長膜的使用壽命。(4)改善混合液特性。與膜直接接觸的混合液是造成膜污染的根本原因，所以對(duì)混合液進(jìn)行有效的預(yù)處理，可以起到優(yōu)化混合液性質(zhì)的作用，有助于減輕膜污染。向混合液中投加填料也是一種改善混合液性質(zhì)的途徑，通常投加的是粉末活性炭、沸石、絮凝劑、泡沫填料等。3.3 MBR工藝前景展望由于該工藝存在膜組件價(jià)格昂貴、膜污染控制難度大、膜清洗不*等問題，今后MBR工藝的研究重點(diǎn)將集中在以下幾個(gè)方面：(1)膜污染的機(jī)理和控制技術(shù)。利用新技術(shù)和新方法探究膜污染的機(jī)理，才能制定出更加簡單有效的控制措施來減緩膜污染的發(fā)生。(2)研發(fā)、高性能、耐污染和經(jīng)濟(jì)可行的膜材料。開發(fā)出新型耐污染的膜將大大推動(dòng)MBR工藝的應(yīng)用。(3)優(yōu)化MBR工藝的整體運(yùn)行流程和運(yùn)行條件，保證更良好穩(wěn)定的處理效果，降低能耗。MBR工藝由于其對(duì)廢水的處理效果良好，可滿足中水回用的要求而受到廣泛關(guān)注和研究，在水資源逐漸匱乏的今天顯示出良好的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。但尚需要解決其工藝流程和運(yùn)行條件的優(yōu)化、膜污染的機(jī)理與有效控制途徑、經(jīng)濟(jì)型膜材料的開發(fā)等問題，才能進(jìn)一步推廣MBR工藝的應(yīng)用，使其成為今后替代傳統(tǒng)廢水處理工藝的有力競爭者，為我國的廢水處理行業(yè)提供一種并且經(jīng)濟(jì)可行的選擇，為緩解水資源短缺問題做出貢獻(xiàn)。
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