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MBR技術資料
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MBR工藝

在污水處理,水資源再利用領域,MBR又稱膜生物反應器,是一種由活性污泥法與膜分離技術相結合的新型水處理技術。

中文名 MBR工藝

外文名 Membrane Bio-Reactor

     新型水處理技術

     膜分離組件及生物反應器

介紹

在污水處理,水資源再利用領域,MBR又稱膜生物反應器(Membrane Bio-Reactor),是一種由活性污泥法與


膜分離技術相結合的新型水處理技術。膜的種類繁多,按分離機理進行分類,有反應膜、離子交換膜、滲透膜等;按膜的性質分類,有天然膜(生物膜)和合成膜(有機膜和無機膜);按膜的結構型式分類,有平板型、管型、螺旋型及中空纖維型等。

工藝組成

- 生物反應器主要由膜分離組件及生物反應器兩部分組成。通常提到的膜 - 生物反應器實際上是三類反應器的總稱: 曝氣膜 - 生物反應器(Aeration Membrane Bioreactor, AMBR) 萃取膜 - 生物反應器( ExtractiveMembrane Bioreactor, EMBR ); 固液分離型膜 - 生物反應器( Solid/Liquid SeparationMembrane Bioreactor, SLSMBR, 簡稱 MBR )。

曝氣膜

曝氣膜 -生物反應器***早見于 Cote.P 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,可實現向生物反應器的無泡曝氣。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,不受傳統曝氣中氣泡大小和停留時間的因素的影響。如圖 [1] 所示。

萃取膜

萃取膜 - 生物反應器 又稱為 EMBR Extractive Membrane Bioreactor)。因為高酸堿度或對生物有毒物質的存在,某些工業廢水不宜采用與微生物直接接觸的方法處理;當廢水中含揮發性有毒物質時,若采用傳統的好氧生物處理過程,污染物容易隨曝氣氣流揮發,發生氣提現象,不僅處理效果很不穩定,還會造成大氣污染。為了解決這些技術難題,英國學者 Livingston研究開發了 EMB 。廢水與活性污泥被膜隔開來,廢水在膜內流動,而含某種專性細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的微生物降解。由于萃取膜兩側的生物反應器單元和廢水循環單元是各自獨立,各單元水流相互影響不大,生物反應器中營養物質和微生物生存條件不受廢水水質的影響,使水處理效果穩定。系統的運行條件如 HRT SRT 可分別控制在***優的范圍,維持***大的污染物降解速率。

固液分離型膜

固液分離型膜 - 生物反應器是在水處理領域中研究得***為廣泛深入的一類膜 -生物反應器,是一種用膜分離過程取代傳統活性污泥法中二次沉淀池的水處理技術。在傳統的廢水生物處理技術中,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格控制曝氣池的操作條件,這***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***了生化反應速率。

水力停留時間 HRT )與污泥齡( SRT)相互依賴,提高容積負荷與降低污泥負荷往往形成矛盾。系統在運行過程中還產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% 。傳統活性污泥處理系統還容易出現污泥膨脹現象,出水中含有懸浮固體,出水水質惡化。

針對上述問題, MBR將膜分離技術與傳統生物處理技術有機結合,MBR實現污泥停留時間和水力停留時間的分離,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 (特別是優勢菌群 ) 的出現,提高了生化反應速率。同時,通過降低 F/M比減少剩余污泥產生量(甚***為零),從而基本解決了傳統活性污泥法存在的許多突出問題。

工藝類型

以下討論的均為固液分離型膜 - 生物反應器。 根據膜組件和生物反應器的組合方式,可將 膜 - 生物反應器 分為分置式、一體式以及復合式三種基本類型 。

分置式膜 - 生物反應器把膜組件和生物反應器分開設置,如圖 3所示。生物反應器中的混合液經循環泵增壓后打***膜組件的過濾端,在壓力作用下混合液中的液體透過膜,成為系統處理水;固形物、大分子物質等則被膜截留,隨濃縮液回流到生物反應器內。分置式膜 -生物反應器的特點是運行穩定可靠,易于膜的清洗、更換及增設;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,需要用循環泵提供較高的膜面錯流流速,水流循環量大、動力費用高 (Yamamoto, 1989),并且泵的高速旋轉產生的剪切力會使某些微生物菌體產生失活現象 ( Brockmann and Seyfried, 1997 )

一體式膜 - 生物反應器是把膜組件置于生物反應器內部,如圖 4 所示。進水進入膜 -生物反應器,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 -生物反應器由于省去了混合液循環系統,并且靠抽吸出水,能耗相對較低;占地較分置式更為緊湊,近年來在水處理領域受到了特別關注。但是一般膜通量相對較低,容易發生膜污染,膜污染后不容易清洗和更換。

復合式膜 - 生物反應器在形式上也屬于一體式膜 - 生物反應器,所不同的是在生物反應器內加裝填料,從而形成復合式膜 - 生物反應器,改變了反應器的某些性狀

工藝特點

與許多傳統的生物水處理工藝相比, MBR 具有以下主要特點:

一、出水水質優質穩定

由于膜的高效分離作用,分離效果遠好于傳統沉淀池,處理出水極其清澈, 懸浮物和濁度接近于零,細菌和病毒被大幅去除 ,出水水質優于建設部頒發的生活雜用水水質標準( 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器內, 使得系統內能夠維持較高的微生物濃度,不但提高了反應裝置對污染物的整體去除效率,保證了良好的出水水質,同時反應器對進水負荷(水質及水量)的各種變化具有很好的適應性,耐沖擊負荷,能夠穩定獲得優質的出水水質。

二、剩余污泥產量少

該工藝可以在高容積負荷、低污泥負荷下運行,剩余污泥產量低(理論上可以實現零污泥排放),降低了污泥處理費用。

三、占地面積小,不受設置場合***

生物反應器內能維持高濃度的微生物量,處理裝置容積負荷高,占地面積大大節省; 該工藝流程簡單、結構緊湊、占地面積省,不受設置場所***,適合于任何場合,可做成地面式、半地下式和地下式。

四、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器內,從而有利于增殖緩慢的微生物如硝化細菌的截留生長,系統硝化效率得以提高。同時,可增長一些難降解的有機物在系統中的水力停留時間,有利于難降解有機物降解效率的提高。

五、操作管理方便,易于實現自動控制

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

六、易于從傳統工藝進行改造

該工藝可以作為傳統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(從而實現城市污水的大量回用)等領域有著廣闊的應用前景。

- 生物反應器也存在一些不足。主要表現在以下幾個方面:

o 膜造價高,使膜 - 生物反應器的基建投資高于傳統污水處理工藝;

o 膜污染容易出現,給操作管理帶來不便;

o 能耗高:首先 MBR 泥水分離過程必須保持一定的膜驅動壓力,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 的能耗要比傳統的生物處理工藝高。

工藝用膜

膜可以由很多種材料制備,可以是液相、固相甚***是氣相的。目前使用的分離膜絕大多數是固相膜。根據孔徑不同可分為:微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜;根據材料不同,可分為無機膜和有機膜,無機膜主要是微濾級別膜。膜可以是均質或非均質的,可以是荷電的或電中性的。廣泛用于廢水處理的膜主要是由有機高分子材料制備的固相非對稱膜。

膜的分類依據及分類:

一、 MBR 膜材質

1、高分子有機膜材料: 聚烯烴類、聚乙烯類、聚丙烯腈、聚砜類、芳香族聚酰胺、含氟聚合物等。

有機膜成本相對較低,造價便宜,膜的制造工藝較為成熟,膜孔徑和形式也較為多樣,應用廣泛,但運行過程易污染、強度低、使用壽命短。

2、無機膜 :是固態膜的一種,是由無機材料,如金屬、金屬氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、無機高分子材料等制成的半透膜。

目前在 MBR 中使用的無機膜多為陶瓷膜,優點是:它可以在 pH = 0~14 、壓力 P<10MPa 、溫度 <350 ℃的環境中使用,其通量高、能耗相對較低,在高濃度工業廢水處理中具有很大競爭力;缺點是:造價昂貴、不耐堿、彈性小、膜的加工制備有一定困難。

二、 MBR 膜孔徑

MBR 工藝中用膜一般為微濾膜( MF )和超濾膜( UF ),大都采用 0.1 0.4 μ m 膜孔徑,這對于固液分離型的膜反應器來說已經足夠。

微濾膜常用的聚合物材料有:聚碳酸酯、纖維素酯、聚偏二氟乙烯、聚砜、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚醚酰亞胺、聚丙烯、聚醚醚酮、聚酰胺等。

超濾常用聚合物材料有:聚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚丙烯腈( PAN )、聚偏氟乙烯、纖維素酯、聚醚醚酮、聚亞酰胺、聚醚酰胺等。

三、 MBR 膜組件

為了便于工業化生產和安裝,提高膜的工作效率,在單位體積內實現***大的膜面積,通常將膜以某種形式組裝在一個基本單元設備內,在一定的驅動力下,完成混合液中各組分的分離,這類裝置稱為膜組件( Module )。

工業上常用的膜組件形式有五種:

板框式( Plate and Frame Module )、螺旋卷式 (Spiral Wound Module) 、圓管式 (TubularModule) 、中空纖維式 (Hollow Fiber Module) 和毛細管式 (Capillary Module)。前兩種使用平板膜,后三者使用管式膜。圓管式膜直徑 >10mm; 毛細管式- 0.5~10.0mm ;中空纖維式<0.5mm>

表:各種膜組件特性

名稱/項目

中空纖維式

毛細管式

螺旋卷式

平板式

圓管式

價格(元/m3

40~150

150~800

250~800

800~2500

400~1500

沖填密度

清洗

壓力降

可否高壓操作

較難

較難

膜形式***

MBR 工藝中常用的膜組件形式有:板框式、圓管式、中空纖維式。  板框式:

MBR 工藝***早應用的一種膜組件形式,外形類似于普通的板框式壓濾機。優點是:制造組裝簡單,操作方便,易于維護、清洗、更換。缺點是:密封較復雜,壓力損失大,裝填密度小。

圓管式:

是由膜和膜的支撐體構成,有內壓型和外壓型兩種運行方式。實際中多采用內壓型,即進水從管內流入,滲透液從管外流出。膜直徑在 6~24mm 之間。圓管式膜優點是:料液可以控制湍流流動,不易堵塞,易清洗,壓力損失小。缺點是:裝填密度小。

中空纖維式:

外徑一般為 40 250 μm ,內徑為 25 42μm 。優點是:耐壓強度高,不易變形。在 MBR中,常把組件直接放入反應器中,不需耐壓容器,構成浸沒式膜 -生物反應器。一般為外壓式膜組件。優點是:裝填密度高;造價相對較低;壽命較長,可以采用物化性能穩定,透水率低的尼龍中空纖維膜;膜耐壓性能好,不需支撐材料。缺點是:對堵塞敏感,污染和濃差極化對膜的分離性能有很大影響。

MBR 膜組件設計的一般要求:

o 對膜提供足夠的機械支撐,流道通暢,沒有流動死角和靜水區;

o 能耗較低,盡量減少濃差極化,提高分離效率,減輕膜污染;

o 盡可能高的裝填密度,安裝,清洗、更換方便;

o 具有足夠的機械強度、化學和熱穩定性。

膜組件的選用要綜合考慮其成本,裝填密度、應用場合、系統流程、膜污染及清洗、使用壽命等。

應用領域

進入 90 年代中后期,膜 - 生物反應器在國外已進入了實際應用階段。加拿大 Zenon 公司首先推出了超濾管式膜 -生物反應器,并將其應用于城市污水處理。為了節約能耗,該公司又開發了浸入式中空纖維膜組件,其開發出的膜 -生物反應器已應用于美國、德國、法國和埃及等十多個地方,規模從 380m 3 /d *** 7600m 3 /d。日本三菱人造絲公司也是世界上浸入式中空纖維膜的知名提供商,其在 MBR 的應用方面也積累了多年的經驗,在日本以及其他國家建有多項實際 MBR工程。日本 Kubota 公司是另一個在膜 -生物反應器實際應用中具有競爭力的公司,它所生產的板式膜具有流通量大、耐污染和工藝簡單等特點。國內一些研究者及企業也在 MBR實用化方面進行著嘗試。

現在,膜 - 生物反應器已應用于以下領域:

一、城市污水處理及建筑中水回用

1967年***個采用 MBR 工藝的廢水處理廠由美國的 Dorr-Oliver 公司建成,這個處理廠處理 14m 3 /d 廢水。 1977年,一套污水回用系統在日本的一幢高層建筑中得到實際應用。 1980 年,日本建成了兩座處理能力分別為 10m 3 /d 50m 3 /dMBR 處理廠。 90 年代初期,日本就有 39 座這樣的廠在運行,***大處理能力可達 500m 3 /d ,并且有 100 多處的高樓采用MBR 將污水處理后回用于中水道。 1997 年,英國 Wessex 公司在英國 Porlock 建立了當時世界上***大的 MBR系統,日處理量達 2 000 m 3 1999 年又在 Dorset Swanage 建成了

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