膜生物反应器Word下载.docx
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目前MABR和EMBR还处在实验室阶段,尚无实际的工程应用,应用最广泛的是膜分离生物反应器。
2.2分置式膜生物反应器（RMBR）
生物反应器的混合液由泵增压后进入膜组件,在压力作用下膜过滤液成为系统处理出水,活性污泥、大分子物质等则被膜截留,浓缩液循环回生物反应器,膜表面的污染由循环混合液在膜表面的剪切作用加以延缓。
分置式MBR采用的膜组件形式一般为平板式和管式。
早期MBR工艺主要用此工艺,其特点是:
运行稳定可靠,操作管理容易,易于膜的清洗、更换及增设,膜通量大,系统便于放大。
但为了减少污染物在膜面的沉积,由循环泵提供的料液流速很高,为此动力消耗较高。
2.3一体式膜生物反应器（SMBR）
一体式膜生物反应器（SMBR）将膜组件置于生物反应器之内,通过真空泵（抽吸式）或自然压头（重力式）过滤出水。
利用曝气时气液向上的剪切力来实现膜面的错流效果,也有采用在一体式膜组件附近进行叶轮搅拌和膜组件自身的旋转（如转盘式膜组件）来实现膜面错流效应。
一体式MBR主要应用于市政和工业废水的处理,其最大特点是运行能耗低,且具有结构紧凑，体积小等优点;
但单位膜的处理能力小,膜污染较重,透水率较低。
与分置式相比,浸没式可用于大规模的废水处理厂。
这也是浸没式膜组件得以广泛应用的原因，目前世界上大部分使用的是浸没式MBR，近年出现的新型气升循环。
通常提到的膜生物反应器,实际是三类反应器的总称,它们分别是:
1）分离膜生物反应器（BiomassseparationMembraneBioreactor,BSMBR,简称MBR）;
2）膜-曝气生物反应器（MembraneAerationBioreactor,MABR）;
3）萃取膜生物反应器（ExtractiveMembraneBioreactor,EMBR）。
按膜组件和生物反应器的相对位置,MBR主要有三种构型:
一体式（浸没式）（SMBR）和分置式（旁流式）膜生物反应器（RMBR）和复合式膜生物反应器。
复合式膜生物反应器在形式上也属于一体式膜生物反应器,所不同的是,在生物反应器内加装填料,从而形成复合式膜生物反应器,改变了膜生物反应的某些性状。
按生物反应器的需氧性又可分为好氧MBR和厌氧MBR。
经常所说的都是好氧MBR,厌氧MBR应用不是很广泛,有待于进一步研究。
2.4分离膜生物反应器
将分离工程中的膜技术应用于废水生物处理,以膜组件代替二沉池,构成分离膜生物反应器。
由于膜组件对混合液泥水的高效分离,几乎没有污泥流失,可使生物反应器保持很高的污泥浓度,处理装置具有体积小、处理效率高、耐负荷冲击能力强的特点。
同时,由于污泥的停留时间长,使世代时间长的硝化细菌能够在曝气池内积累增多,使处理装置具有较好的脱氮能力。
从理论上讲,污泥的停留时间可以无限延长而避免排泥,但停留时间过长会使截留下来的无机物越来越多,降低污泥的活性,因此要定期排掉一部分污泥。
分离膜生物反应器中的生物反应器既可以在好氧状态下运行,也可以在厌氧状态下运行。
2.5无泡曝气膜生物反应器
传统的曝气系统采用鼓泡供氧方式,氧传质效率低,一般只有10%-20%。
当生物反应器中的活性污泥浓度较高时,无法满足微生物对氧的需要,从而限制了系统内微生物的浓度，近年来开发的无泡曝气膜生物反应器）的氧传质效率可接近100%,因为在反应器内,气体的分压被控制在小于泡点,从而使氧气不能进入大气,而被充分利用;
另外,由于反应器内巨大的膜表面积为氧的传质及生物膜的增长创造了非常有利的条件,使这种曝气器具有很高的氧传质效率。
无泡曝气器所用的膜是一种透气膜,传质阻力很小,可以在高压下运行,膜腔内的氧在压力及浓差作用下,向膜外的混合液扩散。
氧在膜腔内的停留时间越长,扩散到液相中的比例就越大,氧传质效率就越高。
选择不同的膜表面积和供气压力,可以满足生物反应器的各种需氧量。
无泡曝气膜生物反应器特别适用于处理含挥发性有机物和发泡剂的工业废水,由于是无泡曝气,不会将废水中的挥发性有毒污染物气提到空气中,造成二次污染。
2.6好氧MBR和厌氧MBR
好氧MBR出水水质高,出水适于回用,操作简单和占地面积小等优点使其得到了广泛的商业化应用。
据报道世界上约有98%以上的工程是膜分离工艺与好氧膜生物反应器相结合。
一般来说,好氧MBR负荷率一般在1.2~4.2kgCOD/（m3.d）之间,厌氧MBR负荷率在2.9~5.0kgCOD/（m3.d）之间,因此厌氧MBR特别适合处理高浓度有机废水,而用好氧MBR是不可替代的。
厌氧MBR可作为特种废水或难降解废水的非常好的前处理过程,再根据水质的类型,结合好氧MBR纳滤和反渗透进行处理,使出水达标排放标准。
3MBR工艺用膜
MBR膜可以由很多种材料制备，可以是液相、固相甚至是气相的。
目前使用的分离膜绝大多数是固相膜。
根据孔径不同可分为：
微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜；
根据材料不同，可分为无机膜和有机膜，无机膜主要是微滤级别膜。
膜可以是均质或非均质的，可以是荷电的或电中性的。
广泛用于废水处理的膜主要是由有机高分子材料制备的固相非对称膜。
MBR膜的分类依据及分类：
3.1MBR膜材质
Ø
高分子有机膜材料：
聚烯烃类、聚乙烯类、聚丙烯腈、聚砜类、芳香族聚酰胺、含氟聚合物等。
有机膜成本相对较低，造价便宜，膜的制造工艺较为成熟，膜孔径和形式也较为多样，应用广泛，但运行过程易污染、强度低、使用寿命短。
无机膜：
是固态膜的一种，是由无机材料，如金属、金属氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、无机高分子材料等制成的半透膜。
目前在MBR中使用的无机膜多为陶瓷膜，优点是：
它可以在pH＝0~14、压力P<
10MPa、温度<
350℃的环境中使用，其通量高、能耗相对较低，在高浓度工业废水处理中具有很大竞争力；
缺点是：
造价昂贵、不耐碱、弹性小、膜的加工制备有一定困难。
3.2MBR膜孔径
MBR工艺中用膜一般为微滤膜（MF）和超滤膜（UF），大都采用0.1～0.4μm膜孔径，这对于固液分离型的膜反应器来说已经足够。
微滤膜常用的聚合物材料有：
聚碳酸酯、纤维素酯、聚偏二氟乙烯、聚砜、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚醚酰亚胺、聚丙烯、聚醚醚酮、聚酰胺等。
超滤常用聚合物材料有：
聚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚丙烯腈（PAN）、聚偏氟乙烯、纤维素酯、聚醚醚酮、聚亚酰胺、聚醚酰胺等。
3.3MBR膜组件
为了便于工业化生产和安装，提高膜的工作效率，在单位体积内实现最大的膜面积，通常将膜以某种形式组装在一个基本单元设备内，在一定的驱动力下，完成混合液中各组分的分离，这类装置称为膜组件（Module）。
3.3.1工业上常用的膜组件形式
工业上常用的膜组件形式有五种板框式（PlateandFrameModule）、螺旋卷式（SpiralWoundModule）、圆管式（TubularModule）、中空纤维式（HollowFiberModule）和毛细管式（CapillaryModule）。
前两种使用平板膜，后三者使用管式膜。
圆管式膜直径>
10mm;
毛细管式－0.5~10.0mm；
中空纤维式<
0.5mm>
。
下表为各种膜组件特性：
名称/项目
中空纤维式
毛细管式
螺旋卷式
平板式
圆管式
价格（元/m3）
40~150
150~800
250~800
800~2500
400~1500
冲填密度
高
中
低
清洗
难
易
压力降
可否高压操作
可
否
较难
膜形式限制
有
无
3.3.2MBR工艺中常用的膜组件形式
板框式：
是MBR工艺最早应用的一种膜组件形式，外形类似于普通的板框式压滤机。
优点是：
制造组装简单，操作方便，易于维护、清洗、更换。
密封较复杂，压力损失大，装填密度小。
圆管式：
是由膜和膜的支撑体构成，有内压型和外压型两种运行方式。
实际中多采用内压型，即进水从管内流入，渗透液从管外流出。
膜直径在6~24mm之间。
圆管式膜优点是：
料液可以控制湍流流动，不易堵塞，易清洗，压力损失小。
装填密度小。
中空纤维式：
外径一般为40～250μm，内径为25～42μm。
耐压强度高，不易变形。
在MBR中，常把组件直接放入反应器中，不需耐压容器，构成浸没式膜-生物反应器。
一般为外压式膜组件。
装填密度高；
造价相对较低；
寿命较长，可以采用物化性能稳定，透水率低的尼龙中空纤维膜；
膜耐压性能好，不需支撑材料。
对堵塞敏感，污染和浓差极化对膜的分离性能有很大影响。
3.3.3MBR膜组件设计的一般要求
对膜提供足够的机械支撑，流道通畅，没有流动死角和静水区；
能耗较低，尽量减少浓差极化，提高分离效率，减轻膜污染；
尽可能高的装填密度，安装，清洗、更换方便；
具有足够的机械强度、化学和热稳定性。
膜组件的选用要综合考虑其成本，装填密度、应用场合、系统流程、膜污染及清洗、使用寿命等。
4膜生物反应器的工艺设计
4.1有效容积
传统活性污泥法（ConventionalActivatedSludge,CAS）的设计,高廷耀、顾国维认为,容积大小最早以经验的曝气时间作为主要的设计参数,即曝气时间×
设计流量=生物反应器容积，现在则常以污泥的有机负荷作为设计参数。
MogensHenze等人认为,污泥负荷可用于一般的生物去除工艺,而当用于与生物除磷、硝化2反硝化作用相关的过程以及利用生长缓慢的细菌来处理特殊污染物时,应采用泥龄法工艺设计。
若以污泥负荷作为设计依据在很多情况下是危险而且是困难的,甚至是不可能采用的。
邢传红、文湘华、钱易等人经过大量的中试研究后认为,采用MBR工艺处理城市污水,污泥负荷、体积负荷已不再是制约处理效果的重要指标,可将HRT、SRT作为MBR工艺生物反应器单元的设计依据,因为这样不仅能确保工艺操作的长期稳定性,而且能简化设计过程。
4.2有机负荷
生物反应器中污泥的有机负荷和污泥浓度MLSS设计的大一些,生物反应器的容积就可以小一些,同时这2个参数数值的大小也影响处理效果。
就CAS而言,一般不采用高负荷而采用常负荷,即污泥负荷一般<
0.5kgBOD5/kgMLSS·
d,如果要求氮素转入硝化阶段,一般采用0.3kgBOD5/kgMLSS·
d,MBR的有机负荷一般<
0.1kgBOD5/kgMLSS·
d,与CAS法相当,而MBR的体积负荷比CAS高数倍,达数kgCODCr/m3·
d。
但由于MBR可完全实现泥水分离,从而保证了优良的出水水质和较高的污泥浓度。
因反应器中较高的污泥浓度,又使得MBR中的负荷率或F/M较低。
较低的F/M,一方面可以减少剩余污泥,但另一方面延长了污泥龄。
较长的泥龄有利于世代期较长的硝化细菌的生长,但过长的污泥龄会使反应器中产生溶解性微生物产物（SolubleMicrobialProducts,SMP）。
若MBR中积累一定量的SMP,不但会加速膜污染,还会导致出水水质变差。
低F/M还会使MBR污泥中产生胞外聚合物（ExtracellularPolymericSubstances,EPS）,使混合液的粘度升高,膜过滤阻力变大。
对MBR而言,系统具备了一定的抗冲击负荷能力。
邢传红、钱易等人用无机陶瓷分置式膜生物反应器系统研究了不同负荷情况下出水水质变化以及抗冲击负荷能力。
结果表明,当体积CODCr负荷分别提高几倍的情况下,出水CODCr值基本不变,去除率仍可达97%以上[10],冲击负荷过后仍能恢复正常水平。
由此可见,膜-生物反应器具有较强的抗冲击负荷能力和较好的运行稳定性,其处理能力较CAS有很大提高。
4.3MLSS值
提高MLSS值,可以缩小生物反应器容积,降低污泥负荷率,提高处理效率。
但MLSS的提高意味着SRT的增加,要求有更高的氧传递速率,因为对于每一种曝气设备,超出了它合理的氧传递范围,其充氧动力效率将明显降低,同时MLSS值的提高还会增大混合液粘滞度,降低膜通量,进而影响出水水质。
根据膜过滤凝胶极化模型,当过滤达到稳态时,膜表面污泥浓度达到临界值而不再变化,即
J=klg（Xg/X）
（1）
式中J———膜通量m3/m2·
d;
Xg———膜表面污泥浓度mg/L;
X———混合液污泥浓度mg/L;
k———传质系数m3/m2·
无论是分置式还是淹没式膜生物反应器,膜通量J与污泥浓度X的对数均成负线性相关关系,但系数差异较大。
如膜材质为聚砜（PS）和聚丙烯腈（PAN）共混的外压管式分置式膜生物反应器,其
J=-182lgX+8.68
（2）
虽然较高的MLSS能减小MBR的体积,延长污泥泥龄,有利于系统中硝化细菌的生长,但过高的MLSS对于MBR正常运行是不利的,在运行时应根据具体的水质、膜组件及膜生物反应器处理能力探求合理的MLSS值。
一般处理低浓度污水宜控制较低的污泥浓度,以尽量提高膜通量;
而处理高浓度污水宜控制较高的污泥浓度,以尽量增大有机物去除能力。
但由于MBR处理污水的整体效应明显好于CAS,所以MBR中活性污泥的浓度仍高于CAS。
如文献报道的大多数MBR的MLSS值在5～20g/L之间,而CAS的MLSS值为2g/L;
MBR与CAS处理生活污水的比较试验表明,随运行时间的延长,MBR中污泥浓度持续增长,而CAS经常发生污泥膨胀,MLSS波动很大,经常<
1g/L。
4.4水力停留时间（HRT）
由于MBR系统可实现HRT和SRT的单独控制,当选定膜组件后,HRT也就决定了生物反应器容积的大小和MBR的产水量。
过长的HRT将直接增大生物反应器的容积,过短的HRT将会导致系统内溶解性有机物（SMP）的积累,进而引起膜通量的下降。
所以,考虑到MBR系统要获得硝化处理效果,同时,生物反应器不可能设计得很大,为充分利用设备的充氧能力,HRT值可设计得长一些,以尽量维持系统内溶解性有机物的平衡,设计时可考虑曝气池容积有一定的调节容量。
这样,可降低剩余活性污泥量,系统更能适应冲击负荷。
张绍园等人探讨了分置式膜生物反应器HRT的影响因素,推导了HRT的计算公式并给出了简化式,即
HRT=1.1×
（1β-1）（Ks+L）KS0（3）
式中β———出水与进水有机物浓度比;
Ks———饱合常数mg/L;
L———出水有机物浓度mg/L;
K———底物最大比降解速度常数/h-1;
S0———回流污泥浓度（以MLVSS计）mg/L。
从（3）式可以看出,影响HRT的主要因素是进、出水水质和生物反应器污泥浓度,所以在分置式MBR系统中应适当加大回流污泥量,以缩短HRT,提高有机物的去除率。
外压管式MBR处理生活污水的试验研究表明[11],当HRT在1.5～3h内变化时,BOD5去除率都在95%以上,说明HRT的变化对BOD5去除率影响不大。
4.5固体停留时间（SRT）
选取一定的有机负荷和污泥浓度MLSS后,就相应地决定了SRT值,所以污泥浓度与SRT存在着内在的联系。
由于膜分离延长了生物反应器的SRT,降低了污泥产率,提高了容积硝化及有机物去除能力。
但由于膜的机械截留作用很强,随着SRT的延长,其出水水质存在波动但变化不大,邢传红等[、邹联沛等均证明了这一点。
SRT愈长,微生物被循环次数愈多,失活的可能性愈大,使MLVSS/MLSS比下降,为提高污泥活性,需定期适量排泥,以减轻膜负荷。
当然,SRT值的大小对MBR的处理行为以及生物反应器内微生物的特征都会产生影响,仍需要继续加以试验研究。
4.6生物反应器的构造
传统活性污泥系统的生物反应器构型多为长方形。
处理水量小的MBR,其生物反应器宜设计成完全混合式的圆形池,其底部做成锥形,根据流体力学原理,有利于反应器内混合液处于良好的紊动,保持悬浮状态,减小因剪切造成的污泥颗粒破解,并提高曝气设备的充氧速率。
圆形池与方形池相比,有利于混合液旋转并防止死角,减小水头损失。
4.7其它一些考虑
恒压控制或恒流控制一般的MBR均采用恒压控制的办法,以研究膜通量随运行时间的变化情况,但若在膜生物反应器中采用恒流控制,比采用恒压控制不仅能控制膜污染,延长膜的清洗周期,还能使膜保持较高的通量,系统得以长时间稳定运行。
出水动力为进一步降低MBR的运行能耗,在淹没式MBR设计中省略真空泵而用膜出水端的压力水头使膜出水。
国外的试验研究表明,该系统稳定运行了371d而没有进行膜清洗,且膜清洗后其过滤压力仍维持在原来的水头。
5MBR的应用领域
进入90年代中后期，膜-生物反应器在国外已进入了实际应用阶段。
加拿大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。
为了节约能耗，该公司又开发了浸入式中空纤维膜组件，其开发出的膜-生物反应器已应用于美国、德国、法国和埃及等十多个地方，规模从380m3/d至7600m3/d。
日本三菱人造丝公司也是世界上浸入式中空纤维膜的知名提供商，其在MBR的应用方面也积累了多年的经验，在日本以及其他国家建有多项实际MBR工程。
日本Kubota公司是另一个在膜-生物反应器实际应用中具有竞争力的公司，它所生产的板式膜具有流通量大、耐污染和工艺简单等特点。
国内一些研究者及企业也在MBR实用化方面进行着尝试。
现在，膜–生物反应器已应用于以下领域：
1）城市污水处理及建筑中水回用
1967年第一个采用MBR工艺的废水处理厂由美国的Dorr-Oliver公司建成，这个处理厂处理14m3/d废水。
1977年，一套污水回用系统在日本的一幢高层建筑中得到实际应用。
1980年，日本建成了两座处理能力分别为10m3/d和50m3/d的MBR处理厂。
90年代中期，日本就有39座这样的厂在运行，最大处理能力可达500m3/d，并且有100多处的高楼采用MBR将污水处理后回用于中水道。
1997年，英国Wessex公司在英国Porlock建立了当时世界上最大的MBR系统，日处理量达2000m3，1999年又在Dorset的Swanage建成了13000m3/d的MBR工厂。
1998年5月，清华大学进行的一体式膜–生物反应器中试系统通过了国家鉴定。
2000年初，清华大学在北京市海淀乡医院建起了一套实用的MBR系统，用以处理医院废水，该工程于2000年6月建成并投入使用，目前运转正常。
2000年9月，天津大学杨造燕教授及其领导的科研小组在天津新技术产业园区普辰大厦建成了一个MBR示范工程，该系统日处理污水25吨，处理后的污水全部用于卫生间的冲洗及绿地浇洒，占地面积为10平方米，处理每吨污水的能耗为0.7kW·
h。
2）工业废水处理
90年代以来，MBR的处理对象不断拓宽，除中水回用、粪便污水处理以外，MBR在工业废水处理中的应用也得到了广泛关注，如处理食品工业废水、水产加工废水、养殖废水、化妆品生产废水、染料废水、石油化工废水，均获得了良好的处理效果。
90年代初，美国在Ohio建造了一套用于处理某汽车制造厂的工业废水的MBR系统，处理规模为151m3/d，该系统的有机负荷达6.3kgCOD/m3·
d，COD去除率为94%，绝大部分的油与油脂被降解。
在荷兰，一脂肪提取加工厂采用传统的氧化沟污水处理技术处理其生产废水，由于生产规模的扩大，结果导致污泥膨胀，污泥难以分离，最后采用Zenon的膜组件代替沉淀池，运行效果良好。
3）微污染饮用水净化
随着氮肥与杀虫剂在农业中的广泛应用，饮用水也不同程度受到污染。
LyonnaisedesEaux公司在90年代中期开发出同时具有生物脱氮、吸附杀虫剂、去除浊度功能的MBR工艺，1995年该公司在法国的Douchy建成了日产饮用水400m3的工厂。
出水中氮浓度低于0.1mgNO2/L，杀虫剂浓度低于0.02μg/L。
4）粪便污水处理
粪便污水中有机物含量很高，传统的反硝化处理方法要求有很高污泥浓度，固液分离不稳定，影响了三级处理效果。
MBR的出现很好地解决了这一问题，并且使粪便污水不经稀释而直接处理成为可能。
日本已开发出被称之为NS系统的屎尿处理技术，最核心部分是平板膜装置与好氧高浓度活性污泥生物反应器组合的系统。
NS系统于1985年在日本琦玉县越谷市建成，生产规模为10kL/d，1989年又先后在长崎县、熊本县建成新的屎尿处理设施。
NS系统中的平板膜每组约0.4m2共几十组并列安装，做成能自动打开的框架装置，并能自动冲洗。
膜材料为截流分子量20000的聚砜超滤膜。
反应器内污泥浓度保持在15000~18000mg/L范围内。
到1994年，日本已有1200多套MB
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