膜生物反应器(MBR)的应用研究及其国内外的应用现状

1膜生物反应器（MBR）的应用研究及其国内外的应用现状刘武义一、我国的水资源及污水处理现状我国是一个严重缺水的国家，我国人均水资源量仅为世界人均拥有量的1/4其中华北地区人均水资源量小于400m3，已属于严重缺水地区。我国是世界上严重缺水的十二个国家之一。我国目前工业污水的再生回用率仅为6%，远远低于发达国家的水平，市政污水的回用率更低。我国万元GDP用水量是世界平均水平的5倍，是美国的8倍，德国的11倍。水资源的管理已经成为我国经济和社会协调发展的关键问题之一。中国目前水资源浪费及污染现象相当严重，据统计，工业废水在2000年的排放量为194亿立方米，生活污水2000年的排放量为221亿立方米，按照这种速度，中国的水资源将在73年后被用尽，而如果水资源利用不加强管理、污水又得不到很好的处理与管理，进而污染到地下水，那么这个时间将会更短。目前，我国的水环境污染已经到了“有河皆枯，有水皆污”的地步，其治理任务刻不容缓。表1是对国内近年污水排放量的统计数据及2010年的预测数据。表1国内近年污水排放量统计废水量年度污水排放量城市污水亿立方米亿立方米20004152212001428.4227.72002439.5232.32003460.0247.62004482.4261.32005524.5281.42006536.8296.62010640—据统计，我国的江河湖泊和水库中，已经受污染的约占82.3%；全国设立有监测系统的1200条河流中，已有850条受到污染；七大水系中，一半以上受到不同程度的污染，达不到安全饮用水源的标准，已基本丧失直接使用得功能；沿海水体发生赤潮和富营养化现象增多。因此，水环境的保护和治理已成为我国实现可持续社会发展的重要任务。2005年，全国废水排放总量524.5亿吨，比上年增加8.7%。其中工业废水排放量243.1亿吨，比上年增加10.0%。城镇生活污水排放量281.4亿吨，比上年增加7.7%。废水中化学需氧量排放量1414.2万吨，比上年增加5.6%。废水中氨氮排放量149.8万吨，比上年增加212.6%。据统计，2000年我国县及县以上工业废水处理率和排放达标率分别为94.7%和82.1%。但实际上达标处理的工业废水量远达不到上述值，因为一些调查统计表明，我国工业废水处理设施只有1/3是运行正常的，1/3运行不正常，而另1/3停产不运行。因此，为了满足我国水环境保护的迫切需求，急需研发适合不同行业废水特点的高效、低成本、运行管理简便的废水处理技术。膜生物反应器（MBR）是膜技术和污水生物处理技术有机结合产生的废水处理新工艺。它适用范围广、综合运行成本低，系统性能稳定，占地面积小。在应用方面它既可用有工业污水方面也可用在生活污水方面的污水处理。工业污水方面，主要应用在包括制药废水、化工废水、食品污水等高浓度、难降解有机废水的处理；在生活污水方面，主要涉及城市污水、楼宇污水、公厕污水、污水厂升级改造以及其他有回用要求的污水处理场合。采用膜生物反应器（MBR）污水处理新工艺处理污水的最大优势是经处理后的排出水可以作为中水回用，与此同时，任何污水处理后的深度处理，也均需要通过膜生物反应器这一重要一环，从而实现污水资源化及污水处理的零排放。因此膜生物反应器技术的研究与推广应用，直接抓住了我国污染型缺水的主要矛盾，将对我国的污水处理和再生技术及产业的发展、水资源的可持续发展战略的实现，具有重大的意义。二、膜生物反应器（MBR）概述膜生物反应器（MBR）是膜技术和污水生物处理技术有机结合产生的废水处理新工艺。是污水资源化的一种重要手段。污水处理中的MBR法是将膜分离技术中的超、微滤技术和活性污泥法有机结合的污水处理高新技术，主要有膜组件、生物反应器、物料输送三部分组成，其运行原理是利用反应器内大量的微生物有效地降解污水中各种有机物，使水质得到净化，并通过膜分离装置代替传统工艺中的二沉池，提高固液分离的效率，从而得到优质的出水，基本解决了传统的活性污泥法存在的污泥膨胀、污泥浓度低等因素造成的出水水质达不到中水回用要求的问题。随着研究和开发的深入，MBR技术己经显示出良好的发展前景，在污水处理领域正在受到广泛的重视，并孕育着极大的发展潜力，其应用范围和规模将不断扩大和增加。目前MBR在国外己进入广泛应用，在国内的应用也得到了一定的发展。三、膜生物反应器发展的历史沿革MBR最早用于酶制剂工业，Blatt等在1965年提出了用膜分离技术进行微生物浓缩，该技术现已形成工业化规模。美国的Smith于1969年创造性地把MBR技术引进到废水处理中来，他利用一个外部循环的板框式组件实现了膜过滤，并在生活污水处理中获得了极佳的处理效果。Budd的MBR于1969年被确定为美国专利，这可作为MBR用于水处理的标志。70～80年代：日本开始大力研究，自1983年～1987年，有13家公司使用MBR处理大楼废水；加拿大ZRNON公司商业化产品—ZenoGem于1982年投入使用；厌氧生物反应器与膜技术组合研究在80年代初受到重视。80年代末以后，研究更是方兴未艾。一体式MBR在1989年推出；运行条件优化，膜污染机理研究深入；处理废水对象的多样化：生活污水，粪便废水、有机工业废水等；推广应用更为广泛，英国、德国、荷兰、美国、日本,法国、南非和澳大利亚等国已得到很多应用。近年，欧盟MBR项目提出以下研发内容：加快以城市污水净化为目标的膜技术发展，降低基建与运行成本；城市污水深度处理的MBR技术，过程优化与膜污染控制；分散处理MBR及节能技术。3四、膜生物反应器运行形式变革及组件类型在发展过程中，第一代MBR是分置式流程(60～80年代)，使用板式超滤膜(聚丙烯晴)和管式超滤膜(有机及无机)，由于膜成本高，运行费用大，应用受到限制。第二代MBR是采用一体化浸没式流程(80年代末以后)：浸没式MBR的特点是：浸没放置，低压(抽吸或重力)出水，气液两相流扰动，间歇运行，稳定运行时间长，运行能耗低。浸没MBR的型式：内浸没（与好氧反应器一体）和外浸没(与好氧反应器分置)。MBR的基本结构包括四个环节：进水系统、生物反应池、膜组件、自控系统。由于各个环节的多样性，MBR有着不同的分类。按膜组件和生物反应器的相对位置，MBR又可以分为一体式膜生物反应器、分置式膜生物反应器和复合式膜生物反应器三种。1．分置式膜生物反应器（如图1-1(a)所示）通过料液循环错流运行，其特点是，操作管理容易，易于膜的清洗、更换及增设。2．一体式膜生物反应器（如图1-1(b)所示）组合最简单，直接将膜组件置于生物反应器内通过真空泵或其他类型的泵抽吸，得到过滤液。为减少膜面污染，延长运行周期，一般泵的抽吸是间断运行的。与分置式相比，一体式的最大特点是运行能耗低。3．复合式膜生物反应器（如图1-2所示）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，改变了膜生物反应器的某些性状。(a)(b)图1-1MBR示意图:(a)分置式MBR;(b)一体式MBR1-填料；2-膜组件；3-生物反应器；4-抽吸泵图1-2复合式MBR根据膜组件的类型可以分为中空纤维MBR、管式MBR、板框式（平片式）MBR、卷式MBR和毛细管式MBR。4表1-2各种膜组件的特征比较管式板框式卷式毛细管式中空纤维式装填密度低–––––––––––––––––––––––––––→非常高投资高–––––––––––––––––––––––––––→低污染趋势低–––––––––––––––––––––––––––→高清洗易–––––––––––––––––––––––––––→较难膜更换可/不可可不可不可不可适用容量规模中小大\中\小大大大从上表中可以看出,板框式(平片式)膜生物反应器有较大优势和应用前景.它不易污染,表现其使用寿命长,膜可清洗更换,可节省运行成本,适用处理规模可大可小,能满足不同行业不同规模的污水处理之需.五、膜生物反应器的主要特点膜生物反应器由于采用了膜分离技术与生物反应器相结合的方式，有机物的最终去除仍然是微生物细胞的新陈代谢作用，只是膜高效的固液分离作用强化了这种生物处理作用，MBR具有许多其他生物处理工艺无法比拟的明显优势，主要有以下几点:1)能够高效地进行固液分离，分离效果远好于传统的沉淀池，出水水质良好，出水悬浮物和浊度接近于零，可以直接回用，实现了污水资源化。2)膜的高效截留作用，使微生物完全截留在反应器内，实现了反应器水力停留时间（HRT）和污泥龄（SRT）的完全分离，使得运行更加灵活稳定。3)反应器内的微生物浓度高，耐冲击负荷。4)膜生物反应器有利于增殖缓慢的微生物的截留、生长和繁殖，使硝化效率得以提高。通过运行方式的改变也可以具有脱氮和除磷的功能。5)污泥龄可随意控制。膜分离使污水中的大分子难降解成分，在体积有限的生物反应器内有足够的停留时间，大大的提高了难降解有机物的降解效果。反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄的条件下运行，可以实现基本无剩余污泥的排放。6)系统由可编程序控制器（PLC）控制，可以实现全程自动化控制。7)占地面积小，工艺设备集中。总之，膜生物反应器具有许多其他污水处理方法所不具有的优点，特别是出水水质可以满足目前最严格的污水排放标准，甚至是今后更加严格的排放要求。膜生物反应器污水处理方法与传统污处理法比较膜生物反应器法传统活性污泥法物理化学方法系统性能好较好好占地面积小大小适用范围较广窄广运行费用较小小大六、膜生物反应器的应用和研究现状（一）、膜生物反应器在国外的应用研究现状6．1、膜生物反应器好氧工艺在有机废水处理中的应用MBR以出水可以直接回用、节省占地面积、处理效果好等优点，使其在国外已经有了5许多成功的应用实例。经过近40年的发展，MBR在日本得到了极大的发展，率先将这一技术用于中水道系统并取得成功，目前在日本运行（包括在建）的MBR占全球的66%，其余的MBR工程主要在北美和欧洲。在生活污水方面，主要涉及城市污水、楼宇污水、公厕污水、污水厂升级改造以及其他有回用要求的污水处理场合。MBR对生活污水的处理特性一直是研究的重点，其工艺形式多采用好氧MBR。在欧、美、日等国，其研究的目的在于一方面改造污水处理厂，使其达到深度处理的要求；另一方面，用于废水的处理，使其达到回用的目的。目前在北美，MBR处理生活污水的应用主要是流量在10~200m3/d的小型处理装置，已有50余座此类设施正在运行。MBR作为一种强化的生物处理工艺，在工业废水的处理中也受到重视。工业污水方面，主要包括制药废水、化工废水、食品污水等高浓度、难降解有机废水的处理。目前好氧MBR工艺已经成功应用于下列行业的工业污水处理：包括医药、纺织、化妆品、食品、造纸与纸浆、饮料、炼油工业与化工厂，在欧洲垃圾填埋场渗滤液的好氧MBR处理厂正在兴建。MBR在不同种类废水中的应用比例见表1-3。表1-3MBR在不同种类废水中的应用比例废水类型百分比/%工业废水27大楼废水24生活污水27城市污水12土地填埋厂渗滤液9近两年来MBR在国内已进入了实用化阶段。从目前的趋势看，中水回用将是MBR在我国推广应用的主要方向。6．2膜生物反应器厌氧工艺中有机废水处理的应用厌氧生物法以其能耗低、可回收利用沼气能源、负荷高、产泥少等诸多优点成为了处理高浓度有机废水的首选方法。但由于厌氧微生物的生长速率比好氧微生物的生长速率小得多，污泥流失对厌氧生物法造成的不利影响远大于对好氧生物法的影响，因此如何减少污泥流失就成为了厌氧生物法所必须面临的一个重要问题，同时也是新型厌氧生物反应器开发的一个主要出发点。将膜分离与厌氧生物处理相结合组成的厌氧膜生物法，一方面可以完全避免厌氧污泥的流失，使反应器内有充足的厌氧微生物，保证处理效果的稳定性；另一方面膜自身良好的截留作用还可以进一步改善厌氧出水的水质，提高处理效果。除此之外，膜分离作用还体现在对厌氧反应器的构造和处理效果有特殊的强化作用。而对于两相厌氧MBR，膜分离作用可以使产酸反应器中的产酸细菌浓度增加，提高