MBR培训-基础知识(文湘华)

膜－生物反应器技术基础2008.10清华大学环境科学与工程系膜技术研发与应用中心讲课提纲¾生物处理基础¾膜-生物反应器的技术原理¾MBR分类与特点¾MBR不同构型与比较¾MBR适用膜材料与膜组件讲课提纲¾生物处理基础¾膜-生物反应器的技术原理¾MBR分类与特点¾MBR不同构型与比较¾MBR适用膜材料与膜组件合成细胞～2/3好氧生物处理基本图式可生物降解有机物（CODB）能量CO2,H2O,NH４＋-N呼吸（氧化）～1/3CO2,H2O能量内源呼吸～80%生物残渣～20%有机物氧化C6H12O6+6O2——6CO2+6H2O微生物曝气池二沉池进水混合液出水系统出水回流污泥剩余污泥曝气装置传统活性污泥工艺流程好氧生物处理的关键重要生物化学过程¾污泥（混合微生物群体）的生长¾有机污染物的降解操作¾曝气量的合理控制¾回流量的合理控制¾废水中氮的存在形态有机氮,NH4+-N,NO3--N,NO2--NNNH−+4NNO−−2NNO−−32NNNO−−2Org-N氨化硝化反硝化生物脱氮（硝化/反硝化）硝化过程（好氧过程）：亚硝酸细菌2NH4+3O2--------2NO2+2H2O+4H+硝酸细菌2NO2+O2---------2NO3反硝化过程（缺氧过程）：反硝化细菌C6H12O6+4NO3-------6CO2+6H2O+2N2生物脱氮（硝化/反硝化）E-learningBiologicalnitrogenremovalBrisbane:TN8mgN/L(current)TN5mgN/L(2008)进水出水混合液NO3-回流排泥污泥回流主要水质指标„BOD5（生化需氧量）20°C下培养5天，由于微生物分解有机物所需的氧量,mg/L„COD（化学需氧量）指在一定条件下水中有机物与强氧化剂（如重铬酸钾、高锰酸钾）作用所消耗的氧量,mg/L主要工艺参数的定义„混合液悬浮固体浓度（MLSS)：表示活性污泥在嚗气池中的浓度,g/L„混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS)：表示有机悬浮固体浓度,g/L处理城市污水的活性污泥：MLVSS/MLSS＝0.75-0.85„污泥沉降比(SV)：污泥混合液在量筒中静置30分钟，其沉淀污泥与原混合液的体积比，以%表示。处理城市污水的活性污泥沉降比一般为20-30%„污泥容积指数(SVI–mL/g)：SVI＝SV(mL/L)/MLSS(g/L)处理城市污水的活性污泥SVI一般为50-150mL/g主要工艺参数的定义„污泥负荷(Ns)：嚗气池内单位质量活性污泥在单位时间内承受的有机基质量0sFQSNMVX==(kg-BOD或COD/(kg-MLSSd))Q——废水量，m3/dS0——废水中有机基质浓度，BOD或COD,kg/m3X——曝气池中活性污泥浓度，kg/m3V——曝气池有效容积，m3主要工艺参数的定义„容积负荷（NV）：曝气池单位容积在单位时间内承受的有机基质量„水力停留时间t(HRT):t＝V/Q(d)0VQSNV=(kg-BOD或COD/(m3d))主要工艺参数的定义„污泥龄ts：又称生物固体平均停留时间。曝气池内的微生物全部更新一次所需要的时间。从工程上，就是曝气池内污泥总量与每日排放的剩余污泥量的比值ΔX——每日增加的污泥量sVXtX=Δ主要工艺参数的定义传统活性污泥工艺的不足„受重力固液分离效果的限制，曝气池内的污泥浓度有限，致使容积负荷低，装置占地面积大；„处理水质不够理想和稳定；„管理操作复杂，有时会出现污泥膨胀；„污泥产生量大。讲课提纲¾生物处理基础¾膜-生物反应器的技术原理¾MBR分类与特点¾MBR不同构型与比较¾MBR适用膜材料与膜组件膜分离类型与截留物质一览10-1010-610-710-810-910-5标尺（m）反渗透纳滤超滤微滤深层过滤至1mm原子分子量小分子有机物糖类农药杀虫剂200200000500000溶解盐类内毒素/热原质病毒胶体：蛋白质胶体硅细菌（最大至40μm）隐孢子虫红血球膜过滤模式①死端过滤②错流过滤料液滤液料液料液浓液浓液滤液浓液料液滤液滤液曝气池进水系统出水曝气装置膜－生物反应器工艺流程膜组件膜－生物反应器的特点„污染物去除效率高，处理出水水质良好；„反应器内微生物浓度高，装置容积负荷大，占地省；„有利于增殖缓慢或高效微生物的截留，提高系统的硝化效果和对难降解有机物的处理能力；„剩余污泥产生量低；„易于实现自动控制，操作管理方便。a)生活污水b)MBR出水c)自来水进出水表观比较膜-生物反应器中常用术语„膜通量J：单位膜面积单位时间的出水量（L/(m2h)、m3/(m2d)）通量修正公式：J＝J201.025（T-20)T:温度（°C)膜-生物反应器中常用术语„跨膜压差（Trans-membranepressure,TMP)△P:过滤膜两侧的压力差。膜-生物反应器中常用术语„膜通量、阻力和过滤压差之间的关系：)(1gcbcpmRRRRRPRPdtdVAJ++++Δ=Δ==μμR：过滤总阻力Rm：膜固有阻力Rcp：浓差极化阻力Rb：膜孔堵塞及内部污染阻力Rc：泥饼层阻力Rg：凝胶层阻力。„恒通量运行模式：过滤过程中通量保持不变„恒压力运行模式：过滤过程中过滤压差保持不变膜-生物反应器中常用术语•狭义（不可逆污染）–不可逆的吸附–堵塞•广义（不可逆和可逆污染）–还包括浓差极化导致凝胶层的形成–颗粒物的沉积•狭义（不可逆污染）–不可逆的吸附–堵塞•广义（不可逆和可逆污染）–还包括浓差极化导致凝胶层的形成–颗粒物的沉积微粒胶体粒子溶质大分子溶质小分子传输作用物化相互作用膜孔出水出水膜污染的定义活性污泥混合液凝胶层Rg污泥层Rc内表面生物污染Rb膜污染现象()mcpbcgPJRRRRRμΔ=++++讲课提纲¾生物处理基础¾膜-生物反应器的技术原理¾MBR分类与特点¾MBR不同构型与比较¾MBR适用膜材料与膜组件a)加压分置式MBRb)浸没一体式MBR出水出水进水进水膜组件抽吸泵空气空气生物反应器生物反应器循环泵膜-生物反应器的分类根据膜与生物反应器的相对位置9根据生物反应器是否需氧：好氧膜-生物反应器和厌氧膜-生物反应器9根据使用的膜材料的类型：有机膜-生物反应器和无机膜-生物反应器9根据膜孔径的大小：微滤、超滤、纳滤膜-生物反应器、动态膜－生物反应器膜-生物反应器的分类•固液分离膜-生物反应器（Solid-liquidseparationmembranebioreactor）•曝气膜-生物反应器（Membraneaerationbioreactor）•萃取膜-生物反应器（Extractivemembranebioreactor）膜-生物反应器分类根据膜的功能：生物膜膜组件O2进水出水生物反应器曝气膜-生物反应器溶解氧有机物NH4-N生物膜曝H2反硝化反应器„氧利用效率高。传统活性污泥法的氧利用率一般只有10-20%，而膜曝气-生物反应器的氧利用率可以接近100%。„有机物去除负荷高。„占地小。适用于活性污泥浓度大，对供氧要求高的废水的处理。„但基建费用高，操作复杂，目前尚未有实际规模的应用实例。膜曝气-生物反应器的特点膜萃取-生物反应器出水进水(含有机污染物)膜组件生物反应器营养物O2„膜萃取-生物反应器适用来萃取和处理废水中的优先污染物。„特别适用于废水酸碱度高、盐浓度高或含有毒生物难降解有机物，不宜使废水与微生物直接接触处理时的情况。„适用于废水含有挥发性物质，采用传统的生物处理工艺易随曝气气流挥发的情况。膜萃取-生物反应器的特点自生动态膜－生物反应器常规膜－生物反应器的一些缺点¾膜成本较高¾膜污染不可避免廉价网状基材背景自生动态膜－生物反应器廉价网状基材¾分离活性污泥•动态膜指在基材表面形成凝胶层与污泥层，其是分离污染物的主体•网（有机、无机）•无纺布自生动态膜－生物反应器优点¾降低建设成本•通量高•动态膜易生成、易去除•不需设出水抽吸泵•有效截留SS动态膜形成过程活性污泥活性污泥自生成动态膜自生成动态膜滤液滤液污泥层污泥层凝胶层凝胶层微网基材微网基材反应器系统进水槽ΔH泵空气扩散器流量计膜组件鼓风机出水出水管动态膜组件讲课提纲¾生物处理基础¾膜-生物反应器的技术原理¾MBR分类与特点¾MBR不同构型与比较¾MBR适用膜材料与膜组件a)加压分置式MBRb)浸没一体式MBR出水出水进水进水膜组件抽吸泵空气空气生物反应器生物反应器循环泵膜-生物反应器的构型占地更为紧凑，过滤压差小，不需污泥循环泵，运行费用较低。第一代MBR——加压（分置）（60年代～80年代）曝气池进水系统出水曝气装置膜组件•板式超滤膜（聚丙烯睛）•管式超滤膜（有机、无机膜）加压分置式MBR的特点•通量大•体外清洗方便•膜成本高•运行费用大应用受到限制分体式膜－生物反应器的改进真空计压力计50L出水转子流量计膜组件反应器转子流量计进水泵循环泵抽吸泵测压管水银差压计压力计压缩空气分体式膜－生物反应器的改进12637854910P原水池；2-进水泵；3-生物单元；4-膜单元；5-膜组件；6-曝气管；7-循环管；8-鼓气泵；9-蠕动泵；10-清水池气升循环分体式膜-生物反应器第二代MBR——浸没式（一体式）（80年代末以后）浸没式MBR的特点¾浸没放置¾低压（抽吸或重力）出水¾气液两相流扰动¾间歇运行¾稳定运行时间长¾运行能耗低讲课提纲¾生物处理基础¾膜-生物反应器的技术原理¾MBR分类与特点¾MBR不同构型与比较¾MBR适用膜材料与膜组件膜材料•有机：聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚砜、聚丙烯睛、合成橡胶等•无机：陶瓷膜膜材料的选择„有机膜：价格低、填充密度大„无机膜：耐酸碱和高温，寿命长，成本高。膜材料对水质影响不大，主要影响膜污染。理想的膜材料应为耐污染、大通量、机械强度高、寿命长、价格便宜。膜孔径对MBR效果的影响•微滤～超滤（0.4μm～数万截留分子量）一般情况下膜出水宏观水质没有明显差异。主要从水通量、价格、强度、寿命、耐污染性、抗生物氧化性、耐酸碱性等方面综合选择。膜组件型式•中空纤维:有机膜•平板：有机膜•管式：有机、无机膜中空纤维膜组件•以帘式为主，膜丝的放置方向（纵、横）•束状膜组件型式的选择„中空纤维（外压式）和平板膜„两者的利弊价格过滤阻力表面错流速度要求与过滤稳定性在线可清洗性预处理要求水质安全性应用于MBR的膜材料与组件DomesticFrance40-80**0.2TubularInorganicJapan10-200.2PlatesheetMetalDomestic10-2020k-100k*PlatesheetPVDF,PAN,PESJapan10-300.08PlatesheetPVDFDomestic5-100.01HollowfiberPVCCanadaJapanDomestic10-3010-3010-300.030.1,0.40.22HollowfiberPVDFDomestic5-100.1-0.2HollowfiberPPJapan,Korea8-150.1-0.4HollowfiberPECompanyFlux(LMH)Poresize(μm)ModuleMaterial*MWCO;**PressurizedsidestreamMBR久保田公司平板膜：久保田日立plantToray中空纤维膜组件日本三菱公司加拿大Zenon公司旭化成（PVDF)•陶瓷膜（日本久保田）•圆盘式国产膜及其组件¾中空纤维（天津膜天膜公司、杭州浙大凯华膜技术有限公司、中科院生态环境研究中心、海口立升、上海原子核研究所、浙江大学等）PVDFPP国产中空纤维膜组件2.膜组器的多样化——中空纤维膜组件•Ge-Zenon•三菱•Memcor•旭化成•Puron•Omexell•膜天•浙大凯华•海口立升久保田公司•久保田•Toray•Huber•Bio-cell•上海应用物理研究所…2.膜组器的多样化——平板膜组件•NoritX-Flow•南京化工大学（陶瓷膜)•……2.膜组器的多样化——管式膜组件膜组件生产厂家（部分）0.2μmPVDF中空纤维膜天0.4μmPE中