MBR-在水处理中的研究与应用

-1-MBR在水处理中的研究与应用杨霞1，陈宗元2，张圣虎1，李政11武汉理工大学资环学院，武汉（430070）2河南安阳化学工业集团有限责任公司，河南安阳（455133）E-mail:[e-mail]摘要：膜生物反应器（MBR）是一种通过膜来强化生化反应的水处理新技术，引起了日益广泛的关注。本文综述了膜生物反应器的工艺类型,介绍了其在生活污水、工业废水、垃圾渗滤液等处理领域的研究与应用，探讨了膜生物反应器的发展前景。为研究者了解近年来膜生物反应器的发展提供清晰的脉络，也为膜生物反应器的改进和推广提供理论支持。关键词：膜生物反应器；水处理；MBR的应用1.引言膜生物反应器(MBR)是将膜分离技术和传统活性污泥法相结合而成的一种新型废水处理工艺，该工艺是以膜分离技术替代传统活性污泥工艺中的二沉池，由于其具有处理效率高、出水水质稳定、占地面积小、污泥产量少、处置费用低、设备紧凑、易于自动控制和运行管理、出水可直接回用等特点[1]，具有许多生物处理工艺无法比拟的明显优势，因此MBR已被广泛应用于城市污水和工业废水的处理。我国应用膜生物反应器处理废水始于20世纪60年代，起步较晚，其开发、研究与应用尚未成熟，然而，在水资源日益短缺和废水排放标准愈加严格的情况下，膜生物反应器以其独特的竞争优势可能成为废水处理和资源化的重要途径之一。2.MBR的工艺类型根据膜组件在生物反应器中的用途不同，MBR可分为固液分离膜生物反应器、无泡曝气膜生物反应器和萃取膜生物反应器三类[2]。在过去的十几年中我国对MBR工艺技术等方面的研究主要集中于固液分离MBR，而对曝气MBR和萃取MBR方面的研究相对较少。2.1固液分离MBR固液分离MBR是目前应用昀普遍的形式，能有效地解决传统活性污泥法遇到的难题。已有研究表明，MBR在高MLSS条件下也能保持稳定和良好的出水水质，并且可以通过降低F/M值可使剩余活性污泥大大减少[3]。固液分离MBR按其膜组件的设置位置可分为淹没式MBR和外置式MBR两种，简要工艺流程如图1所示。图1A为外置式MBR，该反应器的膜组件设置在生物反应器外，两者之间通过回流泵和管线连接，相互干扰小，运行稳定可靠，操作管理简单，有利于膜的清洗与更换，但回流泵的剪切作用会对微生物的活性产生一定影响，此外也加大了动力消耗，运行费用相应增加[4]。图1B为淹没式MBR，该反应器的膜组件设置在生物反应器内，曝气装置设置在膜组件的下方，随气流向上流动的混合液在膜表面形成剪切应力，可以去除膜表面的固体颗粒物，使膜能保持一定的水通量[5]。淹没式MBR节省了占地面积，造价及其运行费用低，膜污染缓慢，但膜的化学清洗困难。由以上叙述可见，与外置式MBR相比，淹没式MBR昀大的特点是运行能耗低，占地面积小，但是在运行稳定性、操作管理方面及膜清洗更换上不及外置式MBR。-2-A外置式MBRB淹没式MBR图1分离MBRFig1Membraneseparationbioreactor2.2无泡曝气MBR无泡曝气MBR是由无泡供氧技术与生物反应器结合而成的一种新型膜生物反应器，装置示意图如2。能使空气或氧气进入传质阻力很小的透气膜后，在浓差推动力的作用下向膜外的活性污泥扩散，由于O2在膜组件中停留时间很长，且O2的分压被控制在不致起泡，因此不能进入大气，这样可以使O2的传质效率和利用率均达到昀高[6]。该技术在供氧过程中不会有气泡产生，供氧效率可达100%，避免易挥发有机物随气泡进入大气而造成的二次污染，因而特别适合处理含挥发性有毒有害有机物或发泡剂的废水[7]。反应器中气液两相独立运作，互不干扰，避免了因气体传输而导致的膜外表面生物膜脱落现象。但是膜需要每天进行清洗，这是该法不足之处。图2无泡曝气MBRFig2Membrane-aeratedbiofilmreactor2.3萃取MBR萃取MBR（如图3）一般用于处理工业废水中的优先污染物。由于含该污染物的废水有毒、难生物降解或酸碱度高，因此废水与微生物直接接触的工艺类型对其的去除效果并不理想[8]。萃取MBR用膜组件将废水与活性污泥隔离，避免了废水与微生物直接接触，某些污染物透过具有选择性的膜组件后被微生物吸附降解，浓度不断下降，在废水和反应器之间形成一个浓度差，这是污染物进入生物反应器的根本传质推动力。萃取MBR运行中，从膜内向-3-外扩散的污染物与从污泥向膜扩散的O2产生了异向运动，这有别于传统生物反应器的同向运动，且污染物与O2在生物膜上相遇，大大提高了污染物的去除速率[5]。此外，特定污染物存在于反应器中，通过向反应器中投加降解该物质的专性细菌后，可以提高降解的针对性和降解速率。运行中，污染物的传质阻力主要来自膜组件和附于膜组件表面的生物膜，因此要保持适当的生物膜厚度。当废水中酸、碱度、盐浓度高或含有有毒、难生物降解的有机污染物时，用萃取MBR可获得较好的去除效果。图3萃取MBRFig3Extractivemembranebioreactor3.MBR在水处理领域的研究与应用近年来，我国MBR的研究或应用已经涉及到微污染源水源饮用水、生活污水、工业废水（包括高强度和难降解工业废水）、垃圾渗滤液等领域，应用领域愈加广泛。3.1MBR在微污染源水源饮用水处理中的应用随着氮肥与杀虫剂在农业中的广泛应用,饮用水也受到不同程度的污染。在饮用水处理领域，国内外也开展了一些相关工作，如去除水中的微污染物和消毒副产物(DBP)。我国学者尝试了采用MBR工艺直接处理长江原水，发现对氨氮的平均去除率高达87%[9]，这说明MBR对氨氮能获得很高的去除率。MBR工艺对于有机毒物去除效果也十分显著，对苯和三氯乙烯的去除率分别达到99.82%和98.86%。2005年5月我国的苏州市第一座超滤水处理厂投入运行。1999年芬兰Laitila市建成了处理量为600m3/d的RO/NF过滤站，用以除去水中高浓度的氟和铝。苏格兰建成设计流量为3.2×103m3/d的NF处理水厂，以除去水中的DBP。新西兰Tauranga市成立一家处理量为3.6×104m3/d的MF水厂，用于解决饮水中难以用氯杀灭的杆菌芽孢问题[10]。3.2MBR处理生活污水MBR可以有效去除COD、浊度、氮、磷及微量有机物(内分泌干扰物等),并可以提供良好稳定的出水水质。采用自生动态膜生物反应器(SFDMBR)处理城市生活污水，可以使COD的平均去除率达81%，对氨氮的平均去除率为87%，对总磷的平均去除率为70%，出水水质良好[11]。采用复合式膜生物反应器处理城市生活污水，在100d的连续试验期内，其出水水质可达到再生水的水质标准要求，COD25mg/L，NH4+-N0.6mg/L，无色无味，无SS，未检测出大肠杆菌，并且可以延缓膜污染，从根本上改善和维持膜通量，使得膜生物-4-反应器可以在较低的气水比的条件下长时间维持较高膜通量，节约能耗[12]。采用新型一体化多级生物膜反应器处理高氮小城镇污水，在反应器中实现了高效的同步硝化反硝化脱氮,同时采用多点进水方式解决了脱氮低碳源问题。结果表明，在温度20℃，有机负荷(COD)为0.85kg·m-3·d-1、氮负荷为0.27kg·m-3·d-1、HRT为9h、分点进水条件下，可使进水COD为320mg·L-1,TN为97mg·L-1,NH+4-N为84mg·L-1左右的高氮城镇污水，出水COD、TN、NH4+-N分别为16mg·L-1、19.1mg·L-1、6.86mg·L-1，达到国家一级排放B标准[13]。采用膜生物反应器(MBR)处理城市污水，在水力停留时间8h，操作压力6kPa条件下，MBR可长期运行，对COD、SS和浊度的去除率分别为92%、99%、100%。出水水质达到国家污水综合排放一级标准(GB8978-1996)[14]。由以上可知，运用各种类型的MBR对生活污水中污染物均具有良好的去除效果，并可以保证稳定良好的出水水质，是一种经济可行的处理生活污水的方法。3.3MBR处理工业废水近年来,人们利用MBR处理含油废水、啤酒废水、造纸废水、重金属废水、食品工业废水、染料废水、制药废水、高浓度有机废水等方面，均获得了良好的处理效果[15~16]。表1列举了MBR在我国工业废水方面的处理效果及应用实例。表1MBR对工业废水的处理效果Table2EfficiencyofMBRprocessfortreatmentofindustrialwastewater废水种类膜组件或技术处理效果文献出处含油废水超滤膜(A4)CODCr从728.64mg/L降至87.8mg/L，含油质量浓度从5000mg/L降至2.5mg/L，脱除率分别达到87.95%和99.95%，分离后排水已达到国家规定的排放标准。唐燕辉等[17]，1998啤酒废水IMBR对废水的COD、NH4+-N、SS、浊度的去除率分别达到96%、99%、90%和100%。王连军等[18]，2000造纸废水单阳膜CODCr从112000mg/L降到2000mg/L，去除率达98.2%，且可以回收有用化学品。薛建军等[19]，2005重金属废水乳状液膜分离技术对粘胶废水中的Zn2+、Cu2+、Cd2+、Pb2+、Cr3+等重金属离子的去除率均达到99%以上。Draxler.J等[20],1988食品工业废水超滤-纳滤COD从754mg/L降到80mg/L，去除率高达89%。张栋华等[21]，2004染料废水中空纤维COD从120-250mg/L降至低于20mg/L，使色度低于4度刘超翔等[22]，2002制药废水中空纤维进水（出水）：COD1500-4900mg/L（180mg/L），BOD500-1633mg/L（10mg/L），氨氮297-354mg/L（15mg/L），SS430-1033mg/L（10mg/L）；张栋华等[21]，20043.4MBR处理垃圾渗滤液垃圾渗滤液是指垃圾在堆放或填埋过程中由于发酵、雨水的冲刷以及地表水的浸泡而滤出来的污水，是一种成分复杂的高浓度有机废水，若不加处理或处理不当而排入环境，会对周围地下水和地表水造成严重的环境污染。常规生物处理工艺很难达到满意的去除效果，而已有研究表明，采用MBR是一种安全、有效去除垃圾渗滤液的方法，因此被国内外学者广泛关注。李军[23]等利用膜生物反应器对垃圾渗滤液进行了为期60d的实验研究，发现其出水水质可以达到二级排放标准，CODcr300mg/L,氨氮20mg/L，未检出SS和大肠杆菌。孟了[24]-5-等利用膜生物反应器对渗滤液进行了亚硝酸型硝化反硝化的中试研究，结果表明，当进水氨氮浓度1000mg/L、氨氮负荷为0.4kgNH4+-N/(m3·d)时,对氨氮的去除率可达80%～90%。采用UASB-MBAC组合工艺对垃圾渗滤液也有很好的处理效果，在进水CODcr为500～3000mg/L,BOD5为300～1900mg/L，控制UASB水力停留时间9～15h，系统总水力停留时间19～30h，进水CODcr容积负荷为1.39～6.76kgCODcr/(m3·d)的条件下，出水CODcr为146～880mg/L，出水BOD5在7.8～14.2mg/L,CODcr平均去除率为73%，昀高可达95154%，BOD5平均去除率为98.3%，昀高可达99.54%。由以上可以说明MBR对垃圾渗滤液中污染物有良好的去除效果，可以作为垃圾渗滤液污染治理的主要工艺。4.展望尽管MBR在水处理领域有很广泛的应用前景，但由于膜价格昂贵、易于引起膜污染、能耗和运行费用高等因素制约了MBR的推广，需要进行深入研究和改进。4.1寻求廉价、性能及强度高的膜材料目前已有人采用廉价微网材料替代传统微(超)滤膜进行固液分离的动态膜-生物反应器[25~26]。采用仿生膜代替传统膜，这样可以有效解决以往众多难以克服的问题，如果能实现工业化生产，必将大大促进MBR的广泛应用。4.2探索解决膜污染的方法膜污染是限制MBR应用的关键因素。不仅给操作管理带来不便，而且使运行费用提高。根据影响膜污