膜生物反应器

2016膜生物反应器市政工程研究生一年级胡文斌目录（一）膜分离技术1.膜分离的含义和要点2.膜分离技术的分类3.错流过滤和死端过滤4.膜分离技术的特点和应用1.1膜分离的含义和要点1.2膜分离技术的分类•膜分离机理和分类分离组分性质分离机理单元分离方法溶质、气体等低分子物质的分离溶解、扩散DD、GP、PV、VP等致密膜分离过程扩散GP、MD微孔或多孔膜分离过程离子的吸引或排斥离子交换膜和纳滤等荷电膜分离过程筛分RO、NF、UF、MF等分离过程大分子、悬浮物的分离筛分UF、MF吸附亲和膜和荷电膜分离过程1.3.错流过滤和死端过滤（二）膜组件•1.膜分离组件基本含义•2.几种膜组件2.1膜分离组件基本含义2.2几种膜组件（1）螺旋卷式组件•特点：膜面积大，湍流情况好，但制造装配要求高、清洗检修不方便，不能处理悬浮液浓度较高的料液。可用于微滤、超滤和反渗透。（2）管式膜组件特点：结构简单、适应性强、压力损失小、透过量大，清洗、安装方便、可耐高压，适宜处理高粘度及稠厚液体。但比表面积小。适于微滤和超滤。（3）中空纤维式膜组件•特点：•密度高，存留液少，可反洗，装备紧凑，泵耗能低，但膜面去污难，膜替换费用高，不宜处理粘稠液体，适用于超滤和微滤（4）平板膜组件特点：较管式组件比表面积大得多，易于更换膜，适于微滤、超滤。（5）四种膜组件特点的比较类型优点缺点使用情况螺旋卷式膜填充密度大，结构紧凑，可使用强度好的平板膜制作制作工艺技术复杂，密封较困难，易堵塞，不易清洗适用于大容量规模，已商业化中空纤维式膜填充密度最大，不需要外加支撑材料，浓差极化可忽略，价格低廉制作工艺和技术复杂，易堵塞，不易清洗适用于大容量规模，已商业化平板式结构紧凑、简单、牢固、能承受高压，性能稳定，工艺简单装置成本高，流动状态不良，浓差极化严重，易堵塞，膜的装填密度小适用于小容量规模、高污染和黏度大的液体，已商业化管式易清洗和更换，水流动状态好，压力损失较小，耐较高压力，能处理含有悬浮物等易堵塞流水通道的溶液体系装置成本高，管口密封较困难适用于中小容量规模，高污染和黏度大的液体（三）膜生物反应器•1.MBR工艺简介•2.MBR工艺和膜结构•3.膜污染及影响因素•4.MBR工艺运行•5.膜材料•6.膜清洗•7.曝气3.1MBR工艺简介•含义：膜生物反应器是指生物处理与MF或UF膜分离技术相结合的工艺。•与传统生物处理工艺相比的优势：•（1）单级阶段能够产出高质量、澄清的且已大部分消毒的渗透液（等同于三级过滤）•（2）污泥停留时间（SRT）和水力停留时间（HRT）相互独立，而这两个参数在一般的污水处理厂是相关联的•（3）可在高污泥浓度下运行，不仅所需的反应器尺寸缩小，而且可以促进特定硝化细菌的生长，加强氨氮的去除效果•（4）污泥停留时间（SRT）延长，为生长缓慢菌群的强化处理提供了机会•（5）减少了剩余污泥的产生量•其中，MBR工艺结构紧凑，出水水质好，这两点被认为是MBR工艺最大的优势•与传统生物处理相比的劣势：•（1）工艺复杂•（2）膜污染及清洗尤其是离线的化学清洗给操作管理带来不便•（3）膜制造成本偏高，膜生物反应器基建投资高于相同规模的传统污水处理工艺•（4）池中MLSS浓度非常高，要保持足够的传氧速率，必须加大曝气强度•（5）一般需要用循环泵在膜表面提供一定的错流流速，冲刷膜表面，所以能耗要比传统的生物处理工艺高•（6）容易产生膜污染3.2MBR工艺和膜结构•膜结构既可以指MBR工艺结构也可以指膜组件结构。膜组件结构前面已经说过，就不在赘述了，下面说一说MBR工艺结构。•根据膜组件与生物反应器的结合方式或相对位置组合方式，可将MBR分为内置式和分置式两大类•分置式又称淹没式生物反应器，是现在MBR的主流技术。进水进入膜生物反应器，其中的大部分污染物被混合液中的活性污泥分解去除，在由膜过滤出水。•分置式MBR是指膜组件与生物反应器分开设置，相对独立，膜组件与生物反应器通过泵与管路连接。混合液经循环泵增压后进入膜组件，液体透过膜成为系统处理水，而固形物和大分子物质被膜截留，随浓缩液回流到生物反应器内一般而言，iMBR较之sMBR能耗低，因为sMBR膜组件采用外置泵错流冲洗膜面，而施加的高压力和高流量会造成能量损失。而为了充分利用这些潜在的能量，流动通道应尽可能长一些，从而使高压下流动的液体内的固有能量尽可能多用于渗透。为了获得沿膜组件长度方向合理的40%---50%能量转化率，流动通道需要很长，其长度通常超过20m。这就要求串联大量的膜组件，使得沿截留通道的压力显著下降。iMBR通过曝气冲洗膜组件，该方法较外置式能耗低，但运行膜通量较低。3.3膜污染及影响因素MBR反应器中的膜污染与一系列物理、化学和生物因素有关，其污染的形成可分为两个步骤:(1)膜污染初期的水通量下降是由于浓差极化引起的，水中溶解性物质在膜表面附着，逐渐积累使浓度升高，在浓度梯度的作用下，及近膜面的溶质又以相反方向向料液主体扩散，平衡状态时膜表面形成一个溶质浓度分布边界层，对溶剂等小分子物质起阻碍作用，并且高的渗透压将进一步减少渗透水通量，使得膜的水通量降低（2）长期的膜污染是溶质吸附和颗粒沉积造成的，膜表面高浓度的溶质可能发生沉降，形成凝胶层，悬浮颗粒达到膜表面形成沉积，此凝胶层和滤饼层减少了水力渗透能力，也减少了渗透水通量。MBR膜性能和污染主要影响因素•（1）膜自身的特性，包括膜材质、亲、疏水性、生物亲和力、孔径大小及分布、表面粗糙度、膜的荷电性、膜的孔隙率等•（2）膜组件的结构和类型，包括纤维膜丝的直径、长度、压实密度、松紧度和膜组件的构造、放置方式等•（3）MBR的运行条件，包括膜通量、反应器结构、曝气方式和曝气量、抽吸泵抽停时间、出水方式、温度、ph值、是否安装填料以及水力停留时间HRT等•（4）污泥特性、污泥活性、污泥龄等3.4MBR工艺运行•膜生物反应器对有机物的去除基于两方面功能：一是生物反应器对有机物的降解作用，膜强化了作用；二是膜对大分子有机物质的截留作用，大分子物质可以被截留在反应器内，获得比传统活性污泥更多的与微生物接触反应的时间•膜生物反应器中膜对溶解性有机物的去除来自三个方面的作用:一是通过膜孔本身的截留作用，即膜的筛滤作用；二是通过膜孔和膜表面的吸附作用使有机物去除；三是通过膜表面形成的沉积层（次生膜层）的筛滤、吸附作用对溶解性有机物的去除3.5膜材料•膜材料即做膜的原料。膜材料作为膜分离技术的核心越来越受到人们的关注。膜材料早期为天然的，现在多为人工合成，用做膜材料的物质有有机高分子材料和无机材料，其中尤以有机高分子膜材料制备的膜为主。•有机膜通常具有高表面孔隙率和较小的孔径分布，以提供尽可能高的产水和选择截留度。膜还必须有一定的机械强度，例如有完整的结构。最后，膜材料一般还要求能够受化学冲击，例如极端的温度、ph等，并对膜污染有一定的耐受性3.6膜清洗•膜清洗分为两类，一种是化学清洗，一种是物理清洗•一般来说，膜的物理清洗较之化学清洗更省力。物理清洗比化学清洗快，持续时间不超过2min。物理清洗不需要添加化学物质且不产生任何化学废物，而且物理清洗不会引起膜退化。但另一方面物理清洗效率不及化学清洗。物理清洗可去除粘附在膜表面的粗大固体，一般成为可逆或临时膜污染，而化学清洗则可以去除粘着更牢固的物质，其常被称为不可逆或永久膜污染。与膜清洗有关的重要设计参数•(1)两个物理清洗间的周期，物理清洗可能是反冲洗或释压（2）物理清洗持续的时间（3）两个化学清洗间的周期（4）化学清洗的持续时间（5）反冲洗通量（6）单位膜面积的清洗剂浓度和体积pt3.7曝气•曝气的首要作用在于为生物反应器，尤其是混合液对空气的需求提供用于固体搅拌和维持微生物存活的溶解氧。（DO)。在生物处理中DO一般被认为是关键设计参数。生物系统需求的氧与进水流量、底物降解、污泥产生和TKN浓度有关。MBR-RO膜集成工艺在印染废水回用中的应用研究印染废水的水质特征•排放量大•成分复杂•有机物含量高•色度深•化学需氧量高•生化需氧量相对较低•可生化性强•常规活性污泥法和MBR工艺特性的比较工艺项目MBR工艺常规活性污泥法SRT30--60天，污泥龄长15d,污泥龄短MLSS7000--18000mg/L4000mg/L剩余污泥量污泥产率低，剩余污泥量少剩余污泥多沉淀池不需要需要占地面积是常规活性污泥法的1/5--1/3--工艺稳定性不受污泥膨胀影响，工艺耐冲击性高受污泥膨胀影响，耐冲击负荷差出水水质高品质的出水，可直接回用，或能直接作为反渗透装置的进水出水水质达不到回用标准，不能直接作为反渗透装置的进水操作及自动化程度操作简单，系统自动化程度高操作复杂，自动化程度差•本工艺采用MBR--RO膜集成工艺工艺流程运行工艺•MBR--RO中试的工艺流程如图•该中试以现有印染废水处理设施的中和池出水作为进水。印染废水经进水槽作短暂的调节后，进入好氧生物池进行生化处理，生化处理后的水进入MBR池经布置在反应池中的膜组件进行膜过滤处理，MBR池内的污泥混合液回流至好氧生物池，同时向MBR池中投加聚合氯化铝；MBR处理水进入反渗透系统进行深度处理后得到可回用产水主要参数项目数值膜面积70m2通量0.3m/dSRT20dHRT15hMLSS6000-15000mg/L体积负荷0.8-2.0kgCODRO系统项目数值膜面积7m2通量18L标准脱盐率99.5%回收率70%•MBR系统2试验水质•表中列出了MBR进水水质和《纺织染整工业水污染物排放标准》中排放指标•MBR进水水质和出水指标项目CODBOD5悬浮物色度HN3-NTPPH值MBR进水标准600-1500≤10080-250≤25100--300≤7040--120≤401--8≤151-10≤17-96-9结果与讨论•MBR系统水质处理效果项目MBR进水均值MBR出水均值去除率排放标准BOD5149894.6%≤25COD(Cr)7085092.9%≤100色度551572.7%≤40悬浮物190ND＞99.9%≤70NH3-N4.61.273.9%≤15TP4.00.392.5%≤1.0PH值8.27.7--6--9•（1）水质处理效果•表中列出了MBR-RO系统运行正常后，MBR进、出水中各污染物的平均浓度。由该表可以明显看出，MBR系统的水质处理效果非常好，出水各污染物平均浓度完全符合标准，且处理水质非常稳定。其中，MBR出水COD和BOD的平均浓度分别为50mg/L和8mg/L，去除率分别达到92.9%和94.6%，远低于排放指标。同时，通过由于向MBR池中投加一定量的PAC，使得MBR出水的TP平均浓度只有0.3mg/L,完全符合排放限值。另外，MBR系统对色度的去除率也达到72.7%左右。•（2）膜运行性能•由于印染废水的成分非常复杂，含有多种染料、洗涤剂等，而且这部分难降解物质使得MBR池污泥的过滤性较差，容易阻塞膜孔，对膜性能造成比较大的负面影响。因此，通过向MBR池中投加PAC，能有效吸附容易引起膜污染的大分子有机物质和胶体，除了使处理水质变好外，也能有效降低MBR膜污染速度，进而延长MBR的清洗周期。在近一年的MBR连续运行过程中，控制运行通量为0.3m/d，操作模式为抽9min停1min，结果MBR膜表现稳定。•由于MBR出水中含有一部分易引起RO膜结垢的物质，因此在RO进水中连续投加阻垢剂，以防止和延缓RO膜的结垢趋势。在半年多的RO连续运行过程中，控制运行通量为18L，回收率为70%，结果RO膜同样表现稳定，化学清洗频率为3个月左右结论•（1）印染废水排水量大，成分非常复杂，对环境尤其是水环境的威胁和危害越来越大。印染行业作为高污染行业，迫切要求实施印染废水的回用处理，而将MBR与RO工艺相结合的双膜法废水回用处理技术，可弥补单独使用MBR技术和RO技术的不足，充分发挥其作用•（2）通过选取具有一定行业代表性的某印染企业，进行MBR-RO工艺处理和回用印染废水的开发和应用研究，结果显示：MBR水质处理效果非常好且稳定，出水