膜生化反应器

膜生化反应器（MBR）工艺MembraneBiologicalReactor1.1膜技术基础1.1.1膜的定义膜广泛存在和应用于自然界和人类活动中，其种类繁多，作用也是千差万别，但是它们都有一个共同的特性----选择透过性。膜从广义上可以定义为两相之间的一个具有选择透过性的薄膜屏障。膜分离是指在某种驱动力的作用下，利用膜的透过性能，达到分离混合物（如溶液）中离子、分子以及某些微粒的过程。与传统过滤器的最大不同在于膜可以在离子或分子范围内进行分离。膜的分离与截留性能一般以膜的孔径和截留分子量来加以区别。膜分离的驱动力主要有三种：压力差、浓度差、电位差。以乳液形式存在的液膜液膜存在固体多孔支撑层的液膜复合膜具有皮层的多孔膜多孔膜非对称膜均质膜多孔膜柱状孔膜对称膜固膜膜的结构分类8二、膜孔径范围分布示意图：过程孔径推动力传递机制微滤0.05~10μm压力差约为105Pa筛分超滤0.001~0.05μm相对分子质量103~106压力差105~106Pa筛分纳滤1nm相对分子量200~1000压力差5×105~1.5×106Pa溶解扩散Donnan效应反渗透0.1~1nm压力差106~107Pa优先吸附、毛细管流动、溶解-扩散气体分离无孔压力差106~107Pa溶解-扩散渗析1~3nm浓度差筛分加上扩散度差电渗析相对分子质量200电位差反离子迁移渗透蒸发无孔分压差、浓度差溶解-扩散1.1.2应用较广的膜类型1.1.2.1管式膜1.1.2.2卷式膜1.1.2.3中空纤维1.1.3微滤-Microfiltration微滤（Microfiltration）又称为微孔过滤，它属于精密过滤，其基本原理是筛分过程，在静压差作用下滤除0.1-10μm的微粒，原料液在压差作用下，其中水(溶剂)透过膜上的微孔流到膜的低压侧，为透过液，大于膜孔的微粒被截留，从而实现原料液中的微粒与溶剂的分离。微滤过程对微粒的截留机理是筛分作用，决定膜的分离效果是膜的物理结构，孔的形状和大小。由于微滤膜孔径相对较大，空隙率高，因而阻力小、过滤速度快，实际操作压力也较低，其典型的操作压力为1-3bar。1.1.4超滤-Ultrafiltration超滤（Ultrafiltration,UF）是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体进行分离的物理筛分过程。超滤同反渗透技术类似，是以压力为推动力的膜分离技术。在从反渗透到电微滤的分离范围的谱图中，居于纳滤（NF）与微滤（MF）之间，其分离孔径一般在0.001~0.05μm，截留分子量范围为1000-100000道尔顿。超滤的操作压力一般为3-10bar。溶液在压力作用下,溶剂与部分低分子量溶质穿过膜上微孔到达膜的另一侧,而高分子溶质或其它乳化胶束团被截留,实现从溶液中分离的目的。它的分离机理主要是靠物理的筛分作用。超滤分离时是在对料液施加一定压力后，高分子物质、胶体物质因膜表面及微孔的一次吸附，在孔内被阻塞而截留及膜表面的机械筛分作用等三种方式被超滤膜阻止，而水和低分子物质通过膜。超滤材料目前大多数是有机复合高分子膜，如聚偏氟乙烯（PVDF）由于其优良的不同溶剂的兼容性被应用于超滤膜制备，磺化聚醚砜(PES)材料则由于其相对聚偏氟乙烯材料在单位面积上的富集多孔的优点而被应用在超滤膜制备上，而Biomembrat膜生化工艺也采用这种材料的超滤膜。目前无机膜材料也开始得到制备和应用，如陶瓷膜等，虽然其目前还存在一些缺陷或不足，但其发展前景为业内人士所看好。一般的超滤膜为非对称膜，是由一层极薄(0.1um)并且具有一定孔径的表皮层和柱状或海绵状结构的多孔层组成，前者承担分离，后者则为支撑机构。超滤膜的形式种类较为繁多，主要有卷式、板式、中空纤维式、管式等。1.1.5纳滤-Nanofiltration纳滤分离作为一项新型的膜分离技术，技术原理近似机械筛分，但是纳滤膜本体带有电荷性，因此其分离机理只能说近似机械筛分，同时也有溶解扩散效应在内。这是它在很低压力下仍具有较高脱盐性能和截留分子量为数百的膜也可脱除无机盐的重要原因。与超滤或反渗透相比，纳滤过程对单价离子和分子量低于200的有机物截留较差，而对二价或多价离子及分子量介于200～500之间的有机物有较高脱除率。纳滤膜的分离孔径在一般在1nm到10nm左右，一般的纳滤操作压力为5-25bar左右。由于纳滤的操作压力相对较高，一般纳滤的过滤形式为卷式膜死端过滤。1.1.6反渗透-ReverseOsmosis反渗透其分离粒径一般小于1nm，其分离粒子级别可达到离子级别。反渗透机理到目前为止还不是很明确，一般认为其机理为选择性吸附－毛细管流机理：由于膜表面的亲水性，优先吸附水分子而排斥盐分子，因此在膜表皮层形成两个水分子（1nm）的纯水层，施加压力，纯水层的分子不断通过毛细管流过反渗透膜。控制表皮层的孔径非常重要，影响脱盐效果和透水性，一般为纯水层厚度的一倍时，称为膜的临界孔径，可达到理想的脱盐和透水效果。1.2膜生化反应器膜-生物反应器工艺（MBR工艺）是膜分离技术与生物技术有机结合的新型废水处理技术，也称膜分离活性污泥法，这种反应器综合了膜处理技术和生物处理技术带来的优点。超、微滤膜组件作为泥水分离单元，可以完全取代二次沉淀池。它利用膜分离设备将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物质截留住，水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）可以分别控制，而难降解的物质在反应器中不断反应、降解。一方面，膜截留了反应池中的微生物，使用池中的活性污泥浓度大大增加，使降解污水的生化反应进行得更迅速更彻底，另一方面，由于膜的高过滤精度，保证了出水清澈透明从而省掉二沉池。因此，膜-生物反应器工艺通过膜分离技术大大强化了生物反应器的功能。与传统的生物处理方法相比，具有生化效率高、抗负荷冲击能力强、出水水质稳定、占地面积小、排泥周期长、易实现自动控制等优点，是目前最有前途的废水处理新技术之一。1.2.1膜生化反应器类型1.2.1.1一体式膜生化反应器(浸没式膜生化反应器)其主要特点如下：①膜组件浸没在生物反应器中；②出水需要通过负压抽吸经过膜单元后排出；③主要优点有：体积小、整体性强、工作压力小、节能、不易堵塞等；④主要缺点为：膜的表面流速小、易污染、出水不连续等。1.2.1.2分体式膜生化反应器(外置式膜生化反应器)在分体式膜生物反应器中生物反应器与膜单元相对独立，通过混合液循环泵使得处理水通过膜组件后外排；其中的生物反应器与膜分离装置之间的相互干扰较小。1.2.1.3萃取式膜生化反应器(隔离式膜生化反应器)在隔离式膜生物反应器中所采用的膜是选择性萃取膜，它能将将废水与生物反应器完全隔离开，具有选择性的萃取模只容许原废水中的目标污染物透过，并进入生物反应器而被降解，废水中其它对生物具有毒害的物质则不能进入生物反应器，这样可以提高生物反应器的效能；而废水中的有毒有害物质则可以单独通过其它物化的方法进行处理。但目前为止，工业化大规模应用不多。1.2.2Biomembrat®膜生化反应器工艺特点：1：外置式管式超滤膜2：射流曝气3：设计污泥浓度15g/l4：生物脱氮活性污泥空气排气原水清液