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1、第二章膜生物反应器的控制及运行2.1MBR中运行参数2.1.1生化单元控制参数及指标2.1.2膜单元控制参数2.2MBR中微生物的特性MembraneBioreactorProcess&Technology2.1MBR中运行参数影响膜生物反应器的因素和技术参数涉及到生物反应器与膜组件两个部分。对于生物反应器而言，主要有pH、温度、水力停留时间（HRT）、污泥停留时间（SRT）、污泥浓度（MLSS）和污泥负荷等。对于膜组件而言，主要有膜材料、膜孔径和膜结构的选择、操作压力、膜面流速、透水率、反清洗时间和反清洗周期等操作参数。MBR中的运行参数大致可分为与生化单元有关的参数和与膜运行有关的参数两大
2、类。MembraneBioreactorProcess&Technology2.1.1MBR中运行参数生化单元控制参数及指标MembraneBioreactorProcess&Technology1、生化需氧量和化学需氧量BOD：当有溶解氧存在时废水中有机物在20、5日内进行生物分解形成稳定产物所需的氧量，可作为衡量水中所含有机污染物的指标。COD：废水中被氧化的物质在一定条件下被化学氧化剂氧化所需氧量，也是衡量水中有机物的指标包括重铬酸钾法和高锰酸钾法。BOD和COD是评价水处理工艺的重要指标借助MBR中膜优良的过滤性能可有效截留污泥混合液中颗粒性的BOD和COD因此MBR在出水BOD和CO
3、D的指标上比传统工艺更具优势如处理普通市政污水时出水BOD可达到5mgL以下，COD可达到30mgL以下，能满足景观用水和生活杂用水的要求。MembraneBioreactorProcess&Technology2、脱氮除磷在水质标准日趋严格的今天不但要求污水经处理后的有机物浓度达标而氮磷等指标的要求也越来越受到重视。采用活性污泥脱除污水中的氮需经历硝化和反硝化两个过程。硝化过程是在好氧(曝气)的条件下进行的经自养型的亚硝化菌将氨氮氧化成亚硝酸盐继而在硝化杆菌的作用下氧化为硝酸盐，理论上硝化过程将1g氨氮转化为硝酸盐氮需要4.57gO2。反硝化过程则是由异氧型微生物在无分子态氧的条件(厌氧)下
4、把硝酸盐作为氧化剂将硝酸盐还原为氮气。在采用MBR工艺时，出水往往作为回用水，因此对出水氮磷有一定的要求。MBR脱氮原理仍然是依靠微生物的作用，这一点与传统的活性污泥工艺相类似的，但由于MBR具有极强的生物截留作用，因此可以实现大量的硝化菌富集，可以实现非常高效的硝化作用，所以MBR的出水氨氮可比传统工艺低很多，这也是MBR可用于处理高氨氮废水的原因之一。MembraneBioreactorProcess&TechnologyMembraneBioreactorProcess&Technology例如，Zhang等人通等过研究发现，MBR中硝化活性为2.28gNH4-N(kgMLSSh)，而工
5、艺参数与之相近传统活性污泥反应器中的硝化活性只有0.96gNH4-N(kgMLSSh)，他们进一步的研究指出硝化速率的提高源于膜生物反应器中污泥絮体较小，较小的絮体有着更大的周长面积比，氧传质阻力小，硝化作用更彻底。污泥龄对膜生物反应器的硝化作用有很大影响，如Cote研等究者发现，当污泥龄由10天增加为50天时，氨氮去除率由80%增加到99%；而Fan等的等验中也发现，当污泥龄由5天增加为10天时，氨氮去除率由94%增加到99%MembraneBioreactorProcess&Technology就MBR去除总氮的效果来看由于总氮的去除需要好氧、厌氧两个工艺过程的协同作用与之相关的影响因素较
6、为复杂总氮的处理效果主要取决于工艺及运行参数的设计。MembraneBioreactorProcess&Technology根据硝化与反硝化作用是否在同一反应器内发生可将MBR脱氮工艺分为两大类:单一反应器间歇曝气膜生物反应器脱氮工艺和AO形式的膜生物反应器脱氮工艺。第一种工艺大多使用序批式反应器（SBR）的运行方式通过限制曝气和半限制曝气运行方式在时间序列上实现缺氧好氧的组合并控制每一部分适宜的时间比例可以得到较好的脱氮效果。将膜组件浸入生物反应器中构成的一体式装置没有混合液的回流减少了设备需求降低了运行费用。如图2-l。MembraneBioreactorProcess&Technolog
7、yMembraneBioreactorProcess&Technology大多数研究采用单级(单池)间歇曝气G.T.Seo等人采用两级(双池)间歇曝气工艺只在第二反应器中装有膜组件取得了91.6%的脱氮效果。第二种工艺类似于传统的AO工艺前置反硝化在缺氧条件下运行含碳有机物的去除、含氮有机物的氧化和氨氮的硝化在好氧条件下运行以膜代替重力沉淀池进行固液分离。MBR中较高的污泥浓度有利于反硝化的进行。在设计合理的AO系统中好氧池回流污泥中的剩佘溶解氧会被很快耗尽不会破坏缺氧池适宜的环境条件。但过高的污泥浓度会造成空气曝气系统难于满足微生物的氧需求造成硝化速率的降低。膜生物反应器的除磷工艺与脱氮工艺
8、类型相同，常见的有单一反应器间歇曝气工艺和AO形式工艺，现有较多研究集中于生物脱氮除磷结合工艺的开发。与传统除磷工艺相比，采用MBR并不能提高磷的去除，现有报道的总磷去除率介于11.9%和74%之间，这与常规生物除磷工艺的去除能力相当。较好的除磷效果来自于与化学絮凝的结合。MembraneBioreactorProcess&TechnologyMembraneBioreactorProcess&Technology3、运行负荷MBR中的运行负荷包括污泥负荷即每千克污泥每天所脱除的COD（或BOD）的量kgCOD(kgMLSSd容积负荷即每立方米反应池每天所脱COD(或BOD)的量kgCOD(m
9、3d好氧MBR用于城市污水的处理时容积负荷率1.23.2kgCOD（m3d）和0.05-0.66kgBOD5(m3d）相应脱除率为大于90%和大于99%当进料COD变化很大如从100mgL变到250mgL稳态时排放液浓度通常小于10mgL，即进水COD含量变化对出水COD影响不大。MembraneBioreactorProcess&Technology好氧MBR处理工业废水时其负荷率比城市废水高的多。己报道的负荷范围为0.25-16kgCOD(m3d)相应脱除率达到90%-99.8%因为工业废水本身负荷强度高，如酿造废水COD浓度可达到68000mgL含油废水COD也高达30000mgL左右。
10、不同工厂的负荷率大致相近如对食品加置废水果汁厂、制革厂、棉花厂报道的负荷率分别为8.3kgCOD(m3d)、5.9kgCOD(m3d)、3.5kgCOD（m3d）和0.25kgCOD(m3d)。MembraneBioreactorProcess&Technology在城市污水处理中HRT在2-24h之间都可以得到高脱除率HRT对脱除率影响不大。污泥龄在5-350d范围内污泥龄对排水水质的影响也不大比较所报道的研究体系当污泥龄增加到30d时去除率稍有增加再提高污泥龄没有发现进一步的改进。工业废水处理中的HRT通常要比城市废水高得多常需几天而非几小时。而SRT则与城市废水处理相近为6-300天例如
11、含油废水的处理HRT通常在1.87-3.14d污泥龄在50-100天。在大多数情况下COD脱除率大于90%。对强度很高的废水应降低其初始负荷以避免硝化物的抑制作用。在工业废水处理中还有一个很重要的问题是一些特殊组分的脱除例如油脂的脱除因为膜可截留大分子的油脂使其在反应器中有较长的降解时间。MembraneBioreactorProcess&Technology4、污泥特性MBR中的污泥浓度往往采用混合液悬浮固体(MLSS)和挥发性悬浮固体(MLVSS)来表征。MLSS是指曝气池中污水和活性污泥混合后的混合液悬浮固体的数量也称混合液污泥浓度，是衡量曝气池中活性污泥数量多少的指标。MLVSS是指混
12、合液悬浮固体中有机物的量由于其不包括污泥中的无机物部分因此能够较准确的代表活性污泥中的微生物的量。污泥龄(SRT)是曝气池中工作着的污泥总量与每日排出的剩余污泥之比值运行稳定时单位时间内(一般为每日)排出的剩余污泥量即污泥新增量SRT体现的是新增加污泥在反应器内的平均停留时间。MembraneBioreactorProcess&TechnologyCAS中采用二次沉淀池分离污泥由于依靠重力沉降因而分离效率低直接影响生物反应器中活性污泥的浓度。MBR中则使用了膜分离作为固液分离技术因此使其生物反应单元内维持比CAS高得多的污泥浓度。一般CAS中污泥浓度在4gL而MBR中污泥浓度可达到10gL以上
13、。借助膜的特殊性能MBR可以在高容积负荷、低污泥负荷下运行于是污泥的产率低有机物的去除率高这正是MBR的特点。由于MBR中具有很高的污泥浓度所以其运行SRT也较传统的工艺长甚至在一些研究中实现了MBR剩余污泥的“零”排放SRT达到了无穷大。MembraneBioreactorProcess&Technology在一些研究和工程实践中MBR的浓度甚至可达到10-20gLMBR与传统CAS相比特点之一就是污泥产率低微生物在低污泥负荷下运行时缺乏营养属于内源呼吸作用突出底物基本用于维持细胞的能量需求而不能用于微生物的合成。这种运行模式可以获得很好的去除率并能实现较低的污泥产率。MBR反应器的剩余污泥
14、量可按下式计算:MembraneBioreactorProcess&Technology式（3-1）中X产生的剩余污泥量Y氧化每千克BOD所产生的污泥量可取0.4-0.8:Lt去除的BOD浓度Kd污泥自氧化速率(ld)。可取0.04-0.075。若缺乏相关数据MBR的污泥产率可参照表21。MembraneBioreactorProcess&Technology曲于MBR中运行的污泥浓度较高而污泥的排放周期很长因而MBR是处于高污泥浓度和高污泥龄的低污泥负荷下操作污泥产率较低其范围大体在0-0.34kgMLSS(kgCODd）之间变化。同时MBR的污泥产率与处理污水的组成也有关系如用MBR处埋食
15、品加工废水与制革废水时虽然前者污泥龄为后者一半但前者污泥产率比后者仍低35%。MembraneBioreactorProcess&TechnologyMBR中较高的污泥浓度也会对其产生负面的影响。有研究表明较高的污泥浓度会造成混合液粘度的增大而间接的影响膜的稳定运行因此MBR的最佳污泥浓度的设计应综合考虑处理负荷、污泥产率及膜污染等诸多因素。MBR与CAS相比污泥去除有机污染物的比活性(gCODgMLVSSh)低且不稳定这是因为MBR中长的SRT和低的FM。但在MBR中容积负荷高于CAS说明在MBR中尽管活性差不稳定但处理潜力大因为MBR中可以维持较高的生物浓度并且生长缓慢的微生物也可以存在。
16、比氧吸收率(OUR)是指溶解氧被好氧微生物的利用率等价于活性污泥群落的新陈代谢活性它表示了膜过滤污泥的生理状态和微生物的代谢活性.OUR在CAS中大于MBR中，而在添加底物时OUR在MBR中明显增加而在CAS中变化不大说明在MBR中.微生物的生长不是被氧所限制雨是被底物所限制.同时在MBR中污泥的氧传递与CAS过程没有明显的不同。MembraneBioreactorProcess&Technology5、水力停留时间(HRT)曝气池中液体的总体积与每小时排出的液体总体积之比值运行稳定时排出液体体积即进入曝气池液体体积因此HRT反应了污水进入曝气池的平均停留时问MBR中HRT可比CAS中更短。而对于污染物浓庋较高或含有特殊难生物降解的废水则适当延长HRT不失为一种保证MBR稳定处理效果的方法。MembraneBioreactorProcess&Technology尽管缩短HRT可以减小池容.降低基建投资费用但有些研究认为过短的HRT可能会加速膜污染。Hideke-Harada等通过研究认为过短的HRT会导致溶解性有机物的积累吸附
