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1、1. 前言在水质富营养化日益严重的今天, 越来越多的国家和地区制定了严格的氮磷排放标准, 因此废水脱氮除磷工艺的开发日益受到关注。 膜生物反应器(MBR)工艺是将现代膜分离技术与传统生物处理技术有机结合起来的一种新型高效污水处理及回用工艺。 与传统的脱氮除磷工艺相比,MBR 的脱氮除磷工艺是最近才开始研究与发展的。MBR 可以通过膜的截留作用, 使硝化菌长期停留在好氧池内, 在不增加池容的前提下延长了污泥龄, 满足了硝化菌的生长, 减少了硝化菌的流失。 同时,在 MBR 中还发现存在反硝化除磷菌,在脱氮的同时也能有效地去除磷。2. MBR脱氮除磷的原理以及工艺2.1 原理MBR是一种将污水的生
2、物处理和膜过滤技术相结合的高效废水生物处理 工艺。它把膜分离技术和生物技术结合起来，采用膜组件取代常规二级生化处理工艺中二沉池、砂滤、消毒等单元；用超微滤膜对曝气池出水直接进行过滤。2.2 工艺类型MBR工艺一般由膜组件和生物反应器两部分组成，根据各个单元自身的多样性，MBR可分为多种类型。(1) 按照膜组件的位置的不同来划分可分为分离式MBR和一体式MBR。 分离式MBR：最早的MBR发展形式，也称为第一代MBR工艺。工艺均采用错流式膜组件，采用加压方式，该技术比较成熟，运行稳定可靠，但需要较高的循环水量，造成较大的单位产水能耗。 一体式MBR第二代MBR工艺，解决分离式MBR能耗高的问题。
3、在一体式中，膜组件直接置入生物反应器内，曝气器就放在膜组件的下面，通过相应泵进行抽吸，得到过滤液。由于曝气形成的剪切力和紊动，使固体难于积聚在膜表面，从而减少膜的堵塞和能耗。这种反应器具有设备简单、占地空间小、整体性强、操作方便等，但易污染，出水不连续。 膜组件和膜材料常用于MBR处理工艺中的是微滤膜和超滤膜按材质分，膜种类有无机膜和有机膜。无机膜耐污染、寿命长，但生产成本较高，目前国内普遍采用有机膜。目前，超滤膜的制膜材料多为聚矾超滤膜、氟化物、聚矾酞胺及醋酸纤维素等微滤膜多采用硝酸纤维滤膜、醋酸纤维素膜、聚酞胺滤膜、再生纤维滤膜等为制膜材料。(2) 膜生物反应器同步脱氮除磷工艺按照厌氧和好
4、氧是否在同一反应器内，可分为单级A/O程序MBR 脱氮除磷工艺、两级A/O阶段MBR脱氮除磷工艺和两级A2/O阶段MBR脱氮除磷工艺。a. 单一反应器间歇曝气膜生物反应器工艺：单一反应器间歇曝气膜生物反应器脱氮工艺包含序批式MBR和间歇曝气MBR两种。序批式MBR(MSBR)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，较少了设备需求，降低了运行费用。间歇曝气MBR与MSBR工艺类似, 但其缺氧好氧间歇运行的时间间隔很短, 而
5、进水是可连续或间歇的。研究发现, 该工艺硝化反应进行的很快、很彻底, 反硝化是限制速度的步骤，此外，调整周期中缺氧好氧循环时间以及添加悬浮提案料，可以提高除氮效果。b. 两级A/O阶段MBR脱氮除磷工艺A/O形式的膜反应器工艺类似于传统的A/ O 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。在设计合理的A/O系统中，好氧池回流污泥中的剩余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。c. 两级A2/O阶段MBR脱氮除磷工艺两级
6、A2/O阶段MBR脱氮除磷工艺是在两A/O阶段MBR脱氮除磷工艺的基础上改造得来,即将前置缺氧阶段通过一定的方法在时间序列上创造出缺氧阶段和厌氧阶段。控制从好氧池回流混合液的时间间隔来创造缺氧条件和厌氧条件, 当有混合液回流时, 前置反应池为缺氧条件, 当没有混合液回流时则为厌氧条件。d影响因素 温度对硝化和反硝化影响较大。 反应器内 DO浓度对硝化反应速度及硝化细菌的生长速率均有极大的影响, 但普遍认为 DO 2.0mg/L时, DO浓度对硝化作用的影响可不予考虑。 pH 是影响硝化和反硝化作用的重要环境因素之一。生物除磷合适的pH范围为中性或微碱性。在此条件下, 硝化和反硝化过程迅速。 废
7、水中所含碳(BOD5)氮比大于3时, 无须外加碳源即可达到脱氮除磷的目的。 污泥龄对膜生物反应器的硝化作用有很大影响。有人发现, 当污泥龄由10 d 增加为50 d时, 氨氮去除率由80%增加到99%。当污泥龄过长时, 脱氮效率反而降低, 这可能是由于难降解的溶解性高分子物质被膜截留在系统内, 随着污泥龄的增加而积累, 对硝化菌产生抑制作用。当污泥龄变长, 由于排除的剩余污泥减少, 磷的去除效率也相应的降低。e 多种工艺的比较对于间歇曝气工艺,将进水时间缩短并集中在缺氧初期有利于反硝化速率的提高。在停曝缺氧段中，膜组件停止出水闲置不用，与处理能力、工艺参数及膜组件类型相同的A/O工艺相比，尽管
8、可以省却污泥回流设备和能耗，但膜面积却增大许多。有研究认为，间歇曝气促使细菌胞外聚合物的降解速度加快，膜的生物污染得到缓解,提高了膜的使用寿命。对于A/ O形式的膜生物反应器,可采用污泥回流；当MLSS较高时，不同的回流比对氮的去除没有明显的影响。在设计合理的A/O系统中，好氧池回流污泥中的剩余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。(3) 新型MBR工艺l 气升循环分体浸没式MBR气升循环分体浸没式MBR的特点是膜单元与生物反应器分置，便于系统维修和膜清洗，膜清洗时对生物反应器工作状态影响很小；生物反应器
9、与膜单元之间的循环无需循环泵；膜组件采用浸没式，保留了浸没式膜生物器低能耗的特点。l 新型的复合动态生物MBR新型的复合动态生物MBR通过投加生物载体，使反应器内同时存在附着相的生物膜和悬浮相的活性污泥，从而提高了生物反应器内的微生物总浓度，出水可达到回用水标准。l 无泡曝气MBR它采用透气性致密膜（如硅橡胶膜）或微孔膜（如疏水性聚合膜），以板式或中空纤维式组件，在保持气体分压低于泡点（Bubble Point）的情况下，可实现向生物反应器的无泡曝气。由于传递的气体含在膜系统中，因此提高了接触时间，极大的提高了传氧效率。无泡曝气MBR的O2利用率可接近 100 % ,是传统曝气的57 倍。当空
10、气或 O2进入传质阻力很小的透气性膜后，在浓差推动力的作用下向膜外的活性污泥扩散，由于O2停留在膜组件中的时间很长，O2的传质效率高，而且因O2的分压被控制在起泡临界压力之下，故没有气泡进入大气，这样使O2的利用率达到最大值。无泡曝气MBRl 萃取MBR萃取MBR将废水与活性污泥用膜组件隔离，膜组件具有选择性，仅使废水中的待处理成分透过。污染物透过膜后在生物反应器中被微生物吸附降解，浓度不断下降，在废水和反应器间形成一个浓度差，这是污染物进人生物反应器的根本传质推动力。3. MBR脱氮除磷的发展趋势3.1 优点与常规生物处理技术相比较，具有如下显著特点：(1) 对污染物的去除率高；抵抗污泥膨胀
11、能力强，出水水质稳定，出水中没有悬浮物，而且可去除细菌病毒， 是一种对原水处理后不必消毒的工艺 (2) 易于一体化，便于自动控制，操作简便，同时实现了SRT和HRT的彻分离 (3) 膜的截流作用避免了微生物的流失，生物反应器内污泥浓度可达35g/L，提高体积负荷，设备占地省 (4) SPR延长，有利于增殖缓慢的细菌，如硝化细菌的截流和生长，从而提高系统的硝化能力，同时提高难降解有机物的降解速率 (5) 剩余污泥产生量少，污泥处置费用低 (6) 受膜表面速度剪切力的影响，污泥絮体平均尺寸较小，污泥传氧速率提高 ,可达26%60%3.2 存在的问题及解决方法MBR强化了传统活性 污 泥 的处理能力
12、，与常规生物处理方法相比，具有较多的技术优势，但来自于膜更换频率、膜价格和能耗需求三个方面的高消耗将直接限制其在实际工程中的应用。因此，降低膜生产成本、延长膜使用寿命、降低能耗，是推广MBR处理废水的关键所在。(1) 膜污染膜污染是指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子有机物在膜表面和膜孔内吸附、沉淀造成膜孔径变小或堵塞、使膜通量下降的现象。多项研究表明，膜污染大致是由悬浮污染物、溶解性有机物、微生物及溶质析出造成浓差极化现象引起的，因此针对上述问题提出如下解决办法： 对混合液进行预处理由于混合液的性质和组成是影响膜污染的重要因素，因此对混合液进行有效预处理，使其达到膜组件的进水要求，是防止
13、膜污染的重要措施之一。通常采用的预处理方法有过滤、化学预絮凝、pH值调节、消毒、活性炭吸附等。 控制操作条件适当地控制操作条件，可以很大程度上减轻膜污染。在一定操作压力下，通过提高进水流速或采用错流等方法，可改善膜面附近料液的流体力学条件，减少浓差极化，使被截留溶质及时带走提高料液温度，加速分子扩散、减少粘度、增大滤速、保持适宜污泥浓度，适时增大曝气量，有利于减缓悬浮固体和溶解性有机物在膜面的沉积和污染。 研发高性能、耐污染膜及运行新工艺高膜的耐污染及单位面积处理能力，能从根本上改善膜污染。目前，已研制出聚酞胺系列、聚丙酞胺系列等有机膜及耐高温、高压的无机膜。近来，人们开始着眼于仿生膜的制备研
14、究。用不同的膜及膜组件与各种好氧和厌氧生物废水处理技术相结合，通过实践证明，能提高反应器的耐污染及处理能力。 膜的清洗为了消除可逆膜污染，快速恢复部分膜通量，应对膜进行定期清洗。根据不同膜污染形式，可选用不同的清洗方法，清洗包括物理清洗、化学清洗和其他方法为使正常运行，清洗操作最好在线进行。(4) 膜价格分析发现，膜组件的费用明显高于占地和土建，约占固定投资的40%60%，由此可见，膜制造成本高是运行费用高的重要因素。但以目前制膜工业的发展看，随着膜制造技术的进步，膜价格具有很大的降价空间，据估算，在未来一年内，膜的价格完全可以降至目前的50%左右。(5) 膜能耗目前，常规分离式运行能耗为34
15、(kWh/m3),高于活性污泥法的0.30.4(kWh/m3)。但研究表明，通过改进膜组件形式和工艺条件可降低能耗，如淹没式的出现，就为解决能耗问题前进了一大步，其运行能耗为0.62.0(kWh/m3)3.3 发展方向(1) 国内外发展现状MBR最早于1969应用于美国的酶制剂工业，但发展较为缓慢，直至20世纪80年代，MBR才有了新的突破。截止到1987年，日本已有13家公司使用好氧MBR处理大楼废水，处理量达50-250m3/d，同时法国、美国、泰国、加拿大等国家也相继加大了MBR方面的研究投入。我国的MBR工艺研究起步较晚，目前只有清华、同济、天津大学等高校和中科院等科研院所在开展这方面的研究，但工程实例报道较少。(2) MBR技术的应用前景为了使MBR技术早日得到广泛应用，可从以下几方面努力：l 大规模应用于中水回用。在应用MBR技术处理市政、生活污水并实现中水回用时，还要考虑另外一个关键因素，即运行成本。l 研制、开发化学性质稳定、耐酸碱腐蚀、机械强度好、单位面积透水量大、能长期在受压条件下运转、价格低廉的高性能膜材料；l 深度探讨膜污染的成因，寻求减少膜污染，快速恢复通量的对策；l 探索新的形式，力求工艺灵活多样，降低动力能耗。根据不同的水质及处理要求，用不同的膜及膜组件与各种好氧和厌氧生物废水处理技术相结合，开发出处理能力更强、耐污染能力更强、运行更经济
