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膜生物反应器在污水处理中的应用进展

摘要:目前,越来越多的国家将mbr用于生活污水和工业废水的处理。

关键词:膜生物 反应器 mbr 预处理 膜污染

 

1 mbr应用情况

  目前,越来越多的国家将mbr用于生活污水和工业废水的处理。表1中列出了一些发达国家近年来mbr的应用情况。

mbr的应用情况
国家 应用单位 膜供应商 处理水量(m3/d) 处理对象
荷兰[1] beverwijk污水处理厂   240 生活污水
荷兰** varsseveld污水处理厂   18 000 生活污水
英国[2] porlock污水处理厂 kubota 1900 生活污水
英国 swanage污水处理厂 kubota 13 000 生活污水
英国 daldowie污水处理厂 kubota 10 800 生活污水
英国 wraxall污水处理厂 kubota 290 生活污水
德国[3] buechel污水处理厂 kubota 960 生活污水
德国 markranstadt污水处理厂 zenon 6000* 生活污水
德国 erftverband污水处理厂   1500* 生活污水
德国** monheim污水处理厂   5000* 生活污水
德国** kaarst污水处理厂   40000* 生活污 水
爱尔兰 avonmore公司 kubota 7100 工业废水
爱尔兰 minchmalt厂 kubota 1720 工业废水
比利时[4]** heist污水处理厂   30000*** 生活污水
比利时** schilde污水处理厂   14000*** 生活污水
奥地利[5] halbenrain污水处理厂   100 垃圾渗滤液
奥地利   zenon 270 生活污水
瑞士**   zenon 5 000 生活污水
以色列[6] jerusalem污水处理厂   4 000 生活污水
美国[7] 24座污水处理厂 zenon <7500 城市污水
加拿大 9座污水处理厂 zenon   城市污水
日本[8] 300余座     小区污水回用
日本 150余座     工业废水
注:*原文中单位为inh,估计是inhabitants的缩写 ,其义为人口当量,此处按照1 inh=0.5m3/d估算。**污水处理厂仍在设计建设中。***原文中单位为人口当量(population equivalents,pe),此处按照1 pe=0.5m3/d估算。

  在欧洲大部分国家由于国土面积小,地面水体因径流距离较短而导致其自净能力差、生态系统脆弱、易受污染。mbr由于其占地面积小和出水水质优良,在欧洲受到了相当程度的重视,有许多污水处理厂都运用mbr工艺进行了中试规模的污水处理研究,并计划进行工业规模的应用。
  荷兰在处理能力为240m3/d的中试取得成功以后,正在建造处理能力为18000m3/d的mbr污水处理厂,并计划从2003年开始建造处理能力为(6~24)×104m3/d的mbr污水处 理厂。
  德国已经建成5家大规模使用mbr的污水处理厂,累计处理能力为21000m3/d;另有两家污水厂已在规划中,其中一家位于kaarst的污水处理厂设计服务人口为8万人,使用膜面 积总计为88000m2,预算为4600万德国马克,建成后将是世界上最大的使用mbr的污水处理厂。
  美国和加拿大已有许多投入运行的mbr污水处理厂取得了较好的效果。
  日本对于mbr的使用较为普遍,主要是用于小区污水的处理与回用及工业(如食品、饮料制造业)废水处理。
  荷兰xflow公司开发的mbr在生活污水和食品、林业、造纸等工业废水处理中得到了广泛的应用[9],工业废水累计处理流量为245m3/h,其中一家规模最大的生活污水处理厂的处理能力为1100m3/h。

2 mbr的优势与改进

2.1 mbr的优势
  mbr与传统工艺相比有以下明显优势[1]
  ① 由于取消了二沉池及将污泥浓度提高了2~5倍,减小了占地面积。
  ② 出水水质好,可直接回用。出水中ss低于检测限;耐热大肠杆菌被完全除去,噬菌体数量比传统工艺出水低100~1000倍;对于重金属的去除很明显(尤其是cu、hg、pb、zn等),但其去除率取决于金属离子与污泥吸附的程度;有毒的微污染物(如杀虫剂、多环芳烃等)几乎全部吸附在污泥上,因此可与ss同时被去除。
  ③ 生物处理单元中污泥浓度高、泥龄长,对有机物的去除率高。
  ④ 对于氮、磷污染物有较高的去除率,出水可满足tp<0.15mg/l、tn<2.2mg/l的环境最大容忍限度(maximum tolerable risk,mtr)。
  ⑤ 污泥产量少,降低了对剩余污泥处置的费用,但mbr污泥的絮体较小且粘度较高。也有试验发现,mbr污泥的浓缩性能和脱水性能与传统工艺产生的污泥并无大的差异。
2.2 存在的问题及改进措施
  mbr在显示出许多传统工艺无法比拟的优点时,也暴露出一些尚需改进的地方,这是研究人员关注的焦点。
2.2.1 预处理工艺
  荷兰的bentem[10]等人在进行处理能力为10m3/h的mbr中试研究时,对4种不同的格栅进行了对比试验,栅孔的尺寸为0.25~0.75mm。试验发现,对原水进行预处理后,原水中的ss可去除30%~60%,这样可以改变原水成分,从而改善后续工艺的处理效果, 减轻膜污染,减小剩余污泥产量并改善污泥性状。随着ss的去除,cod也有10%~15%的去除。通过中试,bentem等人认为在使用mbr处理污水时,采用格栅进行预处理是非常必要的。
2.2.2 膜污染与清洗
  膜工艺的一大缺点是膜在运行一段时间以后会因为膜受到污染而导致膜通量的降低,如何减缓膜污染进程从而维持膜通量是应用膜工艺时所面临的一大挑战。
  英国学者[11]认为主要有三大因素影响膜污染(见图1),即膜本身的性质、活性污泥的性质和mbr的运行条件三者相互影响。膜材质决定了膜的亲水性和膜孔隙率,膜孔的尺寸则会影响过膜压差(transmembrane pressure,tmp)的大小;反应器的构造与错流的速率(cross flow velocity,cfv)将影响到活性污泥中胞外聚合物(extracellular polymeric substances,eps)的生成、污泥絮体结构和大小以及溶解物的性质;mbr中的hrt/srt则直接影响到污泥的浓度和eps的形成与生长。

  荷兰研究者[10]在试验中发现,导致膜污染的最重要因素是滤饼层的形成,而原水中的杂质、污泥的性质、mbr的水力学特性以及膜清洗等因素都会影响滤饼层的形成及性质。为了防止滤饼层的形成,以下几点非常重要:
  ① 选择透水量衰减速度低的膜,并且控制膜通量;
  ② 减少mbr中的短流区,避免过高的装填度;
  ③ 选择合理的膜工作通量;
  ④ 使污泥絮体颗粒尽量大,此时滤饼层有较好的透水性;
  ⑤ 保持生物相的良好生长,防止eps和丝状菌大量产生。
  在已经出现了较厚的滤饼层后,可通过下列方法加以去除:
  ① 保持mbr中流体的高度紊动,但注意不要使污泥絮体破碎,否则会影响膜的透水性;
  ② 采用变强度曝气可使污泥层破碎,高错流速度有助于控制滤饼层;
  ③ 水力反洗可有效去除滤饼层,但只在反洗频率高时才有效;
  ④ 采用间歇出水方式可有效控制滤饼层的形成。
  试验中还发现,化学清洗可改善生物污染的状况,但在用naclo对膜进行化学清洗时会导致出水中可提取的有机卤化物(extractable organic halogens,eox)浓度升高,所以当需要频繁化学清洗时应引起重视。
2.2.3 mbr中的氧传递率
  在用于处理污水的mbr中通常都维持较高的mlss(8~12g/l)浓度[7],这易导致氧传递率的降低,从而使运行能耗变大。传递层特性、气泡大小和气泡在混合液中的平均停留时间都会影响到氧传递率,而后两项与混合液的粘性关系密切,mbr中混合和曝气的效果以及污泥浓度都会影响混合液的粘性。活性污泥中eps的生成会增加混合液的粘性,并且使活性污泥的憎水性增强。活性污泥中丝状菌的生长导致污泥膨胀从而使混合液粘性增加,此外丝状菌的新陈代谢还会产生憎水物质,其中可溶性微生物代谢产物(soluble microbial products,smp)还会导致膜的污染。
  要保持较高的氧传递率和降低能耗应从两方面出发:一是合理选择曝气及混合装置,使混合液有较高的紊动;二是调节运行参数,使生物相保持良好的生长状态。
2.2.4 污泥浓度的控制
  由于mbr可彻底地将污泥与出水分离,从而保证了优良的出水水质与较高的污泥浓度。因污泥浓度较高,而原水性质与传统工艺相比不会有太大的差异,从而使得mbr中的f/m较低。
  renze van houten等人[12]认为较低的f/m,一方面可以使产生的剩余污泥量减少而降低了处置剩余污泥的费用,但另一方面使得污泥龄变长。较长的污泥龄有利于世代期较长的细菌生长(如硝化菌),但过长的污泥龄会使微生物产生出smp。若大分子的smp被截留在mbr中一方面会污染膜,另一方面smp会吸附在气—水两相的界面上导致氧传递率的降低,而小分子的smp则会穿过膜进入出水,导致出水水质变差。
  低f/m还会使mbr中产生eps,使混合液的粘度升高,从而导致污泥的脱水性能变差,膜过滤阻力变大。
  所以,虽然较高的污泥浓度能有效减小mbr的体积,但过高的污泥浓度对于mbr正常运行是不利的,在运行mbr时应控制适当的污泥浓度。

3 结论

  综上所述,mbr在污水处理领域已成为倍受瞩目的新工艺,并且得到了广泛的应用。在我国的能源、土地资源和水资源日益紧张而水体污染又非常严重的情况下,可以预计它将有非常广阔的开发和应用前景。

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