水处理(lǐ)设备耗材

 

在污水处理(lǐ)领域，MBR又(yòu)称膜生物(wù)反应器(Membrane Bio-Reactor)，是一种由膜分(fēn)离单元与生物(wù)处理(lǐ)单元相结合的新(xīn)型水处理(lǐ)技术。膜的种类繁多(duō)，按分(fēn)离机理(lǐ)进行分(fēn)类，有(yǒu)反应膜、离子交换膜、渗透膜等;按膜的性质分(fēn)类，有(yǒu)天然膜(生物(wù)膜)和合成膜(有(yǒu)机膜和无机膜) ;按膜的结构型式分(fēn)类，有(yǒu)平板型、管型、螺旋型及中空纤维型等。

一、工艺组成：

膜--生物(wù)反应器主要由膜分(fēn)离组件及生物(wù)反应器两部分(fēn)组成。通常提到的膜--生物(wù)反应器实际上是三类反应器的总称：

1.曝气膜：

曝气膜--生物(wù)反应器(AMBR)最早见于Cote.P 等1988年报道，采用(yòng)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，在保持气體(tǐ)分(fēn)压低于泡点( Bubble Point)情况下，可(kě)实现向生物(wù)反应器的无泡曝气。该工艺的特点是提高了接触时间和传氧效率，有(yǒu)利于曝气工艺的控制，不受传统曝气中气泡大小(xiǎo)和停留时间的因素的影响。

2.萃取膜：

萃取膜--生物(wù)反应器，又(yòu)称為(wèi)EMBR(Extractive Membrane Bioreactor)。因為(wèi)高酸碱度或对生物(wù)有(yǒu)毒物(wù)质的存在，某些工业废水不宜采用(yòng)与微生物(wù)直接接触的方法处理(lǐ);当废水中含挥发性有(yǒu)毒物(wù)质时，若采用(yòng)传统的好氧生物(wù)处理(lǐ)过程，污染物(wù)容易随曝气气流挥发，发生气提现象，不仅处理(lǐ)效果很(hěn)不稳定，还会造成大气污染。

為(wèi)了解决这些技术难题，英國(guó)學(xué)者Livingston研究开发了EMB。废水与活性污泥被膜隔开来，废水在膜内流动，而含某种专性细菌的活性污泥在膜外流动，废水与微生物(wù)不直接接触，有(yǒu)机污染物(wù)可(kě)以通过选择性透过膜被另一侧的微生物(wù)降解。由于萃取膜两侧的生物(wù)反应器单元和废水循环单元是各自独立，各单元水流相互影响不大，生物(wù)反应器中营养物(wù)质和微生物(wù)生存条件不受废水水质的影响，使水处理(lǐ)效果稳定。系统的运行条件如HRT和SRT可(kě)分(fēn)别控制在最优的范围，维持最大的污染物(wù)降解速率。

3.固液分(fēn)离型：

固液分(fēn)离型膜--生物(wù)反应器是在水处理(lǐ)领域中研究得最為(wèi)广泛深入的一类膜--生物(wù)反应器，是一种用(yòng)膜分(fēn)离过程取代传统活性污泥法中二次沉淀池的水处理(lǐ)技术。其通过膜组件将固體(tǐ)有(yǒu)机物(wù)回流至反应器中，再将处理(lǐ)过的有(yǒu)机水排出。膜分(fēn)离生物(wù)反应器的类型可(kě)以根据膜组件与生物(wù)反应器位置进行分(fēn)类有(yǒu)一體(tǐ)式膜生物(wù)反应器、分(fēn)置式膜生物(wù)反应器、复合式膜生物(wù)反应器。

分(fēn)置式膜生物(wù)反应器通过泵对其加压，混合液在压力的作用(yòng)下进行过滤，这样大分(fēn)子有(yǒu)机物(wù)将被膜过滤出来，再回流到生物(wù)反应器中进行降解，如此循环操作进一步地对有(yǒu)机污水中的有(yǒu)机物(wù)进行分(fēn)解。分(fēn)置式膜生物(wù)反应器具有(yǒu)稳定、容易操作、膜容易清洗等特征，是有(yǒu)机污水处理(lǐ)的有(yǒu)效方法之一，但是由于為(wèi)了提高循环泵的压力会消耗较高的动能(néng)。一體(tǐ)式膜生物(wù)反应器是将膜组件置于生物(wù)反应器中，再通过泵将过滤液抽出。

在传统的废水生物(wù)处理(lǐ)技术中，泥水分(fēn)离是在二沉池中靠重力作用(yòng)完成的，其分(fēn)离效率依赖于活性污泥的沉降性能(néng)，沉降性越好，泥水分(fēn)离效率越高。而污泥的沉降性取决于曝气池的运行状况，改善污泥沉降性必须严格控制曝气池的操作条件，这限制了该方法的适用(yòng)范围。由于二沉池固液分(fēn)离的要求，曝气池的污泥不能(néng)维持较高浓度，一般在 1.5~3.5g/L左右，从而限制了生化反应速率。水力停留时间(HRT)与污泥龄(SRT)相互依赖，提高容积负荷与降低污泥负荷往往形成矛盾。系统在运行过程中还产生了大量的剩余污泥，其处置费用(yòng)占污水处理(lǐ)厂运行费用(yòng)的25% ～40% 。传统活性污泥处理(lǐ)系统还容易出现污泥膨胀现象，出水中含有(yǒu)悬浮固體(tǐ)，出水水质恶化。

针对上述问题，MBR将分(fēn)离工程中的膜分(fēn)离技术与传统废水生物(wù)处理(lǐ)技术有(yǒu)机结合，大大提高了固液分(fēn)离效率;并且由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌(特别是优势菌群)的出现，提高了生化反应速率;同时，通过降低F/M比减少剩余污泥产生量(甚至為(wèi)0)，从而基本解决了传统活性污泥法存在的许多(duō)突出问题。

二、工艺类型：

根据膜组件和生物(wù)反应器的组合方式，可(kě)将膜--生物(wù)反应器分(fēn)為(wèi)分(fēn)置式、一體(tǐ)式以及复合式三种基本类型。(以下讨论的均為(wèi)固液分(fēn)离型膜--生物(wù)反应器)

把膜组件和生物(wù)反应器分(fēn)开设置。生物(wù)反应器中的混合液经循环泵增压后打至膜组件的过滤端，在压力作用(yòng)下混合液中的液體(tǐ)透过膜，成為(wèi)系统处理(lǐ)水;固形物(wù)、大分(fēn)子物(wù)质等则被膜截留，随浓缩液回流到生物(wù)反应器内。

分(fēn)置式膜--生物(wù)反应器的特点是运行稳定可(kě)靠，易于膜的清洗、更换及增设;而且膜通量普遍较大。但一般条件下為(wèi)减少污染物(wù)在膜表面的沉积，延長(cháng)膜的清洗周期，需要用(yòng)循环泵提供较高的膜面错流流速，水流循环量大、动力费用(yòng)高(Yamamoto,1989)，并且泵的高速旋转产生的剪切力会使某些微生物(wù)菌體(tǐ)产生失活现象(Brockmann and Seyfried,1997)。

1一體(tǐ)式：

把膜组件置于生物(wù)反应器内部。进水进入膜--生物(wù)反应器，其中的大部分(fēn)污染物(wù)被混合液中的活性污泥去除，再在外压作用(yòng)下由膜过滤出水。

这种形式的膜--生物(wù)反应器由于省去了混合液循环系统，并且靠抽吸出水，能(néng)耗相对较低;占地较分(fēn)置式更為(wèi)紧凑，近年来在水处理(lǐ)领域受到了特别关注。但是一般膜通量相对较低，容易发生膜污染，膜污染后不容易清洗和更换。

2复合式：

形式上也属于一體(tǐ)式膜--生物(wù)反应器，所不同的是在生物(wù)反应器内加装填料，从而形成复合式膜--生物(wù)反应器，改变了反应器的某些性状。

三、工艺特点：

与许多(duō)传统的生物(wù)水处理(lǐ)工艺相比，MBR 具有(yǒu)以下主要优点：

1出水水质优质稳定：

由于膜的高效分(fēn)离作用(yòng)，分(fēn)离效果遠(yuǎn)好于传统沉淀池，处理(lǐ)出水极其清澈，悬浮物(wù)和浊度接近于零，细菌和病毒被大幅去除，出水水质优于建设部颁发的生活杂用(yòng)水水质标准(CJ25.1-89)，可(kě)以直接作為(wèi)非饮用(yòng)市政杂用(yòng)水进行回用(yòng)。

同时，膜分(fēn)离也使微生物(wù)被完全被截流在生物(wù)反应器内，使得系统内能(néng)够维持较高的微生物(wù)浓度，不但提高了反应装置对污染物(wù)的整體(tǐ)去除效率，保证了良好的出水水质，同时反应器对进水负荷(水质及水量)的各种变化具有(yǒu)很(hěn)好的适应性，耐冲击负荷，能(néng)够稳定获得优质的出水水质。

2剩余污泥产量少：

该工艺可(kě)以在高容积负荷、低污泥负荷下运行，剩余污泥产量低(理(lǐ)论上可(kě)以实现零污泥排放)，降低了污泥处理(lǐ)费用(yòng)。

3占地面积小(xiǎo)，不受设置场合限制：

生物(wù)反应器内能(néng)维持高浓度的微生物(wù)量，处理(lǐ)装置容积负荷高，占地面积大大节省;该工艺流程简单、结构紧凑、占地面积省，不受设置场所限制，适合于任何场合，可(kě)做成地面式、半地下式和地下式。

4可(kě)去除氨氮及难降解有(yǒu)机物(wù)：

由于微生物(wù)被完全截流在生物(wù)反应器内，从而有(yǒu)利于增殖缓慢的微生物(wù)如硝化细菌的截留生長(cháng)，系统硝化效率得以提高。同时，可(kě)增長(cháng)一些难降解的有(yǒu)机物(wù)在系统中的水力停留时间，有(yǒu)利于难降解有(yǒu)机物(wù)降解效率的提高。

5操作管理(lǐ)方便，易于实现自动控制：

该工艺实现了水力停留时间(HRT)与污泥停留时间(SRT)的完全分(fēn)离，运行控制更加灵活稳定，是污水处理(lǐ)中容易实现装备化的新(xīn)技术，可(kě)实现微机自动控制，从而使操作管理(lǐ)更為(wèi)方便。

6易于从传统工艺进行改造：

该工艺可(kě)以作為(wèi)传统污水处理(lǐ)工艺的深度处理(lǐ)单元，在城市二级污水处理(lǐ)厂出水深度处理(lǐ)(从而实现城市污水的大量回用(yòng))等领域有(yǒu)着广阔的应用(yòng)前景。

膜--生物(wù)反应器也存在一些不足。主要表现在以下几个方面：

(1)膜造价高，使膜--生物(wù)反应器的基建投资高于传统污水处理(lǐ)工艺;

(2)膜污染容易出现，给操作管理(lǐ)带来不便;

(3)能(néng)耗高：首先MBR泥水分(fēn)离过程必须保持一定的膜驱动压力;其次是MBR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;还有(yǒu)為(wèi)了加大膜通量、减轻膜污染，必须增大流速，冲刷膜表面，造成MBR的能(néng)耗要比传统的生物(wù)处理(lǐ)工艺高。

四、工艺用(yòng)膜：

膜可(kě)以由很(hěn)多(duō)种材料制备，可(kě)以是液相、固相甚至是气相的。目前使用(yòng)的分(fēn)离膜绝大多(duō)数是固相膜。根据孔径不同可(kě)分(fēn)為(wèi)：微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜;根据材料不同，可(kě)分(fēn)為(wèi)无机膜和有(yǒu)机膜，无机膜主要是微滤级别膜。膜可(kě)以是均质或非均质的，可(kě)以是荷電(diàn)的或電(diàn)中性的。广泛用(yòng)于废水处理(lǐ)的膜主要是由有(yǒu)机高分(fēn)子材料制备的固相非对称膜。

膜的分(fēn)类依据及分(fēn)类：

1.膜材质：

(1)高分(fēn)子有(yǒu)机膜材料：聚烯烃类、聚乙烯类、聚丙烯腈、聚砜类、芳香族聚酰胺、含氟聚合物(wù)等。

有(yǒu)机膜成本相对较低，造价便宜，膜的制造工艺较為(wèi)成熟，膜孔径和形式也较為(wèi)多(duō)样，应用(yòng)广泛，但运行过程易污染、强度低、使用(yòng)寿命短。

(2)无机膜：是固态膜的一种，是由无机材料，如金属、金属氧化物(wù)、陶瓷、多(duō)孔玻璃、沸石、无机高分(fēn)子材料等制成的半透膜。

目前在MBR中使用(yòng)的无机膜多(duō)為(wèi)陶瓷膜。优点是：它可(kě)以在pH=0~14、压力P<10MPa、温度<350 ℃的环境中使用(yòng)，其通量高、能(néng)耗相对较低，在高浓度工业废水处理(lǐ)中具有(yǒu)很(hěn)大竞争力;缺点是：造价昂贵、不耐碱、弹性小(xiǎo)、膜的加工制备有(yǒu)一定困难。

2膜孔径：

MBR 工艺中用(yòng)膜一般為(wèi)微滤膜(MF)和超滤膜(UF)，大都采用(yòng)0.1～0.4μm膜孔径，这对于固液分(fēn)离型的膜反应器来说已经足够。

微滤膜常用(yòng)的聚合物(wù)材料有(yǒu)：聚碳酸酯、纤维素酯、聚偏二氟乙烯、聚砜、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚醚酰亚胺、聚丙烯、聚醚醚酮、聚酰胺等。

超滤常用(yòng)聚合物(wù)材料有(yǒu)：聚砜、聚醚砜(PES)、聚酰胺、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯、纤维素酯、聚醚醚酮、聚亚酰胺、聚醚酰胺等。

3膜组件：

為(wèi)了便于工业化生产和安装，提高膜的工作效率，在单位體(tǐ)积内实现最大的膜面积，通常将膜以某种形式组装在一个基本单元设备内，在一定的驱动力下，完成混合液中各组分(fēn)的分(fēn)离，这类装置称為(wèi)膜组件(Module)。

4工业上常用(yòng)的膜组件形式有(yǒu)五种：

板框式、螺旋卷式、圆管式、中空纤维式和毛细管式。前两种使用(yòng)平板膜，后三者使用(yòng)管式膜。圆管式膜直径>10mm;毛细管式0.5~10.0mm;中空纤维式<0.5mm。

附表：各种膜组件特性：

MBR 工艺中常用(yòng)的膜组件形式有(yǒu)：板框式、圆管式、中空纤维式。

（1）板框式：

MBR工艺最早应用(yòng)的一种膜组件形式，外形类似于普通的板框式压滤机。

优点：制造组装简单，操作方便，易于维护、清洗、更换。

缺点：密封较复杂，压力损失大，装填密度小(xiǎo)。

（2）圆管式：

由膜和膜的支撑體(tǐ)构成，有(yǒu)内压型和外压型两种运行方式。实际中多(duō)采用(yòng)内压型，即进水从管内流入，渗透液从管外流出。膜直径在 6~24mm 之间。

优点：料液可(kě)以控制湍流流动，不易堵塞，易清洗，压力损失小(xiǎo)。

缺点：装填密度小(xiǎo)。

（3）中空纤维式：

组装形式如下图所示：外径一般為(wèi)40～250μm，内径為(wèi)25～42μm。在MBR中，常把组件直接放入反应器中，不需耐压容器，构成浸没式膜--生物(wù)反应器。一般為(wèi)外压式膜组件。

(4)柱形中空纤维膜：

优点：耐压强度高，不易变形，不需支撑材料;装填密度高;造价相对较低;寿命较長(cháng)，可(kě)以采用(yòng)物(wù)化性能(néng)稳定，透水率低的尼龙中空纤维膜。

缺点：对堵塞敏感，污染和浓差极化对膜的分(fēn)离性能(néng)有(yǒu)很(hěn)大影响。

(5)螺旋卷式：

螺旋卷式简称卷式，主要部件為(wèi)多(duō)孔支撑材料，两侧是膜，三边密封，开放边与一根多(duō)孔的中心产品水收集管密封连接，在膜袋外部的原水侧垫一层网眼型间隔材料，把膜袋-隔网依次迭合，绕中心集水管紧密地卷起来，形成一个膜卷，装进圆柱形压力容器内，就制成了一个螺旋卷式膜组件。

优点：膜的装填密度高;膜支撑结构简单;浓差极化小(xiǎo);容易调整膜面流态。

缺点：中心管处易泄漏;膜与支撑材料的粘结处膜易破裂而泄漏;膜的安装和更换困难。

五、应用(yòng)领域：

1城市污水处理(lǐ)及建筑中水回用(yòng)：

1967年第一个采用(yòng)MBR工艺的废水处理(lǐ)厂由美國(guó)的Dorr-Oliver公司建成，这个处理(lǐ)厂处理(lǐ)14m3/d废水。 1977年，一套污水回用(yòng)系统在日本的一幢高层建筑中得到实际应用(yòng)。1980年，日本建成了两座处理(lǐ)能(néng)力分(fēn)别為(wèi) 10m3/d 和50m3/d的MBR处理(lǐ)厂。90年代中期，日本就有(yǒu)39座这样的厂在运行，最大处理(lǐ)能(néng)力可(kě)达500m3 /d，并且有(yǒu)100 多(duō)处的高楼采用(yòng)MBR将污水处理(lǐ)后回用(yòng)于中水道。1997年，英國(guó)Wessex公司在英國(guó)Porlock建立了当时世界上最大的MBR系统，日处理(lǐ)量达2000m3，1999年又(yòu)在Dorset的Swanage建成了13000m3/d的MBR工厂。

1998年5月，清华大學(xué)进行的一體(tǐ)式膜--生物(wù)反应器中试系统通过了國(guó)家鉴定。2000年初，清华大學(xué)在北京市海淀乡医院建起了一套实用(yòng)的MBR系统，用(yòng)以处理(lǐ)医院废水，该工程于2000年6月建成并投入使用(yòng)，目前运转正常。2000 年9 月，天津大學(xué)杨造燕教授及其领导的科(kē)研小(xiǎo)组在天津新(xīn)技术产业园區(qū)普辰大厦建成了一个MBR示范工程，该系统日处理(lǐ)污水25t，处理(lǐ)后的污水全部用(yòng)于卫生间的冲洗及绿地浇洒，占地面积為(wèi)10平方米，处理(lǐ)每吨污水的能(néng)耗為(wèi)0.7kW˙h。

2工业废水处理(lǐ)：

90年代以来，MBR的处理(lǐ)对象不断拓宽，除中水回用(yòng)、粪便污水处理(lǐ)以外，MBR在工业废水处理(lǐ)中的应用(yòng)也得到了广泛关注，如处理(lǐ)食品工业废水、水产加工废水、养殖废水、化妆品生产废水、染料废水、石油化工废水，均获得了良好的处理(lǐ)效果。90年代初，美國(guó)在Ohio建造了一套用(yòng)于处理(lǐ)某汽車(chē)制造厂的工业废水的MBR系统，处理(lǐ)规模為(wèi)151m3/d，该系统的有(yǒu)机负荷达6.3kgCOD/m3˙d ，COD去除率為(wèi)94%，绝大部分(fēn)的油与油脂被降解。在荷兰，一座脂肪提取加工厂采用(yòng)传统的氧化沟污水处理(lǐ)技术处理(lǐ)其生产废水，由于生产规模的扩大，结果导致污泥膨胀，污泥难以分(fēn)离，最后采用(yòng)Zenon的膜组件代替沉淀池，运行效果良好。

3微污染饮用(yòng)水净化：

随着氮肥与杀虫剂在农业中的广泛应用(yòng)，饮用(yòng)水也不同程度受到污染。LyonnaisedesEaux公司在90年代中期开发出同时具有(yǒu)生物(wù)脱氮、吸附杀虫剂、去除浊度功能(néng)的MBR工艺，1995 年该公司在法國(guó)的Douchy建成了日产饮用(yòng)水400m3的工厂。出水中氮浓度低于0.1mgNO2/L，杀虫剂浓度低于0.02μg/L 。

4粪便污水处理(lǐ)：

粪便污水中有(yǒu)机物(wù)含量很(hěn)高，传统的反硝化处理(lǐ)方法要求有(yǒu)很(hěn)高污泥浓度，固液分(fēn)离不稳定，影响了三级处理(lǐ)效果。MBR的出现很(hěn)好地解决了这一问题，并且使粪便污水不经稀释而直接处理(lǐ)成為(wèi)可(kě)能(néng)。

日本已开发出被称之為(wèi)NS系统的屎尿处理(lǐ)技术，最核心部分(fēn)是平板膜装置与好氧高浓度活性污泥生物(wù)反应器组合的系统。NS系统于1985年在日本琦玉县越谷市建成，生产规模為(wèi)10kL/d，1989年又(yòu)先后在長(cháng)崎县、熊本县建成新(xīn)的屎尿处理(lǐ)设施。NS系统中的平板膜每组约0.4m2共几十组并列安装，做成能(néng)自动打开的框架装置，并能(néng)自动冲洗。膜材料為(wèi)截流分(fēn)子量20000的聚砜超滤膜。反应器内污泥浓度保持在15000~18000mg/L范围内。到 1994 年，日本已有(yǒu)1200多(duō)套MBR系统用(yòng)于处理(lǐ)4000多(duō)万人的粪便污水。

5土地填埋场/肥渗滤液处理(lǐ)：

土地填埋场/堆肥渗滤液含有(yǒu)高浓度的污染物(wù)，其水质和水量随气候条件与操作运行条件的变化而变化。 MBR技术在1994年前就被多(duō)家污水处理(lǐ)厂用(yòng)于该种污水的处理(lǐ)。通过MBR与RO技术的结合，不仅能(néng)去除SS、有(yǒu)机物(wù)和氮，而且能(néng)有(yǒu)效去除盐类与重金属。最近美國(guó)Envirogen公司开发出一种MBR用(yòng)于土地填埋场渗滤液的处理(lǐ)，并在新(xīn)泽西建成一个日处理(lǐ)能(néng)力為(wèi)40万加仑(约1500m3/d)的装置，在2000年底投入运行。该种MBR使用(yòng)一种自然存在的混合菌来分(fēn)解渗滤液中的烃和氯代化合物(wù)，其处理(lǐ)污染物(wù)的浓度為(wèi)常规废水处理(lǐ)装置的50 ～ 100倍。能(néng)达到这一处理(lǐ)效果的原因是，MBR能(néng)够保留高效细菌并使细菌浓度达到50000g/。在现场中试中，进液COD為(wèi)几百至40000mg/L，污染物(wù)的去除率达90%以上。

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