膜生物反应器在污水处理中的应用

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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。　

　　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，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

　　2.1MBR的优势

　　MBR与传统工艺相比有以下明显优势：

　　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（MaximumTolerableRisk，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。?

　　英国学者认为主要有三大因素影响膜污染，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（TransmembranePressure，TMP）的大小；反应器的构造与错流的速率（CrossFlowVelocity，CFV）将影响到活性污泥中胞外聚合物（ExtracellularPolymericSubstances，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（ExtractableOrganicHalogens，EOX）浓度升高，所以当需要频繁化学清洗时应引起重视。

　　2.2.3MBR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，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（SolubleMicrobialProducts，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。

　　RenzevanHouten等人认为较低的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。