MBR污水處理工藝研究
發布時間：2017-04-20
MBR污水處理工藝研究
周亞琴
（青化砭采油廠）
摘 要：生物膜污水處理工藝是近年來發展起來的一種新型油田污水處理技術，是**膜分離技術和傳統活性污泥法的結合的系統。本文介紹了生物膜污水處理工藝的物點種類特點及設計方法，并對該技術國內外研究進展及應用現狀進行綜述分析該技術存在的問題，提出建議。
關鍵詞 微生物 膜 污水 水處理應用
1. MBR技術的國內外發展
1.1國外發展研究現狀
膜生物反應器(membrane bioreactor，MBR)是**膜分離技術和傳統活性污泥法的結合，幾乎能將所有的微生物截留在生物反應器中，這使反應器中的生物污泥濃度提高，理論上污泥泥齡可以無限長，使出水的有機污染物含量降到較低，能有效地去除氨氮，對難降解的工業廢水也**。與傳統生物處理工藝相比具有出水水質好，占地面積少，設備集中，模塊化，并且具有升級改造的潛力，是一項很有發展前景的工藝。1969年，美國的Smith**報道了美國Dorr—Oliver公司把活性污泥法和超濾工藝結合處理城市污水的方法。1970年，美國的Dorr—Oliver公司和**的SankiEngineering有限責任公司達成協議，使得該工藝進入**市場。目前在世界范圍內，實際應用的MBR系統已經超過500套，同時許多工程在計劃或者建設中。MBR在**的商業應用發展的很快，世界上約有66％的工程在**，其余的MBR工程主要在北美和歐洲。
1.2國內發展研究現狀
我國對膜生物反應器污水處理技術的研究較晚，但發展迅速，近年來，MBR工藝已有實際應用實例，并保持著良好的發展勢頭。2002年，膜生物反應器的研發又被列為“863”重大科技項目，推進膜生物反應器在污水處理及回用中的應用。劉銳等在研究膜生物反應器與傳統活性污泥工藝進行比較后發現，在運行條件一致的情況下，膜生物反應器有更強的去除能力。陳衛文等研究膜生物反應器對各分子質量區間內有機物的去除規律發現，物理截留作用可完全截留粒徑>0．22μm的有機物，而活性污泥的降解作用以及膜表面濾餅層和凝膠層的共同作用可去除大部分0．22μm以下的有機物。張西旺等在研究一體式膜生物反應器處理高氨氮小區生活污水的中試實驗中發現，通過增設泥水回流和缺氧區可將氨氮去除率從60％提高到95％ 以上。周建仁等在研究膜生物反應器處理高濃度．生活污水的實驗中發現，在進水COD為1250—13500mg／L時，去除率可高達94．1％一-95．6％ ，BOD5的去除率可達
98％ 以上。同時，國內的學者也開始研究膜生物反應器中運行參數的數學模型，主要為較佳水力停留時間、較佳排泥時間以及較佳反沖洗周期，并通過實驗得到驗證。
膜生物反應器主要由池體、膜組件、鼓風曝氣系統、泵及管道閥門儀表等組成，污水中的有機物經過生物反應器內微生物的降解作用，使水質得到凈化，而膜的作用主要是將活性污泥與大分子有機物及**等截留于反應器內，使出水水質達到回用水水質要求，同時保持反應器內有較高的污泥濃度，加速生化反應的進行。
根據膜材料的不同,膜主要分為有機膜、無機膜兩大類。有機膜價格較便宜,但易污損;無機膜能在**的環境下工作,使用壽命長,但價格較貴。
根據膜組件在MBR 中所起作用的不同,可將MBR 分為分離MBR、無泡曝氣MBR 和萃取MBR三種。分離MBR 中的膜組件相當于傳統生物處理系統中的二沉池,MBR 由于高的截流率,并將濃縮液回流到生物反應池內,使生物反應器具有很高的微生物濃度和很長的污泥停留時間,因而使MBR具有很高的出水水質;無泡曝氣MBR 采用透氣性膜對生物反應器無泡供氧, 氧的利用率可達100 % ,因不形成氣泡,可避免水中某些揮發性的有機污染物揮發到大氣中；用于提取污染物的萃取MBR 是由內裝纖維束的硅管組成,這些纖維束的選擇性將工業廢水中的有毒污染物傳遞到好氧生物相中而被微生物吸附降解。
根據生物反應器和膜組件結合的方式不同,膜生物反應器可分為分置式（圖1）和一體式（圖2）。
分置式是指膜組件與生物反應器分開設置,壓力驅動靠加壓泵。分置式的特點是運行穩定可靠,操作管理容易,易于膜的清洗、更換。但一般條件下為減少污染物在膜表面的沉積,由循環泵提供的水流流速都很高,動力消耗較高。
一體式是將膜組件置于生物反應器中,通過真空泵抽吸,得到過濾液。一體式的較大特點是運行費用低,但在運行穩定性、操作管理方面和膜的清洗更換上不如分置式。
MBR對懸浮固體（SS）濃度和濁度有著非常良好的去除效果。由于膜組件的膜孔徑非常?。?.01～1μm），可將生物反應器內全部的懸浮物和污泥都截留下來，其固液分離效果要遠遠好于二沉池，MBR對SS的去除率在99%以上，甚至達到100%；濁度的去除率也在90%以上，出水濁度與自來水相近。
由于膜組件的**截留作用，將全部的活性污泥都截留在反應器內，使得反應器內的污泥濃度可達到較高水平，較高可達40～50g/L.這樣，就大大降低了生物反應器內的污泥負荷，提高了MBR對有機物的去除效率，對生活污水COD的平均去除率在94%以上，BOD的平均去除率在96%以上。 (同時，由于膜組件的分離作用，使得生物反應器中的水力停留時間（HRT）和污泥停留時間（SRT）是完全分開的，這樣就可以使生長緩慢、世代時間較長的微生物（如硝化**）也能在反應器中生存下來，保證了MBR除具有**降解有機物的作用外，還具有良好的硝化作用。研究表明，MBR在處理生活污水時，對氨氮的去除率平均在98%以上，出水氨氮濃度低于1mg/L.
此外，選擇合適孔徑的膜組件后，MBR對**和病毒也有著較好的去除效果，這樣就可以省去傳統處理工藝中的**工藝，大大簡化了工藝流程。
另外，在DO濃度較低時，在菌膠團內部存在缺氧或厭氧區，為反硝化創造了條件。僅采用好氧MBR工藝，雖然對TP的去除效率不高，但如果將其與厭氧進行組合，則可大大提高TP的去除率。研究表明，采用A/O復合式MBR工藝，對TP的去除率可達70%以上。
在城市污水或廢水處理中，傳統的處理工藝（格柵+沉砂池+初沉池+曝氣池+二沉池+**池）流程較長，占地面積大，而出水水質又不能保證。而MBR工藝（篩網過濾+MBR）則因流程短、占地面積??！處理水量靈活等特點，而呈現出明顯優勢#MBR的出水量根據實際情況，只需增減膜組件的片數就可完成產水量調整，非常簡單、方便。
對于傳統的活性污泥法工藝中出現的污泥膨脹現象，MBR由于不用二沉池進行固液分離，可以輕松解決。這樣，就大大減輕了管理操作的復雜程度，使優質！穩定的出水成為可能。
同時，MBR工藝非常易于實現自動控制，提高了污水處理的自動化水平。
剩余污泥的處置問題，是污水處理廠運行好壞的關鍵問題之一MBR工藝中，污泥負荷非常低，反應器內營養物質相對缺乏，微生物處在內源呼吸區，污泥產率低，因而使得剩余污泥的產生量很少，SRT得到延長，排除的剩余污泥濃度大，可不用進行污泥濃縮，而直接進行脫水，這就大大節省了污泥處理的費用。有研究得出，在處理生活污水時，MBR較佳的排泥時間在35d左右。
4.1生物反應池設計
當進水COD為50～2 234 mg/L，SS為80～1 327 mg/L，HRT在2.0～5.0 h范圍內時，系統運行的穩定性以及對污染物的處理效果均較好。
生物反應器中微生物濃度X(即污泥濃度)的理論計算公式［2］如下：
(1)
式中 Ci--- 進水COD濃度
Ce--- 出水COD濃度
Csup --- 污泥上清液COD濃度
設計原則：BOD容積負荷在2.0 kg-BOD/(m3.d)以下,設計缺氧池對進水BOD的去除率為η(20%～50%)，則流入膜生物反應池的BOD濃度為CBOD×(1-20%)；需要的膜生物反應池的容積為CBOD×(1-20%)÷2以上.
膜組件的有效面積為：
A=Q/F (2)
已知膜組件制造廠家給定的基本參數，可容易地計算出所需的膜組件數：
N=A/A0 (3)
式中 A --- 膜組件的有效面積
A0 --- 單個膜組件的有效面積
A截＝N×n1×n2×π×(d/2)2 (4)
在運行過程中涉及反洗等操作，因此必須綜合考慮水的利用率以及元件的停歇時間.
曝氣系統主要為膜生物反應池的微生物生長代謝提供氧氣
生物作用需氧量中氧的主要作用有：
① 將一部分有機物氧化分解；
② 對自身細胞的一部分物質進行自身氧化；
③ 對原水中的氨氮進行氧化。
代謝原水中有機物需氧量：
其中：Q－進水流量(m3/d)；
y－產率系數(典型值＝0.5)；
f－進水中不溶性所占的比例(典型值＝0.8)；
L0－進水濃度(mg/L)；
Le－出水濃度(mg/L)；
維持微生物自身活性即微生物細胞部分物質進行自身氧化需氧量：
－微生物自身衰減系數(典型值＝0.1d-1)；
－生化池中生物固體濃度(mg/L.MLVSS)；
－膜生物反應池容積(m3)；
氨氮硝化需要氧量：G3=4.57C氨氮*Q
微生物生物作用總需氧量：G=G1+G2+G3
空氣中氧氣的質量百分比為23%，
設計氧氣的傳質溶解效率為3%，
則生物作用需要的空氣量為:G÷23%÷0.03=145G
盡管膜生物反應器有許多傳統工藝不具備的優點，且有了一定規模的應用，但真正要使該技術大范圍的應用，還有很多問題需解決。
(1) 在MBR工藝中，膜組件的費用較高，一般膜的價格為＄200～1 000元/m2。在運行中膜組件的更換占總運行費的40%～75%。因此經濟因素是影響其廣泛應用的一個主要原因。建議加強低成本，高性能的新型膜材料的研發，推動產業化進程。
(2) 膜通量小，一般通量為20～100 L/（h·m2），不適合大流量污水的處理。MBR工藝在運行時會使膜通道發生堵塞和濃差極化現象，在膜的表面形成一個膠化層，即膜污染。這將導致膜通量的急劇下降。。膜污染成了MBR廣泛應用的阻礙[32]，是當前MBR研究的一個熱點，其污染機理還有待于進一步研究。另外，膜通量還應通過研究開發進一步提高，從而推進該技術的廣泛應用。
(3) 在用于處理污水的MBR 中通常都維持較高的MLSS濃度，這易導致氧傳遞率的降低,運行能耗變大，水溫升高，污泥活性下降及等問題，建議加強這方面的研究及優化設計，進一步降低能耗。
參考文獻
[1] S. Adham et al . Feasibility of the membrane bioreactor process for waterreclamation.Wat . Sci . Tech. ,2001. 43 (10) :203～209.
[2]熊麗芳，胡兆吉，王白楊等；膜生物反應器及其發展展望；2005
[3] 孫秀云, 王連軍, 田愛軍．MBR 在污水處理中的應用[J]．污染防治技術，2003，16（4）：39～41．
[4] 葛元新，朱志良．MBR膜的污染及其清洗技術研究進展．清洗世界，2005，21（8）：24～29．
