膜生物反应(MBR)

2024-10-28

膜生物反应(MBR)（通用9篇）

膜生物反应(MBR) 篇1

摘要：本文介绍了MBR (膜生物反应器) 这种新型污水处理设备的常见形式和技术优势, 从多角度探讨在实际运行过程中膜污染的形成原因和控制方法。

1引言

MBR (膜生物反应器) 技术是当前污水处理领域的一个研究热点, 这项技术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、高效的污水处理及回用技术, 此技术具有占地面积小、工艺运行管理简单以及出水水质高等优点。随着环保事业的快速发展, 预计在“十二五”和“十三五”期间, 我国废水治理投入将分别达到12781亿元和15603亿元, 约有60%~70%的现有水厂适合利用MBR技术来改造, 而新建水厂采用MBR优势也很明显, 尤其在城市污水深度处理中, MBR的市场需求较大。因此, MBR技术具有很好的发展前景。

2 MBR的技术优势

MBR是将膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术。它是利用中空纤维膜组件的分离截流功能, 将生物反应器中的活性污泥和大分子难降解的物质截流在反应器中, 提高生化反应效率, 生产出高质量的处理水。从整体结构上看, MBR主要由膜组件、生物反应器和泵三部分组成, 其中生物反应器是污染物降解的主要场所, 膜组件相当于生物处理系统中的二沉池, 起固液分离的作用, 泵是系统出水的动力来源。由于膜的高效截留作用, 一方面使生长缓慢的硝化菌大量滞留在反应器内, 从而达到良好的氨氮去除效果;另一方面, 由于反应器中的污泥龄可以很长, 难降解有机物分解菌等增殖速度慢的微生物得以在反应器内繁殖富集, 大大提高了难降解有机物的降解效率, 这些是传统的生物处理法所不具备的优点;另外, 可使微生物完全截留在生物反应器内, 实现反应器水力停留时间 (HRT) 和污泥龄 (SRT) 的完全分离, 使运行控制更加灵活稳定。此外, 采用膜进行泥水分离, 相当于对污水进行了深度处理, 出水中SS、浊度、大肠菌群等指标均优于滤池出水, 在污水深度处理和再生利用方面具有良好的应用前景。

按照膜组件和生物反应器的相对位置, 常见的MBR装置可分为分置式MBR (也称旁流式MBR) 和一体式MBR (也称浸没式MBR) 两种类型。

如图1所示, 在分置式MBR中, 混合液由泵增压后进入膜组件, 在膜两侧的压差作用下实现料液的固液分离。

如图2所示, 在一体式MBR中, 膜组件是直接浸没在曝气池中的, 利用透过侧的抽吸作用在膜两侧形成压力差实现料液的固液分离。

目前, 国内已有部分污水处理厂开始采用MBR工艺或将其作为升级改造的技术选择, 但整体而言, MBR技术在我国的应用还处于起步阶段, 诸多原因导致MBR膜技术在工程应用中还存在单位处理水量投资成本高、能耗高、运行费用高、处理效果稳定性欠佳等问题, 限制了其在污水处理领域的推广应用, 尤其是对于膜污染这个应用难点问题还缺乏有效的解决方案。

3 膜污染的研究意义

膜污染是所有压力驱动膜过程中的最大问题, 也是MBR技术在实际应用中的重要问题。膜污染直接影响了膜的使用寿命、增加运行管理成本、增加化学清洗药耗, 同时膜污染与系统能耗亦直接关联。因此, 有必要研究MBR技术针对不同的应用过程的膜污染情况和种类, 研究生物处理单元运行参数对系统膜污染的影响, 建立相关关系, 探索更有效的膜污染控制方法和策略。针对不同膜污染过程和种类, 研究高效膜污染清洗技术, 保证膜的长期稳定运行和延长膜使用寿命。

对于MBR系统中膜污染形成原因和控制方法进行深入研究, 不但能为现有污水处理厂的良好运行提供技术保障, 更可为一些污水处理厂的升级改造项目提供可靠的技术参考, 提出有效的解决方案。

4 膜污染的形成原因

4.1 膜材料本身的性能

随着膜技术的进展, 膜材料也出现多元化趋势, 膜的性质主要包括膜孔径、孔隙率、亲 (疏) 水性、表面电荷性质和粗糙度等, 这些方面都会对膜污染的形成过程有着复杂的影响。

4.2 料液的性质

料液的性质主要包括料液中各主要成分的性质、组成、浓度、黏度、pH值等, 这些因素可单独影响膜污染过程, 也可能出现相互的关联, 共同作用于膜污染过程。

4.3 操作条件

膜分离过程的操作条件主要包括膜组件类型及其中的料液运行特征, 例如操作压力、膜面料液流速、进 (出) 料液口位置等, 在实际运行操作中对膜污染的形成有着重要的作用。

5 膜污染的控制方法

5.1 膜材料和膜组件的选择

使用性能优良的膜材料可有效减轻膜污染, 抗污染膜的制备也是目前的研究热点之一。此外, 采用合适的膜组件和流体运动形态也可达到理想的效果。

5.2 料液的预处理

料液的预处理是膜分离过程中的重要步骤, 可采用传统分离方法或其他膜分离方法与MBR技术集成的形式来改善进料液的性质, 减少膜污染的发生。如调节料液的pH值、预杀菌、投加混凝剂或粉末状活性炭 (PAC) 等均可取得较好的运行效果。

5.3 工艺运行条件的优化

优化MBR设备的工艺运行条件有利于实现设备的长期、稳定运行, 常见方法如控制初始渗透通量、错流过滤、超声波参与等。在实际运行中, 还应合理控制反应池内的活性污泥浓度。活性污泥浓度高, 设备的容积负荷高, 相应的处理能力也会比较大, 但膜通量往往下降, 膜污染严重, 因此, 须在两者之间确定一最佳值。

此外, 需特别提出的是, 在一体式MBR设备中, 为减少膜孔堵塞, 常采用间歇抽吸法, 即抽吸过滤一段时间后停止抽吸几分钟以便释放膜面上的污堵物。而且, 在一体式MBR中, 由于膜组件直接浸没在曝气池的混合液中, 可利用曝气形成向上的混合物的冲击作用, 使截留组分不易沉积在膜面上, 所以一体式MBR反应池中的曝气量比普通活性污泥池大得多。

6 结语

结合我国实际, 膜生物反应器是很有发展前景的一项污水治理技术, 在污水治理、中水回用、污水资源化等方面具有非常重要的理论和实践价值。但在实际运行中, 膜污染的问题及其原因和有效控制方法仍有待于进一步的研究。

膜生物反应(MBR) 篇2

序批式生物膜反应器的生物膜特性研究

摘要：通过扫描电镜对具有除磷功能的序批式生物膜反应器中生物膜的形态结构进行了观察,并考察了容积负荷、曝气量和厌氧循环水量对生物膜量的.影响.结果发现,生物膜主要由微生物及其胞外多聚物组成,大量的微生物及其胞外多聚物相互连结,形成稳定的缠结结构.平均每片填料上附着的生物膜质量为4.088 g,挥发性生物膜质量与生物膜干质量的比值为0.861,表明活性生物量较高.填料上的生物膜量主要受曝气量和厌氧循环水量的影响,而容积负荷对填料上的生物膜量基本没有影响.作者：张朝升荣宏伟张可方 ZHANG Chao-sheng RONG Hong-wei ZHANG Ke-fang 作者单位：广州大学,土木工程学院,广东,广州,510006期刊：中国给水排水 ISTICPKU Journal：CHINA WATER & WASTEWATER年，卷(期)：,23(1)分类号：X703.1关键词：生物除磷生物膜微生物生物膜量

膜生物反应(MBR) 篇3

污水处理过程属于复杂的动态工程系统,而溶解氧(DO)浓度与鼓风机的送风量间存在非线性、时滞、强耦合等特点,因而很难建立精确可靠的数学模型,故采用传统的控制策略难以获得满意的控制效果。近年来,一些不需要精确数学模型的智能控制,如预测控制、专家控制、神经网络、模糊控制、遗传算法等先进的智能控制不断地应用于污水处理过程的溶解氧控制[1],有效地回避了精确数学模型的问题,控制效果得到了一定的改善。但随着现代工业技术的发展,对污水处理过程提出了越来越高的控制要求,在很多场合单纯地采用某一种智能控制有时较难满足控制要求,为此可以将两种或多种控制方法有机结合起来,形成具有其内在机理上互补的集成控制策略,将会进一步提高对污水处理过程的控制效果。预测控制方法具有预报功能,能有效克服大时滞环节的影响,减少调节时间[2,3];而模糊控制不需要精确的数学模型,而且其基于专家经验和知识推理的智能控制方法具有很强的鲁棒性。本文将两者结合起来,采取了模糊控制和预测控制的集成,构成模糊预测控制策略用以调节膜生物反应器(MBR)中DO的浓度。通过选定合适的模糊控制规则,保证控制的稳定和控制性能,用预测控制的提前预测误差变化来调整控制的力度,维持良好的动态性能[4]。

2 工艺说明

污水处理的工艺管道仪表流程如图1。生产污水和生活污水进入隔油设施和均质调节灌,稳定水质和水量。废水是由均质调节灌加压输送,直接进入气浮系统。与此同时由于来水的pH值变化范围较大,为了稳定生化系统的运行状态,首先要进行pH值的调节。进入气浮处理,进一步去除悬浮和乳化状态的污染物,分离后的浮渣和底泥交由业主与隔油和调节灌的浮油一同处理。事故状态下,气浮后出水可跨越MBR系统排放。气浮后的污水自流进入一级氧化池,在此池中开始有机污染物的一级好氧降解,然后污水由氧化池后端进入斜板沉淀池进行泥水分离后,再自流进入MBR生化池中进行二级好氧的降解,此段生化处理的微生物主要针对难降解的有机污染物质及氨氮,因此系统应在较低的负荷下运行。MBR处理后的污水,如果达标就可以直接排放入终端水罐,如果超标就要经过活性炭过滤灌进行过滤后进入终端水罐,以确保污水达标排放。

3 膜生物反应器生物氧化阶段溶解氧控制要求

该污水处理工艺的膜生物反应器的生物氧化阶段参与污水处理的是以好氧菌为主体的微生物,用微生物自身的同化作用和异化作用处理污水中的有机污染物。MBR生化好氧区池底铺设有曝气装置进行连续曝气,好氧微生物在有氧条件下,以污水中有机物为营养底物,进行新陈代谢,将有机物转化为新的细胞质,产生剩余污泥或转化为稳定的小分子无机物,释放能量,达到去除水中BOD、COD和氨氮等的目的。采用膜产水,污泥被拦截下来,可以使好氧区污泥浓度达到5 000～10 000 mg/L,远远超过普通活性污泥法的污泥浓度。进水氨氮浓度比较高时,通过好氧处理,在硝化菌作用下,将氨氮转化为硝酸盐和亚硝酸盐。

由于原水浓度的不同,好氧微生物新陈代谢所需的氧量也不同;而在整个反应过程中用以作为耗氧量补充的溶解氧必须保持在适当的水平。在活性污泥法好氧工艺中,溶解氧浓度一般需要控制在2～4 mg/L;若溶解氧过量,浪费能源且易发生污泥膨胀;溶解氧不足,影响微生物活性,从而影响微生物净化效果,出水难以达标。由此可见,溶解氧浓度是膜生物反应器中生物氧化阶段的主要影响因素。

4 模糊-预测控制系统(FPC)

膜生物反应器生物氧化阶段溶解氧浓度受原水浓度、鼓风机送风量等因素共同影响,但在一般情况下,原水浓度等因素的变化难以估计,而鼓风机送风量对溶解氧浓度的影响最大而且易于检测和控制,故通过改变鼓风机送入膜生物反应器的风量调节溶解氧浓度,而风量的大小则通过调节变频器输入电压控制。

模糊-预测控制器的基本思想是:先利用预测模型得到系统未来的预测输出,然后将设定输出值和预测输出值之间的预测误差及预测误差变化率化为模糊控制器的输入,模糊预测控制器利用模糊规则推理得到控制输出。预测控制的核心在于滚动优化,因此整个预测控制算法最终可以归结为一个性能优化问题。传统的预测控制仍然采用基于线性二次型目标函数的优化方法,即在控制时域内用最小化目标函数求出最优控制律。但是对于复杂系统,这种方法所要耗费的代价是非常大的,有时甚至是不可能的。所以针对预测控制中滚动优化过程运算量过大、采样周期不能太小而导致的抗干扰性差的问题,将模糊控制与对时滞系统有较好控制性能的模型算法控制结合起来,用模糊控制器实现预测控制的优化计算[5,6]。溶解氧模糊-预测控制系统的结构见图2。

4.1 预测模型

用于描述过程动态特性的模型称为预测模型,也称为内部模型。它具有预测功能,能够根据系统当前时刻的控制输入和过程的历史数据,通过预测模型来预测过程未来的输出值。

模型算法控制(MAC)采用受控对象动特性的脉冲响应的非参数模型作为内部预测模型。考虑到优化时域M和控制时域L,且L≪M≪N(建模时域),即当i≫L时,u(k+i)=u(k+L-1),(i=L,L+1,…,M-1)。

由式 $y_{m} (k + i) = Σ_{j = 1}^{Ν} h_{j} u (k + i - j)$ 可知模型输出可写成:

ym(k+1)=h1u(k)+h2u(k-1)+…+hNu(k+1-N)

ym(k+2)=h1u(k+1)+h2u(k)+h3u(k-1)+…

+hNu(k+2-N)

…

写成矩阵形式:YM(k)=H1U1(k)+H2U2(k),表示预测模型k时刻的输出YM(k)取决于k时刻以前的已知控制作用U2(k)和从k时刻开始的未来控制作用U1(k),其相应系数矩阵分别为H2和H1。对于q维输入、r维输出的多变量系统,式 $y_{m} (k + i) = Σ_{j = 1}^{Ν} h_{j} u (k + i - j)$ 可用脉冲响应系数矩阵 $\tilde{Η}$ j表示:

$Y_{Μ} (k + i) = Σ_{j = 1}^{Ν} \tilde{Η}_{j} U (k + i - j)$

4.2 输入参考轨迹

模型算法控制的目的是使系统输出y(k)按一条事先给定的参考输入轨迹yd(k+1)逐渐达到设定值s,而参考轨迹从k采样时刻开始的未来i个采样时刻值,可以采用从当前时刻实际输出值y(k)为起始的一阶指数变化形式来描述:

yd(k+1)=y(k)+[s-y(k)](1-e-iT/τ) (i=1,2,…)

式中:T——采样周期;τ——参考轨迹的时间常数。

记c=e-T/τ,则上式可写成:

yd(k+i)=ciy(k)+(1-ci)s (i=1,2,…)

yd(k)=y(k)

考虑到无约束一步优化情况,用一次迟滞系统给出目标轨迹为:

yd(k+1)=cy(k)+(1-c)s

式中:c——柔化系数。

4.3 闭环预测

MAC中闭环预测相当于DMC的在线校正,闭环预测值可以由模型预测值ym(k)和误差e(k)的加权ω给出:

yp(k+i)=ym(k+i)+ωe(k) (i=1,2,…)

式中:e(k)可由k时刻包括不可测定的外界干扰ξ(k)在内的实际输出y(k)与预测模型输出ym(k)的误差构成,且由 $y_{m} (k + i) = Σ_{j = 1}^{Ν} h_{j} u (k + i - j)$ 得到:

$e (k) = y (k) - y_{m} (k) = y (k) - Σ_{j = 1}^{Ν} h_{j} u (k - j)$

对于无约束一步预测算法,

yp(k+i)=ym(k+i)+ωe(k)

在i=1,ω=1时,预测输出为:

yp(k+i)=ym(k+i)+e(k)

4.4 模糊控制部分

模糊控制器的结构与双输入单输出常规模糊控制器相同,输出为变频器输入电压值u(k),所不同的是输入为溶解氧浓度输入参考轨迹yd(k+i)的输出值与闭环预测值yp(k+i)的误差 $\hat{e}$ (k)与误差变化率Δ $\hat{e}$ (k)作为模糊控制器的两个输入值,定义为:

$\hat{e} (k) = y_{d} (k + i) - y_{p} (k + i)$

$Δ \hat{e} (k) = \frac{d [y_{d} (k + i) - y_{p} (k + i)]}{d t}$

为简化设计,将 $\hat{e}$ (k)、Δ $\hat{e}$ (k)和u(k)经比例因子全部规范至基本论域,即 $Ρ E = \hat{e} (k) \cdot Κ_{e} ‚ Ρ E C = Δ \hat{e} (k) \cdot Κ_{e c} ‚ u (k) = D U \cdot Κ_{u}$ ,需要确定的语言变量有三个,即预测误差PE、预测误差变化PEC和输出控制量u(k)。设 $\hat{e}$ (k)的变化范围为[-1.0 mg/L,1.0 mg/L],其模糊量PE的论域为[-6,6],则Ke=6。离散化论域等级为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},模糊子集为{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},记为{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB};误差变化率的范围为[-0.1,0.1],其模糊量PEC的论域为[-4.5,4.5],则Kec=45。离散化论域等级为{-4.5,-3,-1.5,-0.5,0,0.5,1.5,3.0,4.5},模糊子集为{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},记为{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB};输出模糊量U的论域为[-6,6],离散化论域等级为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},模糊子集为{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},记为{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}。PE,PEC和U的隶属函数均用高斯曲线隶属函数f(x;σ,c)=e-(x-c)2/2σ2表示,参数σ通常为正,参数c用于确定曲线的中心。σ越大曲线越平缓,σ越小曲线越陡。根据实验经验和文献资料确定各模糊状态的隶属度函数曲线如图3～图5所示:

以溶解氧为被控变量的模糊控制系统的模糊控制规则的形式为:

IF E =…and IF EC =… then U=…

根据对膜生物反应器中溶解氧浓度特性的分析以及专家知识和熟练操作人员经验积累,总结出溶解氧浓度与曝气量之间的关系,再根据当偏差大或较大时,选择控制量以尽快消除偏差为主;而当偏差较小时,选择控制量要注意防止超调,以稳定性为主要出发点的依据,由此建立以模糊语言表示的49条模糊控制规则,表1为模糊控制规则表。

每条规则的模糊关系Rk可以表示为:

Rk=Ei×ECj×Uif (k=1,2,3,…,49)

根据每一条模糊语句决定模糊关系Rk,可以求得描述整个系统控制规则的总模糊关系矩阵R:

$R = R_{1} \cup R_{2} \cup \dots \cup_{i = 1}^{49} R_{k} (k = 1, 2, 3 \dots, 49)$

模糊控制器的输出为误差向量和模糊关系的合成,即U=(E×EC)。R。为了获得准确的控制量,采用重心法判决出实际的输出量,该方法具有更平滑的输出推理控制,即使对应于输入信号的微小变化,输出也会发生变化。

5 仿真及结论

由于预测控制算法带有模型自校正, 因此对模型的精确度要求并不高,可采取仿真建模的方法。膜生物反应器中溶解氧变化过程可以简化成一个带滞后环节和一个惯性环节相串联,在正常运行情况下,其传递函数一般可描述为:

$G_{Ρ} (s) = \frac{Κ_{Ρ}}{Τ S + 1} e^{- τ s}$

式中:KP——对象的开环增益;T——时间常数;τ——滞后时间。根据试运行参数,模拟实际系统加入阶跃增量后的响应,可估算出对象增益KP=5,时间常数T=80 s,滞后时间τ=60 s,采样周期取为2 s,建模时域N = 60,根据上述模型和现场经验可得到膜生物反应器中溶解氧的预测模型矢量a。比较图6与图7可知,采用了模糊预测控制后控制效果有了明显的改善。

摘要：在分析污水处理工艺中膜生物反应器生物氧化过程中溶解氧(DO)控制的复杂性后,提出基于模糊-预测控制机理控制污水处理过程中的溶解氧。利用模糊-预测算法得到输出控制量控制变频器的输入,用以改变空气的流量以实现对反应过程溶解氧浓度的调节。并设计了简易的膜生物反应器溶解氧模糊预测控制系统。

关键词：膜生物反应器,污水处理,模糊预测控制,溶解氧

参考文献

[1]Y IN M T.Fuzzy Logic Process Control ofHPO-AS[J].Jour-nal of Environm ental Engineering,1996.

[2]诸静,等.智能预测控制及其应用[M].杭州:浙江大学出版社.2002.

[3]刘金琨.智能控制[M].北京:电子工业出版社,2008.

[4]诸静.模糊控制理论与系统原理[M].北京:机械工业出版社,2005.

[5]吴敏,庄坤,丁雷,等.铅锌烧结过程烧穿点的模糊预测控制方法[J].化工学报,2008,59(7):1698-1701.

膜生物反应器生物污染及其控制篇4

膜生物反应器生物污染及其控制

综述了膜生物反应器(MBR)中生物污染的机理,以及影响生物污染的各种因素,包括水动力学条件、膜组件结构、膜材料及其性质、污泥特性、操作条件和环境条件等.并从膜模型设计、反冲洗、化学清洗和MBR系统的.设计优化4个方面介绍了生物污染的控制措施.

作者：梁红英金奇庭 LIANG Hong-ying JIN Qi-ting 作者单位：西安建筑科技大学,环境与市政工程学院,西安,710055刊名：工业用水与废水 ISTIC英文刊名：INDUSTRIAL WATER & WASTEWATER年，卷(期)：37(5)分类号：X703.1关键词：膜生物反应器污水处理生物污染

膜生物反应(MBR) 篇5

1 膜污染对MBR在污水处理过程中的影响

由于膜组件在使用过程中被污染, 会降低其膜通量, 在没有有效预防措施的情况下要想维持反应器的继续工作就必须在膜污染后更换膜组件, 并对更换下来的膜组件进行清洗工作, 这就带来了严重的问题, 首先是更换膜组件的过程会暂时中断膜反应器的工作, 使污水处理不能得以连续进行, 其次是更换和清洗过程本身就要耗费大量的人力和物力, 增加了运行成本。基于以上因素, 由于膜污染的存在, 同时目前膜污染防治工作的缺失使得在污水处理领域MBR无法得到大规模的应用。

2 MBR在污水处理过程中膜污染的形成机理

在膜生物反应器处理污水的过程中, 导致膜污染的原因是多方面的, 并在膜过滤压力 (TMP) 的不同阶段分别或共同起到主导的作用。

图1是膜过滤压力随膜过滤时间的变化曲线。从图1中可以看出, 在膜生物反应器开始运行的一段时间内 (即图1中的第一阶段) , 膜过滤压力随着过滤时间的增加呈现快速上升的趋势, 导致这一现象的原因可能是由于在负压抽吸的作用下, 由于胶体等小颗粒物的迁移速度较快, 在污水通过膜组件时其中部分悬浮的胶体颗粒会堵塞膜孔, 另外膜本身会吸附水溶液中的溶质, 而这些物质本身由于粒径较小, 其反向扩散迁移能力较弱, 因此富集在膜孔之中, 造成膜孔局部堵塞, 使膜过滤的压力急剧上升。随着过滤时间的延长, 污水中的污泥絮凝体随着水的流动被贴附于膜表面, 但这些絮凝体本身粒径较大, 迁移速度慢, 并且其反向迁移的能力较强, 因此沉积在膜表面的速度较慢, 随着这些絮凝体逐渐在膜表面形成污泥层, 也从一定程度上阻挡了后续胶体颗粒向膜孔中移动, 因此表现为膜过滤压力随过滤时间增加而缓慢增长 (图1中所示的第二阶段) ;随着过滤时间的进一步增加, 在负压抽吸的作用下, 附着在膜表面的污泥层会被逐渐压密, 而且越靠近膜面则污泥层的密度越高, 在压密到一定程度时, 就会导致膜压力的急剧上升 (图1所示的第三阶段) 。另外, 微生物代谢产物 (SMP) 在膜孔和膜面的不断吸附也会导致TMP的上升。

3 MBR中膜污染的防治措施研究概况

当前防治膜污染的措施按性质不同可分为物理方法和化学方法等, 具体包括对进水进行预处理, 投放吸附剂、絮凝剂等添加剂, 优化工艺参数, 膜的改性处理以及膜的物理清洗和化学清洗等。

3.1 增加预处理工序

由于待处理污水成分的不确定性可能会影响膜的使用效果, 如某些工业废水中含有浓度较高的氨氮和金属离子, 如Fe3+、Al3+、Mg2+等, 这些金属离子容易与污水中其他有机大分子聚合物发生反应, 使膜表面污泥层过早的形成, 从而降低了膜的一次使用寿命;除此之外, 过高或过低的p H值也容易导致影响膜的性能, 甚至可能对膜产生腐蚀作用, 因此在实际工作中应当在MBR进水增加预处理工序, 具体措施有设置过滤、p H值调节工序等。如Kim等在2007年采用沸石/渗析器对进水进行预处理后发现氨氮的去除率可达90%以上。

3.2 向污水中投放添加剂

为了降低胶体、污泥絮凝体以及SMP等对膜孔的堵塞和对膜面的贴附, 可向未经处理的污水中投放添加剂的方式, 从而改变污水的成分, 降低膜污染程度, 增加膜的使用时间, 实际工作中, 可用作添加剂的有吸附剂、絮凝剂和其他化学物质。

3.2.1 添加吸附剂

常见的吸附剂有活性炭、沸石、分子筛、膨润土等, 以活性炭为例, 向污水中添加活性炭粉末可以吸附掉大部分悬浮的胶体颗粒以及有机溶质等, 实验证明通过添加活性炭可以有效降低膜污染的程度, 并大大延长了膜的使用寿命, 然而Akram等在2008年研究发现过量添加活性炭非但不能降地膜污染, 反而成为一种污染物加重了膜污染, 因此必须要根据实际情况, 经过反复试验得出最佳的添加量, 使膜污染降为最低。

3.2.2 添加絮凝剂

絮凝剂的添加可以增强污泥的絮凝性能, 增大污泥粒径, 使大量的胶体颗粒、SMP等粒径小的物质被吸附在絮凝体的表面或内部, 从而减缓膜污染。常见的絮凝剂包括有机絮凝剂和无机絮凝剂两种, 经过研究发现, 无机絮凝剂如硫酸铝、氯化铁等可有效增强污泥絮凝体表面疏水性, 而聚丙烯酰胺、壳聚糖等有机絮凝剂则可增大污泥的粒径, 因此可根据实际水质情况选择不同的絮凝剂。然而, 无论是有机还是无机絮凝剂, 都是属于化学物质, 很难避免会产生副产物, 这些副产物可能会带来新的膜污染问题。

3.3 通过改性处理增强膜的性能

提高膜的亲水性是降低膜污染的重要手段之一, 在实际工作中, 可通过对膜进行改性处理, 将极性有机官能团引入到膜表面以提高其亲水性, 常见的膜改性处理方法有涂覆、接枝、等离子体处理等。

3.4 采用科学的清洗方式

为使MBR工艺的不间断进行, 在膜污染的情况下采用在线清洗的方式去除膜孔内和膜表面的堵塞物和附着物是一种常被采用的方法, 有着操作简便、便于控制等优点, 常用的在线清洗方式有传统清洗方式、超声波清洗以及化学清洗等。

3.4.1 传统清洗方式

传统的膜清洗方式包括压力水冲洗、反冲洗、曝气冲洗等, 其中较常用的是曝气冲洗。在MBR运行过程中, 增加曝气强度一方面可以改善水力条件, 另一方面有利于气体上浮过程中带动水流对膜表面进行冲刷, 从而去除部分附着物, 降低膜污染。

3.4.2 超声波清洗

超声波清洗在降低膜污染中被认为是切实可行且行之有效的方法, 主要利用超声波的高频振动冲击作用对膜表面及膜孔内部吸附的污染物剥离, 刘昕等通过在线超声波清洗的方式成功降低了MBR运行过程中产生的膜污染, 然而与曝气冲刷相类似的是, 超声波的强度也不是越大越好, 过大的超声波强度会打散污泥颗粒, 并且可能会直接对膜组件构成物理破坏, 因此在实际工作中一定要控制好超声波强度。

3.4.3 化学清洗

化学清洗就是利用化学药剂去除膜表面及膜孔内的污染物, 一般去除效率较高, 常用的化学清洗剂包括酸性、碱性、氧化性以及配位清洗剂等, 针对不同的污染要选择适合的化学清洗剂。化学清洗方式的优点和缺点并存, 优点是可以很方便地清洗掉相应污染物, 缺点就是化学清洗过程中可能发生副反应以对膜造成新的污染, 另外化学药剂本身对膜可能也会造成不同程度的损害, 不利于延长膜的使用寿命。

4 展望

4.1当前对于MBR在污水处理过程中膜污染的产生机理虽然进行了一定的研究, 然而还有很多问题亟待解决, 如在图1中的第三阶段膜压力上升的原因还没有定论, 对SMP的作用机理等还有待研究。

4.2目前对膜污染的研究多为定性分析, 而缺少科学的定量计算, 因此建立科学的数学模型来分析膜污染问题应当是未来的一个研究方向。

4.3当前对MBR的膜污染防治措施的研究只是建立在实验室的条件下, 并且理论研究多过实践, 因此在未来的工作中应当在此基础之上增加小试、中试规模的实践探索, 不断积累经验, 使膜污染的防治措施为工业化膜生物反应器污水处理服务。

4.4随着科技的发展, 出现了一些新型的膜生物反应器以及膜组件, 在实验室条件下证实其膜污染程度比传统MBR中的膜组件低很多, 可以看到目前科研工作者们更多的是致力于开发新型MBR和膜组件, 而对于其膜污染程度为何降低研究不够, 往往只是停留在猜想阶段, 缺少相应的理论支持, 因此对于这方面的研究也将是科研工作者未来的一项重要工作。

5 结语

膜生物反应器是一种前景极为广阔的新型水处理技术, 需要科研人员更加深入地研究膜生物反应器的相关理论知识, 并结合材料学、化学等其他学科的知识, 研发出更先进的膜生物反应器污水处理工艺, 不断积累经验, 推陈出新, 充分发挥创造性, 为使膜生物反应器在未来污水处理中得到广泛的应用。

参考文献

[1]周小玲, 陈建荣, 余根英, 等.膜生物反应器中膜污染机理和控制研究新进展[J].环境科学与技术, 2012, (10) .

[2]王英健.膜生物反应器的膜污染机理及其防治[J].电力环境保护, 2008, (5) .

[3]张领, 顾平, 邓晓钦.膜生物反应器在污水处理中的应用进展[J].中国给水排水, 2002, (4) .

[4]孙振龙, 陈绍伟, 昊志超.一体式平片膜-生物反应器运行过程中膜性能的研究[J].环境工程, 2003, (2) .

[5]许坚, 许振良.膜生物反应器污水处理过程中膜生物污染的研究进展[J].水处理技术, 2002, (3) .

膜生物反应(MBR) 篇6

近年来, 由于城市人口数量增加以及工业的迅速发展, 尤其是人们生活水平的提高以及经济的发展, 用水量也随之增大。但是, 世界上的水资源是有限的, 而且这有限的资源如今仍在消耗, 需求与供给长时间内得不到平衡, 矛盾日益突出和明显, 导致了世界上几乎每个国家都即将面临的“水危机”。

为了缓解水危机, 世界上许多国家一方面在宣传节水的重要性, 培养人们的节水意识, 另一方面在研究城市废水再生与回用工作。所谓城市废水回用, 就是把城市居民生活和生产中的废水通过各种有效措施进行处理后回用。特别是对中水的利用, 所谓中水, 就是不与人体直接接触的杂用水, 是将人们在生活和生产中用过的优质杂排水、杂排水以及生活污 (废) 水经集流再生处理后回用, 充当地面清洁、浇花、洗车、空调冷却、冲洗便器、消防等。中水的水质的标准低于城市给水中饮用水水质标准, 但又高于污水允许排入地面水体排放标准。

中水开发与回用技术近期得到了迅速发展, 在美国、日本、印度、英国等国家 (尤以日本为突出) 得到了广泛的应用。这些国家均以本国度、区域的特点确定出适合其国情国力的中水回用技术, 使中水回用技术越来越臻于完善。在我国, 这一技术已受到各级政府及有关部门重视并对建筑中水回用做了大量理论研究和实践工作, 在全国许多城市如深圳、北京、青岛、天津、太原等开展了中水工程的运行并取得了显著的效果[1]。

1 生活污水处理工艺的介绍

论文分析讨论的是针对生活污水的处理, 处理后达到小区冲厕要求的两种不同工艺, 探讨膜生物处理工艺 (MBR) 在中水处理工程中的优势与劣势, 下面对两种不同工艺做一个简单的介绍。

1.1 传统生物接触氧化工艺

生物接触氧化法是生物膜法的主要设施之一, 生物膜法是一大类生物处理法的统称, 其主要利用附着生长于某些固体物表面的微生物 (即生物膜) 进行有机污水处理的方法。生物膜是由高度密集的好氧菌、厌氧菌、兼性菌、真菌、原生动物以及藻类等组成的生态系统, 其附着的固体介质称为滤料或载体。生物膜自滤料向外可分为厌气层、好气层、附着水层、运动水层。其原理是, 生物膜首先吸附附着水层有机物, 由好气层的好气菌将其分解, 再进入厌气层进行厌气分解, 流动水层则将老化的生物膜冲掉以生长新的生物膜, 如此往复以达到净化污水的目的。老化的生物膜不断脱落下来, 随水流入二次沉淀被沉淀去除。

生物接触氧化池内设置填料, 填料淹没在废水中, 填料上长满生物膜, 废水与生物膜接触过程中, 水中的有机物被微生物吸附、氧化分解和转化为新的生物膜。从填料上脱落的生物膜, 随水流到二沉池后被去除, 废水得到净化。在接触氧化池中, 微生物所需要的氧气来自水中, 而废水则自鼓人的空气不断补充失去的溶解氧。空气是通过设在池底的穿孔布气管进入水流, 当气泡上升时向废水供应氧气, 有时并借以回流池水。

1.2 膜生物反应器 (M BR)

膜-生物反应器 (Membr ane BioReactor, MBR) 为膜分离技术与生物处理技术有机结合之新型态废水处理系统。以膜组件取代传统生物处理技术末端二沉池, 在生物反应器中保持高活性污泥浓度, 提高生物处理有机负荷, 从而减少污水处理设施占地面积, 并通过保持低污泥负荷减少剩余污泥量。主要利用沉浸于好氧生物池内之膜分离设备截留槽内的活性污泥与大分子有机物。膜生物反应器系统内活性污泥 (MLSS) 浓度可提升至8000~10000 mg/L, 甚至更高;污泥龄 (SRT) 可延长至30天以上[2]。

固液分离型膜-生物反应器是在水处理领域中研究得最为广泛深入的一类膜-生物反应器, 是一种用膜分离过程取代传统活性污泥法中二次沉淀池的水处理技术。在传统的废水生物处理技术中, 泥水分离是在二沉池中靠重力作用完成的, 其分离效率依赖于活性污泥的沉降性能, 沉降性越好, 泥水分离效率越高。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范围。由于二沉池固液分离的要求, 曝气池的污泥不能维持较高浓度, 一般在1.5~3.5 g/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, 其处置费用占污水处理厂运行费用的25%~40%。传统活性污泥处理系统还容易出现污泥膨胀现象, 出水中含有悬浮固体, 出水水质恶化。针对上述问题, MBR将分离工程中的膜分离技术与传统废水生物处理技术有机结合, 大大提高了固液分离效率, 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 (甚至为零) , 从而基本解决了传统活性污泥法存在的许多突出问题。

2 实际工程的应用

2.1 工程项目的概况

选取两个亲身参与的工程项目, 说明并对比两种工艺。表1为工程原水水质情况, 表2为工程出水水质指标[3]。 (如表1表2)

2.2工程项目的简介

(1) 北苑家园小区中水处理工程。

北苑家园小区中水处理工程位于北京市昌平区北苑家园小区, 采用传统生物接触氧化工艺处理, 原水为优质杂排水, 水量为200 m3/d, 处理要求达到回用标准, 用于冲洗厕所、洗车及小区绿化。工程于2007年6月份完工, 至于已经运行4年6个月。

处理工艺流程图如图1所示。

(2) 石景山万达广场中水处理工程。

万达广场中水处理位于石景山区, 原水水质为优质杂排水, 水量为200 m3/d, 要求达到回用水标准, 回用于冲洗厕所、洗车及绿化。处理工艺采用膜生物反应器, 膜组件采用的为德国迈纳德平板膜组件BIO-CEL。工程于2009年3月份完工, 至今运行2年9个月。

处理工艺流程图如图2所示。

3 两种工艺的数据分析及对比

3.1 占地面积

万达广场中水处理机房面积为:168.6 m3。

北苑家园中水处理机房面积为:252.7 m3。

前者占地面积约为后者的67%。

3.2 处理水水质监测结果分析

(1) COD的去除 (如图3图4) 。

从两种工艺对COD去除的对比来看, 石景山万达广场膜生物反应器出水水质明显优质稳定, 平均出水COD为16.88 mg/L, 平均去除率87.71%。虽然原水COD变化较大, 出水水质均能保持在40 mg/L以下。北苑家园生物接触氧化工艺出水虽然也能满足中水标准, 但平均出水COD较高, 为38.19 mg/L, 平均COD去除率71.91%并且变化较大, 出水明显受原水水质状况的影响。

(2) 氨氮的去除 (如图5图6) 。

建设部新颁布的生活杂用水水质标准对氨氮要求, 对洗车和冲厕, 要求小于10 mg/L, 对绿化要求小于20 mg/L。膜生物反应器对氨氮有很好的去除效果, 出水平均氨氮为1.94 mg/L, 去除率达86%, 接触氧化法工艺氨氮去除效果较差, 出水氨氮平均5.56 mg/L, 去除率59.45%。由于膜分离对硝化细菌的高效截留作用, 生物反应器内可以维持高浓度的硝化细菌, 因此可以获得非常高的硝化效果, 氨氮去除率可以达到85%以上。

3.3 工程经济性能分析

(1) 投资经济性分析 (如表3) 。

膜生物反应器投资明显高于生物接触氧化工艺, 吨水投资约高出33%左右, 主要是设备投资明显增大, 前者要比后者设备投资高出48%。但从设备占地面积看, 前者只有后者的一半。如果将占地所产生的成本折算, 应可抵消一部分膜生物反应器的设备投资增加部分。

(2) 运行经济性分析。

影响中水系统运行费用的因素较多, 包括:电力消耗、药剂使用量、设备维护、人员等, 尤其是膜生物反应器, 受膜组件的影响较大, 膜寿命、膜价格是其中最关键因素, 膜寿命:膜的使用年限越长, 膜的折旧费用越低;膜寿命的延长、膜价格降低均可大幅度降低膜生物反应器的运行费用。同时与处理规模有关, 处理规模越大, 其吨水成本越低。 (如表4)

从两种工艺的运行经济性分析来看, 采用膜生物反应器的万达广场中水处理运行费用是北苑家园小区的90.72%。

3.4 其他方面分析

(1) 运行噪音。

经过现场对比分析, 采用膜生物反应器工艺的处理流程需要大风量的鼓风机, 罗茨风机产生的噪音明显要比采用传统生物接触氧化工艺的风机噪音量大, 而且传统生物接触氧化工艺还可采用水下曝气机的方式对生物填料鼓风, 可以进一步减少噪音污染。为了降低噪音污染, 在采用膜生物反应器的处理机房会设置了隔音效果较好材质的鼓风机房, 最大程度降低罗茨风机带来的噪声。

(2) 运行维护及更换。

在两个工程运行一年时, 分别对两个工程进行维护。

北苑家园小区采用传统生物接触氧化法工艺, 维护时需要清理池底淤泥, 检查生物填料上的生物膜是否有较大规模的脱落现象。检查中发现, 由于平时运行良好, 基本上没有维护、更换工作。

万达广场中水处理工程采用膜生物反应器 (MBR) 工艺, 在运行8个月时, 出现二级提升泵压力明显增大, 产水量下降的现象, 这是由于运行过程中产生了膜污堵的情况, 对MBR膜组件进行了一次酸洗的维护过程, 使用柠檬酸对内膜腔进行灌注, 浸泡一段时间后, 用自吸泵将清洗液抽出。在清洗膜的过程中, 需要排放MBR池内的所有污水, 用清水对外膜进行清洗, 确保没有杂质堵塞外膜。清洗时间较长, 需要操作人员有一定的技术要求。

经过比较, 膜生物反应器工艺在维护中, 比传统生物接触氧化工艺较麻烦。

4 结论

通过采用两个不同工艺流程的中水回用处理工程运行结果及数据分析后表明, 膜生物反应器 (MBR) 在处理生活污水中具有出水水质优质稳定、剩余污泥产量小、占地面积小, 不受场地因素限制、操作管理方便, 易实现自动化控制等优势, 同时也存在初期投资成本高, 当膜受到有机或者无机污堵时, 清洗较为麻烦, 鼓风机选型较大, 噪音较高, 耗电量较大等劣势。

膜生物反应器 (MBR) 的出水可以提供优秀稳定的水质, 对保证中水回用的安全性, 具有重要的意义。膜生物反应器技术在中水回用领域将具有广阔的前景。

参考文献

[1]董振兴.浅析中水回用技术及实施及对策[J].城市建设理论研究, 2011 (29) .

[2]刘惠芳, 孙孝龙.典型膜生物反应器工艺流程分析比较, 作者:广西轻工业:资源与环境, 2010, 8:128.

生物膜生成及生物反应器功能分析篇7

1 生物膜的形成及影响

生物膜的形成和存在引起人们高度重视。研究发现, 生物膜的形成与时间有着密切的关系, 不同时间阶段, 形成的生物膜具有不同的特征。但一般来讲, 生物膜形成包括以下几个阶段[2]: (1) 水中或多或少存在的有机物, 在物理、化学以及生物过程综合作用下吸附于管壁表面, 形成一层富有营养的生物膜载体; (2) 水中的一些浮游细菌通过静电等作用被吸附到载体表面, 由于水流冲击等作用, 这些细菌形成并不稳定的聚合物, 但经过一定时间以后, 终会有部分细菌通过分泌具有黏合作用的胞外多聚物稳定吸附于管壁; (3) 随着时间的推移, 这些细胞摄取并消耗水中的营养物质繁殖增长, 逐渐连接成片, 并向外伸展, 形成个体种类繁多、结构凸出的成熟生物膜。尽管这个过程中会有一些生物膜脱落, 但大部分生物膜还是与管道内壁紧密连接在一起[3]。

生物膜给饮用水及管网带来的影响是: (1) 管壁生物膜逐渐加厚, 导致管壁直径变小, 管网过水能力降低, 动力消耗增加, 同时, 管壁生物膜腐蚀管壁, 在过大水压下, 可能导致爆管; (2) 在水流作用下, 部分生物膜脱落进入水体, 导致管网出口处饮用水的悬浮菌数量骤然增加, 色度和浊度上升, 影响用水安全[4]。 (3) 为控制管网中细菌的生长, 出厂水通常经过加氯消毒, 但在管网输送过程中, 由于消毒效果下降, 部分受伤细菌获得营养后自我修复重新生长, 导致饮用水水质变坏。

2 生物膜中微生物生长的影响因素

(1) 水温:水温是影响生物膜生长的主要因素之一, 实验表明, 过高和过低的温度都会抑制细菌的活性, 同时, 由于管网中细菌种类繁多, 适宜的温度较难确定, 但相对来说, 温水中的细菌比冷水中的细菌生长速度会快一些。 (2) 营养物质:营养物质会在管壁的表面富集, 为微生物的生长提供生物膜载体, 提供有机物和充足的磷、铵等[5]。 (3) 管材:管材对生物膜的生长影响很大。实验表明, 作为微生物的栖息地, 在生物膜形成之初, 表面粗糙的管壁更有利于生物的附着, 在生物膜成熟之后, 这种影响逐渐减小。另外, 铁管相对于PVC管, 由于更容易被腐蚀以致变粗糙, 铁管中的微生物数量往往超过PVC管[6]。 (4) 水流速度:管网中的水流直接与生物膜接触, 是影响生物膜中微生物活性的重要因素。管网中水流速度增加, 可以给生物膜系统带来营养物质, 有利于细菌的生长;水流不畅, 消毒剂消耗快, 微生物容易再生长。另外, 过大的水流速度变化会冲刷管壁, 使生物膜脱落, 抑制生物膜的生长。 (5) 余氯:出水厂出水通常经过加氯消毒, 以对生物膜进行有效控制。由于生物膜中的有机物对于消毒剂的抵抗能力比浮游的微生物强[5], 管网系统复杂, 余氯的浓度就需要进行量化, 一般为0.5mg/L。

3 生物反应器应满足的条件

供水管网内壁存在生物膜, 导致给水动力消耗增加, 水体水质下降, 影响用户用水安全, 严重时甚至导致流行性疾病的泛滥。基于此, 对给水管网生物膜进行深入研究、保证其中生物的稳定性就有着非常重要的意义。由于给水管网中生物膜的实际采样研究比较困难, 模拟生物膜生长的生物反应器应运而生。生物反应器应能合理、有效地模拟实际管网生物膜生长状况。理想情况下, 生物反应器不仅能提供持续剪切力, 还可以重复取样, 以观察生物膜随时间和空间的发展在结构和性质上的变化[1]。同时, 研究生物膜的多样性也是目前的集中点, 因此, 生物反应器应能模拟研究温度、消毒剂余量、营养物质浓度、附着材料、水流速度等对生物膜生长的影响, 以及发现新的微生物种类等。

4 生物反应器结构组成及功能分析

环状生物膜挂片反应器 (BAR) 是一种新型模拟配水管网装置。目前, 各国科学家已利用BAR进行了生物量测定、微生物细胞剥离方法、生物膜形态结构、生物可同化等多种研究[8]。如图1所示, 反应器主体由内外两个有机玻璃圆筒相套而成。内部套筒盛装实验用水, 套筒上下有水体进出口, 实验中, 即可采用水体循环式模拟给水管网中不断流动更新的水体, 也可采用非循环式用以模拟给水管网中具有停留时间的水体, 取用不同的水体即可进行消毒种类和方式、消毒剂余量、营养物质浓度等对生物膜影响的实验。内部套筒内安装有转子, 在转子表面均匀加工有轴向槽, 槽内安装聚碳酸酯膜片, 表面供生物膜生长, 为实验附着材料对生物膜的影响, 膜片可选用不同材料;内部套筒上面开有膜片插拔口, 便于随时以及重复取样;工作时, 转子由电机通过联轴器带动旋转, 转子的转速可由变频器调节, 转子轴向槽中安装的膜片在运动中受到实验水体的剪切力作用, 不同的转速能够模拟不同的剪切力。外部套筒盛装恒温水, 保证实验水体处于一定的温度, 以进行不同温度对生物膜的影响实验;套筒上下有恒温水入出口。内外套筒不相通[1]。实验证明, BAR反应器可以模拟管网中水流持续的不同的剪切力、不同的温度、不同的管材以及不同的水体, 而且取样方便结构简单, 是研究给水管网生物膜的标准装置[1]。

5 结束语

生物膜在给水管网中普遍存在, 并给饮用水安全带来威胁。作为研究生物膜的标准装置, 生物反应器是微生物生长和生化反应的关键场所。生物反应器的结构型式、参数设计都应该考虑到是否较大程度地模拟了管网中生物膜的实际情况[9]。在满足性能指标情况下, 反应器的设计还需要结构简单, 成本低廉;另外, 生物器运行的可靠性以及后期的操作方便性和经济性也应得到保证。

摘要：随着社会的发展, 人们越来越注重生活的健康和水资源的再利用, 水的饮用安全和污水的达标排放就显得尤为重要。饮用水在经管道输送过程中, 微生物附着到管网内壁生长形成生物膜。生物膜的存在会引起一系列水质问题, 影响用户用水安全。所以, 生物膜的研究非常重要, 但给水管网中生物膜的实际采样比较困难, 因此模拟生物膜生长的生物反应器应运而生。文章就生物膜的形成及生物反应器的功能进行了分析。

关键词：给水管网,生物膜,生物反应器

参考文献

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[6]刘文君, 吴红伟, 张淑琪.某市饮用水水质生物稳定性研究[J].环境科学, 1999, 20 (2) :34-36.

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膜生物反应器中的膜污染研究综述篇8

1 膜污染机理

膜污染是指与膜接触的料液中的微粒、胶体粒子或溶质大分子与膜存在物理、化学、生化作用或机械作用,引起膜面或膜孔内吸附、沉积以及微生物在膜水界面的积累,造成膜孔径变小或堵塞,使膜产生透过流量与分离特性大幅度降低的现象。对于SMBR,膜污染的主要机理是[4,5]:1)滤饼在膜表面的沉积;2)膜孔、滤饼孔径堵塞;3)微生物污染。

根据不同的膜对微生物表现出不同的生物亲和性,膜生物污染过程大体可分为四个阶段[6,7]。1)腐殖质、聚糖酯与其他微生物的代谢产物等大分子物质在膜面上吸附,形成一层具备微生物生存条件的生物膜;2)进水微生物中粘附速度快的细胞形成初期粘附过程;3)由于后续大量菌种的粘附,特别是EPS的形成,加剧了微生物的繁殖和群集;4)生物污染的最终形成阶段。由于生物污染造成了膜的不可逆堵塞,使过滤阻力上升,引起膜通量的下降。

2 膜污染的影响因素

2.1 膜组件结构性质

膜的结构性质一般是指膜材料、膜孔径大小、孔隙率、亲水性、表面能、电荷性质、粗糙度等。其中主要影响因素如下:膜孔径大小对膜污染的影响主要看进水和反应器内混合液的性质,尤其是颗粒尺寸的分布,大孔径的膜不一定产生更大膜通量,孔径大、通量高的膜易产生堵塞;膜材料亲水性对膜抗污染性能具有很大影响,亲水性膜受吸附影响较小,产生更大的膜通量;孔隙率小的膜易被堵塞。Shimzu等发现带负电的陶瓷膜比不带电或带正电的膜的通量有很大的提高,这是由于带负电的胶体与膜表面之间存在较强的电性斥力;膜表面粗糙度的增加使膜表面吸附污染物的可能性增加,但膜表面附近的水流扰动程度也相应增加,这对膜面凝胶层的形成造成影响[8,9,10]。

2.2 料液特性

料液特性主要包括污泥特性以及代谢产物。

污泥特性主要是指污泥浓度、沉降性能、颗粒分布、表面电荷以及粘度等。污泥浓度对膜过滤性能的影响主要有:污泥浓度较高时,污泥易在膜表面沉积,导致过滤阻力增加,膜通量降低;当污泥浓度太低时,混合液中的溶解性有机物浓度增加,从而易被膜表面吸附形成凝胶层,导致过滤阻力增加,膜通量下降。污泥颗粒大小是造成膜污染的重要因素,小颗粒较大颗粒会更容易引起膜污染。污泥沉降性能的恶化会使膜面污染层的结构变得疏松,厚度加大,从而加速膜污染速率。料液粘度和过滤阻力之间存在很好的相关性,随着粘度增加,膜过滤阻力相应增加。所以膨胀状态下的污泥粘度增加、沉降性能变差,会加重膜污染。

新近的研究发现微生物代谢产物包括胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物产物(SMP),对膜污染有重要影响。一些学者认为EPS质量浓度与膜污染是呈线性关系的,Wontae Lee等发现膜污染与蛋白质比例是成正比的,同时蛋白质的表面特性能影响微生物絮体的表面特性[11,12]。

2.3 运行条件

1)操作压力。

在一定压力范围内,膜通量与膜两侧的压力差ΔP成正比。但是,当膜两侧的压力差增大到一定程度时,膜通量的增加趋于平缓。而如果过程初始运行时,膜的通量较大,则粒子在膜表面沉积得越快,会引起膜污染的加剧。

2)曝气强度。

一体式MBR膜通量在一定范围内,随着曝气量的增大而增加;当曝气量增大到一定程度时,膜通量不再变化。这说明MBR内的曝气量存在最佳值,因此在实际设计时应该通过试验合理地确定最佳的曝气量。

3)膜通量的影响。

通量是决定膜污染速率的最重要因素,由此将膜生物反应器通量划分为3个水动力学操作区:超临界区、临界区和次临界区。在临界区以下,膜污染速度较缓慢。

4)错流流速(CFC)。

CFC是膜污染的一个主要影响因素,CFC通过增加剪切力和由剪切引起的扩散来影响颗粒从膜表面的迁移,从而影响滤饼层的厚度。L.Defrance等的研究表明,通量随着CFC的增加而呈线性增加。CFC并非越大越好,当膜面流速超过临界值后,将不会对膜过滤性能有明显改善。

5)水力停留时间(HRT)和固体停留时间(SRT)。

有研究表明:改变HRT从而引起了MLSS和OLR(有机负荷)的变化,间接影响膜污染。SRT直接和污泥产量相关,长的固体停留时间明显增加了污泥浓度,高的污泥浓度会引起混合液粘度的增加,从而加剧膜污染。

6)温度。

升高温度有利于膜分离过程的进行,这主要是温度变化引起了料液粘度的变化所致。另外,提高温度还改变了膜面上污染层的厚度和孔径,从而改变了膜的通透性能。

3 膜污染的控制措施

1)膜性能的改善。

膜的性质一般包括膜材质、膜孔径大小、孔隙率、亲水性、电荷性质和粗糙度等。研究发现,由亲水性材料制成的膜对保护膜免受污染具有积极的作用。对于疏水性膜可以通过膜材料的化学改性将其转变为亲水性膜,常用的化学方法有接枝、共聚、交联、等离子刻蚀和溶剂预处理等[13,14]。此外,利用亲水性高分子、表面活性剂及化学反应等方法对疏水性膜表面进行亲水性处理也是提高膜通量和抗污染能力的常用方法。

2)优化反应器和膜组件的构成。

在膜组件设计中,膜组件的特性如膜丝的松紧度(框架长度/膜丝长度)、长度和直径对膜的过滤性能也有影响,澳大利亚的Filicia Wicaksana等分别研究了这三者对膜临界通量的影响,发现松紧度从95%增至100%时,临界通量从30 L/(m2·h)降至22 L/(m2·h)[15,16]。此外,膜组件的纤维填充密度对膜污染也有很大的影响,装填密度大的中空纤维微滤膜组件可有效过滤活性污泥。

3)预处理。

对混合液进行絮凝、沉淀、投加填料等预处理,可有效降低混合液悬浮物浓度,改善活性污泥或膜表面的性质,从而减缓膜污染的速率。Shona等采用四种不同的预处理方法:FeCl3絮凝、粉末活性炭吸附、絮凝和吸附、粒状活性炭过滤,结果发现采用絮凝和吸附方法可有效防止膜污染,对TOC的去除率达到90%[17]。

4)优化运行条件。

a.低压恒流操作。实践表明,在较低通水量过滤时设备操作稳定、能耗较小,膜污染上升速率慢。b.间歇操作。膜污染与混合液中的悬浮固体向膜表面运动速度 Vf和曝气剪切力造成的沉积污泥从膜面的脱离速度Vb有密切关系。工作间歇时间为3∶1~5∶1,更能保持较大的膜通量,有效地减缓膜污染。c.合理曝气。曝气强度是控制过滤的一个重要条件。膜面沉积层的去除率以通过曝气强度来提高。如果膜面沉积较严重应该停止出水进行空曝。空曝是去除膜面沉积层的有效方法之一。d.反冲洗。定期反冲或反吹,定期空气反吹或水反冲洗不仅可以将膜面的泥饼层吹脱,还可以将膜孔中的污染物清洗掉,从而获得稳定的膜通量,但是对膜组件的强度和性能要求较高。

4 结语

膜生物反应器中膜污染控制的探讨篇9

目前, 通过物理、化学和生物方法对生活污水和工业废水的处理技术和理论已经成熟, 并不断研发着经济技术合理且高效的污水处理方法。近年来, 随着膜生产技术的发展和成本的降低, 膜生物反应器 (MBR) 作为一种新型高效的污水处理技术在国际上受到了广泛关注。因其具有出水水质好, 容积负荷高, 占地面积小, 剩余污泥产量低, 操作管理方便等优点, 受到人们的青睐。

1 膜生物反应器

膜分离活性污泥法的研究始于20世纪60年代, 1966年美国Dorr-Oliver公司首先在美国化学会议上发表了其研究结果[2]。1969年, Smith首次报道了美国Dorr-Oliver公司把活性污泥法和超滤工艺结合处理城市污水的方法。该工艺最大特点是用膜分离技术取代常规活性污泥二沉池, 用膜分离技术作为处理单元中泥水分离的手段。对MBR的研究内容涉及到生物处理工艺与膜分离单元的组合形式、运行处理效果、膜污染的因素、机理以及MBR应用范围的扩大等方面。

MBR作为一种新型高效的水处理技术, 自身仍然存在一定的缺陷。目前, 运行能耗高和膜污染问题是限制MBR广泛应用的瓶颈。其中曝气能耗是决定MBR运行能耗的根本原因, 其占整个运行能耗的80%以上[3]。另外, 膜在运行过程中容易受到污染, 造成膜通量下降, 增加了膜清洗频率和膜的更换频率, 直接影响了膜组件的效率和使用寿命, 也阻碍了MBR的应用推广。

2 膜污染

2.1 混合液的性质。

活性污泥混合液是一个复杂且不断变化的体系, 它包括微生物、进水中的组分以及微生物的代谢产物, 其中许多组分都会导致膜污染。污泥浓度及其尺寸分布是活性污泥性质的重要参数。已有研究表明, MLSS对膜通量、稳定过滤速率、极限通量[4]等均产生负面影响。膜污染分为快速污染和缓慢污染两个阶段。快速污染主要是由微生物细胞及生物固体在膜表面的沉积引起。EPS浓度越大, 沉积在膜表面的细胞越多, 膜污染速率就会加快。而在慢速污染阶段, TMP随溶解性微生物产物 (SMP) 线性增加, 表明SMP是慢速污染阶段的主要污染物[5]。

2.2 运行条件。

运行通量、SRT、HRT、曝气和错流速率等运行条件对膜污染均有很大的影响。临界通量是指在恒通量过滤中存在一个临界值, 当膜通量大于这个值时过膜压力 (TMP) 迅速上升, 膜污染急剧发展;当膜通量小于这个值时, 膜污染的发展非常缓慢。错流流速 (CFV) , 通过由剪切来影响颗粒从膜表面的迁移, 从而影响滤饼层的厚度, 并提高通量。当CFV超过临界值后, 将不会对膜过滤性能有明显改善。当SRT增加时, 污泥浓度随之增加, 污泥活性逐渐降低, 多糖浓度有所减少, 由于细胞溶菌作用产生的蛋白质含量增加, 使膜阻力加大。HRT对膜污染产生间接影响。较高的HRT时膜污染减轻, 压力也没有升高。而在较短的HRT下, 膜表面会迅速形成致密的泥饼层[6]。

2.3 膜的性质。

膜的性质包括膜材质、膜孔径大小、孔隙率、亲/疏水性、电荷性质和粗糙度等。常用的膜材质有聚矾膜、纤维素膜和聚偏氟乙烯膜, 其中聚偏氟乙烯膜的污染趋势最小。研究表明, 膜孔径在0.1μm附近时, 初始消化液对膜的污染趋势最小[7], 孔径较大的膜, 反而会加速膜污染, 使通量下降的更快。亲水性膜受吸附影响较小, 产生更大的膜通量, 比疏水性膜具有更优良的抗污染特性。采用膜表面电荷与混合液相同的膜, 能减缓膜污染, 提高膜通量。

3 膜污染控制

3.1 优化操作条件。

膜组件在临界通量以下运行可以延缓膜污染[8], 在此通量下运行, 不仅可以降低滤饼层阻力, 而且所产生的可逆污染可通过反洗去除, 一旦超过此值, 反洗作用就微弱得多。此外, 间歇抽吸也是延缓膜污染的有效手段, 而曝气只能减少沉积在膜表面的生物体, 即可逆污染。由于溶解性物质进入膜孔道引起的堵塞和膜表面的凝胶层大部分属于不可逆污染, 因此在恒流出水时, 长时间停抽并不能有效的降低膜污染。

3.2 预处理及投加絮凝剂。

聚乙烯微滤膜MBR处理污水, 对反应器的污泥进行臭氧处理, 可有效降低膜污染。采用孔径为0.1μm亲水性聚乙烯膜处理含有腐殖酸、丹宁酸、木质素、多糖及其它大分子碳水化合物的合成污水, 在浸没式中空微滤膜前投加FeCl3和PAC可以延缓膜污染。

3.3 膜材料的改进及优化膜组件。

MBR中常用的膜材料有陶瓷和有机聚合膜。在较大通量下运行, 陶瓷膜无污染现象或膜污染比较缓慢, 而聚合膜随着通量的增加, 膜污染呈指数规律增长。而且, 无机膜机械性能好, 寿命长, 易拆卸清洗。但陶瓷膜制造成本高, 限制了它的使用。膜组件的特性, 如膜丝的松紧度、长度和直径对膜的过滤性能均有影响[11]。

结语:膜生物反应器在污水处理中的应用日趋成熟, 具有不可替代的作用, 然而膜污染是目前膜技术应用过程中面临的最大问题, 膜污染决定了反应器能耗和膜组件寿命, 因此开发抗污染能力强的优质膜材料、优化控制方法和节省能耗仍是未来研究的重点。随着材料科学、化工等学科在水处理领域应用的不断深入, 膜污染问题将被克服, 膜法水处理技术会更加广泛的应用。

摘要：膜生物反应器是由污水生物处理技术与膜分离技术结合而成的新型污水处理与回用工艺。膜污染是膜生物反应器工艺中普遍存在的问题, 是影响其稳定运行的关键因素。本文就膜生物反应器处理生活污水的工艺条件和膜污染理论进行了论述, 并对其工艺设计进行了探讨。

关键词：膜生物反应器,膜污染,污水处理

参考文献

[1]安哥拉.乔菲特.水污染吞噬中国发展成果[J].海外文摘, 2008 (5) :56.

[2]T.Stephenson, S.Judd, B.Jefferson, K.Brindle.Membrane Bioreactors forWastewater Treatment.IWA publishing, London S1H0QS, UK, 2000.

[3]M.Gander, B.Jefferson, S.Judd.Aerobic MBRs for domestic wastewatertreatment:a review with cost considerations[J].Separation and Purifica-tion Technology, 2000, 18 (2) :119-130.

[4]N.Cicek, H.Winnen, M.T.Suidan et al..Effectiveness of the membranebioreactor in the biodegradation of high molecular weight compounds, Water Research, 1998, 322:1553-1563.

[5]Folasade Fawehinmi, Piet Lens, Stephenson T et al..The influence ofoperating conditions on extracellullar polymeric substances (EPS) , solu-ble microbial products (SMP) and bio-fouling in anaerobic membranebioreactors, Proceeding of IWA Special Conference:Water Enviro-ment-Membrane Technology, 2004, Seoul:469-478.

[6]Visvanathan C, B.S.Yang, S.Muttamara et al..Application of air back-flushing technique in membrane bioreactor, Water Science and Tech-nology, 1997, 36 (12) :259-266.

[7]K.H.Choo, C.H.Lee.Membrane fouling mechanisms in the anaerobicbioreactor, Water Research, 1996, 30 (8) :1771-1780.

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