2021-07-09
膜分离与传统污水生物处理技术相结合的新型污
MBR 膜生物反应器
一、工艺简介
(一)工艺发展介绍
膜生物反应器(Membrance Bioreactor,MBR)是一种将膜分离与传统污水生物处理技术相结合的新型污水处理工艺。该技术由美国的史密斯(Smith)等人于1969年提出,其最大的特点便是使用膜分离来取代常规活性污泥法中的二沉池。
传统的活性污泥法中泥水分离主要靠重力作用完成,在一定程度上受到活性污泥自身的沉降性能限制。由于污泥沉降性的提升需要严格控制曝气池操作条件来完成,故通过改变污泥沉降性能而加速泥水分离的技术受到技术和自控等方面的制约。传统的活性污泥法不仅污泥产量高,而且有污泥膨胀之虞;此外,所产生污泥的处理处置费用占到污水处理厂运行费用的25%~40%。针对上述问题,MBR创造性的将膜分离技术应用于传统的污水处理,以高效膜分离作用取代传统活性污泥法中的二沉池,同时实现了泥水分离和污泥浓缩。由于MBR工艺不用特别考虑污泥的沉降性能,可大幅提升污泥混合液浓度,提高污泥龄(SRT),从而降低剩余污泥产量,提升出水水质。该工艺对悬浮固体、病原细菌和病毒的去除尤为显著。
自MBR工艺问世以来,国内外学者对其特性、净化效能、膜渗透速率影响因素、膜污染防治及组件的清洗等进行了大量研究,加速了MBR工艺的工程化应用进程。MBR工艺的商业应用最早是在20世纪70年代末期的北美,随后相继在日本、南非和欧洲出现。自进入90年代后,膜可靠性大为提升,膜价格大幅下降,膜技术市场得到有效开拓,管式膜和浸没式膜生物反应器得到有效开发应用。目前在世界范围内,实际运行的MBR工艺系统已超过1000套,同时还有大量的建设中及规划建设的MBR工程。该工程在日本的商业化应用发展最快,其余的MBR工程主要在北美和欧洲。
(二)工艺结构介绍
MBR膜生物反应器主要由膜分离组件及生物反应器两部分组成。
通常提到的膜生物反应器实际上是三类反应器的总称: ① 曝气膜 - 生物反应器 (Aeration Membrane Bioreactor, AMBR) ; ② 萃取膜 - 生物反应器( Extractive Membrane Bioreactor, EMBR ); ③ 固液分离型膜 - 生物反应器( Solid/Liquid Separation Membrane Bioreactor, SLSMBR, 简称 MBR )。
此篇讨论的均为固液分离型膜 - 生物反应器(MBR)。
MBR膜组结构图,如下图所示;
 
 
MBR结构简图,如下图所示;
 
MBR 工艺用膜        
膜可以由很多种材料制备,可以是液相、固相甚至是气相的。目前使用的分离膜绝大多数是固相膜。根据孔径不同可分为:微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜;根据材料不同,可分为无机膜和有机膜,无机膜主要是微滤级别膜。膜可以是均质或非均质的,可以是荷电的或电中性的。广泛用于废水处理的膜主要是由有机高分子材料制备的固相非对称膜。      
膜的分类          
(一)MBR 膜材质       
1、高分子有机膜材料: 聚烯烃类、聚乙烯类、聚丙烯腈、聚砜类、芳香族聚酰胺、含氟聚合物等。      
有机膜成本相对较低,造价便宜,膜的制造工艺较为成熟,膜孔径和形式也较为多样,应用广泛,但运行过程易污染、强度低、使用寿命短。       
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、陶瓷、多孔玻璃、沸石、无机高分子材料等制成的半透膜。       
目前在 MBR 中使用的无机膜多为陶瓷膜,优点是:它可以在 pH = 0~14 、压力 P<10MPa 、温度 <350 ℃ 的环境中使用,其通量高、能耗相对较低,在高浓度工业废水处理中具有很大竞争力;缺点是:造价昂贵、不耐碱、弹性小、膜的加工制备有一定困难。
(二)MBR 膜孔径        
MBR 工艺中用膜一般为微滤膜(MF)和超滤膜(UF),大都采用0.1~0.4μ m 膜孔径,这对于固液分离型的膜反应器来说已经足够。
微滤膜常用的聚合物材料有: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。
超滤常用聚合物材料有:聚砜、聚醚砜、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。
(三)MBR 膜组件
为了便于工业化生产和安装,提高膜的工作效率,在单位体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的分离,这类装置称为膜组件( Module )。
工业上常用的膜组件形式有五种:
板框式( Plate and Frame Module )、螺旋卷式 (Spiral Wound Module) 、圆管式 (TubularModule) 、中空纤维式 (Hollow Fiber Module) 和毛细管式 (Capillary Module)。前两种使用平板膜,后三者使用管式膜。圆管式膜直径 >10mm; 毛细管式- 0.5~10.0mm ;中空纤维式<0.5mm> 。
表:各种膜组件特性
 
MBR 工艺中常用的膜组件形式有:板框式、圆管式、中空纤维式。
板框式:
是MBR工艺最早应用的一种膜组件形式,外形类似于普通的板框式压滤机。优点是:制造组装简单,操作方便,易于维护、清洗、更换。缺点是:密封较复杂,压力损失大,装填密度小。
圆管式:
是由膜和膜的支撑体构成,有内压型和外压型两种运行方式。实际中多采用内压型,即进水从管内流入,渗透液从管外流出。膜直径在 6~24mm 之间。圆管式膜优点是:料液可以控制湍流流动,不易堵塞,易清洗,压力损失小。缺点是:装填密度小。
中空纤维式:
外径一般为40~250μm ,内径为25~42μm 。优点是:耐压强度高,不易变形。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 -生物反应器。一般为外压式膜组件。优点是:装填密度高;造价相对较低;寿命较长,可以采用物化性能稳定,透水率低的尼龙中空纤维膜;膜耐压性能好,不需支撑材料。缺点是:对堵塞敏感,污染和浓差极化对膜的分离性能有很大影响。
MBR 膜组件设计的一般要求:
o 对膜提供足够的机械支撑,流道通畅,没有流动死角和静水区;
o 能耗较低,尽量减少浓差极化,提高分离效率,减轻膜污染;
o 尽可能高的装填密度,安装,清洗、更换方便;
o 具有足够的机械强度、化学和热稳定性。
膜组件的选用要综合考虑其成本,装填密度、应用场合、系统流程、膜污染及清洗、使用寿命等。
二、工艺原理
膜生物反应器(Membrane Bio-Reactor)简称MBR,是二十世纪末发展起来的新技术。它是膜分离技术和生物技术的有机结合。它不同于活性污泥法,不使用沉淀池进行固液分离,而是使用微滤膜分离技术取代传统活性污泥法的沉淀池和常规过滤单元,使水力停留时间(HRT)和泥龄(STR)完全分离。因此具有高效固液分离性能,同时利用膜的特性,使活性污泥不随出水流失,在生化池中形成8000-12000 mg/L超高浓度的活性污泥浓度,使污染物分解彻底,因此出水水质良好、稳定,出水细菌、悬浮物和浊度接近于零,并可截留粪大肠菌等生物性污染物,处理后出水可直接回用。
 
首先通过活性污泥来去除水中可生物降解的有机污染物,然后采用膜将净化后的水和活性污泥进行固液分离。
中空纤维膜丝为管状,管壁上有微孔,能够截留住活性污泥以及绝大多数的悬浮物,出水清澈透明。为使膜能够长期连续稳定的运行,在膜的下方要进行一定量的曝气,这样,既满足生物需氧量,又使膜丝不断抖动,防止活性污泥附着在膜的表面造成污染。
MBR 工艺的特点
与许多传统的生物水处理工艺相比, MBR 具有以下主要特点:     
1、出水水质优质稳定        
由于膜的高效分离作用,分离效果远好于传统沉淀池,处理出水极其清澈, 悬浮物和浊度接近于零,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水水质标准( CJ25.1-89 ),可以直接作为非饮用市政杂用水进行回用。       同时,膜分离也使 微生物被完全被截流在生物反应器内, 使得系统内能够维持较高的微生物浓度,不但 提高了反应装置对污染物的整体去除效率,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)的各种变化具有很好的适应性,耐冲击负荷,能够稳定获得优质的出水水质。     
2、剩余污泥产量少        
该工艺可以在高容积负荷、低污泥负荷下运行,剩余污泥产量低(理论上可以实现零污泥排放),降低了污泥处理费用。       
3、占地面积小,不受设置场合限制        
生物反应器内能维持高浓度的微生物量,处理装置容积负荷高,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,可做成地面式、半地下式和地下式。     
4、可去除氨氮及难降解有机物        
由于微生物被完全截流在生物反应器内,从而有利于增殖缓慢的微生物如硝化细菌的截留生长,系统硝化效率得以提高。同时,可增长一些难降解的有机物在系统中的水力停留时间,有利于难降解有机物降解效率的提高。      
5、操作管理方便,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 )的完全分离,运行控制更加灵活稳定,是污水处理中容易实现装备化的新技术,可实现微机自动控制,从而使操作管理更为方便。      
6、易于从传统工艺进行改造       
该工艺可以作为传统污水处理工艺的深度处理单元,在城市二级污水处理厂出水深度处理(从而实现城市污水的大量回用)等领域有着广阔的应用前景。      
膜 - 生物反应器也存在一些不足。
主要表现在以下几个方面:     
• 膜造价高,使膜 - 生物反应器的基建投资高于传统污水处理工艺;     
• 膜污染容易出现,给操作管理带来不便;      
• 能耗高:首先 MBR 泥水分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,还有为了加大膜通量、减轻膜污染,必须增大流速,冲刷膜表面,造成 MBR 的能耗要比传统的生物处理工艺高。
三、设计参数
MBR 设有如下辅助设施:
1)生化冷却系统
由于 MBR 膜生化反应器SS负荷较高、硝化反应放热以及气温等因素, 生化反应器温度往往较高,为避免过高的温度对好氧微生物的抑制作用,设计需 要通过冷却系统对膜生化反应器污泥进行冷却。
设计板式换热器对活性污泥进行换热冷却,为防止冷却污泥在换热器和管 道中堵塞,设有清洗水箱,通过阀门的切换利用冷却污泥泵对换热器和换热管段 进行定期清水清洗,可有效防止换热器和换热管道的堵塞。
具体设计参数详见设备配置章节。
2)消泡剂投加设施
由于膜生化反应器属于高负荷好氧生化反应器,在调试期间以及生化不稳定时常伴随泡沫产生,因此设计消泡剂投加设施用于系统消泡。主要通过消化液 自身回流进行物理消泡,不加消泡药剂,节省运行费用。并防止含硅类消泡剂对 于后续膜的污染。设计了备用方案,防止物理消泡不理想,添加少量的无硅油消 泡剂。
(一)设计计算

日进水流量(处理水量) Qd Qd =***m³/d
运行周期T *****min
间歇时间 *****min
每日实际运行时间 *****min
每小时实际产水量Qs ***m³/h
设计通量按设计导则取 ***L/m.h
所需膜面积S ******m
MBR膜组件面积 ******m
由于间歇产水,每帘实际产水量 ***m³/d
组件数量 ***帘
组件数量取整数n ****帘
膜通量校验
真实膜面积 ******m
真实膜平均通量 ***L/m.h
最大时的膜通量(处理变化系数1.2) ***L/m.h
MBR反应池曝气量
曝气量 ***L/m.h
换算为单位膜面积曝气量为 ***L/m.h
MBR膜架、反应池容积
单个膜架尺寸 L*B*H=
膜架在膜池中布局 ****列****行
膜分离池尺寸 L*B*H=
膜分离池尺寸取整 L*B*H=
设计膜池数量 ****个
膜池理论体积按BOD容积负荷计算
(一般q=1~1.5kgBOD/(m.d))
 
 
 
 
(二)设备附件
 
鼓风机  
抽吸泵  
反洗泵  
药洗泵  
仪器仪表
出口真空压力表  
出水流量计  
空气流量计  
液位计