生物美国在俄周边建立生物实验室

第1卷第5期2000年10月环境污染治理技术与设备Technique~andEquipmentforEnvironmentalPollutionControlVoI1.
No5Oct.
2000(膜生物反应器在水处理中的研究及应用f己一郑祥√朱小龙张绍园张坤樊耀波"(中国科学院生态环境研究中,北京100085)摘要0膜生物反应器(M哝)是通过膜强化生化反应的水处理新技术,本文对MBR的特点、应用类型、水处理机理进行了阐述;综述了该技术在国内外的研究进展盈应用现状;井对M哝存在的问题与应用前罱作了讨论.
M哝有望在新世纪成为传统水处理方法的一种替代工艺.
美t调坚星翌垦兰坚化技术里坠生匙、砑一、概述膜生物反应器是一种由膜过滤取代传统生化处理技术中二次沉淀池和沙滤池的水处理技术.
在传统的生化水处理技术中,如活性污泥法,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特性,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操作条件,这限制了该方法的运用范围.
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2g/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.
系统在运行过程中产生大量的剩余污泥,其处置费用占污水处理厂运行费用的25%~40%_l1o而且易出现污泥膨胀,出水中古有悬浮固体,出水水质不理想.
针对上述问题,MBR将分离工程中的膜技术应用于废水处理系统,提高了泥水分离效率,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突出问题.
与传统的生化水处理技术相比,MBR具有以下主要特点:固液分离率高、出水水质好、处理效率高、占地空间小、运行管理简单、应用范围广0J.
二、膜生物反应器工艺的研究进展1.
在国际上的研究进展1966年,美国的Dorr-oliver公司首先将MBR用于废水处理的研究.
1968年,Smith·国家"九五"科技攻关课题(96—909-05—03).
.
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paper.
edu.
cn5期郑样等:膜生物反应器在水处理中的研究及应用l3等将好氧活性污泥法与超滤膜相结合的MBR用于处理城市污水,该工艺具有减少活性污泥产量、保持较高活性污泥浓度、减少污水处理厂占地等优点.
1969年Budd等的分离式MBR技术获得了美国专利.
70年代初期,好氧分离式MBR处理城市污水的试验规模进一步扩大;同时,厌氧MBR研究也相继开始进行,实验室规模的研究(SheM等,1972)与中试规模的研究(Cruver等,1974)均取得了较满意的结果.
1978年,Grethlien等进行了厌氧MBR处理生活污水的研究.
这一时期MBR的研究重点是开发适合高浓度活性污泥的膜分离装置,但由于受当时膜生产技术的限制,膜的使用寿命短,膜通量小,这项技术在相当长的时间内仅停留在实验室研究规模,未能投入实际应用.
7O年代后,日本由于污水再生利用的需要,MBR的研究工作有了较快的进展.
自1983年到1987年日本有l3家公司使用好氧MBR处理大楼废水,经处理后的水做中水回用,处理水量达50~250m3/a.
日本1985年开始的"水综合再生利用系统90年代计划"把MBR研究在污水处理对象与规模上都大大推进了一步J.
日本在该项计划中对厌氧MBR作了较系统的研究,研制了酒精发酵废水、造纸厂废水、蛋白工厂废水、城市污水、屎尿废水、淀粉厂废水等7类柯水的MBR处理系统.
这一时期研究集中在MBR的处理效果与运行稳定性方面.
许多研究都证实了MBR能获得良好的出水水质.
日本的三井石化公司用MBR处理粪便柯水,取得了前所未有的良好效果,MBR运行且具有一定的稳定性【5].
这一阶段,MBR的型式主要是分离式,称为第一代MBR工艺.
其工艺流程见图1.
生物反应器与膜组件通过泵与管线连接构成的,生物反应器的混合液经泵增压后进入膜组件,在压力作用下混合液中的液体透过膜,成为系统处理水,而固形物、大分子物质等则被膜截留,随浓缩液回流到生物反应器内.
早期的分离式MBR均采用错流式膜组件,即被过滤流体平行于过滤表面,与滤液交错流动,由此产生的剪切力或湍流流动以限制滤饼层的厚度.
为了维持稳定的透水率,膜面流速一般大于2m/s,这就需要较高的循环水量,造成较高的单位产水能耗.
为了解决MBR能耗较高的问题,人们研究了第二代MBR:一体式MBR.
日本学者Yamamoto等在1989年首先开发了一体式MBRl6J.
其工艺流程见图2.
膜组件直接置入反应器内,通过泵的抽吸,得到过滤液;膜表面的错流由空气搅动产生,曝气器设置在膜的正下方,混合液随气流向上流动,在膜表面产生剪切力,以减少膜的污染.
由于不需循环泵、抽吸泵的工作压力小,一体式MBR的单位产水能耗小于2kWh/ms,低于分离式MBR的能耗;并且具有结构紧凑、体积小、膜外皮层易于清洗等优点.
但一体式MBR单位膜的处理能力小、膜的污染较重、透水率较低.
1992年M.
Knops利用lydhey和Colton提出的浓差极化理论研究错流式膜组件的透水率,研究发现膜丝长度减少可以增加透水率,并提出了穿流式膜组件的概念.
穿流式膜组件的特点是膜丝不与循环水流方向平行,而是与循环水流方向垂直.
这种膜丝的粘结方法使膜组件不需要较高的进液速度就可产生湍流效果,起到冲刷膜纤维的作用.
Triqua将这种膜组件应用于MBRl8J,发现穿流式MBR能耗是分离式MBR的十分之一,为0.
1~0.
5kwh/,并且穿流式的比表面积可高达800mVms.
1998年Sakellarious在研究MBR污泥零排放时,对穿流式MBR与错流式MBR进行了比较,发现穿流式的能耗为1.
15kWh/m,比错流式的能耗56kWh/m3小得多[9].
但国外至今没有更多穿流式l4部祥等:膜生物反应器在水处理中的研究厦应『1j1卷644图1分离式膜生物反应器图2一体式膜生物反应器1.
进水2.
空气管3.
反应器4.
循环泵1进水2.
反应器3膜组件5.
膜组件6回流懦泥7出水4空气管5真空泵6.
出水MBR在实际工程中应用中的报道.
在一体式MBR和穿流式MBR的研究初期,出水均采用负压抽吸方式.
1999年,一种新型的一体式MBR一重力淹没式MBR在日本试验成功¨,Tatsukiueda等人采用膜组件上部混合液的高度差所产生的水压将水压出膜组件,处理每吨水能耗为24kWh/m3.
在MBR家族中,另一种MBR技术就是萃取式MBR,又称为EMB因为高酸碱度或对生物有毒物质的存在,某些工业废水不宜采用与微生物直接接触的方法处理;当废水中含挥发性有毒物质时,若采用传统的好氧生物处理过程,污染物容易随曝气气流挥发,发生气提现象,不仅处理效果很不稳定,还会造成大气污染.
为了解决这些技术难题,英国学者"vi~ston研究开发了EMBl1.
其工艺流程见图3.
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,废水与微生物不直接接触,有机污染物可以选择性透过膜被另一删的微生物降解.
由于萃取膜两侧的生物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,生物反应器中营养物质和微生物生存条件不受废水水质的影响,使水处理效果稳定.
系统的运行条件如水力停留时间和污泥停留时间可分别控制在最优的范围,维持最大的污染物降解速率.
1991年,Livin鼬t0n用EMB成功进行了3一氯硝基苯化工废水的处理,3一氯硝基苯在萃取式MBR中得到有效的降懈.
随后,Livi~on等使用该技术,对苯酚、苯胺、硝基苯、2,3一二氯苯胺、3,4一二氯苯胺等挥发性有机污染物进行处理,同样得到有效的生物降解效果.
Freitasd0sSantos(1999)用EMB处理含有二氯甲烷的医药工业生产废水,证实了EMB对于含有有机化舍物的无机废液具有潜在的处理能力,EMB的出水因去除了有机物而保留了废水中的有效无机原料,处理水可以在工业生产系统中回用.
同时,EMB在某些细菌的作用下还有去除重金属的功能,els等利用Alcalgensent~phusCH34菌沉降废水中的重金属Cd,Cu,Zn,Ni∞J.
1995年以后,一些研究者将萃取式MBR用于废气处理.
Rei=(1995)设计出用于废气处理的MBR,将丙烯作为实验气体,结果表明丙烯的去除率达90%以上.
Ergas(1997)用萃取式MBR处理挥发性有机物一面5期郑祥等:膜生物反应器在水处理中的研究及应用15l图3苹取膜生物反应器结构示意图1空气2.
生物反应器3.
循环泵4.
进水5.
摹取膜组件6.
荤取膜7.
有机物流向8混合液回流9.
出水9(VOC),VOC的去除率达98%.
由于系统的长期稳定运行这一问题未能得到很好的解决,用于废气处理的MBR仍处在实验室规模研究阶段.
早期的MBR主要局限于生活污水和城市污水处理,着眼于有机物的去除.
80年代末以来,MBR处理的对象拓宽到工业废水、石化废水、发酵废水甚至堆肥、填埋场沥滤液等废水处理方面.
9O年代初,MBR开始应用于废水的脱氮除磷研究,Hideki与Hidenori分别进行了MBR的高效氨氮硝化与工业废水去除磷酸盐的研究J.
1992年法国ChangJ.
等人将MBR应用于给水处理_】,开展了微污染饮用水脱氮的研究,出水的氮浓度在0.
1~20rag/L.
1996年,ur—brainV.
用MBR进行饮用水生产的中试研究_】,以去除饮用水中微量的氮、有机物与杀虫剂,取得良好效果.
进入90年代中后期,膜生物反应器在国外已进入了实际应用阶段.
加拿大的Zenon公司在膜生物反应器的推广方面作了许多工作.
它首先推出了超滤管式膜生物反应器,并将其应用于城市污水处理.
为了节约能耗,它又开发了淹没式中空纤维膜丝的膜组件,此膜组件可以直接放入曝气池,也可以单独设立分离池;采用正压压滤和负压抽滤相结合的方式,并采用在线过滤液眯冲反冲洗,以减少膜污染.
目前这种膜生物反应器已应用于美国、德国、法国和埃及等十多个地方,规模从380m/d至7600m3/dt"】.
另一个在膜生物反应器实际应用具有竞争力的公司是日本的Kubota公司,它所生产的板式膜具有流通量大、耐污染和工艺简单特点.
此板式膜直接放入混合液中,利用混合液的水头压力作为穿透压,将处理水排出系统,系统出水稳定.
2.
在国内的研究进展MBR在我国水处理方面的应用研究首先从分离式MBR开始.
1991,岑运华介绍了MBR在Et本的研究状况J.
1993年上海华东理工大学环境工程研究所进行了MBR处理人工合成污水和制药废水的可行性研究_l.
同年中国科学院生态环境研究中心王菊思启动MBR的研究J.
1995年,樊耀波将MBR用于石油化工污水净化的研究_】,研制出一套实验室规模的好氧分离式MBR.
该系统对石油化工污水中COD、BODSS、浊度、石油类的去除率分别为78%~98%、96%~99%、74%~99%、98%~100%、87%.
l6郑样等:嗅生物反l、器在承处理中的研究及应用1卷近年来,膜生物反应器的处理对象不断扩展:邢传宏(1997)采用无机膜一生物反应器进行了处理生活污水的实验;吴志超(1999)采用MBR处理COD高达3000~12000mg/L的巴西基酸生产废水";王建功(1999)采用生物接触氧化法取代活性污泥法怍为MBR系统的生物反应单元,进行膜生物接触氧化法处理港口污水的研究;何义亮(1999)采用厌氧膜生物反应器进行高浓度食品废水处理l2;王连军(2000)用无机膜一生物反应器(IMBRJ处理啤酒废水[24J.
这些研究结果表明:MBR对废水的COD,NH3一N,SS,浊度等都达到良好的去除效果.
在膜生物反应器的操作条件和稳定运行条件特性的研究方面,樊耀波(1995)通过数学推导,得出一个膜的最佳反冲洗周期测定公式f(t)=(Q,一)/(t+tf),并通过实验证实了这是一种较为方便的最佳反冲洗周期的测定方法.
张绍园(1997)根据微生物反应动力学与物料平衡原理,推导了分离式膜生物反应器水力停留时间公式:T=11*(1/8—1)(Ks+L)/Ks.
分析并讨论了膜生物反应器的影响困素.
结果表明,影响膜生物反应器的困素从大到小依次为:底物最大比解决速度常数,饱和常数K,维持常数-Ⅲ,真产率系数yG,最大比增殖速率l2.
李春杰(1999)进行了错流膜生物反应器的水力清洗试验研究,结果表明:清洗时采用高膜面流速、低操作压力和限制透过液对流传递作用有利于错流膜生物反应器通量的恢复.
罗虹(2000)在MBR反应器中混合液可过滤性的研究中得出结论_2:改善活性污泥性状是MBR稳定运行不可忽略的困素;粉末活性炭(PAC)的加入提高了混合液的可过滤性,改善了泥水分离性能,减少了膜堵塞的机会.
桂萍(1999)进行一体式MBR运行条件对膜过滤特性的影响试验中得出:缩短抽吸时间或延长暂停时间和增加曝气量均有利于减缓膜污染;影响膜抽吸压力上升速率的因素从大到小依次为:抽吸时间,曝气量,停抽时间l2.
何义亮(1999)进行厌氧膜生物反应器截留分子量研究,提出了"并行运行的平板膜组件中,通量最大的膜优先衰减且衰减幅度最大"的观点.
在膜生物反应器的理论研究方面,邢传宏(1997)探讨了污泥牯度(与污泥浓度MLSS以及给定临界雷诺数时,最小膜面流速v…与污泥浓度MLSS之间的关系.
当雷诺数为4*10~2*10时,水力边界层厚度(约185~59邮1,传质边界层厚度约l85~059舯L2.
孟耀斌(2000)X~分离式膜生物反应器的体积负荷进行推导表明:浓缩区的存在是该工艺处理能力较大的原困,可通过增加浓缩区的体积和调整循环流量来控制分离式膜生物反应器的处理能力1].
扬造燕(1999)从维持微生物基本生命活动的物质转化概念和污泥产生的平衡出发,提出了确定维持微生物基本生命活动的物质转化系数的方法,从理论和实验上证实了膜生物反应器无剩余污泥排放的可能性.
张绍元(2000)根据生态学中物质与能量流通的原理,提出建立高能量级生物体——后生动物蠕虫,以增强MBR净化枵水功能和减少污泥产量,并设计出二段式MBR以适应高能级特种微生物蠕虫的生长需要.
随着我国水污染和水短缺问题的加重,我国的MBR研究正加快发展,1997年中国科学院生态环境研究中心开始了穿流式膜一生物反应器的研究工作,清华大学、同济大学、天津大学等高校开展了分离式MBR和一体式MBR的研究;MBR的研究对象从生活污水扩展到石化污水、高浓度有机废水、食品废水、啤酒废水、港口污水、印染废水;生物反应5期郑样等:膜生物反应器在水处理中的研究及应用17器从活性污泥法扩展到接触氧化法;生物处理流程从好氧发展到厌氧,并且对不同污水的处理效果、系统的稳定运行、操作条件的优化进行了研究.
目前,膜生物反应器已有在大楼废水、生活污水回用、医院废水处理的工程实例,但应用工程数量还较少.
国产的专用于膜一生物反应器的膜材料、膜组件还十分有限,有待加快研究和开发,以利于我国MBR技术的发展,早日实现国产化、规模化、产业化.
使其在我国污水和给水处理中发挥应有的作用.
三、MBR的应用现状1.
土地填埋场/堆肥沥滤液处理土地填埋场/堆肥沥滤液含有高浓度的污染物,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年前就被多家污水处理厂用于该种污水的处理.
通过MBR与RO技术的结合,不仅能去除SS、有机物和氮,而且能有效去除盐类与重金属.
最近美国Envirogen公司开发出一种MBR用于土地填埋场沥滤液的处理,并在新泽西建成一个日处理能力为40万加仑(约1500m3/d)的装置,将在2000年底投入运行.
该种MBR使用一种自然存在的混合菌来分解沥滤液中的烃和氯代化合物,其处理污染物的浓度为常规废水处理装置的5O~100倍.
能达到这一处理效果的原因是,MBR能够保留高效细菌并使细菌浓度达到50,000g/L.
在现场中试中,进液COD为几百至40,000mg/L,污染物的去除率达90%以上.
2.
城市污水处理及回用1967年第一个采用MBR工艺的废水处理厂由美国的DorrOliver公司建成,这个处理厂处理14m/d废水.
1977年,一套污水回用系统在日本的一幢高层建筑中得到实际应用.
1980年,日本建成了两座处理能力分别为10m/d和50/d的MBR处理厂.
90年代中期,日本就有39座这样的厂在运行,最大处理能力可达500m3/a,并且有100多处的高楼采用MBR将污水处理后回用于中水道_3.
据报道,这些系统的出水已达到深度处理的标准,而且系统占地小,管理方便,系统中的污泥已得到充分的消化,产泥量很小.
1997年,英国Wessex公司在英国Porlock建立了当时世界上最大的MBR系统,日处理量达2,000m,1999年又在Dorset的Swanage建成了13,000m3/a的MBR工厂蚓.
3.
粪便污水处理粪便污水中有机物含量很高,传统的反硝化处理方法要求有很高污泥浓度,固液分离不稳定,影响了三级处理效果.
MBR的出现很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成为可能.
日本的琦玉县越谷市在1985年采用该工艺处理粪便污水,粪便污水经系统处理后,出水不含固形物,COD与色度可大幅度削减,反应器的污泥浓度可高达15000~18000mg/L左右,且系统运行稳定.
1994年,日本已有1200多套MBR系统用于处理4000多万人的粪便污水.
4.
工业废水处理9O年代以来,MBR的处理对象不断拓宽,除中水回用、粪便污水处理以外,MBR在工业废水处理中的应用也得到了广泛关注,如处理食品工业废水、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效果.
9O年代初,美18郑祥等:膜生物反应器在水处理中的研究及应用l卷国在Ohio建造了~套用于处理某汽车制造厂的工业废水的MBR系统,处理规模为151m3/d,该系统的有机负荷达6.
3kgCOD/md,COD去除率为94%.
绝大部分的油与油脂被降解[3.
在荷兰,一脂肪提取加工厂采用传统的氧化沟污水处理技术处理其生产废水,由于生产规模的扩大,结果导致污泥膨胀,污泥难以分离,最后采用Zenon的膜组件代替沉淀池,运行效果良好.
5.
饮用水生产随着氮肥与杀虫剂在农业中的广泛应用,饮用水也不同程度受到污染.
Lyonnai~desEaux公司在90年代中期开发出同时具有生物脱氮、吸附杀虫剂、去除浊度功能的MBR工艺,1995年该公司在法国的Douchy建成了日产饮用水400m的工厂.
出水中氯浓度低于0.
1mgNO2/L,杀虫剂浓度低于0.
02~g/Ll3.
四、结语MBR以其独特的优点在城市污水、给水处理等方面得到广砭的关注和应用.
目前,MBR工艺在以下领域得到应用:高层建筑的中水回用.
高浓度有机废水的处理.
难降解有机废水的处理和给水处理等.
但由于MBR工艺的投资与运行费用较高.
在我国的推广应用还有一定困难.
但随着水资源短缺的加剧与环境保护的需要,随着拽国环保法规的完善、水产业政策的改革,随着膜技术的发展和日益成熟.
MBR技术也必然会在拽国成为一种实用技术而被广泛应用.
目前,MBR的研究在膜污染的防治、污泥产生量的减少、节能和降低造价、新型膜过滤技术的开发和高效生化细菌等方面不断深入,MBR的研究正朝着大规模实用化工程的开发方面发展.
可以预见,靠静水压力或重力出水的膜生物反应器将是近来研究开发的一个重点.
随着膜制备技术的进步,MBR专用膜品种的开发,膜质量的提高和膜制造成本的降低.
MBR的设备投资也会随之降低,MBR在水处理中的应用范围必将越来越广.
膜生物反应器水处理技术的发展和广砭应用将成为生化水处理技术发展史上的叉一次飞跃,在未来的水工业技术领域占有重要的位置.
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29~3I郑祥等:膜生物反应器在球处理中的研究及应用1卷STUDYANDAPpLlCATloNOFMEMBRANEBIOREACTORINTHEWATERTREATMENTZhengXiangZhuXiaolongZhaagShaoyuanZhangKunFanYaobo(R…hCenterforEeo-EnvironrnentSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085)ABsTRACTMembraneBi.
react.
r(MBR)usesmembranetoreinforcetheefficiencyofpollutantsre—movaInbioreactorinwaterandwastewatertreatment.
Thecharacteristics,typesandmech—anisms.
studyandapplicationofmembranebioreactorwerereviewed.
Theexistingproblemsandthetrendswereals.
discussed.
MBRshowsanalternativetoconventionalwatertreat—mentinthecomingcentury.
Keywords:membranehioreactor;watertreatment;biochemicalproce~;membranetechnology