膜生物反应器

膜生物反应器的应用研究

摘要：主要介绍了膜生物反应器的定义、分类和特点及其在废水处理中的应用现状，还介绍了膜生物反应器中的膜污染及其调控措施。研究表明，使用膜生物反应器对毛纺织印染废水进行处理，出水水质基本能够达到生活杂用水水质标准。

关键词：膜生物反应器；废水处理；膜污染；调控措施

Abstract：The definition, classification and characteristics of membrane biological reactor and its application in wastewater treatment ware mainly introduced, the membrane bio-reactor membrane pollution and its control measures also ware introduced . Research shows that, using membrane biological reactor for wool textile printing and dyeing wastewater treatment, the effluent quality can achieve basic miscellaneous domestic water quality standard.

Keywords：membrane bioreactor; waste water treatment；membrane fouling; controlling measures

1 膜生物反应器简介

膜生物反应器(membrane bioreactor，简称MBR)是一种高效膜分离技术与活性污泥法相结合的新型水处理技术。中空纤维膜的应用取代活性污泥法中的二沉池，进行固液分离，有效的达到了泥水分离的目的。充分利用膜的高效截留作用，能够有效地截留硝化菌，完全保留在生物反应器内，使硝化反应顺利进行，有效去除氨氮，避免污泥的流失，并且可以截留一时难于降解的大分子有机物，延长其在反应器的停留时间，使之得到最大限度的分解[1]。

生物反应器是以微生物细胞或酶作为催化剂或可产生催化剂, 进行生化反应和转化的装置, 膜生物反应器(MBR) 则是膜与生物的结合产物, 以实现微生物发酵, 动植物细胞培养和生物催化转化等。膜生物反应器通常在常温和常压下进行生化反应, 可使产物或副产物从反应区连续地分离出来, 打破反应的平衡, 从而可大大地提高反应转化率, 增加产率或处理能力, 过程能耗低、效率高。目前, 水处理中的膜生物反应器多用于污水处理( 少量用于表面水) , 与传统的活性污泥法(CASP) 比, 由于膜反应器取代了二级澄清池, 这可使污泥停留时间(SRT) 和水力停留时间(HRT) 分别控制, 由于SRT大, 泥龄长, 污泥浓度高, 抗冲击负荷能力强, 降解速率高, 降解充分, 对难降解物质也可使之降解, 占地

-N的去除率在90% 以上, 处理后的水可直接作省, 污泥量少, 通常对COD和NH

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为市政用水或进一步处理作各种工业用水。

2 MBR 的分类和工作机理

水处理中的膜生物反应器是由生物反应器与微滤、超滤、纳滤或反渗透膜系统组成,因而可分为微滤膜生物反应器, 超滤膜生物反应器。据膜系统与生物反应器组合的方式和位置, 膜生物反应器又可分为循环式(分置式) 和浸没式(一体式)两种, 如图1 和图2 所示。浸没式膜生物反应器(SMBR)中, 膜组件直接浸泡于反应器中, 反应器下方有曝气装置, 将空压机送来的空气形成上浮的微气泡, 在曝气的同时,又使膜表面产生一剪切应力, 利于膜表面除污, 透过液在抽

吸泵的负压下流出膜组件。

MBR 利用膜分离组件实现废水生物处理后污泥与水的分离，膜分离组件主要有微滤(MF)、超滤(UF)和纳滤(NF)三种，根据不同的需要可以进行相应的选择。按照膜组件在生物反应器中所起的作用，MBR 可分为三类：膜分离生物反应器、膜曝气生物反应器和萃取膜生物反应器。在污水处理中，尤其是工业废水处理中主要使用的是膜分离生物反应器。按照膜组件与生物反应器的组合位置，MBR 可分为分置式MBR 和一体式MBR 两种，其中分置式有助于设备的清洗、更换、增设，但泵的高速旋转对某些菌种会产生失活作用；一体式不使用泵，可省掉循环用管路配置，但膜清洗较为困难，膜污染问题较难解决[2]。

图1 循环式膜生物反应器示意图

图2 浸没式膜生物反应器示意图

MBR 的分类具体如下表1 所示。

表1 MBR 的分类

内容分类

膜组件管式、板框式、中空纤维式

膜材料有机膜、无机膜

压力驱动形式外压式、抽吸式

生物反应器好氧、厌氧

膜组件与生物反应器的组合分置式、一体式(浸没式)

3 MBR 的特点

MBR 利用膜的高效固液分离作用代替了传统活性污泥法中的二沉池，克服了污泥膨胀等问题，其主要工艺特点如下：

（1）污染物去除率高，出水浊度很低，出水可直接回用于市政绿化、工业冷却水等，且设备占地小；

（2）能将所有的微生物截留在生物反应器内，与活性污泥法相比，可使反应器中的生物浓度提高5~10 倍，实现反应器水力停留时间和污泥泥龄的完全分离，可提高难降解有机物的降解效率；

（3）生物反应器中的微生物浓度高，耐冲击负荷；

（4）反应器在低F/M下运行，剩余污泥量少，无污泥膨胀现象，对氮、磷等的去除效率高；

（5）传质效率高,氧的转移效率高达60%左右；

（6）泥龄可实现无限长，硝化能力强；

（7）设备占地面积小，工艺集中，易于操作管理；

（8）使用过程中存在的膜污染问题，一定程度上制约了膜生物反应器的应用[3]。

4 MBR 在印染废水处理中的应用

4.1 印染废水的来源及特征

纺织工业的加工对象以棉、毛、丝绸、化纤等为主，每一种加工对象都有特殊的加工工艺及相应的浆料、染料、助剂。如棉织物工业废水主要来自退浆、煮练、漂白、丝光、染色、印花等工序；而毛纺织工业废水主要来自洗毛、染色、预缩工序。因此纺织工业污水中含有棉、毛及纺织品上洗脱的油类、脂类、盐类和纤维素，以及在加工过程加入的各种浆料、染料、表面活性剂、助剂、酸、碱、盐等，这类污水的成分比较复杂，具有很高的COD（化学需氧值），对人类的健康和环境造成极大地危害。印染废水存在的主要问题是：水量大，成分复杂，生物难降解物多，脱色困难，运行费用高等。印染废水主要来自退浆、煮练、漂白、丝光、染色、印花、整理工序。正是这些决定了印染废水具有以下特点：（1）色度大、有机物含量高；（2）水质变化范围大；（3）pH 值变化大；（4）水温水量变化大。

4.2 MBR 在印染废水处理中的应用

中国科学院生态环境研究中心的郑祥，刘俊新研究了厌氧反应器与好氧MBR 组合工艺处理毛纺印染废水的试验[4]。试验系统主要由高位水箱、厌氧反应器、好氧反应器、膜组件单元及曝气单元组成，废水为某毛纺厂污水站经过0.5mm 筛板筛虑后的毛纺印染废水，该废水组分复杂，含有染料、染化助剂、毛料漂染过程产生的各种污染物，实验结果表明：COD 的去除率平均达80.3%，出水COD 平均值为37mg/L，对BOD5 去除率平均达95%，而采用常规生物处理工艺对COD 去除率平均为42%，出水的色度一般可保持在20 倍左右，色度的平均去除率达59%，在系统稳定运行期间生物反应器内污泥的VSS/SS 基本无变化，说明系统内没有明显的无机物积累。

西安工程大学环境与化工学院的同帜等研究了A/OMBR(一体式)系统处理印染废水[5]，试验主要对印染废水的生物处理进行改进，在核心单元氧化池中引入膜组件，组成一体式MBR系统，省去了传统生物处理依靠重力的固液分离系统，减少了基建投资，同时为提高印染废水的可生化性，利于后续MBR 的处理，在好氧MBR 处理单元前加入了厌氧水解酸化单元，组成了A/OMBR(一体式)处理系统，经处理后可使印染废水达到标准排放。实验表明：实验中A/OMBR(一体式)系统最佳运行条件为HRT=9- 10h，DO=2- 3g/L，该系统在最佳的运行条件下可使印染废水的COD≤100mg/L，最小可以达到21.80mg/L，色度=2- 16 倍，浊度≈0，SS≈0，pH=7- 8.5；该处理系统费用低、效果好，其中A/O 系统可提高印染废水的可生化性，利于后续MBR的处理，最终可使印染废水实现达标排放。