1、膜生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)中工藝參數(shù)的探討3 摘要膜生物反應(yīng)器工藝中, 系統(tǒng)構(gòu)型、膜組件和生物反應(yīng)器是中試設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。對(duì)工藝中的設(shè)計(jì)依據(jù)、構(gòu)型、膜組件和有機(jī)負(fù)荷、污泥濃度、固體停留時(shí)間、水力停留時(shí)間等生物反應(yīng)器的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了探討, 為膜生物反應(yīng)器中試設(shè)計(jì)提供了幫助。關(guān)鍵詞膜生物反應(yīng)器工藝設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)1引言膜生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactor ,M BR 在污水處理中得到了愈來愈廣泛的研究和應(yīng)用1。由于M BR 工藝集合了傳統(tǒng)活性污泥法中的生物處理技術(shù)和膜的高效截留作用, 使系統(tǒng)出水水質(zhì)得到大幅度提高, 其優(yōu)勢(shì)明顯優(yōu)于單一的活性污泥或膜分離, 并且不像單一的膜分離那樣需要對(duì)原水進(jìn)行

2、預(yù)處理。作為一種新型高效的污水深度處理技術(shù), 我國一些科技人員正在對(duì)M BR 工藝進(jìn)行深入的試驗(yàn)和研究。本文主要針對(duì)膜生物反應(yīng)器中試工藝設(shè)計(jì)中系統(tǒng)構(gòu)型、膜及膜組件的選擇和設(shè)計(jì)依據(jù)、有機(jī)負(fù)荷、污泥濃度(M LSS 、水力停留時(shí)間(HRT 、固體停留時(shí)間(SRT 等問題進(jìn)行探討。2系統(tǒng)構(gòu)型的確定膜生物反應(yīng)器主要有淹沒式和分置式2種構(gòu)型。淹沒式膜生物反應(yīng)器具有體積小、設(shè)備緊湊、工作壓力小、無水循環(huán)和能耗低等特點(diǎn), 由于曝氣形成的剪切和紊動(dòng)使污泥很難積聚在膜表面, 因此不易造成膜纖維中心孔堵塞。淹沒式膜生物反應(yīng)器一般只能用于好氧處理。在設(shè)計(jì)時(shí), 中空纖維膜的裝填密度(Packing Density ,

3、 選用的曝氣器模式以及反應(yīng)器底部曝氣器的精確安放成為關(guān)鍵因素。分置式膜生物反應(yīng)器可以使SRT 和HRT 得到有效控制, 達(dá)到較高的有機(jī)物去除率, 同時(shí)世代時(shí)間較長的硝化菌得以富集, 提高了硝化效果。分置式膜生物反應(yīng)器既能用于好氧處理, 也能用于厭氧處理。3膜及膜組件的選取由于在M BR 中, 通過膜組件的是含有大量污泥的高濃度污水, 所以膜極易受到污染。因此, 選擇合關(guān)鍵因素。311膜材料因膜的材料不同, 膜分為有機(jī)膜和無機(jī)膜2種。常用的有機(jī)膜材料主要包括聚砜(PS 、聚醚砜(PES 、聚丙烯腈(PAN 、聚偏氟乙烯(PVDF 、聚乙烯(PE 、聚丙烯(PP 等。無機(jī)膜主要以金屬及金屬氧化物、

4、陶瓷等為材料。無機(jī)膜可以克服有機(jī)膜的某些缺陷, 化學(xué)穩(wěn)定性好、機(jī)械性能優(yōu)異、水通量大、不易污染、易清洗等。目前國外已研制出一些無機(jī)管式膜2。雖然目前主要還存在制造成本高、能耗高等問題, 但考慮到M BR 系統(tǒng)運(yùn)行的綜合效益, 無機(jī)膜比有機(jī)膜仍具有優(yōu)越性。無論采用何種材料和工藝制作膜, 都要考慮到該膜是用于污水處理這一目的。不同的污水其物化性質(zhì)差別較大, 這需要通過試驗(yàn)來確定選擇何種膜比較適用。目前在日本, 一些有機(jī)膜材料如PE 、PS 經(jīng)過改性而具有穩(wěn)定的親水性, 中空纖維膜組件應(yīng)用于污水處理時(shí), 親水性的膜組件抗污染能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出疏水性的膜組件3。312膜組件目前應(yīng)用于M BR 技術(shù)的膜組件主

5、要有中空纖維膜和管式膜2種, 其中淹沒式膜生物反應(yīng)器多應(yīng)用中空纖維膜組件, 由膜絲兩端抽吸出水, 而分置式膜生物反應(yīng)器多采用管式膜組件。管式膜組件具有流體力學(xué)條件好、不易堵塞、容易清洗和對(duì)料液預(yù)處理要求低等特點(diǎn), 非常適合用于污水處理, 缺點(diǎn)是造價(jià)高。中空纖維膜的特點(diǎn)是裝填密度高、造價(jià)低、耐壓性好, 缺點(diǎn)是易堵塞、阻力損失大。在實(shí)際應(yīng)用中大多使用的是外壓式M BR , 這是因?yàn)閮?nèi)壓式反應(yīng)器流道較小, 容易被污泥顆粒堵塞。完全好氧式M BR 處理生活污水的試驗(yàn)表明, 微濾膜和超濾膜均可應(yīng)用于M BR , 一般膜的孔徑在011014m 之間3,4。優(yōu)選孔徑分布窄, 單皮層非對(duì)稱膜, 以耐污染和易清

6、洗5。另外, 不同截留分子量(MWC Os 的超濾膜組件對(duì)M BR 的運(yùn)行也會(huì)產(chǎn)生影響。吳志超等人6用不同MWC Os 的超濾膜進(jìn)行了M BR 工藝比較試驗(yàn), 結(jié)果表明,MWC Os 越大, 膜表面越容易出現(xiàn)濃差極化現(xiàn)象, 清洗周期越短; 兩者對(duì)有機(jī)物去除性能影響不大;MWC Os 越大, 出水C OD Cr 值越高。所以, 在滿足M BR 水處理量的前提下, 不易選擇MWC Os 太大的膜組件。4生物反應(yīng)器的工藝設(shè)計(jì)411有效容積的設(shè)計(jì)依據(jù)傳統(tǒng)活性污泥法(C onventional Activated Sludge , C AS 的設(shè)計(jì), 高廷耀、顧國維7認(rèn)為, 容積大小最早以經(jīng)驗(yàn)的曝氣時(shí)間

7、作為主要的設(shè)計(jì)參數(shù), 即曝氣時(shí)間×設(shè)計(jì)流量=生物反應(yīng)器容積?，F(xiàn)在則常以污泥的有機(jī)負(fù)荷作為設(shè)計(jì)參數(shù)。M ogens Henze 等人8認(rèn)為, 污泥負(fù)荷可用于一般的生物去除工藝, 而當(dāng)用于與生物除磷、硝化2反硝化作用相關(guān)的過程以及利用生長緩慢的細(xì)菌來處理特殊污染物時(shí), 應(yīng)采用泥齡法工藝設(shè)計(jì)。若以污泥負(fù)荷作為設(shè)計(jì)依據(jù)在很多情況下是危險(xiǎn)而且是困難的, 甚至是不可能采用的。邢傳紅、文湘華、錢易等人9經(jīng)過大量的中試研究后認(rèn)為, 采用M BR 工藝處理城市污水, 污泥負(fù)荷、體積負(fù)荷已不再是制約處理效果的重要指標(biāo), 可將HRT 、SRT 作為M BR 工藝生物反應(yīng)器單元的設(shè)計(jì)依據(jù), 因?yàn)檫@樣不僅能確

8、保工藝操作的長期穩(wěn)定性, 而且能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程。412有機(jī)負(fù)荷生物反應(yīng)器中污泥的有機(jī)負(fù)荷和污泥濃度M LSS 設(shè)計(jì)的大一些, 生物反應(yīng)器的容積就可以小一些, 同時(shí)這2個(gè)參數(shù)數(shù)值的大小也影響處理效果。就C AS 而言, 一般不采用高負(fù)荷而采用常負(fù)荷, 即污泥負(fù)荷一般<015kg BOD 5P kg M LSS d , 如果要求氮素轉(zhuǎn)入硝化階段, 一般采用013kg BOD 5P kg M LSS d ,M BR 的有機(jī)負(fù)荷一般<011kg BOD 5P kg M LSS d , 與C AS 法相當(dāng), 而M BR 的體積負(fù)荷比C AS 高數(shù)倍, 達(dá)數(shù)kg C OD Cr P m 3d 。

9、但由于M BR 可完全實(shí)現(xiàn)泥水分離, 從而保證了優(yōu)良的出水水質(zhì)和較高的污泥濃度。因反應(yīng)器中較高的污泥濃度, 又使得M BR 中的負(fù)荷率或F P M 較低。較低的F P M , 一方面可以減少剩余污泥,但另一方面延長了污泥齡。較長的泥齡有利于世代期較長的硝化細(xì)菌的生長, 但過長的污泥齡會(huì)使反應(yīng)器中產(chǎn)生溶解性微生物產(chǎn)物(S oluble Microbial Products ,S MP 。若M BR 中積累一定量的S MP , 不但會(huì)加速膜污染, 還會(huì)導(dǎo)致出水水質(zhì)變差。低F P M 還會(huì)使M BR 污泥中產(chǎn)生胞外聚合物(Extracellular P olymeric Substances , E

10、PS 19, 使混合液的粘度升高,膜過濾阻力變大。對(duì)M BR 而言, 系統(tǒng)具備了一定的抗沖擊負(fù)荷能力。邢傳紅、錢易等人用無機(jī)陶瓷分置式膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)研究了不同負(fù)荷情況下出水水質(zhì)變化以及抗沖擊負(fù)荷能力。結(jié)果表明, 當(dāng)體積C OD Cr 負(fù)荷分別提高幾倍的情況下, 出水C OD Cr 值基本不變, 去除率仍可達(dá)97%以上10, 沖擊負(fù)荷過后仍能恢復(fù)正常水平11。由此可見, 膜2生物反應(yīng)器具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力和較好的運(yùn)行穩(wěn)定性, 其處理能力較C AS 有很大提高。413M LSS 值提高M(jìn) LSS 值, 可以縮小生物反應(yīng)器容積, 降低污泥負(fù)荷率, 提高處理效率。但M LSS 的提高意味著SRT

11、 的增加, 要求有更高的氧傳遞速率, 因?yàn)閷?duì)于每一種曝氣設(shè)備, 超出了它合理的氧傳遞范圍, 其充氧動(dòng)力效率將明顯降低, 同時(shí)M LSS 值的提高還會(huì)增大混合液粘滯度, 降低膜通量, 進(jìn)而影響出水水質(zhì)。根據(jù)膜過濾凝膠極化模型, 當(dāng)過濾達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí), 膜表面污泥濃度達(dá)到臨界值而不再變化, 即J =k lg (X g P X (1式中J 膜通量m 3P m 2d ;X g 膜表面污泥濃度mg P L ; X 混合液污泥濃度mg P L ; k 傳質(zhì)系數(shù)m 3P m 2d 。無論是分置式還是淹沒式膜生物反應(yīng)器, 膜通量J 與污泥濃度X 的對(duì)數(shù)均成負(fù)線性相關(guān)關(guān)系, 但系數(shù)差異較大。如膜材質(zhì)為聚砜(PS 和

12、聚丙烯腈(PAN 共混的外壓管式分置式膜生物反應(yīng)器, 其J =-182lg X +8. 68(2雖然較高的M LSS 能減小M BR 的體積, 延長污泥泥齡, 有利于系統(tǒng)中硝化細(xì)菌的生長, 但過高的M LSS 對(duì)于M BR 正常運(yùn)行是不利的, 在運(yùn)行時(shí)應(yīng)根據(jù)具體的水質(zhì)、膜組件及膜生物反應(yīng)器處理能力探求合理的M LSS 值。一般處理低濃度污水宜控制較低的污泥濃度, 以盡量提高膜通量; 而處理高濃度污水宜控制較高的污泥濃度, 以盡量增大有機(jī)物去除能力。但由于M BR 處理污水的整體效應(yīng)明顯好于C AS , 所以M BR中活性污泥的濃度仍高于C AS 。如文獻(xiàn)1報(bào)道的大多數(shù)M BR 的M LSS 值

13、在520g P L 之間, 而C AS 的M LSS 值為2g P L ;M BR 與C AS 處理生活污水的比較試驗(yàn)表明12, 隨運(yùn)行時(shí)間的延長,M BR 中污泥濃度持續(xù)增長, 而C AS 經(jīng)常發(fā)生污泥膨脹,M LSS 波動(dòng)很大, 經(jīng)常<1g P L 。414水力停留時(shí)間(HRT 由于M BR 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)HRT 和SRT 的單獨(dú)控制, 當(dāng)選定膜組件后, HRT 也就決定了生物反應(yīng)器容積的大小和M BR 的產(chǎn)水量。過長的HRT 將直接增大生物反應(yīng)器的容積, 過短的HRT 將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)溶解性有機(jī)物(S MP 的積累, 進(jìn)而引起膜通量的下降。所以, 考慮到M BR 系統(tǒng)要獲得硝化處理效果,

14、 同時(shí), 生物反應(yīng)器不可能設(shè)計(jì)得很大, 為充分利用設(shè)備的充氧能力,HRT 值可設(shè)計(jì)得長一些, 以盡量維持系統(tǒng)內(nèi)溶解性有機(jī)物的平衡, 設(shè)計(jì)時(shí)可考慮曝氣池容積有一定的調(diào)節(jié)容量。這樣, 可降低剩余活性污泥量, 系統(tǒng)更能適應(yīng)沖擊負(fù)荷。張紹園等人13探討了分置式膜生物反應(yīng)器HRT的影響因素, 推導(dǎo)了HRT 的計(jì)算公式并給出了簡(jiǎn)化式, 即HRT =1. 1×(-1 (K s +L K S 0(3式中出水與進(jìn)水有機(jī)物濃度比;K s 飽合常數(shù)mg P L ; L 出水有機(jī)物濃度mg P L ; K 底物最大比降解速度常數(shù)h-1;S 0回流污泥濃度(以M LVSS 計(jì) mg P L 。從(3 式可以看

15、出, 影響HRT 的主要因素是進(jìn)、出水水質(zhì)和生物反應(yīng)器污泥濃度, 所以在分置式M BR 系統(tǒng)中應(yīng)適當(dāng)加大回流污泥量, 以縮短HRT , 提高有機(jī)物的去除率。外壓管式M BR 處理生活污水的試驗(yàn)研究表明11, 當(dāng)HRT 在1153h 內(nèi)變化時(shí),BOD 5去除率都在95%以上, 說明HRT 的變化對(duì)BOD 5去除率影響不大。415固體停留時(shí)間(SRT 選取一定的有機(jī)負(fù)荷和污泥濃度M LSS 后, 就相應(yīng)地決定了SRT 值, 所以污泥濃度與SRT 存在著內(nèi)在的聯(lián)系。由于膜分離延長了生物反應(yīng)器的SRT , 降低了污泥產(chǎn)率, 提高了容積硝化及有機(jī)物去除能力。但由于膜的機(jī)械截留作用很強(qiáng), 隨著SRT 的延

16、長, 其出水水質(zhì)存在波動(dòng)但變化不大, 邢傳紅等10、鄒聯(lián)沛等14均證明了這一點(diǎn)。SRT 愈長, 微生物被循環(huán)次數(shù)愈多, 失活的可能性愈大, 使M LVSS P M LSS 比下降, 為提高污泥活性, 需定期適量排泥, 以減輕膜負(fù)荷。當(dāng)然,SRT 值的大小對(duì)M BR 的處理行為以及生物反應(yīng)器內(nèi)微生物的特征都會(huì)產(chǎn)生影響15,16, 仍需要繼續(xù)加以試驗(yàn)研究。416生物反應(yīng)器的構(gòu)造傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)的生物反應(yīng)器構(gòu)型多為長方形。處理水量小的M BR , 其生物反應(yīng)器宜設(shè)計(jì)成完全混合式的圓形池, 其底部做成錐形, 根據(jù)流體力學(xué)原理, 有利于反應(yīng)器內(nèi)混合液處于良好的紊動(dòng), 保持懸浮狀態(tài), 減小因剪切造成的污泥

17、顆粒破解, 并提高曝氣設(shè)備的充氧速率。圓形池與方形池相比, 有利于混合液旋轉(zhuǎn)并防止死角, 減小水頭損失。417其它一些考慮恒壓控制或恒流控制一般的M BR 均采用恒壓控制的辦法, 以研究膜通量隨運(yùn)行時(shí)間的變化情況, 但若在膜生物反應(yīng)器中采用恒流控制17,18, 比采用恒壓控制不僅能控制膜污染, 延長膜的清洗周期, 還能使膜保持較高的通量, 系統(tǒng)得以長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。出水動(dòng)力為進(jìn)一步降低M BR 的運(yùn)行能耗, 在淹沒式M BR 設(shè)計(jì)中省略真空泵而用膜出水端的壓力水頭使膜出水。國外的試驗(yàn)研究表明, 該系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行了371d 而沒有進(jìn)行膜清洗, 且膜清洗后其過濾壓力仍維持在原來的水頭20。5結(jié)束語膜生

18、物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)的確定, 直接關(guān)系到M BR 運(yùn)行及處理效果的成敗。在設(shè)計(jì)時(shí), 要兼顧進(jìn)出水水質(zhì)要求和系統(tǒng)造價(jià)、運(yùn)行能耗等各方面因素綜合考慮, 同時(shí)有利于減輕膜污染, 保持系統(tǒng)較長時(shí)間的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性。所以, 對(duì)M BR 系統(tǒng)進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常重要的。參考文獻(xiàn)1S. Adham et al. Feasibility of the membrane bioreactor process for waterreclamation. W at. Sci. T ech. ,2001. 43(10 :203209.2許振良編著. 膜法水處理技術(shù). 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001. 3張穎

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20、等教育出版社,2000.8M ogens Henze 著, 國家城市給水排水工程技術(shù)研究中心譯. 污水生物與化學(xué)處理技術(shù). 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000.9邢傳紅, 文湘華, 錢易. 管式膜2生物反應(yīng)器處理城市污水的工藝設(shè)計(jì). 中國給水排水,1999. 15(1 :14.10邢傳紅,T ardieu Eric , 錢易. 無機(jī)膜2生物反應(yīng)器處理生活污水試驗(yàn)研究. 環(huán)境科學(xué),1997. 18(3 :14.11孟耀斌等. 分置式膜2生物反應(yīng)器處理生活污水的抗沖擊負(fù)荷能力. 環(huán)境科學(xué),2000. 21(5 :2226.12劉銳等. 膜2生物反應(yīng)器和傳統(tǒng)活性污泥工藝的比較. 環(huán)境科學(xué),2001. 22(3 :2024.13張紹園, 王菊思, 姜兆春. 膜生物反應(yīng)器水力停留時(shí)間的確定及其影響因素分析. 環(huán)境科學(xué),1997. 18(6 :3538.14鄒聯(lián)沛, 王寶貞等. SRT 對(duì)膜生物反應(yīng)器出水水質(zhì)的影響研究. 中國給水排水,2000. 16(7 :1618.15N. Clcek et al. E ffect of s olids retention time on the performance andbiological