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MBR膜生物反應器技術及應用分析(一)
發布時間︰2020-05-08 13:51:48

如何進行環境保護?

捷誠環保為您介紹一種經久耐用、性能卓越的水處理設備——MBR膜生物反應器,並詳細介紹其技術及應用情況。


污水處理已經發展出了活性污泥法及生物膜法兩種相對成熟的處理工藝(processes)。然而,隨著人口的迅速增長及工業化水平的不斷提高和發展,污水的總量越來越大、成分越來越復雜,如果繼續以常規工藝進行處理,不但費時費力,還會佔用非常寶貴的土地資源,而且不一定會得到理想的處理效果。

MBR 膜生物反應器(membranes bioreactors),作為一種新型高效的水處理技術,發展日趨成熟,目前已經在歐美、日本等發達國家得到了大規模的應用。該技術的最大特點便是能在大幅提高處理效率的同時,大大節省佔地面積,特別是對于迫切需要水資源循環利用的地區,其優良的出水水質完全能夠滿足回用水要求。

一、污水的生物處理技術  

MBR工藝的基礎來自生物處理技術中的活性污泥法(Activated sludge process),及物化處理技術中的膜分離。污水生物處理是利用各種不同類型微生物的新陳代謝功能,對污水中的污染物質進行分解和轉化,從而使污水得到淨化的處理方法。用更形象的說法便是微生物在自身生長增殖的過程中“吃”掉了水中的污染物。根據微生物生長方式的不同,生物處理技術又分成懸浮生長和附著生長法。其中懸浮生長法是指通過適當的方法使微生物在池中保持懸浮狀態並與污水中的有機物充分接觸以完成降解過程,其典型代表便是活性污泥法。而我們通常所說活性污泥便是指污水中懸浮的、具有降解能力的微生物群;而與之相對的附著生長法,主要指生物膜法︰微生物附著在填料上生長,形成生物膜,污水通過布水流經生物膜時,微生物與污水中的污染物接觸,完成對污水的淨化。

1、 活性污泥法簡介  

目前,基于處理效果、運行成本及管理維護等多方面因素的考慮,活性污泥法及其各衍生技術的應用更為廣泛。所謂活性污泥法的變種,是基于排放要求的不同針對某些污染物的處理所進行的工藝調整。

活性污泥法的常規工藝流程︰

原水→預處理→生化反應池→二沉池→消毒→出水。

作為國家節能減排的兩個重要指標之一,化學需氧量(CODChemical Oxygen Demand)始終是衡量污水排放及污水處理的最具代表性、同時也是最廣泛衡量的指標,是指用化學氧化劑氧化水中有機污染物時所消耗的氧化劑的量。生化需氧量(BODBiochemical Oxygen Demand),是指水中污染物被好氧微生物分解時所需要的氧量。通常我們用BOD COD 的比值(B/C)來衡量污水的可生化降解的程度,生活污水的B/C 值在0.7 左右,屬于生化性優良的原水。

然而,水中其他污染的控制也是十分重要的,諸如前一段時期引起廣泛關注的太湖藍藻爆發,便是由于水中氮磷一類的污染物超標所導致的水體富營養化。對這類物質進行降解,必須經過好氧-厭氧交替過程,如AAO工藝等,都可視為活性污泥法的變種。

由于活性污泥法中微生物是懸浮在污水中,因此出水前必需要進行泥水分離,以得到澄清的出水。而在傳統方法中,這一過程通常由二沉池(Two sink the pond)通過沉澱的方法來完成。由于活性污泥的顆粒較小,所以二沉池的面積必須非常大,且容積必須能夠保持一定的停留時間才能滿足基本的泥水分離需要。  

這樣一來便會帶來兩個問題,一是污泥停留時間與水力停留時間的直接相關,二是佔地面積的擴大。  

所謂的污泥停留時間是指微生物在處理系統中的停留時間。從微生物學的角度來講,生物群落的生長可以分為4個周期︰延遲期(適應期)、對數增長期、穩定期(減速增長期)和衰亡期(內源呼吸期)。並不是所有時期的微生物都具有良好的處理效率,我們通常需要有一定“年齡”的微生物,因為此時的生物群落更豐富,對污染物有更強的吸附和處理能力,同時也能確保出水水質。

決定污泥泥齡的關鍵,便是每天排出處理系統的微生物的量。因為新生的微生物本身會分泌粘性物質,從而聚集成較大的顆粒,能更好地沉澱;而年長的微生物相對絮體較散,更難沉降,所以我們可以認為排除二沉池的污泥是老化的污泥。這樣,新增的污泥逐漸替代老化的污泥,直到反應池中的活性污泥全部更新。我們通常所指的污泥齡(SRT)的實質就是反應池中的活性污泥全部更新一次所需要的時間。  

簡單的來說,就是污水進水流量的變化會導致反應池中污泥的生物性狀發生變化,從而影響其處理效率。


2活性污泥法的缺陷  

在污水處理工藝流程中,二沉池的面積非常可觀。一個1 萬噸的小規模污水處理廠,需要4 座直徑為30m 的圓形二沉池,而且每個池體之間都要保持一定的距離以考慮排布管道及整體沉降控制,因此需要極大的佔地面積。  

總的來說,二沉池的固液分離效率從某種程度上限制了生物反應池的處理效果,而且還會佔用極大的空間和土地資源。  

同時,活性污泥法還存在著剩余污泥的問題。二沉池沉澱所得的污泥,除了一部分需要回流至生化池以維持一定的污泥濃度,而其他部分則是作為剩余污泥排放。污泥處理是污水處理的重要組成部分。對于以活性污泥法為主的城鎮污水處理廠,污泥處理系統的建設投資約佔污水處理廠總投資的20%~30%,而污泥處理的投資和運行費用與選擇的工藝密切相關。  

在常規處理過程的出水前還有消毒的步驟。現在常用的消毒工藝有加氯接觸消毒和自外消毒。加氯消毒通常要求停留時間不小于30min,既一個規模為10000T/D的污水處理廠,需要一個200m?的接觸池。出于流態方面的考慮,還必須設計折板、流道、控制水深、流速等以保持消毒劑的接觸效果。而消毒劑則需要持續投加,由于氯是有毒物質,存放及運輸過程中的安全性也需要考慮。紫外線消毒設備佔地省,構造簡單,但投資較高,且大功率的紫外線消毒設備耗電量大,運行費用高。  

有沒有更高效固液分離的方法替換傳統的二沉池,既能減少土地資源佔用,維持高處理效率和穩定的出水水質,又能夠避免過多的剩余污泥產生,同時還能對致病菌有截留作用呢?

膜分離技術給出了答案。

二、膜分離技術  

膜分離,早期通常用于工業中的提純與混合液的分離。隨著水處理技術的發展,該工藝開始逐漸在水處理環節得中到應用。根據不同膜表面孔徑大小,可以分為過濾、微濾(MF)、超濾(UF)及納濾(NF)等。膜生物反應器中通常采用的是微濾和超濾膜,其分離機理主要是篩分效應,類似于我們通常所指的過濾,但又不完全相同。因膜結構的不同,截留作用大體可以分為機械截留、吸附截留及架橋作用等。  

膜與生物處理工藝結合的膜生物反應器(MBR),研究迄今已有30 多年的歷史。在國外的商業應用已經有了20 年歷史,而對于我國來說,該項技術尚在推廣起步階段。

1膜生物反應器(MBR)  

膜生物反應器(MBR)最大的特點是用膜組件代替傳統工藝中的二沉池進行固液分離以得到澄清的出水。然而,看似簡單的一加一,帶來的效應卻遠遠不止于二。

 MBR與傳統活性污泥法相比有以下明顯優勢︰  

1)污染物去除率高,出水水質好。

MBR 既可用于常規活性污泥法難以處理的高濃度、難降解有機工業廢水處理,又可以用于生活污水和一般工業廢水的淨化。

MBR 中,由于膜組件對于反應池中的微生物,尤其是對于世代周期較長的硝化反硝化菌種,及存在于小污泥顆粒中的微生物具有相當好的截留作用,因此提高微生物種群的豐富性,對緩解水體富營養化具有極大的優勢;同樣由于膜的截留,MBR 體系中活性污泥可以高達(MLSS8000-15000mg/L,遠遠高于常規活性污泥法(約3000-4000mg/L)。對污染物去除效率高,出水水質好,不僅對懸浮物(SS)、有機物去除效率高,出水濁度接近零,而且可以去除細菌、病毒等可以作為污水深度處理及資源化技術。生活污水經膜生物反應器處理後可以做到肉眼觀察與自來水無異,特別適合缺水地區作回用處理。

2)負荷變化適應強,耐沖擊負荷。

膜生物反應器由于膜的高效截留作用,實現了反應池內水力停留時間(HRT)和污泥停留時間(SRT)的完全分離。即使進水量突然增大,整個反應器內部的生物性狀也能保持在一個比較穩定的狀態。同時,由于污泥濃度的提高,強化了活性污泥的吸附作用;而且,在膜的截留作用下,未被微生物降解的大顆粒污染物也不會隨出水排除,能夠留在反應器內部慢慢處理,直到被分解後才透過膜排出。基于以上幾點,整個反應器運行控制將會更加靈活,出水水質更加穩定。

因此,膜生物反應器克服了當系統水力負荷和有機負荷發生變化時傳統水處理工藝出現的污泥膨脹等問題。

3)污泥排放量小  

膜生物反應器除了作為污水深度處理及資源化之外,也是減少剩余污泥排放的重要技術。國外文獻及小規模工程經驗顯示,膜生物反應器的污泥排放量很小,甚至可以做到不產泥。污泥自降解和污泥水解可降低傳統水處理系統的效率,但對膜生物反應系統卻非常有益。常規的活性污泥法通常采用的是生物周期處于穩定期末尾至衰亡期初始時的活性污泥。而由于膜生物反應器中的高污泥濃度,微生物的總量非常大,在消耗水中有機污染物的同時,還有許多的微生物處于“饑餓”狀態。因此相當一部分處于衰亡期的微生物依靠自身的內源呼吸進行代謝分解,在保持出水污染物低濃度的同時,消耗了污泥生長過程中的剩余量。膜分離使得污水中的大分子難降解物質,在體積有限的膜生物反應器內有足夠的停留時間,大大提高了難降解物質的降解效率。反應器在高容積負荷、低污泥負荷、長泥齡的情況下運行,完全可以實現較長周期內(如6個月或者更長時間)不排泥或者排泥量很小,剩余污泥排放量也很小,甚至不產泥。

4)工藝流程短,系統設備簡單緊湊,佔地省

由于膜生物反應器無需在好氧污泥系統產生絮體,因此生物反應器內污泥濃度可以比傳統工藝高許多。而生化反應速率又與反應物濃度有關,反應物濃度越高,反應速率越大。因此膜生物反應器的容積負荷可高達5kg(COD)/ (m3?d)),而傳統工藝通常只有0.40.9kg(COD)/ (m3?d),處理生活污水時水力停留時間(HRT)可減至2h,生物反應池的容積可以大大減小。

根據國外研究資料顯示,相同規模的污水量,膜生物反應器在好氧池體積為傳統處理工藝好氧池體積的三分之一。同時膜生物反應器省去了二沉池、濾池及污泥回流系統等輔助設備,甚至污泥處理設備及其費用。由于目前我國對污水處理的消毒指標主要針對的是大腸菌群,其直徑約在0.6μm,而目前MBR用膜的空徑一般都在0.4μm0.1μm 的範圍內,因此幾乎所有的MBR 工藝都對病菌有較好的去除作用,出水中腸道病毒、總大腸桿菌、糞鏈球菌、糞大腸桿菌等都低于檢測線,這表明如果MBR 出水直接排放或無余氯要求回用的話甚至可以省去消毒設施,因此膜生物反應器結構簡單緊湊。

5)易實現自動化控制,維護簡單,節省人力

在傳統活性污泥法中,由于運行中經常出現波動和不穩定,為了確保良好的出水水質,必須對運行管理投入大量的人力、財力和物力。而膜生物反應器采用膜分離技術,做到了穩定的出水水質,同時省去了泥水分離設施,因此,很容易實現膜生物反應器系統從進水到出水的全程自動化控制。

6)系統啟動速度快,水質可以很快達到處理要求

由于可以很好的保持水中的污泥濃度,在反應池啟動期,不同于傳統曝氣池需要通過沉澱排除上清液來提高污泥濃度。由于膜分離作用對污泥顆粒的完全截留,能夠在曝氣(aeration)及營養物質的共同作用下迅速提高系統內的污泥濃度,使整個膜生物反應器系統快速啟動,水質可以很快達到處理要求。


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