本文主要针对膜生物反应器中试工艺设计中系 统构型 、膜及膜组件的选择和设计依据 、有机负荷 、污 泥浓度 (MLSS) 、水力停留时间 ( HRT) 、固体停留时间 (SRT) 等问题进行探讨 。 2 系统构型的确定
膜生物反应器主要有淹没式和分置式 2 种构型 。 淹没式膜生物反应器具有体积小 、设备紧凑 、工 作压力小 、无水循环和能耗低等特点 ,由于曝气形成 的剪切和紊动使污泥很难积聚在膜表面 ,因此不易造 成膜纤维中心孔堵塞 。淹没式膜生物反应器一般只 能用于好氧处理 。在设计时 ,中空纤维膜的装填密度 ( Packing Density) ,选用的曝气器模式以及反应器底部 曝气器的精确安放成为关键因素 。 分置式膜生物反应器可以使 SRT 和 HRT 得到有 效控制 ,达到较高的有机物去除率 ,同时世代时间较 长的硝化菌得以富集 ,提高了硝化效果 。分置式膜生 物反应器既能用于好氧处理 ,也能用于厌氧处理 。 3 膜及膜组件的选取 由于在 MBR 中 ,通过膜组件的是含有大量污泥 的高浓度污水 ,所以膜极易受到污染 。因此 ,选择合 适的抗污染性强的膜及膜组件成为膜生物反应器的 3 国 家 自然 科 学 基金 重 点项目 (50138020) 。
无论是分置式还是淹没式膜生物反应器 ,膜通量
J 与污泥浓度 X 的对数均成负线性相关关系 ,但系数
差异较大 。如膜材质为聚砜 ( PS) 和聚丙烯腈 ( PAN)
共混的外压管式分置式膜生物反应器 ,其
J = - 182lg X + 8. 68
(2)
虽然较高的 MLSS 能减小 MBR 的体积 ,延长污泥
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环 境 工 程
2004 年 10 月第 22 卷第 5 期
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完全好氧式 MBR 处理生活污水的试验表明 ,微 滤膜 和 超 滤 膜 均 可 应 用 于 MBR , 一 般 膜 的 孔 径 在 011～014μm 之间[3 ,4] 。优选孔径分布窄 ,单皮层非对 称膜 ,以耐污染和易清洗[5] 。另外 ,不同截留分子量 (MWCOs) 的超滤膜组件对 MBR 的运行也会产生影 响 。吴志超等人[6] 用不同 MWCOs 的超滤膜进行了 MBR 工艺比较试验 ,结果表明 ,MWCOs 越大 ,膜表面 越容易出现浓差极化现象 ,清洗周期越短 ;两者对有 机物去除性能影响不大 ;MWCOs 越大 ,出水 CODCr 值 越高 。所以 ,在满足 MBR 水处理量的前提下 ,不易选 择 MWCOs 太大的膜组件 。 4 生物反应器的工艺设计 411 有效容积的设计依据
生物反应器中污泥的有机负荷和污泥浓度 MLSS 设计的大一些 ,生物反应器的容积就可以小一些 ,同 时这 2 个参数数值的大小也影响处理效果 。就 CAS 而言 ,一般不采用高负荷而采用常负荷 ,即污泥负荷 一般 < 015 kg BOD5Pkg MLSS·d ,如果要求氮素转入硝 化阶段 ,一般采用 013 kg BOD5Pkg MLSS·d ,MBR 的有 机负荷一般 < 011 kg BOD5Pkg MLSS·d ,与 CAS 法相 当 , 而 MBR 的 体 积 负 荷 比 CAS 高 数 倍 , 达 数 kg CODCrPm3 ·d 。但由于 MBR 可完全实现泥水分离 ,从 而保证了优良的出水水质和较高的污泥浓度 。因反 应器中较高的污泥浓度 ,又使得 MBR 中的负荷率或 FPM 较低 。较低的 FPM ,一方面可以减少剩余污泥 ,
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高的污泥浓度 ,以尽量增大有机物去除能力 。但由于
MBR 处理污水的整体效应明显好于 CAS ,所以 MBR 中活性污泥的浓度仍高于 CAS。如文献[ 1 ]报道的大 多数 MBR 的 MLSS 值在 5～20 gPL 之间 , 而 CAS 的 MLSS 值为 2 gPL ;MBR 与 CAS 处理生活污水的比较试 验表明[12] ,随运行时间的延长 ,MBR 中污泥浓度持续
1 引言 膜生物反应器 (Membrane Bioreactor ,MBR) 在污水
处理中得到了愈来愈广 泛 的 研 究 和 应 用[1] 。由 于 MBR 工艺集合了传统活性污泥法中的生物处理技术 和膜的高效截留作用 ,使系统出水水质得到大幅度提 高 ,其优势明显优于单一的活性污泥或膜分离 ,并且 不像单一的膜分离那样需要对原水进行预处理 。作 为一种新型高效的污水深度处理技术 ,我国一些科技 人员正在对 MBR 工艺进行深入的试验和研究 。
式中 β———出水与进水有机物浓度比 ;
Ks ———饱合常数 mgPL ;
L ———出水有机物浓度 mgPL ;
K ———底物最大比降解速度常数 h - 1 ;
S0 ———回流污泥浓度 (以 MLVSS 计) mgPL 。
从 (3) 式可以看出 ,影响 HRT 的主要因素是进 、
出水 水 质 和 生 物 反 应 器 污 泥 浓 度 , 所 以 在 分 置 式
混合液粘滞度 ,降低膜通量 ,进而影响出水水质 。根
据膜过滤凝胶极化模型 ,当过滤达到稳态时 ,膜表面
污泥浓度达到临界值而不再变化 ,即
J = klg ( XgPX)
(1)
式中 J ———膜通量 m3Pm2 ·d ;
Xg ———膜表面污泥浓度 mgPL ;
X ———混合液污泥浓度 mgPL ; k ———传质系数 m3Pm2 ·d 。
邢传红 、文湘华 、钱易等人[9] 经过大量的中试研 究后认为 ,采用 MBR 工艺处理城市污水 ,污泥负荷 、 体积负荷已不再是制约处理效果的重要指标 ,可将 HRT、SRT 作为 MBR 工艺生物反应器单元的设计依 据 ,因为这样不仅能确保工艺操作的长期稳定性 ,而 且能简化设计过程 。 412 有机负荷
泥龄 ,有利于系统中硝化细菌的生长 ,但过高的 MLSS
对于 MBR 正常运行是不利的 ,在运行时应根据具体
的水质 、膜组件及膜生物反应器处理能力探求合理的
MLSS 值 。一般处理低浓度污水宜控制较低的污泥浓
度 ,以尽量提高膜通量 ;而处理高浓度污水宜控制较
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溶解性有机物的平衡 ,设计时可考虑曝气池容积有一 定的调节容量 。这样 ,可降低剩余活性污泥量 ,系统 更能适应冲击负荷 。
张绍园等人[13] 探讨了分置式膜生物反应器 HRT 的影响因素 ,推导了 HRT 的计算公式并给出了简化
式 ,即
1. 1
×(
1 β
-
1) ( Ks
+
L)
HRT =
KS 0
(3)
有很大提高 。
413 MLSS 值
提高 MLSS 值 ,可以缩小生物反应器容积 ,降低
Байду номын сангаас
污泥负荷率 ,提高处理效率 。但 MLSS 的提高意味着
SRT 的增加 ,要求有更高的氧传递速率 ,因为对于每
一种曝气设备 ,超出了它合理的氧传递范围 ,其充氧
动力效率将明显降低 ,同时 MLSS 值的提高还会增大
会 使 MBR 污 泥 中 产 生 胞 外 聚 合 物 ( Extracellular
Polymeric Substances , EPS) [19] ,使混合液的粘度升高 ,
膜过滤阻力变大 。
对 MBR 而言 ,系统具备了一定的抗冲击负荷能
力 。邢传红 、钱易等人用无机陶瓷分置式膜生物反应
器系统研究了不同负荷情况下出水水质变化以及抗
冲击负荷能力 。结果表明 ,当体积 CODCr 负荷分别提 高几倍的情况下 ,出水 CODCr 值基本不变 ,去除率仍 可达 97 %以上[10] , 冲击负荷 过 后 仍 能 恢 复 正 常 水
平[11] 。由此可见 ,膜2生物反应器具有较强的抗冲击
负荷能力和较好的运行稳定性 ,其处理能力较 CAS
关键因素 。 311 膜材料
因膜的材料不同 ,膜分为有机膜和无机膜 2 种 。 常用的有机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 。无机膜主要以金属及金属氧 化物 、陶瓷等为材料 。无机膜可以克服有机膜的某些 缺陷 ,化学稳定性好 、机械性能优异 、水通量大 、不易 污染 、易清洗等 。目前国外已研制出一些无机管式 膜[2] 。虽然目前主要还存在制造成本高 、能耗高等问 题 ,但考虑到 MBR 系统运行的综合效益 ,无机膜比有 机膜仍具有优越性 。 无论采用何种材料和工艺制作膜 ,都要考虑到该 膜是用于污水处理这一目的 。不同的污水其物化性 质差别较大 ,这需要通过试验来确定选择何种膜比较 适用 。目前在日本 ,一些有机膜材料如 PE、PS 经过 改性而具有稳定的亲水性 ,中空纤维膜组件应用于污 水处理时 ,亲水性的膜组件抗污染能力远远超出疏水 性的膜组件[3] 。 312 膜组件 目前应用于 MBR 技术的膜组件主要有中空纤维 膜和管式膜 2 种 ,其中淹没式膜生物反应器多应用中 空纤维膜组件 ,由膜丝两端抽吸出水 ,而分置式膜生 物反应器多采用管式膜组件 。管式膜组件具有流体 力学条件好 、不易堵塞 、容易清洗和对料液预处理要 求低等特点 ,非常适合用于污水处理 ,缺点是造价高 。 中空纤维膜的特点是装填密度高 、造价低 、耐压性好 , 缺点是易堵塞 、阻力损失大 。在实际应用中大多使用 的是外压式 MBR ,这是因为内压式反应器流道较小 , 容易被污泥颗粒堵塞 。
传统 活 性 污 泥 法 ( Conventional Activated Sludge , CAS) 的设计 ,高廷耀 、顾国维[7] 认为 ,容积大小最早 以经验的曝气时间作为主要的设计参数 ,即曝气时间 ×设计流量 = 生物反应器容积 。现在则常以污泥的 有机负荷作为设计参数 。Mogens Henze 等人[8] 认为 , 污泥负荷可用于一般的生物去除工艺 ,而当用于与生 物除磷 、硝化2反硝化作用相关的过程以及利用生长 缓慢的细菌来处理特殊污染物时 ,应采用泥龄法工艺 设计 。若以污泥负荷作为设计依据在很多情况下是 危险而且是困难的 ,甚至是不可能采用的 。