1、膜生物反應器設計中工藝參數的探討3 摘要膜生物反應器工藝中, 系統構型、膜組件和生物反應器是中試設計中的關鍵因素。對工藝中的設計依據、構型、膜組件和有機負荷、污泥濃度、固體停留時間、水力停留時間等生物反應器的技術參數進行了探討, 為膜生物反應器中試設計提供了幫助。關鍵詞膜生物反應器工藝設計技術參數1引言膜生物反應器(Membrane Bioreactor ,M BR 在污水處理中得到了愈來愈廣泛的研究和應用1。由于M BR 工藝集合了傳統活性污泥法中的生物處理技術和膜的高效截留作用, 使系統出水水質得到大幅度提高, 其優勢明顯優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原水進行

2、預處理。作為一種新型高效的污水深度處理技術, 我國一些科技人員正在對M BR 工藝進行深入的試驗和研究。本文主要針對膜生物反應器中試工藝設計中系統構型、膜及膜組件的選擇和設計依據、有機負荷、污泥濃度(M LSS 、水力停留時間(HRT 、固體停留時間(SRT 等問題進行探討。2系統構型的確定膜生物反應器主要有淹沒式和分置式2種構型。淹沒式膜生物反應器具有體積小、設備緊湊、工作壓力小、無水循環和能耗低等特點, 由于曝氣形成的剪切和紊動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。淹沒式膜生物反應器一般只能用于好氧處理。在設計時, 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器底部曝氣器的精確安放成為關鍵因素。分置式膜生物反應器可以使SRT 和HRT 得到有效控制, 達到較高的有機物去除率, 同時世代時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, 選擇合關鍵因素。311膜材料因膜的材料不同, 膜分為有機膜和無機膜2種。常用的有機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。無機膜主要以金屬及金屬氧化物、

4、陶瓷等為材料。無機膜可以克服有機膜的某些缺陷, 化學穩定性好、機械性能優異、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 系統運行的綜合效益, 無機膜比有機膜仍具有優越性。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差別較大, 這需要通過試驗來確定選擇何種膜比較適用。目前在日本, 一些有機膜材料如PE 、PS 經過改性而具有穩定的親水性, 中空纖維膜組件應用于污水處理時, 親水性的膜組件抗污染能力遠遠超出疏水性的膜組件3。312膜組件目前應用于M BR 技術的膜組件主

5、要有中空纖維膜和管式膜2種, 其中淹沒式膜生物反應器多應用中空纖維膜組件, 由膜絲兩端抽吸出水, 而分置式膜生物反應器多采用管式膜組件。管式膜組件具有流體力學條件好、不易堵塞、容易清洗和對料液預處理要求低等特點, 非常適合用于污水處理, 缺點是造價高。中空纖維膜的特點是裝填密度高、造價低、耐壓性好, 缺點是易堵塞、阻力損失大。在實際應用中大多使用的是外壓式M BR , 這是因為內壓式反應器流道較小, 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表明, 微濾膜和超濾膜均可應用于M BR , 一般膜的孔徑在011014m 之間3,4。優選孔徑分布窄, 單皮層非對稱膜, 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M BR 的運行也會產生影響。吳志超等人6用不同MWC Os 的超濾膜進行了M BR 工藝比較試驗, 結果表明,MWC Os 越大, 膜表面越容易出現濃差極化現象, 清洗周期越短; 兩者對有機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生物反應器的工藝設計411有效容積的設計依據傳統活性污泥法(C onventional Activated Sludge , C AS 的設計, 高廷耀、顧國維7認為, 容積大小最早以經驗的曝氣時間

7、作為主要的設計參數, 即曝氣時間×設計流量=生物反應器容積。現在則常以污泥的有機負荷作為設計參數。M ogens Henze 等人8認為, 污泥負荷可用于一般的生物去除工藝, 而當用于與生物除磷、硝化2反硝化作用相關的過程以及利用生長緩慢的細菌來處理特殊污染物時, 應采用泥齡法工藝設計。若以污泥負荷作為設計依據在很多情況下是危險而且是困難的, 甚至是不可能采用的。邢傳紅、文湘華、錢易等人9經過大量的中試研究后認為, 采用M BR 工藝處理城市污水, 污泥負荷、體積負荷已不再是制約處理效果的重要指標, 可將HRT 、SRT 作為M BR 工藝生物反應器單元的設計依據, 因為這樣不僅能確

8、保工藝操作的長期穩定性, 而且能簡化設計過程。412有機負荷生物反應器中污泥的有機負荷和污泥濃度M LSS 設計的大一些, 生物反應器的容積就可以小一些, 同時這2個參數數值的大小也影響處理效果。就C AS 而言, 一般不采用高負荷而采用常負荷, 即污泥負荷一般<015kg BOD 5P kg M LSS d , 如果要求氮素轉入硝化階段, 一般采用013kg BOD 5P kg M LSS d ,M BR 的有機負荷一般<011kg BOD 5P kg M LSS d , 與C AS 法相當, 而M BR 的體積負荷比C AS 高數倍, 達數kg C OD Cr P m 3d 。

9、但由于M BR 可完全實現泥水分離, 從而保證了優良的出水水質和較高的污泥濃度。因反應器中較高的污泥濃度, 又使得M BR 中的負荷率或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菌的生長, 但過長的污泥齡會使反應器中產生溶解性微生物產物(S oluble Microbial Products ,S MP 。若M BR 中積累一定量的S MP , 不但會加速膜污染, 還會導致出水水質變差。低F P M 還會使M BR 污泥中產生胞外聚合物(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M BR 而言, 系統具備了一定的抗沖擊負荷能力。邢傳紅、錢易等人用無機陶瓷分置式膜生物反應器系統研究了不同負荷情況下出水水質變化以及抗沖擊負荷能力。結果表明, 當體積C OD Cr 負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97%以上10, 沖擊負荷過后仍能恢復正常水平11。由此可見, 膜2生物反應器具有較強的抗沖擊負荷能力和較好的運行穩定性, 其處理能力較C AS 有很大提高。413M LSS 值提高M LSS 值, 可以縮小生物反應器容積, 降低污泥負荷率, 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, 因為對于每一種曝氣設備, 超出了它合理的氧傳遞范圍, 其充氧動力效率將明顯降低, 同時M LSS 值的提高還會增大混合液粘滯度, 降低膜通量, 進而影響出水水質。根據膜過濾凝膠極化模型, 當過濾達到穩態時, 膜表面污泥濃度達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 傳質系數m 3P m 2d 。無論是分置式還是淹沒式膜生物反應器, 膜通量J 與污泥濃度X 的對數均成負線性相關關系, 但系數差異較大。如膜材質為聚砜(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, 有利于系統中硝化細菌的生長, 但過高的M LSS 對于M BR 正常運行是不利的, 在運行時應根據具體的水質、膜組件及膜生物反應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, 以盡量增大有機物去除能力。但由于M BR 處理污水的整體效應明顯好于C AS , 所以M BR中活性污泥的濃度仍高于C AS 。如文獻1報道的大多數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表明12, 隨運行時間的延長,M BR 中污泥濃度持續增長, 而C AS 經常發生污泥膨脹,M LSS 波動很大, 經常<1g P L 。414水力停留時間(HRT 由于M BR 系統可實現HRT 和SRT 的單獨控制, 當選定膜組件后, HRT 也就決定了生物反應器容積的大小和M BR 的產水量。過長的HRT 將直接增大生物反應器的容積, 過短的HRT 將會導致系統內溶解性有機物(S MP 的積累, 進而引起膜通量的下降。所以, 考慮到M BR 系統要獲得硝化處理效果,

14、 同時, 生物反應器不可能設計得很大, 為充分利用設備的充氧能力,HRT 值可設計得長一些, 以盡量維持系統內溶解性有機物的平衡, 設計時可考慮曝氣池容積有一定的調節容量。這樣, 可降低剩余活性污泥量, 系統更能適應沖擊負荷。張紹園等人13探討了分置式膜生物反應器HRT的影響因素, 推導了HRT 的計算公式并給出了簡化式, 即HRT =1. 1×(-1 (K s +L K S 0(3式中出水與進水有機物濃度比;K s 飽合常數mg P L ; L 出水有機物濃度mg P L ; K 底物最大比降解速度常數h-1;S 0回流污泥濃度(以M LVSS 計 mg P L 。從(3 式可以看

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

16、長, 其出水水質存在波動但變化不大, 邢傳紅等10、鄒聯沛等14均證明了這一點。SRT 愈長, 微生物被循環次數愈多, 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, 以減輕膜負荷。當然,SRT 值的大小對M BR 的處理行為以及生物反應器內微生物的特征都會產生影響15,16, 仍需要繼續加以試驗研究。416生物反應器的構造傳統活性污泥系統的生物反應器構型多為長方形。處理水量小的M BR , 其生物反應器宜設計成完全混合式的圓形池, 其底部做成錐形, 根據流體力學原理, 有利于反應器內混合液處于良好的紊動, 保持懸浮狀態, 減小因剪切造成的污泥

17、顆粒破解, 并提高曝氣設備的充氧速率。圓形池與方形池相比, 有利于混合液旋轉并防止死角, 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, 以研究膜通量隨運行時間的變化情況, 但若在膜生物反應器中采用恒流控制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, 系統得以長時間穩定運行。出水動力為進一步降低M BR 的運行能耗, 在淹沒式M BR 設計中省略真空泵而用膜出水端的壓力水頭使膜出水。國外的試驗研究表明, 該系統穩定運行了371d 而沒有進行膜清洗, 且膜清洗后其過濾壓力仍維持在原來的水頭20。5結束語膜生

18、物反應器的設計與工藝參數的確定, 直接關系到M BR 運行及處理效果的成敗。在設計時, 要兼顧進出水水質要求和系統造價、運行能耗等各方面因素綜合考慮, 同時有利于減輕膜污染, 保持系統較長時間的運行可靠性和穩定性。所以, 對M BR 系統進行整體優化設計是非常重要的。參考文獻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. 北京:化學工業出版社,2001. 3張穎

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