1、Progress of membrane coupled anaerobic bioreactor inwastewater treatmentBai Ling 1,2,Lan Weiguang 1,3,Wan Jinbao 1(1.College of Environmental Science and Engineering ,Nanchang University ,Nanchang 330047,China ;2.College of Natural Science ,Jiangxi Agricultural University ,Nanchang 330045,China ;3.S

2、inomem Technology Limited ,Singapore 569095,Singapore 厭氧膜生物反應器在廢水處理中的研究進展白玲1,2,藍偉光1,3,萬金保1(1.南昌大學環境科學與工程學院,江西南昌330047;2.江西農業大學理學院,江西南昌330045;3.新達科技集團,新加坡569095摘要厭氧膜生物反應器是一種處理高濃度有機廢水的有效工藝。綜述了厭氧膜生物反應器的特征,在工業廢水處理中的應用以及低溫下厭氧處理低濃度廢水的效果,并展望了厭氧膜生物反應器的應用前景。關鍵詞廢水處理;厭氧膜生物反應器;膜通量中圖分類號X703.1文獻標識碼A文章編號1005-829X

3、(200709-0016-05Abstract :Membrane coupled anaerobic bioreactor is a kind of effective technique applied to treat highly concentrated organic wastewater.New development of membrane coupled anaerobic bioreactor in wastewater treatment is reviewed ,including its characteristics ,application to industri

4、al treatment and to anaerobic treatment of wastewater with low concentration under psychrophilic conditions.The application prospect in future are probed into.Key words :wastewater treatment ;membrane coupled anaerobic bioreactor ;membrane flux第27卷第9期2007年9月工業水處理Industrial Water TreatmentVol.27No.9S

5、ep.,2007膜生物反應器(Membrane Bioreactor ,MBR 是將酶、微生物或動、植物細胞等固定在具有特定化學性質的聚合物膜面上或膜腔內,或將游離的酶、微生物或動、植物細胞限制在特定的空間范圍內,以實現廢水的生化反應與分離同時進行的一種特殊反應器。膜生物反應器最早用于微生物發酵工業,在廢水處理領域中的應用研究始于20世紀60年代,最初主要用于處理生活污水,20世紀90年代以來,其在工業廢水處理中的應用研究應用逐漸受到重視。我國對膜生物反應器的研究雖然起步較晚,但發展非常迅速。近30年來,膜生物反應器已經逐步應用于市政污水和工業廢水的處理之中1,2。隨著世界能源的日益短缺、廢水

6、污染負荷的日益加大及廢水中污染物種類的日趨復雜化,廢水厭氧生物技術以其投資省、能耗低、可回收利用沼氣能源、負荷高、產泥少、耐沖擊負荷等優點,受到人們的關心和重視。厭氧生物處理(Anaerobic BiologicalTreatment 是指在無溶解氧的條件下,通過厭氧微生物的作用,將污水中所含有的各種復雜有機物,如碳水化合物(糖、脂肪、蛋白質等經厭氧分解轉化成無機物和少量的細胞產物(沼氣和水,從而達到廢水處理和能源回收的目的。厭氧生物處理技術是處理有機廢水的有效手段,但該技術在過去的100年里發展緩慢,原因是厭氧工藝要求保持較高的微生物濃度、較長的污泥齡和較短的水力停留時間,使其應用受到一定的

7、限制。膜分離技術與厭氧工藝的結合則克服了以上的不足,并成為高效厭氧處理系統(厭氧反應器的發展方向。厭氧膜生物反應器(Membranecoupled anaerobic bioreactor ,MCAB 是把膜技術作為生物系統出水過濾的末端處理單元3,4,用于許多生物和非生物污染的去除5。高效厭氧處理系統指水力停留時間(HRT 與固體平均停留時間(SRT 相分離的系統,該系統在高水力負荷時必須保持反應器內較高的生物濃度,并能保證污水和反應器內的污泥之間良好的接觸。到目前為止世界上已有40多個國家從事這方面的研究和應用,已有數千臺高效16厭氧反應器在實際生產中使用。MCAB主要用于處理工業廢水和垃

8、圾滲濾液。在生活污水中應用較少5,也可用于處理難生物降解的有機廢水6,是一種處理高濃度有機廢水的有效工藝712,已成為國外如WERF(Water Environmen-tal Research Foundation等協會研究的重點之一13。1MCAB的特點和存在的問題1.1負荷率高厭氧MBR的COD負荷在2.950kg/(m3d, COD的去除率在85%97%。而好氧MBR一般在1.230kg/(m3d,COD的去除率在90%97%。因此厭氧MBR特別適合處理高濃度有機廢水,同時,可減小反應器體積,使占地面積減小。厭氧菌生長速度慢而處理的污水濃度高時,意味著SRT通常較長,一般以天為單位。而好

9、氧MBR一般以小時為單位。T.H.Yoon等14采用混合MBR系統(包括缺氧、厭氧和好氧池處理市政廢水,當SRT高達50d時,提高了N的去除率,高達71.7%,且運行穩定。1.2產氣量甲烷是MCAB工藝的最終產物,也是一種有用的氣體。其產熱率根據所產生的生物氣體含二氧化碳的不同約為2226MJ/m3。報道的甲烷產率(以單位COD計為0.170.29m3/kg,但實際產率與污水的來源及操作條件有很大關系。當甲烷比率為65% 75%時,表示系統運行良好。因此可通過產氣量的變化來判斷系統的運行情況,一旦發生異常,可調整操作參數使系統在最佳狀態下運行。另一方面運行過程中可利用甲烷降低能耗。D.Jeis

10、on等15研究了在厭氧MBR廢水處理中通過過膜壓差(TMP的穩定狀態評價進行在線濾餅層的管理。且在運行中采用將系統產生的生物氣循環至MCAB的方法,大大降低了能耗。1.3膜通量大部分MCAB的構型是外置式的。外置式膜生物反應器是將膜過濾裝置與反應器分開設置的膜生物反應器。因為在MCAB中缺少空氣鼓泡,所以外置式MCAB需要通過水泵來進行液體循環以改善污染狀況。有報告說在采用外置式MCAB處理玉米加工廢水時,循環比為16的情況下原水和污泥的混合條件非常好,缺點是能耗高,且膜通量較小。為了改善這種狀況,近年來的研究多集中在對浸沒式MCAB的研究。浸沒式膜生物反應器則是將膜組件放入反應器中直接對膜進

11、行抽吸,使混合液經膜過濾而得到過濾出水,能耗低、膜通量較大、結構更為緊湊。N.Ren等16研究了用浸沒式MCAB處理高濃度醫藥廢水,用誤差反向傳播人工神經網絡(BPANN優化操作參數,能有效減輕膜污染,膜通量為8.0 20.0L/(m2h。王志偉等17,18試驗用一體式厭氧膜生物反應器處理上海冠生園集團華光釀酒藥業有限公司的高濃度有機廢水,研究了三種不同材質的膜(PAN、PES和PVDF的過濾特性。并通過數據擬合得出不同的膜通量和膜阻力隨時間的數學模型表達式。結果表明,在相同的操作條件下,PAN膜通量維持在一個較高水平,膜污染速度增長緩慢,是該試驗條件下厭氧膜生物反應器的最佳膜材質。研究表明M

12、CAB進水平均COD C r為25764mg/L,COD C r容積負荷為5.28kg/(m3d,平均出水CODC r為1294.5 mg/L,平均去除率為95%,但出水不達標,還要進行后續處理。對SS、濁度和色度有較好的處理效果。膜污染是影響膜通量的主要因素之一。膜污染是膜應用的一個技術障礙,因此對膜污染特性的研究尤為重要,是研究開發相應的膜污染控制技術的前提和基礎。K.H.Choo等13研究了分置式厭氧膜生物反應器的運行狀況,發現膜外部污染是內部污染的30倍。S.Elmaleh等8的研究表明膜污染主要是由于顆粒的沉積造成的,并且認為錯流達到一定程度后,可以避免顆粒沉積。K.H.Choo等研

13、究了厭氧膜生物反應器污泥混合液組分對膜污染的影響,結果表明膜污染阻力主要是泥餅層阻力而且主要是由污泥混合液中的細小膠體顆粒所造成的阻力。這些試驗研究主要是對分置式厭氧膜生物反應器的污染性能的研究。B.D.Cho等19研究了厭氧生物反應器錯流微濾系統在次臨界通量的操作條件下的污染特性。I.J.Kang等20對外置式厭氧MBR處理酒廠廢水中的有機膜和無機膜的過濾特性進行了比較:對有機膜和無機膜,濾餅層阻力分別占37%和4%,內部污染阻力分別占56%和90%。無機膜由于價格昂貴,實際使用較少。研究表明反沖洗和回流方式能有效地減輕膜污染。有機膜用酸性(pH2.0反沖洗,膜通量增加兩倍;無機膜用堿性反沖

14、洗,提高了膜通量,且采用回流方式能獲得更高的膜通量。清洗方法可以是在線和離線清洗。王志偉等21研究了一體式MCAB在處理酒廠高濃度有機廢水時的膜污染特性。試驗分析了膜阻力分布狀況。結果表明,外部阻力(濃差極化阻力和泥餅層阻力之和占總阻力的98%,小于膜孔的物質進入膜孔內引起堵塞與吸附白玲,等:厭氧膜生物反應器在廢水處理中的研究進展工業水處理2007-09,27(917而形成的內部阻力僅占總阻力的2%。比較I.J.Kang 和王志偉的研究差異較大,可能是MCAB的構型不同所致,有待于進一步研究。方緒亮等22用厭氧超濾膜生物反應器處理高濃度食品廢水,考察了超濾膜表面形貌對膜通量衰減的影響。結果表明

15、,超濾膜的表面形貌對厭氧膜生物反應器的膜污染產生重要影響,并且膜表面形貌愈粗糙,膜通量下降愈嚴重;膜表面形貌影響膜通量的恢復,膜表面形貌愈粗糙,清洗效果就愈差,恢復率就愈低。因此,對于膜通量的改善主要應從以下方面進行:(1優化膜組件的設計和MCAB的構型;(2優化工藝操作條件;(3膜類型和膜材料的選擇。通過膜通量的改善以求達到經濟和高效的目的。1.4存在的問題目前,MCAB工藝尚存在以下幾方面的問題: (1厭氧生物處理啟動時間較長;(2運行管理較為復雜;(3可能造成二次污染,故系統的各處理構筑物應盡可能做成密封,以防臭氣散發;(4不能完全去除廢水中的氮和磷,去除有機物不徹底,故常與好氧處理相配

16、合。國內外已對快速啟動厭氧生物反應器的方法進行了大量研究23,包括投加無機絮凝劑或高聚物,投加細微顆粒物及選擇快速啟動技術,對廢水處理的工程實踐具有一定的指導意義。2MCAB在工業廢水處理中的應用工業廢水中有機物濃度很高,有的還含有毒性物質,此外許多工業廢水中含有烴類化合物和表面活性劑等污染物質。對此類廢水的處理普遍認為厭氧法較好氧法經濟,但不同的厭氧工藝都要求較高的微生物的濃度、較長的泥齡、較短的水力停留時間,使厭氧工藝受到了限制,而膜分離技術和厭氧工藝的結合使上述問題迎刃而解。膜組件能夠將所有的生物固體截留在生物反應器中,同時也能將大分子污染物截留在反應器中,這樣可使廢水中的難降解物質在高

17、污泥濃度和很長的污泥停留時間下最終被生物降解。這兩者的結合是一種相互補充、相互協調的關系。因此,厭氧膜生物反應器必將在工業廢水的處理中得到更廣泛的研究和應用。1987年,南非成功地建成了一套厭氧MBR處理玉米加工廢水的裝置。它采用分置式聚醚砜管式膜組件,處理水量可達500m3/d。其進水中含有溶解性無機物、蛋白質、氨基酸及其他含氮有機物、乳酸、糖和分散的顆粒物(淀粉、面筋纖維和粉末活性炭。其中有機物主要有天然淀粉、葡萄糖及副產品如面筋(20%的蛋白質、玉米面筋(60%的蛋白質和玉米芽(50%的油塊等。處理后,COD去除率為97%,出水SS為0。A.F.Razi24采用厭氧膜生物反應器處理釀酒廢

18、水。該工藝采用超濾膜組件,其切割相對分子質量為10000,進水為新西蘭Ohlssons釀酒廠的各廢水排放口所收集的混合廢水。該廢水中含有濃度很高的碳水化合物,而氮元素的含量很低。實驗結果表明,厭氧MBR具有很好的截留微生物的能力,可以使系統在很高的SRT條件下運行,對進水COD的抗沖擊負荷能力強,出水水質好。Strohwald等采用厭氧膜生物反應器處理釀酒廢水,在容積負荷為15 kg/(m3d,HRT為0.50.8d條件下,COD去除率可達96%99%。W.Fuchs等25用外置式MCAB處理3種高濃度有機廢水(人工配水、蔬菜加工廢水和動物屠宰場廢水,COD去除率均大于90%,出水COD在10

19、0400mg/L范圍內。何義亮等11用厭氧膜生物反應器對高濃度食品廢水進行中試研究,實驗結果表明,SS去除率為100%,色度去除率98%,膜對細菌截留率為99.9%, COD的去除率與VFA濃度有關,隨著VFA濃度積累提高,COD的去除率下降,當積累至2000mg/L 以上時,COD去除率迅速下降,系統受到抑制。管運濤26用兩相厭氧膜生物系統對人工配制淀粉廢水的處理進行了研究,在進水COD15007000mg/L, SS10004000mg/L,BOD5000mg/L條件下,COD 的去除率在95%以上,SS去除率在92%以上。此外,利用膜系統與高效厭氧生物反應器的結合,厭氧工藝與好氧MBR結

20、合處理工業廢水也獲得了良好的效果。N.Ren等16采用兩相厭氧MBR 處理高濃度傳統中國醫藥廢水,運行了452d,COD 的去除率為90%99.8%。J.Shin等27利用浸沒式MBR和厭氧升流床過濾(AUBF反應器處理豬場廢水,提高了COD和氮的去除率。COD、氮和總氮的去除率分別為91%、99%和60%。劉超翔等進行的毛染廢水處理中試研究的結果表明,好氧MBR與厭氧酸化預處理的聯合使用可進一步提高系統對COD和色度的去除效果,系統出水COD20mg/L,無SS,色度4度,水質明顯優于接觸氧化處理工藝。崔學剛等通過厭氧工藝與MBR相結合處理化工廢水,結果表明系統出水水質穩定,抗沖擊負荷能力強

21、,COD的去除率大于95%,SS的去除率大于99.5%。專論與綜述工業水處理2007-09,27(9 183低溫厭氧處理低濃度廢水近20年,廢水的厭氧消化技術取得了巨大的進展,隨著高效厭氧反應器的發展,大規模厭氧污水處理廠逐年增加。但是到目前為止,大多數厭氧反應器都是在中溫條件下(3035處理中、高濃度的廢水。近幾年來,厭氧技術的一個挑戰28就是將其用于低溫(20條件下處理低濃度廢水(COD 1000mg/L,包括酒精廠、飲料廠、水果和蔬菜罐頭廠、啤酒廠、造紙工業等工業廢水以及城市生活污水。若將其加熱到中溫消化,治理費用將大大增加。因此,直接在低溫下厭氧處理低濃度廢水,無疑是一種很有吸引力的技

22、術。W.Cheng等5設計的厭氧膜生物反應器,厭氧污泥床上部放置細纖維填料以防止在高的水力負荷下污泥洗出。中空纖維膜浸沒于反應器頂部,膜材質是聚乙烯,孔徑0.03m,過濾面積0.3m2。采用該反應器處理清華大學的生活污水,試驗溫度范圍1227。當溫度15時,生物反應器的COD去除率20,COD去除率85%。由此可見,低溫下采用膜生物反應器可達到穩定的去除效果。4MCAB應用展望(1MCAB在實驗室研究較多,實際應用較少。應加強其在高濃度有機廢水處理領域中的實際應用。(2加強常(低溫下的MCAB水處理技術研究,使其能得到工業化應用。(3充分利用MCAB系統中產生的生物氣作為能源代替過濾過程所需的

23、能量,使MCAB系統更為經濟可行。(4促進各種高效厭氧生物反應器與膜濾系統的結合,使之更為高效和經濟,并得到更為廣泛的應用。(5MCAB可作為特種廢水或難降解廢水的優良前處理過程。再根據水質的類型,結合好氧MBR、納濾和反滲透進行處理,以使出水達標排放。參考文獻1Cicek N.A review of membrane bioreactors and their potential appli-cation in the treatment of agricultural wastewaterJ.Canadian Biosystems Engineering,2003,45:637-649.2

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