MBR在生活污水處理與回用中的應用

楊高峰

1 膜生物反應器的原理及分類

膜生物反應器主要是由膜組件和生物反應器兩部分組成。生物反應器是污染物降解的主要場所,而膜組件往往會根據水處理目的而選用不同類型的膜。各種膜生物反應器的差異都源于這兩部分的組合類型及方式。根據膜生物反應器中膜組件的作用,膜生物反應器一般分為3類[1]:1)膜分離生物反應器,主要用于固體的截留與分離;2)無泡曝氣膜生物反應器,主要用于高濃度有機廢水的處理;3)萃取膜生物反應器,一般用于處理工業廢水中的優先污染物。其中以膜分離生物反應器的應用最為廣泛,通常所說的膜生物反應器也主要指該技術[2]。按照膜組件與生物反應器的結合方式,膜生物反應器可分為一體式、分離式和隔離式三類。一體式膜生物反應器是將膜組件浸沒在生物反應器中,有機污染物在生物反應器中進行生物降解,水則通過負壓抽吸從膜組件的外側進入中空纖維再引出;有時也將膜單元安置在生物池的出水端用來代替二沉池。分離式膜生物反應器則是將生物反應器與膜單元分開設置,兩者之間通過泵和管道連接。隔離式膜生物反應器是將污水和生物反應器通過選擇性膜隔開,只允許目標污染物透過該膜進入生物反應器降解。按照生物反應器中微生物生長需氧情況,分為好氧和厭氧兩大類,好氧生物反應器可細分為活性污泥法和生物膜法,厭氧生物反應器又可分為流化床法、UASB法、固定床法、接觸氧化法和兩相法等。按照膜組件中膜孔徑的不同,可分別分為納濾(NF)、超濾(UF)和微濾(MF);按膜材料的不同可分為有機膜與無機膜;按膜形狀的不同可分為平板膜、管式膜和中空纖維膜。

2 膜生物反應器的特點

MBR系統較之傳統的活性污泥系統有以下五個特點:

1)膜組件能夠有效的分離懸浮固體,可以最大限度地將活性污泥截留在生物反應器內。傳統活性污泥法的MLSS最高在5 g/L左右,而MBR系統的M LSS最高可達到 20 g/L左右,從而可以帶來比傳統法更高的有機物去除率。

2)傳統法污泥濃度低,污泥產量高,剩余污泥的處置費用占到廢水處理總成本的50%左右[3]。MBR系統在低F/M條件下運行,污泥產率遠低于傳統法,從而使剩余污泥的處置費用大幅度降低,進而降低廢水的整體處理成本。

3)污泥停留時間的大幅度延長,可使硝化及亞硝化菌等世代時間較長的微生物有效的保留在生物反應器內,從而使MBR系統具有比傳統方法更好的脫氮除磷效果[4]。

4)由于膜生物反應器所需體積減小且無需設置二次沉淀池,MBR系統的占地面積較之傳統方法大大縮小,在一些土地緊張的地區較之傳統方法建設可行性高。

5)與傳統方法比較,膜污染一直是MBR系統中一個難以克服的問題。它使膜的阻力增加,透水率逐漸下降,嚴重影響了MBR系統的處理效果,成為了限制MBR系統廣泛應用的一個主要障礙。

3 膜生物反應器在生活污水處理領域的應用

1967年,美國的Dorroliver公司第一個將MBR運用于城市污水處理的實際運用中,處理水量為14 m3/d;1977年,日本在一幢高層建筑中建成了中水回用的MBR污水處理系統,1980年日本又建成了兩座處理能力分別為10m3/d和50m3/d的MBR污水處理廠。并且有100多處的高樓采用了MBR將污水處理后回用于中水道,這些系統的出水已達到深度處理的標準,并且系統占地面積小、管理方便、剩余污泥少。20世紀90年代中期,日本有39座MBR處理廠在運行,最大的處理能力為500m3/d,MBR技術在日本的糞便污水處理中也得到了廣泛的運用,日本琦玉縣越谷市在1985年采用MBR工藝處理糞便污水,經處理后,出水中不含固形物,COD和色度可大幅度降低,反應器內的污泥濃度可達15000m/L～18000m/L左右,且系統運行穩定;至1994年,日本已有1200多套MBR系統用于處理400多萬人的糞便污水。關于膜生物反應器的研究在我國起步較晚,始于20世紀90年代初。目前國內比較活躍的膜生物反應器廢水處理研究機構有中科院、清華大學、同濟大學、哈爾濱工業大學、華東理工大學等單位。大多數研究集中在城市生活污水處理與回用方面。顧平等采用國產中空纖維膜對生活污水作了中試的膜生物反應器研究,結果表明:MBR工藝出水懸浮物為零,細菌總數優于飲用水標準,COD和氨氮去除率都高于95%,出水可直接回用。

目前,在一些土地狹小、水資源緊張或排水水質要求嚴格的國家和地區,膜生物反應器已經得到了應用并取得了良好的效果。國內外對MBR污水處理工藝的研究非常活躍,說明這一技術具有強大的生命力。隨著膜制造技術的進步,膜質量的提高和成本的降低,膜生物反應器的應用將越來越廣泛。

4 結語

膜分離使污水中的大分子難降解成分在體積有限的生物反應器內有足夠的停留時間,從而達到較高的去除效果。高生物量濃度使MBR工藝能以緊湊的系統獲得較高的有機物去除率。膜生物反應器(MBR)有效克服了與污泥沉降性能有關的限制,并起到了取代二沉池的作用,同時還能達到澄清和除菌的目的。對于已建成的污水處理廠,若改用MBR工藝在不增加反應器容積的情況下,可使處理水量大大提高。MBR工藝具有出水水質優、占地少、易于實現自動控制等許多常規工藝無法比擬的優勢,其在污水處理與回用事業中所起的作用也越來越大,并具有非常廣闊的應用前景。

[1]Stephenson T,Judd S,Jefferson B,et al.Membrane bioreactors for wastewater treatment[M].IWAQPublishing,London,2000:35-39.

[2]趙建偉.膜生物反應器及膜污染的研究進展[J].中國給水排水,2003,19(5):31-34.

[3]Defrance L,Jaffrin M Y.Comparison between filtrations at fixed transmembrane pressure and fixed permeate flux:application to a membrane bioreactor used for wastewater treatment[J].Journal of Membrane Science,1999(152):203-210.

[4]劉錦霞,顧 平.膜生物反應器脫氮除磷工藝的進展[J].城市環境與城市生態,2001,14(2):27-29.

[5]王翠萍.污水處理原理和技術[J].山西建筑,2009,35(13):163-164.