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膜生物反应器在生活污水处理中的技术分析

信息来源:www.xahqwater.com 作者:Admin 时间:2019/04/20

近年来,生活用水量和工业用水量都在急速的增加。在城市生活污水的处理过程中,传统的污水处理工艺已不能满足当前的水处理要求。能源和资源回收在污水处理领域日益受到关注。将厌氧生物技术和膜技术耦合的AnMBR工艺必定有着非常广阔的研究前景。
  MBR(膜生物反应器)在我国污水处理领域的应用始于20世纪90年代初。20多年来,MBR技术在我国的应用主要经历5个阶段。①1990~2000年:小试、中试以及示范工程。②2000~2003年:小规模实际应用(单个工程规模达百吨/日级)。2003~2006年:中等规模实际应用(单个工程规模达千吨/日级)。④2006~2010年:2006年我国第一座万吨/日级的MBR工程在北京密云县污水处理厂投入运行,开始了万吨/日级规模工程的推广应用。⑤2010年至今:应用规模不断扩大(总累计处理规模超过百万吨/日)。2006年以来,我国大型MBR(万吨/日以上级)的增长情况良好。2010年后,大型MBR的数量和规模明显加快,大型MBR的总规模在2010年突破100万吨/日,2014年突破400万吨/日,2015年有望达到700万吨/日。MBR现主要用于市政污水、工业废水和受污染地表水的处理中。
  2 厌氧膜生物反应器的结构配置及优劣势
  对于厌氧膜生物反应器的组成构件有很多,就是到现在为止我们研究相对较多的是平板膜组件和中空纤维膜组件,对于这两种不同组件每一种都有其各自的优缺点。但是在工业中污水的处理较多的使用中空纤维膜组件。厌氧膜生物反应器技术在处理生活污水中有着很多的优点,当我们把这项技术运用在生活污水处理中的时候,它能很好的实现固液分离,从而达到很好的处理效果,使出水水质很好。当我们在使用一项新的技术时,我们经常做的事情就是与过去的技术相互比较,于是可以得到,厌氧膜生物反应器的突出优点有:
  (1)当生活污水中有很多的固体废弃物的时候,使用厌氧膜生物反应器技术,可以很好的分离固体废弃物,对固体废弃物处理效果良好,而且很能很好的把固体和液体分离,达到我们满意的处理结果;(2)在使用厌氧膜生物反应器的时候,这项技术比较容易让人上手,关键是操作起来没有那么困难,另外还能很好的控制水力停留时间;(3)在整个操作过程当中,还有利于保护微生物,使微生物不会那么容易流失,而且还能控制污泥浓度;(4)由于厌氧膜生物反应器中,运用到了生物技术,所以在使用这项技术的时候,可以使某些细菌得到增殖,从而能够更好的使污水达到理想的处理效果,这不仅提高了一些细菌的数量,还使得更多的有机物得到了充分的分解;(5)在使用厌氧膜生物反应器的时候,会使最终处理的废水中污泥的含量低于预想的结果,大大降低了污泥处理的费用;(6)使用平板膜的过程中,会产生一定的作用力,而这项作用力可以使污泥絮体的体积有一定的减小,由于该平板膜的快速运动,使污泥的传氧速度大大提高。
  3 厌氧膜生物反应器工艺研究
  3.1 AnMBR典型工艺
  前面总结了典型的厌氧膜生物反应器的工艺及其处理的废水类型。AnMBR是由厌氧反应器和膜分离耦合而成,常用的厌氧反应器有4大类:完全混合厌氧反应器(CSTR)、厌氧流化床(AFBR)、升流式厌氧污泥床(UASB)以及厌氧污泥膨胀床反应器(EGSB)。CSTR―MBR设备操作简单,成本较低,应用广泛,但出水水质较差,易造成严重的膜污染。相比,CSTR―MBR、UASB―MBR具有污泥颗粒较大,膜污染程度低的特点,在高浓度有机工业废水处理的应用中具有很大的潜力。EGSB―MBR和AFBR―MBR由于添加了载体,悬浮污泥浓度较低,上清液中溶解性微生物产物(SMP)明显少于CSTR―MBR,膜污染程度较低。但由于载体膨胀所需能耗较大,在反应器的设计时载体的种类、颗粒大小的选择等对膜污染和运行成本有较大的影响。AnMBR工艺主要采用微滤和超滤膜,以中空纤维膜为主,平板膜和管式膜也有少量应用。根据膜组件的设置位置,AnMBR分为外置式和浸没式,由于浸没式占地小、能耗低,多数研究集中于浸没式AnMBR,但外置式具有膜组件易清洗和拆卸的特点,常用于膜污染较严重的污水处理工艺。膜材料主要为有机聚合物,包括聚偏氟乙烯(PVDF),聚醚砜(PES)和聚乙烯(PE)。此外,动态膜利用膜表面污染物形成的泥饼层作为分离层,一定程度上使膜污染在MBR工艺中由缺陷转变为优势,且具有易清洗、运行成本低等优点,在AnMBR工艺中具有潜在、良好的应用前景将动态微网膜材料应用于AnMBR处理城市污水以及高浓度垃圾渗滤液,均得到了较好的处理效果。处理城市污水稳定运行时化学需氧量(COD)去除率稳定在79.4%±10.4%;处理高浓度垃圾渗滤液时COD去除率稳定在62.2%±1.8%。但仍存在通量不稳定、出水水质波动较大等缺陷,对其研究还需进一步完善。AnMBR工艺的处理对象主要包括低浓度城市污水和高浓度有机废水,对不同AnMBR工艺在不同类型污水处理中的应用以及处理效果做了较为详细的总结。高浓度有机废水的处理主要采用CSTR―MBR和UASB―MBR两种工艺类型,而AFBR与膜技术结合后具有更高的传质效率和微生物浓度,适于低浓度城市污水处理,近年来受到关注。采用实验室级浸没式AFBR―MBR处理城市污水,采用颗粒活性炭(GAC)作为载体,由于GAC对膜表面有冲刷作用,膜污染潜势低,在此基础上扩大反应器规模至中等规模,可实现长期稳定运行(485天),尤其冬季低温运行时,COD的去除率达90%以上,甲烷产量稳定,期间没有对膜进行化学清洗,为AFBR―MBR工艺处理低浓度城市污水提供了一个很好的范例。
  3.2 AnMBR的工艺运行效果及影响因素     (1)污染物的去除效果
  由于膜的截留作用,AnMBR对有机污染物和固体悬浮物(SS)的去除效果相比传统厌氧工艺有明显改善。AnMBR工艺在处理一些低浓度合成或实际城市污水以及高浓度有机废水时的操作条件和运行效果有明显改善。
  (2)产甲烷率
  通过厌氧消化将污水中的COD转变为甲烷进行回收利用,产生能量,是厌氧技术最重要的优点之一,由此AnMBR工艺的产甲烷率成为运行效果好坏的关键指标。甲烷产率受反应器构型、进水水质、运行条件等影响较大,不同的温度、水力停留时间(HRT)等条件下的甲烷产率和纯度差别较大。据不完全统计,环境温度为25~30℃条件下城市污水处理过程中,典型AnMBR工艺的甲烷量为0.1~0.6L/gCOD,纯度在50%~80%之间。
  (3)影响因素
  不同类型反应器处理城市污水时的典型工艺参数,包括污泥停留时间(SRT)、水力停留时间(HRT)、有机负荷以及温度。An-MBR均在长SRT下(>30天)运行,而不同类型的反应器运行的HRT范围差别较大。CSTR―MBR运行所需HRT较长(>10h);UASB―MBR的HRT一般在10h左右;AFBR―MBR稳定运行的HRT最短,均不超过8h。污泥负荷会随HRT的缩短而增加,可能会对AnMBR的COD去除率、产甲烷率和纯度有所影响。但也有研究结果表明,HRT的降低对出水COD影响不大,这很大程度归功于膜的截留作用。温度对厌氧生物降解过程影响较大,高温时(55℃)微生物活性较高,温度下降,微生物活性随之降低,水解速率下降,导致COD的去除率和产甲烷率均降低。尤其当温度降至15℃以下时,甲烷在水中的溶解度升高,使得甲烷回收率急剧下降。但也有研究发现,长期低温运行可改变厌氧生物反应器内微生物群落结构,氢型产甲烷菌成为优势菌群,可实现稳定产甲烷。除温度和HRT之外,甲烷回收率还受进水COD与硫酸盐比值的严重影响。该比值为6.3gCOD/gS―SO4时,甲烷回收率为57.4%,而在没有硫酸盐存在的情况下,甲烷回收率可提高至83%(33℃)。因此,为提高产甲烷率,可从调节HRT和温度,降低进水硫酸盐等方面着手。
  3.3 AnMBR膜污染研究
  (1)膜污染机理及影响因素
  溶解性微生物产物SMP及其组成成分是有关MBR膜污染研究中最受关注的污染物之一,许多研究结果表明,污泥混合液上清液中的溶解性及胶体物质对膜污染阻力的贡献占到20%~90%。相比AeMBR,AnMBR的混合液理化性有所差异,主要表现在厌氧污泥颗粒粒径较小,胶体和溶解性有机物浓度较高,导致膜过滤性相对较差。长期运行结果显示,对于膜孔较小的超滤膜,主要的膜污染机理为泥饼层的形成,在AnMBR运行初期,渗透性下降速率较快;而对于孔径较大的微滤或超滤膜,更易发生膜孔阻塞,长期运行时膜污染更加严重。对于浸没式AnMBR,结合性胞外聚合物(EPS)、絮状污泥以及混合液中的无机物在膜表面泥饼层的形成过程中起主导作用。通过对AnMBR膜表面泥饼层的深入解析,发现EPS组分中的中性疏水性物质更易在膜表面沉积,成为泥饼层的主要成分。对SMP和溶解性EPS的截留,尤其是对其中糖脂蛋白的截留,是造成AnMBR膜污染膜孔阻塞的主要原因。研究者将AeMBR和AnMBR在相似操作条件下运行,发现AnMBR混合液上清液中SMP的含量高达600mg/L,是AeMBR的5~6倍,且AnMBR混合液SMP组分中蛋白质和多糖的比例是AeMBR的2.3倍。
  (2)膜污染控制手段
  膜材料表面改性和膜组件优化。膜材料表面改性可改变膜表面的亲疏水性,达到降低膜污染潜势的目的,表面改性的主要手段包括等离子体处理(空气、O2、N2等)、表面涂层(表面活性剂吸附)、表面移植(如紫外光诱导移植技术)等。纳米材料用于膜表面改性技术引起广泛关注,比如将TiO2。纳米颗粒加入以PVDF为基膜的膜表面,该膜对蛋白质有较好的抗污染性。膜组件构型的优化,有利于改善反应器的水动力学条件,减缓膜污染。采用双轴旋转浸没式AnMBR处理啤酒废水,利用膜的旋转,有效改变膜表面三相流特性,减少膜面污染物的沉积,减小泥饼层厚度,稳定运行时通量可达30L/(m2・h),降低膜污染的同时降低能耗。
  污泥混合液理化性质调控。(1)运行条件的优化。AnMBR运行过程中污泥混合液理化性质主要受温度、HRT、SRT等运行条件的影响。研究表明,运行温度的变化严重影响厌氧微生物活性,引起混合液中EPS组成、溶解性有机物浓度以及颗粒粒径等的变化,从而影响膜污染潜势。高温条件下(55℃),混合液EPS产量降低,厌氧污泥不易聚集,颗粒粒径减小;而温度较低时(低于35℃),混合液中SMP浓度显著升高,影响膜过滤性。AnMBR一般在长SRT和短HRT下运行,混合液中颗粒大小会随HRT的缩短而减小,EPS和SMP的浓度增加,膜污染速率加快;但延长HRT,产水量减少,运行成本增加。由于产甲烷厌氧微生物生长较慢,延长SRT可以提高甲烷产率,但是过长的SRT会使得SMP浓度增加,混合液颗粒粒径减小,更易发生膜污染。因此,选择合适的SRT和HRT,对同时提高反应器性能并较好控制膜污染至关重要。
  吸附剂、混凝剂等的添加。载体的添加,如活性炭、沸石等,一方面能够通过吸附作用,增加微生物与污染物的作用时间,提高微生物活性,改善混合液理化性质,降低溶解性物质和胶体颗粒的浓度,同时提高出水水质;另一方面载体颗粒对膜表面有较强的冲刷作用,能有效减轻膜污染。但是载体的过量投加也会对膜的过滤性产生负面影响,且载体的成本和对生物环境的长期影响需要进一步考虑。添加絮凝剂可使污泥呈团粒状、颗粒增大,明显改善污泥性状、减缓膜污染。此外,尝试包埋技术固定微生物有利于减少悬浮态污泥浓度,降低EPS和SMP,也是调控污泥混合液理化性质的有效手段。     水动力学条件的优化。(1)反应器构型优化选择合适的工艺,优化反应器构型,也是改善水动力学条件、控制膜污染的有效手段。开发一种新型厌氧旋转盘膜生物反应器(ARMBR),该工艺在浸没式厌氧膨胀床MBR膜组件中间放置旋转盘,通过载体与膜表面的充分碰撞,来减缓膜污染。反应器稳定运行100天,没有进行膜清洗,通量控制在11L/(m2・h)。另外,不同反应器构型运行过程中所产生的EPS和SMP含量及成分也有较大差别。(2)提高膜面流速在分置式构造中,提高错流速率,增大膜表面剪切力,能够有效去除膜表面的泥饼层,但流速过大,会造成污泥颗粒变小,SMP浓度升高,使膜污染加剧,影响出水水质。在浸没式构造中,通常采用产生的生物沼气喷射的方式控制膜污染,但当生物沼气产量较小,且不稳定时,对膜污染的控制效果有限。
  临界通量运行是控制水动力学条件和膜污染的有效手段。调研结果显示,在AnMBR的长期运行中,为减轻膜污染,多数研究者采取低于临界通量的运行方式,处理低浓度城市污水时通量一般低于10L/(m2・h),处理高浓度有机废水时通量可能更低。而大型AeMBR处理城市污水的运行通量范围一般在15~20L/(m2・h),因此,尽管低通量运行的膜污染情况较好,但产水量较低,造成实际吨水运行成本升高。
  (4)膜的清洗
  用于AnMBR膜清洗的方式主要包括物理清洗和化学清洗。反应器运行期间,定期采用间歇运行和反冲洗等物理清洗技术,可以有效减轻膜污染。利用新型在线超声技术对AnMBR膜进行清洗,结果显示膜表面泥饼层阻力下降达80.4%,说明该物理清洗技术可以有效降低膜表面泥饼层阻力,控制膜污染。然而,当物理清洗无法恢复膜过滤性时,需采用化学清洗技术减轻膜污染,常用的用于AnMBR膜污染清洗的化学药剂有次氯酸钠(NaClO)、盐酸、柠檬酸、氢氧化钠、乙二胺四乙酸二钠(EDTA)等。
  饮用水水源的污染日益严重,对人类的健康带来了极大的危害,对净水技术提出了新的挑战。水资源是人类生存所必须的重要资源,由于人类在工业生产和生活中,制造了大量的污染物质,严重污染了水源,同时也危害了人们的健康,所以,相关部门需加大污水处理,保障水资源的健康。