給水排水工程專業本科畢業論文-文庫吧

【正文】 良好的出水水質，但由于當時膜技術發展相對落后，膜材料種類少，價格昂貴，使用壽命短，限制了該工藝的長期穩定運行，污水膜生物反應器仍然處于初級研究階段。1970年美國的DorrOliver公司和日本的Sankiengineering有限責任公司達成協議，使得該工藝首次進入日本市場。80年代以后，隨著膜制造技術的發展、膜分離工藝的完善、膜清洗方法的改進和污水廠出水水質要求的提高，MBR開始在污水處理行業得到應用。1989年，日本政府聯合許多大公司共同投資進行了為期6年的“90年代水復興計劃（Aqua Renaissance Programme’90）”科研項目，其目的是尋求滿足長期水量需求，解決水污染問題和從污染物中獲取能量。特別是開發一種膜技術與生物反應器相結合來處理工業和城市污水，省能省地，出水水質好，適用于污水回用的工藝。今天，日本已經有數家公司提供成套產品，應用于家庭污水處理和回用以及廢水中COD、NH3N較高的工業領域。MBR（膜生物反應器）工藝的工作原理：首先通過活性污泥來去除水中可生物降解的有機污染物，然后采用膜將凈化后的水和活性污泥進行固液分離。本工程使用的膜為中空絲膜，能夠截留住活性污泥以及絕大多數的懸浮物，取得清澈的出水。為了使得膜能夠連續長期穩定的使用，在中空絲膜的下方以一定強度的空氣不斷對膜進行抖動，既起到為生物氧化供氧作用，又防止活性污泥附著在膜的表面造成膜的污染。其樣例如下圖11： 圖11 中空絲膜樣例：由于聚丙烯中空纖維膜的制備方法采用的是“熔融擠出、拉伸成型”的制膜方法，聚丙烯大分子規則取向，因而膜的強度高，在高強度曝氣和定期的化學清洗過程中，膜不容易斷裂。：聚丙烯中空纖維膜生產過程中，沒有投加任何添加劑和致孔劑等，因而化學穩定性能好，可以采用強酸或者強堿清洗。可以采用含氯消毒劑清洗，以清除膜表面的大量微生物污染。化學清洗后的流量回復性好。圖12膜片示意圖，主要基于以下性能特點：傳統的好氧活性污泥處理工藝，在高污泥負荷的情況運行會出現污泥膨脹現象，使得泥不難于分離導致系統不能正常運行、出水不達標。而MBR工藝是用膜抽吸作用來進行泥水分離，污泥膨脹不會影響MBR系統的正常運行和出水水質，因此運行管理極為方便。傳統的活性污泥工藝的活性污泥濃度一般在3000～5000mg/l，而MBR工藝的活性污泥濃度一般在8000～12000mg/l，且不需生化沉淀池，故大大減少了占地面積和土建投資，其土建占地約為傳統工藝的1/3。中空絲膜能夠截留幾乎所有的微生物，尤其是針對難以沉淀的、增殖速度慢的微生物，因此系統內的生物相極大豐富，活性污泥馴化、增量的過程大大縮短，處理的深度和系統抗沖擊的能力得以加強，處理水質穩定。MBR系統有利于增殖緩慢的硝化細菌的截留、生長和繁殖，系統硝化效率得以提高。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，大大提高了難降解有機物的降解效率。反應器在高容積負荷、低污泥負荷、長泥齡下運行，可以實現基本無剩余污泥排放。中空絲膜所需的吸引壓力僅為－～－，動力消耗低。膜生物反應器易于一體化，且易實現自動控制，操作管理方便；MRB的工藝過程如下圖13：圖13 MBR膜工藝流程膜生物反應器是國際上于20實際60年代開始研究，90年代得到快速發展和應用的一項廢水生物處理新技術，它將膜分離技術和生物反應過程有機結合，以膜技術的高效分離作用取代傳統活性污泥法中的二沉池，實現傳統工藝所無法比擬的泥水分離和污泥濃縮效果，消除了污泥膨脹的影響，并大幅度提高了曝氣池中活性污泥的濃度，省卻了污泥回流系統，大大延長了泥齡，減少了剩余污泥量，并通過膜對廢水中SS，有機物，病原菌和病毒的高效截留作用，大大提高了處理出水水質，并在通常情況下，其處理出水無需進行消毒處理即可達到相關的衛生標準。其簡單組合工藝見圖14：圖14膜生物反應器簡單組合工藝MBR主要由膜組件，泵和生物反應器三部分組成，生物反應器是污染物降解的主要場所，膜是對混合液和對特殊污染物進行分離和萃取的介質，而泵則是為滿足分離和萃取提供所需的動力(壓力)的必需設備(根據泵與膜組件的相對位置不同分為加壓泵和吸壓泵兩類)。按膜組件的作用方式，MBR可分為內壓式和外壓式兩種。內壓式中，水的透過方向是從管內向管外，而外壓式相反。在實際應用中大多使用的是外壓式MBR，因為內壓式MBR流道往往較小，容易被污染顆粒所堵塞。而根據膜組件在膜生物反應器中所起作用的不同，可將其分為：分離膜生物反應器、萃取膜生物反應器和無泡曝氣膜生物反應器三種類型。而目前通常所說的MBR即是此三種類型的總稱。其中分離膜生物反應器是目前研究和應用最廣泛和深入的膜生物反應器，在無特指的情況下，通常稱之為MBR。(1) 膜分離生物反應器將分離工程中的膜技術應用于廢水生物處理，以具有固液分離功能的膜組件替代二沉池所構建的分離膜生物反應器（MBR），不僅借助于其對廢水或混合液中微米級顆粒的截留作用，大大提高了泥水分離的效果，而且可以始終保持高質量的出水，并使污泥膨脹對出水水質的影響減小很多，也使污泥始終處于生物反應器中而持續發揮其功能。固液分離式膜生物反應器也稱為錯流式膜生物反應器。曝氣設備可設在膜組件的下方，產生的氣流向上；或豎直設于膜組件中間，產生水平氣流。曝氣設備產生氣泡，大量氣泡帶動液體形成的水流波動造成的膜元件之間的摩擦，這有助于膜表面污染層的脫落。有機膜組件，尤其是中空纖維類的分離膜更有利于最大程度地利用曝氣產生的氣流。(2) 無泡曝氣膜生物反應傳統的曝氣系統采用的是鼓泡曝氣供氧，動力消耗大，氧氣傳質效率低，無法滿足微生物對氧的需求。因此一種新型高效曝氣工藝一無泡供氧技術應運而生，這種技術的關鍵在其供氧過程中無氣泡產生，供氧效率可高達100%，達到了目前供氧技術的最佳效果。而無泡供氧技術與生物反應器相結合形成了一種新型膜生物反應器，即無泡曝氣膜生物反應器(Membraneaerated biofilm reactor MABR).該技術具有傳氧效率高、硝化與反硝化一體化、污泥發生量小以及運行管理方便等優點，是處理高需氧量廢水的一項新技術。但目前對MABR的研究還僅處于實驗和中試階段，尚未達到大規模工業應用的水平。其裝置示意圖見圖116。圖15 MBR裝置示意圖圖16氧和有機質的擴散示意圖 (3) 萃取膜生物反應器當廢水中含有對微生物有毒害作用的成分(很高濃度的鹽、很大的酸堿度或者是生物難降解的有毒有機物等)時，直接用生化法是不適宜的。此外，廢水中含有揮發性有毒物質時，如采用生化法曝氣，則會發生氣提現象，從而影響處理的穩定性。有這些情況的廢水都需要進行預處理。為了解決這些技術難題，英國學者Livingston于1993年研究開發了萃取式MBR（EMBR）。萃取膜生物反應器能很好處理這些廢水。萃取膜生物反應器中，污泥與廢水并不直接接觸，廢水在膜腔內流動，而活性污泥則在膜外流動。活性污泥中的微生物一般是針對廢水培養出來的專性細菌。采用的膜一般是疏水性的硅橡膠膜，且有選擇透過性，能允許揮發性有機物透過而水及無機成分則無法透過。首先污染物在膜中溶解擴散，再以氣態形式離開膜進入膜另側的混合液中，在混合液中由專性菌分解成COH2O等無機小分子。其裝置示意圖見圖17。圖17萃取式膜生物反應器現在膜萃取技術有限公司已將它全面投入實際生產應用。[8]人用萃取膜生物反應器處理制藥工藝廢水(含有毒揮發性物質如DCM) ，證明不論從技術角度還是從經濟角度，它都優于這類廢水的傳統處理方法，像活性炭吸附法、空氣清洗法、氣提法等。它具有很廣的應用前景。以上三種類型的膜生物反應器的特性比較見表11表11 三類膜生物反應器的優缺點反應器類型優點缺點膜分離生物反應器l 占地面積小；l 徹底去除水中的固體物質；l 出水無需消毒；l COD、營養物質可以在一個單元內被去除；l 高負荷率和低污泥產率；l 流程啟動快；l 系統不受污泥膨脹的影響；l 模塊化、升級改造容易。l 曝氣受到限制；l 膜易受污染；l 膜價格高。膜曝氣生物反應器l 氧利用率高；l 能量利用率高；l 占地面積小；l 氧需要量大，可以在供氧時控制；l 模塊化、升級改造容易。l 膜易于污染；l 基建投資大；l 無實際工程實例；l 工藝復雜。萃取膜生物反應器l 可以處理有毒工業廢水；l 出水流量小；l 模塊化、升級改造容易；l 細菌與廢水隔離。l 基建投資大；l 實際工程實例；l 工藝復雜。又按膜分離技術與生物反應器的組合方式，可分為分置式和一體式（淹沒式）兩種MBR。(4) 一體式膜生物反應器一體式MBR工藝(亦稱之為浸沒式MBR，SMBRSubmerged Membrane BioReactor). 由日本學者Yamamoto等在1989年首先開發，該運行方式將膜放置于生物反應器內部，曝氣裝置設置在膜組件的正下方。原水進入生物反應器后，其有機底物在其高濃度的混合活性污泥的作用下得到氧化分解。膜組件下方設置的曝氣裝置不僅具有為混合液微生物提供足夠DO和促進充分攪拌混合的功能，同時由于氣泡的攪動及其在膜表面形成的循環流而起到對膜表面的沖刷和剪切作用，可有效防止污染物在膜表面的附著和沉積。處理后的廢水經抽水泵的負壓抽提，通過膜的分離作用，而使混合液中的非溶解性物質截留在混合液中，凈化水則通過膜而成為處理出水。其工藝流程圖見圖18。圖18一體式膜生物反應器(5) 分置式膜生物反應器分置式MBR工藝(亦稱之為交叉流MBR，CMBRCrossflow Membrane BIOReactor)。該運行方式將膜與生物反應器分開設置。生物反應器中混合液經抽液泵加壓提送至膜組件，在壓力作用下，混合液中的液相濾過膜組件而成為處理出水。混合液中的不溶性成分(固形物及大分子物質等)則被截留在膜外而成為濃縮液，并通過回流系統返回生物反應器。其工藝流程圖見圖19。圖19 分置示膜生物反應器以上兩種類型的膜生物反應器的特性比較見表12表12 分置式和一體式膜生物反應器的對比分置式MBR一體式MBR主要優點n 運行穩定，操作管理方便。n 膜組件的清洗、更換及增設比較容易。n 生物反應器與膜組件是獨立的系統，彼此之間干擾很小。n 膜組件可與各種生物反應器結合，構成不同的分置式膜生物反應器。n 既能用于厭氧處理，也能用于好氧處理。n 裝置簡單，不需循環泵，只需一臺小流量的抽吸泵、曝氣器和一個反應池即可。n ，可比分置式的少30倍以上。n 操作壓力比較小，遠小于分置式（）。n 結構緊湊，占地少。n 因為不需要循環泵，所以可以避免微生物菌體的失活。n 可以保持長時間的穩定膜通量而無需化學清洗。主要缺點n 為了減少污染物在膜面的沉積，料液流速一般要求要達到很高，動力消耗相應也高。n 由于膜組件置于反應器外部，需要回流泵等裝置，故占地面積相對較大。n 分置式MBR的運行成本高，遠遠高于常規處理。n 單位處理能力小。n 透水率低，膜污染更為嚴重。n 運行不是十分穩定，操作管理上不及分置式容易。綜上所述MBR技術具有許多傳統生物處理工藝無法企及的明顯優勢， 主要可以歸納為以下幾點: ①固液分離效率高， 遠好于傳統的沉淀池，出水水質好，可直接回用，容易實現污水資源化；②反應器內微生物濃度高，種類多樣，泥齡長，對有機物的去除率高，且耐沖擊負荷；③生物反應器內微生物濃度高，MLSS為常規處理工藝的3~10倍，因此使構筑物體積大大縮小；同時剩余污泥產量小，污泥處理費用少；④對于氮、磷污染物有較高的去除率；⑤膜生物反應器實現了反應器泥齡（SRT）和水力停留時間（HRT）的徹底分離，使設計和操作大大簡化；⑥系統可實現全程自動化控制，占地面積小，工藝設備集中。當今，膜污染和能耗這兩個因素，制約著膜生物反應器的大規模應用。而造成高能耗的原因主要是因為膜生物反應器的膜易于污染。必須保持較高的膜面流速來沖刷膜面。這一過程也需要加大曝氣量來實現，從而增加了能耗。因此可見高能耗問題的實質也是膜污染問題。所以，要實現膜生物反應器的廣泛應用，必須解決的問題就是膜污染。（1）膜污染的類型 膜污染是由于被處理物料中的微粒，膠體粒子或溶質分子與膜發生物理化學作用，或因濃度極化使某些溶質在膜表面濃度超過其溶解度，以及機械作用而引起的在膜表面或膜孔內吸附，沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產生透過流量與分離特性的不可逆變化現象。膜污染直接導致了膜通量下降。膜使用壽命大大縮短。膜污染分為可逆和不可逆膜污染，如濃差極化，可通過物理，化學和生物方法來減輕和改善的一類污染為可逆膜污染；而膜孔堵塞，不合理的料液性質使膜受到腐蝕及膜的自身劣化等稱為不可逆膜污染。從污染物的性質又可分為有機污染，如胞外聚合物，溶解性有機物，蛋白質，脂肪及細微膠體等；無機污染，如廢水中碳酸鹽，硫酸鹽，硅酸鹽，凝膠無機膠體等；生物污染，如簾式中空纖維膜組件，其可視為柔性填料，處理不當，微生物易在其上面吸附生長，形成生物膜，造成水通量下降。（2）膜污染的形成根據近年來對于MBR膜污染形成因素的研究，可以得知影響膜污染形成因素主要有三個方面；膜的性質，混合液以及膜分離操作條件。膜的性質主要是指膜材料的物化性質，包括：膜面的電荷性、膜孔徑大小、粗糙度等。膜分離的操作條件主要包括：操作壓力、膜面流速和運行溫度三個方面。混合液的性質主要是指混合液的污泥濃度和組成。而造成膜污染的主要因素是混合液中的活性污泥。 活性污泥的組成是復雜而多變的，其中包括微生物及其代謝產物、大分子有機物、小分子有機物、溶解性有機物以及固體顆粒。理論上講， Tardieu 等人在研究好氧膜生物反應器過程中得出結論，認為數量占優的微生物是導致膜污染的主要因素。而Choo