菏澤市工業(yè)污水MBR膜工藝

菏澤市工業(yè)污水MBR膜工藝

近年來，生活用水量和工業(yè)用水量都在急速的增加。在城市生活污水的處理過程中，傳統(tǒng)的污水處理工藝已不能滿足當(dāng)前的水處理要求。能源和資源回收在污水處理領(lǐng)域日益受到關(guān)注。將厭氧生物技術(shù)和膜技術(shù)耦合的AnMBR工藝必定有著非常廣闊的研究前景。菏澤市工業(yè)污水MBR膜工藝

　　1、MBR(膜生物反應(yīng)器)發(fā)展歷程

　　MBR(膜生物反應(yīng)器)在我國污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代初。20多年來，MBR技術(shù)在我國的應(yīng)用主要經(jīng)歷5個階段。

　?、?990～2000年：小試、中試以及示范工程。②2000～2003年：小規(guī)模實際應(yīng)用(單個工程規(guī)模達(dá)百噸/日級)。2003～2006年：中等規(guī)模實際應(yīng)用(單個工程規(guī)模達(dá)千噸/日級)。④2006～2010年：2006年我國*座萬噸/日級的MBR工程在北京密云縣污水處理廠投入運行，開始了萬噸/日級規(guī)模工程的推廣應(yīng)用。⑤2010年至今：應(yīng)用規(guī)模不斷擴大(總累計處理規(guī)模超過百萬噸/日)。

　　2006年以來，我國大型MBR(萬噸/日以上級)的增長情況良好。2010年后，大型MBR的數(shù)量和規(guī)模明顯加快，大型MBR的總規(guī)模在2010年突破100萬噸/日，2014年突破400萬噸/日，2015年有望達(dá)到700萬噸/日。MBR現(xiàn)主要用于市政污水、工業(yè)廢水和受污染地表水的處理中。

　　2厭氧膜生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)配置及優(yōu)劣勢

　　對于厭氧膜生物反應(yīng)器的組成構(gòu)件有很多，就是到現(xiàn)在為止我們研究相對較多的是平板膜組件和中空纖維膜組件，對于這兩種不同組件每一種都有其各自的優(yōu)缺點。但是在工業(yè)中污水的處理較多的使用中空纖維膜組件。

　　厭氧膜生物反應(yīng)器技術(shù)在處理生活污水中有著很多的優(yōu)點，當(dāng)我們把這項技術(shù)運用在生活污水處理中的時候，它能很好的實現(xiàn)固液分離，從而達(dá)到很好的處理效果，使出水水質(zhì)很好。當(dāng)我們在使用一項新的技術(shù)時，我們經(jīng)常做的事情就是與過去的技術(shù)相互比較，于是可以得到，厭氧膜生物反應(yīng)器的突出優(yōu)點有：

　　(1)當(dāng)生活污水中有很多的固體廢棄物的時候，使用厭氧膜生物反應(yīng)器技術(shù)，可以很好的分離固體廢棄物，對固體廢棄物處理效果良好，而且很能很好的把固體和液體分離，達(dá)到我們滿意的處理結(jié)果;

　　(2)在使用厭氧膜生物反應(yīng)器的時候，這項技術(shù)比較容易讓人上手，關(guān)鍵是操作起來沒有那么困難，另外還能很好的控制水力停留時間;

　　(3)在整個操作過程當(dāng)中，還有利于保護(hù)微生物，使微生物不會那么容易流失，而且還能控制污泥濃度;

　　(4)由于厭氧膜生物反應(yīng)器中，運用到了生物技術(shù)，所以在使用這項技術(shù)的時候，可以使某些細(xì)菌得到增殖，從而能夠更好的使污水達(dá)到理想的處理效果，這不僅提高了一些細(xì)菌的數(shù)量，還使得更多的有機物得到了充分的分解;

　　(5)在使用厭氧膜生物反應(yīng)器的時候，會使終處理的廢水中污泥的含量低于預(yù)想的結(jié)果，大大降低了污泥處理的費用;

　　(6)使用平板膜的過程中，會產(chǎn)生一定的作用力，而這項作用力可以使污泥絮體的體積有一定的減小，由于該平板膜的快速運動，使污泥的傳氧速度大大提高。

　　3厭氧膜生物反應(yīng)器工藝研究

　　3.1AnMBR典型工藝

　　前面總結(jié)了典型的厭氧膜生物反應(yīng)器的工藝及其處理的廢水類型。AnMBR是由厭氧反應(yīng)器和膜分離耦合而成，常用的厭氧反應(yīng)器有4大類：*混合厭氧反應(yīng)器(CSTR)、厭氧流化床(AFBR)、升流式厭氧污泥床(UASB)以及厭氧污泥膨脹床反應(yīng)器(EGSB)。

　　CSTR—MBR設(shè)備操作簡單，成本較低，應(yīng)用廣泛，但出水水質(zhì)較差，易造成嚴(yán)重的膜污染。相比，CSTR—MBR、UASB—MBR具有污泥顆粒較大，膜污染程度低的特點，在高濃度有機工業(yè)廢水處理的應(yīng)用中具有很大的潛力。EGSB—MBR和AFBR—MBR由于添加了載體，懸浮污泥濃度較低，上清液中溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)明顯少于CSTR—MBR，膜污染程度較低。

　　但由于載體膨脹所需能耗較大，在反應(yīng)器的設(shè)計時載體的種類、顆粒大小的選擇等對膜污染和運行成本有較大的影響。AnMBR工藝主要采用微濾和超濾膜，以中空纖維膜為主，平板膜和管式膜也有少量應(yīng)用。根據(jù)膜組件的設(shè)置位置，AnMBR分為外置式和浸沒式，由于浸沒式占地小、能耗低，多數(shù)研究集中于浸沒式AnMBR，但外置式具有膜組件易清洗和拆卸的特點，常用于膜污染較嚴(yán)重的污水處理工藝。膜材料主要為有機聚合物，包括聚偏氟乙烯(PVDF)，聚醚砜(PES)和聚乙烯(PE)。

　　此外，動態(tài)膜利用膜表面污染物形成的泥餅層作為分離層，一定程度上使膜污染在MBR工藝中由缺陷轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢，且具有易清洗、運行成本低等優(yōu)點，在AnMBR工藝中具有潛在、良好的應(yīng)用前景將動態(tài)微網(wǎng)膜材料應(yīng)用于AnMBR處理城市污水以及高濃度垃圾滲濾液，均得到了較好的處理效果。

　　處理城市污水穩(wěn)定運行時化學(xué)需氧量(COD)去除率穩(wěn)定在79.4%±10.4%;處理高濃度垃圾滲濾液時COD去除率穩(wěn)定在62.2%±1.8%。但仍存在通量不穩(wěn)定、出水水質(zhì)波動較大等缺陷，對其研究還需進(jìn)一步完善。

　　AnMBR工藝的處理對象主要包括低濃度城市污水和高濃度有機廢水，對不同AnMBR工藝在不同類型污水處理中的應(yīng)用以及處理效果做了較為詳細(xì)的總結(jié)。高濃度有機廢水的處理主要采用CSTR—MBR和UASB—MBR兩種工藝類型，而AFBR與膜技術(shù)結(jié)合后具有更高的傳質(zhì)效率和微生物濃度，適于低濃度城市污水處理，近年來受到關(guān)注。

　　采用實驗室級浸沒式AFBR—MBR處理城市污水，采用顆?；钚蕴?GAC)作為載體，由于GAC對膜表面有沖刷作用，膜污染潛勢低，在此基礎(chǔ)上擴大反應(yīng)器規(guī)模至中等規(guī)模，可實現(xiàn)*穩(wěn)定運行(485天)，尤其冬季低溫運行時，COD的去除率達(dá)90%以上，甲烷產(chǎn)量穩(wěn)定，期間沒有對膜進(jìn)行化學(xué)清洗，為AFBR—MBR工藝處理低濃度城市污水提供了一個很好的范例。

　　3.2AnMBR的工藝運行效果及影響因素

　　(1)污染物的去除效果

　　由于膜的截留作用，AnMBR對有機污染物和固體懸浮物(SS)的去除效果相比傳統(tǒng)厭氧工藝有明顯改善。AnMBR工藝在處理一些低濃度合成或?qū)嶋H城市污水以及高濃度有機廢水時的操作條件和運行效果有明顯改善。

　　(2)產(chǎn)甲烷率

　　通過厭氧消化將污水中的COD轉(zhuǎn)變?yōu)榧淄檫M(jìn)行回收利用，產(chǎn)生能量，是厭氧技術(shù)重要的優(yōu)點之一，由此AnMBR工藝的產(chǎn)甲烷率成為運行效果好壞的關(guān)鍵指標(biāo)。甲烷產(chǎn)率受反應(yīng)器構(gòu)型、進(jìn)水水質(zhì)、運行條件等影響較大，不同的溫度、水力停留時間(HRT)等條件下的甲烷產(chǎn)率和純度差別較大。據(jù)不*統(tǒng)計，環(huán)境溫度為25～30℃條件下城市污水處理過程中，典型AnMBR工藝的甲烷量為0.1～0.6L/gCOD，純度在50%～80%之間。

　　(3)影響因素

　　不同類型反應(yīng)器處理城市污水時的典型工藝參數(shù)，包括污泥停留時間(SRT)、水力停留時間(HRT)、有機負(fù)荷以及溫度。An-MBR均在長SRT下(>30天)運行，而不同類型的反應(yīng)器運行的HRT范圍差別較大。CSTR—MBR運行所需HRT較長(>10h);UASB—MBR的HRT一般在10h左右;AFBR—MBR穩(wěn)定運行的HRT短，均不超過8h。

　　污泥負(fù)荷會隨HRT的縮短而增加，可能會對AnMBR的COD去除率、產(chǎn)甲烷率和純度有所影響。但也有研究結(jié)果表明，HRT的降低對出水COD影響不大，這很大程度歸功于膜的截留作用。溫度對厭氧生物降解過程影響較大，高溫時(55℃)微生物活性較高，溫度下降，微生物活性隨之降低，水解速率下降，導(dǎo)致COD的去除率和產(chǎn)甲烷率均降低。

　　尤其當(dāng)溫度降至15℃以下時，甲烷在水中的溶解度升高，使得甲烷回收率急劇下降。但也有研究發(fā)現(xiàn)，*低溫運行可改變厭氧生物反應(yīng)器內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)，氫型產(chǎn)甲烷菌成為優(yōu)勢菌群，可實現(xiàn)穩(wěn)定產(chǎn)甲烷。除溫度和HRT之外，甲烷回收率還受進(jìn)水COD與硫酸鹽比值的嚴(yán)重影響。該比值為6.3gCOD/gS—SO4時，甲烷回收率為57.4%，而在沒有硫酸鹽存在的情況下，甲烷回收率可提高至83%(33℃)。因此，為提高產(chǎn)甲烷率，可從調(diào)節(jié)HRT和溫度，降低進(jìn)水硫酸鹽等方面著手。

　　3.3AnMBR膜污染研究

　　(1)膜污染機理及影響因素

　　溶解性微生物產(chǎn)物SMP及其組成成分是有關(guān)MBR膜污染研究中受關(guān)注的污染物之一，許多研究結(jié)果表明，污泥混合液上清液中的溶解性及膠體物質(zhì)對膜污染阻力的貢獻(xiàn)占到20%～90%。相比AeMBR，AnMBR的混合液理化性質(zhì)有所差異，主要表現(xiàn)在厭氧污泥顆粒粒徑較小，膠體和溶解性有機物濃度較高，導(dǎo)致膜過濾性相對較差。

　　*運行結(jié)果顯示，對于膜孔較小的超濾膜，主要的膜污染機理為泥餅層的形成，在AnMBR運行初期，滲透性下降速率較快;而對于孔徑較大的微濾或超濾膜，更易發(fā)生膜孔阻塞，*運行時膜污染更加嚴(yán)重。對于浸沒式AnMBR，結(jié)合性胞外聚合物(EPS)、絮狀污泥以及混合液中的無機物在膜表面泥餅層的形成過程中起主導(dǎo)作用。

　　通過對AnMBR膜表面泥餅層的深入解析，發(fā)現(xiàn)EPS組分中的中性疏水性物質(zhì)更易在膜表面沉積，成為泥餅層的主要成分。對SMP和溶解性EPS的截留，尤其是對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。研究者將AeMBR和AnMBR在相似操作條件下運行，發(fā)現(xiàn)AnMBR混合液上清液中SMP的含量高達(dá)600mg/L，是AeMBR的5～6倍，且AnMBR混合液SMP組分中蛋白質(zhì)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組件優(yōu)化。膜材料表面改性可改變膜表面的親疏水性，達(dá)到降低膜污染潛勢的目的，表面改性的主要手段包括等離子體處理(空氣、O2、N2等)、表面涂層(表面活性劑吸附)、表面移植(如紫外光誘導(dǎo)移植技術(shù))等。納米材料用于膜表面改性技術(shù)引起廣泛關(guān)注，比如將TiO2。

　　納米顆粒加入以PVDF為基膜的膜表面，該膜對蛋白質(zhì)有較好的抗污染性。膜組件構(gòu)型的優(yōu)化，有利于改善反應(yīng)器的水動力學(xué)條件，減緩膜污染。采用雙軸旋轉(zhuǎn)浸沒式AnMBR處理啤酒廢水，利用膜的旋轉(zhuǎn)，有效改變膜表面三相流特性，減少膜面污染物的沉積，減小泥餅層厚度，穩(wěn)定運行時通量可達(dá)30L/(m2˙h)，降低膜污染的同時降低能耗。

　　污泥混合液理化性質(zhì)調(diào)控。

　　(1)運行條件的優(yōu)化。AnMBR運行過程中污泥混合液理化性質(zhì)主要受溫度、HRT、SRT等運行條件的影響。研究表明，運行溫度的變化嚴(yán)重影響厭氧微生物活性，引起混合液中EPS組成、溶解性有機物濃度以及顆粒粒徑等的變化，從而影響膜污染潛勢。高溫條件下(55℃)，混合液EPS產(chǎn)量降低，厭氧污泥不易聚集，顆粒粒徑減小;而溫度較低時(低于35℃)，混合液中SMP濃度顯著升高，影響膜過濾性。

　　AnMBR一般在長SRT和短HRT下運行，混合液中顆粒大小會隨HRT的縮短而減小，EPS和SMP的濃度增加，膜污染速率加快;但延長HRT，產(chǎn)水量減少，運行成本增加。由于產(chǎn)甲烷厭氧微生物生長較慢，延長SRT可以提高甲烷產(chǎn)率，但是過長的SRT會使得SMP濃度增加，混合液顆粒粒徑減小，更易發(fā)生膜污染。因此，選擇合適的SRT和HRT，對同時提高反應(yīng)器性能并較好控制膜污染至關(guān)重要。

　　吸附劑、混凝劑等的添加。載體的添加，如活性炭、沸石等，一方面能夠通過吸附作用，增加微生物與污染物的作用時間，提高微生物活性，改善混合液理化性質(zhì)，降低溶解性物質(zhì)和膠體顆粒的濃度，同時提高出水水質(zhì);另一方面載體顆粒對膜表面有較強的沖刷作用，能有效減輕膜污染。

　　但是載體的過量投加也會對膜的過濾性產(chǎn)生負(fù)面影響，且載體的成本和對生物環(huán)境的*影響需要進(jìn)一步考慮。添加絮凝劑可使污泥呈團(tuán)粒狀、顆粒增大，明顯改善污泥性狀、減緩膜污染。此外，嘗試包埋技術(shù)固定微生物有利于減少懸浮態(tài)污泥濃度，降低EPS和SMP，也是調(diào)控污泥混合液理化性質(zhì)的有效手段。

　　水動力學(xué)條件的優(yōu)化。

　　(1)反應(yīng)器構(gòu)型優(yōu)化選擇合適的工藝，優(yōu)化反應(yīng)器構(gòu)型，也是改善水動力學(xué)條件、控制膜污染的有效手段。開發(fā)一種新型厭氧旋轉(zhuǎn)盤膜生物反應(yīng)器(ARMBR)，該工藝在浸沒式厭氧膨脹床MBR膜組件中間放置旋轉(zhuǎn)盤，通過載體與膜表面的充分碰撞，來減緩膜污染。反應(yīng)器穩(wěn)定運行100天，沒有進(jìn)行膜清洗，通量控制在11L/(m2˙h)。另外，不同反應(yīng)器構(gòu)型運行過程中所產(chǎn)生的EPS和SMP含量及成分也有較大差別。

　　(2)提高膜面流速在分置式構(gòu)造中，提高錯流速率，增大膜表面剪切力，能夠有效去除膜表面的泥餅層，但流速過大，會造成污泥顆粒變小，SMP濃度升高，使膜污染加劇，影響出水水質(zhì)。在浸沒式構(gòu)造中，通常采用產(chǎn)生的生物沼氣噴射的方式控制膜污染，但當(dāng)生物沼氣產(chǎn)量較小，且不穩(wěn)定時，對膜污染的控制效果有限。

　　臨界通量運行是控制水動力學(xué)條件和膜污染的有效手段。調(diào)研結(jié)果顯示，在AnMBR的*運行中，為減輕膜污染，多數(shù)研究者采取低于臨界通量的運行方式，處理低濃度城市污水時通量一般低于10L/(m2˙h)，處理高濃度有機廢水時通量可能更低。而大型AeMBR處理城市污水的運行通量范圍一般在15～20L/(m2˙h)，因此，盡管低通量運行的膜污染情況較好，但產(chǎn)水量較低，造成實際噸水運行成本升高。

　　(4)膜清洗

　　用于AnMBR膜清洗的方式主要包括物理清洗和化學(xué)清洗。反應(yīng)器運行期間，定期采用間歇運行和反沖洗等物理清洗技術(shù)，可以有效減輕膜污染。利用新型在線超聲技術(shù)對AnMBR膜進(jìn)行清洗，結(jié)果顯示膜表面泥餅層阻力下降達(dá)80.4%，說明該物理清洗技術(shù)可以有效降低膜表面泥餅層阻力，控制膜污染。然而，當(dāng)物理清洗無法恢復(fù)膜過濾性時，需采用化學(xué)清洗技術(shù)減輕膜污染，常用的用于AnMBR膜污染清洗的化學(xué)藥劑有次氯酸鈉(NaClO)、鹽酸、檸檬酸、氫氧化鈉、乙二胺四乙酸二鈉(EDTA)等。

　　4結(jié)語

　　飲用水水源的污染日益嚴(yán)重，對人類的健康帶來了*的危害，對凈水技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。水資源是人類生存所必須的重要資源，由于人類在工業(yè)生產(chǎn)和生活中，制造了大量的污染物質(zhì)，嚴(yán)重污染了水資源，同時也危害了人們的健康，所以，相關(guān)部門需加大污水處理，保障水資源的健康。