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(lái)，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(guò)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(guó)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(lái)，MBR技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用主要經(jīng)歷5個(gè)階段。

　?、?990～2000年：小試、中試以及示范工程。②2000～2003年：小規(guī)模實(shí)際應(yīng)用(單個(gè)工程規(guī)模達(dá)百噸/日級(jí))。2003～2006年：中等規(guī)模實(shí)際應(yīng)用(單個(gè)工程規(guī)模達(dá)千噸/日級(jí))。④2006～2010年：2006年我國(guó)*座萬(wàn)噸/日級(jí)的MBR工程在北京密云縣污水處理廠投入運(yùn)行，開(kāi)始了萬(wàn)噸/日級(jí)規(guī)模工程的推廣應(yīng)用。⑤2010年至今：應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大(總累計(jì)處理規(guī)模超過(guò)百萬(wàn)噸/日)。

　　2006年以來(lái)，我國(guó)大型MBR(萬(wàn)噸/日以上級(jí))的增長(zhǎng)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(wàn)噸/日，2014年突破400萬(wàn)噸/日，2015年有望達(dá)到700萬(wàn)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(shì)

　　對(duì)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(duì)較多的是平板膜組件和中空纖維膜組件，對(duì)于這兩種不同組件每一種都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。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(diǎn)，當(dāng)我們把這項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用在生活污水處理中的時(shí)候，它能很好的實(shí)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?cè)谑褂靡豁?xiàng)新的技術(shù)時(shí)，我們經(jīng)常做的事情就是與過(guò)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(diǎn)有：

　　(1)當(dāng)生活污水中有很多的固體廢棄物的時(shí)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(duì)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(shí)候，這項(xiàng)技術(shù)比較容易讓人上手，關(guān)鍵是操作起來(lái)沒(méi)有那么困難，另外還能很好的控制水力停留時(shí)間;

　　(3)在整個(gè)操作過(guò)程當(dāng)中，還有利于保護(hù)微生物，使微生物不會(huì)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(yùn)用到了生物技術(shù)，所以在使用這項(xiàng)技術(shù)的時(shí)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(jī)物得到了充分的分解;

　　(5)在使用厭氧膜生物反應(yīng)器的時(shí)候，會(huì)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(fèi)用;

　　(6)使用平板膜的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一定的作用力，而這項(xiàng)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(yùn)動(dòng)，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(jiǎn)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(diǎn)，在高濃度有機(jī)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(jì)時(shí)載體的種類、顆粒大小的選擇等對(duì)膜污染和運(yùn)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(méi)式，由于浸沒(méi)式占地小、能耗低，多數(shù)研究集中于浸沒(méi)式AnMBR，但外置式具有膜組件易清洗和拆卸的特點(diǎn)，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(jī)聚合物，包括聚偏氟乙烯(PVDF)，聚醚砜(PES)和聚乙烯(PE)。

　　此外，動(dòng)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(shì)，且具有易清洗、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，在AnMBR工藝中具有潛在、良好的應(yīng)用前景將動(dòng)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(yùn)行時(shí)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(shí)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(dòng)較大等缺陷，對(duì)其研究還需進(jìn)一步完善。

　　AnMBR工藝的處理對(duì)象主要包括低濃度城市污水和高濃度有機(jī)廢水，對(duì)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(jī)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(lái)受到關(guān)注。

　　采用實(shí)驗(yàn)室級(jí)浸沒(méi)式AFBR—MBR處理城市污水，采用顆粒活性炭(GAC)作為載體，由于GAC對(duì)膜表面有沖刷作用，膜污染潛勢(shì)低，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)大反應(yīng)器規(guī)模至中等規(guī)模，可實(shí)現(xiàn)*穩(wěn)定運(yùn)行(485天)，尤其冬季低溫運(yùn)行時(shí)，COD的去除率達(dá)90%以上，甲烷產(chǎn)量穩(wěn)定，期間沒(méi)有對(duì)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(gè)很好的范例。

　　3.2AnMBR的工藝運(yùn)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(duì)有機(jī)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(jī)廢水時(shí)的操作條件和運(yùn)行效果有明顯改善。

　　(2)產(chǎn)甲烷率

　　通過(guò)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(diǎn)之一，由此AnMBR工藝的產(chǎn)甲烷率成為運(yùn)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(yùn)行條件等影響較大，不同的溫度、水力停留時(shí)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(jì)，環(huán)境溫度為25～30℃條件下城市污水處理過(guò)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(shí)的典型工藝參數(shù)，包括污泥停留時(shí)間(SRT)、水力停留時(shí)間(HRT)、有機(jī)負(fù)荷以及溫度。An-MBR均在長(zhǎng)SRT下(>30天)運(yùn)行，而不同類型的反應(yīng)器運(yùn)行的HRT范圍差別較大。CSTR—MBR運(yùn)行所需HRT較長(zhǎng)(>10h);UASB—MBR的HRT一般在10h左右;AFBR—MBR穩(wěn)定運(yùn)行的HRT短，均不超過(guò)8h。

　　污泥負(fù)荷會(huì)隨HRT的縮短而增加，可能會(huì)對(duì)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(duì)出水COD影響不大，這很大程度歸功于膜的截留作用。溫度對(duì)厭氧生物降解過(guò)程影響較大，高溫時(shí)(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(shí)，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(yùn)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(shì)菌群，可實(shí)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(shí)，甲烷回收率為57.4%，而在沒(méi)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(jī)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(duì)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(jī)物濃度較高，導(dǎo)致膜過(guò)濾性相對(duì)較差。

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

　　通過(guò)對(duì)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(duì)SMP和溶解性EPS的截留，尤其是對(duì)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(yùn)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(shì)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(duì)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(dòng)力學(xué)條件，減緩膜污染。采用雙軸旋轉(zhuǎn)浸沒(méi)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(yùn)行時(shí)通量可達(dá)30L/(m2˙h)，降低膜污染的同時(shí)降低能耗。

　　污泥混合液理化性質(zhì)調(diào)控。

　　(1)運(yùn)行條件的優(yōu)化。AnMBR運(yùn)行過(guò)程中污泥混合液理化性質(zhì)主要受溫度、HRT、SRT等運(yùn)行條件的影響。研究表明，運(yùn)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(jī)物濃度以及顆粒粒徑等的變化，從而影響膜污染潛勢(shì)。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(shí)(低于35℃)，混合液中SMP濃度顯著升高，影響膜過(guò)濾性。

　　AnMBR一般在長(zhǎng)SRT和短HRT下運(yùn)行，混合液中顆粒大小會(huì)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(zhǎng)HRT，產(chǎn)水量減少，運(yùn)行成本增加。由于產(chǎn)甲烷厭氧微生物生長(zhǎng)較慢，延長(zhǎng)SRT可以提高甲烷產(chǎn)率，但是過(guò)長(zhǎng)的SRT會(huì)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(duì)同時(shí)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(guò)吸附作用，增加微生物與污染物的作用時(shí)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(shí)提高出水水質(zhì);另一方面載體顆粒對(duì)膜表面有較強(qiáng)的沖刷作用，能有效減輕膜污染。

　　但是載體的過(guò)量投加也會(huì)對(duì)膜的過(guò)濾性產(chǎn)生負(fù)面影響，且載體的成本和對(duì)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(dòng)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(dòng)力學(xué)條件、控制膜污染的有效手段。開(kāi)發(fā)一種新型厭氧旋轉(zhuǎn)盤(pán)膜生物反應(yīng)器(ARMBR)，該工藝在浸沒(méi)式厭氧膨脹床MBR膜組件中間放置旋轉(zhuǎn)盤(pán)，通過(guò)載體與膜表面的充分碰撞，來(lái)減緩膜污染。反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行100天，沒(méi)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(yùn)行過(guò)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(cuò)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(guò)大，會(huì)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(méi)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(shí)，對(duì)膜污染的控制效果有限。

　　臨界通量運(yùn)行是控制水動(dòng)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(yùn)行中，為減輕膜污染，多數(shù)研究者采取低于臨界通量的運(yùn)行方式，處理低濃度城市污水時(shí)通量一般低于10L/(m2˙h)，處理高濃度有機(jī)廢水時(shí)通量可能更低。而大型AeMBR處理城市污水的運(yùn)行通量范圍一般在15～20L/(m2˙h)，因此，盡管低通量運(yùn)行的膜污染情況較好，但產(chǎn)水量較低，造成實(shí)際噸水運(yùn)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(yùn)行期間，定期采用間歇運(yùn)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(duì)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(shuō)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(wú)法恢復(fù)膜過(guò)濾性時(shí)，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(yǔ)

　　飲用水水源的污染日益嚴(yán)重，對(duì)人類的健康帶來(lái)了*的危害，對(duì)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(shí)也危害了人們的健康，所以，相關(guān)部門(mén)需加大污水處理，保障水資源的健康。