MBR在生活污水处理与回用中的应用

杨高峰

1 膜生物反应器的原理及分类

膜生物反应器主要是由膜组件和生物反应器两部分组成。生物反应器是污染物降解的主要场所,而膜组件往往会根据水处理目的而选用不同类型的膜。各种膜生物反应器的差异都源于这两部分的组合类型及方式。根据膜生物反应器中膜组件的作用,膜生物反应器一般分为3类[1]:1)膜分离生物反应器,主要用于固体的截留与分离;2)无泡曝气膜生物反应器,主要用于高浓度有机废水的处理;3)萃取膜生物反应器,一般用于处理工业废水中的优先污染物。其中以膜分离生物反应器的应用最为广泛,通常所说的膜生物反应器也主要指该技术[2]。按照膜组件与生物反应器的结合方式,膜生物反应器可分为一体式、分离式和隔离式三类。一体式膜生物反应器是将膜组件浸没在生物反应器中,有机污染物在生物反应器中进行生物降解,水则通过负压抽吸从膜组件的外侧进入中空纤维再引出;有时也将膜单元安置在生物池的出水端用来代替二沉池。分离式膜生物反应器则是将生物反应器与膜单元分开设置,两者之间通过泵和管道连接。隔离式膜生物反应器是将污水和生物反应器通过选择性膜隔开,只允许目标污染物透过该膜进入生物反应器降解。按照生物反应器中微生物生长需氧情况,分为好氧和厌氧两大类,好氧生物反应器可细分为活性污泥法和生物膜法,厌氧生物反应器又可分为流化床法、UASB法、固定床法、接触氧化法和两相法等。按照膜组件中膜孔径的不同,可分别分为纳滤(NF)、超滤(UF)和微滤(MF);按膜材料的不同可分为有机膜与无机膜;按膜形状的不同可分为平板膜、管式膜和中空纤维膜。

2 膜生物反应器的特点

MBR系统较之传统的活性污泥系统有以下五个特点:

1)膜组件能够有效的分离悬浮固体,可以最大限度地将活性污泥截留在生物反应器内。传统活性污泥法的MLSS最高在5 g/L左右,而MBR系统的M LSS最高可达到 20 g/L左右,从而可以带来比传统法更高的有机物去除率。

2)传统法污泥浓度低,污泥产量高,剩余污泥的处置费用占到废水处理总成本的50%左右[3]。MBR系统在低F/M条件下运行,污泥产率远低于传统法,从而使剩余污泥的处置费用大幅度降低,进而降低废水的整体处理成本。

3)污泥停留时间的大幅度延长,可使硝化及亚硝化菌等世代时间较长的微生物有效的保留在生物反应器内,从而使MBR系统具有比传统方法更好的脱氮除磷效果[4]。

4)由于膜生物反应器所需体积减小且无需设置二次沉淀池,MBR系统的占地面积较之传统方法大大缩小,在一些土地紧张的地区较之传统方法建设可行性高。

5)与传统方法比较,膜污染一直是MBR系统中一个难以克服的问题。它使膜的阻力增加,透水率逐渐下降,严重影响了MBR系统的处理效果,成为了限制MBR系统广泛应用的一个主要障碍。

3 膜生物反应器在生活污水处理领域的应用

1967年,美国的Dorroliver公司第一个将MBR运用于城市污水处理的实际运用中,处理水量为14 m3/d;1977年,日本在一幢高层建筑中建成了中水回用的MBR污水处理系统,1980年日本又建成了两座处理能力分别为10m3/d和50m3/d的MBR污水处理厂。并且有100多处的高楼采用了MBR将污水处理后回用于中水道,这些系统的出水已达到深度处理的标准,并且系统占地面积小、管理方便、剩余污泥少。20世纪90年代中期,日本有39座MBR处理厂在运行,最大的处理能力为500m3/d,MBR技术在日本的粪便污水处理中也得到了广泛的运用,日本琦玉县越谷市在1985年采用MBR工艺处理粪便污水,经处理后,出水中不含固形物,COD和色度可大幅度降低,反应器内的污泥浓度可达15000m/L～18000m/L左右,且系统运行稳定;至1994年,日本已有1200多套MBR系统用于处理400多万人的粪便污水。关于膜生物反应器的研究在我国起步较晚,始于20世纪90年代初。目前国内比较活跃的膜生物反应器废水处理研究机构有中科院、清华大学、同济大学、哈尔滨工业大学、华东理工大学等单位。大多数研究集中在城市生活污水处理与回用方面。顾平等采用国产中空纤维膜对生活污水作了中试的膜生物反应器研究,结果表明:MBR工艺出水悬浮物为零,细菌总数优于饮用水标准,COD和氨氮去除率都高于95%,出水可直接回用。

目前,在一些土地狭小、水资源紧张或排水水质要求严格的国家和地区,膜生物反应器已经得到了应用并取得了良好的效果。国内外对MBR污水处理工艺的研究非常活跃,说明这一技术具有强大的生命力。随着膜制造技术的进步,膜质量的提高和成本的降低,膜生物反应器的应用将越来越广泛。

4 结语

膜分离使污水中的大分子难降解成分在体积有限的生物反应器内有足够的停留时间,从而达到较高的去除效果。高生物量浓度使MBR工艺能以紧凑的系统获得较高的有机物去除率。膜生物反应器(MBR)有效克服了与污泥沉降性能有关的限制,并起到了取代二沉池的作用,同时还能达到澄清和除菌的目的。对于已建成的污水处理厂,若改用MBR工艺在不增加反应器容积的情况下,可使处理水量大大提高。MBR工艺具有出水水质优、占地少、易于实现自动控制等许多常规工艺无法比拟的优势,其在污水处理与回用事业中所起的作用也越来越大,并具有非常广阔的应用前景。

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

[2]赵建伟.膜生物反应器及膜污染的研究进展[J].中国给水排水,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]刘锦霞,顾 平.膜生物反应器脱氮除磷工艺的进展[J].城市环境与城市生态,2001,14(2):27-29.

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