膜-生物反应器的研究及其在废水处理中的应用

膜－生物反应器的研究及其在废水处理中的应用* 王建华 徐又一** 朱宝库

(浙江大学 高分子科学与工程学系，杭州 310027)

摘要：本文综述了废水处理领域中的膜－生物反应器的基本特点、应用现状、存在的问题以及国内外研究的进展；重点阐述了膜－生物反应器运行工艺、新型膜材料与器件以及影响膜污染形成的因素与防治措施；并对今后的研究方向进行了展望。 关键词：膜－生物反应器；废水处理；膜污染 中图分类号：TQ028.8 文献标识码：A

膜－生物反应器(Membrane Bioreactor, MBR)是一种膜分离技术与微生物学、生物化学等相结合进行废水处理的新工艺，它主要由“膜组件，生物反应器和物料输送”三部分组成。它与传统的生化污水处理技术相比,具有固液分离效果好、生化效率高、出水水质优、设备集中、占地面积小、污泥浓度高、污泥负荷低、便于管理和自动控制等优点,基本解决了传统的活性污泥法存在的污泥膨胀、污泥浓度低等因素造成的出水水质达不到中水回用要求的问题 [1~3]，在中水回用和废水处理中有广阔的应用前景。 1.MBR的应用现状

经过30多年的发展，膜－生物反应器主要有内置式MBR（Submerged MBR）和外置式MBR（Recirculated MBR）两大类产品，20世纪90年代初已经进入实际应用阶段（表1）。1997年Kubota公司应用 MBR工艺的污水处理厂在英国北部的Porlock建成[4]，用于去除悬浮物、COD/BOD、细菌及氮，最大处理量为1900m3/d，进水BOD＝160mg/l,出水BOD<4mg/l、COD<25mg/l、NH3<1mg/l、浊度（NTU）<0.3mg/l，用NaClO进行膜表面化学清洗(1次/年)，膜的使用寿命达到7年。1999年Zenon公司应用MBR技术对美国科罗拉多州的Arapahoe县的污水处理厂改造成功，处理能力最高为5678m3/d，出水水质(BOD<5mg/l、SS<5mg/l、TP<0.2mg/l、TN<10mg/l)已完全达到可以回用的要求。到2000年已有处理能力高达12700 m3/d规模的废水处理工程。在国内，杭州浙大凯华膜技术有限公司、天津膜天膜工程有限公司等的产品在国内的废水处理领域也都得到了初步应用。

表(1) 国外MBR主要的应用情况[4~5] MBR开发公司 膜（组件）形式 水处理厂 通量 处理能力 截止时间及国家 好氧/厌氧 /（个） /L?m2?h-1 / （m3/d） /（年） Zenon 内置；中空纤维 150 30 340－5500 1998加拿大 管式，微滤，好氧Wehrle WerkAG 外置；管式膜 41 100 <10-4110 1999德国 超滤 ， 好氧Orelis 内置，外置； 100～125 <7－1000 1999法国 平板膜，超滤，好氧Kubota内置；平板膜 237 25 10－7100 1999日本 微滤 ，好氧 AquaTech外置；管式膜 >20 100 40-3000 2000 韩国 超滤，好氧

W.J.Davies [ 6] 等对SMBR与传统活性污泥法（ASP）的经济性进行了比较，结果如表2所示。可以看到：废水处理规模扩大有利于降低运行费用和占地等的投资成本（SMBR法的占地为ASP法的1/3－1/2），从而使单位废水处理成本降低；SMBR的出水水质优于ASP法(BOD为4mg/l，NH4－N为5 mg/l)，且污泥产率为0.26 Kg sludge/Kg BOD,仅为ASP法的30％。然而，其中膜更换费用所占的比例较大(约为40－75％)。因此降低膜成本、提高单位膜面积的处理能力是MBR能否大规模推广应用的关键。 表(2) SMBR与ASP的经济性比较[ 6]

参数 MBR MBR ASP ASP

最大处理能力(m3/d) 1400 22500 1400 22500 平均处理能力(m3/d) 650 10500 650 10500

占地 7000 136429 21900 325573

人力 20000 29531 20000 50000

膜更换 30000 460653

每年运行费用 753730 602110 562000 364730 总处理费用(英镑/m3) 0.115 0.062 0.132 0.049

此外，与SMBR相比较，由于RMBR流体的外部循环需要较高的膜面流速（一般要求2－5m/s）和较高的膜驱动压力（Transmembrane Pressure ,TMP）,以减少膜污染和维持较高的膜通量，因此，目前RMBR的动力消耗相对较高。表(3)列出了Zenon公司的RMBR(Z-8管式膜组件)和SMBR(Z－W500中空纤维膜组件)能耗比较的结果。从表中可以看到SMBR的操作压力低，每m3废水处理的能耗是RMBR的1/10-1/20,这是内置式膜组件及SMBR得到更广泛应用的主要原因。顾国维[5]等比较了不同研究者关于SMBR与RMBR的能耗对比数据后认为，能耗与通量、膜污染、污泥浓度、曝气量与方式、系统规模、泵及流程设计等因素均有关系。除了控制膜污染的因素之外，工艺流程进行优化设计是降低能耗的关键。

表(3) Zenon公司膜组件在RMBR与SMBR工艺中运行条件的比较[7]

单位 外置式 内置式系统 单泵循环系统 膜组件型号Z－8ZW－500膜通量

L/m2?h 50－100 20－50操作压力 kPa 400 20－50膜表面流体线速度 m/s 3－5 － 曝气量Nm3/h －40循环比（进料量/透过量 25－75 －过滤能耗 kW?h/m3 4－12 0.3－0.6

德国的Gunder[8]等人通过对比Kubota公司的平板膜和Zenon公司的中空纤维膜发现：在相同的水质和工作压力条件下，出水水质没有明显的差异，而平板膜单位膜面积的膜通量则高于中空纤维膜，表现出较低的膜阻力特性。

为了进一步提高MBR的性价比，目前MBR研究的热点主要为：低成本、高强度、耐污染、大通量的膜材料与组件的研制；新型MBR的研制及其工艺条件的优化；系统运行能耗的降低；膜污染的控制与清洗等。 2.国内外MBR的研究进展 2.1膜分离新材料的研制

在MBR废水处理技术中，由于生物降解（活性污泥）技术已基本成熟，因此研究与开发具有通量大、强度高、耐酸碱与微生物腐蚀、耐污染、低成本的微滤或超滤膜材料与组件已成为MBR规模化应用的关键。目前，美国、加拿大、法国、日本等国家已成功地把PE 、PES、PVDF等材料制备的微滤/超滤膜应用到MBR中。我国一些从事环保专业的人员在研究MBR时多采用价格较高的进口膜材料及组件，限制了MBR的推广应用。目前浙江大学研制成功的PP中空纤维微滤膜组件、天津工业大学研究的PVDF及中科院生态环境研究所研制的PS等中空纤维超滤膜组件，都进行了MBR的一些初步应用。由于PE、PP等聚烯烃材料属于通用型大品种塑料，用其制得的中空纤维膜具有强度高、通量大、耐酸碱、耐污染、耐生物腐蚀、成本低等特点，是较适合MBR应用的膜材料[9]。 此外，超薄有机/多孔无机复合膜、有机/无纺布复合平板膜的研制与应用也是当前MBR的研究热点之一。 2.2制膜新方法的研究

材料本身的结构与性能决定了可以选用的制膜方法以及膜的形态及结构。同时，相同的材料采用不同的制膜工艺也可以制得不同的结构与性能的膜。以PVDF为例，当采用相转变法时可以制备超滤膜与微滤膜，但存在强度低、成本高等缺点；采用复合技术把PVDF复合到无纺布或多孔烧结管上制备平板膜、管式膜；采 …… 此处隐藏：4256字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……