在污水處理中膜生物反應(yīng)器的前景展望
摘 要：在用于處理污水的MBR中通常都維持較高的MLSS(8～12g/L)濃度，這易導(dǎo)致氧傳遞率的降低，從而使運(yùn)行能耗變大。傳遞層特性、氣泡大小和氣泡在混合液中的平均停留時(shí)間都會(huì)影響到氧傳遞率，而后兩項(xiàng)與混合液的粘性關(guān)系密切，MBR中混合和曝氣的效果以及污泥濃度都會(huì)影響混合液的粘性。活性污泥中EPS的生成會(huì)增加混合液的粘性，并且使活性污泥的憎水性增強(qiáng)。
1 MBR應(yīng)用情況
目前，越來(lái)越多的國(guó)家將MBR用于生活污水和工業(yè)廢水的處理。表1中列出了一些發(fā)達(dá)國(guó)家近年來(lái)MBR的應(yīng)用情況。
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注：*原文中單位為inh，估計(jì)是inhabitants的縮寫(xiě) ，其義為人口當(dāng)量，此處按照1 inh=0.5m3/d估算。**污水處理廠仍在設(shè)計(jì)建設(shè)中。***原文中單位為人口當(dāng)量(Population Equivalents，PE)，此處按照1 PE=0.5m3/d估算。
在歐洲大部分國(guó)家由于國(guó)土面積小，地面水體因徑流距離較短而導(dǎo)致其自?xún)裟芰Σ、生態(tài)系統(tǒng)脆弱、易受污染。MBR由于其占地面積小和出水水質(zhì)優(yōu)良，在歐洲受到了相當(dāng)程度的重視，有許多污水處理廠都運(yùn)用MBR工藝進(jìn)行了中試規(guī)模的污水處理研究，并計(jì)劃進(jìn)行工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用。
荷蘭在處理能力為240m3/d的中試取得成功以后，正在建造處理能力為18000m3/d的MBR污水處理廠，并計(jì)劃從2003年開(kāi)始建造處理能力為(6～24)×104m3/d的MBR污水處 理廠。
德國(guó)已經(jīng)建成5家大規(guī)模使用MBR的污水處理廠，累計(jì)處理能力為21000m3/d；另有兩家污水廠已在規(guī)劃中，其中一家位于Kaarst的污水處理廠設(shè)計(jì)服務(wù)人口為8萬(wàn)人，使用膜面 積總計(jì)為88000m2，預(yù)算為4600萬(wàn)德國(guó)馬克，建成后將是世界上最大的使用MBR的污水處理廠。
美國(guó)和加拿大已有許多投入運(yùn)行的MBR污水處理廠取得了較好的效果。
日本對(duì)于MBR的使用較為普遍，主要是用于小區(qū)污水的處理與回用及工業(yè)(如食品、飲料制造業(yè))廢水處理。
荷蘭Xflow公司開(kāi)發(fā)的MBR在生活污水和食品、林業(yè)、造紙等工業(yè)廢水處理中得到了廣泛的應(yīng)用，工業(yè)廢水累計(jì)處理流量為245m3/h，其中一家規(guī)模最大的生活污水處理廠的處理能力為1100m3/h。
2 MBR的優(yōu)勢(shì)與改進(jìn)
2.1 MBR的優(yōu)勢(shì)
MBR與傳統(tǒng)工藝相比有以下明顯優(yōu)勢(shì)：
① 由于取消了二沉池及將污泥濃度提高了2～5倍，減小了占地面積。
② 出水水質(zhì)好，可直接回用。出水中SS低于檢測(cè)限；耐熱大腸桿菌被完全除去，噬菌體數(shù)量比傳統(tǒng)工藝出水低100～1000倍；對(duì)于重金屬的去除很明顯(尤其是Cu、Hg、Pb、Zn等)，但其去除率取決于金屬離子與污泥吸附的程度；有毒的微污染物(如殺蟲(chóng)劑、多環(huán)芳烴等)幾乎全部吸附在污泥上，因此可與SS同時(shí)被去除。
③ 生物處理單元中污泥濃度高、泥齡長(zhǎng)，對(duì)有機(jī)物的去除率高。
④ 對(duì)于氮、磷污染物有較高的去除率，出水可滿(mǎn)足TP＜0.15mg/L、TN＜2.2mg/L的環(huán)境最大容忍限度(Maximum Tolerable Risk，MTR)。
⑤ 污泥產(chǎn)量少，降低了對(duì)剩余污泥處置的費(fèi)用，但MBR污泥的絮體較小且粘度較高。也有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，MBR污泥的濃縮性能和脫水性能與傳統(tǒng)工藝產(chǎn)生的污泥并無(wú)大的差異。
2.2 存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施
MBR在顯示出許多傳統(tǒng)工藝無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)時(shí)，也暴露出一些尚需改進(jìn)的地方，這是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。
2.2.1 預(yù)處理工藝
荷蘭的Bentem等人在進(jìn)行處理能力為10m3/h的MBR中試研究時(shí)，對(duì)4種不同的格柵進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，柵孔的尺寸為0.25～0.75mm。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)原水進(jìn)行預(yù)處理后，原水中的SS可去除30%～60%，這樣可以改變?cè)煞郑瑥亩纳坪罄m(xù)工藝的處理效果， 減輕膜污染，減小剩余污泥產(chǎn)量并改善污泥性狀。隨著SS的去除，COD也有10%～15%的去除。通過(guò)中試，Bentem等人認(rèn)為在使用MBR處理污水時(shí)，采用格柵進(jìn)行預(yù)處理是非常必要的。
2.2.2 膜污染與清洗
膜工藝的一大缺點(diǎn)是膜在運(yùn)行一段時(shí)間以后會(huì)因?yàn)槟な艿轿廴径鴮?dǎo)致膜通量的降低，如何減緩膜污染進(jìn)程從而維持膜通量是應(yīng)用膜工藝時(shí)所面臨的一大挑戰(zhàn)。
英國(guó)學(xué)者認(rèn)為主要有三大因素影響膜污染(見(jiàn)圖1)，即膜本身的性質(zhì)、活性污泥的性質(zhì)和MBR的運(yùn)行條件三者相互影響。膜材質(zhì)決定了膜的親水性和膜孔隙率，膜孔的尺寸則會(huì)影響過(guò)膜壓差(Transmembrane Pressure，TMP)的大；反應(yīng)器的構(gòu)造與錯(cuò)流的速率(Cross Flow Velocity，CFV)將影響到活性污泥中胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)的生成、污泥絮體結(jié)構(gòu)和大小以及溶解物的性質(zhì)；MBR中的HRT/SRT則直接影響到污泥的濃度和EPS的形成與生長(zhǎng)。
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荷蘭研究者在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致膜污染的最重要因素是濾餅層的形成，而原水中的雜質(zhì)、污泥的性質(zhì)、MBR的水力學(xué)特性以及膜清洗等因素都會(huì)影響濾餅層的形成及性質(zhì)。為了防止濾餅層的形成，以下幾點(diǎn)非常重要：
① 選擇透水量衰減速度低的膜，并且控制膜通量；
② 減少M(fèi)BR中的短流區(qū)，避免過(guò)高的裝填度；
③ 選擇合理的膜工作通量；
④ 使污泥絮體顆粒盡量大，此時(shí)濾餅層有較好的透水性；
⑤ 保持生物相的良好生長(zhǎng)，防止EPS和絲狀菌大量產(chǎn)生。
在已經(jīng)出現(xiàn)了較厚的濾餅層后，可通過(guò)下列方法加以去除：
① 保持MBR中流體的高度紊動(dòng)，但注意不要使污泥絮體破碎，否則會(huì)影響膜的透水性；
② 采用變強(qiáng)度曝氣可使污泥層破碎，高錯(cuò)流速度有助于控制濾餅層；
③ 水力反洗可有效去除濾餅層，但只在反洗頻率高時(shí)才有效；
④ 采用間歇出水方式可有效控制濾餅層的形成。
試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，化學(xué)清洗可改善生物污染的狀況，但在用NaClO對(duì)膜進(jìn)行化學(xué)清洗時(shí)會(huì)導(dǎo)致出水中可提取的有機(jī)鹵化物（Extractable Organic Halogens，EOX）濃度升高，所以當(dāng)需要頻繁化學(xué)清洗時(shí)應(yīng)引起重視。
2.2.3 MBR中的氧傳遞率
在用于處理污水的MBR中通常都維持較高的MLSS(8～12g/L)濃度，這易導(dǎo)致氧傳遞率的降低，從而使運(yùn)行能耗變大。傳遞層特性、氣泡大小和氣泡在混合液中的平均停留時(shí)間都會(huì)影響到氧傳遞率，而后兩項(xiàng)與混合液的粘性關(guān)系密切，MBR中混合和曝氣的效果以及污泥濃度都會(huì)影響混合液的粘性。活性污泥中EPS的生成會(huì)增加混合液的粘性，并且使活性污泥的憎水性增強(qiáng)。活性污泥中絲狀菌的生長(zhǎng)導(dǎo)致污泥膨脹從而使混合液粘性增加，此外絲狀菌的新陳代謝還會(huì)產(chǎn)生憎水物質(zhì)，其中可溶性微生物代謝產(chǎn)物(Soluble Microbial Products，SMP)還會(huì)導(dǎo)致膜的污染。
要保持較高的氧傳遞率和降低能耗應(yīng)從兩方面出發(fā)：一是合理選擇曝氣及混合裝置，使混合液有較高的紊動(dòng)；二是調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，使生物相保持良好的生長(zhǎng)狀態(tài)。
2.2.4 污泥濃度的控制
由于MBR可徹底地將污泥與出水分離，從而保證了優(yōu)良的出水水質(zhì)與較高的污泥濃度。因污泥濃度較高，而原水性質(zhì)與傳統(tǒng)工藝相比不會(huì)有太大的差異，從而使得MBR中的F/M較低。
Renze van Houten等人認(rèn)為較低的F/M，一方面可以使產(chǎn)生的剩余污泥量減少而降低了處置剩余污泥的費(fèi)用，但另一方面使得污泥齡變長(zhǎng)。較長(zhǎng)的污泥齡有利于世代期較長(zhǎng)的細(xì)菌生長(zhǎng)(如硝化菌)，但過(guò)長(zhǎng)的污泥齡會(huì)使微生物產(chǎn)生出SMP。若大分子的SMP被截留在MBR中一方面會(huì)污染膜，另一方面SMP會(huì)吸附在氣—水兩相的界面上導(dǎo)致氧傳遞率的降低，而小分子的SMP則會(huì)穿過(guò)膜進(jìn)入出水，導(dǎo)致出水水質(zhì)變差。
低F/M還會(huì)使MBR中產(chǎn)生EPS，使混合液的粘度升高，從而導(dǎo)致污泥的脫水性能變差，膜過(guò)濾阻力變大。
所以，雖然較高的污泥濃度能有效減小MBR的體積，但過(guò)高的污泥濃度對(duì)于MBR正常運(yùn)行是不利的，在運(yùn)行MBR時(shí)應(yīng)控制適當(dāng)?shù)奈勰酀舛取?/p>
3 結(jié)論
綜上所述，MBR在污水處理領(lǐng)域已成為倍受矚目的新工藝，并且得到了廣泛的應(yīng)用。在我國(guó)的能源、土地資源和水資源日益緊張而水體污染又非常嚴(yán)重的情況下，可以預(yù)計(jì)它將有非常廣闊的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用前景。
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