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淺談MBR膜生物反應器在中水回用中的價值

添加時間:2015-11-6  錄入:本站  來源:原創

        膜生物反應器作為中水回用技術將會愈來愈具有經濟、技術上的競爭優勢。預計中水回用將是MBR在我國推廣應用的主要方向。目前我國膜生物反應器在中水回用中的應用實例尚少,需結合我國的經濟發展水平和MBR工藝的特點,進一步加強研究以推動其工程化應用的進程。

    膜生物反應器(MBR)是一種由膜分離單元與生物處理單元相結合的新型水處理技術,與傳統的生化處理技術相比,MBR具有以下主要特點:處理效率高、出水水質好;設備緊湊、占地麵積小;易實現自動控製、運行理簡單。80年代以來,該技術愈來愈受到重視,成為水處理技術研究的一個熱點。

   MBR在我國的應用現狀

   近兩年來,膜生物反應器在國內已進入了實用化階段。 MBR係統的處理對象從生活汙水擴展到高濃度有機廢水和難降解工業廢水,如製藥廢水、化工廢水、食品廢水、屠宰廢水、煙草廢水、豆製品廢水、糞便汙水、黃泔汙水等。從目前的趨勢看,中水回用將是MBR在我國推廣應用的主要方向。MBR對生活汙水、高濃度有機廢水與難降解工業廢水的處理效果良好。

   影響MBR應用的關鍵課題研究

   由於膜通量的提高、膜壽命的延長會大幅度降低MBR的運行費用,因此,在保證出水水質的前提下,膜通量應盡可能大,這樣可減少膜的使用麵積,降低基建費用與運行費用。因此控製膜汙染,保持較高的膜通量,是MBR研究的重要內容。而膜通量與膜材料、操作方式、水力條件等因素密切相關。

   膜的選擇

   現有膜可分為有機膜和無機膜兩種。由於較高的投資成本限製了無機膜生物反應器在我國的廣泛應用,國內MBR係統普遍采用有機膜。常用的膜材料為聚乙烯、聚丙烯等。分離式MBR通常采用超濾膜組件,截留分子量一般在2~30萬。截留分子量越大,初始膜通量越大,但長期運行膜通量未必越大。張洪宇進行無機膜的通量衰減試驗表明:孔徑0.2μm的膜比0.8 μm的膜更適合於MBR。何義亮用PES平板膜組件進行膜通量衰減規律的研究發現:在該試驗條件下,膜初始通量衰減主要是由於濃差極化引起,膜截留分子量愈小,通量衰減率愈大;膜長期運行的通量衰減主要是由於膜汙染引起,膜截留分子量愈大,通量衰減幅度愈大,化學清洗恢複率愈低。對於淹沒式MBR,既可用超濾膜,也可使用微濾膜。由於膜表麵的凝膠層也起到了過濾作用,在處理生活汙水時,微濾膜與超濾膜的出水水質沒有明顯差別,因此淹沒式MBR多采用0.1~0.4 μm微濾膜。

   操作方式的優化

   當膜材料選定後,其物化性質也就基本確定了,操作方式就成為影響膜汙染的主要因素。為了減緩膜汙染,反衝洗是維持分離式MBR穩定運行的重要操作,樊耀波通過確定最佳反衝洗周期,使分離式MBR的膜通量達到60 L/(m2·h)。針對抽吸淹沒式MBR,山本提出間歇式抽吸方式可有效減緩膜汙染。桂萍通過研究進一步指出:縮短抽吸時間或延長停吸時間和增加曝氣量均有利於減緩膜汙染,抽吸時間對膜阻力的上升影響最大,曝氣量其次。

   不僅汙泥濃度、混合液粘度等影響膜通量,混合液本身的過濾性能,如活性汙泥性狀,生物相也影響膜通量的衰減。有研究表明:粉末活性炭與絮凝劑的加入有助於改善泥水分離性能,形成體積更大、粘性更小的汙泥絮體,減少了膜堵塞的機會。但絮凝劑的過量加入會使汙泥活性受到抑製,影響反應器的處理能力和處理效果。

    水力學特性的改善

    改善膜麵附近料液的流體力學條件,如提高流體的膜麵流速,減少濃差極化,使被截留的溶質及時被帶走,能有效降低膜的汙染,保持較高的膜通量。黃霞、何義亮分別采用PAN平板式超濾膜、PAN/PS式膜組件考察不同膜麵循環流速下汙泥濃度對膜通量的影響,發現MLSS 對膜通量的影響程度與膜麵循環流速有關。大量試驗表明:汙泥過膜流態為層流,遠比紊流時易於堵塞,因此從理論上確定不同汙泥濃度下紊流發生的最小膜麵流速(Vmin)有重要意義。邢傳宏、彭躍蓮研究均發現:最小膜麵流速與汙泥濃度之間呈良好的線性關係。但他們對臨界膜麵流速的計算值可能偏高,因為汙泥沿流道流動的過程中,水同時透過膜流出,增加了流體在垂直方向的紊動,從而在一定程度上降低了下臨界雷諾數(Rek)。何義亮的發現證實了這一推論,平板膜組件由紊流到層流的勠攀欀為1083,外壓式膜組件的 Rek為966,均小於一般牛頓流體的下臨界雷諾數2000。

    分離式MBR中,一般采用錯流過濾的方式,這有助於防止膜麵沉積汙染。對於一體式MBR,設計合理的流道結構,提高膜間液體上升流速,使較大的曝氣量起到衝刷膜表麵的錯流過濾效果顯得尤為重要。劉銳通過均勻設計試驗,得到適合活性汙泥流體的膜間液體上升模型,提出反應器結構對液體上升流速的影響:在同樣的曝氣強度下,反應器越高,上升流通道越窄,下降流通道與底部通道越寬,則越能獲得較大的膜間錯流流速。

    能耗

    能耗是汙水處理工藝的一個重要的評價指標,直接關係到處理方法的可行性。目前,常規分離式MBR運行能耗為3~4 kW·h/m3,淹沒式MBR運行能耗為0.6~2 kW·h/m3,高於活性汙泥法的0.3~0.4 kW·h/m3。較高的動力費用是MBR推廣應用中遇到的主要問題之一。許多研究結果也表明:能耗是造成MBR運行費用高的主要原因。張紹園分析了分離式MBR的能耗組成:的熱能損失、曝氣能耗、道阻力能耗、膜組件能耗和回流汙泥水頭損失能耗,其耗能大小依次為:膜組件>>曝氣>道>回流汙泥,膜組件能耗占總能耗的40%~50%,其中 80%用於膜過濾的能量以熱能的方式散發。顧平對抽吸淹沒式MBR的能耗分析表明:曝氣的能耗占總能耗的96%以上。通常研究者都認為能耗的降低與膜汙染的控製是MBR研究領域兩個獨立的課題,而張紹園、鄭祥采用穿流式、錯流式膜組件進行分離式MBR研究發現:能耗隨運行時間的延長、膜汙染的增加呈上升趨勢,從運行初期的不足0. 5 kW·h/m3增加到3 kW·h/m3。這說明:分離式膜生物反應器的能耗問題實質是膜汙染問題。在實際工程中,由於係統各部件的不匹配(如風機、水的實際處理能力高於MBR係統所需)也造成實際運行能耗高於理論能耗值。

    為了進一步降低能耗,顧平應用位差驅動出水和低水頭間斷工作的重力淹沒式MBR,較好地克服了膜的汙染與阻塞,使膜長時間保持較大的膜通量,並且省去複雜的氣水反衝洗設備和降低曝氣量,使MBR處理生活汙水的能耗可下降到1.0 kW·h/m3,該型MBR在實際工程中能耗已降到0.6~0.8 kW·h/m3。

    結論

    盡MBR的運行費用略高於常規生物處理方法,但MBR的處理出水能達到中水回用的目的,且隨著膜製造技術的進步,膜質量的提高和膜製造成本的降低,MBR的投資也會隨之大幅度降低。另外,各種新型膜生物反應器的開發,如在低壓下運行的重力淹沒式MBR、厭氧MBR等與傳統的好氧加壓膜生物反應器相比,其運行費用大幅度下降。因此可以預見,膜生物反應器作為中水回用技術將會愈來愈具有經濟、技術上的競爭優勢。預計中水回用將是MBR在我國推廣應用的主要方向。目前我國膜生物反應器在中水回用中的應用實例尚少,需結合我國的經濟發展水平和MBR工藝的特點,進一步加強研究以推動其工程化應用的進程。

 

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