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復合式膜生物反應器廢水處理技術研究進展

信息來源: 本站 | 發布日期: 2016-08-26 | 瀏覽量:
詳細描述:工業水處理

  近年來,隨著經濟的發展,環境的惡化,對凈水技術的要求越來越高,尋找高效、經濟、可持續的污水處理方法已經迫在眉睫。膜生物反應器處理效率高、占地面積小,于20世紀90年代被國內研究者們關注,研究發展至今已經成功應用于實際生產。但是膜生物反應器的廣泛應用仍受其脫氮效果不理想、膜污染嚴重和運行成本高等因素限制。與此同時,生物膜法具有運行穩定、抗沖擊負荷能力強、剩余污泥少、無污泥膨脹、還有一定的硝化反硝化功能等優點,因此在生活污水和某些工業廢水的處理中得到了廣泛的應用。


  復合式膜生物反應器是將傳統膜生物反應器與生物膜法結合的新型廢水處理工藝。該工藝結合了兩者優點,增強了傳統膜生物反應器的處理效果,減少了剩余污泥產量,有效緩解了膜污染現象,并為反應器內的同步硝化反硝化(SND)過程提供了更有利的條件。目前,復合式膜生物反應器還處于實驗研究階段,國內外關于這類生物反應器的研究報道并不多。鑒于此,筆者從復合式膜生物反應器的構成、工作原理、處理效果、分類和應用領域幾個方面對復合式膜生物反應器進行介紹,并在此基礎上指出該工藝的不足和應用前景。

 

1 復合式膜生物反應器的構成

1.1 膜生物反應器
  膜生物反應器是將活性污泥法與膜分離技術有機結合的一種高效凈水工藝,能在維持較高的污泥濃度條件下,實現SRT與HRT的分離。除此之外,還具有產泥量少、無污泥膨脹、占地面積小、操作管理方便等優點。目前,膜生物反應器在國內已經廣泛應用于化工、電子、輕工、紡織、冶金、食品、石油化工等領域的廢水處理。

 

1.2 生物膜法
  生物膜法是利用附著生長于某些固體物表面的微生物(即生物膜)進行有機污水處理的方法。生物膜是由高度密集的好氧菌、厭氧菌、兼性菌、真菌、原生動物以及藻類等組成的生態系統,其附著的固體介質稱為濾料或載體。生物膜法主要有生物濾池、生物轉盤、生物接觸氧化、生物流化床等工藝形式,目前已經廣泛地應用于各個領域的廢水處理中。

 

1.3 復合式膜生物反應器
  復合式膜生物反應器是在傳統膜生物反應器中投加填料作為微生物附著生長的載體,懸浮生長的活性污泥和附著生長的生物膜共同承擔去除污水中有機污染物的作用。該工藝對污染物的去除主要是靠微生物完成,膜組件的作用是截留懸浮微生物和大分子有機物,實現HRT與SRT的分離。廢水中污染物的去除有3種途徑:(1)活性污泥對污染物的分解與利用;(2)生物膜對污染物的降解與循環;(3)膜組件對大分子污染物的截留作用。復合式膜生物反應器在國內外研究時間較短,仍停留在實驗階段,很多方面還有待進一步研究。

 

2 復合式膜生物反應器工作原理與性能

2.1 復合式膜生物反應器工作原理
  復合式膜生物反應器是將生物載體添加到傳統膜生物反應器內,形成生物膜和活性污泥共存的生化池。廢水進入生化池后,水中的污染物被活性污泥和生物膜分解利用。通過曝氣為生物過程提供溶解氧,同時為填料的流動提供流化動力。有機質在微生物同化作用下合成為細胞組織或氧化分解為二氧化碳;氨氮先在活性污泥與生物膜表層進行硝化,產生的硝態氮或者亞硝態氮擴散至生物膜或活性污泥菌膠團內部進行反硝化(主要是生物膜)變成氮氣逸散。生化池內相比于傳統膜生物反應器具有更豐富的微生物種類,除了活性污泥中的碳化菌、硝化菌、反硝化菌之外,在生物膜上還存在原生動物、后生動物和微生物捕食者,這些生物的存在有效控制了污泥產量。

 

2.2 復合式膜生物反應器性能

2.2.1 復合式膜生物反應器脫碳效果
  復合式膜生物反應器不僅具有高微生物濃度,而且包含豐富的微生物種類,大量研究表明其對有機質的去除效果比傳統膜生物反應器要好。林紅軍等研究表明,傳統膜生物反應對有機質的去除率可以達到90%以上,且其半飽和常數比傳統活性污泥法高一個數量級,說明其對有機質的降解效率極高。劉強等將復合式膜生物反應器與傳統膜生物反應器進行對比研究,發現復合式膜生物反應器對COD、BOD5的去除率分別比傳統膜生物反應器高4.6%、3.8%。Shuai Yang等對移動床膜生物反應器處理人工配水做研究,發現其對COD去除率達到96.2%,高于傳統膜生物反應器,說明復合式膜生物反應器具有極好的去除有機污染物的能力。

 

2.2.2 復合式膜生物反應器脫氮效果
  復合式膜生物反應器具有懸浮式和附著式微生物,有較好的脫氮效果。這是因為硝化菌是異養菌,在傳統復合式膜生物反應器中,與碳化菌競爭處于劣勢;而在復合式膜生物反應器中,填料的加入增加了生物量和生物種類,有利于世代周期較長的硝化菌生長。另外,生物膜的存在為生化池內部分微生物提供了缺氧和厭氧環境,從而可以實現SND過程。如此一來,復合式膜生物反應器不僅能增強脫氮效果,還能節約能耗。研究表明,復合式膜生物反應器對氨氮的去除效果極好,去除率基本都在90%以上。對于不同的水質,因受到碳氮比的影響,其對TN的去除效果有較大的差別,但其去除效果均優于傳統膜生物反應器。M. Paetkau等用復合式膜生物反應器處理人工配水,發現其對TN的去除達到80%,其中有48%是通過SND過程去除,余下的氮素為微生物的代謝需要所利用或通過排放剩余活性污泥去除。而在同等條件下,傳統MBR對TN的去除率只達到31%。劉強等〔11〕對復合式膜生物反應器處理城市生活污水過程進行研究,發現其對TN的去除率達到50.9%,比傳統膜生物反應器高13.8%。這一結果不僅出現在小試實驗中,謝富強等采用復合式與一體式膜生物反應器處理生活污水的中試實驗對比研究,發現在同等條件下,復合式膜生物反應器比一體式(傳統)膜生物反應器對TN的去除率高10%。

 

2.2.3 復合式膜生物反應器除磷效果
  生物法除磷主要是通過聚磷菌一類的微生物超量吸磷,以聚合體儲存在細菌體內,形成高磷污泥,^后作為剩余污泥排出系統,從而達到除磷目的;因而泥齡短、產泥量高的系統可以實現較高的除磷效果。MBR系統一般污泥齡長、產泥量低,因此從理論上講MBR的除磷效果不是很理想。李旭東等對間歇曝氣膜生物反應器除磷效果進行研究,發現在不排泥的條件下其對COD、氨氮和TN的去除率分別可以達到90%、100%和80%,但是對磷幾乎沒有去除,與理論的除磷效果相一致。


  同樣,復合式膜生物反應器除磷效果也不理想,但是將復合式膜生物反應器與其他生物除磷工藝或化學除磷方法相結合,也能達到理想的除磷效果。李亞峰等采用UCT工藝的復合式MBR系統進行脫氮除磷實驗,發現該組合工藝對TP的去除率可達到86.68%,出水TP為0.71 mg/L,滿足一級B標準(1.0 mg/L)。

 

2.2.4 復合式膜生物反應器膜污染控制
  膜污染在膜生物反應器的運行過程中是不可避免的,是阻礙MBR工藝廣泛使用的主要限制性因素,決定了反應器中膜的使用壽命,也影響反應器的穩定運行。目前研究者們一致認為料液中的SMP(溶解性微生物產物)和EPS(胞外聚合物)是影響膜污染的主要原因,EPS含量越高,膜污染越嚴重。張愛寧等研究了復合式膜生物反應器中EPS分布特征與膜污染之間的關系,發現反應器混合液中松散態EPS(LB-EPS) 和固著態EPS(TB-EPS)都隨著運行時間的增加而增加,并且與跨膜壓差(TMP)的變化存在較強的線性相關關系(R2=0.89),EPS 與表征膜污染程度的TMP 明顯相關(R2=0.91)。


  近幾年,一些文獻介紹了關于復合式膜生物反應器與傳統膜生物反應器膜污染的對比研究,Jin Hu等對膜生物反應器添加填料與膜污染的直接關系做了細致的探討,結果表明填料的加入使得反應器內EPS含量降低到76%,并且隨著填料投加比例的增加,EPS含量還會降低,產生這一結果的原因是填料的加入引起微生物活性的增加。Fei Yang等對不同配置的復合式膜生物反應器與傳統膜生物反應器處理混合廢水,對膜污染狀況進行對比研究,所得結論與上述觀點一致。

 

3 復合式膜生物反應器分類介紹

  復合式膜生物反應器的具體運行形式有很多種,根據填料的安裝方式大致可以分為流化床復合式膜生物反應器與固定床復合式膜生物反應器。流化床膜生物反應器中填料密度與水相近,且不固定,可以隨著氣液流在反應器內流動或者移動,代表性填料有蜂窩填料、硅藻土、活性碳等。固定床膜生物反應器中填料被固定安裝在生化反應池內,其代表性填料有軟性填料、半軟性填料及復合填料等,也有使用固定安裝的蜂窩填料。

 

3.1 流化床復合式膜生物反應器
  流化床復合式膜生物反應器中以研究蜂窩填料居多,填料的加入對系統去除污染物效果和膜污染速率有影響。P. Reboleiro-Rivas等對移動床復合式膜生物反應器處理生活污水效果進行研究,發現填料填充比例與水力停留時間的增加均能促進系統對有機污染物的去除。Shuai Yang等在研究中發現,移動床復合式膜生物反應器在COD/TN=8.9,TN負荷為7.85 mg/L條件下,TN和NH4+-N去除率分別達到70.0%和80.0%。楊帥等在另一項關于移動床膜生物反應的研究中還發現,控制DO在^佳條件下,系統對TN和氨氮的去除率分別可達到60%和100%。

 

  流化床復合式膜生物反應器除了對污染物有很好的去除效果之外,對膜污染控制也起到很大作用。一是流化形式的填料在運行的過程中會對膜表面產生碰撞,這樣可以避免污染物在膜表面沉積;二是填料的流動形式會影響微生物的生長方式,從而導致EPS特性的變化。Fei Yang 等對不同配置的復合式膜生物反應器處理綜合廢水過程進行研究,發現反應器內MLSS濃度與附著生長微生物量的平衡關系,是控制系統膜污染的關鍵因素。

 

3.2 固定床復合式膜生物反應器
  對于固定床復合式膜生物反應器的研究相對較少,Zhaobo Chen等對比研究多級循環復合式膜生物反應器(由罐底至罐頂分段固定安裝蜂窩狀填料,并分段安裝膜組件)和傳統膜生物反應器處理低強度綜合廢水過程,探究了SRT=30 d,HRT分別為20、16、12、8 h條件下的處理情況。在4個月的實驗期內COD的平均去除率分別為92.2%和85.3%,SS的平均去除率分別為93.8%和85%,NH4+-N平均去除率分別為84.1%和65.3%;并對反應器內活性污泥特性進行研究,發現這種安裝方式更有利于緩解膜污染。K. K. Ng等研究了固定床復合式膜生物反應器去除有機物效果與膜污染特征,結果表明系統對COD的去除率在93%~98%內波動,反應池內SMP的分子質量有70%以上在100 Da以內,可以很大程度上減緩膜孔徑不小于0.036 μm的膜污染。


  固定床填料有多種,除了將蜂窩狀填料固定外,T. T. Nguyen等還研究了用海綿作為填料進行預處理的ST-MBR工藝處理生活污水,發現其對DOC的去除率達到95%,氨氮和磷酸鹽去除率分別為83.6%和75.5%,且實驗過程中膜污染速率受生化池內的MLSS濃度影響較大。

 

3.3 新型復合式膜生物反應器

3.3.1 活性炭膜生物反應器
  活性炭是一種黑色多孔固體炭質,具有比表面積大,吸附性強等優點?;钚蕴考尤氲侥ど锓磻鲀燃瓤梢宰鳛樯镙d體供微生物附著生長,同時也能吸附料液中大分子有機物,對難降解有機物的去除和膜污染的緩解都有一定作用。不過活性炭的過量添加也會加劇膜污染,因為活性炭本身也可能導致膜孔堵塞。Cong Ma等對以活性炭作為生物載體的復合式MBR在10 ℃條件下處理輕污染地表水實驗,發現活性炭的加入有效控制了膜組件的不可逆污染,并對氨氮、DOC和UV254的去除率分別達到93%、75%和85%。Xueqing Li等對活性炭膜生物反應器處理微量污染物做了詳細研究,發現在投加活性炭之前膜生物反應器對磺胺甲惡唑的去除率為64%,對卡馬西平幾乎沒有去除,當活性炭的投加量從0.1 g/L增加到1.0 g/L時,系統對兩種物質的去除率分別達到82%和92%,污染物去除率的提高主要是由于活性炭對污染物的吸附作用,使得一些難降解的有機物得到去除。L. N. Nguyen等對MBR-GAC設備去除疏水性和難降解微生物產物的實驗過程中發現,活性炭的加入使得MBR對疏水性和穩定化學物質的去除取得突破性進展。

 

3.3.2 蠕蟲膜生物反應器
  蠕蟲膜生物反應器的設計原理在于通過在生化池內接種蠕蟲延長食物鏈,通過蠕蟲對菌膠團的吞噬,起到改善池內料液特性和減少剩余污泥產量的作用。歷年來研究者們對蠕蟲的接種方式做了大量嘗試,發現游離態接種蠕蟲不易控制,其對原工藝的影響尚不明確。此后,Xuesong Guo等將蠕蟲池與活性污泥池分開培養,發現剩余污泥減少了45%~60%。Yu Tian等對分離的蠕蟲膜生物反應器膜污染情況作了具體研究,發現蠕蟲的加入導致料液中EPS含量大幅度減少,并能破壞EPS中的芳香類蛋白質與色氨酸類蛋白質,對膜污染現象起到明顯的緩解作用。

 

4 復合式膜生物反應器處理不同廢水的應用

  目前,復合式膜生物反應器的研究雖然只在實驗室和中試階段,但是研究者們對該工藝處理不同廢水的嘗試從未間斷。復合式膜生物反應器部分典型的研究報道如表 1所示。

表 1 復合式膜生物反應器處理不同廢水的研究

廢水類型 膜組件特性 填料以及安裝形式 污染物去除效果 膜污染現象
生活污水 中空纖維膜,膜孔徑為0.2 μm 移動床懸浮蜂窩狀生物填料,填充比為50% COD、氨氮、TN去除率分別在95%、98%、50%以上 運行143 d后TMP達到20 kPa
印染廢水 中空纖維膜 固定床聚酰胺彈性軟填料,填充比為30%~40% COD、氨氮、色度去除率分別為95%、94%、93% 運行兩個多月,膜污染不嚴重,且污染主要源于膜外表面
制藥廢水 聚丙烯超濾膜,膜孔徑為0.02 μm 懸浮聚氨酯泡沫填料,填充比為30% COD、氨氮、TN去除率分別為98.2%、95%、40% -
垃圾滲濾液 中空纖維膜 固定安裝生物載體 COD、氨氮、TN去除率分別為56.8%、98.4%、63.2% 運行1 a清洗兩次,膜通透性良好
食品廢水 聚偏二氟乙烯中空纖維微濾膜,膜孔徑0.036 μm 固定生物球填料,填充比為55% COD去除率為93%~98% 運行到第135 天時,TMP 達到55 kPa
造紙廢水 聚醚砜中空纖維膜,膜孔徑0.52 μm 軟性填料,填充比為30% COD去除率約為90.43% 運行近30 d后,膜污染產生的阻力是膜自身阻力的35.23 倍


 5 結論與展望

  復合式膜生物反應器是一種將活性污泥法、接觸氧化法與膜分離技術有機結合的新型水處理工藝,對高負荷與難降解的有機污染物都有很好的去除效果,并且能降低活性污泥濃度、減少剩余污泥產量、減緩膜污染,受到研究工作者青睞。目前有關此類反應器的研究已經取得一定進展,但總體來說尚不夠深入和系統。筆者認為,未來復合式膜生物反應器的研究應關注以下幾個方面:(1)依據各種填料特性,探討微生物不同填充方式的基質降解動力學,深入探究填充方式與膜污染的關系;(2)關注微生物填充比例對基質降解效率及膜污染的影響,優化反應器運行參數;(3)探索反應器長期穩定運行工藝條件的實現及成本控制。
(來源:《工業水處理》2016年第6期,參考文獻略,基金項目:國家自然科學基金項目(21173026))


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