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复合式膜生物反应器废水处理技术研究进展

信息来源: 本站 | 发布日期: 2016-08-26 | 浏览量:
详细描述:工业水处理

  近年来,随着经济的发展,环境的恶化,对净水技术的要求越来越高,寻找高效、经济、可持续的污水处理方法已经迫在眉睫。膜生物反应器处理效率高、占地面积小,于20世纪90年代被国内研究者们关注,研究发展至今已经成功应用于实际生产。但是膜生物反应器的广泛应用仍受其脱氮效果不理想、膜污染严重和运行成本高等因素限制。与此同时,生物膜法具有运行稳定、抗冲击负荷能力强、剩余污泥少、无污泥膨胀、还有一定的硝化反硝化功能等优点,因此在生活污水和某些工业废水的处理中得到了广泛的应用。


  复合式膜生物反应器是将传统膜生物反应器与生物膜法结合的新型废水处理工艺。该工艺结合了两者优点,增强了传统膜生物反应器的处理效果,减少了剩余污泥产量,有效缓解了膜污染现象,并为反应器内的同步硝化反硝化(SND)过程提供了更有利的条件。目前,复合式膜生物反应器还处于实验研究阶段,国内外关于这类生物反应器的研究报道并不多。鉴于此,笔者从复合式膜生物反应器的构成、工作原理、处理效果、分类和应用领域几个方面对复合式膜生物反应器进行介绍,并在此基础上指出该工艺的不足和应用前景。

 

1 复合式膜生物反应器的构成

1.1 膜生物反应器
  膜生物反应器是将活性污泥法与膜分离技术有机结合的一种高效净水工艺,能在维持较高的污泥浓度条件下,实现SRT与HRT的分离。除此之外,还具有产泥量少、无污泥膨胀、占地面积小、操作管理方便等优点。目前,膜生物反应器在国内已经广泛应用于化工、电子、轻工、纺织、冶金、食品、石油化工等领域的废水处理。

 

1.2 生物膜法
  生物膜法是利用附着生长于某些固体物表面的微生物(即生物膜)进行有机污水处理的方法。生物膜是由高度密集的好氧菌、厌氧菌、兼性菌、真菌、原生动物以及藻类等组成的生态系统,其附着的固体介质称为滤料或载体。生物膜法主要有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物流化床等工艺形式,目前已经广泛地应用于各个领域的废水处理中。

 

1.3 复合式膜生物反应器
  复合式膜生物反应器是在传统膜生物反应器中投加填料作为微生物附着生长的载体,悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜共同承担去除污水中有机污染物的作用。该工艺对污染物的去除主要是靠微生物完成,膜组件的作用是截留悬浮微生物和大分子有机物,实现HRT与SRT的分离。废水中污染物的去除有3种途径:(1)活性污泥对污染物的分解与利用;(2)生物膜对污染物的降解与循环;(3)膜组件对大分子污染物的截留作用。复合式膜生物反应器在国内外研究时间较短,仍停留在实验阶段,很多方面还有待进一步研究。

 

2 复合式膜生物反应器工作原理与性能

2.1 复合式膜生物反应器工作原理
  复合式膜生物反应器是将生物载体添加到传统膜生物反应器内,形成生物膜和活性污泥共存的生化池。废水进入生化池后,水中的污染物被活性污泥和生物膜分解利用。通过曝气为生物过程提供溶解氧,同时为填料的流动提供流化动力。有机质在微生物同化作用下合成为细胞组织或氧化分解为二氧化碳;氨氮先在活性污泥与生物膜表层进行硝化,产生的硝态氮或者亚硝态氮扩散至生物膜或活性污泥菌胶团内部进行反硝化(主要是生物膜)变成氮气逸散。生化池内相比于传统膜生物反应器具有更丰富的微生物种类,除了活性污泥中的碳化菌、硝化菌、反硝化菌之外,在生物膜上还存在原生动物、后生动物和微生物捕食者,这些生物的存在有效控制了污泥产量。

 

2.2 复合式膜生物反应器性能

2.2.1 复合式膜生物反应器脱碳效果
  复合式膜生物反应器不仅具有高微生物浓度,而且包含丰富的微生物种类,大量研究表明其对有机质的去除效果比传统膜生物反应器要好。林红军等研究表明,传统膜生物反应对有机质的去除率可以达到90%以上,且其半饱和常数比传统活性污泥法高一个数量级,说明其对有机质的降解效率极高。刘强等将复合式膜生物反应器与传统膜生物反应器进行对比研究,发现复合式膜生物反应器对COD、BOD5的去除率分别比传统膜生物反应器高4.6%、3.8%。Shuai Yang等对移动床膜生物反应器处理人工配水做研究,发现其对COD去除率达到96.2%,高于传统膜生物反应器,说明复合式膜生物反应器具有极好的去除有机污染物的能力。

 

2.2.2 复合式膜生物反应器脱氮效果
  复合式膜生物反应器具有悬浮式和附着式微生物,有较好的脱氮效果。这是因为硝化菌是异养菌,在传统复合式膜生物反应器中,与碳化菌竞争处于劣势;而在复合式膜生物反应器中,填料的加入增加了生物量和生物种类,有利于世代周期较长的硝化菌生长。另外,生物膜的存在为生化池内部分微生物提供了缺氧和厌氧环境,从而可以实现SND过程。如此一来,复合式膜生物反应器不仅能增强脱氮效果,还能节约能耗。研究表明,复合式膜生物反应器对氨氮的去除效果极好,去除率基本都在90%以上。对于不同的水质,因受到碳氮比的影响,其对TN的去除效果有较大的差别,但其去除效果均优于传统膜生物反应器。M. Paetkau等用复合式膜生物反应器处理人工配水,发现其对TN的去除达到80%,其中有48%是通过SND过程去除,余下的氮素为微生物的代谢需要所利用或通过排放剩余活性污泥去除。而在同等条件下,传统MBR对TN的去除率只达到31%。刘强等〔11〕对复合式膜生物反应器处理城市生活污水过程进行研究,发现其对TN的去除率达到50.9%,比传统膜生物反应器高13.8%。这一结果不仅出现在小试实验中,谢富强等采用复合式与一体式膜生物反应器处理生活污水的中试实验对比研究,发现在同等条件下,复合式膜生物反应器比一体式(传统)膜生物反应器对TN的去除率高10%。

 

2.2.3 复合式膜生物反应器除磷效果
  生物法除磷主要是通过聚磷菌一类的微生物超量吸磷,以聚合体储存在细菌体内,形成高磷污泥,^后作为剩余污泥排出系统,从而达到除磷目的;因而泥龄短、产泥量高的系统可以实现较高的除磷效果。MBR系统一般污泥龄长、产泥量低,因此从理论上讲MBR的除磷效果不是很理想。李旭东等对间歇曝气膜生物反应器除磷效果进行研究,发现在不排泥的条件下其对COD、氨氮和TN的去除率分别可以达到90%、100%和80%,但是对磷几乎没有去除,与理论的除磷效果相一致。


  同样,复合式膜生物反应器除磷效果也不理想,但是将复合式膜生物反应器与其他生物除磷工艺或化学除磷方法相结合,也能达到理想的除磷效果。李亚峰等采用UCT工艺的复合式MBR系统进行脱氮除磷实验,发现该组合工艺对TP的去除率可达到86.68%,出水TP为0.71 mg/L,满足一级B标准(1.0 mg/L)。

 

2.2.4 复合式膜生物反应器膜污染控制
  膜污染在膜生物反应器的运行过程中是不可避免的,是阻碍MBR工艺广泛使用的主要限制性因素,决定了反应器中膜的使用寿命,也影响反应器的稳定运行。目前研究者们一致认为料液中的SMP(溶解性微生物产物)和EPS(胞外聚合物)是影响膜污染的主要原因,EPS含量越高,膜污染越严重。张爱宁等研究了复合式膜生物反应器中EPS分布特征与膜污染之间的关系,发现反应器混合液中松散态EPS(LB-EPS) 和固着态EPS(TB-EPS)都随着运行时间的增加而增加,并且与跨膜压差(TMP)的变化存在较强的线性相关关系(R2=0.89),EPS 与表征膜污染程度的TMP 明显相关(R2=0.91)。


  近几年,一些文献介绍了关于复合式膜生物反应器与传统膜生物反应器膜污染的对比研究,Jin Hu等对膜生物反应器添加填料与膜污染的直接关系做了细致的探讨,结果表明填料的加入使得反应器内EPS含量降低到76%,并且随着填料投加比例的增加,EPS含量还会降低,产生这一结果的原因是填料的加入引起微生物活性的增加。Fei Yang等对不同配置的复合式膜生物反应器与传统膜生物反应器处理混合废水,对膜污染状况进行对比研究,所得结论与上述观点一致。

 

3 复合式膜生物反应器分类介绍

  复合式膜生物反应器的具体运行形式有很多种,根据填料的安装方式大致可以分为流化床复合式膜生物反应器与固定床复合式膜生物反应器。流化床膜生物反应器中填料密度与水相近,且不固定,可以随着气液流在反应器内流动或者移动,代表性填料有蜂窝填料、硅藻土、活性碳等。固定床膜生物反应器中填料被固定安装在生化反应池内,其代表性填料有软性填料、半软性填料及复合填料等,也有使用固定安装的蜂窝填料。

 

3.1 流化床复合式膜生物反应器
  流化床复合式膜生物反应器中以研究蜂窝填料居多,填料的加入对系统去除污染物效果和膜污染速率有影响。P. Reboleiro-Rivas等对移动床复合式膜生物反应器处理生活污水效果进行研究,发现填料填充比例与水力停留时间的增加均能促进系统对有机污染物的去除。Shuai Yang等在研究中发现,移动床复合式膜生物反应器在COD/TN=8.9,TN负荷为7.85 mg/L条件下,TN和NH4+-N去除率分别达到70.0%和80.0%。杨帅等在另一项关于移动床膜生物反应的研究中还发现,控制DO在^佳条件下,系统对TN和氨氮的去除率分别可达到60%和100%。

 

  流化床复合式膜生物反应器除了对污染物有很好的去除效果之外,对膜污染控制也起到很大作用。一是流化形式的填料在运行的过程中会对膜表面产生碰撞,这样可以避免污染物在膜表面沉积;二是填料的流动形式会影响微生物的生长方式,从而导致EPS特性的变化。Fei Yang 等对不同配置的复合式膜生物反应器处理综合废水过程进行研究,发现反应器内MLSS浓度与附着生长微生物量的平衡关系,是控制系统膜污染的关键因素。

 

3.2 固定床复合式膜生物反应器
  对于固定床复合式膜生物反应器的研究相对较少,Zhaobo Chen等对比研究多级循环复合式膜生物反应器(由罐底至罐顶分段固定安装蜂窝状填料,并分段安装膜组件)和传统膜生物反应器处理低强度综合废水过程,探究了SRT=30 d,HRT分别为20、16、12、8 h条件下的处理情况。在4个月的实验期内COD的平均去除率分别为92.2%和85.3%,SS的平均去除率分别为93.8%和85%,NH4+-N平均去除率分别为84.1%和65.3%;并对反应器内活性污泥特性进行研究,发现这种安装方式更有利于缓解膜污染。K. K. Ng等研究了固定床复合式膜生物反应器去除有机物效果与膜污染特征,结果表明系统对COD的去除率在93%~98%内波动,反应池内SMP的分子质量有70%以上在100 Da以内,可以很大程度上减缓膜孔径不小于0.036 μm的膜污染。


  固定床填料有多种,除了将蜂窝状填料固定外,T. T. Nguyen等还研究了用海绵作为填料进行预处理的ST-MBR工艺处理生活污水,发现其对DOC的去除率达到95%,氨氮和磷酸盐去除率分别为83.6%和75.5%,且实验过程中膜污染速率受生化池内的MLSS浓度影响较大。

 

3.3 新型复合式膜生物反应器

3.3.1 活性炭膜生物反应器
  活性炭是一种黑色多孔固体炭质,具有比表面积大,吸附性强等优点。活性炭加入到膜生物反应器内既可以作为生物载体供微生物附着生长,同时也能吸附料液中大分子有机物,对难降解有机物的去除和膜污染的缓解都有一定作用。不过活性炭的过量添加也会加剧膜污染,因为活性炭本身也可能导致膜孔堵塞。Cong Ma等对以活性炭作为生物载体的复合式MBR在10 ℃条件下处理轻污染地表水实验,发现活性炭的加入有效控制了膜组件的不可逆污染,并对氨氮、DOC和UV254的去除率分别达到93%、75%和85%。Xueqing Li等对活性炭膜生物反应器处理微量污染物做了详细研究,发现在投加活性炭之前膜生物反应器对磺胺甲恶唑的去除率为64%,对卡马西平几乎没有去除,当活性炭的投加量从0.1 g/L增加到1.0 g/L时,系统对两种物质的去除率分别达到82%和92%,污染物去除率的提高主要是由于活性炭对污染物的吸附作用,使得一些难降解的有机物得到去除。L. N. Nguyen等对MBR-GAC设备去除疏水性和难降解微生物产物的实验过程中发现,活性炭的加入使得MBR对疏水性和稳定化学物质的去除取得突破性进展。

 

3.3.2 蠕虫膜生物反应器
  蠕虫膜生物反应器的设计原理在于通过在生化池内接种蠕虫延长食物链,通过蠕虫对菌胶团的吞噬,起到改善池内料液特性和减少剩余污泥产量的作用。历年来研究者们对蠕虫的接种方式做了大量尝试,发现游离态接种蠕虫不易控制,其对原工艺的影响尚不明确。此后,Xuesong Guo等将蠕虫池与活性污泥池分开培养,发现剩余污泥减少了45%~60%。Yu Tian等对分离的蠕虫膜生物反应器膜污染情况作了具体研究,发现蠕虫的加入导致料液中EPS含量大幅度减少,并能破坏EPS中的芳香类蛋白质与色氨酸类蛋白质,对膜污染现象起到明显的缓解作用。

 

4 复合式膜生物反应器处理不同废水的应用

  目前,复合式膜生物反应器的研究虽然只在实验室和中试阶段,但是研究者们对该工艺处理不同废水的尝试从未间断。复合式膜生物反应器部分典型的研究报道如表 1所示。

表 1 复合式膜生物反应器处理不同废水的研究

废水类型 膜组件特性 填料以及安装形式 污染物去除效果 膜污染现象
生活污水 中空纤维膜,膜孔径为0.2 μm 移动床悬浮蜂窝状生物填料,填充比为50% COD、氨氮、TN去除率分别在95%、98%、50%以上 运行143 d后TMP达到20 kPa
印染废水 中空纤维膜 固定床聚酰胺弹性软填料,填充比为30%~40% COD、氨氮、色度去除率分别为95%、94%、93% 运行两个多月,膜污染不严重,且污染主要源于膜外表面
制药废水 聚丙烯超滤膜,膜孔径为0.02 μm 悬浮聚氨酯泡沫填料,填充比为30% COD、氨氮、TN去除率分别为98.2%、95%、40% -
垃圾渗滤液 中空纤维膜 固定安装生物载体 COD、氨氮、TN去除率分别为56.8%、98.4%、63.2% 运行1 a清洗两次,膜通透性良好
食品废水 聚偏二氟乙烯中空纤维微滤膜,膜孔径0.036 μm 固定生物球填料,填充比为55% COD去除率为93%~98% 运行到第135 天时,TMP 达到55 kPa
造纸废水 聚醚砜中空纤维膜,膜孔径0.52 μm 软性填料,填充比为30% COD去除率约为90.43% 运行近30 d后,膜污染产生的阻力是膜自身阻力的35.23 倍


 5 结论与展望

  复合式膜生物反应器是一种将活性污泥法、接触氧化法与膜分离技术有机结合的新型水处理工艺,对高负荷与难降解的有机污染物都有很好的去除效果,并且能降低活性污泥浓度、减少剩余污泥产量、减缓膜污染,受到研究工作者青睐。目前有关此类反应器的研究已经取得一定进展,但总体来说尚不够深入和系统。笔者认为,未来复合式膜生物反应器的研究应关注以下几个方面:(1)依据各种填料特性,探讨微生物不同填充方式的基质降解动力学,深入探究填充方式与膜污染的关系;(2)关注微生物填充比例对基质降解效率及膜污染的影响,优化反应器运行参数;(3)探索反应器长期稳定运行工艺条件的实现及成本控制。
(来源:《工业水处理》2016年第6期,参考文献略,基金项目:国家自然科学基金项目(21173026))


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