MBR技术基础及其应用黄霞

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1、膜生物反应器技术基础及其应用1#清华大学环境科学与工程系环境模拟与污染控制国家重点实验室#TsinghuaUniversity膜一生物反应器技术基础#。传统活性污泥工艺的特点生物反应器的技术原理膜生物反应器发展概述生物反应器工艺运行条件#Q膜生物反应器中膜污染控制#TsinghuaUniversity好氧生物处理基本图式2/3合成可生物降解有机物(CODb)20%内源呼吸生物残渣80%细胞CO2,h2o能量1/3呼吸(氧化)能量CO,HQ,NHyN3TsinghuaUniversity生物脱氮（硝化/反硝化）硝化过程（好氧过程）：亚硝酸细菌2NH4+3O22NO2+2H2O+4H+硝酸细菌2N

2、O2+O22NO3反硝化过程（缺氧过程）：反硝化细菌C6H12O6+4NO36CO2+6H2O+2N2TsinghuaUniversity主耍水质指标bod5（生化需氧量）20C下培养5天，由于微生物分解有机物所需的氧量 COD（化学需氧量）指在一定条件下水中有机物与强氧化剂（如重辂酸钾、高猛酸钾）作用所消耗的氧量 SS（悬浮固体）#TsinghuaUniversity主耍工艺参数的定义混合液悬浮体浓度(MLSS)：5#表示活性污泥在曝气池中的浓度混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)：#表示有机悬浮固体浓度处理城市污水的活性污泥：MLVSS/MLSS=0.75-0.85TsinghuaUni

3、versity主耍工艺参数的定义嘉泥沉降比(SV)：污泥混合液在量筒中静置30分钟，其沉淀污泥与原混合液的体积比，以表示。处理城市污水的活性污泥沉降比一般为20-30%污泥容积指数(SVI-mL/g)：SVI=SV(mL/L)/MLSS(g/L)处理城市污水的活性污泥SVI般为50-150mL/g10主要工艺参数的定义嘉泥负荷(NJ：曝气池内单位质量活性污泥在单位时间内承受的有机基质量二石二玄(kg-BOD或COD/(kgMLSSd)Q废水量，nP/dSo废水中有机基质浓度，BOD或COD,kg/nPX曝气池中活性污泥浓度，kg/m3V曝气池有效容积，nPn#主耍工艺参数的定义嘉积负荷(Nv)

4、:曝气池单位容积在单位时间内承受的有机基质量水力停留时间t(HRT)：t=V/Q(d)TsinghuaUniversity主耍工艺参数的定义污泥龄ts:又称生物固体平均停留时间。曝气池内的微生物全部更新一次所需要的时间。从工程上，就是曝气池内污泥总量与每日排放的剩余污泥量的比值7#AX每日增加的污泥量#管理操作复杂，有时会出现污泥膨胀TsinghuaUniversity传统活性污泥工艺的不足受重力固液分离效果的限制，曝气池内的污泥浓度有限，致使容积负荷低，装置占地面积大;处理水质不够理想和稳定;污泥产生量大。TsinghuaUniversity膜-生物反应器的特点污染物去除效率高，处理出水水质

5、良好;反应器内微生物浓度高，装置容积负荷大，占地省;有利于增殖缓慢或高效微生物的戳留，提高系统的硝化效果和对难降解有机物的处理能力;剩余污泥产生量低;易于实现自动控制，操作管理方便。169TsinghuaUniversity膜-生物反应器的方类抽吸泵出水2一进水空气生物反应器占地更为紧凑，过滤压差小，不需污泥循环泵，运行费用较低。空气反应器a）加压分置式MBRb）漫没一体式MBR17TsinghuaUniversity膜-生物反应器的分矣#/根据生物反应器是否需氧:分为好氧膜-生物反应器和厌氧膜-生物反应器/根据使用的膜材料的类型：分为有机膜-生物反应器和无机膜-生物反应器/根据膜孔径的大小:

6、也可分为微滤、超滤.纳滤膜-生物反应器18#魁M朋TsinghuaUniversityTsinghuaUniversity膜-生物反应器大分类11魁M朋TsinghuaUniversity#魁M朋TsinghuaUniversity液分离膜生物反应器（Solidliquidseparationmembranebioreactor)膜曝气生物反应器(Membraneaerationbioreactor)膜萃取生物反应器（Extractivemembranebioreactor)19TsinghuaUniversity生物反应器20士膜曝化-生物反应器的特点氧利用效率高。传统活性污泥法的氧利用率一

7、般只有10-20%,而膜曝气-生物反应器的氧利用率可以接近100%。有机物去除负荷高。占地小。适用于活性污泥浓度大，对供氧要求高的废水的处理。但基建费用高，操作复杂，目前尚未有实际规模的应用实例。TsinghuaUniversity膜萃取-生物反应器生物反应器进水（含有机污染物）22TsinghuaUniversity牍萃取-生物反应器的特点膜萃取-生物反应器适用来萃取和处理废水中的优先污染物。特别适用于废水酸碱度高、盐浓度高或含有毒生物难降解有机物，不宜使废水与微生物直接接触处理时的情况。适用于废水含有挥发性物质，采用传统的生物处理工艺易随曝气气流挥发的情况。TsinghuaUniversi

8、ty2413TsinghuaUniversity占膜-生物反应器中常用术语膜通量J:单位膜面积单位时间的出水量(L/(m2h)、m3/(m2d)过滤压差(Trans-membranepressure,TMP)AP：施加在膜过滤两侧的压力。#TsinghuaUniversity膜-生物反应器中常用术语膜通量、阻力和过滤压差之间的关系:jdV_PPR：过滤总阻力Rin:膜固有阻力Rcp:浓差极化阻力AdtpiR+&p+&+Rc+RQRh：月莫孔堵塞及内部污染阻力Rc：泥饼层阻力R”凝胶层阻力。26#膜-生物反应器中常用术语TsinghuaUniversity15#恒通量运行模式：过滤过程中通量保持

9、不变恒压力运行模式：过滤过程中过滤压差保持不变TsinghuaUniversity/最初用于生物发酵工业/60年代：开始用于废水处理美国Dorr-Oliver公司在1967年，建设了3,600gpd的小型污水处理设施。Smith1969首次报道用超滤膜代替活性污泥工艺中的二沉池。受膜制造技术的限制，对水质要求不高，主要停留在实验室规模。28#TsinghuaUniversity170年代末以后，研究更是方兴未艾。体式MBR的推出(1989)日本开始大力研究，建设省的大型研究计划“AuqaRenaissanceOproject推动了MBR进步。自1983年1987年有13家公司使用MBR处理大楼

10、废水。加拿大Zenon公司商业化产品ZenoGem于1982年投入使用。厌氧生物反应器与膜技术的组合研究在80年代初受到重视。29TsinghuaUniversity运行条件的优化膜污染机理研究的深入处理废水对象的多样化：生活污水、粪便废水、有机工业废水等。推广应用更为广泛：日本、英国、荷兰、德国、美国、法国、南非、澳大利亚等国已得到很多应用。30TsinghuaUniversityMBR型式第一代MBR加压（分置）（60年代80年代）：曝气装置膜组件板式超滤膜（聚丙烯睛）管式超滤膜（有机、无机膜）膜成本高，运行费用大，应用受到限制。TsinghuaUniversity第二代MBR浸没式（一体

11、式）（80年代末以后）:#TsinghuaUniversity21TsinghuaUniversity内MBR发展概述#/我国MBR研究始于90年代初。华东化工大学首次报F/最早开始研究的单位：清华大学、中国科学院生态环境研究中心、天津大学、浙江大学、同济大学等。/近年，很多研究所、大专院校、环保公司也加入到MBR的研究开发中。/国家863项目于2002年底启动:清华大学、浙江大学、天津大学#TsinghuaUniversity国内杂志发表论文数的增加情况38#70605040302010019911993199519971999200120032005研究机构数的增加情况TsinghuaUn

12、iversity清华大学中科院生态中心同济大学哈尔滨工业大学天津大学大连理工大学浙江大学TsinghuaUniversity使用的膜材料与膜组件聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚砚、聚丙烯睛等陶瓷膜微滤超滤（0.4卩m数万截留分子量）膜组件型式：中空纤维（天津膜天膜公司、杭州浙大凯华膜技术有限公司、中科院生态环境研究中心等）平板（上海原子核研究所、浙江大学等）40TsinghuaUniversity应用于MBR的牍材料与组件MaterialModulePoresize(pm)Flux(LMH)CompanyPEHollowfiber0.1-0.48-15Japan,KoreaPPHollowfi

13、ber0.1-0.25-10DomesticPVDFHollowfiber0.030.1,0.40.2210-3010-3010-30CanadaJapanDomesticPVCHollowfiber0.015-10DomesticPVDFPlatesheet0.0810-30JapanPVDF,PAN,PESPlatesheet20k-100k*10-20DomesticMetalPlatesheet0.210-20J即anInorganicTubular0.240-80*DomesticFrance41*MWCO;*PressurizedsidestreamMBRTsinghuaUnive

14、rsityPVDFPP23魁M般TsinghuaUniversity物反应工艺条件工艺操作条件膜分离运行条件HRT,SRT污泥浓度污泥负荷容积负荷膜材料、膜组件操作模式膜面水力学条件清洗方法高效低耗TsinghuaUniversity物去除效果及其影响因素25魁M般TsinghuaUniversity#魁M般TsinghuaUniversity工艺参数对污染物去除效果的影响SRT,HRT容积负荷，污泥负荷膜材料对污染物处理效果的影响44#InfluentCOI)Tsi=gh=au=wersity莒影(SRT)SRTH5dpRTHl(dSRTU20d-SRTU40d-SRTUSQd2Efflue

15、ntCOI)(mgI1)oo答2MUlTsinghuaUniversityCOD去除效果RT的影响0*生物反应器去除效率O系统去除效率oOO8SRT二5dSRT=10dSRT二20dSRT=40dSRT=80doO64O2#TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversityTsingliuaUniversity48#TsinghuaUniversityNH4+-N去除效果RT影响49TsinghuaUniversityCOD去除效果HRT的影响()搂邃丹aoo80604020生物反应器去除效率亠系统总去除效率5025TsinghuaUniversity50#Tsingh

16、uaUniversityHRT=5hHRT=10hHRT=15h50#（0）曲焉TsinghuaUniversityTsinghuaUniversity积专MBR出水水质优良MBR良好及稳定的出水水质有赖于膜表面形成的凝胶层。凝胶层的截留作用大于膜本身，有助于提高出水水质。对细菌和病毒起到良好的去除效果。#TsinghiiaUniversity废水处理各类有机工业废水的效果海产加工废水800250101海产加工废水&000700205海产加工废水2,00050201面条厂废水70015051化妆品废水2,000600105鸡蛋加工2,5001,550102猪肉加工3,000800205出水SS

17、进水BOD进水SS出水BODcOD容积负荷对COD去除速率的影响(PM日)、10。兰)43.532.521.510.5012340反应器进水容积负荷(kgC0D/(m3d)TsinghiiaUniversity27TsinghuaUniversityii(p*)、n20容积负荷(kg-C0D/(m3d)1.2-5.780.25-16污泥负荷(kg-COD/(kg-VSSd)0.03-0.550.012-2.72污泥产率(kg-MLSS/kg-COD)0-0.340.05-0.35水力停留时间(h)2-2414-389污泥龄(d)5-*6.2-600University污泥负荷：040.8kg-

18、COD/(kg-VSSd)泥龄：515d氨氮容积负荷对氨氮去除速率的影响0.150.10.050反应器进水容积负荷(kgNH产N/diPd)29TsinghuaUniversity早期一一长污泥龄(SRT),高污泥浓度下运行。SRT太长，污泥浓度太高:#TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversity传氧效率受到限制膜污染容易发生，膜通量不能太高不利于生物除磷近年适当降低SRT,降低污泥浓度(-15g/L)增加膜通量，减少膜材料费用降低对传氧设备的要求但曝气池容积需要适当增加，排泥量变大。TsinghuaUniversity霄材料与膜孔5MBR效果的彩响聚偏氟乙烯、聚

19、乙烯、聚丙烯、聚砚、聚丙烯睛陶瓷膜微滤超滤(0.4pm数万截留分子量)膜组件型式：中空纤维、平板、管式一般情况下膜出水宏观水质没有明显差异。主要从水通量、价格、强度、寿命、耐污染性、抗生物氧化性、耐酸碱性等方面综合选择。膜污染的定义活性污泥混合液胶体粒子溶质大分子*溶质小分子物化相互作传输作用狭义（不可逆污染）-不可逆的吸附-堵塞广义（不可逆和可逆污染）-还包括浓差极化导致凝胶层的形成-颗粒物的沉积TsinghuaUniversityP“(K”+&p+Rb+Rc+Rg)6031TsinghuaUniversityTsinghuaUniversity具有此好水力环倚性MBR的构M*利于防止膜面污

20、淀沉积同时降低曝代量和能耗邊件L：Aiitt.io201060SO100120110160ISO朋气强度/mW133TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversity膜材料与组件=#TsinghuaUniversity膜材质（是否容易吸附）表面荷电性质表面粗糙度（具有双重影响）亲疏水性（亲水性膜受污染物吸附的影响较小）孔径（孔径大，通量大但易被堵塞）抗污染能力强的膜林料的研制组件型式:TsinghuaUniversity常用组件型式：中空纤维、管式、平板对于中空纤维膜组件以帘式为主:膜丝的放置方向（纵、横）膜丝的粗细与长度（径长比小，膜丝不容易压扁，但压降增加显著。）膜

21、丝装填密度（过大，利用率不高）二膜组件的优化对于实际装置十分董要。64膜的运行模式与条件运行模式：间隙操作有利(抽十几分钟，停几分钟)膜通量的控制:临界膜通量(CriticalFlux)恒通量模式比恒压模式有利于膜污染控制35TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversity膜面水力条件：错流速度、气液两相流#TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversity悬浮固体a颗粒在膜表面的沉积过程维中膜空纤TsinghuaUniversity00膜出水an2CFiltrationtime(h)Fig.4.Long-termTMPprofileforth

22、eASandBPACsystemsatanimposedfluxof8L/mh.0BPACsystem运行周期延长8倍73#TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversity膜在线水反洗气泡、活性污泥附着污泥活性污泥反洗水气泡剥落污泥过滤水反洗75TsinghuaUniversity膜在线化学清洗（盐酸、次氯酸钠）suctionlinesuctlonpiwmnbranfunitftInjoct(onlinoln|9Cttonchemicalreagent76#TsinghuaUniversityNaClO在线清洗效果（PE膜）a.清洗后外表面78b.清洗后膜内表面39#

23、TsinghuaUniversity膜-生物反应器的应用41TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversityQ膜-生物反应器的应用对象及应用实例Q膜-生物反应器的设计原则81TsinghuaUniversity膜-生物反应器的应用对象城市污水与生活污水的处理与回用高浓度有机废水的处理含难降解有机物废水的处理受污染水源水净化82(1)城市污水和生活污水的处理与回用。许多城市缺水：661个城市中有一半以上存在不同程度的缺水.OMBR可以提供良好和稳定的出水水质。TsinghuaUniversity膜出水与我国污水回用标准的比较3-No.项目MBR出水污水回用标准冲厕洗车城

24、萨景观环境娱乐华最观1PH7-86-92Color(Hazen)3030303030(30)303Turbidity(NTU)155105(5)4SSUndetected-20(10)-5bod3510102010(6)6(6)6COD“307nh3-n11010205(5)5(5)8Anionicsurfactant0.11.00.51.00.5(0.5)0.5(0.5)9TN1515(15)15(15)10TP11.0(0.5)1.0(0.5)#括弧外:河道类水体:括弧内:湖泊类水体、水眾类用水443TsinghuaUniversity处理生活污水出水水质CODBODSSNH/-NE.Co

25、liIMembraneeffluentStandardoooooo4321(dMUI)uoneTluQOUOu85TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversitya）生活污水b）MBR出水c）自来水86脱氮除磷功能通常在MBR中氨氮去除率很高，大于95%。通过适当的操作方式（如间歇曝气、A/OT艺），可以获得很高的总氮去除率。在MBR中，通过控制DO在适宜范,可以发生同45TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversity步硝化/反硝化。“脱磷：11.9%75%不等，机理有待于进一步研究。87#Tsingh

26、uaUniversity#TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversity47TsinghuaUniversity主要水质指标与标准值的比较（A2/O-MBR工艺）89TsinghuaUniversityMBR处理心I中水锋尚国际公寓MBR中水工程天津水科大楼MBR中水工程#TsinghuaUniversityMBR处理理筑中水工艺流程91#TsinghuaUniversity49TsinghuaUniversity()W4M俺VV706050M器400运行时间(d)090180270360450540630720#TsinghuaUniversity#Tsinghu

27、aUniversityTsinghuaUniversity#TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversity001A(&)谜*sn一一系统去除率一已一生物去除率TsinghuaUniversity000019870605065432(_O)E)S邕总SV!4020406080运行天数(d)98#TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversityMBR处理小区（镇）生活污水大屯煤电集团生活污水MBR工程汤河口镇污水资源化工程#TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversity99TsinghuaUniversityi北京密

28、云县污水处理厂MBR回用工程（设计规模45,000nP/d,30,000mVd已投入运行）100高浓度k机废水的处理*。传统活性污泥法的不足：0占地大0出水不稳定0污泥膨胀OMBR优点：a高有机容积负荷，占地小。稳定出水o管理容易101TsinghuaUniversityMBR处理高浓Zfc有机废水53TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversityQ食品加工废水Q啤酒，酱油加工废水Q中药废水。糖蜜废水O厕所污水#TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversity102#範M朋TsinghuaUniversity10455魁M朋Tsinghua

29、University#魁M朋TsinghuaUniversityMBR处理含难降解有机物废水#魁M朋TsinghuaUniversity对分解有机物的菌种能完全截留，驯化周期短.反应器内可以保持生物多样性，创造有机物共代谢的条件.大分子有机物可以被膜所截留，促进降解。105TsinghuaUniversityMBR处理含难降解有机物废水0石油化工。染料废水o焦化废水。造纸废水。垃圾渗滤液aPVC废水。需要与前处理结合（厌氧、气浮等.）106#TsinghuaUniversity57TsinghuaUniversity处理含唾咻废水2.521.510.50无选择性截留所有微生物污泥浓度高右抗有毒

30、物冲击负荷能力强P00.511.522.53嗤唏容积负荷(kgnr3d)TsinghuaUniversity厌氧/好氧MBR处理印染废水020406080100120140160Time(d)108#TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversityMBR处理石化废水诺卫环境安全工程技术有限公司提拱9巴陵石化(7200m3/d)洛陽石化(5000m3/d)金陵煉化(6000m3/d)#TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversityTsinghuaUniversity#TsinghuaUniversity#

31、TsinghuaUniversity石油化工废水处理流程h二#TsinghuaUniversity浓缩水诺卫环境安全工程技术有限公司提供#原水QIUI)鰹黑Q818152229364350576471788592处理水6000500040003000200010000运行时间(d)111TsinghuaUniversity59#112#TsinghuaUniversity曲焉受污染河水淨化MBR+PAC组合工艺113膜-生物反应器应用的垂体情况微生物能够去除可降解有机物和氨氮.PAC可去除难降解和可吸附的有机物.膜可截留细菌、悬浮物和高分子有机物TsinghuaUniversity球应用MBR

32、的数量越来越多。国外：最大：40000m3/d（德国）好氧MBR占98%。一体式占55%。国内：规模几十上万用/d城市污水、建筑中水、洗车污水、医院污水、食品废水、垃圾渗滤液61TsinghuaUniversityTsinghuaUniversity国内专业环保厂家0北京永新环保有限公司#TsinghuaUniversity0北京碧水源科技有限责任公司0诺卫环境女全工程技术有限公司d天津清华德人环境工程有限公司Q天津兴源环境技术工程有限公司O汇佳汉青中水科技有限公司0上海荏原成套工程有限公司0浙大凯华#TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversity116#Tsing

33、huaUniversitygMBR应用实例（运行中）排水规模(m3/d)生活污水/建筑中水25-45,000医院污水20-500石油化工700-7200垃圾渗滤液60-300公共测所污水5-10其他60-480117TsinghuaUniversity.其他大型MBR工程（设计或建设中）話蒙古金桥发电厂MBR污水再生工程（31,000m3/d,建设中）0海南炼化废水MER工程（12,000m3/d,建设中）o广东大亚湾石油化工废水MBR处理工程（25,000m彳/d、建设中）o北京市北小河污水处理厂MBR回用工程（60,000m3/d,设计中）118土牍-生物反应器工艺设计原则反应器主体膜材料

34、与组件附属装置与系统预处理（格栅等）污泥处理问题自控系统119TsinghuaUniversity生物反应器主体大部分采用活性污泥法为降低悬浮污泥浓度，有部分研究是接触氧化，但污泥浓度并非越低越好。生物反应器良好的水力条件有利于控制膜污染。一体式膜-生物反应器曝气型式的选择对膜污染控制十分重要。120生物反应器的工艺参数HRT、SRT和污泥负荷在相当大的范围内对MBR污染物去除无明显影响。最大特点是HRT和SRT可独立控制。冲击负荷（高好几倍）对系统处理效果影响不大。SRT-定，降低HRT,可以提高污泥浓度，缩小反应器容积，但混合液黏度会急剧增加，从而对膜污染造成不利影响。121Tsinghu

35、aUniversitySRT延长，可以增加污泥浓度，SRT的选取取决于污泥浓度的控制。如果需要脱氮，SRT应大于硝化菌的时代时间；如果需要脱磷，SRT不应控制太长。剩余污泥产生量与污泥负荷有关。需氧量的计算需要考虑传氧效率随污泥浓度的变化需要对工艺参数进行优化，以使系统达到整体最优。12265TsinghuaUniversity67TsinghuaUniversity污泥浓度与HRT的关系2.m三Ss-Jw123TsinghuaUniversityu=?)UUOZA莎oolumes#TsinghuaUniversity12000-1004)MMKi-4(MX)2(*Xi-统3B体处理费用与污泥

36、浓度的关系MHXi0)00XOOOI(KMX)12000MOW)IWXlOTargetMLSS(mg/L)125TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversity#TsinghuaUniversity膜林料的选择目前研究所用的膜材料有：聚偏氟乙烯.聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚砚等有机膜和无机陶瓷膜陶瓷膜与有机膜相比，耐酸碱和高温，寿命长，但成本咼。膜材料对水质影响不大，主要影响膜污染。理想的膜材料应为耐污染、大通量、机械强度高、寿命长、价格便宜。126膜组件型式的选择!中空纤维（外压式）和平板膜两者的利弊？价格过滤阻力表面错流速度要求与过滤稳定性127在线可清洗性预处理要求水质安全性TsinghuaUniversity膜通量与运行棋式的选择通量选择在临界通量下运行间歇运行有利于膜污染控制必要的在线清洗（水力/化学）有利于延长膜过滤周期128预处理应充分自控系统的可靠性运行中的维持管理12969