關于TMBR技術在設計應用中的問題分析

1、關于TMBR技術在設計應用中的問題分析摘要： 膜生物反應器（Membrane Bio-Reactor, 簡稱MBR）是當今世界公認的先進的污水處理和污水資源化技術，它是將膜分離技術中的超濾、微濾或納濾膜組件 與污水生物處理中的生物反應器相互結合而形成的新型處理系統(tǒng)。TMBR工藝全稱是外置式膜生物反應器，是一種區(qū)別于常規(guī)MBR（膜生物反應器）工藝的另一種膜技術與生化處理技術相結合的污水處理工藝。本文介紹了TMBR工藝及其特點以及與MBR工藝的聯(lián)系和區(qū)別，著重闡述了TMBR工藝在設計和實際應用當中容易忽略和不被重視的問題及解決辦法，提出了TMBR工藝的研究發(fā)展方向。關鍵詞：TMBR技術，問題及解決

2、一、 TMBR技術簡介 膜是一種清潔生產(chǎn)技術，主要起分離作用。它的功能就是把一種物質和另一種物質分離開。膜分離技術是近幾十年發(fā)展起來的高新技術，這些年發(fā)展尤為迅速。膜生物反應器（Membrane Bio-Reactor, 簡稱MBR）是當今世界公認的先進的污水處理和污水資源化技術，它是將膜分離技術中的超濾、微濾或納濾膜組件與污水生物處理中的生物反應器相互結合而形成的新型處理系統(tǒng)。這種集成式組合新工藝把生物反應器的生物降解作用和膜的高效分離技術溶于一體。 1.1技術背景： 全球范圍內淡水資源的時空分布非常不均勻，許多地區(qū)淡水資源嚴重匱乏。而且隨著工業(yè)化和城市化進程的快速發(fā)展，用水量以及污水排放量

3、都在迅速增加，因此，污水的資源化利用已成為應對水資源短缺和減少污染排放的必由之路。近些年來，許多國家都積極開發(fā)廢水綜合處理和回用技術，其中，MBR是20世紀末發(fā)展起來的最具潛力的廢水資源化再生利用技術之一。 MBR技術的最佳適用范圍為：出水水質要求高的項目；處理出水有回用要求的項目（污水資源化項目）；工程用地比較緊張的項目；高濃度有機廢水項目。該技術的出現(xiàn)是對我國傳統(tǒng)污水治理理念和污水處理技術的一次顛覆和帶來的一場偉大變革， 將對中國的水處理行業(yè)和環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)帶來深層次的巨大影響；同時，它也使水處理行業(yè)從工程化向設備化和產(chǎn)業(yè)化成為可能。 1.2發(fā)展現(xiàn)狀： 20世紀90年代初期，MBR開始應用于

4、歐洲的工業(yè)廢水處理，而城市污水的處理自1996年開始啟動。在2002-2005的三年間，歐洲MBR污水處理工程的數(shù)量以每年70個以上的數(shù)量增加，其中工業(yè)廢水MBR處理系統(tǒng)50個以上，城市污水MBR處理系統(tǒng)20個以上。美國和加拿大的MBR市場在下一個十年里也會持續(xù)增長，20042006年間，美國MBR市場的發(fā)展速度明顯高于其他水工業(yè)。東亞地區(qū)也是MBR極為重要的市場，中國、日本和韓國均有大量的MBR工程應用。特別是中國，已經(jīng)有多個正在運行和建設中的萬噸級MBR工程項目，并會在將來MBR全球市場發(fā)展中占據(jù)越來越重要的位置。截至到2005年，韓國已有1400多個MBR裝置。 我國MBR技術的發(fā)展歷史

5、幾乎與國外接近，除了早期與國外有差距外， 但是最近幾年在技術應用方面與國外幾乎同步，并且在部分領域在世界上有領先優(yōu)勢， 因為中國對于MBR技術的需求遠比國外迫切且市場潛力巨大。主要發(fā)展階段如下： 19902000：實驗室階段，小試、中試、示范工程； 20002003：每天百噸級的規(guī)模，主要用于小區(qū)樓宇、工業(yè)等領域； 20032005：每天千噸級的規(guī)模開始應用，主要用于城市污水和工業(yè)污水領域； 20042005：每天萬噸級的規(guī)模工程的可行性研究階段，并為實施做準備。主要用于城市污水和工業(yè)污水領域； 20052006： 開始實施每天上萬噸級的規(guī)模工程的工程設計、建設、運行階段。主要用于城市污水和工

6、業(yè)污水領域； 2006現(xiàn)在：大規(guī)模實施每天數(shù)萬噸級的規(guī)模工程的工程設計、建設、運行，主要用于城市污水和工業(yè)污水領域。 1.3應用領域： 現(xiàn)在，MBR已應用于以下領域： 城市污水處理及建筑中水回用 中水回用，在水資源嚴重短缺的當今利，會有著重要意義。MBR中膜組件具有良好的固液分離效果，處出水中的COD、BOD、NH-N、濁度均達到或優(yōu)于城市雜用水水質標準或工業(yè)回用水指標要求。 工業(yè)廢水處理 MBR作為一種強化的生物處理工藝，在工業(yè)廢水處理中也受到重視，尤其是處理高濃度易降解有機廢水、有毒難降解有機廢水。 在處理高濃度易降解有機廢水方面膜生物反應器對COD的去除是通過膜和活性污泥共同作用達到的。

7、膜分離技術對不溶性有機物的截留對COD去除有一定的去除效果。并且膜生物反應器較好地解決水力停留時間和污泥停留時間的相互制約問題，使反應系統(tǒng)可獲得較高的污泥濃度，從而使膜生物反應器比傳統(tǒng)的廢水生物處理工藝有更好的處理效果。 在處理有毒難降解有機廢水方面，許多工業(yè)廢水中含有烴類和表面活性劑等污染物，例如煉油、冶金漂洗、壓縮制冷、潤滑和冷卻劑加工等工業(yè)的排放廢水。目前傳統(tǒng)的污水處理法通常不能徹底去除這種廢水中穩(wěn)定化狀態(tài)的烴類化合物。MBR工藝可以克服這些缺點，處理這種廢水具有一定優(yōu)勢。 微污染飲用水凈化 隨著氮肥與殺蟲劑在農(nóng)業(yè)中的廣泛應用，飲用水也不同程度受到污染。LyonnaisedesEaux公

8、司在90年代中期開發(fā)出同時具有生物脫氮、吸附殺蟲劑、去除濁度功能的MBR工藝，1995年該公司在法國的Douchy建成了日產(chǎn)飲用水400m3的工廠。出水中氮濃度低于0.1mgNO2/L，殺蟲劑濃度低于0.02g/L。 糞便污水處理 糞便污水中有機物含量很高，傳統(tǒng)的反硝化處理要求有很高的污泥濃度，固液分離不穩(wěn)定，影響三級處理的效果。MBR則在處理糞便污水上有很大的優(yōu)勢，處理糞便污水時污泥質量濃度高、容積負荷大，生物降解及膜分離單元的水力循環(huán)使生物反應器能維持在一定溫度，一般為36左右，這有利于生化降解效率的提高。日本崎玉縣越谷市采用該工藝處理糞便污水，污水經(jīng)系統(tǒng)處理后，出水不含固形物，COD與色

9、度大幅度削減，反應器的污泥質量濃度可高達15,000l8,000 mgL左右，且系統(tǒng)運行穩(wěn)定。 土地填埋場/堆肥滲濾液處理 土地填埋場/堆肥滲濾液含有高濃度的污染物，其水質和水量隨氣候條件與操作運行條件的變化而變化。MBR技術在1994年前就被多家污水處理廠用于該種污水的處理。通過MBR與RO技術的結合，不僅能去除SS、有機物和氮，而且能有效去除鹽類與重金屬。最近美國Envirogen公司開發(fā)出一種MBR用于土地填埋場滲濾液的處理，并在新澤西建成一個日處理能力為40萬加侖(約1500m3/d)的裝置，在2000年底投入運行。該種MBR使用一種自然存在的混合菌來分解滲濾液中的烴和氯代化合物，其處

10、理污染物的濃度為常規(guī)廢水處理裝置的50100倍。能達到這一處理效果的原因是，MBR能夠保留高效細菌并使細菌濃度達到50,000g/L。在現(xiàn)場中試中，進液COD為幾百至40,000mg/L，污染物的去除率達90%以上。 MBR技術是中水回用的首選工藝。 1.4 TMBR 根據(jù)膜組件設置的相對位置，MBR工藝分為內置式和外置式。TMBR工藝全稱是外置式膜生物反應器，是一種區(qū)別于常規(guī)MBR（膜生物反應器）工藝的另一種膜技術與生化處理技術相結合的工藝。 TMBR與常規(guī)MBR工藝的相同點在于：首先是通過生化單元利用微生物將有機物降解，然后通過膜的分離過濾作用，實現(xiàn)泥水分離，從而使出水水質得到強化凈化，使

11、生化出水一步達到或接近超濾膜產(chǎn)水水質。 TMBR與常規(guī)MBR工藝的區(qū)別在于：所采用的膜為管式膜，膜管直徑可達到5-12mm，與生化單元結合方式為外置式，即膜單元布置在生化單元池體外部，從而實現(xiàn)了膜單元與生化單元的相對獨立。 TMBR與常規(guī)MBR工藝相比，其優(yōu)點在于：膜清洗便捷，勞動強度小，膜污堵可能性小，無斷絲現(xiàn)象，污堵后可實現(xiàn)機械清洗，生化單元工藝配置靈活，容易實現(xiàn)自動化控制等。 TMBR與常規(guī)MBR工藝相比，其弊端在于：膜單元循環(huán)水量大，能耗高。 TMBR工藝示意圖如下所示： TMBR工藝示意圖 TMBR工藝主流程如下所示： 預處理單元需根據(jù)不同的廢水性質進行設計，對于毛發(fā)及長纖維類污染物

12、的去除經(jīng)常被忽略或不被重視，需要著重考慮，此點在后續(xù)問題分析中將詳細闡述。生化單元可根據(jù)需要選用A/O、A2/O、氧化溝、CASS、SBR等活性污泥處理工藝。保安過濾主要作用為去除水中較大的顆粒類污染物質（過濾孔徑0.8mm左右），以保護膜管不遭到劃傷等損壞。膜循環(huán)泵主要作用為給泥水混合物提供足夠的動力，防止污泥在管式膜內沉積，同時利用污泥及水流的沖刷作用，去除膜過濾層表面的污染物，降低膜的污染。 二、 常見問題及解決方法 在實際設計應用中，常出現(xiàn)各種各樣的問題，從而使該技術的優(yōu)勢被弱化，甚至出現(xiàn)整個系統(tǒng)的運行異常及膜壽命縮短等嚴重問題?，F(xiàn)結合實際工程經(jīng)驗，對TMBR技術在設計應用中常出現(xiàn)的問

13、題進行分析，并提出針對性的解決意見。 2.1毛發(fā)、纖維類物質堵塞問題 常規(guī)水處理工藝中，預處理單元的主要目的是去除水中大顆粒、無機類污染物質，降低后續(xù)處理單元的負荷，保護設備的正常運行。當主體工藝采用TMBR時，需要著重考慮廢水中毛發(fā)、纖維等絮狀污染物質的去除，該類物質雖然不會造成水泵等設備的堵塞，其難生化降解性也不會增加生化單元中有機物處理負荷，但該類污染物如果不能有效去除，在保安過濾設備很容易造成濾網(wǎng)的堵塞，從而增加濾網(wǎng)的清洗頻率，增加勞動負荷。且在壓力管道系統(tǒng)中，該類污染物會部分穿透保安過濾器進入到膜系統(tǒng)中，并逐漸在膜進口端累積，從而使膜管中污水流量迅速降低，污泥逐漸在膜管中沉積，兩負面

14、作用相輔相成，最終在膜系統(tǒng)的整體壓力條件下實現(xiàn)了類似污泥過濾脫水的過程，從而造成膜管的完全堵塞，致使膜整體的產(chǎn)水量降低，情況嚴重時便需要通過人工機械清理方式進行清洗，而人工機械清理往往會對膜管造成損傷。因該種原因造成污堵的實際情況可由工程照片完全反應出來，如下圖： 該類問題應從設計之初進行重點考慮，針對不同廢水水質情況及項目實際情況，采取不同解決方案，可歸納為如下幾點： 1）針對不同種類廢水，采取針對性處理工藝。設計之初需對廢水中毛發(fā)、纖維等類污染物質引起充分重視，對廢水中該類污染物質進行充分調研，分析可能引入該類物質的途徑，如生活污水、生產(chǎn)中編織袋碎屑、保溫棉碎屑等，并確定配置該類物質去除設

15、備的必要性。 2）在生化池進水端設置微濾機，過濾網(wǎng)孔0.1-0.5mm，使水中毛發(fā)、纖維等污染物質在常壓狀態(tài)下過濾去除。采用此方法時，對于易生化廢水還應考慮對生物膜的去除，否則在微濾機濾網(wǎng)生長出的生物膜，很容易堵塞濾網(wǎng)，設計中需采用相應的預防措施，如增強沖洗強度，增加沖洗頻率等。 3）條件允許的情況下，生化池采用封閉式，防止外來污染物如：柳絮、楊絮等飄入。柳絮或楊絮為自然纖維類物質，當處理構筑物為敞開式時，極易飄入池內混入污水中，在春季膜保安過濾器的清洗頻率會大幅度增加。當池體封閉的條件不允許時，可考慮將轉鼓式微濾機設置在生化池出水端，生化池泥水混合物經(jīng)過過濾后再通過膜提升泵提升到膜系統(tǒng)中進行

16、過濾處理，此方法可對來源于各種渠道（如：原水中存在的，各設備間排污中的，飄入生化池的）的該類污染物進行集中處理，效果最佳，但設計中需充分考慮微濾機對活性污泥的透過性。 2.2TMBR膜單元阻力損失問題 TMBR膜單元阻力損失的設計在整個膜系統(tǒng)設計中至關重要，關系著膜系統(tǒng)的產(chǎn)水量、生化池活性污泥極限濃度、污水處理量等能否達到預定設計值。而實際設計中，往往因為對該環(huán)節(jié)的不重視或設計的不嚴謹，造成循環(huán)泵設計參數(shù)小于實際所需值的問題出現(xiàn)，從而引發(fā)一系列的連鎖問題，如：循環(huán)泵揚程低，造成滿頻率運行時膜管內循環(huán)水量仍不足，達不到膜管要求的循環(huán)流速，使膜系統(tǒng)產(chǎn)水量降低，膜污堵周期縮短，甚至出現(xiàn)膜管堵死的狀況

17、，從而頻繁的需要進行人工機械清洗操作，增加了勞動負荷，提高了膜管被破壞的幾率，降低了膜管的使用壽命。 實際應用中，多根膜管組裝到一根膜殼內形成一支膜，多支膜串聯(lián)成一組運行，每組配一臺循環(huán)泵（如圖所示，由6支膜串聯(lián)成一組），泥水混合物通過循環(huán)泵加壓后從下往上依次通過每支膜。為了防止膜管被堵死，除需要防止毛發(fā)、纖維類污染物進入膜系統(tǒng)外，還需要保證泥水混合物在膜管內的流速（通常設計為4m/s左右）。管式膜對活性污泥濃度的適應范圍極廣，可高達到40g/l，根據(jù)污泥濃度的不同，泥水混合物在膜系統(tǒng)內的阻力損失也有較大差距，故設計中應根據(jù)不同水質情況設計出生化池最高活性污泥濃度，并以生化池最高活性污泥濃度計算出管式膜中最高污泥濃度，并依此計算出膜系統(tǒng)最大的阻力損失，最后確定循環(huán)泵的流量、揚程等參數(shù)值，循環(huán)泵選型時流量及揚程參數(shù)應考慮一定的富裕量，循環(huán)泵多采用變頻控制運行。 三、 TMBR技術的研究重點 采用TMBR技術，整體系統(tǒng)的處理流程簡短，生化池所需容積小，占地面積小，運行管理簡單，出水水質好，有利于污廢水處理后回用方案的實施。但相對于常規(guī)MBR工藝，TMBR工藝的最大弊端為耗能較高，嚴重影響了該工藝的快速推廣。 故如何降低整個系統(tǒng)的能耗，即如何保證膜系統(tǒng)在低循環(huán)量、低流速情況下的穩(wěn)定運行，是一個重要的研究方向，也是實際運行中需要摸索平衡的工作重點。而如何平衡膜系