綠色污水處理技術(shù)

1、文獻(xiàn)匯報(bào)Chemical Engineering Journal 283 (2016) 582594題目Green technology in wastewater treatment technologies: Integrationof membrane bioreactor with various wastewater treatment systems綠色廢水處理技術(shù)：膜生物反應(yīng)器集成各種其他廢水系統(tǒng)的處理體系。作者：Chin Hong Neoh, Zainura Zainon Noor， Noor Sabrina Ahmad Mutamim, Chi Kim Lim摘要 世界各地的

2、淡水資源的匱乏成為當(dāng)今的一項(xiàng)重大難題。 膜生物反應(yīng)器（MBR）雖然已經(jīng)在污水處理中得到一定的使用，但是還有很多缺點(diǎn)和局限性。 本文主要討論如何找到一種MBR聯(lián)合其他的廢水處理技術(shù)，開(kāi)辟一種復(fù)合型穩(wěn)定高效的廢水處理途徑。 MBR在處理廢水的方面有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，如減少污染和有開(kāi)發(fā)新能源的可能性，并且能將環(huán)境恢復(fù)的程度大大提高。1.引言 近年來(lái)，膜生物反應(yīng)器備受關(guān)注，其具有很多優(yōu)勢(shì)，比如體積小價(jià)格低廉，污泥產(chǎn)量小分離效率高，能保留小分子，通過(guò)超濾還可以除去病毒。 全球MBR市場(chǎng)在上升的年復(fù)合增長(zhǎng)率13.2，預(yù)計(jì)將達(dá)到 627億美元 。這些說(shuō)明MBR近年來(lái)的市場(chǎng)增長(zhǎng)速度快，具有較大的市場(chǎng)貢獻(xiàn)。 本文主

3、要在于陳述使用膜生物反應(yīng)器來(lái)進(jìn)行處理工業(yè)廢水的技術(shù)，其中包含高級(jí)氧化技術(shù)，沉淀技術(shù)，反滲透，MDBR和MBBR-MBR。其副產(chǎn)物同時(shí)可以用以生物燃料和產(chǎn)生電能，既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。2.膜生物反應(yīng)器與其他技術(shù)的復(fù)合處理體系 采用復(fù)合處理體系的目的：在于提高滲透效率，減輕膜污染，提高膜的穩(wěn)定性與使得清洗過(guò)程變得更方便。2.1 高級(jí)氧化技術(shù)（AOPs）和電絮凝更適于前處理廢水，將廢水由生物難降解的化合物轉(zhuǎn)化為易降解的中間體，然后采用生物降解的方法進(jìn)行凈化。Mascolo等人，利用臭氧-MBR的方法處理制藥廢水，效率高達(dá)99%，由此可以看出，兩個(gè)分離的系統(tǒng)協(xié)同處理效果更好Lopez等人研究了太陽(yáng)能光催化-M

4、BR系統(tǒng)，有著濁度低，不引入碳源的優(yōu)勢(shì)。Laera等人研究了MBR集成臭氧以及UV/H2O2，可以有效地去除水中對(duì)人體有害的萘啶酸。Lamsal等人研究了硝化生物污染與反硝化作用。數(shù)據(jù)顯示BF-MBR比傳統(tǒng)的活性污泥法有著較好的生物活性。但是BF-MBR的膜污染更為嚴(yán)重，相比于MBR的結(jié)垢傾向有4倍之高。復(fù)合MBR在廢水處理中的優(yōu)缺點(diǎn)高成本，無(wú)法使用于對(duì)于高TSS廢水有效去除難降解的污染物有效去除顏色降低了生產(chǎn)剩余污泥操作簡(jiǎn)單有效去除顏色高級(jí)氧化法/電絮凝膜蒸餾生物膜/生物包埋MBR顆粒MBR使用電絮凝-MBR來(lái)進(jìn)行處理廢水Keerthi等人研究了電結(jié)合微濾，膜生物反應(yīng)器，電一體化與MBR等三

5、種不同的體系。其體系具有有效地去除廢水中的鉻，銅，鋅等重金屬離子。經(jīng)過(guò)相關(guān)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)調(diào)查，此研究中表明電絮凝-Fenton系統(tǒng)是其中最好的。相比普通膜生物反應(yīng)器的0.1g污泥產(chǎn)量，其污泥產(chǎn)量幾乎為0,并且在氧化過(guò)程中能夠減少膜的結(jié)垢與延長(zhǎng)膜的清洗周期，并且具有操作簡(jiǎn)單，除磷效果好等優(yōu)點(diǎn)。幾種電絮凝-MBR的工作原理圖2.2正滲透膜（FO）和反滲透膜（RO）滲透膜生物反應(yīng)器（OMBR）具有生產(chǎn)出來(lái)的水質(zhì)良好和耗能低等一系列優(yōu)勢(shì)。OMBR能夠保留任何微小的污染物與引發(fā)半徑小于滲透壓的分子截留重量，從而顯著減少的生物降解難降解的化合物的時(shí)間。納米過(guò)濾膜的使用時(shí)膜污染的周期很短。FO的優(yōu)點(diǎn)是低能耗，膜

6、污染周期長(zhǎng)，然而缺點(diǎn)在于水通量減少，SRT也會(huì)影響微生物產(chǎn)物與活性。FO膜的生物結(jié)垢是可逆的，會(huì)被滲透反沖洗。AnMBR能保持更多的微生物生長(zhǎng)從而分解膜污垢。 Ogawa等發(fā)現(xiàn)，在納濾和反滲透膜生物反應(yīng)器在市政廢水處理并沒(méi)有很大的差異，然而納濾膜的污染要更嚴(yán)重一些。 De Jager等人研究了MBR和超濾（UF）膜結(jié)合進(jìn)行處理紡織工業(yè)廢水?？梢杂行У亟档虲OD和濁度，但是去除顏色能力欠佳。然而研究的MBR-反滲透體系對(duì)紡織脫色廢水的處理，發(fā)現(xiàn)其去除污水顏色效果有著極大改善。 Tan等人研究了使用三醋酸纖維素OMBR膜和FO集成來(lái)處理市政污水處理和效果，發(fā)現(xiàn)OMBR會(huì)妨礙氨氮去除，并且微生物無(wú)法

7、適應(yīng)高鹽度的環(huán)境。 總結(jié)：使用OMBR半透膜會(huì)導(dǎo)致鹽在反應(yīng)器中積累，鹽水環(huán)境可能會(huì)影響生物系統(tǒng)的性能。建議采用耐鹽微生物和較短SRT并且增加處理時(shí)間。2.3 膜蒸餾生物反應(yīng)器（MDBR）MDBR結(jié)合了嗜熱生物過(guò)程與膜蒸餾過(guò)程。具有高效去除有機(jī)物的特點(diǎn)，污泥產(chǎn)量小，百分之百的脫鹽率，低膜污染，設(shè)備成本低，操作性能良好。MDBR的優(yōu)勢(shì)在于能夠一步到位的處理廢水，并且具有出水品質(zhì)高并比膜反應(yīng)器低溫室氣體排放的特點(diǎn)。 Wijekoon等評(píng)估了MBDR的工藝性能，其采用生物降解，污泥吸附而不是膜蒸餾，然而并不能很好的除去難降解物質(zhì)，而且在高溫條件下會(huì)減少原生生物的數(shù)量。 Phattaranawik等。利

8、用清洗過(guò)的MDBR處理有機(jī)廢水，一樣可以處理出TOC和鹽度都非常低的水，說(shuō)明MDBR的潛力在于廢水回收的一步到位，并且具有出水品質(zhì)高，低溫室氣體排放量等諸多優(yōu)點(diǎn)?？偨Y(jié)：滲透與MDBR都能夠很高效的去除污染物。而且MDBR產(chǎn)生的熱能有可能用于能源的潛在應(yīng)用前景。2.4生物膜膜生物反應(yīng)器（BF-MBR）和生物截留膜生物反應(yīng)器（BE-MBR）BF-MBR是通過(guò)增加MBR的核？的方法用以減少懸浮物的濃度以減少膜污染，并且比MBR有著更好的微生物活性。Rafiei等通過(guò)研究得出結(jié)論BE-MBR比BF-MBR能更好的降低COD和氨氮水力停留時(shí)間，而且結(jié)垢速度緩慢微生物增長(zhǎng)迅速。Leyva-Daz等人將反應(yīng)

9、器分為好氧和厭氧區(qū)與單獨(dú)的BF-MBR僅有好氧區(qū)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)單獨(dú)MBR的性能比較好。 Rollings-Scattergood等設(shè)計(jì)了一種多孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的BF-MBR，結(jié)垢的頻率是MBR的四倍以上，然而還是具有很好的氮化合物的除去效果。 總結(jié)：BE-MBR與BF-MBR都有著很好的降低TOC和TN的性能，然而還是會(huì)有一定的膜結(jié)垢和其他生物污染。 Yang等人的研究發(fā)現(xiàn)，BF-MBR比常規(guī)的MBR對(duì)于TOC和TN含量高的廢水的處理效果要好，然而B(niǎo)F-MBR的缺點(diǎn)在于絲狀菌導(dǎo)致的膜污染較為嚴(yán)重。 2.5 MBR顆粒 好氧顆粒污泥中可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)硝化和反硝化，并且顆粒系統(tǒng)遠(yuǎn)比單個(gè)微生物的工作效率

10、高。 Vijayalayan等的研究表明顆粒污泥能使膜的污染顯著減少而且增強(qiáng)了顆粒的穩(wěn)定性。 Zhao等的研究表明污泥的制取迅速但并不穩(wěn)定。 Li等的研究表明厭氧氨氧化顆粒具有高活性高抗震性生長(zhǎng)速度塊污染小的優(yōu)點(diǎn)，在治理高氨氮廢水方面具有很好的前景。3. MBR作為一種可持續(xù)發(fā)展的廢水處理措施由于世界的能源危機(jī)與環(huán)境惡化，人類(lèi)最需要的是將廢水凈化到可以用于農(nóng)業(yè)與工業(yè)用途，并且能夠生產(chǎn)出能源或其他具有價(jià)值的產(chǎn)品，同時(shí)解決環(huán)境問(wèn)題。3.1 MBR生物燃料的生產(chǎn)沼氣的產(chǎn)生源于活性甲烷菌，是很好的代替化石燃料的可再生能源。然而厭氧生物處理緩慢導(dǎo)致現(xiàn)在僅有很少的行業(yè)使用厭氧菌，并且有著工藝復(fù)雜，沉降特性

11、低，不容易去除雜質(zhì)，氣體收集困難等缺點(diǎn)。因此，有著良好流出物、低量顆粒與低病原體的AnMBR備受關(guān)注。Sheldon等人研究，說(shuō)明了FO-AnMBR和熱泵結(jié)合將有可能成為未來(lái)溫帶地區(qū)城市廢水處理與能源提供的一個(gè)新的方式。Youngsukkasem等人研究了反向生物膜反應(yīng)器（RMBR）用膜包裹微生物快速合成生物甲烷。結(jié)果顯示，AnMBR能達(dá)到一個(gè)常規(guī)厭氧池的產(chǎn)量。 Pretel等調(diào)查了AnMBR的操作成本，發(fā)現(xiàn)其能量有35%轉(zhuǎn)化為電，其他的轉(zhuǎn)化為熱能，有一部分可以用于加熱應(yīng)用。 然而ANMBR存在兩個(gè)明顯問(wèn)題：壓力太高和還原細(xì)菌基底甲烷和硫酸之間具有競(jìng)爭(zhēng)性。 AnMBR的種類(lèi)與其甲烷產(chǎn)量Gao等

12、采用綜合厭氧流化床MBR和中空纖維膜來(lái)處理生活污水，甲烷產(chǎn)量為180L/kgCODWei等采用中溫AnMBR和中空纖維PVDF、UF膜來(lái)處理模擬城市廢水，甲烷產(chǎn)量為300ml/gCODJensen采用AnMBR和浸沒(méi)式中空纖維膜處理紅肉加工廢水，甲烷產(chǎn)量為360L/kgCOD3.2產(chǎn)生電能膜反應(yīng)器的使用限制在于能源消耗太高，整合微生物燃料電池MFC可以降低能耗，并且具有清潔安全靜音低排放等優(yōu)點(diǎn)。Wang.等人進(jìn)行相關(guān)的MBR-MFC的研究，開(kāi)發(fā)了一種MBR-MFC一體化的進(jìn)程，Li等人研究了一種在陰極安裝中空纖維膜的MBR-MFC，相比MBR和AnMBR的COD的降低效果要好。 Wang.等人

13、研究MBR中使用MFV以減輕膜污染，形成電場(chǎng)減少污泥沉積在膜表面，該系統(tǒng)能夠很好地去除難聞的氣味降低，總COD和濁度。 總結(jié)：MBR-MFC在能量消耗和膜污染的清理方面存在諸多優(yōu)點(diǎn)，可以將其作為快速COD的生物傳感器，并且無(wú)需外接電源支持。然而如何降低該方法的資本以及運(yùn)營(yíng)成本的相關(guān)問(wèn)題正式眼下需要攻克的難題。MFC-MBR示意圖以及電場(chǎng)對(duì)膜污染的減緩機(jī)制每種類(lèi)型的MFC-MBR系統(tǒng)的正負(fù)極，膜與功率Wang使用陽(yáng)極石墨棒，陰極使用不銹鋼網(wǎng)，膜采用不銹鋼網(wǎng)，功率為4.35W/m33.3營(yíng)養(yǎng)與金屬回收磷是一種不可再生的資源，對(duì)農(nóng)業(yè)至關(guān)重要，所以回收磷也是理想的方案。Qiu 和 Ting研究了OMB

14、R城市污水處理，幾乎可以回收全部的磷。然而Johir等研究MBR-離子交換混合動(dòng)力系統(tǒng)，并認(rèn)為重點(diǎn)應(yīng)該在于優(yōu)化厭氧步驟的養(yǎng)分最大化釋放。4.MBR的未來(lái)發(fā)展展望 膜生物反應(yīng)器的未來(lái)趨勢(shì)在于減少能源消耗和膜污染兩個(gè)方面。4.1減少能源消耗有兩種方法來(lái)減少M(fèi)BR的能耗。一種是通過(guò)微生物氧化有機(jī)物供電來(lái)代替人為供電，這一點(diǎn)MFC可以做到，然而MFC在滲透質(zhì)量上還具有很多問(wèn)題。另一方面MFC-MBR的排出物的優(yōu)化。今后關(guān)于MFC的開(kāi)發(fā)將會(huì)是以排出物的無(wú)害化為主要目的。另一種類(lèi)型的是綜合厭氧型MBR。然而AnMBR的推行收到膜污染與毒性的問(wèn)題的困擾?？傊磥?lái)有望出現(xiàn)自行供電的膜生物反應(yīng)器。第二種方法是減

15、少膜生物反應(yīng)器的數(shù)量使用，RO和FO具有低能耗的優(yōu)勢(shì)，然而系統(tǒng)的鹽度會(huì)抑制生物系統(tǒng)的性能，因此需要我們能找到一種可以抵抗高鹽度環(huán)境的細(xì)菌來(lái)維持生物系統(tǒng)的性能。4.2降低膜污染膜污染和能量消耗（曝氣）是相通的。有幾種降低膜結(jié)垢的方法：如HRT和SRT，重點(diǎn)在于用集成系統(tǒng)減輕膜污染，進(jìn)一步的研究將在SRT或者集成的MBR-HRT方面減輕膜結(jié)垢。5.結(jié)論 MBR技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)所以更加的可靠和有研究?jī)r(jià)值。在未來(lái)的研究中將把重點(diǎn)放在減少能源消耗和減輕膜結(jié)垢等方面。膜生物反應(yīng)器在這方面有著不錯(cuò)的表現(xiàn)，預(yù)計(jì)在未來(lái)有著更為廣闊的前景與巨大的潛力。6.問(wèn)題 1.為何多數(shù)設(shè)備會(huì)選擇在電解池的陰極曝氣？ 2.Leyva-Daz et al. investigated a BF-MBR containing carriers in the anoxic and aerobic zones of the bioreactor and a BF-MBR which contained carriers only in the aero