厭氧膜生物反應(yīng)器在廢水處理中的研究進(jìn)展

1、Progress of membrane coupled anaerobic bioreactor inwastewater treatmentBai Ling 1,2,Lan Weiguang 1,3,Wan Jinbao 1(1.College of Environmental Science and Engineering ,Nanchang University ,Nanchang 330047,China ;2.College of Natural Science ,Jiangxi Agricultural University ,Nanchang 330045,China ;3.S

2、inomem Technology Limited ,Singapore 569095,Singapore 厭氧膜生物反應(yīng)器在廢水處理中的研究進(jìn)展白玲1,2,藍(lán)偉光1,3,萬金保1(1.南昌大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江西南昌330047;2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,江西南昌330045;3.新達(dá)科技集團(tuán),新加坡569095摘要厭氧膜生物反應(yīng)器是一種處理高濃度有機(jī)廢水的有效工藝。綜述了厭氧膜生物反應(yīng)器的特征,在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用以及低溫下厭氧處理低濃度廢水的效果,并展望了厭氧膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞廢水處理;厭氧膜生物反應(yīng)器;膜通量中圖分類號(hào)X703.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1005-829X

3、(200709-0016-05Abstract :Membrane coupled anaerobic bioreactor is a kind of effective technique applied to treat highly concentrated organic wastewater.New development of membrane coupled anaerobic bioreactor in wastewater treatment is reviewed ,including its characteristics ,application to industri

4、al treatment and to anaerobic treatment of wastewater with low concentration under psychrophilic conditions.The application prospect in future are probed into.Key words :wastewater treatment ;membrane coupled anaerobic bioreactor ;membrane flux第27卷第9期2007年9月工業(yè)水處理Industrial Water TreatmentVol.27No.9S

5、ep.,2007膜生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactor ,MBR 是將酶、微生物或動(dòng)、植物細(xì)胞等固定在具有特定化學(xué)性質(zhì)的聚合物膜面上或膜腔內(nèi),或?qū)⒂坞x的酶、微生物或動(dòng)、植物細(xì)胞限制在特定的空間范圍內(nèi),以實(shí)現(xiàn)廢水的生化反應(yīng)與分離同時(shí)進(jìn)行的一種特殊反應(yīng)器。膜生物反應(yīng)器最早用于微生物發(fā)酵工業(yè),在廢水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)60年代,最初主要用于處理生活污水,20世紀(jì)90年代以來,其在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用研究應(yīng)用逐漸受到重視。我國對膜生物反應(yīng)器的研究雖然起步較晚,但發(fā)展非常迅速。近30年來,膜生物反應(yīng)器已經(jīng)逐步應(yīng)用于市政污水和工業(yè)廢水的處理之中1,2。隨著世界能源的日益短缺、廢水

6、污染負(fù)荷的日益加大及廢水中污染物種類的日趨復(fù)雜化,廢水厭氧生物技術(shù)以其投資省、能耗低、可回收利用沼氣能源、負(fù)荷高、產(chǎn)泥少、耐沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn),受到人們的關(guān)心和重視。厭氧生物處理(Anaerobic BiologicalTreatment 是指在無溶解氧的條件下,通過厭氧微生物的作用,將污水中所含有的各種復(fù)雜有機(jī)物,如碳水化合物(糖、脂肪、蛋白質(zhì)等經(jīng)厭氧分解轉(zhuǎn)化成無機(jī)物和少量的細(xì)胞產(chǎn)物(沼氣和水,從而達(dá)到廢水處理和能源回收的目的。厭氧生物處理技術(shù)是處理有機(jī)廢水的有效手段,但該技術(shù)在過去的100年里發(fā)展緩慢,原因是厭氧工藝要求保持較高的微生物濃度、較長的污泥齡和較短的水力停留時(shí)間,使其應(yīng)用受到一定的

7、限制。膜分離技術(shù)與厭氧工藝的結(jié)合則克服了以上的不足,并成為高效厭氧處理系統(tǒng)(厭氧反應(yīng)器的發(fā)展方向。厭氧膜生物反應(yīng)器(Membranecoupled anaerobic bioreactor ,MCAB 是把膜技術(shù)作為生物系統(tǒng)出水過濾的末端處理單元3,4,用于許多生物和非生物污染的去除5。高效厭氧處理系統(tǒng)指水力停留時(shí)間(HRT 與固體平均停留時(shí)間(SRT 相分離的系統(tǒng),該系統(tǒng)在高水力負(fù)荷時(shí)必須保持反應(yīng)器內(nèi)較高的生物濃度,并能保證污水和反應(yīng)器內(nèi)的污泥之間良好的接觸。到目前為止世界上已有40多個(gè)國家從事這方面的研究和應(yīng)用,已有數(shù)千臺(tái)高效16厭氧反應(yīng)器在實(shí)際生產(chǎn)中使用。MCAB主要用于處理工業(yè)廢水和垃

8、圾滲濾液。在生活污水中應(yīng)用較少5,也可用于處理難生物降解的有機(jī)廢水6,是一種處理高濃度有機(jī)廢水的有效工藝712,已成為國外如WERF(Water Environmen-tal Research Foundation等協(xié)會(huì)研究的重點(diǎn)之一13。1MCAB的特點(diǎn)和存在的問題1.1負(fù)荷率高厭氧MBR的COD負(fù)荷在2.950kg/(m3d, COD的去除率在85%97%。而好氧MBR一般在1.230kg/(m3d,COD的去除率在90%97%。因此厭氧MBR特別適合處理高濃度有機(jī)廢水,同時(shí),可減小反應(yīng)器體積,使占地面積減小。厭氧菌生長速度慢而處理的污水濃度高時(shí),意味著SRT通常較長,一般以天為單位。而好

9、氧MBR一般以小時(shí)為單位。T.H.Yoon等14采用混合MBR系統(tǒng)(包括缺氧、厭氧和好氧池處理市政廢水,當(dāng)SRT高達(dá)50d時(shí),提高了N的去除率,高達(dá)71.7%,且運(yùn)行穩(wěn)定。1.2產(chǎn)氣量甲烷是MCAB工藝的最終產(chǎn)物,也是一種有用的氣體。其產(chǎn)熱率根據(jù)所產(chǎn)生的生物氣體含二氧化碳的不同約為2226MJ/m3。報(bào)道的甲烷產(chǎn)率(以單位COD計(jì)為0.170.29m3/kg,但實(shí)際產(chǎn)率與污水的來源及操作條件有很大關(guān)系。當(dāng)甲烷比率為65% 75%時(shí),表示系統(tǒng)運(yùn)行良好。因此可通過產(chǎn)氣量的變化來判斷系統(tǒng)的運(yùn)行情況,一旦發(fā)生異常,可調(diào)整操作參數(shù)使系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。另一方面運(yùn)行過程中可利用甲烷降低能耗。D.Jeis

10、on等15研究了在厭氧MBR廢水處理中通過過膜壓差(TMP的穩(wěn)定狀態(tài)評(píng)價(jià)進(jìn)行在線濾餅層的管理。且在運(yùn)行中采用將系統(tǒng)產(chǎn)生的生物氣循環(huán)至MCAB的方法,大大降低了能耗。1.3膜通量大部分MCAB的構(gòu)型是外置式的。外置式膜生物反應(yīng)器是將膜過濾裝置與反應(yīng)器分開設(shè)置的膜生物反應(yīng)器。因?yàn)樵贛CAB中缺少空氣鼓泡,所以外置式MCAB需要通過水泵來進(jìn)行液體循環(huán)以改善污染狀況。有報(bào)告說在采用外置式MCAB處理玉米加工廢水時(shí),循環(huán)比為16的情況下原水和污泥的混合條件非常好,缺點(diǎn)是能耗高,且膜通量較小。為了改善這種狀況,近年來的研究多集中在對浸沒式MCAB的研究。浸沒式膜生物反應(yīng)器則是將膜組件放入反應(yīng)器中直接對膜進(jìn)

11、行抽吸,使混合液經(jīng)膜過濾而得到過濾出水,能耗低、膜通量較大、結(jié)構(gòu)更為緊湊。N.Ren等16研究了用浸沒式MCAB處理高濃度醫(yī)藥廢水,用誤差反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPANN優(yōu)化操作參數(shù),能有效減輕膜污染,膜通量為8.0 20.0L/(m2h。王志偉等17,18試驗(yàn)用一體式厭氧膜生物反應(yīng)器處理上海冠生園集團(tuán)華光釀酒藥業(yè)有限公司的高濃度有機(jī)廢水,研究了三種不同材質(zhì)的膜(PAN、PES和PVDF的過濾特性。并通過數(shù)據(jù)擬合得出不同的膜通量和膜阻力隨時(shí)間的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式。結(jié)果表明,在相同的操作條件下,PAN膜通量維持在一個(gè)較高水平,膜污染速度增長緩慢,是該試驗(yàn)條件下厭氧膜生物反應(yīng)器的最佳膜材質(zhì)。研究表明M

12、CAB進(jìn)水平均COD C r為25764mg/L,COD C r容積負(fù)荷為5.28kg/(m3d,平均出水CODC r為1294.5 mg/L,平均去除率為95%,但出水不達(dá)標(biāo),還要進(jìn)行后續(xù)處理。對SS、濁度和色度有較好的處理效果。膜污染是影響膜通量的主要因素之一。膜污染是膜應(yīng)用的一個(gè)技術(shù)障礙,因此對膜污染特性的研究尤為重要,是研究開發(fā)相應(yīng)的膜污染控制技術(shù)的前提和基礎(chǔ)。K.H.Choo等13研究了分置式厭氧膜生物反應(yīng)器的運(yùn)行狀況,發(fā)現(xiàn)膜外部污染是內(nèi)部污染的30倍。S.Elmaleh等8的研究表明膜污染主要是由于顆粒的沉積造成的,并且認(rèn)為錯(cuò)流達(dá)到一定程度后,可以避免顆粒沉積。K.H.Choo等研

13、究了厭氧膜生物反應(yīng)器污泥混合液組分對膜污染的影響,結(jié)果表明膜污染阻力主要是泥餅層阻力而且主要是由污泥混合液中的細(xì)小膠體顆粒所造成的阻力。這些試驗(yàn)研究主要是對分置式厭氧膜生物反應(yīng)器的污染性能的研究。B.D.Cho等19研究了厭氧生物反應(yīng)器錯(cuò)流微濾系統(tǒng)在次臨界通量的操作條件下的污染特性。I.J.Kang等20對外置式厭氧MBR處理酒廠廢水中的有機(jī)膜和無機(jī)膜的過濾特性進(jìn)行了比較:對有機(jī)膜和無機(jī)膜,濾餅層阻力分別占37%和4%,內(nèi)部污染阻力分別占56%和90%。無機(jī)膜由于價(jià)格昂貴,實(shí)際使用較少。研究表明反沖洗和回流方式能有效地減輕膜污染。有機(jī)膜用酸性(pH2.0反沖洗,膜通量增加兩倍;無機(jī)膜用堿性反沖

14、洗,提高了膜通量,且采用回流方式能獲得更高的膜通量。清洗方法可以是在線和離線清洗。王志偉等21研究了一體式MCAB在處理酒廠高濃度有機(jī)廢水時(shí)的膜污染特性。試驗(yàn)分析了膜阻力分布狀況。結(jié)果表明,外部阻力(濃差極化阻力和泥餅層阻力之和占總阻力的98%,小于膜孔的物質(zhì)進(jìn)入膜孔內(nèi)引起堵塞與吸附白玲,等:厭氧膜生物反應(yīng)器在廢水處理中的研究進(jìn)展工業(yè)水處理2007-09,27(917而形成的內(nèi)部阻力僅占總阻力的2%。比較I.J.Kang 和王志偉的研究差異較大,可能是MCAB的構(gòu)型不同所致,有待于進(jìn)一步研究。方緒亮等22用厭氧超濾膜生物反應(yīng)器處理高濃度食品廢水,考察了超濾膜表面形貌對膜通量衰減的影響。結(jié)果表明

15、,超濾膜的表面形貌對厭氧膜生物反應(yīng)器的膜污染產(chǎn)生重要影響,并且膜表面形貌愈粗糙,膜通量下降愈嚴(yán)重;膜表面形貌影響膜通量的恢復(fù),膜表面形貌愈粗糙,清洗效果就愈差,恢復(fù)率就愈低。因此,對于膜通量的改善主要應(yīng)從以下方面進(jìn)行:(1優(yōu)化膜組件的設(shè)計(jì)和MCAB的構(gòu)型;(2優(yōu)化工藝操作條件;(3膜類型和膜材料的選擇。通過膜通量的改善以求達(dá)到經(jīng)濟(jì)和高效的目的。1.4存在的問題目前,MCAB工藝尚存在以下幾方面的問題: (1厭氧生物處理啟動(dòng)時(shí)間較長;(2運(yùn)行管理較為復(fù)雜;(3可能造成二次污染,故系統(tǒng)的各處理構(gòu)筑物應(yīng)盡可能做成密封,以防臭氣散發(fā);(4不能完全去除廢水中的氮和磷,去除有機(jī)物不徹底,故常與好氧處理相配

16、合。國內(nèi)外已對快速啟動(dòng)厭氧生物反應(yīng)器的方法進(jìn)行了大量研究23,包括投加無機(jī)絮凝劑或高聚物,投加細(xì)微顆粒物及選擇快速啟動(dòng)技術(shù),對廢水處理的工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。2MCAB在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用工業(yè)廢水中有機(jī)物濃度很高,有的還含有毒性物質(zhì),此外許多工業(yè)廢水中含有烴類化合物和表面活性劑等污染物質(zhì)。對此類廢水的處理普遍認(rèn)為厭氧法較好氧法經(jīng)濟(jì),但不同的厭氧工藝都要求較高的微生物的濃度、較長的泥齡、較短的水力停留時(shí)間,使厭氧工藝受到了限制,而膜分離技術(shù)和厭氧工藝的結(jié)合使上述問題迎刃而解。膜組件能夠?qū)⑺械纳锕腆w截留在生物反應(yīng)器中,同時(shí)也能將大分子污染物截留在反應(yīng)器中,這樣可使廢水中的難降解物質(zhì)在高

17、污泥濃度和很長的污泥停留時(shí)間下最終被生物降解。這兩者的結(jié)合是一種相互補(bǔ)充、相互協(xié)調(diào)的關(guān)系。因此,厭氧膜生物反應(yīng)器必將在工業(yè)廢水的處理中得到更廣泛的研究和應(yīng)用。1987年,南非成功地建成了一套厭氧MBR處理玉米加工廢水的裝置。它采用分置式聚醚砜管式膜組件,處理水量可達(dá)500m3/d。其進(jìn)水中含有溶解性無機(jī)物、蛋白質(zhì)、氨基酸及其他含氮有機(jī)物、乳酸、糖和分散的顆粒物(淀粉、面筋纖維和粉末活性炭。其中有機(jī)物主要有天然淀粉、葡萄糖及副產(chǎn)品如面筋(20%的蛋白質(zhì)、玉米面筋(60%的蛋白質(zhì)和玉米芽(50%的油塊等。處理后,COD去除率為97%,出水SS為0。A.F.Razi24采用厭氧膜生物反應(yīng)器處理釀酒廢

18、水。該工藝采用超濾膜組件,其切割相對分子質(zhì)量為10000,進(jìn)水為新西蘭Ohlssons釀酒廠的各廢水排放口所收集的混合廢水。該廢水中含有濃度很高的碳水化合物,而氮元素的含量很低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,厭氧MBR具有很好的截留微生物的能力,可以使系統(tǒng)在很高的SRT條件下運(yùn)行,對進(jìn)水COD的抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng),出水水質(zhì)好。Strohwald等采用厭氧膜生物反應(yīng)器處理釀酒廢水,在容積負(fù)荷為15 kg/(m3d,HRT為0.50.8d條件下,COD去除率可達(dá)96%99%。W.Fuchs等25用外置式MCAB處理3種高濃度有機(jī)廢水(人工配水、蔬菜加工廢水和動(dòng)物屠宰場廢水,COD去除率均大于90%,出水COD在10

19、0400mg/L范圍內(nèi)。何義亮等11用厭氧膜生物反應(yīng)器對高濃度食品廢水進(jìn)行中試研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,SS去除率為100%,色度去除率98%,膜對細(xì)菌截留率為99.9%, COD的去除率與VFA濃度有關(guān),隨著VFA濃度積累提高,COD的去除率下降,當(dāng)積累至2000mg/L 以上時(shí),COD去除率迅速下降,系統(tǒng)受到抑制。管運(yùn)濤26用兩相厭氧膜生物系統(tǒng)對人工配制淀粉廢水的處理進(jìn)行了研究,在進(jìn)水COD15007000mg/L, SS10004000mg/L,BOD5000mg/L條件下,COD 的去除率在95%以上,SS去除率在92%以上。此外,利用膜系統(tǒng)與高效厭氧生物反應(yīng)器的結(jié)合,厭氧工藝與好氧MBR結(jié)

20、合處理工業(yè)廢水也獲得了良好的效果。N.Ren等16采用兩相厭氧MBR 處理高濃度傳統(tǒng)中國醫(yī)藥廢水,運(yùn)行了452d,COD 的去除率為90%99.8%。J.Shin等27利用浸沒式MBR和厭氧升流床過濾(AUBF反應(yīng)器處理豬場廢水,提高了COD和氮的去除率。COD、氮和總氮的去除率分別為91%、99%和60%。劉超翔等進(jìn)行的毛染廢水處理中試研究的結(jié)果表明,好氧MBR與厭氧酸化預(yù)處理的聯(lián)合使用可進(jìn)一步提高系統(tǒng)對COD和色度的去除效果,系統(tǒng)出水COD20mg/L,無SS,色度4度,水質(zhì)明顯優(yōu)于接觸氧化處理工藝。崔學(xué)剛等通過厭氧工藝與MBR相結(jié)合處理化工廢水,結(jié)果表明系統(tǒng)出水水質(zhì)穩(wěn)定,抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)

21、,COD的去除率大于95%,SS的去除率大于99.5%。專論與綜述工業(yè)水處理2007-09,27(9 183低溫厭氧處理低濃度廢水近20年,廢水的厭氧消化技術(shù)取得了巨大的進(jìn)展,隨著高效厭氧反應(yīng)器的發(fā)展,大規(guī)模厭氧污水處理廠逐年增加。但是到目前為止,大多數(shù)厭氧反應(yīng)器都是在中溫條件下(3035處理中、高濃度的廢水。近幾年來,厭氧技術(shù)的一個(gè)挑戰(zhàn)28就是將其用于低溫(20條件下處理低濃度廢水(COD 1000mg/L,包括酒精廠、飲料廠、水果和蔬菜罐頭廠、啤酒廠、造紙工業(yè)等工業(yè)廢水以及城市生活污水。若將其加熱到中溫消化,治理費(fèi)用將大大增加。因此,直接在低溫下厭氧處理低濃度廢水,無疑是一種很有吸引力的技

22、術(shù)。W.Cheng等5設(shè)計(jì)的厭氧膜生物反應(yīng)器,厭氧污泥床上部放置細(xì)纖維填料以防止在高的水力負(fù)荷下污泥洗出。中空纖維膜浸沒于反應(yīng)器頂部,膜材質(zhì)是聚乙烯,孔徑0.03m,過濾面積0.3m2。采用該反應(yīng)器處理清華大學(xué)的生活污水,試驗(yàn)溫度范圍1227。當(dāng)溫度15時(shí),生物反應(yīng)器的COD去除率20,COD去除率85%。由此可見,低溫下采用膜生物反應(yīng)器可達(dá)到穩(wěn)定的去除效果。4MCAB應(yīng)用展望(1MCAB在實(shí)驗(yàn)室研究較多,實(shí)際應(yīng)用較少。應(yīng)加強(qiáng)其在高濃度有機(jī)廢水處理領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。(2加強(qiáng)常(低溫下的MCAB水處理技術(shù)研究,使其能得到工業(yè)化應(yīng)用。(3充分利用MCAB系統(tǒng)中產(chǎn)生的生物氣作為能源代替過濾過程所需的

23、能量,使MCAB系統(tǒng)更為經(jīng)濟(jì)可行。(4促進(jìn)各種高效厭氧生物反應(yīng)器與膜濾系統(tǒng)的結(jié)合,使之更為高效和經(jīng)濟(jì),并得到更為廣泛的應(yīng)用。(5MCAB可作為特種廢水或難降解廢水的優(yōu)良前處理過程。再根據(jù)水質(zhì)的類型,結(jié)合好氧MBR、納濾和反滲透進(jìn)行處理,以使出水達(dá)標(biāo)排放。參考文獻(xiàn)1Cicek N.A review of membrane bioreactors and their potential appli-cation in the treatment of agricultural wastewaterJ.Canadian Biosystems Engineering,2003,45:637-649.2

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33、-1813.21王志偉,吳志超,顧國維,等.厭氧膜生物反應(yīng)器膜污染特性研究J .膜科學(xué)與技術(shù),2006,26(1:11-14.22方緒亮,何義亮,徐培.膜表面形貌對厭氧膜生物反應(yīng)器膜污染影響的試驗(yàn)研究J .環(huán)境化學(xué),2006,25(1:65-68.23石憲奎,倪文,江翰.厭氧生物反應(yīng)器快速啟動(dòng)技術(shù)研究進(jìn)展J .給水排水,2004,30(11:57-60.24Razi A F.Ultrafiltration Membrane Separation for Anaerobic Waste-water Treatment J .Wat.Sci.Tech.,1994,30(12:312-327.25F

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35、als forthe treatment of swine wastewater by combining submerged mem-brane bioreactor (MBR and anaerobic upflow bed filter (AUBF re-actor J .Process Biochemistry ,2005,40(12:3769-3776.28初里冰,楊鳳林,張興文.低溫厭氧處理低濃度廢水研究進(jìn)展J .環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2003,4(4:61-65.Study on the synthesis and application of an amphoteric flocculantXiao Jin ,Zhou Qin ,Wang Jie(College of Environmental Science and Engineering ,South China University of Technology ,Guangzhou 510640,China 天然高分子改性制兩性絮凝劑及其性能研究肖錦,周勤,王杰(華南理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州510640摘要以天然植物膠粉F691為原料,通過羧甲基化、接枝共聚和曼尼奇(Mannich 三步反應(yīng)合成出改性兩性型