膜過(guò)程課件第二章

第二章膜生物反應(yīng)器的控制及運(yùn)行2.1MBR中運(yùn)行參數(shù)2.1.1生化單元控制參數(shù)及指標(biāo)2.1.2膜單元控制參數(shù)2.2MBR中微生物的特性

MembraneBioreactorProcess&Technology2.1MBR中運(yùn)行參數(shù)

影響膜生物反應(yīng)器的因素和技術(shù)參數(shù)涉及到生物反應(yīng)器與膜組件兩個(gè)部分。對(duì)于生物反應(yīng)器而言，主要有pH、溫度、水力停留時(shí)間（HRT）、污泥停留時(shí)間（SRT）、污泥濃度（MLSS）和污泥負(fù)荷等。對(duì)于膜組件而言，主要有膜材料、膜孔徑和膜結(jié)構(gòu)的選擇、操作壓力、膜面流速、透水率、反清洗時(shí)間和反清洗周期等操作參數(shù)。

MBR中的運(yùn)行參數(shù)大致可分為與生化單元有關(guān)的參數(shù)和與膜運(yùn)行有關(guān)的參數(shù)兩大類(lèi)。MembraneBioreactorProcess&Technology2.1.1MBR中運(yùn)行參數(shù)—生化單元控制參數(shù)及指標(biāo)MembraneBioreactorProcess&Technology

1、生化需氧量和化學(xué)需氧量BOD：當(dāng)有溶解氧存在時(shí),廢水中有機(jī)物在20℃、5日內(nèi)進(jìn)行生物分解,形成穩(wěn)定產(chǎn)物所需的氧量，可作為衡量水中所含有機(jī)污染物的指標(biāo)。COD：廢水中被氧化的物質(zhì)在一定條件下被化學(xué)氧化劑氧化所需氧量，也是衡量水中有機(jī)物的指標(biāo),包括重鉻酸鉀法和高錳酸鉀法。BOD和COD是評(píng)價(jià)水處理工藝的重要指標(biāo),借助MBR中膜優(yōu)良的過(guò)濾性能,可有效截留污泥混合液中顆粒性的BOD和COD,因此MBR在出水BOD和COD的指標(biāo)上比傳統(tǒng)工藝更具優(yōu)勢(shì),如處理普通市政污水時(shí),出水BOD可達(dá)到5mg/L以下，COD可達(dá)到30mg/L以下，能滿足景觀用水和生活雜用水的要求。

MembraneBioreactorProcess&Technology2、脫氮除磷在水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格的今天,不但要求污水經(jīng)處理后的有機(jī)物濃度達(dá)標(biāo),而氮磷等指標(biāo)的要求也越來(lái)越受到重視。采用活性污泥脫除污水中的氮,需經(jīng)歷硝化和反硝化兩個(gè)過(guò)程。硝化過(guò)程是在好氧(曝氣)的條件下進(jìn)行的,經(jīng)自養(yǎng)型的亞硝化菌將氨氮氧化成亞硝酸鹽,繼而在硝化桿菌的作用下氧化為硝酸鹽，理論上硝化過(guò)程將1g氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮需要4.57gO2。反硝化過(guò)程則是由異氧型微生物在無(wú)分子態(tài)氧的條件(厭氧)下把硝酸鹽作為氧化劑,將硝酸鹽還原為氮?dú)狻?/p>

在采用MBR工藝時(shí)，出水往往作為回用水，因此對(duì)出水氮磷有一定的要求。MBR脫氮原理仍然是依靠微生物的作用，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)的活性污泥工藝相類(lèi)似的，但由于MBR具有極強(qiáng)的生物截留作用，因此可以實(shí)現(xiàn)大量的硝化菌富集，可以實(shí)現(xiàn)非常高效的硝化作用，所以MBR的出水氨氮可比傳統(tǒng)工藝低很多，這也是MBR可用于處理高氨氮廢水的原因之一。

MembraneBioreactorProcess&TechnologyMembraneBioreactorProcess&Technology例如，Zhang等人通等過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，MBR中硝化活性為2.28gNH4-N/(kgMLSS·h)，而工藝參數(shù)與之相近傳統(tǒng)活性污泥反應(yīng)器中的硝化活性只有0.96gNH4-N/(kgMLSS·h)，他們進(jìn)一步的研究指出,硝化速率的提高源于膜生物反應(yīng)器中污泥絮體較小，較小的絮體有著更大的周長(zhǎng)/面積比，氧傳質(zhì)阻力小，硝化作用更徹底。污泥齡對(duì)膜生物反應(yīng)器的硝化作用有很大影響，如Cote研等究者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)污泥齡由10天增加為50天時(shí)，氨氮去除率由80%增加到99%；而Fan等的等驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)污泥齡由5天增加為10天時(shí)，氨氮去除率由94%增加到99%MembraneBioreactorProcess&Technology

就MBR去除總氮的效果來(lái)看,由于總氮的去除需要好氧、厭氧兩個(gè)工藝過(guò)程的協(xié)同作用,與之相關(guān)的影響因素較為復(fù)雜,總氮的處理效果主要取決于工藝及運(yùn)行參數(shù)的設(shè)計(jì)。

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根據(jù)硝化與反硝化作用是否在同一反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生,可將MBR脫氮工藝分為兩大類(lèi):單一反應(yīng)器間歇曝氣膜生物反應(yīng)器脫氮工藝和A/O形式的膜生物反應(yīng)器脫氮工藝。第一種工藝大多使用序批式反應(yīng)器（SBR）的運(yùn)行方式,通過(guò)限制曝氣和半限制曝氣運(yùn)行方式在時(shí)間序列上實(shí)現(xiàn)缺氧/好氧的組合并控制每一部分適宜的時(shí)間比例,可以得到較好的脫氮效果。將膜組件浸入生物反應(yīng)器中,構(gòu)成的一體式裝置沒(méi)有混合液的回流,減少了設(shè)備需求,降低了運(yùn)行費(fèi)用。如圖2-l。MembraneBioreactorProcess&TechnologyMembraneBioreactorProcess&Technology大多數(shù)研究采用單級(jí)(單池)間歇曝氣,G.T.Seo等人采用兩級(jí)(雙池)間歇曝氣工藝,只在第二反應(yīng)器中裝有膜組件,取得了91.6%的脫氮效果。第二種工藝類(lèi)似于傳統(tǒng)的A/O工藝,前置反硝化在缺氧條件下運(yùn)行,含碳有機(jī)物的去除、含氮有機(jī)物的氧化和氨氮的硝化在好氧條件下運(yùn)行,以膜代替重力沉淀池進(jìn)行固液分離。MBR中較高的污泥濃度有利于反硝化的進(jìn)行。在設(shè)計(jì)合理的A/O系統(tǒng)中,好氧池回流污泥中的剩佘溶解氧會(huì)被很快耗盡,不會(huì)破壞缺氧池適宜的環(huán)境條件。但過(guò)高的污泥濃度會(huì)造成空氣曝氣系統(tǒng)難于滿足微生物的氧需求,造成硝化速率的降低。

膜生物反應(yīng)器的除磷工藝與脫氮工藝類(lèi)型相同，常見(jiàn)的有單一反應(yīng)器間歇曝氣工藝和A/O形式工藝，現(xiàn)有較多研究集中于生物脫氮除磷結(jié)合工藝的開(kāi)發(fā)。與傳統(tǒng)除磷工藝相比，采用MBR并不能提高磷的去除，現(xiàn)有報(bào)道的總磷去除率介于11.9%和74%之間，這與常規(guī)生物除磷工藝的去除能力相當(dāng)。較好的除磷效果來(lái)自于與化學(xué)絮凝的結(jié)合。MembraneBioreactorProcess&TechnologyMembraneBioreactorProcess&Technology3、運(yùn)行負(fù)荷MBR中的運(yùn)行負(fù)荷包括,污泥負(fù)荷,即每千克污泥每天所脫除的COD（或BOD）的量[kgCOD/(kgMLSS·d];容積負(fù)荷,即每立方米反應(yīng)池每天所脫COD(或BOD)的量[kgCOD(m3·d]好氧MBR用于城市污水的處理時(shí),容積負(fù)荷率1.2~3.2kgCOD/（m3·d）和0.05-0.66kgBOD5/(m3·d）,相應(yīng)脫除率為大于90%和大于99%,當(dāng)進(jìn)料COD變化很大,如從100mg/L變到250mg/L,穩(wěn)態(tài)時(shí),排放液濃度通常小于10mg/L，即進(jìn)水COD含量變化對(duì)出水COD影響不大。MembraneBioreactorProcess&Technology

好氧MBR處理工業(yè)廢水時(shí),其負(fù)荷率比城市廢水高的多。己報(bào)道的負(fù)荷范圍為0.25-16kgCOD/(m3·d),相應(yīng)脫除率達(dá)到90%-99.8%,因?yàn)楣I(yè)廢水本身負(fù)荷強(qiáng)度高，如釀造廢水COD濃度可達(dá)到68000mg/L,含油廢水COD也高達(dá)30000mg/L左右。不同工廠的負(fù)荷率大致相近,如對(duì)食品加置廢水,果汁廠、制革廠、棉花廠報(bào)道的負(fù)荷率分別為8.3kgCOD/(

m3·d)、5.9kgCOD/(m3·d)、3.5kgCOD/（m3·d）和0.25kgCOD/(m3·d)。MembraneBioreactorProcess&Technology在城市污水處理中,HRT在2-24h之間都可以得到高脫除率,HRT對(duì)脫除率影響不大。污泥齡在5-350d范圍內(nèi),污泥齡對(duì)排水水質(zhì)的影響也不大,比較所報(bào)道的研究體系,當(dāng)污泥齡增加到30d時(shí)去除率稍有增加,再提高污泥齡,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)。

工業(yè)廢水處理中的HRT通常要比城市廢水高得多,常需幾天,而非幾小時(shí)。而SRT則與城市廢水處理相近,為6-300天,例如含油廢水的處理,HRT通常在1.87-3.14d,污泥齡在50-100天。在大多數(shù)情況下COD脫除率大于90%。

對(duì)強(qiáng)度很高的廢水,應(yīng)降低其初始負(fù)荷,以避免硝化物的抑制作用。在工業(yè)廢水處理中還有一個(gè)很重要的問(wèn)題是一些特殊組分的脫除,例如油脂的脫除,因?yàn)槟た山亓舸蠓肿拥挠椭?使其在反應(yīng)器中有較長(zhǎng)的降解時(shí)間。MembraneBioreactorProcess&Technology4、污泥特性MBR中的污泥濃度往往采用混合液懸浮固體(MLSS)和揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)來(lái)表征。MLSS是指曝氣池中污水和活性污泥混合后的混合液懸浮固體的數(shù)量,也稱(chēng)混合液污泥濃度，是衡量曝氣池中活性污泥數(shù)量多少的指標(biāo)。MLVSS是指混合液懸浮固體屮有機(jī)物的量,由于其不包括污泥中的無(wú)機(jī)物部分,因此能夠較準(zhǔn)確的代表活性污泥中的微生物的量。污泥齡(SRT)是曝氣池中工作著的污泥總量與每日排出的剩余污泥之比值,運(yùn)行穩(wěn)定時(shí),單位時(shí)間內(nèi)(一般為每日)排出的剩余污泥量即污泥新增量,SRT體現(xiàn)的是新增加污泥在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時(shí)間。MembraneBioreactorProcess&Technology

CAS中采用二次沉淀池分離污泥,由于依靠重力沉降,因而分離效率低,直接影響生物反應(yīng)器中活性污泥的濃度。MBR中則使用了膜分離作為固液分離技術(shù),因此使其生物反應(yīng)單元內(nèi)維持比CAS高得多的污泥濃度。一般CAS中污泥濃度在⒉4g/L,而MBR中污泥濃度可達(dá)到10g/L以上。

借助膜的特殊性能,MBR可以在高容積負(fù)荷、低污泥負(fù)荷下運(yùn)行,于是污泥的產(chǎn)率低,有機(jī)物的去除率高,這正是MBR的特點(diǎn)。由于MBR中具有很高的污泥濃度,所以其運(yùn)行SRT也較傳統(tǒng)的工藝長(zhǎng),甚至在一些研究中實(shí)現(xiàn)了MBR剩余污泥的“零”排放,SRT達(dá)到了無(wú)窮大。MembraneBioreactorProcess&Technology

在一些研究和工程實(shí)踐中,MBR的濃度甚至可達(dá)到10-20g/L,MBR與傳統(tǒng)CAS相比特點(diǎn)之一就是污泥產(chǎn)率低,微生物在低污泥負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)缺乏營(yíng)養(yǎng),屬于內(nèi)源呼吸作用突出,底物基本用于維持細(xì)胞的能量需求而不能用于微生物的合成。這種運(yùn)行模式可以獲得很好的去除率并能實(shí)現(xiàn)較低的污泥產(chǎn)率。MBR反應(yīng)器的剩余污泥量可按下式計(jì)算:MembraneBioreactorProcess&Technology式（3-1）中X——產(chǎn)生的剩余污泥量;Y——氧化每千克BOD所產(chǎn)生的污泥量,可取0.4-0.8:Lt——去除的BOD濃度;Kd

——污泥自氧化速率(l/d)?？扇?.04-0.075。若缺乏相關(guān)數(shù)據(jù),MBR的污泥產(chǎn)率可參照表2~1。MembraneBioreactorProcess&Technology曲于MBR中運(yùn)行的污泥濃度較高,而污泥的排放周期很長(zhǎng),因而MBR是處于高污泥濃度和高污泥齡的低污泥負(fù)荷下操作,污泥產(chǎn)率較低,其范圍大體在0-0.34kgMLSS/(kgCOD·d）,之間變化。同時(shí),MBR的污泥產(chǎn)率與處理污水的組成也有關(guān)系,如用MBR處埋食品加工廢水與制革廢水時(shí),雖然前者污泥齡為后者一半,但前者污泥產(chǎn)率比后者仍低35%。MembraneBioreactorProcess&TechnologyMBR中較高的污泥濃度也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生負(fù)面的影響。有研究表明,較高的污泥濃度會(huì)造成混合液粘度的增大,而間接的影響膜的穩(wěn)定運(yùn)行,因此MBR的最佳污泥濃度的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮處理負(fù)荷、污泥產(chǎn)率及膜污染等諸多因素。MBR與CAS相比,污泥去除有機(jī)污染物的比活性(gCOD/gMLVSS·h)低,且不穩(wěn)定,這是因?yàn)镸BR中長(zhǎng)的SRT和低的F/M。但在MBR中,容積負(fù)荷高于CAS,說(shuō)明在MBR中,盡管活性差不穩(wěn)定,但處理潛力大,因?yàn)镸BR中可以維持較高的生物濃度,并且生長(zhǎng)緩慢的微生物也可以存在。

比氧吸收率(OUR)是指溶解氧被好氧微生物的利用率,等價(jià)于活性污泥群落的新陳代謝活性,它表示了膜過(guò)濾污泥的生理狀態(tài)和微生物的代謝活性.OUR在CAS中大于MBR中，而在添加底物時(shí),OUR在MBR中明顯增加,而在CAS中變化不大,說(shuō)明在MBR中.微生物的生長(zhǎng)不是被氧所限制,雨是被底物所限制.同時(shí)在MBR中污泥的氧傳遞與CAS過(guò)程沒(méi)有明顯的不同。MembraneBioreactorProcess&Technology5、水力停留時(shí)間(HRT)

曝氣池中液體的總體積與每小時(shí)排出的液體總體積之比值,運(yùn)行穩(wěn)定時(shí),排出液體體積即進(jìn)入曝氣池液體體積,因此HRT反應(yīng)了污水進(jìn)入曝氣池的平均停留時(shí)問(wèn)MBR屮HRT可比CAS中更短。而對(duì)于污染物濃庋較高或含有特殊難生物降解的廢水,則適當(dāng)延長(zhǎng)HRT不失為一種保證MBR穩(wěn)定處理效果的方法。

MembraneBioreactorProcess&Technology盡管縮短HRT可以減小池容.降低基建投資費(fèi)用,但有些研究認(rèn)為過(guò)短的HRT可能會(huì)加速膜污染。Hideke-Harada等通過(guò)研究認(rèn)為,過(guò)短的HRT會(huì)導(dǎo)致溶解性有機(jī)物的積累,吸附在膜面上而影響膜通量。C.Visvanathan等發(fā)現(xiàn)在較短的HRT下,膜表面會(huì)迅速形成致密的泥餅層:在較高的HRT酎膜污染減輕,壓力也沒(méi)有升高;但HRT的延長(zhǎng)會(huì)增加曝氣池的容積,增加基建費(fèi)用。因此HRT的設(shè)計(jì)一方面盡量發(fā)揮MBR高效處理能力的特點(diǎn),另一方面還應(yīng)考慮到膜污染的控制。MembraneBioreactorProcess&Technology2.1.2膜單元控制參數(shù)1、曝氣強(qiáng)度(氣水比)

MBR中曝氣包括兩方面作用：為生化反應(yīng)提供足夠的溶解氧,以保證各類(lèi)有機(jī)污染物降解和硝化過(guò)程的正常進(jìn)行;強(qiáng)化反應(yīng)器內(nèi)部的紊流狀態(tài),提高對(duì)膜表面污泥顆粒的剪切和吹脫作用以控制膜污染和保持膜通量。因此可將SMB中的氣量分為兩部分:膜面吹掃曝氣(Membranescouraeration)和生化曝氣(Biologicalrequirementaeration)。強(qiáng)化曝氣手段是MBR中控制膜污染的重要手段,但會(huì)使MBR比CAS運(yùn)行能耗成倍增加。MBR中曝氣系統(tǒng)的能耗占總能耗的80-90%,因此降低MBR運(yùn)行能耗的根本手段是如何提高曝氣系統(tǒng)的效率。MembraneBioreactorProcess&TechnologyMembraneBioreactorProcess&TechnologyMBR中生化曝氣量的設(shè)計(jì)可參考傳統(tǒng)活性污泥工藝曝氣量的計(jì)算。生化過(guò)程的需氧量與BOD的去除量、系統(tǒng)內(nèi)微生物衰減量及氨氮硝化量成正比,與硝酸鹽反硝化量成反比,總耗氧量可按式(l)計(jì)算：式(39)中,02——實(shí)際需氧量(kgO2/d):Oc——去除含碳有機(jī)物單位耗氧量(kg0/kgBOD)，包括BOD降解耗氧量和活性污泥衰減耗氧量;St——BOD去除量(kg/d);Nht——硝化的氨氮量(kg/d)；Not——反硝化的硝酸鹽量(kg/d),未設(shè)計(jì)厭氧段的SMBR中可略去此項(xiàng)。MembraneBioreactorProcess&Technology2.開(kāi)停（抽停）比開(kāi)停（抽停）比是指連續(xù)運(yùn)行的MBR工藝中往往會(huì)采用間歇出水的方式，即以一定頻率進(jìn)行出水/停機(jī)的方式進(jìn)行操作，這種方式可一定程度上緩解連續(xù)抽吸壓力條件下膜面污染層的發(fā)育，有助于膜污染的控制。出水泵運(yùn)行出水泵運(yùn)行8min8min8min2min2min出水泵停出水泵停出水泵運(yùn)行曝氣泵運(yùn)行3.跨膜壓力（Transmembranepressure,TMP）跨膜壓力是使過(guò)濾介質(zhì)通過(guò)膜的推動(dòng)力，是實(shí)現(xiàn)膜過(guò)濾傳質(zhì)的關(guān)鍵一環(huán)。MBR中TMP可以是通過(guò)機(jī)械泵提供，也可以通過(guò)重力水頭作用提供。對(duì)于采用泵來(lái)提供的MBR來(lái)說(shuō)，一體式的MBR的TMP一般是通過(guò)泵產(chǎn)生負(fù)壓實(shí)現(xiàn)，而分體式的MBR一般是由泵產(chǎn)生正壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。許多研究表明，MBR中的TMP往往存在臨界值：當(dāng)TMP壓力低于臨界值時(shí)，膜通量隨壓力的增加而增加；而高于此值時(shí)通量隨壓力的變化不大，但會(huì)引起膜污染的加劇。臨界TMP會(huì)隨孔徑的增加而減小。MembraneBioreactorProcess&Technology4.反洗周期和反洗頻率

MBR運(yùn)行中反洗周期和反洗頻率的設(shè)計(jì)是保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)運(yùn)行工況和反洗方式的不同，反洗周期和反洗頻率也有不同的設(shè)計(jì)。如常規(guī)水洗可每隔幾分鐘進(jìn)行一次，或在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)（指開(kāi)/停周期）內(nèi)進(jìn)行一次，而強(qiáng)化的化學(xué)反洗可視運(yùn)行壓力的變化每天或每周進(jìn)行一次。