膜生物反应器及其组合工艺在有机废水处理中的应用

化　工　环　保　2002年4月ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY第22卷第2期膜生物反应器及其组合工艺在有机废水处理中的应用颜晓莉1,何奕2,陈欢林2(1.浙江大学环境工程系,浙江杭州310027; 2.浙江大学化学工程与生物工程系,浙江杭州310027)[摘要]膜生物反应器是一种膜与生物反应器相结合的废水处理新工艺。

介绍了膜生物反应器的种类、特性及其组合工艺。

综述了国内外用于有机物废水处理过程中的研究进展及应用现状,并对其发展前景作出了展望。

[关键词]膜生物反应器;有机废水;组合工艺[中图分类号]X703.3 [文献标识码]A [文章编号]100621878(2002)022******* 在普通有机物废水处理中,若采用传统的活性污泥生物处理工艺,需通过重力沉淀将水和微生物分离。

该工艺的处理装置占地面积大、固液分离效率低、剩余污泥量大,同时还存在传氧效率低、出水水质不稳定、能耗高、操作管理复杂等问题。

在某种特殊场合,这类传统的生物处理工艺出水水质已难以满足环保需求指标。

因此,开发新型的处理工艺具有十分重要的意义。

膜生物反应器(M BR)是将酶、细胞或微生物等固定在具有特定化学性质的聚合物膜面上或膜腔[收稿日期]2001201222;[修订日期]2001206224[基金项目]国家自然科学基金项目(29836160)[作者简介]颜晓莉(1977—),浙江省丽水市人,浙江大学环境工程系研究生,主要从事水污染治理研究工作。

容易造成筒体堵塞,影响处理效果。

建议在水力旋流沉淀器内增设固液界面仪表,实时显示内部T A 的沉积状况,及时调节工艺操作,最大限度地发挥水力旋流沉淀器的处理效率。

(3)改进冲洗盘管的结构。

SX D水力旋流沉淀器底部的两层冲洗盘管之间的高度差为1.5m左右,由于两层盘管处T A沉积的密度差异,上部较底部疏松,采用冲洗水松动时,大部分的水从上部的冲洗喷头流出,而下部的喷头处出水较少或不出水,导致排泥管吸入口处板结的T A得不到松动。

为了提高冲洗效果,建议在两层冲洗喷头的联通管线之间增设控制阀门,通过调节阀门的开度,调节冲洗水的流向,防止底部T A的板结,保证软管泵入口管线的畅通。

Application of Hydraulic Cyclone in Treatment ofTerephthalic Acid Wa stewaterKang Guanjun(Luoyang Petrochem ical C om pany Ltd.,Henan Luoyang471012,China)Abstract:The functional principle and structural features of the new type SX D hydraulic cyclone separator is described. The factors affecting its treatment efficiency are analyzed from the angles of theoretical and practical sides.Its g ood perfor2 mance manifested in treating terphthalic acid wastewater is evaluated.K ey w ords:hydraulic cyclone;wastewater treatment;separation;terephthalic acid内,或将游离的酶、细胞或微生物限制在一定的空间范围内,以实现废水的生化反应与分离同时进行的一种特殊反应器。

该组合工艺可代替传统的重力式沉淀池,用于有机物废水处理,具有污染物去除效率高、处理出水水质好、装置处理容积负荷大、系统排泥量小、设备占地少、操作管理方便等优点。

特别是用膜生物反应器,能避免有毒挥发性污染物与曝气直接接触,可防止空气吹脱引起污染物挥发问题。

尽管70年代就有专家提出利用活性污泥法和超滤相结合的膜生物反应器处理城市有机污水的有关报道及专利,但鉴于当时所用膜的膜通量及使用寿命等因素,在实际应用方面受到一定限制。

80年代以来,随着膜材料与膜制备技术的不断成熟,膜生物反应器处理有机物废水的研究及应用开发取得了较大的进展[1～3]。

本文对膜生物反应器的种类、组合工艺及其在有机物废水处理方面的研究与应用开发作了较为详细的介绍。

1　膜生物反应器的种类[4] 在膜生物反应器中,酶、细胞或微生物可以3种形态存在:溶解酶和悬浮细胞的游离态,膜表面或膜内酶蛋白凝胶以及膜截留细胞层的浓集态,以吸附、键合或包埋方式固定在膜表面或膜腔内的酶或细胞呈固定化态。

另一方面,在膜生物反应器中,根据所采用膜的种类,物料的迁移方式有扩散和流动传递2类。

一般情况下,流动传递的速率要高于扩散传质。

按3种形态和2种迁移方式可构成6种类型的膜生物反应器,如图1所示。

这6种型式的反应器各有其优缺点,如固定化的酶或细胞难以从膜生物反应器中清除,不便于补充和更换,但用于生物催化具有较高的稳定性;浓集态的酶或细胞的装填密度高,活性稳定,但酶或细胞的消除却存在一定的困难。

此外,除固定化膜生物反应器外,以上6种型式中,游离态与浓集态膜生物反应器都可以由生物反应器与膜分离装置组合而成。

2　膜生物反应器废水处理组合工艺[5] 膜生物反应器组合工艺一般由生物反应器与膜分离组件组合而成,根据膜组件的设置位置,膜生物反应器可分为分置式和一体式2种:(1)如图2(a)所示。

在分置式膜生物反应器中,生物反应器内废水经泵增压后进入膜组件,在压力作用下废水中的液体透过膜,成为系统净化水,而固形物、大分子物质等则被膜截留,随浓缩液回流到生物反应器内。

分置式的特点是运行稳定可靠,操作管理容易,易于膜的清洗、更换及增设。

但一般条件下为减少污染物在膜表面的沉积,由循环泵提供的水流流速都很高,故动力消耗较高。

(2)如图2(b)所示。

一体式的膜生物反应器组合工艺是将膜组件置入反应器内,通过真空泵或其他负压泵抽吸,得到净化水[6]。

与分置式相比,一体式的最大特点是运行动力费用低,但在清洗更换上不及分置式。

另外,根据反应器的供氧情况,还可分为好氧、厌氧或兼氧型膜生物反应器。

目前,分置好氧式膜生物反应器技术较为成熟,应用较广,一体式和厌氧式膜生物反应器的应用实例还较少。

图1　6种M BR的型式S———底物;P———产物图2　一体式及分置式膜生物反应器1.搅拌桨;2.膜组件;3.反应器・61・化　工　环　保 2002年　第22卷　3　典型的膜生物反应器组合工艺[7]3.1　活性污泥MBR 工艺 反应器与膜组件相结合的M BR 工艺,能实现进水有机物的降解与泥水分离,以取代常规的二沉池。

此类工艺的膜组件可采用超滤或微滤膜,孔径大约在0.02～0.3μm 范围内,膜组件型式可以是管式、中空纤维或平板式。

可将其置于生物反应器内运行(一体式)或与生物反应器并列运行(分置式),用作对来自生物反应器的大分子溶质截留与活性污泥分离,使生物反应器内维持高的生物量,它属于流动控制的游离态类型的膜生物反应器。

无论厌氧或好氧膜反应器(前者通过自身料液的再循环错流运行,而后者通过膜组件底部的空气曝气、叶轮搅拌或膜组件自身的旋转形成膜面错流效应),运行过程中,膜通量取决于悬浮物的浓度、错流速度、温度、操作压力、膜污染和浓差极化程度等因素。

3.2　无泡曝气MBR 工艺 无泡曝气M BR 既可采用透气性的致密膜,也可采用疏水性的微孔膜,组件可为板式或中空纤维式。

只要保持透气分压低于泡点,即可实现无泡曝气。

如图3所示,气液两相由膜隔开,膜为氧传递和生物膜的增长提供了较大表面积,氧通过膜进入生物膜而不直接进入液相,可避免低沸点有机物的挥发,也不会产生泡沫。

由于氧传递的表面积是固定的,因此可根据实际供氧要求确定膜面积。

无泡曝气M BR 工艺具有曝气过程中气液接触时间长、传氧效率不受气泡大小及其停留时间等因素的影响、过程易于控制等优点。

无泡曝气M BR 可以满足活性污泥M BR 的供氧需求。

K.L.Smith 等将无泡曝气与活性污泥分离相结合,设计了一种新型膜生物反应器,使膜兼有分离活性污泥和曝气双重功能。

通过膜间歇曝气,既可得到高的氧传统效率,同时可利用反冲洗冲掉膜上的活性污泥层。

图3　无泡曝气M BR 示意图3.3　萃取MBR 工艺[12] 萃取膜生物反应器组合工艺通过膜基萃取和生物降解,将有毒的易挥发性有机物从废水中除去,这种膜生物反应器也属于扩散控制的浓集态型。

如图4(a )所示,废水流和生物膜被硅橡胶膜隔开。

易挥发的有机污染物可很快通过硅橡胶膜,在生物膜中进行生物降解,而废水中的无机质不能通过硅橡胶膜,因此,废水中的有害离子组分对微生物的降解作用就没有影响。

另一种萃取膜生物反应器是由一个传统的生物反应器连接一个具有萃取作用的管式膜组件组成,壳侧为生物介质流,管内为废水流,硅橡胶膜按束排列于管内,选择性地将有毒污染物从废水中转移至一个经过曝气的生物介质相[图4(b )],并在其中进行分解。

污染物由废水通过膜进入生物反应器,壳侧流动的营养介质不受管内废水的影响,从而生物降解速率保持在较高水平。

图4　萃取M BR 组合工艺・701・　第2期 颜晓莉等.膜生物反应器及其组合工艺在有机废水处理中的应用4　膜生物反应器组合工艺在处理有机废水中的应用 有机废水的主要污染指标是悬浮固体(SS)量和BOD5,但不同种类工业废水浓度相互间却相差悬殊[8],以SS为例,造纸黑液中的SS在2500～10000 mg/L之间,而人造纤维废水却只有50～200mg/L;又如BOD5,造纸黑液中为9000～30000mg/L,而纸板废水中则为50～200mg/L。

除SS和BOD5外,与普通城市生活污水不同,工业有机废水中往往含有毒污染物和酸碱污染物等,如焦化厂废水中含氰化物30～40mg/L、酚类物质40～50mg/L;电镀废水中的六价铬可高达100mg/L;造纸黑液的pH接近14,而酸废液的pH则可低至1。

通常,根据工业废水中有机物含量的高低及相应的生化特征,膜生物反应器组合工艺的选择方法如表1所示。

表1　膜生物反应器组合工艺的选择废水特征工艺方案特点参考文献非毒性废水有机物浓度较低(BOD5<1000mg/L)好氧膜生物反应器有机物分解彻底,大部分都转化为无害物质[2,3]非毒性废水有机物浓度较高(BOD5>1000mg/L)厌氧膜生物反应器分解产物通常是种类繁杂的中间产物,但一些产物还可进行二次利用[9～11]毒性废水所含有机物挥发性较大萃取膜生物反应器(生物膜型)充分利用膜组件的特点,避免了毒物对微生物的危害以及易挥发有机物的气提[13～19]毒性废水所含有机物挥发性较小萃取膜生物反应器(游离生物型)充分利用膜组件的特点,避免了毒物对微生物的危害[20,21] 以下将按照表1中的分类方法分别进行详细讨论。