膜_生物反应器在我国的研究与应用新进展.pdf

1、第 28卷 第 3期2008年 3月环 境 科 学 学 报Acta Scientiae Circum stantiaeVol. 28, No. 3Mar. , 2008基 金 项 目 : 国 家 杰 出 青 年 基 金 资 助 (No. 50725827) ; 国 家 自 然 科 学 基 金 重 大 国 际 合 作 项 目 (No. 20721140019)Supported by the National Science Fund for D istinguished Young Scholars (No. 50725827 ) and Major International Joint R

2、esearch Program of NSFC(No. 20721140019)作 者 简 介 : 黄 霞 (1963 ) ,女 ,教 授 (工 学 博 士 ) , Tel: 010 - 62772324, E2mail: xhuang tsinghua. edu. cn; 3 通 讯 作 者 (责 任 作 者 )B iography: HUANG Xia (1963 ) , female, p rofessor( Ph. D. ) , Tel: 010 - 62772324, E2mail: xhuang tsinghua. edu. cn; 3 Correspond ing author黄

3、 霞 , 曹 斌 , 文 湘 华 ,等 . 2008. 膜 2生 物 反 应 器 在 我 国 的 研 究 与 应 用 新 进 展 J . 环 境 科 学 学 报 , 28 (3) : 416 - 432Huang X, Cao B, W en X H, et al. 2008. State2of2the2art of membrane bioreactors: Research and app lication in China J . Acta ScientiaeCircum stantiae, 28 (3) : 416 - 432膜 2生 物 反 应 器 在 我 国 的 研 究 与 应 用

4、 新 进 展黄 霞 3 , 曹 斌 , 文 湘 华 , 魏 春 海清 华 大 学 环 境 科 学 与 工 程 系 环 境 模 拟 与 污 染 控 制 国 家 重 点 联 合 实 验 室 , 北 京 100084收 稿 日 期 : 2007208219 录 用 日 期 : 2008201216摘 要 :膜 2生 物 反 应 器 (MBR)作 为 一 种 污 水 处 理 新 技 术 ,其 研 究 和 应 用 在 我 国 受 到 了 广 泛 关 注 . 主 要 以 1995 2006年 发 表 在 国 内 中 文 期 刊 上的 关 于 MBR研 究 与 应 用 的 700多 篇 文 献 为 基 础

5、,分 析 了 与 MBR构 型 、 应 用 领 域 和 研 究 机 构 等 相 关 的 文 献 数 量 分 布 ,综 述 了 在 MBR新 工 艺 、 膜污 染 及 其 控 制 技 术 和 污 水 处 理 类 别 等 方 面 的 研 究 进 展 ,总 结 了 MBR在 污 水 再 生 利 用 中 的 应 用 概 况 ,指 出 了 未 来 MBR技 术 研 究 的 挑 战 和 工 业应 用 的 发 展 方 向 .关 键 词 :膜 2生 物 反 应 器 ; 污 水 处 理 ; 学 术 研 究 ; 工 业 应 用 ; 文 献 综 述文 章 编 号 : 025322468 (2008) 0324162

6、17 中 图 分 类 号 : X703 文 献 标 识 码 : ASta te2of2the2art of m em brane b ioreactors : Research and applica tion in Ch inaHUANG Xia3 , CAO B in, W EN Xianghua, W E I ChunhaiEnvironmental Simulation and Pollution Control State Key Joint Laboratory, Department of Environmental Science and Engineering, Tsingh

7、ua University,Beijing 100084Received 19 August 2007; accepted 16 January 2008Abstract: A s a p rom ising wastewater treatment technology, the membrane bioreactor (MBR) has been given much attention in China both in academ icresearch and commercial app lication. On the basis of more than 700 scientif

8、ic papers published in Chinese journals from 1995 to 2006, the chronologicaldistribution of publications on MBR configurations, app lication areas and research group s were analyzed. Research p rogress related to new MBRp rocesses, MBR fouling mechanism s and control, and app lied wastewater type ar

9、e summarized. CommercialMBR p lants in wastewater treatment and reusewere also investigated. Finally, future visions including challenges forMBR technology and p rom ising app lication areas are p rojected.Keywords: membrane bioreactor; wastewater treatment; academ ic research; commercial app licati

10、on; literature review1 引 言 ( Introduction)我 国 对 膜 2生 物 反 应 器 (Membrane bioreactor,MBR)污 水 处 理 新 工 艺 的 研 究 始 于 20世 纪 90年 代的 中 期 (黄 霞 等 , 1995). 近 十 多 年 来 ,许 多 高 等 学校 、 科 研 院 所 和 公 司 企 业 等 单 位 对 MBR污 水 处 理 工艺 开 展 了 大 量 的 研 究 ,取 得 了 令 人 瞩 目 的 成 绩 . 同时 ,因 MBR具 有 出 水 水 质 良 好 、 可 直 接 回 用 、 设 备 紧奏 、 运 行 管

11、理 方 便 、 污 泥 产 量 少 等 特 点 ,在 城 市 (生活 )污 水 和 工 业 废 水 处 理 中 的 应 用 也 逐 渐 得 到 重视 . 在 水 资 源 紧 缺 日 益 严 峻 和 污 水 排 放 标 准 愈 加 严格 的 形 势 下 ,MBR污 水 处 理 新 工 艺 呈 现 出 了 明 显 的竞 争 优 势 . 可 以 预 见 ,MBR 工 艺 必 将 在 处 理 能 力 和应 用 范 围 上 得 以 继 续 提 高 和 扩 大 ,成 为 污 水 处 理 和资 源 化 的 重 要 技 术 途 径 之 一 ( Yang et al. , 2006).与 此 同 时 ,我 国

12、MBR技 术 人 才 的 培 养 工 作 也 随之 得 到 发 展 ,许 多 高 等 学 校 和 科 研 机 构 先 后 开 展 了以 MBR为 主 要 方 向 的 膜 法 水 处 理 技 术 人 才 的 培 养工 作 . 1999年 以 来 ,尤 其 以 清 华 大 学 、 哈 尔 滨 工 业 大学 、 同 济 大 学 、 天 津 大 学 、 大 连 理 工 大 学 和 中 科 院 生态 环 境 研 究 中 心 等 为 代 表 的 众 多 单 位 先 后 培 养 了近 百 名 的 博 士 和 硕 士 高 级 人 才 ,有 力 地 推 动 了 国 内MBR的 研 发 活 动 和 技 术 进 步

13、 .本 文 利 用 中 国 期 刊 全 文 数 据 库 电 子 资 源 ,查3期 黄 霞 等 :膜 2生 物 反 应 器 在 我 国 的 研 究 与 应 用 新 进 展阅 了 1995 2006年 期 间 发 表 的 有 关 MBR 研 究 的700多 篇 文 献 和 1999 2006年 的 中 国 优 秀 博 硕 士学 位 论 文 全 文 数 据 库 ,同 时 查 阅 了 部 分 英 文 文 献和 互 联 网 络 资 源 . 需 要 指 出 的 是 ,尽 管 作 者 努 力 查阅 全 部 相 关 的 MBR研 究 论 文 ,但 仍 有 可 能 不 全 面 .在 此 基 础 上 ,本 文 主

14、 要 总 结 与 论 述 了 1995年 以 来 我国 在 MBR技 术 领 域 的 研 究 进 展 和 工 业 应 用 情 况 ,旨在 对 致 力 于 MBR技 术 研 究 和 应 用 的 科 技 人 员 有 所帮 助 与 启 示 .2 发 表 论 文 概 述 ( L iterature review of journalpapers)2. 1 发 表 论 文图 1总 结 了 1995年 以 来 发 表 在 中 文 期 刊 上 的有 关 MBR的 研 究 (含 工 程 应 用 )和 综 述 论 文 数 量 的年 增 加 情 况 . 论 文 数 量 变 化 呈 现 出 几 个 特 点 :一 是

15、1998年 以 前 ,我 国 对 MBR技 术 的 研 究 处 于 起 步 阶段 ,论 文 数 较 少 ,年 发 表 论 文 总 数 不 超 过 11篇 ;二 是1999 2003年 期 间 ,随 着 MBR技 术 研 究 热 潮 的 到来 ,论 文 数 量 由 1998年 的 11篇 增 至 1999年 的 25篇 ,并 在 以 后 的 5年 间 呈 现 出 快 速 增 长 趋 势 ;三 是2004年 后 ,对 MBR技 术 的 研 究 更 为 活 跃 ,论 文 数 由2004年 的 109篇 增 至 2005年 的 174篇 , 2006年 也有 146篇 之 多 . 无 论 是 试 验

16、研 究 论 文 还 是 文 献 综 述论 文 ,都 呈 现 出 类 似 的 变 化 特 征 . 这 说 明 ,我 国 对MBR技 术 的 研 究 越 来 越 广 泛 和 深 入 . 正 是 在 这 一时 期 ,作 为 一 种 极 具 潜 力 的 污 水 处 理 新 工 艺 , MBR技 术 在 污 (废 )水 处 理 与 回 用 中 的 应 用 也 逐 步 得 到重 视 与 认 可 ,并 得 到 越 来 越 多 的 推 广 应 用 (张 军 等 ,2001; 黄 霞 , 2003; 郑 祥 等 , 2002; 李 凤 亭 等 ,2005).图 1 按 年 代 序 列 的 中 文 M BR文 献

17、 类 别 分 布Fig. 1 Chronological distribution of literature papers on MBR图 2统 计 了 1995年 以 来 中 文 MBR文 献 作 者 机构 类 别 与 数 量 分 布 变 化 . 由 图 2可 知 ,高 等 院 校 和科 研 院 所 是 MBR技 术 研 究 的 主 体 ,承 担 着 大 部 分 的研 究 工 作 ,论 文 数 量 约 占 总 数 量 的 90%以 上 . 同 时 ,因 MBR良 好 的 技 术 特 点 与 市 场 前 景 ,吸 引 了 越 来 越多 的 公 司 和 企 业 也 加 入 到 MBR技 术 研

18、 究 的 队 伍 中来 (2005年 后 这 一 趋 势 更 为 明 显 ) ,并 参 与 了 大 部 分MBR工 程 的 设 计 与 开 发 工 作 ,有 力 地 推 动 了 MBR技 术 的 产 业 化 进 程 . 在 这 一 时 期 ,论 文 作 者 机 构 数量 由 1995年 的 3个 增 加 到 2004年 后 的 60个 左 右 ,显 示 出 有 关 MBR技 术 的 研 究 与 应 用 为 越 来 越 多 的群 体 所 关 注 .图 2 按 年 代 序 列 的 中 文 M BR文 献 作 者 机 构 分 布Fig. 2 Chronological distribution of

19、 literature authors on MBR图 3 按 年 代 序 列 的 中 文 文 献 M BR研 究 内 容 分 布Fig. 3 Chronological distribution of literature papers on MBRresearch top ics将 1995年 以 来 的 文 献 按 照 MBR工 艺 的 处 理 对象 及 主 要 研 究 内 容 进 行 分 类 ,如 图 3所 示 . 主 要 内容 包 括 :城 市 及 生 活 污 水 、 高 强 度 污 水 、 难 降 解 工 业废 水 或 特 种 行 业 废 水 、 饮 用 水 及 微 污 染 水 的

20、 处 理 和MBR工 艺 特 征 (膜 污 染 、 污 泥 混 合 液 性 状 及 调 控 、 操714环 境 科 学 学 报 28卷作 条 件 优 化 等 )研 究 . 可 以 看 出 ,我 国 对 MBR技 术的 研 究 主 要 集 中 在 城 市 及 生 活 污 水 回 用 和 膜 污 染控 制 及 操 作 条 件 优 化 等 方 面 ,这 些 内 容 也 反 映 了MBR工 艺 的 技 术 优 势 和 主 要 面 临 的 问 题 .2. 2 工 艺 类 型基 于 膜 的 用 途 不 同 ,MBR工 艺 类 型 可 分 为 固 液分 离 MBR、 无 泡 曝 气 MBR 和 萃 取 MB

21、R 3 类( Stephenson et al. , 2000). 如 图 4所 示 ,在 过 去 的10年 中 我 国 对 MBR技 术 的 研 究 主 要 集 中 于 固 液 分离 MBR. 与 此 相 比 ,有 关 曝 气 MBR和 萃 取 MBR类型 的 研 究 相 对 很 少 ,到 2003 年 后 国 内 才 有 萃 取MBR (曹 敬 华 等 , 2006; 楼 静 等 , 2003 ) 和 曝 气MBR (张 雪 琴 等 , 2003; 汪 舒 怡 , 2005)的 研 究 报 道 .与 固 液 分 离 MBR相 比 ,曝 气 或 萃 取 MBR工 艺 可 在一 些 特 殊 污

22、 水 处 理 领 域 发 挥 技 术 优 势 ,如 萃 取 MBR可 用 于 挥 发 性 或 有 毒 物 质 的 分 离 和 处 理 ;曝 气 MBR在 以 氢 为 电 子 供 体 的 地 下 水 反 硝 化 和 污 水 的 同 时除 碳 脱 氮 中 具 有 应 用 潜 力 . 希 望 今 后 根 据 需 求 加 强相 关 研 究 ,推 进 曝 气 MBR和 萃 取 MBR的 实 际 应 用 .本 文 以 下 将 着 重 介 绍 固 液 分 离 MBR,为 简 单 起 见 ,简 称 为 MBR.图 4 按 年 代 序 列 的 中 文 文 献 M BR工 艺 类 型 分 布Fig. 4 Chro

23、nological distribution of literature papers on MBR types MBR工 艺 按 其 膜 组 件 的 设 置 位 置 可 分 为 浸 没式 (一 体 式 或 淹 没 式 )和 外 置 式 (分 置 式 ) 2种 . 图 5总 结 了 我 国 自 1995年 以 来 对 2种 MBR构 型 研 究 的文 献 数 量 分 布 . 和 国 外 的 研 究 发 展 情 况 类 似 ,我 国早 期 对 MBR的 研 究 主 要 以 外 置 式 为 主 . 自 1989年Yamamoto教 授 ( Yamamoto et al. , 1989)发 表 首

24、篇 浸没 式 MBR的 研 究 以 后 ,浸 没 式 MBR与 外 置 式 MBR相 比 ,因 省 略 了 循 环 泵 而 降 低 了 能 耗 、 占 地 紧 凑 等优 点 ,逐 步 在 研 究 和 工 程 应 用 中 受 到 重 视 . 在 过 去的 5年 中 ,很 多 研 究 和 应 用 均 集 中 于 浸 没 式 MBR,而 对 外 置 式 MBR的 研 究 和 应 用 却 相 对 较 少 ,每 年 只有 5篇 以 下 .图 5 按 年 代 序 列 的 中 文 文 献 M BR构 型 分 布Fig. 5 Chronological distribution of literature p

25、apers on MBR configuration对 于 浸 没 式 MBR,用 于 处 理 生 活 污 水 、 工 业 废水 和 微 污 染 水 方 面 的 文 献 居 多 . 而 外 置 式 MBR主要 集 中 在 对 某 些 工 业 废 水 和 特 种 废 水 (如 垃 圾 渗 滤液 等 )的 处 理 方 面 . 这 主 要 是 由 于 外 置 式 MBR具 有膜 组 件 清 洗 和 拆 卸 容 易 的 特 点 ,更 适 合 于 成 分 复杂 、 易 发 生 膜 污 染 、 需 要 频 繁 清 洗 膜 组 件 的 废 水处 理 .3 M BR 工 艺 的 新 发 展 ( New p r

26、ogress in MBRp rocess)在 MBR研 究 初 期 ,生 物 反 应 器 的 构 型 一 般 为 好氧 活 性 污 泥 反 应 器 . 其 主 要 问 题 是 悬 浮 污 泥 浓 度 过高 ,导 致 膜 污 染 速 率 快 ;脱 氮 除 磷 效 果 不 理 想 ;曝 气能 耗 较 高 . 近 年 来 ,针 对 这 些 问 题 我 国 的 研 究 人 员对 MBR中 生 物 反 应 器 型 式 进 行 了 改 进 ,开 发 出 了 一些 新 的 MBR工 艺 ,获 得 了 更 好 的 污 染 物 去 除 效 果 和更 稳 定 的 运 行 性 能 .3. 1 复 合 MBR工 艺

27、它 是 将 生 物 膜 法 或 生 物 接 解 氧 化 法 与 活 性 污泥 法 结 合 而 构 成 的 复 合 生 物 反 应 器 ( Hybridbioreactor, HBR )与 膜 分 离 的 联 用 工 艺 . 在 HBR2MBR工 艺 中 ,附 着 生 长 的 生 物 膜 和 悬 浮 生 长 的 活 性污 泥 2种 形 式 的 微 生 物 共 存 ,二 者 发 挥 各 自 的 优 势 ,共 同 承 担 去 除 污 染 物 的 作 用 ,使 得 出 水 水 质 得 以 提升 ,出 水 氨 氮 浓 度 低 于 活 性 污 泥 MBR,同 时 抗 冲 击负 荷 的 能 力 得 到 增

28、强 (尤 朝 阳 等 , 2004). 因 生 物 载体 的 介 入 而 形 成 的 生 物 膜 具 有 多 层 结 构 ,从 外 至 内8143期 黄 霞 等 :膜 2生 物 反 应 器 在 我 国 的 研 究 与 应 用 新 进 展因 氧 传 递 阻 力 的 增 加 而 形 成 氧 浓 度 梯 度 ,进 而 构 成外 层 以 好 氧 为 主 、 而 内 层 以 缺 氧 或 厌 氧 为 主 的 微 环境 ,有 利 于 提 高 系 统 的 生 物 脱 氮 除 磷 能 力 (张 军 等 ,2000). 另 外 ,复 合 生 物 反 应 器 中 微 生 物 群 落 结 构 多样 化 ,生 物 的

29、食 物 链 长 ,可 有 效 改 善 污 泥 性 状 ,提 高其 处 理 能 力 (刘 雨 等 , 2000; 张 军 等 , 2002). 与 传统 高 浓 度 的 活 性 污 泥 工 艺 相 比 , HBR2MBR工 艺 由于 总 生 物 量 中 悬 浮 污 泥 浓 度 的 减 少 而 有 利 于 减 缓膜 污 染 ,提 高 系 统 运 行 的 稳 定 性 (桂 萍 等 , 1999).但 如 果 悬 浮 污 泥 浓 度 过 低 ,溶 解 性 有 机 物 对 膜 污 染的 贡 献 增 加 ,反 而 会 加 重 膜 污 染 (桂 萍 等 , 1998; 付婉 霞 等 , 2005).3. 2

30、 厌 氧 MBR工 艺厌 氧 MBR即 厌 氧 生 物 处 理 与 膜 分 离 相 结 合 的工 艺 . 各 类 厌 氧 反 应 器 都 可 以 与 膜 分 离 组 合 使 用 ,如 完 全 混 合 厌 氧 反 应 器 (吴 志 超 等 , 2001)、 上 流 式厌 氧 污 泥 床 (UASB ) (王 国 平 等 , 2006)、 膨 胀 污 泥颗 粒 床 ( EGSB) (初 里 冰 等 , 2005)等 . 膜 分 离 的 使用 ,可 以 不 需 设 计 严 格 的 三 相 分 离 器 ,即 可 实 现 对生 物 污 泥 及 大 分 子 物 质 的 有 效 截 留 ,因 此 ,可 以

31、弥补 厌 氧 反 应 器 由 于 三 相 分 离 器 设 计 或 运 行 不 当 带来 的 生 物 流 失 和 对 悬 浮 性 有 机 物 处 理 不 够 好 的 缺陷 . 厌 氧 MBR中 高 污 泥 浓 度 环 境 以 及 颗 粒 状 与 大分 子 难 降 解 有 机 物 长 时 间 地 被 滞 留 在 反 应 器 内 ,促进 了 污 染 物 的 生 物 降 解 . 除 与 单 相 厌 氧 反 应 器 的 组合 以 外 ,膜 也 可 以 与 两 相 厌 氧 反 应 器 组 合 ,即 产 酸反 应 器 +膜 分 离 +产 甲 烷 反 应 器 . 在 两 相 厌 氧MBR中 ,膜 的 加 入

32、不 仅 有 利 于 产 酸 相 和 产 甲 烷 相 的分 相 ,使 产 酸 反 应 器 的 酸 化 率 明 显 提 高 ,而 且 可 使两 相 厌 氧 消 化 系 统 的 运 行 稳 定 性 增 加 ,用 于 处 理 淀粉 人 工 配 水 时 COD去 除 率 达 95%以 上 ,产 气 量 和甲 烷 成 分 高 于 传 统 两 相 厌 氧 反 应 器 (管 运 涛 等 ,1998).厌 氧 MBR应 用 的 废 水 主 要 是 一 些 高 浓 度 的 有机 废 水 ,如 食 品 废 水 (何 义 亮 等 , 1999)等 ,也 有 一 些研 究 是 针 对 低 浓 度 的 生 活 污 水 (

33、W ang et al. , 1999;初 里 冰 等 , 2005). 由 于 不 能 像 在 好 氧 MBR中 ,可以 通 过 曝 气 对 膜 面 的 紊 动 来 控 制 膜 污 染 ,因 此 ,在厌 氧 MBR中 膜 容 易 被 污 染 ,运 行 周 期 较 短 . 因 而 膜污 染 的 有 效 控 制 在 厌 氧 MBR中 显 得 更 为 重 要 ,也 是厌 氧 MBR的 重 要 研 究 课 题 . 吴 志 超 等 (2005a)针 对厌 氧 MBR处 理 高 浓 度 有 机 废 水 ,分 析 了 污 泥 组 分 与膜 污 染 之 间 的 关 系 ,发 现 污 泥 混 合 液 中 的

34、颗 粒 粒 径比 好 氧 MBR的 小 ,混 合 液 中 悬 浮 固 体 颗 粒 所 造 成 的阻 力 占 总 阻 力 的 70%. 操 作 条 件 和 抽 吸 模 式 的 优 化(王 志 伟 等 , 2005a; 2005b)、 利 用 沼 气 循 环 泵 循 环 沼气 对 反 应 器 内 造 成 紊 动 (王 志 伟 等 , 2006)等 均 对 膜污 染 的 控 制 有 一 定 效 果 . EGSB 反 应 器 由 于 采 用 较大 的 高 径 比 和 出 水 循 环 ,使 上 流 速 度 大 大 增 加 ( 4m h - 1 ) ,高 的 上 升 流 速 不 仅 可 以 避 免 反 应

35、 器 内 死 角和 短 流 的 产 生 ,而 且 对 膜 丝 可 以 产 生 搅 动 ,有 助 于减 轻 EGSB 2MBR中 膜 表 面 的 污 泥 淤 积 (初 里 冰 等 ,2005). 另 外 ,采 用 超 声 波 与 厌 氧 MBR的 联 合 使 用(隋 鹏 哲 等 , 2006)也 可 以 对 膜 污 染 产 生 较 好 的 控 制效 果 .3. 3 好 氧 颗 粒 污 泥 MBR工 艺好 氧 颗 粒 污 泥 是 在 好 氧 条 件 下 自 发 形 成 的 细胞 固 定 化 颗 粒 ,因 其 具 有 良 好 的 沉 降 性 能 、 较 高 的生 物 量 和 在 高 容 积 负 荷

36、下 降 解 高 浓 度 有 机 废 水 的良 好 生 物 活 性 ,可 以 形 成 具 有 同 步 硝 化 反 硝 化 能 力的 微 环 境 等 特 点 而 倍 受 关 注 . 在 好 氧 颗 粒 污 泥MBR工 艺 中 ,好 氧 颗 粒 污 泥 浓 度 可 维 持 在 14 16g L - 1 ,较 高 的 污 泥 浓 度 和 颗 粒 污 泥 内 部 缺 氧 、 厌 氧环 境 的 存 在 ,使 MBR中 硝 化 和 反 硝 化 过 程 并 存 . 在HRT为 6 h,溶 解 氧 浓 度 为 4 6 mg L - 1 , COD 的 容积 负 荷 为 7. 24 kg m - 3 d- 1的

37、条 件 下 , COD的 去 除 率可 达 96%以 上 ; 当 氨 氮 容 积 负 荷 为 0. 17 kg m - 3 d- 1时 ,氨 氮 去 除 率 可 达 60% (朱 振 中 等 , 2006). 颗 粒污 泥 既 可 以 利 用 外 源 溶 解 性 基 质 又 可 以 利 用 胞 内储 存 物 质 为 碳 源 进 行 反 硝 化 (王 景 峰 等 , 2006). 在运 行 过 程 中 好 氧 颗 粒 污 泥 的 生 物 活 性 略 有 降 低 ,但由 于 颗 粒 污 泥 中 菌 体 结 合 紧 密 ,对 环 境 表 现 出 良 好的 承 受 能 力 ,从 而 其 生 物 活 性

38、 变 化 幅 度 并 不 显 著(高 方 述 等 , 2006). 与 絮 状 污 泥 MBR相 比 ,颗 粒 污泥 MBR的 膜 通 量 衰 减 速 度 下 降 50%以 上 ,且 通 过空 气 反 冲 或 用 水 清 洗 即 可 基 本 恢 复 膜 通 量 (朱 振 中等 , 2006). 但 是 ,目 前 对 于 好 氧 颗 粒 污 泥 MBR的研 究 均 是 小 试 规 模 ,在 更 大 规 模 的 试 验 中 如 何 保 持颗 粒 污 泥 的 稳 定 性 和 颗 粒 污 泥 MBR的 优 势 有 待 于今 后 进 一 步 研 究 和 验 证 .3. 4 强 化 MBR脱 氮 除 磷

39、工 艺几 乎 所 有 的 传 统 脱 氮 除 磷 工 艺 均 被 应 用 到MBR中 ,如 序 批 式 活 性 污 泥 工 艺 ( SBR) (张 捍 民 等 ,2005b)、 A2 /O 工 艺 (刘 硕 等 , 2006; 曹 斌 等 ,2007)、 间 歇 循 环 活 性 污 泥 工 艺 (赵 方 波 等 , 2006a)等 . 在 传 统 脱 氮 除 磷 工 艺 中 遇 到 的 技 术 问 题 同 样 会914环 境 科 学 学 报 28卷在 MBR脱 氮 除 磷 工 艺 中 出 现 ,但 MBR工 艺 的 一 些自 身 特 点 可 以 对 原 有 的 生 物 脱 氮 除 磷 工 艺

40、起 到 强化 作 用 : 膜 对 微 生 物 的 完 全 截 留 可 以 提 高 硝 酸 菌和 聚 磷 菌 的 总 量 ,从 而 提 高 系 统 的 硝 化 反 硝 化 和 除磷 能 力 . A2 /O2MBR强 化 脱 氮 除 磷 工 艺 出 水 TN 10 g L - 1时 其 渗 透 通 量 会 明 显 降 低 (Meng et a l. ,2005).5. 2 膜 表 面 改 性在 MBR中 ,通 过 改 变 膜 表 面 的 化 学 性 质 以 改 善其 疏 水 性 ,可 提 高 膜 污 染 的 抑 制 能 力 . 将 TiO2纳 米颗 粒 作 为 一 种 预 涂 剂 加 入 到 膜

41、铸 造 液 中 就 可 制 备TiO2 2固 定 UF膜 ,该 膜 用 于 MBR系 统 中 可 以 抑 制 膜通 量 衰 减 (Bae et a l. , 2005). 第 4节 中 的 预 涂 动 态MBR就 可 用 MnO2等 无 机 材 料 对 膜 表 面 进 行 改 性 .类 似 地 ,当 用 Fe (OH) 3絮 体 颗 粒 对 膜 表 面 进 行 预 涂后 ,也 能 提 高 MBR的 出 水 水 质 和 过 滤 性 能 ( Zhang Yet a l. , 2004 ) , 这 主 要 是 由 于 溶 解 性 有 机 质 在Fe (OH) 3絮 体 颗 粒 上 的 吸 附 限 制

42、 了 溶 解 性 有 机 物 和膜 表 面 的 直 接 接 触 ,从 而 减 少 了 污 染 物 在 膜 表 面 的沉 积 .5. 3 水 动 力 学 条 件 优 化1) 曝 气 . 曝 气 占 MBR能 耗 的 主 要 部 分 ,因 此 ,优 化 曝 气 量 的 研 究 就 显 得 尤 为 重 要 . 曝 气 量 和 曝 气位 置 的 精 确 设 计 是 影 响 膜 污 染 的 关 键 因 素 之 一 . 在浸 没 式 MBR中 ,曝 气 量 为 20 50 m3 h- 1时 ,错 流 流速 (CFV)随 曝 气 量 的 升 高 而 增 大 ,当 曝 气 量 大 于 50m3 h- 1后 C

43、FV逐 渐 趋 向 平 稳 ;反 应 器 高 度 越 高 ,上升 流 通 道 越 窄 、 下 降 流 道 和 底 部 流 道 越 宽 ,在 同 样曝 气 量 条 件 下 可 获 得 越 大 的 CFV (刘 锐 等 , 2000).当 曝 气 量 已 达 到 去 除 滤 饼 层 所 需 的 剪 切 力 时 ,继 续增 大 曝 气 强 度 对 膜 污 染 的 改 善 作 用 不 明 显 (王 志 伟等 , 2005a) ,而 曝 气 强 度 又 与 污 泥 浓 度 和 抽 吸 方 式是 相 关 的 . 在 浸 没 式 MBR中 ,污 泥 浓 度 为 3、 6、 8和10 g L - 1下 的 经

44、 济 曝 气 量 分 别 为 36、 72、 84和 120m3 m - 2 h- 1 (张 传 义 等 , 2004). 间 歇 曝 气 模 式 不 但有 利 于 生 物 反 硝 化 的 进 行 ,还 可 抑 制 膜 污 染 的 发生 . 在 国 内 ,至 今 未 见 有 关 改 善 MBR曝 气 装 置 或 曝气 头 设 计 的 报 道 ,而 国 外 已 有 类 似 专 利 发 明 (Le -Clech et al. , 2006).2) 临 界 通 量 . 临 界 通 量 是 膜 污 染 控 制 水 动 力学 条 件 中 一 个 具 有 重 要 意 义 的 概 念 ,它 是 指 在 恒

45、通量 过 滤 中 存 在 一 个 临 界 值 ,当 膜 通 量 大 于 这 个 值时 ,膜 过 滤 压 差 ( TMP)明 显 上 升 ,膜 污 染 急 剧 发 展 ;当 膜 通 量 小 于 这 个 值 时 ,膜 污 染 不 发 生 或 者 发 展 非常 缓 慢 . 临 界 通 量 和 水 力 操 作 条 件 、 膜 分 离 操 作 模式 、 料 液 性 质 以 及 膜 本 身 性 质 有 关 . 对 污 泥 浓 度 为10 g L - 1、 曝 气 强 度 为 1. 0 m3 h- 1的 平 板 MBR,其 临界 通 量 为 4. 86 10 - 6 m s- 1 ,当 平 板 膜 在 此

46、临 界 通量 下 运 行 时 ,膜 污 染 速 度 较 低 (吴 志 超 等 , 2005).在 中 空 纤 维 MBR中 ,气 水 二 相 流 是 一 个 提 高 临 界 通量 非 常 有 效 的 方 法 ,临 界 通 量 随 曝 气 强 度 的 增 大 而增 大 . MBR存 在 三 个 水 动 力 学 操 作 区 :超 临 界 区 、临 界 区 和 次 临 界 区 (俞 开 昌 等 , 2004). 次 临 界 通 量下 的 膜 污 染 过 程 具 有 明 显 的 两 阶 段 特 征 :第 一 阶 段的 TMP呈 平 缓 直 线 上 升 ,与 此 相 对 应 的 膜 污 染 机 理主 要

47、 是 膜 孔 堵 塞 和 凝 胶 层 污 染 ;第 二 阶 段 的 TMP呈剧 烈 直 线 上 升 ,与 此 相 对 应 的 膜 污 染 机 理 是 污 泥 沉积 层 污 染 (魏 春 海 等 , 2004) ,泥 饼 阻 力 和 孔 道 吸 附堵 塞 阻 力 是 膜 污 染 的 主 要 组 成 部 分 ,分 别 占 到 总 阻力 的 73%和 24% ,而 膜 本 身 阻 力 仅 占 3% (黄 圣 散等 , 2005).3) 反 应 器 结 构 优 化 . 对 传 统 MBR的 反 应 器 结构 进 行 优 化 设 计 ,利 用 生 物 反 应 器 中 曝 气 产 生 的 升流 区 和 降

48、 流 区 的 密 度 差 而 形 成 气 升 循 环 流 动 ,既 可有 效 控 制 膜 污 染 同 时 又 可 降 低 运 行 能 耗 . 将 气 升 内循 环 式 反 应 器 应 用 于 浸 没 式 MBR中 试 试 验 ,在 次 临界 通 量 下 中 试 反 应 器 的 气 水 比 为 21 1,能 耗 为 0. 42kW h m - 3 , 有 效 地 降 低 了 曝 气 能 耗 (王 孟 杰 等 ,2005). 在 气 升 循 环 分 置 式 MBR中 ,由 于 利 用 膜 池压 缩 空 气 提 供 循 环 动 力 省 略 了 机 械 循 环 动 力 装 置 ,与 传 统 的 分 置

49、 式 MBR相 比 ,其 能 耗 可 降 低 到 0. 60. 8 kW h m - 3 (樊 耀 波 等 , 2004; 李 刚 等 , 2006).对 于 一 种 气 升 式 外 循 环 陶 瓷 管 MBR工 艺 ,由 于 气 升外 循 环 的 引 入 ,使 得 升 气 管 内 产 生 气 /液 两 相 流 的上 升 流 ,通 过 陶 瓷 膜 管 时 改 变 了 膜 面 流 体 的 运 动 状态 ,降 低 了 膜 面 污 染 ,在 很 大 程 度 上 提 高 了 膜 的 渗透 通 量 (徐 农 等 , 2003). 当 采 用 最 佳 的 导 气 管 直径 、 气 升 位 置 和 气 速 时 , 其 稳 定 通 量 可 达 98L m - 2 h- 1 .5. 4 污 泥 混 合 液 性 状 调 控混 合 液 性 状 是 影 响 膜 污 染 的 重 要 因 素 ,从 混 合液 性 状 调 控 角 度 控 制 膜 污 染 十 分 必 要 . 在 MBR中污 泥 混 合 液 性 状 的 主 要 调 控 措 施 有 以 下 3点 .1) 投 加 粉 末 活 性 炭 ( PAC). PAC2MBR工 艺 利用 PA