膜過程課件第二章

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

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

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

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

1、生化需氧量和化學需氧量BOD：當有溶解氧存在時,廢水中有機物在20℃、5日內(nèi)進行生物分解,形成穩(wěn)定產(chǎn)物所需的氧量，可作為衡量水中所含有機污染物的指標。COD：廢水中被氧化的物質(zhì)在一定條件下被化學氧化劑氧化所需氧量，也是衡量水中有機物的指標,包括重鉻酸鉀法和高錳酸鉀法。BOD和COD是評價水處理工藝的重要指標,借助MBR中膜優(yōu)良的過濾性能,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的指標上比傳統(tǒng)工藝更具優(yōu)勢,如處理普通市政污水時,出水BOD可達到5mg/L以下，COD可達到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)標準日趨嚴格的今天,不但要求污水經(jīng)處理后的有機物濃度達標,而氮磷等指標的要求也越來越受到重視。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過程。硝化過程是在好氧(曝氣)的條件下進行的,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，理論上硝化過程將1g氨氮轉化為硝酸鹽氮需要4.57gO2。反硝化過程則是由異氧型微生物在無分子態(tài)氧的條件(厭氧)下把硝酸鹽作為氧化劑,將硝酸鹽還原為氮氣。

在采用MBR工藝時，出水往往作為回用水，因此對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，這一點與傳統(tǒng)的活性污泥工藝相類似的，但由于MBR具有極強的生物截留作用，因此可以實現(xiàn)大量的硝化菌富集，可以實現(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)活性污泥反應器中的硝化活性只有0.96gNH4-N/(kgMLSS·h)，他們進一步的研究指出,硝化速率的提高源于膜生物反應器中污泥絮體較小，較小的絮體有著更大的周長/面積比，氧傳質(zhì)阻力小，硝化作用更徹底。污泥齡對膜生物反應器的硝化作用有很大影響，如Cote研等究者發(fā)現(xiàn)，當污泥齡由10天增加為50天時，氨氮去除率由80%增加到99%；而Fan等的等驗中也發(fā)現(xiàn)，當污泥齡由5天增加為10天時，氨氮去除率由94%增加到99%MembraneBioreactorProcess&Technology

就MBR去除總氮的效果來看,由于總氮的去除需要好氧、厭氧兩個工藝過程的協(xié)同作用,與之相關的影響因素較為復雜,總氮的處理效果主要取決于工藝及運行參數(shù)的設計。

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

膜生物反應器的除磷工藝與脫氮工藝類型相同，常見的有單一反應器間歇曝氣工藝和A/O形式工藝，現(xiàn)有較多研究集中于生物脫氮除磷結合工藝的開發(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。較好的除磷效果來自于與化學絮凝的結合。MembraneBioreactorProcess&TechnologyMembraneBioreactorProcess&Technology3、運行負荷MBR中的運行負荷包括,污泥負荷,即每千克污泥每天所脫除的COD（或BOD）的量[kgCOD/(kgMLSS·d];容積負荷,即每立方米反應池每天所脫COD(或BOD)的量[kgCOD(m3·d]好氧MBR用于城市污水的處理時,容積負荷率1.2~3.2kgCOD/（m3·d）和0.05-0.66kgBOD5/(m3·d）,相應脫除率為大于90%和大于99%,當進料COD變化很大,如從100mg/L變到250mg/L,穩(wěn)態(tài)時,排放液濃度通常小于10mg/L，即進水COD含量變化對出水COD影響不大。MembraneBioreactorProcess&Technology

好氧MBR處理工業(yè)廢水時,其負荷率比城市廢水高的多。己報道的負荷范圍為0.25-16kgCOD/(m3·d),相應脫除率達到90%-99.8%,因為工業(yè)廢水本身負荷強度高，如釀造廢水COD濃度可達到68000mg/L,含油廢水COD也高達30000mg/L左右。不同工廠的負荷率大致相近,如對食品加置廢水,果汁廠、制革廠、棉花廠報道的負荷率分別為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對脫除率影響不大。污泥齡在5-350d范圍內(nèi),污泥齡對排水水質(zhì)的影響也不大,比較所報道的研究體系,當污泥齡增加到30d時去除率稍有增加,再提高污泥齡,沒有發(fā)現(xiàn)進一步的改進。

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。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%。

對強度很高的廢水,應降低其初始負荷,以避免硝化物的抑制作用。在工業(yè)廢水處理中還有一個很重要的問題是一些特殊組分的脫除,例如油脂的脫除,因為膜可截留大分子的油脂,使其在反應器中有較長的降解時間。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。MLVSS是指混合液懸浮固體屮有機物的量,由于其不包括污泥中的無機物部分,因此能夠較準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,運行穩(wěn)定時,單位時間內(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器內(nèi)的平均停留時間。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,因此使其生物反應單元內(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中污泥濃度可達到10g/L以上。

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

在一些研究和工程實踐中,MBR的濃度甚至可達到10-20g/L,MBR與傳統(tǒng)CAS相比特點之一就是污泥產(chǎn)率低,微生物在低污泥負荷下運行時缺乏營養(yǎng),屬于內(nèi)源呼吸作用突出,底物基本用于維持細胞的能量需求而不能用于微生物的合成。這種運行模式可以獲得很好的去除率并能實現(xiàn)較低的污泥產(chǎn)率。MBR反應器的剩余污泥量可按下式計算: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。若缺乏相關數(shù)據(jù),MBR的污泥產(chǎn)率可參照表2~1。MembraneBioreactorProcess&Technology曲于MBR中運行的污泥濃度較高,而污泥的排放周期很長,因而MBR是處于高污泥濃度和高污泥齡的低污泥負荷下操作,污泥產(chǎn)率較低,其范圍大體在0-0.34kgMLSS/(kgCOD·d）,之間變化。同時,MBR的污泥產(chǎn)率與處理污水的組成也有關系,如用MBR處埋食品加工廢水與制革廢水時,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對其產(chǎn)生負面的影響。有研究表明,較高的污泥濃度會造成混合液粘度的增大,而間接的影響膜的穩(wěn)定運行,因此MBR的最佳污泥濃度的設計應綜合考慮處理負荷、污泥產(chǎn)率及膜污染等諸多因素。MBR與CAS相比,污泥去除有機污染物的比活性(gCOD/gMLVSS·h)低,且不穩(wěn)定,這是因為MBR中長的SRT和低的F/M。但在MBR中,容積負荷高于CAS,說明在MBR中,盡管活性差不穩(wěn)定,但處理潛力大,因為MBR中可以維持較高的生物濃度,并且生長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,等價于活性污泥群落的新陳代謝活性,它表示了膜過濾污泥的生理狀態(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,OUR在MBR中明顯增加,而在CAS中變化不大,說明在MBR中.微生物的生長不是被氧所限制,雨是被底物所限制.同時在MBR中污泥的氧傳遞與CAS過程沒有明顯的不同。MembraneBioreactorProcess&Technology5、水力停留時間(HRT)

曝氣池中液體的總體積與每小時排出的液體總體積之比值,運行穩(wěn)定時,排出液體體積即進入曝氣池液體體積,因此HRT反應了污水進入曝氣池的平均停留時問MBR屮HRT可比CAS中更短。而對于污染物濃庋較高或含有特殊難生物降解的廢水,則適當延長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.降低基建投資費用,但有些研究認為過短的HRT可能會加速膜污染。Hideke-Harada等通過研究認為,過短的HRT會導致溶解性有機物的積累,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,壓力也沒有升高;但HRT的延長會增加曝氣池的容積,增加基建費用。因此HRT的設計一方面盡量發(fā)揮MBR高效處理能力的特點,另一方面還應考慮到膜污染的控制。MembraneBioreactorProcess&Technology2.1.2膜單元控制參數(shù)1、曝氣強度(氣水比)

MBR中曝氣包括兩方面作用：為生化反應提供足夠的溶解氧,以保證各類有機污染物降解和硝化過程的正常進行;強化反應器內(nèi)部的紊流狀態(tài),提高對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)。強化曝氣手段是MBR中控制膜污染的重要手段,但會使MBR比CAS運行能耗成倍增加。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中生化曝氣量的設計可參考傳統(tǒng)活性污泥工藝曝氣量的計算。生化過程的需氧量與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)計算：式(39)中,02——實際需氧量(kgO2/d):Oc——去除含碳有機物單位耗氧量(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),未設計厭氧段的SMBR中可略去此項。MembraneBioreactorProcess&Technology2.開停（抽停）比開停（抽停）比是指連續(xù)運行的MBR工藝中往往會采用間歇出水的方式，即以一定頻率進行出水/停機的方式進行操作，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。出水泵運行出水泵運行8min8min8min2min2min出水泵停出水泵停出水泵運行曝氣泵運行3.跨膜壓力（Transmembranepressure,TMP）跨膜壓力是使過濾介質(zhì)通過膜的推動力，是實現(xiàn)膜過濾傳質(zhì)的關鍵一環(huán)。MBR中TMP可以是通過機械泵提供，也可以通過重力水頭作用提供。對于采用泵來提供的MBR來說，一體式的MBR的TMP一般是通過泵產(chǎn)生負壓實現(xiàn)，而分體式的MBR一般是由泵產(chǎn)生正壓來實現(xiàn)的。許多研究表明，MBR中的TMP往往存在臨界值：當TMP壓力低于臨界值時，膜通量隨壓力的增加而增加；而高于此值時通量隨壓力的變化不大，但會引起膜污染的加劇。臨界TMP會隨孔徑的增加而減小。MembraneBioreactorProcess&Technology4.反洗周期和反洗頻率

MBR運行中反洗周期和反洗頻率的設計是保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)運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計。如常規(guī)水洗可每隔幾分鐘進行一次，或在一個運行周期內(nèi)（指開/停周期）內(nèi)進行一次，而強化的化學反洗可視運行壓力的變化每天或每周進行一次。