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平板膜在膜生物反应器(MBR)中的优势
信息来源:斯纳普  发布时间:2012-4-11  浏览次数:6769

膜生物反应器(Membrance Bioreacter,MBR)是将膜分离技术和生物反应器的生物降解作用集于一体的生物化学反应系统。膜分离技术是污水处理领域中常用的物理处理技术,其机理主要是筛分效应,根据不同的膜表面孔径大小,可以分为过滤、微滤(MF)、超滤(UF)及纳滤(NF)等。膜生物反应器中通常采用的是微滤和超滤膜,其分离机理主要是筛分效应,因膜结构的不同,截留作用大体可以分为机械截留、吸附截留及架桥作用等。传统的活性污泥法处理流程包括格栅、沉砂池、初沉池、生物反应池、二沉池及消毒池。其中格栅、沉砂及初沉都是为了去除进水中的杂质及较大的颗粒,为之后的生物反应做好铺垫。而污水中绝大部分的有机污染物,包括COD、BOD,及氮磷等物质都将通过池内微生物自身的新陈代谢过程中得到消耗和降解,而为保证生物反应池的处理效率,对于活性污泥的浓度和状态都有一定的要求。生物反应池出水中还含有大量的微生物,因此需要流入二沉池进行泥水分离,使出水澄清,并将沉淀下来的污泥回流或处置,二沉池出水经消毒后达标排放。而膜生物反应器的介入点便是用超滤或微滤膜组件替代传统活性污泥法中的二沉池实现泥水分离。该工艺具有处理能力强、固液分离效率高、出水水质好、占地空间小、运行管理简单等特点。目前,MBR工艺技术处理生活污水和工业废水已突显成效。膜组件是MBR的核心部分,目前工程化应用中主要采用中空纤维膜组件和平板膜组件。平板膜与中空纤维膜具有不同的特点,适用范围也有区别,平板膜具有水力学条件易于控制、通量高、抗污染能力强和清洗更换方便等特点,能够在更高污泥浓度条件下保持高通量稳定运行;中空纤维具有装填密度大、价格便宜等优点。截止2006年,据不完全统计在世界范围内运行的MBR达2259套,其中平板膜生物反应器的比例占到了68%。然而,在中国平板膜生物反应器的工程化应用程度还很低,明显滞后于中空纤维膜生物反应器。

1MBR与传统活性污泥法工艺(CAS)相比有以下明显优势:

(1)污染物去除率高,出水水质好

MBR既可以用于高浓度、难降解有机工业废水处理,又可以用于生活污水和一般工业废水的净化。在MBR中,由于膜组件对于反应池中的微生物,尤其是对于世代周期较长的硝化反硝化菌种,及存在于小污泥颗粒中的微生物具有相当好的截留作用;同样由于膜的存在,MBR体系中活性污泥可以高达(MLSS)8000-15000mg/L,远远高于传统活性污泥法(约3000-4000mg/L),对污染物去除效率高,处理出水水质好,不仅对悬浮物(SS)、有机物去除效率高,出水的悬浮物(SS)和浊度可以接近零,而且可以去除细菌、病毒等可以作为污水深度处理及资源化技术。基于其高效的生物反应,及膜本身良好的分离截留作用,通常膜生物反应器的COD、BOD、和SS的去除率分别可达到95%、98%、99%,膜生物反应器的出水可以作为中水直接回用。

(2)负荷变化适应强,耐冲击负荷

膜生物反应器由于膜的高效截留作用,可以完全截留活性污泥,使得反应器内污泥浓度很高,实现了反应器内水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)的完全分离,即使进水量突然增大,整个反应器内部的生物性状也能保持在一个比较稳定的状态;同时,由于污泥浓度的提高,强化了活性污泥的吸附作用;而且,在膜的截留作用下,来不及被生物降解的污染物也不会随着出水排除。基于以上几点,整个反应器运行控制将会更加灵活稳定。因此,膜生物反应器系统克服了当系统水力负荷和有机负荷发生变化时传统水处理工艺出现污泥膨胀等问题。

(3)污泥排放量小

膜生物反应器水处理技术除了作为污水深度处理及资源化技术之外,还可以作为一种污泥减量的重要技术和避免常规污水厂大量剩余污泥处置难题的一种有效手段。膜生物反应器的污泥排放量很小,甚至可以做到不产泥。污泥自降解和污泥水解可降低传统水处理系统的效率,但对膜生物反应系统却非常有益。传统的活性污泥法通常采用的是稳定期末尾至衰亡期初始时的活性污泥,而由于膜生物反应器中的高污泥浓度,有机物被大量消耗,同时会有相当一部分处于衰亡期的微生物依靠自身的内源呼吸进行代谢分解,在保持出水污染物低浓度的同时,消耗了污泥生长过程中的剩余量。膜分离使得污水中的大分子难降解物质,在体积有限的膜生物反应器内有足够的停留时间,大大提高了难降解物质的降解效率。反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄的情况下运行,完全可以实现较长周期内(如6月或者更长时间)不排泥或者排泥量很小,剩余污泥排放量很小,甚至不产泥。

(4)工艺流程短,系统设备简单紧凑,占地省

由于膜生物反应器无需在好氧污泥系统产生絮体以便之后二沉池的泥水分离,因此生物反应器内污泥浓度可以比传统工艺高许多,而生化反应速率又与反应物浓度有关。反应物浓度越高,反应速率越大,因此膜生物反应器的容积负荷可高达5kgCOD/(m3d),而传统工艺通常只有0.4~0.9kgBOD/(m3d),处理生活污水时水力停留时间(HRT)可减至2h,生物反应池的容积可以大大减小,根据国外研究资料显示,相同规模的污水量,膜生物反应器好氧池体积为传统处理工艺好氧池体积的三分之一。同时膜生物反应器省去了二沉池、滤池及污泥回流系统等辅助设备,甚至污泥处理设备及费用。几乎所有的MBR工艺都对病菌有较好的去除作用,出水中肠道病毒、总大肠杆菌、粪链球菌、粪大肠杆菌等都低于检测限,这表明如果MBR出水直接排放或无余氯要求回用的话甚至可以省去消毒设施,因此膜生物反应器结构简单紧凑。

(5)易实现自动化控制,维护简单,节省人力

在传统活性污泥法中,由于运行中经常出现波动和不稳定,为了确保良好的出水水质,必须对运行管理投入大量的人力、财力和物力。而膜生物反应器采用膜分离技术,做到了稳定的出水水质,同时省去了泥水分离设施,因此用微机可以很容易的实现膜生物反应器系统从进水到出水的全程自动化控制。

(6)系统启动速度快,水质可以很快达到处理要求

由于可以很好的保持水中的污泥浓度,在反应池启动期,不同于传统曝气池需要通过沉淀排除上清液来提高污泥浓度。由于膜分离作用对污泥颗粒的完全截留,能够在曝气及营养物质的共同作用下迅速的提高系统内的污泥浓度,使整个膜生物反应器系统快速启动,水质可以很快达到处理要求。

2、平板MBR与中空纤维MBR相比又具有以下明显优势:

(1)更好的抗污染性能

相比中空纤维膜生物反应器,平板膜生物反应器可以在更高的活性污泥浓度下保持高通量的稳定运行。在实际使用的过程中,尽管预处理设施中会有格栅,除毛机等设备,但好氧池中还难免进入一些诸如毛发之类的物体,这些丝状物缠绕在膜丝上,当污泥浓度达到一定程度,就会出现泥坨,使越来越多的膜丝缠绕在一起,大大减少了中空纤维丝的有效膜面积,引起膜通量的急剧下降,而且此类问题也很难修复,通常只能更换。平板膜生物反应器的适用活性污泥浓度(MLSS)范围在10000-15000mg/L,远远高于中空纤维膜生反应器(约6000mg/L左右),平板膜的特殊结构,可以实现膜片之间间隙可控,便于气液混流对膜面进行在线清洗,抗污染性能优越。此外,平板膜生物反应器可以通过调节组件底部的曝气强度,通过气水混合物在膜片表面的冲刷作用,很好的清除膜表面的附着物,即便是由于某种不可知因素在膜表面产生了淤积的情况,也可以将膜片取出,通过低压水枪冲洗的方法去除,使得膜能长期有效的运行,而中空纤维则不可能通过这种方法清洗。

(2)良好的机械稳定性、无断丝现象

在实际使用过程中,中空纤维膜组件不可避免的会发生断丝现象,其中包括两种原因,一是由于纺丝过程中的缺陷导致的壁厚不均匀,当然这种情况比较少发生,且可以通过购买优质产品等手段进一步避免;二是纺丝材料疲劳引起的根部断裂,我们知道由于曝气的原因,中空纤维在工作状态下始终会处于幅度较大的振动现象,长此以往会在其根部引起材料的疲劳,而由于这种材料疲劳所导致的断丝一旦发生,往往是规模性的,而这对于膜生物反应器来说,伤害是致命的,使得出水水质变差。而平板膜的材料强度比中空纤维高出许多,根本不会出现类似的现象,能完全保证优质的出水水质。

(3)清洗方法更加便捷,清洗周期更长。

平板膜生物反应器可通过控制组件底部的曝气系统的曝气量,对膜片进行有效的水力冲刷,在运行过程中就对膜表面的污染起到控制作用,而平板膜组件的化学清洗(在线清洗)也更加简单,只需要把调配好的药剂从抽吸口回灌入膜片中,浸泡一段时间即可,不像中空纤维膜组件,需频繁地将膜组件取出进行反冲洗。同时,相对于中空纤维-膜生物反应器,平板膜生物反应器的清洗周期更长,清洗周期可达3个月以上,且如果工作压力始终处于比较低的状态,甚至可以不清洗。平板膜组件还可以通过物理清洗的方法使膜通量得到恢复,而这对于中空纤维膜几乎是不可能的。

(4)寿命长,运行费用低

据不完全统计,现在市场上的中空纤维膜平均寿命为2年左右,意味着2年就会有很大的膜更换率。而市场上平板膜的平均寿命都在5-7年,不需频繁的更换膜片,相对来说运行费用大大降低,且保证了良好的运行状况。平板膜具有高强度的支撑体,膜损伤程度低,更换率低;同时平板膜可以实现单张更换,更换成本也相对降低。

(5)膜片更换过程简单

由于平板膜组件独特的设计,使得在膜片损坏更换过程中,膜片可单张更换,无需更换支架。而中间纤维膜丝断丝达到一定数量,整个组件就报废,需更换整个膜组件,费用就将大大增加。

3、上海斯纳普膜分离科技有限公司(SINAP)简介

上海斯纳普膜分离科技有限公司是2008年由上海过滤器有限公司与上海应用物理研究所合资创办的膜分离科技公司。上海应用物理研究所的新技术中心从1980年开始超滤膜技术的研究和产品开发,是国内主要的膜分离技术研究单位之一,在超滤膜的研发和板框式、卷式、管式和小型实验室超滤设备的研制、生产等方面国内领先,产品具有自主知识产权。我公司于2002年生产出了中国第一块平板膜,05年获得了中国专利授权。经过两年的改进与努力,我公司在07与08年相继推出了第二及第三代平板膜,并于09年通过了ISO9001-2000质量体系认证。

2002年以来,在上海市科委的支持下,在MBR产品的研究开发方面也取得了较快的进展。MBR平片膜元件的关健器件是平板式滤膜,公司生产的孔径为0.1微米大孔径PVDF微滤膜,性能达到国际水平,目前已具有年产20万平方米的生产能力。其次,公司已成功的研发出采用国际先进水平的超声波热焊封接工艺生产的第三代MBR平片式滤膜元件,有四条生产线投产,具有年产MBR150型膜片10万件的生产能力。(注:以1件MBR150型膜片,滤膜面积1.5平方米,日处理污水量0.8立方米计,可日处理8万立方米污水。)

斯纳普技术研发中心有中国科学院上海应用物理研究所的国内知名膜技术专家领衔、由博士、硕士组成的研发团队,配备包括扫描电镜、原子力显微镜、凝胶色谱仪、总有机炭分析仪、多功能水质分析仪、溶解氧分析仪、化学好氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、氨氮分析仪、接触角分析仪、熔点显微仪、紫外分光光度仪等先进的仪器设备。

几年来,上海斯纳普膜分离科技有限公司已先后与几十家环境工程公司建立合作关系,MBR平板膜产品成功地应用于多项污水治理和中水回用工程,这些工程项目涉及钢厂乳化油废水、垃圾渗滤液、洗涤废水、制药废水、食品加工废水、酒店、别墅、学校医院等生活污水,早期的工程应用正常运行达四年。

我们斯纳普人有信心使斯纳普平板膜成为中国平板膜的一面旗帜,SINAP成为国内乃至国际的知名膜品牌。

编写:上海斯纳普膜分离科技有限公司

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