浅谈MBR法处理高浓度难降解有机废水

毕业论文（设计）报告

题目：浅谈MBR法处理高浓度难降解有机废水

学 生： 指导教师：

专 业：环境监测与治理技术

2012年 12月 16日

学生毕业设计指导教师意见

设计课题:浅谈MBR法处理高浓度难降解有机废水 指导教师意见： 是否同意参加答辩：同意（ ） 不同意（ ） 指导教师签名：

目 录

第一章 绪 论 ...................................................... 4 第二章 高浓度难降解有机废水的概况及介绍 ............................ 5

2.1 高浓度难降解有机废水的概念 ................................. 5 2.2 高浓度难降解有机废水的来源 ................................. 5 2.3 高浓度难降解有机污染物废水的分类及特性 ..................... 5 2.4 高浓度难降解有机污染物的危害 ............................... 6 2.5 高浓度难降解有机废水的污染现状 ............................. 7 第三章 膜生物反应器（MBR）工艺技术 ................................. 8

3.1 膜生物反应器（MBR）概述 .................................... 8

3.2 MBR工艺的组成 .............................................. 8

3.2.1 曝气膜-生物反应器 ..................................... 8 3.2.2 萃取膜-生物反应器 ..................................... 9 3.2.3 固液分离型膜-生物反应器 ............................... 9 3.3 膜生物反应器（MBR）的主要类型及特点 ....................... 10

3.3.1 MBR的主要类型 ....................................... 10 3.3.2 MBR的主要特点 ....................................... 11 3.4 膜生物反应器组件分类 ...................................... 14

3.4.1 膜组件 ............................................... 14 3.4.2 膜组件的特性 ......................................... 14 3.5 膜生物反应器（MBR）的技术要点 ............................. 15

3.5.1 关于膜的技术性能及参数 ............................... 16 3.5.2 生物反应器的控制条件 ................................. 17 3.6 膜生物反应器的日常检查与维护管理 .......................... 17

3.6.1 膜生物反应器的日常检查 ............................... 17 3.6.2 膜生物反应器的维护管理 ............................... 18 3.7 MBR中膜的清洗研究 ......................................... 18

3.7.1 膜污染及影响因素的研究现状分析 ....................... 18 3.7.2 膜的清洗 ............................................. 20 3.8 膜生物反应器(MBR)的脱氮除磷 ............................... 21 3.8.1 MBR生物脱氮 ......................................... 21 3.8.2 MBR生物除磷 ......................................... 21 3.9 MBR对高浓度难降解废水的适应性分析 ......................... 21 3.10 在工业废水和高浓度有机废水中的应用事例 ................... 22 第四章 结论与展望 ................................................. 23 参考文献 ........................................................... 24 致谢 ............................................................... 25

摘 要

高浓度难降解有机废水的治理与控制，是国内外污水处理界公认的难题。本文一方面主要对高浓度难降解有机废水进行了简单的介绍；另一方面重点讲解了膜生物反应器(MBR)的类型特点与膜的技术要点、参数、污染因素及清洗方法，综述了膜生物反应器在高浓度难降解有机废水中的应用情况，并对膜生物反应器的应用前景及进一步研究方向进行了展望。

关键词：高浓度有机废水 膜生物反应器 技术参数 清洗方法

第一章 绪 论

随着社会经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，面临的环境问题也日臻严重。尤其是我国的水资源面临严重的污染问题：大量工业废水不达标外排，绝大部分生活污水不经处理直接排放，广大农村地区不合理使用化肥、农药等农用化学物质，对地表水影响日趋严重。全国大部分城市和地区的淡水资源己受到水质恶化和水生态系统被破坏的威胁。由于全国80%左右的污水未经任何处理直接排入水域，造成全国1/3以上的河段受到污染，90%以上的城市水域污染严重，近50%的重点城镇水源地不符合饮用水标准。造成水资源受到严重污染的根本原因是大量生产生活废水未经处理或虽经处理但未达标。这些未得充分利用的废水即污染环境，又浪费资源，迫切需要进行资源化利用。

近年来，对废水的处理要求日益提高，而对高浓度有机废水和工业废水，传统的水处理方法存在着处理装置容积负荷低，占地面积大、出水水质不稳定、管理操作复杂等问题。针对上述问题，各种新型的废水处理技术应运而生，其中最引人注目的是将膜技术应用于废水处理中所形成的膜生物反应器（membrane bioreactor 又作MBR）。

膜生物反应器最早出现在酶制剂工业中，1969 年，美国Smith 首先报道了活性污泥法和超滤结合处理城市污水的方法，引起了人们的广泛关注。随着MBR 工艺的进一步研究和改进，其应用领域不断的拓宽，处理对象已从生活污水扩展到高浓度的有机废水和难降解的工业废水，如制药废水、化工废水、食品废水、屠宰废水、烟草废水、造纸废水等。并被列入“九五”国家科技攻关课题，取得了阶段性成果。本论文针对近年来的膜生物反应器发展情况，从应用、材质、工艺运行等方面结合存在问题进行分析评述。

第二章 高浓度难降解有机废水的概况及介绍

2.1 高浓度难降解有机废水的概念

对于这类废水，目前国内外研究较多的有焦化废水、制药废水(包括中药废水)、石化／油类废水、纺织／印染废水、化工废水、油漆废水等行业性废水。所谓“高浓度”，是指这类废水的有机物浓度(以COD计)较高，一般均在2000 mg／L以上，有的甚至高达每升几万至十几万毫克；所谓“难降解”是指这类废水的可生化性较低(BOD5／COD值一般均在0．3以下甚至更低)，难以生物降解。所以，业内普遍将COD浓度大于2000 mg／L、BOD5／COD值低于0．3的有机废水统一称为高浓度难降解有机废水。

2.2 高浓度难降解有机废水的来源

高浓度有机废水一般是指由造纸、皮革及食品等行业排出的COD 在2 000 mg/ L 以上的废水。这些废水中含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质、纤维素等有机物,如果直接排放,会造成严重污染。高浓度有机废水按其性质来源可分为三大类:

（1）易于生物降解的高浓度有机废水; (2) 有机物可以降解,但含有害物质的废水; (3) 难生物降解的和有害的高浓度有机废水。

2.3 高浓度难降解有机污染物废水的分类及特性

按照有机化合物的结构和特征，可将难降解有机污染物废水分为一下几类：多环芳烃类（PAH）化合物、杂环类化合物、氯化芳香族化合物、有机氰化物、有机合成高分子化合物等。 2.3.1 有机浓度高

几种典型的高浓度有机废水，如焦化废水、制药废水、纺织／印染废水、石油／化工废水等，其主要生产工段的出水COD浓度一般均在3000～5OO0mg／L以上，有的工段出水甚至超过10000mg／L，即使是各工段的混合水，一般也均在2O0O mg／L以上。

2.3.2 有机物中的生物难降解物种类多比例高

这类有机废水中，往往含有较高浓度的生物难降解物，甚至是生物毒物，且

种类较多。如在典型的焦化废水中，除含有较高浓度的氨氮外，还有苯酚、酚的同系物以及萘、蒽、苯并芘等多环类化合物，及氰化物、硫化物、硫氰化物等；而比较典型的抗生素废水，则含有较高浓度的s 一、残留的抗生素及其中间代谢产物、表面活性剂及有机溶媒等。 2.3.3 成分复杂

这类有机废水中含有毒性物质废水中有机物以芳香族化合物和杂环化合物居多, 还多含有硫化物、氮化物、重金属和有毒有机物。 2.3.4 色度高, 有异味

这些类废水中含有较多的重金属有色物质，成高浓度时影响水的水质及美观，危害人们的身体健康及水生动物的生活环境；有些废水散发出刺鼻恶臭, 给周围环境造成不良影响，影响人们的正常的生活秩序。 2.3.5 具有强酸强碱性

工业产生的超高浓度有机废水中, 酸、碱类众多, 往往具有强酸或强碱性。 2.3.6 不易生物降解有机废水中所含的有机污染物结构复杂

某些蔡环是由10个碳原子组成的离域共扼键，结构相当稳定，难以降解。 这类废水中大多数的BODSC/OD极低，生化性差，且对微生物有毒性，难以用一般的生化方法处理。

2.4 高浓度难降解有机污染物的危害

由于难降解有机化合物不易被微生物所降解，它们必然不易被目前使用最广泛的生物处理工艺所去除，排放到水体等自然环境中后也不易通过天然的自净作用而逐渐减少其含量。因此，它们会在水体、土壤等自然介质中不断累积，打破生态系统原有的平衡，给人类赖以生存的环境造成巨大的威胁。 2.4.1 急性中毒

这类废水排入水体后，立刻会对人、动物及微生物造成明显的致毒作用。如由于农药厂、化工厂排放的废水含有毒性物质造成整个水域人畜中毒、鱼类及水生动物死亡。 2.4.2 慢性中毒

难降解有机污染物能使人产生慢性中毒。慢性中毒又称蓄积中毒，指生物体与浓度较低的某些毒性污染物长期接触，使体内此类有机物的浓度蓄积到某一阈

值，才能显示出其毒性。如有机磷脂类需在接触一段时间后才显示出迟发性的神经毒性作用。 2.4.3 潜在毒性

某些人工合成的有机物不具有明显的毒性，而且可能导致长远的遗传影响。它们能对各种人体细胞产生不可逆的“突变”作用，对生物体细胞产生不可逆的改变，诱发致癌、致畸、致突变效应，对人类产生严重的危害。 2.4.4 危害生态环境

难降解有机污染物对生态环境的影响是多种多样的，其主要特征就是有机污染物在环境中长期滞留、不易自然降解。以难降解的多氯联苯类有机化合物为例，多氯联苯类化合物是20世纪20年代开始使用的一类人工合成化合物，由于它易溶于有机溶剂及脂肪内，一般难以被微生物所降解，因此它们被发现广泛的残留在水、土壤和大气环境中，特别容易在生物体的脂肪内大量富集。从北极海生哺乳动物到南极的鸟蛋，以及人们食用的牛奶、鱼类中，都出现了多氯联苯的踪迹。 2.4.5 环境激素造成的危害

环境激素危害着大自然的各种生物。由于环境激素类物质的化学性质极为稳定，几乎不能进行生物降解，因而具有很高的环境滞留性，能长久的滞留于空气、水和土壤中，强烈的吸附于颗粒上，借助于水生和陆生食物链不断富集而最终危害人类。环境激素对人体的危害概括起来大致有3个方面：免疫系统功能降低，生殖能力的下降和恶性肿瘤的易发性。

2.5 高浓度难降解有机废水的污染现状

近年来，我国石油化工、冶金等行业发展迅速。但在创造巨大经济效益的同时，这些行业每年也向环境排放了数亿吨的有机废水。这些废水不仅有机物浓度高，有些还含有有毒有害物质。若直接将废水排入水体中.会对水体的生态环境和下游居民的生活带来极大的危害。据统计，造纸、食品等行业.近五年来每年从废液中直接排入水体的平均COD高达1364万t。另外，我国废水的排放总量在近五年中呈上升趋势。其中，工业废水是我国水环境污染的主要污染源。我国每年排放的工业废水约占废水排放总量的50%左右。

第三章 膜生物反应器（MBR）工艺技术

3.1 膜生物反应器（MBR）概述

膜生物反应器（MBR）是在传统活性污泥法上兴起的一种废水处理新工艺。是污水资源化的一种重要手段。

传统活性污泥法是应用最早的废水好氧生物处理方法之一，传统活性污泥系统由曝气池、二沉池、污泥回流系统、曝气系统和剩余活性污泥排放系统组成。传统活性污泥法的优点在于其工艺成熟，处理效果好，设备也相对简单，但是用于中小规模的污水处理厂时投资较大，运行费用偏高，并且易发生污泥膨胀。

污水处理中的MBR法是将膜分离技术中的超、微滤技术和活性污泥法有机结合的污水处理高新技术，主要有膜组件、生物反应器、物料输送三部分组成，其运行原理是利用反应器内大量的微生物有效地降解污水中各种有机物，使水质得到净化，并通过膜分离装置代替传统工艺中的二沉池，提高固液分离的效率，从而得到优质的出水，基本解决了传统的活性污泥法存在的污泥膨胀、污泥浓度低等因素造成的出水水质达不到中水回用要求的问题。随着研究和开发的深入，MBR技术己经显示出良好的发展前景，在污水处理领域正在受到广泛的重视，并孕育着极大的发展潜力，其应用范围和规模将不断扩大和增加。目前MBR在国外己进入广泛应用，在国内的应用也得到了一定的发展。

3.2 MBR工艺的组成

膜生物反应器主要由膜分离组件及生物反应器两部分组成。通常提到的膜生物反应器实际上是三类反应器的总称：（1）曝气膜-生物反应器(Aeration Membrane Bioreactor, AMBR)（2）萃取膜-生物反应器（ ExtractiveMembrane Bioreactor, EMBR ）；（3）固液分离型膜-生物反应器（ Solid/Liquid SeparationMembrane Bioreactor, SLSMBR, 简称 MBR ）。

3.2.1 曝气膜-生物反应器

曝气膜-生物反应器最早见于 Cote.P 等 1988年报道，采用透气性致密膜（如硅橡胶膜）或微孔膜（如疏水性聚合膜），以板式或中空纤维式组件，在保持气体分压低于泡点（ Bubble Point）情况下，可实现向生物

反应器的无泡曝气。该工艺的特点是提高了接触时间和传氧效率，有利于曝气工艺的控制，不受传统曝气中气泡大小和停留时间的因素的影响。如图3-1所示。

图3-1 无泡曝气膜生物反应器示意图

3.2.2 萃取膜-生物反应器

萃取膜-生物反应器又称EMBR （Extractive Membrane Bioreactor）。因为高酸碱度或对生物有毒物质的存在，某些工业废水不宜采用与微生物直接接触的方法处理；当废水中含挥发性有毒物质时，若采用传统的好氧生物处理过程，污染物容易随曝气气流挥发，发生气提现象，不仅处理效果很不稳定，还会造成大气污染。为了解决这些技术难题，英国学者 Livingston研究开发了EMB 。其工艺流程见图。废水与活性污泥被膜隔开来，废水在膜内流动，而含某种专性细菌的活性污泥在膜外流动，废水与微生物不直接接触，有机污染物可以选择性透过膜被另一侧的微生物降解。由于萃取膜两侧的生物反应器单元和废水循环单元是各自独立，各单元水流相互影响不大，生物反应器中营养物质和微生物生存条件不受废水水质的影响，使水处理效果稳定。系统的运行条件如 HRT 和 SRT 可分别控制在最优的范围，维持最大的污染物降解速率。 3.2.3 固液分离型膜-生物反应器

固液分离型膜-生物反应器是在水处理领域中研究得最为广泛深入的一类膜生物反应器，是一种用膜分离过程取代传统活性污泥法中二次沉淀池的水处理技术。在传统的废水生物处理技术中，泥水分离是在二沉池中靠重力作用完成的，其分离效率依赖于活性污泥的沉降性能，沉降性越好，泥水分离效率越高。而污泥的沉降性取决于曝气池的运行状况，改善污泥沉降性必须严格控制曝气池的操作条件，这限制了该方法的适用范

图3-2 固液分离型膜-生物反应器示意图

围由于二沉池固液分离的要求，曝气池的污泥不能维持较高浓度，一般在 1.5~3.5g/L左右，从而限制了生化反应速度。水力停留时间（ HRT ）与污泥龄（ SRT）相互依赖，提高容积负荷与降低污泥负荷往往形成矛盾。系统在运行过程中还产生了大量的剩余污泥，其处置费用占污水处理厂运行费用的25%～40% 。传统活性污泥处理系统还容易出现污泥膨胀现象，出水中含有悬浮固体，出水水质恶化。针对上述问题，MBR将分离工程中的膜分离技术与传统废水生物处理技术有机结合，大大提高了固液分离效率，并且由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌 (特别是优势菌群 ) 的出现，提高了生化反应速率。同时，通过降低 F/M比减少剩余污泥产生量（甚至为零），从而基本解决了传统活性污泥法存在的许多突出问题。

3.3 膜生物反应器（MBR）的主要类型及特点

3.3.1 MBR的主要类型

根据膜组件和生物反应器的组合位置可将膜生物反应器分为一体式和分置式两大类，如图3-1所示。

图3-3 MBR示意图

从图中可以看出，膜生物反应器主要是由膜组件、泵和生物反应器三部分组成。生物反应器是污染物降解的主要场所，膜组件中的膜根据膜材料化学组成的

不同可分为有机膜和无机膜，根据膜孔径大小的不同可分为微滤膜和超滤膜，按膜形状的不同可分为平板膜、管式膜和中空纤维膜，泵是系统运行的动力来源， 根据泵与膜组件的相对位置的不同分为加压泵和抽吸泵两类。

（1）分置式MBR 生物反应器与膜组件通过泵与管线连接构成，生物反应器的混合液经泵增压后进入膜组件，在压力作用下混合液中的液体透过膜，成为系统处理水，而包括活性污泥在内的悬浮物、大分子物质等被膜截留，随浓缩液回流到生物反应器内。这种类型的膜生物反应器是最早应用的膜生物反应器，为了减缓膜污染、膜更换和膜清洗，需要用水泵将混合液以较高的流速（3～6m/s）压入膜组件，在膜表面形成错流冲刷。对分离式膜活性污泥反应器系统的研究和利用比较多，其膜分离部分相对独立、易控制、易清洗，但其能耗相对较高，单位体积处理水的能耗是传统活性污泥法的10～20倍。为解决能耗较高的问题，有人对上述膜生物反应器进行了改进，通过旋转膜或膜表面区域的叶轮来产生混合液的错流，这样就避免了大量的混合液回流，缓解了能耗高的问题。

（2）一体式MBR 膜组件直接置于生物反应器中，膜表面的错流是由空气搅动产生的，曝气器设置在膜组件的正下方，混合液的气流搅动，在膜表面产生剪切应力，在这种剪切应力的作用下，膜表面的浓差极化层变薄，积累物质被带走。该系统设备简单，只需要水泵、曝气器，无需混合液回流泵，分置式膜生物反应器能耗高的问题得到一定程度的解决。但是一体化MBR也有其弱点，膜污染相对严重，膜清洗频率高，更换周期短成为一体式膜MBR的最大问题。另外，在较大规模的应用中容易在反应器中形成污泥分布不均的现象，靠近膜组件的地方污泥浓度高，远离膜组件的地方污泥浓度低，为了反应器的污泥均匀分布，仍然需要污泥回流系统。 3.3.2 MBR的主要特点

膜生物反应器由于采用了膜分离技术与生物反应器相结合的方式，有机物的最终去除仍然是微生物细胞的新陈代谢作用，只是膜高效的固液分离作用强化了这种生物处理作用，MBR具有许多其他生物处理工艺无法比拟的明显优势，主要有一下几点：

（1）能够高效的进行固液分离，分离效果远好于传统的沉淀池，出水水质良好，出水悬浮物和浊度接近于零，可以直接回用，实现了污水资源化。其出水

水质与传统法处理出水水质比较见表3-1。

表3-1 MBR与传统法处理出水水质比较

项目 SDI TOC(×10) CODMn(×10) CODCr(×10) T-Fe(×10) T-Mn(×10) Al(×10) 溶解SiO2(×10) 微粒子数（＜2m、个/mL） 菌落总数（CFU/mL） 浊度（NTU） ﹣6﹣6﹣6﹣6﹣6﹣6﹣6传统法出水 测定不能 2.0 2.8 3.6 0.14 0.063 0.08 21.3 7398 1089 4.6 膜过滤出水 1.94 1.6 1.9 2.0 0.01 0.02 0.01 21.3 6 0 0.01 （2）膜的高效截留作用，使微生物完全截留在反应器内，实现了反应器水力停留时间（HRT）和污泥龄（SRT）的完全分离，使得运行更加灵活稳定。

（3）反应器内的微生物浓度高，耐冲击负荷。

（4）膜生物反应器有利于增殖缓慢的微生物的截留、生长和繁殖，使硝化效率得意提高。通过运行方式的改变也可以具有脱氮和除磷的功能。

（5）污泥龄可随意控制。膜分离使污水中的大分子难降解成分，在体积有限的生物反应器内有足够的停留时间，大大提高了难降解有机物的降解效果。反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄的条件下运行，可以实现基本无剩余污泥的排放。

（6）系统由可编程序控制器（PLC）控制，可以实现全程自动化控制。 （7）占地面积小，工艺设备集中。

总之，膜生物反应器具有许多其他污水处理方法所不具有的优点，特别是出水水质可以满足目前最严格的污水排放标准，甚至是今后更加严格的排放要求，如表3-2。

表3-2 膜生物反应器污水处理方法与传统污处理法比较 系统性能 占地面积 适用范围 运行费用 膜生物反应器法 好 小 较广 较小 传统活性污泥法 较好 大 窄 小 物理化学方法 好 小 广 大 同样由于膜技术的引进也带来了相应的缺点，这些缺点是限制MBR迅速广泛应用的新瓶颈，具体如下。

（1）膜堵塞和膜污染问题很难彻底解决是MBR广泛应用的主要障碍。活性污泥中的纤维、杂物等折叠缠绕、一些大分子物质与金属离子反应生成凝胶层沉积于膜表面、微生物胞外聚合物等都可能造成膜堵塞和膜的污染，原因非常复杂，它取决于污染物种类、污染物浓度、温度、PH值、离子强度、氢键、偶极间作用力等物理和化学参数。膜堵塞和污染问题目前还没有办法彻底解决，只能采用膜清洗的方法来缓解，但是不能完全恢复膜的通量，并且带来操作复杂、成本增加等问题。

（2）造价高是目前MBR工艺的又一个弱点。膜材料价格，特别用于污水处理的抗污染膜的价格很高导致MBR工艺造价偏高，这一问题将随着膜材料市场的发展逐渐得到缓解。根据水质、水量及处理难以程度的不同，当前MBR处理工业废水的一次性投资通常在4000～10000元/m3，应用于中水回用的MBR的一次性投资为2500～5000元/m3。

（3）运行成本高也是目前困扰膜反应器广泛应用的又一个问题。MBR的运行成本主要体现在膜维护和更换的费用以及能耗两方面。为了保持膜的通量要经常对膜进行清洗，消耗化学药剂，并且由于膜污染和机械损坏等问题膜的寿命一般不超过3～5年，甚至更短，造成膜更换频繁，增加水处理的平均成本；动力费用是为了保证膜表面错流流速和过滤压力的动能消耗（分置式MBR）、污泥回流以及曝气设备的能耗，要指出的是在分置式MBR中为了保证膜表面错流流速和过滤压力的动能消耗，污泥回流的能耗很高，资料显示分置式MBR能耗是传统活性污泥法的10～20倍。

3.4 膜生物反应器组件分类

3.4.1 膜组件

把膜以某种形式组装在一个基本单元设备内，以便使用、安装、维修。这种基本单元设备叫膜组件。膜面积愈大，单位时问透过量愈多，因此，当膜分离技术实际应用时，要求开发在单位体积内具有最大膜面积的组件。 3.4.2 膜组件的特性

常见几种膜组件的特性列于表3-3中。

表3-3 常见膜组件特性

名称 中空纤维式 毛细管式 旋转卷式 平板式 圆管式 价格/（元/m） 填充密度 清洗 压力降 可否高压操作 40～150 150～800 250～800 800～2500 400～1500 高 中 中 低 低 难 易 中 易 易 高 中 中 中 低 可 否 可 较难 较难 3膜形式限制 有 有 无 无 无 3.4.2.1 螺旋卷式膜反应器

螺旋卷式简称卷式，主要部件为多孔支撑材料，两侧是膜，三边密封，开放边与一根多孔的中心产品水收集管密封连接，在膜袋外部的原水侧垫一层网眼型问隔材料，把膜袋一隔网依次迭合，绕中心集水管紧密地卷起来，形成一个膜卷，装进圆柱形压力容器内，就制成了一个螺旋卷式膜组件。其结构如图3-4所示。

图3-4 螺旋卷式膜反应器示意图

其优点体现在，膜的装填密度高；膜支撑结构简单；浓差极化小；容易调整膜面流态。缺点是中心管处易泄漏；膜与支撑材料的粘结处膜易破裂而泄漏；膜

的安装和更换困难。 3.4.2.2 管状膜反应器

管状膜被放在一个多孑L的不锈钢、陶瓷或塑料管内，每个膜器中膜管数目

图3-5 管状膜反应器示意图

一般为4～18根。管状膜装填密度很低，一般低于300 m 2/m3 。管状膜目前主要有烧结聚乙烯微孔滤膜、陶瓷膜、多孔石墨管等，价格较高，但耐污染且易清洗。尤其对高温介质适用。图3-5即为管状膜反应器示意图。 3.4.2.3 中空纤维组件

中空纤维具有高压下不变形的强度，勿需支撑材料。把大量(多达几十万根)中空纤维膜装入圆筒型耐压容器内。纤维束的开口端用环氧树脂铸成管板。其优点是，膜的装填密度很高，一般可达16000～30000 m2/m3 ，不需要支撑材料。缺点在于压力降较大；再生清洗困难；原料的前处理成本高。中空纤维组件示意图如图3-6所示。

图3-6 中空纤维组件示意图

3.5 膜生物反应器（MBR）的技术要点

MBR反应器由膜分离单元与生物处理单元组成，因此影响MBR稳定运行的因素

不仅包括常规生物动力学参数，如污泥浓度、污泥负荷等，还包括膜分离的相关参数，如膜材料的性质、操作方式、水力条件等。其中生物动力学参数主要影响MBR的处理效果，膜分离参数主要影响MBR的处理能力。 3.5.1 关于膜的技术性能及参数

（1）膜材料及膜组件的选择 MBR反应器主要涉及微滤、超滤、纳滤以及渗透四种膜材料，以一般有机物为去除目标的MBR反应器大都采用微滤膜。应用于MBR的膜材料既要有良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性、同时还应具有较高的水通量和较好的抗污染能力。目前，国内外常采用的方法是膜材料改性或膜表面改性。

另一方面需要考虑的因素是膜的孔径。由于曝气池中活性污泥是由聚集的微生物颗粒构成，其中一部分污染物被微生物吸收或粘附在微生物絮体和胶质状的有机物质表面，尽管粒子的直径取决于污泥的浓度、混合状态以及温度条件，这些粒子仍存在着一定的分布规律，Masaru Uehara研究认为考虑到活性污泥状态与水通量，最好选择0.1～0.4μm孔径的膜

（2）穿流方式与错流方式 水流通过膜组件的方式可分为错流方式和穿流方式两种。早期的分离式MBR均采用错流式膜组件，即被过滤流体平行于过滤表面，与滤液交错流动，由此产生的剪切力或湍流流动以限制滤饼层的厚度，为了维持稳定的透水率，膜面流速一般大于2m/s，这就需要较高的循环水量，造成较高的单位产水能耗。穿流式膜组件的特点是膜丝不与循环水流方向平行，而是与循环水流方向垂直，不需要较高的进液速度就可产生湍流效果，起到冲刷膜纤维的效果。此穿流式的能耗要比错流式的能耗小得多。

（3）正压出水和负压出水 MBR的出水方式分为正压式和负压式。一体式MBR常用负压式出水方式，即抽吸式出水，间歇式抽吸出水方式可以有效减缓膜污染发展速度；正压出水常用于分置式MBR，但是，1999年一种一体式MBR—重力淹没式MBR在日本出现，利用膜组件上部混合液的高度差所产生的压差将水压出膜组件，实现了一体式MBR的正压出水。

（4）恒压和恒流模式 保持恒定的产水量还是保持恒定的操作压力，即采用恒压模式还是恒流模式运行对运行效果也有影响，采用恒流模式在运行初期可以避免膜面过度污染，有利于长期稳定运行。

（5）操作压力和膜通量 操作压力和膜通量是膜组件在一定条件下的固有特性 ，也是膜分离系统的重要运行参数。操作压力对膜通量和膜污染都有影响，许多研究者认为存在临界压力值，当操作压力低于临界压力值时膜通量随压力的增大而增加，高于此值则会引起膜表面污染加剧，而且膜通量随压力的变化并不明显。不同的膜具有不同的临界压力值，且随膜孔径的增大而减小，微滤膜操作压力为120kPa左右，超滤膜操作压力为160kPa左右。

（6）膜面流速 膜面流速的增加可以增大膜表面的水流扰动，减少污染物在膜表面的积累，提高膜通量。但膜面流速并非越高越好，高膜面流速可以使污染层变薄，可能造成膜的不可逆污染。 3.5.2 生物反应器的控制条件

（1）MLSS浓度 MBR最主要的特征之一就是高MLSS下运行，高MLSS对容积负荷、处理效果、污泥产率都有有利的影响，但是过高的MLSS会加速膜污染，增加混合液粘度，进而降低膜通量。MLSS对通量的影响很复杂，同时收到操作压力、曝气强度、温度等众多因素的影响，Masaru推荐的MLSS在10000～20000mg/L之间。

（2）曝气强度 在一般的好氧生物反应器中，曝气的主要目的是为反应器内的微生物的生命活动提供充分的氧，在一体式MBR反应器中曝气强度与膜通量有密切关系。顾平在一体式MBR处理生活污水的研究却发现：当曝气强度足够大时，MLSS由10g/L变化到35g/L时，MLSS与膜通量没有明显的相关性，但如果降低曝气强度，MLSS对膜通量产生一定的影响，因此增加曝气强度有利于减缓膜污染。

3.6 膜生物反应器的日常检查与维护管理

3.6.1 膜生物反应器的日常检查

为了膜组件的稳定运行，曝气状态及生物处理的稳定尤其重要。请实行以下所示的日常检查。

（1）跨膜压差 检查跨膜压差的稳定性。跨膜压差的突然上升表明膜堵塞的发生，这可能是不正常的曝气状态或污泥性质的恶化导致的。这种情况发生时，检查下列参数并采取必要的行动，例如膜组件的化学清洗。

（2）曝气状态 检查曝气空气量是否为标准量、以及是否为均一曝气。发现曝气空气量异常、有明显的曝气不均一时，请进行必要的措施：如除去曝气管的结垢，检查安装情况，检查鼓风机以及调整曝气等。

（3）活性污泥的颜色及气味 正常的活性污泥的颜色及气味为茶褐色有凝集性、无令人不快的气味。如果外观及气味不是这种状态时，请适当地对MLSS、污泥黏度、DO、pH、水温、BOD负荷等数值进行检查。

（4）MLSS 正常的MLSS在7,000～18,000mg/L。没有满足该条件的场合，可能无法达到既定性能，因此请适当地调整MLSS范围：MLSS过低时，可采用投入种泥或停止污泥排放等措施；MLSS过高时，可采取增加通向污泥浓缩停留池等的污泥排放量等措施。

（5）污泥粘度 正常的污泥应在250mPa*s以下。没有满足该条件的场合，可能无法达到既定性能，因此请调整到正常的粘度范围：过高时，可采取更新污泥、增加排向污泥浓缩停留池的污泥排放量等措施。

（6）DO 正常的DO是膜生物反应器内均为1mg/L以上。没有满足该条件时，如果未超过最大曝气量，可采取调整曝气条件等必要的措施。

（7）pH 正常的pH为6～8。没有满足该条件的场合，可能会发生无法达到既定性能的情况，请添加酸或碱来调整pH。

（8）水温 正常的水温为15～40 ℃。没有满足该条件的场合，可能会发生无法达到既定性能的情况，因此如有可能请采取冷却、保温等必要措施。

（9）水位 请检查膜生物反应器的水位是否在正常范围内。发生异常时请进行以下检查：①液面计的检查；②透过水泵的检查；③膜元件膜间压差的检查等。

3.6.2 膜生物反应器的维护管理

为了维持膜组件的性能，维护管理项目及其实施频率按以下所述进行。 （1）曝气管的清洗（频率：每天一次）

（2）膜元件的药液清洗（频率：同一过滤流量下跨膜压差比初期稳定运行时的跨膜压差高5kPa时，或者每半年一次，择两者间更短时间内进行一次药液清洗。）

（3）出水管的更换（频率：大约为每3年一次，但因使用情况各异）

3.7 MBR中膜的清洗研究

3.7.1 膜污染及影响因素的研究现状分析

膜污染的来源主要有三个方面：

（1）凝胶层，即滤饼。主要是水透过后被截留下来的部分活性污泥和胶体物质，在滤压差和透过水流的作用下堆积在膜表面而形成的可逆性膜面污染；

（2）溶解性物质被膜内微孔表面吸附或结晶，堵塞孔道，使膜通量减少，属于可逆污染；

（3）微生物污染。在膜表面和膜孔中有微生物所需的营养物质，因而不可避免地会有大量的微生物滋生，从而造成膜通量的减少。对于膜生物反应器的污染机理并没有一个完全清除的解释，但是其影响因素主要有以下四方面：

（1）膜本身的性质（物化性能）：膜的最佳物理结构应该是：膜材料厚度要薄，孔径尺寸分布要窄，表面孔隙率要高。Meuller 研究膜污染时发现，对于相同膜名义孔径尺寸的不同膜材料，膜表面孔隙越大对于保持较高的膜通量越不利；Shimizu 等人在用陶瓷膜进行的实验中发现，孔径为0.05～0.2μm 的膜通量最大，目前大多数MBR 工艺都采用孔径为0.1～0.4μm 的膜。

（2）料液的特点：不同的料液可改变处理效果，李春杰在处理焦化废水过程中通过向反应器中投加粉末活性炭（PAC）进而形成生物活性炭（BAC）来实现对膜污染的防治，结果表明在终端过滤过程中，投加PAC 后膜通量明显提高；J.S.Kim 的研究表明，添加粉末活性炭可使混合液的胞外聚合物（EPS）减少，增加沉积层的空隙率，使膜通量得以提高。

（3）工艺的操作条件：水力停留时间、压力、温度等条件的不同对MBR 处理的效果也产生一定的影响。Hideke Harada 等人证明了过短的HRT 会导致溶解性有机物的积累，吸附在膜上影响膜通量；郑祥等人提出了膜污染的控制在低压条件下不仅可以提高能量利用率，而且有利于膜通量长时间保持较高的水平；马莉等人研究了三种出水方式（自吸水泵抽吸、真空抽吸、真空抽吸-空气反吹）对膜污染的影响，结果表明：在相同的实验条件下，真空抽吸-空气反吹对膜污染较轻。

（4）污泥的特性：污泥颗粒的大小以及污泥的量的多少也会对MBR 处理效果产生影响。颗粒尺寸越小向膜面的净迁移速度越大，颗粒越容易在膜面沉积，形成的沉积层也越致密，透水性越小，故颗粒的尺寸过小会加剧膜污染。金玉兰等人研究膜组件水通量随污泥浓度而变化的情况，结果表明在操作压力0.025MPa，膜面流速0.8m/s，温度为30℃的条件下，污泥浓度增大，膜通量随之

下降，并与污泥浓度呈对数关系，而直线的斜率反映了污泥对膜通量的影响程度。

针对以上膜污染因素，对膜污染的防治一方面可以通过改变对膜表面性质来提高其抗污能力，另一方面可以通过改变料液运行的性能来实现，比如增大紊乱度等。但是这些方法都受到不同程度的限制，对膜通量的恢复还主要采用清洗的方法。

3.7.2 膜的清洗

目前报道的较多的清洗方法主要有以下几种：

（1）空气反吹。C.Visvanathan等人通过对几种不同的过滤—空气反吹操作的研究发现，15min 过滤和15min 空气反吹可以获得稳定的通透量和总透过量，与连续运行的工艺相比透过量提高到370%，说明空气反吹可以缓解膜污染，但对膜组件的强度要求更高。

（2）水力清洗。一种较为简单的清洗方法。在前期的清洗中有明显的效果。李春杰等人提出，错流MBR 由于膜组件特定的错流因素，使得水力清洗成为解决该反应器膜污染问题的重要措施。

（3）化学清洗。主要是加入化学试剂如NaOH、HNO3、NaClO 等来进行清洗。刘晓东等人通过不同的清洗方法对膜通量恢复效果的研究认为先水洗后化学清洗膜通量可恢复到100%。

（4）超声波清洗。超声波清洗作为一种新的洗膜方式，是利用超声波在液体中空化作用而达到清洗的目的，同时超声波在液体中又能加速溶解作用和乳化作用等，具有高效快速的优点。Jianxin Li 等人研究了超声波在膜污染监测和清洗上的应用，通过研究表明，采用反冲洗加超声波的方法效果最好，基本上可以对膜污染完全去除。

以上清洗方法中，空气反吹和水力清洗对低浓度的废水处理及废水处理前期有一定的效果，而在处理后期或对高浓度的废水清洗效果不好，超声波清洗作为一种新的清洗技术，还有待进一步的研究探讨，所以目前大部分废水处理以化学清洗居多。不论是物理还是化学清洗都有一个最佳清洗周期。樊耀波等人通过数学推导，得出一个膜的反冲洗周期的测定方法，并通过实验证实了这是一个较为方便的最佳反冲洗周期的测定方法。

3.8 膜生物反应器(MBR)的脱氮除磷

3.8.1 MBR生物脱氮

常规的生物脱氮工艺中，为保持构筑物中有足够数量的硝化菌以完成生物硝化作用，在维持较长污泥龄的同时也相应增大了构筑物的容积；此外，絮凝性较差的硝化菌常会被二沉池的出水带出，硝化菌数量的减少影响硝化作用，进而降低了系统的脱氮效率，MBR脱氮使生物脱氮工艺走出上述困扰。．

根据硝化与反硝化作用是否在同一反应器内发生，MBR脱氮工艺分为两大类：单一反应器间歇曝气膜生物反应器脱氮和A/O形式的膜生物反应器脱氮。第一种工艺大多使用序批式反应器(SBR)的运行方式，通过限制曝气和半限制曝气运行方式在时间序列上实现缺氧/好氧的组合并控制每一部分适宜的时间比例。第二种工艺类似于传统的A/O工艺，前置反硝化在缺氧条件下运行，含碳有机物的去除、含氮有机物的氧化和氨氮的硝化在好氧条件下运行，以膜代替重力沉淀池进行同液分离。 3.8.2 MBR生物除磷

水质富营养化日益严重，迫使越来越多的国家和地区制定严格的磷排放标准，因此MBR生物除磷工艺的开发也日益受到关注。MBR的除磷工艺与脱氮工艺类型相同，常见的有单一反应器间歇曝气和A/O工艺。Yoon等人研究发现与传统除磷工艺相比，采用MBR并不能提高磷的去除，较好的除磷效果来自于与化学絮凝的结合，Buisso等人的MBR通过投加化学药剂取得了稳定的除磷效果,当AI(或Fe)/P的摩尔比为l时，磷的去除率达80％以上

3.9 MBR对高浓度难降解废水的适应性分析

膜装置良好的截留效果和高浓度污泥使 MBR反应器对高浓度难降解有机废水有充分的适应性，表现在一下几个方面。

（1）MBR一般设计为完全混合反应器，并且在反应器内有很高的污泥量，因此MBR对高浓度废水有很强的适应能力。表3-4是MBR对高浓度废水的处理效果。

（2）由于SRT和HRT的彻底分离，使一些世代时间长的微生物在反应器内存活下来，有利于增殖缓慢的难降解有机物分解菌的生长，使系统难降解有机物的降解效率得以提高。另外，反应器F/M值低，也有利于提高难降解物质的去除率。

（3）膜可以截留一些难降解的大分子物质，增加其在反应器内的反应时间，有利于其

分解。

表3-4 MBR对高浓度废水的处理效果

Nv/废水 项目 COD/（mg/L） SS/（mg/L） 3Ns/〔kg/(m·d)〕 〔kg/(kg·d)〕 进水/（mg/L） 2000～15000 600～1000 食品 去除率/% 70～90 100 - - - - - - - - - 1.2～4.8 - - - - - 8～50 - - 0.15～0.17 - - - - - - - 进水/（mg/L） 3000～12000 巴西基酸 去除率/% 39～60 进水/（mg/L） 1500～4500 制药废水 去除率/% 进水/（mg/L） 含油废水 去除率/% 合成废水 去除率/% 99.5 91 63 29434 2～5 0.33～0.63 进水/（mg/L） 680～14100 3.10 在工业废水和高浓度有机废水中的应用事例

工业废水和高浓度的有机废水主要是制药、化工、食品工业、造纸、焦化等行业的外排废水，这些废水中含有大量的COD、BOD、酚、苯、多环芳烃等物质，具有化学成份复杂、含毒性、难降解等特点，传统的方法难以有效的去除。

（1）在制药废水中的应用：王敏等人用一体式MBR处理中药废水，其运行稳定，出水水质达到了GB.8978-1996 标准。白晓慧等人采用厌氧膜生物反应器工艺对医药中间体酰氯的废水进行了中试研究，结果表明当原水的COD为7000—50550 mg﹒L-1 时，PH 在4-13时，厌氧池去除率保持在50%左右，膜生物处理效果保持在80%以上。

（2）在石油化工废水中的应用：清华大学的王保国教授等人研究了MBR在石油工业中的应用，提出了引用膜技术改造传统工业，提高石油化学工业和油气资源开采的经济效益。

（3）在食品废水中的应用：何义亮等人采用厌氧膜生物反应器处理高浓度食品废水，出水COD 去除率可达80%～90%。

（4）在造纸废水中的应用：韩怀芬研究了膜生物反应器对造纸废水中的处理效果，并与传统的活性污泥法和生物接触氧化法进行了比较，结果表明，在同样的水质条件下，膜生物反应器的处理效果明显好于普通的生物法。金漫彤等人用中空纤维膜生物反应器对造纸废水进行了处理。CODCr的去除率一般也达到85%以上，处理效果明显。

（5）在焦化废水中的应用：同济大学的李春杰教授等人采用一体化膜-序批式生物反应器处理焦化废水，在COD溶剂负荷平均为0.45 kg/(m3*d)的条件下，通过膜的出水COD可以稳定在100 mg﹒L-1 以下，出水NH3-N 在保证温度和碱度的情况下，浓度低于1mg/L，达到了新的排放标准；刘俊新采用MBR 工艺处理焦化废水的小试研究证明，其废水中的COD 和氨氮去除率分别为80%～95%、94%～99.9%，其他各项指标也达到了国家的排放标准。

膜生物反应器对工业废水处理效果都非常明显，废水中COD、BOD 等污染物去除率很高，出水能达到国家排放标准。但是MBR 在实际应用中还存在如膜材质价格贵，设备运行费用较高，膜较易污染和清洗困难等现象，因此，目前有关MBR 的研究中，大部分都是从工厂采取水样来进行实验研究或中试研究，而报道的用于废水实际处理的研究成果甚少。为了使MBR 在实际废水处理中得到更广泛的应用，膜材质的价格和膜的清洗的研究就显得尤为重要。

第四章 结论与展望

目前MBR 运行费用要高于普通的生物处理方法，但MBR 出水水质稳定，处理效果良好，且随着膜制造技术的进步、膜材质成本的降低以及膜通量的提高，膜生物反应器在工业废水处理中的应用将越来越广泛。

MBR 应用于实际废水处理还需从以下几方面进行研究探索：

（1）开发低成本、高性能的耐污染膜。膜污染是造成膜生物反应器能耗高的主要原因，因此研究耐污型的膜，探求合适的操作条件和工艺参数将是目前研究的热点；

（2）对各种不同类型的污水具有专一性能的膜材质的开发；

（3）膜清洗机理的研究。如果这些关键技术能得到很好的解决。膜生物反应器将在废水领域中发挥更大的作用。

参考文献

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[3]郑祥,朱小龙,张绍园, 等. 膜生物反应器在水处理中的研究及应用[J]. 环境污染治理技术与设备, 2000,11(5): 12-19.

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[9]付国楷,余健,郑宪明, 等. MBR 在水处理中的应用研究[J]. 净水技术, 2004, 23(2): 34-38.

致 谢

转眼间，三年的大学生活已然要结束。回想大学的三年时光，往事历历在目。

在这毕业之即，首先感谢黄河水院给了我三年的深造机会。让我学习了环境监测与治理技术相关专业知识，学会了如何独身立于社会，读懂了待人处事的道德理念。为此，我真诚的感谢学院各位老师和同学们对我三年来的关心与鼓励。

这篇论文在老师的悉心指导下顺利收笔了。本文从选题、撰写到最后定稿打印，多次受到李老师的指点。李老师在批阅我们已修改好的文章的同时提出详细的修改意见，对论文的完善和质量的提高起了关键性的作用。另外，李老师渊博的专业知识、严谨的治学态度和宽广的胸怀不但使我顺利地完成毕业论文，而且使我在今后的事业上也将受益无穷，在此向恩师表示崇高的敬意和深深的谢意。

其次，我要诚挚地感谢其他给于我帮助的各位老师和同学，是他们多次指出我文章中的不足之处，使我的文章不断完善；是他们无私地奉献使我们积极奋进，不断开拓，茁壮成长。

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