膜生物反应器及其耦合工艺的应用研究进展
来源:用户上传
作者:
【摘 要】本文介绍了膜生物反应器的基本原理、分类及应用现状，阐述了几种典型的MBR耦合工艺的研究进展，并对其进一步研究指明方向。
【关键词】膜生物反应器;耦合工艺;生物膜-膜生物反应器;膜电生物反应器
中图分类号： X703 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）07-0021-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.008
【Abstract】This paper introduces the basic principle， classification and application status of membrane bioreactor， and expounds the research of several typical MBR coupling processes， and points out the direction for further research.
【Key words】Membrane Bioreactor; Coupling process; Biofilm-membrane bioreactor; Membrane bio-electro reactor
0 引言
膜分离技术因其能耗低、操作简单、运行稳定等特点，在水处理领域中备受关注 。将膜分离技术与生物处理有机结合而成的膜生物反应器（MBR），具有出水水质好、占地面积小、剩余污泥产量低等优点，常应用于污水处理领域[1]。自20世纪60年代开始研究以来，MBR技术不断发展进步，以适应污水水质、水量、排放标准等因素的变化，更好更广泛地应用于各类污水处理及回用等领域。本文对膜生物反应器及其耦合工艺的研究现状进行了总结分析，并提出了未来研究方向。
1 膜生物反应器
1.1 MBR的基本原理
广义上，膜生物反应器是生物反应器与膜组件组合工艺的统称，通过活性污泥中的微生物来降解污水中的有机物质，采用膜组件代替传统活性污泥法中的二沉池，依靠膜的选择透过性分离活性污泥混合液中的固体微生物和大分子溶解性物质，得到系统处理出水[2-3]。
1.2 MBR的分类
由于膜组件的作用及其所在反应器中的设置位置存在差异，因此MBR的分类方法也不尽相同。
（1）根据膜组件的作用，可将膜生物反应器分为分离MBR、曝气MBR、萃取MBR。在实际污水处理应用中，分离MBR最为常见。
（2）根据膜组件的位置，膜生物反应器又可分为两种类型：外置式MBR和浸没式MBR。外置式MBR把膜组件与生物反应器分开放置，其动力消耗较高。而浸没式MBR，膜组件则置于其内部。与外置式MBR相比，浸没式MBR具有設备简单、运行费用低等优点，但是其操作管理较为复杂。
此外，MBR的分类还可根据反应器是否需氧、膜组件材质、膜孔径大小等依据进行分类。
1.3 MBR的应用
MBR的研究最早在上世纪60年代的美国开始，中国对MBR的相关研究直到上世纪90年代末才开始[4]，但发展趋势很快，研究范围和应用广泛。随着科学技术不断发展，膜技术趋于成熟，MBR适用领域不断拓展，其处理规模也在日益增加，从起初处理量不足500m3/d跃升至86.4×104m3/d[5]。
虽然MBR的应用规模以及适用领域正在不断拓展，但需要强调的是，膜成本高及膜污染严重等问题仍是制约该技术广泛应用的主要因素。对此，国内外研究者积极研究并提出了有效的膜污染控制策略。例如，Faust等人将MBR控制在极短的SRT与HRT下运行，利用生物絮凝污水中有机物质，以避免严重的膜污染现象出现[6];周超等人综述了通过化学法控制膜污染的研究进展[7]。除此之外，将MBR工艺与其他工艺耦合，有望在提升污水处理效率的同时，有效减缓膜污染。
2 耦合MBR的研究进展
2.1 生物膜-膜生物反应器
2.1.1 粉末活性炭-膜生物反应器
粉末活性炭（PAC）因其优异的结构，较强的吸附能力，在污水处理领域应用广泛。PAC在吸附和去除污水中胶体等物质时，微生物也可粘附在其表面生长。PAC与MBR 耦合工艺显示出对UV254、TOC和氨氮较高的去除率[8]。Wang等人开展了该技术用于处理垃圾渗滤液的研究，结果表明其对氨氮的去除率高达83%[9]。
尽管PAC可以在一定程度上改善MBR的处理性能，减缓膜污染，但过量的PAC会导致负面影响，加剧膜污染[10]。
2.1.2 移动床-膜生物反应器
移动床-膜生物反应器是另一种具有代表性的生物膜-膜生物反应器。将移动床反应器与MBR 耦合，保留各自工艺的优势以实现污水的高效处理。已有研究证实，移动床-MBR对固体悬浮物的去除效率高达100%[11]。当采用该技术处理印染工业园区综合废水时，其对COD、氨氮的去除率分别可达80.4%、93.1%[12]。
上述耦合工艺在一定程度上强化了MBR的处理性能，但也存在局限性。例如，生物膜-膜生物反应器随着温度的降低，膜污染反而加剧[13]，因此，其并不适合处理温度梯度较大的污水。
2.2 膜电生物反应器
近年来，一种集电动力学作用、生物作用与膜过滤作用于一体的膜电生物反应器（MBER）引起了国内外学者的关注。通过在MBR膜组件两侧放置电极阳极和阴极，通电后水中产生大量自由基，进而利用自由基强的氧化特性实现污水的净化处理。
Khalid等人采用圆形MBER进行研究，与传统MBR相比，MBER对COD、TP的去除效率显著提高[14]。闫凯丽等人利用缺氧/好氧电化学膜生物反应器进行研究时发现，系统在外加2V电压时对COD和TN的去除率分别为89.4%、92.2%，相较不加电压处理时分别提升了1.8%、24.9%[15]。 MBER工艺提高污水处理效率的同时还减轻了膜污染。然而，在实际的应用中电极的制备相对复杂，且电极中含有锌、铅等重金属，易造成二次污染。
3 结语
MBR及其耦合工艺的研究已经取得了一定的进展，并在实际工程中也有所应用，但面对能源耗竭、资源短缺的现状以及膜污染严重、能耗高等弊端，如何利用MBR技术实现低碳资源化处理仍需进一步的研究。
【参考文献】
[1]王芳， 李之鹏， 徐仲等. AF-MBR处理海水养殖废水性能及膜污染特性[J]. 中国环境科学， 2018， v.38（05）：162-168.
[2]黄霞， 桂萍. 膜生物反应器废水处理工艺的研究进展[J]. 环境科学研究， 1998（1）：40-44.
[3]黄霞， 文湘华. 水处理膜生物反应器原理与应用[M]. 科学出版社， 2012.
[4]黄霞， 曹斌， 文湘华等. 膜-生物反应器在我国的研究与应用新进展[J]. 环境科学学报， 2008， 28（3）：416-432.
[5]郝晓地， 陈峤， 李季等. MBR 工艺全球应用现状及趋势分析[J]. 中国给水排水， 2018.
[6]Faust L ， Temmink H ， Zwijnenburg A ， et al. Effect of dissolved oxygen concentration on the bioflocculation process in high loaded MBRs[J]. Water Research， 2014， 66：199-207.
[7]周超， 吴东海， 陆光华等. 膜法水处理中膜污染的化学控制研究进展[J]. 工业水处理， 2019（2）.
[8]韩如冰. 粉末活性炭与MBR联合去除水源中微污染有机物[D]. 哈尔滨工业大学， 2013.
[9]Wang G， Zheng F， Wu D， et al. Anoxic/aerobic granular active carbon assisted MBR integrated with nanofiltration and reverse osmosis for advanced treatment of municipal landfill leachate[J]. Desalination， 2014， 349：136-144.
[10]曹效鑫， 魏春海， 黃霞. 投加粉末活性炭对一体式膜-生物反应器膜污染的影响研究[J]. 环境科学学报， 2005， 25（11）：1443-1447.
[11]Leiknes T O ， ？degaard， H. The development of a biofilm membrane bioreactor[J]. Desalination， 2007， 202（1-3）：135-143.
[12]廖维， 陈婷婷， 李慧强等. 移动床生物膜反应器—膜生物反应器深度处理模拟废水及工业园区综合废水[J]. 环境污染与防治， 2015（6）：24-28.
[13]彭玉梅， 吴歆悦， 施金豆等. 生物膜-膜生物反应器废水处理技术进展[J]. 环境科学与技术， v.36（S1）：217-222.
[14]Bani-Melhem K ， Elektorowicz M . Development of a Novel Submerged Membrane Electro-Bioreactor （SMEBR）： Performance for Fouling Reduction[J]. Environmental Science & Technology， 2010， 44（9）：3298-3304.
[15]闫凯丽， 郑君健， 王志伟等. 缺氧/好氧电化学膜-生物反应器强化脱氮效果及抗污染性能研究[J]. 中国环境科学， 2016， 36（11）：3329-3334.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-14760935.htm
