膜生物反應(yīng)器技術(shù)在水處理中的應(yīng)用
【南京純水設(shè)備】近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口的增加以及人們生活水平的提高，工農(nóng)業(yè)及生活用水量不斷增加，與之相伴的污水排放量也與日俱增，由水污染和水資源短缺引發(fā)的水資源危機(jī)日益嚴(yán)重，已嚴(yán)重制約我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。開(kāi)展污水處理和水再生利用是解決水資源危機(jī)的有效對(duì)策之一。
膜分離技術(shù)由于具有高效穩(wěn)定、過(guò)程簡(jiǎn)單、易于控制等特點(diǎn)，在水處理中的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。其與生物反應(yīng)器有機(jī)結(jié)合形成的膜生物反應(yīng)器（membranebioreactor,MBR）技術(shù)，由于具有出水水質(zhì)優(yōu)良穩(wěn)定、裝置占地面積小、剩余污泥產(chǎn)量低等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)最有發(fā)展前途的水處理新技術(shù)，在全球范圍受到廣泛關(guān)注。
MBR的研究始于20世紀(jì)60年代后期的美國(guó)。40多年來(lái)，在眾多科研人員和工程技術(shù)人員持續(xù)不懈的努力下，MBR無(wú)論是在基礎(chǔ)研究還是工程應(yīng)用方面都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各類污水處理與回用領(lǐng)域。南京純水設(shè)備我國(guó)有關(guān)MBR的研究始于20世紀(jì)90年代后期，與國(guó)外研究相比，雖然起步較晚，但得到了十分迅速的發(fā)展和推廣應(yīng)用。截至2011年底，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的MBR總處理能力已超過(guò)200萬(wàn)噸/日，成為世界上MBR研究和推廣應(yīng)用最為活躍的國(guó)家之一。
膜分離技術(shù)分類
膜分離是指以具有選擇透過(guò)功能的薄膜為分離介質(zhì)，通過(guò)在膜兩側(cè)施加一種或多種推動(dòng)力，使原料中的某些組分選擇性地優(yōu)先透過(guò)膜，從而達(dá)到混合物分離和產(chǎn)物提取、純化、濃縮等的目的。原料中的溶質(zhì)透過(guò)膜的現(xiàn)象一般叫做滲析；溶劑透過(guò)膜的現(xiàn)象叫做滲透。
膜分離過(guò)程有多種，不同的分離過(guò)程所采用的膜及施加的推動(dòng)力也不同。根據(jù)推動(dòng)力的不同，膜分離過(guò)程主要有下列幾種：
（1）基于濃度差：如擴(kuò)散滲析（dialysis），是指利用離子交換膜將濃度不同的進(jìn)料液和接受液隔開(kāi)，在濃度差的推動(dòng)力作用下，溶質(zhì)從濃度高的一側(cè)透過(guò)膜向濃度低的一側(cè)擴(kuò)散，當(dāng)膜兩側(cè)的濃度達(dá)到平衡時(shí)，滲析過(guò)程停止進(jìn)行。擴(kuò)散滲析主要于工業(yè)廢水酸、堿回收，回收率可達(dá)70-90%，但不能將它們濃縮。
（2）基于壓力差：如微濾（microfiltration,MF）、超濾（ultrafiltration,UF）、納濾（nanofiltration,NF）與反滲透（reverseosmosis,RO）。當(dāng)在膜兩側(cè)施加一定的壓力差時(shí)，混合液中的一部分溶劑及小于膜孔徑的組分透過(guò)膜，而微粒、大分子、鹽等被截留下來(lái)，從而達(dá)到分離的目的。這四種膜分離過(guò)程的主要區(qū)別在于被分離物質(zhì)的大小和所采用膜的結(jié)構(gòu)和性能不同。微濾的分離范圍為0.05～10mm，壓力差為0.015～0.1MPa；超濾的分離范圍為0.001～0.05mm，壓力差為0.1～1MPa；反滲透常用于截留溶液中的鹽或其它小分子物質(zhì)，壓力差與溶液中的溶質(zhì)濃度有關(guān)，一般在2～10MPa；納濾介于反滲透和超濾之間，脫鹽率及操作壓力通常比反滲透低，一般用于分離溶液中相對(duì)分子質(zhì)量為幾百至幾千的物質(zhì)。
（3）基于滲透壓：如正滲透（forwardosmosis，F(xiàn)O），利用比鹽水滲透壓更高的溶液作為驅(qū)動(dòng)液，使水自發(fā)地從鹽水側(cè)透過(guò)半滲透膜達(dá)到驅(qū)動(dòng)液側(cè)，結(jié)合易于循環(huán)使用的驅(qū)動(dòng)液，可用于海水脫鹽。南京實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備由于FO膜對(duì)水中的無(wú)機(jī)、有機(jī)物質(zhì)均有良好的截留效果，正滲透還可用于污/廢水凈化。此外，由于在正滲透過(guò)程中不使用外加壓力，因此可有效降低膜污染。
（4）基于電位差：如電滲析（electrodialysis,ED），是指在直流電場(chǎng)的作用下，利用陰、陽(yáng)離子交換膜對(duì)溶液中陰、陽(yáng)離子的選擇透過(guò)性（即陽(yáng)膜只允許陽(yáng)離子通過(guò)，陰膜只允許陰離子通過(guò)），使溶液中的溶質(zhì)與水分離的一種膜分離過(guò)程。電滲析主要用于脫鹽，如苦咸水淡化、純凈水制備等，還可以利用電極反應(yīng)，用于工業(yè)廢水酸堿和金屬的回收。
膜分離技術(shù)特點(diǎn)
與傳統(tǒng)分離技術(shù)相比，膜分離技術(shù)具有以下特點(diǎn)：
（1）一般在常溫下進(jìn)行，特別適于對(duì)熱敏感物質(zhì)的處理，并且不消耗熱能；
（2）在膜分離過(guò)程中不發(fā)生相變，與其它方法相比，能耗較低；
（3）在膜分離過(guò)程中，分離和濃縮同時(shí)進(jìn)行，可回收有價(jià)值的物質(zhì)；
（4）一般不需要投加其它物質(zhì)，不帶入二次污染物質(zhì)，不改變分離物質(zhì)的性質(zhì)，并節(jié)省原材料和化學(xué)藥品；
（5）分離裝置簡(jiǎn)單，操作容易，運(yùn)行穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。
因此，膜分離技術(shù)除廣泛用于海水和苦咸水淡化、純水生產(chǎn)外，在飲用水凈化、城市污水處理與利用以及各種工業(yè)廢水處理與回收利用等領(lǐng)域的應(yīng)用也得到廣泛關(guān)注。
膜分離技術(shù)應(yīng)用于給水領(lǐng)域具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）出水生物穩(wěn)定性好。南京純水設(shè)備由于膜可以完全截留微生物，保證了出水的衛(wèi)生安全性，起到了消毒作用，與傳統(tǒng)滅活病源菌的消毒方法（如氯消毒等）相比，提高了出水的生物穩(wěn)定性；
（2）出水水質(zhì)穩(wěn)定，受進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)的影響??；
（3）能夠減少混凝劑和消毒劑投加量，減少消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生。目前消毒工藝仍以氯消毒為主，進(jìn)入水體中的氯可能會(huì)與水中的一些有機(jī)物反應(yīng)，生成三鹵甲烷等消毒副產(chǎn)物，對(duì)人體健康造成不良影響。由于膜過(guò)濾能夠截留水中的微生物，從而降低消毒加氯量；同時(shí)膜過(guò)濾可去除部分或全部有機(jī)物，這兩方面的作用能夠減少消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生。
膜技術(shù)應(yīng)用于給水處理領(lǐng)域，分膜直接過(guò)濾和膜組合工藝兩種形式。
膜直接過(guò)濾工藝
在膜直接過(guò)濾工藝中，RO廣泛用于海水及苦鹽水的淡化、純水和超純水的制備。NF常用于軟化和去除有機(jī)物。一般來(lái)說(shuō)，NF對(duì)有機(jī)物的去除率很高：對(duì)BOD和COD的去除率可達(dá)80%以上，截留分子量為300-400/500的NF膜對(duì)三鹵甲烷生成潛力（trihalomethanesformationpotential,THMFP）的去除率可達(dá)90%。NF對(duì)鹽度的去除率為50-70%，對(duì)二價(jià)離子和硬度的去除率達(dá)90%，因此適合處理低濁度、高硬度的原水。
UF膜主要用于去除細(xì)菌、病毒、膠體和大分子有機(jī)物，能夠截留水中的天然有機(jī)物（naturalorganicmatter,NOM）。截留分子量<1000的UF可用來(lái)去除色度，其對(duì)色度的去除率高達(dá)95%，對(duì)THMFP的去除率可達(dá)80%。MF膜主要用于高濁度、低色度水的凈化，可以去除懸浮物質(zhì)、膠體和細(xì)菌等。
綜上所述，高壓RO和NF膜對(duì)污染物質(zhì)的去除比較徹底，可有效地去除水中的細(xì)菌、病毒和有機(jī)污染物，但RO和NF膜成本較高，操作壓力高，預(yù)處理要求也較高，膜易污染。低壓MF和UF膜通量大，操作壓力低，預(yù)處理要求低，成本低，但對(duì)小分子有機(jī)污染物的去除不夠理想?？梢詫F或UF膜與其它物理、化學(xué)、生物水處理技術(shù)相結(jié)合，形成膜組合工藝，來(lái)提高水中特定污染物質(zhì)的去除效果。
膜組合工藝
將MF或UF膜與其它工藝組合，可以形成膜組合工藝。南京實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備用于飲用水凈化的膜組合工藝主要有以下幾種類型：
（1）活性炭吸附?膜分離?凈化水
（2）混凝?（沉淀）?膜分離?凈化水
（3）臭氧?曝氣生物濾池?膜分離?凈化水
（4）曝氣生物濾池?膜分離?凈化水
（5）膜生物反應(yīng)器（投加粉末活性炭）?凈化水
這些膜組合工藝可以強(qiáng)化對(duì)水中溶解性有機(jī)物、嗅味物質(zhì)等的去除。比如采用在線混凝-超濾組合工藝處理微污染地表水，CODMn的平均去除率達(dá)到33%，水質(zhì)優(yōu)于直接超濾工藝（崔俊華等，2011）；采用曝氣生物濾池-超濾組合工藝處理含嗅味物質(zhì)的原水，可以使水中的致嗅物質(zhì)2-Methylisoborneol和Geosmin降低到我國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）規(guī)定的濃度限值以下。
膜技術(shù)在廢水領(lǐng)域中的應(yīng)用
應(yīng)用于廢水領(lǐng)域的膜工藝主要包括：膜與生物處理組合工藝—膜生物反應(yīng)器（membranebioreactor,MBR）、二級(jí)處理出水膜過(guò)濾工藝、膜與物化方法組會(huì)工藝等。
膜生物反應(yīng)器工藝
膜生物反應(yīng)器工藝是膜分離與生物處理的組合工藝，是用膜組件代替?zhèn)鹘y(tǒng)活性污泥法中的二沉池，起到分離活性污泥混合液中的固體微生物和大分子溶解性物質(zhì)的作用，南京純水設(shè)備通過(guò)膜的分離過(guò)濾，得到系統(tǒng)處理出水。根據(jù)膜組件的設(shè)置位置，MBR可分為外置式（分置式）和浸沒(méi)式（一體式）兩類。
與其它污水處理工藝相比，MBR具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）生物反應(yīng)器內(nèi)能維持高濃度的微生物量，使處理裝置容積負(fù)荷提高，占地面積大幅度減?。?
（2）出水水質(zhì)好且穩(wěn)定，可以直接回用；
（3）剩余污泥產(chǎn)量低，污泥處理費(fèi)用少；
（4）膜的截留可以延長(zhǎng)增殖速度緩慢的微生物如硝化細(xì)菌在反應(yīng)器中的停留時(shí)間，有利于提高系統(tǒng)硝化效率。同時(shí)，還可以延長(zhǎng)一些降解難降解有機(jī)物的微生物在系統(tǒng)中的停留時(shí)間，有利于提高難降解有機(jī)物的降解效率；
（5）易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，操作管理方便。
但是，MBR也存在一些不足。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）膜造價(jià)較高，使得MBR的基建投資較高；
（2）容易出現(xiàn)膜污染，給操作管理帶來(lái)不便，使運(yùn)行費(fèi)用提高。
二級(jí)出水膜過(guò)濾工藝
污水經(jīng)二級(jí)生物處理后出水中仍然殘留一定濃度的顆粒性物質(zhì)和溶解性物質(zhì)（朱洪濤，2009）。一般以0.45μm作為溶解性物質(zhì)和顆粒性物質(zhì)的界限。顆粒性物質(zhì)包括細(xì)菌、各類無(wú)機(jī)性顆粒物質(zhì)等；溶解性物質(zhì)包括微生物代謝產(chǎn)物等有機(jī)物、病毒和無(wú)機(jī)離子等。南京實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備二級(jí)出水的水質(zhì)一般不能滿足再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。當(dāng)污水需要再生回用時(shí)，微濾或超濾膜可用于二級(jí)出水的深度處理，可有效去除顆粒性物質(zhì)和部分大分子的溶解性有機(jī)物。
膜與物化方法組合工藝
膜與物化方法組合廢水處理工藝主要有以下幾種類型：
（1）吸附?膜分離?處理水
（2）混凝?膜分離?處理水
（3）光催化氧化?膜分離?處理水
（4）臭氧催化氧化?膜分離?處理水
在這些組合工藝中，由于膜對(duì)細(xì)小的顆粒物有良好的分離效果，吸附劑和催化劑可以采用粉末狀的，這樣可以促進(jìn)反應(yīng)器中的傳質(zhì)，提高處理效果。同時(shí)，膜分離可以有效截留粉末吸附劑和催化劑，防止流失。
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