MBR膜生物反应器技术介绍(详细)-pdf.doc

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目 录 前言 ............................................................................................................. 1 1MBR工艺简介 ......................................................................................... 3 1.1 术语和定义 .................................................................................................................. 3 1.2 MBR的含义及其原理 ................................................................................................. 4 1.3 MBR工艺分类 ............................................................................................................. 5 1.4 MBR工艺优越性 ......................................................................................................... 7 1.5 MBR工艺的不足 ......................................................................................................... 9 1.6 MBR的发展 ................................................................................................................. 9 1.6.1 MBR技术在国外污水处理中的研究及应用 .................................................. 9 1.6.2 MBR技术在国内污水处理中的研究及应用 ................................................ 10 1.7 MBR的发展前瞻 ....................................................................................................... 11 1.7.1 MBR 应用的重点领域和方向 ....................................................................... 11 1.7.2 MBR 未来的研究重点 ................................................................................... 12 2 MBR工艺用膜和膜组件 ...................................................................... 13 2.1膜的定义 .................................................................................................................... 13 2.2膜的结构和材料 ........................................................................................................ 13 2.2.1膜结构和分类 ................................................................................................. 13 2.2.2MBR膜材料 ..................................................................................................... 16 2.3膜组件 ........................................................................................................................ 17 2.3.1膜组件分类 ..................................................................................................... 17 2.3.2MBR膜组件 ..................................................................................................... 20 2.4MBR膜组件厂家 ........................................................................................................ 24  MBR技术培训资料 3 MBR的设计与运行管理 ...................................................................... 25 3.1进水要求 .................................................................................................................... 25 3.2总体要求 .................................................................................................................... 25 3.3工艺设计 .................................................................................................................... 26 3.3.1 一般规定 .......................................................................................................... 26 3.3.2 预处理和前处理 ............................................................................................. 26 3.3.3 工艺设计 ......................................................................................................... 27 3.3.4污泥处理系统 ................................................................................................. 29 3.3.5 后处理 ............................................................................................................. 29 3.4主要工艺设备和材料 ................................................................................................ 29 3.4.1 浸没式膜组器 ................................................................................................. 29 3.4.2 外置式膜组器 ................................................................................................. 31 3.5检测与过程控制 ........................................................................................................ 32 3.5.1 检测 ................................................................................................................. 32 3.5.2 过程控制 .......................................................................................................... 33 3.6主要辅助工程 ............................................................................................................ 33 3.6.1 建构筑物 ......................................................................................................... 33 3.6.2 电气系统 ......................................................................................................... 34 3.7施工与验收 ................................................................................................................ 34 3.7.1 施工 ................................................................................................................. 34 3.7.2 验收 ................................................................................................................. 35 3.8 运行管理 .................................................................................................................... 36 3.8.1 一般规定 ......................................................................................................... 36 3.8.2 水质管理 ......................................................................................................... 37 3.8.3 设备管理 ......................................................................................................... 37 1  MBR技术培训资料 4膜污染 .................................................................................................... 39 4.1膜污染的定义及危害 ................................................................................................ 39 4.1.1 膜污染的定义及分类 ..................................................................................... 39 4.1.2 膜污染的危害 ................................................................................................. 39 4.2膜污染的来源 ............................................................................................................ 39 4.2.1 污泥浓度 ......................................................................................................... 40 4.2.2 溶解性有机物质 ............................................................................................. 40 4.2.3 微生物污染 ..................................................................................................... 40 4.3影响膜污染的因素 .................................................................................................... 41 4.3.1 膜固有的性质 ................................................................................................. 41 4.3.2 MBR运行条件 ................................................................................................ 41 4.3.3 污水特性 ......................................................................................................... 42 4.4膜污染的控制 ............................................................................................................ 42 4.4.1 预防膜污染 ..................................................................................................... 42 4.4.2 清洗方法 ......................................................................................................... 44 5浸没式平板膜组件................................................................................ 46 5.2浸没式平板膜组件的特点 ........................................................................................ 46 5.2 浸没式平板膜组件使用注意事项 ............................................................................ 48 5.2.1开箱和安装 ..................................................................................................... 48 5.2.2运行和维护 ..................................................................................................... 48 5.2.3膜元件的化学清洗 ......................................................................................... 49 5.3浸没式平板膜的运行 ................................................................................................ 50 5.3.1标准时间表 ..................................................................................................... 50 5.3.2标准运转流程图 ............................................................................................. 50 2  MBR技术培训资料 5.5.3膜生物反应器内的配置 ................................................................................. 53 5.5.4 配套管件连接 ............................................................................................... 54 5.4 浸没式平板膜组件的设置方法 ................................................................................ 57 5.4.1设置准备 ......................................................................................................... 57 5.4.2膜元件的拆卸 ................................................................................................. 57 5.4.3膜组件的检查 ................................................................................................. 57 5.4.4膜组件的保管方法 ......................................................................................... 57 5.4.5膜组件的安装顺序 ......................................................................................... 58 5.5浸没式平板膜组件的调试 ........................................................................................ 58 5.5.1清水运行 ......................................................................................................... 58 5.5.2种泥的投加 ..................................................................................................... 59 5.5.3运转开始 ......................................................................................................... 60 5.6浸没式平板膜组件的运行管理 ................................................................................ 60 5.7维护管理 .................................................................................................................... 63 5.7.1维护管理项目及实施频率 ............................................................................. 63 5.7.2曝气管的清洗方法 ......................................................................................... 63 5.7.3膜元件的化学清洗 ......................................................................................... 66 5.7.4使用的药品 ..................................................................................................... 66 5.7.5药品的使用操作 ............................................................................................. 66 5.7.6膜元件的药液清洗方法 ................................................................................. 68 5.7.7膜组件的取出 ................................................................................................. 72 5.8故障的处理方法 ........................................................................................................ 72 6 MBR的优化与改进 .............................................................................. 74 6.1节能降耗 .................................................................................................................... 74 6.1.1 从工艺设计方面降低能耗 ............................................................................. 74 3  MBR技术培训资料 6.1.2 从设备选型上降低能耗 ................................................................................. 76 6.1.3 从运行管理上降低能耗 ................................................................................. 77 6.1.4 结论 ................................................................................................................. 78 6.2脱氮除磷 .................................................................................................................... 78 6.2.1MBR生物脱氮 ................................................................................................. 78 6.2.2 MBR除磷 ........................................................................................................ 80 6.2.3结语 ................................................................................................................. 82 6.3MBR的生物学特性 .................................................................................................... 82 6.3.1微生物群落 ..................................................................................................... 82 6.3.2污泥特性 ......................................................................................................... 84 6.3.3微生物产物 ..................................................................................................... 86 6.3.4结论 ................................................................................................................. 87 7 部分MBR工程实例 .............................................................................. 89 4  MBR技术培训资料 前言 我国是一个严重缺水的国家，我国人均水资源量仅为世界人均拥有量的 1/4 。其中华北地区人均水资源量小于 400m3，已属于严重缺水地区。我国是世 界上严重缺水的十二个国家之一。 我国目前工业污水的再生回用率仅为 6%，远远低于发达国家的水平，市政 污水的回用率更低。 我国万元 GDP 用水量是世界平均水平的 5 倍，是美国的 8 倍，德国的 11 倍。 水资源的管理已经成为我国经济和社会协调发展的关键问题之一。中国目 前水资源浪费及污染现象相当严重，据统计，工业废水在 2000 年的排放量为 194亿立方米，生活污水 2000年的排放量为 221亿立方米，按照这种速度，中 国的水资源将在 73年后被用尽，而如果水资源利用不加强管理、污水又得不到 很好的处理与管理，进而污染到地下水，那么这个时间将会更短。目前，我国 的水环境污染已经到了 “有河皆枯，有水皆污 ”的地步，其治理任务刻不容缓。 表 1是对国内近年污水排放量的统计数据。 表 1 全国废水排放量统计 项目 废水排放量（亿吨） 合计 433.0 439.5 460.0 482.4 524.5 536.8 556.8 571.7 589.7 617.3 工业 202.7 207.2 212.4 221.1 243.1 240.2 246.6 241.7 234.5 237.5 生活 230.3 232.3 247.6 261.3 281.4 296.6 310.2 330.0 355.2 379.8 年度 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 1  MBR技术培训资料 增长率（%） 4.7 1.3 6.9 据统计，2011 年全国废水排放量为 652.1 亿吨，其中化学需氧量排放量为 2499.9 万吨，氨氮排放量为 260.4 万吨；我国的江河湖泊和水库中，已经受污 染的约占 82.3%；全国设立有监测系统的 1200条河流中，已有 850条受到污染； 七大水系中，一半以上受到不同程度的污染，达不到安全饮用水源的标准，已 基本丧失直接使用得功能；沿海水体发生赤潮和富营养化现象增多。因此，水 环境的保护和治理已成为我国实现可持续社会发展的重要任务。 因此，为了满足我国水环境保护的迫切需求，急需研发适合不同行业废水 特点的高效、低成本、运行管理简便的废水处理技术。 膜生物反应器（MBR）是膜技术和污水生物处理技术有机结合产生的废水 处理新工艺。它适用范围广、综合运行成本低，系统性能稳定，占地面积小。 在应用方面它既可用有工业污水方面也可用在生活污水方面的污水处理。工业 污水方面，主要应用在包括制药废水、化工废水、食品污水等高浓度、难降解 有机废水的处理；在生活污水方面，主要涉及城市污水、楼宇污水、公厕污水、 污水厂升级改造以及其他有回用要求的污水处理场合。 采用膜生物反应器（MBR）污水处理新工艺处理污水的最大优势是经处理 后的排出水可以作为中水回用，与此同时，任何污水处理后的深度处理，也均 需要通过膜生物反应器这一重要一环，从而实现污水资源化及污水处理的零排 放。因此膜生物反应器技术的研究与推广应用，直接抓住了我国污染型缺水的 主要矛盾，将对我国的污水处理和再生技术及产业的发展、水资源的可持续发 展战略的实现，具有重大的意义。 2  MBR技术培训资料 1MBR工艺简介 1.1术语和定义 膜生物法：指把生物反应与膜分离相结合，以膜为分离介质替代常规重 力沉淀固液分离获得出水,并能改变反应进程和提高反应效率的污水处理方法， 简称MBR法。 膜组器：指由膜组件、供气装置、集水装置、框架等组装成的基本水处 理单元，在膜生物法污水处理工程进行固液分离的膜装置。 高分子有机膜材料：聚烯烃类、聚乙烯类、聚丙烯腈、聚砜类、芳香族 聚酰胺、含氟聚合物等。 无机膜：是固态膜的一种，是由无机材料，如金属、金属氧化物、陶瓷、 多孔玻璃、沸石、无机高分子材料等制成的半透膜。 浸没式膜生物处理系统：指膜组器浸没在生物反应池中，污染物在生物 反应池进行生化反应，利用膜进行固液分离的设备 或系统。可采用负压产水， 也可利用静水压力自流产水。简称S-MBR。 外置式膜生物处理系统：指膜组器和生物反应池分开布置，生物反应池 内的活性污泥混合液泵入膜组器进行固液分离的设 备或系统。产水排放或深度 处理，浓缩的泥水混合物回流到循环浓缩池或生物反应池，形成循环。简 称R- MBR。 超细格栅：指栅孔直径或栅间隙小于2mm的格栅。 膜生物反应池：用于安装膜组器，同时进行污水生物处理与膜分离的构 筑物。 离线清洗：指将膜组器从膜池中取出，浸入化学溶液中进行清洗，除去 膜污染物的过程。 在线清洗：指不将膜组器从膜池中取出，而通过向膜组件中加入化学药 剂进行清洗，除去膜污染物的过程。 开停时间比：指膜组器一个运行周期中开启时间与停止时间的比值。 膜完整性检测：指用于判断膜泄漏的检测方法。 膜污染：指料液中的某些组分在膜表面或膜孔中沉积导致膜性能下降的 3  MBR技术培训资料 过程。 膜泄漏：指由于膜组器接头泄漏或膜孔破裂、断裂，导致出水水质受影 响的现象。 膜抗氧化性：指膜材料抗氧化剂氧化的能力。 膜通量 ：指单位时间单位膜面积通过的水量。单位为 m3/m2h 或 L/m2h。 1.2 MBR的含义及其原理 MBR 为膜生物反应器（Membrane Bio-Reactor）的简称，是一种将膜分离 技术与生物技术有机结合的新型水处理技术，它利用膜分离设备将生化反应池 中的活性污泥和大分子有机物截留住，省掉二沉池。膜 -生物反应器工艺通过膜 的分离技术大大强化了生物反应器的功能，使活性污泥浓度大大提高，其水力 停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）可以分别控制。 图 1-1 普通活性污泥法工艺流程 在传统的污水生物处理技术中，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 率。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。 4  MBR技术培训资料 图 1-2 MBR工艺流程 MBR 工艺通过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，不仅省去了二沉池的建设，而且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。 1.3 MBR工艺分类 MBR根据不同的分类依据，有多种类型，见表 1-1。 表 1-1 MBR的分类 分类依据 种类 膜组件与生物反应器的组合形式 分置式、一体式、（一体）复合式 膜组件的形式 膜材料 管式、板框式、中空纤维式等 有机膜、无机膜 外压式、抽吸式 好氧、厌氧 压力驱动形式 生物反应器 曝气生物反应器、萃取膜生物反应器、膜分离生物反应器 5  MBR技术培训资料 图 1-3分置式 MBR 分置式 MBR：膜组件和生物反应器分开设置。生物反应器中的混合液经 循环泵增压后打至膜组件的过滤端，在压力作用下混合液中的液体透过膜，成 为系统处理水。 优点： (1)膜组件与生物反应器之间的相互影响小。 (2)单位面积膜的水通量大。 (3)运行稳定可靠，操作管理容易。 (4)易于膜的清冼、更换和增设。 缺点： (1)为减少污染物在膜表面的沉积，需要较高的膜面流速，因而配置的循环 泵需要较高的流量，单位产水能耗很高，一般为 6～8Kwh/m3。 (2)循环泵内的高剪切力会引起生物絮体的破坏，导致生物活性的降低。 图 1-4一体式 MBR 一体式 MBR：膜组件置于生物反应器内部，进水进入膜生物反应器，其 中的大部分污染物被混合液中的活性污泥去除，再在负压作用下由膜过滤出水 。 6  MBR技术培训资料 优点： (1)体积小，整体性强。膜组件直接置于生物反应器中，大大减少了占地面 积。 (2)运行动力费用低。膜表面的错流是靠空气搅动产生的，混合液随气流向 上流动，在膜表面产生剪切应力，在这种剪切应力的作用下，沉积在膜表面的 颗粒容易脱离膜表面，因此不需要功率较大的循环泵。 缺点： (1) 需要定期将膜组件取出生物反应器进行化学清洗，因而管理方面上不 及分置式。 (2)出水不连续。 (3)单位膜面积膜的产水量较低，一般仅为 5-10L/m2h。 图 1-5（一体）复合式 MBR （一体）复合式 MBR：形式上也属于一体式膜生物反应器，所不同的是 在生物反应器内加装填料，从而形成复合式膜生物反应器，改变了反应器的某 些性状。 1.4 MBR工艺优越性 1出水水质优质稳定 在 MBR 中，降解时间较长的可溶性大分子化合物可以被膜截留下来并与 污泥一起返回到生物反应器中，使这些化合物在生物反应器中的停留时间变长， 从而有利于微生物对这些化合物的降解；同时较长的 SRT 可以使世代时间较长 的硝化细菌能够在生物反应器中积累，提高了硝化效果。因此 MBR 出水有机 物含量较低，且总氮和总磷的含量也远远低于传统活性污泥法。同时，由于膜 7  MBR技术培训资料 单元采用微滤膜或超滤膜，因而不仅对水中悬浮物截留率高，而且可以去除细 菌。 2工艺参数易于控制 在 MBR 中，用膜组件代替二沉池，可以同时实现较短的 HRT 和很长的 SRT。同时，MBR 中由于膜对污泥的截留，可以在很大程度上消除污泥膨胀现 象。 3耐冲击负荷 MBR 中生物反应器中的微生物浓度比普通生物反应器高得多，装置处理容 积负荷大，同时当进水中有机物浓度变化较大时，有机负荷率（单位质量的微 生物在单位时间内承受的有机物质量）变化不大，系统去除有机物的效果变化 不大。 4剩余污泥产量少 该工艺可以在高容积负荷、低污泥负荷下运行，剩余污泥产量低（理论上 可以实现零污泥排放），降低了污泥处理费用。 5占地面积小，不受设置场合限制 生物反应器内能维持高浓度的微生物量，处理装置容积负荷高，占地面积 大大节省；该工艺流程简单、结构紧凑、占地面积省，不受设置场所限制，适 合于任何场合，可做成地面式、半地下式和地下式。 6可去除氨氮及难降解有机物 由于微生物被完全截流在生物反应器内，从而有利于增殖缓慢的微生物如 硝化细菌的截留生长，系统硝化效率得以提高。同时，可增长一些难降解的有 机物在系统中的水力停留时间，有利于难降解有机物降解效率的提高。 7操作管理方便，易于实现自动控制 该工艺实现了水力停留时间（ HRT）与污泥停留时间（ SRT）的完全分离， 运行控制更加灵活稳定，是污水处理中容易实现装备化的新技术，可实现微机 自动控制，从而使操作管理更为方便。 8易于从传统工艺进行改造 该工艺可以作为传统污水处理工艺的深度处理单元，在城市二级污水处理 厂出水深度处理（从而实现城市污水的大量回用）等领域有着广阔的应用前景。 8  MBR技术培训资料 1.5 MBR工艺的不足 1、投资大：膜组件的造价高，导致工程的投资比常规处理方法增加约 30％ －50％。 2、能耗高：首先 MBR 泥水分离过程必须保持一定的膜驱动压力，其次是 MBR 池中 MLSS 浓度非常高，要保持足够的传氧速率，必须加大曝气强度， 还有为了加大膜通量、减轻膜污染，必须增大流速，冲刷膜表面，造成 MBR 的能耗要比传统的生物处理工艺高。 3、膜容易污染需要定期清洗：给操作管理带来不便，同时需要消耗部分化 学药剂。 4、受到膜材料的限制：由于材料技术的原因，目前膜的寿命还比较短，膜 组件一般使用寿命在 5年左右，到期需更换，导致运行成本进一步增加。 1.6 MBR的发展 1.6.1 MBR技术在国外污水处理中的研究及应用 膜分离技术在污水处理中的应用开始于 20世纪 60年代末，1969年美国的 Smith 等人首次将活性污泥法与超滤膜组件相结合用于处理城市污水的工艺研 究，该工艺大胆地提出了用膜分离技术取代常规活性污泥法中的二沉池 ,利用膜 具有高效截留的物理特性,使生物反应器内维持较高的污泥浓度，在 F/M低比值 下工作，这样就可以使有机物尽可能地得到氧化降解，提高了反应器的去除效 率，这就是 MBR的最初雏形。 进入 20世纪 70年代，有关 MBR的研究进一步深入开展。1970年，Hardt 等人使用完全混合生物反应器与超滤膜组合工艺处理生活污水，获得了 98%的 COD去除率和 100%去除细菌的结果。1971 年，Bemberis 等人在污水处理厂进 行了 MBR 试验，取得了良好的试验结果。1978 年，Bhattacharyya 等人将超滤 膜用于处理城市污水，获得了非饮用回用水。1978 年，Grethlein 利用厌氧消化 池与膜分离进行了处理生活污水的研究， BOD 和 TN 的去除率分别为 90%和 75%。 在这一时期，尽管各国学者对 MBR 工艺做了大量的研究工作、并获得了 一定的研究成果，但是由于当时膜组件的种类很少，制膜工艺也不是十分成熟， 9  MBR技术培训资料 膜的寿命通常很短，这就限制了 MBR 工艺长期稳定的运行，从而也就限制了 MBR技术在实际工程中的推广应用。 进入 20 世纪 80 年代以后，随着材料科学的发展与制膜水平的提高，推动 了膜生物反应器技术的向前发展，MBR 工艺也随之得到迅速发展。日本研究者 根据本国国土狭小、地价高的特点对 MBR 技术进行了大力开发和研究，并在 MBR技术的研究和开发上走在了前列，使 MBR技术开始走向实际应用。 20 世纪 90 年代以后，MBR 技术得到了最为迅猛的发展，人们对 MBR 在 生活污水处理、工业废水处理、饮用水处理等方面的应用都进行了研究， MBR 已经进入实际应用阶段，并得到了快速的推广。 20 世纪的最后几年，人们围绕着膜生物反应器的关键问题进行了较多的研 究，并取得了一些成果。有关膜生物反应器的研究从实验室小试、中试规模走 向了生产性试验，应用 MBR 的中、小型污水处理厂也逐渐见诸报道。1998 年 初，欧洲第一座应用一体式膜生物反应器的生活污水处理厂在英国的 Porlock建 成运行，成为英国膜生物反应器技术的里程碑。 本世纪初，人们对膜生物反应器的研究方兴未艾，使得该项技术正在逐渐 趋于成熟。 1.6.2 MBR技术在国内污水处理中的研究及应用 我国对膜生物反应器污水处理技术的研究较晚，但发展迅速，近年来， MBR 工艺已有实际应用实例，并保持着良好的发展势头。 1991 年，《水处理 技术》杂志首次报道了膜生物反应器在日本的应用情况。随后，一些大学和科 研机构纷纷开展了关于膜生物反应器的研究。如清华大学、中科院生态环境研 究中心、哈尔滨工业大学、天津大学、同济大学、华东理工大学等对膜生物反 应器的运行特性、膜通量的影响因素、膜污染的防治与清洗等方面做了大量细 致的研究工作，MBR 技术研究受到国家“八五”、“九五”、“十五”科技攻关项目 基金支持，取得了很大进步。2002年，膜生物反应器的研发又被列为"863"重大 科技项目，推进膜生物反应器在污水处理及回用中的应用。目前我国已有膜科 学技术研究机构上百家，膜生产企业数百家，参与 MBR 的研究机构有数十家。 据 2003年统计，关于 MBR研究的论文有 500余篇，MBR的研究方面取得了很 快的进展。 10  MBR技术培训资料 我国近年来的 MBR 研究有了深入发展，在已有研究的基础上，MBR 被用 于抗生素废水、中药废水、聚酯废水等难降解废水领域。处理规模已由实验室 走向中试和实际应用，涌现出很多提供 MBR 产品的公司，如天津清华德人、 北京碧水源、永新、诺卫、特里高、光华、天地人等公司、杭州凯宏、浙大凯 华、天津膜天，上海 SINAP等公司。 由北京碧水源科技发展有限公司等企业于 2011年提出的《膜生物法污水处 理工程技术规范》（HJ 2010-2011），经中国环境保护部批准，在