膜生物反應器技術(shù)在水處理中的應用
【www.hokkaido-dancers.com南京純水設備】近年來(lái)，隨著(zhù)我國經(jīng)濟的快速發(fā)展、人口的增加以及人們生活水平的提高，工農業(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)的水資源危機日益嚴重，已嚴重制約我國社會(huì )和經(jīng)濟的可持續發(fā)展。開(kāi)展污水處理和水再生利用是解決水資源危機的有效對策之一。
膜分離技術(shù)由于具有高效穩定、過(guò)程簡(jiǎn)單、易于控制等特點(diǎn)，在水處理中的應用受到廣泛關(guān)注。其與生物反應器有機結合形成的膜生物反應器（membranebioreactor,MBR）技術(shù)，由于具有出水水質(zhì)優(yōu)良穩定、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60年代后期的美國。40多年來(lái)，在眾多科研人員和工程技術(shù)人員持續不懈的努力下，MBR無(wú)論是在基礎研究還是工程應用方面都取得了長(cháng)足進(jìn)步，越來(lái)越廣泛地應用于各類(lèi)污水處理與回用領(lǐng)域。南京純水設備我國有關(guān)MBR的研究始于20世紀90年代后期，與國外研究相比，雖然起步較晚，但得到了十分迅速的發(fā)展和推廣應用。截至2011年底，據不完全統計，我國的MBR總處理能力已超過(guò)200萬(wàn)噸/日，成為世界上MBR研究和推廣應用最為活躍的國家之一。
膜分離技術(shù)分類(lèi)
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)膜的現象一般叫做滲析；溶劑透過(guò)膜的現象叫做滲透。
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)從濃度高的一側透過(guò)膜向濃度低的一側擴散，當膜兩側的濃度達到平衡時(shí)，滲析過(guò)程停止進(jìn)行。擴散滲析主要于工業(yè)廢水酸、堿回收，回收率可達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）。當在膜兩側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)，從而達到分離的目的。這四種膜分離過(guò)程的主要區別在于被分離物質(zhì)的大小和所采用膜的結構和性能不同。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，FO），利用比鹽水滲透壓更高的溶液作為驅動(dòng)液，使水自發(fā)地從鹽水側透過(guò)半滲透膜達到驅動(dòng)液側，結合易于循環(huán)使用的驅動(dòng)液，可用于海水脫鹽。南京實(shí)驗室純水設備由于FO膜對水中的無(wú)機、有機物質(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，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)，并節省原材料和化學(xué)藥品；
（5）分離裝置簡(jiǎn)單，操作容易，運行穩定，易于實(shí)現自動(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)域的應用也得到廣泛關(guān)注。
膜分離技術(shù)應用于給水領(lǐng)域具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）出水生物穩定性好。南京純水設備由于膜可以完全截留微生物，保證了出水的衛生安全性，起到了消毒作用，與傳統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定性；
（2）出水水質(zhì)穩定，受進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)的影響小；
（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 )與水中的一些有機物反應，生成三鹵甲烷等消毒副產(chǎn)物，對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物。一般來(lái)說(shuō)，NF對有機物的去除率很高：對BOD和COD的去除率可達80%以上，截留分子量為300-400/500的NF膜對三鹵甲烷生成潛力（trihalomethanesformationpotential,THMFP）的去除率可達90%。NF對鹽度的去除率為50-70%，對二價(jià)離子和硬度的去除率達90%，因此適合處理低濁度、高硬度的原水。
UF膜主要用于去除細菌、病毒、膠體和大分子有機物，能夠截留水中的天然有機物（naturalorganicmatter,NOM）。截留分子量<1000的UF可用來(lái)去除色度，其對色度的去除率高達95%，對THMFP的去除率可達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)、膠體和細菌等。
綜上所述，高壓RO和NF膜對污染物質(zhì)的去除比較徹底，可有效地去除水中的細菌、病毒和有機污染物，但RO和NF膜成本較高，操作壓力高，預處理要求也較高，膜易污染。低壓MF和UF膜通量大，操作壓力低，預處理要求低，成本低，但對小分子有機污染物的去除不夠理想。可以將MF或UF膜與其它物理、化學(xué)、生物水處理技術(shù)相結合，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)驗室純水設備用于飲用水凈化的膜組合工藝主要有以下幾種類(lèi)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）膜生物反應器（投加粉末活性炭）?凈化水
這些膜組合工藝可以強化對水中溶解性有機物、嗅味物質(zhì)等的去除。比如采用在線(xiàn)混凝-超濾組合工藝處理微污染地表水，CODMn的平均去除率達到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《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）規定的濃度限值以下。
膜技術(shù)在廢水領(lǐng)域中的應用
應用于廢水領(lǐng)域的膜工藝主要包括：膜與生物處理組合工藝—膜生物反應器（membranebioreactor,MBR）、二級處理出水膜過(guò)濾工藝、膜與物化方法組會(huì )工藝等。
膜生物反應器工藝
膜生物反應器工藝是膜分離與生物處理的組合工藝，是用膜組件代替傳統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，南京純水設備通過(guò)膜的分離過(guò)濾，得到系統處理出水。根據膜組件的設置位置，MBR可分為外置式（分置式）和浸沒(méi)式（一體式）兩類(lèi)。
與其它污水處理工藝相比，MBR具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）生物反應器內能維持高濃度的微生物量，使處理裝置容積負荷提高，占地面積大幅度減小；
（2）出水水質(zhì)好且穩定，可以直接回用；
（3）剩余污泥產(chǎn)量低，污泥處理費用少；
（4）膜的截留可以延長(cháng)增殖速度緩慢的微生物如硝化細菌在反應器中的停留時(shí)間，有利于提高系統硝化效率。同時(shí)，還可以延長(cháng)一些降解難降解有機物的微生物在系統中的停留時(shí)間，有利于提高難降解有機物的降解效率；
（5）易于實(shí)現自動(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）容易出現膜污染，給操作管理帶來(lái)不便，使運行費用提高。
二級出水膜過(guò)濾工藝
污水經(jīng)二級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)包括細菌、各類(lèi)無(wú)機性顆粒物質(zhì)等；溶解性物質(zhì)包括微生物代謝產(chǎn)物等有機物、病毒和無(wú)機離子等。南京實(shí)驗室純水設備二級出水的水質(zhì)一般不能滿(mǎn)足再生水水質(zhì)標準的要求。當污水需要再生回用時(shí)，微濾或超濾膜可用于二級出水的深度處理，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(lèi)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，由于膜對細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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