膜生物反应器在我国的研究及应用

2.2 膜分离的参数 
　　在保证出水水质的前提下，膜通量应尽可能大，这样可减少膜的使用面积，降低基建费用与运行费用，因此控制膜污染，保持较高的膜通量，是MBR的研究的重要内容。
2.2.1 膜的选择
　　现有膜材料可分为有机膜和无机膜两种。由于较高的投资成本限制了无机膜在我国的广泛应用，国内MBR曾遍采用有机膜，常用的膜材料为聚乙烯、聚丙烯等。分离式MBR通常采用超滤膜组件，截留分子量一般在2—30万。截留分子量越大，初始膜通量越大，但长期运行膜通量未必越大。张洪宇进行无机膜的通量衰减实验表明：0.2μm的膜比0.8μm的膜更适合于MBR。何义亮用PES平板膜组件进行膜通量衰减规律研究发现：在该实验条件下，膜初始通量衰减主要是由于浓差极化引起，膜截留分子量愈小，通量衰减率愈大；膜长期运行的通量衰减主要是由于膜污染引起，膜截留分子量愈大，通量衰减幅度愈大，化学清洗恢复率愈低。
　　对于淹没式MBR，既可用超滤膜，也可使用微滤膜。由于膜表面的凝胶层也起到了过滤作用，在处理生活污水时，微滤膜与超滤膜的出水水质没有明显差别，因此淹没式MBR多采用0.1—0.4μm微滤膜。
2.2.2 操作方式的优化
　　当膜选定后，真物化性质也就确定了，因此，操作方式就成为影响膜污染的主要因素。为了减缓膜污染，反冲洗是维持分离式MBR稳定运行的重要操作，樊耀波通过数学推导，得出膜的最佳反冲洗周期测定公式 f（t)=(Qf—Qb)/(tb+tf），该方法避免通过试探性实验确定反冲洗周期的作法，为MBR系统自动化控制的实现提供了一个重要途径。针对抽吸淹没式MBR，Ymamoto提出间歇式抽吸方式可有效减缓膜污染。桂萍通过研究进一步指出：缩短抽吸时间或延长停吸时间和增加曝气量均有利于减缓膜污染，抽吸时间对膜阻力的上升影响最大，曝气量其次。
　　不仅污泥浓度、混合液粘度等影响膜通量，混合液本身的过滤性能，如活性污泥性状、生物相也影响膜通量的衰减。有研究表明：粉末活性炭（PAC）与絮凝剂的加入有助于改善泥水分离性能，形成体积更大、粘性更小的污泥絮体，减少了膜堵塞的机会。但絮凝剂的过量加人会造成污泥活性受到限制，影响反应器的处理能力和处理效果。
2.2.3 水力学特性的改善
　　改善膜面附近料液的流体力学条件，如提高流体的进水流速，减少浓差极化，使被截留的溶质及时被带走。黄霞、何义亮分别采用PAN平板式超滤膜、PAN/PS管式膜组件考察不同膜面循环流速下污泥浓度对膜通量的影响，发现MLSS对膜通量的影响程度与膜面循环流速有夫。大量试验表明：污泥过膜流态为层流远比紊流的易于堵塞，因此从理论上确定不同污泥浓度下紊流发生的最小膜面流速（Vmin）有重要意义。邢传宏、彭跃莲研究均发现：最小膜面流速与污泥浓度之间呈良好的线性夫系。但他们对临界膜面流速的计算值可能偏高，因为污泥沿流道流动的过程中，水同时透过膜流出，增加了流体在垂直方向的紊动，从而在一定程度上降低了下临界雷诺数（Rek）。何义亮的发现证实了这一推论：平板膜组件由紊流到层流的Rek为1083，外压管式膜组件的Rek为966，均小于一般牛顿流体的下临界雷诺数2000。
　　分离式MBR中，一般均采用错流过滤的方式；而一体式MBR实质上是一种死端过滤方式。与死端过滤相比，错流过滤更有助于防止膜面沉积污染。因此设计合理的流道结构，提高膜间液体上升流速，使较大的暖气量起到了冲刷膜表面的错流过滤效果对于淹没式MBR显得尤为重要，刘锐通过均匀设计试验，得到适合活性污泥流体的膜间液体上升模型，提出反应器结构对液体上升流速的影响：在同样的暖气强度下，反应器越高，上升流通道越窄，下降流通道与底部通道越宽，则越能获得较大的膜间错流流速。该模型为一体式MBR反应器结构的设计提供了理论依据，但有待实践的验证。
2.3 能耗
　　能耗是污水处理工艺的一个重要的评价指标，直接夫系到处理方法的可行性。目前，常规分离式MBR运行能耗为3—4kw·h/m³，淹没式MBR运行能耗为2kw·h/m³，远高于活性污泥法0.3-0.4kwh/m³，较高的运行费用是MBR推广应用中遇到主要问题。许多研究结果表明：能耗是造成MBR运行费用高的主要原因。张绍园分析了分离式MBR的能耗组成：泵的热能损失、曝气能耗、管道阻力能耗、膜组件能耗和回流污泥水头损失能耗，其耗能大小依次为：膜组件＞泵＞曝气＞管道＞回流污泥，膜组件能耗占总能耗的40—50％，真中80％用于膜过滤的能量以热能的方式散发。顾平对抽吸淹没式MBR的能耗分析表明：曝气的能耗占总能耗96％以上。通常研究者都认为能耗的降低与膜污染的控制是MBR研究领域两个独立的课题，而张绍国、郑祥采用穿流式、错流式膜组件进行分离式MBR研究发现：能耗随运行时间的延长、膜污染的增加呈上升趋势，从运行初期的不足0.5kWh/m³增加到3kwh/m³。这说明：分离式膜生物反应器的能耗问题实质是膜污染问题。
　　为了进一步降低能耗，顾平应用位差驱动出水和低水头间断工作的重力淹没式MBR，较好克服了膜的污染与阻塞，使膜长时间保持较大的膜通量，并且省去复杂的气水反冲洗设备、降低曝气量，使 MBR处理生活污水的能耗可下降到1.0kw·h／m³。

3 膜生物反应器在污水处理中的应用

3.1 MBR在中水回用中的经济分析
　　应用于中水回用系统的MBR工艺（规模为25－100m³/d）的一次性投资为3500－4000元/m³，膜组件的费用占25％左右，以十年计的设备折旧成本（上建与设备材料费用，不含膜组件）为0.68－0.83元／m³，膜的更换费用（以两年计）为1.0元/m³，运行费为0.3-0.5元/m³，其总运行费为2.0-2.3元/m³由于膜价格还有相当大的降价空间，据有关专家估算，在未来的3—5年内，膜价格有望降为目前的25—50％，那将大大降低MBR的一次性投资与膜的更换费用。随着膜价格的降低与使用寿命的延长，新型高效低能耗MBR的开发，MBR的运行总费用有望降低到1.5元/m³。
　　以膜生物反应器工艺的处理费用为例得出中水的产出效益：中水回用相当于节约等量新鲜水而创造的直接经济效益。以北京市2000年居民为供水价1.8元／m³计，而宾馆、洗车、洗浴等行业供水价为3.0—5.0元／m³，高于一般城市居民的自来水用水价格，而膜生物反应器总运行成本为2.3元／m³，单纯从经济利益上考虑目前对某些行业来说也是经济的。在现有自来水价偏低的情况下，自来水供水费及排污费仍有增加的趋势，因此可以预见，膜生物反应器作为污水回用技术将会愈来愈具有经济、技术上的竞争优势。
3.2 MBR的应用实例及前景
　　近一两年，膜生物反应器在国内已进入了实际应用阶段。1998年，大连大器公司设计的200m³/d的中水回用装置就己在大连投入运行；天津德人公司首先开发了重力淹没式MBR，该技术在2000年己应用于天津普辰大厦的中水回用系统，处理规模为25m³／d，该装置占地仅2.8m²，处理成本为1.05元／m³；上海荏原公司研究开发的PW系统己成功地应用于数十个行业的高浓度有机废水处理，规模从5m³／d至700m³／d不等；杭州华滤、哈尔滨鹭滨等公司在MBR开发应用方面都具有一定的竞争力。表8列举了一些MBR在我国的应用实例及处理效果。在南方地区，MBR目前主要应用于高浓度有机废水处理；而在天津、大连严重缺水的北方地区，MBR主要做为中水回用技术。

4 结论

　　我国人均水资源拥有量仅为2250m³/人.年，不足世界平均水平的1／4。在我国600多个城市中，有300余座城市缺水，真中严重缺水城市有100余个，年缺水量近60亿m³，每年因缺水造成经济损失约2000亿元人民币。华北地区人均水资源占有量只有250—480m³/人.年，低于全国人均水平的1／5，这一地区的所有城市几乎都面临缺水问题。因此污水回用是缓解华北平原水危机的重要措施之一。膜生物反应器技术以其优质的出水水质被认为是具有较好经济、社会和环境效益的节水技术而倍受关注。尽管还存在较高的运行费用问题，但随着膜制造技术的进步，膜质量的提高和膜制造成本的降低，MBR的投资也会随之降低。如聚乙烯中空纤维膜，新型陶瓷膜的开发等已使其成本比以往有很大降低。另一方面，各种新型膜生物反应器的开发也使真运行费用大大降低，如在低压下运行的重力淹没式MBR、厌氧MBR等与传统的好氧加压膜生物反应器相比，其运行费用大幅度下降。因此，从长远的观点来看，膜生物反应器在水处理中应用范围必将越来越广。在水环境标准日益严格的今天，MBR已显示出其巨大的发展潜力，将是新世纪替代传统废水处理技术的有力竞争者。
　　目前我国在膜一生物反应器污水处理方面的应用实例尚少，需结合中国的经济发展水平和MBR工艺的特点，进一步加强研究以推动其工程化应用的进程，预计中水回用将是MBR在中国的推广应用的主要方向。

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