膜生物反應器技術在水處理中的應用
【www.wotx.net南京純水設備】近年來，隨著我國經(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(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)的水資源危機日益嚴重，已嚴重制約我國社會和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。開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。
膜分離技術由于具有高效穩(wěn)定、過程簡單、易于控制等特點，在水處理中的應用受到廣泛關注。其與生物反應器有機結合形成的膜生物反應器（membranebioreactor,MBR）技術，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，被譽為21世紀最有發(fā)展前途的水處理新技術，在全球范圍受到廣泛關注。
MBR的研究始于20世紀60年代后期的美國。40多年來，在眾多科研人員和工程技術人員持續(xù)不懈的努力下，MBR無論是在基礎研究還是工程應用方面都取得了長足進步，越來越廣泛地應用于各類污水處理與回用領域。南京純水設備我國有關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(jù)不完全統(tǒng)計，我國的MBR總處理能力已超過200萬噸/日，成為世界上MBR研究和推廣應用最為活躍的國家之一。
膜分離技術分類
膜分離是指以具有選擇透過功能的薄膜為分離介質(zhì)，通過在膜兩側施加一種或多種推動力，使原料中的某些組分選擇性地優(yōu)先透過膜，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)透過膜的現(xiàn)象一般叫做滲析；溶劑透過膜的現(xiàn)象叫做滲透。
膜分離過程有多種，不同的分離過程所采用的膜及施加的推動力也不同。根據(jù)推動力的不同，膜分離過程主要有下列幾種：
（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料液和接受液隔開，在濃度差的推動力作用下，溶質(zhì)從濃度高的一側透過膜向濃度低的一側擴散，當膜兩側的濃度達到平衡時，滲析過程停止進行。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，混合液中的一部分溶劑及小于膜孔徑的組分透過膜，而微粒、大分子、鹽等被截留下來，從而達到分離的目的。這四種膜分離過程的主要區(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，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，F(xiàn)O），利用比鹽水滲透壓更高的溶液作為驅動液，使水自發(fā)地從鹽水側透過半滲透膜達到驅動液側，結合易于循環(huán)使用的驅動液，可用于海水脫鹽。南京實驗室純水設備由于FO膜對水中的無機、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），是指在直流電場的作用下，利用陰、陽離子交換膜對溶液中陰、陽離子的選擇透過性（即陽膜只允許陽離子通過，陰膜只允許陰離子通過），使溶液中的溶質(zhì)與水分離的一種膜分離過程。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。
膜分離技術特點
與傳統(tǒng)分離技術相比，膜分離技術具有以下特點：
（1）一般在常溫下進行，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）在膜分離過程中，分離和濃縮同時進行，可回收有價值的物質(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)省原材料和化學藥品；
（5）分離裝置簡單，操作容易，運行穩(wěn)定，易于實現(xiàn)自動化控制。
因此，膜分離技術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域的應用也得到廣泛關注。
膜分離技術應用于給水領域具有以下優(yōu)點：
（1）出水生物穩(wěn)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(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，受進水水質(zhì)波動的影響?。?
（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，進入水體中的氯可能會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。由于膜過濾能夠截留水中的微生物，從而降低消毒加氯量；同時膜過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。
膜技術應用于給水處理領域，分膜直接過濾和膜組合工藝兩種形式。
膜直接過濾工藝
在膜直接過濾工藝中，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。一般來說，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?？梢詫F或UF膜與其它物理、化學、生物水處理技術相結合，形成膜組合工藝，來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(wèi)生標準》（GB5749-2006）規(guī)定的濃度限值以下。
膜技術在廢水領域中的應用
應用于廢水領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）、二級處理出水膜過濾工藝、膜與物化方法組會工藝等。
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?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，南京純水設備通過膜的分離過濾，得到系統(tǒng)處理出水。根據(jù)膜組件的設置位置，MBR可分為外置式（分置式）和浸沒式（一體式）兩類。
與其它污水處理工藝相比，MBR具有以下優(yōu)點：
（1）生物反應器內(nèi)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??；
（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，污泥處理費用少；
（4）膜的截留可以延長增殖速度緩慢的微生物如硝化細菌在反應器中的停留時間，有利于提高系統(tǒng)硝化效率。同時，還可以延長一些降解難降解有機物的微生物在系統(tǒng)中的停留時間，有利于提高難降解有機物的降解效率；
（5）易于實現(xiàn)自動控制，操作管理方便。
但是，MBR也存在一些不足。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）膜造價較高，使得MBR的基建投資較高；
（2）容易出現(xiàn)膜污染，給操作管理帶來不便，使運行費用提高。
二級出水膜過濾工藝
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、各類無機性顆粒物質(zhì)等；溶解性物質(zhì)包括微生物代謝產(chǎn)物等有機物、病毒和無機離子等。南京實驗室純水設備二級出水的水質(zhì)一般不能滿足再生水水質(zhì)標準的要求。當污水需要再生回用時，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，這樣可以促進反應器中的傳質(zhì)，提高處理效果。同時，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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