膜生物反应器的运行比较

摘要：介绍了膜生物反应器的特点，并对外置式和浸没式MBR的工艺及运行进行具体分析比较，指出降低能耗的方向。

关键词：膜生物反应器 好氧曝气 错流运行 膜通量 动力能耗

中图分类号：文献标识码：A

1 前言

水资源短缺和水环境污染造成的水危机一直是制约我国经济和社会发展的重要因素。尽管近年来，国家和政府加大了对环境项目的投资及建设力度，并出台及改进相应政策法规，使在部分地区取得一定环境治理成效，但总体上我国水环境污染仍然呈日趋严重。水环境质量的恶化与经济的高速发展，迫切需要适合时展的污水资源化技术，以缓解水资源短缺问题。因此，各种新型、改良型的高效废水处理工艺及技术应运而生，膜生物反应器（Membrane Bioreactor，简称MBR）便为其中之一。

膜生物反应器是指将膜分离技术中的超滤或微滤组件与污水处理中的生物反应器相结合而成的一种新型废水处理系统。它利用膜处理单元代替了传统生物处理工艺中的二沉池。由于膜生物反应器将HTR与泥龄分开，故可在低HTR和长泥龄运行，解决了活性污泥法中污泥流失问题和细菌膨胀、污泥产气问题，增加含氮化合物与难降解有机物质的去除率；高污泥浓度和完全的固体截留使其可在低有机负荷运作，且污泥产量降至活性污泥法的一半。该工艺与传统废水生物处理工艺相比，具以下优势：出水水质好，有机物、悬浮物、细菌等有毒物质均被滤除，出水可直接回用，可满足日益苛严的废水处理排放标准和对废水循环利用需求的剧增；活性污泥浓度高，耐负荷冲击能力强，适用于难降解有机废水；设备占地小、剩余污泥产量低和便于自动控制。尽管膜组件价格偏高，会产生膜污染是膜生物反应器的主要缺点，却并不妨碍其成为当前最有前途的废水处理新技术之一。该技术在中国研究发展也有十来年了，现已经在含油及难生物降解有机废水处理领域得到越来越多的工程应用，并取得不错效果。膜生物反应器按其膜组件与生物反应池的相对位置不同可分为浸没式和外置式两种。笔者在冶金行业含油废水处理工程实际工作中对两种MBR都有设计及应用，现结合实例对两者运行进行分析比较。

2 外置式MBR与浸没式MBR的工艺比较

外置式MBR系统由生物反应池、循环泵、膜组件构成。生物反应池可以为好氧曝气池，也可以为厌氧或兼氧池。目前用于生产规模的MBR多采用活性污泥法。本人所做工程选用的是好氧曝气池，并在池中装有填料（根据国内相关研究表明，此举可以提高系统的抗冲击负荷能力，减小膜污染，保证较高膜通量）。废水先在生物反应池通过曝气充氧，使废水中的有机物、溶解氧与微生物充分接触混合，经微生物自身新陈代谢过程将有机物降解转化，然后生物反应池的混合液通过循环泵加压进入微滤膜组件，在压力作用下，粒径大于膜孔径的活性污泥、大分子物质等被截留送回至生物反应池，膜渗透液则作为系统处理出水排出。外置式MBR工艺流程示意如下：

图1 外置式MBR

浸没式MBR系统由生物反应池、膜池、膜组件、抽吸泵构成。生物反应池也采用好氧曝气池，利用微生物降解废水有机物后，出水进入放置有膜组件的膜池中，再经抽吸泵将滤液排出。工艺流程示意图如下：

图2 浸没式MBR

两者的工艺原理基本相同，但外置式MBR通过循环泵加压来实现料液的循环错流运行，其膜面流速高，而浸没式MBR则是利用曝气时气液向上的剪切力来实现膜面的错流运行的，故浸没式MBR的相对膜通量小于外置式。因运行方式不同，两者选用膜组件形式和材质有所不同，外置式一般采用平板和管式膜，浸没式一般采用平板和中空纤维膜，膜清洗方式也各有差异。

某工程需处理含油废水量为15m3/h，分别设计采用外置式和浸没式MBR系统，在相同生物处理条件下，两者膜装置的配置及工艺参数如下：

表1 外置式MBR系统工艺配置

项目 参数配置

膜形式及材质 无机陶瓷管式膜，

膜组件选型 TI37036-29-1200，膜孔径0.2um

设计运行膜通量 120~150L/m2.h

膜组件数 8个

跨膜压差 400kPa

设计膜单元数 4套

总膜面积 116m2

循环泵选型 4台，Q=150m3/h，H=30m

运行方式 连续过滤

膜清洗方式 在线化学清洗（碱洗+酸洗+漂洗），1次/1月

膜清洗装置 10m3清洗槽，无清洗泵

表2 浸没式MBR系统工艺配置

项目 参数配置

膜形式及材质 PVDF中空纤维膜

膜组件选型 SPMW-09B10，膜孔径0.1um

设计运行膜通量 0.45~0.5L/m.d

膜组件数 80个

设计膜单元数 4套

跨膜压差 20~50kPa

总膜面积 800m2

抽吸泵选型 2台（备用1台），Q=17m3/h，H=16m

鼓风机选型 2台（备用1台），Q=5Nm3/min，60KPa

运行方式 间断（抽吸9分钟，停抽1分钟），连续曝气

膜清洗方式 在线化学清洗（碱洗+酸洗），1次/2周；

离线浸泡清洗（碱洗或酸洗），1次/6个月

膜清洗装置 （在线）1m3清洗槽，加药泵1m3/h-10m

（离线）6m3清洗槽

3 外置式MBR与浸没式MBR运行费用比较

在工业废水处理中，运行费用是衡量该处理工艺是否合理有效的一项非常主要的指标，体现节能减排的真实意义。MBR的运行费用主要来自水泵、曝气系统动力能耗费用及膜清洗药剂消耗、膜更换费用。以下是两者的运行费用比较：

表3 运行费用比较

项目 外置式MBR 浸没式MBR

动力能耗 74kw.h 18kw.h

药剂消耗量 NaOH：1.68kg/d

NaClO：0.168kg/d

HNO3：3.36kg/h NaOH：0.288kg/d

NaClO：0.34kg/d

柠檬酸：1.2kg/d

膜使用寿命 10年  8年

电费 1598元 388元

药剂费 8.4元/d  6.85元/d

膜更换费用 5800元/年  40000元/年

年运行总费用 58.42万元  18.2万元

吨水运行费用 4．23元/h.m3  1.4元/h.m3

从表3可以看出，外置式MBR系统的运行费用要远高于浸没式系统，其主导因素表现在动力能耗上。外置式MBR系统需要由外在循环泵获得高流速和高压的错流循环工作方式决定了其无法达到浸没式系统的低能耗。

4 结语

尽管浸没式MBR系统因其低能耗而得到广泛应用，但是在系统的运行稳定可靠性、操作管理和膜管清洗更换方便性上，外置式MBR占有更大优势。采用何种MBR运行方式应根据工程具体情况和工艺需要进行选择。膜生物反应器的运行能耗费用与系统规模、工艺流程设计、选择膜形式、膜通量、膜污染状况、污泥浓度、清洗方式等均有关系，要想降低能耗，还在于设备选型合理和流程设计优化。