新型分离技术第9章膜生物反应器技术.ppt

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1、膜生物反应器技术浙江大学材料与化工学院浙江大学材料与化工学院张林张林Email:2023年1月21日1主要内容主要内容1.1.概述概述2.2.膜与膜技术基础膜与膜技术基础3.3.膜生物反应器工艺膜生物反应器工艺4.4.膜污染与防治膜污染与防治5.5.膜生物反应器设计膜生物反应器设计6.6.膜生物反应器的应用膜生物反应器的应用2023年1月21日2概述概述膜生物反应器特点膜生物反应器特点2023年1月21日3重力式沉淀池处理废水的几个问题重力式沉淀池处理废水的几个问题1.由由于于沉沉淀淀池池固固液液分分效效率率不不高高,曝曝气气池池内内的的污泥难以维持到较高浓度；污泥难以维持到较高浓度；2.处理

2、装置容积负荷低，占地面积大；处理装置容积负荷低，占地面积大；3.处理出水水质不够理想切不稳定；处理出水水质不够理想切不稳定；4.传氧效率低，能耗高；传氧效率低，能耗高；5.剩余污泥产量大；剩余污泥产量大；6.管理操作复杂。管理操作复杂。2023年1月21日4膜生物反应器技术的特点膜生物反应器技术的特点 污泥停留时间（污泥停留时间（SRT）可控；）可控；污泥浓度高；污泥浓度高；有机物降解时间可控；有机物降解时间可控；出水水质好；出水水质好；设备紧凑，占地少；设备紧凑，占地少；过程控制可自动化。过程控制可自动化。2023年1月21日5 膜生物反应器处理废水特点膜生物反应器处理废水特点1.1.生物降

3、解能力强，处理效果好；生物降解能力强，处理效果好；2.2.出出水水水水质质好好,可可达达到到国国家家生生活活杂杂用用水水水水质质标准（标准（CJ251-89)；3.3.停留时间充分，去除效率高；停留时间充分，去除效率高；4.4.剩余污泥量少；剩余污泥量少；5.5.自控方便。自控方便。2023年1月21日6膜生物反应器技术来由2023年1月21日7膜技术 传统的活性污泥法 膜生物反应器近几年来膜生物反应器进近几年来膜生物反应器进展展1.1.扩大了膜生物反应器的适用范围，扩大了膜生物反应器的适用范围，探求合适的工作条件和工艺参数；探求合适的工作条件和工艺参数；2.2.提高了膜组件的性能，并从膜生物

4、提高了膜组件的性能，并从膜生物反应器的构型上尽可能为膜的稳定反应器的构型上尽可能为膜的稳定工作创造条件，主要是为减轻膜堵工作创造条件，主要是为减轻膜堵塞程度，提高膜通量和截留率；塞程度，提高膜通量和截留率；3.3.降低处理工艺的动力损耗，使其成降低处理工艺的动力损耗，使其成为节能型新工艺。为节能型新工艺。2023年1月21日8膜与膜技术基础膜与膜技术基础2023年1月21日9以压力差为推动力的膜以压力差为推动力的膜过程过程 膜过程 压力差(MPa)微滤微滤 (MF)0.015 0.2超滤超滤 (UF)0.1 0.5纳滤纳滤 (NF)0.5 2.0 反渗透反渗透(RO)1.5 10.0气体分离（

5、气体分离（GS)1.5 10.0 渗透汽化（渗透汽化（PV)0.11kPa（下游侧）（下游侧）蒸汽渗透蒸汽渗透(VP)0.2 0.62023年1月21日10膜生物反应器用膜材料2023年1月21日11生物反应用膜的选择原则2023年1月21日12膜生物反应器组件类型膜生物反应器组件类型板框式（板框式（Plate-frame module）折叠式折叠式(Pleated sheet module)中空纤维式中空纤维式(Hollow fiber module)管式（管式（tube module）卷式卷式(Spiral-wound module)转盘式转盘式(circular dial module)

6、目前，应用于膜生物反应器系统的膜组件主目前，应用于膜生物反应器系统的膜组件主要为中空纤维式和板框式二大类。要为中空纤维式和板框式二大类。2023年1月21日13膜生物反应器用膜材料与结构膜生物反应器用膜材料与结构2023年1月21日14中空纤维膜组件中空纤维膜组件2023年1月21日15内径 40 200m,外径 80 400m中空纤维膜组件中空纤维膜组件2023年1月21日16聚丙烯中空纤维膜膜片聚丙烯中空纤维膜膜片2023年1月21日17膜组件元器件膜组件元器件2023年1月21日18板框式膜组件板框式膜组件2023年1月21日191.顶板 2.填圈 3.复合膜 4.多孔板 5.板框 6.

7、分布板 7.螺杆8.进料口9.板框 10.渗透气出口 11.分布槽 12.进料流卷式膜组件卷式膜组件2023年1月21日20MTR Co.,USA 等温等温PVAP管式陶瓷膜组件管式陶瓷膜组件2023年1月21日21ICOM2002会议资料会议资料,7-12 July 2002,Toulouse,France膜生物反应器工艺膜生物反应器工艺2023年1月21日22膜生物反应器的分类膜生物反应器的分类在膜生物反应器中，酶、细胞或微生在膜生物反应器中，酶、细胞或微生物可以三种形态存在：物可以三种形态存在：溶解酶和悬浮细胞的游离态，溶解酶和悬浮细胞的游离态，膜表面或膜内酶蛋白凝胶以及膜截留细胞膜表面

8、或膜内酶蛋白凝胶以及膜截留细胞层的浓集态，层的浓集态，以吸附、键合或包埋方式固定在膜表面或以吸附、键合或包埋方式固定在膜表面或膜腔内的酶或细胞的呈固定化态；膜腔内的酶或细胞的呈固定化态；2023年1月21日23生物膜与膜生物反应器的传递形式 流动流动控控制制型型2023年1月21日24 扩扩散散型型 S-底物，P-渗透物膜生物反应器及其分类膜生物反应器及其分类 2023年1月21日25 按生物反应器与膜单元结合方式分：1.分置式系统2.一体式系统3.隔离式系统分置式与一体式膜生物反应器分置式与一体式膜生物反应器2023年1月21日26各种膜生物反应器各种膜生物反应器2023年1月21日27无泡

9、曝气MBR工艺2023年1月21日28萃取MBR工艺2023年1月21日29分置式与一体（内置）式膜分置式与一体（内置）式膜-生物反应器工艺简图生物反应器工艺简图2023年1月21日30旋转流膜分离器旋转流膜分离器2023年1月21日31旋转流和一体式膜生物反应器透水量比较2023年1月21日32气升循环分体式膜生物反应器气升循环分体式膜生物反应器2023年1月21日33逆向渗透式膜生物反应器2023年1月21日34旋转式膜生物反应器2023年1月21日35浸入式中空纤维膜反应器2023年1月21日36膜污染膜污染2023年1月21日37膜污染的防治膜污染的防治造成膜污染的主要原因：造成膜污染

10、的主要原因：污染物质在膜表面或孔内的吸附、或微粒在膜污染物质在膜表面或孔内的吸附、或微粒在膜孔内的不可逆堵塞；孔内的不可逆堵塞；膜表面的浓差极化。膜表面的浓差极化。2023年1月21日38膜污染的影响因素膜污染的影响因素2023年1月21日39膜污染的防治膜污染的防治优化反应器结构优化反应器结构进行膜清洗1.物理清洗2.化学清洗2023年1月21日40膜污染的防治膜污染的防治预处理预处理1.1.物理处理：原水经格栅处理后，原水中的物理处理：原水经格栅处理后，原水中的悬浮颗粒物可以除去近一半，并可去除少悬浮颗粒物可以除去近一半，并可去除少量量COD，减轻膜污染；，减轻膜污染；2.2.化学处理：通

11、过加入一些化学试剂，改变化学处理：通过加入一些化学试剂，改变pH值等，出去离子沉淀。值等，出去离子沉淀。2023年1月21日41膜污染的物理清洗膜的反冲洗指在膜工作了一段时间后，在膜的透出水面施加一个反冲洗压力Pb，在Pb驱动下，清洗水反向穿过膜，将膜孔中的堵塞物洗脱，并使膜表面的滤层悬浮起来，然后被水冲走。反冲洗具有防止与疏通膜纤维堵塞、减小膜阻力，提高透水率及透水率稳定性的作用。2023年1月21日42防治膜污染的主要途径污染后的膜需要采用适当的方法恢复其通量。目前，回复通量的方法有物理清洗和化学清洗两种。采用化学清洗时，由于使用的化学试剂容易造成二次污染，不便于工程上的运行，因此，在实际

12、过程中应用较少。当前，物理清洗是消除膜污染的主要方法。2023年1月21日43膜过滤的影响因素膜过滤的影响因素 膜性质膜性质 料液性质料液性质 膜分离的操作条件膜分离的操作条件2023年1月21日44膜生物反应器设计膜生物反应器设计2023年1月21日452023年1月21日46膜生物反应器设计的技术参数膜生物反应器设计的技术参数1.曝气池容积与膜面积比曝气池容积与膜面积比2.污泥负荷率污泥负荷率3.污泥浓度污泥浓度4.膜通量膜通量污泥负荷率污泥负荷率污泥负荷率 N=QS0/VX 式中：N：污泥负荷率kg（BOD5）/kg（MLSS）d；V：曝气池的容积（m3）；X：曝气池污泥浓度（mg/L）

13、；S0：曝气池进水BOD5（mg/L）；Q：进水流量（m3/d）。2023年1月21日47污泥浓度计算污泥浓度计算2023年1月21日48根据膜过滤凝胶极化模型，当过滤达到稳态时，膜界面污泥浓度达到临界值而不再变化，J=klog（Xg/X）式中，Xg：膜界面污泥浓度（mg/L）；X：混合液污泥浓度（mg/L）；K;传质系数（m3/m2d）。曝气池容积与膜面积比曝气池容积与膜面积比曝气池容积与膜面积比V/A=（JS0）/（NX）其与同污泥负荷率、膜稳态通量、污泥浓度、进水有机物浓度有关2023年1月21日49 膜通量计算膜通量计算膜通量 J=Q/A 式中，J：膜稳态通量（m3/m2d）；A：膜面

14、积（m2）；Q：膜透过水量（m3/d）。2023年1月21日50水力停留时间水力停留时间(HRT)当膜面积一定时，膜生物反应器水力停留当膜面积一定时，膜生物反应器水力停留时间代表了其处理能力。随着膜生物反应时间代表了其处理能力。随着膜生物反应器的运行，膜通量的变化实际上是一个动器的运行，膜通量的变化实际上是一个动态平衡过程，决定了水力停留时间在一定态平衡过程，决定了水力停留时间在一定范围内的变化。范围内的变化。2023年1月21日51泥龄（泥龄（c)细胞的平均停留时间，是微生物在爆气池中的平均培养时间。在间歇过程中 cHRT 在连续处理过程中 cHRT 在膜生物反应器中 c 进一步提高（可调）

15、2023年1月21日52污泥停留时间膜分离延长了生物反应器的活性污泥的停留时间，降低了污泥产率，提高了容积硝化及有机物去除能力。但是活性污泥相对活菌数减少，细菌比活性降低。较低的多糖比也说明污泥相对老化。SRT愈长，细菌被循环次数愈多，失活的可能性愈大。显然，从维持生物活性的角度出发，对膜生物反应器系统宜定期适量排泥，以提高污泥活性。2023年1月21日53污泥指数（SVI）污泥指数又称污泥溶剂指数，指曝气池混合液污泥指数又称污泥溶剂指数，指曝气池混合液经经30分钟沉淀后，分钟沉淀后，1克污泥所占有得沉淀污泥克污泥所占有得沉淀污泥容积得毫升数，可用下式计算容积得毫升数，可用下式计算式中：式中：

16、SV 为污泥沉降比：指体定量地嚗气池混合液静为污泥沉降比：指体定量地嚗气池混合液静置置30分钟后，沉淀污泥与原混合液之体积比，分钟后，沉淀污泥与原混合液之体积比，通常曝气池混合液地沉降比范围为通常曝气池混合液地沉降比范围为1530。2023年1月21日54不同形式膜生物反应器的不同形式膜生物反应器的技术参数技术参数2023年1月21日55HRT对BOD5去除率的影响2023年1月21日56从上表中可看出，HRT的变化虽然使出水水质有所波动，但BOD5去除率都在95%以上。这是由于曝气池内污泥浓度较高，有较强的抗冲击负荷的能力；另外，膜及其表面形成的凝胶层也可截留大分子有机物，保证出水水质。膜生

17、物反应器的设计概述膜生物反应器的设计概述对于膜生物反应器设计，其技术参数涉及生物反应器与膜组件两部分。对生物反应器部分，其控制参数包括：温度、pH、水力停留时间（HRT）、污泥停留时间（SRT）、污泥浓度（MLSS）和污泥负荷等；对膜组件，则涉及膜材料、膜孔径及结构、膜组件形式等的选择，操作压力、膜面流速、透水率、反清洗时间和反洗周期等操作参数。2023年1月21日57膜生物反应器的应用膜生物反应器的应用2023年1月21日58 膜生物反应器的应用膜生物反应器的应用高浓度有机废水高浓度有机废水养殖屠宰废水养殖屠宰废水生活污水处理生活污水处理2023年1月21日59膜生物反应器处理废水膜生物反应

18、器处理废水2023年1月21日60膜生物反应器其他应用中空纤维膜用于（动物、植物）细胞培养酶膜生物反应器用于蛋白质的水解酶膜生物反应器用于产物的合成酶膜生物反应器用于手性物拆分酶与微生物膜反应器用于有机废气的生物转化2023年1月21日61哑铃型中空纤维膜组件哑铃型中空纤维膜组件2023年1月21日62中空纤维膜组件用于细胞培养2023年1月21日63中空纤维及平板式膜组件2023年1月21日64微生物膜反应器 2023年1月21日65培养基CO2微生物中空纤维膜生物反应器处理各种废水过程膜生物反应器处理各种废水过程2023年1月21日66酶膜生物反应器用于蛋白质的水解酶膜生物反应器用于蛋白质

19、的水解2023年1月21日67酶膜生物反应器用于产物的合成酶膜生物反应器用于产物的合成2023年1月21日68酶膜生物反应器用于手性物拆分酶膜生物反应器用于手性物拆分2023年1月21日69植物细胞培养植物细胞培养2023年1月21日70动物细胞培养动物细胞培养2023年1月21日71膜生物反应器的某些中试应用2023年1月21日72膜生物反应器处理废水应用实例城市污水的处理城市污水的处理工业有机废水的处理工业有机废水的处理2023年1月21日73城市污水的处理城市污水的处理生活污水回用中的应用生活污水回用中的应用由于应用于此中场合的污水处理系统除要求回由于应用于此中场合的污水处理系统除要求回

20、用的处理水必须有良好的水质，同时还要求污用的处理水必须有良好的水质，同时还要求污水处理系统流程简单，占地小，稳定性高，管水处理系统流程简单，占地小，稳定性高，管理方便。要达到上述回用水的水质要求，通常理方便。要达到上述回用水的水质要求，通常必须进行三级处理。然而三级处理的费用相当必须进行三级处理。然而三级处理的费用相当贵，以至于无法被广泛采用。而膜生物反应器贵，以至于无法被广泛采用。而膜生物反应器则以低的多费用就能达到这一要求。我国有人则以低的多费用就能达到这一要求。我国有人采用无机膜生物反应器处理生活污水，出水水采用无机膜生物反应器处理生活污水，出水水质优于生活杂用水质标准。质优于生活杂用水

21、质标准。2023年1月21日74城市污水的处理城市污水的处理在粪便污水处理中的应用在粪便污水处理中的应用粪便污水的特点是有机含量很高，因此，目粪便污水的特点是有机含量很高，因此，目前对其处理普遍采用传统的反硝化处理方法，前对其处理普遍采用传统的反硝化处理方法，但是，由于但是，由于MLSS浓度很高，固液分离过程不浓度很高，固液分离过程不稳定，其处理效果不佳。用超滤膜过滤稳定，其处理效果不佳。用超滤膜过滤（UMF）设计的膜生物反应器能很好地解决）设计的膜生物反应器能很好地解决这一问题。通常，这样的这一问题。通常，这样的MBR系统由三部分系统由三部分组成，包括接收单元、高效脱氮生物反应器组成，包括接

22、收单元、高效脱氮生物反应器和深度处理单元（包括消毒）。和深度处理单元（包括消毒）。2023年1月21日75工业有机废水的处理有机物废水的主要污染指标是悬浮固体量SS和生化需氧量BOD5（以5天计算的BOD的含量）两项，但不同种类工业废水浓度相互间却相差悬殊。除SS和BOD5外，与普通城市生活污水不同，工业有机废水中往往含有毒性污染物和酸碱污染物等，如焦化厂废水在含氰化物3040mg/L和酚类物质4050mg/L；电镀废水中的六价铬可高达100mg/L。2023年1月21日76工业有机废水处理工艺的选择2023年1月21日77膜生物反应器的优势与不足膜生物反应器的优势与不足各类膜生物反应器的共同

23、特点是：各类膜生物反应器的共同特点是：污泥浓度高、固体停留时间长、有机物污泥浓度高、固体停留时间长、有机物去除率高、硝化效果好。去除率高、硝化效果好。而水通量低，动力消耗大则是当前膜生而水通量低，动力消耗大则是当前膜生物反应器需要加以解决的主要问题物反应器需要加以解决的主要问题2023年1月21日781.膜的价格与膜的更换频率；2.功率或能耗；3.料液对膜的污染程度。其中，膜污染和能耗是MBR推广应用的共同问题。2023年1月21日79膜生物反应器存在的问题膜生物反应器存在的问题膜生物反应器应用设计例膜生物反应器应用设计例小区污水回用2023年1月21日80膜生物反应器应用设计例膜生物反应器应

24、用设计例2023年1月21日81膜生物反应器工艺出水水质膜生物反应器工艺出水水质2023年1月21日82住宅小区中水系统经济分析2023年1月21日83住宅小区中水系统经济分析假设小区日洗浴、盥洗用水量为：假设小区日洗浴、盥洗用水量为：8003(60+30)=216吨吨小区日节水为：小区日节水为：2160.9=195吨吨小区日节水费用：小区日节水费用：195(1.03-0.62)1.10=87.94元元小区年节水费用为：小区年节水费用为：87.64365=32098元元户均年节水费用为：户均年节水费用为：32098/800=40元元小区日回用用水总用水量为：小区日回用用水总用水量为：2160.9115%=224吨吨2023年1月21日84住宅小区中水系统经济分析住宅小区中水系统经济分析2023年1月21日85专题专题1.1.膜生物反应器膜污染的控制膜生物反应器膜污染的控制2.2.萃取式膜生物反应器的研究进展萃取式膜生物反应器的研究进展3.3.膜生物反应器在中水回用中的应用膜生物反应器在中水回用中的应用2023年1月21日862023年1月21日87