沉浸式生物膜反應器處理廢水

一、概述

生物濾膜反應槽系結合濾膜過(guò)濾技術(shù)與生物反應槽來(lái)處理污染廢水，一般濾膜在生物反應槽中主要用途可分為三種，最常見(jiàn)系利用濾膜優(yōu)良固液分離能力，將活性污泥與處理水分離，藉此取代傳統終沉池效用；第二種形式則是利用濾膜來(lái)當作生物反應槽中的無(wú)泡式曝氣系統，將氧氣通入濾膜中，作為反應槽中氧氣質(zhì)量傳輸之用；第三種則是利用濾膜來(lái)萃取廢水中無(wú)法被傳統污泥程序所去除的有機污染物，而剩余污染物再由生物處理程序去除。

MBR 名詞最早出現于1969年文獻中，當時(shí)是利用微濾膜當作固液分離設備，以此取代并省下傳統活性污泥法的終沉池所需面積。1970年代濾膜技術(shù)引進(jìn)日本市場(chǎng)，日本學(xué)者Yamamoto首先將中空纖維濾膜結合于活性污泥系統，利用孔徑為0.1mm 之中空纖維濾膜置入傳統活性污泥好氧槽內，再經(jīng)由泵浦直接將處理完成之放流水抽出，結果顯示經(jīng)處理后之放流水質(zhì)極佳，其COD與TOC去除率分別可達到95%和97%，60%的氮亦藉由間歇曝氣的脫硝作用去除，因而逐漸引起各界高度重視，紛紛開(kāi)始著(zhù)手進(jìn)行相關(guān)研究。到今日，MBR系統已被廣泛應用于家庭廢水處理、城市廢水處理、紡織廠(chǎng)廢水處理、紙漿廢水處理及面包食品工廠(chǎng)廢水處理等。

自冷戰結束后，美國及世界各國面臨傳統武器及核子武器過(guò)剩、需分解破壞的難題，在這些武器當中發(fā)現最常使用的致癌性化學(xué)藥品為RDX（Hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine）。根據研究指出，RDX可以利用堿水解來(lái)快速破壞分解，但會(huì )產(chǎn)生含甲酸、乙酸、甲醛、胺及亞硝酸的高污染性廢水。Zoh and Stenstrom嘗試利用連續流式缺氧MBR系統來(lái)處理人工仿真合成廢水并探討其處理效率，實(shí)驗結果證明 MBR系統可以有效處理仿真RDX水解后廢水，其COD、NO3--N及NO2--N去除率分別為97%、93.3%及55%，在操作負荷上最高可達0.50kg N/kg MLVSS/d與1.82kg COD/kg MLVSS/d（F/M=0.5kg N/kg SS/d）。

二、薄膜單元

近年來(lái)在水處理程序上應用薄膜已經(jīng)相當廣泛，唯須考慮其經(jīng)濟性。依水回收用途及原水水質(zhì)狀況才能決定采用適當的薄膜。目前主要使用于污水處理的薄膜大都為MF與UF。其主要功能是去除污水中的懸浮顆粒、細菌、病毒、有機物。若使用RO，則可更進(jìn)一步去除有機物、氮、磷等物質(zhì)。生物薄膜程序中，一個(gè)重要單元即為薄膜分離單元，故對薄膜的基本原理與性質(zhì)亦需有正確的了解，茲以薄膜分類(lèi)與功能、薄膜操作影響因子與應用與薄膜使用的限制及缺點(diǎn)等項目分述如下：

1、薄膜的材質(zhì)分類(lèi)

薄膜程序是利用不同種類(lèi)的薄膜材料，通過(guò)篩濾、滲透或電泳等方式達到溶質(zhì)分離的效果。一般常用于水及廢水處理之薄膜，其孔徑介于0.0001-2micron之間，分為MF、UF、NF、RO，孔徑最大為MF，最小為RO。由于MF及UF孔徑較大，能截留分子量較大之物質(zhì)，故多使用于工業(yè)廢水處理及二級處理水再利用。而RO由于孔徑小、成本高，用于海水淡化及家庭用凈水器較多。

依薄膜的材質(zhì)來(lái)分，常用的薄膜材質(zhì)有聚酰胺膜醋酸纖膜等。若依處理對象的性質(zhì)來(lái)分，薄膜可以分為親水性與疏水性薄膜，由此可因水樣性質(zhì)不同而選擇適合的薄膜。濾膜材質(zhì)的選擇極為重要，不同材質(zhì)特性會(huì )造成不同的過(guò)濾效果，進(jìn)而影響濾膜阻塞與否，對可以過(guò)濾的時(shí)效也會(huì )相對改變。以日本三菱公司所生產(chǎn)的中空纖維膜而言，采用的材質(zhì)為聚乙烯，其表面經(jīng)過(guò)“永久親水性”的處理，因而具有不會(huì )吸附有機物的特性。由于這些有機物多半為菌類(lèi)，大多由蛋白質(zhì)構成，且蛋白質(zhì)具有親油性特質(zhì)，因此可減緩濾膜孔徑阻塞的現象。若聚乙烯本身為疏水性材質(zhì)，則會(huì )吸附蛋白質(zhì)、細菌等有機物，因此不經(jīng)處理的PE膜在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間操作后，其過(guò)濾通量會(huì )因膜表面阻塞而造成明顯快速的下降，清洗膜的頻率也會(huì )相對提高。

2、薄膜的應用范圍與功能

各種薄膜形式的應用范圍與功能見(jiàn)表1，可知薄膜最主要的功能在于過(guò)濾機制。圖1顯示一般在活性污泥槽中污泥的粒徑大小的分布，由圖中可發(fā)現小于0.1µm的顆粒只占總體積分布的0.3%，若采用0.1µm孔徑的中空纖維膜，則濾膜對懸浮物的去除率可達99.7%以上。此外若選擇0.4µm孔徑的中空纖維膜，由于當污泥濃度高時(shí)污泥會(huì )聚結，則小于0.4µm的污泥顆粒也會(huì )被去除。因此，不管使用何種孔徑的濾膜皆會(huì )獲得良好的出流水質(zhì)，由此可知將薄膜應用于污水中懸浮物的去除有著(zhù)極佳的功能，當選則薄膜孔徑越小時(shí)，薄膜可去除的污染物種類(lèi)也會(huì )更多。

表1 各式薄膜的區分

圖1 活性污泥槽中污泥粒徑的分布

三、沉浸式膜反應器曝氣系統

Nagaoka指出濾膜單元必須設置于曝氣系統上方，利用曝氣形成向上流場(chǎng)擾動(dòng)中空纖維濾膜，使曝氣系統所產(chǎn)生的水剪力能有效去除附著(zhù)在濾膜孔隙的粒狀物，如此不僅有效提供好氧槽中充足的溶氧，并能有效移除濾膜表面附著(zhù)物，使過(guò)濾時(shí)能保持濾膜穩定通量�？刂扑�流產(chǎn)生向上流場(chǎng)需要兩個(gè)重要條件：一是濾膜生物反應槽必須有足夠的空間以利水流循環(huán)；二是必須提供充足的空氣，通常曝氣量為100Nm3/m2-hr。沉浸式薄膜在實(shí)際應用時(shí)，設計上必須特別注意薄膜在曝氣槽中的配置與打入空氣的流速，不當的配置與空氣流速會(huì )造成水流往上流動(dòng)，與再循環(huán)時(shí)流場(chǎng)遭到破壞而失去沖洗膜管表面的情況。此外須山氏等人指出，原水中若含有超過(guò)100mg/L的油脂類(lèi)物質(zhì)，也必須先行去除以避免濾膜堵塞。Huang的研究中指出，薄膜操作在理想狀態(tài)下，流場(chǎng)的線(xiàn)性流速在濾膜表面必須大40cm/s，且須避免生物槽中亂流的發(fā)生。因此在設計上，槽體必須在沉浸式膜組單元四周提供足夠的空間以形成向下流場(chǎng)，如圖2所示。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

圖2 薄膜流場(chǎng)示意圖

在實(shí)際應用中，沉浸式膜反應器不論是平板式還是中空纖維式，均采用穿孔曝氣器，該形式的曝氣器是在一空氣管上鉆孔，空氣由鼓風(fēng)機壓送至開(kāi)孔處流出形成曝氣及攪拌效果。唯其氣泡的粒徑極大，溶氧效率低，故在高濃度的操作條件下，溶氧將形成處理效果的限制條件。因此，川源（中國）機械有限公司開(kāi)發(fā)出利用射流式曝氣器為基礎，同時(shí)可進(jìn)行反洗的曝氣系統（見(jiàn)圖3）。

圖3 沉浸式膜反應器射流曝氣系統示意圖

用于文托利管原理，提供MBR系統所需的高供氧效率及提供活性污泥攪拌混合之用，同時(shí)可提供高效率膜片的反沖洗系統，以減少膜片堵塞，因而降低膜片的水通量情形�，F行的曝氣系統為散氣式曝氣系統，如需高溶氧效率時(shí)，則會(huì )降低對反應槽的攪拌能力，反之亦同。本發(fā)明用于解決MBR系統高供氧及高攪拌能力的需求，射流式曝氣系統的活性污泥相因射流器提供高剪力的環(huán)境，使活性污泥的顆粒較為密致，不易破碎，可防止因高濃度MLSS及高污泥齡造成污泥破碎的情形。同時(shí)可提供一組高速?lài)娏髌饔糜谇逑茨て�，可降低膜片藥洗頻率，增加系統可靠度。