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 细解膜生物反应器MBR(首创股份水处理技术专家赵亮)

发布时间:2016-03-03    点击:1573次

 MBR就是膜生物反应器,最早诞生时并不是现在这样把膜丝浸没在好氧池或者二沉池里的。而是采用管式有机超滤膜制作成成套设备,放置二沉池旁边,用泵把泥水混合物直接打入管式膜的内孔里,在压力的作用下,干净(相对)的水会透到膜的外侧,在膜组件的腔体里被收集,通过产水出口外排。这样的好处是可以减小二沉池体积,降低占地和土建成本,且产水水质远远优于传统生化+二沉池,而且即使发生污泥膨胀等生化体系不正常的情况,产水水质仍然稳定。

随着膜生物反应器的应用增多,人们发现这样的设计带来的负面影响是能耗过高。由于进入膜的泥水混合物,粘度较大,需要加大流量以保证膜表面的液体流速,只有流速快了,才能减少污染物沉积并污染膜的风险。因此,工程技术人员开始思考另一种方式应用膜生物反应器,就是现在大家常见的浸没式膜生物反应器。这个设计的改变主要是为了更好的优化运行中的电耗。人们开始把膜放入好氧池,这样曝气可以擦洗膜表面,阻止污染物附着,然后采用抽吸的方式,就是用真空泵从膜丝内孔汇总到一起的管路向外吸,就像我们用脉管喝汽水一样。试验中,发现由于管式膜直径粗,容易在抽吸时被嘬瘪。就开始使用中空纤维膜替代管式膜,这就是现在绝大多数商品化膜生物反应器的雏形了。

膜生物反应器是唯一与生化技术耦合使用的膜技术。膜在应用中并没有直接对生化反应有任何影响,但是因为膜截留了全部的活性污泥,可以增高好氧池中的污泥浓度(MLSS)MLSS,现在最高可以做到12g/L。这和传统的活性污泥法相比,浓度大幅提高了,可以更有效的利用池容,应对水质波动。由于膜丝浸没在泥水混合物中,因此常规的设计是抽吸产水一段时间,停止抽吸产水一分钟,而曝气是不停止的,这就是用不抽吸工作的这一分钟,利用空气更好地擦洗膜丝。由于膜丝浸没在泥水混合物中,因此常规的设计是抽吸产水一段时间,停止抽吸产水一分钟,而曝气是不停止的。这就是用不抽吸工作的这一分钟,利用空气更好地擦洗膜丝。GE等公司的设计是运行8分钟,停止1分钟。9分钟一个周期。一些膜丝强度不好的产品,可能要求7分钟或者更短的时间作为一个周期。当然因为污泥浓度高了,曝气量也要增高。这就是为什么采用膜生物反应器的水厂运行成本高于传统工艺水厂的主要原因之一。但是即使这样,仍然不断发生断丝的问题。

人们开始通过两种方式加以解决。一是把膜丝做细,比如用聚乙烯或者聚丙烯,把膜丝做得像头发丝一样。二是把膜做粗,在膜丝内侧增加支撑物。做细的原理是,一旦膜丝细了,即使有断丝,在抽负压时,泥也会堵塞断裂的膜丝,顶多是这根丝不起作用了,产水水质不会被破坏,而且丝细了,单位占地面积装填的有效过滤面积还变大了。做细的原理是,一旦膜丝细了,即使有断丝,在抽负压时,泥也会堵塞断裂的膜丝,顶多是这根丝不起作用了,产水水质不会被破坏,而且丝细了,单位占地面积装填的有效过滤面积还变大了。做粗的原理更简单了,就是,你不是断嘛,我加上支撑层,让你断!这就有了GE的Zeeweed500D可以吊保龄球的宣传。当然GE还有一款Zeeweed1000就没有支撑层,不敢吊保龄球了。但是一旦做粗,有两个问题就来了。一是单位占地面积的有效过滤面积变小了,要有更大的初始投资;二是支撑层可不是和过滤的超滤膜一个材质或一类材质的,应用中经常出现分层或表面起分离作用的超滤膜层剥落的现象。就像人体组织有排异性似的,这主要是膨胀系数不同等很多因素导致的。

目前,有三家主流公司制作支撑膜,最早的是日本三菱丽阳(与三菱重工、三菱电器没有半毛钱关系)、美国GE(是收购的加拿大泽能)和北京碧水源。碧水源是完全仿制三菱丽阳出身,但是现在膜剥离问题仍然没能完全解决,这方面做得最好的就是三菱丽阳了,这也是为什么碧水源与三菱丽阳设立合资公司的原因之一。

日本人在中国做产品生意总是水土不服,因此宁愿牺牲一些利益,与中国公司合作。同类合资还有平板膜生物反应器的翘楚日本久保田公司与安徽国祯的合资。现在,把膜做细已经市场越来越小了,逐步转向外压过滤体系应用了,不再在有活性污泥的体系中应用了,而且多在家用净水器中使用,这个现在就不多说了,以后聊家用净水器时再说。那么中空纤维膜生物反应器的市场就剩下加支撑和不加支撑的了,可想而知,不加支撑的几乎逐渐衰退。但是,不加支撑仍然有好处呀,就是占地省和不会剥落。因此,创新又开始了,求是公司最早研制砼式膜,就是不把膜丝做粗,而是在膜丝的壁厚中埋几根纤维进去,这样就想钢筋混凝土的结构一样,既保证了一定的强度,又没有影响占地,还没有剥落问题(你见过预制板里的钢筋能人力抽出来嘛)。后来韩国三星集团从GE、日本旭化成等公司挖了团队,也开始研发同样的膜丝,对就是大家手机的那个三星,只不过是三星的一个子公司叫第一毛织。虽然这样的砼式膜丝强度还是不如支撑膜,但是窃以为足够应付活性污泥的应用了。

中空纤维的部分先到这里。后面还有两个部分,一个是平板膜生物反应器,一个是比较部分,主要比较下平板膜生物反应器和中空纤维膜生物反应器、膜生物反应器与传统生化法的各自特点和应用选择。下面说的是平板膜生物反应器。刚才说管式和中空纤维膜生物反应器时,大家已经知道中空纤维膜生物反应器的弱点了。为了让膜生物反应器更皮实耐用,就出现了平板膜生物反应器。很简单,就是把平板膜粘接在一个板框上,两边都粘上,就形成了一个密闭的空间,污水在外边流动,里边抽真空,净水就会渗透到里侧,最后通过端面的收集管汇总排出。

最后装成这样的单元模块,浸没到污水中去。原理和中空纤维一样。平板膜生物反应器很好的解决了强度问题,甚至可以直接用水冲洗,有某一片破损了,也可以单独更换一片。

在市政污水处理中,由于平板膜生物反应器更结实耐用,可以设计更高的产水通量,一般可以是中空纤维膜生物反应器的1.2-1.5倍。但是,即使通量(单位时间、单位过滤面积的产水量,单位通常是L/m2h或者m3/m2d)更高,但是平板膜仍然在单位占地面积能够装填的有效过滤面积参数上不如中空纤维膜生物反应器。此外,与碟管式反渗透膜一样,由于板块的引入,导致成本增加。单从价格来说,平板膜生物反应器的单价是中空纤维膜生物反应器的2倍左右(进口与进口比、国产与国产比)。但是,即使通量(单位时间、单位过滤面积的产水量,单位通常是L/m2h或者m3/m2d)更高,但是平板膜仍然在单位占地面积能够装填的有效过滤面积参数上不如中空纤维膜生物反应器。此外,与碟管式反渗透膜一样,由于板块的引入,导致成本增加。单从价格来说,平板膜生物反应器的单价是中空纤维膜生物反应器的2倍左右(进口与进口比、国产与国产比)。由于膜生物反应器工作的池体中,mlss比较高,在应用中发现中空纤维膜生物反应器经常会出现一些问题,需要维护的工作量较大,因此越来越多的设计不把中空纤维膜生物反应器直接放在好氧池,而是置于二沉池或者在好氧池中进行隔断。而平板膜生物反应器由于更优异的耐受性,仍然可以直接置于好氧池中。

我看到过不少设计院设计的方案,将平板膜生物反应器置于二沉池,或将中空纤维膜生物反应器置于复杂废水的好氧池。这都是不太合理的设计。那么平板膜生物反应器和中空纤维膜生物反应器应该如何选择呢?通常应该发挥各自长处。比如,平板膜生物反应器更皮实,维护省心,不用吊装到独立设计的清洗池清洗,因此工业废水深度处理回用更适合,因为更稳定。而平板膜占地、贵等问题,恰恰在工业废水处理中不明显,工业废水一天10000吨就很大了,占地大点、贵点就认了,能稳定是第一位的。而市政污水处理就不能这么奢侈了,水价影响很大,占地影响很大。而且市政污水比工业废水成分简单很多。中空纤维膜生物反应器正好符合要求。因此,简单的区分应用领域可以这样理解。但是万事无绝对,个别例外也会有的。大的趋势不变。而且,不论是中空纤维膜生物反应器还是平板膜生物反应器也都在不断发展。

近几年,阿尔法拉法公司并购了一家丹麦公司,其开发的新型平板膜生物反应器已经优化了占地和成本,在向中空纤维膜生物反应器发起挑战,虽然还不能弥补劣势,但已经做出了很好的改进。我相信随着材料科学的不断发展,平板、中空都会不断进步。而且,不论是中空纤维膜生物反应器还是平板膜生物反应器也都在不断发展。

说了这么多膜生物反应器的好处,也得说说和传统工艺的对比。传统方式在相当长的一个阶段内,是不会被膜生物反应器完全替代的,因为有几个问题膜生物反应器还克服不了。

运行成本是大家先会想到的,但这个不重要,因为我相信膜会越来越便宜。更重要的是,膜生物反应器耐水量冲击很差,尤其在中国这个雨污分流做得不好的国家,一旦大面积降雨,就会导致水量激增,传统工艺的弹性会更大一些,甚至稍微牺牲一点水质,水厂还是安全的,但是膜生物反应器的水厂就惨了,水量上升,导致膜通量必须提高,而膜通量的逐步或经常性提高,膜寿命就会严重被影响,严重时会马上损坏,届时整个工厂就丧失处理能力了。因此,传统工艺仍有很大空间。把传统工艺与膜生物反应器适当结合应该是更理性的选择。为了卖自己的产品就欺骗政府和客户,不实事求是的公司即使现在很风光,以后也会咽下苦果的。