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废水解决方案的艺术——BIO-CEL® 膜生物反应器
孙 震
（迈纳德膜技术有限公司北京代表处，北京 100012）
0 前言
膜生物反应器（MBRs）是结合了活性污泥法（ASP）中微生物对废水的处理以及超滤膜或微滤膜高效分离技术的一种新型的废水处理技术。
MBRs可以在高混合液悬浮固体（MLSS）浓度下运行，由于膜的高效截留作用，可以阻挡所有固体或细菌通过膜（膜孔径的大小范围在0.05 ～0.5μm）。膜生物反应器通常在MLSS浓度10g/L左右下操作。因此，MBRs反应器相比于普通活性污泥法（CASP）拥有更小的占地面积，可以得到更高的体积负荷。该工艺的优点是产水水质好，由于膜的存在，使得产水可以完全去除固体和细菌，同时由于更加紧凑的曝气池设计，以及沉淀池和膜组件外部建造的去除，使得MBRs拥有小的占地面积。现今MBRs面临的主要挑战是膜污染和运行成本的控制。
膜污染是由生物固体，胶体物质，阻垢剂或大分子物质沉积在膜表面造成的，膜污染导致通量和渗透性能的下降。由于活性污泥的多样性，膜污染非常复杂。生物特征，细胞外有机物质（EPS），孔的大小，表面特征和膜材料，膜组件构造和操作条件等因素都会影响膜污染状况。在浸没式膜组件中，膜的堵塞和缠结会减少膜表面的过滤面积。缠结是由于毛发或长纤维造成的（如添加的纤维），这种状况在中空纤维膜组件中比较常见，毛发或纤维缠绕在膜片间无法去除。没有足够的向上流动会导致污泥在膜表面沉积这将导致膜组件的堵塞。膜频繁的清理将影响膜的成本效益（膜清洗时无法过滤，因此可以预见需要额外的膜进行过滤，保证一定的产水量），化学药剂的使用会污染环境（例如：次氯酸钠消毒剂的使用）。
1 “德国制造”Bio-Cel®– MBR 膜组件
迈纳德膜技术的Bio-Cel®膜组件成功地结合了传统板框式膜组件和中空纤维膜组件的优势。该新型膜组件不仅更加节省空间，同时不易发生缠结和污泥沉积，这归功于该新型膜组件的可反洗性。Bio-Cel®仅需要对进水进行简单的预处理，促进两个清洗周期之间过滤时间的延长。
图1 Bio-Cel®膜生物反应器
Bio-Cel®膜组件的优势：
膜材料高耐化学性，耐温性和机械性能
结合了中空纤维膜和板式膜的优点
可反洗，同时可以化学反洗，减缓污泥沉积
不易缠结和污泥沉积
自支撑型结构，拥有高的填充密度
1.1 材料
由于PES超滤膜具有低生物污染的特点，选用亲水性聚醚砜（PES）超滤膜，见图2。膜的支撑和排水系统是用聚酯材料。外包材料是聚乙烯，管道材料为聚氯乙烯（PVC）。
图2 PES超滤膜
1.2 可反洗平板膜
新近开发的膜组件的核心部分是可反洗的平板膜袋。可反洗的平板膜材料的可反洗能力是通过一个新型的层压工艺实现膜片与引水层的层压。该技术主要的困难在于保证这个层压两层之间具有足够的粘附力，同时保持高度过滤性能。允许化学药剂的在线反冲洗。2mm厚的自支撑膜片，使膜组件拥有高的填充密度同时重量更低（图3）。
图3 自支撑膜“三明治”模型
1.3 流动阻力
为了获得一个低流动阻力，膜片间的压力损失必须保持在较低水平。这对于反洗（化学反洗）非常重要，反洗可以清洗膜面上所有的膜孔。因此，我们开发了一个新的引流层连同透析收集管的抽吸点，透析管抽吸点设置在膜片的中间偏上位置而不是底部或者侧边，可以更有效的降低膜片间的压力损失，减小流动阻力。
1.4 膜组件构造
平膜板的使用可以防止膜的缠结，因为毛发或纤维无法缠绕在膜片上。膜组件的顶部和底部是开放的，以防止在底部污泥沉积。膜组件构造的优化可以尽可能的减少污泥沉积区的存在。由于膜片的自支撑特性，使得无外框的膜组件构造成为可能。
1.5 过滤性能和最大峰值流量
Bio～Cel®系统的纯水过滤性能是在350-500 L/m2/h/bar的范围内，与其他浸没式超滤膜组件相当。在活性污泥过滤中，TMP增加导致渗透性能的下降，并且污染层在膜表面不断积累。图4中显示的是4个月的运行时间跨度下渗透性能的变化，在此期间，没有进行任何的化学清洗，平均的通量为13 L/m2/h左右。渗透性能从最初的350L/m2/h/bar下降到200 L/m2/h/bar。
图4 Bio-Cel®的过滤性能
Bio-Cel®的带泥操作最大可以得到35 L/m2/h的通量。系统可以稳定在20L/m2/h几个星期的时间。较高的通量将导致更频繁的化学清理。Bio-Cel®膜组件的过滤性能总体上是非常让人满意的。
1.6 系统能耗：
在MBR系统中，能耗主要用于氧传输和引发错流流动。影响能耗大小的因素主要有浸没高度，曝气效率和通量大小。每两组Bio-Cel®膜组件每小时所需的特定曝气量大小为0.5～0.8 m3N，与其他MBRs膜组件相当。膜组件的浸没高度很浅，因为膜组件的高度仅有1.35m。根据不同的通量和不同的错流流动，能耗的需求正常是在0.2-0.5 kWh/m3范围。
1.7 新发展——机械清洗工艺
Bio-Cel®膜组件可以通过外加固体颗粒物到活性污泥中，以实现机械清洗，因此我们可以实现无需化学药剂的清洗。Bio-Cel®-MCP（机械清洗工艺）可以保持膜组件过滤性能稳定在高水平，同时提高系统的水力通量。另外，机械清洗工艺也可以用来对已经被污染的膜组件进行清洗，见图5。
将来，这种新发展MBRs的清洗工艺将进一步增强MBR设备与环境的协调性，AOX（可吸收有机卤化物）将成为历史。同时，这种新清洗工艺能够提高设备的可用性，为更加紧凑的设备的制造铺平道路；由于系统平均通量的提高，设备的处理效率将更高。
图5 颗粒机械清洗示意
表1 不同浸没式膜组件设计特性
传统中空纤维膜组件 传统板式膜组件 新型膜组件 中空纤维膜：膜丝柔性,可反冲洗 支撑板式平板膜：膜片为刚性,不可反冲洗 夹层式平板膜：膜片为柔性,可反冲洗 独立的清洗 独立的清洗 操作中机械清洗 填充密度 填充密度 填充密度 典型膜通量 典型膜通量 典型膜通量20～30L/m2h 缠绕式纤维物质,污泥堵塞,卡在纤维间,无法通过反冲去除 沟槽式,低填充密度,堆积在板间,始于板固定处,没有反冲洗 平板膜不会夹带污泥或纤维物质,反冲洗及化学清洗可避免过量微生物沉积 化学及机械清洗 化学及机械清洗 在线反洗或化学清洗
2 市场
膜生物反应器是在活性污泥污水处理工艺的下一代工艺。随着Bio-Cel®产品的引进，可以得到更有效、可靠和有指导意义的废水处理解决方案。我们可以显著提高废水净化率，同时由于超滤膜存在，我们可以达到很好的产水水质。
新型研发的可反洗膜片是通过支撑层材料与膜片的层压而成的，它不仅保证了反洗的可能性，同时保证了高的填充密度和低重量。平板膜避免了膜的缠结，同时开放式的构造结构把污泥沉积和纤维黏附的可能性降低到最小。我们利用我们的产品已经为全球许多客户提供了最佳的解决方案，同时我们将一如既往的专注于膜生物反应器的进一步发展和应用。我们正采取措施进一步减少能耗以及化学药剂的使用，应对今后MBR应用的挑战。
◎Email：sunzhen6688@163.com