應(yīng)用“一體化超聲波膜生物反應(yīng)器”創(chuàng)新工藝技術(shù)處理高濃度有機(jī)廢水設(shè)備
來(lái)源： 閱讀：4056 更新時(shí)間：2009-02-23 09:44應(yīng)用“一體化超聲波膜生物反應(yīng)器”創(chuàng)新工藝技術(shù)處理高濃度有機(jī)廢水設(shè)備
摘要：針對(duì)中國(guó)污染企業(yè)排放高濃度的COD工業(yè)有機(jī)廢水處理難度大，處理費(fèi)用高的特點(diǎn)，以及為了解決河水、自來(lái)水微污染問(wèn)題，本公司進(jìn)行了超聲波膜生物反應(yīng)器CMBR工藝的多次中試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)出水SS、COD、氨氮、油類(lèi)、濁度分別為……，出水澄清，出水水質(zhì)優(yōu)于城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T18920-2002），系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了中水回用的目的，有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。
1、普通膜生物反應(yīng)技術(shù)
普通膜生物反應(yīng)器（簡(jiǎn)稱MBR）是一種由膜過(guò)濾取代傳統(tǒng)生化處理技術(shù)中二沉淀池和砂濾池的水處理技術(shù)。
2、膜生物反應(yīng)器分類(lèi)
2．1、目前開(kāi)發(fā)出來(lái)的膜生物反應(yīng)器可以分為四類(lèi)：膜分離生物反應(yīng)器（Membbane separation bio-reactor）；膜曝氣生物反應(yīng)器（Membrane aeration bio-reactor）和萃取膜生物反應(yīng)器（Extractive membrane bio-reactor）；超聲波膜生物反應(yīng)器（Ultrasonic Membrame bio-reactor，簡(jiǎn)稱CMBR）。其中，膜分離生物反應(yīng)器只用于污水處理中的固液分離；膜曝氣生物反應(yīng)器中膜被用于氣體質(zhì)量傳遞，通常是為好氧工藝供氧，可以實(shí)現(xiàn)生物反應(yīng)器的無(wú)泡曝氣，大大提高反應(yīng)器的傳氧效率；萃取膜生物反應(yīng)器主要用于工業(yè)廢水中優(yōu)先污染物的處理，選擇性透過(guò)膜被用于萃取特定的污染物。目前已進(jìn)行了大量研究并投入大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的只有膜分離生物反應(yīng)器，這里只研究膜分離生物反應(yīng)器、一體化超聲波膜生物反應(yīng)器。
2．2、膜分離生物反應(yīng)器的分類(lèi)方法有很多，按照膜組件的放置方式可分為分體和一體化膜生物反應(yīng)器；按照生物反應(yīng)器是否需氧可分為好氧和厭氧膜生物反應(yīng)器。
2．3、分體式膜生物反應(yīng)器把生物反應(yīng)器與膜組件分開(kāi)放置，生物反應(yīng)器的混合液經(jīng)泵增壓后進(jìn)入膜組件，在壓力作用下混合液中的液體透過(guò)膜得到系統(tǒng)出水，活性污泥則被截留，并隨濃縮液回流到反應(yīng)器內(nèi)。一體化系統(tǒng)則直接將膜組件置于反應(yīng)器內(nèi)，通過(guò)泵的抽吸得以過(guò)濾液，膜表面清洗所需的錯(cuò)流由空氣攪動(dòng)產(chǎn)生，曝氣器設(shè)置在膜的正下方，混合液隨氣流向上流動(dòng)，在膜表面產(chǎn)生剪切力，以減少膜的污染。
2．4、好氧膜生物反應(yīng)器一般用于城市和工業(yè)廢水的處理，其中用于城市污水的處理通常是為了使出水達(dá)到回用的目的，而用于處理工業(yè)廢水的主要目的為去除一些特別的污染物，如油脂類(lèi)污染物。對(duì)于華北、華東地區(qū)河水、井水、自來(lái)水作飲用水源時(shí)，由于有微污染問(wèn)題，也可以采用CMBR超聲波振動(dòng)膜生物反應(yīng)器技術(shù)用于飲用水源的予處理，可減少藥劑用量和運(yùn)行費(fèi)用，而且當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)變化很大時(shí)，通過(guò)生化及振動(dòng)超濾膜分離技術(shù)使飲用水源出水仍能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
2．5、將膜分離技術(shù)與厭氧生物反應(yīng)器相結(jié)合，產(chǎn)生了一種更高效、低能耗、易控制與啟動(dòng)的新型厭氧生物處理技術(shù)——厭氧膜生物反應(yīng)器。傳統(tǒng)的厭氧生物處理技術(shù)希望維護(hù)較高的污泥濃度、較短的水力停留時(shí)間（HRT）和較長(zhǎng)污泥停留時(shí)間（SRT），以實(shí)現(xiàn)降低投資與運(yùn)行費(fèi)用的目的，而在厭氧膜生物反應(yīng)器中，通過(guò)膜的高效截留，不僅解決了厭氧污泥容易從生物反應(yīng)器內(nèi)流失導(dǎo)致出水水質(zhì)降低的問(wèn)題，同時(shí)膜分離的作用還體現(xiàn)在對(duì)厭氧反應(yīng)器的構(gòu)造與處理效果的強(qiáng)化方面。以UASB與膜單元相結(jié)合或ABR或IC與膜單元相結(jié)合為例，厭氧膜反應(yīng)器不再需要設(shè)計(jì)三相分離器來(lái)實(shí)現(xiàn)固液氣的分離；而對(duì)于兩相厭氧MBR，由于膜分離的作用使產(chǎn)酸反應(yīng)中的產(chǎn)酸菌濃度增加，提高了水解發(fā)酵能力，同時(shí)膜將大分子有機(jī)物截留在產(chǎn)酸反應(yīng)器中使水解發(fā)酵，因此保持較高的酸化率。厭氧膜生物反應(yīng)器常用于高濃度有機(jī)廢水的處理，由于生物反應(yīng)器缺少曝氣，為了使厭氧污泥處于懸浮狀態(tài)，處理高濃度有機(jī)廢水的厭氧膜生物反應(yīng)器均采用分體式。
3、國(guó)內(nèi)外對(duì)膜生物反應(yīng)器技術(shù)的研究及應(yīng)用進(jìn)展
3.1 國(guó)外的研究與應(yīng)用
膜生物反應(yīng)器技術(shù)起源與60年代的美國(guó)，其研究與應(yīng)用可分為三個(gè)階段：
第一階段（1966-1980）：1966年，美國(guó)的Dorr-oliver公司首先將MBR用于廢水處理的研究；1968年，Smith等把將好氧活性污泥法與超濾膜相結(jié)合的MBR用于處理城市廢水；1969年Budd等的分離式MBR技術(shù)獲得了美國(guó)專(zhuān)利；70年代初期，好氧分離式MBR處理城市污水的實(shí)驗(yàn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。同時(shí)，厭氧MBR研究也相繼開(kāi)始進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究與中試規(guī)模的研究均取得了較滿意的結(jié)果。這一時(shí)期MBR的應(yīng)用受當(dāng)時(shí)膜生產(chǎn)技術(shù)的限制，直到20世紀(jì)七十年代后期，大規(guī)模好氧膜生物反應(yīng)器才開(kāi)始在北美應(yīng)用。膜生物反應(yīng)器最先用于微生物發(fā)醇工業(yè)。在污水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用研究始于60年代的美國(guó)。1968年， Smitb等將好氧活性污泥法與超濾膜相結(jié)合的 MBR用于處理城市污水，該工藝有減少活性污泥產(chǎn)量、保持較高活性污泥濃度、減少污水處理廠占地等優(yōu)點(diǎn)。70年代初期，好氧分離式MBR處理城市污水的試驗(yàn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大；同時(shí)，厭氧MBR研究也相繼開(kāi)始進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究（Shelif等，1972）與中試規(guī)模的研究（Cruver等，1975）均取得了較滿意的結(jié)果。這一時(shí)期MBR的研究重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)適合高濃度活性污泥的膜分離裝置，但由于受當(dāng)時(shí)膜生產(chǎn)技術(shù)的限制，膜的使用壽命短，膜通量小，這項(xiàng)技術(shù)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)僅停留在實(shí)驗(yàn)室研究規(guī)模，未能投入實(shí)際應(yīng)用。
第二階段（1980-1995）：70年代末期，日本由于國(guó)土面積小，地面水體因徑流距離較短而導(dǎo)致其自凈能力差、生態(tài)系統(tǒng)脆弱、易受污染。MBR由于其占地面積小和出水水質(zhì)優(yōu)良的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用有了很快的進(jìn)展。70年代后，日本由于污水再生利用的需要，MBR的研究工作有了較快的進(jìn)展。日本1985年開(kāi)始的“水綜合再生利用系統(tǒng)90年代計(jì)劃”把MBR的研究工作在污水處理對(duì)象與規(guī)模上都大大推進(jìn)了一步。日本在該項(xiàng)計(jì)劃中對(duì)厭氧MBR作了較系統(tǒng)的研究，研制了酒精發(fā)酵廢水、造紙廠廢水、蛋白工廠廢水、城市污水、屎尿廢水、淀粉廠廢水、酒店及工業(yè)油污廢水等7類(lèi)污水的MBR處理系統(tǒng)。這一時(shí)期研究集中在MBR的處理效果與運(yùn)行穩(wěn)定性方面。許多研究都證實(shí)了MBR處理系統(tǒng)。這一時(shí)間研究集中在MBR的處理效果與運(yùn)行穩(wěn)定性方面。許多研究都證實(shí)了MBR能獲得良好的出水水質(zhì)。三井石化公司用MBR處理糞便污水，取得了前所未有的良好效果，MBR運(yùn)行且有一定的穩(wěn)定性。
自1983年至1987年，日本有13家公司使用好氧MBR處理大樓廢水，經(jīng)處理后的水做中水回用，處理規(guī)模達(dá)50-250m3/d。日本1985年開(kāi)始的“水綜合再生利用系統(tǒng)90年代計(jì)劃”把MBR的研究在污水處理對(duì)象與規(guī)模方面都大大推進(jìn)了一步，在該項(xiàng)計(jì)劃中，日本對(duì)厭氧MBR作了較系統(tǒng)的研究，研制了酒精發(fā)本季酵廢水、造紙廠廢水、蛋白工廠廢水、城市污水、屎尿廢水、淀粉廠廢水等7類(lèi)污水的MBR處理系統(tǒng)。目前在日本運(yùn)行（包括在建）的膜生物反應(yīng)器占全球的66%。
進(jìn)入80年代，隨著膜的開(kāi)發(fā)，膜生物反應(yīng)器更具實(shí)用價(jià)值，世界各國(guó)對(duì)膜生物反應(yīng)器的研究也投入了很大力量，使膜生物反應(yīng)器污水處理技術(shù)的研究也有了很大的進(jìn)展，其內(nèi)容大致可分為以下幾個(gè)方面：（1）探索新的膜生物反應(yīng)器形式，擴(kuò)大其適用范圍；（2）探索合適的操作條件和工藝參數(shù)，盡可能提高膜組件的性能；（3）降低處理工藝的動(dòng)力消耗；（5）進(jìn)行機(jī)理及數(shù)學(xué)模型研究；（5）實(shí)用化裝置的研制。
為了解決MBR能耗較高的問(wèn)題，人們研究的第二代MBR：一體式MBR。學(xué)者Yamamoyo等在1989年首先開(kāi)發(fā)了一體式MBR。膜組件直接置入反應(yīng)器內(nèi)，通過(guò)泵的抽吸，得到過(guò)濾液：膜表面的錯(cuò)流由空氣攪動(dòng)產(chǎn)生，曝氣器設(shè)置在膜的正下方，混合液隨氣流向上流動(dòng)，在膜表面產(chǎn)生剪切力，以減少膜的污染。由于不需循環(huán)泵,抽吸泵的工作壓力小，一體式MBR的單位產(chǎn)水能耗小于2kw.h/m3，低于分離式MBR的能耗：并且具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、膜外皮層易于清洗等優(yōu)點(diǎn)。
1992年M.Knops利用 lydney 和Colton提出的濃差極化理論研究錯(cuò)流式膜組件的透水率，研究發(fā)現(xiàn)膜絲長(zhǎng)度減少可以增加透水率，并提出了穿流式膜組件的概念。在一體式MBR和穿流式MBR的研究初期，出水均采用負(fù)壓抽吸方式。1999年，一種新型的一體式MBR-重力淹沒(méi)式出水膜組件，處理每噸水能耗為2.5kwh/m3。
早期的MBR主要局限于生活污水和城市污水、酒店污水處理，著眼于有機(jī)物的去除。80年代以來(lái)MBR處理的對(duì)象拓寬到工業(yè)廢水、石化廢水、發(fā)酵廢水甚至堆肥、填埋場(chǎng)瀝濾液等廢水處理方面。90年代初，MBR開(kāi)始應(yīng)用于廢水的脫氮除磷研究，Hideki與Hidenori 分別進(jìn)行了MBR的高效氨氮硝化與工業(yè)廢水去除磷酸鹽的研究，出水的氮濃度在0.1～20mg/L。1996年，UrbrainV用MBR進(jìn)行飲用水生產(chǎn)的中試研究，以去除飲用水中微量的氮、有機(jī)物與殺蟲(chóng)劑，取得良好效果。
第三階段（1995至今）：進(jìn)入九十年代中后期，越來(lái)越多的歐洲國(guó)家將MBR用于生活污水和工業(yè)廢水的處理。進(jìn)入90年代中后期，膜生物反應(yīng)器在國(guó)外已進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段。Zenon公司在膜生物反應(yīng)器的推廣方面作了許多工作。它首先推出了超濾管式膜生物反應(yīng)器，并將其應(yīng)用于城市污水處理。為了節(jié)約能耗，它又開(kāi)發(fā)了淹沒(méi)式中空纖維膜絲的膜組件，此膜組件可以直接放入曝氣池，也可以單獨(dú)設(shè)立分離池：采用正壓壓濾和負(fù)壓抽濾相結(jié)合的方式，并采用在線等十多個(gè)地方，規(guī)模從380m3/d至7600m3/d。另一個(gè)在膜生物反應(yīng)器實(shí)際應(yīng)用具有競(jìng)爭(zhēng)力的公司是日本的Kubota公司，它所生產(chǎn)的板式膜具有流通量大、耐污染和工藝簡(jiǎn)單特點(diǎn)。此板式膜直接放入混入液中，利用混合液的水頭壓力作為穿透壓，將處理水排出系統(tǒng)，系統(tǒng)出水穩(wěn)定。
目前主要有五家大公司經(jīng)營(yíng)MBR，它們分別是加拿大Zenon公司，日本Mitsubishi Rayon公司，法國(guó)Suez-LDE/IDI公司和日本Kubora公司、美國(guó)的歐梅塞爾公司。Zenon、Mitsubishi Rayon和Kubota公司生產(chǎn)一體式聚合物中空纖維膜組件；Suez-LDE/IDI生產(chǎn)分體式管式陶瓷膜組件；加拿大的Zenon公司首先推出了超濾管式膜生物反應(yīng)期，并將其應(yīng)用于城市污水處理。為了節(jié)約能耗，它又開(kāi)發(fā)了淹沒(méi)式中空纖維絲的膜組件，此膜組件可以直接放入曝氣池，也可以單獨(dú)設(shè)立分離池，采用正壓壓濾和負(fù)壓抽濾相結(jié)合的方式，并采用在線過(guò)濾脈沖反沖洗，易減少膜污染，目前這種膜生物反應(yīng)器已應(yīng)用于美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)和埃及等十多個(gè)地方，規(guī)模從3805m3/d至7600m3/d；日本的Kubota公司所生產(chǎn)的板式膜具有流通量大、耐污染和工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，此板式膜直接放入混合液中，利用混合液的水頭壓力作為穿透壓，將處理水排出系統(tǒng)，系統(tǒng)出水穩(wěn)定。
一些發(fā)達(dá)國(guó)家近年來(lái)MBR的應(yīng)用情況。如荷蘭Xflow公司開(kāi)發(fā)的MBR在生活污水和食品、林業(yè)、造紙等工業(yè)廢水處理中得到了廣泛的應(yīng)用，工業(yè)廢水累計(jì)處理流量為245m3/h，其中一家規(guī)模最大的生活污水處理廠的處理能力為1100m3/h。目前荷蘭正在建造處理能力為18000 m3/h的MBR污水處理廠，并計(jì)劃從2003年開(kāi)始建造處理能力為（6～24）×104 m3/h的MBR污水處理廠。
3.2 國(guó)內(nèi)的研究與應(yīng)用
MBR在我國(guó)水處理方面的應(yīng)用研究首先從分離式MBR開(kāi)始。1993年上海華東理工大學(xué)環(huán)境工程研究所進(jìn)行了MBR處理人工合成污水和制藥廢水的可行性研究。同年中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心菊思啟動(dòng)MBR的研究。1995年，樊耀波將MBR用于石油化工污水凈化的研究，研制出一套實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的好氧分離式MBR。該系統(tǒng)對(duì)石油化工污水中COD、BOD、SS、濁度、石油的去除率分別為78％～98％、96％～99％、75％～99％、98％～100％、87％～100％。
近年來(lái)，膜生物反應(yīng)器的處理對(duì)象不斷擴(kuò)展：傳宏（1997）采用無(wú)機(jī)膜－生物反應(yīng)器進(jìn)行了處理生活污水的實(shí)施；志超（1999）采用MBR處理COD高達(dá)3000～12000mg/L的巴西基酸生產(chǎn)廢水；建功（1999）采用生物接觸氧化法取代活性污泥作為MBR系統(tǒng)的生物反應(yīng)單元，進(jìn)行膜－生物接觸氧化法處理港口污水的研究：義亮（1999）采用厭氧膜生物反應(yīng)器進(jìn)行高濃度食品廢水處理；連軍（2000）用無(wú)機(jī)膜－生物反應(yīng)器（IMBR）處理啤酒廢水。這些研究結(jié)果表明：MBR對(duì)廢水的COD，NH3－N，SS，濁度等都達(dá)到良好的去除效果。
隨著我國(guó)水污染和水資源短缺問(wèn)題的加重，我國(guó)的MBR研究正加快發(fā)展，1997年中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心開(kāi)始了穿流式膜－生物反應(yīng)器的研究工作，清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、天津大學(xué)等高校開(kāi)展了分離式MBR和一體式MBR的研究：MBR的研究對(duì)象從生活污水?dāng)U展到石化污水、高濃度有機(jī)廢水、食品廢水、啤酒廢水、港口污水、印染廢水：膜生物反應(yīng)器從活性污泥法擴(kuò)展到接觸氧化法：生物處理流程從好氧發(fā)展到厭氧，并且對(duì)不同污水的處理效果、系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、操作條件的優(yōu)化進(jìn)行了研究。但目前有關(guān)膜生物反應(yīng)器處理污水的實(shí)際應(yīng)用愈來(lái)愈見(jiàn)于報(bào)道。
膜生物反應(yīng)器作為一種正在發(fā)展中的污水處理高科技新技術(shù)，具有普通生物處理工藝不及的優(yōu)點(diǎn)，其在污水凈化處理中的應(yīng)用研究正受到國(guó)內(nèi)許多研究者的關(guān)注。隨著膜制造技術(shù)的進(jìn)步，膜質(zhì)量的提高和制造成本的降低，油污水超聲波高效處理裝置在污水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。
3.3 在國(guó)內(nèi)膜生物反應(yīng)器研究與應(yīng)用
目前主要有23家公司經(jīng)營(yíng)MBR，它們分別是杭州市的浙大凱華、凱潔、浙大泓泉、凱成、恒濾膜公司，天津市的膜天膜、中天水處理、天方膜分離公司，北京市的碧水源、清華德人、清華紫光環(huán)境、潤(rùn)澤、中科膜技術(shù)、九鼎高科、朗澤、東方神龍公司，上海的萬(wàn)森水處理、恒通水處理、陶氏化學(xué)、旭化成化學(xué)公司，另外有湖州東偉、湖州歐美環(huán)境、大連大器、東莞萬(wàn)源、深圳立升公司經(jīng)營(yíng)MBR、廣州的綠城環(huán)保、華益環(huán)保、益方田園。其中以浙大凱華、天方膜分離、天津市的膜天膜、旭化成化學(xué)公司、湖州歐美環(huán)境規(guī)模較大。我們?cè)趶V州從90年代中期就與中國(guó)科學(xué)院超聲波研究所專(zhuān)家及日本、美國(guó)超聲研究所專(zhuān)家合作開(kāi)始研究高能超聲波與膜生物反應(yīng)器協(xié)同作用處理高濃度有機(jī)廢水以及研究超聲波膜清洗技術(shù)。
超聲波膜生物反應(yīng)器廢水處理工藝新技術(shù)，是一門(mén)以物理、超聲波電子、機(jī)械、生物化學(xué)、膜分離技術(shù)、微電腦及自動(dòng)化儀表、壓力容器及材料學(xué)為基礎(chǔ)的高科技組合技術(shù)。早在1830年，Savrt用齒輪第一次產(chǎn)生24KHz的超聲，1927年Wood和Loomis首次發(fā)表超聲能量作用的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，為今天的功率超聲學(xué)奠定了基礎(chǔ)。超聲波是物理介質(zhì)中的一種彈性機(jī)械波和電、磁、光等同樣是一種物理高能能量形式。具有聚束、定向及反射、透射引起微粒振動(dòng)。超聲波作用于廢水中不同的聲強(qiáng)、聲密度、聲功率、頻率下會(huì)產(chǎn)生下面七種理化效應(yīng)：①機(jī)械效應(yīng)；②熱效應(yīng)；③溶氧及空化清洗效應(yīng)；④熱解消化和自由基氧化效應(yīng)；⑤聲流促使粒子移動(dòng)效應(yīng)；⑥生化反應(yīng)加速傳質(zhì)效應(yīng)；⑦加速污泥絮凝沉淀觸變效應(yīng)。
超聲波技術(shù)作為一種新的廢水、微污染水源處理技術(shù)，在國(guó)內(nèi)還鮮為人知，在國(guó)外，已有了大量實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究成果，并有大規(guī)模進(jìn)入水處理實(shí)際應(yīng)用，被認(rèn)為是一種有前途的水處理技術(shù)，本文將綜述國(guó)外、國(guó)內(nèi)超聲波技術(shù)在水處理方面的研究。
超聲波是指頻率高于20KHZ-5MHZ的聲波，當(dāng)一定強(qiáng)度的超聲波通過(guò)廢水媒體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列的物理、化學(xué)效應(yīng)。早在1929年就有超聲波廢水化學(xué)效應(yīng)的報(bào)道。超聲波環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用也發(fā)展較快，主要有超聲波清洗、固液分離、超聲波熱解、有毒物消化降解和自由基氧化效應(yīng)對(duì)污泥的降解處理等，其對(duì)有機(jī)物的處理與有機(jī)聲化學(xué)是密切相關(guān)的，也是國(guó)外新近開(kāi)展的研究課題，目前已有一些實(shí)驗(yàn)室成果。我國(guó)在超聲波與膜生物反應(yīng)器的協(xié)同作用新的廢水處理技術(shù)，以及超聲波與膜的清洗抗污技術(shù)研究，此方面的研究很少。
1） 機(jī)理分析
超聲波對(duì)有機(jī)物的處理基于以下兩個(gè)理論。
A、空化理論
超聲波對(duì)有機(jī)物廢水的處理不是直接的聲波作用，因?yàn)槌曉谝后w中波長(zhǎng)為10～0.015cm（相當(dāng)于15KHZ至10MHZ），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子的尺寸，而是和液體中產(chǎn)生的空化氣（ sound cavitation ）。足夠強(qiáng)度的超聲波通過(guò)液體時(shí)，當(dāng)聲波負(fù)壓半周期的聲壓幅值超過(guò)液體內(nèi)部靜壓強(qiáng)時(shí)，存在于液體中的微小氣泡（空化核）就會(huì)迅速增大，在相繼而來(lái)的聲波正壓相中氣泡又絕熱壓縮而崩滅，在崩滅瞬間產(chǎn)生極短暫的強(qiáng)壓力脈沖，氣泡周?chē)⑿】臻g形成部熱點(diǎn)（hot spot ），其溫度高達(dá)5000ºK，壓力達(dá)500atm，持續(xù)數(shù)微秒之后，該熱點(diǎn)隨之冷卻，冷卻率達(dá)109k/s,并伴有強(qiáng)大的沖擊波（對(duì)均相液體媒質(zhì)）和時(shí)速達(dá)400km的射流（對(duì)非均相媒質(zhì)）。這就為有機(jī)物的處理創(chuàng)造了一個(gè)極端的物理環(huán)境。
B、自由基理論
在空化作用產(chǎn)生的高溫、高壓下，廢水水分子裂解產(chǎn)生自由基：H2O → •H ＋ •OH
自由基由于含有未配對(duì)電子，所以其性質(zhì)活潑，很容易進(jìn)一步反應(yīng)變成為穩(wěn)定分子。自由基可在空化氣泡周?chē)缑嬷匦陆M合、或與氣相中揮發(fā)性溶質(zhì)反應(yīng)、或在氣泡界面區(qū)、甚至在本體溶液與可溶性溶質(zhì)反應(yīng)，形成最終產(chǎn)物。自由基可用電子自旋共振（ESR）譜法檢測(cè)。
在含有聚合物的多相體系中，由于空化泡崩滅時(shí)的強(qiáng)大的流體力學(xué)剪切力，會(huì)使大分子主鏈上碳鍵產(chǎn)生斷裂，產(chǎn)生自由基引發(fā)各種反應(yīng)。
同時(shí)聲波的機(jī)械效應(yīng)（傳聲媒質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)、加速度及聲壓等力學(xué)量）和熱效應(yīng)（聲波轉(zhuǎn)化而成）對(duì)廢水有機(jī)物的處理貢獻(xiàn)也不容忽視，有時(shí)甚至主要是這些效應(yīng)。
超聲波對(duì)廢水混凝具有促作用，因?yàn)楫?dāng)超聲波通過(guò)廢水有微小絮體顆粒的流體介質(zhì)時(shí)，其中的顆粒開(kāi)始與介質(zhì)一起振動(dòng)，但由于大小不同的粒子具有不同的振動(dòng)速度，顆粒將相互碰撞、粘合，體積和重量均增大。然后，由于粒子變大已不能隨超聲振動(dòng)，只能作無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)碰撞、粘合、變大，最后沉淀下來(lái)。由于超聲波的廢水高效絮凝作用，將比一般的廢水絮凝效果好，對(duì)廢水污染物的去除率高。
2）超聲發(fā)生器和反應(yīng)器；
超聲波發(fā)生器按其產(chǎn)生方法來(lái)分有兩種：一是流體動(dòng)力式發(fā)生器，是以高速氣體或液體來(lái)產(chǎn)生超聲，如旋笛、液哨等；另一種是電磁轉(zhuǎn)換產(chǎn)生超聲，有清洗槽輻射式、聲變幅桿浸入式和杯形反應(yīng)器等。
3）超聲波對(duì)廢水中不同有機(jī)物的處理作用：對(duì)鹵代烴類(lèi)、酚類(lèi)、硝基酚、氯酚、醇類(lèi)、聚合物、芳香族化合物、馬拉磷農(nóng)藥、灰黃毒素酸等的聲解處理作用研究。
1995年為了尋找出水水質(zhì)很穩(wěn)定、出水澄清、先進(jìn)的污水處理工藝技術(shù)；為了尋找產(chǎn)污泥量很少、占地少、COD容積負(fù)荷較高、能解決膜污染和濃差極化問(wèn)題、以提高膜壽命和效率，降低設(shè)備或設(shè)施運(yùn)行成本；為了尋找能夠再生回用和資源化的CMBR工藝。我們?cè)群罂疾炝巳毡、美?guó)、德國(guó)、加拿大等多家膜技術(shù)公司和污水處理廠及設(shè)備。從1995年-2007年先后研制了多臺(tái)超聲波膜生物反應(yīng)器，承接了多個(gè)污水處理工程，并對(duì)廣東幾個(gè)企業(yè)的房地產(chǎn)公司生活小區(qū)及酒店旅館的生活污水、餐飲業(yè)油污水和工業(yè)乳化油高濃度廢水、垃圾滲透液廢水、食品工業(yè)高濃度有機(jī)廢水進(jìn)行小試、中試研究及多個(gè)工程試點(diǎn)，經(jīng)環(huán)保部門(mén)檢測(cè)，取得了良好的應(yīng)用效果。
A、1998年開(kāi)發(fā)出了第一代超聲波膜生物反應(yīng)器，后來(lái)通過(guò)8年多的研究，先后采用超聲波好氧膜生物反應(yīng)器，超聲波厭氧膜生物反應(yīng)器（〖UASB+CMBR〗/ 〖ABR+CMBR〗/ 〖IC+CMBR〗/〖UBF+CMBR〗），無(wú)泡曝氣膜生物反應(yīng)器、萃取膜生物反應(yīng)器、超聲波與臭氧膜生物反應(yīng)器、超聲波與二氧化氯膜生物反應(yīng)器、超聲波與紫外線膜生物反應(yīng)器、超聲波與TiO2膜生物反應(yīng)器等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。超聲波膜生物反器又應(yīng)用了序批式活性污泥法與超聲波膜生物反應(yīng)器組合工藝（SBR+CMBR/LINPOR+CMBR /CASS+CMBR/氧化溝+CMBR/PACT+CMBR）、生物接觸氧化生物膜與超聲波膜生物反應(yīng)器組合工藝（BCOT+ CMBR）、循環(huán)固定微孔載體生物膜與超聲波膜生物反應(yīng)器組合工藝（BAF+ CMBR）、循環(huán)移動(dòng)微孔載體生物流化床與超聲波膜生物應(yīng)器（ABFT+ CMBR）、A2/O與超聲波膜生物反應(yīng)器（即MSBR+CMBR）對(duì)工業(yè)高濃度有機(jī)廢水進(jìn)行小試、中試研究。
“一體化超聲波膜生物反應(yīng)器”（Ultrasonic Membrame bio-reactor，簡(jiǎn)稱CMBR）是膜分離技術(shù)和循環(huán)載體生物膜法（生化技術(shù)）、高能超聲波在線清洗技術(shù)和催化氧化超聲波降解技術(shù)組合在一起的新型污水超聲波高效處理專(zhuān)利技術(shù)。
① 這種高效污水處理技術(shù)是由膜組件取代傳統(tǒng)活性污泥法法的二沉池、污泥濃縮池、砂濾池、活性碳濾池及消毒池，利用膜的高效截留作用進(jìn)行固液分離；
② 利用超聲波在20～100KHZ范圍內(nèi)的空化清洗和振動(dòng)作用，對(duì)膜組件進(jìn)行在線自動(dòng)清洗，從而解決了常規(guī)MBR的膜污染問(wèn)題；解決了濃差極化，進(jìn)而延長(zhǎng)了膜的2～3倍使用壽命；
③ 超聲波空化將Ø1.5～3mm 曝氣氣泡打碎成Ø5µm～200µm微氣泡，并提高了溶氧率，降低了曝氣風(fēng)機(jī)的運(yùn)行成本。
④ 另外超聲波在100KHZ～5MHZ范圍內(nèi)對(duì)難于生物降解污水中的有機(jī)物和含有毒害的有機(jī)化學(xué)物質(zhì)具有熱解、微射流及沖擊波作用，能使水分子在熱點(diǎn)下達(dá)到超臨界狀態(tài)，并分解成羥基自由基（·OH）、超氧基等，·OH具有強(qiáng)氧化性；污水中有機(jī)物能在熱點(diǎn)下發(fā)生化學(xué)鍵斷裂、瞬時(shí)高溫分解、超臨界水氧化、自由基氧化等反應(yīng)，這些效應(yīng)加上聲場(chǎng)中的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，次級(jí)衍生波等為有毒有害的化學(xué)有機(jī)物降解提供了難以達(dá)到的途徑；從而使污水中苯環(huán)類(lèi)、多碳鏈復(fù)雜有機(jī)物大分子降解為單碳物和低分子有機(jī)物，以易于微生物生化降解；
此技術(shù)提高了污水（有機(jī)廢水）可生化比（BOD/COD），但在工作過(guò)程中需控制污水中超聲波的作用時(shí)間、聲功率、聲強(qiáng)、頻率、水溫、PH值及聲功率作用方式。一般污水先經(jīng)超聲波予處理后可降解50～80%有機(jī)物，城鎮(zhèn)生活小區(qū)污水通過(guò)超聲波膜生物反應(yīng)器處理后出水可直接中水回用。
對(duì)于高濃度工業(yè)乳化油廢水、工業(yè)食品廢水、酒店餐飲廢水、垃圾滲透液、工業(yè)漂染廢水等經(jīng)超聲波予處理后，將有毒和難降解物及多碳鏈復(fù)雜有機(jī)物大分子直接降解為單碳物和低分子有機(jī)物，提高了廢水生化降解性，再通過(guò)活性污泥吸附、生化作用及（微濾）超濾膜分離出水基本可穩(wěn)定達(dá)到優(yōu)于國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)GB8978-A和廣東省一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)DB44/26-2001和中水回用標(biāo)準(zhǔn)GB/T18920-2002（COD≤50mg/L、 BOD5≤50mg/L）
2003年我們依托廣州綠城環(huán)？萍脊緫(yīng)用此專(zhuān)利技術(shù)，曾先后對(duì)廣州房地產(chǎn)公司生活小區(qū)生活污水和廣州汽車(chē)有限公司生產(chǎn)車(chē)間乳化油、工業(yè)廢水（5m3/d，BOD=5000～80000 mg/L），廣東某酒店餐飲廢水（COD=500～1200 mg/L）、廣州某垃極填埋場(chǎng)垃圾滲透液廢水、廣州某醫(yī)院醫(yī)療廢水進(jìn)行小試、中試試驗(yàn)，出水基本為（CODcr=10～50 mg/L），出水穩(wěn)定，設(shè)備運(yùn)行6個(gè)月基本無(wú)污泥排放（垃圾滲透液廢水僅每3個(gè)月排少量砂渣）。
現(xiàn)計(jì)劃與印度水務(wù)集團(tuán)公司進(jìn)行城市污水處理工程（處理量1000m3/d）和廣東某醫(yī)院廢水處理工程（處理量500m3/d）、廣東鶴山市印染廠廢水工程(處理量2000立方米/天)、北京市豐臺(tái)區(qū)某醫(yī)院(處理量100立方米/天)、北京市豐臺(tái)區(qū)城市示范住宅小區(qū)污水處理工程(處理量24立方米/天)、北京密云城市污水處理及污水回用工程（處理量5萬(wàn)m3/d）進(jìn)行一體化超聲波膜生物反應(yīng)器工藝技術(shù)放大應(yīng)用試點(diǎn)。
超聲波膜生物反應(yīng)器工藝技術(shù)特點(diǎn)：
在超濾膜過(guò)濾下，分離效果遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)沉淀池、污泥濃縮池等處理單元，出水水質(zhì)穩(wěn)定， 懸浮物和濁度接近于零，可達(dá)到國(guó)家生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（CJ25.1-89），一般低污染度市政/市鎮(zhèn)生活污水處理后可直接回用.
高容積負(fù)荷下，停留時(shí)間短，占地面積減小。
反應(yīng)池內(nèi)MLSS濃度可達(dá)10000--15000mg/L以上，耐負(fù)荷沖擊能力強(qiáng)。
有利于增殖緩慢的硝化細(xì)菌的截留、生長(zhǎng)和繁殖，系統(tǒng)的硝化效率得以提高，A/O反應(yīng)下具高效脫氮、除磷的功能。使用專(zhuān)用EG系列優(yōu)勢(shì)細(xì)菌，能快速去除難降解的有機(jī)物和氨氮，并減少硝化菌、聚磷菌訓(xùn)化的時(shí)間。
適用于舊有污水處理廠進(jìn)行改造，僅需增設(shè)占地很小的MBR膜組件和超聲波設(shè)備。
在生物自解下污泥量很少，反應(yīng)器在高容積負(fù)荷、低污泥負(fù)荷、高泥齡之運(yùn)轉(zhuǎn)下，生活污水可以實(shí)現(xiàn)基本無(wú)剩余污泥排放，降低了剩余污泥處理的費(fèi)用。
操作運(yùn)行費(fèi)用平均低于0.35元/噸，可實(shí)現(xiàn)微電腦自動(dòng)化控制，便于操作管理。
超濾膜可攔除大部分細(xì)菌等微生物，減少消毒藥劑添加及獲得穩(wěn)定、安全的回用水。
膜分離大大提高了污水的大分子難降解的物質(zhì)處理效率。
利用先進(jìn)的超聲波技術(shù)對(duì)MBR的膜組件進(jìn)行在線清洗，減少反沖洗頻率和清洗藥劑的用量，延長(zhǎng)了膜組件的壽命；通過(guò)超聲波聚焦提高了氧的溶解利用率。
裝置一體化，安裝方便；工藝流程簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，省去了二沉池、砂濾池、碳濾池、污泥濃縮池與消毒池，占地面積很小。
自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單，管理方便，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遠(yuǎn)程控制。運(yùn)行成本低，維護(hù)方便。
