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华北水利水电学院硕士学位论空 m b r 处理高校园区生活污水循环利用试验研究 摘要 我国水环境日趋恶化，水资源危机日渐严峻，采用处理和利用相 结合的污水处理技术，对污水进行无害化和资源化处理，对于缓解我 国水资源危机具有重要意义。而目前我国的污水处理率和资源化率却 很低，所以从事污水资源化方面的研究具有深远的意义。 对传统的污水处理工艺好氧生物处理和厌氧生物处理进行 了分析，总结了两种污水处理方法的优势和不足。传统的污水处理工 艺基建投资大，处理效率低，能耗高，不能满足污水资源化和高效能 的要求。 近几年来，膜生物反应器( m b r ) 作为一种新兴的水处理工艺应运 而生，它是膜技术和生物技术的有机结合，以其经济有效的处理方法， 开辟了污水处理技术研究和应用的新领域。与常规的污水处理工艺相 比，具有设备简单、操作管理方便、剩余污泥产量低以及净化效果好 等特点，m b r 在国外研发时间比较长，应用也比较广泛；但在我国， m b r 工艺的研究还处于起步阶段，很多方面有待于进一步研究。 此课题就是在这样的背景下，开展了临r 处理高校园区生活污 水循环利用试验研究的研究工作。 随着高校的扩招，高校园区已经成为一个人口高度密集的社区， 华北水利水电学院硕上学位论文 其日生活污水排放量相当大，将高校园区的生活废水处理再循环利用 具有很突出的社会效益和经济效益。 将m b r 应用到高校园区生活污水的处理循环利用中，从活性污泥 培养着手，对m b r 工艺处理洗浴废水和高氨氮生活污水进行了试验研 究。 试验结果表明，m b r 对洗浴废水具有较好的污染物去除效果，运 行稳定后，出水水质良好，所测的各项指标均符合城市杂用水水质 标准( g b i t1 8 9 2 0 2 0 0 2 ) 之要求；且m b r 出水c o d 浓度基本不受进 水c o d 负荷的影响，具有很强的抗冲击负荷能力，低温下仍然可以表 现出良好的去除效果。 对高氨氮生活污水处理的试验结果表明，m b r 工艺具有一定程度 的同时硝化反硝化作用，对色度、浊度和c o d 依然表现出了良好去除 效果。运行后期，出水色度、浊度和c o d 也能满足城市杂用水水质 标准( g b t1 8 9 2 0 - 2 0 0 2 ) 要求。 根据实验结果和经验，分析了船r 运行中各参数之间的内部联系， 找到了最好的运行条件，从而为m b r 处理生活污水的可行性提供依据， 为推广应用打下了技术基础。 回用 关键词m b r ，驯化与培养，洗浴废水，高氨氮生活污水，污水 e x p e r i m e n l c a ls t u d yo nm b r a p p l i e d t ot r e a 口a n dr e c y c l et h es a n i t a r y s e a g ei nc a m p u s a b s t r a c t i no u rc o u n t r y , w a t e re n v i r o n m e n th a sm o r ea n dm o r ew o r s e n e d ，a n d t h ew a t e rr e s o u r c e sc r i s i si ss e r i o u sd a yb yd a y s oi ti sb e c o m i n gv e r y s i g n i f i c a n tt oa l l e v i a t ew a t e rr e s o u r c e s c r i s i st h a tw ec a na d o p ts o m e s e w a g e t r e a t m e n tt e c h n o l o g i e st ot r e a ta n dr e c y c l es e w a g e b u ta tp r e s e n t ， t h er a t eo fd o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dt h er a t eo fd o m e s t i c w a s t e w a t e rr e c y c l i n ga r ev e r yl o w , i ti sp r o f o u n ds i g n i f i c a n tt oe n g a g ei n t h es t u d yo fw a s t er e c y c l i n g t h ea r t i c l ea n a l y z e st h et r a d i t i o n a ls e w a g et r e a t m e n tc r a f t st h a ta r e a n a e r o b i cb i o l o g i c a lt r e a t m e n ta n da e r o b i cb i o l o g i c a lt r e a t m e n t ，a n d s u m m a r yt h e i rs u p e r i o r i t i e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h et r a d i t i o n a ls e w a g e t r e a t m e n tc r a f t sh a v es o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sc o n s u m p t i o no fb i g e n e r g ya n dm o r ec o s to fi n v e s t m e n t s ot h e y c a nn o ts a t i s f yt h er e q u e s to f d o m e s t i cw a s t e w a t e rr e c y c l i n ga n dt h eh i g he f f i c i e n c yo fw a s t e i nt h ep a s ts e v e r a ly e a r s ，t h em e m b r a n eb i o l o g yr e a c t o ri san e w l y d e v e l o p e dw a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g yw h i c hi s f o u n da n dw i d e s p r e a d a p p l i e dt os e w a g et r e a t m e n t i tc o m b i n e s m e m b r a n et e c h n o l o g ya n d 4 望苎奎! ! 查皇兰堕堡：! 兰垡堡塞 b i o l o g i c a lt e c h n o l o g y a tt h es a m et i m e ，i ti sak i n do fe c o n o m i c a l e f f e c t i v et r e a t m e n tm e t h o da n dd e v e l o p st h en e wd o m a i no f s e w a g e t e c h n o l o g yt r e a t m e n tr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n i th a ss o m ea d v a n t a g e s ， s u c ha ss i m p l ed e v i c e ，c o n v e n i e n to p e r a t i o n m a n a g e m e n t ，e x c e s ss l e d g e s o u t p u ta sw e l la sg o o dp u r i f i c a t i o ne f f e c ta n ds oo n ，c o m p a r e dt os o m e c o n v e n t i o n s e w a g et r e a t m e n tc r a f t s ，i nb r o a d ，t h er e s e a r c ho nt h e m e m b r a n eb i o l o g yr e a c t o ra l r e a d yh a sal o n gt i m ea n dm b r i sa l s o w i d e s p r e a da p p l i e d ，b u ti nh o m e , t h er e s e a r c hi sa tt h es t a r ts t a g e , m a n y a s p e c t sa r ew a i t i n gf o rf u r t h e rs t u d i e s ， s ow ed e v e l o pt h er e s e a r c hw o r kw i t h t h ep r o j e c to ft h e t o p i c ( ( e x p e r i m e n t a ls t u d yo nm b ra p p l i e dt ot r e a ta n dr e u s et h es a n i t a r y s e w a g ei nc a m p u s ) ) w i t ht h ee n l a r g e de n r o l l m e n to fc o l l e g e ，t h e c o l l e g ec a m p u sh a s b e c o m eah i g h l yd e n s ec o m m u n i t y , a n dt h e i r se v e r y d a ys a n i t a r yw a s t e d i s c h a r g ei sq u i t eb i g 。i tw i l lh a v es o m ev e r yo u t s t a n d i n gs o c i a la n d e c o n o m i cb e n e f i t si fw et r e a ta n dr e u s et h es a n i t a r ys e w a g ei nc a m p u s s t a r t i n gw i t hc u l t i v a t i n ga n dd o m e s t i c a t i n ga c t i v a t e d s l u d g e ，w e a p p l yt h em b rt ot r e a tt h eb a t h i n gw a s t e w a t e ra n dt h eh i g hs t r e n g t h a m m o n i a n i t r o g e nd o m e s t i cw a s t e w a t e ro fi nc a m p u s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t ，t h et r e a t m e n te f f e c to fm b r w a sg o o d a n ds t a b l et ot h eb a t h i n gw a s t e w a t e r a tt h el a s tp e r i o do fr u n n i n g s t e a d i l y , t h ew a t e rq u a l i t yo fo u t l e tw a sb e t t e r , a n d t h ew a t e rq u a l i t yo ft h e m o n i t o r i n gp r o j e c t si nt h eo u t l e tm e e tt h em i s c e l l a n e o u sd o m e s t i cw a t e r 5 竺! ! 查型查皇兰堕璺主兰堡丝苎一 q u a l i t ys t a n d a r d ( o b f r1 8 9 2 0 2 0 0 2 ) a n dt h ec h e m i c a lo x y g e n d e m a n d d e n s i t yi nt h eo u t l e to ft h em e m b r a n eb i o l o g yr e a c t o ri s n o ta f f e c t e db y t h ec h e m i c a lo x y g e nd e m a n dl o a do ft h ei n f l u e n c e ti th a dt h ev e r ys t r o n g a n t i i m p a c tl o a da b i l i t y , a n ds t i l lc o u l dd i s p l a yg o o dr e m o v a l e f f e c tu n d e r t h el o wt e m p e r a t u r e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t ，t ot h eh i g ha m m o n i a - n i t r o g e ns a n i t a r y s e w a g e ，t h e r ea r et h es i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o ni nt h e m e m b r a n eb i o l o g yr e a c t o rt os o m ee x t e n t t h em e m b r a n eb i o l o g yr e a c t o r s t i l lh a dag o o dr e m o v a le f f e c to nt h ec h r o m a t i c i t yc o l o r , t h et u r b i d i t ya n d t h ec h e m i c a lo x y g e nd e m a n d i nt h el a s tp e r i o d ，t h ec h r o m a t i c i t yc o l o r , t h et u r b i d i t ya n dt h ec h e m i c a lo x y g e nd e m a n di nt h eo u t l e tm e e tt h e m i s c e l l a n e o u sd o m e s t i cw a t e rq u a l i t ys t a n d a r d ( g b t1 8 9 2 0 2 0 0 2 ) a c c o r d i n gt ot h er e s u l to ft h ee x p e r i e n c ea n ds o m ee x p e r i e n c e ，w e a n a l y z e dt h ei n t e r n a lr e l a t i o n so fv a r i o u sp a r a m e t e r sw h e n t h em e m b r a n e b i o l o g yr e a c t o rw a sr u n n i n ga n df o u n dt h eb e s to p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h e yp r o v i d et h eb a s i sf o rt h ef e a s i b i l i t yo ft r e a t i n gs a n i t a r ys e w a g e w i t h m e m b r a n eb i o l o g yr e a c t o r a n df o rt h et e c h n o l o g yo ft h es p r e a d a p p l i c a t i o n k e yw o r d sm b r ， c u l t i v a t ea n dd o m e s t i c a t e s ， b a t h i n g w a s t e w a t e r ，h i g hs t r e n g t ha m m o n i a n i t r o g e n d o m e s t i cw a s t e w a t e r ， w a s t e w a t e rr e c y c l i n g 6 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学 术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人 或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它 教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均己在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后 果由本人承担。 学位论文作者签名： 打纱签字日期：莎，矽f p 保证人( 导师) 签名： 房名签字睨硝易 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权 华北水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提 供检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。( 涉密的学 位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：p 乞 导师签名： 签字日期：莎n 7 8 徊厍瓤 辩嗍：缈7 么，夕 i 华北水利水电学院硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 膜生物反应器的发展背景 1 1 我国的水资源状况 随着社会经济的发展和人口的增长，水资源短缺已经成为一个全球化的问 题，而我国的缺水形势尤其严竣。2 0 0 0 年中国环境状况公报公布，我国人 均水资源量为22 3 8 6 岔，仅相当于世界人均占有量的i 4 ，是世界人均水资源 极少的1 3 个贫水国之一。在全国6 0 0 多座建制城市中，有近4 0 0 座城市缺水， 其中严重缺水的城市达1 3 0 多个。缺水每年给城市工业产值造成的损失达12 0 0 亿元以上“1 。同时，我国水资源的分布极不平衡，大多以降雨为主，降雨又多集 中在7 、8 、9 三个月份，总体的格局是南方多、北方少，东南多，西北少。所以， 就不可避免地面i i 缶这样的情况：北方城市大部分受到资源型缺水的困扰，而南方 多水地区由于受到不同程度的污染，呈现水质型缺水的趋势删。 人们在对水的需求量增大的同时对水的污染也在加剧，水环境污染日趋严 重，使得本来有限的水资源变得更加紧缺。近几年来，我国水体水质总体上呈恶 化趋势。1 9 8 0 年全国污水排放量为3 1 0 多亿t ，而1 9 9 7 年上升为5 8 4 亿t ，到 了1 9 9 8 年我国废水排放量已达6 0 0 多亿t ，其中工业废水3 3 0 多亿t ，生活污水 2 7 0 多亿t 。全国7 大重点流域地表水有机污染普遍，特别是流经城市的河段有 机污染较重，主要湖泊富营养化问题突出。多数城市地下水受到了一定程度的点 状或面状污染。全国日排放城市污水约1 亿m 3 以上“1 ，城市污水集中处理率仅为 7 ，8 0 的污水未经有效处理就直接排放”】。 水是人类赖以生存的基本条件，随着社会进步与人类文明的不断发展，一方 面，人类对水的需求量和品质要求越来越高，水在人类社会生活中的意义日益突 出，从社会科学和自然科学两个方面，赋予水的内涵更加全面：( 1 ) 随着人类生 活质量的提高，人们不仅要求丰富的物质生活，而且要求有美好的自然环境和清 新的生活空间。水作为人类环境要素的重要意义已经只益突出。“亲水文化”、“水 边环境”已经成为人们修饰环境的重要内容。( 2 ) 水作为人类赖以生存、社会赖 以发展的要素，已经不仅仅是天然水的范畴了。水作为重要资源，由于参与社会 华北水利水电学院硕士学位论文 的工农业生产生活而变得十分珍贵。另一方面，水污染问题日益严重，水资源短 缺和水环境污染已成为制约我国经济和社会发展的重要因素。 1 1 2 我国的污水处理状况 我国污水处理的历史始于1 9 2 1 年，但直至改革开放后的近二十年来才取得迅 速的发展，且因为经济发展水平的限制，目前我国的污水治理步伐仍然严重滞后。 据1 9 9 9 年统计，全国1 70 0 0 个城镇中绝大多数没有排水和污水处理设施，在我国 现有的6 6 9 个城市中，仅有3 0 7 座不同处理等级的城市污水处理厂，其中城市污水 二级处理率10 9 6 左右1 ，其中绝大部分污水未经有效处理就排入江河湖海，全国 的污水治理率不足3 0 ，污水的处理和回收利用很低更加剧了水环境的恶化。 1 1 3 污水的处理技术 污水处理的目的，就是采用物理、化学或生物的方法将污水中所含的污染物 质分离出来，或将其转化为无害的物质，从而使污水得到净化。在现代污水处理 技术中，按照处理程度可划分为：一级处理、二级处理和三级处理”1 。 迄今为止，生物处理法仍然是去除废水中有机污染物最经济、最具有环境效 益的处理方法。废水的生物处理主要是利用微生物的生命活动过程，对废水中的 污染物进行转移和转化，从而使废水得到净化的过程。利用生物学方法处理废水， 由于微生物对污染物有较强、较快的适应性，并可将有关污染物作为底物加以降 解或转化，而且还可以产生出许多有用的代谢物质，因此，生物处理技术以其消 耗少、效率高、成本低、反应条件温和以及无二次污染等显著优点，而备受人们 青睐；同时它也是一项保障可持续发展的有力技术措施。废水生物处理方法主要 包括好氧生物处理和厌氧生物处理“，好氧生物处理的前提是必须要在有氧的情 况下进行，而厌氧生物处理则需要保证无氧环境。由于好氧生物处理效率高，应 用比较广泛，多用于处理中等浓度以下的城市污水和工业废水；厌氧处理对象主 要是中、高浓度有机物废水和污水处理中所产生的污泥。 1 1 3 1 好氧生物处理 好氧生物处理是在有游离氧( 分子氧) 存在的条件下，利用好氧微生物降解有 机物，使其稳定、无害化的处理方法。微生物利用废水中存在的有机污染物( 以 溶解状与胶体状的为主) 作为营养源进行好氧代谢。这些高能位的有机物质经过 一系列的生化反应，逐级释放能量，最终以低能位的有机物质稳定下来，达到无 华北水利水电学院硕士学位论文 害化的要求，以便返回自然环境或进一步处置。好氧生物处理的反应速度较快， 所需的反应时间较短故处理构筑物容积较小，且处理过程中散发的臭气较少。 在废水处理工程中，好氧生物处理法有活性污泥法和生物膜法两大类。活性污泥 法的应用已有很长的历史，但在废水处理中仍占优势地位；生物膜法主要用于从 污水中去除溶解性有机污染物，是一种被广泛采用的生物处理方法。生物膜法从 本质上与土地处理的过程相似，是污水灌溉和土地处理的人工化和强化。生物膜 法的主要设施有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化池和生物流化床等。生物滤 池有间歇生物滤池、普通( 单层) 生物滤池，塔式( 多层) 生物滤池等多种形式。问 歇生物滤池只适用于个别的场合，一般不采用。 1 1 3 2 厌氧生物处理 厌氧生物处理是在没有游离氧存在的条件下，利用兼性细菌与厌氧细菌降解 和稳定有机物的生物处理方法。在厌氧生物处理过程中，复杂的有机化合物被降 解、转化为简单的化合物，同时释放能量。在这个过程中，有机物的转化分为三 部分：部分转化为c h ，可回收利用；部分被分解为c o , 、h ：o 、n h ，、h 。s 等无机物， 并为细胞合成提供能量；少部分有机物被转化合成为新的原生质的组成部分。由 于仅有少量有机物用于合成，故相对于好氧生物处理来说，其污泥增长率小得多。 由于厌氧生物处理废水过程不需另加氧源，故运行费用较低。此外，它还具有剩 余污泥量少，可回收能量( c 也) 等优点。其主要缺点是反应速度较馒，反应时问 较长，处理构筑物容积大等。但通过对新型构筑物的研究开发，其容积可缩小。 此外，为维持较高的反应速度，需维持较高的反应温度，因此其消耗能源较多。 尽管上述两种污水生物处理方法具有很多优点，但是也存在着一些无法避免 的缺点，主要表现在以下几个方面：基建投资大，运行管理费用离。目前城市 污水活性污泥处理技术的基建标准为15 0 0 元( m 3 d ) ，则一个日处理水量为1 0 万方的常规二级污水厂的基建设施费约为1 5 亿元。运行管理费用约为基建投资 的1 0 一2 0 。如果处理规模较小的生活污水或工业废水时，则其处理单位水量 的费用会更高。操作复杂，难以管理。如活性污泥法启动慢，经常出现污泥膨 胀等问题。据报道法国有约四分之一的活性污泥法污水处理厂中存在污泥膨胀问 题1 。另外，生物流化床池体较大时，一旦停止运行，再启动很困难，运行时的 水力条件也难以控制。传统的污水生物处理方法虽然可以有效地去除s s 和 3 华北水利水电学院硕上学位论文 b o d 。等，但对n 、p 等营养物质的去除率较低，二级出水易引发河流湖泊的。富 营养化”。 水环境质量的严重恶化和经济的高速发展，迫切要求适合时代发展的污水资 源化技术，以缓解水资源的短缺状况。在水污染治理领域，传统的污水处理工艺 基建投资大，处理效率低，能耗高，不能满足污水资源化和高效能的要求。因此， 近十几年来，各种废水处理新技术不断涌现出来，其中生物处理作为经济有效的 废水处理方法，越来越受到人们的重视。 近年来，随着膜生产技术的提高和生产成本的降低，膜技术开始在污水处理 领域中崭露头角，特别是与生物反应器相组合的m b r 作为一种新型高效污水处理 技术在国际上受到了广泛关注。以超滤或微滤与传统的活性污泥生化处理技术相 结合而成的m b r ，以膜分离过程取代重力沉降过程，不论固体颗粒的沉降性能如 何，均可完成固液分离，并且可以避免因生物体流失而造成的系统失效。m b r 是 膜技术和污水生物技术有机结合产生的废水处理新工艺，其产生和发展是这两类 知识应用和发展的必然结合，膜技术和生物处理技术的交叉、结合，开辟了污水 处理技术研究和应用的新领域。 1 2 膜生物反应器的主要特征 i 2 1 膜生物反应器的工艺原理 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，m b r ) 是以膜组件作为取代二沉池的泥 水分离单元设备，并与生物反应器组合构成一种新型的生物处理装置“”。污水进 入反应器后，反应器中的微生物将污水中的污染物进行同化和异化。异化产物多 数为无害的c o ：和h ：0 ，同化物质成为微生物的组成物质，从而取得良好的处理效 果“”。在m b r 中，膜单元部分主要用于截留悬浮物和大分子有机物，微生物固体 被有效地截留在反应器中，可以完全地控制微生物在反应器中的停留时间及有效 地对处理水进行消毒。同时因为膜系统的截留作用将几乎全部的污泥截留在反应 器中，使m b r 系统的污泥质量浓度升高，生物量增加，因此代谢有机物的能力增 强，同时也将难降解的有机物和世代期较长的硝化细菌保留在反应器中，如此可 以延长有机物的代谢时白j 和增强生物相的硝化能力。m b r 综合了膜分离与生物处 理技术的优点，不仅可以最大限度地去除悬浮物，同时可以通过膜分离将二沉池 4 华北水利水电学院硕士学位论文 无法截留的游离细菌和大分子有机物阻隔在生物池内，大大提高了反应器内活性 污泥的浓度，从而提高了氮、磷和其他有机污染物的去除率。 1 2 2 膜生物反应器的组成“” 通常提到的m b r ，实际是3 类反应器的总称，它们分别是膜一曝气生物反应器 ( m a b r ) 、萃取膜生物反应器( e n m r ) 和膜分离生物反应器( m b r ) 。下面对这3 类反应 器做以简单的介绍。 ( 1 ) 膜一曝气生物反应器 无泡曝气m b r 最早见于c o t e p 等于1 9 8 8 年的报道。它采用透气性致密膜( 如硅 橡胶膜) 或微孔膜( 如疏水性聚合膜) ，以板式或中空纤维式组件，在保持气体分 压低于泡点的情况下，实观向生物反应器的无泡曝气。此工艺延长了接触时间， 极大地提高了传氧效率；有利于曝气工艺的更好控制，有效地将曝气和混合功能 分开；此外不受传统曝气系统中气泡大小及停留时间等因素的影响。膜一曝气生 物反应器如图卜l 所示 进斛液 出料砬 ! 一 苑 ；j 气体循环 非非 廿廿 u 成壁避气 生奶睫 困卜1 膜一曝气生物反应器示意图 f i g 1 - 1t h e h i n tc h a r to ft h em e m b r a n ea e r a t i o nb i o r e a c t o r ( 2 ) 萃取膜生物反应器 萃取m b r 是结合膜萃耿和生物降解，利用膜将有毒工业废水中有毒的、溶解 性差的优先污染物从废水中萃取出来，然后用专性细菌对其进行单独的生化降 解，从而使专性细菌不受废水中离子强度和p h 值的影响，生物反应器的功能得到 优化。萃取膜生物反应器如图1 - 2 所示。 目前，膜一曝气生物反应器和萃取膜生物反应器还处在实验室阶段，尚无实 际的工程应用。 华北水利水电学院硕j ：学位论文 废水蠢 曩气废水 图1 - 2 萃取膜生物反应器示意图 f i g 1 - 2t h eh i n tc h a r to fe x t r a c t i v em e m b r a n eb i o r e a c t o r ( 3 ) 膜分离生物反应器 膜分离生物反应器中的膜组件相当于传统生物处理系统中的二沉池，利用膜 组件进行固液分离，截留的污泥回流至生物反应器中，透过水外排。按膜组件和 生物反应器的相对位置，膜分离生物反应器又可以分为一体式膜生物反应器“”、 分置式膜生物反应器、复合式膜生物反应器3 种。在分置式m b r 中，生物反应器的 混合液由泵增压后进入膜组件，在压力作用下膜过滤液成为系统处理出水、活性 污泥、大分子物质等被膜截留，并回流到生物反应器内，如图卜3 所示 出水 分量式 图1 - 3 分置式膜生物反应器示意图 f i g 1 - 3t h e h i n tc h a r to ft h eb i o m a s ss e p a r a t i o nm e m b r a n eb i o r e a c t o r 一体式m b r 根据生物处理的工艺要求，可分为2 种组成形式：第一种是有两个 生物反应器，其中一个为硝化池，另一个为反硝化池，如图卜4 所示。膜组件浸 6 华北水利水电学院硕士学位论文 没于硝化反应器中，两池之间通过泵来更新要过滤的混合液。第2 种组合最简单， 是直接将膜组件置于生物反应器内，通过泵抽吸而得到过滤液，如图1 - 5 所示 进水重力流回流污泥 生物反硝化池生物硝化池 图1 - 4 双池体一体式膜生物反应器示意图 f i g 1 - 4t h eh i n tc h a r to ff u l l - s c a l es u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o rw i t h d o u b l ep o n d s - i p 一体式 图1 - 5 单池体一体式膜生物反应器示意图 f i g 1 - 5t h eh i n tc h a r to ff u l l - s c a l es u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o rw i t h s i n l g l ep o n d 复合式膜生物反应器在形式上也属于一体式膜生物反应器，所不同的是在生 物反应器内加装填料，从而改变了m b r 的某些性状，如图1 - 6 所示 7 华北水利水电学院硕士学位论文 进 图1 - 6 复合式膜生物反应器示意图 f i g 1 - 6 - 1 1 n eh i n tc h a r go fs u b m e r g e dc o m p o s i t em e m b r a n eb i o r e a c t o r 一体式膜生物反应器把膜组件置于生物反应器内部，进水进入m b r 后，其中 大部分污染物被混合液中的活性污泥分解，再在压力作用下有膜过滤出水。这种 形式的m b r 由于省去了混合液循环系统，并且靠抽吸出水，所以能耗相对较低， 占地较分置式更为紧凑，近年来在水处理领域受到了特别关注。但是其膜通量相 对较低，容易发生膜污染，不容易清洗和更换膜组件。 根据生物反应器的需氧性又可分为好氧膜生物反应器和厌氧膜生物反应器； 根据生物反应器的受压情况又可分为膜常压生物反应器和膜加压生物反应器。 1 2 3 膜生物反应器的特点 和常规的生物处理方法相比，m b r 具有如下显著特点“”踟： ( 1 ) 出水水质优质稳定。由于膜的高效分离作用，分离效果远好于传统沉 淀池，出水水质良好，出水悬浮物和浊度接近于零，细菌和病毒被大幅去除，出 水水质优于建设部颁发的生活杂用水水质标准( c j 2 5 1 卜8 9 ) ，可以直接作为非饮 用市政杂用水进行回用，实现了污水资源化。 ( 2 ) 膜的高效截留作用，使微生物完全截留在反应器内，实现了反应器水 力停留时间和污泥龄的完全分离，使运行控制更加灵活稳定。 ( 3 ) 反应器内的微生物浓度高，耐冲击负荷强。 ( 4 ) 污泥泥龄长。膜分离使污水中的大分子难降解成分在反应器内有足够 的停留时间，大大提高了难降解有机物的降解效率。 ( 5 ) 避免二次污染。由于反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运 行，可以基本实现无剩余污泥排放，大大降低了二次污染的可能性。 ( 6 ) 可去除氨氮及难降解有机物。由于微生物被完全截留在生物反应器内， 8 华北水利水电学院硕士学位论文 从而有利于增殖缓慢的微生物( 如硝化细菌) 的截留生长，系统硝化效率得以提 高。同时，可增长一些难降解的有机物在系统中的水力停留时间，有利于难降解 有机物降解效率的提高。通过运行方式的改变亦可有脱氮和除磷功能。 ( 7 ) 系统采用p l c 控制，易于实现全程自动控制。船r 实现了水力停留时间 ( h r t ) 与污泥停留时间( s r t ) 的完全分离，运行控制更加灵活稳定，是污水处 理中容易实现装备化的新技术，可实现微机自动控制，从而操作管理更为方便。 ( 8 ) 占地面积小，工艺设备集中。m b r 内能维持高浓度的微生物量，处理装 置容积负荷高，占地面积大大节省，工艺流程简单，结构紧凑，不受设置场所限 制，可做成地面式、半地下式和地下式。 ( 9 ) 基建投资和设备运行费用低。 ( 1 0 ) 易于从传统工艺改造而成。该工艺可以作为传统污水处理工艺的深度 处理单元，在城市二级污水处理厂出水深度处理( 实现城市污水的大量回用) 等 领域有着广阔的应用前景。 1 3 膜生物反应器的研究现状 m b r 是高效膜分离技术和传统活性污泥法的结合，几乎能将所有的微生物截 留在生物反应器中，使反应器中的生物污泥浓度提高，理论上污泥龄可以无限长， 使出水的有机污染物含量降到最低，能有效地去除氨氮，对难降解的工业废水也 非常有效。与传统生物处理工艺相比具有出水水质好，占地面积少，设备集中， 模块化，并且具有升级改造的潜力，是一项很有发展前景的工艺。 1 3 1 膜生物反应器在国外的研究现状 m b r 技术起源于2 0 世纪6 0 年代的美国。m b r 的研究与应用可分为3 个阶段： 第一阶段( 1 9 6 6 1 9 8 0 ) ：1 9 6 6 年，美国的d o r r - o l i v e r 公司首先将m b r 用于 废水处理的研究；1 9 6 8 年，s m i t h 等将好氧活性污泥法与超滤膜相结合的m b r 用于 处理城市污水。该工艺具有减少活性污泥产量、保持较高活性污泥浓度、减少污 水处理厂占地等优点；1 9 6 9 年b u d d 等的分离式m b r 技术获得了美国专利( j o h nw ， 1 9 8 9 ) 。2 0 世纪7 0 年代初期，好氧分离式m b r 处理城市污水的实验规模进一步扩 大；同时，厌氧m b r 研究液相继开始进行，实验室规模的研究与中试规模的研究 均取得了较满意的结果。1 9 7 8 年，g r e t h l i e n 等进行了厌氧m b r 处理生活污水的研 9 华北水利水电学院硕上学位论文 究1 这一时期m b r 的研究重点是开发适合高浓度活性污泥的膜分离装置，但由 于受当时膜生产技术的限制，膜的使用寿命短，膜通量小，这项技术在相当长的 时间内仅停留在实验室研究阶段，未能投入实际应用。直到2 0 世纪7 0 年代后期， 大规模好氧膜生物反应器才开始在北美应用。 第二阶段( 1 9 8 0 1 9 9 5 ) ：2 0 世纪7 0 年代末期，日本由于国土面积小，地面 水体因径流距离较短而导致其自净能力差、生态系统脆弱、易受污染。m b r 由于 其占地面积小和出水水质优良的优势，其应用有了很快的进展。自1 9 8 3 年到1 9 8 7 年，日本有1 3 家公司使用好氧m b r 处理大楼废水，经处理后的水做中水回用，处 理规模达5 0 2 5 0m 3 d 。日本1 9 8 5 年开始的“水综合再生利用系统9 0 年代计划” 把m b r 的研究在污水处理对象与规模方面都大大推进了一步( s p e l l m a nf r ， 1 9 9 7 ；s m i t hc v j r ，1 9 6 9 ；b u d d ，1 9 6 9 ) 。在该项计划中，日本对厌氧m b r 作 了较系统的研究，研制了酒精发酵废水、造纸厂废水、蛋白工厂废水、城市污水、 屎尿废水、淀粉厂废水等7 类污水的m b r 处理系统。目前在日本运行( 包括在建) 的m b r 占全球的6 6 。 第三阶段( 1 9 9 5 至今) ：进入2 0 世纪9 0 年代中后期，越来越多的欧洲国家将 m b r 用于生活污水和工业废水的处理中。目前主要有四家大公司经营m b r ，它们分 别是加拿大z e n o n 公司、日本m i t s u b i s h ir a y o n 公司、法国s u e z l d e i d i 公司和 日本k u b o t a 公司。z e n o n 、m i t s u b i s h ir a y o n 和k u b o t a 公司生产一体式聚合物中 空纤维膜组件，而s u e z - l d e i d i 生产分体式管式陶瓷膜组件。加拿大的z e n o n 公 司首先推出了超滤管式膜生物反应器，并将其应用于城市污水处理。为了节约能 耗，它又开发了淹没式中空纤维丝的膜组件，此膜组件可以直接放入曝气池，也 可以单独设立分离池；采用正压压滤和负压抽滤相结合的方式，进行在线过滤脉 冲反冲洗，可减少膜污染。目前这种m b r 己应用于美国，德国，法国和埃及等十 多个国家，规模从3 8 0m 3 d 76 0 0m 3 d ( h a d ih u s a i n ，1 9 9 1 ) 。日本的k u b o t a 公司所生产的板式膜具有流通量大、耐污染和工艺简单特点。此板式膜直接放入 混合液中，利用混合液的水头压力作为穿透压，将处理水排出系统，系统出水稳 定。 i o 华北水利水电学院硕士学位论文 1 3 2 膜生物反应器在国内的研究现状 中国的膜技术从2 0 世纪6 0 年代中期起步研究，长时间在实验室内和中试规模 徘徊。从。七五”计划开始，国家科委把膜技术列为国家重大科研项目加以支持， 膜技术取得较大进展，特别是改革开放的国策促进了广泛的国际交流，膜技术在 国民经济发展中的重要性日益增大，国内膜工业产值也逐渐增加。m b r 在我国水处 理方面的应用研究首先从分离式m b r 开始。1 9 9 1 年，岑运华介绍t m b r 在日本的研 究状况；1 9 9 3 年上海华东理工大学环境工程研究所进行了m b r 处理人工合成污 水和制药废水的可行性研究汹1 ；同年中国科学院生态环境研究中心王菊思开始了 m b r 的研究”；1 9 9 5 年，樊耀波将m b r 用于石油化工污水净化的研究，研制出一套 实验室规模的好氧分离式m b r 1 ；1 9 9 7 年中国科学院生态环境研究中心开始了穿 流式膜生物反应器的研究工作，清华大学、同济大学、天津大学等高校开展了分 离式m b r 和一体式m b r 的研究；m b r 的研究对象从生活污水扩展到石化污水、高浓 度有机废水、食品废水、啤酒废水、港口污水、印染废水；生物反应器从活性污 泥法扩展到接触氧化法；生物处理流程从好氧发展到厌氧，并且对不同污水的处 理效果、系统的稳定运行、操作条件的优化进行了研究。目前，m b r 已有在大楼 废水、生活污水回用、医院废水处理的工程实例，但应用工程数量还较少。 近1 0 年来，中国膜技术的总体水平有了很大的进展，但与先进国家相比，差距 仍然很大。问题主要表现在：生产现代化、产业化程度低，原料不规范，工艺参 数未严格控制，产品质量不稳定：膜的品种少，应用范围小：尤其应用的工艺设 计、系统成套能力、膜组件水平、相关机电产品等方面，尚未达到国际先进水平， 远不能满足国内市场需求，膜技术存在着很大的发展空间。 i 3 r 在世界范围内主要应用于以下几个方面： 土地填埋场堆肥沥滤液处理。如美国e n v i r o g e n 公司开发出一种m b r 用于 土地填埋场沥滤液的处理，并在新泽西建成一个日处理能力为4 0 万加仑( 约