（市政工程专业论文）复合式膜生物反应器处理城市污水特性研究.pdf

西安建筑科技大学硕= i 二论文 复合式膜生物反应器处理城市污水特性研究 专业：市政工程 硕：l ：生：吴建堑 指导老师：王晓昌教授 摘要 本课题研究了一体式膜生物反应器( s m b r ) 和复合式膜生物反应器( h s m b r ) 两种系统 处理城市生活污水的特陛，考察了水温、p h 值、水力停留时间、污泥浓度和污泥负荷对于m b r 系统运行效果的影响。通过对系统跨膜压力变化测定，探讨了膜污染机理，同时研究了不同操 作条件对膜污染的影响。另外探索了水力清洗及化学再生对系统运行及膜污染的作用。主要结 论如下： h s m b r 和s m b r 系统都表现了对于c o d 、n h 3 - n 、浊度和色度、t n 、t p 等指标高且稳 定的去除效果，其中t n 、1 p 是在较高的污泥浓度下才表现出较好的去处效果，出水水质达到 或优于城市杂用水水质标准( g b i 1 8 9 2 0 2 0 0 2 ) 。反应器中微生物种类多样、抗冲击负荷能力 强，但是如果系统长期不排泥，将会导致微生物自身分解和分泌的生物难降解的物质在反应器 中累积，致使生物处理效果有变差的趋势。 研究中通过考察每一个膜出水周期和一个膜化学清洗周期的跨膜压力，发现一个膜出水周 期的跨膜压力增长主要是由于浓差极化和料液中颗粒物在膜面上的沉积造成，通过水力反冲、 膜间歇出水和空曝气等手段可以有效的减少膜的浓差极化和滤饼层污染；而膜孔窄化对一个膜 出水周期的跨膜压力影响不大，水力反p 对于膜孔窄化造成的膜污染作用很小。随着膜运行时 间推移，当膜孔窄化到一定程度时，压力一l y t 。到临界压力，凝胶层开始形成，同时膜周围附着 的沉积层的结构发生变化，变得更力1 1 密实，两者共同作用，使得压力增加迅速，此时应进行化 学清洗。 通过对跨膜压力影响因素的研究，得出随着流量的加大、空曝气随时问的减少、泵抽吸时 间的延长都使膜的污染速度逐渐变快，但是它们与跨膜压力的关系都并不是简单的线胜关系， 在一定的范围内，关系并不明显。- - y j i 英；的化学清洗研究中，发现n a o h 溶液、h c i 溶液和n a c i o 溶液对于减少膜的污染都起到了一定的作用，并且它们的作用是不可以相互替代的。 关键词：淹没式膜生物反应器：城市污水；复合工艺；膜污染 论文类型：应用基础研究 西安建筑科技大学硕二l ：沦文 a s t u d y o nt h ec h a r a c t e r i s t i c o fu s i n gh s m b rt ot r e a tu r b a n d o m e s t i cw a s t e w a t c r s p e c i a l i t y ：m t m i c i p a le n 曲l e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：w uj i a n k t m a d v i s o r ：p m fw a n gx i a o c h a n g a b s r r r a c t t h es t u d yw a sm a i n l yo nt h eu r b a nd o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a t i n gc k a r a c t e r i s t i ca s i n gs m b ra n d h s m b rs y s t e m s a n dt h ee f f e c to fw a t e rt e m p e m t u r e ，p hv a l u e h r t , s sa i ds l u d g e q o a do f f ? t h e o p e r a t i o no t t h em b rs y s t e m r l q a r o u 曲l o n g t i m em o m t o f i n go f t h ec h a n g e so f t r a n s m e m b r a n ep r e s s u r e ， t h em e m b n m et b u l i n gm e c h a n i s mw a sd i s c u s s e da n dt h eo p e r a t i o n a le f f e c t so nt h em e n t h r a n ef o u l i n g w e r es t u d i e di nt h ep r o c e s so t m e m b m n ec l e a n i n g , t h ee f f i c i e n c yo f d i f f e r e n tc h e m i c a lc l e a n i n gl i q u i d s w l l qc o m p a r e da n da n a l y z e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： b o t hs m b ra n dh s m b rh a v eas t a b l ea n dh i g hr e m o v a lr a t eo f c o d ，n h 3 - n ，t u r b i d i t y , t na n d r po fw h i c ht na n d7 f pr e m o v a le f f i c i e n c yb e c o m e sh i g h e rw i t hah i g h e rs l u d g ec o n c e n t r a t i o n b e c a u s eo fn os l u d g ed i s c h a r g e ，t h es p i e c i e so fm i c r o b i o si nt h er e a c t e rw e r em a s s i v ea n dt h es m b r h a das t r o n ga d a p t i v i t yt ot e m p e r a t u r ea n dp hv a l u ea n dt h ea c t i v i t yo f s l u d g e w a sm a i n l yd o m i n a t e db y s sa n ds l u g el o a db e c a u s eo t 、n os l u d g ed i s c h a r g e ，t h eu n d e g r a d a b l em a t t e r sp r o d u c e di nt h ep r o c e s so f s e l f c l i s s o l v i n ga n ds e c r e t i o na c c u m u j a t e d ，a n dt h ee f f i c i e n c yo f b i o - t r e a t m e n tw a s a f f e c t e d 1 1 1t h es t u d yo fm e m b r a n ef o u l i n g ，t h r o u g ht h em o n i t o r i n go fp e r i o d i cl r a n s - m e m b r a n ep r e s s u r e c h a n g ei nt h ew o r k i n ga n dc l e a n i n gp r o c e s s ，i tw a s f o u n dt h a tt h ei n c r e a s eo f t r a n s m e m b r a n ep r e s s u r e w a sm a i n l yc a u s e db yt h ec o n c e n m l f i o np o l a r i z a t i o na n dt h es e t t l e m e n to f p a m c l e so f t h ef e e dw a t e ro n t h es u r t h c e & m e m b r a n e l s r o u g hh y d r o f i cb a c kw a s h i n g ，b a t c ho p e r a t i o no f m e m b r a n ea n da e r a t i o no f t h es y s t e m ，t h ec o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o na n dc a k el a y e rf o u l i n gc o u l db ec o n t r o l l e d t h ea n t i - f o u l i n g o p e m f i o n sa b o v ed i dn o ta f f e c tt h ef o u l i n gc a u s e db yp o r e n a r r o w i n g a st i m ew e n to n , t h ep o r e n a r r o w i n gt oa c r i t i c a ls i z e ，t h ec r i t e r i ap r e s s u r er e a c h e da n dt h eg e ll a y e rf o r m e da tt h es a m et i m e ，t h e s e t t l e m e n tl a y e rh a das t r u c t u r a lc h a n g et oc l o s e n e s s s oac h e m i c a lw a s h i n gw a si nn e e d i tw a sa l s of o u n dt h a ta st h ei n c r e a s eo f f l o w i n g ，d e c r e a s eo f a e m f i o n ，p m l o n g a go f o u t l e tt i m ei na p e r i o dc o u l ds p e e du pt h em e m b r a n ef o u l i n g b u tt h er e l a t i o no ff o u l i n gs p e e da n dt r a n s - m e m b r a n e p r e s s u r ew a sn o tl i n e a ra n ds e e m e dt ob eu n c l e a ri nae e r k l i ns c o p e i nt h es t u d yo f c h e m i c a lw a s h i n g , n a o h 1 - 1 c la n dn a c l ow e r ee r i e c f i v ea n de a c ho f t h e mc o u l dn o tb er e p l a c e db ya n o t h e l k e yw o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r , d o m e s t i cw a s t e w a t e r , h y b r i dp r o c e s s ，m e m b r a n ef o u l i n g p a p e r t y p e ：f u n d m e n t a la p p l i c a t i o n 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导蜘指导卜进行鲍研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它蔓l 途使用过躲成果。与我一阂工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致铡。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者躲夏窆丝 腓细“ 关于论文使用授权的说明 本人完全了解匿安建筑科技大学有关保鐾、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 f 保密笛论文在论文解密后应遵守此规定) 蝣谳：炭翘黜渤吼 淀；请据此页雕在论文首页。 西安建筑科技大学硕士论文 1 1 髑的提出 由于水资源e 趋紧张，中水回用成为缓解水资源紧张局面的主要途径，研究开发高效、节 能的污水处理回用新技术和新： 艺己经成为水处理领域面临的迫切任务。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 ) 是近年来开发的污水处理与回用新技术，该技术是将膜分离技术 与传统污水生物处理技术有机结合而产生的污水处理新工艺，其产生和发展得益于上述两类技 术的应用和】发展。由于膜生物反应器技术具有诸多传统污水处理工艺所无法比拟的优点，比如 系统集成化商、出水水质好、自动化程度高等等，因此在世界范围内受到普遍关注。 但是瞒“品劂漠组件生产成本较高，在过去相当长一段时问内推广较漫，虽然近几年膜的 性能有所提高，但是价格仍然较高，特别是膜污染问题至今尚未解决，导致m b r 污水处理回 用技术的投资成本和运行成本居高不下，其实际工程应用在发达国家相对较多，而在发展中国 家及欠发达地区j l 乎很少采用，因此关于m b r 技术的研究仍然是当今最重要的课题。 本课题针对m b r ：c 艺的特点，通过连续实验研究了m b r 处理城市污水的特性及膜污染 机理，在此基础b 西过向生物反应器中投加载体组成复合式膜生物反应器，研究了复合式膜生 物反应器处理城市污水的特肚，为m b r 技术的进一步发展和应用奠定基础。 m b r 工艺诞生于2 0 世纪6 0 年代，最早是美国d o n - o l i v e r 公司进行了m b r 处理废水的研 究，1 9 6 9 年，s m i t h l l i 等将好氧活性污泥法与超滤膜相结合用于处理城市污水，研究证明，该工 艺具有活陛污泥产率低、污泥浓度高、占地面积小等优点。7 0 年代初期，好氧分离式膜生物反 应器处理城市污水的试验研究取得进展，与此同时，厌氧膜生物反应器的研究也相继进行。进 入8 0 2 年代中后期，膜生物反应器的研究有了很大发展，其内容大致涉及以下几个方面：1 1 探 索高效反应器形式，扩大膜生物反应器适用范围；2 ) 研究最佳操作条件和工艺参数，尽可能提 高膜组件的性能；3 ) 降低处理工艺的动力消耗；4 ) 进行机理及数学模型描述；5 ) 实用化装置的 研制开发。到9 0 年代以后，m b r 实际应用案例越来越多，在生活污水处理、：i ：! i k 废水处理、 饮用水处理方面进行了较多应用研究，有关m b r 机理、特性、膜通量的影响因素及操作条件 等方面也进行了大量的研究工作，m b r 己进入实际应用阶段，并得到了快速推广。 我国对于m b r 研究是从9 0 年代开始，1 9 9 1 年岑运华介绍了m b r 在e t 本的研究状况，1 9 9 3 年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【3 】 在 1 西安建筑科技大学硕士论文 国内引起注意并且1 始对m b r 展开研究。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 处理生活污水- j f 始，此后，膜生物反应器的处理对象不断扩展，从生活污水到工业废水， 包括啤酒废水、造纸废水、粪便污水、垃圾渗透液、食品废水等，并由处理效果的研究进一步 深入到m b r 操作条件和稳定运行条件的研究、影向处理效果与膜污染的因素研究。 ( 1 ) m b r 处理生活污水的研究 m b r 处理生活污水多采用好氧反应器，一直是研究工作的重点。1 9 7 1 年b e m b e r i s e t a l 在 座实际的污水处理厂进行了膜生物反应器试验，1 9 9 2 年c h i e m c h a i s r ie t a l l 4 悃m b r 工艺处理 生活污水，出水水质好于传统二级处理后再经消毒的出水；n a g a n oe ta 1 1 5 峙艮道了m b r 中污泥浓 度在好氧和厌氧系统中可达2 8 7 9 m 和1 1 3 3 9 甩：1 9 9 3 年c h i e m c h a i s r ie ta l l 6 1 利用中空纤维膜、 板式膜m b r 处理城市污水，c o d 去除率分别达到8 0 - 0 0 和9 3 ，好氧系统的有机负荷达 0 2 k g c o d ( m 3 d ) 、厌氧系统的有机负荷达1 9 7 k g c o d ( m 3d ) ；t r o u v ee ta l 将无机膜生物反应器 运用在巴黎a u b e r g e n v i l l ew w t p 城市废水处理厂的半生产陛运行中，处理能力为1 8 4 0 m 3 d ， 对s s 、b o d 去除率大于9 9 9 ，n h 3 - n 去除率大于9 7 ，c o d 的去除率为9 6 ，硝化大于 9 99 。19 9 5 年，m u l l e re ta l 7 1 用错流式微滤m b r 工艺进行中试运行3 0 0 天，污泥浓度达 4 0 5 0 9 l ，体积负荷与污泥负荷分别为o 9 2 0 k g c o d ( m 3 d ) 和0 0 2 1 k g c o d ( k g m l s sd ) ，总有 机碳去除率大于9 0 ，基本实现完全硝化，另有4 0 的氮被反硝化去除。1 9 9 6 年，w m n e n e t a l l 8 1 用陶瓷膜生物反应- a g k 理 工合成废水，对c o d 、s s 、t k n 、n h 3 - n 的去除率都非常好， 并能有效地截留m s 一2 型脊髓灰质炎病毒和异养细菌。1 9 9 9 年一种新型的一体式m b r - 重力 淹没式m b r 在日本试验成功，t a t s u l du e d a l 9 1 等 采用膜组件上部混合液的高良差昕产生的水 压将水压出膜组件，处理每吨水能耗为2 4 k w h m 3 。2 0 0 0 年顾平l i o l 等采用国产中空纤维膜对生 活污水作了中试实验，结果表明m b r 工艺出水悬浮物为零，细菌总数优于饮用水标准，c o d 和氨氮去除率都高于9 5 ，出水可直接回用。 ( 2 ) m b r 处理工业废水的研究 m b r 作为一种强化的生物处理工艺，在工业废水的处理中也受到越来越多的重视。但是， 由于 ：业废水成分复杂、水质差异很大，不像生活污水那样具有较多的共同特点，因此，采用 的工艺多种多样。对于：i 二业废水的处理，除了采用好氧m b r 工艺外，厌氧m b r 工艺也得到 了充分应用。1 9 9 1 年t o n e l l i 等用m b r 对汽车制造厂的含油污水处理进行了研究。k i m u r a e t a l 用m b r 工艺对小麦淀粉废水处理进行了试验研究，进水c o d 为3 6 0 0 0 m g l ，c o d 的去除率 7 5 5 ，处理造纸厂废水，c o d 的去除率为9 6 。s u w a e t a l j 对食品加工废水进行了小试试验 研究，污泥浓度为27 2 3 6 9 v s s ，l ，进水b o d 负荷为o 3 3 q 6 6 k g ( m 3 d ) 时，c o d 去除率大于 9 7 。1 9 9 3 年，k r a u t h ”垮将有压膜生物反应器用于酸菜罐头加工废水处理的研究，进水c o d 为4 2 6 0 m g l 时，出水c o d 为7 0 8 r a g e ，卫生学指标达到饮用水标准。1 9 9 4 年，b r o o k s b 瞎 用选择 生高分子憎水胜硅橡胶萃取式膜生物反应器，成功地用于3 氯硝基苯化工废水处理。 一2 一 诬安建筑科技大学硕二e 论文 b o s e t f ie ta l f l - 1 1 为了克服1 , 2 一二氢二元醇的抑制，引入聚丙烯酸板式超滤m b r ：i ：艺研究萘的溶 解，不仅产率比续批式高三倍，而e i 转化率连续保持1 3 9 几超过1 6 小时。1 9 9 7 年，s c o t te l a l l ”i 用i m b r 工艺处理冰淇淋厂废水并促进曝气l 双得成功。国内采用m b r 处理：i ：业废水的研究也 较多，1 9 9 5 年，樊耀波| | “将m b r 用于石汕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 ，该系统对石油化工污水中c o d 、b o d 5 、s s 、浊度、石油类的去除率分别为 7 8 - 9 8 、9 6 - 9 9 、7 4 - 9 9 、9 8 1 0 0 、8 7 ；1 9 9 9 年吴志超采用m b r 处理c o d 高达3 0 0 0 1 2 0 0 0 m g l 的巴西基酸生产废水，何义剂”l 采用厌氧膜生物反应器进行高浓度食品 废水处理；2 0 0 0 年王连军用无机膜一生物反应器( 1 m b r ) 处理啤酒废水，管运涮2 0 l 等采用传 统两相厌氧工艺与膜分离技术相结合的系统处理造纸黑液配制废水，c o d 去除率可达7 3 1 。 处理工业废水时m b r 采用的泥龄与其处理城市污水时大体相似，但是一般来讲m b r 处 理工! l k 废水时h r t 要大。试验证明，采用较长时问的h r t 处理含油废水时，h r t 和泥龄对于 运行效果没有影响p “，如当h r t 范围为1 8 7 - 3 7 4 d 、泥龄为5 0 - - 1 0 0 天时，在大多数隋况下， c o d 去除率可达9 0 以上。 ( 3 ) m b r 饮用水处理的研究 随着氮肥与杀虫剂在农业中的广泛应用，饮用水也不同程度地受到污染。1 9 9 2 年，法国 c h a n g , j 1 2 2 1 等人将m b r 应用于给水处理，开展了微污染饮用水除氮的研究，出水的氮浓度在 o 1 2 0 m g l 。l y o n n a i s ed e se a u x 公司在9 0 年代中期开发出同时具有生物脱氮、吸附杀虫剂、 去除浊度等功能的m b r 工艺，1 9 9 5 年该公司在法国的d o u c h y 建成了日产饮用水4 0 0 m 3 的工 厂，出水中的氮的浓度低于o i m g l ，杀虫剂浓度低于0 0 2ug m 。1 9 9 6 年，u r b r a i n v 【2 3 1 用m b r 进行饮用水生产| 生的中试研究，以去除饮用水中的氮、有机物与杀虫剂，取得了良好的效果。 ( 4 ) 膜分离技术与不同工艺组合的研究 1 9 7 4 年，c r u v e r 等进行了厌氧膜生物反应器的中试试验研究，都取得了较好的结果。 h a m m e re ta l ( 1 9 6 9 ) 和l ie ta l ( 1 9 8 4 ) 分别进行了厌氧膜系统操作的可行性研究，研究结果 表明，厌氧污泥沉淀性能差，要获得高浓度的污泥，提高污泥龄是厌氧消化技术的关键。 g r e t h l e i n i “1 等在1 9 7 8 年进行了厌氧消化池膜系统处理生活污水的研究，1 9 8 6 年，b i n d o f f e ta l t 2 5 1 用厌氧固定床与膜分离组合工艺处理高浓度生活污水。1 9 8 8 年，k r a u t he ta l 用有压反应器与 膜组件相结合的工艺处理污水，由于提高了供氧能力，获得了很好的出水水质；取得了良好的 试验结果。b o d 和n o x 一的去除率达到了9 0 并t l7 5 。1 9 9 2 年，r o s s 口72 等用厌氧m b r 处理啤 酒废水，进水c o d 为6 7 0 0 m g l 时的c o d 的去除率为9 6 , - 0 9 ：管运涮”l 进行了两相厌氧 m b r 工艺的研究，系统对c o d 去除率达9 5 ，s s 的去除率为9 2 以上，酸化率6 0 8 0 ， 气化率8 0 9 0 左右。王建功 ”采用生物接触氧化法取代潘l 生污泥法作为m b r 系统的生物 反应单元，进行膜一生物接触氧化法处理港口污水的研究；这些研究结果表明：m b r 对废水 的c o d 、n h 3 - n 、s s 、浊度等都达到良好的去除效果。 一1 西安建筑科技大学硕二l ：论文 ( 5 ) m b r 工艺的操作条件及运行稳定性的研究 1 9 8 9 年，y a m a m o t o e t a l l 3 0 l 将中空纤维膜组件直接嚣于曝气池中，间歇抽吸出水，减缓了膜 的堵塞，单位体积出水能耗为0 0 0 7 k w h m 。，c o d 的去除率 9 5 ，脱氮达6 0 。ym a g a r a 等研究发现，膜生物反应器水通量与污泥浓度的对数呈线陛关系，y a m a m o t o 在试验中证明了 采用间歇抽吸出水和低压操作而不清洗，可在很大程度上防止不可恢复的膜堵塞。1 9 9 0 年，s h 等研究结果表明，膜表面糊糙度的j i d r l 使膜表面吸附污染物的可能性增加，但同时另一方而也 增加了膜表面的扰动程度，阻碍了污染物在膜表面的形成，因而粗糙度对膜通透量的影响是两 方面效果的综合表现。1 9 9 1 年，t a k e s h i s a t o 等采用聚孵f 板膜( 截留分子量2 0 0 0 0 0 0 ) ，得出： 污泥浓度越高、反应器内混合液溶解陛c o d 越高、污泥的粘滞度越大，膜通量愈低。y m a g a r a 还得出温度升高，膜水通量j 茂正比增加的规律，温度每升高1 0 c ，膜通量平均升高约2 左右。 因为温度越高，水的粘度越低，则通量增加i 。s a t o 】| 等研究了膜通量与潘肚污泥浓度、溶解性 c o d 和污泥粘度的动力学关系。1 9 9 2 年，k i a t l ”研究了中空纤维膜的纤维间污泥积累机制及最 佳设计密度；m k n o p s l 3 q 利用浓差极化理论研究了错流式膜组件的透水率，研究发现膜丝长度 减少可以增加透水率，并提出了穿流式膜组件的概念。穿流式膜组件的特点是膜丝不与循环水 流方向平行，而是与循环水流方向垂直。这种膜丝的粘结方法使膜组件不需要较高的进液速度 就可产生湍流效果，起到冲刷膜纤维的作用。p i l l a y l 3 4 1 等对微滤系统凝胶层的形成过程、影响因 素、条件控制及模型预测进q ：t 研究。1 9 9 4 年，b a i l e y e ta t 【35 | 用错流式微滤m b r 工艺处理生活 污水，对c o d 的去除率达9 7 以上；1 9 9 5 年，s l u b b e c k e 等在处理合成废水时发现m l s s 浓度对膜通量没有明显的影响，只有当m l s s 大于3 0 9 m 时，膜通量才随m l s s 浓度的增加而 减小。反应器内m l s s 小于3 0 9 m 时，膜n _ t - i ：内的活性污泥处于紊流状态，水的传质阻力最小， r a d , 不变，故膜通量最大。当m l s s 大于3 0 9 m 时，膜组件内的流态由紊流变为层流，水透 过膜的阻力主要是捌l 交层阻力，通量随之下降。sl u b b e c k e 等的试验还发现表面活性剂、盐和 无机固体物质也能刚氐混合液粘度，增大膜通型3 q 。1 9 9 6 年，z h a n 9 1 3 7 1 等对m b r 与传统活性 污泥法在微生物种群和细菌潘生方而进行了对比研究。c h o o 3 8 1 “, - 4 r 4 i 3 f 究了厌氧硝化液组分对膜渗 透性能的影响。n a g a o d 3 9 1 等研究了胞外聚合物( e p s ) 及污泥粘滞度对膜过滤阻力的影响。 k o b a y a s h ie t a l l 4 0 1 用带电聚丙烯晴超滤m b r 工艺处理蛋白胨合成废水，结果表明正电膜的过滤 性能好于负电膜；1 9 9 7 年，邢传宏1 4 i l 采用无机膜一生物反应器进行了处理生活污水的实验，考 察了i m b r 在不同的s r t 下的处理效果、膜的堵塞及清洗的研究；1 9 9 8 年，s a k e l l a r i o u s 在研 究m b r 污泥零排放时，对穿流式m b r 与错流式m b r 进行了比较，发现穿流式的能耗为 1 1 5 k w h m 3 ，比错流式的能耗5 6 k w h m 3 小得多；l a c o s t e l 4 2 1 等用微滤、超滤膜生物反应器工艺 纯氧曝气处理含蛋白胨、葡萄糖等人工合成废水，进水c o d 6 0 0 m 班、b o d 4 3 0 m g l 、总氮 6 6 z , n g 几、s s 3 8 m g l ，出水c o d 为小于3 0 m 礼，c o d 和b o d 的去除率为9 7 和9 8 ，出 水中没有细菌和s s 。1 9 9 7 年，樊耀波m 】通过数学推导，得出一个膜的最佳反冲洗周期测定公 西安建筑科技大学硕二t 论文 式。张绍园埽艮据微生物反应动力学平衡原理 公式，分析并讨论了膜生物反应器的影响因素 推导出了分离式膜生物反应器水力停留时间的 结果表明，影响膜生物反应器的因素从大到小 依次为：底物最大比降解速度常数k ，饱和常数飚，维持常数m ，真产率系数y g ，最大比增殖 速率u1 1 1 。黄霞陌1 等进行了膜一活睦污泥法组合污水处理工艺的试验研究，结果表明膜的水通透 量与活陛污泥浓度的对数值成反比，与水温成正比，膜面流速和膜面压力的提高有利于膜水通 透量的增加。1 9 9 9 年，李春烈“o 进行了错流膜生物反应器的水力清洗试验研究，结果表明：清 洗时采用高膜面流速、低操作压力和限制透过液对流传递作用有利于错流膜生物反应器通量的 恢复。桂萍 4 7 i 等研究了三种形式膜一生物反应器工艺运行特眭，结果表明，膜面污染物主要是 固体污泥和溶解生有机物，维持生物反应器内适量的滑【生污泥浓度，不仅可以减轻污泥在膜面 的大量沉积，也可以减少溶解性有机物在膜面的吸附。桂萍从一体式m b r 运行条件对膜过 滤特性的影响试验中得出：缩短抽吸时间或延长暂停时间和增加曝气量均有利于减缓膜污染。 何义亮】进行了厌氧膜生物反应器截留分子量研究，提出了“并行运行的平板膜组件中，通量 最大的膜优先衰减且衰减幅度最大”的观点。杨造烈5 4 从维持微生物基本生命活动的物质转化 概念和污泥产生的平衡出发，提出了确定维持微生物基本生命活动的物质转化方法，从理论和 实验上证实了膜生物反应器无剩余污泥排放的可能性。2 0 0 0 年，罗蛔，1 j 在m b r 反应器混合液 可过滤| 生的研究中得出结论：改善活陛污泥性状是m b r 稳定运行不可忽略的因素，粉末活眭 炭的加入提高了混合液的可过滤性，改善了泥水分离性能，减少了膜堵塞的机会。王亚娥1 5 2 j 等 研究了用p a n p s 共混超滤膜组件与活f 生污泥法相结合的污水处理工艺，分析了影响超滤膜过 滤水通量和过滤阻力的主要因素，结果表明，混合液中的c o d 对膜过滤阻力和膜过滤通量的 影响比m l s s 大，所以曝气池采用高m l s s 、低负荷的运转方式有利于增加膜过滤通量，提高 系统的实用性。刘锐等对长期运行的一体式膜生物反应器的膜污染进行了考察，发现膜内表 面微生物的滋生和膜外表面污泥层的附着是造成膜污染的重要因素，用2 5 的次氯酸钠进 行在线药洗可有效地去除膜内表面滋生的微生物，加大曝气量和进行空曝气是去除膜外表面附 着污泥层的重要手段。孟耀磷列等对分置式膜生物反应器处理生活污水的体积负荷进行推导 表明：浓缩区的存在是该工艺处理能力较大的原因，可通过增加浓缩区的体积和调整循环流量 来控制分置式膜生物反应器的处理能力。张绍元根据生态学中物质与能量流动的原理，提出了 高能量级生物体一后生动物蠕虫的存在，可增强m b r 净化污水的功能和减少污泥的产量，并 设计出二段式m b r 以适应高能量级特种微生物蠕虫的生长需要。 好氧m b r 工艺的实际商业应用最早出珊在2 0 世纪7 0 年代的北美，紧接着8 0 年代初出现 在日本，截止2 0 0 0 年，在世界范围内实际运行的m b r 系统已经超过5 0 0 套，m b r 在日本的 西安建筑科技大学硕士论文 商业出盘用发展很快，l ! _ ! = 界上约有6 6 的工程在日本，其余的m b r 工程主要在北美和欧洲。这 些：i 二程中9 8 以上是好氧m b r ，其中约5 5 属于淹没式m b r 。表1 1 列举了运行的m b r 处 理污水的类型及相应的比例。 表11 世界范围内m b r 处理污水的类型及所占比例 污水类型约占所有m b r 的比例( )污水类型约占所有m b r 的比例( ) 工业污水 2 7 城市污水 1 2 楼宇污水 2 4 垃圾渗滤液 9 家庭污水2 7 其它 l 由表1 1 可以看出，目前好氧m b r 主要应用于生活污水和： ! i k 污水的处理，其中应用于 生活污水处理的m b r 占5 1 ，处理卫世污水的m b r 占2 7 。但是，随着对m b r 研究的不 断深入，膜生物反应器：i 业在处理高浓度有机废水、难降解有机工业废水以及农业废水等领域 愈加显示出独特的技术优势，得到越来越多的应用。表1 2 列出了一些发达国家近年来m b r 处理生活污水及蛳仃污水的应用情况【拈l 。 表12m b r 在欧美地区的应用 处理规模 国家 应用单位膜供应商 处理对象 ( m j d ) 荷兰 b e b e r w i i k 污水处理厂 2 4 0生活污水 荷兰v a m v e l d n y v , 处n j -1 8 0 0 0生活污水 英国p o r l o c k 污水处理厂 k u b o t a1 9 0 0生活污水 英国s w a i m g e 污水处理厂 k u b o t a1 3 0 0 0 生活污水 英国d a l d o w i e 污水处理厂 k u b o t a1 0 8 0 0 生活污水 英国w r a x a l l 污水处理厂 k u b o t a2 9 0 生活污水 德国b u e c h e l 污水处理厂 k u b o t a9 6 0 生活污水 德国m a r k r a n s t a d t n - j l ( 处理厂 z e n o r l6 0 0 0 生活污水 德国e r f t v e r b a n d 污水处理厂 1 5 0 0 生活污水 德国m o o n h e i m 污水处理厂 5 0 0 0 生活污水 德国 k a a r s t 污水处理厂 4 0 0 0 0 生活污水 爱尔兰 a v o n r n o r e 公司k u b o t a 7 1 0 0 生活污水 爱尔兰m i n c h m a l t 厂 k u b o t a 1 7 2 0 生活污水 比利时h e i s t 污水处理厂 3 0 0 0 0 生活污水 e 瞬0 时s c h i l d e 污水处理厂 1 4 0 0 0 生活污水 奥也利 z e r l o r l2 7 0 生活污水 瑞士 z c r l o r l5 0 0 0 生活污水 以色列j e r u s a l e m 污水处理厂 4 0 0 0生活污水 美国2 4 座污水处理厂 z e n o r l7 5 0 0 城市污水 加拿大9 座污水处理厂 z e n o n 城市污水 6 西安建筑科技大学硕二f = 论文 9 0q ：- 4 - e 初，美国在o h i o 建造了一套用于处理某汽车制造厂：d 峻水的m b r 系统，处理 规模为1 5 1 m 3 d ，有机负荷为6 3 k g c o d m 3 d ，c o d 去除率为9 4 ，绝大部分的油和油脂被降 解。9 0 年代中期，日本有3 9 座m b r 处理厂在运行，最大的处理能力为5 0 0 m 3 d 。这些系统的 出水己达到深度处理的标准，- 3 t - 上1 系统占地而积小、管理方便、剩余污泥少。m b r 技术在1 9 9 4 年前就被多家污水处理厂用于二e 地填埋堆肥沥滤液的处理，通过m b r 和r o 技术的结合，不 仅能去除s s 、有机物和氮，而且能有效地去除盐类与重金属。在荷兰，用氧化沟处理技术处理 脂肪提取加工厂的生产废水，由于 _ - l y 规模的扩大，结果导致活性污泥膨胀，最后采用z e n o n 的膜组件代替二沉池，运行效果良划”l 。 膜生物反应器由生物处理单元和膜分离单元构成，生物处理单元主要完成对污水中有机物 和营养物质的降解去除，而膜分离单元主要进行完全的固液分离，同时膜分离对有机污染物还 可以实现再去除的目的。根据膜组件在膜生物反应器中所起作用的不同，大致可将m b r 分为 分离膜生物反应器( 简称m b r ) 、曝气膜生物反应器( m a b r ) 和萃取膜生物反应器( e m b r ) 三型”i 。它们的流程示意图如图1 1 。 ( 曲固液分离膜生物反应器 出水 氧气 出水 ( b ) 氧气传质膜生物反应器。f c l 萃取膜生物反应器 木图所示为固着生长生物膜 的单根中空纤维的情况 萃取膜 图1 1 三种m b r 工艺的示意图 如图1 1 a 所示。分离膜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内，渗透水叵佣或作为后处理工艺的原水。 如图1 1 b 所示。曝气膜生物反应器采用传质阻力很小的透气性致密膜或疏水性微孔聚合膜， 多以中空纤维膜组件，在保持气体分压低于泡点的情况下，实现向生物反应器的无泡曝气。由 孤徘 一瑚虢 泡传无气 水ll叶il_协 一 f _ 溉 件rllll|l_=_ ni一 排剖一 西安建筑科技大学硕二f ：论文 于传递的气体含在膜组件内，因此提高了接触时问和传氧效率。同时由于气液两相被膜分开， 有利于曝气工艺的更好控制，有效t t t t , 4 曝气与混合功能分开。因为供氧面积一定，所以该工艺 不受传统曝气系统中气泡大小及其停留时问等因素的影向，可取得高效曝气效果。曝气膜生物 反应器尤其适用于曝气池衙 生污泥浓度很高，需氧量很大的系统。当生物反应器中m l i i 浓度 很高时，传统的曝气系统无法满足微生物对氧气的需求，从而限制了系统内微生物的浓度。 如图1 1 c 示。萃取膜生物反应器是结合膜萃取和生物降解，利用n i , a f 毒工业废水中有毒 的、溶解性差的优先污梨- t t t 从废水中萃取出来，然后用二号性菌对其进行单独的生化降解，从而 使专性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，而这些污染物质 采用常规工艺则无法进行处理。在萃取膜生物反应器中，废水与活性污泥被膜隔离开来，废水 在膜腔内流动，与进水槽和出水槽相连，而含某种专生菌的活f 生污泥在膜外流动，废水不直接 与微生物接触。与曝气膜生物反应器类似，萃取膜生物反应器也采用具有选择透过眭目传质阻 j ：4 i d , 的透气性致密膜或蔬水性微孔聚合膜，此类膜能萃取废水中的挥发+ 阻有机物，如芳烃、 卤代烃等。这些污染物先在膜中溶解扩散，以气态形式离开膜表面后溶解在膜外的混合液中， 最终作为专性细菌的底物而被分解成c 0 2 、h 2 0 等无机小分子物质。由于膜的疏水陛，废水中 的水及其它无机物质均不能透过膜向活性污泥中扩散，以达到萃取的目的。 按膜组件与生物反应器的相对位置，膜生物反应器可分为淹没式膜生物反应器和分置式膜 生物反应器两种。如图1 2 示。 ( a ) 分置式( b ) 淹t r j - 矗： 图1 2 膜生物反应器的两种构型 , 6 y r i h 分置式j 漠生物反应器，即膜组件被置于生物反应器的外部，如图1 2 a 。在分置式m b l 中，生物反应器的混合液由泵增压后进入膜组件，在压力驱动作用下膜渗透液( 滤液) 成为 v 1 3 r 系统处理出水，而活性污泥、大分子物质等被膜截留下来，并回流至生物反应器内。分 置式m b r 通过料液循环错流运行，其主要特点是：运行稳定可靠，操作管理容易，易于膜组 件的清洗。但为了减少污染物在膜表面的沉积，由循环泵提供的料液流速很高，为此动力消耗 较高。 淹没式膜生物反应器，如图1 2 b 所示，直接将膜组件置于生物反应器内，通过真空泵或自 吸泵的抽吸作用，得到渗透液。为减少膜面污染，延长运行周期，一般泵的抽吸是间歇运行的。 与分置式m b r 相比，淹没式m b r 的最大特点是运行能耗低。它利用曝气时气液向上的剪切 r 西安建筑科技大学硕二l 论文 力来实现膜而的错流效果，可使膜组件长时问连续运行而无需反洗。 另外，按膜组件部分从构型上可分管式、卷式、板框式及中空纤维式膜；按膜化学组成可 分为有机膜与无机膜；按孔径大小分微滤腆与超滤膜；按膜过滤时驱动方式不同分加压型和吸 压型。生物反应器部分可分好氧、厌氧两类。好氧即为活性污泥法和生物膜法，厌氧可采用u a s b 法、固定床法、流动床法、两相法等。 1 5 课题的来源、研究目的和研究内容 1 5 1 课题来源 本课题来源国家自然科学基金重点资助项目：西部干旱缺水地区水资源再生利用研究， 编号：5 0 1 3 8 0 2 0 。 1 5 2 主要的研究内容 由于膜的强制截留作用，能使反应器中的污泥浓度最大限度地增长，本文主要在不排泥睛 况下研究一体式m b r 和复合式m b r 对生活污水的处理性