（市政工程专业论文）序批式膜生物反应器特性及其处理污水的试验研究.pdf

浙江工业大学学位论文原创性声明 m l l l i l 1 1 l i l m l i l l i i l l l m 眦m 0 y 1 7 7 6 4 4 1 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机 构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：对、而而 日期：) 。，。年r 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：随而而 翩躲牛之 日期：】口，口年f 月心日 日期：硼p 年r 月西日 浙江工业大学硕士学位论文 序批式膜生物反应器特性及其处理污水的试验研究 摘要 本研究针对常规生物脱氮除磷工艺中存在的问题，将序批式活性 污泥( s b r ) 工艺和膜分离技术有机结合，进行了序批式膜生物反应 器( s b m b r ) 特性的研究，并考察在不同运行模式下s b m b r 对氮磷 的去除性能。 s b m b r 以a o 模式运行并以模拟生活污水为研究对象，研究结果 表明，在不同进水碳氮比( c n = 8 3 1 8 5 ) 条件下，系统对n h 4 + - n 和t n 的去除率分别在8 4 和8 0 以上，t p 的去除率平均在7 5 9 左 右。研究中建立了膜生物反应器基质降解动力学模型，并用所得动力 学模型预测出水浓度。以现场采集的生活污水为研究对象，c o d 口和 n 】时- n 的去除率分别为8 5 和8 7 8 ，出水浊度在1 n t u 以下。 s b m b r 采用模拟生活污水，以a o 和a o a 两种运行模式进行对 比试验，研究结果表明，两者对m 时n 的去除率分别为9 4 1 和9 6 9 。 a o a r 表现出更好的t n 去除效果，平均去除率为8 1 9 。a o a m b r 的厌氧释磷量高于a om b r ，同时在好氧和缺氧这两个阶段均有 吸磷发生，相比a o r 而言，具有更好的脱氮除磷能力。 关键词：序批式，膜生物反应器，脱氮除磷，动力学 塑垩三兰竺奎兰堡主兰篁堡茎 一_ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ - 一。 s t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d w a s t e 厂a t e rt r e a t n 狲tb ys e q u e n c i n g b a t c h 匝m 略ra n eb i o r e a c t o r a b s t r a c t t h e s e q u e n c i n g b a t c hm e i n b r a n eb i o r e a c t o r( s b m b r ) ， w h i c h c o i n b i n e ds e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( s b r ) w i t hm e 埘l b r a n es 印a r a t i o n t e c h n o l o 纵w a sd e v e l o p e df o rt h en i 们g e na i l dp h o s p h o r o u sr e m o v a li n o n er e a c t o r t h ec h a r a c t 耐s t i c so fs b m b rw a ss t u d i e da 1 1 d1 1 i t r o g e na n d p h o s p h o r o u sr e m o v a lw e r ee x 锄i n e di n d i e r e n to p e r a t i o nm o d e sw i t ha o a i l d a o a m o d ea tt h es a m et i m e t h er e l m o v a le f f e c tw a si i e s t i g a t e di nt h ea om o d eo fs b m b ru s i n g s i m u l a t e dd o m e s t i cw a s t e w a t e ru n d e rd i 行i e r e n tc a 而o n n i t r o g e n r a t i o s ( c 怍8 3 18 5 ) t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tm e n h 4 + na n d7 i nr e m o v a l r a t e sc o u l db em a i n t a i n e da t8 4 a n d8 0 ，r e s p e c t i v e l y t h et pr e m o v a l r a t e sw a s7 5 9 o na v e r a g e k i n e t i cm o d e l si nm e 珈【b r a n eb i o r e a c t o rw e r e e s t a b l i s h e dt op r e d i c tt h ee f n u e n tc o n c e n t r a t i o n so fc o d c ra n dn h 4 + _ n i n t h et r e a t m e n to fa c m a ld o m e s t i cw a s t e w a t e r t h ec o d c ra n dn h 4 + j n r e m o v a le f ! f i c i e n c i e sw e r e8 5 a n d8 7 8 ，r e s p e c t i v e l y ，a n dt h et u r b i d i t y o fe 们u e n ti sb e l o w1 n t u i i 浙江工业大学硕士学位论文 e x p e r i l n e n t sw e r ec o n d u c t e dt oc o i n p a r et h e r e m o v a le m c l e n c yo t ，一 ， n i t r o g e n a n dp h o s p h o r u si ns i m u l a t e dd o m e s t i cw a s t e w a t e ru s i n g 僦o s b m b r so p e r a t e di na 0a n da o am o d e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e m o v a l r a t e so f 叫二ni na oa n da o as y s t e mw e r e9 4 1 a n d9 6 9 ， r e s p e c t i v e l y a o am b r s h o w e db 甜e rr e i n o v a le 伍c i e n c yo ft n ，a n dt h e a v e r a g er e m o v a lr a t ew a s81 9 t h ec 印a c 时o f a i l a e r o b i cp h o s p h o m s r e l e a s ei na o am b rw a sh i 曲e rt h a l la om b ra n dp h o s p h o m su p t a k e o c c u 鹏db o t hi na e r o b i ca n da 1 1 0 x i cs t a g e s nh a db 甜e ra b i l i t i e si ni l i 臼o g e n a n dp h o s p h o m sr e m o v a lc o m p 撕n gw i t ha om b r k e y w o r d s ：s e q u e n c i n gb a t c h ，m e m b 啪eb i o r e a c t o r ，n i t r o g e na n d p h o s p h o m sr e m o v a l ，l ( i n e t i c s i i l 浙江工业大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1m b r 污水处理技术1 1 1 1m b r 简介1 1 1 2m b r 的研究进展1 1 1 3 膜污染3 1 2 污水脱氮除磷研究7 1 2 1 污水脱氮除磷意义7 1 2 1生物脱氮除磷原理7 1 2 2 生物脱氮除磷技术9 1 2 3 生物脱氮除磷工艺1 1 1 3m b r 在脱氮除磷中的研究13 1 3 1m b r 脱氮研究l3 1 3 2m b r 除磷研究15 1 3 3m b r 同步脱氮除磷研究1 6 1 4 研究目的及意义。18 、。5 磺氮氏蓉、8 1 6 研究课题来源18 第二章a o 运行模式序批式膜生物反应器试验研究1 9 2 1 试验目的1 9 2 2 试验材料与方法1 9 2 2 1 试验装置1 9 2 2 2 膜组件2 0 2 2 3 接种污泥及试验水质。2 0 2 2 4 试验分析项目与检测方法。2 1 2 2 5 试验安排2 1 2 3 试验结果及讨论2 2 2 3 1 污染物质去除效果2 2 r 。 浙江工业人学硕士学位论文 2 3 2 周期试验2 4 2 3 3 膜污染情况2 6 2 4 有机物降解动力学模型2 8 2 4 1 模型假设条件。2 8 2 4 2 模型的建立2 8 2 4 3 模型参数求解3 0 2 4 4 模型预测31 2 5 氨氮降解动力学模型31 2 5 1 模型假设条件31 2 5 2 模型的建立3 2 2 5 3 模型参数求解3 2 2 5 4 模型预测3 3 2 6 系统对实际生活污水的处理效果3 3 2 7 本章小结3 5 第三章不同运行模式下序批式膜生物反应器的对比研究3 7 3 1 试验目的3 7 3 2 试验材料和方法3 8 3 2 1试验装置3 8 3 2 2 膜组件3 9 3 2 3 接种污泥及试验水质一3 9 3 2 4 试验分析项目与检测方法4 0 3 3 试验结果与讨论4 0 3 3 1 对c o d 。，的去除效果4 0 3 3 2 对氮的去除效果4 1 3 3 3 对磷的去除效果4 2 3 3 4 周期试验4 4 3 3 5 膜污染情况4 6 3 4小结4 7 第四章结论与建议4 9 4 1结论4 9 v 浙江工业大学硕士学位论文 4 2 建议5 0 参考文献5 l 致谢5 7 攻读学位期间发表的学术论文5 8 v i 浙江工业大学硕士学位论文 1 1m b r 污水处理技术 1 1 1m b r 简介 第一章绪论 膜生物反应器( m 跗l b r a i l eb i o r e a c t o r ，m b r ) 是一种由膜分离单元与生物处理 单元相结合的新型水处理技术，以膜组件取代二沉池，在生物反应器中保持高活 性污泥浓度，减少污水处理设施占地，并通过保持低污泥负荷减少污泥型1 1 ，是一 种高效的生物处理技术。 m b r 应用于废水处理，具有以下几个特点【2 】：高效地进行固液分离，出水 水质良好。出水悬浮物和浊度接近于零，且可以去除绝大部分的细菌和病毒，出 水可直接回用；膜分离可以使微生物完全截留在反应器内，实现水力停留时间 和污泥停留时间的完全分离，使运行控制更加灵活、稳定；有利于生长缓慢的 硝化菌的截留与生长，从而使系统的硝化效率得以提高，同时可提高难降解有机 物的降解效率；m b r 将传统污水处理的曝气池与二沉池合二为一，并取代了三 级处理的全部工艺设施，因此可大幅度减少占地面积，节省土建投资；容积负 荷大，反应器内污泥浓度高，耐冲击负荷；污泥产量低，且无污泥膨胀问题； 实际应用中，运行管理简单，易于实现自动化控制。 近几年，随着膜生产成本的逐渐降低以及污水排放标准的逐步提高，更由于 因缺水而引起的对城市污水处理回用需求的快速增长，m b r 工艺在世界范围内引 起了更为广泛的关注【3 1 。 1 1 2m b r 的研究进展 ( 1 ) m b r 国内外研究进展 m b r 技术在废水处理领域中的应用研究始于2 0 世纪6 0 年代的美国。1 9 6 6 年， 美国的d o n 0 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 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；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；7 0 年代初期，好氧分离式m b r 处理城市污水的试验规模进一 浙江工业大学硕士学位论文 步扩大；同时，厌氧r 研究也相继开始进行，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【4 】。但当时由于受膜生产技术所限，膜的使用寿命短， 水通透量小，使m b r 技术在实际应用中遇到障碍。7 0 年代后期，日本研究者根据 本国国土狭小、地价高的特点对膜分离技术在废水处理中的应用进行了大力开发 和研究，使膜生物反应器开始走向实际应用【5 】。日本建设省1 9 8 5 开始的“水综合再 生利用系统9 0 年代计划 把m b r 在污水处理对象和规模方面的研究大大推进了一 步【6 1 ，日本在该计划中对厌氧m b r 作了较系统的研究，建立了酒精发酵废水、造 纸厂废水、蛋白工厂废水、城市污水、淀粉厂废水等7 类污水的m b r 处理系统。，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，处理量达5 0 2 5 0m 3 d 【4 1 。这一时期的研究集中在m b r 的处理效果与运行 稳定性方面。许多研究都证实了m b r 能获得良好的出水水质。随后法国、美国、 澳大利亚等国也对m b r 的研究投入了很大力量，使m b r 的研究内容更加全面而深 入，为9 0 年代的进一步推广应用奠定了技术基础【5 】。 研究初期，m b r 的形式主要是分离式，称为第一代m b r 工艺【4 】。生物反应器 与膜组件通过泵与管线连接构成，生物反应器的混合液经泵增压后进入膜组件， 在压力作用下混合液中的液体透过膜，成为出水，而固形物、大分子物质等则被 膜截留，随浓缩液回流到生物反应器内。早期的分离式m b r 均采用错流式膜组件， 即被过滤流体平行于过滤表面，与滤液交错流动，由此产生剪切力或湍流流动以 限制滤饼层的厚度。为了维持稳定的透水率，膜面流速一般大于2l i l s ，这就需要 较高的循环水量，造成较高的单位产水能耗。 为了解决分离式m b r 能耗高的问题，日本学者n 锄o t o 等【7 】在1 9 8 9 年首先开 发了一体式m b r ，将膜组件直接置于生物反应器内，通过泵的抽吸，得到过滤液， 曝气器设置在膜组件的下方，混合液随气流向上流动，在膜表面产生剪切力，以 减少膜的污染。一体式m b r 与分离式m b r 相比，因能耗低、占地紧凑等优点逐步 在研究和工程应用中受到重视。 到了9 0 年代，m b r 在国外已经进入了实际应用阶段【8 】。到1 9 9 3 年，己报道日 本有3 9 套外置式m b r 系统用于卫生和工业领域【9 1 。英格兰南部的p 0 1 0 c k 在1 9 9 7 年建 成了当时世界上最大的膜生物反应器处理厂【1 0 】。加拿大的z e l l 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，该公司又开 发了淹没式中空纤维膜丝的膜组件，此膜组件可以直接放入曝气池，也可以单独 2 浙江工业人学硕士学位论文 设立分离池；采用正压压滤和负压抽滤相结合的方式，并采用在线过滤液脉冲反 冲洗，以减少膜污染。目前这种膜生物反应器已应用于美国、德国、法国和埃及 等十多个地方，规模从3 8 0m 3 d 至7 6 0 0m 3 d 【1 1 1 。另一个在膜生物反应器实际应用中 具有竞争力的公司是日本的k u b o t a 公司，它所生产的板式膜具有流通量大，耐污 染和工艺简单等特点。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，这种m b r 系统结构更加简化，能耗 低，是m b r 工艺的一种发展方向【1 2 】。 膜生物反应器作为一种新型水处理技术已得到大范围的推广应用，并表现出 良好的前景，目前各国都加大资金投入力度来加速膜领域高技术的开发。欧洲委 员会( e u r o p e a l lc o 姗 i l i s s i o n ，e u ) 设立4 个项目，资助开展m b r 技术，包括：废 水处理的研究、开发、设备制造和技术转让，加速m b r 技术在欧洲城市废水处理 中的推广应用【1 3 】。近5 0 个欧洲国际公司及机构积极地参与了四个项目的工作，这 些项目的内容是基础研究与应用研究的结合，希望获得技术上的突破，确保在所 有m b r 相关的技术领域都有改进。 中国对m b r 技术的研究开始于2 0 世纪9 0 年代。1 9 9 1 年，岑运华介绍了m b r 在日本的研究状况【1 4 】，随后，m b r 研究被列入“九五 国家科技攻关课题和国家 高技术发展计划( 8 6 3 ) 项目，并取得了令人瞩目的成绩。m b r 处理对象及主要 研究内容涉及城市及生活污水、高强度污水、难降解工业废水或特种行业废水、 饮用水及微污染水的处理和m b r 工艺特征( 膜污染、污泥混合液性状及调控、操 作条件优化等) 【15 1 。通过对m b r 中生物反应器形式的改进，开发出一些新的m b r 工艺，如复合m b r 工艺、厌氧m b r 工艺、好氧颗粒污泥m b r 工艺、强化m b r 脱氮除磷工艺、投加基因工程菌m b r 工艺等，获得了更好的污染物去除效果和更 稳定的运行性能。 我国的m b r 工程已由处理生活污水发展到处理高浓度工业废水和含难降解有 机物工业废水，我国的m b r 技术设计能力、工程建设能力和运行管理技术已具备 较高的水平，其市场应用前景越来越广泛。 1 1 3 膜污染 膜污染会缩短膜的使用寿命，降低膜的处理能力，而且导致泵的抽吸水头和 曝气量增加，造成运行费用增加，大大制约了m b r 技术的大规模应用，是膜技术 浙江工业大学硕上学位论文 应用中面临的一个重要问题。 ( 1 ) 膜污染 膜污染是指在膜过滤过程中，污水中的微粒、胶体粒子或溶质分子与膜发生 物理化学作用，或因为浓差极化使某些溶质在膜表面超过其溶解度及机械作用而 引起的在膜表面及膜孔内的吸附、沉积，造成膜孔径变小或堵塞，使膜通量与分 离特性发生变化1 6 1 。 膜污染一般以膜过滤过程中的污染阻力来表征，经典模型为达西方程： = 鲁 ( 1 - 1 ) 肚， 、 r f = r 。+ 尺。+ 尺， ( 1 2 ) 式中：，为膜通量，m 3 ( n 1 2 d ) ；p 为膜两侧的压力差，p a ；为滤液的粘度，p a s ； r 为总阻力，m ；r 。为新膜阻力，m 1 ；r 。为由沉积在膜面的泥饼层产生的泥饼 阻力，m 1 ；死，为膜污染阻力，m 。 ( 2 ) 膜污染的影响因素 膜污染的主要因素可以概括为膜的结构与性质、污泥混合液性状和运行条件 三方面。 1 ) 膜的结构与性质 膜的性质一般包括膜材质、膜孔径大小、孔隙率、亲水性、电荷性质和粗糙 度等。当污染物粒径小于膜孔径时，污染物会吸附在膜孔内部，造成膜孔堵塞； 反之，污染物则会在膜表面形成污染层【17 1 。膜表面粗糙度的增加使膜表面吸附污 染物的可能性增加，但同时也增加了膜表面的扰动程度，阻碍了污染物在膜表面 的积累，粗糙度对膜通量的影响是两方面效果的综合体现【1 8 】。由亲水性材料制成 的膜与水分子间能形成氢键，可在膜表面形成一层有序的水分子层结构，对保护 膜免受污染具有积极的作用；疏水性膜的表面与水分子间则无氢键作用，水要透 过膜是一个耗能过程，所以水通量小，膜易被污染1 9 】。膜材质电荷与溶质电荷相 同时，同性电荷相斥原理使界面凝胶层疏松，膜的清洗周期延长，膜较耐污染1 8 】。 2 ) 污泥混合液性状 活性污泥混合液是一个复杂且不断变化的体系，包括微生物、进水的组分以 4 浙江工业大学硕十学位论文 及微生物的代谢产物。e p s 作为一种重要的优势污染物已得到广泛的证吲1 8 】。 c h a i l g 等人【2 0 】认为生物细胞产生的e p s 是引起膜污染的关键物质。微生物细胞分 泌的e p s 将滤饼层颗粒之间的空隙填满，使膜通量大大降低。王勇等【2 l 】的研究表 明，当系统发生污泥膨胀，丝状菌大量繁殖时，污泥沉降性变差，膜过滤阻力上 升速率有所增加，过滤周期缩短。生物反应器中的m l s s 不但影响整个工艺的处 理效果，还影响膜的通量。较高的m l s s 可提高生物反应器的容积负荷，但混合 液中的固体物质和溶解性代谢产物( s m p ) 容易在膜表面沉积，导致过滤阻力增 加和膜通量降低；相反，m l s s 太低时，微生物对s 的吸附和降解能力减弱， 使得混合液中的s m p 浓度增加，从而容易被膜表面吸附形成凝胶层，导致过滤阻 力增加，膜通量下斛翻。 3 ) 运行条件 操作条件对膜污染有很大的影响，主要有曝气、运行通量、s r t 、错流流速和 温度等。增大曝气量，使反应器内的曝气强度增加，液体流动的湍流程度增强， 膜组件表面所受到的剪切力增大，使得悬浮杂质和污泥不易在膜表面粘附，从而 减小了过膜阻力，这就相当于增加了膜两侧的压力差，有利于膜组件长时间保持 较高的通量。但过高的曝气强度对污泥絮体的剪切作用可破坏污泥絮体中微生物、 无机颗粒和胞外多聚物之间的相互联系，使菌胶团解体，释放胞外多聚物到上清 液中，增加了溶解性物质的浓度和混合液粘度，从而加剧了膜污染【2 3 1 。临界通量 是指在确定操作条件下，恒通量过滤中存在一个临界值，当膜通量大于这个值时 过膜压力( t m p ) 迅速上升，膜污染急剧发展；当膜通量小于这个值时，膜污染 不发生或发展非常缓慢【2 4 】。错流流速( c f v ) 是膜污染的另一主要影响因素，它 通过增加剪切力和由剪切力引起的扩散来影响颗粒从膜表面的迁移，从而影响滤 饼层的厚度【2 5 1 。通量随着c f v 的增加而呈线性增加，但c f v 并非越大越好。当 膜面流速超过临界值后，将不会对膜过滤性能有明显改善，而且过大的c f v 会引 起剪切力增大，导致污泥颗粒破碎，污泥颗粒粒径减小，使滤饼层变致密，同时 刺激e p s 的释放，加重膜污染【2 6 。温度对膜的过滤分离过程也有影响。升高温度 有利于膜分离过程的进行，温度每升高1 可引起膜通量增加2 ，这主要是由于 温度变化引起污泥混合液粘度的变化所致。此外，提高温度不仅降低了污泥混合 液的粘度，而且还改变了膜面上污泥层的厚度和孔径，从而改变膜的通透性。但 是温度不能太高，否则会破坏微生物的活性( 大部分微生物在2 0 3 0 时活性强) ， 5 浙江工业大学硕十学位论文 并造成能量浪费 1 9 】。 ( 3 ) 膜污染的控制 根据膜污染的主要因素，膜污染的控制可以从膜的结构与性质改性、污泥混 合液性状改善和运行条件优化等方面加以实施。 通过改变膜表面的化学性质以改善其疏水性，提高膜的抗污染能力。根据膜 污染主要贡献物质的电荷选择带同种电荷的膜，利用同种电荷相斥原理减缓滤饼 层的形成。向混合液中投加粉末活性炭、沸石或混凝剂等能改善混合液性状，有 助于污泥絮体相互聚集形成体积更大、强度更高、粘度更小的污泥絮体，提高混 合液的可滤性，改善泥水分离性能，减轻滤饼层的形成。m b r 采用低压恒流过滤 方式、间歇操作或优化曝气量等方式都有利于膜污染的减轻。 ( 4 ) 膜的清洗 膜的清洗方法有物理方法和化学方法。 常用的物理清洗方法有水反冲洗、海绵球清洗、空气反冲洗、空曝气清洗、 超声波清洗、电清洗等。用一定量的水对被污染的膜组件进行冲洗、浸泡、轻微 搓揉可以较彻底地去除运行初期的膜表面沉积物，使膜通量有较大程度的恢复， 但随运行时间的延长，清洗的效果变差，膜通量恢复率较低，此时用水反冲洗可 以去除膜孔中的堵塞物和膜表面残留的滤饼层，使膜通量进一步恢复【2 7 1 。孙振龙 等【2 鄙的研究指出，对平片膜组件只用简单的在线海绵擦洗，便可以基本恢复膜通 量，从而起到减少化学清洗次数，降低清洗费用的作用。空气反吹清洗去除的主 要是膜的外部截留污染物。空曝气清洗是一种强化水流循环作用的物理清洗方法， 就是在停止进出水时，大强度连续曝气2 3d ，利用水的循环和剪切力的作用冲 脱沉积在膜表面上的污泥层，但只有当膜表面附着的污泥层对膜的过滤造成很大 影响时，采用空曝气的冲洗方法才能取得比较显著的清洗效果2 9 1 。超声波清洗是 利用超声波在水中引起剧烈的紊流、气穴和震动而达到去除膜污染的目的，清洗 速度快，效果好。电清洗是在膜上施加电压，使污染颗粒带上电荷来加速清洗过 程的一种方法。 由于物理清洗的效果有限，不能彻底清除膜污染，必须使用化学清洗方法恢 复膜的通量。通常根据膜的污染程度，用氧化剂( 次氯酸钠等) 、酸( 盐酸、硫酸、 硝酸等) 、碱( 氢氧化钠等) 、络合剂、表面活性剂、酶、洗涤剂等化学清洗剂对 膜进行浸泡和清洗，对于不同材质的膜，应选择不同的化学清洗剂，并防止化学 6 浙江工业大学硕士学位论文 清洗剂对膜造成损坏。碱性清洗液可以有效去除蛋白质污染，破坏凝胶层，使其 从膜表面剥离下来。酸类清洗剂可以溶解并去除无机矿物质和盐类，溶出结合在 凝胶层和水垢层中的铜、镁等无机金属离子，将残存的凝胶层和水垢层从膜表面 彻底清洗以恢复其通透能力【3 0 】。清洗不同的废水处理用膜，应采用不同的化学清 洗方法，且化学清洗液的浓度要适宜。如质量分数为2 5 的次氯酸钠稀溶液 对去除膜孔内附着滋生的微生物和蛋白质等有机污染物有很好的效果【3 1 1 。 1 2 污水脱氮除磷研究 1 2 1 污水脱氮除磷意义 在污水处理技术发展的初期，有机物和悬浮固体是污水处理的主要水质指标， 污水中的有机碳经一般的生物处理后可基本去除。随着水体污染的加剧，过量的 氮、磷化合物进入水体加速了水体的富营养化进程，仅仅去除有机物和悬浮物已 经不能满足环境的要求。近年来，我国许多湖泊、水库、河流等淡水水体和近海 海域频繁发生水体富营养化事件，已对水生生物和人体健康造成严重危害。防止 水体污染、控制水体的富营养化进程，最根本的途径就是对污染源进行防治，控 制污染物的排放量，使污水处理厂出水中的氮、磷含量达到排放标准，这使得污 水生物处理技术从单纯的有机物去除阶段发展到既去除有机物又脱氮除磷的阶 段。随着对出水中氮、磷要求的日趋严格，许多国家相继制定了严格的出水标准 或处理要求。我国污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 和城镇污水处理厂污 染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 也明确规定了较为严格的氮、磷排放标准。已建 和新建城市污水和工业废水处理设施都将面临着污水深度脱氮除磷的问题。常规 活性污泥工艺对总氮、总磷的去除率仅在1 0 。3 0 ，远不能达到国家排放标准3 2 1 。 研究开发经济、高效的生物脱氮除磷工艺已成为当前水污染控制领域研究的重点 和热剧3 3 j 。 1 2 1 生物脱氮除磷原理 ( 1 ) 生物脱氮原理 废水生物脱氮已经被证明是一种经济、高效和可靠的处理方法，其基本原理 是生物处理过程中污水中的含氮有机物首先被微生物转化为氨氮，然后在好氧条 7 浙江工业大学硕上学位论文 件下，氨氮被氧化为亚硝酸盐氮或硝酸盐氮，最后在缺氧条件下，利用反硝化细 菌将亚硝酸盐和硝酸盐转化为氮气从废水中逸出，从而达到脱氮的目的。 污水生物处理过程中氮的转化包括同化、氨化、硝化和反硝化作用【2 3 4 ，3 5 1 。 1 ) 同化作用：在生物处理过程中，污水中的一部分氮( 氨氮或有机氮) 被同 化成微生物细胞的组成成份。虽然微生物的内源呼吸和溶茵作用会使一部分细胞 中的氮又以有机氮和氨氮的形式回到污水中，但仍存在于微生物细胞及内源呼吸 残留物中的氮可在二沉池中以剩余污泥的形式从污水中去除。同化作用的氨氮去 除率一般为8 2 0 。 2 ) 氨化作用：污水中的含氮有机物在氨化茵的作用下，分解、转化为氨氮的 过程称为氨化反应。这里的含氮有机物是指一般动物、植物和微生物残体以及它 们的排泄物、代谢产物所含的有机氮化合物。主要包括蛋白质、氨基酸、核酸、 尿素、尿酸、胺类化合物、硝基化合物等含氮有机物，它们都能被相应的微生物 所分解，释放出氨。以氨基酸为例，其反应方程如式： r c h n h 2 c o o h + 0 2 兰! ! ! 壁r c o o h + c 0 2 + n h 3( 1 3 ) 3 ) 硝化作用：氨氮在有氧存在的情况下进一步分解氧化，首先在亚硝化菌的 作用下转化为亚硝酸盐氮，反应式为： n h ：+ 昙0 2 堕丝量堕j n o j + h 2 0 + 2 h + ( 1 4 ) 二 继之，亚硝酸盐氮在硝化菌的作用下，进一步被氧化为硝酸盐，其反应式为： n o i + 妻0 2j 驾n o ； ( 1 5 ) 硝化反应的总反应式为： 一 n h ：+ 2 0 2 专n o ；+ h 2 0 + 2 h + ( 1 - 6 ) 从生物化学角度看，硝化过程并非仅仅上述的两个过程，它涉及多种酶和多 种中间产物，并伴随着复杂的电子( 能量) 传递。 4 ) 反硝化作用：在缺氧的条件下，微生物利用各种有机质作为电子供体，利 用硝化过程中产生的硝酸盐氮或亚硝酸盐氮作为电子受体进行缺氧呼吸，将之还 原成n 2 。在反硝化反应过程中，硝酸盐氮通过反硝化菌的代谢活动，可能有两种 转化途径，即：同化反硝化( 合成) ，最终形成有机氮化合物，成为菌体的组成部 分；另一为异化反硝化( 分解) ，最终产物是气态氮。异化作用去除的氮约占总去 浙江t 业大学硕十学位论文 除量的7 0 7 5 。硝酸盐氮的反硝化还原过程基本可以表示为： n o ：堕墼垄堕堕n o ：垩堡堕堕堕n o 一堕q 堑堕堕专n ，o生旦垄堕鳖n ， ( 2 ) 生物除磷原理 传统的生物除磷理论是“聚合磷酸盐( p 0 1 y p ) 累积微生物一聚磷菌( p a o ) 的摄放磷原理：在厌氧好氧交替运行条件下驯化出聚磷菌一类微生物，它们能够 在数量上超过其生理需要从外部环境中过量地摄取磷，并将磷以聚合磷的形式贮 存在体内，形成高磷污泥，排出系统外，达到从废水中除磷的效果。生物除磷过 程通常包括厌氧释磷和好氧吸磷两个过程2 ，3 4 3 5 1 。 厌氧释磷：在没有溶解氧和硝态氮存在的厌氧状态下，聚磷菌水解体内的a t p ， 形成a d p 和能量，同时将胞内积聚的聚磷酸盐水解，以正磷酸盐的形式释放到污 水中，所产生的能量供聚磷菌主动吸收厌氧区产生或来自原污水的挥发性脂肪酸 ( a ) ，以生物聚合物的形式贮存在细胞内，主要是聚合羟基p 丁酸( p h b ) 。 其反应方程式可以表示为： a t p + h 2 0 a d p + h 3 p 0 4 + 能量 ( 1 7 ) 好氧吸磷：在好氧条件下，聚磷菌将胞内储存的p h b 好氧分解并释放出大量 的能量，一部分供聚磷菌增殖，另一部分供聚磷菌利用能量，在透膜酶的催化作 用下，通过主动输送的方式从外部将环境中的磷酸盐摄入体内，摄入的磷酸盐一 部分用于合成a t p ，另一部分则用于合成聚磷酸盐，此时吸收的磷大大超过了厌氧 时释放的磷，实现了磷的超量吸收，因而出水中的磷大大降低，实现了除磷的目 的。其反应方程式可以表示为： a d p + h 3 p 0 4 + 能量 a t p + h 2 0 ( 1 8 ) 剩余污泥排放：污泥中包含过量吸收磷的聚磷菌，也就是从污水中去除的含 磷物质。通过剩余污泥的排放，将磷从系统中去除。 1 2 2 生物脱氮除磷技术 近年来，各国专家对生物脱氮除磷的机理进行了较深入的研究，生物脱氮除 磷技术不断得到革新和发展，也探索出了一些生物脱氮除磷新途径，如短程硝化 反硝化、同步硝化反硝化、厌氧氨氧化、好氧反硝化、反硝化除磷等。 ( 1 ) 短程硝化反硝化 9 浙江t 业大学硕士学位论文 传统生物脱氮理论认为生物脱氮包括硝化和反硝化两个阶段，其中硝化阶段 分为氨氧化和亚硝酸盐氧化两步，反硝化分为硝酸盐还原和亚硝酸盐还原两步。 不同的反应需不同的细菌和在不同的环境下完成，这就决定了反应的时空不同步 性，直接导致反应器数量增加、基建费用上升、处理成本增加，而且处理时间延 长，有机物需求量大，曝气量增加【3 6 】。短程硝化反硝化技术【3 7 】是将硝化反应控制 在亚硝酸盐阶段，不进行亚硝酸盐至硝酸盐的转化，直接进行反硝化反应。 s h a r o n 工艺是第一个成功实现短程硝化反硝化技术并成功应用的工艺，但 是s h a r o n 工艺的运行条件如高温、高氨氮质量浓度限制了工艺的发展和应用。 如何在更普遍的条件下、在处理城市污水的过程中实现短程硝化反硝化技术是各 国学者广泛研究的问题【3 7 1 。 ( 2 ) 同步硝化反硝化 传统脱氮理论认为硝化反应在好氧条件下进行，反硝化反应在缺氧条件下完 成，两者不能在同一条件下进行。然而，近几年许多研究者发现硝化和反硝化同 时发生的现象；同步硝化反硝化【3 跚( s n d ) 是指在低氧条件下，一个反应器同时 存在硝化作用和反硝化作用。与传统生物脱氮工艺相比，s n d 主要具有以下优点： 节省反应器容积；缩短反应时间；不需要酸碱中和；与传统序批式硝化 反硝化工艺相比，n 2 0 逸出量明显低于后者，由此可以减缓因为n 2 0 排放到大气中 而产生的温室效应。 一 ( 3 ) 厌氧氨氧化 厌氧氨氧化是2 0 世纪9 0 年代中期由荷兰d e l r 技术大学u u y v e r 生物技术实验 室开发的一种新型生物脱氮技术，是指在厌氧或缺氧条件下，微生物直接以n 0 3 或n 0 2 。为电子受体，以n h 4 + 为电子供体，将两种氮素同时转化为氮气的生物反应 过程。在厌氧氨氧化过程中，由于厌氧氨氧化菌是自养菌，碳酸盐二氧化碳是其 生长所需的无机碳源，所以氨氮的氧化无需分子氧参与，同时亚硝态氮的还原也 无需有机碳源，大大降低污水生物脱氮的运行费用。 ( 4 ) 好氧反硝化 反硝化最初被认为是一个严格的厌氧过程，因为反硝化菌作为兼性需氧菌优 先使用d o 呼吸，甚至在d 0 浓度低至0 1m l 时也如此，这一特点阻止了使用 硝酸盐和亚硝酸盐作为最终电子受体，不过这种限制只是对于专性厌氧反硝化菌 而言。8 0 年代后期以来，好氧反硝化菌被发现，这些好氧反硝化菌同时也是异养 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 硝化菌，可以将氨在好氧条件下直接转化成气态产物【4 0 1 。 ( 5 ) 反硝化除磷 反硝化除斛4 1 】是用厌氧缺氧交替环境来代替传统的厌氧好氧环境，驯化培养 出一类以硝酸根作为最终电子受体的反硝化聚磷菌( d 肌i t r i 驰gp h o s p h o r u s r 锄o v i n gb a c t 甜a ，d p b ) 为优势菌种，通过它们的代谢作用来同时完成过量吸磷 和反硝化过程而达到脱氮除磷的双重目的。 1 2 3 生物脱氮除磷工艺 ( 1 ) a o 脱氮工艺或o 除磷工艺 o ( a n o x i c o x i c ) 脱氮工艺又称前置反硝化生物脱氮系统，工艺流程见图1 1 。 该工艺将缺氧反硝化和好氧硝化分开，沉淀池的污泥回流至缺氧池，好氧池内的 已进行硝化反应的混合液一部分回流至缺氧池。好氧异养菌、反硝化菌和硝化菌 都处于缺氧好氧交替的环境中，同时存在着降解有机物的异养型菌群、反硝化菌 群及进行硝化反应的自养型硝化菌群，构成了一种混合菌群系统，可使不同菌属 在不同的条件下充分发挥它们的优势【4 2 1 。 混合液回流 图1 1a o 脱氮工艺流程图 o ( 加l a e r o b i c o x i c ) 除磷工艺是美国的研究者s p e c t o r 于1 9 7 5 年研究开发成 功的【4 2 1 。s p e c t o r 在研究活性污泥膨胀的控制问题时，发现厌氧好氧工艺不仅可以 有效地防治污泥的丝状菌膨胀，改善污泥的沉降性能，而且具有很好的除磷效果， 工艺流程见图1 2 。回流污泥进入厌氧池，微生物在厌氧的条件下释放出大量的磷， 然后进入好氧池在好氧的条件下过量吸磷，部分富含磷的污泥以剩余污泥的形式 排出，实现磷的去除。 浙江工业人学硕士学位论文 图1 2a o 除磷工艺流程图 ( 2 ) a z o 工艺 a 2 o 工艺是a n a e r o b i c | a n o x i c o x i c 的简称，即厌氧缺氧好氧工艺，工艺流程 见图1 3 。进水与回流污泥混合后，部分易生物降解的大分子有机物被转化为小分 子的挥发性脂肪酸( a ) ，聚磷菌将体内的聚磷水解成正磷酸盐，释放到水中。 缺氧段，反硝化菌利用污水中的有机物将回流混合液中的硝态氮还原为氮气释放 到空气中，达到去除有机物和脱氮的目的。好氧段，聚磷菌超量吸收水中的溶解 性正磷酸盐以聚磷的形式贮存在体内，此时好氧区的有机物浓度已相当低，有利 于硝化菌的生长，氨氮经硝化作用转化为硝态氮。a 2 o 工艺虽然是目前我国城市 污水处理厂中应用最广泛的同步生物脱氮除磷工艺，然而氮磷的去除涉及硝化、 反硝化以及吸磷和释磷等多个反应过程，在一个系统中同时完成脱氮和除磷不可 避免地产生了各过程间的矛盾关系，在实际应用中遇到不少问题【