（应用化学专业论文）中水回用中膜组件的污染机理及通量预测的研究.pdf

摘要 摘要 本论文从膜生物反应器( r ) 中膜材料的选取、主要膜污染物质的研究、 运行条件( 操作条件和工艺条件) 对膜通量及出水水质的影响三个方面全面研 究了死端和错流过滤中膜污染的情况。这些研究成果将为进一步研究m b r 中 的膜污染奠定理论基础，本研究具有重要的理论价值和实用价值。 首先，在0 1 m p a ，搅拌速度为3 0 0 r m i n 条件下，分别用超滤( 聚醚砜p e s ， 2 0k d a ，1 0k d a ，5k d a ；聚丙烯腈p a n ，2 0 0k d a ：聚偏氟乙烯p v d f ，2 0 0k d a ) 和微滤( p e s ，0 1 p m ：p a n ，o 1 p m ；p v d f ，o 1 岫) 平板膜在死端超滤器上 对活性污泥悬浮液过滤，并探讨膜和间歇式生物反应器( s b r ) 一起处理污水 的效果以及过滤后的膜污染机理。结果表明：每种组合处理后的出水水质都达 到了中水回用的水质标准( c j 2 5 1 8 9 ) ；膜污染机理有三种情况：由滤饼过滤 过渡到完全( 标准) 堵塞，再到滤饼过滤；由标准堵塞过渡到完全堵塞，再到 滤饼过滤；整个过程以滤饼过滤为主。其次，采用甲醛氢氧化钠法提取处理人 工配水的活性污泥中的胞外聚合物( e p s ) ，作为实际e p s 溶液，同时配制e p s 模拟溶液。选用p e s ( 1 0k d a 、0 1 t t m 、o 2 t t m ) 、p a n ( o 1 t t m ) 、p v d f ( o 1 1 t m ) 在死端超滤器上，分别对实际e p s 溶液和e p s 模拟溶液进行过滤，从累积体积 ( p 缸) 、表观截留率( j 乙如) 、滤饼比阻( 口，) 及压缩系数( 万) 等方面研究其 膜过滤性能。研究结果表明：b s a 、b 乳球蛋白、溶菌酶模拟溶液的过滤性能 ( p 么，尼蛔以和再) 与实际e p s 溶液的比较相似，这说明可以用b s a 、1 3 - 乳 球蛋白、溶菌酶模拟实际的e p s 研究其膜污染机理；实际e p s 溶液和模拟溶液 的过滤性能受操作压力、膜孔大小和膜材料的影响，有时这种影响还很明显； 不同组合的模拟溶液的过滤性能不同。最后，研究在分置式膜生物反应器处理 小区生活污永过程中操作条件和工艺条件( 操作压力( n 但) 、错流流速( v ) 、 污泥浓度( m l s s ) 、溶解氧( d o ) 、p h 、温度( t ) 、污泥停留时间( 8 r t ) 、 水力停留时间( m 盯) ) 对膜通量、出水c o d 、t o c 和n h 3 - n 的影响情况， 并利用多元线性回归法定量研究了各影响因素对膜通量、出水c o d 、1 d c 和 n h ，- n 的影响程度。结果表明；t m p 、v 、m l s s 、d o ，p h 、t 、s r t 、h r t 都是膜通量的影响因素，其中污泥浓度和s r t 对膜通量的影响程度最大，影响 比例分别为1 6 9 e , 痢1 8 4 ；v 、t 、h r t 、 i m p 、d o 和p h 的影响比例分别为 1 3 6 、1 4 3 、1 3 4 、7 6 、6 4 和9 3 。t m p 和v 对c o d 没有影响，其 它操作条件均是影响因素。m l s s 、t 、s r t 、h r t 、d o 和p h 的影响比例分别 北京工业大学工学硕士论文 为2 8 、2 9 9 、1 3 1 、1 6 8 、6 4 和5 8 。m l s s 和h r t 对出水t o c 有 影响，且各自的影响比例分别为4 4 7 e e 和5 5 3 。只有h r t 对出水n h 3 - n 有影 响。膜通量、c o d 、t o c 和n h 3 - n 与各影响条件之间的定量关系式分别为： j = - 1 1 7 8 6 3 + 7 7 3 0 2 8 p + 5 1 6 8 3 1 u 一0 0 0 7 c + 7 6 2 9 d + 3 0 6 7 2 7 6 4 6 5 t - 0 7 1 9 s 一5 7 7 1 c o d = 1 6 0 0 + 0 0 0 5 c - 3 4 5 1 d 一4 9 1 4 p + 1 1 4 4 r + 0 0 5 3 s + 1 2 7 3 h t o c = 1 5 1 6 6 + o o o l c o 3 5 5 日 w ，一n = 7 7 7 9 4 4 0 5 5 h 关键词：死端；错流；污染机理；e p s ；多元线性回归 - n a b s t r a c t i nt h i s 球i p t h em e m b r a n ef o u l i n g 捌玛d l - e l l da n de r o s s f l o wf i l t r a t i o no fm i x e d s u s p e n s i o ni nm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) w s t l l d i c di nt h r e ea s p e c t sa b o u tt h ee l a o i c eo f m e m b r a n em a t e r i a l s ，s t u d yo f m a i np o l l u t a n ta n de f f e c to f o p m l i t l ga n dt e e l m o l o g i ee o o d i t i o m o nf l u xa n de f l t l a 蛆tq u a l i t y 1 1 l c r c s t t l t sw i l lp r o v i d e 也孵丘c a lb a s i sf o r 如舳s t u d yo f m 既n l m 加c f o u l i n g i n m b i l t h i ss t t i d y h a s j 卫硒删恤t t h 巧i l l 蝣a n d p r a c t i c a l i t y v a l u e f i r s t , 血cm i x e ds u s p e n s i o n f t l t c r e db yt h eu l t r a f i l t r a t i o no e nw i t hu fm e m b r a n e 8 ( 2 0 k d ap e s ，1 0k d a 跑s ，5k d ap l y s ；2 0 0k d ap a n ；2 0 0l d o ai v d f ) a n dm fm e m b r a n e s ( o 1 l a m p e s ；0 1 l a mp a n ；0 1 l a mp v d f ) u n d e r t l a ec o n d i t j o n so f p ；0 1m p a , a n dt h es t i r r i n gr a t e5 3 0 0r r a i n t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tm c m b r a l l c sc o u p l e dw i t ht l a cb i o r e a c t o r 啊忸捌k 啊憎l c r r e c l a m a t i o na n dt h ef o u l i n gm e c h a n i s m sw a l s od i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t 也c e f l l u e n tq u a l i t yc o u l dm e e tt h eq u a l i t ys t a n d a r df o rr e u s e d i s s u e db yt l a em i n i s t r yo f c o m m l e t i o l lt h ef o u l i n gm e e l a l m i s m sh a dt h r e ei n l l t a n c c l l ：c a bf i l l z , a t i o n , c o m p l e t eb l o c k i n g ( s t a n d a r db l o c k i n g ) a n dc a k ef i l t r a t i o n ；s t a n d a r db l o c k i n g , e o m p l e t cb l o c k i n ga n d c d k ef i l t r a t i o n ； c a k ef i l t r a t i o nw 翟t h em a i n s e c o n d l y , e x t r a e e l l u l a rp o l y l n e r i e 印b s 伽l c 铭o b p s ) w 弧a 血a c t e d f r o m a c t i v es l u d g e t r e a t e ds y n t l a e t i e a t c r b y f o r m a l d d l y d c - l q n o i - 1 8 8a c t u a l e p ss o l u t i o n aw d o fm o d e ls o l u t i o n sw m p r e p a r e d d e a d - e n df i l t r a t i o n so f t h e s es o l u t i o n sw c a r r i e d o u tw i t hd i f f e r e n tu fa n dh 伍m m b r a 蛸( 1 0 k d a 咒s 。0 1 l t mp e s ，0 2 1 t i n 腿s ，o 1 l t mp v d f a n d0 1 i m ap a nm e m b r a n e s ) a n dt h eb e h a v i o r go ft l a c s es o l u t i o n s ( t i a ca e e m u l a t e dp e r m e a t e v o h l m c ( 圪ao b s e r v e dl _ e t c n t i o no f t h em e m b r a n e ( 如曲，, r t r l c c a k er e s i s t a n c e ( o r c ) a n de a k c m 胛斑l i l i t yi n d e x ) 眦i n v e s t i g a t e d i i c s u l t ss h o w e dt h a t ：f i l eb d a a v i o r so fb s a , p - l a e t o g l o b u l i na n dl y s o z y m em o d e ls o l u t i o n sw s l m i l a rw i t ht h a to fa c t u a le p ss o l u t i o n ； t h i si n d i e a t lt h a tt h e s en m s o l u t i o n sc o u l db eu s e dt om o d e le p si nt l a ef o u l j n gm c e h a n i s m r e s e a r c h ；t h eb e h a v i o r so fa c t u a le p ss o l u t i o na n dm o d e ls o l u t i o n ss v i ，i ea f f e c t e d1 , y 曲bt m p ， m e m b r a p o r es i z ea n dm e m b r a n em a t e r i a l a n ds o m e t i m e sf i l ee f f e c t sw 啪r e m a r k a b l e ；t l a c b e h a v i o r so f m o d e ls o l u t i o n sw i t hd i f f e r e n tc o m b i n a t i o nw d i f f e r e n t t h i r d l y , 曲i o f l u c n e eo f d i f f e r to p e r a t i n ga n dt e c h n o l o g i cc o n d i t i o n s ( t r a n m e m b r a n e 硼口岫，c r o s s - f l o w m 一 北京工业大学工学硕士学位论文 v e l o c i t y0 t ) ，m i x e dl i q u o rs u s p e n d e ds o l i d s ( m l s s ) ，d i s s o l v eo x y g e n l o ) p h ，t e m p e r a t u r ei f ) ， s o l i d sr e t e n t i o nt i m e ( 8 r t ) ，h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m eo m z ) ) o i lt h ef l u x , c o d ，t o ca n d n i - i r ni ne f f l u e n tw r cs t u d i e di ns i d e - s t r e a mm e m b r a n eb i o r e a c t o rt r e a t e dd o m e s t i c w a s t e w a t e zi na d d i t i o n , al i n e a rm u l t i - r e g r e s s i o nm o d e lw a su s e dt oq u a n t i f i c a t i o n a l l ys t u d yt h e i n f l u e n c i n g d e g r e e o f t h e s e i a f l t m a c e f a c t o r s t h e f l u x t h e t d m l t as h o w e d t h a t t m p ，v ，m l s s ， d o ，p h ，t ，s r t ，h r ta l la f f e c t e dt h ef l u x m l s sa n ds r th a dr e m a r k a b l ei n f l u e n c e0 1 1t h ef l u x ， a n dt h ep e r c e n t a g e so fi n f l u e n c i n gd e g r e ew g t 1 6 9 e n d1 8 4 r e s p e c t i v e l y , t h ep e r c e n t a g e s o fi n f l u e n c i n gd e g r e eo fv ，t ，l 珉t ，t m p ，d oa n dp hw c i e1 3 鼢，1 4 3 ，1 3 4 9 钆7 舷，6 4 a n d9 3 r e s p e c t i v e l y t m pa n dvd i dn o ta f f e c tt h ec o di ne m u e n t , b u tm l s s ，t s r t , h r t , d oa n dp hw a l lt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dt h e p e r c e n t a g e so f i n f l u e n c i n gd e g r e ew c i e2 8 2 9 9 ，1 3 1 ，1 6 8 ，6 4 e n d5 8 r e s p e c t i v e l y m l s sa n d h r t a f f e c t e d t h e t o c i ne f f l u e n t a n dt h ep e r c e n t a g e so f i n f l u e n c i n gd e g r e ew 雠4 4 7 a n d5 5 3 h r tw a st h eo n l yi n f l u e n c i n g f a c t o ro nt h en h 3 - ni ne f f l u e n tt h er e l a t i o n sb e t w e e nf l u x ，c o d ，t d c ，n h 3 - ni ne f f l u e n ta n d t h ei n f l u e n c i n gc o n d i t i o n sw c i eq u a n t i f i c a t i o n a l l ye x p r e s s e db e l o wb yt h er e g r e s s i o ne q u a t i o n s j = 一1 1 7 8 6 3 + 7 7 3 0 2 8 p + 5 1 6 8 3 1 u - 0 0 0 7 c + 7 6 2 9 d + 3 0 6 7 2 p 一6 4 6 5 t 一0 7 1 9 s 一5 7 7 l h c o d = 1 6 0 0 + 0 0 0 5 c - 3 4 5 1 d - 4 9 1 4 p + 1 1 4 4 t + o 0 5 3 8 + 1 2 7 3 h t o c = 1 5 1 6 6 + 0 0 0 1 c 一0 3 5 5 - 阍3 一n = 7 7 7 9 4 - 4 0 5 5 h k e y w o r d s ：d e e d - e n d ；c r o s s f l o w ；f o u l i n g m e c h a n i s m ；e p s ；m u l t i v a r i a t e l i n e a r r e g r e s s i o n i v - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的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 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：动薹日期：星丑：显 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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阕；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：刻墓导师签名；三遵日期：墨皿：2 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 膜分离技术的基本知识 1 1 1 膜的定义及分类 从广义上讲，膜为两相之间的一个具有选择透过性的薄层屏障，它以特定的 形式限制和传递各种化学物质。它可以是均相的或非均相的；对称型的或非对称 型的；固体的或液体的；中性的或荷电性的。膜一般很薄，其厚度可以从几微米 ( 甚至到0 1 l u n ) 到几毫米，而其长度和宽度要以米来计量。膜的分离与截留性能 一般以膜的孔径和切割分子量来加以区别。 膜的分类方法有多种，可以分别按膜的材料、结构、性质、用途和作用机理 进行分类【删。按物态可分为固态膜、液膜、气态膜。按膜材料可分为无机膜、 有机膜和生物膜。按膜结构可分为均质膜( 又称对称膜) 、非均质膜( 又称非对 称膜) 和复合膜( 用两种不同材料分别做成致密层和多孔层) 。污水处理中选用 固相的非对称膜【3 1 。依据其孔径的不同，可将膜分为微滤膜，超滤膜，纳滤膜和 反渗透膜。 1 1 2 膜分离过程 膜是在压力驱动的作用下，利用其透过性能，达到分离混合物中离子，分子 以及某些微粒的作用的。常见的压力驱动膜分离过程包括普通过滤、微滤、超滤、 纳滤、反渗透等几种【4 】。其中，微滤膜和超滤膜是膜生物反应器中最常用的膜组 件。 微滤( m f ) 是一种精密过滤技术，孔径范围一般为0 1 7 5 p r o ，介于常规过滤 和超滤之间。微滤是以静压差为推动力，利用膜的“筛分作用进行分离的过程。 超滤( u _ f ) 是介于微滤和纳滤之间的膜过滤过程，是一种以膜两侧压差为驱 动力，以机械筛分原理为基础理论的分离过程。截留分子量范围从5 0 0 到5 0 00 0 0 d a 左右。 膜过滤的基本操作方式有两种： 1 ) 死端过滤，又名静态过滤。是指在膜两边压力差的驱动下，溶质和溶剂 垂直于分离膜方向运动，溶质被膜截留，溶剂通过膜而达到分离效果。随着操 作时间的增加，被截留颗粒将在膜表面形成污染层，使过滤阻力增加，随着过 程的进行，污染层将不断增厚和压实，过滤阻力越来越大，在操作压力不变的 北京工业大学工学硕士学位论文 情况下，膜渗透通量将下降，如图1 1 所示。此外，若是在恒通量条件下进行， 则会引起膜两侧压力降的升高。死端过滤要求周期性地清除膜表面的污染层或 更换膜。它的特点是简便易行，适用于实验室等小规模场合。 鼍t 图1 - i 死端过滤示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i co f d e a d - e n df i l t r a t i o n 2 ) 错流过滤，又名动态过滤。在过滤过程中，流体与膜表面相切流动，溶 质被膜截留而停留在膜表面形成污染层，透过液垂直于膜表面而通过膜流出。 流体流经膜表面时产生的高剪切力可使沉积在膜表面的颗粒扩散返回主体流， 从而被带走。由于过滤导致的颗粒在膜表面的沉积速度与流体流经膜表面时由 速度梯度产生的剪切力引发的颗粒返回主体流的速度达到平衡，可使该污染层 不再无限增厚而保持在一个较薄的稳定水平。因此一旦污染层达到稳态，膜渗 透通量可在一段时间内保持在相对高的水平上，如图1 - 2 所示。错流过滤有效 地控制浓差极化和滤饼堆积，长时间保持较高的膜通量f 4 】。 l ll lj 1 1 3 膜分离技术的历史发展与应用 为了使各类物质适合人们的需要，经常要进行物质分离、纯化、提纯或浓 缩，膜科学技术应运而生。人类对于膜现象的研究源于1 7 4 8 年，1 9 5 0 年j u d a 试制出选择透过性能的离子交换膜，奠定了电渗析的实用化基础。1 9 6 0 年h e b 和s o u r i r a j a n 首次研制成功了的非对称醋酸纤维素反渗透膜，这在膜分离技术 发展中是具有历史意义的重要突破，标志着膜分离技术进入了大规模工业化应 用的时代。与此同时，这种用相转化法技术制备具有超薄分离皮层( 分离层) 第1 章绪论 的复合分离膜的新工艺，推动和发展了各种分离膜和膜过程的研究高潮 5 1 。 经过近半个世纪的发展，膜技术己成为一种高效节能的单元操作，己实现工 业化应用，对相关产业的发展具有很大的推动作用，成为实现可持续发展战略的 重要组成部分。在人类面临环境污染、能源与资源危机的今天，膜分离技术受到 世界各国环保当局的重视与推广。目前，膜分离技术的应用几乎涉及到国民经济 的各个生产研究部门甚至是国防建设领域中。例如在化工及石油工业、食品工业、 医药工业和医疗设备、生物技术、污水处理等领域，尤其在污水处理和大气污染 治理方面的表现越来越突出，取得了较大的经济效益和社会效益，成为解决能源、 资源和环境问题的重要技术和实现可持续发展的技术基础【6 】。 在我国，膜技术的发展是从1 9 5 8 年研究离子交换膜开始的，2 0 世纪6 睥代是 开创阶段。1 9 6 5 年开始对反渗透膜进行探索；1 9 6 6 年上海化工厂聚乙烯异相离子 交换膜正式投产，为电渗析工业应用奠定了基础；1 9 6 7 年渗析、反渗透、超滤和 微滤膜及组件进行研究开发。1 9 6 7 年开始的全国海水淡化会战，大大促进了我国 膜科技的发展。2 0 世纪7 0 年代进入开发阶段，电渗析、反渗透、超滤和微滤等各 种膜和组器件都相继研究开发出来，2 0 世纪8 睥代跨入了推广应用阶段。8 0 年代 又是气体分离和其它新膜过程的开发阶段。上世纪9 0 年代以来，复合膜的制备取 得了较大进展；1 9 9 2 年，清华大学化工系研制的改性m a n 复合膜通过技术鉴 定；1 9 9 8 年在燕化建立我国第一个千吨级苯脱水示范工程，为我国p v 技术的工 业化应用奠定了基础。目前我国的膜科学与技术的研究涉及材料的应用和产品的 开发等领域。经过数十年的努力，中国在膜分离技术的研究开发方面已涌现出一 批具有实用价值，接近或达到国际先进水平的成果。但是，从总体上讲，中国的 膜分离技术和世界先进水平相比还有不小的差距，还有待于进一步研究开发 7 1 。 1 2 中水回用的相关知识 1 2 1 水资源的现状 水是生命之源，是社会经济发展的动力，是人类可持续发展的重要保障。近 年来，随着工农业的发展和人口的日益增长以及人们生活水平的提高，人们对水 的需求量以前所未有的惊人速度增长，水资源非常短缺。据统计，世界上已有4 3 个国家和地区( 占全球陆地面积的6 0 ) 缺水，中国是世界第1 3 个贫水国，水资 源十分匮乏邛】。联合国预测，全世界至u 2 0 2 5 年，将有三分之二的人口面临缺水的 局面。人类水资源危机目前已在许多国家和地区出现明显的预兆。而在中国，我 国6 0 0 多座城市中，有3 0 0 多座城市缺水，1 0 8 座城市严重缺水，水资源的短缺 己成为国民经济和社会发展的制约因素。 北京工业大学工学硕士学位论文 要解决缺水问题，一味的长距离引水是很不科学的，不仅劳民伤财，也不能 解决根本性问题。只有寻找可利用的新水源和自然水资源的合理利用才能有效解 决人类面临的缺水问题。众所周知，水是一种可再生的自然资源。可是，水资源 的使用方式一直是“开采利用污水排放”，水资源最后以污水排放的方式被消 耗。资料显示，2 0 世纪8 0 年代中期以来，我国的城市污水排放量开始成倍增长， 水环境污染日趋严重。因此，将如此巨大的城市污水排放量资源化将是解决水资 源短缺的很好途径。 中水回用技术是将污水再生并将其回用的技术，是城市污水资源化和水资源 可持续利用的有效途径。 1 2 2 中水回用技术与工艺 中水回用是指将城市污水或生活污水经处理后达到一定的水质标准( 水质介 于上水与下水水质之间，即低于饮用水水质标准，高于污水允许排入地面水体排 放标准) ，作为可在一定范围内重复使用的非饮用水的污水资源化技术。现已广 泛用于宾馆、酒店、住宅、写字楼和居住小区等场合，主要有若干建筑群生活污 水集中处理回用或单栋的建筑物生活污水的处理回用。 中水的用途很广泛，主要有【9 】：( 1 ) 园林绿化用水，包括绿化用水、河湖补 水、公园内冲洗厕所和公园内道路冲洗；( 2 ) 配合城市环境综合治理，如中水降 尘等；( 3 ) 小区用水，如冲洗厕所、绿化等；( 4 ) 中水洗车；( 5 ) 工业冷却用水。 目前，中水处理工艺包括物理化学处理工艺、生物处理工艺( 自然处理工艺、 好厌氧生物膜处理技术) 以及以膜法为中心的处理系统【1 0 】。 ( 1 ) 物理化学处理工艺以混凝沉淀( 气浮) 技术及活性炭吸附相组合为基 本方式，与传统二级处理相比，提高了水质，但运行费用较高。 ( 2 ) 生物处理工艺利用微生物的吸附、氧化分解污水中有机物的处理方 法，包括活性污泥法、接触氧化法、生物转盘等处理方法。可分为好氧微生物处 理和厌氧微生物处理。一般以好氧处理较多。 ( 3 ) 膜处理工艺该系统的流程是污水经过粗滤后。再经膜过滤分离回用污 水。采用超滤( 微滤) 或反渗透膜处理，其优点是s s 去除率很高，占地面积与传 统的二级处理相比，减少了很多。 ( 4 ) 膜生物反应器组合工艺膜生物反应器( m b r ) 组合工艺是一种将膜 分离技术与生物处理单元相结合的新型水处理技术。 m b r 的出水水质优于传统生物处理工艺。此外，m b 磁具有污泥产率低， 占地面积少，能耗低，结构紧凑，操作运行简便，易于自动控制等优点。m b r 处理对象可以是生活污水，也可以是有机废水和难降解工业废水。因此，研究 第1 章绪论 m b r 在中水回用中的应用问题具有重要的理论价值和社会价值。 1 3 膜生物反应器的知识 1 3 1 膜生物反应器的工艺流程及特点 膜生物反应器是将超滤、微滤膜分离技术与传统的生物反应器相结合的污 ( 废) 水处理系统，由曝气系统、膜组件和反冲洗系统三部分组成，如图l - 3 所 示。其中，在生物反应器中，通过曝气系统为微生物提供好氧条件，降解污水中 的有机物，悬浮物及部分凝胶物质。超滤、微滤膜组件作为泥水分离单元，取代 了二次沉淀池，截留活性污泥混合液中微生物絮体和较大分子有机物，使之停留 在反应器内，从而获得高生物浓度，并延长有机物固体停留时间，极大地提高了 微生物对有机物的降解率；同时，该系统具有较高的抗冲击负荷能力。反冲洗系 统用于膜组件的定期清洗，保证系统的正常运行。 1 预处理水2 贮水池3 生物反应器4 膜组件5 清水池6 混合液循环泵7 曝气泵8 进 水管路9 曝气管路1 0 膜进水管路1 1 旁路1 2 膜出水管路1 3 反冲洗管路1 4 混合液循 环管路 图l - 3 膜生物反应器示意图 f i g 1 - 3s c h e m a t i co f s i d e - s t r e a mm e m b r a n eb i o r e a c t o r 除了上述特点，与传统废水处理技术相比膜生物反应器技术在污( 废) 水处 理时还具有以下技术优势：1 ) 可防止各种微生物菌群的流失，有利于生长速度 缓慢的细菌( 如硝化细菌) 的截留与繁殖生长，使系统中各种代谢过程顺利进行， 系统硝化能力提高；2 ) 可实现水力停留时间和污泥停留时间的彻底分离，消除 了传统活性污泥工艺中的污泥膨胀问题；3 ) 维持较低的污泥负荷，可减少或甚 至不排剩余污泥；4 ) 能高效地进行固液分离，滤膜出水质量高，可直接回用于 非饮用水；5 ) 整套装置占地省，能耗低，基建投资少，结构紧凑；6 ) 操作运行 简便，易于自动控制。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 2 膜生物反应器的分类 1 3 2 1 膜分离生物反应器 膜分离生物反应器i s e p 妇m b r a b 妇。t o r ，简称m b r ) 通常简称为 膜生物反应器，它的膜组件相当于传统生物处理系统中的二沉池，进行固液分离， 截留的浓缩液回流到生物反应器中，使生物反应器具有较高的微生物浓度和很长 的污泥停留时间，因而使m b r 具有很高的出水水质，而透过水向外排出。根据 生物反应器和膜组件结合的方式可分为分置式( 外置式) 、一体式( 内置式) 和 隔离式。 分置式生物反应器与膜单元通过泵与管线相连，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 等物质则被膜截留，并回流到生物反应器内，如图1 4a ) 所示。分置式膜生物 反应器通过料液循环错流运行，其特点是，运行稳定可靠，操作管理容易，易于 膜的清洗、更换以及增设。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，因此动力消耗较高。膜单元多采用管式膜。 一体式膜生物反应器是将膜单元浸在生物反应器中，曝气器就放在膜组件下 面，通过真空泵抽吸，得到过滤液，如图1 4b ) 所示。由于曝气形成的剪切力 和紊流使固体难以积累在膜表面，从而减少膜的堵塞和能耗，同时通过气形成剪 动力和紊流来控制膜表面的固体厚度。其最大特点是运行费用低，但在运行稳定 性、操作管理方面和膜的清洗更换上不如分置式，膜单元多采用中空纤维膜和板 式膜。 隔离式膜生物反应器是用选择性膜将污水与反应器隔开，透过膜的物质可进 入反应器，对生物有毒性的物质则被膜截留。 根据膜组件的类型不同，可分为管式、板框式、中空纤维式膜生物反应器； 根据膜材料不同，可分为有机膜和无机膜膜生物反应器；根据膜生物反应器的 需氧性不同，可分为好氧和厌氧膜生物反应器；根据生物反应器的受压情况不 同，可分为常压和加压膜生物反应器；根据压力驱动形式不同，可分为外压式 和抽吸式膜生物反应器。 1 3 2 2 膜一曝气生物反应器 膜一曝气生物反应器( m e m b r a n ea e r a t i o nb i o r e a c t o r , 衙称e a b r ) 又称无泡膜生物反 应器，采用透气性致密膜或微孔膜，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，可实现向生物反应器的无泡曝气，可避免水中某些挥发性的 有机污染物挥发到大气中。当空气或氧气进入传质阻力很小的透气性膜后，在浓 第1 章绪论 度差推动力的作用下向膜外的活性污泥扩散，由于氧气停留在膜组件中的时间很 长，氧气的传质效率高( 可达1 0 0 ) ，而且因氧气的分压被控制在起泡临界压 力之下，故没有气泡进入大气。气液用膜隔开，膜为氧传递和生物膜增长提供了 较大的表面积，氧通过膜进入生物膜而不是进入液相，可避免了低沸点有机物的 挥发，也不会产生泡沫。此外它还具有占地面积小，模块化或升级改造容易等优 点；它的不足之处是膜组件易污染且需要每天清洗、基建投资大、工艺复杂，目 前还没有实际工程实例。膜曝气生物反应器示意图如图1 5 所示 一 8 ) 分置式膜分离生物反应器 生囊i 髓 b ) 一体式膜分离生物反应器 图1 4 膜分离生物反应器 f i g 1 - 4s d 懈m a l i co f b i o m a s s 辩p 删。咀m e m b r a n eb i 渊曲时 塑：煎_ b j 缂镀 l 生物反应善 l 薹茎叮筐虱 l 气体t 环 l 叠 迸气生翱t 图1 5 膜曝气生物反应器示意图 f i g 1 - 5s c h e m a t i co f m e m b r a n ea e r a t i o nb i o r e a e t o r 1 3 2 3 萃取膜生物反应器 当废水中酸度、碱度、盐浓度高或含有有毒、生物难降解有机物时，就应尽 量避免废水与微生物直接接触。萃取膜生物反应器( e x i r a c t i v em e m b r a n er e 1 0 t ，简 称e m b r ) 由内装纤维束的硅管组成，这些纤维束的选择性将有毒工业废水中有毒 的、溶解性差的有限污染物从废水中萃取出来，然后用专门的细菌对其进行单独 的生化降解，从而使专性细菌不受废水中离子强度和p 【值的影响，生物反应器 的功能得到优化。而污染物透过膜后在生物反应器中被微生物吸附降解，浓度不 北京工业大学工学硕士学位论文 断下降，在废水和反应器间形成一个浓度差，这是污染物进入生物反应器的根本 传质推动力。此外，萃取膜生物反应器还具有模块化或升级改造容易的优点；它 的不足之处也是基建投资大、工艺复杂，目前还没有实际工程实例。萃取膜生物 反应器示意图如图1 6 所示。 - 默 图1 - 6 萃取膜生物反应器示意图 f i g 1 - 6s c h e m a t i co f e x l r a c f i v em e m b r a n er e a d o r 1 3 2 4其他类型的膜生物反应器 ( 1 ) 气升循环分体浸没式气升循环分体浸没式m b r 是近年来才出现的， 其特点是膜单元与生物反应器分置，便于系统维修和膜清洗，膜清洗时对生物反 应器工作状态影响很小；生物反应器与膜单元之间的循环无需循环泵；膜组件采 用浸没式，保留了浸没式膜生物器能耗低的特点。该工艺可处理浓度较低的化粪 池上清液，出水经简单后处理就可达到建设部颁布的生活杂用水回用标准【l ”。 ( 2 ) 新型的复合动态生物式新型的复合动态生物m b r 是通过投加生物载 体，使反应器内同时存在附着相的生物膜和悬浮相的活性污泥，从而提高了生物 反应器内的微生物总浓度。新型的复合动态生物m b r 的构造如图1 7 所示【1 1 1 。 图1 - 7 复合动态生物m b r 示意图 f i g 1 - 7s c h e m a t i co f c o m p l e xd y n a m i c b i o l o g y m b r ( 3 ) 气液固三相旋转流式根据三相旋转流的传质特性建立了气液固三相 第1 章绪论 旋转流r 。通过与普通一体式m b 瞄行比较发现，两种反应器的运行工况基 本一致；由于旋转三相流反应器中污泥被打碎致使比表面积增大，出水水质较普 通一体式好。另外，三相旋流的渗透通量是普通的1 4 倍左右，可见三相旋转流 m b r 在降低膜污染和提高渗透通量方面有着明显的优判】。 1 3 3 膜污染 膜污染包括由于不可逆的吸附、堵塞引起的膜污染( 不可逆污染) ，还包括 由于可逆的浓差极化及其导致凝胶层的形成( 可逆污染) 。二者的共同作用引起 膜通量的衰减。 膜生物反应器中的膜污染是指在膜分离过程中，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，或因浓差极化使某些溶质在膜表面或膜孔内吸 附、沉积、造成膜孔径变小或堵塞，使膜透过流量与分离特性发生变化的现象。 m b r 在运行中，不仅有常规的膜污染过程，还涉及到混合悬浮液的生物动力学 特性与膜过滤的关系。有些污泥附着在膜表面或进入膜孔道成为膜表面凝胶层的 重要组成物质。同时微生物还会在膜内表面滋生，成为膜污染的一个重要原因。 因此，m b r 中的膜污染机理更复杂，人们对m b r 中的膜污染机理的认识还不是十 分清楚。 膜污染的影响表现在膜通量的下降，系统处理效率的降低，但是膜污染的危 害实质是：使膜表面溶质浓度增高，引起渗透压增大，促使溶质从膜表面向溶液 主体扩散，从而减小传质推动力；当膜表面溶质浓度达到其饱和浓度时，便会在 膜表面形成沉积或凝胶层，增加了膜分离阻力；当溶质在膜表面达到一定的浓度 后，有可能对膜发生溶胀或溶解，引起膜性能的恶化。 1 3 4 膜污染的控制方法 在膜生物反应器中，影响膜污染的因素有很多，主要是进入反应器的污永性 质、膜的性质和膜生物反应器的操作条件等 1 2 - 1 4 1 ，可以对i v l b r 设计、工艺流程 到设备操作运行等各个环节加以考虑，使浓差极化和膜污染减少到最低程度下 面就介绍一下膜污染的控制方法。 ( 1 ) 预处理采用预过滤、预絮凝或改变溶液p h 值等方法对进水进行预 处理，来改善膜组件进水的水质，以脱除一些能与膜相互作用的溶质。预过滤一 般采用格栅截阻大块的悬浮或漂浮的固体污染物，并在其后设沉淀池以去除砂砾 类无机固体颗粒，在沉淀池后设调节池以降低对后续生物处理的冲击负荷。常用 的絮凝剂有聚合氯化铝、氯化铁、硫酸铁等。膜生物反应器设计时要考虑p h 值 的调整。如果原水成份随时间变化，就需要用p h 监测系统控制加酸量。设计中 北京工业大学工学硕士学位论文 应慎重选择加酸系统的材质。 ( 2 ) 污泥浓度膜生物反应器的一个重要特征是大大提高了微生物浓度。 然而，污泥浓度过高或过低对膜通量均有不利影响。当污泥浓度很高时，污泥会 沉积在膜的表面，形成较厚的污泥层，导致过滤的阻力增大，膜通量下降；而当 污泥浓度很低时，污泥对溶解性有机物的吸附和降解能力减弱，使污水中溶解性 的有机物浓度增加，从而容易被膜表面吸附，导致过滤的阻力增大，膜通量下降。 因此，维持适当的污泥浓度，使膜表面的污泥沉积量和有机物的吸附量均维持在 较低水平，总阻力降低，可使系统的膜通量得到提高。 ( 3 ) 膜的选择为了降低膜生物反应器中的膜污染，首先就要选择合适的 膜组件。因为膜组件的性质对膜污染的有重要影响。膜的性质是指膜的物理性质， 包括膜的孔径、化学稳定性、孔隙率、表面粗糙度、荷电性、抗微生物侵蚀性、 亲疏水性、机械稳定性、热稳定性等1 1 5 】。膜生物反应器中膜组件的选择一般遵循 下面的原则【1 6 - 1 9 ：孔径应针对具体的水质来确定，一般膜的切割分子量应比要分 离的污染物小一个数量级；应选用外表面较光滑的膜组件；选择与混合液中溶质 荷电相同的膜材料；含有亲水基团的膜组件较好。 ( 4 ) 操作条件的优化当膜材料选定后，其物化性质也就基本确定了，操 作条件就成为影响膜污染的主要因素。膜生物反应器中的操作条件主要包括操作 压力、膜面流速、运行温度等。 1 ) 操作压力一般认为膜生物反应器中最佳操作压力为0 i m p a 左右【1 2 】。 在膜生物反应器中存在着一个临界压力。当操作压力低于此临界压力时，膜通量 会随着操作压力的增高而增大，同时，膜的污染情况不会有明显的变化；当操作 压力高于临界压力时，膜通量随操作压力的变化不大，而膜表面的污染情况会较 正常使用有明显的加剧，且这种污染后的膜不会因减压而恢复到原有的通量。临 界压力随膜孔径的增加而减小。微滤膜的临界压力一般在1 2 0 k p a 左右，超滤膜 在1 6 0 】( p a 左右。 为获得较高的膜通量而简单地提高操作压力的做法是不切实际的。一方面， 为获得高压力必须耗费更多的动力，增加运行成本；另一方面更重要的是较高的 操作压力会显著导致膜浓差极化现象，加快浓差极化厚度层的形成，引起透膜阻 力的增大，从而最终造成膜的不可逆污染，缩短膜的使用寿命。 2 ) 膜面流速对于任何形式的膜，增加膜面流速都可以提高膜通量和运行 稳定性。加大膜面流速可以增大膜表面水流的扰动程度，同时也增加了水流的剪