（市政工程专业论文）MBR技术处理高氨氮生活污水的研究.pdf

j e 塞窑适盔堂亟堂焦盈塞主塞埴墨 中文摘要 摘要：膜生物反应器( m b r ) 技术在污水处理领域，特别是污水回用和高浓 度氨氮废水处理方面在技术上和经济上具有巨大的潜力。本文研究了采用m b r 去 除废水中高浓度氨氮的工艺。 本文对一体式m b r 与s b r + m b r 两种膜生物反应器处理高氨氮生活污水进行 试验研究，探讨了两种膜生物反应器长期运行的可行性、动力学降解模式、最优 运行条件的控制。对每一种工艺的氨氮( n h 4 + 一n ) 和总氮( 1 n ) 的去除效果进行 了分析，重点分析影响同步硝化反硝化作用( s n d ) 的因素。研究结果表明： 1 ) 在膜生物反应器长期运行的可行性研究中，当污泥龄( s r t ) 一- 6 0 d 时， 两种膜生物反应器运行稳定，对c o d 和n h 4 + - n 的去除率都很高，平均去除率都 在9 3 以上，其中连续式m b r 的去除效果优于s b r + m b r ，出水c o d 9 6 7 m g l ， n h 4 + n 1 7 m g l 。两种反应器对t n 的去出率差别很大，s b r + m b r 在稳定阶段 t n 去除率在3 0 左右。 2 ) 膜组件的截留作用对c o d 的去除效果有重要影响，反应器稳定运行阶段 截留能力约为3 0 4 0 m g l 。 3 ) 在低氧和高污泥浓度( m l s s ) 条件下，s b r 、m b r 中可以实现s n d 。一 体式m b r 反应器最佳运行条件是m l s s = 6 0 0 0 8 0 0 0 m g l ，d 0 = i 0 2 o m g l ， s b r + m b r 反应器最佳运行条件s b r 反应器m l s s = 4 0 0 0 5 0 0 0 m g l ，d o = i 0 2 o m g l 。 4 ) 对s n d 过程进行了初探，结果表明在最初的o 5 h 内，n 0 3 - n 浓度随着反 应的进行而减小；在剩下的时间内，n i - 1 4 + - n 浓度随着反应的进行而减小。其原因 是最初的o 5 h 内碳源比较充足，能够满足反硝化所需要的碳源。 关键词：高浓度氨氮生活污水，膜生物反应器，同步硝化反硝化，溶解氧，污泥 浓度，膜组件的截留作用 分类号：x 7 0 3 ；6 2 8 1 j 宝窑逗盔堂：亟堂僮监塞旦sib ! a b s t r a c t a b s t r a c t ：a m o n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g i e s m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r lp r o c e s si so fg r e a tp o t e n t i a lb o t ht e c h n i c a l l ya n de c o n o m i c a l l y , e s p e c i a l l yi n r e a l s eo fd o m e s t i c m u n i c i p a lw a s t e w a t e ra n dt r e a t m e n to fw a s t e w a t e rw i t hh i 曲 a m m o n i u mc o n c e n t r a t i o n 1 1 1 eo b j e c t i v eo ft h i ss t u d yi st oc o m p a r et h ee f f e c t i v e n e s so f v a r i o u sm b r p r o c e s s e so nn i t r o g e nr e m o v a lf r o mh i g ha m m o n i u mw a s t e w a t e ri no r d e r t of i n do u tt h eo p t i m a lo n e t h i sp a p e rc o n d u c t e do nt h ee x p e r i m e n t 嵋i n gi n t e g r a t e dm b ra n ds b r + m b rf o r t r e a t i n gd o m e s t i cw a s t e w a t e r i tm a i n l ys t u d i e dt w ob i o m e m b r a n er e a c t o r sa b o u tt h e f e a s i b i l i t yo fl o n g - t e r mo p e r a t i o n ，k i n e t i c sm o d e lo fd e g r a d a t i o n ，c o n t r o l l i n go ft h e o p t i m u mo p e r a t i o nc o n d i t i o n t h ee f f i c i e n c i e so fa m m o n i u mn i t r o g e nf n n 4 + n ) a n d t o t a ln i t r o g e n ( n or e m o v a lo fa l lt h ep r o c e s s e sw e r ea n a l y z e d 州t l le m p h a s i so nt h e f a c t o r si n f l u e n c i n gs i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n ( s n d ) t h er e s u l t s o b t a i n e da r ea sf o l l o w s ： 1 ) d u r i n gt h el o n g t e r mo p e r a t i o no f t w ob i o - m e m b r a n er e a c t o r s ，t h e yw e n ts t a b l e w h e ns r t = 6 0 d t h e nc o d ，n h 4 + - nc o u l db er e m o v e de f f e c t i v e l ya n dt h ea v e r a g e r e m o v a le f f i c i e n c i e so f t h e mw e r eo v e r9 3 t h er e m o v a le f f i c i e n c yi ni n t e g r a t e dm b r w a sh i p e rt h a ni ns b r + m b r c o da n dn i - 1 4 + no fe f f l u e n tw e r er e s p e c t i v e l yb e l o w 1 0 m g la n d1 7 m g l b u tt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft ni ns b r + m b r c o u l db eu pt 0 3 0 i ns t a b l es t a g e 2 ) t h ei n t e r c e p t i o np e r f o r m a n c eo ft h em e m b r a n eh a sa l li m p o r t a n ti n f l u e n c eo n c o dr e m o v a l t h ei n t e r c e p t i o nc a p a c i t yo f t h em e m b r a n ec a nr e a c h3 0 4 0 m g l 3 ) s n do c c u r r e di nm b ra n ds b ru n d e rl 侧d oa n dh i g hm l s s t h eo p t i m u m o p e r a t i o nc o n d i t i o ni ni n t e g r a t e dm b r w a sm l s s = 6 0 0 0 8 0 0 0 m g la n dd o = 1 0 2 0 m g l ，c o m p a r e dt om l s s = 4 0 0 0 5 0 0 0 m g la n dd o = 1 0 2 0 m g li ns b r 4 ) t h er e s e a r c ho f p r o c e s so fs n d s h o w st h a tn 0 3 - nd e c l i n e di nt h ef i r s t0 5h o u r ， b u ti nt h er e m a i n i n gh o u r sn h 4 + - nd e c l i n e d t h er e a s o nw a st h a tc a r b o nw a se n o u 【g h f o rd e n i t r i f i c m i o ni nt h ef i r s t0 5 h k e y w o r d s ：h i g h s t r e n g t h a m m o n i u mw a s t e w a t e r , m e m b r a n e b i o r e a c t o r , s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n ，d i s s o l v e do x y g e n ，m i x e dl i q u o r s u s p e n d e ds o l i d ，t h ei n t e r c e p t i o np e r f o r m a n c eo f t h em e m b r a n e c l a s s n o ：x 7 0 3 ：6 2 8 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、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的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 苗匙碑 导师签名： 蝴以 签字日期：硼年口月k 日 签字日期：一7 年i z , 9 矽日 j e 塞窑重盔堂亟堂焦监塞独剑丝直明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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交通大学或其他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。 学位论文作者签名：袁f 趄舜 签字日期：细7年f z 月2 移日 致谢 本论文的工作是在我的导师杨成永教授的悉心指导下完成的，杨成永教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 杨成永老师对我的关心和指导。 中国地质大学( 北京) 水文水资源与环境工程学院的陈鸿汉教授对于我的科 研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 张国臣师兄和马力生工程师悉心指导我完成了实验的科研工作，在学习上和 生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向他们表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，薛强、陈海兵等同学对我的实验顺利进行提 供了大量而无私的帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母、姐姐，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 毡基 窑遭太堂 亟 茎 焦 迨塞i 壹 1 引言 随着我国社会经济的发展和城市化进程的加侠，我国各城市普遍存在的用水 需求不断扩大与水资源日益短缺的矛盾变得越来越突出。有很多城市都在考虑加 强中水回用，使得城市缺水的问题得以缓解。然而“资源型缺水”的问题随着水 污染的加剧，不但没有解决，反而有扩大的趋势。因此采取有效的污水处理技术， 提高污水的重复利用率，是解决水资源短缺问题的有效途径之一。 1 1课题的提出 水资源是有限的，地球上可供利用的水资源约占地球总水量的o 6 ，有4 0 个国家缺水。由于世界人口的增长和社会经济的发展，对淡水的需求量急增加。 加上水体的污染，水质不断恶化，许多国家都面临着水资源短缺的危机。尤其是 发展中国家和地区，愈益严重并有加剧的趋势。据有关专家预测，到2 0 2 5 年， 全世界将有2 3 的人口将面临严重缺水的局面f 2 】。 我国也是一个水资源极度匮乏的国家，人均水资源占有量约2 5 0 0 m 3 ，仅为世 界人均占有量的1 4 ，己被联合国列为1 3 个水资源缺乏的国家之一。由于水资源 的日益短缺，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。因此，近年来各种新型、改良型的高效废水处理技术应运而生，其中的膜分 离技术，特别是膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，简称m b r ) 组合工艺在废 水处理中的应用格外引人注目。该工艺与传统废水生物处理工艺相比，具有出水 水质好、出水可直接回用、设备占地面积小、活性污泥浓度高、剩余污泥产量低 和便于自动控制等优点。正因为m b r 工艺具有上述优点，其工艺在国内外迅速被 运用和推广。虽然目前能耗较高、膜污染、膜材科价格高仍是阻碍m b r 工艺发展 的三大瓶颈，但是该技术已经在污水回用和难降解有机废水处理领域崭露头角， 并在实际工程中得到了成功的应用。随着膜技术的发展，膜的制造成本的下降和 新型膜组件及m b r 工艺的不断开发，m s r 技术在废水处理中会得到更多的应用。 一般情况下，生活污水中氨氮偏低，而在些特殊的区域或地区，如在学校 学生公寓等地区，生活污水中氨氮含量偏高，导致c 烈比偏小，制约了硝化反硝 化作用的进行，处理难度加大，而国内针对商氮氮生活污水的处理工艺目前研究 甚少。 在上诉背景下，本课题进行了不同组合方式下膜生物反应器处理高氮氦生活 污水的中试研究，以及长期运行可行性的实验研究。通过本实验的研究可以将 丝宝銮逗友堂亟主堂焦途塞l 主 s n d 、m b r 二者合为一体。利用s n d 和m b r 的特点，相互取长补短，降低工艺 的运行以及建设费用，为提出高效低能的新反应器提出设计运行参考。对进一步 控制我国日益严重的水体富营养化问题以及改变大多数污水厂“造得起，用不起” 的尴尬局面都有积极的意义。 1 2m b r 技术的研究进展 1 2 1 船r 在国际上的研究进展 膜生物反应器( m b r ) 诞生于6 0 年代，它最先用于酶制剂工业生产中，1 9 6 6 年美国d o r r - o l i v e r 公司将活性污泥法和超滤工艺相结合用于生活污水的处理p j 。 2 0 世纪9 0 年代以后，国际上对m b r 在生活污水和工业废水处理方面进行了 大量的研究，m b r 已经进入实际应用阶段，并得到了快速的推广。1 9 0 0 年，泰国 的c h i e m c h a i r i 等人进行了中空纤维膜处理后再经消毒的出水【4 j 。1 9 9 2 年法国 c h a n g j 等人将m b r 应用于给水处理，开展了微生物反应器中试规模的研究p 】； 1 9 9 6 年，v u r b r a i n l 6 j 用m b r 进行饮用水生产的中试研究，去除饮用水中微量的氮、 有机物与杀虫剂，取得了良好效果。同年，w i 彻胁【7 】应用m b r 工艺处理人工合成 废水，c o d 、s s 、t n k 、n i 山+ - n 的去除率均达到9 9 以上。 进入九十年代中后期，m b r 在国外已进入实际应用阶段，并得到了快速的推 广。加拿大的z e n o n 公司首先将超滤管式m b r 应用于城市污水处理，为了节约能 耗，又开发了淹没式中空纤维膜丝的膜组件，目前此种m b r 已应用于美国、德国、 法国和埃及等十多个地方，规模从3 8 0 m 3 d 至7 ，6 0 0 m 3 d e 8 1 。 表1 1 为膜生物反应器在国外的应用情况。 表1 1m b r 在国外的应用情况 t a b 1 1a p p l i c a t i o no f m b ri nf o r e i g nc o u n t r i g s 2 韭鏖銮道盔堂亟 堂 毽 途銮 壹 1 2 2m b r 在国内的研究进展 目前，在我国膜生物反应器己用于处理造纸排放的难降解有机废水【外，高浓度 氨氮废水【1 0 l ，还应用于生活污水的处理，处理过的废水水质均达到相应的排放标 准。 1 9 9 7 年，樊耀波等i l l 】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 ，并通过数学推导，得出膜的最佳反冲洗周期测定公 式。1 9 9 7 年中科院生态研究中心樊耀波应用进行石油化工废水净化研究1 1 2 】；张绍 园根据微生物反应动力学平衡原理，得出的水力停留时间的公式；同济大学于 1 9 9 9 年进行了中空纤维膜一生物反应器处理生活污水的特性研究1 1 4 1 同年华南理 工大学进行了用超滤法处理造纸化机浆的研究【i 扪。 进入2 1 世纪以后，有关m b r 方面的论文数量突飞猛进，研究范围、内容和 深度都有了很大的提高。2 0 0 0 年顾平等【16 】用中空m b r 对生活污水进行了中试研 究，试验结果表明，m b r2 1 1 艺出水悬浮物为零，细菌总数优于饮用水标准，c o d 和氨氮去除率高于9 5 ，出水可以直接回用。2 0 0 1 年郑祥等【l7 1 用m b r 对毛纺废 水进行了中试研究，对c o d 、b o d 5 、色度、浊度的平均去除率分别为9 2 1 、9 8 4 、 6 0 7 、9 8 9 。2 0 0 2 年，罗虹等 1 5 1 迸行了投加粉末活性炭的膜生物反应器处理生 活污水的研究，与未投加粉末活性炭相比，该工艺不仅可以取得更优的出水水质， 而且可以从根本上减少膜阻力，维持高的膜通量；2 0 0 3 年：林丰等研究了m b r 脱氮工艺中的同步硝化反硝化和短程硝化反硝化；2 0 0 4 年，王颖等【2 0 】石开究了一体 式膜生物反应器处理高浓度有机废水，分别考察了抽吸时间、膜通量和混合液性 质对传质阻力的影响，并分析了浓度和上清液溶解性有机物浓度与膜传质阻力之 间的关系：张科杰等【2 1 1 研究了污泥浓度对膜生物反应器运行效果的影响，结果表 明，出水c o d 随污泥浓度升高而降低，膜通量与污泥浓度的对数值呈线性关系； j e 立窒道友堂 亟 堂僮 诠塞 l直 张颖等【2 2 】研究了一体式膜自身对有机污染物去除的强化作用在控制h r t 不变的条 件下，膜对c o d 的去除率随着进水的增加而增加，整个反应器对c o d 的去除率 一直维持在9 5 左右，表现出膜对有机物去除的强化作用。张传义等研究了一 体式膜生物反应器膜污染形成机理。2 0 0 5 年，付婉霞等对活性污泥一膜生物反应器、 生物膜一膜生物反应器、复合式膜生物反应器三种一体式的除污效果和膜污染趋势 进行了比较【2 ”，结果表明活性污泥一膜生物反应器的膜污染程度最轻，膜通量下降 速度最慢，膜污染也最容易消除。此外，在m b r 对难降解废水处理方面，我们也 取得了可喜的成果：清华大学、同济大学、南京化工大学膜科学技术研究所、浙 江工业大学分别进行了相关的试验研究，证实了m b r 应用于难降解废水的可行性 2 5 - z 9 1 。 1 3膜生物反应器的组成及特点 1 3 1t d b r 的分类 膜生物反应器主要是由膜组件和生物反应器二部分组成。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 生物反应器两神。 1 ) 分置式膜生物反应器 分置式膜生物反应器工艺流程如图1 1 所示： j ：；蠹缎液回巍 ( 一) l 一。li 图1 1 分置式膜生物反应器工艺流程示意图 f i g 1 1p r o c e s so f s e p a r a t e dm c m b r a r t eb i o - r e a c t o r 分置式m b r 通过料液循环错流运行，加压泵从生物反应器抽水，压入膜组件 中，膜滤后水排出系统，浓缩液回流至生物反应器。 4 韭庭銮 适太堂亟圭堂焦迨塞 ；l直 目前，已经规模应用的膜生物反应器大多为分置式，但其动力费用过高，因 此能耗较低的一体式膜生物反应器的研究逐渐得到了人们的重视。 2 ) 一体式膜生物反应器 一体式膜生物反应器是将膜组件直接安置在生物反应器内部，有时又称淹没 式膜生物反应器( s m b r ) ，依靠重力或水泵抽吸产生的负压或真空泵作为出水动 力。 一体式膜生物反应器工艺流程如图1 2 所示： 一l 些k 生物反应器 抽啜夏 图1 2 体式膜生物反应器工艺流程示意图 f i g 1 2 p r o c e s s o f m t e g r i t e d 埔n 】b 眦e b i o - r e a c t o r 分置式和一体式m b r 反应器的区别见表1 2 所示。 表1 2 分置式和一体式膜反应器的区别 t a b 1 2t h ed i f f e r e n c eb e t w e e ns e p a r a t e da n dt m e g r i t e dm b r 1 3 2 淞r 的优缺点 姗r 与传统的活性污泥处理工艺相比存在如下的优点： 1 ) 工艺流程短，占地省，小型化系统放置场所不受限制。轻巧、小型的装置 中生物处理机能和膜分离机能被一体化，省去t - - 沉池，占地面积小，约为生物 a b塞銮垣盔堂亟堂僮 j 金 塞!直 处理法的一半。 2 ) 出水b o d 。、氮、磷和悬浮固体浓度很低，不含细菌，病毒、寄生虫卵等， 出水符合三级处理标准，可直接回收或补充地下水。 3 ) 可以使水力停留时间和污泥龄完全分开，使运行控制更灵活、稳定。 4 ) 利于世代时间长的硝化细菌的增殖，从而提高硝化效率。 5 ) 污泥浓度高，从而传氧效率高达2 6 一6 0 9 6 左右，节省能耗。 6 ) 反应器内m l s s 可高达1 5 0 0 0 - 3 0 0 0 0 m g l ，使得装置处理容积负荷大，减少 占地，也便于传统活性污泥法的改造。 7 ) 膜生物反应器利用其高的m l s s ，可以保证污泥负荷高峰期的出水水质，且 在低峰期污泥可以进行自身消化( 内源呼吸) ，致使剩余污泥比常规活性污泥法处 理少5 0 - 8 0 ，可以减小剩余污泥处置费用。 8 ) 膜生物反应器里由于存在高浓度的m l s s ，硝化与反硝化同时存在，且具很 高的反硝化效果，脱氮能力强而在需要高效除磷时，只需往污水中投加少量的明 矾，因为膜能有效地分离这些不能沉淀的细小微絮凝状的磷，只要其粒径小于0 2 i lm a p 可。 膜生物反应器虽然具有许多其它污水处理方法所不具备的优点，特别是出水 水质可满足目前最严格的污水排放标准。但是由于m b r 工艺本身的问题，尚存在 如下问题需要解决： 1 ) 膜污染经过一定时间的运行，膜的通透能力下降，膜污染不可避免， 而且目前没有简单有效的清洗方法来恢复膜通量。 2 ) 能耗高m b r 的能耗比常规活性污泥法( 0 3 o 5 k w h m ) 。高能耗的 原因首先是m b r 过程必须保持一定的膜驱动压力。其次是m b r 中的污泥浓度非常 高，水中氧的传质效果往往很差，所以m b r 工艺采用加大曝气量的方式来改善这 一状况，因而造成能耗偏高。再者膜污染使膜通量迅速降低，必须增大流速，冲 刷膜面，减轻膜污染以维持所需要的膜通量【3 0 】。 1 4m b r 中实现同步硝化反硝化的环境条件 在m b r 系统中由于存在着膜与微生物系统的相互作用，确实表现出一些有别 于传统工艺的新的特性。m b r 系统在一个反应器中同时实现有机物和氮的去除，主 要是由于m b r 系统具有很多更有利于实现同步硝化反硝化( s n d ) 的环境条件。 1 4 1 污泥浓度 6 韭基銮塑丕 堂 亟圭堂建途 塞 i i 直 m b r 的最主要的特征之一就是可以在高污泥浓度下运行，从而具有污泥负荷 低、处理效果好、占地面积小等优点，同样这些优点对于s n d 也是有利的。其原 因在于随着污泥浓度的增加，有机物污泥负荷和氮污泥负荷会随之降低，有利于 提高c o d 和t n 的去除效果：氧传递率会随着污泥浓度的增加而降低，能创造更好 的缺氧微环境，从而提高反硝化脱氮的效果，进而提高t n 的去除效果。总的来说， 污泥浓度对t n 去除效果的贡献应该是污泥负荷和氧传递效率降低两者共同作用的 结果。 吕锡武等【3 1 】研究表明活性污泥浓度与平均t n 去除率有着良好的线性关系。在 d 0 为2 m g l 时，污泥浓度分别为2 0 ，3 0 和4 。o m g l 条件下，活性污泥系统对的 去除效率分别为3 5 4 ，4 1 和4 7 5 。 污泥浓度是m b r 的重要参数，不仅影响有机物的去除能力，还对膜通量产生 影响。虽然较高的污泥浓度能有效减小m b r 的体积，并为同步硝化反硝化的进行 提供有利的条件，但是过高的污泥浓度对于i 忸r 的正常运行是不利的，在运行l v l b r 时应该适当控制污泥浓度。 1 4 2 污泥龄和生物相 船r 中由于固液分离靠膜分离实现，能够有效实现h r t 和s r t ( 污泥龄) 分开 控制，因此在系统中可以实现很长的污泥龄，有利于为世代周期很长、繁殖速度 慢的硝化菌创造更有利的条件，提高系统的硝化能力。 污泥龄对于m b r 的硝化作用有很大的影响1 3 2 1 ，c o t e 等研究者发现，当污泥龄 由1 0 天增加为5 0 天时，氨氮去除率由8 0 增加到9 9 ：f a n 等研究者的实验中， 当污泥龄由5 天增加为1 0 天时，氨氮的去除率由9 4 增加到9 9 。也有研究发现 过长的污泥龄对于硝化作用有负面影响，难降解的溶解性高分子物质被膜截留在 系统内，随着污泥龄的增加而积累，对硝化菌产生抑制作用。 同时，m b r 系统由于膜的截留作用，能够将微生物截留在系统中i ”l ，而对于一 些具有特殊同步硝化反硝化功能的微生物菌属，例如异养硝化一好氧反硝化菌属 等，由于其生长所需要的底物浓度范围、p h 值等都很宽，在理论上一般都能够存 活于m b r 系统中，一旦系统的条件更有利于其生长繁殖和发挥活性时，同步硝化 反硝化作用就能够得到体现。 1 4 3 污泥颗粒分布和结构 m b r 系统由于膜的分离作用和污泥龄较长等因素的作用，其颗粒分布也与普通 韭夏銮通盍堂亟堂僮途塞lj直 活性污泥法有很大的区别。 b o r a nz h a n g 等对4 个m b r 系统和3 个普通活性污泥系统( c a s ) 的污泥颗 粒尺寸分布和污泥颗粒结构都进行了详细的研究，结果如下： m b r 工艺中污泥颗粒分布主要集中在小尺寸区域，在m b r l 中絮凝体尺寸大于 1 0 0 um 的只占2 ：在m b r 2 中，没有发现大于6 0 um 的污泥絮凝体，有8 1 的污泥 颗粒小于2 0 pm 。相反，c a s 中污泥颗粒分布较宽，且大尺寸区域的污泥颗粒百分 比相对较高，例如在c a s 4 中污泥絮凝体尺寸大于1 0 0 pm 的占7 7 ；在c a s l 、c a s 2 和c a s 3 中，污泥颗粒大小在0 5 1 0 0um 之间，大多数污泥颗粒小于1 0 0um 。另 外，m b r 中污泥颗粒的最小值和最大值之间相差只有2 0p ，而在c a s 中这种差别 达到几百微米。 该研究对污泥颗粒结构研究表明，m b r 污泥絮凝体结构较为松散，经过稀释污 泥絮凝体尺寸就能变小，而且不同污泥浓度的污泥絮凝体经稀释后都发现最小的 污泥絮凝体单元，最小污泥颗粒尺寸只有1 0pm ，平均尺寸在2 0 4 0um 之间；惦r 污泥絮凝体结构松散，看起来好像是由污泥絮凝体单元积累而成，因此，在生化 反应过程中把这种絮凝单元假定成一个生物化学单位是有一定道理的，这种絮体 单位在曝气池的不同混合状态下可以以累积状态或单一状态存在。而c a s 污泥絮 凝体较为密实，经过稀释污泥颗粒大小和结构无大的变化，其分布范围较宽( 0 5 1 0 0 0um ) ，平均颗粒尺寸在8 0 1 0 0um 之间或更大。 国内许多研究者也对m b r 系统污泥颗粒分布进行了研究。李春杰等【3 5 】在s m s b r 处理焦化废水研究中发现，m b r 运行前，接种污泥平均粒径为1 3 3 1 8pm ，随着系 统不断运行污泥颗粒呈下降趋势，最终稳定在3 5 2 8 3 7 7 3um 。 刘锐等【3 6 】在研究m b r 和传统活性污泥工艺的比较中发现中污泥的平均粒径为 1 0 4pm ，m b r 中污泥的平均粒径为8 5pm ，比c a s 系统的稍低。m b r 中较小的污泥 粒径为加强传质提供适宜的环境，因此有可能提高系统的有机物去除率和抗冲击 负荷能力。 上述研究结果表明，与普通活性污泥法相比，m b r 系统的污泥颗粒的平均粒径 更小，而且污泥絮凝体结构松散，这些特点有利于同步硝化反硝化的进行，一方 面，絮凝体平均尺寸小，有利于提高氧气、有机物和氮化合物的传质效果；另一 方面，对于高浓度的m b r 工艺，絮凝体尺寸越小，小絮凝体的数量越多，这些絮 凝体可以作为微生物的吸附点，有利于对有机污染物和氮化合物的吸附和降解。 事实上，b o r a nz h a n g 的研究证明了这一点，他们考察了颗粒尺寸对比硝化速 率和反硝化速率的影响，结果表明，污泥颗粒尺寸越小，比硝化速率越高，但是 污泥颗粒尺寸对于反硝化速率几乎没有影响。 e b m u l l e r 圳在廊道式活性污泥岫r 处理生活污水中试实验研究中，考察了 韭立銮逼太堂亟堂僮诠塞i i 直 不排泥条件下污泥的硝化活性，并和低负荷下的传统活性污泥系统的硝化活性作 了比较。通过单位质量的污泥对氨氮以及亚硝酸盐氮的去除能力来表征硝化菌的 活性。研究结果表明，在3 0 时，和传统生物处理工艺对于氨氮和亚硝酸盐氮的 氧化能力都维持在0 2 m m o l n ( g m l s s h 1 ) 左右。但是需要注意的是，该研究 m b r 对比硝化去除活性是在高的污泥浓度下测定的( 测定时污泥浓度甚至高达 4 0 9 l ) ，因此具有高污泥浓度的m b r 系统对氮的总体去除能力强。 上述研究表明，m b r 具有很多有利于实现同步硝化反硝化的环境条件，由于膜 分离与微生物系统的共作用特性在起作用。因此，要考察m b r 系统的同步硝化反 硝化效果及其基本机理，必须根据同步硝化反硝化的研究现状和主要环境要求， 通过试验研究确定m b r 实现同步硝化反硝化的最优化工艺，并进一步对m b r 中同 步硝化反硝化作用机制进行研究考察，这是对m b r 脱氮工艺完善的最佳选择。 1 5 论文的主要内容、目的和意义 1 5 1 论文的主要内容 本论文研究的主要内容是考察m b r 对高氨氮生活污水的处理效果。 实验主要包括两个阶段： l ，调试阶段。以s b r 法进行污泥驯化，等污泥长到成熟稳定阶段。 2 运行阶段。考察一体式m b r 和s b r + m b r 对高氨氮生活污水的处理效果。可 以分为以下几个具体过程： i ) 控制h r t 、p h 为定值，研究进水方式对一体式m b r 处理效果的影响。 2 ) 考察d o 、m l s s 、p h 对体式惦r 和s b r + m b r 去除效果的影响。 3 ) m b r 中s n d 影响因素研究。研究c 0 d 容积负荷不变条件下，各反应器c o d 已经氮的去除效果。 4 ) 各反应器运行周期内膜污染的变化以及在线清洗最佳周期的确定。 在运行阶段，对一体式m b r 和s b r + m b r 进行对比，考察各因素对两者的影响 情况，确定出各自的最优运行条件。在此阶段中需要测量以下的值：原水的c o d 、 总磷、总氮、氨氮、p h 值。上清液和出水的c o d 、总磷、总氮、氨氮、硝酸盐氮、 亚硝酸盐氮、p h 值；反应器中泥水混合液的m l s s 、m l v s s 、d o 等。 1 5 2 论文的目的和意义 膜生物反应器与传统污水处理工艺相比具有许多优点，但也有其自身的不足 9 之处。第一是膜生物反应器的操作条件，另一个是膜污染的问题。 本课题以高氨氮生活污水为主要研究对象，进行膜生物反应器处理生活污水 的中试研究。将从两方面进行研究，一方面从优化操作条件着手，研究不同因素 对膜生物反应器处理效果的影响，找出最优的工况，为膜生物反应器的实际应用 提供最优参数，另一方面，结合膜生物反应器的特点同时进行同步硝化反硝化发 生机理的研究。 0 j e 塞銮重丕堂亟堂僮迨塞塞坠菱星塑盆扳左鎏 2 1实验装置 2 实验装置和分析方法 2 1 i 一体式m b r 反应器实验装置 一体式m b r 反应器为铁制防锈立方体，规格为1 2 7 m 0 7 m x1 4 5 m ，反应器 总体积为1 2 m 3 ，其中有效体积为0 7 m 3 。反应器内置中空纤维超滤膜组件，膜材 质为聚丙烯( 天津膜天膜出产) ，膜孔径0 1um ，膜的表面积为0 i e m 3 片，膜组 件规格为0 3 m 0 4 m ，反应器中8 片膜并联排放，间距1 0 c m ，距反应器底1 0 c m 。 反应器内部左右两侧设置加热棒各一个，其温度控制在( 2 4 1 ) 。反应器由8 根曝气条并联进行曝气，曝气量由气体流量计进行调节，曝气条规格为4 0 c m 根， 间距1 0 c m ，布置在膜组件的下方距反应器底5 c m 处，以保证空气气泡与膜组件表 面充分接触以及为系统内混合液提供溶解氧。反应器内p h 值通过滴加i m o l l 的 n a o h 溶液控制在7 0 8 0 范围内。剩余污泥定期排放。 根据进水方式的不同，连续式船r 装置又分为连续式船r 和间歇式船r 两种， 以考察分析进水方式的不同对m b r 工艺处理生活污水的影响。 1 ) 连续式m b r 反应器实验装置 连续式g b r 反应器装置示意图见图2 1 。 图2 1 连续式m b r 反应器装置示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ec o n t i n u o u sm b r 原水由潜污泵打入调节水箱1 内，经提升泵2 提升至高位水箱3 中，然后由 高位水箱3 流入至平衡水箱4 ，平衡水箱的液位由浮球阀5 控制。原水通过平衡水 箱均匀的流入到m b r 反应器6 中，经计量泵1 4 负压抽吸进行出水，计量泵工作由 继电器控制，工作方式为“抽吸l o m i n ，停2 m i n ”。真空压力表1 3 用来监测抽吸 的压力，由压力表来观察膜的堵塞情况。空气由气泵1 1 提供，由气体流量计1 2 来控制曝气量。m b r 反应器内的温度和p h 分别由加热棒l o 和p h 计9 控制在( 2 4 1 ) 和7 o 8 0 。 2 ) 间歇式m b r 反应器实验装置 间歇式m b r 反应器装置示意图见图2 2 。 图2 2 间歇式m b r 反应器装置示意图 f i g 2 2s c h e n m t i cd i a g r a mo f t h eb a t c hm b r 对比图2 1 和1 2 可以看出，两套膜生物反应器共有的装置由调节水箱、 高位水箱以及m b r 反应器，这样可以尽可能减少两个反应器的进水水质波动， 保证进水水质稳定，便于进行对比实验。调节水箱为直径l m ，高1 4 m 的圆桶， 总体积为1 1 m 3 ；高位水箱和平衡水箱的体积为3 0 l 。 相比较连续式m b r 反应器，间歇式反应器没有平衡水箱，而是在m b r 反应 器内设置一个液位球阀4 ，由液位球阀来调节调节水箱向m b r 反应器的进水， 球阀由继电器来控制：当液位球阀出于“低”液位时，系统开始进水，由潜污 泵打入调节水箱1 内的原水，经提升泵2 提升至高位水箱3 中，然后由高位水 箱3 直接流入到m b r 反应器5 中，当m b r 反应器内的水位持续上升，液位球阀 到达“高”液位时，系统停止进水。 系统出水由计量泵1 3 负压抽吸进行出水，计量泵工作由继电器控制，工 2 j e 塞塞亟太堂亟堂僮诠塞塞墅苤置塑筮圭丘友鎏 作方式为“抽吸1 0 r a i n ，停2 m i n ”。真空压力表1 2 用来监测抽吸的压力，由压 力表来观察膜的堵塞情况。空气由气泵1 0 提供，由气体流量计1 1 来控制曝气 量。m b r 反应器内的温度和p h 分别由加热棒9 和p h 计8 控制在( 2 4 1 ) 和7 o 8 0 。 2 1 2s b r + m b r 组合工艺实验装置 s b r + m b r 反应器中各组成单元及具体尺寸规格见表2 1 ，其中s b r 反应器距底 部1 0 c m 处设置“u ”型穿孔管负责进水，进水管下方反应器底5 c m 处布置5 根曝 气条并联进行曝气，曝气量由气体流量计进行调节，曝气条规格为4 0 c m 根，间距 5 c m ，以保证空气气泡与膜组件表面充分接触以及为系统内混合液提供溶解氧； m b r 反应器内置中空纤维超滤膜组件，膜材质为聚丙烯( 天津膜天膜出产) ，膜孔 径0 1 m ，膜的表面积为0 1 2 m 3 片，膜组件规格为0 3 m x 0 4 m ，反应器中5 片 膜并联排放，间距5 c m ，距反应器底1 0 c m 。在膜组件的下方距反应器底5 c m 处布 置5 根曝气条并联进行曝气，曝气量由气体流量计进行调节，m b r 反应器内p h 值 通过滴加l m o l l 的n a 0 h 溶液控制在实验需要范围内。剩余污泥按照试验计划排 放。 表2 1s b r + m b r 反应器中各组成单元及具体尺寸规格 t a b 2 1n ”c o m p o n e n tu n i t sa n ds i z es p e c i f i c a t i o n so f s b r + m b r s b r + m b r 反应器装置示意图见图2 3 。 j b 立窑煎太堂亟堂焦诠塞塞墅苤量塑岔蚯友垄 图2 ，3s b r + i v l b r 组合工艺实验装置示意图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f s b r + m b r 当s b r 反应器开始进水时，由潜污泵打入调节水箱1 内备用的原水，经提升 泵2 提升至高位水箱3 中，然后由高位水箱3 流入至s b r 反应器4 底部，形成上 升流将静置o 5 h 后的s b r 反应器内上清液以一定流速顶入中间水箱7 内，经提升 泵2 流入平衡水箱8 内。平衡水箱的液位由浮球阀9 控制。m b r 进水通过平衡水箱 均匀的流入到m b r 反应器1 l 中，经计量泵1 6 负压抽吸进行出水，计量泵工作由 继电器控制，工作方式为“抽吸l o m i n ， 的压力，由压力表来观察膜的堵塞情况。 停2 m i n ”。真空压力表1 5 用来监测抽吸 空气由气泵1 0 提供，由气体流量计6 来 控制曝气量。s b r 反应器运行由c p i 控制：进水0 5 h ，曝气2 2 h ，静沉0 5 h ，共 3 2 h ；m b r 反应器内的温度和p h 分别由加热棒1 3 和p h 计1 4 控制在实验需要范围 内。 2 2水质分析方法 实验中的水质分析方法均依照国家环保局编写的水与废水检测分析方法 ( 第四版) 进行，实验中的主要分析项目包括：c o d 、n h 4 + - n 、n 0 3 n 、n o z - - n 、t n 、 m e s s 、m l v s s 、p h 、d o 和温度等，具体方法见表2 2 。 表2 2 水质分析方法及检测设备 t a b2 2 m a l y t i c a lm e t h o d so f w a t e rq u a l i t ya n de q u i p m e n t s 1 4 韭夏窑垣丕堂亟堂僮途塞塞验苤星塑佥扳友鎏 2 3实验原水水质 本实验的处理对象是中国地质大学( 北京) 学1 6 # 楼学生宿舍生活污水，具体 原水水质见表2 3 。 表2 3 试验用水水质 t a b 2 3q u a t yo f r a ww a t e r 项目最小值最大值平均值项目最小值最大值平均值 c 0 d2 6 07 3 04 9 5n m + 一n1 2 01 8 01 5 0 b o d1 2 33 5 62 4 0 n o , - n未检出 0 50 2 5 p b 8 09 08 5d o 未检出 0 20 1 注：n o l n 为n 0 3 - - n + n 0 2 - n ； 除p h 值外，其它单位均为m g l 。 从表2 3 可以看出，系统进水b o d c o d =