（市政工程专业论文）序批式动态膜生物反应器工艺特性试验研究.pdf

摘要 序批式动态膜生物反应器工艺特性试验研究 摘要 在动态膜生物反应器( 1 弧位姘序批式反应器( s b r ) 基础上，提出用序批式动态膜生物反应器 ( s d 加r ) 处理生活污水，并通过工艺特性试验、长期运行试验和s d m b r 与s b 嘣比试验来考察 其可行性以及阻力特性。 首先，采用人工配水模拟生活污水，试验分析了水力停留时间、气水比、工作周期对s d m b r 处理效果的影响；其次，考察了s d m b r 长期运行的处理效果、通量特性；再次，研究了s d m b r 中 膜组件的阻力特征：最后，通过s d m b r 与s b r 的对比试验，论证了s d m b r 的优越性。 试验结果表明：采用人工配水，当水力停留时间在1 8 3 6 h 的范围内变动时，s d m b 欺于c o d 、氨 氮和总氮的去除率变化不大，而对总磷的平均去除率随着水力停留时间的增加从1 1 1 增至2 2 3 。 气水比由3 0 ：1 上升至1 j 5 0 ：1 时，s d m b r 对c o d 、氨氮去除率未有明显变化，而总氮的平均去除率随着 气水比的增加从4 7 8 提高到了7 0 5 ，总磷的平均去除率则随着气水比的增加从1 6 3 增至2 2 7 。 工作周期为6 h ，气水比为5 0 ：1 ，周期内各阶段时长分配比分别为3 3 、4 2 、2 4 时，c o d 、氨氮去除 效果区别不大，但是4 2 的分配方式更加稳定，总氮的去除效果也更好。长期运行试验表明，s d m b r 对c o d 、氨氮、总氮、总磷的平均去除率分别达到9 0 、8 8 2 、4 7 1 9 、1 8 4 ，出水无色无味， 几乎无s s ；在气水比5 0 ：1 、工作周期6 h 、好氧厌氧= 4 2 、好氧末出水条件下，装置可以保持较高通 量( 大于或约等- 于4 5 l ( m 2 ”) 稳定运行达5 5 d 。膜阻力试验表明，一直处于浸没状态的膜组件，阻力主 要来自膜组件自身，间歇曝露在空气中的部分，阻力主要来自凝胶层。阻力变化当m l s s 在 4 7 0 0 9 4 0 0 m g l 范围内时，阻力随其变化不明显，但是随曝气量( 错流速度) 提高而显著降低。s d m b r 与s b r 装置对比试验表明，s d m b r 反应过程类似于s b r ，但是在相同运行条件下，前者可以在较高 的处理量下取得略好的处理效果，处理能力提升约为2 0 。此外，在高负荷情况下，与s b r 相比， s d m b 职寸氨氮和总氮的去除效果分别提升了2 3 9 0 o 和5 3 6 。 关键词t 序批式动态膜生物反应器；无纺布；动态膜；污水处理；阻力特性；膜污染 s t u d y o fc h a r a c t e r i s t i c so f s e q u e n c i n gb a t c hd y n a m i c m e m b r a n eb i o r e a c t o rt e c h n o l o g y a b s t r a c t o nt h eb a s i so f t h ed y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( d m b l ua n ds e q u e n c i n gb i o r e a c t o r ( s b r ) ，t h e a d v i c eo fa d o p t i n gs e q u e n c i n gd y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( s d m b r ) t ot r e a td o m e s t i cs e w a g ei s m a d e 。a n di t sf e a s i b i l i t ya n dr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa r er e v i e w e db yt e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s e x p e r i m e n t 1 0 n g t e r mo p e r a t i o ne x p e r i m e n ta n dc o n t r a s tt e s t a tf i r s t i nt h ee x p e r i m e n t , a r t i f i c i a lw a s t e w a t e ri sa d o p t e d ；r e s e a r c h m e n to ft h ei n f l u e n c eo f h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) ，r a t i oo fa i rt ow a s t e w a t e ra n da c t i o np e r i o do nt r e a t m e n th a sb e e n s t u d i e d s e c o n d l y , t h ee f f e c ta n dc h a r a c t e r i s t i c so ff l u xo fl o n g t e r mo p e r a t i o na r es t u d i e d a n dt h i r d l y r e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fm e m b r a n em o d u l ei ns d m b ra r ei n v e s t i g a t e d a tl a s t , a g u m e n t a t i o no f t h ea d v a n t a g e so fs d m b ri sm a d et h r o u g ht h ec o n t r a s tt e s to fs d m b ra n ds b r n 伦r e s u l to fe x p e r i m e n ts h o w st h a ti nt h ew h o l es t u d y , t h ev a r i e t yo f 玎h a sl e s si n f l u e n c eo n t h er e m o v a lr a t eo fc o d ，n h 3 n ，t n ，b u tt h er e m o v a lr a t eo ft pi si n c r e a s ef r o m1 1 1 t o2 2 3 a l o n gw i t i l 1 ei n c r e a s eo fh r tf r o ml8 ht o3 6 1 1 w h e na r t i f i c i a lw a s t e w a t e ri su s e d t h ev a r i e t yo ft h e r a t i oo fa i rt ow a s t e w a t e rh a sl e s si n f l u e n c eo nt h er e m o v a lr a t eo fc o d ，n h 3 - n 。b u tt h er e m o v a lr a t e o fn qi sd e c r e a s ef r o m4 7 8 t o7 0 5 a n dt pi si n c r e a s ef r o m16 3 t 02 2 7 a l o n gw i t ht h e i n c r e a s eo f t h er a t i oo f a i rt ow a s t e w a t e rf r o m3 0 ：1t o5 0 ：1 w h e na c t i o np e r i o di s6 h , t h er a t i oo f a i rt o w a s t e w a t e ri s5 0 ：l ，a n dt h er a t i oo fa e r o b i c a n a e r o b i ci sr e s p e c t i v e l y3 3 ，4 2a n d2 4 ，t h er e m o v a l r a t e so fc o da n dn h 3 一na r ea l m o s te q u a l ，b u t4 2i sm o r es t a b l ea n dt h ee f f e c to ft ni sb e t t e r l o n g - t e r mo p e r a t i o ne x p e r i m e n ts h o wt h a tt h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo fc o d 、n h 3 - n 、t na n dt pi s 9 0 ，8 8 2 ，4 7 19 a n d18 4 r e s p e c t i v e l y , t h ee f f l u e n tw a t e ri sd e v o i do fc o l o r o d o ra n ds s w h e n a c t i o np e r i o di s6 h ，t h er a t i oo fa i rt ow a s t e w a t e ri s5 0 ：l ，a n dt h er a t i oo fa e r o b i c a n a e r o b i ci s4 2 。 w a t e rf l o wa tt h ee n do fa n a e r o b i c ，t h es t e a d yr u n n i n gt i m eo ft h ed e v i c eo p e r a t e da tah i g h f l u x ( g r e a t e rt h a no re q u a lt o4 5 l ( m z h ) ) c a nr e a c h e d5 5 d e x p e r i m e n to fm e m b r a n er e s i s t a n c es h o w t h a t r e s i s t a n c eo fm e m b r a n em o d u l ew h i c hi m m e r g e di nw a t e ra l lt h et i m ei sm a i n l yf r o mh o l l o w m e m b r a n e a n dr e s i s t a n c eo ft h ep a r tf i t f u l l yi m m e r g e di nw a t e ri sm a i n l yf r o mg e ll a y e r n 坞v a r i e t y o fr e s i s t a n c ei sn o to b v i o u sw h e nm l s si nt h er a n g eo f4 7 0 0 9 4 0 0 m g l h o w e v e r , t h er e s i s t a n c e d e c r e a s e dw i t hi n c r e a s eo fa i rs u p p l y ( c r o s s f l o wv e l o c i t y ) t h ec o n t r a s tt e s ts h o w st h a ts d m b ra n d s b rh a v es i m i l a rr e a t i o np r o c e s s b u tt h ef o r m e rh a sab e t t e rt r e a t m e n te f f e c t m o r e o v e r , s d m b rh a s ab e t t e re f f e c ta n ds t a b i l i t yi nh i g hl o a d k e yw o r d s ：s e q u e n c i n gd y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r , n o n w o v e nf a b r i c s ，d y n a m i cm e m b r a n e ， s e w a g et r e a t m e n t , r e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ，m e m b r a n ef o u l i n g i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 叼 1 1 - 研究生签名： 厶i 五 日期： 谢2 ：逑 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 茎! 刍 导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 目前，随着我国社会经济发展和人口的增加，用水量的增加和水环境污染的加剧，有限的水资 源日益紧张。2 0 0 6 年的中国环境状况公告公布，我国淡水资源地表水水质i 类，、v 类， 劣v 类水质的断面比例分别为4 0 、3 2 和2 8 。七大水系中松花江、黄河、淮河为中度污染，辽 河和淮河为重度污染。全国6 7 0 多个城市就有4 0 0 多个缺水，其中有1 0 8 个严重缺水。我国的水资 源时空分布不均，北方干旱少雨，属于资源性缺水：南方降雨量充沛，河湖众多，水资源丰富。随 着经济的发展速度加快，工业生产规模扩张，但相应的环保体系没有及时跟上，污水量急剧增加， 河湖污染严重，致使南方水质性缺水i l l 。水资源的危机给社会经济的发展带来了严峻的危机。 水环境质量的严重恶化和经济的高速发展，迫切需要适合时代发展的污水资源化技术，以缓解 水资源的短缺现状，于是近年来各种新型、改良型的高效废水处理技术应运而生，其中膜分离技术， 特别是动态膜生物反应器( d y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a e t o r ，简称d m b r ) 组合工艺在废水处理中的 应用格外引人注目。 1 1 膜生物反应器的发展和特点 1 1 1 膜生物反应器的由来 由于水资源消耗量的增加和自然界淡水资源的短缺，废水的再生或回用成为迫切要求。二沉池 的排放出水水质尚且难以达到中水回用的标准，因此二沉池的出水还需要经过进一步的过滤、活性 炭吸附、杀菌消毒甚至反渗透等三级处理。这样的工艺较为复杂，而且还有化学处理产生的沉淀污 泥。膜制作技术的进步促进了用超滤或微滤膜取代三级处理以简化工艺过程的尝试，并最终产生了 相应的工艺方法。膜生物反应器( m b r ) 工艺可以追溯到二十世纪六十年代后期，u f 和m f 膜工 艺工业规模应用已产生。最初的工艺是美国d o r r - o l i v e r 公司研究用超滤膜和活性污泥反应器相结合 处理生活污水，当时的工艺被称为外置式膜生物反应器。尽管膜生物反应器相对于活性污泥法具有 结构紧凑、占地面积小的特点，但是由于膜组件、动力消耗成本较高，以及膜污染的问题，仅限应 用于私人停车场或旅游度假区等特殊的小生态环境1 2 l 。1 9 8 9 年，日本y a m a m o t o 等1 3 l 对中空纤维式膜 组件置于活性污泥反应器的膜生物反应器形式进行了研究。结果发现在有机负荷为i 5 k g - c o d m 3 d ， h r t 为4 小时的条件下，稳定运行1 2 0 天后，其c o d 去除率大于9 6 ，6 0 的氮可通过间歇曝气 去除。该试验成为一体式膜生物反应器应用的开端。 1 1 2 膜生物反应器的类型与特点 m b r t 艺是生物处理与膜分离技术相结合的新型污水处理工艺。在m b & 【艺中，膜分离取代传 统的重力分离，由于膜可以实施精确的固液分离，m b r 工艺可以获得优质的出水。m b & 主要由生物 反应池和膜组件组成。根据膜组件放置的位置，可分为浸没式( 一体式或淹没式) 和外置式( 分置式) 2 种1 4 1 。 膜生物反应器采用膜分离技术代替传统的重力分离，克服了传统工艺中出水水质不稳定，污泥 容易膨胀的缺陷，具有以下突出优点p j ： 能够高效地进行固液分离，分离效果远好于传统的沉淀池，出水水质良好，出水悬浮物和浊 度接近于零，可直接回用，实现污水资源化。 膜的高效截流作用，使微生物完全截流在反应器内，实现了反应器水力停留时间( 强) 和 污泥龄( s r t ) 的完全分离，使运行控制更加灵活稳定。 反应器内的微生物浓度高，耐冲击负荷。 有利于增殖缓慢的硝化细菌的截留、生长和繁殖，系统硝化效率得以提高。通过运行方式的 改变亦可有脱氮和除磷功能。 泥龄长。膜分离时污水中的大分子难降解成份，在体积有限的生物反应器内有足够的停留时 东南大学硕士学位论文 问，大大提高了难降解有机物的降解效率。反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长污泥龄下运行， 可以实现基本无剩余污泥排放。 系统采用p l c 控制，可实现全程自动化控制 占地面积小，工艺设备集中。 总之，膜生物反应器具有许多其他污水处理方法所不具备的优点，特别是出水水质可以满足目 前最严格的污水排放标准，甚或今后更加严格的排放标准。但是也存在膜污染、膜清洗和膜更换以 及能耗高等问题，有待于研究解决。 l 工动态膜技术的历史和现状 动态膜是指通过预涂剂或活性污泥在膜表面形成的能改进原有膜工作性能的新膜，也可称为次 生膜1 6 1 。最早对动态膜进行研究的是美国o a k r i d g e 国家原子能所实验室的m a r d i r l k o w s k y 7 等人，1 9 6 5 年，该实验室在研究多孔物质脱盐时，误用了z r o c l 2 ，而不是本应使用的n a c i ，结果发现能在多孔 板上形成脱盐层，同样具有反渗透效能。这层薄膜是在压力作用下微粒就地沉积在多孔载体上的， 因此称为原位形成膜( f o r m e d i np l a c em e m b r a n e ) 或动力形成膜( d y n a m i cm e m b r a n e ) ，简称动态膜。 动态膜是分离膜中比较特殊的一种，因其具有渗透通量大的优点而受到关注，动态膜的研究始于反 渗透，之后扩展到超滤伟l ，用于蛋白质的回收、果汁过滤及废物生物处理。因动态膜以固定膜材料 作为支撑体而形成，因此也被称为二次膜( s e c o n dm e m b r a n e ) 。 与固定膜相比，动态膜主要有两个潜在的优点1 9 】：一是可以显著降低膜组件的成本；二是膜污 染控制方法比较简单。由于动态膜具有动态性，以及可以在现场制备的特点，一旦发生膜的污染， 可以将失去通透能力的表层动态膜清除，然后重新生成新的动态膜。 1 2 1 动态膜的形成机理及性能 动态膜根据其形成的方式分为两类：一类是预涂膜，其中又分为使用悬浮液和胶体溶液两种； 另一类是原液形成膜，即将所处理的废液作为动态膜制备液来过滤制得。形成动态膜的条件有：可 以有效保持动态膜的载体，错流分离方式的组件以保证动态膜的制备和运行，形成膜的悬浮液浓度 要保持在l 一- 2 0 9 l ，如果这些条件都能满足，动态膜就可以在几分钟内形成，然后系统进入变化缓 慢、几乎稳定的状态i iu j 。 固定膜分离研究已有许多报道，而关于动态膜的形成过程，尤其是成膜机理鲜有研究报道。动 态膜在提高过滤精度的同时防止了污染物向膜材料表面和内部的扩散，减轻了对膜材料的污染程度； 预涂剂的自身颗粒粒径大使得形成的动态膜孔隙率高而可压缩性小，使得动态膜有较强的液相渗透 性能，从而延缓操作压力的提高。此外，动态膜还易于从膜材料表面分离，清洗时预涂剂连同所吸 附的污染物质及微生物代谢产物一同被洗脱，使得膜通量得到有效的恢复。 以陶瓷管为载体的动态膜性能研究应用较多。李俊等【l l l 以陶瓷管为载体，对高岭土动态膜的形 成及其污水处理性能进行了详细研究，动态膜在形成初期1 0 - 1 3 m i n ，膜的形成过程可用标准过滤 模型描述，在此期间颗粒堵塞载体膜管孔道，致使渗透液通量急剧减小，之后，膜的形成过程符合滤 饼过滤模型，这一阶段颗粒主要在载体膜管内壁面沉积，渗透液通量缓慢下降直至基本稳定。还研 究了在陶瓷管载体内壁制成高岭土动态膜及动态膜对城市二级出水的过滤性能、动态膜的清洗和再 生方法1 1 2 l 。在3 1 8 k 和p h 8 0 条件下，水合氧化锆一聚丙烯酸动态膜在染料一盐一水三元溶液体系 中具有很好的耐用性，通过低压循环水冲洗，膜的各种性能都很容易恢复，这种膜还具有很好的重 现性1 1 3 l 。为解决以陶瓷管为载体的动态膜的污染控制，可用聚乙烯醇( p v a ) 形成动态膜，膜具有良好 的亲水性，能有效防止膜污染，而且具有较好的反冲洗性能。在经过反冲洗之后，其出水通量基本 可以完全恢复1 4 1 。 利用微网材料加工的动态膜常与生物反应器一起构成动态膜生物反应器，其过滤性能较好，具 有的较强截留能力主要是由附着的凝胶层产生，动态膜对各个级别的溶解性有机物都有3 0 6 0 的截留率，但过滤的精度并不很高，不能完全截留相对分子质量大于1 1 0 5 的溶解性有机物i l5 1 。 2 第 章绪论 122 动态膜的组成及分类 动态膜主要由动志膜基和动态膜分离层组成。在未形成动态膜的组件上，动态膜基构成了过滤 面，动态膜基的丰要作用是在含有成膜材料的液体通过时，提供膜材料沉积或附着的场所，并成为 随后形成的动态膜过滤层的支撑体。动态膜通常为多孔材料，常见的有膜材料( u f 或m f ) 、微孔 台属管、微孔陶瓷、粗阿材料等“。构成动态膜分离层的物质通常是分散在混台液中的各娄胶体物 质，一，以是有机胶体，也可以足七机胶体。在以往的文献中，各种金属的水台氧化物是常见的动忐 膜成膜材料，其一1 1 尤以水台氧化锆为主，辅以有机胶体材料( 聚丙烯酸) 对形成的尤机胶体层进行 改性。近年来，廉价的柑州材料如筛州、无纺布、工业滤布、金属筛阿等也成为研究土要热点。 依据动惫膜胶体物质的柬源将动态膜分为两类预涂层动态膜( p r e - c o a t e dd y n a m i cm e m b r a n e ) 和自形成动态膜( s e l f - f o r m i n g d y n a m i c m e m b r a n e ) ( 如图i2 - i 所日i ) ，预淙层动态膜的组成物质和 被过滤的溶液中的物质小阿，通常先用毒孔支撑体过滤含有成膜物质的溶液，待动态膜矗：其表血形 成后，再用它来过滤被处理液体。自形成动态膜则是在过滤被处理溶被时由溶被中的物质在多孔支 掉体表面形成。动态膜研究的早期，土要为预涂层动态膜。 自m 自女m女h 图12l 自生动态膜和颈涂动态膜结构图 l23 动态膜的数学模型 关于动态膜的数学模型描述较少。通过对错流过滤系统巾悬浮颗粒的受力分析，可在错流过滤 系统中建立动态膜涂膜过程数学模型。可h 算整个过程中的膜通量和膜厚度，颗粒太小、流量和跨 膜压差等参数决定了达到稳定状态后的动态膜的膜厚和膜通量，而迭到平衡状态所需的时间! | l l j 与跨 膜压力、主体溶液的颗粒浓度和粒径等参数有关”。对于超滤动态膜，有学者总结r 超滤过程巾形 成动态膜的种类并钊对不同种类动态膜在合理假设的基础上，推导出备种变蹙之间的数学模型1 。 124 动态膜的水力学研究 关丁动态膜的水力学研究描述较少，主要集中在动态膜生物反应器上。 利j h 边界层理论可确定撷涂动态膜生物反应器稳定曝气星，当污泥谁度低丁8 0 0 0 m g ，l 时的泥水 混台液近似于牛顿流体，进而利用牛顿流体力学中边界层理论计算预涂动态膜( p d m ) 厚度等卜、f 板 膜表而层流边界层悼度时的稳定曝气越，为保证预涂动志膜生物反应器( p d m b r ) 运行的稳定性，在 其运行初期选样满足生物所精最佳溶解氧3 5 m g l 的供氧曝气量，随后迁渐增加到稳定曝气量的运 行方式，此运行方式能较好地提高动忐膜的稳定性，在稳定运行的3 i d 内出水c o d 低于1 2 4 8 m g l ， 平均去除率达到9 44 9 ，平均去除率为7 61 3 ，而操作压力仅上川至2 7 k p a ，在高于稳定曝气量f 运行的稳定性，发现p d m 拉生脱落。从1 证明利边界层理论确定的预滁娄动态膜的稳定曝气量具 肯定的应用价值- “。 钊对自生动态膜牛物反j 邂器内部结构，可进行动力学运行的理论分析建立的关系模型可以很 好地反映混台液流速与清水流速之间的关系，调整降流区横截面积与底部通道截面积的比值为07 以及升流区横截面积与顶部通道械面积的比值为0 9 ，调整降流区横截面积与升流区横截面积的比值 勰躐 料层材膜基态膜动 东南大学硕士学位论文 在1 2 1 5 范围内以及增加反应器的有效高度，都可以在不改变曝气强度的条件下增加动态膜膜面 错流速度，此结果与推导出的循环流动方程可以很好地吻厶i 删。 1 2 5 动态膜的水头差 动态膜组件可以实现在一定水头差( w a t e rh e a dd 姊，w h d ) 条件下自流出水，水头差对于膜 组件运行初期出水通量及水质有一定的影响。 对于自生生物动态膜( s f d m ) ，增加出水水头不利于s f d m 的恢复，随着恢复期出水水头的增 加，s f d m 的稳定出水通量逐渐达到一个极限通量，约为3 5l ( m 2 h ) ，继续增大出水水头，稳定出 水通量甚至有降低的趋势，在相同的出水通量下，动态膜的稳定运行时间随着恢复期出水水头的增 加而显著降低。当恢复期出水水头为0 5 c m 时，稳定运行的时间大于1 0 d ；当恢复期出水水头为1 0 c m 时，稳定运行时间小于5 h ，提出使每个过滤周期从出水水头为0 处开始的操作策略1 2 0 j 。 在体积为4 0 0 l 的反应器设置过滤面积为0 1 2 m 2 的2 0 0 目不锈钢丝网膜组件，该膜组件的最佳 水头差为3 0 0 r a m ，其运行2 h 后稳定出水通量可达4 2 0 l m 2 h ，出水浊度5 m i n 内即可低于5 n t u 。 以2 0 0 目、孔径为8 0 9 m 不锈钢丝网为基材在曝气池内可形成的自组生物动态膜，在普通混合液悬 浮固体( m l s s ) 浓度约2 2 0 0 2 0 0 m e j l 下采用自流出水，3 0 c m 是较好的操作水头，而初始通量小 于0 6 2 m h 时，基材上未形成有效的生物动态膜，通量高于0 1 m h ，远远超过微滤膜生物反应器【2 2 1 。 1 2 6 动态膜的曝气方式 动态膜正下方曝气的作用是提供动态膜表面错流，阻止污染物在膜表面沉积，延缓动态膜的污 染，提高运行稳定性。对于自生动态膜生物反应器，中侧下方曝气的主要作用是提供氧气和保证反 应器内水流处于旋流状态，但正下方曝气也会造成对动态膜的侧向挤压，使动态膜泥饼趋于致密， 导致出水通量迅速下降。采用曝气强度为1 6 m 3 m 2 h 侧下方曝气，运行2 0 m i n 后追加1 0 m 3 m 2 h 的正下方曝气，反应器处于最佳运行状态朋。 1 2 7 动态膜的污泥研究 通过动态膜的调控，可以达到减少污泥产量的目的。利用蠕虫，并通过生态调控技术，可对实 现自生动态膜生物反应器的污泥减量，在有蠕虫存在的情况下，反应器内的污泥浓度一直维持在 4 0 0 0 m g l 左右，不仅实现了剩余污泥的零排放，而且改善了其沉降性能，同时膜污染也得到了有效 缓解，其清洗周期由原来的4 5 d 延长至1 个月左右，保证了出水水质的稳定性；蠕虫的存在对c o d 、 氨氮的去除没有明显的影响，但不利于对t p 的去除，且浊度的去除也受蠕虫密度的影响，当温度、 p h 等条件适宜时，影响蠕虫生长的主要因素有溶解氧、反应器内部结构、污泥浓度等，其中溶解氧 是影响蠕虫生长与繁殖的关键环境因子1 2 4 。以2 0 0 目孔径为8 0 p m 不锈钢丝网为基材在曝气池内可 形成的自组生物动态膜，生物动态膜能够在2 - - 一5 m i n 内迅速形成，并达到截留污泥，对浊度和s s 有 良好去除效果，满足出水水质的要求【2 2 】。李方等人1 2 ，】进行了错流式动态膜- 生物反应器中污泥活性 的研究，对己内酰胺废水进行了1 8 0 d 的实验，实验过程中测定反应器的膜出水和上清液的水质。并 对污泥进行了耗氧呼吸速率测定。 1 2 8 动态膜生物反应器的研究进展与应用前景 动态膜研究主要集中在两个方面。一是利用动态膜的原理提高固定膜的截留性能，如在膜生物 反应器工艺中，可以借助微滤膜从出水中去除细菌、病毒等：其二，应用在污染特别严重，或对过 滤精度要求不高的场合，发挥动态膜价格低廉和污染控制容易的特点，如将动态膜作为固定膜进水 进行预先过滤的手段，从而大大提高固定膜的通量，减轻固定膜发生污染的几率。 动态膜生物反应器，是在传统膜生物反应器的基础上提出来的，过滤所用的介质不是传统的微 滤或超滤膜，而是孔径相对较大的粗网材料。粗网材料只是作为过滤支撑体，真正起过滤作用的是 过滤一段时间后在膜表面形成的污染层动态膜。这种工艺与传统的m b r 相比，除具有传统m b r 的主要优点以外，更具有基建、运行费用低，污染易去除的优点。动态膜生物反应器并不能像微滤 和超滤膜样可以使水中的细菌数降为零，下方曝气也较为频繁，并可能需要将下方曝气后一段时 间内的出水返回到处理装置。但是，由于该工艺的固有优点，动态膜生物反应器在大规模的污水处 4 第1 章绪论 理与回用中，以及在对出水要求不甚严格的场合，仍有良好的应用前景。所以目前国内外对于廉价 的大孔径膜材料应用于动态膜生物反应器作了大量的研究。 日本的y o s h i a k ik i s o 等1 2 叫用孔径分别为1 0 0 p m ，2 0 0 p r o ，5 0 0 p r o 的尼龙网作为过滤材料制成有 效面积为0 1 2 m 2 的动态膜组件，在体积为2 5 l 的反应器内进行小试试验。试验结果表明：在连续运 行的条件下，出水的s s 和b o d 5 分别小于1 5m g l 和5i i l g 几；在间歇曝气的条件下总氮的去除率 可达8 0 ，但动态膜组件l 2 周后出现堵塞；将该组件运用于a 2 o 工艺时，可以取得更高的总氮 去除率，并且装置连续运行两个月未出现堵塞现象。孔径为1 0 0 p m 的尼龙网在较低的压力下 ( 5 l o m m h 2 0 ) 能有效的分离活性污泥，运行4 0 m i n 后出水s s 降至5 i i l ；g l ；2 0 0 p m 和5 0 0 p m 的尼 龙网在整个过程中出水s s 始终较高，l h 后s s 仍大于8 0 m g l 。y o s h i a k ik i s o 等还认为大强度的曝 气对应较大的出水浊度，会影响动态膜的形成；膜面错流速度为1 0 c r n s 时可以使出水通量稳定； 2 0 - - 4 0 c m s 的膜面错流速度则适用于膜的清洗。 日本东京大学的m r a l a v im o g h a d d a m 等采用克重1 5 9 m 2 孔径不规则的聚酯纤维非织造布动态 膜组件分别进行了一系列的试验研究： 考察操作参数如曝气量、氧强度、固体停留时间对好氧活性污泥工况的影响1 2 7 1 。试验中发现水 头差越大，初始通量越大，会引起更多的污泥泄漏，从而导致初始阶段出水水质越差；曝气强度对 出水s s 和浊度的影响很少：固体停留时间( s r t ) 对出水水质有一定的影响，试验采用s r t 为1 0 d 、 3 0 d 和7 5 d ，s r t 为l o d 和3 0 d 时出水良好，在s r t 为7 5 d 时出水水质明显恶化。 考察研究了高污泥浓度下工艺的运行特性1 2 研。试验装置在连续运行6 5 天的情况下不排泥，结果 表明：系统运行6 2 天，出水s s 、t o c 、d o c 和浊度处理效果良好。平均碳的去除率c o d 达9 4 ， t o c 8 7 。平均污泥产率0 4 4 k g m l s s k g t o c ，约0 2 4 k g m l s s k g b o d ，此结果低于传统活性污泥法 和滴滤池。 对出水水质、污泥的性质、污泥中的微生物种类进行了观测网。总结发现固体停留时间在1 0 d 和3 0 d ，t o c 、c o d 、s s 和浊度出水良好，s s 和浊度在这整个操作过程中较为稳定。易于发生膜堵 塞的系统具有以下特点：污泥浓度高、丝状菌不丰富、被t y p e0 2 n 细菌统治、含大量p r i s t i n as p 及 t a r d i g r a d e s ( m a c r o b i o t u s ) 、e p s 浓度高。 韩国c h a n g w o n 国立大学的q t s e o 掣3 0 l 用聚丙烯质地、克重分别为3 5g m 2 、5 0g m 2 、7 0g m 2 的非织造布制成动态膜组件，将1 0 片矩形、总有效面积2 m 2 的膜片置于a o 工艺的曝气池中进行 小试，重力自流出水。试验结果表明：平均出水s s 为3 2m g l ，去除率为9 3 4 ；平均出水c o d 为1 3m g l ，去除率为9 1 6 ；在控制进水c n 比恒定的条件下总氮去除率达到6 6 ，总磷的去除 率只有2 3 ，相当于常规活性污泥法。同时发现膜的重量对出水通量有显著的影响。7 0p j m 2 的膜出 水通量衰减最快，4 0 m i n 后即衰减为初始通量的7 0 ，而3 5 咖l z 的膜1 6 0 r a i n 后才能衰减到同等程 度，较轻的网膜能在较小的出水水头下达到稳定通量。 英国c r a n f i e l d 大学的g a n d e rm a 等1 3 1 1 ，采用廉价的无纺材料一喷融法聚丙烯膜制成一体式膜 生物反应器处理生活污水，并将其与其他微滤膜构成的膜生物反应器进行比较。进行试验的无纺材 料、疏水聚丙烯膜、聚砜膜的孔径分别为5 w n 、0 5 9 r n 、0 4 9 r n 。除了疏水聚丙烯膜由于疏水性在试 验操作压力下没有通量外，另两种装置对有机物和浊度的去除率均达9 2 以上。 尼日利亚的m e g a tj o h a r im o h dn o o r 等1 3 2 】利用聚酯材料作为过滤材料处理市政污水，试验结果 表明：系统可运行污泥浓度达8 0 0 0 m g l 出水的浊度低于5 n t u ，运行6 2 天c o d 去除率达9 4 ， r c l c 去除率可达8 7 。 d m b r 发源于日本和韩国，中国在这方面的研究起步较晚，但近年来也开展了这方面的研究。 台湾的m i n - c h a oc h a n g 等p 3 j 采用膜面积为0 0 2 5m 2 的聚丙烯无纺布作为过滤材料置于容积5 0 l 的膜生物反应器中。考察了浸没式无纺布动态膜生物反应器的过滤性能和运行参数，包括：孔径、 起始通量、曝气强度、以及污泥浓度的影响。结果表明：活性污泥中的悬浮絮体颗粒是引起膜污染 的主要原因，选择合适的即与污泥颗粒大小相近的膜孔径能够延缓膜污染的发生，无纺布膜生物反 5 东南大学硕士学位论文 应器的曝气强度和污泥浓度与传统的微孔m b r 是不同的。 同济大学的高松等1 3 4 1 利用不锈钢丝网制作的膜面积为o 1 2 m 2 的膜组件在有效面积为4 0 0 l 的反 应器内进行试验，发现在膜运行稳定后，出水浊度可控制在i n t l i 以下，c o d 的去除率达到7 9 以 上，氨氮去除率达到9 0 以上。 同时高松选择出水水头分别为1 0 e m ，2 0 e r a ，3 0 e m ，4 0 e r a ，研究考察出水水头对过滤性能的影 响。实验发现：某一确定水头对稳定运行的d m b r 影响不大，但水头骤变时会引起出水通量的变化； 同等其他条件下，出水水头( w h d ) 的增大会使出水s s 减少，但也使堵塞更容易发生。出水水头 的提高使出水动力提高，有增加出水通量的作用，但同时又会压缩动态膜，造成出水阻力增加。因 此，要得到最佳的出水通量，延长系统的运行时间，还需要大量的研究。 清华大学的范斌、黄霞等对动态膜生物反应器进行了较为全面和深入的研究，先后对出水水头、 过滤性能、处理效果等进行了一系列的试验研究： 研究了动态膜恢复期的w h d 对动态膜的影响p m 。分别研究了恢复期出水水头为1 0 0 n ，g e m ， 6 e m ，4 e m ，2 c m ，0 5 c m 的情形。结果表明：增加出水水头不利于自生生物动态膜的恢复。随着恢 复期出水水头的增加，自生生物动态膜的稳定出水通量逐渐达到一个极限通量，约为3 5l ( m 2 h ) 。 在相同出水通量的条件下，动态膜的稳定运行时间随着恢复期出水水头的增加而显著降低，并提出 使每个过滤周期从出水水头为0 处开始的操作策略。 采用普通微网材料加工的过滤组件与生物反应器一起构成动态膜生物反应器，研究了微网上形 成的生物动态膜的过滤性制”】。结果表明：生物动态膜所具有的较强截留能力主要是由附着的凝胶 层产生。动态膜对相对分子质量小于3 1 0 3 到大于1 1 0 的各个级别的溶解性有机物都有3 0 6 0 的截留率，但过滤的精度并不很高，不能完全截留相对分子质量大于1x 1 0 5 的溶解性有机物。已 经覆盖有凝胶层的膜片与未使用过的新膜片的清水过滤阻力几乎相等。由滤饼产生的过滤阻力占运 行中动态膜片总过滤阻力的绝大部分。新膜片在清水通过时有明显的初始阻力，而有凝胶层覆盖时 的膜片几乎没有初始过滤阻力。 清华大学的吴盈禧、陈福泰等1 3 6 1 利用过滤过程中在筛绢粗网材料表面形成的动态膜进行泥水分 离，与由微滤、超滤构成的传统膜生物反应器相比具有组件费用低、过滤压力小等优点。考察了动态 膜生物反应器在高通量4 0l ( m 2 h ) 下处理生活污水的运行特性，结果表明，反应器稳定运行3 3d 后动 态膜的过滤压差从零上升到2 4 5 p a ；系统对c o d 和氨氮的平均去除率分别为7 8 和9 1 。 大连理工大学的孟志国、杨凤林等1 3 7 1 研究了利用新型非织造布作为过滤组件的一体式m b r ，并 针对膜生物反应器能耗较高的问题，对该反应器进行了利用生物反应器内液位水头重力自流出水的 研究。试验结果表明：采用该反应器处理生活污水，反应器平均出水c o d 2 0m e , l ，氨氮质量浓度 1 5m g l ，对于3 1 x m 非织造布，重力自流出水条件下，临界通量为1 0l ( m 2 h ) 左右，在活性污泥 浓度为4 0 0 0m e , l 左右情况下，合适的曝气量为1 0m 0h ，污染后的非织造布经过0 3 的n a c i o 浸泡清洗，通量可以恢复到新非织造布通量的9 6 。 从以上的研究成果来看，不同的实验条件下得到的结果略有不同，但是总的说来d m b r 工艺可 以得到较好的出水效果。动态膜生物反应器工艺的运行效果受到众多因素影响，总结起来主要有四 个主要方面：膜材料( 孔径和材质) ；控制参数( 出水水头、通量) ：污泥性质( 浓度，颗粒分布) 以及反应器的条件( 曝气强度、冲洗强度、错流速度等) 。 动态膜技术现基本处于室验室研究阶段，尚没有被大规模推广应用。目前在污水处理领域对动 态膜的研究主要集中于动态膜基材的优选；动态膜过滤机理的探究；动态膜运行方式和操作参数的 优选。动态膜具备了m b r 优点的同时膜组件成本大大降低，能耗也有所降低。因此可以预见到： 在目前应用m b r 的领域，未来动态膜生物反应器都将大有用武之地。 1 a 课题的提出及意义 目前，国家对污水处理越来越重视，对于我国这样经济并不发达的国家来说，研究低投资、高效率、 6 第l 章绪论 低能耗和技术简单的污水处理技术具有十分明显的现实意义。此外，在我国，大量的分散式污水就地处理 需求也迫切需要一种构造简单，价格低廉同时处理效果良好并且具有脱氮作用的处理技术。 s b r 工艺是种应用广泛的高效污水处理工艺，属于活性污泥法；动态膜生物反应器则是一种新型的 经济易用的污水处理工艺，属于生物膜法。序批式动态膜生物反应器则打破了泥法和膜法的严格界线，吸 收了s b r 出水水质好、脱氮效率高以及d m b r 构造运行简便廉价的优点，从而其构造简单、造价低廉、 运行方便的特点，适应了大量分散式污水就地处理的需求 1 4 课题主要研究内容 本研究的目的是分析确定s d m b r 的最佳工况、运行特征以及该工艺的优越性。气水比、停留时间和 周期特征是工况的重要的指标，阻力特征则是所有动态膜反应器运行特征中的重点，对比试验则能充分说 明其优越性。因此，确定试验内容如下i ( 1 ) 试验分析s d m b r 最佳运行工况 采用不同的水力停留