（环境科学专业论文）改进型mbr处理生活污水及其去除阴离子表面活性剂的研究.pdf

! 堕竺! 一 a b s t r a c t m e - b r a h eb i o r e a c t o r ( m b r ) ，a sar e a s o n a b l ec o m b i n a t i o no fb i o l c l g i c a l t r e a t m e n tt e c h n o l o g ya n dm e m b r a n et e c h n o l o g y , h a sm a n ya d v a n t a g e s i tc a nr e m o v e t h ep o l l u t a n t se f f i c i e n t l yw i t hl i t t l es u r p l u ss l u d g ea n ds t a b l ea n dh i g hq u a l i f i e d e f f l u e n ta n ds oo n t h u s ，i th a sb e c o m ean e wa n dr a p i dd e v e l o p i n gw a s t e w a t e r t r e a t m e n ta n dr e c l a m a t i o nt e c h n o l o g y h o w e v e r , i ta l s oh a ss o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c h a st h eh i 曲c o n s u m p t i o no fp o w e r s o ，i ti sn e c e s s a r ya n di m p o r t a n tt oi m p r o v et h e t e c h n i q u e so f t r a d i t i o n a lm b ra n do p t i m i z et h ep a r a m e t e r si nt h em b rp r o c e s s i n gt o r e d u c et h ec o s t t h i sp a p e rw i l lb eb a s e do nt h es t u d i e so fe x a m i n e dp r a c t i c a lo fan o v e lm b r , w h i c hw a sd e s i g n e db yp r o f f ux u e q i a f t e rs t u d y i n gh r t ，d o ，c a p a c i t yl o a d i n g ， o p e r a t i o np r e s s u r ee t c ，w ew i l la n a l y z et h er e m o v a le f f i c i e n c yi nv a r i o u sc o n d i t i o n s a r e rt h a ，t o g e t h e rw i t ht h ee c o n o m i c a lf a c t o r s ，w ew i l lo p t i m i z et h ep a r a m e t e r so f t h en o v e lm b r ( t h ee f f l u e n tq u a l i t ym e e t i n gt h er e q u i r e m e n to f t h er e g e n e r a t e dr e u s e d w a t e rs t a n d a r d ) ：w h e nm l s si sc o n t r o l l e da t6 0 0 0 m g l t h eb e s th r ts h o u l db e e n 4 1 2h o u r s ；d oi nt h er a g e1 0 0t o3 0 0r a g l ；c o dc a p a c i t yl o a d i n gi n3 2 k g c o d ( m 3 - d ) ；n h 3 一nc a p a c i t yl o a d i n gi n0 2 4k g n h 3 n ( m 3 d ) ；o p e r a t i o np r e s s u r e i no 0 5 m p a a tt h es a r n et i m e t h ep r o c e s so fm e m b r a n e sc h e m i c a lc l e a n i n gw i l lb e o p t i m i z e d a st h el a sp o l l u t i o ni sg e t t i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s ，w h i c hh a sa f f e c t e dt h e n o r m a lo p e r a t i o no fm b r w eh a v eu s e ds e v e r a lc o a g u l a n t st or e s e a r c ht h ee f f e c to f r e m o v a ll a s i ts h o w st h a tb o t hp a ca n dp e sc a nr e m o v el a se f f e c t u a l i y i nt h e o p t i m a ld o s a g e s ，t h el a sr e m o v a lr a t eo f p a ca n dp e sc o u l dr e a c h6 0 a n d7 0 ， r e s p e c t i v e l y f i n a l l y , c o n c r e t ee x a m p l e sa b o u tm b ra r eg i v e n a n dt h ea n a l y s i sf r o mt h e e c o n o m i c s p e r s p e c t i v ef u l l ys h o w s t h ef e a s i b i l i t yo f m b ri nt h ee c o n o m y k e yw o r d s ：n o v e lm b r ，o p t i m i z a t i o n ，p a r a m e t e r s o f t e c h n i c s ，c o a g u l a t i o n ， f e a s i b i l i t yi ne c o n o m y 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；擘校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) 秘密1 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 机密2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 绪论 第一章绪论 水是生命之源，是人类生产、生活的基本物质。随着人口增长，城市化进 程和工业化步伐的加快，水资源供需矛盾日益加剧。污水的大量排放造成了水 环境的恶化，带来了一系列的生态问题，使本来就缺少的水资源更觉得捉襟见 肘。为此人们在研究污水处理的同时，更加重视了污水的回用，以增加可利用 的水资源并且更加充分的利用有限的资源。 第一节我国城市污水处理的现状和方法 城市排水及污水处理设施已经成为社会经济可持续发展必不可缺的基础设 施，是城市水良性循环所必不可少的环节，城市污水再生利用是开源节流、减 轻水体污染、改善生态环境、解决城市缺水的重要途径之一。 现阶段我国城市污水处理厂8 0 以上采用的是活性污泥法。随着“八五”、 “九五”国家科技攻关计划的建立和完成，使我国在污水处理新技术、污水再 生利用新技术、污泥处理新技术等方面都取得了可喜的成果。同时国外很多新 技术、赫工艺、新设备被引入我国，a b 法、氧化沟、a o 法、a a o 法、s b r 等在我国的污水处理厂中均得到了应用。 1 1 1 城市污水处理的工艺 我国8 0 年代以前建设的城市污水处理厂大部分采用普通曝气法活性污泥处 理工艺，以去除b o d 和s s 为主要目标，对氮磷的出除率非常低。为适应水环 境及排放要求，一些污水处理厂进行改造，增强脱氮除磷功能。 1 2 1 b 法 a b 法废水处理工艺是吸附一生物降解( a d s o r p t i o nb i o d e g r a d a t i o n ) 工艺的简 称，由德国亚琛大学b o h n k e 教授于七十年代丌创的，从八十年代开始用于生产 实践“1 。a b 法系在传统两级活性污泥法和高负荷活性污泥法的基础上开发的， 属超高负荷活性污泥法。a b 法工艺原理主要是充分利用微生物种群的特性，为 其创造适宜的环境，使不同微生物群得到良好的繁殖、生长，通过生物化学作 用使污水得到净化。陔工艺8 0 年代初应用于我国工程实践。由于其具有抗冲击 负荷能力强、对p h 值变化和有毒物质具有明显的缓冲作用特点，故主要应用于 绪论 污水浓度高、水质水量变化较大，特别是工业污水占比例较高的城市污水处理 厂。 1 1 2 2 氧化沟 氧化沟是在传统活性污泥法的基础上发展起来的连续循环完全混合工艺， 是用延时曝气法处理废水的一种环形渠道，平面多为椭圆形，总长可达几十米， 甚至几百米以上。1 。在沟渠内安装与渠宽等长的机械式表面曝气装置，常用的有 转刷和叶轮等。曝气装置一方面对沟渠中的污水进行充氧，一方面推动污水作 旋转流动。氧化沟多用于处理中、小流量的生活污水和工业废水，可以间歇运 转；也可以连续运转。氧化沟工艺主要出三部分组成：格栅和曝气沉沙池组成的 预处理部分、氧化沟生物处理部分和污泥脱水部份。目前氧化沟工艺是我国采 用较多的污水处理工艺之一。运用较多的有奥贝尔氧化沟工艺，由我国自行设 计，全套设备国产化。d e 型氧化沟和三沟式氧化沟在高浓度的中小型城市污水 处理中也有应用。采用卡罗塞尔氧化沟工艺的城市污水处理厂多为外贷项目。 1 1 2 3s b r 法 序批式活性污泥法( s b r ) 是污水生化处理方法中的一种间歇运行的处理工 艺。它具有以下特点：工艺简单，占地面积小、设备少、节省投资。由于只有 一个反应器，不需二沉池、回流污泥及其设备，一般情况不设调节池。理想的 推流过程使生化反应推力大、处理效率高。运行方式灵活，由于反应在同一个 反应器内进行，可以从时间上安排曝气、缺氧和厌氧等不同状态下工作，实现 除磷脱氮的目的。污泥活性高，沉降性能好。耐冲击负荷，处理能力强。s b r 工 艺，由于有工艺简单、设备少、造价低、运行管理方便等优点，近年来国内一 些中小型污水处理厂已经采用或f 在采用。系统进一步拓宽了活性物泥法的使 用范围，特别是在小规模生活污水处理厂、用地紧张的地方或对已建连续流污 水处理厂的改造等方面有着广泛的应用前景“一。 1 1 3 城市污水回用 现在世界上众多城市面临缺水危机，迫切需要新的水处理技术和设备。在 天然淡水资源已被充分开发、自然灾害r 益频繁暴发的今天，缺水已经对世界 各国众多城市的经济和市民生活构成了十分严重的威胁，缺水危机已经是我们 面临的现实，解决城市缺水问题的重要途径应该是将城市污水变为城市供水水 绪论 源。城市污水就近可得，来源稳定，容易收集，是可靠且稳定的供水水源。城 市污水经净化后回用主要可作为市政绿化、景观用水和工业用水。城市污水再 生回用工程包括污水收集系统、污水净化处理技术及其系统、出水输配系统、 回用水应用技术和监测系统。其中污水净化再生技术及其系统是关键，污水净 化处理的流程要简单可靠，投资和运行费用要为该城市经济实力所能承受，处 理石出水的水质要满足回用的要求。 我国早在2 0 世纪5 0 年代就丌始采用污水灌溉的方式回用污水，但真正将 污水深度处理后回用于城市生活和工业生产则是近2 0 年才发展起来的。最先采 用污水回用的是大楼污水的再利用，然后逐渐扩大到缺水城市的各行各业。1 9 9 0 年我国将“污水净化与资源化技术研究”列入“八五”国家科技攻关计划，组 织了城市污水资源化和土地处理与稳定塘系统的科技攻关并建立了示范工程， 研制成套技术设施并推广应用，其中部分研究成果已经应用于天津纪庄子污水 处理厂的改造工程中。又如太原市北郊污水处理厂将深度处理后的污水回用于 太原钢铁工业冷却水，大庆乘风庄污水处理厂的二级处理水经深度处理后直接 注入地下作为石油丌采用水。1 9 8 2 年青岛就将中水回用为市政及其他杂用水， 从而缓解了水资源短缺。北京市于1 9 8 4 年开始进行中水回用工程示范，并在1 9 8 7 午出台的北京市中水设施建设管理试行办法中明确规定：凡建筑面积超过 2x1 0 4 一的旅馆、饭店和公寓以及建筑面积超过3x1 0 4 m 2 的机关科研单位和新 建生活小区都要建立中水设施。引滦入津工程虽然暂时缓解了天津市的水荒， 但是其p 价高昂，基建投资高达5 0 0 元m i 。纪庄子污水处理厂建成投产后，其 二级处理水的基建费用比引滦工程低，水价也比引滦水便宜。实践证明，在我 国开展污水再生利用的研究和应用是符合国情的，是必要而且可行的。 1 1 4 污水回用技术现状 根据污水的特点和污水回用的不同目的，处理采用的技术和工艺也是不同 的。水处理技术按机理可分为物理法、化学法、物理化学法和生物化学法等。 通常污水回用技术需要多种工艺的组合，单一的某种处理工艺很难达到回用的 标准。目前，我国已在应用的城市污水深度处理或三级处理工艺通常是：混凝、 沉淀、过滤等常规方法，絮凝过滤以及生物接触氧化后纤维球过滤，生物碳过 滤等方法。国外深度处理的方法主要有：混凝澄清过滤、活性炭吸附、絮凝过 滤、接触氧化过滤、生物快滤池法、流动床生物氧化硝化法、臭氧氧化、离子 绪论 交换、膜分离等。 围绕着污水处理与回用，近年来，世界各国相继开展了一系列卓有成效的 研究，各种新型、改良型的高效处理技术应运而生。其中膜生物反应器( m e m b r a n e b i 9 r e a c t o r ，简称m b r ) 是将现代膜分离技术与传统生物处理技术有机结合起来 的一种新型高效废水处理及回用工艺，近年来在实践研究中取得了快速的发展， 已逐步应用于城市污水和工业废水的处理及回用。 第二节膜生物反应器简介 1 2 1 膜分离技术概述 膜分离技术被认为是2 l 世纪最有发展前景的高新技术之一。膜分离方法是 指利用天然或人工制各的无机膜或有机膜，借助于外界能量或化学位差的推动， 对双组分或多组分溶质和溶液进行分离、分级、提纯和富集的方法。膜分离技 术作为新的分离净化和浓缩技术，过程中大多无相变化，常温下操作，有高效、 节能、工艺简便、投资少、污染小等优点“1 。 膜分离技术在近4 0 年内迅速发展，脱颖而出，首先是由于有坚实基础理论 研究的积累。从1 7 4 8 年n o l l e t 发现膜的渗透现象以来，相继提出了扩散定律、 膜的渗析现象( d i a l y s i s ) 、渗透压理论、d o n n a n 分布定律、膜电势的研究等等； 其次是近代科学技术的发展为分离膜研究提供了良好基础。高分子科学的进展 为膜分离技术提供了具有各种分离特性的合成高分子膜材料，电子显微镜等近 代分析技术的进展为分离膜的结构与性能关系以及分离机理的研究提供了有效 的手段；第三是现代工业迫切需要节能、低品位原料再利用和能消除环境污染 的生产新技术，而大部分膜分离过程无相变，因而节能水资源再生、低品位原 材料的回收与再利用、污水及废气处理等也都与膜分离过程密切相关m 。 1 2 2 膜分离方法分类及特征 根据分离过程中的推动力的不同，膜分离技术可以分为以压力差、浓度差、 电位差、温度差和化学反应为推动力的各种分离方法。在此基础上，再按膜的 分离机理和结构形态进行细分，如以压力差为推动力的方法中，按膜的孔径大小 又可细，j 为微孔过滤( m i c r o f i k a t i o n ，“m f ”) 、超过滤( u l t r o f i l t r a t i o n ，“u f ”) 、反 渗透( r e v e r s e o s m o s i s ，“r o ”) 等。表1 1 列出了各种分离膜的基本分类及特征0 1 。 d 袭1 1 儿种土要膜分离方法分类及特征 推动力分离方法 膜类型透过物质截留物质 多孔膜水，溶剂溶解 微过滤悬浮物质 1 f 对称膜成分胶体 不易和不 气体分离 均质膜 气体可渗透的 复合膜 压力著 气体 溶剂、离子 生物制品、 超过滤1 i 对称膜和小分子量胶体及各 物质类大分子 1 f 对称膜全部悬浮 反渗透复合膜水物、溶解物 动力膜和胶体 所有非解 电位著电渗析离子交换膜离子离和大分 子颗粒 ：昨对称膜 离子、低分 分子量大 浓度差渗透子蛰有机质 于1 0 0 0 的 离子交换膜溶解物和 酸、碱 悬浮物 化学反应 液膜液膜电解质离子溶剂 1 23 膜和膜组件 1 2 3 1 膜材料的选择和膜组件的结构 目前，美国、加拿大、法国、同本等国家已成功地把p e ( 聚乙烯) 、p e s ( 聚 醚砜) 、iv d f ( 聚偏氟乙烯) 等材料制备的微滤，超滤膜应用到m b r 中。我国一些 从事环保专业的人员在研究m b r 时多采用价格较高的进口膜材料及组件。限制 了m b r 的推广应用。目前浙江大学研制成功的p p ( 聚丙烯) 中空纤维微滤膜组件、 天津工业大学研究的p v d f 及中科院生态环境研究所研制的p s ( 聚砜) 等中空纤 维超滤膜组件，都进行了m b r 的一些初步应用。 在废水处理中对膜材料选择得主要依据是：膜材料的性质( 膜通量、膜孔 径、亲水性、表面粗糙度) ；废水的性质( 如酸碱性、溶解性有机物的性质等) 。 膜孔径对膜的通水量以及过滤过程有重要的影响。在早期，人们认为膜的 绪论 孔径与其通水量问是简单的线性关系，即膜的孔径越大，通水量也越大。但现 在大部分研究者认为膜孔径存在着一个合适的范围。松尾有矩。”3 的实验结果显 示，截留分子量小于3 0 0 ，0 0 0 时，随着截留分子量( 孔径) 的增加，膜的通水量也 增加；大于该截留分子量时，通水量变化不大；当截留分子量增大到微滤范围， 细菌会在膜通道内形成不可逆的堵塞“”，膜的通水量反而减小。 膜的另一种重要性质就是膜表面的亲、疏水性。同本的m i t s u b i s h ir a y o n 公 司通过研究证实，由于污水中的污染成分及活性污泥多为有机物质，因此亲水 性膜的抗污染能力远远超过疏水性膜3 。 膜本身表面粗糙度对膜通量的影响是两方面效果的综合：一方面膜表面粗 糙度的增加会加大膜吸( 粘) 附污染物的可能性；另一方面粗糙的膜表面的液体扰 动程度较光滑的膜更强，会阻碍污染物在膜表面的形成。”。 根据生活污水的特性，本实验中采用了抗污染能力强的亲水性p v d f 膜， 膜孔径为0 2 p m 。 膜组件的结构可分为装配管状膜的膜组件和装配板式膜的膜组件。前者主 要有管式膜组件、毛细管膜组件、中空纤维膜组件等；后者主要有平板式膜组 件、卷绕式膜组件、垫套式膜组件等“4 1 1 2 3 2 影响膜组件运行的因素 膜工艺运行参数主要包括：膜通量、操作压力、膜面流速和运行温度等。 ( 1 ) 膜通量：膜通量是膜组件运行最直接最重要的参数。描述膜生物反应器的物 理特性常用的物理量是膜的渗透通量j 和阻力r ，它们两者之间的关系符合 d a r c y 定律： i ，；韭 ur 式中：j 一膜通量m 3 m 。2 s - 1 口一膜压差p a u 一运动粘度p a s r 总包阻力r n 2 p a - s m o r 代表的总传质阻力除膜本身的阻力r 。外，还可由吸附r a 、孑l 堵塞r p 、浓 差极化r c p 及胶体溶液形成的凝聚层或悬浮液形成的滤饼层r g 等产生坨f 们具百加和性。所以总传质阻力可表示为：r = r 。+ r p + r a + r g + r - c p 。 6 可见膜通量越大，膜的阻力电就越大，因此膜的污染也就越大，所以在实际 运行中不能片面追求大通量，必须考虑膜的污染问题，把膜通量控制在合理 的范围内。这是我们研究的重点。 ( 2 ) 操作压力：通常认为，在膜生物反应器中存在着一个临界压力o “。当操作压 力低，此临界压力时，膜的通水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，膜的通水量随 操作压力的变化不太，而膜表面的污染情况会较正常使用有明显的加剧，且 这污染后的膜不会因减压而恢复原有的通水量。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 k p a 左右。 ( 3 ) 膜面流速：对于任何形式的膜，增加膜面流速都可以提高膜的通水量和运行 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 流的剪切力，减少了污染物在膜面的沉积，使膜的过滤阻力减小。当然，膜 面流速也并非可以无限增加，因为增大膜面流速会显著增加外部设备的动力 消耗，另外，当膜面流速增大到一定的程度后，膜表面的交换层会形成一个 很薄的流动液层，阻碍滤液通过膜，从而造成通水量的大幅下降，同时这个 很薄日g 液层极易沉着在膜表面，形成不可逆的污染。本实验中，通过曝气产 生和控制膜面流速。 ( 4 ) 运行温度：水温直接影响有机膜的孔径、膜的阻力和污水的粘度，从而影响 膜通量。一些m b r 小试研究表明：在一定的温度范围与压力条件下，温度 每升高1 ，膜通量增加1 2 “”。 ( 5 ) m l s s 污泥浓度的增加往往伴随着混合液粘滞度、溶解性有机物及惰性物 质等的变化，它们同样会对膜通量产生影响。在一定条件下污泥浓度越高膜 通量愈低”“”1 。 1 2 4 膜生物反应器的特点 日本早在八十年代初就丌始m b r 在污水回用方面的研究，进入九十年代后。 污水处瑶中应用的m b r 在深度、广度以及各国重视程度上不断扩大。1 9 9 8 年6 月国际水质协会( i a w q ) 第1 9 届双年会在加拿大的温哥华召开，其中m b r 在污 水处理过程中的应用是热点改题之一，涌现出了些新型的、科技含量高的膜 法水处理技术”。目前，国内外m b r 的研究非常活跃，在当今世界性水资源短 缺的情况下，无疑可以表明，这一高新技术具有强大的生命力。 绪论 膜生物反应器的大规模应用将引起污水处理的一场划时代的变革。由于超 滤膜、微滤膜的强制截留作用使得膜生物反应器内污泥浓度保持得很高，可以 达到1 0 9 l 以上。并且因为下述原因。使得膜生物反应器具有常规污水处理工艺 无法比拟的优越性“1 ： ( 1 ) 与传统的活性污泥法( c a s p ) 比，由于膜反应器取代了二沉池，这可使污 泥停留时闻( s r t ) 和水力停留时间( h r t ) 分别控制，由于s r t 大，泥龄长，污 泥浓度高，抗冲击负荷能力强，降解速率高，降解充分，对难降解物质也可使 之降解。 f 2 ) 污泥龄可以随意控制，使得泥龄长、产率低的菌种能够在反应器中停留， 如硝化细菌等。 ( 3 ) 由于反应器中高浓度的污泥有利于在污泥絮体中形成好氧区和厌氧区， 从而在一个反应器中可以实现同步硝化和反硝化。 ( 4 ) 与传统污水处理工艺相比可以获得更为优良的出水水质，而且不需要后 处理工序如消毒等，可直接作为中水进行回用。 ( 5 ) 有利于自动控制和处理设施的一体化。 ( 6 ) 占地面积小。对于在地价昂贵的城市中建立城市污水回用实施，有很好 的经济订行性。 1 2 5 影晌膜生物反应器处理效果的因素 在膜生物反应器中，生化处理部分在处理和降解污染物质中起主要作用， 因此影响膜生物反应器处理效果的因素也就是影响微生物降解污染物的主要因 素，其主要是p h 值，温度，水力停留时问( 知盯) ，污泥停留时间( s r t ) ，溶 解氧( d o ) ，污泥浓度等。 ( 1 ) p h 值：从总体来看，进水p h 值对c o d 的去除效果影响不大，但对氮的去 。除有所影响。由于硝化反应的最适p h 为8 0 - - 8 4 ，而反硝化最适p h 在6 5 7 5 ，所以当反应池中的p h 在7 5 8 0 之脚是比较适合同时进行硝化反硝化 的d h 区间。 ( 2 ) 温度由于温度对于微生物的生长有重要的影响，因此对污染物的降解速度， 特别是对硝化作用的影响很大；另外，在通常情况下，提高温度有利于膜的 分离。m a g r a 和i t o h 的实验结果表明，温度的变化会引起污水粘度的变化， 温度升高1 c n 以使膜的通水量增加2 。“”1 ( 体积百分数) 。但升高温度会 绪论 直接影响膜本身的寿命，同时对微生物的生长也不利因此，膜生物反应器 应尽量在常温下运行。 ( 3 ) 水力停留时间( h r t ) ：在一体式m b r 处理系统中h r 3 是一个非常重要的 参数，它不仅与系统的处理效果有关，还直接决定了生物反应器体积的大小， 进而影响到处理工程的基建投资1 ，因此合理地确定f 1 r t 具有非常重要的意 义。 ( 4 ，d o ：溶解氧的高低直接影响到了系统中微生物的构成，对厌氧和好氧生物的 组成起重要作用，从而影响到了系统去除污染物的能力。 ( 5 ) 氧传递率：在用于处理污水的m b r 中通常都维持较高的m l s s ( 扣1 2 9 l ) 浓 度，这易导致氧传递率的降低，从而使运行能耗变大。传递层特性、气泡大 小和气泡在混合液中的平均停留时问都会影晌到氧传递率，而后两项与混合 液的粘性关系密切，m b r 中混合和曝气的效果以及污泥浓度都会影响混合液 的粘性。活性污泥中e p s 的生成会增加混合液的粘性，并且使活性污泥的憎 水性增强。活性污泥中丝状菌的生长导致污泥膨胀从而使混合液粘性增加， 此外丝状菌的新陈代谢还会产生憎水物质，其中可溶性微生物代谢产物 ( s o l u t i o nm i c r o b i a lp r o d u c t s ，s m p ) 还会导致膜的污染。因此要保持较高的氧 传递率就必须采用合理选择装置，使混合液有较高的紊动“”。 1 2 6 膜生物反应器在国际上的研究与应用进展 1 9 6 6 年，美国的d o r r - o 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 9 年，s m i t h 呻等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。 7 0 年代初期，好氧分离式膜生物反应器处理城市生活污水的试验研究进一步扩 大。1 9 7 0 年，h a r d te ta l 幽1 将完全混合式生物反应器与超滤膜结合在一起进行污 水处理。2 0 世纪7 0 年代后期，大规模好氧膜生物反应器首先在北美应用，然后 依次是2 0 世纪8 0 年代早期同本( 同期南非：厌氧膜生物反应器) ，9 0 年代中期欧 洲，9 0 年代术期中国”。 进入9 0 年代中后期，膜生物反应器在国外已进入了实际应用阶段。目前在 世界范围内，实际运行的m b r2 1 2 艺已经超过5 0 0 套，同时还有许多工程在计划 或建设中。在北美，m b r 处理生活污水的应用主要是流量在1 0 2 0 0 m 3 d 的小型 处理装尹，已有5 0 余座此类设施在运行。这些生物反应器设计h r t 均在2 4 h 以上，s r t 也都较高，因为每年只排泥1 2 次。通常出水经过u v 消毒和活性 绪论 炭吸附后，通过另一套管网供冲厕回用。膜生物反应器在日本的发展也十分迅 速，目前在同本运行( 包括在建) 的膜生物反应器占全球的6 6 。 目前在膜分离生物反应器的应用中，9 8 以上是好氧膜生物反应器，其中 5 5 以上是一体式膜生物反应器。膜生物反应器在不同种类废水中的应用比例见 表1 2 1 。 表1 2 膜生物反麻器在不同废水中的应h | 比例 废水类型应_ l | j 百分比( )废水类型应用百分比( ) i ：业废水 2 7 城市废水 1 2 生活废水 2 7 垃圾渗滤液 9 楼宇废水 2 4 1 2 7 膜生物反应器在国内的研究进展 我国对m b r 的研究仅有1 0 多年，但发展十分迅速。1 9 9 1 年l o 月，岑运华 介绍了m b r 在同本的研究状况o “。1 9 9 3 年前后，许多高校与研究所加入了m b r 的开发研究工作。国内对m b r 的研究大致可分为以下几个方面： 探索不同生物处理工艺与膜分离单元的组合形式，生物反应处理工艺从活 性污泥法扩展到接触氧化法、生物膜法、活性污泥与生物膜相结合的复合式工 艺、两札厌氧工艺等。如，王建功。”1 采用生物接触氧化法取代活性污泥法作为 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：成英 俊等。运用生物膜卅莫生物反应器对生活污水中污染物质去除效果进行了研究。 影响处理效果与膜污染的因素、机理及数学模型的研究，探求合适的操作 条件与工艺参数，尽可能减轻膜污染，提高膜组件的处理能力和运行稳定性。 如，樊耀波通过数学推导，得出一个膜的最佳反冲洗周期测定公式，并通过 实验证实了这是一种较为方便的最佳反冲洗周期的测定方法；黄霞。等人对各 种膜的污染特性和清沈进行了研究。 扩大m b r 的应用范围，m b r 的研究对象从生活污水扩展到高浓度有机废 水( 食品废水、啤酒废水) 与难降解工业废水( 石化废水、印染废水等) ，但以生活 污水的处理为主。如，何义亮啪l 采用厌氧膜生物反应器进行高浓度食品废水处理； 韩怀芬“! 。等运用膜生物反应器对高浓度难降解的造纸废水进行研究。 随着膜制造技术的进步，膜质量的提高和膜制造成本的下降，膜生物反应 o 绪论 器的投成本也会随之降低。另方面，各种新型膜生物反应器的开发也使其 运行费用大大降低。因此，从长远的观点来看，膜生物反应器在水处理中应用 范围必将越来越广。 1 2 8 膜污染 1 2 8 1 膜污染的定义 膜污染是影响膜技术实际应用的关键，它直接影响到m b r 出水的质量和m b r 的运行成本。根据国际纯粹和应用化学协会( i u p a c ，i n t e r n a t i o a n a lu n i o no f p u r ea n da p p l i e dc h e m i s t r y ) 的定义，出于悬浮物或可溶性物质沉积在膜的表 面、孔隙和孔隙内壁，从而造成膜通量降低的过程称为膜污染。根据该定义， 膜污染可划分为如下过程：膜孔内壁的吸附、膜孔的堵塞、膜表面泥饼层的压 实和形成、浓差极化。其中浓差极化是出于膜表面和膜孔内的选择透过性造成 的膜表面浓度高于处理液主体浓度的现象。浓差极化能加速污染的发生，污染 也会促使浓差极化。我们可以通过控制水力条件( 如：在膜表面产生紊流) 来 减少浓差极化造成的污染“。 1 2 8 2 膜污染物质的分类与污染影响因素 在b i b r 系统中，膜表面会因接触胶体、有机物、微生物等而产生吸附、沉 淀筹物理现象，细分为五类见表1 3 。 表1 3 膜污染物质分类 污染物类别特点 由反虑器中的犬颗粒物质造成，如悬浮颗粒物、 阎体污染物 细砂、泥砂等。 由包括油胎、脂肪、蛋白质、腐殖酸等的可溶 有机污染物 性有机物在膜表面沉积引起的污染。 粒径在0 3 o 5 微米的小颗粒会沉积在膜表面 胶体污染物形成胶体，胶体表面都有临界电能，受到浓缩时趋 丁，稳定，并持续沉积于膜袭面形成泥饼层。 绪论 续表1 3 膜污染物质分类 污染物类别特点 m b r 系统中的微生物在过虑时，会随水逐渐附 生物污染物 着丁膜表面而且一旦在膜表面成欧就会慢慢形成 粘状生物膜导致过虑压力升高和膜通量下降。 无机污染物截留无机盐类，形成污染。 英国学者”认为主要有三大因素影响膜污染( 见图1 1 ) ，即膜本身的性质、 活性污泥的性质和m b r 的运行条件三者相互影响。膜性质决定了膜的亲水性和 膜孔隙率，膜孔的尺寸则会影响过膜压差( t r a n s m e m b r a n ep r e s s u r e ，t m p ) 的 大小；反应器的构造与错流的速度( c r o s sf l o wv e l o c i t y ，c f v ) 将影响到活性 图i - i 影响膜污染的冈素 污泥中胞外聚合物( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ，e p s ) 的生成、污 泥絮凝体结构和大小及溶解物的性质：m b r 中的h r t s r t 则直接影响到污泥的浓 度和e p s 的形成与生长。荷兰研究者m ”1 在试验中发现，导致膜污染的最重要 绪论 因素是滤饼层的形成，而原水中的杂质、污泥的性质、m b r 的水力学特性以及膜 清洗等因素会影响滤饼层的形成及性质。 1 2 8 3 骥清洗 膜的种类有很多，造成膜污染的原因也有很多，因此我们要针对各种膜不 同的污染特性采用不同的清洗方式。 常用的膜清洗方法分为物理法和化学法两类。物理方法有变流速冲洗、气 一液脉冲、微波清洗、机械刮除等“。这些方法使用相对比较简便，成本也裙 对低廉。因此在膜污染不是很严重的情况下，大都采用这些方式。 当膜污染比较严重，在单纯使用物理清洗不能有效的恢复膜通量的时候， 我们就必须采用化学清洗的方式。化学方式的原理是通过加入特殊的清洗剂与 膜表面及膜孔内的沉积污染物产生一系列的物理化学反应( 如：水解反应、溶 解作用、胶溶作用、鳖合作用等) ，使沉积在膜表面的污染物质与膜表面的亲和 力降低，从而脱落，最终达到清洗的目的。化学清洗的关键是根据膜的化学特 性和污杂物特性，采用恰当的清洗剂。膜的化学特性是指耐酸、耐碱、耐温、 耐氧化等特性，它们对选择化学清洗剂的类型、浓度、清洗液温度等极为重要； 污染物特性是指它在不同的条件下在溶液中的溶解性、荷电性、可氧化性和可 酶解性等。表1 ，4 介绍了针对不同类型污染物的清洗方法”“”1 。 表l - 4 污染物类烈与相应的洗涤剂种类 污染物类型 清洗剂种类i 无机盐酸( 硝酸、磷酸、草酸等) ，碱( 氢氧化钠等) 蛋白质、油类酶、碱j 有机物般氧水、三聚磷酸钠 微生物甲醛、双氧水、次氯酸钠 第三节本论文的目的及主要内容 1 3 1 研究目的 传统膜生物反应器主要有两种形式：种是分景式，也叫错流式( c r o s sf l o w m b r ) ：另一种是一体式，也叫浸没式( s u b m e r g e dm b r ) 。如图1 2 所示： 绪论 a 分苴式m b rb 一体式m b r 幽1 2 传统膜生物反应器 分置式m b r 的膜组件与生物反应器通过泵与管线连接，相互干扰小，易于 分别控制，膜组件也易于清洗、更换及增设。但混合液靠泵抽取进入膜组件， 泵的高速旋转会使某些微生物失活，另外也加大了动力消耗，使运行费用增加： 体式m b r 的膜组件浸没在生物反应器中，曝气器在膜组件的下方，混合液随 气流向上流动，在膜表面产生的剪切力可迫使胶体颗粒离开膜表面，让水透过， 它的最大特点就是占地面小，而且曝气使膜表面产生的剪切力有利于膜表面除 污，但是由于大量活性污泥的存在，有相对容易堵塞膜，造成膜污染“”。 可见两种分离式m b r 都有各自的优缺点，但是不管是耗能大还是容易造成 膜污染，其实质都是运行成本的问题。因此，如何改进工艺降价运行成本，是 一个重要的研究课题。本课题在传统的分离式m b r 的基础上进行了改造，设计 出了该进型m b r ，主要对影响膜生物反应器处理效果的因索和影响膜组件的因 素进行了研究，并结合m b r 工程实例对工程概算和经济效益进行了分析。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 通过爻验研究d o 值对系统处理效果( t o c 、n h ：。- n 、t n ) 的影响，系统最佳 h r i 时闻的确定以及系统抗冲击负荷能力，优化了影响改进型b l b r 处理效果 的相关参数。 ( 2 ) 通过对操作压力与膜通量关系的研究，确定合理的操作压力，优化膜组件的 运行参数。 ( 3 ) 根据p v d f 微滤膜的特点，对污染膜清沈的各个步骤进行了研究，通过分析 清沈液和比较清洗效果，研究针对不同的污染原因对p v d f 微滤膜进行有效 的清沈。 ( 4 ) 针对污水中阴离子表面活性剂浓度不断增大，从而影响到了m b r 运行的处理 效果，运用混凝的方法对m b r 进水进行预处理，以达到大大降低水中阴离子 表面活性剂的浓度，确保m b r 系统的处理效果。 ( 5 ) 结合工程实例，对m b r 的工程概算与经济效益进行分析研究。 实验犍置o ；准备 第二章实验装置与准备 第一节实验的工艺流程 本实验针对的研究处理对象是生活污水，其水质特点是生化性较好( 氮、 磷含量较高) ，水质污染相对较轻( z h 中c o d c r 含量一般在1 5 0 - - 6 0 0 m g l ) ，而 且水量较大，是理想的中水回用资源。 本实验的工艺流程中最主要的是生化降解部分，9 0 以上去除的污染成分都 发生在这个部分，膜出水部分的最大作用是截流水中的颗粒物和絮凝物质。流 程图见图2 1 。 幽2 1j ：艺流程 第二节实验装置、设备及准备 2 2 1 实验装置 本试验采用的装簧是傅学起教授等在对普通分离m b r 进行改进的基础上自 行设计的改进型m b r “，其结构如图2 2 所示。 系统由以下四个部分组成： ( 1 ) 进水系统 该部分包括水箱和蠕动泵，模拟废水通过蠕动泵以一定流量连续进水。 ( 2 ) 生物反应区 该反应器最大的特点就是由导流板将装置分成生物降解区和膜滤出水区两 部分，由于导流板的作用使此生物降解区进入膜滤出水区的污水有一个缓冲沉 降的过程，使进入膜滤出水区的污水中活性污泥浓度大大降低，可以很大程度 上减轻膜污染，延长膜的清洗周期，进而延长膜的寿命，降低使用成本。生物 反应区装有填料( 4 xl o ) ，采用复合式的方式降解有机物，即兼有固定培养f 附 实验装置与准前 在填料上的生物膜) 和悬浮培养( 活性污泥) 生物反应器的特点；在填料下方置 有微孔曝气头，为微生物降解提供氧气。反应器底部装有应急排泥口。 ( 3 l 膜滤出水区 该部分内装有膜组件，膜组件下方也置有曝气头，作用是进入该区域的水 有一定刚循环流速，产生紊流，对膜表面进行冲刷，以减轻膜表面凝胶层的形 成。反应器底部装有应急排水口，靠近顶部有溢流孔( 可用于污水回流) 。 “) 出水系统 该部分主要由出水管道和真空泵构成。通过控制真空泵，对膜组件进行抽 吸。 i 水箱2 生i 匀反应医 5 厦蛆件 8 转子流量计 9 曝气装置1 0 真空表 2 2 2 主要实验设备 3 属潞出水区t 埴料 t 蠕动泵8 真空泵 i i 空气压缩机1 2 溢流孔 幽2 , 2 改进型m b r 表2 1 主要实验设备 实验莨：备名称出产厂商备注 兰格蠕动泵 保定兰格恒流泵有限公司泵头弛号：b t 0 0 1 0 0 m e l e c t r o n i cm e t e r i n g 美国帕斯菲特公司 型号：l c 5 4 s 2 - v t c l 3 6 5 p u m p 电磁式空气压缩机j “东日生集团型号：a c o 0 0 3 ，功率1 8 0 w 实验装箭与准需 续袭2 1 主要实验设备 实验设备名称 山产厂商备注 填料江苏兴化兴鑫水处理设备厂 半软性填料，直径1 5 m 搅拌器 天沣卫华实验仪器厂w h s 型转速数字显示电动搅拌器 p h 计美国o r i o nr e s e a r c hh l co r i o n 8 6 8 型p h i s e 测试仪 分光光度仪 上海光谱仪器有限公司 s p 2 0 0 0 u v 紫外可见分光光度仪 t o c 仪日本岛津 魁号：( s h i m a d z u ) t o c - c c p h 屯子天平瑞+ m e t t l e r 公司刑号：p b 8 0 1 s a 溶氧仪美国o r i o nr e s e a r c hi n c型号：8 5 2 a 垆佩烘箱天津中环实验电炉有限公司型号：d l 2 0 2 b s b o d 测定仪德国w t w 中国技术服务中心 型号：o x i t o p - i s 6 生化培养箱厂东医疗器械厂型号：l r h - 2 5 0 - i i 离心机上海安湾科学仪器厂型号：t d l 5 显微镜中国j n o e c 公司型号：x s 2 1 3 2 2 3 膜组件 本实验采用的膜组件是由天津工业大学膜天膜技术工程公司生产的聚偏氟 乙烯( p v d f ) 中空纤维帘式膜组件，其结构单体为：c h 2 =