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西安建筑科技大学硕士学位论文 一体式膜生物反应器处理猪场废水的研究 专业：市政5 - 程 研究生：余韬 指导教师：高羽飞教授 杨敏研究员 摘要 养猪场废水主要是猪的排泄物和猪舍冲洗水的混合物。污水中富含氮磷、有 机物、高悬浮物，臭味大，是一种高浓度有机废水，该废水的水质水量与养猪场 的生产方式直接相关，其变化范围较大，容易对废水处理系统带来负荷冲击。本 文通过利用缺氧池+ 一体式膜生物反应器的处理工艺对养猪场废水进行了实 验研究。分三个阶段考察了膜生物反应器在负荷冲击下的处理效果以及在高负荷 冲击后系统的自我恢复能力。比较了排泥与不排泥两种运行方式的利弊。在控制 各操作条件的情况下，找出一种最佳的运行工况。 试验主要结论如下： ( 1 ) 在对三个阶段试验结果进行对比后发现，第三阶段处理效果最优，反应 器对n h 3 一n 、c o d 、t n 、t p 的平均去除率分别为9 7 8 、9 3 7 、9 0 8 、7 6 。 此时其操作条件分别如下：d 0 在3 m g l 左右，h r t 缺氧池为1 6 h ， f f b r 好氧池为2 6 h ， 系统进行排泥，m e s s 控制在1 5 9 l ，s r t 为5 0 d 左右，从m b r n 缺氧池按3 0 0 的回 流比进行回流； ( 2 ) 膜生物反应器有一定的抗负荷冲击能力，在高负荷冲击过后，系统能够 逐渐自我恢复，达到原来的良好处理效果： ( 3 ) 试验发现，m b r 通过固液分离虽然能维持很高的污泥量，但是不排泥的 运行方式会影响反应器的处理效果和稳定性，因此在运行中进行定期排泥有利于 系统的除磷，防止污泥的老化以及延缓膜的污染； ( 4 ) 在本实验的工艺条件下，系统能够维持较好处理效果的最高氨氮容积负 荷为0 5 k g m 3d ，高于此值时处理效果将会受到影响。 关键词：养猪场废水，膜生物反应器，硝化，反硝化，污泥浓度 论文类型：基础应用 西安建筑科技大学硕士学位论文 s t u d yo nt r e a t m e n to fs w i n ew a s t e w a t e ri nt h e i n t e g r a t e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r s p e c i a l t y ：m u n i c i p a le n g i n e e r i n g m e c a n d i d a t e ：y ut a o a d v i s o r ：p r o f g a oy u f e ia n dp r o f y a n gm i n a b s t r a c t s w i n ew a s t e w a t e rh a sc o n s i d e r a b l ea m o u n t so f n o n - s t a b i l i z e do r g a n i cm a t t e ra n d 1 1 i g hc o n c e n 仃a f i o n so fa m m o n i a n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s i no r d e rt oa s s e s st h e f e s i b i l i t yo fi n t e g r a t e dm e m b r a n eb i o r e a c t o rt r e a t i n gs w i n ew a s t e w a t e r , w ec a r r yo u ta l a bs c a l ee x p e r i m e n tw h i c hw a sd e s i g n e db yo u r s e l v e s w ei n v e s t i g a t e do nt h ee f f e c t s o fm b rw i t ht h r e ed i f f e r e n tp h a s e sa n dc o m p a r e dt h es i t u a t i o no fs l u d g ew i t h d r a w a l w i t hw i t h o u ts l u d g ew i t h d r a w a l b a s e do i lc o n d i t i o nw h i c hw a sc o n t r o l l e d ，w ef o u n d o u tab e s ts i t u a t i o n t h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t ： l a f t e rc o m p a r e dt h er e s u l to f t h r e ep h a s e s ，w ef o u n dt h et h i r dp h a s ec a l lo b t a i n t h eb e s tr e s u l t u n d e rc o n d i t i o nt h a td oo f3 m g l ，h r to fl 他i nt h ea n o x i cr e a c t o r ， h r to f 2 6 hi nt h em b r , m l s so f1 5 m g la n ds r to f 5 0 d 。t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e o f n h 3 一n 、c o d 、t na n dt pi s9 7 8 ，9 3 7 ，9 0 8 ，7 6 9 ；，r e s p e c t i v e l y 2 m b rh e l da na b i l i t yt or e s i s to r g a n i cs h o c kl o a d i n g a f t e rh i g ho r g a n i cs h o c k l o a d i n g ，t h er e a c t o rc a r lc o m e b a c kt oo r i g i n a l l ys t a t ew h i c hh a sag o o dr e m o v a lr a t e 3 m b rc a l lm a i n t a i nh i g hb i o m a s sc o n c e n t r a t i o nb ys e p a r a t i n gb i o m a s sf r o m t h et r e a t e dw a s t e w a t e r , b u tu n d e rt h es i t u a t i o no fw i t h o u ts l u d g ew i t h d r a w a l ，t h e t r e a t i n ge f f e c t sa n ds t a b i l i t yo ft h es y s t e mb e c a m ep o o r , s o ，w i t h d r a ws l u d g ei si nt h e f a v o ro f i m p r o v i n gt h er e m o v a le f f i c i e n c i e so f t pa n dr e d u c em e m b r a n ef o u l i n g 4 v o l u m e t r i cl o a d i n gi so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sf o rm b r u n d e rt h e c o n d i t i o no f t h ee x p e r i m e n t ，t h en h 3 - - nv o l u m e t r i cl o a d i n gi sr e a c h e d0 5 k g m 3 d k e y w o r d ：s w i n ew a s t e w a t e r , m b p , , n i l r i f i c m i o n ，d e n i t r i f i c a t i o n ，m l s s p a p e rt y p e ：f u n d a m e n t a ls t u d yf o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n h 声明 本人郑重声明我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，也不包含本人或其他人在其它单位 已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的 所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：全韬日期：沙s 占。窘 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、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阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：全韬 导师签 注：请将此页附在论文酋页。 期：，】。，多 西安建筑科技大学硕士学位论文 第一章文献综述 近年来，随着我国城市“菜篮子工程”的实施，养猪业迅速发展，经营方式 由分散型向集约化转变，产生的废水更加集中，带来的环境问题也日趋严重，是 形成农业面源污染的主要因素之一。我国规模化养猪场一般主要集中在城郊，没 有足够的土地来消纳粪污，像欧荚一些国家采用的氧化塘贮存兼消化的方式在我 国不太现实，因此，我们主要是采用人工强化处理的手段，在较小的面积内对废 水进行处理，然后达标排放。 1 1 养猪场废水的处理 1 1 1 养猪场废水的特征 养猪场废水主要来自猪粪便、猪尿及猪圈冲洗水，污水中富含氮磷、有机物、 高悬浮物，臭味大，是一种高浓度有机废水，如果处理不当将会造成水环境严重 污染。养猪场废水具有以下特点：一是排放量大，冲击负荷大。二是固液混杂 有机质浓度高，处理难度大。三是含氮量高，碳氮比失调。废水的水质水量与养 猪场的生产方式直接相关。据调查测算，干湿分离的猪场废水的主要水质指标为： c o d d r 5 0 0 0 1 0 0 0 0 m p j l ，m l s s l 0 0 0 5 0 0 0 m g l ，n i - 1 3 - n 1 5 0 0 m g l 。生猪养 殖业利润低，市场压力大，研究经济有效的治理技术是解决养猪废水污染问题的 根本途径。 1 1 2 养猪场废水的研究现状 对于在农场环境条件下所进行的污水处理而言，应该尽量达到处理费用最低 的要求。为此，所采用的：【艺应该满足以下条件。1 ：( 1 ) 处理系统应尽量简单；( 2 ) 合理使用电能，避免不必要的浪费；( 3 ) 为了提高污染物的去除，最好不要使用 其他的化学添加剂；( 4 ) 处理能力越大越好；( 5 ) 系统抗冲击负荷的能力强，能够 适应进水水质的变化。目前，国内外学者对养猪场废水的处理做了大量的研究， 并取得了一定的成果，其处理方法主要包括：物化法、生化法和自然生态处理技 术。 ( 1 )物化法 猪场废水含有大量的固体悬浮物，它是c o d 的主要来源之一，在厌氯反应器 中可能会导致颗粒污泥的解体，降低厌氧污泥的活性与含量。因此，在进入反应 器处理之前应对废水进行固液分离。首先，可利用格栅将猪粪便等大的固体悬浮 西安建筑科技大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ；i i ii i i i i i i ；i 物去除。其次，也可用固液分离机来进行分离，使悬浮物的去除率较高，完全可 以达到污水厌氧处理的工艺要求。猪场废水中会存在沸石、细菌和营养物质，可 能将大肠细菌带入地表水和地下水，物理化学方法是防止污染的一种可行办法。 水溶性的阴离子聚丙烯酰胺( p a m ) 处理基建投资低，应用快捷，在养猪场废水中 得到了应用。p a m 能够使总的大肠菌和排泄物大肠菌减少3 0 5 0 ，降低原水 中的总磷、正磷酸根以及n h ；+ 。正确的应用p a m 及其复配物可以减少进入地表水 和地下水中的污染物的数量，保护水质。另外，还有通过化学方法对出水作后续 处理，以提高水质，成文“1 通过投加聚铝及其最佳使用条件的选择来研究养猪场 废水经过生物处理后的出水的可行的混凝方法。在严格控制操作的条件下，废水 经投加聚铝进行混凝处理，最后出水c o d 。为7 8 9 5 m g 几，色度小于5 0 倍，其他各 项指标均达到国家标准。 ( 2 ) 生化法 养猪废水中含有高浓度的氨氮，氨氮是水体富营养化和环境污染的一种重要 污染物质，去除氨氮的根本途径在于通过好氧条件下发生的硝化过程将n 巩+ 转变 成n o i - ，再通过缺氧或厌氧条件下发生的反硝化过程将n o 转变成n 。排入大气中， 实现氮元素的循环和氨氮的无害化“1 。而废水中大量溶解性有机物的去除目前主 要是采用厌氧的方法来进行，厌氧工艺还能杀死废水中的致病菌，有利于防疫。 因此，研究者们对生物处理技术及其组合工艺进行了许多的探索，使养猪废水经 有效处理后安全排放。 杨朝晖8 1 等用s b r 与u a s b _ t _ 艺相结合处理养猪场废水，进水c o d 浓度1 2 0 0 0 1 8 0 0 0 m g l ，n h 厂n 浓度为7 0 0 1 l o o m g l 。其中，s b r 反应器采用1 4 h 为一个周期， 污泥的有机负荷是3 4 k g m 3 d 。稳定运行后出水c o d 浓度大都在4 0 0 m g l 以下， c o d 的总去除率在8 5 9 5 之间，n h 。一n 总去除率在9 5 9 8 之间。 厌氧消化是一种能减少臭味和降解有机污染物，同时回收能源的生物处理方 法，在猪场废水处理中已有广泛的应用。采用不同厌氧反应器处理猪场废水的研 究与工程已有大量报导。常用的方法有：完全混合式厌氧消化器、厌氧接触反应 器、厌氧滤池、上流式厌氧污泥床、厌氧流化床等，这些方法存在以下缺点：水 力停留时间太长，c o d 负荷率低，致使厌氧装置容积大，投资高，处理效率低。 为了提高反应器的负荷率，缩小装置容积，邓良伟等”1 利用i c ( 内循环厌氧反应 器) 工艺对猪场废水进行了研究，结果c o d 去除率8 0 3 ，b o d s 去除率达9 5 8 ， s s 的去除率为7 8o 6 0 ，且c o d 负荷达到3 7 k g m 3d ，水力停留时间仅为几小时，大 大提高了有机物的去除效率。 由于猪场废水的特点是氮、磷、有机物的含量均很高，单级厌氧处理不能有 效地脱氮除磷，要使养猪废水实现高效低耗处理，达到国家排放标准，一般会在 西安建筑科技大学硕士学位论文 i h7 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 厌氧处理之后连接好氧处理工艺。 n b e r n e t 等”1 在实验室条件f ，利用两个序批式反应器，即厌氧s b r - 好氧 s b r 系统对养猪场废水进行生物处理以去除其有机碳和氮，耿得了令人满意的效 果，t o c 去除率达8 1 9 1 ，t k n 去除率在8 5 - - - 9 1 ，a 循环比r 越高，t n 的 去除率越高，最终出水的n 0 x n 的浓度越低。 d o ba a 等4 3 研究了s b r 在厌氧、好氧、缺氧三个阶段下对猪场废水中有机物、 n 、p 的去除效果，反应器每天为3 个周期，温度3 0 0 c ，污泥龄( s r t ) 为1 d ，水 力停留时间( h r t ) 为1 l d 。迸水氨氮1 5 0 0 m g l ，p 0 4 一p s b l 4 4 m g l ，最终总氮去除 率达到9 9 7 ，p 0 4 3 甲去除率为9 7 - 3 。实验还对不同温度下的运行状况进行了 考察，结果发现要使n 、p 去除率达到9 5 以上，必须使温度控制在1 6 0 c 以上。 j u h y u nk i m 等。1 在用s b r 处理猪场废水时，通过o r p 、p h 分别作为缺氧段 和好氧段的实时控制参数，并在好氧段结束后自动添加碳源，以补充反硝化阶段 碳源的不足，提高反硝化效率。实验最终结果表明，t o c 和t n 的平均去除率分 别达到9 4 和9 6 。 何连生等m 1 探讨了集约化猪场废水厌氧消化后，s b r 法生物脱氮除磷效果及 限制因子。操作参数为8 h 周期，3 0 恒温，s r t 为l o d ，t t r t 为l d 。废水初始氨氮 浓度为1 6 8 2 m g l ，p o , 浓度1 8 5 m g l ，它们最终的去除率分别为9 4 3 和9 6 5 ， 从温度的批量实验证实，1 8 以上能获得较好的脱氮除磷效果，温度不再是限制 因子。由活性污泥实验消耗曲线斜率取得氨氮利用率( a u r ) 、硝态氮利用率( n u r ) 、 氧气利用率( o u r ) 3 个参数，可以有效评价s b r 污泥的生物活性 f 3 ) 自然生态处理技术 养猪场废水有机物和氮磷含量商，二级处理难以保证出水中氮磷的含量要 求，是地表水体超营养化的主要来源之一。三级处理的费用昂贵，难以推，。土 地处理和水生植物塘技术，都是运用生态学原理与工程学方法而形成的自然生态 处理技术。猪场废水主要来自市郊或农村地区，一般土地资源较丰富，自然生态 处理建设费用较低，运行成本低廉，具有良好的应用前景。 人工湿地是一种能有效减少废水固体悬浮物、b o d 、n 、p 及部分重金属的废 水处理系统，具有出水水质好、易运行、运行成本低、管理方便、抗有机负荷冲 击力强及应用灵活等优点。人工湿地的应用领域将不仅局限在点源污染的治理， 而是范围更广的区域生态环境保护，如垃圾填埋场、农业非点源污染及减缓河流 富营养化等。1 9 9 5 年，美国墨西哥海湾计划( g m p ) 总结了人工湿地处理养殖场 废水的技术进展，综合得出，人工湿地对废水的平均浓度的减少分别为：b 0 1 ) 。6 5 、t s s5 3 、n h r n4 8 、t n4 2 、t p4 2 。人工湿地可以有效地处理猪场 废水，但是其处理效果会随废水的特征和季节而变化，应该充分考虑废水的相应 西安建筑科技大学硕士学位论文 i i i i i 葺i i i i i 置i i i i i j i i 冀i i i i i i 置i i i 宣i i 墨ii i i i 墨i i i i i 尊i 预处理，保证理想的处理效果。廖新弟、骆世明“”分别以香根草和风车草为植被， 建立人工湿地土地处理系统对养猪废水进行处理，随季节不同，该系统对污染物 的去除率不同，c o d c r 去除率可达9 0 以上，b o b 。可达8 0 以上。 稳定塘是土地经过人工的适当修整，设围堤和防渗层的池塘，主要依靠自然 生物净化功能使污水得到净化。污水在塘内缓慢流动，停留时间较长，通过在污 水中存在的微生物的代谢活动和包括水生植物在内的多种生物的综合作用，使有 机污染物得以降解。稳定塘既可以作为相当于传统的二级生物处理，也可作为二： 级生物处理出水的深度处理工艺技术，在美国、欧洲等地的猪场废水处理中得到 了广泛的应用。澳大利亚、新加坡等国采用厌氧塘、好氧塘与农田灌溉工艺或土 地净化工艺对养猪场废水进行处理。墨西哥采用沉淀漉一厌氧塘一兼性塘深度 处理塘处理猪场废水，其中厌氧塘对c o d 的去除率达到了3 7 ，兼性塘c o d 平均去 除率为4 8 ，深度处理塘c o d 去除率为2 8 “。风眼莲又名水葫芦，是氧化塘最 常见的水生植物。余远松。”等利用凤眼莲对养猪废水进行了研究。厌氧发酵后的 养猪场废水经兼性氧化塘自然氧化后，进入水生生物处理系统。驯化后的凤眼莲 根系吸收有机物及其它物质，形成生物动态平衡，达到净化废水的目的。风眼蓬 又可为畜牧场提供辅助饲料，该系统具有耗能少，处理效果好，且能美化环境的 特点，适合于我国养猪场废水的处理。 另外，由于以上各种处理方法各有优缺点，因而产生了由以上三种、或以它 们为主体并 结合其它处理方法进行优化组合，共同处理猪场废水的工艺。如深圳农牧实业公 司的污水处理工程，工艺流程为污水一固液分离一调节池一上流式厌氧消化一植 物塘一鱼塘一排放，处理的废水也能达到深圳市废水排放标准“。f e m a n d al a f e r r e i r a 等“”利用u a s b 后加稳定塘的工艺对猪场废水进行处理研究，结果c o d 从 3 4 9 2 4 0 9 4 m g l 降到1 2 4 4 9 0 m g l ，出水中的n o r n 和n o r n 分别为3 1 l m g l 和 4 2 0 m g l 。 我国大多数规模化养猪场没有污水处理工程设施，采用工程化处理的只占3 5 。在采用工程化设施处理污水的猪场中，大多数是以回收能源与综合利 用为主要目的，即兴建沼气工程，利用沼气取暖、发电，沼渣、沼液施用农田。 近年来，随着人们对畜牧环境污染的重视，国内更多的养殖场陆续建立了粪污处 理工程。 1 2 膜生物反应器在处理粪污方面的运用 膜生物反应器应用于粪污处理的研究在日本开展得较早。日本在高层建筑下 水道设施中，采用膜进行粪尿处理已有十几年之久，且达到了比较良好得效果。 有研究指出养殖污水这种含高浓度氨氮的废水，采用循环式硝化脱氮法处 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 i ；i 。iv i i i i i i i i i i i i i i 理，去除率依赖于硝化液的回流量，高去除率时在运行成本上不现实。改良型的 多段式循环法使得生物反应池增多，增加了运行操作、维护管理的难度。采用问 歇曝气膜分离活性污泥反应器，就不需要大的循环水量，生物反应池也只需要， 个。小林真澄等提出将膜生物反应器用于养殖污水的处理，在维持高的污泥浓度 前提下，能够提高容积负荷率到常规活性污泥法的3 倍多，减少曝气池构筑物的 容积3 。 目前国内将膜生物反应器运用于畜禽废水处理工程的有上海荏原成套工程 有限公司，他们在松江工贸四村猪场废水处理工程中使用了膜生物反应器r 艺。 浙大凯发膜技术公司承建了杭州鑫鑫猪场污水处理工程，采用a o 工艺，处理量 为5 0 m 3 d 。 当前膜材料的价格仍然偏高，膜组件的产水量较低，而养猪场废水有水量相 对较少和有机物浓度高的特点，正好满足了膜生物反应器的情况，因此膜占总投 资的比例较之处理城市污水、工业废水要少，处理工艺得到大大简化，且占地面 积小，出水水质良好。随着膜材料的日益发展，以及膜生物反应器工艺操作条件 的不断优化，相信在不久的将来能够解决对畜禽废水进行深度处理的问题，已达 到废水回用和节水的目的。 1 3 膜生物反应器 随着世界经济的发展和人口的不断增长，水资源的缺乏已经成为一个全球化 的问题。而我国人口众多、水资源南北分布不平衡，使得缺水的状况已成为制约 经济和社会发展的重要因素。据报道，我国人均占有水资源仅为世界人均占有 量的1 4 ，是世界人均水资源极少的1 3 个贫水国之一。因此，迫切需要发展一些 新兴的水处理工艺，以促进水资源的可持续利用和良性循环。 1 3 1 膜生物反应器的发展历史 膜生物反应器( 鼢r ) 最早使用予生物化工行业中的连续发酵工艺。在废水 处理领域的应用研究开始于2 0 世纪6 0 年代末的美国。1 9 6 9 年美国s m i t h 首先 报导了活性污泥法和超滤结合，处理城市污水的方法，同年d o r r 一0 l i v e ri n c 进行了膜生物反应器处理生活污水的研究，并申报了专利1 9 7 2 年，s h e l f 等开 始了厌氧型膜生物反应器的研究工作“。但在当时由于受到膜生产技术的限制， 膜的使用寿命短，水通量小，制造成本高，实际应用遇到了阻碍。由于资源相对 短缺，日本于1 9 7 2 年出台法律，要求所有大型的建筑设施必须安装污水回用或 雨水收集等节水设施。这一法律促进了膜生物反应器的推广应用。1 9 8 0 年，日 本建成了两座处理能力分别为1 0 和5 0m 3 d 的膜生物反应器处理厂。现在，已 西安建筑科技大学硕士学位论文 有3 9 座这样的厂在运行，最大处理能力可达5 0 0m 3 d “。目前，膜生物反鹿器 应用较多的是日本，已有数家公司提供成套产品，运用于家庭污水处理和回用以 及废水中c o d 较高的工业领域。英、美、法等国也逐渐开始使用，1 9 8 2 年，d m l 一0 1 i v e r 公司运用膜厌氧反应器系统来处理高浓度食品废水，该工艺采用外部 循环超滤膜，有机总负荷高达8 k g m3 | d ，c o d 去除率达到了9 9 。另外，英格 兰南部的p o l o c k 在1 9 9 7 年建成了世界上最大的膜生物反应器处理厂。 1 3 2 膜生物反应器的结构与分类 ( 1 ) 膜材料和膜组件的构成及其选择 膜分离技术是近3 0 年发展起来的一项高新技术，已在众多的领域得到应用。 在进行污水处理的膜生物反应器中使用的膜主要是超滤膜和微滤膜，孔径范围基 本在0 0 5 o 4 5ui r l 。就材料而言，微滤膜常用聚碳酸酯、聚砜、聚氯乙稀、聚 丙烯等，超滤膜常用聚砜、聚醚砜聚丙烯腈、纤维素酯等。 为了便于安装和工业化生产，通常将膜以某种形式组装在一个单元设备内形 成膜组件，其型式有中空纤维式、平板式、螺旋式、圆管式、毛细管式等。在一 体式膜生物反应器中主要采用平板式和中空纤维式。 膜生物反应器的设计者结合膜的产水量、出水水质目标、膜污染的控制以及 膜生物反应器单元在整个处理流程中的位置等因素会选用不同孔径的膜。如果仅 是为了维持较高的生物浓度，截留增殖周期长的硝化细菌，同时又要获得较大的 产水通量，减少膜的使用面积，可以考虑选用孔径大、产水通量高的膜。如果为 了保证深度处理的出水水质，可以选用孔径较小的膜，但是这样势必对产水量有 一定的影响。在膜材料的选择中，应根据不同的需要，对膜材料本身的性质如机 械强度、抗污染性、耐酸碱性、亲疏水性和膜的寿命等进行相应的考虑。为了提 高产水量和抗污染能力，常用的方法是进行膜材料改性或膜表面改性。在| j ：i 本， 一些有机膜材料如聚乙烯、聚砜都经改性而具有稳定的亲水性。日本m i t s u b i s h i r a y o n 公司的研究证实，中空纤维膜组件应用于污水处理时，亲水性的膜组件抗 污染能力远远超出疏水性的膜组件1 。目前，无机陶瓷膜也开始在反应器中有所 运用，其材料有氧化铝、氧化铁等，它抗污染能力强，寿命长，能在恶劣的环境 中使用，但是其成本较高，装填密度小，应用受到了一定的限制。 ( 2 ) 膜生物反应器的分类 膜生物反应器是把膜分离技术和废水生物处理技术有机结合的一项新工艺， 它利用膜的分离作用取代了传统活性污泥法中的二次沉淀池，达到了二沉池无法 比拟的泥水分离和污泥浓缩的效果，从而使出水水质有了显著的提高。 通常所提到的膜生物反应器实际上是三类反应器的总称，它们分别是”( 1 ) 西安建筑科技大学硕士学位沦文 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 lm a b r ) ；( 2 ) 萃取膜生物 反应器( e x t r a c t i v e m e m b e r b i o r e a c t o g e m b r ) ：( 3 ) 膜分离生物反应器( b i o m a s s s e p a r a t i o nm e m b r a n eb i o r e a e t o r , b s m b r ，简称m b r ) 。 按照膜组件与生物反应器放置位置的不同，膜生物反应器又可分为分置式膜 生物反应器、一体式膜生物反应器和复合式膜生物反应器。 ( 1 ) 分置式膜生物反应器是把膜组件与生物反应器分开放置，利用压力泵将 生物反应器中的混合液通过膜组件进行泥水分离。其特点是：操作方便，膜的清 洗比较容易。但为了减小膜污染，必须加快通过膜表面液体的流速，因此其能耗 较大。 ( 2 ) 一体式膜生物反应器是将膜组件直接放置于生物反应器中，利用真空泵 抽吸或反应器内外压力差重力出流。其特点是：占地面积小，能耗较小，位于膜 组件下方的曝气器产生的气体的剪切力有助于减缓膜污染。一体式膜生物反应器 膜的清洗相对较困难一些。 ( 3 ) 复合式膜生物反应器是在膜生物反应器中加入某些介质，其性能发生了 一定改变，从而使系统得到迸一步的优化。何圣兵等。”用生物膜一膜生物反应器 处理生活污水，结果表明此复合体系大幅度降低了系统的剩余污泥产率，并且可 以大大延缓膜组件的污染状况。 1 3 3 膜生物反应器的特点 与传统活性污泥法相比较，膜生物反应器具有其无法比拟的优势： ( 1 ) 使用膜分离技术代替传统的重力式沉淀池，弥补了传统活性污泥法的不 足。膜生物反应器的出水固体悬浮物质含量几乎为零，因此不会造成污泥流失， 也不会受至q 污泥膨胀的影响。另外，由于膜的固液分离，使得反应器中能够维持 较高的污泥浓度，降低了污泥负荷，从而使出水水质能够得到较大的提高。 ( 2 ) 膜的过滤作用使微生物完全截留在反应器内，有利于生长世代周期较长 的硝化细菌的积累和生长，从而大大提高了反应器的硝化效率，对高氨氮废水具 有良好的处理效果。 ( 3 ) 实现了污泥龄( s r t ) 与水力停留时间( 玎玎) 的完全分离，使运行更 加便于控制。 ( 4 ) 剩余污泥量远低于传统活性污泥法，降低了对剩余污泥的处理费用。 ( 5 ) 由于膜的分离，不仅对固体悬浮物和有机物的去除率高，而且还能截流 病菌和病毒，使出水可以直接回用，实现了水资源的可持续利用。 ( 6 ) 操作管理较为方便，易于实现自动控制，且占地面积小，省去了对二沉 池的投资。 西安建筑科技大学硕士学位论文 尽管膜生物反应器相对于传统生物处理有众多的优势，但也存在着些较难 克服的问题： ( 1 ) 膜污染是阻碍膜生物反应器实际推广应用的一大关键问题。大量研究表 明，膜污染主要来源于三个方面n ” 一是滤饼层，即水透过膜时被截留下来的部分活性污泥和胶体物质在滤压差 或水流作用下堆积在膜表面而形成的膜污染( 属于可逆污染) ，其形成主要与料液 中的悬浮物浓度有关。另外，微生物所产生的胞外聚合物( e x t r a c e l l u a r p o l y m e r s ，e p s ) 在反应器中的不断积累，会引起混合液粘度的增加以及膜过滤阳 力的增加，因此，e p s 也是形成膜污染的一个不可忽视的重要因素。 二是溶解性有机物，它虽可以透过凝胶层，但也可被膜内微孔表面所吸附或 形成结晶而堵塞孔道，使膜通量下降。大量研究表明，污泥浓度( m l s s ) 、溶解性 有机物含量及混合液粘度对膜污染都有影响。m l s s 过低时，活性污泥对溶解性有 机物的吸附和降解能力减弱，使得混合液中溶解性有机物的浓度增加，其易被膜 表面吸附而形成凝胶层，因而导致过滤阻力的升高和膜通量的降低；当m l s s 过商 时，污泥将在膜表面沉积而形成较厚污泥层，也会导致阻力升高和膜通量下降。 封莉等o “察了膜生物反应器处理生活污水过程中，污泥浓度对膜产水量的影响， 结果表明，膜的产水量与m l s s 的对数呈线性负相关，b p m l s s 值越大，膜的产水量 越低 三是微生物，膜面和膜内的微孔中有微生物所需的营养物质，因而不可避免 地会有大量微生物滋生。 ( 2 ) 能耗和造价问题是污水处理工艺的重要评价指标，直接关系到处理方法 的经济可行性。膜生物反应器的能耗要高于传统活性污泥法0 t 3 0 4 k w h m 3 ， 其原因首先主要是膜生物反应器内通常会保持高浓度的m l s s ，为了提供充足的 溶解氧量，必须加大曝气量。而提高曝气量在一体式膜生物反应器中可以加大对 膜表面的剪切力作用，这对减小膜污染也是有一定意义的。其次，要使处理水通 过膜组件就要形成一定的负压，而此过程需通过真空泵来完成，这也是增加能耗 的一个方面。因此，较高的动力费用是膜生物反应器推广应用中的又一重大问题。 另外，据资料表明“”处理工艺中，膜组件的费用明显要高于占地和土建费用。在 运行费用中，膜组件的更换费用占总运行费用的4 0 7 5 。故而优化膜组件结 构以及膜材料的选取是促进膜生物反应器发展和应用的重要因素。 针对膜生物反应器存在的以上问题，国内外的学者作出了大量的研究工作， 并提出了许多的解决方法： ( 1 ) 采用一体式膜生物反应器，相对于分置式膜生物反应器可以节省循环泵 所消耗的能源，而且由于膜组件放置在曝气器的上方，受到曝气流产生的剪切力 西安建筑科技大学硕士学位论文 i r i i , l l li i 的影响，使膜面的污染得到明显的减小。 ( 2 ) 采用间歇抽吸过滤方式。当一体式膜生物反应器采用连续过滤方式出水 时，滤饼层和凝胶层不断加厚，增加了膜面的污染。而采用间歇抽吸的过滤方式， 在停止抽吸的时间段，污泥层会因曝气作用而从膜面脱落。因此，通过问歇抽吸 和增加曝气量可以减缓悬浮物和溶解性有机物对膜面的污染。 ( 3 ) 对膜组件进行定期清洗。一是反冲洗，可利用处理出水进行定期反冲洗 以减缓膜的污染、提高膜的透水率。二是在线药物清洗，但采用在线药洗时需要 小心谨慎，以免杀死反应器中的微生物，也可采用拆卸膜组件，用药水浸泡，常 用的化学试剂有次氯酸钠、稀碱、稀酸、酶、表面活性剂、络合剂和氢氧化钠等。 对于不同种类的膜应选择合适的化学清洗剂，以防止化学清洗剂对膜造成损害。 ( 4 ) 何圣兵等利用生物膜一膜生物反应器处理生活污水，结果表明在能够 得到很好出水水质的情况下，由于此工艺中悬浮型污泥浓度较低，可以大大延缓 滤膜的污染状况。 ( 5 ) 李耀中等嘲在相同的进水和运行条件下，考察和比较了生物括性炭一膜 生物反应体系与常规的活性污泥一膜生物反应体系的膜过滤特性，并就粉末活性 炭( p a c ) 对通量改善的相关机理进行了探讨。结果表明，添加1 2 9 l 的p a c 可明显 改善m b r 的过滤性能。与常规膜生物反应体系相比。投加生物活性炭后临界通量 可提高3 2 ，相同恒通量下的长期运行结果也表明生物活性炭一膜生物反应体 系透膜压力的升高更为缓慢，其稳定运行周期可达到常规膜生物反应体系的1 8 倍，其膜过滤总阻力比常规的低约4 4 ，差别主要来自于滤饼阻力的减少。 ( 6 ) 在操作条件上，目前用得最普通的超滤方法是恒压控制，即在艇个超 滤过程中膜透过液侧直通大气，且膜组件的进出口平均操作压力不变。恒压控制 时，膜透水率随时间呈对数关系变化，开始时膜透水率降低得很快，后变化缓慢。 相对于恒压控制，恒流控制是保持膜组件的通量恒定，彭跃莲等“”在分霞式膜生 物反应器中采用恒流控制，不仅能减小膜污染，大大延长膜的反清洗周期，而且 实现了膜生物反应器的进、出水水量平衡，保持生物反应器中活性污泥浓度和水 力停留时间不变，减小进水水量对微生物的冲击。 ( 7 ) 金玉兰等考察了在膜生物反应器中加沸石对膜污染的影响，结果表明， 沸石的投加能提高膜水通量，但存在一个最佳投加量问题，过量投加反而导致膜 不能正常使用。实验条件下，最佳投加量为1 0 0 0 m g l 。 1 3 4 膜生物反应器的研究进展 至e j 2 0 世纪末，随着膜材料及膜组件结构的不断发展和进步，膜生物反应器越 来越受到人们的重视，成为污水处理中研究的热点之一。 西安建筑科技大学硕士学位论文 日本1 9 8 5 年开始的“水综合再生利用系统9 0 年代计划”把瞄r 研究在污水处 理对象与规模上都大大推进了一步。日本在该项计划中对厌氧m b r 作了较系统的 研究研制了酒精发酵废水、造纸厂废水、蛋白工厂废水、城市污水、屎尿废水、 淀粉厂废水等7 类污水的m b r 处理系统。这一时期研究集中在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。这一阶段，m b r 的型式主要是分置式，为了解决m b r 能耗较高的问题，日本学者y a m a m o t o 等在1 9 8 9 年首先开发了一体式m b r ，由于不需循环泵、抽吸泵的工作压力小，一体式m b r 的单位产水能耗小于2 k w h m j ，低于分离式m b r 的能耗”。y u i c h is u w a 在1 9 9 2 年进行了活性污泥法加微滤膜生物反应器的脱氮研究。随着工艺的发展和优化， m b r 的应用范围也得到了不断的扩大。1 9 9 1 年，l i v i n g s t o n 用萃取式m b r ( f m b ) 成功进行了3 一氯硝基苯化工废水的处理，3 一氯硝基苯在e m b 中得到有效的降解。 t o n e l l i ( i 9 9 1 ) 研制了处理汽车制造厂含油污水的膜生物反应器系统r o n a l d ( 1 9 9 4 ) 研究了膜生物反应器处理含大量油脂及重金属的废水。a y a h i d e n o r i 等( 1 9 9 3 ) 进 行了厌氧膜生物反应器去除磷酸盐的研究“。 在m b r 的运行及操作条件等方面，国外学者也做了大量的研究工作。b o r a n z h a n g ( 1 9 9 6 ) 等对膜生物反应器与传统活性污泥法，在微生物种群以及细菌活性 的对比方面进行了研究。cc h i e m e c h a i s r i ( 1 9 9 3 ) 等研究了一体式膜生物反应器 硝化菌数量、最大硝化速率及温度的影响。hn a g a o k a ( 1 9 9 6 ) 等对细菌胞外聚含 物( e p s ) 及污泥粘滞度对膜过滤阻力的影响，进行了动力学分析。8 r o s e n b e r g e r 和w i t z i g ( 2 0 0 1 ) 进行的一体式船r 试验中，m l s s 达到1 5 - - 2 3 9 l 。nc i c e k 等研究 了污泥龄在3 0 d 、2 0 d 、l o d 、5 d 和2 d 的情况，发现污泥产率和污泥活性随着污泥 龄的减少呈增加趋势，雨酶的活性在不同的污泥龄时没有显著的变化“ 在国内，有关于m b r 的研究工作起步较晚，1 9 9 3 年华东理工大学进行了m b r 处理人工合成污水和制药废水的可行性研究。郑祥等o o 采用中试规模的厌氧一好 氧膜生物反应器( a 0m b r ) 处理毛纺印染废水，出水的水质指标达到了建设部生 活杂用水水质标准( c j 2 5 1 - - 8 9 ) ，a 0m b r 工艺处理毛纺印染废水技术可行、 操作简单、易于管理，可为工业规模应用提供技术参考。申欢等0 2 3 采用膜生物反 应器对垃圾渗滤液经u a s b 预处理的出水进行了降解试验，结果表明，m b r 对c o d 的去除率维持在7 0 8 5 之间，出水c o d 3 0 0 m g l ，达n - - 级排放标准。尹艳华 等。”采用膜生物反应器处理餐饮废水，发现m b r 3 2 艺对污染物的去除率高，对c o d ， 油，s s 和浊度的去除率分别为9 9 2 ，9 8 ，1 0 0 ，9 8 2 。系统抗冲击负荷能 力强，出水水质优良。甑捷。“等利用膜生物反应器技术进行了医院污水处理的实 验研究，研究表明，平均c o d 去除率达9 5 2 ，平均b o d 去除率达9 9 6 ，处理出 水水质好且稳定。刘旭东i j 习等在应用膜生物反应器处理屠宰废水的中式研究中， 西安建筑科技大学硕士学位论文 得出结论：有机物去除率达到9 7 以上，氨氮去除率大于8 l ，处理后的出水水 质达到肉类加工工业的废水排放标准。膜生物反应器处理屠宰废水，对有机负荷 有很好的耐冲击性，若经过进步消毒处理，其水质主要指标将达到中水回用标 准。 13 ，5 膜生物反应器技术现状 目前，在膜生物反应器处理废水的工艺中，研究者们对在各种不同操作条件 下系统的运行性能作了大量的考察，运行方式逐渐得到优化，使m b r 的处理效果 有了进一步的提高。 ( 1 ) 污泥龄( s r t ) 在m b r 的处理过程中，由于反应器内能够维持高浓度的污泥量，使得污泥负 荷较低，剩余污泥的产量也比传统活性污泥法少。对于m b r 应该保持高的s r t 还是 较低的s r t ，文献报道说法不一。 邹联沛等m 1 在s r t 对膜生物反应器出水水质的影响研究中指出，随着s r t 的延 长，污泥浓度的增加，反应器内微生物内源呼吸加剧，使得f 】l l 值变小，此时由 于食料的极度缺乏，导致大量微生物死亡，其被分解时产生大量不可降解的细胞 残留物质。同时，微生物内源呼吸的加剧会产生大量难降解的溶解性微生物代谢 产物( s m p ) 分子，使得上清液c o d 上升，但由于s m p 多为高分子物质，经过超滤膜 过滤后，对出水c o d 影响不是很大，但会使得出水c o d 存在波动性。另外，反应器 中s m p 积累到一定程度会抑制硝化作用，n h 。一n 的去除率会有所下降。 而w a g n e rj 等o ”在一体式m b r 运行的1 年时间内，没有对系统进行排泥，即 不控制污泥龄，其f f l s s 从2 9 l 上升到1 8 9 l ，反应器运行稳定，出水水质良好。 ( 2 ) 污泥浓度( 札s s ) 膜生物反应器能够维持高的污泥浓度，使得微生物的量可以得到保证，从而 提高处理效果。但是，高的m l s s 会增加系统内混合液的粘度，加剧了膜的污染速 度，同时也降低了氧的传质系数，氧的利用率低下，大大增加了能耗。张科杰等 。”考察了污泥浓度对膜生物反应器运行效果的影响