（模式识别与智能系统专业论文）复合淹没式mbr深度处理生活污水的试验研究.pdf

太原理t ：入学r 程硕十研究生学位论文 复合淹没式m b r 深度处理生活污水的试验研究 摘要 本文应用复合淹没式膜生物反应器( h s m b r ) 中试处理装置对北京市 门城污水厂的出水进行试验与回用研究。复合膜生物反应器是在传统活性 污泥反应器中投加悬浮载体，形成悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物 膜两中微生物共同承担生物降解的作用，并将淹没式微滤( m f ) 膜组件安 置于复合生物反应器内，以实现固液分离的目的。 试验对膜组件的作用机理及m b r 处理污水的工艺参数、运行条件和出 水水质进行了初步探索。探讨了该工艺对有机物的去除特性及系统对处理 效果的影响因素；另外，对系统中的膜污染及控制，膜的清洗进行了研究。 试验结果表明，填料在4 4 的投加比例下，出水量为0 8 m 3 h ，曝气量 控制在3m 3 h ，h s m b r 系统出水的平均浓度c o d = 3 4 3 m g l ， n h 4 + n = 0 9 4 m g l ，浊度= o 0 3 n t u ，其对应的平均去除率为3 6 4 ， 9 4 5 ，9 9 ，出水水质优于城市杂用水水质标准，满足污水回用的要求。 该系统具有较高的污染物去除能力和较强的抗冲击负荷能力，硝化作用显 j 茛 自。 对于膜污染，一方面淹没式膜生物反应器底部曝气形成的紊流态产生 水力剪切力使膜丝处于抖动状态，避免了污泥颗粒在膜表面和膜孔内的过 多积累，进而减缓了膜污染发生的速度；另一方面出水泵采用间歇运行方 式，1 2 r a i n 抽吸，3 m i n 停止，曝气采用连续。 经济分析结果表明：中试工程投资费用为5 2 1 3 元m 3 d ，运行费用为2 0 2 太原理工大学： 程硕士研究生学位论文 元m 3 。 关键词：生活污水，深度处理，膜生物反应器，复合工艺，膜污染 n 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 e x p e r 眦m i 。倒d yo nh y b l u ds i 用；r g e d m e 吼姗b i o r e a c t o r f o r 咖舢c i p a l 。 a b s t r a c t ah y b r i ds u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( h s m b r ) w a sd e v i s e df o ra p i l o ts t u d y i n m e n c h e n gw a s t e w a t e rc o m p a n yf o rm u n i c i p a l w a s t e w a t e r t r e a t m e n ta n dr e u s e h y b r i dm e m b r a n eb i o r e a c t o r p r o c e s s c o m b i n e sb o t h s u s p e n d e dg r o w t ha c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s sa n da t t a c h e dg r o wb i o f i l mp r o c e s si n o n eb i o r e a c t o rb ya d d i n gs u s p e n d e dc a r r i e r si n t oc o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g e r e a c t o r ，as u b m e r g e dm fm e m b r a n em o d u l ew a se q u i p p e di nt h eb i o r e a c t o rf o r s o l i d l i q u i ds e p a r a t i o n t h i st e s th a sai n i t i a ls e a r c hf o rt h ec r a f tp a r a m e t e r , o p e r a t i o nt e r m sa n dt h e q u a l i t yo fo u t l e tw a t e r t h er e s e a r c hf o c u s e do nt h et h ec h a r a c t e r i s t i c o nt h e r e m o v a lo fo r g a n i cp o l l u t a n t sa n do t h e rr e l e v a n ti m p a c tf a c t o r s i na d d i t i o n ， m e m b r a n ef o u l i n g ，h o wt oc o n t r o lt h em e m b r a n ep o l l u t i o na n dr e f r e s h i n gw e r e a l s od i s c u s s e d t h e e x p e r i m e n t i n d i c a t e s ：u n d e rt h ec o n d i t i o no f4 4 c a r t i e r a d d i t i o n w h e nw a t e ry i e l di s0 8 m 3 h ，a e r a t i o nv o l u m ei s3m 3 h ，t h ea v e r a g e c o n c e n t r a t i o no fh m b rs y s t e mi s c o d = 3 4 3 m g l ，n h 4 + - n = 0 9 4 m g l ， t u r b i d i t y = 0 0 3 n t u ，t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e sa r e3 6 4 ，9 4 5 ，9 9 ， e a c hq u o t ao ft h et r e a t e dw a t e rm e tt h eq u a li t ys t a n d a r do fw a s t e w a t e rr e u s e t h e t r e a t e dw a s t e w a t e rc a nb er e u s e d t h es y s t e mh a sh i g h e ro r g a n i c sr e m o v a l ， s t r o n g e rs h o c kl o a d i n gr a t ea n dm a r k e dn i t r i f i c a t i o n a b o u tt h em e m b r a n ef o u l i n g ： f u r t h e ri n c r e a s eo ft h ec a k el a y e rw a s e f f e c t i v e l yp r e v e n t e db ym e c h a n i c a lv i b r a t i o no ft h eh o l l o wf i b e rm e m b r a n e 1 t 1 i m m e r s e di nt h es u s p e n s i o na n dt h eh y d r a u l i cs h e a r i n go ft h et u r b u l e n tf l o wi n t h ea e r a t i o nt a n k 12 m i nw o r k i n g ，3m i ni n t e r m i s s i o nf o rp u m p e c o n o m i c a n a l y s i s i n d i c a t e st h a tt h et o t a l p r o j e c t i n v e s t m e n ti s 5 213 y u a n m 3 da n dt h er u n n i n ge x p e n d i t u r ei s2 0 2 y u a n m 3 k e yw o r d s ：s e w a g e ，a d v a n c e dw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，h y b r i dm e m b r a n e b i o r e a c t o r , h y b r i dp r o c e s s ，m e m b r a n ef o u l i n g 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 符号说明 论文中出现的主要符号及其对应中文含义列于下表中，以供参阅。其它符号在论文 中的出现处均有说明。 瓷迭溅霞氧 t h ec o r r e s p o n d i n gm e a n i n go ft h es i g n s 符号中文含义各注 l n l - h + 一n氨氮 也写作n h 3 一n 2c o d化学需氧量 单位：m e g e 3d o 溶解氧 单位：m g l 4t 温度( 水温)单位： 5h r t 水力停留时间 单位：h 6s r t 泥龄 单位：天 7 p hp h 值 无量纲 v i l l 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；。学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 名：垄公鲨望巨日期：丝竖：z ：呈 卵f 靳弥盈霪互! 嘞迎址：圣 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 1 1 研究背景及课题来源 第一章绪论 1 1 1 研究背景 全球性水污染问题已经对人类生存和经济发展构成越来越严重的威胁，防治水体恶 化、保护水资源，走可持续发展的道路已经成为人类共同追求的目标。我国淡水资源严 重贫乏，据1 9 9 6 年对世界1 4 9 个国家和地区的调查，我国人均水资源占有量仅有2 4 6 0 m 3 ， 排在第1 0 9 位，仅为世界人均水平的1 4 t 1 1 。这些水资源时空分布不均匀，开发利用难度 大。与此同时，我国水资源利用率低，用水严重浪费。工业用水重复利用率不足6 0 ， 比发达国家低1 5 - 2 5 。随着我国城市化、工业化进程的加快，水资源需求量持续上 升。此外，原本已经极有限的水源还时时面临着水质恶化及水生态系统破坏的威胁，这 使得水资源供需矛盾日益加剧。 为解决困扰人类发展的水资源短缺问题，世界各国根据自己的国情，采取了相应的 政策，而污水治理和回用是其中的重要内容，它既开辟了新的水源，又避免了水生态环 境的破坏，是解决水危机的重要战略举措。 我国现有的污水深度处理基本单元技术有混凝( 化学除磷) 、沉淀( 澄清、气浮) 、 过滤、消毒。对水质要求更高时还可以采用活性炭吸附、反渗透、离子交换、折点加氯、 电渗析、臭氧氧化等，或者使用一种或几种的组合。由于资金、技术、重视程度等各方 面的原因，我国现有的污水回用技术还没有超越传统的生物与物化处理范畴，其工艺流 程复杂、处理构筑物较多、占地较大、难以满足我国现阶段污水回用处理技术的需要。 因而人们便开始寻找见效快、投资成本低的污水回用技术，以缓解水资源的短缺状况。 以活性污泥为代表的传统生物废水处理技术长期以来在生活污水以及工业废水处 理中得到了广泛应用，但由于采用重力式沉淀池作为水处理和微生物固液分离手段，存 在以下五个方面的问题 2 - 3 1 ：( 1 ) 由于沉淀池固液分离效率不高，造成二沉池效率低；( 2 ) 由于二沉池固液分离的要求，曝气池的污泥不能维持较高的浓度，一般在2 m g l ，从而 限制了生化反应速率，致使处理装置容积负荷低；( 3 ) 水力停留时间( h r t ) 和污泥龄 ( s i 订) 相互依赖，提高容积负荷与降低污泥负荷往往形成矛盾。( 4 ) 剩余污泥产量大， 处置费用高，而且易出现污泥膨胀，出水中含有悬浮固体，出水水质不够理想且不稳定； 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 ( 5 ) 管理操作复杂。除此之外，废水排放量的急剧增加，传统工艺在多功能性、经济 节能性及高效稳定性等方面已难以满足人们对废水处理不断提高的要求，研发和应用新 型的污水处理新技术、新工艺，已成为水处理工作者的重要课题。 近年来膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r , m b r ) i 艺在废水处理中的应用格外引 人注目。膜生物反应器( m b r ) 是将高效膜分离技术与传统活性污泥法污水处理技术有 机结合而产生的污水处理新工艺1 4 l 。m b r 有着传统中水回用工艺不能比拟的优点：出水 水质清澈；无需二沉池，装置占地面积小；操作简单，运行维护方便，可实现全自动控 制，处理效果不受污泥性能影响【5 】。m b r 工艺除了可以降解各种污染物外，还直接消除 了各种病原性微生物进入水体对人类健康产生的潜在威胁，从而确保出水达到使用标 准，更充分体现了“治理，回用”的节约淡水资源的理念。 1 1 2 课题来源 本课题经费来源于北京市自来水集团和广东鑫都环保事业有限公司合作的城市污 水深度处理研究项目。课题以此项目为依托，在北京市自来水集团门头沟污水处理有限 公司开展h s m b r 工艺深度处理生活污水的试验研究。 1 2 膜生物反应器概述 1 2 1 膜生物反应器原理 膜生物反应器作为一种新新型高效的废水处理方法，是把膜分离技术与传统的废水 生物处理方法( 活性污泥法) 相结合，用膜分离设备( 膜组件) 取代传统活性污泥法中 的二沉池，从而可以强化活性污泥与处理水的分离效果1 6 】。 膜生物反应器融合了微生物对污染物的降解和膜的高效分离两个过程。 ( 1 ) 生物降解作用 污水中污染物的去除激励，即反应器内的活性污泥微生物不断地从其周围环境中摄 取污水中地有机污染物作为营养。微生物通过新陈代谢反应，把有机物氧化分解，最终 形成c 0 2 、h 2 0 等无机物，从而实现对有机污染物地去除。 由于膜对生物和大分子物质地截留作用，导致反应器内地微生物浓度升高，微生物 种类繁多，污泥停留时间家长，使得反应器内的污染物获得与微生物更多的接触反应时 间，有助于专性微生物的培养，加快生化反应的速度。此外，膜组件长期运行后，纤维 丝表面形成一层生物膜。当污水通过膜表面时，有机物被截留，进一步被表面的生物降 2 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 解，强化了有机物的去除效能。 ( 2 ) 膜分离原理 在膜生物反应器中较多使用的为微滤膜和超滤膜，因此，膜分离过程也就是微滤和 超滤过程。膜的截留作用大体可以分为以下两大类：膜的表面层截留，包括机械截留 作用、物理作用或吸附截流作用、架桥作用；膜的内部空隙截留。 1 2 2 膜生物反应器的分类及比较 膜生物反应器主要是由膜组件、泵和生物反应器三部分组成，其中生物反应器是污 染物降解的主要场所，膜是对混合液和对特殊污染物进行分离和萃取的介质，而泵则是 为满足分离和萃取提供所需要的动力( 压力) 的必须必需设备( 根据泵与膜组件的相对 位置不同分为加压泵和吸压泵两类) 。 根据膜组件在膜生物反应器中所起作用的不刚7 1 ，大致可将m b r 分为分离膜生物 反应器( b i o m a s ss e p a r a t i o nm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，简称b s m b r ) 、无泡曝气膜生物反应 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 ，简称m a b r ) 和萃取膜生物反应器( e x t r a c t i v em e m b r a n e b i o r e a c t o r ，简称e m b r ) = 类0 1 。其中b s m b r 是目前研究和应用最广泛和深入的膜生 物反应器。 在上述分类的基础上，还可以进一步加以分类。如下图l 一1 所示。 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 图卜1m b r 的分类 f i g 1 - 1 t h ec l a s s i f i c a t i o no fm b r 下面主要根据膜与生物反应器的组合方式和膜的功能，介绍其不同的运行方式和工 艺类型及其相应的优缺点。 ( 1 ) 分离膜生物反应器 分离膜生物反应器在水处理领域中研究最为广泛深入，是一种用膜分离过程取代传 统活性污泥法中二次沉淀池的水处理技术。根据膜组件和生物反应器的组合位置不同可 将膜生物反应器分为分置式、一体式和复合式三大类【2 】【j 。 分置式膜生物反应器，也称为错流式膜生物反应器，是指膜组件和生物反应器分开 设置，相对独立，膜组件与生物反应器通过泵与管路相连接。通常都采用加压型过滤。 加压泵从生物反应器抽水，压入膜组件中，膜率后水排出系统，浓缩液回流至生物反应 器。分置式膜生物反应器的工艺流程示意图如图1 2 所示。 4 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 进水 生物反应器 加压泵 膜组件 图卜2分置式膜生物反应器工艺流程示意图 f i g 1 - 2 t h ep r o c e s sf l o wd i a g r a mo fs i d e s t r e a mm b r 出水 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，有时又称为淹没式生 物反应器( s m b r ) ，它依靠重力和水泵抽吸产生的负压作为出水动力。一体式膜生物反 应器的工艺流程示意图如图1 3 所示。 进水 生物反应器 抽吸泵 出水 图卜3一体式膜生物反应器工艺流程示意图 f i g 1 - 3 t h ep r o c e s sf l o wd i a g r a mo fi n t e g r a t i o nm b r 复合式生物反应器从形式上看，也属于体式m b r ，也是将膜组件置于生物反应 器之中，通过重力或负压出水，所不同的是复合式生物反应器是在生物反应器中安装填 料，形成复合式处理系统。复合式膜生物反应器的工艺流程示意图如图1 _ 4 所示。 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 进水 生物反应器 抽吸泵 出水 图1 - 4 复合膜生物反应器工艺流程示意图 f i g 。1 - 4 t h ep r o c e s sf l o wd i a g r a mo f h y b r i dm e m b r a n eb i o r e a c t o r 三种分离式m b r 有着各自的优缺点，如表1 1 所示。 表卜1 不同分离式m b r 的优缺点 t a b l e l 一1t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo f d i f f e r e n ts e p a r a t i o nm b r 反应器优点缺点 独立运行，干扰小，易于调节控制 易于清洗更换动力消耗较大 分置式m b r膜通量较大，可增加膜的透水率叶轮的高速旋转产生的剪切力会使某 膜表面高速错流，延缓膜污染 些微生物菌体产生失活现象 结构稍复杂，占地面积也稍大 减少处理系统的占地面积 用抽吸泵或真空泵，动力费用低污染较快，清洗麻烦 一体式m b r 不用加压泵，避免微生物受剪力失膜通量低于分置式 活 提高处理系统的抗冲击负荷 复合式m b r 保证较高的膜通量 延缓膜污染 ( 2 )无泡曝气膜生物反应器 曝气式m b r 中膜用于气体传递，通常是为好氧工艺供氧，可以实现生物反应器的 6 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 无泡曝气，大大提高反应器的传氧效率。无泡曝气是采用透气性致密膜( 如硅橡胶膜) 或 微孔膜( 如疏水性聚合膜) ，在保持气体分压低于泡点的情况下实现的，主要用于需氧量 废水处理。气液两相由膜隔开，膜为氧传递和生物膜的生长提供了较高的表面积。氧通 过膜进入生物相，因此不会使挥发性有机物挥发，也不会发生泡沫现象。如下图1 5 所 示。 ( q )工艺组成 出水 中空纤 术i 水沆 、 ：，一 ；7 瞥 善： k ? ，： t i 1 t i j ： ，：。 f 囊j ： ：鬈 0 二， ：r j 7 ： 二 j o f ： ，? 物膜一 7 j ；，： ： 未介u 椭o ? 未浇o ? ( b )单根纤维膜的工作原理 图l 一5 无泡曝气膜生物反应器( m a b r ) 及运行原理 f i g 卜5 m e m b r a n ea e r a t i o nb i o r e a c t o ra n dw o r k i n gp r i n c i p l e ( 3 ) 萃取膜生物反应器 该工艺( 如图1 - 6 所示) 采用对废水中挥发性有机物( v o c s ) 具有选择萃取性的 膜组件将废水中的有毒有害优先污染物萃取后再行生物降解处理。处理过程中，使用萃 取膜将废水与活性污泥隔开，废水在膜腔内流动，借助于膜的选择性透过作用，而使废 水中的挥发性成分( 如芳烃、卤代烃等) 首先在膜中溶解扩散，并以气态的形式离开膜 表面而进入膜外的混合液，并随混合液进入生物反应器，在专性微生物的作用下得到有 效氧化分解。由于所使用的萃取具有良好的选择性和疏水特性，因而废水中的其他污染 物均不能通过膜向活性污泥混合液扩散，而v o c s 等污染物从废水经膜进入混合液的转 移过程所需的传质推动力主要来自其在生物反应器中的生物降解后的浓度与进水中的 浓度差提供。 7 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 图1 石萃取膜生物反应器( e m b r ) 的组成及工作原理 f i g 1 - 6 t h ec o m p o s i t i o no fe x t r a c t i v em e m b r a n eb i o r e a c t o ra n d w o r k i n gp r i n c i p l e 盖 取 膜 组 件 萃取膜生物反应器、曝气膜生物反应器、分离膜生物反应器的优缺点比较，如表1 - 2 所示j 8 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 表1 2 不同m b r 的优缺点 t a b l e 1 - 2t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fd i f f e r e n tm b r 反应器优点缺点 占地面积小 彻底去除出水中的固体物质 出水无需消毒 。 营养物可以在一个单元内被去除曝气受限制 分离式m b r高负荷率膜污染 低，零污泥产率膜价格高 流程启动快 系统不受污泥膨胀的影响 模块似容易升级改造 氧利用率高 能量利用效率高膜易于污染 曝气式m b r占地面积小基建投资大 氧需要量可以在供氧时控制工艺复杂 模块化容易升级改造 可处理有毒工业废水 出水流量小基建投资大 萃取式m b r 模块似容易升级改造工艺复杂 细菌和废水隔离 1 2 3 膜生物反应器的特点 总体来讲，m b r 具有以下优势： ( 1 )出水水质好 膜生物反应器可以有效地进行固液分离，大大改善了生物反应器出水水质。水质稳 定，观感好，出水中大肠杆菌数量及s s 可低于检测限，易于回用。膜生物反应器高质 量的出水是任何传统水处理技术所难以达到的。 ( 2 )实现了s r t 和h r t 的彻底分离 9 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 膜生物反应器技术结合了膜技术和生物技术各自的优点。膜系统的存在可以延长污 泥停留时间，将污水中的悬浮物、生物系统中的生物活性物质和净化水有效地分离，一 方面使生物反应器保持了高的生物浓度，提高了反应器的容积负荷，微生物停留时间的 延长有可能培养出在传统生物反应器内难以有效生长的特殊菌种，另一方面延长了一些 大分子、难降解污染物的停留时间，提高了生物系统对大分难降解污染物的处理能力。 ( 3 ) 剩余污泥产量少 该工艺可以在高容积负荷、低污泥负荷下运行，剩余污泥产量低( 理论上可以实现 零污泥排放) ，降低了污泥处理费用。 ( 4 ) 工艺结构紧凑，占地面积小 膜生物反应器系统由于膜组件的过滤作用，使生物反应器内污泥保持了很高的浓 度，生物反应器的容积负荷增大，有效地减少了生物反应器的体积；膜系统代替了传统 生物工艺中的二沉池、砂滤和吸附单元，这两方面都使得整个系统的占地面积减少，大 大简化了工艺流程，也减少了设备投资。 ( 5 ) 操作管理方便，易于实现自动控制 该工艺实现了水力停留时间( h i 玎) 与污泥停留时间( s r t ) 的完全分离，运行控 制更加灵活稳定，是污水处理中容易实现装备化的新技术，可实现微机自动控制，从而 使操作管理更为方便。 该工艺可以作为传统污水处理工艺的深度处理单元，在城市二级污水处理厂 出水深度处理等领域有着广阔的应用前景。但是膜生物反应器也存在一些不足。主要表 现在以下几个方面： ( 1 ) 膜生物反应器工艺的改进。由于各种废水性质千差万别，一种类型的反应器 不可能对所有的废水都具有很高的处理效果。对于一些特殊要求，如脱氮除磷、氧传质 及降低能耗、优化污泥停留时间、污泥减量等，应该优化设备结构，设计出尽可能满足 多种废水处理要求的多功能m b r 和开发出不同类型的膜生物反应器。 ( 2 ) 投资运行费用高。虽然近年来膜通量有了提高，降低了膜组件的使用规模和 能耗，减少了设备的维修费用；膜制造技术的提高，使膜的寿命提高，减少了膜组件的 更换费用。但m b r 的费用依然高于常规的生物处理工艺。因此，寻找对污泥混合液有 抗污染能力，对酸、碱清洗具有化学稳定性及具有一定机械强度、价格低廉的膜材料成 为当务之急。 1 0 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 ( 3 )膜污染机理及防治。膜污染是影响m b r 能否安全可靠运行的重要因素，是 运行费用较高的主要原因。我国在这方面的研究与世界先进水平尚存在差距，对膜污染 规律及机理的认识还不充分，需要借助现代分析检测手段来提高膜污染理论的研究水 平。 1 3 膜生物反应器研究及应用 1 3 1 膜生物反应器应用领域 膜生物反应器应用可获得迅速发展的重点领域包括以下几个方面。 ( 1 ) 高浓度有机废水的处理。高浓度有机废水是一种较为普遍的点污染。例如， 食品厂、制药厂、畜牧屠宰厂、酒厂等行业每年都排放很大量的高浓度有机废水。这类 废水采用常规活性污泥法处理尽管有一定的效果，但出水水质很难达到排放标准的要 求。而m b r 在技术上的优势决定了它可以对常规方法难以处理的废水进行有效的处理， 有的废水甚至可以处理到回用。 ( 2 )市政民用废水中水回用。有废水回用的地区和场所，如宾馆、办公大楼、洗 车业、餐厅废水回用、沐浴中心中水回用、社区生活污水回用、生态厕所零排放等等。 膜生物反应器可以充分发挥其占地面积小、设备紧凑、自动控制、灵活方便的特点。另 外也可用于无排水管网的地区，如小居民点、度假区、旅游风景区等。 ( 3 )旧废水处理厂的改造。特别是出水水质难以达标或处理水量剧增而占地面积 无法扩大的情况。 ( 4 )净水厂进水预处理及后续处理工艺的泥水分离。 1 3 2 膜生物反应器在国外的研究 膜生物反应器工艺最早应用于生物化工行业中的连续发酵工艺。在污水处理领域中 的应用始于6 0 年代的美国。1 9 6 6 年，d o r r - o l i v e r 公司首先将膜生物反应器用于废水处 理的研究。1 9 6 9 年美国的s m i t h 等人发表了“超滤膜分离活性污泥”的论文，首次报道 了活性污泥法和超滤结合处理城市污水的方法，可谓是m b r 的雏形，并于当年申请美 国专利【12 1 。 2 0 世纪7 0 年代初期，好氧分离式膜生物反应器处理城市污水的实验研究进一步扩 大；同时，厌氧m b r 研究也相继开始进行，在当时实验室的研究和中试规模的研究均 取得了较满意的结果。1 9 7 0 年，h a r d t 等将完全混合式生物反应器与超滤膜结合在一起 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 进行污水处理，c o d 的去除率可达到9 8 ，出水中不含细菌【l3 1 。1 9 7 8 年，g r e t h l i e n e t 进行了厌氧m b r 处理生活污水的研列h 】。这一时期m b r 的研究重点是开发适合高浓 度活性污泥的膜分离装置，但由于受膜生产加工技术水平的限制，当时的膜使用寿命短， 膜通量较低，这项技术在当时很长实践内仅停留在实验室研究阶段，未能投入实际应用。 2 0 世纪8 0 年代，m b r 的研究有了较快的发展。m b r 处理的对象扩展到工业废水、 石油废水、发酵废水等废水处理方面。1 9 8 2 年d o r r - - o l i v e r 公司推出了膜一厌氧反应器 系统来处理高浓度食品废水。该系统采用外部循环超滤膜，总负荷8 k g c o d 强刁d - i , c o d 的去除率达到9 9 。1 9 8 3 年到1 9 8 7 年日本有1 3 家公司使用好氧m b r 处理大楼废水， 处理后的水用作中水回用，处理水量达5 0 2 5 0 m 3 d 。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( a q u ar e n a i s s a n c e9 0 p r o g r a m ) ”把m b r 在污水处理对象和规模上 的研究都大大地推进了一步陋1 6 】。这一时期的研究集中在m b r 的处理效果和运行稳定 性方面。日本的三井石化公司用m b r 处理粪便污水，取得了前所未有的良好效果，m b r 运行具有一定的稳定性【1 7 1 。这一阶段的m b r 主要是分离式的。m b r 在其它发达国家 和地区也得到了发展和应用，如美国m a n s f i l e do h i 建造了一套处理规模为1 5 1 m 3 d 的膜 生物反应器处理系统，用于处理汽车制造厂的工业废水；英国用膜生物反应器处理有毒 工业废水，南非也有m b r 的商业应用【1 8 】。1 9 8 5 年，t r a n 指出：错流式微滤膜因操作压 力低，可降低废水处理中的能耗，能耗问题开始受到重视【19 1 。1 9 8 8 年，k r a u t h 等用有 压反应器与膜组件相结合的工艺处理污水，由于提高了供氧能力，获得了很好的出水水 质1 2 0 1 。1 9 8 9 年y a m a m o t o 首次提出将中空式纤维膜组件直接放置于曝气池中，进行了淹 没式膜生物反应器( s u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，s m b r ) 污水处理技术的研究口。 膜生物反应器技术在2 0 世纪9 0 年代得到了迅速的发展，它以处理效率高，效果好， 占地面积小，控制方便等优点吸引了大量研究者的兴趣，其在废水处理中的应用领域和 规模的不断扩大。在生活污水处理方面：1 9 9 3 年c h i e m c h a i s r i 分别利用中空、板式m b r 工艺处理城市污水，对c o d 的去除率为：中空纤维式8 0 9 0 ，板式大于9 3 t 砼】；1 9 9 5 年，e b m u l l e r 等开展了膜生物反应器处理生活污水的中试研究，系统稳定运行3 0 0 d ， 考察了m b r 在不排放污泥条件下的运行状况【2 。1 9 9 6 年，w i n n e n 用陶瓷膜一生物反应 器处理人工合成废水，对c o d 、s s 、t k n 、n h 3 - n 的去除率都非常好，并能有效地截 留脊髓灰质炎病毒和异养菌【2 4 】；p i e r r ec o t e 等在中试规模的缺氧一好氧膜生物反应器对 市政污水进行了处理，c o d 去除率达到9 5 ，t k n 和t n 去除率分别达到9 4 和8 0 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 i 2 m 。 在工业废水处理方面：1 9 9 2 年r o s s 等用厌氧m b r 处理啤酒废水，进水c o d 为 6 7 0 0 m g l 时的c o d 的去除率为9 6 9 9 p q ；s u w a 对食品加工废水迸行了小试试验研 究，污泥浓度为2 7 2 3 6g v s s l ，进水b o d 5 负荷为0 3 3 1 6 6k g ( m 3 d ) 时，对c o d 的去除率大于9 7 f 2 7 】；1 9 9 3 年，k r a u t h 等将有压膜生物反应器用于酸菜罐头加工废水 处理的研究，迸水c o d 为4 2 6 0 m g l 时，出水c o d 为7 0 8 m g l ，卫生学指标达到饮用 水标准【2 8 1 ；l a c o s t e 等用微滤( a - a l ，孔径0 3 4um ) 、超滤( z r 0 2 ，孔径5 0 n m ) 膜生物反应 器工艺纯氧曝气处理含蛋白胨、葡萄糖等人工合成废水，进水c o d 6 0 0 m g l 、 b o d 5 4 3 0 m g l 、总氮6 6 2 m g l 、s s 3 8 m g l ，出水c o d 小于3 0 m g l ，c o d 和b o d 5 的去除率为9 7 和9 8 ，出水中没有细菌和s s t 2 9 1 。 生物特性、膜污染、降低能耗方面：1 9 9 1 年k y a m a g i w a 采用一种活塞流式生物反 应器( p l u n g i n gl i q u i dj e tb i o r e a c t o r ) 和错流过滤膜组件结合，来处理生活污水，以节 约能量和减少膜污染。系统的t o c 去除率达到9 7 。认为该工艺适于偏远地区的小规 模农业和生活污水处型3 0 】；同年，s a t o 等研究了膜通量与活性污泥浓度、溶解性c o d 、 污泥粘度的动力学关系【3 1 】；1 9 9 2 年，k i a t 研究了中空纤维的纤维间污泥累计机制及最 佳设计密度；p i l l a y 等对微滤系统凝胶层形成过程、影响因素、条件控制及模型预测 进行了研究【3 3 1 ；vn a g a n o 报道了膜与好氧和厌氧系统的组合应用【3 4 】。1 9 9 3 年 c h i e m c h a i s r i 等则研究了一体式膜生物反应器内硝化菌数量、最大硝化速率及温度对处 理效果的影响网；1 9 9 6 年b r o a nz h a n g 等对膜分离活性污泥系统( m s b ) 与传统活性污 泥法在微生物种群和细菌活性方面进行了对比研究，在m o n o d 模型的基础上，建立了 m s b 的生态模型1 3 6 j 。 进入2 1 世纪，随着污水回用呼声的不断提高，m b r 技术进步得到政府、科研机 构和商业公司的重视，研究者力求完善m b r 功能以适应实际应用需要，使m b r 成为 污水深度处理及资源化领域的核心技术与工艺。总体上，m b r 中关于膜污染纺织方面 的研究，仍然使该领域的热点。2 0 0 2 年，i n - - s o u n gc h a n g 等在综述中比较全面地回顾 了以往对m b r 膜污染地研究情况i 圳，认为m b r 膜污染问题地复杂性源自活性污泥混 合液中复杂地微生物组分，使得对m b r 膜污染模拟更为复杂，使研究难以得到统一地 结论。 在膜污染机理的研究方面，研究者更加关注微生物代谢产物、微生物絮体等地基础 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 性研究，这有助于更深入地理解膜污染现象。j a e - - s e o kk i m 等发现高剪切力泵会使污 泥絮体中的胞外聚合物e p s 释放，从而导致膜污染加剧1 3 引。h a n g - - s i ks h i n f 研究了溶 解性微生物产物( s m p ) 随污泥停留时间的变化规律，指出s m p 随细胞的解体而释放， 影响膜污染【3 9 】。t a oj i a n g a 发现在长的s r t 下，s m p 会先积累再得到降解，相对分子质 量变小f 4 0 】。w o n t a el e e 指出胞外聚合物( e p s ) 的组成比总量对膜污染的影响更显著， 需对e p s 特征进行深入研究。低临界通量条件对控制污泥混合液中各种组分形成污染 层，效果明显，近年来，也有研究者对低临界通量的定义和模型进行了探讨【4 1 1 。但目前 位置，膜污染研究仍未得到突破性进展。 关于m b r 脱氮方面的研究，通过与生物膜工艺，缺氧工艺连用，m b r 取得了较好 的脱氮效果。h i d e k i 进行了m b r 的高效氨氮硝化与工业废水去除磷酸盐的研究。但一 直以来m b r 的生物除磷效果不够理想，一些报道的除磷工艺系统比较复杂，研究还需 要进一步深入1 4 2 】。 1 3 3 膜生物反应器在国内的研究 m b r 在我国的研究起步较晚，2 0 世纪9 0 年代水处理科技界开始关注m b r 。近年 来，m b r 工艺已有实际应用实例，并保持着良好的发展势头。1 9 9 1 年，运岑首次报道 了膜生物反应器在日本的应用情况【4 3 1 。1 9 9 3 年中国科学院生态中心王菊思启动了m b r 的研究。1 9 9 5 年以来，一些大学和科研机构纷纷开展了关于膜生物反应器的研究。如清 华大学、中科院生态环境中心、哈尔滨工业大学、天津大学、同济大学、华东理工大学 等对膜生物反应器的运行特性、膜通量的影响因素、膜污染的防治与清洗等方面做了大 量细致的研究工作，见表1 3 。m b r 技术研究受到国家“八五”、“九五 、“十五” 科技攻关项目基金支持，取得了很大的进步。 1 4 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 表1 - 3 我国m b r 研究状况 t a b l el - 3t h es t u d ys i t u a t i o no fm b ri nc h i n a 科研单位 反应器类型废水类型 清华大学分离式、抽吸淹没式生活污水、洗浴废水、医院废水 同济大学分离式高浓度有机废水 中国科学院生态环境研究中心分离式印染废水、石化废水 哈尔滨建筑大学重力淹没式生活污水 天津大学重力淹没式生活污水 其它高校及科研单位分离式、抽吸淹没式生活污水、啤酒废水、港口废水等 在生活污水处理方面：1 9 9 5 年清华大学环境工程系范晓军对膜生物反应器工艺处 理生活污水进行了中试研究【4 4 】；李红兵采用中空纤维膜处理生活污水的研究表明：在 h t r - 1 5 h ，m l s s = 8 1 0 9 l 时，c o d 和氨氮的去除率都达到了9 0 以上，且不受冲击负荷 的影响【4 5 】；顾平等应用膜生物反应器对生活污水处理行了研究，试验结果表明，出水中 几乎无悬浮物和浊度，对有机物和含氮化合物的去除率较高，另外还研究了膜通量与工 作压力、冲击负荷、曝气强度等运行条件的关系1 4 6 。 在膜污染研究与防治方面，赵方波，于水利等采用原子力显微镜等技术分析了泥饼 层微结构特征和污泥中不同组分对膜污染的影响，指出s m p 含量与泥饼层的渗透性有 较大的相关性 4 7 1 ；李春杰等人在用s m s b r 处理焦化废水的研究中通过向反应器中投加 粉末活性炭进而形成生物活性炭( b a c ) 来实现对膜污染的防治，试验结果表明在相同 压力下普通活性污泥的铜梁衰减指数要远于b a c l 4 8 1 ；于海茵等则进行了n h 3 等离子气 体改性p p 微滤膜，从而改善m b r 的膜污染状况1 4 川。 为进一步拓展m b r 的功能和应用领域，开发了一些新型m b r 。为提高m b r 脱氮 除磷效果，张军采用a o + m b r 进行了生活污水脱氮除磷的研究，结果表明，该系统能 够在去除有机污染物的同时脱氮除磷，当温度为2 5 一3 0 ，d o 为4 6 m g l ， b o d 5 ：t n ：t p = 1 0 0 ：5 ：1 ，可获得出水c o d 3 0m g l ，b o d 5 1 0m g l ，s s = 0 ，浊度 i n t u ，氨氮 去除率大于9 7 ，磷去除率大于7 0 的处理效梨蛐j ；张捍民运用s b r 工艺脱氮除磷机 理，采用序批式运行方式强化膜生物反应器脱氮除磷效果，结果表明，该工艺不仅对t n 、 t p 有较高的去除率，而且还可以减轻膜污染进程【5 。 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 1 4 复合膜生物反应器的研究进展及研究的意义 1 4 1 复合膜生物反应器简介 为了在原有活性污泥工艺基础上，提高反应器内生物量，增强其处理能力，克服污 泥膨胀，提高运行稳定性，研究人员通过在曝气池中投加各种能够提供微生物附着生长 的载体的方法，利用载体容易截留和附着生物量大的特点，使生物反应器内同时存在附 着相和悬浮相两种微生物，充分发挥各自的优越性，克服各自的不足，这种反应器称之 为“复合生物反应器”( h y b r i db i o r e a c t o r ，h b r ) 。复合是指反应器中同肘存在活性污 泥( 悬浮相) 和生物膜( 附着相) 。近年来，由于复合系统比单一系统具有明显的一些 技术优势而受到人们的重视。 在复合式膜生物反应器中安装填料的目的有两个：一是提高处理系统的抗冲击负 荷，保证系统的处理效果；二是降低反应器中悬浮性活性污泥浓度，减小膜污染的程度， 保证较高的膜通量。 1 4 2 复合膜生物反应器的研究进展 研究人员，选择了各种不同的载体。l e e 等通过