（机械设计及理论专业论文）船用mbr膜生物反应器及其污水处理机理的研究.pdf

船用m b r 膜生物艇应器及其污水处理帆理韵研究中文提要 船用m b r 膜生物反应器及其污水处理橇瑾的研究 中文提要 长期以来，国内外在船舶生活污水处理中，主要是以活性污泥为代表的传统好氧 生物处理工艺。活性污泥法工艺主要由生物反应器部分( 曝气池) 和固液分离部分( 二 沉池) 组成。曝气池是栖息在活性污泥中的微生物分解污水中有机物的场所。固液分 离部分则是将曝气池混合液进行固液分离，从而实现水的最终净化。在二沉池分离并 浓缩后的活性污泥一部分回流到曝气池内，以维持曝气池内的污泥浓度。 虽然，活性污泥法一直在控制水环境污染的进程中发挥了巨大的作用，但由于受 重力式固液分离技术的局限性，仍存在以下不足。 由于固液分离采用重力式沉淀池，固液分离效率不高，能够分离的污泥浓度有 限，使得曝气池的污泥很难维持到很高浓度，致使处理装置容积负荷低，占地面积大； 处理水质量受沉淀池的沉淀效率的影响，须进一步深度处理才能达到船舶污水 排放标准； 为不影响沉淀池污泥的沉淀效率，反应器内的污泥浓度一般不能维持太高，为 此须定期排泥，致使剩余污泥产生量大，污泥处理费用增加； 管理操作复杂，能耗高。有时会出现污泥膨胀，冲击负荷能力弱，运行不够稳 定。 为适应全球环境保护的要求，及不断提高的海上污水排放标准，原先的传统好氧 活性污泥处理船舶生活污水工艺己日益不能适应当今社会的要求。不久后，国际海事 组织将实施新的海上污水捧放标准，到那时，在海上运营的船只，如不能达到相关的 污水排放标准，将给予非常严厉的经济惩罚。所以各船运营商们正迫切要求能有新工 艺来经济高效并达标地处理船舶污水。 本文针对上述问题，通过对超滤膜分离技术的研究，结合污水生物处理技术，提 出了设计一种新型的船用膜生物反应器的构想，以达到高效，经济，达标地处理船舶 生活污水的目的。为此，本论文主要做了以下几项工作： i 中文提要 船用m b r 膜生物反应器段其污水处理机理的研究 研究分析传统船舶好氧生物反应器机理及超滤膜分离机理从而来探讨将二者 结合的可能性； 构建一种新型的船用膜生物反应器并探讨其工作机理： 通过深入地理论研究，建立新型的船用膜生物反应器的数学模型： 进行实验研究，取得了一系列的实验结果，从而可清晰地了解新型的船用膜生 物反应器对船舶生活污水的处理效果，它可大幅度提高生物反应器中的混合液浓度， 使泥龄增长，剩余污泥量减少，出水水质显著提高，特别是对悬浮固体，有机物，病 原细菌和病毒的去除尤为显著。 理论与实验进一步证明了新型船用膜生物反应器处理船舶生活污水的可行性， 为船用膜生物反应器今后的进一步应用奠定了理论与实验基础。 关键词：膜生物反应器( m b r ) ，船舶污水，实验研究 l i 作者：金伟忠 指导老师：顾德裕 r e s e a r c h o n m e c h a n i s m o f m s n n e m e m b r a n e b i o - r = a c t o r a n d i t s s e w a g e t r e a l n n e m r e s e a r c ho nm e c h a n i s mo fm a r i n em e m b r a n e b i o r e a c t o ra n di t ss e w a g et r e a t m e n t a b s t r a c t t h et r e a t m e n to ft r a d i t i o n a lo x y g e n i ca c t i v es l u d g ei sm a i nt e c h n o l o g yt ot r e a t s e w a g ei nm a r i n ef i e l di ny e wl o n gp e r i o d t h ea c t i v es l u d g et e c h n o l o g ym a i n l y c o n s i s to fa e r a t i o n s e c t i o na n ds e t t l i n gs e c t i o n a e r a t i o ni sat a n kw h e r e m i c r o o r g a n i s md e c o m p o s eo r g a n i s mi nw a s t e w a t e r m i x t u r el i q u i di ss e p a r a t e di n t o s o l i da n dl i q u i di ns e t t l i n gt a n k t h e nt oa t t a i nc l e a nw a t e r p a r to fa c t i v es l u d g e c o m p r e s s e di ns e t t l i n gt a n kr e t u r nt oa e r a t i o nt a n kt ok e e pd e n s i t yo fa c t i v es l u d g e i na e r a t i o nt a n k t h o u g ha c t i v es l u d g et e c h n o l o g ym a d eas i g n i f i c a n tr o l ei nc o n t r o lo fp o l l u t i o no f w a t e re n v i r o n m e n t ，t h e r ea r eaq u i t ef e wo fd e f e c t sa sf o l l o w sd u et ol i m i to fg r a v i t y s e p a r a t i o n e f f i c i e n c yo fs e p a r a t i o no fs o l i da n dl i q u i di sl o wd u e t og r a v i t ys e t t l i n gu s e d 。i t c a n tk e e ph i g hs l u d g ed e n s i t yi na e r a t i o nt a n kb e c a u s es e p a r a t e ds l u d g e d e n s i t yi sl i m i t 。t h el o a do fv o l u m ei sl o w e r a n di t l lo c c u p yb i gs p a c e w a t e rq u a l i t yt r e a t e di nt a n km u s tm a k ef u r t h e rt r e a t m e n tt or e a c hw a s t ew a t e r d i s c h a r g es t a n d a r di nm a d n e t h ed e n s i t yo fs l u d g ei nr e a c t i o nu n i tc a n tk e e pt o oh i g hi no r d e rn o tt oa f f e c t s e t t l i n ge f f i c i e n c yi ns e t t l i n gt a n k ，s o i tn e e dm o v ea w a yt h es l u d g er e s i d u e p e r i o d i c a l l ya n dc r e a t eb i gv o l u m eo fs l u d g er e s i d u ea n da d ds l u d g et r e a t m e n t c o s t c o m p l i c a t i o no fo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t ，h i g he n e r g yc o n s u m m a t i o n i t l lb e s l u d g ee x p a n s i o ns o m e t i m e s ，l o w e rc a p a b i l i t y o fi m p a c tl o a d ，u n s t a b l e o p e r a t i o n no e rt oc o n f o r mt ot h ed e m a n do fg l o b a le n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，a n d t h e i i i ! 坠! ：兰： 一跫竺竺! 篓塑壁竺! 黧垡塑竺! ! 塑竺! 竺! ! ! 竺! ! 竺篓! 竺! 堡! 骢矍! 旦竺塑竺! l n c r e a s i n gs e w a g ed i s c h a r g es t a n d a r d i nm a d n e 。t h ef o 瀚e ft r e a t m e n to f ”a d 诖i o n a io x y g e n i ca c t i v es l u d g ec o u l dn o tm e e tc u r r e n tn e wd e m a n da n ym o r e a n di n t e r n a t i o n a lm a d n eo r g a n i z a t i o n ( i m o ) w i l lp u tn e ws e w a g ed i s c h a r g e s t a n d a r di n t oe f f e c ts o o n 。a tt h a tt i m e ，t h eo p e r a t i o ns h i pw i l ib ef i n e ds e n o u s t yi f t h e yd i s c h a r g es e w a g ei n m a d n eu n d e rf o r m e rl o wd i s c h a r g es t a n d a r d 。t h es h i p o p e r a t o r s a r ee x p e c t i n gn e wa d v a n c e dt e c h n o l o g yt ot r e a tt h es e w a g ew h i c hc o u l d e c o n o m i c a l l y ，e f f e c t i v e l ya n df u f l yc o n f o r m i n gw i t hd i s c h a r g es t a n d a r d t h i sp a p e rh a ss t u d i e du fo p e r a t i o np r i n c i p l et h r o u g hw o r k i n go nu l t r a f i l m s e p a r a t i o nt e c h n o l o g ya n dl i n k i n gt os e w a g ea c t i v es l u d g et r e a t m e n tf a c i n ga b o v e i s s u e s ，d e s i g n e dan e w m a n n em b r i no r d e rt or e a c ht h eg o a lo fh i g he f f i c i e n c y ， e c o n o m ya n dc o m p l y i n gw i t hs e w a g ed i s c h a r g es t a n d a r d f o l l o w i n gw o r k si sd o n e s t u d yt h ep r i n c i p l eo fu l t r a f i l ms e p a r a t i o nt e c h n o l o g ya n ds e w a g ea c t i v es l u d g e t r e a t m e n tt oe x p l o r ep o s s i b i l i t yo fc o o p e r a t i o no fa b o v et e c h n o l o g y s e tu pn e wm a d n em b ra n ds t u d yi t so p e r a t i o np r i n c i p l e s e tu pm a t hm o d u l eo fn e wm b rt h r o u g hf u r t h e rs t u d yo fp r i n c i p l e m a k et r a i la n dt e s t 。a n da t t a i ns e d a l so ft e s tr e s u r st os e ec l e a r l yg o o dr e s u l t s o fn e wm a r i n em b r ，i t r a i s em i x t u r ed e n s i t y ，l o n g e rs r t ，r e d u c es l u d g e r e s i d u e ，i m p r o v ew a t e rq u a l i t y 。s i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n to nm o v i n ga w a yf o a m s o l i d ，o r g a n i s ma n db a c t e d u m p r o v ef u r t h e rb o t ho nt h e o r ya n dt e s tt h a tn e wm a d n em b ri sf e a s i b u i t yo n s e w a g et r e a t m e n ti nm a d n ef i e l d ，i tl a i df o u n d a u o nf o rn e wm a d n em b r a p p l i c a t i o nf u r t h e rl a t e r k e yw o r d s m e m b r a n eb i o - r e a c t o r ( m b r ) m a d n es e w a g e t e s ta n ds t u d y s u p e r v i s e db y ：g ud e y u y 7 8 2 8 6 0 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 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，本论文 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名：云主塾日期：兰望望! 二 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心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) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 引每b 日期：州r j q 导师签名：丝丝丝日期：兰粤习! 船用m b r 膜生物反应嚣及其浮永处理机域的研究第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 第一牵绪论 随着社会经济的发展和人口的增长，水资源短缺和水环境污染日趋严重已成为一 个全球化的环境问题，水环境质量的严重恶化和经济的高速发展，迫切要求适合时代 的污水处理技术。 另外，为适应全球环境保护的要求，越来越多的国家，国际组织出台了很多相关 法律、法规来限定海上废水许可排放等级，这对船舶营运商和污水处理设备供应商来 说，无疑是一个挑战。怎样经济高效并达标地处理船舶污水，己成为当今急待解决的 问题之一。 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a t o r ，简称髓r ) 是膜技术和污水生物处理技术 有机结合产生的污水处理新工艺，以膜技术的高效分离作用取代传统活性污泥法中的 二次沉淀池，可达到原来二次沉淀池无法比拟的泥水分离和污泥浓缩效果，从而可以 大幅度提高生物反应器中的混合液浓度，使泥龄增长，剩余污泥量减少，特别是对悬 浮固体，病毒细菌和病毒的去除非常显著。 该工艺与传统污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实现自动控制等优点，其产生， 发展和应用，必将成为今后人们控制水污染和解决污水回用问题的重要手段。由此可 设想设计一种新型的船用m b r 膜生物反应器来取代原先传统的船用生物反应器。 虽然目前膜材料的价格偏高，因而投资较大，运行费用也较高，但是这些问题将结 合膜材料的研制，膜生物反应器的深化研究和开发，不断完善，不断创新，使该技术更 具竞争力，相信随着膜技术的发展，膜的制造成本的下降和新型膜组件及膜生物反应 器工艺的不断开发，膜生物反应器在污水处理中会得到更多的应用。 辩一章墙论艏阁m b r 膜生物反应器投其污承她理机理的研究 蓝强，躲雳膜生物反疲器是趣滤骥技求帮好簸生携簸璎技术蠢毒睡缝食产生戆船舶 缴活污水处理新工艺，其产生和发展是这两类知识应用和发展的必然结粜，它的出现 并薜了戆j l 鑫生活涎汞签骜技本研究和应嗣懿囊镁躐。 1 2 国内外现状 1 2 1 船舶水体污染的水质指标 自然界的水受到各种因素的影响，通常不是纯净的。由于人类生产和生活等人为 的活动，不可避免地排出污染物，它们通过不同的途径进入水体而使水体受到污染， 表征在水体中的物理化学性能和生物种群产生一系列的变化。在海上运输的船只的污 染源主要来自船上人们排出的生活污水。 一般常用水质指标来表征水体受到的污染程度。反映水质的重要参数有悬浮物， 有机物，生化耗氧量，反应值，细菌及有毒物质等。以下作简要的探讨。 悬浮物 水体中悬浮物质含量是水质污染的基本指标之一，表明的是水体中不溶解的悬浮 和悬浮物质，包括无机物和有机物。 悬浮物能在l 2 h 内沉淀下来的部分，称之为可沉固体，此部分可粗略地表示水 体中悬浮物之量。生活污水中沉淀下来的物质通常称作污泥。 有机物 船舶生活污水中的有机物主要是人们的排泄物，从化学组成分析，主要是碳水化 合物，脂肪和蛋白质。这些复杂的有机物主要由碳，氧，氢，氮，硫等元素构成。它 们在水中一般是不稳定的，在微生物的作用下，不断地进行分解，并转化为上述元素 的无机物。 在有机物分解的过程中，自由氧的存在与否，对分解的性质有决定性的影响。 在有氧的情况下，有机物的分解在好氧微生物( 主要是好氧细菌，又称好气菌) 的作 用下进行，称作好氧分解。稳定产物主要是c 如，h 2 0 ，n 0 3 一，s o p 0 4 ”，分解过程的 船用韬融麒生物反应器及其污承处理枫骥的研究 第一章绪论 露闻嫒。好氧分艇的蘩本毽学公式奶爹：复杂蠢凝物+ 毪= e 氇+ 辩必+ 稳定产秘 反鹰中存在硫化物时，其擞稳定的终点产物为硫酸盐离予s o t 2 。同样，磷最终形 成正磷酸盐p o , ”，氮缀过逐步稳定的系歹f 】过程，最后擞成硝酸艋。 如缺少氧气，有机物的分解则在嫌氧微生物( 主要是嫌气菌，又称厌氧菌) 的作 用下，称作厌氧分解( 也称嫌气分解) 。稳定产物主要是c h 。，c 0 2 ，h 2 0 ，n h ，h 2 s ， h 2 ，分解过程缓慢，而且放出恶臭。 生化需氧量( b o d ) 在有机物的好氧分解过程中，需要消耗一定数量的氧。污水的生物化学需氧量( 简 称生化需氧量或b o d ) 即好氧分解时微生物利用污水中可分解的有机物质所消耗的氧 量，常以此值作为计量污水中有机物产的代表。 有机物的好氧分解，一般分两个阶段进行。图卜i 是生活污水由于有机物分解而 消耗氧进程曲线，图中纵坐标为消耗的氧量，以( m g l l ) 计，横坐标为分解进行的天 数。当污水温度为2 0 0 c 时，第一阶段进行约1 6 d 第二阶段约自第2 0 d 开始，持续较 长时间。自第1 6 2 0 d 为过渡期。在第一阶段，通过微生物的作用，有机的碳、氢、 氨、转化为无机的二氧化碳、水和氨。等此段进程达到一定程度接近完成时，出现另 一类生化过程。污水进行好氧分解，第一阶段所需的时间因水温有所不同，如图可见， 当水温高于2 0 。c 时，所需时间较短，而当水温低于2 0 c 时，需时较长。 ，j 铂 图卜l 不同温度的污水分解生化需氧量 污水中有机物分解的第二阶段主要依靠硝化细菌使氨氧化为亚硝酸和硝酸。氨的 硝化，对环境影响较小，因此污水的生化需氧量通常只指第一阶段的耗氧量。试验研 究结果表明，此阶段污水中有机物在各时刻的耗氧速度与该时刻污水中有机物含量成 3 第一章蠹 i 论觞用髓r 璇盘物反应嚣艇其污承处理机理的研究 纛比关系，一羧霹戳是：藩污拳审奏辍褥套量褒辩，其耗氯速率趣抉。 图卜l 还表明，污水完全稳定需要很长的时间。若按例行的污水检验，要采用很 长的培养期来测定污水的生化需氧量，显然是不现实的。即使采用2 0 d 以测定第一阶 段的数值，仍为时过长。考虑到耗氧速率一般在开始时最快，5 d 内能降低生化需氧量 6 8 左右，因此目前多规定：将污水在2 0 温度下培养5 d ，作为b o d 检验的标准，在 此条件下测得的结果称作5 目生化需氧量，记作b o d 。一般生活污水的5 日生化需 氧量为4 0 9 ( 人d ) 。 化学需氧量( c o d ) 在酸性条件下，强氧化剂能使污水中全部有机物氧化。用化学氧化剂氧化污水中 有机污染物所耗用的氧量即为化学需氧量，用c o d 表示，其单位为( m g l ) 。c o d 愈高， 表示污水中的有机物愈多。目前常用的氧化剂主要为重铬酸钾( k 。c r ：0 ，) 和高锰酸钾 ( k m n 0 4 ) ，测得的数值分别为化学需氧量( c o d ) 和耗氧量，后者用d 0 表示。 c o d 一般为b o d 较高，其差值表示不能被生物降解的有机物含量。另外，由于高 锰酸钾只能氧化一些易被氧化的有机物，故其值较小。一般情况下，测得值的排列顺 序为d o b o d b o d c o d 。化学需氧量的检验只需数小时，而生化需氧量的测定需要 5 d ( 近年来若使用仪器分析，也可在较短时间得出结果) ，这是c o d 检验的主要优点， 但c o d 检验只能反映有机物含量，而b o d 检验则能反映污水中有机物分解所需的氧量。 p h 值 p h 值也是污染指标之一。生活污水一般呈弱碱性，其p h 值约在7 2 7 6 之间。 p h 值对水生生物及细菌的生长与活动均有直接影响，从而会影响到污水的生物处理和 水体自净的过程。 细菌数 船舶生活污水中含有大量细菌，每毫升污水中的细菌数常以百万计。这些细菌的 大部分是无害的，但其中可能含有对人体健康有危害的病原菌和寄生虫卵，将引起肠 道传染病( 主要是伤寒、副伤寒和痢疾) 。污水的处理必须消灭病原菌，使之不致为 船用鹕刘摸生物反斑器及其污承处理祝壤的研究第一章绪论 害。 1 2 2 船舶污水处理 船舶污水处理水处理的主要任务是去除废水中的悬浮固体和b o d ，一般分为三级 处理。 一级处理，又称物理处理，主要去除水中悬浮状态的固体污染物质，经过一级处 理后的生活水b o d 仅能去除3 0 。 二级处理，又称生化处理，一级处理是二级处理的预处理，二级处理能大幄度的 去除水中呈胶体和溶解状态的有机污染物，b o d 处理可达9 0 以上，b o d 降低至2 0 3 0 m g l ，污水量达到规定相关的排放标准。 三级处理，又称深度处理，其目的在于进一步去除二级处理未能去除的污染物质， 其中包括微生物未能降解的有机物和磷、氮等。 长期以来，船舶污水处理过程主要采用以活性污泥法为代表的传统好氧生物处理 工艺。但随着全球环境保护要求的日益提高，原先以活性污泥法的传统好氧生物处理 工艺已不能满足新的污水处理及排放要求。 对于海上污水的排放，有许多已经出台强制执行的或正在研讨的标准和法规。然 而海上废水排放仅仅符合国际海事组织i m 0 u s c g 对污水处理( 黑水) 的标准是不够 的，还须满足一些在环境保护方面正严加控制管理的海域其更高的排放要求。特别是 大型巡航邮轮驶入海上自然胜景，野生动物活动海域时，对污水排放的标准将会更高。 如在阿拉斯加海域( a l a s k a na r e a ) ，严格监控排放水质，强制执行污水达标排放， 对不符合污水排放标准的事件将予以严厉处罚已形成法规。另外，加拿大官方正受到 公众要求对此立法的压力，夏威夷也芷在研究这方面的形势。我们可以预计，很快在 其它海域，一些国家，地区和组织也会出台类似的海上环境保措施。 新的排放标准，特别是对大型巡航邮轮，要求具备更好的防污，废水管理，废水排 放控制的方法，包括采用先进的技术和处理系统，将污染物降到最小，达到理想上的 5 第一章绪论 船用糯r 膜生物反应器段其污水处理机理的研究 燹污染撵数。 爨海事缀织的条款掰规定螅型式试验款橼准如下凌i - i ：“” 表卜1 ： a l s a k a i 0u s c g 4 0 c f r1 3 3 单位m r p 0 7 3 7 83 3 c f r1 5 9 3 3 c f r1 5 9 a n n e xi vp t l 一3 0 0 p t 3 0 0 6 0 0 试验时问天1 0l o3 0 悬浮周体物 l 5 0 ( 1 0 0 )1 5 03 0 b 慨 l l g 1 5 0 无要求 3 0 大肠杆菌个l o o m l2 5 02 0 02 0 p b 无要求无要求 6 0 9 0 氯 m g l 尽可能低无要求 l o 0 直到2 0 世纪6 0 年代，美国的d o r r o l i v e r 公司在生活污水处理中以超滤膜替代 二沉池。取得了极好的效果，但当时膜技术处于发展初期，未得到推广应用。 膜生物反应器作为膜技术和污水生物处理技术有机结合而产生的高效污水处理 新工艺。特别，在我国，由于水资源严重不足，人均占有量仅为世界平均水平的1 5 ， 特别是在北方城市尤其突出，将生活污水经过一定的处理之后，应用于绿化、冲洗等 生活杂用，不仅节约了水资源，也减少了环境污染，因此利用膜生物反应器技术使污 水回用已经成为解决目前永危机的有效途径。所以膜生物反应器技术在陆上污水处理 领域正日益受到广泛的重视，并在世界范围内开始应用。 陆用m b r 膜生物反应器处理工艺流程图1 - 2 如下所示：眦3 我国膜分离技术的开发是从1 9 5 8 年开始的。在国内，中国科学院生态环境研究中 心，自1 9 9 3 年开始膜生物反应器的研究工作。目前，国内较活跃的膜生物反应器废水 处理研究机构有中科院，清华大学，同济大学，哈尔滨工业大学，华东理工大学等单 位。 6 船用i b i i 膜生物反应器及其污承处理梳理的研究第一章绪论 另外，国家在2 0 0 0 年将膜材料和膜产业列为国家重点支持的2 2 个化工产业之一， 但是国内开发的分离膜品种少，性能较低，规格不全。一些高性能的分离膜还需进口。 膜分离技术上的一些重要配套设备，如专业泵，计量器，自控装置等，还需进一步开 发。 据报道，目前关于m b r 在国内正在进行三种类型反应器的研究： 陶瓷膜与曝气生物反应器的结合； 聚乙烯中空纤维膜与曝气生物反应器的结合； 聚乙烯中空纤维膜与厌氧生物反应器的结合； 而对于海上船舶污水处理这一领域，几十年来，未有新工艺和大的突破，一直是 以曝气池和二沉池组成的传统好氧生物处理工艺。由于船上空间有限，水资源有限， 有限的水资源人们总希望能够回用，另外，当前海上废水许可排放等级的提高，迫切 要求能有一种经济高效并达标地处理船舶污水的崭新的船舶污水处理设备。现在，随 着m b r 膜生物反应器在陆上的成功应用，促使有一种新型的船用m b r 膜生物反应器来 满足当前的环境保护及水资源回用的要求。 1 3本文主要研究内容 通过对传统好氧生物反应器和超滤膜分离技术的研究来探索将其结合运用于船舶 生活污水处理； 7 第一章绪论 船用m b r 膜生物反应器及其污水处理机理的研究 透过对m b r 壤生物反纛嚣现状豹疆炎，搽谴其在熬虢污窳处理串建鬟零霉瞧； 通过研究，构建一种新溅船用m b r 膜嫩物反应器，并建立其数学模型： 根据建立的数学模型，研究并设计出一种新型的船用m b r 膜生物器； 惫了雯努辘验涯萁先遴蠖，怼其遘纾试验磅突，深入探讨其提荚羧零参鼗，宠善 所研究的这种新的船用m b r 膜生物反应器。为实簖应用奠定理论与实验基础。 船用潲r 膜生物蔽斑器及其糟水处理枫瑷舶研究女；二章好瓶生物厦融嚣机理 2 1 好氧生物处理 第二章好氧生物反应器枧理 在自然界存在数量巨多的以有机物为营养物质的微生物，它们具有氧化分解有机 物并将其转化为无机物的功能。污水的生物处理技术就是采用一定的人工措施，创造 有利于微生物生长，繁殖的环境，使微生物大量繁殖，以提高微生物氧化分解有机物 的一种技术。按照反应过程中有无氧气的参与，污水生物处理法可分为好氧生物处理 法和厌氧生物处理法。一般污水中有机物浓度若低于已于1 0 0 0 m g l 时，比较适于好 氧处理：而厌氧生物处理则主要用于处理高浓度的有机废水。而好氧生物处理法由于 处理效率高，效果好，使用广泛，是目前生物处理的主要方法。根据微生物在水中是 悬浮状态还是附在某种填料上区分，好氧处理法又分为活性污泥法和生物膜法。 2 2 活性污泥生物处理 活性污泥法是目前应用最广泛的一种生物技术。它是将空气连续鼓入含有大量溶 解性有机物质的污水中，经过一定时间的曝气后，水中会形成一种以好氧菌为主体的 茶褐色生物絮凝体，其中含有大量的活性微生物，这种污泥絮凝体就是活性污泥。活 性污泥是以细菌、原生动物和后生动物所组成的活性微生物为主体，此外还有一些无 机物、未被微生物分解的有机物和微生物自身代谢的残留物。活性污泥结构疏松，表 面积很大，对有机污染物有着强烈的吸附凝聚和氧化分解能力。在条件适当的时候， 活性污泥还具有良好的自身凝聚和沉降性能，大部分絮凝体在0 0 2 o 2 岫范围内。 在活性污泥上栖息、生活着大量的微生物，这种微生物在有溶解氧的条件下，利用其 吸附凝聚和氧化分解性能。以污水中的溶解性有机物为食料，获得能量，并不断增长 繁殖，从而使污水得到净化。 传统船舶污水好氧生物处理工艺如下图2 1 。 第二章好氧生物反应器机理 船用m b r 膜生物反应器及其污水处理机理的研究 嘲2 - 1 传统船舶污承好氧生物处理工笼流程圈“ 根据上图2 一lw 霓，浠径污褥楚理系统由敬下凡部分缀藏： 曝气漶在涎孛捷澎泰孛有糗污染耱与溪 堡污握充分接皴，势l 爱辫耪氧毒 二分瓣毒秘 污染物质； 曝气系统曝气系统供给曝气池生物反应所必需的氧气，并起混合搅拌作用 二次沉淀池二次沉淀池用以分离曝气池出水中的活性污泥，它是褶对初沉淀池而 吉豹，镪沉淀漶设手臻气洼之簿，曩戳去豫污农孛粗大豹厦壅悬浮豹。悬浮物少黠可 以不设。 污泥豳流系统这个系统把二次沉淀池中的一部分沉淀污泥再回流到曝气池，以供 痘骥气漶羧戳遴霉生纯菠应静擞生耱。 剩余污泥排放系统爆气池内污泥不辑增殖，增殖熬污泥作为期余污泥从剩余污泥 排放系统排出。 2 3 活性污泥生长曲线与净纯作用 活性污混中复杂的微生物与污水中的有梳营氧秘形成了复杂静食物链，弼潜2 2 船用越r 膜生物葳成器及其簿承链理帆壤钧研究 第二章好氧生携反斑嚣机理 蹰示。 悼拍训，谢杆 。枣量j “列： 。l ： ： 叫i 图2 2 活性生活污泥微生物群体的食物链“ 叫 尽管如此，活性污泥的生长曲线仍与纯种细菌生长曲线颇为相似。见图2 - 3 ，污 水中的有机物( 即食料) 和活性污泥( 即微生物) 的比值控制得当时，活性污泥量的 变化经历对数增殖，增殖衰减和内源呼吸三个阶段。 l 描碴期! 兰 内源呼吸期 增殖期 衰减期 “8 吁性” ii 厂一。 阁2 - 3 污混增长曲线 对数增殖阶段鼹有机物按最大速率降解阶段，此时，徽生物的蔼养丰富，活往强， 污淀增长不受营养条件豹骥铡：毽凝聚牲熊差，分离效果不好，嚣褥处理效果差。这 种情况出现在高负荷活性污泥系统。 增殖衰减阶段怒由于营养条件限制了活性污泥的增长，因而增长速率逐渐下降。 这秘壤琵下，污泥瓣凝聚拨降挂麓较好。 在内源呼吸阶段由于蘩券缺乏，微生物开始代谢自身原生质。 第二章好氧生物爱麻器枫理 旁砖用珊r 膜艇物反瘟器投其污水处理帆理钧研究 污求生甥处瑗，主要运霉葱爨在璞戆衰减玲莰，絮要缮裂毫发稳定戆窭拳，瞧哥 利用内源呼吸阶段。 在正常发育的活性污泥微生物体内，存在着蛋白质，碳水化合物和核酸所组成的 生物聚合物，这些生物聚合物是带有电荷的电解物质，因此，由这种微生物形成的生 物絮凝体，都具有生物物理化学吸附作用和凝聚，沉降作用，在其与污水中呈悬浮状 和胶体状的有机物接触后，能够使后者失稳，凝聚，并被吸附在活性污泥表面。活性 污泥的所谓“活性”即表现在这方面。 活性污泥具有很大的表面积，能够与混合液广泛接触，在较短的时间内( 1 5 4o i l l i n ) ，在吸附的作用下，就能够去除污水中大量的呈悬浮和胶体状态的有机污染物， 使污水中的b o d 值( 或c o d 值) 大幅度下降。 小分子有机物能够直接在透膜酶的作用下，透过细胞壁被摄入细菌体内，但大分 子有机物则首先被吸附在细胞表面，在水解酶的作用下，水解成小分子再被摄入体内。 一部分被吸附的有机物可能通过污泥排放被去除。 微生物将有机物摄入体内后，以其作为营养物质加以代谢。在好氧条件下，代谢 按两个途经进行。一为合成代谢，部分有机物被微生物所利用，合成新的细胞物质： 一为分解代谢，部分有机物被分解形成c o ：和 1 2 0 等稳定物质，并产生能量，用于合 成代谢。同时微生物细胞物质也进行自身的氧化分解，即内源代谢或内源呼吸。当污 水中的有机物充足，合成反应占优势，内源代谢不明显，但当有机物浓度不断降低或 已耗尽时，微生物的内源呼吸作用就成为微生物提供能量，维持生命活动的主要方式。 活性污泥吸附基质，代谢，自身繁殖以及消耗水中溶解氧的关系见图2 - 4 。对数 增长期由于营养充分，污泥以最大的速率分解有机物，使耗氧速率不断增加。随着基 质的被摄取与分解，进入了增殖衰减期，此时的总耗氧速率也下降。在内源呼吸期内， 氧的消耗仅用于分解细胞自身，所以总消耗速率非常低，但维持时间很长。 船埽m 8 r 膜生物厦应器厦其亍葶承处理机联豹研究 旃二章好瓴生物反艘器机理 删 图2 _ 4 有机物，活性污泥微生物及好氧关系“” 图2 4 还注明了几种活性污泥法的适用范围。经过活性污泥微生物的分解作用， 虽使一部分有机物无机化了，但是转化为细胞物质的有机物仅仅是改变了存在状态， 就净化污水的意义来讲，问题并为解决，只有将其与水分离，才算达到净化的目的。 菌体一般略大于胶体颗粒，仍然以稳定的悬浮状态分散于水中，难以沉淀分离， 只有在其变成絮凝体以后，进行有效的分离才有可能。 活性浮淀中的藏胶遥以及常见豹产碱耔蓖，无愈抒菌，筵杼菌，假单熬菌等，都 是翁形成絮凝体的。但是程营养水平高的条件下，由于细菌活力强，难以结合成絮凝 接。只有袭簿葬辐辩不是翻能量承警较甄熬情瑟下，缨蓥溪力低，运动能力弱，彼越 才翁结合成絮凝体。在活性污泥混合液中，如果营养与污泥的比值( 常用f m 表示，f 荛蓉养料，耩为徽玺携量，f m 选称诈污据受褥) 褰，微生携楚予露数辔长麓，齄量承 平高，污泥凝聚性能差；反之，营养与污泥微生物的比值低，故易于凝聚。 2 4 活性浮泥的性触指标 反映活性污泥性能的指标有渝念液悬浮固体浓度( 污泥浓度) 。污泥沉降比，污泥 钵积援数秘密疫攘数。 溅会滚悬浮固体浓度( m l s s ) 第二章好氧生物反斑嚣枧理 船用髓r 膜生物最应嚣厦其污承处理视理的研究 混台液悬浮围体浓度是指曝气池中游承和瀵性污泥热混合渡体豹悬浮国体浓度。 即活性污泥在曝气池内的浓度。工程上往往以m l s s 作为间接计基活性污泥微生物量 敷摇据，肇位为m g l 或g l m 。彀据活瞧污泥缰藏豹各静甥蒺，锑：m l s s = 魄+ 鹾。+ m j + m 。 式中m 8 _ 一活性污泥中具有活性的细胞部分： m 。一微生物内源代谢的留物，这部分物质无活性，且难于生物降解： m 一难于降解的原污水中的有机物： m ，。一附着于活性污泥上的原污水中的无机物。 混合液悬浮固体中的有机物量称为混合液挥发性悬浮固体( m l v s s ) ，它表示有 机悬浮固体的浓度( 单位为m g l 或g m 3 ) ，即：m l v s s = 地+ m e + m ， 用它表示活性污泥微生物量比用m l s s 更切合实际。对一定的污水而言，在一定 条件下，m l v s s m l s s 比值较稳定。 污泥沉降比( s v ) 污泥沉降比是指曝气池混合液在l o o m l 量筒中，静置沉降3 0 m i n 后，沉降污泥与 原混合液的体积比( ) 。正常污泥在静置3 0 r a i n 后，一般可以达到