（环境科学专业论文）无纺布改进炭曝气膜强化abr功能研究.pdf

无纺布改进炭曝气膜强化a b r 功能研究 i n n o v a t i v ea p p l i c a t i o no fn o n w o v e nm o d i f i e dc a r b o nt u b ea e r a t e d m e m b r a n e st oe n h a n c ea n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o rf o r 绛台s t e w a t e r t r e a t m e n t a b s t r a e t m e m b r a n ea e r a t e db i o f i l mr e a c t o ri san e wt e c h n o l o g ya g a i n s tt h ee x i s t i n gm e m b r a n e b i o r e a c t o ra n di t s s h o r t c o m i n g s w i t hl e s sa e r a t i o n ，i n t e g r a t i o no fn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o n ，s m a l la m o u n to fs l u d g e ，c o n v e n i e n to p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t ，i ti st h e a b s o r p t i o no ft h em e m b r a n et e c h n o l o g ya n db i o f i l mt e c h n o l o g y a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o ri s s i m p l ei ns t r u c t u r e ，w i t hs t r o n ga b i l i t yo fs l u d g er e t e n t i o n ，a n dh i g h e rs t a b i h t y i th a sb e e n w i d e l yu s e di na l lk i n d so fh i g h ，m e d i u ma n dl o wc o n c e n t r a t i o no fo r g a n i cw a s t e w a t e r t r e a t m e n ts i n c e1 9 8 0 s b u ta tt h es a l n et i m et h e r ea r ea l s os o m es h o r t c o m i n g st ob e o v e r c o m e d ，s u c ha st h eh i g hc o n c e n t r a t i o n so fe f f l u e n tc o d ，n oc a p a b i l i t i e so fd e n i t r i f i c a t i o n t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ea n a l y s i s ，r e v i e w , s u b l a t i o no fa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f m a b ra n da b r ，a n dm e m b r a n ea e r a t i o nb i o f i l m ( m a b ) c a ni m p r o v et h ee f f e c t i v e n e s so f a n a e r o b i cb i o l o g i c a lt r e a t m e n t t h ec a r b o nm e m b r a n ea e r a t i o ni si n i t i a t e di na b ri no r d e rt o d e v e l o pan e wt y p eh y b r i db i o l o g i c a lr e a c t o rt ot r e a th i g h m e d i u ma n dc o n c e n t r a t i o no f o r g a n i cw a s t e w a t e r c a p a b i l i t i e so fa b ri ss t r e n l g t h e n e d ，e v e n t u a l l yo r g a n i cc a r b o na n d n i t r o g e na r cr e m o v e ds i m u l t a n e o u s l y t h i sp a p e ri n c l u d e dt w oa s p e c t s ：n o n w o v e nm o d i f i e dc a r b o nm e m b r a n ea e r a t e db i o f i l m r e a c t o rt r e a t e dm u n i c i p a lw a s t e w a t e ra n di n n o v a t i v ea p p l i c a t i o no fc a r b o nm e m b r a n ea e r a t i o n e n h a n c e da n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o rf o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n t i np a r t1 , o x y g e ns u p p l yr a t eo fc a r b o nm e m b r a n em o d u l ew a ss t u d i e d ；b i o f i l mh a n g i n g , n o n w o v e nf a b r i c sf o rt h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo fa c t i v a t e ds l u d g ew a ss t u d i e d ，a n dt h e i m p r o v e m e n to fc a p a c i t yo fm e m b r a n eh a n g i n go fc a r b o nm e m b r a n em o d u l e sa sb i o f i l m c a r r i e rw a ss t u d i e d ；n i - 1 4 + n ，t na n dc o dr e m o v a lw e r es t u d i e d b yd e c r e a s i n g i n t r a m e m b r a n ep r e s s u r eg r a d u a l l y p a r t 2 ，c a r b o nm e m b r a n em o d u l ew r a p p e dw i t hn o n - w o v e nf a b r i c sw a si n i t i a t e di nt h e r e a c t o rw h i c he f f e c t i v ev o l u m ew a s3 5lt h ec a p a b i l i t yo fr e m o v a lo fna n dc o dw a s s t u d i e du n d e rv a r i o u si n t r a - m e m b r a n ep r e s s u r e ，n e wt y p eh y b r i db i o l o g i c a lr e a c t o rw a s d e v e l o p e db yi n i t i a t i n gt h ec a r b o nm e m b r a n ea e r a t i o ni na b rw h i c hw a sa u g m e n t e dw i t h c a r b o na e r a t e dm e m b r a n e sa f t e rt h er e a l i z a t i o no fs i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o nt oi m p r o v ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tb yr e m o v i n gc o d ，n h 4 + - na n d i n 大连理工大学硕士学位论文 t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec a p a b i l i t yo fm e m b r a n em o d u l ea sm i c r o o r g a n i s mc a r r i c rw a s e n h a n c e dg r e a t l y ；u n d e rt h ec o n d i t i o n sh r to f8ha n dc a r b o nn i t r o g e nr a t i oo f5 s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o nt o o kp l a c e ，a n do p t i m a ls i m u l t a n e o u s n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o ne 硒c i e n e yw a sa c h i e v e dw h e ni n t r am e m b r a n ep r e s s u r ew a s 0 0 2 4m p a , t nr e m o v a lw a sa b o v e9 0 o nt h ec o n d i t i o n so fi n t r a m e m b r a n ep r e s s u r eo f0 0 2 5m p a h r t = 2 4h i n f l u e n tc o d 2 0 0 0m g kn h 4 + 一n5 0m l ，s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o nw a sh a p p e n e d ， a n dc o da n dn h 4 + - nd e c r e a s e e df r o m1 5 6m g l 、3 6m g lt o4 5m g l 、6m g lr e s p e c t i v e l y a f t e rt h em e m b r a n ea e r a t i o nw i t hb i o f i l mw a si n i t i a t e di nt h et h i r dc o m p a r t m e n to fa b r t n r e m o v a lr e a c h e d8 7 6 6 ，a n d aw a sd e c r e a s e db v7 7 1 2 k e yw o r d s ：n o n w o v e n ；c a r b o nm e m b r a n e ；b i o f i l m ；s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o n a n d d e n i t r i f i c a t i o n ( s n d ) ；a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ( a b r ) ；c o da n dn i t r o g e nr e m o v a l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：公翌 导师签名：婺鹾台妊 妇年垦月旦日 大连理工大学硕士学位论文 引言 随着社会经济的发展和人口的增长，越来越多的工业废水、生活污水不断的排入江 河湖海，致使水体遭到严重污染。全国7 大水系近一半的河段污染严重，特别是流经城 市的河段有机污染较重，主要湖泊富营养化问题突出。多数城市地下水受到一定程度的 点状或面状污染。我国本身又是一个水资源缺乏的国家，水资源短缺和水资源污染的双 重压力严重制约了我国经济和社会发展。 为了解决水质污染和水资源的紧缺问题，人们不断采用各种技术手段分离去除污水 中含有的污染物质，或对其回收利用，或将其转变为无害物质，最终达到净化水体的目 的。 膜曝气生物反应器( m e m b r a n ea e r a t e db i o r e a c t o r ，m a b r ) 处理技术是针对现有的膜生 物反应器存在的不足和常规生物膜法供氧不足的问题而开发研究的一种新工艺。膜曝气 生物反应器( m a b r ) 利用透气膜进行曝气供氧，由于采用的透气膜一般为微孔疏水有机 膜或致密硅橡胶膜，空气可以极小的气泡甚至无泡的形式进入水体中，因此可以获得很 高的氧利用率l 。另一方面，透气膜也是生物膜附着生长的良好载体。因此，在m a b r 中，空气通过透气膜为附着在其上的生物膜提供无泡曝气，同时透气膜上的生物膜与污 水充分接触，可实现高效低耗降解污水中污染物的目的。用透气膜进行供氧的想法最早 由s c h a f f e r 等提出【3 j ，而将膜曝气和生物反应器结合起来的研究始于2 0 世纪8 0 年代。 早期研究主要是利用透气膜曝气供氧的高效性，将m a b r 用于高需氧量废水和含挥发 性有机物废水的处理，考察膜曝气的传质过程和传氧效率【4 ，5 】，但在研究中发现，透气膜 上不可避免地生长生物膜，利用透气膜上的生物膜可以对水中的污染物进行降解。而且， 如果供氧条件得当，生物膜上可附着不同种类的微生物，达到同时去除有机物和氨氮甚 至总氮的效果。该工艺具有曝气量少、硝化与反硝化一体化、污泥发生量小以及运行管 理方便等特点，是传统工艺处理高需氧量的废水时的一个引人注目的替代工艺，受到了 世界各国水处理工作者的关注。 本论文将无纺布应用于炭膜曝气生物膜反应器，首先采用无纺布改进的炭膜曝气生 物膜进行模拟生活污水处理，考察无纺布对反应器挂膜的改进情况，在此基础之上，将 膜组件放入厌氧折流板反应器第3 隔室，考察炭管曝气膜对厌氧折流板反应器处理污水 性能的增强情况。 无纺布改进炭曝气膜强化a b r 功能研究 1绪论 为了解决水质污染和水资源的紧缺问题，人们正致力于探索高效而节能的水处理新 技术。传统的活性污泥法处理废水时，对进水负荷的突变不易适应，从而导致出水水质 不稳定，且泥水分离在二沉池中靠重力作用完成，时闻长，设备占地面积大。针对上述 问题，膜生物反应器将膜技术应用于废水处理系统，取代了二沉池，减小了设备尺寸， 提高了泥水分离效率和生化反应速率。但膜生物反应器仍存在能耗高、氧利用率低、膜 污染严重等一些不足之处，使其应用受到了限制。 1 1 膜曝气生物膜反应器 膜曝气生物反应器( m a b r ) 处理技术是针对现有的膜生物反应器存在的不足而开发 研究的一种新工艺，m a b r 采用透气性膜作为生物膜生长的载体，同时又利用其为附着 生长的生物膜供氧，该工艺具有曝气量少、硝化与反硝化一体化、污泥发生量小以及运 行管理方便等特点，成为最近几年来引起研究者们关注的一种革新的生物膜反应器。 1 1 1 膜曝气生物膜反应器的型式 根据气相在中空纤维膜中的流通方式，无泡供氧装置可以分为死端式和流通式。流 通式是指气体从中空纤维的一端进入而从另一端流出1 6 - 9 ；死端式无泡供氧装置则是指 中空纤维膜的一端开口，另一端被封死，进入纤维管腔内的气体将全部被压入水中【l o 】。 根据膜的结构不同，m a b r 有板框式、管式和中空纤维式等几种膜结构形式。除了与膜 结构的不同( 即中空纤维式，管式和板框式) 有关外，反应器还随液相混合的方法和程度、 是否加入非渗透性生物膜支撑介质、膜组件与生物反应器是一体化的还是分置式的，以 及运行是连续的或间歇的不同而不同。 m a b r 的研究按照膜在m a b r 中的放置位置分为两类：一种是把膜和生物反应器在 同一个单元中结合；另一种是膜在生物反应器的外部，安装在回流线上。膜曝气生物反 应器可按连续流和间歇流操作。通常仅有膜上附着生长生物膜的m a b r 采用连续操作， 而另加支撑介质的m a b r 则采用间歇操作。 1 1 2 膜曝气生物膜反应器的特点 ( 1 ) 膜曝气生物膜反应器原理 m a b r 采用透气性致密膜( 如硅橡胶膜) 或微孔膜( 如疏水性聚合物膜) ，通过膜腔体 供氧，在保持气体分压低于泡点( b u b b l ep o i n t ) 的情况下，可实现向生物反应器的无泡曝 大连理工大学硕士学位论文 气；并且以膜为载体生长高生物活性的生物膜，在单一生物膜上来完成废水中污染物的 有机碳氧化、硝化和反硝化。 m a b r 工艺采用透气性膜直接供给高纯氧，由于传递的气体含在膜系统中，传质阻 力小，因此提高了接触时间，极大地提高了传氧效率，0 2 利用率可接近1 0 0 1 1 1 j ，是传 统曝气的5 7 倍。同时由于在曝气过程中不产生气泡，可以避免在供氧过程中产生泡沫 并带出水中的挥发性有机物。在m a b r 中，用于氧传质的膜也通常在膜液界面为生物 膜提供附着生长的支撑载体。附着生长有生物膜的膜与氧源接触紧密，氧在界面上直接 传递并在生物膜内被利用。在这样的生物膜里，从膜传来的氧气和通过生物膜的主体料 液中的污染底物以相反的方向流动( 见图1 1 ) 。由于在生物膜中氧和底物浓度的最大值出 现在不同的位置以及m a b r 中生物膜的相对厚度不同【1 列( 见图1 2 ) ，所以在生物膜中存 在明显的分层现象【1 3 ，1 4 1 ( 见图1 3 ) 。生物膜的分层使之能够去除不止一种类型的污染物。 在膜生物膜界面附近的高氧浓度和低的有机碳浓度促使了硝化反应的发生，此层上面的 好氧层中易于进行有机碳氧化反应，而在生物膜液体界面附近存在的厌氧层却维持着反 硝化反应的进行。因此，在m a b r 中，可以同时实现硝化反应、反硝化反应和异氧氧 化反应【1 5 ，1 6 l 。 图1 1 膜曝气生物膜传质模型 f i g 1 1s u b s t a n c cn 彻s m i s s i c h a r a c t e ro fm a b 无纺布改进炭曝气膜强化a b r 功能研究 篓瓣 l “m ”# # ”骥璃 # ；夕誉蔫 自 麟 一迎 赣骧 图1 2g a b r 的溶解氧浓度梯度和底物浓度梯度图 f i g 1 2d r a f t o f g r a d s o f d i s s o l v e d o x y g e na n ds u b s l a n c e 图1 3 膜曝气生物膜分层结构示意图 f i g 1 3 d r a f to fs t r a t i f i c a t i o no fm a b ( 2 ) m a b r 工艺与传统工艺相比的优点 采用无泡曝气的供氧方式，传氧效率高，动力消耗低； 以中空纤维膜为生物膜载体，远远大于传统的附着式生长的生物反应器中的比表 面积，为氧的传递和生物膜的形成提供了一个大的表面积，而且在生物反应器中只占了 相对较小的体积； 有机物氧化及氨态氮硝化与反硝化于一个反应器内完成，节省了占地面积； 无泡曝气避免了传统曝气时污水中易挥发性物质如甲苯、苯酚随气泡进入大气而 对环境造成污染，同时不会由于表面活性剂的存在而产生泡沫。 一4 大连理工大学硕士学位论文 1 1 3m a b r 国内研究状况及应用进展 我国对膜生物反应器的研究是从分离式膜生物反应器开始的。自1 9 9 7 年以来中科院 生态环境研究中心、清华大学、天津大学、同济大学等先后开展了分离式和一体式膜分 离反应器的研究；处理对象也从生活污水扩展到石化污水、商浓度有机废水、食品废水、 啤酒废水、港口废水、印染废水等1 1 7 】。但m a b r 和e m b r 两种新型的m b r 在国内的研究 却很少。 目前，国内只有少数研究机构或个人在从事m a b r 或相关方面的研究。江苏微生物 研究所的沈志松、钱国芬等利用中空纤维膜制成的供氧器在面包酵母菌的发酵实验中对 发酵液供氧，取得的产品发酵率比摇床供氧和自然供氧商一个数量级【1 8 i ，展现了无泡式 中空纤维膜供氧在发酵、大规模细胞组织培养和生物水处理中应用的良好发展前景。同 济大学的柴晓利、王猛等人进行了膜分离生物反应器r ( b i o m a s ss e p a r a t i o n ，m b r ) q h 回流 污泥无泡供氧的初步实验研究【1 9 刎。总体来看，国内对m a b r 的研究还处于起步阶段， 研究的内容主要集中在无泡曝气和m a b r 处理高需氧量的废水两个方面，对中空纤维膜 无泡曝气的机理、影响因素，以及m a b r 合理的运行操作条件等都有必要进行深入研究。 1 1 4 叭脒国外研究状况及应用进展 国外对m a b r 的研究较多，但也处于不成熟阶段。目前较为活跃的主要有英国克 兰费尔德( c r a n f i e l d ) 大学的t o ms t e p h e n s o n ，k e i t hb r i n d l e ：美国明尼苏达大学的m i c h a e l j s e m m e n s e ；日本n i i g a t a 大学的k a z u a k iy a m a g i w a ，a r k i ao h k a w a 等。 研究内容主要包括以下三方面： ( 1 ) m a b r 中无泡供氧的研究 m a b r 独特的供氧方式，消除了传统废水处理工艺中供氧效率低、能耗高的缺点， 受到众多研究者的青睐。如p i e r r ec o t e ，m i c h a e lj s e m m e n s e ，t a r i qa h m e d 等人都对此 进行了实验研究。 ( 2 ) 利用m a b r 去除c o d 、b o d 以及脱氮除磷的研究 p e d r oac a s t i l l o 等学者采用序批式m a b r 进行生物除磷实验，他们的实验结果为： 在污泥负荷为1 5g c o d m 2 d 时，c o d 去除率超过9 0 ，平均磷的去除率为7 2 最高 时为8 5 ，相应的磷去除率为7 0 0m g p 0 4 p m 2 - d 氨氮的去除率为5 0 7 0 1 2 1 1 。 其他学者如g a r z o n z u n i g a 等报道氨氮的去除率为9 5 1 0 0 1 2 2 j ，g o n c a l v e s 等报 道氨氮的去除率为9 0 - 9 5 1 2 3 1 。 无纺布改进炭曝气膜强化a b r 功能研究 ( 3 ) 利用m a b r 处理工业废水中有毒或难降解的有机污染物 由于中空纤维膜无泡曝气可避免传统泡式曝气造成污染物的挥发，还可以对特种菌 加以固化，m a b r 还被一些研究人员用来处理含有有毒或难降解有机物的上业废水。如 l i v i n g s t o n 等例人采用硅橡胶膜的m a b r 反应器处理含酚污水，在流量为1 8l _ m i n ，起 始酚浓度为1 0 0 0m g l ，水力停留时间为6h 时，对酚的去除率达到9 8 5 ，在酚得到 有效降解的同时，反应器内的生物膜量显著增加，8 0 的碳转化成c 0 2 。 1 2 同步硝化反硝化( $ 8 d ) 脱氮技术 脱氮是近年来废水处理研究中的重要课题，而生物脱氮又被公认为是目前废水脱氮 处理中经济、有效的方法之一。近几十年来，尽管生物脱氮技术有了很大进展，但硝化 和反硝化仍然是在两个独立的或分隔的具有不同溶氧浓度的反应器中进行，或是在时间 或空间上造成交替缺氧和好氧环境的同一反应器中进行，一个过程分成两个系统，条件 控制复杂，两者难以在时间和空间上统一，脱氮效果差，设备庞大，投资高。显然，如 果两个过程能在同一个反应器中同时进行，则可节省更多的占地面积。另外，微生物硝 化过程中好氧、耗碱度、无需c o d ，而反硝化过程则与之相反并互补，厌氧、产生碱 度、需消耗大量的c o d 。所以，如能在同一个反应器中实现同步硝化反硝化并达到两 个过程的动力学平衡，将大大简化生物法脱氮的工艺流程、提高生物脱氮的效率，并节 省投资。这正是近年来国内外为了克服传统生物脱氮工艺的缺点而正在积极研究开发的 同时硝化反硝化( s n d ) 生物脱氮新技术。 从物理学角度解释s n d 的微环境理论是目前已被普遍接受的观点。微环境理论研 究活性污泥和生物膜的微环境中的各种物质( 如溶解氧、有机物等) 传递的变化，各类微 生物的代谢活动及其相互作用，从而导致微环境的物理、化学和生物条件或状态的改变。 该理论认为：由于氧扩散的限制，在微生物絮体内产生d o 梯度。微生物絮体的外表面 d o 较高，以好氧菌、硝化菌为主；深入絮体内部，氧传递受阻及外部氧的大量消耗， 产生缺氧微区，反硝化菌占优势。正是由于微生物絮体内缺氧微环境的存在，导致了 s n d 的发生。由于缺氧微环境的形成有赖于系统中d o 的浓度以微生物的絮体结构特 征，因此，控制系统中d o 浓度及微生物的絮体结构对能否进行s n d 及其发生的程度 至关重要。 微环境理论中的活性污泥絮体双氧区模型已经成为好氧状态下单极活性污泥同时 硝化反硝化生物脱氮的理论基础，不过，该模型也存在着一个重大的缺陷，即有机碳源 问题。有机碳源既是异养反硝化的电子供体，又是硝化过程的抑制物质，而在双氧区模 型中，污水中的有机碳源在穿过好氧层时，首先被好氧氧化，处于厌氧区的反硝化菌由 6 一 大连理工大学硕士学位论文 于得不到电子供体，反硝化速率降低，s n d 的脱氮效率也就不会很高。该理论的缺陷则 需要用新的概念和理论( 如非平衡增长概念) 来进一步完善。 在反应系统中，可能会同时存在全程和短程硝化反硝化两条生物脱氮途径，显然， 控制生物硝化反硝化经历“n 0 2 途径”对实现s n d 具有明显的优越性( 可减少供气量、 有机碳源与投碱量，n 0 2 具有较高的反硝化速率等) 。经历“n 0 2 途径”的同步硝化反 硝化生物脱氮技术对于废水的生物脱氮处理，尤其是低c n 的废水而言，具有极大的吸 引力。要实现n 0 2 途径的s n d ，关键在于将n h 4 + 氧化控制在n 0 2 阶段，要阻止n 0 2 的进一步氧化，然后直接进行反硝化。但是，在开放、动态的反应器系统中，要持久稳 定的维持较高浓度n 0 2 的积累并实现s n d 并非易事，因为影响n 0 2 积累的控制因素多 且复杂，而且很多控制因素之间还是相互关联的，目的对此现象的理论解释也还不充分。 目前，实现n 0 2 途径s n d 成功应用的报道还不多见，大多处于研究试验阶段。 通过控制系统中的各种反应条件，可以实现s n d 。影响s n d 的控制因素多且复杂， 主要有微生物絮体结构的特征、d o 浓度、有机碳源等。 1 3 炭膜及无纺布在环境领域的应用 1 3 1 炭膜在环境领域的应用 炭膜具有优良的分离性能，在处理废水、废气的同时，回收了有用的成分，并且炭 膜具有耐腐蚀、耐高温的特点，可以在苛刻的环境条件下应用，正是这些优点使炭膜在 环境领域有着广阔的应用前景。 ( 1 ) 在气体处理方面的应用 工业排放的废气是环境污染的重要原因之一，s 0 2 和c 0 2 等废气的排放不仅造成酸 雨和温室效应等环境问题，同时也浪费了能源。利用炭膜可以进行以下几种气体的分离 和回收。 氢气回收 合成氨工厂弛放气中含有大量氢气，回收后可以循环使用，节约资源，炭膜的h 2 n 2 分离系数较高，g e i 鸵l e r 等【硐制备的聚酰亚铵基炭膜的h 2 n 2 分离系数达至u 1 8 8 。魏微制 备的酚醛树脂基气体分离炭膜的h d n 2 和h 2 c h 4 的分离系数分别达到2 0 0 和5 0 0 以上【2 5 1 。 c 0 2 n 2 和c 0 2 c h 4 的分离 随着工业化程度的提高，c 0 2 排放量增大，温室效应日益严重，由于工业废气温度 较高且往往含有腐蚀性气体，传统的有机膜不适用，而炭膜具有耐热、耐腐蚀的特点， 正适用于从工业废气中脱除c 0 2 。h i d e t o s h i 等【卅制备的炭膜c o z n 2 分离系数达5 1 ， c o # c h 4 的分离系数达到7 3 。j o n e s 等【2 8 l 制备的炭膜c 0 2 n 2 的分离系数达到5 5 ，c 0 2 c i - h 无纺布改进炭曝气膜强化a b r 功能研究 的分离系数达到1 8 0 以上。除此之外，炭膜还可从工业废气中除去有害的痕量气体，如 从煤气中脱出n h 4 和h 2 s 等，或作为催化剂的载体纯化工业废气。 ( 2 ) 在水处理方面的应用 饮用水的净化 中国水资源严重缺乏，并且部分水质正日益恶化。传统的常规处理已很难满足同益 严格的水质要求。氯气作为消毒剂在全国各个水厂得到广泛应用，但高投氯量难以杀灭 隐孢子虫属之类抗氯性病原体，反而氯气易与水中的有机物反应，生成多种致癌物质， 并产生富含化学药剂的污泥。膜技术能克服传统水处理工艺局限性，有效地去除水的嗅、 味、色度、消毒副产物、细菌、病毒和微生物污染物等有害物质，提供最优水质，水质 稳定，占地面积少，便于实现自动化。发达国家如法国、荷兰和美国等已有越来越多的 人口饮用经过膜技术生产的饮用水。炭膜是化学惰性的，不会轻易被水中的胶体硅、氢 氧化铁和有机物等所阻塞，而且用化学法可以很容易地清洗，适用于处理饮用水。b a u e r 等1 2 9 】用平均孔径为o 2 脚的炭膜处理天然水，可使细菌数从5 0 0 1 0 0 0 个m l 降为0 ，氢氧 化铁浓度降到2 0 p g l 以下，有效地降低了水的浑浊度，工业处理水实验发现，在1 1 5b a r s 压力下，炭膜可连续工作1 5 0h ，不需要化学清洗，在工作1 1 5d 后，流量稳定在1 2 5 0i j h m 2 ，完全适合工业化应用。 印染废水的处理 我国纺织工业每年产生大量印染废水。国内2 0 世纪7 眸代已有工厂用醋酸纤维素膜 处理印染废水，但由于印染废水中含有大量的酸碱等腐蚀性物质，且温度较高，有机膜 的应用受到限制。王振余等【删用煤沥青制得炭膜，对甲基紫等6 种染料水进行处理，截 留率都在9 5 以上。魏微制备的酚醛树脂基微滤炭膜对活性红等染料废水的截留率达到 9 9 【3 1 l 。李文翠等 3 2 1 用椰子壳制备的炭膜对印染废水也有很好的处理效果。 对含油废水的处理 随着经济的发展，我国每年产生大量含油废水，如石油的开采、加工、运输和贮存 产生的含油污水，食用油脂厂在生产过程中产生的油脂废水，以及机械加工用的切削液 等。这些污水中的石油类物质如果不经处理直接排放，会给环境造成极大的危害。用膜 法处理含油污水是近年发展起来的一种新型治理技术。王细风等【3 3 】用炭膜对浓度为 1 0 0 - 5 0 0m g l 含油污水进行处理，油的去除率可达9 7 以上，透过液的浓度 l om g l ， 达到了环保排放要求。 8 大连理工大学硕士学位论文 化工废水的处理 传统处理化工废水的方法有化学法和炭吸附法等，炭膜分离液体主要依据“筛分”效 应，在压差驱动下实现分离目的。此外，也有利用炭的吸附作用进行分离，b a u d u 等【驯 比较了炭膜、炭粒以及炭粉对水中苯酚、苯甲酸、硝基苯酚、苯甲醛、甲苯酚和苯基丙 氨酸的吸附，结果发现，炭膜的吸附速度比炭粒快，且吸附量大。在生产t i 0 2 的过程中， 产生大量含稀硫酸、亚硫酸盐离子和少量t i 0 2 的废水，这些废水可用膜渗析的方法处理， 回收的硫酸经浓缩后可以循环使用，但在使用膜渗析前，必须除去悬浮的t i 0 2 ，以免造 成膜堵塞，b a u e r 等1 2 9 1 利用平均孔径0 2 9 m 的炭膜对其处理，取得了良好的效果。此外， b a u e r 还用炭膜对冷轧酸洗液进行处理，在平均压差3 1 5b a r s 、切线速度4m s 、平均温度 9 0 和平均流量1 2 0 - 1 5 0i _ h m 2 条件下，取得了较好的效果，且经过1 个月的运转后， 用2 n a o h 溶液以及0 5 请洗，流量可以恢复。 ( 3 ) 在环境监测方面的应用 造纸厂排放的废水中含有大量的氯酚混合物，如氯酚和邻苯二酚等，传统的检测方 法是在液一液萃取后用气相色谱检测，虽然液一液萃取可以有效地从水中提取这些物 质，但是很费时，而且需要大量的有毒溶剂。利用活性炭或炭膜作固定相的固相萃取法 可以避免这些缺点，l u i s 等【3 5 】用炭膜作固定相对氯酚混合物进行检测，结果表明，炭膜 可以有效地萃取所有成分，即使浓度只有m g ，l 缎。由于农药的广泛使用，蔬菜和水果中 残留农药日益严重，严重危害着人们的身体健康，l u i s 等1 3 6 1 将炭膜作固定相，定量测定 蔬菜和水果中多种残留农药，这种方法快速、准确，避免了使用溶剂抽提以及抽提物净 化等步骤，大大提高了检验工作效率。 1 3 2 无纺布的应用 无纺布是近年来国际上涌现出的新型过滤介质，其在材质、结构、后处理机热定型 等方面与传统的有纺布有很大区别，具有多种优越的过滤性能，正在受到各个行业的广 泛重视1 3 7 】。其主要应用于：( 1 ) 取代传统纺织品滤材；( 2 ) 超细过滤滤料，进行滤去直径 小于1u m 的微米级过滤；( 3 ) 中细过滤介质，进行2 1 0 0p m 粒径的中细过滤；( 4 ) 深加工 用滤料【3 8 j 。无纺布在环境方面的应用还很少，属于起步阶段。 1 4 厌氧折流板反应器国内外研究现状 在8 0 年代初，美国s t a n f o r d 大学的m c c a r t y 及其合作者开发出了厌氧折流挡板反 应器a b r ( a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ，简称a b r ) 。该反应器因具有结构简单、污泥截 留能力强、稳定性高等多种优点引起了广大研究者的注意，2 0 多年来对它的研究一直没 有间断过。 无纺布改进炭曝气膜强化a b r 功能研究 目前，国内外对a b r 反应器进行的研究主要包含以下一些领域：反应器的结构形 式、所处理废水的类型、反应器的水力特性、反应器的启动、厌氧颗粒污泥与微生物及 其代谢产物、反应器的稳定性、与u a s b 反应器的比较、温度及微量元素的影响、动力 学模型等，近年来也有一些关于实际工程应用的研究。 1 4 1a b r 的结构特点 a b r 反应器是在反应器内设置一系列垂直放置的折流挡板，将反应器分隔成串联 的几个反应室，每个反应室都可以看作一个相对独立的上流式污泥床系统( u p f l o w s l u d g eb e d ，简称u s b ) ，使废水在反应器内沿折流挡板上下折流运动，最后直至出口， 在此过程中废水中的有机物质与厌氧活性污泥充分接触而得到去除。a b r 的结构简单， 整体上更接近于推流式，不需要填料和结构复杂的三相分离器；垂直折流板的加入使得 a b r 的物理结构具有了搅拌功能，加强了厌氧活性污泥与基质的接触；在容积不变的 条件下增大了废水的流程，使基质与污泥的接触机会和接触时间增多，提高了反应器的 处理效率；反应器内的厌氧活性污泥借助于废水的流动特点和降解过程中的产气作用而 升起和下沉，但由于折流板的阻挡和污泥自身的沉降性，污泥沿着反应器水平方向的移 动速度很慢，加之各上下向格室的宽度不等，故大量的厌氧活性污泥被留在反应内f 虽 然在结构上可以看作是几个u a s b 的串联，但在工艺上有着明显的不同1 ；可在不同隔 室中驯化培养出与流经该格室的污水水质及环境条件相适应的微生物群落，从而导致厌 氧反应产酸相和产甲烷相沿程得到分离，两大类厌氧菌群可以各自生长在最适宜的环境 条件下，有利于充分发挥厌氧菌群的活性，提高系统的处理效果和运行的稳定性。 1 4 2 a b r 的优点 ( 1 ) 工艺简单、投资少、运行费用较低【删 a b r 设计简单，没有活动部件，同传统的厌氧消化池相比，无需机械搅拌装置， 也不需额外的澄清沉淀池。同u a s b 和a f 相比，a b r 法不需要昂贵的进水系统，也不 需要设计复杂的三相分离器。因此，a b r 法的投资少，运行费用较低。 ( 2 ) 耐冲击负荷、适应性强 由于折流挡板良好的滞留微生物的能力和污泥良好的沉降性能，再有a b r 中的微 生物环境具有良好的生物级配，a b r 对冲击负荷的适应性很强。不论是对水力冲击负 荷还是对有机冲击负荷，a b r 均有良好的适应性。因此a b r 法对于处理流量和浓度变 化较大的工业废水有很好的应用前景。 1 0 大连理工大学硕士学位论文 o ) 固液分离效果好、出水水质好 厌氧生物团絮凝同好氧活性污泥法的模式类似，是由细菌对基质的有限浓度引起， f y m 值对其有重要影响。低f m 值有利于生物絮凝，沉降加快，出水悬浮固体浓度低。 a b r 的分格构造和水流的推流状态，使得f ，m 随水流逐渐降低，在最后一隔室内f m 最低，且产气量最小，最有利于固液分离，所以能够保证有良好的出水水质。 ( 4 ) 运行稳定、操作灵活 由于a b r 反应器特有的挡板构造，大大减小了堵塞和污泥床膨胀等现象发生的可 能性，可长时间稳定运行。并且a b r 法可根据水质、水量的不同，通过改变挡板问距， 调节h r t ，甚至还可以进行间歇操作，来满足出永水质的要求。a b r 法还可在适当的 隔室进行好氧操作，以达到在同一反应器内除氮的目的。 ( 5 ) 对有毒物质适应性强 由于隔板将反应器各隔室分开，所以有毒物质对反应器的影响主要集中在a b r 反 应器前部，对后部的危害较小。这使得只有少数微生物暴露在有毒物质的影响下，有利 于整个反应器系统的驯化并能在较短时间恢复到正常的水平。 ( 6 ) 良好的生物固体截留能力 由于折流板的阻挡作用及通过对折流板间距的合理设置f 水流在上向流室上升流速 相对较小) 为污泥的沉降和截留创造了一个良好的条件，因而a b r 反应器内能截留大量 的微生物，其微生物质量浓度可达到7 2 0 8g l 。 ( 7 1 良好的生物分布 挡板构造在反应器内形成几个独立的隔室，所以能在每个隔室内驯化培养与该隔室 环境条件相适应的微生物群落，形成良好的种群配合和良好的沿程分布，避免了不同种 群间生态幅的过多重复，从而确保相应的微生物相拥有最佳的工作活性，必要时还可以 通过合理设置各隔室的废水水质，来稳定运行工况，提高处理效果，实现在一个反应器 内完成一体化的两相或多相处理。 1 4 3a b r 反应器的类型 a b r 反应器自诞生以来，科研人员为了进一步提高它的性能或用于处理某些特别 难降解的废水，对其结构进行了不同形式的优化改造。各种形式的a b r 反应器见图1 4 。 1 9 8 1 年f a n n i n 等人【4 1 】为了提高推流式反应器截流产甲烷菌群的能力，在推流式反 应器中增加了一些竖向挡板，增强了污泥的停留，提高了处理效率，从而得到了a b r 反应器的最初形式( 图1 4 ( b ) ) 。b a c h m a n n 等人【4 2 】对a b r 做了如图1 4 ( a ) 的改进，下向流 室变窄，上向流室加宽，有利于厌氧污泥停留在上向流室内，使反应器成为上流式污泥 无纺布改进炭曝气膜强化 b r 功脚f 究 床系统，水流方向与产气上升方向一致，加强了对污掘床层的搅拌作用，有利于微生物 与基质的充分接触 折板边缘折起将进水引向流室中心促进混合，有助于实现布水的均 匀性。 1li 。+ 獬 51 u d q e 瞻 图1 4 各种形式的a b r 反应器 f i g 1 4 d i 插e r e n tt y p e so f a b r 大连理工大学硕士学位论文 为了提高污泥停留时间( s r d 以及有效地处理高浓度有机废水，t i l e h e 和y a n g 等人 4 3 1 于1 9 8 7 年对a b r 反应器做了较大改动( 图1 嘶c ) ) ，主要体现在：( 1 ) 最后一个隔室后 增加了一个沉降室，流出反应器的污泥可以沉积于此，然后再被回流利用；( 2 ) 在每隔反 应室项部加入复合填料，防止污泥流失；( 3 ) 气体被分隔单独收集。 b o o p a t h y 和s i