（模式识别与智能系统专业论文）自生动态膜生物反应器处理城市污水的中试研究.pdf

合肥工业大学 8 删8 1 1 1 1 1 6 州州0 删0 8y 1 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： n 侈：i 蟛3 勃酬他狮例胆 委员： 幺竣钒谚天亭 葛船已钮上辽埘 导煨彳钎钥 别教短 吾7 投缓 独创性声明 本人声明所黾交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究j r ：作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标：志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒目里! ：些太堂 或其他教育机构的学位或证二f s 而使用过的材料。与我一同t 作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：陟字日期：矽年伽1 7 臼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒月墨! ：些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒月曼兰些盍 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：霄删 签字日期：矽年钞咖 学位论文作者毕业后去向：梗 工作单位： 通讯地址： 翩虢渐7 钾哆 签字日期：加，年母月五7 日 电话：”7 = ；7 2 7 5 2 9 弓 邮编： 自生动态膜生物反应器处理城市污水的中试研究 摘要 本文用孔径为0 1 m m 左右的尼龙网代替微滤或超滤膜作为平板膜组件的膜 材料，构建自生动态膜生物反应器中试装置，处理城市污水。分别考察了反应 器在连续进水、连续出水的条件下，连续或间歇曝气阶段的运行特性，并根据 运行情况对反应器进行了经济性分析。 试验结果表明：反应器在连续或间歇曝气阶段均能保持较好的c o d 、氨氮 去除效果，两个阶段的c o d 平均去除率均在8 5 以上，而氨氮的平均去除率则 高达9 0 以上；s v 和s v i 值均随反应时间的延长而降低，污泥沉降性能良好。 在连续曝气阶段，膜通量在2 6 - - - 7 4l ( m 2 h ) 范围内波动；由于反应器内 溶解氧浓度较高，即便在温度低于15o c 时，硝化效果也并未随温度降低而变差， 氨氮去除率始终在9 0 以上；动态膜对上清液中的有机物和各种含氮化合物有 一定的去除和转化作用；运行过程中，出水浊度一直低于5 n t u ，反冲洗结束后 3 0 分钟左右，出水浊度便降低到5 n t u 以下，体现了动态膜良好的固液分离特 性；反应器具有较强的抗污泥负荷和容积负荷冲击的能力；在稳定运行阶段， 跨膜压差在5 c m 以下，通常介于2 4 c m 之间；采用膜外曝气反冲洗的方式，以 6 c m 的跨膜压差作为反冲洗的启动压差，则膜组件的反冲洗周期为十一、二天。 在间歇曝气阶段，按时间比为2 ：1 的比例，设定曝气与搅拌时间分别为 3 0 m i n 和1 5 m i n 。降低反应器内的溶解氧后，虽然有机物降解和硝化活性较连续 曝气阶段略低，但污泥的反硝化活性却大幅提高，总氮的平均去除率为6 0 3 3 ， 总磷的平均去除率也由连续曝气阶段的3 8 左右提高到6 0 5 9 。 通过经济分析表明，与传统的m b r 工艺相比，动态膜生物反应器的膜组件 成本和运行能耗均较低，更符合节能的要求。 关键词：自生动态膜生物反应器尼龙网中试膜通量 s t u d yo f ap i l o ts c a l es e l f - f o r m i n gd y n a m i c m e m b r a n eb i o r e a c t o rf o rm u n i c i p a ls e w a g e t r e a t me n t a b s t r a c t t h ep i l o ts c a l es e l f - f o r m i n gd y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( s f d m b r ) w a s e q u i p p e dw i t hp l a t em e m b r a n et h a tw a sm a d eo fa0 1m mn y l o nm e s hf i l t e r i n g m a t e r i a li n s t e a do fam i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n eo ra nu l t r a - f i l t r a t i o nm e m b r a n e ， a n dm u n i c i p a ls e w a g ew a st r e a t e dw i t ht h er e a c t o r t h ep e r f o r m a n c eo ft h er e a c t o r w a ss t u d i e dr e s p e c t i v e l yu n d e rt h ec o n d i t i o no fc o n t i n u o u sf e e d i n g ，c o n t i n u o u s f i l t r a t i o n ，c o n t i n u o u so ri n t e r m i t t e n ta e r a t i o n t h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c yo f s f d m b rw a sa n a l y z e do nt h eb a s i so fr e a c t o r sa c t u a lo p e r a t i o n i tw a sf o u n dt h a tu n d e rt h ec o n d i t i o no fc o n t i n u o u so ri n t e r m i t t e n ta e r a t i o n ， b o t hc o da n dn h ：nc o u l db er e m o v e de f f e c t i v e l y , t h ea v e r a g er e m o v a lw e r ea b o v e 8 5 a n d9 0 ，r e s p e c t i v e l y ；s va n ds v lw e r er e d u c e dw i t ht h ei n c r e a s eo fr e a c t o r s r u n n i n gt i m e ，w h i c hi n d i c a t e d t h a t s l u d g eh a dg o o ds e t t l i n gp r o p e r t y i nt h es t a g eo fc o n t i n u o u sa e r m i o n ，t h ef l u xw a sr a n g e df r o m2 6t o7 4 l ( m z h ) ； e v e nt h et e m p e r a t u r ew a su n d e r 15o c ，b e c a u s eo fh i g hd i s s o l v e do x y g e n ，t h e n i t r i f i c a t i o ne f f e c tw a ss t i l la sg o o da sb e f o r e ，a n dt h en h ；一n r e m o v a li nt h e e f f i u e n tc o u l da t t a i na b o v e9 0 a l lt h et i m e t h ed y n a m i cm e m b r a n ec o u l dr e m o v ea n d c o n v e r ts o m eo ft h eo r g a n i cc o m p o u n d sa n dn i t r o g e ni nt h es u p e m a t a n t ；t h et u r b i d i t yc o u l d b ek e p tu n d e r5 n t ud u r i n gt h ep r o c e s so fo p e r a t i o n ，w h i c hc o u l dd e c r e a s et o5 n t u i n3 0 m i n u t ea f t e rt h eb a c k w a s h i n g ，w h i c hr e f l e c tt h eg o o ds o l i d l i q u i ds e p a r a t i o np e r f o r m a n c e o fd y n a m i cm e m b r a n e ；t h er e a c t o rh a daf a i r l yg o o dc a p a c i t ya g a i n s tv o l u m e t r i cl o a d i n g a n ds l u d g el o a d i n g ；i ns t a b i l i z a t i o np e r i o d ，t h et r a n s - m e m b r a n ep r e s s u r e ( t m p ) w a su n d e r 5 c m ，u s u a l l yr a n g e df r o m2t o4 c m ；t h ea i r - w a t e rb a c k w a s h i n gm e t h o dw a su s e dd u r i n gt h e o p e r a t i o np r o c e s s ，w h e nt h et m pw a su pt o6 c m ，b a c k w a s h i n gw o u l db e g i n ，t h e b a c k w a s h i n gi n t e r v a lw a s a b o u t11o rl2d a y s i nt h es t a g eo fi n t e r m i t t e n ta e r a t i o n ，t h et i m eo fa e r a t i o na n ds t i r r i n gw a ss e ta t3 0 m i n u t e sa n d15m i n u t e s ，r e s p e c t i v e l y , a c c o r d i n gt ot h ep r o p o r t i o no f2t o1 a f t e rd i s s o l v e d o x y g e ni nr e a c t o rd e c r e a s e d ，a l t h o u g ht h eo r g a n i cc o m p o u n d sd e g r a d a t i o na c t i v i t y a n d n i t r i f i c a t i o na c t i v i t yw e r eal i t t l el o w e rt h a nt h a ti nt h es t a g eo fc o n t i n u o u sa e r a t i o n ，t h e d e n i t r i f i c a t i o na c t i v i t yw a si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y t h ea v e r a g et nr e m o v a la t t a i n e d 6 0 3 3 ，t h ea v e r a g et pr e m o v a lw a su pt o6 0 5 9 ，w h i c hw a so n l ya b o u t3 8 d u r i n gt h e c o n t i n u o u sa e r a t i o n a c c o r d i n gt ot h ee c o n o m i ca n a l y s i s ，i tc o u l db ec o n c l u d e dt h a tt h ec o s to fm o d u l ea n d o p e r a t i o no fs f d m b rw a sl o w e rt h a nt h a to fc o n v e n t i o n a lm e m b r a n eb i o r e a c t o r t h e s f d m b rm e e tt h er e q u i r e m e n to fe n e r g ys a v i n gm u c hm o r e k e y w o r d ：s e l f - f o r m i n gd y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ；n y l o nm e s h ；p i l o tt e s t ； m e m b r a n ef l u x 致谢 感谢我的导师徐得潜教授两年多来在学习和生活方面给予的关心和指导。 徐老师严谨的治学态度、务实的工作作风和渊博的知识给我留下了深刻的印象。 更为重要的是他在传授专业知识的同时，更教会了我们为人处事的道理和团结 合作的重要性。在此，谨向徐老师表示诚挚的感谢! 感谢中科大的俞汉青老师给我提供了一个接触新工艺的实践机会，感谢曾 建雄老师在试验过程中给予的指导。 感谢王允坤、成雄剑和董献彬在试验过程中给予的帮助。 望塘污水厂的领导和职工为试验提供了场所和许多方便条件，在此表示感 谢。 目录 第一章绪论1 1 1 城市污水处理的主要方法1 1 1 1 传统的污水处理方法l 1 1 2 污水处理技术的新发展l 1 2 膜生物反应器简介3 1 2 1 膜生物反应器的分类3 1 2 2 膜生物反应器的发展概述3 1 2 3 膜生物反应器的特点5 1 3 动态膜生物反应器简介5 1 3 1 动态膜的概念和分类5 1 3 2 动态膜的过滤机理6 1 3 3 动态膜生物反应器的概念与分类7 1 3 4 动态膜生物反应器的研究现状7 1 3 5 自生动态膜生物反应器的应用1 0 1 4 研究目的和内容1 0 1 4 1 研究目的1 0 1 4 2 研究内容1 1 第二章自生动态膜生物反应器中试装置1 2 2 1 中试装置1 2 2 1 1 反应器主体1 2 2 1 2 进水系统1 3 2 1 3 出水系统1 3 2 1 4 曝气系统1 4 2 1 5 清洗系统1 4 2 2 膜组件1 4 2 2 1 膜组件的构造1 4 2 2 2 膜的过滤方式1 4 2 3 试验条件1 5 2 3 1 原水水质15 2 3 2 试验设计控制条件1 5 2 3 3 膜清洗条件方式1 6 2 4 水质分析方法。1 6 2 5 本章小结17 第三章连续曝气s f d m b r 的运行效果及影响因素1 8 3 1 污染物的去除特性。1 8 3 1 1c o d 去除效果一18 3 1 2 氨氮去除效果一1 9 3 1 3 总氮去除效果2 l 3 1 4 磷的去除效果2 2 3 1 5 亚硝酸盐氮和硝酸盐氮变化情况2 3 3 1 6 浊度去除效果2 4 3 2 操作条件对运行效果的影响2 5 3 2 1c o d 负荷对出水水质的影响2 5 3 2 2 氨氮负荷对出水氨氮的影响2 6 3 2 3 温度对硝化效果的影响2 7 3 3 动态膜的运行特性。2 7 3 3 1 膜通量及跨膜压差的变化情况2 7 3 3 2 膜污染2 9 3 3 3 膜清洗方式2 9 3 4 本章小结3 0 第四章间歇曝气s f d m b r 的运行效果3 1 4 1 反应器内设备的调整和试验工况的确定。3 1 4 2 总氮的去除效果3l 4 3 间歇曝气阶段反应器内溶解氧的变化3 3 4 4 其它污染物的去除情况3 3 4 4 1c o d 的去除情况3 3 4 4 2 氨氮的去除情况一3 4 4 4 3 总磷的去除情况一3 5 4 5 膜通量的变化3 5 4 6 间歇进水阶段污染物去除情况。3 6 4 6 1 总氮的去除情况3 6 4 6 2c o d 的去除情况3 6 4 6 3 氨氮的去除情况3 7 4 7 本章小结。3 7 第五章s f d m b r 中污泥混合液性状分析3 9 5 1 物理特性3 9 5 1 1 污泥浓度的变化3 9 5 1 2 污泥沉降比和污泥容积指数的变化4 0 5 2 生物特性4 l 5 2 1 生物相 5 2 2 污泥活性 5 3 本章小结。 第六章技术经济分析 6 1 膜组件成本分析 6 2 运行能耗分析 6 3 本章小结 结论与建议 参考文献 图1 1 图2 一l 图2 2 图2 3 图2 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 图3 1 图3 1 图3 1 图3 1 图3 1 图3 1 图3 1 图3 1 图3 1 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图5 1 图5 2 间歇曝气阶段污泥浓 图5 3 连续曝气阶段污泥沉 图5 4 间歇曝气阶段污泥沉 图5 5 混合液中的微生物相 图5 - 6 连续曝气阶段的耗氧 图5 7 间歇曝气阶段的耗氧 图5 8 混合液中n o ；浓度随 表格清单 表1 1 常用的污水处理方法1 表1 2 终端过滤的经验公式8 表2 1 动态膜中试反应器设计参数1 3 表2 2 原水水质1 5 表2 3 试验设计控制条件1 6 表2 - 4 测试项目及方法1 6 表3 1 反应器上清液及出水c o d 效果对比1 9 表3 2 反应器上清液及出水氨氮效果对比2 0 表4 1 出水硝氮效果对比3 2 表6 1 部分m b r 的器型、操作参数和能耗4 7 第一章绪论 改革开放以来，我国经济和社会建设各方面进入快速发展阶段。与此同时， 水资源短缺和水污染现象却日益突出，严重制约了国民经济的可持续发展。随 着我国城市建设、经济建设的发展和人e l 的增加，用水量持续增长，城市污水 总排放量也随之相应逐渐增加【i l 。1 9 9 9 年，我国城市生活污水污染负荷首次超 过生产污水的污染负荷，2 0 0 9 年，全国生活污水排放量为3 5 4 8 亿吨，工业废 水排放量为2 3 4 4 亿吨，总排放量比上年增加3 。大量的城市生活污水有待处 理。因此，发展、研制更为经济、高效或更为普遍适用的城镇生活污水处理技 术的要求便愈加迫切。 1 1 城市污水处理的主要方法 1 1 1 传统的污水处理方法 生活污水与生产污水的混合污水，称为城市污水。污水处理按方法本身的 原理可分为物理法、化学法、物化法及生物法四大类1 2 】。其中，物理法是通过 物理作用，分离去除污水中呈悬浮状的污染物，在处理过程中，不改变污染物 的性质；化学法是利用化学反应，处理回收污水中的污染物，或将其转化为无 毒无害物质的方法；物化法是利用物理化学原理，去除废水中的溶解性污染物； 生物法则是利用微生物的代谢氧化降解作用，将污水呈溶解性及胶体状的有机 物氧化降解，转化为简单的无机物。这些方法可以单一使用，也可以针对不同 的污水水质组合使用。常见的污水处理方法见表卜l 。 表卜1 常用的污水处理方法 1 1 2 污水处理技术的新发展 1 1 2 1 光氧化法 光氧化是指在可见光或紫外光作用下进行的光化学、光催化或光敏化的氧 化过程。这是一门新兴技术，已经凭借其优异的净水效果引起人们的关注。光 氧化可分为激光氧化和催化氧化3 1 。 1 1 2 2 脉冲电晕技术 此项技术是在污水水面上方几毫米处放置一个可产生1 万伏电压的电极 束。在盛放污水的器皿底部，安装一个电极，接通电源后，电极束进行脉冲式 放电，形成冠状电晕。电极束放电时，周围空气中生成具有强氧化性的自由基 和臭氧。在高压电的作用下，这些物质可渗透至污水水面以下两厘米处。自由 基和臭氧可杀死污水中的微生物，并将水中的污染物转化成无害物质【4 j 。 1 1 2 3 超临界水氧化法 超临界水氧化法( s c w o ) 8 0 年代中期由美国学者m o d e ll 提出的一种能够彻底破 坏有机物结构的新型氧化技术。其原理是在超临界水的状态下将废水中所含的有机物 用氧化剂迅速分解成水、二氧化碳等简单无害的小分子化合物。所谓超临界水是指 水处于临界温度3 7 4 、2 2 5 个大气压以上的形态存在时，既不是液体也不是气 体但又兼具液体和气体性质的大分子物质。该项技术具有反应速度快，反应完 全和无二次污染等特点1 4 j 。 1 1 2 4 超声波技术 超声波技术是近年来发展起来的一种新型污水处理技术。在环境工程中的 应用包括对饮用水的消毒和去除管道中的水垢；在污水处理中利用超声波降解 水中的化学物质，尤其是难以降解的有机污染物；在污泥处理中主要用于提高 脱水能力，分解生物固体。超声波能加快反应进程，主要作用机理有空化效应、 机械剪切效应、超声絮凝效应和自由基效应。它的特点是：集中了高级氧化技 术、高温热解、超临界水氧化等多种污水处理技术，降解条件温和、速度快、 应用范围广。超声波降解有机废水的研究内容涉及降解机理、降解动力学、中 间体检测、影响超声降解过程的因素和优化条件试验等1 5 j 。 上述污水处理技术中，生物法中的活性污泥法在当前污水处理技术领域中， 是应用最为广泛的技术之一，具有可处理的水量大，方法较成熟，去除范围广、 效率高、用时少等优点。但其在运行操作管理中经常遇到和存在的问题主要表 现在以下三个方面： ( 1 ) 活性污泥沉降性能的好坏将直接影响该工艺的出水水质和运行稳定 性【6 1 。 ( 2 ) 水力停留时间和污泥停留时间相互依赖，难以单独控制。 ( 3 ) 剩余污泥产量大，处置费用高( 对生物污泥进行完全的处理和处置， 其所需运转费用一般占系统总运行费用的5 0 , - - , 6 0 1 6 j ) 。 解决传统活性污泥法存在的上述问题，成为新型废水生物处理工艺研究和 开发的着力点，这其中，膜生物反应器成为一个重要的研究方向。 2 1 2 膜生物反应器简介 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 ) 是将分离工程中的膜技术应用 于废水生物处理，以具有固液分离功能的膜组件替代传统工艺中的二沉池所构 建的生物反应器。 1 2 1 膜生物反应器的分类 根据使用的膜种类和膜在系统中所起作用的不同，一般可分为三大类：即 固液分离膜生物反应器、曝气膜生物反应器和萃取膜生物反应器【7 1 。 固液分离膜生物反应器是目前研究最为广泛的一类膜生物反应器。根据膜 组件与生物反应器的组合方式，可分为分置式膜生物反应器和一体式膜生物反 应器两类j ，如图1 1 所示。 分置式膜生物反应器是把膜组件和生物反应器分开设置。生物反应器中的 混合液经循环泵增压后打至膜组件过滤端，在压力作用下混合液中的液体透过 膜，成为系统处理出水；固体物、大分子物质等则被截留，随浓缩液回流到生 物反应器内一j 。 进水 ( a ) 分置式膜一生物反应器 ( b ) 一体式膜一生物反应器 图卜1 固液分离膜生物反应器的分类 一体式膜生物反应器中，膜组件直接浸入反应器的混合液中，原水进入反 应器后，其中的大部分污染物被混合液中的活性污泥分解，再利用抽吸泵抽吸 出水，或利用反应器内液位与出水液位差出水。 此外，根据生物反应器是否需氧，固液分离膜生物反应器还可以分为好氧 膜生物反应器和厌氧膜生物反应器；根据使用的膜材料的类型，可以分为有机 膜生物反应器和无机膜生物反应器；根据膜孔径的大小，可以分为微滤、超滤 膜生物反应器。 1 2 2 膜生物反应器的发展概述 膜生物反应器的研究最早开始于2 0 世纪6 0 年代末期的美国。美国的 d o r r 0 1 i v e r 公司在1 9 6 6 年首先将m b r 用于废水处理的研究。1 9 6 9 年s m i t h 等报道采用超滤膜来代替传统活性污泥工艺中的二沉池，用于处理城市废水。 同年，b u d d 等开发和应用的分离式m b r 获得了美国专利。但由于受当时膜生产 技术的限制，膜的使用寿命短、通水能力低，价格昂贵，难以投入实际应用。 进入2 0 世纪7 0 年代以后，鉴于水和土地资源的日益紧张，日本开始重视 膜分离技术在废水处理和中水回用中的应用，组织大学、研究院和企业等开始 了全面的研究，使m b r 技术开始进入实用阶段。与此同时，美国开发的好氧分 离式m b r 处理城市污水的试验规模进一步扩大，并取得了较满意的结果。 8 0 年代，随着膜制造技术的发展以及膜分离工艺的不断完善，m b r 技术开 始在废水处理领域受到广泛重视，并得到快速推广应用。自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，经处理后的水做中水回用，处理 量达5 0 2 5 0m 3 d 。日本19 8 5 年开始的“水综合再利用系统9 0 年代计划 在 污水处理对象与规模上大大推进了对m b r 的研究i l 。1 9 9 9 年日本在该项计划中 对厌氧m b r 作了较系统的研究，研制了酒精发酵废水、淀粉厂废水、造纸厂废 水、蛋白工厂废水、城市污水等7 类废水的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 能够获得良好的 出水水质。日本的三井石化公司用m b r 处理粪便废水，取得了前所未有的良好 效果，而且m b r 运行状况稳定l j 。 进入9 0 年代，对m b r 的研究方兴未艾，并更趋深入。1 9 9 2 年，k n o p s 利 用i y d n e y 和c o l t o n 提出的浓差极化理论研究错流式膜组件的透水率，研究发 现膜纤维长度减少可以增加透水率，并提出穿流式膜组件的构想，其特点是膜 纤维不与循环水流方向平行，而是与水流方向垂直。这种膜纤维的粘结方法使 膜组件不需要较高的进液速度就可以产生湍流效果，起到冲刷膜纤维的作用。 1 9 9 4 年，c a n a l e s 等1 1 2 j 应用m b r 开展剩余污泥减量的研究，1 9 9 5 年1 1 i a s 等【1 3 】 应用m b r 去除废水中的有机物，1 9 9 6 年k i s h i n o l l 4 j 将m b r 用于生活污水回用， 在l3o c 仍然获得了9 5 的n h ；一n 去除率。1 9 9 7 年t a t s u k i 1 5 1 研究了不同曝气 方式对m b r 操作压力的影响。1 9 9 9 年，一种新型的一体式m b r 一一重力淹没式 m b r 在日本试验成功，t a t s u k i 等人【16 j 采用膜组件上部混合液液位与出水液位 的高度差所产生的水压将水压出膜组件，处理能耗为2 4 k w h 聊3 。 9 0 年代中后期，m b r 在国外已进入了实际应用阶段。加拿大的z e n o n 公司 首先推出了超滤管式膜生物反应器，并将其应用于城市污水处理。目前，全世 界已有超过6 0 0 套m b r 系统投入实际运行。日本是世界上应用m b r 工艺发展最 快的国家之一，其应用m b r 工艺的污水处理厂占全球的7 0 以上，其余主要分 布在欧洲和北美等发达国家，所应用的m b r 工艺中，9 8 以上为好氧方式运行， 其中5 5 以上为一体化型式。 我国有关m b r 工艺的研究始于2 0 世纪9 0 年代初期，虽起步较晚，但发展 迅速。1 9 9 1 年岑运华介绍了m b r 在日本的研究状况【l ，1 9 9 3 年上海华东理工 大学环境工程所进行了m b r 处理人工合成污水和制药废水的可行性研究i l7 。 4 1 9 9 5 年，天津大学成功开发了厌氧一好氧m b r 工艺，取得了一系列研究成果， 并为该工艺的进一步研究和生产性实用化打下了良好的基础。清华大学、同济 大学、天津大学等高校开展了分离式m b r 和一体式m b r 的研究，将处理对象不 断扩展：m b r 的研究对象从生活污水【1 8 j 扩展到印染废水【1 9 j 、港口废水【2 、食品 废水2 1 1 、啤酒废水【2 2 】和屠宰废水【2 3 】等；生物反应器从活性污泥法扩展到接触氧 化法，生物处理流程从好氧发展到厌氧，并且对不同污水的处理效果、系统的 稳定运行、操作条件的优化进行了研究。在理论研究方面也取得了诸多进展： 孟耀斌【2 4 】对分离式m b r 的体积负荷进行了推导，表明了浓缩区的存在是该工艺 处理能力较大的原因，可通过增加浓缩区的体积和调整循环流量来控制分离式 m b r 的处理能力；杨造燕【2 5 j 从微生物基本生命活动的物质转化概念和污泥产生 的平衡出发，提出了确定维持微生物基本生命活动的物质转化系数的方法，从 理论和试验上证实了m b r 无剩余污泥排放的可能性。 1 2 3 膜生物反应器的特点 膜生物反应器具有以下优点： ( 1 ) 能高效的进行固液分离，分离效果好于传统的沉淀池，无污泥膨胀之 虞，且出水水质好，基本可以直接回用【9 j 。 ( 2 ) 由于膜的高效截留作用，可使微生物完全截留在反应器内，可以实现 水力停留时间( h r t ) 和污泥停留时间( s r t ) 的完全分离，使运行控制更加灵活稳 定。 ( 3 ) 反应器内能维持高浓度的微生物量，有利于增殖缓慢的微生物( 如硝 化细菌) 的截留和生长，系统硝化效率得以提高【26 。也有利于分解难降解有机 物的微生物在反应器内的富集，从而提高难降解有机物的降解速率。 ( 4 ) 膜生物反应器一般都在高容积负荷、低污泥负荷下运行，节省了占地 面积，剩余污泥产量低，降低了污泥处理费用。 ( 5 ) 易于实现自动控制，操作管理方便。 但膜生物反应器也存在一些不足，主要表现在： ( 1 ) 膜造价较高，从而增加了膜生物反应器的基建投资费用。 ( 2 ) 运行过程中存在膜污染、膜清洗和膜更换以及能耗高等问题1 27 。，增 加了运行费用。 动态膜的出现，较好的解决了传统膜造价高的问题。 1 3 动态膜一生物反应器简介 1 3 1 动态膜的概念和分类 动态膜( d y n a m icm e m b r a n e ) ，是指采用某种固体微粒或反应中形成某种 固体微粒，通过循环使其沉淀在膜表面( 多孔支撑体) 上形成新膜，或通过预涂 剂或活性污泥在膜表面形成新膜，从而改进膜的性能，也称为次生膜( s e c o n d m e m b r a n e ) 【2 8 1 。 动态膜可根据其形成的方式不同分为两类1 2 w ：一类是预涂膜( p r e - c o a t e d ) 即先过滤含有成膜物质的溶液，待动态膜在其表面形成后，再用它来过滤被处 理溶液。其中使用的预涂剂又分为悬浮液和胶体溶液两种，通常被用作预涂剂 的材料有硅藻土、高岭土、m n 0 2 和z r 0 2 等。另一类是自形成膜( s e l f f o r m in g ) ， 即将所处理的废液作为动态膜制备液来过滤制得。 预涂动态膜是微粒在多孔载体上沉积形成的，其实质就是载体组件在错流 过滤时的浓差极化和滤饼层。由于涂膜时使用的溶液的溶质粒径小于载体的孔 径，在各种机理的作用下粒子在载体表面形成了一层具有微滤或超滤性质的膜 层，从而使动态膜的截留性能超越了载体，总组件呈现出非对称膜的结构【3 0 1 。 自形成膜的典型代表就是自生生物动态膜( s e lf - f o r m in gd y n a m ic m e m b r a n e ，s f d m ) ，它以大孔过滤材料( 如普通筛网) 为载体，利用其上生成的生 物质层的截留作用实现膜过滤的功能。 t a n n y 根据形成动态膜物质的粒径和作为膜基材的多孔支撑体的孔径的关 系将动态膜分为三类p l j ：第一类，形成动态膜的物质的尺寸比过滤基材的孔径 大很多，这种情况下颗粒物质几乎完全被截留；第二类，成膜物质颗粒大小要 远小于膜基材的孔径( 至少三倍) ，t a n n y 推测这种情况下水中的尘埃或细菌可 能会在孔口架桥，从而形成更细的筛分或者作为对活性物质的吸附剂；第三类 动态膜是用尺寸与过滤基材孔径相当的聚合物或聚电解质溶液过滤形成。 1 3 2 动态膜的过滤机理 在对水合氧化锆形成的动态膜的理论研究中，f r e i l i c h 提出两阶段理论： 第一阶段，多孔支撑体对胶体物质没有选择性，孔隙被悬浮的胶体物质堵塞， 过滤过程符合“过滤标准定律( s t a n d a r d1 a wo ff i1t r a tio n ) 或中间机理 ( i n t e r m e d i a t em e c h a n i s m ) ；第二阶段，膜孔完全被堵塞后，膜表面形成了污 泥层，符合“鲁斯定律( r u t h sl a w ) ”。a 1 一m a l a c k 等人也得出了同样的结论。 k u b e r k a r 等【3 2 j 针对自生动态膜提出大颗粒与小颗粒双扩散( b i d i s p e r s e ) 的筛 分过程理论，即大颗粒在膜面形成的污泥层，同时扮演着袋式过滤器的角色， 可以捕捉和筛分小颗粒物质。并通过对酵母菌和蛋白质混合液的过滤试验进行 了验证。h o n g b ol i u 等i j j j 在丝绸作为粗网材料处理城市污水的过程中，在恒定 的过滤压力下，将动态膜的形成过程分为四个阶段：底层的形成、离层的形成、 污染层的形成、滤饼的形成。分别符合四个终端过滤经验公式中的标准堵塞定 律、完全堵塞定律、中间堵塞定律以及滤饼过滤定律，表卜2 所示为终端过滤 的四个经验公式。 6 表i - 2 终端过滤的经验公式 对于第二类动态膜，t a n n y 发现在过滤初期通量的下降规律符合内部孔堵 塞机理，而并非膜基材表面颗粒附着形成污泥层。v is v a n a t h a n 等p 4 j 和其他学 者也发现了类似的结论。此外v is v a n a t h a n 等发现在错流微滤中，当操作压力 很低时，胶体物质引起污染的主要原因是这些物质在孔表面有架桥作用，并伴 随有浓差极化现象，导致膜的外部污染，而膜的内部污染可以忽略。 第三类动态膜通量的变化特点可以分为两种情况。当过滤压力比较低，成 膜物质浓度不足以形成凝胶层时，动态膜通量与过滤压差呈线性关系，此时动 态膜阻力约等于0 。当过滤压力增加到形成凝胶的点时，动态膜通量与压力无 关，压力的增长被动态膜阻力的增长所抵消，同时动态膜的截留能力基本形成。 压力的增加使动态膜受到压缩，结构发生变化，从而增加了动态膜的阻力。 1 3 3 动态膜生物反应器的概念与分类 动态膜生物反应器是传统膜生物反应器和动态膜技术相结合的污水处理 新工艺。它利用动态膜过滤的方式代替传统活性污泥法中的重力沉降实现固液 分离，同时它所采用的过滤基材孔径远大于传统的微滤或超滤膜。试验证明， 利用动态膜过滤技术可获得良好的污水处理效果i j 引。 参照动态膜的分类方法，动态膜生物反应器可以分为两类：自生动态膜生 物反应器( s e l f f o r m i n gd y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，s f d m b r ) ”和“预涂 动态膜生物反应器( p r e c o a t e dd y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，p c d m b r ) 3 5 1 ”。 动态膜生物反应器继承了传统膜生物反应器的诸多优点，同时又具有一些 新的特点：( 1 ) 动态膜的过滤阻力小，可在低至几毫米的水位差驱动下自流出 水，不需要动力设备，减少了能耗；( 2 ) 出水通量可与传统m b r 工艺相媲美， 处理效果良好；( 3 ) 膜基材廉价易得，可以降低膜组件价格，经济性能优越； ( 4 ) 膜组件机械强度高，使用寿命长；( 5 ) 膜污染后再生容易，再生效果明显 优于传统m b r 工艺1 3 5 1 。 1 3 4 动态膜生物反应器的研究现状 动态膜一生物反应器因其具有的诸多新特点而成为近几年国内外学者的研 究热点。 日本的y o s h i a k ik i s o 等3 6 1 采用1 0 0um 孔径的尼龙网作为膜基材，在实 7 验室中，用合成废水进行了处理效果的研究。在很低的操作压力( 5 1 0 m m h ：0 ) ，流量为0 5 - - ，0 7 6 的情况下，取得了很好的污泥截留效果，反应器内的 s s 达到9 0 0 0 m g l 。试验的h r t 为4 - - 8 h ，采用连续进水、连续出水、连续或间 歇曝气的方式运行，出水的s s 和b o d 始终分别低于1 5 m g l 和5 o m g l 。间歇 曝气时总氮的去除率可达到8 0 ，此时，网孔在1 - - - 2 周内便会堵塞。将反应器 用于a o 工艺时，取得了有效的总氮去除，同时网孔在两个月内没有发生堵塞。 h o n g b ol i u 等人 3 7 1 采用0 1 m m 孔径的丝绸作为动态膜的基材，最初，在运 行单