（材料学专业论文）膜生物反应器在城市污水处理中的应用.pdf

摘要 摘要 膜生物反应器f m b r ) 是膜分离技术与生物处理技术结合而产生的一种新型技 术，也是一种污水处理的新工艺，具有出水水质好，操作运行简单，污泥产率低， 设备占地面积小，便于自动控制等优点，被认为是污水处理技术的一场划时代的革 命。本文通过参考大量的国内外相关文献资料以及反复的室内试验，重点研究了膜 生物反应器对生活废水的处理效果；膜生物反应器工艺参数( 污泥浓度、h r t 、s r t 等) 控制对系统的影响，并考察了膜生物反应器与传统生物处理的差异：研究了膜 生物反应器处理高氨氮有机废水的效果，考察了有机负荷和氨氮负荷对膜生物反应 器的影响以及系统的脱氮效果。研究验证了膜生物反应器技术在污水处理和污水回 用领域有很好的应用前景。 主要研究工作与结论如下： 一、研究了膜生物反应器对生活废水处理效果。通过3 个多月的污泥培养和驯化， 对比试验了三种生活污水的c o d 去除效果，得到处理效果较好的驯化污泥。 二、研究了膜生物反应器工艺参数( 污泥浓度、h r t 、s r t 等) 控制对系统的影响， 并考察了膜生物反应器与传统生物处理的差异。通过试验得出，在有机负荷基 本相同的情况下，水力停留时间( h r t ) 的变化，不会影响膜生物反应器的处 理效果，同时，较长的s r t 可以强化生物的分解能力，降低混合液溶解性有机 物浓度，提高膜通量；另外，膜生物反应器对有机物、氨氮及合成洗涤剂均有 很好的去除效果，c o d 、b o d 5 及n h 4 n 去除率均可达到9 0 以上，l a s 的去 除率可达8 5 以上。 三、研究了膜生物反应器处理高氨氮有机废水的效果，考察了有机负荷和氨氮负荷 对膜生物反应器的影响以及系统的脱氮效果。结果表明，脱氮效果良好，适用 变化范围宽，达到国家污水一级排放标准。 关键词：膜生物反应器，污泥驯化，生活污水，脱氮，c o d ，水力停留时间。 a b s t r a c t t h em e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) i sak i n do fn e wt e c h n o l o g yw h i c h c o m b i n e s m e m b r a n e s e p a r a t i o nt e c h n o l o g yw i t hb i o l o g i c a lt r e a t m e n tp r o c e s s a n dan e wp r o c e s sf o rw a s i e w 8 i 。1 。8 t m 。n t t h em e m b f a n eb i o r e a c t o ri sc o n s i d e r e da sa ne p o c hi nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tf o ri t sa d v a n t a g e ss u c ha s h i g hq u a l i t ye f f l u e n tw a t e r , e a s yo p e r a t i o n ，l o ws l u d g ed i s c h a r g e ，l o w l a n di n t e n s i v e ，a l l da u t oc o n t r 0 1 i nt h ep a p e r , m b rt e c h n o l o g yw a se x t e n s i v e l yr e v i e w e df i r s ta n dt h e ni tf o c u s e s o nt h ee f f e c to fm b r o nh o u s e b o l dw a s t e w a t e ra n dt h et e c h n o l o g yp a r a m e t e r ss u c h a sc o n c e n t r a t i o no fs l u d g e ，h r t , s r t 强ds oo n n ed i 犯n c eb e t w e e nt h em b r a n dt h et r a d i t i o n a lb i o l o g yt r e a t m e n ti s a l s ou n d e r c o n s i d e a t i o n i ti si n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l yt h a tt h ee 拄e c to fm b ro no r g a n i cw a s t e w a t e ro f a m m o n i a n i t r o g e nh i g hc o n t a i n i n ga n dt h ee f f i c i e n c y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em b r h a sag o o d p r o s p e c ti nt h et r e a t m e n t a n dr e c y c l eo f w a s t e w a t e r m a i nc o n c l u s i o n sw e r em a d ea sf o l l o w s ： 1 i l l ee f l e e to fm b ro nh o u s e h o l dw a s t e w a t e r t h r o u l g hm o r et h a nt h r e em o n t h so fc u l t i v a t i o na n d d o m e s t i c a t i o no ft h es l u d g e ，a f t e rc o m p a r i s o no ft h ec o dr e m o v a le f f e c to f t h r e ek i n do fd i f f e r e n t h o u s e h o l dw a s t e w a t e r , d o m e s t i c a t i o ns l u d g eo fg o o dq u a l i t yi so b t a i n e d 2 t h ei n f l u e n c eo fm b rp r o c e s sp a r a m e t e r s ( c o n c e n t r a t i o no fs l u d g e 、h r t 、s r ta n ds oo n ) 0 1 1t h e s y s t e ma n d t h e d i f f e r e n c eb e t w e e nm b ra n dt h et r a d i t i o n a lb i o l o g yt r e a t m e n t f r o m t h e e x p e f i m e n t sw ec a nc o n c l u d e dt h a tu n d e rt h es a m ea m o u n to fo r g a n i cl o a d ，t h ec h a n g eo f t h eh r t w i l ln o ta f f e c tt h em b rt r e a t m e n t a n dl o n g e rs t rw i l le n h a n c ed e c o m p o s a b i l i t yo ft h eb i o l o g y , r e d u c et h ec o n c e n t r a t i o no ft h ed e l i q u e s c e n to r g a n i cc o m p o u n d ，i n c r e a s et h em e m b r a n ef l u x ；i n a d d i t i o n ，t h em b rh a v eh i g h e rr e j e c t i o no fo r g a n i cm a t t e r , a m m o n i a & n i t r o g e na n ds y n t h e t i c d e t e r g e n t t h er e j e c t i o nr a t eo fc o d 、b e d 5a n da m m o n i a & n i t r o g e nr e a c h e s m o r et h a n9 0 ，a n d t h er e j e e t i o nr a t eo fl a sc a r lr e a c h8 5 3 t h ee f f e c to fm b r o no r g a n i cw a s t e w a t e rc o n t a i n i n gl a r g ea n a o u n to fa m m o n i aa n dn i t r o g e n ，a n d t h ee f l e e t o f o r g a n i c l o a da n da m m o n i a & n i t r o g e n l o a d o n m b r ，a n dr e m o v a lo f n i t r o g e n f r o m t h e s y s t e m t h er e s u i t ss h o wt h a tt h em b r u s e di so ft h ee f f e c t i v ed e n i t r o g e n a t i o na n dc a nb ea p p l i e d t oaw i d er a n g eo fn i t r o g e nc o n t e n t t h ew a s t e w a t e rt r e a t e dm e e t sn a t i o n a ls t a n d a r d f o r l 锅s 刃； 锱刃；rd 1 s c h a r g eg r a d e1 k e yw o r d ：m b r ，d o m e s t i c a t i o n o ft h es l u d g e ，h o u s e h o l dw a s t e w a t e r ， d e n i t r o g e n a t i o n ，c o d ，h r t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特n d l ：i 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云注王些塞堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：沙】喜、再 签字日期：御年2 月功日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丢洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丢洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 卅等，哼导师铭猫 签字日期：m 停；月如日签字日期：) 咿年2 ，月弦r 学位论文的主要创新点 学位论文的主要创新点 研究了膜生物反应器对生活废水处理效果，对比试验了三种生活污水的c o d 去除效果，得到处理效果较好的驯化污泥。 研究了膜生物反应器处理高氨氮有机废水的效果，考察了有机负荷和氨氮负 荷对膜生物反应器的影响以及系统的脱氮效果。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 水资源现状 水是一切生命的源泉，是不可代替的资源，是环境的基本要素，维系着社 会的进步和人类的文明。如今，饮用水短缺却威胁着人类的生存，尽管3 4 的地 球表面被水覆盖，但问题是海水占9 6 5 ，可供人类饮用的淡水却非常有限， 仅占2 5 3 。进入2 0 世纪后，世界人口增加了3 倍，而用水量却增加了1 0 倍， 饮用水在急剧减少，人类生活用水越来越紧张，水荒向人类敲响了警钟。世界f 面临着一场全球范围内的水危机，并被联合国列为2 l 世纪威胁人类的第一大问 题。目前，已有1 0 0 多个国家和地区生活用水告急，其中4 3 个国家严重缺水， 危及2 0 亿人口的生存，就在降水减少的同时，水污染问题也越来越严重，当前 我国有5 0 的河段、9 0 以上的城市水域受到不同程度的污染。我国水资源为2 8 万亿m 3 ，居世界第六位，但人均水资源占有量在世界所有国家中排名第1 0 9 位， 列为世界1 3 个贫水国家之一。加上淡水资源和人口分布不均，托方干旱少雨， 城市用水供给矛盾十分突出l l j 。 中国的水资源受季风影响，在时间和地区上分布很不均衡，洪涝和干旱灾 害出现频繁，农业生产不稳定，与人口、耕地资源和经济的分稚不相匹配。根据 2 0 0 0 年的资料统计，全国有8 0 4 的水资源集中分布在长江及其以南地区。该地 区人口占全国5 3 5 ，耕地占全国的3 5 2 ，g d p 占全国5 4 8 ；人均水资源6 4 5 0 0 m 3 ，属于人多地少、经济发达、水资源相对较丰富的地区。在长江以北地区， 人v i 占全国4 4 4 ，耕地占全国5 9 2 ，g d p 占全国3 2 1 ，而水资源仅占全国的 1 4 7 ，属于人多地多、经济相对发达、水资源短缺地区，其中尤以黄河、淮河、 海河三流域最为突出。三流域的耕地占全国的3 9 1 ，人口占全国3 4 8 ，g d p 占全国3 2 1 ，而水资源仅占全国的7 7 ；人均水资源量接近5 0 0m 3 ，是我国 水资源最短缺的地区。西北内陆地区，除了额尔齐斯河属于外流河，其他河流都 属于内陆河。耕地占全国的5 6 ，人口占全国的2 1 ，g d p 占全国的1 8 ， 因此人均水资源量达到5 1 9 1m 3 ，人均水资源较为丰富1 2 1 。 1 2城市污水资源化与回用 世界上一些缺水国家把城市污水再生利用作为解决水资源短缺的重要战略 之一，在城市污水再生处理后用于农业灌溉、工业生产、城市景观、市政绿化、 生活杂用、地下水回灌和补充地表水等方面的研究与工程应用，已有较长的历史， 不仅可以保护水环境，而且缓解需水和供水之间的矛盾，促进水质水量的再生循 环，取得了显著的环境、经济和社会效益。 1 2 1 国内外现状 第一章绪论 作为缓解水危机的途径之一，日本早在1 9 6 2 年就丌始回用污水1 3 1 ，2 0 世纪 7 0 年代已初见规模。2 0 世纪9 0 年代初同本在全国范围内进行了污水再生回用的 调查研究与工艺设计，对污水回用在日本的可行性进行了深入的研究和工程示 范，在严重缺水的地区广泛推广回用技术，使日本近几年来取水量明显减少，赖 沪内海地区污水回用量已达到该地区淡水用量的2 3 ，大大缓解了该地区水资源 严重短缺问题。 2 0 世纪7 0 年代初美国开始大规模二级污水处理厂建设，并注意回用污水i 钔。 e l 前，有3 5 7 个城市回用污水厂，再生回用点5 3 6 个。全国城市污水回用量约为 9 4 x 1 0 9 m 3 a ，其中包括灌溉用水、景观用水、工艺用水、工业冷却水、锅炉补 给水以及回灌地下水和娱乐养鱼等多种用途；其中灌溉用水约为5 8 x1 0 9 m 3 a ， 占总回用量的6 0 ；工业用水占总用水量的3 0 ，城市生活等其他方面的回用 量不足1 0 n 美国2 0 世纪7 0 年代以来的3 0 年间，尽管总用水量增加约1 4 倍， 但总取水量反而减少，污水回用率稳步提高，使代表世界先进工业和农业大国的 美国水工业基本走上了良性循环的轨道。 除日本和美国外，俄罗斯、西欧各国、以色列、印度、南非和纳米比亚等 国也开展了污水回用技术。 我国是个贫水国家，随着城市人口的增加和工农业的发展，许多城市水资 源不敷所需，处于缺水状态，严重制约了我国经济的发展。在解决水资源问题 时，人们自然转向了城市污水资源的利用。我国5 0 年代就开始采用污水灌溉的 方式回用污水，但是真正将污水经深度处理后回用于城市生活和工业生产仅有 2 0 年的历史。城市污水易于收集，再生处理比海水淡化成本低，处理技术也较 成熟，基建投资比远距离引水经济。从国内外大量实践来看，城市生活污水回用 是解决城市缺水的重要战略之一，目前我国政府和社会各界高度重视城市生活污 水回用，许多专家学者为污水回用作了大量的研究工作，城市污水资源化是我国 经济可持续发展的重要举措，是非常必要和重要的。 1 2 2 城市污水的资源化与回用 为了解决水资源短缺这个困扰人类的严峻问题，人们寻求一种稳定的新水 源，这就是城市污水。目前世界上不少国家把经过净化的再生污水作为一种新水 源。多年实践证明它已经被满意地再用于农业、城市、工业等领域，随着净水技 术的只益成熟，回用经验愈加丰富，城市污水回用的数量递增，使用范围也同益 广泛。采用净化后的城市污水回用水有许多优点，它既能节省宝贵的新鲜水，缓 和工业和农业争水以及工业与城市用水的矛盾，实现“优质水优用，差质水差用” 的原则，而且在很大程度上解决了保护优质饮用水源的问题，减轻或避免了远距 离引水、输水和购买价格昂贵的水源的问题净i 。因此，许多国家和地区把城市污 2 第一章绪论 水回用列入了水资源的重要组成部分。许多国家和地区对城市污水的回用进行了 大量的科学研究和实践应用工作，包括的领域很厂，诸如：城市污水回用应用领 域的丁l = 拓与可行性研究以及建立示范工程；城市污水回用的j x l 险分析与安全性； 城市污水回用的净化技术与工艺过程组合；城市污水回用的储存与水质变化；城 市污水回用对人体健康的影响；城市污水回用对水生生态的影响等。总之，如今 已对城市污水回用作了多层次、多目标的研究与探讨，包括技术、经济、卫生、 工程建设等多方面的广泛探讨，为发展城市污水回用提供了科学技术依据和法规 标准及安全等方面的保证，从而使该项工作向纵深方面健康发展。其意义不仅 卜 分巨大，而且也是深远的。它给人们在缓解水资源的紧张方面展示了光明的前景。 1 3污水回用 1 3 1 污水回用对象 根据进水水质的不同，用城市污水净化后的再生水可以有很多不同的用途。 城市污水的再生回用主要有以下几个方面【7 】： 一城市生活用水和市政用水回用： 一工业回用： 一农业( 包括鱼牧业) 回用： 一地下水回灌； 一景观、娱乐方面的用水； 一其它方面的回用。 城市回用水应满足以下要求： 对人体健康不应产生不良影响； 一对环境质量、生态维护不应产生不良影响； 用于生产目的的回用不应对产品质量产生不良影响； 一回用水的水质应符合各类使用规定的水质标准； 一回用水应为使用者及公共场所接受； 一回用水再生系统应在技术上是可行的、适宜的； 在经济上应是廉价的，在水价上有竞争力。 以上诸点中最重要的是保障人体健康，严格禁止有不良影响。其次，要制 定出各项使用水的水质标准，回用水无论在废水处理场进行，或者使用者的进一 步处理，其水质应符合规定的水质标准，只有符合标准的合格水才可投入使用。 同时，采用高效、低能耗、省费用的净化技术以降低处理成本。 对于污水回用，最重要的是必须向其回用对象供水的全过程提供满足安全 使用的水，即其水质应能符合使用标准。例如，回用水回灌地下蓄水层作饮用水 3 第一章绪论 水源时，其水质必须满足或高于国家生活引用水卫生标准。而对于农业回用水则 规定：应不传染疾病；不致破坏土壤的结构与性能，不使土壤退化；不使土壤中 的重金属和有害物质的积累超过有害水平；不得危害作物的生长；不得污染地下 水【8 】o 对生活杂用水的水质标准也明确的规定了营养物质含量、浊度、c o d 及 病原微生物的含量。我国对水回用中的农田灌溉、景观娱乐用水、生活杂用水等 的用水标准都有较明确的规定。 1 3 2污水回用技术 污水回用的关键是污水处理技术，污水处理技术按其机理可分为物理法、 化学法、物理化学法和生物化学法等。通常污水回用技术需将多种污水处理技术 进行合理组合，即各种水处理方法结合起来深度处理。这是因为单一的某种水处 理方法一般很难达到回用水水质的要求。目前，中水回用和污水集中处理回用工 艺中常用的有好氧生物处理( 如生物接触氧化法、活性污泥法、生物膜法等) 、 混凝沉淀、过滤、活性炭吸附、消毒( 紫外、氯气、臭氧或二氧化氯等) 等方法。 典型处理工艺如下p 1 ： 图1 1 典型污水回用处理工艺 因此，目前的城市污水处理厂在对水的回用处理中存在着如下问题： ( 1 ) 技术装置的流程复杂。整个流程的操作单元多。基本是废水经过一级 处理，沉淀过滤( 大部分情况需加入絮凝剂等化学药剂) ，再经过二级生物处理， 用活性污泥基本工艺处理其中的有机污染物，最后经过三级处理工艺的活性炭吸 附、消毒等工艺。所以，装置的流程复杂，容易引起操作问题，影响装置正常运 行。 ( 2 ) 装置占地面积庞大。在所有的操作单元中，几乎都是占地庞大的构筑 物，浪费了工厂的有限使用面积，增加了运营成本。 ( 3 ) 出水水质及氮、磷营养素的去除效率有待提高。在出水中，氮磷等营 4 第一章绪论 养物质的含量较高，因此使其处理后的再用水的回用对象受到诸多限制。没有达 到水资源再用的目的。 ( 4 ) 处理污水的造价高。 近些年，由于膜技术领域的飞速发展，出现一种新兴的废水处理技术即膜 生物反应器技术。该技术由于将膜技术与生物技术完善的结合起来，处理后的废 水水质优良，且装置占地较小，达到同样出水水质的处理费用较低。 作为膜生物反应器这一废水处理技术，在我国主要应用在工业和生活污水 的点源处理中，处理一些难处理的污水，保证处理后的废水达标排放。而城市污水 处理厂是城市中最大的污水集散地，并有极大处理能力。我国城市污水处理厂的 污水处理能力接近二百亿立方米。根据我国国民经济发展计划和水污染防治规划 中城市污水处理规划要求：到2 0 1 0 年，我国城市化率将达4 0 ，城填人口总量将从 现在的3 8 亿增加到6 7 亿，污水处理厂的建设和处理能力将得到继续发展，污水 处理率建制镇不低于5 0 ，设市城市不低于6 0 ，重点工业城市不低于7 0 “。因 此城市污水处理厂的污水处理回用将对城市水资源的补充起到重要的作用，具有 深远的意义。 1 3 3 膜生物反应器概述及发展 常规生物处理法的出水水质与沉降池的水力情况和污泥的沉降特性有关。 只有通过扩大沉降池的容积来延长沉降时间，才能获得充分的固液分离。同时， 为了避免污泥沉降性能恶化或污泥膨胀，需要对生物处理单元实行封闭控制，然 而这往往受到经济条件的限制，即使使用了这种控制，为了达到污水回用的目的， 仍需进行诸如过滤、活性炭吸附等深化处理。 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，简称m b r ) 是将膜分离技术中的超微 滤组件与污水生物处理中的生物反应器相互结合而开发的新型系统。 利用膜分离( 微滤或超滤) 技术来分离生物固体，可以克服二沉池和生物 处理过程中的不足之处。膜可以完全截留悬浮固体，提高出水水质。尽管早在六 十年代术，d o r r o l i v e r 就提出了活性污泥法与超滤相结合的工艺有一定的商业 可行性，但直到1 9 8 5 年膜生物反应器的研究基本上还处于基础研究阶段，它的 应用直到最近才得到重视，在近十年中膜与生物处理相结合的工艺才得到迅速发 展与应用。这种技术出现后，被称之为膜生物反应器( l b r ) ，相对于常规生物处 理工艺具有以下优点1 1 1 1 2 1 ： ( 1 ) 出水水质好 用膜组件取代二次沉淀池可以使生物反应器获得比普通活性污泥法更高的 生物浓度，提高了生物降解能力，处理效果好；经膜分离后出水质量高，是目前 唯一对污水进行生物处理后无需消毒的工艺，出水水质可满足生活回用水中水水 5 第一章绪论 质标准城市污水再生利用城市杂用水水质( g b t 1 8 9 2 0 2 0 0 2 ) 和城市污 水再生利用景观环境用水水质( g b 厂r 1 8 9 2 1 2 0 0 2 ) 。 ( 2 ) j 二艺参数易于控制 膜生物反应器内可以实现生物固体停留时问( s r t ) 和水力停留时间( h r t ) 的完全分离，通过控制较长的s r t ，使世代时间较长的硝化菌得以富集，提高硝 化效果；同时膜分离也使废水中那些大分子颗粒状难降解的成分在生物反应器中 有足够的停留时间，从而达到较高的去除率。 f 3 1 设备紧凑，占地少 由于生物反应器内污泥浓度高，容积负荷可大大提高，一体式膜生物反应器 还可使设备更加紧凑。 ( 4 ) 易于自动控制管理 膜分离单元不受污泥膨胀等到因素的影响，易于设计成自动控制系统，便于管 理。 ( 5 ) 抗冲击负荷能力强 由于膜生物反应器的高浓度m i s s ，它比传统生物法有高得多的抗冲击负荷 能力。 ( 6 ) 污泥产率低 同传统活性污泥法相比，膜生物反应器的污泥产率很低。如表卜1 所示。 表卜1 1 1 3 】膜生物反应器与传统活性污泥法的污泥产率比较 项目 s r t ( d ) 污泥产量 传统活性污泥法1 0 - 2 0 0 7 1 o k g m l s s k g b o d 5 传统活性污泥法 3 3 o 6 k g m l s s k g b o d 5 膜生物反应器 2 5 0 5 k g m l s s k g b o d 5 膜生物反应器 2 5 o 3 k g m l s s k g b o d 5 膜生物反应器5 0 o 2 k g m l s s k g b o d 5 1 3 4 膜生物反应器的类型与技术参数 1 9 6 8 年美国人s m i t h 曾经研究过一种生物活性污泥技术与膜技术结合的废 水处理技术，这是最早的膜生物反应器技术【14 1 。它是一种废水处理技术中传统 活性污泥法的改进，即将传统活性污泥法的二沉池去掉，以分离膜代替来进行固 液分离。目的是为了解决传统活性污泥法的污泥膨胀而引起的出水固体悬浮物浓 度高的问题。 膜生物反应器从整体构造上看，是由膜组件及生物反应器两部分组成。根 6 第一章绪论 据这两部分操作单元自身的多样性，膜生物反应器也必然有多种类型。膜组件部 分有超滤( u f ) 和微滤( m f ) ，膜过滤的压力驱动方式有加压型和抽吸型：生物反应 器可分为好氧和厌氧两大类。按组合方式可分为两大类型：即分置式和一体式。 分置式是指膜组件与生物反应器分开设置，超滤膜的压力驱动是靠加压泵( 见图 l 一2a ) ：一体式是指膜组件安置在生物反应器内部，压力驱动靠真空泵抽吸。 一体式也有两种形式，一种是转盘式，即在生物处理槽内设置中空轴及圆板状膜， 通过中空轴的旋转，使安装在轴上的膜也随之转动，形成错流型过滤。另一种是 浸没式，即将中空纤维膜组件宜接浸没于曝气池内，靠空气和水流的扰动来减缓 膜污染( 见图1 2b ) 。 6 1 进水2 空气管3 反应器4 循环泵 5 膜组件6 回流污泥7 出水 1 进水2 反应器3 膜组什4 空气管 5 真空泵6 出水 a 分离式膜生物反应器b 一体式膜生物反应器 图1 2 固液分离膜生物反应器 分置式与一体式各有优缺点。分景式膜生物反应器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的过滤端，在压力作 用下混合液中的液体透过膜成为系统处理水；固形物、大分子物质等则被膜截留， 随浓缩液流回到生物反应器内。分置式膜生物反应器由于膜组件自成体系，具有 系统运行稳定可靠；膜易于清洗、更换及增设；膜的通量普遍较大等优点，但泵 的高速旋转产生剪切力使某些微生物菌体会产生失活现象。由于一体式不使用循 环泵，则不存在这一问题。但对于转盘式，膜的拆装、清洗较为困难，而浸没式 则可分组设置成若干框架结构，便于从曝气池中拿出，克服了不易拆装、清洗的 缺点，同时体积小，组装灵活。 分最式动力消耗很大，为膜提供高压操作、造成膜表面高速错流的加压回 流泵，是使得动力消耗大的原因。日本将该工艺运用到办公楼饮用水回用系统的 动力消耗为3 5 5 k w h m 3 ，是传统活性污泥的1 0 倍【1 5 l 。而一体式由于不使用循 环泵，动力消耗大大减少。m o h n i s h i 等人设计的转盘式膜装置，膜分离单元的 能耗仅是o 7 3 k w h m 3 ，比常规装置所要求的动力减少1 5 。而y a m a m o t o 将中 第一章绪论 空纤维膜直接置于曝气池内用真空泵间歇抽滤出水，泵的动力消耗仅为 0 0 0 7 k w h m 3 i “1 。 总之，污泥浓度高，固体停留时间长，有机物去除率高，硝化效果好，是 各类膜生物反应器的菇同特点。但水通量低，动力消耗大，也限制了膜生物反应 器的推广应用。 由于一体式膜生物反应器具有组装灵活，运行费用低的特点，因而这一起 源于同本的技术，也受到德国、英国、法国等欧洲国家的重视，并将这技术与 反硝化工艺相结合，形成如图1 3 所示的具有脱氮功能的膜生物反应器，表1 - 2 则汇总了他们的主要研究成果。 图1 3 具有脱氮功能的膜生物反应器 表卜2 浸没式膜生物反应器的技术参数【1 8 1 研究者 德国德国英国法国德国 膜形式中空纤维膜 板式膜板式膜 中空纤维膜 中空纤维膜 膜孔径o 2o 4o 4o 2o 2 膜面积( m 2 )8 3 48 01 6 01 2 2 7 8 反应器总容积( m 3 ) 4 】( 硝他)6 _ 3 ( 硝化)1 5 jo 6 5 ( 硝化) 曝气量( m 3 h )1 3 88 01 4 2 膜通量( lh - 1 m 。2 ) t 6 2 02 12 5 反应器内m l s s ( g i 。1 ) 1 2 1 81 2 1 61 61 5 - 2 51 2 2 0 污泥龄( d ) 1 5 2 02 0 2 54 5 进水c o d ( m g 1 。) 2 0 0 - 3 0 0 2 0 0 3 3 0 0 - 8 0 02 9 0 - 7 2 08 0 0 出水c o d ( r a g j - 1 2 02 06 11 3 1 6 2 0 进水n h 4 一n ( m g 1 。1 ) 4 0 - 6 04 0 - 6 03 0 7 02 2 _ 3 - 5 03 5 出水n h 4 - n ( m g ，1 _ 1 ) 5 未检出 51 6 3 2 1 研究中所采用的板式膜均为日本k u b o t a 公司的产品，中空纤维膜均为加拿 第一章绪论 大z e no n 公司的产品。板式膜的孔径大于中空纤维膜的孔径。德国进行的对比 实验表明，板式膜的阻力特性优于中空纤维膜，丽二者的出水水质无显著差异， 同时，板式膜和中空纤维膜对细菌和病毒也都有很好的截留作用。表卜3 为出 水中细菌学的分析结果。 表卜3 出水中的细菌学分析结果“9 1 细菌学参数板式膜中空纤维膜 大肠菌总数( 个l o o m l ) 3 09 0 粪便大肠杆菌( 个1 0 0 m 1 ) 3 0 4 0 3 0 2 05 0 2 4 0 e s a u法国 渗滤液 31 0 - 5 0 9 0 年代初，m b r 开始应用于废水的脱氮除磷研究，h i d e k i 与h i d e n o r i 分别 进行了m b r 的高效氧氮硝化与工业废水去除磷酸盐的研究1 3 1 1 。c h i e m c h a i r i 等人进一步对中空纤维膜淹没式膜生物反应器进行了中试研究1 3 2 】。他们的研究 情况如表1 5 所示： 第一章绪论 表1 - 5不同形式膜生物反应器的技术参数及处理效果1 3 3 分置式 一体j 好氧 系统彤，好钒好肇【抽i 驶厌氧好铽转盘好筑浸没好氧浸没 加压 h r t ( h ) 7 5 5 ，8 7 4 a4 8 1 2 02 44 s r t ( d ) 5 2 064 1 7 1 7 56 5术排泥来排泥 m l s s 9 ( 4 3 1 0 91 4 8 ，2 4 7 2 2 49 o n c o d 负衔 1 1 65 - 40 7 9 1 5 51 0 2 51 5 t l m a d ) 膜类型u fu fm fu fu fu fu f 膜扎衽 0 0 20 0 40 13 0 0 * +6 1 2 0 0 30 0 1 ( u m ) 膜结构管武管式平板圆盘中空纤维中守纤维 膜材料陶瓷p s fp sp s p s s t n聚乙烯 膜面流速 3 42 5 30 82 6 ( m s ) 甲衡能量 氇0 7 5n 0 6 6( 3 0 0 5 - 0 0 10 0 4o 0 7o 4 63 3 6 - 1 0 - 5 ( 矗，m 2 h ) 工业骶力 2 7 510 5 9 9 01 1 0 01 0 0 1 0 0 - m l v s s”b o d 5 负荷“+ 切割分子量( 万) ”一t o c 一体式膜生物反应器具有组装灵活，运行费用低的特点，因而这一起源于 日本的技术，也受到德国、英国、法国等欧洲国营农场家用的重视，并将这一技 术与反硝化工艺相结合，形成图1 3 所示的具有脱氮功能的膜生物反应器，表1 - 6 汇总了他们的主要研究成果。 1 l 第一章绪论 表1 - 6 具有脱氮功能的膜生物反应器的研究概况畔 德国德国英国法国德困 膜形中窄纤维膜扳式膜板式膜中窄纤维膜中空纤维膜 膜孔径( u m ) 0 。2n 40 4o 2o 2 膜血积( m 2 )8 3 48 01 6 01 22 7 8 反斑器总容积( m 3 )4 1 + + 2 8 6 3 + + 2 7 5 +1 5 50 6 5 + + 0 2 5 + 曝气量( m h 。1 ) 1 3 81 3 8 8 0 1 4 2 膜压力( k p a ) 3 0 1 0 膜通壁( l h 一- m 2 ) 1 62 02 1 m l s s ( gl 1 1 2 3 01 2 1 61 61 5 - 2 51 2 2 0 污泥龄( d )1 5 - 2 02 0 2 54 5 _ i 2 水c o d ( m g l ) 2 0 0 - 3 0 0 2 0 0 - 3 0 0 3 0 0 - 8 0 0 +2 9 0 - 7 2 0 8 0 0 “i 水c o d ( m g l 1 ) 2 0 2 06 11 3 1 6 2 0 进水n h 。n ( m g l 1 ) 4 0 - 6 0 4 0 6 旷3 0 7 32 2 - 3 - 5 03 5 水n h 4 - n ( m g ，l 1 ) 5 来检小5l ，6 - 3 2 j 硝化反应 总容积反硝化反应器总容积 1 9 9 2 年法国c h a n g j 等人将m b r 应用于给水处理【3 5 1 ，开展了微污染饮用水 脱氮的研究，该研究中氮的容积负荷达2 5 k g m 3 d ，h r t 在3 0 6 0 r a i n ，出水的 氮浓度在0 1 2 0 m g l 并采用反冲洗的技术使膜通量在长达2 个月的运行中一直 维持在1 0 0 l _ h r m 2 。1 9 9 6 年，u r b r a i n v 用m b r 进行饮用水生产的中试研究i 矧， 以去除饮用水中微量的氮、有机物与杀虫剂，取得了良好效果。 进入九十年代中后期，膜生物器在国外已进入了实际应用阶段。加拿大的 z e n o n 公司是一家跨国性的公司，致力于膜生物反应器的推广工作f 3 7 1 。它首先 将超滤管式膜生物反应器应用于城市污水处理。为了节约能耗，它又开发了淹没 式中空纤维膜丝的膜组件，目前此种生物反应器已应用于美国、德国、法国和埃 及等十多个地方，规模从3 8 0m 3 d 至7 6 0 0m 3 d 捌。在荷兰，一脂肪提取加工厂 采用传统的氧化污水处理其生产废水，由于生产规模的扩大，导致污泥膨胀，污 泥难以分离，最后采用z e n o n 的膜组件代替沉淀池，运行效果良好【3 7 l 。另一个 在膜生物反应器实际应用具有竞争力的公司是日本的k u b o t a 公司m l ，它所生产 的板式膜具有流通量大、耐污染和_ i 艺简单特点。此板式膜直接放入混合液中， 利用混全液的水压力作为穿透压，将处理水排出系统，系统出水稳定，这种m b r 系统结构更加简化，能耗低，是m b r 的一种发展方向。 尽管膜生物反应器有着十分广阔的应用前景并在实际中得到应用，但同其 它工艺样，它的发展也面临着许多问题，如它的应用受到膜制造技术的制约， 膜污染和能耗问题，它的应用领域的扩展及操作条件的简化问题，另外还有不可 降解的有机物和无机成分在反应器中累积以及微生物的活性衰减等问题。这些问 第一章绪论 题，都应成为今后m b r 发展的研究方向。 1 4 2 膜生物反应器的国内研究与应用现状 我国关于膜生物反应器的研究较晚，华东理工大学环境工程研究所林哲等 人进行了m b r 处理人工合成污水和制药废水的可行性研究1 3 9 ”】。清华大学钱易 等人采用进1 3 板式、中空纤维式有机膜生物反应器( o m b r ) 工艺进行了处理生 活污水小试试验【4 ”，并进行了采用陶瓷膜生物反应器工艺处理生活污水的试验 研究。1 9 9 5 年，樊耀波等将m b r 用于石油化工污水交货的研究【4 2 - 4 3 1 ，研制出 一套实验室规模的好氧分离式m b r 。同期，中国水污染与废水资源化研究中心 人员采用截留分子量为3 0 0 0 0 的聚砜中空纤维膜组件 4 2 m 】，对生活污水( 不含 粪便污水) 进行回用处理研究，王亚娥等( 1 9 9 9 年) 研究了膜生物反应器影响 因素1 4 4 j ；管运涛等研究了两相厌氧膜生物系统处理淀粉废水及其膜组件运行特 性1 4 5j 哈尔滨建筑大学白晓慧等人采用一体膜一复合反应器处理生活污水，总氮 去除率达7 5 以上。 他们的研究表明，膜生物反应器工艺在投资和运行成本上与传统工艺基本 持平，但在占地、维护管理、处理水质、自动化程度等方面有较大优势。 随着我国水污染和水短缺问题的加重，我国的m b r 研究正加快发展【删， 1 9 9 7 年中国科学院生态环境研究中心开始了穿流式膜一生物反应器的研究工 作，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；m b r 的研究对象从生活污水扩展到石化污水、高浓度有机废水、食品 废水、啤酒废水、港v i 废水、印染废水；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。目前膜一生物反应器已有在大楼废水、生活 污水回用、医院废水处理的工程实例，但应用工程数量还较少。国产的专用膜一 生物反应器的膜材料、膜组件还十分有限，有待加快研究和开发，以加快我国 m b r 技术的应用与发展。 1 5 膜生物反应器中几个重要问题的讨论 膜生物反应器用于废水处理时，其主要参数除了膜自身性质( 膜组件、膜 材质、截留分子量、截留率、水通量) 与操作方式( 预处理、操作压力、膜面流 速、温度和膜的污染及清洗方法等) 的参数外，还有生物处理的主要参数，主要 为有机负荷、m l s s 浓度等。 1 5 1 膜组件操作条件对膜通量的影响 膜组件操作条件主要是指膜面流速和操作压力。 理论上讲，提高膜面流速对防止浓差极化、增大膜通量是有利的。但另一 第一章绪论 方面提高膜面流速即意味着增大压力，使工艺过程能耗大。一般湍流体系中流速 为1 3 m s ，在层流体系中通常流速小于l m s 。黄霞等人1 4 7 】的研究认为，膜面流 速的大小主要影响膜面凝胶层的形成，从而影响膜通量。其研究结果表明，当膜 面流速小于1 5 m s 时，增加膜面流速可使膜通量迅速提高，但当膜面流速大于 1 5 m s ，膜面流速的增加对膜通量的促进作用大大降低。日本松本认为膜通量与 膜面流速成诈比关系l 勰j 。 y m a g a r a 等【49 】研究了不同膜面流速下操作对膜通量的影响。结果表明，在 低膜面流速下，凝胶层的形成与操作压力相关，操作压力增大阻力增加，而压力 较高时凝胶层增厚，阻力增加。松本的研究表明，在膜面流速为3 m s 、s s 为1 1 0 9 l 的条件下试验得出膜通量随压力变化的规律为：操作压力为0 0 1 m p a 时，膜通量 可达到峰值，在此压力前，膜通量基本和压力成正比关系，而大于此压力后膜通 量基本不变。对于膜孔径为0 1 2 um 的膜l 临界压力约为0 0 1 m p a ，而对于孔径为 0 0 4 u m 的膜，其临界压力约为0 0 6 m p a 左右。保田雄二1 5 0 l 的研究以浓度为2 0 l 的污泥为对象，在l k g c m 2 - 5 k g c m 2 压力范围内，膜通量基本恒定。黄霞【拍1 等人 以截留分子量为2 0 0 0 0 的聚丙烯材质平板式超滤膜为研究对象，在膜面循环速度 1 6 8 m s ，m l s s 为1 2 2 9 l 的条件下所得结果为：当压力较小时，膜通量与压力 成j f 比，但当压力大于0 0 6 m p a 时，膜通量的增加速率降低，并逐渐