（矿物加工工程专业论文）一体式膜生物反应器在小区污水回用中的试验研究.pdf

黑龙江科技学院硕士学位论文 摘要 一体式膜生物反应器是新型的污水处理工艺，是生物处理技术与膜技术 的有机结合，具有对污染物去除率高、剩余污泥产量少和出水水质稳定优质 等优点，本实验采用一体式生物膜反应器进行中水回用的研究，并对膜污染 防治进行了探讨。 首先对膜生物反应器的运行控制条件进行了优化研究，通过正交实验系 统地考察了各因素对膜生物反应器的影响，考察膜生物反应器的运行效能， 结果表明，在曝气量为0 5 m 3 l 、抽吸时间为8 m i n 、停吸时间为7 m i n 、污泥 浓度3 - 4 9 l 、d o 为3 5 - 5 m g l 时膜生物反应器的处理效果最优：其次在最 佳运行条件下通过向一体式膜生物反应器中分别投加聚合铝和粉煤灰改变料 液性质，提高膜生物反应器的去除效率，探讨预防膜污染的方法。 实验还借助现代化的分析手段对膜污染的防治机理进行了初步探讨，借 助x 射线衍射和红外光谱分析反应器中活性污泥性质的变化，利用扫描电镜 分析中空纤维膜的表观结构的变化情况。实验结果表明，聚合铝的投加改变 了活性污泥的性质和生物膜的表观结构，可有效的减缓膜污染，以聚合铝作 为化学除磷剂，能有效提高除磷率，在投加量为s 0 0 m g l 时效果最佳，除磷 效率达8 5 以上，出水c o d 浓度为3 3 4 m g l ，氨氮浓度为5 6 2 m g l ，总磷 浓度降至0 6 2 m g l ，完全达到中水回用标准，并且聚合铝的投加可有效的延 缓膜通量的衰减速度，在未加聚合铝时，6 0 分钟后膜通量衰减为初始通量的 6 5 1 ，加入聚合铝s 0 0 m g r l 时能有效提高为7 8 6 。而粉煤灰的投加并未 达到预期效果。 关键词：一体式膜生物反应器，膜污染，聚合铝，污泥浓度，溶解氧 中水回用 黑龙江科技学院硕士学位论文 a b s t r a c t m e m b r a n eb i o r e a c t o rw a sar e a s o n a b l ec o m b i n a t i o no fb i o l o g i c a lt r e a t m e n t t e c h n o l o g y a n dm e m b r a n et e c h n o l o g yw i t h m a n ya d v a n t a g e ss u c h a s h i 【g h r e m o v a le f f i c i e n c yo fp o l l u t a n t s ，t i t t l es u r p l u ss l u d g e ，s t a b l ea n dh i g hq u a l i t yo f e f f l u e n t , s oi tw a sb e c o m m gan e wa n dr a p i dd e v e l o p i n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n t a n dr e c l a m a t i o nt e c h n o l o g y s u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o rw a ss t u d i e do n r e c l a i m e dw a t e ri nt h ee x p e r i m e n t , a n dt h em e m b r a n e f o u l i n gw a s d i s c u s s e d t h ef a c t o r so fm e m b r a n eb i o r e a c t o rw e r eo p t i m i z e da tf i r s ti nt h ee x p e r i m e n t v a r i o u si n f l u e n c i n gf a c t o r sw e r er e v i e w e db yas e r i e so fo p e r a t i o n a lc o t i d i t i o na n d p a r a m e t e r sa n da n a l y z i n gs t a t u sa c c o r d i n gt oi n v e s t i g a t et h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c y t h er e s u l t ss h o w e d 也a tt h ee f f i u e n tq u a l i t i e sa n dt r e a t m e n te f f e c to fm e m b r a n e b i o r e a c t o rw e r et h eb e s tw h i l et h ea m o u n to fa e r a t i o nw a s0 s m 3 l , t h et i m eo f a e r a t i o nw a s2 0 h , t h es u c t i o nt i m ew a s8m i n , t h es u c t i o ns u s p e n d e dt i m ew a s7 m i n t h em l s sw a sa b o u t3 坝t h er a n go fd ow a s3 5 5 m 班s e c o n d ，i n o r d e rt op r e v e n tm e m b r a n ef o u l i n ga n di m p r o v et h ee l i m i n a t i o ne f f e c to fp o l l u t i o n , p o l y m e r i ca l u m i n u ma n df l y - a s hw e r ef e e di n t om e m b r a n eb i o r o a c t o rr e s p e c t i v e l y u n d e rt h eb e s tf a c t o r st oc h a n g et h ep r o p e r t yo fw a s t e w a t e r s o p h i s t i c a t e de q u i p m e n t sw e r eu s e dt oa n a l y z em e c h a n i s mo fm e m b r a n e f o u l i n g m e a n w h i l e a c t i v es l u d g ew a sa n a l y z e dw i t hx r a yd i f f r a c t i o na n d i n f r a r e ds p e c t r u mm e t h o d ，h o l l o wm e m b r a n ew a sp r o b e dw i t hs e mi no r d e rt o i n v e s t i g a t e t h em e c h a n i s mo fm e m b r a n ef o u l i n g t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p e r t yo fa c t i v es l u d g ea n db i o - m e m b r a n es t r u c t u r ew e r ec h a n g e db ya d d i n g p o l y m e r i ca l u m i n u m ，a n dm e m b r a n ef o u l i n gw e r er e d u c e ae f f e c t i v e l y t h ec o d o fd i s c h a r g e dw a t e rw a s3 3 4 m 扎n h 3 nw a s5 6 2 m 叽1 1 pw a s0 6 2 m 叽i t c a nm e e tt h ed e m a n do ft h es t a n d a r do fr e c l a i m e dw a t e rr e u s e ，e s p e c i a l l yt h e r e m o v a lr a t eo fp h o s p h o r o u sc o u l dr e a c h8 5 w h i l ep o l y m e r i ca l u m i n u mw a s a d d e da t8 0 0 m la n di tc a nr e t a r dt h ed e c l i n eo fm e m b r a n ef l u xf r o m6 5 1 t o 7 8 6 i no n eh o u ra f t e ra d d i n gp o l y m e r i ca l u m i n u ma t8 0 0 m g ，lm o r e o v e rn o e f f e c tw a so b s e r v e dw h e na s h 日vw e r ef e e di n t ot h em e m b r a n eb i o r e a c t o r k e y w o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r ；e l i m i n a t i o no fp h o s p h o r u s ；m e m b r a n ef o u l i n g ； p o l y m e r i ca l u m i n u m ；m is s ；d o ：r e c l a i m e dw a t e rr e u s e 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。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过的研究成果，也不包含为获得黑龙江科技学 院或其它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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：矗亟出日期：2 鲤z 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人 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) 授权黑龙江科技学院研究生处办理。 研究生签名拙师签名：褒壅盎狙 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 近2 0 年来，水资源的日趋短缺和水环境污染制约了人类社会和经济的可 持续发展，成为世界绝大多数国家稳定和发展所面临的最突出的问题之， 迫使人们必须认真对待。大量的工业废水和生活污水的排放造成的水资源污 染严重损害了人们的健康和生产的发展，也破坏了生态平衡。据世界卫生组 织统计，每年至少有1 5 0 0 万人死于水污染引起的疾病1 1 】。中国每年从城市排 放工业废水和生活污水约4 2 0 亿立方米，e i t ( e n v i r o n m e n t a l i n t r a s t m c t u r a l t e c l m o l o g i e si n c ) 评估1 2 ，约有1 0 的废水经处级处理，另有1 0 废水经二 级处理，水资源的管理、水污染的防治、城市污水的回用及其对经济、社会 发展影响的分析已成为我国政府部门、社会各界关注的热点【1 一i 。为了解决 水危机，世界各国根据自己国情，采取了相应对策，其中开源节流是必选的 途径，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，又减少 了对水环境的污染和水生态环境的破坏，是解决水危机的重要战略举措。因 此污水的处理回用和水的循环，己成为全世界的共识。伴随着污水性质的不 同以及处理要求的不断变化，出现了许多新型技术以工艺，膜技术及膜生物 反应器便是其中的重要一环。 膜技术是污水治理和回用中的重要工具，而且是今后废水深度处理和回 用的首选技术。它主要应用于污水的深度处理和二级处理。在深度处理中用 反渗透( r o ) 可有效的脱出盐及部分有机物，对悬浮物的脱除更彻底。在二级 处理中膜技术( m f 、u f ) 多与活性污泥法相结合，用以代替原工艺中的二沉池， 这就是近年来发展迅速的膜生物反应器，其出水可用于农业灌溉、绿化、市 政工业用水及生活杂用水。膜技术在大规模废水处理和回用中的应用是近几 年才被接受和发展起来的新技术，污水的种类和组成又极其复杂，尚少见有 较全面、系统地介绍膜技术在工艺及设计方案方面的资料。 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 2 研究意义和目的 文献报道中对膜生物反应器的研究非常多，但膜生物反应器仍然不能得 到广泛推广，其最重要的一点就是，有关膜污染的问题不能有效地得到解决， 膜污染、膜通量和水中污染物的去除率是始终处于矛盾之中。各种膜对水中 各类有机物的去处效果和膜污染问题的解决是膜技术研究的重点，也是使其 产业化的关键，因此研究膜污染的预防和清洗就有着十分重要的意义。 本研究的目的是结合当前国内外膜生物反应器的发展动向，以及实际水 处理的需要，寻求膜生物反应器应用于小区生活污水回用中的可行性，通过 大量实验考察了各要素对膜生物反应器的影响，对膜生物反应器的工艺参数 进行了优化，实验中以投加絮凝剂改变料液性质的方法来减缓膜污染的进程， 并通过x 射线衍射、红外光谱对活性污泥以及扫描电镜对中空纤维膜进行分 析，对膜污染的机理进行了初步探讨，以期能够有效解决膜污染的问题，提 高膜通量的恢复率，为实现工业化提供必要的基础研究依据。 1 3 课题的来源 黑龙江省普通高等学校骨干教师创新能力资助项目( 项目编号： 1 0 5 4 6 0 4 2 ) 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 第二章文献综述 2 1 污水回用的发展概况【4 习 污水回用处理可分为集中式和分散式，目前在大多数城市中，集中式污 水回用系统占主导地位，2 0 世纪末，分散式污水回用处理才开始受到人们的 注意和研究。分散式小区污水回用即把小区产生的各种污水进行收集，就地 处理，经处理后达到所要求的水质标准，再用于小区环境用水和杂用水。以 生活用水为例，用于烹饪、饮用的水约占5 ，而对占2 0 3 0 不与人体直 接接触的生活杂用水如冲厕用水等，加上小区绿化灌溉用水、空调冷却水、 地面冲洗水以及车辆清洗等用水也可归入生活杂用水的范畴，这种用水分布 为小区生活污水的回用去向提供了可能。 2 1 1 国外污水回用的发展概况 在国外，从2 0 世纪印年代起便先后对城市污水回用进行了研究和应用， 污水再生回用于城市生活，国外主要分为非限制性娱乐用水、限制性娱乐用 水、观赏用水、生活杂用水等。通常对人体频繁接触的生活杂用水与景观环 境水需严格控制大肠菌群浓度。在污水再生回用的兴起发展中，欧美，以色 列、日本等都开展了小区污水回用的研究与实践工作。 美国是世界上采用污水再生利用最早的国家之一，2 0 世纪7 0 年代初开 始大规模污水处理厂建设，1 9 7 9 年有3 5 7 个城市回用污水，涉及城市回用、 农业回用、娱乐回用、环境回用、工业回用等方面。全国城市污水回用总量 约为9 4 1 0 8m 3 a ，其中灌溉用水占总用水量的6 2 ，工业用水占总用水量 的3 1 5 ，5 用于地下回灌，1 5 用于娱乐、渔业等。 以色列是在中水回用方面最具特色的国家，到1 9 8 7 年，全国有2 1 0 个市 政回用工程，1 0 0 生活污水和7 2 的城市污水回用，占全国污水处理量4 6 的出水直接回用于灌溉，其余3 3 3 和约2 0 分别回流于地下或排入江河， 回用方式上包括小型社区的就地回用，中等规模城镇和大城市的区域回用。 建地下水库，污水进行深度处理后进入水库，由国家统一调控使用。 南非是世界上较早考虑污水回用的国家之一，1 9 6 8 年在温得霍市建成一 3 黑龙江科技学院硕士学位论文 座城市污水深度处理厂，再生水直接供给自来水管网，在城市总水量中占的 比例最高曾达到5 0 1 6 1 。 日本因国土狭小、人口众多，水资源严重缺乏，因此在小区污水回用方 面的研究探索与实践较多，于1 9 6 2 年开始回用净化后的城市污水，已有较多 的中水系统供生活杂用，约占回用量的加，日本的双管供水系统比较普遍， 东京将污水厂的深度处理水回用于一条小溪，收到了一定的经济效益和社会 效益。 除此之外，德国、巴西、奥地利的城市污水处理回用程度也比较高。 2 1 2 国内污水回用的发展概况 国内对于小区污水回用处理研究，没有国外的系统化，较多的是对单个 建筑的污水处理，且工艺仍是传统方法的组合，仅有少量的针对小区污水处 理与回用的示范工程。从2 0 世纪7 0 年代我国开始开展小区中水回用的研究 工作，但大多在北方缺水城市，针对小区生活污水水质进行不同处理流程的 研究，提出相应的优化工艺。“八五”期间，分别开展了以大连、太原、天律、 泰安、燕山石化等为依托的工程性试验。2 0 0 0 年，以“十五”纲要为标志， 中水回用被正式写入文件，表明全国开始全面启动中水回用工程，近几年， 中水回用工作日益受到重视，国内许多城市都建设了中水回用工程。北京市 污水回用是从灌溉开始，后来将污水进行二级处理和消毒后，供洗车、绿化 和冲厕用水，1 9 9 9 年落成了全国首座环保住宅小区，该小区每日排放的6 4 0 m 3 生活污水经小区内一座污水处理厂处理后，再利用于喷洒绿地、冲洗汽车、 清洁道路，每天多余的中水排入该区的一个人工湖中【7 j 2 1 3 建立小区污水回用系统的可行性 合理的利用中水资源，不仅可缓解全球性的供水不足，而且改善了生态 环境，实现了水资源的可持续发展。近十年来，城市中水回用的重点，一直 集中在占有较大比重的工业废水上，经过多年努力，工业废水回用率已达7 0 以上。但是随着人们生活水平和工业废水回用率的提高，生活污水占城市污 水的比率已由过去的3 0 提高到4 0 以上，部分经济发达城市已接近6 0 ， 而目前我国城市污水处理率不足2 0 ，随着城市数量的增多，城市密度的加 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 大，生活污水排放量将从1 9 9 2 年的1 8 0 1 0 8 t 增加到2 0 1 0 年的5 6 0 1 0 6 t ， 因而，生活污水的回用问题已摆在我们面前。 建立分散式小区污水回用系统是解决生活污水回用的有效手段，它具有 以下优势： ( 1 ) 中水回用系统管线短、投资小，作为小区的配套设施建设，不需要政府 集中投资，可行性比较大。 ( 2 ) 将生活污水就地进行处理并回用，既节约了水资源，又消除了环境污染， 具有双重的经济效益。 ( 3 ) 水质水量变化不大，污染物浓度偏低，与城市污水相比，污水可生化性 好，处理难度小。 ( 4 ) 能够将优质排水与其他污水分开。 目前我国城市小区建设中水回用系统的条件己基本具备，首先生活污水 量大，杂用水需求量也大，水量容易平衡；其次，城镇居民人口数量的快速 增长和居民小区的不断规模化，以及水处理技术的不断发展，使中水系统的 初始投资和运行费用大幅度降低；再次，住房的商品化、小区管理的兴起和 完善，为中水系统的投资回报奠定了基础。最后小区生活污水相对稳定，污 染物浓度较低，易于收集，工艺流程不需过于繁琐，再生成本低，尤其是城 市供水水价持续上涨，小区污水经过适当处理后，用于小区绿化、厕所冲洗、 洗车和清洁等有很好的社会效益和经济效益。 2 1 4 膜生物反应器在小区污水回用中的前景 对于小区生活污水回用，根据中水原水水质不同及污水回用的去向，处 理流程也不一样，目前一般采用以下几种中水处理流程： 流程l ( 物化处理为主) 原水一格栅一调节池一混凝处理或气浮一过滤一消毒一中水 流程2 ( 生化处理为主) 原水一格栅一调节池一生物处理一沉淀一过滤一消毒一中水 流程3 ( 二段生化处理) 原水一格栅一调节池一一段生物处理一沉淀一二段生物处理一沉淀一 过滤一消毒一中水 流程4 ( 物化+ 生化处理) 原水一格栅一调节池一混凝处理或气浮一沉淀一生物处理一沉淀一过 黑龙江科技学院硕士学位论文 滤一消毒一中水 日本、美国、南非等国还采用活性炭吸附、臭氧消毒、反渗透等法进行 中水处理，我国8 0 年代起建立了一些中水回用试点工程，主要采用物化与生 化相结合的方法。 目前中水回用普遍采用的是接触氧化、生物转盘等二级处理+ 絮凝沉淀 过滤等三级处理的工艺组合。尽管其投资成本不高，但普遍存在处理效果欠 佳、运行费用较高、设施占地面积较大以及处理设施运转不理想等缺点。膜 生物反应器作为一种将膜分离技术与传统污水生物处理工艺有机结合的新型 高效污水处理与回用工艺，近年来在国际水处理技术领域日益得到广泛关注。 它应用于小区中水回用具有以下特点：工艺流程短，所需设备少；设备占地 面积小；c o d 和n h 3 一n 、菌类等污染物的去除率高；剩余污泥量少，出水水质 好：污水经过膜生物反应器工艺处理后，某些情况下可不加消毒设施，直接 回用。所以，推广岫r 工艺在中水回用领域的应用，具有很大的实际意义。 2 2m b r 的分类和特点嘲 膜生物反应器是以酶、微生物活动、植物细胞为催化剂，进行生化反应 或生物转化，同时凭借超滤分离膜不断的分离出反应产物并截流催化剂而进 行连续反应的装置。自从美国的s m i t h 于1 9 6 9 年创造性地把m b r 引进到废 水处理中以来，世界上又开发出各种各样的m b r 法，用在城市生活污水和 可生物处理的工业废水处理工艺中，既克服了传统活性污泥法( c a s ) 本身的 一些不可避免的弊病，同时又具有膜分离工艺占地少、高效和操作方便的优 点。 按膜组件的作用方式，膜生物反应器可分为内压式和外压式两种。内压 式中，水的透过方向是从管内向管外，而外压式相反。在实际应用中大多使 用的是外压式膜生物反应器，因为内压式膜生物反应器流道往往较小，容易 被污染颗粒所堵塞。 按膜分离技术与生物反应器的组合方式，可分为分置式和一体式( 淹没式) 膜生物反应器两种。 1 1 分置式膜生物反应器 分置式膜生物反应器，是指膜组件与生物反应器分开设置，在反应器中 设有循环管路，靠加压泵加压进水，加压泵从生物反应器抽水，压入膜组件 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 中，膜的滤过水排出系统，浓缩液回流至生物反应器，也称交叉流式膜生物 反应器。 分置式膜生物反应器具有以下特点： 组装灵活，各种不同种类的生物反应器与膜组件可以相互组合，形成 各种形式的分置式膜生物反应器。 易于控制，便于设备的安装，膜组件的清洗、维护、更换及增设等。 易于大型化，分置式系统可以建成大规模的工业化系统，不受生物反 应器的限制。 、透水率可相对增大，因为膜组件在有压下工作，膜通量较大，而且泵 的工作压力可在膜组件的承受压力范围内灵活调节，从而可最大限度的增大 透水率。 易于对现有的工艺进行改造。 动力消耗大、系统运行费用高。 2 ) 一体式膜生物反应器 日本学者y a m a m o t o 等伽在1 9 8 9 年首次开发了一体式m b r ，一体式膜生物 反应器是将无外壳的膜组件直接浸没在生物反应器中，微生物在曝气池中好 氧降解有机污染物。空气搅动在膜表面产生紊流，在这种剪切力的作用下， 胶体颗粒被迫离开膜表面，减缓膜的堵塞，膜出水靠抽吸泵抽吸出水。目前 这种系统使用较为普遍，它有以下特点： 结构紧凑、体积小。 工作压力小、动力消耗小，一体式膜生物反应器每吨出水的动力消耗 为0 2 o 4 k w h ，约是分置式的十分之一。 节省了液体循环至膜分离设备以及截流的固体返回到生物反应器的 费用，因而运行成本低。 过膜压力小，沿着纤维长度方向基本分布均匀，堵塞率低。 出水不连续。 一体式膜生物反应器的膜通量低于分置式。 按膜组件在生物反应器中作用不同可分为三种：固液分离膜生物反应器、 无气泡膜曝气生物反应器( m a b r ) 和萃取膜生物反应器( e m b r ) 1 1 0 l 。其中固液 分离膜生物反应器是唯一商品化的膜生物反应器。 1 无气泡膜曝气生物反应器 1 9 9 2 年，a h m c d 和s c m m e n s l l l j 等人开发了无气泡膜生物反应器。膜曝 气生物反应器是采用疏水性致密可透气的多孔复合膜，将氧转移给生物反应 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 器中的降解性微生物，而不形成气泡。污水在膜的外表面上流动，氧反向扩 散，与膜壁上附着的生物膜及其吸附的污染物接触并发生生物氧化降解，这 样使氧得到充分利用。在m a b r 工艺中，生物膜能够截流高浓度活性微生物， 而且氧转移到生物膜的速率较高，因此用它代替传统工艺处理需氧量高的污 水，极具吸引力。 在膜曝气系统中，由于氧气停留在膜组件中，气体停留时间越长，分配 到液相中的氧气比例越大，氧气传质效率越高，氧气的传质效率有时可达 1 0 0 。又由于氧气的传质面积一定，在传统曝气系统中影响气泡大小和停留 时间的因素对其没有影响，系统供氧更稳定，选择不同的膜表面积和气压， 能满足生物反应器的各种需氧量。 由于是无泡供氧，这种曝气器可用于含挥发性有毒有机物或发泡剂的工 业废水处理系统，膜曝气系统尤其适用于曝气池活性污泥浓度很高、需氧量 很大的系统。另外，如果曝气池也可以在有压工况下运行，曝气器的膜还有 疏散c 0 2 的功能。 2 萃取膜生物反应器 1 9 9 4 年，英国学者l i v i n g s t o n l l l 】研究开发了萃取膜生物反应器( e m b r ) 。 e m b r 是用膜将废水与活性污泥隔离开，废水在膜腔内流动，由于膜具有选 择透过性，能萃取废水中的挥发性有机物，如芳烃、卤代烃等。这些污染物 先在膜中溶解扩散，以气态形式离开膜表面后溶解在膜外的混合液中，最终 作为活性污泥中的专性细菌的底物而被分解成c 1 0 2 、h 2 0 等无机小分子物质。 由于膜的疏水性，废水中的水及其他无机物均不能透过膜向活性污泥中扩散， 使污染物从废水经过膜进入生物反应器所需的传质动力只有靠有机物在生物 反应器中的生物降解产生浓度梯度来维持。营养物介质的无机成分在管式硅 膜的外侧流动，因而不受管内废水的有害性质影响。因此在生物反应器中的 条件能够优化，以保证高的生物降解负荷率。 2 3 膜生物反应器的运行参数及主要影响因素 膜生物反应器的技术参数涉及生物反应器与膜单元两部分。就m b r 而 言，有污泥负荷、污泥浓度、水力停留时间、微生物停留时间等与一般的生 物反应器应控制的参数基本一样。就膜单元来说，有膜材料、膜孔径和膜结 构的选择，有操作方式、操作压力、膜面流速、透水率、反清洗时间和反清 8 黑龙江科技学院硕士学位论文 洗周期等操作参数。其中，生物工艺参数主要影响m b r 的处理效果，膜分 离参数主要影响m b r 的处理能力。 2 3 1 膜生物反应器的主要参数及影响 2 3 1 1 有机负荷率 对于传统的生物处理法，在一定的有机负荷范围内，随着有机负荷的升 高，处理效率下降，处理水的底物浓度将升高。而对于m b r 来说，有机负 荷的变化对处理效果的影响不大。李红兵等用m b r 处理生活污水l 埘，在高 c o d 容积负荷( 5 7 6 k g c o d m 3 d ) 与稳定条件下负荷( o 弘1 o k g c o d m 3 d ) ， 获得处理效果基本相同，c o d 去除率都达9 0 以上。 污泥负荷率决定生物反应器的处理能力，即 二堕 昭 式中污泥负荷率：k g b o d s ( k g m l s s d ) ； v 生物反应器容积，m 3 ； 工生物反应器内污泥浓度，m 如 s o 生物反应器进水b o d 5 浓度，r a g l ； q 进水量，m 相。 膜通量决定膜组件的处理能力，即 ，。垒 a 对于膜生物反应器设计时，生物处理能力必须与膜组件的处理能力匹配， 即单位时间生物反应器处理的水量应等与单位时间膜能透过的水量，即 y j s o1 8 l an x 对强度很高的废水，应降低其初始负荷，以避免硝化物的抑制作用。 2 3 1 2 污泥浓度 膜生物反应器内污泥浓度的大小，不仅影响有机物的去处能力，而且对 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 膜通量也产生影响。m b r 中污泥浓度一般在1 0 2 0 9 l ，有些污泥零排放的 废水处理过程，甚至高达5 0 9 a ，但由于在相对较长的污泥龄和较低的污泥 负荷下操作，污泥产率仍较低，在0 加3 4 k g m l s s ( k g c o d d ) 之间变化m 】， 所以大大增加生物反应器对有机物的去除能力，减小生物反应器的体积。但 是污泥浓度的提高会增大混合液粘度，对分离会产生不利影响，膜通量会随 污泥浓度对数值增加而线性减小1 1 4 】。m b r 内污泥浓度的控制，应根据水质、 水量及膜组件形式而定。一般处理低浓度污水宜控制较低的污泥浓度，以尽 量提高膜通量；而处理高浓度污水时宜控制较高的污泥浓度，以尽量增大有 机物去除能力。 2 3 1 3 生物固体停留时间( s r t ) 及水力停留时间( h r t ) 生物固体停留时间也称细胞平均停留时间或污泥龄，水力停留时间即为 污水在生物反应器中的停留时间。在传统的生物处理法中，生物反应器中的 s 盯和m 玎是相关的，很难达到分别控制的目的，而在m b r 中，可以对它 们分别控制，实现很短得h r t 而同时又很长的s r t ，这样就使污水中的那 些大分子颗粒状难降解的成分在有限容积的生物反应器中有足够的停留时 间，从而被微生物降解，达到较高的去处效果。同时，当膜表面积一定时， 它们可控制膜生物反应器出水流量的膜通量。随着膜生物反应器的运行，膜 通量的稳态过程实际上是一个动态平衡，这就决定了水力停留时间是在一定 范围内变化的。 由于生物反应器内污泥浓度较高，有较强的抗冲击负荷的能力，所以 h r t 的变化虽然对出水水质有影响，但影响不大，b o d 5 的去除率都在9 5 以上。另外膜及膜表面形成的凝胶层也可截流大分子有机物，从而保证出水 水质。但实验发现( h i d e l 【ih a r a d a 等) 过短的h r t 将会导致系统内溶解性有 机物的积累，从而引起膜通量的下降，因此m b r 内h r t 的控制，应尽量维 持系统内溶解性有机物的平衡，设计时可考虑使生物曝气池容积有一定的调 节容量【s j os u n g s o oh a r t 等研究表明【1 4 】，c o d 的去除率随s r t 的减小而减 小，但总去除率保持在9 2 ，氮的去除率随s r t 增加而增加直到7 0 天时， 去除效果在1 0 0 天时下降是因为单位面积的低生物量生长和缺乏反硝化作 用，并且很多特定的生物活性如s o u r 、s n r 、s d n r 在延长s r t 时都会减 小。 在城市污水处理中，加玎在2 2 4 h 之间都可以得到高脱除率，污泥龄 1 0 黑龙江科技学院硕士学位论文 在5 3 5 0 0 d 范围内，污泥龄对排水水质的影响也不大，当污泥龄增加到3 0 d 时脱除率稍有增加，再提高污泥龄，并没有迸一步改进。在工业废水处理中 的h r t 通常要比城市废水高得多，常需几天，而s r t 与城市废水处理相近， 为6 - - 3 0 0 天。 2 3 2 膜组件的主要技术参数及影响 2 3 2 1 膜通量 膜通量是影响m b r 的一个重要参数，一般在保证出水水质的前提下， 膜通量应尽可能大，这样可以减少膜的使用面积，降低基建费用和运行费用。 m b r 有两种操作方式，一种是恒定膜通量变操作压力，对于长期运行的膜 过程，采用恒通量操作方式，控制膜的初始通量，有利于控制膜污染【1 5 】。另 一种是恒定操作压力变膜通量。对于某一特定的膜生物反应器，存在临界的 膜通量，当实际的膜通量大于临界值时，膜污染加重，膜清洗大大缩短。临 界膜通量随膜面错流流速的增加而呈线性增长。在恒压控制时，膜通量随时 间呈对数关系变化，开始时膜透水率降低得很快，后变化缓慢。y a m a m o t o 等p 佣膜生物反应器处理生活污水时发现，膜透水率在前0 5 h 内就降低了 1 8 ，而后两小时内仅降低1 9 。同样，李淑莉等在用聚砜膜超滤黄连药液 时，膜通量在前3 0 s 内降低3 5 ，后4 0 s 内仅降低8 【1 6 1 。另外，温度升高 有利于膜的过滤分离，m a g a r a 研究证实温度每升高1 膜通量可以增加2 这主要是由于温度升高导致混合液的粘度有所降低【切。 2 3 2 2 操作压力和膜面流速 操作压力和膜面流速是很重要的操作参数，对膜通量的影响很大，而且 是相互关联的。对于操作压力的影响，许多研究者认为存在临界压力值， m a r s e l l 认为，当操作压力低于临界压力值时膜通量随压力的增大而增加； 高于此值则会引起膜表面污染加剧，而且膜通量随压力的变化并不明显【1 8 】。 不同的膜具有不同的临界压力值，且随膜孔径的增大而减小1 1 9 】。考虑到日后 清洗方便，一般认为操作压力控制在0 1 - - 0 2 m p a 。 膜面流速的增加可以增大膜表面的水流扰动，减少污染物在膜表面的积 黑龙江科技学院硕士学位论文 累，提高膜通量。但d e v e r e u x 等发现膜面流速并非越高越好，高膜面流速 可以使污染层变薄，可能造成膜的不可逆污染 2 0 l 。也有研究者认为高剪切力 会破坏活性污泥絮体并会导致某些微生物菌种失去活性【2 1 】，从而影响了 m b r 的生物处理效果。膜面流速选择时还要考虑到混合液中污泥的浓度， 通常膜面流速保持在1 5 m s 。 2 4 膜材料和膜组件 2 4 1 膜材料 膜材料是膜工艺最关键的部分，也是膜法水处理技术的基础。膜材料决 定了膜制品的性能及使用寿命。 表2 - 1 部分膜材料的优、缺点 现有的膜材料有有机( 聚合物) 及无机两类( 见表2 - 1 ) 。用作膜材料的聚 合物主要有如下类别：纤维素类、聚酰胺类、芳香杂环类、聚砜类、聚烯烃 类、硅橡胶类、含氟高分子，无机膜包括陶瓷膜、微孔玻璃、金属膜和碳分 黑龙江科技学院硕士学位论文 子筛膜。在膜生物反应器中常用的膜材料有聚丙烯、聚乙烯、聚砜、聚偏氟 乙烯等化学性质较稳定的膜材料。无机膜材料具有耐高温、耐强酸强碱和有 机溶剂、耐微生物侵蚀、机械强度高等优点，因此无机膜在水处理中主要的 方向就是废水处理，特别是一些条件苛刻的工业废水处理。 2 4 2 膜组件形式 目前的膜组件形式主要有板框式、卷式、中空纤维、毛细管及褶皱式五 种，这些膜组件形式的优缺点见表2 2 。 表2 - 2 膜组件形式 好的膜组件应具备以下性能：单位体积膜组件的膜面积大：料液侧 流体湍流程度高，以促进传质，控制膜污染；单位体积产水能耗低；单 位膜面积费用低；便于清洗，不易堵塞。 2 5 膜生物反应器的研究概况、水平和发展趋势 2 5 1 国外膜生物反应器的研究进展 膜生物反应器最先应用于微生物发酵工业，1 9 6 5 年b a t t e n 等人提出了 用膜分离技术进行微生物浓缩。1 9 6 8 年w a n g 成功运用膜生物反应器制造酶 制剂i 捌。膜生物反应器在废水处理领域中的应用研究始于2 0 世纪6 0 年代的 黑龙江科技学院硕士学位论文 美国，美国的s m i t h 于1 9 6 9 年首次报道了活性污泥法和超滤结合处理城市 污水的方法l 矧。1 9 6 9 年b u d d 的分离式m b r 技术获得了美国专利i 川。 2 0 世纪7 0 年代以后，厌氧m b r 技术相继开始研究，b e m b e r i s 等人1 9 7 1 年在污水处理厂进行了试验，取得了较满意的结果i 矧。1 9 7 8 年，g r e t h l i c n 2 6 进行了厌氧m b r 处理生活污水的研究。与此同时，日本根据本国国土狭小、 地价高的特点对膜分离技术在废水处理中的应用进行大力研究，使膜生物反 应器开始走向实际应用。 8 0 年代以后，随着膜质量的提高和造价的降低、膜分离工艺的完善、 膜清洗方法的改善和污水厂出水水质要求的提高，国际上对膜生物反应器的 研究更深入。1 9 8 9 年，日本建设省在“9 0 年代水复兴计划”中开发了一种 膜技术与生物反应器相结合处理工业和城市污水，省能省电，出水水质好， 适于污水回用的工艺。日本学者y a m a m o t o 等在i 9 8 9 年首次开发了一体式 岫r ，一体式膜生物反应器是将无外壳的膜组件直接浸没在生物反应器中， 微生物在曝气池中好氧降解有机污染物。空气搅动在膜表面产生紊流，在这 种剪切力的作用下，胶体颗粒被迫离开膜表面，减缓膜的堵塞，膜出水靠抽 吸泵抽吸出水，目前这种系统使用较为普遍。8 0 年代末以来，m b r 已不再局 限于生活污水和城市污水处理，处理对象扩宽到工业废水、石化废水、发酵 废水甚至堆肥、填埋场沥滤液等废水处理方面。 9 0 年代，各国对膜生物反应器投入了大量精力，从各个方面提高了m b r 的实用性。胁d a l 2 刁和h i d e n o r i 冽分别进行了m b r 的高效氧氮硝化与工业 废水去除磷酸盐的研究。1 9 9 2 年，c h a n g j 1 2 9 1 等人将m b r 应用于给水处理， 开展了微污染饮用水脱氮研究。1 9 9 4 年，英国学者l i v i n g s t o n l l l l 研究开发了 萃取膜生物反应器( e m b r ) 。e m b r 是用膜将废水与活性污泥隔离开，废水 在膜腔内流动，由于膜具有选择透过性，能萃取废水中的挥发性有机物，如 芳烃、卤代烃等。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。 2 0 0 2 年c h e t t i y a p p a nv i s v a n a y h a f l 等为减少反透法用于脱盐海水中的操 作和维护，改进了r 0 统的工作情况【3 1 】。2 0 0 2 年，a l p e rn u h o g l u a 等用m b r 对饮用水进行脱氮的实验，实验反应器为一个搅拌釜，并且分别以间歇和连 续两种方式进行操作。利用m b r 可使n 0 3 n 去除率上升到9 8 5 【3 2 】。 i - i i d c a k in o m a 等将膜技术应用于菲律宾一旅游胜地海岛的水处理，该岛 的饮用水由反渗透法海水淡化制得。目前m b r 主要应用于3 个方面：用于 回用水；处理工业废水；处理城市生活污水。 1 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 ， 2 5 2 国内膜生物反应器的研究进展 我国对膜生物反应器的研究工作起步较晚，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。1 9 9 3 年上海华东化工学院研 究了用膜生物反应器处理人工合成污水和制药废水的可行性j ：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验研究 3 s ；1 9 9 5 年樊耀波将m b r 用于石油化工污水净化研究i 蚓；1 9 9 8 年清华大学 环境工程系邢传宏等对无机膜生物反应器处理生活污水进行了试验研究1 3 7 j ， 效果较好；1 9 9 9 年同济大学和大连理工大学的李红兵、杨磊等人先后利用中 空纤维微滤、超滤膜生物反应器处理生活污水【1 2 鲫。2 0 0 0 年，王连军用无 机膜生物反应器处理啤酒废水【3 9 】；2 0 0 0 年顾平采用国产中空纤维膜对膜生 物反应器处理生活污水进行中试试验【舯l ，出水可直接回用。2 0 0 1 年郑祥等人 讨论了膜生物反应器运行条件的优化和膜污染的控制m j 。2 0 0 3 年，张西旺等 在一体式处理高浓度有机废水研究的基础上，针对高氨氮城市小区生活污水 进行中试研究1 4 “。 2 6 小结 小区生活污水不同于包括部分工业废水的城市污水，其水质水量特征为： 水质、水量小时变化系数较大，污染物浓度通常比城市污水低，污水可生化 性好，处理难度较小。结合小区污水的这种性质和膜生物反应器的优点，膜 生物反应器应用于小区污水回用的前景非常好，但是膜生物反应器工艺的发 展不仅取决于工艺本身，还取决于其经济可行性。膜工艺的费用主要包括膜 的价格、膜的更换频率和能耗需求。随着膜的制作水平的提高，膜的价格已 大大降低，而膜的更换频率与膜的稳定运行有关，这就取决于料液对膜的作 用，其中膜污染成为一个很重要的因素。因此膜污染和能耗问题是m b r 推 广应用中遇到的共同问题，寻求膜污染防治措施成为当前研究的一个重要方 向。 国内外许多科技人员对膜生物反应器进行的大量研究工作主要集中在： ( 1 ) 运行方式的研究；( 2 ) 各种工艺参数对处理效果的影响以及优化；( 3 ) 膜 的污染和清洗；( 4 ) 新型膜材料和膜组件的开发。 黑龙江科技学院硕士学位论文 第三章实验方案的选择及系统的启动 3 1 实验装置 由文献综述综合考虑，本实验选用一体式中空纤维膜生物反应器，实验 装置如图3 - 1 所示，其中4 为中空纤维膜组件，膜材质为聚丙烯微滤膜，膜 孔径为0 1 - 0 2um ，膜面积0 2 m 2 。反应器3 的有效体积为2 0 l ，生活污水 经进水箱由泵抽吸到反应器中， 本装置采用微孔曝气器7 进行曝 气，曝气器设置在膜组件的下方， 曝气口斜向下4 5 度方向，膜下曝 气有两个作用：一是为了满足反 应器中生物对氧的需求，二是造 成水的循环流动，在反应器中形 成完全混合的环境，有利于膜分 离过程，同时增加膜表面的扰动， 减缓膜堵塞。曝气量