（材料学专业论文）一体式中空纤维帘式膜生物反应器性能的研究.pdf

摘要 本文应用一体式中空纤维帘式膜生物好氧反应器进行了模拟废水实验研究，通过帘式 膜组件在模拟废水中一系列运行试验及状况分析，考察了各种影响因素，重点对运行条件 和操作参数进行优化设计，实验结果表明气水比在2 5 ：1 ，曝气量为3 0 m 3 h ，污泥浓度在 4 - 5 9 l ，水力停留时间为6 1 0 h ，曝气池内泥水混合液的温度在3 0 ，d o 控制在 2 ，o 3 5 m g l ，p h 在6 5 - 8 0 ，在曝气管为烧结管产生的均匀小气泡的作用下处理效果最 理想，出水c o d c r 去除率达9 8 ，b o d 5 的浓度均 1 0 m g l ，平均去除率达到9 9 ，出水 平均浊度为0 2 9 7 n t u ，不进行人为排泥是可行的，帘式膜组件表现出了高效截留的特性， 同时还探索了在膜两侧放置与膜平行的隔板后，隔板间距对整个系统的处理效果的影响， 实验发现污水经过一个兼氧一好氧一兼氧这样的过程，使得此探索工艺具有某些a o 法的 特征，并且在隔板间距为o 1 0m 时达到较佳的处理效果，尤其是提高了氮磷的去除效果， 氨氮的去除率由原来的8 9 提高到9 2 ，总磷去除率由原来最高达8 1 提高到平均去除率 为8 3 ，可见m b r 具有去除含氮化合物和脱磷的特性，为实现m b r 在较长泥龄下除磷 提供了参考依据，为促进m b r 得到实际的推广和应用提供优化方法和工程参数。 上恻油o 本文还研究了膜通量的衰减情况。数据表明搜用后膜通量降低到初始膜通量的三分之 一，膜污染比较严重，进行换向操作有利于减轻膜通量的衰减，单位膜面积膜通量平均提 高了4 5 l ( m 2 - h ) 。对污染之后的中空纤维膜的内部傲电镜分析和红外光谱分析，表明膜 的污染是不断变化的，其实际污染状态与当时的运行条件和混合液性质有关，与中空纤维 膜丝的轴向特征、以及中空纤维膜丝的长度和直径有关，这方面还有待于进一步研究。 本文还采用m b r 法对纺p v d f 中空纤维工艺中处理添加剂产生的泡丝废水做了初步 的探讨。首先对此废水进行厌氧生物处理，c o d c r 由3 1 1 6 0 m g l 降到1 0 8 2 m g l ，达到一 定的降解目的之后再进入m b r 体系，进行好氧生物处理，c o d e r 的平均去除率达到了9 3 ， 出水c o d c r 的平均值为8 9 m g l ，b o d 5 的平均去除率达到了9 9 3 ，出水浊度均低于 1 0 n t u 。初步实验证明，属比较难于降解的纺丝废水经过辅助的厌氧生物处理后采用m b r 法处理是一种切实可行的方法，为纺丝废水的实际处理提供工艺参考和借鉴。 关键词：活性污泥；膜生物反应器； 隔板间距；曝气量；水力停留时间；污泥浓度 溶解氧：膜污染；厌氧生物处理 束经俸耆、导师同意 勿全文公布 a b s t r a c t t h i sp a p e rw a ss t u d i e do ns i m u l a t e dw a s t e w a t e rb yu s i n gs u b m e r g e dh o l l o wf i b e rh a n g m g c u r t a i nm e m b r a n eb i o r e a c t o r 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 y as e r i e so f o p e r a t i o n a l c o n d i t i o na n dp a r a m e t e r sa n da n a l y z i n g s t a t u s a c c o r d i n g t o h a n g i n g c u r t a i n m e m b r a n em o d u l e r u n n i n g i nt h es i m u l a t e d w a s t e w a t e r o p t i m i z e dd e s i g n t o o p e r a t i o n a l c o n d i t i o na n dp a r a m e t e r sw a sp u tf o r w a r de m p h a t i c a l l y t h er e s u l t su n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n g c o n d i t i o n ss h o w e dt h a tt h ee f f l u e n tq u a l i t i e sa n de f f e c to ft r e a t m e n t so ft h em b rw e r et h eb e s t w h i l et h er a t i oo f a wa t2 5 ：1 ，m ea m o u n to f a e r a t i o nw a s 3 0 m s h , t h em l s s w a sa t4 5 班，h r t w a sa t6 - l o h ，t h et e m p e r a t u r eo f m i x e ds o l u t i o ni nt h ea e r a t i o nw a s3 0 c ，t h er a n g eo f d i s s o l v e d o x y g e nc o n c e n t r a t i o nw a s2 0 - - 3 5 m g l ，p hw a s 6 5 - 8 0 t h ee v e ns m a l la i rb u b b l ew a sc a m e f r o ma g g l o m e r a t i o n p i p e a n dt h ea v e r a g e e f f l u e n tr e m o v a l e f f i c i e n c yo f c o d e r a n db o d 5w e r e r e s p e c t i v e l y9 8 a n d9 9 ，t h ec o n c e n t r a t i o no f e f f l u e n tb o d s w a s e v e n l yl e s st h a nl o m g l ，t h e a v e r a g et u r b i d i t yo f e f f l u e n tw a so 2 9 7 n t u ，p r o v e dt h a tw i t h o u tm a n - m a d el e t t i n gs l u d g ew a s a c c o m p l i s h e d o n f e a s i b i l i t y a n dh i 曲e f f e c t i v e r e t a i n i n g f e a t u r eo f h a n g i n g c u r t a i nw a s r e p r e s e n t e d t h e s p a c eb e t w e e nc l a p b o a r d st h a tp l a c e dt h es i d e so fm e m b r a n em o d u l ea n dp a r a l l e l e dh a s g r e a te f f e c to nt h er e m o v a le f f e c to f t h ew h o l es y s t e mb a s e do n e x p e r i m e n t s ，i tw a sf o u n dt h a t t h ep r o c e s so f f u l t a t i v ea e r o b i c - a e r o b i c f u l t a t i v ea e r o b i cw a s h a p p e n e da n d h a ss o m ef e a t u r e so f a o t h er e m o v a le f f e c tw a sg o o dw h i l et h es p a c eb e t w e e n c l a p b o a r d sw a s0 1 0 m ，e s p e c i a l l yi t i m p r o v e dt h e r e m o v a le f f e c to fn i t r o g e na n dp h o s p h a t e ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fn h 3 - n i n c r e a s e df r o m8 9 t o9 2 ，t h er e m o v a l e f f i c i e n c yo f t o t a lp h o s p h a t er a i s e df r o mt h em a x i m u m o f 8 1 t ot h ea v e r a g eo f8 3 ，t h u si tc a nb e e ns e e nt h a tm b r t o o ko nt h ec h a r a c t e r o f n i t r o g e n c o m p o u n d sa n dp h o s p h a t er e m o v a l ，p r o v i d e dr e f e r e n c ef o rm b rt or e a l i z ep h o s p h a t er e m o v a la t a l o n g e rs l u d g er e t e n t i o nt i m ea n do p t i m i z a t i o nm e t h o da n de n g i n e e r i n gp a r a m e t e r sf o rm b rt o o b t a i na c t u a lp r o p a g a t i o n sa n d a p p l i c a t i o n t h ea t t e n u a t i o no fm e m b r a n ef l u xw a sa l s os t u d i e di nt h i s d i s s e r t a t i o n t h ec i a t as h o w e d t h a tm e m b r a n ef l u xa f t e ru s i n gd e c r e a s e dt h et h i r dt h a to fi n i t i a la n de x p l a i n e dm e m b r a n e w a s p o l l u t e dv e r ys e v e r e l y c h a n g i n go r i e n t a t i o nw a si nf a v o ro fa l l e v i a t i n gt h ea t t e n u a t i o no f m e m b r a n ef l u xa n dm e m b r a n ef l u xo fu n i to fm e m b r a n ea r e ao f m e m b r a n em o d u l ea d v a n t e d 4 5 l ( m 2 “1a v e r a g e l ys c a ne l e c t r o nm i c r o s c o p ew a se m p l o y e dt o o b s e r v em a da n m y z et h e i n n e ro fh o l l o wf i b e rm e m b r a n ea n dm a d ek n o wt h a tt h ep o l l u t i o no f m e m b r a n ew a sc h a n g e d c o n s t a n t l y , t h a to fp r a c t i c a lp o l l u t i o n s t a t eh a dt h er e l a t i o nw i t ht h et e m p o r a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n a n dt h ec h a r a c t e ro fm i x e ds o l u t i o n ，t h ea x i a lf e a t u r eo fh o l l o wf i b e rm e m b r a n et h r e a d ，t h e l e n g t ha n dd i a m e t e ro f h o l l o wf i b e rm e m b r a n et h r e a d ，t h i sa s p e c tw a su n d e rs t u d y t h i sp a p e ra l s oh a dap i l o ts t u d yo nw a s t e w a t c ro fi m m e r s e dt h r e a dt h a tr o o t e di nd e a l i n g w i t ha d d i t i v ei nt h ep r o c e s so fp v d ff i l a t u r ea d o p t i n gm b r a tf i r s tt h ew a s t e w a t e rw a sc a “i e d t h r o u g ha p p l y i n gt o 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 ta n do b t a i n e de x c e l l e n tr e m o v a le f f e c t ，t h e c o n c e n t r a t i o no fc o d c rd e c r e a s e df r o m3 1 1 6 0 m g lt o l 0 8 2 m g l a f t e ra r r i v i n ga tt h ea i mo f s o m ec e r t a i nd e g r a d i n gd e g r e e ，t h e nc a m ei n t om b r s y s t e m ，a e r o b i cb i o l o g i c a lt r e a t m e n tw a s d o n e ，t h ea v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d c ra n db o d sw e r er e s p e c t i v e l y9 3 a n d9 9 3 ， t h ea v e r a g ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o nv a l u ew a sc o d e r8 9 m g l ，a n dt h et u r b i d i t yw a sa v e r a g e l y l e s st h a nto n t u t h ep r i m a r ye x p e r i m e n tp r o v e dt h a tw a s t e w a t e rf r o mf i l a t u r eh a r dt od e g r a d e c o u l db ea p p l i e dt om b rt r i e db y s e c o n d a r ya 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 i sf e a s i b l em e t h o d c o u l db er e f e r e d g et e e h n i c sa n du s ef o rf a c t u a lt r e a t m e n to f w a s t e w a t e rf i o mf i l a t u r e k e yw o r d s ：a c t i v a t e ds l u d g e ；m e m b r a n eb i o r e a c t o r ；a e r a t i o nr a t e ；t h es i z eo fa i rb u b b l e ； h y a r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ；t h es p a c eb e t w e e nc l a p b o a r d s ；m i x e ds u s p e n d e ds o l i d ； d i s s o l v e do x y g e n ；m e m b r a n ep o l l u t i o n ；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 独创性声明 y 6 2 7 442 s a m q 月行旱- 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，除了文中特别加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，也不包含为获得丞洼王、业盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我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。 学位论文作者签名：歹驴稻 签字日期：c 土哆年，- 月彤f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权丞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) 学位沦文作者签名：铃 签字| ：= 期：一年i ) 月，7 日 导师签名：d 甚名云 鞘泊手 s - s ：日期：二6 町年，2 月三z 日 天津t 业大学碱【。学位论文 第一章 膜生物反应器( m e m b r & n eb i o r e a c t o r 绪论 m b r ) 是以酶、微生物或动植物细胞为催化剂 进行化学反应或生物转化，同时借助膜分离技术装置不断的分离出反应产物并截留催化 剂而进行反应的装置。污水处理中的m b r 法是将膜分离技术中的超微滤技术和活性污泥 法有机结合的污水处理高新技术，主要有膜组件、生物反应器、物料输送三部分组成， 其运行原理是利用反应器内大量的微生物有效地降解污水中各种有机物，使水质得到净 化，并通过膜分离装置代替传统工艺中的二沉池，提高固液分离的效率，从而得到优质 的出水，基本解决了传统的活性污泥法存在的污泥膨胀、污泥浓度低等因素造成的出水 水质达不到中水回用要求的问题“。3 1 。随着研究和开发的深入，m b r 技术已经显示出良好 的发展前景，在污水处理领域正在受到广泛的重视，并孕育着极大的发展潜力，其应用 范围和规模将不断扩大和增加。目前m b r 在国外已进入实际应用，在国内的应用也得到 了快速发展。 1 1 m b r 的发展历史 m b r 最早用于酶制剂工业，b l a t t 等在1 9 6 5 年提出了用膜分离技术进行微生物浓缩， 该技术现已形成工业化规模。我国无锡酶制剂厂1 9 8 4 年开始使用m b r 技术制取糖化酶。 美国的s m i t h 于1 9 6 9 年刨造性地把m b r 技术引进到废水处理中来，他利用一个外部 循环的板框式组件实现了膜过滤【4 】，并在生活污水处理中获得了极佳的处理效果。b u d d 的 m b r 于1 9 6 9 年被确定为美国专利，这可作为m b r 用于水处理的标志“1 。污水处理方面早 期的研究重点在于去除水中盐份和海水淡化，开发适合高浓度活性污泥的膜分离装置，但 由于当时膜技术尚不发达，制约了这一技术的研究与应用。7 0 年代以后，日本做了大量的 研究和开发，使m b r 走向实际应用。8 0 年代以后，随着膜制造技术的发展、膜分离工艺 的完善、膜清洗方法的改进和污水厂出水水质要求的提高，m b r 开始在污水处理行、世得到 较广泛的工程应用。法国、美国、德国等对m b r 的研究也投入了很大力量，使m b r 的研 究内容更加全面而深入，为今后的广泛推广应用奠定了基础。这一时期有关m b r 的研究， 主要集中在m b r 的处理效果和运行稳定方面。许多研究都证实了m b r 能够获得良好的出水 水质a 日本的三井石化公司采用m b r 对：有机物的去除效果进行了全面研究。他们用m b r 处 理粪便污水，在进水b o d 5 为8 1 0 0 m g l 、c o d 为9 0 4 0 m g 1 。的条件下，经处理后得出水 b o d s 1 0 m g l ，c o d 2 4 0 m g l ，取得了前所未有的处理效果；用丁处理大楼，l 活污水， 进水b o d 5 为3 3 0 7 1 0 m g l ，出水b o d s 仪为1 5 m g l ，c o d 为1 0 3 0 m g i 。可以作为楼 天津工业_ t i = 学硕士学位论c = 房中水用水、草地喷水和汽车洗水等，达到了污水回用的目的【6 】。同时研究结果还表明， m b r 具有良好的稳定性。此时期所研究的m b r 的形式主要是分离式，称为第一代m b r ， 膜组件主要为平板膜和管式膜，均采用错流式膜组件，循环水量大，造成能耗较高。 随着研究能耗问题的进一步深入，出现了第二代新型的一体式k i b r 。日本东京大学对 一体式m b r 进行了研究，他们将中空纤维膜组件罱入活性污泥反应器内进行了试验。实验 结果表明该系统c o d 去除率在9 5 以上，有机负荷可达3 4 k g c o d m 1 d ”3 。由于膜组件采 用间歇抽吸方式运行，运行负压在2 0 4 0 k p a 之间，因此系统能耗很低，低于一般分置式 m b r 的能耗。许多学者对一体式m b r 工艺进行了广泛的研究，内容涉及对生活污水和工业 废水等不同领域的污水处理效果、膜分离特性及其影响因素、生物反应器内的微生物特性 等。y a m a m o t o 等人做了将中空纤维膜直接浸于曝气池内的一体式m b r 的研究，证明了采用 恻歇抽滤和低压操作，可在很大程度上防止不可恢复的膜堵塞9 3 。w o n gy k 等研究了。 体式m b r 中中空纤维膜的物理排列与膜堵塞程度的关系。3 。u e d a “”在实验室里进行了重力 自流式一体式m b r 的实验，为进一步简化一体式m b r 开辟了新途径。在8 0 年代末和9 0 年 代初，加拿大z e n o n 环境公司研制成功了z e n o n g e m 、p e r m a f l o wz - 8 管式膜组件、z e e w e e d 等一系列工艺，大大推动了m b r 技术的市场化进程。 1 9 9 2 年，荷兰t r i q u a 3 公司提出了穿流式m b r ，发现其能耗是分离式m b r 的十分之一。 s a k e l l a r i o u s 也对穿流式m b r 和分离式m b r 进行比较时发现穿流式的能耗比分离式的能耗 小得多，但是对穿流式m b r 在实际废水处理中的工程应用相对很少。1 9 9 7 年，英困的学者 c u i 提出气提式m b r 的概念，实验表明气提可以替代循环泵，能增加3 0 的透水率，他认 为这项技术非常适合在污水处理中应用 i z o 1 9 9 9 年，- * 4 新型的一体式m b r 一重力淹没式 m b r 由t a t s u k iu e d a 等人在日本试验成功。进入9 0 年中后期，b b r 在国外已进入实际应 用阶段，加拿大z e n o n 环境公司和同本k u b o t a 公司是m b r 实际应用中最有竞争力的两大 公司，他们分别开发和推出了超滤管式m b r 、淹没式中空纤维膜丝的膜组件、板式膜，进 一步推动了m b r 在废水领域的应用和发展。 近年来随着膜技术的飞速发展，日本、欧洲等膜制造技术发达的国家广泛开展了m b r 新工艺的研究。膜材质从早期的聚砜( p s ) 、聚丙烯腈( p a n ) 等超滤膜的使用发展到以聚烯烃 ( p e 、p p ) 、聚偏氟乙烯( p v d f ) 为主的微滤膜，日本膜专家通过长期的研究和实践认为 用于成分复杂的污水处理聚偏氟乙烯和聚烯烃有其优良的的化学稳定性、抗氧化性和黼污 染性，是最有前途的膜材料吲。从膜组件的结构类型上看，j b , n i * 2 9 a 的n * , i i i g ( 即将膜丝 天津工业大学硕士学位论文 装填到圆柱形外壳中) 发展到最新型的膜丝敞开帘式膜块型1 4 1 ，并且帘式膜块的组装同趋 密集化，在曝气池箱体内安装数片帘式膜提高了膜的装填密度。m b r 中使用的膜组件有平 板膜、管式膜和中空纤维膜发展到目前以中空纤维膜为主，如e t 本的m i t s u b i s h ir a y o n 公 司开发了屏幕式、集装式、反洗集束式p e 中空纤维膜组件【l ”。目前研究m b r 的国家不断 增多，美国、加拿大、法国、f f 本等国家已成功地把p e 、p v d f 、聚醚砜( p e s ) 等材料制备 的微滤膜应用到m b r 中，研究的深度和广度也在拓展，特别是在除磷脱氮和降解有毒化合 物方面，m b r 的类型也逐渐增多，废水处理的对象不断拓宽，在工业规模的应用和处理能 力日趋扩大和增加。今天，日本已经有数家公司提供m b r 成套产品，广泛应用于家庭污水 处理和回用以及废水中c o d 通常较高的一些工业领域，例如食品和饮料行业等，有5 0 0 多 个m b r 工程正在世界各地处理着各种不同的污水，如工业污水、城市污水、楼字污水和中 水回用等。 m b r 在我国水处理方面的应用首先从分离式m b r 开始的，对m b r 的研究仅有十年， 但发展十分迅速。1 9 9 1 年岑运华介绍了m b r 在日本的研究现状【l ，从此m b r 在水处理 方面的应用逐渐在我国开展了起来。天津大学是国内较早对m b r 进行研究的单位，1 9 9 2 年开展了用中空纤维膜进行泥水分离技术的科学研究，杨造燕于1 9 9 4 年对m b r 处理污水 及回用进行了研究，重点研究了m b r 工艺设备，较好地解决了膜堵塞的问题，通过处理 油墨废水，检验了m b r 的性质，取得了可喜的成果f 】，并在国家科委的资助下成功地研 制出了厌氧一好氧m b r 工艺，在该工艺的实用化方面迈出了重要一步。自1 9 9 3 年始，清 华大学的刘正雄( 1 9 9 4 ) 、汪诚文( 1 9 9 6 ) 、桂萍( 1 9 9 9 ) 等，天津大学的顾平( 1 9 9 8 ) 、同济大学 的李红兵( 1 9 9 9 ) 先后对m b r 处理生活污水并回用的可行性、操作运行条件、膜污染机理及 控制对策进行了探索，证明了m b r 处理生活污水并回用在技术上和经济上都是可行的。 在这些研究的基础上，m b r 在我国开始应用并呈现良好的前景。清华大学邢传宏、汪诚文 等( 1 9 9 6 1 9 9 7 l 协1 9 进行了平板超滤膜、管状膜与活性污泥结合的膜生物反应器处理生活污 水和模拟废水性能的研究。】9 9 7 年中国科学院生态环境科学研究中心开始了穿流式m b r 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和一体式m b r 的研究2 0 ； m b r 的研究剥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 门污水、印染废水；生物反应器从活性污泥扩展到接触氧化法、生物膜法等工艺；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。 天津t 业大学硕士学位论文 近几年来，国内许多科技人员也对m b r 进行了大量的研究工作，主要集中在： 1 运行方式的研究； 2 各种工艺参数( 包括生物工艺参数和膜工艺参数) 对处理效果的影响以及优化； 3 膜的污染防治和膜的清洗； 4 新型膜材料和膜组件的开发； 5 不断扩大m b r 的应用范围。 迄今为止国内有关m b r 的论文已接近2 0 0 篇。目前，m b r 已有在大楼废水、生活污 水回用、医院废水处理的工程实例，涉及化工、制药、食品、畜产和生活废水、印染等各 行业，与传统工艺相比，其优势非常明显。现在，m b r 应用于饮用水处理的研究已经开始， 天津大学也已完成了实验室规模的研究2 ”。天津“膜天”公司研制的p v d f 中空纤维帘式 膜组件、中科院生态环境研究所研制的p s 膜组件、浙江大学研制的p p 中空纤维微滤膜组 件等中空纤维膜组件在m b r 中都已经得到了初步应用。 当前m b r 正阻其高效率、低能耗的优势日趋完善，国内外逐渐了解t , n 掌握了它的 运行条件，并逐步拓宽它的应用范围，更加深入研究和开发它的新类型和新工艺，使其在 污水和给水领域中发挥应有的作用。 1 2 m b r 的类型 m b r 分为三类：膜分离生物反应器( m e m b r a i l es e p a r a t i o nb i o r e a c t o r ) ( 截留和分离固体) ； 膜曝气生物反应器( m e m b r a n ea e r a t i o nb i o r e a c t o r ) ( 无泡曝气，用于高需氧量的废水处理) ：萃 取m b r ( e x t r a c t i v em e m b r a n eb i o r e a c t o r ) ( n t - i i k 废水中优先污染物的萃取) 2 2 】。其中，膜 分离生物反应器是应用最广泛的一种m b r 类型。按照是否需氧可分为好氧和厌氧m b r ， 2 0 世纪7 0 年代后期大规模好氧m b r 首先在北美应用，然后依次是2 0 世纪8 0 年代早期日 本( 同期南非厌氧m b r ) ，9 0 年代中期欧洲，9 0 年代末期中国。好氧m b r 中目前占主导地 位的是分体式m b r ，能耗是一个主要的影响因素；厌氧m b r 中由于缺少曝气，目前均采 用分体式m b r 。 根据膜组件的类型可以分为中空纤维m b r 、管式m b r 、板式m b r 和卷式m b r ：根 据生物反应器的受压情况可以分为膜加压生物反应器( 生物处理装置处于密闭加压状态1 和 膜常压生物反应器( 生物处理装置处于常压状态) ；根据膜分离的形式分为微滤m b r 、超滤 m b r 、纳滤m b r 和反渗透m b r ；根据操作压力分为抽吸式m b r 和加压式m b r ；根据 膜使用形态分为浸渍型和循环型：根据膜组件的作用方式可分为内压式( 水的透过方向是从 天津 i ：业大学硕士学位论文 管内向管夕b ) , h # b - n 式( 水的透过方向是从管外向管内) ，在实际应用中大多使用的是外压式 m b r ，因为内压式反应器流道往往比较小，容易被污泥颗粒所堵塞造成膜污染。 膜分离生物反应器中的膜组件相当于传统生物处理系统中的二沉池，利用膜组件进行 固液分离，截留的污泥回流至生物反应器中，透过水外排。膜分离生物反应器按照膜组件 的放置方式可分为分体式m b r ( 生物反应器的混合液由泵增压后进入膜组件，在压力的作 用下膜过滤液成为系统处理出水，活性污泥、大分子物质等被膜截留，并回流到生物反应 器内，如图a ) 和一体式m b r ( 将膜组件置于生物反应器内，通过真空泵或其他类型的泵拙 吸，得到过滤液，如图b 1 。分体式m b r 中膜组件与生物反应器相对独立，膜组件般i j 与各种不同的生物反应器结合，构成各种不同的分体式m b r ，错流运行稳定可靠，易于膜 的清洗、更换及增设，操作管理容易，既能用于好氧处理，也能用于厌氧处理，但是山于 膜面流速需求要高，动力消耗较高。一体式m b r 体积小、运行能耗低，并且由于曝气形 成的剪切和紊动使污泥固体很难积聚在膜表面，不易堵塞膜纤维中心孔，同时还可以借助 曝气形成的剪切和紊动来控制膜表面固体的厚度。目前一体式m b r 使用较为普遍，但一 般只用于好氧处理。 目前把新的膜过程与生化技术相结合已发展了一些新型的m b r ，如膜接触f 萃取) 一生物 反应器、膜渗透生物反应器、膜酶( 生物) 反应器 2 3 1 。 膜组件 永 1 3 m b r 的优点 m b r ( 主要指膜分离m b r ) 在污水处理中的优缺点见表1 1 。从表中可以明最看出m b r 与以前的污水处理工艺相比有着无法比拟的优势，特别是出水水质可以满足目前最严格的 污水排放标准，与地面积小、设备集r l ，规模可大可小，小型装置可用于一个家庭，大型 天津工业大学坝l 学位论文 装置日处理量可达数万立方米，模块化，并且具有升级改造的能力。但是膜污染和目前高 昂的投资费用是m b r 进一步推广应用的主要障碍。随着材料科学技术的发展，膜材利和 膜组件的费用会逐步降低，但今后膜污染却依旧是m b r 推广应用的主要障碍。国内外存 此方面的研究很活跃，膜污染如何有效地控制与清洗一直是m b r 技术的前沿和热点之。 表1 1m b r 的优点和缺点 t a b l e l 1t h ea 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 b r 膜分离生物反应器 优点缺点 出水水质良好无须消毒 彻底去除出水中的固体物质 反应器内微生物浓度高，耐冲击负荷膜污染 膜的高效截留，实现了h r t 和s r t 的完全分离膜价格高 泥龄长，实现无剩余污泥排放，高负荷率曝气受到限制 系统不受污泥膨胀的影响 占地面积小，工艺设备集中，采用p l c 自动控制 模块化升级改造容易 注：水力停留时间( h y d r a u l i cr e n t e n t i o nt i m e ，h r t ) 污泥龄( s l u d g e r e n t e n t i o nt i m e s r t ) 1 4 m b r 的应用状况 m b r 以出水可以直接回用、节省占地面积、处理效果好等优点，使其在国内外已经有 了许多成功的应用实例。经过近4 0 年的发展，m b r 主要有分体式和一体式两大类产品，在 2 0 世纪9 0 年代初已经进入实际应用阶段，到1 9 9 3 年，已经报道由3 9 套分体式m b r 系统 用于日本的卫生和工业领域”“。m b r 在日本得到了极大的发展，率先将这一技术用于中水 道系统并取得成功“，目前在日本运行( 包括在建) 的m b r 占全球的6 6 ，其余的m b r 工 程主要在北美和欧洲。这些工程中9 8 以上是膜分离工艺与好氧生物反应器而非厌氧生物 反应器相结合。约5 5 是膜浸没于生物反应器中，其余则是膜组件置于生物反应器之外。 在英国、荷兰、德国等困家纷纷将该技术实用化，英国在1 9 9 7 年建立世界上最大的膜分 离活性污泥m b r ，其处理流量是2 0 0 0 m 3 d ；荷兰在处理能力为2 4 0 m3 d 的中试研究取得 成功后，正在建造处理能力为1 8 0 0 0 m 3 d 的m b r 污水处理厂，并计划从2 0 0 3 年_ i ：始建造 6 蒌堡! 些奎兰坐兰竺! ! 笙兰一一 处理能力为6 0 0 0 2 4 0 0 0 0 m 3 d 的m b r 污水处理场雎”。 在生活污水方面，j 三要涉及城市污水、楼宇污水、公厕污水、污水厂升级改造以及其 他有回用要求的污水处理场合。m b r 对生活污水的处理特性一直是研究的重点，其工艺形式 多采用好氧m b r 。在欧、美、日等国，其研究的目的在于一方面改造污水处理厂，使其达 到深度处理的要求；另一方面，用于灰水的处理，使其达到回用的目的。m b r 现在已被应 用到实际生产中去，特别是在膜制备技术较先进的国家，如k u b o t a 公司应用m b r 工艺在 英国用于家居污水处理量己逾1 00 0 0 m 3 d ，z e n o n 公司应用z e n o o e m 浸没式m b r 技术 处理楼宇污水、小区污水、商业污水等各个领域，最高处理能力达到5 6 7 8 m 3 d ，其中改造 美国科罗拉多州的城市污水处理厂，将其处理能力扩大3 0 0 0i t i3 d 就是成功的应用实例之 一。到2 0 0 0 年该公司已有处理能力高达1 2 7 0 0 m3 d 规模的废水处理工程【2 7 1 。目前在北美， m b r 处理生活污水的应用主要是流量在1 0 2 0 0 m 3 d 的小型处理装置。 m b r 作为一种强化的生物处理工艺，在工业废水的处理中也受到重视a 工业污水方丽， 主要包括制药废水、化工废水、食品污水等高浓度、难降解有机废水的处理。但是，由于 工业废水水质差异很大，不象生活污水那样具有较多的共同特点，因此，采用的工艺多种 多样，对于这些废水的处理，除了采用好氧m b r 外，厌氧m b r 工艺也得到了充分应用。南 非m e m b r a t e k 公司在2 0 世纪8 0 年代研制了厌氧m b r 用于高浓度工业污水，特别是食品和 酿造业的污水处理。9 0 年代初，美国在o h i o 建造了一套用于处理某汽车制造厂的工业废 水m b r 系统，处理规模为1 5 1 m3 d ，c o d 去除率为9 4 ，绝大部分的油与油脂被降解拉“。 1 9 9 9 年在欧洲安装的0 r e l i sm b r 大部分用于工业废水的处理，处理效果良好。目前好氧 m b r 工艺已经成功应用于下列行业的工业污水处理：包括医药、纺织、化妆品、食品、造 纸与纸浆、饮料、炼油工业与化工厂，在欧洲垃圾填埋场渗滤液的好氧m b r 处理厂正在兴 建。m b r 在不同种类废水中的应用比例见表1 2o 。 表1 2m b r 在不同种类废水中的应用比例 t a b l e l 2a p p l l e dp r o p o r t i o no fm b ri nd i f f e r e n tk i n d so fw a s t e w a t e r l 废水类型百分比 工业废水 2 7 大楼废水 2 4 生活污水2 7 城市污水 1 2 土地填埋厂渗滤液9 天津丁业大学硕士学位论史 近两年来m b r 在国内已进入了实用化阶段。从f i 前的趋势看，中水回用将是m b r 在我国推广应用的主要方向。表1 3 列举了m b r 在我国的应用实例及处理效果刚。这蝗 应用实例表明：m b r 对生活污水、高浓度有机废水与难降解i , l k 废水的处理效果良好。目 前在国内，天津膜天膜工程有艰公司专为m b r 生产的p v d f 中空纤维帘式膜产品在国内 的废水处理领域已得到初步的应用，主要应用于生活污水、发酵液废水处理等方面，处理 能力日趋增加。 表1 3m b r 在我国的应用实例 t a b l e1 3a p p l i e d e x a m p l e so f m b r i nc h i n a 废水 类型 沈浴 污水 处理 水量 ( m 。d ) 1 0 印染1 1 废水 黄泔1 7 废水 医院2 5 污水 制药5 0 废水 大楼2 0 0 污水 水质 种类c o d ( m g l ) b o d 5 ( m g l ) n h n ( m g g ) s s ( m g l ) p h 值 进水1 3 0 - 3 2 29 9 2 1 2 0 5 9 11 5 5 0 5 8 63 出水 4 0 50 2 0 4 06 5 进水1 0 0 0 - t 4 0 03 0 0 5 0 0 7 - 8 出水8 0 1 0 0 5 7 - 8 进水 9 0 0 1 2 0 0 0 6 8 0 513 0 1 8 0 4 7 5 0 5 4 7 0 出水 1 0 0 1 0巧 1 0 进水4 8 - 2 7 82 0 5 5 1 0 2 4 6 2 71 出水 2 5 n 4 1 6 2 71 进水1 5 0 0 - 4 9 0 0 5 0 0 1 6 3 3 2 9 7 3 5 4 4 3 0 1 0 3 37 - 8 出水180101510 6 - 8 进水9 2 1 0 82 7 3 2 3 9 - 4 7 7 2 79 出水 2 3 8 3 5 7 2 79 食品5 0 0 进水8 0 0 0 - 1 0 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 9 0 1 0 0 4 2 5 兰水 出水 3 5 - 7 0 。5 。1 78 最3 一 所有这些都充分蜕明该项技术是一项极具潜力的新技术，并且具有一系列独特的优 点。 尽管m b r 有许多优点，技术可行性也早已被人们认可，但是该工艺的基建投资和运 行费用较高，在一定程度上限制了它的推广发展，其中最主要的是膜的费用。膜组件的投 资大约和处理规模成正比，而常规污水处理厂则是越大相对越经济。中小规模的污水处理 厂可能采用m b r 更便宜，但大规模的污水处理厂宜采用常规工艺。近些年，随着膜的价 天津t 业大学坝