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河海人学硕i | 学位论文 摘要 膜生物反应器( m b r ) 是将生物降解作用与膜的高效分离技术结合而成的一 种新型高效的污水处理工艺，具有出水水质好，容积负荷高，占地小，剩余污 泥产量低，可自动运行，操作管理方便和运行费用低等优点。近年来，随着科 学技术的发展，膜技术生产水平不断提高和成本大幅降低，使得膜法污水处理 技术得以迅速推广。 本文在膜生物反应器试验的基础上，再向反应器中投加粉末活性炭组成 m b r - p a c 系统进行深度处理生活污水试验，比较了两种工艺对生活污水中污 染物质的去除效果；探讨了影响m b r p a c 系统处理效果的主要因素、膜污染 的机理、过程和清洗方法；并对其经济性进行了初步分析。主要试验结果如下： 1 m b r 系统出水水质如下：b o d s _ 7 m g l 左右；c o d _ 3 0 m g l ；氨氮_ l m g l ； 浊度! 如2 n t u 。 ， m b r p a c 系统出水水质如下：b o d s _ 4 m g l ：c o d _ 2 0 m g l ；氨氮郢3 m g l ； 浊度9 1 n t u 。 ， 可见，m b r - p a c 耐冲击负荷能力强，出水更优质稳定。 2 投加的p a c 有效吸附并降解了易引起膜污染的物质，改善了污泥絮体结 构和泥水混合液的可过滤性，减缓了膜污染。试验运行了6 个月，气洗和出水 反冲洗能有效对膜污染进行冲洗，维持较高的膜通量；长期运行膜污染严重时， 化学药洗可使膜通量基本恢复。 3 m b r p a c 工艺单位投资为5 2 2 5 元, m 3 d ，运行费用为1 6 1 3 元m 3 ，具 有广阔的运用前景。 关键词：膜生物反应器粉末活性炭深度处理膜污染膜清洗 m b r p a ct 艺深度处罡i ! 效能研究 a b s t r a c t t h em e m b r a n eb i o l o g i c a lr e a c t o r ( m b r ) w h i c hi sc o m b i n e dm e m b 舢e s e p a r a t i o nt e c h n o l o g ya n db i o l o g i c a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g yh a sl o t so fa d v a n t a g e s ， s u c ha sg o o de f f l u e n t ，l e s ss p a c eo c c u p a n c y , l i t t l ee x c e s ss l u d g e , h i g ha u t o m a t i c c o n t r o l ，s i m p l eo p e r a t i o n ，a n dl o wo p e r a t i n gc o s t se ta i i nt h e s ey e a r s ，w i t l lt h e d e v e l o p i n go f m a t e r i a ls c i e n c e ，t h em a n u f a c t u r ec o s to f m e m b r a n ei sl o w e ra n dt h e t e c h n o l o g yo f m e m b 瑚eh a si m p r o v e dr a p i d l y i nt h ep a p e r , m b rw i t hp a cr e s e a r c ho nt r e a t m e n to fd o m e s t i cw a s t e w a t e r f r o mp r i m a r ym b rt r e a t m e n tw a gc a r r i e do u tf o rs e c o n d a r ye f f l u e n t d u r i n gt h e o p e r a t i o n , t h er e m o v a le f f i e i e n c i e so fp o l l u t a n t sa n dt h em a i nf a c t se f f e c to n p e r f o r m a n c eo fm b r - p a cr e a c t o rw e r ei n v e s t i g a t e d , t h em e m b r a n ef o u l i n ga n d w a s hi nt h ep r o c e s sw e r ed i s c u s s e d ，a n dt h ee c o n o m yo ft e c h n o l o g yw e r ei n i t i a l a n a l y z e d t h em a i nr e s u l t ss h o w e dt h a t ： 1 t h er e s u l t si nm b rs h o w e dt h a t b o d s 7 m g l 、c o d a _ 3o i i l i l 、 n h 4 + 小噬l m g ，la n dt u r b i d i t y 2 0 2 n t u t h er e s u l t sa b o u tm b r p a cs h o w e dt h a tb o d s _ 4 m l 、c o d _ 2 0 m g l 、 n h 4 + - n _ 0 3 m g la n dt u r b i d i t y 郢i n t u m b r p a cd e m o n s t r a t e dam o f ce x c e l l e n tq u a l i t yo fo u t l e tw a t e ra n dh a d s t r o n g e rs h o c kl o a d 2 t h ec a s t i n gp a cc a na d s o r ba n dd e g r a d es o m es u b s t a n c e sw h i c hc a u s e m e m b 啪ef o u l i n g ，i m p r o v et h es t r u c t u r eo ft h es l u d g ef l o ca n dt h ef i l t r a t i o n c h a r a c t e r , a n dd e c r e a s em e m b r a n ep o l l u t i o n t h ea i rw a s ha n db a c k w a s hw i t ht h e o u t l e tc o u l dm a i n t a i nh i g hf l u xi nal o n gt i m e a n dm e m b r a n ef l u xc o u l db e r e c o v e r e dm a i n l yw i t hc h e m i c a lc l e a n i n g 3 e c o n o m i ca n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h ep r o j e c ti n v e s t m e n ti s52 2 5y u a n m 3 d a n d t h er u n n i n ge x p e n d i t u r ei s1 6 13y u a n m rh a sp r o m i s i n ga p p l i c a t i o n f o r e g r o u n d k e y w o r d s ：m b r p a ca d v a n c e dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tm e m b r a n ef o u l i n g w a s h i n gm e m b r a n e l i 学位论文独创性声明： 本人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。与我一 同工作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 汐陟多月伊 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件 或电子文档，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。论文全部或部分内容的公布( 包括 刊登) 授权河海大学研究生院办理。 一黼孙必御啪伽论文作者( 签名) ：! 笪塑兰南加年彳月f 多日 i i j 街人学顾i 学位论文 论 1 1 污水回用 水是非常宝贵的资源。它是地球上一切生命赖以生存，人类，七活和生产不 可缺少的基本物质，又是自然资源中不可替代的物质。 世界范围内水资源的短缺、用水量的激增以及水环境污染的加剧，使有限 的水资源日趋紧张。我国面临的局势更加严竣，严重影响了人民的生活和国民 经济的发展。一方面我国水资源贫乏。据统计，我国的水资源人均占有量仅为 22 0 0 m 3 ，相当于世界平均水平的1 4 ，被列为世界1 3 个贫水国之一。全国6 0 0 多个城市中，有4 0 0 多个缺水；这4 0 0 多个缺水城市工业产值占全国的7 0 ； 其中1 1 0 个城市严重缺水，5 0 个城市“情况危急”i l j 。另一方面我国水污染严 重，污水回用率低，集中处理率不高。近6 0 0 , 4 的污水未经处理就直接排放，导 致全国近1 2 的河流遭受污染1 2 1 。据水利部最新调查结果，我国7 0 0 条总共1 0 万公里的河流，符合饮用水标准( 中国国家标准一、二类) 的河段仅占3 2 2 ； 被污染而不能饮用的河段，己占6 7 8 ，其中三类水体占2 1 3 ，四、五类及 五类以上水体占4 6 5 ；已丧失任何使用价值的河水占总量的1 0 6 。未来几 年内，国家将投入巨资提高污水处理率。 水资源短缺和水污染并存的局面，严重威胁着人民生活质量的提高和经济 的发展。为了缓解这种矛盾，开源节流势在必行，一方面需提高人们的节水意 识，采取各种节水措施；另一方面就是寻找新的可利用资源，而城市污水无疑 就是一种潜在的第二水源【3 1 解决目前的缺水问题，仅依靠国家投资来解决， 为国家财力所无法支持的。2 1 世纪的发展必须依靠现代科学技术，应该寻找一 条人口、经济、社会、环境和资源相互协调的可持续发展道路。在我国政府的 “十一五规划”中，明确提出建设资源节约型、环境友好型社会，加大环境保 护力度，加强水污染的综合治理，合理利用水资源。 污水资源化就是将生活污水深度处理后，作为再生资源回用到适宜的位置。 我国大多数污水厂的出水经过二级处理，其水质较之原水已经有了很大改观， 如果直接排掉实在是资源的巨大浪费，因为只要在原有的工艺基础上增加相应 的后续处理，就能实现污水回用的目的。据统计，城市用水只有2 3 的水直接 或间接用于饮用，而其他的用水都可以用中水代替。因此，污水回用为我们提 m b r - - p a ct 艺深度处理效能研究 供了一个非常经济的新水源【4 1 。 国内外的许多研究表明：中水的长期使用不会对清洁器具产生不利影响【5 1 ： 中水水质满足消防要求，对消防系统几乎不产生危害i 6 l ；经过脱氮除磷后，将 总磷控制在0 5 m g l 以下的中水可补充人工水体川。可见，中水经过不同程度 的处理后可以回用于工业用水、补充地下水、城市绿化、消防或补给湖泊等， 中水回用是实现污水资源化的核心，是缺水城市势在必行的重大决策。 1 1 1 国内外污水回用状况 ( 1 ) 国际上污水回用状况 世界各国对中水的回用十分重视，发达国家污水回用技术起步较早，美国、 以色列、日本等国的中水回用已有相当的水平。美国污水回用始于1 9 2 0 年，至 1 9 9 7 年就已经建成3 5 7 座城市污水回用设施，回用量约为8 0 万m 3 d ，目前已 超过2 4 7 万m 3 d ，其中，回用于农灌和景观占6 2 ，回用于工业占3 0 5 8 i 。 水资源极其贫乏的以色列7 0 的废水经过处理，全国所需水量的1 6 由废水回 用来解决。日本早在1 9 6 2 年就开始回用污水，7 0 年代已初见规模。同本在 1 9 7 0 - 1 9 8 5 这1 5 年问，生活、工农业用水每年增长近1 8 亿m 3 ，在此期问日本 政府为了满足日益增长的淡水用量，采取了诸多如循环用水、再生用水、杂用 中水等名目繁多的节水技术。截止1 9 9 0 年，日本至少建立了1 3 9 6 座城市污水 回用处理工程，回用量达2 2 8 万m 3 d 。t ：t 本东京于l o 年前就规定凡是建筑面 积超过3 00 0 0 m 3 的大型建筑都要建立污水回用系统，缺水严重的福冈市要求建 筑面积超过50 0 0 m 3 的建筑就要有污水回用系统。 本世纪5 0 年代以前，在欧美许多地区的国家，由于工业发展、城市人口增 加和生活水平的提高，淡水用量增多，导致污水排放量增多。这些增长的污水 排放量，超过了受纳水体的自净能力后，致使一些著名河流如莱茵河、泰晤士 河等一度水质恶化。5 0 年代后，由于采取了多种治理对策，发展水处理技术， 设置众多的污水再生回用工程等，才使被污染的水体得到改善。即使水源充足 的法国在2 0 世纪9 0 年代也开始重视起中水回用，已建立了二十多个水处理厂 俄罗斯、新加坡、英国、以色列、印度、南非和纳米比亚以及中东诸国都相继 开展中水回用工程，以弥补日益缺乏的水资源。 中水回用已成为世界上不少国家解决水资源不足的战略性决策。在国外中 2 河海人学硕l j 学位论文 水回用已有丰富的经验，满足或部分满足了由于水资源缺乏限制城市和工业发 展的需求，收到了良好的经济效益和社会效益。 ( 2 ) 国内污水回用状况 我国城市污水回用处理技术尚处于起步阶段，且实施的项目规模比较小。 我国于8 0 年代中期在北京建成第一个城市污水回用试点工程。以后，各地纷纷 开展中水的试验和研究，城市污水回用工程的实例同益增多。9 0 年代后，我国 南方经济发达城市如深圳、广州等开始建设小区及大型宾馆酒店的城市污水处 理及回用系统。缺水的北方城市开始建设城市污水的处理和回用系统。近十年 来，我国在城市污水资源化的规划、系统优化和评价、技术方案和经济政策等 方面开展了一系列研究，并在北京、大连、青岛等城市建成系列污水回用工程。 例如：北京首都机场建成十项中水设施，总设计能力30 0 0 m 3 d t 9 】；大连市建成 1 00 0 0 m 3 d 的污水回用工程，新建的污水处理厂都设有深度处理，大部分出水 回用；青岛市投资35 0 0 万元建成4 00 0 0 m 3 d 的污水回用工程，基本实现满负 荷回用；烟台市市区中水日回用量已在40 0 0 吨以上。 国内一些企业和大型宾馆酒店也建有污水回用处理系统，如天津石化建有 日处理45 0 0 m 3 污水回用水处理工程，处理成本1 0 元，年节省自来水1 6 0 万 m 3 ，节约资金1 9 2 万元；济南市南郊宾馆建有日处理l o o m 3 的污水回用处理系 统，主体为生物转盘工艺，运行成本o 7 3 元m 3 ，回用于浇灌果园，绿地，人 工湖补给和车辆冲洗，年节约资金3 1 5 万元。此外，北京万泉公寓、北京交通 大学、北京建银大厦、北京西客站、济南国际机场和山西国贸中心等都建有污 水回用处理系统。从已运行的污水回用处理所作的中水水质抽查结果表明，其 水质符合杂用水水质标准，长期用于冲厕、冲洗汽车、绿化等，未发现不良后 果。这些已运行的工程为污水回用处理技术的开发提供了宝贵的经验，并为污 水回用处理技术的推广应用提供了充分依据。 虽然我国的城市污水回用已取得一些进展，但是与国外发达国家相比，技 术方面的差距还比较大，并且缺乏设计、运行和管理经验，许多问题亟待解决， 尚需进一步的研究。 m b r - - p a c 工艺深度处理效能研究 1 1 2 常用污水回用工艺 中水处理方法，一般是按照生活污水中各种污染物的含量、中水用途及水 质要求，将多种污水处理技术进行合理组合起来进行深度处理。目前，中水回 用常用工艺有：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、氧化、消毒等方法。常用的中水处理工艺流程可 分为物化法为主和物化生化法相结合两大类： ( 1 ) 物化法为主的中水处理工艺 物化法为主的中水处理工艺主要有以下三种工艺流程： 格栅一调节池一混凝气浮( 沉淀卜化学氧化一消毒 格栅一调节池一絮凝沉淀( 气浮卜过滤一活性炭一消毒 格栅一调节池一絮凝沉淀一膜处理一消毒 物理化学方法为主的处理流程具有流程简单、占地少、设备密闭性好、无 臭味、易管理的优点。主要不足之处在于日常运行费用较高，设备复杂，投资 大，管理难度大，易产生二次污染，如化学混凝法等。 ( 2 ) 物化生化法相结合的中水处理工艺 物化生化法相结合的中水处理工艺主要有以下三种工艺流程： 格栅一调节池一一级生化处理沉淀一二级生化处理一沉淀一过滤一消毒 格栅一调节池一一级生化处理一二级生化处理一混凝沉淀一过滤一消毒 格栅一调节池一生化处理一膜处理一消毒 生化处理常用工艺有活性污泥法、生物接触氧化法和生物膜法等。物化生 化法相结合具有处理效果稳定、设备简单、运行费用低、二次污染小的显著优 点。将物化法和生化法综合运用可充分发挥两种处理方法各自的长处，既可提 高处理系统的出水水质，又可节省系统的能耗和运行管理费用。因此，生物处 理和物化处理相结合技术是污水处理工艺的上佳选择。 传统污水深度处理技术成熟可靠，但工艺流程复杂，占地面积大，操作管 理复杂且技术上存在一定的不足：二沉池沉淀效率低；污泥产生量大；氯气消 毒会产生致癌物三卤甲烷且具有一定的臭气负荷；紫外线杀菌对粪便大肠杆菌 的去除效果较差；臭氧和二氧化氯的使用效率受到水质的限制等。因此，寻求 一种工艺流程简单、占地面积小、基建投资少、运行费用低、操作管理方便的 4 河海人学顾l 学位论文 污水处理新技术成为研究者关注的焦点。 膜生物反应器技术正是符合要求的理想的处理工艺。膜生物反应器是膜技 术和生物技术有机结合产生的污水处理新工艺，这种工艺以其独特的优点在中 水回用领域暂露头角。膜技术包括微滤、超滤、反渗透技术和膜生物反应器等 技术，是当今世界上最先进、最有效节能的水处理技术，被西方科技界称为2 1 世纪最有发展潜力的高新技术随着膜技术的发展、膜成本的降低以及新型膜 组件的不断开发，膜生物反应器工艺在污水处理中的应用必将更为广泛。 1 2 膜生物反应器 1 2 1 膜分离技术 膜分离指以外界能量或化学位差为推动力，利用膜的选择透过性，对双组 分或多组分溶质或溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法【埘。无论是天然膜 还是人工合成膜，均有一个共同特性一选择透过性，膜可以定义为两相之间的 一个具有选择透过性的薄层屏障。 膜分离的推动力可以是膜两侧的压力差、电位差或浓度差。水处理中常以 压力差为推动力，常用的膜技术有微滤、超滤、纳滤和反渗透。膜过滤有两种 基本操作方式：死端过滤( d e a de n df i l t r a t i o n ) 和错流过滤( c r o s sf l o w f i l t r a t i o n ) 。死端过滤是指在膜两边压力差的驱动下，溶质和溶剂垂直于分离膜 方向运动，溶质被膜截留，溶剂通过膜而被分离。错流过滤工艺中，主体料液 与膜表面相切而流动，料液中的溶质被膜截留，透过液垂直于膜面而通过膜流 出，因此错流过滤也被称为切相流过滤。 膜分离技术的特点主要表现在：其过程不发生相变；在常温下进行， 特别适用于对热敏感的物质，如对果汁、酶、药品等的分离、分级、浓缩和富 集过程；分离对象不仅包括小分子无机盐、胶体、高分子蛋白质，而且适用 于许多特殊溶液体系的分离，如溶液中大分子与无机盐的分离，一些共沸物或 近沸点物的分离等；分离装置简单，控制稳定且分离效率高。 由于膜材料的种类非常丰富，制各条件也多种多样，一般来说膜的分类有 以下几种： ( 1 ) 根据膜孔径的不同，可以分为微滤( m f ) 膜、超滤( u f ) 膜、纳滤( n f ) 膜和反渗透( r o ) 膜。m f 膜孔径为o - 1 7 5 岬，u f 膜孔径为i n t o 0 1 p m ，n f 膜 m b r p ct 艺深度处理效能研究 可分离直径为i n t o 左右的溶解性组分，r o 膜可截留o 1 n m i n t o 的小分子物质。 广泛用于污水处理中的膜为固相非对称有机高分子m f 膜和u f 膜。 ( 2 ) 根据膜材料的不同，可以分为无机膜、有机膜和复合膜。目前，膜的 产量、品种、功能和应用以有机高分子聚合物材料制成的膜及其过程为主。有 机高分子膜，包括聚砜类( p s ) 、聚醚t 霹i , ( p e s ) 、醋酸纤维( c a ) 、聚乙烯( p e ) 、聚 丙烯腈纤维( p a n ) 、聚酰胺( p a ) 、聚偏氟乙烯( p v d f ) 等，有机膜膜组件形式 多，孔径范围广，造价相对便宜，大多数化学性质很稳定。目前有机膜应用广 范，工业废水的处理、生活污水的处理、生物技术、食品发酵等行业普遍采用 了有机膜【1 2 1 。聚偏氟乙烯( p v d f ) 膜具有良好的化学稳定性、耐酸碱、疏水性， 且透水率和截留率高的特点，越来越受到重视。目前国外已经能够生产出性能 优良的p v d f 超滤膜和微孔膜。国内对于亲水性p v d f 超滤膜也形成一定的生 产规模，但对于疏水性p v d f 微孔膜，大多处于研究阶段目前对于p v d f 膜 应在原有基础上，迸一步开发出高性能的疏水性微孔膜和d , ：f l 径亲水性超滤膜， 并研究出p v d f 膜污染机理，进而解决p v d f 膜的耐污染问题，努力缩小与世 界先进水平的差距。无机膜有金属膜、玻璃膜、碳膜、陶瓷膜等，无机膜的抗 污染能力比有机膜强，因为有机材料更容易成为微生物的食料而使微生物在其 孔隙内生长。有机膜还有耐高温、孔径大小易控制等优点。无机膜本身除了具 有超滤截留功能外，还能作为曝气器使用【l3 1 。但无机膜造价太高，所以应用很 少，但近几年也引起很多重视。 ( 3 ) 根据膜的结构形式不同，可以分为以下五种：圆管式( t u b u l a rm o d u l e ) 、 板框式( p l a t ea n df r a m em o d u l e ) 、螺旋卷式( s p i m lw o u n dm o d u l e ) 、中空纤维式 ( h o l l o wf i b e rm o d u l e ) 和毛细管式( c a p i l l a r ym o d u l 曲。 为了便于工业化生产和安装，提高膜的工作效率，在单位面积内实现最大 的膜面积，通常将膜以某种形式组装在一个基本单元设备内，在一定的驱动力 作用下，完成混合液中各组分的分离，这类装嚣称为膜组件。 膜分离过程是- - 1 7 新兴的多种学科交叉的新技术，已经成为工业上气体分 离、水溶液分离、化学产品和生化产品的分离与纯化的重要过程，广泛应用于 食品、饮料加工、水处理、大规模空气分离、湿法冶金技术、气体和液体燃料 的生产以及石油化工制品生产等。 河海人学硕i j 学位论文 1 2 2 膜生物反应器的分类 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 ) 由生物处理单元和膜分离 单元构成，生物处理单元主要完成对污水中有机物和营养物质的降解去除，而 膜分离单元主要进行完全的固液分离，同时膜分离对有机污染物还可以实现再 去除的目的。 根据生物处理单元和膜分离单元位置不同，膜生物反应器可分为分置式、 一体式以及复合式三种基本类型。 ( 1 ) 分置式膜生物反应器 分置式膜生物反应器如图1 1 所示。分置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；固体物质、大分子物 质等则被膜截留，随浓缩液回流到生物反应器内。分置式膜生物反应器的特点 是组装灵活，运行稳定可靠，操作管理方便，易于膜的清沈、更换及增减，且 膜通量普遍较大。 进水污泥f 习流 图1 1 分置式麒生物反应器 但为了减少污染物在膜表面的沉积，延长膜的清洗周期，需要使用循环泵 提供较高的膜面错流流速，还有污泥回流泵的使用，导致水流循环量大、动力 费用高。另外，泵的高速旋转产生的剪切力会使某些微生物菌体产生失活现象。 ( 2 ) 一体式膜生物反应器 一体式膜生物反应器如图1 2 所示。一体式膜生物反应器是把膜组件置于 生物反应器内部。进水中的大部分污染物被混合液中的活性污泥去除，再在外 压作用下由膜过滤出水与分置式相比，一体式膜生物反应器省去了混合液循 环系统，并且靠抽吸出水，能耗相对较低，占地较分置式更为紧凑，近年来在 7 m b r p a ct 芝深度处理效能研究 水处理领域受到了特别关注。但由于其压差较小，所以膜通量也相对较小，膜 污染较易形成，不易清沈和更换膜组件，因此需要加设搅拌或旋转装置，用以 增加膜面的紊动程度，从而缓解膜污染。通常将曝气头置于膜组件的正下方， 为生物反应器提供溶解氧的刷时，曝气的气泡带动液体形成的水流波动，以及 因此而造成的膜元件之间的摩擦都有助于膜表面污染层的脱落，也有利用膜组 件自身的旋转，实现膜面错流效果的 进水 图1 2 一体式膜生物反应器 ( 3 ) 复合式膜生物反应器 复合式膜生物反应器如图1 3 所示。复合式膜生物反应器在形式上也属于 一体式膜生物反应器，所不同的是在生物反应器内加装填料，生物反应器中既 有悬浮态的活性污泥又有附着相的生物膜，改变了反应器的某些性状，从而形 成复合式膜生物反应器在生物反应器中投放填料，是降低污泥负荷，防止污 泥膨胀和实现硝化的有效措施。由于生物系统相对较复杂，复合式膜生物反应 器具有稳定性强，适应环境变化能力强，抗冲击负荷强的优势。 生物反应器 图1 3 复合式膜生物反应器 8 河海人学硕i ：r p 位论文 1 2 3 膜生物反应器的特点 膜生物反应器是一种新型高效的污水处理工艺，它将膜技术与生物污水处 理工艺相结合，与传统的生化污水处理工艺相比有明显的优势，其主要优点表 现在以下几方面： ( 1 ) 处理效率高，出水水质优质稳定 由于膜的高效分离作用，大大改善了生物反应器出水水质，出水极其清澈， 悬浮物和浊度极低，细菌和病毒被大幅去除，易于回用。膜分离也使微生物几 乎被完全被截流在生物反应器内，使得系统内能够维持较高的微生物浓度，提 高了反应装置对污染物的整体去除效率。反应器对进水负荷的各种变化具有很 好的适应性，耐冲击负荷，出水水质稳定。膜生物反应器高质量的出水是任何 传统水处理技术所难以达到的【1 4 ，悯。 ( 2 ) 实现了污泥停留时间s r t 和水力停留时问h r t 的彻底分离 膜生物反应器技术结合了膜技术和生物技术各自的优点。膜系统的存在可 以延长污泥停留时间，将污水中的悬浮物、生物系统中的生物活性物质和净化 水有效地分离，一方面使生物反应器保持了高的生物浓度，提高了反应器的容 积负荷，微生物停留时间的延长有可能培养出在传统生物反应器内难以有效生 长的特殊菌种；另一方面，延长了一些大分子、难降解污染物的停留时间，提 高了微生物系统对其处理能力【1 6 1 。 ( 3 ) 污泥产率低 该工艺可以在高容积负荷，低污泥负荷下运行，剩余污泥产量低，降低了 污泥处理费用。在理论上，膜的截留作用使得生物反应器的污泥龄可以无限延 长，但实际运行中，过长的污泥龄也会造成微生物活性的下降，因此膜生物反 应器在实际运行中至少是减少了污泥的排放【1 7 1 。 ( 4 ) 工艺结构紧凑，占地面积小 膜生物反应器内能维持高浓度的微生物量，处理装置容积负荷高，使得整 个系统的占地面积减少，结构紧凑，大大简化了工艺流程，也减少了设备投资 ( 5 ) 操作管理方便，易于实现自动控制 对膜系统和微生物系统可以分别控制，系统的工艺控制方便。膜分离单元 较容易设计成自动控制系统，运行控制灵活，操作管理简单方便。 9 m b r - - p a ct 艺深度处理效能研究 ( 6 ) 易于从传统工艺进行改造 该工艺可以作为传统污水处理工艺的深度处理单元，在城市二级污水处理 厂出水深度处理( 从而实现城市污水的大量回用) 等领域有着广阔的应用前景。 m b r 在显示出许多传统工艺无法比拟的优点时，也暴露出一些缺点，严重 制约了m b r 的发展和推广，引起极大关注。m b r 的缺点主要表现在以下三个 方面： ( 1 ) 膜造价高 受当前膜材料和膜生产工艺的局限，膜造价较高，使得膜生物反应器的基 建投资较高。因此低成本膜材料的开发、膜材料的改性、膜寿命的延长等问题 都是m b r 工艺应用于污水处理与回用所亟待解决的问题。 ( 2 ) 膜污染频繁 。 膜组件容易出现膜污染，给操作管理带来不便。为了维持一定的膜通量就 必然要求膜清沈，甚至是膜的更换，使运行费用提高。膜污染在m b r 工艺中 是非常复杂，而且是难以控制的，就目前的研究结果，膜污染问题仍然没有得 到彻底的解决，它是m b r 工艺实用化的一个主要瓶颈。 ( 3 ) 能耗高。 m b r 的能耗高主要是以下两个原因：首先，m b r 过程必须保持一定的膜 驱动压力；其次，m b r 中污泥浓度非常高，大部分的供气被用来维持细胞的生 命而不是用来进行好氧降解。在浸没式系统中，曝气还被用来对膜面进行冲刷。 这些造成了m b r 能耗较高的现状。 1 2 4 膜污染 l 2 a 1 膜污染机理 膜污染是指料液中的微粒、胶体粒子或溶解性物质由于与膜存在物理、化 学、生物或机械的作用，而在膜表面或膜孔内吸附、沉积以及微生物在膜水界 面的积累，造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生过滤阻力上升与膜的出水通量降 低的现象0 s , j9 】。膜污染使得膜生物反应器在运行一段时间后就必须对膜组件进 行清洗，甚至需要更换膜组件来保持工艺额定的处理能力，增加了装置的运行 成本，严重影响了工艺的稳定运行，制约了工艺的推广和发展。 ( 1 ) 膜污染过程分析 河海人学傍ji j 学位论史= 膜污染过程可以分为两个阶段f 捌。第一阶段发生在开始过滤后的几秒或几 分钟内，小分子物质或者小的污泥颗粒迅速阻塞膜孔，并伴随着浓差极化作用 以及凝胶层的形成，使过膜阻力迅速升高，膜通量急剧下降，膜污染迅速形成。 初期膜污染发展迅速的原因主要是初期通量大，混合液中污染物质随过滤液向 膜面流动的速度较快，因此各种微粒在膜表面迅速聚集。第二阶段可持续数小 时乃至数天，此时膜污染基本形成，膜通量下降趋势缓慢，这个阶段当中大分 子物质吸附于膜的表面，污泥絮体沉积在膜表面形成滤饼层，使膜过滤阻力平 稳缓速增长。滤饼层的表面总是覆盖着一层粘性的凝胶层，污泥絮体又逐步沉 积在这层凝胶层上形成新的滤饼层。滤饼是由悬浮物质吸附在膜表面形成的， 凝胶层主要是由细胞外聚合物、溶解性有机物及微细胶体等在滤压差和水流的 作用下堆积在膜表面形成【2 ”。最终，滤饼层的厚度和密实度会保持在一个相对 稳定的状态，此时主体料液中污泥絮体向膜面沉积的速率等于滤饼层上污染物 质向主体料液运动的速率。在过滤过程中，混合液中的一部分溶质被这层污染 层所截留，另一部分透过污染层，继续对膜造成污染【捌。 膜生物反应器中膜污染的物质来源是活性污泥混合液。活性污泥混合液的 组成是复杂而变化的，它包括微生物菌群及其代谢产物、要处理废水中的有机 物大分子、小分子、溶解性物质和固体颗粒，理论上讲每一部分都对膜污染有 所贡献。污染物质的分子直径不同造成的膜污染机理也不同。一些分子直径小 于膜孔的物质被吸附在孔的表面造成膜孔内壁的吸附，而分子直径与膜孔相近 的物质易发生膜孔的阻塞，当颗粒分子直径大于膜孔径时会使膜的一侧表面和 接近表面的物质浓度增加形成浓差极化而造成凝胶层或滤饼层。膜面和膜内的 微孔中有微生物所需的营养物质，因而不可避免的会有大量微生物滋生，造成 微生物污染。 ( 2 ) 膜阻力分析 膜阻力反应了膜的过滤特性，在数值上代表了引起膜通量下降的一些因素， 它的大小无法直接测定，只能通过计算求解。日本学者s h i m i z u y e ta l ，分析了 各种影响膜通量下降的因素，提出膜通量与膜阻力关系可以根据d a r c y ( 达西1 方程表示为： j f f i a p p r m b r - - p a ct 艺深度处理敛能研究 式中：j 一膜通量，l ( m 2 h ) ； a p 一膜两侧压差，p a ； r 一过滤总阻力，m 一； p - - 透过液粘度，p a s 。 从理论上讲，过滤总阻力r 包括清洁膜的固有阻力r 。，过滤过程中的浓差 极化阻力r c p 、凝胶层阻力k 、堵塞阻力和吸附阻力如。然而在实际研究中， 由于所选用的膜和所过滤的滤料特征不同，以及为了建立相应的模型，不同的 研究者对膜固有阻力以外的其余各项有不同的理解和划分，并由此产生了对膜 污染阻力的不同理解【2 3 1 。 1 2 4 2 膜污染的影响因素 影响膜污染速率的因素多种多样，尽管建立一个膜污染的通用模型是很困 难的，但大量实验已经证明膜污染受到三个因素的影响，即：膜的性质、污泥 混合液的性质和操作条件，如图1 4 所示【2 4 1 。 影响膜污染的闻素 i iii 膜的性质 i活性污泥l运行条件 - 1 构造 i m l s s 卜- 1 反戍器构造i - -l - - 4 材质l -一聃阡一 c f v l - - - - 1 亲水性l一絮体结构卜- 1 曝气i - - i 膜孔构造l- 1 溶解性物质1 - 一h r t s r tl - - - 1 膜孔尺寸l- 1 絮体人小1 - 4 t m p i ，it 圈1 4 膜污染的影响因素 ( 1 ) 膜的性质 膜的性质包括膜结构、膜材料、膜孔径、空隙率、表面特性、电荷性质、 亲疏水性和膜表面粗糙程度等其它物理、化学性质如膜的耐压性、耐高温性、 1 2 f 海人学颂l | 学位论文 耐清洗剂性、耐生物降解性等在某些工业应用中也非常重要。 中空纤维膜根据其作用的不同，可以分为四层：致密工作层，是膜行使过 滤功能的主要结构；大孔支撑层，是膜承载压力的主要结构；保护工作层，是 致密工作层的补充，与致密工作层一起行使过滤功能，确保出水水质；小孔支 撑层，为大孔支撑层一起承载外部压力。 经分析认为，膜污染阻力主要由于污染物及生物膜在孔道及膜表面的附着 形成的，对于孔道污染采用表面清洗和一般洗涤剂清洗无效。减小这部分阻力 的根本对策是：改进膜质量，使各层各自孔径分布均匀。增加膜纤维的机械强 度，同时调整气水两相流紊动强度，减少破损，防止孔道内生物膜的形成。 膜孔径大小对膜污染的影响主要看进水和反应器内混合液的性质，尤其是 颗粒尺寸的分布。膜孔径或孔隙率越高，膜通量下降得越快【2 5 1 。 许多研究表明，与膜表面有相同电荷的混合液可改善膜表面的污染，提高 通量。s h i m z u 等发现带负电的陶瓷膜比不带电或带正电的膜的通量有很大的提 高，这是由于带负电的胶体与膜表面之间存在较强的电性斥力【2 6 1 。 膜表面粗糙度增加使膜表面吸附污染物的可能性增加，同时使膜表面的搅 动程度增加，阻碍污染物在膜表面的吸附，因而膜表面的粗糙度对膜通量的影 响是两方面作用的综合表现。 此外，还要注意膜组件的安装为防止膜污染，膜组件在安装时应合理确 定膜组件和曝气池底之间的距离，膜组件和空气扩散管之间的距离以及膜组件 和反应器液面和曝气池底之间的距离，以保证在一定曝气量下获得较高的液体 上升速率，减少污泥层在膜表面的沉积，减缓膜污染。 ( 2 ) 污泥混合液的性质 污泥混合液是一个复杂的混合液，包括进水的成分和生物反应的产物。污 泥混合液的性质主要包括悬浮物固体浓度、粒度分布、溶解性有机物质浓度、 胞外多聚物浓度等，这些对膜污染均有不同程度的影响。 维持生物反应器较高的污泥浓度，降低了污泥负荷，有利于增加基质的去 除率，减小污泥产量。但有研究者证实，污泥浓度过高时，对固液分离会产生 不利影响，膜通量随着污泥浓度的增加而呈线性减小 胞外多聚物( e p s ) 是来自微生物细胞的高分子粘性物质，在活性污泥混合液 m b r - - p a ct 艺深度处理设能研究 中絮体的形成发挥了重要作用。许多研究表明，e p s 是影响膜污染的重要因素。 i s c h a n g 等研究发现，各种生物状态的活性污泥中，e p s 含量和膜污染之间存 在线性关系。还有研究表明，e p s 不是全部从污泥絮体中释放出来的，相当多 的是未降解污水的成分和细胞溶解或细胞结构的聚合成分引起的产物产生的。 因此，e p s 浓度对膜污染的量化表示有固有的局限。目前，e p s 对膜污染影响 的机理方面，还没有深入的研究。 丝状菌与膜表面污染的形成过程及结构、附着形式密切相关。当m b r 系 统内丝状菌大量增殖的时候，膜表面的污染物质有较强的层次性，凝胶层在清 洁膜表面形成污染基础层，丝状菌附着于凝胶污染层上形成网格式支撑结构， 污泥絮体沉积在丝状菌的网络中，然后丝状菌以网格式结构在污泥污染层表面 覆盖、捆绑。此后污泥絮体的沉积、附着以及丝状菌网格式覆盖和捆绑过程不 断重复出现，并且多层丝状菌网相互交联，形成立体空间网状结构，对膜表面 污染物起到支撑和固定作用。最终在膜表而形成厚度大、结构致密、附着牢固 的污染层。 絮体尺寸越小，滤饼层阻力越大。对于错流式过滤，泵产生的剪切力导致 了生物絮体的破裂，产生了细小的胶体和细胞形式，然后在膜面形成致密的滤 饼层。d y k w o n 等认为较大粒子在膜上的沉积不会影响膜过滤特性，只有尺寸 与膜孔差不多的粒子沉积才会引起严重的膜污染。y s h i m i z u 等研究了活性污泥 颗粒尺寸分布对一体式膜生物通量的影响，结果表明尺寸范围在8 1 5 l u n 的颗 粒控制着膜通量。 ( 3 ) 操作条件 运行条件与操作方式与膜污染密切相关。对膜污染直接产生影响的运行条 件包括膜通量、操作压力、膜面流速、运行温度和间歇抽吸等。 1 ) 膜通量或操作压力 膜生物反应器有两种操作模式，种是恒定膜通量变操作压力运行，另一 种是恒定操作压力变通量运行 当采用恒定膜通量的操作方式时，膜通量的选择对于膜的长期稳定运行至 关重要。对于某一特定的膜生物反应器系统，存在临界的膜通量。当实际采用 的膜通量大于该临界值时，膜污染加重，膜清洗周期大大缩短1 2 7 1 1 4 # 海人学硕f 。学位论文 临界膜通量的概念近年来得到了广泛的关注，许多学者的研究证明了只有 把膜通量选择在临界值之下，才能延长膜的运行周期；否则，膜会因迅速发生 污染而停止运行。d e f r a n c ea n dj a f 酗n 1 2 8 , 2 9 j 发现，当实际采用的膜通量低于临界 膜通量时，膜过滤压力保持平稳且膜污染可逆；反之，膜过滤压力迅速上升而 不能趋于稳定，膜污染的可逆性显著下降。膜污染向不可逆方向发展的主要原 因之一是在膜过滤过程浓差极化层转化成致密的滤饼层0 0 ；另外，膜通量增加 后膜面污染层的结构会发生改变，最终也将造成污泥层和凝胶层的阻力显著增 大。如果实际采用的膜通量低于i 临界膜通量，曝气量的提高可以显著去除污泥 层：否则曝气量的提高对污泥层的去除作用不大。临界膜通量随膜面错流流速 的增加而线性增长。 同样，当采用恒定操作压力变膜通量运行时，存在一个临界操作压力，在 高于临界操作压力的条件下运行会导致膜迅速污染。临界操作压力随着膜孔径 的增加而减小【3 l 】。 2 ) 膜面错流流速 提高膜表面的水流紊动程度可以有效减少颗粒物质在膜面的沉积，减缓膜 污染。但是膜面错流流速并非越大越好。当膜面错流流速达到一个临界值后， 其进一步增加将不会对膜的过滤性能有明显改善【3 2 1 。而且，过大的膜面流速还 有可能因打碎活性污泥絮体而使污泥粒径减小，上清液中溶解性物质的浓度增 加，从而加剧膜污染。 3 ) 温度 温度对膜的过滤分离过程也有影响。m a g a r a 和i t o h 在不同温度下进行活性 污泥的过滤试验，发现在实验的操作温度范围和压力条件下，温度每升高l 可引起膜通量增加2 ，他认为这是由于温度变化引起料液桔度的变化所致【3 3 】。 而c h i e m c h a i s r ia n d y a m a m o t o 的研究表明，提高温度不仅降低了混合液的粘度， 而且还改变了膜面上污泥层的厚度和孔径，从而改变了膜的通透性能【州。 4 ) 间歇抽吸 针对一体式膜生物反应器，y a m a m o t o 等人提出间歇抽吸的操作方式，这种 操作方式可以有效减缓膜污染的发展速度。之后，很多专家的研究也都证实了 间歇操作在减缓膜污染方面的良好效果 1 5 m b r - - p a c 丁艺深度处理效能研究 采用间歇抽吸操作模式旨在通过定期地停止膜过滤，使沉积在膜表面上的 污泥在水力的作用下从膜表酝脱落下来，使膜的过滤性能得以恢复。一般抽吸 时阃越长，悬浮固体在膜表面的积累程度越大；问歇时日j 越长，膜表面沉积污 泥脱落越多，膜过滤性能恢复也就越多。 由于抽停间歇运行方式是以降低一定的膜处理能力为代价，停抽时问的延 长实际上也造成了膜处理能力的下降，因此单纯的延长停抽时间是不经济的， 必须找到一定的操作方式增加停抽间歇过程中污染物质的扩散速度，缩短停抽 时间，并实现抽滤时间的延长，从根本上提高膜的处理能力。 1 2 5 膜生物反应器的研究进展 膜生物反应器是2 0 世纪末发展起来的一种新兴、高效、副产物少的水处理 高新技术，是国际上水环境领域