（环境工程专业论文）一体式膜生物反应器中高浓度氨氮的硝化特性研究.pdf

、 西安建筑科技大学硕士论文 i i 一体式膜生物反应器中高浓度氨氮的硝化特性研究 专业：环境工程 硕士生：陈建 指导教师：金奇庭教授 摘要 本文以垃圾渗滤液经上流式厌氧污泥床( u a s b ) + 膜过滤( m f ) 这一复合反应器处理后 的f = 水为实验对象，用一体式膜生物反应器( s m b r ) 对该水中高浓度氨氮的硝化特性以及该 反应器中污泥特眭的变化规律、膜通量衰减规律和恢复措施等方面进行了研究。 通过对不同容积负荷、不同停留时间下的s m b r 中硝化特性的研究可知：以自养菌为优 势菌种的反应器中，当氨氮的进水浓度在2 4 19 1 9 8 7 m g l 之间，s m b r 对氨氮的硝化去除 率在4 47 9 9 7 之间变化，相应出水氨氮在19 9 7 8 1 m g l 之间。氨氮去除率随着容积负荷 的增加而不断下降，当容积负荷小于l 5 k g n i - h + - n ( m 3 d ) 时，氨氮去除率基本上保持在8 0 以上，并具有较强的抗负荷冲击能力，同时，在一定时间内能持续保持较高的去除率。该容 积负荷是活性污泥法脱氮硝化段或普通生物流化床硝化段容积负荷的3 7 5 1 5 倍，表明s m b r 在氨氮硝化方面具有良好的性能。在停留时间为1 2 h 、1 8 h 、2 4 h 但容积负荷相同的情况下，系 统对氨氮的去除率无明显差异。 运行过程中，硝化污泥浓度从3 8 7 9 l 上升到7 2 9 9 l ，v s s s s 由o 8 左右逐渐下降并最 终稳定在o 7 5 左右；污泥体积指数也从1 7 5 m l g 下降到5 0 m l g 左右并趋于稳定，表明污泥对 这种缺少可生物降解有机物但又含有高浓度氨氮渗滤液的适应过程。本试验将污泥分成污泥混 合液、离心上清液、细胞液、o 4 5 微米膜过滤液等组分考察不同的组分对膜过滤的污染，可知 离心上清液中的细小胶体和大分子粘性物质是造成膜污染的优势污染物；凝胶极化阻力与外部 污染阻力之和的沉积层阻力是控制过滤过程的优势污染阻力，二者之和占总污染阻力的9 0 以上。污泥过滤沉积层比阻的数量级在1 0 1 4 1 0 “m k g 之间，压缩系数基本上大于0 , 7 5 ，说明 s m b r 污泥具有难以过滤且易于压缩的特性。 在运行过程中，膜会受到不同程度的污染。h r t 对实际运行中的膜通量衰减速率影响较 火，比较h i l t 为1 2 、1 8 、2 4 h 时的膜通量衰减情况时， 玎为1 2 h 时的膜通量衰减速率虽大。 膜受到污染后，本试验用了不同的方法对膜通量进行了恢复。通过比较可知，化学方法洗膜的 西安建筑科技大学硕士论文 效果比物理方法洗膜的效果好。水力冲刷洗膜时，膜通量的恢复很有限，膜通量只能恢复3 5 左右；空曝气自使膜通量恢复2 0 ；化学清洗中，次氯酸钠氧化法比稀酸洗、稀碱洗法的 效果好。 关键词：高浓度氨氮膜生物反应器硝化污泥特性膜污染 论文类型：应用基础 本课题得到陕西省教育厅专项科研计划项目( 编号：0 2 1 3 6 ) 和西安市工业科技攻关计 划项目( 编号：g g 2 0 0 2 7 5 ) 的资助。 西安建筑科技大学硕士论文 t h es t u d yo nn i t r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fh i g hc o n c e n t r a t i o na m m o n i a n i t r o g e ni nas u b m e r g e dm e m b r a n e b i o r e a c t o r s p e c i a l t y ： e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：c h e nj i a n s u p e r v i s o r ：q i t i n gj m ( p r o f e s s o r ) a b s t r a c t t h et h e s i st a k e st h el a n d f i l ll e a c h a t ed i l u e n tf r o mc o m p o u n dr e a c t o r , u a s ba n dm f , a st h e e x p e r i m e n t a lo b j e c ta n du s e st h es u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( s m b r ) t os t u d yt h en i w a f i o n c h a m c t e r i s t i co fh i g hc o n c e n w a f i u na m m o n i an i t r o g e n , t h es l u d g ec h a r a c t e r i s t i ci nt h er e a c t o r , t h e d e c l i n em g t a a r i t ya n dt h er e n e w a lm e a s u r e so f m e m b r a n ef l u x e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wa sf o l l o w s b y t h es t u d yo nn i t r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c & h i g hc o n d 盘曲【a 虹o na m m o n i a n i t r o g e ni nas u b m e r g e d m e m b r a n eb i o r e a c t o ri nd i f f e r e n tl o a d i n ga n dd i f f e r e n th r t ，w ec a nd r a ws o m ec o n c l u s i o n si nt h e r e a c t o rw h i c ha u t o t r o p h i cb a c t e r i aw a st h ed o m i n a n ts p e c i e s ，w h e nt h ei n f l u e n tc o n c e n l r a t i o no f a m m o n i a - nw a sb e t w e e n2 4 1 9m g la n d1 9 8 7 m g l , t h ea m m o n i a - nr e m o v a lr a t eo f s m b rw a s b e t w e e n4 4 7 a n d9 9 7 a n dt h ec o r r e s p o n d i n ge f f l u e n tc o n c e n t r a t i o nw a sb e t w e e n1 9m e c la n d 9 7 81 m g l w h e n a m m o n i a - n l o a d i n gr a t e w a s l e s s t h a n l 5 k g n h s - n ( m 3d ) a m m o n i a - nr e n a o v a l r a t eo fs m b rw a sm o r et h a n8 0 o nt h ew h o l e a tt h e8 f f l t l et i m e ，t h es m b rh a dg o o da b i l i t yt o r e s i s tt h el o a d i n gi m p a c ta n di tc o u l dk e e ph i g h e ra m m o n i a - nr e m o v a lr a t ea tt h ef i x e dt i m e t h e l o a d i n gr a t ew a sl m l o r e3 7 5 1 5t i m e st h a nt h a to ft h en i t r a t i o ns e g m e n to fa c t i v a t e ds l u d g ea n d c o r f l r r l o r lb i o l o g i c a lf l u i d i z e db e d ，i n d i c a l h a gt h a ts m b rh a db e t t e rn i t r i f y i n gc a p a c i t y a m m o n i a - n r e m o v a lr a t eo fs m b rh a d n te v i d e n td i f f e r e n c ei nt h es a m el o a d i n gr a t eb u td i f f e r e n th r ts u c ha s j 2 h ，1 8 ha n d 2 4 h 。 d t t n n gt h er u n n i i l gt i m e ，t h en i t r a t i o ns l u d g ec o n c e n t r a t i o nl o s ef r o m3 ：8 7 9 lt o7 2 9 9 l ，v s s s s g r a d u a l l yd e c l i n e df r o m 0 8t oa b o u t0 7 5a n dt h es l u d g ev o l u m ei n d e xa l s od e c l i n e df r o m1 7 5 m l gt o 5 0 m l ga n db e c o m e ：s t a b i l i z a t i o n ，w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h es l u d g ea c c l i m a t i z ei t s e l f t ot h es u r r o u n d i n g o f l a c k i n g o f b i o d e g r a d a b l eo r g a n i cs u b s t a n c e s b u t h a v i n g h i g h c o n c e n t r a t i o na m m o n i a n i t r o g e n t r o y c o l l o i d sa n dh i g hm o l e c u l a r - w e i g h tv i s c o u ss u b s t a n c e so ft h es l u d g ew e r et h ep r e p o n d e r a n t c o n t a m i n a t i o n so fm e m b r a n ed u r i n gf i l t r a t i n g t h em e m b r a n ef o u l i n gr e s i s t a n c ew a sm a i n l y 西安建筑科技大学硕士论文 c o m p l e t e do f p o l a r i z a t i o nl a y e rr e s i s t a n c ea n de x t e r n a lf o u l i n gr e s i s t a n c ew i t ht h ed i s t r i b u t i o nt e s t so f r e s i s t a w e ，a n dt h e $ i i i i so ft h e 督o t o o ko v e i9 0 o ft o t a lf o u l i n gr e s i s t a n c et h es p e c i f i cc a k e r e s i s t a n c eo fs l u d g ew a s1 0 1 4 1 0 1 6m k ga n dt h ec a k ec o m p r e s s i b i l i t yo f t h es l u d g ew a sm o r et h a n 0 7 5o n t h e w h o l e ，i n d i c a t i n g t h a t t h es l u d g e o f s m b r w a s f i l t r a t e d d i f f i c u l t l y b u tc o m p r e s s e de a s i l y t h em e n a b r a n ew o u l db ep o l l u t e do nd i f f e r e n tl e v e ld u r i n gt h en m n i n gp r o c e s s h r th a dm o r e c 位吱o nt h em e m b r a n ef l u xd e c k i n ev e l o c i t yd u r i n gt h en m n i n gd m e c o m p a r i n gh r to f1 2 h 18 h a n d2 4 h ，t h eg r e a t e s tm e m b r a n ef l u xd e c l i n ev e l o c i t yh a p p e n e di nh r to f1 2 h i nt h ee x p e r i r n e n li u s e ds e v e r a lm e t h o d st or e c o v e rt h em e m b r a n ef l u xa f t e rt h em e m b r a n ep o l l u t e d t h ee f f e c to f c h e m i c m e m b r a n ew a s h i n gw a sb e t t e rt h a nt h a to fp h y s i cm e m b r a n ew a s h i n g w h e nc l e a n i n go u tt h e m e m b r a n e ，t h e r e c o v e r yo f t h e m e m b r a n e f l u x w a s l i m i t e d a n d i t w a s j u s t a b o u t 3 5 i n t h e e x p e r i m e n t b yh y d r a u l i cw a y sa n d2 0 0b ye m p t ya e r a t i n g t h ee f f e c to fo x i d a t i v ew a yo f n a c l o w a sb e t t e rt h a n t h a to f a c i da n da l k a l iw a s h i n gi nt h ec h e m i cm e t h o d s 1 l l cc o n t a c tt i m eh a di n f l u e n c eo nt h ee f f e c to l c l e a n o l n k e y w o r d ：h i g hc o n c e n t r a t i o na n u n o n i an i t r o g e n ,m e m b r a n eb i o r e a c t o r , t f i 仕a f i o n ， c h a r a c t e r i s t i c so fs l u d g e , m e m b r a n ec o n t a m i n a t i o n p a p e rt y p e ：a p p l i c a t i o n 2 h i ss t u d yi ss u p p o a e db yt h et h es h a n x ip r o v i n c ee d u c a t i o n a lh a l lt os p e c i a lr e s e a r c hp l a n n e d p r o j e c t ( p r o j e c tn u m b e r ：0 2j k l 3 6 ) a n dt h e ) ( i 细c 毋t oi n d u s l r ya n dt e c h n o l o g ys t r a t e g i cp l a n n e d p r o j e c t ( p r o j e c t n u m b e r ：g g 2 0 0 2 7 5 ) 。 声明 本人郑重声明我所呈交的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，也不包含本人或其他人在其它单位 已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的 所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 磁、s 赴 日期：硝石、三 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：渤，也导师签名： 注：请将此页附在论文首页。 日期知衫。多，2 西安建筑科技大学硕士论文 m m l l l 1 绪论 1 1 膜生物反应器 1 11 膜生物反应器自提出 随着现代工业的飞速发展，合成有机物的种类日益增多，目前已达5 0 0 多万种，其中相当 部分难以被生物降解。在有机合成、化学制药、染料化工、农药等行业排放的废水中，都含 有浓度不等的难降解有机物，如杂环类化合物、有机卤化物、表面滑| 生物质、染料中间体、有 机农药等。这些废水的通性是b o d c o d 比值低，采用常规的生物处理技术效果往往不好；而 采用常规的物化法( 如臭氧氧化、活性炭吸附等) 则运行费用又太高。另外在全国6 0 0 多座城 市中，有近4 0 0 座缺水。缺水每年给城市工业产值造成的损失在1 2 0 0 亿元以上。与此同时， 水环境污染日趋严重，全国7 大重点流域地表水有机污染普遍，特别是流经城市的河段有机污 染鞍重，主要是湖泊富营养化问题突出。多数城市的地下水受到了不同程度的点污染或面污染。 水资源短缺和水环境污染已经成为制约我国经济和社会发展的重要因素【l 】。因此，研制和开发 能够适用与难降解有机废水处理、高浓度废水的处理和城市污水回用的新型高效处理设备便迫 在眉睫。 近年来各种新型、改良型的高效废水处理技术应运而生，其中膜生物反应器( m e m b r a n e b i o r e a c t o r ，简称m b r ) 在废水处理中的应用格外引入注目。 1 1 2 膜生物反应器的发展历史及研究进展 膜生物反应器的构想晟早出现在酶制剂工业中。b l a t t 等人在1 9 6 5 年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 等成功运用膜分离技术制取酶制剂回。真正将膜分离技术引入 水处理工业并与活性污泥法相联系是在1 9 6 9 年。美国的s m i t h 首次报道了用活洼污泥法和超 滤法结合处理城市污水的方法，并由d o r r - o f i v e rh a c 在1 9 6 9 年申请了美国专利 3 1 。直到1 9 8 5 年，膜生物反应器的研究基本上还处在基础研究阶段。 进入8 0 年代以来，随着膜技术的发展，膜生物反应嚣由于具有占地面积小，出水水质好 等优点，在国际上引起了广泛的重视。尤其是在国土狭小，地价商的日本，人们更是投入了大 量的人力、物力对m b r 在废水处理中的应用进行了开发和研究。在日本1 9 8 5 年开始的“a q u a r e n a i s s a n c e9 0 ”大型研究计划( 水再生利用9 0 计划) 。包括了新型膜材料的开发，膜分离装 勘约研究，将m b r 研究在污水处理对象及处理规模上都向前大大推进了一步。目本在该项计 划中对厌氧膜生物反应器作了较为系统的研究，研制了处理七类废水( 酒精发酵、造纸、淀粉、 油腊、蛋白、生活、尿尿) 的膜生物反应器系统，并在1 9 8 8 年的中间评价阶段后，进入了实 西安建筑科技大学硕士论文 验i 厂运转试验吲。法国、美国、澳大利亚等国对膜生物反应器的研究也投入了很大的力量， 使膜生物反应器的研究内容更加全面和深入，为九十年代的进一步推广应用奠定了技术基础。 9 0 年代以后，国际上列m b r 在生活污水处理、工业废水处理、饮用水处理方面进行了 大量地研究，对m b r 机理、特| 兰e 、膜通量的影响因素及操作条件等方面也进行了大量的研究 i 作，m b r 已进入实际应用阶段，并得到了快速的推广。 ( 1 ) m b r 处理生活污水的研究。1 9 9 0 年，c h i e m c h a i s r i 等人在泰国进行了中空纤维膜 生物反应器中试规模的研究：1 9 9 2 年，c h i e m c h a i s f ie ta l 用m b r 工艺处理生活污水，出水水 质好于传统二级处理后再经消毒的出水；n a g a n oe ta l 报道了m b r 中污泥浓度在好氧和厌氧系 统中可达2 8 7 9 l 和1 1 3 3 9 l ；1 9 9 3 年c h i e m c h a i s r ie t a l 分别利用中空、板式m b r 工艺处理城 市污水，对c o d 的去除率均大于8 0 ，还利用m b r 进行了生活污水脱氮研究和低温脱氮研 究；1 9 9 4 年，t r o u v ee ta l 将无机膜生物反应器工艺运用在巴黎a u b e r g e n v i l l ew 厂i p 处理城 市废水的半生产性运行中，处理能力为1 8 4 0 m 3 d ，对s s 、b o d 去除率大于9 9 9 ，n h 3 - n 去 除率大于9 7 ，c o d 的去除率为9 6 ，硝化率大于9 9 9 ；1 9 9 5 年，m u l l e re ta l 用错流式 v f b r 工艺做中试试验，运行3 0 0 d ，污泥浓度达4 0 - 5 0 9 l ，体积负荷与污泥负荷分别为 o 9 - 2 0 k g c o d ( m j d ) 和o 0 2 1 k e ；( k g m l s s d ) ，总有机碳去除率大于9 0 ，基本实现完全硝 化，男有4 0 的氮被反硝化去除；1 9 9 6 年，w m n e ne ta l 用陶瓷膜生物反应器处理人工合成废 水，对c o d 、s s 、t k n 、n h 3 - n 的去除率都非常好，并能有效截留m s 一2 型脊髓灰质炎病毒 和异氧细菌；1 9 9 8 年，s a k e l l a r i o u s 在研究m b r 污泥零排放时，对穿流式m b r 和错流式m b r 进行了比较，发现穿流式的能耗为1 1 5 k w h a n 3 ，比错流式的能耗5 6 k w h m 3 小得多；1 9 9 9 年， 一种新型的一体式m b r 重力淹没式m b r 在日本试验成功，t a t s u t d u e d a 等人采用膜组件 上部混合液的高度差所产生的水压将水压出膜组件，处理每吨水能耗为2 4k w h m 3 。 ( 2 ) m b r 工艺处理工业废水的研究。1 9 9 0 年，y a m a m o t oe ta l 采用序批式膜生物反应器 处理含重金属铬的高浓度有机制革废水，得到c o d 的去除率为9 3 7 9 6 3 ，铬的去除率为 9 54 9 7 7 ；1 9 9 1 年t o n e l l i 等用m b r 对汽车制造厂的含油污水处理进行了研究；k i m u l ae t a l 用m b r 工艺对小麦淀粉废水进行了试验研究，进水c o d 为3 6 0 0 0 m g l ，c o d 的去除率为 7 5 5 ，处理造纸废水，c o d 的去除率为9 6 i1 9 9 2 年，r o s s 等用厌氧m b r 处理啤酒废水， 进水c o d 为6 7 0 0 m g l 时的c o d 去除率为9 6 0 9 9 ：s u w a e ta l 对食品加工废水进行了小试 试验研究，污泥浓度为2 7 之3 6 9 v s s l ，进水b o d 负荷为0 3 3 1 6 6 k g ( m 3 d ) 时，对c o d 的去除率大于9 7 ；1 9 9 3 年，v e n k a t a d r i 等用中空纤维膜一生物反应器对有毒化合物的降解进 i jr 实验研究；k r a u t h 等将加压膜生物反应器用于酸菜罐头加工废水处理的研究，进水c o d 勾4 2 6 0 m g l ，出水c o d 为7 0 8 m g l ，卫生学指标达到饮用水标准；l a c o s t e 等用微滤( a - a l ， 孔径o 3 4 “m ) 、超滤( z a 3 2 ，孔径5 0 n m ) 膜生物反应器工艺纯氧曝气处理含蛋白胨、葡萄糖 等人j ：合成废水，进水c o d6 l g ，l 、b o d 4 3 咖扎、总氮6 6 2 r n g l 、s s 3 8 m g l ，出水c o d 西安建筑科技大学硕士论文 小于3 0 m g l ，c o d 和b o d 的去除率为9 7 希19 8 ，出水中没有细菌和s s ：1 9 9 8 年，d u f r e s n e , 2 1a l 用膜生物反应器处理纸浆废水，发现膜生物反应器对c o d 、s s 和毒性都有很好的去除效 果：u r b a i n l 6 1 用无机膜( t i o j y a l 2 0 3 z n 0 2 ) 好氧生物反应器对填埋场渗滤液进行中试研究， h r l l 为1 2 5 d ，s r t 为1 0 0 d ，原液c o d 为2 1 0 0 m g l ，经1 6 8 d 连续培养，c o d 去除率大于 4 0 ，几乎实现完全硝化，可稳定运行一个月。 l 3 ) m b r 在国内的研究进展。m b r 在我国水处理方面的应用研究首先从分离式m b r 丌始。1 9 9 1 年，岑运华介绍了m b r 在日本的研究状况；1 9 9 3 年，上海华东理工大学环境工 程研究所进行rm b r 处理人工合成污水和制药废水的可行性研究。1 9 9 5 年，樊耀波将m b r 用于石油化工污水净化的研究，研制出套实验室规模的好氧m b r ，该系统对石油化： 污水 中c o d 、b o d 、s s 、浊度、石油类均有较高的去除率。我校将厌氧和好氧膜生物反应器应用 到垃圾渗滤液的处理研究方面，取得了突破性的进展【7 钢。自1 9 9 3 年始，清华大学的刘正雄、 汪减文、桂萍等，天津大学的顾平、同济大学的李红兵先后对膜生物反应器处理生活污水并回 用的可行性、操作运行条件、膜污染机理及控制对策进行了研究探讨，证明了膜生物反应器处 理电焉污水并用于回用在技术上和经济上都是可行的。在这些研究基础上，膜生物反应器在我 国开始逐步走向应用并呈现出良好的应用前景。 1 13 膜生物反应器的分类 膜生物反应器根据机理可分为三大类型1 8 、9 1 ：膜曝气生物反应器( m e m b r a a ：ea e r a t i o n b i o r e a c t o r ，m a j 3 r ) ：萃取膜生物反应器( e x l r a c t i v em e m b r a n eb i o r e a c t o r ，e m b r ) ；膜分离生 物反应器( b i o m a s ss e p a r a t i o nm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，b s m b r ，简称m b r ) 。 荆液厂 出糊 进气 ( 空气或 纯氧) 丁 目+ 气体循环 幽1 - 1 膜- b 巽气生物反应器示意图 膜曝气生物反应器为无泡曝气，其示意图见图1 1 ，它用于高需氧的废水处理【1 0 1 。曝气 m b r 最早见于c o t e p 等于1 9 8 8 年的报道【l ”。它采用透气性致密膜( 如硅橡胶膜) 或微孔膜 ( 如疏水陛聚合膜) 以板式或中空纤维式组件，在保持气体分压低于泡点( b u b b l ep o i n t ) 的 情况下，可实现生物反应器的无泡曝气。由于传递的气体含在膜系统中，因此提高了接触时间， 强大地提离了传氧效率。如：j a s c o t t 等的研究表明啕：当采用孔径为o 3 5 微米的无机膜处 理高浓度废水时，膜的曝气效率比普通的环形曝气器的效率高7 2 ，处理效率可比普通曝气法 ，卜卜一：、生 茸，气 卜仁进琊溅 西安建筑科技大学硕士论文 提高9 0 1 0 0 。同时由于气液两相被膜分开，有利于曝气工艺更好的控制，有效地将曝气和混 合功能分开。因为供氧面积一定，所以该工艺不受传统曝气系统中气泡大小及停留时间等因素 的影响。此后，英国的k e i t h b m d l e 等对此进行了更多的研旁”】，如在序批式生物膜法中采用 螺旋圭橡胶膜管进行无泡曝气，取得了高效曝气效果。 萃取膜生物反应器其示意图见图1 - 2 ，用于工业废水中优先污染物的处理，是结合膜萃取 和生物降解，利用膜将有毒工业废水中有毒的、溶解| 生差的污染物优先从废水中萃取出来，然 后用专性菌对其进行单独的生物降解，从而使不受水中离子强度和p h 的影响，生物反应器的 功能得到优化。 目前膜曝气生物反应器和萃取膜生物反应器还处在实验室研究阶段，尚无实际的程应用。 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，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。它是应用最为广泛的一种膜生物反应器类 型，本文所说的膜生物反应器就是指该反应器，直接称之为膜生物反应器。 废水流 氧气废水 图1 - 2 萃取膜生物反应器不意图 膜生物反应器的分类方法较多。按照膜组件与生物反应器的结合隋况，则可将膜分离生物 夏应器( m b r ) 分为一体式膜生物反应器、分置式膜生物反应器和复合式膜生物反应器三种。 按照所用膜组件种类的不同，又可将m b r 分为超滤膜生物反应器( u m b r ) 、微滤膜生物反 应器( m m b r ) 、反渗透膜生物反应器( r o m b r ) 。按照生物处理的种类不同，m b r 可分为 好氧式和厌氧式两类。根据生物反应器受压的情况又可分为常压膜生物反应器和加压膜生物反 应器。 一体式m b r 又称浸没式膜生物反应器( s m b r ) ，是指将膜组件直接放入生物反应器内的 反应器形式，一般靠水头压差或真空泵抽吸来获得膜分离所需要的压力差。一体式m b r 可分 为两种组成形式：一种仅有一个生物反应器，如图1 3 所示。另一种有两个生物反应器，其中 个为硝化池，另+ 个为反硝化池，如图1 4 所示。膜组件浸没于硝化反应器中，两池之间通 过泵来更新过滤盼混合液。 4 西安建筑科技大学硕士论文 一体式m b r 的膜组件多采用外压式膜组件，而且由于真空泵或水头压差所能提供的膜分 离压力般较小，所以体式m b r 多采用低压膜组件。膜组件表面的水力剪切作用由曝气器 产生的气泡对膜表面的直接冲刷作用来提供，或是将膜组件装在一中空轴上，靠中空轴的旋转， 使安装在轴上的膜组件也随之旋转，来提供膜表面的剪切力。 进水重力流回流污泥 生物反硝化池生物硝化池 幽1 - 3 单池体一体式膜生物反应器原理图 圈1 4 双池体一体式膜生物反应器示意图 一般一体式膜生物反应器不用另加装搅拌器，而靠曝气器产生的气泡的搅拌作用在反应器 内产生内循环流以使活性污泥在反应器内保持完全混合。由于一体式i v i i r 不需要单独的污泥 同流系统，因此可省去循环用的加压泵和管路系统，也没有生物絮体被泵破坏所产生的微生物 失活现象，能耗也较低。并且由于一体式膜组件采用外压式膜，因此一般也没有膜堵塞问题。 但是，由于一体式m b r 的膜组件表面的流速和流态难以自由控制，因此，如果水流对膜表面 的凝胶层的冲刷作用较弱，膜容易污染和结垢。同时，膜组件的拆装和清洗也较为困难。另外， 一体式m b r 所允许的操作压力通常较低，膜的稳定通量较小，对于同样的处理水量，需要比 分体式m b r 更大的膜面积，所以一体式m b r 通常采用装填密度较大的中空纤维膜或毛细管 膜等膜组件。因此一体式i v l 3 r 要求必须具有操作压力低，通量大，抗污染能力强等特点的膜 组件。 进水空气污泥回流 膜组件 图i - 5 分置式膜生物反应器示意图 分嚣式i i i r 又称分体式砌b r ，是指生物反应器与膜组件分为两个部分的膜生物反应器 形式。一般由加压泵将生物反应器中的滑陛污泥混合液送入膜组件进行过滤，过滤液作为出水 西安建筑科技大学硕士论文 i i 排放，而被浓缩了的泥水混合液则由膜组件出水处的剩余压力送回生物反应器内，以保持生物 反应器中的微生物浓度。其示意图如图1 5 所示。 分青：式m b r 的生物反应器部分大多采用完全混合式，而膜组件大多采用内压式。其特点 是操作运行条件易于控制，膜组件易于进行清洗、更换、反冲洗等。此外，由于膜面流速可以 在较大幅度内自由调整，膜面流态可以得到有效的控制，因此，膜面不易形成凝胶层和结垢。 但分置式m b r 由丁二需要单独的加压泵和污泥回流系统，并为了防止膜面结垢而保持较高的膜 面流速，因此，其动力消耗较高。一般来说 1 41 5 ，对于好氧型m b r ，获得每立方米出水约需 将2 0 - 3 0 m 3 的混合液泵入膜组件，而对于厌氧型m b r ，获得每立方米出水则需泵入4 0 8 0 m 3 的混合液。当采用内压式膜组件时，对于管径较小的管式膜组件，其中心孔易于被活性污泥堵 塞也是一个较为棘手的问题。如在邢传红等的研究中【闻，对于单通道直径为4 5 m m 的无机膜 组件，仅需5 7 天就会有通道被堵死。此外，某些菌胶团在加压泵的高速剪切作用下，其团粒 结构会遭到破坏，从而导致其活性降低。m a r t i nb r o c k m a n n 等的试验结果证明i 4 】：对于厌氧 m b r ，当污泥经加压泵循环2 0 次时，污泥活性降低5 0 ，当污泥循环1 0 0 次时，污泥活性降 低9 0 。对于好氧m b r ，当活性污泥循环1 2 0 0 次后，污泥摄氧率由约1 3 n a g ( 0 2 ) 幢( m l s s ) h 减至4 ，5 m g ( 0 2 ) 幢( m l s s ) h ，并且其活性的降低表现出种不可恢复性。 进 出水 图1 6 复台式膜生物反应器示意图 复合式膜生物反应器不同之处在于生物反应器内加装填料，从而改变了膜生物反应器的某 些性状，使生物反应器内既有悬浮相的活性污泥又有附着相的生物膜，从而提高了反应器内污 泥浓度，增强了处理废水的能力，提高了运行的稳定性f 1 7 1 。其示意图见图1 - 6 。填料可采用常 蝇填料或其它如泡沫塑料、颗粒潘隆碳等。 114 膜生物反应器的特点 膜生物法m b r ( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ) 是将现代膜分离技术与传统生物处理技术结合起 米的一种新型水处理技术，它集生物降解、泥水分离于一体，相对于普通生物法，它有以下优 m 蚓： 西安建筑科技大学硕士论文 ( 1 ) 结构紧凑，占地蕊积小。 膜生物反应器仅用一个膜分离装置就完全实现了在常规生物处理中需要用较大的二沉池 和沙滤系统才。能实现的功能，使系统变得较为紧凑，减小了占地面积。特别是一体式m b r 在 个反应器中同时实现了生物降解和泥水分离，更是如此。d a v i s 【j7 | 等对不同规模的膜生物反 应器和传统活性污泥法水处理厂进行比较发现，m b r 节省了占地面积约1 2 2 3 。 ( 2 ) m b r 使泥水分离不再依靠污泥的重力沉降，从根本上杜绝了污泥膨胀现象对出水水 质和生物处理系统的不利影响，这是膜生物反应器与其它类型的生物反应器相比最显著的优 # ，使操作管理简单易行。 m b r 对有机物的去除效果来自两方面：一方面是生物反应器内微生物对有机物的降解； 另一方面是膜对有机物大分子的截留作用。在处理某些工业废水时，膜的截留作用还有利于培 养出一些对该种废水有特殊降解能力的专属细菌【1 2 】，这些细菌絮凝能力较差，从而难以在普通 生物处理过程中得到优势增殖。另外，膜的截留作用还可以延长大分子物质的停留时间，使 m b r 处理难降解有机物的能力得到加强。m b r 由于采用膜过滤，可以实现出水中无悬浮物， 选择性膜还可以截留混合液中的大分子物质和细蔼、病毒等，因此，出水水质较好。各种m b r 处理城市污水的出水水质均优于传统生物处理工艺，消毒后己达到或优于建设部生活杂用水 水质标准( c j 2 5 ，1 8 9 ) ，可作为楼房中水及城市园林绿化、消防等用水回用。 ( 3 ) m b r 实现了水力停留时间( 两玎) 和污泥停留时间( s r t ) 的完全分离。可以同时 实现很短的h r t 和很长的s r t 的完全分离，因而自甚在反应器中维持足够高的污泥浓度，大幅 度提高容积负荷，从而大大减少生物处理装霞的体积，并且由于污泥负荷维持在较低的水平， - “生的剩余污泥量少，减少了污泥处理的工作量和费用。 h r t 和很长的s r t 的完全分离使得在反应器中能够保留足够高的污泥浓度，好氧膜生物 反应器处理城市生活污水时污泥浓度一般为1 0 2 0 9 l ，最高可达5 0g 甩；处理工业废水时， 污泥浓度为2 4 0g a ，大部分高于2 0g ，l 。厌氧膜生物反应器污泥浓度最高纪录是5 6 6g 甩【l o 】。 m b r 中较高的污泥浓度不仅使m b r 所能达至0 的容积负荷大大提高，还使系统抵抗冲击负荷 和有毒有害物质的能力得到了加强，并使系统运行的稳定性得以提高。如李红兵等1 1 目用中空纤 维膜生物反应器处理生活污水，在水力停留时间为1 5 h 和5 8 h ，容积负荷高达5 7 6 k g c o d ( m d ) ，系统对c o d 的去除率在9 0 以上；绝太多数研究者对生活污水处理时容积负荷均 呵达到1k g c o d ( m 3 d ) 以上。王连军【2 0 在对啤酒废水的研究中容积负荷高达6 _ 3k g c o d f m 3 d ) 。对于难降解的毛纺印染废水，郑祥等刚研究发现容积负荷可达到2 4 5k g c o d ( o d ) 。高的容积负荷大大减小了生物处理装置的体积。吴志超盥】采用好氧m b r 处理氨基 般生产废水发现：c o d 容积负荷为1 2 k g c o d ( n ，d ) ，2 4 k g c o d ( i n 3 d ) ，3 6 k g c o d t 甜d ) ，4 8 k g c o d ( m 3 d ) 时，出水c o d 浓度变化不大，且h r t 对出水水质无明显影 i | l i | 。 西安建筑科技大学硕士论文 m b r 中较高的污泥浓度可以实现在容积负荷很高的同时，污泥负荷保持很低，因此，进 入m b r 的基质将主要用于维持微生物的最低营养要求，而污泥的增殖量则很少，大大减小了 剩余污泥的产量。从理论上讲，膜生物反应器能将污泥完全截留在生物反应器内，实现不排泥 噪作。c h a i z e 和h u y a r d 首次研究了m b r 对污泥产率得影响，在s r t 为5 0 和1 0 0 d 时，污泥 声：量大大减少，他们认为是低f m 比例和较长的污泥龄的结果四】；m u l l e r 在处理生活污水的 中试研究中发现：当污泥浓度( m l s s ) 高达4 0 5 0 9 l 和污泥完全截留时，几乎不产生污泥 “。杜萍在不同s r t ( 5 8 0 d ) 条件下，用一体式m b r 处理生活污水发现：理论产率系数y r ；与 衰减系数b 值随s r t 的延长而下掣”j 。刘锐用一体式m br 处理生活污水，在2 8 0d 未排泥的 条件下运行，发现表观产率系数y b 随运行时间的延长呈明显的降低趋势，y b 从运行初期的 0 2 4 8k g v s s k g c o d 下降为0 0 8 3k g v s s k g c o d 川。张绍园应用食物链中能量递减的原理， 在两段式m b r 中引入后生动物蠕虫，发现有蠕虫存在时，其污泥产率低于常规活性污泥 法污水处理系统：当蠕虫浓度保持1 0 0 个m l 以上时，污泥产率为o 1 k g s s k g c o d ，约 为常规活性污泥法的1 4 【2 7 】。m b r 排出的剩余污泥一般较为稳定，可以不进行污泥消化而直 接脱水，使m b r 的剩余污泥处理费用得以降低。目前剩余污泥的处理与处置已成为污水处理 能否j i ：常运行的制约因素之一，它的费用占到污水处理厂总运行费用的2 5 4 0 ，有的甚 至高达6 0 谬j 。因此，从源头减少污泥的产生量就显得非常必要和关键，这些因素推动和促 进了具有剩余污泥