（环境工程专业论文）一体式膜生物反应器处理生活污水的试验研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：壹宣整 日期：砌乒五2 0 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：才煎壅导师签名：述童建日期：虫壁生。 f i 求人学坝 学位论文 摘要 本课题宣在研究确定一体式膜生物反应器处理生活污水时的最佳工艺参数 和运行方式，分析膜污染形成过程，探索膜清洗方法，提商此工艺的运行稳定 性，从而促进这种简单、高效的中水回用工艺的开发和实用化。 通过对一体式膜生物反应器的设计、安装、调试和处理生活污水的试验研 究，得到以下结论： 当进水c o d 平均值为2 0 3 4 4 m g l ，n h 3 一n 平均值为3 8 5 0 m g l ，t p 平均值为 3 2 8 m g l 时，一体式膜生物反应器内污泥浓度稳定在3 0 0 0 m g l ( 以m l v s s 计) 左 右，m l v s s i v i l s s 比值为0 5 5 左右，污泥龄s r t 可控制在2 2 d 左右。过长的 污泥龄抑制污泥活性，影响氧的传质效率，降低有机物和氨氮的去除率。 采用污泥龄s r t = 2 2 d 、水力停留时间h r t = 4 h 、溶解氧浓度d o = 2 m g l 、 抽吸时间为9 m i n ，停抽时间为3 m i n 的间歇运行方式，c o d 去除率可达9 0 之上， 出水c o d 2 0 m g l ，n h 。一n 去除率可达9 5 之上，出水n h , - n i o m m ： 毛细管式= o 5 1 0 0 m m ；中空纤维式 7 o x1 02 ( c m 3 c m 2 s c m i i g ) 对称性非均质 荷电性荷负电 亲水性亲水膜 1 6 一! ! 笠苎竺丝! ：堂壁堕墨 一 一 3 - 2 3 进出水系统 进水系统采用“白吸电泵”，出水采用“隔膜计量泵”抽吸，并设有“时间继电器”， 可调节抽吸时间和停抽时间。系统的液位由自控系统自动控制，液位变化量h 2 5 c m ( 最低液位高h j = 3 3 c m ，最高液位h 2 = 3 8 c m ) 。 另外，为精确调节和计量进出水流量，在出水抽吸泵前设“l z s 系列”液体转子 流量计，可显示调节范围o 3 0l m 。 进水泵和出水泵的主要性能参数见表3 2 1 、3 2 2 。 表3 2 _ l进水泵主要性能参数 名称浙江浪友牌自吸泵 型号 2 5 _ z x 2 5 一o 5 5 电源 2 2 0 v 5 0 h z 功率 o 5 5 k w 最大流量 2 3 h 规定流量 l m 3 h 最高抽程 4 5 m 最高扬程 2 8 m 允许吸程 9 m 气蚀余量 3 5 m 转速2 8 6 0 r i n 表3 2 - 2出水泵主要性能参数 名称 j ，系列机械隔膜式计量泵 型号j - m 2 一_ 8 1 0 膜片聚四氯乙烯( p v c ) 电源2 2 0 v 5 0 h z 功率0 5 5 k w 昂大流量 5 0 l h 调节流量范围0 5 0 l h 额定压力 0 5 m p a 3 2 4 曝气系统 曝气采用“电磁式空气压缩机”和“砂式曝气器”。曝气量可通过“l z s 系列气 体转子流量计”控制，调节范围o 1 0m 3 h 。空气压缩机的性能见表3 2 3 。 硝号功率电压 l排气鹫 a c d 系列1 0 5 w i 2 2 0 v i 8 5 l m i n t h 东人学f l j l 。学位论殳 3 2 5 其它配件 为显示系统的“操作压力”，分析“膜污染导致的阻力上升情况”，在“隔膜计量 泵”与“膜组件”相连的管道上安装“真空压力表”，压力表量程- 0 0 1 0 0 5 m p a 。 系统安装管路直径o = 2 0 m m ，配套球阀共l o 只，三通( 2 0 m m ) 5 个，四通( 2 0 m m ) 1 个，弯头若干。 3 3 膜分离反应器的调试 膜分离反应器处理污水时发生复杂的物理、生化反应，其处理过程有以下主要功 能：从废水中去除溶解性有机物，并将其转变为不溶性的细胞物质：从废水中分 离出不溶于水的物质，得到澄清出水。在以上两项功能建立并正常后，膜分离生物反 应器的调试工作方能完成。为使整个系统正常运转，必须首先做好两方面的准备工作： 生物处理过程的启动；机械设备的启动。 3 3 1 准备工作 1 、分析污水水质 ( 1 ) 污水水质 本试验采用生活污水。取水地为经十路山大南校区附近排污沟，污水来源主要为 齐鲁宾馆污水及学校教职工生活污水，具体水质指标见表3 3 1 。 ( 2 ) 分析方法 水质分析方法依据水和废水监测分析方法( 第4 版) ，具体情况见表3 _ 3 2 。 2 、筛选菌种 根据接种污泥的两条原则：菌种取自处理过程相似的污水厂；菌种取自污水 性质相似的污水厂。本次试验选择“济南市水质净化二厂”的二沉池回流污泥作为筛 选菌种。 “济南市水质净化二厂”采用的处理工艺为：格栅一调节池一钟式沉沙池一厌氧 池一氧化沟一二沉池。其废水来源主要是生活污水，另外也包括少量工业废水，具体 水质指标见表3 3 3 。 可见，“济南市水质净化二厂”处理工艺和污水水质与本次试验所用工艺和污水水 质均有相似之处，符合接种污泥的原则，选择其二沉池回流污泥作为筛选菌种是切实 可行的。 1 8 i ! 茎叁兰! 业型堕生一 指标 p s s c o dn i k n t p 范m 7 67 9 8 9 6 0 1 5 4 5 4 9 8 6 4 3 2 7 6 01 0 9 2 5 8 7 3 1 0 卜5 3 1 均值 781 2 1 5 0 2 0 3 4 43 8 5 0 3 2 8 序号监测项口 分析方法 所用仪器 1d h玻璃电极法 精密p h 计 2s s重量法 分析天平 3c o d重铬酸钾法 同流装置 4m 3 一n纳氏试剂比色法分光光度计 5t p钼锑抗分光光度法分光光度计 6m l s s重量法烘箱、分析天平 7m l v s s重量法马弗炉、分析天平 8 d o仪器法溶解氧仪 9生物相镜检法生物显微镜 1 0水温水温计法温度计 表3 3 - 3济南市水质净化二厂水质指标单位：m g l ( p h 值除外) 指标 p hs sc o db 0 n 5n i l 3 一nt nt p 范围 7 2 7 83 6 1 6 92 3 7 6 7 21 2 0 3 0 22 3 5 4 2 54 1 9 5 2 61 3 卜2 3 8 均值 7 61 2 44 5 62 0 42 9 84 5 61 6 5 3 、检查机械设备 在设备开始启动之前，应详细检查机械设备的工作性能，为此，制定机械设备检 查表，具体情况见表3 3 4 。 表3 3 - 4机械设备检查表 反戍器无漏水现象 膜组件管路密封情况良好，无漏气现象 进水泵额定流量超过本试验设计流量，在管道上配套安装回流装置，系统运转 进水系统 正常。 液位控制系统低液位启动正常。高液位失控。检查、修改电路、更换浮子后系统正常。 水泵初始安装“不锈诵射流式自吸泵”，额定流量为2 4 0 m 3 h 配套安装回流 系统。设备启动一周后由于自吸泵额定流量远大于设计流龉，泵体内回流营过 出水系统 大，致使泵体过热。将山水泵更换为额定流量较小的“机械隔膜式计量泵”后， 系统正常运转。 空压机运转正常但曝气管孔径过大，易于堵塞且氧的转移效率过低。更换为 曝气系统 “砂式曝气管4 后曝气系统正常运转。 压力表量程范围：0 i o o k p a ，膜实际可以承受的抽吸压力不得超过3 0k p a ， 压力表 囡此更换为小量程的压力表( o 5 0 k p a ) 。 系统出水管路有漏气现象，用塑胶带等密封漏气位置后系统止常。 其它 自控系统正常。 在确保各项设备运转正常之后，丌始进入下一步的启动阶段。 1 9 求人学硕f 学位论史 3 3 2 启动 1 、膜自身阻力的测定 ( 1 ) 理论分析 根据达西( d a r c y sl a w ) 方- 程”1 ，： 竺 ( 3 ，3 一1 ) ( 如+ 矗，) 其中：j 一膜通量，m 3 m 2 h ； p 一操作压力，p a ： u 一透过液粘度，p a s ； 一膜自身阻力，m 一； r f - - 膜污染产生的总阻力，包括过滤过程中的堵塞阻力风、吸附阻力k 、 凝胶层阻力r 鸟和浓差极化阻力r 印。具体情况如图3 3 - 1 所示。 图3 3 l 膜过滤阻力分布示意图 达西方程表明：在温度一定，即溶液粘度n 为定值时，膜通量j 与操作压力ap 成i e l l ，与膜总阻力( r i 十r r ) 成反比。因此，可根据j 与ap 的线形关系得知膜阻力。 ( 2 ) 压力表读数理论论证 压力表位于膜组件之后，机械隔膜计量泵之前，其显示的读数为“膜的操作压力， 与“膜组件至压力表的沿程阻力”之和。为了证明压力表读数的有效性，即证明“压 力表显示的数值”可以代表“膜的操作压力”，进行以下计算： 首先，计算膜组件至压力表的沿程阻力： 徘个膜胡l 仆个公j e 管路的_ 羁【力示意蚓弛| 冬i3 ，3 - 2 ( j e 冉6 绀膜幻【什) 。 茸l2 强旷一一j ：j 2 1 赫 1 lj j i i j ：l l = 2 0 c m 1 2 = 3 0 c m 直 夺d = 2 0 m m 弯炙1 个 球彤阀门1 个 图3 j 一2每个威组件至公共管路的i 程阻力示意图 公共管路币压力表的沿程i ；力示意图见网3 3 - 3 。 目 l _ 生 地打表 1 其中：l = 3 0 c m d = 2 0 c m 弯义1 个 三通5 个 网通1 个 i t t3 3 - 3 公共管路至压力表的沿程阻力示意图 假设由每组膜组件至公共管路的沿程阻力为h 。，公共管路至压力表的沿程阻力为 h z ，则6 组膜组件至压力表的总沿程阻力hg = h 。+ h 。 南沿程阻力公式： = 8 丁l + z l e ，瓦w ：( 3 3 - - 2 ) 其中：l 一实际管长，靴 l e - - 管件当量长度，m ； d 一管径，m ： f 一沿程阻力系数： w 一流速，m s 。 沿程阻力系数公式：，2 砉( r e 2 0 0 0 ) ( 3 3 - - 3 ) 厂= 0 0 2 3 r 。“2 ( 5 0 0 0 p , + 2 0 0 0 0 0 ) ( 3 3 4 ) 求人学坝l 。学位论文 说明：当2 0 0 0 r 。1li lj 尔凡学顺1 学他论史 m l v s s m l s s 达最大值o ，6 3 ，表明此阶段污泥活性增强；( 3 ) 系统连续运行3 0 天后， m l v s s m l s s 比值持续下降，8 月1 0 同，m l v s s m l s s 比值下降为0 ，4 5 。出现此现 象的原因是：由图4 4 2 可以看出，系统的污泥负荷长期在0 1 k g c o d 瞰g m l s s d 】 之下，说明微生物的生长曲线完全处于内源呼吸期。细胞物质在内源呼吸代谢过程中， 约有8 0 氧化分解为无机物，2 0 转化为不可降解的残留物质。同时，基质极度缺乏 时，微生物问争夺营养的矛盾异常尖锐，有些微生物将产生抗生素杀死其近缘物种f 4 2 】。 因此系统内无机成分所占比例逐渐增加且活菌数逐渐减少，污泥活性逐渐降低；( 4 ) 8 月l o 日下午暂停系统，清除底部淤泥且冲刷曝气管后采取空曝气措施，次同测得 m l v s s m l s s 比值上升为o 5 1 。8 月日系统恢复连续运转并采取排泥措施，排泥 量2l d 。由图4 4 3 可以看出，采取排泥措旌后，系统内m l v s s m l s s 比值稳定于 o 5 5 左右，说明本试验中采取的排泥措施是必要的、可行的 2 、生物相的变化规律 镜检结果表明：接种污泥呈褐色，污泥絮凝体边缘清晰，菌胶团结合较为紧密。 虽然微型动物的种类和数量不多，但以固着生长的纤毛虫占优势，其中有属于钟虫科 的沟钟虫、白钟虫和小口钟虫，属于累枝科的瓶累枝虫和褶累枝虫，说明接种污泥较 为成熟。 试验过程中系统内生物相呈现规律性变化，可划分为以下四个阶段： ( 1 ) 系统运行第一周内( 7 月5 日7 月1 2 日) ：污泥色泽基本没有变化，但菌胶 团数量明显降低，污泥絮凝体变得分散、细碎，边缘模糊。游动性纤毛虫占优势，数 量最多的是h a t t e r i ag r a r d i n e l l a ( 纤毛纲缘毛亚纲缘毛目游动亚目) ，形体微小，游动迅 速。另外还发现有少量旋口虫、辐射变形虫，矛状鳞壳虫、粗袋鞭虫。 此阶段生物相变化表明：曝气池中有机负荷低，溶解氧浓度高，在污泥絮凝体周 围聚集着大量处于内源呼吸状态的细菌，接种污泥开始解体，沉降性能变差。 ( 2 ) 系统运行第2 - - 4 周内( 7 月1 3 日8 月3 日) ：污泥呈浓褐色，游离细菌数量 减少，菌胶团形体增大，数量增多，絮凝体结合紧密，边缘清晰。7 月1 3 日镜检显示， 污泥混合液中出现少量沟钟虫，瓶累枝虫，但形体微小，数量较少。7 月1 6 日7 月 2 1 日，累枝虫数量增加，但个体形体较小。7 月2 5 日8 月3 日，混合液中游动性纤 毛虫数量很少，固着性纤毛虫占绝对主导地位。其中累枝虫( 瓶累枝虫、湖累枝虫和 山泉人学坝l 学位论义 裙累枝虫) 数量最多。大量的累枝虫由体柄分泌粘液固着于菌胶团上，整体成一簇簇 花状聚集于每一菌胶团周围。累枝虫唇缘上方的纤毛迅速摆动以捕食混合液中的游离 细菌。钟虫( 沟钟虫、领钟虫、和杯钟虫) 数量仅位于其次，形体较大，唇缘清晰， 纤毛环摆动较快，食物泡数量多。钟虫在混合液中缓慢伸缩运动，可观察到其不同的 存在状态( 伸展体、收缩体和游泳体) 。另外，还发现混合液中存在少量螅状独缩虫、 彩盖虫和微盘盖虫。 此阶段的生物相变化表明：污泥活性增强，污泥絮凝体凝聚性能逐步改善。 ( 3 ) 系统运行第5 周内( 8 月4 日8 月1 0 日) ：污泥逐渐变为黑褐色，菌胶团数 量下降，污泥絮凝体分散、细碎。8 月4 日，出现轮虫( 转轮虫、小粗颈轮虫) 且数 量逐渐增多，个体大小不一，伸缩运动，吸食时尾部足趾插入菌胶团内部以固定躯体， 头冠处纤毛如飞轮般旋转摆动以吸食周围细菌、腐屑。8 月6 日8 月l o 日，混合液 中出现线虫，身体如蛇形般扭曲运动。草食类线虫捕食混合液中的碎屑、单细胞藻类 和真菌。肉食类线虫以其它线虫、轮虫为食。本试验中观察到的线虫类型不明。另外 此阶段后期出现红斑飘体虫且数量剧增。8 月l o 日的镜检显示，混合液中充满红斑颞 体虫且形体很大。 从此阶段的生物相变化情况可以看出：轮虫的出现说明由于负长期荷过低致使细 菌大量死亡，污泥开始老化解体，活性下降。后期线虫和红斑颡体虫的出现说明反应 器中出现死水区，如较多的污泥堆积导致。 ( 4 ) 系统运行第6 周内( 8 月1 1 目8 月1 8 日) ：8 月1 1 日观察污泥呈现淡褐 色，菌胶团形体增大，数量增多，有少量卑怯管叶虫和憎帽斜管虫。8 月1 3 日出现少 量瓶累枝虫，之后其数量缓慢增加，形体变大。8 月1 4 日8 月1 8 日，陆续出现沟钟 虫和小口钟虫。说明在8 月1 1 臼始采取排泥措旅后解体污泥向正常状态恢复，系统采 取的排泥措施是必要的，可行的。 4 4 3 根据系统对有机物和氨氮去除率的研究确定最佳污泥浓度和污泥龄 1 、系统对c o d 去除率的变化情况 系统运行4 5 天中，进水c o d 浓度在9 8 6 4 m g l 3 2 7 6 0 m g l 之间，平均浓度为 1 9 1 8 6 m g l ac o d 的去除率变化情况见图4 4 4 。 东人学倾f j 学位论文 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 o 鬟 ；i i l 逝 粕 o o u 图4 4 - 4 结果表明：( 1 ) 7 月5 日7 月1 4 日，c o d 去除率在5 3 4 2 7 6 4 9 之 间，出水c o d 较高，大于5 0 m g l 。主要原因在于此阶段污泥活性较低，膜对可溶性有 机物的截留作用较小：( 2 ) 7 月2 5 日8 月3 日，c o d 去除率稳步上升，均稳定于9 0 以上，出水c o d 小于2 0 m g l ，其中7 月2 6 同c o d 去除率达到最大值，为9 9 2 9 。此 阶段结果说明：污泥活性增强：抽吸过滤过程中膜表面逐渐形成的沉积层对溶解 性有机物的筛滤吸附作用大于膜孔本身的筛滤吸附作用。生物降解和膜面沉积层的 截留两方面共同作用保证了系统对有机物的去除率：( 3 ) 8 月1 日8 月1 0 日，c o d 去除率呈下降趋势，不过c 0 1 ) 去除率仍保持在8 0 以上。分析原因可能为：系统长 期不排泥导致的污泥活性降低：系统内传质不充分，处于缺氧状态。8 月1 0 日下午 采取检修措施后，系统内的d o 浓度由o 3 m g l 恢复至3 r a g 1 ，但c o d 去除率变化不大， 自8 月1 1 日始采取排泥措施后，c o d 去除率缓慢上升，说明影响c 0 1 ) 去除率的主要原 因在于污泥活性，系统应采取排泥措施且本试验中采取的排泥措施是可行的。 2 、系统对n h 3 - n 去除率的变化情况 系统运行4 5 天中，进水n h 3 - n 浓度在1 0 9 2 m g l 5 6 8 5 m g l 之间，平均浓度为 3 4 4 7 m g l 。n h 3 一n 的去除率变化情况见图4 4 5 。 、詈、毯嫌oou t，毒娥军j童 堂垄盔兰竺= ! = 兰些堡苎 一一一一 由图4 4 5 可以看出：( 1 ) 系统运行初期，n h 3 一n 去除率即大于8 0 ，说明接种 污泥中硝化细菌含量较高，硝化能力较强。( 2 ) 7 月1 0 日7 月2 9 日，n h 3 - n 去除 率稳定于9 5 以j ：，出水n h 3 - n 2 m g l 。膜生物反应器可以达到很好的n h ，一n 去除效 果的原因是：膜的截留作用使世代周期较长的硝化菌得以在反应器中内富集成优势 菌种，使硝化作用更为彻底；膜生物反应器内微生物絮体较活性污泥法细碎，绝大 部分污泥颗粒的粒径小于5 0 t li n l 4 ”，较小的絮体有着更大的周长面积比，氧传质阻 力小，硝化作用更彻底。( 3 ) 7 月3 0 日，n h 3 - n 去除率开始大幅度下降，8 月1 0 日 的去除率仅为4 3 8 0 。分析原因可能为：因为n h 3 - n 在水中是以水和氨离子形式 存在，属无机小分子，可自由穿过膜的微孔，所以膜自身对的截留作用很小，系统对 n h 3 n 的去除主要靠反应器中微生物的作用。而随着污泥龄的延长，微生物代谢过程 中产生大量难降解的溶解性高分子物质s m p “( n o n d e c o m p o s e ds o l u b i em i c m b i a lp r o d u c t ， s m p 。a ) ，同时由于细菌的解体造成体系内惰性物质比率增加，s m p 。和惰性物体的积累 对硝化菌产生抑制作用，导致污泥活性变差，比硝化速率下降。系统内传质不充分， 氧转移效率降低，反应器内供氧不足的矛盾加剧导致氨氮去除率急剧下降。8 月1 0 日 下午测得混合液中的d o 浓度仅为0 3 m g l ，检修后在同一曝气量下运行，测得反应 器内d o 浓度为3 m g l 。8 月1 1 日n h 3 - n 去除率随即提高至9 6 3 2 ，进水= 3 3 4 2 m g l ， 出水n h r n = 1 2 3 m g 1 。说明反应器溶解氧的匮乏是造成n h 3 - n 去除率急剧下降的主 要原因，而过长的污泥龄易导致氧的传质效率下降，进而影响氨氮去除率，故系统应 采取一定的排泥措施。本试验中，采取排泥措施后，n h 3 - n 去除率均稳定于9 5 以上， 出水n h 3 - n 抽吸时间 停抽时间 通过极差分析可知，影响c o d 去除率的最主要因素是h r t ，其次为d o 和抽吸 时间，停抽时问对其影响效果最小。为了更清晰的比较各因素的不同水平的优劣，进 行以下分析，具体见图5 1 5 4 。 罔5 ，i 洲) 古除率l j h r t f * j 关系 芒9 。 鐾8 8 誊8 6 u8 4 8 2 8 0 i ： 蓄。8 。6 8 2 8 0 12 345 67 啉b 闭52 c o d 去除率与d 0 浓度的关系罔 口。虫一 30 0 z 0 0 1 0 0 d o 浓度b g l 罔5 3 e _ 杰除率与抽吸时f d j 的戈系罔 口。白口 1 51 2 9 j i | l 吸埘问a i n 喜踮；2砷嗨 毋碍盘悄凸ou i | 东人学颇i j 学位论义 i ： 谨 8 2 8 0 闭54 “m 上i 鬟率j 停舳时划的关幂 钎 口一口 630 停l l l i l t l 问t l i i i 由图5 1 可以看出：当h r t 为2 h 时，c o d 去除率较低，为7 0 7 1 ，而h r t 由 4 h 上升至6 h 时，对应的曲线较为平缓，c o d 去除率变化不大。对图5 1 中的曲线进 行2 阶回归分析，得到方程y = 一2 0 4 4 9 x 2 + 2 2 0 2 7 x + 3 4 8 3 7 ，对此方程求导，得到y m 。 = 9 4 ，此时对应的x 值为5 4 ，即当水力停留时间为5 ，4 h 时，可获得c o d 最大去除 率。由图5 2 5 3 可见，随着d o 浓度的升高，c o d 去除率有所提高，但总体而言，d o 浓度变化对c o d 去除率影响不大，d o 浓度为2 m e t e 时，c o d 去除率即可达到8 4 6 8 。 抽吸时间、停抽时间对应的极差值很小，为非主要因素，两者的变化对c o d 去除率 几乎没有影响。 5 4 2 根据对n h ，- n 去除率的变化研究确定最佳工艺参数 每一试验条件下连续运行5 天，期间监测n h ，- n 去除率，数据见表5 4 3 。对表 5 4 3 中的数据进行极差分析，分析结果见表5 4 4 。 表5 4 - 3各试验条件下n f a - b t 去除率 试验n h 3 - n 去除率 平均值 序号 第1 天第2 天第3 天第4 天第5 天 ， 19 9 8 4 9 9 3 69 6 9 69 6 7 2 1 0 0 0 09 8 5 8 29 5 9 0 9 7 ，7 39 9 0 19 9 4 59 9 5 8 9 8 3 3 39 5 6 99 4 1 76 9 9 8 7 4 6 98 1 9 8 8 3 2 9 49 9 4 5 9 6 5 19 9 2 09 9 3 4 9 9 4 19 8 7 8 59 1 5 4 4 9 7 ，8 61 0 0 0 09 7 9 7 9 8 5 89 8 1 7 67 4 6 9 8 8 3 99 2 2 67 3 5 0 6 9 1 1 7 9 。5 9 78 0 2 4 8 3 ，9 89 1 - 2 5 7 3 4 67 9 1 4 8 1 1 5 1 87 6 2 68 3 2 6 7 9 7 6 96 2 5 4 6 2 5 4 一几u 一 山东人学嘶! i 学位论义 表5 4 - 4 各试验条件下n | b n 去除率极差分析 淤 h r td o抽吸时间停抽时间n h ，n 去除率 1 1 m g l r a i n m i n l6 3 01569 8 5 8 2 62 01 239 8 3 3 36 1 0908 3 2 9 443 01 209 8 7 8 542 0969 8 1 7 641 o1 537 9 5 9 723 0938 1 6 1 822 o1 50 7 9 7 6 921 01 26 6 2 5 4 i9 3 4 09 2 9 98 5 9 88 64 3 i i9 2 1 89 2 0 98 6 5 58 6 5 1 i i i7 4 6 47 5 1 4 8 7 6 98 7 2 8 r1 8 7 6 1 7 8 51 7 2o 8 5 因素主次 h r t d o 抽吸时间 停抽时间 通过极差分析可知，影响n h 3 - n 去除率的主要因素为h r t 和d o 浓度，抽吸时 间和停抽时间对n h s - n 去除率的影响效果较小。为了更清晰的比较各因素的不同水平 的优劣，进行以下分析，具体见图5 5 5 8 。 图5 5n h ) - n 上除率与h r t 的关系圈 囊1 薰 醚8 7 0 10 02 0 03 0 0 46 0 啪b 芒 囊1 蒌 耋嚣 50 060 07 0 0 图5 6n h ，n 去除书，d o 浓度的j 系| 芏| 05 0 i0 01 5 0 2 0 025 030 0 35 0 d 0 蛾堑i g l 4 i 坐堑叁= 兰塑! ：兰垡堡! 荸i n f l 斟9 5 慧0 0 毛8 5 至8 0 7 s 7 0 i 絮 引 7 0 1 嘲，7n i t ，n 上除牢冲hj 啦 寸m f 门戈系同 1 5 l 29 抽嘁时川7 m i n i 捌5sn h r n l 除率与停h l j h j f , d 的芙最捌 口一口一 630 挣女h 时商- n 由图5 5 可以看出：当h r t 为2 h 时，n h 3 - n 去除率变化较大，系统运行不稳定， 平均去除率仅为7 4 6 4 ；当h r t 上升至4 h 后，n h s n 去除率达到9 2 1 8 ，6 h 时仅 增加至9 3 4 0 。对图5 5 中的曲线进行回归分析，得到方程 y = 2 0 4 0 2 x 2 十2 1 0 1 3 x + 4 0 7 7 3 ，对此方程求导，得到y m a x - - 9 5 ，此时对应的x 值为5 1 ， 即当水力停留时间为5 1 h 时，即可获得n h 3 - i 4 最大去除率。 由表5 2 3 和图5 6 可以看出，d o 浓度的变化对n h 3 - n 去除效果影响很大。当 d o 为l m g l 时n h 3 一n 去除率波动较大，平均去除率为7 5 1 4 ：当d o 为2 m l 时 n h j - n 去除率迅速提高至9 2 0 9 ，d o 上升至3 m g l 时时仅增加至9 2 9 9 。这说明 d o 必须保持一定的浓度值，才能保证硝化反应充分进行。本试验中d o ， 2m g l 时， 系统即可对n h 3 - n 达到9 0 之上的去除率。对图5 6 中的曲线进行2 阶回归分析，得 到方程y = 一8 ，0 2 2 x 2 + 4 1 0 1 3 x + 4 2 1 5 l ，对此方程求导，得到y 。= 9 5 ，此时对应的x 值为2 5 ，即当d o 为2 5 m g l 时，即可获得n h 3 - n 最大去除率。 7 由图5 6 - 5 7 可见，对于非主要因素抽吸时间和停抽时间中三水平的变化对n h ，一n 去除率的影响很小，两者对应的最佳水平分别为9m i n 和0r a i n 。 5 4 3 根据操作压力上升速率研究确定晟佳工艺参数 每一试验条件下连续运行5 天，期间测定操作压力，计算操作压力上升速率，数 据见表5 4 5 。对表5 4 5 中的数据进行极差分析，分析结果见表5 4 6 。 一口一口一口 、 生笠苎兰! 堕! 兰堡堡兰 _ 一 表5 4 5各试验条件下操作压力及其上升速率 试蛉 操作压力p a 操作压力i 【_ = 升速率 序号 第l 天第2 天第3 天 第4 犬第5 天 7 加 l3 0 0 53 1 5 43 4 6 2 3 8 2 54 0 1 0 2 5 1 3 1 0 03 5 1 5 4 0 9 44 4 4 5 4 4 2 6 3 0 4 53 9 2 14 6 4 2 5 1 5 45 4 3 1 4 5 3 05 5 6 0 6 3 5 47 0 3 5 7 3 0 3 4 5 3 35 0 2 2 5 5 6 45 8 4 56 1 1 1 4 7 2 25 3 2 45 9 6 0 6 4 7 86 9 7 9 9 9 2 51 5 0 2 42 0 9 8 4 2 3 ；1 6 52 7 1 7 5 1 2 1 1 21 7 4 2 02 1 8 4 6 1 2 0 2 51 6 6 9 2 3 3 2 5 9 7 6 9 3 3 9 5 5 6 4 4 3 1 3 4 8 6 7 4 6 6 7 表5 4 - 6 各试验条件下操作压力上升速率分析 蚨 h r t d o 抽吸时问停抽时间操作压力上升速率 hm g 1m i nm i nd 163 01 562 5 1 262 o1 233 3 2 361 0 90 5 9 7 443 01 206 9 3 542 ，0963 9 5 641 01 535 6 4 723 093 4 3 1 3 822 01 50 4 8 6 7 921 01 264 6 6 7 i3 9 31 7 5 21 8 9 41 7 7 1 i i5 5 11 8 6 41 8 9 71 7 3 6 i4 6 1 61 9 4 31 7 6 82 0 5 2 r4 2 2 21 9 01 2 93 1 6 囡素主次h r t 停抽时间 d o 抽吸时间 通过极差分析可知，影响操作压力上升速率的主要因素为h r t 和停抽时间，次主 要因素为d o 浓度和抽吸时问。为了更清晰的比较各因素的不同水平的优劣，进行以 l f 分析，具体见图5 9 5 1 2 。 2 3 4 5 6 7 8 9 一 生垄叁兰塑! ：兰些堡兰 一一 刁 正 糌 制 柬 q r 坦 6 n 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 _ 0 2 0 0 0 芷1 9 5 0 羹：黧 叫1 8 0 0 督1 7 5 0 1 7 2 0 0 0 芷1 9 5 0 羹 嚣 蕃嬲 1 7 0 0 日2 1 0 0 2 0 5 0 芷2 0 0 0 羹黜 一1 8 5 0 r 1 8 0 0 幽1 7 5 0 17 0 0 例5 9 撵 旭力i ，j 速率。，h r t 朐咒系 204 jn7 甜r t h 留5 1 0 操作鹾力上升谜率与d o 的关系 】9 4 3 0 0 s l 图5 1 1 操作压力上升速率与抽啵时间的关系 1 8 9 4 1 8 9 7 挑峨埘同旭i n 罔，1 2 操作压力上升巡率与j l l i 停时删的关系 f i l 停时州m jn 由图5 9 可以看出：当h r t 为6 h 时，操作压力上升速率为3 9 3p a d ，4 h 时操作 压力上升速率增加至5 5 1 p a d ，当h r t 缩短为2 h 时，操作压力急剧增大，上升速率增 至4 6 1 6 p a d 。可见膜生物反应器中应严格控制水力停留时间，一旦水力停留时间过短， 山东人坝l 。学位论业 超过膜的最大处理能力，不仅出水水质恶化，而且造成严重的膜污染，增大膜清沈难 度，阻碍膜g i 物反应器的稳定运行。抽停时间是影响操作压力上升速率的第二冈素。 由图5 1 2 可以看 h ，采用间歇抽吸方式有利于控制膜污染，当停抽时间为3 r a i n 时， 操作压力上升速率最小，进一步延长停抽时间效果并不明显。图5 1 l 表明，d o 浓度 对操作压力上升速率有一定影响，d o 浓度越低上升速率越大，说明增加曝气量加快 了反应器内混合液的循环流速，使污染物不易在膜表面积累，从而延缓膜污染。但曝 气量越大，能耗越高，所以在实际应用中应从技术和经济两方面衡量考虑。图5 1 2 表 明r 停抽时间为1 2 r a i n 和1 5 m i n 时的操作压力上升速率非常接近，抽吸时间为9 m i n 时操作压力上升最慢。 5 5 小结 分析正交试验结果，可以看出：水力停留时间h r t 是影响一体式膜生物反应器运 行效果的主要因素，从处理效果和经济因素两方面考虑，可选择h r t ：4 h 作为处理生 活污水的工艺参数；溶解氧d o 浓度对n h 3 - n 的去除效率影响较大，但当d o - - - - 2 m l 时即可达到较好的处理效果；选择抽吸时间为9 m i n ，停抽时间为3 m i n 的间歇运行方 式，膜阻力上升缓慢，可减缓膜污染，延长膜清洗周期。 i j i 东人学坝l 。学位论文 6 1 膜污染 第六章一体式膜生物反应器膜污染及其清洗 膜污染是指与膜接触的料液中的微粒、胶体粒子或溶质大分子与膜存在物理、化 学作用或机械作用，从而引起膜面或膜孔内吸附、沉积，造成膜孔径变小或堵塞，膜 通量降低，膜分离特性发生变化的现象。膜污染不仅包括不可逆的吸附、堵塞引起的 不可逆污染，而且包括可逆的浓差极化产生凝胶层而形成的可逆污染。二者共同造成 膜通量的衰减。膜污染和浓差极化密切相关，在许多场合，浓差极化是导致膜污染的 根源。 6 1 ，l 膜污染表征方法 l 、根据膜阻力的变化研究膜污染情况 根据达西( d a r c y sl a w ) 方程【1 0 j a p j 2 丽再丽 叭一1 其中：j 一膜通量，m 3 群h ： p 一膜两侧的压力差，p a ； u 一透过液粘度，p a s ： r 。一膜自身阻力，盯r 1 ： r f - - 膜污染引起的阻力，包括过滤过程中的浓差极化阻力。、凝胶层阻力 艮、堵塞阻力和吸附阻力如。 在连续运行的一体式膜生物反应器中，还需要考虑水温波动对试验结果的影响， 根据相关研究，将膜通量按6 i 一2 式转换为2 0 c 时的膜通量【4 1j ： j = ，r e 。0 0 2 4 n 一2 0 )( 6 1 一z ) 其中：j ：。一水温为2 0 c 时的膜通量 西一水温为t 。c 时的膜通量 来人顺i 学化论奠 _ _ _ 一一 又知2 0 ( 2 时水的粘度为1 0 0 2 。c 1 0 3 p a s ，则6 卜l 式可转换为： r + r ，：j 坚二一 ( 6 卜：；) 只m + 月，2 1 0 0 2 1 0 - 3x j 2 0 ( 6 l 一：j ) 试验过程中，首先调节流量q ，记录不同流量下的操作压力p 值，根据6 卜2 式 将流量q 转换为2 0 时的膜通量厶后，分析厶和p 的线性关系，求得拿生的值， j f 2 0 1 即可根据6 卜3 式求得膜阻力( + r r ) 。因为膜自身阻力r 。为固定值：o 5 5 1 0 1 2m 1 ， 所以膜阻力的上升值即为r r 的上升值，即膜污染引起的阻力增加值。所以可以根据膜 阻力的上升趋势来表征膜污染的状况。 2 、根据膜和膜组件表面形貌的变化研究膜污染 膜组件被严重污染后，将其从反应器中取出，观察表面形貌，然后截取一段膜丝， 干燥后喷镀金膜，采用扫描电子显微镜s e m ( j e o l t - 3 0 0 ) 在1 5k v 加速电压下观察 膜丝表面的微观特征。 6 1 2 膜污染初步分析 1 、膜阻力变化情况 试验第一阶段：连续运行4 5 天中，流量保持为0 = 6 0l h ，对应水力停留时问 h r t = 7 5 h ，曝气量保持为0 2 1m 3 h ，对应的气水比为3 5 ：1 ，期间污泥浓度m l v s s 为3 0 0 0 m g l 5 0 0 0 m g l 。期间除8 月l o 日系统检修采取空曝气措施外，未采取其它 清洗措施。随运行时间的延长。膜阻力变化数据见表6 1 1 ，变化曲线见图6 1 1 。 表6 卜l 第一阶段膜阻力随时问变化情况 日期 7 5 7 97 1 27 1 4 7 1 77 2 1 7 2 4 膜阻力r x t 0 ”m o 7 1o 7 7 l ，2 51 4 31 5 4 1 6 6 1 8 1 。 日期7 2 67 2 8 7 3 l8 28 4 8 6 8 8 膜阻力r x 1 0 ”m 。l ，8 5 2 0 42 0 91 9 52 ，1 3 2 2 12 2 7 ： 日期8 1 08 1 28 1 3 8 158 1 6 8 1 8 膜阻力r t o ”m 2 5 62 1 42 2 5 2 3 32 5 0 2 6 7 4 7 j 东人学f l ! j ! i 。学化论文 目 r 宴 摧 运玎u , t l n d 图6 1 一l 第一阶段膜阻力变化曲线 由表6 1 1 和图6 1 1 可见：除8 月1 0 日因系统检修采取空曝气措旌而使膜阻力 下降之外，其它时间膜阻力均呈上升趋势，数值由o 7 1 1 0 1 2 m o 上升至2 5 6 1 0 1 2 m 一。 由第三章的研究可知：i b s m b r 连续运行2 0 天后，系统对有机物和氨氮的去除率较 高，说明膜表面形成稳定的生物膜，此时对应的膜阻力为1 8 1 x 1 0 1 2 1 i 1 。如果水温为 2 0 c ，控制水利停留时间h r t = 4 h ，则对应的膜通量j 2 0 = 9 3 8l ( m 2 h ) - 1 ，当膜 阻力为1 8 i 1 0 1 n 1 时。由( 6 1 3 ) 式可知操作压力为4 1 7 5p a 。因此，为保证膜生 物反应器的处理效果，操作压力不应低于4 1 7 5p a 。 试验第二阶段：正交试验过程中，为保证每组试验的类比性，在每组试验结束后 均采取不同时间的空曝气措施( 具体情况见6 2 节) ，使膜的过滤性能基本恢复到相同 状态再进行下一组试验。每组试验中膜阻力的变化数据见表6 1 - 2 ，变化曲线见图6 1 - 2 。 表6 卜2 各试验条件下操作膜阻力变化情况 试验膜阻力1 0 “1 序号 第1 天第2 天 第3 天第4 天 第5 天 l 4 2 o 4 7 1 f i 3 5 l 8 3 6 2 = 2 2 3 2 2 2 5 = o 6 6 o 4 8 4 = 2 5 9 7 2 4 4 i l 2 2 2 2 2 2 4 = 蛐跖盯“婚勰宅j坶 = l 2 2 2 2 2 4 4 i i叭拍坞s叭鼹弘|l 1 2 2 2 l 2 2 3 3 = 他偈两弘m眦弛| 些查奎兰堡兰竺笙墨 一 目 色 长 岛 餐 琏仃时i | i j d 图6 1 - 2 各试验条件下膜阻力变化情况 由图6 1 2 可见，无论在何种试验条件下，膜阻力都会增加。在前6 组试验中， 膜阻力上升迫势比较平缓，后3 组试验膜阻力迅速上升且系统运行过程中流量缓慢下 降，必须人为调节才可保持恒流量过滤。试验7 结束后，连续2 4 h 空曝气也未能使膜 阻力恢复到前几组试验的水平，所以为保证数据的有效性，试验8 运行三天后便进行 物理清洗，试验9 只进行了两天。此阶段数据表明：水力停留时间过短将导致严重的 膜污染，增大膜清洗难度，阻碍膜生物反应器的稳定运行。 试验第三阶段：正交试验结束后，未进行任何清