（环境工程专业论文）一体式膜生物反应器用于生活污水回用处理的研究.pdf

一体式膜生物反应器用于生活污水回用处理的研究上海大学硕士学位论文 摘要 本文将循环活性污泥系统( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ，c a s s ) i 艺与膜过 滤技术组合为一体式膜生物反应器( s 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 ) ，并 研究其用于生活污水回用处理的可行性。本课题是由上海市科委资助的科研计划 项目( 项目编号0 3 5 2 1 1 0 4 6 ) ，也是上海市中新国际合作项目( 项目编号0 4 2 3 0 7 0 1 3 ) 的一部分。 首先考察了两种中空纤维膜膜组件聚偏氟乙烯( p v d f ) 和聚丙烯( p p ) 膜 组件处理模拟生活污水的抗污染性能，结果表明：p v d f 中空纤维膜的抗污染性 能要优于p p 膜，而且价格便宜，因此生活污水回用处理用膜以p v d f 中空纤维 膜为佳。 以此膜为例进行了污染膜的清洗方法研究，结果表明经过空曝气、反冲洗、 自来水冲洗、氢氧化钠碱洗、硫酸酸沈和超声波振荡清洗后，膜的通量恢复了 8 7 ，前三种清洗方法只是去除膜的外部阻力，对污染膜的通量恢复没有起到根 本作用，但是可以一定程度上缓解膜的污染。认为对污染膜的清洗采用空曝气 6 h 一水反冲1 0 1 5 m i n 一碱洗或者空曝气6 h 一水反冲洗1 0 - - 1 5 m i n 一超声波振荡 清洗是比较实际可行的清洗方案。 其次对该工艺的适宜运行条件进行了研究，结果表明：水力停留时间( h r t ) 为4 h ，溶解氧( d o ) 在2 o 3 5m g l 之间，温度控制在常温附近变动，p h 在6 5 - - 8 0 之间的工艺运行条件是比较经济高效的。 在此工艺条件下运行，考察了装置对实际生活污水的处理效果，结果表明出 水水质优异，优于中水回用标准( c j 2 5 1 8 9 ) 。进水c o d c ，在2 1 5 6 8 9m g l 之间 变化，出水c o d c ，基本上在3 0m g l 左右变动，去除率保持在8 5 以上。进水 氨氮浓度在1 3 4 1 m g l 之间变化，当系统稳定后出水氨氮一直低于5 m g c ，最 低只有o 3 m g l 。最大去除率达到9 7 6 9 。进水浊度在8 6 7 和2 7 8 之间变化时， 出水的浊度基本上都低于1 o ，浊度去除率稳定在9 9 以上。进水的p h 值在7 o 7 5 之间变化，出水的p h 一直稳定在7 2 左右：出水中未检出s s 。 最后对该工艺用于生活污水回用进行了粗略的放大设计和技术经济分析，结 果显示日处理量为1 0 1 0 4 i l l 3 的+ 体式m b r 工程固定投资为2 4 2 5 元m 3 ，运行 成本为1 1 7 元m 3 。出水水质优异，可直接回用。该工艺用于生活污水处理有着 巨大的经济和环境效益。 关键词：污水回用；一体式膜生物反应器：膜材料；膜污染 体式膜生物反应器用于生活污水回用处理的研究 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，c a s s ( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ) p r o c e s sa n dm e m b r a n ef i l t r a t i o nw e r e c o m b i n e dt ob eas m b r ( s u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ) t h es t u d yw a so r lf e a s i b i l i t yo ft h i s s m b ru s e di nr e c l a m a t i o no fd o m e s t i cw a s t e w a t e r t h i sp r o g r a mg e t sf i n a n c i a la i df r o mt h e s h a n g h a is c i e c e n & t e c h n o l o g yc o m m i t t e et os c i e n t i f i cr e s e a r c hp l a n n e dp r o j e c tr p r o j e c tn u m b e r ： 0 3 5 2 110 4 6 ) a n di sa l s oap a r to fc o o p er a t i v ep r o j e c tb e t w e e nc h i n aa n ds i g p o r eo fs h a n g h a i ( p r o j e c tn u m b e r ：0 4 2 3 0 7 0 13 ) f i r s t l y , t h e a n t i f o u l i n gp r o p e r t i e s o ft w oh o l l o w f i b e rm e m b r a n e m o d u l e s - p o l y v i n y l i d e n ef l u o r i d e ( p v d f ) a n dp o l y p r o p y l e n e ( p p ) m e m b r a n e m o d u l e su s e di ns i m u l a t i v ed o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n tw e r es t u d i e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ea n t i f o u l i n gp r o p e r t yo fp v d fh o l l o wf i b e rm e m b r a n em o d u l ew a s b e t t e rt h a np p a n dw a sc h e a p e rt h a nt h el a t t e r s oi ti sb e a e rt ou s ep v d fh o l l o w f i b e rm e m b r a n em o d u l ei nt r e a t m e n to f d o m e s t i cw a s t e w a t e rt or e u s e c l e a n i n gm e t h o d sw e r es t u d i e dt a k i n gt h i sm o d u l ea sa ne x a m p l e ，r e s u l t ss h o w e dt h a t t h er e s t o r a t i o no fm e m b r a n ef l u xr e a c h e dt o8 7p e r c e n t a g ea f t e ra i rs c o u r i n g ，w a t e r b a c kw a s h i n g ，n a o hw a s h i n g ，h = s 0 4w a s h i n ga n du l t r a s o n i cs u r g i n g t h ef i r s tt h r e e c l e a n i n gm e t h o d sw e r et h o u g h tt oo n l yr e m o v et h ee x t e r i o rr e s i s t a n c eo fm e m b r a n e a n dd i d n t r e a l l yc o n t r i b u t et o m e m b r a n ef l u xr e s t o r a t i o n b u tc a nm i t i g a t e 廿1 e m e m b r a n ef o u l i n gi nac e r t a i nd e g r e e i tw a st h o u g h tt ob em u c he f f e c t i v ea n d f e a s i b l et oa d o p tf o l l o w i n gc l e a n i n gm e t h o d so np o l l u t e dm e m b r a n e ：a i rs c o u r i n gf o r 6 h - - w a t e rb a c k w a s h i n g f o r 10 l5m i n - - - m l k a l i w a s h i n go r a i r s c o u r i n g f o r 6 h w a t e rb a c kw a s h i n gf o r10 - 15m i n 。u l t r a s o n i cs u r g i n g s e c o n d l l y , t h ef i t t i n go p e r a t i o n c o n d i t i o nw a sd e t e r m i n e da s h r t = 4 h ，d i s s o l v e d o x y g e n ( d o ) ：2 0 3 5m g l ，t e m p e r a t u r ew a sc o n t r o l l e da ta b o u tn o r m a lt e m p e r a t u r e 。p h ：6 5 8 0 t h ep r o c e s sw o u l db ee c o n o m i c a la n dh i g he f f i c i e n c yu n d e rt h i sc o n d i t i o n o p e r a t e du n d e rt h i sc o n d i t i o n ，d i s p o s a li m p a c t st oa c t u a id o m e s t i cw a s t e w a t e ru s e d t h i sp r o c e s sw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h eq u a l i c vo fe m u e n tw a sm o t e e x c e l l e n tt h a nt 1 1 ec r i t e r i o no fm i d d l ew a t e rr e u s e ( c j 2 5 1 - 8 9 ) 珊1 e nt h ei n f l u e n t c o n c e n t r a t i o no fc o d c rc h a n g e db e t w e e n215 6 8 9m g l ，t h ec o d c ro fe 蝴u e n t f r o mt h i sm b rs t a b i l i z e da t3 0m g l ，t h er e m o v a lr a t ew a so v e r8 5 w h e ni n f l u e n t c o n c e n t r a t i o no f n h 3 - nc h a n g e db e t w e e n1 3 4 1 m g l t h ec o n c e n t r a t i o no f n h s - n i ne f f l u e n tw a su n d e r5m g la f t e rt h ep r o c e s ss t a b i l i z e d ，t h el o w e s tc o n c e n t r a t i o n w a s0 3 m g l ，t h el a r g e s tr e m o v a lr a t er e a c h e dt o9 7 6 9p e r c e n t a g e t h et u r b i d i t yw a s b e t w e e n8 67 - 2 7 8 ，t h ee f f l u e n tt u r b i d i t yw a sm o s t l yl e s st h a n1 on t u a n dt h e r e m o v a lr a t eo ft u r b i d i t yw a so v e r9 9p e r c e n t a g e w h e ni n f l u e n tp hw a sb e t w e e n 7 0 - - 7 5 ，p ho f e m u e n ts t a b i l i z e da ta r o u n d7 2 s sw a s h tf o u n di nt h ee 衄u e n t f i n a l l y ，t h ec u r s o r ya n da m p l i f i c a t o r yd e s i g na n dt h ea n a l y s i so nt e c h n o l o g ya n d e c o n o m i c so ft h i sp r o c e s su s e di nd o m e s t i cw a s t e w a t e rr e c l a m a t i o nw e r ec a r r i e do u t w h e nt h ep r o t e s sw a su s e da td o m e s t i cw a s t e w a t e rr e c l a m a t i o nf o rs c a l eo f 体式膜生物反应器用于生活污水| i j | 用处耻的研究上海大学硕士学位论文 1 o x l 0 4 m 3 d ，t h ef i x e dc o s tw a s2 4 2 5r m b m 3 ，a n dt h er u n t i m ec o s tw a s1 1 7r m b m 3 t h ee f f l u e n tq u a l i t yw a ss oe x c e l l e n tt h a tc a nb e r e u s e dd i r e c t l y t h e r ea r e e n o r m o u se c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t si ft h i sp r o c e s si su s e dt od o m e s t i c w a s t e w a t e rr e c l a m a t i o n k e y w o r d s ：w a s t e w a t e rr e u s e ；s m b r ( s u b m e r g e d m e m b r a n e b i o r e a c t o r ) ； m e m b r a n em a t e r i a l ；m e m b r a n ef o u l i n g 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期枷 ，只w日期：删只w 一体式膜生物反应器用于生活污水回用处理的研究上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源与背景 水是生命之源，更是发展之根本。随着人口与经济的增长，世界水资源的需 求量不断增加，水资源短缺已经成为举世瞩目的全球性问题。据统计，世界上已 有4 3 个国家和地区( 占全球陆地面积的6 0 ) 缺水。中国幅员辽阔，资源众多，但 人均淡水资源却是贫国，在世界各国名列1 1 0 位。全国6 6 2 座城市中，有4 0 0 多 座城市缺水，1 0 0 多座城市严重缺水，日缺水量达1 6 0 0 万吨；而且水污染严重，7 大水系4 2 3 的河段水质为、v 或劣v 类，太湖、巢湖、滇池等大都处于富营 养化状态，2 0 0 0 年全国发生赤潮2 8 起，因缺水引起的经济损失达1 2 0 0 亿元。实 际上，水资源已经成为区域经济发展和土地等资源开发的首要制约因素。 中水是国际公认的第二水源拉】。一般用过一次的水，污染杂质只有0 1 左右， 经处理重复利用，可实现水在自然界中的良性循环。目前城镇供水的8 0 转化为 污水，经再生处理，其中7 0 可安全回用于工业冷却、园林绿化、汽车冲洗及居 民生活杂用，相当于增加城市供水量的5 0 ，是缓解我国水资源不足的最佳途径 之一。因此，大力发展治污节水的中水回用技术、充分利用来源可靠的污水资源， 对解决我国水资源危机，实现水资源可持续利用，具有极其重要的意义。中水回 用的社会、环境效益逐渐引起广泛的关注，我国许多大、中型城市都相继颁布了 中水设施的建设管理办法，经过各方面不懈的努力，我国中水事业已步入正轨， 并且得以不断地完善与发展，但是为了使中水回用进一步推广普及和经济高效， 在中水工艺与技术管理上还需要更深入的研究与探讨。 膜分离技术被认为是2 0 世纪末至2 l 世纪中期最有发展前途的高科技之一【3 】， 把膜分离技术与污水处理中传统的生物处理相结合，就构成了膜生物反应器 ( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，简称m b r ) 一j 。由于具有操作运行简单，污泥产率低，占地 面积小，能有效去除氨氮，对难降解的工业废水处理也非常有效，还可用于回用 水处理等特点 5 】，膜生物反应器已经广泛地应用于各个领域，由给水处理扩展到 生活污水及许多工业废水的处理。 现在自来水厂的运营，由于运营成本的不断提高。自来水的价格又是计划经 济下的政府指导价，自来水厂依靠政府补贴而生存。以后一旦进入市场，自来水 一体式膜生物反廊器用于生活污水回用处理的研究 上海大学硕士学位论文 水价会大幅度上涨。为了节省水资源，上海市水务局、环保局已把中水回用系统 列入议事日程，拟准备对使用中水回用系统的住宅小区进行核减排水量，减免排 水水费，积极鼓励在住宅小区建设中利用中水回用系统，从而为中水回用提供了 良好的条件。上海市水务局提高污废水利用率的目标是：至2 0 0 5 年，污废水利用 率达到7 0 ，2 0 1 0 年达到8 0 ，2 0 2 0 年达到9 0 。 同时随着住宅小区建设质量的提高，环境景观建设的要求越来越高，生活污 水回用的用途也越来越多，从而 = | ：王为中水回用提供了广阔的利用前景。水资源的 综合利用是一项我国的基本国策，电是上海城市发展的基本条件之一。做到水资 源的综合开发利用，技术的推广应用是一项重要的措施。而开发生活污水回用系 统伸水系统) ，可实现污、废水的资源化，使污、废水经处理后回用，既可节省水 资源，又可使污水无害化，起到保护环境，防治水污染，缓解资源不足的重要作 用，有明显的社会效益和经济效益。 有关专家认为，上海的城市用水应遵循“节水优先，治污为本，多渠道开源” 的方针。“节水”不仅是要提高市民节水意识，还包括减少供水管网普遍的跑、冒、 滴、漏现象。“治污”则是要在目前上海城市污水处理率日益提高的基础上，增加 二期、三期污水处理的比重。“多渠道开源”是指开发雨水、污水的循环再利用。 本课题是由上海市科委资助的科研计划项目( 项目编号0 3 5 2 1 1 0 4 6 ) ，也是上海 市中新国际合作项目( 项目编号0 4 2 3 0 7 0 1 3 ) 的一部分。本课题将结合上海市现有的 生活污水水质、排放水量、回用水要求和处理成本等因素研究膜生物反应器对生 活污水的处理效果，在提高污水处理出水水质和增加污水回用方面做出应有的贡 献，通过膜生物反应器( m b r ) 技术建设生活污水回用工程。 1 2 课题内容、意义及创新点 本课题的主要内容是研究一体式膜生物反应器( s 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 m b r l 用于生活污水回用处理的可行性。通过小试实验来研究分析膜 生物反应器处理生活污水时的运行情况。 实验分三个部分，第一部分为实验装置膜材料的选择与污染膜的清洗方法研 究。以膜通量的下降速度以及山水抽吸压力的上升速度来评价膜的抗污染性能， 结合经济性，选择合适的膜。并以此膜为例，对污染膜的清洗方法进行研究，时 体式膜生物反应器用于生活污水回用处理的州! j h i ： 上海大学硕士学位论文 间为两个月：第二部分是装置工艺最佳运行条件的实验，为单因素实验，确定最 佳水力停留时f i j ( h r t ) 、溶解氧( d o ) 或者曝气量、温度及p h ，时间为两个月；第 三部分是装置处理效果的考察，时间为3 0 天，在这一阶段主要是考察在确定的最 佳运行条件下装置对实际生活污水的处理效果，以c o d c ，、n h 3 - n 、p h 和浊度为 主要参数，测定装置对其去除率。进行完以上实验后，对s m b r 用于生活污水回 用处理进行技术经济分析。 城市污水量大而集中，回用范围广；中水的深度处理回用彻底清除了尾水对 环境的污染，从而能够有效解决目前资源型和水质型缺水的双重压力。对于缺水 城市而言，污水再生回用比丌发建设新水源更为重要，更符合我国贫水的客观现 实，更具深远与现实意义。 我国城市污水中工业废水约占4 0 5 0 ，高于发达国家，水质也更加恶劣， 处理难度更大。要想使净化处理水达到再生回用的理想水质，满足市政杂用、生 活杂用、园林绿化、生态景观、工业冷却、回注地下水、发电厂锅炉补给水等多 种用途要求，需要高效膜生物反应器装置的数量十分巨大，因此开发出一种拥有 自主知识产权的新型高效廉价膜生物反应器废水装罱有着十分重要的现实意义 上海市作为一个国际性大都市，长江、黄浦江为其主要取水水源，是水资源 较丰富的南方城市，但由于入海口长江水的污染己相当严重，其水质已达到、 v 类水域，严重影响取水水质。所以上海已列入水质型缺水城市。为了取得较好 的水源质量，取水位置不断上移，自来水成本随之越来越高。应用中水回用系统 是对有限的淡水资源的再利用，有着十分重要的现实意义和市场价值，而本论文 中的工作就是为开发新型膜生物反应器做前期准各工作。 本课题的创新点在于用c a s s 工艺与膜过滤技术组合成为一体式装置处理生 活污水，目前国内没有此种工艺用于生活污水回用处理的研究。而且本装置自行 设计，占地面积小，装置可实现一体化运作，运行简单，易于自动控制，在运行 程序上省却了沉淀时间，使得处理效率大大增加，而且出水可以直接回用。 1 3 国内外用于废水处理的膜生物反应器研究及其应用现状 膜生物反应器分为三类【6 j ：膜分离生物反应器( m e m b r 锄es e p a r a t i o n b 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 一体式膜生物反应器用于生活污水匣i 用处理的研究上海大学硕士学位论文 泡曝气，用于高需氧量的废水处理) ：萃取膜生物反应器( e x t r a c t i v em e m b r a n e b i o r e a c t o r ) ( 用于工业废水中优先污染物的处理) 。其中，膜分离生物反应器是应用 最广泛的一种膜生物反应器类型。膜分离生物反应器按照膜组件的放置方式可分 为分体式和一体式膜生物反应器；按照是否需氧可分为好氧和厌氧膜生物反应器。 污水处理中所用膜生物反应器大部分为膜分离生物反应器( 以下所述均为膜分离 生物反应器) 。 6 0 年代美国首先将m b r 用于废水处理研究【7 】，2 0 世纪7 0 年代后期，大规模 好氧膜生物反应器开始在北美应用，然后依次是2 0 世纪8 0 年代早期在日本( 同期 南非：厌氧膜生物反应器) ，9 0 年代中期在欧洲，9 0 年代末期在中国。 1 3 1 国外研究及应用现状 国外对膜生物反应器的研究集中在两个方面，即基础理论研究和应用开发： 基础理论研究分为膜生物反应器运行的影响因素、降解机理及膜污染机理三大块； 应用开发的主要目标为探索新型膜生物反应器，扩大适用范围以及研制实用化装 置。 在膜生物反应器的运行当中，污泥浓度、污泥负荷和水力停留时间对m b r 的 c o d 去除效果影响不明显。污泥产率和污泥活性随着污泥龄的降低而增加，但污 泥降解污染物的能力不太受污泥龄变化的影响【8 l 。然而，不同的操作条件对m b r 的除磷脱氮效果却有较大的影响【9 】。有研究表明，在s b r 与膜组合一体式膜生物 反应器中，d o 对运行当中膜污染的控制有显著的影响，随着d o 的升高与混合液 混流速度的提高，可以减缓膜的污染【1 。此外，根据临界通量( c r i t i c a lf l u x ) 的概念， 中试规模的分体式陶瓷膜生物反应器污水处理试验表明，在低于临界通量的情况 下，恒通量操作方式优于恒压力操作方式j 。好氧一体式m b r 中的曝气能耗占 总能耗的9 0 以上，而分体式m b r 中能耗却小于总能耗的2 0 【1 2 】。 膜材料及膜组件和操作条件对膜生物反应器的运行和处理效果有不同程度的 影响，其中的操作条件主要有h r t 、s r t 、污泥浓度、污泥负荷和操作方式( 连续 或间歇曝气、恒通量或恒压力) 等。有关不同膜组件对t m p 和错流速率关系影响 的研究较多，但直接比较不同膜材料和膜组件对膜通量影响的研究很少。 影响膜生物反应器膜污染的因素可划分为3 大类：膜组件( 如膜材料、膜孔径 一体式膜生物反应器用于生活污水刚用处理的究上海大学硕士学位论文 泡曝气，用于高需氧量的废水处理) ：萃取膜生物反应器( e x t r a c t i v em e m b r a n e b i o r e a c t o r ) ( 用于工业废水中优先污染物的处理) 。其中，膜分离生物反应器是应用 最广泛的一种膜生物反应器类型。膜分离生物反应器按照膜组件的放置方式可分 为分体式利体式膜生物反应器；按照是否需氧口j 分为好氧和厌氧膜生物反应器。 污水处理中所用膜生物反应器人部分为膜分离生物反应器( 以下所述均为膜分离 生物反应器) 。 6 0 年代美国首先将m b r 用于废水处理研究fj 。2 0 世纪7 0 年代后期，大规模 好氧膜生物反应器开始在北美应用，然后依次是2 0 世纪8 0 年代早期在e l 本( 同期 南非：厌氧膜生物反应器) ，9 0 年代中期在欧洲，9 0 年代末期在中国。 1 3 1 国外研究及应用现状 国外对膜生物反应器的研究集中在两个方面即基础理论研究和应用开发： 基础理论研究分为膜生物反应器运行的影响因素、降解机理及膜污染机理三大块； 应用开发的主要目标为探索新型膜生物反应器，扩大适用范围阱及研制实用化装 置。 在膜生物反应器的运行当中，污泥浓度、污泥负荷和水力停留时间对m b r 的 c o d 去除效果影响不明显。污泥产率和污泥活性随着污泥龄的降低而增加，但污 泥降解污染物的能力不太受污泥龄变化的影响日l 。然而，不同的操作条件对m b r 的除磷脱氮效果却有较大的影响【9 】。有研究表明，在s b r 与膜组合一体式膜生物 反应器中，d o 对运行当中膜污染的控制有显著的影响，随着d o 的升高与混合液 混流速度的提高，可以减缓膜的污染f i 。此外，根据临界通量( c r i t i c a lf l u x ) 的概念， 中试规模的分体式陶瓷膜生物反应器污水处理试验表明，在低于临界通量的情况 下，恒通量操作方式优于恒压力操作方式【i i j 。好氧一体式m b r 中的曝气能耗占 总能耗的9 0 以上，而分体式m b r 中能耗却小于总能耗的2 0 t ”】。 膜材料及膜组件和操作条件对膜牛物反应嚣的运行和处理效果有不同程度的 影响，其中的操作条件主要有h r t 、s r t 、污泥浓度、污泥负荷和操作方式( 连续 或间歇曝气、恒通量或恒压力) 等。有关不同膜组件对t m p 和错流速率关系影响 的研究较多，但直接比较不同膜材料和膜组件对膜通量影响的研究很少”】。 影响膜生物反应器膜污染的因素可划分为3 大类：膜组件( 如膜材料、膜孔径 影响膜生物反应器膜污染的因素可划分为3 大类：膜组件( 如膜材料、膜孔径 体式膜生物反应器用于生活污水同用处理的研究 上海大学硕士学位论文 和分布、膜组件的构造) 、操作条件( 如压力、错流速率和紊流) 、污泥混合液特性【1 4 】。 膜生物反应器处理污水不同于常规的膜过滤污水，因此，研究膜生物反应器的膜 污染机理，不仅需要考虑常规的膜污染过程，并且应充分考虑到混合悬浮液的生 物动力学特性及其与膜过滤的关系。至今，膜生物反应器的膜污染机理并没有完 全弄清楚【1 5 】，这需要进一步的研究。 进入9 0 年代中后期，膜生物反应器在国外己进入了实际应用阶段。如加拿大， 在膜生物反应器的推广方面作了很多工作：首先推出了超滤管式膜生物反应器， 并将其用于城市污水处理，接着又丌发出了节能的淹没式中空纤维膜生物反应器。 现在这种膜生物反应器已应用于美国、德国、法国和埃及等十多个国家和地区， 规模从3 8 0 m 3 d 到7 6 0 0m 3 d 。此外，日本也是一个在膜生物反应器实际应用方面 很有竞争力的国家。 1 3 2 国内研究及应用现状 我国对m b r 的研究仅有l o 年，但发展十分迅速。1 9 9 1 年l o 月，岑运华介 绍了m b r 在日本的研究状况 。1 9 9 3 年前后，许多高校与研究所加入了m b r 的开发研究工作。国内对m b r 的研究大致可分为以下几个方面：探索不同生物 处理工艺与膜分离单元的组合形式：影响处理效果与膜污染的因素、机理及数 学模型的研究，探求合适的操作条件与工艺参数，尽可能减轻膜污染，提高膜组 件的处理能力和运行稳定性；扩大m b r 应用范围的试验研究，m b r 的研究对 象从生活污水扩展到高浓度有机废水( 食品废水、啤酒废水、蛋白质废水) 与难降解 工业废水( 石化废水、印染废水等) 7 j 。 目前，我国膜生物反应器已有在大楼废水、生活污水回用、医院废水处理的 工程实例，但应用工程数量还较少。国产的专用于膜生物反应器的膜材料、膜组 件还十分有限，而且膜生物反应器工艺的投资和运行费用较高，在我国的推广还 有一定的困难。但总的来说目前的研究还是取得了不少成果，如刑传红等【1 8 】探讨 了污泥粘度与污泥浓度的关系，最小膜面流速与污泥浓度的关系；祁佩时等【1 9 1 研 究了压力对膜通量、膜污染以及反冲洗和化学清洗效果的影响：成英俊等m 1 在膜 生物反应器中投加聚乙烯悬浮填料，考察了膜生物反应器对生活污水脱氮除磷的 能力；杨造燕等【2 1 l 提出了膜生物反应器无剩余污泥产生的可能性的理论等等，为 体式膜生物反应器用于生活污水回用处理的 i j | = 究 上海大学硕士学位论文 膜生物反应器的实际应用奠定了一定的技术基础。 郑祥等2 2 1 通过技术经济分析认为尽管m b r 的运行费用略高于常规生物处理 方法，但m b r 的处理出水能达到中水回用的目的，且随着膜制造技术的进步，膜 质量的提高和膜制造成本的降低，m b r 的投资也会随之大幅度降低。由此可以预 见，膜生物反应器作为中水回用技术将会愈来愈具有经济、技术上的竞争优势。 预计中水回用将是m b r 在我国推广应用的主要方向。 膜生物反应器用于污水处理，在国外的处理规模已从每天数十立方米发展到 每天数万立方米不等，国内刚刚起步，最大的处理规模只有每天数百立方米。我 国把膜生物反应器用于实际生产所面临的主要问题是提高国产膜的生产水平，国 产膜的通量和机械强度较国外膜还有很大差距，需要开发专门用于污水处理的大 通量滤膜，同时还要提高膜的机械强度。相信随着国产膜组件性能的提高，我国 会出现越来越多的工程化、实用化膜生物反应器工艺。 6 一体式膜生物反应器用于生活污水同用处理的研究 上海大学硕士学位论文 第二章膜生物反应器的基本理论 2 1 膜分离技术的基本知识 膜是分离两相和作为选择性传递物质的屏障，虽然不同膜的分离机理和使用 方法千差万别，但选择透过性是所有膜的共性。膜的种类繁多，不同的分类方式 有不同的类别。如按分离机理进行分类，有反应膜、离子交换膜、渗透膜等：按 膜的化学组成分类，有天然膜( 生物膜) 和合成膜( 有机膜和无机膜) ；按膜组件的形 状分类，有平板型、管型、螺旋型及空心纤维型等2 3 1 。 膜分离是以选择性透过膜为分离介质，在两侧加以某种推动力时，原料侧组 分选择性地透过膜，从而达到分离或提纯的目的。膜分离过程就是利用某种环境 中混合物中各组分性质的这种差异进行分离的。膜传递的推动力来源于压力差、 浓度差或电位差【2 3 1 ，膜分离过程主要有反渗透、纳滤、超滤、微滤、电渗析、渗 透汽化、膜精馏、膜萃取和气体分离等。 2 1 1 膜材料的种类及特点 不同的膜材料具有不同的化学稳定性、热稳定性、机械性能和亲和性能。对 于不同的分离体系，利用不同材料制备的分离膜可以取得较好的效果。目前开发 利用的膜材料已有数十种( 2 引，具体见表2 1 。 在膜生物反应器中常用聚丙烯、聚乙烯、聚砜、聚偏氟乙烯之类化学性质较 稳定的有机膜材料。无机膜生物反应器( i n o r g a n i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，i m b r ) 则是9 0 年代在m b r 基础上兴起的【2 。i m b r 的核心是采用无机膜。与有机膜比较， 无机膜具有化学稳定性好、热稳定性高、机械性能优异、通量大、寿命长、容易 清洗等优点。但也存在着制造成本高，运行费用大等问题，特别是容易堵塞的问 题【2 ”，目前应用不是很多。 常见的用于污水处理的有机膜材料的特性如下文所述。 ( 1 ) 聚砜 具有机械强度高，耐热性好，耐酸碱范围宽，耐细菌腐蚀等优点。是被广泛 采用的膜材料之一。但同时这种材料具有亲水性较差，特别是在制备截留分离量 为1 0 0 0 0 或以下的超滤膜时，透水速度太低，影响其分离效率2 6 1 。 体式膜生物反应器用于生活污水阐用处理的研究 上海大学硕士学位论文 ( 2 ) 磺化聚砜1 2 6 】 在聚砜分子中经磺化引进带负电荷的亲水基团磺酸基，可显著改善膜的透过 通量，而且抗污染性也有所改善。在相同的条件下，磺化聚砜膜比聚砜膜的膜通 量高，截留率相当：而且抗污染、耐热、耐菌、耐酸碱性能也有较大程度的提高。 ( 3 ) 聚偏氟乙烯( p v d f ) 2 7 】 p v d f 是一种性能优良的结晶性聚合物，分子量一般为4 0 8 0 万，密度为 1 7 8 9 c m 3 左右，玻璃化温度为3 9 。c ，脆化温度为6 2 以下，结晶熔点为1 8 0 ， 热分解温度在3 1 6 以上，长期使用温度范围为一5 0 1 5 0 ，在一定温度和受压下 仍能保持良好的强度( 如o 4 5 m p a 负荷压力下，热变形温度为1 5 0 。c ) 。 p v d f 的另一个突出优点是具有优异的抗紫外线和耐气候老化性，其薄膜在 室外放置一、二十年也不变脆龟裂；它的第三个特点是化学稳定性好，只溶于二 甲基甲酰胜( d m f ) 、二甲基乙酰胺( d m a c ) 、二甲基亚砜( d m s o ) ，n 甲基吡咯 烷酮m m p ) 等强极性溶剂，在室温下不被酸、碱、强氧化剂和卤素所腐蚀，脂肪 烃、醇、醛等有机溶剂对它也无影i 响。这些突出的特点，使p v d f 也成为一种理 想的分离膜材料，可适用于化工、电子、纺织、食品、生化等领域。但是p v d f 是疏水性物质，所以有成膜后水通量比较小的缺点。 ( 4 ) 聚丙烯( p p ) 2 8 1 一体式膜生物反应器用于生活污水回用处理的研究 上海大学硕士学位论文 聚丙烯中空纤维膜是国际上最新一代膜分离材料，它的化学相容性广，寿命 长，流量大，可反冲洗和高温消毒。与聚砜、醋酸纤维类等其他超滤膜相比，具 有强度高、耐酸碱、耐细菌腐蚀、耐温性能好、表面非极性、抗污染能力强、微 孔均匀、单位面积通量大等优点。 ( 5 ) 聚醚砜( p e s ) 刈 p e s 具有很高的玻璃化温度( 2 3 0 。c ) ，其使用理论温度可达9 8 。c ，实际中，德 国生产的p e s 膜最高温度可达7 0 ，而聚砜膜( p s ) 为5 0 ；且p e s 膜在5 0 甲 醇，7 0 的乙醇和异丙醇溶液中膜性能也不发生变化，而p s 膜性能则发生变化。 ( 6 ) 聚苯基一1 ，2 ，4 三嗪( p e t ) 删 p p t 是由二酰胺腙和芳族四酮经环化缩聚而成的耐高温杂环聚物。p p t 超滤 膜具有耐压，耐温、耐水解性，制各条件不苛刻等特点。在未加添加剂的情况下， 膜仍具有非对称的孔结构。p p t 膜于1 0 0 蒸馏水中浸泡l o o h 后，p p t 膜仍具有 良好的耐水解性，同样状况下，p s 膜大都发生裂痕。 废水处理中对膜材料的选择主要依据是：废水性质( 如酸碱性等) ；膜本身的特 性( 如膜孑l 径、膜通量、抗污染性、亲水性等) 。同济大学经过对聚砜与聚丙烯类膜 处理生活污水的比较实验中发现，在出水量、抗污染性能方面聚丙烯膜优于聚砜 膜1 3 1 1 。浙江大学高分子科学与材料研究所亦采用聚丙烯膜对制药厂废水、豆制品 厂废水及垃圾渗滤液等多种工业废水进行了试验研究，均取得了良好的处理效果 3 2 1 。在膜孔径方面，有研究、为，考虑到活性污泥状态与水通量因素，通常选择 0 1 o 4 b t m 孔径的膜【33 1 。如选用较大的膜孔径，反而会加速膜的污染、水通量下 降很快。膜的另一重要性质膜表面的亲、疏水性方面，日本m i t s u b i s h i r a y o n 公司经研究证实，由于污水中的污染组分及活性污泥多为有机物质，因此亲水性 膜的抗污染能力远远超出疏水性膜【1 ”。而为了提高膜的亲水性，常用的方法是对 膜材料及膜表面进行改性【3 4 ( 如等离子体法、紫外辐射改性、表面活性剂改性等1 。 2 1 2 膜组件的种类及特点 为了便于工业化生产和安装，提高膜的工作效率，在单位体积内实现最大的 膜面积，通常将膜以某种f 眵式组装在一个基本单元设备内，在一定的驱动力的作 用下，完成混合液中各组分的分离，这类装置称为膜组件或简称组件( m o d u l e ) t 3 5 1 。 体式膜生物反应器用于生活污水回用处理的研究 上海大学硕士学位论文 膜组件是m b r 工艺的关键组成单元，它的选择对m b r 工艺的运行具有决定性作 用。目前常用的膜组件有板框式、螺旋卷式、管式和中空纤维膜组件四种，前两 种使用平板膜，后两种使用管式膜，主要优缺点见表2 - - 2 口州。 一般来说，在设计和实际运行过程中要求膜组件具备以下条件： 对膜可以提供足够的机械支撑，流道通畅，无流动死角或静水区，进水与 透过液分开； 能耗较小，其流态设计应尽量减少浓差极化，提高分离效果； 具有尽可能高的装填密度，膜安装和更换方便； 组件装置牢固可靠，造价低，易维护； 具有良好的机械、化学和热稳定性。 表2 2 膜组件形式 竺璺竺! 霍盥竺竺兰兰垦竺皇竺皇竺! 板框式4 0 0 6 0 0高 一般 可凳毳卸 e 。、u f 、r o 螺旋卷式 8 0 0 1 0 0 0 低 差能耗低 r o 、u f 馘：删。3 喾辅好霉爨 错流过滤、高 t s s 污水 可以反冲洗、 中空纤维式5 。0 。0 0 警非常好蒿萎鋈箍瑟对专搿击r o 体 ( 1 ) 板框式组件 它的优点是单位体积中有较大的膜面积。但对浓差极化的控制比管式难。特 别是处理悬浮颗粒含量较高的料液时，料液的通道易被堵塞。膜污染后，可将组 件拆开清洗，但比管式组件麻烦。它的投资费用和操作费用一般低于管式组件。 ( 2 ) 螺旋卷式组件 螺旋卷式组件其实是一种卷起来的平板式组件，所以它的原理与板框式组件 相同。它把膜及其支撑材料，料液通道材料卷成圆筒，装入耐压容器中。这种组 件的优点是单位体积内的膜面积非常大，投资和操作费用低，但浓差极化难以控 制，含中等程度悬浮颗粒的料液，会造成膜严重污染。所以，在超滤中这种膜的 应用受到限制，而在反渗透中则得到广泛应用。目前对这种膜组件的研究与改良， 重点是选择膜与膜之间的隔离物，使料液沿膜面回转流动，防止组件内的沟流和 1 0 一体式膜生物反应器用于生活污水吲用处理的研究 上海大学硕士学位论文 滞流现象，减少浓差极化，扩大组件的直径，使其高容量大型化。 ( 3 ) 管式组件 根据料液流动方式的不同，分为内压式和外压式两种。内压式溶液在管内流 动，而外压式溶液则在管外流动。管式组件的优点在于，能在很大范围内改变料 液的流速，使料液的流动状态变好，有利于控制浓差极化和膜污染的形成，可以 处理含高浓度悬浮固体颗粒的料液。膜污染严重时，可用泡沫刷进行机械清洗。 其缺点是投资和操作费用相当高，膜比表面积小。目前的主要研究方向是开发各 种多孔支撑管，设计海绵球定期自动清洗装置，改善膜支撑体和膜间隙的均一性， 提高在高压、高流速运转条件下的稳定性以及密集式管膜的排列方式。 ( 4 ) 中空纤维式 它是由直径o 5 1 5