（环境工程专业论文）一体式膜生物反应器用于生活污水的处理研究.pdf

七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 ) 工e 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 ls m b r ) ， 将其用于生活污水的回用处理。 首先研究了s m b r 对污水的处理效果、反应器内负荷率、膜的截留作用以 及反应器内污泥浓度和生物相，结果表明s m b r 具有较强的抗负荷能力和对污 染物的去除率高等优点，其对污染物质的去除是活性污泥的生物降解和膜的高 效截留共同作用的结果。 之后对s m b r 工艺的运行条件进行了优化研究。在水力停留时间( h r t ) 为 4 h ，曝气量在0 8 8 m 3 l l ( 溶解氧在4 m e e t , 左右) ，温度控制在中温2 5 j ：1 ，p h 在 6 5 7 5 之间时，c o d c ，和氨氮可以获得较好的处理效果。 在此运行条件下，s m b r 对实际生活污水进行了处理，出水水质优于杂用 水水质标准( c j 2 5 1 8 9 ) 。进水c o d c ，在2 7 7 - - 4 0 0 m g l 之间变化，出水c o d c r 基本上低于3 0m g l ，去除率一直保持在9 0 以上：进水氨氮浓度在3 0 4 0 m g l 之间变化时，出水氨氮一直保持在l - 2 m g l ，去除率在9 2 以上；进水浊度在 7 8 和2 1 8 之间变化，出水的浊度没有太大变化，基本上都低于1 o ；进水的p h 值在7 0 7 5 之间变化时，出水的p h 一直稳定在7 2 左右；出水中未检出s s 。 在处理实际生活污水期间，通过对几个实验指标的测定，对整个工艺进行 了动力学分析，建立了有机底物降解动力学和污泥增长动力学方程，表示如下： 兰t _ ：2 5 9 8 6 ( 1 1 + 0 3 1 6 4 ：尘兰：o 3 4 2 4 望堡! 二坠! 一o 0 5 0 1 ：并确定 s o s 。l 3 。 x ，vx ，v 了系统最佳排泥时间为4 9 天。 最后对s m b r 中膜污染的情况进行了研究和分析，并对受污染的膜进行了 清洗。长期在亚临界出水通量下运行，膜出水压力开始基本保持在恒定状态， 这时膜的污染主要以膜孔污染和凝胶层污染为主，随后由于滤饼层在膜表面的 沉积使得压力开始逐步上升。对膜过滤阻力进行了测定，发现膜的过滤阻力主 要以沉积阻力为主，而沉积阻力中凝胶层阻力占很大部分。污染物在膜孔内的 上海大学硕士学位论文 吸附和堵塞不是引起膜污染的主要原因。 采取了空曝气、出水反冲洗、自来水冲洗、氢氧化钠碱洗、硫酸酸洗这几 种清洗方法对受污染的膜进行了清洗。结果表明：单纯的物理清洗只能去除膜 表面的部分沉积物质，而化学清洗除了可以去除膜表面的污染物，对于膜内部 的污染物也有一定的去除效果。根据膜过滤阻力的实验结果，认为对受污染膜 的清洗采用自来水冲洗一酸洗或者空曝气( 6 h ) 一出水反冲洗( 1 5 m i n ) - - - - ，碱洗是比 较实际可行的清洗方案。 关键词：一体式膜生物反应器，生活污水，膜污染，动力学 i i 上海大学硕七学位论文 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 e f i l t r a t i o nw e r ec 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 ) ，w h i c h i su s e df o rt h et r e a t m e n to f t h ed o m e s t i cw a s t e w a t e rf o rr e u s i n g f i r s t l y ，b yt h es t u d yo ft h et r e a t m e n tr e s u l t ，t h el o a d i n go ft h eb i o r e a c t o r ，t h e s i e v i n go ft h em e m b r a n e ，t h ec o n c e n t r a t i o no fm l s sa n dt h em i c r o b ep h a s ei nt h e b i o r e a c t o r , w ec a nl e a r nt h a tt h es m b rg o ts o m ea d v a n t a g e s ，s u c ha sq u i c k e r c h a n g eo ft h el o a d i n ga n dt h eh i g h e rr e m o v a lr a t e so ft h eo r g a n i cp o l l u t a n t s t h e s u b s t r a t ed e g r a d a t i o no f t h es m b ri sb a s e do nt h ed e g r a d a t i o no f t h em i c r o o r g a n i s m a n dt h es i e v i n go f t h em e m b r a n e t h eo p t i m u n ao p e r a t i o nc o n d i t i o nw a sd e t e r m i n e da sh r ta t4 h , a e r a t i o nr a t ea t 0 8 8 m 3 h ( d i s s o l v e do x y g e n a ta b o u t4m g l ) ，t e m p e r a t u r ew a sc o n t r o l l e da t2 5 士1 ， p h ：6 5 7 5 t h ep r o c e s sw o u l db eg o tt h ew o n d e r f u lr e m o v a lr a t e so fc o d e ra n d n h 3 - n u 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 r t h i sc o n d i f i o n ，t h ea c t u a ld o m e s t i cw a s t e w a t e rw a sb e e nt r e a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eq u a l i t yo fe f f l u e n tw a sm o r ee x c e l l e n tt h a nt h ec r i t e r i o n o f m i d d l ew a t e rf o rm u s i n g ( c j 2 5 1 8 9 ) w h e nt h ei n f l u e n tc o n c e n t r a t i o no fc o d e r c h a n g e db e t w e e n2 7 7 - - 4 0 0 m g l ，t h ec o d e ro fe f f l u e n tf r o mt h i sm b r w a sl o w e r t h a n3 0 m g l ，t h er e m o v a lr a t ew a so v e r9 0 w h e ni n f l u e n tc o n c e n t r a t i o no f n 1 3 - nc h a n g e db e t w e e n3 0 - 一4 0 m g l ，t h ec o n c e n t r a t i o no fn h 3 - ni ne f f l u e n tw a s s t a b i l i z e da t1 - 2 r r i g l ，t h er e m o v a lr a t ew a s h i 【g h e rt h a n9 2p e r c e n t a g e t h et u r b i d i t y w a sb e t w e e n7 8 - 2 1 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 0n t u w h e n i n f l u e n tp hw a sb e t w e e n7 0 - 7 5 ，p ho fe f f l u e n ts t a b i l i z e da ta r o u n d7 2 s sw a s n t f o u n di nt h ee f f i u e n t b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no f t h es m b rt r e a t i n gt h ed o m e s t i cw a s t e w a t e ru n d e r t h eo p t i m u mo p e r a t i o n ，s e v e r a lq u o t a sw e r em e a s u r e dt oa n a l y s i st h ek i n e t i c so ft h e p r o c e s s t h ek i n e t i ce q u a t i o no fs u b s t r a t ed e g r a d a t i o na n ds l u d g eg r o w t hw e r e c o n s t r u c t e d ，t h ee x p r e s s i o n sw e r ea sf o l l o w t h eo p t i m u mt i m ef o rs l u d g ed r a i n a g e 1 i i 上海大学硕士学位论文 w a s 4 9 d a y s 蕊xtss 瑙m s t , s 圳；o 一。j 竺：o 3 4 2 4 里堡! 二墅一o 0 5 叭 x ，vx ，v a tl a s tt h ef o u l i n go ft h em e m b r a n ei nt h es m b rw a sb e e ns t u d i e d ，a n dt h e f o u l e dm e m b r a n ew a sa l s ob e e nc l e a n e d o p e r a t e da tac o n s t a n tf l u xw h i c hi sl o w e r t h a nt h ec r i t i c a lf l u x t h e r ew a sn oc h a n g ei nt r a n s m e m b r a n ep r e s s u r ea ti n i t i a ls t a g e b u ta tt h e s et i m e s ，m e m b r a n ef o u l i n gw a st a k e np l a c e ，w h i c hw a sc a u s e db yp o r e b l o c k i n ga n dp o l a r i z a t i o nl a y e r w h e nt h ec a k el a y e rw a sd e p o s i t e do nt h e m e m b r a n es u r f a c e ，t h et r a n s m e n b r a n ep r e s s u r ea r o s e g r a d u a l l y t h ef i l t r a t i o n r e s i s t e n c ew a sm e a s u r e d ，w el e a r n e dt h a tt h ec a k el a y e rr e s i s t e n c ew a sd o m i n a n t a m o n gt h et o t a lf i l t r a t i o nr e s i s t e n c e ，a n dt h ep o l a r i z a t i o nl a y e ra c c o u n t e df o rm a i n p a r to ft h ec a k el a y e rr e s i s t e n c e t h ea d s o r p t i o no ft h ep o l l u t a n t sa n dp o r eb l o c k i n g w e r en o tm a i nc a u s e so f m e m b r a n e f o u l i n g s e v e r a lc l e a n i n gm e t h o d sw e r es t u d i e dt or e p a i rt h ef o u l e dm e m b r a n e ，s u c ha s a i rs c o u r i n g ，w a t e rb a c kw a s h i n g ，n m n i n gw a t e rw a s h i n g ，n a o hw a s h i n g ，h 2 s 0 4 w a s h i n g t h em a t t e rd e p o s i t e do nt h em e m b r a n ew a sr e m o v e dp a r t i a l l yb yp h y s i c a l c l e a n i n g w h i l eb e s i d e st h em a t t e rd e p o s i t e do nt h em e m b r a n e ，c h e m i c a lc l e a n i n g c o u l da l s or e m o v ep o l l u t a n t si nt h em e m b r a n e b a s e do nt h er e s u l to ft h ef i l t r a t i o n r e s i s t e n c 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 df e a s i b l et oa d o p tf o l l o w i n g c l e a n i n gm e t h o d s o nt h ef o u l e dm e m b r a n e ：r u n n i n gw a t e rw a s h i n g - - - a c i dw a s h i n go r a i rs c o u r i n gf o r6 h - - - , w a t e rb a c kw a s h i n gf o r1 5m i n - - - a l k a l iw a s h i n g k e y w o r d s ：s 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 ) ，d o m e s t i cw a s t e w a t e r , m e m b r a n ef o u l i n g ，k i n e t i c s 上海大学硕士学位论文 图1 1 分置式m b r 和一体式m b r 图1 2 超滤过程的原理 图1 3 浓差极化现象示意图 图2 1s m b r 装置 图形目录 图2 2s m b r 实物图 图2 3 聚偏氟乙烯( p v d f ) d p 空纤维膜组什 图3 1 不同h r t 卜c o d c ，的去除效果 图3 2 容积负荷的变化 图3 3 容积负荷与c o d c ，去除率的关系 图3 4 污泥负荷的变化 图3 5 污泥负荷与c o d c 。去除率的关系 图3 6 膜对溶解性有机污染物的截留原理 图3 7 上清液和出水中c o d c 。去除情况的比较 图3 8 反应器内污泥浓度的变化 图3 9 在不同h r t 下c o d c 。的去除率随曝气量的变化 图3 1 0 在不同h r t 下氨氮去除率随曝气量的变化 图3 1 1 在不同温度下c o d c ，和氨氮去除效果 图3 1 2 不同p h 值下c o d c r 和氨氮去除效果 图3 1 3 在最优化的工艺条件下对c o d c ，的去除率 图3 1 4 在最优化的工艺条件下对氨氮的处理效果 图4 1s m b r 的物料衡算 图4 2 底物降解的动力学回归模式 图4 | 3 污泥增长的动力学回归模式 图5 1 出水压力随清水通量的变化 图5 2 膜临界通量的测定 图5 3 膜长期在临界通量运行下出水压力的变化 v i i “ j 加 伸 加 加 ” 嚣 凹 ” 弛 驺 m ” 凹 舵 “ 帖 甜 船 弱 矾 一 一 一 一 一 一 一 一 上海大学硕上学位论文 图5 4 新的p v d f 膜 图5 5 受污染的p v d f 膜 图5 6 在不同的清水通量下膜的自身阻力 图5 7 膜过滤阻力分布 图5 8 膜在空曝气后出水压力的变化 图5 9 膜在出水反冲洗后出水压力的变化 图5 1 0 自来水清洗后膜出水压力的变化 图5 1 1 膜经过n a o h 碱洗后的山水压力的变化 图5 ，1 2 膜经过h 2 s 0 4 酸洗后出水压力的变化 v i i l 甜 甜 酷 盯 砖 的 为 他 上海大学硕i 一学位论文 表格目录 表2 1 膜组件参数 表2 2 实验药品清单 表2 3 实验仪器设备清单 表3 1c o d c r 的去除效果 表3 2 氨氨去除效果 表3 3 在不同温度下c o d c ，$ 1 氨氮去除情况 表3 4 不同p h 下c o d c ，和氨氮去除率的变化 表3 5 在最优化的i ：_ r = 艺条件下对实际生活污水c o d c ，的处理效果 表3 6 在最优化工艺条件f 对实际生活污水中氨氮的处理效果 表3 7 实验出水水质与生活杂用水水质标准( c j 2 51 8 9 ) 主要项目的比较 表4 1s m b r 动力学实验结果 表4 2 动力学数据整理结果 表4 3 动力学回归模式验证 表4 4 动力学数据整理结果 表4 5 动力学回归模式验证 表5 1 在长期亚临界通量运行下的膜过滤阻力分布 表5 2 各种方法清洗后在恒定出水流量f 压力的变化 i x 扪 ” ” 强 加 “ 非 帖 娟 让 让 卯 娟 订 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 期：- 彩、j - 7 5 已 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) 签名：逊 导师签名： j 至羔媚期：遑竺：兰：y 上海大学硕上学位论文 1 1 课题来源与背景 第一章绪论 水是人类生存与发展不可缺少的自然资源、生命之源，是任何其他物质所不 能替代的物质基础【1 】。我国是一个贫水国家，水资源总量中可用水储量只有1 1 万平方米。中国的人口众多，人均水资源拥有量仅为世界人均水资源的1 4 ，而 且水资源时空分布不均。近年来，随着我国社会经济的飞速发展和城市化进程的 加快，城市水污染情况不断加剧。全国湖泊约7 5 以上的水域受到显著污染，4 7 的河段、9 0 以上的城市水域都不同遭到污染，其中1 0 的河段污染严重，已基 本丧失使用价值。不仅如此，城市地下水质也在急速下降，在全国1 1 8 个主要城 市中，6 4 的城市地下水受到严重污染，3 3 的城市地下水受到轻微污染。有四 分之一的人口在饮用不符合卫生标准的水，“水污染”问题已经成为中国最主要的 水环境问题。 水体污染的主要原因是城市和工矿企业以及乡镇企业的点源污染所致。全国 约有l 3 以上工业废水和8 0 以上的生活污水未经处理就直接排入河流、湖泊。 据国家的环境公告 2 ，2 0 0 3 年全国工业和城镇生活污水排放总量为4 6 0 亿吨，比 上年增长4 7 ，其中工业废水的排放量2 1 2 4 亿吨，比上年增加2 5 ；城镇的 生活污水排放量2 4 7 6 亿吨，比上年增长6 6 。废水中化学需氧量( c o d ) 排放总 量为1 3 3 3 6 万吨，其中工业废水中c o d 排放量为5 1 1 9 万吨，比上年减少1 2 3 ， 城镇生活污水中c o d 排放量为8 2 1 7 万吨，比上年增加5 o 。水污染加剧了水 资源短缺，直接威胁着饮用水的卫生安全和人民的健康，影响到工农业生产和农 作物种植安全，造成的经济损失约占g d p 的1 5 3 。面对日益严重的水污 染问题，国家在十一五期间制定的目标是所有城市污水处理率必须超过6 0 ，重 点城市如省会城市、风景旅游城市、环保重点城市，要求污水处理率超过7 0 ， 并要求降低污染物的排放量，大力削减污染负荷，同时要求c o d 排放量全国平 均削减1 0 左右。 面临水资源缺乏，水体严重污染的局面，中水回用是解决缺水问题的一种有 效的方法，同时也是建立资源节约型、环境友好型社会的需要。“中水”又称为再 上海大学硕上学位论文 生水【3 ，主要是指城市污水或生活污水经过处理后达到一定的水质标准，在一定 范围内重复使用的非引用杂用水。中水回用就是人们在生产和生活中用过的杂排 水，经收集处理后，回用于工业用水、市政用水、农业灌溉、建筑中水或地下回 灌等。中水回用实现了污水的资源化，具有明显的环境效益、经济效益和社会效 益，是保护水资源和实现水资源增值的有效途径【4 】。 以膜处理技术和活性污泥法相结合的膜生物反应器处理工艺作为废水处理 的新技术应运而生。膜生物反应器是膜的高效分离与生物降解作用相结合的一种 污水处理与回用的新工艺。它是将膜分离技术应用于活性污泥处理系统，由膜组 件取代传统生物处理技术中的二次沉淀池。与传统的活性污泥法相比，具有适应 性强、降解效率高、处理效果好、耐冲击负荷、占地面积小等优点1 5 j 。膜生物反 应器以其独特的优势逐步受到国内外研究者的关注，而且随着膜生产工艺技术的 成熟，膜生物反应器在污水处理和中水回用中的应用范围和规模将不断扩大。 本课题是由上海市科委资助的科研计划项目“膜生物反应器装置的研究开 发”( 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“基于膜技术的污水处 理机理及其应用研究”( 项目编号0 4 2 3 0 7 0 1 3 ) 的一部分。本课题主要以c a s s 工艺 ( 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 ) 与膜过滤技术组合成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 ) 对生活污水进行回用处理。根据实验 结果和经验，优化运行条件，为膜生物反应器处理城市污水并回用的可行性找到 依据，同时在提高污水处理后的出水水质和增加污水回用方面做出应有的贡献。 1 2 膜生物反应器的介绍 膜生物反应器【6 1 7 l ( m e m b r a n eb i o r e a c t o r , 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不断分离出反应产物并 截留催化剂而进行反应的装置。而用于污水处理的m b r 是将膜分离技术中的超 滤、微滤技术和活性污泥法有机结合的污水处理高新技术，主要由膜组件、生物 反应器和物料传输三部分组成。m b r 利用反应器内大量微生物有效的降解污水 中各种有机物，使水质得到净化，并通过膜分离装置替代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。 r 海大学硕士学位论文 1 2 1 膜生物反应器的产生和发展 膜生物反应器( m b r ) 最先是被应用于微生物的发酵工业，在废水处理领域中 的研究始于2 0 世纪6 0 年代，最初主要用于处理生活污水。美国的s m i t h l 8 j 于1 9 6 9 年创造性地把m b r 技术引入到废水处理中来，他利用一个外部循环的板框式组 件实现了膜过滤，并在生活污水的处理中取得了极佳的效果。b u d d 的m b r 于 1 9 6 9 年被确定为美国专利，这可以作为m b r 用于水处理的标志。到了7 0 年代 初期，好氧分置式m b r 处理城市污水的实验规模进一步扩大，厌氧m b r 的研 究也相继开始。1 9 7 8 年g r e t h l e i n 等进行了厌氧消化池一膜系统处理生活污水的 研究，b o d 和氨氮的去除率分别达到了9 0 和7 5 。日本由于国土资源狭小， 使得占地面积小的m b r 工艺得到很快的发展。自1 9 8 3 年至1 9 8 7 年日本有1 3 家公司使用好氧的m b r 处理大楼废水，率先实现了中水回用1 9 j 。在1 9 8 5 年，日 本就开始了“a q u ar e n a i s s a n c e 9 0 ”计划( 水再生利用计划9 0 ) ”，包括膜材料的 开发和膜分离装置的研究，使m b r 的研究在污水处理对象及处理规模上向前迈 进了很大一步。为了解决m b r 能耗高的问题，人们研究了第二代m b r ：一体 式m b r 。日本学者y a m a m o t o 1 1 1 等在1 9 8 9 年首先开发了一体式m b r 。将膜组 件直接置入反应器内，通过泵的抽取，得到过滤液。膜表面的错流由空气搅动产 生，曝气装置设置在膜的正下方，混合液随气流向上流动，在膜表面产生剪切力， 以减少膜的污染。由于无需循环泵，一体式m b r 单位能耗较小。法国、美国、 德国等对m b r 也投入了大量的研究。2 0 世纪9 0 年代，m b r 在工业废水处理中 的应用研究逐渐受到重视。m b r 在我国的发展起步较晚，但是发展迅速。许多 高校和科研单位相继进行了m b r 的开发和研究工作。目前，m b r 已逐步在生 活污水和工业废水的处理方面得到应用。 1 2 2 膜生物反应器的类型 把膜技术与处理污水的生物反应器结合起来的工艺已经发展成为了三种类 型的膜生物反应器旧1 3 1 用于固体的分离和截留，用于反应器中进行无泡曝气和 从工业污水中萃取优先污染物，即膜分离生物反应( m e m b r a n 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 n b i o r e a c t o r ) ( 无泡曝气，用于高需氧量的废水处理) ：萃取膜生物反应器( e x t r a c t i v e 上海大学硕士学位论文 m e m b r a n eb i o r e a c t o r ) ( 用于工业废水中优先污染物的处理) 。 i n f l e n lr n a l r t “c kf n l l u e n t w ks l l d g c ( 瑚 图i 1 分置式m b r 和一体式m b r f i g 1 1s i d e - s t r e a mm b r a n ds u b m e r g e dm b r 其中，膜分离生物反应器是应用最广泛的一种m b r 类型，并在许多国家有 应用的实例。根据膜组件和生物反应器的组合位置可笼统的将分离膜一生物反应 器分为分置式和一体式两大类1 4 1 ，如图1 1 。分置式m b r 是指膜组件放置在生 物反应器的外部，生物反应器的混合液经泵增压后进入膜组件，在压力作用下混 合液中的液体透过膜，成为系统出水；微生物、大分子物质等则被截留，随浓缩 液回流到生物反应器内部。分置式m b r 的特点是运行稳定，操作管理简单，易 于膜的清洗、更换和增设。但是由于循环泵提高的水流流速较高，所以动力消耗 较大。一体式m b r 是指将膜组件置于生物反应器内部，通过泵的抽吸或者液位 压差得到过滤液。与分置式相比，一体式m b r 的特点是运行费用低，但是在运 行稳定性、操作管理和膜的清洗更换方面不及分置式。在能耗方面，一体式m b r 的曝气占总能耗的9 0 以上，而分置式m b r 的曝气仅占2 0 【l ”。分置式m b r 在固液分离时要抽取混合液，这部分能耗占了6 0 8 0 ，由于这个原因使分置式 m b r 要比一体式m b r 的能耗要高出许多。 m b r 根据有无供氧又可分为好氧式m b r 和厌氧式m b r 。两者的选择主要 是由废水的性质来决定的。 膜组件中根据膜材料化学组分的不同可以分为有机膜和无机膜。有机膜的价 格低，但是寿命短，堵塞后难于清洗；无机膜寿命长，易清洗但成本高。根据膜 孔径大小的不同又可分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜【l 。总的来讲， m b r 工艺中采用的膜材料主要是超滤和微滤。此外按膜的形状的不同可分为平 h eb 弘 一 厂 辜 上海大学硕士学位论文 板膜、管式膜和中空纤维膜等。 1 2 3 膜生物反应器的特点 与传统的活性污泥法相比，m b r 工艺有许多传统活性污泥工艺无法比拟的 优越性。 ( 1 ) 出水水质好。m b r 对有机物的去除效果来自两个方面：一是反应器内微 生物对有机物的降解；另一方面是膜对大分子有机物的截留作用。膜的截留作用 可以大大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。 ( 2 ) m b r 实现了水力停留时间( h r t ) 和污泥停留时间( s r d 的完全分离。m b r 可以在很短的h r t 和很长的s r t 下运行，并得到较好的处理效果。膜组件能有 效的分离悬浮固体，因此可以最大限度地将活性污泥截留在生物反应器内，系统 的抗冲击负荷和处理有毒有害物质的能力得到提高，系统的稳定性加强。李红兵 1 7 1 等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 ，容积负 荷高达5 7 k g c o d ( m 3 d ) 的条件下，系统对c o d 的去除率在9 0 以上。吴志超1 8 1 采用好氧m b r 处理巴西基酸生产废水，c o d 容积负荷为1 2k g c o d ( m 3 - m 、2 4 k g c o d ( m 3 d ) 、3 6 k g c o d ( m 3 d ) 、4 8 k g c o d ( m 3 d ) 时，出水c o d 浓度的保持 稳定。 ( 3 ) m b r 的产泥量较小，使运行费用降低。传统法污泥浓度低，污泥产量高， 剩余污泥的处置费用占到废水处理总成本的5 0 左右1 9 1 。而m b r 系统在较低的 f m 条件下运行，污泥的产率远低于传统法，从而使剩余污泥的处置费用大幅度 的降低，进而降低废水的处理成本。 c h a i z e 和h u y a r d 2 0 】研究了m b r 的产泥情况，发现s r t 在5 0 或1 0 0 天时， 污泥的产量大大减少，这主要是低f m 值和较长泥龄的结果：杜萍【2 1 l 研究了一 体式m b r 在不同的s r t ( 5 - 8 0 d ) 条件下的产泥情况得出：理论产泥系数y 。与衰 减系数b 值随s r t 的延长而下降；刘锐p 2 1 用一体式m b r 处理生活污水，在2 8 0 d 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。 ( 4 ) 污泥停留时间( s r t ) 大幅度延长，可使硝化菌和亚硝化菌等世代时间较长 上海大学硕士学位论文 的微生物有效地滞留在生物反应器内，从而使m b r 系统比传统法具有更好的脱 氮除磷的能力【2 3 。由于m b r 中污泥浓度高，易在污泥絮体中形成表面好氧、内 部缺氧状态，可以在同一反应器中实现硝化和反硝化，使得m b r 在去除c o d 的同时具有良好的脱氮效果。而污泥浓度的增加会使好氧菌胶团的内部提供较多 的厌氧环境，有利于反硝化的进行1 2 ”。 f 5 1 结构紧凑，占地面积小。由于m b r 所需的体积较小且无需设置二次沉淀 池，使得m b r 系统的占地面积较之传统法大大缩小，特别是一体式m b r ，在 一个反应器中同时实现了生物降解和泥水分离。d a v i s 瞄】等对不同规模的m b r 系统和传统活性污泥法水处理厂比较发现，m b r 占地面积节约了1 2 - 2 3 。因此 m b r 系统在一些土地使用紧张的地区较之传统法建设的可行性较高。 ( 6 ) 与传统法相比，膜污染一直是m b r 系统中一个难以克服的问题，它使膜 的过滤阻力增大，透水率逐渐下降，严重影响了m b r 系统的处理效果，成为限 制m b r 系统广泛应用的一个主要障碍【2 6 】。 1 2 4 国内外用于污水处理的膜生物反应器的研究和应用概况 ( 1 ) 国外的研究和应用概况 国外对m b r 的研究除了将其投入实际应用外，主要集中在扩大m b r 的应 用范围、运行参数的优化、污染物降解和膜污染机理以及污染控制等方面的研究。 国外许多研究人员将m b r 的实验研究应用到了不同领域的污水处理，如葡 萄酒的酿造废水1 2 7 1 、制革废水、制药废彬2 引、微污染水源水口9 1 等。l d i e l s l 3 0 】 等利用膜生物反应器中的固定化细菌回收了重金属，同时对氯代芳香族化合物的 降解也取得了较好的效果。 在m b r 系统的运行中，污泥浓度、反应器的负荷情况和水力停留时间等操 作条件对c o d 去除效果的影响不是很明显。较长的污泥龄会使微生物产生大量 的代谢产物，但污泥降解污染物的能力没有因此受到影响1 3 1 1 。有研究表明在较 长泥龄( 1 9 0 d ) 时，m b r 系统还能去除一些金属物质，如a g 、c d 和s n ，去除率 均大于9 9 3 2 。而在研究反应器内污泥活性、污泥降解机理方面，研究人员偏 重于通过模型的研究来说明反应器内污泥对污染物质的降解情况 3 33 4 1 。 在膜的污染机理研究和污染防治方面，国外研究的比较多，而且研究的方向 6 上海大学硕士学位论文 也比较前沿。膜的材质、操作条件( 如操作压力、错流速率和曝气情况) 、污泥混 合液的特性【3 5 6 l 都会对膜污染的产生起到一定的作用。对于膜的优化操作。很 多学者提出了临界通量( c r i t i c a l f l u x ) 的概念，即膜在高于临界通量的条件下运行， 会加快膜的污染，因此膜在低于临界通量的条件下运行，有利于减缓膜污染的产 生。临界通量大小与反应器内混合液特性、膜过滤时的水力条件等有关，p i e r r el e c l e e h e t a l 阐述了临界通量的测定方法1 3 ”。除此之外，问歇操作和适当的水力条 件也能防止污染的形成【3 引，对于已经受到污染的膜应该及时进行清洗。 除了实验研究外，m b r 系统的实际应用规模也不断扩大。2 0 世纪9 0 年代 初，美国在m a n s f i l do h i 建立了一套处理规模为1 5 l m 3 d 的m b r 系统，用来处 理汽车制造业的工业废水1 3 9 】。美国通用汽车公司利用悬浮生长的生物反应器和 分置式或内置式膜单元构成的m b r 系统对汽车制造、装配厂含油工业废水进行 处理1 4 0 l 。在同本、加拿大、意大利、新加坡等城市的污水厂都建造m b r 系统用 于处理实际废水，规模也越来越大l 。 ( 2 ) 国内的研究和应用概况 我国关于m b r 的研究较晚，但是发展非常迅速。早期清华大学钱易【4 2 1 等人 采用进口板式、中空纤维式有机膜生物反应器( o m b r ) i 艺进行处理生活污水的 小试试验；樊耀波 4 3 1 等将m b r 用于石油化工污水净化的研究，研制出一套实验 室规模的好氧分离m b r 。随后，我国m b r 研究加快了发展的步伐。清华大学、 同济大学、哈尔滨工业大学等高校相继开展了分离式m b r 和一体式m b r 的研 究。 近年来，国内许多学者将m b r 的处理研究对象从生活污水扩展到了合成制 药废水、造纸废水【4 5 1 、焦化废水【峋、啤酒废水h 7 1 等，对污染物的去除效果都 很好，出水水质稳定，使m b r 的应用范围得到了进一步的扩大。 除了将处理对象的研究范围不断扩大外，实验参数的优化和膜的污染等实验 研究也是国内许多学者研究的主要内容。陈兆波【4 8 l 等以一体式膜生物反应器 ( s m b r ) 对生活污水进行处理研究，建立了有机物去除率与污泥浓度的数学模型， 得出m b r 的最佳的污泥浓度应控制在6 0 0 0 m g l ，系统能获得理想的处理效果。 周晴 4 9 1 等人研究了溶解氧对s m b r 出水效果的影响，发现溶解氧对c o d 的影响 不是很大，却是去除氨氮的关键因素。杨宗到5 0 】等采用好氧s m b r 处理高浓度 上海人学硕士学位论文 氨氮废水，在较短的启动时间内，对c o d 和氨氮均有较好的去除效果。通过控 制一定溶解氧、水力停留时问等因素将硝化反应控制在亚硝化阶段，实现短程的 硝化和反硝化。封莉卧5 2 1 等推导出了s m b r 的h r t 计算公式，并研究了反应器 理论最佳的排泥时间，与实验结果吻合。 在膜污染方面，主要研究的是膜污染的机理、膜污染的控制以及膜的清洗。 封莉等人对膜污染的机理进行了研究和探讨，得出膜表面的浓差极化、膜表 面与膜孔内的污染、膜内部的生物堵塞是造成膜通量下降的主要原因。采用水动 力学方法是控制膜污染的有效方法【5 4 】，m b r 在经济曝气量和适宜的污泥浓度的 条件下运行，可以控制膜污染的发展：在m b r 的操作过程中加入活性炭，氯化 铁两5 6 1 等可以减少膜污染，改善膜的过滤性能：对于受污染的膜，水力清洗可 以较彻底的去除运行初期的膜表面沉积物，但对于运行时间较长的膜，要去除膜 孔内有机物和微生物的堵塞，则适合采用化学清洗【5 ”。 在我国，m b r 系统已有在大楼废水、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m b r 的膜材料、膜组件还十分有 限，而且m b r 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 是随着膜技术的进步，膜质量的提高和膜制造成本的降低，m b r 的设备投资也 会随之降低。另一方面，各种新型的m b r 的开发也使其运行费用大大降低， m b r 在水处理中的应用范围必将越来越广。 1 3 膜生物反应器中膜的过滤特征及其污染问题 分离式的m b r 通常采用微滤( m f ) 、超滤( u f ) 膜组件，两者的固液分离都属 于静压差驱动的膜分离过程。刑传红在运用m b r 处理城市废水的研究中发现： 以回用为目的的城市污水的生物处理应优先选用超滤膜组件( 5 8 】。本课题研究的 是生活污水回用，因此选用超滤膜组件。 1 3 1 超滤膜的过滤特征 一般认为，超滤是一种筛分过程，超滤过程的原理【5 9 l 如图1 2 所示。在一定 的压力作用下，含有大、小分子溶质的溶液流过超滤膜表面时，溶剂和小分子物 质( 如无机盐类) 透过膜，作为透过液被收集起来：而大分子溶质( 如胶体态物质) 上海大学硕士学位论文 则被膜截留而作为浓缩液被回收。 原料液 浓缩液 u f 膜 滤出液 图1 2 超滤过程的原理 f i g 1 2m e c h a n i s mo f t h eu l t r a f i l t r a t i o np r o c e s s 在超滤中，超滤膜对溶质的分离过程主要有： ( 1 ) 膜面的机械截留( 筛