（环境工程专业论文）一体式膜生物反应器曝气方式的优化比较.pdf

中文摘要 膜污染和能耗问题是m b r 推广应用中遇到的共同问题。工程中通常采用固 定的曝气强度来获得稳定的膜通量，大的曝气强度可以提高膜面液体循环流速， 减少污泥在膜表面的沉积；但大的曝气强度一方面增加了曝气能耗，提高了产水 成本；另一方面会增大对污泥絮体的剪切力，使污泥颗粒粒径变小，刺激了微生 物的次级代谢产物的形成，长期运行会使污泥混合液粘度增加，进而恶化污泥混 合液的可滤性，引起膜污染速率增加。 本课题旨在对反应器曝气方式的优化研究，使之与常规大曝气强度下的膜生 物反应器作比较，以期能提高曝气产生的错流流速对膜面冲刷效果，降低运行能 耗，验证变强度曝气方式膜生物反应器的优势。为工程应用提供设计依据，促进 膜生物反应器的开发和实用化研究。 实验结果表明：对比反应器a 、b ，其对c o d c r 、n h 3 - n 去除效果相差不大， c o d e r 平均去除率达到了8 0 ，n h 3 - n 的去除效率在6 0 以上；变强度曝气方 式在一定程度上可进行同时硝化反硝化反应，使生物脱氮能较完全地进行；同时 提高了除磷的效率，不过在系统未排泥的情况下，对磷的去除是有一定限制的。 变强度曝气下颗粒污泥的沉降性能稍优于反应器b ；常规曝气条件下反应器 内积累的s m p 浓度较变强度曝气方式下的要大；从微生物种类的交替上分析， 两反应器没有明显的区别：两反应器v s s s s 值平均在0 7 左右，两者相差不大， 都具有较好的活性。 较大的曝气强度，破坏了污泥絮体的结构使小颗粒的污泥颗粒增多，导致了 料液粘度的明显增加；膜污染的阻力构成发生了变化，沉积层阻力占总阻力的比 例分别为8 5 4 5 、7 8 8 8 ，反应器b 中凝胶层及膜孔堵塞形成的阻力g g 所占 的比例明显增加占总阻力的1 3 7 l 。 常规反应器的有效产水能耗为0 6 3k w h m 3 ，变强度曝气方式下反应器的有 效产水能耗为0 4 k w h m 3 ，是常规大曝气的6 3 ，大大地节省了电耗。 关键词：一体式m b r 曝气强度和方式料液特性膜污染粒径分布能耗 a bs t r a c t m e m b r a n ef o u l i n ga n de n e r g yc o n s u m p t i o na 他t h ec o m m o no b s t a c l e st ot h e w i d ea p p l i c a t i o no fm b r f i x e da e r a t i o ni n t e n s i t yu s u a l l yi su s e dt og e ts t e a d y p e r m e a t i o nf l u xi nt h ep r o j e c t l a r g ea e r a t i o ni n t e n s i t yi n c r e a s ec i r c u l a rv e l o c i t yo f m e m b r a n es u r f a c e ，w h i c hd e c l i n e ss l u d g ea g g r a d a t i o n h o w e v e r ，l a r g ea e r a t i o n i n t e n s i t yi n c r e a s e sa e r a t i o ne n e r g yc o n s u m p t i o ni no n eh a n d ，i m p r o v e st h es h e a r i n g s t r e n g t ht os l u d g ef l o ei nt h eo t h e rh a n d ，w h i c hl e a d st op a r t i c l es i z eb e i n gs m a l l e ra n d s o l u b l em i c r o b i a lf o r m i n g i nl o n gr u n n i n g ，s l u d g ev i s c i d i t yw i l lb ei n c r e a s e da n d s l u d g ef i l t r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw i l lb ed e c r e a s e d ，w h i c hl e a d st oi n c r e a s i n gv e l o c i t y o fm e m b r a n ef o u l i n g t h i ss t u d yf o c u s e do no p t i m i z i n gt h ea e r a t i o nm o d eo fm b r ，c o m p a r i n gg e n e r a l m b rw i t hl a r g ea e r a t i o ni n t e n s i t yo n e i n t e r m i t t e n ta e r a t i o nm o d ew a se x p e c t e dt o a d v a n c es c o u t i n ge f f e c to fc r o s s f l o wa n dd e c l i n e de n e r g yc o n s u m p t i o n f i n a l l y ， p r e d o m i n a n c eo ft h ei n t e r m i t t e n ta e r a t i o nm o d ew a sp r o v e d t h i sp a p e rn o to n l y p r o v i d e dd e s i g nb a s i s ，b u ta l s oa c c e l e r a t e de x p l o i t u r ea n dp r a c t i c a l i t yo fr e s e a r c hi n m b r e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h et w om b rh a dn oo b v i o u sd i f f e r e n c e si nt h e c o m m o nt a r g e t s a v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d e ra n dn i - 1 3 - nw a sa b o v e8 0 ， 6 0 r e s p e c t i v e l y i n t e r m i t t e n t a e r a t i o nm o d ec o u l dg o a l o n gn i t r a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o n ai nac e r t a i ne x t e n t ，s ot h a tn i t r o g e nc a l lb ed e g r a d e dc o m p l e t e l y a t t h es a m et i m e ，a v e r a g ed e g r a d a b i l i t yo fp h o s p h o r u sw a si n c r e a s e dp a r t i a l l yi nt h e c o n d i t i o no fw i t h o u tl e t t i n gs l u d g e s l u d g ef i l t r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r m i t t e n ta e r a t i o nm b rw a sb e t t e rt h a n a n o t h e ro n e s m ph a db e e na c c u m u l a t e db a d l yi nt h em b rbt h a nm b ra t h et w o r e a c t o r sh a dn oc l e a rd i f f e r e n c e si nb i o l o g i cc a t e g o r y ；v s s s sa v e r a g e l ym a i n t a i n e d o 7 ，w h i c hs h o w e dt h a tb o t ho ft h e mh a dg o o da c t i v i t y l a r g ea e r a t i o ni n t e n s i t yd e s t r o y e df r a m e w o r ko fs l u d g ef l o ca n di n c r e a s e ds l u d g e v i s c i d i t y ；r e s i s t a n c ec o m p o s i n go fm e m b r a n ef o u l i n gh a db e e nc h a n g e d ，s e t t l e a b l e f r a c t i o nr e s i s t a n c e 僻) r a t ew a s8 5 4 5 ，7 8 8 8 r e s p e c t i v e l y ，g e l a t i o nr e s i s t a n c ei n m b rbw a si n c r e a s e dt o1 3 1 7 i ng e n e r a lm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，e f f e c t i v ee n e r g yc o n s u m p t i o no fp r o d u c e d w a t e rw a sa b o u to 6 3k w h m 3 h o w e v e r ，i ni n t e r m i t t e n ta 训i o nb i o r e a c t o r ，也ed a t a w a s0 4k w h m 3 ，w h i c ho c c u p i e d6 3 o ft h ef o r m e r e l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o nw a s r e d u c e d g r e a t l y k e y w o r d s ：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 ) ，a e r a t i o ni n t e n s i t y a n dm o d e ，s l u d g ec h a r a c t e r i s t i c s ，m e m b r a n ef o u l i n g ，p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ， e n e r g yc o n s u m p t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本入在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其它入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞基堂或其它教育机构的学位或证 书丽使用过的材料。与我一同工作的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。 学位论文作者签名： 譬或蒲签字鼷期：弦0 年 ，胃l 参蜀 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤叠盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鎏蕉堂。可以将学位论文的全都或部分蠹容编入有关数据麾进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向豳家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：葶式磺 导师签名： 签字曩期：溯群月多蜀签字爨期：呻年t 月t 占冀 第一章绪论 第一章绪论 随着全球范围经济的快速发展和人口的急剧增长，水资源短缺、水环境污染 已成为全球人类共同面临的严峻挑战。消除水环境污染，实现水资源化，节约水 资源，缓解需水和供水之间的矛盾，已成为世界各国普遍关注的课题。不少缺水 国家把污水再生利用作为解决水资源短缺的重要战略之一。近年来，各国针对水 环境污染和水资源短缺开展了大量的研究工作，各种新型、改良的高效污水处理 及回用给水应运而生，其中一体式膜生物反应器又称浸没式膜生物反应器 ( s m b r ) 是废水生物处理技术和膜分离技术有机结合的一项新技术( s u b m e r g e d m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，m b r ) 以其独特的优点，在世界范围受到普遍关注。 1 1 一体式膜生物反应器的基本原理 膜生物反应器将膜技术与生物反应器相结合，是一种新型高效的生物反应 器。一体式m b r 根据生物处理的工艺要求，有多种组合形式，常见的有两种组 成形式：第一种有两个生物反应器，其中一个为硝化池，另一个为反硝化池。膜 组件浸没于硝化反应器中，两池之间通过泵来更新要过滤的混合液。该组合的特 点是：可以提高配套( 整装) 的膜和设备，便于旧系统的更新改造；将膜浸 没池作为好氧区，而生物反应池作为缺氧区，以实现硝化反硝化的目的；便于 将膜隔离进行清洗。 第二种组合非常简单，直接将膜组件置于生物反应器内，通过泵抽吸，得到 过滤液。为减少膜面污染，延长运行周期，一般泵的抽吸采用间断运行。与分置 式相比，一体式最大的特点是运行能耗低，但是在运行稳定性、操作管理方面和 清洗更换上不及分置式。如图1 1 所示： 第一章绪论 进水回流污泥( 依靠重力) 1i 生物反应器 ( 硝化) 生物反应器 ( 反硝化) i l - 厂 、 h 进水 生物反应器 图1 1 一体式膜生物反应器 1 2 一体式膜生物反应器的特点 1 2 1 一体式膜生物反应器的优点 出水 一体式m b r 在分离式m b r 基础上有较大改进，具有体积小、单位出水能 耗低等优点。1 9 8 9 年，日本学者v a m a m o t o t i 】首先开发出一体式m b r ，在他的一 体式m b r 小试研究中，在体积负荷为1 5 k g m 3 c o d ，h r t 为4 h ，间歇抽吸压 力为1 3 k p a 的条件下稳定运行1 2 0 天，其c o d 的去除率高达9 5 ，6 0 的氮可 以通过变强度曝气去除，几乎无剩余污泥排出，而且由于不需要循环泵，加上抽 吸泵的工作压力小，一体式m b r 的单位处理水能耗小于2 k w h m 3 ，远低于分离 式m b r 的能耗。膜生物反应器技术具有许多传统生物处理工艺无法比拟的明显 优势，主要是以下几点： 能够高效地进行固液分离，分离效果远好于传统的沉淀池，出水水质良好， 出水悬浮物和浊度接近于零，可直接回用，实现污水资源化； 膜的高效截留作用，使微生物完全截留在反应器内，实现了反应器水力停 第一章绪论 留时间( h r t ) 和污泥龄( s r t ) 的完全分离，使运行控制更加灵活稳定： 反应器内微生物浓度高，耐冲击负荷能力强； 有利于增殖缓慢的硝化菌的截留、生长和繁殖，系统硝化效率得以提高。 通过运行方式的改变亦可有脱氮除磷功能； 泥龄长。膜分离使污水中的大分子难降解成分在生物反应器内有足够的停 留时间，大大提高了难降解有机物的降解效率。反应器在高容积负荷、低污泥负 荷、长泥龄下运行，可以实现基本无剩余污泥排放： 系统采用p l c 控制，可实现全程自动化控制； 占地面积小，工艺设备集中。 1 2 2 一体式膜生物反应器的缺点 一体式m b r 单位膜的处理能力小，膜的污染较严重，透水率较低【2 】。膜生 物反应器满足目前最严格的污水排放标准的同时，也存在膜污染和膜更换以及高 能耗等问题，有待于研究解决。与其它工艺一样，m b r 工艺的发展不仅取决于 工艺本身，还取决于其经济可行性。g o w e n 的研究得出，膜工艺的费用主要包 括膜的价格、膜的更换频率和能耗需要。随着膜的制作水平的提高，膜的价格已 大大降低，而膜的更换频率与膜的稳定运行有关，这就取决于料液对膜的作用， 其中膜污染成为一个很重要的因素。因此，膜污染和能耗问题是m b r 推广应用 中遇到的共同问题，寻求膜污染防治措施成为当前m b r 研究的一个重要方向。 1 3 一体式膜生物反应器国内外发展的状况和趋势 一体式m b r 的研究迄今已有3 0 年的历史，其商业应用也有2 0 年历史了， 研究表明：在废水处理上一体式m b r 可以大幅度提高出水水质，特别是对悬浮 固体、病原细菌和病毒的去除效果尤为显着。合格的m b r 出水无须消毒，就可 达到相关的卫生标准和城市杂用水标准，为缺水地区的水资源重复利用提供了新 的方法；该技术还在含油和生物难降解工业废水处理等方面取得了很好的效果。 总之，一体式m b r 具有一定的特色和优势，正在国内外进行推广应用。 1 3 1 国外一体式m b r 研究应用的现状 国外有专家把膜技术的发展称为“第三次工业革命”，作为2 l 世纪最有前途 的高新技术之一，m b r 在水处理领域中的应用受到了越来越广泛的关注。进入 9 0 年代中期，m b r 在国外进入实质性应用阶段。在欧洲，大部分国家由于国土 第一章绪论 面积小，地面水体径流距离较短而导致其自净能力差、生态系统脆弱、易受污染。 一体式m b r 由于其占地面积小而出水水质优良，受到了许多欧洲国家的重视。 荷兰在处理能力为2 4 0 m 3 d 的中试取得成功后，又建造了处理能力为1 8 0 0 0 m s d 的一体式m b r 污水处理厂，并已从2 0 0 3 年开始建造处理能力为( 6 - 2 4 ) x 1 0 4 m 3 d 的一体式m b r 的污水处理厂，累计处理能力达2 1 0 0 0 m 3 d ，目前正在建造世界 上最大规模使用m b r 的污水处理厂【3 】；另外，美国、加拿大、日本、法国、埃 及等对于一体式m b r 的利用也较普遍，主要应用于小区污水的处理与回用及工 业废水( 主要是食品、饮料制造业) 的处理。 近年来，膜生物反应器已在许多国家应用于生活污水和工业废水的处理及回 用。据统计，目前在世界范围内，投入实际运行的膜生物反应器已超过5 0 0 套， 还有许多工程正在计划或建设中。表1 1 为欧洲一体式膜生物反应器的研究结果。 表1 - 1 欧洲一体式膜生物反应器 研究国家 德国 德国英国 法国 德国 膜形式中空纤维膜板式膜板式膜中空纤维膜中空纤维膜 膜面积( m 2 )8 3 48 01 6 01 22 7 8 曝气量( m 3 h ) 1 3 8 8 0 1 4 2 膜压力( k p a )3 0l o2 5 膜通量( l m 2 h )1 62 02 12 0 2 5 m l s s ( g l ) 1 2 1 8 1 2 1 61 61 5 2 51 2 2 0 污泥龄( d )1 5 2 02 0 2 54 5 进水c o d ( m g l ) 2 0 0 - 3 0 02 0 0 , - - 3 0 03 0 0 , - - 8 0 02 9 0 7 2 0 8 0 0 出水c o d ( m g l ) 2 0 3 0 6 11 3 1 6 2 0 进水氨氮( m g l ) 4 0 一6 04 0 6 03 0 7 02 2 3 5 0 3 5 出水氨氮( m g l ) 5未检出 5 1 6 3 2 l 1 3 2 国内一体式m b r 研究应用的现状 一体式m b r 是在污水处理领域在国外已成为倍受瞩目的新工艺，m b r 在 我国水处理方面的应用首先从分离m b r 开始，对m b r 的研究仅有十年，但发 展十分迅速。随着我国水污染和水资源短缺问题的加重，国内的m b r 研究步伐 正在加快，并取得了很大的成就，但受目前国内经济发展水平、膜产品供应状况 第一章绪论 和规范设计要求等条件的限制，大规模工程应用的实例还很少。 1 9 9 1 年岑运华分绍了m b r 在基本的研究现状隧，从此m b r 在水处理方面 的应用逐渐在我国开展了起来。杨造燕于1 9 9 4 年对m b r 处理污水及回用进行 了研究，重点研究了m b r 工艺设备，较好的解决了膜堵塞的问题。1 9 9 3 年始， 清华大学的刘正雄( 1 9 9 4 ) 、汪诚文( 1 9 9 6 ) 、桂萍( 1 9 9 9 ) 等，天津大学的顾平 ( 1 9 9 8 ) 、同济大学的李红兵( 1 9 9 9 ) 先后对m b r 处理生活污水并回用的可行 性、操作运行条 牟、膜污染机理及控制对策进行了研究。清华大学的刑传宏、汪 诚文等( 1 9 9 6 1 9 9 7 ) 【5 】【6 】进行了平板超滤膜、管状膜与活性污泥结合的膜生物反 瘦器处理生活污水和模拟废水性能的研究。1 9 9 7 年中国科学院生态环境科学研 究中心开始了穿流式m b r 的研究工作。清华大学、同济大学、天津大学等高校 开展了分离式和一体式m b r 的研究【7 1 ，m b r 的研究对象从生活污水扩展石化污 永、高浓度有视废水、食品废水、啤酒废水、港口污水、印染废水；生物反应器 从活性污泥扩展到接触氧化法、生物膜法等工艺；生物处理流程从好氧发展到厌 氧，并且对不禽污水的处理效果、系统的稳定运行、操作条俘的优纯进行了研究。 现在，m b r 应用于饮用水处理的研究已经开始，天津大学也已完成实验室规模 的研究【8 】。近几年来，国内许多科技人员对m b r 进行了大量的研究工作，主要 集中在：运行方式的研究；各种工艺参数( 包括生物工艺参数和膜工艺参数) 对处理效果的影响以及优化：数学模型的研究，探求合适的操作条件与工艺参数。 膜的污染防治和膜的清洗；新型膜材料翻膜组件的开发；不断扩大m b r 的应用范围。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) 与难降鳃工业废水( 石化污水、印染废水等) 。 迄今为止国内有关m b r 的论文近2 0 0 篇。m b r 已有在大楼废水、生活污 水回用、医院废水处理工程实例，涉及化工、制药、畜产、印染等各行业，与传 统工艺相比，其优势非常明显。表l 艺汇总了我国m b r 近年来主要的研究结果。 第一章绪论 表1 2m b r 污染物去除效果汇总 参考废水 项目 c n h 3 - n s s 没度 文献类型 m g lm g lm g l n t u 玉诚文生活进水1 7 参v 5 4 5l 夺5 94 5 - 3 6 6 1 9 9 6 6 污水出水 2 0 1 o 邢传宏 生活进水1 1 8 7 6 l2 o o 1 9 4 8 8 5 8 0 1 9 9 7 t 5 1污水出水 1 2 1 4o1 5 樊耀波石纯 进水 5 4 2 5 8 5 1 1 8 4 5 出水2 6 。7 7 1 3 4 6o 3 7 1 9 9 7 9 1 废水 去除率9 1 8 69 3 9 9 顾平 生活 进水 2 8 0 。l3 5 。31 4 6 7 出水 8 0 1 0 0 李红兵 生活 进水 1 2 1 3 岔9 2 2 1 6 3 8 4 1 8 m 艺4 0 颢国维出水 2 嵇。5 0 9 0 1 0 0 何义亮生活进水 1 2 3 - 5 0 92 8 1 5 l l l 。5 4 2 19 9 9 1 3 1 污水出水 5 5 0o 张军模拟生进水15 2 - - - 4 3 2 。62 1 5 6 - - 3 4 7 7 3 3 1 4 9 1 8 1 6 0 1 9 9 9 t 1 键活污东出水 3 0屯o l 邹联沛 模拟生 进水 3 3 6 8 0 81 5 8 7 3 5 1 王宝贞出水 每0 2 8 2 顾平 模拟生 进水3 6 6 41 6 杨造燕 出水1 3 。l v b 时悬浮固体将会在膜表面沉 积：当v f 剑b 时，混合液中的悬浮固体不会沉积在膜表面，同时沉积在膜表面的 污泥也会从膜面脱落下来。 桂萍等通过正交试验考察了膜的抽吸时间以及停抽时间对膜过滤特性的影 响。抽吸时间不能超过一定的范围，否则会造成膜的快速污染和过滤阻力的急剧 上升，同样延长停抽时间有利于污染物脱离膜表面。但停抽时间增长到一定程度 后，效果变得不显着。综合考虑产水量的大小和膜运行的长期稳定性，得到最佳 的抽停吸时间为1 0 m i n 5 m i n 。 ( 3 ) 合理( 空) 曝气 在m b r 中，曝气的目的除了微生物供氧之外，大量气泡以较高速度穿过中 空纤维膜组件的过程，以及气体夹带的水流对膜面的冲刷作用，使膜表面处于剧 烈紊动状态，避免了凝胶层的增厚和堵塞物质的积累，大大延长了膜清洗周期。 因此其曝气量较高，气水体积比为4 0 ：1 1 0 0 ：l ，明显高于传统处理工艺 1 8 】。但曝 气过大时，会导致膜表面沉积的颗粒粒径减小，使滤饼的结构更加致密，从而使 其膜过滤阻力增加。因此也不是曝气量越大越好 k h c h o o 在厌氧m b r 研究中发现，消化液的循环剪切作用使厌氧微生 物絮体遭到破坏，生物相尺寸变小，加速了膜孔的堵塞和凝胶层的析出【19 1 。高强 度的曝气对于反应器中的活性污泥微生物同样存在着剪切破坏作用，这对膜污染 的控制又是不利的。 桂萍】等通过正交实验考察了曝气量，膜的抽吸时间以及停抽时间对膜过滤 特性的影响。其中曝气量的增加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，而且可以加速污染物从膜表面脱离，但曝气强度进一步增加， 效果变得不明显，而且曝气量过大可能导致混合液粒径减小，影响膜过滤，从而 使膜抽吸压力上升速率有所增加。综合考虑产水量的大小和膜运行的长期稳定 性，得到最佳的曝气量为4 m 3 h 。 k i m 等研究表明，过大的膜面流速将削弱动态生物沉积层，造成不可逆污染。 t e d a 等采用中试装置研究了一体式m b r 的曝气强度对膜面沉积层的去除 效果及抽吸压力的影响。得出曝气强度是控制过滤条件的一个重要的因素。膜面 沉积层的去除率可以通过提高空气流率或曝气密度来提高。空气流率对沉积层的 去除率受到空气流的紊流程度的影响；随着曝气强度的增加只能一定程度上影响 第一章绪论 沉积层的去除率，且存在一个临界值，超过此值其影响不显着。 相关研究表明【2 0 】【2 1 】【2 2 】：提高曝气强度可以提高膜面液体循环流速，减少污 泥在膜面的沉积，减缓膜污染发展速率；但曝气强度的增加会改变料液的可滤性， 大的错流流速加大了对污泥絮体结构的破坏和磨损，一方面改变污泥颗粒粒径分 布，另一方面细小的颗粒将加速e p s 的溶出，使料液粘性增加，改变膜表面形 成的动态膜孔隙率，长期运行可引起膜污染速率的增加。 ( 4 ) 定期反冲或反吹 定期空气反吹或水反冲洗不仅可以将膜面的泥饼层吹脱，还可以将膜孔中的 污染物清洗掉，从而获得稳定的膜通量，但是对膜组件的强度和性能要求较高。 ( 5 ) 合理放置膜组件 件的安放应当考虑膜组件与曝气池墙体之间的距离、膜组件与控制扩散器之 间的距离以及膜组件与反应器液面、空气扩散器和曝气池底之间的距离，以保证 水从池底垂直向上流、膜表面与水流均匀接触、使向下的水流能均匀分布在膜单 元周围，尽量降低浓差极化，有利于减缓泥饼的形成和促进泥饼层的脱落，达到 延缓膜污染的目的。 ( 6 ) 膜组件的结构一体式m b r 中膜组件的结构形式会对其水力性能产生很 大的影响。y s h i m i z u 等研究了不同的装填密度的中空纤维微滤膜用于处理生活 污水是的过滤特性，并建立了过滤模型来设计膜系统，如式1 1 所示： ，= k c b u l 田m l s s - - o 。5疹为几何堆积系统 ( 1 1 ) 1 5 膜污染及其影响因素 1 5 1 膜污染的概念 膜污染是指m b r 内混合液中的悬浮颗粒、胶体粒子或溶解性大分子有机物 和盐等在膜表面和膜孔内吸附沉积，造成膜孔径减小或堵塞，使膜通量下降的现 象。根据膜污染的位置可以分为外部堵塞( 污染物吸附沉积在膜表面，增加了水 流过膜的阻力) 和内部堵塞( 污染物在膜孔内吸附沉积，减小膜孔径，从而降低 膜通量) 。根据造成污染物质不同可以分为无机污染、有机污染和生物污染。膜 的污染机理很复杂，关系到膜表面的化学性质和水中溶质一溶质、溶质一膜之间 的相互作用，污染机理至今还没有完全弄清楚，各方说法不一，但一般认为浓差 极化和膜污染是导致膜通量下降的两个主要原因。 第一章绪论 1 5 2 膜污染的影响因素 膜污染是影响系统运行的关键，至今m b r 膜污染机理并没有完全搞清楚。 英国学者将膜污染的主要影响因素归为三方面：膜的结构性质、活性污泥、运行 条件见图1 3 瑟3 】 图1 - 3 膜污染的影响因素 一、膜的羲有性质 膜材料、表面特性和孔径对膜污染有很大影响。粗糙的膜表面虽然增大了膜 比表面积，使膜表面对污染物吸附的可能性增加，但膜表面附近的水流扰动程度 也相应增加，二者同时对膜通量造成影响f 蠲。 二、混合液的性质 ( 1 ) 污攘浓度和糕度 污泥浓度和粘度对膜污染的巨大影响己被许多学者所证实 2 5 j 2 6 】【2 7 1 。m a g a r a 和i t o h 2 8 】在活性污泥条件下，认为污泥浓度过高对膜分离会产生不幂l 影响，得 出膜通量与m l s s 的对数呈线性下降。n a g a o k a 2 9 】等研究表明：反应器中粘度的 变化与膜阻力上升有紧密的关系，而反应器的粘度与微生物的e p s 有较大关系。 ( 2 ) 悬浮物的粒径分布 k w o n 3 0 】等就沉积在膜面的不同尺寸的颗粒对膜过滤阻力的影响进行了详尽 的研究，维果表明，较大粒子在膜耍上的沉积不会影响过滤特性，只有尺寸与貘 孔径相差不多的粒子沉积时才会引起较严重的膜污染。何义亮【3 l 】也提出了并联运 行的平板膜组件中，通量大的膜中较大的膜孔径容易被活性污泥中相近尺寸的物 质所堵塞，因而优先衰减。 第一章绪论 ( 3 ) 溶解性有机物 最近一些学者开始强调溶解性物质对膜污染的影响。尤其是在分置式膜生物 反应器中，很多学者发现由于剪切力对污泥絮体的破坏作用，溶解性物质对膜污 染的贡献不容忽视。w i s n i e w s k i 等发现，溶解性物质引起的膜污染几乎形成了 5 0 的膜过滤阻力。较大的剪切力破坏了污泥絮体中的微生物、污泥颗粒和e p s 之间的相互联系，促使菌胶团解体，释放e p s 到上清液中，增加了溶解性物质 的浓度。这些溶解性物质之间及他们与膜材料之间随即发生作用，引起膜污染。 三、膜组件的运行条件与操作方式 ( 1 ) 膜通量 许多学者的研究证明了只有把膜通量选择在临界值以下，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。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，膜污染的可逆性显着下降。原因是在膜过滤时，浓差极化层转化成致密 的滤饼层；另外，膜通量增加后，膜面污染层的结构会发生改变，最终造成污染 层和凝胶层的阻力显着增大。 ( 2 ) 曝气强度( 膜面错流流速) 王连军【4 9 1 等采用无机陶瓷膜一生物反应器处理啤酒厂集水池废水，研究表 明，增加膜面流速能够减小由浓差极化产生的凝胶层的厚度，进而减少过滤阻力， 延缓或防止膜堵塞，维持膜通量。尽管提高膜面流速可增大膜通量，但同时也会 相应地增加能耗。：因此，膜面流速并非越好越好，在实际运行中，应结合其它因 素予以优化。d e v e r e u x 等也发现，膜面流速并非越高越好，膜面流速的增加使 得膜表面污染层变薄，有可能会造成不可逆污染。顾平、杨造燕采用一体式膜生 物反应器处理生活污水的研究表明：曝气强度与比流量近似呈线性关系，但曝气 强度的增大会增大单位处理水的能耗消耗。桂萍、黄霞【3 2 】针对影响生物反应器膜 过滤特性的主要运行条件进行了正交试验，研究表明：曝气量对膜抽吸压力上升 速率的影响仅次于抽吸时间的影响，在一定的范围内( 2 m 3 h 4 m 3 h ) ，曝气量的 增加会使膜抽吸压力上升速率明显减小，但是曝气量超过一定范围( 大于6 m 3 h ) ， 不能进一步减轻膜污染。 ( 3 ) 温度 m a g a r a 和i t o h 在不同温度下对活性污泥进行过滤试验，发现在试验范围内， 温度每升高1 可引起膜通量增加2 ，他认为这是由于温度变化引起的料液粘 度的变化所致。 ( 4 ) 运行方式 针对一体式膜生物反应器，y a m a m o t oe ta l 提出间歇抽吸的操作方式可以有 第一章绪论 效的控制膜污染的发展速度。桂萍【3 3 】进一步通过试验指出，出水泵1 5 r a i n 开5 m i n 停能最经济有效的控制膜污染。罗虹 3 4 1 在m b r 反应器中混合液可过滤性的研究 中得出结论：改善活性污泥形状是m b r 稳定运行不可忽视的因素；粉末活性炭 ( p a c ) 的投加提高了混合液的可滤性，改善了泥水混合液的性质和膜表面泥饼 层结构，减少了膜堵塞的机会，减缓膜通量的下降。 1 5 3 膜污染控制 膜生物反应器的膜污染防治问题涉及化学、物理学、生物学、水力学、材料 学和工程学等多个学科，问题的解决需要各个学科相互借鉴和深入研列2 2 1 。与膜 污染的影响因素对应，目前膜污染控制的手段包括：投加粉末活性炭、低水通量 过滤、间歇操作、合理曝气、空气反吹、水反冲洗、空曝气、化学清洗、超声波 清洗等。总之减缓膜污染应该从全程来考虑：一要选用性能优良的膜材料，合适 的膜孔径；二是通过不同途径改善混合液的特性；三要控制最佳的运行条件，通 过试验和工程经验来确定最佳膜临界通量，最佳曝气量，最佳抽停时间比；四要 进行定期的膜清洗。目前膜组件的结构、运行方式和组合工艺需要创新性的改进 1 3 5 3 叼有待于进一步的试验和探讨。 1 5 4 膜污染积累模式的研究 膜污染是用膜分离过程中污染阻力的增加来表征的。根据达西( d a r c y sl a w ) 方程： ，： 竺 ( 1 - 2 ) ( 如+ r 十r p + 尺g ) 其中：j 为膜通量( l m 2 办) ，p 为膜两侧的压力差( 助) ，为透过液的 粘度( p a j ) ，r 。为膜自身的阻力，r 。沉积层阻力，尺，膜孔堵塞阻力，r 。凝 胶层阻力。 在一体式膜生物反应器的研究中，由于选用的膜材料以及过滤料液特性的不 同，不同的研究者对膜的各项阻力在总阻力中重要性有不同的理解，建立了不同 的模型。以下是三种膜污染模型。 ( 1 ) 膜孔堵塞模型 该模型认为膜有效过滤面积的减少是膜通量降低的主要原因。模型假定随着 固体颗粒在膜孔壁的沉积，孔体积的减少与过滤液的体积成比例，并且膜是由直 径一定的一系列孔所组成，孔的长度也假设为一个定值，因此膜体积的减少等于 孔截面积的减少。该模型与许多恒定通量操作的一体式膜生物反应器系统的压力 第一章绪论 上升曲线非常吻合。 ( 2 ) 滤饼层模型 有研究者提出了边界层阻力模型，该模型的基本方程为： ，：竺( 1 3 ) r 。+ r ， 该模型表示膜通量与膜两侧的压力差p 、膜的阻力尺。及边界层的阻力 尺c 有关。假设不产生浓差极化，该阻力与膜阻力串联成整个膜阻力。尺的求取 有两种模式。 纯经验公式：它将边界层的阻力r 。看作为剪切力、传质系数后、料液浓度 c 。和力有关的函数 r = 肇f ( a p ) ( 1 - 4 ) z 。 式中：p 滤液的密度( 姆搠3 d ) 凹膜两侧的压力差( p a ) 滤液的粘度( 培m j ) f 。剪切力 兼顾溶质的对流传质与反向流体力学效应的关系式： r 。：a m ：1 8 0 0 万- e ) m ( 1 5 ) ps d 口。 式中：m 滤饼层密度( 培m 2 ) 。 以二一滤饼层颗粒密度( 船m 2 ) ； s 膜面积( 聊2 ) ； 占滤饼层的孔隙率； d 。颗粒的平均粒径( 聊) ( 3 ) 凝胶层模型 ，：kl n 刍二竺( 1 - 6 ) c 6 一c 。 式中：七物质迁移系数 巳膜表面有机物浓度 c ，膜透过液有机物浓度 c 。混合液主体有机物浓度 第一章绪论 1 6 研究的内容、目的和意义 s m b r 的能耗比传统生物处理工艺高，高能耗的主要原因是s m b r 运行过 程中，必须保持一定的膜驱动压力，因而膜组件不可避免的要受到污染：为了获 得稳定的膜通量，s m b r 工艺采用加大曝气强度的方式来改善这一状况，因而造 成能耗偏高。大量研究数据显示，曝气能耗占s m b r 运行总能耗的8 0 以上。 因而如何降低曝气能耗是s m b r 工艺改进的关键。s m b r 运行过程中，工程中 通常采用是固定的曝气强度来获得稳定的膜通量，一般气水比在4 0 ：l 1 0 0 ：1 ， 大的曝气强度可以提高膜面液体循环流速，减少污泥在膜表面的沉积；但如前所 述大的曝气强度一方面增加了曝气能耗，提高了产水成本；另一方面会增大对污 泥絮体的剪切力，使污泥颗粒粒径变小，刺激了微生物的次级代谢产物的形成， 长期运行会使污泥混合液粘度增加，进而恶化污泥混合液的可滤性，引起膜污染 速率增加。 1 6 1 研究目的 本研究的出发点是在选定的曝气强度且能达到错流的效果下，对反应器曝气 方式的进行优化，使之与常规大曝气强度下的膜生物反应器作比较，全面考察特 定的曝气强度和方式对一体式膜生物反应器运行特性的影响，分析影响系统运行 的关键因素，重点考察此曝气方式的可行性，研究膜污染的动态过程和特性，分 析系统混合液及微生物特性，以期能提高曝气产生的错流流速对膜面冲刷效果， 降低运行能耗。目的是优化水力条件，改善运行方式，为工程应用提供设计依据， 探索和开发一种技术合理、经济可行的好氧低能耗的一体式膜生物反应器，促进 膜生物反应器的开发和实用化研究，推动污水资源化进程。 1 6 2 研究内容 一、一体式膜生物反应器处理生活污水的污染物去除效果，新工艺可行性研究 通过对一体式膜生物反应器的设计、安装、调试和连续运行，研究在不同曝 气运行方式和条件下，两一体式m b r 反应器中各自的污泥浓度，污泥活性变化 规律及两反应器对有机物、氨氮、总磷等各项指标去除效果的异同。从实验数据 上初步证明，变强度曝气方式下运行的一体式m b r 的可靠性，为今后的理论研 究提供依据。从实验角度确定该工艺在应用中的可行性。 二、膜过滤分离特性及影响因素的研究 考察不同曝气条件下，污泥混合液中的m l s s 、s m p 、e p s 、污泥颗粒粒径、 粘度等参数的比较，分析不同的曝气方式对料液物理过滤性能和生物过滤性能的 第一章绪论 影响。考察不同的操作条件下膜过滤分离特性的影响，为膜生物反应器的优化运 行提供科学依据。 三、膜生物反应器在变强度曝气下的运行机理的初步探讨 根据两反应器在不同的曝气方式下运行情况的异同，寻找变强度曝气的反应 器的运行机理，拟画出机理模型图。为膜生物反应器的优化运行提供依据。 四、数学规律的探讨 全时监测膜过滤压差的变化，探讨在不同的运行条件膜污染模式及膜污染机 理，为膜生物反应器实际运行中膜污染控制提供切实可行理论依据，寻找膜污染 的规律。 五能耗分析 在稳定运行的基础上分析比较两个实验装置的运行能耗。得出曝气方式的改 变对能耗的影响，为节能型膜生物反应器的研究开发提供依据。 第二章实验装置、实验方法及方案设计 第二章实验装置、实验方法及方案设计 2 1 实验装置 2 1 1m b r 反应器 实验装置考虑到能耗问题，采用一体式膜生物反应器，由生物反应器和膜组 件两部分组成。反应器外壳材质为p v c ，每个膜生物反应器长o 1l m ，宽0 4 1 m ， 高o 6 4 m ，曝气池的有效容积为1 8 l ，水力停留时间4 5 h 。m b r 反应器构造如图 2 1 所示： 1i 麴 图2 1s m b r 反应器结构图 第二章实验装置、实验方法及方案设计 2 1 2 实验装置流程图 图2 - 2 实验流程图 1 配水箱2 膜组件3 空气压缩机4 进水泵5 玻璃转子流量计 6 穿孔曝气管7 真空压力表8 蠕动泵9 液位控制器1 0 时间继电器 试验中采用的是中空纤维帘式膜组件，膜材料为p v d f ，膜面积为o 5 m 2 ， 膜孔径为0 2 9 m 。膜组件装置浸于生物反应器内，下端设4 5 斜下穿孔曝气管以 提供水流循环动力和微生物分解有机物所需的氧气，并具有利用气泡振动膜表面 来抑制污泥附着及供氧的功能。进水采用人工配水，经进水泵抽吸到生物反应器 中，其中的污染物经活性污泥中的微生物分解，处理出水在蠕动泵的负压抽吸作 用下经膜过滤后获得。 反应器的液位由液位控制器进行控制，当水位低于最低液位时，进水泵自动 进水，当水位到达最高液位时停止进水。空气压缩机连续曝气以提供充足的氧气。 其曝气量采用转子流量计调节。蠕动泵间歇工作抽吸时间为1 0 m i n ，停抽时间为 5 r a i n ，两反应器的曝气方式一个为连续曝气，一个为变强度曝气。真空压力表监 测工作过程中中空纤维膜上的过滤压力变化。 2 1 3 实验装置规格、型号及膜的规格参数 实验装置规格、型号及膜的规