（环境工程专业论文）动态膜生物反应器工艺研究.pdf

摘要 摘要 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，m b r ) 是一种高效的水处理反应设备，广 泛用于水处理领域。动态膜生物反应器( d y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，以下简 称d m b r ) 是近年来引起研究兴趣的新工艺，m b r 类似。在膜滤的过程中，溶液 中过滤物在动力作用下被截留或吸附在膜表面形成滤饼，造成膜通量的下降及过膜 压力的上升，这一现象称为膜污染( m e m b r a n ef o u l i n g ) 。膜污染原是应该避免及减 轻，但滤饼层虽然会使能耗增大，也有助于对小粒子的截留，提高过滤分离性能， 与相同孔径的非动态膜相比，它的渗透性也更好。d m b r 的开发就是在水处理工艺 中利用了这种现象，d m b r 组件包括基材，基材上在线形成的动态膜，及活性污泥 生物反应器。 本研究从曝气强度的控制、出水水头的选择、污泥浓度的影响、动态膜的形成 过程，以及连续工艺运行探索了该工艺的可行性。 关键词：动态膜，动态膜生物反应器，污泥过滤 i a b s t r a c t a b s t r a c t m 锄b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r , h e r e a f t e r ) i sa k i n do fh i g h e f f i c i e n c yw a t e rt r e a t m e n t p r o c e s sd e v e l o p e d i nr e c e n ty e a r s ，w h i c hi su s e di nt h ew a t e rt e c h n o l o g yf e l dw i d e l y s i m i l a rt om b r , d y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( d m b r , h e r e a f t e r ) ，l sa l s op a i d i n t e n t i o nb vs o m er e s e a r c h e r s d u r i n gt h e m e m b r a n ef i l t r a t i o np r o c e s s ，t h ef i l t r a t i o n o b i e c t i v e sa r er e t a i n e do ra b s o r b e do n t h es u r f a c eo f m e m b r a n ea n df o r m e df i l t r a t i o nc a k e ， w h i c h w o u l dc a u s ep e r m e a t ed e c r e a s i n ga n dt r a n s - m e m b r a n ep r e s s u r e ( t m p ，h e r e a f t e r ) i n c r e a s i n g ，t h i sp h e n o m e n o n i sc a l l e dm e m b r a n ef o u l i n g i nc o m m o ns e n s e ，m e m b r a n e s h o u l d b ea v o i d e do rb ea l l e v i a t e d ，h o w e v e r , a l t h o u g ht h ef i l t r a t i o nc a k e c o u l de n h a n c e e n e r g yc o n s u m i n g ，i ti n d e e dc o u l da l s oh e l pt or e t a i nf m e r p a r t i c l e sa n d t h u se 1 1 l l 距c et 1 1 e f i l t r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h em e m b r a n e c o m p a r e d t oc o m m o nm e m b r a n e ，t h ed y n 锄c m 锄b r a l l ei si n b e t t e rp e r m e a b i l i t y t h er e s e a r c ho nd m b r i sj u s tak i n do fu s eo ft h i s p h e n o m e n o ni nw a t e r t r e a t m e n tf i e l d t h ec o m p o n e n t so f d m b r i n c l u d et h eb a s e m a t e r i a i t h ed y n a m i cm e m b r a n ef o r m e di n l i n ea n d t h ea c t i v e ds l u d g eb i o r e a c t o r t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e dt h ed m b rt e c h n o l o g y i nm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tf i e l d 舶mt 1 1 ef 0 1 l o w i n sa s p e c t s ：t h es e l e c t i o no f a e r a t i o ns t y l e ，o p e r a t i o nw a t e rh e a d ( ， h e r e a r e r ) ，t h em l s s a n de f f e c t s ，t h ed e v e l 。p m e n to ft h ed y n a m i cm e m b r a n e ( s l u d g ec a k e ) a n dp r o c e s sc o n t i n u o u so p e r a t i o n s k e y w o r d s ：d y n a m i cm e m b r a n e ，d y n a m i cm e m b r a n e b i o - r e a c t o r , s l u d g ef i l t r a t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e i j ) 昂t j 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 硒年多月坯日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 趴均 砷5 年多月哲e t 第一章前言 1 1 课题背景介绍 第一章前言 膜，更准确而言是半渗透膜，它是一薄层物质，当一定的推动力应用于膜两侧 时，它能按照物质的物理化学性质对物质进行分离。按其孔径的大小，可以有微 滤、超滤、纳滤之分；按其分离推动力来分，可以有反渗透、电渗析、渗析、渗透 蒸发、膜蒸馏等；按膜的材料来分，大体上分为有机膜和无机膜，两者又各自进行 细分；按其几何形状，商业化的组件有板型、圆管型、螺旋型和中空纤维型等等。 早在1 8 世纪初，人们就已经注意到了膜分离现象，但直到1 9 世纪末2 0 世纪 初物理化学家们对渗透现象进行了深入细致的研究之后，人们才对膜分离现象有了 一定的了解。早期研究用的分离膜主要是天然的，2 0 世纪5 0 年代j u d a 试制成功了 具有高选择透过性的阳、阴离子交换膜，使得电渗析( e l e c t r o d i a l y s i s ，e d ) 进入实用， 6 0 年代l 0 e b 和s o u r i r a j a n 对不对称反渗透膜的制备取得突破性进展后，反渗透作为 较经济的海水淡化技术进入了实用阶段，膜分离技术开始了飞速发展。自5 0 年代 膜分离技术进入工业应用以后，每1 0 年就有一种新的膜分离过程得到工业应用。 各种性能优异的膜不断被开发出来，d u p o n t 、d o w 等公司又分别发明了卷式和中空 纤维式膜组件，使膜分离技术的优势不断强化，在海水淡化、苦咸水脱盐、废水处 理、生物制品的提纯等越来越多的领域得到应用。 膜分离技术对混合物中各组分的选择性很高，在分离过程中混合物主体没有相 变，所用的设备装填密度大、效率高，因而在处理许多分离体系时与传统方法相 比，具有高效、节能、有利于环境等优点。 水的净化与纯化包括从水中去除悬浮物、细菌、病毒、无机物、农药、有机物 和溶解气体等，在这方面，膜分离技术发挥了其独特的作用。微滤可去除悬浮物和 细菌，超滤可分离大分子和病毒，纳滤可去除部分硬度、重金属和农药等有毒化合 物，反渗透几乎可去除各种杂质，电渗析可除氟，电化膜过程中可对水消毒及可产 生酸性水和碱性水，膜接触器( m c ) 可去除水中挥发性有害物质，因此，欧、美、日 等国家和地区将膜分离技术作为2 1 世纪饮用水净化的优选技术。 膜生物反应器是由膜分离技术与生物反应器相结合的生物化学反应系统，用膜 分离设备( 膜组件) 取代传统活性污泥法中的二沉池，从而可以强化活性污泥与处 理水的分离效果，完全去除悬浮固体以改善出水水质，而且可以将二沉池无法截留 的游离细菌和大分子有机物完全阻隔在生物池内，尤其是那些增殖速度慢的细菌， 由于膜的截留作用而在曝气池中得到富集，增加了它们与污泥的接触时间，从而可 】 第一章前言 以提高有机物和n 、p 的去除率。它一出现就引起了研究者的强烈兴趣，带来了污 水处理工艺的革命性发展【l 】o 1 2 膜生物反应器简介 传统生物处理工艺主要由生物反应器和固液分离部分组成，为提高处理效率就 要加大反应器内的污泥浓度，受到固液分离技术的限制，过高的污泥浓度导致二沉池 沉淀效率不高。所以反应器内的微生物浓度只能维持一定水平，处理效率差、负荷 低。还存在着剩余污泥量大，处置费用高，出水水质不理想、不稳定，抗冲击能力差 等缺点【2 】。为了改进传统污水处理的缺陷，1 9 6 9 年美国的s m i t h 用高效膜分离技术代 替二沉池，构成了膜生物反应器工艺( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，简称m b r ) 的雏形【3 】。2 0 世纪7 0 年代以后，日本由于污水再生利用的需要，对m b r 开展了广泛的研究。2 0 世 纪8 0 年代，法国、美国等国对膜生物反应器的研究投入了很大的力量，为2 0 世纪9 0 年代m b r 的进一步推广应用奠定了基础【4 1 。2 0 世纪7 0 年代后期，大规模好氧膜生 物反应器首先在北美应用，然后依次是2 0 世纪8 0 年代早期日本( 同期南非：厌氧膜 生物反应器) ，9 0 年代中期欧洲，9 0 年代末期中国。膜生物反应器在日本得到了极大 的发展，目前在日本运行( 包括在建) 的膜生物反应器占全球的6 6 t 5 1 。目前m b r 工 艺主要运用在高层建筑及小区中水回用、生活污水处理、高浓度工业有机废水的处 理、难降解有机废水的处理上。其处理污水规模国外已从数十m 3 d 发展到数万 m 3 d 不等，国内刚刚起步，最大只有数百m 3 d t 6 1 。膜生物反应器在不同种类废水中 的应用比例见表l 【7 j 。 表膜生物反应器在不同种类废水中的应用比例 废水类型百分比， 工业废水 ：7 大接废水 2 毒 生活污水 2 7 城市污水 l2 土地壤埋厂渗滤液 9 膜生物反应器的主要是由膜组件、泵和生物反应器三部分组成。膜生物反应器 分为三类【6 ，8 1 ：膜分离生物反应器( m e m b r a n es e p a r a t i o nb 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 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) 。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。 根据微生物生长环境的不同分为好氧和厌氧两大类。根据泵与膜组件的相对位置不 第一章前言 同分为加压和抽吸式两大类。膜生物反应器的核心部件是膜组件，从材料上可以分 为有机膜和无机膜两大类；从构型上可以分为管式、框板式、卷式和中空纤维式：按 膜过滤驱动方式分为压力式和抽吸式：按膜组件安放位置分为分置式和一体式反应 舆【4 】 自口o 分置式m b r 是指膜组件与生物反应器分开设置，膜组件在生物反应器的外部， 生物反应器反应后的混合液进入膜组件分离，分离后的清水流出，污泥回流到反应器 中继续参加反应。分置式的特点是运行稳定可靠，操作管理方便，易于膜的清洗、更 换。但泵的高速旋转产生的剪切力对某些微生物细菌体产生影响，使其部分失去活 性【9 】。为了减少污染物在膜表面的沉积，由循环泵提供的水流流速都很高，为此动 力消耗较大。 一体式m b r 是将膜组件直接安放在生物反应器中，通过泵的负压抽吸作用得 到膜过滤出水【l o 】。由于膜浸没在反应器的混合液中，称为浸没式( i m m e r s e d ) 或淹没 式( s u b m e r g e d ) m b r 1 l 】。一体式m b r 不使用循环泵，可避免微生物菌体受到剪切 力而失去活性，和外置式相比能节省占地，降低运行费用。但通常膜部分的拆洗较 困难。但随着膜材料和结构的发展，中空纤微超滤膜组件以其体积小、组装灵活、 可分组设置成若干框架结构、便于从曝气池中拿出等特点，克服了平板膜不易拆 装、清洗的缺点，而广泛用于内置式生物反应器中。 垣永到流 ( - ，分置武m b r 出水 啦钧雎应器 ( b ) 一体式m b r 图膜生物反应器的工艺组成 出承 可用于1 i l b r 工艺中的膜材料多种多样：有机膜有聚矾类( p s ) 、聚丙烯腈 ( p a n ) 、聚酰胺( p a ) 、聚偏氟乙烯( p v d f ) 、聚乙烯( p e ) 、聚丙烯( p p ) 等；无机 3 第一章前言 膜有陶瓷膜等。有机膜膜组件形式多，孔径范围广，制造成本相对便宜，目前应用 最广。无机膜耐高温、耐腐蚀、机械强度高。但制造成本及运行能耗高，目前很少 应用。在膜生物反应器中常有聚丙烯、聚乙烯、聚矾、聚偏氟乙烯之类化学性质较 稳定的膜材料【1 2 1 。 膜组件的形式主要有平板式、管式、卷式、毛细管式、中空纤维式等。其中平 板式、管式一般主要应用于分置式膜生物反应器，而一体式工艺中多采用中空纤维 式等【1 3 1 。 目前，主要商业化的m b r 种类有以下六种1 4 】： 表主要商业化的m b r 一览 商品名好氡，厌氡类型觑式 m 尝1 轴掀-好氧浸没式乎板式2 5 z i 嚣触好氧浸没式中空纤维3 0 o 撑l i l 好氧外置拽平板式 i o o 塔f 好筏浸没式管式40 插霸搬畎 庆氧外置式曹武 4 0 豫h l l 毡敷 好氧辨置式曹式 1 0 0 在膜分离生物反应器的应用中，9 8 以上是好氧膜生物反应器，其中5 5 以上是 一体式膜生物反应器。 膜生物反应器技术具有许多其他处理工艺无法相比的明显优势，主要是以下几 占【l 1 4 1 j 、 1 ) 能够高效地进行固液分离，优于传统法中二沉池的自由重力沉降作用，不会 因为污泥膨胀现象而导致出水超标或恶化，其出水水质相对稳定，波动小， 可直接回用，实现了污水资源化； 2 ) 使反应器能保留高浓度的污泥浓度，对有机物的去除率高，且抗冲击负荷的 能力强； 3 ) 泥龄长，能保留世代时间长的硝化细菌，使得l v l b r 具有较好的氨氮去除能 力； 4 ) 实现了反应器水力停留时间与污泥磷的完全分离，使运行控制更加灵活稳 定； 5 ) 剩余污泥产量小，污泥处理费用少； 6 ) 系统采用p l c 控制，可实现全程自动化控制； 乃占地面积小，污水处理构筑物结构紧凑。 4 第一章前言 m b r 在显示出许多传统工艺所不具备的优点时，也暴露出了一些难以克服的 问题【1 1 4 】： 1 ) 膜组件造价昂贵。资料表明，在m b r 工艺中，膜组件的费用明显高于占地 和土建费用，分别占总投资的7 8 ，3 和8 5 。在运行费用中，膜组件的更换 费用占总运行费用的4 0 7 5 ； 2 ) 能量消耗大。膜生物反应器中出水所需压力，泵及风机的能耗较大； 3 ) 膜的堵塞问题难以解决。膜的堵塞一直是微滤膜的重要局限之一，且堵塞的 机理、过程和冲洗的方式随膜的种类、材质、废水不同而不同，是极难解决 的问题。膜的堵塞包括通道堵塞和膜面堵塞，前者主要是由于活性污泥中的 纤维，杂物折叠缠绕而引起，后者主要是由于一些大分子物质与无机金属离 子反应生成凝胶层沉积与膜表面而引起，膜的堵塞会使有效渗水率下降。 由于这些难以克服的缺点，m b r 工艺难以大量推广使用。有些学者正在尝试以 其他的途径，既能保持m b r 的大部分优点，又能部分克服其缺点的改进方案；尽 管困难，但已经出现了一些新工艺方面的研究，动态膜生物反应器正是由此而产 生。 1 3 动态膜生物反应器简介 m a r d i n k o w s k y 1 5 】等人于1 9 6 6 年首先发现，在m b r 的运行过程中膜表面会形 成一层污泥层，该污泥层能造成过流阻力的增加、通量的衰减，但同时也有利于小 粒子的截留，出水水质的提高。由此出发，产生了d m b r 反应器的想法，即使用 大孔径网膜代替传统的微滤膜，利用运行过程中在膜表面形成的污泥层起到截留作 用，该污泥层在运行过程中在线产生，并不断累积变化，故称为动态膜，与相同孔 径的非动态膜相比，它的渗透性更好，更容易进行在线清洗，并能在下一轮操作中 迅速重新生成。 该技术能够保留m b r 技术出水水质好、结构紧凑、占地面积小的优点，同时 又克服了m b r 技术的缺点。首先，d m b r 技术采用大孔径网膜代替微滤膜，从而 大大减小了膜组件的造价；其次d m b r 可以依靠出水水头差自流出水，无需加 压，从而大大减小了动力消耗；另外，d m b r 的出水通量较m b r 有很大的提高， 可超出一个数量级，达到1 0 0 , - 一1 0 0 0 l ( m 2 h ) ；最后，动态膜的清除与再生非常容 易，只用气水冲洗就能实现几乎1 0 0 的通量恢复，从而大大减小了膜组件的损 耗，延长了膜的使用寿命。 5 第二章动态膜生物反应器研究进展 2 1 概述 第二章动态膜生物反应器研究进展 在膜滤的过程中，溶液中过滤物在动力作用下被截留或吸附在膜表面，造成膜 通量的下降及过膜压力( t m p ) 的下上升，这一现象称为膜污染( m e m b r a n e f o u l i n g ) 。在膜分离工艺过程中，膜污染原是避免及减轻的，但有学者发现滤饼层虽 然会使能耗增大，但它有助于对小粒子的截留，提高过滤分离性能，而且与相同孔 径的非动态膜相比，它的渗透性也更好。动态膜的开发就是利用了这种现象。 m a r c i n k o w s k y 等人【1 6 】于1 9 6 6 年的文章中首先发现这种现象并进行了研究，后来 s p e n c e r 和t h o m a s r 7 】将这种膜的形成称为f 口膜( f o r m e d i n - p l a c e ) ，但目前广泛接受 的名称是动态膜( d y n a m i cm e m b r a n e ) 。动态膜的应用首先是在反渗透中的脱盐，后 来扩展到用超滤膜回收蛋白质，果汁澄清及废水的生物处理。如k i s h i h a r a 在1 9 8 4 年用多孔陶瓷管上形成的动态膜澄清糖甘蔗汁，结果显示动态膜的渗透流量高于传 统的超滤膜【婚】；t s a i u k 研究了溶胶形成的动态膜对不同分子量的聚乙二醇的截留作 用，发现截留系数均增加【l9 】；a 1 m a l a c k 等研究了m n 0 2 动态膜错流过滤曝气池出 水和缺氧池出水，发现可以实现对细菌的1 0 0 去除率【2 0 川。事实上，膜生物反应 器的处理效果取决于溶液的浓度、类型、粒子的形状和分子量等多种因素，不可一 概而论。 按动态膜的制作方法，有两种基本的动态膜：一是预涂动态膜，另一种是自组 动态膜。前者是在利用多孔支撑材料，使之在某种溶液中通过，从而涂上一薄层材 料，形成动态膜组件；后者是利用过滤的同时，形成的滤饼担当过滤材料，这种膜 的优点是高通量，易再生及滤层材料的多样性。若非说明，本文讨论的均是自组动 态膜。 动态膜的制备使用过滤装置，通过对悬浮液或胶体溶液过滤来形成由于载体 的孔径一般在1 微米以下，所以利用悬浮液制备动态膜时，粒子的粒径需控制在1 微米以下，粒径的分布范围也要控制在较小的范围利用这一方法制备动态膜比较 方便，但是要达到这一粒径范围的超细粉末制备困难，相对比较而言，利用化学的 溶胶一凝胶法配制得到的胶体分散溶液中溶质粒子的粒径可控制在1 - 1 0 0 纳米之 间，而且分布范围也可以控制在比较好的范围，用它来制备动态膜可以得到很小的 孔径制备动态膜的过滤装置常用的是错流过滤方式 动态膜组件包括基材和基材上的动态膜。 6 第二章动态膜生物反应器研究进展 动态膜基材多种多样，可以是微滤膜，粗孔材料，包括陶瓷，烧结玻璃，烧结 金属，碳等无机材料；各种纤维，聚酰胺类，芳香杂环类，聚砜类，硅橡胶类等高 分子膜；粗孔材料如金属纤维网，织布，无纺布等。形成动态膜的材料可以是胶 体，颗粒物或者是某些有机电解质等，包括无机粒子，无机电解质，有机电解质如 聚丙烯酸，聚马来酸，聚苯乙烯磺酸，聚乙烯胺，聚乙烯基吡啶，天然物质如粘 土，硅藻土，腐殖酸，纸浆废液及一些工业废水及活性污泥等【2 2 1 。 本实验的目的在于城市污水活性污泥反应器的泥水分离，决定了实验采用的基 材是粗孔材料，动态膜材料即为曝气内的活性污泥形成的生物膜，本文的研究是以 粗孔材料为基材，活性污泥为过滤对象的动态膜，故称为动态膜生物反应器， d m r 。 2 2 动态膜生物反应器的研究进展 d m b r 是一项新兴技术，其发展源于日本和韩国，中国在这方面的起步较 晚，但近年来也开展了这方面的研究。目前为止，该工艺还停留在小试研究阶段， 各国学者的研究方向主要有两个：一个是工艺处理效果的研究；另一个是工艺影响 参数的研究。以下将简单介绍各国学者的研究成果： 2 2 1 工艺处理效果研究 日本的y o s h i a k ik i s o 2 3 】等人用尼龙网制作有效面积为o 1 2 l n 2 的动态膜组 件，在体积为2 5 l 的反应器内进行小试实验，发现在连续进水、出水，连续曝气的 条件下，出水的s s 和b o d 小于1 5 r a g 1 及5 0 r a g l ；在间歇曝气的条件下t - n 的去 除率达8 0 ；将其运用于a 2 0 工艺，可达到高效的t - n 去除率。 日本东京大学的m r a l a v im o 曲a d d a m 2 4 】等人用质地为多元酯的无纺布制作动 态膜组件，在3 0 l 反应器内进行小规模实验，连续运行，发现在6 5 天的运行过程 中s s 及浊度一直处于变化中，平均s s 达到1 6 m g 1 ，t o c 去除率达8 7 。 韩国c h a n g w o n 国立大学的g t s e o 2 5 】等人用聚丙烯质地的无纺布制作动态膜 组件，将1 0 片矩形的总有效面积为2 m 2 的膜片置于a o 工艺的曝气池中进行实 验，发现该工艺可高效地处理城市生活污水，平均出水s s 达3 2 m g 1 ，去除率达 9 3 ，5 ；平均出水c o d 为1 3 m g 1 ，去除率达9 1 ，6 ；在控制进水c n 比恒定 ( b o d 厂i - n = 4 5 ) 的条件下总氮去除率达6 6 ；磷的去除率相对较低，为2 3 。 清华大学的范彬、黄霞【2 6 】等人也对该工艺进行了系列的研究，用普通筛绢制 作动态膜组件，在有效容积为1 4 0 l 的反应器内放置最大过滤面积为2 7 m 2 的网膜， 进行小试实验。结果表明，动态膜对s s 具有良好的截留能力，出水大多数时间无 7 第二章动态膜生物反应器研究进展 法检出s s ，最高值为4 0 5 m g 1 ；出水c o d 除特殊情况外均小于5 0 m g l ，去除率基 本大于8 0 ；在供氧充足的条件下，n h 3 - n 的去除率可达到9 6 以上。 同济大学大学的高松【2 7 】等人用不锈钢丝网制作的面积为o 1 2 m 2 的膜组件在有 效容积为4 0 0 l 的反应器内进行实验，发现在膜稳定运行后，出水浊度可控制在 1 n t u 以下，c o d e r 的去除率达到7 9 以上，n h 3 - n 去除率达到9 0 以上。 从以上各国学者的研究成果来看，不同的实验器材，不同的控制条件下得到的 去除效果略有差别。但总的说来运用d m b r 工艺可以得到较高的出水水质，如对 其有效控制可以达到和m b r 工艺同水平的处理效果。各项研究均说明了该工艺在 污水处理与回用中的潜在价值。 2 2 2 主要影响参数研究 动态膜一生物反应器工艺的运行效果受到许多因素的影响，总结起来主要有四 个重要方面：膜基材( 包括材质和孔径) ；出水控制( 包括出水水头及初始通 量) ；污泥特性( 包括反应器中活性污泥的浓度、活性、粘性和s v i 等因素) 以及 反应器的控制条件( 包括曝气强度、冲洗强度以及膜组件周围的错流流速等) 。以 下将逐一阐述。 2 2 2 1 膜材质、孔径 本研究涉及的动态膜生物反应器系利用较大孔径的支撑材料，常见的如工业滤 布，无纺布，尼龙，丝网等，其孔径一般在几十到1 0 0 微米，远远超出微滤的范 围，可将该种孔径对介质的过滤称为粗孔过滤，简称为粗滤。 无纺布具有独特的空间网状结构，其作用有两方面：一是扩散、惯性力、重力 等作用使小粒径物质粘附于滤布表面，起到表面过滤的作用；二是依靠非织造布过 滤材料内部多微孔阻截作用，使各种微小粒子在过滤介质的纵深方向被捕获，起到 深层过滤的作用。普遍认为，在上述两个作用中，对于活性污泥的泥水分离，起主 要的是前者。无纺布具有独特的三维立体网状结构，滤材内部孔隙分布均匀，在同 一滤材上可以完成初效、中效、高效的多级过滤，甚至可以进行超精度过滤，其过 滤性能明显高于其它材料。另外由于无纺布加工方法的多样性，可以按照过滤材料 的特定用途及需要来形成最佳的纤维曲径式系统，使过滤材料的生产更为合理经 济。而尼龙筛网、不锈钢丝网具有质地坚韧、不易破损及清洗再生容易的突出优 点。还有学者认为膜表面的亲水性能也会影响膜的污染特性。在选择膜的材料时应 从材料的强度、热稳定性、化学稳定性、耐污染性能、产水性能、使用寿命、膜造 价等方面进行技术分析和经济性评价来确定。 8 第二章动态膜生物反应器研究进展 一般来说，膜孔径的改变会使动态膜形成过程遵循不同过滤模型，过滤阻力会 相应变化而影响出水的通量和水质【2 8 1 。m a r ea l t m a n 2 9 1 等认为选择不同的膜基质会 对动态膜的过滤性能产生很重要的影响。膜基质表面越致密，所形成的动态膜也越 致密且其分离性能也相对较好，不过出水通量会随之下降。 日本的y o s h i a k ik i s o e 2 3 1 等人对孔径分别为10 0 ，2 0 0 和5 0 0 9 m 的尼龙网做 对比实验，发现孔径1 0 0 9 i n 的滤网在1 0 r a i n 后就可使s s 降到l o m g 1 ，4 0 m i n 后降 到s t a g 1 ；而2 0 0 和5 0 0 9 i n 的滤网也能在运行过程中在网膜表面形成有效的动态 膜，但在整个过程中s s 始终较高，l h 后仍大于8 0 m g a 。固得出结论，1 0 0 9 m 的网 膜运用于动态膜生物反应器，高效去除s s 更为合适。 韩国的g t s e o 2 5 】等人用重量分别为7 0 ，5 0 和3 5 9 m 2 的聚丙烯无纺布做实 验，发现膜的重量对出水通量有着显著的影响。7 0g m 2 的膜出水通量衰减最快， 4 0 m i n 后即衰减为初始通量的7 0 ，而3 5g m 2 的膜1 6 0 m i n 后才衰减到同等程度。 同时发现较轻的网膜能在较小的出水水头下达到稳定通量。膜的重量越轻，其初始 出水的水质越差。重量越重的无纺布结构越致密，平均孔径越小，从而其出水通量 衰减越快，出水水质越好，这与其他学者的结论相同。 国内，同济大学的高松【2 7 】等人用1 0 0 ，2 0 0 及5 0 0 目即孔径为1 8 0 ，8 0 及2 5 9 m 的不锈钢丝网做对比实验，发现不同目数的膜对出水通量的影响较小，而出水水质 随目数的增大( 即膜孔径的减小) 而提高。固得出结论，基材孔径不是通量的决定 因素，通量的大小由膜基材表面形成的动态膜决定；而基材孔径对初始的出水s s 有较大的影响。该结论在网膜孔径与出水通量的关系上与前面其他学者有所不同。 从理论上讲，动态膜的处理效果主要由膜组件表面形成的污泥层决定，认为膜 网只起到一个支撑动态膜的载体作用，与最终的过滤效果无关，但以上研究者的实 验结果表明，网膜的孔径大小与质地的不同会影响动态膜的形成及结构，从而对最 终的处理效果产生不可忽略的影响。实验还证明，膜孔径达到一定程度( 2 0 0 “) 网膜表面形成的动态膜无法有效去除s s ，而在一定的孔径范围内( 1 0 0 肛) ，出水 水质并无太大的区别，而孔径越小的膜价格越高，强度越低，故普遍认为孔径为 8 0 w - 一1 0 0 9 的膜是比较合适的。 2 2 2 2 出水水头及初始通量 d m b r 的大优点就是可以靠水头差( w h d ，w a t e rh e a dd r o p ) 自流出水，而不 同的w t i d 及初始通量能够对动态膜的形成及系统的稳定运行产生影响，为寻找 最佳w i l d 及最佳运行方式，各国学者进行了许多研究。 东京大学的m r a l a v im o g h a d d a m t 3 0 】等人发现w i i d 越大，初始通量越高，会 引起更多的污泥泄漏，从而导致开始的出水水质越差。韩国的g t s e o 2 5 1 等人也有 相同报道。 9 第二章动态膜生物反应器研究进展 日本的y o s h i a k ik s o t 2 3 】等人通过实验得出，w i l d 越大，出水通量越大， 但出水通量并非根据w i l d 的增加成比例增加，出水通量的增加与w i l d 的增加有 一定的滞后关系。前者的变化归结于水流增加引起的膜表面污泥聚集，后者的变化 归结于污泥层的压缩。同时发现高水头运行会缩短膜堵塞的时间。 同济大学的高松【2 7 】等人考察了四种不同的w i l d ，1 0 c m 、2 0 c m 、3 0 c m 和 4 0 c m 。实验得出，t - - 0 时的初始通量是随w i l d 的增大而增大的，但通量随即减 小，通量越大，衰减地越快，在2 - 3 0 m i n 内，各水头下的出水通量均逐渐减小至一 较稳定的值，而3 0 m i n 后的通量差别很小。故得出结论，w i l d 升高，则出水动力 升高；同时形成的动态膜较厚，阻力升高，过滤精度也增大，最终的通量取决于两 者谁占优势。 清华大学范彬【3 l 】等人分别研究了动态膜恢复期w m ) = 1 0 c m ，8 c m ，6 c m ，4 c m ， 0 5 c m 对动态膜的影响。发现随w i l d 的增加，动态膜恢复期初始阶段的通量显著 增大，这样，一方面不利于微细颗粒的沉积，一方面对已形成的动态膜结构的破坏 作用增大，从而导致出水浊度增加。另外发现，增加w i l d ，出水通量可以更快地 达到稳定，并可以在一定程度上增加稳定通量，但是稳定通量与w h d 并不呈正比 关系，随着w h d 的增加，稳定通量的上升逐渐变缓，在w h d = 6 c m 时达到最大， 不再随w i l d 的增加而上升，即达到极限通量现象。虽然提高w t - i d 可以在一定程 度上增加稳定通量，但稳定运行时间显著缩短。归结实验结果得出结论，w i l d 在 动态膜运行过程中主要有两个作用：1 提供动力；2 对滤饼起到压缩作用，使滤饼 的比阻增加。 各国学者的研究成果说明，h i ) 主要有提供动力及改变动态膜结构两大作 用，w i l d 的提高使出水动力提高，从而有增加出水通量的作用；同时w h d 的提 高又能压缩动态膜，造成出水阻力增加，从而又有削减出水通量的作用，要得到最 终最佳的出水通量，延长系统稳定运行的时间，还需做大量的研究，在两者之间寻 找一个平衡点。 2 2 2 3 污泥特性 d m b r 由m b r 进化而来，m b r 的一大优点就是可以在曝气池内维持一个很 高的活性污泥浓度，保留世代时间长的硝化细菌，从而大大提高n h 3 - n 的处理效 果。d m b r 是否能达到同样的效果，不同的污泥浓度与活性对d m b r 的运行能产 生怎样的影响，各国学者做了不同程度的研究。 日本东京大学的m r a l a v im o g h a d d 锄【3 2 】等人进行了三种不同s r t s ( 1 0 ，3 0 和 7 5 天) 的实验对比。对出水的水质、污泥的性质、污泥中的微生物种类进行了观 测。发现s r t s 为1 0 和3 0 天的系统，出水水质好，无膜堵塞问题，而s r t s 为7 5 天的系统，出水水质差，并在8 0 天后出现膜堵塞问题。总结发现易于发生膜堵塞 10 第二章动态膜生物反应器研究进展 的系统具有以下特点：m l s s 浓度高、丝状菌不丰富、被t y p e0 2 1 n 细菌统治、含 大量p r i s t i n as p 及t a r d i g r a d e s ( m a c r o b i o t u s ) 、e p s 浓度很高( e p s 指细菌及微藻类 分泌的大分子质量的黏液( z h a n ge ta 1 ，1 9 9 9 ) ) 。 日本的y o s h i a k ik i s o 2 3 】等人做7 - - 种不同m l s s 浓度( 3 0 0 0 m g 1 ，6 5 0 0 m g 1 及1 1 5 0 0 m g h ) 的实验，发现在相同的出水通量下，m l s s 越高的系统需加的压力越 大，出水浊度越大。 同济大学的高松唧等人做了m l s s 浓度分别为( 2 3 0 0 m g 1 ，3 5 0 0 m g h ，及 6 0 0 0 m g 1 ) 的实验，发现在相同的w i l d 下，m l s s 浓度越高的系统，其稳定出水通 量较小，出水浊度较低。与以上其他学者的结论相同。 可以看出，污泥浓度与特性对动态膜系统的影响是多方面的，具有一定的复杂 性。在m l s s 对系统的影响上，各学者看法相同，认为高m l s s 会降低出水通量， 提高出水水质，理论分析是由于在高污泥浓度下形成的动态膜较厚，过滤阻力较 大。而污泥的活性，s v i 的大小，细菌的种群等因素也会对动态膜的产生及发展产 生不可忽略的影响，在这方面的研究不多，还需要大量的实验对其机理进行探讨。 2 2 2 4 曝气强度、错流流速 在d m b r 系统中，曝气系统的作用主要有：提供氧气、保持池内完全混合流 态，还有学者认为适当的曝气可以缓解膜污染，并对污染的膜进行在线清洗。 日本的y o s h i a k ik i s o 2 3 】等人认为，曝气强度越大，出水的浊度越大，大强 度的曝气会影响动态膜的形成。在膜组件下方曝气及间歇出水可以缓解膜污染及对 已污染的膜进行清洗。实验得出，在膜表面3 1 0 c r n s 的错流速度可以使出水通量稳 定，而2 0 4 0 c m s 的错流速度适用于膜的清洗，在膜下方进行l m i n 的曝气冲洗后重 新开始出水，则新动态膜迅速形成，出水浊度及出水通量迅速下降到一稳定值。 而东京大学的m r a l a v im o g h a d d a m 3 0 】却认为曝气强度并不是影响动态膜系统 运行的主要因素，在不同曝气强度下出水的浊度及s s 无明显区别，在正常运行 中，网膜表面形成的动态膜很薄，不会受到曝气强度大小的影响。m e g a t 3 3 】也有类 似的看法。这与s o 的结论相悖。 x i a oz h o n g l i 3 4 】经过实验发现，在较高错流下形成的动态膜较薄，但是水力阻 力较大；若错流流速较低则形成的动态膜相应较厚，但是水力阻力较小。随着错流 流速的增加则出水通量反而减小，m r m a c k l e y t 3 5 1 和r j w a k e m a n 3 6 增人也报导过 类似发现。这与通常的观点相悖。 一般认为曝气强度越大，膜表面错流流速越大，而颗粒是否能沉积到膜上由错 流形成的剪切力与膜两侧的压差共同决定，理论上分析，应该可以寻找到一个理想 点使颗粒不再沉积，动态膜达到一种平衡状态，出水的通量与浊度也达到稳定平 衡。但是实际运行实验发现，错流流速还会对动态膜的形成结构造成影响，大的错 第二章动态膜生物反应器研究进展 流流速下，动态膜较薄，但更为致密，出水阻力更大，结果导致出水通量反而变 小。是否能寻找到一个理想模式，尽可能地延长动态膜系统稳定运行的时间，还需 要做大量的研究。 各国学者的研究已充分证明，d m b r 技术具有潜在的巨大价值。 1 2 第三章研究目的、试验方法和分析手段 第三章研究目的、试验方法和分析手段 经过文献调研，本研究拟采用不锈钢丝网为过滤的基材，主要基于如下考虑： 1 ) 该种网规格均一，从5 0 目至5 0 0 目均有市售，易于规格量化研究。 2 ) 由于其以不锈钢丝编织而成，其强度相对于尼龙或无纺布较好，且不易受 微生物侵蚀，寿命比较长。 3 ) 市售价格不贵，在可承受的范围之内。 高松等人前期的研究发现，2 0 0 目，孔径为8 0 9 m 的不锈钢丝网处理效果好， 价格较低，是合适的动态膜组件基材。本试验均采用2 0 0 目不锈钢丝网。 3 1 研究目的 基于上述课题背景及文献调研，本试验以下列几项为研究目的： 1 ) 以金属丝网做为载体的动态生物膜的过滤可行性小试研究。以静态试验考察 不同的运行参数对过滤效果的影响，包括污泥浓度，曝气强度，出水通量，水头和 膜的堵塞及反冲洗参数等；对各个参数进行优化，找出合适的运行方式。 2 ) 观察动态膜的形成与发展，研究出水通量、浊度衰减机理。 3 ) 以工艺试验考察动态膜生物反应器的持续运行效果，为后续研究提供运行基 本参数及研究建议。 3 2 试验方法 3 2 1 试验场所 本试验场所位于安亭国际汽车城污水处理厂。安亭水质净化厂位于安亭镇占地 面积9 3 公顷，一期规模5 万m 3 d ，二期规模8 5 万r r d d ，全部建成后总处理能力达 1 3 5 万m 3 d 。服务范围主要为上海国际汽车城、外岗镇、f 1 方程式赛车场、黄渡 工业园区。 新建安亭水质净化场一期工程污水处理工艺采用物化和生化相结合，由前絮凝 法和生物接触氧化法相结合组成的二级加强处理工艺，其中生物接触氧化法采用悬 浮填料，整个工艺流程如图3 1 所示。 1 3 第三章研究目的、试验方法和分析手段 图3 1 安亭国际汽车城污水处理厂处理流程 水质净化厂设计进水c o d 为3 0 0 m g 1 ，b o d 5 为1 3 5 r a g 1 ，s s 为2 5 0 m g 1 ， n h 3 - n 为2 5 m g 1 ，p 0 4 3 - - p 为4 m g 1 ，出水标准执行城镇污水处理厂污染物排放标 准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 。 实验用水来自于上图中经曝气沉砂池处理后出水。经连续性监测，目前实际进 水水质见表3 1 。 表3 1 实验进水水质状况 项目 c o ds sn h 3 nt nt p p h ( m g 1 )( m g 1 )( m g 1 )( m g 1 )( m g 1 ) 范围 8 0 - 1 5 06 0 - 1 4 01 0 - 2 01 0 - 2 52 0 - 4 06 5 7 0 3 2 2 试验装置 试验装置包括下列： 罗茨鼓风机，j t s1 0 0 型，长沙鼓风机厂生产( 合用) ； p v c 水箱4 0 0 升，定制： 电磁阀+ 液位开关，控制进水； 四分穿孔曝气管，孔口直径2 m r n ： 玻璃转子气体流量计； 动态膜组件，自制； 不锈钢管支架，固定膜组件，自制。 实验装置示意图见图3 2 所示，实际现场拍摄的照片参见附录。反应水箱的容 积为4 0 0 升，水深o 8 m ，箱体一侧装有穿孔曝气管，在反应池内形成旋流，另一侧 1 4 第三章研究目的、试验方法和分析手段 安装板式死端过滤网，膜组件下方装有另一曝气强度单独控制的穿孔曝气管