（环境工程专业论文）复合式膜生物反应器处理家庭生活污水特性研究及装置设计.pdf

硕士学位论文 摘要 我国是人均水资源贫乏的国家，而随着人口的进一步增加和国民经济保持着 高速的发展，水资源的紧缺还会加剧。家庭生活污水是一种轻度污染水，经过适 当的处理后即可作为用途广泛的中水进行回用。 本课题研究了复合式膜生物反应器( c m b r ) 处理家庭生活污水的特性并试验 研究复合式膜生物反应器( c m b r ) 处理家庭生活污水的最佳工艺条件。在最优化 工艺条件下：h r t = g h 和s r t = 2 0 d ，出水c o d 去除率为9 8 ，n h 3 - n 去除率 7 0 ，出水水质达到或优于城市杂用水水质标准( g b t1 8 9 2 0 - 2 0 0 2 ) ，处理效率明 显优于传统生物膜处理工艺。 此外，本课题对复合式膜生物反应器( c m b r ) 试验装置操作参数的优化设计 进行了探讨。研究目的是将复合式膜生物反应器应用于家庭生活污水处理与回用 装置，要求该装置：设备紧凑、占地面积小，工艺先进、操作简便，并在一定程 度上实现自动控制。为此，本试验根据文献调研情况，设计小型复合式膜生物反 应器，通过试验，优化操作参数。结果如下：膜通量为0 5 l m 2 m i n ，回收率为 8 5 ，运行周期为3 0 d 。利用上述优化参数设计了用于家庭住宅的复合式膜生物 反应器，并且对其处理家庭生活污水进行了初步经济技术分析。 关键词：生活污水；回用；复合式膜生物反应器 复合式膜生物反应器处理家庭生活污水特性研究及装置设计 a b s t r a c t o u rc o u n t r yi si n d i g e n to np e rc a p i t aw a t e rr e s o u r s e s ，m o r e o v e r ，w i t ht h e d e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y ，t h ec o n t r a d i c t i o no fs u p p l y m e n ta n dr e q u i r e m e n t s a b o u tw a t e rr e s o u r c e sb e c o m e sw o r s e d o m e s t i c s e w a g ei sak i n do fm i l dp o l l u t e w a t e r , w h i c hc a nb er e u s ei nm a n yw a y sa f t e rt r e a tw i t has u i tm e t h o d s oi ti s n e c e s s a r yt ot r e a ta n dr e u s ed o m e s t i cs e w a g e t h ea r t i c l es t u d yo nd o m e s t i cw a s t ew a t e rt r e a t m e n tp r o p e r t yb yu s i n g c o m p o u n dm e m b r a n eb i o l o g i c a lr e a c t o r ，i n c l u d i n gt h ec o n d i t i o no fp r o c e s s ea n dc o s t a n a l y s i s u d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n sw h i c ha r eh r t = 8 ha n ds r t = 2 0 d ，t h er e m o v a l o fc o di s9 8 a n dn h 3 ni s7 0 ，t h ee f f l u e n te x c e lt h en a t i o n a ls t a n d a r d s ，a n dt h e t r e a t m e n te f f i c i e n c yi sb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a lb i o l o g i c a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g i c p r o c e s s f u r t h e r m o r e ，h o wt od e s i g np r i o r i t yo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r so ft h et e s t e q u i p m e n to fc m b rw e r ed i s c u s s e di no r d e rt ou s et h ed e v i c et ot r e a ta n dr e u s e d o m e s t i cd e w a g et h e r e f o r e ，t h et r e a t m e n te q u i p m e n ts h o u l db ec o m p a c t ，t h ev o l u m e o ft h ee q u i p m e n ts h o u l db er e d u c e d ，a n dt h ep r o c e s ss h o u l db ea d v a n c e da n de a s i l y o p e r a t i n ga n ds e l f c o n t r 0 1 l i n gt os o m ee x t e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h e o p t i m u mo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r si st h a t ：t h ew a t e ry i e l di so 5 l m 2 r a i n r a t eo f r e c o v e r yi s8 5 ，r u n n i n gc y c l ei s3 0 d t h e nt h e s eo p t i m u mo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r s w e r eu s e dt od e s i g nc m b r f i n a l l y , t h ee c o n o m i c a lf e a s i b i l i t yw a sd i s c u s s e d k e yw o r d s ： s a n i t a r ys e w a g e r e u s e c o m p o u n dm e m b r a n eb i o l o g yr e a c t o r i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：李 i 缸毛日期：如7 年月哕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并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。本人授权兰州理工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、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密中 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：窖j 丽云 导师签名：刁彳羟 i i 期：抄吖年g 月岁日 日期：沙7 年石月，乡日 硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 我国水环境及水处理现状 水是人类的生命之源。几千年来，人类将水视为取之不尽的免费商品，对 水资源的不合理利用导致全球性缺水问题越来越严重，缺水已成为危及世界粮 食安全，人类健康和自然生态系统的最大问题。根据国际水资源管理学会( i w m i ) 的研究，2 0 2 5 年世界总人口的1 4 或发展中国家人口的1 3 ，近1 4 亿人将严重 缺水。 我国人均水资源占有量为2 4 0 0 m 3 ，仅为世界人均占有量的1 4 ，居世界第 8 8 位【l 】，属世界1 2 个贫水国家之一。全国已有近8 0 的城市缺水，北方尤为 严重，北方某些城市如北京、天津、西安、青岛、大连等地人均水资源占有量 已在1 0 0 0m 3 以下，成为水资源匮乏城市全国每年缺水总量达1 2 0 0 亿n 1 3 ，每 年因此影响工农业产值2 0 0 0 亿元以上，严重影响了人民生活，限制了工农业生 产和城市的发展。从长远观点来看，我国的入口基数和人口增长率决定着人均 水资源占有量逐渐下降，而且我国的水资源分布又十分不均。所以，节约用水、 合理用水对缺水城市是必要的，相对富水地区也应该防患于未然， 造成我国水资源危机除了水资源贫乏和利用效率低之外，另一个根本性的 原因是水资源污染。我国七大重点流域地表水有机污染严重，2 0 0 2 年，七大水 系7 4 1 个重点监测断面中，2 9 1 的断面满足i 类水质要求，3 0 o 的断面 属、v 类水质，4 0 9 的断面属劣v 类水质【2 】。水资源严重污染的最直接原因 是2 0 世纪8 0 年代以来，我国城市污水排放量成倍增长，相比之下，污水处理 率增加缓慢。据统计，我国工业废水处理设施的总处理率达到8 7 ( 1 9 9 8 ) ，但实 际上处理的工业废水量远达不到该值，一些统计数据表明，我国工业废水处理 设施只有1 3 是运行正常的，1 3 运行不正常，而另1 3 则停产不运行。 不少城市污水处理厂，有钱建而无钱维持正常运行，一些中小城市修建的 常规活性污泥法处理厂尤其如此。除了缺乏资金之外，操作运行和管理人员的 技术管理水平低，难以掌握和操作技术复杂的处理过程和设备也是一大问题。 经过几十年的努力，我国的污水治理工作已有很大的发展，城市污水处理 率从2 0 世纪8 0 年代末的5 发展到9 0 年代末的2 0 ，到2 0 0 3 年，城市污水处 理率己到达3 0 。局部水环境已有所改善，但总体上全国的水环境并未有显著 改善，有些水系的污染反而有所加剧。为了更快地改善我国水环境，保护水资 复合式膜生物反应器处理家庭生活污水特性研究及装置设计 源，应在学习国外成功和先进经验的基础上，汲取国内失败的教训，结合我国 的实际情况，对我国水污染防治和水资源保护采取综合处理的措施。 1 1 2 目前污水回用的不足及课题的提出 当水资源短缺到成为全球面临的严重问题时，污水经过适当的处理进行回 用和循环，已经成为全世界的共识。在现有污水集中处理基础上的污水回收和 再用，需要将处理后的回收水，经过类似于给水管网一样的城市回收水系统， 经过多次的管网系统输送。在水的多次输送过程中，浪费了大量的基建费用和 运行维护费用。这部分投资已经成为了巨大的经济负担，并且超过城市污水集 中处理厂的费用。 水在城市管网中进行长途跋涉时，由于渗漏，从供水处理厂到用户要损失 约供水量的3 0 ，在回用管网中还要再损失3 0 左右，而用于这部分水处理的 费用，即处理与运行费用的6 0 是无效的，巨大的经济浪费，显然是不符合可 持续发展要求的。不仅如此，在长距离的输水过程中，由于回用水的水质通常 远低于城市给水管道的给水水质，这样就会在回收水管内壁上形成大量的生物 膜，而老化的生物膜的脱落会对管道中的回收水造成二次污染而使其水质下降， 可能到达终端用户时，水质已经达不到用户的要求，甚至可能是混浊或发臭的 水。 在全球可持续发展战略的影响下，人们开始重新思考水处理专家们一直倡 导的污水集中处理的概念。回首2 0 世纪污水处理的历程，发现在水资源短缺的 今天，当我们考虑污水回用时，污水集中处理的方法显然有其历史局限性，集 中的污水处理以巨大的能量消耗为代价，换来的仍然是岌岌可危的环境污染问 题、水资源短缺问题和饮用水安全问题，全球可能没有安全的饮用水源。时代 的进步，社会的发展和环境变迁都是认识领域发展的原动力，由于出现了新的 思维，即目前全世界许多水处理科学家正在积极倡导的污水分散处理的思想， 就地处理就地回用，实现水平衡和水循环。尤其在居住区范围内的生活污水就 地收集、处理和回用，比集中处理更为经济可行。 正是在这种新思维的启发下，本研究选择了用复合式膜生物反应器处理家 庭生活污水的课题，期望实现一种切实可行的就地处理就地回用的工艺及装置。 1 2 常用污水回用技术 为了满足和实现污水分散处理的新理念，在污水和给水的处理技术上必然 要适应这种发展的趋势。污水分散处理技术的研究已经不再是新的领域，在2 0 世纪就已经进行了多种形式的技术研究和应用。其中最有代表性的是普通的物 理分离技术，包括砂滤系统和膜过滤系统，既有快速砂滤池和双层、多层滤料 2 硕士学位论文 滤池，也有慢速砂滤池，砂滤层由粗鹅卵石和砂层组成，其处理效能取决于介 质的性能、温度和负荷率。普通砂滤池或其它滤料池与生物膜工艺结合，构成 曝气生物滤池，如以聚氯乙烯珠粒为滤料的曝气生物滤池称为b i o s t y r 工艺；以 陶粒为滤料的称为b i o f o r 工艺。其代表性的工程实例为英国伦敦世纪圆顶内部 采用的用于回收灰水( 轻污染生活污水，如洗浴、洗脸、洗衣等废水) 的曝气生物 滤池，处理后出水中的溶解性b o d s 为8 。3 m g l 。 膜分离技术是利用膜的物理截留原理进行灰水直接过滤处理的方式，该方 法的b o d 5 去除率为8 6 ，浊度去除率为9 9 。尽管产生的出水水质较高，但 众所周知，由于膜的污垢阻塞原因，过膜的水力阻力增加，从而增加了为维持 过膜渗透通量而增加的运行费用和用于化学清洗的药剂费用，而且这些化学药 剂将随浓缩液进入水体，产生附带的环境危害。 除了简单的物理截留进行灰水的处理之外，还有各种不同类型的膜生物反 应器。截至到2 0 0 0 年全日本约有几百座灰水的处理系统，其中约2 5 采用了膜 生物反应器。由于该工艺将传统的生物处理技术同高质量的膜分离技术相结合， 形成了高质量的出水，出水中几乎不含任何的固体悬浮物，几乎所有的病原菌、 病毒和原生动物都被截留在反应器内而不存在于出水中，其去除率高达9 9 9 9 。 根据以上介绍的常用回用技术我们可以看出，膜生物反应器是一种高效安 全的回用技术，其处理的灰水可以直接饮用。因此，选取复合式膜生物反应器 作为家庭生活污水处理工艺是比较可行的。 1 3 膜生物反应器在生活污水处理回用方面的研究现状 目前，在众多的污水处理工艺中，膜生物反应器的应用越来越广泛，国内 外学者对其进行了大量的研究。上世纪6 0 年代末，s m i t h 等人p 】首次用超滤膜过 滤活性污泥，开始了超滤膜生物反应器处理污水的研究。膜生物反应器具有不 设二沉池、h r t 和s r t 完全分离、不怕污泥膨胀、处理效率高、充氧效率高、容 易实现一体化自动控制、设计操作运行简便的优点。但是由于受膜生产技术所 限，早期的超滤膜组件大多由有机高分子材料制成，还存在着膜价格高、通量 小、寿命短、易堵塞等缺点，推广应用受到很大的限制。、 上世纪7 0 年代后期，日本的膜分离技术在废水处理中的应用方面进行了大 力开发和研究，使膜生物反应器开始走向实际应用【4 】。进入8 0 年代后，国际上 对膜生物反应器的研究达到方兴未艾的程度。日本建设厅制订了 “a q u a r e n a i s s a n c e 9 0 ”大型研究计划，其内容主要包括新型膜材料的开发、膜分 离装置的研究等。法国美国、澳大利亚等国对膜生物反应器的研究也投入了 很大的力量，在提高膜的生产技术、降低生产成本的同时，膜的种类也大幅度 增加，还出现了通量大、寿命长、易清洗、化学稳定性好、热稳定性高、机械 复合式膜生物反应器处理家庭生活污水特性研究及装置设计 性能优异的陶瓷超滤膜，拓宽了膜的选择面，使膜生物反应器研究内容更加全 面而深入，为9 0 年代的进一步推广应用奠定了技术基础。目前膜生物反应器已 成功地应用于中水道污水处理，粪便污水处理，垃圾渗滤液等废水处理中。 将膜生物反应器应用于家庭生活污水净化研究最多的是日本。虽然单独净 化槽对b o d 的去除率较高，但是其脱氮除磷的效果较差，而且出水中的s s 含量 也高，水中的微生物还要通过投加杀菌剂进行杀灭。针对上述不足，在家庭生 活污水处理中使用膜生物反应器恰好可以克服单独净化槽的缺点。o h m o n 等人垆j 用膜分离技术改造单独净化槽，并对膜分离净化槽的处理效果进行了研究。 c h i c m c h a i s r i 等【6 】将膜分离技术应用于现场生活污水处理装置，并在低温条件下 对其处理性能迸行了研究。 在我国，也有报道用膜分离改造单独净化槽并对其处理生活污水的效率进 行了研究。同济大学李红兵等【7 】分别进行了单独净化槽和用中空纤维膜改造后的 单独净化槽处理生活污水的试验研究。结果表明：单独净化槽对c o d 的去除效 率在8 0 左右，对氨氮的去除率大约在5 0 6 0 。膜组件为聚丙烯聚砜共混中 空纤维膜，其有效面积为2 m 2 ，每根丝的有效长度3 7 0 m m ，膜的孔径为0 0 6 5 1 x m ， 中空纤维内径外径为4 0 0 m 4 6 0 n m 。加膜改造后装置对c o d 的去除效果可达 9 8 左右或更高，并且可实现9 5 以上的氨氮去除率。膜对颗粒物及有机物的拦 截作用使改造后的装置出水c o d 指标不受冲击负荷的影响。但氨氮由于需较长 的反应时间且无法被膜有效的拦截，出水氨氮受冲击负荷影响明显。 对于生活污水，使用膜生物反应器进行处理是一种特别有效的方法，由于 膜对微生物的截留可以保持微生物的含量处于一个最佳的浓度，使生物反应速 度加快。即使污水中b o d ，c o d 含量高时也可以达到很好的处理效果，缩小了 处理设备的体积。出水中固体悬浮物几乎测不出，对细菌和病毒也可以达到有 效的截留，使出水水质可以达到回用水的标准。使用膜生物反应器进行生活污 水处理可以大大减少所需要的空间、易于实现自动控制、也可以减少处理费用， 同时由于其污泥排放量小，可以降低污泥处理费用、减轻污泥排放而产生的二 次污染。实际的试运行证明：和其它水处理方法相比，使用膜生物反应器进行 污水处理不仅可以节约水资源，还可以节约能源，节省设备和运行费用，减少 设备占地，避免二次污染，有着明显的环境效益，社会效益和经济效益。 1 4 课题的理论基础 1a 1 膜生物反应器工艺特点 膜生物反应器作为一种新型高效的废水生物处理技术，近年来已被逐步应 用于城市污水和工业废水的处理【1 0 】。它用膜分离系统代替普通活性污泥法中的 4 硕士学位论文 二沉池，取得可直接回用的出水水质；而且有利于增殖缓慢的微生物如硝化细 菌的截留和生长，增强硝化作用。而且运行费用低，可采用p l c 控制，实现全程 自动化控制。膜生物反应器设备布置可集中可分散，具有灵活性。可实现污水 就地处理，进而可以节约大量给排水管道及泵站的费用。 膜生物反应器工艺由生物反应器与膜组件组成。按照膜组件的设置位置， 可分为分置加压式和一体抽吸式两类【3 。孵。一体式膜生物反应器装置占地省、能 耗少，近年来有关它的应用研究在国内外受到关注。 与传统活性污泥法重力沉降过程中，由于颗粒的不固定容易使活性细菌与 生物体流失相比，膜生物反应器处理有机污染物，能使有机物深度氧化，并且 排出物不含固体颗粒，能完全保留生物体，在低温时亦能维持高处理能力。该 处理过程还可通过维持低f m 比例减少污泥浪费反应器能够维持高含固浓度 而使处理工厂规模缩小。还可采用同时硝化与反硝化作用成功地脱氮，污泥停 留时间相当长，从而完全保留体系中生长缓慢的硝化细菌d2 膜生物反应器用膜组件替代传统工艺中的二沉池，可以进行高效的固液分 离，克服了传统工艺中出水水质不够稳定、容易发生污泥膨胀的不足，具有很 大的优越性。1 ) 出水水质好且稳定，可以直接回用。2 ) 生物反应器内能维持较高 的微生物量，使处理装置容积负荷提高，占地面积大幅度减小。3 ) 膜的截流可以 延长增值速度级慢的微生物如硝化细菌在反应器中的停留时间，有利于提高系 统硝化效率，同时，还可以延长一些降解难降解有机物的微生物在系统中的停 留时间，有利于提高难降解有机物的降解效率。4 ) 剩余污泥产量低，污泥处理费 用少。5 ) 易于实现自动控制，操作管理方便。但是，膜生物反应器也存在一些不 足，主要表现在以下方面；1 ) 膜造价较高，使得膜生物反应器的基建投资较高。 。2 ) 容易出现膜污染，给操作管理带来不便，使运行费用提高。 家庭生活污水中含有粪便污水，使得其中含有相当量的胶体和高分子有机 物，这些污染物质的生物降解速率较低，在传统生物处理中，由于它们在生物 反应器中的停留时间较短，无法进行有效降解，严重影响了出水水质。而在膜 生物反应器中，由于分离膜对胶体和高分子物质有非常好的截留效果，可以极 大地改善出水水质；同时，因为这些物质在生物反应器中的停留时间延长，它 们在生物反应器中的降解效率得到大大提高。 从经济上看，膜生物反应器的一次性投资要高于传统生化法，但是传统法 要达到复合式膜生物反应器的处理效率需追加的工艺及运行费用是相当高的， 要达到膜生物反应器优越的病菌、病毒去除率还需要另外的消毒设备投资和运 行费用，所以复合式膜生物反应器处理生活污水在经济上也具有一定的优势。 而且对氮、磷的去除效率高，出水可以直接回用。 复合式膜生物反应器处理家庭生活污水特性研究及装置设计 1 4 2 课题的研究要求和内容 在家庭住宅的水处理系统中，出水仅仅达到排放标准是不够的。在独立建 造的住宅中，为满足保护环境、保持生态平衡的要求，其水循环系统还要采用 可持续的水资源利用模式，即节约水资源、进行污水处理和水的循环利用。这 就要求：生活污水经过处理后达到回用标准，用作消防、绿化、洗车、冲洗厕 所、景观用水等，以减少对外来水源的需求量和对环境的污染。为此，需要设 计一个适合于家庭使用的污水处理设备，处理家庭生活污水，使出水水质达到 回用水标准以满足回用之目的。 本课题的研究内容为：运用复合式膜生物反应器，以聚氯乙烯聚丙烯共混 中空纤维膜为膜组件，考察其性能，通过试验确定工艺参数，为其在家庭生活 污水处理中的应用提供理论基础；并依据工艺参数设计可供三人居住的家庭污 水处理及回用装置一复合式膜生物反应器。 为达到上述要求，需要设计一个小型的膜生物反应器，以生活污水进行试 验，确定装置的各项参数，在保证出水水质的前提下，选择最佳操作条件，尽 量延长膜组件寿命。在试验的基础上设计出可应用于家庭污水处理的复合式膜 生物反应器，设计目标为：反应器体积小、出水水质好、使用寿命长、操作自 动化程度高、维护保养简便。 6 硕七学位论文 第2 章试验设计及试验方法 2 1 复合式膜生物反应器中膜的选择 膜可以根据性质分为生物膜和合成膜。生物膜对于地球上的生物十分重要， 每一个细胞均由膜包围，如原生质、细胞膜等；合成膜是模仿生物膜的特性， 人工加工合成的膜。合成膜按其物态可分为固膜、液膜和气膜三类。其中以固 膜应用最多，液膜已有中试规模的应用，而气膜尚处在试验室研究阶段合成 的固体膜按组成材料可分为无机膜和有机膜，最初有机聚合物膜受到的重视比 无机膜大得多，但是随着近几年来无机材料的迅猛发展，无机膜的研究和开发 有了较大的进展。固体膜按照形态和结构可分为多孔膜和致密膜( 见表2 1 ) ，多孔 膜主要用于超滤、微滤和渗析过程，致密膜主要用于反渗透、渗透气化和气体 渗透过程l l ”j 。 表2 i 水处理中的致密膜和多孔膜 致密膜 多孔膜 膜分离过程 反渗透( r 0 )超滤( u f ) 由水溶液中溶质和溶剂的溶解度和扩散速率由粒径的大小而分离溶解性大分子和悬浮胶 不同而实现分离体 电渗析( e d )微滤( m f ) 采用离子交换膜，根据离子粒径、电荷、离由粒径的不同而分离水中的悬浮固体 子电荷密度的不同而实现分离 纳滤( n f ) 通常称为松散反渗透。通过电荷排斥、溶质扩散和截留实现分离的膜材料 限于聚合材料聚合材料和无机材料均可 反渗透膜、纳滤膜、超滤膜和微滤膜最初应用于工业用水、海水，苦咸水 等的淡化和脱盐处理【1 3 1 ，近几年来逐步应用于饮用水处理领域。现在已经广泛 地应用于去除水中浊度、色度、臭味、消毒副产物、微生物和溶解性有机物等。 选择合适的膜技术或膜技术组合，可以部分或完全替代常规水处理工业，满足 日趋严格的水质要求。 膜材料是膜工艺最关键的部分，也是膜法水处理技术的基础，膜材料决定 了膜制品的性能和使用寿命。膜材料大体上可分为有机膜和无机膜。无机膜包 括陶瓷膜、微孔玻璃、金属膜和碳分子筛膜。膜材料的特点见表2 2 1 9 】。 7 复合式膜生物反应器处理家庭生活污水特性研究及装置设计 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。与纤维类其它超滤膜相比，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。而聚氯乙烯产量仅次于聚乙烯，使价格低廉的膜材料。 将他们相混的混合中空纤维膜是性能优良的膜材料。本试验综合考虑，选用膜 材料为聚氯乙烯聚丙烯。 2 2 复合式膜生物反应器 2 2 1 传统的膜生物反应器 传统的膜生物反应器根据膜组件与生物反应器的组合方式可分为分置式膜 生物反应器和一体式膜生物反应器两类2 0 彩】。 、 分置式膜生物反应器把膜组件和生物反应器分开设置，如图2 1 ( a ) 所示。生 物反应器中的混合液经循环泵增压后打至膜组件的过滤端，在压力作用下混合 液中的液体透过膜，成为系统处理出水；固形物、大分子物质等则被膜截留， 随浓缩液回流到生物反应器内。分置式膜生物反应器的特点是：系统运行稳定 可靠；膜易于清洗、更换及增设；膜的通量普遍较大。其缺点是：运行费 用较高。为了减少污染物在膜表面的沉积，延长膜的清洗周期，需要用循环泵 提供较高的膜面错流流速，致使水流循环量增大、动力费用增高 ( y a m a m o t o e t a l ，1 9 8 9 ) t 2 4 1 。在泵的高速旋转产生的剪切力会使污泥中的某些菌体 产生失活现象，影响处理效果。( b r o c k m a na n ds e y f r i e d ，1 9 9 7 ) 。 8 硕士学位论文 生物反应器循换嚷度组件 ( a ) 分置式膜生物反应器示意图 ( b ) 一体式膜生物反应器示意图 图2 1 传统膜生物反应器示意图 一体式膜生物反应器把膜组件置于生物反应器内部【25 1 。如图2 1 ( b ) 所示待 处理水由泵打入生物反应器内，其中的大部分污染物被混合液中的活性污泥分 解，再在压力的作用下由膜过滤出水。与分置式膜生物反应器相比这种形式的 膜生物反应器有以下特点：省去了混合液循环系统，靠抽吸出水，能耗相对较 低；占地面积小，近年来在水处理领域受到了特别关注；膜通量相对较低， 容易发生膜污染，不容易清洗和更换膜组件。 传统膜生物反应器与活性污泥处理工艺相比虽然有着不可比拟的优点，例 如：可以实现反应器水力停留时间h r t 和污泥龄s r t 的分离；占地面积小；有利 于系统的硝化作用，对难降解有机物有很好的降解作用；较低的f m 使剩余污泥 产量极低，理论上可以实现污泥的零排放等 2 6 l 。但长期以来膜生物反应器膜污 染问题一直未得到很好的解决1 2 7 】，从而严重阻碍了其推广应用，针对这一问题， 本论文在大量试验研究的基础上提出了一种复合式膜生物反应器。 2 2 2 复合式膜生物反应器 本试验所采用的装置是在普通膜生物反应器的基础上研究开发的复合式膜 生物反应器装置，其结构如图2 2 所示。主要分为两部分：生物反应器和膜组件。 试验装置由导流板分成生化反应区和膜过滤出水区两部分，由于导流板的 作用，进入膜过滤出水的活性污泥浓度很低，在提高生化反应区污泥浓度的同 时，大大减轻了膜污染，可明显延长膜的清洗周期； 9 复合式膜生物反应器处理家庭生活污水特性研究及装置设计 生化反应区为复合式，即兼有固定培养( 生物膜) 和悬浮培养( 活性污泥) 生 物反应器的特点，复合式膜生物反应器的性能较单纯的活性污泥膜生物反应器 和生物膜膜生物反应器为佳【2 “2 9 1 。试验装置中采用的膜是聚氯乙烯聚丙烯共混 中空纤维膜。该膜价格低，主要材料聚氯乙烯是产量仅次于聚乙烯的第二大合 成树脂，来源丰富，价格低廉。此外聚氯乙烯还具有耐酸碱、耐化学及微生物 腐蚀等优点。而聚丙烯是疏水性的，与聚氯乙烯相混，即减轻了膜污染，又保 证了通透性，是目前使用比较广泛，性能优良且比较稳定的膜材料1 3 。根据上 述分析，选定本研究所用的试验装置及工艺流程如图2 2 所示。 1 、进水管z 溢流管3 、填料氛空气流量计& 阀门6 、水银压力计 图2 2 试验装置及工艺流程图 整个膜生物反应器系统由以下三大部分组成： 1 ) 进水管路系统 进水管路系统包括污水罐和液位溢流管组成，污水由进水泵连续提升至反 应器进水口，多余污水由溢流管回流至污水罐。 2 1 生物反应器 采用复合式膜生物反应器，填料区尺寸为：2 4 0 m m x 4 5 0 m m x 6 0 0 m m 。有效 体积约5 5 l 。填料的填充率为3 0 4 0 ，底部设有穿孔曝气管，在运行期进行 连续曝气，对池内混合液起到搅拌作用，并对填料及悬浮的微生物供氧。废水 经过填料区的预处理后经由中间挡板流向膜组件区。膜组件区的尺寸为： 1 5 0 m m x s o o m m x 5 0 0 m m ，有效体积约为3 0 l ，膜组件的底部设有曝气管，在运行 期间连续曝气，水气两相呈错流形式冲击中空纤维膜束。通过曝气一方面使反 应器中的活性污泥混合液维持一定的循环流动速度，形成对膜表面的冲刷，以 减轻活性污泥在膜表面的沉积；另一方面供给微生物分解污水中有机物所需的 氧气，试验中采用的膜组件为新型聚氯乙烯聚丙烯共混中空纤维膜，膜组件具 体参数见表2 3 。 i o 硕士学位论文 表2 3 膜组件具体参数表 3 ) 出水管路系统 系统出水采用间歇抽吸的方式出水，问歇出水是通过时间继电器控制真空 泵来实现的。在真空泵抽吸时，在膜组件内形成负压，而膜组件淹没在混合液 中，在膜组件的外侧形成正压，在膜组件两侧压力差的作用下，生物反应器中 的混合液经膜组件的分离后流出，进入反冲洗水箱，反冲洗水箱上部设有溢流 管，在反冲洗水箱注满后，多余的由溢流管排出。 与传统的膜生物反应器相比，复合式膜生物反应器在结构上具有如下特点： 与一体式膜生物反应器相比，主要区别在于膜组件相对于独立生物反应器 位于膜出水区，而一体式膜生物反应器的膜组件直接悬挂于生物反应器中，相 同之处在于水均通过负压抽吸从膜单元外表进入中空纤维引出，底部曝气以减 轻膜污染； 与分置式膜生物反应器相比，主要区别在于膜组件与生物反应器之间无需 泵和管线连接，相同之处在于膜组件相对独立于生物反应器，膜污染减轻。 复合式膜生物反应器的主要优点j ： 较一体式膜生物反应器的膜污染大为减轻，而较分置式的膜生物反应器的 结构紧凑，体积小，工作压力小，无水循环，节能； 处理对象不同。一体式膜生物反应器和分置式膜生物反应器的膜组件处理 的是生物反应器中经生物降解的完全混合液，而复合式膜生物反应器的膜组件 处理的是经导流板预澄清的料液，s s 浓度降低，有利于在不增加能耗的情况下 减轻膜污染。 2 2 3 复合式膜生物反应器的特性 复合式膜生物反应器有生物反应区和膜组件区，两个区对c o d 和n h 3 - n 都有 去除功能，前者是生化过程去除，后者是膜组件抽滤截留，属于物理过程。 2 3 试验方法 2 3 1 工艺试验研究思路 膜生物反应器由于膜的截留作用，可以在不排泥的情况下长期运行，可使 反应器中污泥浓度最大限度的增长，反应器中的污泥浓度能维持很高。另外， 膜生物反应器中膜可以进一步降低出水c o d 。并且膜对出水c o d 起到很好的调 节作用，即使上清液c o d ( 反应器中污泥混合液经滤纸过滤后测得的c o d ) 存在一 复合式膜生物反应器处理家庭生活污水特性研究及装置设计 定的波动性，经膜过滤后的出水c o d 也可维持相对的稳定，因此膜起到了很好 的截留作用，但同时膜很容易被污染。 将常规的生物处理法与膜分离相结合，其意义不仅仅在于以膜分离取代二 沉池，完全去除悬浮固体引起的污染物量，还在于通过膜分离的作用，将二沉 池无法截留的游离细菌和大分子完全阻隔在生物池内。这必将改变了常规生物 处理中污染物的构成，使得大分子有机物和胶体明显上升。同时在短时间内促 成了专性微生物的积累。根据微生物生长模型理论，随着s r t 的增加，反应器中 污泥浓度不断增加，当污泥浓度增加到一定程度时，由于不能很好地供给微生 物生长和发育所需的物质和能量，微生物衰减率增加，死亡后的微生物会被降 解，由于微生物的降解物中有一部分是难降解的残片和高分子物质，所以会使 反应器的处理效果存在一定的波动性。此时，除非排泥，否则，最终生物系统 会遭受致命破坏，而膜水通量也会明显下降，此时，不适宜再采用常规膜生物 反应器处理该废水。 同时，从文献中可以看出，膜生物反应器在实际推广应用时尚有许多有待 进一步研究的问题。例如，膜材料的价格偏高，因而投资较大。运行费用也较 高；没有较成熟的膜生物反应器的适宜运行条件及设计标准等【3 引。为了解决这 一问题，决定在反应器中投加载体，即在反应器内投加各种能提供微生物附着 生长所需表面的载体。利用载体容易截留和附着生物量大的特点，使反应器中 同时存在附着相和悬浮相微生物，充分发挥两相微生物的优越性，扬长避短， 相互补充。将膜分离技术与这种复合式膜生物反应器相结合，不仅能提高反应 器内的生物量，增强废水处理能力，克服污泥膨胀，提高运行稳定性，更重要 的是与膜表面接触的混合液中生物浓度低，可以有效地减缓膜污染。 桂萍【”1 等x ( 1 9 9 9 ) 分别对三种型式的膜生物反应器工艺运行特性进行了研 究，结果表明，在膜活性污泥反应器、膜生物膜反应器和膜复合式反应器三种 工艺的试验中，三种不同型式的膜生物反应器组合工艺对污染物去除效果相差 不大。由于膜面污染物主要是固体污泥和溶解性有机物，分别与生物反应器内 混合液悬浮污泥浓度和上清液有机物浓度有关，使不同工艺中膜的污染情况有 很大差别，膜通透量存在明显的差异：膜活性污泥反应器工艺中膜面沉积的污 泥量最多，膜生物反应器条件下，膜面吸附的溶解性有机物量则最多，造成这 两种工艺膜通透量较低。而在复合式膜生物反应器条件下，膜面沉积的污泥量 和吸附的溶解性有机物量均居中，使得综合效应降低，膜通透量能保持在较高 水平。由上述结果可以得出，维持生物反应器内适量的悬浮污泥浓度，不仅可 以减少污泥在膜面的大量沉积，也可以减轻溶解性有机物在膜面的吸附。 本试验利用聚氯乙烯聚丙烯共混中空纤维膜作为试验用膜，采用复合式膜 生物反应器处理家庭生活污水。在现有试验条件下，对新型膜材料聚氯乙烯- 聚 1 2 硕士学位论文 丙烯共混中空纤维膜生物反应器处理家庭生活污水的可行性及机理分析进行了 较为全面的研究，重点考察了影响复合式膜生物反应器的处理效果的生物动力 学参数与影响复合式膜生物反应器的处理能力的参数，并对其进行了效果分析， 同时对其在生产上的应用进行技术经济分析。 2 3 2 试验原水水质 本试验用水采用现场取水，取水地点位于兰州市区兰工坪居民区。 表2 4 试验用水水质 2 3 3 试验方案 系统接种污泥取自雁儿湾污水处理厂。污泥取回后，分别在容器内间歇培 养驯化两周后开始在装置中进行挂膜试验，由初始的间歇挂膜逐渐改为连续进 水挂膜。挂膜成功后，则开始连续进水运行。本试验采用间歇出水的方式运行， 间歇出水比连续出水有利于缓解膜的污染和堵塞，能减缓滤饼层的形成速度以 及降低滤饼层的密实度，因此为了稳定膜通量，延长稳定运行时问，必须确定 抽吸时问和抽停时间的最佳组合条件。 在膜生物反应器工艺中，为了缓解膜污染，一般选用较高的曝气量事实 上，曝气量应该选择一个最佳值，当曝气量进一步增加时，效果将会变得不明 显，而且，过高的曝气量不仅导致较高的能量消耗，同时导致混合液粒径减小， 影响膜过滤。 在进水浓度改变不大的前提下，影响生物反应器处理效果和反应动力学的 主要参数包括污泥龄和水力停留时间。 污泥龄不仅决定生物量的比增长速率，影响生物反应器内的污泥浓度和底 物代谢速率，而且还会影响生物反应器上清液中溶解性有机物的浓度和微生物 的代谢特性，对生物反应器中反应动力学条件的控制具有至关重要的意义；另 一方面，水力停留时间的改变将会影响进水容积负荷，从而影响生物反应器内 污泥的增殖以及有机物的降解特性f 3 ”。 试验中改变了四种污泥龄，同时改变了四种水力停留时间，以考察系统在 不同情况下对污水中污染物的去除效果。前四组试验保持相同的污泥龄，主要 考察不同水力停留时间对系统处理效果的影响；后四组试验则保持相同的水力 停留时间，考察污泥龄及水力负荷对c o d 和n h 3 - n 的去除效果影响。 在试验过程中，膜的操作运行采用改变压力保证膜通量不变的间歇抽吸操 复合式膜生物反应器处理家庭生活污水特性研究及装置设计 作模式。随着运行时间的延长，污染物在膜面的积累，膜通量会逐渐降低所以 需要增加压力。为了使各阶段试验具有可比性，当变换运行条件时，将膜组件 从生物反应器中取出，采用5 的次氯酸钠与5 的盐酸进行清洗，待膜的过滤性 能恢复后，再将其置入生物反应器内，继续进行试验。 2 4 测定项目与分析方法 试验过程中对系统进水、填料区上清液、膜生物反应器区上清液、膜出水 水质进行了测定，包括c o d e r ，n h 3 - n ，b o d 5 、色度、p h 等。试验过程中对系 统进水、填料区上清液、膜生物反应器区上清液、膜出水水质进行了测定，包 括c o d c r ，n h 3 - n ，b o d 5 、色度、p h 等。其中，上清液水质测定是将反应器中 的混合液用定性滤纸过滤后所得到的滤液。各测定项目和分析方法如表2 5 所示。 表2 5 测定项目和方法 以下列出了几项主要测定项目的测定方法，装置，仪器和药品。 2 4 1 化学需氧量( c o d 。) 的测定 2 4 1 1 原理 在强酸性溶液中，一定量的重铬酸钾氧化水中还原性物质，过量的重铬酸 钾以试亚铁灵作指示剂，用硫酸亚铁铵回滴。根据用量，算出水中还原性物质 消耗的量。 酸性重铬酸钾氧化性很强，可氧化大部分有机物，加入硫酸银作催化剂时， 直链脂肪族化合物可完全被氧化，而芳香族有机物却不易被氧化。对于氯离子 的影响，在废水中加入硫酸汞，使氯离子成为络合物，从而消除氯离子的干扰。 硫酸亚铁铵标定公式 1 4 硕士学位论文 n ：0 2 5 0 0 x 1 0 0 0 v 式中： 一硫酸亚铁铵标准溶液的当量浓度； y 一硫酸亚铁铵标准溶液的用量，m l 。 c o d e r 的计算公式 c o d 。( r a g 三) 亍( v o - k ) x f n x s x l 0 0 0 式中： 一硫酸亚铁铵标准溶液的当量浓度；m o l l 。 一空白滴定时硫酸亚铁铵标准溶液的用量，m l k 一废水样滴定时硫酸亚铁铵标准溶液的用量，m l ； 矿一废水水样的体积，m l 。 2 4 1 2 试验药品 浓硫酸( h 2 s 0 4 ) 、硫酸银( a 9 2 s 0 4 ) 、重铬酸钾( k 2 c r 2 0 7 ) 、硫酸汞( h g s 0 4 ) 、 硫酸亚铁铵( ( n h 4 ) 2f e ( s 0 4 ) 2 6 h 2 0 ) 、邻菲哕啉( c 1 2 h s n 2 h 2 0 ) 2 4 1 3 试验仪器 变阻电炉( 1 0 0 0 w ) 、蛇形冷凝管( 接口位1 9 2 6 ) 、2 5 毫升酸式滴定管、2 5 0 毫升锥形瓶( 若干) 、1 0 、1 5 、2 0 毫升移液管 图2 3c o d c r 试验装置 2 4 2 氨氮( n i - - 1 3 - n ) 的测定 2 4 2 1 滴定法原理 复合式膜生物反麻器处理家庭生活污水特性研究及装置设计 氨氮在水中以铵盐或氨的形式存在。加缓冲溶液使p h 值为7 4 左右，进行加 热蒸馏，把氨蒸发出收集于已知量的硫酸标准溶液中，此时一部分硫酸与氨作 用生成硫酸铵。 h 2 s o , + 2 j 玛= ( n h 4 ) 2 s o , 过量的硫酸溶液用氢氧化钠溶液进行滴定。 2 4 2 2 试验药品 浓硫酸( h 2 s 0 4 ) 、氢氧化钠( n a o h ) 、无水磷酸二氢钾( k h 2 p 0 4 ) 、磷酸氢二钾( g z h e 0 4 ) 、 甲基红、无水乙醇( c h 3 c h 2 0 h ) 、高锰酸钾( k 2 m n 0 4 ) 。 2 a 2 3 试验仪器 5 0 0 毫升凯氏瓶、球形冷凝器、缓冲管、吸收瓶、5 0 毫升吸液管、2 0 0 毫升 量筒、5 0 毫升滴管、分析天平。 图2 4n i - 1 3 0 n 试验装置 1 6 台 硕士学位论文 2 5 主要仪器 表2 6 仪器设备 仪器型号生产厂家 o x i t o pi sb o d 测试仪 溶解氧快速测定仪 o x l - 3 3 0 电磁式空气压缩机 a c o - 0 0 3 电磁搅拌器 便携式溶氧仪 j p b 6 0 7 显微镜x s p - 1 2 c a 7 5 2 型紫外光栅分光光度计 德国w t w 公司 德国w t w 公司 浙江森森实业有限公司 电汇电讯器材厂 上海雷磁仪器厂 上海市显微镜二厂 上海精密科学仪器有限公司 1 7 复合式膜生物反应器处理家庭生活污水特性研究及装置设计 第3 章膜生物反应器启动研究 3 1 启动研究的意义 在废水的生物处理工艺中，要使整个工艺正常运