（环境工程专业论文）工业滤布抗污染动态膜的制备、表征及性能研究.pdf

大连理t 大学博士学位论文 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 s ，m b r s ) 是污水处理和中水回用领域最有前 途的工艺。它把膜分离过程与生物降解结合起来，取得高效的固液分离和出水效果。然 而，膜组件昂贵的价格和其运行过程中难以控制的膜污染现象，导致m b r 的投资和运 行费用增加，最终限制了该技术的广泛应用。因此研究制备廉价的高抗污染性能的过滤 膜对m b r 在我国的推广应用具有重要的意义。近年，利用具有一定特性的颗粒物质在 廉价的大孔径过滤介质的表面和内部形成动态膜的技术成为该研究的热点。 本研究利用廉价易得的工业滤布作为膜基质，形成多种抗污染预涂动态膜，并对它 们的制备、表征和性能进行了深入研究，同时利用气泡与平板的作用模型对平板膜组件 的外形结构进行优化设计。 、 首先，利用平均粒径为2 2 8l x m 的粉末活性炭( p o w d e ra c t i v a t e dc a r b o n ，p a c ) 作为 预涂剂，在工业滤布表面形成预涂p a c 动态膜。通过清水过滤和标准浊度溶液的截留 实验，考察不同厚度p a c 动态膜清水阻力和截留能力的变化，结果表明预涂p a c 动态 膜属于滤饼过滤型动态膜，其最佳厚度为o 3 o 0 5t o n i 。但是，浸没式膜生物反应器 ( 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 ) 中由下方曝气产生的膜面剪切作用能够在一 定程度上破坏滤饼过滤型动态膜的稳定运行，研究发现m l s s 低于8 0 0 0m g l 。1 时的活 性污泥混合液可以近似看作牛顿流体，试验证明利用湍流边界层理论计算滤饼过滤型动 态膜的稳定曝气量的实用性，因此p a c 动态膜在s m b r 中的稳定运行采用由供氧曝气 量逐渐调节到稳定曝气量的操作方式。 通过预涂p a c 动态膜与自生生物动态膜( s e l f - f o r m i n gd y n a m i cm e m b r a n e ， s f d m ) ，以及中空纤维膜( h o l l o wf i b e rm e m b r a n e h f m ) 组成的s m b r 系统在处理模拟 生活污水的对比试验，发现p a c 动态膜具备较好的性能，其操作压力在4 3 天内上升到 4 2k p a ，出水效果和中空纤维膜相当，c o d 和氨氮的去除率分别为9 7 1 和7 6 1 。污 染后的p a c 动态膜只需进行干燥处理即可脱落，进行再生，无需消耗化学试剂，特别 是p a c 动态膜的造价不超过每平方米2 5 元的价格优势，能保证其在实际应用中的潜力。 另外，如果利用具有强负电性的阴离子表面活性剂或具有强亲水性的s i 0 2 和t i 0 2 等物 质进一步吸附在预涂p a c 动态膜表面和内部，将会取得更优质的运行效果。 其次，本论文针对导致膜污染主要物质溶解性有机物( s o l u b l em i c r o b i a lp r o d u c t s ， s m p ) 和胞外聚合物( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s e p s ) 所具有的高疏水性和高电 负性，制备一种新型的预涂剂一一聚乙烯醇微球( p o l y - v i n y la l c o h o lm i c r o s p h e r e , p v a m s ) 。通过p v a 和戊二醛乳化交联所制备的p v a m s 具有良好的分散性，平均粒 叶茂盛：工业滤布抗污染动态膜的制备、表征及性能研究 径为1 2 0 1 岫。通过红外光谱分析和z e t a 电位测量结果发现p v a m s 表面富含羟基， 具有很强的亲水性和电负性，其z e t a 电位受p h 值得影响明显，在p h = l1 时最小为8 7 2 5 m v 。 随后，分别利用静电自组装和过滤预涂的方法在工业滤布表面和内部制备对称无滤 饼标准型、不对称标准过滤型、对称完全堵塞型三种类型的p v a m s 动态膜。静态亲水 接触角的测量证明p v a m s 动态膜均具有较好的亲水性，它们的清水过滤阻力分别为 1 0 2 1 0 1 0m - 1 、2 7 6 1 0 1 0m 、1 0 7 1 0 1 1m ，三种p v a m s 动态膜在浓度o 0 1m o l l 1 的k c l 电解质溶液中测量的相对流动电位分别为2 6 2m v 、3 5 3m v 、6 5 1m v 。无滤 饼标准型、标准过滤型以及完全堵塞型p v a m s 动态膜对上清液浊度为2 1 3 4 n t u 的截 留率分别为7 8 、9 3 7 、9 8 9 ，对上清液t o c 为1 7 1m g l - 1 的截留率分别为6 5 6 ， 3 7 1 6 ，4 8 6 3 。 对工业滤布以及三种p v a m s 动态膜不可逆污染的再生性能研究表明，化学清洗法 均能完全去除膜的不可逆污染，物理反冲洗的效果随着p v a m s 预涂量的增加得到不断 改善。综合对比，自组装和完全堵塞型p v a m s 动态膜显示出一定的竞争优势，前者利 用化学清洗后能维持大部分p v a m s 的存在，可以经历多次运行清洗周期后再生，后者 仅利用物理反冲洗即可去除不可逆膜污染，经再次预涂后即可应用。 最后，对目前广泛应用的平板膜竖直结构提出改进i 设计具有一定的倾斜角度0 的 梯型平板膜结构，使其在保持膜面附近气泡错流速度的同时增加气泡与膜面弹性碰撞的 强度与次数，提高曝气减缓膜污染的效率。通过对v r i e s 建立的气泡与竖直平板相互碰 撞的数学模型进行改进，利用计算机迭代运算技术得到不同曝气条件下的最佳倾斜角度 0 。结合s m b r 的实际应用，对膜组件和曝气的最佳设计方案如下：梯形膜组件间间隔 为1 0 。l s m m ，曝气位置为组件间5 7t h i n ，梯型膜设计角度在1 7 0 2 5 0 之间。 竖直结构和梯型结构的自组装p v a m s 动态膜组件在同一s m b r 反应器中，同一 曝气强度下的对比试验证实，梯型膜能够有效的控制膜表面的滤饼层污染，防止由于压 力升高引起的滤饼层压缩和由于膜面缺氧而引起的阻力急速上升。但是活性污泥发生膨 胀引起的沉降性变差和运动学粘度变化过大，将会使气泡及其尾流与膜面作用的消弱， 导致膜阻力的急速上升。梯型组装p v a m s 动态膜组件保持通量在1 8 6l m - 2 h 1 下运行 的1 2 0d 内压力仅上升到0 0 1m p a ，出水浊度约为1 3 4n t u ，c o d ，氨氮的去除率分 别为9 0 和9 1 5 。 关键词：膜生物反应器；抗污染动态膜；预涂剂；膜组件优化；曝气 大连理工人学博十学位论文 f a b r i c a t i o n ，c h a r a c t e r i z a t i o na n dp e r f o r m a n c e o fa n t i - f o u l i n g d y n a m i c m e m b r a n ef o rf i l t e rc l o t hm e m b r a n eb i o r e a c t o r s a b s t r a c t m e m b r a n eb i o r e a c t o r s ( m b r s ) a r et h em o s tp r o m i s i n gp r o c e s s e su s e df o rw a s t e w a t e r t r e a t m e n ta n dw a t e rr e c l a m a t i o n t h em e m b r a n ef i l t r a t i o nu s e di nt h eb i o r e a c t o rc a l lr e t a i nt h e s l u d g ef l o c s ，a n dt h e ni m p r o v et h ee f f l u e n tq u a l i t ys i g n i f i c a n t l y h o w e v e r ，t h eh i g hc o s to f m e m b r a n e sa n dt h es e v e r ef o u l i n gh a sb e e nd e m o n s t r a t e da st h em a j o ro b s t a c l ef o rt h e w i d e s p r e a da p p l i c a t i o no fm b r s t h e r e f o r e ，d e v e l o p m e n to fa n t i f o u l i n g a n dl o w c o s t f i l t r a t i o nm e d i u mi so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o r t h ew i d ea p p l i c a t i o no fm b r s ，e s p e c i a l l yi nt h e d e v e l o p i n g c o u n t r i e s r e c e n ty e a r s ，p r e c o a t i n gt h el o w c o a tf i l t r a t i o nm e d i u m ( i e ， n o n - w o v e n ，m e s ha n df i l t e rc l o t h ) b yu s i n gs o m es p e c i a lp a r t i c l e s ( i e ，p o w d e ra c t i v a t e d c a r b o n ) h a sb e e np r o v e da sa ni n t e r e s t i n ga n dp o t e n t i a la l t e r n a t i v ef o rm b r s t h ep o w d e ra c t i v a t e dc a r b o n ( p a c ) w i t hp a r t i c l es i z eo f2 2 81 t mw a su s e da sp r e c o a t i n g r e a g e a tt od e v e l o pad y n a m i cm e m b r a n eo nt h ec o m m e r c i a l l yu s e df i l t e rc l o t h t h ei m p a c t so f t h ed e v e l o p e dd y n a m i cm e m b r a n et h i c k n e s so nm e m b r a n er e s i s t a n c ea n dr e j e c t i o na b i l i t y w e r es t u d i e db ym e a s u r i n gt h ed i s t i l l e dw a t e rp e r m e a t i o na n dt h er e j e c t i o no fs t a n d a r d t u r b i d i t ys o l u t i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h eo p t i m u mt h i c k n e s so ft h ep r e c o a t e dp a c d a y n a m i cm e m b r a n ew a sd e t e r m i n e dt ob eo 3 o 0 5m m b u t i tw a sf o u n dt h a tt h ea e r a t i o n u s e di nt h es u b m e r g e dm b rc o u l dd a m a g et h ep r e c o a t e dp a cd y n a m i cm e m b r a n e a sm l s s w a sl o w e rt h a n8 0 0 0m g l t h ea c t i v a t e ds l u d g es u s p e n s i o nf e a t u r e dn o n - n e w t o n i a nf l u i d i n a d d i t i o n , a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fb o u n d a r yl a y e r , t h es t e a d y a e r a t i o ni n t e n s i t yw a s e s t i m a t e da n do p t i m i z e di nt h i ss t u d y t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h eo p t i m i z e da e r a t i o n i n t e n s i t yc a ng u a r a n t e et h es t e a d ya n ds u s t a i n a b l eo p e r a t i o no ft h ep r e c o a t e dd y n a m i c m e m b r a n eb i o r e a c t o r c o m p a r e dw i t hs e l f - f o r m i n gd y n a m i cm e m b r a n ea n dh o l l o wf i b e rm e m b r a n e ，i tw a s f o u n dt h a tt h ep r e c o a t e dd y n a m i cm e m b r a n e ( p d m ) c o u l dk e e ph i g hp e r m e a t i o n ，t h et m po f p d mr o s eu pt o4 2k p aa f t e r4 3d a y so ft h es t a b l eo p e r a t i o no fp d m b r ，a n dt h er e m o v a l e f f i c i e n c yo fe f ! f l u e n tc o d ( 9 7 0 9 ) a n dn h 4 十- n ( 7 6 13 ) w e r ea sg o o da st r a d i t i o n a l h o l l o wm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( t h f m b r ) f u r t h e r m o r e ，t h ef l u xo ft h ef o u l e dm e m b r a n e c o u l dr e c o v e rt o t a l l yj u s ta f t e rb e i n gc l e a n e db yb r u s h i n g ，a n di td i d n tc o n s u m ea n yc h e m i c a l r e a g e n t m o r e o v e r ，i tw a sa l s of o u n dt h a tp d mc o u l dp r e v e n tt h eb i o m a s sc o n t a m i n a t i o n s d i f f u s i n gf r o mt h es u r f a c et ot h ei n t e r n a l t h ea p p l i c a t i o no ff i l t e rc l o t hi sm u c ha t t r a c t i v e s i n c ei tc o m m e r c i a lp r i c ei so n l y2 5r m b p e rs q u a r em e t e r l a s t l y , t h ep a cp r e c o a t e df i l t e r i i i 叶茂盛：工业滤布抗污染动态膜的制各、表征及性能研究 c l o t hw i l lb e c o m eam o r ea n dm o r er e l i a b l ea n dc o s t - s a v i n gw h e ns o m em o r eh y d r o p h i l i c s u b s t a n c e s ( i e ，t i 0 2 ，s i 0 2 ) c a nb ei n t r o d u c e di n t op a cp r e c o a t e df i l t e rc l o t h s i n c et h em a j o rm e m b r a n ef o u l a n t so fe p s s m 噼f e a t u r e dh i g h e rh y d r o p h o b i c i t ya n d n e g a t i v ec h a r g e ，an o v e lc o a t i n gr e a g e n t ，p o l y v i n y la l c o h o lm i c r o s p h e r e ( p v a - m s ) ，w a s p r e p a r e da n dw a sc o a t e do n t ot h es u r f a c eo ff i l t e rc l o t h t h ep v a - m sw a sp r e p a r e db yp v a a n dg l u t a r a l d e h y d ea f t e ra c e t a lr e a c t i o n n ep v a m sp r e p a r e df e a t u r e da ne x c e l l e n t d i s p e r s a lw i t ham e a np a r t i c l es i z eo f1 2 o 1 岬n l ea n a l y s i so ff t i ra n dz e t ap o t e n t i a l s h o w st h a tt h ep v a - m sh a ds e v e r a ls o l a rg r o u p sa n db e h a v e dn e g a t i v ec h a r g e i ta l s ow a s f o u n dt h a tt h ep hv a l u eh a ds i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nz e t ap o t e n t i a la n da tp h = 11t h e r ew a sa l o w e s tz e t ap o t e n t i a lo f 8 7 2 5m v s u b s e q u e n t l y , t h r e ed y n a m i cm e m b r a n e so fs y m m e t r i cs t a n d a r db l o c k a g ef i l t r a t i o nt y p e w i t h o u tf i l t e rc a k e 、a s y m m e t r i cs t a n d a r db l o c k a g ef i l t r a t i o nt y p e 、s y m m e t r i c 伽lb l o c k a g e f i l t r a t i o nt y p ew e r ep r e p a r e ds u c c e s s f u l l yb yu s i n gs e l f - a s s e m b l yc o a t i n ga n dp r e - c o a t i n g m e t h o d s i ts h o w st h a tt h ew a t e rc o n t a c ta n g l eo ft h ec o a t e dp v a - m sm e m b r a n ew a s d e t e r m i n e da s0 a n dt h e i rf i l t r a t i o nr e s i s t a n c e sw e r ec a l c u l a t e dt ob e1 0 2 xl0 1 0m 、2 7 6 x10 1 0 m 、1 0 7 x 1 0 m t h ez e t ap o t e n t i a lo f t h ed y n a m i cm e m b r a n ep r e p a r e dw a sa l s om o n i t o r e d b ym e a s u r i n gs t r e a m i n gp o t e n t i a lw i t l lo 0 1m o l 。l k c ls o l u t i o n ，a n dt h ez e t ap o t e n t i a l sw e r e c a l c u l a t e dt ob e 一2 6 2m v ，一3 5 3m va n d 一6 5 1m va f t e rc o r r e c t e dw i t hm e m b r a n er e s i s t a n c e t h ec o a t e dp v a m so nt h ef i l t e rc l o t hw a sf o u n dt ob ee f f e c t i v ei nt h er e j e c t i o no fs m a l l p a r t i c l e s t h es y m m e t r i cs t a n d a r db l o c k a g ef i l t r a t i o nt y p ew i t h o u tf i l t e rc a k e 、a s y m m e t r i c s t a n d a r db l o c k a g ef i l t r a t i o nt y p e 、s y m m e t r i c 伽lb l o c k a g ef i l t r a t i o nt y p ec o u l dr e j e c t7 8 ， 9 3 7 a n d9 8 9 t u r b i d i t yo ft h es l u d g es u p e r n a t a n tw i t h21 3 4n t u t h e i rr e j e c t i o n a b i l i t y e so nt o c w e r e6 5 6 ，3 7 16 a n d4 8 6 3 ，r e s p e c t i v e l y , w h e nt h es l u d g es u p e m a t a n t w i t h18 3m g l t o cw a sf i l t e r e d t h er e s u l t ss u g g e s tt h a tc h e m i c a lc l e a n i n gc a ne l i m i n a t et h ei r r e v e r s i b l ef o u l i n go f u n c o a t e df i l t e rc l o t h ，s e l f - a s s e m b l yc o a t e df i l t e rc l o t ha n dp r e - c o a t e dc l o t hf i l t e r t h e e f f i c i e n c yo fp h y s i c a lc l e a n i n gw o u l di n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gc o a t e dm so nt h ef i l t e rc l o t h b yc o m p a r i n g , t h es e l f - a s s e m b l yc o a t e dm sa r en o tr e a d i l ys h a t t e re v e na f t e rf r e q u e n t c h e m i c a lc l e a n i n g ；h o w e v e r , r e g a r d i n gt h ep r e - c o a t e dm s ，p h y s i c a lc l e a n i n gc o u l de l i m i n a t e t h ei r r e v e r s i b l ef o u l i n gc o m p l e t e l y ，b u ti tn e e d sar e p e a t e dp r e c o a t i n gt om a i n t a i nt h em s l a y e ro nt h es u r f a c eo ft h ef i l t e rc l o t h 砀ec r o s s f l o ws h e a rs t r e s si n d u c e db ya e r a t i o ni sa ne f f e c t i v ea p p r o a c ht oc o n t r o l m e m b r a n ef o u l i n g i nt h i ss t u d y , an o v e lf l a ts h e e tm e m b r a n em o d u l e ，l a d d e r - t y p ef l a t m e m b r a n es t r u c t u r e ，w a sd e v e l o p e d i nt h i sw a y , t h ea e r a t i o nb u b b l e sn e a rt h em e m b r a n e s u r f a c ec a l lb eh e l d ，a tt h es a m et i m et h ei n t e n s i t ya n dt i m e so fe l a s t i cc o l l i s i o nb e t w e e n i v 大连理工人学博十学位论文 b u b b l e sa n dm e m b r a n es u r f a c ew i l lb ei n c r e a s e d a c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c sm o d e lo f c o l l i s i o nb e t w e e nb u b b l ea n dv e r t i c a lf l a td e v e l o p e db yv e s ，t h ei n c l i n a t i o na n g l eo ft h e l a d d e r - t y p ew a sc a l c u l a t e da n do p t i m i z e db yu s i n gc o m p u t e ri t e r a t i v ec a l c u l a t i o nt e c h n o l o g y i nv i e wo ft h er e a la p p l i c a t i o no fs m b r ，t h ed e s i g no fm e m b r a n ea n da e r a t i o nw a so p t i m i z e d a sf o l l o w i n g ：t h ei n t e r v a ld i s t a n c eo fm e m b r a n em o d u l e si s8 - 15i l l n ，a n da e r a t i o nw i l lb e o p e r a t e d a t5 - 7i n l na m o n gm e m b r a n em o d u l e s ，b e s i d e st h eo p t i m a ld e s i g na n g l eo f t r a p e z i f o r mm e m b r a n ei s1 7 0 2 5 0 t oc o n f i r mt h er o l eo fl a d d e r - t y p ef l a tm e m b r a n es t r u c t u r ei nf o u l i n gc o n t r o l ，av e r t i c a l a n dal a d d e r - t y p ef i a tp v a m sm o d u l ew e r es u b m e r g e di nt h eb i o r e a c t o ra n do p e r a t e di n p a r a l l e l b yc o m p a r i n g , i tc o n f i r m st h a tt h el a d d e r - t y p ef l a tm o d u l ec a nc o n t r o lm e m b r a n e f o u l i n ge f f e c t i v e l y , b u ta f t e rl o n g - t e r mo p e r a t i o nt h et m pi n c r e a s e ds u d d e n l yd u et ot h e c o m p r e s so ft h ec a k el a y e r t h ee f f l u e n tq u a l i t yo fl a d d e r - t y p ep v a m sm o d u l ew a s d e t e r m i n e da st u r b i d i t y1 3 4n t u a n dt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fe f t u e n tc o da n dn i - 1 4 1 。- n w e r e9 0 a n d9 1 5 r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a e t o r ；a n t i - f o u l i n gd y n a m i cm e m b r a n e ；p r e c o a t i n gr e a g e n t ； o p t i m i z a t i o no fm e m b r a n em o d u l e ；a e r a t i o n v 一 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：堕盈鲞 导师签名：拯! 壑翌b 硅堕年月盈日 大连理t 大学博十学位论文 引言 目前，我国大部分污水处理厂采用传统活性污泥工艺和生物膜工艺。传统污水处理 工艺存在的主要缺点是：占地面积大、出水水质差、污泥膨胀、产生大量剩余污泥以及 能耗高等。为了克服传统污水处理工艺所存在的难题，近年来各种新型、改良的高效污 水处理技术应运而生，其中的膜分离技术，特别是膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r , m b r ) 技术在废水处理中的应用引起了国内外的广泛关注。该工艺与传统污水处理工艺 p l s 5 1 相比，具有出水水质好、设备占地面积小、污泥浓度高、剩余污泥产量低、便于 自动化控制等优点。该技术已经在污水回用和难降解有机废水处理领域显示出其优势， 并在实际工程中得到了广泛应用。截至到2 0 0 6 年，在世界范围内，已运行和在建的m b r 污水处理厂达2 2 0 0 座。m b r 的应用己涉及化工、制药、食品、畜产和生活污水处理等 许多行业。 但是在m b r 工艺的实际投资中，膜组件的高成本、系统运行的高能耗一直是制约 该技术广泛应用的主要原因，但是动态膜技术的出现为广大研究者开拓了思路，特别是 具备一定特性的天然或者人工合成的新型预涂材料的利用和开发，使得的预涂动态膜 ( p r e c o a t e dd y n a m i cm e m b r a n e ，p d m ) 技术得到充分的研究发展，而高效、廉价的预涂 动态膜生物反应器( p r e - c o a t e dd y n a m i cm e m b r a n eb i o - r e a c t o r , p d m b r ) 也逐渐成为更 具有应用价值的新型水处理技术。 本论文以廉价的工业滤布为膜基质，利用粉末活性炭和人工合成的聚乙烯醇微球作 为新型预涂剂分别形成无机和有机的预涂动态膜，并构建相应的膜生物反应器装置用于 处理人工模拟的生活污水。重点考察了新型预涂动态膜制备的最适宜技术参数，以及相 应p d m b r 稳定运行的控制参数，为它们的实际应用以及其他p d m b r 的制备运行提供 了技术参数和研究基础。 另外膜组件结构的优化能有效提高曝气冲刷效率，节省高曝气所浪费的大量能耗， 降低m b r 工艺的运行成本，本论文将对广泛应用的平板膜竖直结构进行优化，利用理 论计算联系实际运行的方法，真实的反应优化膜组件在膜污染及节省能耗方面所体现的 优势，为将来设计更加高效的膜组件提供一定的研究思路和方法。 叶茂盛：工业滤布抗污染动态膜的制备、表征及性能研究 1 膜生物反应器和动态膜技术研究进展 1 1m b r 研究概况 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 ) 是将膜分离技术和生物反应器结合而 成的一个新的污水处理工艺。它将膜分离与生物降解结合起来，以膜分离装置取代普通 生物反应器中的二沉池，从而取得高效的固液分离效果。m b r 作为一种新型的高效水 处理技术，日益受到各国的水处理技术研究者的关注。 1 1 1m b r 的组成与特点 根据膜组件与生物反应器的组合方式，可将m b r 分为分置式( r e c i r c u l a t e d m e m b r a n eb i o r e a c t o r , r m b r ) 和一体式( 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 ) ，如 图1 1 所示。r m b r 是指膜组件与生物反应器分开设置，膜的压力驱动依靠加压泵； s m b r 是将膜组件置入反应器内，压力驱动靠水头压差，或用真空泵抽吸，为减少膜面 污染，延长运行周期，一般泵的抽吸是间歇运行的。 进水 污泥回流 出水 排泥 反应器 ( a ) 分置式膜生物反应器 ( b ) 一体式膜生物反应器 ( a ) r e - c i r c u l a t e dm e m b 砌e b i o r e a c t o r ( b ) 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 图1 1 膜生物反应器类型简图 f i g 1 1d i a g r a m o fb i o m a s ss e p a r a t i o nm e m b r a n eb i o r e a c t o r 在r m b r 中，膜的操作压力一般在1 4b a r ，膜通量在5 0 1 2 0l - l n - 2 h - 1 。其特点是 运行稳定可靠、操作管理简便、膜组件易于清洗和更换。但为了减少污染物在膜面的沉 积，由循环泵提供的料液流速很高，因此动力消耗较高。在s m b r 中，由于不需要循环 泵，抽吸泵的工作压力小，其能耗低于r m b r 的能耗，但在运行稳定性、操作管理和 清洗更换方面则不及r m b r 1 1 。 人连理t 大学博士学位论文 m b r 工艺相对于常规废水生物处理工艺具有以下特点【2 】： ( 1 ) 结构紧凑，占地面积小。 m b r 仅用一个膜分离装置就完全实现了在常规生物处理中需要用较大的二沉池和 沙滤系统才能实现的功能，使系统变得较为紧凑，减小了占地面积。特别是s m b r 在一 个反应器中同时实现了生物降解和泥水分离。相比于传统活性污泥法水处理工艺，m b r 工艺能节省一半以上占地面积。 ( 2 ) 处理效果高，出水水质好，可以直接作为回用水，并且解决了活性污泥膨胀引 起的二沉池泥水分离和水质恶化问题。 m b r 对有机物的去除效果来自两方面：一方面是生物反应器内微生物对有机物的 降解；另一方面是膜对有机物大分子的截留作用。在处理工业废水时，膜的截留作用还 有利于培养出一些对该种废水有特殊降解能力的专属细菌【3 】，这些细菌絮凝能力较差， 从而难以在普通生物处理过程中得到优势增殖。另外，膜的截留作用还可以延长大分子 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。m b r 由于采用膜过滤， 可以实现出水中无悬浮物，选择性膜还可以截留混合液中的大分子物质和细菌、病毒等， 因此，根本上杜绝了污泥膨胀现象对出水水质和生物处理系统的影响，出水水质较好。 各种m b r 处理城市污水的出水水质均优于传统生物处理工艺，可减少消毒剂用量，出 水，可作为楼房中水及城市园林绿化、扫除、消防等中水回用。m b r 使泥水分离不再 依靠污泥的重力沉降，因此从根本上杜绝了污泥膨胀现象对出水水质和生物处理系统的 影响。 ( 3 ) 容积负荷高，抗负荷冲击能力强。 m b r 实现了水力停留时间( h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，h r t ) 和污泥停留时间( s l u d g e r e t e n t i o nt i m e ，s r t ) 的完全分离，同时实现很短的h r t 和很长的s r t ，因而能够在反 应器中保留足够高的污泥浓度。好氧膜生物反应器处理城市生活污水时污泥浓度一般为 1 0 - 2 0g - l ，最高可达5 0g l - 1 ；处理工业废水时，污泥浓度为2 4 0g l ，大部分高于 2 0g l - 1 。m b r 中较高的污泥浓度不仅使m b r 所能达到的容积负荷大大提高，还使系 统抵抗冲击负荷和有毒有害物质的能力得到了加强，并使系统运行的稳定性得以提高。 ( 4 ) 产生剩余污泥量少，降低了剩余污泥的处理费用。 m b r 中较高的污泥浓度可以实现在容积负荷很高的同时，污泥负荷保持很低，因 此，进入m b r 的基质将主要用于维持微生物的最低营养要求，而污泥的增殖量则很少， 大大减小了剩余污泥的产量。从理论上讲，m b r 能将污泥完全截留在生物反应器内， 实现不排泥操作。m b r 排出的剩余污泥一般较为稳定，可以不进行污泥消化而直接脱 水，使m b r 的剩余污泥处理费用得以降低。目前剩余污泥的处理与处置己成为污水处 叶茂盛：工业滤布抗污染动态膜的制备、表征及性能研究 理厂正常运行的制约因素之一，它的费用占到污水处理厂总运行费用的2 5 0 4 0 ，有 的甚至高达6 0 【4 1 。因此，从源头减少污泥的产生量就显得非常必要和关键，这些因素 推动和促进了具有剩余污泥量少特点的m b r 技术的开发及研究。 ( 5 ) 具有较高的脱氮效果。 m b r 中长的s r t 有利于累积增殖慢的细菌( 如硝化细菌等微生物) 。硝化作用的改 善不仅因为m b r 可以维持较长的污泥龄，硝化速率的提高还源于m b r 中污泥絮体较 小，较小的絮体有着更大的周长面积比，氧传质阻力小。另外，m b r 中污泥浓度高， 因而易在污泥絮体中形成表面好氧、内部缺氧状态，所以可在同一反应器中实现硝化和 反硝化，使m b r 在去除c o d 的同时具有良好的脱氮效烈5 1 。 ( 6