（环境工程专业论文）平板膜运用于剩余活性污泥的浓缩及同步浓缩消化研究.pdf

摘要 摘要 本文针对剩余活性污泥平板膜浓缩及平板膜同步浓缩消化工艺展开研究， 主要考察了工艺可行性、工艺操作条件优化、工艺运行方式优化等内容，发现： ( 1 ) 平板膜污泥浓缩和平板膜污泥同步浓缩消化工艺完全可行。经平板膜浓缩 后剩余活性污泥由3 9 l 上升至3 0 9 l ，膜分离出水可回用。而平板膜污泥同步 浓缩消化工艺运行1 5 d 后m l s s 浓度达2 5 9 l ，累积m l v s s 消解率高于6 0 ，出 水水质达中水回用标准。 ( 2 ) 平板膜浓缩工艺中，膜通量和抽停比两者结合得到较短水力停留时间时， 污泥浓缩效果较好。但在运行通量相同时，较大的抽停比有利于减缓膜污染。 曝气强度对浓缩工艺影响不大。 ( 3 ) 中试平板膜污泥浓缩工艺中采取先高通量、后低通量的运行方式可提高污 泥浓缩速率。此外，相对于完全排泥和排泥1 2 的工况，排泥2 3 的工况出水 水质佳、膜污染趋势相对缓和。 ( 4 ) 小试平板膜污泥同步浓缩消化操作条件优化研究表明，膜通量为1 4 l m 2 h ， 曝气强度为2 m 3 h ，抽停比为5 m i n ：5 m i n 时运行效果最佳。高温对消解率的提 高帮助不大，但有利于减缓膜污染。 ( 5 ) 小试平板膜污泥同步浓缩消化工艺中，剩余消化污泥体积的不同对污泥消 解率、出水水质影响不大。投加粉末活性炭和沸石粉均能使膜阻力下降2 0 左 右，而投加沸石粉后效果更优。 关键词：平板膜，剩余活性污泥，污泥浓缩，污泥同步浓缩消化，膜污染 摘要 一_ - _ 一 a b s t r a c t i ti ss t u d i e di nt h i sr e s e a r c ht h a tt h ep l a tm e m b r a n ea p p l y i n gt oe x c e s sa c t i v a t e d s l u d g ec o n c e n t r a t i o n ，c o c o n c e n t r a t i o n d i g e s t i o n ，i n c l u d i n gr e s e a r c h e so ff e a s i b i l i t y a n do p t i m a lo p e r a t i o nc o n d i t i o nb o t hi nl a b o r a t o r ys c a l ea n df a c t o r ys c a l e b e s i d e s ， t h ee f f e c to fa d d i t i o no fa c t i v a t e dc a r b o np o w d e ra n dz e o l i t ep o w d e rd u r i n gt h e s l u d g ec o c o n c e n t r a t i o n d i g e s t i o ni sa l s os t u d i e d ( 1 ) b o n lo ft h et w oc r a f t s a r ef e a s i b l e t h ep r a c t i c a lo p e r a t i o no fs l u d g e c o n c e n t r a t i o nu s i n gp l a tm e m b r a n er e s u l t sa ta3 0 9 lm l s sc o n c e n t r a t i o na n d r e u s a b l ee f f l u e n t w h i l et h es l u d g ec o - c o n c e n t r a t i o n - d i g e s t i o no p e r a t i o ns h o w sa 6 0 s l u d g ed i g e s t i o nr a t eo f t o t a lm l v s s ，2 5 9 lm l s sc o n c e n t r a t i o na n da l s o r e u s a b l ee f f l u e n t ( 2 ) t h ee f f e c t so ff a c t o r ss u c ha sa e r a t i o ni n t e n s i t y , m e m b r a n ef l u xa n dt h er a t i oo f s u c t i o nt 油et on o n s u c t i o nt i m eo nt h er e s u l t so fp l a tm e m b r a n es l u d g e c o n c e n t r a t i o na r ei n v e s t i g a t e d i ti sf o u n dt h a ta e r a t i o ni n t e n s i t yh a sl i t t l ee f f e c t o nt h eu l t i m a t es l u d g ec o n c e n t r a t i o n h o w e v e r , t h em e m b r a n ef l u xa n d s u c t i o n t i m ea f f e c t ss l u d g em l s sc o n c e n t r a t i o nd u et ot h e i rr e l a t i o nt oh r t f o rt l l e e m u e n tq u a l i t y , a 1 1o ft h e s ef a c t o r sa f f e c tl i t t l e f o rt h em e m b r a n ef o u l i n g ，a b i g g e rr a t i oo f s u c t i o nt i m et on o n s u c t i o nt i m ei sf a v o r e d ( 3 ) d u r i n gt h ef a c t o r ys c a l eo p e r a t i o no fs l u d g ec o n c e n t r a t i o nu s i n gp l a tm e m b r a n e ， r e s e a r c h e so ft h ed i f f e r e n tv o l u m eo ft h es l u d g ek e p tf o rt h en e x tt u r na r e i n v e s t i g a t e d ，w h i c hr e s u l t st h a t1 3o ft h es l u d g ek e p ti nt h er e a c t o ri st h eb e s t f o re f f l u e n tq u a l i t y t h ev a r i a t i o no fm e m b r a n ef l u xo ft h eo p e r a t i o ni nd i f f e r e n t s t a g e si no r d e rt oa c c e l e r a t et h es l u d g ec o n c e n t r a t i o np r o c e s s i sp o s s i b l e ( 4 ) t h ee f f e c t so ff a c t o r sa sa e r a t i o ni n t e n s i t y , m e m b r a n ef l u x ，r a t i oo fs u c t i o nt i m e t on o n s u c t i o nt i m ea n dt h et e m p e r a t u r eo nt h er e s u l t so fl a b o r a t o r ys c a l es l u d g e c o c o n c e n t r a t i o n d i g e s t i o nu s i n gp l a tm e m b r a n ea r ei n v e s t i g a t e d u n d e rs u c h o p e r a t i o nc o n d i t i o na sm e m b r a n ef l u xo f14 l m 2 h ，a e r a t i o ni n t e n s i t yo f 2 m 5 h a n d5 m i ns u c t i o nt i m et o5 m i nt on o n - s u c t i o nt i m ei st h eb e s t ( 5 ) d u r i n gt h es l u d g ec o c o n c e n t r a t i o n d i g e s t i o no p e r a t i o no fl a b o r a t o r ys c a l e ，w e i i 摘要 a l s os t u d yt h ee f f e c t so f d i g e s t i o ns l u d g ev o l u m el e f to ft h el a s tt u r na n df o u n d l i t t l e m o r e o v e r , w es t u d yr e s e a r c h e so fa d do fa c t i v a t e dc a r b o np o w d e ra n d z e o l i t ep o w d e r , a n df o u n db o t ho ft h et w op o w d e r sc a nr e d u c ea b o u t2 0 m e m b r a n er e s i s t a n c ec o m p a r i n gt ot h eo p e r a t i o n sw i t h o u tt h e s ea d d i t i v e s ，a n d t h eo n ew i 也z e o l i t ep o w d e rr e s u l t sb e t t e rt h a nt h eo n ew i t ha c t i v a t e dc a r b o n p o w d e r k e yw o r d s ：f i a t s h e e tm e m b r a n e ，e x c e s sa c t i v a t e ds l u d g e ，s l u d g ec o n c e n t r a t i o n ， s l u d g ec o c o n c e n t r a t i o n - d i g e s t i o n ，m e m b r a n ef o u l i n g i i i 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印刷本和电子版 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：绛嘲 7 年3 月f 。e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在弓年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 关趁 哆年；月( 。e t 学位论文作者签名： 哆年弓月 彳稚 f0 1 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： 哆年3 月 | 绛甬 i 第1 章引言 第1 章引言 污泥处理是指对污水处理过程中产生的初沉污泥、剩余活性污泥及生物污泥 或其混合污泥进行减量化、减容化、稳定化及无害化处理，旨在降低污泥含水率， 缩小污泥体积，矿化污泥中的有机质，减少污泥中的有害病毒及病菌等并最终使 污泥无害化、资源化。 近年来，随着污水处理技术的进一步发展，污泥处理技术在国内外日益受到 重视。一方面，污水处理过程中产生的污泥如果得不到很好地处理处置将会造成 明显的二次污染；另一方面，污泥处理的费用在污水厂整体运行费用中占到了较 高的百分比。因此，如何对污泥进行经济有效地处理处置已经成为摆在环保工 作者面前的一个艰巨任务。寻求新型的、有效的、经济的污泥处理处置技术迫在 眉睫。 就我国而言，国内污泥处理处置技术刚刚起步，全国拥有污泥稳定处理设施 的污水处理厂的数量还不到总数的四分之一，而一直在稳定运行的则更是少之又 少。大部分污水处理厂仅停留在污泥减量化、减容化的阶段，且多数采用传统的 重力浓缩法，效果不佳。部分具有污泥稳定化处理阶段的污水厂也大多采用厌氧 消化的方法，存在较多的问题晗3 。因此，寻求适合我国国情的、新的、经济有效 的减量化、无害化和资源化的污泥处理技术具有重要意义。 膜分离技术是近年来受到众多学者广泛关注的污水处理技术之一，它在污泥 处理领域中的应用实际上与其在污水处理领域的应用具有异曲同工之妙。因为膜 分离所起到的固液分离作用可以在很大程度上实现污泥的泥水分离，从而达到污 泥浓缩及污泥减量化的效果；同时，若结合活性污泥法则可以同步实现对分离出 水的净化，省却了常规污泥浓缩过程中分离水分二次回流至污水处理领域的处理 费用；再次，在传统生物处理技术的基础上略微提高曝气强度还可以达到同步污 泥消化的效果聆“副。因此，探讨膜分离技术在污泥处理领域的可行性及工况优 化等研究将为我国污泥处理开辟一条新的道路。 1 1 传统污泥处理技术 城市污水污泥是指在城市污水厂处理污水过程中产生的固态废物。污泥的成 分极其复杂，含有很多病原微生物、寄生虫卵及重金属等，必须进行适当的处理， 否则会导致更严重的二次污染。 1 1 1 污泥的分类和特性 污泥是由可沉淀的同体颗粒物组成，也就是只有沉淀下来的固体才能形成污 第1 章引言 泥。从化学角度讲，可沉降的颗粒粒径大于1 0 0l am ；从工程的角度而言，采用 一定孔径( 如4 4um ) 的滤纸或滤器过滤废水，其截留的部分就是污泥。在污 泥处理处置过程中我们针对的污泥是粒径大于4 4um 的颗粒物，当污泥粒径小 于4 4pm 时则完成了污泥的分解或降解过程怕。 按照污泥的性质可以将其分为以有机物为主的污泥和以无机物为主的沉渣 1 2 o ( 1 ) 污泥有机物含量高，容易腐化发臭，颗粒较细，脱水性能差； ( 2 ) 沉渣颗粒较粗，密度较大，易脱水，流动性差，不易腐化。 按照处理方法，污泥又可分为初沉污泥、剩余污泥、消化污泥和化学污泥幢3 。 ( 1 ) 初沉污泥在一级处理过程中沉淀下来的污泥，正常情况下为棕褐色， 腐败后带灰黑色，有臭味，p h 值在5 5 - - 7 5 之间，略呈酸性，含水率一般在9 6 9 8 之间，有机质含量为5 5 - - 7 0 ； ( 2 ) 剩余污泥在生化处理等二级处理工艺中排放的污泥，外观为黄褐色 絮体，含水率一般在9 9 2 以上，有机质含量在7 0 - - 8 5 之间，p h 值为6 5 7 5 ： ( 3 ) 消化污泥初沉污泥和剩余污泥经过消化处理后达到稳定化、无害化 的污泥，其中大部分有机物被消解，不易腐化，同时污泥中的寄生虫卵和病原微 生物被杀灭，可以较为安全的填埋或农业利用； ( 4 ) 化学污泥絮凝沉淀和化学深度处理过程中产生的污泥，一般气味较 小，容易浓缩和脱水，有机质含量不高，不需要消化处理。 1 1 2 传统污泥处理技术 不同性质的废水所产生的污泥量是不同的，初沉污泥量可根据废水量、悬浮 物浓度、沉淀效率及污泥含水率进行计算；而剩余活性污泥的产量则取决于所处 理废水中污染物的浓度及所用的生化处理工艺本身。 污泥处理工艺是为了实现污泥的减容化、减量化、稳定化及无害化；而污泥 的最终处置一般是农用和陆地填埋。减容化就是减少污泥的体积，而稳定化则是 将污泥中的有机物矿化的过程，即在一定条件下，通过物理、化学或生化反应， 使污泥中的有机物发生分解或降解为矿化程度较高的无机物的过程。人们常用污 泥中有机物的减少程度及产物的生成量来评价污泥稳定化的程度。 污泥减容化、减量化的主要手段是污泥浓缩，而污泥稳定化的方式则包括很 多，如污泥厌氧发酵、好氧消化和好氧堆肥等8 一】。 ( 1 ) 污泥浓缩技术 污泥浓缩是指将污泥颗粒中大部分空隙水分离出来从而使污泥体积减小的 过程。污泥中所含的水分从微观角度讲，可分为空隙水、毛细水、吸附水和结合 2 第1 章引言 水四部分。空隙水是游离于污泥颗粒间的水分，约占污泥中总含水量的6 5 8 5 。浓缩作用下大部分空隙水可从污泥中分离出来。毛细水占污泥总含水量的 1 5 - - - 2 5 ，在自然干化和机械脱水的情况下可分离出来。吸附水被较强的表面 吸附能力吸附于污泥颗粒上，浓缩与脱水均不能使其分离出来。结合水则被颗粒 内部强大的化学键所结合，只有在颗粒结构改变的情况下才能分离出来。吸附水 和结合水约占污泥含水量的1 0 左右，仅在高温加热和焚烧的情况下才能分离。 常见的污泥浓缩技术有重力浓缩、气浮浓缩和离心浓缩三种工艺心一3 。 重力浓缩本质上属于压缩沉淀工艺。浓缩前，较高的污泥浓度使污泥颗粒 相互接触，并在上层污泥颗粒的重力作用下，将下层污泥中的空隙水挤压排出污 泥界面，从而使得污泥颗粒接触更紧密，污泥得到浓缩。 气浮浓缩初沉污泥的污泥颗粒密度约为1 3 1 5g c m 3 ，比较容易实现重 力浓缩；而剩余活性污泥的密度约在1 0 - - , - 1 0 0 5 9 c m 3 之间，重力浓缩并不适合。 气浮浓缩的机理就是针对剩余活性污泥絮体不易沉淀的特点，直接向污泥池 中强制充气，产生大量微小的气泡，附着在污泥絮体周围，使其密度小于1 o g c m 3 而上浮，最终实现污泥的浓缩。含固率在0 5 左右的污泥经气浮浓缩后可超过 4 。 离心浓缩用离心力取代重力对污泥进行浓缩。一般的离心力为重力的 5 0 0 - - - 3 0 0 0 倍，因而可以大大减小离心机的尺寸和缩短浓缩时间，尤其是对于不 易重力浓缩的污泥，如活性污泥的含固率可由0 5 提高至6 左右。另外，离 心机的密封性也在一定程度上减轻了恶臭，对于富磷污泥还能避免磷的二次释 放。目前普遍采用的是卧式圆筒型离心机。污泥浓缩后含同率在5 左右。 ( 2 ) 污泥消化技术 污泥经过脱水后仍含6 5 - - - , 7 5 的水分，大量的有机物及病原菌。污泥稳 定处理的目的就是充分利用污泥中的微生物降解污泥中的有机物质，迸一步减少 污泥含水量，灭活污泥中的细菌、病原体等，消除臭味，使污泥中的各种成分处 于相对稳定的状态。目前传统污泥消化技术主要有厌氧消化技术、污泥堆肥技术 及好氧消化技术等晗一引。 厌氧消化一般是在密闭的消化槽中，于3 0 下停留3 0 d ，通过兼性厌氧细 菌和厌氧细菌的作用使得有机物分解，最终生成以甲烷为主的沼气。目前国内外 污泥消化处理中仍以厌氧消化为主，但这种工艺水力停留时间长，反应效率不高， 为防止短路和不均匀，还需要搅拌设备，结构复杂，不便于管理操作。 污泥堆肥化堆肥化实际上是利用污泥中的好氧微生物进行好氧发酵的过 程。将生污泥( 未经消化的污泥) 按照一定比例与秸秆、稻草、锯末、树叶等植 物残体或与草炭、粉煤灰、生活垃圾等混合，借助于混合微生物群落，在潮湿环 第1 章引言 境中对多种有机物进行氧化分解，使有机物转化为类腐殖质。堆肥前，由于其含 水率往往大于8 0 ，故需要进行前处理，一般是进行干燥处理，如热干燥及自 然晾晒等。 好氧消化溶解性有机废水处理过程中产生的剩余活性污泥中的挥发性成分 由可生物降解和不可生物降解物质组成。可生物降解部分所占的比例是由内源衰 减系数b 和活性污泥工艺的s r t 决定的幢9 3 。在大部分处理工业废水的应用中， 剩余活性污泥将首先通过好氧消化过程进行稳定处理，然后在最终处置前进行浓 缩和脱水。 剩余活性污泥的好氧消化过程本质上属于细胞内有机物通过内源代谢进行 的氧化反应。 应用于可生物降解的挥发性悬浮固体时，该氧化作用遵循一级反应动力学： 垡也：e 一印( 1 1 ) ( 髟) 。 式中： t 一消化时间，d o ( 髟) ，一在时间t 时，可生物降解的挥发性固体的残留浓度，m g v s s l ； ( 蜀) 。一起始可生物降解挥发性同体浓度，m g v s s l ； k d _ 生物降解速率系数，d 。 以总挥发性同体计算( 包括可生物降解和不可生物降解) ，则式( 1 1 ) 可以 变化为： 圣二茎型：p 一即( 1 2 ) x q x 矗 式中： x 0 _ 起始v s s ，r a g l ； x 。一在时间t 时v s s ，m g l ； x 。广不可生物降解v s s ，m g l 。 当采用完全混合式时，公式( 1 2 ) 又可以修正为： 墨= 盏：j 二 ( 1 3 ) k x 耐l + k 并且所需的停留时间为： f ：墨二当 ( 1 4 ) k d ( x | 一x 1 d 、) 温度对好氧消化的影响，可以用式( 1 5 ) 来表示： k t = k m 只卜2 0 ( 1 5 ) 式中： k ，k 加一混合液温度为t 和2 0 c 时的反应速率系数； 4 第1 章引言 卜混合液温度，； 统一经验温度修正系数。 该公式适用于温度为4 到3 1 之间，k 值随着温度的提高而呈指数性上升。 根据投加到好氧消化池中混合液的s r t 值，温度修正系数可在1 0 2 到1 0 4 之间 变化。 好氧与厌氧相结合厌氧消化与好氧消化相结合的技术，也是一种污泥消化 的一种方式。在国外，将池塘应用于污泥稳定化的过程就是经过厌氧作用机理或 好氧与厌氧相结合的过程完成的。在表面好氧层下，厌氧条件占优势，甲烷气得 到释放同时有机酸不断形成，这些低产率产物又扩散至好氧层中逐步被氧化掉 3 。在整个碳稳定化过程中，污泥6 5 的消解率是通过甲烷发酵完成的。总的来 讲，剩余活性污泥在自然氧化塘中被处置的整个过程使得上层液体中藻类活动可 维持好氧条件，而沉淀的污泥可以经历厌氧消化。这一工艺已经在美国的德克萨 斯州休斯顿市成功用于石化厂剩余活性污泥的处理中。 湿式氧化法( w o ) 在高温高压下实现的污泥物理化学处理方法。反应温度 和压力对污泥的稳定化程度有很大的影响，一般在3 0 0 和3 0 0 m i n 的停留时间 下c o d 去除率可达8 0 。由于剩余活性污泥是由大量的细菌群组成的，故它在 高温下比较容易水解，从细胞中释放出大量可溶性有机物n 1 “剁。 热干燥法利用热和压力破坏污泥的胶凝结构，并对污泥进行消毒杀菌。该 法能够大大减少污泥的体积，且干燥后的剩余污泥能够成为一种有价值的农用肥 料。最大的缺点是初期投资费用和每日所需的能量费用过高。 1 2 膜分离技术 从广义上讲，膜可定义为两相之间的一个不连续相，可以是液相，气相和固 相，目前常用的膜多属同相聚合物膜。采用天然膜或人工合成膜，以外界能量或 化学位差作为推动力对溶液中的溶质或溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法 统称为膜分离技术。 目前常见的膜分离技术可以分为微滤( m i c r o f i l t r a t i o n ，简称娅) 、超滤 ( u 1 t r a f 订t r a t i o n ，简称u f ) 、反渗透( t e v e r s e o s m o s i s ，简称r o ) 、电渗析 ( e 1 c t r o d i a l y s i s ，简称e d ) 、渗透蒸发( p e r v a p a r a t i o n ，简称p v ) 和液膜分 离( l i q u i dm e m b r a n e ，简称l m ) 等3 1 副。 相对于其他常规过滤过程，膜分离技术具有如下的优点： ( 1 ) 不发生相变，和其它方法相比能耗较低，因此又称省能技术； ( 2 ) 在常温下进行，因而特别适用于对热敏感的物质； ( 3 ) 适用于有机物和无机物，从病菌、细菌到微粒的广泛分离范围； 第l 章引言 ( 4 ) 装置简单，操作容易，易控制、维修，且分离效率高。 1 2 1 超滤及微滤膜 超滤是介于微滤和纳滤之间的膜过程，其孔径在0 0 5um 至1um 之间，但 在实际应用中一般以截留分子量来表征。微滤膜孔径则在0 1um 和1 0 i lm 之间， 是一种具有筛分过滤作用的多孔固体连续介质。二者都属于多孔膜，主要用于分 离溶液中的大分子、胶体和微粒。 它们的分离机理可以用筛分机理来解释，其截留率取决于溶质的尺寸和形 状。 描述超滤膜透过性的参数是膜通量，用达西方程可以这样表述： j v = 彳p ( 1 6 ) 式中：p 为膜两侧的压力差；a 为渗透常数，与膜的孔隙率、孔径和孔径 分布等膜结构特征以及料液粘度等因素有关。 对于微滤膜而言，其分离机理也主要是筛分机理，将尺寸大于其孔径的固体 颗粒或颗粒聚合体截留。 1 2 2 膜一生物反应器 膜一生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，简称惦r ) 是一种将膜单元与生物 反应器相结合的一个生化反应系统，主要由膜单元、泵和生物反应器三部分组成。 按照膜在生物反应器中所起的不同作用，m b r 又可以分为萃取膜生物反应器、 无泡膜生物反应器和分离膜生物反应器三种h 3 | 。 ( 1 ) 萃取膜一生物反应器 萃取膜一生物反应器中废水和活性污泥被膜隔离，废水在膜腔内流动，而活 性污泥在膜区外。该反应器中所用的膜是硅橡胶或其他疏水性聚合物，废水中的 挥发性有机物，如芳烃、卤代烃等经过膜的萃取后，以气态形式离开膜表面并溶 解在活性污泥中并最终降解。而废水中的其他成分则由于膜的疏水性能而不能透 过膜。 ( 2 ) 无泡曝气膜一生物反应器 无泡曝气膜一生物反应器的膜具有透气性，传质阻力小，可在高气压下运行。 故这类反应器是在膜腔内将空气和氧气在浓差极化推动力的作用下，向膜外的活 性污泥扩散，以达到曝气的效果。目前常用的膜有两种，即透气性致密膜和疏水 性微孔膜。对于前者，氧气在气相侧先吸附于高分子聚合物上而后向液相扩散， 需要的气压较高；相对于微孔膜而言，则是在气压较低的情况下氧气先在膜表面 形成气泡，然后在表面张力作用下吸附在膜表面，并通过膜孔向液相传质。 ( 3 ) 固液分离膜一生物反应器 6 第1 章引言 固液分离膜一生物反应器中直接用膜分离单元替代传统活性污泥法中的二沉 池，将膜分离技术与生物处理技术相结合，具有以下优点： 出水水质好，可直接再利用； 活性污泥浓度高，容积负荷高，占地面积小； 抗冲击负荷，出水水质好； 污泥停留时间长，处理效果佳，有利于硝化菌的生长； 污泥产量低； 系统结构简单，操作管理容易实现自动化。 固液分离膜一生物反应器是目前研究最为广泛的一类膜一生物反应器，其余 两种类型的膜一生物反应器还没有实现工程应用化。 固液分离一膜生物反应器按照膜组件的位置不同，又可以分为分置式一膜生 物反应器和一体式一膜生物反应器引，如图1 1 所示： 分置式一膜生物反应器中的混合液由循环泵增压打至膜组件的过滤端，并在 压力作用下透过膜得到滤液出水，而被膜截留的同体及大分子物质则作为浓缩液 回流至生物反应器中。 进水 污泥回流进水 空气 7 l 7 1 卜 f ：。 ：玲；递。 生物反应器 水 空气 生物反应器 图1 1 分置式( 左) 和一体式( 右) 船r 示意图 水 一体式一膜生物反应器则是将膜组件直接置于生物反应器内部，原水在进入 反应器后一方面由于活性污泥的作用使得污染物得以降解，另一方面活性污泥的 混合液在膜的截留作用下得到过滤出水。 目前一体式一膜生物反应器的应用比较广泛。 1 2 3 膜污染机理 所谓膜污染，就是在运行过程中膜性能变差，膜通量逐步减小，最终导致膜 操作系统崩溃的过程。合理的设计和操作条件可以在一定程度上减缓膜污染趋 势，但不能完全阻止其发生。故当膜污染发展到一定程度时，需要采用有效的清 洗方式，在一定程度上恢复膜的出水通量。 严格地讲，膜污染可以定义为进料中某些悬浮固体、胶体粒子和各种溶质分 子与膜材料或膜材料上已吸附组分之间相互作用，而在膜表面或膜孔中吸附、沉 7 第1 章引言 积，使膜渗透通量和分离特性产生不可逆衰减，即使通过膜清洗也无法恢复膜通 量的现象5 删。 但在实际操作过程中，膜污染引起膜通量的不可逆衰减又往往和浓差极化引 起的可逆性通量衰减相连。我们把膜污染定义为膜通量的可逆衰减与不可逆衰减 的总和哆18 1 。 ( 1 ) 膜污染模型 l k 1 r r 印丁 图1 2 膜过滤阻力分布示意图 膜分离模型主要包括：、膜阻力模型、泥饼阻力模型、浓差极化模型等几种， 而膜污染模型也相应的有泥饼阻力模型、浓差极化模型、剪切诱导力模型等n 钊。 a 膜阻力模型 膜分离的最常用的模型是c h e r g a n ( 1 9 8 6 ) 等人提出的达西方程： ，：尘l( 1 7 ) r 式中： r 一水力阻力； 一流体粘度系数。 将膜应用于污水污泥处理中时，阻力不仅仅只有膜阻力，还有其它的阻力， 此时： r = r 。+ r | p + r r ，= r , i + r e ( 1 8 ) ( 1 9 ) 式中： 如一清洁膜阻力； r 。一极化层阻力； 死一膜污染阻力； r 一一外部污染阻力； 足，一内部污染阻力。 b 泥饼阻力模型 在反应器水力循环条件较差，曝气形成的膜面错流速度不足以冲刷掉膜面泥 第l 章引言 饼层的情况下，泥饼阻力是膜阻力的主要部分，它的形成和变化决定了膜运行过 程中的通量变化。 在死端运行的模式下，根据物质守恒，污泥泥饼的增长可以表达为( 1 1 0 ) ： 警耻织警 式中： 、 卜通量。 c 一泥饼厚度； 卜料液主体颗粒物体积比( 即料液主体中颗粒物占溶液的体积比) ； c 一膜面颗粒物体积比( 即在膜表面处颗粒物占溶液的体积比) 。 在阻力r 构成的主要是清洁膜阻力和污泥阻力的情况下，可以得到： t心心 j2 了= 弋2 1 1 ( 如+ 足) k + 疋疋j ( 1 1 1 ) 式中： 足一泥饼阻力： 定一泥饼阻力系数( 忘瞑= r ，瞑为泥饼厚度) 。 式( 1 9 ) 、( 1 1 0 ) 联立，解得： 即，= 小穰矧m 5n 蚴 c 浓差极化模型 由于膜的选择透过性，溶质中大部分物质被截留，积累在膜高压侧，形成膜 表面与主体溶液之间的浓度梯度，促使溶质从膜表面和边界层向主体溶液扩散， 导致浓差极化。如图( 1 3 ) 所示： i i i i i l i ：已。 i i ! j g ：一 d 曲钮 x6 0 图1 3 稳态条件下边界层形成后超滤膜附近区域的浓度分布 由于浓差极化现象，溶质透过膜的推动力增加，而溶剂透过膜的推动力则下 9 第1 章引言 降了。为了减少浓差极化的影响，应强化膜表面的传质过程，提高传质系数d 。 理论上，膜的渗透通量应与膜两侧的净压差成正比，但在超滤过程中经常会 出现膜两侧的压差变化对膜渗透速率不起作用的情况，这就是所谓的传质控制 区。 当料液中被截留物质在膜面上沉积形成凝胶时，随着超滤过程的进行，凝胶 层加厚，直至膜通量达到某一平衡值。当增加膜两侧压差时，短时间内可以使膜 通量得到提高，直至凝胶层进一步沉积，重新达到平衡态。在这种情况下，通过 增加膜两侧压差来提高膜通量是不可行的，只能通过强化传质来提高膜通量。 使颗粒物向膜迁移的力主要是渗流力，在极化层的某点上，向膜迁移颗粒的 量： 五= ，c ( 1 1 3 ) 当由膜表面极化层返回的颗粒物数和由料液主体进入极化层的颗粒数达到 平衡时，稳定的极化层便形成了。 j ：旦l i l 笠 万c b ( 1 1 4 ) 式中： 万一极化层厚度( 可由边界层理论计算得到) ； c 。一极化层浓度； c 一料液主体浓度。 d 剪切诱导扩散模型 z y d n e y 和c o l t o n 在1 9 8 7 年提出了剪切诱导力扩散模型。颗粒间的剪切力 诱导扩散是指在流体中单个颗粒与其它颗粒随机碰撞，从而引起颗粒从流线内随 机位移的现象。1 9 7 7 年e c k s t e i n 等人6 3 对剪切诱导扩散度d 。进行了试验估测， 通过测量受剪切悬浮液中标记粒子的侧向位移( 1 a t e r a ld i s p l a c e m e n t ) ，发现d 。与 剪切速率成正比，与粒径的平方成正比： d s = o 0 3 d p 2 y o 0 2 c b o 5( 1 1 5 ) 此外还发现，布朗扩散适用于低剪切速率，粒径在u m 以下的颗粒。而对于 粒径在t l m 以上的颗粒，剪切力诱导扩散则起控制作用。将d s 引入经典膜模型 中替代布朗扩散度d ，可得3 0 - 圳朋8 时h c 啪一，m j = 。2 6 7 。i d 兰4c w 一 j c c n c m ，c 7 ， l o 第1 章引言 式中： 壁面剪切率y o = 气r ；壁面剪切压力r o = a , p u 2 8 ；对于层流旯= 6 4 r e ： 对于紊流五= 0 3 1 6 r e _ o ；雷诺数r e = 4 碱q ；水力直径d l i = 面积湿周。 1 3 膜清洗方式 膜分离装置实际运行一段时间后，不可避免将发生膜污染，导致膜渗透通量 的衰减和膜阻力的上升。因此膜组件的清洗是膜分离实际应用工程中不可忽视的 环节。膜组件的清洗主要有物理清洗和化学清洗两种。物理清洗包括在线表面气 水冲洗、海绵球清洗、气液脉冲、机械刮除、电泳法等；化学清洗则是按照化学 清洗剂划分为酸碱液、螯合剂、氧化剂、还原剂、酶清洗等n 3 一“1 9 棚3 。 物理清洗的本质是用机械方法从膜面上脱除污染物，或在水力对膜面形成的 剪切力作用下，将膜面沉积物冲洗下来。在采用在线表面气水冲洗对膜进行清洗 时，由于混合液中各组分向膜面的对流传递作用可视为零，故反扩散和膜面剪切 力的共同作用下，对膜面沉积物的清洗效果较好。这种清洗方法能在一定程度上 减缓膜污染速率，但无法消除不可逆污染所引起膜阻力的上升及膜渗透通量的下 降。另外，对于平板膜，可在其污染后从反应器中取出，用海绵擦洗，有效去除 吸附和沉积在膜面的污染物质，保护膜面不受化学损伤。 化学清洗效果较好，一般在物理清洗无法发挥其应用效果后采取化学清洗， 但化学清洗一方面消耗药剂，造成二次污染，另一方面，化学清洗也给实际工程 的运行带来诸多不便。故由于膜污染的存在，膜在经过长时间的运行后通过化学 清洗来保持其通量是不可缺少的，但应尽量减少化学清洗的频率。 对于一体式m b r ，化学清洗可分为在线和离线两种清洗方法噱。在线清洗， 即膜组件仍浸在曝气槽中，清洗药水通过透过液管道进入膜内，并透过膜进入混 合液侧，使膜孔和膜表面沉积的污染物质分解，膜阻力下降。离线清洗，则将膜 组件从曝气槽内取出后，在药液内浸渍一定时间，再以透过液冲洗干净。两种清 洗方法的比较见表1 1 所示： 表1 1 在线和离线化学清洗的比较 清洗方法清沈过程目的效果及可操作性 清洗液通过透过液管道进入 保持膜正常运行， 在线清洗膜内，透过膜到混合液侧，维持较i 岛通量， 可操作性强，但清洗效 使膜孔和膜表面沉积物分解减少离线清洗频率 果比离线清洗差 将膜从反应器中取出，浸在使经过长期运转，衰退清洗效果好，但可操作 离线清洗 药液清洗槽内清洗的膜性能得到恢复性差 化学清洗中大多采用次氯酸钠( n a c l 0 ) 脱除有机物及微生物污染，用草酸 脱除无机污染物，如表1 2 是日本k u b o t a 公司提供的用于一体式平板m b r 化学 清洗的药剂用量和清洗方法幢刳。 第1 章引言 表1 2 一体式平板m b r 清洗剂用量和清洗方法3 清洗方法 污染物清洗剂 浓度清洗时间清洗场所 频率( 次年) 有机物n a c l o 0 5 ll 2 h 槽内 l 2 在线清洗 无机物草酸 1l 2 h 槽内 1 微生物污染 n a c i o 0 1l 2 h 槽内 l 2 有机物 n a c l o 0 1 o 21 2 h槽外l 2 离线清洗 无机物草酸 0 1 o 2l 2 h 槽外 1 水清洗堆积物高压水1 分枚槽内 1 4 膜分离技术应用于污泥浓缩消化 膜分离作用本身具有的污泥浓缩作用早在1 9 9 9 年就被日本的y a m a m o t o 研究 过。他采用中空纤维膜分离装置与曝气池相结合的运行方式，在处理污水的同时 对反应器中的污泥进行浓缩，并申请了相关的专利。 p h a g o od e o n a r i n e ( c a ) 和t h o m p s o nd o u g l a sj o s e p h ( c a ) 等在2 0 0 5 年申请 的专利中对采用浸没式膜生物反应器的污水处理厂进行了研究。他提出膜生物反 应器中膜的固液分离作用不仅可以用来处理污水，同时还能对反应器中的污泥进 行浓缩，且这两部分作用是可以同时进行的，膜分离单独用来浓缩污泥的作用与 其对污水的处理作用具有异曲同工之妙。 m i y a s h i t as a t o s h i 等曾在污泥浓缩方法与浓缩系统的专利中提出了一种采 用中空纤维膜来对污泥进行浓缩的方法。他的研究是针对如何在具有高污泥浓度 的中空纤维膜生物反应器中长期维持高通量运行提出的，整个工艺为初沉池污泥 通过膜分离装置后再经过一个污泥浓缩池来实现污泥的最终浓缩。膜分离装置包 括膜分离池( 用以贮存污泥) ，内有分置式膜片和抽吸泵。膜组件采用的是中空 纤维膜，为了维持较高的通量，高分子的阳离子聚合物被投加至膜分离池中，以 获得聚合度较高的污泥絮体，减轻膜污染，维持高出水通量。 p i e r k i e l 和l a n t i n g 等曾对污水处理厂的实际排泥进行了由膜分离装置与 厌氧消化装置相结合的污泥同步浓缩消化处理研究。结果表明，膜的固液分离作 用避免了污泥浓缩中投加的高分子聚合物对厌氧消化的影响，在平均污泥浓度 ( m l s s ) 达到1 8 9 l 时，m l v s s 的消解率可以达到5 9 ，此时水力停留时间为 1 3 d ，试验中采用的振动膜的通量为1 6 2 0m 3 m s - d ，管状膜的通量在3 4 3 6m 3 m d 之间。 y o s h i k a w a m 等人研究了在高效厌氧反应器中结合膜过滤装置来改善厌氧 消化出水水质及利用膜分离装置中污泥的回流作用来促进污泥消化的过程，取得 了很好的效果。 从国外相关研究看，目前尚没有利用平板膜组件进行污泥浓缩及同步浓缩消 化的研究。然而平板膜组件具有抗污染能力强、清洗方便等显著特点，在污泥浓 1 2 第1 章引言 缩及消化过程中具有较好的适用性。 本文中平板膜在污泥浓缩中的应用就是针对污水厂内浓度低、活性大的剩余 污泥提出的一种新型污泥浓缩工艺，工艺流程如图1 4 所示。 在该工艺过程中，直接利用平板膜的固液分离作用，解决了剩余污泥及其与 初沉污泥的混合物在常规重力浓缩下沉降性能差而导致污泥浓缩效果不佳的问 题，避免了浓缩池上清液污染物浓度高等问题。因为在膜浓缩的过程中，污泥中 的水分在膜分离的作用下直接作为膜出水排出，出水水质好，达到中水回用标准， 可以在污水厂内污泥脱水机房的配药、冲洗、冷却等处使用，也可以在洗车、绿 化等方面使用。由于平板膜浓缩的运行费用( 包括膜组件) 在0 8 元m 3 ，故以 上海市自来水居民使用价格考虑，用膜出水替代自来水作为上述脱水机房等用水 时，不仅可以抵消膜浓缩的运行费用，还可以节省自来水费用。 性污泥 膜出水回用 膜浓缩污泥污泥脱水系统污泥外运处置 图1 4 平板膜污泥浓缩工艺示意图 平板膜污泥同步浓缩消化技术则是结合了污泥浓缩与好氧缺氧消化过程。 与国外研究的同步浓缩厌氧消化不同的是膜分离装置与低氧消化反应器是一体 化的，曝气装置起到了减缓膜污染和提供污泥消化环境的同步功效。其创新性在 于膜分离在污泥浓缩中的应用及污泥浓缩与低氧消化的同步运行。 总之，平板膜在污泥浓缩及消化中的应用技术基本解决了常规浓缩、消化工 艺存在的一些问题。另外，由于膜分离装置的结构紧凑，占地面积小，容易实现 自动化操作，也大大节省了基建费用和运行费用，在上海这样的大中型城市应用 具有显著的优势。 第2 章课题来源及研究内容和方法 第2 章课题来源及研究内容和方法 2 1 课题来源及研究背景 本课题为上海市科研计划项目“平板膜在污泥浓缩消化中的应用研究”的研 究内容，项目编号为：0 5 2 3 1 2 0 4 6 。 由于国内污水处理技术的深入发展，随之产生的污泥处理处置问题开始变得 相当严峻。而据统计，目前国内大多数污水处理厂的污泥处理技术仅停留在污泥 浓缩脱水然后直接外运的简单处理水平，污泥稳定化技术根本没有普及。污泥浓 缩也主要采用重力浓缩方式，存在着诸多弊端协墙一剀： ( 1 ) 重力浓缩效果差，出水水质不达