（环境工程专业论文）复合生物反应器膜分离技术处理城市污水的试验研究.pdf

西安建筑科技大学博士学位论文 复合生物反应器膜分离技术处理城市污水的试验研究 专业：环境工程 博士生：曹斌 导师：王晓昌教授 摘要 本论文是国家自然科学基金重点项目“西部干旱缺水地区水资源再生利用研究”的专题 之一，针对城市污水的特点，采用复合淹没式膜生物反应器中试装置对其进行了处理试验与 回用研究。复合膜生物反应器是在传统活性污泥反应器中投加悬浮载体，形成悬浮生氏的活 性污泥和附着生长的生物膜两种微生物共同承担生物降解的作用，并将淹没式微滤( m f ) 膜 组件安置于复合生物反应器内，以实现圃液分离的目的。 对复合生物反应器和活性污泥反应器处理城市污水的功效进行了对比试验，探讨了复合 生物反应器中微生物比耗氧速率与出水底物浓度之间的相关关系；研究了复合淹没式膜生物 反应器处理城市污水及回用的特性，从微生物维持能角度出发，计算了系统的维持能和污泥 产率系数；分析了复合系统微生物组成的特点，对同时硝化反硝化的现象和机理进行了研究， 并对其动力学问题进行了数学描述；对影响膜污染的一些控制因素进行了试验检验，建立了 膜过滤污染机理评价模型；初步分析了膜生物反应器污水处理系统的技术经济性。论文的主 要工作及其成果包括以下几个方面： 1 在对等的试验条件下，对复合生物反应器和传统活性反应器两系统处理城市污水的功 效进行了对比分析。试验表明复合生物反应器出水中色度、c o d 、t o c 、n h 3 - n 的浓度比活 性污泥反应器低，证明h b r 系统比c a s 系统具有较商的污染物去除能力和较强的抗冲击负 荷能力，硝化作用显著。因生物膜的存在，h b r 改善了活性污泥易膨胀、流失和沉降性差等 缺点，使h b r 系统比活性污泥系统具有更佳的运行稳定性。对好氧复合生物处理系统而言， 微生物的比耗氧速率更能准确地反映其活性程度，且微生物的比耗氧速率与出水底物c o d 之 间存在m o n o d 关系。复合生物反应器生物降解过程中，生物膜起着重要作用。 2 采用复合淹没式膜生物反应器试验装置在西安市北石桥污水净化中心对城市污水进 行了处理试验。试验结果表明，系统出水浊度小于1 n t u ( 平均值为0 ，5 9 n t u ) ，s s 来检 h ， 色度值在9 3 9 度之间( 平均值为3 0 度) ，c o d 浓度为6 0 - 2 2 8 m g l ( 平均值为1 4 5 m g l ，去 除率达9 5 5 ) ，n h 3 n 浓度在0 1 1 6 m g l 之间( 平均去除率为9 7 8 ) ，t n 浓度n ： l 曲安建筑科技大学博士学位论文 8 2 2 0 0 m g l 之间( 二f 均值为1 3 6 m g l ，平均去除率为7 1 7 ) ，t p 浓度在o 3 3 2 7 m g i 之 间( 平均值为1 2 2 m g l ，平均去除率为7 2 5 ) ，对粪大肠杆菌群的去除率达3 - 4 l o g 以i ：。_ | 萸 出水经消毒处理后可完全满足任何用途的城市杂用水水质要求。依据试验数据，在p i n 维持 理论基础上，推导计算了系统的维持能系数e 和微生物( 污泥) 产率系数y ，其值分别e = 0 0 2 8 5 m g c o d m g t b h 和y = 0 1 2 9 m g t b m g c o d ，j 者均低于悬浮生长m b r 的数值。这魄 明复合系统在底物利用中表现出了对水质水量的变动有较强的适应，陀，运行稳定性更佳日剩 余污泥产量减少。 3 通过镜检的方法对复合生物反应器中微生物的结构特征和组成进行了长期观察，分析 了微生物组成的特点。镜检发现，悬浮相和附着相上有大量的菌胶团和丝状菌。在崔物膜上 存活的细菌，其种属基本上与生患在活性污泥上的细菌相同。其中，丝状菌优先存活在生物 膜上。系统内生息的原生动物和后生动物也非常丰富。相比较而言，附着相中的生物多样性 优于悬浮相，说明在生物净化过程中生物膜起着菱要作用。经对生物膜和活性污泥进行的扫 描电镜图象显示，生物膜絮体结构较活性污泥密实，二者均由大量短杆菌和部分球菌等细菌 组成，生物膜内球菌的数量多于活性污泥。 4 通过试验观测到好氧复合膜生物反应器工艺具有较强的硝化作用和反硝化作用功效， 其对n h 3 - n 、t n 和t p 的去除率分别为9 7 8 、7 1 7 和7 2 5 ，生物脱氮除磷效果显著，并 对完全好氧系统的同时硝化反硝化行为和机理进行了分析研究。其理论观点是生物絮体的氧 微环境和好氧反硝化以及异养硝化作用促使了好氧反应器的同时硝化反硝化过程的发生，进 而在完成对碳去除的同时达到了脱氮除磷的功效。主要是生物膜的多层结构，因氧浓度梯度 形成的外层生物膜中好氧硝化菌占优势，主要进行硝化反应；内层异养反硝化菌占优势，主 要进行反硝化反应。另外，由于系统内商浓度的活性污泥，使得氧传递系数减小，可在絮体 内部形成局部的缺氧微环境。在试验条件下，复合系统的硝化速率和反硝化速率不受氮负荷 大小的限制，随着水中氮负荷的增加，其相应的去除率也随之线性增加。当c o d 负稿率在 o 1 0 2 k g c o d k g t b d 时t p 的去除效率明显提高。计算表明，复合m b r 系统的最大比硝化 速率和最大反硝化速率分别为0 。0 2 d 。和7 7 1 0 。d ，数据反映了其反硝化速率要小于硝化 速率，进一步优化操作条件还可提高脱氮效率。 5 试验研究了操作条件如m l s s 浓度、t m p 、曝气以及间歇过滤模式等对膜污染的影响， 分析了空曝气、水力反洗与化学清洗对消除膜污染的影响，研究了m f 膜渗透中膜孑l 堵塞和 滤饼层过滤机理。淹没式m b r 系统的的膜污染过程可用“两段式”来描述，即：过滤初期， 膜污染有一个快速增长期，随之膜孔堵塞和滤饼层达到动态平衡并趋于稳定，膜污染增长缓 慢。操作条件与膜污染直接相关，适宜的操作条件可有效控制膜污染的发生及其程度。试验 结果表明，淹没式膜生物反应器底韶曝气形成的紊流态产生水力剪切力使膜丝处于抖动j 陕忿， 避免了污泥颡粒在膜表面和膜孔内的过多积累，进而减缓了膜污染发生的程度。间歇过滤模 i l 西安建筑科技犬学博士学位论艾 ! ! ! ! = ! = ! = 日口e = 自自= = e ! ! ! = ! = g ! 自= ! ! ! ! = = = j t 自! e ! ! 口! = 自e ! s ! ! = ! = ! $ 目芒i i e j t = ! ! ! ! = = # 自! 1 2 1 1 = ! i j ! 目= 3 1 = ! ! = ! = = e = = ! = = ! ：= = 式可有效控制膜污染的发生和发展，适宜的问歇渗透时间模式对控制膜污染是有效f l _ i ，停抽 时间的过度延长对控制污染效果不显著。空曝气和水力反洗主要去除膜面污染，化学清洗j 消除因膜i l 堵塞引起的内部污染。建立了微滤膜标准膜孔堵塞和滤饼层过滤模型，计算得到 的标准膜孔堵塞常数尬和滤饼层过滤常数丘分别近似为2x 】0 。和2 1 0 ，试验捡验发现， 稳态的膜过滤机理属于同时的标准膜孔堵塞和滤饼层过滤，二者均控制着整个膜过滤过程， 6 通过费用一效益原则分析研究了膜生物反应器污水处理中的成本构成、主要影u 向因素 等，并与传统生物处理系统进行了成本比较。在投资总成本中，膜组件购置费用所占的比例 最高，且投资成本随着膜成本和非膜成本的增加而增加，与系统的处理规模成反比。在淹没 式构型中，曝气占总能耗的主要成分。m b r 系统的运行管理费用与膜通量、膜寿命成负对数 关系，而与膜价格成线性关系。在膜污染允许的范围内，可提高反应器内的m l s s 浓度，以 维持低污泥产率，降低运行管理成本。综合考虑投资成本、运行管理成本和占地费用等因素， m b r 系统较其它传统系统具有最佳的竞争优势，其发展的前景十分活跃。 上述研究成果表明，复合淹没式膜生物反应器用于城市污水处理，其出水经消毒处理后 可满足任何用途的城市杂用水水质要求。复合生物处理系统与传统生物处理系统相比，具有 降解能力强、运行稳定可靠和脱氮除磷功效等特点。生物膜与活性污泥法联用，可有效改善 传统活性污泥法的些不足和缺陷，并且在充分发挥两种微生物技术优势的基础上，通过提 高生物量、减少工艺流程和缩短反应时间等，达到更佳的去除效粟。复合淹没式膜生物反应 器技术非常适用于污水的分散式处理及回用。 关键词：淹没式膜生物反应器活性污泥生物膜复合工艺污水处理 论文类型：应用基础研究 本论文得到国家自然科学摹金重点项目“柏部干早缺水地区水资源再生利川研究( 编号：5 0 】3 8 0 2 0 ) ”的资 助，作者深衷感谢。 】l l 曲安建筑科技大学1 尊j ：学位论文 a s t u d yo i lt h eh y b r i db i o r e a c t o r - m e m b r a n es e p a r a t i o np r o c e s s f o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t s p e c i a l t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g a u t h o r ：c a nb i n a d v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gx i a o c h a n g a b s i r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sac o m p o n e n to ft h ek e yp r o j e c t s t u d yo nt h er e c y c l i n ga n dr e u s eo fw a t e r r e s o u r c e sf o rt h ea r i da n dw a t e r - d e f i c i e n ta r e ai nw e s tc h i n a f o u n d e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a ( n s f c ) ，ah y b r i ds u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( h s m b r ) w a sd e v i s e df o r m u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dr e u s e ，c o m b i n i n gb o t hs u s p e n d e dg r o w t h - a c t i v a t e ds l u d g ea n d a t t a c h e dg r o w t h - b i o f i l mi no n eb i o t e a c t o rb ya d d i n gs u s p e n d e dc a r r i e r si n t ot h em i x e ds u s p e n s i o n ， as u b m e r g e dm fm e m b r a n em o d u l ew a se q u i p p e di nt h eb i o r e a c t o rf o rs o l i d l i q u i ds e p a r a t i o n t h ec o m p a r i s o no ft r e a t e de f f e c t sb e t w e e nh y b r i db i o r e a c t o r ( h b r ) a n dc o n v e n t i o n a la c t i v a t e d s l u d g eb i o r e a c t o r ( c a s ) w a sa n a l y z e d ，t h ep r o p e r t i e so ft h eh s m b rp r o c e s sf o rm u n i c i p a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dr e u s ew a ss t u d i e d ，t h ec o e f f i c i e n to fm a t n t e n a n c e ，ea n dt h et h e o r e t i c a l c o n v e r s i o n ( s l u d g e ) y i e l d ，y ，w e r et h e r e f o r ec a l c u l a t e do nt h eb a s i so ft h em a i n t e n a n c ee n e r g yo f b a c t e r i ai ng r o w i n gc u l t u r e s i na d d i t i o n ，t h em i c r o o r g a n i s mc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e s es i m u l t a n e o u s n i t r i f i c a t i o na n dd e u i t r i f i c a t i o nw e r es t u d i e d ，a n dt h ek i n e t i c sw a sd e s c r i b e dm a t h e m a t i c a l l y t h e c o n t r o l l i n gp a r a m e t e r so nm e m b r a n ef o u l i n gw e r ed e t e c t e de x p e r i m e n t a l l y f i n a l l y , t h ep r i m a r yc o s t a n a l y s i so fm e m b r a n eb i o r e a c t o rf o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n tw a se v a l u a t e d t h em a i nr e s u l t so ft h i s s t u d y a r ea sf o l l o w s ： 1 t h ee f f i c i e n c i e so fh b ra n dc a sf o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n tw e r ec o m p a r e da t p a r a l l e l o p e r a t i o n a lc o n d i t i o n s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o l o r , c o d ，t o ca n dn h 3 一no f e f f l u e n ti nh b r s y s t e mw e r el o w e rt h a nt h a ti nc a ss y s t e ma sw e l la si n c r e a s e do r g a n i c sr e m o v a l a n ds h o c kl o a d i n gr a t e m a r k e dn i t r i f i c a t i o n n l ea t t a c h e dg r o w t h b i o f i l mi nh b rs y s t e mc a n i m p r o v e dt h ed i s a d v a n t a g e sc a u s e db ys l u d g ee x p a n s i o na n dp o o rs e t t l e m e n t ，w i t ht h er e s u l to f g o o do p e r a t i o n a ls t a b i l i t yi nh b rp r o c e s s a c c o r d i n gt ot h ea e r o b i ch b rs y s t e m ，t h es o u rc a a r e f l e c t st h ee x t e n to f m i c r o b i a lv i a b i l i t ya n da c t i v i t ya n dt h es o u rc a nb cr e l a t e dt ot h ee q u i l i b r i u m s u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o ns i m i l a rt ot h ec l a s s i c a lm o n o de q u a t i o n t h eb i o f i l mp l a y sam a i nr o l ei n b i o d e g r a d a t i o nc o m p a r i s o nw i t ha c t i v a t e ds l u d g e 西安建筑科技大学博士学位论文 2 t h eh s m b rp r o c e s sw a se x p e r i m e n t e df o rm u n i c i p a lw a s l e w a t e rt r e a t m e n ti nx i a n b e i s h i q i a ow a s t e w a t e rp u r i f i c a t i o nc e n t e r t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h ef i l t r a t et u r b i d i t yw a sa l w a y s l o w e rt h a nln t u ( a v e r a g et u r b i d i t ya so 5 9n t u ) ，s h o w i n gar e m a r k a b l es sr e m o v a lb yt h e h s m b r r e g a r d i n gc o l o r , i tr a n g e df r o m9t o3 9c u f a v e r a g ec o l o ra s3 0c u 1i nt h ef i l t r a t e t 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h t h es c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ( s e m ) i m a g e ss h o w e dt h a tt h eb i o f i l mf l o e sg t r u c i u i f e $ w e r ed e n s ec o m p a r e dw i t hs l u d g ef l o e s ，a n d t w of l o e sw e r ec o n s i s to fm o s tm i c r o c o c c u sa n db a c t e r i u m t h eq u a n t i t yo fm i c r o c o c c u so nb i o f i l m w a sa l s oe x c e s s i v e ， 4 i na d d i t i o nt ot h eh i 曲r e m o v a lo fo r g a n i cm a t t e r , t h eh s m b rp e r f o r m e dn i t r o g e na n d p h o s p h o r b sr e m o v a l w e l l a sc a l lb es e e n ，t h ea v e r a g en h s n ，t na n dt pr e m o v a lw e r ea sh i g ha s 9 7 8 ，71 7 a n d7 2 5 ，r e s p e c t i v e l y c o m p a r i n gw i t hac o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g em b r p r o c e s s ，t h et na n dt pr e m o v a l so b t m n e dw e r ec o n s i d e r e dt ob eg o o d t h i si n d i c a t e st h a tb ya c o m b i n a t i o no fs u s p e n d e dg r o w t hb i o m a s sa n da t t 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c r e a s e dl i n e a r l yi nt h ei n i t i a lp e r i o dc o n s i d e r e dt ob eat y p i c a lp r o c e s so f c a k ef o r m a t i o n a f t e r w a r d s ，t h et m pa l m o s tk e p tu n c h a n g e d ，i n d i c a t i n gad y n a m i ce q u i l i b r i u mc o n d i t i o n f u r t h e r i n c r e a s eo ft h ec a k el a y e rw a se f f e c t i v e l yp r e v e n t e db ym e c h a n i c a lv i b r a t i o no ft h eh o l l o wf i b e r m e m b r a n ei m m e r s e di nt h es u s p e n s i o na n dt h eh y d r a u l i cs h e a r i n go ft h et u r b u l e n tf l o wi nt h e a e r a t i o nt a n k t h es t a n d a r db l o c k i n ga n dc a k ef i l t r a t i o na r ei nt h ed y n a m i ce q u i l i b r i u mi l l s t e a d y s t a t ef i l t r a t i o n t h em e c h a n i s m so fh s m b rf i l t r a t i o n a r et of o l l o wt h ep r i n c i p l eo f s i m u l t a n e o u ss t a n d a r db l o c k i n ga n dc a k ef i l t r a t i o n ，a n dt h es t a n d a r db l o c k i n gc o n s t a n t 艮a n dt h e c a k ef i l t r a t i o nc o n s t a n t 疋a r ea p p r o x i m a t e l y2 x1 0 。5a n d2 x1 0 一，r e s p e c t i v e l y 6 i nt h ee n t i r ec a p i t a lc o s t ，m e m b r a n em o d u l eo c c u p i e dam a i nf r a c t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，t h e a e r a t i o nc o s ti sc h i e fi nt h ee n e r g yc o n s l n n p t i o ni ns u b m e r g e ds y s t e m t h es u b m e r g e dp r o c e s s o p e r a t e sm o r ec o s te f f e c t i v e l yt h a nt h es i d e s t r e a mc o n f i g u r a t i o nw i t l lr e s p e c tt ob o t he n e r g y c o n s u m p t i o na n dc l e a n i n gr e q u i r e m e n t s w t 1 1a e r a t i o np r o v i d i n gt h e m a i no p e r a t i n gc o s tc o m p o n e n t a si ti sr e q u i r e df o rb o t hm i x i n ga n do x y g e nt r a n s f e r i ti sc o n c l u d e dt h a tt h em b ri sah i g h l y e f f e c t i v et r e a t m e n tp r o c e s sf o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti na r e a sr e q u i t i n gah i g he f f l u e n tc o m p a r e d w i t ho t h e rc o n v e n t i o n a ls y s t e m t t l ea b o v er e s u l t sg a v eu st h a tt h ef i l t r a t eo fah s m b rc a nm e e tt h er e q u i r e m e n tf o ra n yr e u s e p u r p o s ew i t ht h ep o s t d i s i n f e c t i o np r o c e s s c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lt r e a t m e n ts y s t e m ，t h e h s m b rs y s t e mh a sa d v a n t a g e sc o n t a i n i n gh i g ho r g a n i c sr e m o v a l ，e n h a n c e dn i t r o g e na n d p h o s p h o r o u sr e m o v a la n di n c r e a s e do p e r m i o n a ls t a b i l i t y n eh s m b rp r o c e s s i st h u sap r o m i s i n g s y s t e mf o rd e c e n t r a l i z e dw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n d r e u s e ， 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 a c t i v a t e ds l u d g e b i o f i l m h y b r i dp r o c e s s 鼢s t e w a t e rm a t m e n t t y p eo ft h e s i s ：t h e o r e t i c a la p p l i c a t i o n t h a n k s f o r t h ek e y p r o j e c ts u p p o s e db y t h e n a t i o n a l n a t u r a t s c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ，n o5 0 1 3 8 0 2 0 v 1 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。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过的研究成 果，也不包含本人或其他人在其他单位已申请学位或为其它用途使 用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所傲的所用贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：费拭 日期：如 弓 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留送交沦文的复印件，允许论文被查阅和借阅： 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其 它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文储虢瓠新签名攫包吼。譬。吖 西安建筑科技大学博士学位论文 第1 章绪论 11 膜生物反应器的发展概况 随着全球范围经济的快速发展和人口的膨胀，水资源短缺已成为全球人类共f 司面i 瞄的严峻 挑战【】0 1 。为解决困扰人类发展的水资源短缺问题，j f 发新的可利用水源是世界各国普遍关注的 课题。世界上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。这不仅可以 消除污水对水环境的污染，而且可以减少薪鲜水的使用，缓解需水和供水之问的矛鹰，给工农 业生产的发展提供新的水源，取得显著的环境、经济和社会效益。开展新型高效污水处理与圈 用技术的研究对于推进污水资源化的进程具有十分重要的意义。 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 ) 是近年新开发的污水处理与回用技术i 3 j 。该技术 是将膜分离技术与传统污水生物处理技术有机结合而产生的废水处理新工艺，其产乍和发展是 这两类知识应用和发展的必然结果1 4 】。由于膜生物反应器技术具有诸多传统污水处理工艺所无 法比拟的优点，因此在世界范围内受到普遍关注。 膜生物反应器的最早研究可以追溯到上世纪6 0 年代末期的美国。19 6 9 年s m i t h 等”j 于鼹道 采用超滤膜来替代传统活性污泥工艺中的二沉池，用于处理城市污水。在另早期的报道中， h a r d t 等【6 】采用死端过滤的超滤膜与1 0l 的好氧反应器组合处理人 ：配制的污水，获得了c o d 去除率达9 8 的处理效果，污泥浓度与传统活性污泥法相比，有大幅度增加，m l s s 浓度高达 3 0 0 0 0 m g l ，是常规好氧系统的2 3 倍，膜通量为7 5 u m 2 h 。美国的d o r r - o l i v e r 公司在1 9 6 6 年 前后也开始了膜生物反应器的研究，开发了m s t ( m e m b r a n es e w a g et r e a t m e n t ) 的工艺。在 该系统中，污水先通过一个旋转的鼓型筛网，然后进入悬浮生长的生物反应器中，并通过对框 板式超滤膜组件的抽吸作用而连续出水，膜通量为1 6 9 l m 2 h 口】。这一时期，研究的重点在于 开发适合高浓度活性污泥的膜分离装景。但由于受当时的膜生产技术所限，膜的使用寿命短、 通量小，加之当时对处理排放出水水质要求不严，使这项技术在相当长一段时间仅停留在实验 室研究规模，未能投入实际应用。 日本由于污水再生利用的需要，膜一生物反应器的研究工作有了较快的进展。2 0 世纪7 0 年 代末期，d o r r - o t i v e r 公司和s a n k i 工程有限责任公司达成协议，使锝m b r 工艺首次进入日本 市场【3 】。8 0 年代以后，随着膜制造技术的发展、膜分离工艺的完善、膜清洗方法的改进和污水 厂出水水质要求的提高，m b r 开始在污水处理行业得到应用。自1 9 8 3 年到1 9 8 7 年日本有1 3 家公司使用好氧膜生物反应器处理大楼污水，处理水作为中水回