（环境工程专业论文）改进型mbr处理生活污水及中水回用的研究.pdf

改进型m b r 处理生活污水及中水回用的研究 摘要 本论文采用傅学起教授设计的改进型膜生物反应器( 以下简称改进型m b r ) 处理生活 污水，以达到中水回用的目的。本论文通过对改进型m b r 的技术性和经济性进行研究， 结果表明改进型m b r 同时具有传统中水处理法能耗少和常规m b r 处理法出水水质好、占 地少、操作简单等优点，具有很好的工程化潜力。 本论文主要研究改进型m b r 在生活污水处理中的生物工艺参数和聚乙烯微滤膜工艺 参数的优化，找到了改进型m b r 运行稳定的操作条件，通过对聚乙烯微滤膜的污染特点 的分析找到有效清洗方法，说明改进型m b r 具有很强的技术优势。 最后，本论文通过改进型m b r 的具体设计实例，验证了改进型m b r 的投资少，能耗 低的优势，说明改进型m b r 在经济性方面同样具有很强的优势。 关键词：改进型m b r中水回用工艺参数优化 膜的污染和有效清洗能耗 d o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n t b y n o v e lm b r 疡rr e u s eo f 弭白s t e w a t e r a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , an e wk i n do fm e m b r a n eb i o r e a c t o r d e v e l o p e db yp r o f f ux u e q i w a su s e dt ot r e a t 、 d o m e s t i cw a s t e w a t e rf o rr e u s eo fw a s t e w a t e r t h e s t u d y w a sc o n d u c t e dt oe v a l u a t et h e a p p l i c a b i l i t yi nt e c h n o l o g ya n de c o n o m yo fn o v e lm b r i ti ss h o w nt h a tt h en o v e lm b r h a sa l o w e rt o t a l e n e r g yc o s tt h a nc o m m o nm b r s ，p r e s e n t i n gam e a n so fi n t e n s i v e l yb i o l o g i c a l l y t r e a t i n go f d o m e s t i cw a s t e w a t e r , o c c u p y i n gl e s sl a n da n ds i m p l y t om a n a g e o n e s t u d y e x a m i n e d p r a c t i c a lp e r f o r m a n c eo f an o v e lm b r ，a n d o p t i m i z e d t h ep a r a m e t e r so ft h e n o v e lm b r o p e r a t i o n t h ef o u l a n t sc h a r a c t e r i z a t i o na n dt h ec h a r a c t e r i z a t i o no fc l e a n i n go f p o l y e t h y l e n em fm e m b r a n eh a da l s ob e e ns t u d i e d ，t o g e t h e rw i t he f f e c t i v ec l e a n i n gm e t h o d s t h eo b t a i n e dr e s u l t sm a d ec l e a rt h a tt h en o v e lm b r w a so f a d v a n t a g ei nt e c h n o l o g y a n o t h e r s t u d ym a i n l y c o n c e r n e de c o n o m i c a n a l y s i so f t h en o v e lm b rb ym e a n so f t h et e c h n i c a l d e s i g no f a ne x a m p l et h er e s u l ts h o w e dt h a tt h en o v e lm b r a l s oh a d a d v a n t a g eo f l o w e rt o t a l e n e r g y c o s tt h a nc o m m o nm b r s k e y w o r d s ： n o v e lm b rr e u s eo f w a s t e w a t e r t o t a le n e r g yc o s t o p t i m i z a t i o no f p a r a m e t e r so f o p e r a t i o nm e m b r a n ef o u l i n ga n dc c a n i n g 第一章前言 第一章前言 水是自然环境的重要组成部分，是人类生活、生产的基本物质前提。而随着水资源供 需矛盾的日益尖锐，把城市外排的污水作为第二水资源加以开发利用就显得尤为重要。随 着以市场经济为导向的经济体制改革的深入和经济的持续高速增长，我国的城市化进程得 到了迅猛发展，广大中小城镇迅速崛起，城市规模也不断扩大。但是，城市化进程的加速 发展亦加重了城市负荷，带来了一系列生态环境问题，威胁着城市的生存与发展。其中， 城市大量污水不经处理直接排入水体所造成的水环境质量恶化问题，已引起了全社会的普 遍关注。加强城市市政基础设施建设，加大污水处理力度，防止城市水环境恶化已形成共 识。因此，在充分考虑我国城市建设过程中经济、社会等实际情况的前提卜，努力研究丌 发出适合我国国情的城市污水资源化技术己势在必行。 1 1m b r 技术的发展及研究现状 1 1 1 城市污水处理现状 随着世界人口的不断增长和工农业的飞速发展，用水量及排水量正逐年增加，而有限 的地表水和地下水资源又被不断污染，加上地区性的水资源分布不均和周期性干旱，导致 淡水资源目益短缺，水资源的供需矛盾呈现出越来越尖锐的趋势。为缓解这一矛盾，目前， 人们己寻找出的解决水资源不足的主要途径有：第一，改变生产结构，革新生产工艺及 装备，调整用水方式，提高水的重复利用率，最大限度地节约用水：第二，远距离跨区域 凋水，以丰补缺，改变水资源分布不均地自然状况；第三，将城市污水资源化。 城市污水一般由工业废水和生活污水两部分组成。其水量往往很大，约占整个城市用 水量地5 0 8 0 ，水质污染较轻，污染物质仅占o 1 2 1 ，其余绝大部分是可再用的清 水，同时水质k h x , j 稳定，不受气候等自然条件的影响，且城市污水就近可得，易于收集， 不需长距离引水，其再生处理比海水淡化成本低廉，处理技术也比较成熟，基建投资比远 距离引水经济得多。因此，当今世界各国解决缺水问题时，城市污水【3 ) 首先被选为，t j 靠的 供水水源进行再牛与回用( 资源化) 。 近十多年来，城市污水回用的重点，一直集中在占有较大比重的二：r 业废水，i ：，经过多 年努力，工业废水叫用率已达7 0 以j 二。在城 盯生活污水处理方面，未来几年我国城f ii 二 改进型m b r 处理生括污水及中水回用研究 活污水的排放量将大为增加，超出工业废水的排放量成为破坏我国水资源环境的最主要因 素。生活污水占城市污水的比率已由过去的3 0 提高到4 0 以上，部分经济发达城市已接 近6 0 ，而目前我国城市污水处理率不足2 0 。今后1 5 年，我国人口将以每年1 2 0 0 万1 3 0 0 万左右的速度增长，几亿农民从农业生产转向非农业生产，城市数量2 0 0 0 年末将超过7 0 0 座，2 0 1 0 年将超过1 0 0 0 座，基本实现城市化。随着城市数量的增多，城市密度的加大， 生活污水排放量将从1 9 9 2 年的1 8 0 亿吨增加到2 0 0 0 年的2 8 0 亿吨，2 0 1 0 年将达到5 6 0 亿 吨【3 】。因而，生活污水的回用问题已摆在我们面前。经实践证明中水回用技术是一项行之 有效的节水技术。这一技术的广泛推进，节约了宝贵的水资源，缓和了城市水的供需矛盾、 减少了城市排水系统的负担，控制了水污染，保护了生态环境，其所具有的社会效益和环 境效益必会带来显著的经济效益。现就我国中水回用技术作一简要阐述。 1 1 2 中水回用技术简介 城市废水与回用就是将城镇居民生活及生产中使用过的水经过处理后回用。其回用又 有两种不同程度的回用：一种是将污、废水处理到饮用水程度，而另一种则是将污、废水 处理到非饮用水程度。对于前一种，因其投资较高、工艺复杂，非特缺水地区一般不常采 用，多数国家则是将污、废水处理到非饮用的程度，在此引出了中水概念。中水也就是将 人们在生活和生产中用过的优质杂排水( 不含粪便和厨房排水) 、杂排水( 不含粪便污水) 以及生活污( 废) 水，经集流再生处理后，回用充当地面清洁、浇花、洗车、空调冷却、 冲洗便器、消防等不与人体直接接触的杂用水。因其水质指标低于城市给水中饮用水水质 标准，但又高于污水允许排入地面水体排放标准，故其水质居于生活饮用水水质和允许排 放污水水质标准之i 剧，取名为“中水”。把住宅、宾馆、大型公用建筑、机关和学校排放 的生活污水，进行就地处理，并就地回用于厕所冲洗、地面和路面冲洗、庭院绿化等用途， 这种分散、小规模( 相对于城市大规模再生利用而言) 的污水回用，通常称为“中水工程”。 中水! _ _ = 程不仅是污水回用的重要形式之一，也是城市生活节水的重要方式。中水工程具有 灵活、易于建设、勿需长距离输水、运行管理方便等优点，是一种较有前途的污水直接再 生利用方式，尤其是对于大型公共建筑、宾馆和新建高层住宅区【”。 从世界范围来看，中水回用已有比较成熟的技术，而且新的技术仍在不断出现，闩本 是开展污水刚用研究较p f 门国家之一，其主要以处理后的污水作为住宅小区和建筑生活杂 用水。目前，仅东京都一地的大型建筑内已建和计划建造的这类中水系统就有6 0 余处， 总供水能力已接近1 0 万m 3 d 。印度盂买已有7 座商业大楼采用中水作为空调冷却水的补 第一章前言 充水，水量达1 5 0 2 5 0 m 3 d 。美国的哥伦比皿城，大约有l 3 经生物处理的城市污水再经 过滤和消毒之后，作为城市杂用水。 从国内来看，早在2 0 世纪8 0 年代初，青岛、大连、太原、北京、天津、西安等缺水 的大城市就相继开展了污水回用的实验研究工作，其中有些城市已修建了回用试点工程并 取得了积极的成果。例如，从1 9 8 4 年起，北京市环境保护研究所和北京市政设计院先后 在机关大院和住宅小区开展了建筑中水回用的设施研究。截止目前为止，北京已有2 0 多 座建筑中水回用设施在运转。天津市“七五”期间已对城市污水回用的政策、方案、技术、 经济等作了大量研究工作，并制定了相应的实施计划5 1 。 为了加速中水回用工作的开展，规范中水回用工程的工艺、设计等，我国己在总结国 内外成功经验的基础上，制定出建筑中水设计规范( c e c s 3 0 9 1 ) 、生活杂用水水质标 准( c j 2 5 1 - 8 9 ) 。北京市也结合地方特点制定了北京市中水水质标准。 中水系统的水源水一般选择清洁的生活杂排水，如盥洗水、厨房污水、洗衣水、沐浴 水、冷却水和城市污水处理厂出水。经上述工艺流程处理后，出水水质完全可满足有关生 活杂用水水质标准的要求。处理后的出水基本上用来冲洗厕所、喷洒道路、绿化、洗车和 作为冷却水的补充水。 尽管对于中水同用建设单位来讲，在目前的水价政策下，中水回用工程的直接经济效 益尚不尽如人意，但从宏观角度来看，中水回用的经济效益和社会效益却十分显著。“七 五”期间，北京市每f = = f 供应l m 3 自来水的给排水投资( 不包括给排水管网) 已达4 0 0 0 元以上， 远高于建筑中水回用的吨水投资。目前，正在建设中的石家庄市地表水厂设计日处理水量 为3 0 万m 3 ，i , t 划吨水投资1 6 0 0 元，吨水综合运行成本10 2 元。已建成的石家庄市桥西 污水处理厂| i = = | 处理量为1 6 万m 3 ，吨水投资为1 0 0 0 元，吨水运行成本为o2 1 元。如果能 够将污水处理厂出水进一步处理回用，不仅可节约大量新鲜水源，而且每吨供水的投资和 运行成本都将大幅度降低。中水回用的社会效益是可节约大量有限的水资源，避免山于水 资源短缺所引起的工农业生产损失。1 9 8 8 年，北京市吨水工业产值为6 85 元，预计到2 0 0 0 年吨水可创产值9 09 元。1 9 8 0 年，石家庄市吨水工业产值为1 3 3 7 元，1 9 9 5 年上升为7 5 7 6 元”。由此i = j 见，巾水回用的社会效益越来越大。 中水水源主要来自建筑内部的生活污水和冷却水，按其污染轻重，依次为：空调冷却 水一沐浴排水一篇洗排水一洗衣排水一厨房排水一厕所排水。医院污水由于含有大量细 菌、病菌，所以不宜用作中水水源。中水水源可以分为三类： l 类：优质杂排水：包括冷却排水、洗脸、洗手、僦洗排水、洗农、沐浴排水等污染 垦垄型坚望垦丝堡圭堕曼查墨生查旦里堑塑； 浓度低的排水。 i i 类：杂排水：粪便污水以外的冷却排水、盥洗排水、洗衣、沐浴排水及厨房排水。 i i i 类：生活污水：冲洗粪便和杂排水合流的污水。 本试验的处理对象是南开大学泰达学院的生活用水( 食堂用水、洗浴用水等) 经化粪 池后的出水。属于i i i 类中水水源。 中水处理的关键是污水处理技术，污水处理技术种类繁多，通常污水回用技术需多种 污水处理技术的合理组合，即各种水处理方法结合起来深度处理污水。中水回用和污水集 中处理回用工艺中常用的好氧生物处理方法有活性污泥法、生物接触氧化法和生物转盘 法；常用的物化处理方法有混凝沉淀、精密过滤、臭氧氧化、活性碳吸附等。中水原水水 质不同，处理流程也不样。我国现有的中水工程中一般采用以下不同中水处理流程6 1 ： 流程1 ：以物化处理为主，适用于i 、i i 类原水：原水一格栅一调节池一混凝处理或 气浮一过滤一消毒一中水； 流程2 ：生化处理为主，适用于i 、i i 类原水：原水一格栅一调节池一生物处理一沉 淀一过滤一消毒一中水； 流程3 ：二段生化处理，适用于i i 、i i i 类原水：原水一格栅一调节池一段生物处理 一沉淀一二段生物处理一沉淀一过滤一消毒一中水； 流程4 ：物化+ 生化处理，适用于i i 、i i i 类原水：原水一格栅一调节池一混凝处理或 气浮一沉淀一生物处理一沉淀一过滤一消毒一中水。 由于本实验的处理对象是i i i 类中水水源，所以拟采用生物处理流程。 1 1 3m b r 技术简介 随着废水处理技术的不断发展，一些新的废水处理方法不断涌现膜生物反应器( m b r ) 就是其中一种。在生物二级处理方法中，广泛应用活性污泥法。在传统的生物活性污泥法 中，一般是在二沉池中通过重力沉降来实现污泥与处理水的分离，设备装置占地面积大， 分离效率低；而且由于水力操作的不稳定性加上负荷的波动会导致污泥的沉降性能发生 变化，从而影响二沉池的沉降效果，操作不当会造成污泥随出水流失，使出水水质变差并 降低曝气池中污泥的浓度，进一步恶化处理效果i 7 1 。在水资源日益紧张的今天，膜生物反应 器作为一种新型、高效的水处理技术已受到各国水处理工作者的重视。由于膜能将全部的 生物量截留在反应器内，可以获得长泥龄和高悬浮固体浓度，有利于生长缓慢的吲氮菌和硝 化菌的增殖，不需进行延时曝气就能实现同步硝化和反硝化，从而强化了活性污泥的硝化能 第一章前言 力，膜分离还能维持较低的污泥负荷( f m ) ，使剩余污泥产率远小于普通活性污泥工艺，且系 统运行更加灵活和稳定吲。 膜生物反应器技术是一种新型高效的废水处理方法，它把膜分离技术与传统的废水生 物处理方法相结合，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1 9 】。膜生物反应器是由膜组件和生物反应器两部分组成， 生物反应器是以酶、微生物或动植物细胞为催化剂，进行化学反应或生物转化的装置。膜 组件主要是对反应器内污泥混合液起截留过滤作用，膜能将污泥微生物完全截留在反应器 内，所以反应器中的微生物能最大限度的增长，可达1 5 ，0 0 0 3 0 ，0 0 0 m g l 左右【1 0 】，这样生 物活性高，吸附和降解有机物的能力较强。而世代时间较长的硝化及亚硝化细菌也能很好 的增长，从而提高硝化能力”】。同时，由于反应器内存在较高的m l v s s ，反应器在低温 和突然提高进水c o d 的情况下，也能获得较好的结果。与传统的废水生物处理方法相比， m b r 具有以下优点【1 2 】： 1 膜分离组件替代了二沉池，可以大大缩小工程占地： 2 可以实现反应器水力停留时间( h r t ) 和污泥龄( s r t ) 的充分分离，膜组件可以 将污泥全部截留，使得污泥浓度提高，停留时间变长，增强了生物处理的效果，且对氮、 磷和难降解有机物也有较好的去除效果： 3 膜的分离效果不受污泥沉降性能的影响，还可以截留难降解大分子有机物，出水 水质好； 4 通过调节污泥停留时间降低污泥产生量，实现污泥减量化： 5 水力停留时问与污泥停留时间互不干涉，易于调控，实现处理过程最优化。 1 1 4m b r 技术的研究现状及展望 膜分离技术的研究始于6 0 年代的美国，研究重点在于开发适合高浓度活性污泥的 膜分离装置；7 0 年代后日本由于污水再生利用的需要，开始重视膜分离技术在废水处理与 回用中的应用；8 0 年代后，随着膜质量的提高的造价的降低，困际上对膜生物反应器的研 究更为重视4 ”】。1 9 8 8 年f 1 本东京大学的山本等人进行了一一体式中空纤维膜一生物反应器 的研究，其能耗低j 。一般分体式膜生物反应器。从1 9 8 3 年到1 9 8 7 年，同本已有1 3 家 公r 叫采用好氧膜生物反应器处理大楼废水后作为中水回用9 0 年代研制了酒精发酵废水处 理系统、造纸废水系统等。2 0 0 0 年清华大学黄霞等进行了一体式膜生物反应器水动力学特 性：、膜污染控制的实验研究 7 a8 1 。 整垄型坚! 垦壁墨竺望翌查丝主查璺星鲨至 一； 目前，我国在膜生物反应器方面的研究已取得了很大的成效，清华大学【i 9 1 、同济大学 2 0 l 、天津大学【2 l 】等高校和中科院【2 2 】等科研机构都在从事m b r 工艺的理论与科学研究工作。 但国内工程应用的实例仍很少，因此推动m b r 工艺的产业化进程是我们今后的主攻方向。 1 2 膜生物反应器的理论基础 1 2 1 膜过程理论基础 所有膜工艺过程的核心当然是膜本身，以及在膜上和膜中发生的局部传递过程。从经 济的观点来看，以下两个特性对于所有的膜过程都是至关重要的：( 1 ) 膜的选择性，即将 混合物中的组分分离开来的能力。( 2 ) 膜的效率( 生产能力) ，即在一定的操作条件下可 达到的渗透物通量。通量和选择性又是由膜中的质量传递过程决定的( 膜的分离特性) 【2 5 】。 目前普遍认为，主要有两种不同的机理支配着膜中的质量传递和渗透过程：( 1 ) 通过 微孔的传递。( 2 ) 基于扩散的传递。因此，理想化的处理，可以把膜看作为单纯的多孔膜 或单纯的溶解扩散膜( 致密膜) 。在实际的膜过程中，这两种基本的传递机理完全可以 同时出现。有关传质过程的两个理想化模型概念是多孔模型和溶解一扩散膜的模型。列不 对称可将其作为看作为由溶解一扩散膜和多孔膜一层一层组合而成的、相互连接的隔膜。 除了膜本身的传递阻力之外，还有下列一些因素在膜过程的设计中具有重要意义【2 6 1 ： ( 1 ) 进料边和渗透边的压力损失( 推动力损失) ；( 2 ) 浓差极化( 被截留组分的浓度升高) ； ( 3 ) 多孔支撑层的传递阻力；( 4 ) 对于渗透汽化过程还要考虑传热过程。 除了真正起分离作用的活性膜本身的传递阻力之外，当物料流过工业规模的膜组件h 、j ， 还会出现其他的传递阻力。这些传递阻力会使分离效率和选择性受到损失，损失的程度与 所选用的边界条件( 物料体系、膜、操作状态和膜组件构型) 相关。原则上来慌，下列的 局部传递阻力对膜过程具有重要影响：( t ) 进料边的浓差极化：( 2 ) 不对称转相膜或复合 膜多孔支撑层中的浓度变化；( 3 ) 流体流过多孔支撑层时的压力损失；( 4 ) 渗透边的浓筹 极化。 列于某种预先确定的情形，可以通过一系列的措施来改善传质特性。因为所有的措施 都可能存在缺点( 例如，增加了操作费用，或者提高了投资，使安装变得困难，提高了压 力损失等等) ，必须仔细地权衡利弊，以考虑所采用的措施从总体j 二看是否是合理。最而 易见，通过提高沿膜钓流动速度或者通过提高温度( 影响狮物料的特性参数，特# u 是枯度 和扩散系数) ，可以提高传质效率。其他的建议还有( 1 ) 脉冲式流动；( 2 ) 在膜通道巾装 6 第一章前言 入棱角形式的混合或排水部件。 1 2 2 微滤膜分离技术基础 1 , 2 2 1 微滤分离机理 一般认为微滤( m f ) 的分离机理为筛分机理，膜的物理结构起决定性作用。此外，吸 附和电性能等因素对截留也有影响。 微孔滤膜的截留机理因其结构上的差异而不g - * l | 同。叶凌碧等【2 7 1 通过电镜观察认为 微孔滤膜截留作用大体可分为以下两大类( 见图1 一1 ) 。 鼐糊眺 + 盟螋一b 幽中幽旦+ ( b ) 图1 - 1 微孔膜各种截留作用的示意图 ( a ) 在膜的表面层截留：( b ) 在膜内部的网络中截留 a 腰表面层截留 ( 1 ) 机械截留作剧 指膜具有截留比它孔径大或与孔径相当的微粒等杂质的作用，此即 过筛作用。 ( 2 ) 物理作用或吸附截留作用 如果过分强调筛分作用就会得出不符合实际的结沦。 p u s c h 等人谈到，除了要考虑孔径因素之外，还要考虑其他因素的影响，其咔，包括吸| ；f 、j 和 电性能的影n l ；t j 2 。 ( 3 ) 架桥作用通过电镜【q 以观察到，在孔的入口处，微粒因为架桥作用也同样”j _ 被铖 留。 b 膜内部截留 膜的网络内部截留作用，足指将微粒截尉在膜内部丽不足在膜的表面。 对于表而层截留( 表面骂! ) 而言，其过程接近于绝刘过滤，易清洗，但杂质捕捉量相对 1 二深度型较少：而对于膜内部截留( 深度型) 而吉，其过程接近于公称值过滤，杂质捕捉量 较多，但0 i 易清洗。完全表面型或完全深度型过滤的压降，流速l j 使_ i ! | 时f l j 的关系见圈1 2 。 1 改进型m b r 处理生活污水及中水回用研究 压 降 使用时间使用时间 图1 2 表面型与深度型过滤的压降、流速与使用时间的关系 1 2 2 2 微滤操作模式 a 死端式过滤( 无流动操作) 如图1 - 3 ( a ) 所示，原料液置于膜的上游，在压差推动下，溶剂和小于膜孔的颗粒透 过膜，大于膜孔的颗粒则被膜截留，该压差可通过原料液侧加压或透过液侧抽真空产生。 在这种无流动操作中，随着时间的增长，被截留颗粒将在膜表面形成污染层，使过滤阻力 增加，随着过程的进行，污染层将不断增厚和压实，过滤阻力将不断增加。在操作压力不 变的情况下，膜渗透流率将下降。因此无流动操作只能是间歇的，必须周期件地停下来清 除膜表面的污染层或更换膜。 无流动操作简便易行，适于实验室等小规模场合。对于固含累低于0 1 的料液通常 采用这种形式：剖含量在0 1 o 5 的料液则需进行预处理【3 0 j 。 b 错流式过滤( 动态操作) 列于同含量高于o 5 的料液通常采用错流操作。微滤的错流操作在近2 0 年来发展很 快，有代替无流动操作的趋势。这种操作类似于超滤和反渗透，如图1 - 3 ( b ) 所示，原料 液以 刀线方向流过膜表面，在压力作用下通过膜，料液中的颗粒则被膜截留而停留在膜表 面形成一层污染层。与无流动操作( 静态过滤) 刁i 同的是料液流经膜表面时产生的高翦切 力可使沉积在膜表面的颗粒扩散返回主体流，从而被带出微滤组件，由于过滤导致的颗粒 在膜表面的沉积速度与流体流经膜表面吲由速度梯度产生的剪切力引发的颗粒返回主体 流的速度达到平衡，可使该污染层不再无限增厚而保持在一个较薄的稳定水平。因此旦 污染层达到稳定，膜渗透流率就将在较长一段刚韧内保持在相对高的水平【：。当处理量大 时，为避免膜被堵塞，宜采用错流发计。 第一章前言 q o u o _ 一o u 膜 f 。 膜 ( a ) 死端式过滤 ( b ) 错流式过滤 1 2 3 膜污染清洗的理论分析 1 2 3 1 膜污染的定义 图1 3 膜过滤阴种操作模式 膜污染指处理物料中的微粒，胶体粒子或溶质大分子，由于与膜存在物理化学相互作 用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孑l 径变小或堵塞，使膜产生透 过流量与分离特性发生变化。此时，根据体系的不同，膜的渗透流率的衰退过程可能是 步完成的，也可能是几步完成的 3 2 】，膜污染是影响膜应用的主要障碍之一。 i 2 3 2 膜污染的模型 人们提出了大量的用于描述膜污染的模型，见表i - i 。其他还有许多模型希望从基本 的原理h 1 发来描述污染现象。但模型复杂，需要知道或估算大量的参数。因此，目前还没 柏一个可用于估算膜污染性质和程度的通用规则。 透一 一 一 渗| | 一 囊 改进型m b r 处理生活污水及中水回用研究 表1 - 1 膜过滤的半经验污染模型”i 模型方程 模型方程 j ，= j o t ”，” o 0 川廿，+ 焉卜n 产篙；筹u ) j c = j o e “j = a p i ，, i r 。+ r d + r b i l r d = c cd m d j = 厶矿6 d m 。d t = 屹一= 厂阮卜= k d k 。一虬j j ：一v 6 m 。= m d 【l e x p ( - k 。f ) 】 j = a + b p “ 经验公式 c ，。一j s ) = ( ，。一j s ) ( 1 - e f 。)d m d i d t = k l j o 。6 一k 2 引起膜通量降低的因素主要有以下几项。 ( 1 ) 浓差极化它使膜面上溶质的局部浓度增加，即边界层流体阻力增加( 或局部渗 透压的升高) ，将使传质推动力下降和渗透通量降低。 ( 2 ) 膜孔的堵塞与阻塞 由于被分离溶质( 尤其是大分子) 与膜的相互作用将在膜表面 或膜孔内产生吸附或沉积，膜孔道的阻塞和堵塞使膜透过流量降低【3 3 】。 ( 3 ) 凝胶层的出现及其固化在低流速，高溶质浓度下，浓差极化使膜面达到或超过 溶质饱和溶解度时，将有凝胶层出现，导致膜的透过量不依赖于所加压力，引起膜通量的 急剧降低。浓差极化的严重恶化还将导致凝胶层的固化，使得膜面阻力继续上升和膜通量 进一步下降 3 “。 浓差极化是f i j 逆的过程，而吸附或沉积等则是不可逆的过程。 1 2 4 膜清洗方式研究 在清洗程序设计中，通常要考虑下面两个因素【3 5 】： ( 1 ) 污染物特征 这里主要是指污染物在不同p h 溶液中，不同种类盐及浓度溶液i 扣， 不同温度r 的溶解度、荷电性、可氧化性、可酶解性等，这样可有的放矢地选择合适化学 清洗剂，达到擐住i f j u t 效果。 ( 2 ) 膜的化学特性膜的化学特性是指耐酸碱性、耐温性和耐化学试剂的特性，它们 列选择化学试剂类型、浓度、清洗液温度等极为重要，一般来讲，各生产一家对其产品化 | ( 1 第一章前言 学特性仅给出简单说明。 膜清洗的方法通常分为物理方法口6 1 和化学方法，物理方法一般是指用高速水流、空气、 海绵球等物，采用脉冲、反冲、循环冲洗的方式进行清洗，特点是简单易行，近年来新发 展的抽吸清洗方法具有不加新设备、清洗效果好的优点，受到人们青睐，另外，电场过滤、 脉冲清洗、脉冲电解清洗及电渗析反冲研究十分活跃，具有很好的效果。 当膜污染较为严重，采用物理方法不能使通量恢复时，须用化学方法进行清洗。化学 清洗从本质上讲是沉淀物与清洗剂之间的一一个多相的反应，根据布莱特的理论3 7 】，化学清 洗分为6 个过程：化学清洗前的机械清洗：清洗剂扩散到污垢表面：渗透扩散进污 垢层；清洗反应( 其中包括物化过程：溶化、机械应力和热应力、湿润、浸透、溶胀、收 缩、溶剂化作用、乳化作用，抗絮凝作用和吸附作用。化学过程为：水解作用、胶溶作用、 皂化作用、溶解作用、鳌合作用、鳌合和悬浮，这些反应总是生成一些可溶性的产物，至 少也能分散一些物质。反应产物减弱了污垢颗粒和膜表面之间的结合力) ；清洗反应产物 转移到内表间：产物转移到内表面。 常用的清洗剂有以下几种：( 1 ) 酸碱液：无机离子如c a ”、m 9 2 + 等在膜表面形成沉积 层，可采用降低p h 值促进沉淀溶解，再加上e d t a 钠盐等络合物使沉淀物去除，用稀n a o h 溶液清洗聚砜膜，可以较有效地清除蛋白质造成的污染；( 2 ) 表面活性剂：表面活性剂如 s d s 、c t a b 、吐温8 0 、t r i t o n 、x 一1 0 0 ( + 种非离子型表面活性剂) 等在许多场合有很好的清 洗效果，可根据实际情况加以选择，但是有些阴离子型和非离子型表面活性剂能同膜结合 形成新的污染p ”，在选择时须加注意；( 3 ) 氧化剂：当n a o h 或表面活性剂不起作用时，可 以用氯进行清洗，其用量为2 0 0 4 0 0m g l 活性氯( 相当于4 0 0 8 0 0 m g l n a c i o ) ，其最适p h 为1 0 1 1 ；( 4 ) 酶：由醋酸纤维等材料制成的膜，由于不能耐高温和极端p h ，在膜通量难以 恢复时，须采用能水解蛋白质的含酶清洗剂清洗，但是使用酶清洗剂不当同样会造成新的 污染。文献【4 o 】报道采用固定化酶形式。把酶固定在载体上，用含载液进行清沈，效果很好。 另外，也有人采用电场在线清洗，效果较好，由于电场的作用，荷电颗粒从膜表面离 丌，从而降低浓差极化，提高渗透通量，但电极处会出现电解现象，产生气体，电极腐蚀 及高电耗限制了二 ：业应用；另外超声波清洗也有较好效果。 需要引起注意的是，不能等到膜污染很严重时才清洗，这样将会增加清洗难度，使清洗 步骤增多和清洗时间延长。对于各种膜，选择化学清洗剂时耍慎重，以防止化学清洗剂对 膜的损害。 垦丝型m ! 垦些望生适翌查丝垄旦旦婴塞_ 1 3 本论文的目的及构成 传统的膜生物反应器主要采取两种结构形式：一种是分体式，也称为错流式( c m s sf l o w m e m b r a n eb i o r e a c t o r ) ；另一种是一体式，也称为浸没式( s u b m e 唱e d m e m b r a n e b i o r e a c t o r ) 。图 1 4 为两种形式的反应器结构示意图”1 。 进水浓缩液回流 进水 ( a ) 水 生物反应器 图1 4 一体式和分体式膜生物反应器示意图 ( a ) 分体式膜生物反应器( b ) 一体式膜生物反应器 分体式m b r 是由相对独立的生物反应器与膜组件通过外加的输送泵及相应管线相连 而构成，一体式m b r 是将无外壳的膜组件浸没在生物反应器中，微生物在曝气池中好氧 降解有机污染物，水通过膜的过滤引出反应器。分体式m b r 存在能耗高的缺点，而一体 式m b r 又存在膜易污染的缺点，在实际应用中均受到限制【“1 。因此，本论文研究了自行 设计的改进型m b r ，并通过大量实验研究其运行中生物降解区和膜滤出水区的操作参数优 化，同时对聚乙烯中空纤维微滤膜组件的堵塞和清洗进行深入研究。 本论文主要以一v j l 部分组成：第一章主要介绍膜生物反应器技术的发展及研究现状； 并阐述了膜生物反应器技术的理论基础；第二章为本课题的实验部分，介绍了本课题的采 用的自行设计的改进型m b r 的实验装置及运行情况；第三章对改进型m b r 的生物降解区 有关t 艺参数进行优化，主要有水力停留时间的确定、系统对污水的处理效果以及系统抗 负荷冲击能力的分析：第四章对改进型m b r 的膜滤出水区的工艺参数进行优化，内容包 括：临界通量和临界压力的确认、不同膜通量运行对膜通量的影响以及间歇运行中运行周 期的优化；第五章列聚乙烯中空纤维微滤膜的污染机理和清沈方法进行分析：第六章通过 改进型m b r 进行 j 水处理的实例的设计，对改进型m b r 的经济性进行分析。 第二章实验流程、装置及运行 第二章实验流程、装置及运行 2 1 实验工艺流程 如第一章所述，由于本试验的处理对象是南开大学泰达学院的生活用水( 食堂用水、 洗浴用水等) 经化粪池后的出水，属于i i i 类中水水源，本实验选用以生化处理为主的工艺 流程。具体工艺流程图见图2 - 1 。 原水 图2 - 1实验工艺流程幽 中水 实验是在地处天津市经济技术开发区的南开大学泰达学院校内进行。试验用进水是该 学院的生活用水( 食堂用水、洗浴用水等) 经化粪池后的出水。使用潜污泵把生活污水提 升到储水槽中，经一定时间的重力沉淀后，作为试验进水。实验出水是为满足中水回用水 质要求。 中水水质必须满足以下条件：( 1 ) 满足卫生要求其指标主要有大肠菌群数、细菌总数、 余氯量、悬浮物、c o d ，b o d 5 等。( 2 ) 满足人们感观要求，无不快感觉，其衡量指标主要 有浊度、色度、臭味等。( 3 ) 满足设备构造方面的要求，即水质不易引起设备、管道的严重 腐蚀和结垢。其衡量指标有p h 值、硬度、蒸发残渣、溶解性物质等。近年来，我幽对中 水研究越来越深入，为保证中水作为生活杂用水的安全可靠和合理利用，于1 9 8 9 年正式 颁撷了生活杂用水水质标准( c j 2 5 ，l 一8 9 ) 4 t 1 见表2 - 1 。 重堡型竺! ! 丝里圭煎递垄墨! 垄旦旦堡壅 表2 - 1 生活杂用水水质标准( c j 2 5 1 - 8 9 ) _ _ - _ _ _ _ - - _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ - 一一 浊度( 度) 1 0 5 溶解性固体( r a g l ) 1 2 0 0 1 0 0 0 悬浮性固体( m g l ) 1 0 5 色度( 度 3 0 3 0 嗅无不快感 无不快感 p h 6 5 9 0 6 5 90 b o d s ( m g l ) c o d ( m g l ) 氨氮( 以氮计) ( m e ：l ) 总硬度( 以c a c 0 3 计) ( m g l ) 氯化物( m g l ) 阴离子合成洗涤齐i j ( m g l ) 铁( m l ) 锰( m g 几) 游离余氯 总大肠杆菌( 个几) l o 5 0 2 0 4 5 0 3 5 0 1 0 0 4 o 1 管网末端水不小于0 2 3 1 0 5 0 1 0 4 5 0 3 0 0 05 04 0 1 管网末端水不小于0 2 3 2 2 实验装置 实验装置及仪器有：改进型膜生物反应器、膜组件、进水水箱一个、出水水箱一个、 电磁式空气压缩机a c o 一0 0 3 ( 功率为1 8 0 瓦，广东日生集团公司生产) ，l d 5 4 s 2 一p h c l 一3 6 5 型电子计量泵( 最大流量：2 0 l p h ，最大压力2 m p a ) 两个，填料等。 本实验采用的装置是在对普通m b r 进行改进的基础上自行设计的，其结构如图2 2 所示，主要部件有膜组件和生物反应器。该实验装置的特点如下：( 1 ) 整个装置由导流板 分成生物降解区和膜滤出水区两部分，由于导流板的作用，进入膜滤出水区的活性污泥浓 度很低，在提高生物降解区污泥浓度的同时，大大减轻了膜污染，可明显延长膜的清洗周 期：( 2 ) 生物降解区为复合式，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，研究表明，复合式m b r 的性能较单纯的活性污泥法m b r 和生物膜m b r 耍好【”1 。 第= 章实验流程、装置及运行 调节 图2 2 改进型膜生物反应器示意图 孔 水 该膜生物反应器由有机玻璃制成，为方形。其生物降解区的有效体积为1 6 l ，膜滤出 水区体积为6 8 5 l ，生物降解区内放入填料。膜组件选用同本m i t s u b i s h ir a y o n 公司生产的 聚乙烯中空纤维f 4 3 】膜组件。中空纤维柔性好，可以随气流摆动，从而增大膜丝间的摩擦， 加快滤饼的脱落。该膜组件的膜面积为0 2 0 m 2 ，孔径为0 4 um ，直接置于膜滤出水区。原 污水经调节池后进入迸水水箱，再经电子计量泵进入生物降解区，有机物在这里被微生物 分解，混合物经导流板进入膜滤出水区，在电子计量泵的抽吸作用下经膜过滤后进入m 水 水箱。，浓缩液可经底部连通管返回生物降解区，形成回流，底部曝气弘“。 2 3 实验原水水质 进水水质经测定，如下表2 - 2 。 改进型m b r 处理生活污水及中水回用研究 表2 - 2 试验用生活污水主要水质参数及其测定方法h 5 l 指标数值范用 平均值测定方法 温度( ) p h c o d c ，( m l ) b o d s ( m g l ) t o c ( m g l ) 2 0 3 0 7 1 85 1 5 2 0 4 3 26 9 8 5 - 2 7 4 3 2 5 77 2 8 0 1 1 4 8 2 8 5 5 2 温度计、溶解氧测定仪 t h e r m o o r i o n8 6 8 型p h 计 重铬酸钾法( c o d c ，) 稀释接种法 t o c v c p h 型t o c 仪 n h 3 - n ( m g l ) 2 1 6 5 5 0 8 i3 5 4 5 纳氏试剂分光光度法 s s ( m g l ) 1 6 8 - 4 8 82 4 6 1 0 3 1 0 5 烘干重量法 由表2 - 2 可知，实验原水水质有以下特点： 1 原水b o d s c o d 平均值为0 6 0 ，可生化性能很好。有机物含量和含氮量高。 2 原水水质变化比较大。这是由生活污水的特点决定的。 2 4 实验装置启动 生物降解区拟采用接触氧化法，在参考有关文献【4 6 。4 9 1 的基础上，选择江苏某填料厂生 产的塑料多孔球形填料。该填料的外部轮廓为球形，由纵横交错的切面分割成多面空心球 体，直径为2 5 r a m ，材料为聚氯乙稀。其外观如图2 - 3 左图所示。 幽2 - 3塑料多面空心球形悬浮填料挣膜前后的实物照片 本实验m b r 反应器的生物降解区的接种污泥取自天津泰达丌发区污水处理厂的污水 处理车n i j 。在开始的。个氅期内，向进水中补充一定量的尿素、磷酸二氢钾，使填料j 二挂 膜，完成接种、驯化阶段。然而，实验表明塑料多面空心球形填料的挂膜很慢，且很不稳 定，接利污泥仍多处于悬浮状态。圈2 - 3 右图是挂膜三周后的填利照j h 发现仪在填判的 第二章实验流程、装置及运行 内部缝隙间略有污泥，且附着不牢固。 快速排泥法的挂膜理论【5 0 1 认为：生物膜主要是由附着在填料上的微生物生长形成的， 而不是由悬浮微生物的不断粘附所形成。所以，填料的挂膜情况取决于接种时附着的微生 物数量和微生物附着后的生长速度，以及提供微生物生长繁殖的场所大小。本实验为微生 物的生长繁殖提供充足的营养和氧气，而挂膜仍不理想，究其原因，可能是因为填料的表 面比较光滑，有效使用面积过小，不利于污泥的附着和生长。 由此，本实验另外选择软性泡沫填料 5 l 】进行实验。软性泡沫填料的照片如图2 - 4 左图 所示。这种填料呈不规则多面体，在水中亦呈悬浮状态，能与接种污泥充分接触，而且由 于其表面的有效使用丽积很大，很易于生物膜生长和附着生物量。预计能快速挂膜。一周 后的填料照片如图2 - 4 右图所示，同时发现接种污泥已大部分呈附着状态，通过对进水和 出水的水质进行测定，结果表明软性泡沫悬浮填料的挂膜性能良好。 图2 _ 4 软性泡沫填料的挂膜前后的实物照片 分析软性泡沫填料的挂膜迅速的主要原因有以下几点： ( 1 ) 接种污泥为同类水质污水处理厂曝气池现成的生物污泥，属于自然来源菌种，微，上物 活性高，极易适应新环境。 ( 2 ) 本实验的原水为生活污水，是天然培养基，保证了污泥增长繁殖的良好营养条件。 ( 3 ) 适宜的培养条件，室内温度长期保持在2 0 3 06 c ，p h 值呈巾性条件，d o 为0 2 o5 m g l ，以及连续进水的方式均非常适合微生物的生长代谢。 ( 4 ) 填料性能良好，在曝气搅拌作用下，处于流化状态，使污水与填料表面的生物膜广泛 而频繁的接触，同、液、气三相充分接触混合，极利于微生物的附着生长。 改进型m b r 处理生活污水及中水回用研究 第三章m b r 生物降解区工艺参数的优化研究 3 1 生物降解区运行的影响因素分析 影响膜生物反应器运行的因素和技术参数涉及到生物反应器与膜组件两部分。生物工 艺条件通过影响生物处理出水中溶解性有机物浓度、有机物的组成等对膜通量产生间接的 影响。对m b r 的生物降解区而言，主要有p h 值、温度、水力停留时间( h r t ) 、污泥停 留时间( s r t ) 、污泥浓度( m l s s ) 等 5 3 】。以下对各因素分别进行研究。 【1 】p h 值：对本实验来说，处理污水