（环境工程专业论文）改进膜生物反应器的试验研究.pdf

苏州科技学院硕士学位论文摘要 摘要 本课题在总结现有膜生物反应器曝气方式的基础之上，提出了将射流曝气应用于 分置式膜生物反应器之中。在清水试验阶段对鼓风曝气和射流曝气的充氧效果进行了 比较，得出射流曝气条件下的充氧效果要远远好子鼓风曝气同时，考察了不同循环 流量下射流曝气的充氧效果，得出了不同循环流量下反应器的各项性能参数，确定了 循环流量q 4 ( 即2 5 1 m 3 h ) 作为正式运行阶段所采用的循环流量。 采用射流曝气后一方面大大了提高氧的传递速率和利用效率，使反应器内溶解氧 充足( 平均d o 为6 2 6 m g l ) ，射流曝气以及循环泵的剪切作用使得污泥被“切割” 成细小的颗粒，大大提高了生化效能。另一方面，细碎盼污泥颗粒也加剧了膜污染的 形成。在整个运行期间，系统对c o d 、氨氮以及浊度具有很好的去除效果，平均去 除率分别达到9 6 0 1 、9 9 1 和9 9 8 3 。而对总氮和磷的去除效果不好，总氮、总 磷以及正磷的平均去除率分别为3 7 9 、1 7 1 6 和3 1 l 。 试验还研究了不同泥龄( 2 0 d ，4 0 d ，8 0 d ) 对各种污染物去除效果的影响，得出 了微生物的产率系数( y ) 以及自身氧化率( 磁) 分别为0 1 7 5 5 ，0 0 5 d 1 。在每个泥 龄下考察了c o d 容积负荷对系统c o d 去除效果的影响，得出了本试验中最佳c o d 容积负荷为3 1 3k g c o d ( m 3 d ) 系统对迸水c o d 具有很好的去除效果，主要是靠 微生物作用完成的，同时膜的截留作用也起到了相当重要的作用，保持了系统出水 c o d 的稳定，出水c o d 基本可以保持在5 0 m g m 左右。 系统在运行一定时间后出现了膜污染，采用了化学清洗( 0 4 次氯酸钠+ o 4 氢 氧化钠) 同物理清洗相结合的方式，三次膜清洗的膜通量恢复分别为9 9 1 、7 8 2 、 6 5 5 ，说明出现了不可逆的膜污染，可考虑寻求更好的清洗方式。 关键词：分置式膜生物反应器。射流曝气，泥龄，c o d 容积负荷，膜污染 苏州科技学院硕士学位论文 a bs tr ac t a b s t r a c t o nt h eb a s eo ft h ea e r a t i o nm o d e s ，t h ej e ta e r a t i o nw a su s e di nt h er e c i r e u i a t c d m e m b r a n eb i o r e a c t o ri no u rr e s e a r c h c o m p a r i s o no ft h eo x y g e ns u p p l ya b i l i t yb e t w o e n b l a s ta e r a l i o l la n d j e ta e r a t i o nt h r o u g ht h et a pw a t e re x p e r i m e n t ，t h el a t t e rw a sb e t t e rf u r t h e r a tt h es a m et i m et h eo x y g e ns u p p l ya b i l i t yi ss t u d i e da n ds e v e r a lp e r f o r m a n c ep m m n e t e r w a sd e t e r m i n 司越d i f f e r e n tc i r c u l a rf l u x 。q 4 弦5 1 m j h ) w a sd e t e r m i n e d 舔t h ec i r c u l a r f l u xi nd u ef o r mp h a s e r e m o v a le t 配e n e yo r u 协n 协 o x y g e nt r a n s f e r r i n g r a ：c ea n du t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yw a si m p r o v e dh i g h l yu s i n gj e t a 蹦l t i o na n dd i s s o l v e do x y g e n ( d o ) w a se n o u g h ( t h ea v e r a g ed oi s6 2 6 r a g l ) s l u d g e g r a i nw a sb r o k ei n t op i e c e sb yj 眈a e r a t i o na n ds h e a ra c t i o no fc i r c u l a rp u m p ，i m p r o v i n g h i 毋d yb i o l o g i c a le f f i c i e n c y o nt h eo t h e rh a n d ，i m p e r c e p t i b l es l u d g e 蛐t m s i l yl e dt o m e m b r a n ef o u l i n g d u r i n gt h ew h o l eo p e r a t i o np e r i o do ft h eb i o r e a c t o rr e m o v a le f f e c to f c o d 、n h 3 - n a n d n l u i s v e r y g o o d ，a n d a v e r a g e 佗m o v a lr a t e o f c o d 、n h ，- na n d n t u r e a c h e da t9 6 ，0 1 、9 9 1 a n d9 9 8 3 b u tr e m o v a le f f e c to ft na n dp h o s p h o r u si sn o t g o o d ，a n da v e r a g er e m o v a l r a t eo f l n 、1 1 pa n dp 吖w a s3 7 9 、1 7 1 6 a n d3 1 1 。 e f f e c to fd i f f 雠n ts r t ( 2 0 d ，4 0 d ，8 0 o nr e m o v a le f f i c i e n c yo fp o l l u t a n t sw 舔 r e s e a r c h e di n t h i sp a p e r ya n dk do fs y s t e mw a s0 ，1 7 5 5a n do 0 5d 1 e f f e c to ft h e v o l u m e - l o a d i n gr a t eo fc o d o nr e m o v a le f f i c i e n c yo fp o l l u t a n t sw a sr e s e a r c h e di ne v e r y s r t , a n dt h eb e s tv o l u m e - l o a d i n gr a t eo fc o dw a s3 1 3k g c o d ( m 3 mi nt h i sp a p e r r e m o v a le f f e c to fi n f l u e n tc o di ns y s t e mi sv e r yg o o d ，a n di td e p e n d e do nb i o l o g i c a l i n t e r a c t i o nm o s t l y i tw a gv e r yi m p o r t a n tf o rt h er e j e e t i o no fm e m b r a n ea n di tk e 州 e f f l u e n tc o da ta b o u t5 0 m g l i ta p p e a r e dm e m b r a n ef o u l i n ga f t e rt h es y s t e mr u n n i n gap e r i o do ft i m e t h e ni tt a k e d c h e m i c a lc l e a n i n gm e t h o d ( 0 4 n a c l o + 0 4 n a o h ) w h i c hc o m b i n e dw j t hp h y s i c a l c h e m i c a lm e t h o df o rm e m b r a n ef o u l i n g r e s u m er a t eo fm e m b r a n ef l u xf o rt h r e ec l e a n i n g o fm e m b r a n ew 鹤9 9 ，1 、7 8 2 、6 5 5 ，a n di ts h o w e dt h a ti ta p p e a r si r r e v e r s i b l e m e m b r a n ef o u l i n g w es h o u l df i n db e t t e rc l e a n i n gm e t h o d s k e y w o r d s ：r e c i r c u l a t e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( r m b r ) ，j e ta e r a t i o n ，s l u d g er e t e n t i o n t i m c ( s r t ) ，t h ev o l u m e - l o a d i n g r a t eo f c o d ，m e m b r a n ef o u l i n g 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 本人郑重声明；所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：登立玉f t # i i ：2 丑年厶月益日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文的复 印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于收集、保 存、使用学位论文的规定，即：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，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用 影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意学校在不以赢利为目的 的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名；赵垫立日期：土五年l 月j 日 指导教师签名： 查基 日期：之弓峰- j l 月羔生日 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 水是生命的源泉，是人类经济发展和社会进步的生命线，是实现可持续发展的物 质基础。然而随着人类的进步与发展，对水的需求量不断增加，对人类生存发展至关 重要的水资源量已十分有限，“世界水目”已向全人类发出未来全球水危机的信号 在2 1 世纪的今天，水资源问题已经成为全球资源环境的首要问题，直接影响、制约着 人类社会的生存和发展。作为发展中国家中的资源大国，同时也是人口大国，中国正 面临着水污染严重、水资源短缺和水资源浪费三大问题。 据统计，世界上已有4 3 个国家和地区( 占全球陆地面积的6 0 ) 缺水。中国幅员 辽阔，水资源总量为2 s 万亿立方，占世界第6 位，水资源总量相对比较丰富，但是人 均淡水资源却是贫国，仅为世界人均占有量的1 4 ，在世界各国名列1 l o 位。全国6 6 2 座城市中。有4 0 0 多座城市缺水，1 0 0 多座城市严重缺水，日缺水量达1 6 0 0 万吨 在水资源极度缺乏的同时，我国更是存在着水资源分配和使用不合理、水资源浪 费和水资源污染严重等问题。对水资源的开发利用及管理不善、掠夺开采、粗放使用 和任意排放，破坏7 我国的水资源环境，加剧了承资源短缺的程度。目前，全国主要 江河湖库均受到了不同程度的污染。 根据2 0 0 5 年中国环境状况公报公布，国家环境监测网( 简称国控网) 七大水 系的4 11 个地表水监铡断面中，m l i 类、i v - v 类和劣v 类水质的断面比例分剐为4 l 、 3 2 和2 7 。其中，珠江、长江水质较好，辽河、淮河，黄河、松花江水质较差，海 河污染严重。主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类。 2 0 0 5 年，2 8 个国控重点湖( 库) 中，满足类水质的湖( 库) 2 个，占7 ；类 水质的湖( 库) 6 4 1 ，占2 1 ；水质的湖( 库) 3 个，占l l ；v 类水质的湖( 库) 5 个，占i s ；劣v 类水质湖( 库) 1 2 个，占4 3 。其中，太湖、滇池和巢湖水质均 为劣v 类。主要污染指标为总氮和总磷。 2 0 0 5 年中国环境状况公报显示，全国废水排放总量为5 2 4 5 亿吨( 其中，工 业废水排放量为2 4 3 1 亿吨，生活污水排放量为2 8 1 4 亿吨) ：化学需氧量排放量为 1 4 1 4 2 万吨( 其中，工业排放量为5 5 4 8 万吨，生活排放量为8 5 9 4 万吨) ；氨氮摔 放量为1 4 9 8 万吨( 其中，工业排放量为5 2 5 万吨，生活排放量为9 7 3 万吨) 表 1 1 为全国近年废水及主要污染物排放量。 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪 论 表1 1 全国近年废水及主要污染物排放量 废水排放量( 亿吨) 合计工业生活 c o d 排放量( 万吨) 合计 工业 生活 氨氮排放量( 万吨) 合计工业生活 以上数据可以看出，水环境污染的加剧和用水量的激增使有限的水资源日趋紧 张。与此同时，多数城市地下水受到一定程度的点状或面状污染，水资源短缺和水环 境污染己成为制约我国经济和社会发展的重要因素。 因此，对城市生活污水和工业废水的处理势在必行。污水处理工艺一般可以分为 四大类：物理法、化学法、物化法和生物处理法。物理化学法主要包括化学沉淀，氧 化还原，活性碳吸附，离子交换等。物理化学法是通过物理化学反应，将污染物质去 除或无害化，由于此方法一般需要投加化学药剂，所以当水量巨大的时候，运行费用 相对于生物法较高，适用于处理有毒有害、难生物降解的工业废水生物法是利用细 菌、霉菌和微生物的代谢作用去除水中污染物质的方法，此方法特别适用于处理水量 大而且可生化性较好的城市生活污水。 常用的生物处理法主要分为活性污泥法和生物膜法。其中，以活性污泥为代表的 传统好氧生物处理工艺长期以来在生活污水以及工业废水处理中得到了广泛的应用。 活性污泥法的原理是通过采取一系列人工强化，控制的技术措施，使活性污泥中微生 物所具有的对有机物氧化、分解为主体的生理功能得到充分发挥，以达到污水净化的 水处理方法。在处理过程中，污水经过活性污泥的净化作用，形成的混合液由曝气池 进入二次沉淀池，在沉淀池中进行固液分离，澄清后的污水作为处理水排出系统。沉 淀的污泥一部分作为接种污泥回流到曝气池中，多余的一部分则作为剩余污泥排出系 统，其工艺流程如图1 1 所示。但是传统活性污泥法存在许多方面的不足： ( 1 ) 曝气池中污泥浓度低，进水有机负荷低，造成所需池容大，基建费用高。 由于受二沉池对污泥沉降特性要求的影响，当生物处理达到一定程度时，要继续提高 系统的去除效率很难，往往需要延长很长的水力停留时间也只能少量的提高总的去除 率： ( 2 ) 系统在运行过程中产生大量剩余污泥。致使污泥的后处理量大、费用高； ( 3 ) 易产生污泥膨胀，造成出水水质恶化，使操作管理复杂； ( 4 ) 传统二沉池使系统占地面积大，增加了基建费用且二沉池出水中还免不 了带有悬浮固体，影响出水水质； 2 ：i 鼬 跖 矜 如 g ： 扎 旺 舢 化仡 2 8 7 s黜粼拼m 螂 3 9 7 5 4 研 撇 嘲啪 溉| 耋姒跏觥 8 9 6 2 2舛稻 ”hh ”b h 3 3 6 3 4 o 2 7 l l m ；号勰 6 2 4 l 1 凇 斯 m 埘搬”蛄“”伽伽枷姒；萋 l 2 3 4 5舢撇舢撕嬲 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 ( 5 ) 抗水质，水量冲击负荷能力较弱，出水水质不够理想且不稳定； ( 6 ) 水力停留时间与生物固体停留时间相互依赖，提高容积负荷与降低污泥浓 度往往形成矛盾； ( 7 ) 对氮，磷的处理能力极为低下。 回流污泥剩余污泥 l 初次沉淀池2 一曝气池3 一二次沉淀池 图1 i 传统活性污泥法流程图 由于传统活性污泥法的很多不足，为适应废水处理发展的要求，在近几十年中各 国水处理工作者推出了一系列改进工艺，如氧化沟工艺，a b 法，s b r 法，a - o 法， a a o 流程等。这些改进工艺使传统活性污泥法在某些方面有很大程度的改善，如提 高反应器负荷，延长污泥龄减少污泥量，增加脱氮除磷功能等，但如泥水分离问题等 一些根本问题没有得到很好的解决。为解决活性污泥法中存在的诸多问题，且随着人 类对水环境质量的要求越来越高，各种新型、改良的高效废水生物处理技术应运而生。 而其中引人注目的是用膜分离技术代替传统的重力式沉淀池，构成了新型的水处理技 术，即膜生物反应器组合工艺。 1 2 膜生物反应器的研究概况 2 1 膜生物反应器的特点及其分类 1 2 1 1 膜生物反应器的特点 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，简称m b r ) 是一种由膜分离单元与生物处 理单元相结合的新型水处理技术，它将分离工程中的膜技术应用于传统废水处理系 统，用膜过滤替代二沉池，提高了泥水分离效率，解决了传统活性污泥法中泥水分离 困难，污泥产量大的突出问题。该工艺与传统活性污泥法相比，具有其无法比拟的优 点【1 - 3 1 ： ( 1 ) 污染物去除效率高。不仅高效去除悬浮物、有机物，还可去除细菌、病毒 3 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 等有害物质。出水水质好，可直接回用。 ( 2 ) 膜分离使微生物完全截留在生物反应器内，实现了水力停留时间( m h ) 与泥龄( s r t ) 的完全分离，使得运行控制更加灵活稳定。 ( 3 ) 膜的机械截留作用较大地避免了微生物的流失。生物反应器内可以保持高 的污泥浓度，从而提高了反应器体积负荷，降低了污泥负荷。同时，膜分离取代了二 沉池，使构筑物体积大大缩小； ( 4 ) 由于污泥泥龄( s r t ) 很长，所以膜生物反应器可以起到“污泥硝化池” 的作用，使得污泥产量少，处理费用低，甚至可以不排泥。 ( 5 ) 膜的截流作用使污泥泥龄( s r t ) 延长，营造了利于如硝化细菌等增殖缓 慢的微生物的生长环境，提高了系统的硝化能力，同时有利于提高难降解大分子有机 物的处理效率，促使其彻底分解。较高的污泥浓度增强了生物处理的效果，且对氮、 磷也有较好的去除效果。 ( 6 ) m b r 曝气池的活性污泥不因产水而流失。在运行过程中，活性污泥浓度 会因进入反应器内的有机物浓度的变化而变化，并且达到一动态平衡，这使得系统出 水稳定并有耐冲击负荷的特点； ( 7 ) 反应器内较大的水力循环可使污水均匀混合，活性污泥均匀分散，活性污 泥的比表面积大大增加，进一步提高了水处理的效果。 ( 8 ) 易于一体化，易于实现自动控制，操作管理方便。 总之，膜生物反应器具有许多其他污水处理方法所不具备的优点，特别是出水水 质可以满足目前最严格的污水排放标准，甚或今后更严格的排放要求。膜生物反应器 的使用既能够解决我国目前污水处理方法中存在的闯题，使污水处理达到理想的效 果；另一方面，膜生物反应器占地面积小，便于各种场所各种浓度污水的处理，能被 广泛应用于各行各业、各种场所。因此，加快膜生物反应器的研制顺应了我国国情的 需要，是非常必要的。 1 。2 1 2 膜生物反应器的分类 通常提到的膜生物反应器。实际是三类反应器的总称，它们分别是：膜曝气 生物反应器( m e m b r a n ea e r a t i o nb i o r e a e t o r ，m a b r ) ：萃取膜生物反应器( e x t r a c t i v e m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，e 池r ) ；膜分离生物反应器( b i o m a s ss e p a r a t i o nm e m b r a n e b i o r e a g t o r ，b s m b r ，简称m b r ) 。其中，膜分离生物反应器( m b r ) 最为常见。 膜分离生物反应器中的膜组件相当于传统生物处理系统中的二沉池，利用膜组件 进行固液分离，截流的污泥回流至生物反应器中，透过水外排。按照是否需氧可分为 好氧和厌氧膜生物反应器。按膜组件和生物反应器的相对位置，膜分离生物反应器又 可以分为分置式( 也称外置式) 膜生物反应器、一体式( 也称浸没式) 膜生物反应器、 复合式膜生物反应器三种。 4 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 在分置式膜生物反应器( 如图1 - 2 ) 中，生物反应器的混合液由泵增压后进入膜 组件，在压力作用下膜过滤液成为系统处理出水，活性污泥、大分子物质等则被膜截 留，并回流到生物反应器内。分置式m b r 采用的膜组件形式一般为平板式和管式。 早期m b r i 艺主要用此工艺，其特点是：运行稳定可靠，操作管理容易，易于膜的 清洗、更换及增设。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， 为此动力消耗较高。 围l - 2 分置式胰生物反应器( r m b r ) 工艺流程 一体式膜生物反应器( 如图1 3 ) 将膜组件置于生物反应器之内，通过真空泵( 抽 吸式) 或自然压头( 重力式) 过滤出水一体式m b r 利用曝气时气液向上的剪切力 来实现膜面的错流效果，也有采用在一体式膜组件附近进行叶轮搅拌和膜组件自身的 旋转( 如转盘式膜组件) 来实现膜面错流效应。与分置式相比。一体式的最大特点是 运行能耗低。因此，自8 0 年代一体式m b r 首先出现在日本以后，对它的研究一时 成为热点，大有取代分置式的趋势。 裁风帆 图1 3 一体式膜生物反应器( s m b r ) 工艺流程 复合式膜生物反应器( 如图i - 4 ) 在形式上也属于一体式膜生物反应器，所不同 的是，在生物反应器内加装填料，从而形成复合式膜生物反应器，改变了膜生物反应 器的某些性状。 5 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 进水 瓣靥 填科膜组件 图1 4 复合式膜生物反应器工艺流程 1 2 2 膜生物反应器的国内外研究状况 水 膜与生物处理工艺相结合的膜生物反应器研究迄今已逾3 0 年了，m b r 的商业应 用也有2 0 多年的历史了。1 9 6 9 年。美国的s m i t h 首次报道了美国的d o r r - o l i v e r 公司 把活性污泥法和超滤工艺结合处理城市污水的方法1 4 】，该工艺最引人瞩目的是用膜分 离技术取代常规的活性污泥二沉池，用膜分离技术作为处理单元中富集生物的手段， 而不是采用常规的回流循环来增加曝气池中微生物的浓度。当时由于受膜生产技术的 限制，膜的使用寿命短，水通量小，使其在实际应用中受到了限制。2 0 世纪7 0 年代 后期，好氧膜生物反应器首先在北美应用。进入2 0 世纪8 0 年代后，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应用。尤其是在日本，由于其国土狭小、地价高，因此对膜分离 技术在废水处理中的应用进行了大力开发和研究，特别是1 9 8 9 年日本开始“9 0 年代 水复兴计划( a q u a r e n a i s s a n c e p r o g r a m m e 9 0 ) ”科研项目嘲，把膜生物反应器的研究 在污水处理对象和处理规模上都向前大大推进了一步。美国、德国、法国等国对膜生 物反应器的研究也投入了很大精力，使其研究内容更加全面和深入，为9 0 年代的进 一步推广应用奠定了技术基础。 现在膜生物反应器已成功地应用于城市污水和工业废水的处理，目前世界范围 内，实际应用的m b r 系统超过5 0 0 套，同时许多工程正在计划与建设中，世界上约 6 6 的工程在日本，其余主要在北美和欧洲。这些工程中9 8 以上是膜分离工艺与好 氧生物反应器相结合。约5 5 是膜浸没于生物反应器中( 一体式膜生物反应器) ，其 余则是膜组件置于生物反应器之外( 分置式膜生物反应器) 嘲表j 2 列出了6 种主 要商业化的m b r t l l 。 6 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 表1 2 主要商业化的m b r 一览 m b r 在国内的研究开始于9 0 年代，时间很短，但发展很快。m r 在我国水处理 方面的应用研究首先从分离式m b r 开始。最早由岑运华在1 9 9 1 年1 0 月介绍了m b r 在 日本的研究状况用。1 9 9 3 年上海华东理工大学环境工程研究所进行了m b r 处理人工合 成污水和制药废水的可行性研究网。先后有清华大学、天津大学、同济大学、浙江大 学、哈尔滨工业大学，中科院生态环境研究中心等院校及科研机构进行此工艺的研究。 清华大学进行了无机膜生物反应器处理生活污水的研究唧；同济大学和天津大学进行 了中空纤维膜生物反应器处理生活污水的研究 1 0 , 1 l 】：哈尔滨工业大学进行了中空纤维 膜生物反应器处理污水性能的研究【1 2 1s 中国科学院生态环境研究中心采用膜生物反应 器对石油化工废水的净化进行了研究【l 习：大连理工大学进行了宾馆污永及蒸汽冷凝水 的再生回用研究【1 4 】等。这些研究主要集中在：( 1 ) 运行方式的研究；( 2 ) 各种工艺参 数( 包括生物工艺参数和膜工艺参数) 对处理效果的影响和优化；( 3 ) 膜的污染和膜 的清洗；( 4 ) 新型膜材科和膜组件的开发。 在实际工程应用上，天津清华德人环境工程有限公司率先在国内实施了m b r 在 水处理行业的产业化，取得了很好的效益。同时，我国科技部在。八五”、“九五气 。十五”连续3 个五年计划中将膜生物反应器得研制列入科技攻关计划。在膜的选择、 处理效率、抗污染以及反应器的优化设计、降低能耗等方面进行了深入的研究和开发， 2 0 0 0 年开始步入规模化推广应用。近年来，膜生物反应器的处理对象不断扩展，从生 活污水扩展到石化污水、高浓度有机废水、食品废水、啤酒废水、港口污水、印染废 水；生物反应器从活性污泥法扩展到接触氧化法；生物处理流程从好氧发展到厌氧， 并且对不同污水的处理效果、系统的稳定运行、操作条件的优化进行了研究。目前， 膜生物反应器已有在大楼废水、生活污水回用、医院废水处理的工程实例，但应用工 程数量还较少。国产的专用于膜生物反应器的膜材料、膜组件还十分有限，有待加 快研究和开发，以利于我国m b r 技术的发展，早日实现国产化、规模化、产业化。 使其在我国污水和给水处理中发挥应有的作用。 近年来，国内外对m b r 的研究主要包括以下三个方面：( 1 ) 探索不同生物处理 7 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 工艺与膜分离单元的组合形式，生物反应处理工艺从活性污泥法扩展到接触氧化法、 生物膜法、活性污泥与生物膜相结合的复合式工艺、两相厌氧工艺；( 2 ) 影响处理效 果与膜污染的因素，机理及数学模型的研究，探求合适的操作条件与工艺参数，尽可 能减轻膜污染，提高膜组件的处理能力和运行稳定性；( 3 ) 扩大m b r 的应用范围， m b r 的研究对象从生活污水扩展到高浓度有机废水( 食品废水、啤酒废水) 与难降 解工业废水( 石化污水、印染废水等) ，但以生活污水的处理为主。m b r 的一大优点 就是出水水质好，研究表明，m b r 对于生活污水中c o d 、s s 具有良好的去除效果， 去除效率均高于传统的生物反应器。同时，控制一定的运行条件以及同其他工艺相结 合，m b r 对氮也具有一定的去除效果。目前，m b ri 艺还主要应用在高层建筑及小 区中水回用、高浓度工业有机废水的处理、难降解有机废水的处理上，其处理过的废 水水质均达到相应的排放标准。目前m b r 虽然已成功地应用于废水处理系统，但是 在运行过程中却存在一些问题限制了它的进一步广泛应用。目前，最常用的固液分离 式膜生物反应器存在的主要问题是： ( 1 ) 分置式膜生物反应器虽然投资成本相对较低，运行稳定可靠，操作管理容 易，但是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。而一体式膜生物反应器虽然克服了分置式运行成本高的问题，但是其投资成 本较分置式高，膜通量较小，膜污染较为严重，清洗较为困难，运行管理不太方便。 ( 2 ) 膜生物反应器的投资和运行费用均远高于传统的处理工艺，这主要是因为 膜及膜组件的价格昂贵，国产膜与进口膜的价格相差近3 4 倍。 ( 3 ) 膜污染问题是限制膜生物反应器得到进一步推广的原因，特别是在一体式 膜生物反应器中，由于膜表面的错流速度是由曝气产生的，而依靠鼓风曝气提高表面 的错流速度较为困难，在膜表面难于达到较高的紊动，因此膜污染较严重。同时，严 重的膜污染也将导致膜组件的更换频率过高及能耗过大，从而使运行费用增大。 ( 4 ) 一体式和分置式膜生物反应器的氧传递效率及利用速率均较低，因此为满 足高污泥浓度的需氧要求，往往采用了较大的曝气量，其中大量的氧未得到充分利用， 同时也增加了运行费用。 ( 5 ) 对有些特殊水质的处理不理想，如：含酚、醇、磷的废水，导致膜生物反 应器在工业废水处理中的应用受到很大限制。 这些问题中，膜污染是其中最重要的因素。膜污染严重时，膜的分离功能被破坏， 依靠更换膜组件来恢复反应器的运行，势必会增加反应器的运行成本。如何防止膜污 染成为m b r 研究的难点和热点，采取了下述膜污染控制对策i l 纠一。 ( 1 ) 混合液进行预处理。活性污泥混合液的各部分组成是造成膜污染的污染来 源，由于混合液的性质和组成是影响膜污染的重要因素，因此对混合液进行有效的预 处理，使其达到膜组件的进水要求，是防止膜污染的重要措施之一 8 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 控制合适的操作条件。如通过提高膜表面的错流速度来提高对膜表面的冲 刷，减少膜污染；适当提高混合液温度，加速分子扩散，降低粘度，亦可提高膜通量 等。 ( 3 ) 对膜进行适时的清洗，气、水或气水混合反冲洗。进行定期的膜清洗，这 是保证膜通量长期稳定运行的主要因素，为了操作方便应尽量采用在线清洗的方式， 水反冲、空气反冲或超声波清洗等均应采用自动控制方式。必要时还可进行化学清洗， 应根据不同的污染物类型选用合适的清洗剂。 ( 4 ) 对膜材料的改性。 ( 5 ) 对膜组件进行优化设计。膜组件的优化设计应充分考虑膜组件的放置方式 与水力形态( 错流、穿流和活塞流) 的关系、中空纤维膜的管径与长度的关系。 ( 6 ) 对临界通量的控制。膜组件在临界通量下操作，膜污染不会显著发生。错 流微滤试验表明，根据颗粒质量平衡和膜操作压力增加确定的临界通量，其随着颗粒 的大小增加丽增加，随着进水浓度的升高而减少，但不随着膜孔径的大小而变化。 ( 7 ) 水动力学控制。采用恒通量操作方式在低膜面流速下( o 5 m s ，r e = 1 2 0 0 ) ， 污泥颗粒沉积在膜表面上形成泥饼层，导致水力阻力迅速增加( 1 0 9 m 1 s 1 ) ；在 常规膜面流速下( 4 m s ，r e - - - 9 0 0 0 ) ，膜表面上没有污泥颗粒沉积，水力阻力的增加 主要由胶体和可溶性物质引起。 ( 8 ) 进行空气喷射和活塞流。最近的研究表明，空气喷射可有效控制一体式中 空纤维膜生物反应器的膜污染( 提高膜通量) ，但需要进一步的研究，如优化设计和 操作。分体式和一体式膜生物反应器的试验表明，通过曝气在中空纤维膜内形成活塞 流，可大大减轻膜污染，从而可提高膜通量2 4 倍。 膜生物反应器在污水处理中的研究和应用涉及到生物学，水力学、材料学、经济 学和工程学等众多学科，m b r 的发展需要每个学科的进一步探索和各个学科间的相 互渗透。国内外许多学者也对膜生物反应器技术进行了大量的研究并取得了丰硕的成 果，但是，膜生物反应器未来还有许多急需解决的问题： ( 1 ) 膜污染的机理及防治。膜污染是关系到m b r 运行可靠性、经济性的关键 问题，膜污染物和料液性质之间的相关性还缺乏定量的分析和考察，膜污染数学模型 还需进一步研究，膜组件清洗手段和频率还需进一步探讨。同时，性能优越的新型耐 污染膜和膜组件的开发研制也是解决膜污染问题的手段之一； ( 2 ) 膜生物反应器工艺流程形式及运行条件的优化。如：加强反硝化作用以提 高氮的去除率，同时硝化反硝化和短硝化现象的控制因素的研究；能耗的降低措施及 技术；污泥停留控制措施和时间的研究；膜组件和新型处理技术的组合以及运行方式 的最优化研究等； ( 3 ) 研究m b r 的污泥产率与运行条件的关系，以合理减少污泥产量，降低污 9 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 泥处理费用； ( 4 ) m b r 经济性研究。现有的膜组件的价格偏高，限制了膜技术在污( 废) 水 处理领域的推广应用，巨大的潜在市场需要远低于目前价格的膜组件。因此，研制低 成本、高性能的膜及膜组件是降低m b r 工艺成本的关键因素。目前，m b r 工艺对 于小流量的污水处理具有一定的竞争性，而m b r 用于污水处理的最大经济流量的确 定也是一个亟待解决的课题； ( 5 ) 目前国内外膜生物反应器的工艺设计尚未见有较为成熟、系统的方法，建 立一套合理的设计方法和标准也是急需解决的课题之一； ( 6 ) 扩大m b r 工艺应用的领域也是未来的发展方向之一。 总之。尽管膜污染和高能耗尚未得到彻底解决，但由于m b r 具有传统工艺无法 比拟的优势，其在城市污水和工业废水处理领域中将得到更多的应用，必将成为今后 人们控制水污染和解决污水回用问题的重要手段之一 1 2 3 膜生物反应器中曝气方式的研究现状 膜生物反应器在污水处理的应用范围和规模虽然不断扩大，但是，膜污染仍就阻 碍其进一步推广应用。许多学者对膜污染及其防治进行了深入的研究，并提出了膜污 染防治的一系列方法与措施，下面从曝气方式上来探讨对膜污染的控制方法。 1 2 3 1 膜生物反应器中主要采用的曝气方式及比较 到目前为止，膜生物反应器中采用的曝气方式主要有两种：鼓风曝气和无泡曝气。 其中，不论是一体式还是分置式膜生物反应器，传统的鼓风曝气应用的较为普遍。而 无泡曝气仍采用鼓风机，只不过气体直接通入膜组件内而不是在混合液中。普通的鼓 风曝气方式已经在上面介绍过，下面介绍一下无泡曝气。 传统的生物反应器中如果污泥浓度( m l s s ) 很高，需氧量很大，那么普通的鼓 风曝气无法满足微生物对0 2 的需求，反过来限制反应器中m l s s 的浓度。在这种状 况下，无泡曝气膜生物反应器( 属于膜曝气生物反应器) 应运而生。它采用透气性 致密膜( 如硅橡胶膜) 或微孔膜( 如疏水性聚合膜) ，以板式或中空纤维式组件，在 保持气体分压低于泡点的情况下，可实现向生物反应器的无泡曝气。如图1 5 所示， 气液两相由膜隔开，膜为氧的传递和生物膜的增长提供了较高的表面积，却只占生物 反应器较小的体积，氧通过膜进人生物膜而不直接进人液相，因此不会使挥发性有机 物挥发，也不会发生泡沫现象。由于用于氧传递的表面积是固定的，因此可根据实际 供氧要求选择膜面积。 1 0 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪 论 进科液 出料蔽 图1 - 5 无泡曝气膜生物反应器 无泡曝气膜生物反应器具有以下优点【1 柳：( 1 ) 由于传递的气体含在膜系统中，因 此提高了接触时间，从而达到约1 0 0 的传氧效率；( 2 ) 由于气液两相被膜分开，因 此有利于曝气工艺的更好控制，即有效的将曝气和混合功能分开；( 3 ) 由于供氧面积 一定，因此该工艺不受在传统的曝气系统中气泡大小及其停留时间等因素的影响。虽 然无泡曝气膜生物反应器有这么多优点，但是其还处在试验室阶段，尚无实际的工程 应用，其技术经济性能等方面还需进一步研究，表1 3 列出了鼓风曝气和无泡曝气膜 生物反应器各方面性能的比较i l 叼”。 表1 3 鼓风曝气和无泡曝气膜生物反应器性能的比较 1 2 3 2 国内外对膜生物反应器中曝气方式的研究进展 限制膜生物反应器在实际应用中得到进一步推广的主要因素是能耗和膜污染问 题，而能耗问题归根到底也是膜污染问题阎，因此。防治膜污染成为当今膜生物反应 器研究和推广的关键。目前膜生物反应器中一般均采用鼓风曝气，研究较多的主要是 一体式膜生物反应器中曝气条件对膜污染的影响。一体式膜生物反应器中膜表面的错 流是由空气搅动产生的，在这种剪切力的作用下，胶体颗粒被迫离开膜表面，减缓膜 的堵塞。但是由于膜面流速小，仍然容易造成膜污染。在一体式中空纤维膜中，加大 曝气量，可达到减少膜面污染的目的f 2 3 1 。下面就曝气量对膜污染的影响因素进行介绍。 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 调节曝气量可以控制膜面流速，提高膜面流速可以有效地减缓膜污染。清华大学 刘锐等洲的研究发现在一体式膜生物反应器中，为减轻污泥在膜表面的沉积以延长 膜的运行周期，保持生物反应器内良好的水流循环十分重要。他们实测了反应器内膜 面水流错流流速的大小，并考察了错流流速与曝气量的关系，发现膜面液体平均错流 流速随着曝气量的增加相应增大，当曝气量达到g o m 3 h 以上时，错流速度也逐渐趋 向于平稳，达到0 5 m s 。 提高曝气强度( 每单位面积的曝气量) 或增加空气流速，可提高泥饼层的去除效 率，从而有利于提高膜通量。研究表明1 2 5 】，一体式中空纤维膜生物反应器中曝气强度 从1 2 m 3 ( m 2 h ) 提高到3 6 1 2 m 3 ( m 2 h ) ，可大幅降低膜的水力阻力，从而增加 膜通量。 张再利等 2 6 1 研究了曝气量对膜通量的影响，把操作压力保持在o 0 7 3 m p a 不变， 通过改变曝气量的大小来改变中空纤维膜束间的流速，并研究膜通量的变化情况，发 现曝气量存在一个转折点，即1 5 0 l r a i n 。曝气量未达到此点时，膜过滤阻力很大。 试验现象表现为大量的污泥吸附在膜表面，此时，膜通量很小这样的曝气量下，操 作几乎无法进行。而当曝气量达到此点时，膜通量大幅上升，且在此基础上再增大曝 气量，膜通量又无明显改变。表明这一阶段的曝气量，已能充分冲刷浓差极化层和凝 胶层。此时的膜过滤阻力并不是由前二者决定，与曝气量无关，而是由膜本身的阻力 和这阶段膜的污染程度决定。u d e d a 等 2 7 1 的研究结果和王猛【嚣1 的研究结果也均证实了 上述现象的存在。 在一体式膜生物反应器中，曝气速率和曝气强度是影响膜运行的一个重要因素。 u d e d a 等阱】用中空纤维膜处理生活污水的试验证明：随着曝气速率的增大，压力差在 减小到一定值后变化趋缓。试验还研究了不同曝气下的膜阻力，显示膜清洗两个星期 之后膜阻力增加，结果显示增大曝气量可以提高滤饼的去除率，延长膜的使用周期朗 文献嗍的试验也证明随着曝气强度的增大，膜渗透通量稳定时的膜阻力减小。 综上所述，增大曝气量可以提高膜表面错流速度，提高膜通量，但是，并非曝气 量越大越好。曝气量增大的同时，运行能耗加大，增加了经济成本，因此，还应考虑 经济曝气量的问题1 3 0 - - 3 2 j 1 2 3 3 改变曝气方式来防治膜污染 目前投入应用的膜生物反应器一般都采用鼓风曝气的方法，但如果污泥浓度 ( m l s s ) 很高，需氧量很大，普通的鼓风曝气就无法满足微生物对0 2 的需求，这时 只能限制反应器中m l s s 的浓度。上面介绍了增大曝气量可提高膜表面的错流速度， 从而防止膜污染，但是，一体式膜生物反应器中所采用的鼓风曝气对提高膜表面的错 流速度比较有限，因此，可以考虑采用一种新的曝气方式来解决这一问题。 研究表明，空气喷射可有效控制一体式中空纤维膜生物反应器的膜污染( 提高膜 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 通量) ，但需要进一步的研究，如优化设计和操作田l 。一体式膜生物反应器的试验表 明，通过曝气在中空纤维膜内形成活塞流，可大大减轻膜污染，从而可提高膜通量 2 4 倍 3 4 1 。因此，为了有效提高膜表面错流速度，提出采用射流曝气的方式来达到这 一目的。 射流曝气器是介于气泡扩散装置和机械曝气设备之间的曝气设备，利用气泡扩散 和水力剪切这两个作用达到曝气和混合的目的阅射流曝气具有氧利用率高、氧传递 速率高，混合强度大，构造简单、运转灵活、便于调节以及消除噪音污染等优点【3 6 】。 由于射流曝气有上述优点，采用射流曝气方法，一方面可以加大反应器内泥水混 合程度，显著增加膜表面错流速度，有利于在膜组件表面形成较好的紊动而大大延缓 膜污染的形成，而且还可灵活控制回流比；另一方面，还可以大大提高生物反应器内 氧的传质效率，极大地满足池内微生物对氧的需求，在理论上具有较高的使用价值。 在国外，已有类似于射流曝气的方法应用于j l r ( j e tl o o pb i o r e a c t o r ) 的例子。在 很高的紊流混合条件下，由于有很高的氧传递效率，因此j u t 被认为具有很高的潜能， 特别是处理高浓度有机废水闻。然而，j l i 嘬严重的问题之一是它的沉淀性比较差， 为了克服以上的缺点，有人将j l r 同膜单元相结合，形成t j l - m b r ( j e t l o o p m e m b r a n e b i o r e a c t o r ) 网。