（环境工程专业论文）改进膜生物反应器处理废水的试验研究.pdf

中文摘要 膜生物反应器( i n e m b r 觚eb i o r e a c t o r ，m b r ) 技术具有传统方法所不及的许 多优点，具有很好的应用前景，但高能耗、膜污染是影响m b r 工艺推广应用的 主要障碍。我们从曝气方式入手研发了新型射流曝气膜生物反应器，取代了鼓风 机，省却抽吸泵。通过在实验室近2 2 0 天的小试试验研究此新型m b r 系统在处 理人工合成废水和生活污水的效果以及可能遇到的问题；以及对比不同曝气方式 对反应器污泥形态的影响，进而分析不同的污泥形态对污染物去除效率的影响。 经试验证明：在处理生活污水和人工合成废水期间，系统对c o d c ，的去除率均 大于9 5 ，对n h 3 n 去除率也基本保持在9 5 以上，同时选取适宜的硝化液回 流比时，总氮的去除率均高于7 0 ，而且出水无色无味，浊度均小于l n t u 。在 考察不同曝气方式对污泥形态的影响时发现：采用射流曝气时，在水泵高强度剪 切力和射流曝气强紊流的共同作用下，反应器内污泥变得十分松散和细碎，这种 状态严重影响了污泥的沉降性能，但却更加有利于反应器内污染物的降解。研究 证明，在使用射流曝气时，反应器去除污染物的速率明显高于使用鼓风曝气时污 染物的去除速率。 关键词：膜生物反应器，射流曝气，生活污水，污泥形态 a b s t r a c t m e m b m n eb i o r e a c t o r ( m b r ) f e a t i 玳sm a n yo t h e ra d v a n t a g e so f t h e t r a d i t i o n a l p r o c e s s e s ，w i l i c hm a k e si tal l i g m ya t t r a c t i v es y s t e m 、) l ，i n lab r i g h to u t j o o k h o 、v e 珉 t h j sn e w 铆，eo fw a s t e w a t e r 纰a t m e n ts y s t e ms t i l ln e e d 触t h e ri i l l p r o v e m e n tf o ra m o r c 、i d e s p r e a da p p l i c a t i o n t h em a i n1 1 i n d r a l l c e s a r et 1 1 ee l e v a t e d e n e r g y c o n s u i n p t i o na n dt l l em e m b m ep o l l 而o n t h e r e f i o r e ，w ef e ut od e s i g n i n gan e w t y p e o f j e t - a e r a t i o n m b rw h i c hs u b s t i t i n e dt h eb i o w i n gm a c h i n ea i l do b v i a t e st h es u c t i o n p 啪p t u 曲t h el a l s t2 2 0d a y si nm el a b o r a t o 驴s c a l ep i i o ts n j d yo ft h j sn e wm b r s y s t e mi nd e a l i n g 、) r i t hs y n t h e t i cw a s t e w a t e r 硒、e l la sd o m e s t i cs e 、v a g ea i l d o b s e r v i n gt l l ep o t e n t i a lp r o b l e m sw h i c hm a ye x i s t ，w ef o u n da e r a t i o ni i ld i 疵r e n t 、v a y sh a v es i g l l i f i c a d ti 1 1 f l u e n c eo ns l u 电ec h a r a c t e r i s t i c st l l l sa 髋c tt h ee 圃u e n tq u a l 酊 i nd e a l i n g 哳t hd o m e s t i cs e w a g ea 1 1 ds y n m e t i c 、j 哪t e 、v a t e rd 面n g t h er e m o v a ls y s t e m c o d c rm o r et h a l l9 5 o fn h 3 nr e m o v a lr a t ea l s or e m a i n e da tm o r et h a l l9 5 n j t r i f i c a t i o na tt h es a m et i m et os e l e c tt h ea p p r o p r i a t es o l u t i o nt or e t 哪t i mw h e nt l l e r e m o v a lr a t eo ft o t mi l i t r o g e nw e r eh i 曲e rt h a l l7 0 ，c o l o r l e s sa n dt a s t e l e s s 觚dt h e w a t e rt u r b i d i t yi s1 e s si n v e s t i g a t i o n si no u rl a b o r a t o 巧s h o w e dt h a tt h e 谢p eo 圩r a t i o o fc o de x c e e d e d9 5 ；、们p eo f rr a t i oo fn l b 二ne x c e e d e d9 5 ；a f l dt h et u r b i dd e e e o ft h ee q u i tl e s st 壬l a i l1n t u f u r t h e 咖o r e ，u n d e rt 1 1 ec o m b i n e di i m u e r l c eo fs h e a r s t r e s sa n dt h es 仃o n gt u 】r b u l e n c e ，s l u 地eb e c 啪ev e 巧l o o s ea n d 矗n e ，、让i c hs e o u s l y a 疗t e dt l l es t a t i l so ft h es e t t l e m e n to fs l u d g ep e 雨册a 1 1 c e ，w h e r e a s ，i ti sm o r e c o n d u c i v et 0r e a c t o rd e 黟a d eo fp o l l u t a n t s t h er e s u l t sp r o v e do b v i o u s l ym a tt h e p o l l u t 枷r e m o v a lr a t e sw e r el l i 曲e rb yt 1 1 e 、v a yo fu s i n gj e ta e m t o rr a t h e rt h a nt l l e b l o w i i 堰m a c h i n e k e y w o r d s ：m b r ， m u n i c i p a l 、v a s t e w a t e r ，j e ta e r a t i o n ，s l u d g ec h a r a c t e r i s t i c s 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 集体已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： 童31 主2 聋日期：立卑年月红日 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：翻运峰日期：墨星年厶月兰- 日 指导教师签名：吃易 日期：矽7 年莎f 分咿切 苏州科技学院硕七论文集第一章绪论 第一章绪论 水是人类生存的根本。世界看上去是个水资源丰富的星球，但实际上，我们 极度缺乏水，同时我们又极度地浪费和污染着水。要解决水问题就必须正确面对 现状，这才是我们解决问题的关键。水资源危机既阻碍世界可持续发展，也威胁 着世界和平。过去5 0 年中，由水引发的冲突共5 0 7 起，其中3 7 起有暴力性质，2 l 起演变为军事冲突。专家警告说，随着水资源日益紧缺，水的争夺战将愈演愈烈。 1 1 我国水资源现状 1 1 1 我国水量危机 我国虽然水资源总量居世界第4 位，但人均拥有量仅为世界人均拥有量的 l 4 ，居世界第1 0 9 位，是世界公认的贫水卧，并且水资源时空分布极不均匀， 年内降水主要集中在6 8 月份，基本上是南多北少。据统计，目前在我国6 6 8 个 建制城市中，有4 0 0 个城市供水不足，其中严重缺水的城市有1 3 0 多个，约占 6 0 ，缺水总量达6 0 多亿m 3 ，诸多城市居民生产生活用水面临严重困难。 1 1 2 我国水污染危机 同时水资源又是量与质的高度统一，当前我国面临着水量的危机的同时，还 面临着因污染导致的水质危机【2 j 。我国地表水资源污染严重，地下水资源污染也 不容乐观。在全国118 个城市中，6 4 的城市地下水受到严重污染，3 3 的城市 地下水受到轻度污染，从地区分布来看，北方地区比南方地区更为严重。海河流 域地下水资源量为2 7 1 6 亿i n 3 ，受到污染的为1 7 1 5 亿m 3 ，占总量的6 3 2 。虽然 随着我国环境治理力度加大，水质恶化的势头有所控制，但从总体上来判断，水 质恶化的趋势不可避免，随着污染范围的扩大，如果不采取有利的措施，一些城 市、地区或流域甚至全国可能发生水质污染，可以说，水污染产生的危害远远超 过水量危机。 我国水体污染主要来源于超标排放的工业废水和大量未经处理直接进入水 体的城市生活污水。据2 0 0 3 年中国环境状况公报公布，2 0 0 3 年，全国废水排 放总量为4 6 0 亿t ，其中城市生活污水排放量2 4 7 6 亿t ，占污水排放总量的5 3 8 。 城市生活污水正成为水污染的最大“公害”之一。因此，城市生活污水的处理对 于改善城市环境质量与居民生存环境，促进社会的可持续发展具有十分重要的意 义。 苏州科技学院硕士论文集第一章绪论 1 1 3 我国城市生活污水处理现状 但是我国污水处理面临着水污染严重，污水治理起步晚、基础差、要求高的 形势。近些年，城市污水处理的建设有了很大发展，截至2 9 0 5 年6 月底，全国 6 6 1 个城市建有污水处理厂7 0 8 座，处理能力为4 9 1 2 万岔d ，是2 0 0 0 年的两 倍多，全年城市污水处理量1 6 2 8 亿m 3 ，比2 0 0 0 年增加了4 3 ，城市污水处理 率达4 5 7 。但绝大多数城市的污水处理能力满足不了实际需要，全国还有2 9 7 个城市没有建成污水处理厂，其中，地级以上城市6 3 个，包括人口5 0 万以上的 大城市8 个；位于重点流域、区域“十五”规划范围内的城市5 4 个。全国5 万多个城镇，3 7 0 多万个村庄，9 亿多人口居住地尚无污水处理设施与国际相比， 我国城市污水处理率较低，其主要原因是我国的城市污水处理厂建设滞后。据资 料介绍【3 j ，美国现在平均每1 万人就拥有1 座污水处理厂，英国和德国每7 0 0 0 8 0 0 0 人拥有1 座污水处理厂。而我国城镇人口中，平均每1 5 0 万人才拥有l 座 污水处理厂。 我国城市污水处理的主要方法有物理、化学、物理化学和生物方法。这些方 法可以单一使用，也可以针对不同的污水水质组合使用。污水生物处理法是1 9 世纪末出现的污水治理技术，现今已成为世界各国处理污水的主要手段。我国现 阶段的城市污水处理主要以生物法为主，物理法和化学法起辅助作用。目前我国 城市污水处理广泛使用的水污染治理技术有传统活性污泥法，延时曝气活性污泥 法，s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hi 沁a c t o r ) ，a b ( a b s o 霉t i o nb i o d e 铲a d a t i o n ) ，u n i t a n k 和氧化沟工艺，o 和a 2 o 等。这些工艺被证明是行之有效的水污染控制技术。 但是这些工艺的优缺点也同样明显。如： 、 ( 1 ) 传统活性污泥法对有机物去除率高、污泥负荷高、池容积小、电耗省、 运行费用低。此法稳定可靠，已经积累了丰富的设计和管理经验，但是缺点是占 地多，建设投资大，仅能满足b o d 5 、c o d c ，、s s 三项出水指标，且该工艺容易 产生污泥膨胀现象，除磷和脱氮效果差。 ( 2 ) s b r 法具有以下优点：第一，理想的推流过程使生化反应推动力增大， 污水在理想的静止状态下沉淀，需要的时间短，效率高，运行效果稳定，出水水 质好；第二，耐冲击负荷，池内有滞留的处理水，对污水有稀释、缓冲作用，有 效抵抗水量和有机污物的冲击：第三，反应池内存在d o 、b o d s 浓度梯度，有 效控制活性污泥膨胀：第四，s b r 法系统本身也适合于组合式构造方法，利于 污水厂的扩建和改造；第五，实现好氧、缺氧、厌氧状态的交替，具有良好的脱 氮除磷效果；第六，工艺流程简单、占地面积小、造价低。但是其缺点是对自动 控制技术和连续在线分析仪表要求高，操作复杂，难于管理。 ( 3 ) 氧化沟法具有处理工艺及构筑物简单、无初沉池和污泥硝化池( 一体式氧 2 苏州科技学院硕论文集 第一章绪论 化沟还可以取消二沉池和污泥回流系统) 、有机物去除率较高、脱氮、除磷( 沟前 增设厌氧池) 、综合指标较优、泥龄长、剩余污泥少且容易脱水、处理效果稳定 等优点，但是存在负荷低、占地大、电耗大、运转费用偏高的缺点。 ( 4 ) 加法存在污泥量大、构筑物及设备较多、建设投资和处理成本高、运行 管理复杂的缺点。 ( 5 ) u n i t a n k 法虽然布置紧凑，用地省，连续运转，省电耗，结构设计简单 经济，但该方法不具备脱氮除磷功能。 因此为了弥补不同工艺的缺点，同时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，膜生物反应器组合工 艺。 1 2 膜生物反应器的研究概况 1 2 1 膜生物反应器简介 膜生物反应器是国际上于2 0 实际6 0 年代开始研究，9 0 年代得到快速发展 和应用的一项废水生物处理新技术，它将膜分离技术和生物反应过程有机结合， 以膜技术的高效分离作用取代传统活性污泥法中的二沉池，实现传统工艺所无法 比拟的泥水分离和污泥浓缩效果，消除了污泥膨胀的影响，并大幅度提高了曝气 池中活性污泥的浓度，省却了污泥回流系统，大大延长了泥龄，减少了剩余污泥 量，并通过膜对废水中s s ，有机物，病原菌和病毒的高效截留作用，大大提高 了处理出水水质，并在通常情况下，其处理出水无需进行消毒处理即可达到相关 的卫生标准卜5 1 。其简单组合工艺见图1 1 。 膜组件 耐节池 囟 邋 进水泵 腠生物反应器 图卜1 膜生物反应器简单组合工艺 1 2 1 1 膜生物反应器的分类 m b r 主要由膜组件，泵和生物反应器三部分组成，生物反应器是污染物降 解的主要场所，膜是对混合液和对特殊污染物进行分离和萃取的介质，而泵则是 苏州科技学院硕士论文集第一章绪论 为满足分离和萃取提供所需的动力( 压力) 的必需设备( 根据泵与膜组件的相对位 置不同分为加压泵和吸压泵两类) 【4 】。 按膜组件的作用方式，m b r 可分为内压式和外压式两种。内压式中，水的 透过方向是从管内向管外，而外压式相反。在实际应用中大多使用的是外压式 m b r ，因为内压式m b r 流道往往较小，容易被污染颗粒所堵塞。 而根据膜组件在膜生物反应器中所起作用的不同，可将其分为：分离膜生物 反应器、萃取膜生物反应器和无泡曝气膜生物反应器三种类型。而目前通常所说 的m b r 即是此三种类型的总称。其中分离膜生物反应器是目前研究和应用最广 泛和深入的膜生物反应器，在无特指的情况下，通常称之为m b r 。 ( 1 ) 分离膜生物反应器 将分离工程中的膜技术应用于废水生物处理，以具有固液分离功能的膜组件 替代二沉池所构建的分离膜生物反应器( m b r ) ，不仅借助于其对废水或混合 液中微米级颗粒的截留作用，大大提高了泥水分离的效果，而且可以始终保持高 质量的出水，并使污泥膨胀对出水水质的影响减小很多，也使污泥始终处于生物 反应器中而持续发挥其功能。 固液分离式膜生物反应器也称为错流式膜生物反应器。曝气设备可设在膜组 件的下方，产生的气流向上；或竖直设于膜组件中间，产生水平气流。曝气设备 产生气泡，大量气泡带动液体形成的水流波动造成的膜元件之间的摩擦，这有助 于膜表面污染层的脱落。有机膜组件，尤其是中空纤维类的分离膜更有利于最大 程度地利用曝气产生的气流。 ( 2 ) 无泡曝气膜生物反应 传统的曝气系统采用的是鼓泡曝气供氧，动力消耗大，氧气传质效率低，无 法满足微生物对氧的需求【6 】。因此一种新型高效曝气工艺一无泡供氧技术应运而 生，这种技术的关键在其供氧过程中无气泡产生，供氧效率可高达1 0 0 ，达到 了目前供氧技术的最佳效果。而无泡供氧技术与生物反应器相结合形成了一种新 型膜生物反应器，即无泡曝气膜生物反应器( m e m b 啪e - a e ：r a t e db i o f i l mr e a c t o r m a b 鼬该技术具有传氧效率高、硝化与反硝化一体化、污泥发生量小以及运行 管理方便等优点，是处理高需氧量废水的一项新技术。但目前对m a b r 的研究 还仅处于实验和中试阶段，尚未达到大规模工业应用的水平。其装置示意图见图 1 2 、图1 3 。 4 苏州科技学院硕士论文集 第一章绪论 进口 料i i 一 门 八 。 l 一 lv 一 膜生物反应器 i 循环气体 氧气 图卜2 姒敞装置示意图 生物膜好氧领域生物膜厌氧颁域 高溶氧 低有机质 有机质氰 源 废水 低溶氧 高有机质 出口 图卜3 氧和有机质的扩散示意图 ( 3 ) 萃取膜生物反应器 当废水中含有对微生物有毒害作用的成分( 很高浓度的盐、很大的酸碱度或 者是生物难降解的有毒有机物等) 时，直接用生化法是不适宜的。此外，废水中 含有挥发性有毒物质时，如采用生化法曝气，则会发生气提现象，从而影响处理 的稳定性。有这些情况的废水都需要进行预处理。 为了解决这些技术难题，英国学者l i v i i l g s t o n 【7 】于1 9 9 3 年研究开发了萃取式 m b r ( e m b r ) 。萃取膜生物反应器能很好处理这些废水。萃取膜生物反应器中， 污泥与废水并不直接接触，废水在膜腔内流动，而活性污泥则在膜外流动。活性 污泥中的微生物一般是针对废水培养出来的专性细菌。采用的膜一般是疏水性的 硅橡胶膜，且有选择透过性，能允许挥发性有机物透过而水及无机成分则无法透 过。首先污染物在膜中溶解扩散，再以气态形式离开膜进入膜另侧的混合液中， 5 苏州科技学院硕士论文集第一章绪论 在混合液中由专性菌分解成c 0 2 、h 2 0 等无机小分子。其装置示意图见图1 4 。 符取锡麓司出水 图1 4 萃取式膜生物反应器 现在膜萃取技术有限公司已将它全面投入实际生产应用。l m f r e i t a s 等【8 j 人用萃取膜生物反应器处理制药工艺废水( 含有毒挥发性物质如d c m ) ，证明不 论从技术角度还是从经济角度，它都优于这类废水的传统处理方法，像活性炭吸 附法、空气清洗法、气提法等。它具有很广的应用前景。 以上三种类型的膜生物反应器的特性比较见表1 1 【4 】 表卜1 三类膜生物反应器的优缺点 反应器类 优点缺点 型 占地面积小； 彻底去除水中的固体物质； 出水无需消毒； 膜分离生 c o d 、营养物质可以在一个单元 曝气受到限制： 内被去除； 膜易受污染； 物反应器 高负荷率和低污泥产率； 膜价格高。 流程启动快； 系统不受污泥膨胀的影响； 模块化、升级改造容易。 氧利用率高； 能量利用率高； 膜易于污染； 膜曝气生 占地面积小；基建投资大； 物反应器 氧需要量大，可以在供氧时控 无实际工程实例； 制； 工艺复杂。 模块化、升级改造容易。 6 苏州科技学院硕士论文集第一章绪论 l 可以处理有毒工业废水； 萃取膜生l 出水流量小； 物反应器i 模块化、升级改造容易； i 细菌与废水隔离。 基建投资大； 实际工程实例； 工艺复杂。 又按膜分离技术与生物反应器的组合方式，可分为分置式和一体式( 淹没式) 两种m b r 。 ( 4 ) 一体式膜生物反应器 一体式m b r 工艺( 亦称之为浸没式m b r ，s m b r s u b m e r g e dm e m b m e b i o r e a c t o r ) 由日本学者y 锄锄o t 0 等【9 】在1 9 8 9 年首先开发，该运行方式将膜 放置于生物反应器内部，曝气装置设置在膜组件的正下方。原水进入生物反应器 后，其有机底物在其高浓度的混合活性污泥的作用下得到氧化分解。膜组件下方 设置的曝气装置不仅具有为混合液微生物提供足够d o 和促进充分搅拌混合的 功能，同时由于气泡的搅动及其在膜表面形成的循环流而起到对膜表面的冲刷和 剪切作用，可有效防止污染物在膜表面的附着和沉积。处理后的废水经抽水泵的 负压抽提，通过膜的分离作用，而使混合液中的非溶解性物质截留在混合液中， 净化水则通过膜而成为处理出水。其工艺流程图见图1 5 。 图卜5 一体式膜生物反应器 ( 5 ) 分置式膜生物反应器 分置式m b r 工艺( 亦称之为交叉流m b r ，c m b r - c r o s s n o wm e m b r a n e b i o r e a c t o n 。该运行方式将膜与生物反应器分开设置。生物反应器中混合液经 抽液泵加压提送至膜组件，在压力作用下，混合液中的液相滤过膜组件而成为处 理出水。混合液中的不溶性成分( 固形物及大分子物质等) 则被截留在膜外而成为 浓缩液，并通过回流系统返回生物反应器。其工艺流程图见图6 。 选求 同渣瓣 7 苏州科技学院硕十论文集第一章绪论 图卜6 分置式膜生物反应器 以上两种类型的膜生物反应器的特性比较见表1 2 表1 - 2 分置式和一体式膜生物反应器的对比 分置式m b r一体式m b r _ 运行稳定，操作管理方便。 - 装置简单，不需循环泵，只需一台 一 膜组件的清洗、更换及增设比 小流量的抽吸泵、曝气器和一个反 较容易。应池即可。 _ 生物反应器与膜组件是独立的 - 单位产水能耗0 2 0 4 k w h m 3 ， 主 系统，彼此之间干扰很小。可比分置式的少3 0 倍以上。 要 _膜组件可与各种生物反应器结一 操作压力比较小，一般为 合，构成不同的分置式膜生物o 0 0 3 0 0 3 m p ，远小于分置式 优 反应器。 ( 0 1 加5 m p ) 。 点 一 既能用于厌氧处理，也能用于 - 结构紧凑，占地少。 好氧处理。 _因为不需要循环泵，所以可以避免 微生物菌体的失活。 _ 可以保持长时间的稳定膜通量而 无需化学清洗。 -为了减少污染物在膜面的沉 单位处理能力小。 积，料液流速一般要求要达到 _透水率低，膜污染更为严重。 主 很高，动力消耗相应也高。 -运行不是十分稳定，操作管理上不 要 一 由于膜组件置于反应器外部，及分置式容易。 缺 需要回流泵等装置，故占地面 点 积相对较大。 一 分置式m b r 的运行成本高， 远远高于常规处理。 1 2 1 2 膜生物反应器的特点【l o 1 2 】 综上所述m b r 技术具有许多传统生物处理工艺无法企及的明显优势，主 要可以归纳为以下几点： 固液分离效率高，远好于传统的沉淀池，出水水质好，可直接回用，容 易实现污水资源化： 反应器内微生物浓度高，种类多样，泥龄长，对有机物的去除率高，且耐 冲击负荷； 生物反应器内微生物浓度高，m l s s 为常规处理工艺的3 1 0 倍，因此使 8 苏州科技学院硕士论文集第一章绪论 构筑物体积大大缩小；同时剩余污泥产量小，污泥处理费用少； 。 对于氮、磷污染物有较高的去除率； 膜生物反应器实现了反应器泥龄( s r t ) 和水力停留时间( h r t ) 的彻底 分离，使设计和操作大大简化； 系统可实现全程自动化控制，占地面积小，工艺设备集中。 1 2 1 3 现阶段膜生物反应器存在的主要问题 当今，膜污染和能耗这两个因素，制约着膜生物反应器的大规模应用。而造 成高能耗的原因主要是因为膜生物反应器的膜易于污染。必须保持较高的膜面流 速来冲刷膜面。这一过程也需要加大曝气量来实现，从而增加了能耗。因此可见 高能耗问题的实质也是膜污染问题【1 3 】。所以，要实现膜生物反应器的广泛应用， 必须解决的问题就是膜污染。 ( 1 ) 膜污染的类型 膜污染是由于被处理物料中的微粒，胶体粒子或溶质分子与膜发生物理化学 作用，或因浓度极化使某些溶质在膜表面浓度超过其溶解度，以及机械作用而引 起的在膜表面或膜孔内吸附，沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与 分离特性的不可逆变化现象。膜污染直接导致了膜通量下降。膜使用寿命大大缩 短f 川 膜污染分为可逆和不可逆膜污染，如浓差极化，可通过物理，化学和生物方 法来减轻和改善的一类污染为可逆膜污染；而膜孔堵塞，不合理的料液性质使膜 受到腐蚀及膜的自身劣化等称为不可逆膜污染。从污染物的性质又可分为有机污 染，如胞外聚合物，溶解性有机物，蛋白质，脂肪及细微胶体等；无机污染，如 废水中碳酸盐，硫酸盐，硅酸盐，凝胶无机胶体等；生物污染，如帘式中空纤维 膜组件，其可视为柔性填料，处理不当，微生物易在其上面吸附生长，形成生物 膜，造成水通量下降【l 引。 ( 2 ) 膜污染的形成 根据近年来对于m b r 膜污染形成因素的研究，可以得知影响膜污染形成因 素主要有三个方面；膜的性质，混合液以及膜分离操作条件【1 6 】。膜的性质主要 是指膜材料的物化性质，包括：膜面的电荷性、膜孔径大小、粗糙度等。膜分离 的操作条件主要包括：操作压力、膜面流速和运行温度三个方面。混合液的性质 主要是指混合液的污泥浓度和组成。而造成膜污染的主要因素是混合液中的活性 污泥【1 7 】。 活性污泥的组成是复杂而多变的，其中包括微生物及其代谢产物、大分子有 机物、小分子有机物、溶解性有机物以及固体颗粒。理论上讲，每一部分对膜污 染都有贡献国内外学者对不同膜生物反应器处理不同废水时的膜污染情况进行 9 苏州科技学院硕上论文集第一章绪论 了细致深入的研究，t a r d i e u 等人【1 8 】在研究好氧膜生物反应器过程中得出结论， 认为数量占优的微生物是导致膜污染的主要因素。而c h 0 0 等人【1 9 】在研究厌氧硝 化液与膜通量的关系时发现，微生物胶体在膜污染过程中起主要作用。刘锐等人 【2 0 l 发现与传统活性污泥法相比，膜生物反应器中的大分子有机物浓度明显较高。 张颖【2 l 】等人和胡允良【2 2 1 在研究中也发现在一个长时间运行的处理生活污水的膜 生物反应器中，难降解有机物会在混合液中累积，导致滤饼层增厚并阻塞膜孔， 从而缩短膜的使用寿命。 ( 3 ) 控制对策 增加动态膜 采用在膜表面增加动态膜的方法截留污染物质，形成膜垢层起到滤饼过滤的 作用，以减少污染物质与膜的接触，减少膜孔堵塞情况的发生。c h a i l g 等【2 3 】的研 究结果表明，膜的截留效果主要取决于膜表面的膜饼层以及凝胶层的筛滤及吸 附，因此动态层截留效果越好，膜孔堵塞现象越少。h a n i l a n t 等【2 4 】认为，凝胶层 的存在截留了溶液中的颗粒物质以及大分子物质，明显减少了这些物质对膜孔的 堵塞。 提高颗粒平均粒径 颗粒粒径的大小是产生膜孔堵塞的直接原因。为增加颗粒平均粒径，提高膜 表面对污染物质的截留效率，减少膜孔堵塞情况的发生，目前采用较多的方法是 添加粉末活性炭和絮凝剂。j a c a l l g e l o 等【2 5 1 认为，粉末活性炭可在凝胶层上形成 一个动态层，能够吸附一部分溶解性有机物以及低分子小颗粒物质，减少膜孔堵 塞。罗虹掣2 6 j 通过实验发现，投加粉末活性炭后膜污染阻力降低了约7 3 。郑 淑平【2 7 】也发现，添加活性炭可明显减少膜孔堵塞情况的发生。张永宝等【2 8 】通过 实验发现，氢氧化铁絮体的混凝吸附作用可使混合液中的小胶体颗粒絮凝成较大 的颗粒，这使得生物铁一体式m b r 中的污泥粒径大于普通一体式m b r 中的污 泥粒径。投加氢氧化铁后所形成的污泥在很大程度上减轻了对膜孔的堵塞，降低 了膜污染。 优化操作方式 当膜通量控制在临界膜通量下操作时，可极大地减少膜污染，避免膜孔堵塞， 延长膜的使用寿命f 2 9 】。采用间歇方式出水或压力递增模式出水也可减少膜污染 【3 0 】。合理曝气可产生紊流，清洗膜表面和阻止污泥聚集，就能保持膜通量稳定， 膜孔堵塞减弱。 其他方法 采用膜清洗、选用抗污染膜等都能在一定程度上减少膜孑l 堵塞现象的发生。 定时进行膜清洗( 如反冲洗、超声波清洗等) 对恢复膜通量都有明显的作用，对减 1 0 苏州科技学院硕士论文集 第一章绪论 少膜污染、膜孔堵塞、疏通膜孔有帮助。 1 2 2 膜生物反应器的研究应用进展 1 2 2 1 膜生物反应器的发展进程 国外有专家把膜技术的发展称为“第三次工业革命 ，作为2 l 世纪最有前途 的高新技术之一。在19 6 6 年，美国的d o 仃- o l i v e r 公司首先将m b r 用于废水处理的 研究。1 9 6 8 年，s m i 也等将好氧活性污泥法与超滤膜相结合的m b r 用于处理城 市污水。1 9 6 9 年b u d d 等的分离式m b r 技术获得了美国专利。7 0 年代初期，好氧 分离式m b r 处理城市污水的试验规模进一步扩大。同时厌氧m b r 研究也相继开 始进行。19 7 8 年，g 舱t 1 1 i e n 等进行了厌氧m b r 处理生活污水的研究。7 0 年代后日 本由于污水再生利用的需要，m b r 的研究工作有了较快的进展。自1 9 8 3 年到 1 9 8 7 年日本有1 3 家公司使用好氧m b r 处理大楼废水，处理后的水做中水回用， 处理水量达5 0 2 5 0 m 3 d 。日本1 9 8 5 年开始的水综合再生利用系统，在9 0 年代计 划把m b r 研究在污水处理对象与规模上都大大推进一步。日本在该项计划中对 厌氧m b r 作了较系统的研究，研制了酒精发酵废水，造纸厂废水，蛋白工厂废 水，城市污水，淀粉厂废水等7 类污水的m b r 处理系统。 1 2 2 2 国内膜生物反应器的发展进程 m b r 在我国水处理的应用研究首先从分离式m b r 开始。1 9 9 3 年中国科学院 生态环境研究中心王菊思启动m b r 的研究。同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。1 9 9 5 年，樊耀波 将m b r 用于石油化工污水净化的研究，研制出一套实验室规模的好氧分离式 m b r 。1 9 9 7 年中国科学院生态环境研究中心开始了穿流式m b r 的研究工作，清 华大学等高校开展了分离式m b r 和一体式m b r 的研究。m b r 的研究对象从生 活污水扩展到工业废水，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和系统的稳定运行操作条件 的优化进行了研究。 1 3 本文研究目的和研究内容 1 3 1 研究目的 本研究的主要目的：将分置式膜生物反应器与射流曝气相结，组成一种新型 膜生物反应器并在实验室规模进行相关试验研究。从处理效果、膜污染防治、运 行管理、运行费用等方面与目前应用的膜生物反应器进行比较，进一步完善改进 苏州科技学院硕士论文集第章绪论 措施：摸索改进膜生物反应器的设计、运行参数，为中试设备的设计提供依据， 以便形成一套具有较大推广应用价值的新型膜生物反应器。 1 3 2 研究意义 本研究的意义：本研究针对现有膜生物反应器存在的问题，提出一种新型的 膜生物反应器，该反应器利用分置式膜生物反应器高比例回流的动力形成射流曝 气为反应器充氧，能有效提高氧的传质速率，氧传递效率和利用速率较现有分置 式和一体式膜生物反应器高，运行管理更为方便，具有较好的推广应用价值。 1 3 3 研究内容 本项目利用缺氧好氧m b r 组合工艺分别对人工合成污水和生活污水进行 处理的试验研究。利用膜生物反应器的高污泥负荷与良好的泥水分离效果，针对 膜生物反应器高能耗，易发生膜污染等问题，采用射流曝气，因为射流曝气能能 显著增加表面错流速度，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。并且还能提高氧的传递效率和利用速率强化硝化效果，优化脱氮效率； 本试验采用管式中空膜组件可大大提高膜通量而使投资成本降低：可实现外压出 水而不需要真空抽吸；可满足曝气要求而不需要鼓风机；采用的设备数量少，运 行管理较为方便：具有传统一体式和分置式的优点。 本实验小试在处理人工合成污水时，分别采用射流曝气和鼓风机曝气为其充 氧，分阶段的测定各污染物指标，分析比较两种曝气方式对污染物的去除效果。 同时，在不同曝气方式下对反应器中的污泥形态进行分析，从而得出不同曝气方 式对反应器污泥形态的影响。进而考查污泥形态的不同对污染物去除效率的影 响。 在处理生活污水时，仍旧采用射流曝气为其充氧，通过改变硝化液回流比， 来考察回流比对污染物去除效果的影响。同时通过检测迸水，各反应区，出水污 染物指标，从而探讨本反应器在处理生活污水时，污染物去除规律和其去除机制。 处理生活污水期间，分阶段观测反应器中污泥形态，再对比前期工作，得出不同 水质，不同曝气方式对膜生物反应器污泥形态的影响。 1 2 2 1 实验装置 第二章实验装置与研究方法 本试验的最初设想是在一体式膜生物反应器中采用射流曝气来减缓膜污染， 将射流曝气用于膜组件前面利用射流曝气强大的气求冲刷能力提高膜表面的 错流速度，使膜组件表面形成较大的紊动而大大延缓膜污染的形成。但是由于无 法找到合适的膜组件以及实验室小试条件的限制，无法在一体式膜生物反应器中 实现这一设想。于是，本试验将射流曝气用于分置式膜生物反应器中，由于小试 条件的眼制，射流曝气只能用于膜组件之后，作为反应器巾的曝气方式。 试验用整套集成设备是自行设计，委托其他单位加工而成。装置的实物照片 见图2 l 。进水箱，主反应器以及清水箱均为不锈钢材质，管道为p v c 管，直径 4 0 r n m 。反应器分为好氧区和缺氧区，进水泵连续抽水入缺氧区缺氧区有效窖 积为2 0 l ，底面积为01 7 o1 7 = 00 2 8 9 m 2 ，有效水深o 7 5 m ，同时缺氧区水位高 于好氧区，采用自由跌水的方式混合液连续进a 好氧区，好氧区有效容积为6 0 l ， 底面积为o3 0 如3 0 = 00 9 m 2 ，有效水深为o7 m 。然后好氧区的混台液由泵抽吸经 过膜组件出水，污泥回流至好氧区和缺氧区，利用射流器强大的j 殁气能力为好氧 区曝气。 图2 1 试验装置照 试验所用的膜组件为南京九思高科技有限公司生产的管式陶瓷膜组件，膜表 面积o 1m 2 ，孔径0 1i lm 。具体性能指标见表2 1 表2 1 管式陶瓷膜组件技术参数 试验工艺流程如图2 2 所示。 46 图2 2 试验工艺流程图 1 进水箱2 反应器3 出水箱4 水泵5 闸阀6 压力表7 流量计8 膜组件9 射流器 2 2 实验用水 2 2 1 人工配水方案 本试验采用的人工配水，所用水为自来水( 放置两天，防止氯可能对微生物 产生影响) ，其配水方案如表2 2 所示： 表2 2 人工配水方案 1 4 苏州科技学院硕七论文集第二章实验装置与研究方法 奶粉 啤酒 果汁 5 0 5 0 m i 5 0 m i 2 2 2 生活污水水质 原水取自某高校家属区化粪池出水，反应器处理生活污水连续运行9 0 天， 9 0 天内其原水水质见表2 3 。 表2 3 原水水质 2 3 监测项目与分析方法 本研究，定期测定的指标包括c o d c r 、n h + 4 n 、t n 、n o - 3 n 、n o 。2 _ n 、t p 、 浊度、p h 值等。测定方法：c o d c r 的测定采用微回流比色法，其他指标均采用 国家标准方法进行测定【3 l 】。具体方法见表2 4 。 表2 4 水质指标及测定方法 苏州科技学院硕十论文集第二章实验装置与研究方法 2 4 试验的运行与控制 2 4 1 处理人工配水时的参数控制与研究方案 第一阶段：此阶段主要为污泥驯化期，污泥取自苏州新区污水处理厂氧化沟， 对其进行驯化，此过程大致需要7 1 5 天。待其适应人工配水水质后倒入反应器， 正式启动反应。 第二阶段：此阶段为反应器的正式运行阶段，采用射流曝气，同时固定进水 水力负荷，即采用恒定膜通量的方法进行。进出水流量为5 l l l ( 即o 1 2 m 3 d ) ， 水力停留时间为1 6 h ，硝化液回流比调整为3 0 0 。采用连续进水、连续出水、 连续曝气的运行方式，2 4 小时不问断运行。进水箱储备两天试验用水，每两天 进行一次配水。这一阶段连续运行6 0 天，主要考察污染物的去除情况，同时观 察污泥形态，研究以人工配水为原水，采用射流曝气时污染物去除规律和污泥形 态。 第三阶段：此阶段换泥换膜，并且重新取泥驯化。驯化成功后，取掉射流曝 气头，改用鼓风曝气。进水流量，原水水质，水力停留时间，进出水方式等均同 第二阶段。这一阶段连续运行6 0 天，主要考察的是改变曝气方式后污泥形态的 影响以及对污染物去除效果的影响。 2 - 4 2 处理生活污水时的参数控制与研究方案 第一阶段：此阶段为污泥驯化期，污泥取回后，每天一次性的加入一定量的 生活污水，此过程大致需要5 1 0 天。待其去除效果稳定后倒入反应器正式运行。 第二阶段：此阶段为处理生活污水的正式运行阶段，采用射流曝气，连续进 出水方式运行，用恒定膜通量的方式保持固定的如玎，h r t 控制为1 6 h ，出水 0 0 0 5m 3 l l ，好氧区d o 控制在5 m g l 左右，缺氧区d o 控制在o 2 o 3 m g l 。硝 化液回流比调整为3 0 0 。水温控制在2 5 左右。系统连续运行4 5 天。主要考 察反应器对生活污水中各污染物的去除效果探讨污染物的去除机制。以及采用射 流曝气为其复氧，生活污水为原水时，反应器中污泥形态的变化。 第三阶段：此阶段接上阶段，反应器运行4 5 天后，改变硝化液回流比，从 3 0 0 改为4 5 0 。其他运行参数均同第二阶段，系统连续运行4 5 天。此阶段主 要考察不同回流比下各区污染物分布的不同，以及对污染物去除效果的影响。 1 6 苏州科技学院硕上论文集第三章系统处理人工合成污水的效果研究 第三章系统处理人工合成污水的效果研究 3 1 系统对有机物( c o d ) 去除特性的研究 3 1 1 系统对有机物( c o d ) 去除效果的研究 在反应器运行的6 0 天内，分别对原水c o d ，厌氧区上清液c o d ，好氧区 上清液c o d ，出水c o d 做了测定，其中上清液c o d 是指取反应器中泥水混合 液，经过离心机3 0 0 0f m i n 离心3 m i n 后取上清液测得。其去除效果如图3 1 所 示。 图3 1c o d 去除效果示意图 从图中可以看出，在运行稳定期的3 0 天内，进水c o d 浓度在 l6 5 9 m g l 2 4 0 0 m g l 之间，平均c o d 体积负荷为4 k g m 3 事d ，出水c o d 平均浓 度5 8 m g l 。平均去除率为9 7 2 。保持了一个非常高的去除效果。 3 1 2 系统对有机物( c o d ) 去除机制的研究 为了了解和验证系统对c o d 高的去除率，可以从c o d 在各个反应区的分布 数值入手。从图3 2 可以看出c o d 在各区中的分布，好氧区的c o d 浓度随着运行 时间的增长而增加，同时从的监测数据中也发现，上清液的浊度也随着运行时间 的增长而增大，从最初的2 8 上升至了9 1 8 。分析造成这种现象的原因，个人认为 是由于以下两种作用共同的结果。1 ) 系统长期运行而导致的s ( s o l u b l e m i c r o b i a lp r o d u c t s ，溶解性微生物产物，主要是指微生物在代谢过程中排出或分 泌的产物) 的积剥3 2 1 ，而关于s m p 的组成，金若菲等人【3 3 】认为主要是由u a p 苏州科技学院硕七论文集第三章系统处理人工合成污水的效果研究 ( s u b s t r a t eu t i i i z a t i o n 骶s o c i a t e d