（环境工程专业论文）新型动态膜生物反应器处理城市污水的试验研究.pdf

摘要 膜组件价格昂贵和膜污染难以有效控制是膜生物反应器( m e m b r a n e b i o r e a c t o r ，m b r ) 技术在污水处理领域难以大规模推广应用的两个主要障碍。 目前，动态膜生物反应器( d y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，d m b r ) 由于其优 良的抗污染性能、较高的膜通量和低廉的膜组件成本等优点，较好地解决了传 统膜生物反应器技术的两大难题，备受膜技术研究领域的关注。 本课题采用生物质填料( l s 天然纤维) 生物膜反应器( b i o m a s sb i o f i l m r e a c t o r ，b b f ) 与动态膜组件耦合的新型动态膜生物反应器( b b f d m b r ) 进 行了实际城市污水处理的试验研究。试验中系统考察了b b f d m b r 城市污水 处理的运行性能，研究了动态膜污染的控制与清洗工艺，并在此基础上，对 b b f d m b r 进行了优化与改进的模拟研究。 b b f d m b r 实际城市污水处理试验结果表明：b b f d m b r 具有高效泥水 分离和截留作用，系统的微生物损失少，l s 天然纤维上生物膜附着量多，系统 的挂膜速度快、处理效率高，耐冲击负荷能力强。新型动态膜生物反应器在稳 定运行期对c o d 、n h 4 + - n 、t n 和t p 的去除效果分别达到7 9 4 1 、9 6 2 2 、 5 5 9 3 和4 3 7 7 ；除t p 外，出水中c o d 、n i - h + n 、t n 达到了城镇污水处 理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 中一级标准的a 标准。t p 去除效果相 对不高，出水中1 1 p 仅达到排放标准中的二级标准，系统的除磷能力有待进一 步提高。l s 天然纤维在运行过程中会自身降解，其使用寿命对系统的稳定性与 经济性造成了负面影响。 膜污染控制研究表明：一定强度的曝气能极大的减缓膜污染，当膜组件曝 气量为2 0 m 3 m - 2 h 。1 时，动态膜的稳定运行周期可达4 5 天，在运行周期内，相 同压差下的膜通量变化较小，过膜压差1 0 0 m m 时的平均膜通量为6 7 4 2 l ( m 2 h ) 。 膜污染清洗工艺方案为空气反吹洗1 0 m i n 、水力反冲洗15 r a i n 、酸洗1 h 。动态 膜经清洗后膜通量可恢复至清水通量的9 5 ，且其再生性能良好，具有较好的 重复使用性。 b b f d m b r 优化与改进的模拟试验研究表明：l s 天然纤维经c m 接枝改 性后其降解周期延长了1 2 2 2 ，使用寿命为未改性的2 2 倍；使用r m 脱磷剂 对动态膜组件进行动态膜预涂处理后，b b f d m b r 由于预涂动态膜层的吸附及 化学作用而强化了除磷效果，当进水t p 浓度为1 - 2 m g l 时，出水t p 浓度可以 降低到o 2 m g l ，达到了城镇污水处理厂污染物排放标准( g b 18 9 18 - 2 0 0 2 ) 中一级标准的a 标准；b b f d m b r 经过优化与改进可以提高污水处理效果。 关键词：动态膜生物反应器；l s 天然纤维；膜污染；纤维改性；强化除磷 a b s t r a c t h i 曲c o s ta n dm e m b r a n ef o u l i n ga r et w om a i nb l o c k sw h i c hr e s t r i c tt h ew i d e a p p l i c a t i o no ft h em e m b r a n eb i o r e a c t o r s ( m b r ) i nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t n o w a d a y s ， t h ed y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( d m b r ) ，w i t hs o m ea d v a n t a g e ss u c h 嬲e x c e l l e n t a n t i p o l l u t i o n ，r e l a t i v e l yh i g h e rf l u xa n dl o w e rc o s to fm e m b r a n em o d u l ，h a sb e e n t h eh o tr e s e a r c ha r e ao ft h em e m b r a n et e c h n o l o g y s t u d i e so nt h em u n i c i p a ls e w a g et r e a t m e n tw i t ha l li n n o v a t i v ep r o c e s s n a m e d b b f - d m b r ，a r ed e s c r i b e di nt h i sr e s e a r c h b b f d m b rw a sc o u p l e db yt h e d y n a m i cm e m b r a n em o d u la n dt h eb i o m a s sb i o f i l mr e a c t o r ( b b f ) f i l l e dw i ml u f r a c y l i n d r i c a ls p o n g e ( l s ) m e d i a t h ep r o c e s sp e r f o r m a n c e so fb b f - d m b ra r e c o m p r e h e n s i v e l ys t u d i e d ，a n dt h eb b f d m b rt e c h n o l o g yw o u l db eo p t i m i z e da n d i m p r o v e db a s e do na n a l y z i n gi t sf o u l i n gc o n t r o la n dc l e a n i n gt e c h n i q u e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es y s t e mo fb b f d m b ri sm o r ee m c i e n ti nb i o f i l m f o r m i n ga sw e l la sp o l l u t i o nd i s p o s i n ga n dh a sab e t t e rc a p a c i t yo fa n t i i m p a c t i ti s a ne f f i c i e n tw a yo fs e p a r a t i n gw a t e rf r o mm i x e dl i q u i d ，r e d u c i n gt h el o s so f m i c r o o r g a n i s m sa n de n s u r i n gt h eq u a n t i t yo fb i o f i l m so nl sf i b e r s d u r i n gt h e s t a b l eo p e r a t i o np e r i o d ，t h er e m o v a lo fc o d ，n 吖- n ，t na n dt pa r er e s p e c t i v e l y 7 9 4 1 ，9 6 2 2 ，5 5 9 3 a n d4 3 7 7 i nt h eb b f - d m b rs e w a g et r e a t m e n t a l l t h e s ep a r a m e t e r so ft h ed i s c h a r g eb u tt pa c h i e v e st h ef i r s t - l e v e las t a n d a r do f d i s c h a r g es t a n d a r do f p o l l u t a n t sf 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 tp l a n t , c h i n a ( g b l 8 9 18 - 2 0 0 2 ) a st h ec o n c e n t e n s i o no ft pi nt h ed i s c h a r g ej u s tr e a c h e st h e s e c o n d l e v e lo ft h es t a n d a r dg b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ，t h ec a p a c i t yo ft pd i s p o s a li sg o i n gt o b ei m p r o v e di nf u r t h e rs t u d y a l s o ，d u r i n gt h eo p e r a t i o np e r i o d ，l sf i b e r sd e g r a d e d s l o w l y , w h i c hs h o r t e n e dt h es e r v i c el i f e ，a f f e c t e dt h es t a b i l i t ya n di n c r e a s e dt h ec o s t o fb b f d m b r s y s t e m e x p e r i m e n t so nm e m b r a n ef o u l i n gc o n t r o li n d i c a t et h a tac e r t a i ni n t e n s i t yo f a e r a t i o nc o u l de x t r e m e l yr e d u c em e m b r a n ef o u l i n g w h e nt h ea e r a t i o ni n t e n s i t yi s 2 0 m 3 m - z h - 1 ，t h es t a b l eo p e r a t i n gp e r i o do fd y n a m i cm e m b r a n ec o u l db ea sl o n ga s 4 5 d a y s w i t ha c o m p a r a t i v e l ys t e a d y m e m b r a n ef l u xu n d e rt h es a m e p r e s s u r e d i f f e r e n c e t h ed a t as h o w st h a tw h e nt h ep r e s s u r e - d i f f e r e n c ei s10 0 m m ，t h e a v e r a g em e m b r a n ef l u xw i l lb e6 7 4 2 l ( m 2 h ) t h ef o u l e dm e m b r a n ei sc l e a n e db y b a c kb l o w i n gw i t ha i rf o r10 m i na tf i r s t ，t h e nw i t hw a t e rf o r15 m i n ，a n db yw a s h i n g w i t ha c i df o rlha tl a s t a f t e rc l e a n i n g ，t h ed y n a m i cm e m b r a n em o d u l ，w i t hg o o d p e r f o r m a n c ei nr e p r o d u c i n ga n dr e u s i n g ，r e n e wi t sp e r m e a t ef l u xu pt o9 5 o fi t s c l e a nw a t e rf l u x u t h ee x p e r i m e n t a ls t u d ys h o w st h a to p t i m i z a t i o na n di m p r o v e m e n to f b b f d m b rc o u l de n h a n c ei t se 伍c i e n c yo fs e w a g et r e a t m e n t b yw a yo fg r a f t c o p o l y m e r i z i n g ，t h ea n t i b i o d e g r a d i n gp e r i o da n ds e r v i c el i f eo fl sw i l lb ee x t e n d e d r e s p e c t i v e l yt o12 2 2 a n d2 2t i m e so fi t so d g i n a lo n e s p r e c o a t i n gt h ed y n a m i c m e m b r a n ew i t hr mp r o v i d e st h eb b f d m b rs y s t e mw i t hb e t t e ra b s o r p t i o na n d m o r ec h e m i c a lf u n c t i o n ，a n da sar e s u l te n h a n c e si t st pr e m o v a l a st h ed a t as h o w s w h e nt h ei n f l u e n tt pi s1 2 m g l ，t h ee f j f l u e n tt pw a s0 2 m g l w h i c ha c h i e v e st h e f i r s t l e v e las t a n d a r do f d i s c h a r g es t a n d a r do f p o l l u t a n t sf o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n t p l a n t k e yw o r d s ：d y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ；l u f f ac y l i n d r i c a ls p o n g e ( l s ) ； m e m b r a n ef o u l i n g ；m o d i f i c a t i o n ；e n h a n c e dp h o s p h a t er e m o v a l i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：触日期：2 垫崆 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 武汉理丁大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 我国水资源及污染现状 水资源短缺己经成为一个全球化的环境问题，我国的缺水形势尤其严重。 我国人均水资源量只有2 2 0 0 立方米，仅为世界平均水平的1 4 、美国的1 5 ， 在世界上名列1 2 1 位，是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之一。同时，我国 水资源在空间和时间上分布严重不均匀，这使得水资源的供需矛盾更加突出， 水资源的短缺问题更加严重。 国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要提出“十一五”期间单位国 内生产总值能耗降低2 0 左右，主要污染物排放总量减少1 0 的约束性指标。 即到2 0 1 0 年，全国主要污染物排放总量比2 0 0 5 年减少1 0 ，化学需氧量由 1 4 1 4 2 力吨减少到1 2 7 2 8 万吨。 根据( ( 2 0 0 7 年中国环境现状公报，2 0 0 7 年全国化学需氧量排放量1 3 8 1 8 万吨，与2 0 0 5 年和2 0 0 6 年相比分别下降了2 3 和3 2 ，排放量有所减少， 但距2 0 1 0 年1 2 7 2 8 万吨的约束性指标还有很大的差距。全国地表水污染依然 严重。七大水系总体为中度污染，湖泊富营养化问题突出。 由此可见，我国现阶段的水体污染问题十分严重，水环境质量堪忧，水资 源短缺问题突出。随着我国社会经济的进一步发展，对水资源的需求将持续增 长，污水排放量也将进一步增加，水环境质量恶化和水资源短缺的问题将更为 突出。 因此，对进入水体的污染源( 包括生活污水和工业废水) 进行有效的处理， 加强水资源的再生利用，是改善我国水环境质量、缓解水资源短缺矛盾、促进 经济健康快速发展，达到“十一五”规划目标的迫切需要，而开发和完善新型高 效的污水处理和回用技术是其重要的技术保障。 1 2 我国城市污水处理概述 1 2 1 我国城市污水处理的发展历史及现状 我国城市污水处理事业开始于1 9 2 1 年，上海首先建立了北区污水处理厂。 武汉理工大学硕士学位论文 解放初期，处理工艺主要是一级处理，水处理技术和管理水平较为落后；上世 纪七、八十年代，随着社会经济的不断发展，人民生活水平逐渐提高，我国污 水的污染程度及污水量逐渐增加，促进了污水处理技术的进一步研究；直到上 个世纪末和本世纪初，国家在污水处理业技术研究取得了突破性进展，使我国 的污水处理技术水平大大提高，有些项目已达到了国际先进水平【卜2 1 。 目前在大城市建起的污水处理厂大多采用生物处理工艺，生物处理方法主 要有活性污泥法和生物膜法两大类，活性污泥法最早应用得是普通活性污泥法， 之后为了提高净化效果，人们在工艺方面进行了改革，发展出了一些其他工艺 如a b 法、氧化沟法、间歇式活性污泥法( s b r 工艺) 、a o 法、a 2 o 法等， 这些处理方法和技术虽对污水有一定的处理效果，但是存在着许多缺点和不足， 例如基建投资大，能耗大，运行、维护技术难度大、费用高、污泥产生量较大 等 3 - 7 1 。 1 2 2 污水处理的新发展8 - 1 4 】 1 ) 光氧化法光氧化是指在可见光或紫外光作用下进行的光化学、光催化 或光敏化的氧化过程。这是- i - j 新兴技术，已经凭其优异的净水效果引起人们 的注意。光氧化分为激光氧化和催化氧化。 2 ) 脉冲电晕技术此项技术是在污水水面上方几毫米处放置一个可产生l 万伏电压的电极束。在盛放污水的器皿底部，安装一个电极，接通电源后，电 极束进行脉冲式放电，形成冠状电晕。电极束放电时，周围空气中生成具有强 氧化性的自由基和臭氧。在高压电的作用下，这些物质可渗透至污水水面以下 两厘米处。自由基和臭氧可杀死污水中的微生物，并将水中的污染物转化成无 害物质。 3 ) 超临界水氧化法超临界水氧化法( s c w o ) 是一种很具有优势的污水 处理技术。超临界水是指水处于临界温度3 7 4 。c 、2 2 5 个大气压以上的形态存 在时，既不是液体也不是气体但又兼具液体和气体性质的大分子物质。超临界 水可以有效地破坏危险的或剧毒的有机废料。具有反应速度快，反应完全和无 二次污染等特点。 4 ) 超声波技术利用超声波降解水中的化学物质，尤其是难以降解的有机 污染物，是近年来发展起来的一种新型污水处理技术。超声波能加快反应进程， 2 武汉理工大学硕士学位论文 主要作用机理有空化效应、机械剪切效应、超声絮凝效应和自由基效应。它的 特点是：集中了高级氧化技术、焚烧、超临界氧化等多种污水处理技术，降解 条件温和、降解速度快、使用范围广。超声波降解有机废水的研究内容涉及降 解机理、降解动力学、中间体检测、影响超声降解过程的因素和优化条件试验 等。 5 ) 膜生物反应器膜生物反应器是指将膜分离装置和生物反应器结合而成 的一种新的处理系统。它是以膜分离装置取代普通生物反应器中的二沉池，从 而取得高效的固液分离效果，具有很多突出优点，如固液分离率高、出水水质 好、氨氮去除率高、污泥发生量少、耐冲击负荷等。 1 3 膜生物反应器技术发展概况 1 3 1 膜生物反应器概述 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 ) 是国际上于2 0 世纪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。它是将膜 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。它还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，因此该技术被专 家誉为“污水资源化的一项革命性技术” 1 5 - 1 8 1 ，同时也被认为是2 1 世纪最有发 展前景的污水处理与回用技术之一【l9 1 。 1 3 。2 膜生物反应器发展的历史及现状 m b r 废水生物处理技术最早是由美国于2 0 世纪6 0 年代开发研究的。1 9 6 9 年，美国的s m i m 首次报道了美国d o r r - o l i v e r 公司将活性污泥法和超滤工艺结 合处理城市污水的方法【2 0 1 。该工艺最引人注目的是用膜分离技术取代常规的活 武汉理工大学硕士学位论文 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。该工艺在生活污水的处理中获得 了极佳的处理效果：b o d l m g l ，c o d = 2 0 3 0 m g l ，系统处理能力1 0 1 0 0 m 3 d 。 7 0 年代初期，好氧分离式m b r 处理城市污水的实验规模进一步扩大，同 时，厌氧m b r 研究也相继开始进行，实验室规模的研究与中试规模的研究均 取得了较满意的结果。这一时期m b r 的应用由于受当时膜生产技术的限制， 直到2 0 世纪7 0 年代后期，大规模好氧m b r 才开始在北美应用。 7 0 年代末期，d o r r - o l 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 m b r 工艺进入日本市场。由于日本国土狭长，地表水的径流距离较短从而导致 河流水体的自净能力较差，生态系统脆弱，易受污染，而m b r 凭借其占地面 积小和出水水质优良等优势，迅速获得了应用和发展。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，经处理后做中水回用，处理规 模达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9 0 年代计划”把 m b r 的研究在污水处理对象与规模方面都大大推进了一步【2 1 】。m b r 在日本的 商业应用发展很快，世晃上6 6 的工程在日本【2 2 】，主要用于处理人屎尿和小区 污删2 引，其余主要在北美和欧洲。 进入9 0 年代中后期，越来越多的m b r 应用于生活污水和工业废水的处理， 对于m b r 的研究更加深入【2 4 】。曰趋增多的欧美等发达国家将应用于不同废水 的处理，出现了一系列商业化应用的m b r 品牌，并开始有四家大公司经营 m b r ，分别是日本m i t s u b i s h ir a y o n ( 三菱丽阳) ，加拿大z e n o n ( 泽能) ，日本 k u b o t a ( 久保田) 和日本t o r a y ( 东丽) 。 我国有关m b r 工艺的研究始于2 0 世纪9 0 年代初期，虽起步较晚，但发 展快速【强2 9 1 。从1 9 9 1 年开始介绍日本等国的m b r 工艺研究和应用情况，2 年 后许多高校和科研机构相继开展了此工艺的研究。1 9 9 5 年，国家科委资助天津 大学进行了对该工艺的研究，并成功开发了厌氧好氧m b r 工艺，取得了一系 列研究成果，并为该工艺的进一步研究和生产实用打下了良好基础。与此同时， 清华大学、同济大学、中科院生态环境研究中心、哈尔滨工业大学以及其他高 等院校及科研单位对不同类型的膜( 平板超滤膜、管状膜、中空纤维膜等) 、不 同的m b r 运行方式( 一体式、分离式等) 及其处理不同废水的效能和运行控 制等进行了研究，取得了一大批研究成果，m b r 的处理对象由城市污水( 生活 污水) 扩展到石化废水【3 0 - 3 1 】、啤酒废水 3 2 - 3 3 、食品废水3 4 、高浓度有机废水【3 孓3 6 1 、 4 武汉理工大学硕i ：学位论文 印染废水 3 7 3 8 】等，其工艺形式由活性污泥法拓展到接触氧化法，由好氧工艺发 展至厌氧工艺，有利的促进了该工艺的产业化。 目前对m b r 的研究内容主要有三个方面 3 9 - 4 2 】：一是研究与开发适合不同 水质和净化要求的膜法水处理工艺：二是对膜装置的结构和操作运行模式进行 优化，以降低膜装置的运行能耗，提高运行稳定性：三是开展膜污染机理和控 制对策研究。膜污染是膜应用过程中的重要问题，国内外多所高校和科研机构 做了很多这方面的研究工作，旨在提出实用、可行的膜污染控制技术。 j u n h o n gk i m 4 3 】等研究了在厌氧膜生物反应器中用沸石滤膜分离反应器来 控制污泥沉淀以缓解膜污染的问题。沸石滤膜分离反应器选择性去除沸水中的 主要无机物n h 4 + n ，渗析液通过沸石滤柱n h 4 + - n 去除率达到9 0 ，减少了消 化反应器中的污泥沉淀。沸石滤膜分离反应器对减少污泥沉淀有重要的作用， 因此能提高陶瓷膜的流量。 z u b a i r 6 岫e d 【“】等研究了回流比在序批式好氧厌氧膜生物反应器中对营 养物质去除的影响。当回流比为进水的2 5 倍时，c o d 去除率高于9 8 ，氮去 除率高于6 8 ，磷去除率高于5 5 。在这个回流比下，最适宜的硝酸盐含量和 c o d n 0 3 n 比例分别为2 2 4m g n 0 3 n 岔1 m l s sh 1 和9 1 3 。 r 啪e s “4 5 】等从原始的和需氧厌氧消化膜生物反应器的悬浮污泥中提取可 溶性微生物产物以及松散的和紧密的胞外高分子物质( e p s ) ，并且比较它们 对膜的污染能力。胶凝层的阻力大约是整个过滤阻力的9 5 9 8 ，这种污泥中含 有大厌氧消化污泥，它在三种测试污泥中阻力是最高的。紧密的胞外高分子物 质最容易形成膜污染，但是松散的胞外高分子物质对整个污泥的阻力最大。 m b r 的系统运行稳定，在污水回用、一些传统工艺解决不了的废水处理上 具有独到的优点。虽然目前膜工艺的成本、能耗较传统工艺高，但是，考虑到 膜生物反应器占地省、污泥产生量少等带来的好处，整体而言价格并不是高到 不能承受的地步。d e v i c e 4 6 】等人比较了设计流量为2 3 5 0 人口当量时m b r 和传 统活性污泥法污水处理厂的费用情况，m b r 总造价为6 1 3 0 0 0 英镑，其中膜费 用占7 8 ，对于传统活性污泥法，土建费用和沉淀池费用与膜的相抵，结果活 性污泥法是m b r 污水厂总费用的1 6 0 ，当设计流量为3 7 5 0 0 人口时，土建费 用和膜单元的费用之间表现出规模效益的差别。随着膜技术的不断发展，膜材 料、膜组件的成本不断的降低，膜工艺还是很有竞争力的【4 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 3 膜生物反应器的特点及发展瓶颈 膜分离生物反应器根据其膜组件和生物反应器的相对位置，可分为一体式 膜生物反应器、分置式膜生物反应器、复合式膜生物反应器三种。膜生物反应 器技术具有许多其他生物处理工艺无法比拟的明显优势，主要是以下几点【4 8 】： 1 ) 能够高效的进行固液分离，效果远好于传统的沉淀池，出水水质良好， 悬浮物和浊度接近于零，可直接回用，实现了污水资源化。 2 ) 膜的高效截留作用使微生物完全截留在反应器内，实现了反应器水力停 留时间和污泥龄的完全分离，使运行控制更加灵活稳定。而且反应器内的微生 物浓度高，耐冲击符合。 3 ) 有利于增殖缓慢的硝化细菌的截留、生长和繁殖，系统硝化效率得以提 高，通过运行方式的改变还可有脱氮除磷的功能。 4 ) 污泥龄长。膜分离使污水中的大分子难降解成分在体积有限的生物反应 器内有足够的停留时间，大大提高了难降解有机物的降解效率。反应器在高容 积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行，可以实现基本无剩余污泥的排放。 5 ) 系统采用p l c 控制，可实现全程自动化控制，而且占地面积小，工艺 设备集中。 目前从技术角度讲，m b r 工艺己相当成熟，然而其推广应用却不甚理想， 其中最主要的问题是通常采用的有机或无机膜价格较昂贵，致使m b r 工艺的 基建投资和运行费用较高。 另外m b r 在操作中也存在一些问题，最常见的就是所有的膜系统都不可 避免地存在膜污染问题，膜污染会导致膜通量下降，增加膜组件更换和膜清洗 的频率，从而增加膜生物反应器的运行费用。 总的来说，m b r 是一种实用高效的污水处理新工艺，其研究和应用也得到 了较快的发展，但在局部的膜价格和膜污染等问题上也存在着一些缺陷，一定 程度上限制了m b r 的推广和应用。因此，我们需要针对这些缺点研究开发出 新型的膜生物反应器，以使其在保留原有优点的基础上尽量解决上述问题。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 动态膜生物反应器及发展现状 1 4 1 动态膜生物反应器的出现及出现意义 膜生物反应器工艺在技术上的发展已经相当成熟，但迄今为止，m b r 工艺 在大型污水处理中应用的实例不多。造成这种现状的原因主要是：膜组件的成 本过高：运行过程动力消耗过高，造成运行费用很高、在膜的运行过程中悬浮 污染物在压力的作用下被截留或吸附在膜表面，造成膜的污染，出水通量的衰 减问题难以解决【4 ”】。为了在保留m b r 的优点基础上克服限制其发展的缺点， 近年来出现了动态膜生物反应器( d y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，d m b r ) 的 研究。 通常的膜过滤过程中，溶液中的胶体和悬浮颗粒在过滤压力的作用下被截 留或吸附在膜表面，造成了膜通量的下降，这一现象称为膜污染。但从另外一 个角度看，膜表面的污染层增强了膜的截留能力，使微滤膜可以截留病毒甚至 小分子有机物，就好像在原有的膜之上又增加了一层膜。由于这层膜是在过滤 过程中形成的，其组成及厚度都可能随时间及生物反应器运行等条件的变化而 变化，故一些研究者称之为动态膜( d y n a m i cm e m b r a n e ) 或次生膜( s e c o n d m e m b r a n e ) 。相应地，将这种称为动态膜生物反应器。 可以说动态膜的出现很好地解决了上述m b r 的两大难题，因为由于多孔 底膜和预涂剂的选材广泛和价廉易得，使得d m b r 的造价较之传统的m b r 有 很大幅度的下降；另外由于多孔底膜即膜基质的通量本身就很大，在膜污染严 重的情况下还可以将膜基质表面的动态膜去除以后再重新预涂或自生，从而有 效地控制膜污染。而且d m b r 还具有设备简单、操作容易、处理效果较好等其 他优点，因此目前动态膜技术已广泛地引起了人们的研究和关注【5 2 巧5 1 。 1 4 2 动态膜生物反应器的发展现状 动态膜可根据其形成的方式不同分为两类：一类是预涂膜( p r e c o a t e d ) ，其 中又分为使用悬浮液和胶体溶液两种，通常被用作预涂剂的材料有硅藻土、高 岭土、m n 0 2 和z r 0 2 等。另一类是自形成膜( s e l f - f o r m i n g ) ，即将所处理的废液 作为动态膜制备液来过滤制得。动态膜的研究始于反渗透，之后扩展到超滤， 武汉理丁大学硕e 学位论文 用于蛋白质的回收、果汁过滤及废物生物处理。后又用于环保领域治理废水， 目前所见到的动态膜处理的废水有生活废水、污水处理厂二级出水、纺织印染 废水、食品生产废水及其它工业生产废水等。 m e g a t 5 6 】等使用高岭土为预涂剂制备动态膜实验，结果显示当高岭土浓度 为3 3 3 m g l 时，仅需l o 分钟动态膜便可形成，滤过液浊度可达到在0 2 n t u 以 下。且当膜面流速在一定范围如1 6 2 5 m s ，对滤出液流速没有影响。 a 1 m a l a c k t 57 】在处理市政污水厂二级出水的错流式微滤中，以纺织聚酯为原 膜，k m n 0 4 和h c o o n a 反应形成m n 0 2 沉淀物能形成动态膜。m n 0 2 动态膜能 提高滤通量、延长工作时间、增加对固态污染物的截留，提高了工作性能。 1 0 0 m g lk m n 0 4 在p h = 1 0 的条件下循环1 5 分钟就能形成很好的动态膜；原膜 孔径从2 0 4 0 p m 减少到2 “m 以下，极大减小了颗粒透过膜的可能性：滤通量能 达到最大，滤过液浊度可稳定在0 2 n t u 以下。膜清洗简单而有效，只要在原 膜表面用刷子刷即可。 l e ej t 5 8 】等在进行传统一体式膜生物反应器研究时，也提到动态膜的形成及 对污染物的去除，并发现膜表面的凝胶层一方面增加了过滤阻力，另一方面也 提高了膜的截留能力。 m a r ea 1 廿n a i l 【5 9 】等人利用水合氧化锆在不同的p h 值( p h = 3 5 、4 、6 ) 情况 下分别形成动态膜，在考察它们的特性时发现，随着p h 值的提高其运行周期 缩短，而最终的出水通量会随之增加，但出水浊度却没有明显的变化趋势，这 可能是因为锆离子在p h 值较低的情况下所生成的颗粒较小，而小颗粒在形成 动态膜的过程中需要用较多的时间去堵塞膜孔，且小的颗粒会使得膜污染加重 而阻力增大；在p h = 3 5 、6 时形成的动态膜对蛋白质的截留能力优于p h = 4 时 的动态膜。 k r y v o r u c h k o 6 0 】等报道了用粘土矿石制备动态膜的实验，结果显示蒙脱石、 绿坡缕石、伊利石、高岭石形成的动态膜的截留性能依次逐渐变差，蒙脱石虽 然净化效果最好，但孔堵塞造成的通量下降却也是最严重的。除此之外，采用 过滤的目标物作为动态膜的制备有着就地取材的优势，在可保证处理效果的前 提下是一种好的选择。 s e o 【6 l 】等采用无纺布构建动态膜生物反应器处理生活污水，采用重力自流 出水，反应器处理出水s s 和c o d 浓度平均为3 2 m g l 和1 5 m g l ，平均去除 率分别为9 2 3 和9 1 6 ，总氮去除率高达8 0 ，在出水通量为0 4 r n d 、出水 武汉理工大学硕士学位论文 水头为0 0 5 0 5 m 时，动态膜生物反应器可以稳定运行3 0 d 以上。 a l a v i 6 2 】等采用1 5 7 0 9 m 2 的无纺布构建动态膜生物反应器处理模拟生活污 水，出水利用真空泵抽吸，比较了不同s i 盯条件下的处理效果和膜污染情况， 结果表明，曝气强度对出水s s 和浊度的影响较小，随着s r t 的延长，出水水 质变差。在不排泥时反应器内污泥浓度为7 l ，远高于s r t 为1 0 d 和3 0 d 时的 污泥浓度1 8 l 和3 l ，不排泥条件下反应器膜污染较为严重，反应器的稳 定运行周期明显缩短。 卓琳云等【6 3 】以陶瓷膜管为基质，研究了高岭土动态膜的制备过程。实验以 高岭土为动态膜预涂材料，采用错流操作对膜管进行涂膜，得出最佳涂膜条件 为：涂膜液质量浓度o 3 l 、跨膜压力0 2 m p a 、错流速度0 5 r n s 及涂膜时间 1 0 m i n 。 初里冰等睁】采用滤布为基材形成动态膜生物反应器在低温条件下( 9 1 3 。c ) 处理校园生活污水。结果表明动态膜能在滤布表面很快形成且稳定存在。出水 浊度小于9 5n t u ，t s s 多数运行时间为零，最大不超过5 0 m g l ，c o d 和氨 氮去除率分别为7 2 一8 9 和6 6 9 4 。动态膜的过滤阻力比微滤超滤膜要低 2 3 个数量级，泥饼层阻力是主要的污染阻力。 张建掣6 5 】利用动态膜生物反应器处理生活污水，对反应器中动态膜的结构 和作用进行了研究结果表明，出水水头为8 c m 的条件下，1 0 0 m i n 以后出水水质 趋于稳定，动态膜基本形成。稳定运行状态下，动态膜生物反应器对c o d 、氨 氮和总氮的总平均去除率分别为7 8 4 、9 5 o 、4 0 o ，其中动态膜对c o d 、 氨氮和总氮的平均去除率分别为1 9 0 、8 5 、6 o 。动态膜生物反应器对污 染物质的去除主要依靠混合液活性污泥，而附着在膜基材上的动态膜的生物降 解作用也能去除小部分污染物质。 董春松等【6 6 】研究了种新型玻璃纤维管式动态膜生物反应器( d m b r ) 并考 察其对垃圾渗滤液的处理效果。研究表明，动态膜生物反应器运行稳定，d m b r 在重力自流出水下运行近8 0 d ，在过滤压差为2 9 0 0 p a 的情况下，膜通量维持在 3 7 5 l ( m 2 h ) 左右，在膜组件的结构参数改进之后，膜通量有较大提高，在过滤 压差为1 4 5 0 p a 下能较长时间稳定在6 ll ( i n 2 h ) 。本研究还考察了动态膜的过滤 性能和系统处理效果，系统出水浊度在1 0 n t u 以下，对c o d 、b o d 5 和n h 4 + - n 的平均去除效率分别超过7 1 、9 6 和9 8 ，动态膜对混合液上清液c o d 有 1 9 3 4 的截留作用。 9 武汉理工大学硕士学位论文 由于动态膜技术正在发展过程中，所以它尚未像其它的膜分离技术一样广 泛地被某一行业所采用，文献资料显示动态膜的应用处于实验性的尝试阶段， 所能查到的文献资料也远远少于其它膜分离技术，但随着膜技术的快速发展， 动态膜技术在环境工程中的研究与应用也将会越来越广泛。 1 4 3 动态膜生物反应器的特点及存在的问题 以上各国学者的研究，均说明了d m b r 技术潜在的巨大价值，该技术能够 保留m b r 技术出水水质好、结构紧凑、占地面积小的优点，同时又克服了m b r 技术的缺点。 首先，d m b r 技术采用大孔径网膜代替微滤膜，从而大大减小了膜组件的 造价；其次d m b r 可以依靠出水水头差自流出水，无需加压，从而大大减小了 动力消耗；另外，d m b r 的出水通量较m b r 有很大的提高，可超出一个数量 级，达到1 0 0 1 0 0 0 l m 2 h 1 ；最后，动态膜的清除与再生非常容易，能实现几乎 1 0 0 的通量恢复，从而大大减小了膜组件的损耗，延长了膜的使用寿命。而作 为一个新兴技术，d m b r 也存在着一些问题需要进一步研究解决： 1 ) d m b r 靠运行过程中在线形成的动态膜实现对污染物的截留，在动态 膜的形成过程中不可避免的会有污泥泄漏，从而初始出水无法达标，需要返回 重新处理。 2 ) 动态膜在运行过程中形成并处于动态变化中，一旦动态膜受到破坏，立 刻会出现污泥泄漏，出水水质变差，要保证处理正常进行，出水水质稳定，就 需要对各项运行参数严格控制，操作要求较高。 3 ) 动态膜载体的组件主要采用纤维素类、聚酰胺类、芳香杂环类、聚砜类、 聚烯烃类、硅橡胶类等高分子膜。存在着载体组件容易老化，使用寿命短的缺 点。 4 ) d m b r 的生物反应器部分主要采用是常规活性污泥法，与新型污水处 理工艺相结合的研究较少。 5 ) 对动态生物膜的研究尚处于实验室阶段，对其工艺设计、运行控制、作 用机理的探讨仍有待进一步深入。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 本课题研究的意义与目的 动态膜及动态膜生物反应器的研究有助于改善分离纯化膜和膜生物反应器 的性能，另外，由于动态膜容易形成，制备过程简单，膜原料丰富，从而可降 低膜生物反应器装置成本，动态膜的研究有助于分离纯化膜的推广应用，并可 能形成新的分离膜；动态膜生物反应器的研究有助于膜生物反应器处理工业废 水及生活污水技术的推广应用。动态膜和动态膜反应器的研究对于探索膜污染 机理及规律性也很有价值。动态膜技术作为过滤工艺中一门较新的技术，适合 我国的国情。该工艺技术问题的研究将为污水处理提供一条高效经济、切实可 行的解决途径，具有重大意义。 本课题希望通过一系列试验研究，了解动态膜及其制备过程，认识动态膜 抗污染能力、分离效果、清洗和再生过程；系统考察新型动态膜生物反应器对 实际城市污水处理的运行效果；分析新型动态膜生物反应器的特点，并对其存 在的问题进行优化与改进，从而为大规模应用奠定技术基础。 1 6 研究内容与创新点 1 6 1 研究内容 本课题采用新型动态膜生物反应器