（环境工程专业论文）新型动态膜生物反应器的研究与应用.pdf

原创性声明 本人郑重声明；所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果对本论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人完全意识到本声明的法 律责任由本人承担 论文作者签名：蟹：堑蟹 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文全都或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论 文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：敛邃簦导师签名：i 查l ! 至日期：2 1 丑，2 z 山东大学硕士学位论文 摘要 我国现阶段水环境污染闯题突出，严重影响了水体功能的发挥，同时导致水 资源短缺的问题更加突出，严重制约了国民经济的发展，因此，对进入水体的生 活污水和工业废水进行有效的处理，并加强水资源的再生利用，是改善我国水环 境质量、促进经济健康快速发展的迫切需要，而开发新型高效的污水处理和回用 技术是其重要的技术保障。本论文通过微网膜基材的筛选、膜污染控制方法的开 发和反应器结构形式的改进等研究，开发了一种新型内循环动态膜生物反应器， 并将该反应器成功地应用于生活污水和草浆造纸中段废水的处理 筛选获得了价格便宜、性质稳定、污泥附着性能良好的筛绢和单滑面无纺布 微网膜基材。以单滑面无纺布构建的动态膜生物反应器处理生活污水，在水力停 留时间为6h 条件下，生物动态膜可在9 0m i n 内形成，动态膜形成后出水浊度降到 5n t u 以下，反应器处理出水中c o d 、氨氮、总氮和总磷的平均浓度分别为2 5 6 m g 几、1 5m g l 、2 7 5m g l 和2 9m g l 开发了能够有效消除膜污染的逆出水方向在线曝气反冲洗方法当曝气强度 为5 6m 3 ( m 2 h ) 、反冲洗时间为5m i n 时，生物动态膜的恢复约需要4 5r a i n ，动态 膜生物反应器的反冲洗周期可以稳定在1 5h 左右。反冲洗曝气强度和反冲洗时间 均对生物动态膜的恢复有一定影响 提出了旨在促进流态均匀性、抑制膜污染的新型内循环动态膜生物反应器结 构形式。该结构形式的反应器的流态更加均匀，其死区率仅为0 2 ，大大低于 常规动态膜生物反应器7 2 的死区率；其对生活污水中c o d 、氨氮和总磷的去 除效果优于常规动态膜生物反应器，在水力停留时间为6h 情况下，c o d 、氨氮、 总氮和总磷的平均去除率分别达9 4 o 、9 7 6 、4 9 2 和8 3 ，7 ，同时，膜污染 问题得到有效延缓，平均反冲洗周期长达5 4 8h 内循环动态膜生物反应器的基 质降解动力学方程为v = 2 6 s s ( 4 0 3 9 + 鳓 分析了动态膜的结构与功能反应器内混合液活性活性污泥的生物量、脱氢 酶活性和比耗氧速率等指标均大大高于生物动态膜，反应器对污染物质的去除主 要依靠混合液活性污泥，附着在微网膜基材上的生物动态膜的生物降解作用也能 去除少部分污染物质。动态膜主要由丝状菌、杆菌、球菌及其胞外分泌物组成。 将动态膜生物反应器成功应用于草浆造纸中段废水的处理，结合混凝后处理 工艺，能够稳定实现处理出水c o d 1 2 0m g l 、色度 5 0 倍，达到了山东省造 纸工业水污染物排放标准( d b 3 7 ，3 3 6 2 0 0 3 ) 2 0 1 0 年以后的排放要求。 关键词：动态膜生物反应器；内循环；膜污染；再生水；中段废水 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a t e rp o l l u t i o np r o b l e mi sb e c o m i n gh i g h l i g h t e da tt h i ss t a g ei no a rc o u n t r y , w h i c hs e r i o u s l ya f f e c t st h ef u n c t i o no fw a t e rb o d y , a g g r a v a t e st h ew a t e rs h o r t a g e p r o b l e ma n dh a m p e r st h ed e v e l o p m e n to f t h en a t i o n a le c o n o m y t h e r e f o r e ，i no r d e rt o i m p r o v et h ew a t e rq u a l i 锣a n dd e v e l o pt h eh e a l t h ya n dr a p i de c o n o m y , i ti sa nu r g e n t n e e dt ot r e a tt h ed o m e s t i cs e w a g ea n dt h ei n d u s t r i a lw a s t e w a l e rd i s c h a r g e dt ow a t e r b o d ye f f e c t i v e l ya n de n h a n c et h er e u s eo fw a t e rr e s o u r t ：e s p e c i a l l y , t h ed e v e l o p m e n t o f e f f i c i e n ts e w a g et r e a t m e n ta n dr e u s et e c h n o l o g yi si m p o r t a n tt e c h n i c a ls u p p o r t t h r o u g ht h es t u d yo ns e l e c t i o no fc o a r s ep o r ef i l t e rm a t e r i a l ，c o n t r o lo f m e m b r a n ef o u l i n g ，a n di m p r o v e m e n to fr e a c t o rc o n f i g u r a t i o n , an o v e li n t e r n a l c i r c u l a t i o nd y i l a m i cm e m b r a n eb i o r c a c t o rw a sd e v e l o p e da n du s e di nt h et r e a t m e n to f d o m e s t i cs e w a g ea n db l e a c h i n gl i q u o rf r o ms t r a w - p u l pp r o c e s s i n g t h er e s u l t so fc o a r e o ep o r ef i l t e rm a t e r i a ls e l e c t i o ns h o w e dt l l a tb o i 血g - s i i l ( a n d s i n g l es l i ps u r f a c en o n - w o v e nf a b r i cw e r ec h e a p ，s t a b l e ，a n de a s yt ob ea d h e r e db y s l u d g e w h e nt h eh r t w a s6h ，t h ed y n a m i cm e m b r a n ec o u l db ef o r m e dw i t h i n9 0 m i n u t e s n et u r b i d i t yo f e m u e n tw a sl e s st h a n5n t u 1 f 1 地a v e r a g ec o n c e n t r a t i o n so f c o d a m m o n i an i t r o g e n , t o t a ln i 仃o g e na n dt o t a lp h o s p h o r u si ne f f l u e n tw e 陀2 5 6 m g l ，1 5m g l ，2 7 5m g la n d2 9m g l ，r e s p e c t i v e l y o n l i n ea e r a t i o nb a c k w a s h i n gi nt h ei n v e r s ed i r e g t i o l lo fe f f l u e n tw a sc a r r i e do u t t oc o n t r o lm e m b r a n ef o u l i n g t h er e c o v e r yo fd y n a m i cm e m b r a n ew a sa f f e c t e db y b a e k w a s h i n ga e r a t i o ni n t e n s i t ya n db a c k w a s h i n gt i m e w h e nt h ea e w a t i o bi n t e n s i t y w a s5 6m s ( m 2ma n dt h eb a c k w a s h i n gt i m ew a s5m i n , r e g e n e r a t i o no fd y n a m i c m e m b r a n en c e d e d4 5m i n u t e sa n dt h eb a c k w a s h i n gc y c l ec o u l db es t a b i l i z e da r o u n d 1 5h o u r s i n t e r n a l l yc i r c u l a t i n gd y n a m i cm e l n b r a n eb i o r e a c t o rw a sd e s i g n e dt oe n h a n c et h e u n i f o r mo ff l o wp a t t e r na n di n h i b i tm e m b r a n ef o u l i n g t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e f l o wp a t t e r nw a sm o r eu n i f o r m ，a n dt h ed e a dz o n er a t ew a so n l y0 2 ，w h i c hw a s l e s st h a nt h a to f7 2 i nc o n v e n t i o n a ld y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r w h e nt h e 玎 w a s61 l t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e so fc o d ，a m m o n i an i t r o g e n , t o t a ln i t r o g e na n d t o t a lp h o s p h o r u sw e r e9 4 0 ，9 7 6 ，4 9 2 a n d8 3 7 ，r e s p e c t i v e l y m e a n w h i l e ， t h em e m b r a n ef o u l i n gp r o b l e mh a db e e ne f f e c t i v e l yd e l a y e d 、析t l lt h ea v e r a g e b a c k w a s h i n gc y c l ea r o u n d5 4 8h o u r s t h ek i n e t i ce q u a t i o no fd o m e s t i cs e w a g ew a s 2 山东大学硬士学位论文 v = 2 6 5 s ( 4 0 3 9 + s 1 a n a l y s i so fd y n a m i cm e m b r a n es t r u c t u r ea n df u n c t i o ns h o w e dt h a tt h eb i o m a s s , d e h y d r o g e n a s ea c t i v i t y a n do x y g e nc o n s u m p t i o nr a t eo ft h ea c t i v a t e ds l u d g ew e r e s u b s t a n t i a l l yl ：l i g h e r t h a nt h a to f d y n a m i cm e m b r a n e t h er e m o v a lo f p o l l u t a n tm a i n l y r e l i e do na c t i v a t e ds l u d g ei nt h er e a & t o r d y n a m i cm e m b r a n ec a na l s or e m o v ep a r to f p o l l u t a n tt h r o u g hb i o d e g r a d a t i o n d y n a m i cm e m b r a n ew a sm a i n l yc o m p o s e db y f i l a m e n t o u sf u n g i ，b a c t e r i a , s t r e p t o c o c c u sa n de x t r a c e l l u l a rs e c r e t i o n d y n a m i cm e m b r a n eb i o w a c t o rc o m b i n e dw i 也c o a g u l a t i o nt r e a t m e n tp r o c e s s w a sa p p l i e di nt h et r e a t m e n to fb l e a c h i n gf i q u o rf r o ms t r a w - p u l pp r o c e s si np a p e r m a k i n gi n d u s t r y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc o d a n dc h r o m a t i c i t yo ft h ee f f l u e n tw e r e l o w e rt h a n1 2 0m g la n d5 0 ，r e s p e c t i v e l y t h ee f f l u e n tq l l a l i t ym e tt h ed i s c h a r g e r e q u i r e m e n ta f t e r2 0 1 0o f d i s c h a r g es t a n d a r do fp a p e rm a k i n gi n d u s t r y 憎t 盯 p o l l u t a n ti ns h a n d o n gp r o v i n c e ( d b 3 7 3 36 - 2 0 0 3 ) 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 ；, i n t e r n a lc i r c u l a t i o n ；m e m b r a n ef o u l i n g ； r e c l a i m e dw a t e r ；b l e a c h i n gl i q u o r 3 山东大学硕士学位论文 1 1 我国水资源污染现状 1 1 1 淡水资源短缺 第一章绪论 根据2 0 0 4 年水资源公报，我国年平均降水量为6 0 1 r a m ，折合降水总量约为 5 6 8 7 6 亿m 3 ，地表水资源量2 3 1 2 6 亿m ? ，占全球陆地总径流量的5 5 ，居世界第 五位。但入均水资源占有量仅为2 3 0 0 m 3 ，不足世界人均水平的1 4 ，居世界第1 1 0 位，为世界1 3 个人均水资源最少的国家之一 我国水资源分布的趋势是东南多西北少，空间分布严重不均匀。南方长江流 域、珠江流域、浙闽台诸河和西南诸河四个流域，人均水资源量约为全国平均值 的1 6 倍，平均每公顷耕地占有的水资源量为全国平均值的2 2 倍；北方的辽河、 海滦河、黄河和淮河四个流域，人均水资源占有量仅为全国平均值的1 9 ，平均 每公顷耕地占有的水资源量为全国平均值的1 5 ，因此，我国北方地区的缺水现 象更为严重 由于我国大部分地区的降雨主要受季风气候的影响，降水量的季际变化很 大全国大部分地区在汛期四个月左右的降雨量占了全年降雨量的6 0 8 0 ，导 致了年内的分布不均匀。同时，由于降雨量的年际变化也很大，会出现连续丰水 年或连续枯水年的情形，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 中国水利部水资源评价最新结果表明，近年来，中国北方地区水资源量明显 减少，其中，黄河、淮河、海河和辽河区最为显著，地表水资源量减少1 7 ，水 资源总量减少1 2 ，其中海河区地表水资源量减少4 1 ，水资源总量减少2 5 按目前的正常需要，在不超采地下水的情况下，正常年份全国缺水量将近4 0 0 亿 m 3 ，相当于北京市年用水量的1 0 倍多。十五”期间，农田受早面积年均达3 8 5 亿亩，平均每年因旱减产粮食3 5 0 亿公斤。全国有4 0 0 余座城市供水不足，比较严 重缺水的达l l o 座。 1 1 2 水资源污染严重 据2 0 0 5 年中国环境状况公报公布，全国工业和城镇生活废水排放总量为 5 2 4 5 4 l m 3 ，其中工业废水排放t 2 4 3 1 亿m 3 ，城镇生活污水排放量2 8 1 4 亿m 3 ；废 水中化学需氧量( c o d ) 排放总量1 4 1 4 2 万吨，其中，工业废水中c o d 排放量5 5 4 8 万吨，城镇生活污水中c o d 排放量8 5 9 4 万吨；废水中氨氮排放总量1 4 9 8 万吨， 山东大学硕士学位论文 其中，工业废水中氨氮排放量5 2 5 万吨，城镇生活污水中氨氮排放量9 7 3 万吨； 全国七大水系的4 1 l d x 地表水监测断面中，i m 类水质断面占4 1 ，i v v 类 水质断面占3 2 ，劣v 类水质断面占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：全国2 8 个重点湖库中，满足i i 类 水质的潮库2 个，占7 1 ，m 类水质的湖库6 个，占2 1 4 ，i v 类水质的湖库3 个， 占1 0 7 ，v 类水质湖库5 个，占1 7 9 ，劣v 类水质湖库1 2 个，占4 2 9 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，这严重 影响了水体功能的发挥，同时使得水资源短缺问题更加突出箍着我国社会经济 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 济健康快速发展的迫切需要，而开发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 膜生物反应器技术 对于生活污水和工业废水的处理，通常采用二级生化处理工艺，但这些生物 处理技术具有固液分离效率低、混合液污泥浓度低、处理出水悬浮固体多、管理 复杂、剩余污泥产量大等缺点。膜生物反应器用膜组件代替传统生化处理工艺中 的二沉池，可以进行高效的固液分离，相比常规二级生化工艺而言具有很大的优 越性”。膜生物反应器的处理出水水质好，反应器内能维持较高浓度的微生物量， 使得装置容积负荷大为提高、占地面积大幅度缩小、剩余污泥产量低，而且易于 实现自动控制，操作管理方便。在水处理领域，膜生物反应器工艺已经成为国内 外研究的热点阳，4 】。 1 2 1 膜生物反应器概述 膜生物反应器一般由生物反应器与膜组件组成。根据膜组件相对生物反应器 的位置，可分为分置式膜生物反应器和一体式膜生物反应器两大类i l 】，如图l - 1 所示。 分置式膜生物反应器中膜组件置于生物反应器外，生物反应器中的混合液经 循环泵送至膜组件，在压力的作用下混合液中的液体透过膜成为系统处理出水。 分置式膜生物反应器运行可靠性好，膜组件易于清洗、拆卸，膜通量电较大，但 运行能耗过大，在很大程度上限制了其在水处理中的广泛应用【l j 。 6 山东大学硕士学位论文 生物反瘦器循环泵膜组停 - ) 分置式聩i - 生物反应嚣 图i - i 膜生物反应器的分类 一体式膜生物反应器是将膜组件直接浸入混合污泥中，混合液中的液体在抽 吸泵或水头压差作用下透过膜形成出水。曝气系统设置在膜组件下方，一方面为 微生物降解污染物提供必需的氧气，另一方面促使混合液在膜表面形成环流，通 过由此产生的水流剪切力和气泡的冲刷作用阻碍膜污染的发生一体式膜生物反 应器能耗相对较低，空问布置也较分置式膜生物反应器更为紧凑i s 。但是，一体 式膜生物反应器具有不易于实现在线清洗、膜组件成本高、出水通量小等缺点旧。 1 2 2 膜生物反应器的研究现状 膜生物反应器将膜分离技术与传统活性污泥法相结合，利用膜组件代替二沉 池，兼有生物法和膜法的特点【。丌。膜生物反应器具有以下优点： ( 1 ) 对污染物的去除率高，抵抗污泥膨胀能力强，出水水质稳定脚。 ( 2 ) 膜生物反应器实现了反应器污泥龄( s r t ) 和水力停留时间( 瑚盯) 的彻底分离，设计、操作大大简化翻。 ( 3 ) 膜的高效截留作用使得生物反应器内可保持较高的污泥浓度，从而能 提高体积负荷，降低污泥负荷，减少反应器体积和占地面积【l o n , z 2 l 。 ( 4 ) 由于膜的截留作用可以延长s r t ，使得污泥产量显著减少，剩余污泥 产量低，污泥处置费用低，同时可以营造有利于增殖缓慢的微生物的生长环境， 从而提高系统对难降解污染物质的处理效率【1 3 1 ( 5 ) 膜生物反应器内污泥絮体平均尺寸较小，可以提高污泥的传质效率。 ( 6 ) 膜生物反应器易于一体化和实现自动控制，操作管理方便。 经过几十年的研究和探索，国内外膜生物反应器的研究主要集中在以下几方 面： q ) 膜生物反应器污水处理特性研究【1 】 目前关于膜生物反应器的研究主要集中在城市生活污水处理及回用领域，研 7 山东大学硕士学位论文 究表明膜生物反应器处理城市生活污水并用于中水回用在技术和经济上都是可 行的【1 1 , 1 5 , 1 7 , 1 8 。 由于膜生物反应器良好的截留性能，能够维持比较高的污泥浓度，且s r t 较 长，有利于增长缓慢的细菌的生长和繁殖，同时能将一些难降解物质截留在反应 器内使其得以降解和去除，膜生物反应器也用于一些传统工艺难以处理的工业废 水，如食品废水【16 1 8 1 、印染废水【1 9 】、啤酒废水【2 0 】、焦化废水、石化废水f 2 1 1 、垃 圾渗滤液固、厕所污水1 2 3 和医药废水1 等。 ( 2 ) 膜生物反应器组合工艺研究 针对水质特点，将不同水处理工艺( 如好氧接触氧化 ：z s l 、厌氧【却7 】、s b r 2 | l 和混凝【2 9 】等) 与膜分离单元相结合，开发出了适用于处理不同水质的多种组合 工艺。 ( 3 ) 膜污染及其控制研究 膜污染是指颗粒、胶体等物质在膜表面或膜孔内部形成可逆及不可逆沉积 膜污染后，膜阻力随时间的变化如图1 2 所示。从图中可以看出膜污染过程分为 两个阶段。第1 阶段为膜阻力快速上升期，发生在膜过滤之初，主要由于浓差极 化、膜孔堵塞造成的。第h 阶段为膜阻力平稳增长期，该阶段主要是由于颗粒物 逐步沉积在膜表面形成污泥层所造成的1 7 , 3 0 1 。 臌 过 滤 阳 力 过滤时闯 图1 2 膜阻力的时间变化 影响膜污染的主要因素有【3 9 川：膜的固有性质( 膜材料、膜孔径大小、亲疏 水性等) 、膜分离操作条件( 膜通量、操作压力、抽停时间、膜面错流速度等) 【3 ”1 翊和反应器内混合液性质【3 3 】等。 目前膜污染的控制研究主要集中在膜污染的预防和控制措施等方面。 山东大学硬士学位论文 1 2 3 存在的问题 传统的膜生物反应器利用超滤膜或微滤膜截留污泥，其过滤材料即起到了主 要的截留作用，但是由于膜孔径较小导致出水量较小，难以满足大规模应用的要 求；由于膜造价高，使得反应器的基建投资较高；容易出现膜污染，导致运行能 耗较高、膜的使用寿命降低，限制了膜生物反应器更为广泛的应用 1 3 动态膜生物反应器研究现状 由于传统过滤工艺存在膜成本高、寿命短的缺点，限制了传统过滤技术的应 用。为减缓膜过滤过程中不可避免的膜污染现象，孵决膜寿命短的问题，2 0 世纪 6 0 年代早期，o a l 【黜d g g e 国家实验室最早提出了动态膜过滤技术叫。 1 3 1 动态膜概述 动态膜( 仍m i n i cm e m b r a n e ，d m ) ，是指采用某种固体微粒或反应中形成 某种固体微粒，通过循环使其沉淀在多孔支撑体表面上形成新膜，从而改进多孔 支撑体的过滤性能，称为动态形成膜( d y n a m i c a l l yf o r m e dm e m b r a n e ) 或原位形 成膜( f o r m e d - i n - p l a c em e m b r a n e ) 形成动态膜的物质可以是无机水合氧化物胶 体或有机高分子物质，这类膜具有反渗透、纳滤、超滤或微滤的分离效果。也有 学者称多孔支撑体为主膜( p r i m a r ym e m b r a n e ) ，动态膜为次膜( s e c o n d a r y m e m b r a n e ) 1 3 4 。 1 3 2 动态膜过滤的研究与应用领域 动态膜通常被分为两类：预涂动态膜( p r e - c o a t e dd m ) 和自生动态膜 ( s e l f - f o r m i n gd m ) 。预涂动态膜通常先用多孔支撑体过滤含有成膜物质的溶液， 待动态膜在其表面形成后，再用它来过滤被处理溶液自生动态膜则是在过滤被 处理溶液时由溶液中的物质在多孔支撑体表面形成【1 4 j 。 动态膜的研究始于反渗透，之后扩展到超滤，并应用于蛋白质的回收1 3 卯、 果汁过滤【3 6 】及废物生物处理等。动态膜过滤的研究和应用领域如表1 1 所示 1 3 3 动态膜生物反应器研究现状 动态膜生物反应器是传统膜生物反应器技术和动态膜技术相结合的污水处 理新工艺。动态膜生物反应器以孔径为微米级的微网材料作为过滤基材，代替膜 生物反应器中的微滤或超滤膜组件，利用动态膜过滤技术获得良好的固液分离效 果，从而降低了膜组件成本。 9 山东大学硕士学位论文 动态膜生物反应器可以分为“预涂一动态膜生物反应器”与“自生动态膜生 物反应器” ( 1 ) 预涂动态膜生物反应器 大连理工大学张捍民等采用工业滤布作为过滤基材 y r l ，通过粉末活性炭形 成预涂动态膜，考察了预涂动态膜、自生动态膜和中空纤维膜构建的反应器的运 行特性。结果表明预涂动态膜污染物质去除效果最好，膜污染状况也有所改善 预涂动态膜生物反应器的膜组件在用于活性污泥过滤前需要经过预处理， 形成预涂动态膜，当膜堵塞严重时，需要将预涂动态膜剥落后再重新处理，给实 际工程运行增加了操作和管理难度，这使得针对预涂动态膜生物反应器的研究 较少【1 4 】。 ( 2 ) 自生动态膜生物反应器 日本丰桥大学的k i s o 【3 8 1 采用孔径为1 0 0 3 0 0 p m 的聚酰胺筛绢为过滤材料， 代替m b r 中的微滤膜构建了动态膜生物反应器。结果表明，在非常低的水头( 5 1 0 m m h 2 0 ) 时反应器可以稳定运行2 3 个月，k i s o 认为膜表面形成的滤饼层在 截留污泥中起主要作用。k i s o 将动态膜和s b r 相结割3 9 1 ，利用1 0 0 1 a m 尼龙筛网作 为基材，在污泥浓度为2 5 3 0 9 l 的情况下，稳定运行3 6 0 天，成功地减少了8 0 的剩余污泥产生量。 清华大学的范彬、黄霞等对动态膜生物反应器处理城市污水进行了研究 1 0 山东大学硕士学位论文 1 4 0 , 4 l l ，采用0 1 m m 孔径的聚酰酯筛绢构建一体式动态膜生物反应器( d m b r ) 处 理实际城市污水研究表明当盯为3 5 h 时，出水水质良好，在多数情况下出水 s s 为0 ，对氨氮的去除率大于9 6 ，动态膜对反应器上清液中的c o d 和t o c 的平 均去除率分别为2 8 7 4 和3 6 9 。范彬等还对动态膜的过滤性能进行了研究 4 2 , 4 卦，结果表明动态膜所具有的较强的截留能力主要依靠附着的凝胶层，对动态 膜的阻力分析表明，运行过程中动态膜组件的过滤阻力主要是由滤饼层产生的 韩国国立昌原大学的g t s e o 等采用无纺布构建动态膜生物反应器处理生活 污水m ，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 0 , 4 ，在出水通量 为0 4 m d 、出水水头为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 日本东京大学的a l a v im o b l d a m 等人采用1 5 7 0g ，矗的无纺布构建动态膜 生物反应器处理模拟生活污水【4 5 t 螂，出水利用真空泵抽吸，比较了不同s r t 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 9 l ，远高于 s r t 为1 0 d 和3 0 d 时的污泥浓度1 8 9 l 和3 9 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。 同济大学的高松、周增炎等研究t s o i u n 孔径的铁丝网对活性污泥的过滤性 制4 7 ，婀，结果表明2 - 5 m i n 后即可形成生物动态膜，出水浊度可以达到l n t u 左右， 在运行之初，高的膜通量有利于促进动态膜的形成，长期运行过程中小的膜通量 可以缓解膜污染。 台湾工研院环安中心已经对无纺布构成的自生动态膜生物反应器进行了中 试研究嗍，并有商业化动态膜组件推出 清华大学的吴盈嬉研究了组件形式对膜通量和反应器运行稳定性的影响 嗍，并利用溶解氧微电极在线监测了动态膜内部溶解氧的变化1 5 1 捌，结果表明在 深度大于2 o 屯5 m m 处动态膜处于无氧状态，并且动态膜的活性低于混合液活性 清华大学的周小红利用硝酸盐微电极研究了不同c o d 负荷条件下动态膜的 反硝化特性【铷，结果表明动态膜中的反硝化作用出现在膜水界面0 6 - 1 r a m 以下， 增加进水c o d 负荷能够增加动态膜内部的反硝化区域。由于有机物浓度、溶解 氧的抑制作用及菌群竞争对反硝化速率的影响，动态膜内部存在反硝化速率不同 的两层。 1 3 4 动态膜生物反应器存在的问题 动态膜生物反应器以廉价的微网材料作为过滤基材降低了膜组件成本，并且 山东大学硕士学位论文 动态膜生物反应器可以依靠重力自流出水，膜污染容易控制，从而降低了操作费 用，因此，动态膜生物反应器具有很好的潜在应用前景。 国内外的研究者针对动态膜生物反应器处理生活污水的运行特性、膜材料的 筛选和动态膜的特性等开展了一系列的研究。通过对国内外现有动态膜生物反应 器的研究和应用成果的系统的分析，该反应器现存的问题如下： ( 1 ) 现有动态膜生物反应器的膜污染控制方式均采用底部曝气反冲洗或机 械( 化学) 清洗，前者反冲洗效率较低且能耗高，而后者反冲洗过于彻底、对微 网基材破坏较大并且不易于在线操作； ( 2 ) 现有动态膜生物反应器多采用侧向曝气的形式，流态均匀性差、容易 出现反应器内的死区，并且容易导致放置膜组件一端错流速度较小、膜堵塞情况 频繁发生； ( 3 ) 生物动态膜除了具有良好的对污泥的截留能力，还具有对污染物质的 生物降解能力，但目前国内外对生物动态膜在反应器中的地位和作用尚缺乏统一 认识； ( 4 ) 目前动态膜生物反应器的研究多集中在生活污水处理领域，用于处理 工业废水的研究和应用则少见报道。 1 4 研究目的和研究内容 1 4 1 研究目的 通过膜基材的筛选、膜污染控制方法的开发和反应器结构形式的改进等研 究，开发能够有效提高反应器流态均匀性、延缓膜污染、延长反冲洗周期的新型 内循环动态膜生物反应器，并将该反应器应用于生活污水的处理与回用以及草浆 造纸中段废水的处理。 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 动态膜生物反应器过滤基材的筛选 动态膜生物反应器过滤基材除了应该具有经济、易获得的特点以外，还应该 具有良好的微生物附着性能和稳定的化学性质。本研究选择市场常见、价格便宜 的微网过滤材料，通过比较生物动态膜的形成及过滤特性、污染物去除性能，筛 选获得具良好适用性的生物动态膜过滤基材。 ( 2 ) 膜污染控制方法研究 研究建立动态膜生物反应器的在线反冲洗膜污染控制方法，优化反冲洗操作 1 2 山东大学硕士学位论文 条件，研究反应器长期运行过程中反冲洗周期的变化情况及反冲洗操作对生物动 态膜形态和截留能力的影响 ( 3 ) 动态膜生物反应器结构的改进研究 通过对反应器构造形式的改进，开发内循环动态膜生物反应器，比较分析内 循环动态膜生物反应器和常规动态膜生物反应器的流态、污染物质去除效果和膜 污染等运行特性，建立内循环动态膜生物反应器的基质降解动力学 ( 4 ) 生物动态膜结构与功能分析 研究生物动态膜的结构和组成，分析生物动态膜对污染物的去除作用，研究 生物动态膜的生物量、脱氢酶活性和比耗氧速率等参数及其变化规律，解析生物 动态膜在反应器中的地位和作用。 ( 5 ) 动态膜生物反应器处理草浆造纸中段废水的应用研究 应用动态膜生物反应器处理草浆造纸中段废水，研究反应器对有机物、木质 素、色度等的去除效果，优化操作条件，在此基础上建立动态膜生物反应器中试 设备，探索应用该技术处理草浆造纸中段废水以达到山东省造纸工业水污染物 排放标准( d b 3 7 3 3 6 - 2 0 0 3 ) ( c o d 1 2 0 m g l ) 的可行性。 山东大学硕士学位论文 第二章生物动态膜基材的筛选研究 由微网膜基材所构建的膜组件是动态膜生物反应器的核心部件，其表面附着 形成的生物动态膜对活性污泥和大分子物质的截留起关键作用。微网膜基材除了 应该具有经济、易获得的特点以外，还应该具有良好的微生物附着性能、稳定的 化学性质和较高的机械强度 5 0 l 。 本论文选取了市场常见的尼龙筛绢、筛网、单滑面无纺布、双滑面无纺布作 为微网膜基材，通过比较动态膜生物反应器处理生活污水过程中生物动态膜的形 成及过滤特性，筛选获得性能适宜的微网膜基材，并研究了基于上述微网膜基材 的常规动态膜生物反应器生活污水处理系统的运行特性。 2 1 试验装置与方法 2 1 1 试验装置 动态膜生物反应器试验装置如图2 1 所示，其主体由有机玻璃加工而成，反 应器长、宽、高分别为3 0 e m 、2 5 c m 、5 0 e m ，中间用挡板一分为二。动态膜组件 是由p v c 板、铁丝网和微网过滤材料自制而成的，类似于板式膜。反应器中装有 2 个膜组件，每个膜组件的有效过滤面积为0 1 2 m 2 反应器出水i ：1 设置在反应器 底部，利用反应器内水面与出水管之间的水头差自流出水，在阀门1 前设有流量 计，以控制反应器出水流量与进水流量相当，在该部分试验中反应器最大出水水 头为4 0 e m 。利用曝气泵在反应器左侧进行曝气，起到向混合液供氧和推动混合 液在反应器内形成环流的作用。 1 4 图2 1 动态膜生物反应器试验装置图 山东大学硕士学位论文 2 1 2 试验方法 ( 1 ) 清水试验 分别用筛绢、筛网、单滑面无纺布和双滑面无纺布等四种微网膜基材制成四 种平板动态膜组件，然后将这四种动态膜组件分别放入动态膜生物反应器中，比 较四种动态膜组件在过滤清水时不同膜通量条件下的出水水头 ( 2 ) 初滤试验 在污泥浓度8 0 0 0 m g l ，出水水头为2 e m 条件下，分别将筛绢、筛网、单滑 面无纺布和双滑面无纺布等四种动态膜组件置入动态膜生物反应器中，在开始出 水之后4h 内定时取样分析，比较四种动态膜组件的生物动态膜形成时间。 ( 3 ) 动态膜生物反应器运行特性研究 反应器进水为山东大学环境学院的化粪池出水，其水质如表2 1 所示。反应 器内的接种污泥来自试验室膜生物反应器内的混合液活性污泥，接种后污泥浓度 为8 0 0 0 m e ；，l ，溶解氧保持在2 - 3 m g l 。 表2 1 碾水水质 ( 4 ) 监测项目与方法 监测项目与方法如表2 - 2 所示 表2 2 监测项目与方法 测试项目测定方法 c o d b o d 氨氮 总氮 总磷 v s s 、s s 浊度 重铬酸钾法t s s 稀释接种法i 蜘 纳氏试剂分光光度法p 习 碱性过硫酸钾紫外分光光度法l 捌 钼锑钪分光光度法i s s l 重量法【明 h a c h2 1 0 0 p 便携式浊度仪 2 2 生物动态膜材料的物理性质比较 筛绢、筛网、单滑面无纺布和双滑面无纺布等四种微网膜基材的物理性质对 山东大学硕士学位论文 比如表2 - 3 所示。可见，该四种微网膜基材均由尼龙、丙纶等性质稳定的化学合 成纤维组成，其价格为1 5 3 0 元r n 2 ，远低于常规中空纤维超滤膜组件的市场价 格( 约1 5 0 4 5 0 元抽2 ) 。 表2 3 微网膜基材的物理性质对比 塾丝! ! 里!盟整 重量! g 堑：!笪整! 霾塑：! 筛绢1 0 0尼龙 1 53 0 筛网 1 0 0 尼龙l o 1 5 单滑面无纺布一一丙纶6 0 2 0 取滑面无纺布 一一 丙纶6 02 0 2 3 清水过滤情况分析 通过清水试验，分析筛绢、筛网、单滑面无纺布和双滑面无纺布等四种微网 动态膜组件在清洁状态下过滤清水时的出水水头。清水试验结果如表2 - 4 所示。 表2 - 4 不同基材膜组件的出水水头与膜通量的关系 膜通量单滑面无纺布出双滑面无纺布出 筛绢出水水头筛网出水水头 ( l ( m 2 ) 水水头( c m )水水头( c m )( )( c m ) 8 0 4 0 2 0 l o 5 3 5 2 9 1 8 1 4 l 3 1 2 4 1 5 1 2 l 1 4 o 8 o 5 o 3 0 2 1 1 o 7 o 3 o 2 0 1 5 从表2 4 中可以看出，对于四种微网膜基材制成的动态膜组件，其出水水头 均随着膜通量的增加而显著上升。在相同膜通量条件下，由无纺布制成的动态膜 组件的出水水头较大，而单滑面无纺布制成的动态膜组件的出水水头大于由双滑 面无纺布制作的膜组件。 2 4 生物动态膜的形成 在污泥浓度为8 0 0 0 m e , n 。左右，出水水头为2 c m 的条件下，以筛绢、筛网、单 滑面无纺布和双滑面无纺布等四种微网动态膜组件构建的动态膜膜生物反应器 处理生活污水，反应器启动后处理出水的浊度随时间的变化情况如图2 2 所示。 1 6 山东大学硕士学位论文 图2 - 2 反应器处理出水浊度的变化情况 由图2 - 2 可知，筛绢和单滑面无纺布构建的微网动态膜组件在开始过滤的瞬 间出水浊度分别高达8 9 6 n 兀，和4 5 3 n t u ，但随后出水浊度即迅速下降，9 0 m i n 之 后处理出水浊度就降低到5 n t u 以下，s s 基本监测不出，之后保持稳定，此时， 可以认为反应器内生物动态膜已基本形成可见。以筛绢和单滑面无纺布构建的 微网动态膜组件可以在很短的时间内形成稳定的生物动态膜，从而保证良好的膜 过滤效果，筛绢和单滑面无纺布在微网动态膜组件的构建中具有良好的适用性。 对于以筛网和双滑面无纺布构建的微网动态膜组件，其过滤出水中的浊度一 直保持较高的水平，生物动态膜难以在短时间内形成。可见，筛网和双滑面无纺 布在微网动态膜组件的构建中不具有良好的适用性。 2 5 动态膜生物反应器运行特性研究 2 5 1 对c o d 的去除效果 以单滑面无纺布为基材构建动态膜生物反应器处理生活污水，在进水c o d 平均为1 2 1 7 m g l 、溶解氧为2 3 m g l 、污泥浓度为s 0 0 0 m g l 左右的条件下，水 力停留时间对动态膜生物反应器处理出水中c o d 的影响如图2 - 3 所示从图中可 以看出，随着h r t 的增加，动态膜生物反应器出水c o d 逐渐降低，但下降的趋势 逐渐变缓当瑚玎大于6 h 时，出水c o d 基本保持不变。综合考虑动态膜生物反应 器的处理效果和反应器的占地面积，在以后的试