（环境工程专业论文）新型膜生物反应器的研究.pdf

苏州科技学院硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 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 ) 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。高能耗、膜污染是影响m b r 工艺推广应用的两大 瓶颈。本研究从曝气方式入手提出了一种新型射流曝气膜生物反应器，用射流器取 回流泵和鼓风机回流混合液和曝气。在实验室条件下对小试反应器进行了为期1 0 0 余天的研究研究结果表明：射流曝气能达到非常好的充氧性能，反应器内溶解氧 浓度保持在6 m g l 8 m g l 之间；反应器内实现了良好的泥水混合保证了较高的污 泥浓度，m l s s 浓度在4 0 0 0 m g l - 7 0 0 0m g l 之间：三种泥龄下( 8 0 天、4 0 天、2 0 天) ，分别改变四种进水负荷。无论泥龄和进水容积负荷如何变化，均得到稳定而 优质的出水：系统c o d 去除率均大于9 0 0 4 ，n h 3 - n 去除率基本在9 5 以上，浊度 去除率高达9 9 以上，出水浊度小于i n t u ，出水无色无味；比较而言，m b r 采用 较长的泥龄能得到更好的污染物去除效果；通过膜污染后的三次清洗，摸索出最为 有效的清洗方法为：3 0 左右的0 4 n a c i o 和0 4 n a o h 洗液清洗半小时3 0 左 右的温水清洗半小时一3 0 左右的0 4 n a c i o 和0 4 n a o h 洗液清洗半小时，并 认为温度对膜污染及清洗效果有重要影响。研究发现射流曝气引起的污泥过碎有利 有弊，并提出了改进措施。 关键词：膜生物反应器，射流曝气，处理效果，膜污染 a b s t r a c t m e m b r 跹eb i o - r e a e t o r ( m b r ) t e c h n o l o g yh a sm a n ya d v a n t a g e s , w h i c ha r cn o t p o s s e s s e db yt r a d i t i o n a lm e t h o d sa n di th a st h ev e r yg o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t m e m b r a n e p o l l u t i a n dl l i g i le n e r g ye o n s m p t i f l i r t t w ob i g b o t t l e n e e k sf o r 舳r ，se x t e n s i v e a p p l i a n c e w ep u tf o r w a r d e dan e wt y p em b r , w h i c h c a l lr e p l a c et h eb l a s ta n dc a l lo f f t h e o u tw a t e rp u m p i nm o l et h a n1 0 0d a y sc x p , 既- i m e n ti nl a b o r a t o r yw er e s e a r c h e dt h e f e a s i b i l i t yo ft h i sn e wm b r sp r a c t i c a la p p l i c a t i o na n ds t u d i e d i t sd i s p o s ee f f e c tf o r m u n i e i p a lw a s t f 棚e ra n dt r i e dt od i s c o v e rp o t e n t i a lp r o b l e m s b yt h ee x p e r i m e a tw e f o u n dj e ta c l _ a t i o nc o u l dr e a l i z eh i g ho x y g e nc o n s i s t e n c ei nt h er e a c t o rb e “嗍6 m e e t , 一8 m g ，l w ca l s of o u n di tc o u l dg a r a n t e 9h i g hs l u d g ec o n s i s t e n c ei nt h er e a c t o ra b o u t 4 0 0 0 m g t l 一7 0 0 0m g t , o u re x p e r i m e n tw e n tt h r o u g ht h r e es l u d g el 哟t i nt i m e ( s r t ， 8 0 d a y s 、4 0 d a y s 、2 0 d a y s ) a n d t h e r e w c l t e f o u r e l a r e t w l l t 盯l o a d i n e a c hs r t n o m a t t e r h o w t h ee n t e rw a c rc h a n g e dt h ee q u i tw a sv e r yg o o d t h ew i p eo f fr a t i oo fc o de x c e e d e d 9 0 ；t h ew i p eo f fr a t i oo fn h 3 - ne x c e e d e d9 5 ；t h ew i p eo f fr a t i oo ft u r b i dd e g r e e e x c e e d e d9 0 a n dt h et u r b i dd e g r e eo f t l a ee q u i tw a sl e s st h a nln u t l o n gs l u d g er e t a i n t i m ei sg o o df o rt h ew i p i n go fe o n t a r a i n a t i o n w er e e l e da b o u tt h eb e s te l e a n o u ti n e a l l _ w a s hw i t hn a c l 0a n dn a o hl i t i o na b o u t0 4 i n3 0 + w a s hw i t hw a t e ra b o u t 3 0 1 2 - - * w a s hw i t hn a c l 0a n dn a o hl i t i o na b o u t0 4 i n3 0 w be o m i d e rt h a t t e m p e r a t u r ep l a y sav e r yi m p o r t a n t r o l ei nm e m b r a n ep o l l u t i o na n dm e m b r a n e w a s h i n g w ea l s of i n do u tt h a t j e ta e r a t i o nw o u l d 伽t h es l u d g et 0b eq l l 沁血【。 w h i c h h a sa d v a t e g e sb u ta l s oh a ss h o r t c o m i n g s s ow e p r o p o s e dt h ei m p r o v e m e n t n l c a 汕- e o k e y w o r d s ：m b & , j c ta e r a t i o n , p r o c c s s i n ge f f e c t , m e m b r a n ep o l l u t i o n 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： 日期：睹l 月兰生日 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：i 笨2 日期：丛丑午l 月立日 指导教师签名：形奄驾日期：- 7 年善月日 苏州科技学院硕士学位论文 第一章引言 1 1 水污染控制概况 第一章引言 人类社会从各种天然水体中取用大量的水以满足生活和生产需要，这些水使用 后成为生活污水和工业废水，它们通过各种途径最终流回天然水体，造成水体不同 程度的污染。全球性水污染问题已经对人类生存和社会经济发展构成越来越严重的 威胁，防治水体的恶化、保护水资源，走可持续发展的道路已经成为人类共同追求 的目标 1 1 1 我国水污染概况 我国水资源时空分布上不均衡，人均水资源严重匮乏。全国总水资源量约为2 。7 万亿n ，位居世界第六位，但按人口平均计算( 按1 2 亿人1 3 计) 人均水资源仅有 2 2 5 0 m 3 ，为世界人均占有量的1 ，4 。自古以来，我国北方城市就干旱缺水，河流相 对较少。如北京市人均水资源仅为全国人均的1 6 ，占世界人均的1 2 5 ，位居世界 1 2 0 个国家首都城市排名的1 0 0 名以后目前我国有1 8 0 多个城市缺水，其中4 0 个 城市严重缺水，全国每天共缺水约8 8 0 万立方米。全国约有4 0 0 0 万人和3 0 0 多万 头牲畜吃水困难 1 j 我国的水体污染主要是由工业污染源的排放造成的。工业门类繁多，工业生产 中捧出的废水中的污染物亦多种多样，造成水体不同程度的污染。2 0 世纪9 0 年代 以来，我国用于水污染治理的投资额及投资比重基本上与g d p 同步增长，重点工 业污染源排放的污染物基本得到控制，工业废水排故量，污染物排放量及其污染度 都呈下降态势。 生活污水的捧放是造成我国水污染的另一重要原因。生活污水包括厨房洗涤、 淋浴、衣物洗涤和厕所冲洗的污水等。特别是清洁剂的使用有增无减，使我们的水 道和湖泊中磷酸盐含量日益增多，这种过度营养导致藻类迅猛繁殖，消耗水中的氧， 使鱼类死亡，生态系统恶化。与工业废水捧放逐年降低相反，我国生活污水排放量 呈逐年上升趋势。据有关资料，我国污水、废水捧放量每天约l x l 0 8 m 3 之多，其中 城市生活废水约占4 0 ，工业废水占6 0 。工业废水挥放量在近十年内呈缓慢下降 的趋势，生活污水量却在增长【2 j 。我国水污染结构已开始发生根本性变化 苏州科技学院硕士学位论文 第一章引言 1 1 2 水污染技术发展概况 污水处理技术起源于简单的沉淀工艺和原始的生物滤池，伴随着社会的需求工 艺得到不断的改进、革新和创新，形成了现代污水处理新工艺的基本单元，即采用 物理、化学、生物或生化反应的方法去除污染物的工艺单元，通常采用这些工艺的 组合，以实现强化一级处理、强化二级处理和深度处理，包括能够生产直接饮用水 的以高级氧化与膜分离技术为主体工艺的污水高级回收处理技术 近2 0 年来，由于我国水体的污染的形势严峻，水资源迫切需要保护，我国在 生物除磷和脱氮方面开始推广应用多种新的生物除磷和脱氦上艺，如a o 、a a o 、 u c t ，改进的u c t 、b a r d e n p h o 、改进的b a r d e n p h o 、j o h n n e s b u r g 、b i o d e n i p h o 、s b r 等工艺【3 】为减少生物脱氮的能耗和有机碳源的耗用量，国际上研究开发了以短程 硝化反硝化为主的最新代的生物脱氮工艺，如s h a r o n 、o l a n d 、a n a m m o x 等工艺 4 1 。在过去的1 0 年中不仅广泛地采用了生物去除氮、磷工艺，而且为了进一 步去除水中的悬浮物，还增加了过滤系统过滤能极大提高消毒系统的效能，尤其 是采用紫外消毒工艺的系统。许多污水回用系统，除了用于农业灌溉，大多数都采 用了过滤。为了提高回收水的质量，微滤膜( f ) 和超滤膜( u f ) 与活性污泥法相结合 形成的膜生物反应器( m b r ) 技术已经广泛地应用于各种不同用途回用水的处理工 艺中嘲。 近年来随着计算机的普及和应用，计算机也被广泛地用于污水处理的各个方 面。计算机利用流体的动态计算，可进行新系统的设计或者新系统的优化，如螺旋 分离器、混合池、沉淀他、溶解气浮池和臭氧接触池的优化，以便减少或削弱死区 或短流。此外建立动力学模型还可以与系统的控制进行组合以优化操作过程 6 1 。 1 2 膜生物反应器技术的发展概况 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o - r 蝴，m b r ) 是国际上于2 0 世纪6 0 年代开始 研究、9 0 年代得到迅速发展和应用的一项废水生物处理新工艺，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，并通过膜对废水中的s s 、有机物、病原菌和病毒进行消毒处理 即可达到相关的卫生标准。该技术被专家誉为“污水资源化的一项技术性革命”，已 经被许多发达国家广泛应用于废水处理和水回用领域，并被我国列为2 1 世纪可持 续发展实用新技术”。 2 苏州科技学院硕士学位论文 第一章引言 1 2 。1 膜分离技术摄况 膜分离技术是近3 0 年来发展起来的一项高新技术，已在众多领域发挥着其独 特的重要作用。膜技术除用于微滤( m f ) 、超滤、纳滤州f ) 、反渗透( r 0 ) 、电 渗析( e d ) 、膜电解( m e ) 、扩散渗析d ) 及透析等分离外，还可用于气体分离( g s ) 、 蒸汽渗透( v p ) 、全蒸发口、，) 、膜蒸馏( m d ) 、膜接触器( m c ) 和载体介导传递【刀 膜从广义上可以定义为两相之间的一个具有选择透过性的薄层屏障。膜种类繁 多，作用千差万别，但它们具有一个共同的特性选择透过性。膜分离是指在某 种推动力的作用下，利用膜的选择透过性能，达到分离混合物中离子，分子以及某 些微粒的过程。与传统过滤器的最大不同是，膜可以在离子或分子范围内进行分离， 并且该过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助刘研膜的厚度一般为微 米级，膜的分离与截留性能一般以膜的孔径和截留分子量来加以区别。各种膜过程 具有不同的机理，适用于不同的对象和要求。与常规分离方法相比，膜过程具有能 耗低、单级分离效率高、过程简单、不污染环境、经济性较好、没有相变、可在常 温下连续操作、可直接放大等特点由于膜过程特别适用于热敏性物质的处理，所 以在食品加工、医药、生化技术领域有其独特的适用性。膜分离技术是解决当代的 能源、资源和环境等问题的重要高新技术，并将对2 l 世纪的工业技术改造产生深 远的影响。 1 2 2 活性污泥技术概况 活性污泥法是以活性污泥为主体的废水生物处理法。向废水中连续通入空气， 经一定时问后好氧性微生物繁殖形成污泥状絮凝物，其上栖息着以菌胶团为主的微 生物群，具有很强的吸附与氧化有机物的能力，可较好地降解水中的有机污染物。 活性污泥法是我国目前处理生活污水和工业废水的主要方法之一，应用十分广 泛。和一般物化法相比，活性污泥法降解能力强，处理程度高，在我国有各种变种 阴，是生物处理中效率最高的处理方法，由于能确保良好的处理效果，在世界上都 是广泛普及的处理方法。然而相对于我国的经济和技术发展水平，建造污水厂仍然 十分昂贵。活性污泥法污水厂的核心部分是生物池和二沉池，他们的容积和要处理 的污水量成正比，这部分硬件投资无法避免或减少。在全国上下重视环境保护的大 气候下，污水厂的造价成为水资源保护和水污染治理的瓶颈因素。目前活性污泥法 工艺的处理能力已基本无潜力可挖。传统活性污泥法废水处理技术的困难主要表现 在以下几方面l 1 0 1 ：l 、无法通过扩大池容和停留时间来提高处理能力；2 ，无法通 过前置式反硝化脱氮；3 、无法通过扩大池容降解反应动力学特性的恶化：4 、沉 苏州科技学院硕士学位论文 第一章引言 淀不能保证水质及其波动；5 、对有机物的去除不彻底；6 、无法除去传染病原体。 1 2 3m b r 技术简介 一、m b r 的特点 随着我国废水水量的剧增和水质处理难度的加大，传统的生物处理法存在的问 题日益突出，相比之下，膜生物反应器处理工艺的优点非常明显，主要表现为以下 几方面： l 、传统活性污泥法污水处理( c a s ) 的沉淀池固液分离效率低，设备容积负 荷低。膜生物反应器技术( m b r ) 由于膜的机械截流作用，较大地避免了曝气池内 微生物流失，反应器内较高的污泥浓度大大提高了设备的容积负荷。 2 、c a s 出水中一般仍含有大量悬浮物质，不能满足较高要求；m b r 出水水质 可以满足目前国际上最严格的污水捧放标准。c a s 和m b r 系统对污染物处理效果 比较见表1 2 1 。 囊1 2 1 传统活性污泥系统和m b r 系统处理效果比较1 1 1 协l ，】 3 、c a s 一般设初沉池、二沉池，构筑物多，占地面积大，与土地日益紧张的 现状相矛盾；m b r 工艺流程紧凑，生物反应器取代了二沉池，大大缩小了构筑物 的占地面积。 4 、c a s 一般会产生大量剩余污泥，增加后期处理工序的难度和费用，m b r 工 艺由于膜的截留作用延长了污泥泥龄，反应器起到污泥消化池的作用，使得污泥产 量少，后期处理较容易i 堋。 4 苏州科技学院硕士学位论文第一章引言 5 、c a s 一般耐水质、水量和有毒物质冲击负荷能力弱，运行不稳定；m b r 中 活性污泥浓度能随进入反应器的有机物浓度变化而变化，达到一个动态平衡，使得 出水稳定且耐冲击负荷。 6 、c a s 需要专门的脱氮设备才能达到一定的除氮效果fm b r - r 艺的较长污泥 泥龄有利于增殖缓慢的硝化细菌的截留、生长和繁殖，从而系统对氨氮和一些难降 解有机物的去除效果较好。 7 、c a s 工艺复杂，操作管理不便，还需防止污泥膨胀；m b r 工艺设备少，易 于一体化和自动控制，操作管理十分方便，水力停留时间和污泥龄可完全分开，运 行控制更加灵活、稳定。 8 、c a s 一般只适于中低浓度废水的处理，高浓度废水需要稀释后才能进行处 理；m b r 工艺适用于任何浓度废水的处理，均能达到很好的处理效果。 9 、将一种传统工艺改造为另一传统工艺十分困难，新建反而更为经济些；将 普通活性污泥法处理设备改造成m b r 工艺比较容易，不必新建。 m b r 技术的发展也存在受限因素。根据污水水量、水质及处理难易程度的不 同，m b r 处理工业废水的一次性投资通常在o 钆l 万元m 3 ，应用于中水回用系统 的m b r ( 1 0 - 5 0 0 m 3 d ) 一次性投资通常在0 2 5 - 0 5 万元m 3 【悯，远高于常觌处理工 艺的投资。高投资的主要原因是膜及膜组件价格昂贵，进口膜价格远远高于国产膜。 m b r 的总运行成本一般在2 q t j m 3 ，同样高于常规工艺的处理费用。高运行成本 主要来自于动力能耗费和膜的更换费。目前来看，大型污水处理厂采用常规工艺更 为经济。但长远来看，污水排放标准的愈益严格、膜组件质量的提高和费用的逐步 下降、技术的发展完善会使得m b r 的经济投资逐步降低。 二、m b r 的类型及工作原理 按照不同的标准可以对膜生物反应器进行不同的分类，常见的分类如图l - 2 1 图1 2 1 膜生物反应器的分类 苏州科技学院硕士学位论文第一章引言 根据膜组件在膜生物反应器中所起作用的不同可分为：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日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 。 l 、萃取膜生物反应器 在采用生物法处理工业废水时，废水中存在有高酸碱度或对微生物有毒的高浓 度有机物，导致微生物菌群的生长停滞，活性降低，从而不能达到预定效果。当废 水中含挥发性有毒物质时，若采用传统的好氧生物处理，在处理过程中污染物容易 随曝气气流挥发，造成大气污染。所以某些工业废水不宜采用与微生物直接接触的 方法处理。 为了解决这些技术难题，英国学者l i v i n g s t o n 0 6 于1 9 9 3 年研究开发了萃取式 m b r ( e m b r ) 在e m b r 中，废水与活性污泥被膜隔开，废水在膜内流动，而含 某种专性细菌的活性污泥在膜外流动，废水与微生物不直接接触，有机污染物可以 选择性透过膜而被另一侧的微生物降解。( 见图1 2 2 ) 这样就为微生物降解有害工 业废水中的优先污染物提供了适宜的条件。 i 百 执l 字ii 赢向j 抽吸泵-进水 田1 2 2 萃取式膜生物反应矗 e m b r 工艺主要应用于含有挥发性污染物和有毒有害工业废水的处理。目前该 工艺还处于小试阶段，少数发达国家( 如英国等) 已经在实际工业废水处理中开展 中试研究，但尚未有生产性规模工程应用的实例。 2 、无泡曝气膜生物反应器 传统好氧污水处理工艺的曝气效率一般较低，约有9 0 的氧气进入大气而没有 被利用。虽然采用纯氧曝气法提高了氧的传递效果，但仍有大量氧气未能利用。在 这种状况下，无泡曝气膜生物反应器( m a b r ) 应运面生( 见图1 2 3 ) 。无泡曝气 是采用透气性致密膜( 如；硅橡胶膜) 或微孔膜( 如：疏水性聚合膜) ，在保持气 体分压低于泡点的情况下，实现向生物反应器的无泡曝气【m 。 6 苏州科技学院硕士学位论文第一章引言 图1 2 3 曝气膜生物反应器 m a b r 可以应用于不同废水的处理。但目前大多研究表明，该工艺更适用于处 理活性污泥浓度很高、需氧量很大的废水的处理，同时由于m a b r 的曝气方式以 无泡方式供氧，因而其适用于含挥发性有毒有机物或发泡剂的工业废水的处理。虽 然m a b r 工艺具有设备体积小、处理能力强、效果稳定、氧利用效率高并适用于 含有挥发性有机物较多的废水处理等一系列优点，但也存在投资和运转费用高的不 足，至今仍然难以在实际的工程中发挥其作用。 3 、固液分离式膜生物反应器 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 。 根据生物反应器和膜组件的组合方式，可以分为分离置膜生物反应器和一体式 膜生物反应器两种组合方式。 ( 一) 分置式膜生物反应器 分置式m b r 也称为第一代m b r ，膜组件与生物反应由泵和管线连接构成【l 町。 反应器内混合液由泵加压后进入膜组件，滤液通过泵抽吸流出，悬浮物则被膜截留， 随浓缩液重新流回到反应器内进入下一次的处理，循环往复分置式m b r 工艺流 程如图1 2 。4 所示。 ， 7 苏州科技学院硕士学位论文第一章引言 迸水 回流液 图1 2 4 分置式膜生物反应器 早期的分置式m b r 均采用错流式膜组件，即原液是平行于滤膜表面流动的， 与滤液垂直交错( 如图1 2 5 ) 。错流过滤产生足够大的剪切力，限制滤饼层的厚度， 对缓解膜污染极为有效。但是为了维持稳定的透水率，膜面流速一般要求大于2 m s ， 这就需要较高的循环水量，造成较高的单位产水能耗【1 9 1 。 透过物 田1 2 5 错菠过滤 ( - - ) 一体式膜生物反应器 为了解决分置式m b r 能耗较高的问题，人们研究出了第二代m b r ：一体式 m b r 。日本学者y a m a m o t o 等在1 9 8 9 年首先开发了一体式m b r 其工艺流程见图 1 2 6 1 2 0 j 在一体式m b r 中，膜组件直接置于反应器内部，通过泵抽吸得到滤液， 省去了分置式所需的循环泵及管路系统好氧一体式m b r 的膜组件正下方置有曝 气器，骣气使得混合液随气流向上流动，在膜表面产生剪切力，胶体颗粒在这种剪 切力的作用下被迫离开膜表面，延缓了膜污染的产生。一体式m b r 可以利用曝气 时气液向上的剪切力来实现膜面的错流，也可以采用在膜组件附近进行叶轮搅拌， 依靠膜组件自身的旋转来实现膜面错流效应【2 l 】 苏州科技学院硕士学位论文第一章引言 生糖反应掩 田1 2 6 体式膜生物反应嚣 分置式m b r 和一体式m b r 优缺点比较见表1 2 2 。 裹l 2 2 分置式m b r 和一体式m b r 的比较 分置式i v l b r 一体式m b r 主：善磐罄裹釜篓作喜娶客攉釜。 尘蓑嚣器争吸泵曝气器和一个反 要-璺翼售的清洗、更换及增设比一簟雀摹采酰耗o 2 - - 0 4 k w h m 3 ， j 譬韩贲息 一 中u l ，j m 柞jo 。 儿- 繁篡翟：。+ 。可比分置式的少3 0 倍以上。 优一篆冀反塞嚣誓謦望冀暑黎立的一最絮。壶爿茁较宋? 1 二般为 l = 蚕磐k 馨些豪旦王基墨尘釜仕。葫) 菇焉式秽麓七于分譬鬟 点一璧组壁要拿篓曩去塑量鏖登缠”拭# 戮；溺j 。1 1 “ “ 夸k 釜成不同的分置式膜生物 痞筠；嚣：公施少。 鐾譬景雪厌氧处理，也能用于_ 蒙垄翕雪；3 ；餮所以刚以惩免 好氧处理 - 哥舂簇器裂译龠揣稳定膜通量而 。为了减少污染物在膜面的沉 。 积，料液流速一般要求要达到 碴 很高，动力消耗相应也高。 单位处理能力小。 _由于膜组件置于反应器外部， 透水率低，膜污染更为严重。 缺 需要回流泵等装置，故占地面运行不是十分稳定，操作管理上不 积相对较大。及分置式容易 点分置式m b r 的运行成本高，远 远高于常规处理 如表1 2 - 2 所示两类m b r 的区别主要在于：由于一体式m b r 的膜组件置于反 应器内部，不需要回流泵及管道，故结构紧凑，占地面积远小于分置式，这一优点 使得一体式m b r 在大学、宾馆、饭店等高使用率的建筑中备受青睐。分置式的运 行稳定性优于一体式。一体式m b r 中膜组件置于反应器内部，受到曝气、污泥等 诸多因素的影响，出水不是十分稳定，且对操作条件的要求更高，运行管理上不及 分置式方便。 分置膜生物反应器、萃取膜生物反应器和无泡曝气膜生物反应器三种类型的膜 生物反应器优缺点综合比较见表1 2 3 【丑】 9 苏州科技学院硕士学位论文 第一章引言 襄1 , 2 3 三类膜生物反应墨的优缺点比较 三、m b r 的国内外研究及应用现状 l 、国外研究进展 1 9 6 6 年，美国的d o n - 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 t h 等同时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，该工艺 具有减少活性污泥产量、保持较高活性污泥浓度、减少污水处理厂占地等优点。1 9 6 9 年b u d d 等发明的分置式m b r 技术获得美国专利。7 0 年代初，好氧分置式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，实 验室规模的研究与中试规模的研究均取得较满意的结果。1 9 7 8 年，g r e t h l i e n 等进行 了厌氧m b r 处理生活污水的研究1 2 3 i 。这一时期m b r 的研究重点是开发适合高浓 度活性污泥的膜分离装置，但由于受当时膜生产技术的限制，膜的使用寿命短，膜 通量小，这项技术在相当长的时问内仅停留在实验室研究规模，未能投入实际应用。 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，经处理后的水 傲重水回用，处理水量达到5 0 2 5 0 m 3 d 。 日本1 9 8 5 年开始“水综合再生利用系统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了一步1 2 4 1 。日本在该项计划中对厌氧m b r 做了较为系统 苏州科技学院硕士学位论文第一章引言 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、屎尿废水、 淀粉厂废水等七类污水的m b r 处理系统。这一时期研究集中在m b r 的处理效果 与运行稳定性方面。许多研究都证实了m b r 能获得良好的出水水质。日本的三并 石化公司用m b r 处理粪便污水，取得前所未有的良好效果，m b r 运行且具有一定 的稳定性 2 5 1 。这一阶段，m b r 的型式主要是分置式，称为第一代m b r 工艺，能耗 较高。为了解决分置式m b r 能耗较高的问题，人们研究了第二代m b r ；一体式 m b r 。 8 0 年代末以来，m b r 处理对象拓宽到工业废水、石化废水、发酵废水甚至堆 肥、填埋场沥滤液等废水处理方面。9 0 年代初，m b r 开始应用于废水的脱氮除磷 研究，h i d e k i 与h i d e n o r i 分另盯进行了m b r 的高效氨氮硝化与工业废水去除磷酸盐 的研究1 2 6 1 。1 9 9 1 年，l i v i n g s t o n 用萃取式m b r 成功进行了3 氯硝基苯化工废水的 处理。随后，l i v i n g s t o n 等实用该技术，对苯酚、苯胺、硝基苯、2 ，3 二氯苯胺、 3 ，4 二氯苯胺等挥发性有机污染物进行处理，同样取得有效的生物降解效果。 f r e i t a s d o ss a n t o s ( 1 9 9 9 ) 用e m b 处理含有二氯甲烷的医药工业生产废水，证实了 e m b 对于含有有机化合物的无机废液具有潜在的处理能力 2 7 11 9 9 2 年法国阿c h a n g j 等人将m b r 应用于给水处理，开展了微污染饮用水脱氮的研究 2 9 l 。1 9 9 6 年，u r b r a i n v 用m b r 进行饮用水生产的中试研究，以去除水中微量的氮、有机物与杀虫剂， 取得良好效果 2 9 11 9 9 2 年m k n o p s 利用i y d n e y 和c o l t o n 提出的浓差极化理论研究错 流式膜组件的透水率，并提出穿流式膜组件的概念o o j 穿流式膜组件的膜丝不与循环 水流方向平行，而是与循环水流方向垂直，不需要较高的进液流速就可以产生湍流 效果，起到冲刷膜纤维的作用。t r i q u a 将这种膜组件应用于m b r p ”，发现穿流式 m b r 能耗为o 1 加5 k w h m 3 ，并且穿流式的比表面积可高达8 0 0 m 2 m 3 1 9 9 8 年 s k e l l a r i o u s 在研究m b r 零拌放时，对穿流式m b r 与错流式m b r 进行了比较，发 现穿流式的能耗为1 1 5k w h m 3 ，比错流式的能耗5 6k w h m 3 小得多1 3 2 1 ，但国外至 今没有更多穿流式m b r 在实际工程中的报道。1 9 9 5 年以后，一些研究者将萃取式 m b r 用于废气处理，r e i j 设计出用于废气处理的m b r ，将丙烯作为实验气体，结 果表明丙烯的去除率达9 0 以上i ”j 2 、国内研究进展 m b r 在我国水处理方面的应用研究首先从分置式m b r 开始1 9 9 1 年，岑运 华介绍了m b r 在日本的研究状况刚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【3 5 l 。同年中国国科学院生态 环境研究中心王菊思启动m b r 的研究 3 6 1 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 3 7 1 ，研制出一套试验规模的好氧分置式m b r 。该系统对于石油化 工污水中c o d 、b o d 5 、s s 、浊度、石油类的去除率分别达到7 8 - 9 8 、9 6 - 0 9 、 苏州科技学院硕士学位论文第一章引言 7 4 0 o - - 9 9 0 0 、9 8 一1 0 0 、8 7 。 近年来，膜生物反应器的处理对象不断扩展：刑传红于1 9 9 7 年采用无机膜生 物反应器进行了处理生活污水的实验【3 珂；吴志超( 1 9 9 9 ) 采用m b r 处理c o d 高 达3 0 0 0 1 2 0 0 0 m g l 的巴西基酸生产废水 3 9 1 。王建功( 1 9 9 9 ) 采用生物接触氧化法 取代活性污泥法作为m b r 系统的生物反应单元，进行膜生物接触氧化法处理港口 污水的研究f 4 0 i ；何义亮( 1 9 9 9 ) 采用厌氧膜生物反应器进行高浓度食品废水处理1 4 l 】； 王联军( 2 0 0 0 ) 用无机膜生物反应器( i m b r ) 处理啤酒废水1 4 2 。这些研究结果表 明；m b r 对废水的c o d 、n h 3 - n 、s s 、浊度等都能达到良好的去处效果。 在膜生物反应器的操作条件和稳定运行条件特性的研究方面，樊耀波( 1 9 9 5 ) 通过数学推导得出一个膜的最佳反冲洗周期测定公式f ( t ) = c q r q b ) ，( “嘞) ，并 通过实验证实了这是一种较为方便的最佳反冲洗周期的测定方法m 】。张绍园( 1 9 9 7 ) 根据微生物反应动力学与物料平衡原理，推导了分置式膜生物反应器水力停留时问 公式，认为影响膜生物反应器的因素从大到小依次为：底物最大比降解速度常数k ， 饱和常数鼬，维持常数r o ，真产率系数y b ，最大比增殖速率洲。李春杰( 1 9 9 9 ) 进行了错流膜生物反应器的水力清洗试验研究，结果表明：清洗时采用高膜面流速、 低操作压力和限制透过液对流传递作用有利于错流膜生物反应器膜通量的恢复【4 5 l 。 罗虹( 2 0 0 0 ) 在m b r 反应器重混合液可虑性的研究中得出结论【】：改善活性污泥 性状是m b r 稳定运行不可忽略的因素；粉末活性炭( 队c ) 的加入提高了混合液 的可过滤性，改善了泥水分离性能，减少了膜堵塞的机会。桂平( 1 9 9 9 ) 进行一体 式m b r 运行条件对膜过滤特性的影响试验中得出：影响膜抽吸压力上升速率的因 素从大到小依次为：抽吸时间、曝气量、停抽时 4 7 1 何义亮( 1 9 9 9 ) 进行厌氧膜 生物反应器截留分子量研究，提出了“并行运行的平板膜组件中，通量最大的膜优 先衰减且衰减幅度最大”的观点梆】。 在膜生物反应器的理论研究方面，刑传红( 1 9 9 7 ) 探讨了污泥黏度与污泥浓度 m l s s 以及给定临界雷诺数时，最小膜面流速v m i n 与污泥浓度m l s s 之间的关系 【恻。孟耀斌( 2 0 0 0 ) 对分置式膜生物反应器的体积负荷进行推导表明：浓缩区的存 在是该工艺处理能力的较大的原因，可通过增加浓缩区的体积和调整循环流量来控 制分置式膜生物反应器的处理能力 s 0 1 ( 1 9 9 9 ) 从维持微生物基本生命活动的物质 转化系数的方法，从理论和实验上证实了膜生物反应器无剩余污泥排放的可能性 唧l 。张绍园( 2 0 0 0 ) 根据生态学中物质与能量流通的原理，提出建立高能量级生物 体一后生物蠕虫，以增强m b r 净化污水功能和减少污泥产量，并设计出二段式 m b r 以适应高能级特种微生物蠕虫的生长需要1 5 2 1 随着我国水污染和水短缺问题的加重，我国的m b r 研究正加快发展，1 9 9 7 年 中国科学院生态环境研究中心开始了穿流式膜生物物反应器的研究工作、清华大 苏州科技学院硕士学位论文第一章引言 学、同济大学、天津大学等高校开展了分置式m b r 和一体式m b r 的研究；m b r 的研究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，并且对不同污水处理效果、系统的稳定运行、操作条件优化进行了 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，有待于加快研究和开发，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。 四、m b r 目前存在的问题 ( 一) 膜污染 1 ，膜污染机理 膜污染是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面上的沉淀与积累或膜孔内吸附造成膜孔径变 小或堵塞，使水通透膜的阻力增加，妨碍了膜面上的溶解与扩散，从而导致膜产生 通透流量与分离特性的不可逆变化现象f 5 3 1 膜污染的形成途径主要有三个。其一是滤饼层( c a k el a y e r ) 主要是水透过膜时， 被截留下来的部分活性污泥和胶体物质，没来得及送走就在滤压差和透过水流的作 用下堆积在膜表面，形成膜污染 5 4 。其二是溶解性有机物。有机物的来源主要是微 生物的代谢产物，它可在膜表面形成凝胶层，也可在膜内微孔表面被吸附而堵塞孔 道，使膜通量下降。其三是微生物污染。膜面和膜内的微孔中有微生物所需的营养 物质，因而不可避免的会有大量微生物滋生。 2 、膜污染的影响因素 据英国学者的归纳，影响膜污染形成的因素大致包括如图1 2 7 所示的因烈5 5 l ： 图1 2 7 膜污染影响因素图 苏州科技学院硕士学位论文 第一章引言 3 、膜污染控制对策 在污染还未发生之前做好预防工作是事半功倍的最好方法，但膜污染是不可避 免的，只能通过措施尽量减缓膜污染的出现。污染发生后应对膜进行有效的清洗。 我们可以从以下几方面来做好减缓膜污染的工作： ( 1 ) 合理选择膜组件 合理选用膜组件是防止膜污染的重要措施，膜结构选择尤其关键。对于微滤膜， 对称结构膜扁孔开口有时比内部孔径大，进入表面孔的粒子易被截留在膜内。而不 对称结构膜，其粒子都被截留在表面。对于中空纤维超滤膜，双皮层的内外皮层各 存在孔径分布，有些大分子透过内皮层孔后，可能在外皮层更小孔处被截留而产生 堵塞，单皮层膜则没有这样的问题例。 ( 2 ) 对混合液进行预处理 由于混合液中常含有粒状物、胶体等杂质，容易造成膜污染，如果对其进行预 处理，可使浓差极化和膜污染减少，是防止膜污染的有效措施之一。通常的方法有 调节p h 值、添加抗氧化剂、添加防垢剂等。但m b r 的混合液中的微生物和污泥 需回用，必须尽量避免对微生物造成损害可以采用f e c i ，作为絮凝剂或采用粉末 活性炭，能使混合液更易过滤如：张洪宇等人用f e c l 3 作絮凝剂，以改善污泥的 过滤性能，在加入量为5 0 0 m g ( l d ) 时，膜通量增加了1 2 0 但加入量不能过多， 否则不经济，还会影响污泥活性 ( 3 ) 控制合适的操作条件 m b r 操作参数很多，包括生物反应器容积、污水处理量、进料浓度、进料流 速、鼓泡速度、操作压力( 或抽吸压力) 、循环速度、产永水质和水量、污泥质量 负荷、体积负荷、降解效率、膜清洗法及周期等。如何在众多的操作参数中选择最 佳组合参数，既提高膜通量，又能降低膜污染，延长膜寿命，同时还不提高运行成 本，有待于进_ 步大量的实验研究。 一般认为存在一临界压力值，在0 2 m p a 下为最佳，当操作压力低于此值时， 膜通量随压力增加而上升；而高于此值时会导制膜面污染加剧，压力的交化对通量 影响较小。相对于恒压控制，膜面水流速度或紊流程度较高时，膜表面的污染物被 高速水流剥离带走，同时污染物也不易在膜面沉积但流速过高时，膜的固有阻力 成为主要透过阻力，膜通量与膜面流速无关，所以要进行恒流控制，即保持膜组件 的通量恒定，适宜的膜面流速为1 4 1 7 m s u ”，试验表明，恒流控制减缓了膜污染 速度，还提高了膜的比通量。对于温度，一般认为升高温度可减小粘度，延缓膜污 染，以室温左右为宜。 其他措旋还包括脉动流操作、振动膜组件、超声波照射、问歇曝气等。桂萍等 的试验表明，缩短抽吸时间或延长暂停时间和增加曝气量均有利于减缓膜污染i 翊。 1 4 苏州科技学院硕士学位论文 第一章引言 ( 4 ) 对膜材料改性 膜的改性主要有三种方法：l 、用表面活性剂对超滤膜进行预处理，在膜面形 成功能性预附层，提高膜的抗污染能力。2 、将表面活性剂加入铸膜液中使其在成 膜过程中均匀分散于膜的内外表面以改变膜的表面性能，提高膜的抗污能力，还能 避免膜孔的淤塞。3 、利用荷电的电解质来修饰膜表面并移植亲水基团。 ( 5 ) 其他注意事项 在膜过滤设备设计中，还应注意减少设备结构中的死角和死空间间隙，以防止 滞留物在