（环境工程专业论文）新型膜生物反应器开发及性能研究.pdf

西安建筑科技人学硕十学位论文 新型膜生物反应器开发及性能研究 专业：环境工程 作者：张西旺 导师：金奇庭教授 摘要 膜生物反应器( m b r ) 作为一种高效水处理设备，处理效果良好、运行稳定、应用范围广， 在废水处理和污水回用中具有广泛的应用前景。因此，优化膜生物反应器设计和运行，开发低 耗、多能、耐用的设备对m b r 早日走向大规模应用具有重要意义。 本文通过对比国内外研究成果，寻求最佳膜生物反应器的设计和运行参数，并根据水解酸 化和加压溶气原理开发了两类新型反应器水解十好氧m b r 及加压m b r 。通过小试、中试及 实际工程考察了气水比、水力停留时间、进水浓度、操作压力、温度等因素对处理效果的影响； 研究了膜通量衰减规律，并尝试了空曝、反冲、化学清洗等不同的膜污染防治措施；在试验和 理论分析的基础上，本文对膜污染阻力的构成进行了分析：另外，本文还对压力场下污泥特性 进行了初步探索。试验表明： 1 水解+ 好氧m b r 具有高教脱氮效果。对于高氨氮小区生活污水，当进水氢氮为8 5 1 1 5 m g l 时，出水氨氮删氐于5 m g l ，去除率高达9 5 以上。并且，出水其它指标完全达到 生活杂用水水质标准g j 2 5 1 8 9 中洗车和扫除标准。 2 水解+ 好氧m b r 具有高效有机物去除效果。处理高浓度易降解有机废水( 餐饮废水) 时， 当进水c o d 、n h 4 - n 分别为2 9 8 0 m g l 和1 7 2 6 m g l 时，出水c o d 、n h c - n 分别为5 8 。5 m 9 7 l 和1 2 2 m g l ，去除率分别达到9 8 和9 3 ：处理难i 泽解t n t 废水时，通过外加碳源，曰盯由 7 0 8 0 m g l 降至0 s m g l 以下，去除率达到9 2 。9 以上。 3 加压m b r 具有高效有机物去除效果。处理合成淀粉废水时，c o d 由1 5 4 5 m 9 5 , 降至 2 0 m g l ，去除率为9 8 7 ：增加水解酸化预处理后，处理效果明显增强。当进水c o d 为 1 3 8 6 4 m g l 时出水c o d 仅为5 7 t 4 m g l ；当进水c o d 高达2 5 6 8 0 m g l 时，系统c o d 去除率 依然能高达8 9 8 ，容积负荷达到1 0 2 7 k g c o d h n 。d 。 4 膜污染污染阻力主要由凝胶极化阻力r 和内部污染阻力r i r 构成。无水解预处理时，加 压m b r 膜污染阻力中凝胶极化阻力r 和内部污染阻力皤分别占总污染阻力的5 0 和3 6 1 ： 有水解预处理时，如和r i r 分别占总污染阻力的4 4 9 4 和3 2 1 3 。 关键字：水解酸化、膜生物反应器、膜通量、膜污染阻力 论文类型：应用基础 ( 本课题得到陕西省教育厅专项科研计划的资助项目编号：0 2 j 砒3 6 ) 黼安建筑军年技天学颟学鬣论文 t h e s t u d y o n d e v e l o p m e n t a n d p e r f o r m a n c e o f n e wm e m b r a n eb i o r e a c t o r s s p e c i a l t y ： e n v i r o n m e n t e n g i n e e r i n g a u t h o r ：x i w a n gz h a n g s u p e r v i s o r ：q i t i n gj i n ( p r o f e s s o r ) a b s t r a c t a sa 嘲o f h i g he f f i c i e n te q u i p m e n to fw a 自e r e a l m 引_ 止m e m b r a n eb i o r e a c 协rh a sm a n y a d v a n t a g e s , s u c ha sg o o de f f l u e n tq u a l i t y , 踟蹲o p e r a l i o 强b r o a da p p l i c a t i o ns c q v e ，a n di th a sa e x t e m i v ea t 单e c a f i o np r o 印e c ti nw a s t e w a l e rt r e a m a e n ta n d8 e w a g er e c l a m a t i o mt h e r e f o r e ，i th a s i m p o r m ms i g n i f i c a n c eo np r o m p tm e m b r a n eb i o r e a c t o rl a r g e - s c 妇a 瘳耗巍强t oo p t i m i z em e m b r a n e b i o r e a c l o rd e s i g na n do p e r a t i o na n dd e v e l o pm b r e q u i p m e n to fl o we n e r g ye o n s m 坤l i o r t , v a r i o u s f u n c t i o n , a n dd u r a t i o n 。 b ys u m m a r i z i n gd o m e s t i ca n di n t e m a l i o n a lr e s e a r c ha c c ( m a p l i s h m e n to nm e n l b l a n eb i o r e a c _ 6 0 r , o p t i m u m o p e r a t i o n p a r a n t e r s a n d d e s i g n p a r a m e t e m a r e f o u n d o u t i r t f f j i s p a p e r a n d t w o n e w k i n d s o f m b r ( b i o l o g i c a lh y d r o l y s i sm b r a n dp r e s s u r i z e d 噼r ) a r ed e v e l o p e d a c c o r d i n g t oh y d r o t y s i sa n d p r c s s u f i z m i o n d i s s o l u t i o n p r i n c i p l e 。t h r o u g h l i t t l e e x a m i n a t i o n , p i l o t s t u d y a n d a e 机a l p r o j e c t i n f l u e n c e s o nt r e a n r t e u te f f e c to fa i r - w a t e r 骶h r t , c a l c e r a r a l i o no fp o l h t a m , o p e m 垃n gp r e s s u r ea n d t e n , p e r a a t r ea r em s e a r c h e d ；t h el a u o fm e m b r a n ef l u xa 搬】a l i o n i s s t u d i e d , a n dc a v e s p o n d i n g m e a s u r e s r e 西a c h a g t h e f o u l i n g a r e 臼j e d , s u c h a s n o - e f f i u e r g a e r a t i o n ra i r a n d w a t e r b a c l d l u s h ，c h e m i c a l c l e a r i n g ；o nt h ef o u n d a l i o no fe x p e f a n e n ta n dt h e o r e t i c a la n a 姆s i s , t h ec 锄p o s i t i o no fm e m 2 n a n e f o u l i n gr e 妇m c e i s a n a t y z e di nt h i sp a p e r , a d d i t i o n a l l yt h es l u d g ep r o p e r t i e so fp - m b r i ss t u d i e d p r e l i m i n a r i l y ie x p e r i m e n ts h o w s ： 1 ，b i o l o g i c a lh y 出o t y s i sm b rh a s 鲥e f f e c t i nr t i t m g e nr e m o v a l w h e ni ti su s e dt ot r e a t d o m e s t i cw a a e w a t e r o f h i g ha n 茁n o n i a - n i t r o g e ni nah o u s i n g e s t a t e t h en h 4 - nd e c r e a s ef r o m8 5 1 1 5 m 薛o f i n f l u e n t 静l e s s t h a n5 磁骚蕺o f e f f l u e n t , a n df l a er e m o v a lr a t eo f n i - h - ni sa b o v e9 s 豫，a n d o t h e re f f l u e n ti n d e x e s m e e t t h e g r e y w a t e r s t a n d a r d o f w a s h i n g v e h i c l ea n d c l e a n i n g ( g j 2 5 1 - 8 9 ) 2 b i o l o g i c a l h y d r o l y s i s m b r h a s 笋藤e f f e c t i n o r g a r 亟r l tr e n v a l w h e n i t i s u s e d t o t r e a t d o m e s t i cw a 啦e w a t e ro f h i g hc o n c c r l f a f i o ne a s yd e g r a d a l i o no r g a n i cw a a e w a t 日( m e a lw a 8 c e w a 把r ) ， c o da n dn i 医- no f t h ei r f f i u e n ta r e2 9 8 0 嘞a n d1 7 2 6 翔爵c o da n dn t - h - no f t h ee f f l u e n ta r e 5 8 5m g la n d1 2 2m g lr e s p e c t i v e 帆a n dt h er e m o v a lr a t e so f c o da n dn h 4 - nr e a c h9 8 a n d9 3 西安建筑科技人学硕士学位论文 r e s p e c t i v e l y ；w h e ni ti su s e d t ot r e a tr e f l a c t o r yn 盯w a 缸 b ye x t r ac a r b o ns o u r c e ，c o a c e m a f i o no f 1 n tr e d u c e df r o m7 0 - 8 0 m g l t ol e s st h a n0 5m g l a n dt h er e m o v a lr a t er e a c h9 2 9 3 p r e - u r i z e dm b r g o o de f f i c i e n c yi no r g a r a s mr e m o v a l 1 e n i ti su s e dt ot r e a tt h es y n t h e t i c w a s t e w a t e r i n w h i c h s t a r c h i s t h e m a r e p o l l u m m , c o d i sr e d u c e d f r o m1 5 4 5 m g l t 0 2 0 m e c l a n d t h e r e m o v a lr a t ei s9 8 7 ：t h er e r a o v a le f f e c to fo i g a n i s mi s s t r e n g t h e n e do b v i o u s l ya f t e ra d d i n g h y d r o l y s i sp r e 廿e a m e n t w h e l lc o d o f i n f l u e n ti s1 3 ，8 6 4 m g l , c o do f e f f l u e n to n l yi s5 7 1 4m e l ； w h e n c o d o f i n f l u e n t i sa s h i 2 9 h a s 2 5 , 6 8 0 m 班，v o l u m e l o a d b e h a 9 1 0 2 7 k g c o d m 。d ，t h e c o d r e m o v a lr a t ec a l lb ea sh i g ha s8 9 8 4 n l em e m b r a n eo fp - m b r f o u l i n gr e s i s t a n c ew a sm a i n l yc o m p l e t e do fp o l a r i z a t i o nl a y e r r e s i s t a n c ec 动a n di n t e r n a lf o u l i n g r e 出t a n c e 俾力w i t h o u th y d r o l y s i sp r e l r e a a t t e r a , p o l a r i z a t i o nl a y e r r e s i s t a n c e ( r aa n di n t e r n a lf o u l i n gr e s i s t a n c e t a k e3 6 1 a n dt h e5 0 0 , 0o f t o t a lf o u l i n gr c s i s t a r 髓 r e s p e c t i v e 坼w i t 1h y d r o l y s i sp r e t r e a l m e n t , p o l a r i z a t i o nl a y e rr e s i s t a n c e ( 黝a n di n t e r n a lf o u l i n g r e s i s t a n c e 但毋t a k e3 2 1 3 a n d t h e 4 4 9 4 o f t o t a l f o u l i n gr e s i s t a n c e r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：h y d i ；o t y s i s ，m e m b r a n eb i o r e a c t o r , m e m b r a n ef l u x ，m e m b r a n ef o u l i n g r e s i s t a n c e p a p e rt y p e ：a p p l i c a t i o n ( t h i sp r o g r a mg e t sf i n a n c i a la i df r o mt h es h a n x ip r o v i n c ee d u c a t i o n a lh a l lt os p e c i a lr e s e 目c hp l a r m e d p r o j e c t p r o j e c tn u m b e e 0 2j k l 3 回 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 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，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签蝴扛 日期： ，。7 乡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、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、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 敝储签彩蜘撇：缎嗍班， 嘏安建筑科技人学硕十学位论文 1 1 膜生物反应器概述 1 1 1 膜生物反应器的提出 随着社会经济的飞速发展和人口的急剧增长，水资源短缺已经成为全球化的问题，而我国 的缺水形式尤其严竣。在全国6 0 0 多座建制市中，有近4 0 0 座城市缺水，其中严重缺水的城市 达1 3 0 多个。缺水每年给城市工业产值造成的损失在1 2 0 0 亿元以上。与此同时水环境污染同 趋严重。全国7 大重点流域地表水有机污染普遍，特别是流经城市的河段有机污染较重，主要 湖泊富营养化问题突出。多数城市的地下水受到了一定程度的点污染或面污染。化工合成技术 使得越来越多得有毒和生物难降解污染物排放到水体中，破坏生态平衡，危害人类的健康。水 资源短缺和水环境污染已经成为制约我国经济和社会发展的重要因素1 1 l 。 水环境质量的严重恶化和高速发展的经济对水要求的提高迫切要求适合时代发展的污水 资源化技术，以缓解水资源的短缺状况。因此，不仅具有高效废水处理效果，而且具有污水回 用功麓的水处理技术成为了研究热点。近年来各种新型、改良型的高效废水处理技术应运而生， 其中膜生物反应器( m e m b r a n e b i o r e a c t o r ，简称m b r ) 在废水处理中的应用格外引入注目。 1 t 2 膜生物反应器的发展历史 膜生物反应器的构想最早出现在酶制齐q 工业中。b t a t t 等人在1 9 6 5 年提出了用膜分离技术 进行微生物浓缩，1 9 6 8 年w a n g 等成功运用膜分离技术制取酶制齐俨】。真正将膜分离技术引入 水处理工业并与活性污泥法相联系是在1 9 6 9 年。美国的s m i l j a 首次报道了用活性污泥法和超滤 法结合处理城市污水的方法，并由d o r r - o l i v e ri n c 在1 9 6 9 年申请了美国专羊妒l 。但直到1 9 8 5 年，膜生物反应器的研究基本上还处在基础研究阶段。 进入8 0 年代以来，随着膜技术的发展，膜生物反应器由于具有占地面积小，出水水质好等 优点，在国际上引起了广泛的重视。尤其是在国- i - 狭d , ，地价高的日本，人j f 疆! 是投入了大量 的人力、物力对m b r 在废水处理中的应用进行了开发和研究。在日本【4 】，1 9 8 5 年开始的“a q u a r e n a i s s a n c e9 0 ”大型研究计划( 水再生幕4 用9 0 计划) ，包括了新型膜材料的开发，膜分离装 置的研究，将m b r 研究在污水处理对象及处理规模e 都向前大大推进了一步。日本在该项计 划中对厌氧膜生物反应器作了较为系统的研究，研制了处理七类废水( 酒精发酵、造纸、淀粉、 油脂、蛋白、生活、n n ) n 膜生物反应器系统，并在1 9 8 8 年的中间评价阶段后，进入了实验 工厂运转实验1 5 1 。法国、美国、澳大利亚等国对膜生物反应器的研究也投入了很大的力量，使 两安建筑科技人学硕十学位论文 膜生物反应器的研究内容更加全面和深入，为九十年代的迸一步推广应用奠定了技术基础。 1 2 膜生物反应器的分类 膜生物反应器根据机理可分为三大类型扣7 l ：膜一曝气生物反应器( m e m b r a n ea e r a t i o n b i o r e a c t o r ，m a b r ) ；萃取膜生物反应器( e x l r a c t i v e m e m b r a n e b i o r e a c t o r ，e m b 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 eb i o r e a c t o r ，b s m b r ，简称m b r ) 。 1 2 l 膜一曝气生物反应器 膜一曝气生物反应器为无泡曝气其示意图见图1 1 ，它用于高需氧的废水处理吼 图1 - 1 膜曝气生物反应器示意图 非非 ? 膜壁 o 进气 生物膜 曝气m b r 最早见于c o t e p 等于1 9 8 8 年的报道唧。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( b u b b l e p o i n t 1 的情况下，可实现向生物反应器的无泡曝气。由于传递的气体含在膜系统中，因此提高了接触 时间，极大地提高了传氧效率。如：j a s c o t t 等的研究表明【1 0 1 ：当采用孔径为o 3 5 微米的无 机膜处理高浓度废水时，膜的曝气效率比普通的环形曝气器高7 2 ，处理效率可比普通曝气法 提高9 0 - 1 0 0 。同时由于气液两相被膜分开，有利于曝气工艺地更好控制，有效地将曝气和混 合功能分开。因为供氧面积一定，所以该工艺不受传统曝气系统中气泡大小及停留时阃等因素 的影响。此后，英国的k e i t hb m d l e 等对i 比进行了更多的研究 “】，如在序批式生物膜法中采用 螺旋硅橡胶膜管进行无泡曝气，取得了高效曝气效果。 1 2 1 2 萃取膜生物反应器 萃取膜生物反应器其示意图见图1 - 2 ，用于工业废水中优先污染物的处理，是结合膜萃取和 生物降解，利用膜将有毒工业废水中有毒的、溶解性差的优先污染物从废水中萃取出来，然后 用专性菌对其进行单独的生物降解，从而使不受水中离子强度和p h 的影晌，生物反应器的功 能得到优化。目前瞎曝气生物反应器和萃取膜生物反应器还处在实验室研究阶段，尚无实际的 西安建筑科技大学硕士学位论文 工程应用。 废水流 蕊流 营养 玲 氧气跋水 图1 - 2 萃取膜生物反应器示意图 1 2 3 膜分离生物反应器 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，膜组件进行固液分离， 截留的污泥回流至生物反应器中，透过水外排。它是应用最为广泛的一种膜生物反应器类型， 本文如无特殊说明，膜生物反应器均指膜分离生物反应器。 按照膜组件与生物反应器的结合情况，则可将膜分离生物反应器( m b r ) 分为一体式膜生 物反应器、分置式膜生物反应器和复合式膜生物反应器三种。按照所用膜组件种类的不同，又 可将m b r 分为超滤膜生物反应器( u m b r ) 、微滤膜生物反应器( m m b r ) 、反渗透膜生物反 应器( r ( ) m b r ) 。 分置式m b r 又称分体式m b r ，是指生物反应器与膜组件分为两个部分的膜生物反应器形 式。一般由加压泵将生物反应器中的活性污泥混合液送 膜组件进行过滤，过滤液作为出水排 放，而被浓缩了的泥水混合液则由膜组件出水处的剩余压力送回生物反应器内，以保持生物反 应器中的微生物浓度。其示意图如图1 3 所示。 件 图1 3 分体式膜生物反应器示意图 分置式m b r 的生物反应器部分t 多采用完全混合式，而膜组件大多采用内压式。其特点 商安建筑科技人学硕士学位论文 是操作运行条件易于控制，膜组件易于进行清洗、更换、反冲洗等。 此外，由于膜面流速可以在较大幅度内自由调整，膜面流态可以得到有效的控制，因此， 膜面不易形成凝胶层和结垢。但分置式m b r 由于需要单独的加压泵和污泥回流系统，并为了 防止膜面结垢而保持较高的膜面流速，因此，其动力消耗较高。一般来说【1 2 ”】，对于好氧型 m b r ，获得每立方米出水约需将2 0 - - 3 0 m 3 的混合液泵入膜组件，而对于厌氧型m b r ，获得每 立方米出水则需泵入4 0 吨0 m 3 的混合液。当采用内压式膜组件时，对于管径较小的管式膜组件， 其中心孔易于被活性污泥堵塞也是一个较为棘手的问题。如在邢传红等的研究中l 】q ，对于单通 道直径为4 5 r c n 的无机膜组件，仅需5 7 天就会有通道被堵死。此外，某些菌胶团在加压泵的 高速剪切作用下，其【羽粒结构会遭到破坏，从而导致其活性降低。v i a r d nb r o c k m a n n 等的试验 结果证明【l 刈：对于厌氧m b r ，当污泥经加压泵循环2 0 次时，污泥活性阿氐5 ( p a ，当污泥循环 1 0 0 次时，污泥活性降低9 0 “o 。对于好氧m b r ，当活性污泥循环1 2 0 0 次后，污掘最氧率由约 1 3 m 酿魄0 m s s ) h 减至4 s r a g ( c h y g ( m l s s ) h ，并且其活性的降低表现出种不可恢复性。 一体式m b r 又称浸没式膜生物反应器( s m b r ) ，是指将膜组件直接放入生物反应器内的 反应器形式，一般靠水头压差或真空泵抽吸以获得膜分离所需要的压力差。一体式m b r 可分 为两种组成形式：第一种仅有个生物反应器， 应器其中一个为硝化池，另一个为反硝化池， 其示意图如图l - 4 所示。第二种有两个生物反 其示意图见图1 5 。膜组件浸没于硝化反应器 中，两池之间通过泵来更新过滤的混合液。该组合方式基于以下原因：可以提供配套( 整装) 的膜和设备，便于旧系统的更新改造；将膜浸没池作为好氧区，而生物反应池作为缺氧区以 实现硝化一反硝化目的：便于将膜隔离进行清洗。 图1 - 4 单池体一体式膜生物反应器原理图 一体式m b r 的膜组件多采用外压式膜组件，而且由于真空泵或水头压差所能提供的膜分 离压力一般较小，所咀一体式m b r 多采用低压膜组件。膜组件表面的水力剪切作用由曝气器 产生的气泡对膜表面的直接冲刷作用来提供，或是将膜组件装在一中空轴上，靠中空轴的旋转， 西安建筑科技大学硕士学位论文 使安装在轴上的膜组件也随之旋转，来提供膜表面的剪切力。 i 盐水 j 鳓对；泥( 嬲睡山) j 生物反应池 ( 硝化) 生物反应池n 三三卜 ( 反硝化)苍一一 膜组件 图1 5 双池体一体式膜生物反应器示意图 一般一体式膜生物反应器多不用另加装搅拌器，而靠曝气器产生的气泡的搅拌作用在反应 器内产生内循环流以使活性污泥在反应器内保持完全混合。由于一体式m b r 不需要单独的污 泥回流系统，因此可省去循环用的加压泵和管路系统，也没有生物絮体被泵破坏所产生的微生 物失活现象。相应的能耗也较低。并且由于一体式膜组件采用外压式膜，因此一般也没有膜通 道的堵塞问题。但是，由于一体式m b r 的膜组件表面的流速和流态难以自由控制，因此，水 流对膜表面的凝咬层的冲刷作用较弱，膜容易污染和结垢。同时，膜组件的拆装和清洗也较为 困难。另外，一体式m b r 所允许的操作压力通常较低，膜的稳定通量较小，对于同样的处理 水量，需要比分体式m b r 更大的膜面积，所以一体式m b r 通常采用装填密度较大的中空纤 维膜或毛细管膜等膜组件。因此体式m b r 要求膜组件必须具有操作压力低，通量大，抗污 染能力强特点的膜组件。 进水 生物反应器 丞皋企塞一黼 怠aa 氨幽 图1 6 复合式膜生物反应器示意图 复合式膜生物反应器不同之处在于生物反应器内加装填料，从而改变了膜生物反应器的某 些性状，使生物反应器内既有悬浮相的活性污泥又有附着相的生物膜，从而提高了反应器内污 阳安建筑科技入学项十学位论文 目d 浓度，增强了处理废水的能力，提高了运行的稳定性【“。其示意图见图1 - 6 。填料可采用常 规填料或其它如泡沫塑料、颗粒活性碳等。 另外，按照生物处理的种类不同，m b r 可分为好氧式和厌氧式两类。根据生物反应器受压 的情况又可分为常压膜生物反应器和加压膜生物反应器。 1 3 膜生物反应器的特点 膜生物反应器是高效膜分离技术与生物处理技术有机结合产生的一种新型废水处理新工 艺。该工艺相对于常规废水生物处理工艺具有以下特点【1 6 1 ： ( 1 )结构紧凑占地面积小。 膜生物反应器仅用一个膜分离装置就完全实现了在常规生物处理中需要用较大的二沉池和 沙滤系统才能实现的功能，使系统变得较为紧凑，减小了占地面积。特别是体式m b r 在一 个反应器中同时实现了生物降解和泥水分离，更是如此。o a v i s , - q 等对不同规模的膜生物反应器 和传统活性污泥法水处理厂进行比较发现，m b r 占地面积节约了1 2 2 3 。 ( 2 ) 处理效果高，出水水质好，从根本上解决了污泥膨胀问题。 m b r 对有机物的去除效果来自两方面：一方面是生物反应器内微生物对有机物的降解：另 一方面是膜对有机物大分子的截留作用。在处理某些工业废水时，膜的截留作用还有利于培养 出一些对该种废水有特殊降解能力的专属细菌1 1 0 1 ，这些细菌絮凝能力较差，从而难以在普通生 物处理过程中得到优势增殖。另外，膜的截留作用还可以延长大分子物质的停留时间，使m b r 处理难降解有机物的能力得到加强。m b r 由于采用膜过滤，可以实现出水中无悬浮物，选择 性膜还可以截留混合液中的大分子物质和细菌、病毒等，因此，出水水质较好。各种m b r 处 理城市污水的出水水质均优于传统生物处理工艺，消毒后已达到或优于建设部生活杂用水水 质标准( a 2 5 1 8 9 ) ，可作为楼房中水及城市园林绿化、扫除、消防等用水回用。m b r 使泥 水分离不再依靠污泥的重力沉降，因此从根本匕杜绝了污泥膨胀现象对出水水质和生物处理系 统的影响。 ( 3 ) 容积负荷高，抗负荷冲击能力强。 m b r 实现了水力停留时间( 强) 和污泥停留时间( s r ：r ) 的完全分离，可以同时实现很 短的h r t 和很长的s r t 。因而能够在反应器中保留足够高的污泥浓度，好氧膜生物反应器处 理城市生活污水时污泥浓度一般为1 0 2 0 矾，最高可达5 0g m ；处理工业废水时，污泥浓度为 2 4 0 g l ，大部分高于2 0 班。厌氧膜生物反应器污泥浓度最高纪录是5 6 6g 刖”。m b r 中较 高的污泥浓度不仅使m b r 所能达到的容积负荷大大提高，还使系统抵抗冲击负荷和有毒有害 物质的能力得到了加强，并使系统运行的稳定性得以提高。如李红兵掣”】用中空纤维膜生物反 应器处理生活污水，在水力停留时间为1 5 h 和5 8 h ，容积负荷高达5 7 6 k g c o d ( m 3 d ) ，系统 6 西安建筑科技人学硕十学位论文 对c o d 的去除率在9 0 以上：绝大多数研究者对生活污水处理时容积负荷均可达到i k g c o d ( m 3 d ) 以上。王连军【l q 在对啤酒废水的研究中容积负荷高达6 3k g c o d ( m 3 d ) 。对于 难降解的毛纺印染废水郑祥等f 2 0 】研究发现容积负荷可达到2 4 5k g c o d t ( m 3 d 1 。高的容积负 荷大大减小了生物处理装置的体积，这在土地只益紧张的今天，尤其具有重要的意义。吴志超 ”【| 采用好氧m b r 处理巴西基酸生产废水发现：c o d 容积负荷为1 2k g c o d ( m 3 d ) ，2 4 k g c o d ( m 3 d ) ，3 6k 智c o d ( m j d ) ，4 8k g c o d ( m 3 d ) 时，出水c o d 浓度变化不大；且h r t 对出水水质无明显影响。 ( 4 )产生剩余污泥量少，减少了污泥处理的工作量和费用。 m b r 中较高的污泥浓度可以实现在容积负荷很高的同时，污泥负荷保持很低，因此进入 m b r 的基质将主要用于维持微生物的最低营养要求，而污泥的增殖量则很少，大大减小了剩 余污泥的产量。从理论上讲，膜生物反应器能将污泥完全截留在生物反应器内，实现不排泥操 作。a i a i z e 和h u y a m 首次研究了m b r 对污泥产率得影响，在s r t 为5 0 和1 0 0 d 时，污泥产 量大大减少，他们认为是低f m 比例和较长的污泥龄的结梨捌；m i l l l 盯在处理生活污水的中试 研究中发现：当污泥浓度( m i s s ) 高达4 0 5 0 9 l 和污泥完全截留时，几乎不产生污泥田】。 杜萍在不同s r t ( 5 - s 0 d ) 条- - a f 下用一体式m b r 处理生活污水发现：理论产率系数y g 与衰减 系数b 值随s r t 的延长而下降口。刘锐用一体式m br 处理生活污水，在2 8 0d 未排泥的条件 下运行，发现表观产率系数y b 随运行时间的延长呈明显的降低趋势，y b 从运行初期的0 2 4 8 k g v s s k g c o d 下降为0 0 8 3k g v s s k g c o d 闭。张绍园应用食物链中能量递减的原理，在两 段式m br 中引入后生动物蠕虫，发现有蠕虫存在时，其污泥产率低于常规活性污泥法污 水处理系统；当蠕虫浓度保持1 0 0 个m l 以上时，污泥产率为0 1 k g s s k g c o d ，约为常 规活性污泥法的l 4 【2 6 】。m b r 排出的剩余污泥一般较为稳定可以不进行污泥消化而直接脱水， 使m b r 的剩余污泥处理费用得以喇氐。目前剩余污泥的处理与处置已成为污水处理厂能否正 常运行的制约因素之一，它的费用占到污水处理厂总运行费用的2 5 4 0 有的甚至高达6 0 口”。因此，从源头减少污泥的产生量就显得非常必要和关键，这些因素推动和促进了具有剩 余污泥量少特点的m b r 技术的开发及研究。 ( 5 )具有较高的脱氮效果。 m b r 中长的污泥停留时间有年i 于增殖慢的细菌( 如硝化细菌等微生物) 生长。c o t e 等研 究者发现当污泥龄由1 0 天增加为50 天时氨氮去除率由8 0 增加到9 9 ：f a n 等研究者的实 验中，当污泥龄由5 天增加为l o 天时氨氮去除率由9 4 增加到9 9 口”。硝化作用的改善不 仅因为膜生物反应器可以维持较长的污泥龄。z h a n g 等人发现，膜生物反应器中硝化活性为 2 2 8 9 n i - h - n ( k 2 m l s s h ) ，而工艺参数与之相近传统活性污泥反应器中的硝化活性只有0 9 6 g n h 一- n ( k g m l s s h ) 。硝化速率的提高源于膜生物反应器中污泥絮体较小，较小的絮体有 着更大的周长面积比，氧传质阻力小田】。另外。m b r 中污泥浓度高，因而易在污泥絮体中 西安建筑科技大学硕士学位论文 形成表面好氧、内部缺氧状态，所以可在同反应器中实现硝化和反硝化，使m b r 在去除c o d 的同时具有良好的脱氮效梨矧。李红兵等在一体式好氧m b r 中发现随着污泥浓度的增加，t n 去除率呈上升趋势( 1 8 9 5 7 5 ) ，并解释为在好氧菌胶团的内部随着污泥浓度的增加，可 提供较多的厌氧环境，有利于反硝化的进行嗍。 ( 6 ) m b r 处理系统的设备化、自动化程度高。 m b r 由于构筑物少，系统结构紧凑，非常容易加工成成套设备，便于运输和安装，可大大 缩短施工期。另外，自动化程度高，可实现无人值班看守，因此大大节约了人工费。 总之，膜生物反应器具有许多其它污水处理方法所不具有的优点，特别是在高浓度难降解 有机废水和污水回用上具有无可比拟的优势。但是废水和污泥对膜的污染使膜的通量难以保持 稳定，这就促使 们不断改进反应器的形式以减轻膜污染或增大膜面积以维持所需的透过水量。 就目前的研究结果，膜污染问题仍然没有得到彻底的解决。这就极大地限制了m b r 在实际工 程中的应用。另外，由于m b r 系统通常需要专门的泵为膜组件提供膜分离所需要的压力，并 由于反应器内较高的污泥浓度和满足对膜面的冲刷作用而采用较大的曝气量，因此，通常能耗 较高，尤其是对于分体式m b r 系统其每立方米出水的能耗甚至高达普通生物处理的十倍以 上口1 3 1 , 这也限制了m b r 系统的推广。 1 4 膜生物反应器的现状和发展趋势 l t 4 1 膜生物反应器的应用现状 大规模好氧m b r 的最早商业应用是在2 0 世纪7 0 年代末期的北美。然后依次是2 0 世纪8 0 年代早期日本，9 0 年代中期欧洲，9 0 年代末期中国嘲。厌氧m b r 工艺的首次商业应用是8 0 年代早期的日本和南掣”。膜生物反应器在日本的发展最为迅速，目前在日本运行( 包括在建) 的膜生物反应器占全球的6 6 。在膜生物反应器的应用中，9 8 咀上是好氧膜生物反应器，其 中5 5 以上是一体式膜生物反应器。应用领域已经涉及各类废水，不同种类废水的应用比例见 表1 1 3 1 1 。 表1 1 膜生物反应器在不同种类废水中的应用比例 废水类型百分比 工业废水 大楼废水 生活污水 城市污水 土地添埋厂渗滤液 2 7 2 4 2 7 1 2 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 4 2 膜生物反应器的研究现状 时至今日，膜生物反应器已成为当今水处理界研究的个热点问题。目前，膜生物反应器 的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 )扩大膜生物反应器的使用范围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( 石化废水、印染废水、造纸废水等) ， ( 2 ) 探求合适的工作条件和工艺参数，降低处理工艺的动力消耗，使其成为节能型新 工艺。并从膜生物反应器的构型上尽可能为膜的稳定工作创造条件，主要是减 叠厝l 堵 塞程度，提高膜通量和截留率： ( 3 ) 探索不同生物处理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 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等。 1 a 3 发展趋势 具体来讲，今后膜生物反应器应用可能得到迅速发展的重点领域和方向如下： ( 1 )现有的城市污水处理厂的更新升级。特别是出水水质难蛆达标或处理流量剧增而占 地面积无法扩大的情况。 ( 2 ) 应用于无排水管网系统的地区，如小居民点、度假区、旅游风景区等。 ( 3 ) 应用于污水会用需求的地区或场所，如宾馆、洗车业、客机、流动公厕等充分发挥 膜生物反应器占地面积小、设备紧凑、自动化程度高、操作灵活方便。 ( 4 )应用于高浓度、有毒、难降解工业污水的处理。如高浓度有机废水是种较普遍的 点源污染，全国造纸、制糖、酒精、皮革、合成脂肪酸等行业每年有机污水的排放量很大。这 类污水采用常规活性污泥法处理出水水质难吐达到排放标准。而m b r 在技术上的优势，决定 它可以对常规方法难以处理的污水进行有效的处理，并且出水可以回用。 1 5 课题的提出 虽然膜生物反应器因具有众多的优点和良好的发展前景，国内外众多专家学者对其开展了 大规模的研究，但是它依然存在一些问题阻碍了其进一步更广泛的应用。目前主要的问题如下： ( 1 )对反应器本身的研究较少由于各种废水性质千差万别，种类型的反应器不可能对 所有的废水都具有高效的处理效果，同时，由于废水的种类繁多，也不可能为每种废水均开发 出专一的废水，因此膜生物反应器应当优化设备结构，设计出近可能满足多种废水处理要求的 多功能m b r 和开发出不同类型的膜生物反应器以适应对废水处理的要求。 ( 2 )投资和运行费用较高虽然近年来膜通量有了提高，降低了膜组件的使用规模和能 耗，减少了设备的维修费用；膜制造技术的提高，使膜的寿命提高，减少了膜组件的更换费用； 9 两安建筑科技犬学硕士学位论文 大规模的生产降低了膜的制造费用。但膜生物反应器的投资费用依然高于常规的生物处理工艺。 而且膜生物反应器还需进行膜污染的治理，如曝气的膜面冲刷、反冲洗等，这将会增加运行费 用。因此，应当优化运行参数，降低运行费用。 ( 3 ) 膜污染比较严重，防治和治理措施效果较差膜污染是影响m b r 能否安全可靠运行 的重要因素，也是造成膜通量大幅度下降，使运行费用较高的主要原因。但就目前来说对膜 污染规律及机理的认识还不充分，并无十分有效的措施来防治膜污染。 1 5 1 研究的目的和意义 本项研究的主要目的是利用膜技术这种被称为“二十一世纪的水处理技术”开发面向2 1 世纪的水处理设备：将国内外在m b r 方面的研究成果和膜分离领域的技术迸一步结合，针对 现行膜生物反应器的些不足之处，提出了相应的改进措施；并通过对改进后的新垂羰生物反 应器试验研究和工程实例，为实现材料国产化、设备低成本、运行低费用、效果稳定持久、产 品系列化的污水回用和高浓度难降解有机废水处理设备提供理论和实践经验。本课题主要研究 了两大类型膜生物反应器加压膜生物反应器和常压膜生物反应器。常压膜生物反应器主要两种 用途，一是中水回用：另一是用于难降解有机污染物或高浓度有机污染物的处理。加压膜生物 反应器主要是利用加压容器原理，突破常压生化反应器的溶解氧的限制，水中