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新型尼龙纺织布生物反应器工艺的探究 摘要 膜生物反应器是将膜分离技术与生物处理技术有机结合的一种 污水处理新技术，具有出水水质好、工艺流程简单、剩余污泥产生量 少、占地面积小、自动化程度好等优点，该项技术经过了几十年的发 展，其应用领域不断的扩大，已经引起了人们广泛地关注。然而由于 膜生物反应器的膜组件造价过高，限制其大范围的推广使用。因此， 本课题研究采用优价廉的尼龙纺织布作为过滤组件组成新型的布生 物反应器。布生物反应器除具有传统膜生物反应器流程简单、占地小、 剩余污泥产量小等优点外，还具有低造价、低能耗、高强度等特点， 这种新型工艺虽然处理效果不及膜生物反应器，但是完全能够替代传 统工艺上的沉淀池，对于小规模的污水处理是一种很有应用前景的技 术，具有重要的研究意义。 本文比较了不同孔径的尼龙纺织布生物反应器处理生活污水的 效果，从而分析了不同尼龙纺织布作为过滤介质的可行性。通过试验 研究，考察了尼龙纺织布生物反应器对模拟生活污水的长期处理效 果，获得了满意的效果。为了布生物反应器在实际工程中推广应用， 本研究考察了影响布生物反应器处理效果的因素和维持其长期稳定 东华大学硕【j 学位论文新型尼龙纺织布生物反心器_ 艺的探究 运行的因素，通过理论分析与试验研究，得到了布生物反应器应用于 处理生活污水的工艺参数，并对过滤机理及膜污染阻力进行了初步探 讨。主要的研究内容和实验结果如下： ( 1 ) 在本试验条件下，3 0 0 目尼龙纺织布生物反应器出水中含 有少量的污泥颗粒，不能作为布生物反应器的过滤材料。4 0 0 目和5 0 0 目尼龙纺织布组成的布生物反应器对污染物均有较好的去除效果，系 统对c o d c r 的去除率均在9 0 以上，平均去除率分别为9 0 3 2 、 9 2 8 9 ，系统对u v 2 5 4 、浊度和s s 的效果较好。通过比较4 0 0 目和 5 0 0 目尼龙纺织布生物反应器可知，二者处理效果相差甚微，而4 0 0 目尼龙纺织布过滤组件通量大于5 0 0 目尼龙纺织布过滤组件，并且更 稳定，出水效果最接近于沉淀池出水。 ( 2 ) 进行了4 0 0 目尼龙纺织布生物反应器长期连续运行的研究。 结果表明，布生物反应器工艺对污染物具有较好的处理效果。4 0 0 目 尼龙纺织布生物反应器连续运行4 1 天，对有机物的平均去除率为 9 3 6 8 ，出水平均c o d c r 为1 0 4 m g l ；对浊度的平均去除率为9 0 3 1 ， 出水平均c o d c r 为2 2 6 n t u 。 ( 3 ) 尼龙纺织布生物反应器处理效果不受污泥膨胀的影响。运 行期间出现了活性污泥丝状膨胀，由于丝状菌大量生长，布生物反应 器中生物处理效率得到了一定提高，尼龙纺织布能够高效截留反应器 中的活性污泥，系统出水更佳清澈。布生物反应器中的尼龙纺织布对 系统出水的稳定性起到了主要作用，弥补了生物反应器处理性能的不 稳定，提高了系统的抗污泥膨胀的能力。 东华人学硕士学位论文新型尼龙纺织布生物反应器工艺的探究 ( 4 ) 4 0 0 目尼龙纺织布生物反应器最佳运行条件为：水力停留 时间为2 0 h ，污泥浓度为7 1 0 0 m g l ，污泥负荷范围为 0 0 9 一o 1 2 k g ( m 3 d ) 。 ( 5 ) 尼龙纺织布生物反应器过滤机研究表明，尼龙纺织布通过 机械筛分、表面吸附、架桥吸附三种方式进行固液分离。 ( 6 ) 尼龙纺织布过滤总阻力为o 2 1 1 1 4m - 1 ，比传统膜生物反应 器过滤阻力小1 1 个数量级；尼龙纺织布固有阻力2 3 0 0 5 术1 0 一m ， 比中空纤维膜固有阻力低1 6 个数量；尼龙纺织布过滤阻力主要由滤 饼层贡献，占总过滤阻力7 1 9 3 。用水力清洗和化学清洗可有效去 除尼龙纺织布污染，通量恢复9 0 以上。 关键字：尼龙纺织布：膜生物反应器：高通量 东华人学硕士学位论文新型尼龙纺织布生物反应器工艺的探究 i v 东华人学硕士学位论文 新型尼龙纺织布生物反应器工艺的探究 s t u d yo nt h ep r o c e s s e so fn o v e lm e m b r a n e b i o r e a c t o r ( m b r ) c o u p l e dw i t hn y l o nw o v e n f a b i u c f i l t e r a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) h a sb e e n 谢d e l yu s e di nw a s t e w a t e r 仃e a t m e n t t oa c h i e v eh i g h e re f n u e n tq u a l i t y ，w h i c hi so r e nd i 伍c u l tt ob ee f f e c t i v e l ym e tb yc o n v e n t i o n a l a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s t h e a d v a n t a g e so fm b ra r eh i 曲q u a l i t yw a t e r ，s i m p l en o w ，l o w e r e x c e s ss l u d g ep r o d u c t i o n ，f e w e ra r e ao c c u p i e da n ds oo n m e m b r a n eb i o r e a c t o r sb e e nd e v e l o p i n g f o rs e v e r a ld e c a d e sa n da l w a y sb r o a d e n i n gi t sa p p l i c a t i o nf i e l d s ，a n dh a sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r e a n e n t i o n h o w e v e r ， m e i rw i d e s p r e a d a p p l i c a t i o n s a r eh i n d e r e d b yt h e i r e l e v a t e de n e r g y c o n s u m p t i o na n dt h eh i g hc o s t so fi n v e s t m e n tf o rt h em e m b r a n em o d u l e s i nt h i ss t l l d y ，w e i n v e s l i g a t e dam o d 语e da ni m p r o v e dm b rs y s t e mt h a tu t i l i z e dac o s te h e c t i v ew o v e nf a b r i c i n s t e a do fn o n w o v e na st h ef i l t e rm a t 甜a l i nm b rm o d u l e sf o rs 0 1 v i n gt h i sp r o b l e m t h ef a b d c b i o r e a c t o r b e s i d e ss i m p l en o w ，f e w e ra r e ao c c u p i e de ta 1a sm b r ，f b ra l s oh a st h ea d v a n t a g e s o fl o wc o s t ，l o we n e r g yc o n s u m i n ga n dh i g hi n t e n s i t y t h en e w - s t y l ep r o c e s si s ap r o m i s i n g t e c h n o l o g yf o rs m a l l s c a l ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，a n dh a sg r e a ts i g n i f i c a n c et os t u d y i nt h i ss t l l d y ，t h ep e m m a n c eo fs y n t h e t i cd o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n tw a se v a l u a t e di n t h ef b rw i md i f f e r e n t p o r ed i a m e t e rn y l o nw o v e na sf i l t r a t i o nm a t e r i a la ts a m eo p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，i no r d e rt oa n a l y z ew h e t h e rt h ed i f f e r e n tp o r ed i a m e t e rn y l o na sa 矗1 t e rm e d i u mi s f e a s i b l e t h i ss t u d yi n v e s t i g a t e dt h et r e a t m e n tp e 玎o m a n c eo fs i m u l a t e dd o m e s t i cw a s t e w a t e rw i t h t h ef b r ，a l m o s ta l le f n u e n tw a t e rq u a l i t yc a nm e e to u rh o p e i no r d e rt oo p l i m i z et h ep r o c e s s p a r a m e t e r so ff b r ，f o ri t sw i d ea p p l i c a t i o no ff b ri nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，t h ef a c t o rt h a ta f f e c t s t h ee m u e n te 所c i e n c ya n dt h ef a c l o r t h a ta f 佗c t st h es l a b l eo p e r a l i o no ff b rw e r ea n a l y z e di nt h i s p a p e r t h i ss t l l d ya i s od i s c u s s e dt h e6 1 t r a t i o nm e c h a n i s ma n dr e s i s t a n c eo ft h en l t e r t h em a i n s t l l d yc o n t e n ta n dr e s u l ta r es h o w na sf o l l o w s ： ( 1 ) t h er e s u l t ss h o wt h a te m u e n to ff b rw i t hm e s hn u m b e ro f3 0 0i sw i t hs o m es l u d g e ，s o t h en y l o nw o v e no f3 0 0 1 n uc a nn o ia s af a b r i c6 1 l e rm a t e r i a lf o rf b r f b rw i t hd i f 凳r e n tm e s h n u m b e rn y l o nw o v e no f4 0 0 m ua n d5 0 0 m uh a s g o o dr e m o v a le 伍c i e n c yf o rc o n t a m i n a t i o n v 东华大学硕i ：学位论文 新型尼龙纺织布生物反应器t 艺的探究 一 s v s t e mc o d c rr e m o v a le m c i e n c i e sa r ea 1 1o v e r9 2 ，a n dt h ea v e r a g er e m o v a le 伍c i e n c i e sa r e 9 0 3 2 a n d9 2 8 9 r e s p e c t i v e l y f b rw i md i h 、e r e n tm e s hn u r n b e rn y l o nw o v e no f4 0 0 m ua n d 5 0 0 m uh a v eg o o dr e m o v a le 伍c i e n c yf o ru v 2 5 4 ，t u r b i d i t ya n ds s b yc o m p a n gt h e 4 0 0 m ua n d 5 0 0 m un y l o nw o v e nb i o r e a c t o r ，e x p e r i m e n t a ld a t a ss h o wt h a tl i t t l ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w o n v l o nw o v e nf a b r i c f b rw i t hm e s hn u m b e ro f4 0 0n y l o nf 抽r i cf i l t e rh a sg r e a t e rn u xt h a n5 0 0 m e s hn y l o nf a b r i cf i l t e r ( 2 ) t h ef b rw i t h4 0 0 m un y l o nw o v e ne l i m i n a t e ds u c t i o np u m p i n gb yu s i n gag r a v i t yh e a d i nm em e m b r a n ef i l t m t i o no fm ee f f l u e n to v e rm ee n t i r eo p e r a t i o n a lp e r i o do f4 1d t h er e s u l t s s h o wt h a tf b rw i t htm e s hn u m b e rn y l o nw o v e no f4 0 0 m uh a sg o o dr e m o v a le 衢c i e n c yf o r c o n t a l t l i n a t i o n s y s t e mc o d c rr e l n o v a le m c i e n c yi s9 3 6 8 ，m ea v e r a g ec o d c ro fe m u e n ti s l0 4 m g l ；t l l r b i d i 哆r e m o v a le m c i e n c yi s9 0 31 ，m ea v e r a g et u r b i d i t yo fe f n u e n ti s2 2 6 n t u ( 3 ) f b rh a sh i g hr e s i s t a n c e t o s l u d g eb u l k i n g h l c o n v e n t i o n a l s e t t l i n gt a n k ， s l u d g e f i l a m e n t o u sb u l 虹n gw a sm em o s tc o m m o np m b l e m sm a tc a u s ea c t i v a t e ds l u d g es e t t l i n gp r o b l e m s a n dad e t e r i o r a d o no fe m u e n tq u a l i t y 1 i lt h ew f b r ，s i n c ew o v e nf a b r i c a st h es o l i d - l i q u i d s 印a r a t o rc o u l df i l 仃a t et h el e v e lo fs u s p e n d e ds o l i d s 协t h es l u d g es u p 锄a t a l l t ，m ee f n u e n c ew h e n s l u d g ef i l 锄e n t o u sb u l k e dw a sb e t t e rt h a nb e f o r e ( 4 ) t h eo p t i m 瑚no p e r a t i n gc o n d i t i o no ff b r w i t h4 0 0 m un y l o nw o v e ni st h a t ：m eo p t i m u m h i i s2 0 h ，t h eo p t i 舢mm l s si sa b o u t71o o m g l ，m eo p t i m u mb o d1 0 a d i n gr a t e si s 仔o mo 0 9 t 0 0 1 2 k g b o d k g m l s s d ( 5 ) t h er e s u l t so ff i l 仃a t i o nm e c h a n i s mo ff b rs h o w sm a tm es o l i da n dl i q u i da r es 印a r a t e d b yn y l o nw o v e nf a b r i cm 献l 曲m e c h a n i c a ls i e v i n g ，s u p e r f i c i a la d s o 印t i o n ，蜥d g i n gf l o c c u l a t i o n 。 ( 6 ) t h et o t a lf i l t e rr e s i s t a n c ew i t h4 0 0 m un y l o nw o v e ni s 0 2l l14m 一，w h i c hi s1 0 w e r1 1 o r d e r so fm a g n i t l l d em a nt h ec o n v e n t i o n a lm e m b r a n ef i l t r a t i o nr e s i s t a n c e t h ei n h e r e n tr e s i s t a n c e o f4 0 0 m un v l o nw o v e ni s2 3 0 0 5 卓1 0 5m 。，w h i c hi s l o w e r1 6o r d e r so fm a g n i t u d et h a nt h e c o n v e n t i o n a lm 锄b r a n ef i l t r a t i o nr e s i s t a n c e t h ef i l t e rc a k ea c c o u n t sf o r71 9 3 o ft h et o t a l r e s i s t a n c e n y l o nw o v e nf a b r i cf l u xr e c o v e r ya r e rw a t e rc l e a n i n ga n dm e c h a n i c a lc l e a n i n gi s a b o v e9 0 1 y a n g q i ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) s u p e i s e db yl i uz h e n h o n g k e yw o r d s ：n y l o nw o v e nf a 埘c ，m b r ，h i 曲f l u x v i 东华人学硕l ：学位论文 新型尼龙纺织布生物反应器工艺的探究 1 1 前言 第一章绪论 水是人类生存的根本，是社会进步和人类经济发展的生命线，也是实现可持 续发展的物质基础。如今，水资源问题已成为全球资源环境的首要问题，直接制 约、影响着人类社会的生存和发展。 我国的水资源存在的主要问题有以下三点：一是水资源短缺；二是水资源污 染；三是水资源浪费。长期以来，以活性污泥为代表的传统生物处理工艺在工业 废水和生活污水处理中得到了广泛的应用。但是，传统的生物处理工艺存在出水 水质差、占地面积大、产生大量剩余污泥、污泥膨胀以及能耗高等缺点。另一方 面，水质标准日趋严格，采用重力式沉淀池作为微生物固液分离手段的传统生物 处理工艺已经显现出了力不从心的迹象。在这种背景下，各种新型、改良型的高 效废水生物处理技术应运而生，而其中最引人注目的是用膜分离技术代替了传统 的重力式沉淀池，构成新型废水处理技术，即膜生物反应器。该技术被有关专家 誉为“污水资源化的一项革命性技术”，被我国列为“2 1 世纪议程实施能力及 可持续发展实用新技术”，它目前已被许多发达国家广泛应用于水资源的保护和 再利用【l 】- 【2 1 。 1 2 膜生物反应器简介 膜生物反应器是指将膜分离技术中的超微滤组件与污水生物处理工程中的 生物反应器相互结合而成的新的丌发系统，英文称m 锄b r a n c eb i o r a e c t o r ，简称 m b r 【3 1 。膜生物反应器技术具有诸多传统污水处理工艺所无法比拟的优点，因此 在世界范围内受到普遍关注。 1 2 1 膜生物反应器的分类 根据膜组件与生物反应器的组合方式，膜生物反应器可以分为分置式膜生物 反应器、浸没式膜生物反应器两种4 1 。 在分置式膜生物反应器中，膜组件和生物反应器分开设置，如图1 1 所示。 生物反应器中的污泥混合液由循环泵增压后，输送至膜组件内侧，在压差作用下， 东华人学硕士学位论文 新型尼龙纺织布生物反应器t 艺的探究 混合液中的水和小分子物质通过膜孔，成为系统处理出水；而悬浮物和大分子物 质等则被膜截留，并回流至生物反应器内。 分置式m b r 通过料液循环错流运行，其特点是：膜容易清洗、更换；运行 稳定可靠；易于操作管理；膜通量较高。但为了减少污染物在膜面的沉积，由循 环泵提供的料液流速很高，为此动力消耗较高，并且泵的高速旋转产生的剪切力 会使某些微生物菌体产生失活现梨5 i 。 图1 1 分置式膜生物反应器 f i g 1 - 1f r a m ed r a w i n go fr e c i r c u l a t e dm b r 图1 2 浸没式膜生物反应器 f i g 1 - 2f r a m ed r a w i n go fs u b m e r g e dm b r 在浸没式m b r 中，膜组件浸没于生物反应器中的污泥混合液内部，如图1 2 所示。在出口的抽吸泵或水头差作用下，膜腔内形成负压，混合液中的水和小分 子物质通过膜孔，进入膜腔内，经泵输送至出口成为膜出水。膜组件下方设置的 曝气系统不仅为微生物供氧，以维持其f 常的生长代谢活动，同时还由上升的气 泡产生水力冲刷作用，从而有效地抑制了污染物在膜表面的沉积。 东华人学坝i ：学位论文 新型尼龙纺织布生物反应器工艺的探究 由于浸没式m b r 省去了混合液循环系统，并且依靠抽吸出水，能耗相对较 低，结构也比分置式m b r 更为紧凑，占地面积较小，近年来受到了广泛关注。 但是膜通量相对较低，容易发生膜污染，不容易清洗和更换膜组件。 根据膜组件的构型不同分为：中空纤维膜组件、板框式膜组件和管式膜组件 三种。其中，在成本方面，中空纤维膜组件比板框式膜组件和管式膜组件更有竞 争力；板框式和管式膜组件可用的材料更多，并且化学稳定性和热稳定性更强， 这种性质有时在恶劣的工业环境中很有用【6 。 另外，m b r 还有其它分类方法。根据使用的膜材料，m b r 可以分为有机膜 m b r 、无机膜m b r 和金属膜m b r 等；根据膜的孔径大小，可以分为微滤m b r 、 超滤m b r 和纳滤m b r ；根据生物反应器的需氧性可以分为好氧m b r 和厌氧 m b r 。以上分类方法彼此之问不是独立的，而是相互交叉的【7 】- 9 】。 1 2 2 膜生物反应器的特点 m b r 工艺与传统的废水生物处理工艺相比较，具有以下特剧1 0 - 【1 5 】： ( 1 ) 处理效率高，出水水质良好，可直接回用，实现了污水资源化。由于 膜组件取代了传统工艺中的二沉池，解决了活性污泥膨胀引起的二沉池泥水分离 效率低和水质恶化问题。 m b r 工艺处理效率高于传统废水生物处理工艺，主要原因是由于膜的截留 作用，使生物反应器维持很高的微生物浓度，有利于有机污染物的降解。另外， 膜的截留作用还能阻止悬浮物和大分子量的有机物的流失，使许多分解速度较慢 的大分子难降解有机物，通过延长其停留时间而提高其降解效率，强化了m b r 处理难降解有机物的能力【l 引。 ( 2 ) 容积负荷高，抗负荷冲击能力强。膜分离可使微生物完全截留在生物 反应器内，实现反应器水力停留时问( h r t ) 和污泥龄( s r t ) 的完全分离，可以 同时实现很短的h r t 和很长的s r t 。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 l ，最高可达5 0 l 【l7 j 处理工业废水时，污泥浓度为2 4 0 l ，大部分高于2 0 l 引。m b r 中较高的污泥浓度不仅能降低污泥负荷，而且 还能够加强m b r 系统抵抗有毒有害物质和有机负荷冲击能力，提高系统运行的 稳定性。 ( 3 ) 降低系统的污泥处理费用。m b r 工艺能够保持较低的污泥负荷和较高 的活性污泥浓度，进入m b r 系统的物质主要用于维持微生物生存，污泥增长量 很少，大大减少了剩余污泥的产量。此外，m b r 的s r t 很长，从而生物反应 器起到了“污泥消化池”的作用，m b r 排出的剩余污泥较为稳定，可以直接进 行脱水，降低了剩余污泥处理费用【l9 1 。目前传统废水生物处理工艺的剩余污泥 处理和处置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 【2 ， 东华大学硕士学位论文新型尼龙纺织布生物反应器t 艺的探究 已成为制约污水处理厂正常运行的主要因素之一，这也促进和推动了剩余污泥产 量少的m b r 工艺的研究和开发。 ( 4 ) 脱氮效果好。m b r 工艺能够使参与反应的微生物保持在生物反应器内， 这有利于增殖缓慢的微生物，如硝化细菌的生长，使系统硝化效率得以提高。由 于膜的高效泥水分离作用，m b r 内的污泥浓度比较高，在一定的曝气条件下， 容易使菌胶团形成表面好氧、内部缺氧甚至厌氧的微环境，在同一反应器中实现 硝化与反硝化，使m b r 工艺在去除有机污染物的同时实现脱氮除磷【2 l j - 【2 2 j 。 ( 5 ) 设备紧凑，占地面积少。由于m b r 中的膜组件代替了二沉池和过滤 设备【2 3 】，与常规生物处理工艺相比，膜生物反应器的占地面积大大减少，仅约 为常规生物处理工艺的二分之一；另外，生物反应器内污泥浓度高，大大提高容 积负荷，减少曝气池容积。 ( 6 ) 膜组件易于一体化，实现自动控制，操作管理方便。 1 2 3 膜生物反应器的研究和应用现状 1 2 3 1 膜生物反应器在国际上的研究和应用现状 膜生物反应器在废水处理的研究始于美国。19 6 6 年，美国的d o r r 0 1 i v e r 公 司首先将膜生物反应器用于废水处理的研究，污水进入悬浮生长的生物反应器 中，通过超滤膜组件的抽吸作用连续出水。1 9 6 9 年，s m t i h 等将超滤膜与好氧活 性污泥法相结合的膜生物反应器应用于城市污水处理中，研究证明，该工艺具有 减少污水处理厂占地面积、维持较高污泥浓度、减少活性污泥产量等优点 2 4 1 。 1 9 6 9 年，b u d d 等的分离式膜生物反应器获得了美国专利【2 5 】。当时由于受到膜生 产技术所限，膜的使用寿命短、水通量小，使其在投入实际应用中遇到阻力。7 0 年代初期，好氧分离式膜生物反应器处理城市污水的试验研究进一步扩大。同时， 相继在实验室规模以及中试规模下，进行厌氧膜生物反应器的研究。h a r d t 等人 将完全混合式生物反应器与超滤单元组合处理污水，有机污染物的去除率达到 9 8 ，出水中不含有细菌【26 i 。b e m b e s r i 等人于1 9 7 1 年在一个实际污水处理厂中 实验了膜生物反应器，取得了较满意的结梨2 7 j 。1 9 7 8 年，g e r h t e l i n 等进行了厌 氧膜生物反应器处理生活污水的研究，有机污染物和硝酸盐的去除率分别达到 9 0 和7 5 嘣弱j 。这期间膜生物反应器的研究重点，是开发适合高浓度活性污泥的 膜分离装置，但受当时膜生产技术的限制，膜分离装置的膜通量小、使用寿命短， 导致这项技术在相当长的时问内处于实验室研究规模，未能投入实际应用。直到 2 0 世纪7 0 年代后期，大规模好氧膜生物反应器才开始在北美应用。 7 0 年代的后期，日本由于国土面积小，以及地面水体因径流距离较短而导致 其易受污染、自净能力差、生态系统脆弱。m b r 凭借其出水水质优良和占地面 积小等优点，在日本得到了大力的开发和研究。f 1 本建设省组织研究所、大学、 东华大学坝l ：学位论文 新型尼龙纺织布生物反应器工艺的探究 企业开展新型膜组件的构造设计、膜材料的开发以及膜生物反应器的运行等方面 的研究，使m b r 在废水处理方面的应用有了很大的进展。自1 9 8 3 年到1 9 8 7 年， 日本有1 3 家公司使用好氧膜生物反应器处理废水，经处理后的水做中水回用， 处理规模达5 0 一2 5 0 m 3 d 。日本的三井石化公司用膜生物反应器处理粪便污水，也 取得了前所未有的效果。同时，国际上对m b r 的研究更是方兴未艾，中国、澳 大利亚、法国、日本、美国等许多国家都对m b r 的研究投入了大量的物力和人 力，并取得了大量研究成果，推动了膜生物反应器在实际应用中的步伐。在1 9 8 5 年，日本开始实施“水综合再生利用系统9 0 年代计划”，将m b r 在污水处理 方面的研究和应用大大推进了一岁2 9 】- 3 0 1 。在该项计划中，日本对厌氧膜生物反 应器作了较系统的研究，研制了造纸厂废水、酒精发酵废水、城市污水、蛋白工 厂废水、淀粉厂废水、屎尿废水等7 类污水的膜生物反应器处理系统。许多研究 证明了膜生物反应器能获得良好的出水水质。目前在日本运行( 包括在建) 的 m b r 占全球的6 6 。法国、德国、美国等对m b r 的研究也投入了很大力量， 使得m b r 的研究内容更加深入和全面，为以后的广泛推广应用奠定了基础。 这期间的研究重点，主要集中在m b r 的运行稳定性和处理效果方面。许多 研究都证实了m b r 能够获得优良的出水水质。该时期所研究的m b r 主要是分 离式，称为第一代m b r 。第一代m b r 的膜组件主要为管式膜和平板膜，采用 错流式膜组件，循环水量大，能耗高。随着深入研究能耗问题，出现了第二代新 型的一体式m b r 。同本东京大学将中空纤维膜组件放入活性污泥反应器内进行 了实验，结果表明该系统的有机负荷可达3 4 k g c o d ( m 3 d ) ，c o d 去除率在9 5 以上【3 。一体式m b r 多采用间歇抽吸方式运行，运行负压在2 0 5 0 k p a 之间， 因此系统能耗很低，仅为一般分置式能好的十分之一到二十分之一3 2 j 。随后许 多学者对一体式m b r 进行了广泛的研究。 进入九十年代中后期，膜生物反应器的到了快速的发展，该技术在国外进入 大规模实际应用阶段。国际上对膜生物反应器在饮用水处理、生活污水处理、工 业废水处理方面进行了大量地研究，对膜生物反应器特性、机理、操作条件及膜 通量的影响因素等方面也进行了大量的研究，膜生物反应器己进入实际应用阶 段，并得到了快速的推广。 目前国际上主要有四家大公司生产和经营膜生物反应器，它们分别是日本 k u b o t a 公司同本的m i t s u b i s h ir a v o n 公司，加拿大的z e n o n 公司和法国的 s u e z l d e l d i 公司【3 3 。日本的k u b o t a 公司所生产的板式膜具有工艺简单、耐污 染和流通量大特点。此板式膜直接放入混合液中，利用混合液的水头压力作为穿 透压，将处理水排出系统，系统出水稳定。加拿大的z n e o n 公司首先推出了超滤 管式膜生物反应器，并将其应用于城市污水处理。为了节约能耗，它又开发了淹 没式中空纤维膜丝的膜组件，此膜组件可以单独设立分离池，也可以直接放入曝 东华人学硕士学位论文 新型尼龙纺织布生物反应器t 芝：的探究 气池，采用正压压滤和负压抽滤相结合的方式，并采用在线过滤液脉冲反冲洗方 式，以减少膜污染。目前这种膜生物反应器已应用于美国、德国、法国和埃及等 十多个地方，规模从3 8 0m 3 d 至7 6 0 0m 3 d i j 引。 1 2 3 2 膜生物反应器在国内的研究和应用现状 我国对m b r 的研究起步较晚，大规模研究始于9 0 年代末期，已取得了很大 进展。我国对生物反应器的研究首先从分离式膜生物反应器开始。樊耀波将膜生 物反应器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膜 生物反应器，该系统对石油化工污水中b o d 、c o d 、s s 、浊度、石油类的去除 率分别为9 6 9 9 、7 8 9 8 、7 4 一9 9 、9 8 1 0 0 、8 7 恻。华东理工大学 环境工程研究所的林哲等人进行了膜生物反应器处理人工合成污水和制药废水 的可行性研究【3 6 】。管运涛进行了两相厌氧膜生物反应器工艺处理有机废水的研 究，系统对c o d 的去除率达9 5 ，s s 的去除率为9 2 以上，气化率8 0 9 0 酸化率6 0 8 0 左右 3 7 】。清华大学钱易等人采用进口板式、中空纤维式有机膜 生物反应器进行了生活污水处理的实验室试验【3 引，并进行了采用陶瓷膜生物反 应器工艺处理生活污水的试验研究。大连理工大学杨风林等应用膜生物反应器工 艺进行宾馆污水的再生回用工程。结果表明，采用膜生物反应器处理宾馆( 大连 香格里拉大饭店) 洗浴污水，工程稳定运行三年以上，出水水质达到了生活杂 用水水质标准( c j t 4 8 1 9 9 9 ) p 圳。顾平等采用国产中空纤维膜对生活污水作了 中试规模的膜生物反应器研究。结果表明，m b r 工艺出水悬浮物为零，细菌总 数优于饮用水标准，c o d 和n h 4 + n 去除率都高于9 5 ，出水可直接回用【4 0 1 。 这些研究结果表明：膜生物反应器对水的c o d ，s s ，n h 4 + n ，浊度等达到良好 的去效果。 目前在我国，膜生物反应器已有在生活污水回用、大楼废水、医院废水处理 等方面的工程实例。上海荏原公司研究开发的系统成功地应用于数十个行业的高 浓度有机废水处理，规模从5 m 3 d 至7 0 0 m 3 d 不等。大连理工大学应用膜生物反 应器工艺进行宾馆污水的再生回用工程，2 0 0 0 年就已在大连投入运行；又将膜 生物反应器工艺应用于辣根生产工业废水的处理，2 0 0 4 年也已投入运行。天津 德人公司开发了重力淹没式膜生物反应器，并与2 0 0 0 年应用于天津普辰大厦的 中水回用系统。国产的专用于膜生物反应器的膜材料、膜组件还十分有限，膜的 性能质量还有待提高，国内总体上实际工程数量还相对较少，需要加快研究和开 发，以加快我国膜生物反应器技术的应用与发展。 1 2 4 膜生物反应器在应用中存在的问题 膜生物反应器是提高污水生化效率与出水水质的有效手段，并以其独特的优 势，在水资源同趋短缺、水污染必需控制与治理、环境意识不断增强的情况下蕴 东华人学坝：i j 学位论文 新型尼龙纺织布生物反应器工艺的探究 藏着巨大生机。但是膜生物反应器也并非完美无缺，在实际应用中也暴露出了一 些尚需改进的问题。 ( 1 ) 建设费用和运行费用高。m b r 工艺应用中的不足之处突出表现为膜组 件的费用较高。有关研究资料表明，处理1 0 m 3 d 的城市污水，国产膜组件的购 置费占总投资的4 4 2 1 ，进口膜组件的购置费占总投资的5 7 一6 6 。在运行 费用中，国产膜组件的更换费用占总运行费用的2 0 5 2 ，进口膜组件的更换 费用占总运行费用的2 0 一5 8 【4 l 】【4 2 】。因此，优化m b r 膜组件结构，降低膜组 件造价，提高膜组件使用寿命是促进m b r 发展和应用的一个重要因素。 ( 2 ) 能耗高。能耗是污水处理工艺的一个重要的评价指标，直接关系到处理 方法的可行性。有资料表明，目前常规的分体式m b r 的能耗为3 4 k w b m 3 ，一 体式m b r 能耗为2k w l l m 3 ，远高于传统活性污泥法的o 3 0 4k w b ，m 3 【4 3 】- 【4 4 1 ， 较高的运行费用是m b r 推广应用中遇到主要问题之一。许多研究结果表明：能 耗是造成m b r 运行费用高的主要原因。 ( 2 ) 膜污染。膜污染是影响m b r 推广应用的主要