（环境工程专业论文）新型复合式膜生物反应器处理生活污水试验研究.pdf

摘要 水资源短缺和水环境污染不仅制约了我国经济和社会的发展，而且危害了 人民的健康，影响了社会的和谐与稳定。城市污水的处理与回用己成为世界各 国解决水问题的必选策略。研究低耗高效的城市污水处理与回用技术具有重要 的现实意义。 本课题自主开发了一种新型复合式膜生物反应器( h m b r ) ，它由间歇式生 物反应器单元( s b r ) 和膜组件单元组成，利用混合液水头压力驱动出水，有 效节省膜出水能耗，降低了膜生物反应器系统的运行费用；同时该系统结构简 单，无需污泥回流设备，运行模式灵活，出水水质优良，达到城市中水回用标 准，必将促进膜生物反应器技术在我国城市污水处理与回用领域的应用。 本试验装置典型运行工艺为：污水首先经过s b r 的处理，其上清液进入膜 组件中，经膜过滤后得到最终出水。s b r 运行模式为：瞬时进水，厌氧搅拌5h ， 好氧曝气5h ，静置沉淀1h ，( 进) 出水1h ，出水时对膜组件鼓气。试验装置运 行期间除取样外没有排泥，一个运行周期的处理水量为总有效容积的5 0 。 本装置处理生活污水的试验结果表明：新型复合式膜生物反应器( h m b r ) 抗冲击负荷能力强，处理出水达到了城市杂用水再生水水质标准f 冲厕) ( g b t 1 8 9 2 0 2 0 0 2 ) 的要求。进水c o d 、n i - h + - n 、t n , i t p 分别为8 3 2 4 9 7 6 m g l 、 7 7 2 2 5m g l 、1 2 ，5 2 9 9m g l 和1 2 3 - 3 2 8m g l 时，其去除率平均分别为9 6 、 9 6 6 、5 4 4 和9 6 9 。 在装置稳定运行期间，保持了较高的膜通量2 6 7 3 3 4l m z h ( 平均为3 0 3 l m 2 h ) ，远远高于现有的一体式和分体式同类m b r ，进步表明新工艺可以有 效控制膜污染。膜清洗试验表明：膜污染物以无机盐为主，且酸洗效果优于碱 洗。 装置运行期间的微生物相分析结果表明：由于泥龄差异，混合液中原、后 生动物的数量明显比同期传统s b r 工艺的多，但是生物种类差异不大。h m b r 中的污泥颜色较深，结构较松散，而传统s b r 工艺则相反。 新工艺技术经济分析表明：新型复合式膜生物反应器装置能够有效降低污 水处理的投资和运行费用，具有明显的竞争优势。随着膜材料的改进，其运行 费用还可进一步降低，可望在分散式处理系统建设中得到大量应用。 关键词：复合式膜生物反应器，污水处理，膜污染，微生物相，技术经济分析 a b s t r a c t 1 1 1 el a c ko fw a t e rr e s o u r s ea n dt h ec o n t a m i n a t i o no fw a t e rn o to n l yr e s t r i c tt h e d e v e l o p m e n to fc h i n e s ee c o n o m ya n ds o c i e t y , b u ta l s od oh a r mt ot h eh e a l t ho f p e o p l ea n da f f e c tt h eh a r m o n ya n ds t a b i l i z a t i o no fs o c i e t y t h eo n l ym e t h o do f s o l v i n gw a t e rq u e s t i o nf o re v e r yc o u n t r yi sd i s p o s i n ga n dc i r c u l a t i n gt h es e w a g e i t h a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et or e s e a r c hn e wt e c h n i q u ef o rd i s p o s i n ga n dc i r c u l a t i n g s e w a g ew i 也l o wc o s ta n dh i g he f f i c i e n c y an e wh y b r i dm e m b r a n eb i o r e a e t o r ( h m b r ) w a s d e s i g n e di nt h i sr e s e a r c h i t c o n s i s t so fs b ra n dm e m b r a n eu n i t t h em i x t u r ei ns b rf l o w si n t ot h em e m b r a n e u n i tu n d e rg r a v i t yp r e s s u r e t h i sm a n n e rc a ns a v ep o w e ra n dr e d u c et h eo p e r a t i o n c o s t s h m b rh a sb r i e fc o m p o s i t i o n ，n os l u d g er e t u r ne q u i p m e n t ，r u n n i n gm o d ea n d h i g he f f l u e n tq u a l i t y h m b rw i l lp r o m o t et h ea p p l i c a t i o no fm b rt e c h n o l o g yi n s e w a g et r e a t m e n tf i e l d t h eo p e r a t i o nm o d e0 fh m b rw a sa sf o l l o w s ：f i r s t w a s t e w a t e rf l o w e di n t ot h e s b r t h e n ，a f t e rt h ed i s p o s a lo fs b r ，t h ee f f u e n to fs b ra st h ei n f l u e n to f m e m b r a n eu n i tf o w e di n t ot h em e m b r a n eu n i tu n d e rg r a v i t yp r e s s u r e f i n a l l y , t h e l i q u i d f i l t r a t e dt h r o u g ht h eh o l l o wf i b e rm e m b r a n e s b r o p e r a t i o nm o d ei s ： i n s t a n t a n e o u si n f i u e n t ，5 h a n a e r o b i c ，5 h - a e r o b i c ，l h - s e t t l i n g ，a n d l h - d r a w i n g - o u t t h em e m b r a n eu n i tw a sa e r a t e dw h e nd r a wo u t t h el a b - s c a l ee q u i p m e n tw a s o p e r a t e ds t a b l yw i t hn oe x c e s sw a s t es l u d g ed i s c h a r g e d t h eq u a n t i t yo fd i s p o s a li n o n ec i r c u l a t i o ni s5 0 o f w h o l er e a c t o r t h en e wh m b r p r o c e s sw a st e s t e df o rd o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n t r e s u l t s s h o w e dt h a tt h ee f f l u e n tq u a l i t yw a se x c e l l e n t ，a n dc a m eu pt ot h ew a t e rq u a l i t y s t a n d a r do fg b t 18 9 2 0 - 2 0 0 2 ，c h i n a a si n f l u e n tc o d ，n h 4 + n ，t p , a n dt nw e r e 8 3 2 4 9 7 6m g l ，7 7 2 2 5 m g l ，1 2 5 2 9 9m g l ，a n d 1 2 3 - 3 2 8m 叽， r e s p e c t i v e l y , t h ea v e r a g e dr e m o v a le f f i c i e n c i e sw e r e9 6 ，9 6 6 ，5 4 4 ，a n d9 6 9 ， r e s p e c t i v e l y t h et e s td e v i c eh a sa r e l a t i v e l yh i g hf l u xi n2 6 7 - 3 3 4l m z hi ns t a b l eo p e r a t i o n ( a v e r a g e3 0 3l m z h ) ，f a rh i g h e rt h a nt h ei n t e g r a t e do rs e p e r a t e dm b r m e m b r a n e f o u l i n gh a sb e e nc o n t r o l l e de f f e c t i v e l y r e s u l t so ft h ec l e a n i n ge x p e r i m e n t ss h o w e d t h a tt h ep o l l u t a n t sa r em a i n l yi n o r g a n i cp o l l u t a n t sa n dw o u l db eb e t t e rw a s h e db y a c i dt h a nn a o hs o l u t i o n m i c r o b i a le x a m i n a t i o ns h o w st h a tp r o t o z o a na n dm e t a z o a ni nh m b rw e r e i i o b v i o u s l ym o r et h a nt h a ti no r d i n a r ys b r b e c a u s eo fd i f f e r e n ts l u d g ea g e ，b u tb o t h r e a c t o r sh a v et h es a m i l i o u ss p e c i e s t h es l u d g eo fh m b ri sd a r ki nc o l o ra n ds r n a l l s i z ei ns t r u c t u r et h a i lt h a to fs b r t h ec o s ta n a l y s i ss h o w e dt h a tt h i sn e wh m b rp r o c e s sh a ss o m e w h a t c o m p e t i t i v ea d v a n t a g e sf o rw a s t e r w a t e rt r e a t m e n ti np r a c t i c eb e c a u s ei tc a nd e c r e a s e t h ec a p i t a la n do p e r a t i o nc o s t s w i t ht h ei m p r o v e m e n to fm e m b r a n em a t e r i a l t h e o p e r a t i o nc o s t sw i l lb ef u r t h e rr e d u c e d t h en e wh m b rp r o c e s sf o rw a s t e w a t e r t r e a t m e n tw i l la c h i e v eap r o m i s ef u t u r e k e yw o r d s ：h y b r i dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( h m b r ) ；w a s t e w a t e rt r e a t m e n t m e m b r a n ef o u l i n g ：m i c r o o r g a n i s m ：e c o n o m i c a la n a l y s i s 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，论文中不包括其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得武汉理工大学或其他教育 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：弛日期：迎厶! 兰! 生 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：牲导师签_ 酗 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 我国水资源和水污染现状 我国水环境当前存在的最主要问题是水资源短缺和水污染严重。 我国水资源总量2 8 万亿m 3 ，居世界第4 位，占世界水资源总量的7 。但 我国人均水资源量仅2 3 0 0m 3 ，只有世界平均水平的1 4 ，属于水资源紧缺的国 家。若扣除难以利用的洪水径流和散布在偏远地区的地下水资源后，现实可利 用的淡水资源量更少，仅为1 1 万亿m 3 左右，人均可利用水资源量约为9 0 0m 3 ， 并且其分布极不均衡。据统计，全国6 6 9 个城市中，4 0 0 个城市常年供水不足， 其中有1 1 0 个城市严重缺水，日缺水量达1 6 0 0 万m 3 ，年缺水量6 0 亿m 3 。由于 缺水，每年影响工业产值2 0 0 0 多亿元【i 】。 与此同时，我国水污染形势也越来越严峻，水环境恶化和水质污染也到了 极为严重的程度。主要污染物排放总量处于较高水平，许多水域水质在下降。 据有关部门监测，多数城市地下水都受到一定程度的点状和面状污染，且有逐 年加重的趋势。日趋严重的水污染，不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧 了水资源短缺的矛盾，使缺水形势更为严峻，对我国正在实施的可持续发展战 略带来了严重的负面影响，而且还严重地威胁到城市居民的饮水安全和人民群 众的健康。 根据全国1 1 8 座大城市浅层地下水的调查，9 7 5 的城市受到不同程度的污 染，其中4 0 的城市受到重度污染1 2 。2 0 0 1 年全国七大江河水系7 5 2 个监测断 面中，仅2 9 5 的断面满足三类以上水质标准，劣五类水质占4 4 0 ，辽河、海 河、淮河污染严重，主要超标污染物为高锰酸盐指数和氨氮。全国7 5 的湖泊 出现不同程度的富营养化，尤以巢湖、滇池、太湖为重。近岸海域以二类和超 四类海水为主，主要超标污染物为氮和磷，赤潮发生次数和面积明显增加1 3 l 。 富营养化是我国水体污染严重的重要原因之一，它危害极大，不仅在经济上造 成损失，而且危害人类健康，主要表现在以下几个方面：( 1 ) 使水体衰老，严 重的使湖泊变成沼泽地；( 2 ) 由于过度繁殖的藻类的死亡使水味变得腥臭难闻； ( 3 ) 降低水体透明度，蚊虫大量滋生；( 4 ) 消耗水体中的溶解氧；( 5 ) 向水体 释放有毒物质：( 6 ) 影响供水水质并增加制水成本；( 7 ) 影响渔业生产。氮、 磷是引起水体富营养化的主要因素。国家环保局在污水排放标准中制定了严格 的n 、p 排放最高允许浓度，而生活污水中n 、p 的平均浓度均高于排放标准， 因此，对生活污水进行脱氮除磷处理是非常必要的。 综上所述，水资源短缺和水环境污染不仅制约了我国经济和社会的发展， 武汉理工大学硕士学位论文 而且危害了人民的健康，影响了社会的稳定。水的再生与回用是环境保护、水 污染防治的主要途径，是社会和经济可持续发展战略的重要环节，已经成为世 界各国解决水问题的必选策略。将大部分的废水经过再生处理后回用，一方面 可以缓解水资源短缺的局面，高效地利用有限的淡水资源，同时又减少了排放 至自然水体的污染物总量，具有多方面的功效 4 1 。 1 2 污水生物处理工艺研究现状 污水生物处理技术的研究与应用已有一百多年的历史 5 1 ，目前已经成为含 有机污染物污水处理的主导技术，主要可分为活性污泥法和生物膜法。随着社 会的发展，早期单纯去除废水中有机物和悬浮物的污水处理工艺已不能满足人 们对环境质量和水体富营养化日趋严重等的需要，这就要求现代污水处理工艺 具有能同时去除氮、磷这类污染物的功能。 间歇式活性污泥法( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ，简称s b r ) 是一种不同于传统 活性污泥法的废水处理工艺。s b r 工艺是一种结构形式简单、运行方式灵活多 变、空间上完全混合、时间上理想推流的污水生物处理方法。它的运行工况是 以间歇操作为主要特征。一个运行周期按次序分为五个阶段：进水、反应、沉 淀、排水和闲置阶段。根据不同的处理要求，对各段采用不同的运行方式，可 以达到脱氮、除磷、抑制污泥膨胀等复杂的工艺要求。 s b r 工艺之所以能够日益受到重视，并广泛应用，是由于其运行方式的特 殊性，使其具有一系列连续流系统无法比拟的优点 6 7 1 ： 1 1 工艺流程简单、基建与运行费用低 2 ) 生化反应推断力大、速率快、效率高 3 ) 有效防止污泥膨胀 4 ) 操作灵活多样 5 1 耐冲击负荷能力强 国沉淀效果好 目前，随着社会经济的发展，人们对污水处理工艺技术上的可行性与稳定 性提出越来越高的标准，对出水水质的要求越来越严格。污水处理工艺不仅需 要达到较高的处理效果，还必须同时具备经济上的可行性。在此背景下，各种 新型高效的废水生物处理工艺应运而生，其中最为突出的是膜生物反应器技术。 该技术完全没有污泥流失，运行不受污泥膨胀的影响，操作管理方便，占地面 积少，大大简化了工艺流程，弥补了常规处理的不足，作为一种新型高效污水 生物处理工艺在国内外受到广泛的关注，应用前景十分广阔【5 1 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 膜生物反应器简介 膜生物反应器( m b r ) 是一种将污水的生物处理和膜过滤技术相结合的高 效废水生物处理工艺。它把膜分离技术和生物技术结合起来，采用膜组件取代 常规二级生化处理工艺中二沉池、砂滤、消毒等单元，用超( 微) 滤膜对曝气池出 水直接进行过滤1 5 j 。高效膜分离技术和传统活性污泥法的结合，几乎能将所有 的微生物截留在生物反应器中，这使反应器中的生物污泥浓度提高，理论上污 泥泥龄可以无限长，使出水的有机污染物含量降到最低，能有效地去除氨氮， 对难降解的工业废水也非常有效，与传统生物处理工艺相比具有出水水质好， 占地面积少，设备集中，模块化，并且具有升级改造的潜力，是一项很有发展 前景的工艺1 5 j 。2 0 世纪8 0 年代以来，该技术已成为研究的热点之一。m b r 在 我国的研究始于1 9 9 3 年，研究者对各式膜生物反应器与传统生物处理工艺在城 市污水处理方面进行的比较表明：各种m b r 的出水水质均优于传统生物处理工 艺。m b r 具有污染物去除效率高，处理出水水质好，污泥产率低，易于实现自 动控制和操作管理方便等优点，因此在城市污水和工业废水处理与回用等方面 具有很好的应用发展前景。 1 3 1 膜生物反应器的分类 从整体结构上看，膜生物反应器主要由膜组件、生物反应器和泵三部分组 成，其中生物反应器是污染物降解的主要场所，膜组件相当于生物处理系统中 的二沉池，起固液分离的作用，泵是系统出水的动力来源【】。 膜生物反应器分为三类【m 1 1 】：膜分离生物反应器( m e m b r a n es e p a r a t i o n b i o r e a c t o r ) ，主要用于固体的截留与分离；膜曝气生物反应器( 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 ) ，主要用于高浓度有机废水的处理；萃取膜生物反应器( e x t r a c t i v e m e m b r a n eb i o r e a c t o r ) ，一般用于处理工业废水中的优先污染物。其中以膜分离 生物反应器的应用最为广泛。 其中，膜分离生物反应器是应用最广泛的一种膜生物反应器类型，它是把 悬浮生长反应器和膜过滤装置结合到一个单元工艺中。按照膜组件的放置方式 可分为外置式( 分体式) 和浸没式( 一体式) 膜生物反应器( 如图1 1 所示) ；按照 是否需氧可分为好氧和厌氧膜生物反应器。 在分体式m b r 中，膜完全独立于反应器，迸水进入含有微生物的生物反应 器之中，混合液被泵送入环路中的膜单元，透过液被排走，截流液又回到反应 池中，限制膜操作的膜驱动压力( t m p ) 和错流速率均由泵产生。其特点是膜组件 自成体系，运行稳定可靠，膜通量较大，有易于清洗、更换及增设等优点。但 武汉理工大学硕士学位论文 泵的高速旋转产生的剪切力对某些微生物细菌体会产生失活现象，而且般条 件下为减少污染物在膜表面的沉积，由循环泵提供的水流流速都很高，为此动 力消耗较大。 一体式m b r 中，膜组件直接浸泡于反应器中，反应器下方有曝气装置，将 空压机送来的空气形成上浮的微气泡，在曝气的同时，又使膜表面产生一剪切 应力，利于膜表面除污，透过在抽吸泵的负压下流出膜组件。其特点是不使用 循环泵，可避免微生物受到剪切力而失活。其最大的特点是运行费用低，但是 膜通量相对较低，易发生膜污染。通常膜部分的拆洗、清洗较困难，不过中空 纤维式膜组件由于体积较小，组装灵活，可分组设置成若干框架结构，便于从 曝气池中拿出，克服了不易拆装的缺点。 生物反应墨 分体式m b r 出求 生物反鹰嚣 一体式m b r 图1 - 1 膜组件的放置方式 出永 好氧m b r 一般用于城市和工业废水的处理，好氧m b r 用于城市污水处理 通常为了使处理出水达到回用的目的，而用于工业废水的处理主要为了去除一 些特别的污染物，如油脂类污染物。当好氧m b r 处理城市污水时，曝气所需的 能耗通常分别占外置式和一体式m b r 总能耗的2 0 5 0 和8 0 - q 0 0 。 将膜分离技术与厌氧生物反应器相结合，产生了一种更高效、低能耗、易 控制与启动的新型厌氧生物处理技术厌氧膜生物反应器。传统的厌氧生物 处理技术希望维持较高的污泥浓度、较短的水力停留时间和较长的污泥停留时 间，以实现降低投资与运行费用的目的。而在厌氧膜生物反应器中，通过膜的 高效截留，不仅解决了厌氧污泥容易从生物反应器流失导致出水水质降低的问 题，同时膜分离的作用还体现在对厌氧反应器的构造与处理效果的强化方面。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 膜生物反应器的优缺点 1 3 2 1 膜生物反应器的优点 膜组件和生物反应器结合后，由于下列因素使分离m b r 具有许多的优点： 膜能将活性污泥完全截留在反应器内，因此污泥浓度很高，反应速率大大提高， 系统的耐冲击力增强，还使污泥的产生量减少。实现了s r t 和h r t 的分别控制， 这有利于其自动化控制和提高了污染物停留时间，且一些难降解的大分子颗粒 状成分和活性大分子化合物也被膜截留下来，增加了世代时间较长的细菌，如 硝化菌和亚硝化菌等的生长时间，因此m b r 脱氮除磷效果比传统活性污泥法大 为增强。 与传统生物处理工艺相比，m b r 具有以下优点 1 2 1 ； 1 ) 高效地进行固液分离，出水水质良好，可以直接回用； 2 ) 完全截留微生物，实现水力停留时间和污泥龄的完全分离； 3 ) 有利于生长缓慢的硝化菌的截留与生长，提高了系统的硝化效率，增加 了难生物降解有机物的水力停留时间，有效地将分解难生物降解的有机 微生物滞留在生物反应器内，有利于难降解有机物的去除； 4 ) m b r 综合了膜分离技术和生物处理技术的优点，可使出水悬浮物和浊 度接近于零； 5 ) 出水中细菌和病毒被大幅度去除，可以保持很高的污泥浓度； 6 ) 剩余污泥产生量少，污泥处置费用低； 7 ) 操作维护简单方便，易于实现自动控制管理。 1 3 2 2 膜生物反应器的不足 膜生物反应器虽然有许多传统工艺无法比拟的优点，但是在实际应用中也 存在一些不足之处，主要表现在以下几个方面【1 3 】： 1 ) 膜造价较高，使得膜生物反应器的基建投资较高 据使用厂家反映，国产反渗透膜的质量较差，使用初期效果尚可，经反冲 洗后脱盐效率明显下降，所以绝大多数厂家都选用进口反渗透膜。据统计，我 国每年要花费1 0 2 0 亿元以上的人民币进口美国反渗透膜材料和膜装备，其中膜 片和组件的进口额约为“亿人民币。 反渗透技术是膜分离技术领域中投资高、难度大的一项技术，我国在该领 域与国外的差距是综合性差距，即在技术、装备和原料方面均存在较大的差距， 因此要在短时间内通过提高国产化水平来降低膜造价是很困难的。 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 能耗是制约推广的主要因素 在用于处理污水的m b r 中通常都维持较高的m l s s ( g 1 2r a g l ) 浓度，这就 容易导致氧传递率的降低，从而使运行能耗变大。要维持较好的氧传递率和降 低能耗，应从以下两方面出发：一是合理选择曝气及混合装置，使混合液有较 高的紊动；二是调节运行参数，使生物保持良好的生长状态。 在固液分离或膜生物反应器的运行中，为了维持稳定的透水率，膜面流速 一般大于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。为了解 决这一难题，许多学者都在研究探索一些改良的m b r ，其中日本学者y a m a m o t o 等人开发的一体式m b r 对单位产水能耗有所降低。 3 ) 容易出现膜污染，给操作管理带来不便，加大了运行费用 膜污染问题是运行中的重大问题，同时也是国内外研究者面临的主要问题。 膜污染不但使m b r 无法正常运行，还使膜的使用寿命缩短，使m b r 的经济费 用加大。即便采取了一些措施，膜污染还是不同程度的客观存在。因此，必须 不断的及时的对膜进行物理和化学方法清洗处理。由于经常清洗，导致成本增 加，膜寿命减少。根本解决途径是研制开发耐污染的膜，尤其是耐生物污染的 膜，这是当今越来越受关注的课题之一，是膜技术的发展方向之一。 1 3 3 国内外膜生物反应器的应用现状 1 3 3 1 国外m b r 的应用现状 1 9 6 6 年，美国的d o r r o l i v e r 公司首先进行了m b r 用于废水处理的研究。1 9 6 9 年，s m i t h t l a 等将m b r 用于处理城市污水。2 0 世纪7 0 年代初期，m b r 的研究 主要停留在实验室阶段，厌氧m b r 处理生活污水的研究也在这个时期开始。进 入2 0 世纪8 0 年代，日本由于污水再生利用的需要而实施的“水综合再生利用系 统9 0 年代计划”使m b r 研究在污水处理对象与规模上又大大推进。1 9 8 9 年， 日本y a m a m o t o l l5 j 等首先开发了一体式m b r 。2 0 世纪9 0 年代初，m b r 开始应 用于废水的脱氮除磷及给水处理【1 4 1 。1 9 9 7 年，v i s v a n a t h a n i l 6 】等人最早报道了一 体式m b r 中采用空气反冲洗技术，开辟m b r 研究的一个新的领域一过滤曝 气两用型膜生物反应器。 进入2 l 世纪，膜生物反应器应用范围不断扩大，但其应用过程也出现了问 题，为此人们对m b r 进行了更全面和深入的研究。其中在膜污染的机理和膜污 染的防治方面的研究较多。2 0 0 2 年，l e ey o n g h u n 】等用数学模型来描述浸没式 膜生物反应器中微生物代谢产物对膜污染的影响，从实验中发现了有机负荷率 和泥龄是反应器内控制溶解性微生物代谢产物浓度的关键因素，溶解性微生物 6 武汉理工大学硕士学位论文 代谢产物与膜污染和出水水质密切相关，该模型的建立为优化系统操作条件提 供了依据；c h ob d 【l 司等通过研究发现m b r 在低的恒定流操作条件下，膜驱动 压力增加缓慢，还发现膜驱动压力有一次骤升，通过对膜丝解剖发现细菌胞外 聚合物是引起膜驱动压力最初和逐渐上升的原因，且细菌胞外聚合物在膜丝上 不同部位分配不均匀；h o n gs p 【1 9 】等研究了中空纤维膜生物反应器膜污染的控 制方法及影响膜污染的因素，结果表明，使用间歇抽吸操作可能在大规模处理 上不具有经济可行性。2 0 0 3 年，k a n gi n - j o o n g 2 0 等通过控制溶解氧的浓度来考 察膜复合式生物反应器中微滤膜的过滤特性，发现高浓度溶解氧使膜驱动压力 增加缓慢，膜污染相对较轻；b a et a e h y u n 2 h 等研究了膜复合式生物反应器在 牛奶工业废水处理中的应用，发现恒流操作和间歇抽吸方法适应该系统，长期 操作可达1 1 0d ，b o d 的去除率达9 7 - - 9 8 ，并且出水水质稳定，膜分离出水 悬浮物几乎为零。氮主要作为营养被新细胞合成而消耗，去除率达到9 6 ，因 为生物学过程的限制，磷去除相对较低。2 0 0 4 年，s o f i a a 2 2 1 等研究了化学和机 械清洗、空气清洗对一体式膜生物反应器系统膜通量的恢复情况，发现与机械 清洗相比，化学清洗能保持系统更长的运行时间，均匀分布好空气气泡可能减 缓过滤阻力的提高。在临界曝气强度下用空气清洗，不需要化学制剂或机械清 洗，能使膜操作延长到8 个月；s i n d h u j as 2 3 等用细菌和酵母菌取代活性污泥分 别研究了m b r 的性能。实验使用2 座5l 反应器，浸入中空纤维膜，其中一座 反应器内培养细菌，另一座反应器内培养酵母菌。两反应器的性能就c o d 的去 除而言差别不大，但就b o d 5 而言，培养酵母菌的反应器显示了更好的去除率， 并且，培养酵母菌的反应器膜过滤阻力较低，维持操作时间更长，其原因可能 是酵母的细胞结构降低了细菌胞外聚合物的产生。此外，学者们还研究了p h 值、 温度、大分子吸附、水力停留时间等对膜污染的影响i 。 膜生物反应器在国外的研究和应用发展很快，从2 0 世纪9 0 年代中后期， 膜生物反应器在国外就已经进入了实际应用阶段，无论是应用范围还是处理规 模都不断增大，其中绝大部分是好氧膜生物反应器。好氧m b r 工艺已经成功应 用于；化妆品、医药、金属制造、纺织、屠宰场、食品，饮料，造纸，垃圾填 埋场渗滤液等领域的污水处理。m b r 在日本的商业应用发展很快，世界上约有 6 6 的工程在日本，其余的主要在北美和欧洲。据统计，至2 0 0 2 年，日本已有 3 0 0 余座m b r 处理系统用于小区污水回用，1 5 0 余座用于工业废水的处理。此 外，荷兰、英国、美国、德国、加拿大、瑞士等国也有多家大规模的m b r 污水 处理厂运行稳定且处理效果良好】。表l - 1 1 2 刨列出了国外膜生物反应器在水处 理中的应用研究情况。 7 武汉理工大学硕士学位论文 表1 1国外膜生物反应器在水处理中的应用研究 研究学者年份应用 s m i t h h a r d t s h e l f g r e t h l e i n y a m a m a t o w o n g y a m a m a t o s a t o t o n e l l i k o l e g a c h a i z e c h i e m c h a i s r i y i l i c h i h o g e t s u k i a t p i l l a y k r a u t h s c o t t r o n a l d h i d e k i 1 9 6 9 用超滤膜代替二沉池，将活性污泥法和超滤结合处理城市 污水。 1 9 7 0 超滤与活性污泥法结合处理c o d 为2 3 0 0 0 m g l 的高浓度 废水。 1 9 7 2 研究了厌氧型膜生物反应器。 1 9 7 8 利用厌氧消化池结合膜系统处理生活污水。 1 9 8 9 研究了将中空纤维膜直接浸于曝气池内的一体式膜生物反 应器，证明了采用间歇抽滤和低压操作，可在很大程度上 防止不可恢复的膜堵塞，并使能耗迸一步降低。 1 9 9 0 研究了将中空纤维膜的物理排列与堵塞的程度关系。 1 9 9 1 进行了s b r 工艺与中空纤维超滤膜组件构成的膜生物反 应器处理制革废水的研究。 1 9 9 l 研究了膜通量与活性污泥浓度、溶解性c o d 、污泥粘度的 动力学关系。 1 9 9 1 研制了处理汽车制造厂含油污水的膜生物反应器系统。 1 9 9 1 研究了中空纤维微滤系统去除细菌和病毒的能力。 1 9 9 1 用完全混合生物反应器和板框式膜组件系统处理生活污 水，研究了污泥产量、稳态下悬浮固体浓度、s r t 和h r t 对膜生物反应器的影响等。 1 9 9 1 研究了在中空纤维膜下部装射流曝气装置以增加膜通量的 膜生物反应器。 1 9 9 2 进行了活性污泥加微滤膜生物反应器脱氮的研究。 1 9 9 2 进行了固定床厌氧消化器与管式中空纤维膜组件结合处理 羊毛清洗废水的研究。 1 9 9 2 进一步研究了中空纤维膜的纤维间污泥积累机制及其最佳 设计密度。 1 9 9 2 对微滤系统凝胶层形成过程、影响因素、条件控制及模型 预测进行了研究。 1 9 9 3 考察了加压活性污泥法与超滤膜构成膜生物反应器。 1 9 9 4 进行了消除膜污染方法的研究。 1 9 9 4 研究了膜生物反应器处理含大量油脂及重金属的废水。 1 9 9 4 对厌氧消化器与板框型超滤组件组合处理高浓度有机颗粒 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 3 2 国内m b r 的应用现状 我国对m b r 的研究工作起始于2 0 世纪9 0 年代。中国科学院生态环境研究 中心、清华大学、同济大学等研究机构在膜生物反应器废水处理领域的研究中 取得了丰硕成果，如对m b r 处理人工合成污水和制药废水的可行性研究，m b r 用于石油化工废水的净化研究，膜的最佳反冲洗周期的研究，厕所污水的再生 回用，分离式m b r 处理生活污水的研究，一体式膜生物反应器用于中水处理的 经济效益分析等等【2 7 2 8 1 。 我国对m b r 的研究仅十余年，但发展十分迅速。近几年来，我国学者对膜 生物反应器的研究力度明显加大，主要针对一体浸没式膜生物反应器，且膜组 件多用中空纤维膜。研究内容主要包括：膜生物反应器运行参数的确定：出水 方式、溶解氧、泥龄、膜通量等对膜污染的影响及膜清洗方式；不同组合工艺 对污染物去除效果的影响；复合式膜生物反应器去除氨氮废水的研究；用纯化 后的硝化细菌代替传统活性污泥考察对生活污水中氨氮去除效果；膜本身对污 染物的强化作用；膜生物反应器中微型动物变化与活性污泥状态相关性；过滤 曝气两用型膜生物反应器试验研究；给水处理的膜污染特征及清洗研究等等 2 9 3 1 。 1 3 4 膜生物反应器的处理效果 在好氧膜生物反应器处理生活污水方面，1 9 8 9 年，y a m a m o t o 在他的一体式 m b r 小试试验研究中，在体积负荷为1 5k g c o d m 3 的条件下，| 为4h ，系 统稳定运行1 2 0d ，c o d 去除滤高达9 5 ，6 0 的t n 通过间歇曝气去除。 9 武汉理工大学硕士学位论文 c h i e m c h a i s d 等人进行同类型m b r 中试规模的研究1 3 2 1 ，出水c o d 在1 7 2 lm g l ； 出水t n 平均为4 9m g l ，t n 去除率在8 0 以上u c d a 用m b r 处理乡村生活污水 1 3 3 ，h r t 为1 3 1 6 d , 时，b o d 负荷0 1 6 0 3 7 k g m 3 d ，b o d 污泥负荷0 0 1 5 0 0 4 6 k g k g 。d ，当进水b o d 5 为1 3 3 士5 8m g l 、t n 为3 2 士1 9m g l 、t p 为3 8 + 3 0m g l 时， 三者的去除率分别为9 9 、8 3 、7 0 。9 0 年代初，美国在o h i o 建造了一套用于 处理某汽车制造厂的工业废水的m b r 系统，处理规模为1 5 1m 3 d ，该系统的有 机负荷达6 3k g c o d m 3 d ，c o d 去除率为9 4 ，绝大部分的油与油脂被降解【3 4 1 。 吴志超等曾采用分置式好氧膜生物反应器研究了对巴西基酸产生废水的处理效 果，并和常规生物工艺进行了对比【3 5 】，结果表明，膜生物反应器有着产泥量少， 污泥活性好，能有效提高难降解有机物的去除效率等优点。韩怀芬等人采用管 式膜生物反应器处理造纸废液，原水c o d 浓度为9 0 0 1 3 0 0m g l ，通过混凝沉 淀后进人反应器，出水可达一级排放标准m 】。同时，有学者研究了厌氧膜生物 反应器对工业废水的处理效果。例如何义亮等对高浓度食品废水进行处理【3 7 1 ， 结果表明，厌氧膜生物反应器能产生更多的挥发酸，系统产甲烷相的酸化水平 较高，有利于发挥产甲烷反应器的去除能力。 近年来也有学者将典型的膜生物反应器和a o 生物处理工艺结合起来以进 一步提高其处理难降解废水的能力，即在膜生物反应器前加一个厌氧斟，们， 利用厌氧酸化菌对难降解有机物进行酸化水解作用，提高废水的可生化性，为 好氧段的处理创造条件。据报道，该工艺用于处理毛染废水时比单纯好氧膜生 物反应器具有更高的脱色效率，出水色度 4 度1 3 8 。 在m b r 中，由于膜对硝化菌的截留作用，世代时间较长的硝化菌能够在h r t 较小的条件下生存富集，故大多数m b r 工艺对n h 4 + - n 的去除效果非常好，去除 率大于9 0 ，但由于厌氧环境不充分，对t n 的去除不理想，出水硝态氮含量较 高。 在m b r 中，由于较高的污泥浓度使氧传递速率减小，在好氧菌胶团内部存 在厌氧环境，有利于反硝化的进行。李红兵等在一体式好氧m b r 中发现随着污 泥浓度增加，t n 去除率呈上升趋势【4 1 l 。其实在很多m b r 工艺中都可观察到同步 硝化反硝化现象，但是，m b r 中的好氧反硝化脱氮效率有限，现在还未见有单 纯地应用同步硝化反硝化理论脱氮的m b r 工艺报道，但有不少学者对其影响因 素作了深入地研究。邹联沛等研究了m b r 中d o 对同步硝化反硝化的影响，得出 结论为d o 在lm g l 时，最高n h 4 + - n 和t n 的去除率为9 5 和9 2 。d a v i e s 等在一 体式m b r 的中试研究中指出，只要严格控制f ：m 比和p h 值，就可能达到较高的 氨氮去除率【4 2 1 。b e r t h o l d 和m u l l e r 都对m b r t 艺中污泥传氧系数进行了测定，得 出的数据虽不尽相同，但都得出随着m l s s 的增加，氧的传递效率明显减小的结 l o 武汉理工大学硕士学位论文 论 4 3 州j 。 m b r t 艺具有很长的污泥龄，故一般不适合采用生物法除磷，但也有成功的 例子。p e d r o a c 等人采用生物膜膜反应器处理含磷废水，在有机负荷率为1 5 9 m g l 1 c o d c m 2 d 的条件下，得到p 0 4 3 。的去除率达7 2 【4 5 1 。 1 3 5 膜生物反应器运行的影响因素 影响m b r 稳定运行的因素包括常规生物动力学参数( 如容积负荷、污泥浓 度、污泥负荷等) ，还包括膜分离的相关参数：膜的固有性质( 如膜材料、膜孔径、 荷电性等) ，滤液的性质，操作方式，反应器的水力条件等。其中生物动力学参 数主要影响m b r 的处理效果，膜分离参数主要影响m b r 的处理能力。 1 3 5 1 生物动力学参数 研究表明：好氧m b r 出水受容积负荷与水力停留时间( h r t ) 和污泥龄( s r t ) 的影响较小，而厌氧m b r 出水受冲击负荷与h r t 的影响较大。李红兵用m b r 处理生活污水，在水力停留时间为1 5h 5 8h ，c o d 容积负荷在高负荷f 5 7 6 k 烈m 3 d ) 】与稳态运行条件下【o 8 1k ( m 3 d ) 】处理效果基本相同，系统对c o d 去除率都达到9 0 以上。 生物反应器内，污泥浓度的高低与膜通量的大小是密切相关的。首先，有 研究表明：污泥粘度n 随着m l s s 的变化呈现良好的线性关系，而污泥粘度与 膜通量成反比关系，这说明膜通量会随着m l s s 浓度的增加而减小【4 6 】。其次， 随着m l s s 的增加，污泥更容易在膜表面沉积，加快了膜污染，导致过滤阻力 的增加，从而也会使膜通量降低。可见，m l s s 对膜通量的影响是复杂的，y m a g a r a 等人对不同m l s s 浓度下的膜通量进行研究表明，