（环境工程专业论文）智能型复合膜中水处理工艺技术的实验研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位沦文 摘要 目前，我国水资源短缺与水环境污染日益加重是水资源领域面临的重要问 题，污水处理后实现中水回用是目前缓解问题的主要方法。针对城市综合污水的 特点，本实验研究以膜生物反应器工艺为核心，在一体式好氧处理的基础上，结 合序批式的操作方式，进行了系统运行总体效能的研究，出水水质满足g b t 1 8 9 2 0 2 0 0 2 城市杂用水水质标准，且该工艺在实际中水回用工程中具有一定的 经济、社会及环境效益。 本实验在第一阶段采用中空纤维超滤膜，建立由p l c 智能控制的一体式好 氧膜生物反应器( m b r ) 系统，针对城市污水处理效果进行实验研究。结果表 明：系统出水稳定水质良好，抗负荷冲击能力强。在膜生物反应器中生物降解对 c o d 、氨氮和磷等污染物的去除起主要作用，而膜的截留作用对维持稳定的系 统出水也起到了重要作用。 第二阶段实验以序批式双反应器s b m b r 工艺系统为研究对象，对城市污水 的处理效果进行了实验研究结果表明：系统对c o d 、氨氮和磷等的去除良好， 最终膜出水水质满足生活杂用水回用标准；该系统工艺采用膜过滤取代序批式工 艺中的沉淀和排水阶段，简化了传统s b r 工艺，同时强化了脱氮除磷能力，试 验中反应器内混合液的污泥沉降性能及活性始终保持良好。 实验分析了水力反冲洗、超声波清洗。化学清洗、空曝气四种膜清洗方式对 减缓膜污染的影响，研究了膜污染的形成机理。实验结果表明：膜污染在系统运 行初期以膜孔的堵塞为主要污染，之后膜面沉积层的形成控制膜的过滤压差。水 力反洗、超声波间歇清洗和空曝气主要去除膜面沉积层的污染，化学清洗可消除 因膜孔堵塞引起的污染。 对m b r 系统处理城市污水的的成本进行分析和概算，探讨影响成本费用的 因素，结果表明系统不仅具有较好的经济效益，还具有一定的社会效益和环境效 益。 关键词：膜生物反应器( m b r ) ；序批式膜生物反应器( s b m b r ) ；膜污染；脱 氮除磷 a b s t r a c t w a t e rs h o r t a g ea n dw a t e rp o l l u t i o na r et h em a i np r o m b l e m sw ef a c i n gi nt h ea r e a o fg l o b a lw a t e rr e s o u r c e ，a l s ot h ec h a l l e n g e sw ef a c i n gi nt h ep r o c e s so fc h i n a sr a p i d e c o n o m i cg r o w t h s e w a g ew a t e rr e u s ei st h ei m p o r t a n tm e t h o dt oa l l e v i a t et h ew a t e r r e s o u r c es h o r t a g e f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fu r b a ns e w a g e ，t h i se x p e r i m e n t a ls t u d y w i t hm e m b r a n eb i o r e a c t o rt e c h n o l o g ya st h ec o r e ，c a r d e do u tt h ee x p e r i m e n to ft h e o p e r a t i o ne f f i c i e n c y , a n dt h ee f f l u e n tq u a l i t yc o u l dr e a c ht h er e q u i r e m e n to fr e u s eo f u r b a nr e c y c l i n gw a t e r - w a t e rq u a l i t ys t a n d a r df o ，u r b a nm i s c e l l a n e o u sw a t e r c o n s u m p t i o n ( g b t 18 9 2 0 - 2 0 0 2 ) ，h a v i n gs o c i a la n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t so fa c t u a l r e u s e dw a t e rp r o je c t a p i l o t - - s c a l ea e r o b i cm e m b r a n eb i o r e a c t o rw a so p e r a t e dt ot r e a tu r b a ns e w a g e a n dc o n t r o l l e da u t o m a t i c a l l yb yp l c ，t a k i n gt h eh o l l o wf i b e rm e m b r a n em o d u l e t h e r e s u l ti n d i c a t e dt h ee f f l u e n to b t a i n e dw a ss t a b l ea n de x c e l l e n t i nt h em e m b r a n e b i o r e a e t o rs l u d g e ，a c t i v es e w a g es l u d g ep l a y sam a j o r r o l ei nt h er e m o v a lo fc o da n d a m m o n i an i t r o g e n ，p h o s p h o r u s ，w h i l em e m b r a n es e p a r a t i o np l a y e da ni m p o r t a n tr o l e o nm a i n t a i n i n gt h es t a b i l i t yo fs y s t e me f f l u e n t s i m u l t a n e o u sp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a lp e r f o r m a n c ew a si n v e s t i g a t e d b yt a k i n gas e l f - d e s i g n e ds b m b i l a n dr e s e a r c h e do nt h es b m b rp r o c e s s st r e a t m e n t e f f e c to fu r b a ns e w a g e t h er e s u l t ss h o w e dt h et r a d i t i o n a ls b rw a ss i m p l i f i e db y r e p l a c i n g t h e s t a g e o fp r e c i p i t a t i o na n dd r a i n a g ew i t hm e m b r a n ef i l t r a t i o n ， s t r e n g t h e n i n gt h ec a p a c i t yo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r sr e m o v a l ，a n dt h eb l e n d i n gi nt h e r e a c t o rm a i n t a i n sf a v o r a b l es l u d g es e t t l ea b i l i t yt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t t h eo p e r a t i o n a lc o n d i t i o n so nt h em e m b r a n ef o u l i n gw e r ee x p e r i m e n t e da sw e l l a sw a t e rb a c k w a s h ，u l t r a s o n i cc l e a n i n g ，c h e m i c a lw a s h i n ga n dn e ta e r a t i o n ，a n dt h e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fm e m b r a n ef o u l i n gw a sr e s e a r c h e d t h er e s u l ts h o w e d ：t h e m e m b r a n ef o u l i n gi ni n i t i a lt i m em a i n l yc a u s e db ym e m b r a n ep o r ep l u g g i n g ，a n dt h e n s e d i m e n t a r yl a y e rg r a d u a l l yf o r m e da n dc o n t r o l l e dm e m b r a n ef i l t r a t i o np r e s s u r e w a t e rb a c k w a s h ，u l t r a s o n i cc l e a n i n ga n dn e ta e r a t i o nm a i n l yr e m o v et h em e m b r a n e i i s u r f a c es e d i m e n t a r yp o l l u t i o n ，w h i l ec h e m i c a lc l e a n i n gc a ne l i m i n a t et h ei n t e r n a l p o l l u t i o nd u e t om e m b r a n ep o r ep l u g g i n g t h ec o s to fm b rp r o c e s sf o ru r b a ns e w a g et r e a t m e n tw a sa n a l y s i s e da n d e s t i m a t e d a n dt h ef i a c t o r si n f l u e n c i n gc o s tw e r ed i s c u s s e d i ti si n d i c a t e dt h a tt h e r e c l a i m e dw a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g yo fm b rn o to n l yh a s t h eg o o de c o n o m i c e f f i c i e n c y , b u ta l s oh a ss o m es o c i a la n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t s k e y w o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) ； s e q u e n c i n gb a t c hm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( s b m b r ) ；m e m b r a n ef o u l i n g ；n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ； i i i 青岛理工大学t 学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 我国水资源现状及城市污水回用技术 1 1 1 我国水资源现状 水是人类生产和生活不可缺少的自然资源，是生物赖以生存的环境资源，维持生命 延续的根本保障，可以说，水是生命的摇篮，水是地球的血液。在全球经济飞速发展的 今天，日益严峻的水资源短缺问题已经成为全球资源环境的首要问题，直接影响和制约 人类社会的生存和发展。 我国幅员辽阔，国土面积达9 6 0 1 0 2 ，湖泊、河流众多，全部水资源总量为2 7 1 1 5 亿m 3 ，位居世界第六位，但是由于人口众多，人均占有量仅为2 4 7 7 m 3 ，为世界人均占 有量的1 4 。而且我国地域辽阔水资源的时空分布不均匀，总体上呈现由东南向西北递 减的趋势；年纪降水量极不均匀，年内降雨量大都集中在4 、5 个月内，这样就造成北 方大片地区的资源型缺水现象。另外，随着工农业的发展，城市化进程的加快人民生活 水平的提高，水体污染不断加剧，造成不少地方出现水量虽多却不能使用的水质型缺水 现象。 开源节流是解决城市水资源短缺的根本途径，而城市污水是水量稳定、供给可靠的 一种潜在水资源。因此，城市污水的再生利用是开源节流、减轻水体污染程度、改善生 态环境、解决城市缺水问题的有效途径之一。 随着我国经济的发展，资源型缺水问题目益突出。目前我国有4 0 0 多个城市缺水， 正常年份缺水达6 0 x1 0 8 m 3 ，预计2 0 3 0 年缺水量将达到( 4 0 0 - - 5 0 0 ) 1 0 8 m 3 。2 0 0 1 年， 全国工业和城镇生活废水排放总量为4 2 8 4 1 0 8 m 3 ，其中工业废水2 0 0 7 1 0 8 m 3 ，城镇 生活污水2 2 7 7 1 0 8 m 3 。城市污水处理率和二级处理率分别仅达3 0 和1 5 ，污水回用 率更低。如果污水回用率平均达到2 0 ，那么污水回用量可达到4 0 1 0 8 m 3 a ，可解决 全国城市缺水量的一半以上n 3 。 1 1 2 城市污水的性质及特点 城市污水是指纳入和尚未纳入城市污水收集系统的生活污水和工业废水之混合的 污水晗1 。城市污水可分为生活污水、工业废水和径流污水，生活污水主要包含来自机关、 青岛理工大学- t 学硕士学位论文 商业、小区用户和城市公用设施的粪便和洗涤污水，其水量水质明显具有昼夜周期性和 季节周期性变化的特点；工业废水是工业生产过程中产生的废水，包括工艺过程用水、 机器设备冷却水、烟气洗涤水、设备和场地清洗用水等。由于各种工业生产类型多样其 产生的废水性质相差很大，且含有腐蚀性、有毒、有害、难于生物降解的污染物，故工 业废水一般需经预处理符合城市下水道水质标准后方能进入城市下水道管网系统；城市 径流污水是雨雪淋洗城市大气污染物和冲洗建筑物、地面、垃圾而形成的，具有季节变 化和成分复杂的特点，在降雨初期污水所含污染物甚至会高出生活污水数倍口1 。 城市污水水质特征取决于给水原水水质的化学成分、每人每日用水量以及排入下水 道物质的性质和数量。水经城市使用后增加了各种杂质，如灰尘、油类、细菌、肥料、 农药，以及通过街道或土壤冲刷后增加了各种有机杂质，人体废物( 有机质、细菌、病 毒、盐类) ；洗浴废水( 盐类、表面活性剂) ；工业废料( 热、无机盐类、色、金属、有 机物质、油类和工业产品本身) 。城市污水往往具有如下特点n 3 钔： 1 有机污染物的生物可降解性 以可生物降解的有机污染物为主的生活污水是城市污水的主要组成部分，功能综合 的城市排水系统接纳的生活污水约占总污水量的4 5 - 6 5 ，因此，相应的城市污水具 有生活污水的特点。城市污水一般保留了生活污水的主要污染物是易降解有机物的特 征，这也是目前绝大多数城市污水处理厂都采用好氧生物处理法的依据。 2 水质成分复杂性 城市污水的水质，在主要方面具有生活污水水质特征的同时，在不同城市或城市的 不同区域因工业的规模和性质不同，其水质指标和成分往往有明显变化。工业污水中污 染物的种类要比生活污水多，且变化又大，所以工业污水是造成城市污水成分复杂、水 质水量变化大的主要原因。实践经验表明，一般情况下只要对能引起问题的为数不多的 水污染源进行适当的预处理，就可以避免工业污水对城市污水处理厂运行的影响。 3 地区及季节的差异 城市污水的水质情况，不仅南北方区域有差异，城市之间有差异，而且在同一城市 的不同功能区，其水质也有很大差异；对于同一区域的污水处理厂，不同季节水质也有 较大差异。因此，对水质水量要求稳定的回用水，在技术上要充分考虑城市污水的这些 特点，这也是回用工程取得成功的关键。所以，在城市污水回用中，应根据城市污水来 源、成分组成、水质浓度和变化波动情况等，确定合适的城市污水处理工艺和回用的技 术方法。 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 3 城市污水回用技术 城市污水回用技术是在城市污水处理技术的基础上，融合给水处理技术、深度处理 技术等发展起来的。城市污水回用处理技术以综合利用为目的，满足污水回用于各种特 定用途的水质要求。处理的程度主要取决于回用水的具体用途。 1 常规处理技术 城市污水的常规处理技术是以生物处理工艺为主体，以达到排放标准为目标的现代 城市污水处理技术，经过长期的发展，已经达到比较成熟的程度。城市污水中含有相当 数量的漂浮物和悬浮物质，通过物理方法去除这些污染物的方法称为一级处理，又称为 物理处理或预处理。经过一级处理后的污水，b o d 去除率为2 5 - 4 0 左右。一级处理 在城市污水回用中起着相当重要的作用，它属于二级处理的预处理。 城市污水二级处理主要要求去除水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质，b o d 去 除率可达到9 0 以上。随着环境要求的不断提高，将氮和磷的去除列入了排放标准，从 而产生了具有脱氮除磷作用的二级强化处理工艺。 三级处理是在一级、二级处理后的强化处理，进一步去除污水中的难降解有机物、 氮磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。主要方法有生物除磷脱氮法、混凝沉 淀法、砂滤法、活性炭吸附法、膜处理法、离子交换法和电渗析等。 2 深度处理技术 深度处理一般是以污水的回用为目的，在一级、二级或三级强化处理之后增加的处 理工艺。为了向多种回用途径提供高质量的再生水，需对二级或三级强化处理后的城市 污水进行深度处理，去除城市污水处理厂出水中剩余的污染成分，达到回用水水质要求。 城市污水回用深度处理基本单元技术有混凝沉淀( 气浮) 、化学除磷、过滤、消毒 等。对回用水水质要求更高时采用的深度处理单元技术有：活性炭吸附、臭氧活性炭、 生物炭、脱氨、离子交换、微滤、超滤、纳滤、反渗透、高级氧化等。 1 2 膜生物反应器 1 2 1 膜生物反应器的发展研究概况 膜牛物反应器r ( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，m b r ) 是近几年新兴的污水处理与回用技术。 该技术是将膜分离技术与传统污水生物处理技术有机结合而产生的废水处理新工艺，其 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 产生和发展是这两类知识应用和发展的必然结果晦3 。由于膜生物反应器技术具有传统污 水处理工艺所无法比拟的诸多优点，因此其在世界范围内受到广泛的关注。 膜生物反应器在废水处理领域的应用研究可以追溯到2 0 世纪6 0 年代末期的美国。 1 9 6 9 年s m i t h 等1 采用超滤膜替代传统活性污泥工艺中的二沉池，用于处理城市污水。 另h a r d t 等盯1 ，采用死端过滤超滤膜与1 0 l 的好氧反应器组合处理人工配制的污水，获 得了c o d 去除率高达9 8 的处理效果，污泥浓度与传统活性污泥法相比有大幅度增加， m l s s 浓度可达3 0 0 0 0 m g l ，是常规好氧工艺的2 3 倍，膜通量为7 5 l m 2 h 。在这一 阶段，研究的重点在于开发适合高浓度活性污泥的膜分离装置，但由于受当时的膜生产 技术所限，膜的使用寿命短、通量小，加之当时对出水水质排放要求不严，使这项技术 在相当长一段时间仅停留在实验室研究规模，未能投入实际应用。 在日本由于污水再生利用的需要，膜生物反应器的研究工作有了较快的进展。2 0 世纪7 0 年代末期，d o r r - o l i v e r 公司和s a n k i 工程有限责任公司达成协议，使得m b r 工 艺首次进入日本市场陋1 。这一阶段的膜生物反应器的型式主要是分置式膜生物反应器， 其存在动力消耗大，运行费用高。8 0 年代以后，随着膜生产技术的发展、膜分离工艺的 完善、膜清洗方法的改进和污水处理厂出水水质要求的提高，m b r 开始在污水处理行 业得到应用。目前，日本已经有数家公司提供成套产品应用于家庭污水处理和回用以及 废水中c o d 较高的工业废水处理领域。 8 0 年代末以后，国际上对m b r 工艺的研究更是方兴未艾，研究内容更加全面系统， 深度和广度不断加强。在传统分置式膜生物反应器的基础上，y a m a m o t o 等直接将膜组 件置于好氧活性污泥反应器内，提出了运行能耗低、占地更为紧凑的淹没式膜生物反应 器阳1 。有关m b r 运行条件的优化和膜污染( m e m b r a n ef o u l i n g ) 机理及其控制对策方面的 研究也十分活跃。这为膜生物反应器的广泛推广应用奠定了基础。目前，m b r 技术在 美国、日本、法国、英国、荷兰、德国、南非、澳大利亚等国已得到较广泛的应用。主 要应用对象包括：生活污水的处理与回用、粪便污水处理、有机工业废水处理等。 我国对膜生物反应器的研究始于上世纪9 0 年代初，1 9 9 1 年1 0 月，岑运华介绍了膜 生物反应器技术在日本的研究状况n0 1 。目前已取得了很大的进展，近年来，m b r 技术 已被从传统污水处理拓展到中水回用、脱氮除磷、饮用水净化等。m b r 的脱氮工艺是 最近开始研究与发展的，m b r 可以通过膜的截留作用，使硝化菌长期停留在好氧池内， 在不增加池容的前提下相应延长了污泥龄，满足了硝化菌的生长所需的较长污泥龄。同 时，在m b r 中还发现同步硝化反硝化和短程硝化反硝化现象，这对脱氮十分有利。m b r 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 脱氮工艺主要包括：a o - - - m b r 、序批式膜生物反应器和间歇曝气m b r 。 虽然膜生物反应器技术从产生到现在己取得巨大的发展，但仍属于一门发展中的年 轻综合性学科，目前，运行能耗和膜污染问题等问题限制了m b r 的广泛应用，所以进 一步加深对膜生物反应器技术的开发研究是非常迫切而有必要的。 1 2 2 膜生物反应器的类型 膜生物反应器由膜组件与生物反应器组成，是一种将传统生物处理工艺与膜分离技 术相结合的新型污水处理工艺，其中膜组件可代替传统污水生物处理工艺中的二次沉淀 池，在膜组件的高效截留作用下使泥水彻底分离，可维持系统较高的活性污泥浓度，有 利于硝化菌的生长繁殖，提高了生物降解及脱氮的效率，减少了剩余污泥产量，解决了 传统生物处理工艺普遍存在的占地面积大、运行维护复杂、出水水质不稳定、易发生污 泥膨胀导致出水水质恶化等问题。 传统的生物处理工艺及其改进强化工艺，具有良好的去除有机物和营养物质的能 力，出水到排放标准。而回用，仍需要对其出水进行深度处理。但是，中水回用工艺流 程长、占地面积大、造价高，应用受到限制。随着膜技术的推广应用，膜处理除对有机 物可进一步去除以外，还具有很好的除浊除色、消毒能力n ，且完全去除悬浮物。因此， m b r 集生物降解、脱氮除磷、去除悬浮物和除浊除色、消毒等功效于一体，是膜技术 和污水生物处理技术有机结合产生的污水处理新工艺n 2 l 口引，其产生和发展是这两类知识 应用和发展的必然结果。膜技术和生物处理技术的学科交叉、结合，开辟了污水处理技 术研究和应用的新领域。 皇曩 ( a ) 同液分离膜生物反应器( b ) 曝气膜生物反应器 ( c ) 萃取膜生物反应器 图1 - 1 三种m b r 工艺示意图 根据膜组件在膜生物反应器中的作用不同，可分为固液分离膜生物反应器( b i o m a s s s 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 ，m b r ) 、曝气膜生物反应器( m e m b r a n ea e r a t i o nb i o r e a e t 青岛理工大学工学硕士学位论文 o r ，m a b r ) 和萃取膜生物反应器( e x t r a c t i v em e m b r a n eb i o r e a c t o r ，e m b r ) 三大类晦8 1 4 1 ， 见图卜1 。其中，固液分离膜生物反应器用于污水处理中实现固液分离；在曝气膜生物 反应器中，膜被用于气体质量传递，通常是为好氧工艺供氧，可以实现生物反应器的无 泡曝气，大大提高氧利用率；萃取膜生物反应器主要用于工业废水中优先特定污染物的 处理，选择性透过萃取特定的污染物，具体见表1 - 1 。目前只有固液分离膜生物反应器 取得较为成熟的研究理论并投入大规模实际应用，若无特别说明下文中的膜生物反应器 均指固液分离膜生物反应器。 表1 - 1 三种膜生物反应器的特点 分类作用优点缺点 固液分离适用于污水处理 l 刮液分离效率高；不需设二沉池；系统需氧量犬；膜易堵 膜生物反工艺及饮用水净 设备简单，构筑物所占空间小且易塞；难生物降解物质的积 实现自动化控制；耐冲击负荷好： 累造成微生物的毒害和 应器化的固液分离 污泥产量少；出水水质好 膜的污染；污泥难处理 实现无泡曝气，适提高接触时间和传氧效率；将曝气 曝气膜生用于曝气池活性与混合功能分开；不受传统曝气系 需每天进行膜的清洗 物反应器 污泥浓度很高，需统气泡大小及其停留时见等因素的 氧量很大的系统影响可取得高效曝气效果 萃取膜生 选择性透过优先可专性处理常规工艺无法处理的废 污染物，适用于难水，使专性菌不受废水中离子强度 理论及技术尚不成熟 物反应器 处理的废水 和p h 值的影响 1 2 3 膜生物反应器的特点 m b r 采用膜组件代替了传统活性污泥工艺中的二沉池，可以进行高效的固液分离， 克服了传统活性污泥工艺中出水水质不稳定：污泥膨胀引起出水恶化等不足，作为一种 新兴的高效水处理技术，与常规工艺相比，具有以下特点： ( 1 ) 污染物去除效率高，不仅能高效地进行固液分离，而且能有效地去除病原微生物， m b r 出水优良、稳定可靠，能达到生活杂用水标准，无需消毒可直接回用； ( 2 ) 由于膜的高效截留和分离作用，系统不仅对s s 、有机物去除效率高，而且又由 于膜表面形成了凝胶层，它可以截留粒径比膜孔径小得多的病毒和细菌出水可直接回用 【1 5 】 ( 3 ) 膜对高浓度活性污泥和难降解大分子的截留，使分解缓慢的大分子有机物的在反 应器中停留时间变长，增加了难生物降解有机物的停留时间，有效地将难生物降解的微 牛物滞留在生物反应器内，使其分解率提高； 6 ( 4 ) 在废水处理史上首次实现s r t 和h r t 的单独控制，使运行控制更加灵活和稳定， m b r 工艺的固体停留时间( s i 玎) 很长，允许世代周期长的微生物充分生长，对某些难降 解有机物的生物降解十分有利； ( 5 ) 剩余污染量很少，污泥处理和处置费用低。由于s r t 很长，污泥浓度高，生物 反应器起到了污泥好氧消化池的作用，可取消污泥浓缩池和污泥消化池，也节省了污泥 处理的基建投资和运行费用； ( 6 ) 硝化能力大大提高，分解n h 3 的自养型硝化细菌世代期长，生长速度慢，易于流 失。而在m b r 工艺中，由于膜的截留作用和s r t 的延长，创造了有利于硝化细菌的生 长环境，因而可以提高硝化能力；同时，由于m b r 中的污泥浓度高，所以污泥凝絮颗 粒存在从外到内的d o 梯度，相应形成好氧、缺氧和厌氧区，由此可实现反硝化和生物 除磷； ( 7 ) 化学药剂投加量少或不投加化学药剂； ( 8 ) 传质效率高，氧传递效率高达2 6 - 6 0 左右； ( 9 ) m b r 工艺结构紧凑，易于实现一体化自动控制； ( 1 0 ) 其定型化( 模块化) 的设计能够使工艺操作具有较大的灵活性和适应性。 膜生物反应器也存在不足之处，整个系统的处理水量由膜分离装置的出水流速决 定，而膜的出水流速受膜通量影响会随时间变化，这就增加了系统运行管理的难度。另 外，有些膜生物反应器工艺系统的动力费用较高、投资较大，而且膜污染及使用寿命等 问题还未得到很好地解决。 1 2 4 膜生物反应器在城市污水回用中的应用 好氧m b r 工艺的实际商业应用最早出现在2 0 世纪7 0 年代的北美，紧接着8 0 年代 初出现在日本，而在欧洲，直到8 0 年代中期才第一次出现。截止2 0 0 0 年，在世界范围 内实际运行的m b r 系统已经超过5 0 0 套，同时许多工程仍在计划或建设中阳1 ，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m b r 工程主要在北 美和欧洲。这些工程中9 8 以上是好氧m b r ，其中约5 5 属于淹没式m b r 。 m b r 对城市污水的处理特性一直是研究的重点，其工艺形式多采用好氧m b r 。在 美、英、日等国研究的目的一方面用于现有污水处理厂的改造，使其达到深度处理的 要求；另一方面用于灰水( g r e y - w a t e r ) 的处理，使其达到回用的目的。 1 9 8 3 1 9 8 7 年，日本有1 3 家公司使用好氧m b r 处理楼宇废水，处理后作为中水回 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 用。日本1 9 8 5 年开始的“水综合再生利用系统9 0 年代计划大大推进了m b r 在污水 处理对象与规模方面的研究。日本k u b o t a 公司于2 0 0 3 年5 月建成了第1 0 0 0 座浸没式 m b r 污水处理厂，加拿大z e n o n 公司的m b r 工艺污水处理规模也从1 9 9 3 年的小于 1 0 0 0 m 3 d 发展到现在的1 5 0x1 0 4 m 3 d 。污水排放标准的日趋严格促使传统污水处理厂进 一步改造，m b r 在污水处理厂的升级改造中具有明显的优势。意大利b r e s c i a 市的 v e r z i a n o 污水处理厂建于1 9 8 0 1 9 9 2 年，1 9 9 9 年经技术经济分析，该厂采用z e n o n 浸没 式中空纤维膜组件改造成处理能力为4 2 1 0 4 m 3 d 的m b r 工艺，不仅减少了5 0 的占 地，并且出水水质明显优于原工艺。可见，就处理生活污水或城市污水而言，m b r 技 术已趋成熟n 6 1 。新加坡于2 0 0 3 年3 月在b e d o k 污水再生厂建成了三套处理量为3 0 0 m 3 d 的m b r ，其出水水质均达到或超过传统二级处理与u f 的组合工艺，其中t o c 比组合 工艺低2 m g l ；通过g c m s 和h p l c 研究发现二者痕量有机污染物相当，且能耗低于 l ( k w h ) m 3 。 2 0 世纪9 0 年代中后期，m b r 在我国逐步得到发展，尤其在处理城市污水回用方面 进行了诸多研究。清华大学刘锐、黄霞n 7 1 等用一体式膜生物反应器对洗浴污水的处理进 行了中试研究，系统运行了2 1 6 d ，整个过程没有进行清洗、排泥，水力停留时间为3 1 5 h ， 最后的出水中：c o d 4 0 m g l 、n h 3 - n 0 5 m g l 、l a s 0 2 m g l 、无s s 、无色无味，出 水水质良好稳定，满足建设部颁布的生活杂用水回用水质标准。付婉霞等n 明采用一体式 m b r 处理高校学生宿舍盥洗废水，试验证明t 无论进水水质如何变化，均能得到优质 而稳定的膜过滤出水，符合生活杂用水水质标准。常颖等n 钟采用复合式m b r 进行了小 区污水处理和回用的试验研究，结果证明污水中c o d 、b o d 5 、n h 3 n 和t n 的平均去 除率分别为9 4 5 、9 9 3 、9 9 4 和8 4 7 ，出水满足c j 2 5 1 8 9 生活杂用水水质标 准，经消毒后可用于小区绿化、冲厕、扫除、洗车等场合。徐元勤等例采用规模为4 0 m 3 d 的m b r 对城市污水处理回用进行了试验研究，结果表明：m b r 具有较强的抗冲击负荷 能力，活性污泥对污染物的去除起主要作用，膜分离对维持稳定的出水起重要作用， m b r 出水稳定，水质良好，优于生活杂用水水质标准。宁平等用m b r 处理餐饮废水， 经处理后，出水符合c j 2 5 1 8 9 生活杂用水水质标准，实现了水资源的循环再利用。 1 3 膜生物反应器脱氮除磷技术 1 3 1 典型的生物脱氮除磷工艺 青岛理工大学工学硕士学位论文 目前应用较多的生物脱氮除磷工艺均为利用混合微生物种群完成有机物氧化、硝 化、反硝化和除磷，如a 2 0 、u c t 、s b r 工艺等，a 2 0 工艺即为厌氧一缺氧一好氧工艺， 是将沉淀池污泥回流到厌氧池，好氧池混合液回流到缺氧池的一种a o 改良工艺。u c t 工艺与a 2 0 工艺的区别在于沉淀污泥不是回流到厌氧池，而是回流到缺氧池。同时增加 了从缺氧池到厌氧池的混合液回流，这样可以提高系统抗冲击负荷的能力。将沉淀污泥 回流到缺氧池是为了防止硝态氮进入厌氧区，影响系统的除磷效率。s b r 称为序批式生 物反应器，是间歇式运行的反应器。其脱氮除磷原理与连续流反应器的脱氮除磷原理是 一样的，只是连续流反应器的脱氮除磷是在空间上三个独立的装置内完成的，而s b r 反应器脱氮除磷是在同一装置内通过控制好氧反应时间段和缺氧、厌氧反应时间段来完 成。目前该工艺及其改良形式c a s s 瞳1 1 、u n i t a n k 瞳2 1 和m s b r 瞳3 1 在污水脱氮除磷方面 已得到广泛应用。 1 3 2m b r 脱氮除磷技术 常规的生物脱氮工艺中，为保持构筑物中有足够数量的硝化菌以完成生物硝化作 用，在维持较长污泥龄的同时也相应增大了构筑物的容积；此外，絮凝性较差的硝化菌 常会被二沉池的出水带出，硝化菌数量的减少影响硝化作用，进而降低了系统的脱氮效 率。而膜的截留作用使膜生物反应器脱氮工艺走出上述困扰，工艺简单，处理效果稳定， 管理方便，具有良好的应用前景。与传统脱氮工艺相比，膜生物反应器脱氮工艺发展较 晚，最早的报导是y u i e h is u w a 等研究者进行的单级分置式膜生物反应器脱氮的小试研 究心引。目前多数依旧是建立在传统的硝化反硝化机理之上的单级或多级脱氮工艺，同时， 新的脱氮理念也深入到了m b r 工艺中，新的脱氮理念与膜生物反应器工艺进行组合， 形成了具备两种工艺优点的新型工艺形式。 单级脱氮m b r 工艺是以序批式反应器( s b r ) 方式运行，通过限制和半限制曝气运行 方式在时间序列上实现缺氧好氧的组合，并控制适宜的时间比例，可以得到较好的脱氮 除磷效果。将膜组件浸入生物反应器中，构成一体式装置无需回流，减少了设备需求， 降低了运行费用。大多数研究采用单级( 单池) 间歇曝气，g t s e o 晗5 3 等人采用双反应器 间歇曝气工艺，在第二反应器中装有膜组件，取得了9 1 6 的脱氮效果。随着对m b r 脱氮研究的不断深入，有研究表明瞳6 l 乜 ，由于m b r 中可存在高浓度的活性污泥，限制 了氧气向污泥絮体内部的扩散，因而在絮体内部可形成缺氧环境，在这种条件下，硝化 反应可以在有氧的絮体表面进行，而反硝化则可以在缺氧的絮体内部进行，从而实现 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 m b r 同步硝化反硝化反应。齐唯等通过在m b r 中装填生物填料，取得对n h 3 - n 和 t n 很好的去除效果。除了通过m b r 中高浓度的污泥有利于在污泥絮体中形成好氧区 和厌氧区，同时也利用了填料上生物膜厚度中从表面到内层所形成的好氧缺氧一厌氧 的溶解氧梯度层，客观上也为在同一个反应器中实现同步硝化反硝化创造了条件。另外， 有研究者通过在m b r 中投加粉末活性炭来增大污泥尺寸，从而在絮体内部形成缺氧区， 更加有利于反硝化过程的发生，因而投加p a c 后的m b r 在脱氮方面有着较显著的优势 【2 9 】 o 由于除磷茵的世代时间较短，m b r 较长的污泥停留时间在一定程度上不利于磷的 去除。在活性污泥处理传统工艺的生物处理单元前加设一个厌氧区并从好氧区回流无硝 酸盐的污泥，可达到强化生物除磷的效果，同理这也可应用于m b r 系统啪1 。对比了解 有厌氧条件和无厌氧条件下m b r 的除磷情况，发现没有厌氧条件下，t p 的去除率只有 2 2 ，而在有厌氧的条件下t p 的去除率可达到7 0 。 将s b r 与膜法相结合形成的新型工艺，除了具有一般m b r 的优点以外，膜组件本 身和s b r 工艺两种程序运行相得益彰m 3 。膜对反应器内污泥混合液的截留作用，能将 污泥微生物完全截留在反应器内，所以反应器中的微生物能最大限度地增长，生物活性 高，吸附和降解有机物的能力较强。而世代时间较长的硝化及亚硝化细菌也能很好地增 长，从而提高硝化能力。间歇的运行方式有助于减缓膜污染，并且进水期的充满状态导 致了反应器内氧浓度很快地降低下来，避免了传统的前置反硝化膜生物反应器中的氧可 能进入反硝化区的弊端。脱氮与除磷均需要厌氧缺氧好氧交替的环境，间歇式的工作 方式为除磷菌的生长创造了条件，同时也满足了脱氮的需要，使得单一反应器内同时实 现除氮、磷及有机物的高效去除。此外，在传统s b r 系统中，必要的沉淀阶段和排水 阶段占据了整个循环周期的大部分时间，利用膜分离可以在反应阶段排水，同时可以完 全省掉沉淀所需要的时间。因此，序批式膜生物反应器可以减少传统s b r 的循环时间晡3 。 肖景霓等2 1 对比了厌氧一好氧洲o ) 及厌氧一缺氧一好氧( a 2 0 ) 两种运行模式序批式膜 生物反应器( s b m b r ) 对模拟生活污水同时脱氮除磷的性能，结果表明，两种运行模式的 s b m b r 对有机物及氨氮的去除率分别可保持在9 0 和9 5 以上。化学絮凝除磷效果优 于生物除磷，h b u i s s o n d 踟等人通过向膜生物反应器中投加化学药剂取得了稳定的除磷 效果，当a i ( 或f e ) p 的摩尔比为1 时，磷的去除率达8 0 以上。b e r t h o l dg u n d e r 劬等利 用膜分离取代二沉池的研究中，通过投加f e c l 3 絮凝剂用沉淀法来提高系统对磷的去除 效果。 1 0 青岛理t 大学t 学硕上学位论文 1 4 本研究的目的、意义及研究内容 1 4 1 研究的目的及意义 近年来，随着我国社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们对水环境质量的要 求也日益提高。一方面，传统的生化处理工艺出水难以满足越来越严格的水质标准：另 一方面，经济发展所带来的水资源的日益短缺也迫切需要开发新的合适的污水资源化技 术，以缓解水资源紧张的供需矛盾。在此背景下，各种新型、改良的高效污水生物处理 技术逐步应用于污水的回收与再利用。随着膜技术的发展，膜技术已渗透到污水处理的 各个领域，除了可以单独用于污水处理外，更多是与其它各种工艺结合解决传统方法难 以解决的问题，特别是对于高c o d 、高s s 、难降解污水的处理。 和传统的活性污泥法一样，基于活性污泥法的好氧m b r 工艺可有效去除有机污染 物，硝化作用强而反硝化作用弱，因此脱氮除磷效率不高。要提高其脱氮除磷功效，通 常采用的方法是与脱氮除磷工艺相结合，但是，这种m b r 处理系统流程长、h r t 长、 能耗高，因此，探索一种短流程、低能耗的可同时去除有机物和氮、磷，使其出水可直 接同用的新型m b r 工艺就显得很有意义。 目前，膜生物反应器应用于城市污水处理和回用的研究主要集中在有机污染物去 除、脱氮、除磷及其影响因素的研究；生化处理工艺参数的优化研究；膜污染机理、膜 污染控制及影响因素的研究。但是将膜生物反应器应用于实际工程中还存在一些限制因 素。 本论文的目的是在对一体式好氧膜生物反应器的运行效能进行研究的基础上，采用 序批式的运行方式来强化膜生物反应器的脱氮除磷性能，使其组合工艺s b m b r 不仅操 作简单、便于自动化控制，出水水质安全可靠，而且实现脱氮除磷一体化，能够充分有 效地同时去除有机物、氮、磷污染物质，达到中水回用标准。验证该工艺适用于在实际 工程中的城市污水回用工程，在技术上和经济上均具有可行性。 1 4 2 研究的内容 以城市综合污水为处理对象，以中水回用为目的，采用p l c 自动控制，通过将膜生 物反应器与s b r 组合的处理工艺，研究智能型复合膜中水处理工艺用于污水净化过程 的机理、生物降解特性以及膜污染控制方法等几个主要问题。 1 从总体上考察一体式好氧m b r 处理城市污水的总体功效。控制膜生物反应器系 青岛理工大学工学硕士学位论文 统适宜的操作条件，考察其长期连续运行过程中，系统对有机污染物、氮、磷等的去除 率，中空纤维膜的污染特性等。 2 长期运行后，分析系统内微生物降解和膜分离对污染物的去除特性。考察有机 负荷、水力负荷、冲击负荷对系统的影响，以及膜分离对污染物去除的强化作用。 3 为强化脱氮除磷效果，将完全好氧膜生物反应器与s b r 工艺相结合，形成双反 应器s b m b r 系统。考察其对有机污染物、氮、磷的去除率以及同步硝化反硝化作用， 对其生物脱氮除磷的机理及传质进行分析。 4 膜污染控制技术的研究：在恒流操作条件下，考察膜组件过滤过程中跨膜阻力 ( t r a n sm e m b r a n ep r e s s u r e ，t m p ) 的变化，进而分析膜污染控制情况。研究减缓膜污染的 措施。 5 分析膜孔堵塞和滤饼层的形成对超滤膜在过滤过程中的影响，研究反冲洗、超 声波清洗、化学清洗、空曝气四种膜清洗措施的效果。 6 s b m b r 系统用于污水回用的技术经济评价，进行可行性分析。 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章实验装置与方法 2 1 实验装置与工艺流程 2 1 1 实验装置及主要设备 本