（环境工程专业论文）膜组合技术处理垃圾渗滤液的研究.pdf

东华大学硕士论文 膜组合技术处理垃圾渗滤液的研究 摘要 垃圾渗滤液是垃圾堆放过程中产生的一种难以处理的高浓度有 机废水，其特点是水质波动大、成份复杂、有毒有害物质含量高。目 前垃圾渗滤液对周围环境的污染问题日趋严重，垃圾渗滤液的控制和 治理已经成为当前环境保护领域内的一项重大研究课题。膜生物反应 器( m b r ) 是由污水生物处理技术和膜分离技术结合的种新型污水 处理与回用工艺，其对于高浓度、难降解有机废水的处理有着一定的 研究前景；而纳滤作为一种新型的物化处理技术，在废水深度处理方 面也具有很好的研究前景。 本课题以上海江桥垃圾焚烧厂产生的垃圾渗滤液作为研究对象， 就一体式好氧膜生物反应器在处理垃圾渗滤液过程中的污染物去除 效果、污泥特性和膜污染机理展开研究，并且对纳滤技术在垃圾渗滤 液进行深度处理方面也进行定的研究。 对m b r 去除污染物特性研究实验的结果表明：m b r 对垃圾渗滤液 中污染物的去除效果较好，在h r t 为2 4 1 0 2 h ，c o d 和n h 。一n 污泥负 荷分别为0 0 8 0 3 0 k g c o d & g m l s s d 和0 0 7 0 4 2 k g n h 3 n m 3 d 的条 件下去除率分别为8 0 和9 5 以上。反应器中活性污泥特性的实验 研究中，稳定状态的污泥浓度随着容积负荷的增加而升高，本实验中 反应器中污泥浓度最高达到1 3 5 9 l ；大量的惰性物质( 如s m p 、e c p 等) 等难降解物质随着实验运行时间的增加而在反应器中累积，使得 污泥沉降性能变差、污泥活性降低、生物相变差等，同时是污泥混合 镬组合技术处理垃圾参磊谴的研究 液的过了性能也有负面影响。在膜通量衰减规律以及膜污染机理实验 研究中，h r t 对实际运行中的膜通量衰减影响较大，当h r t 在2 4 h 时 的膜通量衰减速率最大。通过阻力分布实验，得出膜污染阻力主要来 自凝胶极化阻力和外部污染阻力构成，二者之和占总污染阻力的9 0 以上。 对纳滤深度处理垃圾渗滤液的研究实验结果表明：操作压力为 0 6 m p a ，对m b r 系统处理后出水的c o d 去除率达到9 0 左右。在 对膜通量衰减规律以及膜污染的研究实验中，发现操作压力对膜通量 衰减速率影响较大，另外料液性质以及污染程度对其也产生较大影 响。在对纳滤膜回收率研究实验过程中，实验结果表明：进水污染程 度以及操作压力对纳滤膜回收了影响较大，在对膜污染研究实验表 明，膜污染主要是由于一些颗粒物质吸附造成的膜面污染，对膜清洗 研究实验结果表明，化学清洗对恢复膜通量更为有效。 关键词：垃圾渗滤液，膜生物反应器，纳滤，膜通量，膜污染 查兰查兰堡主笙圭 t h es t u d yo fl e a c h a t et r e a t m e n tb y m e 【b r a n ec o m b i n et e c h n o l o g y a b s t r a c t l e a c h a t e ，p r o d u c e di nt h ep r o c e s so fr e f u s ed i s p o s a l ，i so n ek i n do f o r g a n i cw a s t e w a t e ro fh i g hc o n c e n t r a t i o na n dd i f f i c u l tt r e a t m e n t ，w h i c hi s v e r yd i f f i c u l tt ot r e a tb e c a u s eo fi t sv a r i a b l eq u a l i t ya n dm u c ht o x i ca n d h a r m f u li n g r e d i e n ti ni t b e c a u s ei tm a yh a z a r de n v i r o n m e n tb a d l y , i th a s b e e no n eo ft h ec r i t i c a lp r o b l e mo fp o l l u t i o ni nt h en o w a d a y sa n dal o n g t i m el a t e r t h em e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) ，ac o m b i n e dp r o c e s so f b i o l o g i c a lt r e a t m e n tw i t h a d v a n c em e m b r a n es e p a r a t i o n ，i san e w t e c h n o l o g yf o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dr e u s e m b rh a st h es p e c i f i e d r e s e a r c hf o r e g r o u n db e i n gu s e df o rt r e a t i n gt h e o r g a n i cw a s t e w a t e ro f h i g hc o n c e n t r a t i o na n ds l o w b i o d e g r a d a b l en a t u r e n a n o f i l t r a t i o n ( n f ) a san e wp h y s i c o c h e m i c a lm e t h o d ，h a ss p e c i f i e dr e s e a r c hf o r e g r o u n di n w a s t e w a t e ra d v a n c et r e a t m e n t m b r sr e m o v a le f f e c to fc o n t a m i n a t i o n 、c h a r a c t e r i s t i c so fs l u d g e a n dm e c h a n i s mo fm e m b r a n e f o u l i n g 、n f s r e m o v a le f f e c to f c o n t a m i n a t i o na n dm e c h a n i s mo fm e m b r a n ef o u l i n gw e r ei n v e s t i g a t e dt o t r e a tt h el e a c h a t ef r o ms h a n g h a ij i a n g q i a or e f u s ei n c i n e r a t i o np l a n t t h er e s e a r c he x p e r i m e n t a lo fm b rr e s u l t ss h o w ：m b rh a sg o o d e f f e c ti nc o n t a m i n a t i o nr e m o v a l ，w h e ns l u d g el o a d i n gr a t e so fc o da n d v 膜组合技术处理垃圾渗旌应的研究 n h 3 - n w e r eb e t w e e n 0 0 8 - 0 3 0 k g c o d k g m l s s d a n d 0 0 7 0 4 2 k g n h 3 - n m 3 dr e s p e c t i v e l y t h em b rh a dr e m o v a le f f i c i e n c i e s o fc o da n dn i - 1 3 - nr a n g i n ga b o v e8 0 a n d9 5 r e s p e c t i v e l ya th r t b e t w e e n2 4 - 10 2 h ；i nt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft h ec h a r a c t e r i s t i co f s l u d g e ，s l u d g e c o n c e n t r a t i o ni ns t a b l e s t a g e i n c r e a s e dw i t ht h e e n l a r g e m e n to fv o l u m e t r i cl o a d i n ga n dw a sa b o v e1 3 5 9 li np r o c e s so f t h ee x p e r i m e n t ；t h es l o w - b i o d e g r a d a b l es u b s t a n c es u c ha ss m pw e r e a c c u m u l a t e di nt h em b rw i t ht h ee x t e n s i o no fr u n n i n gt i m e ，w h i c h c a u s e ds l u d g es e t t l e a b i l i t yt ob e c o m ew o r s e 、s l u d g ea c t i v i t yt od e c r e a s e a n dm i c r o b i a lv a r i a t i o nt ob eb a d ，a sw e l la nc o n t r i b u t i n gt ot h ep o o r m e m b r a n ep e r m e a b i l i t yo ft h em i x e rl i q u o r ；i nt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o ft h ed e c l i n eo fm e m b r a n ef l u xa n dm e c h a n i s mo fm e m b r a n ef o u l i n g ， h r th a dt h eg r e a t e re f f e c tt ot h ed e c l i n er a t eo fm e m b r a n ef l u xi na c t u a l r u n n i n gp r o c e s s ，t h ed e c l i n er a t eo fm e m b r a n ef l u xw a st h el a r g e s tw h e n h r ta c ta s2 4 h ；t h ec o n c l u s i o nw a so b t a i n e dt h a tt h em e m b r a n ef o u l i n g r e s i s t a n c ew a sc o m p l e t e do fp o l a r i z a t i o nl a y e rr e s i s t a n c ea n de x t e m a l f o u l i n gr e s i s t a n c ew i t ht h ed i s t r i b u t i o nt e s t so fr e s i s t a n c e ，a n dt h es u m s o f t w ot o o ko v e r9 0 o f t o t a lf o u l i n gr e s i s t a n c e t h er e s e a r c he x p e r i m e n t a lo f n fr e s u l t ss h o w ：n fh a sg o o de f f e c ti n c o n t a m i n a t i o nr e m o v a l w h e nt h eo p e r a t i n gp r e s s u r ei s0 6 m p a ，t h en f h a dr e m o v a le f f i c i e n c i e so fc o do v e r9 0 i nt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o f t h ed e c l i n eo f m e m b r a n ef l u xa n dm e c h a n i s mo f n fm e m b r a n ef o u l i n g ， 东华走擘硕士论文 t h ec o n c l u s i o nw a so b t a i n e dt h a tr u n n i n gt i m e 、w a s t e w a t e rq u a l i t yh a d t h eg r e a t e re f f e c tt ot h ed e c l i n er a t eo fm e m b r a n ef l u xi na c t u a lr u n n i n g p r o c e s s t h e r e s e a r c h e x p e r i m e n t a lo fn fr e c o v e r y a n dm e m b r a n e f o u l i n gr e s u l ts h o w ：t h eo p e r a t i n gp r e s s u r e 、w a s t e w a t e rq u a l i t yh a dt h e g r e a t e re f f e c ti nt h er e c o v e r y , m a c r o m o l e c u l e sp a r t i c l eh a dt h eg r e a t e r e f f e c ti nt h em e m b r a n ef o u l i n g i nt h er e s e a r c ho ft h em e m b r a n ew a s h i n g ， t h ec h e m i c a lw a s h i n gi sae f f e c t i v em e t h o d 。 j i n h u iw a n g ( 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 r v i s e db yp r o f e s s o ry o n g h u iw a n g k e yw o r d s ： l e a c h a t e ，m e m b r a n eb i o r e a c t o r , n a n o f i l t r a t i o n ，f l u x ， m e m b r a n ef o u l i n g v 东华大孝硕士论文 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。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。除文中已明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：沁扬 日期：棚年，月彦日 膜组合技术处理垃圾廖鹿厦的研究 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名： 融场 i 同期：加易年1 月彦r 指导刻撇：歹乃口蟹 f i 期：舢年，月，。同 东华大学硕士论文 刖 吾 随着我国改革开放的不断发展，人民生活水平日益提高，城市生活垃圾也相 应的迅速增长。据报道，我国仅“城市垃圾”的年产量就近1 5 亿吨，这些城市 垃圾绝大部分是露天堆放，它不仅影响城市景观，同时污染了与我们生命至关重 要的大气、水和土壤，对城镇居民的健康构成威胁。城市垃圾如果处理不当，不 仅对环境卫生造成严重后果，而且占用大量的土地。因此我国政府和各地的环境 保护专家积极对城市垃圾的处理和污染控制措施进行研究。 城市垃圾的处理方法主要有：堆肥处置、卫生填埋和焚烧发电。根据城市生 活垃圾处理无害化、减量化和资源化的基本原则，垃圾焚烧发电已成为近年来解 决城市生活垃圾出路的一个新方向。垃圾焚烧在国外获得广泛应用，瑞士垃圾8 0 为焚烧，日本、丹麦垃圾7 0 o 以上为焚烧【1 】。】9 8 8 年深圳市市政环卫综合处理 厂作为我国第一家垃圾焚烧处理发电厂，从日本进口了两台“三菱”马丁式垃圾 焚烧炉，揭开了我国采用焚烧技术处理城市生活垃圾的序幕。随着国家环保产业 扶持政策的日趋完善，我国各大中城市都在争相上马垃圾焚烧发电项目，据不完 全统计，国内现建成并运行生活垃圾焚烧发电厂已有几十个，拟建和在建的也有 许多。 城市垃圾焚烧发电处置法中存在一个不可避免的问题，那就是垃圾在焚烧前 堆放产生的渗滤液对周围水环境的污染问题，垃圾焚烧厂渗滤液主要来源：一、 垃圾由于堆放挤压而释放的部分内含水；二、垃圾堆放发酵过程中，由于大量有 机物在厌氧和兼氧微生物降解过程中而产生的水。垃圾渗滤液是一种成分复杂的 高浓度有机废水，含有大量的有机物、氨氮、s s 和重金属离子等。而且由于物理、 化学、生物等多种原因的影响，垃圾渗滤液的水质和水量变化很大，据报道，焚 烧厂垃圾渗滤液c o d 浓度可以达到2 0 0 0 0 6 0 0 0 0 m g 1 ，氨氮浓度可达至u l o o o m g 1 以上，含有机物8 0 多种田，其中包括很多会对人体产生严重危害的有毒有害物质 【3 卅，有此可见，垃圾渗滤液作为一种成分复杂的高浓度有机废水，如果不加以 处理将对周围水环境造成严重污染。 垃圾渗滤液作为一种难降解的高浓度有机废水，即使在发达国家，对垃圾渗 滤液的控制和处理都没有成熟可行的处理工艺和方法。因此，发展垃圾渗滤液的 控制和治理技术已经成为一项迫切的研究课题。 膜组合技术处理垃圾渗唐应的研究 第一章绪论 1 1 垃圾焚烧厂和垃圾填埋场渗滤液产生、特性比较 1 1 i 垃圾渗滤液的产生以及影响因素 垃圾渗滤液又称为垃圾渗滤水，垃圾渗滤液是指垃圾在堆放或填埋过程中受 到挤压、垃圾本身的分解作用以及地表水和地下水渗透作用产生的高浓度污水。 垃圾焚烧厂渗滤液和垃圾填埋场渗滤液来源以及影响因素比较表1 1 ： 表1 - l 垃圾焚烧厂和垃圾填埋场产生以及影响因素比较【5 卅 1 i 2 垃圾渗滤液的特性 由于垃圾焚烧厂垃圾堆放只有三天，堆放时间较短，产生的垃圾渗滤液属于 原生的垃圾渗滤液，多为当天产生的垃圾渗滤液。而垃圾填埋场多为露天的，受 降水和地表径流的影响，而且填埋场中的垃圾渗滤液经过很长时间的厌氧发酵。 因此垃圾焚烧厂渗滤液和垃圾填埋场渗滤液的水质有很大的区别，两者水质情况 比较如表l 一2 ： 表1 2 垃圾焚烧厂和垃圾填埋场渗滤液的水质比较m 】 东华大学硕士论文 除颜色、嗅、p h 值外，其他单位都为m g l 。 由表1 2 可知，垃圾渗滤液具有不同于一般城市污水的特点，比较难以进行 生物处理，垃圾焚烧厂渗滤液和垃圾填埋场渗滤液有以下一些共同特点【9 】： ( 1 ) 垃圾渗滤液水质复杂，含有多种有毒有害的成分。 ( 2 ) 垃圾渗滤液 c o d e r 、b o d 5 浓度可以达到数千到几万m g l ，和城市污 水相比，浓度高很多。 ( 3 ) 垃圾渗滤液中含有1 0 多种金属离子，这些金属离子会对生物处理过程产 生严重的抑制作用。 ( 4 ) 氨氮含量很高，最高可以达到几千m g l ，严重抑制和降低了生物处理 中微生物的活性。 ( 5 ) 营养元素的比例失调。由于氨氮含量高，c n 的比值经常出现失调的情 况；且p 元素缺乏，b o d 5 t p 大于3 0 0 ，比值与微生物所需要的碳磷比( 1 0 0 ：1 ) 相差很远。 但是由于垃圾焚烧厂渗滤液的主要来源不同于垃圾填埋场渗滤液，受降雨影 响比较小，因此其c o d 和氨氮比填埋场高很多。由于垃圾焚烧厂焚烧的主要为热 值较高的生活垃圾，因此垃圾焚烧厂渗滤液的可生化性较好。 1 2 垃圾渗滤液的污染现状以及危害 垃圾渗滤液作为一种高浓度的有机废水，会严重污染周围水体、土壤、大 膜组合技术处理垃圾渗滤应的研究 气等，使地面水体缺氧、水质恶化、富营养化，威胁饮用水和工农业用水水源， 有机污染物进入食物链将直接威胁人类健康 1 0 - 1 2 】，其中列入我国环境优先控制的 污染物有5 种 1 0 , 1 2 , 1 3 - 1 5 】。并且其对地下水的污染具有不易察觉和持久性，一旦对 地下水体产生了污染，其治理是相当困难的。 随着世界各国经济的发展，人们对生活质量要求的不断提高，世界各国逐渐 意识到垃圾渗滤液会对地面水体和地下水体产生严重的污染，并且展开了相关研 究【1 6 - 2 0 。根据报道【2 ”，1 9 7 7 年美国有将近一半的垃圾填埋场对附近水体产生不 同程度的污染。我国也出现类似的情况，澳门与珠海交界处因澳门垃圾渗滤液污 染，当地河流鱼虾绝迹，农田失收；又哈尔滨市韩家洼子垃圾填埋场，由于露天 不卫生堆放，监测表明对地下水造成严重污染，各种重金属以及细菌标准远远超 过地下水水源饮用水质标准，其中汞含量超标达至f j 2 9 倍，大肠杆菌超标4 0 倍。 有鉴于此，开发和研究对垃圾渗滤液的处理技术刻不容缓。 1 3 垃圾渗滤液处理方法综述 垃圾渗滤液作为一种高浓度的有机废水，国内外的主要处理方案分为：场 外处理和场内处理1 2 列。 场外处理主要指垃圾渗滤液与城市生活污水合并处理，这种方法可以节省单 独设立垃圾渗滤液处理系统的费用，而且可以降低处理成本，利用生活污水对高 浓度的垃圾渗滤液进行稀释、缓冲。缺点是垃圾渗滤液的输送造成比较大的经济 负担，而且渗滤液所特有的水质特性可能会造成城市生活污水处理厂的冲击负 荷，甚至破坏城市污水处理厂的正常运行。 场内处理主要指渗滤液向场内喷洒，或者在附近建立一座污水处理厂，但是 对于渗滤液产量较低的垃圾焚烧厂从经济上考虑不大适合。 垃圾渗滤液的处理作为城市垃圾焚烧处置过程中的必不可少的环节之一。很 多不同的处理垃圾渗滤液的方法都在研究尝试过程中，但是现在垃圾渗滤液处理 的方法主要是生物处理、物化处理和土地处理f 2 3 - 2 7 1 。 1 3 1 生物处理 垃圾渗滤液的生物处理主要是指依靠处理系统中的微生物的新陈代谢作用以 及微生物絮体对污染物的吸附作用来去除渗滤液中的有机污染物的废水处理方 法，可分为厌氧和好氧处理两种。国内外用于垃圾渗滤液处理的方法主要有 4 东华大学硕士论文 u a s b 厌氧处理系统、活性污泥法、生物膜法、生物氧化塘等处理方法。 目前，国内外运用生物处理方法处理垃圾渗滤液的研究很多，也取得丰硕成 果。黄群贤、张月红等的研究采用厌氧好氧组合技术处理垃圾渗滤液捌，垃圾渗 滤液经过厌氧处理后，c o d 的去除率可达到8 0 以上。p e t c r j k e e n a n 等【2 明等人 研究采用上流式厌氧污泥床过滤反应器( u a s b ) ，对垃圾渗滤液进行t 9 个月的处 理，在有机负荷为1 0 k g m 3 d 时有8 5 的c o d 去除率。h s i e g r i s t 等也做过上流厌氧 污泥床处理垃圾渗滤液的研究，r z a l o n m 等对渗滤液的厌氧处理也有报道【3 0 l 。 广东中山市狗仔坑垃圾填埋场采用的水葫芦氧化塘系统处理渗滤液取得一定的 效果。在英国，最普遍的渗滤液处理方法包括延时曝气、生物转盘以及曝气稳定 塘，这些方法对降低垃圾渗滤液中的b o d 、c o d 并i 氨氮都取得一定的效果，还 可以去处另一些污染物如铁、锰等金属离子。 1 3 2 土地处理( 土壤灌溉) 土地处理是人类最早采用的污水处理方法【3 1 】。渗滤液的土地处理包括慢速渗 滤系统( s r ) 、快速渗滤系统( 砌) 、表面漫流( o f ) 、湿地系统( w l ) 、地下渗滤土地 处理系统c o g ) n 2 乏人工快速渗滤处理系统( a r i ) 等多种土地处理系统。土地处理 主要通过土壤颗粒的过滤，离子交换吸附和沉淀等作用去除渗滤液中悬浮颗粒和 溶解成分。通过土壤中的微生物作用，使渗滤液中的有机物和氨氮发生转化，通 过蒸发作用减少渗滤液量。目前渗滤液处理的土地法主要是回灌和人工湿地【3 2 】。 但是土地处理系统多用于城市污水处理，在垃圾渗滤液的处理中也有人作过 研究，认为施浇垃圾渗滤液后土壤的养分含量提高，通气空隙增多，土壤的肥力 明显提高，但是对于重金属和有毒有害物质浓度高的垃圾渗滤液不大适合。 英国也有运用回灌法处理渗滤液的例子，但是被认为是一种非彻底的渗滤液 处理方法。 1 3 3 渗滤液的物化处理 物化处理方法主要是利用物理和化学手段去除废水中的污染物，其主要运用 于渗滤液处理中的方法有：混凝沉淀、气浮、吹脱、电解氧化、光催化氧化、化 学药剂氧化、吸附、膜分离等d 3 - 3 5 j 。 物化法和生物处理相比，物化法受水质水量的影响程度较小，出水水质比较 稳定，尤其对b o d 5 c o d l b 值较低，难以生物处理的垃圾渗滤液，有较好的处理 膜组合技术处理垃圾渗癌废的研究 效果【3 6 1 。理论上讲物化处理可以去除废水中的所有污染物，所以物化处理一般作 为垃圾渗滤液处理中的预处理和深度处理，前期的物化预处理可以去除大部分垃 圾渗滤液中的有毒金属离子和s s 。物化处理还能去处一些很难生物降解的有机物 ( 腐植酸、富烯酸和卤代烃类化合物) 3 7 1 ，所以物化处理方法又常放在垃圾渗滤 液的深度处理中。国内外运用物化法处理垃圾渗滤液也有很多研究，沈耀良等人 1 3 8 1 采用聚合氯化铝作混凝剂，焦炭作吸附剂，可以有效去除渗滤液中的c o d 和 重金属离子，当聚合氯化铝的用量为4 0 0 m g l ，焦炭为8 1 0 9 l 时，c o d 去除率 为5 8 9 ，重金属的去除率为6 0 ，色度的去除率为6 8 ，并且铜可以完全去除。 陆永生等f 3 9 】利用超声波技术对渗滤液中的单环芳香烃降解进行探索性研究，结果 表明，超声辐照7 0 分钟，含单环芳香烃废水的降解规律基本遵循一级反应动力学 关系。 目前，国内外处理垃圾渗滤液主要为生物处理方法为主要处理方法，生物方 法对于易生物降解的废水可以有很好的去除效果，而且工艺比较成熟、运行费用 较为低廉。但是对于浓度很高、可生化性较差差的有机废水来讲，采用常规的生 物处技术理难以达到令人满意的效果。垃圾渗滤液中c o d 、氨氮、金属离子浓度 都很高，这些特点均限制了常规的生物处理方法在垃圾渗滤液处理中的运用。 如果在处理系统中提高污泥浓度，延长污泥停留时间，可以提高废水的处理 效果。提高污泥浓度可以使系统中污泥负荷降低，提高系统对废水中有机物的去 除效果。延长污泥停留时间会使系统中的微生物种群发生变化，有利于硝化菌的 生长和驯化具有去除难降解有机物能力的新型菌种。近年来，国内外出现了一种 新型的水处理技术一一膜生物反应器( m b r ) 。m b r 是膜分离技术和活性污泥法 相结合的一种新型水处理技术，利用膜的截留作用使微生物完全被截留在生物反 应器中，实现水力停留时间和污泥龄的完全分离，从而保证了系统中维持高浓度 的污泥龄很长的活性污泥。由此可见，m b r 对于处理难降解的有机废水和高浓 度氨氮废水方面有着很大的优势。目前m b r 在国内外已经有运用于各种废水处 理，但是其运用于垃圾渗滤液的处理研究还很少，因此，利用膜生物反应器处理 垃圾渗滤液这种高浓度的有机废水将有很大的实用价值。 东华大学硕士论文 1 a 膜生物反应器( m b r ) 1 ，4 1 膜生物反应器技术的基本原理和优点 膜生物反应器是将活性污泥系统和膜分离技术结合的一种新型水处理技术。 其主要组成为生物反应器和膜组件两部分，废水首先进入生物反应器中，废水中 有机污染物在生物反应器中被微生物代谢降解，膜组件主要是截留系统中的微生 物，微生物被完全截留在系统中，使系统中微生物浓度维持在较高的浓度。由于 生物反应器中的生物处理和膜组件的截留作用，所以出水水质较好，通常c o d 和s s 去除率可达到很高的程度。 膜生物反应器用于废水处理中有很多优点【引1 ：( 1 ) 膜分离实现了水力停留 时间和污泥龄的完全分离，使运行控制更加灵活、稳定。( 2 ) 生物反应器内的微 生物浓度高，装置处理容积负荷大，对高浓度的垃圾渗滤液有很好的处理效果。 ( 3 ) 有利于增殖速度缓慢的微生物，如硝化细菌的截留和生长，活性污泥中硝 化细菌数量明显增多，系统硝化效率得以提高，对于处理氨氮浓度较高的渗滤液 无疑可以很有利。( 4 ) 易于实现自动控制 操作管理方便。 1 4 2 膜生物反应器的分类 m b r 主要由生物反应器和膜组件组成，按其组合方式可分为：一体式、分 置式和复合式系统 4 2 1 。 在分置式m b r 中，生物反应器的混合液由泵增压后进入膜分离组件，在压 力作用下膜过滤液成为系统出水，活性污泥、大分子物质、细菌等则被膜截留， 并且回流到生物反应器中。分置式膜生物反应器通过料液循环错流运行，其特点 是：运行稳定可靠，操作管理方便，易于膜的清洗、更换和增设。但是为了减少 污染物在膜面的沉积，由循环泵提供料液流速很高，为此动力消耗较大，并且循 环泵的高速旋转产生的剪切力会使其中一部分微生物失去活性【4 3 】。 一体式m b r 根据生物处理的工艺要求，可分为两种组成形式：第一种由两 个反应器，其中一个为硝化池，另一个为反硝化池。膜组件浸没在硝化反应器中， 两池之间通过泵来更新要过滤的混合液。该组合方式基于以下原因：( 1 ) 可以提 供配套( 整装) 的膜和设备，便于系统的更新改造；( 2 ) 将膜组件浸没池作为好 氧区，而另一个反应池作为缺氧区以实现硝化一反硝化目的；( 3 ) 便于将膜隔离 7 膜组合技术处理垃圾渗疟震的研究 进行清洗。第二种组合直接将膜放置于生物反应器中，通过真空泵或其他类型的 抽吸泵抽吸，得到过滤液。为减少膜面污染，延长运行周期，一般的抽吸方式为 间歇式运行。 一体式m b r 利用曝气时气液向上的剪切力来实现膜面的错流效果，也有采 取叶轮搅拌和膜组件自身的旋转来实现膜面错流效应，以减轻膜表面的堵塞。与 分置式相比，一体式的最大特点就是运行能耗低。但是一体式膜生物反应器单位 膜处理能力小、容易被污染和透水率低等，而且一体式好氧膜生物反应器中，几 乎没有反硝化作用。 复合式m b r 膜生物反应器在形式上也属于一体式m b r ，所不同的是在生物 反应器内加装填料，从而形成复合式m b r ，改变了膜生物反应器的某些特性。 此外根据生物反应器中需氧性又可分为好氧膜生物反应器和厌氧膜生物反 应器。根据生物反应器的受压情况又可分为膜常压生物反应器和膜加压生物反应 器。 1 4 3 膜生物反应器的研究进展和应用现状 1 4 3 1 膜生物反应器的研究进展 膜与生物处理工艺结合的膜生物反应器研究迄今已有3 0 多年了，m b r 的商 业应用也有2 0 多年的历史。 1 9 6 9 年，美国的s m i t h 首次报道了美国d o r r - o l i v e r 公司把活性污泥法和超滤 工艺相结合处理城市污水的方法。该工艺最让人瞩目的就是膜分离技术代替了二 沉池，用膜分离技术作为富集曝气池中微生物的手段，而不是采用常规的污泥回 流循环来增加曝气池中的微生物浓度。 2 0 世纪7 0 年代美国t h e t f o r d 系统公司( 现为z e n o n 环境公司的一部分) 推出了 自行开发的外置式膜分离系统用于生活污水的处理。1 9 8 2 年，d o r r - o l i v e r 公司应 用膜厌氧反应器系统来处理高浓度食品废水，该工艺采用外部循环超滤膜，总负 荷为8 k g c o d m 3 d ，对c o d 的去除率达至u 9 9 。1 9 8 3 年1 9 8 7 年日本有1 3 家公司 使用好氧m b r 处理大楼生活污水，处理后作为中水回用，处理水量达5 0 - 2 5 0 m 3 d 。 9 0 年代以后，国际上对m b r 在生活污水处理、工业废水处理、饮用水处理 方面进行了大量的研究，对m b r 机理、特性、膜通量的影响因素以及操作条件 等方面进行了大量的研究工作，m b r 已经进入实际运用阶段，并且得到快速的 东华大学硕士论文 推广。 1 4 3 2m 昧的应用现状 膜生物反应器技术在污水处理领域目前正受到广泛的重视，并在世界范围内 开始应用。据k o y u n e 0 1 9 9 8 年调查统计，世界上每天约有5 百万立方米的各类水 质的水经过膜工艺处理。 国外对m b r 处理技术应用领域十分广泛，表1 3 列出一些较大的m b r 实际应 用工程。目前在国外，m b r 在生活污水处理中的应用主要是流量在1 0 2 0 0 m 3 d 的小型污水处理装置州。1 9 9 7 年，m b r 在北美的第一个城市污水处理项目正式 投入使用。m b r 在工业废水中的应用主要集中在难处理的污水【4 乳。 表1 3 较大的m b r 实际应用工程一览表 我国膜分离技术开发是从1 9 5 8 年开始的，但是真正研究m b r 是在1 9 9 3 年以 后，中国科学院生态环境研究中心自1 9 9 3 年开始膜生物反应器的研究工作。目前 我国m b r 技术主要应用在生活污水、高浓度的有机废水，如食品加工厂废水、 畜禽废水等方面。 1 5 纳滤技术 1 5 1 国内外纳滤技术的发展概况 ( 1 ) 国外纳滤技术的发展概况 纳滤( n f ) 膜的研究始于二十世纪7 0 年代，美国f i l m t e e 公司在二十世纪 8 0 年代中期相继开发出n f 一4 0 、n f 一5 0 、n f 一7 0 等型号的纳滤膜“。由于市场前 景看好，世界各国纷纷加入研究队伍，许多公司如美国的0 s m o n i c s 公司、f l u i d s y s t e m s 公司、日本电工、东丽公司等组织力量投入到开发纳滤技术的领域中。 纳滤膜材料有醋酸纤维素、芳香聚酰胺、磺化聚醚砜等，纳滤膜品种不断增加， 并且已经系列化；纳滤膜的分离性能也不断提高，对n a c l 的脱除率可从5 逐 步提高到8 5 。 9 膜组合技术处理垃圾渗虑废的研究 ( 2 ) 我国纳滤技术的发展 我国从二十世纪9 0 年代初期开始了纳滤膜的研究“”。近十几年来我国在纳 滤膜的研制、纳滤膜分离特性和纳滤膜技术的应用研究等方面做了大量的工作， 取得了较显著的进展，并在海岛高硬度苦咸水淡化“”和制药工业“”等领域已实际 应用，为促进国民经济发展作出了很大贡献。 与国外纳滤膜技术相比，我国纳滤膜技术尚有较大的差距。首先还不能研制 出高性能商品化纳滤膜和高性能大型( 如8 英寸) 纳滤膜组器，其次纳滤膜技术 应用还停留在小型试验和工业性试验阶段。 1 5 2 纳滤膜简介 1 纳滤膜的定义、特点呻“1 纳滤膜又叫超低压反渗透膜，通常，纳滤膜的定义包括6 个方面：介于反 渗透和超滤之间；孔径在l n m 以上，一般为l 2 n m ；适宜通过分子量为2 0 0 1 0 0 0 d a l t o n ；膜表面一般带负电荷；对单价离子的截留率小于9 0 ，对二 价及多价离子有较高的去除率，达9 0 以上。 纳滤膜一个很大特征就是其电荷效应( d o n n a n 效应) ，是指大多数膜表面存 在带电基团，而且一般是负电荷。通过带电基团静电相互作用，纳滤膜可以阻碍 多价离子的渗透，这就是纳滤膜在很低压力下仍具有较高脱盐性能的重要原因。 纳滤膜的特点主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 对不同价态离子截留效果不同。对单价离子的截留率低，对二价和多价 离子的截留率明显高于单价离子。 对阴离子的截留率按下列顺序递增：n o s 一 c l 一 o h 一 c o , 2 一 s o 。2 一： 对阳离子的截留率按下列顺序递增：h + n a + k + c a 2 + m g ” 2 0 m g l ；进行人工排泥，每 天大约排泥l l ，污泥龄为8 0 d 左右。由于垃圾渗滤液和生活污水进行混合处理， 前期生癌污水比例高时不添加营养物质( p ，由于渗滤液中有足够的n 故不加氮 源) ，但是到后期随着渗滤液占的比例不断升高，适当的添加一些磷源( 磷酸二 氢钾) 。 纳滤实验过程中，控制压力为0 0 6 0 0 8 m p a ，进水为m b r 系统出水，经收 集后采用连续进水进行纳滤实验，调节进水p h 值为6 5 7 5 ，温度在2 5 3 0 。c 。 浓缩液回流至m b r 系统中。 2 0 东华大擘硕士论交 第三章m b r 系统对有机物的去除特性 3 1m b r 对c o d 去除特性的研究 3 1 1m b r 的启动 m b r 反应器中接种污泥取至上海天山水质净化厂污泥回流泵房的回流污 泥，由于天山水质净化厂处理的废水基本全部为生活污水，系统驯化采用生活污 水、垃圾渗滤液混合液进行连续驯化。由于硝化细菌世代周期较长，驯化过程以 系统对c o d 的去除效果作为参考指标。驯化过程中进水c o d 为5 0 0 1 2 0 0 m g l 。 驯化阶段系统对c o d 的去除效果见图3 - 1 。驯化开始阶段系统对c o d 的去除率 1 0 0 0 38 0 0 粤6 0 0 晷4 0 0 2 0 。0 三三三三辜三芸型； t 二二= t = = ，= t = 三三三三婪 运行时间( d ) 图3 - i驯化阶段系统对c o d 的去除情况 不稳定，但是由于驯化进水为生活污水与垃圾渗滤液的混合液，随着驯化时间的 加长，系统对其适应性能良好，驯化阶段历时1 6 天，由图3 - 2 可知，在驯化后 期( 1 3 1 6 d ) ，系统对c o d 的去除率保持在8 0 一9 0 ，基本保持稳定，认为 驯化结束i 一可以开始正常运行；一 葶 v 静 逝 稍 1 引 t5。0 山一一一一 ， 一一 一一一一一一- j - - - 一 24681 01 21 41 61 8 运行时间( d ) 图3 - 2 系统中生物反应器对c o d 去除率 膜组合技术处理垃圾渗施鹿的研究 3 1 2m b r 系统对c o d 的去除特- 生 3 1 2 1 整个实验过程c o d 去除以及去除率随时间的变化 图3 3 给出了实验前5 2 天的c o d 去除情况，进水为生活污水和垃圾渗滤 液进行混合液，实验结果表明，当混合进水中垃圾渗滤液与生活污水混合比例为： l ：3 0 左右时，即c o d 控制在2 0 0 0 m g l 以下时，m b r 出水c o d 可以稳定在 1 0 0 m g l 以下。其主要原因为垃圾焚烧厂渗滤液生化性较好，当其在混合液中比 例不太高时，系统有能力使出水c o d 2 m g l ，垃圾渗滤液中有充足的碱 度，故未加n a h c 0 3 ，p r 值为6 5 左右。图3 8 为整个过程中系统对氨氮的去除 情况。整个试验过程中进水氨氮浓度为6 0 1 3 0 0 m g l 之间，由图3 8 中可以看出， 实验前期由于处于驯化阶段，出水氨氮波动较大；驯化稳定后期，当进水氨氮浓 度在2 0 0 9 0 0 m g l 时，出水氨氮基本 1 5 m g , l ；当进水氨氮高于1 0 0 0 m g l 时， 出水氨氮浓度有所升高，主要进水氨氮浓度太高，对系统中的硝酸菌和亚硝酸菌 产生一定的抑制作用，导致出水氨氮浓度增高。 1 2 0 0 39 0 0 刨6 0 0 豢3 0 0 o o1 0 2 0 3 04 05 06 0 7 0 8 09 0 1 0 0 1 1 0 运行时间( d ) 图3 - 8 整个实验过程中氨氮的去除情况 图3 - 9 给出了整个实验过程中氨氮的去除率变化情况，从图3 - 9 中可以看出， 实验前期氨氮去除率波动很大，主要因为硝化细菌世代周期较长，导致在驯化阶 图3 - 9 实验过程中氨氮去除率变化情况 段系统对氨氮去除率不稳定；在第4 0 9 0 d 时，进水氨氮在2 0 0 9 0 0 m g l ，去除率 膜组合技术处理垃圾参魔液的研究 维持在9 5 以上。第9 0 - 1 0 2 d 时，由于进水氨氮浓度在1 0 0 0 1 2 0 0 m g l ，出水氨 氮有所升高去除率降低到9 2 左右，主要进水氨氮浓度太高，对系统中的硝酸菌 和亚硝酸菌产生一定的抑制作用。 3 2 2 不同负荷对氨氮去除率的影响 图3 - 1 0 给出了系统中氨氮负荷对去除率的影响情况，氨氮负荷在o 0 7 0 4 2 k g 氨氮解d 之间变化，由图3 一l o 可知，前期可能由于系统驯化阶段，去除率在9 0 左右，但到后期驯化稳定阶段，去除率保持在9 9 以上，传统的活性污泥法氨氮 负荷一般在o 1 k g 氨氮m 3 d 左右，本系统负荷比传统活性污泥高的多，而且具 有更好的去除效果。这说明m b r 系统在处理高氨氮的废水时，有可能不用氨氮 吹脱或其他的预处理而能直接进入反应器并能获得较好的去除效果，从而使得高 氨氮的废水处理工艺得以简化，运行费用大