（环境工程专业论文）膜生物反应器的系统仿真模型研究.pdf

硕士学位论文 摘要 膜生物反应器废水处理技术是近来国际上正在逐渐流行的一种废水处理技 术。它是将膜组件与生物工艺结合起来的污水处理工艺。在该工艺中，膜组件取 代了传统污水处理工艺中的二沉池起到将固液相分离、污泥浓缩的作用。本文的 研究对象是膜分离生物反应器。膜生物反应器工艺与传统的污水处理工艺相比主 要有以下优点：污泥负荷高，适用于各种浓度的污水处理，占地小，流程启动快， 污泥产率低，不受污泥膨胀的影响，出水无需消毒。这些优点将确保膜生物反应 器在未来的水处理工艺中有着广阔的应用前景和良好的发展。 本论文总结了国内外学者在膜生物反应器领域的研究成果，对膜生物反应器 的出现发展、存在的主要问题及模型研究的进展情况作了较为详尽的分析和论述， 对膜生物反应内部过程的机理进行了进一步探讨。 目前现有的膜生物反应器模拟模型绝大多数是经验模型，不能很好的揭示膜 生物反应器内部的反应过程和机理，模拟的准确度也较低。本研究通过将普通活 性污泥法污水处理过程和膜组件的选择性过滤过程相结合进行模拟，得到了膜生 物反应器的系统仿真模型。该模型考虑了膜生物反应器内部的物质传递过程、微 生物反应过程和膜的选择性过滤过程以及进水的水量水质、污泥性质等条件对膜 生物反应器处理过程的影响，具有较强的通用性。本文同时确定了该模型的动力 学参数和运行参数，并用两个实际数据对该模型进行了验证。 模型验证的结果表明，根据实际的水力、水质条件适当的选取模型中的参数 值后，该模型可以较为准确的对膜生物反应器污水处理过程进行模拟和预测。该 模型对于分析膜生物反应器内部的机理、过程有着理论指导的意义，对于膜生物 反应器的设计和运行有一定的指导作用。 膜生物反应器的研究特别是模型研究还只是处在起步阶段，本文的研究工作 主要是对膜生物反应器的仿真模拟作出了一定的尝试，研究的深度和广度都有待 进一步提高。 关键词：膜生物反应器；仿真模型：活性污泥法：动力学参数 膜生物反应器的系统仿真模型研究 a b s t r a c t m e m b r a n eb i o r e a c t o ri s b e c o m i n gm o r e a n dm o r ep o p u l a ri n t h ea r e ao f w a s t e w a t e rt r e a t m e n ti nt h ew o r l d i ti sak i n d o fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n i q u e w h i c hc o m b i n e st h em e m b r a n em o d u l ea n db i o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s i ns t e a do ft h es e c o n dp r e c i p i t a t i o nt a n k ，t h em e m b r a n em o d u l ef u n c t i o n sf l $ e q u i p m e n tt os e p a r a t e t h ew a t e ra n ds l u d g e t h eo b j e c to ft h i sr e s e a r c hi st h e m e m b r a n eb i o r e a c t o rs y s t e m c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a la c t i v a t e ds l u d g e w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s ，t h em e m b r a n eb i o r e a c t o rh a sm u c hm o r ea d v a n t a g e s i t i sa b l et ot r e a tb o t hm u n i c i p a lw a s t e w a t e ra n di n d u s t r i a lw a s t e w a t e rs i n c ei th a s h i g h e rs l u d g el o a d t h a n t r a d i t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s i ta l s oh a so t h e r a d v a n t a g e ss u c ha sr e q u i r e ss m a l l e rl a n d ，s t a r t su pf a s t e ra n dl o w e rs l u d g ep r o d u c t i o n s ot h em e m b r a n eb i o r e a e t o rw i l lh a v ea b r i g h tf u t u r ei nt h ea r e ao f w a s t e w a t e r i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t so b t a i n e db yr e s e a r c h e r sh o m ea n da b r o a d i nm e m b r a n eb i o r e a c t o rw e r es u m m a r i z e d ，a n dt h ep r o g r e s so fm e m b r a n eb i o r e a c t o r i nb o t he x p e r i m e n t a la n dm o d e l i n gs t u d ya sw e l la st h em a i ne x i s t i n gp r o b l e m sw e r e g i v e nac o n c r e t ea n a l y s i sa n de s t i m a t i o n ，t h er e a c t i o nm e c h a n i s mo fw a s t e w a t e r t r e a t m e n tb ym e m b r a n eb i o r e a e t o rw a sf u r t h e ri n v e s t i g a t e d m o s to ft h ee x i s t i n gm o d e l so fm e m b r a n eb i o r e a c t o ra r ee x p e r i e n t i a la n dt h e ya r e “b l a c kb o xm o d e l s ”t h e s em o d e l sd on o th a v eap r e c i s er e s u l to fs i m u l a t i o ns i n c e t h e yc a nn o tr e v e a lt h ei n t e r n a lr e a c t i o np r o c e s sa n dt h em e c h a n i s mo fw a s t e w a t e r t r e a t m e n tb ym e m b r a n eb i o r e a c t o r t h r o u g hc o m b i n i n gt h ep r o c e s so fa c t i v a t e d s l u d g ew a s t ew a t e rt r e a t m e n ta n dt h ep r o c e s so ff i l t r a t i o ni nm e m b r a n em o d u l e ，t h i s r e s e a r c he s t a b l i s h e dam a t h e m a t i cm o d e lo fm e m b r a n eb i o r e a c t o rs y s t e m t h i sm o d e l c a nb eu s e dt os i m u l a t ev a r i e sk i n d so fm e m b r a n eb i o r e a c t o rs y s t e ms i n c ei tt a k e s f o l l o w i n gi n t oc o n s i d e r a t i o n ：t h ep r o c e s so fm a s st r a n s f e ri nt h em e m b r a n eb i o r e a c t o r , t h ep r o c e s so fm i c r o o r g a n i s mr e a c t i o n ，t h ep r o c e s so ff i l t r a t i o na n da l s ot h ee f f e c to f o p e r a t i o nc o n d i t i o n ss u c ha sv o l u m ea n dq u a l i t yo fi n p u tw a s t e w a t e r , c h a r a c t e ro f a c t i v a t e d s l u d g e a n dt h e t e m p e r a t u r e t h ek i n e t i c sp a r a m e t e r sa n df u n c t i o n p a r a m e t e r sa r ca l s oc o n f i r m e da n dt h em o d e lw a sv e r i f i e db yt w oe x a m p l e s t h er e s u l to ft h em o d e lv e r i f i c a t i o ns h o w st h a tt h i sm o d e li sa b l et os i m u l a t et h e p r o c e s si nam e m b r a n eb i o r e a e t o rw e l la n dt op r e d i c tt h ec o n d e n s a t i o no fw a s t ei nt h e r e a c t o ra n di nt h eo u t l e tw i t has a t i s l y i n gp r e c i s i o n t h e r e f o r e ，t h i sm o d e lc a nh e l p r e s e a r c h e r sa n a l y z i n gt h ei n t e r n a lm i c r o b i o l o g i c a lp r o c e s si nt h em e m b r a n eb i o r e a c t o r , n 硕士学位论文 a n dh e l pd e s i g n e r sd e s i g n i n ga n dr u n n i n gm e m b r a n eb i o r e a c t o r s c u r r e n t l y , t h er e s e a r c ho fm e m b r a n eb i o r e a c t o rr e m a i n si ne x p e r i m e n t a ls t a g e ， a n dt h et h e o r yr e s e a r c hi nt h i sf i e l da r ef a rl a g g e db e h i n d t h ew o r ko ft h i sp a p e ri s o n l ya na t t e m p ti nt h ef i e l do fs i m u l a t i n gt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sb y m e m b r a n eb i o r e a c t or f u r t h e rr e s e a r c hi nt h i sf i e l da r ee x p e c t e d k e yw o r d s ： m e m b r a n eb i o r e a e t o r ；a c t i v a t e ds l u d g et r e a t m e n t ；k i n e t i c sp a r a m e t e r i l l 膜生物反应器的系统仿真模型研究 物理量名称及符号表 量的名称 符 号量的名称 符号 水解速率常数 水解饱和常数 膜厚 压差 粘度 膜表面的孔隙率或 孔的体积分数 膜孔的曲折度 膜面积 膜孔的比表面积 k o z e n y - c a r m a n 常数 组分f 在膜内扩散系 数 组分i 在膜内的浓度 膜的厚度 溶质在膜和溶液中 的分配系数 污染物在膜上沉积 比例 边界层沉积量 平衡时的膜通量 临界压力差 膜阻力 缓慢降解有机碳 易降解有机碳 异养菌 贮存速犟常数 缺氧贮存降低因数 饱和常数 饱和常数 s 饱和常数 墨m 饱和常数 而的最大比生长速率 饱和常数 而碱度饱和常数 如的好氧内源呼吸速率 x h 的缺氧内源呼吸速率 基于置的好氧呼吸速率 基于x 渤的缺氧呼吸速率 以的最大比生速度 一氨氮饱和系数 硝化细菌氧饱和系数 硝化细鳆碱度饱和系数 托好氧内源呼吸速率 羁缺氯内源呼吸速率 溶解氧 反应速率 膜对缓慢降解物质过 滤程度 k s z o q n o 。 酝 k m k s k s t o 弘h k n h 。 k a l k o b h 。m ? ，。2 b ，n 0 。 一 k 。n h 髟，岛 k t 。n 虬。1 钆，崛 ， b x s 虹 敝蟒印叩 占 f 厶s 足 2 q ， t 肌厶蛾如瓜& 硕士学位论文 异养菌的胞内贮存 产物 曝气池或反应器体 积 总固体悬浮物 x 矿 t s s 膜对惰性生物过滤程 度 体积流量 曝气强度 6 x l g ” q a v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 铬受 日期：z 旧厂年i ，月，矿日 学位论文版权使用授权书 本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 阅和借阅。本人授权湖南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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期：1 一j - m 厂月，8 日 日期：年月日 硕士学位论文 第1 章绪论 随着社会经济的发展和人口的增长，水资源短缺已经成为一个全球化的问 题。2 0 世纪，世界人口增加了两倍，而人类用水增加了五倍。世界上许多国家 正面临水资源危机：1 2 亿人用水短缺，3 0 亿入缺乏用水卫生设施，每年有3 0 0 万到4 0 0 万人死于和水有关的疾病。水资源危机带来的生态系统恶化和生物多样 性破坏，也将严重威胁人类生存。据国际水资源管理学会的调查表明，到2 0 2 5 年，将有近1 4 亿人( 占世界总人口的1 3 ) 严重缺水，其中生活在干旱地区的 l o 多亿人将面临极度缺水。目前，我国的缺水形势尤其严峻。根据2 0 0 0 年中 国环境状况公报公布，我国人均水资源量为2 2 3 8 6 m 2 ，仅相当于世界人均占有 量的l 4 ，属于是世界上人均水资源极少的贫水国。在水资源缺乏的同时，我国 还面临着水体水质总体上呈恶化趋势这一严竣携战，水环境恶化已经成为不容忽 视的问题。2 0 0 0 年全国工业和城市生活废水捧放总量为4 1 5 1 0 i o r ，其中工业废 水排放量1 9 4 x 1 0 1 0 r ，城市生活污水排放量2 2 1 x 1 0 1 0 1 r ，其中近8 0 未经处理直 接排入江河湖库水域。水环境质量的恶化和经济的高速发展，迫切要求适合时代 发展的污水处理和资源化技术，以缓解水资源的短缺状况。 近年来，膜生物反应器组合工艺在废水处理中的应用逐渐重新引起了研究 者和商业界的注意。该工艺的主要特点是在活性污泥法工艺中采用膜组件过滤代 替二次沉淀池实现泥水分离。与传统的废水生物处理工艺相比，膜生物反应器组 合工艺具有出水水质好、出水可直接回用、设备占地面积小、便于自控、活性污 泥浓度高和剩余污泥产量低等优点。目前，膜生物反应器组合工艺已经在污水回 用和难降解有机废水处理领域崭露头角，并在世界范围内许多实际工程中得n t 成功的应用。 1 1 膜生物反应器技术及其分类 目前，膜生物反应器组合工艺可以分为三个大的类型，即膜分离生物反应器 ( m e m b r a n eb i o r e a c t o r , m b r ) 、曝气式膜生物反应器( m e m b r a n ea e r a t e d b i o r e a c t o r , m a b r ) 和萃取式膜生物反应器( 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 ) 。 i 1 1 膜分离生物反应器 膜生物反应器( m b r ) 从出现以来就因其高负荷率、低污泥产率和出水水 质好等优点受到广泛的关注，但是由于膜组件的价格过高，曾在一段时间内受到 膜生物反应器的系统仿真模型研究 冷落。随着近十几年来膜生产技术的发展和膜组件价格的逐步降低，膜生物反应 器又重新受到人们的青睐，实验研究和模型研究发展得很快，并在北美、南非和 日本等地区进入实际应用。在我国，m b r 工艺也进入了实用阶段，北京汇联食 品有限公司食品加工废水处理工程和清华大学东区浴池中水回用工程采用的就 是该工艺。膜生物反应器的工艺流程表面上跟普通的活性污泥法流程很相似，但 二者之间有着本质的差异，英国克兰菲尔德大学的s m i t h 等人专门就此问题发表 了文章l l j 。图1 1 和图1 2 是m b r 的两种主要构型的工艺流程示意图。由于膜分 离生物反应器在膜生物反应器中占有主要地位，所以有时可以将二者等同起来。 本文中所说的m b r 在一般情况下就是指膜分离生物反应器。 图1 i 外置式m b r 工艺流程 f i g u r e1 1f l o wc h a r to fs c p e r a t e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r 图1 2 一体式m b r 工艺流程 f i g u r e1 2f l o wc h a r to f i m m e r s e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r 硕士学位论文 1 1 2 曝气式膜生物反应器 在曝气式膜生物反应器( m a b r ) 中，使用的是致密的透气憎水性多孔合成 膜，它可以不形成气泡而使氧气传递到反应器中起降解作用的细菌上，该膜通常 还作为在膜，液界面上生物膜生长的支撑介质。废水在生物膜的外表面流过，形 成了氧气与污染物的反向扩散。氧在生物膜降解污染物的过程中被幂j 用。该工艺 的主要原理可以用图1 3 表示。 图1 3m a b r 工艺原理示意图 f i g u r e1 3s k o t c hm a p o f t h em e m b r a n ea e r a t e db i o r e a c t o rt e c h n i c s 相对于传统的空气曝气工艺来说，用高纯氧来处理废水的工艺单位体积降 解能力比较大。由于氧的价格昂贵，所以这种处理过程需要取得高的氧利用效率 和高的标准充氧效率。有两种商业用的纯氧活性污泥工艺氧传递效率都比较高： 多极封闭式反应器表面充氧和喷管充氧。在喷管充氧法中接触环是在高压下运行 的，从而保证了高饱和的氧浓度。但是即使氧的传递效率高，氧分子在被微生物 群落利用以前会受至0 传质和分子扩散两方面的限制。m a b r 中用的是透气膜， 可以直接向生物膜提供高纯氧而不会形成气泡。在m a b r 中，生物膜上能附着 生长高浓度的活性细菌，而且氧气传至生物膜的传递速率也可以达到高的水平。 在废水处理中微生物种群以聚合的絮状物形式悬浮在大量液体中或者存在 于反应器中附着在固体表面的固定膜中。生物膜能截留高浓度的活性细菌，它们 是一种复杂的基体，包括微生物群落、细菌产生的高聚物、截获的非生物固体、 基质、代谢物和内部的孔道等。在生物膜上的微生物比悬浮的菌胶团中的细胞停 留的时间更长，因为后者不断的随着大量地流体流出反应器。生物膜使那些生长 速率比系统水力停留时间短的微生物种群得以生长繁殖。因此那些需要缓慢生长 的微生物群体才能去除的营养物、惰性物质和复杂的污染化合物可以通过生物膜 膜生物反应器的系统仿真模型研究 - _ _ _ - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ 一i i - 一 工艺来达到去除的目的，而无需采用悬浮菌胶团工艺那样长的水力停留时间或者 很高的污泥回流比。 与m a b r 生物膜显著相关的环境因素包括：生长底物的性质和浓度、液体 生物膜界面的液相速度、边界层的厚度、支撑介质的性质以及转移和合截留到生 物膜内的非生物固体物质。重要的生物膜特性包括微生物动力学和新菌种的形 成、生物膜的形态厚度、生物膜的密度和生物膜的粘结力。 在m a b r 中，用于氧传质的膜通常也在膜液界面为生物膜提供附着生长的 支撑。但一些m a b r 工艺研究中，也采用了附加的或者可以更换的非渗透性支 撑材料提供生物膜的附着生长。为了防止在膜，液界面上生物膜的生长和气泡的 形成，减少氧气传递到主体液料中对液体边界层的影响，必须有高的剪切速度。 因此，如果m a b r 的运行条件是悬浮生长的微生物或者生物膜附着生长在非渗 透性支撑物上，二者都会导致能耗的增加和标准充氧效率的下降。 膜上附着生长的生物膜和附着生长在废渗透性材料上的生物膜的差别，导 致了氧气和污染物通过两种生物膜时。在断面线上有很大的差异，还引起微生物 活性、活性层的位置和两个生物膜上微生物种类的差异。对于膜上附着生长的生 物膜，氧的最大浓度出现在膜生物膜界砸，面含碳底物的最大浓度出现在生物 膜液体界面。这样在氧气和碳源都很充足的生物膜中部，微生物生长最旺盛， 是微生物活性最高的区域。这种生物膜里厌氧环境出现在靠近生物膜液体界瑟。 如果生物膜薄，膜内存在氧高压，氧气完全渗透了生物膜，从而好氧条件就占据 了优势。在传统的生物膜里，最大浓度的氧气和最大浓度的碳基质浓度都在生物 膜液体界面出现。这导致微生物活性最旺盛的地方出现在生物膜液体界面附近。 在这种生物膜中，厌氧条件出现在非渗透性支撑物生物膜界面附近。而且有资 料表明如果氧气以高的膜内压力形式提供，那么氧气完全渗透过的生物膜厚度可 大于l m m 。用微电极对附着生物膜的膜进行测试，发现用纯氧曝气代替空气曝 气时，可以提高氧气的穿透力、生物膜内的氧气浓度和生物膜的呼吸速度。 m a b r 已经被用来处理各种各样的废水。但是大量研究表明，m a b r 特别 适用于处理高需氧量的废水以及挥发性有机物( v o c s ) 的生物降解、联合硝化 和在单一生物膜上进行反硝化和有机碳氧化。相对传统的纯氧曝气工艺而言， m a b r 通常在高的氧气分压下提供高纯氧，使氧不经形成气泡直接到达附着的 生物膜上，这使m a b r 能保持相当高的氧利用速度和利用效率。有报道指出【2 l ， 进水c o d 负荷在0 0 6 k e d ( m s - d ) 与3 3 8 l 【g ，( o _ d ) 之间时，有机物去除率在 6 3 - 9 1 之间。在c o d 负荷为g 9 4 k g ( 矗d ) 、h r t 为3 6 m i n 的条件下，一个 实验室规模的中空式m a b r 连续5 个月获得8 0 的c o d 去除率，生物产量系 数为o 4 1 k g t s k g c o d 。 4 硕士学位论文 1 1 3 萃取式膜生物反应器 采用生物方法处理工业废水时，会遇到的一个主要问题是废水中存在高浓 度的无机物比如在工业生产过程中残留的酸、碱和盐。微生物原本具有降解有毒 化合物的能力，但这些无机物会使微生物菌群的生长停滞，活性降低，从而不能 达到预定的效果。萃取式膜生物反应器( e m b r ) 工艺使用管式的硅胶膜将有害 工业废水中的芳香族氯化物萃取出来，让可降解有机污染物通过硅胶膜进入营养 物质媒介层，然后进一步的被微生物降解。可用图1 4 表示e m b r 的主要工艺原 理。 m a b r 目前已经被用来处理各种各样的废水，但是大量研究表明 3 4 2 】， m a b r 特别适合用于处理高需氧含量的废水，以及挥发性有机物的生物降解、 联合硝化、在单一生物膜上进行反硝化和有机碳氧化。 图1 4e m b r 的工艺原理示意图 f i g u r e1 4s k e t c hm a po f 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 rt e c h n i c s 用来把污染物萃取到生物反应器中的膜是从全蒸发过程发展而来的。全蒸 发过程把真空相转换为营养物生物介质相，在营养物生物介质相中通过生物降解 作用来维持工业污水中有机物污染物传输所需要的浓度梯度。污水里的污染物通 过膜传质到生物反应器中需要浓度梯度的驱动，浓度梯度是由营养物生物介质向 中污染物的生物降解来获得的。生物反应器的无机组分不受硅胶管中的工业废水 的影响。这样可以使生物反应器中的环境条件得以优化，从而保证高的生物降解 率。膜表面生成了一层生物膜。生物膜中有机物和氧气的反向扩散阻止了挥发性 有机物的空气吹脱。 已经验证e m b r 可以萃取和生物降解有毒挥发性有机污染物，例如高含盐 膜生物反应器的系统仿真横型研究 量和极高p h 值的工业废水中的蜡醇、氯苯、氯苯胺和甲苯等物质。用一个2 5 l 的e m b r 处理流量为6 9 m l h 、总有机碳的浓度为1 6 8 m l l 的工业废水时，e m b r 能成功的去除并生物降解苯胺和氯苯胺。目前在英国许多地方正进行着小试工作 1 2 膜生物反应器的出现和发展 第一个以废水处理为用途的膜生物反应器的开发目的就是得到高质量的非 饮用回用水。当时在欧洲、南美洲和亚洲的一些工业化国家中，越来越严厉的环 保法规促使有关部门寻求一些高水平的污水处理技术来消除水的富营养化和水 中的病毒、细菌。许多缺水的城市都希望在原来的水处理厂旁边建造一些辅助工 厂，以扩大原有工厂的污水处理能力。由于受建厂空间限制，且要求辅助工厂与 原建筑协调，在这样的背景下，占地小丽出水水质优良的膜生物反应器很快受到 了重视。 在出现后的一段时间里，膜生物反应器组合工艺由于受到能耗较高和膜组件 价格较高这两大瓶颈的制约，发展一度受到艰制。但是随着近十几年来材料工业 的不断发展，膜组件的价格在不断的下降，膜的使用寿命得到延长，膜生物反应 器又重新引起了人们的关注，并在工艺设计和运行方面取得了较大的进展，已经 开始进入大流量、低浓度豹城市污水处理的领域。 在国际上，好氧y b r 工艺已经成功应用于下列行业的工业污水处n t t 3 - 2 0 ：化 妆品、医药、金属制造、纺织、屠宰场、乳制品、食品、饮料、造纸与纸浆、炼 油工业与化工厂。垃圾填埋场渗滤液的好氧m b r 处理厂也已经开始在欧洲兴建。 这些m b r 工艺的工程主要分布在北美、欧洲和南非。在我国，m b r 工艺也进入了 实用阶段，北京汇联食品有限公司食品加工废水处理工程和清华大学东区浴池中 水回用工程采用的就是该工艺。 1 9 6 9 年，s m i m 等人首次报道了在活性污泥法工艺中采用超滤取代二次沉淀 池的方法。另一个早期的报道是h a r d t 等人( 1 9 7 0 ) ，用一个1 0 l 的好氧生物反 应器处理合成废水，流程中用一个死端超滤膜来实现固液两相分离，其中的 m l s s 浓度高达3 0 0 0 0 m g l ，是常规好氧系统的2 3 倍，膜通量为7 5l ( m 2 - h ) ， c o d 去除率为9 8 。d o r r - o l i v e r 公司在2 0 世纪6 0 年代开发了一种膜污水处理 工艺m s t ( m e a n b r a n es e w a g et r e a l r a e n t ) ( b e m b e r i s 等，1 9 7 1 ) 。在该系统中， 污水先通过一个旋转的鼓型筛网，然后进入悬浮生长的生物反应器中，并通过对 超滤膜组件的抽吸作用而连续出水。膜组件为扳框式，进出口压力分别为 3 4 5 k n m 2 和1 7 2 k n m 2 ，膜通量为1 6 9 l ( m 2 也) 。 1 9 8 2 年，d o r r - o l i v e r 公司推出了膜厌氧反应器系统( m a r s ) 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 ) ，c o d 去除 6 膜生物反应器的系统仿真模型研究 量和极高p h 值的工业废水中的蜡醇、氯苯、氯苯胺和甲苯等物质。用一个2 5 l 的e m b r 处理流量为6 9 m l h 、总有机碳的浓度为1 6 8 m l l 的1 ：业废水时，e m b r 能成功的去除并生物降解苯胺和氯苯胺。日前在英国许多地方正进行着小试工作 1 2 膜生物反应器的出现和发展 第一个以废水处理为用途的膜生物反应器的开发目的就是得到高质量的非 饮用回用水。当时在欧洲、南美洲和亚洲的一些工业化国家中，越来越严厉的环 保法规促使有关部门寻求一些高水平的污水处理技术柬消除水的富营养化和水 中的病毒、细菌。许多缺水的城市都希望在原来的水处理厂旁边建造一些辅助工 厂，以扩大原有工厂的污水处理能力。由于受建厂空间限制且要求辅助工厂与 原建筑协调，在这样的背景下，占地小而出水水质优良的膜生物反应器很快受到 了重视。 在出现后的一段时间里，膜生物反应器组合工艺由于受到能耗较高和膜组件 价格较高这两大瓶颈的制约发展一度受到限制。但是随着近十几年来材料工业 的不断发展，膜组件的价格在不断的下降，膜的使用寿命得到延长，膜生物反应 器又重新引起了人们的关注，并在工艺设计和运行方面取得了较大的进展，已经 开始进入大流量、低浓度的城市污水处理的领域。 在国际上，好氧m b r 工艺已经成功应用于下列行业的工业污水处理1 1 3 - 2 0 l ：化 妆品、医药、金属制造、纺织、屠宰场、乳制品、食品、饮料、造纸与纸浆、炼 油工业与化工厂。垃圾填埋场渗滤液韵好氧m b r 处理厂也已经开始在欧洲兴建。 这些涮r 工艺的工程主要分布在北美。歃 i f | 和南非。在我国，岫r 工艺也进入了 实用阶段，北京汇联食品有限公司食品加工废水处理工程和清华大学东区浴池中 水回用工程采用的就是该工艺。 1 9 6 9 年，s m i t h 等人首次报道了在活性污泥法工艺中采用超滤取代二次沉淀 池的方法。另一个早期的报道是h & d t 等人( 1 9 7 0 ) ，用一个1 0 l 的好氧生物反 应器处理合成废水，流程中用一个死端超滤膜来实现固液两相分离，其中的 m l s s 浓度高达3 0 0 0 0 m f l ，是常规好氧系统的2 3 倍，膜透量为7 5l ( m 2 h ) ， c o d 去除率为9 8 。d o r r - o l i v e r 公司在2 0 世纪6 0 年代开发了一种膜污水处理 工艺m s t ( m e m b r a n es e w a g et r c a w n c n t ) ( b e m b e r i s 等，1 9 7 1 ) 。在该系统中， 污水先通过一个旋转的鼓型筛网，然后进八悬浮生长的生物反应器中，并通过对 超滤膜组件的抽吸作用而连续出水。膜组件为扳框式，进出口压力分别为 3 4 5 k n r n 2 和1 7 2 k n m 2 ，膜通量为1 6 9 l 4 ( m 2 h ) 。 1 9 8 2 年，d o f f - o l i v e r 公司推出了膜厌氧反应器系统( m a r s ) 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s k g c o o ( m 3 d ) ，c o d 去除 食品废水。该工艺采用外部循环超滤膜，总负荷为s k g c o d ( m 3 d ) ，c o d 去除 硕士学位论文 - - _ - - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - - - - _ _ _ _ 一i _ _ - - _ - - t = - _ - _ _ e _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - - _ 率达9 9 。随后，英国采用超滤膜和微滤膜研制了两套污水处理系统( c h o a t e 等， 1 9 8 3 ；a n d e r s o n 等，1 9 8 6 ) 。这一概念在南非得以进一步发展而形成厌氧消化 超滤工艺( a d u f ) 。a d u f 系统采用管式超滤聚醚砜膜，稳定状态膜通量为 3 7 3 l ( m 2 h ) ，固体浓度为5 0 9 t s s l ( b o t h a 等，1 9 9 2 ) 。 1 9 8 9 年，日本政府联合许多大公司共同投资，计划研制一种节省占地面积、 出水水质好、适用于污水回用的工艺。k u b o t a 公司作为参与其中的公司之一， 研制了平板浸没式膜生物反应器( c h u r c h o u s e 和w i l d g o o s e ，1 9 9 9 ) 。 2 0 世纪7 0 年代后期，大规模好氧膜生物反应器首先在北美应用，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。膜生物反应器 在日本得到了极大的发展，目前在日本运行( 包括在建) 的膜生物反应器占全球的 6 6 。在膜分离生物反应器的应用中，9 8 以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。膜生物反应器在不同种类废水中的应用比例见表 1 1 。 2 0 世纪9 0 年代，研究人员开发了一系列浸入式微滤膜组件与生物反应过程 相结合的浸入式m b r 及其工艺，如日本的k u b o t a 工艺、美国的z e n og e m 工艺 以及美国u s fm e m c o r 开发的第四代产品c m f s ( 浸入式) 系列。这种浸入式 m b r 简化了膜装置的结构，使投资费用降低，且操作、维修更方便，占地又小， 因此浸入式m b r 及其工艺的开发和商品化大大促进了膜技术在中水回用中的应 用。但目前m b r 的投资、操作和维修费用相对还较高，且这部分费用常正比予 处理量，因此目前m b r 装置主要还是用于5 0 0 0 m 3 d 以下的工厂，目前最大的采 表1 1 膜生物反应器在不同种类废水中的应用比例 t a b l e1 1a p p l i c a t i o ns t a t u so f m e m b r a n eb i o r e a c t o r 废水类型 所占百分比 工业废水 大楼废水 生活污水 城市污水 土地填埋厂渗滤液 2 7 2 4 2 7 1 2 9 用m b r 工艺的污水处理厂在意大利，出水量为3 8 0 0 0 m 3 d ，在美国已建有2 4 个 采用m b r 工艺的污水处理厂用来处理市政污水：加拿大大约建有1 0 个装置， 使用的都是z e n o n 的中空纤维膜；在英国南部海岸的s w a n g e 所建的工厂使用的 是日本k u b o t a 的板框式膜组件，峰值时的出水量为1 2 5 0 0 m 3 d ，到2 0 0 2 年报道 时已经运转一年。v i v e d iw 妣嘏，s 过滤设备厂不久前介绍了他们的m b r 设计方 7 膜生物反应器的系统仿真模型研究 ，_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 口- i - 法，并在加利福尼亚州所建的厂中，结合m e m c o r 的c m f - s 膜技术，用于饮用 水的生产。 在日本则有许多小规模的浸入式膜生物反应器用于建筑中水回用及小区生 活污水和工业废水的处理。自1 9 9 2 年以来，日本使用膜分离活性污泥法处理各 种废水的情况见表1 2 ，每天总处理量超过6 0 0 0 0 m 3 d 。2 0 0 1 年，日本下水道事 业团已将该技术作为应促进的新技术列入“a 计划表”。 衰1 2 日本使用m b r 工艺处理各种废水的情况 t a b l e1 2a p p l i c a t i o ns t a t u so f m e m b r a n eb i o r e a c t o ri nj a p a n 各国的应用和研究表明，在较小规模和高出水要求时，m b r 在经济上是可 行的【2 1 - 2 5 。当处理量比较大时，与常规方法相比，m b r 较为昂贵。这一方面是 因为m b r 的设计及许多操作参数尚未经充分的最优化，另一方面，目前膜的价 格较高，性能也尚有待于提高。但是从近年的发展动向看，在含可生物降解有机 物废水处理的应用中，膜技术中最具普及性和适用性的就是m b r ，其中尤其以 浸入式m b r 的应用最多，因此许多国家都在进行大规模的m b r 开发、应用的 研究。例如荷兰为研究m b r 在b e v e r w i j k 废水处理厂的扩容中是否适用，对m b r 的放大过程进行了系统研究 2 6 7 1 ，从2 0 0 0 年开始由试验装置( 1 0 m 3 h ) 经示范 装置( 7 5 0 m 3 h ) 再放大到使用装置。中试研究工作在2 0 0 1 年底结束，研究取得 的成果对所有水处理厂和对m b r 感兴趣的部门都极有价值，研究还预测m b r 将在世界各国得到迅速发展。 我国天津清华德人环境工程有限公司的m b r 产品已开始应用于一些城市生 硕士学位论文 活污水处理及回用中，处理规模在5 5 0 0 m 3 d ，处理污水有生活污水、医院污 水和洗车污水等 2 8 。3 2 l 。 1 3 膜生物反应器的研究现状及趋势 m b r 的实验研究主要目的是证实m b r 的处理效果，确定m b r 的运行特性 和各项动力学参数，并为m b r 的最优化设计提供基础。在模型研究方面，膜生 物反应器的模型研究主要集中在对整个工艺流程进行计算机仿真模拟，以对处理 效果( 及出水水质) 进行预测，并通过模型对操作条件，如水力停留时间、膜的 种类及构型、污染负荷等进行研究以取得最佳的处理效果。还有一部分工作是围 绕膜阻塞这一关键问题展开，希望能了解膜的传质过程的机理和阻塞发生的原 因，以便减少膜组件的阻塞，降低运行费用。 1 3 1 国外研究现状 r o b e r t s 等人将m b r 系统应用于卫生废水和工业废水的混合废水处理幽】， 小规模试验结果表明该系统的c o d 去除率为8 2 ，且不因两种废水迸水量的比 例而改变。在此基础上设计的一座污水处理厂运行良好。 2 0 0 1 年，日本学者s g l u 等人将活性污泥l 号模型( a s m l ) 应用于膜生 物反应器流程，模拟间歇曝气操作条件下的处理过程，得到了可溶性微生物产物 ( s m p s ) 的数学模型，并且模拟的结果于实验数据较好的吻合 3 4 1 。该模型中包 含了可溶性微生物产物的生成和降解的过程，并从一定程度上证明了可溶性微生 物产物存在的重要性。但由于活性污泥模型n o 1 反应的机理较为简单，该模型 也需要进一步的改进。 德国学者g u n t h e rg e h l e r t 和j o b s th a p k e 在2 0 0 2 年对一个连续曝气的膜生 物反应器处理不同种类的污水进行了数学模拟【3 5 6 1 。他们采用黑箱模型，根据 实验数据确定膜生物反应器的物料进出关系，然后以此黑箱模型为基础建立了两 个简洁模型，得到了与实验数据较为吻合的横拟结果。虽然该模型的模拟效果较 好，但由于是黑箱模型，只是简单的对物料进出关系进行计算和预测，不能解释 系统内部的反应机理，因而使用起来有一定的局限性。 德国学者t w m t g e m 等人建立的膜生物反应器处理市政污水的模型1 3 7 l 是目 前较为完善的模型。该模型不但反映了反应器内发生的各个过程，还对膜的传质 和阻塞过程进行了描述，对大型的膜生物反应器污水处理流程的模拟较为准确。 美国学者s e m i h e n s 对m a b r 进行了一系列的研究。在文献 3 8 4 3 1 中，他通过 p c r - d g g e 方法对微生物种群结构进行分析，发现m a b r 中微生物的种群