（环境工程专业论文）膜生物反应器运行优化与有机物降解动力学研究.pdf

哈尔滨t 业大学工学硕士学位论文 摘要 随着社会经济的发展和人口的急居4 增长，人类对水的需求量不断增加， 而可利用的水资源逐年递减，为了缓解水资源紧缺的状况，保持经济和社会 的可持续发展，迫切需要发展符合时代发展的污水资源化技术。 膜生物反应器( m b r ) ，是高效膜分离技术和传统活性污泥法的结合，膜 工艺与传统生物处理工艺相比具有出水水质好、占地面积小、维修简便和操 作灵活等优点。本文结合目前膜工艺发展现状，对m b r 中污染物的去除、膜 生物反应器中同步硝化反硝化、污染物降解动力学以及膜清洗方法进行了较 为深入的研究，以期为该技术应用于工程运行提供理论依据。 本试验利用膜生物反应对模拟生活污水进行了处理效果的研究，试验表 明，一体式膜生物反应器中的c o d 、n h 3 - n ，浊度均有着较高的去除率， c o d 的平均去除率为9 7 1 ，出水n h 3 n 基本稳定在2 m g l 以下，去除率基 本保持在9 5 以上，出水浊度始终保持在1 3 n t u 之间。 本试验考察了d o 、h r t 、t n 、m l s s 对膜生物反应器中s n d 的影 响，试验发现当d o 为o 6 - 0 8 m g l ，h r t 为8 h ，c n 为2 0 ：1 ，m l s s 为 5 0 0 0 m g l 时同步硝化反硝化的效果最好，t n 去除率能达到8 6 。 在对m b r 中污染物降解速率的试验研究中发现，当s r t 为1 7 d 时， c o d 降解速率最快，在微生物的对数增长期和减率增长期对应的降解速率 常数分别为一3 3 8 2 2m g h 和0 2 4 4 2 。m b r 污泥系统对氨氮的去除可按线性 关系处理。表明s r t 为1 7 d 时，污泥系统对氨氮的去除速率最快，其降解 速率常数为- 5 9 6 0 1 m g h o 在膜过滤阻力试验中，膜自身的阻力占膜过滤总阻力的4 0 左右，膜表面 泥饼层的阻力占过滤总阻力的2 6 左右，膜孔内部堵塞造成的过滤阻力是造成 膜污染的主要因素，其过滤阻力占过滤总阻力的3 4 左右，当化学清洗完成 后，膜通量上能恢复9 0 以上。将微波清洗放在化学清洗后可以得到较好的清 洗效果。 关键词膜生物反应器：同步硝化反硝化；降解速率；膜污染 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m i ca n 4t h er a p i dg r o w t ho fp o p u l a t i o n t h ed e m a n do fw a t e rg r o w t hr a p i d l y , b u tt h ew a t e rr e s o u r c ew h i c hc a nb eu s e d h a sb e e nd e c r e a s i n gy e a rb yy e a r , t h e r e f o r e ，m u c hm o r ee f f i c i e n c yw a s t e w a t e r r e s o u r c et e e h n o l o g yw a sd e m a n d e dt oa l l e v i a t et h es t o r a g eo fw a t e rr e s o u r c e b i o m e m b r a n er e a c t o r ( m b r ) ，i st h ec o m b i n a t i o no fm e m b r a n es e p a r a t i n g t e c h n o l o g ya n d t h ec o n v e n t i o n a la c t i v es l u d g em e t h o d c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g y , m b r h a ss o m ee x c e l l e n t c h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sh i g hq u a l i t yo fe f f l u e n t sw h i c hc a nb ed i r e c t l yr e u s e d ， l e s sa r e ao fc o n s t r u c t i o n ，l e s sr e s i d u a ls l u d g e ，e a s i l ya u t oc o n t r o l l i n ga n ds oo n i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h et e c h n i q u ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em b rf u r t h e r l y , t h i s t h e s i ss t u d i e dt h es i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o n ( s n d ) 、t h ek i n e t i c s o f p o l l u t i o n sr e m o v a la n dt h ec l e a n i n gm e t h o do f p o l l u t e dm e m b r a n e t h i se x p e r i m e n ts t u d i e dt h ee f f e c to fm b rt r e a t i n gs a n i t a r yw a s t e w a t e r ，t h e r e s u l ts h o w e dt h ec o d 、n h 3 - n 、s sc o u l db er e m o v e de f f e c t i v e l yi nm b r s y s t e m t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo fc o d w a s 9 7 1 ，n h 4 + 一n o ft h e m e m b r a n ep e r m e a t ew a su n d e r2 m e g ld u r i n gm o s tt i m eo ft h ee x p e r i m e n ta n d t h er e m o v a le f f i c i e n c yw a so v e r9 5 m o r e o v e r , t h es sa l w a y sb e t w e e nla n d3 n t u t h ee x p e r i m e n ts t u d i e dt h ee f f e c to f d o 、h r t 、t n 、m l s so ns n d t h e r e s u l ti n d i c a t e dt h a tw h e nd ow a s0 6 0 8 m g l ，h r tw a s8 h ，c nw a s2 0 ：l ， m l s sw a s5 0 0 0 m g 1 ，t h ee f f e c to fs n dc o u l dr e a c h8 6 i nt h ee x p e r i m e n to fp o l l u t i o nr e m o v a lr a t ei nt h em b r i tc o u l db ef o a n d t h a tt h er e m o v a lr a t er e a c h e dt h ef a s t e s tw h e ns r ta t1 7d a y s ，t h er e m o v a lr a t e c o n s t a n to fc o di nt h el o g g r o w t hp h a s ea n dt h ed e c e l e r a t eg r o w t hp h a s ew a s 3 3 8 2 2a n d o 2 4 4 2r e s p e c t i v e l y t h er e s u l ta l s o s u g g e s t e dt h a t t h en h 3 一n r e m o v a lc o u l db et r e a t e db yl i n e a r i t yr e l a t i o n s h i p w h e ns r ta t17d a y s n h 3 - n r e m o v a lr e a c h e dt h ef a s t e s tr a t e a n dt h er e m o v a lr a t ec o n s t a n ti s 一5 9 6 0 7 0 m g h t h ef i l t r a t i o ne x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h ei n t r i n s i cr e s i s t a n c eo fm e m b r a n e t o o ku pt h e4 0 o ft o t a lf i l t r a t i o nr e s i s t a n c e ，t h ec o n t r i b u t i o no fs l u d g ec a k et o t o t a lr e s i s t a n c e ( r t ) w a s2 6 a n dt h em e m b r a n ep o l l u t i o nw a sm a i n l yc a u s e db y i i f o r a m e n sj a m ，w h i c hc o n t r i b u t e d3 4 t or r t h em e m b r a n ef l u xc o u l db e r e c o v e r e do v e r9 0 a f t e rc h e m i c a lc l e a n i n gw h i c hi l l u m i n a t e dt h a ti tc o u l dg e t g o o dc l e a n i n ge f f e c tw h e nu l t r a s o n i cc l e a n i n gw a sp u ta f t e rc h e m i c a lc l e a n i n g k e y w o r d s b i o m e m b r a n er e a c t o r ；s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o n ； r e m o v a lr a t e ；m e m b r a n ec o n t a m i n a t e i i i 哈尔滨t 业大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 水是人类社会赖以生存的最重要的物质条件之一，但随着社会经济的发 展和人口的急剧增长，人类对水的需求量不断增加，加之人类用水的不科学 和工农业生产及城乡生活对水的严重污染，使可利用的水资源逐年递减。人 类活动对水的污染使人的生存环境恶化，各大河川、湖泊几乎没有一洼净 水，水资源匮乏已成为2 1 世纪全人类面临的最严重危机。由于水资源严重不 足、水质不断恶化，许多国家都面临着水资源短缺的危机，尤其是发展中国 家和地区，愈益严重并有加剧的趋势。据有关专家预测，到2 0 2 5 年，全世 界将有2 3 的人口将面临严重缺水的局面【2 j 。 我国是个水资源及匮乏的国家，水资源人均拥有量仅为2 3 4 0 m 3 a ，仅为 世界平均值的1 4 ，并且水资源时空分布不均匀，南方多北方少，而在北方 的干旱和半干旱地区全年的降水量主要集中在7 、8 、9 三个月份。随着经济 的发展和城市化进程的加快，城市的缺水范围在不断扩大，缺少程度日趋严 重，其排水量也相应逐渐增大。据统计，全国有3 0 0 多个城市缺水，其中严 重缺水的城市达到5 0 个，城市日缺水量达10 0 0 万吨，因缺水而使财政收入 每年减少达2 0 0 多亿元【3 】。天津、长春、大连、青岛、唐山和烟台等大中城 市已受到水资源短缺的严重威胁，缺水问题已成为我国许多地区发展的主要 制约性因素。 我国水环境污染状况也相当严重，根据1 9 9 8 年中国环境状况公报( 4 】，全 国废水排放总量为3 9 5 亿m 3 ，c o d 排放总量为1 4 9 9 万吨，分别比上年 ( 1 9 9 7 年) 下降了5 和1 4 7 。生活污水占废水排放总量的4 9 1 ，生活污水 c o d 排放量占c o d 排放总量的4 6 2 ，均比上年有所增加。 我圈主要水系长江、黄河、松花江、珠江、辽河、海河、淮河和太湖、 巢湖及滇池的断面监测结果表明，3 6 9 的河段达到或优于地面水环境质量i 级标准，其中1 类水质占8 5 ，i i 类水质占2 1 7 ，i 类水质占6 7 ；6 3 1 河段的水质为、v 或劣v 类，失去了作为饮用水源的功能，其中类水质 河段占1 8 3 ，v 类水质占7 1 ，劣v 类水质占3 7 7 。其中长江、珠江水质 较好，监测河段中7 0 以上达到或优于地面水环境质量i 级标准：黄河、淮 ： ：一：一：= ：篁呈! i 型壁兰三兰堡；鐾堡! ! ；兰： ： 河、海河有2 8 2 9 达到或优于地面水( 级标准；松花江、辽河污染严重， 分别只有4 和11 3 达到或优于地面水i 级标准【5 。 水环境质量的严重恶化和经济的高速发展，迫切要求适合时代发展的污 水资源化技术，以缓解水资源的短缺状况。因此，近年来各种新型、改良型 的高效废水处理技术应运而生，其中的膜分离技术，特别是膜生物反应器 ( m e m b r a n eb i o r e a e t o r ，简称m b r ) 组合工艺在废水处理中的应用格外引人注 目。该工艺与传统废水生物处理工艺相比，具有出水水质好、出水可直接回 用、设备占地面积小、活性污泥浓度高、剩余污泥产量低和便于自动控制等 优点。 在上述背景下，本课题对生活污水回用于工业冷却水、市政景观用水和 生活杂用水进行研究，进行了膜生物反应器处理生活污水的小试研究、机理 探讨以及长期运行可行性的试验研究。本课题来源于广东省自然科学基金( 项 目编号：0 4 k j d 0 1 3 ) ，并得到了深圳市科技局的资助( 项目编号： 0 3 k j d 0 3 6 ) 。 1 2 膜生物反应器( m b r ) 的国内外研究现状 1 2 1 国外m b r 工艺的研究进展 2 0 世纪9 0 年代以后，国际上对m b r 在生活污水和工业废水处理方面 进行了大量的研究，m b r 已经进入实际应用阶段，并得到了快速的推广。 f 1 ) m b r 在生活污水回用处理中的应用研究 1 9 9 2 年，c h i e m e h a i s r ie t a l 【6 i 用m b r 工艺处理生活污水，出水水质好于传统二级处理后再经消毒的出 水；1 9 9 3 年，c h i e m c h a i s r ie ta l ”分别利用中空纤维、板式m b r 工艺处理城 市废水，水力停留时间2 4 小时，进水c o d 为6 0 4 9 0 m g l 时，对c o d 的去除 率为：中空纤维式8 0 9 8 ，板式 9 3 。1 9 9 4 年，b a i l e ye ta l j 用错流式微 滤m b r 工艺处理生活污水，对c o d 的去除率超过9 7 ，但须对膜预涂硅藻 粉保护层以防微生物在有机膜面生长。c h i e m c h a i s r ie ta l n 用m b r 进行了生 活污水脱氮研究【9 1 和低温脱氮研究【l o 】。1 9 9 2 年，n a g a n oe ta 1 1 1 1 报道t m b r 工艺膜生物反应器内的污泥浓度在好氧、厌氧系统中最高分别可达到2 8 7 、 “3 3 9 l ，这在普通活性污泥法是无法想象的。1 9 9 5 年，m u l l e re ta 1 1 1 2 1 用错流 式微滤m b r 工艺作中式试验，运行3 0 0 天，污泥浓度升至4 0 5 0 9 l 达到稳 定，体积负荷与污泥负荷分别为0 一2 0 k g c o d ( m j d ) 和 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 o 0 2 1 k g ( k g m l s s d ) ，总有机碳去除率大于9 0 ，基本实现完全硝化，另 有4 0 的氮被反硝化去除。1 9 9 6 年w i n n e ne ta l ”1 用陶瓷( t i 0 2 ) 一膜生物反应 器工艺处理人工合成城市废水，当进水c o d 3 0 0 m g l 、s s 4 6 m g l 、 t k n 3 9 7 m g l 、n h 4 - n 1 9 7 m g l 时，去除率分别达到9 9 、9 9 9 、9 9 5 、 9 9 ，并能有效截流m s 一2 型脊髓灰质炎病毒和异养细菌。1 9 9 8 年， s a k e l l a r i o u s 在研究m b r 污泥零排放时，对穿流式m b r 和错流式m b r 进行了 比较，发现穿流式的能耗为1 1 5 k w h m 3 ，比错流式的能耗5 6k w h m 3 小得 多。1 9 9 9 年，种新型的体式m b r 一重力淹没式m b r 在日本试验成功，处 理每吨水能耗为2 4k w h m 3 。2 0 0 2 年，j s v r o u w e n v e l d e r 1 4 1 用快速扫描的 方法进行了膜过滤过程中膜污染类型和程度的观察，为膜污染的防治提供了 有效的技术手段。2 0 0 5 年，i n s o u n gc h a n g 1 5 1 研究了吸附在泥饼层上的活性 污泥对膜生物反应器过滤性能的影响。 ( 2 ) m b r 处理工业废水的应用研究1 9 9 1 年，t o n e l l i 等1 16 j 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 2 年，r o s s 【1 ”对于玉米加工废水 进行了生产性试验。s u w ae ta 1 1 1 8 1 对食品加工废水进行了小试研究，当进水 b o d 5 负荷为0 _ 3 3 1 6 6 k g ( m 3 d ) ，污泥浓度为2 7 2 3 6 9 v s s l 时，对c o d 的 去除率大于9 7 。1 9 9 3 年k r a u t he ta l ”j 将膜一有压生物反应器用于处理酸 菜罐头加工废水，当进水c o d 为4 2 6 0 m g l 时，出水c o d 仅为7 0 8 m g l ， 且卫生学指标能达到饮用水卫生标准。1 9 9 4 年，b r o o k s 2 0 i 等采用选择性高分 子憎水硅橡胶膜制成萃取膜一生物反应器，成功的应用于3 一氯硝基苯化工废 水的处理研究。英国学者l i v i n g s t o n 2 1 1 研究开发了e m b ，废水于活性污泥被 膜隔开，废水在膜内流动，而含某种转型西进的活性污泥在膜外流动，废水 与微生物不直接接触，有机污染物可以选择性透过膜被另一侧的微生物降 解。出于萃取膜两侧的生物反应器中营养物质和废水循环单元式各自独立 的，各单元水流相互影响不大，生物反应器中营养物质和微生物生存条件不 受废水水质的影响，使水处理效果稳定，系统的运行条件可以分别控制在最 优的范围内，便于获得最大的污染物降解速率。2 0 0 2 年，德国v i t z i g 【2 副等将 m b r 应用于处理城市污水，运行3 8 0 天，而没有进行污泥排放，证实了 m b r 无剩余污泥排放的假设是成立的；r o s e n b e r g e r 2 3 1 等应用m b r 对城市污 水处理了5 3 5 天，m l s s 高达1 8 1 0 l ，c o d 去除率高达9 5 。 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 1 2 2 国内m b r 工艺的研究进展 国内对膜生物反应器的研究起步较晚，开始于9 0 年代初，而且研究也主 要也处于实验室阶段。目前，在我国膜生物反应器已用于处理造纸排放的难 降解有机废水【2 42 5 1 ：毛纺印染废水1 2 6 ：处理高浓度氨氮废水叫，还应用于生 活污水的处理，处理过的废水水质均达到相应的排放标准。 2 0 0 1 年，张立秋等| 2 8 】推导出了膜生物反应器中最佳的排泥时间。同 年，邹联沛2 9 1 考察了c n 、p h 值、温度和溶解氧对膜生物反应器中同步硝 化反硝化的影响。2 0 0 2 年，邹联沛 3 0 1 等进行了膜生物反应器中化学除磷的 研究。2 0 0 3 年，天津大学王坚1 3 ”等采用上流式厌氧污泥床( u a s b ) 与膜生物 反应器( m b r ) 组合工艺对城市垃圾填埋场渗滤液进行处理试验研究。当渗滤 液c o d 。为1 4 9 l 2 9 6 5m g l ，该组合工艺对c o d 。、b o d 5 、n i a 。n 的甲均去 除率分别达到7 3 、9 8 3 和6 1 7 。同年，上海交通大学齐唯等”“研究了 膜生物反应器中的同步硝化反硝化效应。2 0 0 4 年，中科院生态环境研究中心 徐惠芳 3 3 1 研究了机械清洗膜组件对膜通量的影响。同年，成英俊j 3 q 考察了 在膜生物反应器中投加填料后对生活污水中污染物质的去除效果。结果表 明，投加悬浮填料使膜生物反应器去除有机污染物质的能力得到增强，总 氯、总磷的平均去除率由4 5 5 和4 7 2 分别增至5 7 4 和7 1 8 。投加填料还 可以延缓膜污染。2 0 0 5 午，中科院生态环境研究中心李红岩”m 等研究了不 排泥条件下水利停留时间对膜生物反应器硝化性能的影响，同年，北京大学 丁原红p 6 1 等进行了膜生物反应器中有机营养物对污泥活性影响特性的研 究。 虽然我国对膜生物反应器进行的研究很多，但是应用于工程实践上的膜 生物反应器很少，随着人们对膜生物反应器的了解和我国经济的发晨，膜生 物反应器在我国一定会有广阔的应用前景。 1 3 膜生物反应器的组成和特点 1 3 1 膜生物反应器的组成 我们通常提到的膜生物反应器，实际上是三类反应器的总称，它们分别 是膜一曝气生物反应器( m e m b n ea e r a t i o nb i o r e a c t o r ，m a b r ) ；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 ) ；膜分离生物反 膜牛物反应器( 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 ) ；膜分离生物反 1 2 2 国内m b r 工艺的研究进展 国内对膜生物反应器的研究起步较晚，开始于9 0 年代初，而且研究也主 要也处于实验室阶段。目前，在我国膜生物反应器已用于处理造纸排放的难 降解有机废水【2 42 5 1 ：毛纺印染废水闭：处理高浓度氨氮废水口7 1 ，还应用于生 活污水的处理，处理过的废水水质均达到相应的排放标准。 2 0 0 1 年，张立秋等1 2 8 j 推导出了膜生物反应器中最佳的排泥时间。同 年，邹联沛【2 9 1 考察了c n 、p h 值、温度和溶解氧对膜生物反应器中同步硝 化反硝化的影响。2 0 0 2 年，邹联沛【30 】等进行了膜生物反应器中化学除磷的 研究。2 0 0 3 年，天津大学王坚【3 l 】等采用上流式厌氧污泥床( u a s b ) 与膜生物 反应器( m b r ) 组合工艺对城市垃圾填埋场渗滤液进行处理试验研究。当渗滤 液c o d 。，为1 4 9 1 2 9 6 5m g l ，该组合工艺对c o d 。、b o d 5 、n h 。一n 的平均去 除率分别达到7 3 、9 8 3 和6 1 7 。同年，上海交通大学齐唯等1 3 2 j 研究了 膜生物反应器中的同步硝化反硝化效应。2 0 0 4 年，中科院生态环境研究中心 徐惠芳【3 3 】研究了机械清洗膜组件对膜通量的影响。同年，成英俊p 4 j 考察了 在膜生物反应器中投加填料后对生活污水中污染物质的去除效果。结果表 明，投加悬浮填料使膜生物反应器去除有机污染物质的能力得到增强，总 氮、总磷的平均去除率由4 5 5 和4 7 2 分别增至5 7 4 和7 1 8 。投加填料还 可以延缓膜污染。2 0 0 5 年，中科院生态环境研究中心李红岩p5 j 等研究了不 排泥条件下水利停留时间对膜生物反应器硝化性能的影响，同年，北京大学 丁原红 3 6 等进行了膜生物反应器中有机营养物对污泥活性影响特性的研 究。 虽然我国对膜生物反应器进行的研究很多，但是应用于工程实践上的膜 生物反应器很少，随着人们对膜生物反应器的了解和我国经济的发展，膜生 物反应器在我国一定会有广阔的应用前景。 1 3 膜生物反应器的组成和特点 1 3 1 膜生物反应器的组成 我们通常提到的膜生物反应器，实际上是三类反应器的总称，它们分别 是膜一曝气生物反应器( m e m b r 叭ea e r a t i o nb i o r e a c t o r ，m a b r ) ；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 ) ；膜分离生物反 喻尔滨工业大学工学硕士学位论文 应器( b i o m a s ss 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 ，b s m b r ，简称m b r ) 。 ( 1 ) 膜一曝气生物反应器无泡曝气m b r 最早见于c o t e p 1 3 7 1 等于1 9 8 8 年 的报道。它采用透气性致密膜或微孔膜，以板式或中空纤维式组件，在保持 气体分压低于泡点( b u b b l ep o i m ) 的情况下，可实现向生物反应器的无泡曝 气。由于传递的气体含在膜系统内，因此提高了接触时间，极大的提高了传 氧效率。同时由于气液两相被膜分开，有利于曝气工艺的更好控制，有效的 将包起和混合功能分开。因为供氧面积一定，所以该工艺不受传统曝气系统 中汽泡大小及其停留时间等因素的影响。膜一曝气生物反应器的示意图见图 】一】 有_ 机 质一 | 膜壁 三咋 0 进气蝴 有 机 质 图l 一1膜埔 气生物反应器不惹圈 f i g 1 - 1d i a g r a mo f a e r a t e db i o - m e m b r a n er e a c t o r ( 2 ) 萃取膜生物反应器( 萃取m b r ) ，见图1 2 ，是结合膜萃取和生物降 解，利用膜将有毒工业废水中的有毒的、溶解性差的优先污染物从废水中萃 取出来，然后用专性菌对其进行单独的生化降解，从而使专性菌不受废水中 离子强度和p h 值的影响，生物反应器的功能得到优化。但是目前膜- 曝气 生物反应器和萃取膜生物反应器还处于试验室阶段，尚无工程应用。 ( 3 ) 膜分离生物反应器膜分离生物反应器中的膜组件相当于传统生物 处理系统中的二沉池，利用膜组件进行固液分离，截流的污泥回流至生物反 应器中，透过水外排。 按膜组件和生物反应器的相对位置，膜分离生物反应器又可以分为一体 式膜生物反应器、分置式膜生物反应器、复合式膜生物反应器三种。分置式 m b r 如图1 3 所示。 分置式m b r 通过料液循环错流运行，加压泵从生物反应器抽水，压入 膜组件中，膜滤后水排出系统，浓缩液回流至生物反应器，分置式膜生物反 应器具有以下特点： 1 ) 膜组件和生物反应器各自分开，独立运行，因而相互干扰较小，易于 一：= 一：= ： ：= ：! 竺堡三兰奎兰三茎至：! 兰竺篁圣 ：。= = = ：= ：= ： 调节控制。 2 ) 膜组件置于生物反应器之外，更易于清沈更换。 废水 出水( 含浓缩的无机质) 废水 图1 - 2 萃取膜生物反应器示意图 f i g 1 - 2d i a g r a mo f e x t r a c t i o nb i o - m e m b r a n er e a c t o r 3 ) 膜组件在有压条件下工作，膜通量较大，且加压泵产生的工作压力在 膜组件承受压力范围内可以进行调节，从而可根据需要增加膜的透水率。 4 1 分置式膜生物反应器的动力消耗较大，加压泵提供较高的压力，造成 膜表面高速错流，延缓膜污染，这是其动力费用大的原因。 5 ) 生物反应器中的活性污泥始终都在加压泵的作用下进行循环，由于叶 轮的高速旋转而产生的剪切力会使某些微生物菌体产生失活现象。 6 1 分置式膜生物反应器和另外两种膜生物反应器相比，结构稍复杂，占 地面积也较大。 目前，已经规模应用的膜生物反应器大多为分置式，但其动力费用过 高，因此能耗较低的一体式膜生物反应器的研究逐渐得到了人们的重视。 一体式m b r 见图1 4 ，一体式m b r 根据生物处理的要求，可分为两种 组成形式：第一种有两个生物反应器，其中一个为硝化池，另一个为反硝化 池。膜组件浸没与硝化反应器中，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：可以提供配套的膜和设备，便于旧系统的更新 改造；将膜浸没池作为好氧区，面生物反应池作为缺氧区以实现硝化一反 硝化的目的；便于将膜隔离进行清洗。第二种组合最简单，直接将膜组件 置于生物反应器内，通过真空泵或其他类型的泵抽吸，得到过滤液。为减少 膜面污染，延长运行周期，一般泵的抽吸是间断运行的。 图1 3 分置式m b r f i g 1 3s e p a r t e dm b r 膜 出水 出水 进水 回流污泥( 依靠重力) 丫丫 l _ 一i 兰警主壁量l 哩_ 4 垂至b 出水( 厦硝业) _ _ 1 f 七兰兰= = ! r 了卜小 生物反应器 进水 ( 硝化) 生物反应器 出水 图1 4 一体式m b r f i g 1 - 4i n t e g r a lb i o m e m b r a n er e a c t o r 一体式m b r 利用曝气时气液向上的的剪切力来实现膜面的错流效果， 也有采用在一体式膜组件附近进行叶轮搅拌和膜组件自身的效果( 如转盘式 膜组件) 来实现膜面错流效应。 一体式膜生物反应器的主要特点有： 1 ) 膜组件置于生物反应器之中，减少了处理系统的占地面积。 2 ) 一体式膜生物反应器采用抽吸泵或真空泵抽吸出水，动力消耗费用远 低于分置式膜生物反应器。 主 3 ) 一体式膜生物反应器不用加压泵，因此可避免微生物菌体受到剪切而 失活。 4 ) 膜组件浸没在生物反应器的混合液中，污染较快，而且清洗起来较为 麻烦，需要将膜组件从反应器中取出。 5 ) 一体式膜生物反应器的膜通量低于分置式。 膜分离的种类根据膜孔径的大小，可分为微滤( m i c r of i l t r a t i o n ，简称 m f ) 膜、超滤( u r r af i l t r a t i o n ，简称n f ) 膜和反渗透( r e v e r s eo s m o s i s , 简称r o ) 膜。微滤膜用于分离0 2 1 的大颗粒、细菌和大分子物质，操作压力一 般为o 0 1 0 2 m p a 。超滤膜所分离的颗粒大小为0 0 0 2 0 2 9 m ，一般为分子 量大于5 0 0 0 的大分子和胶体，操作压力为0 1 - - 4 ) 5m p a 。纳滤膜用于分离分 子量数百1 0 0 0 的分子。反渗透用于分离数百分子量以下的分子和离子。几 种膜分离的范围的示意图如图1 5 。 目前，大多数的m b r 工艺都采用0 1 o 4 9 m 的膜孑l 径，这对于以截留 微生物絮体为主的活性污泥来讲，完全可以达到目的。膜材质包括有机膜和 无机膜，有机膜制造相对便宜，应用广泛，但在运行过程中易受污染、寿命 短；无机膜则抗污染能力强，寿命长，能在恶劣的环境下使用，但目前制造 成本较高，所以难以得到广泛的应用。 颗粒大小( um ) 图1 - 5 常见膜分离过程的分离范围 f i g 1 - 5s e p a r a b l er a n g eo ff a m i l i a rm e m b r a n es e p a r a t i o np r o c e s s 复合式膜生物反应器在形式上也属于一体式膜生物反应器，所不同的是 在生物反应器内加装填料，从而形成复合式膜生物反应器，改变了膜生物反 哈尔溟，】业大学i 一学坝十学位论文 应器的某些性状。见图卜6 。 根据膜生物反应器的需氧性又可以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以分为膜常压生物反应器和膜加压 生物反应器。在膜加压生物反应器中，生物处理装置处于加压状态。 擞：魏 生物反应器 图1 - 6 复合式膜生物反应器工艺流程 f i g 1 6p r o c e s sf l o wo f c o m b i n e db i o - m e m b r a n e 1 3 2 膜生物反应器的特点 出水 1 3 2 膜生物反应器的特点 普通活性污泥法在处理工艺方面存在很多不足：二沉池固液分离效率 不高，曝气池中的物浓度难以维持到较高的浓度，致使处理装置容积符合 低，占地面积大：处理不够理想且不稳定；剩余污泥量大，污泥处置费 用高；管理操作复杂。 m b r 工艺以膜组件取代了传统处理工艺中的二沉池及后处理系统，简 化了工艺流程，具有以下优点： f 1 ) 能高效的进行固液分离，不仅可以去除悬浮物和有机物，而且可以 大幅度的去除细菌和病毒，因此污染物去除率高，出水水质良好，省去后续 的消毒工艺，浊度和悬浮固体接近零，可以直接回用。 f 2 1 膜的高效截留作用使微生物全部留在生物反应器中，实现了反应器 的水力停留时间( h r t ) 和污泥龄( s r t ) 完全分离，使运行控制更加灵活稳定 3 9 1 。 ( 3 ) 生物反应器内的生物浓度高，耐冲击负荷。 哈尔滨工业大学丁学硕十学位论文 ( 4 ) 泥龄长。膜分离使污水中的大分子难降解成分，在体积有限的生物 反应器内有足够的停留时间，大大提高了难降解有机物的降解效率。反映器 在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行，可以实现基本无剩余污泥排 放。 ( 5 ) m b r 内的s r t 可以人为控制，有利于增长缓慢的硝化细菌的截留和 生长，提高了系统的硝化效果【40 4 “。 ( 6 ) m b r 工艺结构紧凑，可以采用p l c 控制，可实现全程自动化控制。 ( 7 ) m b r 在高污泥负荷下工作时，能对污泥进行好氧消化，排出的污泥 数量少、脱水性能好，可不必进行厌氧消化处理，因此可取消污泥消化池。 ( 8 ) m b r 工艺容积负荷大，设备紧凑，占地面积省，工艺设计灵活，利 于对现有的污水处理厂进行改造。 总之，膜生物反应器具有许多其它污水处理方法所不具备的优点，特别 是出水水质可满足目前最严格的污水排放标准。但是由于m b r 工艺本身的 问题，尚存在如下问题需要解决： ( 1 ) 膜污染经过一定时间的运行，膜的通透能力下降，膜污染不可避 免，而且目前没有简单有效的清洗方法来恢复其膜通量。 ( 2 ) 能耗高m b r 的能耗比常规活性污泥法( o 3 0 5 k w h m 3 ) 高。高能 耗的原因首先是m b r 过程必须保持一定的膜驱动压力。其次是m b r 中的 污泥浓度非常高，水中氧的传质效果往往很差，所以m b r2 1 2 艺采用加大曝 气量的方式来改善这一状况，因而造成能耗偏高。再者膜污染使膜通量迅速 降低，必须增大流速，冲刷膜面，减轻膜污染以维持所需要的膜通量【4 2 l 。 1 4 本文研究的目的意义及主要研究内容 国外的膜生物反应器污水处理技术经过3 0 多年的不断研究，已经从试 验阶段发展到实际应用阶段，其在污水处理中的应用领域也不断扩大，如生 活污水处理、高浓度有机废水处理、难降解有机废水处理等。但是对膜工作 的机理尚未完全掌握；现在，我国对膜生物反应器的研究大部分处于膜生物 反应器处理工艺的机理研究和试验室小试阶段。本文结合国内外发展趋势及 膜生物反应器工艺的技术关键内容，对以下几个方面的问题进行了研究： f 1 ) 为了考察一体式膜生物反应器对生活污水的处理效果，以及长期运行的 稳定性，本试验进行了膜生物反应器长期运行时处理效果的试验研究 ( 2 ) 为了在膜生物反应器中实现同步硝化反硝化过程，并达到较好的脱 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 氮效果，本试验进行了膜生物反应器中生态因子对同步硝化反硝化的影响及 条件优化； ( 3 ) 为了研究膜生物反应器中污泥龄对水中污染物质去除速率的影响， 本试验进行了不同污泥龄下，膜生物反应器中c o d 和n h 3 一n 降解动力学的 试验研究； ( 4 ) 膜污染问题是影响膜生物反应器推广应用的一个主要问题，本文研 究了膜组件清洗方法，并进行了清洗效果的分析。 哈尔滨工业人学工学硕上学位论文 第2 章一体式m b r 长期运行时处理效果的研究 膜生物反应器处理生活污水一直是研究的重点，经m b r 处理的生活污 水可以达到深度处理的要求，而且m b r 占地面积小，可自动化程度高，有 利于现有污水处理厂的改造，适用于污水回用的工艺。但m b r 在经过长期 运行后会出现污泥活性降低、抽吸压力上升迅速、膜污染带来的膜通量下降 等问题，本试验采用人工配制的模拟生活污水，总运行时间为3 个月，在此 期间考察了膜生物反应器长期运行条件下对污染物的去除情况以及膜生物反 应器的运行状况。 2 1 试验装置与试验用水 2 1 1 试验装置与研究方法 本试验所用2 套膜生物反应器均由不锈钢材料制成。每个反应器的有效容 积为2 4 l ，在反应器中膜组件都置于反应器的中上部，所用的膜组件为中空纤 维膜组件，膜孔径为o 0 1 p , m 左右，单片膜面积为2 m 2 ，膜丝外径为1 4 4 m m ， 反应器中四片膜并联排放，反应器由曝气头进行曝气，曝气量由空气流量计 进行调节，溶解氧由便携式溶解氧仪进行控制，试验期间溶解氧控制在 1 5 2 5 之间：出水用抽吸泵抽吸出水，并由玻璃转子流量计控制出水流 量，控制m 汀在8 h 左右；抽吸压力通过真空表上的读数表示。 试验进水由配水箱内的潜水泵送入高位水箱，然后经过液位平衡箱由底 部进入生物反应器，反应器出水在抽吸泵的抽吸作用下通过中空纤维膜出 水，反应器的液位由液位平衡箱中的浮球阀控制，可保持出水与进水的流量 平衡。 2 1 2 试验用水 试验用水采用人工配水，模拟生活污水，有葡萄糖、淀粉、蛋白胨配制 而成，并添加氯化铵、磷酸氢二钾和少量的硫酸美、氯化钙、氯化铁等营养 盐配制而成，并用碳酸氢钠调节溶液的p h 值保持在中性。进水的c o d 浓 度为2 0 0 4 5 0 m g l 之间，n h 3 一n 浓度在2 0 4 0 m g l 之间，t p 浓度在3 8 m g l 之间。 1 高位水箱2 液位平衡箱3 反应器4 膜组件5 气泵6 抽吸泵 7 液体流量计8 控制箱9 气体流量计 1 0 真窄表 图2 1 试验装置 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ep i l o t - p l a n te q u i p m e n t 表2 - 1 水质分析方法 t a b l e 2 1a n a l y t i c a lm e t h o d so f w a t e rq u a l i t y 7 1 3 哈尔滨工业大学r 学硕士学位论文 2 1 3 分析方法 本试验采用的水质分析方法均依照国家环保局编写的水与废水检测分 析方法( 第四版) 进行，试验中的主要分析项目包括：c o d 、n h 3 一n 、t n 、 t p 、m l s s 、m l v s s 、p h 、浊度、生物相等，具体方法见表2 - 1 2 2m b r 对有机物的去除效果 试验运行期间，c o d 浓度变化及其去除率如图2 - 2 所示。有关数据统 计列于表2 2 中。 表2 - 2 膜生物反应器对c o d 去除情况统计表 t a b l e 2 2c 0 1 ) r e m o v a lr a t eb ym b r 项目 cod ( r a g l ) 最大值最小值平均值 迸承( m g l ) 4 2 11 9 5 ，83 1 8 1 上清液( m g l 1 1 2 0 82 92 4 8 膜山水( r a g l ) 1 1 8 40 815 5 1 反应器去除率( ) 9 8 66 8 79 2 2 总去除率( ) 9 9 76 9 3 39 5 3 191 72 53 34 15 15 96 77 5 8 备闻茜 一原水- 卜上清液膜出水 图2 - 2m b r 中c o