（环境工程专业论文）膜生物反应器深度处理生活污水试验研究.pdf

摘要 y 6 2 4 6 8 4 本文对膜生物反应器深度处理生活废水的工艺特性进行了研究，其长期运行结 果表明：膜生物反应器对生活废水中化学需氧量( c o d c ，) ，氨氮( n h 3 - n ) ，固体 悬浮物( s s ) ，具有较高的去除率，实验出水水质稳定，处理效果优良，其中c o d c ， 2 0 m g l ，n h 3 - n l ，0m g l ，s s 为0 ，满足污水回用的要求。并研究了膜生物反 应器中膜污染划分，根据物理清洗和化学清洗的效果，将膜污染划分为可清洗污染和 不可清洗污染。针对可清洗污染设计了泥饼层在线控制装置，研究了抽停间歇操作 和污泥沉积层在线控制相结合的可清洗污染控制工艺：针对不可逆污染，探索了在 线药洗的去除效果，并初步探讨了某表面活性剂膜表面改性防治生物污染的措施。 关键词：深度处理膜生物反应器膜分离膜污染膜清沈 a b s t r a c t t h ee f f e c to ft h ea d v a n c e dt r e a t m e n to fd o m e s t i cw a s t e w a t e rb yu s i n gm e m b r a n e b i o r e a c t o rw a si n v e s t i g a t e d l o n g - t e r m o p e r a t i o n h a ds h o w e dt h a tt h em e m b r a n e b i o r e a c t o r ( m b r ) h a d ag o o de f f e c to i lt h er e m o v a lo f c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ( c o d c r ) ， a m m o m a n i t r o g e n ( n h 3 一n ) ，s o l i ds u s p e n d e ds u b s t a n c e ( s s ) t h eq u a l i t yo f t h ee f f l u e n t h a dg o o ds t a b i l i t y , a n dt h et r e a t e dw a s t e w a t e rc a nb er e u s e d 1 1 1 em e m b r a n ef o u l i n gi s d i v i d e di n t ot w op a r t s ：h y d r a u l i cc l e a n a b l ea n dh y d r a u l i cu n c l e a n a b l e ，b a s e do nt h e e f f e c t so f h y d r a u l i cc l e a n i n g a n e w l yd e s i g n e da p p a r a t u si se m p l o y e d t oc o n t r o lt h ec a k e l a y e rf o u l i n go n l i n e ，c o u p l e d 埘t ht h ei n t e r m i t t e n to p e r a t i n gs y s t e m ，t h eh y d r a u l i c c l e a n a b l e f o u l i n g i sd e c r e a s e d b a s e do nt h ee f f e c t so fd i f f e r e n tc h e m i c a lc l e a n i n g m e t h o d sh y d r a u l i cu n c l e a n a b l ef o u l i n gi ss u b d i v i d e di n t o o r g a n i cf o u l i n g ，i n o r g a n i c f o u l i n ga n db i o l o g i cf o u l i n g o n - l i n e c h e m i c a l c l e a n i n g o fi r r e v e r s i b l e f o u l i n g w a s s t u d i e d f i n a l l yas u r f a c t a n tw a se m p l o y e d t om i n i m i z eb i o l o g i cf o u l i n g ，w i t hw h i c ht h e m e m b r a n es u r f a c ei sm o d i f i e d k e yw o r d s ：a d v a n c e dw a s t e w a t e rt r e a t m e n t w a s t e w a t e rm e m b r a n e s e p a r a t i o n c l e a n i n g m e m b r a n eb i o r e a c t o rd o m e s t i c m e m b r a n e f o u l i n g m e m b r a n e 堡主丝壅 壁旦堕生塑垦生墨塑壁竺堡竺适望查望墼竺窒 1 绪论 水是非常宝贵的自然资源。它是地球上一切生命赖以生存、人类生活和生产不能 缺少的基本物质，又是地球上自然资源中不可替代的物质。 我国水资源并不丰富，是世界1 3 个贫水国之一。一方面水资源严重短缺，另一方 面水资源污染日益严重。我国工业和城市生活废水2 0 0 2 年排放总量已达4 3 9 5 亿t ， 其中城市生活污水排放量2 3 2 3 亿t 。我国城市污水集中处理率不高，近6 0 的污水未 经处理就直接排放，导致全国近1 2 的河流遭受污染【i j 。未来几年内，国家将投入巨 资提高污水处理率，到2 0 0 5 年，我国城市污水处理率将达到4 5 ，重点城市达到6 0 。即使这样，仍然有大量的污水进入水体，水体污染不可避免。随着城市化进程的 不断加快以及工业的快速发展，城市居民用水量和工业用水量不断增加，水资源短缺 的情况会越来越严重，水资源供需矛盾将更加突出。为了缓解这种供需矛盾，开源节 流势在必行。一方面要提高人们的节水意识，采用各种节水措施；另一方面就是寻找 新的可利用水源，而城市污水无疑就是一种潜在的第二水源【2 1 。 我国大多数城市污水厂的出水是经过二级处理的，其水质较之原污水已有了很大 的改善，如果就这样排掉，实在是水资源的巨大浪费。因为只要在原有的工艺上增加 相应的后续处理，就能实现污水回用的目的。据统计，城市用水中只有2 3 的水直接 或闻接用于饮用，而其他1 ，3 的用途都可以由回用水代替。因此，污水回用为我们提 供了一个非常经济的新水源f 3 】。 目前城市污水比较多地回用于工业、农业、市政及建筑小区杂用工业上主要回用 于工业冷却水、洗涤用水等，农业上主要是回灌农田，甚至直接回灌补充地下水，市 政及建筑小区杂用水主要指城市及小区绿化、浇洒道路、冲洗汽车及建筑内冲洗厕所 p 1 ，水质必须达到生活杂用水水质标准。而一般二级处理出水难以满足要求，因此 必须对废水进行深度处理。 1 1 废水深度处理常用工艺 深度处理也叫三级处理，是进一步去除常见二级处理所不能完全去除的杂质的过 程【”。随着环保要求的提高，以及因水资源紧缺污水再生利用的需要，过去人们曾认 为二级处理是“完全”处理的就不正确了。还有一些污染物质，如营养型无机盐氮磷、 胶体、细菌、病毒、微量有机物、重金属以及影响回用的溶解性矿物质是二级处理不 硕卜论文 应用膜生物反应嚣深度处理生活污水试验研究 能完全去除的。这就需要二级处理后，选择一些单元技术进一步对二级出水进行后续 处理。这些单元技术有的是从给水处理技术移植过来的，有的是单独针对污水处理的。 城市污水深度处理的基本单元技术有；混凝( 化学除磷) 6 】、沉淀( 澄清、气浮) ”j 、过滤 、消毒、活性炭吸附嘲、反渗透 1 0 , 1 1 】。要想使净化处理水到再生回用的理想水质、满 足市政杂用、生活杂用、园林绿化、生态景观、工业冷却、回注地下水、发电厂锅炉 补给水等多种用途要求，需要针对不同用水途径，以及城市污水及工业污水的二级处 理出水为水源，以高效除磷脱氮、膜生物反应器、微滤膜、反渗透、化学絮凝、沉淀 过滤、生物过滤、电聚浮等单元技术为核心，通过不同的组合方式，将现有的成熟技 术最大程度整合，研究开发分别或同时满足生活杂用、市政杂用、工业冷却水质要求 的城市污水再生利用工艺技术及配套设备。 围绕污水处理与回用，今年来，世界各国相继开展了一系列卓有成效的研究，各 种新型、改良型的高效处理技术应运而生。其中特别是以膜分离为基础的膜生物处理 技术在实践中取得了快速的发展。 1 2 膜生物反应器概述 1 2 1 膜生物反应器的发展历史 膜生物反应器是一种由膜组件取代传统生物处理中的二沉池和沙滤池的生物处理 技术，它的研究迄今已逾3 0 年了，其商业应用也有2 0 年的历史了。 膜生物反应器的研究开始于2 0 世纪六十年代末。1 9 6 9 年，美国的s m i t h l h 】首次 报道了美国的d o r r - o f i v e r 公司把活性污泥法和超滤工艺结合处理城市污水的方法。该 工艺最引人注目的是用膜分离技术取代常规的活性污泥二沉池，用膜分离技术作为处 理单元中富集生物的手段，而不是采用常规的回流循环来增加曝气池中微生物的浓度。 它是用一个外部循环的板框式组件来实现膜过滤的。在生活污水的处理中，获得了极 佳的处理效果，b o d l m 班，c o d 2 0 3 0m g l ，系统处理能力为1 0 - - 1 0 0 m 3 d 。 另一个早期的报道是h a r d t 1 4 1 等人，在1 9 7 0 年用一个1 0 l 的好氧生物反应器合成废水， 流程中用一个死端超滤膜来实现泥水分离，其中的m l s s 浓度高达3 0 0 0 v m g l ，是常 规好氧系统的2 3 倍，膜通量为7 5 l m 七- 1 1 1 ，c o d 去除率9 8 。尽管这些工艺取得 了良好的出水水质，但由于当时膜技术发展相对落后，膜材料种类少，价格昂贵，使 用寿命短，限制了该工艺的长期稳定运行，污水膜生物反应器处于初级研究阶段。 1 9 7 0 年美国的d o r r o l i v e r 公司和日本的s a n k ie n g i n e e r i n g 有限责任公司达成 协议，使得该工艺首次进入日本市场。7 。3 。8 0 年代以后，随着膜制造技术的发展、膜 硕t 。论文 应用膜生物反应器深度处理生活污水试验研究 分离工艺的完善、膜清洗方法的改进和污水厂出水水质要求的提高，膜生物反应器丌 始在污水处理行业得到应用。1 9 8 9 年，日本政府联合许多大公司共同投资进行了为期 6 年的“9 0 年代水复兴计划( a q u ar e n a i s s a n c ep r o g r a m m e 9 0 ) ”科研项目，其目 的是寻求满足中长期水量需求，解决水污染问题和从污染物中获取能量。特别是开发 一种膜技术与生物反应器相结合来处理工业和城市污水，省能省地，出水水质好，适 用于污水回用的工艺。项目耗资1 1 8 亿日元。k u b o t a 作为其中公司之一，研制了平板 式浸没膜生物反应器。到1 9 9 3 年，已经报道有3 9 套外置式膜生物反应器系统用于同 本的卫生和工业领域。今天，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 较高的工业领域，例如饮料行业等。 膜生物反应器的商业应用也有很长的历史。2 0 世纪7 0 年代早期，美国密执安州 的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) 推出了自己的外置式膜分离系 统c y c l e l e t 工艺用于家庭污水的处理。该系统采用两级污泥好氧一缺氧流程，外置管 式超滤膜来处理污水。出水经过u v 消毒后用于冲厕，1 9 7 4 1 9 8 2 年间，t h e t f o r d 系 统公司共安装了2 7 套c y c l c l e t 工艺产品。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( 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 8 k g c o d m 一d ，c o d 去除率达9 9 。与此同时，英国采用超滤膜和微滤膜研制了两套 污水处理系统，其概念在南非得以进一步发展而形成厌氧消化超滤工艺。厌氧消化超 滤工艺系统采用管式超滤聚砜膜，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 。1 9 9 4 年t h e t f o r d 系统公司与z e n o n 环境公司合并为z e n o n 市政系统公司。 在8 0 年代末和9 0 年代初，z e n o n 环境公司继续了美国的d o r r o l i v e r 公司早期在工 业污水处理领域的研究工作，研制成功z e n o n g e m 、p r m a f l o wz8 ( 由8 个内径2 4 m m 管式膜组成，膜面积8 m 2 ) 、z e e w e e d 等一系列工艺。特别是形成z w 一1 4 5 ( 膜面积1 3 5 m 2 ) 、 z w 一1 5 0 ( 膜面积1 3 9 m 2 ) 、z w 一5 0 0 ( 膜面积4 6 m 2 ) 等系列产品，大大推动了膜生物反应 器技术的市场化进程。 在膜生物反应器的发展期间，其含义也得到拓展。k e i t hb r i n d l e 等将两种通过膜 来优化生物反应器的工艺也纳入m b r 的范畴：即无泡曝气膜生物反应器和萃取膜生 物反应器。 1 2 2 膜生物反应器废水处理工艺特点及分类 1 221 膜生物反应器工艺特点 膜生物反应器利用膜组件代替传统生物处理系统中的二沉池，利用膜组件进行固 液分离，将污泥截流在反应器内，透过水外排 2 1 。2 卯。在传统的生物处理中，泥水分离 硕上论文 应用膜生物反应器深度处理生活污水试验研究 是在二沉池中靠重力作用完成的，分离效率依赖于活性污泥的沉降性，而污泥沉降性 又取决于曝气池的运行状况，改善污泥的沉降性必须控制曝气池的操作条件。所以， 为满足二沉池固液分离的要求，曝气池的污泥浓度一般在2 m g l 左右，从而限制了生 化反应速率和处理负荷。膜生物反应器综合了膜分离与生物处理技术的优点，不仅可 以最大限度的去除悬浮物，同时可以通过膜分离将二沉池无法截留的游离细菌和大分 子有机物阻隔在生物池内，从而大大的提高反应器内的生物浓度，提高了有机物和氮、 磷的去除率。 比起常规的生物处理方法，膜生物反应器具有如下显著特点；( i ) 污染物去除率 高，抗污泥膨胀能力强出水水质稳定，可完全滤去悬浮物及有关微生物，出水无需消 毒。( 2 ) 膜的机械截留避免了微生物的流失，使生物反应器内保持高的生物浓度，从 而大大提高了容积负荷，降低污泥负荷，减少占地面积。( 3 ) 污泥泥龄长，剩余污泥 量少，大大降低了污泥处置费用。( 4 ) 实现了水力停留时间和污泥停留时间的彻底分 离，使设计与运行大大简化，( 5 ) 工艺结构紧凑，易于实现自动控制。 1 2 2 2 膜生物反应器分类 按膜组件和生物反应器的相对位置，膜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和复合式膜生物反应器三种。分置式膜生物反应器1 4 j ( 如图 1 2 1 所示) 通过料液循环错流运行，其特点是，操作管理容易，易于膜的清洗、更换 及增设。但为了减少污染物在膜面的沉积，由循环泵提供的料液流速很高，为此动力 消耗较高。 进水 污泥回流 图1 2 1 分置式膜生物反应器 出水 一体式m b r ( 如图1 2 2 所示) 组合最简单，宜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， 堕圭垒苎 皇星堕皇塑垦窒壁堡垦竺堡皇垩望查苎墅! ! 墨 般泵的抽吸是间断运行的。一体式m b r 利用曝气时气液向上的减切力来实现膜面的 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的旋转来实现膜面错 流效应。与分置式相比，一体式的最大特点是运行能耗低。一般认为，一体式在运行 稳定性、操作管理方面和清洗更换上不及分置式。 进水 1 r j 盗 7出水 生物反应器 图1 2 2 一体式膜生物反应器 复合式膜生物反应器( 如图1 2 3 所示) 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 应器的某些性状。如图1 2 3 所示： 根据生物反应器的需氧性，膜生物反应器又可分为好氧膜生物反应器和厌氧膜生 物反应器。 进水 1r 塞塞塞1 匕j水 1 一填料；2 一膜组件；3 生物反应器；4 抽吸泵 图1 2 | 3 复合式膜生物反应器工艺流程 在与膜分离技术结合中，采用活性污泥法较多。传统活性污泥法设计和运行的若 硕十论文 应用膜生物反应器深度处理生活污水试验研究 干关键性问题，在m b r 工艺中仍然十分重要，如水力负荷、有机负荷、微生物浓度、 曝气时间、s r t 、h r t 、氧传递速率、回流污泥率、p h 值和碱度、溶解氧浓度等，这 方面国内外学者做过大量研究1 2 5 - 2 7 1 。在与附着生长系统结合的方面，目前研究不多。 国内哈尔滨工业大学【4 0 1 曾做过生物膜法与膜分离技术结合的工艺研究，认为加装填料 可以提高处理系统的抗冲击负荷能力，减小膜污染的程度，保证较高的膜通量。 1 2 3 膜污染机理 膜分离的引入使膜生物反应器工艺的处理效果优于传统工艺，但同时也带来了新 的问题，其中膜污染就是一个突出的问题，它将影响膜的稳定运行，并决定膜的更换 频率，因此被认为是影响膜生物反应器工艺经济性的重要原因岱9 。膜污染问题是影响 膜生物反应器实际应用的技术关键【2 卜3 2 】，膜分离过程是一个压力驱动过程，膜的性能 因膜污染随时间会有很大的变化，膜通量随时间的变化而变化表现为随时间延长，膜 的通量下降。对微滤和超滤，通量下降很大而且很快，实际通量常常远远低于水通量， 严重影响过滤过程的进行。造成这种现象的主要原因是膜污染 3 3 1 。膜生物反应器中膜 污染的物质来源是活性污泥混合液。活性污泥混合液的组成是复杂丽变化的，它包括 微生物菌群及其代谢产物、要处理废水中的有机物大分子、小分子、溶解性物质和固 体颗粒，理论上讲每一部分都对膜污染有所贡献。 r b r a r m r g 心。 图1 2 4 膜阻力划分示意图 膜污染一般是用膜过滤过程中污染阻力来表征的1 6 0 】。根据达西( d a c y ，sl a w ) 方程 j ：堕 儿r 颂士论文 应用膜生物反应器深度处理生活污水试验研究 式中j 为膜通量，l ( 1 2 h ) ；a p 为膜两侧的压力差，p a ：为透过液粘度，p a s ； r 为过滤总阻力。 然而在实际研究中，由于所选用的膜生物反应器和所过滤的料液特征不同，以及 为了建立相应的模型，不同的研究者对除了膜固有阻力以外的其余各项有不同的理解 和划分，并由此产生了对膜污染阻力的不同理解，有关专家作了如下总结： ( 1 ) 对于膜不完全截留 r = r m + r p + r f = r m + r o + i k r 卜r - f = r m + r c + r i f ( 1 ) ( 2 ) 对于膜完全截留 r = r m + r 。+ r 盯= r 饥+ ( 2 ) ( 3 ) 根据水力清洗 r = r m 十r f = r m + 凡寸r i 。f ( 3 ) 式中r 膜过滤过程中的总阻力； r 。清洁膜固有的阻力： k 浓差极化阻力( p o l a r i z a t i o nl a y e rr e s i s t a n c e ) r f 污染阻力( f o u l i n gr e s i s t a n c e ) ( = r e f + r i f ) ： 心f 外部( e x t e r n a l ) 污染阻力； p - i f 内部( i n t e r n a l ) 污染阻力； 沉积阻力( c a k er e s i s t a n c e ) ( = r p + f ) r r f 可逆( r e v e r s i b l e ) 污染阻力( 包括极化层阻力) ，代表能够通过水力 清洗去除的阻力； r i r f 不可逆( i r r e v e r s i b l e ) 污染阻力，代表不能通过水力清洗消除的阻力。 从以上可以看出，对膜污染阻力的划分还无定论，其中的内部污染是指小于膜孔 的物质在膜孔中的堵塞和吸附：外部污染是指固体物质通过物化作用与膜紧密结合所 形成的沉积层；凝胶极化阻力只有在膜过滤的过程中才能得以体现。由于浓差极化阻 力与外部污染阻力在实验中难以准确区分，因此很多条件下将其合并考虑为沉积层阻 力a 式( 1 ) 和式( 2 ) 中的膜污染都是根据污染发生的位置来划分，而式( 3 ) 则是根 堡主望苎 些旦堕生望垦丝壁鳖鉴竺! 鳖煎亘查堕堕! ! 翌 据水力清洗的效果来划分。可见，除了膜的固有阻力外，其它阻力都可根据实际情况 的需要来描述膜污染。 1 2 4 膜污染控制技术 膜过滤过程中，污水中的微粒、胶体粒子或溶质分子与膜发生物理化学相互作用 4 0 i ，或因为浓差极化是某些溶质在膜表面超过其溶解度及物理作用而引起的在膜表面 或膜孔内吸附、沉积，造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性发生变 化的现象 4 3 - 4 6 】。膜污染中有些可以通过一定的方法消除或减轻，而某些则使膜发生了 永久性变化，无法消除。宏观上讲，膜污染的形成主要受三方面的影响：膜的性质、 料液的性质和操作条件【4 7 】，这三个方面相互影响相互制约。 ( 1 ) 投加粉末活性炭 在投加p a c 后，污泥絮体由于p a c 颗粒的存在而更加易于相互聚集而形成体积 更大、强度更高、粘性更小的污泥絮体，这样的污泥絮体在膜表面形成的污泥滤饼层 比较松散，透水性好，提高了混合液可滤性，另一方面，投加p i k e 提高污泥的沉淀性 能，改善污泥的泥水分离性能，减缓滤饼层的形成。 ( 2 ) 低水通量过滤 水通量与由于压力导致的污染物在膜表面的增厚而引起的膜污染有关，实验和工 程实践都表明，在低水通量情况下的过滤使设备操作稳定，而且能耗较小、膜污染上 升速率低。但这种方法会增加所需的膜面积，实际上也降低了膜的水通量。 ( 3 ) 间歇操作 采用间歇抽吸操作模式旨在通过定期地停止膜过滤，使沉积在膜表面上的污泥在 水力的作用下从膜表面脱落下来，使膜的过滤性能得以恢复。一般抽吸时间越长，悬 浮固体在膜表面的积累程度越大；间歇时间越长，膜表面沉积污泥脱落越多，膜过滤 性能恢复也就越多。 ( 4 ) 合理曝气 在m b r 中，曝气的目的除了为微生物供氧以外，还使上升的气泡及其产生的紊动 水流清洗膜表面和阻止污泥聚集，以保持膜通量稳定，因此曝气量较高。一般气水体 积比为4 0 ：l l o o ：1 ，明显高于传统处理工艺。曝气对膜表面的清洗作用在于，使 污泥上流和气泡混合在膜表面产生错流作用，从而产生冲击作用来擦洗膜表面，清除 污泥颗粒。 硕十论文 应用膜生物反应器深度处理生活污水试验研究 ( 5 ) 空气反吹： c v i s v a l l a t h a n 等人通过研究几种不同的过滤空气反吹操作模式发现，1 5 m i n 过滤和1 5 r a i n 空气反吹可以获得稳定的膜通量，与连续运行的工艺相比膜通量提高到 3 7 0 ，说明空气反冲可以减缓膜污染，但对膜组件的强度要求苛刻。 ( 6 ) 水反冲洗： 用处理水进行定期反冲洗也可以减缓膜污染，但冲洗强度和水量要比出水强度和 水量高，对膜性能要求也高。 ( 7 ) 空曝气： 空曝气就是在停止进出水时，加大曝气强度，连续曝气2 3 d ，以冲脱沉积在膜 表面上的污泥层。空曝气是通过强化水流循环作用的物理清洗方法，因此只有当膜表 面附着的污泥层对膜的过滤阻力造成很大的影响时，这种方法的效果才比较显著。 ( 8 ) 化学清洗： 最有效的方法是根据污染的程度，把膜组件浸在化学清洗剂中2 4 8 h 。对于不同 种类的膜，应选择合适的化学清洗剂，以防止化学清洗剂对膜的损害。酸类清洗剂可 以溶解除去矿物质及盐类，而n a c l 0 水溶液可有效地去除蛋白质等有机污染及膜内微 生物污染，一般两者结合使用效果更好。 常用的化学清洗剂有： 酸性情洗剂：硫酸、赫酸、草酸、柠檬政与硝酸等这类试剂主要用于清除钙、 镁等离子的氧化物、氢氧化物及碳酸盐、硅酸盐等无机污染物。 碱性清洗剂：氢氧化钠、氢氧化钾水溶液等碱性试剂在一定程度上可以皂化脂肪 和溶解蛋白质一般用来去除油脂、果胶等有机类物质，是食品工程中的普通清洗剂。 氧化型清洗剂；过氧化氢、高锰酸钾、次氯酸钠、叠氮酸钠等在清洗菌体及多肽、 多糖等大分子物污染方面效果明显，般用于可抗氧化性的膜上。 ( 9 ) 超声波清洗： 近年来超声波在污泥浓缩脱水方面研究较多。j a n u a r yb i e n l 6 3 等人研究表明：超声 波可以改变污泥的结构和毛细管抽吸时间( c 印i l l a r ys u c t i o nt i m e ，c s t ) ；同时也降低了 污泥的水合作用速率；j i a n x i nl i i 删等人研究了超声波在膜污染监测和清洗上的应用。 通过比较表明，采用反冲洗加超声波的方法效果最好，可以对膜污染基本上完全清除。 9 硕l ：论文应用膜生物反应器深度处理生活污水试验研究 膜生物反应器的膜污染防治问题涉及化学、物理学、生物学、水力学、材料学和 工程学等多个学科，问题的解决需要各个学科相互借鉴和深入研究1 4 。目前机理研究 的主要方向是膜表面生物污染机理，该机理的研究对抗生物污染材料的开发有重要的 意义【4 7 - 5 0 1 。此外，膜的有机污染刚和生物污染模型有待开发，以避免时间长、费用高 的实验研究和测试。膜组件的结构、运行方式和组合工艺需要创新性的改进f 5 2 。”】，清 洗手段和频率 5 4 - 5 8 也有待进一步的试验和探讨。 减缓膜污染应该从全过程来考虑：一要选用性能优良的膜材料，合适的膜孔径。 二要通过不同途径改善混合液的特性，可通过加入粉末活性炭来改善活性污泥的沉降 性能，形成疏松多孔、通透性良好的絮体；或通过投加材料( 悬浮型或固定型) 控制混 合液里皿塌浓度在一定水平，从而减轻膜阻力上升速率。三要控制最佳的运行条件， 通过实验和工程经验来确定最佳膜临界通量，最佳曝气量，最佳抽停时间比。四要进 行定期的膜清洗，膜清洗是保证膜通量长期运行稳定的主要因素，为了操作方便尽量 采用在线清洗的方式，水反冲、空气反冲或超声波清洗等宜采用自动控制方式。必要 时进行化学清洗，根据不同的污染物类型选用合适的清洗剂。随着膜生物反应器理论 研究不断深入、成膜材料的不断优化以及工程实践经验不断丰富，膜污染的控制方法 出现将会不断推陈出新，膜生物反应器的应用前景将十分广阔。 1 3 本课题的研究内容 随着水资源状况的日益严峻，污水回用作为缓解水资源紧张的有效措施而势在必 行。为了解决污水回用中存在的问题，本文研究了膜生物反应器深度处理生活废水的 工艺特性，并且针对膜生物反应器运行过程中存在的膜污染问题进行了较为深入的讨 论，研究内容如下： ( 1 ) 探讨膜生物反应器深度处理生活废水的工艺特性，确定膜生物反应器的运行 参数，包括水力停留时间、污泥停留时间、气水等；并考察了膜生物反应器出水水质 保证其达到生活杂用水水质标准，满足污水回用的需要； ( 2 ) 研究膜污染的形成，确定膜污染的划分依据； ( 3 ) 针对膜各部分污染的特性，研究膜污染防治技术，保证膜生物反应器的稳定 运行并降低处理成本。 本研究的创新之处在于： ( 1 ) 将膜技术与传统的生物处理技术相结合应用与废水的深度处理，使之达到污 0 硕士论文应用膜生物反麻器深度处理生活污水试验研究 水回用的水质要求； ( 2 ) 进一步细化膜污染的区分依据，确定了各部分污染的测定方法，为膜污染各 部分阻力的分析提供了一定的参考意见； ( 3 ) 针对膜污泥沉积层污染的特点设计了污泥沉积层在线控制装置，为污泥沉积 层污染的控制技术提供了一条全新的思路： ( 4 ) 考察了在线药洗对膜污染的去除效果，确定相关的参数，实现了膜不可清洗 污染的在线控制，并延长化学浸泡的周期，简化了操作。 ( 5 ) 研究表面活性剂膜面改性控制微生物污染如蛋白质吸附的技术，实现生物污 染的过程控制。 硕士论文应用膜生物反应器深度处理生活污水试验研究 2 膜生物反应器工艺特性研究 2 1 膜生物反应器的设计和运行 2 1 1 实验装置的设计 实验装置( 自行设计研制) 工艺流程如图2 2 1 所示。反应器由p v c 制成，总有 效容积为2 4 l 。所用膜采用天津膜天膜工程技术有限公司生产的p v d f 浸入式中空纤维 膜组件( 帘式膜) ，f pt 外型尺寸( ) 为3 0 0 2 5 0 4 5 0 ，纤维内外径( m m m m ) 为 0 6 5 i 0 ，膜面积( m 2 片) 为1 1 5 。组件下以穿孔管鼓风曝气。进水端设立水箱，以 电磁阀和液位传感器配合控制水位，出水采用计量泵抽吸。 g 1l 。! p 一 “ 出水 j 一一 1 t j 嘴2 电磁阀 3 水位控制器4 液位传感器 5 n 空n6 计量泵 7 膜组件8 磁力驱动泵9 流量计 1 0 曝气装置1 1 反应器 图2 1 1 实验装置( 自行设计研制) 工艺流程 2 1 2 实验装置的运行参数及实验水质 本实验主要研究膜生物反应器深度处理生活废水的工艺特性，采用恒定膜通量的 负压抽吸操作方式，每小时出水5 l ，水力停留时间4 5 小时，实验期间，系统除分 硕士论文 应用膜生物反应器深度处理生活污水试验研究 析测试取出部分活性污泥外，未进行人工排泥。 实验用水取自南京理工大学友谊河生活污水。具体水质情况及分析方法如表2 1 所示。各项水质指标的测定采用国家废水检测标准方法。运行过程中定期取样，测定 进水、上清液和出水中的化学需氧量( c o d ) 、氨氮( n h 。一n ) 、总磷( t p ) 、膜通量、污 泥沉降比( s v ) 及反应器的污泥浓度( m l s s ) 。监测方法参照国家环保局编制的环境 监测分析方法o 。 表2 1实验用水水质及其分析方法 2 2 结果与讨论 2 2 1 c o d 的去除效果 图2 2 1 是膜生物反应器进水、上清液和出水中c o d 历时变化情况。 从图上可以看出，尽管进水c o d 的变化较大，出水水质始终保持稳定，在实验初 期保持在1 5 m g l 左右，而实验中后期则降至1 0 m g l 左右，分析认为，随着膜生物反 应器的运行，反应器内微生物不断的得n se i 化，适应于该废水水质的菌种不断富集， 使得出水水质随着反应器运行时间的推移有变好的趋势，反应器处理能力不断得到强 化。 与传统活性污泥法相比，膜生物反应器对有机物的去除效率要高得多，而且在传 统活性污泥法中，由于受二沉池对污泥沉降| 生要求的影响，当生物处理达到一定的程 度时，要继续提高系统的去除效率很困难， 少量提高总的去除效率，而在膜生物器中， 往往需要延长很长的水力停留时间也只能 可以在比传统活性污泥法更短的水力停留 时间内达到更好的去除效果。实验废水c o d 浓度2 0 8 0 m g l ，优于城市污水处理厂二 级出水水质指标，传统活性污泥法处理能力有限，不能满足污水回用的要求。从实验 结果可以看出膜生物反应器处理能力完全可以满足水质要求。 硕士论文应用膜生物反应器深度处理生活污水试验研究 一 5 曲 。 运行天数d 图2 2 1 膜生物反应器进水、上清液和出水c o d 历时变化 上清液c o d 值一直较高说明，膜的截留作用对于维持膜生物反应器出水水质起着 至关重要的作用。 2 5 蔷1 5 器 1 皇 o 5 o 01 0 2 03 0 4 05 0 运行天数( d ) 图2 2 2m l s s 历时变化 图2 2 2 为m l s s 随运行时间的变化曲线，随膜生物反应器系统的运行，污泥浓度 硕士论文应用膜生物反应器深度处理生活污水试验研究 有上升的趋势。一方面由于本实验废水c o d 浓度较低，另一方面膜生物反应器为了减 缓膜污染，要求较高的气水比以产生膜面错流，因此溶解氧较高，微生物代谢活跃， 由于营养物质相对不足，微生物内源呼吸作用强烈，因此污泥生长相对缓慢。污泥产 率低使膜生物反应器无需排泥或只需少量排泥，解决了传统活性污泥法污泥处置的问 题。 图2 2 3 为不同的污泥浓度和出水的变化情况，由图可知出水c o d 含量与污泥浓 度基本上成反比关系。这说明污泥浓度越高则相应的容积负荷减小，有利于对c o d 的 去除。 o b o s 刨 蛏 露 o o u * 羽 5 1 51 71 - 9 2 12 3 2 5 污泥浓度( g l ) 图2 2 3 出水水质随污泥浓度的变化 2 2 2 n i - 1 3 n 的去除效果 图2 2 4 为膜生物反应器进水、上清液和出水中n h 。一n 浓度的历时变化曲线。 尽管进水n h ，一n 的浓度变化较大，出水n h 。一n 却一直十分稳定，基本保持在0 5 m g l 以下。 从反应器的结构来看，硝化反硝化的过程在同一环境下完成，省却了传统活性污 泥法去除n h 。一n 所必需的两段式操作，简化了设备，节约了设备和运行成本。分析认 为，膜生物反应器保持很好的n h 。一n 去除效果的原因主要有以下两点： ( 1 ) 膜生物反应器内污泥浓度高，在实验运行过程中保持在1 8 2 3 9 儿，在反 硕上论文应用膜生物反应器深度处理生活污水试验研究 应器内形成了较大的菌胶团，在各个菌胶团由其外表面至菌胶团内部形成一定的溶解 氧浓度梯度，使得反应器内部形成局部的厌氧和好氧环境，为硝化和反硝化在同一反 应器内同时作用提供了必要的条件； ( 2 ) 由于膜对微生物的截留作用，世代周期长的硝化细菌得以在反应器内富集使 得n h 。一n 的转化率高；此外膜生物反应器的产泥量少，来自别的细菌的对硝化细菌的 竞争较小，因此对n h 。一n 的去除一直保持着很高的活性。 运行天数d 图2 2 4 膜生物反应器进水、上清液及出水n h 。n 历时变化 2 2 4 浊度的去除效果 膜生物反应器对浊度的去除效果极佳，实验中采用g d s 一3 光电式浊度仪对进水与 出水的浊度进行了测定，分别为1 4 和0 3 。从数值可见，m b r 对浊度具有极高的去除 效率。分析其原因，在膜过滤过程中，由于膜和在膜表面形成的沉积层对悬浮物都有 截留作用，使得悬浮物去除效率保持很高。 2 2 3 t p 的去除效果 图2 2 5 是进水、上清液及出水中t p 含量随膜生物反应器运行时间变化的曲线。 硕士论文应用膜生物反应器深度处理生活污水试验研究 从图中可以看出，膜生物反应器仅在运行初期具有一定的除磷效果，而随着反应 器运行时间的延长，处理效果逐渐降低，最终去除效率几乎为零。 分析认为，由于反应器运行过程中，没有进行排泥，使得p 在反应器内富集，而 微生物对p 的吸收有一定的限度，因此p 的处理效率低。本课题研究由于时间的限制， 在确定t p 的去除方面的相关运行参数没有能够作进一步的研究，而所查阅的相关资料 中涉及一体式膜生物反应器除t p 效率的文章也较少，通常都是采用组合式膜生物反应 器实现对t p 的去除，因此建议在膜生物反应器的进一步研究中，应对一体式膜生物反 应器的除t p 工艺条件进行进一步研究，如污泥停留时间对除t p 效率的影响。 2 3 小结 运行天数d 图2 2 5 膜生物反应器进水、上清液及出水t p 历时变化 本研究对应用膜生物反应器深度处理生活污水并回用的可行性进行了研究。实验 出水( 见表2 2 ) 各项水质参数都优于建设部生活杂用水回用标准，其中c o d c ， 2 0 m g l ，n h 3 。n i 0 m g l ，浊度 1 度，这是目前其他任何二级生化处理工艺都无法 顾士论文 应用膜生物反应器深度处理生活污水试验研究 达到的。因此，膜生物反应器应用于生活污水深度处理并回用是可行的。 表2 2 实验出水水质与建设部生活杂用水回用标准比较 杂用水回用标准c j 2 5 1 1 9 8 9 水质指标m b r 出水水质 城市绿化洗车扫除 s s ( r n g l 1 ) 1 050 c o d c ， 5 05 0 2 0 n h 3 - n 2 01 0 1 0 浊度度1 05 1 0 p h6 5 9 06 5 9 o7 o 8 6 嗅无不快感无不快感无不快感 硕十论文应用膜生物反应器深度处埋生活污水试验研究 3 膜污染控制 膜污染问题是膜生物反应器工艺的技术关键，膜污染的机理和研究现状在本文绪 论中已有较为详细的介绍。在总结前人工作的基础上，我们对膜污染的控制技术作了 研究。 为便于比较，本文将不同实验温度下的通量折算为2 0 * c 下的膜通量，通量对温度 的折算按下式进行： j 2 0 = j t r t w a r l w 2 0 式中j 2 0 为折算到2 0 。c t i 拘膜通量；j t 为t 温度下所测实际过滤通量；n 。t 为t 温度下纯水的粘度；nw 2 0 是2 0 c 下纯水的粘度。 3 1 膜污染的划分 在进行膜生物反应器深度处理生活废水的实验中，我们发现，膜污染造成的通 量衰减速度很快，通常几小时通量就严重下降。这部分污染清水冲洗通量基本可以恢 复。但随着运行天数的增加，清水冲洗后通量也有下降的趋势，如图3 1 1 所示，运 行工况，过膜压差o 0 2 6 m p a ，气水比5 0 ：1 ，抽滤时间2 4 小时。 5 0 4 0 笔3 0 j 。2 0 咖 赠1 0 o 23 4567 8 运行天数 图3 1 1 膜清水冲洗对膜污染的去除效果 从图中可以看出，膜污染实际包含了两个部分，一部分可以通过清水冲洗去除， 而另一部分则是仅通过清水冲洗无法清除的。因此我们将膜污染依据清水冲洗的效果 划分为膜可清洗污染和不可清洗污染，分别研究这两部分污染的产生和发展规律。 堡鲨兰 堡璺堕竺塑垦皇墅塑壁竺些皇适望查堕堕! ! 型 3 1 1 膜可清洗污染 3 1 1 2 膜可清洗污染的形成过程 监测恒定压力下的膜通量变化，是了解膜污染发展的有效途径。运行工况为：过 膜压差o 0 2 6 m p a ，气水比5 0 ：1 ，实验时间4 0 0 分钟。 图3 1 2 所示为膜通量随抽吸时间的变化曲线。 竺 、 ) v 咖| 嘲 巡 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 运行时间( m i n ) 图3 1 2 膜通量历时变化曲线 从图中可以看出，膜污染的形成过程可以大致分为两个阶段，第一阶段，膜污染 迅速形成，通量急速下降，如图所示，在实验的前1 0 0 分钟内通量由4 7 6 l ( m 2 h ) 下降至2 7 9 l ( m 2 h ) ，通量下降了约2 0 l ( m 2 h ) ，幅度很大；而第二阶段膜污染 基本形成，通量下降趋势减缓，在实验的第1 0 0 分钟到第4 0 0 分钟。间隔为3 0 0 分钟 时间内通量从2 7 9 l ( m 2 h ) 下降至2 0 4 l ( m 2 h ) ，下降幅度仅为7 5 l ( m 2 h ) ， 从物质传递的角度考虑认为，实验初期膜污染发展迅速主要有两方面的原因： ( 1 ) 过滤初期通量大，因此混合料液中所含污染物质随过滤液向膜面流动的速 度也较大，因此各种微粒在膜表面聚集速度很快； ( 2 ) 膜表面污染物与主体料液中污染物浓度差比较小，由浓差梯度引起的污染 物扩散速度较小，即污染物的反向传质作用较小，由于污染物向膜面流动 的速度远大于其扩散速度，污染物质在膜面迅速累积，污染层发展速度快， 造成通量的急剧下降。 污染物质包括微生物菌群及其代谢产物、要处理废水中的有机物大分子、小分子、 如 o 硕士论义 应用膜生物反应器深度处璀生活污水试验研究 溶解性物质和固体颗粒等。 随着运行时间的增加，一方面由于通量不断下降，污染物随过滤流微粒随过滤流 向膜表面聚集的速度降低，另一方面膜表面污染物质浓度增大，远高于主体料液中污 染物质的浓度，浓差梯度较大，污染反向传质作用加大，污染物质向膜面流动速度与 其扩散速度之间的差距逐步减小。当污染物质向膜面流动的速度与其扩散速度达到平 衡时，通量基本保持稳定。但在这种条件下，膜通量通常都处于一个很低的水平，直 接作为工业生产运行参数，膜的处理能力很低，大大的增加了膜组件的经济投入。必 须针对膜可清洗污染提出相应的处理措施，降低膜技术的经济成本。 严格的讲，图3 1 2 所示的膜污染实际包括膜可清洗污染和不可清洗污染，由于可 清洗污染和不可清洗污染同时发生，它们是同一个事物的两个方面，难以截然分开。 为此，我们考察了膜运行4 0 0 分钟，清水冲洗后膜通量的恢复情况，实验条件同上。 膜初始通量为4 7 6l ( m 2 h ) ，运行4 0 0 分钟对膜进行清水冲洗后测得通量为4 7 2l ， c m 2 h ) ，通量变化幅度很小，仅下降了0 4l ( m 2 h ) ，为了简化污染的区分，我 们将它忽略，将图3 1 2 所示的膜污染笼统的考虑