（环境工程专业论文）膜生物反应器（mbr）在污泥膨胀情况下运行状况的分析.pdf

中文摘要 在工程实践中，以盥洗废水为原水的膜生物反应器由于进水中缺乏氮元素发 生了污泥非丝状菌膨胀，对反应器的稳定运行产生了很大的影响。本文利用正交 试验这个工具，针对污泥非丝状菌膨胀情况下和正常情况下膜生物反应器的运行 状况进行了分析比较。 试验主要分为三个阶段： 第一个阶段，使反应器在营养充足的条件下运行，此时，最大s v i 值约为 8 0 m l g 左右，混合液粘度约为l o p a s 。利用正交试验考察膜通量、曝气强度以 及抽吸时间对膜污染的影响，同时监测出水水质。 第二个阶段，使反应器在b o d ：n 值为1 0 0 ：3 条件下运行，此时，污泥发生非丝 状菌膨胀，最大s v i 值约为2 4 0 m l g 左右，混合液粘度约为2 5 p a s 。利用正交试 验考察膜通量、曝气强度以及抽吸时间对膜污染的影响，同时监测出水水质。 第三个阶段，使反应器在b o d ：n 值为1 0 0 ：1 的条件下运行，此时，最大s v i 值 约为4 0 0 m l g 左右，混合液粘度约为4 0 p a s 。利用正交试验考察膜通量、曝气强 度以及抽吸时间对膜污染的影响，同时监测出水水质。 从整个试验结果来看，当进水中营养充足时，膜生物反应器运行稳定，出水 达标，膜污染程度较轻。当迸水中氮元素缺乏时，污泥发生非丝状菌膨胀，不论 何种碳氮比，出水水质均不能达标；不同的碳氮比造成的污泥膨胀情况不同，操 作因素对膜污染影响的情况也不同，需根据实际情况综合选择最优操作条件。 关键词：膜生物反应器污泥非丝状菌膨胀操作条件碳氮比 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，w es t u d yo nt h eo p e r a t i o n a la s p e c t so fm b ri nt h ec a g eo fn o r m a l c o n d i t i o na n dt h en o n - f i l a m e n t o u ss l u d g eb u l k i n gc o n d i t i o n t h ee x p e r i m e n tf e l li n t o t h r e e p h a s e s i nt h ef i r s tp h a s eo f t h ee x p e r i m e n t , w es t u d yo nt h eo p e r a t i o n a la s p e c t so f m b r i nt h ec f l s eo fn o r m a lc o n d i t i o n , i nw h i e hc o n d i t i o nt h ev a l u eo fm a x i m u ms v ii s a b o u t8 0 m l g w es t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h eo p e r a t i o n a la s p e c t so nt h em e m b r a n e f o u l i n ga n dm o n i t o rt h eq u a l i t yo f t h e o u t f l o w i nt h es e c o n dp h a s eo ft h ee x p e r i m e n t ，w es t u d yo nt h eo p e r a t i o n a la s p e c t so f m b rw h e nt h ep r o p o r t i o no ft h eb o d ：ni s1 0 0 ：3 ，i nw h i c hc o n d i t i o nt h ev a l u eo f m a x i m u ms v ii sa b o u t2 4 0 m l g a n dw es t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h eo p e r a t i o n a l a s p e c t so nt h em e m b r a n ef o u l i n ga n dm o n i t o rt h eq u a l i t yo ft h eo u t f l o w i nt h et l l i r dp h a s eo f t h ee x p e r i m e n t w es t u d yo nt h eo p e r a t i o n a la s p e c t so f m b r w h e nt h ep r o p o r t i o no ft h eb o d ：ni s 1 0 0 ：1 ，i nw h i c hc o n d i t i o nt h ev a l u eo f m a x i m u ms v ii sa b o u t4 0 0 m l g a n dw es t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h eo p e r a t i o n a l a s p e c t so nt h em e m b r a n ef o u l i n ga n dm o n i t o rt h eq u a l i t yo f t h eo u t f l o w w ec a nd r a wt h ec o n c l u s i o nf r o ma b o v ea n a l y s i s ，w h e nt h en u t r i t i o ni ss u f f i c i e n t , t h em b ri si ng o o dc o n d i t i o n w h e nt h eb a l a n c eo ft h en u t r i t i o ni sb r o k e n , t h e r e m o v a le f f i c i e n c yo fc o di sl o w e rt h a nt h en o r m a lc o n d i t i o n w ew i l lc h o o s et h e r e a s o n a b l eo p e r a t i o n a la s p e c t sa c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r ；n o n - f i l a m e n t o u ss l u d g eb u l k i n g ； o p e r a t i o n a lp a r a m e t e r s ；t h ep r o p o r t i o no f t h eb o d ：n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 姚敝储签名多形签字晚耐年月夕目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部f 碱机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名多 导师签名： 签字日期：2 翻衫年月石日 签字日期： 。厶年 哳 第一章绪论 1 1 膜生物反应器概述 第一章绪论 随着环境的恶化和技术的不断进步，针对污水处理的标准也越来越高。膜生 物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，简称船r ) 作为一种新型的污水处理技术，被 认为是对活性污泥法成功的改进，它利用了膜的高效分离特性对泥水混合物进行 分离。膜生物反应器技术的研究自上世纪6 0 年代开始，到8 0 年代中后期发展很快， 多种类型的膜生物反应器相继出现。目前，膜生物反应器已被成功地用于现有污 水处理系统的升级改造和各种污水的处理中。由于膜的高效截留作用，活性污泥 被截留在反应器中，膜生物反应器中可以保持很高的污泥浓度，并可在高负荷下 正常运行。 t 1 1 1 膜生物反应器的分类 膜生物反应器主要是由膜组件和生物反应器两部分组成。生物反应器是污染 物降解的主要场所，而膜组件往往会根据水处理目的而选用不同类型的膜。各种 膜生物反应器的差异都源于这两部分的组合类型及方式。 根据膜生物反应器中膜组件的作用，膜生物反应器一般分为3 类“1 ：( 1 ) 膜分 离生物反应器，主要用于固体的截留与分离；( 2 ) 无泡曝气膜生物反应器，主要 用于高浓度有机废水的处理；( 3 ) 萃取膜生物反应器，一般用于处理工业废水中 的优先污染物。其中以膜分离生物反应器的应用最为广泛，通常所说的膜生物反 应器也主要指该技术埘。 按照膜组件与生物反应器的结合方式，膜生物反应器可分为一体式、分离式 和隔离式三类。一体式膜生物反应器是将膜组件浸没在生物反应器中，有机污染 物在生物反应器中进行生物降解，水则通过负压抽吸从膜组件的外侧进人中空纤 维再引出；有时也将膜单元安置在生物池的出水端用来代替二沉池。分离式膜生 物反应器则是将生物反应器与膜单元分开设置，两者之间通过泵和管道连接。隔 离式膜生物反应器是将污水和生物反应器通过选择性膜隔开，只允许目标污染物 透过该膜进人生物反应器降解。 按照生物反应器中微生物生长需氧情况，分为好氧和厌氧两大类，好氧生物 反应器可细分为滑陛污泥法和生物膜法，厌氧生物反应器又可分为流化床法、 u a s b 法、固定床法、接触氧化法和两相法等。 按照膜组件中膜孔径的不同，可分别分为纳滤( n f ) 、超滤( u f ) 和微滤( m f ) ； 第一章绪论 按膜材料的不同可分为有机膜与无机膜；按膜形状的不同可分为平板膜、管式膜 和中空纤维膜。 1 1 2 膜生物反应器的特点 m b r 系统较之传统的活性污泥系统有以下五个特点： ( 1 ) 膜组件能够有效的分离悬浮固体，可以最大限度地将活性污泥截留在生 物反应器内。传统活性污泥法的m l s s 最高在5 9 l 左右，而m b r 系统的m l s s 最高可 达到2 0 9 几左右，从而可以带来比传统法更高的有机物去除率。 ( 2 ) 传统法污泥浓度低，污泥产量高，剩余污泥的处置费用占到废水处理总 成本的5 0 左右。1 。m b r 系统在低w m 条件下运行，污泥产率远低于传统法，从而 使剩余污泥的处置费用大幅度降低，进而降低废水的整体处理成本。 ( 3 ) 污泥停留时间的大幅度延长，可使硝化及亚硝化菌等世代时问较长的微 生物有效的保留在生物反应器内，从而使m b r 系统具有比传统方法更好的脱氮除 磷效果“3 。 ( 4 ) 由于膜生物反应器所需体积减小且无需设置二次沉淀池，m b r 系统的占地 面积较之传统方法大大缩小，在一些土地紧张的地区较之传统方法建设可行性 高。 ( 5 ) 与传统方法比较，膜污染一直是m b r 系统中一个难以克服的问题。它使膜 的阻力增加，透水率逐渐下降，严重影响了m b r 系统的处理效果，成为了限n m b r 系统广泛应用的一个主要障碍。 1 1 3 膜生物反应器的研究状况 目前膜生物反应器己应用于美国、德国、法国和埃及等十多个国家，规模从 6 m v d 至1 3 0 0 0 m 3 d 不等。 我国对m b r 的研究还不到1 0 年，但进展十分迅速。1 9 9 3 年前后，许多高校 与研究所加入了m b r 的开发研究工作。 国内对m b r 的研究大致可分为几个方面：( 1 ) 探索不同生物处理工艺与膜分 离单元的组合形式，生物反应处理工艺从活性污泥法扩展到接触氧化法、生物膜 法、活性污泥与生物膜相结合的复合式工艺、两相厌氧工艺；( 2 ) 影响处理效果 与膜污染的因素、机理及数学模型的研究，探求合适的操作条件与工艺参数，尽 可能减轻膜污染，提高膜组件的处理能力和运行稳定性；( 3 ) 扩大m b r 的应用范 第一章绪论 围，m b r 的研究对象从生活污水扩展到高浓度有机废水( 食品废水、啤酒废水) 与 难降解工业废水( 石化污水、印染废水等) ，但仍以生活污水的处理为主。 国内研究者对分离式m b r 、抽吸淹没式m b r 、重力淹没式m b r 与传统生物处 理工艺在城市污水处理方面进行的比较研究表明：各种m b r 的出水水质均优于传 统生物处理工艺，经m b r 处理后的生活污水，c o d 、b o d 。和浊度都很低，大部分 细菌和病毒被截留，出水水质已达到或优于生活杂用水水质标准，可直接作为楼 宇中水回用、城市园林绿化、扫除及消防等用水。由于膜的截留作用防止了硝化 细菌的流失，给生物反应器内的高浓度硝化细菌的保持创造了有利的条件，从而 大大提高了硝化效率。但也有研究表明：m b r 对氮的去除效果易受温度、冲击负 荷和h r t 等因素的影响。 虽然m b r 具有污染物去除效率高、出水水质好( 可去除细菌、病毒) 、可直接 回用、污泥产量低、易于实现自动控制且操作管理方便等优点，在生活污水和工 业废水处理与回用等方面得到了应用，但还存在许多问题。主要问题是如何控制 膜污染、维持膜分离的稳定运行，实现m b r 的工业化应用。 1 1 4 膜污染的成因及研究现状 膜污染一般是指污水中的污染物( 包括微粒、胶体粒子或大分子溶质) 与膜表 面存在物理化学或机械作用而引起的膜面上的沉淀与积累。膜孔内吸附造成的孔 径变小或堵塞，使膜的透水阻力增加，妨碍了膜表面上物质的溶解与扩散。从而 导致膜通量与分离特性的不可逆变化现象，广义的膜污染还包括由于浓差极化导 致凝胶层形成的可逆变化现象。 至今，膜污染的机理仍在进一步的研究中。剪切力导致污泥颗粒破碎，同时 也刺激了胞外聚合物( e x t r ac e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e ，e p s ) 的释放，这 导致了膜阻力的增加，因此，污泥混合悬浮液中的胶体和可溶性物质是膜生物反 应器膜污染的主要影响因素。 与上述结论相反，l d e f r a n c e 等认为悬浮物、胶体和可溶性物质占膜污染的 比例分别是6 5 、3 0 _ 乖1 5 。也就是说，悬浮物和胶体是膜污染的主要影响因素 哪。t c a r r o l l 和n a b o o k e r 认为中空纤维膜污染机理和速率与中空纤维膜丝的 长度和直径有关。如膜丝的轴向特征在膜污染的初始阶段是关键影响因素。因 此他们调查了中空纤维膜丝长度对膜污染的影响，并建立了一个简单的模型“1 。 在2 0 0 4 年6 月7 日，国际水协会( i w a ) 在韩国汉城召开了“水环境一膜技术国 际会议”( i w as p e c i a l t yc o n f e r e n c eo nw a t e re n v i r o n m e n t m e m b r a n e 第一章绪论 t e c h n o l o g y ) ，会议就膜技术在污水处理中的最新进展进行了广泛的交流。 在会上，优化膜的操作条件来降低膜污染的概念越来越受到重视，尤其是临 界通量的概念。 临界通量是指在确定操作条件下恒通量过滤中存在一个临界值，当膜通量大 于这个值时t m p ( 平均操作压力) 迅速上升，膜污染急剧发展；当膜通量小于这个 值时，膜污染不发生或者发展非常缓慢。临界通量和水力操作条件、膜分离操作 模式、料液性质以及膜本身性质有关。许多研究者均认为，膜组件在临界通量以 下运行可大大延缓膜污染4 1 。 此外，间歇抽吸也是延缓膜污染的有效手段。新加坡的z h a n gj i n s o n g 等人 选择连续出水与出水间歇时间分别为l o m i n 4 5 s 、l o m i n 3 0 s 署h l o m i n 1 5 s - - - 种模 式研究了不同的停抽时间对延缓膜污染的影响。结果表明，连续出水时t m p 随时 间的增长速率明显高于间歇出水，且l o m i n 3 0 s 效果要优于其他几种模式。之后， 又比较了将出水间歇时间比固定在2 0 ：1 的几种模式的效果，结果发现3 0 m i n 1 5 m i n 效果最好，说明较长的间歇时间是有利于降低膜污染的；但选用6 0m i n 3m i n 模式时，由于长时间抽吸后污染层已经变得非常紧密，导致t m p 随时间的增长速 率急剧增加。 除此之外，一些学者对诸如曝气强度、s s 浓度、抽吸时间以及曝气循环与污 泥在膜表面沉积之间的关系也进行了深入细致的研究。但是，所有这些研究都只 集中在一种或两种因素上面，没有探讨多种因素共同作用对与污泥在膜表面沉积 作用的影响。 清华大学的桂萍等人通过正交试验对膜通量、曝气强度、抽吸时间以及停留 时间四种操作因素对膜污染的影响进行了综合性的研究”1 。 在实验中，当一体式膜生物反应器中的m l s s 分别为l g l 和l o g l 时，设计了 两组正交实验去考察运行条件( 包括曝气强度、膜的透水量以及间歇抽吸时间) 对膜过滤特性的影响。其中，用平均操作压力( t m p ) 的增长速率来描述污泥在膜 表面的沉积效果。 试验结果表明，在上述的四种因素中，膜的透水量对t m p 的影响最为显著； 曝气强度的影响只有在m l s s 浓度较高时( 1 0 9 l 时) 才很明显；t m p 在抽吸时上升， 而在不抽吸时下降。同时发现，存在一个临界通量，它对污泥颗粒的沉积有很大 的影响，一旦超过，t m p 将迅速上升。在考虑了临界通量、曝气强度以及s s 浓度 后，从理论上分析出了污泥颗粒是否沉降的两个区域。 第一章绪论 1 2 活性污泥膨胀 1 2 1 活性污泥的组成与性质 活性污泥是栖息着具有生命活力的微生物群体的絮绒状污泥，故被称为活性 污泥。当污水与其接触混合时，微生物细胞壁外粘液层吸附污水中的有机污染物， 并在生物酶的作用下进行代谢和转化，同时自身也得到生长、繁殖，最后完成无 害化的目标。可见，如何给作为活性污泥法系统中有机污染物分解转化主体的活 性污泥创造一个良好的生存环境，是保证系统正常运行的关键。 活性污泥从外观上看，似矾花的絮绒颗粒，统称生物絮凝体，静置时，它们 可立即凝聚成较大的绒粒而下沉。这种絮凝体的骨干是由千万个细菌为主结成的 团粒，称为菌胶团。菌胶团在活性污泥中有着十分重要的位置，只有在它发育正 常的情况下，活性污泥的正常功能才能发挥。而在不正常的情况下，污泥中的菌 胶团消失，丝状菌大量出现，发生丝状菌污泥膨胀；或者出现菌胶团的过量生长， 菌胶团中的细菌分泌大量粘性物质阻碍了污泥絮体的下沉和压缩，污泥的沉降性 能严重恶化，发生非丝状菌膨胀“”。 正常的活性污泥几乎没有臭味，只是略有土壤的气味。活性污泥根据进水水 质的不同而具有不同的眼色，一般为黄褐色或黑褐色。其比重因含水率和组成而 异，一般为1 0 0 2 1 0 0 3 。活性污泥的绒粒的粒径般在0 0 2 o 2 m m 的范围 内，具有较大的比表面积，在2 0 l o o c m 2 m l 之间。 1 2 2 活性污泥膨胀的定义 污泥膨胀是活性污泥沉降性能恶化的一种表现，但如何全面地描述这一现 象并给出一个完整的定义还没有一个统一的结论。 这里仅给出较有代表性的三种定义： ( 1 ) 发生丝状菌膨胀的污泥中含有大量的丝状微生物，这些微生物搭建起活 性污泥絮体的骨架，同时也阻碍了污泥的下沉和压缩n 1 1 。 ( 2 ) 污泥膨胀是指由丝状微生物或菌胶团生物的过量生长引起的沉降缓慢压 缩性能恶化的污泥，这一定义也包括了非丝状菌膨胀“”。 ( 3 ) 污泥膨胀是一种活性污泥沉降速率缓慢，活性污泥絮体压缩恶化的状 态，这一定义也同样包括了非丝状菌膨胀“”。 根据污泥膨胀的成因，可以把污泥膨胀分为丝状菌膨胀和非丝状菌膨胀。丝 第一章绪论 状菌膨胀是由丝状菌的过量增殖引起的，非丝状菌膨胀的发生则是由于菌胶团细 菌分泌大量的胞外聚合物，这些胞外聚合物具有很高的含水率且粘性极大，使得 污泥的沉降性能恶化。 本次试验中，我们主要探讨的的是污泥的非丝状菌膨胀。 评价污泥沉降性能和污泥膨胀的常用指标有以下几种“”： ( 1 )污泥沉降比 又称3 0 r a i n 沉降率。混合液在量筒内静置3 0 r a i n 后所形成沉淀污泥的容积占 原混合液容积的百分率，以表示。在一定的污泥浓度下，污泥的沉降比能直接 反映出污泥的沉降性能，并且测定非常简单。因此，常成为评价活性污泥的指标 之一。 ( 2 )污泥容积指数( s v i ) 简称“污泥指数”。本项指标的物理意义是混合液在经过3 0 m i n 静沉后，每 克干污泥所形成的沉淀污泥所占有的容积，以i l l l 计。 污泥容积指数( s v i ) 的计算式为： s v i ：望鱼塑! ! 趔里登塑亘堕望堡查塑! 堕：! 圣! ： 污泥干重( g l ) s v i 值能够反映出活性污泥的凝聚和沉淀性能。用污泥容积指数来表示污泥 沉降性能更为合理，测定方法也相对比较简单，在生产运行和科研中也常被广泛 应用。本文中，也采用污泥容积指数作为活性污泥沉降性能的评价指标。 1 2 3 活性污泥的非丝状菌膨胀 污泥非丝状菌膨胀的发生是由于菌胶团细菌分泌大量的胞外聚合物，这些胞 外聚合物具有很高的含水率且粘性极大，使得污泥的沉降性能恶化。 国内最早对污泥非丝状菌膨胀进行系统研究的是哈尔滨工业大学的高春娣 等人“”，他们对非丝状菌膨胀的发生机理等方面进行了深入的研究。 在研究中高春娣等人首次提出了进水中仅缺乏一种营养物质( 氮或磷) 时发 生由高含水率的粘性菌胶团过量生长引起的非丝状菌污泥膨胀，而氮和磷同时缺 乏时则发生由丝状菌过理生长引起的丝状菌污泥膨胀这一新观点。 研究结果表明：进水缺乏氮的条件下，氮缺乏程度越严重，污泥膨胀程度越 第一章绪论 严重，污泥膨胀发生的越快。b o d n 分别为1 0 0 3 和1 0 0 2 时，s v i 最高分别能 达到2 2 8 m l g 和2 5 2 m l g 。这两种进水条件下发生的非丝状茵污泥膨胀在投加了 充足氮源后还需提高有机负荷，非丝状菌膨胀才能得以控制。提出了提高有机负 荷控制非丝状菌污泥膨胀的新方法。 在进水b o d n 为l o o o 9 4 这种极度氮限制的条件下，发生的非丝状菌膨胀 最为严重，s v i 最高升到4 5 8 m l g ，污泥结构更加松散。这一严重的非丝状菌膨 胀，投加了充足的氮源后，在正常的负荷条件下即能得到有效的控制。 在进水b o o n 为1 0 0 0 9 4 这样严重的氮限制条件下，物的活性受到抑制， 正常的新陈代谢受到破坏，而其它的进水条件下物的合成代谢活动不会受到显著 地影响“”。 1 3 膜生物反应器中的污泥非丝状菌膨胀 在膜生物反应的实际应用中，我们发现，以盥洗废水为原水的膜生物反应器 在实际运行时出现了污泥非丝状菌膨胀。经过分析，我们认为，原水中氮元素的 缺乏是主要原因。 当污泥发生非丝状菌膨胀时，菌胶团细菌分泌大量的胞外聚合物( e p s ) ，这 些胞外聚合物( e p s ) 具有很高的含水率且粘性极大，使得污泥的沉降性能恶化。 同时研究表明，胞处聚合物( e p s ) 的增加会使污泥粘度增加，从而加剧膜污染。 刘锐等在利用一体式m b r 处理人工配制的生活污水时，考察了胞外聚合物 ( e e s ) 对混合液粘度的影响，结果表明随着胞外聚合物浓度的增加，混合液粘度 增加，污泥粘度和e p s 浓度之间存在很好的相关性“。 国内外已有许多针对膜生物反应器中污泥膨胀的研究，主要集中在丝状菌膨 胀领域，还没有人针对非丝状菌膨胀进行专门系统的研究。考虑到膜生物反应器 中的活性污泥膨胀与一般活性污泥法中的活性污泥膨胀又一定的相似性，本次研 究主要把精力集中在非丝状菌膨胀对膜污染的影响，以及污泥膨胀时，反应器的 运行情况。 1 4 研究内容及研究目的 本次实验是针对以洗浴废水为原水的中水回用工程实际运行中出现的污泥 非丝状菌现象而进行的研究，旨在寻找不同条件下的最优操作条件，并以此来指 导实际的工程运行。 第一章绪论 1 4 1 研究内容 本项目研究的主要内容： ( 1 ) 通过正交实验，考察不同情况下，膜通量、曝气强度、抽吸时间以及 停抽时间等操作因素对膜污染的影响； ( 2 ) 考察在不同污泥膨胀情况下，反应器对c o d 、氨氮等染物的去除效果， 以及污泥膨胀的过程和污泥的性状； ( 3 ) 考察不同污泥膨胀情况下，污泥对营养物质的利用情况； ( 4 ) 根据实验结果的分析，优化反应器的运行工况。 1 4 2 研究目的 在膜生物反应器中发生非丝状菌膨胀的情况下，用正交实验对膜通量、曝气 强度、抽吸时间以及停抽时间等操作条件进行分析，考察不同情况下，不同因素 对膜污染的影响。根据实验结果，找出不同污泥膨胀情况下的优化操作条件。考 察不同污泥膨胀的情况下，微生物对污染物的去除以及对营养物质的利用。 第二章试验装置与试验方法 第二章试验装置及试验方法 t 2 1 试验装置 本试验所用的试验装置及工艺流程图如图2 1 所示： 1 贮水箱2 进水泵3 生物反应器4 膜组件5 流量计6 测压管7 蠕动泵 图2 - 1 试验装置示意图 系统由以下三部分组成： ( 1 ) 进水管路系统 由进水箱、进水泵组成。原水经管道增压泵送入生物反应器。 ( 2 ) 生物反应器 采用完全混合式活性污泥反应器，由隔板分隔成两个容积相等且底部相通的 部分。隔板的两侧均设有穿孔曝气管，其正上方装有中空纤维膜组件。通过曝气 一方面使反应器中的活性污泥混合液维持一定的循环流动速度，形成对膜表面的 冲刷，以减轻活性污泥在膜表面的沉积；另一方而供给微生物分解污水中有机物 所需的氧气试验中采用的膜组件为天津膜天膜科技有限公司生产的聚偏氟乙烯 ( p 0 1 y v i n y l i d e n e ，p v d f ) 中空纤维膜。膜组件为帘式膜，详细参数见表2 1 。 表2 - 1膜组件参数 孔径，n m0 1 0 2膜面积，m 21 0 内外径，m 0 5 0 8纤维长度，m4 0 0 比通量，l h m 2 m 1 2 组件尺寸( l b ) ，m 4 5 0 3 5 0 反应器中的水位通过液位计控制进水泵的开启来保持恒定。 第二章试验装置与试验方法 ( 3 ) 出水系统 出水系统由流量计、测压管及蠕动泵组成。系统出水由一台与时间继电相连 的蠕动泵控制，采用间歇式抽吸方式出水；测压管内装一定量的蒸馏水，一端敞 口，一端与出水管相连，通过两根玻璃管内的水柱高差来表征抽吸的负压。 2 2 试验运行条件 试验的接种污泥曲子天津大学中水处理站，接种污泥浓度约为5 0 0 0 m g l 左 右。驯化阶段，采用恒流出水，出水量为1 0 l h ，抽吸时间为1 2 ：3 ，气水比4 0 ：1 。 待驯化结束后，分别按照正交表的条件运行。每组试验结束后，都要对污泥进行 重新接种驯化。 2 3 试验用水及监测方法 试验用水为人工配水，模拟盥洗废水，进水c o d 平均值为3 0 0 m g l ；氨氮含量 按照不同试验条件配置分别保证b o d ：n 为1 0 0 ：5 、1 0 0 ：3 和l o o ：1 。 监测的方法参照国家环保局编著的水和废水监测分析方法( 第三版) ，测 量项目及测定方法、使用仪器见表2 - 2 。 表2 2 水质分析方法 第三章污泥非丝状菌膨胀情况下膜污染的研究 第三章污泥非丝状菌膨胀情况下膜污染的研究 对膜生物反应器运行效果的评价，除了应考察系统对污染物的去除效果外， 还需综合考察系统的稳定运行时间、产水率以及运行能耗。这些指标直接影响系 统的经济性评价，从而影响其推广和应用。 在运行过程中的膜污染会造成膜通量的下降或过滤压力的增加，直接影响系 统的产水率，加大运行能耗。同时，膜的污染程度还决定了膜的稳定运行时间， 从而影响膜的清洗等运行费用。因此，对于膜生物反应器，要使其获得长期稳定 的运行效果，就必须研究其膜污染的机理和防治方法。膜污染的“防”主要表现 在三方面，即增加膜本身的抗污染能力，改变污泥混合液的特征以及优化膜过滤 的水力条件；膜污染的“治”则体现为对膜的水力清洗和化学清洗“”。 本章主要研究在污泥发生非丝状菌膨胀的情况下，膜组件的操作运行条件对 膜过滤分离特性和运行费用的影响，以期为反应器在污泥非丝状菌膨胀情况下操 作条件的优化提供科学依据。 3 1 膜生物反应器中的膜污染 膜生物反应器中膜污染的物质来源是活性污泥的混合液。污泥的混合液的组 成是复杂而变化的，它包括微生物菌群及其代谢产物、废水中的有机大分子、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贡献。 国内外的学者对不同的膜生物反应器处理不同废水的膜污染状况进行了深 入细致的研究。如e t a r d i e n 等在对分置式好氧m b r 的研究中认为数量占绝对多数 的生物絮体起主导作用“”；k h c h o o 等在厌氧消化液组成对膜透过性的影响的研 究表明，上清液中微小的胶体对沉积层阻力贡献最大“”；k h c h o o 等还发现无机 污染物和微生物细菌一并沉积并吸附在膜表面，形成粘附性很强、限制膜通量的 凝胶层1 。而在膜的生物污染中，一个非常重要的因素是生物细胞产生的胞外聚 合物( e p s ) ，已有研究表明，胞外聚合物( e p s ) 即在曝气池中积累也在膜表面积累， 从而引起混合液的粘度和膜过滤的阻力增加，e p s 作为一种重要的优势污染物己 得到广泛的证明n “。 3 2 膜过滤的分离过程及影响因素 3 2 1 膜过滤的分离过程 本次研究所采用的一体式膜生物反应器系统中，膜对生物反应器混合液的分 第三章污泥非丝状菌膨胀情况下膜污染的研究 离过程可简略地表示成如图3 1 所示。 膜孔 膜 图3 1 膜过滤分离过程 生物反应器中的混合液含有悬浮固体和溶解性有机物两大类物质。混合液在 以一定的膜面流速v 。流经中空纤维膜外表面时，在过滤压差的作用下，水和一 部分小分子溶解性有机物通过膜孔进入膜内侧，成为过滤出水，而悬浮固体和大 分子溶解性有机物则沉积在膜表面。膜污染包括小分子物质在膜孔产生的堵塞、 悬浮固体和大分子溶解性有机物在膜表面的沉积。其中前者造成的影响较小，在 大多数清况下可以忽略。 悬浮固体颗粒在膜表面的沉积取决于其在膜表面所受到的合力场作用的大 小。本试验中的一体式膜生物反应器采用间歇抽吸的方式运行。在抽吸阶段，反 应器混合液在抽吸压力作用下不断透过膜形成过滤液。此时混合液中的悬浮固体 颗粒由于滤液的裹挟作用存在一个垂直于膜表面的流速v r 。另一方面，悬浮颗粒 在曝气产生的循环流速以及湍流的作用下，还存在一个从膜表面脱落下来的脱离 速度v b 。当v f 大于v b 时，混合液中的悬浮固体会在膜表面沉积，反之则不会在 膜表面沉积，而且沉积在膜表面的污泥也会脱落。采用间歇抽吸的操作模式可以 通过定期地停止膜过滤，使v f ：o ，以便使沉积在膜而上的污泥在v b 的作用下脱 落，使膜的过滤性能部分得以恢复。 在一定的周期下，抽吸过程越长，悬浮固体在膜表面的沉积越多；反之，停 抽过程越长，膜表面沉积污泥的脱落程度越大，膜过滤性能的恢复程度也就越高。 沉积作用和脱落作用同时影响着悬浮固体对膜的污染程度。在整个间歇抽吸的过 程中，由于曝气量的大小直接影响到混合液在膜而的循环剪切力和脱离速度的大 小，因此适当加大曝气量将促进悬浮物从膜而的脱落，从而减小膜的污染程度。 第三章污泥非丝状菌膨胀情况下膜污染的研究 另一方而，混合液中的溶解性有机物也会造成膜面污染。溶解性有机物以一 定的浓度均匀地分布在水中。在过滤过程中，水的通量不断地通过溶液把一定浓 度的溶解性有机物带到膜表面，使之不断浓缩，造成膜表面的浓度c 高于水溶 液主体中的浓度c - ，形成一个厚度相当于浓度差c - c 。的凝胶层。这个现象即为 浓差极化剀。如图3 2 示： 薹 吖 g 旷一) 卜 卜 一d r - c l 6 凝胶层 稳态时： 其中： j ：过滤通量 已；膜表面有机物浓度 c h ：滤料内有机物浓度 c p ：溶液内有机物浓度 6 ：凝胶层厚度 d 。：体积微元的厚度 图3 2 膜表面浓差极化过程的形成 式中j _ 膜通量，l 矿h ； c 一溶质浓度，m g l ； 一d 鬈d r = o出 2 d 一溶质在水中的扩散系数，m g l 1 1 1 2h 。 由式3 一l 积分得： j c d 丝：0 出 由边界条件： x = o ，c = c _ x = 6 ，c = c b 进一步积分得： ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) 第三章污泥非丝状菌膨胀情况下膜污染的研究 ，：讪拿 l 6 其中，当溶解性有机物浓度未被1 0 0 截留时， 为c 。，则由式3 3 有： ，= k l n 而c - c = - p ( 3 - 3 ) 膜过滤出水中的有机物浓度 ( 3 - 4 ) 当被截留的大分子物质的浓度增加到某一值后，就会在膜表面出现一层凝胶 层，并增大了阻力，使溶液的通量减小。在稳态时，凝胶层表面浓度c g 与混合 液中溶解性有机物浓度c “之间也满足公式3 4 。 在停抽过程中，由于扩散作用，膜表面的有机物也会脱离膜表面向反应器内 扩散，其扩散速度u 。溶解性有机物的累积程度与抽吸时间有关，而从膜面的脱 落程度与曝气量和停抽时间有关。当这种扩散作用不能完全使膜表面的凝胶层脱 落时，溶解性有机物就会产生累加性沉积，膜过滤阻力随之增加。 3 2 2 影响膜过滤分离的主要因素 首先，生物反应器中混合液本身的性质会影响其在膜表面的沉积。混合液性 质与生物反应器的运行操作条件密切有关。 其次，膜过滤分离时的运行操作参数，包括膜面循环流速、膜通量、抽吸时 间和停抽时间。其中膜面循环流速是由曝气强度来控制的。曝气量的适当增加可 以增加膜面循环流速，减缓悬浮固体在膜的沉积速度，促进膜表面沉积物的脱离， 同时影响溶解性有机物的扩散速度。膜通量决定了凝胶层形成的快慢及厚度，对 悬浮污泥在膜面的沉积也会产生影响。由于系统是在间歇抽吸的模式下运行，抽 吸时间和停抽时间的长短会影响污染物在膜表面的沉积程度。适当选择运行周期 和抽、停时间的比例可以控制膜污染的程度。 本试验研究在污泥非丝状菌膨胀情况下，上述各运行操作因素对一体式膜生 物反应器中膜过滤分离的影响。 3 2 3 膜过滤分离特性的表征指标 由过滤理论可知： ，= 等 ( 3 - 5 ) “代 式中j 一膜通量，l m 2 h ； 第三章污泥非丝状菌膨胀情况下膜污染的研究 p 一膜抽吸压力，k p a ； | i 一粘度，p a s ； r 一过滤总阻力，m - 。 在采用恒通量、变压力的膜过滤操作模式运行时，随着污染物在膜表面的沉 积，膜过滤阻力会逐渐增大，膜抽吸压力( t m p ) 也会相应增加。因此，通过监测 试验过程中膜抽吸压力的变化可以间接了解膜污染的发展情况以及由膜污染引 起的膜过滤阻力。不同的运行条件对膜过滤特性的影响不同，监测到的膜抽吸压 力随时间的变化也将不同。因此，可以选择某一运行期间膜抽吸压力的上升值 ( i s p ) 来反映该运行条件对膜过滤特性的影响。 3 3 膜操作运行条件对膜过滤分离特性的影响 膜的操作运行条件包括膜通量，抽、停时间以及曝气量。为选择膜过滤分离 的适宜的操作条件，我们采用正交试验的方法考察了这四个因素对膜过滤分离特 性的影响。 3 3 1 正交试验设计 正交试验的设计包含两个方面1 。 第一，试验条件的选择，即试验因素、试验水平以及试验指标的确定。试验 因素，指对试验结果有影响的一系列因素，在本试验中为膜通量、曝气强度、膜 抽吸时间以及停抽时间；试验水平，指试验因素的取值，原则是应尽量覆盖实际 运行中试验因素可能的取值范围；试验指标，最能体现考察目标的可观测量，在 研究中采用每个试验周期内膜抽吸压力的上升值( i n c r e a s eo ft h es u c t i o n p r e s s u r e ) 即i s p 作为试验指标。 第二，试验误差的控制。“正交试验方法”利用规范化的正交表合理配置试 验，可以在较少次数的试验中判断出较优的条件。为分析试验误差带来的影响， 试验中将空白试验也作为试验因素，安排在正交表中，考察试验误差对试验结果 的影响。 本试验考察污泥非丝状菌膨胀的情况下运行操作条件对膜过滤特性的影响。 研究已表明啪3 ，污泥浓度对膜的过滤分离性能影响很大，考虑到膜的适宜运行操 作条件随污泥浓度的不同可能也会发生变化。因此，在本正交试验中，将污泥浓 度控制在5 0 0 0 m g l 左右。 实验中将配水的b o d ：n 的比例分被控制在1 0 0 ：5 、1 0 0 ：3 和1 0 0 1 ，由 第三章污泥非丝状菌膨胀情况下膜污染的研究 于在不同缺氮条件下，导致的污泥非丝状菌膨胀的状况不同“”。我们设计了四因 素四水平正交试验考察不同情况下的膜过滤特性，正交表见表3 - 1 嘲1 。 一 兽 3 h o 。套 一 厘 鲁 盈 班 一 量 3 星 营 整 嚣 皿 制 2 勺 一 倒 骥 趣j 醋 2 ) 删 蚓 毯 矗魁僻制陶【南蝌 妖毒容稞蜉蝼卜醇磐遴登忸葵铷特麟皇5册豫 第三章污泥非丝状菌膨胀情况下膜污染的研究 3 3 2b o o ：n 为1 0 0 ：5 时膜操作条件对膜过滤分离特性的影响 ( 1 )正交试验条件 试验用水为配制的模拟盟洗废水。系统进水c o d 浓度平均值约为3 0 0 m g l ， b o d ：n 为1 0 0 ：5 ，磷充足。生物反应器稳定运行后再进行正交试验。试验中，生物 反应器污泥浓度在5 0 0 0 m g l 左右。正交试验条件如表3 2 所示。 ( 2 )正交试验结果及分析 根据表3 - i 所列的条件，试验分成1 6 组。在每组条件下，运行生物反应器 至膜抽吸压力达到稳定，继续运行4 8 d , 时后，计算本阶段的i s p ( 以c m h 2 0 表示) 。 为使1 6 组试验的初始膜状态和初始抽吸压力基本保持相近，在每组正交试验完成 后，反应器停止进水，空曝气1 2 个小时，以尽量使膜表面的沉积物脱落，膜的 过滤性能得到一定程度的恢复。1 6 组条件下得到的i s p 如表3 2 所示。 对i s p 随运行条件的变化趋势分析如下： 1 ) 试验因素对膜抽吸压力上升的影响分析 根据正交试验的原则，对于某一个确定的试验因素，其余各试验因素及其应 试验水平的安排满足随机性原则。因此，试验因素在某水平上的试验指标可以用 该水平的试验因素在所有不同试验组合中试验结果的平均值来表示。 本试验中所选择的试验指标为i s p 。分别对每一个试验因素在不同试验水平 下得到的i s p ，求平均值，用以代表该试验因素在该水平下的i s p 。 设k l j 代表第k 个试验因素第j 个试验水平得到的膜抽吸压力上升速率的总和 如k ，l 代表第一个试验因素为膜通量，第一个水平为5l m 2 h 的i s p 之和： k 1 = ( y l + y 2 + y 3 + y 4 ) = 4 8 0c m h ：0 ( 3 - 6 ) 相应的平均值为： k i 4 = ( y ，+ y 2 + y a + y 4 ) 4 = i 2 0c m h 2 0 ( 3 - 7 ) 按此计算方法计算得到其余试验因素的i s p 和平均值，结果列于表3 2 中。试 验各因素在不同试验水平下平均i s p 的变化如图3 3 所示。 膜通量对膜抽吸压力上升速率的影响 从图3 - 3 中可以看到，随着膜通量的增大，i s p 随之增大。当膜通量小于7 l m 2 h 时，i s p 的增加的幅度较小，但当膜通量继续增大g u l ol m 2 h 时，i s p 急 剧上升。 口 叫 “ 8 器 嘻 “ o 2 g “昌 h 吕 璺 粤 庭 智 盟 垃 曼 e 庭 鲁 螫 童 皿 纠 2 0 支 3 哒 憩 矿 瞪 名 ? e 嘲 蚓 嫠 眯姆魏雀越棼嫌搿循杈肖留-00【最簪00q n 由群 妖奄g稞姆餐卜赠墼邕趋瓶筹封袢聪蜒瓣挺 n h 篁 蓝芷 眯好搿蟮越棼嫌翻蝠徽增鲁9oo_【状nqo甲啭躺 妖摩g蒜甥型卜薅磐邕聱楹葵剁粹熙蛉料昧 譬酸岳糌耀索叫r幽餐颦篷靛般瞳衡疆窨鬯ooh状n8_砸 妖毒g磔螺鳘卜赠靼餐龄褪葵划袢熙蛉料抵 第三章污泥非丝状菌膨胀情况下膜污染的研究 由关于膜分离过程的分析可知，膜通量会影响悬浮固体向膜表面运动的迁移 速度以及浓差极化形成以后膜表面溶解性有机物的浓度c 。，而悬浮固体向膜表面 的沉积速度以及脱离膜表面的速度很大程度还与曝气强度有关。因此，在曝气强 度一定的情况下，存在一个与该曝气强度相平衡的临界膜通量。当膜通量低于该 临界通量时，悬浮固体脱落膜表面的速度大于悬浮固体向膜表面运动的速度，悬 浮固体不在膜表面沉积。此时，膜污染主要是由溶解性有机物在膜表面的沉积所 造成，i s p 的大小主要由溶解性有机物浓差极化发生的速度及程度决定。 当膜通量大于该l 临界通量时，悬浮固体向膜表面运动的速度大于悬浮固体脱 离膜表面的速度，从而导致悬浮固体迅速在膜表面沉积，膜抽吸压力急剧上升。 此时，膜污染主要由悬浮固体在膜表面的沉积所控制。 由图3 3 可以看出，当膜通量小于7l m 2 h 时，i s p 随膜通量的增加而上升 的速率为0 7 5 c m h 。o ( l m 2 h ) ；而膜通量大于7l m 2 h 的条件下为 3 0 8 c m h ：o ( l m 2 h ) ；为前者的4 倍。可以推断，当膜通量小于7l m 2 h o 寸，膜 污染主要由溶