（环境工程专业论文）膜生物反应器处理猪场污水的试验研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 猪场污水中富含氮、磷、有机物，已成为我国许多地区的主要污染源。传统处理方法 处理费用高，占地面积大，处理效果不理想，猪场污水处理急需经济高效的处理方法。 混凝是废水处理过程中广泛应用的一种方法，具有经济、简便的优点。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而成的一种新型污水处理工艺。使用膜生 物反应器进行污水处理不仅可以大大节约水资源，还可以大大节约能源，节省设备和运行 费用，减少设备占地：同时膜生物反应器具有自动化程度高、安装维护方便等特点，有着 广阔的应用前景。 本课题对比了不同混凝剂对于猪场污水的处理效果，确定了混凝药剂及最佳投药量； 为探讨膜生物反应器处理猪场污水的可行性，对m b r 处理猪场污水及厌氧消化液做了试 验研究；对膜生物反应器处理猪场污水进行了经济核算。 试验结果表明： 1 ) 处理猪场污水，p f s 效果最好，最佳投加浓度为3 0 0 m g l ，复配c p a m 可明显改 善p f s 的絮凝性能，c p a m 最佳投加浓度为3 m g l 。 2 ) 猪场污水厌氧消化液经m b r 处理后，c o d 、n h 3 n 平均去除率分别为8 9 7 、3 7 。 该m b r 系统具有较强的抗冲击负荷能力。 3 ) 工程实践表明，投加2 0 0 m g l 的聚合硫酸铁( p f s ) 混凝预处理猪场污水，c o d 、 n h 3 - n 、t p 平均去除率分别为4 4 7 、9 8 、3 1 8 ，有效地降低了后续m b r 的有机负荷。 m b r 的c o d 、n h 3 n 、t p 、s s 去除率分别达到了9 0 4 、8 4 o 、8 7 5 、1 0 0 。出水 达到了行业排放标准。 4 ) m b r 系统处理猪场污水，运行费用为2 0 8 元吨。 5 ) 膜生物反应器处理猪场污水是经济的、可行的。 关键词：膜生物反应器；猪场污水；混凝 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s w i n ew a s t e w a t e rh a sc o n s i d e r a b l ea m o u n t so fo r g a n i cm a t t e ra n dh i g hc o n c e n t r a t i o n so f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ，i th a sb e c o m et h em a i np o l l u t i o ns o u r c ei nm a n yd i s t r i c t so fc h i n a t h ec o n v e n t i o n a lt r e a t m e n tm e t h o d sc o s tm u c ha n dn e e dm u c hl a n d b u tt h ee f f e c tw a sn o ts o g o o d ，a ne c o n o m i ca n de f f i c i e n tt r e a t m e n tm e t h o di sn e e d e d c o a g u l a t i o ni saw i d e l ya d a p t e dm e t h o di nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tf o ri ti se c o n o m i ca n d c o n v e n i e n t t h em e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) ，w h i c hc o m b i n e sb i o l o g i c a lt r e a t m e n ta n d m e m b r a n es e p a r a t i o n ，i san e wt 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 t w a s t e w a t e rt r e a t m e n tb y m e a n so fm b rc a ng r e a t l ys a v ew a t e rr e s o u r c e s ，e q u i p m e n ta n do p e r a t i n gc o s t ，r e d u c el a n d o c c u p i e db ye q u i p m e n t a tt h es a m et i m e , m b rh a sm a n yg o o dc h a r a c t e r ss u c ha sh i g h a u t o m a t i o n ，c o n v e n i e n tf i t t i n ga n dm a i n t a i n i n g ，e t c i th a sap r o m i s i n ga p p l i c a t i o nf u t u r e c o m p a r i n gt h ee f f e c to fs w i n ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tb yd i f f e r e n tc o a g u l a n t s ，t h eb e s t c o a g u l a n ta n di t so p t i m u md o s a g ew a sd e t e r m i n e d t oa s s e s st h ef e a s i b i l i t yo fm b rt r e a t i n g s w i n ew a s t e w a t e r , w ec a r d e do u tt w op i l o ts c a l ee x p e r i m e n t s a tl a s tt h ec o s to ft h et r e a t m e n to f s w i n ew a s t e w a t e rb ym b rw a sa n a l y z e d n er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t ss h o w e dt h a t ： 1 ) p f sh a dt h eb e s tf l o c c u l a t i o ne f f e c tt r e a t i n gs w i n ew a s t e w a t e r , a n di t so p t i m u md o s a g e w a s3 0 0 m g l ，w h i l et h ec o m b i n a t i o no fp f sa n dc p a m p r e s e n t e de v e nb e t t e rf l o c c u l a t i o ne f f e c t t h a np f s a n di t so p t i m u md o s a g ew a s3 m g l 2 1t h ec o da n dn h 3 - nr e m o v a lr a t e so fa n a e r o b i cd i g e s t e de f f l u e n to fs w i n ew a s t e w a t e r t r e a t e db ym b rw e r e8 9 7 a n d3 7 r e s p e c t i v e l y t h em b rs y s t e mw a sw i t ht h es t r o n g c a p a c i t yo fr e s i s ts h o c ks e w a g el o a d i n g s 3 ) n er e s u l t so fe n g i n e e r i n gp r a c t i c et r e a t i n gs w i n ew a s t e w a t e rs h o w e dt h a tt h ea v e r a g e r e m o v a lr a t e so fc o d 、n h 3 - n 、t pb yf l o c c u l a t i o nw e r e4 4 7 ，9 8 ，31 8 ，r e s p e c t i v e l y , a st h e d o s a g eo fp f sw a s2 0 0 m g l ，t h eo r g a n i cl o a d i n g sw e i er e d u c e de f f e c t i v e l y t h ec o d 、n h 3 一n 、 t p 、s sr e m o v a lr a t e so fm b rw e r e8 7 1 9 3 4 ，7 9 1 8 8 7 ，8 4 4 - 9 0 3 a n d 10 0 ，r e s p e c t i v e l y , t h ee f f l u e n tm e tt h er e q u i r e m e n to fd i s c h a r g es t a n d a r do fp o l l u t a n t sf o r l i v e s t o c ka n dp o u l t r yb r e e d i n g 4 ) t h ec o s to ft h et r e a t m e n to fs w i n ew a s t e w a t e rb ym b rs y s t e mw a s2 0 8 y u a n t 5 、s w i n ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tb yu s i n gm b rw a se c o n o m i ca n df e a s i b l e k e yw o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) ；s w i n ew a s t e w a t e r ；c o a g u l a t i o n 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，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成果。 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：壅：起占 日期： 2 0 0 8 , 0 1 f o 研究生学位论文版权使用授权书 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 养猪废水污染现状及其特点 第一章绪论 我国是世界上养猪数量最多的国家，世界上存栏猪的一半是在中国饲养，随着养猪业 2 0 多年来的飞速发展，不仅养猪数量大量增长，养猪业集约化程度也在不断的提高。规模 养猪( 集中饲养5 0 头以上) 已占我国养猪数量的1 4 左右。但是由养猪业的发展带来的一 系列环境污染问题也日趋严重，污染由分散面源向集中点源转变。由于猪场建设地点一般 在城郊一些人口集中但土地相对较少的地方，污水不经处理直接排放的现象普遍存在。这 种高浓度有机废水直接排入或雨水冲刷进入江河湖库，大量消耗水体中的溶解氧，使水体 变黑发臭。水中含有大量的n 、p 等营养物是造成水体富营养化的重要原因之一。排入鱼 塘及河流使对有机物污染敏感的水生生物逐渐死亡，严重者导致鱼塘及河流丧失使用功 能。养殖污水长时间渗入地下水，使地下水中的硝态氮或亚硝态氮浓度增高，地下水溶解 氧含量减少，水体有毒成分增多，导致水质恶化，甚至丧失其使用功能，以至危及周边生 活用水水质。且高浓度污水可导致土壤孔隙堵塞，造成土壤透气、透水性下降及板结、盐 化，严重影响土壤质量，甚至伤害农作物，造成减产和死亡。国家环保总局和国家质量监 督检验检疫总局于2 0 0 1 年1 2 月2 8 日颁布了畜禽养殖业污染物排放标准 ( g b l 8 5 9 6 2 0 0 1 ) ，该标准已于2 0 0 3 年1 月1 日起开始实施。根据标准处理后的猪场污水的 c o d 、n h 3 - n 、t p 、s s 分别要低于4 0 0 m g l 、8 0 m g l 、8m g l 、2 0 0m g l ，这对养猪业来 说无疑是一项艰巨的任务。 猪场污水主要含有猪尿、部分猪粪和猪舍冲洗水。猪场污水突出的特点是污水可生化 性强，粪水中主要含未被消化吸收的麸皮、玉米颗粒等饲料残渣和畜禽的代谢产物，其中 含有大量微生物生长繁殖所需的营养物质，p h 值为7 左右，微生物能进行正常生长繁殖， 适宜采用生物法。虽然如此，但畜禽粪水处理难度还是很大，一是粪水固液混杂，有机物 和氨氮浓度高，而且粘稠度很大；二是冲洗栏舍的时间相对集中，粪水冲击负荷很大；三 是部分物质难以生物降解，处理难度大。 1 2国内外猪场污水的研究进展 目前，国内外学者对养猪场污水的处理做了大量的研究，并取得了一定的成果，其处 理方法主要包括：物化法、生化法和自然生态处理技术。 1 ) 物化法 猪场污水含有大量的固体悬浮物，它是c o d 的主要来源之一，在厌氧反应器中可能 会导致颗粒污泥的解体，降低厌氧污泥的活性与含量。因此，在进入反应器处理之前应对 废水进行固液分离。首先，可利用格栅将猪粪便等大的固体悬浮物去除。其次，也可用固 液分离机来进行分离，悬浮物的去除率较高，完全可以达到污水厌氧处理的工艺要求。猪 场污水中会存在沸石、细菌和营养物质，可能将大肠细菌带入地表水和地下水，物理化学 方法是防止污染的一种可行办法。水溶性的聚丙烯酰胺( p a m ) 处理基建投资低，应用快捷， 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 在养猪场污水中得到了应用。p a m 能够使总的大肠菌和排泄物大肠菌减少3 0 - - , 5 0 ，降 低原水( 未经处理的污水，以下简称“原水”) 中的总磷、正磷酸根以及n h 3 n 。正确的应 用p a m 及其复配物可以减少进入地表水和地下水中的污染物的数量，保护水质。另外， 还有通过化学方法对出水作后续处理，以提高水质，成文通过投加聚铝及其最佳使用条件 的选择来研究养猪场废水经过生物处理后的出水的可行的混凝方法。在严格控制操作的条 件下，废水经投加聚铝进行混凝处理，最后出水c o d c ，为7 8 - 9 5 m g l ，色度小于5 0 倍， 其他各项指标均达到国家标准【l 】。孟海玲等利用石灰混凝法处理猪场厌氧出水，c o d 去除 率达到5 7 8 ，为猪场污水进入二级处理或深度处理工艺前提供了一个可选择性过渡工艺 【2 】 o 2 ) 生化法 厌氧处理是一种能直接处理高浓度有机废水、同时回收能源的生物处理方法，在猪场 污水处理中应用广泛。在以往所建造的猪场污水处理工程中，大多是以回收能源为主兼顾 环保的沼气工程。为了提高反应器的负荷率，缩小装置容积，邓良伟等利用i c ( i 内循环厌 氧反应器) 工艺对猪场污水进行了研究，c o d 去除率8 0 3 ，b o d 去除率达9 5 8 ，s s 的 去除率为7 8 ，且c o d 负荷达到3 - 7 k g m 3 d ，水力停留时间仅为几小时，大大提高了有 机物的去除效率【3 1 。厌氧消化液( 沼液) 用作农肥、或者直接排放、或者经过简单的氧化塘处 理后排放，很少考虑达标处理，特别是n h 3 - n 的去除。实际上，猪场污水厌氧消化液中仍 然含有相当数量的有机污染物，特别是n h 3 - n 含量很高，达不到排放标准，对环境的压力 仍然很大。由于猪场污水的特点是氮、磷、有机物的含量均很高，单级厌氧处理不能有效 地脱氮除磷，要使养猪废水实现高效低耗处理，达到国家排放标准，一般会在厌氧处理之 后连接好氧处理工艺。 目前对于厌氧消化液的处理工艺研究大多集中于好氧后处理工艺的创新与改进，取得 了较好的处理效果，并已应用于实际工程。林伟华等介绍了序批式活性污泥工艺( 简称s b r 工艺) 处理中温厌氧接触工艺( 简称c s t r 工艺) ，处理率达到9 0 以上，出水达到国家畜 禽养殖业污染物排放标准【4 】。c h e n g 等研究了使用曝气1 h 、停曝1 h 的间歇充氧系统 ( i m e r m i t t e n ta e r a t i o n ，i a ) 处理厌氧消化后的猪场废水，通过硝化反硝化过程，k n 和n h 3 - n 平均去除率分别达9 1 和9 2 【5 1 。y a n g 也做了类似研究【6 】。龚丽雯等对某养猪场的废水处 理系统进行了技术改造，采用接触氧化稳定塘工艺处理厌氧池出水，出水达到g b 8 9 7 8 1 9 9 6 的一级标准【7 1 。彭军等选择厌氧兼氧组合式生物塘作为主体工艺，将上流式厌 氧污泥床移植到兼性塘，猪场废水经处理后，其b o d 5 、c o d c ，、n h 3 - n 可分别从9 0 0 0 、 1 4 0 0 0 、1 2 0 0 m g l 降至2 0 、6 0 、6 5 m g l 【8 1 。李淑兰等【9 1 、余俊任等【l o 】研究了水生植物对 稀释后的猪场厌氧发酵液的处理效果。邓良伟等采用序批式活性污泥法( s b r ) - v 艺直接处 理厌氧消化液，污染物的去除效果很差，c o d 去除8 3 1 ，n h 3 - n 去除7 8 7 。通过改善 厌氧消化液的可生化性和培养高效脱氮菌种等措施，c o d 、n h 3 - n 去除率改善显著，c o d 、 b o d 5 与s s 的去除率分别达到8 9 6 , - 。9 3 4 、9 7 9 、9 5 6 ，特别是对n h 3 - n ，达到了 9 9 以上的去除率。将实验室结果应用于实际工程，也取得了好的效烈1 1j 。b e r n e t 采用了 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 厌氧好氧s b r 工艺处理处理猪场废水，t o c 去除率为8 1 8 9 ，n h 4 + - n 去除率为9 7 ， t k n 去除5 8 5 7 5 0 【1 2 1 。 3 ) 自然生态处理技术 养猪场污水有机物和氮磷含量高，二级处理难以保证出水中氮磷的含量要求，是地表 水体富营养化的主要来源之一三级处理的费用昂贵，难以推广土地处理和水生植物塘 技术，都是运用生态学原理与工程学方法而形成的自然生态处理技术。建设费用较低，运 行成本低廉，但占地面积较大，对于土地条件允许的猪场，是一种较经济的后续处理工艺。 人工湿地是一种能有效减少废水固体悬浮物、b o d 、n 、p 及部分重金属的废水处 理系统，具有出水水质好、易运行、运行成本低、管理方便、抗有机负荷冲击力强及应用 灵活等优点。人工湿地的应用领域将不仅局限在点源污染的治理，而是范围更广的区域生 态环境保护，如垃圾填埋场、农业非点源污染及减缓河流富营养化等。1 9 9 5 年，美国墨西 哥海湾计划( g m p ) 总结了人工湿地处理养殖场废水的技术进展，综合得出，人工湿地对废 水的平均浓度的减少分别为：b o d 56 5 、t s s5 3 、n h 3 - n4 8 、t n4 2 、t p4 2 。 人工湿地可以有效地处理猪场废水，但是其处理效果会随废水的特征和季节而变化，应该 充分考虑废水的相应预处理，保证理想的处理效果。廖新悌等以香根草和风车草为植被， 建立人工湿地土地处理系统对养猪废水进行处理，随季节不同，该系统对污染物的去除率 不同，c o d c ，去除率可达9 0 ，b o d 5 可达8 0 t 1 3 】。 稳定塘是土地经过人工的适当修整，设围堤和防渗层的池塘，主要依靠自然生物净化 功能使污水得到净化。污水在塘内缓慢流动，停留时间较长，通过在污水中存在的微生物 的代谢活动和包括水生植物在内的多种生物的综合作用，使有机污染物得以降解。稳定塘 既可以作为相当于传统的二级生物处理，也可作为二级生物处理出水的深度处理工艺技 术，在美国、欧洲等地的猪场污水处理中得到了广泛的应用。澳大利亚、新加坡等国采用 厌氧塘、好氧塘与农田灌溉工艺或土地净化工艺对养猪场废水进行处理。墨西哥采用沉淀 池厌氧塘兼性塘深度处理塘处理猪场污水，其中厌氧塘对c o d 的去除率达到了3 7 3 ， 兼性塘c o d 平均去除率为4 8 ，深度处理塘c o d 去除率为2 8 【1 4 】风眼莲又名水葫芦， 是氧化塘最常见的水生植物。余远松等利用凤眼莲对养猪废水进行了研究。厌氧发酵后的 养猪场污水经兼性氧化塘自然氧化后，进入水生生物处理系统。驯化后的风眼莲根系吸收 有机物及其它物质，形成生物动态平衡，达到净化废水的目的。风眼莲又可为畜牧场提供 辅助饲料，该系统具有耗能少，处理效果好，且能美化环境的特点，适合于我国养猪场污 水的处理【1 5 】。 1 3 絮凝剂的研究进展 众所周知，絮凝剂品种繁多，而且针对不同种类的污水，同一种絮凝剂的效果也不一 样，且必须考虑到实验的经济性和可行性，因此，必须对混凝实验中所用絮凝剂进行初步 筛选，从而找到对处理猪场污水有良好处理效果的优势絮凝剂，减少实验的繁复程度，以 提高混凝处理污水的效果，保证后续装置的稳定运行。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 铝系絮凝剂是目前应用最广、工艺路线成熟的一类无机金属盐絮凝剂，水解过程矾花 大，絮体卷扫和夹杂作用明显，广泛用于生活饮用水和各种工业给水的除浊、脱色和污水 治理，在除藻、硅、铁、锰等处理中也常采用，可替代铁系净水剂不能处理的场合。但随 着人们对其在水体中行为认识的逐步加深，也发现铝盐在使用中存在如下一些问题t 低温除浊能力差。铝盐对水温变化比较敏感，常温下就比铁盐水解速度低，絮体 沉淀速度小，从而在低温情况下将导致a i ( o h ) 3 量急剧减少，絮凝效果明显变差，水处理 过程中停留时间增长。低温除浊的实验证明，铝盐用量很大时，反应池形成的矾花却很小， 有时出水浊度反而比原水高。 铝的水解范围小，操作条件不易控制。因为a i ( o h ) 3 是典型的两性氢氧化物，处理 水的p h 太高( p h 5 5 ) 都将使其溶解，既增加了絮凝剂用量，又增加了出 水中的铝含量。 铝系絮凝剂易受盐类的影响，除磷效果差。如氯离子能够降低明矾的絮凝作用； 为了防止水质的富营养化，对除磷的要求很高，但铝盐的除磷用量比铁大且受碱化度影响。 氯化铝为六方晶系无色片状透明结晶体，易溶于水，水溶液呈酸性。它是自来水厂普 遍使用的一种铝系净水剂，但水温对其絮凝效果影响较大。 硫酸铝别名铝矾，为无色晶体，其水溶液p h 2 5 。硫酸铝是最早使用和使用最广的 混凝剂之一，主要用于生产给水及生活给水的絮凝净化。易溶于水，水解生成具有捕集水 中杂质能力的碱式盐和氢氧化铝，从而凝聚水中的胶体杂质。e n t r y 等将p a m 分别与 a 1 2 ( s 0 4 ) 3 和c a o 连用，使牲畜废水中的总大肠杆菌数和粪大肠杆菌数都减少了3 0 - , 5 0 。 对渗滤液中的n h 4 + 、正磷酸盐和总磷也有一定的去除作用【l 引。 聚铝是碱式氯化铝( p a c ) 和聚合硫酸铝( p a s ) 的总称，其溶液含有丰富的多核羟基络合 物，在水体中能水解生成a i ( o h ) 3 沉淀，具有极强的吸附架桥和卷扫作用，广泛用于饮用 水和各种污水的净化处理，在化妆品、高级鞣皮、铸造等方面也有广泛的应用。p a c 的研 制和应用始于6 0 年代，其适用p h 范围为5 - 9 ，水温对其影响不大，用量比硫酸铝少，絮 凝体大，有较好的絮凝脱色作用，腐蚀性小。p a s 具有与p a c 相当的净水性能，甚至在脱 色及重金属离子的脱除等方面更优于后者，且有触水即分离的特点，尤其适合高浊度水的 处理。 铝( i i i ) 盐和铁( i i i ) 盐都属于传统的絮凝剂，无论从其水溶液化学性质还是从其絮凝作 用来讲，二者具有许多共性，例如水解、聚合、吸附脱稳、卷扫絮凝等，但是它们之间也 存在许多差异。这充分体现在铝( i i i ) 盐和铁( i i i ) 盐的水解、聚合、沉淀的一系列平衡常数上。 例如f e ( o h ) 3 的k 印为3 2 x 1 0 0 8 ，远小于a i ( o h ) 3 的k 印( 1 9 x 1 0 - 3 3 ) 。铁( i i i ) 的沉淀区远较铝 ( i i i ) 的宽广，这说明铁( i i i ) 盐比铝( i i i ) 盐具有更强的水解、聚合、及沉淀的能力。 与铝盐相比，铁盐铁系絮凝剂具有操作简单，费用低，没有毒性，受温度影响小，絮 体对微生物的亲和力强，能有效地去除水中的悬浮物、胶体、好氧微生物等，可去除表面 活性剂，破坏油水乳状液的能力很强，絮体紧密稳定，沉淀速度快，絮体压缩和脱水性能 好等优点，已在废水处理中大显身手，在给水处理中也逐步得到应用，有全面取代铝盐的 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 趋势。但在应用中发现存在一些不足之处，主要表现在： 低分子铁盐的腐蚀性较强。在无机絮凝剂中，铁盐和铝盐对设备都有腐蚀作用， 但铝盐絮凝剂一般比铁盐絮凝剂的p h 高出2 3 ，所以铁盐的腐蚀性比铝盐强。 亚铁盐存在返黄和变黑问题。当p h 8 5 时，f e 2 + 在水中的溶解度较大，无法从水 体中完全沉清，出水中残余铁会氧化成f e 3 + ，进而形成f e ( o h ) 3 沉淀，造成二次着色；l ：e 2 + 处理有机物含量高、色度高的原水，能与水中的腐植酸等作用生成难以絮凝沉降的腐植酸 铁等有机铁化合物，使水变成“黑水【1 7 】，所以国外已禁止使用亚铁盐净水剂。 原液的储存和稀释稳定性差。聚铁等作为水解沉淀过程的过渡态极易形成线性聚 集体而难以长期存放，易于失稳产生f e ( o h ) 3 沉淀。 三价铁盐不宜处理含硫废水和某些工业给水。在含硫废水中，f e 3 + 能与硫化物生成 硫化铁和硫化亚铁胶体混合物，很难产生絮凝沉淀；对于食品、酿造、纺织、造纸等工业 给水，因水中的铁会直接影响产品的色、味等质量，故也不宜用铁盐作絮凝剂，如果采用， 需严格控制出水的p h 值，以使出水的残余铁含量满足工艺要求。 三氯化铁有固体和液体两种。固体为六方晶系片状或块状物质，易溶于水，其水溶液 因水解而易生成f e ( o h ) 3 沉淀。三氯化铁是一种最常用的铁系净水剂，在水体中形成的絮 体粗大紧密，沉淀速度快，受温度影响较小，较适于处理高浊度源水、低温水和废水，也 可作防水剂和污泥脱水剂等，但对设备有强腐蚀性，能腐蚀混凝土，且出水的残余铁含量 易超标。其适用p h 范围为6 0 - 。1 1 0 ，最佳p h 范围为6 0 - , 8 4 。于皓使用无机絮凝剂与微 生物絮凝剂对猪场废水进行预处理，结果表明，对于c o d c ，、s s 分别为9 5 8 6 m g l 、2 6 2 8 m g l 的猪场废水，当投加量达到溶液中的1 4 0 0 m g l 时，f e c l 3 和a 1 2 ( s 0 4 ) 3 对c o d 和s s 都有 最大去除率，对c o d 去除率分别达到7 8 3 和7 2 2 ，对s s 去除率分别达到8 2 7 和7 6 5 【1 8 】。周亚红等通过对c o d c r 、絮凝固相物、色度及透光率等指标的分析，研究了f e c l 3 和a 1 2 ( s 0 4 ) 3 对养牛场废水的絮凝预处理效果。结果表明：c o d c ，去除率随f e 、舢”加入 量的增大而升高。f d + 的浓度从0 增加到1 1 2 5m m o l l ，水中c o d c ，由9 7 8 3 5 4 m g l 降低 到1 0 7 2 3 0 m g l ，c o d c ，的去除率为8 9 1 3 ；当a l ”的浓度从0 增加到1 1 2 5m m o l l ，水 中c o d c r 由9 7 8 3 5 4m m o f l 降低到1 7 0 1 5 4 m g l ，c o d c r 的去除率为8 2 6 1 l l 训。 硫酸亚铁又称绿矾，通常为颗粒状或晶体状粉末常用作絮凝剂，在工农业生产上也有 广泛应用。其溶解度大，易水解，并具有一定的还原性，对水体中的色度、硫和c o d 等 具有较好的脱除效果，适于处理高浓度碱性废水。该絮凝剂用量大，对设备腐蚀较严重， 适用p h 范围为8 0 1 1 0 ，矾花粗大，沉淀迅速，絮凝效果良好，净化过程无刺激性气体 产生。a g u i l a r 等以f e s 0 4 7 h 2 0 以阳离子p a m 、聚乙烯醇、聚丙烯酸、阴离子p a m 等作 助凝剂处理屠宰场废水，其中f e s 0 4 7 h 2 0 与阴离子p a m 复合使用对颗粒物的去除率达到 了9 9 【2 0 】。 聚铁包括聚合氯化铁( p f c ) 和聚合硫酸铁( p f s ) ，可按任意比例与水混溶。聚铁的水 解速度快絮凝体密度大，沉淀迅速，腐蚀性较小。p f c 的适用p h 范围广，其净水效果比 氯化铁好，特别适用于处理低温水( 1 5 。c 以下) 。p f s 是在硫酸铁分子族的网状结构中插入 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 羟基后所形成的一种无机高分子絮凝剂，在p h 值在4 - - 1 1 范围内均能形成稳定的絮凝体， 可有效去除水体中的悬浮物、有机物、硫化物、亚硝酸盐、胶体及金属离子( 如c 0 2 + 、c 矿、 c p 、h 9 2 + 、n i 2 + 、p b 2 + 、z r l 2 + 等) ，具有除臭、脱色、破乳及污泥脱水等功能，对浮游微生 物也有较好的去除效果。聚铁价格低廉，应用范围广泛。余华堂等进行石马河流域规模化 养猪场废水混凝固液分离现场试验，结果表明，混凝剂为p f s + p a c + c p a m ，其投药质量 浓度为( 2 5 0 + 5 0 + 1 ) m g l 时，效果最好，s s 、c o d c ，、b o d 5 、氨氮、t p 去除率分别为7 5 7 、 6 4 5 、5 5 3 、3 3 、5 6 2 嘣2 1 1 。 有机高分子絮凝剂中聚丙烯酰胺( p a m ) 应用最广泛，它的投加量少、絮凝能力强， 通常o 1 浓度的p a m 就具有很强的絮凝能力，使用成本较低。絮状物的密度增加，污水 颜色逐渐变浅。由于这一类絮凝剂存在着一定量的残余单体丙烯酰胺，不可避免的带来毒 性，所以它的使用受到了一定的限制。 天然有机絮凝剂具有基本无毒，易生化降解，不造成二次污染的特点。天然有机高分 子结构多样，分子内活性基团多，对其进行改性也是制备高效絮凝剂的重要方法之一。宋 辉等用改性淀粉( s x 3 ) 与聚硅酸铝( p a s i c ) 酸化络合成复合絮凝剂p m c ，将其应用于油田 废水及造纸厂污水的处理，c o d c r 和浊度去除率都达到9 0 以上【2 羽。无机絮凝剂和天然有 机絮凝剂复合以后，能大大改善单一天然有机絮凝剂电荷密度不足的缺点，提高其电中和 特性。吴剑平等将阳离子单宁( c a t ) 与p a c 混合反应得到复合絮凝剂，最佳反应条件为： c a t p a c 为1 4 ，温度3 0 ，时间l h 。所得复合絮凝剂用于废糖蜜水( 可过滤态c o d c r 4 5 0 0 m g l ，色度6 4 0 0 度，浊度6 6 1 度) 进行处理，使可过滤态c o d c ，、色度、浊度去除率 分别达到6 0 、7 0 、8 0 以上【2 3 1 。目前，该类絮凝剂的实验室研究表明，其絮凝效果好， 无毒无污染，是一很有前景的环保型絮凝剂，但距离其工业化应用还有一段较长的距离。 关键原因在于其电荷密度偏小，相对分子质量低，且易发生生物降解而失去絮凝活性。 1 4m b r 简介 1 4 1m b r 工艺概述 膜生物反应器是将高效膜分离技术与污水生物处理工艺相结合而开发的新型系统。膜 生物反应器是一种由膜过滤取代传统生化处理技术中二沉池和沙滤池的水处理技术。在传 统的生化水处理技术( 如活性污泥法) 中，泥水分离是在二沉池中靠重力作用完成的，其 分离效率依赖于活性污泥的沉降特性，沉降性越好，泥水分离效率越高。而污泥的沉降性 取决于曝气池的运行状况，改善污泥沉降性必须严格控制曝气池操作条件，这限制了该方 法的运用范围。由于二沉池固液分离的要求，曝气池的污泥不能维持较高浓度，一般在2 9 l 左右，从而限制了生化反应速率。水力停留时i b j ( h r t ) 与污泥龄( s r t ) 相互依赖，提高容积 负荷与降低污泥负荷往往形成矛盾。系统在运行过程中产生大量的剩余污泥，其处置费用 占污水处理厂运行费用的2 5 0 旷4 0 。而且易出现污泥膨胀，出水中含有悬浮固体，出水水 质不理想。针对上述问题，m b r 将分离工程中的膜技术应用于废水处理系统，通过膜的截 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 流完全解决了泥水分离的问题，并且由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌的 出现，提高了生化反应速率。同时，通过降低f m ( 营养物和微生物比率) 减少剩余污泥产 生量( 甚至为零) ，从而基本解决了传统活性污泥法存在的突出问题。 1 4 2m b r 的组成与分类 膜生物反应器是将膜分离过程与生物反应器组合使用的各类水处理工艺的总称。根据 使用的膜种类及其在系统中所起作用的不同，一般可将其分为三大类：膜分离生物反应器 ( 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 ) 、膜曝气生物反应器 ( m e m b r a n ea e r a t i o nb i o r e a c t o r ，m a b r ) 和萃取膜生物反应器( e x t r a c t i v em e m b r a n e b i o r e a c t o r ，e m b r ) 。其中膜分离生物反应器是目前研究最为广泛的一类膜生物反应器，本 文仅对此类膜生物反应器进行讨论，并直接将其简称为膜生物反应器。按照是否需要氧气， 膜生物反应器分为好氧膜生物反应器和厌氧膜生物反应器两类。根据膜组件的位置，膜生 物反应器分为分置式膜生物反应器和一体式膜生物反应器两类。 分置式膜生物反应器将膜组件和生物反应器分开放置。生物反应器中的混合液经循环 泵增压后送至膜组件过滤端，在压力驱动下混合液中的液体透过膜成为系统处理出水，而 颗粒物、大分子物质等则被膜截留，随浓缩液回流至生物反应器内。分置式膜生物反应器 运行稳定可靠，易于膜组件的清洗及拆卸，膜通量普遍较大。但一般条件下，为减少污染 物在膜表面的沉积，延长膜的清洗周期，需要用循环泵提供较高膜面错流流速，致使水流 循环量增大、动力费用高，并且泵高速旋转产生的剪切力会使某些微生物菌体出现失活现 象。 一体式膜生物反应器将膜组件直接浸没于生物反应器内的活性污泥混合液中。原水进 入生物反应器后，大部分污染物被混合液中的活性污泥分解，然后在抽吸泵或水头压差作 用下由膜过滤出水。曝气系统设置在膜组件下方，一方面为微生物分解污染物提供必需的 氧气，另一方面促使混合液在膜表面形成循环流速，通过由此产生的剪切力和气泡的冲刷 阻碍污染物在膜表面发生沉积。一体式膜生物反应器由于省去了混合液循环系统，并且靠 抽吸或水头压差出水，能耗相对较低，空间布置也比分置式膜生物反应器更为紧凑。 1 4 3m b r 的特点 与其它污水处理工艺相比，膜生物反应器具有以下特点： ( 1 ) 出水水质优良、稳定 由于膜的高效分离作用，使得膜生物反应器的处理出水极其清澈，浊度接近于零。 同时，彻底的泥水分离使膜生物反应器内能够维持很高的生物量，污泥浓度可以维持在 l o 2 0 9 l ，在不排泥的情况下甚至可以高达5 0 l ，在低f m 条件生化反应速率加快。 膜生物反应器s r t 的延长，使得污泥中增殖缓慢的特殊菌群( 如硝化菌等) 获得稳 定的生长环境，有利于提高硝化效率【2 4 】。 包括颗粒物、胶体以及大分子物质在内的污染物均被截留在系统之内，增加了被 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 微生物持续降解的机会【2 5 1 。综合各文献报道，膜生物反应器对c o d 除率一般在9 0 , - , 9 9 ， n h l - n 的去除率在8 0 - - , 1 0 0 t 2 6 1 。 ( 2 ) 容积负荷高，占地面积小，整个系统流程紧凑 膜生物反应器的容积负荷一般为1 2 3 2 k g c o d ( m j - d ) ，甚至高达2 0 k g c o d ( m 3 d ) t m ， 因此自身所需占地面积相比传统工艺大大减小。 从整个处理系统来看，膜生物反应器工艺无需初沉池和二沉池，一般仅包调节池、 膜生物反应池和清水池三个构筑物，流程简单，结构紧凑，整个系统地面积小，不受设置 场所限制，可做成地面式、半地下式或地下式。 ( 3 ) 剩余污泥产量少 当f m 比率保持在某一低值时，活性污泥就会处于一个因生殖而增长和因内源呼吸 而消耗的动态平衡之中，达到这个理论平衡活性污泥增长为零，即不会有剩余污泥产生。 膜生物反应器的污泥负荷一般为0 0 3 0 5 5 k g c o d ( k g m l s s d ) ，低于传活性污泥法 ( o 4 1 8 k g c o d ( k g m l s s d ) 。由于在低污泥负荷下运行，膜生物反应器的产泥量低于常规 污水生物处理工艺。 ( 4 ) 运行管理方便 膜生物反应器实现了h r t 与s r t 的完全分离，因此对生物反应器内的运行状况更容 易进行合理控制，简易的流程也便于实现自动控制，从而使运行管理变得简单易行。 但是，膜生物反应器也存在着以下不足：膜材料价格较高，使膜生物反应器的基建 投资高于相同规模的传统污水处理工艺【2 研；容易出现膜污染，膜的清洗尤其是离线的化学 清洗给操作管理带来不便，同时也增加了运行成本；为减缓膜污染，一般需用循环泵或膜 下曝气的方式在膜面提供一定的错流流速，造成运行能耗较高。 1 4 4m b r 的研究进展与应用现状 m b r 污水处理工艺的研究始于2 0 世纪6 0 年代的美国。1 9 6 6 年美国的d o r r - o l i v e r 公司首先在美国化学会议上发表了该项研究结果。1 9 6 9 年b u d d 等的分离式m b r 技术获 得了美国专利。7 0 年代初期，好氧分离式m b r 处理城市污水的试验规模进一步扩大，同 时，厌氧m b r 研究也相继开始进行，实验室规模的研究与中试规模的研究均取得了较满 意的结果。7 0 年代后，日本开始重视膜分离技术在废水处理与回用中的应用，并组织日本 的大学、研究所和企业开始了全面的研究，使膜生物反应器开始走向实际应用。日本1 9 8 5 年开始的“水综合再生利用系统9 0 年代计划”把m b r 研究在污水处理对象与规模上都大大 推进了一步。同本在该项计划中对厌氧m b r 作了较系统的研究，研制了酒精发酵废水等7 类污水的m b r 处理系统。这一时期研究集中在m b r 的处理效果与运行稳定性方面。许多 研究都证实了m b r 能获得良好的出水水质。日本的三井石化公司用m b r 处理粪便污水， 取得了前所未有的良好效果，m b r 运行具有一定的稳定性【2 9 1 。这一阶段，m b r 的型式主 要是分离式，称为第一代m b r 工艺。生物反应器与膜组件通过泵与管线连接构成的，生 物反应器的混合液经泵增压后进入膜组件，在压力作用下混合液中的液体透过膜，成为系 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 统处理水，而固体、大分子物质等则被膜截留，随浓缩液回流到生物反应器内。早期的分 离式m b r 均采用错流式膜组件，即被过滤流体平行于过滤表面，与滤液交错流动，由此 产生的剪切力或湍流流动以限制滤饼层的厚度。为了维持稳定的透水率，膜面流速一般大 于2 m s ，这就需要较高的循环水量，造成较高的单位产水能耗。为了解决m b r 能耗较高 的问题，人们研究了第二代m b r ：一体式m b r 。日本学者y a m a m o t o 等在1 9 8 9 年首先开 发了一体式m b r 。膜组件直接置入反应器内，通过泵的抽吸，得到过滤液，膜表面的错流 由空气搅动产生，曝气器设置在膜的正下方，混合液随气流向上流动，在膜表面产生剪切 力，以减少膜的污染。由于不需循环泵，抽吸泵的工作压力小，一体式m b r 的单位产水 能耗小，低于分离式m b r 的能耗，并且具有结构紧凑、体积小、膜外皮层易于清洗等优 点。但一体式m b r 单位膜的处理能力小、膜的污染较重、透水率较低。1 9 9 2 年，m k n o p s 利用l y d m e y 和c o l t o n 提出的浓差极化理论研究错流式膜组件的透水率，研究发现膜丝长 度减少可以增加透水率，并提出了穿流式膜组件的概念。穿流式膜组件的特点是膜丝不与 循环水流方向平行，而是与循环水流方向垂直。这种膜丝的粘结方法使膜组件不需要较高 的进液速度就可产生湍流效果，起到冲刷膜纤维的作用。进入9 0 年代中后期，m b r 的研 究已朝着大规模实用化工程的开发方面发展【蚓。加拿大的z e n o n 公司在膜生物反应器的推 广方面作了许多工作。