（环境工程专业论文）膜生物反应器mbr处理洗浴废水的中试研究.pdf

摘要 水资源匮乏是我国本世纪面临的一个最大难题，制约着工农业的发展。 污水资源化则是实现水资源可持续发展战略的保障，它既解决了水资源的短 缺，又解决了污水的出路问题。 本课题设计了新型淹没式复合膜生物反应器( m b r ) 一生物接触氧化和 膜生物反应器相结合，处理能力为1 2 0 m 3 d 。此工艺用来处理天津大学5 2 ”和 5 3 4 学生宿舍的盥洗废水，已经进行了近一年的中试试验。主要研究了该工艺 对水中各种污染物质的去除效果和不同运行条件下对处理效果的影响因素， 探讨了运行管理中各种事敌的应急解决措施，并对工艺技术及经济的可行性 进行了初步分析。 试验结果表明，稳定运行期间处理工艺不仅能有效地抵御各种冲击负荷， 而且有稳定的出水效果。对c o d 、b o d 、色度、浊度、s s 、n h 3 一n 和l a s 的去除率分别为9 0 、9 0 、9 5 、9 5 、9 5 、9 5 和9 5 。同时由于膜组 件对水中的细菌和病毒有很好的去除，从而保证了工艺出水的安全性和可靠 性。 曝气量的加大，可以增大出水流量，但也可能增大膜过滤压差的上升速 率。通过分析其中的关系，对曝气量的选择作了调整。同时考察了污泥浓度 对膜污染和出水水质的影响，相应选择出适当的污泥浓度。 由于泡沫的出现而造成了大量污泥流失，水消泡和投加消泡剂相结合的 方法见效很快。同时发现，投加乙醇、尿素和定期排泥对污泥的高粘性膨胀 和污泥的老化有很好的防治作用。 通过对膜污染研究发现，膜表面的滤饼层是造成膜过滤阻力的主要因素。 本课题采用了几种不同的膜清洗方法，其中空曝气和水力清洗对膜过滤压差 的降低有显著的效果。 通过经济分析得知，整个处理工艺对学生宿舍的盥洗废水进行处理，每 年可以节省自来水4 1 万m 3 ，相应的年经济效益可达1 1 4 万元。 运行结果表明，此工艺是一种既有效又经济的处理工艺，具有广阔的应 用前景。 关键词：洗浴废水；生物接触氧化；膜生物反应器；膜污染 a b s t r a c t t h es e v e r es h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e si nc h i n ai so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t p r o b l e m s ，w h i c h w i l l r e s t r i c tt h e d e v e l o p m e n t o fi n d u s t r ya n d a g r i c u l t u r e w a s t e w a t e rr e c l a m a t i o ni sa l l i m p o r t a n t s o l u t i o no fw a t e rc o n s e r v a t i o na n d s e w a g e t r e a t m e n t a p i l o t s c a l e r e s e a r c ho i lt r e a t m e n to f b a t h i n gw a s t e w a t e rf r o m5 3 r da n d 5 2 n dd o r m i t o r yi nt i a n j i n u n i v e r s i t y w a sc a r r i e do u t u s i n g ac o m b i n e d p r o c e s so f b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d i z a t i o na n dm e m b r a n eb i o r e a c t o r t h ep r o c e s sh a sb e e n o p e r a t e df o ro n ey e a ru n d e rt h ec o n d i t i o no f a ni n f l u e n to f1 2 0m 3 d d u r i n gt h e o p e r a t i o n ，t h e r e m o v a le f f i c i e n c i e so fp o l l u t a n t sw e r e i n v e s t i g a t e d ，a n d t h e p e r f o r m a n c eo f t h i sp r o c e s se n d u r i n gs h o c kl o a d i n gw a st e s t e d i na d d i t i o n ，t h e s o l u t i o n st od i f f e r e n ta c c i d e n t s d u r i n gm a n a g e m e n t w e r e a n a l y z e d a n dt h e e c o n o m i cf e a s i b i l i t yo f t h e p r o c e s s w a se v a l u a t e d i th a sb e e nf o u n dt h a tt h ep r o c e s sh a dag o o da d a p t a b i l i t yt os e v e r a ls h o c k l o a d i n ga n dc a nr e m a i ns a t i s f a c t o r y e f f l u e n t i nt h es t e a d ys t a g e ，t h er e m o v a l e f f i c i e n c i e so fc o d ，b o d ，s s ，c o l o r ，l a sa n dn h 3 nw e r e9 0 ，9 0 ，9 5 ， 9 5 ，9 5 a n d9 5 r e s p e c t i v e l y m e a n w h i l e ，w i t ht h em e m b r a n es e p a r a t i o n ，t h e h i g hr e m o v a l so f v i r u sa n db a c t e r i u mg u a r a n t e e dt h es a f e t ya n dd e p e n d a b i l i t yo f t h ee f f i u e n t t h ef l o wr a t eo fe f f l u e n ta n dt h eg r o w t hr a t eo fs u c t i o np r e s s u r ew e r e i n c r e a s i n gw i t ht h e r a i s eo ft h ea e r a t i n gq u a n t i t y , w h i c hm a d ei tn e c e s s a r yt o a d j u s tt h ea e r a t i n gq u a n t i t y t h er a t i o n a ls c o p eo f m l s sw a sd e t e r m i n e d ，w h i c h e x e r t e da ni n f l u e n c eo nt h em e m b r a n ef o u l i n ga n dt h eq u a l i t yo f e m u e n i f o a mk i l l i n ga g e n ta n dw a t e rw e r ee f f e c t i v et oi n h i b i tt h ea p p e a r a n c eo f f o a l t l ，w h i c hm a d em u c hs l u d g ei o s t a tt h es a l n et i m e ，a l c o h o l ，u r e aa n d p e r i o d i c a ld i s c h a r g eo fs l u d g eh a dt h ee f f e c to n t h ec o n t r o lo f s l u d g eb u l k i n g a n d s l u d g ea g e i n g 。 d i f f e r e n t p h y s i c a lc l e a n i n g m e t h o d sw e r e a p p l i e d t o i n v e s t i g a t e t h e c h a r a c t e r i s t i c so fm e m b r a n ef o u l i n ga n d i t s c l e a n i n g s t r o n g a e r a t i o na n d h y d r a u l i cc l e a n i n gw e r ee f f e c t i v et od e s c e n dt h es u c t i o np r e s s u r eo f m e m b r a n e ， w h i c hs h o w e dt h a tc a k el a y e rw a st h em a j o rc o m p o n e n ta f f e c t i n gt h em e m b r a n e f o u l i n g s p r o j e c tc a ns a v ew a t e r o f4 1 0 ，0 0 0m 3a n dg a i nt h eb e n e f i to f ￥i1 4 ，0 0 0 d u r i n gt h e t r e a t m e n to f b a t h i n gw a s t e w a t e re v e r y y e a r n er e s u l t so f p r o j e c to p e r a t i n gs h o w t h a tt h ep r o c e s si sa l le c o n o m i c a la n d f e a s i b l ew a yt ob ea p p l i e di nt h ep r a c t i c eo f w a s t e w a t e rr e c l a m a t i o n k e yw o r d s ：b a t h i n gw a s t e w a t e r , b i o l o g i c a l c o n t a c to x i d i z a t i o n ，m e m b r a n e b i o r e a c t o r m e m b r a n ef o u l i n g 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，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机 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 贡献均已在论文中作了明确的说职并表示了谢意。 学位论文作者签名：撒云霞 签字日期：口；年肛月扣日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权盘鲞叁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门或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绡本授权说明) 学位论文作者签名：旅么1 霞 导师签名； 二用于 签字日期：p ；年，2 月如日签字日期：3 年，。月，。目 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 城市水危机与城市污水资源化 “地下水越抽越深，水源地越来越远，远距离引水的城市越来越多，污 水量越来越大，用水成本越来越高。”这是我国目前城市水资源短缺的真实写 照。有专家预测，水资源的匮乏将是我国本世纪面临的一个最大的难题。水， 已经成为制约我国经济和社会发展的瓶颈。要解决缺水问题，必须长期坚 持“开源与节流并重，节流优先，治污为本，科学开源，综合利用”的原则。 污水资源化，既是一项节水措施，也是一项治污措施，兼有经济效益、社会 效益和环境效益。 1 1 1 城市严重缺水和污水量的剧增 严重缺水已成为世人不争的事实。据统计l l 】，现在1 3 人口生活在高度缺 水地区，估计到2 0 5 0 年缺水人口将达到世界人口的2 3 。而中国的缺水问题 则更加紧迫，占世界总量8 的水资源，却要维持占世界2 l 一2 5 的人口， 全国有近8 0 的城市缺水。有关专家发出警告，从2 0 1 0 年开始，我国将成 为世界严重缺水地区，而到2 0 3 0 年，我国所有可利用的水资源都可能被“吃 光用尽”。 尤其是中国的北部和西部地区缺水极为严重。天津曾因缺水而“引滦入 津”，2 0 0 0 年又因极度缺水竟动用了水库的死库容而影响了供水水质，被迫 “引黄济津”1 2 1 。北京每年缺水量也高达1 0 亿t 以上，缺水严重影响了工农 业生产和人民生活质量的提高【1 】。 另一方面，随着工业和城市的发展，在用水量不断增加的同时，污水的 排放量也相应急剧增加。仅北京和上海两大城市每年产生的污水总量就达 2 0 0 亿t ，相当于黄河流域水资源总量的3 0 。污水量的剧增，再加上我国污 水处理率偏低( 不足2 0 ) ，致使土壤、农产品、地表水体、地下水体以及 海洋等受到严重污染，生态平衡遭到破坏，严重影响了人民的生活质量和身 体健康i m 】。 严重缺水和污水量的剧增已经影响了社会的可持续发展。水源从哪里来， 污水向何处去? 已经引起了社会各界的高度重视。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 传统与非传统水资源 解决水资源短缺的传统模式是开发地表水、抽吸地下水和长距离甚至跨 流域调水。无节制地开发地表水，在江河流量不够时就筑水坝修水库，使得 上游用水得到保证而下游用水困难，致使河流在某些季节出现断流，生态平 衡受到破坏。毫无控制地抽吸地下水，取水的深度与日俱增，地下水位普遍 下降，城市地面塌陷，沿海城市海水入侵。在中国已不是一处两处的跨流域 调水，调水的距离越来越远，工程越来越复杂，投资越来越高。虽然这些传 统模式在定程度上为人类的生存和发展曾发挥了巨大的作用，如“引滦入 津”和“引黄济津”使天津度过了水危机。当无水可抽、无水可调时，我们 又将如何? 所以说，这些传统模式看来是走不通的，不是可持续的水资源利 用模式。 我们可以大力开发利用非传统水资源，采用可持续的水资源利用模式。 什么是非传统水资源? 第一是节约用水，不但可以增加水资源，而且可以减 少污水排放量，减轻水污染：第二是雨水，把雨季和丰水年的水蓄积起来， 既可防涝防洪，又可解决旱季的缺水之苦；第三是污水资源化( 也称中水回 用) ，即污水的收集、处理和利用【4 l 。 1 1 3 污水资源化的必要性 污水资源化可以同时实现“环境效益”、“社会效益”和“经济效益”，是 实现水资源可持续发展战略的保障，它既解决了水源短缺，又解决了污水的 出路问题，同时还节约了大量优质水。据统计，在城市用水中，饮用水所占 比例不足5 ，而冲厕用水却占4 0 左右，其它生活用水占5 5 左右，大量 自来水被冲厕所浪引5 玎】。实现污水资源化可以获得“开源与节流”的双赢， 从生态平衡的角度科学地实现了水的输入和输出的动态平衡。比远距离调水 具有更大的优势，而且可以就地取材，保证水源稳定。与海水利用相比，具 有不受地域限制等优点。 对于缺水的城市来说，城市污水是一笔宝贵的财富，污水处理和回用应 该是解决我国城市水荒的根本途径。它不仅是城市环境建设的基础性工程， 而且是水资源综合利用的重要措施，必须将其作为城市建设的重点，立足当 前，着眼长远，统筹规划，分步实旌。 随着市场经济体制的完善和国家水价机制的调整，“中水”将被人们看好， 污水资源化将迎来一个蓬勃发展的春天。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 国内外研究现状 污水资源化是将城市生活污水进行深度处理后作为再生资源回用至u 适宜 的位置。由于生活污水的水质稳定可靠而且就近可得等优点，许多国家利用 不同的技术手段处理和回用城市污水， 一。污水的处理和回用在美国的发展， 使之成为解决缺水问题的选择方案之 可以追溯到2 0 世纪2 0 年代。8 0 年代 时美国的污水回用量己达2 6 0 万m 3 d ，其中6 2 用于农业灌溉，3 1 5 用于 工业，5 用于地下水回灌，其余用于城市市政杂用等。 目前，以生活污水为处理对象的中水回用工艺主要有物化处理和生物处 理。在以物化处理为主的工艺流程中，过滤活性炭吸附工艺在中水处理中被 较多地使用。这种流程虽然在停留时间、处理效果、占地面积及自动控制操 作等方面优于生物处理流程，但由于单纯活性炭吸附饱和周期较短，要经常 再生或更换新炭，使得操作管理复杂、运行成本过高。所以对于生活污水来 说，其处理过程一般采用生物法，同时加上预处理和后处理。用格栅截阻大 块的悬浮或漂浮的固体污染物，其后设沉淀池以去除砂砾类无机固体颗粒， 设调节池以降低对后续生物处理的冲击负荷。经过生物处理的二级出水水质 一般达不到污水回用的水质标准，因此在二级处理后需要迸行深度处理，包 括去除氮、磷、溶解性有机物、溶解性无机物、消毒、脱臭、除色及有毒物 质的处理，通常所采用的处理技术为混凝、过滤、活性炭吸附、离子交换、 臭氧氧化、氯氧化、紫外线照射等。例如1 9 9 2 年在深圳滨河水质净化厂建造 的污水回用示范工程，采用二级出水直接过滤的工艺进行深度处理，以聚合 氯化铝为混凝剂，混凝反应后再用纤维球滤料直接过滤，同时在滤前和滤后 均要加氯杀菌j 。 在大力推进污水处理回用等污水资源化的进程中，研究者主要着重生物 反应器技术及回用工艺技术的研究。国内外研究者很好地结合水处理工艺学、 流体力学、水处理微生物学的特点，将传统生物处理反应器发展到复合式生 物反应器，继而膜生物反应器技术，使生物反应器具有更强的抗冲击负荷能 力和去除污染物的高效性及更好的适合性和实用性。 1 2 1 传统生物反应器 传统的生物处理工艺主要由生物反应器( 曝气池) 和固液分离部分( 二 沉池) 组成，曝气池内微生物( 活性污泥或生物膜) 分解污水中的有机物并 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 增殖，混合液进入二沉池进行固液分离，从而实现污水的最终净化。二沉池 内浓缩后的活性污泥一部分再回流到曝气池内，以维持其污泥浓度。如果需 提高处理效率，则必须加大曝气池内的污泥浓度。但是由于受重力式固液分 离技术的局限，过高的污泥浓度反而会导致二沉池的沉淀效率不高。所以， 两者的冲突使得反应器内只能维持一定的微生物浓度，致使出水水质不够理 想、剩余污泥量大、负荷低、抗冲击能力差等缺点，难以满足不同用途的各 种回用水标准。 为提高生物反应器的处理效率，近年来国内外研究集中在两方面：一是 强化生物反应器内微生物的作用，主要通过两条途径：从“质”的方面提高 微生物的生物活性，从“量”的方面增加参与作用的微生物量：二是提高二 沉池的分离效率，用高效膜分离技术代替传统生物处理中的二沉池。 1 。2 2 复合式生物反应器 在传统的生物处理工艺基础上，通过投加各种能够提供微生物附着生长 表面的填料，利用载体容易截留和附着生物量大的特点，使曝气池中同时存 在附着相和悬浮相生物，并由此发展成复合式生物反应器( h b r ) 。 h b r 可提高反应器内生物量、增强污水处理能力、克服污泥膨胀以及提 高运行稳定性。1 9 8 4 年w h e g e m a r m 研究了活性污泥与固定生物膜结合工艺 来提高污水处理能力，以多孔塑料填料加入曝气池，填料装填密度为 3 0 一4 0 ，曝气池中污泥浓度可提高2 3 倍，同时出水水质得到了很大的改 善【8 】。1 9 9 0 年，m b o n h o m e 为改进现有活性污泥处理厂，对各种快速脱氮技 术进行了大量研究，并在处理工艺中添加滤池填料2 0 一4 0 ，发现固定生物 膜的增加减少了污泥产量，高泥龄使硝化细菌在混合群中得以保留【9 】。1 9 9 4 年，e c h u d o b a 研究在曝气池中通过增加附着相来增加自养菌的可能性及复合 系统中的硝化动力学。结果表明：悬浮生物和附着生物的硝化动力学是一样 的，固体停留时间是成功硝化的最重要因素，其有效方法就是将悬浮相和附 着相相结合。1 9 9 9 年，王宝贞等采用硬质球形立体塑料填料和轻质聚氨脂 泡沫塑料制成的放射状立体填料i - i b r 处理生活污水，研究了载体填充量和有 机负荷对两相生物量的影响及脱氮效果j 。 尽管h b r 强化了微生物的作用、增强了脱氮能力、提高了抗冲击能力， 但是h b r 悬浮相活性污泥仍需回流，仍受二沉池沉淀效率不高的限制，出水 水质不够理想。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3 各种工艺的组合 为获取好的出水水质，多种工艺的联合处理成为研究的主要方向，如活 性污泥法与生物滤池联用、u a s b 与生物滤池联用、固定化细胞技术和膜生 物反应器等，其中最有发展潜力的是固定化细胞技术和膜生物反应器。 固定化细胞技术将细胞固定后，提高了反应器内的微生物数量，从而提 高了处理效率，同时可使反应器小型化，易于固液分离，是很有潜力的技术， 但因载体成本太高而应用较少。 膜生物反应器由生物处理和膜分离技术结合而成，出水水质好， c o d 3 0 m g l ，1 n r i - 1 3 一n 2 0m g ，l ，出水完全符合生活杂用水标准，可直接回 用。且具有设备紧凑、占地少、操作方便等优点，能应用于各种规模的污水 处理。膜生物反应器在1 9 8 0 年前后已有应用实例，如日本第3 6 3 7 森楼和都 饭店、北千住终点站大楼、东京港区厅宿舍等，都采用此种方法作为中水道 的处理系统【l ”。随着膜分离技术的提高，高性能分离膜的出现，以及成本的 降低，将使其更具有竞争性。 1 3 膜生物反应器在中水回用中的应用 1 3 1 膜生物反应器 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，m b r ) 由膜组件和生物反应器构 成，是活性污泥法和膜分离工艺的组合工艺。其中膜组件相当于生物处理系 统中的二沉池，利用它进行固液分离，截留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，膜生物反应器可分为分置式膜生物 反应器、一体式膜生物反应器和复合式膜生物反应器。 分置式，也称循环式。运行稳定，操作简单，膜清洗更换方便，但污泥 循环动力消耗较高。在微生物特性方面，分置式膜生物反应器系统中，高膜 面流速产生的高剪切力作用使得污泥絮体的平均尺寸较小，有利于传质过程。 同时反应器内水流的剧烈紊动使微生物在种类上有所减少，与活性污泥法相 比，原生动物的生长受到了一定的限制。也有研究发现污泥循环会造成生物 活性大幅度降低，导致处理效率下降。 一体式，也称淹没式( i m m e r s e d ) 或浸没式( s u b m e r g e d ) 。根据生物处 理的工艺要求，可分为两种组成形式：第一种是有两个生物反应器，一个为 天津大学硕士学位论文第一章绪论 硝化池，另一个为反硝化池。膜组件浸没于硝化反应池中，两池之间通过泵 来更新要过滤的混合液。该组合工艺基于以下原因：( 1 ) 可以提供配备( 整 装) 的膜和设备，便于旧系统的更新改造；( 2 ) 将膜浸没池作为好氧区，而 生物反应池作为缺氧区以实现硝化反硝化目的；( 3 ) 便于将膜隔离进行清 洗。第二种组合相对简单，直接将膜组件置于生物反应器内，通过真空泵或 其它类型的泵抽吸，得到过滤液。为减少膜面污染，延长运行周期，一般泵 是间歇运行的。一体式膜生物反应器利用曝气时气液向上的剪切力来实现膜 面的错流效果，与分置式相比，最大的特点是运行能耗低，但是在运行稳定 性及膜清洗更换方便性上不如分置式。 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 应器的某些性状。 1 3 2 新型淹没式复合膜生物反应器 通过投加生物载体，虽然提高了生物反应器内总体污泥浓度，增强了废 水处理能力，克服了污泥膨胀、提高了运行稳定性，但悬浮污泥仍需回流， 仍受二沉池限制；用高效膜技术代替传统生物处理中的二沉池，具有污染物 去除效率高、处理出水水质好、生物反应器内微生物浓度高的优点，但能耗 较高、运行中膜面易受污染、产水量降低的缺点仍然没有得到解决。李军等 提出了新型的淹没式复合膜生物反应器( s h m b r ) ，其利用海绵管状载体容 易截留、易于生物膜生长和附着生物量大的特点，使悬浮生物量和附着生物 量同时存在于生物反应器内，构成总体微生物浓度 】。由于固定生物膜的增 加，可保持较低浓度的活性污泥，这样有利于改善膜的通量、降低膜阻力、 克服m b r 能耗大的缺点，又省掉了h b r 处理工艺中的二沉池与污泥回流系 统，并能保持很高的污泥浓度和很好的处理效率。 1 3 3 膜生物反应器的应用 目前，已有越来越多的国家将膜生物反应器用于污水处理，其应用范围 以生活污水和工业废水处理居多。 膜分离技术的研究始于2 0 世纪6 0 年代的美国，研究重点在于开发适合 高浓度活性污泥的膜分离装置。7 0 年代后，日本由于污水再生利用的需要， 开始重视膜分离技术在废水处理与回用中的应用。从1 9 8 3 1 9 8 7 年日本已有 天津人学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 家公司采用了好氧m b r 工艺处理大楼废水作为中水回用【1 2 】。1 9 9 1 年 s c h a i z e 等研究了m b r 处理生活污水时，s r t 和h r t 对m b r 的影响【1 3 】。 1 9 9 6 年z e n o n 进行了以z e e w e e d 膜组件为基础的z e n o g e m 膜生物反应器处 理城市生活污水的运行【1 ”。b o r a n z h a n g 等对m b r 与传统活性污泥在微生物 种群、细菌活性等方面进行了对比研究【1 5 】。 我国对膜生物反应器的研究是从2 0 世纪9 0 年代以后开始的，但发展较 为迅速。国内的研究者对分置式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了比较。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。表卜1 和表卜2 分别为m b r 处理生 活污水的试验参数和处理效果，生活污水经m b r 处理后，c o d 、b o d 、浊 度都很小，大部分细菌、病毒被截流，出水水质已达到或优于城市污水再 生利用城市杂用水水质标准( g b t 1 8 9 2 0 2 0 0 2 ) ，可以直接作为小区中水 回用及城市园林绿化、扫除、消防等用水。同时膜的截留作用防止了硝化细 菌的流失，给生物反应器内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。 表1 1m b r 处理生活污水的试验参数 m b r流程麒积膜 膜孔径膜组件膦醒透鼢i 蓥i 亍h 搁参考 种类( m 2 ) ( u 呻叫秆h )o c p a )( d )蛹r 好氧00 4陶瓷3 0 0 0 0 0 管式7 5 - 1 5 04 0 1 6 】 分离 好氧+ 壤料o8 8p a n2 0 0 0 矿平扳超滤2 0 4 5i 5 06 0 f 1 7 l 式 好氧十填料 10p s3 0 0 0 0 中空2 5 3 5 1 0 07 0 【18 】 m o + 填料 lp v c0 0 1 中空超滤235 0 一1 2 01 4 0 【1 9 】 好氧2 0p eo 0 ，中空l o ，40 3 51 4 0 【2 0 】 抽吸 好氧35p p0 0 6 5中空66 06 0 【2j l 淹没 好氧4p v c3 0 0 0 0 +中空超滤l l 1 0 03 0 【2 2 】 式 好氧 1 3 9p e0 2中空87 1 2 86 01 6 0 【2 3 】 好氧3 2p e0 4中空l l 一1 3 8 6 02j 6 2 4 】 好氧03p e0 1中空2 7 7l o 一5 263 0 【2 5 】 重力 好氧 1p s0 3 4平扳361 53 4 【2 6 淹没 好氧 8p e0 4中空1 2 5s 4 1 l3 8 2 8 】 式 好氧 1 2p v d f0 2 2中空1 6 70 l31 5 0 2 9 1 注：为截留分子量 天津大学硕士学位论文第一章绪论 表1 - 2m b r 对生活污水的处理效果 c o d n h 3 n s s 浊度u v 魄+h r t参考 项目 ( m g l ) ，( m g l )( r a g l )倒t u )( 1 ( g ，n ，d )( k g k g - d )( h ) 文献 进水4 0 0 8 5 01 0 4 03 0 0 6 0 05 0 8 0 【1 6 出水 j 0 2 o i5o 7 - 3 40 1 9 05 55 进水9 5 6 5 21 4 2 7 17 】 出水( 5 1240 4 75 进水7 2 2 3 54 5 83 7 【18 】 出水1 l 一6 01 61 313 6 一l8 15 - 5 进永1 5 2 _ 4 3 31 2 3 73 3 一i 4 9】8 一1 6 0 【2j 】 出水 3 006 60 l6 进水1 2 卜3 0 7 82 1 6 5 081 8 0 2 4 0 2 1 】 出水1 5 3 0 20 8 5 7 602 15 5 8 进水3 0 0 7 0 04 0 0 - 8 0 01 0 0 一5 0 0 2 2 】 出水 6 0010 5 8 一i 8 2 0 4 65 进水2 0 3 4 2 91 4 6 7 【2 3 】 出水 2 0 进水i 3 0 一3 2 2 05 9 1 o1 5 5 01 4 6 一1 9 5 2 4 】 出水 4 0( 0 5o l0 5 18 5o3 3 2 0 231 5 进水 3 1 231 2 99 4 6 2 5 】 出水 733 510 90 1 0 l 迸水3 3 6 8 0 8 1 5 9 - 3 5 1 2 6 j 出水 4 3 20 一l75 进水 6 9 64 32 【2 7 】 出水 1 87o 2 40 2 l - 30 3 5 0 6 5 进水3 6 6 4 1 6 i 【2 8 】 出水1 3l 7 t - ，7 _ 1 1 。o 厂 二二j ? 臣二# 一二l f? 上刊 一一! l 。 呈 t _ _ 1 广1 拜 = e a 一 - ：7 1 i l 丌_ 1 。f r 一 n _ j 1 一 一，丁_ t l _ 叶_ 一 - 1 j 旷 a o 一 1 丁了莒一 1 丁可莒一 ，_ _ t o r 一 苴 - ，卜r 一l 嚣l 一一 掰一二 1 - 卜丌一一 s ； 。 ji t 另b ：# 陶 盎魁柏_l_f巨*廿褂=_躲 议蝈牮扑书匿扑长赞联 天津人学硕士学位论文第二章中水回用工艺设计 度为l e ，进水流量为q 。 由物料平衡原理可得： 瓯+ 矿i d l = o z 。 ( 2 2 ) r = v q ( 2 3 ) 式中y 一生物反应器的有效体积，m 3 ： _ - d l 一有机底物降解速率，m g ，l h ： a t f 一水力停留时间，h 。 整理公式得： r = - ( 爿佤剖 协。， 由上式可知，求得h r t 的关键是确定有机底物降解速率d l d t 。生物反应器中 底物的降解速率和微生物浓度的关系，微生物增殖速率和有机底物的减小速率以 及米一门公式用以下方程表示： 丝：一旦( 2 5 ) d t k j + l d s y d l ( 2 6 ) d t出 土：里+ 土( 2 7 ) y y g 卢2 。丽l ( 2 8 ) 式中k 一底物最大降解速率常数，h ； s 一活性污泥浓度v s s ，m g ，l ； 一有机底物浓度，m e , l ； k s 一饱和常数，m s l ； y 一污泥产率系数，m g v s s m g b o d ： 天津大学硕士学位论文第二章中水回用工艺设计 m 维持常数，h 卜砾磊f 磊( l o - 筝l a ( x 5 瑟+ l ) 蔫羽9 )碰0 蒜卜蔫h 糍黼h 丁：亟二生然墨! !( 2 1 0 ) 2 3 3 主要构筑物、设备及工艺参数 2 3 3 填料和膜组件的选择 天津大学硕士学位论文第二章中水同用工艺设计 2 3 3 1 弹性立体填料 弹性立体填料是在软性填料基础上开发的一种新型填料，由中心绳和聚丙烯 塑料制成的弹性丝条组成。丝条以绳索为中心在水中呈均匀辐射状伸展，有一定 的柔韧性和刚性。其结构既重视了填料的比表面积( 决定生物膜量的多少) 对去 除率的影响，又考虑到水流在填料中的流态。微生物附着空间较大，对水中大、 中型气泡有较好的切割性能，具有一定的重新布水、布气的能力。 生物接触氧化池有效容积1 5 m 3 ，有效尺寸为2 7 2 0 2 8m 3 。反应池中安装 的弹性立体填料均匀分布，共1 6 8 根。弹性立体填料的比表面积为1 0 0r l l 2 m 3 ，成 品重量3 8k g m 3 ，每根填料的表面积为2 6 3m 2 ，总表面积为4 4 1 8m 2 。填料区体 积为3 8 7i y l 3 ，实际填料区比表面积1 1 6 9m 2 m 3 。 2 3 3 2 膜组件的选择 目前，污水处理中膜生物技术选用的膜一般应具有以下一些性质 3 2 1 ：( 1 ) 不 含溶剂、增塑剂等助剂：( 2 ) 膜通量大：( 3 ) 耐水性好；( 4 ) 化学稳定性好；( 5 ) 抗微生物侵蚀性好；( 6 ) 机械强度高并柔软；( 7 ) 抗污染性好。 首先是膜材料的选择。从制造膜所采用材料的不同，可以把膜分为有机商分 子膜和无机膜。考虑到膜生物技术中需要分离的主要对象是污泥颗粒和大分子有 机物，相应主要采用微滤和超滤技术。目前在实际工程中有机高分子膜和无机膜 都曾应用在这两种膜技术中。但由于无机膜制造成本高、运行能耗高等问题，有 机高分子膜有一定的优越性。 膜材料确定后，还存在膜孔径的选择问题。在多数情况下，通常选择被截流 组分的分子量作为膜孔径表征的尺度。同时引入了分离极限的概念，它表示某截 留组分l 摩尔质量分子的9 2 ( 或者9 5 ) 被截流时的孔径，文献中称之为m w c o ( 截留分子量) 。一般用于废水处理的膜的m w c o 应在1 0 0 0 - 1 0 0 0 0 0 之间f j 3 j 。 考虑到污水的特点一成分复杂、污染严重、水量大。相应在膜结构的选择时， 采用不对称结构的膜，因为不对稔结构比对称结构的膜耐污染。同时由于考虑到 膜的装填密度、造价、耐压性能和清洗的难易程度，决定选用中空纤维膜。 膜组件特性如下：外压式p p 中空纤维膜，微孔平均孔径o 0 2 0 2 1 tm ，纯水 通量1 0 0 - 1 2 0 l m 2 h ( 0 1 5 m p a ，2 5 c ) ，共装了6 0 片膜，膜面积共有9 8 0 m 2 。 2 3 。4 消毒工艺 污水消毒工艺可分成两大类：物理方法和化学方法。物理方法是采用紫外线 天津大学硕士学位论文第二章中水i 亓l 删i ：艺设计 消毒；化学方法包括液氯消毒、二氧化氯消毒、漂白粉消毒、臭氧消毒和次氯酸 钠消毒。 紫外光线一般可由低压水银灯产生，波长2 0 0 0 2 9 5 0 a 的紫外线具有杀菌作 用，而尤以2 6 0 0 2 6 5 0 a 范围内杀菌作用最强。由于紫外线照射灯所需能量较多， 在城市污水处理中虽然国外已有一些工程实践采用紫外消毒，但国内目前尚未采 用1 3 6 , 3 7 】。 二氧化氯消毒的特点：( i ) 只起氧化作用，不起氧化作用，般不会产生致 癌物质：( 2 ) 二氧化氯由于不与n h 3 反应，因而当n h 3 n 浓度较高时，其投加量 不会增加；( 3 ) 不受p h 的干扰。但二氧化氯不稳定，必须在现场制造，而需使用 的亚氯酸钠价格较高，因而限制了陔方法的广泛使用1 3 6 , 3 7 。 漂白粉消毒是过去常用的一种方法，出于产生大量沉渣，目前新建处理厂已 不再采用。 臭氧有很强的杀菌能力，远远超过氯，且不需太长的接触时间。臭氧消毒不 受污水中n h 3 和p h 的干扰，且最终的产物是二氧化碳和水，因而也不产生致癌物 质。但是，目前制约臭氧消毒普及应用的是较高的设备投资和电耗 3 6 , 3 7 】。 次氯酸钠的消毒机理与液氯完全一致。c i o 离子在水中低p h 时，产生h o c i ， h o c l 分子量很小且不带电荷，可以扩散到带负电荷的细菌细胞表面，并渗入胞内， 利用氯原子的氧化作用破坏细胞的酶系统，使其生理活动停止最后导致死亡 3 4 3 5 】。实际运行中，p h 是影响消毒效果的一个重要因素，一般应小于7 4 。两种方 法的基建费用、直接运行费用( 主要是药费) 和设备维护费用之和相当，但次氯 酸钠消毒工艺具有运行方便和安全等突出优点，所以本处理工艺选用次氯酸钠消 毒法。 2 4 设计特点及创新点 2 4 1 设计特点 ( 1 ) 新型淹没复合式膜生物反应器是将生物接触氧化池和膜生物反应器组合 在一起，其利用弹性立体填料容易截留、易于生物膜生长和附着生物量大的特点， 使反应器中同时存在固定和悬浮两种生物量。由于固定生物膜的增加，可保持较 低浓度的悬浮状活性污泥。这样有利于改善膜的通量、降低膜阻力、延长膜的清 洗周期、克服m b r 能耗大的缺点。同时生物膜的生物相丰富，食物链较长，特剐 是具有硝化、反硝化和除磷作用的优势菌得以生存。 天津人学硕十学位论文第二章中水同心艺设计 ( 2 ) 膜组件的截留作用可使反应器内保持较高的生物量，提高生物处理效率。 m l s s 浓度较高可能会使污泥膨胀，这一情况在传统活性污泥法中将导致处理效果 的变坏甚至失效。但在膜生物反应器中，不必考虑污泥的沉降性能。即使m l s s 浓度达到8 0 0 0 - 1 5 0 0 0 m g l ，仍然可以正常运行，经膜分离的出水依然保持较好的 水质。 ( 3 ) 反应器的两部分都装有曝气系统，分别采用微孔曝气和散流曝气，微孔 曝气使接触氧化能有足够的溶解氧供给，而散流曝气则可提供膜生物反应器良好 的水力条件，加剧了膜周围水体的循环和空气对膜面的剪切作用，能使膜系统长 期正常稳定运行。 ( 4 ) 膜组件提高反应器内的污泥浓度和容积负荷，减小了生物反应器的体积， 同时取代了二沉池且无需污泥回流系统，设备紧凑。由于反应器设在室内，所以 生物反应受温度的影响不是很大。 ( 5 ) 整个工艺设备为一体化装黄，结构紧凑，布局合理。设备采用p l c 自动 控制系统，便于运行管理。适用于宾馆、饭店、工矿企业、生活小区、旅游景点、 公寓写字楼等生活污水集中的场所。 2 4 2 工艺创新点 中水处理系统采用的是新型淹没式复合膜生物反应器，它将生物接触氧化池 和膜生物反应池组合在一起。 ( 1 ) 该系统改变了常规的曝气方式，采用分段供氧，使充氧效率大大提高。 同时处理系统的运行方式比较灵活，生物接触氧化池可以缺氧、好氧或半限制式 供氧。 ( 2 ) 弹性立体填料的加入，使得悬浮污泥浓度降低，有益于膜污染的防治。 同时生物相更加丰富，食物链更长，有利于同步脱氦除磷的进行。 ( 3 ) 对膜组件的安装方式进行了优化设计，更便于膜组件的清洗和更换。 2 5 主要分析项目和测定方法 2 5 1 试验分析项目 试验过程中，对原水、混合液、上清液和出水进行项目分析，见表2 2 。 表2 - 2 试验分析项目 天津大学硕士学位论文第二章中水回用工艺设计 项目原水混合液上清液混合液上清液出水 ( 14 )( 14 )( 2 4 )( 2 4 ) s s 浊度 温度 j p h 值 c o d b o d n h y n l a s d o m l s s m l v s s s v 微生物相 总硬度 氯离子 注：即为所需测定的项目 2 5 2 水质分析方法 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) ，监 测项目及测定方法、使用仪器见表2 - 3 。 表2 - 3 水质分析方法 分析项目测定方法 9 1 4 量仪器 s s1 0 5 烘干至恒重 烘箱 浊度直读法 g d s 3 b 光电式浊度仪 温度 直读法 普通水银温度计 o h 值 直读法p h s 3 c 型精密p h 计 c o d标准重铬酸钾法 冷凝管 b o d碘龉法 碘馘瓶 n h 3 - n 钠氏试剂法 t u 1 8 0 0 紫外可见分光光度计 天津人学硕十学位论文第二章中水同埘。f ：艺殴计 l a s 亚甲蓝试剂法 t u - 1 8 0 0 紫外，可见分光光度计 d o 膜电极法j p s j 6 0 5 型溶解氧分析仪 m l s s重量法 电子天平 m l s s 重鼙法电子天平 s v 直读法鼙筒 微生物相直