（环境工程专业论文）膜生物反应器深度处理碱法草浆中段废水研究.pdf

山东大学博士学位论文 中文摘要 造纸工业是工业水污染物排放的大户。为了完成“十一五”节能 减排任务，国家于2 0 0 8 年8 月1 日颁布实施了最新的制浆造纸工业水 污染物排放标准( g b 3 5 4 4 2 0 0 8 ) 。与现行造纸工业水污染物排放标准 相比，新标准排水量和污染物排放浓度均有大幅度的加严，如c o d c ， 即从原来的4 5 0 m g l 提高到现在的15 0 m g 1 并且逐步加严。传统的造纸 废水处理工艺已经难以满足新标准的要求，迫切需要开发造纸废水深 度处理工艺。 膜生物反应器作为一种新型高效污水处理工艺，将膜的高效分离 与生物降解融为一体，通过膜组件的高效分离作用，大大提高了泥水 分离效率，而曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌的出现又 可导致生化处理效率的提高。本研究正是利用其较高的泥水分离效率 和生化处理效率的特点，全面系统地研究中空纤维膜生物反应器在深 度处理碱法草浆造纸中段废水处理过程中的最优工艺参数、去除效率、 膜污染控制、生物学机理等内容。该项研究的进行对膜生物反应器将 来在深度处理造纸中段废水中的应用具有重要的科学意义。 首先，采用膜生物反应器对造纸废水二沉池出水进行深度处理。 研究发现，由于进水c o d c ，较低，污泥负荷过低，微生物的营养不够， 所以难以达到期望中的污泥浓度( 污泥浓度难以超过3 5 9 1 ) ，而且 m l v s s m l s s 仅为0 3 左右；如果不额外投加营养，c o d c ，去除率比 较低，在停留时间为10 小时，溶解氧为3 5 m g 1 条件下，c o d c ，去除 率仅为3 0 左右，浊度去除效率可达9 0 以上；污泥的粒径分散度偏 小，小于10 0 斗m 的颗粒累积超过8 0 ；膜污染比较轻，一个清洗周期 可以到6 0 天左右。 其次，采用膜生物反应器对造纸废水生化池出水进行深度处理。 研究发现，将生化池的出水直接进入反应器，解决由于营养低而难以 提高污泥浓度的问题，从而提高了c o d c ，去除效率；提出了优化运行 参数，在停留时间l0 小时，污泥浓度8 9 1 时，c o d c ，去除效率可以达 到4 5 以上。 山东大学博士学位论文 研究了膜生物反应器对生化池出水实验中膜的污染与清洗规律。 实验表明，每日的反冲洗可延长膜的化学清洗周期( 当每日用物理方 法对膜进行清洗时，化学清洗周期可达6 0 天，而不清洗时，其化学清 洗周期仅为15 天) ：随着污泥浓度的提高，清洗周期变短，当污泥浓 度达到10 9 l 及以上时，膜污染会突然加剧。 研究了膜生物反应器对生化池出水实验中，反应器内污泥与进水 污泥的性状，并对比研究了污泥群落、微生物数量和种类、耗氧速率、 粒径分散度、e p s s m p 。研究发现，膜生物反应器内微生物数量增加 了近3 倍，枯草杆菌增加到3 4 倍，耗氧速率加快，2 0 0 9 m 以上的污 泥颗粒增多，e p s 随时间逐渐累积，而s m p 则变化不大；研究了反应 器的污泥平衡情况，以及连续曝气的污泥浓度变化，发现污泥存在自 身消耗现象；研究了进出水分子量的分布变化，表明3 0 0 0 0 以上分子 可以被部分截留。 第三，研究了膜生物反应器与其它工艺结合处理生化池出水。研 究发现：投加粉末活性炭不仅比投加颗粒活性炭对c o d c ，和色度具有 更好的去除效果，而且投加活性炭有助于清洗周期延长，减轻膜污染； 计算出适合的臭氧投加量为2 5 m g l m i n ；发现反渗透组件在清污比为 1 ：4 时的s d i 为1 4 5 ，满足反渗透组件的常规要求；利用色质联分析仪 对可能引起色度变化的物质进行了探讨并发现，废水中引起发色物质 的发色键是非常稳定的，臭氧的强氧化作用可以使之断裂并重新组合， 生成酯类等无色物质。 最后，分析了采用m b r 对生化出水进行深度处理的工艺与经济可 行性。 总之，利用膜生物反应器处理已有企业碱法草浆造纸中段废水的 生化处理出水，可以去除4 5 以上的c o d c ，辅以臭氧或者活性炭脱 色，出水指标能够达到国家新标准的要求，而且通过膜清洗可以保持 膜生物反应器长期稳定运行。 关键词：膜生物反应器；造纸废水；深度处理；污泥性状 i i 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t t h en a t i o n a ls t a n d a r do np a p e ri n d u s t r i a lp o l l u t a n t sd i s c h a r g i n gh a s b e e nr e v i s e df r o mo na n do nw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n di n n o v a t i o no f t h i si n d u s t r y ，w h i c hi sf i r s tr e l e a s e di n19 8 3a n dr e v i s e di n19 9 2a n d19 9 9 r e s p e c t i v e l y i n2 0 0l ，t h ei n d e xn u m b e ro fg w p b 2 19 9 9w a sr e p l a c e db y g b35 4 4 2 0 01 a n di n2 0 0 3 ，s e p ah a sm a d es o m ea m e n d m e n to n g b 3 5 4 4 2 0 0 1 t h ei n d i c a t o r si nt h e f o r m e r ( g b 35 4 4 - 2 0 01 ) w e r en e a r l yt ot h e s eo f s u c hd i s c h a r g es t a n d a r di nd e v e l o p e dc o u n t r i e sa n d o rr e g i o n si n e a r l y 19 9 0 s ，s u c ha st h e d i s c h a r g es t a n d a r df o rc o d e ro fn o n - w o o dp a p e r i n d u s t r yi s4 5 0 m g l h o w e v e r ，t h et h r e s h o l do fc o d c rf o rv - c l a s sw a t e r i nc u r r e n t ( g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 ) i s4 0 m g 1 t h eb i gd i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w od a t aw i l l l e a dt oc o n t a m i n a t i o no f r e c e i v i n g w a t e rb o d yc a u s e d b yh i g h l y c o n c e n t r a t e dw a s t e w a t e r i nt e r m so ft h er e q u i r e m e n t so f a n d ，t h ec o d c rs h o u l d b e d e c r e a s ef r o m14 14m i l l i o nt o n st o 12 7 3m i l l i o nt o n sb y2 0l0 ，w h i c hi st o u g ht oc o m p l e t e p u l p & p a p e ri s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n d u s t r i e si nc h i n a ，a n di ta l s oc o n t r i b u t e sal o t f o rw a t e rp o l l u t i o n i n2 0 0 6 ，t h ea m o u n t1 5 5 3m i l l i o nt o n sc o d c r d i s c h a r g e db yp a p e r - m a k i n gi n d u s t r y ，r a n k sn o 1a m o n ga l lt h ei n d u s t r i a l c o d e re m i s s i o n s ，a c c o u n t i n gf o r33 6 o ft h et o t a la m o u n t t h el a t e s t ( g b 3 5 4 4 2 0 0 1 ) h a sb e e nr e l e a s e do nj u n e2 5 恤，2 0 0 8a n dw i l lb ep u ti n t o e f f e c to na u gls t , 2 0 0 8 t h en e ws t a n d a r dw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei n p r o m o t i n g i n d u s t r i a ls t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n ， s t a b i l i z i n gd i s c h a r g e p o l l u t a n t s t om e e tr e l e v a n ts t a n d a r d st of u l f i l lt h et a r g e to f1 1 1 h “f i v e y e a r ”p l a n t h el a t e s t ( g b 3 5 4 4 2 0 0 1 ) d e f i n e sd i s c h a r g i n gt h r e s h o l d sf o re x i s t i n g i i i 山东大学博士学位论文 f a c t o r i e sa n dn e wf a c t o r i e sc o n c e r n i n gp u l p m a k i n gs e c t o r ，p u l p & p a p e r s e c t o ra n dp a p e r m a k i n gs e c t o r f u r t h e r m o r e ，t h ed r a f ts t a n d a r df o r a p p r o v a la l s od e f i n e ss p e c i f i ct h r e s h o l d sf o rs o m ea r e a sw i t hh i g h d e n s i t y e x p l o i t a t i o n ， s u b d u e de n v i r o n m e n t c a r r y i n gc a p a c i t y ，l e s s w a t e r e n v i r o n m e n tc a p a c i t y ，w e a ke c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，e a s yt oc a u s es e r i o u s w a t e rp o l l u t i o ne t c ， c o m p a r e dw i t hc u r r e n t ，n e wp a r a m e t e r ss u c ha sn ，p ，c h r o m a ，d i o x i na r ea d d e d ， a o x ( a d s o r b a b l eo r g a n i ch a l o g e n s ) i sa d j u s t e da s a ni n d i c a t o rf o r p o l l u t i o nc o n t r o l ，a n dt h ed i s c h a r g ea m o u n ta n dc o n c e n t r a t i o nh a sb e e n s t r e n g t h e n e dt oah i g h e rl e v e la sw e l l t a k ea ne x a m p l eo fs t r a wp u l p & p a p e rm a k i n gf a c t o r y ： t h ep e r m i t t e dw a s t e w a t e rd i s c h a r g ea m o u n ti sr e d u c e df r o m3 0 0 m t t o8 0 t tb y7 3 f o re x i s t i n gs t r a wp u l p & p a p e rf a c t o r i e s ，f o rn e ws t r a w p u l p & p a p e rf a c t o r i e s ，t h i sf i g u r ei s r e d u c e df r o m3 0 0 m 3 tt o4 0 t tb y 8 7 t h ec o n c e n t r a t i o no fc o d e rf o re x i s t i n gs t r a wp u l p & p a p e rf a c t o r i e s i sr e d u c e df r o m4 5 0 m g 1t o1 5 0 m g 1 ，w h i c hi so n l y3 3 c o m p a r e dt ot h e f o r m e rs t a n d a r d ，f o rn e ws t r a wp u l p & p a p e rf a c t o r i e s ，t h i sf i g u r ei s r e d u c e df r o m4 5 0 m g 1t o9 0 m g lb y8 0 t h ec o n c e n t r a t i o no fb o d sf o re x i s t i n gs t r a wp u l p & p a p e rf a c t o r i e s i sr e d u c e df r o m10 0 m g 1t o30 m g 1 ，w h i c hi sd e c r e a s e db y7 0 i nt h en e w s t a n d a r d ，f o rn e ws t r a wp u l p & p a p e rf a c t o r i e s ，t h i sf i g u r ei sr e d u c e df r o m 10 0 m g 1t o2 0 m g 1b y8 0 t h ec o n c e n t r a t i o no fs sf o re x i s t i n gs t r a wp u l p & p a p e rf a c t o r i e si s r e d u c e df r o m10 0 m g 1t o5 0 m g 1 ，w h i c hi ss t r i c t e rt h a nt h ef o r m e rb y5 0 i nt h en e ws t a n d a r d ，f o rn e ws t r a wp u l p & p a p e rf a c t o r i e s ，t h i sf i g u r ei s r e d u c e df r o m10 0 m g 1t o3 0 m g 1b y8 0 t h ec o n c e n t r a t i o no fa m m o n i a n ，t o t a ln i t r o g e n ，t o t a lp h o s p h o r u s ， a o xa n dc h r o m af o re x i s t i n gs t r a wp u l p & p a p e rf a c t o r i e si nt h ec u r r e n t s t a n d a r di s10m g l ，15 m g 1 ，1 0m g 1 ，15 m g 1 ，5 0t i m e sr e s p e c t i v e l y ，w h i c h i sd e c r e a s e db y5 0 ；f o rn e ws t r a wp u l p & p a p e rf a c t o r i e s ，t h i sf i g u r ei s r e d u c e df r o m4 5 0 m g 1t o9 0 m g lb y8 0 t h ew a t e rp o l l u t a n t sd i s c h a r g es t a n d a r df o rp u l pa n dp a p e rf a c t o r i e s i v 山东大学博士学位论文 i sa l s os t r i c t e rt h a nb e f o r eo ns o m ee x t e n t a c c o r d i n gt ot h en e ws t a n d a r d ，t h ef a c t o r ys h o u l dt a k em e a s u r e st o c o n t r o la n dt r e a tt h e p o l l u t i o n t om e e tr e l e v a n ts t a n d a r db e f o r e d i s c h a r g i n g f o r w a s t e p a p e rp u l p & p a p e rf a c t o r i e s ，t h e y a r ef a c i n g b i g g e r c h a l l e n g e st h a ns t r a wp u l pf a c t o r i e sa n dw o o dp u l pf a c t o r i e s t a k es t r a w p u l pf a c t o r yf o re x a m p l e ，t h ec o d c rc o n c e n t r a t i o no fg r e yw a t e ri sa r o u n d 2 0 0 0 m g 1 h o w e v e r ，i nt h en e ws t a n d a r d ，i t i s r e q u e s tt o r e d u c et o 150 m g 1b e f o r ed i s c h a r g i n g ，w h i c hm e a n st h ec o d c rr e m o v a ls h o u l d r e a c ht o9 2 5 t h i si sq u i t ed i f f i c u l tf o rp u l p & p a p e rw a s t e w a t e r ，a si t s l e s sb i o d e g r a d a b l e c h r o m ac o n c e n t r a t i o nf o rm o s ts t r a wp u l p & p a p e rf a c t o r i e si s a r o u n d8 0 - 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6 0 m g li nt h ee f f l u e n t t h e r ea r er e s e a r c h e sa b r o a dt h a td i s p o s i n gt h ew a s t el i q u o ra n di ti s s h o w e dt h a tm b ri sm o r ee f f i c i e n c yt or e m o v ec o d c r ，t o xa n ds st h a n a c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s s o t h e r t h a nt h ec o n v e n t i o n a lb i o t r e a t m e n t m e t h o d s ，m b rh a sa b s o l u t ea d v a n t a g e sa sf o l l o w s ：h i g h e rs e p a r a t i n g e f f i c i e n c y ；h e l po nt h ei n c r e a s i n go fm i c r o b ec o n c e n t r a t i o ni nt h er e a c t o r ； g o o df o ri m p r o v i n gt h er e a c t i o n r a t eo ft h em i c r o b e ；h i g h e ro x y g e n t r a n s f e r e f f i c i e n c y b e s i d e s ，t h i ss y s t e m i s a u t o - c o n t r o l l e d ，e a s y t o m a n a g ea n dh a sb e t t e rt r e a t m e n tr e s u l t s ，m o r es t a b l ew a t e rq u a l i t ya n d o c c u p i e ss m a l l e rr o o m t h er e s e a r c h h e r e b y i s f o c u s i n g o n d i s p o s i n gm i d d l e - s t a g e w a s t e w a t e rw i t hh o l l o w - f i b e rm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，d i s c u s s i n gt h e o p t i m a li n d i c a t o r ，r e m o v a lr a t e ，f i l mp o l l u t i o nc o n t r o l ，b i o l o g yr e g i m ea n d i t se c o n o m i ci n d e x e s ，e t c r e s e a r c ho nd e e pd i s p o s a lo fs e c o n d a r ye f f l u e n to fp a p e rm a k i n g v i 山东大学博士学位论文 w a s t e w a t e rh a sb e e nd o n e i t c o n t a i n sl o wa m o u n to fc o d c r s u p p l i e dt om i c r o b e ，t h u si t w a sf o u n dt h a ts i n c et h ei n f l u e n tw a t e r a n ds l u d g e ，v e r yl i m i t e dn u t r i t i o nc o u l db e w a sh a r dt or e a c ht h ee x p e c t e d s l u d g e c o n c e n t r a t i o no fm o r et h a n3 ，5 0 0 m g l ，a n dm l v s s m l si so n l ya b o u t 0 3 i fn oa d d i t i o n a ln u t r i t i o ni sp u ti n ，t h ec o d c rr e m o v a lr a t ew o u l db e v e r yl o w u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h er e s i d e n c et i m ei s 10h o u r sa n d d i s s o l v e do x y g e ni s3 5 m g l ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d c fi s o n l y 3 0 ，t u r b i d i t yr e m o v a lr a t ec a nr e a c ht h en u m b e ro f9 0 ；t h ed i s p e r s i o n d e g r e e o fd i a m e t e ro fp a r t i c l e si st o os m a l la n do v e r8 0 o ft h e s m a l l e r - t h a n - 1o o u mp a r t i c l e sc u m u l a t e d s ot h ef i l mi s v e r ys l i g h t l y p o l l u t e d ，a n d6 0d a y sw o u l db eac l e a n i n gc y c l e t h ea p p l i c a t i o no fm b ro nb i o - c h e m i c a lt a n ke f f l u e n to fp a p e r m a k i n gw a s t e w a t e rh a sa l s ob e e nt e s t e d p i p i n gt h ee f f l u e n td i r e c t l yi n t o t h er e a c t o rh e l p st os o l v et h ep r o b l e mo fl o wm u dc o n c e n t r a t i o nd u et o l o w e rn u t r i t i o na n di m p r o v e st h ec o d c rr e m o v a le f f i c i e n c y u n d e rt h e c o n d i t i o no f10h o u r sr e s i d e n c et i m ea n ds l u d g ec o n c e n t r a t i o n8 ，0 0 0 m g l ， t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d c rc a nr e a c h4 5 o nab a s i so fr e c o r do nm e m b r a n ef o u l i n ga n dc l e a n i n gi nf r e q u e n c y u n d e rt h es t u d yo fm b rt r e a t m e n to ne f f l u e n tf r o mb i o c h e m i c a lp o o l ，i ti s s h o w nt h a ti ft h eb a c kw a s hc o u l db ec a r r i e do u te v e r yd a y ，i tw o u l d e x t e n dt h ec h e m i c a lc l e a n i f i gc y c l eo fm e m b r a n e w h e nt h em e m b r a n ei s c l e a n e di np h y s i c a lm e t h o d ，t h ec h e m i c a lc l e a n i n gc y c l ec o u l de x t e n tt o 6 0d a y s ；w h e nt h ep h y s i c a lm e t h o di sn o tu s e d ，t h ec h e m i c a lc l e a n i n g c y c l ei so n l y 15d a y s a n dt h ec l e a n i n gc y c l ew i l ls h o r t e nw i t ht h e i n c r e a s eo fs l u d g ec o n c e n t r a t i o n o n c et h es l u d g ec o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e s a b o v e10 0 0 0 m g l ，m e m b r a n ep o l l u t i o nw i l lb ea g g r a v a t e d i nt h es t u d yo fm b rt r e a t m e n to ne f f l u e n tf r o mb i o c h e m i c a lp o o l ，b y m e a s u r i n gs l u d g ec o m m u n i t i e s ，m i c r o o r g a n i s mq u a n t i t ya n dk i n d s ，o u r ( o x y g e nu p t a k er a t e ) ，g r a i nd i s p e r s i t y ，e p s s m pt oc o m p a r ep h y s i c s p r o p e r t i e sb e t w e e ns l u d g ei nm b ra n ds l u d g ei nr a ww a s t e w a t e r t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h em i c r o o r g a n i s mi nm b rh a si n c r e a s e db ya l m o s t3 t i m e s ，h a yb a c i l l u si n c r e a s et o3 4t i m e st h a nb e f o r e ，t h eo u ra l s os p e e d u p ，s l u d g ep a r t i c u l a ra b o v e2 0 0 “mi n c r e a s e ，e p si sc u m u l a t e dw i t ht i m e ， o n l ys m pd o e sn o tv a r ym u c h a c c o r d i n gt ot h es t u d yo ns l u d g eb a l a n c e v l l 山东大学博士学位论文 s t a t u sa n ds l u d g ec o n c e n t r a t i o nv a r i a t i o n sa f t e rc o n t i n u o u sa e r o b i c p r o c e s s ，i ti ss h o w nt h a ti n t e r n a lc o n s u m p t i o ni s e x i s t e di ns l u d g e t h e r e