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太原理工大学硕士研究生学位论文 膜生物反应器处理生活污水的研究 摘要 膜生物反应器是生物处理技术与膜技术的有机结合，具有高效去除污 染物、较少的剩余污泥产量和优质稳定的出水水质等优点，成为一种新型 的污水处理回用技术，所以对膜生物反应器工艺的基本理论和性能研究有 利于这种工艺的应用和推广。 本实验采用的一体式膜生物反应器主要是用活性污泥生物反应器与中 空纤维膜组件相结合，处理生活污水。实验结果表明：一体式膜生物反应 器可以有效去除城市生活污水中的有机污染物。当污泥浓度为5 5 0 0 m g l ， d o 值为3 0 m g l ，h r t 为4 h ，抽吸时间为1 5 m i n ，停吸时问为5 r a i n 时， b o d 5 的去除率在9 5 8 左右，出水浓度在7 m g l 以下；c o d 的去除率稳 定在9 0 以上，出水浓度在5 0 m g l 左右，l a s 去除率在8 0 左右，s s 去 除率可达9 5 以上，出水水质好且稳定。总之，膜生物反应器工艺对污水 多项指标的去除效果明显优于其它生物处理工艺。 系统主要靠生物作用除磷。在实验运行阶段，由于污泥生长需要吸收 一部分磷，总磷的去除率较高；后期由于反应器内有机物浓度没有大的增 长，造成总磷的去除率在系统运行了一段时间后出现下降的趋势。由于膜 生物反应器工艺排泥较少，且泥龄较长，因此它的生物法除磷效果并不理 想，出水总磷的浓度在2 0 8 - 5 8 2 m g l 之间，总磷去除率在2 2 8 - 5 3 7 之 间。 由于膜本身特有的浓差极化和膜面污染，使得膜技术在污水处理方面 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 受到限制。根据膜污染的机理，本实验采用间歇微孔曝气和间歇抽吸排水 等方法以减轻浓差极化及膜污染，取得了良好的效果。 验证了不同的化学清洗剂的清洗效果。针对不同的水质和水中所含主 要污染物的情况，需要配合不同的清洗剂和清洗时间。 关键词：污水处理，生活污水，膜生物反应器，c o d ，脱氮除磷，膜清洗。 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h es t u d yo nd o m e s t i c 、m s t e 厂a t e rt r e a t m e n tb y m e m b r a n e b i o r e a c t o r ( m b r ) a bs t r a c t m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) w a sar e a s o n a b l ec o m b i n a t i o no fb i o l o g i c a l t r e a t m e n tt e c h n o l o g ya n dm e m b r a n et e c h n o l o g yw i t hm a n ya d v a n t a g e ss u c ha s h i g hr e m o v a le f f i c i e n c yo fp o l l u t a n t s ，l i t t l es u r p l u ss l u d g e ，s t a b l ea n dh i g h q u a l i t yo f e f f l u e n t s oi tw a sb e c o m i n gan e wa n dr a p i dd e v e l o p i n gw a s t e w a t e r t r e a t m e n ta n dr e c l a m a t i o nt e c h n o l o g y ，s ot h er e s e a r c ho nt h eb a s i ct h e o r ya n d t h ep e r f o r m a n c eo fm b rw o u l db e n e f i tt ot h ea p p l i c a t i o na n ds p r e a do ft h i s p r o c e s s t h ei n t e g r a t i v em e m b r a n eb i o r e a c t o rt h a tw a sm a d eu po ft h ea c t i v a t e d s l u d g eb i o r e a c t o ra n dm e m b r a n et r e a t e d t h ed o m e s t i cw a s t e w a t e ri nt h e e x p e r i m e n t t h et e s tr e s e a r c h e dt h et r e a t m e n tp e r f o r m a n c eo fm u n i c i p a ls e w a g e w i t ht h es u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fs l u d g e w a s5 5 0 0 m g l ，t h ec o n c e n t r a t i o no f d ow a s3 m g l ，h r tw a s4 h o u r s ，t h et i m e o fp u m pw a sl5 m i na n dt h et i m eo fs t o pw a s5 m i n i nt h ee x p e r i m e n t ，t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h er e m o v a lr a t e so fb o d 5w e r ea b o u t9 5 8 ，t h ee f f l u e n tl e v e l s o fb o d sw e r eu n d e r7 m g l ；t h er e m o v a lr a t e so fc o dw e r ea b o u t9 0 ，t h e e f f l u e n tl e v e l so fc o dw e r eu n d e r5 0 m g l ；t h en h 3 一nr e m o v a le f f i c i e n c yw a s u p9 3 ，t h ee f f l u e n tl e v e l so fn h 3 一nw a sa b o u t0 4 8 - 3 8 8 m g l i naw o r d ， h 】 太原理：f 大学硕士研究生学位论文 m e m b r a n eb i o r e a c t o rc o m b i n a t i o nt e c h n o l o g yh a sa d v a n t a g eo v e rt h eo t h e r e x i s t e d t e c h n o l o g i e s i n r e d u c i n gm a n yp o l l u t a n t s o fw a s t e dw a t e ra f t e r t r e a t m e n t d u et ol e s ss l u d g ed i s c h a r g ea n dl o n g e rc e l ld e t e n t i o nt i m e ，t h eb i o l o g i c a l r e m o v a lp h o s p h o r u se f f i c i e n c yo ft h es u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o rw a sn o t w e l l t h ee f f l u e n tl e v e l so fp h o s p h o r u sw e r eb e t w e e n2 0 8 - 5 8 2 m g l ，t h e r e m o v a lr a t ew a sa b o u t2 2 8 5 3 7 t h em e c h a n i s mo fm e m b r a n e f o u l i n g w a sd i s c u s s e d m e m b r a n e t e c h n o l o g yh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o na n ds u r f a c e p o l l u t i o n ：i th a sl i m i t a t i o nt oa p p l yt h em e m b r a n et e c h n o l o g yf o rw a t e rr e c y c l e i nt h i sp a p e r ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w e dt h a ti n t e r m i t t e n tp u m pd r a i n a g ea n d a e r a t i o nc o u l dr e d u c et h ec o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o na n dt h e f o u l i n g o f m e m b r a n em o d u l e t h el e a n i n ge f f e c to ft h ed i f f e r e n tc h e m i c a lm e d i c i n ew a sv a l i d a t e d t ot h e d i f f e r e n tr a ww a t e r ，d i f f e r e n tc h e m i c a lm e d i c i n ea n dt r e a t m e n ts h o u l db eu s e d k e y w o r d s ：w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，d o m e s t i cw a s t e w a t e r ，m b r ，c o d ，n i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ，m e m b r a n e c l e a n i n g 。 】v 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 字参【訇 日鼽堡生乒 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 二 签名：。主毛阎签 名：歪墨! 型 4 v 郢编銎霪笾导师签名：呸丝：臣型! 日期：塑一与一 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 污水的膜处理法是与活性污泥法并列的一种污水好氧生物处理技术。这种处理法的 实质是使细菌和菌类微生物及原生动物、后生动物类的微型动物附着在滤料或某些载体 上生长繁育，并在其上形成膜状生物污泥生物膜。污水与生物膜接触，污水中的有 机污染物作为营养物质，为生物膜上的微生物所摄取，污水得到净化，微生物自身也得 到繁衍增殖。生物接触氧化法是生物膜处理法工艺之一，是介于活性污泥法与生物滤池 两者之间的生物处理技术，也可以说是具有活性污泥法特点的生物膜法，兼具两者的优 点。机理之一是在池内充填填料，已经充氧的污水浸没全部填料，在填料上布满生物膜， 在生物膜上微生物在新陈代谢作用下去除有机物，污水得到净化。机理之二，是采用与 曝气池相同的曝气方法，向微生物提供其所需要的氧，并起到搅拌与混合作用。 1 2 我国水资源现状及水污染治理 水是人类生存的根本，是人类经济发展和社会进步的生命线，是实现可持续发展的 物质基础。在2 l 世纪的今天，水资源问题已经成为全球资源环境的首要问题，直接影 响、制约着人类社会的生存和发展。 我国全部水资源总量为2 7 1 1 5 亿m 3 ，位居世界第六位，但是由于人口众多，人均占 有量为2 4 7 7 m 3 ，仅为世界人均占有量的1 4 ，耕地面积占有水量仅为世界平均水平的 8 0 。同时由于我国地域辽阔，地形复杂，造成了我国水资源在时空分布上极不均匀。 占国土面积4 7 的西北干旱和半干旱地区，水资源量只有全国的7 。而占国土面积5 3 的东南部，其水资源量占全国的9 3 。而且西北干旱和半干旱地区水资源时程变幅大， 冬春少雨，夏秋多雨，造成了降水量和径流量年际年内变化很大，更给这些地区水资源 的利用带来了困难。 干旱缺水是我国尤其是我国北方地区经济社会协调发展的重要制约因素。2 0 0 0 年， 全国总缺水量达7 7 8 亿m 3 ，全国的6 6 0 座城市中，有4 0 0 多座缺水，其中严重缺水的 太原理一1 ：人学硕七研究生学位论文 有1 1 0 座，日缺水量达1 6 1 0 61 7 1 1 3 ，年缺水量达6 0 1 0 sm 3 ，几百万人生活用水紧张。 农田缺水干旱面积每年达3 3 3 x1 0 4 公顷左右，因缺水而减产粮食( 7 0 0 - - 8 0 0 ) x1 0 8 公斤， 在农村和牧区有8 0 0 0 万人和6 0 0 0 万头牲畜饮水困难，每年因缺水造成的工农业直接经 济损失达2 0 0 0 多亿元。近些年束发生的部分河湖的干涸，以及沙尘暴和扬沙天气，都 是我国许多地区水资源严重短缺的具体表现，更让全国人民切身体会到了水资源对自身 生存的宝贵1 。 在水资源极度缺乏的同时，我国更是存在着水资源分配和使用不合理、水资源浪费 和水资源污染严重等问题。对水资源的开发利用及管理不善、掠夺开采、粗放使用和任 意排放，破坏了我国的水资源环境，加剧了水资源短缺的程度。目前，全国主要江河湖 库均受到了不同程度的污染，全国2 3 以上河段污染严重，仅黄河流域w 级水体河段 就达1 2 0 0 0k m ，占全部干支流的6 0 以上。这使得全国5 0 以上的城镇水源不符合饮 用水标准，对我国居民的健康造成了严重的威胁。根据2 0 0 0 年的调查结果，全国十大 流域2 2 0 3 个监测断面中有4 3 1 超标，其中尤其以北方地区的辽河、黄河、淮河和海 河的超标最为严重，分别为6 5 5 ，6 3 9 ，5 7 2 和5 6 3 ，而水资源相对丰富的松花 江、珠江、长江超标率相对较低，分别为2 4 8 ，2 6 6 和3 5 6 。因此，污染较严重 的水系为水资源量小的辽河、黄河、淮河和海河流域片，而且超标断面中7 5 5 为劣v 类水体断面，可见我国尤其是北方地区水资源污染问题相当严重，治理水资源污染刻不 容缓k 2 1 治理水资源污染要从源头抓起，我国水资源污染的主要原因是城市以及工业废水的 乱排乱放。全国每年产生3 8 5 亿m 3 废污水，这其中只处理了1 5 , - - 2 0 ，其它的部分则 直接排入江河湖海，将这些污水进行处理，不仅可以从根本上改变我国水资源污染严重 的现状，而且还会产生可观的再生水资源。如果在现有的基础上使处理率提高3 0 个百 分点，那么就可以增加上亿立方米的再生水量，所以应加强污水处理设施建设，使污水 得以净化和循环使用。此外，通过植树造林，提高土壤的保墒能力，建设雨水收集设施， 提高开发淡水技术，都可对保护水资源，扩大水源面积，减少水资源浪费，保证水资源 的供应等方面产生积极作用1 3 1 0 对城市生活污水和工业废水的处理势在必行，污水处理工艺从总体上可以分成两个 大类：物理化学法和生物法。物理化学法是通过物理化学反应，将污染物质去除或无害 化，由于此方法一般需要投加化学药剂，所以当水量巨大的时候，运行费用相对于生物 2 太原理1 = 大学硕士研究生学位论文 法较高，适用于处理有毒有害、难生物降解的工业废水。生物法是利用细菌、霉菌和微 生物的代谢作用去除水中的污染物质的方法，此方法特别适用于处理水量大而且可生化 性较好的城市生活污水。生物法可分为活性污泥法和生物膜法。活性污泥法是最早出现 的生活污水的处理方法，一套完整的活性污泥工艺由隔栅、初沉池、曝气池、二沉池和 清水池组成，其中污染物质的去除主要在曝气池中完成。生物膜法是活性污泥法的变形， 将微生物以膜状形式附着在某种载体的表面上。活性污泥法较生物膜法可实现更高的 s s 和b o d 的去除率，但是生物膜法较活性污泥法产生的剩余污泥少，运行费用低，而 且当水量水质发生变化时，生物膜法有较强的抗冲击能力。 由于水质标准日趋严格，传统工艺已经显现出了力不从心的迹象，为此人们不断探 索传统工艺的替代工艺，膜生物反应器就是其中的佼佼者。好氧膜生物反应器的实际商 业应用最早出现在2 0 世纪7 0 年代末期的北美，随后扩展到了日本和欧洲，并迅速蔓延 到世界各个国家和地区。近年来，应用膜生物反应器的污水处理厂不论从数量上还是规 模上都有了飞速的进步。加拿大z e n o n 公司目前已建成了规模为1 , 5 0 0 ，0 0 0 m 3 d 的应用 膜生物反应器的污水处理厂1 4 1 0 我们国家从2 0 世纪9 0 年代才开始对膜生物反应器的研 究和应用，但是发展迅速，目前在国内已经建成了多座应用好氧膜生物反应器的污水处 理设旋，并且随着土地的日益短缺，以及污水排放标准的不断提高，本工艺将会得到更 加广阔的发展空问。 1 3 膜技术 1 3 1 膜技术基本定义 膜分离技术是一门新兴的多种学科交叉的新技术，膜分离过程己经成为工业上气体 分离、水溶液分离、化学产品和生化产品的分离与纯化的重要过程，膜技术广泛应用于 食品、饮料加工、水处理、大规模空气分离、湿法冶金技术、气体和液体燃料的生产以 及石油化工制品生产等。 无论是天然膜还是人工合成膜，均有一个共同特性一选择透过性。膜( m e m b r a n e ) 可以定义为在一种流体相( f l u i dp h a s e ) 内或在两种流体相之间，有一层薄的凝聚相 ( c o n d e n s e dp h a s e ) 物质把流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产生传 质作用【6 】，这一薄层物质就是“膜”。膜可以是固态的，也可以是液态或气态的。可以 3 太原理下大学硕十研究生学位论文 是均匀的单相，也可以由两相以上的凝聚态构成复合体。无论怎样的膜，它都有两个界 面，且界面和被分割两侧的流体相接触。膜分离指以外界能量或化学位差为推动力，利 用膜的选择透过性，对双组分或多组分溶质或溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。 按照不同标准，膜可以分为不同种类。根据膜的性质差异，可以分为液相膜、固相 膜及气相膜，均质膜和非均质膜，也可以分为荷电膜和电中性膜：根据膜材料的不同可 以分为无机膜和有机膜，无机膜主要为陶瓷膜，有机膜多由聚氯乙烯( p v c ) 、聚偏氟乙 烯( p v d f ) 、聚乙烯( p e ) 、聚丙烯睛( p a n ) 、聚砜( p s ) 等有机高分子材料加工制造；根据膜 孔径的不同，可以分为微滤( m i c r o f i l t r a t i o n ，简称m f ) 膜、超滤( u l t r a f i l t r a t i o n ，简称 u f ) 膜、纳滤( n f ) 膜和反渗透( r e v e r s e - o s m o s i s ，简称r o ) 膜。m f 膜孔径为o 1 l “m ， u f 膜孔径为l n m 一4 ) 0 1 u m ，n f 膜可分离直径为l n m 左右的溶解性组分，r o 膜可截留 0 1 n m l n m 的小分子物质。广泛用于污水处理中的膜为固相非对称有机高分子m f 膜和 u f 膜。 1 3 2 膜分离技术特点 膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质，当膜两侧存在某种推动力r 如压力差、 浓度差、电位差、温度差等) 时，原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离、提纯的目 的。不同的膜过程使用不同的膜，推动力也不同。 目前已经工业化应用的膜分离过程有：微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、反渗透( r o ) 、渗析 ( d i a l y s i s ，简称d ) 、屯渗析( e l e c t r o d i a l y s i s ，简称e d ) 、渗透蒸发( p e r v a p o r a t i o n ，简称 e v ) 、液膜( l i q u i dm e m b r a n e ，简称l m ) 等。 近几十年来，膜分离技术引起了众多科研和工业部i 、j 的关注，作为一种新兴的化工 分离单元操作，膜分离技术正逐步应用到各个领域。膜分离技术的特点可概括如下： ( 1 ) 膜分离过程不发生相变，和其它方法相比能耗低，因此又称节能技术； ( 2 ) 膜分离过程在常温下就能进行，因而特别适于对热敏感的物质，如对果汁、酶、 药品等的分离、分级、浓缩与富集过程： ( 3 ) 膜分离技术不仅适用于有机物和无机物，从病毒、细菌到微粒的广泛分离， 而且还适用于许多特殊溶液体系的分离，如溶液中大分子与无机盐的分离，一些共沸物 或近沸物系的分离等； ( 4 ) 由于只是压力作为膜分离的推动力，因此分离设备装置简单、操作容易，控制 稳定且分离效率高。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 正是由于膜分离技术这些简单易行的特点，使膜分离技术发展迅速。尤其在污水循 环回用方面，由膜分离技术和活性污泥法结合起来的膜生物反应器，更体现了它的优势。 1 4 膜生物反应器技术 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m b r ) 是将高效膜分离技术和生物反应器 的生物降解作用有机结合产生的废水处理新工艺，其产生和发展是这两类工艺应用和发 展的必然结果。m b r 利用反应器的好氧微生物降解污水中的有机污染物，同时利用反 应器内的硝化细菌转化污水中的氨氮，以除去污水中产生的异味( 污水中的异昧主要由 氨氮产生) ，最后，通过中空纤维膜进行高效的固液分离出水。膜生物反应器工艺通过 膜分离技术大大强化了生物反应器的功能，其工艺流程见图。 曝气曝气消毒 lll 原水一格栅一一调节池一一膜生物反应器一中水蓄水池一一中水回用 图1 - 1膜生物反应器污水回用工艺 ( f i g l 一1w a s t e w a t e r r e u s et e c h n i q u ei nm e m b r a n eb i o r e a c t o r _ 【m b r ) ) 与传统的活性污泥装置相比，膜生物反应器主要有以下特点：( 1 ) 出水水质优质稳 定；( 2 ) 剩余污泥产量少，该工艺可以在高容积负荷、低污泥负荷下运行，剩余污泥产 量低( 理论上可以实现零污泥排放) ，降低了污泥处理费用；( 3 ) 占地面积小，不受设置场 合限制；该工艺流程简单、结构紧凑、占地面积省，不受设置场所限制，适合于任何场 合；( 4 ) 可去除氨氮及难降解有机物，由于微生物被完全截流在生物反应器内，从而有 利于增殖缓慢的微生物如硝化细菌的截留生长，系统硝化效率得以提高：同时，可增长 一些难降解的有机物在系统中的水力停留时间，有利于难降解有机物降解效率的提高； ( 5 ) 操作管理方便，易于实现自动控制，该工艺实现了水力停留时f b j ( h r t ) 与污泥停留时 间( s r t ) 的完全分离：( 6 ) 易于从传统工艺进行改造。 但是膜生物反应器也存在一些不足，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 膜造价高，使膜生物反应器的基建投资高于传统污水处理工艺； ( 2 ) 容易出现膜污染，给操作管理带来不便： 5 太原理： 大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 能耗高：首先m b r 泥水分离过程必须保持一定的膜驱动压力，其次是m b r 池 中m l s s 浓度非常高，要保持足够的传氧速率，必须加大曝气强度，还有为了加大膜通 量、减轻膜污染，必须增大流速，冲刷膜表面，造成m b r 的能耗要比传统的生物处理 工艺高。 1 4 1 膜生物反应器的组成及特点 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。所以各种膜生物反 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 ) 无泡曝气膜生 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 ) 主要用于高浓度有机废水的处理；( 2 ) 萃取膜生物反应器( e x t r a c t i v em e m b r a n eb i o r e a c t o r ，e m b r ) - - 般用于处理工业废水中的 优先污染物；( 3 ) 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 ) ，主要用于固体的截留与分离。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。膜分离生物反应器中的膜组件相当于传统生 物处理系统中的二沉池，利用膜组件进行固液分离，截流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，膜生物反应器可以分为一体式、分置式和复合 式三种研： 1 、分置式膜生物反应器 分置式膜生物反应器( r m b r ) i 艺流程见图l 一2 a 。膜组件独立于反应器，彼此干 扰小，并通过泵和管线连接构成，系统运行稳定可靠，操作管理容易，易于膜的清洗、 更换及增设，膜组件可与各种不同的生物反应器结合，构成各种不同的分离式m b r 。 但分置式m b r 为了减少膜面污染，需循环泵提供较大的膜面流速，同时泵的高速旋转 产生剪切力对某些微生物细菌体会产生失活现象，而且一般条件下为减少污染物在膜表 面的沉积，由循环泵提供的水流流速都很高，为此动力消耗较大。 2 、一体式膜生物反应器 一体式m b r 是将膜组件置于生物反应器内部f 如图l 一2 b 所示) 。微生物在曝气池 中好氧降解有机污染物，出水通过负压抽吸或利用液位差产生，得到过滤液。根据处理 工艺要求，可分为两种组成形式：第一种有两个生物反应器，其中一个为硝化池，另一 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 个为反硝化池。膜组件浸没于硝化反应器中，两池之间通过泵来更新要过滤的混合液。 该组合方式基于以下原因：( 1 ) 可以提供配套( 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一反硝化目的；( 3 ) 便 于将膜隔离进行清洗。第二种组合晟简单，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剪切力来实现膜面的错流，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，一体式系统不使用循环泵，可避免微生物菌体受剪力而失活。其最 大的特点是体积小、结构紧凑、工作压力小、无水循环、运行能耗低。但一体式膜通量 相对较低，易发生膜污染，在运行稳定性、操作管理方面和膜清洗更换上不及分置式。 不过中空纤维式膜组件由于体积较小、组装灵活，可分组设置成若干框架结构，便于从 曝气池中拿出，克服了不易拆装的缺点。 矗分离式腹生物反应器 b 一体式魔生物反应器 图卜2 淞r 工艺流程图 ( f i g l - 2t h ep r o c e s sf l o wd i a g r a mo f m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) ) 总之，在分离式中，系统要在较高的压力下运行，所以一体式m b r 的实际膜通量 要大，较大的压力f 则需要较大的膜表面液体剪切速率来控制膜污染。而一体式系统中， 其t m p 较小，可以保持长时间的稳定膜通量而无需化学清洗，且膜通量不会超过其临 界值，即临界膜通量( k w o n a n dv i g n e s w a r a 提出，1 9 9 8 ) ，因此，一体式m b r 比分置式 m b r 总能耗要小，g a n d e 等测定了m b r 的能耗数据，试验表明一体式m b r 的总能耗 比分置式少3 0 倍以上【8 j 。 7 太原理【：人学硕十研究生学位论文 表卜1一体式和外置式膜生物反应器的运行参数的比较 ( t a b l e 1 一lt h ec o m p a r i s o no ft h eo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r sb e t w e e nt h ei n t e g r a la n de x t e r n a lr e a c t o r ) 3 、复合式膜生物反应器 复合式m b r 在形式上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，改变了反应器的某些性状。 如图l 3 所示。 水 3 1 一填料；2 一膜组件：3 一膜生物反应器：4 一抽吸泵 图l 一3 复合式膜生物反应器 ( f i g l 一3t h ec o m p o u n dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ) 1 4 2 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。在传统的生物处理中，泥水分离是在二 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 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 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 1 乒1 7 】： ( 1 ) 对污染物的去除效率高，出水水质好 由于膜的高效分离作用，膜分离也使微生物几乎被完全被截流在生物反应器内，使 得系统内能够维持较高的微生物浓度，其固液分离效果要远远好于传统的二级沉淀，提 高了反应装置对污染物的整体去除效率。而且处理后的出水极其清澈，悬浮物和浊度接 近于零，细菌和病毒被大幅去除，出水水质优于建设部颁发的生活杂用水水质标准 ( c j 2 5 1 8 9 ) ，可以直接作为非饮用市政杂用水进行回用，实现了污水资源化。 由于膜组件的高效截留作用，将全部的活性污泥都截留在反应器内，使得反应器内 的污泥浓度可达到较高水平，最高可达4 0 - 5 0 9 l 。这样，就大大降低了生物反应器内 的污泥负荷，提高了m b r 对有机物的去除效率，对生活污水c o d 的平均去除率在9 4 以上，b o d 的平均去除率在9 6 以上。 ( 2 ) 工艺参数易于控制，系统硝化效果高 膜生物反应器内实现了反应器水力停留时间( h r t ) 和污泥龄( s r t ) 的完全分离，运行 控制更加灵活稳定，是污水处理中容易实现装备化的新技术，可实现微机自动控制，从 而使操作管理更为方便。通过控制较长的s r t ，有利于生长缓慢、世代时间较长的硝化 菌的截留、生长和繁殖，保证了m b r 除具有高效降解有机物的作用外，还具有良好的 硝化作用。研究表明，m b r 在处理生活污水时，对氨氮的去除率平均在9 8 以上，出 水氨氮浓度低于1 m g l 。同时膜分离也使废水中那些大分子、颗粒状难降解的成分在有 限体积的生物反应器中有足够的停留时间，从而达到较高去除率。 ( 3 ) 工艺流程简单，占地面积小，易于对现有污水处理厂进行改造 在城市污水或工业废水处理中，传统的处理工艺( 格栅+ 沉砂池+ 初沉池+ 曝 气池+ 二沉池+ 消毒池) 流程较长，占地面积大，而出水水质又不能保证。而膜生 反应器由于污泥浓度高，容积负荷可大大提高，生物反应器体积大大减小，该工艺( 筛 网过滤+ m b r ) 具有流程短、占地面积小、处理水量灵活等特点。m b r 的出水量根据实 9 太原理j r ：火学硕士研究生学位论文 际情况，只需增减膜组件的片数就可完成产水量调整，非常方便。此外，选择合适孔径 的膜组件后，m b r 对细菌和病毒也有着较好的去除效果，这样就可以省去传统处理工 艺中的消毒工艺，大大简化了工艺流程。 表l 2 膜生物反应器与传统活性污泥法的污泥产率比较 ( t a b l e1 - 2t h ec o m p a r i s o no ft h es l u d g ep r o d u c t i v er a t eb e t w e e nt h em e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) a n d t h et r a d i t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ) ( 4 ) 污泥龄长，剩余污泥量少 膜分离使污水的大分子难降解成分，在体积有限的生物反应器内有足够的停留时 间，大大提高了难降解有机物的降解效率。反应器在高容积负荷、长污泥龄下运行，理 论上可实现零污泥排放，降低了污泥处置费用。如表1 2 所示。 ( 5 ) 抗冲击负荷能力强 膜生物反应器中维持着高浓度的m l s s ，使它比传统生物法具有高得多的抗冲击负 荷能力。 ( 6 ) i 艺结构紧凑，易于自动控制管理 对于传统的活性污泥法工艺中出现的污泥膨胀现象，m b r 由于不用二沉池进行固 液分离，可以轻松解决这样，就大大减轻了管理操作的复杂程度，使优质、稳定的出水 成为可能。同时系统可采用p l c 控制系统，实现全程自动化控制。表1 3 a 和1 3 b 分别 列出了m b r 工艺与普通活性污泥工艺的主要区别，以膜生物反应器和传统活性污泥法 性能比较。 l o 太原理工大学硕士研究生学位论文 表l 3 a m b r 工艺与普通活性污泥工艺的比较 ( t a b l el 一3 at h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h em b r t e c h n i q u ea n d t h e o r d i n a r ya c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ) 表l 一3 b 膜生物反应器与传统活性污泥法生物性能对比 f t a b l e1 3 bt h eb i o p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e nm e m b r a n eb i o r c a c t o ra n dt h et r a d i t i o n a l a c t i v a t e ds l u d g o 项目 膜生物反应器 传统活性污泥法 生物固体停留时间( d ) 1 6 8 水力停留时间( d ) 0 5 混合液悬浮固体( g l ) 4 7 挥发性悬浮固体悬浮固体0 8 8 污泥产率( g m l s s l d ) 0 2 8 硝化比活胜( g n h 4 - n l h ) 2 0 有机物去除比活险( g t o e l ( g m v l s s - h ) 2 5 5 硝化容积活性( m g n h 4 一n l h ) 14 0 有机物去除容积活性( m g t o c l h 1 14 8 0 多糖比( g 葡萄糖l ( g m l v s s ) 4 0 0 3 4 0 2 4 1 5 o8 2 0 3 3 5 o 3 5 5 3 8 5 4 5 0 6 0 0 注：表中数据均为平均值。 太原理r = 人学硕十研究生学位论文 由上述可知，m b r 工艺所具有的优越性，是目前其他处理工艺无法比拟的。该工 艺在城市污水或生活污水处理、高浓度有机废水、难降解有机废水以及中水回用等方面 都具有广阔的应用前景。 1 4 3 膜生物反应器技术的研究进展 国外膜生物反应器技术研究概况： 国外有专家把膜技术的发展称为“第三次工业革命”，作为2 1 世纪最有前途的高新 技术之一，m b r 在水处理领域中的应用受到了世界范围内的广泛关注。m b r 最先用于微生物发酵工业f 1 2 l 。在污水处理领域中的应用研究始于6 0 年代的美国。美国 的s m i t h 于1 9 6 9 年首次报道了美国的d o f f - - - o l i v e r 公司把活性污泥法和超滤结合处理 城市污水的方法【1 8 i ，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 f f l ，c o d 2 0 3 0 r a g l ，系统处理能力为 10 - - 1 0 0 m 3 d 。19 7 2 年s h e l f 等开始了厌氧型滤膜生物反应器的研究工作。g r e t h l e i n 于19 7 8 利用厌氧消化池结合膜系统处理生活污水【嘲，有机污染物和硝酸盐的去除率分别达到 9 0 v j 6 17 5 。这些研究由于受当时膜生产技术的限制，在相当长的时间内仅停留在实验 室研究规模，未能投入实际应用。污水膜生物反应器处于初级研究阶段。 8 0 年代以后，随着膜制造技术的发展、膜清洗方法的改进和污水厂出水水质要求 的提高，膜生物反应器成为研究的热点之一。y h m a m a t o 等人在1 9 8 9 年研究了将中空 纤维亩接浸二f 曝气池内的一体式膜生物反应器，证明了采用问歇抽滤和低压操作可在很 大程序上防止不可恢复的膜堵塞，并使能耗进一步降低；并于1 9 9 1 年进行了s b r 工艺 与中空纤维超滤膜组件构成的膜生物反应器处理制革废水研究【2 0 1 。h o g e s t u 等在1 9 9 2 进行了固定床厌氧消化器与管式中空纤维膜组件组合处理羊毛清沈废水的研究【2 1 1 。 u e d a 等在19 9 6 年利用中空纤维膜组件进行了处理城市污水一体式膜分离活性污泥法 ( s m s a s ) 的工业化试验1 2 2 】。德国i s w a ( 水污染控制与垃圾处理研究所) 采用m b r 处理 垃圾渗滤液的实验中，使进水水质c o d 在1 0 0 1 5 0 0 m g l ，b o d 5 在2 0 1 6 0 m g l ，n h 3 - n 在6 0 - 3 0 0 m g l ，a o x 在1 o 3 9 m g l ，经过m b r 处理后其出水水质( 平均值) c o d 为 2 5 0m g lrb o d 5 为lm g l ，n h 3 - n 9 9 m g l ，a o x 5 0 m g l 。 日本是最早，r 始研究污水的国家，也是最早将m b r 应用于污水回用的国家，并开 1 2 太原理_ t 大学硕七研究生学位论文 发了应用m b r 处理粪便污水的处理工艺。在美国、德国、英国、法国等国家，m b r 工艺广泛应用污水处理及回用的各个领域，诸如生活污水、粪便污水、一般的工业废水 及难降解的有机工业废水。 目前，在世界范围内，实际运行的m b r 系统已超过了5 0 0 套，同时许多工程正在 计划或者建设中m b r 在日本的商业应用发展很快，世界上约6 6 的工程在日本，其余 工程主要在北美和欧洲这些工程中，9 8 以上是膜分离工艺与好氧生物反应器相结合， 约5 5 是膜浸没于生物反应器中，其余则是膜组件置于生物反应器之外表1 4 列出了 6 种主要商业化的m b r 。 表1 - 4 主要商业化的i v l b r 一览 ( t a b l e1 4t h ei t e m so ft h em a j o rc o m m e r c i a l i z a t i o nm b r ) 尽管膜生物反应器有着十分广阔的应用前景并在实际中得到应用，它的发展也面临 着许多问题。m b r 今后的研究方向主要有：膜污染的防治问题，如何降低能耗的问题， 如何将m b r 与其它处理工艺结合和改进，用来处理特殊废水( 如重金属污染的废水、有 毒或难降解的有机工业废水等) 等等问题。 国内膜生物反应器技术研究概况： 我国对膜生物反应器污水处理技术的研究工作起步较晚。从目前报道【2 3 2 7 】的研究情 况看，大都处于实验室小试或中试研究阶段。1 9 9 1 年，岑运华对膜生物反应器的应 用进行了综述研究，这是我国学者对膜生物反应器做的较早的报道。随后，江成璋等人 2 9 】进行了中空纤维超滤膜在生物技术中的应用研究。1 9 9 3 年，崔振宇3 0 1 介绍