（环境工程专业论文）膜生物反应器处理氨基酸生产废液的研究.pdfVIP

中文摘要 膜生物反应器( m b r ) 是将膜分离技术与生物处理技术有机结合的一种污 水处理新技术，具有工艺流程简单、占地面积小、出水水质好、剩余污泥产量少 等优点，其发展、应用领域不断扩大，为污水再生回用的实现带来了光明的前景 l l 】，已经引起了人们的广泛关注和重视。 本文概述了生物反应器的发展、应用现状和国内外对超滤膜污染的研究及解 决污染的对策。本文对国内外氨基酸废液处理方法，如膜分离法、生物法等进行 了详细评述，认为生物法或膜分离法单纯使用都不能解决我国氨基酸废液的污染 问题，同时提出将膜分离与生物法相结合的方法，用于氨基酸废液的处理，具有 重要的理论意义和实际的应用价值。基于氨基酸废液处理技术的发展趋势和存在 的问题，本文采用分置式膜生物反应器工艺来处理氨基酸废液，研究它的可行性 及处理效果，系统的考察膜生物反应器的运行控制条件，重点对膜生物反应器处 理氨基酸废液的工艺条件进行优化研究。 本实验分析了膜生物反应器中微生物组成以及微生物的生长规律。在整个运 行过程中，污泥从感官上由开始的黑色变为灰褐色，最后变为黄褐色，污泥浓度 由接种的3 8 e ,增至9 0 9 l ，而且运行过程中利用镜检生物相的方法来直接观察 生物反应器的微生物状态。 本文研究了m b r 的分离及过滤特性。考察了m b r 运行过程中u f 膜污染 以及膜通量的影响因素，明确了膜通量与温度、压力、m l s s 的关系，从而为分 置式m b r 中运行条件的控制提供了理论依据。 本文对污染u f 膜清洗进行了深入地研究，包括物理清洗和化学清洗。确定 了反洗时间5 m i n 及反冲洗周期4 0 m i n ，经过试验研究与分析，在反冲洗的同时 结合正洗的清洗方法，效果好于单纯的冲洗方法；确定了化学清洗剂的种类、清 洗剂的用量以及化学清洗周期3 0 d 。采用物理清洗与化学清洗相结合的方法，清 洗效果很好，保证了m b r 的稳定运行。 m b r 可以用于对氨基酸废液的处理，化学需氧量( c o d ) ，氨氮( n h 3 一n ) ， 悬浮物( s s ) 和浊度都具有较高的去除率，均可达到9 0 以上，实验出水水质 良好、稳定。 ， 关键词：分置式膜生物反应器，氨基酸废液，膜分离，膜污染，膜清洗 a b s t r a c t m e m b m eb i o r e a c t o r ( m b r ) p r o c e s si san e w w a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y , w h i c hc o m b i n e dm e m b r a n es e p a r a t i o nt e c h n o l o g y a n db i o l o g i c a lt r e a t m e n t t e c h n 0 1 0 9 y i th a sal o to fa d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l ep r o c e s s ，g o o de f f l u e n t ，l i t t l e e x c e s ss l u d g e e ta 1 m b rh a sb e e nd e v e l o p i n ga n db r e a d i n gi t sa p p l y i n gf i e l d s ，a n d h a sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n h lt h i ss t u d y , i ti sr e v i e w e dt h a tt h ed e v e l o p m e n to fm e m b r a n eb i o r e a c t o r , a n d t h a ts t u o ff o u l i n gc o n t r o lf o ru l t r a - f i l t r a t i o nm e m b r a n e t h et r e a t m e n to fa n l m o a c i dw a s t e w a t e rw a ss t i l d i e dw i t hr e c i r c u l a t e dm e m b r a n eb i o r e a c t o ro nt h eb a s i so f t h ed e v e l o d m e n tt e n d e n c ya n de x i t i n gp r o g r a m i nt h i sp a p e r , t h ef e a s i b i l i t ya n d t h e t r e a t m e n te f f e c to fu s i n gm e m b r a n eb i o r e a c t o rt ot r e a ta m i n oa c i dw a s t e w a t e rw a s s t u d i e d e x p e r i m e n t s w e r ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h eo p e r a t i o nc o n t r o l l i n g c o n d i t i o ns y s t e m a t i c a l l y , o p t i m i z et h eo p e r a t i o nc o n d i t i o no f m e m b r a n eb i o r e a c t o r t h ee v o l u t i o no fs l u d g ec o n c e n t r a t i o n sa n dg r o w t hm e c h a n i s mw a sa n a l y z e di n t h i sp a p e r d u r i n gt h ec o u r s eo ft h eo p e r a t i o n ，s l u d g ea p p e a r a n c eh a sb e e nc h a n g e d t h ec o l o fw a sc h a n g e df r o mb l a c kt od u s tc o l o ra n df i n a l l yc h a n g e dt o ns n u f fc o l o r a n dm l s s ( m i x e dl i q u o rs u s p e n d e ds o l i d ) i n c r e a s e df r o m3 8 9 lt o 9 0g l ，a n dt h e m i c r 0 0 r g a n i s ms t a t u so ft h em e m b r a n eb i o r e a e t o rw e r ee s t i m a t e db yt h em e a n s t h a t t h em i c r o b ep h a s eo fs l u d g em i x e dl i q u i dw e r eo b s e r v e db ym l c r o s c o p e t h em b rs e p a r a t i o na n df i l t r a t i o nc h a r a c t e r i s t i cw e r ed e s c r i b e d t h ec h a r a c t e r o ff o u l i n gu fm e m b r a n ea n dt h ei n f l u e n c eo fm e m b r a n ef l u xw e r ef o u n do u t t h e c o r r e l a t i v i t yb e t w e e nm e m b r a n ef l u x a n dt e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，m l s sw a ss e tu p s e p a i a t e l y t h e s ep r o v i d e d b a s e st ot h ec o n t r o lo fo p e r a t i o n a lc o n d i t i o n s i n r e c i r c u l a t e dm b r u n d e rt h ed e e p l ys t u d yo ft h ec h a r a c t e ro ff o u l i n gu fm e m b r a n e ，a ne f f e c t i v e m e h l b r a n ec l e a n i n gp r o c e d u r ew a sd e t e r m i n e di n c l u d i n gp h y s i c a l a n dc h e m i c a l c l e a n i n gm e t h o d s t h et i m e a n dt h ep e r i o do fb a c k w a s hw e r ed e t e r m i n e d t h e b a c k w a s hw h i c hc o m b i n e dw i t hf r o n tw a s hw a ss u p e r i o rt ot h es i n g l eb a c k w a s h ； m o r i ；o v e r t h et y p e so fc h e m i c a la g e n t sa n dt h ep e r i o do fc h e m i c a lc l e a n i n gw e r e d e c i d e dt h r o u g hc h e m i c a lc l e a n i n gm e t h o d m e m b r a n eb i o r e a c t o rc o u l db eu s e dt ot r e a ta m i n oa c i dw a s t e w a t e r , a n dh a da f i n ee f f e c to nt h er e m o v a lo fc h e m i c a l o x y g e nd e m a n d ( c o d ) ，a m m o n i a n i t r o g e n ( n h 3 - - n ) a n ds o l i ds u s p e n d e ds o l i d ( s s ) t h er e m o v a lr a t ec o u l dr e a c ha b o v e 9 0 ，t h eq u a l i t yo ft h ee f f l u e n th a dg o o ds t a b i l i t y k e yw o r d s ：r e - c i r c u l a t e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ；t r e a t m e n to fa m i n oa c i dw a s h i n g w a s t e w a t e r ；m e m b r a n es e p a r a t i o n ；m e m b r a n ef o u l i n g ；m e m b r a n ec l e a n 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，也不包含为获得墨凄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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：撇 签字日期：力1 年 7 月z 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解岙鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基鲞盘堂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用本授权说明) 学位论文作者签名：嗽 签字日期：纱叼年1 月z 日 导师签名：互叁掉 签字日期：叼年7 月呷e l 第一章绪论 1 1 膜生物反应器概述 第一章绪论 活性污泥法是当前世界各国应用最广泛的一种二级生物处理流程，具有处理 能力高、出水水质好等优点。但传统活性污泥法的出水水质难以达到越来越严格 的污水排放标准，而且排水要加入液氯、次氯酸钠类的杀菌消毒剂，生成的三氯 甲烷等有机污染物质，易产生二次污染：传统的生物处理工艺存在着两个主要的 问题：活性污泥的沉降性和生化反应速率。它的泥水分离主要是在二次沉淀池中 完成的，一般采用重力式沉淀池作为固液分离部分，其分离率完全依赖于活性污 泥的沉降特性，污泥的沉降性越好，泥水分离的效率就越高。而污泥的沉降性取 决于曝气池的运行状况，所以要改善污泥的沉降性就必须严格控制曝气池的操作 条件，这就大大的限制了这种处理方法的适用范围。由于经济因素的制约，二次 沉淀池的体积不可能很大，所以曝气池中的活性污泥浓度不会很高，生物活性不 会很大，从而限制了系统的生化反应速率。活性污泥法存在的另一个问题是如果 条件控制的不好，会产生大量的丝状菌，引起污泥膨胀，使系统在运行的过程中 产生大量污泥，剩余污泥的处置费用较高，占系统运行费用的一半以上。再加上 二次沉淀占地面积大，传氧效率低，管理操作复杂，出水达不到回用的标准。针 对这一现状，国内外环境科学家开发出一种适宜的污水处理与资源化技术，研究 新型的污水处理反应器，以适应越来越严格的污水排放标准和回用标准，其中最 引人注目的就是膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ) ，简称m b r 。 膜生物反应器是由生物处理系统和膜分离组件组合而成的一种新型高效的 污水处理与资源化工艺。生物处理系统和膜分离组件的有机结合，使它与传统的 废水生化处理技术相比，膜生物反应器具有很大的优越性【2 - 3 】。( 1 ) 膜分离组件 替代了二沉池在生物反应器中保持高活性污泥浓度减少污水处理设施占地，并通 过保持低污泥负荷减少污泥量，使生物反应器体积大大缩小，工艺设备集中。( 2 ) 能够有效地进行固液分离，分离的效果远好于传统的沉淀池，出水悬浮物和浊度 接近于零，可直接回用，实现了污水资源化。( 3 ) 膜的高效截留作用，使微生物 完全截留在反应器内，提高了生物处理效果，使之易于调控和实现处理过程最优 化。( 4 ) 反应器内的微生物浓度高，抗冲击负荷能力强。( 5 ) 有利于增殖缓慢的 硝化细菌的截留、生长和繁殖，系统硝化效率得以提高。且对氮、磷也有较好的 去除效果。( 6 ) 膜分离使污水中的大分子难降解成分在体积有限的反应器内有足 第一章绪论 够的停留时间，提高了难降解有机物的降解效率。( 7 ) 系统实现全程自动化控制。 m b r 工艺一般由膜分离组件和生物反应器组成，由膜组件代替二次沉淀池 进行固液分离，并能将几乎所有的微生物截留在生物反应器中，使其具有处理效 率高、出水水质好和操作管理容易等优点【3 4 1 。由于膜能将全部的生物量截留在 生物反应器内，可以获得长泥龄和高悬浮固体浓度，有利于生长缓慢的固氮菌和 硝化菌的增殖，不需进行延长曝气就能实现同步硝化和反硝化，成功的除氮，从 而强化了活性污泥的硝化能力。膜分离还能维持较低的f m ，使剩余污泥产率远 小于活性污泥工艺，且系统运行更加的灵活和稳定。m b r 具有以下主要特点： ( 1 ) 出水水质优质稳定 由于膜的高效分离作用，分离效果远好于传统沉淀池，处理出水极其清澈， 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。 同时，膜分离也使微生物被完全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，不但提高了反应装置对污染物的整体去除效率，保证了 良好的出水水质，同时反应器对进水负荷( 水质及水量) 的各种变化具有很好 的适应性，耐冲击负荷，能够稳定获得优质的出水水质。 ( 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 生物反应器内能维持高浓度的微生物量，处理装置容积负荷高，占地面积大 大节省；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，可做成地面式、半地下式和地下式。 ( 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间( h r t ) 与污泥停留时间( 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。 ( 6 ) 易于从传统工艺进行改造 该工艺可以作为传统污水处理工艺的深度处理单元，在城市二级污水处理厂 出水深度处理( 从而实现城市污水的大量回用) 等领域有着广阔的应用前景。 第一章绪论 膜生物反应器也存在一些不足。主要表现在以下几个方面： 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； 膜污染容易出现，给操作管理带来不便； 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 2 膜分离原理及膜生物反应器分类 1 2 1 膜生物反应器原理 膜分离过程包括普通过滤、微滤、超滤、纳滤、反渗透、渗析、电渗析、气 体膜分离、渗透汽化和其它膜分离过程。它们靠压力驱动，都在废水处理中得以 应用。压力驱动膜的截留机理主要是机械筛分作用，吸附截留作用是次要的，但 是因为孔径大小的不同，在机械筛分过程中，不同的膜在许多方面都表现出相当 大的差异【5 1 。 ( 1 ) 普通过滤 普通过滤常用的材料有各种各样具有一定孔径大小的滤纸、滤布、金属丝网、 颗粒等。流体流经这些膜时，流体中大于膜孔径的颗粒就会被拦截。一般来讲， 普通过滤可以去除1 0l am 以上的颗粒。 ( 2 ) 微滤 微滤( m f ) 是一种精密过滤技术，介于常规过滤和超滤之间。微滤是以静 压差为推动力，利用膜的“筛分 作用进行分离的膜过程，在静压差的作用下， 小于膜孔的粒子通过膜，大于膜孔的粒子则被机械截留在膜面上，使大小不同的 组分得以分离。另外，膜表面的吸附截留和架桥截留以及膜的内部截留也具有重 要的作用。 ( 3 ) 超滤 超滤( u f ) 是介于微滤和纳滤之间的膜过滤过程，是一种以膜两侧压力差 为驱动力，以机械筛分原理为基础理论的溶液分离过程。在静压差作用下，原料 液中溶剂和小溶质粒子从高压侧透过膜到低压侧，一般为滤出液或透出液，而大 粒子组分被膜拦截，使它们在滤剩液中的浓度增大。 ( 4 ) 纳滤 纳滤( n f ) 是介于反渗透和超滤之间，其推动力仍是水压。纳滤具有两个 第一章绪论 特性：其其截留分子量是百量级，对水中的葡萄糖、蔗糖等小分子有机物具有 分离作用；对于不同价态的阴离子存在d o n n a n 效应。 ( 5 ) 反渗透 反渗透是利用反渗透膜选择性地只能透过溶剂( 通常是水) 的性质，对溶液施 加压力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而从溶液中分离出来的过程。 反渗透可用于从水溶液中将水分离出来，海水和苦咸水的淡化是其最主要的应 用，但目前也在向其它应用领域扩展。 反渗透膜均用高分子材料制成，已从均质膜发展至非对称复合膜，膜的制备 技术相对比较成熟，其应用亦十分广泛。 ( 6 ) 渗析 渗析是最早发现、研究和应用的一种膜分离过程，它是利用多孔膜两侧溶液 的浓度差使溶质从浓度高的一侧通过膜孔扩散到浓度低的一侧从而得到分离的 过程。目前主要用于制作人工肾，以除去血液中蛋白代谢产物、尿素和其它有毒 物质。 ( 7 ) 电渗析 电渗析也是较早研究和应用的一种膜分离技术，它是基于离子交换膜能选择 性地使阴离子或阳离子通过的性质，在直流电场的作用下使阴阳离子分别透过相 应的膜以达到从溶液中分离电解质的目的，目前主要用于水溶液中除去电解质 ( 如盐水的淡化等) 、电解质与非电解质的分离和膜电解等。 ( 8 ) 气体膜分离 气体膜分离是利用气体组分在膜内溶解和扩散性能的不同，即渗透速率的不 同来实现分离的技术，目前高分子气体分离膜已用于氢的分离，空气中氧与氮的 分离等，具有很大的发展前景。无机膜也已用于超纯氢制备等领域，并有可能在 高温气体分离领域获得广泛的应用。 ( 9 ) 渗透汽化 渗透汽化也称渗透蒸发，它是利用膜对液体混合物中组分的溶解和扩散性能 的不同来实现其分离的新型膜分离过程，近二十年来对渗透汽化过程进行了比较 广泛的研究，用渗透汽化法分离工业酒精制取无水酒精已经实现工业化，并在其 它共沸体系的分离中也展示了良好的发展前景。预计渗透汽化与气体膜分离可能 成为二十一世纪化工分离过程中的重要技术。 ( 1 0 ) 其它膜分离过程 其它膜分离过程尚有：膜蒸馏、膜萃取、膜分相、支撑液膜、生物膜分离等， 均是新近发展起来的新过程，少量已在工业上应用，但大都处于研究开发阶段， 本章不作详细介绍。 第一章绪论 1 2 2 膜生物反应器的分类 膜生物反应器为膜分离技术与生物处理技术有机结合之新型态废水处理系 统。主要利用沉浸于好氧生物池内之膜分离设备截留槽内生物处理后的活性污泥 与固体物。根据所使用膜的种类及作用不同，膜生物反应器可分为三类，即：曝 气膜生物反应器、萃取膜生物反应器【6 】和分离膜生物反应器。 ( 1 ) 曝气膜一生物反应器最早见于c o t e p 等1 9 8 8 年报道，采用透气性致 密膜( 如硅橡胶膜) 或微孔膜( 如疏水性聚合膜) ，以板式或中空纤维式组件， 在保持气体分压低于泡点( b u b b l ep o i n t ) 情况下，可实现向生物反应器的无 泡曝气。该工艺的特点是提高了接触时间和传氧效率，有利于曝气工艺的控制， 不受传统曝气中气泡大小和停留时间的因素的影响。 ( 2 ) 萃取膜一生物反应器，又称为e m b r ( 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 ) 。 因为高酸碱度或对生物有毒物质的存在，某些工业废水不宜采用与微生物直接接 触的方法处理；当废水中含挥发性有毒物质时，若采用传统的好氧生物处理过程， 污染物容易随曝气气流挥发，发生气提现象，不仅处理效果很不稳定，还会造成 大气污染。为了解决这些技术难题，英国学者l i v i n g s t o n 研究开发了e m b 。 废水与活性污泥被膜隔开来，废水在膜内流动，而含某种专性细菌的活性污泥在 膜外流动，废水与微生物不直接接触，有机污染物可以选择性透过膜被另一侧的 微生物降解。由于萃取膜两侧的生物反应器单元和废水循环单元是各自独立，各 单元水流相互影响不大，生物反应器中营养物质和微生物生存条件不受废水水质 的影响，使水处理效果稳定。 ( 3 ) 固液分离型膜一生物反应器是在水处理领域中研究得最为广泛深入的 一类膜一生物反应器，是一种用膜分离过程取代传统活性污泥法中二次沉淀池的 水处理技术。在传统的废水生物处理技术中，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性能，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 气池的操作条件，这限制了该方法的适用范围。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1 5 3 5 9 l 左右，从而限制了生化反应 速率。水力停留时间( 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。系统在运行过程中还产生了大量的剩余污泥，其处 置费用占污水处理厂运行费用的2 5 4 0 。传统活性污泥处理系统还容易 出现污泥膨胀现象，出水中含有悬浮固体，出水水质恶化。针对上述问题，m b r 将分离工程中的膜分离技术与传统废水生物处理技术有机结合，大大提高了固液 分离效率，并且由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌( 特别是优 势菌群) 的出现，提高了生化反应速率。同时，通过降低f m 比减少剩余污泥 第一章绪论 产生量( 甚至为零) ，从而基本解决了传统活性污泥法存在的许多突出问题 目前，分离膜生物反应器的研究最为深入，且已有应用于实际工程中的报道， 而曝气膜生物反应器和萃取膜生物反应器进出于实验室研究及中试阶段。 根据生物反应器和膜组件的结合方式的不同，膜生物反应器又分为分置式和 一体式【”j 以及复合式三种基本类型。 ( 1 ) 分置式膜生物反应器 分置式是指膜组件与生物反应器分开设置，生物反应器中的混合液经循环泵 增压后打至膜组件的过滤端，在压力作用下混合液中的液体透过膜，成为系统处 理水；固形物、大分子物质等则被膜截留，随浓缩液回流到生物反应器内。 分置式膜一生物反应器一般采用错流过滤的方式，料液循环错流运行，其特 点是：运行稳定可靠，易于膜的清洗、更换及增设；而且膜通量普遍较大。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 较高的膜面错流流速，水流循环量大、动力费用高( y a m a m o t o ，1 9 8 9 ) ，并且泵 的高速旋转产生的剪切力会使某些微生物菌体产生失活现象( b r o e k m a n na n d s e y f r i e d ，1 9 9 7 ) 。 ( 2 ) 一体式膜生物反应器 根据生物处理工艺的要求，可分为两种组成形式：第一种有两个生物反应器， 其中一个是硝化池，另一个是反硝化池。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。改组和方式基于以下原因：可以提供整套的膜和 设备，便于旧系统的更新改造；将膜浸没池作为好氧区，而生物反应池作为缺氧 区以实现硝化和反硝化的目的；便于将膜隔离进行清洗。第二种组合最简单，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。 为减少膜的污染，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效果，也有采 用在一体式膜组件自身的旋转来实现膜面错流效应。一体式膜生物反应器的膜组 件置于生物反应器的下方，除具有充氧功能外，造成强烈搅拌作用，减轻了混合 液中悬浮物在膜表面的吸附。且具有体积小，整体性强，工作压力小，无水循环， 节能，不堵塞膜纤维中心孔等特点。同时也存在膜面流速小，易污染，出水不连 续等问题，因膜表面易形成生物膜，该系统有接触氧化的性质。于分置式m b r 相比，一体式m b r 最大特点是运行能耗低，但在运行稳定性、操作管理方面和 清洗更换上不及分置式。 ( 3 ) 复合式膜一生物反应器在形式上也属于一体式膜一生物反应器，所不同 的是在生物反应器内加装填料，从而形成复合式膜一生物反应器。 分置式和一体式这两种膜生物反应器也可通过压力驱动方式不同来划分。在 第一章绪论 一体式膜生物反应器中，可用泵抽吸使膜两侧产生压力差或直接给生物反应器加 压。在分置式膜生物反应器中，流经膜单元的循环水流可是膜两侧产生压力差。 本论文涉及的膜生物反应器将有机膜组件和生物反应器分开设置，属于分置 式膜生物反应器。 1 3 膜生物反应器的发展现状及展望 1 3 1 国外研究现状 膜与生物处理工艺结合的膜生物反应器已有3 0 多年了，商业应用也有2 0 年 的历史。1 9 6 9 年s m i t h 等报道采用超滤膜来替代传统活性污泥工艺中的二沉池， 用于处理城市污水。在另一早期的报道中，h a r d t 等采用死端过滤的超滤膜与i o l 的好氧反应器组合处理人工配制的污水，获得了c o d 去除率达9 8 的处理效果， 污泥浓度与传统活性污泥法相比，有大幅度增加。美国的d o r r - o l i v e r 公司在1 9 6 6 年前后也开始了膜一生物反应器的研究，开发了m s t ( m e m b r a n es e w a g e t r e a t m e n t ) 的工艺。1 9 6 6 年美国的d o r r - o l i v e ri n c 首先在美国化学会议上发表 了该项研究成果【7 】。到了这个时期，研究的重点在于开发适合高浓度活性污泥的 膜分离装置。但由于受当时的膜生产技术所限，膜的使用寿命短、通量小，加之 当时对处理排放出水水质要求不严，使这项技术在相当长一段时间仅停留在实验 室研究规模，未能投入实际应用。 7 0 年代末期，日本由于污水再生利用的需要，膜一生物反应器的研究工作 有了较快的进展。自1 9 8 3 年到1 9 8 7 年日本有1 3 家公司使用好氧膜一生物反应 器处理大楼污水，处理水作为中水回用。1 9 8 5 日本建设省牵头组织了“水综合 再生利用系统9 0 年代计划 ，其内容涉及到新型膜材料的开发、膜分离装置的构 造设计和膜一生物反应器运行系统的研究。通过产、学、研的结合，把膜一生物 反应器的研究在处理对象、规模和深度上都大大推进了一步。这一阶段的膜一生 物反应器的型式主要是分置式。 另一方面，加拿大z e n o n 公司推出了该公司的分置式膜一生物反应器，用于 生活污水的好氧处理。从8 0 年代后期到9 0 年代初，z e n o n 公司继续d o r r - o l i v e r 公司的早期研究，以开发用于处理工业废水的系统并获得了成功。z e n o n 公司的 商业化产品，z e n o g e m 于1 9 8 2 年投入使用。 8 0 年代后期，国际上对膜一生物反应器的研究更加全面，深度和广度不断 加强。在传统分置式膜一生物反应器的基础上，提出了运行能耗低、占地更为紧 凑的一体式膜一生物反应器【8 1 。法国、美国、澳大利亚等对膜生物反应器也投入 第一章绪论 了大量的研究。使膜生物反应器的研究内容更加全面而深入，为9 0 年代的进一 步推广应用奠定了技术基础。目前，膜一生物反应器在日本、美国、法国、英国、 荷兰、德国、南非、澳大利亚等国己得到相当多的应用。主要应用对象包括：生 活污水的处理与回用、粪便污水处理、有机工业废水处理等。 进入9 0 年代以后，世界各国对m b r 在污水处理中的研究，无论在深度、 广度以及重视程度上都在不断的发展。无疑表明，在当今世界性水资源缺乏的情 况下，m b r 这一新技术具有强大的生命力。 1 3 2 国内研究现状 我国对膜生物反应器的研究还不到十年，刚刚起步，但进展十分迅速。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 性污泥与生物膜法相结合的复合式工艺、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；( 3 ) 扩大m b r 的应用范围，m b r 的研究对 象从生活污水扩展到高浓度有机废水。m b r 在我国水处理方面的应用研究首先 是从分离式m b r 开始的。随着我国水污染和水资源短缺问题的日益加重，对 m b r 的研究不断深入。在我国无锡酶制剂厂，1 9 8 4 年开始使用膜生物反应器技 术制取糖化酶。1 9 9 0 年吴开芬等人研究了用中空纤维超滤膜处理回收印钞厂擦 板液的可行性；1 9 9 1 年，岑运华介绍了m b r 在日本的研究状况【9 】；1 9 9 3 年上海 华东化工学院研究了用膜生物反应器处理人工合成污水和制药废液的可行性； 1 9 9 5 年清华大学环境工程系范晓军对膜反应器工艺处理生活污水进行了中试研 究，樊耀波将m b r 用于石油化工污水净化的研究，研制了一套实验室规模的好 氧分离式m b r ，该系统对石油化工污水中的c o d 、b o d 、s s 、石油的去除率分 别为7 8 - 9 8 、9 6 - - 9 9 、7 4 - - - 9 9 、9 8 1 0 0 、8 7 ；1 9 9 7 年中国科 学院生态环境研究中心开始了穿流式膜一生物反应器的研究工作；1 9 9 8 年清华 大学环境工程系刑传红对无机膜生物反应器处理生活污水进行了实验研刭1 0 j ； 1 9 9 9 年同济大学和大连理工大学的李红兵、杨磊等人【1 1 1 2 】也先后对生活污水进 行了实验，前者利用中空纤维为滤膜生物反应器处理生活污水，后者利用中空纤 维超滤膜生物反应器处理生活污水；吴志超1 1 3 j ( 1 9 9 9 ) 采用m b r 处理氨基酸废 水；2 0 0 0 年，王连掣1 4 】用无机膜一生物反应器处理啤酒废水，并取得了很好的 处理效果：2 0 0 1 年郑祥等【l5 】用m b r 对毛纺废水进行了中试研究，系统对该废水 中的c o d 、b o d 、浊度的去除率分别达到了9 2 1 、9 8 4 和9 8 9 。目前m b r 的研究对象从生活污水扩展到石化污水、高浓度有机废水、食品废水、啤酒废水、 港口污水、印染废水；生物反应器从生活污泥法扩展到接触氧化法；生物处理流 第一章绪论 程从好氧处理发展到厌氧处理，并且对不同的污水的处理效果、系统的稳定运行、 操作条件的优化进行了广泛的研究。 1 3 3 膜生物反应器处理效果及影响因素 在发达国家，好氧与厌氧膜生物反应器在实际工程中的应用有2 0 多年的历 史，取得较好的处理效果。在好氧膜生物反应器处理污水方面，1 9 8 9 年y a m a t o m o 在它的一体式m b r 小试实验研究中( y a m a m o t ok ，1 9 8 9 ) ，在体积负荷为 1 5 k g c o d m 3 的条件下，h r t 为4 h ，系统稳定在1 2 0 天，c o d 的去除率高达9 5 ，6 0 的总氮( t n ) 通过间歇曝气去除。c h i e m c h a i s r i 等人进行同类型m b r 中试规模的研究( c h i e m c h a i s r i ，1 9 9 3 ) ，出水c o d 在1 7 - - 2 1 m g l ：出水t n 平 均为4 9m g l ，t n 的去除率在8 0 以上。u e d a 用m b r 处理乡村生活污水( 3 2 3 9 m 3 d ) ，h r t 为1 3 1 6 h ，b o d 负荷0 1 6 0 3 7 k g m 3 d ，b o d 污泥负荷0 0 1 5 - - 0 0 4 6k g m 3 d ，当进水b o d 5 为1 3 3 5 8 m g l 、t n 为3 2 1 9 m g l ，t p 为3 8 3 o m g l 时，三者的去除率分别为9 9 ，8 3 ，7 0 ( u e d a ，1 9 9 9 ) 。除生活 污水与市政废水处理以外，好氧膜生物反应器在工业废水处理中的应用也得到了 广泛的关注，如处理粪便污水，食品工业废水，水产加工废水，养殖废水，化妆 品生产废水，染料废水，石油化工废水，均获得了良好的处理效果。9 0 年代初， 美国在o h i o 建造了一套用于处理某汽车制造厂的工业废水的m b r 系统，处理 规模为1 5 1 m 3 d ，该系统的有机负荷达6 3 k g c o d m 3 d ，c o d 去除率为9 4 ，绝大 部分的油与油脂被降解( y a m a m o t ok ，1 9 8 9 ) 。 我国的研究者对分离式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。生活污水经m b r 处理后，c o d 、b o d 5 、浊度都很 低，大部分细菌、病毒被截留，出水水质可达到某些用水水质要求，如作为立方 中水回用、城市园林绿化、扫除、消防等用水。膜的截留作用防止了硝化细菌的 流失，为维持生物反应器内高浓度硝化细菌创造了有利条件，从而大大提高了硝 化效率。近年来，膜生物反应器在国内已进入了实际实用阶段。1 9 9 8 年，大连 大器公司设计的2 0 0 m ，d 的中水回用装置就已在大连投入运行：天津德人公司首 先开发了重力淹没式m b r ，该技术在2 0 0 0 年已应用于天津普辰大厦德中水回用 系统，处理规模为2 5 m ，d ，该装置占地仅2 8 m 3 ；上海茌原公司研究开发的p w 系 统已成功地应用于数十个行业地高浓度有机废水处理，规模从5 m 3 d 至7 0 0 m 3 d 不等；目前m b r 系统的处理对象从生活污水扩展到高浓度有机废水和难降解工 业废水，如制药废水、化工废水、食品废水、屠宰场废水、烟草废水、豆制品污 水、粪便污水、黄泔污水等。从1 9 9 8 - - 2 0 0 0 年，m b r 以高浓度有机废水的处理 第一章绪论 为主，2 0 0 1 年，m b r 开始较多地应用于宾馆、饭店、写字楼、住宅小区等污水 处理回用工程，从目前的趋势看，m b r 对生活污水、高浓度有机废水与难降解 工业废水的处理效果良好。资料调查结果表明，在我国m b r 的应用对象存在明 显的地域差别，南方地区，m b r 目前主要应用于高浓度有机废水与难降解工业 废水的处理；而在天津、大连等严重缺水的北方地区，m b r 主要作为中水回用 技术处理生活污水。 当膜生物反应器用于处理生活污水时，膜生物反应器的污泥产率和污泥活性 随着污泥龄的降低而增加，但污泥降解污染物的能力不太受污泥龄的影响；h r t 与冲击负荷对出水的影响较小。邢传宏应用无机膜一生物反应器进行生活污水处 理，生物反应器温度在3 0 ，h r t 为5 h ，容积负荷分别为0 7k g c o d m 3 d 、2 2 k g c o d m 3 d 、3 4k g c o d m 3 d 时，出水c o d 均在1 0 m g l 左右。而厌氧m b r 出水受冲击负荷与h r t 的影响较大( 邢传宏，1 9 9 6 ) 。桂平应用一体式m b r 时， 采用5 d 、1 0 d 、2 0 d 、4 0 d 、8 0 d 的污泥龄，温度在1 5 2 5 0 c ，发现出水水质基 本不受污泥龄的影响；当容积负荷达到4k g c o d m 3 d ，m b r 仍对c o d 有良好的 处理效果( 桂萍，1 9 9 9 ) 。 李红兵、顾平对m b r 处理生活污水的研究表明，冲击负荷对有机物的去除 没有显著的影响，但n h 3 一n 受冲击负荷影响显著，出水n h 3 一n 的恶化程度与 冲击负荷的大小成正比( 李红兵，1 9 9 9 ；杨磊，1 9 9 9 ；顾平，1 9 9 8 ) 。这以现象 可能时由于膜的拦截作用对n h 3 一n 的去除并无贡献，因此m b r 对氮的去除效 果易受生物反应器的处理效果影响。顾平的研究还发现：在冲击负荷条件下，膜 通量衰减幅度时正常c o d 负荷的数十倍( 顾平，1 9 9 8 ) 。 当膜生物反应器处于处理工业废水时，何义亮用厌氧m b r 处理高浓度食品 废水却发现，当容积负荷从2k g ( m 3 d ) 升高到4 5k g ( m 3 d ) ，c o d 去除率从9 0 下降到7 0 ；且h r t 对处理效果有重要影响，当水力停留时间低于5 0 h 时， c o d 去除率较低且不稳定；当水力停留时间超过5 0 h 后，c o d 去除率稳定在8 0 以上( 何义亮，1 9 9 9 ) 。而吴志超采用好氧m b r 处理巴西基酸生成废水发现， s r t 为1 0 d ，h r t 在1 2 、1 4 、3 6 、4 8 h 变化时，相对应的c o d 负荷分别时4 8 、 3 6 、2 4 、1 2 k g ( m 3 d ) ，出水c o d 基本不变；s r t 从5 d 提高到2 0d ，出水c o d 从 3 0 3 m g l 下降到1 7 1 m g l ，当进步将s r t 提高到5 0d ，出水c o d 基本维持不变( 吴 志超，1 9 9 9 ) 。这说明膜生物反应器处理工业废水同样要求保证一定的水力停留 时间和污泥龄。 第一章绪论 1 3 4 膜生物反应器的发展与展望 1 3 4 1 膜生物反应器应用获得迅速发展的重要领域和方向 膜生物反应器在废水处理工艺中具有传统生物处理工艺所不及的优点，膜生 物反应器将在废水处理中得到广泛的关注和应用，今后膜生物反应器应用可能获 得迅速发展的重要领域和方向如下。 ( 1 ) 现有城市污水处理厂的更新升级。特别是出水水质难以达标或处理流量 剧增而占地面积无法扩大的情况。 ( 2 ) 应用于无排水管网的地区，如小居民点、度假区、旅游风景区等。 ( 3 ) 应用于有污水回用需求的场所，如宾馆、洗车业、客机、流动公厕等地 方，充分挥发膜生物反应器占地面积小、设备紧凑、自动控制、灵活方便的特点。 ( 4 ) 应用于高浓度、有毒、难降解工业污水处理。如高浓度有机废液是一种 较普遍的点源污染，全国造纸、制糖、酒精、皮革、合成脂肪酸等行业每年高浓 度有机污水的排放量很大。这类污水采用常规活性污泥法处理尽管有一定的作 用，但是出水水质难以达到排放标准要求。而m