（环境工程专业论文）膜生物反应器处理玉米深加工废水小试研究.pdf

d e g r e ep a p e r o fm a s t e rc a n d i d a t ei n2 0 11 u n i v e r s i t yc o d e ：1 0 2 6 9 e n r o l l m e n tn u m b e r ：y s 5 1 0 8 0 8 0 2 0 6 0 e x p e r i m e n t a ls t u d y o nt r e a t m e n to fc o r n p r o c e s s i n gw a s t e w a t e r w i t hm e m b r a n e b i o - r e a c t o rt e c h n o l o g y d e p a r t m e n t spe ciali t y ： dire cti0n ： s u p e r v i s o r ： e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e 星坠i ! = q ! 迪星堕垒! 星堕g i 卫星曼! i 坠g ： 遨至主丛亘壁垒熊星坠! 墅q 丛q ! q 斟 p r o f m i n s h e n gh u a n g _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ 1 _ _ - - - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 一 里! q ! 鱼曼g 垦坠gn i 垒坠 ca n d id a t e ： q 坠垦坠g y 旦鱼坠 m a y , 2 0 1 1 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文膜生物反应器处理玉米深加工废水小试研究， 是在华东师范大学攻读砭髟博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意。 作者签名：要弪盏丝1 日期：2 。f 1 年 月弓j 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 膜生物反应器处理玉米深加工废水小试研究系本人在华东师范大学攻读学位期 间在导师指导下完成的恕左博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范大 学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门和 相关机构如国家图书馆、中信所和“知网 送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位 论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博 士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用 影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密 学位论文宰，于 年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 导师签名 本人签名垩巳盏至自 2 0f | 年 箩月弓j 日 木“涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会 审定过的学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批 表方为有效) ，未经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填 写的，默认为公开学位论文，均适用上述授权 鄢光瑜硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 假砉秀 敌吾受 复里吹兹 主席 陈袁屋艟教 - t聱2 ；、忤蓖六墨 张遁蟊敖a 爱上；溅 奉囊姊笼大学2 0 1 1 届硕士学位论文 摘要 摘要 玉米深加工产业需要消耗大量水资源，其生产过程也产生大量高浓度有机废 水。对玉米深加工企业废水进行深度处理并回用，对于节约水资源，保护生态环 境，降低生产成本具有非常重要的意义。 本论文利用膜生物反应器工艺及混凝吸附工艺对玉米深加工废水进行深度 处理研究。 试验结果表明，单一曝气膜生物反应器对玉米深加工废水中c o d c ，和氨氮 有较好的去除效果，出水平均浓度分别为5 3 1 m g l 和1 2 9 m g l ，去除率分别为 9 2 9 和9 3 0 ；试验中因缺乏脱氮除磷环节，对总氮及总磷的去除效果有限， 去除率分别为4 6 7 和4 1 6 。 化学混凝处理膜生物反应器出水的较优操作条件为p h 为7 ，p a c 投量为 1 m l l ( 铝投量为2 0 8 5 m m o l l ) ，p a m 投量为4 m g l 。在此条件下，总磷去除 率可达9 8 o ，剩余总磷浓度为0 3 6 m g l ：色度去除率为4 1 7 ；c o d c ，的去除 率为1 0 9 。在对膜生物反应器出水进行混凝处理过程中投加沸石和高炉渣进行 吸附处理不能提高对污染物质的去除效果。 膜生物反应器工艺与混凝工艺配合能够比较稳定高效地处理玉米深i j n - r 废 水，达到减少污染物排放的目标。通过迸一步采用反渗透工艺，可以使出水回用 于循环冷却水系统。 关键词：膜生物反应器；混凝：玉米深加工废水 年囊奸篦走謦2 0 1 1 届硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t c o r np r o c e s s i n gi n d u s t r yc o n s u m e sl a r g eq u a n t i t i e so fw a t e ra n dp r o d u c e sa a m o u n to fw a s t ew a t e r 谢也1 1 i 曲o r g a n i cc o n c e n t r a t i o n a d v a n c e dt r e a t m e n ta n d r e u s eo fc o r n p r o c e s s i n gw a s t e w a t e rh a v ev e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e f o rt h e c o n s e r v a t i o no fw a t e rr e s o u r c e ，t h ep r o t e c t i o no ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dt h e r e d u c t i o no ft h ep r o d u c t i o nc o s t i n t h i sp a p e r ，t h et r e a t m e n to fc o r np r o c e s s i n gw a s t e w a t e rw i t hm e m b r a n e b i o r e a c t o ra n dc h e m i c a lc o a g u l a t i o nw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc o d c ra n da m m o n i an i t r o g e nw e r ee l i m i n a t e de f f i c i e n t l y b ys i n g l e s t a g ea e r a t i o nm b r t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o n so fe f f l u e n tc o d c ra n d a m m o n i an i t r o g e nw e r e5 3 1a n d1 2 9m g l ，a n dt h er e m o v a lr a t e sw e r e9 2 9 a n d 9 3 o r e s p e c t i v e l y b u tt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft na n dt pw a sl i m i t e d 4 6 7 o f t na n d4 1 6 o f t pw e r er e m o v e d t ot r e a tt h ee f f l u e n to fm b rw i t hc h e m i c a lc o a g u l a t i o n ，t h es u i t a b l eo p e r a t i o n c o n d i t i o n sw e r ea sf o l l o w s ：p hw a s7a n dt h ed o s a g eo fp a ca n dp a mw e r el m l l a n d 4 m g l a f t e rc h e m i c a lc o a g u l a t i o n ，9 8 o o ft p ，4 1 7 o fc o l o u r i t ya n d1 0 9 o f c o d e rc a nb er e m o v e d t h ec o n c e n t r a t i o no ft pc a nb er e d u c e dt o0 3 6 m g l i nt h e p r o c e s so fc o a g u l a t i o n ，d o s i n gz e o l i t ea n db l a s tf u m a c es l a gw a sn o th e l p f u lf o rt h e r 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 u s i n gm b r a n dc h e m i c a lc o a g u l a t i o n ，c o r np r o c e s s i n gw a s t e w a t e rc a nb et r e a t e d s t a b l ya n de f f e c t i v e l y ，a n dp o l l u t a n t sd i s c h a r g e dw o u l db er e d u c e d w i t ht h eh e l po f r e v e r s eo s m o s i s ，t h ee f f l u e n tc a nb eu s e da sc i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e r k e yw o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r ；c h e m i c a lc o a g u l a t i o n ；c o mp r o c e s s i n gw a s t e w a t e r 1 1 年囊t 币篦太学2 0 1 1 届硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 中水回用现状及重要性1 1 1 2 中水回用技术2 1 1 3 玉米深加工企业中水回用2 1 2 膜生物反应器工艺3 1 2 1 膜分离技术3 1 2 2 膜生物反应器工艺简介4 1 2 3 膜生物反应器分类5 1 2 4 膜过滤过程影响因素6 1 2 5 膜生物反应器污泥混合液特点7 1 2 6 膜生物反应器的去除效果7 1 2 7 影响膜生物反应器运行效果的因素8 1 2 8 膜生物反应器存在的问题8 1 2 9 膜生物反应器的新发展及前景9 1 3 混凝工艺9 1 4 课题来源与研究内容1 0 1 4 1 课题来源1 0 1 4 2 研究内容1 0 1 5 研究目的与意义一1 1 1 6 研究技术路线11 第二章材料与方法13 2 1 试验进水与试验装置1 3 2 1 1 污水厂现状13 2 1 2 试验进水1 4 t i i 兰墨竺竺查! 垫! ! 旦堡主兰垡丝茎旦墨 2 1 3 膜生物反应器试验装置。1 4 2 1 3 混凝、吸附试验装置1 5 2 2 指标分析方法1 5 第三章膜生物反应器处理玉米深加工废水试验研究17 3 1 膜生物反应器的启动1 7 3 2 膜生物反应器的运行1 7 3 2 1 曝气量控制1 7 3 2 2 水力停留时间设计1 8 3 2 3 污泥指标变化18 3 3 - 3 温度变化2 l 3 3 4p h 值变化2 2 3 3 膜生物反应器对污染物的去除效果及影响因素分析2 2 3 3 1 对c o d c ，的去除效果及影响因素分析2 2 3 3 2 对氨氮的去除效果及影响因素分析2 8 3 3 3 对总氮的去除效果及影响因素分析3 1 3 3 4 对总磷的去除效果及影响因素分析3 3 3 3 5 膜生物反应器出水含盐量情况：3 3 3 4 小结3 4 第四章混凝与吸附处理膜生物反应器出水试验初步研究3 5 4 1 混凝试验3 5 4 1 1 原水水质3 5 4 1 2 试验方法3 5 4 1 3 结果分析3 5 4 2 混凝吸附试验4 2 4 2 1 吸附原理4 2 4 2 2 原水水质4 3 4 2 3 试验方法4 3 4 2 4 结果分析4 4 4 3 小结4 7 晕囊姊笼大学2 0 1 1 届硕士学位论文目录 第五章膜生物反应器混凝工艺出水回用可行性探讨4 8 第六章结论与展望5 0 6 1 结论5 0 6 2 展望5 0 参考文献5 1 v 晕囊师箢大学2 0 1 1 届硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 中水回用现状及重要性 水是生命之源，是一个国家经济发展的基础。在现代社会，随着人口的增长、 工业的发展、城市化的发展，人类对水资源的需求不断增长，而地球上可供人类 使用的水资源是有限的。缺水问题在世界范围内已经成为一个严重的社会问题， 水资源短缺问题是现代人类面临的最严重挑战之一。 我国水资源总量虽然不少，但人均水资源占有量仅为世界平均水平的四分之 一，是属于世界严重缺水国家【l 】。我国水资源分布很不均匀，南北差异较大，部 分地区缺水问题非常严重。同时我国水污染现象较严重，我国各大水系、湖泊和 部分地区地下水都受到不同程度的污染，使优质水资源不断减少【2 】。随着经济的 发展，我国用水紧缺特别是水质型缺水问题会越来越突出，成为制约我国经济社 会发展的重要因素。为解决水资源的供需矛盾，我们需要采取各种措施利用好有 限的水资源。 中水回用是将污水进行适当处理后重新利用以提高水资源重复利用率并减 少新鲜水资源使用量的方法。中水是指城市污水或生活污水或工业废水经处理后 达到一定的水质标准，能在一定范围内重复使用的非饮用杂用水。污水是一种潜 在的水资源。污水不经过有效处理排入自然水体中，会污染大量优质水资源，加 剧水资源危机。将污水进行处理变为中水，根据水质的不同可满足农业灌溉、工 业和生活回用、市政杂用等各种用水需求。中水回用不仅可以减少对水资源的需 求，而且可以减少污染物的排放，是人类用水方式的重大转变。充分开发并利用 中水资源是世界各国在解决缺水问题时进行研究的重点。中水回用在日本、美国、 以色列等发达国家已经有了广泛的研究和实践，获得了显著的经济效益和社会效 益。近年来，基于缺水和社会经济持续快速发展的基本国情，中水回用在在中国 也受到了越来越多的重视，其再生利用途径已经包括农业灌溉用水、工业用水、 市政用水、娱乐和景观用水、生活杂用水等。将污水回用不仅可以减少污染物的 排放，也可以将回用水作为一种稳定的淡水资源，缓解我国水资源短缺现状，保 证经济的可持续发展【3 】。 幸囊研笼走学2 0 1 1 届硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 中水回用技术 中水回用技术主要可分为生物处理法、物理化学法二大类。 生物处理法主要是利用微生物的代谢作用，去除废水中污染物质的方法。污 水的生物处理法有活性污泥法、接触氧化法、生物滤池法等。生物处理法适用于 处理有机物质含量比较高的废水。 物理化学法主要有混凝、过滤、吸附以及膜分离法。混凝法在污水的预处理 和深度处理中都有应用，可以去除污水中呈胶体和微小悬浮状态的有机和无机污 染物，还可以去除污水中的某些溶解性物质，如氮、磷、砷等【4 】。但混凝法药剂 的用量较大，并且产生大量污泥等二次污染物，处理处置较困难。膜分离法是较 新且发展迅速的技术，在水处理领域已广泛应用，按过滤孔径分微滤、超滤、纳 滤、反渗透等膜分离工艺。膜分离工艺能有效去除污水中的悬浮物；纳滤及反渗 透膜分离工艺能去除污水中的溶解性物质，是比较彻底的水处理方法。膜分离工 艺处理污水存在的主要问题是成本比较高和膜面污染。 中水处理方法的选用要依据废水的特点和回用的目的确定。在实际工程中， 通常将多种处理方法组合使用，以较低的经济成本达到有效处理的目标。 1 1 3 玉米深加工企业中水回用 玉米是重要粮食作物，东北三省是我国玉米的主产区。对玉米进行深加工， 可得到多种产品，有很高的经济价值。近年来吉林省的玉米深加工产业发展较快。 但是玉米深加工产业需要消耗大量水资源，并产生大量高浓度有机废水。吉林是 我国水资源相对贫乏的地区，对玉米深加工企业废水进行有效处理并且回用成为 产业升级和节能减排的必然需求。 玉米深加工生产废水主要含淀粉、蛋白质、纤维素等有机物质。目前，对玉 米深加工废水的处理主要是生物处理法。生物法能有效去除玉米深加工废水中的 大量有机物。但仅使用生物法时处理效果有限，一些难降解物质及悬浮物等难以 去除，处理效果不够稳定，出水难以达到回用的标准。另外，一些玉米深加工生 产废水的含盐量较高，其处理出水如直接回用将会影响生产设备的安全运行。因 此，需要将生物法与其它处理工艺相结合对玉米深加工废水进行处理从而进行回 用，以进一步提高回用水的水质和安全性。 循环冷却水系统是玉米深加工企业的“用水大户”。将玉米深加工废水进行 2 幸囊姊箢太擘2 0 1 l 届硕士学位论文第一章绪论 深度处理后回用于循环冷却水系统，可以减少玉米深加工企业的总体用水需求。 循环冷却水系统对进水水质的要求如表1 1 。 表1 - 1 再生水用作工业用水水源的水质标准【5 】 t a b 1 - 1t h eq u a l i t ys t a n d a r do f r e c y c l i n gw a t e rf o ri n d u s t r i a lu s e s 注：当敞开式循环冷却水系统换热器为铜质时，循环冷却系统中循环水的氨氮指标应小于lm g l 。 加氯消毒时管末梢值。 1 2 膜生物反应器工艺 1 2 1 膜分离技术 膜是一种具有选择性分离功能的材料。膜的分离功能可以实现料液中不同组 分的分离、纯化、浓缩等目的。膜分离过程在生物体中是广泛存在的，人类对它 的认识及利用经历了漫长的进程。根据孔径的大小，常用的膜分离技术有微滤 ( m f ) 、超滤( u f ) 、纳滤( n f ) 、反渗透( r o ) 等。 1 微滤。微滤又称微孔过滤，孔径范围为0 1 1 5 9 m ，介于常规过滤与超滤 之间，操作压力一般在0 0 5 - - 0 2 m p a 。 2 超滤。超滤的孔径范围为l n m 0 1p m ，介于微滤和纳滤之间，操作压力一 3 幸囊师笼太謦2 0 1 1 届硕士学位论文第一苹绪论 般在o 1 0 6 m p a 。超滤对水中的细菌、病毒、胶体等有很好的去除作用，还可 以从水中分离出一些分子量数千的大分子物质，如大分子蛋白质。超滤被用于食 品、药剂的浓缩，废水处理及纯水制造等 6 】。 3 纳滤。纳滤的孔径为几纳米左右，介于超滤和反渗透之间。纳滤能将小分 子有机物从水中分离出来，并对盐有一定的去除能力。纳滤与反渗透相似，但操 作压力较低，又被称为“低压反渗透”。 4 反渗透。反渗透能截留组分为o 1 l n m 的小分子溶质。渗透是水从稀溶液 一侧通过半透膜向浓溶液一侧自发流动的过程。反渗透则是通过向浓溶液一侧施 加压力，使水从浓溶液向稀溶液一侧流动的过程。反渗透的操作压力一般为 1 5 1 0 5 m p a 。反渗透是目前处理效果最好的膜分离技术，是一种较为彻底的分 离方法。反渗透被广泛应用于海水及苦咸水的脱盐淡化、纯水制造等【7 1 。 5 电渗析。 电渗析是在电场的作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过 性，使水中阴阳离子作定向移动，把电解质从溶液中分离出来，从而实现溶液的 淡化、精制或纯化目的【8 1 。 一般而言，从微滤到超滤到纳滤到反渗透，膜孔径越来越小，操作压力越来 越大，能耗及成本越来越高。目前，在工业水处理方面，微滤膜的应用范围最为 广泛。 1 2 2 膜生物反应器工艺简介 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o l o g i c a lr e a c t o r ，简称m b r ，下同) 是将生物 处理与膜分离技术相结合而成的一种污水处理新工艺。以活性污泥为代表的传统 生物处理工艺因其经济性和高效性在生活污水及有机工业废水的处理中得到了 非常广泛的应用。生物处理工艺通常采用重力沉淀作为固液分离手段，但常常存 在分离效率不高、污泥产量大、管理操作复杂等问题。膜生物反应器利用滤膜取 代了传统的二沉池，很好地解决了这些问题。膜生物反应器出水水质良好，感官 性状佳，同时处理流程简单、占地面积少、运行稳定、便于管理【9 1 。 膜生物反应器的应用历史不长，但发展迅速。2 0 世纪6 0 年代，美国公司首 先将m b r 用于废水处理的研究。1 9 6 9 年，s m i t h 发表了将活性污泥法与超滤膜 结合处理城市污水的方法【1 0 】。由于膜生产工艺水平有限，此后较长时间里，膜生 4 荤囊师箢太学2 0 1 1 届硕士学位论文第一章绪论 物反应器技术没有投入实际应用，仅处于研究阶段。进入2 0 世纪9 0 年代，膜生 物反应器开始了长足的发展。 我国对膜生物反应器研究始于2 0 世纪9 0 年代，此后，许多科研院所及企业 公司等作了大量研究。目前膜生物反应器在饮用水净化、城市污水和工业废水的 处理和回用领域已经有了相当广泛的应用，取得了很好的效果。将膜生物反应器 技术应用于中水回用，能够有效地保证回用中水的质量。 1 2 3 膜生物反应器分类 依据滤膜孔径的不同，膜生物反应器可分为微滤膜生物反应器、超滤膜生物 反应器等。依据用途和操作方式不同，膜生物反应器可分为固液分离膜生物反应 器、无泡曝气膜生物反应器和萃取膜生物反应器 1 1 】。目前应用的主要是固液分离 膜生物反应器。依据膜组件设置的位置，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。 分置式膜生物反应器 一膜组件 曝气池 一体式膜生物反应器 图1 - 1 分置式膜生物反应器与一体式膜生物反应器 f i g 1 - 1r 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 ra n ds u b m e r g e dm e m b r a n eb i o - r e a c t o r 分置式膜生物反应器是将生物反应器与膜组件在空间上分开，生物反应器中 的混合液经泵加压后进入膜组件，经膜组件分离后浓缩液回流入生物反应器中。 分置式膜生物反应器易于膜的清洗及更换，但能耗较高。 一体式膜生物反应器又称浸没式膜生物反应器，是将膜组件置于生物反应器 中，通过泵的抽吸得到过滤液。一体式膜生物反应器使用的膜组件一般是中空纤 维膜或板式膜。一体式膜生物反应器的产水能耗小于分置式膜生物反应器，但在 幸囊钎笼太謦2 0 1 l 届硕士学位论文第一章绪论 运行管理及膜清洗更换上不及分置式膜生物反应器。 1 2 4 膜过滤过程影响因素 影响膜过滤过程的主要因素有：膜的结构性质、反应器操作条件和处理液性 质。 膜的结构性质包括膜的孔径尺寸，疏水性，孔隙率和粗糙度等。s h i m i z u 等 对膜生物反应器中膜孔径不同的一系列膜进行了研究，结果表明，孔径分布在 o 0 5 0 2 0 m n 的膜通透性能最好【1 2 1 。r e i h a n i a n 等在研究膜分离蛋白质时发现，亲 水性膜更容易吸附蛋白质，其能获得的膜通量相对较低【l3 1 。膜表面粗糙度的增大 既增大膜表面对污染物的吸附，又增强膜表面的扰动，其对膜通透的影响是两方 面的综合表现。 反应器操作条件包括操作压力、膜面流速和运行温度等。膜生物反应器存在 一个临界操作压力，当压力值小于临界操作压力时，膜通量随压力的增加而增加， 当压力值高于临界值时，膜污染速度加快，膜通量变化不大。适当的膜面流速可 造成膜的扰动，可以减少污染物在膜表面的积累，延缓膜通量的降低。在一体式 膜生物反应器中，通常需要通过增大曝气来获得一定的膜面流速。温度会改变处 理液的粘滞度，并改变微生物的代谢产物【l4 1 ，影响膜过滤性能。 处理液性质主要包括处理液中悬浮物质的组成及性质、溶解性有机物的组成 及性质等。在活性污泥膜生物反应器中，污泥浓度过高会降低膜的通透性能【l 5 1 。 微生物代谢的产物也会对膜通量产生很大影响，这些产物主要包括胞外聚合物 ( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r s ，简称e p s ，下同) 和溶解性微生物产物( s o l u b l em i c r o b i a l p r o d u c t ，简称s m p ，下同) 。e p s 是一定条件下微生物产生的高分子物质，普 遍存在于活性污泥絮体内部和表面，成分为多糖、蛋白质及d n a 等。n a g a o k a 等研究发现，膜生物反应器中e p s 的积累能增加处理液的粘度，使膜过滤阻力 增加【1 6 。s m 是指微生物代谢过程中排出的可溶性物质，以腐殖质、多糖、蛋 白质等为主要成分。膜生物反应器可以将反应液中的s m p 等大分子物质截留于 反应器内，从而降低出水的有机物含量，但同时也造成了s m 在膜生物反应器 中的积累。s m p 中的一些肽类有机物可吸附于膜孔内，造成膜孔堵塞；多糖、 蛋白质类可吸附于膜表面，形成凝胶层，造成膜通量下降。 6 幸囊师箢太学2 0 1 1 届硕士学位论文第一章绪论 1 2 5 膜生物反应器污泥混合液特点 因为膜生物反应器采用滤膜进行泥水分离，膜生物反应器通常采用长泥龄甚 至不排泥的运行方式，微生物可以完全保存在反应器中。长泥龄条件下，膜生物 反应器中的污泥浓度能够达到很高的水平。足够的污泥浓度使膜生物反应器能够 达到快速高效的污染物处理效果和稳定优质的出水水质，并具有较强的抗冲击负 荷能力【17 1 。 较高的污泥浓度使膜生物反应器具有较低的污泥负荷。污泥在低负荷情况 下，污泥的内源呼吸作用加强，营养物质主要用于维持微生物的基本生存，而较 少用于微生物的增殖。这使得膜生物反应器产生的污泥较少，而相应用于处理污 泥的投入也比较少。 长泥龄改变了膜生物反应器中微生物群落结构和功能，强化了污水中的氨氮 硝化和难降解有机污染物的去除。长泥龄条件下，污泥的活性会有一定程度的下 降 1 引。 膜生物反应器采用高污泥浓度运行方式，其污泥沉降性能通常较差。在传统 活性污泥工艺中，污泥沉降性能差将导致出水水质变差。膜生物反应器采用膜水 分离的方式，其出水水质能够不受污泥沉降性能的影响，克服了传统活性污泥法 的不足。 。 1 2 6 膜生物反应器的去除效果 由于膜的分离作用，膜生物反应器具有其它生物处理工艺无法达到的处理效 果。 ( 1 ) 膜的分离效果远远好于传统的沉淀池。膜生物反应器出水中悬浮物、 浊度、微生物等含量极低【1 9 】。膜的分离对于维持稳定的系统出水发挥了重要的作 用【2 0 】。 ( 2 ) 膜的截留作用使微生物可以更好地保留在反应器中，充分发挥微生物 对污染物质的去除作用。一些世代周期较长的微生物如硝化细菌可以在膜生物反 应器中很好地生存和增殖，这有利于充分利用微生物的处理能力。 ( 3 ) 膜生物反应器有利于对大分子难降解物质的去除。污水中的大分子难 降解物质被膜保留在了膜生物反应器中，为微生物的降解提供了反应时间。膜生 物反应器因此能提高大分子难降解有机物的去除效果，比传统活性污泥工艺有更 7 幸囊郾笼天学2 0 1 1 届硕士学位论文第一苹绪论 稳定良好的出水水质2 1 , 2 2 , 2 3 】。膜孔径不同，截留有机物分子量有差异，使膜生物 反应器对有机物的去除有所差异，但差异不是很大【2 4 】。 1 2 7 影响膜生物反应器运行效果的因素 膜生物反应器是传统生物法和膜分离法的有机结合，传统生物法的操作条件 包括水力停留时间、溶解氧、温度等也对膜生物反应器有重要影响。 膜生物反应器水力停留时间与系统的对污染物质处理效果有关。通常，水力 停留时间越长，膜生物反应器对污染物质的处理效果越好。水力停留时间是确定 反应器容积的重要依据。 好氧活性污泥法是利用微生物的好氧氧化作用去除污水中的有机污染物质。 曝气系统是好氧活性污泥处理系统中最关键组成部分之一。膜生物反应器中的溶 解氧会影响微生物的活性和新陈代谢能力，因此反应器中必须含有足够的溶解氧 量。活性污泥法的污泥泥龄长，污水中有机物降解率高，对氧气的需求量就大。 膜生物反应器中污泥浓度通常较高，需要比普通活性污泥法更大的曝气量。 温度是影响微生物活性的重要因素。微生物生长的温度范围很广，但每一种 微生物只能在一定的温度范围内生存。微生物的生长温度可分为最低生长温度、 最适生长温度和最高生长温度。适宜的水温可以促进微生物的新陈代谢，有利于 有机物质氧化。在曝气系统中，水温低于1 0 或高于3 5 时，微生物的活性会 受到影响，处理效果变差。为维持稳定的处理效果，曝气系统水温最好是保持在 2 0 3 5 。c 1 2 5 1 。 不同微生物对p h 值的适宜范围不一样。一般细菌、藻类、原生动物等的适 宜p h 范围为4 1 0 之间，大多数细菌适宜中性和偏碱性( p h = 6 5 7 5 ) 【2 6 1 。培 养活性污泥的p h 值需要维持在6 5 8 5 之间。强酸强碱都会致死微生物，在常 规污水处理过程中需要避免强酸或强碱水的进入。 1 2 8 膜生物反应器存在的问题 “尺有所短，寸有所长”。虽然，与传统生物法相比，膜生物反应器有着很 多优势，但其在运行及推广中也存在如下问题： ( 1 ) 膜污染问题。膜污染是指悬浮物或可溶性物质沉积在膜的表面、孔隙 和孔隙内壁，造成膜通量降低的过程【2 7 】。膜生物反应器不可避免会产生膜污染。 膜内表面微生物的滋生和膜外表面污泥层的附着是造成膜污染的重要因素2 8 1 。膜 ! 查竺丝查! ! 竺! ! 旦堡主兰垡笙茎 茎二兰丝笙 污染会引起膜通量下降，缩短膜的使用寿命，导致操作管理不便。对膜的维护及 更换都会增加膜生物反应器的运行成本。在工程应用中，合理的设计布局有利于 减缓膜污染发展。通过对操作条件如曝气、抽吸压力模式等的控制可以在一定程 度上减轻膜污染。可以通过水洗、化学清洗、在线超声等方式对膜污染进行控制。 ( 2 ) 成本较高。膜工艺的费用主要包括3 个方面：膜的成本、膜的更换频 率及能耗【2 9 】。膜的造价取决于膜生产工艺的发展。膜的更换频率与膜的稳定运行 有关。分置式好氧膜生物反应器的能耗一般是传统活性污泥工艺的1 0 倍以上。 一体式膜生物反应器所需的抽吸压力相对较低，但为维持膜面错流速度需要较高 的曝气强度，其能耗仍高出传统活性污泥工艺。膜生物反应器的制作和运行成本 较高，是限制膜生物反应器大规模推广应用的主要因素。 1 2 9 膜生物反应器的新发展及前景 随着膜生物反应器的应用推广，一些新型膜生物反应器如复合膜生物反应器 和好氧颗粒污泥膜生物反应器被开发出来。复合膜生物反应器工艺是将生物膜法 或生物接触氧化法与活性污泥法结合而构成的复合生物反应器与膜分离组件构 成的联用工艺 3 0 】。复合膜生物反应器对污染物有更高的处理效率，也具有更好的 抗冲击负荷能力。好氧颗粒污泥是在好氧条件下形成的细胞固定化颗粒。好氧颗 粒污泥膜生物反应器有较高的容积负荷，较低的膜通量衰减速度，并且具有一定 的同步硝化反硝化能力。 随着膜制造工艺的改进和膜制造成本的降低，膜生物反应器的投资成本将逐 渐降低。新型膜生物反应器的开发利用，一方面优化了膜生物反应器的处理效果， 另一方面也在不断降低运行费用。从长远来看，因为膜生物反应器相比于普通生 物处理工艺有着显著的优势，膜生物反应器在污水处理及回用中的应用一定会越 来越广泛 3 1 1 。 1 3 混凝工艺 混凝是指分散颗粒由于相互作用结合成聚集体而增大的过程【3 2 1 。水中胶粒因 为带电能够形成稳定的悬浮分散状态，从而导致分离过程的困难和低效。在混凝 剂的作用下，这些胶粒因电荷密度和电位下降而聚集在一起，失去稳定性，在重 力作用会沉降下来。混凝过程可归结为三方面的作用：压缩双电层作用，吸附架 桥作用，网捕作用【3 3 】。混凝可以有效去除原水中的悬浮物、胶体等物质。混凝是 o 幸囊绵苑太謦2 0 1 1 届硕士学位论文第一苹绪论 目前在水处理中应用非常广泛的方法。混凝技术广泛应用于工业废水的处理，特 别是在化工废水、印染废水、造纸废水的处理中。化学混凝可有效去除废水中的 悬浮物和胶体物质；可以有效地去除废水中的细菌、病毒等微生物；可以去除废 水中9 0 以上的磷，是成本较低与高效的除磷方法。 常用混凝剂分为无机混凝剂和有机混凝剂。无机混凝剂主要是无机铝盐和铁 盐，包括硫酸铝、明矾、三氯化铁、硫酸亚铁、聚合氯化铝等；有机混凝剂包括 天然有机高分子混凝剂和合成有机高分子混凝剂，如壳聚糖、聚丙烯酰胺等。 化学混凝过程的影响因素很多，包括p h 值，温度，碱度，混凝剂种类，混 凝条件，杂质的组成等。p h 对混凝效果的影响因混凝剂种类不同而有差异，如 三价铁盐的混凝最佳p h 值范围为6 0 8 4 ，硫酸亚铁混凝时需p h 8 5 ，而高分 子混凝剂则受p h 影响较少；水温会较明显地影响混凝效果，水温低时，水粘度 较大，使胶粒聚集困难，影响沉降效果；混凝的水力条件会影响到絮凝体的形成 及沉降，混凝的混合阶段需要较强的搅拌强度，反应阶段则需要和缓的搅拌强度； 水中杂质的不同对混凝剂种类、投量和对混凝条件的要求不刚3 3 1 。在实际应用中， 需要通过试验确定混凝反应进行的各个条件。 1 4 课题来源与研究内容 1 4 1 课题来源 本论文依托“十一五”国家科技重大水专项“辽河流域水污染综合治理技术 集成与工程示范”项目中的课题六“玉米深加工企业污染控制与中水回用技术研 究”( 2 0 0 9 z x 0 7 2 0 8 0 0 6 ) 开展研究，利用膜生物反应器工艺对某玉米深加工企 业废水进行深度处理和回用研究，为该企业的玉米加工废水深度处理和回用的工 程示范提供技术依据。 1 4 2 研究内容 主要研究内容： ( 1 ) 考察膜生物反应器改造工艺对玉米深加工废水的处理效果。 ( 2 ) 考察水力停留时间、进水水质、温度等的变化对膜生物反应器处理玉米 深加工废水效果的影响。 ( 3 ) 考察化学混凝对膜生物反应器处理玉米深加工废水出水的处理效果。 ( 4 ) 初步考察沸石、高炉渣参与混凝过程时，混凝吸附对膜生物反应器出水 1 0 兰皇竺苎查! 垫! ! 旦堡主兰垡丝茎墨二垩堑笙 的处理效果。 ( 5 ) 初步探讨膜生物反应器工艺及混凝工艺处理玉米深加工废水后出水回用 的可行性。探讨用膜生物反应器工艺与反渗透、混凝等工艺进行组合实现中水回 用的可行性。 1 5 研究目的与意义 由于玉米深加工废水成分较为复杂，且水质水量变化较大，利用传统污水处 理方法进行处理时有出水效果不稳定、出水水质较差等问题，出水c o d c ，、氨氮、 总磷等难以稳定达标，对周围水体环境造成污染。同时玉米深加工企业水资源需 求量较大，用水成本较高。将玉米深加工废水深度处理后回用于玉米深加工生产， 不仅可以减少玉米深加工企业的污水排放量，还可以减少企业的用水需求，降低 用水成本。为了使处理效果得到优化并且使出水适用于回用，玉米深加工企业需 要对现有的传统污水处理工艺进行改进。本文的研究目的是利用膜生物反应器工 艺及混凝工艺改进传统处理工艺处理玉米深加工废水，为玉米深加工废水的深度 处理和回用提供参考。 1 6 研究技术路线 幸囊师笼大学2 0 1 1 届硕士学位论文 第一章绪论 图1 2 研究技术路线 f i g 1 - 2t h e s c h e m eo ft h er e s e a r c h 1 2 幸囊酃苑走学2 0 1 1 届硕士学位论文第二章材料与方法 第二章材料与方法 2 1 试验进水与试验装置 2 1 1 污水厂现状及改造 试验于玉米深加工企业内进行。该企业目前有污水处理站一座，日处理量约 6 0 0 0 吨。进水包括果糖废水、蒸发冷凝液、淀粉废水、生活废水等。进水混合 后进入污水处理系统，进水混和液水质情况如表2 1 。 表2 1 进水混和液水质情况 t a b 2 - 1w a t e rq u a l i t yo f t h ei n f l u e n t + 平均值 其混合污水的现有处理流程见图2 1 。 图2 1 现有处理流程 f i g 2 - 1p r o c e s so f t h ec u r r e n tt r e a t m e n t 处理流程中，i c 反应器出水和二沉池出水的水质情况( 平均值) 如表2 2 。 表2 2i c 反应器出水和二沉池出水的水质情况( 平均值) t a b 2 - 2w a t e rq u a l i t yo fe f f l u e n to fi cr e a c t o ra n dt h ec l a r i f i e r c o d c ，( m g l )总磷( m g l )总氮( m g l )氨氮( m g l ) i c 反应器出水 7 4 42 5 4 0 18 二沉池出水 8 52 l2 42 由表2 2 可见，该污水站现有的二沉池出水水质较差。现在计划改造现有污 水处理站，对废水进行深度处理，以减少污染物的排放，并且在可行的情况下将 出水回用于循化水系统。结合该污水厂现有处理流程及进出水水质等实际情况， 幸囊师笼天謦2 0 1 1 届硕士学位论文第二苹材料与方法 计划利用膜生物反应器替换现有曝气池和二沉池对i c 反应器出水进行深度处 理，并利用化学混凝对膜生物反应器出水进行除磷，原曝气池和二沉池废除。因 砂滤出水含盐量较高( 特别是氯离子) ，故增加反渗透系统除盐，以保障循环冷 却水系统的安全运行。改造后的处理系统中包括了两级膜分离技术，故又称“双 膜法”。 初步计划改造后的处理流