（环境工程专业论文）重力出流式动态膜生物反应器处理生活污水的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 在污水处理工艺中，膜生物反应器与传统的活性污泥法相比具有 占地省、运行控制更灵活稳定、污泥浓度高、传氧效率高、污染物去 除率高、出水水质好、剩余污泥量少等优点。但是其能耗高、膜组件 造价昂贵和膜污染严重等缺点限制了其在实际中的应用。因此，结合 我国具体国情，采用低能耗、低投资和能使膜污染降低的膜生物反应 器是今后的发展方向。本课题采用自制重力出流式动态膜生物反应器 ( d m b r ) ，有效节省了能耗；采用廉价的无纺布膜材料降低了膜组件 成本；污泥在添加填料的生物反应区进行沉淀降低了膜污染，使该膜 生物反应器处理生活污水的研究具有重要的实际意义。 本研究首先考察了该重力出流式d m b r 在生活污水处理中的运行 效果，并且考察有机负荷、d o 、p h 等因素的变化对系统运行效果的 影响。研究表明，该反应器对c o d 、氨氮的去除率较高，出水水质良 好，可达到生活杂用水标准；反应器耐冲击负荷能力较强，d o 和p h 在一定范围内变化对于c o d 的去除基本没有大的影响，但对氨氮去除 影响较大。 对添加填料的复合式动态膜生物反应器( h d m b r ) 处理生活污水 的运行效果进行研究表明，在填料填充比为4 0 的条件下，待重力出 流式h d m b r 系统达到稳定状态时，系统对c o d 、氨氮去除效果良好； 由于膜的截留作用，出水c o d 浓度一直保持较低的水平，而膜对于氨 氮本身并无截留作用；该h d m b r 系统对总磷的去除率初期较好，后 期有所降低；d o 和p h 在一定范围内变化对于c o d 的去除基本没有 大的影响，但对氨氮去除影响较大。 本研究采用无纺布作为膜组件降低了成本；污泥在生物反应区沉 江苏大学硕士学位论文 淀后有效降低了污泥浓度，从而降低了膜污染；曝气能使膜表面及膜 内孔道得以更新和恢复，从而对于膜通量的恢复提高具有一定作用， 通过对曝气强度的优化研究可以得出，曝气量为3 m 3 h 时为最佳曝气 量；通过对d m b r 和h d m b r 膜通量的对比研究可知h d m b r 比 d m b r 的膜通量下降缓慢，且h d m b r 后期的膜通量可以稳定在较高 水平。 通过对膜清洗条件的研究可以看出采用自来水反冲洗碱洗 ( o 2 m o l l n a o h ) 1 小时酸洗( o 1 m o l l h c l ) 1 小时膜通量恢复较好。 研究表明该自制重力出流式动态膜生物反应器是一种符合我国基 本国情的低投资、高效率、节能和操作简便的污水处理装置，具有较 好的应用前景。 关键词：膜生物反应器，重力出流，生活污水，膜污染，膜清洗 江苏大学硕士学位论文 c o m p a r e d w i t ht 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 ，t h em e m b r a n e b i o l o g i c a lr e a c t o r ( m b r ) h a st h ea d v a n t a g e s ：l e s ss p a c eo c c u p a n c y , e a s i l y c o n t r o l ，h i g h e rs l u d g ec o n c e n t r a t i o n ，h i g h e ro x y g e nt r a n s f e re f f i c i e n c y , b e t t e re f f l u e n ta n dl e s se x c e s ss l u d g e h o w e v e r , t h eh i g hc o s to fm e m b r a n e m o d u l el i m i tt h ea p p l i c a t i o ni np r a c t i c e ，s oc o m b i n e dw i t hc h i n e s es p e c i f i c n a t i o n a lc o n d i t i o n s ，l o wi n v e s t m e n t ，h i g h e re f f i c i e n c y , e n e r g ys a v i n ga n d e a s y t o o p e r a t et h es e w a g et r e a t m e n tt e c h n o l o g y i st h ed k e c t i o no f d e v e l o p m e n ti nf u t u r e t h es u b j e c to ft h eu s eo fd y n a m i cm e m b r a n e b i o r e a c t o r ( d m b r ) w i t hg r a v i t yf l o wt r e a t i n gd o m e s t i cs e w a g ec a ne f f e c t i v e s a v et h ee n e r g yc o n s u m p t i o n , t h eu s eo fc h e a pm e m b r a n em a t e r i a li na n o n w o v e nf a b r i cm e m b r a n et or e d u c et h ec o s to ft h em e m b r a n ea n d r e d u c ep o l l u t i o n ；s ot h em e m b r a n eb i o r e a c t o rf o rt r e a t i n gt h ed o m e s t i c s e w a g eh a sa ni m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h er e s e a r c ht h a tt h ed y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o rw i t hg r a v i t yf l o w t r e a t i n gd o m e s t i cs e w a g ea n dt h eo r g a n i cl o a d ，d o ，p ha n do t h e rf a c t o r s c h a n g eo nt h ee f f e c to fs y s t e mo p e r a t i o ns h o w e dt h a tc o d ，a m m o n i a n i t r o g e n ，t o t a lp h o s p h o r u sr e m o v a lr a t ei sv e r yh i g h ，w a t e rc a nb ea c h i e v e d m i s c e l l a n e o u s l i v i n gs t a n d a r d s ；r e a c t o rh a ss t r o n gi m p a c tr e s i s t a n c e c a p a c i t y ；d oa n dp hc h a n g e si nac e r t a i nr a n g et h ec o dr e m o v a lr a t eh a s n ob i gi m p a c t ，b u ta m m o n i at or e m o v eh a sag r e a t e ri m p a c t i nas t u d yo ft h eh y b r i dd y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( h d m b r ) w i t h g r a v i t yf l o wt r e a t i n gd o m e s t i cs e w a g es h o w e df i l li nt h ef i l lr a t i oo f4 0 o f t h ec o n d i t i o n s ，w h e nt h eg r a v i t y f l o ws y s t e mo fh d m b rr e a c h e ds t e a d y s t a t e ，t h es y s t e mf o rc o d ，a m m o n i an i t r o g e nt or e m o v et h ee f f e c to fi s g o o d ，a sar e s u l to ft h er o l eo fm e m b r a n e ，t h ee f f l u e n tc o dc o n c e n t r a t i o n r e m a i n e dr e l a t i v e l yl o wl e v e l ，w h i l et h em e m b r a n ed o e sn o tr e t a i nf o ri t s e l f 江苏大学硕士学位论文 t h er o l eo fa m m o n i a ；h d m b rs y s t e mo ft h et o t a lp h o s p h o r u sr e m o v a lr a t e a tt h ei n i t i a li sw e l l ，b u tt h el a t ed e c r e a s e ；d oa n dp hi nac e r t a i nc h a n g e s i nt h es c o p et h ec o dr e m o v a lf o rb a s i c a l l yn om a j o ri m p a c t ，b u tag r e a t e r i m p a c to nn i t r o g e nr e m o v a l r e s e a r c hs h o w st h a tn o n w o v e nf a b r i ca sam e m b r a n em o d u l et o r e d u c et h ec o s t ；a r e a si nt h eb i o l o g i c a lr e s p o n s et op r e c i p i t a t i o n ，t h es t u d y s h o w st h a ta f t e rd e p o s i t i o no ft h el o w e re f f e c t i v ec o n c e n t r a t i o no ft h e s l u d g ew h i c hr e d u c e st h em e m b r a n ef o u l i n g ；a e r a t i o na n dm e m b r a n e s u r f a c ec a nb eu p d a t e da n dp o r er e c o v e r y , a n dt h u st h e r e c o v e r yo f m e m b r a n ef l u xf o rac e r t a i nr o l et oe n h a n c e ，t h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o no f a e r a t i o ni n t e n s i t yc a nb ed r a w n ，t h ea e r a t i o nc a p a c i t yo f3 m 3 hw h e nt h e a m o u n to fa e r a t i o nf o rt h eb e s t ；c o m p a r e dh d m b rw i t hd m b rt h ef l u x s t u d i e s ，h d m b rc o n t r a s tc a nb ed m b rt h a nt h es l o wd e c l i n ei nf l u x ，a n d t h el a t eh d m b rf l u xc a nb es t a b i l i z e da tah i g h e rl e v e l t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h ec o n d i t i o na b o u tt h em e m b r a n ec l e a n i n g ， u s i n gt h ef o l l o w i n gp r o c e s st h em e m b r a n ef l u xc a nr e s t o r ew e l l ：r u n n i n g w a t e rc o u n t e r - f l u s h i n g - - a l k a l iw a s h i n g ( o 2 m o l l n a o h ) 1h o u r a c i d w a s h i n g ( 0 1 m o l l h c i ) 1h o u r t h er e s e a r c hs h o w e dt h et e s tc o m b i n e dw i t hc h i n e s e s p e c i f i cn a t i o n a l c o n d i t i o n s ，l o wi n v e s t m e n t ，h i g he f f i c i e n c y , e n e r g ys a v i n ga n de a s yt o o p e r a t e t h e s e w a g e t r e a t m e n t t e c h n o l o g y i st h ef u t u r ed i r e c t i o no f d e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：d y n a m i c m e m b r a n eb i o r e a c t o rr e a c t o r , g r a v i t yf l o w , d o m e s t i cs e w a g e ，m e m b r a n ep o l l u t i o n ，m e m b r a n ec l e a n i n g i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用本授权书。 不保密函。 学位论文作者签名：席恕 2 p d 7 年月9e t 指剥雠：主叮宏 锄睁月c 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：本痢乙 日期：2 0 d 7 年月 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 水资源是有限的，地球上可供利用的水资源约占地球总水量的0 6 ，并且水 资源在全球各地分配极不均匀，全球有6 0 以上的陆地淡水不足，有4 0 多个国家 缺水，加上世界人口的增长和社会经济的发展，对淡水的需求量急剧增加，产生 了资源型缺水危机；同时由于水体的污染，世界上许多国家和地区相继出现了水 质污染型缺水危机，世界上约有1 1 3 个国家的人得不到安全水。当今世界有8 0 个国家，约2 0 多亿人口面临淡水资源危机，其中2 6 个国家的3 亿多人正生活在 缺水状态中，预计到2 0 1 0 年，还将增加8 个国家，缺水已成为世界性的问题嵋1 。 我国是世界上1 3 个水资源最贫乏的国家之一u 1 ，虽然我国水资源的总储量平 均每年2 8 0 0 0 亿m 3 ，但人均水资源拥有量仅为2 3 4 0m 3 a ，仅为世界平均水平的 1 4 。随着我国经济的迅速发展，工业化和城市化步伐的加快，淡水资源的短缺和 水环境的污染同益突出。当前相当部分城市水资源短缺，城市缺水范围不断扩大， 缺水程度日趋严重。据统计，全国6 6 9 个城市中，4 0 0 个城市常年供水不足，其中 有1 1 0 个城市严重缺水，日缺水量达1 6 0 0 万m 3 ，年缺水量6 0 亿r a 3 。由于缺水， 每年影响工业产值2 0 0 0 多亿元。天津、长春、大连、青岛、唐山和烟台等大中城 市已受到水资源短缺的严重威胁。因此城市污水的再生利用，实现污水资源化， 对保障城市安全供水具有重要的意义h 1 。 1 1 1 污水回用是解决水资源危机的重要途径 对于缺水城市而言，城市污水再生回用比开发建设新水源更为重要，更符合 我国贫水的客观现实，更具深远与现实意义。长期以来，人们把用过一次的水称 为“污水”“下水”“险沟水 “废弃水 ，总把这种水与“污垢的“肮脏的 形象 相联系，难以相信它还能再用。事实上水是可以再生的资源，人类使用过的水， 污染杂质只占0 1 左右，比海水3 5 少得多，其余绝大部分是可再用的清水。污 水经过适当再生处理，可以重复利用，实现水在自然界中的良性大循环。城市污 江苏大学硕士学位论文 水就近可得，易于收集，易于处理，数量巨大，稳定可靠，不受制于天，不受制 于人。作为城市第二水源要比海水、雨水来得实际，比长距离引水花钱要少得多。 开辟这种非传统水源，实现污水资源化，对保障城市安全供水具有重要的战略意 义。另外，在大大缓解水资源紧缺的情况下，减少向水域排污量，在带来可观的 经济效益的同时也带来了巨大的环境效益怕1 。 目前世界上不少国家已经把净化的再生污水作为一种新水源。许多国家和地 区在不同领域对城市污水的回用进行了大量的科学研究和实践应用工作，诸如建 立城市污水回用示范工程；城市污水回用应用领域的开拓与可行性研究；城市污 水回用对人体健康的影响；城市污水回用对水生生态的影响；城市污水回用的净 化技术与工艺过程组合；城市污水回用的储存与水质变化等等。多年实践证明， 污水回用技术已经在农业、城市、工业等领域得到广泛的应用，取得较好的效果。 随着净水技术的日益成熟，回用经验越加丰富，城市污水回用的数量递增，它给 人们在缓解水资源的紧张方面展示了光明的前景。 采用净化后的城市污水回用水有许多优点，城市污水资源化开辟了第二水源， 减少了城市新鲜水的取用量，减轻了城市供水不足的压力和负担，一定程度上缓 和了工业和农业争水以及工业与城市用水的矛盾。它减少了污水排放量，减轻了 对水体污染，减少了治理环境的投资它实现了“优质水优用，差质水差用”的原 则，在很大程度上解决了保护优质饮用水源的问题，减轻或避免了远距离引水输 水和购买价格昂贵的水源问题。 1 1 2 污水回用发展趋势 目前，生活污水的处理方法，一般是按照生活污水中各种污染物的含量、中 水用途及要求的水质，采用不同处理单元组成的能够达到处理要求的工艺流程。 其处理系统一般由三部分组成：前处理技术、中心处理技术和后处理技术。前处 理技术一般指一级处理( 格栅和初沉池) ；中心处理技术可分为两类，即生物处理 技术( 活性污泥法或生物膜法) 和膜分离技术。后处理技术通常采用滤池、臭氧 或二氧化氯氧化、紫外线杀菌、活性碳吸附等进行深度处理。 传统类型的污水处理与回用设施的建设需大量占地，处理废水的过程中会产 生多种二次污染物在净化污水的过程中因气味、剩余污泥、噪音以及耗用能源所 2 江苏大学硕士学位论文 造成的污染问题十分严重。因此，常规污水处理工艺的强化、组合及高效、低耗 能处理技术的应用，污水处理和资源回收相结合技术，已成为城市污水处理技术 研究的主流。近年来，膜生物反应器( m e m b m n eb i o r e a a o r ，m b r ) 作为一种新 型高效污水生物处理技术在国内外受到广泛的关注哺1 。 传统活性污泥法是以设二沉池作为泥水分离的，所以存在以下不足： ( 1 ) 二沉池沉淀分离效率有限，出水携带很多悬浮污泥，导致出水水质不佳； ( 2 ) 考虑到泥水分离是以重力式沉淀池实施的，所以曝气池不能太高，则处理 装置容积负荷低，占地面积大； ( 3 ) 传氧效率低，能耗高： ( 4 ) 易发生活性污泥膨胀，管理操作复杂； ( 5 ) 剩余污泥量大，污泥处置费用高，处置费用占污水处理厂运行费用的 2 5 4 0 。 ( 6 ) 出水水质易受进水水质的影响，出水水质不稳定。 膜生物反应器是膜技术和污水生物处理技术有机结合产生的废水处理新工 艺，它利用膜分离微滤或超滤技术来分离生物固体，由膜过滤取代传统生化处理 技术中二次沉淀池，克服了二沉池和生物处理过程中的不足之处。膜可以完全截 留悬浮固体，提高出水水质。早在六十年代末，就提出了活性污泥法与超滤相结 合的工艺有一定的商业可行性，但直到1 9 9 5 年，膜生物反应器的研究基本上还处 于基础研究阶段，它的应用直到最近才得到重视，即在近十年中，膜生物反应器 工艺才得到迅速发展和应用瞄1 。 1 2 膜技术 1 2 1 膜技术定义、分类 膜分离技术是- f q 新兴的多种学科交叉的新技术，膜分离过程已经成为工业 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。膜可以定义 3 江苏大学硕士学位论文 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，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。可以是均匀的一相，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u 0 j 。 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 ) 、聚矾( 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 eo s m o s i s ，简 称r o ) 膜。m f 膜孔径为0 1 。l l x m ，u f 膜孔径为l n m 4 ) 0 1 1 上m ，n f 膜可分为直径 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 2 2 膜分离技术的特点 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( 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。不同的膜分离过程使用不同的膜，推动力也不同u 。 目前已经工业化应用的膜分离过程有微滤( m 1 0 、超滤陋) 、反渗透 o ) 、渗 析( d i a l y s i s ，简称d ) 、电渗析皿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p 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门的关注，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、 4 江苏大学硕士学位论文 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。 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 3 膜生物反应器技术 1 3 1 膜生物反应器的分类和特点 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集于一体的生物化学反应系统，它使用膜组件替代传统活性 污泥法中的沉淀池实现泥水分离，具有固液分离率高、出水水质好、处理效率高、 占地空间小、运行管理简单等特点。 ( 1 ) 膜生物反应器的分类 膜生物反应器按结构可分为三类：膜分离生物反应器( m e m b r a n es e p a r a t i o n b i o r e a c t o r , m s b r ) 、膜曝气生物反应器( 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 ) 、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 ) 。其中，膜分离生物反应 器应用最为广泛。 m s b r 主要由膜组件、泵和生物反应器三部分组成。生物反应器是污染物降 解的主要场所。膜组件中的膜根据膜材料化学组成的不同可分为有机膜和无机膜， 根据膜孔径大小的不同可分为微滤膜和超滤膜，按膜形状的不同可分为平板膜、 管式膜和中空纤维膜。泵是系统运行的动力来源，根据泵与膜组件相对位置的不 同分为加压泵和吸压泵两类。按照膜组件的放置方式m b r 可分为分体式和一体式 u ”。按照是否需氧可分为好氧和厌氧膜生物反应器。 分体式m b r 中废水经预处理后进入曝气池进行曝气处理后，活性污泥混合液 5 江苏大学硕士学位论文 由增压泵送入膜组件，一部分水透过膜面成为处理出水进入后一处理工序，剩余 污泥浓缩液则由回流泵( 或直接) 返回曝气池。曝气池中活性污泥在膜组件的分离 作用下由于除去有机物而增殖，当污泥超过一定浓度时需定期排放一部分。分体 式m b r 由相对独立的生物反应器与膜组件通过外加输送泵及相应管线连接而构 成。其特点是生物反应器与膜组件相对独立，彼此干扰很小，膜组件一般可与各 种生物反应器结合，构成各种不同的分体式膜生物反应器。它既能用于好氧处理， 也可用于厌氧处理。 一体式m b r 是将无外壳的膜组件直接浸没在曝气池中，微生物在曝气池中好 氧降解有机污染物，水通过负压抽吸由膜表面进入膜组件引出反应器。这种反应 器的特点是体积小、整体性强、工作压力小、无水循环能。此外，由于曝气形成 的剪切和紊动使污泥固体很难积聚在膜表面，不易堵塞纤维中心孔，同时还可借助 曝气形成的剪切和紊动来控制膜表面固体的厚度。目前这种系统使用较为普遍， 但一般只能用于好氧处理。 曝气式膜生物反应器与萃取式膜生物反应器都利用了膜能分离两种不同相物 质的特性，允许组分从一相迁移到另一相，同时提高了微生物降解废水中污染物 的能力，优化了生物反应器的运行条件。m a b r 在膜下方进行曝气，适用于活性 污泥浓度很高，即需氧量很大的系统，有利于提高高负荷有机废水处理效果。当 废水酸碱度高、盐浓度高或含有毒生物难降解有机物时，因为它们对微生物有毒 害作用，所以不宜用废水与微生物直接接触的方法处理，需要进行预处理或稀释。 在e m b r 中，废水与活性污泥被膜隔离开来，废水在膜腔内流动，与进水槽和出 水槽相连，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 u 驯。e m b r 在某些细菌的作用下还有去除重金属的功能。l d i e l s 等利用 a l c a l g e n e s e u t r o p h u s c h 3 4 菌沉降废水中的重金属c d 、c l l 、z n 、n i 。 ( 2 ) 膜生物反应器的特点 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，曝气池的污泥浓度一般在3 0 0 0 m g l l 左 6 江苏大学硕士学位论文 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，不仅可以最大限度地去除悬浮物，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，从而大大提高反应器内的 生物浓度，提高有机物和氮、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n 制： 固液分离效率高，远好于传统的沉淀池，出水水质好，可直接回用，容易 实现污水资源化。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，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。 反应器内微生物浓度高，种类多样，泥龄长，对有机物的去除率高，且耐冲击 负荷。 剩余污泥产量小，污泥处理费用少。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 1 所示。 表1 1 膜生物反应器与传统活性污泥法的污泥产率比较 t a b1 1c o m p a r e dw i t hs l u d g ep r o d u c t i o nr a t eb e t w e e nm e m b r a n e s b i o r e a c t o rw i t ht h et r a d i t i o n a la c t i v es l u d g e sm e t h o d 对于氮、磷污染物有较高的去除率。 系统可实现全程自动化控制，占地面积小，工艺设备集中。在城市污水或 7 江苏大学硕士学位论文 工业废水处理中，传统的处理工艺：格栅一沉砂池一初沉池一曝气池一二沉池一消毒池 流程较长，占地面积大，而出水水质又不能保证。而膜生物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，该工艺筛网过滤具有流程 短、占地面积小、处理水量灵活等特点。膜的出水量根据实际情况，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， 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u “。表1 2 列出了m b r 工艺与普通活性污泥工艺的主要 区别。 表1 2 m b r 工艺与普通活性污泥工艺的比较 t a b l 2 c o m p a r e sm b r w i t ht r a d i t i o n a la c t i v es l u d g e km e t h o d 1 3 2 膜生物反应器的研究进展 ( 1 ) 国外m b r 研究进展 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i j i f 途 的高新技术之一。在1 9 6 6 年，美国的d o r r 2 0 l i v e r 公司首先将m b r 用于废水处理 的研究。1 9 6 8 年，s m i t h 等将好氧活性污泥法与超滤膜相结合的m b r 用于处理 城市污水。1 9 6 9 年b u d d 等的分离式m b r 技术获得了美国专利。7 0 年代初期，好 氧分离式m b r 处理城市污水的试验规模进一步扩大。同时厌氧m b r 研究也相继 开始进行。1 9 7 8 年，g r e t h l i e n 等进行了厌氧m b r 处理生活污水的研究u6 。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， 8 江苏大学硕士学位论文 未能投入实际应用。污水膜生物反应器处于初级研究阶段。 进入9 0 年代中后期，m b r 在国外已进入实际应用阶段。加拿大的z c n o n 公 司首先推出了超滤管式m b r ，并将其应用于城市污水处理，为了节约能耗，它又 开发了淹没式中空纤维膜丝的膜组件，目前这种膜生物反应器已应用于美国、德 国、法国和埃及等十多个地方，规模从3 8 0 m 3 d 至7 6 0 0 m 3 d 。另一个在m b r 实际应用具有竞争力的公司是日本的k u b o t a 公司，它所生产的板式膜具有流通量 大、耐污染和工艺简单的特点。此种板式膜直接放入混合液中，利用混合液的水 头压力作为穿透压，将处理水排出系统，系统出水稳定。m b r 在日本得到了极大 的发展，目前在日本运行( 包括在建) 的m b r 占全球的6 6 ，其余工程主要在北美 和欧洲这些工程中，以上是膜分离工艺与好氧生物反应器相结合，是将膜浸没于 生物反应器中，其余则是膜组件置于生物反应器之外。表1 3 列出了6 种主要商业 化的m b r 。 表1 3 主要商业化的m b r 一览 t a b1 3l i s to ft h em a j o rc o m m e r c i a lm b r ( 2 ) 国内m b r 研究进展 m b r 在我国水处理的应用研究首先从分离式m b r 开始。1 9 9 3 年中国科学院 生态环境研究中心王菊思启动m b r 的研究u 驯。同年上海华东理工大学环境工程研 究所进行了m b r 处理人工合成污水和制药废水的可行性研究u 圳。1 9 9 5 年，樊耀 波将m b r 用于石油化工污水净化的研究例，研制出一套实验室规模的好氧分离式 m b r 。近年来，m b r 的处理对象不断扩展：邢传宏采用无机膜一生物反应器进行 了处理生活污水的实验懂；王建功采用生物接触氧化法取代活性污泥法作为m b r 9 江苏大学硕士学位论文 系统的生物反应单元，进行膜一生物接触氧化法处理港口污水的研究；何义亮采用 厌氧m b r 进行高浓度食品废水处理比副。这些研究结果表明：m b r 对废水的c o d 、 n i t 3 n 、s s 、浊度等都有良好的去除效果。 随着我国水污染和水短缺问题的加重，我国的m b r 研究正加快发展，1 9 9 7 年中国科学院生态环境研究中心开始了穿流式m b r 的研究工作，清华大学等高校 开展了分离式m b r 和一体式m b r 的研究。m b r 的研究对象从生活污水扩展到工 业废水，生物反应器从活性污泥法扩展到接触氧化法，生物处理流程从好氧发展 到厌氧，并且对不同污水的处理效果和系统的稳定运行操作条件的优化进行了研 究。目前m b r 已有在大楼废水、生活污水回用、医院废水处理的工程实例，但应 用工程数量还较少。原因是国产的专用于m b r 的膜材料膜组件还十分有限，有待 加快研究和开发。 ( 3 ) d m b r 的研究进展 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，但迄今为 止，m b r 工艺在大型污水处理中应用的实例不多。造成这种现状的原因主要是： 膜组件的成本过高；运行过程动力消耗过高，造成运行费用很高；在膜的运行过 程中悬浮污染物在压力的作用下被截留或吸附在膜表面，造成膜的污染，出水通 量的衰减问题难以解决。为了在保留m b r 的优点基础上克服限制其发展的缺点， 近年来出现了d m b r 的研究。m a r d i n k o w s k y 等人于1 9 6 6 年首先发现比4 l ，在m b r 的运行过程中膜表面会形成一层污泥层，该污泥层能造成过流阻力的增加、通量 的衰减，但同时也有利于小粒子的截留，出水水质的提高。由此出发，产生了动 态膜生物反应器的想法，即使用大孔径网膜代替传统的微滤膜，利用运行过程中 在膜表面形成的污泥层起到截留作用，该污泥层在运行行过程中在线产生，并不 断累积变化，故称为动态膜，与相同孔径的非动态膜相比，它的渗透性更好，更 容易进行在线清洗，并能在下一轮操作中迅速重新生成。 日本的y o s h i a k ik i s o 等人比副用尼龙网制作有效面积为o 1 2 m 2 的动态膜组件， 在体积为2 5 l 的反应器内进行小试实验，发现在连续进水、出水，连续曝气的条 件下，出水的s s 和b o d 小于1 5 m g l 及5 0 r a g l ；在间歇曝气的条件下t n 的去 除率达8 0 ，但1 2 星期后出现膜阻塞问题；将其运用于a 2 0 ( 厌氧缺氧好氧) 工艺，可达到高效的t n 去除率，同时连续运行2 个月无阻塞问题。 1 0 江苏大学硕士学位论文 清华大学的范彬、黄霞网等人也对该工艺进行了一系列的研究嵋制，用普通筛 绢制作动态膜组件，在有效容积为1 4 0 l 的反应器内放置最大过滤面积为2 7 m 2 的 网膜，进行小试实验。结果表明，动态膜对s s 具有良好的截留能力，出水大多数 时间无法检出s s ，最高值为4 0 5 m g l ；出水c o d 除特殊情况外均小于5 0m g l ， 去除率基本大于8 0 ；在供氧充足的条件下，n i - - 1 3 n 的去除率可达到9 6 以上。 同济大学的高松等人用不锈钢丝网制作的面积为0 1 2 m 2 的膜组件在有效容积为 4 0 0 l 的反应器内进行实验瞄，发现在膜运行稳定后，出水浊度可控制在1 n t u 以 下，c o d 口的去除率达到7 9 以上，n h 3 n 去除率达到9 0 以上。从以上各国学 者的研究成果来看，不同的实验器材，不同的控制条件下得到的去除效果略有差 别。但总的说来运用d m b r 工艺可以得到较高的出水水质，如对其有效控制可以 达到和m b r 工艺同水平的处理效果。各项研究均说明了该工艺在污水处理与回用 中的潜在价值。 1 3 3 膜生物反应器存在的问题 m b r 具有许多传统工艺所不具备的优点，但也存在一些尚待改进的问题。 ( 1 ) 建设和运行费用高。m b r 使用中的不足之处突出表现为膜组件的费用较高。 资料表明，在m b r 工艺中，膜组件的费用明显高于占地和土建费用，分别占总投 资的7 8 3 和8 5 。在运行费用中，膜组件的更换费用占总运行费用的 4 0 7 5 心引。因此优化m b r 膜组件结构，提高膜组件使用寿命是促进m b r 发展 和应用的一个重要因素。 ( 2 ) 膜污染问题严重。膜污染是影响m b r 推广应用的主要因素。膜污染导致膜 通量下降，增加膜组件更换和膜清洗的频率，从而增加运行费用。膜污染可划分 为如下过程：膜孔内壁的吸附、膜孔的堵塞、膜表面泥饼层的压实和形成浓差极 化。膜污染控制对策有气、水或气水混合反冲洗，化学清洗，膜材料改性，膜组 件的优化设计，临界通量控制，水动力学控制，空气喷射和活塞流等。 ( 3 ) 高能耗。能耗是制约m b r 推广应用的重要方面，以错流式好氧m b r 为例， 其典型能耗为6 8 k w h m 3 啪1 。通过改进膜组件形式和工艺条件可实现降耗目的。 据报道，由t r i q u a 研究的一项传递流膜组件t f m ( t r a n s f e rf l o w m o d u l e ) 在m b r 中 1 1 江苏大学硕士学位论文 应用时，膜过滤能耗为0 1 - 0 5 k w h m 3 ，低于一般膜生物反应器1 0 倍以上侧。 1 4 本课题研究的意义及其内容 1 4 1 研究的意义 如前所述，膜生物反应器具有许多传统生物反应器无法比拟的优点。但其能耗 高、膜组件造价昂贵和膜污染严重等缺点限制了其在实际中的应用，因此结合我 国具体国情，低能耗、低投资和能使膜污染降低的污水处理技术是今后的发展方 向。本课题采用自制重力出流式动态膜生物反应器，有效的节省了能耗，采用廉 价的无纺布膜材料降低了膜组件成本；污泥在生物反应区进行沉淀降低了污泥浓 度，从而降低了膜污染，使该膜生物反应器处理生活污水的研究具有重要的实际 意义。 同时作为一种较新的污水处理及回用工艺，重力出流式动态膜生物反应器与添 加填料的复合动态膜生物反应器系统相比，既有许多相似之处，还有许多差异及 不清楚的问题。这些问题主要是：