（环境工程专业论文）膜生物反应器处理洗浴废水的计算方法与比较研究.pdf

中文摘要 膜生物反应器是生物处理技术和膜分离技术有机结合的一项新技术，它是污 水回用技术的重要组成部分。在中国，膜生物反应器处理中水已经取得一定的进 展，同时也是污水回用技术的有益尝试。 本文针对膜生物反应器中污泥泥龄和水力停留时间相互独立的特点，分别采 用泥龄和水力停留时间来计算膜生物反应器的容积。以5 5 斋中水系统为例，采 用污泥泥龄计算法，在泥龄为1 5 d 的条件下，计算出的反应器容积为3 0 6 m 3 ；而 根据膜生物反应器中的物料平衡推导出的水力停留时间( h r t ) ，在与泥龄法相 同的进水条件下，由h r t 计算出的膜生物反应器的容积仅为1 2 5 m 3 ；在供气量 的确定上，同样在泥龄为1 5 d 的条件下计算出的膜生物反应器的气水比大约为9 ： 1 ，而为了延缓膜通量的下降，膜组件所要求的气水比一般在2 0 ：1 左右甚至更 大。所以，在具体的供气量的选择上综合考虑这两方面因素，最终选择气水比为 1 5 ：1 。 对于三个中水系统的处理效果比较分析发现：5 5 斋和游泳池中水系统进水 色度平均值分别2 7 3 倍和2 0 7 倍，出水色度平均值分别为2 2 和9 5 倍；5 5 斋和 5 3 斋中水系统浊度的去除率分别为9 6 5 - - - 9 9 7 5 和9 1 18 曲9 6 9 由于5 3 斋膜生物反应器的前端设置了接触氧化池，增加了整个系统的生物量，降低了进 入膜生物反应器的有机物浓度，使得c o d 。，的去除率达到8 9 6 2 ，高于5 5 斋中 水系统的8 1 6 1 ；5 3 斋和5 5 斋进水n h 3 n 浓度分别为2 0 2 i 5 2 8m 鲁，l 和 1 2 5 0 - 4 7 1 9 m g l 。5 5 斋n h 3 - n 平均去除率为7 2 4 ，而5 3 斋的平均去除率却 高达9 2 1 ；在l a s 的去除方面，5 3 斋和5 5 斋进水的l a s 平均浓度分别为 1 0 1 7 m g l 和8 2 6 m g l ，出水的l a s 平均值分别为0 2 7 m g l 和o 4 8 m g l ，填料 的固定化作用为高效降解l a s 菌种的生长创造了有利条件。 膜生物反应器中泡沫的产生与进水水质和m l s s 浓度密切相关。降低进水 的l a s 浓度，同时提高m l s s 浓度有利于减少泡沫的产生的数量。在选定了膜 组件的前提下，合理的运行方式对缓解膜污染产生了定积极影响。 关键词：再生水；膜生物反应器；水力停留时间；膜污染 a b s t r c t m e m b r a n eb i o r e a e t o r ( m b r ) i san e wt e c h n o l o g y , w h i c hc o m b i n e sb i o l o g i c a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dm e m b r a n es e p a r a t i o n i ti sas i g n i f i c a n tp a r to fw a s t e w a t e r r e c l a m a t i o nt e c h n o l o g y i nc h i n a , m b ri s s u p p o s e dt ob e a l le f f e c t i v ew a yt o w a s t e w a t e rr e c l a m a t i o n m e a n w h i l e m a n yp r o g r e s s e sh a v e b e e nm a d ei nt h i s r e s e a r c hf i e l d ， b a s i n go nt h es e p a r a t i o nb e t w e e ns l u d g er e t e n t i o nt i m ef s r t ) a n dh y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m e ( h r t ) i nm b r ，t h i sp a p e rc a l c u l a t e sm b r c a p a c i t yb ys r ta n dh r t r e s p e c t i v e l y w h e ns r ti s15d a y s t h e5 5 t hm b rc a p a c i t yi sw o r k e do u ta t3 0 6 m a c c o r d i n gt os r tw a y ；i nt h es a t n ec o n d i t i o no fs r t , t h e5 5 t hm b rc a p a c i t yi s c a l c u l a t e da s1 2 5m u n d e rt h ew a yo fh r t , w h i c hi sd e d u c e db ys u b s t a n c eb a l a n c e o fi n f l u e n t i nt h ea s p e c to fs t a n d a r do x y g e ns u p p l y , w h e ns r ti ss e ta s15d a y s t h e r a t i oo f g a ss u p p l ya n dd e s i g n i n gw a t e rq u a n t i t yi s9 n o r m a l l y , m e m b r a n ei sr e q u i r e d r a t i oo fg a ss u p p l ym a dd e s i g n i n gw a t e rq u a n t i t yi s2 0o rm o r ef o rt h ep u r p o s eo f r e d u c i n gm e m b r a n ef o u l i n g t h e r e f o r e ，t h ef i n a lr a t i oo fg a ss u p p l ya n dd e s i g n i n g w a t e rq u a n t i t yi s15f o rc o n s i d e r i n gt h e s et w of a c t o r s u n d e rt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i sa m o n gt h et h r e er e c l a i m e ds y s t e m ，t h i sp a p e rh a s d r a w ns u c hc o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ：t h ea v e r a g ec h r o m a t i c i t yv a l u eo fi n f l u e n t b e t w e e nt h e5 5 t ha n dt h es w i m m i n gp o o lr e d a l m e ds y s t e mi s2 7 3a n d2 0 7 ，a n dt h e e t t l u e n ti s2 2a n d9 5 t h er e m o v a lr a t eo ft u r b i d i t yg o e st o9 6 5 - 9 9 7 5 a n d 9 1 1 8 曲9 。6 9 i n5 3 r da n d5 5 t hr e e l a i m e ds y s t e m ，m o r e o v e r , t h er e m o v a lr a t eo f c o d 。i nt h e5 3 r dr e c l a i m e ds y s t e mi s8 9 6 2 b e t t e rt h a nt h e5 5 t h8 1 6 1 ，b e c a u s ei t i sd e s i g n e daa e r o b i cc o n t a c tr e a c t o rt h a tc a ni n c r e a s et h em l s si nt h i ss y s t e ma n d r e d u c et h es u s p e n d e da c t i v es l u d g ei nm b r b e s i d e s ，n h 3 - ni nt h e5 3 1 “f l u c t u a t e s b e t w e e n2 3 9 m g la n d1 5 2 8m g l ，b u tt h i sv a l h ei s5 5 t hi s1 2 5 0 4 7 1 9m g l a n d t h er e m o v a lr a t eo fn h a - ni s9 2 1 i nt h e5 3 r dr e e l a i m e ds y s t e ma n d7 2 4 i nt h e 5 5 t h f i n a l l y , t h ea v e r a g el a sd e n s i t yi s1 0 1 7m g li nt h e5 3 r dr e c l a i m e ds y s t e m a n d8 2 6m li nt h e5 5 t h t h i sv a l u ei ne f f i u e n ti s0 2 7m la n d0 4 8m l g li nt h e 5 3 r dr e c l a i m e ds y s t e r na n dt l l e5 5 t hr e s p e c t i v e l y p a c k i n gf i x a t i o ni na e r o b i cc o n t a c t r e a c t o rm a yc r e a t eap o s i t i v ec o n d i t i o nf o rs o m eb a c t e r i a , w h i c hc a nr e m o v el a si n h i g he f f i c i e n c y t ts h o u l db en o t e dt h a tt h es c u mh a sac l o s er e l a t i o nw i t ht h ei n f l u e n tq u a i l t ya n dm l s s d e n s i t yi n m b r i no r d e rt or e d u c es e a mi nm b r s o m em e t h o d sm u s tb et o k e ns u c ha s i n c r e a s i n gm l s s ，a n dr e d u c i n gt h ed e n s i t yo fl a s w h e nm e m b r a n em o d u l ej sc h o s e n ，p r o p e r l y o p e r a t i n gm o d es h o u l db es o m ep o s i t i v et or e d u c i n gm e m b r a n ef o u l i n g k e y w o r d s ：r e c l a i m e dw a t e r ；m e m b r a n eb i o r e a e t o r ； h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ；m e m b r a n ef o u l i n g 第一章绪论 第一章绪论 1 1 中国的水资源短缺与水环境污染 水资源问题已经成为2 1 世纪全球资源环境的重要问题。随着水资源危机的 加剧和水环境质量不断恶化，水资源短缺和水环境污染已演变成世界备受关注的 资源环境问题之一。 1 1 1 中国的水资源短缺 我国是目前世界上5 3 个水资源紧缺国之一。近年来，由于人口的增加、经 济的发展，我国的工农业和城市生活对水资源的需求逐年大幅度增长，而且增长 幅度远大于供水量的增长幅度。据预测，2 0 1 0 年全国总供水量将为6 2 0 0 6 5 0 0 亿立方米，相应的总需水量将达7 3 0 0 亿立方米，供需缺口近1 0 0 0 亿立方米；2 0 3 0 年，全国将缺水4 0 0 0 5 0 0 0 亿立方米；到2 0 5 0 年，全国将缺水6 0 0 0 7 0 0 0 亿立 方米。 在城市地区，工业和人口集中，随着城市和工业的迅猛发展，大中城市用水 的供需矛盾日趋尖锐。据统计，全国6 7 0 座建制城市中有4 0 0 座不同程度缺水， 其中有1 0 8 座城市严重缺水，主要分布在华北地区，从2 0 世纪8 0 年代以来，华 北地区出现干旱少雨，使得北京、天津、太原、石家庄、济南、邯郸等大中城市 供水严重不足，有相当部分工厂停产或半停产，居民限量供水，因缺水造成几百 亿元的经济损失。 1 1 2 中国的水环境污染 伴随水资源短缺的另一个问题是水环境污染严重。我国的水质污染相当严 重，每天约排出8 0 0 0 万吨的工业废水，7 0 以上的废水未经处理便直接排入了 江河湖泊，使得七大水系受到不同程度的污染，其中海河、辽河水系污染犹为严 重。尽管每年增加污水达1 8 亿公升，但每年通过污水设旆处理的污水只有1 亿 公升，远不能满足污水处理的实际需要 2 1 。水环境污染的加剧，不仅进一步加速 了水资源短缺的形成，而且严重威胁人民身体健康，阻碍我国经济的发展。 第一章绪论 1 2 我国中水回用技术概况 “中水”的概念源于日本，主要指城市污水经处理后达到一定的水质标准， 可在一定范围内重复使用的非饮用的杂用水。中水回用就是人们在生产和生活中 用过的优质杂排水，经收集再生处理后，回用于农业灌溉、工业用水、市政杂用、 地下回灌等领域。 中水回用技术在国外早已应用于实践。在美国、日本、以色列等国，厕所冲 洗、园林和农田灌溉、道路保洁、沈车、城市喷泉、冷却设备补充用水等，都大 量地使用中水，其中最典型的是日本，它从2 0 世纪6 0 年代起就开始使用中水， 至今已有3 0 余年，较大的办公楼和公寓大厦都有就地废水处理设备，主要用作 厕所冲洗”j 。 我国在1 9 5 8 年就将城市污水处理与利用列入国家科研课题。2 0 世纪8 0 年代 初，在青岛、大连、太原、北京、天津、西安等缺水的大城市相继开展了污水回 用的实验研究工作，其中有些城市已修建了污水回用试点工程并取得了积极的成 果。从1 9 8 4 年起，北京市环境保护研究所和北京市政设计院先后在机关大院和 住宅小区开展了建筑中水回用的设施研究。截止目前为止，北京已有2 0 多座建 筑中水回用设施在运转【4 】。 近年来，我国的中水回用发展迅速，原因主要有以下几个方面：( 1 ) 政府部 门加强了对中水回用的科学宣传。( 2 ) 政府部门调整了水价的构成结构，提高了 自来水水价，使中水和自来水的价格差明显增大。利用价格杠杆的作用，推广中 水利用。2 0 0 5 年北京的水价将继续上涨，而且将实行阶梯水价，突出“超额用 水多付费”的特点1 5j 。由于中水的水价保持不变，受此次水价调整影响，各洗车 行争强中水。水价上涨两天内，就有5 家洗车行与北京排水集团中水公司签定了 供水合同【6 j 。( 3 ) 很多企事业单位认识到了中水回用项目带来的巨大经济利益， 加大了对中水工程的投资。 城市中水回用技术是在城市污水处理技术的基础上，融合给水处理技术、工 业用水深度处理技术等发展起来的，大致可以分为三类：( 1 ) 生物处理法：利用 微生物氧化分解污水中有机物的处理方法，包括好氧生物处理和厌氧生物处理。 由于中水工程的原水水质较好，周围环境要求高，所以很少采用厌氧处理法，而 所采用的好氧处理法，主要为活性污泥法、生物接触氧化法等。近年来，一种将 传统的生物处理工艺与膜分离技术相结合的新型污水处理技术膜生物反应器 广泛应用于中水处理。( 2 ) 物理处理法：利用物理作用，分离污水中主要呈悬浮 状态的污染物，以减轻后续处理构筑物的负担，在处理过程中不改变水的化学性 质。常用的方法有沉淀、筛选、气浮等。( 3 ) 物化处理法：向污水中投加化学物 2 第一章绪论 质，利用化学反应来分离污水中的污染物，或将其转化为无害的物质。常用的处 理法有混凝、吸附、氧化还原等。 1 3 膜生物反应器技术在水处理中的研究与应用 1 3 1 膜生物反应器的基本类型 膜生物反应器( m e m b r a n c eb i o r e a c t o r ，m b r l 是通过膜分离来强化生物处理系 统的一种工艺组合。它将膜分离技术中的超、微滤膜组件与污水生物处理工程中 的生物反应器结合起来，用膜组件取代传统二沉池，利用它进行固液分离，显著 地提高了系统圆液分离的能力，从而使系统的出水水质和污泥浓度都得到大幅度 提高。 根据膜组件和生物反应器的相对位置，膜生物反应器可分为分置式和一体式 两大类，根据反应器是否供氧，可分为好氧式和厌氧式两大类1 7j 。按膜组件在生 物反应器中作用不同，可分为分离膜生物反应器、曝气膜生物反应器及萃取膜生 物反应器。 分置式膜生物反应器是指膜组件和生物处理单元分开设置的系统。生物反应 器的混合液经泵增压后进入膜组件，在压力作用下混合液中的液体透过膜，成为 系统处理出水，而圆形物、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m b r 的特点是生物反应器与膜组件相对独立，彼此干扰小，系统 运行稳定可靠，易于清洗、更换及增设，膜组件可与各种不同的生物反应器结合， 构成各种不同的分置式m b r 。但分置式m b r 需循环泵提供较大膜面流速，动 力消耗大，同时泵的高速旋转产生剪切力使某些微生物菌体失活。 一体式膜生物反应器( m b r ) 是指膜组件浸没在生物反应器中的系统。膜 组件直接置于生物反应器内，微生物在曝气池中好氧降解有机污染物，处理水通 过负压抽吸或利用液位差，再通过膜组件过滤出水。其特点是体积小、结构紧凑、 工作压力小、无水循环、节能。空气搅动产生膜表面的错流，曝气器置于膜的正 下方，混合液随气流向上流动，在膜表面产生剪切力，以减少膜的污染。由于一 体式系统不使用循环泵，可避免微生物菌体受剪力而失活，但一体式膜生物反应 器的单位膜处理能力小、易被污染、透水率较低怫j 。 1 3 2 国外膜生物反应器在污水处理中的研究进展 膜生物反应器最先用于微生物发酵工业。在废水处理领域中的研究始于2 0 世纪6 0 年代的美国，1 9 6 6 年美国的d o r r - o l i v e r 公司在美国化学会议上发表了膜 第一章绪论 生物反应器的研究成果一j 。1 9 6 8 年，s y r a c u s e 大学的n l n e m e r r o w 教授对该工 艺的优越性进行了系统的研究，并于1 9 6 9 年1 0 月在美国第4 2 届联邦水污染会 议上发表了研究成果。1 9 7 1 年，p - l s t a v e r g e r 发表文章，详细的论证了膜生物反 应器在处理城市污水方面的优势。自此，膜生物反应器受到了人们的普遍关注。 1 9 7 2 年，s h h e l f 等人又开始了厌氧膜生物反应器的研究工作，从而使得膜生物 反应器的应用范围进一步扩大【】。由于当时的膜生产技术滞后，膜的使用寿命 短，膜通量小。直到7 0 年代末，膜生物反应器的研究仍处于基础研究阶段，未 能得到大规模推广。进入2 0 世纪8 0 年代以后，日本在膜生物反应器研究方面处 于世界领先水平。日本由于国土面积小，人口众多，工业的发展造成水体的污染， 再加上连年的干旱，非常重视污水的再生回用研究。m b r 由于具有占地面积小 和出水水质优良的优势，符合日本国情，使其应用得到了很大的发展。自1 9 8 3 年到1 9 8 7 年，日本有1 3 家公司使用好氧m b r 处理大楼废水，经处理后的水做 中水回用，处理规模达5 0 2 5 0 m 3 ，d 【1 i j 。r 本1 9 8 5 年开始的“水综合再生利用系 统9 0 年代计划”把m b r 的研究在污水处理对象与规模方面都大大推进了一步 。这一阶段的m b r 研究主要采用分置式膜生物反应器。膜生物反应器置于生 物反应器之外，污水先经生物反应器，其混合液经泵增压后进入错流式膜组件， 一部分水透过膜面成为出水，剩余的污泥浓缩液则由回流泵返回生物反应器。分 置式膜生物反应器运行可靠，操作简单，但污泥回流动力消耗较大，回流泵的剪 切作用也会对微生物的活性产生一定的影响。 为了解决这一问题，同本学者y a m a m o t o 等在1 9 8 9 年首先开发了一体式 m b r 1 3 】。在一体式膜生物反应器中，膜组件罨于生物反应器内，滤液由抽吸泵 抽出，设在膜组件下方的曝气装置除具有充氧功能外，造成的强烈搅拌作用减轻 了混合液中悬浮物在膜表面的吸附，以减少膜的污染。与分置式膜生物反应器相 比，一体式膜生物反应器无需回流泵，且抽吸泵的所需功率较小，能耗远小于分 置式膜生物反应器，并且具有结构紧凑、占地面积少等特点。 进入9 0 年代后，世界各国对m b r 的研究和应用取得了快速的发展，主要 体现在以下几个方面：( 1 ) 日、美、法等国经过十几年的研究，开始大规模地将 m b r 用于生活污水和工业废水的处理。( 2 ) 1 9 9 2 年，m k n o p s 利用浓差极化理 论研究错流式膜组件的透水率，结果发现膜丝长度减少可以增加透水率，并提出 了穿流式膜组件的概念 1 4 l 。其特点是膜丝与循环水流方向垂直，不象以往的膜 丝与循环水流方向平行。这样可使膜组件不需要较高的进液速度就可产生湍流效 果，起到冲刷膜纤维的作用，从而大幅度降低能耗。但目前穿流式m b r 仍停留 在实验室研究规模，尚未应用到实际工程中。( 3 ) 1 9 9 9 年，t a t s u k iu e d a 等人”刈 设计了一种新型一体式m b r 重力淹没式m b r ，利用膜组件上部混合液的液位 第一章绪论 差所产生的水压将水压出膜组件，代替了先前的m b r 出水的负压抽吸方式，使 其能耗明显下降。( 4 ) 英国学者l i v i n g s t o n 研究开发了萃取式膜生物反应器1 1 ”。 在该工艺中，废水与活性污泥被膜隔离开，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。l i v i n g s t o n 用萃取式膜生物反应器成功处理了含3 一氯 硝基苯工业废水。1 9 9 9 年，f r e i t a s d o ss a n t o s 采用该工艺处理含二氯甲烷的医 药工业生产废水，证明萃取式膜生物反应器处理含有有机化合物的无机废水效果 良好【 l 。 早期的m b r 主要局限于生活污水和城市污水的处理，研究的重点在于有机 物的去除。t a t s u k i u e d a 采用膜生物反应器处理生活污水，实验结果表明：b o d 、 t o c 、s s 、t n 和t p 的去除率分别达到了9 9 、9 3 、1 0 0 、7 9 和7 4 【| ”。 8 0 年代末以来，m b r 的处理对象拓宽到工业废水、石化废水和垃圾渗滤液等废 水处理方面。d u f r e s e 用m b r 处理纸浆废水，与传统活性污泥法相比，m b r 对 c o d 、s s 和有毒物质都有更好的去除效果，m b r 污泥表面吸附的氮、磷比普通 活性污泥法多，而系统出水的氮j 磷含量却相对较少 1 8 】。9 0 年代初，由于国外 提高了污水综合排放标准，m b r 研究的重点开始转向脱氮除磷方向。d a v i e s 对 一体式膜生物反应器中的硝化特性进行考察，结果表明反应器的硝化效率高达 8 8 t 1 9 】。u e d a 用一体式膜生物反应器处理城市污水，考察了间歇曝气时间对硝 化反硝化作用的影响。研究表明，污泥浓度和进水有机负荷越高，脱氮效果越 好【2 0 l 1 3 3 国内膜生物反应器在污水处理中的研究进展 我国对膜生物反应器的研究起步较晚，仅有十几年，但发展十分迅速。1 9 9 ) 年，岑运华介绍了m b r 在日本的研究状况【1 2 1 。1 9 9 3 年，上海华东理工大学环 境研究所进行了m b r 处理人工合成污水和制药废水的可行性研究 2 2 】。同年，中 国科学院生态环境研究中心王菊思启动了m b r 的研究嘲。此后，许多高等院校， 如清华大学、同济大学和哈尔滨建筑大学等以及研究所加入了m b r 的研究开发 工作。 近年来，国内的科研工作者不断扩大膜生物反应器的应用范围，m b r 的研 究对象从生活污水拓展到高浓度有机废水和难降解工业废水。仉春华等采用膜生 物反应器处理调味品厂生产废水 2 “。王敏、雷易采用一体式膜生物反应器进行 了处理中药废水的实验，取得了良好的效果【2 ”。韩怀芬等进行了膜生物反应器 处理难降解有机废水研究，考察采用不同孔径的微滤膜处理难降解有机废水时， 污泥浓度对膜通量及出水c o d 的影晌 2 6 1 。郑祥等采用中试规模( 1 0 t d ) 的厌氧 第一章绪论 一好氧膜生物反应器处理毛纺印染废水1 2 ”。 在膜生物反应器对有机污染物去除效果方面，我国学者也做了大量研究。尹 艳华等采用膜生物反应器处理餐饮废水，m b r 工艺对污染物的去除率高，对 c o d 、油、s s 和浊度的去除率分别为9 9 2 、9 8 、1 0 0 和9 8 2 【2 ”。彭若 梦、王艳采用a o 膜生物反应器处理炼油废水并回用为工业冷却水，试验结果 表明该工艺处理效果优良，系统出水c o d 4 0 m g l 、n h 3 - n i m g l 、s s 为5 m g l ， 油含量为0 5 m g l 【2 。许宁等研究了生物反应器一中空纤维膜处理医院污水的可 行性，结果表明：对c o d 、n h 3 - n 去除率均达9 0 以上，大肠杆菌的去除率接 近1 0 0 ，出水浊度保持在1 n t u 以下p 。这些研究结果表明：m b r 对废水的 c o d 、s s 、浊度等都达到良好的去除效果。 由于膜组件的高效固液分离作用防止了硝化细菌的流失，为世代周期较长的 硝化细菌的繁殖创造了有利条件。李红岩等利用一体化膜生物反应器进行了高浓 度氨氮废水硝化特性研究。研究结果表明，当原水氨氮浓度为2 0 0 0 m g l 、进水 氨氮的容积负荷为2 0 k g ( m 3 时，氨氮的去除率可达9 9 以上，系统比较稳定 3 h 。运玉晓、张薇研究了硝化菌与膜生物反应器结合处理生活污水中的氨氮， 实验用水采用食堂与化粪池混合水，实验装置采用膜生物反应器，进水氨氮在 4 m g l 左右，出水氨氮值接近于零p ”。 在膜生物反应器的操作条件和稳定运行条件特性的研究方面，张绍园根据微 生物反应动力学与物料平衡原理，推导了分离式膜生物反应器水力停留时间公 式：t = i 1 ( 1 b 1 ) ( k s + l ) k s o ，分析并讨论了膜生物反应器的影响因素。结 果表明，影响膜生物反应器的因素从大到小依次为：底物最大比降解速度k ，饱 和常数k 。，维持常数1 1 3 ，真污泥产率系数y 。，微生物最大比增殖速率um 1 3 3 1 0 膜对微生物和高分子污染物能够高效截留，从而使膜生物反应器的污泥龄和水力 停留时间完全分开。尹艳华等采用膜生物反应器处理餐饮废水，污泥泥龄5 0 6 0 d ， 水力停留时间4 5 h ，m b r 可长期运行1 28 1 。桂萍用m b r 处理生活污水，发现当 污泥龄变化于5 0 8 0 d 之间时，整个系统对c o d 和n h 3 - n 的去除率始终保持在 9 0 以上【3 4 1 。膜污染是影响膜生物反应器在污水处理工艺中广泛应用的主要限制 因素，其直接影响膜的水通量、膜使用寿命及整个系统的运行状况和运行成本， 因此，认识膜生物反应器的污染机理，寻求膜污染防治措施成为当前m b r 研究 的一个重要方向。影响膜污染的主要因素有：膜性质，液料性质和膜分离的操作 条件等。李春杰等采用外压管式聚砜聚丙烯腈共混超滤膜进行错流膜生物反应器 水力清洗特性研究表明，适宜的膜面流速应稍大于i 临界流速v 。= 1 9 2 m s “清洗 时间应控制在1 0 m i n ，适宜的清洗操作压力为0 0 7 m v a l 3 5 】。罗虹等采用粉术活性 碳对膜生物反应器混合液滤水性能进行了研究，结果表明：改变混合液的滤水性 第一章绪论 能，能够降低膜堵塞的机会，减轻膜污染，延长膜的使用寿a 【3 6 】。 1 4 研究目的及主要内容 ( t ) 分别采用泥龄和水力停留时间的方法计算膜生物反应器容积，比较哪 一个更适合实际应用；通过泥龄来计算膜生物反应器的气水比与膜组件所要求的 气水比综合考虑，确定膜生物反应器的最终气水比。 ( 3 ) 对5 5 斋、5 3 斋和游泳池中水系统进行设计方面、处理效果方面、运 行过程中产生问题方面和运行影响因素方面进行了比较，研究它们之间的共同点 和不同点，为今后膜生物反应器的设计和调试提供一定的参考。 ( 3 ) 研究膜污染产生的机理以及影响膜污染的因素，探寻延缓膜污染的技 术措施。 7 第二章膜生物反应器计算及l 艺选择 第二童膜生物反应器计算及工艺选择 膜牛物反应器处理污水仍然使用活性污泥洼，它同时道循活性污泥的生长规 律，因此很有必要从城市污水处理的活性污泥法计算入手，分析膜生物反应器的 容积计算过程和方法，然后通过比较两者的异同，确定以h r l l 为主要指标决定 膜生物反应器容积的准确性。 2 1 生物处理反应池容积计算 2 1 1 城市污水生物处理反应池容积计算 城市污水处理一般采用活性污泥洼 龄法和数学模型法。这些方法各有利弊 21 1 1 污泥负荷法 它的计算方法主要有：污泥负荷洼、泥 在实际应用过程中根掘具体情况选用。 污泥负荷法是最古老的设计计算方法已经采用这种方法设计了上千鹰污水 处理系统，但另方面，也反映出不少问题“： 污泥负荷法是以污泥负荷f 。和容积负荷r 为基本设计参数t 而f w 和f r 的 取值主要是根据经验确定，我国规范推荐的取值范围是： f 。= o 2 一o 4 k g b o d j k g m l s s d f 产o 4 0 9k g b o d 5 ，m 3 池容d 可以看出，最大值比最小值大一倍以上，如果其他条件不变，计算出的好氧 池容积将相差一倍。因此，利用负荷计算好氧反应池的容积并不是非常精确的。 污泥负荷法针对性不强，当要求硝化、反硝化时，缺乏推荐数值。从以上分析可 以看出，采用污泥负荷法设计好氧池缺乏精确性。 2 11 2 数学模型法 数学模型法是根据有机物降解和微生物生长动力学的理论体系建立超米的。 采用这种方法，不仅能优化设计，提高设计水平和效率，还可以优化好氧池的运 行管理，开发新的工艺，这样可以摆脱经验设计的束缚，可使设计的精确性和可 靠性显著提高。但是，在数学模型中有t - 几个系数和常数，其中大多数系数需要 经过实际监测才能确定。由于污水水质变化多变，准确确定这些系数比较困难。 经过实际监测才能确定。由于污水水质变化多变，准确确定这些系数比较困难a 第二章膜生物反应器计算及i 艺选择 第二章膜生物反应器计算及工艺选择 膜生物反应器处理污水仍然使用活性污泥法，它同时遵循活性污泥的生长规 律，因此很有必要从城市污水处理的活性污泥法计算入手，分析膜生物反应器的 容积计算过程和方法，然后通过比较两者的异同，确定以h r t 为主要指标决定 膜生物反应器容积的准确性。 2 1 生物处理反应池容积计算 2 1 1 城市污水生物处理反应池容积计算 城市污水处理一般采用活性污泥法， 龄法和数学模型法。这些方法各有利弊， 2 1 1 1 污泥负荷法 它的计算方法主要有：污泥负荷法、泥 在实际应用过程中根据具体情况选用。 污泥负荷法是最古老的设计计算方法，已经采用这种方法设计了上千座污水 处理系统，但另一方面，也反映出不少问题刚： 污泥负荷法是以污泥负荷f 。和容积负荷f ，为基本设计参数，而f w 和f r 的 取值主要是根据经验确定，我国规范推荐的取值范围是： f 。= o 2 0 4 k g b o d s k g m l s s d f r = o 4 0 9k g b o d s m 3 池容d 可以看出，最大值比最小值大一倍以上，如果其他条件不变，计算出的好氧 池容积将相差一倍。因此，利用负荷计算好氧反应池的容积并不是非常精确的。 污泥负荷法针对性不强，当要求硝化、反硝化时。缺乏推荐数值。从以上分析可 以看出，采用污泥负荷法设计好氧池缺乏精确性。 2 1 1 2 数学模型法 数学模型法是根据有机物降解和微生物生长动力学的理论体系建立起来的。 采用这种方法，不仅能优化设计，提高设计水平和效率，还可以优化好氧池的运 行管理，开发新的工艺，这样可以摆脱经验设计的束缚，可使设计的精确性和可 靠性显著提高。但是，在数学模型中有十几个系数和常数，其中大多数系数需要 经过实际监测才能确定。由于污水水质变化多变，准确确定这些系数比较困难。 3 第二章膜生物反应器计算及l 艺选择 因此，从1 9 8 6 年首次推出活性污泥法一号模型，在国内外尚未成为普遍采用的 计算方法。显然，利用数学模型法设计好氧池还需要进行大量的工作，有待进一 步完善。 2 1 1 3 泥龄法 泥龄反映微生物在反应池中的平均停留时间，它的长短取决于处理的目标， 当只要求处理含碳有机物时，泥龄最短一般只有4 d 左右；如果要求硝化、反硝 化则需要泥龄满足硝化菌的繁殖世代周期一般最小泥龄为9 - l o d ；而对于要求好 氧稳定的污泥泥龄则一般不少于2 0 d 。 下面用泥龄的方法用于5 5 斋中水系统的容积计算过程。进水基础资料为： q = 5 0 0 m 3 d ， c o d c r = 3 0 0 m g l b o d s = 1 2 0 m g l ， n h 3 - n = 2 5 m g l ， s s 2 2 9 0 m g l 出水水质的要求为： c o d c r = 5 0 m g l b o d s = 1 0 m g l ， n h 3 - n = 1 0 m g l 。 s s 。5 m g l ( 1 ) 硝化速率计算 计算硝化速率的温度为15 c ，则硝化速率按下式计算： 删= 邶1 1 1 2 ( 7 2 0 ( 2 1 ) 式中：“t ) 一t 硝化速率，d 一： u f 2 0 1 - - 2 0 硝化速率，取值为o 5 5 d ： t 一水温，取1 5 c ； 经计算得：“a ( 1 5 1 - - - - 0 3 ld “ ( 2 ) 硝化衰减速率 b 删= 占( 2 0 1x 1 0 3 1 ( 2 - 2 ) 式中：b a ( n t 硝化菌衰减速率，d b a ( 2 0 ) - - 2 0 。c 硝化菌衰减速率，取值为0 0 4 d ； t 一水温，取1 5 ； 经计算得：b a ( 1 5 ) = 0 0 3 5d 1 ( 3 ) 计算泥龄 9 第二章膜生物反应器计算及t 艺选择 。一 一! ，_ 一 ( 1 一厶。) 肛( 1 5 ) 一s r b 月( 1s ) 式中：b 。一泥龄，d ； s f 一安全系数，取值为1 5 ； f m 。一反硝化与硝化比值，o 3 ； 将以上两式的结果代入得：0 。= 9 d ； 为了能够进行比较彻底的硝化作用，取0 。= 1 5 d ( 4 ) 颗粒性不可生物降解有机物 x t = s s ( 1 一 ，七 ，x 0 式中：x 】一颗粒性不可生物降解有机物，k g d s s 一悬浮固体，k g d ： 一进水s s 中挥发分所占比例，取值为0 6 ； f n v 一进水s s 中不可好氧生物降解所占比例，0 3 ； 经计算得：x i = 8 4 i k g d 。 ( 5 ) 活性异氧菌生物固体 x 8 h2 b o d 5 y h ( 1 + 包b h ) 式中：x b ，h 一活性异氧菌生物固体，k g d ； b o d 5 一反应池中b o d s 总量，k g d ； y h 一异养微生物的产率系数，取值为o 6 5 k g v s s k g b o d 5 0c 一泥龄，取值为1 5 d ； b h 一硝化菌衰减系数，取值为o 1 5 ； 经计算得：x b h = 1 2 k g d 。 ( 6 ) 活性自氧菌生物固体 v n y “，一2 再百i f 式中：x ba 一活性异氧菌生物固体，k g d ； b o d 5 一反应池中r o d 5 总量，k 鲋； y a 一异养微生物的产率系数，k g v s s k g b o d 5 ； o 。一泥龄，取值为1 5 d , b a 一硝化菌衰减系数，取值为0 0 4 ； 经计算得：x b ，a = 0 8 k g d 。 ( 7 ) 生物固体衰减产生惰性物质 x ? = f p x 0 ：x b h x x8 。h 式中：x p 一生物固体衰减产生的惰性物质，k g d ； o ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 第二章膜生物反应器计算及【艺选择 f p 一微生物体不可生物降解部分的比例，取值为0 2 ； c 一泥龄，取值为1 5 d ； b h 一硝化菌衰减系数，取值为o 1 5 ； x b h 一活性异氧菌生物固体，根据上式得1 2 k g d ； 把以上数值代入( 2 - 7 ) 式得x p = 5 4 k g d 。 ( 8 ) 总污泥产量： x y - = x ，+ x b h + x 8 + x p ( 2 - 8 ) 把以上各式的结果代入式( 2 8 ) ，得x t = 1 0 2 3 k d ； 反应池容积根据式( 2 - 9 ) 计算： 矿：兰! 坐( 2 _ 9 ) 爿 式中v 一反应池容积，n 1 3 ； x t 一总污泥量，1 1 1 _ 3 d ； 。一泥龄，d ： x 一即m l s s ，好氧池混合液悬浮固体平均浓度，g s s l 。 膜生物反应器中的污泥浓度比传统的活性污泥法的好氧池大，计算中取x = 5 g l 。 将以上结果代入式( 2 9 ) 得：v = 3 0 6r n 3 从以上的计算式中可以看出，只要确定 。、y 和x 就可以确定反应池容积。 从污泥产率系数y 的计算公式中可以看出，o 。是控制污泥产率系数大小的决定 因素，而泥龄和污泥浓度有着直接的关联。所以，泥龄的确定是决定好氧反应池 容积的关键。可以看出，泥龄法融合了污泥负荷法的经验和数学模型法的准确。 同时它不需要象数学模型法那样确定十几种系数，又不会性象污泥负荷法在参数 的选取上大范围的变化，造成计算的不精确。 2 ，1 膜生物反应器窖积计算 2 1 2 1 膜生物反应器容积计算依据 膜生物反应器处理中水工艺的选择要根据进水水源和再生水最终用途来确 定。进水水源主要是天津大学第5 2 、5 3 、5 5 学生公寓和游泳池排放的洗浴废水， 其水质水量有周期性的变化( 夏季用水量大、有机物含量低，冬季用水量小、有 机物含量高；同时在放假期间，来水量和用水量都很小) ，且水源的污染程度较 轻，主要的水质情况见表2 ，1 ，从中的指标来看只有洗涤剂含量比一般生活污水 第二章膜生物反应器计算及一l 艺选择 高很多，其余含量和一般生活污水相差不大。根据天津大学的实际情况和整体规 划，处理后的中水主要回用于绿化、冲厕和景观美化。 表2 - 1污水水质及中水回用标准 2 1 2 2 污泥负荷、容积负荷 污泥负荷和容积负荷曾广泛的应用于好氧反应池容积的计算。邢传红、文湘 华、钱易等人经过大量的中试研究后认为，采用污泥负荷或容积负荷作为决 定m b r 容积的重要指标是不合适的。另一方面，由于m b r 能够完全实现泥水 分离，从而保证了优良的出水水质和较高的污泥浓度。天津大学5 5 斋中水实验 表明，进水c o d 从2 4 3 m g l 上升到4 1 2 m g l ，出水c o d 都在4 9 m g l 左右。所 以，m b r 的抗冲击能力很强。研究表明【3 9 】，采用m b r 工艺处理废水，污泥负 荷、容积负荷已经不再是制约处理效果的重要指标。通常，污泥负荷和容积负荷 不能作为重要指标用于m b r 的容积设计。 2 1 2 3 水力停留时间( h r t ) 由于m b r 能够实现h r t 和s r t 的单独控制，理论上h r t 能影响m b r 的容积大小。过长h r t 的将直接增加反应器的容积，而过短的h r t 将会造成系 统内溶解性有机物( s m p ) 的生成，会导致出水水质变差，此外如果m b r 中积累 了一定量的s m p 会加速膜污染，引起膜通量下降。 ( 1 ) 水力停留时间( m 玎) 计算公式的推导 在一体式m b r 中，假定进水有机底物的浓度为l o ，出水有机底物的浓度为 l e ，进出水流量为q 。 由物料平衡原理可得： q l 。+ 矿李：。 d f t = v o ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 第二章膜生物反应器计算及工艺选择 式中 矿一生物反应器的有效体积，m 3 ； d l d t 一有机底物降解速率，m e , h