（环境工程专业论文）采用mpe延缓mbr工艺中膜污染的研究.pdf

摘要 膜生物反应器( m b r ) 是膜分离技术与活性污泥工艺相结合的水处理技术， 该工艺与传统生物处理工艺相比，具有出水水质好、占地面积小、活性污泥浓度 高、剩余污漉产率低和便于自动控制等优点，但运行中不可避免的膜污染影响到 膜生物反应器运行的稳定性和经济性，很大程度限制了它的推广应用，因此有必 要采取措施控制膜污染，从而减少膜的使用面积，延长膜的使用寿命，降低基建 投资秽运行费用。本文主要研究抗污染增效剂( 凇e ) 如何延缓膜污染。 通过烧杯试验考察了m p e 投加量对活性污泥上清液的c o d c , ，浊度，s v ， s v i 的影响。根据原水水质、温度和活性污泥性状的不同，在不同时期的小试试 验中选择了不同的m p e 投加量。 m p e 能絮凝游离的胞外聚合物( e p s ) ，降低上清液的t o c ，增大污泥的粒 径，改善泥水分离性能，提高了混合液的可过滤性。投加m p e 后，e p s 、溶解 性有机物、胶体和小粒径颗粒物堵塞和吸附在膜孔内的概率变小了：活性污泥在 膜表瑟的泥饼层比较琉松、孔隙率高、透水性好，放而有利予延缓t m p 增长和 维持膜通量。 m p e 既可在活性污泥出现污泥膨胀和生物泡沫等异常状况时加入，以改善 活性污泥特性和延缓活性污泥恶化，为找到事故原因和解决措旌争取时麓；也可 在膜生物反应器运行状况良好时周期性加入以减轻膜污染，维持反应器稳定和延 长清洗周期。 关键词；污水处理膜生物反应器( m b r ) 膜污染m p e 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 g ) i saw 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 yc o m b i n e d a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s sw i t hm e m b r a n es e p a r a t i o n t h em a i na d v a n t a g e so fm b r t e c h n o l o g ye o m p r a r e dt oc o n v e n t i o n a lb i o l o g i c a lt r e a t m e n ts y s t e m sa r eb e t t e re f f l u e n t q u a l i t y ，s m a l l e rf o o t p r i n t ，h i g h e rm l s sc o n c e n t r a t i o n , d e c r e a s e ds l u d g ep r o d u c t i o n a n dc o n v e n i e n ta u t o m a t e dc o n t r o l ，e t c w h e r e a s ，t h ei n e v i t a b l ym e m b r a n ef o u l i n g i m p a c t st h es t a b i l i t ya n de c o n o m yo fm b rs y s t e m s ，a n dg r e a t l yl i m i t st h ew i d e a p p l i c a t i o no fm b rs y s t e m s i ti sn e c e s s a r yt o t a k ea c t i o nt oc o n t r o lm e m e b r a n e f o u l i n gt or e d u c ef r e q u e n c yo fc h e m i c a lc l e a n i n g ，a n dp r o l o n gt h el i f eo fm e m b r a n e ， a n dc u td o w nt h ec a p i t a li n v e s t m e n ta n do p e r a t i o nc o s t t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h e m e c h a n i s mo fr e d u c i n gm e m b r a n ef o u l i n gb ym e m b r a n ep e r f o r m a n c ee n h a n c e r ( m p e ) t h ee f f e c to fv a r i a t i o no fm p ed o s eo nc o d c r ，t u r b i d i t y ，s v ，s v io fa c t i v a t e d s l u d g e a f t e rc o a g u l a t i o nw a si n v e s t i g a t e db yj a re x p e r i m e n t a c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n c e so fr a ww a s t e w a t e rq u a l i t y ，t e m p e r a t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fa c t i v a t e d s l u d g e ，d i f f e r e n td o s e so fm p ew e r ea d d e di n t o r e a c t o ri np i l o te x p e r i m e n ti n d i f f e r e n tp h a s e s m p ec a l lc o a g u l a t ee p s ，a n dr e d u c et o cc o n c e n t r a t i o ni nt h es u p e r n a n t ，a n d m a k et h ep a r t i c l es i z el a r g e r ，a n di m p r o v et h es 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 c s o ft h em i x e dl i q u o r a f t e ra d d i t i o no fm p e ，t h ep r o b a b i l i t yo fm e m b r a n ef o u l i n gb y e p s ，d i s s o l v e do r g a n i cm a t t e r ，c o l l o i da n ds m a l ls i z ep a r t i c l ea r er e d u c e d ，a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fc a k el a y e ro nm e m b r a n es u r f a c ea r el o o s e ，h i g hp o r o s i t y ，g o o d f i l t r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，s ot m pi n c r e a s ei sr e t a r d e da n dm e m b r a n ef l u xi sm a i n t a i n e d m p ec a nb ea d d e di nt h ec o n d i t i o no fs l u d g eb u d n ga n d o rb i o l o g i c a lb u b b l e ， e t c ，s ot oi m p r o v ea c t i v a t e ds l u d g ec h a r a c t e r i s t i c ，r e t a r dd e t e r i o r a t i o no fa c t i v a t e d s l u d g e ，a n do b t a i nt i m et of m da c c i d e n tr e a s o na n ds o l u t i o n ；a tt h es a m et i m e ，t h o u g h i nt h en o r m a lo p e r a t i o no fm b r ，m p et a i lb ea d d e dp e r i o d i c a l l yt or e d u c em e m b r a n e f o u l i n g ，a n dm a i n t a i nm b rs t a b i l i t y ，a n dp r o l o n gc l e a n i n gp e r i o d k e yw o r d s ：w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) ，m e m b r a n e f o u l i n g ，m e m b r a n ep e r f o r m a n c ee n h a n c e r ( m p e ) 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，也不包含为获得鑫鲞盘堂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：空逸意、节日 签字日期： 2 0 d 1 7 年，月? ? e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗苤鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫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： 童1 j 恕节日导师签名：州啜千 _1_ ， 签字日期：2 d 。7 年1 月，7 日 签字日期：a 卯7 年1 月2 尹日 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 全球水资源现状 第一章绪论帚一早三百t 匕 据水文地理学家估算【l 】，地球上的水资源总量约为1 3 8 亿k m 3 ，其中9 7 5 是海水，淡水只占2 5 ，而且其中绝大部分为极地冰雪冰川和地下水，适宜人 类使用的淡水资源十分有限。但一方面，人类对水资源的需求以惊人的速度扩大； 另一方面，日益严重的水污染蚕食着大量可供消费的水资源。 2 0 世纪，世界人口增加了2 倍，而人类用水却增加了5 倍。世界上许多国 家正面临水资源危机：1 2 亿人用水短缺，3 0 亿人缺乏用水卫生设施，每年有3 0 0 万至4 0 0 万人死于和水有关的疾病。预计到2 0 2 5 年，水危机将蔓延到4 8 个国家， 3 5 亿人为水所斟2 1 。水资源危机导致生态系统恶化和生物多样性破坏，严重威胁 着人类生存，不仅如此，水危机还威胁着世界和平，过去5 0 年中，由水引发的 冲突共5 0 7 起，其中3 7 起有暴力性质，2 1 起演变为军事冲突【3 】，随着水资源日 益紧缺，水的争夺战将愈演愈烈。 2 0 0 3 年3 月1 6 日至2 3 日来自世界各地1 6 5 个国家和地区的1 万名代表聚 集日本东京，参加第三届世界水论坛会议，为水资源的可持续利用献计献策。会 议的背景是全球水资源状况迅速恶化，“水危机”日趋严重。第三次世界水论坛会 议召开期间，联合国有关部门发表了世界水发展报告。报告指出，随着社会 的发展，世界许多地方人均用水不足的问题日益恶化，水资源正在因为世界人口 增加、环境污染和气候变化而逐步减少，全球水危机将达到空前的水平。 报告采用水匮乏指数( w a t e rp o v e r t yi n d e x ，w p i ) 对1 4 7 个国家进行排序【4 】， w p i 由资源，途径，利用，能力和环境五个分指数组成，是考虑一个区域水资源 自然状况、水资源获取、水环境状况及水资源利用能力和潜力等因素的综合指数。 报告中、p i 排名前五位的国家是：芬兰、加拿大、冰岛、挪威和圭亚那；排名后 五位的国家是：海地、尼日尔、埃塞俄比亚、厄立特里亚和马拉维。 报告通过大量的数字、图表和照片展示了全球水资源危机的严重性，并从 1 1 个方面指出了人类面临的挑战，包括健康、食物、环境、水资源共享、城市、 工业、能源、风险管理、知识、水评估和治理。通过7 个江河流域有代表性的个 案研究，反映了社会、经济和环境的共性问题。针对世界面临水资源危机的情况， 第一章绪论 报告提出国际社会应本着“点滴整合，统览全貌”的精神面对以下挑战【4 】： 健康方面：每年有超过2 2 0 万人因为使用污染和不卫生的饮用水而死亡。 农业方面：每天有大约2 5 万人因饥饿而死亡；有8 1 5 亿人受到营养不良的 折磨，其中发展中国家有7 7 7 亿人，转型国家有2 7 0 0 万人，工业化国家有1 1 0 0 万人。 生态学方面：靠内陆水生存的2 4 的哺乳动物和1 2 的鸟类的生命受到威 胁。1 9 世纪末，已有2 4 8 0 个鱼种灭绝。世界上内陆水的鱼种仅占所有鱼种的 1 0 ，其中1 3 的鱼种正处于危险之中。 工业方面：世界工业用水占用水总量的2 2 ，其中高收入国家占5 9 ，低 收入国家占8 。每年因工业用水，有三至五亿吨的重金属、溶剂、有毒淤泥和 其他废物沉积到水资源中。 能源方面：再生能源中，水力发电是最重要和得到最广泛使用的能源。它占 2 0 0 1 年总电量的1 9 。在工业化国家水力发电占到总电力的7 0 ，在发展中国 家仅占到1 5 。加拿大、美国和巴西是最大的水力发电国。仍未开发的，但具有 丰富水资源的地区和国家有拉丁美洲、印度和中国。 未来几十年内，许多国家中的大部分人口将面临供水极缺的情况，在大多数 发展中国家，水资源短缺成为其生活恶化、社会和经济发展延缓的因素。2 1 世 纪前半叶，水问题与粮食和电力生产问题同位于前列。供水问题的解决要花费大 量的资金和物资，以采取措施消除不同地理条件下纯净淡水短缺。在目前和可预 见的将来，最现实和有效的措施是【5 】：保护水资源，大量减少耗水量，特别是 灌溉和工业用水；减少或完全停止向水系排放污水；通过调节季节性和长期 径流，更好地利用当地水资源；使用盐水和微咸水；积极参与降雨过程； 使用长期储存在湖泊、含水层和冰川中的水；重新分布过境水资源。 1 1 2 中国水资源现状和面临问题 据水利部对全国水资源进行的评价【6 】，我国的水资源年平均径流量为2 7 11 5 亿m 3 ，年平均地下水资源量为8 2 8 8 亿m 3 ，扣除重复量，我国多年平均水资源总 量为2 8 1 2 4 亿m 3 。河川径流约占全国水资源总量的9 4 4 。我国年平均降水总量 为6 1 8 8 9 亿m 3 ，其中，4 5 转化为地表和地下水资源，5 5 消耗于蒸发。我国水 资源总量居世界第6 位，。但人均占有量约为世界人均的1 4 ，排在世界第1 2 1 位， 是世界1 3 个贫水国家之一。 我国的水资源在时间分布和空间分布极不平衡，水利发展模式基本属于粗放 型，未来水资源的形势十分严峻： 国家水资源管理体制和水资源保护政策法规建设不健全【7 1 。我国目前的水资 2 第一章绪论 源管理体制存在两大弊端：水资源多头管理，未形成一个统一的水管理体系， 削弱了水作为资源的主体地位；水资源没有形成市场管理机制，需建立激励节 约用水的水资源价格体系。我国在水资源管理和水环境保护方面制定了一系列的 法律法规，对水资源保护工作起到了一定推动作用，但现行的环境法规对水资源 保护仅是从环境角度管理，而没有从水资源角度考虑，没有充分体现出环境与资 源协调发展战略思想。 防洪安全仍缺乏保障。由于缺乏统一规划和管理，各地不分主次，竞相修建 防洪工程和提高防洪能力，全国的堤防长度由7 0 年代的1 1 万k m 、8 0 年代的1 6 万k m ，发展到目前的2 5 万k m 8 1 。堤线越来越长，堤防越来越高，洪水和蓄泄的 空间越来越小，致使许多江河在同样流量情况下，洪水位不断抬高，造成加高加 修堤防与抬高洪水位的恶性循环。由于堤防不断加高，防汛负担和防汛风险也不 断加重，如万一溃堤决口，将造成更大的毁灭性灾害。 水资源紧缺与用水浪费并存。许多地区由于缺水，造成工农业争水、城乡争 水、地区之间争水、超采地下水和挤占生态用水现象发生。与此同时，用水效率 不高、用水严重浪费的现象也普遍存在。我国的用水总量和美国相当，但国民生 产总值( g r o s sn a t i o n a lp r o d u c t ，g n p ) 仅为美国的1 8 。全国的农业灌溉水利用 系数平均约为0 4 5 ，而先进国家为0 7 甚至0 8 。1 9 9 7 年全国工业万元产值用水 量为1 3 6m 3 ，是发达国家的5 1 0 倍。工业用水的重复利用率据统计为3 0 - 4 0 ， 实际可能更低，而发达国家为7 5 8 5 。全国多数城市中，仅自来水管网跑、 冒、滴、漏的损失率就达1 5 - 2 0 引。 水资源过度开发造成生态环境破坏。全国水土流失面积3 6 7 万k m 2 ，占国土 面积的3 8 ，赵成江河湖库淤积和北方河流干枯断流情况越来越严重，黄河进入 9 0 年代以后，年年断流，平均断流达1 0 7 天年【9 】。此外，还存在湖泊萎缩、草 原退化、土地沙化、湿地干涸、灌区次生盐渍化、部分地区地下水超量开采等问 题，造成局部地区水环境恶化，生态失衡。 水质污染迅速发展，已到极为严重的程度。据国家环境保护总局发布的我国 环境状况公告【1 0 1 ，2 0 0 5 年我国七大水系的4 1 1 个地表水监测断面中，i 类、 v 类和劣v 类水质的断面比例分别为4 1 、3 2 和2 7 。其中，珠江、长江 水质较好，辽河、淮河、黄河、松花江水质较差，海河污染严重。主要污染指标 为氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类。七大水系的1 0 0 个国控省界 断面中，i i i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为3 6 、4 0 和2 4 。 海河和淮河水系的省界断面污染较重。2 0 0 5 年七大水系水质类别比例见表 1 】0 0 。 第一章绪论 全国废水排放总量为5 2 4 5 亿吨，其中，工业废水排放量为2 4 3 1 亿吨，生 活污水排放量为2 8 1 4 亿吨；化学需氧量排放量为1 4 1 4 2 万吨，其中，工业排放 量为5 5 4 8 万吨，生活排放量为8 5 9 4 万吨；氨氮排放量为1 4 9 8 万吨，其中， 工业排放量为5 2 5 万吨，生活排放量为9 7 3 万吨。全国近年废水及主要污染物 排放量见表1 2 t 10 1 。 表1 2 全国近年废水及主要污染物排放量 面对水资源紧张的严峻形势，我国提出了水资源可持续利用的总体战略，其 核心是提高用水效率，建成节水防污型社会。这个问题在我国虽然提出多年，但 至今未能全面贯彻，其根本原因是提高用水效率不单纯是水资源本身的问题，而 是一场涉及生产力和生产关系的革命。为实现以水资源的可持续利用支持我国社 会经济的可持续发展，我们需要在以下八个方面实现战略性的转变【8 】： ( 一) 人与洪水协调共处的防洪减灾战略。在防洪减灾方面，要从无序、无 节制地与洪水争地转变为有序、可持续地与洪水协调共处。为此，要从以建设防 洪工程体系为主的战略转变为在防洪工程体系的基础上，建成全面的防洪减灾工 4 第一章绪论 作体系，达到人与洪水协调共处。 ( 二) 以建设节水高效的现代灌溉农业和现代旱地农业为目标的农业用水战 略。农业用水方面，要从传统的粗放型灌溉农业和早地雨养农业转变为建设节水 高效的现代灌溉农业和现代早地农业。研究认为，通过建设节水高效的现代农业， 我国可以基本立足于现有规模的耕地和灌溉用水量，满足今后1 6 亿人口对农产 品的需求。 ( 三) 节流优先、治污为本、多渠道开源的城市水资源可持续利用战略。在 城市和工业用水方面，要重视节水、治污和开发非传统水资源，水资源的开发利 用要由单纯开源逐步转向重视节流和治污，提倡“开源、节流与治污并重”，以促 进城市水系统的良性循环。 ( 四) 以源头控制为主的综合防污减灾战略。目前我国的水污染己成为不亚 于洪灾、旱灾甚至更为严重的灾害，点源、面源和内源污染越来越严重，因此， 在防污减灾方面，应从以末端治理为主转变为以源头控制为主的综合治理战略。 ( 五) 保证生态环境用水的水资源配置战略。生态环境关系到人类生存发展 的基本自然条件，是实现我国社会经济可持续发展所必须的基本保障，因此在水 资源配置中，要从不重视生态环境用水转变为在保证生态环境用水的前提下合理 规划和保障社会经济用水。 ( 六) 以需水管理为基础的水资源供需平衡战略。对水资源的供需平衡，要 从过去的以需定供转变为在加强需水管理、提高用水效率的基础上保证供水。目 前我国的水效率还很低，每立方米的产出明显低于发达国家，节水还有很大潜力。 提高水效率包括建设节水高效农业，推行工业的清洁生产，污水资源化和发展微 咸水和海水的利用，这是从传统工农业和城乡建设转到现代化工农业和城乡建设 的一场革命。 ( 七) 解决北方水资源短缺的南水北调战略措施。对北方地区，要从超采地 下水和利用未经处理的污水来维持经济增长转变为在大力节水治污和合理利用 当地水资源的基础上，有步骤地推进南水北调，保证社会经济的可持续增长。 ( 八) 与生态环境建设相协调的西部地区水资源开发利用战略。要从缺乏生 态环境意识的低水平开发利用水资源转变为在保护和改善生态环境的前提下，全 面合理的开发利用水资源，为经济发展创造条件。 战略中强调“治污为本”，这是保护供水水质、改善水环境的必然要求。水资 源本来是可以再生的，但水质污染是水资源不能进入再生的良性循环。我国长期 以来在增加城市供水能力的同时，未能注意防止水污染，至今全国城市废水处理 率仅为1 3 6 5 ，许多城市至今还没有污水处理厂。工业废水处理率据报告为 8 7 4 ，实际情况远远低于这个数字，许多处理设施没有正常运行，甚至基本不 第一章绪论 运行，达标排放许多流于形式。大量废水、污水的排放造成了城市水体的严重污 染，直接影响人民健康和工农业生产。在1 9 9 3 年统计的3 3 3 个缺水城市中，有 1 9 个城市的缺水主要是水源污染所致，另有7 6 个城市的缺水也与水源污染有关， 不少城市因当地水源污染而被迫远距离调水，不仅增加了供水设施的投资和运营 成本，还可能给生态环境带来负面影响。除工业和城市生活排水造成的点源污染 外，我国的面源污染也越来越严重。面源污染源有各种无组织、大面积排放的污 染源，面源污染的控制需要通过合理使用化肥、农药以及充分利用农村各种废弃 物和畜禽养殖业的废水来实现。 膜生物反应器是一种占地面积小，负荷率高，污泥产率低，出水水质好的 工艺，而且其流程启动快，可模块化，升级改造容易。将膜生物反应器运用到 我国的污水处理中，能灵活的在需要的地方建设污水处理构筑物，有效地减少 点污染源的污水排放，有利于改善我国的生态环境。 1 2 膜生物反应器的商业化、应用状况和前景 膜生物反应器实际上是三类反应器的总称，它们分别是【l l 】：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 e m e m b r a n eb i o r e a c t o r ) ；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 e b i o r e a c t o r , b s m b r ，简称m b r ) 。分离膜生物反应器已经广泛应用于实际工程中， 但是膜曝气生物反应器和萃取膜生物反应器还仅仅处于中试阶段。下文中所说的 m b r 均指膜分离生物反应器。 m b r 已经广泛的应用于生活污水和工业废水的处理，随着水回用的需要和 污水排放标准的不断提高，m b r 的数量和容量将不断增加和扩大。m b r 在日本 的商业应用发展很快，世界上约有6 6 的工程在日本，这得益于日本的“9 0 年 代水复兴计划，其余的m b r t 程主要在北美和欧洲。这些工程中约5 5 是浸没 式m b r ，其余则是外置式m b r ；其中9 8 以上是膜分离工艺与好氧生物反应器 而非厌氧生物反应器结合【1 2 1 。 ， 商业化m b r 的主要公司有k u b o m 公司、z e n o n 公司、m i t s u b i s h i r a y o n 公司、 u sf i l t e r 公司、w e h r l ew e r ka g 公司、o r e l i s 公司、m e m b r a t e k 公司等。在北美， 商业化m b r 主要由k u b o t a 公司、z e n o n 公司、m i t s u b i s h i r a y o n 公司、u sf i l t e r 公 司供应。其中k u b o t a 公司的m b r 系统中采用的是平板膜，其他三家公司的m b r 系统采用的是中空纤维膜。截至2 0 0 4 年，这四家公司在全世界和北美市场的反 应器的数量见表1 _ 3 1 1 3 1 。 6 第一章绪论 尽管用于市政污水处理的m b r 系统的设计流量不断增加，但是在北美运行 的大部分m b r 系统还是小试和中试规模的。北美2 1 9 个运行的m b r 市政污水处 理厂中，仅有1 7 个水厂的流量超过1 0 0 0 0m 3 d ，运行中的最大规模的m b 晰水 处理厂位于密歇根州的特拉弗斯城，流量为2 6 9 0 0m 3 d ，正在建设的最大规模的 m b r 污水处理厂位于乔治亚州的约翰斯湾，设计流量为4 0 0 0 0m 3 d t l 3 】。 从2 0 世纪9 0 年代开始，m b r 工艺就开始在欧洲应用，并且数量不断增多： 2 0 0 5 年，m b r 市场给整个欧洲带来了4 0 0 0 万欧元的税收，税收增长率稳定在 9 。过去5 1 0 年驱动税收持续增长的动力源于m b r 系统被应用到分散式水处理 和水回用这一重要趋势。欧洲现在运行m b r 水厂绝大多数为小型或中型规模， 主要用于污水分散式处理和水循环【1 4 1 。 m b r 具有出水水质好、占地面积小和可模块化等优点，但其在长期运行中 也暴露了一些问题。这些问题包括外置式m b r 和浸没式m b r 特有的问题和共有 的问题。许多研究对这些问题提出了建议和改进措施，但是试验室和小试的成果 并不能完全的解决实际连续运行m b r 中的问题，这些问题归纳见表1 - 4 【1 3 1 。 表l - 4m b r 系统中常见的技术问题 、m b r 工艺的众多优点使其成为工业废水和生活污水处理的一个极佳的选 择。随着污水回用、纳滤和反渗透预处理的需要、日益严格的污水排放标准地执 行、膜费用的下降、膜性能的改善和简便的膜清洗方式的出现，m b r 工艺将得 到更广泛和大规模的应用。 第一章绪论 1 3 絮凝剂在水处理中的作用和应用 絮凝过程是目前国内外众多水处理工艺中应用最广泛、最普遍的单元操作之 一，是废水处理过程中不可缺少的关键环节。絮凝效果的好坏往往决定了后续流 程的运行状况、最终出水水质和费用，选择何种絮凝剂，对于提高出水水质、降 低制水成本有着重要的技术经济价值。 凡能使水溶液中的物质、胶体或者悬浮物颗粒产生絮状物沉淀的物质都叫絮 凝剂【l5 1 。根据行业习惯，如在工业用水处理的絮凝沉淀过程中，常将所用的药剂 统称为絮凝剂；而在废水处理过程中，则将起凝聚作用的药剂统称混凝剂( 或凝 聚剂) ，絮凝剂或助凝剂特指主要起架桥作用的有机高分子化合物。在同一水体 中，用两种或两种以上的化学物质使其中胶体颗粒产生絮状沉淀时，又把这两种 或两种以上的物质称作复合絮凝剂。 按照药剂的化合物类型，絮凝剂可分为无机絮凝剂、有机絮凝剂和微生物絮 凝剂和矿物类助凝剂四大类【l6 1 。根据官能团的性质及解离后荷电情况还可分为阳 离子型、阴离子型、非离子型和两性型絮凝剂。 胶体化学中应用d l v o 理论论述胶体的稳定和凝聚，混凝机理主要包括压缩 双电层机理、吸附电中和机理、吸附架桥机理和沉析物网捕机理。这四种混凝机 理在水处理中往往不是孤立现象，经常同时存在，只是在一定情况下，以某种机 理为主，解释絮凝较为恰当些。 絮凝剂在水处理中除了絮凝沉淀的作用外，还能除浊除藻、去除水中的有机 物、去除重金属等毒性物质和去除致病微生物，同时絮凝剂还可用于调理水处理 产生的污泥，降低污泥含水量”聊。随着水质标准的不断提高，工业用水和废水 处理规模的迅猛发展，对絮凝剂的质量和品种需求也越来越大，絮凝剂已经被广 泛的运用到石油、印染、食品、化工、造纸工业等废水处理中。 絮凝法和膜法结合起来用于水处理既能提高水中污染物的去除率，同时也 能减轻膜污染、提高膜通量和产水量，有利于系统稳定运行【2 0 1 。董秉直【2 1 】等采 用硫酸铝作为混凝剂，发现混凝能有效地去除微污染水源中对超滤膜膜污染起 主要作用的有机物，而且原水直接过滤、混凝上清液过滤和混凝直接过滤的膜 通量依次增加，反冲洗后通量恢复也依次增加。布多【2 2 】等人研究发现往m b r 的 混合液中投加氯化铁能生成f e n ( o h ) m x + 胶体，胶体通过絮凝作用使混合液中难 降解的大分子有机物形成絮体从而减轻膜污染。张进【2 3 】等采用直接微滤和混凝 微滤两种工艺对高浓度含磷废水进行了处理，发现混凝预处理减轻了膜孔堵 塞，改善了膜表面沉积层的存在形态，提高了膜的渗透通量，而且磷酸盐的去 除率从1 1 o 提高到了9 9 7 ，还使得膜通量恢复从7 2 提高到了9 0 以上。 第一章绪论 1 4 膜污染的分类与影响因素 膜污染是运行中一系列增加膜阻力的因素的总称，例如：污染物在膜表面 的吸附和沉积，在膜组织内的膜孔中的吸附或完全的膜孔堵塞【1 2 】。膜污染问题 直接影响着m b r 的运行费用，制约着m b r 的推广，因此对膜污染加以研究、控 制，对提高工艺运行性能、减少运行费用和推广工艺有着实际意义。 1 4 1 膜污染的分类 1 4 1 1 按污染物与膜的作用性质和来源分类 按污染物与膜的作用性质和来源分类通常可以分为【2 4 】：无机污染、有机污染 和微生物污染。 膜的无机污染主要是指碳酸钙，钙、钡、锶等硫酸盐及硅酸等结垢物质的污 染，其中碳酸钙和硫酸钙最常见。碳酸钙垢主要由化学沉淀作用引起。二氧化硅 胶体颗粒主要是由胶体富集作用形成污染。 有机污染指细菌胞外聚合物( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e ，e p s ) 、溶解 性微生物产物( s o l u b l em i c r o b i a lp r o d u c t ，s m p ) 及细微胶体等多糖、蛋白类粘性 物质在膜表面与膜发生了物理化学作用导致膜通量变小。膜的特性，如表面电荷、 憎水性、粗糙度对膜的有机吸附污染及阻塞有重大影响。 微生物污染主要是由微生物及其代谢产物组成的粘泥。膜表面易吸附腐殖 质、聚糖脂和微生物进行新陈代谢所需的物质，具备了微生物生存的条件，极易 形成一层生物膜，造成膜的不可逆阻塞。 1 4 1 2 按污染物的形态分类 从形态上对膜污染进行分类 2 5 1 ，使我们能更好地理解膜污染形成的空间层 次。通常，膜污染从形态上分有膜孔堵塞和阻塞、浓差极化及凝胶层和泥饼层。 膜孔堵塞和阻塞形成的膜污染：主要是混合液中的e p s 、s m p 、胶体粒子或 溶质大分子和膜发生物理化学或机械作用，在膜孔内吸附、沉积，造成膜孔径变 小或堵塞，使膜通量减少的一种不可逆污染。 浓差极化及凝胶层形成的膜污染：由于膜的截流作用，混合液中溶解性有 机物在膜表面累积造成边界层流体阻力增加，将使传质推动力增加，而且浓差极 化使膜面达到或超过溶质饱和溶解度时会形成凝胶层，将引起膜通量的急剧降 低，这类污染是水力控制的主要对象。 9 第一章绪论 泥饼层形成的膜污染：膜表面滋生的大量微生物及其代谢产物组成的黏 泥，在过滤膜表面形成了一层生物膜，随着泥饼层的压密和厚度增加，膜通量 也将不断减少。 1 4 2 膜污染的影响因素 膜污染的影响因素一般包括三个方面 2 6 - 2 9 ：膜的性质、活性污泥的性质和膜 分离的操作条件。 1 4 2 1 膜的性质 膜的性质包括膜结构的对称性、膜的材质、膜孔径大小、膜表面电荷性、亲 疏水性和粗糙度等，与膜污染间存在着紧密的联系。 膜的结构对膜污染的影响。双皮层膜中，内外皮层各自存在孔径分布，在不 同操作条件下，膜抗污染的性能不同。使用内压式膜，有些大分子透过内皮层孔， 可能在外皮层更小孔处被截留而产生堵塞，引起透水量不可逆衰减，甚至用反冲 洗也不能恢复其性能。单内皮层中空纤维超滤膜结构有两种，一种为外表面开孔 结构，即外表面孔径比内表面孔径大几个数量级，适合于内压运行；另一种为内 表面开口结构，即内表面孔径比外表面孔径大几个数量级，适合于外压运行，即 使被污染，用反冲洗也容易恢复其通量。 膜的表面荷电性与混合液中带电荷的胶体颗粒、杂质等存在着吸附或排斥的 作用，我们可以过静电排斥作用来选择与混合液中溶质荷电相同膜材料，改善和 缓解膜污染，提高膜通量。 亲水性膜比疏水性膜具有更优良的抗污染特性。由于废水和活性污泥都是有 机物质，而亲水性膜可降低膜表面和原水问的界面能，因此选用耐污染的亲水性 膜为宜，但亲水性膜抗蛋白质污染的能力较弱。目前，常采用的疏水性膜有聚乙 烯、聚砜，聚偏氟乙烯( p v d f ) 等，亲水性膜有芳香聚酰胺、磺化聚砜、聚丙烯 腈、改性p v d f 等。 膜孔径的选择。从理论上讲，在确保污染物被截留的前提下，选择孔径较大 的膜可使透水通量提高，但实验证明：在废水处理中，选用较大孔径的膜，反而 加速了膜的污染，水通量下降得更快。一般来说，膜的切割颗粒尺寸( 载留分子 量) 应比要分离的污染物小一个数量级。当膜孔径在超滤范围内时，膜孔径或孔 隙率越大( 特别是膜的表层孔径大内层孔径小时) ，更易形成微孔堵塞，使得膜通 量下降得越快：当膜孔径增加至微滤范围时，微孔堵塞更严重，膜通量下降得更 快，这主要是细菌在膜孔内滋生及溶解性有机分子会在膜孔隙中沉积而造成不可 逆的堵塞所致。 1 0 第一章绪论 膜表面粗糙度的增加会使其吸附污染物的能力增加，同时也可能增加膜表面 的水力搅动程度阻碍污染物在膜表面的吸附，膜表面的粗糙度对膜通量的影响是 两方面作用的综合表现，因而通过改变膜表面的粗糙度同样可以改善膜污染的程 度。一般来说，要选择合适的膜( 膜材料与孔径) 和组件形式，需要根据被处理的 废水性质，通过实验确定。 1 4 2 2 活性污泥的性质 影响膜污染的活性污泥的性质包括活性污泥浓度、悬浮颗粒粒度分布、e p s 和s m p 。 m b r 的一大特点就是活性污泥浓度高。维持生物反应器较高的污泥浓度， 不但降低了反应器中污泥负荷，有利于增加基质的去除率，而且减小污泥产量， 简化了污泥处理工艺。但过高的活性污泥浓度不但不会增加处理能力，反而会减 小膜的分离效果。封莉【3 0 等研究发现随着m l s s 的增加，m l v s s m l s s 值逐渐降 低，污泥活性也降低，而且反应器上清液的c o d 浓度升高，内源呼吸产物s m p 的累积会抑制硝化细菌，膜的产水通量与m l s s 的对数呈线性负相关。张传义【3 l 】 在膜污染阻力分析中发现，m b r 在高污泥浓度下运行时，污泥层对膜污染阻力 的贡献最大。因此，不同条件下的m b r 、膜材料、活性污泥浓度对膜污染的效 果是不同的，在实际的操作运行中，要根据情况而决定适合的活性污泥浓度。 悬浮物的颗粒粒径是影响微滤膜性能的主要因素，颗粒粒径和粒径分布，特 别是当颗粒粒径小于膜孔时，对出水水质和膜通量有着重要影响【3 2 1 。研究 3 3 - 3 4 1 认 为颗粒粒径和粒径分布在对膜孔堵塞形成的膜污染中扮演着重要角色。f a n g a n g m e n g 研究认为【3 5 1 ，膜污染阻力随着污泥粒径减小而增加，即二者呈负相关，这 主要是因为小颗粒和胶体在膜表面的沉积。c w i s r t i e w s k i l 3 6 1 在试验中发现溶解性 物质对膜通量有着重要的影响，在阻力分析中，溶解性物质形成的膜污染占膜阻 力的5 2 ，悬浮物和胶体形成的膜污染各占2 4 。 活性污泥是由多种微生物组成的絮凝体，e p s 和s m p 是来自微生物细胞的高 分子黏性物质，其中e p s 对活性污泥的絮凝性和沉降性有着重要影响 3 7 - 3 9 】，e p s 成分复杂，包括多糖、蛋白质、核酸、类脂体等高分子化合物。h n a g a o k a t 4 0 】在 浸没式m b r 的小试中发现e p s 在反应器内和膜面都有积累，悬浮e p s 与菌胶团频 繁的结合和分离导致混合液黏度上升，引起过滤阻力的变化。k t a r n a c k i 4 l 】发现 在恒流运行条件下，溶解性多糖浓度和通量有很好的相关性，随着活性污泥中多 糖浓度的增加，通量就会相应的减少。一些学者认为e p s 质量浓度与膜污染呈线 性关系的，e p s 减少4 0 ，滤饼的流体阻力也相应的减少4 0 ( 4 2 】。w o n t a el e e 4 3 】 则认为e p s 的组成和特性l d , e p s 的总量对膜污染的影响更大。 第一章绪论 1 4 2 3 膜分离的操作条件 膜分离的操作条件主要包括：水力停留时间( h i 盯) 与污泥停留时间( s l 玎) 、 操作压力、膜面流速、曝气强度。 h r t 和s r t 的影响：提高h r t 可以为反应器中的微生物提供充分的营养物 质，使污泥的增长速率得到提高，保持较高的m l s s 值。延长污泥停留时间不但 可增力n m s r 中活性污泥的浓度，而且还可以简化污泥处理设备；污泥停留时间 不但影响活性污泥的质量浓度，还影响活性污泥生物特性和粒径分布【4 4 1 。h r t 与s r t 并不是直接影响膜污染，而是通过改变活性污泥的特性来对膜产生污染 3 6 1 。王红武【3 7 1 认为松散附着的e p s 对污泥的沉降和絮凝性起着决定性作用，其含 量愈多，污泥的沉降和絮凝性能愈差，延长泥龄可降低其含量，有利于活性污泥 系统工艺运行安全、稳定、高效。 操作压力的影响：在一定压力范围内，膜通量与膜两侧的压力差成正比，但 是，当膜两侧的压力差增加到一定程度时，膜通量的增加趋于平缓。但操作压力 太高时，浓差极化抵消了压力增加带来的水通量变化。适宜的操作压力应略低于 临界压力，膜通量应略低于膜的稳定通量。 膜面流速的影响：膜表面流速越高，凝胶层的形成速度越慢，即使形成了凝 胶层，也对其有很强的冲刷能力，使其厚度不能太大，因此水通量与膜表面流速 成正相关关系。r u il i u 4 5 1 研究认为浸没式m b r 的膜面流速随着曝气强度增加而 增加，而且膜面流速还和反应器的几何形状有关，存在一个临界错流流速，该值 为0 3m s ，当膜面流速小于此值，膜污染迅速发生。 曝气强度的影响：m b r 内，曝气强度的改变可以通过调整曝气量的大小来 实现。增大曝气量，使反应器内的曝气强度增加，液体流动的湍流程度增强，膜 组件表面所受到的剪切力增大，使得悬浮杂质和污泥不易在膜表面黏附，从而减 小了过膜阻力，有利于膜组件长时间保持较高的通量。但曝气过大时会导致膜表 面沉积的颗粒粒径减小，使滤饼的结构更加致密，从而使其膜过滤阻力增加。张 传义【4 6 】研究认为提高曝气量在一定程度上可以减轻污泥层在膜表面的沉积而减 缓膜污染，但曝气量过大导致的更多细小颗粒对膜孔的堵塞反而会加剧膜污染的 进程。 温度的影响：升高温度会有利于膜的过滤分离过程，低温不仅导致混合液黏 度升高，还会增加混合液中的多聚物，从而降低膜性能【4 7 】。 1 5 延缓膜污染的措施 延缓膜污染的措施主要有：优化操作条件、改善混合液特性、反冲洗、膜材 第一章绪论 料的改进和优化膜组件。 1 5 1 优化操作条件 优化操作条件包括【2 6 】：选择合适的操作压力、流量、曝气强度，并在温 度较高时可以维持较高流量；错流过滤，改善膜面附近料液侧的流体力学条件， 减少浓差极化；合理空曝气，曝气不仅能为微生物供氧，其产生的大量气泡以 较高速度穿过中空纤维膜组件的过程，以及其夹带的水流对膜面的冲刷作用，使 膜表面处于剧烈紊动状态，避免了凝胶层的增厚和堵塞物质的积累，大大延长了 膜清洗周期。空曝气对膜表面附着的泥饼层引起的过滤阻力的去除有较好效果。 1 5 2 改善混合液特性 通过投加粉末活性炭( p a c ) 等助滤剂，改善活性污泥的特性【4 8 】，提高污泥 的可过滤性。布多1 2 2 等研究发现往m b r 的混合液中投加氯化铁能生成 f e n ( o h ) m x + 胶体，胶体通过絮凝作用使混合液中难降解的大分子有机物形成絮体 从而减轻膜污染。s e o n g h o o ny o o n l 4 9 - 5 0 1 发现m p e 能使s m p 和e p s 凝聚成大的絮 体从而与更大微生物絮体相结合，减少s m p 和e p s 沉积在膜表面进而延缓膜污 染。 1 5 3 反冲洗 反冲洗是对污染后膜处理的常规方法，周期性地进行空气反吹冲洗或水反冲 洗不仅可以将膜面的泥饼层吹脱，还可