（环境工程专业论文）膜生物反应器处理猪场养殖废水的研究.pdf

摘要 养猪场废水主要是猪的排泄物和猪舍冲洗水的混合物。污水中富含氮磷、有 机物、高悬浮物，臭味大，是一种高浓度有机废水，该废水的水质水量与养猪场 的生产方式直接相关，其变化范围较大，容易对废水处理系统带来负荷冲击。本 文通过利用“水解+ 膜生物反应器 的处理工艺对养猪场废水进行了实验研究。 考察了实验过程中反应器的运行情况和负荷变化对系统的影响。 试验主要结论如下： ( 1 ) 在实验处理的第三阶段，处理效果达到最好，反应器进水n + n ，c o d ， t n ，的平均值分别3 9 3 4 m g l , 1 3 5 0 m g , l , 5 8 3 7 m g , t , ，出水平均值分别是3 2 o m e d l 1 4 9 m g l , 5 3 7 m g l , 平均去除率分别为9 7 8 ，9 3 7 ，9 0 8 ；d o 在3 m g l 左右， h r t 缺氧池为1 6 h ，m b r 好氧池为2 0 h ，系统进行排泥，m l s s 控制在1 0 l s r t 为3 0 d 左右，从m b r 到缺氧池按3 0 0 的回流比进行回流； ( 2 ) 膜生物反应器有一定的抗负荷冲击能力，在高负荷冲击过后，系统能 够逐渐自我恢复，达到原来的良好处理效果； ( 3 ) 试验发现，m b r 通过固液分离虽然能维持很高的污泥量，但是不排泥 的运行方式会影响反应器的处理效果和稳定性，定期排泥可以防止污泥的老化以 及延缓膜的污染； ( 4 ) 在本实验的工艺条件下，系统能够维持较好处理效果的最高氨氮容积 负荷为0 5 k g m 3 d ，高此值时处理效果将会受到影响； ( 5 ) 通过调节反应器里的悬浮污泥浓度将其保持在1 0 卜1 2 9 l 之间；可 以有效的减轻微滤膜的污染，并使微滤膜的清洗间隔时间保持在6 0 天以上。 关键词：膜生物反应器，养殖废水，膜污染，污泥浓度 a b s t r a c t s w i n ew a s t e w a t e rh a sc o n s i d e r a b l ea m o u n t so fn o n s t a b i l i z e do r g a n i cm a t t e ra n d h i g h c o n c e n t r a t i o n so fa m m o n i a ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s i no r d e rt oa s s e s s t h e f e s i b i l i t yo fm e m b r a n eb i o r e a c t o rt r e a t i n gs w i n ew a s t e w a t e r , w ec a r r yo u ta l a b s c a l ee x p e r i m e n tw h i c hw a sd e s i g n e db yo u r s e l v e s w ei n v e s t i g a t e do nt h ee f f e c t so f m b rw i t ht h r e ed i f f e r e n tp h a s e sa n dc o m p a r e dt h es i t u a t i o no fs l u d g ew i t h d r a w a l w i t hw i t h o u ts l u d g ew i t h d r a w a l b a s e do nc o n d i t i o nw h i c hw a sc o n t r o l l e d ，w ef o u n d o u tab e s ts i t u a t i o n t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t ： 1 a f t e rc o m p a r e dt h er e s u l to ft h r e ep h a s e s ，w ef o u n dt h et h i r dp h a s ec a no b t a i n t h eb e s tr e s u l t u n d e rc o n d i t i o nt h a td oo f3 m g l ，h r to f16 hi nt h eh y d r o l y s i sa c i d r e a c t o r , h r to f2 6 hi nt h em b r ，m l s so f1 0 m g la n ds r t o f3 0 d ，t h ea v e r a g e r e m o v a lr a t eo fn i - 1 4 + - n ，c o d ，t ni s9 7 8 ，9 3 7 ，9 0 8 ，r e s p e c t i v e l y ； 2 m b rh e l da na b i l i t yt or e s i s to r g a n i cs h o c kl o a d i n g a f t e rh i g ho r g a n i cs h o c k l o a d i n g ，t h er e a c t o rc a n c o m e b a c kt oo r i g i n a l l ys t a t ew h i c hh a sag o o dr e m o v a lr a t e 3 m b rc a nm a i n t a i nh i i g hb i o m a s sc o n c e n t r a t i o nb ys e p a r a t i n gb i o m a s sf r o m t h et r e a t e dw a s t e w a t e r , b u tu n d e rt h es i t u a t i o no fw i t h o u ts l u d g ew i t h d r a w a l ，t h e t r e a t i n ge f f e c t sa n ds t a b i l i t yo ft h es y s t e mb e c a m ep o o r s o ，w i t h d r a ws l u d g ei si nt h e f a v o ro fi m p r o v i n gt h er e m o v a le f f i c i e n c i e so ft p a n dr e d u c em e m b r a n ef o u l i n g 4 v o l u m e t r i cl o a d i n gi so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sf o rm b r u n d e rt h e c o n d i t i o no ft h ee x p e r i m e n t ，t h en i - 1 4 + - nv o l u m e t r i cl o a d i n gi sr e a c h e d0 5 k g m d 5 b ya d j u s t i n gt h es l u d g ec o n c e n t r a t i o ni nt h em b r r e a c t o ra ti t s1 0 9 l - 1 2 9 l , c a n e f f e c t i v e l y r e d u c et h ep o l l u t i o nm i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n e ，a n dm a k e m i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n ec l e a n i n gi n t e r v a lk e p tm o l et h a n6 0d a y s k e yw o r d ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r l i v e s t o c kw a s t e w a t e rm e m b r a n ef o u l i n g s l u d g ec o n c e n t r a t i o n 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，也不包含为获得丞洼王些盔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：夏j 胡新 、- 签字日期：d g 年f , e lf g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太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： 舌j 胡秆 导师签名：辛土名 签字日期：o g年f 月f 易日 签字日期： 秒沪年月，扩日 学位论文的主要创新点 一、本文通过膜生物反应器对养猪场废水进行试验研究，利用膜生物反应器高效 固液分离和能维持高浓度生物量的优势，进一步提高了处理效果，验证了膜生物 物反应器在处理高悬浮，高浓度废水方面的优越性，在达到排放标准的同时，为 废水的回用奠定基础。 二、实验采用水解酸化+ 好氧m b r 组合工艺处理猪场污水，从c o d 、n h 4 4 - _ n 和t n 的去除效果、规律和影响因素、污泥活性变化规律以及m b r 的硝化特性 等几方面对“水解酸化+ 好氧m b r ”进行系统的研究，找到了该工艺的最优运 行条件，为实际的工程应用提供了基础数据。 三，实验过程全面考察了在猪场废水处理中膜的污染的特点和规律，验证了膜污 染的污染变化趋势，考察了清洗对膜通量的恢复情况。 第一章文献综述 第一章文献综述 随着畜牧业发展，尤其是养猪业的发展，经营方式由分散型向集约型的转变 畜禽养殖场废水污染问题越来越多的受到人们的重视。在城市近郊区，许多畜禽 养殖场的粪污未经处理直接存储或排放。一方面，这些粪污直接排放到地表水或 渗入地下水，造成了江河湖泊富营养化，水质恶化。目前，规模化畜禽养殖产生 的有机污染已相当于全国工业污染的总量，成为我国严重的污染问题之一，绝大 多数规模化畜禽养殖场没有相应的配套耕地消纳其生产的畜禽粪便是造成畜禽 养殖污染严重的主要原因之一。另一方面，畜禽场本身的环境恶化，环境质量下 降，生产高品质的畜禽产品将得不到保障，同时由于空气质量、地下水污染，附 近居民的生存环境也受到了严重威胁。在这样严峻的形势下，处理畜禽场的废水， 达标排放已经刻不容缓。 1 1 养猪废水的处理 1 1 1 养猪厂废水的特点 养猪场废水主要来自猪粪便、猪尿及猪圈冲洗水，污水中富含氮磷、有机物、 高悬浮物，臭味大，是一种高浓度有机废水，如果处理不当将会造成水环境严重 污染。养猪场废水具有以下特点：一是排放量大，冲击负荷大。二是固液混杂， 有机质浓度高，处理难度大。三是含氮量高，碳氮比失调。废水的水质水量与养 猪场的生产方式直接相关。据调查测算，干湿分离的猪场废水的主要水质指标为： c o d c r5 0 0 0 1 0 0 0 0 m g l ，m l s s1 0 0 0 5 0 0 0 m g l ，n h 3 n1 5 0 m g l 。 1 2 养猪厂处理技术现状 对于在农场环境条件下所进行的污水处理而言，应该尽量达到处理费用最低 的要求。为此，所采用的工艺应该满足以下条件1 2 1 ，( 1 ) 处理系统应尽量简单；( 2 ) 合理使用电能，避免不必要的浪费；( 3 ) 为了提高污染物的去除，最好不要使用 其他的化学添加剂；( 处理能力越大越好；( 5 ) 系统抗冲击负荷的能力强，能够 第一章文献综述 适应进水水质的变化。目前，国内外学者对养猪场废水的处理做了大量的研究， 并取得了一定的成果。其主要处理技术如下： ( 1 ) 还田模式 、 粪便污水还田作肥料是一种传统的、经济有效的处置方法，可以实现养分循 环利用，达到污染物零排放。在畜禽家庭分散户养时代，粪污处理均采用这种方 法。粪尿、冲洗水施于土壤中，在土壤微生物和植物的作用下，粪便污水中有机 物质被分解转化成腐殖质和植物生长因子，有机氮磷转化成无机氮磷，供植物生 长利用，不但可以减少化肥的使用，还能维持并提高土壤地力，减轻风蚀和水蚀 作用，改善土壤通透性，促进有益微生物的生长。 这种模式适用于远离城市，经济比较落后，土地宽广，有足够农田消纳粪便 污水的规摸化猪场在还田利用模式中，关键问题是土地对粪便污水的承载能 力。整个欧洲都采取了类似的法律、法规。意大利规定每公顷耕地可施用4 吨畜 禽粪便。英国建议的粪便污水最大用量为5 0 m 3 h a ，且每周不超过一次。德国对 耕地使用氮、磷、钾总量进行了限制，如氨的最大用量为2 4 0 k g h a 。也对每公顷 耕地承载的家畜( 禽) 量进行了限制：牛3 - 9 头，马3 9 匹，羊1 8 只，猪9 1 5 头， 鸡3 0 0 - 9 0 0 只，鸭4 5 0 只。挪威规定：1 头牛，8 头猪，6 7 只蛋鸡应有0 4 h m 2 的土地消纳粪污。我国在这方面没有明确的限制，若按照每公顷耕地的氮肥施用 量1 5 0 k g - 4 0 0 k g ( 以n 计) 计算，则万头猪场( 年出栏商品猪1 0 0 0 0 头) 的粪污需 要9 0 0 - 2 3 5 h a ( 相当于1 3 5 0 亩一3 5 0 0 亩) 的土地消纳。 尽管还田模式具有投资省不耗能，无需专人管理，运行费用低营养物质资源 化，污染物零排放等优点。但是，还田模式也存在以下一些问题： ( 1 ) 需要大量土地，万头猪场的粪污消纳至少需要耕地1 0 0 0 亩，因此受条 件限制，适应性不强； ( 2 ) 雨季以及非用肥季节还须考虑粪污或沼液的出路； ( 3 ) 存在传播畜禽疾病和人畜共患病的危险； ( 4 ) 不合理的施用方式或连续过量施用会导致硝酸盐、磷及重金属的沉积， 从而对地表水和地下水构成污染： ( 5 ) 降解过程产生的氨、硫化氢等有害气体会污染大气。 上海地区经过一年的畜禽粪污还田利用实践后，已呈现出了一些问题：绝大 多数养殖场周围没有足够的土地，粪污很难完全还田利用。我国是一个人多地少、 居住稠密的国家，特别是在农村土地联产承包的经营条件下，采用还田利用的模 式处理规模化猪场粪便污水还受当地土地状况的限制。 ( 2 ) 自然处理法 包括稳定塘处理、土地处理和废水养殖。这类方法投资省、工艺简单、动力 2 第一章文献综述 消耗少，但净化功能受自然条件的制约。 在美国，对于养殖业都有法律规定，规模化养殖场必须考虑粪污管理和养分 利用。动物粪便和污水全部施用于农田，不允许排放，即实行畜禽废弃物“零排 放 制度。来自猪场的粪污储存于生物塘中，生物塘的设计考虑到防渗以及当地 最大降雨量等因素。在塘中消化后的污水用于农田施用，而且进行土地养分管理。 生产规模下，使用两个厌氧塘串联兼性塘，再串联种植水葫芦的生物塘处理养猪 废水，水葫芦塘能够去除5 0 的污染物( c o d 、b o d 、t n 、t p ) 。考虑到粪污中 养分回收，j i a y a n g c h e n g 等研究了利用浮萍回收氧化塘出水中n 、p 等营养物质。 f r e d d i e 等研究了采用浅表滴灌技术( s u b s u r f a c ed r i pi r r i g a t i o n ，s d i ) 和低能耗精准 施用技术( l o w e n e r g yp r e c i s i o na p p l i c a t i o n ，l e p 舢利用氧化塘出水养分。一些地 区已经开始对于粪污土地施用进行养分管理。廖新悌、骆世明分别以香根草和风 车草为植被，建立人工湿地，随季节不同，对污染物的去除率不同，c o d e r 去除 率可达9 0 以上，b o d 5 可达8 0 以上1 3 1 。叶勇等利用红树植物木榄和秋茄处理 牲畜废水营养盐n 、p 。在淡水条件下，秋茄和木榄系统n 的处理效率为8 4 5 和9 5 5 。海水条件下则为9 2 7 和9 8 o ；淡水条件下秋茄和木榄系统p 的去 除率为7 9 2 和9 1 8 ，海水条件下则为8 8 o 和9 7 8 ；两种植物对n 、p 的 去除效果较好【4 j 。自然处理法还可以用于猪场废水除臭，如胡佩【5 j 采用细黄链霉 菌5 4 0 6 除去家禽粪自臭，李维炯引进日本e m 有效微生物技术对畜禽粪除臭 1 6 1 。s z o g i 等( 1 9 9 7 ) ( r 开究了利用粪污饱和的土地种植大豆和水淹田种植水稻处理猪 场废水。n o r a 等( 2 0 0 1 ) 研究了盆栽红树对畜禽废水处理的效果和盐度对养分去除 效率影响。 ( 3 ) 生化法 养猪废水中含有高浓度的氨氮，氨氮是水体富营养化和环境污染的一种重要 污染物质，去除氨氮的根本途径在于通过好氧条件下发生的硝化过程将比n h 4 + 转变成n o ；，再通过缺氧或厌氧条件下发生的反硝化过程将n o ；转变成n 2 排入 大气中，实现氮元素的循环和氨氮的无害化【砚。而废水中大量溶解性有机物的去 除目前主要是采用厌氧的方法来进行，厌氧工艺还能杀死废水中的致病菌，有利 于防疫。因此，研究者们对生物处理技术及其组合工艺进行了许多的探索，使养 猪废水经有效处理后安全排放。 厌氧消化是一种能减少臭味和降解有机污染物，同时回收能源的生物处理方 法，在猪场废水处理中已有广泛的应用。采用不同厌氧反应器处理猪场废水的研 究与工程已有大量报导。常用的方法有完全混合式厌氧消化器、厌氧接触反应器、 厌氧滤池、上流式厌氧污泥床、厌氧流化床等，这些方法存在以下缺点水力停留 时间太长，负荷率低，致使厌氧装置容积大，投资高，处理效率低。邓良伟用水 3 第一章文献综述 解+ s b r + 活性碳吸附，n h a n 去除率9 7 以上【引。赵岩用s b r 技术处理高浓度养 猪污水，其c o d , ：，去除率为9 2 4 7 ，b o d 5 为9 6 6 9 1 9 1 。 由于猪场废水的特点是氮、磷、有机物的含量均很高，单级厌氧处理不能有 效地脱氮除磷，要使养猪废水实现高效低耗处理，达到国家排放标准，一般 会在厌氧处理之后连接好氧处理工艺。 于金莲、阎宁通过实验室模拟试验，探讨混凝+ 脱氨+ 好氧生化处理养猪污水 工艺，用石灰乳混凝沉淀，处理后出水浓度c o d e r 达3 4 0 - 3 8 0 m g l ，n h 3 n 为 2 8 6 0 m g lt 1 们。 成文、罗平等采用接触氧化+ 水解( 酸化) + 两段接触氧化+ 混凝工艺处理高浓 度养猪场污水，在最佳条件下，c o d 。，去除率大于9 7 ，b o d s 去除率大于9 8 ，氨 氮去除率大于9 6 i l 。 d o b a j a t l 2 】等研究了s b r 在厌氧、好氧、缺氧三个阶段下对猪场废水中有 机物、n 、p 的去除效果，反应器每天为3 个周期，温度3 0 ，污泥龄为1 d ，水 力停留时f t a ( h r t ) l l d ，进水氨氮1 5 0 0 m g l ，p 0 4 3 为1 4 4 m g l ，最终总氮去除率达 到9 9 7 ，p 0 4 3 - 去除率为9 7 3 。实验还对不同温度下的运行状况进行了考察， 结果发现要使n 、p 去除率达到9 5 以上，必须使温度控制在1 6 以上。 何连生等【1 3 l 探讨了集约化猪场废水厌氧消化后，s b r 法生物脱氮除磷效果 及限制因子。操作参数为8 h 周期，3 0 恒温，s r t 为1 0 d ，h r t 为1 d 。废水初 始氨氮浓度为1 6 8 2m g l ，p 0 4 3 。浓度为1 8 5m g l ，它们最终的去除率分别为9 4 3 和9 6 5 ，从温度的批量实验证实，1 8 以上能获得较好的脱氮除磷效果，温度 不再是限制因子。由活性污泥实验消耗曲线斜率取得氨氮利用率( a u r ) 、硝态氮 利用率( n u r ) 、氧气利用率( o u r ) 3 个参数，可以有效评价污泥的生物活性。 ( 4 ) 混合处理技术 好氧法、厌氧法、自然处理系统用于处理猪场废水各有优缺点。混合处理就 是根据猪场废水的多少和具体情况，设计出由以上三种、或以它们为主体并结合 其它处理方法进行优化组合，共同处理猪场废水。该方式能以较低的处理成本， 取得好的效果。如杭州西子养殖场采用了厌氧+ 好氧结合的处理工艺，经处理后， 水中c o d e r 约为4 0 0m g l ，b o d 5 为1 4 0m g l , 基本达到废水排放标型1 4 】。深：u i i 农牧实业公司的污水处理工程，工艺流程为污水一固液分离一调节池一上流式 厌氧消化一植物塘一鱼塘- - - - t 4 放，处理的废水也能达到深圳市废水排放标准i l5 。 f e m a n d al a f e r r e i r a 等1 1 6 j 利用u a s b 后加稳定塘的工艺对猪场废水进行处理研 究，结果c o d 从3 4 9 2 - 4 0 9 4m g l 降至1 2 4 - 4 9 0m 叽出水中的n 0 2 - - n 和n 0 3 一n 分别为3 1 1m g l 和4 2 0r n g l 。 我国大多数规模化养猪场没有污水处理工程设施，采用工程化处理的只占 4 第一章文献综述 3 - 5 在采用工程化设施处理污水的猪场中，大多数是以回收能源与综合利用 为主要目的，即兴建沼气工程，利用沼气取暖、发电，沼渣、沼液施用农田。近 年来，随着人们对畜牧环境污染的重视，国内更多的养殖场陆续建立了粪污处理 工程。 当然，混合处理方法的形式多种多样，除以上三种方法结合外，还包括一些 物理、化学处理方式结合，在实际应用中，视具体情况而定。 1 1 3 猪场废水处理技术研究领域存在的主要问题 综合分析前述的猪场废水处理技术现状，可知目前在猪场废水的处理还存在 如下问题： 1 、以往大多数工程在对猪场废水直接进行厌氧处理时，以回收沼气能源居多， 厌氧消化液( 沼液) 用作农肥、或者直接排放、或者经过简单的氧化塘处理后排放， 很少考虑达标处理，特别是氮的去除。实际上，猪场废水厌氧消化液中仍含有相 当数量的有机污染物，同时在厌氧消化过程中，有机氮被转化成氨氮，因此，厌 氧出水中氨氮含量很高，达不到排放标准，对环境的压力仍然很大。随着国家对 环保问题的重视，这种厌氧出水直接排放或简单处理后排放的方法己经不能满足 严格的污水排放标准。因此，厌氧出水必须进行进一步处理，以达到排放标准。 至于厌氧消化程度对好氧后处理的影响的研究基本未见报道。 等 2 、对于猪场废水厌氧消化液的好氧后处理，许多研究人员进行了大量的研 究工作，并且在工程上也有应用。前几年，采用的方法主要是活性污泥法和接触 氧化法，也有采用氧化沟工艺。但是，处理效果均不理想，处理出水c o d 仍有 5 0 0 m g l 以上，尤其对n h 4 + n 的去除效果差，出水仍然达不到排放标准。 3 、近年来，s b r 工艺在猪场废水处理工艺中应用较为广泛，该工艺对有机 物、氮磷均表现出了很好的去除效果。但是这些处理效果好的研究及工程都是采 用s b r 直接处理猪场废水原水，这就意味着要么对原污水进行稀释，要么水力 停留时间( h r d 很长。这些都需要很大的反应器以及很高的能耗用于供氧；对原 废水进行稀释，还要增加稀释水成本，这种方法显然是不科学的。 1 1 4 膜生物反应器粪污处理研究 m b r 应用于粪尿污水处理的研究在日本开展的较早。日本在高层建筑下水 道设施中，采用膜进行粪尿处理处理已有十几年之久，效果良好。日本梨山县用 膜法处理粪尿取得良好的效果。使用微滤膜( 第一段) 作为生物反应器固液分离措 施，投加絮凝剂除磷和脱色，用超滤膜( 第二段) 使絮体分离。 第一章文献综述 吝藤功研究指出养殖污水这种含高浓度氮的废水，采用循环式硝化脱氮法处 理，去除率依赖于硝化液的回流量，高去除率时在运行成本上不现实；改良型的 多段式循环法使得生物反应池增多，增加了运行操作、维护管理的难度：采用间 歇曝气膜分离活性污泥反应器，就不需要大的循环水量，生物反应槽只需要一个。 小林真澄等提出将膜分离活性污泥法用于养殖污水处理，在维持高的污泥浓度前 提下，如高达1 0 0 0 0 m g l 以上，能提高容积负荷率到常规活性污泥的3 倍多， 减少曝气池构筑物容积l r 刀。 目前国内将膜生物反应器运用于畜禽废水处理工程的有上海茬原成套工程 有限公司，他们在松江工贸四村猪场废水处理工程中使用了膜生物反应器工艺。 浙大凯发膜技术公司承建了杭州鑫鑫猪场污水处理工程，采用0 工艺，处理 量为5 0 m 3 d 。 当前膜材料的价格仍然偏高，膜组件的产水量较低，而养猪场废水水量相对 较少和有机物浓度高的特点，正好满足了膜生物反应器的情况，因此膜占总投资 的比例较之处理城市污水、工业废水要少，处理工艺得到大大简化，且占地面积 小，出水水质良好。随着膜材料的日益发展，以及膜生物反应器工艺操作条件的 不断优化，相信在不久的将来能够解决对畜禽废水进行深度处理的问题，已达到 废水回用和节水的目的。 1 2 膜生物反应器在废水处理中的研究现状 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r , m b r ) 组合工艺一般由生物反应器与膜 分离组件构成。根据膜组件与生物反应器的组合方式，可分为分置式和一体式两 种。 分置式m b r 的膜组件一般采用加压的方式，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；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。其特点是运行稳定可靠，操作管 理容易，易于膜的清洗、更换及增设。但是为减少污染物在膜表面的沉积需要循 环泵提供很高的水流流速，因此动力消耗较高。 一体式m b r 将膜组件置于反应器内，通过真空泵或其它类型泵抽吸，得到 过滤液。膜表面的错流由空气搅动产生，曝气器设置在膜的正下方，混合液随气 体向上流动，在膜表面产生剪切力以减少膜的污染。与分置式相比一体式的最大 特点是运行动力费用低，系统构造简单，但在运行稳定性、操作管理、清洗、更 换方面不及分置式m b r 。 6 第一章文献综述 1 2 1m b r 研究进展 1 2 1 1 国外研究进展 1 9 6 6 年美国的d o n - o 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 9 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，该工艺 具有减少活性污泥产量、保持较高活性污泥浓度( m l s s ) 、减少污水处理厂占地 等优点。7 0 年代末期，g r e t h l i c n 等进行了厌氧m b r 处理生活污水的研究1 1 8 】在这 一时期，m b r 的研究重点是开发适合高浓度活性污泥的膜分离装置，但由于受 当时膜生产技术的限制，膜的使用寿命短，膜通量小，这项技术在相当长的时间 内停留在试验室研究阶段，未能投入实际应用。 7 0 年代以后，日本由于污水再生利用的需要，m b r 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m b r 处理大楼废水，经 处理后的水做中水回用，处理水量达5 0 2 5 0 m 3 d 。日本1 9 8 5 年开始的“水综合 再利用系统9 0 年代计划 在污水处理对象与规模上大大推进了对m b r 的研究。 1 9 9 9 年日本在该项计划中对厌氧m b r 作了较系统的研究，研制了酒精发酵废水、 淀粉厂废水、造纸厂废水、蛋白工厂废水、城市污水等7 类废水的m b r 处理系 统。这一时期研究集中在m b r 的处理效果与运行稳定性方面。许多研究都证实 了m b r 能获得良好的出水水质。日本的三井石化公司用m b r 处理粪便废水， 取得了前所未有的良好效果，而且m b r 运行状况稳定【1 9 1 这一阶段，m b r 的形式主要是分离式，称为第一代m b rt 艺。 早期的分离式m b r 均采用错流式膜组件，即被过滤流体平行于过滤表面， 与滤液交错流动，由此产生的剪切力或湍流流动以限制滤饼层的厚度。为了维持 稳定的透水率，膜面流速一般大于2 m s ，这就需要较高的循环水量，造成较高 的单位产水能耗。 1 9 8 9 年日本学者y a m a m o t o 等1 2 0 】首先开发了一体式m b r 。由于不需循环泵， 抽吸泵的工作压力小，一体式m b r 的单位产水能耗小于2 k w h m 3 ，低于分离式 m b r 的能耗，并且具有体积小、结构紧凑、膜外皮层易于清洗等优点。但一体 式m b r 处理能力小、膜污染较重、透水率较低。 1 9 9 2 年k n o p s 利用l y d n e y 和c o l t o n 提出的浓差极化理论研究错流式膜组件 的透水率，研究发现膜纤维长度减少可以增加透水率，并提出穿流式膜组件的构 想，其特点是膜纤维不与循环水流方向平行，而是与循环水流方向垂直。这种膜 纤维的粘结方法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。1 9 9 4 年c a n a l e s 等【2 1 】应用m b r 开展剩余污泥减量的研究，1 9 9 5 年 7 第一章文献综述 l l i a s 等应用m b r 去除废水中的有机物【2 引，1 9 9 6 年k i s h i n o 将m b r 用于生活污 水回用，在1 3 仍然获得了9 5 的n i - 1 4 + - n 去除犁矧。1 9 9 7 年t a t s u k i 研究了不 同曝气方式对m b r 操作压力的影响1 2 4 1 。1 9 9 9 年，一种新型的一体式m b r 重力淹没式m b r 在日本试验成功，t a t s u k i l 2 5 j 等人采用膜组件上部混合液液位与 出水液位的高度差所产生的水压将水压出膜组件，处理水能耗为2 4 k w h m 3 ， 2 0 0 1 年c i c e k 等【2 6 研究了不同的s r t 对m b r 硝化性能的影响。2 0 0 4 年y o o n l 2 7 1 在研究m b r 污泥零排放时，对穿流式m b r 与错流式m b r 进行了比较，发现 穿流式的能耗为1 1 5k w h m 3 ，比错流式的能耗5 6k w h m 3 小的多。 进入9 0 年代中后期，m b r 在国外己进入了实际应用阶段。加拿大的z e n o n 公司在m b r 的推广方面作了许多工作。它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， 此膜组件可以直接放入曝气池，也可以单独设立分离池；采用正压压滤和负压抽 滤相结合的方式，并采用在线过滤液脉动反冲洗，以减少膜污染。目前这种m b r 已应用于美国、德国、法国和埃及等十多个地方，规模3 8 0 m a d 至7 6 0 0 m a d 1 2 引。 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。k u b o t a 公司的m b r 在1 9 9 0 年第一次正式进行商业性应用。在过去的近1 5 年里，k u b o t a 膜生物反应器的应用无论在数目上还是规模上都有了很大增长，在英国，k u b o t a 在2 0 0 0 年时就建有1 2 7 万m 3 d 采用m b r 工艺的s w a n a g e 污水处理厂。2 0 0 3 年5 月，k u b o t a 公司建成了第1 0 0 0 座浸没式m b r 污水处理厂。到2 0 0 5 年，k u b o t a 公司生产的m b r 膜组器在全球的销量超过了4 0 0 0 件。在k u b o t a 工艺中，膜组 件浸没于活性污泥生物反应池中。标准的k u b o t a 装置包括两部分，上部是插入 玻璃纤维加强塑料外壳的平板膜，平板膜之间距离约7 m m 下部是包含安装在 简易匹配外壳内的粗气泡扩散器。装置下部起支撑上部的作用，并使气泡和活性 污泥在上部的平板膜之间流动，形成错流，减少膜污染。 1 2 1 2 国内研究进展 m b r 在我国水处理方面的应用研究首先从分离式m b r 开始，1 9 9 1 年岑运 华介绍了m b r 在日本的研究状况【捌，1 9 9 3 年上海华东理工大学环境工程所进 行了m b r 处理人工合成污水和制药废水的可行性研究1 3 0 l 。 1 处理对象的不断扩展 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膜一生物反应器的研究工作，清华 大学、同济大学、天津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1 3 1 】扩展到印染废水1 3 2 1 、港口污水1 3 3 1 、食品废水1 3 4 1 8 第一章文献综述 啤酒废水【3 5 1 、屠宰废水f 3 6 1 等；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、系统的稳定运行、操 作条件的优化进行了研究。目前，m b r 已有在办公大楼废水、生活污水回用和 医院废水处理的工程实例，但应用工程数量还较少。 2 膜过滤过程及其影响因素的研究深入具体 m b r 的研究并未只停留在废水处理工艺应用的可行性、处理效果、运行的 稳定性等方面，对影响膜过滤的因素，如：膜性质、膜分离的操作条件【3 7 3 9 l 和 滤液性质【3 9 训】等研究也更加深入具体。何义亮1 4 2 】等进行厌氧m b r 截留分子量研 究，提出了“并行运行的平板膜组件中，通量最大的膜优先衰减且衰减幅度最 大 的观点。王勇等1 4 3 j 结合动态运行试验，针对丝状菌对膜污染过程的影响进 行了跟踪观察和分析。结果显示，丝状菌以立体网状结构形式在膜表面污染物 形成及其结构中发挥重要作用，严重影响m b r 的处理能力及膜清洗效率。 3 m b r 的理论研究进展 在m b r 的理论研究方面，孟耀斌对分离式m b r 的体积负荷进行推导表明： 浓缩区的存在是该工艺处理能力较大的原因，可通过增加浓缩区的体积和调整循 环流量来控制分离式m b r 的处理能力。杨造燕从维持微生物基本生命活动的物 质转化概念和污泥产生的平衡出发，提出了确定维持微生物基本生命活动的物质 转化系数的方法，从理论和试验上证实了m b r 无剩余污泥排放的可能性【4 4 1 。魏 源送等通过长达3 4 5 天的中试规模试验，研究比较了蠕虫在m b r 和活性污泥法 ( c a s ) 的生长状况及其导致的污泥减量效果。仙女虫比红斑瓢体虫能更大地减少 污泥产量和更好地改善污泥沉降性能。蠕虫生长不影响m b r 的c o d 去除率和 出水水质，但却显著影响c a s 的c o d 去除率和出水水质1 4 5 1 。 1 2 2m b r 技术现状 1 2 2 1 膜与膜组件的种类 按膜孔径的大小来分，膜种类有：微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜。通 常应用于m b r 废水处理工艺中的是微滤膜和超滤膜。反渗透膜由于需很高的过 滤压力，动力消耗高，一般仅用于处理出水需脱盐的情况1 4 6 j 按材料来分膜种类有：有机膜( 如聚砜膜、聚丙烯腈膜等) 和无机膜( 如陶瓷膜 等) 。有机膜制造成本相对便宜，应用相对广泛，但在运行过程中易污染，寿命 短；无机膜可以弥补有机膜的不足，抗污染能力强，寿命长，能在恶劣的环境下 使用，但目前制造成本较高，使其广泛应用受到了限制。 按膜组件形式分膜种类有：平板式、管式、中空纤维式、螺旋式、毛细管式 9 第一章文献综述 等。在分置式m b r 工艺中，平板式、管式等应用较多；在一体式m b r 工艺中， 多采用中空纤维式、平板式等。 根据生物反应器有无供氧又可分为好氧式m b r 和厌氧式m b r 。 1 2 2 2m b r 组合工艺的特点 将膜生物反应器应用于污水处理中，具有以下几个特征： ( 1 ) 能高效地进行固液分离，其分离效果比传统的沉淀池要好，且占地面 积少，通过膜分离装置所获得的水质很好，可以直接再回用。 ( 2 ) 膜生物反应器能保持高浓度的微生物。膜分离装置能阻止高分子量的 有机物和悬浮物向系统外流失，使参与反应的微生物完全保持在膜生物反应器 内，这对于截留世代周期较长的微生物尤其有利，如硝化细菌在反应器中的停留 时间，有利于提高系统的硝化效率。 ( 3 ) 膜可以阻留许多分解速度较慢的大分子难降解物质，通过延长其停留 时间而提高对它的降解效率。 ( 4 ) 剩余污泥产量小，污泥处理费用少。 ( 5 ) 易于实现自动化，操作管理方便。 但是，膜生物反应器也有不足之处，主要表现在以下几个方面 ( 1 ) 能耗和造价问题是污水处理工艺的重要评价指标，直接关系到处理方 法的经济可行性。膜生物反应器的能耗要高于传统活性污泥法0 3 加4 k w l l ，其 原因首先主要是膜生物反应器内通常会保持高浓度的m l s s ，为了提供充足的溶 解氧量，必须加大曝气量。而提高曝气量在一体式膜生物反应器中可以加大对膜 表面的剪切力作用，这对减小膜污染也是有一定意义的。其次，要使处理水通过 膜组件就要形成一定的负压，而此过程需通过真空泵来完成，这也是增加能耗的 一个方面。因此，较高的动力费用是膜生物反应器推广应用中的又一重大问题。 另外，据资料表明处理工艺中，膜组件的费用明显要高于占地和土建费用。在运 行费用中，膜组件的更换费用占总运行费用的4 0 一7 5 。故而优化膜组件结构 以及膜材料的选取是促进膜生物反应器发展和应用的重要因素。 ( 2 ) 膜污染是阻碍膜生物反应器实际推广应用的一大关键问题。大量研究 表明，膜污染主要来源于三个方面1 4 ： 一是滤饼层，即水透过膜时被截留下来的部分活性污泥和胶体物质在滤压差 或水流作用下堆积在膜表面而形成的膜污染( 属于可逆污染) ，其形成主要与料 液中的悬浮物浓度有关。另外，微生物所产生的胞外聚合物( e x t r a c e l l u a rp o l y m e r s e p s ) 在反应器中的不断积累，会引起混合液粘度的增加以及膜过滤阻力的增加， 因此，也是形成膜污染的一个不可忽视的重要因素。 1 0 第一章文献综述 二是溶解性有机物，它虽可以透过凝胶层，但也可被膜内微孔表面所吸附或 形成结晶而堵塞孔道，使膜通量下降。大量研究表明，污泥浓度( m l s s ) 、溶 解性有机物含量及混合液粘度对膜污染都有影响。m l s s 过低时，活性污泥对溶 解性有机物的吸附和降解能力减弱，使得混合液中溶解性有机物的浓度增加，其 易被膜表面吸附而形成凝胶层，因而导致过滤阻力的升高和膜通量的降低，当 m l s s 过高时污泥将在膜表面沉积而形成较厚污泥层，也会导致阻力升高和膜通 量下降。封莉等l 钙】考察了膜生物反应器处理生活污水过程中，污泥浓度对膜产 水量的影响，结果表明，膜的产水量与m l s s 的对数呈线性负相关，即值越大， 膜的产水量越低。 三是微生物，膜面和膜内的微孔中有微生物所需的营养物质，因而不可避免 地会有大量微生物滋生。 膜污染还可以分成泥相造成的污染和水相造成的污染。把泥相和水相造成的 污染分开来分析，将有助于对膜污染的了解以及对膜污染控制对策的研究。泥相 对膜的污染主要是污泥絮体沉积在膜的表面形成滤饼层，引起膜过滤阻力的增 加。滤饼层污染与活性污泥的性质有很大的关系，平均粒径大的污泥絮体形成的 滤饼层较松散，透水性能相对较好同时容易去除。水相对膜的污染，主要是由于 水相中的溶质对膜的污染而造成的，在水相中的各种溶质中，对膜污染影响最大 的是微生物产物。微生物产物包括溶解性微生物产物( s m p , s o l u b l em i c r o b i a l p r o d u c t s ) ，细胞外多聚物( e p s ，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 ) ，和细胞外聚合 物但c p e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r s ) 。短期运行的膜生物反应器，泥相的污染占主导方 面，长期运行的膜生物反应器，水相的污染尤其是三种微生物产物的污染在总的 膜污染中占主导方面。因此，有必要了解这三种微生物产物的成分，产生原因和 其产量、性质的影响因素。 s m p ：目前对的定义还没有达成一致意见，通常情况下认为是由于生物质对 基质的代谢同化作用以及生物质本身的内源呼吸异化作用造成的。据此，可以分 为两个大类：基质代谢产物( u a ps u b s t r a t eu t i l i z a t i o na s s o c i a t e dp r o d u c t s ) 和内 源代谢产物( b a pb i o m a s sa s s o c i a t e dp r o d u c t s ) 。u a p 的生成量与基质的分解速 度成正比，这类产物大部分可以被生物降解，但是降解速度较慢。b a p 的产生 速率与生物质浓度的多少成正相关，这部分产物一般很难被微生物降解。 一般认为s m p 包含下列物质：腐殖酸、富里酸、多糖，蛋白质、核酸、有 机酸、氨基酸、抗生素、类固醇、胞外酶、含铁