（材料学专业论文）膜生物反应器处理生活污水的试验研究.pdf

摘要 膜生物反应器是生物处理技术与膜技术的有机结合，具有对污染物的高效去 除、较少的剩余污泥产量和优质稳定的出水水质等优点，成为一种新型的污水处 理回用技术，所以对膜生物反应器工艺的基本理论和性能研究有利于这种工艺的 应用和推广。 本实验采用的一体式膜生物反应器主要是用活性污泥生物反应器与中空纤 维膜组件相结合，处理生活污水。实验结果表明：一体式膜生物反应器可以有效 去除城市生活污水中的有机污染物。当污泥浓度为5 5 0 0 m g l ，d o 值为3 o m g 1 ， h r t 为4 h ，抽吸时间为1 5 m i n ，停吸时间为5 m i n 时，b o d 。的去除率在9 5 8 左右， 出水浓度在7 m g l 以下：c o d 的去除率稳定在9 0 以上，出水浓度在5 0 m g 1 左右， n h 。一n 去除率基本在9 3 以上，出水氨氮在0 4 8 3 8 8 m g 1 之间，出水水质好 且稳定。总之，膜生物反应器工艺对污水多项指标的去除效果明显优于其它生物 处理工艺。 系统主要靠生物作用除磷。在实验运行阶段，由于污泥生长需要吸收一部分 磷，总磷的去除率较高；后期由于反应器内有机物浓度没有大的增长，造成总磷 的去除率在系统运行了一段时间后出现下降的趋势。由于膜生物反应器工艺排泥 较少，且泥龄较长，因此它的生物法除磷效果并不理想，出水总磷的浓度在2 0 8 5 8 2 m g 1 之间，总磷去除率在2 2 8 5 3 7 之问。 由于膜本身特有的浓差极化和膜面污染，使得膜技术在污水处理方面受到限 制。根据膜污染的机理，本实验采用间歇微孔曝气和间歇抽吸排水等方法以减轻 浓差极化及膜污染，取得了良好的效果。 关键词：污水处理，生活污水，膜生物反应器，c o d ，b r t ，脱氮除磷， a b s t r a c t m e m b r a n e b i o r e a c t o r ( m b r ) w a sar e a s o n a b l e c o m b i n a t i o no f b i o l o g i c a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g ya n dm e m b r a n et e c h n o l o g yw i t hm a n ya d v a n t a g e s s u c ha sh i g hr e m o v a l e f f i c i e n c y o f p o l l u t a n t s ，l i t t l e s u r p l u ss l u d g e ，s t a b l e a n d h i g hq u a l i t yo fe f f l u e n t ，s oi tw a sb e c o m i n gan e wa n dr a p i dd e v e l o p i n g w a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dr e c l a m a t i o nt e c h n o l o g y , s ot h er e s e a r c ho nt h eb a s i ct h e o r y a n dt h ep e r f o r m a n c eo fm b rw o u l db e n e f i tt ot h ea p p l i c a t i o na n ds p r e a do ft h i s p r o c e s s t h ei n t e g r a t i v em e m b r a n eb i o r e a c t o rt h a tw a sm a d eu po ft h ea c t i v a t e ds l u d g e b i o r e a c t o ra n dm e m b r a n et r e a t e dt h ed o m e s t i cw a s t e w a t e ri nt h ee x p e r i m e n t t h et e s t r e s e a r c h e dt h et r e a t m e n tp e r f o r m a n c eo fm u n i c i p a ls e w a g ew i t l lt h es u b m e r g e d m e m b r a n eb i o r e a c t o r w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fs l u d g ew a s5 5 0 0 m g l ，t h e c o n c e n t r a t i o no fd ow a s 3 m g l ，h r tw a s4h o u r s ，t h et i m eo fp u m pw a s1 5 m i n a n dt h et i m eo fs t o pw a s 5 m i ni nt h ee x p e r i m e n t ，t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h er e m o v a l r a t e so fb o d 5w e r ea b o u t9 5 8 ，t h ee f f l u e n tl e v e l so f b o d 5w e r eu n d e r7 m l ；t h e r e m o v a lr a t e so fc o dw e r ea b o u t9 0 ，t h ee f f l u e n tl e v e l so fc o dw e r eu n d e r 5 0 m l ；t h en h 3 nr e m o v a le f f i c i e n c yw a su p9 3 ，t h ee f f l u e n tl e v e l so f n h 3 - nw a s a b o u t0 4 8 3 8 8m g 1 i naw o r d , m e m b r a n eb i o r e a c t o rc o m b i n a t i o nt e c h n o l o g yh a s a d v a n t a g eo v e rt h eo t h e re x i s t e dt e c h n o l o g i e si nr e d u c i n gm a n yp o l l u t a n t so fw a s t e d w a t e ra f t e rt r e a t m e n t d u e t ol e s s s l u d g ed i s c h a r g e a n d l o n g e r c e l ld e t e n t i o n t i m e ， t h eb i o l o g i c a lr e m o v a l p h o s p h o r u se f f i c i e n c y o ft h e s u b m e r g e d m e m b r a n e b i o r e a c t o rw a sn o tw e l l t h ee f f l u e n tl e v e l so fp h o s p h o r u sw e r eb e t w e e n2 0 8 5 8 2 m 1 ，t h er e m o v a l r a t ew a sa b o u t2 2 8 - 5 3 7 t h em e c h a n i s mo fm e m b r a n ef o u l i n gw a sd i s c u s s e d m e m b r a n et e c h n o l o g yh a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o na n ds u r f a c ep o l l u t i o n ；i th a sl i m i t a t i o n t oa p p l yt h em e m b r a n et e c h n o l o g yf o rw a t e rr e c y c l e i nt h i sp a p e r , t h ee x p e r i m e n t r e s u l ts h o w e dt h a ti n t e r m i t t e n tp u m pd r a i n a g ea n da e r a t i o nc o u l dr e d u c et h e c o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o na n dt h ef o u l i n go f m e m b r a n em o d u l e k e y w o r d s ：w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，d o m e s t i cw a s t e w a t e r ， m b r ，c o d ，h r t ， n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l 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，也不包含为获得云洼王些太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己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：7 移咭 签字日期：h 寥海岁肘曰 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。 特授权云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： 新躲移硅 签字同期：2 一- 7 年岁月f 日 签字日期：知节7 年亏月t 日 学位论文的主要创新点 l 、自行设计了膜生物反应器工艺，并验证了其工艺处理污水的可行性。 2 、研究了膜生物反应器工艺参数控制对系统的影响及系统的脱氮脱磷效果，并 考察了膜生物反应器与传统生物处理的差异。 第一章绪论 1 1 水资源现状 第一章绪论 水是自然界一切生命赖以生存的不可替代的物质，又是社会发展不可缺少 的重要资源。据统计，地球上水的总储量为1 3 8 6 亿k m 3 ，但其中约9 6 5 4 是不 能直接用于生活、工业用水及农田灌溉的海水。和人类生活息息相关的淡水量 仅为0 0 4 7 亿k m 3 ，占总水量的0 3 4 i l l 。水资源主要是指与人类社会和生态环境 保护密切相关而又能不断更新的淡水、地表水和地下水，其补给来源主要为大 气降水( 2 l 。 随着社会经济的发展和人口的急剧增长，人类对水的需求量不断增加，加 之人类用水的不科学和工农业生产及城乡生活对水的严重污染，使可利用水资 源逐年递减人类活动对水的污染使人的生存环境恶化，各大河川、湖泊几乎 没有一洼净水，水资源短缺与用水需求不断增长的矛盾日益突出，水资源匮乏 已成为2 1 世纪全人类面临的最严重危机。 由于水资源严重不足、水质不断恶化，许多国家都面临着水资源短缺的危 机，尤其是发展中国家和地区，水资源短缺问题愈益严重并有加剧的趋势 3 1 。据 有关专家预测，到2 0 2 5 年，全世界将有2 3 的人口面临严重缺水的局面1 4 1 我 国面临的局势更加严峻，严重影响了人民的生活和国民经济的发展。 我国是个水资源极其匮乏的国家，全国水资源总量2 8 1 2 4 4 亿n ，占世界 水资源总量的6 ，居世界第4 位，但人均水资源仅为世界平均值的1 4 ，是美 国的1 5 ，加拿大的1 5 0 。我国河川径流量( 地表水资源量) 居世界第5 位，平均 年径流深2 8 4 m m ，低于全球平均年径流深3 1 4 m m ，但人均占有河川径流量仅为 世界人均占有量的l ，4 。我国耕地亩均占有水量为1 7 0 0 1 8 0 0 m 3 ，是世界亩均径 流水量的7 1 7 5 。而且我国水资源时空分布不均，水环境污染状况相当严 重，己被联合国列为1 3 个水资源贫乏的国家之一 另外，我们国家的水资源分布具有南方多、北方少的特点。南方地区国土 面积占全国的3 6 6 ，耕地面积占全国的3 4 8 ，而水资源量占全国的7 0 。 目前，在全国现有城市中，有一半以上的城市不同程度地存在着缺水问题，其 中一百多个城市严重缺水。干旱缺水地区水资源供不应求的矛盾已构成制约国 民经济和社会发展的“瓶颈”，尤其在北方地区，水资源短缺已成为当地经济社会 发展的最大制约因素。 第一章绪论 另一方面我国水污染严重，污水回用率低。我国污水排放总量极大，每年约 有1 3 的工业废水和9 0 以上的生活污水未经处理就排入水域，9 0 以上的城市 水域也遭到了污染。2 0 0 4 年废水排放量为4 8 2 4 亿吨，其中工业废水排放量为 2 2 1 1 亿吨，生活污水排放量为2 6 1 3 亿吨。污水处理设施落后，污水处理率低， 是造成我国水环境污染的主要原因之一。部分污水处理厂的运行状况不够理想。 据建设部统计，全国城市生活污水处理率达4 2 ，但在已建成的城市污水处理 设施中，由于收费政策不到位，或污水管网不配套，致使处理设施运行也极不 正常，有三分之一开开停停，还有三分之一根本就未运行。 水资源的短缺和水污染并存的局面，严重威胁着人民生活质量的安全和经 济的发展。尽管各地都加强了城市供水设施的建设，使得“工程型缺水”问题得以 缓解，但“资源型缺水”问题，由于水源污染的加剧，不但没有得到解决，反而有 所加剧。对于缺水的城市来说，城市废水是一笔宝贵的财富，废水回用可以成 为解决我国城市水荒的一条重要途径。城市污水具有量大，就近可得，易于收 集的特点，目前，废水处理技术已比较成熟。作为城市第二水源，它要比长距 离引水更加实际且经济效益较好。在我国政府的“十一五规划”中，明确提出 建设资源节约型、环境友好型社会，加大环境保护力度，加强水资源的利用和 水污染的治理。污水作为一种稳定可靠、可再生利用的水资源，对其充分开发 利用是有效节约、开发利用水资源的重要手段之一，是解决城市缺水问题的关 键【1 】 1 1 1污水的资源化与回用 污水再生利用是实施污水资源化的核心内容。一般用过一次的水。污染杂 质只有0 1 左右，经再生处理重复利用，可实现水在自然界中的良性循环。 目前城镇供水的8 0 转化为污水，经再生处理，其7 0 可安全回用于工业冷却、 园林绿化、汽车冲洗及居民生活杂用，据估算相当于增加城市供水量的5 0 。 污水资源化是解决水资源短缺问题的切实可行的有效措施之一。将处理后 的回用污水作为城市用水的第二水源，使水资源得到可持续利用，具有开源、 节流与环境保护的综合效益。随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快， 在人们的生产活动中，用水量日益增大，相应的污水排放量也加大，水源污染 加剧，导致了水资源的功能下降，使原本的水资源供需矛盾更加恶化，严重地 制约着社会经济的可持续发展。为了缓解水资源的供需矛盾和日益严重的水环 境恶化的这一世界性难题，污水资源化已迫在眉睫。 目前世界上不少国家把经过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 第一章绪论 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，污水回用技术己经在农业、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 5 1 。 1 1 2 国内城市污水回用现状 为了解决水资源短缺的问题，污水回用工作日益受到重视。污水经过二级 处理和一定深度处理后的再生水，水质达到回用标准，可作为水资源加以利用， 主要回用于：城市公共事业用水，工业生产用水，农业灌溉，地下回灌水，冲 洗用水，环境用水等。 国内许多城市的污水处理厂建设了回用处理设旌。我国建设的污水处理厂 具有如下特点：一是规模较大，一般都在5 万立方米日以上，有的甚至达1 0 0 万立 方米日以上；二是比较广泛地采用新技术、新工艺，不再仅限于传统的活性污 泥法，例如，在昆明建成投产了以氧化沟为中心处理技术，包括同步脱氮除磷 功能在内的兰州沟污水处理厂；在邯郸建成了三沟式氧化沟为主要处理构筑物 的污水处理厂；在山东泰安、青岛建成t a n 法活性污泥处理系统的污水处理厂。 ( 1 ) 、天津纪庄子污水处理厂 天津市纪庄子污水处理厂是我国目前已建成、运行的规模较大的污水处理 厂之一，处理污水2 6 万m 3 d ，该厂采用a 2 o e 艺先进行脱氮脱磷处理，再经过纤 维球滤料过滤、消毒，然后回用。 ( 2 ) 、北京市高碑店污水处理厂 北京市高碑店污水处理厂是是目前全国最大的城市污水处理厂，总建设规 模为日处理污水1 0 0 万立方米，该厂承担着市中心区及东部地区总计9 6 6 1 公顷流 域范围内的污水收集与治理任务，流域服务人c 1 2 4 0 万，污水厂自身占地1 1 2 0 亩 ， 占北京市污水总量的4 0 ，为北京市工农业生产和城市经济发展提供可用的第二 水源，对于缓解北京市的水资源紧张状况起到积极的作用。 第一章绪论 ( 3 ) 、大连污水回用示范工程 大连市春柳河污水处理厂规模1 00 0 0m 3 d 的污水回用示范工程，每年可为大 连市提供3 5 5 万m 3 水回用于工业。新建的几个污水厂都有深度处理设施，大部分 二级处理后的水回用。 ( 4 ) 、青岛海泊河污水处理厂 海泊河污水处理厂污水回用工程处理能力为4 0 0 0 0 m 3 d ，每年可为城市提 供14 6 0 万m 3 回用水代替自来水，每年可以为城市创造72 5 6 万元的收益。 ( 5 ) 、洛阳石化总厂用“c a s s + 物化工艺”处理生活污水 洛阳石化总厂污水处理规模为1 0 0 0 0 m 3 d ，经处理后出水水质：c o d 1 5 m g f l ；b o d s 5m g l ；t n 5m g l ：p 0 4 3 l m g l ，每年可为洛阳石化总厂提供 3 6 5 万m 3 的回用水可满足循环冷却补充水及锅炉用水要求。 1 1 3 国外城市污水回用的概况 近些年来，许多国家已成功的实施了水的回用项目，国际上，在欧美、日 本等西方发达国家，已经普遍施行城市污水的集中二级处理，日本，美国，南 非、以色列等国早已开展污水经处理后回用的工作。 如美国，早在1 9 8 0 年已有回用工程5 3 6 项，年回用水量为9 3 7 亿m 3 。其中6 2 用于农灌，3 1 5 用于工业，5 用于地下回注，1 5 用于娱乐、渔业等。在沙 漠中兴建的赌城拉斯维加斯，有充足的电力供应，该市两个电厂科拉拉电厂和 森路土电厂的冷却水使用拉斯维加斯市污水厂出水。污水厂1 9 8 1 年投产，规模 2 4 万m 3 d ，二级处理出水b o d 3 0 m g l ，s s 3 0 m g l 。深度处理b o d 7 m g l ， s s 7 m g l ，浊度 1 度，p 0 5 m g f l ，该水质满足电厂冷却水质要求。污水回 用解决了沙漠城市的供水问趔6 】。表1 1 是部分国家和地区的城市污染水利用的 典型范例。 从表1 1 可以看出，回用水工程在许多国家已经得到了成功的应用。大量 事实证明大规模地回用水的可行性，以及回用水计划对世界范围内水资源的可 持续管理方面有着重要作用。 第一章绪论 表1 1 部分国家和地区的城市污染水利用情况 国家( 或地区) 规模( 万m 3 d ) 用途 加利福尼亚州的南海岸 2 1 6 0城镇、工业和农业用户输送回用水 墨西哥城9 0 0 0 0 公顷灌溉庄稼 澳大利亚的维吉尼亚 3 0 0 0 0灌溉园艺作物 澳大利亚的e r a r i n g 电站 8 5灌溉露天运动场地、冲洗卫生间 佛罗里达州的娃彼得堡 2 9 0 0景观、工业用水 加利福尼亚的蒙特利地区 2 0 0 0种植作物 以色列的丹地区 1 3 0 0 0 农业灌溉 阿拉伯联合酋长国的a b ud h a h i7 2 0 0绿色景观场地的灌溉 沙迦3 6 0 0绿色景观灌溉水 新加坡的n e w 用水 1 6 2 0经深度向工业供给高纯度的水 日本7 1 0 0生活杂用水 纳米比亚的温得和克 7 5 6世界上第一座饮用水的再生水厂 1 2 膜技术 1 2 1 膜技术定义、分类 膜分离技术是- - f l 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。均有一个共同特性选择透过性。膜 ( m e m b r a n e ) a - - j 以定义为在一种流体相( f l u i dp h a s e ) t 勾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1 6 l ，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。 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 第一章绪论 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 ) 、聚丙烯腈( p a n ) 、聚砜( 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 i t r a f i l t r a t i o n ，简称u f ) 膜、纳滤f ) 膜和反渗透( r e v e r s e o s m o s i s ，简称r o 堞。m f 膜孔径为0 1 1 胛i ，u f 膜孔径为1 r i m o 0 1 m ， n f 膜可分离直径为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。不同的膜过程使用不同的膜，推动力也不同。 目前已经工业化应用的膜分离过程有：微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、反渗透( r 0 ) 、 渗析( d i a l y s i s ，简称d ) 、电渗析( e l 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 、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、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： ( 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 膜生物反应器( m e m b m 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有机结合产生的废水处理新工艺，其产生和发展是 第一章绪论 这两类知识应用和发展的必然结果。m b r 利用反应器的好氧微生物降解污水中 的有机污染物，同时利用反应器内的硝化细菌转化污水中的氨氮，以除去污水 中产生的异味( 污水中的异味主要由氨氮产生) ，最后，通过中空纤维膜进行高效 的固液分离出水。膜一生物反应器工艺通过膜分离技术大大强化了生物反应器 的功能，其工艺流程见图1 1 。 原水一格栅上调祧一过端上膜生芦毒 图1 - 1 膜生物反应器污水回用工艺 与传统的活性污泥装置相比，膜一生物反应器主要有以下特点：( 1 ) 出水水 质优质稳定；( 2 ) 剩余污泥产量少，该工艺可以在高容积负荷、低污泥负荷下 运行，剩余污泥产量低( 理论上可以实现零污泥排放) ，降低了污泥处理费用； ( 3 ) 占地面积小，不受设置场合限制；该工艺流程简单、结构紧凑、占地面积 省，不受设置场所限制，适合于任何场合；( 4 ) 可去除氨氮及难降解有机物， 由于微生物被完全截流在生物反应器内，从而有利于增殖缓慢的微生物如硝化 细菌的截留生长，系统硝化效率得以提高；同时，可增长一些难降解的有机物 在系统中的水力停留时间，有利于难降解有机物降解效率的提高；( 5 ) 操作管 理方便，易于实现自动控制，该工艺实现了水力停留时间( h r t ) 与污泥停留 时间( s r t ) 的完全分离；( 6 ) 易于从传统工艺进行改造。 但是膜生物反应器也存在一些不足，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 膜造价高，使膜生物反应器的基建投资高于传统污水处理工艺； ( 2 ) 容易出现膜污染，给操作管理带来不便； ( 3 ) 能耗高：首先m b r 泥水分离过程必须保持一定的膜驱动压力，其次 是m b r 池中m i s s 浓度非常高，要保持足够的传氧速率，必须加大曝气强度， 还有为了加大膜通量、减轻膜污染，必须增大流速，冲刷膜表面，造成m b r 的 能耗要比传统的生物处理工艺高。 1 3 1 膜生物反应器的组成及特点 膜生物反应器主要是由膜组件和生物反应器两部分组成。生物反应器是污 第一章绪论 染物降解的主要场所，而膜组件往往会根据水处理目的而选用不同类型的膜。 所以各种膜生物反应器的差异都源于这两部分的组合类型及方式。 根据膜生物反应器中膜组件的作用，膜生物反应器一般分为3 类1 c 3 1 ： ( 1 ) 无泡曝气膜生物反应器( m e m b r a n ea e r a t i o nb i o r e a c t o r , u 3 r ) 主要用于高浓度 有机废水的处理；( 2 ) 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 ) 一般用于处理工业废水中的优先污染物；( 3 ) 膜分离生物反应器( b i o m a s s s e p a r a t i o nm e m b r a n eb i o r e a c t o r , b s m b r ，简称m b r ) ，主要用于固体的截留与分 离。其中以膜分离生物反应器的应用最为广泛，通常所说的膜生物反应器也主 要指该技术。膜分离生物反应器中的膜组件相当于传统生物处理系统中的二沉 池，利用膜组件进行固液分离，截流的污泥回流至生物反应器中，透过水外排。 按膜组件和生物反应器的相对位置，膜生物反应器可以分为一体式、分置 式和复合式三种嘿 1 、分置式膜生物反应器 分置式膜生物反应器( r m b r ) 工艺流程见图1 2 a 。膜组件独立于反应器， 彼此干扰小，并通过泵和管线连接构成，系统运行稳定可靠，操作管理容易， 易于膜的清洗、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 种不同的分离式m b r 。但分置式m b r 为了减少膜面污染，需循环泵提供较大的 膜面流速，同时泵的高速旋转产生剪切力对某些微生物细菌体会产生失活现象， 而且一般条件下为减少污染物在膜表面的沉积，由循环泵提供的水流流速都很 高，为此动力消耗较大。 最早使用的分置式m b r 是双泵循环系统，如c y c l e l e t 工艺，而z e n o n 和 g e n e r a lm o t o r s 共同开发的z e n o g e m 工艺则是单泵循环体系。分置式m b r 采 用的膜组件形式一般为平板式和管式( 如z e n o n 公司名为p e r m a f l o w z 一8 的管式 膜组件1 。 4 分离式膜生物反应器 b 一体式膜生物反应器 图1 2m b r 工艺示意图 第一章绪论 2 、一体式膜生物反应器 一体式m b r 是将膜组件置于生物反应器内部( 如图i - 2b 所示) 。微生物 在曝气池中好氧降解有机污染物，出水通过负压抽吸或利用液位差产生，得到 过滤液。根据处理工艺要求，可分为两种组成形式：第一种有两个生物反应器， 其中一个为硝化池，另一个为反硝化池。膜组件浸没于硝化反应器中，两池之 间通过泵来更新要过滤的混合液。该组合方式基于以下原因：( 1 ) 可以提供配套 ( 整装) 的膜和设备，便于旧系统的更新改造；( 2 游膜浸没池作为好氧区，而生物 反应池作为缺氧区以实现硝化反硝化目的；( 3 _ ) 便于将膜隔离进行清洗。第二种 组合最简单，直接将膜组件置于生物反应器内，通过真空泵或其它类型的泵抽 吸，得到过滤液。为减少膜面污染，延长运行周期，一般泵的抽吸是间断运行 的。一体式m b r 利用曝气时气液向上的剪切力来实现膜面的错流，也有采用在 一体式膜组件附近进行叶轮搅拌和膜组件的旋转来实现膜面错流效应。 与分置式相比，一体式系统不使用循环泵，可避免微生物菌体受剪力而失 活其最大的特点是体积小、结构紧凑、工作压力小、无水循环、运行能耗低。 但一体式膜通量相对较低，易发生膜污染，在运行稳定性、操作管理方面和膜 清洗更换上不及分置式。不过中空纤维式膜组件由于体积较小、组装灵活，可 分组设置成若干框架结构，便于从曝气池中拿出，克服了不易拆装的缺点。 表1 2 列出了一体式和外置式膜生物反应器的运行参数。 表1 - - 2 一体式和外置式膜生物反应器的运行参数的比较 总之，在分离式中，系统要在较高的压力下运行，所以一体式m b r 的实际 膜通量要大，较大的压力下则需要较大的膜表面液体剪切速率来控制膜污染。 而一体式系统中，其 i m p 较小，可以保持长时间的稳定膜通量而无需化学清洗， 第一章绪论 且膜通量不会超过其临界值，即临界膜通量( k w o n a n dv i g n e s w a r a n 提出，1 9 9 8 ) ， 因此，一体式m b r 比外置式m b r 总能耗要小，g a n d e r 等测定了m b r 的能耗 数据，试验表明一体式m b r 的总能耗比分置式少3 0 倍以上【8 l 。 3 、复合式膜生物反应器 复合式m b r 在形式上属于一体式膜生物反应器，所不同的是在生物反应器 内加装填料，从而形成复合式膜生物反应器，改变了反应器的某些性状。如图 1 3 所示。 3 水 1 一填料；2 一膜组件；3 一生物反应器；4 一抽吸泵 图1 - 3 复合式膜生物反应器 1 3 2 膜生物反应器工艺特点 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1 9 - 1 1 1 。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 2 m g l 2 e 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，不仅可以最大限度的去除悬浮物，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，从而大大的 提高反应器内的生物浓度，提高了有机物和氮、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i “17 j ： ( 1 ) 对污染物的去除效率高，出水水质好 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( c j 2 5 1 8 9 ) ，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。 第一章绪论 由于膜组件的高效截留作用，将全部的活性污泥都截留在反应器内，使得 反应器内的污泥浓度可达到较高水平，最高可达4 0 5 0 9 l 。这样，就大大降低 了生物反应器内的污泥负荷，提高了m b r 对有机物的去除效率，对生活污水c o d 的平均去除率在9 4 以上，b o d 的平均去除率在9 6 以上。 ( 2 ) 工艺参数易于控制，系统硝化效果高 膜生物反应器内实现了反应器水力停留时间( h r t ) 和污泥龄( s r t ) 的完 全分离，运行控制更加灵活稳定，是污水处理中容易实现装备化的新技术，可 实现微机自动控制，从而使操作管理更为方便。通过控制较长的s r t ，有利于生 长缓慢、世代时间较长的硝化菌的截留、生长和繁殖，保证了m b r 除具有高效 降解有机物的作用外，还具有良好的硝化作用。研究表明，m b r 在处理生活污 水时，对氨氮的去除率平均在9 8 以上，出水氨氮浓度低于1m g l 同时膜分 离也使废水中那些大分子，颗粒状难降解的成分在有限体积的生物反应器中有 足够的停留时间，从而达到较高去除率。 ( 3 ) 工艺流程简单，占地面积小，易于对现有污水处理厂进行改造 在城市污水或工业废水处理中，传统的处理工艺( 格栅+ 沉砂池+ 初沉池+ 曝 气池+ - - 沉池+ 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r 筛网过滤+ m b r ) 具有流程短、占地面积小、处理水量灵活等特点。m b r 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，m b r 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。 ( 4 ) 污泥龄长，剩余污泥量少 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 3 所示。 表1 - - 3 膜生物反应器与传统活性污泥法的污泥产率比较 第一章绪论 ( 5 ) 抗冲击负荷能力强 膜生物反应器中维持着高浓度的m i s s ，使它比传统生物法具有高得多的抗 冲击负荷能力。 ( 6 ) 工艺结构紧凑，易于自动控制管理 对于传统的活性污泥法工艺中出现的污泥膨胀现象，m b r 由于不用二沉池 进行固液分离，可以轻松解决这样，就大大减轻了管理操作的复杂程度，使 优质、稳定的出水成为可能。同时系统可采用p l c 控制系统，实现全程自动化控 制。表1 4 列出了m b r i 艺与普通活性污泥工艺的主要区别。 表1 4m b r 工艺与普通活性污泥工艺的比较 由上述可知，m b r 工艺所具有的优越性，是目前其他处理工艺无法比拟的。 该工艺在城市污水或生活污水处理、高浓度有机废水、难降解有机废水以及中 水回用等方面都具有广阔的应用前景。 1 4 膜生物反应器技术的研究进展 1 4 1国外膜生物反应器技术研究概况 国外有专家把膜技术的发展称为“第三次工业革命”，作为2 l 世纪最有前途的 高新技术之一，m b r 在水处理领域中的应用受到了世界范围内的广泛关注。 m b r 最先用于微生物发酵工业 1 2 1 在污水处理领域中的应用研究始于6 0 年 代的美国。美国的s m i t h 于1 9 6 9 年首次报道了美国的d o r r - o l i v e r 公司把活性污泥 法和超滤结合处理城市污水的方法1 1 8 】，该工艺最引人注目的是用膜分离技术取 第一章绪论 代常规的活性污泥二沉池，用膜分离技术作为处理单元中富集生物的手段，而 不是采用常规的回流循环来增加曝气池中微生物的浓度。它是用一个外部循环 的板框式组件来实现膜过滤的。在生活污水的处理中，获得了极佳的处理效果， b o d l m g l ，c o d 2 0 3 0m g l ，系统处理能力为1 0 1 0 0 m 3 d 1 9 7 2 年s h e l f 等开 始了厌氧型滤膜生物反应器的研究工作。g r e t h l e i n 于1 9 7 8 利用厌氧消化池结合膜 系统处理生活污水1 1 9 】，有机污染物和硝酸盐的去除率分别达到9 0 和7 5 。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，未能投入实际应用。污水膜生物反应器处于初级研究阶段。 8 0 年代以后，随着膜制造技术的发展、膜清洗方法的改进和污水厂出水水 质要求的提高，膜生物反应器成为研究的热点之一。y h m a m a t o 等人在1 9 8 9 年研 究了将中空纤维直接浸于曝气池内的一体式膜生物反应器，证明了采用间歇抽 滤和低压操作可在很大程序上防止不可恢复的膜堵塞，并使能耗进一步降低； 并于1 9 9 1 年进行了s b r 工艺与中空纤维超滤膜组件构成的膜生物反应器处理制 革废水研究1 2 0 l 。h o g e s t u 等在1 9 9 2 进行了固定床厌氧消化器与管式中空纤维膜组 件组合处理羊毛清洗废水的研究【2 ”u e d a 等在1 9 9 6 年利用中空纤维膜组件进行 了处理城市污水一体式膜分离活性污泥法( s m s a s ) 的工业化试验1 2 2 l 。德国 l s w a ( * 污染控制与垃圾处理研究所1 采用m b r 处理垃圾渗滤液的实验中，使进 水水质c o d 在1 0 0 1 5 0 0 m g 1 , ，b o d 5 在2 0 1 6 0m g l ，n h 3 n 在6 0 3 0 0 m g l ， a o x 在1 o 3 9m g l ，经过m b r 处理后其出水水质( 平均值) c o d 为2 5 0m g ：c ， b o d 5 为l m g l ，n h 3 n 9 9m e l ，a o x 5 0m g l 。 日本是最早开始研究污水的国家，也是最早将m b r 应用于污水回用的国家， 并开发了应用m b r 处理粪便污水的处理工艺。在美国、德国、英国、法国等国 家，m b r 工艺广泛应用污水处理及回用的各个领域，诸如生活污水、粪便污水、 一般的工业废水及难降解的有机工业废水。 目前，在世界范围内，实际运行的m b r 系统已超过了5 0 0 套，同时许多工程 正在计划或者建设中m b r 在日本的商业应用发展很快，世界上约6 6 的工程 在日本，其余工程主要在北美和欧洲这些工程中，9 8 以上是膜分离工艺与 好氧生物反应器相结合，约5 5 是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 5 列出了6 种主要商业化的m b r 。 第一章绪论 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，它的发 展也面临着许多问题。m b r 今后的研究方向主要有：膜污染的防治问题，如何 降低能耗的问题，如何将m b r 与其它处理工艺结合和改进，用来处理特殊废水 ( 如重金属污染的废水、有毒或难降解的有机工业废水等) 等等问题。 1 4 2国内膜生物反应器技术研究概况 我国对膜生物反应器污水处理技术的研究工作起步较晚。从目前报道( 2 3 - 2 7 1 的研究情况看，大都处于实验室小试或中试研究阶段。1 9 9 1 年，芩运华1 2 8 l 对膜 生物反应器的应用进行了综述研究，这是我国学者对膜生物反应器做的较早的 报道。随后，江成璋等人l