（环境工程专业论文）污泥性质对自生动态膜形成与污染的影响研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 自生动态膜生物反应器( s e l f - f o r m i n gd y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ， s f d m b r ) 利用过滤初期在廉价微网基材上自然吸附沉积形成自生动态膜 ( s f d m ) 取得与微滤膜近似的泥水分离效果，构成新型低成本膜生物反应器， 具有广阔的应用前景。s f d m 的形成和污染是制约s f d m b r 运行成本和能耗的 重要参数。作为s f d m 的主要构成成分，活性污泥性质的变化会对s f d m 的形 成和污染产生重要影响。 本文选取了2 0 种不同性质的活性污泥，在两台平行运行的反应器中开展批 式过滤实验，考察了1 2 种污泥性质对s f d m 的形成时间( 黝、过滤阻力( ) 及其污染倾向( ) 的影响。所研究的污泥性质包括：胞外聚合物( e x t r a c e l l u l a r p o l y m e r i cs u b s t a n c e ，e p s ) 及构成e p s 的蛋白质( p r o t e i n ，e p s d ) 和多糖 ( p o l y s a c c h a r i d e ，e p s 。) 的含量及二者的比值( e p s d e p s 。) 、污泥的颗粒粒径 分布( p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ，p s d ) 、相对疏水性( r e l a t i v eh y d r o p h o b i c ，r h ) 、 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 ，s m p ) 、比好氧速率( s p e c i f i c o x y g e nu p t a k er a t e ，s o u r ) 、污泥粘度( v i s c o s i t y ) 、污泥毛细吸收时间( c a p i l l a r y s u c t i o nt i m e ) 、污泥沉积指数( s v i ) 及污泥表面电荷( z e t ap o t e n t i a l ) 。利用s p s s 对实验结果进行统计分析。研究结果表明：污泥的e p s 浓度与污泥的s o u r 显 著负相关( r p _ 0 7 5 1 ) ，与v i s c o s i t y 正相关( r p _ 0 5 6 0 ) ，这两个性质主要受污泥 的e p s 。浓度的影响( r p = 一0 7 0 9 ；0 6 8 4 ) ，e p s 的浓度还与z e t ap o t e n t i a l 负相关 ( r p - 0 5 2 0 ) ，与s v i 显著正相关( r p - = o 7 3 6 ) ，这两个性质主要受e p s p 浓度的控 制( r 口_ 0 7 6 7 ；0 6 7 2 ) 。因此，在研究污泥性质对s f d m 的形成与污染的影响时， 将e p s 浓度及其他与e p s 无关的污泥性质作为独立因素进行分析。 结果表明：污泥的p s d 与乃显著正相关( r p 一0 8 0 8 ) ，与r 硎显著负相关 ( r p 一0 6 9 0 ) 。除p s d 外，污泥的r h 与巧负相关( r p 0 5 7 8 ) ，这表明，污泥颗 粒愈大，疏水性越强，s f d m 越易形成；且污泥的颗粒越大，s f d m 的过滤阻力 越小。污泥的e p s 与呈正相关关系( r p = o 7 2 3 ) ，其中，污泥的e p s 。浓度与孙 正相关( r p _ 0 7 6 0 ) ，而e p s p 与之无关。表明污泥的e p s 浓度，具体为e p s 。浓 度增加，s f d m 的污染程度加重。虽然污泥的e p s 。浓度与颤无关，但是e p s p 也是s f d m 的污染物质之一。除此之外，污泥的v i s c o s i t y 与显著正相关 山东大学硕士学位论文 ( r p = 0 8 0 1 ) ，s o u r 与确负相关( r p = - 0 6 4 2 ) ，后者相关系数的绝对值略低于前 者。由于这二者与污泥的e p s 和e p s 。浓度相关，且粘度与鲰的相关系数最高， 因此，污泥的粘度可以作为s f d m 污染程度的指示参数。 i i 关键词：自生动态膜生物反应器；污泥性质；形成与污染；统计分析 山东大学硕士学位论文 a b s t r a s t r e c e n t l y ，al o w c o s tm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) ，t e r m e ds e l f - f o r m i n gd y n a m i c m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( s f d m b r ) ，h a se m e r g e da sa l li n n o v a t i v ea n dc o s t - e f f e c t i v e w a s t e w a t e rt r e a t m e n ts y s t e m t h eb a s i ci d e ai st ou t i l i z et h ef i l t r a t i o nm o d u l e sm a d e o fc h e a pc o a r s e - p o r em a t e r i a l ss u c h 舔n o n - w o v e nf a b r i c ，n y l o nm e s h ，a n di n d u s t r i a l f i l t e r c l o t hi n s t e a do fm i c r o f i l t r a t i o n ( m f ) u l t r a f i l t r a t i o n ( t r f ) m e m b r a n e st or e d u c e c a p i t a lc o s t ，a n dt a k ea d v a n t a g eo ft h es e l f - f o r m i n gd y n a m i cm e m b r a n e s ( s f d m s ) ( i e i n i t i a l “d e s i r e d ”s l u d g el a y e r sd e v e l o p e do i lt h ec o a r s e p o r em a t e r i a l s ) t oa c h i e v e r e q u i r e ds o l i d - l i q u i ds e p a r a t i o ne f f i c i e n c y s i n c et h ed e v e l o p m e n to fs f d mi s e s s e n t i a l l yar e s u ro fs l u d g ed e p o s i t i o n a d s o r p t i o no nc o a r s e p o r em a t e r i a l s ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fs f d mi n c l u d i n gf o r m a t i o na n df o u l i n ga r er e a s o n a b l ye x p e c t e dt o b es i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db ys l u d g ep r o p e r t i e s t h i ss t u d yi n v e s t i g a t e dt h ei m p a c t so fs l u d g ep r o p e r t i e so nt h ef o r m a t i o nt i m e ( 劢，f i l t r a t i o nr e s i s t a n c e ( b m ) a n df o u l i n gp r o p e n s i t y ( ) o fs f d m s l u d g ep r o p e r t i e s i n c l u d e st h ee 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 s ( e p s ) c o n t e n tw h i c hi sc o n s i d e r e da s t h es u mo fp o l y s a c c h a r i d e s ( e p s c ) a n dp r o t e i n ( e p s p ) ，s o l u b l em i c r o b i a lp r o d u c t s ( s m p ) c o n t e n t ，p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ( p s d ) ，r e l a t i v eh y d r o p h o b i c i t y ( r h ) ，z e t a p o t e n t i a l ，s p e c i f i co x y g e nu p t a k er a t e ( s o u r ) ，d y n a m i cv i s c o s i t y ，c a p i l l a r ys u c t i o n t i m e ( c s t ) a n ds l u d g ev o l u m ei n d e x ( s v i ) s t a t i s t i c a la n a l y s e sw e r ec o n d u c t e dt o d e t e r m i n et h ee f f e c t so fs l u d g ep r o p e r t i e so ne a c hs f d mc h a r a c t e r i s t i c t h er e s u l t s s h o w e de p sc o n t e n tp r e s e n t sp o s i t i v e n e g a t i v ec o r r e l a t i o n sw i t hs o u r , z e t a p o t e n t i a l ，v i s c o s i t y a n ds v lw i t h r p = 一0 7 51 ，- 0 5 2 0 ，0 5 6 0 ，0 7 3 6 ，r e s p e c t i v e l y e s p e c i a l l y ，e p s cc o n t e n tw a st h em a j o rf a c t o ra f f e c t i n gs o u r a n dv i s c o s i t yo ft h e s l u d g e ( r p 一0 7 0 9 ；0 6 8 4 ) w h i l ee p s p c o n t e n ta f f e c t i n gz e t ap o t e n t i a la n ds v i ( r p - 一0 7 6 7 ；0 6 7 2 ) a sar e s u l t , t h ee p sc o n t e n ta n do t h e rs l u d g ep r o p e r t i e se x c e p t t h e s ef o u rs h o u l db ec o n s i d e r e da si n d e p e n d e n tf a c t o r st oc o n d u c tt h i ss t u d y i nt h es e q u e n ts t u d y ，i ti sf o u n dt h a tp s dw a st h em a j o rf a c t o ra f f e c t i n gb o t h s f d mf o r m a t i o nr a t ea n df i l t r a t i o nr e s i s t a n c ew i t hr p = - 0 8 0 8 ；- 0 6 9 0 ，p = 0 0 0 0 ；0 0 0 1 ， r e s p e c t i v e l y ，w h i l er hd i s p l a y e da sas u b - f a c t o ra f f e c t i n gs f d mf o r m a t i o nt i m e i i i 山东大学硕士学位论文 ( r p - 0 5 7 8 ；p = 0 0 5 2 ) t h ee p sc o n t e n tc o n t r i b u t e dt os f d mf o u l i n gp r o p e n s i t y ( r p 2 0 7 2 3 ，p = 0 0 0 0 ) i np a r t i c u l a r ，i n c r e a s i n ge p s cc o n c e n t r a t i o n ( r p = 0 7 6 0 ，p = 0 0 0 0 ) c o u l dr e s u l ti ns e r i o u ss f d m f o u l i n gw h i l en oc o r r e l a t i o nw a sf o u n db e t w e e ne p s p a n ds f d mf o u l i n gp r o p e n s i t y t h es f d mf o r m a t i o na n df o u l i n gm e c h a n i s m sw a s p r o p o s e db a s e do nt h e s ea n a l y s e s i na d d i t i o n ，d y n a m i cv i s c o s i t yd e m o n s t r a t e da c o n s i d e r a b l yp o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t hs f d mf o u l i n gp r o p e n s i t y ( r p = o 8 01 ，p = 0 0 0 4 ) w h i l es o u ra p p e a r e dar e l a t i v e l yl o w e rn e g a t i v ec o r r e l a t i o n ( r d f 0 6 4 2 ，p = 0 0 3 2 ) c o n s e q u e n t l y ，d y n a m i cv i s c o s i t yc o u l db ec h o s e na sa l li n d i c a t o rf o re x a m i n i n g s f d m f o u l i n g k e yw o r d s ：s e l f - f o r m i n gd y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( s f d m b r ) ；s l u d g e p r o p e r t y ；f o r m a t i o na n d f o a l i n g ；s t a t i s t i ca n a l y s e s i v 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 我国是一个水资源贫乏的国家，人均水资源占有量仅为世界平均水平的1 4 ， 是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之一【1 ，2 1 。近年来，由于我国城市化进程的 加速，水资源的分布呈现出北方资源性缺水，南方水质性缺水，中西部工程性缺 水的特点。全国范围内持续加剧的水污染和水资源短缺问题，已成为制约国民经 济可持续发展的重要瓶颈。因此，在加强水资源污染控制的同时，将水量稳定的 城市污水开辟为非常规水源，通过深度处理使其达到回用标准，是解决水资源短 缺问题的有效途径。 作为一种新型、高效的水处理技术，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 ) 工艺已受到各国水处理工作者的重视【3 - 5 1 。与传统的生物处理技术相比， 该工艺具有占地面积小，运行管理方便；出水水质好；能够实现水力停留时间与 污泥龄的完全分离，运行稳定；污泥浓度高，产量低；抗冲击负荷能力强等优点。 m b r 以其优质的出水水质被认为是“2 1 世纪的水处理技术 ，是具有较好的经 济，社会和环境效益的节水技术【6 】。因此，在发达国家，该工艺广泛应用于高浓 度有机废水和难降解工业废水的处理，城市污水和生活污水的处理和回用。目前， 世界已建的m b r 已超过2 5 0 0 座，m b r 的应用已涉及医学、化工、烟草、食品 和市政污水处理等诸多领域。 、， 2 0 世纪9 0 年代以来，m b r 工艺已在我国得到了稳定的发展，m b r 市场也 不断扩大。但是，由于m b r 工艺所采用的有机膜或无机膜组件的价格昂贵，使 得m b r 工艺的投资偏高，且在运行过程中，膜表面易被活性污泥混合液中的微 生物、无机物等覆盖，造成膜污染，使得该工艺的能耗增加。在工程应用中，成 本高、能耗大是制约m b r 工艺在我国发展的两大瓶颈m 】。因此，对该工艺技术 问题的研究将为城市污水处理提供一条高效经济、切实可行的解决途径，具有重 要意义。 近年来，一种新型低成本m b r 动态膜生物反应器d m b r ( d y n a m i c m e m b r a n eb i o r e a c t o r ) ，凭借其良好的处理效果和经济适用性，引起了越来越多 专家学者的兴趣与关注，逐渐成为污水资源化领域新的研究热剧9 。1 。d m b r 使 用廉价的粗孔微网材料( 如无纺布、筛绢、工业滤布等) 替代价格昂贵的常规微 山东大学硕士学位论文 滤超滤膜作为分离组件，极大地减少了初期建设投资。d m b r 利用反应器运行 过程中活性污泥在微网材料( 基材) 上生成的动态膜进行固液分离，出水水质明 显优于传统的二级生化污水处理工艺。由于动态膜的过滤阻力小，无需配备专用 出水泵，节省了d m b r 的运行费用。此外，与常规微滤超滤膜不同，动态膜易 于清洗再生，后期维护费用少。由此可见，d m b r 在保留了m b r 诸多优点的同 时，工艺成本显著降低，因此具有极高的研发价值和良好的市场应用前景。 目前，有关动态膜的研究集中在影响动态膜分离性能的因素及操作参数的优 化方面，而对于动态膜的形成及污染问题的研究甚少，对这一问题的研究将有助 于动态膜分离技术的进一步发展。 1 2m b r 1 2 1m b r 的概念及特点 m b r 是将膜分离技术与污水生物处理作用集中于一体的污水处理工艺。它 以微滤超滤膜分离系统代替传统活性污泥法中的二沉池，以实现高效的泥水分 离效果和处理效果。 m b r 具有传统污水处理工艺无法比拟的优点【1 2 - 1 6 】： ( 1 ) m b r 一般使用微滤超滤膜，膜孔径介于0 0 1 1 0 9 m 之间，因此，不 仅可以完全去除水中悬浮固体，大分子有机物和游离细菌，只要是粒径比膜孔径 大的物质都可以被截留，主要包括胶体、无机离子和小粒径的有机微污染物例如 腐殖酸等。采用超滤膜的m b r ，其出水甚至可以去除细菌和病毒，能够达到回 用的目的。因此，采用m b r 工艺可以得到优质的出水水质。 ( 2 ) 通过膜的分离作用，将传统污泥处理技术中二沉池无法截留的游离微 生物完全阻隔于生物反应器内，特别是那些增值速度慢的细菌，如硝化菌和亚硝 化菌，由于膜的截留作用使其在曝气池中得到富集，大大提高了反应器内此种生 物的浓度，从而大大提高了脱氮除磷效率。 ( 3 ) 通过采用膜进行固液分离，m b r 中活性污泥的浓度可以达到 2 0 0 0 0 m g l ，有的甚至高达3 5 0 0 0 m g l 。由于具有如此高的生物量，m b r 对有机 物的生物降解功能非常显著，使得有机物的去除率大大增加，尤其是对于难降解 有机物的降解效果非常明显。 ( 4 ) 采用m b r 工艺，不仅可以得到优质的出水，而且由于污泥浓度较高， 山东大学硕士学位论文 其耐冲击负荷能力较强，出水水质比较稳定，即使进水水质和操作条件发生较大 变化，m b r 的出水水质都能维持在：b o d 5 m g l ，t s s 2 m g l ，c o d 2 0 m g l ， t n 1 0 m g l ，t p l m g l ，出水可以直接回用或经过深度处理后回用。 ( 5 ) 由于膜的使用，使得m b r 中的污泥停留时间( s i ) 与水力停留时间 ( h r t ) 相分离，s r t 一般会超过2 0 d 1 7 1 。因此，剩余污泥的产生量极少，其处 理和处置费用会大大降低。w e r h r l ew e r ka g 公司研发的b i o m e m b r a tm b r 工艺 用于处理英国南部的一个牛奶场废水( 原采用氧化沟工艺，后设二沉池) ，运行 结果表明，出水c o d 平均为2 0 m e d l ( 原氧化沟工艺为l o o m g l ) ，污泥龄可长 达1 0 0 d 以上，因此剩余污泥产量很少【l s 】。 ( 6 ) 通过采用膜组件来代替沉淀和过滤过程，m b r 有效地将曝气、二次澄 清、过滤技术融合在一个构筑物中，极大地简化了工艺流程，从根本上解决了传 统工艺占地面积较大的问题。日本东京m 州大厦的u b i sm b r 装置用于处理建 筑物灰水，比传统处理方法节省约2 5 个停车位的占地面积。且m b r 结构紧凑， 工艺设备集中，易于实现一体化自动控制 1 8 】。 m b r 工艺在水处理方面有着其独特的优势，但也暴露出了一些尚需改进的 问题 1 9 , 2 0 】： ( 1 ) 初期投资成本和运行费用高。由于膜材料多为无机陶瓷膜和有机高分 子膜，其中有机高分子膜又包括聚砜( p s ) 、聚醚砜( p e s ) 、醋酸纤维( c a ) 、 聚乙烯( p e ) 、聚丙烯腈纤维( p a n ) 等各种材料的膜。无论是有机膜还是无机 膜，都存在成本高，寿命短的问题。在m b r 中，膜组件的费用明显高于占地和 土建费用。此外，在m b r 的运行费用中，由于膜组件寿命短，膜组件的更换费 用占总运行费用的4 0 一7 5 。可见，采用m b r 工艺，其成本及运行费用要比 普通活性污泥法高很多。 ( 2 ) 膜污染。m b r 使用中的不足之处突出表现为膜污染问题。膜污染是指 由于混合液中的悬浮物或可溶物质沉积在膜的表面或填充在孔隙内壁，使得膜阻 力增加，从而造成膜通量降低的过程。膜污染是膜技术应用中面临的关键问题， 它不仅影响膜的稳定运行，而且决定着膜的清洗周期和膜的更换频率。因此，膜 污染问题被认为是影响m b r 工艺经济性的最根本的原因。对于m b r ，要使其 获得长期稳定的运行效果，必须研究其膜污染的机理和防治方法。 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 能耗大。由于膜组件的孔隙度小，过滤过程需要借助外界压力来完成， 且随着膜污染的产生，所需压力也随之增加。另外，由于m b r 中污泥浓度较高， 需要较高的曝气强度来维持污泥所需溶氧含量。这使得m b r 所需的能耗远远高 于传统活性污泥法。 此外，m b r 的经济可行性亟待提高。尤其针对国内的经济发展水平，在膜 产品的供应状况和规范设计要求的条件下，确定m b r 用于污水处理的最大经济 流量是一个亟待解决的问题，同时需要界定和推荐比较适于采用m b r 技术处理 的污水类别。 1 2 2m b r 的研究及应用现状 1 2 2 1 国外研究及应用现状 1 9 6 6 年，美国的d o r r - o l i v e r 公司开发研制了第一个商用m b r ，并首次将其 用于船舶废水处理【1 8 1 ，自此拉开了m b r 技术研究与应用的序幕。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 8 】。7 0 年代后日 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，处理后的水做中水回用， 处理水量达5 0 - - 2 5 0m 3 d 。这一时期的研究主要集中在m b r 的处理效果与运行稳 定性方面。进入9 0 年代中后期，m b r 在国外已进入实际应用阶段。市场分析报 告指出【2 1 1 ，m b r 市场目前正处于加速增长阶段，而且这种增长趋势会持续1 0 年以上。1 9 9 5 年，m b r 的全球市值仅为1 0 0 0 万美元，而在2 0 0 0 2 0 0 5 年的五年 时间里翻了一倍多，达到2 1 7 亿美元，到2 0 1 0 年已超过3 6 亿美元。其市场增 长速率快于规模较大的深度污水处理设备市场，更快于其他类型膜系统市场。 m b r 市场具有巨大的增长潜力，发展前景乐观。这一点体现在目前m b r 市场 发展的主要推动力上，并且日后将发挥更大的作用。这些市场推动力主要包括对 于水质更加严格的立法要求，为降低成本而设置的资助基金及政策鼓励，对m b r 技术性能的信心等。目前m b r 研究和应用较多的是欧洲，北美洲和远东地区。 在欧洲，m b r 市场主要分布在英国，爱尔兰，德国，法国，意大利，比利时， 荷兰，卢森堡，伊比利亚。在美国和加拿大，m b r 市场的增长速率显著高于水 工业的其他部分。远东地区的韩国，中国和日本也有较大规模的应用。国际上知 名的生产商业膜组件的公司也位于这些地区。主要有：加拿大z e n o n 公司、日本 4 山东大学硕士学位论文 k u b o t a 公司、日本q r e l i s 和m i t s u ic h e m i c a l s 公司、南非w e i re n v i g 公司、荷兰 x f l o w 公司、韩国a q u a t e c h 公司和丹麦b i o s c a na s 公司。 目前m b r 的研究领域主要包括：各种废水的处理，饮用水处理和微污染水 源的治理，膜污染机理的研究，操作及设计参数的优化及改进，文献综述，微生 物特性及污泥特性的变化及其对膜生物反应器运行的影响，模型的建立，新型 m b r 工艺的研究。 m b r 在水处理中的应用主要包括：( 1 ) 城市市政污水及生活污水的处理。 k u b o t a 公司【18 】在英国p o r l o e k 市建立的m b r 工程用于处理市政废水，在运行过 程中，出水水质很好，一般最终出水b o d 不超过5 m g l ，而且不受进水b o d 影响。细菌的平均脱除率为6 l o g ( 9 9 9 9 9 9 ) ，其中，肠道病毒和大肠杆菌噬菌 体等病毒的平均脱除率为4 l o g ( 9 9 9 9 ) ，出水浊度的在线平均值为0 3 n t u 。( 2 ) 工业废水如制药废水，含油废水，酒精废水，医院废水，印染废水，造纸废水等 的处理，( 3 ) 饮用水及微污染水源的处理。 1 2 2 2 国内研究及应用现状 m b r 工艺在我国的研究始于1 9 9 1 年，岑运华发表了第一篇关于废水处理 m b r 的综述类文章，介绍了m b r 在其他国家的研究及应用情况。随后，m b r 的研究在一些大学和研究所如雨后春笋般兴起，包括中国科学院，同济大学，清 华大学，天津大学，浙江大学和哈尔滨工业大学等。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。1 9 9 4 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吲。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，研制出一套实验室规模的好氧分离 式m b r 2 4 1 。 国内m b r 的研究领域主要涉及：( 1 ) m b r 装置及m b r 类型的改进。王伟 国【2 5 】采用序批式膜生物反应器处理模拟生活污水，c o d 平均去除率达9 5 2 6 ， n h 4 + - n 、t n 、t p 平均去除率分别降为7 5 3 4 、6 1 4 2 、6 2 8 7 ，浊度去除率 达9 9 以上。李雅婕【2 6 】采用新型一体式m o 膜生物反应器处理高氨氮低c n 废 水，结果表明新型一体式m b r 反应器具有良好的有机物处理能力，能够适应不 同浓度污水的处理需求。( 2 ) 新型膜材料的开发及膜组件的优化。市场上主要的 山东大学硕士学位论文 膜材料主要为有机膜：聚偏氟乙烯( p ) f ) 、聚砜( p s ) 、聚酯( p e s ) ，聚乙烯 ( p e ) ，聚丙烯( p p ) ，聚氯乙烯( p v c ) ，聚丙烯晴( p a n ) 。无机膜如陶瓷膜等 也有大量的相关研究。郑宏林【2 7 】选取了两种不同结构类型的膜组件进行化工废水 处理的中试应用研究，对比研究了m b r 膜系统的临界膜通量、膜系统的分离与 处理效果以及膜的污染和清洗方式。结果表明，在该类废水处理中，在同等曝气 强度下，中空纤维帘式膜组件的临界膜通量为2 0 l m - e h - 1 ，平板式膜组件的临界 膜通量为2 5 l m - 2 h - 1 ；两组膜在处理和分离效果上相差不大；在抗污染性能上， 平板式膜组件更具优势，而且平板式膜组件更容易通过物理清洗空曝气的方式 使膜通量得以部分恢复，用次氯酸钠( n a c l 0 ) 溶液对膜组件进行化学清洗，均 能获得较好的通量恢复效果。( 3 ) 操作参数的优化。王小型2 8 】采用p v c 材料构 造m b r 反应器处理模拟生活污水，探讨了出水抽停比对膜污染的影响。结果表 明，当以1 2 m i n 为一周期时，其最佳抽停比为9 m i n 3 m i n ，这一模式是该新型材 料m b r 反应器的经济出水模式。( 4 ) 膜污染机理的研究及控制方法。林红军【2 9 】 通过对活性污泥进行终端过滤来反映膜污染机理，实验表明，最初很短时间内膜 污染受膜孔堵塞模型控制，之后受沉积层阻力模型控制，后一阶段是膜污染的主 要控制阶段；阻力分布实验表明沉积层阻力占总阻力9 0 以上，是膜过滤污染阻 力的主要组成部分；活性污泥各组分对膜污染均有贡献，其中悬浮固体、胶体颗 粒和溶质产生的阻力分别占8 7 9 8 、6 2 0 和5 8 2 。( 5 ) 不同类型废水的处理。 如中水回用，工业废水，市政废水等都有大量的研究。 m b r 在水处理中的应用包括：市政废水的处理，工业废水的处理，地表水 饮用水的处理，垃圾渗滤液的处理，饮用水的处理，微污染水源的治理等。蔡文 【3 0 通过引进、消化韩国某株式会社h a n t 工艺，结合高校生活污水水质，设计 建造1 0 0 0 m 3 d 生活污水深度处理及回用工程，运行结果表明：该工艺对c o d 和 b o d 5 的去除率均达到9 6 以上，对浊度、悬浮物和氨氮的去除率达到9 9 以上， 且出水水质稳定、无色无味，达到城市污水再生利用城市杂用水水质 ( c a t 1 8 9 2 0 - - - 2 0 0 2 ) 要求。此外，水处理工艺整体布置在地下，无噪音、无异味； 地面上可进行绿化或道路建设，解决了城市社区生活污水处理设施占地、噪声和 异味扰民问题。李明波【3 l 】等采用中空纤维膜生物反应器( m b r ) 工艺处理高稠 油炼制废水，研究结果表明，m b r 工艺可以有效的用于处理高稠油炼制废水， 山东大学硕士学位论文 c o d 、氨氮和油去除率分别为9 7 6 、9 7 8 、9 1 3 ，m b r 出水c o d 为5 9 0 6 r a g 1 ， 氨氮小于1 m 酮，油含量小于2 m g l ，出水水质优于传统生化工艺。 m b r 工艺在我国的研究和应用已经取得了巨大的成就。但仍存在一些缺点。 由于m b r 工艺的费用高于传统活性污泥法，使其仅在东部经济发达地区的应用 较为广泛，在经济相对落后的中西部地区，m b r 的推广应用受到了极大的限制。 因此，开发具有经济适用性的低成本、大通量、耐污染的新型m b r 工艺是促进 m b r 技术发展的有效途径。 1 3 动态膜 1 3 1 动态膜的分类及形成原理 m b r 在运行过程中，膜的表面会被污染物所覆盖，造成膜污染，但同时也 有利于病毒和有机物的去除，提高出水水质。动态膜生物反应器( d y n a m i c m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，d m b r ) 应运而生。d m b r 是指使用廉价粗孔微网材料( 如 无纺布、筛绢、工业滤布等) 替代微滤超滤膜作为过滤组件的支撑材料，通过 预涂剂或活性污泥在支撑材料表面形成的动态膜完成分离过程的装置。动态膜是 采用某种固体微粒或反应中形成的某种固体微粒，通过循环过滤使其沉淀在多孔 支撑材料表面上形成新膜，从而改进多孔支撑材料的过滤性能。其实质就是载体 组件在错流过滤时的浓差极化和滤饼层。由于动态膜形成时使用的溶液的溶质粒 径小于载体的孔径，在各种机理的作用下粒子在载体表面形成了一层具有微滤或 超滤性质的膜层，从而使动态膜的截留性能超越了载体。常用的制作d m b r 组 件的基材有很多，常见的有不锈钢丝网、普通筛网、工业滤布、无纺布等多孔材 料和一些高分子材料阎。基材的不同将影响动态膜的形成过程、稳定性能、污染 特征及处理效果。 根据动态膜分离层形成方式的不同，可分为预涂动态膜( p r e c o a t e dd y n a m i c m e m b r 锄e ) 和自生动态膜( s e l f - f o r m i n gd y n a m i cm e m b r a n e ，s f d m ) 两类： 预涂动态膜是将膜基质浸入含有预涂剂的悬浮液或胶体溶液中，利用其在错 流过滤时的吸附、沉积和浓差极化作用，在基质表面形成动态膜。常用的预涂剂 主要有p a c 、高岭土、m n 0 2 、z r 0 2 、有机聚电解质等3 3 琊】。预涂剂使控制过滤 过程的膜表面由疏水性变为亲水性，增强了液相透过性能，提高了动态膜过滤精 度。预涂动态膜由预涂剂颗粒在多孔载体上沉积而成，实质为载体组件在错流过 7 山东大学硕士学位论文 滤时的浓差极化和滤饼层。形成预涂动态膜的条件有：可以有效保持动态膜的载 体；错流分离方式的组件，以保证动态膜的制备和运行；形成膜的悬浮液浓度要 保持在l 2 0 9 l 。如果条件满足的话，其形成时间为几到十几分钟。 自生动态膜( s f d m ) 是将过滤污水过程中的微生物及其代谢产物在膜基质表 面沉积形成膜分离层。从结构上自生动态膜可分为过滤层( 包括成膜层和污染层) 和支持基材。成膜层与膜基质的结合比较强，但是由于厚度小，使得其截留能力 较弱；污染层主要由污泥絮团组成，结构松散，与底层的结合强度很弱，但是其 截留效果很高。与预涂层动态膜相比，自生动态膜形成的时间较长。f a n 和 h u a n g 3 6 】的研究认为自生动态膜的形成认为可分为滤饼层的形成和凝胶层的形 成两个阶段。从过滤一开始，由于水的压力作用，污泥随水流一起向膜组件方向 移动，滤饼层开始形成。以浊度降1 0 1 0 0 n t u 计，滤饼层的形成时间约为十几 到几十分钟；浊度下降至5 n t u 以下并长期稳定，即可认为凝胶层己形成，所需 时间随污泥浓度、污泥性质、基材孔径、初始通量、错流速度不同而改变。此外， 不同的文献对成膜的界定有多不同，本研究认为，自生动态膜的变化分为形成和 污染两个过程。由s f d m 起主要过滤作用的反应装置称为白生动态膜生物反应 器( s e l f - f o r m i n gd y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，s f d m b r ) 。 对于动态膜来说，一般认为造成通量下降的原理有：基材孔内部堵塞；颗粒 ( 包括悬浮固体颗粒和可溶性颗粒) 在载体表面的沉积；基材表面对颗粒的物理 一化学吸附；浓差极化( 浓差极化是由于膜的选择透过性，使截留组分在膜料液 内侧积累，浓度远高于主体溶液浓度从而在边界层和膜内形成的浓度分布) 。这 些原因也是动态膜形成所必须的因素之一。李俊【3 7 】等以陶瓷管为载体，对高岭土 预涂动态膜的形成进行了研究，认为动态膜形成初期1 0 1 3 m i n ，膜的形成主要 是由于颗粒堵塞载体膜管孔道造成的，从而致使渗透液通量急剧减小；之后，膜 的形成主要是高岭土颗粒在载体膜管内壁面沉积，渗透液通量缓慢下降直至基本 稳定。许莉等【3 s 】认为形成动态膜的条件有：( 1 ) 可以有效保持动态膜的载体；( 2 ) 错流分离方式的组件，以保证动态膜的制备和运行；( 3 ) 形成膜的悬浮液浓度要 保持在l 2 0 9 l 。如果这些条件都能满足的话，动态膜就可以在短时间内形成， 然后系统进入变化缓慢、几乎稳定的状态。王锦【3 9 】等认为动态膜的成因可归结于 溶剂液体与溶质颗粒的作用，以及溶解物质或颗粒与膜及膜支撑层的相互作用， 山东大学硕士学位论文 导致过滤时材料孔隙和表面微粒的积聚。因此，粗孔材料的孔径与微粒尺寸之间 的相互大小、吸附力、电性力、分散力、液体的边界层等影响动态膜的形成动力 学和机理。 1 3 2 动态膜反应器的特点 相对于传统的m b r 工艺，除具有传统m b r 的优点外，动态膜生物反应器 还具有以下优点： ( 1 ) 动态膜具有制备过程简单，在适当的条件下，通过循环过滤含固体颗 粒悬浮物或胶体的溶液，即可在介质( 支撑层) 表面形成动态膜； ( 2 ) 动态膜在提高过滤精度的同时防止了污染物向基材表面和内部的扩散， 减轻了对膜材料的污染程度； ( 3 ) 对于预涂动态膜来说，预涂剂的自身颗粒粒径大使得形成的动态膜孔 隙率高而可压缩性小，因此，动态膜有较强的液相渗透性能，从而延缓操作压力 的提高速率； ( 4 ) 动态膜易于从基材表面脱离，清洗时动态膜连同所吸附的污染物质及 微生物代谢产物一同被洗脱，使得膜通量得到有效的恢复。 ( 5 ) 动态膜反应器的基建费用低，d m b r 所使用的粗孔材料的价格远远低 于昂贵的微滤超滤膜材料，而且，膜通量较传统的微滤或超滤膜也要大，所需 膜面积小，且有利于减少反应器有效体积，这两方面的特点大大降低了动态膜反 应器的成本； ( 6 ) 运行费用低。由于粗孔材料的过滤阻力小，使反应器靠水位差就可以 出水，省去了m b r 工艺中的抽吸泵，降低了能耗，从而使运行费用大大减少。 ( 7 ) 动态膜膜污染容易去除，且动态膜再生容易。当动态膜生长过厚时， 可通过反冲洗等简单手段加以去除，减少膜堵塞。 ( 8 ) 粗孔材料( 基材) 丰富，渗透通量高。 1 3 3 动态膜生物反应器的研究现状与应用前景 2 0 世纪6 0 年代早期，为减少膜过滤过程中的膜污染和膜成本问题，o a k r i d g g e 国家实验室最早提出了动态膜过滤技术【4 0 1 。近期，对动态膜在水处理方 面的研究逐渐受到重视。国外所见动态膜的研究较多：日本丰桥大学的k i s o 采 用孔径为1 0 0 - - 3 0 0 9 m 的筛绢作为基材【4 1 1 ，构建微网动态膜生物反应器，研究了 9 山东大学硕士学位论文 d m b r 对模拟生活污水的处理效果。结果表明，在5 一 1 0 m m 水头的条件下，反 应器可以稳定运行2 - 一3 个月，出水s s 质量浓度和b o d 可以分别达到1 5 m g l 1 和5 m g l 。1 以下。c h a n 9 1 4 2 1 等利用无纺布作为分离组件构筑m b r 用于废水处理， 实验结果表明，在进水c o d8 0 0 m g l 一- 1 8 0 0 m g l 变化时，出水c o d 维持在 6 0 m g l ，s s 维持在1 0 m g l ，可见，其抗冲击负荷能力较强。y a m i n is a t y a w a l i 4 3 】 等用3 0 9 m 的尼龙筛网构造d m b r 用于处理酿酒厂废水，c o d 的去除率高达 4 1 ，s s 的去除率更是高达1 0 0 ( 平均为8 7 ) 。d u a n 删等用聚乙烯醇在工 业滤布表面制备预涂动态膜用于生活污水处理，批式实验结果表明：出水浊度小 于4 n t u ，s s 几乎为0 ，c o d 和氨氮的平均去除率为9 3 2 和9 8 6 。 国内的研究主要包括动态膜形成机理，影响动态膜过滤阻力变化的因素，动 态膜基材的选择，反应器结构的开发，曝气方式和强度对动态膜形成及污染的研 究，不同废水的处理等方面。初里冰【4 5 】利用工业滤布为基材构建动态膜生物反应 器处理校园生活污水。结果表明动态膜能在工业滤布表面很快形成且稳定存在。 出水浊度小于9 5 n t u ，t s s 小于5 0 m g l ，c o d 和氨氮去除率分别为7 2 8 9 和6 6 - - 一9 4 。动态膜的过滤阻力比微滤超滤膜要低2 - - 一3 个数量级，泥饼层阻 力是主要的污染阻力。傅大放【4 6 】等选用4 种基材：聚酯无纺布、聚丙烯无纺布、 聚酯筛网、聚酰胺筛网，分别考察了基材的受污染程度并分