（环境工程专业论文）膜生物反应器废水处理运行特性研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 膜生物反应器是一种新型、高效的废水处理技术，在污水处理与回用中 有良好的应用前景。对m b r 工艺的基本理论和性能进行研究有利于这种工 艺的应用和推广。 本论文研究了水力停留时间( 哪对一体式膜生物反应器( m b r ) 处理生 活污水效果的影响，试验结果表明：水力停留时间为3 h 、2 h 和1 h 时，反应 器对c o d 的去除率分别为8 9 3 9 7 2 、8 8 5 9 7 3 和8 0 睢9 1 1 ，且h r t 为3 h 和2 h 时出水c o d 均小于3 0 0 m g l ，而h r t 为1 h 时出水c o d 偏高， 平均为5 2 0m g l 。所处理的生活污水，以达标排放为标准时，建议h r t 控 制在1 h ；以中水回用为标准时，建议h r t 控制在2 h 。 一体式m b r 对大豆蛋白废水具有较高的去除效率，稳定运行时c o d 去 除率在9 6 o 以上，b o d 去除率在9 8 0 以上， i n 的平均去除率为6 1 7 ， n h 3 n 的去除率可高达9 9 o ，但膜对n h 3 - n 去除率的贡献小。一体式m b r 处理系统对耶的去除效果不稳定，系统总去除率为1 4 7 5 6 5 。 一体式m b r 对抗生素废水中的污染物具有很好的处理效果，稳定运行 时c o d 去除率在9 7 o 以上，b o d 去除率在9 8 o 以上，t n 去除率为5 0 o ， 最佳d o 浓度范围为2 - 4 m g j l ，最佳污泥浓度范围为6 8 7 1 - 1 2 2 0 1 m g l 。 通过清洗试验，对膜污染的种类及其各自形成的机理或原因进行了具体 的分析，并且提出了膜污染的控制方法。找到了运行条件对膜通量的影响规 律，明确了膜通量在一定条件下( 温度为铀3 0 、压力为1 0 3 0 1 & a ) 与温度、 压力的正比关系、与m l s s 的线性负相关关系，并以数学模型 j = 【( o o 0 0 7 - r 2 0 0 0 2 3 t + 0 5 2 6 7 ) a p 0 0 4 7 6 t z + 2 0 1 1 8 t - 1 7 1 2 4 l n m l s s + ( 0 3 2 7 4 t “2 3 5 2 ) a p 0 4 1 6 5 t 2 + 1 7 8 2 7 t - 1 6 7 3 6 定量了这种关系，从而为一体式m b r 中运行条件的控制提供了理论依据。 关键词：膜生物反应器；生活污水；大豆蛋白废水；抗生素废水；膜污染 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) i san e ws t y l ea n dh i g he f f i c i e n c yt e c h n o l o g y o fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，w h i c hh a sap e r f e c ta p p l y i n gp r o s p e c t i v ei nw a s t e w a t e r t r e a t m e n ta n dr e c l a m a t i o n t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c es t u d yo fm b ri s p r o p i t i o u st oa p p l i c a t i o na n ds p r e a d i nt h es t u d yo ft h ei n f l u e n c eo fh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( a r t ) o nt h ee f f e c t o fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tb ym b r ，t h ep a p e rc o n c l u d e dt h a tw h e nt h eh r tw a s3 h ， 2 ha n dl h ，t h er e m o v a lr a t eo fc o dw a s8 9 3 - 9 7 2 ，8 8 5 - 9 7 3 a n d 8 0 0 - 9 1 1 r e s p e c t i v e l y x b v h e bt h eh r tw e r e3 ha n d2 h ，t h ee f f l u e n to fc o d w e r eb o t hb e l o w3 0 m g lh o w e v e r , w h e nt h eh r tw a sl h ，t h ee f f l u e n to fc o d w a sh i g h e r , t h ea v e r a g ew a s5 1 9 8 m g 儿w h e nt h ep u r p o s ew a st or e a c ht h e s t a n d a r do fd i s c h a r g e ，t h el hw a ss u g g e s t e do fh r ta n dw h e nt h ep u r p o s ew a st o r e a c ht h es t a n d a r do fr e c l a m a t i o n ，t h e2 hw a ss u g g e s t e do fh r t t h em e m b r a n eb i o r e a c t o rh a dah i g hr e m o v a lo fs o y b e a nw a s t e w a t e r , o nt h e s t e a d yw o r k i n gc o n d i t i o n ，t h er e m o v a lr a t eo fc o d a n db o dw a sa b o v e9 6 0 a n d9 8 o t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo ft nw a s6 1 7 i t sr e m o v a lr a t eo fn h 3 n w a su pt o9 9 o o rm o r e ，t h em e m b r a n ec o n t r i b u t e sl i t t l et ot h er e m o v a lo f n h 3 n b u tt h er e m o v a lr a t eo ft pw a su n s t e a d y , o n l y1 4 7 - 5 6 5 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h em e m b r a n eb i o r e a c t o rs y s t e mh a da g o o de f f e c to na n t i b i o t i cw a s t e w a t e r i nt h es t e a d yw o r k i n gc o n d i t i o n ，r e m o v a l r a t eo fc o da n db o dw a sa b o v e9 7 o a n d9 8 0 ，r e m o v a lr a t eo ft nw a s 5 0 o ，o p t i m a ld o a n dm l s sw a sa b o u t2 如叽6 8 7 1 - 1 2 2 0 1 m 班 m e m b r a n ep o l l u t i o ns o r t sa n df o r m i n gm e c h a n i s mo rr e a s o n sw e r ea n a l y z e d t h r o u g hc l e a n i n ge x p e r i m e n t s t h ec o n t r o lm e t h o d so fm e m b r a n ef o u l i n gw e r e p r e s e n t e d t h e i n f l u e n c eo f o p e r a t i o n a l c o n d i t i o n sw a sf o u n do u t t h e c o r r e l a t i v i t yb e t w e e nm e m b r a n ef l u x a n dt e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ( u n d e rt h e i l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c o n d i t i o no f t e m p e r a t u r e 4 - - 3 0 ca n d p r e s s u r e1 0 - 3 0 k p a ) w a s d i r e c t p r o p o r t i o n a n dt h e r ew a sn e g a t i v el i n e a rc o r r e l a t i o nb e t w e e nm e m b r a n ef l u xa n d m l s s ，t h e r c l a t i o nw a sd e t e r m i n e d b y m a t h e m a t i c a lm o d e l j = 【( 0 0 0 0 7 1 0 0 0 2 3 t + 0 5 2 6 7 ) a p 一0 0 4 7 6 1 2 + 2 0 1 1 8 t - 1 7 1 2 4 l n m l s s + ( o 3 2 7 4 t + 4 2 3 5 2 ) a p - 0 4 1 6 5 t 2 + 1 7 8 2 7 t - 1 6 7 3 6 t h e s ep r o v i d e db a s e st ot h ec o n t r o lo f o p e r a t i o n a lc o n d i t i o n si ns u b m e r g e dm b r k e yw o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r ；d o m e s t i cs e w a g e ；s o y b e a nw a s t e w a t e r ； a n t i b i o t i cw a s t e w a t e r ；m e m b r a n ef o u l i n g i l l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：低炖昭 日期：溺年弓月i 1 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文舸在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：豫蜘峨导师( 签字) ：1 匆青 日期： 涧年弓月“日2 口p 降与月f 1 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 膜生物反应器( m b r ) 概述 。通常提到的膜生物反应器，实际上是三类反应器的总称，它们分别是( 1 ) 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 eb i o r c a c t o r ，b s m b r ，简称 m b r ) ：( 2 ) 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 ) ；( 3 ) 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 c a c t o r ，e m b r ) l 。 1 1 1m b r 的分类 ( 1 ) 膜分离生物反应器用膜生物反应器( m b r ) 取代传统的二沉池进行 固液分离是目前该反应器应用最普遍的一种形式。m b r 由于膜的高截留率并 将浓缩液回流到生物反应器内，而使生物反应器具有很高的微生物浓度( 悬 浮固体可达1 0 0 0 0 m g l 以上) 和很长的污泥停留时间，因而使m b r 具有很 高的出水水质。m b r 在很低的f m 条件下运行，使有机物全部氧化。理论 上讲，m b r 污泥停留时间可以无限长而避免排泥，但过长的污泥停留时间会 使m l v s s m l s s 比下降，因为反应器内有机物的浓度( m l v s s ) 基本上是 一个常数，而截留的无机物量越来越多。定期排泥是比较合适的【2 】。 膜分离生物反应器的主要问题是膜的堵塞和膜的费用贵。膜的堵塞包括 通道堵塞和膜面堵塞【3 1 。前者主要是由于活性污泥中的纤维、杂物等折叠缠 绕而引起的，后者则主要是由于一些大分子物质与无机金属离子反应生成凝 胶层沉积于膜表面而引起的。膜的堵塞会使有效渗水率下降。采用适当的方 法清洗膜，可使膜的通透能力恢复到新膜的9 0 。膜生物反应器的主要费用 为膜的清洗、水的横向流动过滤压力以及浓缩污泥的回流。发展一体式膜生 物反应器是解决这一问题的途径之一。所谓一体式膜生物反应器就是将膜组 件直接置于生物反应器内，曝气器就放在膜组件的下面，由于曝气形成的剪 切力和紊动，使固体难于积聚在膜表面，从而减少膜的堵塞和能耗。同时， 还可以通过曝气形成的剪切力和紊动来控制膜表面的固体厚度。但一体式膜 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ! i s 生物反应器并非解决问题的万灵药，究竟采用一体式还是分置式应根据实际 情况确定。 ( 2 ) 膜曝气生物反应器传统的曝气池氧的利用率一般只有1 0 一2 0 ， 采用中空纤维膜管进行无泡曝气，氧的利用率( o u e ) 可接近1 0 0 。因为 在反应器内，气体的分压被控制小于泡点，从而使氧气不能进入大气，达到 氧利用的最大化。另外，由于反应器内巨大的膜表面为氧的传质以及生物膜 的增长创造了非常有利的条件，从而使这种曝气器的效率非常高。这些纤维 通常垂直置于管形组件中，气体从一端通入另一端则封口。纤维束在管中呈 流态化运动，不易被堵塞。英国工程物理科学研究会实验证实，采用该装置 不仅可以达到很高的碳的去除率，而且可以有很高的硝化去除率，如果氧的 供给能自动调整而满足氧需求的话，则即使在负荷波动很大的情况下，这种 膜生物反应器也能获得很好的出水，氧的利用率也能接近1 0 0 。c o d 负荷 通常取0 0 6 8 9 4k g m 3 d ，c o d 去除率都在9 1 以上，即使当c o d 负荷增 至3 4k g m 3 d ，水力停留时间只有1 5 h 的情况下，c o d 的去除率也可以达到 8 2 。 ( 3 ) 萃取膜生物反应器用做提取优先污染物的膜生物反应器( e m b r ) 是由内装纤维柬的硅管组成。这些纤维束的选择性将工业废水中的有毒污染 物传递到好氧生物相中，然后这些污染物在反应器内被微生物吸附降解。这 样，反应器的混合液与工业废水之间就有了一个浓度梯度，正是这个浓度梯 度使污染物不断从废水中透过生物膜进入生物反应器中。有时生物反应器中 需要填加一些无机营养成分，以便反应器能够高效的降解有机物。由于这些 成分不会受到管内流动的废水特性的影响，因此可以通过人为控制反应器内 的条件而使反应器高效运行。 1 1 2m b r 的特点 表1 1 列出了不同的m b r 各自的主要优点和缺点。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表1 1 不同的m b r 的优点和缺点 从表1 1 可以明显地看出，膜技术与生物污水处理工艺相结合来处理污 水与以前的污水处理工艺相比具有其独到之处，特别是占地面积小、设备集 中、模块化，并且具有升级改造的潜力。 由于采用了膜组件来实现泥水分离，膜生物反应器中的水力停留时间 ( h r t ) 和污泥停留时i n ( s r t ) 不再相互影响，生物反应器中的污泥浓度可以大 大高于传统活性污泥处理工艺，因此可以得到更好的c o d 、b o d 去除率， 并且还有以下几大优点m ： ( 1 ) 对污染物去除率高，不仅能高效地进行固液分离，而且能有效地去 除病原微生物： ( 2 ) 膜生物反应器实现了反应器泥龄( s r t ) 和水力停留时间( 蜘盯) 的彻底分离，使设计和操作大大简化： ( 3 ) 膜的机械截留作用较大地避免了微生物的流失。生物反应器内可以 保持高的污泥浓度，从而提高了反应器体积负荷，降低了污泥负荷： ( 4 ) 生物反应器内微生物浓度高，m l s s 为常规处理工艺的3 1 0 倍， 3 啥尔滨工程大学硕士学位论文 因此使构筑物体积大大缩小； ( 5 ) 膜的截流作用使污泥泥龄( s r t ) 延长，营造了利于如硝化细菌等 增殖缓慢的微生物的生长环境，提高了系统的硝化能力，同时有利于提高难 降解大分子有机物的处理效率，促使其彻底分解。 1 2m b r 在国内外的研究现状 1 2 1m b r 在国外的研究进展 1 2 1 1m b r 工艺的诞生 1 9 6 6 年，美国的d o r r - 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， 研究证明，该工艺具有减少活性污泥产量、维持较高污泥浓度、减少污水处 理厂占地面积等优点。7 0 年代初期，好氧分离式膜生物反应器处理城市污水 的试验研究进一步扩大。1 9 7 0 年，h a r d t 将完全混合式生物反应器与超滤膜 结合在一起进行污水处理，c o d 的去除可达到9 8 ，出水中不含细菌。1 9 7 1 年，b e m b e r i s 在一座实际的污水处理厂进行了膜生物反应器的试验，取得了 良好的试验结果。7 0 年代初期，好氧分离式m b r 的研究进一步扩大的同时， 厌氧膜生物反应器的研究也相继进行。1 9 7 2 年，s h e l f 等人进行了厌氧膜生 物反应器的试验室研究。1 9 7 4 年，c r a v e r 等人进行了厌氧膜生物反应器的中 试试验研究，都取得了较好的结果。1 9 7 7 年，a r i k a 等人也进行了m b r 的 研究，发现用超滤膜取代二沉池可有效地防止污泥膨胀对出水水质造成的影 响，而且得出了高的污泥浓度有较高的耐冲击负荷能力的结果。g r e t h l e i n 等 人在1 9 7 8 年进行了厌氧消化池膜系统处理生活污水的研究，b o d 和n o x 的去除率达到了9 0 和7 5 。h a m m e r ( 1 9 6 9 ) 和l i ( 1 9 8 4 ) 分别进行了厌氧一 膜系统操作的可行性研究，研究结果表明，厌氧污泥沉淀性能差，要获得高 浓度的污泥，提高污泥龄是厌氧消化技术的关键。 1 2 1 2m b r 工艺的发展阶段 进入8 0 年代中后期，膜生物反应器的研究有了较快的进展，其内容大致 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 有以下几个方面：( 1 ) 探索新的膜生物反应器形式，扩大其适用范围；( 2 ) 探求 合适的操作条件和工艺参数，尽可能提高膜组件的性能；( 3 ) 降低处理工艺的 动力消耗；( 4 ) 进行机理及数学模型描述的研究；( 5 ) 实用化装置的研制。 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，处理后的水用作中水回用，处理水量达5 0 - 2 5 0 m 3 d 。日本1 9 8 5 年开始 的“水综合再生利用系统9 0 年代计划”把m b r 在污水处理对象和规模上的研 究都大大地推进了一步囝。日本在该项计划中对厌氧m b r 作了较系统地研 究，研制了酒精发酵废水、蛋白工厂加工废水、造纸厂废水、淀粉厂废水、 粪便废水、城市污水等7 类污水的m b r 处理系统。许多研究证明了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 处理粪便污水，取得了 前所未有的良好效果。1 9 8 6 年，b i n d o f f 等人【8 】用厌氧固定床与膜分离组合工 艺处理高浓度生活污水。1 9 8 8 年，k r a u t h 等人【9 】用有压反应器与膜组件相结 合的工艺处理污水，由于提高了供氧能力，获得了很好的出水水质；s u z u k i 等人【i o 】研究了有机负荷、d o 、p h 等因素对微滤m b r 工艺处理稀释玉米浸 液水时溶解性有机碳去除负荷的影响，在不同的负荷下，总去除率超过了 9 6 ，说明有机负荷对m b r 去除c o d 无太大的影响。1 9 8 9 年，y a m a m o t o 等人( 1 l j 将中空纤维膜组件直接置于曝气池中，间歇抽吸出水，减缓了膜的堵 塞，单位体积出水能耗为o 0 0 7 l 【w 3 ，c o d 的去除率= 9 5 ，脱氮达6 0 。 1 2 1 3m b r 工艺的快速发展阶段 9 0 年代以后，国际上对m b r 在生活污水处理、工业废水处理、饮用水 处理方面进行了大量地研究，对m b r 机理、特性、膜通量的影响因素及操 作条件等方面也进行了大量的研究工作，m b r 已进入实际应用阶段，并得到 了快速的推广。 ( 1 ) m b r 工艺处理生活污水的研究1 9 9 2 年，c h i e m c h a i s r i 等人f 1 2 1 用 m b r 工艺处理生活污水，出水水质好于传统二级处理后再经消毒的出水； n a g a n o 等人1 1 3 】报道了m b r 中污泥浓度在好氧和厌氧系统中可达2 8 7 9 l 和 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 3 3 9 l 。1 9 9 3 年c h i e m c h a i s r i 等人【1 4 】分别利用中空、板式m b r 工艺处理城 市污水，对c o d 的去除率为：中空纤维式8 0 - 9 0 ，板式 9 3 ；c h i e m c h a i s r i 等人利用m b r 进行了生活污水脱氮研究【1 5 l 和低温脱氮研究【1 6 1 。1 9 9 4 年， b a i l e y 等人【1 7 】用错流式微滤m b r 工艺处理生活污水，对c o d 的去除率达 9 7 以上：c h i e m c h a i s d 等人【1 8 】和f a k t u u 1 1 r a z i i t 9 1 研究发现，稳态下不同m b r 的有机负荷从好氧系统的0 2 k g l ( m 3 d ) 到厌氧系统的1 9 7 k g ( m 3 - d ) 。1 9 9 5 年， m u l l e r 等人i 捌用错流式微滤m b r 工艺作中试试验，运行3 0 0 天，污泥浓度 达4 0 巧0 9 化体积负荷与污泥负荷分别为0 9 2 0 k g c o d ( m 3 d ) 和 0 0 2 1 k g l ( k g m l s s d 1 ，总有机碳去除率大于9 0 ，基本实现完全硝化，另有 4 0 的氮被反硝化去除。1 9 9 6 年，w i n n e n 等人【2 1 】用陶瓷膜生物反应器处理 人工合成废水，对c o d 、s s 、t k n 、n i l 3 n 的去除率都非常好，并能有效 地截留m s 2 型脊髓灰质炎病毒和异养细菌。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 iu e d a 2 2 l 等人采用膜组件上 部混合液的高度差所产生的水压将水压出膜组件，处理每吨水能耗为 2 4 k w h m 3 。z h a n g z 3 】等人采用膜生物反应器处理生活污水，c o d 去除率为 9 7 。r e na n dc h e n 【2 4 j 等人采用膜生物反应器处理生活污水，c o d 去除率为 9 7 3 ，出水c o d 小于3 0 m g j l ，达到中水回用标准。c h r i s t i a na b e g g l e n 2 5 l 等人采用膜生物反应器处理生活污水，氮和磷的去除率可达9 0 和7 0 。 ( 2 ) m b r 工艺处理工业废水的研究1 9 9 3 年，v e n k a t a d r i 2 6 】等人用中空纤 维膜生物反应器对有毒化合物的降解进行了试验研究；k a - a u t h 2 7 】等人将有压 膜生物反应器用于酸菜罐头加工废水处理的研究，进水c o d 为4 2 6 0 m g l 时，出水c o d 为7 0 8 m g l ，卫生学指标达到饮用水标准；l a c o s t e z s 】等人用 微滤( a a l 孔径o 3 4 y m ) 、超滤( 2 0 2 , 孔径5 0 n m ) 膜生物反应器工艺纯氧 曝气处理含蛋白胨、葡萄糖等人工合成废水，进水c o d 6 0 0 m g l 、 b o d 4 3 0 m g l 、t n 6 6 2 m g l 、s s 3 8 m g l ，出水c o d 为小于3 0m g l ，c o d 和b o d 的去除率为9 7 和9 8 ，出水中没有细菌和s s 。1 9 9 6 年，k o b a y a s h i 等人【2 9 1 用带电聚丙烯晴超滤m b r 工艺处理蛋白胨合成废水，结果表明正电 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i i 宣i i i i i 宣宣i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 暑i i i i i 暑i i 膜的过滤性能好于负电膜；b o s e t t i 等人【3 0 1 为了克服1 ，2 二氢二元醇的抑制， 引入聚丙烯酸板式超滤m b r 工艺研究萘的溶解，不仅产率比序批式高三倍， 而且转化率连续保持1 3 9 l 超过1 6 小时。1 9 9 7 年，b e n i t e z 等【3 1 1 采用一体式 中空纤维膜生物反应器处理制药废水，内置为聚乙烯材料的中空纤维膜，膜 孔径为o 1 “m ，c o d 平均去除率为7 5 。c l a r a 等人f 3 2 l 采用一体式中空纤维 膜生物反应器处理制药废水，重点考察不同s r t 对m b r 运行效果的影响， 结果表明m b r 可维持较高的s r t 。 ( 3 ) m b r 的机理及特性研究经研究发现，膜生物反应器水通量与污泥 浓度的对数呈线性关系，见式( 1 1 ) ： j u = - 1 5 7 1 1 0 9 ( m l s s ) + 7 8 4 。( 1 1 ) 式中j i 一膜通量，m 3 m 2 d ； m l s k 为混合液悬浮固体，m g l 。 1 9 9 1 年，t a k e s h is a t o 等【3 3 1 采用聚砜平板膜( 截留分子量2 0 0 0 0 0 0 ) ，得 出： j v = 4 8 9 6 ( m l s s ) - 2 6 6 ( r = 一0 8 9 3 8 ) 凡= 1 0 6 5 x 1 0 1 1 ( c o d ) - 3 9 3 ( r = 0 8 6 1 8 ) 凡= 0 7 0 3 5 ( r 1 ) 一0 9 3 6 ( r = 一0 9 7 8 0 ) 式中j 1 厂一膜稳态时水通量，m 3 m 2 d ； m l s s 堀合液悬浮固体，k g m 3 ； c o d 混合液溶解性c o d ，g m 3 ； q 辊合液粘滞度，p a s 。 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) 以上公式表明，污泥浓度越高、反应器内混合液溶解性c o d 越高、污 泥的粘滞度越大，膜通量愈低。1 9 9 6 年，z h a n g 3 4 l 等人对m b r 与传统活性 污泥法在微生物种群和细菌活性方面进行了对比研究：c h o o 3 5 】等研究了厌氧 硝化液组分对膜渗透性能的影响：n a g a o k a 3 6 l 等人研究了胞外聚合物及污泥 粘滞度对膜过滤阻力的影响。2 0 0 5 年，n a g a o k a 3 7 】等人进一步研究了膜污染 的过程和机理，并建立了膜污染的数学模型。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 2m b r 在国内的研究进展 1 2 2 1m b r 处理效果方面的研究 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 3 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【3 8 1 。同年中国科学院环境工程研究中心王菊思启动m b r 的 研究【3 9 j 。1 9 9 5 年，樊耀波脚1 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 ，该系统对石油化工污水中c o d 、b o d 5 、 s s 、浊度、石油类的去除率分别为7 8 9 8 、9 6 - 9 9 、7 4 。9 9 、9 8 1 0 0 、 8 7 。 近年来，膜生物反应器的处理对象不断扩展。1 9 9 7 年，邢传宏【4 1 】采用无 机膜生物反应器进行了处理生活污水的实验，考察了i m b r 在不同的s r t 下的处理效果、膜的堵塞及清洗的研究。1 9 9 8 年，管运测4 2 l 进行了两相厌氧 m b r 工艺的研究，系统对c o d 的去除率达9 5 ，s s 的去除率为9 2 以上， 酸化率6 0 8 0 ，气化率8 0 - 9 0 左右。1 9 9 9 年，吴志超f 4 3 】采用m b r 处理 c o d 高达3 0 0 0 1 2 0 0 0 m g l 的巴西基酸生产废水；王建功 4 4 1 采用生物接触氧 化法取代活性污泥法作为m b r 系统的生物反应单元，进行膜生物接触氧化 洼处理港口污水的研究；何义亮采用厌氧膜生物反应器进行高浓度食品废水 处理。2 0 0 0 年，王连军【4 5 1 用无机膜生物反应器( i m b r ) 处理啤酒废水；顾 平【删等采用国产中空纤维膜对生活污水作了中试的膜生物反应器研究，结果 表明：m b r 工艺出水悬浮物为零，细菌总数优于饮用水标准，c o d 和氨氮 去除率都高于9 5 ，出水可直接回用。这些研究结果表明：m b r 对废水的 c o d ，n h 3 n ，s s ，浊度等都达到良好的去除效果；管运涛等采用传统两相 厌氧工艺与膜分离技术相结合的系统处理造纸黑液配制废水，c o d 的去除率 可达7 3 1 。白晓慧等m 采用厌氧膜生物反应器工艺处理医药中间体酰氯废 水，选用杭州化滤膜工程公司生产的z k m w 0 5 t 型膜组件，原水c o d 浓度 平均为2 5 0 0 0 m g l ，系统对c o d 的去除率均保持在9 0 以上。黄其明等l 删 采用了一体式p w 膜生物反应器处理某制药发酵废水，其内置膜为日本生产 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i 宣i i i i i 宣i i 宣置i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i 宣i i i i i i i i 置i i i 宣i 置i i i i i i i i i i 的u f m 4 2 4 外进内出式p w 膜片，在进水c o d 为7 0 0 0 m g l 左右时，最终出 水c o d 降到了6 0 m g l 左右，去除率达到了9 9 ，达到了国家一级排放标准。 昆明理工大学鲁平等【4 9 l 采用采用一体式中空纤维膜生物反应器处理四川省 制药厂的抗生素废水，该厂的主要产品是青霉素，c o d 和n h 4 + - n 去除率分 别为9 8 和8 7 。同济大学孙振龙等删采用一体式平片膜生物反应器处理上 海某制药厂的抗生素废水，所用的膜材质为p v d f ( 聚偏氟乙烯) ，实验结 果表明，经过一段时间后m l s s 基本维持在1 5 0 0 0 m g l 左右，c o d 去除率 为8 6 。以上诸例说明采用一体式膜生物反应器处理制药废水可得到很好的 处理效果。徐又一等1 5 1 】采用一体式聚丙烯中空纤维膜生物反应器处理制药废 水，采用的聚丙烯中空纤维膜由浙江大学膜分离工程联合公司提供，由于生 化作用的增强及膜对微生物及溶解性有机大分子胶粒的截留，进水c o d 平 均为3 0 0 0 m g l ，出水c o d 在2 0 0 - 3 0 0 m g l ，平均去除率为9 1 。并且由于 膜的截留作用维持了较长的污泥龄，使硝化菌在曝气池中积累，n i - - 1 4 + - n 去除 率可达8 0 。聚丙烯纤维膜具有强度高，耐酸、碱和耐细菌腐蚀，原料便宜 易得，通量大等特点，可与传统的生物法废水处理技术结合，以解决工业上 高浓度、难降解有机废水治理问题。 目前，虽然应用膜生物反应器处理抗生素废水已多有研究，但多为小试， 且很少见有已经工业化的报道。 1 2 2 2m b r 操作条件和稳定运行条件的研究 1 9 9 7 年，樊耀波【5 2 l 通过数学推导，得出一个膜的最佳反冲洗周期测定公 式( 式1 5 ) ，并通过实验证实了这是一种较为方便的最佳反冲洗周期的测 定方法； ，( t ) = ( q ，- q b ) ( t b + t ，) ( 1 5 ) 张绍园【5 3 】根据微生物反应动力学平衡原理，推导出了分离式膜生物反应器水 力停留时间的公式( 见式1 6 ) ， h r t = i 1 x ( 1 8 1 ) ( 融+ l ) k s o ( 1 - 6 ) 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 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 萱i i i i 置 i i i i i i i i i i i 宣i 素从大n d , 依次为：底物最大比降解速度常数k ，饱和常数k ，维持常数 m ，真产率系数y g ，最大比增殖速率弘m 。1 9 9 8 年，黄霞1 5 4 1 等进行了膜活性 污泥法组合污水处理工艺的试验研究，结果表明膜的水通透量与活性污泥浓 度的对数值成反比，与水温成正比，膜面流速和膜面压力的提高有利于膜水 通透量的增加。1 9 9 9 年，李春杰【5 5 1 进行了错流膜生物反应器的水力清洗试验 研究，结果表明：清洗时采用高膜面流速、低操作压力和限制透过液对流传 递作用有利于错流膜生物反应器通量的恢复：桂萍【5 6 】等研究了三种形式膜生 物反应器工艺运行特性，结果表明，膜面污染物主要是固体污泥和溶解性有 机物，维持生物反应器内适量的活性污泥浓度，不仅可以减轻污泥在膜面的 大量沉积，也可以减少溶解性有机物在膜面的吸附；桂萍1 5 7 】从一体式m b r 运行条件对膜过滤特性的影响试验中得出：缩短抽吸时间或延长暂停时间和 增加曝气量均有利于减缓膜污染。影响膜抽吸压力上升速率的因素从大到小 依次为：抽吸时间、曝气量、停抽时间；何义亮【5 8 】进行了厌氧膜生物反应器 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。2 0 0 0 年，罗虹【5 9 l 在m b r 反应器混合液可过滤性的 研究中得出结论：改善活性污泥性状是m b r 稳定运行不可忽略的因素，粉 末活性炭( p a c ) 的加入提高了混合液的可过滤性，改善了泥水分离性能， 减少了膜堵塞的机会：王亚娥【删等研究了用p a n p s 共混超滤膜组件与活性 污泥法相结合的污水处理工艺，分析了影响超滤膜过滤水通量和过滤阻力的 主要因素，结果表明，混合液中的c o d b r 对膜过滤阻力和膜过滤通量的影响 比m l s s 大，所以曝气池采用高m l s s 、低负荷的运转方式有利于增加膜过 滤通量，提高系统的实用性；刘锐【6 l 】等对长期运行的一体式膜生物反应器的 膜污染进行了考察，发现膜内表面微生物的滋生和膜外表面污泥层的附着是 造成膜污染的重要因素，用2 - 5 的次氯酸钠进行在线药洗可有效地去除膜 内表面滋生的微生物，加大曝气量和进行空曝气是去除膜外表面附着污泥层 的重要手段。 1 2 2 3m b r 的基础理论研究 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在膜生物反应器的理论研究方面，1 9 9 7 年，邢传宏【6 2 l 探讨了污泥粘度与 污泥浓度m i s s 之间的关系，得出： t l = o 1 4 8 8 x m l s s + 1 0 3 6 ( 1 7 ) 在给定临界雷诺数r e 界为4 0 0 0 ，安全系数s f 为1 2 时，最小膜面流速 与污泥浓度m u 添之间的关系为： t h e - - 0 1 5 4 5 m l s s + i 1 1 4 4 ( 1 - 8 ) 当雷诺数r e 为4 x 1 0 3 2 x 1 0 5 时，水力边界层厚度约1 8 5 5 勉m ，传质边 界厚度约1 8 5 加5 m ，得出结论为水力边界层越薄，则传质边界层也越薄， 活性污泥中易引起堵塞的物质如粘性多糖、蛋白质等也越不易在超滤膜表面 沉积，从而延长操作周期。同年，邢传宏【6 3 1 等对错流式膜生物反应器处理生 活污水及其生物学研究得出： x = ( 0 5 6 x s r t ) ( 1 + 0 0 8 x s r t ) x ( c i c e ) h r t + ( c i - c s n p ) s r q( 1 9 ) 式中x - _ v s s ，表示生物浓度，单位为m e l ； y | - 一一真产率系数( 包括内源呼吸) ； c i 、c 。、c s t 。o _ 分别表示进水、出水、污泥上清的c o d 浓度，单位m g l ； s r t 妮龄，单位是h ； h r t 一水力停留时间，单位为h 。 1 9 9 9 年，杨造燕f 6 4 1 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方法，从理 论和实验上证实了膜生物反应器无剩余污泥排放的可能性。2 0 0 0 年，孟耀斌 【6 5 】等对分置式膜生物反应器处理生活污水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 流量来控制分置式膜生物反应器的处理能力；张绍元根据生态学中物质与能 量流动的原理，提出了高能量级生物体一后生动物蠕虫的存在，可增强m b r 净化污水的功能和减少污泥的产量，并设计出二段式m b r 以适应高能量级 特种微生物蠕虫的生长需要。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 3m b r 的应用现状 1 9 6 7 年，美国的d o r ro l i v e r 公司第一个将m b r 运用于城市污水处理的 实际运用中，处理水量为1 4 m 3 d 。1 9 7 7 年，日本在一幢高层建筑中建成了中 水回用的m b r 污水处理系统。1 9 8 0 年日本又建成了两座处理能力分别为 1 0 m s d 和5 0 m 3 d 的m b r 污水处理厂。9 0 年代初，美国在o h i o 建造了一套 用于处理某汽车制造厂工业废水的m b r 系统，处理规模为1 5 1 m 3 d ，有机负 荷为6 3 k g c o d m a d ，c o d 去除率为9 4 ，绝大部分的油和油脂被降解。9 0 年代中期，日本有3 9 座m b r 处理厂在运行，最大的处理能力为5 0 0 m 3 d ， 并且有1 0 0 多处的高楼采用了m b r 将污水处理后回用于中水道。这些系统 的出水已达到深度处理的标准，并且系统占地面积小、管理方便、剩余污泥 少。m b r 技术在日本的粪便污水处理中得到了广泛地运用，日本的琦玉县越 谷市在1 9 8 5 年采用m b r 工艺处理粪便污水，经处理后，出水中不含固形物， c o d 与色度可大幅度降低，反应器内的污泥浓度可达1 5 0 0 0 1 8 0 0 0 m r l 左 右，且系统运行稳定。1 9 9 4 年，日本已有1 2 0 0 多套m b r 系统用于处理4 0 0 多万人的粪便污水。m b r 技术在1 9 9 4 年前就被多家污水处理厂用于土地填 埋堆肥沥滤液的处理，通过m b r 和r o 技术的结合，不仅能去除s s 、有机 物和氮，而且能有效地去除