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东南大学硕_ 上学位论文城市污水的膜生物处理技术研究 摘要 水环境的严重恶化和社会经济的快速发展，追切要求新的污水资源化技术。 为此，本文对一体式膜生物反应器( m b r ) 处理城市污水的技术特性进行了较系 统的研究。试验考察了温度、水力停留时间、曝气强度等对m b r 处理效果的影 响，分析了膜对去除效果的强化作用，探讨了膜污染的控制方法，并进行了相关 经济技术分析；同时，运用物料衡算建立了以生物浓度预测为目标的数学模型。 研究结果表明：一体式m b r 对污水的处理效果稳定，当进水c 0 d c ，在2 0 0 4 0 0 丌1 9 几，n h 3 一n 在2 5 4 5 m g 几，t n 在2 6 4 7 m g l 时，出水c o d c ， 2 0 m g 几， n h 3 一n 2 o m g l ，t n l o i i 】g l ，去除率分别达到9 0 、9 0 和8 0 以上。出 水无色无味，未检出s s ，完全符合建设部生活杂用水回用标准( c j 2 5 1 1 9 8 9 ) 。 在本试验条件下，水力停留时间、曝气强度对m b r 运行效果的影响不甚显著； 温度对c o d c ，去除的影响也不大，但对n h 3 _ n 、t n 有显著的影响，温度由9 5 升至2 0 时，n h 3 _ n 、t n 去除率分别由2 0 、9 o 升高到9 9 0 、8 3 3 。 膜生物反应器的高效运行特性除得益于膜生物反应器内的高生物浓度和生物活性 外，膜对生物污泥和悬浮物的高截留能力具有不可替代的作用。运行过程表明， 低压恒流、定期反冲洗、强化曝气等措施是减缓膜污染，延长膜使用寿命的有效 措施。正是由于膜生物处理稳定的运行和良好的经济效果，必将成为2 1 世纪污水 处理资源化的优选工艺。 关键词：膜生物反应器城市污水处理特性膜污染 东南大学硕士学位论文城市污水的膜生物处理技术研究 a b s t r a c t s e r i o u sd e t e r i o f a t e dw a t e re n v i r o 姗e n ta n dr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n tr e q u i r en e w t e c h n o l o g i e sf o rs e w a g er e u s e 、t h c r e f o r e ，t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l ye l a b o r a t e dm e t e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fm b rd i s p o s m gm u n j c i p a ls e w a g e t h et e s ts t u d i e d 1 e i n n u e n c eo ft e l n p e r a t l l r e ，h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) a n da e r a t i o ni n t e n s i t yo n m b r sr e m o v a le 恐c t n l ei n t e n s i f l e dr o l eo fm em e m b r a j l ew a sa 1 1 a i y z e d ，e 筋c i e n t w a y sw e r ee x p l o r e dt oc o n t r o lm e m b r a n ep o l l u t i o n ，a n de c o n o m i cp r o 矗tw a s 印p r a i s e d a sw e l l m e a n w h i l e ，am a t h e m a t i cm o d e l a i m e da t b i o l o g i c a ld e n s i t yf o r e c a s tw a s e s t a b l i s h e da c c o r d i n gt om a t e r i a lb a l a n c ep r i n c i p l e t h er e s e a r c hs h o w e dt h a t i n t e g r a t e dm b r a c h i e v e ds t a b l er e s u l t so nt r e a t i n gw a s t e w a t e r w h e nt h ei i l l e tw a t e r q u a l i t i e sa sf o l l o w s ：c o d c r b e 觚e e n2 0 0a n d4 0 0 m l ，n h 3 - nb e t w e e n2 5a n d 4 5 m l ，t nb e t w e e n2 6 a 1 1 d 4 7 m g l ，t h ee m u e n tw e r e ：c o d c r 2 0 m g l ， n h 3 - n 2 o m 班，t n 1 0 m g l ，w h i c hm e a nr e s p e c t i v er e m o v a l r a t e sw e r eo v e r9 0 ， o v e r9 0 a n do v e r8 0 f o rt h e s e t h r e ep a r a i i l e t e r s t h ee m u e mw a sd e v o i do fc o l o r ， o d o ra n ds s ，c o m p l e t e l ym e e t i i l gt l l e s e w a g er e u s es t a n d a r d sd e s i g n e db yt h e c o n s 仃u c t i o nm i n i s t r y ( c j 2 5 1 1 9 8 9 ) u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h i se x p e r i m e n t ，h r t a n da e r a t i o ni n t e n s i t ys h o w e dl i t t l ee e c to nm 旧r t e 瑚p e r a t l l r eh a d1 i t t l e i m p a c to n c o d c ，r e m o v a l h o w e v e r ，i td i s t i n c t i v e l ya 虢c t e dn h 3 一na n dt nr e m o v a l w h e n t e m p e r a t u r ei n c r e a s e df r o m9 5 t o2 0 ，t h er e m o v a lr a t e sf o rn h 3 一na i l dt n i m p r 0 v e ds e p a r a t e l y 丘o m2 0 a 1 1 d9 t o9 9 ，o a n d8 3 3 m b r sh i g he 伍c i e n c y b e n e 丘t e d 行o mm b r sh i 啦b l o c k i i l ga b i n t yf o ra c t i v a t e ds l u d g ea f l ds s ，a p a r t 舶mt h e h i g hm i c r o b i a ld e n s i t yi 1 1t h er e a c t o ra n dh i g hb i o l o g i c a la c t i v “y0 p e r a t i o ns t a t e d 也a t s t a b l en u xa t1 0 w e rp r e s s u r e ，p e r i o d i c a lb a c k - n u s h i n ga n di n t e n s i f i e da e r a t i o ne t c w e r e e f f i c i e n tm e t h o d st or e l i e v em e m b r a l l ep 0 1 l u t i o na i l dp m l o n ge m p l o yl o n g e v i t yi t i s o u to ft h ep r o c e s s s t a b l eo p e r a t i o ne f f l c i e n c y 肌dg o o dp r o f i tt h a tm b rw i l l s l 】r e l y b e c o m e 也eo p t i m a lp t 0 c e s sf 酐s e w a g er e u s ei nt h e2 1s t k e yw o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，m u n i c i p a ls e w a g e ，t r e a t m e n tc h a r a c t e r i s t i c s ， m e m b r a n ep o l l u t i o n i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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。 、 签名： 拉j ! 函日期：塑! 兰：加 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签 名：立峰导师签名。圭望垩蔓日 期：羔型坐 东南大学硕士学位论文城市污水的膜生物处理技术研究 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 我国的水资源状况 水作为一种资源，是人类生存和社会发展的重要物质基础。近年来，随着社 会经济的快速发展和人民生活水平不断提高，水资源短缺己成为一个全球性问题， 对于我国尤其如此。根据2 0 0 0 年中国环境状况公报【1 公布，我国人均水资源 占有量为2 2 3 8 6 m 3 ，仅为世界人均占有量的l 4 ，是世界1 3 个贫水围之一。在全 国6 0 0 多座建制市中，有近4 0 0 座城市缺水，其中1 3 0 多个严重缺水，因缺水， 每年给城市工业造成1 2 0 0 多亿元的经济损失。与此同时，水环境污染日趋严重， 全国江河水域普遍受到不同程度的污染，富营养化问题也已成为我国湖泊的主要 环境和生态问题之一。2 0 0 0 年中国水资源公报 2 于艮道，我国河流水质优于i i i 类的占5 8 7 ，比上年减少3 7 ；在所评价的2 4 个湖泊中，优于i 类的仅为9 个，4 个受污染，1 1 个受到严重污染。水资源短缺和水环境污染已成为制约我国 经济和社会发展的重要因素。 1 1 2 解决水资源短缺问题的途径 为解决人类面临的水危机，世界各国、各地区围绕“开源节流”采取了一系 列积极有效的措施，其中，城市污水的再生与利用是一条具体可行的重要途径 3 1 。 此举既可开辟新的水源，又可减少对水环境的污染，可产生巨大的经济和环境效 益，是解决“水危机”的战略性举措。 围绕污水的处理与回用，近年来，世界各国相继开展了一系列卓有成效的研 究，各种新型、改良型的高效处理技术也应运而生。其中，特别是以膜分离为基 础的膜生物处理技术在实践中取得了快速的发展。 1 2 膜生物技术的研究现状、水平及问题 1 2 1 工作原理与特点 膜生物反应器( m b r ) 是一种由膜组件取代传统生物处理中二沉池和砂滤池 的生物处理技术。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 9 几左右，从而限制了生化反应速率和处理负 荷。m b r 综合了膜分离与生物处理技术的优点，不仅可最大限度地去除悬浮物以 改善出水水质，同时可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，从而大大提高反应器内的生物浓度，提高了有机物和氮、磷的 东南大学硕士学位论文城市污水的膜生物处理技术研究 去除率“3 。 比起常规的生物处理方法，膜生物处理技术具有如下显著特点：( 1 ) 污染物 去除率高，抗污泥膨胀能力强，出水水质稳定，可完全滤去悬浮物及有关微生物， 出水无需消毒。( 2 ) 膜的机械截留避免了微生物的流失，使生物反应器内保持高 的生物浓度，从而大大提高了容积负荷，降低污泥负荷，减少占地面积。( 3 ) 污 泥泥龄长，剩余污泥量少，大大降低了污泥处理费用。( 4 ) 实现了水力停留时间 和污泥停留时问的彻底分离，使设计与运行大大简化。( 5 ) 工艺结构紧凑，易于 实现自动控制。 1 2 2 工艺类型、特点及应用现状 膜生物反应器主要由生物反应器与膜组件构成，按其组合方式可分为一体式、 分离式和萃取式系统 。 一体式膜生物反应器工艺流程如图1 1 。膜组件直接置入生物反应器内，微 生物在曝气池中好氧降解有机物，处理水通过负压抽吸或压差经膜表面流出。 b 1 一体式腥生物反应器 此类反应器的特点是体积小、结构紧凑、工作压力小、无水循环、节能。曝 气器置于膜的下方，空气搅动产生膜表面的错流，混合液随气流向上在膜表面产 生剪切，以减少膜污染。由于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，但一体式m b r 单位膜的处理能力低、易被污染、产水率较低。 日本学者y a m a m o t o 等”1 在1 9 8 9 年首次开发成功一体式m b r ，其出水水质好 且无剩余污泥，泵的动力消耗也较低。目前，一体式m b r 已应用于美国、德 国、法国和埃及等十多个污水处理厂，规模从3 8 0 m3 d 到7 6 0 0 m3 d 不等。国内清 华大学刘锐等。1 对一体式m b r 处理生活污水进行了系统的研究。结果表明，当 进水c o d 在1 8 0 7 6 0 m g 1 ，n h 。_ n 在1 9 7 4 5 9 m g l 时，出水c o d 2 0 m g l ， n h 。n 2 o m g l 时，d o 浓度对硝化作用的影响可不予考虑，本试验 结果进一步证明了这一点。本试验为了保证膜表面不会产生浓差极化和减缓膜污 染，采用穿孔管曝气产生的气流对膜表面进行搅动，反应器内d o 取较大值，分 别达到6 o m g l ，3 o m g l 和2 0j i 】g 儿，故d o 不会成为限制硝化的因素。 图3 1 2 还表明，随着曝气强度减小，t n 去除率有所增加，三种工况相应去 除率分别为8 3 5 ，8 8 4 ，9 0 4 ；分析认为，由于本试验中混合液的回流靠 缺氧区、好氧区问的内循环。曝气强度大，好氧区内d o 浓度高，d o 较高的混 合液进入缺氧区，难以保证缺氧区反硝化最佳的缺氧条件，从而影响反硝化过程 的进行，使脱氮率下降。因此，在控制膜污染的同时应综合考虑能耗和t n 去除 效果，以选择最佳的曝气强度，本试验确定最佳气水比为3 0 ：1 ，此时t n 去除率 为8 8 4 ，且反冲洗周期为1 天，从而在保证处理效果的同时，有效控制了膜污 染。 3 4 膜对去除效果的强化作用 前面已经说到，m b r 技术与传统活性污泥法最大的区别在于膜的高效截留作 用，在截留悬浮物及生物污泥的同时，还可截留大量被污泥吸附的有机物，从而 使m b r 具有了传统活性污泥法无法比拟的优点。 3 4 1 有机物的去除 m b r 对有机物的去除效果来自两方面【2 l 】：一为生物反应器对有机物的降解； 另一为膜对大分子有机物的截留，大分子物质被截留于反应器内，获得比传统活 性污泥法更多的与微生物的接触时间，且有助于某些专性微生物的培养，提高有 机物的去除率。 一般来说，膜对溶解性有机物的去除主要来自三方面的作用，其一为膜本身 的截留作用，即膜的筛滤作用，如图3 1 3 ( a ) ：其二为膜孔和膜表面的吸附作用， 如图3 1 3 ( b ) ；其三为膜表面形成的沉积层的筛滤和吸附作用，如图3 1 3 ( c ) 。 但是，在这三种对溶解性有机物的去除作用中，各种作用的贡献大小并不相同。 作用一只能去除分子量大于膜截留分子量的大分子有机物，对于大量分子量小于 膜孔径的有机物的去除，主要通过作用二和作用三去除。前人对活性污泥的超滤 试验结果表明2 22 3 ，2 “，溶解性有机物的去除主要是通过膜面沉积层的筛滤和吸附 作用，即上述的第三种作用完成的，仅有少部分是膜面和膜孔的吸附即第二种作 用完成的。 6 东南大学硕士学位论文城市污水的膜生物处理技术研究 腰 腰 腰 。溶液。活性污泥絮凝体 ca ) 厦孔的筛滤作用 ( b ) 厘孔和腰表面的吸附作用 层 ec ) 沉积层的筛溏l j 刑 作用 图31 3 腥对活性污泥溶解性物质截留的机理示意图 理论上讲，生物反应器和膜分离对有机物的去除作用可分别通过上清液( 混 合液经离心分离所得) 有机物浓度以及上清液与膜分离出水有机物浓度的差值来 反映。因此，下面将以第二阶段各工况下有机物去除效果为例，进行膜贡献率的 分析。 由图3 1 4 可见，上清液c o d c r 的平均去除率分别为8 3 o 、8 4 1 和8 4 6 ， 膜分离出水平均去除率分别为9 4 0 、9 5 6 和9 6 1 ，结果表明系统总去除率 平均值在9 4 以上，其中生物反应器的贡献率在8 0 以上，而膜对c o d c ，去除的 贡献率在1 0 2 0 之间，进一步表明膜生物反应器良好的出水水质，是生物降解 与膜分离共同作用的结果。 运行持续时间( d )压干r 符续时日j 【d )运行持续时问( d ) 工况l ( 1 8 7 5 h )工况2 ( 6 2 5 h ) 工况3 ( 93 8 h ) 图31 4 第二阶段膜对去除有机物的影响 由图3 1 4 还可看出，在各工况启动的前几天，膜分离出水总去除率较低，而 后逐渐趋于稳定，其原因是启动开始阶段膜操作压力较低，再加上膜组件下部穿 孔管曝气作用使膜表面水流紊动十分剧烈，造成膜表面凝胶层形成缓慢，因此该 阶段泥水分离作用主要依靠膜孔的截留作用，许多小于孔隙直径的物质会随出水 流出造成膜分离出水c o d c ，较高。在启动后期，凝胶层逐渐形成，使膜的截留作 东南大学硕士学位论文城市污水的膜生物处理技术研究 用大幅度提高，保证了膜分离出水c o d c 。稳定在2 0 m l 以下，平均去除率在9 4 0 以上。这一现象进一步说明泥水分离过程中，膜实际起了一个骨架作用，膜表 面凝胶层对小分子物质的截留起了关键的作用2 6 1 。 3 4 2n l l 3 一n 、t n 的去除 1 、膜分离对n h 3 n 去除的强化作用 反应器稳定运行期间，系统具有较高的n 蝎- n 去除率。n h 3 n 的去除容积负 荷最高可达o 2 5 6 k ( m 3 d ) ，此时出水n h 3 - n 浓度小于1 m 班，n h 3 一n 去除率为 9 9 4 。而以往传统的o 工艺，只有当进水n h 3 一n 容积负荷小于o 1k g ( m 3 d ) 时，出水n h 3 一n 浓度才小于1 0m g ，l 。根据分析，膜生物反应器可以达到很好的 n h 3 一n 去除效果的原因如下： ( 1 ) 膜的截留作用使反应器内污泥浓度达到1 9 9 l 5 8 9 l ，降低了f m 值 ( 通常小于o 1 5 埏c o d ( k g v s s - d ) ，而普通活性污泥法中f m = o 1 0 4 k g c o d ( k g v s s d ) ) ，减弱了异养菌对溶解氧的竞争，有利于自养硝化的进 行； ( 2 )由于气流的剪切作用，膜生物反应器内微生物絮体较活性污泥法细碎，从 而有利于氧的传递； ( 3 ) 因膜对微生物的截留作用，世代周期长的硝化菌得以在反应器内富集，使 n h 3 - n 的转化率高。 2 、硝化是反硝化的前提 一般说来，硝化效果的好坏对综合脱氮效果的影响很大。本试验系统类似传 统的前置式反硝化工艺，使脱氮过程直接利用进水中充足的有机碳源而省去外加 碳源；使好氧区回流混合液中的n o ，一在缺氧区进行充分的反硝化，从而提高了脱 氮率。 3 4 3 悬浮物的去除 表3 5 为m b r 对悬浮物s s 的去除情况，由表可见，经m b r 处理的出水悬 浮物去除率在9 8 8 以上。 表3 5m b r 对悬浮物的去除效果 进水s s ( m g l ) 4 8 04 5 24 7 44 9 85 0 64 5 44 6 8 4 8 2 出水s s ( m g l ) 60040202 去除率( ) 9 8 81 0 0 1 0 09 9 21 0 09 9 61 0 0 9 9 6 东南大学硕二卜学位论文城市污水的膜生物处理技术研究 分析其原因，在m b r 对城市污水处理过程中，膜及膜面形成的生物膜沉积 层的截留作用，是悬浮物去除的主要原因。 3 5m b r 出水水质评价 m b r 是一种处理效果好，但相对而言能耗也较高的污水生物处理技术，直接 用于城市污水的二级处理在我国现有的经济条件下是不可取的。为此，本研究对 城市污水回用的可行性进行了研究。试验出水( 见表3 6 ) 悬浮物s s 和大肠菌群 e c 0 1 。【2 7 0 8 1 浓度极低，c o d c ， 2 0 m g l ，n h 3 一n 2 o m g 几，浊度 9 8 8 c o d c ， 5 05 0 9 2 n h 3 一n 2 01 0 9 5 浊度度 1 0b 9 7 总大肠菌群( 个l ) 330l o o d h6 5 9 o6 5 9 o7 1 8 5 嗅无不快感觉无不快感觉无不快感觉 东南大学硕士学位论文城市污水的膜生物处理技术研究 第四章膜污染及控制 一体式m b r 由于出水水质好、设备紧凑、剩余污泥量少等优点而日益受到 人们的重视。然而，随着运行时间的推移，一体式m b r 膜内外表面都会受到不 同程度的污染，致使膜过滤阻力上升，产水量下降，运行周期缩短，由此制约该 工艺的推广应用。为使m b r 获得长期稳定的运行，须系统研究膜污染机理及控 制方法。 4 1 膜污染及机理 4 1 1 膜污染定义 所谓膜污染，是指被处理污水中的微粒、胶体或溶解性大分子物质由于与膜 间的物理化学作用或机械作用而在膜表面或膜孔内吸附沉积，造成膜孔径减小或 堵塞，使膜通量下降的现象 2 9 】；而浓差极化则是由于膜表面和膜孔的选择性透过 造成膜面浓度高于处理液浓度的现象。这两者虽然概念不同，但密切相关，常常 同时发生，许多场合下正是浓差极化导致了膜污染3 0 l 。 膜生物反应器中引起膜污染的物质来源于活性污泥混合液，其组成是复杂而 变化的，包括微生物菌群及其代谢产物、待处理废水中的有机大分子、小分子、 溶解性物质和固体颗粒，理论上，每一部分都会对膜污染产生影响。 4 1 2 膜污染的表达及膜阻力测定 膜污染通常是用过滤过程中的膜阻力变化来表征的刚。根据d a r c y 定律，膜 阻力与膜面压降和膜通量问存在如下关系： ，： 竺 ( 4 1 ) ( 月。+ 月z ) 式中，膜通量m 3 ( m 2 s ) ；p 膜面压降p a ； 透过液的动力粘度p a s ；r 。膜组件的阻力 m 一； r ，膜污染引起的增量阻力( 包括浓差极化、膜表面和膜孔内污 染、生物堵塞等产生的阻力) 酊1 。 ( 4 1 ) 式表明，在温度一定时，透过液粘度系数一定，膜通量j 与膜面压 降，成正比，与膜总阻力( r 。+ r ：) 成反比。为了了解膜组件的阻力，本试验中， 在接种污泥前，首先在1 2 的清水中对新膜进行了试验测定，考察新膜在不同压 降p 条件下膜通量的变化。此时，膜污染引起的阻力r ，为o ，试验结果见表4 1 。 东南大学硕士学位论文城市污水的膜生物处理技术研究 表4 1 膜组件阻力月。，计算表 0( l h )l234 56 ，f 】0 石m 3 口2 s 。)0 9 3 1 8 52 7 84 1 7 5 5 6 p ( k p a )5 39 71 5 12 2 33 09 由表4 1 数据计算i ，及p 并作图4 ，1 。在1 2 时，m = 1 2 4 0 1 0 。p a s 为 一常数，膜组件自身的阻力月。也为一常数，根据( 4 i ) 式，膜通量，与膜面压降p 间呈线性相关。将图4 1 中各点进行线性回归，可得通量与压降关系如下： 膜面压降1 0 3 p a 图4 1 清水试验膜通量与膜面压降的关系 i ，= 1 8 0 7 3 1 0 1 0 p( 4 2 ) 直线方程斜率1 ( r 。) = 1 8 0 7 3 1 0 1 0 ，将= 1 2 4 0 1 0 。p a s 代入，即可 求得膜组件阻力r 。为4 4 6 2 l o ”m 。 为了进一步求得膜污染产生的总阻力 r ，在接种污泥稳定运行一段时间( 3 个 月) 后，明显观察到膜组件已受到一定的污染，此时水温为2 5 。通过改变膜面 压降p ，测定膜通量的变化( 试验结果见表4 2 ) ，将通量，与压降p 关系作图 4 2 。 表4 2 膜污染引起的增量阻力心计算表 q( l h )l2 34 56 i ，( 1 0 。6 m 3 - m 。s 。1 )0 9 31 8 52 7 84 1 75 5 6 p ( k p a )1 5 、83 0 64 6 。46 9 39 3 o 膜面压降1 0 3 p 4 图42 膜污染后膜通量与膜面压降的关系 同样，通过线性回归，可得如下方程： ，= 5 9 9 3 1 0 1 1 p( 4 3 ) 该直线方程斜率1 卢( r 。+ 胄。) 】 = 5 9 9 3 l o 。1 1 ，将“= 8 9 0 1 0 1p a s 代入， 得膜总阻力( r 。+ r z ) 为1 8 7 4 8 l o ”m 一， 东南大学硕士学位论文城市污水的膜生物处理技术研究 从而得出因膜污染产生的总阻力r ，为1 4 2 8 6 x1 0 ”m 。膜污染阻力r ，为膜组件 阻力r 。的3 2 倍，是影响膜通量的主要因素。 4 1 3 膜污染机理研究 随着膜生物技术的研究和发展，对膜污染及其机理的研究也取得了一定的进 展，目前的研究认为，根据导致膜污染的物质性质，膜污染物主要包括：无机物、 有机物和微生物，对应于三种污染物也有如下三种有关膜污染机理的表述。 ( 1 ) 无机物污染机理主要指钙、铁、铅、镁等的碳酸盐和硫酸盐及硅酸等 结垢物的污染，其中c 。c 0 3 和c 。s 0 4 最为常见。从膜面颜色的观察可知膜污染及 其程度，一般由浅白色到浅灰色、灰黑色，即表明膜面已形成垢体。以往的研究 认为，垢体中钙的含量高达8 4 2 4 ，其次是硅、铅、铁等，其含量为1 5 5 3 4 5 ， 灰黑色部分表现为不同晶体的堆积1 3 2 j 。 ( 2 ) 有机物污染机理膜的表面特性，如表面电荷、憎水性、粗糙度等对膜 的有机污染有重大影响。 ( 3 ) 微生物污染机理 f l e m m i n g 等【3 3 】根据不同的膜对微生物表现出的不同 生物亲和性，提出了膜被微生物污染的4 个阶段学说：第一阶段，腐殖质聚糖及 其它微生物的代谢产物等大分子物质的吸附，使在膜表面形成一层具备微生物生 存条件的薄膜。第二阶段，进水的微生物体系中粘附速度快的细胞形成初期粘附， 在这一阶段中死亡细胞与活着的细胞其行为是一致的，这说明最初的粘附是处于 膜面与主体液流间的一种非稳态过程。第三阶段，在粘附后期，进水中的细菌总 数与细菌的营养状态将大大影响粘附行为，由于后续大量不同菌种的粘附，胞外 聚合物与生物膜的早期发展，形成了微生物的群集生长，膜上的微生物能利用细 菌残体及污染层上被膜浓缩吸附的有机营养物质进行新陈代谫f ，其中溶解性的代 谢产物易被吸附在膜上。第四阶段，在膜表面形成了一层生物膜，造成膜的不可 逆堵塞，使出水能力下降。 4 2 膜污染试验结果与分析 膜污染是影响m b r 长期稳定运行的关键，故需对膜污染的影响因素加以分 析。本试验研究的各工况均令膜通量恒定，因此，当膜内外表面受到污染时，将 导致膜过滤阻力增加( 压力上升) 。通过连续观察膜过滤压力的变化，可了解膜的 污染情况。根据以往的研究经验，膜污染除了与膜的性质和过滤液的性质有关外， 还与膜分离的操作条件有关。为此，本研究共进行了三个阶段九种工况的试验， 以下将就温度、水力停留时间、曝气强度对膜污染的影响进行分析。 东南大学硕士学位论文城市污水的膜生物处理技术研究 4 2 1 温度对膜污染的影响 温度( o c ) 图4 3 温度对膜污染的影响 4 2 2 水力停留时间对膜污染的影响 水力停留时间( h ) 图4 4h r t 对膜污染的影响 图4 3 为第一阶段各工况下温度对膜污 染的影响。由图可见，随着温度的升高，膜 过滤压力下降；平均温度为9 5 、1 5 和 2 0 时，对应的平均膜过滤压力分别为 6 2 2 k p a 、4 6 1 k p a 和4 0 3k p a 。根据作者 的分析，温度的变化表现为流体粘滞性的变 化，温度升高，则液体的粘滞阻力减小，进 而导致膜过滤压力下降。 图4 4 为第二阶段各工况下水力停留时 间对膜污染的影响。由图可见，随着水力停 留时间的延长，膜过滤压力下降；根据作者 的分析，随着水力停留时间的延长，对应的 膜通量减小，故使膜过滤压力下降。 由图还可看出，h r t 从6 2 5 h 增加到 9 3 8 h 时的膜过滤压力下降幅度大于h r t 从 9 3 8 h 增加到1 8 7 5 h ，表明随着h r t 的延长 ( 膜通量的减小) ，膜污染速度减缓。作者分析，这是因为过滤压力对膜污染的影 响主要体现在凝胶层厚度与密实程度。膜表面的凝胶层在低过滤压力下变得较为 疏松，过滤阻力下降，从而降低了膜污染速度。 4 2 3 曝气强度对膜污染的影响 曝气强度( 气水比) 图45 曝气强度对膜污染的影响 图4 5 为第三阶段各工况下曝气强度对 膜污染的影响。由图可见，当气水比为 2 0 ：1 、3 0 ：1 和6 0 ：1 时，平均膜过滤压力分 别为6 3 4 k p a 、5 3 o k p a 和5 0 2 k p a ，即随着 曝气强度增加，膜过滤压力减小，膜污染减 轻。作者认为，当反应器中曝气强度加大时， 大量气泡以较高速率穿过膜组件，气体及其 所挟带的水流对膜表面有冲刷作用，使膜表 面处于剧烈紊动剪切状态，避免了凝胶层的增厚和堵塞物质的积累，大大减少了 膜污染。从图4 5 还可发现气水比从2 0 ：1 增加到3 0 ：1 时，膜过滤压力下降幅度 较快，从6 3 4 k p a 下降到5 3 o k p a ，下降了1 0 4k p a ；而气水比从3 0 ：1 增加到6 0 ：1 时，膜过滤压力仅下降了2 8 1 ( p a 。表明曝气强度达到一定值后，继续增大对减缓 佰砷嘶巧惦龉 叠0 r 坦鹫埘鹫 融船船弱“乩驰 叠0 r 出塔捌餐 东南大学烦士学位论文城市污水的膜生物处理技术研究 膜污染的功效不大。因此，在控制膜污染的同时结合能耗，本试验条件确定最佳 气水比为3 0 ：1 。 综上所述，温度、水力停留时间、曝气强度均会影响膜污染的进程，在实际 工程中，有效调整水力停留时间、曝气强度是控制膜污染的有效途径之一。 4 3 膜污染特征及其清洗 4 3 1 纤维束间污泥的淤积及其清洗口4 】 为了了解膜污染的过程，本试验后期，将受污染的膜组件从反应器中取出， 观察其表观形态，并进行清洗。观察表明，膜丝表面呈浅黄色，并在膜纤维丝间 可见絮状污泥的存在，特别是纤维束中部以上至出水孔间的纤维束间淤积有大量 污泥，膜丝的其他部分则积泥较少。这是因为膜丝f 端受到的水力冲刷作用较强， 所以积泥较少。因此认为膜污染与污泥淤积及膜表面形成的生物膜有一定关系。 将膜取出后用自来水清洗，洗去膜间污泥及纤维丝表面的部分生物膜，然后 将膜组件重新放入反应器中，恒定膜通量( 1 0 l m 2 血) ，测得膜抽吸压力为5 9 7 k p a ， 比洗膜前抽吸压力6 3 4 k p a 下降了3 7 l ( p a ，如图4 6 。 圈46 膜抽吸址力燹化情况 由图可见，膜抽吸压力增加的原因之一是纤维丝问淤积大量的污泥，使过滤 水到达纤维丝表面须经过很厚的污泥层，加之纤维丝表面的生物膜使得膜表面的 有效孔径变小，从而阻力加大，导致膜抽吸压力增加。 4 3 2 有机物对膜面的堵塞及其清洗 在上述清洗后，仍发现膜表面有生物膜存在，特别是内部纤维束的纤维丝表 面呈黑色，这是因为缺氧下微生物厌氧呼吸而使膜污染的结果，此类污染仅采用 清水的物理清洗很难洗去。为此用o 0 3 3 的次氯酸钠浸泡1 2 h ，维持曝气，然后 用自来水冲洗，发现膜丝表面黑色物质消失，膜表面污染层厚度减小。将膜组件 放入反应器中，恒定膜通量，测得膜面抽吸压力为5 2 9 l ( p a ，可见经次氯酸钠浸泡 自来水冲洗后，膜抽吸压力比清水冲洗后的5 9 7 k p a 又下降了6 8 k p a 。 有机物对膜面堵塞有很多原因：( 1 ) 纤维表面形成的生物膜堵塞膜表面；( 2 ) 砷舌；蚰加0 九罡毒r出督犀鹫 东南大学硕士学位论文城市污水的膜生物处理技术研究 纤维束内部缺氧微生物的存在使膜表面积有一层黑色物质；( 3 ) 细菌胞外聚合物 ( e p s ) 的积累对膜表面造成污染，e p s 的提高使在膜表面形成凝胶层而使通量下降 圳。y a s u t o s h is 等【3 6 】认为，由于膜的截留作用，混合液中溶解性有机物会在膜表 面积累造成浓差极化现象。h i d e k ih a m d a 等 1 9 】认为膜表面凝胶层的形成并非反应 器内的悬浮固体，而是混合液中溶解性有机物造成的：( 4 ) 膜面堵塞的主要物质为 微生物正常代谢产生的粘性多糖类物质、粘性多肽分子和蛋白质分子等，含有活 性基团的大分子物质可能与金属离子如c a 2 + 、m f 、f 。3 + 等相互作用而在膜表面形 成凝胶层j 。 4 3 3 无机物对膜表面的堵塞及其清洗 采用次氯酸钠碱洗后，仍发现膜表面糊有一层较薄的粘性物质和一些块状垢 体，次氯酸钠清洗并未将其去除，疑其为无机物污染所致。故进一步用o 3 3 硫 酸浸泡，在1 0 m i n 左右就可发现膜迅速变白，浸泡4 h 后，取出膜用清水冲洗，放 入反应器中，恒定膜通量，测得膜面抽吸压力为4 0 9 k p a ，即膜面抽吸压力比碱洗 后的5 2 9 l ( p a 又下降了1 2 o k p a 。 经硫酸清洗后，观察发现膜丝外表面凝胶层变薄，块状、点状垢体污染物质 也明显减少。说明酸洗对无机垢体污染物质的去除效果较好。 由图4 6 可见，物理清洗能够清除膜表面松散的污染层( 污泥层) ，而碱洗可 以清除膜外表面大部分的微生物和有机污染，以及膜内表面以微生物污染为主的 污染；酸洗能够清除大部分的无机污染物。对应各步清洗后膜抽吸压力的变化情 况( 分别在前一次清洗的基础上下降了3 7 k p a 、6 8 k p a 、1 2 o k p a ) ，可见，在本试 验条件下，无机污染对膜过滤阻力的影响最大。 4 4 膜污染控制方法讨论 由以上研究结果说明，为减缓或降低膜污染，通常须采取一些有效的控制方 法。为此，本试验采用了低压恒流、定期反冲洗、强化膜面紊动剪切等措施来控 制膜污染。 4 4 1 低压恒流操作 膜能否长期稳定运行是m b r 能否实际应用的关键之一。诸多研究表明，系 统运行初期的膜通量影响主体料液中粒子向膜面的运动速度，膜通量越大，粒子 在膜面沉积越快，膜阻力增加幅度也越大，膜通量降低也越快。本试验为了减缓 膜污染，在各运行工况下均采用了恒定膜通量的操作方式，此时，膜面平均操作 压力从某一较低值开始逐步升高。图4 7 分别给出了第二阶段三种不同膜通量( 水 力停留时问) 下膜面操作压力随时问的变化情况。 东南大学硕士学位论文城市污水的膜生物处理技术研究 时间( m ，n ) 图4 7 膜面操作压力随时问的变化 由图可见，在系统运行的前1 5 分钟， 操作压力上升较快，随后操作压力的上升逐 渐趋于平缓。这是因为，运行初期反应器内 部处于不稳定状态，膜表面污染物积累速度 大于脱落速度，因此压力增k 较快，随着膜 表面凝胶层逐渐形成，系统趋于稳定，膜操 作压力也趋于稳定。故减小膜污染的重点应 在如何控制运行初期的膜污染，一条有效的 途径就是降低膜面受到的平均压力，从而达到提高膜产水量的目的。采用恒流操 作方式避免了初始膜操作压力过高，避免产生不可逆膜污染( 如粒子被压入膜孔) ， 大大延长膜的反清洗周期，节省反洗用水，提高膜的产水量。 4 4 2 反冲洗 本试验采用膜出水对膜组件进行周期性反冲洗以恢复膜的过滤能力，图4 8 为有、无反冲洗情况下膜操作压力的变化情况。 运行持续时间( d ) 图4 8 反冲洗条件下膜操作压力随时闻的变化 由图可见，采用反冲洗时，系统连 续运行4 d 后，膜操作压力为5 3 3 k p a ， 而无反冲洗时的膜操作压力达到 6 7 5 k p a ，比有反冲洗时高出2 6 6 ，进 而说明采用反冲洗能显著降低膜操作压 力。但频繁的反冲洗不仅消耗一定量的 净水，使产水量下降，且给膜的寿命及 运行调控产生一定的影响；反冲洗周期过长，反冲洗后膜操作压力增加较快，无 法长时间保持稳定的反冲洗效果。所以，在m b r 系统中找到最佳反冲洗周期， 使用最小反冲洗水量来达到最佳反冲洗效果是十分重要的。 本试验根据膜生产厂家提供的有关基础资料，经过试验，不断调整反冲洗周 期使系统保持在最佳状态，确定采用反冲洗周期为1 天，每次反冲沈持续时间1 5 分钟。在运行的2 0 0 多天期间，没有进行任何的化学清洗，系统保持了较低的膜 操作压力和恒定的膜通量，证实了本试验反冲洗周期的选择是合适的。 4 4 3 强化曝气 以往的研究表明，强化曝气可有效地降低膜污染。本研究通过调节不同曝气 强度以研究曝气强度对膜污染的影响。图4 9 为曝气强度对膜抽吸压力的影响； 由图可见，在气水比从2 0 ：l 增加到3 0 ：1 时，膜抽吸压力下降幅度较大，而气水 阳印帅如m 0 孝r三日晕嚣目毯 东南大学硕士学位论文城市污水的膜生物处理技术研究 曝气强度( 气水比) 图4 9 曝气强度对膜抽吸压力的影响 比从3 0 ：1 增加到6 0 ：l 时，膜抽吸压力 下降甚微。这说明，在某一曝气强度内， 曝气强度增加加快了反应器内混合液的 循环速度，使污染物不易在膜表面附着 和积累，并加速己附着污染物从膜表面 脱离。但曝气强度进一步增加时，对降 低膜抽吸压力的效果变得不明显，反过 来，曝气强度过大还可能导致混合液中污泥过度分散，影响膜过滤效果。此外， 曝气强度增加导致能耗增大，进而提高处理成本。综合考虑膜抽吸压力和动力消 耗，本试验确定气水比为3 0 ：l 。 东南大学硕士学位论文城市污水的膜生物处理技术研究 第五章膜生物法处理城市污水的经济技术分析 水资源紧缺的迫切需要，使膜生物技术的推广应用面临着前所未有的机遇， 为了尽快推进这一技术的应用，本文结合试验结果对其技术经济性进行分析。 5 1 工程总投资估算 为了进行定量化分析，本研究以处理规模为1 0 0 m 3 d 的工程为例进行分析。 经计算，一体式m b r 处理城市污水的工程总投资为2 0 0 5 万元，单位投资成 本为2 0 0 5 元吨水( 详见附录2 ) 。 5 2 处理成本分析 1 、电费 包括进水、反洗、出水及曝气相关机械，污水处理装置总装机容量为6 5 0 k w h ，正常运行容量为3 3 5k w h 。电费按0 6 元fk w h ) 计，污水处理流量 为4 1 7 m m 。则： 电费= 3 3 5 o 6 4 1 7 = 0 4 8 元m 3 。 2 、药剂费 为延长膜的使用寿命，需定期对膜进行化学清洗。根据本课题的经验，反洗 周期可为半年或一年，为此依据前人经验，处理城市污水的药剂费取值为o 0 2 元 m 3 。 3 、膜的折旧费用 据膜生产厂家和试验分析，膜的折旧年限按4 a 计，则： 膜的折旧费用= 2 8 6 0 0 n o o 3 6 5 4 ) = 0 2 0 元m 3 4 、设备其他部分折旧费 膜生物反应器设备其他部分折旧年限按2 0 a 计，则： 设备折旧费= ( 2 0 0 5 2 8 6 ) 1 0 4 ( 1 0 0 3 6 5 2 0 ) - o 2 4 元，m 3 。 5 、总处理成本 在不考虑人工费和占