（环境工程专业论文）无泡曝气膜生物反应器的初步研究.pdf

中文摘要 无泡曝气膜生物反应器( m a b r ) 是一种将膜技术与生物反应器相结合来处理 有机废水的新技术。它利用了膜能够将两种不同相物质分离的特性，将组分从一 相迁移到另一相：优化了生物反应器的运行条件，同时提高了微生物降解废水中 有机污染物的能力。 本次实验主要包括两方面内容：研究中空纤维膜无泡曝气和无泡曝气膜生物 反应器处理人工污水的性能。 将中空纤维膜浸入到水中，向膜内通入空气或氧气，气压保持在泡点以下， 气体可以通过膜壁上的微孔直接传递到水体中，且不会形成气泡。无泡曝气和传 统供氧方式相比具有很多优点。如：气液两相分离、操作灵活，高的氧传递效率， 低能耗，不易引起挥发性物质的挥发，低噪声等。本文研究了水力条件，气体压 强等对中空纤维膜供氧性能的影响，并采用普通曝气头在同等条件下作了对比实 验，验证了其良好的供氧性能。 理论和实际证明无泡曝气膜生物反应器具有同时去除有机物染物和硝化的 功能。由于微生物从生物膜底部得到氧气，从生物膜表面得到有机物和其他营养， 生物膜底部氧浓度较高，而由于扩散限制有机底物浓度较小，好氧异养菌生长受 到一定限制，而硝化菌则生长旺盛。在生物膜中部，氧浓度和底物浓度都比较适 宜，好氧异养菌保持较高的生物活性且不会过度繁殖。这样不容易发生生物膜脱 落，实验出水无须沉淀。本次实验进水c o d 浓度4 1 0 - m 0 m l ，n h 3 n5 0 2m 譬l ， h r t1 2 5 h ，c o d 容积负荷o 6 1 k g m 3 ，c o d 表面积( 中空纤维膜表面积) 负荷 7 6 8 9 m 2 时，取得了8 0 的c o d 去除率和超过9 0 氨氮去除率。同时，整个 实验期间出水s s 浓度一直很低，t n 也有一定的去除。 实验研究了一些影响m a b r 运行效果的因素，如气体压强，溶解氧浓度，水力 停留时间等，结果表明气体压强和水力停留时间对出水水质有较大的影响。同时， 文章中计算了氧气利用率，平均结果在9 0 以上。 关键词： 无泡曝气膜生物反应器，生物膜法，中空纤维膜， 无泡曝气，同步硝化 a b s t r a c t m e m b r a n ea e r a t i o nb i o f i l mr e a c t o ri san e wk i n do fb i o l o g i c a lt r e a t m e n tp r o c e s s e s i nw h i c hm e m b r a n et e c h n o l o g yi sc o m b i n e dw i t hb i o f i l mp r o c e s sf o rt h et r e a t m e n to f w a s t e w a t e r t h ep r o c e s se x p l o i tam e m b r a n e sa b i l i t yt os e p a r a t et w od i s t i n c tp h a s e s ， w h i l ea l l o w i n gt r a n s p o r to fc o m p o n e n t sf r o mo n ep h a s et ot h eo t h e li no r d e rt o o p t i m i s ec o n d i t i o n sw i t h i nt h eb i o r e a c t o rf o re n h a n c e dm i c r o b i a ld e g r a d a t i o no f w a s t e w a t e rp o l l u t a n t s t h em a i nf e a t u r eo ft h ep r o c e s si st h eu s eo fh y d r o p h o b i c m i c r o p o r o u sm e m b r a n ef o ro x y g e n t r a n s f e rw i t h o u tb u b b l ef o r m a t i o na n da s s u b s t r a t u mo f b i o f i l m t h ew h o l ew o r kw a sd i v i d e di n t ot w oa s p e c t s ：s t u d yo nb u b b l ef r e ea e r a t i o nu s i n g h o l l o wf i b e rm e m b r a n e ；s t u d yo nd e g r a d a t i o no fs y n t h e t i cw a s t e w a t e ru s i n gam a b r w h e nh o l l o wf i b e rm e m b r a n e sa r ei m m e r s e di nw a t e r , a n da i ro ro x y g e ni s s u p p l i e d t ot h ei n s i d eo ft h ef b e r s ，g a sc a nt r a n s f e ra c r o s st h em e m b r a n ea n dd i s s o l v ed i r e c t l y i n t ot h ew a t e rw i t h o u tb u b b l ef o r m a t i o n b u b b l ef r e ea e r a t i o nu s i n gm e m b r a n e p r o v i d e san u m b e ro fa d v a n t a g e si nb i o l o g i c a lt r e a t m e n t t h e s ei n c l u d eo p e r a t i o n a l f l e x i b i l i t y ，h i g ho x y g e nt r a n s f e re f f i c i e n c y ，r e d u c e de n e r g yr e q u i r e m e n t s ，l e s s s t r i p p i n go fv o l a t i l ec o m p o u n d s ，a n dl o wn o i s ep o l l u t i o n i nt h i sp a p e r , t h ei n f l u e n c e s o fh y d r o l o g i cc o n d i t i o na n da i rp r e s s u r eo nt h eo x y g e nt r a n s f e ra b i l i t yw e r es t u d i e d a l s o ，ac o n t r a s te x p e r i m e n t a ls t u d yo na e r a t i o nu s i n gt r a d i t i o n a la i r - b l a s t h e a dw a s c o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t et h eh i g ho x y g e nt r a n s f e re f f i c i e n c yo fb u b b l e f r e ea e r a t i o n u s i n gh o l l o wf i b e rm e m b r a n e s i m u l t a n e o u so r g a n i cc a r b o nr e m o v a la n dn i t r i f i c a t i o nh a v e b e e nr e p o r t e db o t h t h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l y i nam a b r ，0 2i ss u p p l i e df r o mt h eb o t t o mo ft h e b i o f i l m ，n h 3 一na n do r g a n i cc a r b o n a r e s u p p l i e d f r o mt h eb i o f i l ms u r f a c e c o n s e q u e n t l y , a tt h eb o t t o mo ft h eb i o f i l m ，w h e r e0 2c o n c e n t r a t i o ni sh i g ha n dt h e o r g a n i cc a r b o nc o n c e n t r a t i o ni sl o wd u et od i f f u s i o nl i m i t a t i o n ，n i t r i f y i n gb a c t e r i a g r o wf a s td u et on oc o m p e t i t i o nf o r0 2b yh e t e r o t r o p h i cb a c t e r i a f o rh e t e r o t r o p h i c b a c t e r i al o c a t e di nt h em i d d l eo fb i o f i l m ，p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o na n d0 2c o n c e n t r a t i o n a r eb o t hp r o p e r ，t h ee x c e s s i v eg r o w t hd o e sn o tt e n dt oo c o u r t h u sn oo rv e r yl o w b i o f i l md e t a c h m e n te x i s t s ，a n dn oc l a r i f i c a t i o nw o u l db er e q u i r e da f t e rt r e a t m e n t i n t h i ss t u d y , w i t hi n i t i a lc o do fs y n t h e t i cw a s t e w a t e r4 1 0 士1 0 m g l ，n h 3 - n5 0 士2m g l ， h r t1 2 5 h ，v o l u m e t r i cc o d l o a d i n go 6 1 k g m ，c o dl o a d i n gb a s e do nt h es u r f a c e a r e ao fm e m b r a n e7 6 8 9 m 8 0 c o dr e m o v a le f f i c i e n c ya n do v e r9 0 a m m o n i a c a l n i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yw a so b t a i n e d m e a n w h i l e 1 0 we f f l u e n ts si sa b s e r v e d a n dt h e r ei sas l i g h td e c r e a s ei nt nc o n c e n t r a t i o n t h ef a c t o r sa f f e c t i n gf u n c t i o no fm a b r ，s u c ha sa i rp r e s s u r e ，d o ，h r t , e t cw e r e s t u d i e di nt h i sw o r k i tw a sf o u n dt h a ta i rp r e s s u r ea n dh r t p l a y e di m p o r t a n tr o l e s a l s o ，t h ea v e r a g eo x y g e nu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y ( r a t eo fo x y g e ne x p e c t e dt o b e c o n s u m e da n do x y g e ns u p p l i e di n t or e a c t o r ) w a sc a l u c a t e dt ob eo v e r9 0 d u r i n gt h e w h o l eo p e r a t i o n ， k e yw o r d s ：m e m b r a n ea e r a t i o nb i o f i l mr e a c t o r , b i o f i l mp r o c e s s ，h o l l o wf i b e r m e m b r a n e ， b u b b l ef r e ea e r a t i o n ， s i m u l t a n e o u s o r g a n i c c a r b o nr e m o v a la n d n i t r i f i e 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，也不包含为获得盘洼盘茎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： 却啦 签字日期： “ 年 f 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗筮鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘注盘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： 磊啦 签字日期： 一年1 月日 导师签名- 彬畸 签字日期：m 歹年，月，歹日 第一章绪论 第一章绪论 随着社会经济的发展和人口的增长，水资源短缺已经成为一个全球化的问题， 而我国的缺水形势尤其严峻。根据2 0 0 0 年中国环境状况公报公布，我国人 均水资源量为2 2 3 8 6 m 3 ，仅相当于世界人均占有量的1 4 ，是世界人均水资源极 少的13 个贫水国之一。在全国6 0 0 多座建制市中，有近4 0 0 座城市缺水，其中 缺水严重的城市达1 3 0 多个。缺水每年给城市工业产值造成的损失在1 2 0 0 亿元 以上。与此同时，水环境污染日趋严重。全国7 大重点流域地表水有机污染普遍， 特别是流经城市的河段有机污染较重，主要湖泊富营养化问题突出。多数城市地 下水受到一定程度的点状或面状污染。水资源短缺和水资源污染已成为制约我国 经济和社会发展的重要因素川。 水环境质量的严重恶化和经济的高速发展，迫切要求适合时代发展的污水资 源化技术，以缓解水资源短缺状况；否则，人民身心健康，工农业生产必将受到 严重制约。在长期的实践中，人们不断采用各种技术手段，将污水中所含的污染 物质分离去除，回收利用，或将其转化为无害物质，使水体得到净化。 废水生物处理是除物理化学法外的另一类水处理方法，它利用微生物生命活 动过程对废水中污染物进行转移和转化作用，使废水得到净化的处理方法。其主 要特征是应用微生物在为充分发挥微生物的作用而专门设计的生化反应器中，将 废水中的污染物转化为微生物细胞以及简单形式的无机物。与物理化学方法相 比，生物处理法具有一系列特点。由于污染物的生化转化过程不需要高温、高压， 在温和的条件下经过酶催化即可高效并相对彻底完成，因此，处理费用低廉；微 生物具有来源广，易培养，繁殖快，对环境适应性强和易实现变异等特性，适当 地对其加以培养繁殖，特别是在一定特定条件下进行驯化，就能使之很好地适应 各种有毒的工业废水环境；通过有针对性地对菌种进行筛选、培养和驯化，可以 使大多数的有机物质实现生物降解处理，因此对废水水质的使用面越来越宽；废 水生物处理法不加投药剂，可以避免对水质造成二次污染。另外，生物处理效果 良好，不仅去除了有机物、病原体、有毒物质，还能去处臭味、提高透明度、降 低色度等。所有这些优点都使生物处理法处理废水成为废水处理方法的首要选 择。 第一章绪论 1 1 污水生物处理工艺 污水生物处理的主要去除对象就是呈溶解态和胶体状态的有机物染物质，利 用微生物的新陈代谢作用使之转化为稳定的无害化物质。在发达国家，为控制水 体的有机物污染普遍采用二级生物处理工艺，如美国约有污水处理厂1 8 0 0 0 座， 其中8 4 为二级处理厂；英国共有处理厂约3 0 0 0 座，几乎全部是二级生物处理 厂；日本有城市污水处理厂6 3 0 座，村镇污水处理厂2 0 0 0 座，其中二级生物处 理厂和深度处理厂占9 8 左右；瑞典人口虽少，但却有1 5 4 0 座城市污水处理厂， 其中9 1 为二级生物处理厂。以上这些数字均表明，污水生物处理工艺在改善水 体卫生状况及水污染控制方面起着不容低估的作用。 按照污水处理生物反应器中微生物的生长状态，污水生物处理可划分为悬浮 生长工艺( s u s p e n d e dg r o w t hs y s t e m s 活性污泥法) 和附着生长工艺( a t t a c h e d g r o w t hs y s t e m s 生物膜法) 。 1 1 1 活性污泥法 活性污泥法是水体自净的人工强化，是使微生物群体“聚居”在活性污泥上， 活性污泥在反应器曝气池内呈悬浮状，与污水广泛接触，使污水净化的技术。 历经1 0 0 多年的发展与革新，活性污泥法已拥有以传统活性污泥法为基础的 多种运行方式，是当今世界范围内应用最为广泛的一种生物处理工艺，有效地用 于生活污水、城市污水和有机性工业废水的处理。尤其近几十年来，有关专家和 技术工作者就活性污泥的反应理论、净化功能、运行方式、工艺系统等方面进行 了大量的研究工作，活性污泥系统有了较大发展。但是，活性污泥处理系统在当 前还存在着若干问题有待解决： 1 基建和运行费用较高 由于微生物悬浮生长，具有较高的含水率，单位反应器容积内的生物量相对 较低，导致曝气池体积较大、占地面积大、基建费用投入较高。 此外，为保障足够的污泥量，需要将二次沉淀池的污泥回流。这样做也增加 了管线布置和基建费用，且需要经常调整反应器内污泥量和剩余污泥排放量，提 高了运行的维护和管理费用。 2 曝气系统能耗高、管理复杂 当前广泛应用于活性污泥系统的空气扩散装置分为鼓风曝气和机械曝气两 大类。由于产生气泡较大，两者充氧效率有限、氧利用率低、电耗高。机械曝气 设备还容易受到污水的腐蚀，需要经常停工检修。 3 对n 、p 等营养物质去除效果有限 第一章绪论 硝化菌和亚硝化菌的世代时间都比较长，比增殖速度较小，如亚硝化单胞菌 属( n i t r o s om o n a s ) 、硝化杆菌属( n i t r o b a c t e r ) 的比增殖速度分别为o 2 1 和1 1 2 d 。 在一般生物固体平均停留时间较短的活性污泥处理系统中，这类细菌是难以存活 的。因此，普通活性污泥法对n 、p 等营养物质去除效果有限。 4 污泥膨胀 正常的活性污泥沉降性能良好，含水率在9 9 左右。当污泥变质时，污泥不 易沉淀，s v i 值增高，污泥的结构松散和体积膨胀，含水率上升，澄清液稀少， 颜色也有异变，这就是污泥膨胀。污泥膨胀主要是丝状菌大量繁殖所引起的，也 有由污泥中结合水异常增多导致的污泥膨胀。一般污水中碳水化合物较多，缺乏 氮、磷、铁等养料，溶解氧不足，水温高或p h 值较低等都容易引起丝状菌大量 繁殖，导致污泥膨胀。此外，超负荷、污泥龄过长或有机物浓度梯度小等，也会 引起污泥膨胀。排泥不通畅则易引起结合水性污泥膨胀。 5 污泥解体、腐化、上浮 运行不当，如曝气过量，会使活性污泥生物营养的平衡遭到破坏，使微生 物量减少而失去活性，吸附能力降低，絮凝体缩小质密，一部分则成为不易沉淀 的羽毛状污泥，处理水质浑浊，s v i 值降低等。二次沉淀池内可能由于污泥长期 滞留而产生厌氧发酵生成气体，从而使大块污泥上浮，污泥腐败变黑，产生恶臭。 此外，曝气池内曝气过度，污泥搅拌过于激烈，生成大量小气泡附着于絮凝体上， 也会引起污泥上浮。 6 泡沫问题 通常污水中存在大量合成洗涤剂或其他起泡物质，在曝气过程中易产生大量 气泡，给生产操作带来一定困难，如影响操作环境，带走大量污泥。当采用机械 曝气时，还能影响叶轮的充氧能力。 1 1 2 生物膜法 生物膜法是土壤自净的人工强化，是使微生物群体以膜状附着在某种物体的 表面，与污水接触。使污水得以净化的技术。 在1 9 世纪末期的1 8 9 3 年，英国进行将污水在粗滤料上喷洒进行净化实验取 得了良好的净化效果，作为生物膜反应器的生物滤池问世，并从此开始用于污水 处理的实践。 早期出现的生物滤池，水量负荷和b o d 负荷较低、环境卫生条件也较差、 处理构筑物占地面积较大而且容易被脱落的生物膜堵塞，在使用上受到限制。 到了上世纪6 0 年代，由于塑料工业的发展，新型的有机合成材料开始大量 生产，广泛使用的有由聚乙烯、聚苯乙烯和聚酰胺等制成的波纹板状、列管状和 第一章绪论 蜂窝状等有机人工合成填料，其比表面积和空隙率大大增加。再加上环境保护对 水质要求的进一步提高，膜生物反应器以其独特的优势更加受到广大研究者和工 程师们的关注。 1 1 2 1 生物膜法的优点 1 经济节能，易于维护管理 在生物膜上生长繁育的生物中，动物性营养一类者所占比例较大，微型动物 的存活率亦高。这就是说，在生物膜上能够栖息高次营养水平的生物，在捕食性 纤毛虫、轮虫类、线虫类之上还栖息着寡毛类和昆虫，因此，在生物膜上形成的 食物链要长于活性污泥上的生物链。正是这个原因，在生物膜处理系统内产生的 污泥量也少于活性污泥处理系统，特别是在生物膜较厚时，底部厌氧层的厌氧菌 能够降解好氧过程合成的剩余污泥，从而使总的剩余污泥量大大减少，因而可以 减轻污泥处理与处置的费用。 生物膜处理系统具有较高的生物量，一般不需要污泥回流，因而不需要经常 调整反应器内污泥量和剩余污泥排放量，易于运行的维护和管理。此外，生物滤 池、生物转盘等工艺，都节省能源，动力费用较低，去除单位重量b o d 的耗电 量较小。 2 具有一定的硝化反硝化功能 在生物膜处理法中，生物污泥的生物固体平均停留时问与污水的停留时间无 关。因此，硝化菌和亚硝化菌也得以繁衍、增殖。因此，生物膜法的各项处理工 艺都具有一定的硝化功能，采取适当的运行方式。还可能具有反硝化脱氨的功能。 3 对水质、水量变动有较强的适应性 生物膜处理法的各种工艺，对流入原污水水质、水量的变化都具有较强的适 应性，这种现象已为多数运行的实际设备所证实，即或有一段时间中断进水，对 生物膜的净化功能也不会造成致命的影响，通水后能够很快地得到恢复。 4 污泥沉降性能好，无污泥膨胀问题 由生物膜上脱落下来的生物污泥，所含动物成分较多，比重较大，而且污泥 颗粒个体较大，沉降性能良好，宜于固液分离。 另外，由于微生物附着生长，即使丝状菌大量繁殖，也不会导致污泥膨胀， 相反还可以利用丝状菌较强的分解氧化能力，提高处理效果。 5 能够处理低浓度的污水 活性污泥处理系统，不适宜处理低浓度的污水，如原污水的b o d 值长期低 于5 0 6 0 r n g l ，将影响活性污泥絮凝体的形成和增长，净化功能降低，处理水质 低下。但是，生物膜法对低浓度污水，也能够取得较好的处理效果，运行正常可 使b o d 5 为2 0 3 0m g l 的原污水b o d 5 降为5 1 0m g l 。 第一章绪论 1 1 2 2 生物膜法的缺点 生物膜反应器除了好的特征外，也存在着不足。如需要较多的填料和支撑结 构。表层生物膜消耗大量溶解氧、生长旺盛，而生物膜内部处于供氧不足甚至无 氧状态a 带来以下问题：首先，如果污水中有机物浓度过大则表面生长旺盛的生 物将使生物膜生长过厚，从而堵塞载体或滤料间的空隙；其次，由于厌氧细菌产 生的代谢物质的作用，导致生物膜脱落；另外，为了保证给微生物足够的溶解氧， 一般采用污水流速较快或曝气的方法，这也易使生物膜脱落水中，所以要在其后 设置一个沉淀池进行分离【2 l 。 1 2 m a b r 反应器 为了解决常规生物膜法中供氧不足的问题，长期以来人们致力于设法减小气 泡的尺寸，延长气泡在液相的停留时间，加强污水流速或曝气等，但供氧效率并 未有显著提高。 为了提高常规生物膜法中填料的比表面积，人们不断摸索应用各种材料。从 最初的碎石、卵石、炉渣和焦炭等实心拳状的无机性天然滤料到由聚乙烯、聚苯 乙烯和聚酰胺等制成的波纹板状、列管状和蜂窝状等有机人工合成填料，比表面 积和空隙率有了很大的提高。 随着膜工业的发展和人们对膜的认识的提高，膜技术和生物处理技术交叉、 结合，开辟了污水处理技术研究和应用的新领域。例如膜的比表面积特别大，尤 其是中空纤维膜的比表面积可高达5 1 0 8 m 2 m 。1 ，可以在很小的空间内为生物膜的 生长提供很大的表面积，作为填料将极大地提高污泥浓度。此外，般膜的孔径 很小，见表卜l 和表1 2 表卜1不同膜过程的膜孔径“ 微滤超滤纳滤 反渗透 膜孔径 0 2 2 “1 0 um5 r i m 、0 1 “m2 、3 n m 表i - 2不同材料膜的膜孔径” 陶瓷膜 拉伸膜浸蚀聚对称微整体不对 复合不对 合物膜孔膜称微孔膜称微孔膜 膜孔径 0 1 1 0 “m0 1 1 0 “j o 5 】o “mo 0 5 5 “m1 1 0n m1 5i - - i m 如果将其用来进行曝气，产生气泡的体积自然将远远小于常规曝气系统产生 的气泡体积，将在很大程度上提高氧气的传质效率。 m a b r 工艺正是采用透气性膜作为生物膜生长的载体，同时又利用其为附 第一章绪论 着生长的生物膜供氧的新工艺。成为最近几年来引起研究者们关注的一种革新的 生物膜反应器。 1 2 1 m a b r 的起源 关于m a b r 最早是由美国的y e h 和j e n k i n s 进行实验研究的，1 9 7 8 年他 们采用聚四氟乙烯中空纤维膜供氧，利用附着在膜外层的生物膜来处理人工污 水，并将其命名为p u r eo x y g e nf i x e df i l mr e a c t o r ”1 。随后在1 9 8 0 年，0 n i s h i 等人也采用类似的方法，用中空纤维膜向生长在其表面的微生物供氧来处理生活 污水，并取得了美国专利”1 。v i c hr o y 等人则在1 9 8 3 年论证了此工艺的可行性 和优越性”1 ，在接下来的2 0 年内人们开始对此工艺进行了深入研究，尤其是在 最近十年。 1 2 2 i a b r 的基本原理 m a b r 全称m e m b r a n ea e r a t i o nb i o f i l mr e a c t o r ，可译为无泡曝气膜生物 反应器( 意译) 或膜曝气一生物膜反应器( 直译) ，由中空纤维膜填料部分和水流 部分组成。生物膜所需要的氧气是通过纤维束填料供给的，中空纤维膜不仅起着 供氧作用，同时又是固着生物膜的载体。图1 - 1 为无泡曝气膜生物反应器处理污 水原理图。即，纯氧或空气通过中空纤维膜的微孔为生物膜进行无泡曝气，在中 空纤维膜的外侧形成的生物膜与污水充分接触，污水中所含的有机物被生物膜吸 附和氧化分解，从而使污水得到净化n “。 有机物 山 生物膜纤维膜 图l 一1 无泡曝气膜生物反应器( m a b r ) 工艺原理示意图 1 2 - 2 1m a b r 中的膜曝气 由于纤维膜微孔的直径很小，一般为0 1 o 5pm ，将气体压强控制在泡点以 6 第一章绪论 下曝气时气体透过膜进入液体的过程中几乎不产生气泡，因此称为无泡供氧。但 实际上，这里的“无泡”是指肉眼看不到的小气泡，因为形成的气泡极小( 通常 小于1 0 0um ) 。 与常规曝气相比，采用纤维膜进行无泡曝气( 也就是膜上还没有生长生物膜 时) 具有如下众多优点： ( 1 ) 由于曝气不产生气泡，氧直接以分子状态扩散，几乎百分之百地被吸 收，传质效率可高达1 0 0 。 ( 2 ) 曝气过程不产生气泡，避免了传统曝气时污水中易挥发性物质如甲 苯、苯酚随气泡进入大气而对环境造成的污染；同时不会由于表面活 性剂的存在而产生泡沫。 ( 3 ) 无泡曝气时气液两相分离，气体压力不受反应器内液相混合状态的影 响，因此，可以通过调节气体压力的办法来控制氧的供应m ”，。尤其 在浅水处也可以获得较大的推动力 ( 4 ) 此外，无泡曝气与传统的鼓风曝气和机械曝气相比，还具有噪声低、 能耗低的优点。 在m a b r 中( 也就是膜上生长了生物膜时) ，采用纤维膜进行无泡曝气还具 有其他一些优点： ( 5 ) 由于生物膜生长在纤维膜的外表面，所以在供氧过程中，生物膜不会 受到气体摩擦，不易脱落。 ( 6 ) 氧在传递到生物膜的过程中不经过液相边界层，传质阻力比常规曝气 法小得多，能耗大大降低。 ( 7 ) 曝气过程中气液两相分离，溶液的混合与供氧互不干扰，因此可以各 自独立设计，反应器的形式更加灵活多变。 ( 8 ) 通过供氧控制，在保证生物膜生长需氧的同时，可以避免因过量曝气 而使污水中d o 浓度过高，大幅度降低运行费用。对于含n 废水，通 过供氧控制，只使靠近纤维膜的内层生物膜获得氧，从而达到同时硝 化反硝化和c o d 去除的效果“。 ( 9 )纤维膜的比表面积很大( 从平板膜的1 9m 2 m 3 到中空纤维膜的 5 0 1 8 m 2 m 3 ) ，为氧的传递和生物膜的生长提供了巨大的表面积，有利 于反应器向小型化发展”“。 中嗵始黔膜 f 进水 贳通式h 自b r f 进水 图卜2 贯通式与闭端式m a b r 示意图 第一章绪论 在m a b r 中有框板式、管式和中空纤维膜式等几种膜结构形式。其中中空 式纤维膜因为具有较大的比表面积，在为氧的传递提供了一个大的表面积的同 时，在生物反应器中只占了相对较小的体积( 2 4 ) ，而备受人们的青睐。 如图卜2 所示，中空纤维膜供氧有两种方式：闭端式和贯通式。前者称为闭 端式m a b r ，反应器内中空纤维膜一端开口，另一端密封，气体中空纤维膜开 口端通入，在压力作用下全部进入反应器，氧气传递效率可高达1 0 0 ，所以更 适用于纯氧曝气。但在实际中，通常避免该种形式，因为水蒸气会通过膜i l 扩散 进入中空纤维膜内腔，氧气需经过这层水蒸气才能扩散进入水体，氧传递速率大 大降低，此外，温度降低，水蒸气在膜内腔浓缩，氧传递速率进步下降1 。后 者称为贯通式m a b r ，反应器内中空纤维膜两端都不密封，气体由一端持续通 入膜内腔，一部分气体被生物膜消耗后，剩余部分从另一端排出，由于该方式中 有气体剩余，更适用于空气供氧。 1 2 22m a b l l 中的生物膜 对于常规生物膜法，生物膜生长在非渗透性材料表面，有机物和溶解氧由生 物膜同一侧进入生物膜内部( 见图l 一3 ) ，所以生物膜表层好氧微生物生长条件较 内层微生物要好得多。在表层微生物消耗大量溶解氧的情况下。内层微生物得不 到足够的溶解氧，于是由表及里依次生长好氧、兼性、厌氧微生物，并由此引发 以下问题：如果污水中底物浓度过大，则表层微生物过度繁殖，生物膜增殖速度 过快，从而堵塞载体或填料间的空隙。其次，内部厌氧微生物产生的代谢物质， 易使生物膜脱落。 在m a b r 中，用于氧传递的膜也通常在膜液界面为生物膜提供附着生长的 支撑。附着生长有生物膜的纤维膜与氧源接触紧密，氧在界面上直接传递到生物 膜内部并被利用；同时液相中的污染底物从反方向扩散进入生物膜内部并被利用 ( 见图1 4 ) 。这样，在生物膜外层，有机物浓度最大而溶解氧浓度最小，生物膜 内层深处则正好相反。这样，好氧微生物的两个生长控制因素得以相互协调和抑 制，其结果是使生物膜协调地生长在一个相对固定的厚度范围内，不会因为底物 浓度过大而形成严重堵塞，也不会因为内层生物厌氧而大量脱落。又如前所述， 中空纤维膜很高的比表面积，为生物膜内形成很高的生物量提供了可能。 如图1 3 所示，在传统的生物膜里，最大浓度的氧气和最大浓度的底物浓度 都在生物膜液体界面出现。这导致微生物活性最旺盛的地方出现在生物膜液体 界面附近。因此，虽然生物膜上能够生长世代时间较长、增殖速度较慢的硝化菌， 但在溶解氧充足的生物膜表层，c o d 浓度过高，增殖速度较高的异养型细菌迅 速增殖，从而使自养型的硝化菌得不到优势，不能成为优占种属，硝化反应进行 第一章绪论 非常有限。厌氧条件出现在非渗透性支撑物生物膜界面附近，可能生长异养型 兼性厌氧的反硝化菌，但缺乏反硝化过程中的电子供体( 有机底物) ，相应地反 硝化反应较弱或不存在。 ) 液 广 相 生 卜 主 物 ， 体 载 膜 i 5 ，一气 体 。膨 l ：广 生物活性 溶解氧浓度 底物浓度 图1 3 常规生物膜法中生物膜结构以及氧气浓度、有机物浓度、微生物活性断面 简图【1 5 】 好 氧 ? ? 区 厂羔 藿 d 少$ b ： 厌 氧 区 生，膜 微生物活性 1 两隰度 溜解氧浓度 图1 4m a b r 中生物膜结构以及氧气浓度、有机物浓度、微生物活性断面简图 如图1 4 所示，在m a b r 中，透气性填料的应用导致了氧气和有机底物在 通过附着的生物膜时，在断面图上很大的差异，还引起了微生物活性、活性层的 位置和微生物种类的差异。对于纤维膜上附着生长的生物膜，氧的最大浓度出现 在纤维膜生物膜界面，而有机底物的最大浓度出现在生物膜液体界面。这样在 氧气和有机底物都很充足的生物膜中部，微生物生长最旺盛，是微生物活性最高 的区域。处理含氨氮的废水时，在生物膜中氧气浓度高、有机底物浓度低的内层， 硝化菌不会受到异养型好氧细菌的竞争、也不易受到外界环境的干扰，因此非常 适宜硝化菌的生长；在生物膜中部( 紧挨着硝化菌的外侧) ，微生物活性最高， 第一章绪论 大部分有机底物都是通过生长在这里的异养型好氧细菌的生命活动去除的；厌氧 环境出现在靠近生物膜液体界面， 硝酸离子，同时又与液体接触，有 足够的碳源，因此非常适合反硝化 菌的生长。如果控制好氧气的供应， 就可以取得同步脱氮的效果f j 34 2 l ， 生物膜结构如图l 一5 。如果生物膜 薄，膜内存在氧高压，氧气完全渗 透了生物膜，从而好氧条件就占据 了优势，生物膜内不存在厌氧层， 这种生物膜可以用来处理高浓度有 机废水【l 。 这里存在从生物膜内层扩散出来的硝酸和亚 1 2 3 国内外m a b r 的研究状况 坪蛐嚆壁 图1 5 m a b r 中生物膜结构示意图 1 2 3 1 国外m a b r 的研究状况 国外对m a b r 的研究较多，但也处于不成熟阶段。目前较为活跃的主要有 英国克兰费尔德( c r a n f i e l d ) 大学的t o ms t e p h e n s o n ，k e i t hb r i n d l e ，m p a n k h a n i a ； 美国明尼苏达大学的m i c h a e lj s e m m e n s e ；日本n i i g a t a 大学的k a z u a k i y a m a g i w a ，a r k i ao h k a w a 等。 研究内容主要包括以下三方面： ( 1 ) m a b r 中无泡供氧的研究 m a b r 独特的供氧方式，消除了传统废水处理工艺中供氧效率低、能耗高 的缺点，受到众多研究者的青睐。如p i e r r ec o t e ，m i c h a e lj s e m m e n s e ，t a r i q a h m e d 等人都对此进行了实验研究。 ( 2 ) 利用m a b r 去除c o d 、b o d 咀及脱氮除磷的研究 现将一些实验情况总结如表1 3 ： p e d r oa c a s t i l l o 等学者采用序批式m a b r 进行生物除磷实验，他们的实验 结果为：在污泥负荷为1 5 9 c o d m l d 时，c o d 去除率超过了9 0 ，平均磷的去 除率为7 2 ，最高时为8 5 ，相应的磷去除率为7 0 0 m g p 0 4 p r n 2 d ，氨氮的去除 率为5 0 7 0 【2 2 j 。 其他学者如g a r z o n z u n i g a 等报道氨氮的去除率为9 5 1 0 0 1 2 3 1 ，g o n c a l v e s 第一章绪论 等报道氨氮的去除率为9 0 + 9 5 i “】。 ( 3 ) 利用m a b r 处理工业废水中有毒或难降解的有机污染物 由于中空纤维膜无泡曝气可避免传统泡式曝气造成污染物的挥发，还可以对 特种菌加以固化，m a b r 还被一些研究人员用来处理含有有毒或难降解有机物 的工业废水。如l i v i n g s t o n 等【2 5 1 人采用硅橡胶膜的m a b r 反应器处理含酚污水， 在流量为1 8 l m i n ，起始酚浓度为1 0 0 0 m 【r e ，水力停留时间为6 h 时，对酚的去 除率达到9 8 5 ，在酚得到有效降解的同时，反应器内的生物膜量显著增加，8 0 的碳转化成c 0 2 。 1 2 3 2 国内m a b r 的研究状况 我国对膜生物反应器( m b r ) 的研究仅有1 0 年左右，是从分离式膜生物反 应器开始的。自1 9 9 7 年以来中科院生态环境研究中心、清华大学、天津大学、 同济大学等先后开展了分离式和一体式膜分离反应器的研究；处理对象也从生活 污水扩展到石化污水、高浓度有机废水、食品废水、啤酒废水、港口废水、印染 废水等1 2 6 1 。但m a b r 和e m b r ( 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 ) 两种新型的 m b r 在国内的研究却很少。 目前，国内只有少数研究机构或个人在从事m a b r 或相关方面的研究。江 苏微生物研究所的沈志松、钱国芬等利用中空纤维膜制成的供氧器在面包酵母菌 的发酵实验中对发酵液供氧，取得的产品发酵率比摇床供氧和自然供氧高一个数 量级f 2 ”，展现了无泡式中空纤维膜供氧在发酵、大规模细胞组织培养和生物水处 理中应用的良好发展前景。同济大学的柴晓利、王猛等人进行了膜分离生物反应 器( b i o m a s ss e p a r a t i o nm b r ) 中回流污泥无泡供氧的初步实验研究【2 8 2 9 1 。河北 理工学院的刘贯一对利用聚偏氟乙烯中空纤维膜作为载体的生物接触氧化工艺 进行了研究i 2j 。 总体来看，国内对m a b r 的研究还处于起步阶段。对中空纤维膜无泡曝气 的机理、影响因素，以及m a b r 合理的运行操作条件等都有必要进行深入研究。 n 上p 将廿川-q 螺卧特川塥嫩由 工 o 口 皇古沾 z 一 口、 誊 静 畿 由 柏 nn害 羹鼍 窟2 摹 一 ho。 o 乞 薹巷 o 窖 苫g 长旦 8五n 一 鞋 砷 瞒 倒 s 皑 o e j 艇 毯害宝 e 1 趾 型 e 崩 末 g 毯 d 醛 l莲 g 糕ll 鹱蟮瑙糠 毽 蔫 羹 制 岳 饕 嚣 门 矍 蒜似帽 鲽- e -蜊靠 蠼 蟠 蟮 馔 囊蓑 制鼎 制 拉 晨髻 臣错 蹦懿蟮 岳胛蛙 *i 迮 凄 * 芒。妊霹 岱镊键 特d h 墨三 坍 岭 i! | c | 铝 球 嚣 n | t *h 器若 世 _ 一i岱 三 垦 g 茸 一 吾 = 牺 m 若 li 0 q e 重 甚 1 呈0 雪 王 曼 梃 耍童蓦言z卫占甚 粤 垂甚售们 啭鲺i惑葵碌奄醒毫莨懈扑武皿c一悄 g _ 黪褂1 躲 第一章绪论 1 3 本实验的研究内容和目的 ( 1 ) 研究水力条件、气体压强对中空纤维膜充氧效果的影响，并验证中空 纤维膜无泡曝气的高效性。 ( 2 ) 分析研究中空纤维膜无泡曝气的机理，为其实际应用提供理论依据。 ( 3 ) 研究m a b r 反应器的工艺特点和其对c o d 、n h 3 n 、s s 等的处理效 果，以及影响处理效果的因素，并对反应器中微生物生长状况进行分析研究，提 出改进意见。 ( 5 ) 总结经验和不足，为m a b r 的工程应用提供设计依据。 第二章实验装置丑分析项目 第二章实验装置及分析项目 2 1 膜 膜组件是m a b r 中最关键的组成部分，采用不同的分离膜，实验效果将会 育很大的差别。 2 1 1 膜的选择 ( 1 ) 在框板式、管式和中空纤维式等几种膜结构形式中，中空纤维膜具有 较大的比表面积，所以选定中空纤维膜。 ( 2 ) 膜有微孔膜( p o m u sm e m b r a i l e s ) 和致密膜( d e n s em e m b r a n e s ) 两种。在分 离过程中，致密膜在一定程度上是通过透过组分与膜的材料之间的物理、化学反 应实现分离的，它的选择度最高。因此反渗透、电渗析和纳滤等过程可以从水中 去除离子，如电渗析通过电驱动力，而不是施加于膜上的压力柬实现分离的。与 致密膜相对应，微孔膜是通过物理作用来实现分离的( 即通过筛分作用) ，因而 其概念上接近于通常的过滤过程。如微滤只能去除悬浮物质，通常最小颗粒的尺 寸在0 0 5un l 左右”j 。 当用于供氧时两者的传质也是不同的： 对于致密膜，氧首先吸