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东南大学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。 研究生签名：竖日期： 东南大学学位论文使用授权声明 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 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名憋导师签名：划址 摘要 m b f b 与m b r 的性能比较 硕士研究生：鲍依文指导老师：王世和 东南大学土木学院 摘要 膜生物流化床( m e m b r a n eb i o l o g i c a lf l u i d i z e db e d ，简称m b f b ) 是将膜分离、生物接 触氧化与三相流化床有机结合的新工艺。本文开展了m b f b 处理城市污水的试验研究，并 将其与普通膜生物反应器在处理效果、膜污染及经济效益等方面进行对比，考察了m b f b 的性能优势。主要成果如下： 在稳定运行条件下，考察了在不同水温条件下m b f b 的污染物去除能力。依靠生物反 应器和膜分离对有机物去除的双重作用，m b f b 系统对c o d 、n h 4 + - n 、t n 都有较好的去 除效果，且受温度影响相对较小，即使在9 2 的低温下，m b f b 系统对c o d 与n i - h + o n 的 去除率均始终保持在9 0 以上。 通过m b f b 与m b r 处理城市污水的平行对比试验，探讨了m b f b 的性能优势。m b f b 中载体的投加改善了系统的内部流态，提高了生物活性，同时也提高了污染物的去除能力： 而缺氧区内悬挂的组合填料则主要增大了缺氧区体积，在一定程度上提高了系统对t n 的去 除能力。 通过对比试验，考察了两系统长期运行中抗膜污染性能，研究了m b f b 中载体的投加 及运行条件对膜污染的影响，探讨了m b f b 系统膜污染控制的最佳运行条件。由于载体的 投加改变了系统微生物存在形态，改善了反应器内混合液环境，在相同运行条件和运行历程 下，m b f b 的膜通量下降速度远低于m b r ，膜污染状况受温度的影响也较m b r 小；且冲 洗后膜过滤性能恢复比m b r 更好。 从设备投资、运行成本及综合效益等方面对m b r 和m b f b 综合考察计算，虽然m b f b 系统内增加了橡胶载体颗粒，但由于其对曝气强度要求的降低，与m b r 系统相比，动力费 用降低了约3 0 ，总运行费用仍低了约1 0 。 关键词：膜生物流化床；膜生物反应器；膜污染； 东南大学硕士学位论文 p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e nm e m b r a n eb i o l o g i c a l f l u i d i z e db e d a n dm e m b r a n eb i o r e a c t o r a b s t r a c t m e m b r a n eb i o l o g i c a lf l u i d i z e db e d ( s h o r t e df o rm s f s ) i san e wt e c h n o l o g yw h i c hi st h e c o m b i n a t i o no ft h em e m b r a n es e p a r a t i o n , b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o na n dt h et h r e e - p h a s e b i o l o g i c a lf l u i d i z e db e d t h ee x p e r i m e n ts t u d i e dt h ep e r f o r m a n c ei nm u n i c i p a lw a t e rt r e a t m e n to f m b f b b yt h ec o m p a r i s o nw i t ht h em e m b r a n eb i o r e a c t o r ( s h o r t e df o rm b r ) i nu - e a t m e n te f f e c t , m e m b r a n e f o u l i n ga n d e c o n o m i ca n a l y s i s ，t h e p e r f o r m a n c ea d v a n t a g e so fm b f bw e r e i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t sa r ca sf o l l o w s ： i nt h ec o n d i t i o n so fs t a b l eo p e r a t i o n , t h ea b i l i t yo fc o n t a m i n a n t sr e m o v a lu n d e rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r ei nm b f bw a ss t u d i e d d e p e n d i n go nt h ed o u b l ef u n c t i o no fb i o l o g i c a le f f e c ta n d m e m b r a n es e p a r a t i o no i lo r g a n i cr e m o v a l ，m b f bh a sg o o dr e m o v a le f f e c to fc o d ，n i - h + - na n d t n ，a n dh a dl i u l ei n f u e n c eb yt e m p e r a t u r e 1 1 h er e m o v a lr a t e so fc o da n dn h 4 + - nc a nb e m a i n t a i n e da b o v e9 0 i nm b f be v e na tt h et e m p e r a t u r ea sl o wa s9 2 b yc o m p a r i s o nw i t hm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) ，t h ep e r f o r m a n c ea d v a n t a g e so fm b f b w c l ei n v e s t i g a t e d t h ea d d i t i o no fc a r r i e r si m p r o v e df l o wp a r e ma n de n h a n c e dt h ea c t i v i t i e so f m i c r o o r g a n i s mi nt h er e a c t o r , w h i c hi n c r e a s e dt h er e m o v a le f f e c t sa sw e l l t h ec o m b i n e dp a c k i n g s u s p e n d e di nt h ea n o x i ca r e ai n c r e a s e dt h ea n o x i cv o l u m ei nt h es y s t e ma n dc o n s e q u e n t l y i m p r o v e dt h et o t a ln i t r o g e nr e m o v a la b i l i t yi ns o m ee x t e n t b yt h ec o m p a r i s o no fm b f ba n dm b r , t h ep e r f o r m a n c e so fa g a i n s tm e m b r a n ep o l l u t i o n w e r ei n v e s t i g a t e da n dt h eb e s tr u n n i n gc o n d i t i o nw a sd i s c u s s e da sw e l l t h ea d d i t i o no fc a r r i e r s c h a n g e dt h ef o r mo fm i c r o o r g a n i s m ，s ou n d e rt h es a m er u n n i n gc o n d i t i o n sa n dr u n n i n gc o u r s e ，t h e f a l l i n gs p e e do fm e m b r a n ef l u xi nm b f bw a sm u c hl o w e rt h a nt h a ti nm b r , a n dh a dl e s s i n f l u e n c eb yt e m p e r a t u r e ，b e t t e rp e r f o r m a n c ea f t e rw a s h i n g ac o m p r e h e n s i v ec a l c u l a t i o nw a sc a r r i e do i lb e t w e e nm b ra n dm b f bm a i n l yf r o mt h r e e r e s p e c t s ，i n c l u d i n ge q u i p m e n ti n v e s t m e n t , o p e r a t i o nc o s ta n dt h ei n t e g r a t e db e n e f i t t h o u g ht h e c a r r i e r si n c r e a s e ds o m ec o s t , c o m p a r e dw i t hm b r , t h ep o w e re x p e n s e so fm b f br e d u c e db y3 0 a n dt h et o t a lo p e r a t i n ge x p e n s e sr e d u c e db y10 k e yw o r d s ：m e m b r a n eb i o l o g i c a lf l u i d i z e db e d ，m e m b r a n eb i o r e a c t o r , m e m b r a n ef o u l i n g 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 1 ：i 第一章绪论1 1 1 研究背景及问题的提出1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 问题的提出及意义2 1 2 膜生物反应器2 1 3 生物流化床3 1 4 生物接触氧化4 1 5 膜生物流化床4 1 6 研究目的及内容5 1 6 1 研究的目的及技术要点5 1 6 2 主要研究内容6 第二章试验概况j 7 2 1 试验装置7 2 2 试验水质8 2 3 测定项目及分析方法8 2 4 主要测试仪器与药品9 2 5 运行方式9 第三章膜生物流化床污染物去除特性1 0 3 1c o d 去除效果与特性1 0 3 2 氨氮去除效果1 3 3 3 总氮去除效果1 5 3 4 总磷去除效果1 7 3 5 本章小结1 8 第四章m b r 与皿f b 除污特性比较1 9 4 i 试验运行方法与条件1 9 4 2c o d 2 0 4 3 氨氮2 2 4 4 总氮2 4 4 5 本章小结2 5 第五章m b r 与鹏f b 抗膜污染特性比较2 6 5 1 膜污染及其机理2 6 5 1 1 膜污染的来源及成因2 6 5 1 2 膜污染的影响因素2 7 i i i 东南大学硕十学位论文 5 1 3 膜污染阻力的表征方法2 8 5 1 4 膜的清洗2 9 5 2 长期运行下两系统膜污染特征对比3 0 5 3 运行条件对两系统膜污染影响的对比3 1 5 3 1 膜通量3 1 5 3 2 曝气强度3 2 5 3 3 抽停时间3 4 5 3 4 温度3 5 5 3 5 反应器流态3 6 5 4 混合液特性对两系统膜污染的影响对比3 7 5 4 1 生物浓度( m l s s ) 3 7 5 4 2 污泥沉降比( s v i ) 3 7 5 5 本章小结3 9 第六章m b r 与船f b 经济性对比4 0 6 1 设计工程概况4 0 6 1 1 设计规模4 0 6 1 2 进水水质4 0 6 1 3 出水水质4 0 6 1 4 处理程度的确定4 0 6 2 主要构筑物设计参数4 l 6 3 经济技术分析4 2 6 3 1 系统费用构成4 2 6 3 2 工程投资总费用对比4 2 6 3 3 运行费用对比4 4 6 4 本章小结4 5 第七章结论与建议4 6 7 1 结论4 6 7 2 建议4 8 致谢4 9 参考文献5 0 i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及问题的提出 1 1 1 研究背景 水是生命之源，是地球上唯一不可替代的自然资源。水覆盖着7 1 的地球表面。但是， 全球1 3 亿m 3 的水资源中，可利用的淡水仅占总水量的0 0 1 4 。水对人的生命和健康至关 重要，获得安全饮用水是人类生存的基本需求。随着世界人口的急剧增长，用水量不断增加， 加上水污染日益严重，使许多本来可以利用的淡水资源遭到破坏，而许多国家的用水速度 已经超过了水的再生速度，从而也导致水资源的日益匮乏。同时，水资源在各地的分 布极不均匀，全球有6 0 以上的陆地淡水不足，其中4 3 个国家的7 亿多人常年生活在缺水 状态中，预计到2 0 2 5 年，水危机将蔓延至4 8 个国家，缺水人口可能超过3 5 亿。水资源危 机带来的生态恶化和生物多样性破坏也严重威胁着人类的生存。中国水资源状况也不容乐 观，人均占有量排在世界第1 1 0 位，被联合国列为1 3 个贫水国家之一。中国目前年用水量 为4 5 0 0 亿立方米，其中，农业用水量为4 0 0 0 亿立方米，城市与工业用水量为5 0 0 亿立方米。 农业年缺水量约3 0 0 亿立方米，城市与工业年缺水量达5 8 亿立方米。我国人均用水量已不 足2 2 0 0 立方米，是世界人均用水量的3 0 左右。 我国目前面临着严重的水资源问题：一方面是水资源短缺，另一方面水体又在遭受日益 严重的污染。根据2 0 0 8 年公布的中国环境状况公报：我国七大水系中，珠江、长江总体 水质良好，松花江为轻度污染，黄河、淮河为中度污染，辽河、海河为重度污染。另外，湖 泊富营养化问题突出。滇池、巢湖环湖河流水质总体为重度污染，太湖环湖河流水质总体为 中度污染。全国地表水属中度污染，在对1 9 7 条河流4 0 7 个断面的检测中，i 一类( 优、 良好) 、类v 类( 轻度和中度污染) 、劣v 类( 重度污染) 水质的断面分别为4 9 9 、2 6 5 、 2 3 6 尽管较前两年有了一定的好转，但后两者比例之和仍超过了5 0 ，可见，我国地表 水各类水体污染情况非常严重。同时，地下水状况也不容乐观，多数城市的地下水受到点状 或面状污染。严重的水环境污染，进步加剧了我国水资源短缺和水资源需求的矛盾，使水危机 更加突出，制约了我国社会、经济的可持续发展。因此，建设节水型社会已成为人们的共识和 社会发展的必然，城市污水治理的研究与优化就越发显得重要。 污水的再生与回用可以起到节水减污的作用，既开辟了新的水源，又减少了水环境污染 和水生态系统的破坏，可产生巨大的经济效益和环境效益，是解决“水危机”的战略性举措。 西欧北美等发达国家，针对城市污水回用问题采取了大量有效的措施，虽然总用水量逐年增 加，但新鲜水的总取水量一直都在“零增长”点附近徘徊。在我国城市污水再生率与回用率都 还很低的情况下，城市污水回用潜力很大，比远距离取水更为经济有效。因此，城市污水的 有效处理与再生利用作为开源节流的重要途径之一，是实现水资源可持续利用的有效途径。 东南大学硕上学位论文 1 1 2 问题的提出及意义 污水处理技术的发展与应用已成为影响社会可持续发展的重要因素。随着人类环境保护 意识的提高，国内外对废水排放的限制标准也越来越严格。生物法是目前世界各国处理污水 的主要方法，在污水处理领域占有重要的地位；但传统生化处理技术和回用工艺往往具有流 程复杂、占地面积大、出水水质稳定性差、卫生指标难以达到要求，且能耗大等缺点，因此， 研究开发经济、高效、适用性广泛的污水处理技术，在原有污水处理设施上改进处理工艺是 目前的热点。同时，城市生产和发展的规模不断扩大，必然造成已建造运行的污水处理设施 承受负荷的逐渐增加，为适应更高的排放标准，提高出水水质，现有工艺技术的升级改造势 在必行。因此，提高污水处理效果、优化原有处理工艺及设备已成为目前水污染控制领域的 重点和热点。 随着材料技术的进步，膜生产技术的发展和加工成本的降低，膜生物反应器( m e m b r a n e b i o r e a c t o r ，简称m b r ) 作为一种新型高效的污水处理技术成为当前研究的热点之一，在国 际上受到广泛关注，并在实际运用中取得了迅速发展。膜生物反应器是由膜技术和生物反应 器结合而成的生物化学反应系统，其基本原理是借助膜分离对悬浮物、大分子有机物及游离 细菌的有效截留，大大提高反应器内的污泥浓度和污泥龄，改善生物结构，提高出水水质1 2 1 。 但由于严重的膜污染问题，制约了反应器的长期稳定运行，加大能耗，降低膜寿命，提高了 治水成本；加之，一般生物反应器的低负荷等不利因素，限制了该技术的大面积推广与工程 应用。为改进膜生物反应器的处理效果并减少膜污染、降低能耗，将生物处理技术与膜分离 技术完美结合起来，许多研究人员已经提出了复合型膜生物反应器。本课题通过将生物流化 床、普通膜生物反应器与生物接触氧化技术的有机结合，开发出处理性能、抗污力、运行稳 定性均优的膜生物流化床( m b f b ) 工艺。本研究通过对膜生物流化床与普通膜生物反应器 处理城市污水的试验，将两工艺在污染物( 包括c o d 、n h 4 + - n 、t n 、t p 等) 长期运行下 的处理效果、抗膜污染特性及经济效益这三方面分别进行对比，从而考察膜生物流化床的性 能优势，以便为污水处理及资源化提供有竞争力的工艺技术。 1 2 膜生物反应器 膜生物反应器是膜分离技术和生物处理技术有机结合的一种新型高效的污水处理技术， 也称膜分离活性污泥法。2 0 世纪踟年代以来，该技术成为研究的热点之一，已被成功应用 在生活污水、工业废水及饮用水的处理中。m b r 在我国的研究始于1 9 9 3 年，在对各种膜生 物反应器与传统生物处理工艺在城市污水处理方面进行的比较表明：各种m b r 的出水水质 均优于传统生物处理工艺。出水水质已达到或优于建设部l ：生活杂用水水质标准，可直接 作为楼宇中水回用及城市园林绿化、扫除、消防等用水。 该工艺能使有机物深度氧化，排出物不含固体颗粒，能完全保留生物体，在低温时亦能 维持高处理能力。该复合过程还可通过维持低f m 比例减少污泥产量。反应器能够维持高 生物浓度而减少占地。还可采用同时硝化反硝化作用成功地除氮，污泥滞留时间相当长，从 2 第一章绪论 而完全保留体系中缓慢生长的硝化细菌。由于其在废水资源化及中水回用方面的诱人潜力， 正受到世界各国的普通关注，是目前最有前途的废水处理新技术之一，其主要特点有： ( 1 ) 出水水质好。 ( 2 ) 设备紧凑，占地面积小。 ( 3 ) 硝化能力大大提高。 ( 4 ) 剩余污泥量很少，污泥处置费用低。由于s r t 很长，生物反应器起到了污泥好氧 消化池的作用，从而显著地减少污泥产量。 ( 5 ) 系统可采用p l c 控制，可以实现全程自动化控制。 ( 6 ) m b r 设备布置可集中可分散，具有灵活性l l 】。 虽然膜生物反应器中膜的高效截留和分离作用使其在废水处理中具有独特的技术优势， 尤其在污水回用和设施占地上更是一项极具潜力的技术，但膜分离的引入同时也带来了新的 问题，其中膜污染就是一个突出问题，它将影响膜的稳定运行、决定膜的更换频率，从而直 接影响m b r 工艺的经济可行性。因此，膜污染问题是引起膜通量和分离特性下降的主要原 因，也始终是其推广应用的主要障碍。针对膜污染的解决措施尚处在探索阶段，传统的有效 办法为物理化学清洗。对于已经污染的膜组件来说，目前所实用的最普遍的解决手段是反冲 洗、水力冲洗以及在线药洗。尽管上述物理化学清洗方法在缓解膜污染问题上的作用最为直 接快捷，但在实际应用中需针对具体的系统采取不同的清洗方案，各参数的确定较为困难。 最重要的是，清洗手段始终是在膜组件受污染后的后续措施，需定期反复进行，对膜本身寿 命有一定影响，无法从源头上缓解或控制膜的污染，仅做到了“治”而没有做到“防”，并且增 加了工作量和配套设施投资，因此，依靠单一的物化清洗显然无法满足治本的实际需求。为 此，针对m b r 膜污染控制这一瓶颈问题，目前的研究重点已从传统物理化学清洗转为从改 善反应器流态、混合液性质及操作条件等入手，从源头上防止或缓解膜污染的发生。 1 3 生物流化床 生物流化床技术( b i o l o g i c a lf l u i d i z e db e d ) 是普通活性污泥法和生物膜法相结合的废水 生物处理技术。它以砂、活性炭、焦炭一类的较小颗粒为载体填充在床内，载体表面覆盖着 生物膜，污水以一定流速从下向上流动，使载体处于流化状态，同时去除和降解有机污染物。 采用生物流化床处理污水的研究和应用始于2 0 世纪7 0 年代初，最早是由美国国家环保局在 1 9 7 0 - - 1 9 7 3 年进行的。国内对流化床的研究始于2 0 世纪7 0 年代末，到8 0 、9 0 年代，已大 量得到推广，应用领域涉及生活、炼油、制药、印染、食品等各种废水的处理。 三相流化床( t h r e e p h a s ef l u i d i z e db e d ) 是气、液、固三相直接在流化床体内接触进行 生化反应，不另设充氧设备和脱膜设备，载体表面的生物膜依靠气体的搅动作用，使颗粒之 间激烈摩擦而脱落。三相生物流化床的应用得益于生物工程中的生物膜法与化工操作中的流 态化技术的成功结合，宏观混合程度高，固相内扩散阻力低，液体和固体外部传质阻力小， 微生物浓度高，因而特别适用于反应速度慢，反应历程复杂的废水生化处理过程【2 】o 生物流化床由于采用小粒径固体颗粒作为载体，且载体在床内呈流化状态，因此其单位 3 东南大学硕士学位论文 体积表面积比其它生物膜法大很多，使单位床体的生物量很高，加上传质速度快，废水一进 入床内，很快地被混合稀释，所以生物流化床的抗冲击负荷能力较强，容积负荷也较其它生 物处理法高。因此，在相同进水浓度下，生物流化床处理污水可使装置的容积大大减小，从 而显著降低工程投资及土地占用面积【3 1 但传统流化床也有以下几点不足： ( 1 ) 流化床的流态化过程十分复杂，给放大设计造成了困难，也对运行技术提出了很 高的要求。 ( 2 ) 以沉淀原理为基础的三相分离器中，泥水分离靠重力作用，以致分离效率依赖活 性污泥沉降性能。而由于沉淀时间短，固液分离效果不理想，出水中s s 含量可能很高，影 响出水水质。 ( 3 ) 载体易流失。 因此，今后研究的重点不仅应着重在加强反应器的放大设计等方面，更应努力研究和开 发不同结构的流化床反应器，或将其优势与其它工艺进行有机集成，扬长避短，以适应更高 的废水处理要求。 1 4 生物接触氧化 生物接触氧化处理技术的实质之一是在池内充填填料，已经充氧的污水浸没全部填料， 并以一定的流速流经填料。在填料上布满生物膜，污水与生物膜广泛接触，在微生物的新陈 代谢作用下，污水中有机物得到去除，污水得到净化，因此，生物接触氧化处理技术，又称 为“淹没式生物滤池”，是一种介于活性污泥法与生物滤池之间的生物处理技术，是具有活 性污泥法特点的生物膜法，兼具两者的优点： ( 1 ) 对冲击负荷有较强的适应能力，在间歇运行条件下，仍能保持良好的处理效果。 ( 2 ) 操作简单、运行方便、易于维护管理，无需污泥回流，不产生污泥膨胀现象，也 不会生滤池蝇。 1 3 ) 污泥生成量少，颗粒较大，易于沉淀i 1 生物接触氧化技术具有多种净化功能，除有效地去除有机物外还能脱氮，可作为三级处 理技术；但若设计或运行不当，填料可能堵塞，此外，布水、曝气不易均匀，在局部可能出 现死角。 1 5 膜生物流化床 膜生物流化床( m e m b r a n eb i o l o g i c a lf l u i d i z e db e d ，简称m b f b ) 是将膜分离技术、生 物接触氧化与生物流化床有机结合的新工艺，它以轻质橡胶颗粒等为载体培养附着生物膜并 通过气提进行流化操作，以微滤膜组件作为泥水分离单元，并通过填料增大缺氧区生物表面 积。该技术保留了普通膜生物反应器高效的固液分离，微生物浓度高，耐冲击负荷，产泥量 少等优点f 5 】，以及三相流化床的处理效率高、容积负荷高、抗冲击能力强、设备紧凑、占地 面积省的优点 6 1 ，同时，组合填料的投加进一步提高了系统的反硝化能力。这三种工艺的结 合互补了不足。它能在提高出水水质的同时，解决一直制约着流化床进一步发展的问题 4 第一章绪论 载体流失和出水s s 偏高l 。对生物流化床而言，膜对世代时间长的亚硝化菌、硝化菌的截 留强化了流化床的硝化性能，膜的截留作用在有效提高流化床中生物浓度的同时，无需考虑 混合液的泥水分离，而填料的投加增大了缺氧区生物表面，减小了流化床混合时间短、湍流 程度高、缺氧区溶解氧含量较高的影响：填料上附着的生物膜由外向内形成好氧、缺氧的多 层结构，为反硝化菌的生长提供了良好的缺氧环境，提高了系统的脱氮能力。另一方面，对 膜生物反应器而言，载体的投加使附着态微生物量远远大于悬浮性微生物量，减小混合液粘 度，使胞外聚合物( e p s ) 含量减少【2 j ，从而可在较大程度上抑制膜污染的进展【7 1 ，延长膜 组件的反冲洗周期。而载体之间以及载体和膜组件之间的摩擦与剪切，可使载体上老化生物 膜及时脱落并定期排出，保持了反应器中微生物的高活性，提高污染物的去除能力，还可有 效降低悬浮污泥在膜表面的沉积，造成膜污染的几率。 1 6 研究目的及内容 1 6 1 研究的目的及技术要点 m b f b ( m e m b r a n eb i o l o g i e a lf l u i d i z e db e d ，膜生物流化床) 反应器综合了生物固定技 术和膜处理技术的优点。本研究以轻质橡胶颗粒作为载体，培养附着生物膜并进行流化操作， 以微滤膜组件作为泥水分离单元，获得高生物浓度，延长有机固体停留时间，极大地提高了 生物体系对基质的氧化率。其对污染物的去除机理在于反应器中附着生长的生物膜比表面积 大，气液传质高效，泥龄长，微生物种类繁多，加之膜组件的强制截留作用，所以，比之普 通的m b r 和其它生物处理工艺，具有更好的污泥浓度和污泥活性，因此有机物去除效果更 好，抗冲击负荷能力强，在工程化应用中可最大限度地缩短水力停留时间，减少设备占地面 积。但m b f b 由于混合时间短，湍流程度高，水力循环的溶氧携带往往不能保证缺氧区的 缺氧环境，不利于反硝化的完全进行，从而限制了脱氮效率的进一步提高。为此本研究在缺 氧区投加组合填料，形成复合膜生物流化床，通过增大缺氧区生物表面，提高系统的反硝化 能力。 本研究的目的在于：通过大量、系统的试验与分析比较，确定m b f b 系统的最佳运行 参数，并与m b r 反应器在长期运行下的处理效果、膜污染状况与经济性分别进行对比，旨 在开发出在处理性能、抗污染能力、运行稳定性等方面均优于已有技术的新型工艺，为迫切 的污水处理资源化提供实用技术和装备，建立自主知识产权，推动我国污水资源化及其相关 技术和产业的发展。 本技术不仅为新建污水厂的工艺提供了选择，也为旧有污水厂在原有活性污泥工艺基础 上的改造提供了条件，使其出水的各项指标可全面达到国家日益严格的排放标准。 5 jliij硼刑硼硼硼硼 东南大学硕士学位论文 1 6 2 主要研究内容 本研究将生物处理单元与膜分离进行工艺组合形成膜生物流化床，并将其与普通膜生物 反应器在处理效果、膜污染及经济效益等方面进行对比，考察膜生物流化床的性能优势。研 究的主要内容包括： ( 1 )研究m b f b 的除污特性。考察在不同温度下m b f b 对城市污水中c o d 、t p 、 n i - 1 4 + - n 和 in 的去除效果，分析温度变化对m b f b 污染物去除效果的影响；分 析m b f b 中生物反应器和膜组件各自对污染物去除的贡献、变化及原因；分析 m b f b 的硝化、反硝化特性，探讨m b f b 的脱氮能力：分析常规m b f b 对磷去 除效果不佳的原因。 ( 2 ) 对比m b r 与m b f b 的除污特性。通过平行对比试验，分别考察m b f b 与m b r 对城市污水中c o d 、n h 4 + - n 和t n 的去除效果，通过对比，探讨m b f b 的除 污优势。 ( 3 ) 对比m b r 与m b f b 的抗膜污染特性。通过平行对比试验，考察两系统长期运 行中膜过滤阻力的变化；考察系统运行条件( 膜通量、曝气强度、抽停时间、 温度) 以及系统微环境对膜污染的影响，探讨两系统抗膜污染性能。 ( 4 )对m b r 与m b f b 系统进行经济性对比。从设备投资、运行成本及综合效益等 方面对两系统的经济性进行对比。 6 第二章试验概况 2 1 试验装置 第二章试验概况 图2 1 为本试验采用的膜生物流化床( m b f b ) 工艺系统装置及工作流程图。反应器由 有机玻璃板制成，总有效容积3 5 0 l ，考虑到脱氮的需要，反应器分设缺氧和好氧两个区， 其中好氧区有效容积1 6 0 l ，缺氧区有效容积1 6 0 l ，泥斗容积3 0 l 。 图2 1膜生物流化床装置及工作流程示意图 膜组件采用浙大凯华膜技术有限公司生产的聚丙烯( p p ) 中空纤维微滤膜，膜孔径 o 1 - 4 ) 2 p m ，膜内径3 2 0 - - 3 5 0 p m ，膜壁厚4 0 - 5 0 t u n ，开孔率为4 0 - 一, 5 0 ，膜总面积约为 2 2 m 2 本试验采用橡胶颗粒作为投加载体( 载体参数见表2 1 ) ，总投加量为好氧区体积的 1 0 0 , 4 。缺氧区悬挂组合填料，投加量为缺氧区体积的2 0 。 表2 - 1 载体特性参数 膜组件底部设穿孔曝气管鼓风曝气供氧，两区之间通过曝气提升形成内循环，通过顶部 闸板控制回流比。进水水箱设溢流装置以保持恒水位，出水由自吸泵负压间歇抽吸，反应器 底部设泥斗。 试验的主要设备及机械： 试验中，膜组件出水采取低压恒流、间歇负压抽吸方式运行，并以继电器设定适宜的抽 停时间比，以降低膜污染。 反应器尺寸：l x b x h = 6 2 5 m m x4 0 0 m m x1 7 0 0 m m 7 东南大学硕士学位论文 好氧区尺寸：l x b x h = 2 5 0 m m x4 0 0 m m x17 0 0 m m 曝气机：s i g i s 型往复式空气压缩机，南京英格索兰压缩机有限公司 自吸泵： s c p1 8 0 a c ( 2 0 s g0 5 1 4 ) 型高压自吸管道泵，上海豪贝机电设备有限公司 性能参数：额定流量0 5 m 3 1 1 功率1 8 0 w 最高扬程1 4 m 电源2 2 0 v 5 0 h z 转速2 8 6 0 r m i n 水银测压计：玻璃管u 形水银测压计 膜组件：中空纤维膜与连通管封接，膜组件尺寸1 5 0 m m x2 7 0 m i n x7 5 0 m m 2 2 试验水质 试验采用南京江宁开发区污水处理厂沉砂池出水为试验原水，具体水质条件如表2 - 2 所 示。试验启动阶段所用接种污泥为该厂氧化沟内活性污泥，稀释其m l s s 至2 0 9 l 进行接种， 污泥沉降比s v = 3 0 。 表2 - 2 试验原水水质 2 3 测定项目及分析方法 试验中，对进水及膜生物流化床的出水水质和污泥混合液性质进行测定，测定项目包括 p h 值、温度、m l s s 、c o d 、n 0 3 - n 、n h 4 + - n 、t n 、t p 等，均参照国家环保总局推荐标准 方法嗍，如表2 3 所示。其中，反应器上清液的t n 、t p 的浓度由污泥混合液经滤纸过滤后 测定，上清液n h 4 + - n 、n 0 3 - n 浓度由反应器内污泥混合液经预处理后的测定值。 表2 3 水质测定项目与方法 分析项目测定方法 化学需氧量( c o d ) 总磷( t p ) 总氮( t n ) 氨氮( n 心+ - i 4 ) 硝酸盐氮( n 0 3 - n ) 污泥浓度( m l s s ) 污泥生物相 p h 值 温度 重铬酸钾法 过硫酸钾消解一钼锑抗分光光度法 碱性过硫酸钾消解一紫外分光光度法 纳氏试剂光度法 紫外分光光度法 滤纸重量法 显微镜观察 p h s 3 c 精密数显酸度计 水银温度计 8 l要l 第二章试验概况 2 4 主要测试仪器与药品 主要试验仪器： ( 1 ) p h s - - 2 c 型精密数显酸度计，上海雷磁仪器厂 ( 2 ) c o d 回流装置 ( 3 ) 可调万用电炉，上海实验仪器总厂 ( 4 ) 岛津a u y l 2 0 型电子分析天平，s h i m a d z u ( 5 ) t m q r 型台式灭菌器，山东新华医疗器械股份有限公司 ( 6 ) u v 7 5 5 b 型紫外可见分光光度计，上海精密科学仪器有限公司 ( 7 ) 1 0 1 a 1 b 型电热鼓风干燥箱，上海实验仪器厂有限公司 ( 8 ) h h s 型精密恒温水浴锅，国华电器有限公司 ( 9 ) s x 2 - 4 1 0 型箱式电阻炉，上海实验仪器总厂 ( 1 0 ) x s 2 1 2 2 0 1 型显微镜，j n o e c 主要试验药品： ( 1 ) 重铬酸钾( k 2 c 眩0 1 7 ) ，分析纯，上海浦江化工厂 ( 2 ) 六水合硫酸铁( i i ) 铵( ( n h 4 ) 2 f e ( s 0 4 ) 2 6 h 2 0 ) ，分析纯，上海试剂四厂 ( 3 ) 硫酸银( a 9 2 s 0 4 ) ，化学纯，上海试剂一厂 ( 4 ) 氢氧化钠( n a o h ) ，分析纯，江苏南新助剂厂 ( 5 ) 硝酸钾( k n 0 3 ) ，分析纯，上海化工高等专科学校实验工厂 2 5 运行方式 试验采取恒位水箱重力流进水。在反应器内投加一定比例轻质橡胶颗粒载体，控制操 作条件挂膜，挂膜颗粒( 生物粒子) 和活性污泥在气提作用下在反应器内循环，形成生物流 化床，膜组件出水。将流化颗粒与膜生物( 分离) 技术有机结合成为膜生物流化床。反应器 好氧区生物以去除碳源有机物和硝化作用为主。缺氧区投加组合填料强化反硝化，以提高脱 氮率。 试验中，调节h r t = 6 h ( 好氧区3 h ，缺氧区3 h ) ，进水流速为0 0 0 5 8 m s ，气水比为1 2 ： l ，水温为1 0 - 2 5 0 c 。反应器中混合液及载体在气体的提升下在好氧区和缺氧区间循环。试 验中，除分析需要取出少量污泥以及排走脱落生物膜外，试验中未再排泥，反应器中污泥自 然生长，生物浓度由接种时的1 5 9 l 增至7 5 9 l 。膜出水采用自吸泵间歇抽吸，采用低压恒 流、间歇负压抽吸操作方式。 9 gll 东南大学硕士学位论文 第三章膜生物流化床污染物去除特性 本章将探讨系统稳定运行条件下对城市污水处理的效果，并通过不同温度下的对比试 验，考察m b f b 系统长期运行的稳定性。主要研究内容包括： ( 1 ) 考察不同温度下m b f b 系统对城市污水中c o d 、t p 、n h 4 + - n 和t n 的去除效 果，分析温度变化对系统污染物去除效果的影响。 ( 2 ) 分析稳定运行条件下m b f b 中生物反应器、膜组件和组合填料各自对污染物去 除的贡献、变化及原因；分析m b f b 的硝化、反硝化特性，探讨m b f b 的脱氮 性能。 ( 3 ) 考察长期运行条件下系统对磷的去除效果，并探讨常规m b f b 对磷去除效果不 佳的原因。 试验运行条件见表3 1 。 表3 - 1 试验试验运行条件 试验考察并比较了在9 2 、1 5 、2 4 1 2 - - - 种不同水温及缺氧区是否悬挂组合填料两种 情况下污染物的去除特性。 3 1c o d 去除效果与特性 图3 1 为试验期间m b f b 系统进水、上清液、出水c o d 浓度及去除率随运行历程的变 化。由图3 1 ( a ) 、( b ) 、( c ) - - 图可见，在进水c o d 浓度日变化较大( 3 0 0 9 - - 6 0 7 m g l ) 的情 况下，系统始终保持稳定优质的出水。平均水温为1 5 时，系统进水c o d 平均浓度为 4 4 1 0 1 m g l ，出水c o d 平均浓度在1 5 9 3 m g l ，平均总去除率为9 6 4 ；而当平均水温达 到2 4 1 2 时，出水c o d 浓度仅为9 3 6 m g l ，系统对c o d 的平均总去除率高达9 8 3 2 ；即 使在冬季平均水温仅9 2 c 的条件下，对c o d 的去除率始终保持在9 0 以上，系统出水的 c o d 平均浓度为3 3 4 5 m g l ，均达到城镇污水处理厂污染物排放标准一级a 标准( c o d 一 5 0 m g l ) 。 由图( c ) 与( d ) 比较可以看出，系统缺氧区悬挂组合填料与未挂填料相比，两者的 c o d 总去除率分别为9 8 3 2 和9 8 4 l ，生物去除率分别为9 2 8 和9 2 9 5 ，膜组件的贡 献率( 相对进水) 分别为5 5 2 和5 4 4 。可见，由于膜生物流化床本身对有机物去除效果 就很好，故缺氧区投加组合填料对系统c o d 去除效果影响并不明显。 第三章膜生物流化床污染物去除特性 在平均水温为2 4 1 2 、1 5 1 2 、9 2 c 的条件下，膜对系统进水c o d 去除的