（环境工程专业论文）mbr与cas的特性比较和mbrcas工艺的小试研究.pdf

摘要 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，简称m b r ) 是将膜组件的高效固液 分离作用和生物反应器内微生物的生物降解作用有机结合而成，以膜组件取代了 传统处理工艺中的二沉池和后处理系统，具有许多其他生物处理工艺无法比拟的 明显优势，但同时也存在膜造价较高和膜污染等问题。活性污泥法( c o n v e n t i o n a l a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，简称c a s ) 最先运用于生化法污水处理行业，从十九 世纪末至今已得到了广泛应用。由于自身的诸多不足，在实践中不断发展和创新， 形成了一批改造工艺，如氧化沟技术、a b 工艺、s b r 工艺、a o 工艺等。 本课题旨在同一操作条件下，对m b r 和c a st 艺进行比较，为了从理论 上更进一步认识m b r 工艺，同时为m b r 的开发以及膜污染研究提供科学依据； 此外，探讨了m b r c a s 工艺的可行性研究，分析其运行规律和工艺特点，并针 对污水回用寻求一种经济、有效的处理方法，为今后的工程实践提供理论素材。 实验结果表明：在污泥驯化期间，m b r 工艺的c o d 盯、n h 3 - n 平均去除率 分别为8 2 和5 2 ，比c a s 工艺相对要高；两反应器内s m p 都有部分累积，且 s m p 对出水水质存在不同程度上的影响；两者污泥特性发生了较大改变，主要 表现在生物相，污泥浓度，污泥沉降性，污泥颗粒粒径等方面。 在两工艺稳定运行期间，m b r 具有比c a s 更强的有机物和磷的去除能力， c o i ) c ，和t p 平均去除率分别为9 2 3 和6 1 9 。m b r 反应器内s m p 大量积累且 变化幅度较大；从膜传质阻力角度分析到膜污染现象较为严重，膜清洗过程较为 频繁。两反应器中的污泥特性存在较大的差异。c a s 污泥絮体密实、排列规则， 原生动物和后生动物种类繁多而且活跃；m b r 污泥絮体松散，菌胶团边缘混浊， 原生动物和后生动物种类少且表现呆滞。两反应器的污泥浓度随着运行时间的延 长而逐渐升高。m b r 中的污泥浓度增长较快，稳定运行后期m l s s 为1 6 0 0 0 m g l 左右。在此稳定运行期间，两工艺均未出现污泥膨胀现象并且保持着较好的污泥 活性。 m b r c a s 工艺运行过程中，膜出水水质要远远好于沉淀池出水，其出水平 均c o d 浓度为2 3 2 m g l 。沉淀池出水基本正常，没有出现污泥膨胀现象。污泥 浓度和污泥沉降性能都相对稳定。此工艺的最大特点是参照生活杂用水水质标 准，最优化出水比例和适当地改变操作参数，使其成为最为经济、可行的处理方 法之一。 关键词：膜生物反应器活性污泥法去除特性污泥特性 a b s t r a c t m b r ( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ) i ss y n t h e s i z e db yt h ef u n c t i o no fh i g h i ye f f e c t i v e s o l i df l u i d s e p a r a t i o n f r o mt h em e m b r a n em o d u l ea n dt h ef u n c t i o n o ft h e m i c r o o r g a n i s mb i o d e g r a d a t i o nf r o mt h eb i o l o g i c a lr e a c t o r a n di t sm e m b r a n em o d u l e s u b s t i t u t e s s e c o n d a r y s e d i m e n t a t i o nt a n ka n dt h ep o s t t r e a t m e n t s y s t e m i n c a s ( c o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ) c o m p a r e d w i t ho t h e rb i o l o g i c a l t r e a t m e n tp r o c e s s e s ，m b rh a sm u c ho b v i o u ss u p e r i o r i t y h o w e v e r , i ta l s oe x i s t s e x p e n s i v em e m b r a n ec o n s t r u c t i o na n d m e m b r a n ep o l l u t i o na n ds oo n c a si su s e di n b i o c h e m i c a lp r o c e s sf i r s t l ya n di th a sb e e na p p l i e dw i d e l ys i n c el a s t9 0 s b e c a u s eo f s o m ei n s u f f i c i e n ti t s e l f , i td e v e l o p e da n di n n o v a t e du n c e a s i n g l yi nt h ep r a c t i c ea n d m a d es e v e r a lt r a n s f o r m e dp r o c e s s e s ，s u c ha so x i d a t i o nd i t c h ，a - bp r o c e s s ，s b r p r o c e s s ，a - op r o c e s sa n ds oo n t h es t u d yf o c u s e do nt h er e s e a r c ho fc o m p a r a t i o nb e t w e e nm b r a n dc a su n d e r t h es a m eo p e r a t i o nc o n d i t i o n ，i t sg o a lw a st ou n d e r s t a n dm b rp r o c e s st h e o r e t i c a l l y a n dt op r o v i d es c i e n t i f i cb a s ef o rt h em b rd e v e l o p m e n ta n dt h er e s e a r c ho ft h e m e m b r a n ep o l l u t i o n a d d i t i o n a l l y ，t h es t u d yd i s c u s s e dt h ef e a s i b i l i t yr e s e a r c ho f m b r c a sp r o c e s sa n da n a l y z e dt h er u l eo fs y s t e ma n dc h a r a c t e r i s t i c so ft e c h n i q u e s a n ds e e k e df o ra ne c o n o m i c a la n de f f e c t i v em e t h o df o rt h ew a s t e w a t e rr e u s ea n d p r o v i d e dt h e o r yk n o w l e d g ef o rf u r t h e re n g i n e e r i n gp r a c t i c e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a td u r i n gt h es l u d g e a c c l i m a t i o np e r i o dm b r s a v e r a g er e m o v a lr a t eo fc o d e rw a s8 2 ，a n dn h 3 - nw a s5 2 ，t h e i rv a l u e sw e r e b i g g e rt h a nc a sr e s p e c t i v e l y s m pw a sp a r t l ya c c u m u l a t e di nt h e s et w or e a c t o r s ，a n d h a dd i f f e r e n ta f f e c tt ot h ee f f l u e n tq u a l i t y t h ec h a r a c t e r i s t i co fs l u d g ec h a n g e dal o t , m o s t l y a b o u tb i o l o g i c a l a p p e a r a n c e ，s l u d g ec o n c e n t r a t i o n ，s l u d g e s e d i m e n t a t i o n p e r f o r m a n c e ，s l u d g eg r a i nd i a m e t e ra n ds oo n c o m p a r e dt h ea b i l i t yo fd e p h o s p h o r i z a t i o na n de l i m i n a t i n go r g a n i c m a t e r i a lw i t h o t h e r s m b rw a sb e t t e r t h ea v e r a g er e m o v a lo fc o d c rw a s9 2 3 ，a n dt pw a s 61 9 s m pw a sa c c u m u l a t e di nmb r ，a l s oc h a n g e dal o t f r o mm e m b r a n e t r a n s f e r r i n gr e s i s t a n c e ，m e m b r a n ep o l l u t i o nw a s b a da n dn e e d e dm o r ec a r e i n s p e c t i n g f r o mt h es l u d g ec h a r a c t e r i s t i c ，d i f f e r e n c ew a sb i g c a ss l u d g ef l o ew a sh a r d ，a n di t s a r r a n g e m e n tw a sr e g u l a lt h ep r o t o z o o na n dt h em e t a z o a st y p ew a s v a r i o u sa n da c t i v e m b rs l u d g em i c r o s c o p i ce x a m i n a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a ts l u d g ef l o cw a sl o o s e ，t h e e d g eo fz o o g l o e a w a sm u d d y , t h ep r o t o z o o na n dt h em e t a z o a na l s op e r f o r m e d l a n g u i s h m e n ta n dt h e i rt y p e sw e r et h i n t w or e a c t o r ss l u d g ec o n c e n t r a t i o ng r a d u a l l y g r e wc o r r e s p o n d i n g l ya l o n g w i t ht h er u n n i n gt i m e s l u d g ec o n c e n t r a t i o ni nm b rw a s a b o u t16 0 0 0m g la n dg r e wq u i c k e ri nt h el a t t e rt e r m i nt h e s et w os y s t e m s ，p r o c e s s h a dn os l u d g ee x p a n da n dt h es l u d g ek e p tg o o da c t i v i t y l nt h em b r c a sp r o c e s s ，t h em e m b r a n ee f f l u e n tq u a l i t y i sb e t t e rt h a n s e d i m e n t a t i o nt a n k t h ea v e r a g eo f e f f l u e n tc o d c fw a s2 3 2 m g l s e d i m e n t a t i o nt a n k k e p tn a t u r a le f f l u e n t , a n dh a dn os l u d g ee x p a n d s l u d g ec o n c e n t r a t i o na n ds l u d g e s e d i m e n t a t i o np e r f o r m e dr e l a t i v e l ys t e a d y t h ef e a t u r e so ft h i sp r o c e s sw e r et h a tw e o p t i m i z e dt h er a t i oo ft h ee f f l u e n ta n dc h a n g e do p e r a t i o nc o n d i t i o n sa p p r o p r i a t e l y a c c o r d i n gt ot h ew a t e rq u a l i t yc r i t e r i af o rn o n - p o t a b l e h o u s e h o l dt ob e c o m eo n eo ft h e b e s te c o n o m ya n df e a s i b l et r e a t m e n tw a y s k e yw o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r , c o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ， r e m o v a lc h a r a c t e r i s t i c s ，s l u d g ec h a r a c t e r i s t i c s 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，也不包含为获得苤鲞叁堂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：童犁芳 签字日期：弘叮 年多月旷 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权蠢鲞盘堂可以将学位论支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：多、颦豸 签字日期：m 了年多月心日 导师签名： 婵醐。椤“月，j 日 第一章绪论 第一章绪论 世界人口的急剧膨胀，许多国家都出现了水资源缺乏现象。我国的水资源形 势尤其突出，全国人均水资源占有量为2 4 0 0 m 3 年，只有世界人均水资源占有量 的1 4 ，属于世界上1 2 个最贫水国家之一。在全国6 0 0 多座城市中，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。随着工业化进程的加快，废水排 放量增长速度极快，水环境污染问题月趋严重。全国7 大水系中极大部分河段污 染严重，重点流域地表水普遍受到有机污染，湖泊富营养化现象也十分突出。水 资源短缺和水环境污染已成为制约我国经济、社会和文化发展的重要因素。联合 国第二次人类居住区大会预计：到2 0 1 0 年前后，世界城市将面临十分严重的缺 水问题，并且将成为“2 l 世纪城市里最容易引起争端的问题”。针对目前水资源 紧张现状，采取的主要措施有：节约用水，加强水资源保护，防治水污染，减少 工业用水，改善供水设施，切实保护好江河湖泊水源，开辟新水源。 水污染的关注焦点是工业生产废水和城市生活污水。到目前为止，我国已建 成不少污水处理厂，但总体污水处理率还不高，污水再生利用率也较低。在推广 污水资源化处理过程中，解决“水资源危机”刻不容缓。近年来，在污水处理和 中水回用方面，各种新型、改良型的高效废水处理技术应运而生，其中膜生物反 应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，简称m b r ) 污水处理技术，特别是m b r 组合工艺 在废水处理领域内倍受关注。m b r 是在活性污泥法( c o n v e n t i o n a la c t i v a t e d s l u d g ep r o c e s s ，简称c a s ) 工艺基础上发展起来的新型污水处理工艺之一，具 有一些常规污水处理工艺无法比拟的优势。其中c a s 工艺是一种应用很广的废 水好氧生物处理技术，由曝气池、二次沉淀池、曝气系统以及污泥回流系统等组 成。 1 1 膜生物反应器的特点和种类 膜生物反应器是将膜组件的高效固液分离作用和生物反应器内微生物降解 作用有机结合而成的一种污水处理与回用技术，它以膜组件取代了传统处理工艺 中的二沉池和后处理系统，简化了工艺流程 。目前，膜生物反应器已经应用于 多个领域：城市污水处理及建筑中水回用、工业废水处理、粪便污水处理、垃圾 填埋场的污染物处理。 第一章绪论 1 1 1 膜生物反应器的特点 膜生物反应器技术是一种新型的污水生化处理系统，结合了传统生物处理技 术与膜分离技术，具有许多其他生物处理工艺无法比拟的明显优势，主要包括【2 3 1 ： ( 1 ) 能有效地进行固液分离。膜生物反应器是依靠膜组件的截留作用，实 现泥水分离的目的。将废水中的悬浮物质、胶体物质和生物单元流失的微生物菌 群与已净化的水分开，出水无需消毒，可以直接再利用。膜组件其中一个优点即 孔径小，可将全部的悬浮物和污泥截留下来，固液分离效果远好于二沉池。活性 污泥系统运行中常常出现的污泥膨胀问题会影响出水水质，而膜生物反应器出水 能很好地避免这个问题。 ( 2 ) 膜组件的高效截留作用避免了微生物的流失，还可以有效截留硝化菌、 全部细菌及悬浮物等。将污泥全部截留在生物反应器内的同时也省去了污泥回流 设施的基建费用和运行费用。并且在反应器内保持了较高的污泥浓度，降低了生 物反应器内的污泥负荷，提高了反应器的处理效率。膜生物反应器实现了水力停 留时间与污泥停留时间的完全分离。这样就可以使生长缓慢、世代时间较长的微 生物( 如硝化细菌) 也能在反应器中生存下来，可以截留难以降解的大分子有机 物，使之得到最大限度的氧化分解，设计操作也大大简化，保证了膜生物反应器 具备降解去除有机物的作用和良好的硝化作用。 ( 3 ) 膜生物反应器的出水水质良好，由于膜的高效截留，出水中悬浮物和 浊度接近于零。不但能有效去除s s ，c o d ，n h 3 - n 等物质，对大部分细菌也有 很好的截留效果，可省去部分二沉池和后续的消毒工艺降5 1 。其出水水质高可以 满足多种用途。 ( 4 ) 膜生物反应器的污泥负荷低，污泥产率低，使得剩余污泥的外排极少， 甚至无剩余污泥排放。且这样的操作大大降低了污泥处置困难的问题，节省了污 泥处理的费用。 ( 5 ) 膜生物反应器有较强抗冲击负荷能力。强的抗冲击负荷能力意味着出 水水质比较稳定、操作简便。 ( 6 ) 膜生物反应器工艺流程简单，设备紧凑，且易于实现一体化自动控制， 运行管理简单方便。 ( 7 ) 对现有污水处理厂的膜生物反应器工艺改造设计更加灵活，可以在不 增加构筑物的前提下，大幅度提高处理能力。在充分利用原有构筑物的基础上， 稍加改造方可获得高质量的出水。 总之，膜生物反应器具有许多其他污水处理方法所不具备的优点，是目前最 2 第一章绪论 为有效的水处理方法之一。但同时也存在膜污染、膜清洗和膜更换以及能耗高等 问题，有待于进一步研究解决。 1 1 2 膜生物反应器的分类 膜生物反应器的分类有许多，按膜组件类型划分可分为中空纤维m b r 、管 式m b r 、板式m b r 和卷式m b r ；按生物反应器需氧型划分为好氧m b r 和厌 氧m b r ：根据反应器受压分为膜加压和膜常压两类；根据膜组件与生物反应器 的组合方式分为分置式和一体式；根据膜生物反应器运行机理不同，可分为三大 类型：膜一曝气生物反应器( 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 ) 【6 】； 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 e a c t o r ，e m b r ) ：膜分离生物反 应器( b i o m a s ss e p a r a t i o nb i o r e a c t o r ，b s m b r ，简称m b r ) 。 针对膜生物反应器运行机理的不同，具体分析以下三种膜生物反应器： ( 1 ) 膜一曝气生物反应器 膜一曝气生物反应器又称无泡曝气m b r ( m e m b r a n ea e r a t i o nb i o f i l m r e a c t o r ，简称m a b r ) ，采用透气性致密膜( 如硅橡胶膜) 或微孔膜( 如疏水性 聚合膜) 以板式、管式或中空纤维式组件，在保持气体分压低于泡点( b u b b l e p o i n t ) 的情况下，通过膜腔体供氧，实现向生物反应器的无泡曝气。2 0 世纪9 0 年代加拿大c o t ep 等报道了该反应器。目前常用的膜有透气性致密膜和疏水性 微孔膜。英国的k e i t hb r i n d l e 等对此进行了更多的研究【7 1 。m a b r 适用于处理高 浓度工业废水和可生化性较高的污水。无泡曝气具有以下优点：曝气时传递的 气体含在膜系统中，因此提高了接触时间，从而传氧效率很高；生物膜在中空纤 维膜的外表面，生物膜不易脱离。曝气工程由于气液两相被膜分开，因此可以 独立设计，可有效的将曝气和混合功能分开。由于在固定大小的生物反应器平 台上进行曝气，不受传统的曝气系统中气泡大小及其停留时间等因素的影响。 曝气过程不产生气泡，处理易挥发性污染物时不会对环境造成破坏。王晓东等【8 】 综述了m a b r 工艺的结构形式、运行方式和功能，以及最新研究进展和发展趋 势。汪舒怡等p j 总结了国内外m a b r 在处理废水方面的研究进展。 3 第一章绪论 进气 ( 空气或 纯氧) 液 有 机 质 图1 - l 膜一曝气生物反应器示意图 隋 生物膜 ( 2 ) 萃取膜生物反应器 1 9 9 3 年英国pr b r c o k e s 采用选择性高分子憎水硅橡胶膜制成萃取膜生物 反应器。萃取m b r 结合膜萃取和生物降解，废水与活性污泥被膜阻隔开来，废 水与微生物不直接接触，避免废水对微生物的毒害作用。其原理是利用膜将有毒 工业废水中有毒的、溶解性差的优先污染物从废水中萃取出来，然后用专性菌对 其进行单独的生物降解，结果是专性菌不受水中离子强度和p h 的影响，生物反 应器的功能得到优化。萃取膜生物反应器的应用也很广泛，在某些细菌的作用下 还有去除重金属的功能。该系统中的膜组件和生物反应器是相互独立的系统，操 作管理灵活，处理效果稳定。1 9 9 3 年英国l i v i n g g s t o n t m j 采用该处理技术处理含 3 ，4 一二氯苯胺的工业废水，2 小时的水力停留时间下的去除率达到9 9 。 废水 图1 2 萃取膜生物反应器示意图 4 出水( 含浓缩 废水 第一章绪论 ( 3 ) 膜分离生物反应器 膜分离生物反应器是将分离工程中的膜技术应用于废水生物处理。膜组件相 当于传统生物处理系统中的二沉池，膜组件进行固液分离，截留的污泥回流至生 物反应器中，透过水外排。膜分离生物反应器中的生物反应器既可以是好氧也可 以是厌氧状态。它是目前应用最为广泛的一种膜生物反应器，也是水处理领域研 究最为广泛和最为深入的一种方法。一般所指的膜生物反应器均为膜分离生物反 应器。本文下述膜生物反应器亦指膜分离生物反应器。传统活性污泥处理系统易 出现污泥膨胀现象，针对该问题，膜分离生物反应器将分离过程中的膜分离技术 与传统技术结合，提高了固液分离效率。按照膜组件与生物反应器的相对位置， 可将膜分离生物反应器分为分置式膜生物反应器、一体式膜生物反应器和复合式 膜生物反应器三种。分置式膜生物反应器将膜组件和生物反应器分开设置。一体 式则是将膜组件置于生物反应器内部。复合式的膜是在一体式膜生物反应器的内 部加上填料。按照所用膜组件种类的不同，可将膜分离生物反应器分为超滤膜生 物反应器( u m b r ) 、微滤膜生物反应器( m m b r ) 、反渗透膜生物反应器 ( r o m b r ) 和动态膜生物反应器( d m b r ) 。按出水方式可分为抽吸式膜生物反 应器、加压式膜生物反应器和重力自压流式膜生物反应器。膜分离生物反应器研 究与应用也很广泛，一些研究者1 1 1 1 2 j 阐述膜生物反应器的分类、机理、工艺设 计参数以及应用现状，并分析了膜生物反应器的特点和该工艺的局限性，并提出 了切实可行的防治措施。 1 2 膜生物反应器的研究历史和发展趋势 始于2 0 世纪6 0 年代末的膜分离技术是污水处理方面具有突破性的新兴科 技。膜分离技术最早应用于微生物发酵工业【l3 1 ，随着膜材料和制膜技术的发展， 其应用领域遍及化工、电子、轻工业、纺织、冶金、食品、石油化工和污水处理 等多个领域1 1 4 - 2 2 1 。膜生物反应器在污水处理领域目前正在受到广泛的重视，并在 世界范围内开始应用。关于膜与生物处理技术相结合的相关研究迄今已逾3 0 年， m b r 的商业开发也有2 0 年的历史。 1 2 1 国外膜生物反应器的研究历史 膜生物反应器在废水处理中的研究始于2 0 世纪6 0 年代的美国。但此时的膜 生产技术还不成熟，膜的寿命不高。1 9 6 8 年，s m i t h 等将好氧活性污泥法与超滤 第一章绪论 膜相结合的m b r 用于处理城市污水的研究，该工艺具有减少活性污泥产量、保 持较高活性污泥浓度、减少污水处理厂占地等优点l z 引。1 9 6 9 年，美国的d o r r - o l i v e r 公司首先将活性污泥法和超滤工艺结合的m b r 用于废水处理的研究1 2 4 l 。1 9 6 9 年b u d d 等的分离式m b r 技术突破获得了美国专利。7 0 年代初期，好氧m b r 工艺和厌氧m b r 工艺的出现及其实验室规模进一步扩大更促进了m b r 技术研 究热潮，慢慢开始进入实际商业应用。2 0 世纪7 0 年代，日本根据本国地形特征 对膜分离技术在废水处理中的应用进行了大量研究。1 9 7 1 年，b e m b e r i s 等实现 膜生物反应器在污水处理厂的实际应用，并取得了较为满意的结果【2 卯。1 9 7 8 年， g r e t h l i e n 等将厌氧m b r 用来处理生活污水1 2 6 1 ，有机污染物和硝酸盐的去除率分 别达到了9 0 和7 5 。1 9 8 8 年，y a m a m o t o 等人1 2 7 j 首次开发了一体式m b r ，采 用间歇抽吸式中空纤维微滤m b r 工艺处理生活污水，出水质量高，很快该方法 应用在美国、法国和埃及等多个处理厂。早期m b r 应用主要局限于生活污水和 城市污水处理行业，着眼于有机物的去除。这些研究使得膜生物反应器的研究领 域进一步扩大，并为今后的实际应用打下了坚实基础。2 0 世纪7 0 年代后期，日 本开始重视膜分离技术在废水处理和回用中的应用，并开展了深入的研究。日本 三井石化公司研究了膜生物反应器对有机物的去除效果。8 0 年代末以来，m b r 工艺拓宽到工业废水、石化废水发酵废水甚至堆肥、填埋垃圾渗滤液等处理方法。 9 0 年代初，m b r 技术得到快速发展，应用在生活污水处理、工业废水处理、饮 用水的处理等方面，其应用规模也不断扩大，而且效果显著，这个时期的膜生物 反应器研究和各项改进方法获得了空前发展，m b r 工艺已被广泛接受。19 9 1 年， t o n e l l i 成功应用m b r 系统处理含油废水。1 9 9 2 年，法国科研人员c h a n g j 等 2 8 j 采用m b r 技术开展了微污染饮用水脱氮的研究，试验结果为m b r 技术可以运 用于给水。19 9 3 年，v e n k a t a d r i 等 2 9 】用中空纤维膜生物反应器进行有毒废水处理 应用，该方法降解了有毒化合物。1 9 9 4 年，z a l o u m 等1 3 0 】研究了m b r 处理重金 属废水。u r h r a i nv 【3 l 】等为去除饮用水中微量氮、有机物等采用m b r 进行饮用水 生产的中试研究，取得了良好效果。1 9 9 7 年，s c o t t 3 2 】等用m b r 工艺处理冰淇 淋厂废水。日本的k u b o t a 公司，尝试了将板式膜直接放入混合液中，利用混合 液的水压力作为穿透压，系统出水稳定。2 0 世纪九十年代中后期，该工艺已经 进入实用阶段。同时期加拿大的z e n o n 公司致力于膜生物反应器的推广工作【3 3 - j 。此时，国外建造了大量处理厂，荷兰的v a r s s e v e l d 污水处理厂，英国的d a l d o w i e 污水处理厂，德国的k a a r s t 污水处理厂，比利时的s c h i i d e 污水处理厂，日本的 小区污水回用就有3 0 0 座，工业废水由1 5 0 余座。日本的m b r 商业应用发展很 快，早在1 9 6 2 年就开始利用膜分离技术并取得很大进展。世界上约6 6 的工程 在日本，其余主要在北美和欧洲。这些工程中9 8 以上是好氧膜与生物反应器相 6 第一章绪论 结合，其中5 5 是一体式膜生物反应器，其余则是膜组件置于生物反应器之外。 目前全球实际运行的m b r 系统己经超过5 0 0 套，同时许多工程正在计划或者建 设当中。 1 2 2 国内膜生物反应器的研究历史 我国的膜分离技术研发是从1 9 5 8 年研究离子交换膜开始的。我国关于膜生 物反应器方面研究较晚，但进展十分迅速。1 9 9 5 年，原化学工业部、中国科学 院和国家海洋局三部委共同发起注册了中国膜工业协会( t h em e m b r a n ei n d u s t r y a s s o c i a t i o no f c h i n a ) ，其中以后有会员3 0 0 多家单位，主要都是从事膜行业的科 研、设计、生产和工程及贸易的企事业单位。下属有膜行业期刊膜科学与技术 和膜行业会员信息服务组织中国膜工业信息。2 0 0 0 年，我国将膜材料和膜产 业列为国家重点支持的2 2 项化工产业之一。作为近年来国家“8 6 3 ”计划重点推 广的2 l 世纪水处理新技术之一。 1 9 9 1 年，岑运华介绍了m b r 在日本的研究状况。从1 9 9 3 年开始，清华大 学、同济大学、中科院等单位都开展膜生物反应器处理方面的研究。目前，国内 较活跃的膜生物反应器废水处理研究机构还有哈尔滨工业大学、天津大学、华东 理工大学等单位。其中，清华大学的钱易掣3 6 】采用进口板式、中空纤维式有机膜 生物反应器工艺对生活污水做了小试试验；华东理工大学环境工程研究所林哲1 3 h 等先后进行了分离式陶瓷膜m b r 进行人工合成污水和制药废水处理的可行性研 究。中国科学院生态环境研究中心的樊耀波等【3 “1 】针对石油化工污水的难处理采 用膜生物反应器进行净化的研究，同时研制了一套实验室规模的好氧分离式 m b r 。 近几年来，国内的膜生物反应器研究受到普遍关注。针对低温低浊水处理的 难题，左金龙等【4 2 】采用膜生物反应器工艺对松花江冬季原水进行处理试验研究， 考察m b r 工艺对浑浊度和有机污染物的去除效果及膜过滤周期。结果表明m b r 工艺对浑浊度的去除率在9 0 以上，出水浑浊度低于i n t u 。此研究说明了m b r 工艺可有效处理低温低浊废水，出水水质优于常规工艺出水。吴志超等人1 4 3 j 采用 m b r 与常规生物工艺处理巴西基酸生产废水的对比研究，结果说明m b r 产泥 量少，污泥活性高，能提高大分子难降解有机物的去除率。在原水有机物污染严 重时，可通过投加p a c 形成p a c m b r 组合工艺，增强对有机污染物的去除效 果。郝爱玲等m j 还将m b r p a c 组合工艺应用于饮用水的制备，1 3 0 天的中试试 验证明系统对浊度、c o d 等能有效去除。王连军等人1 4 5 j 用无机膜一生物反应器 ( i m b r ) 处理啤酒废水，得到较好的出水。何义亮等人1 4 6 采用膜一厌氧生物反 7 第一章绪论 应器处理高浓度食品废水，此方面的研究具有很高的应用价值。利用m b r 处理 毛纺印染废水的小试、中试研究，结果表明了经m b r 处理后的废水能够达到中 水回用标准1 4 。在我国，m b r 研究主要集中于膜工艺的开发和膜污染的防治等 内容。 随着研究的深入，m b r 在国内渐入实用化阶段。许多公司都参与了膜的研 发，如大连大器公司、天津清华德人环境工程公司、杭州华滤、哈尔滨鹭滨等公 司在m b r 开发应用方面都具有一定的竞争力。浙江采用一体式p w 膜一生物反 应器法处理制药发酵废水【4 引。近年来，膜工业的技术更新和实际应用还在不断进 行中。2 0 0 7 年4 月，安庆石化投资8 0 余万元的聚丙烯低压回收系统膜分离改造 项目顺利建成投用。为解决垃圾堆放产生大量复杂有害的高浓度污水，2 0 0 7 年 济南市投资了8 0 0 万元改造垃圾处理厂，提升了垃圾渗滤液的处理技术。南方大 多数城市主要利用m b ri 艺处理高浓度有机废水，而在天津、大连等严重缺水 的北方地区，m b r 工艺主要作为中水回用技术。这和日本的m b r 应用情况有 些相似，日本由于人口多，面积小，水资源有限，水处理研究的重点放在中水回 用上。但我国的中水回用技术与世界先进水平还存在较大差距，有待进一步提高 并与整个水处理行业共同发展。 1 2 3 膜生物反应器的研究发展趋势 今后膜生物反应器应用可能获得迅速发展的重点领域和方向是： ( 1 ) 廉价膜组件的开发。膜技术在污( 废) 水处理方面的推广及潜在的市 场因素迫切生产低价格的膜组件。 ( 2 ) 新型膜材料的开发。针对高温、高p h 等其它限制膜材料的水处理领 域，急需陶瓷膜和其他无机膜的开发。 ( 3 ) 现有的城市污水处理工艺的更新改造。特别是出水水质难以达标或处 理流量剧增而占地面积无法扩大的情况下，更有必要选择m b r 工艺。 ( 4 ) 适用于高浓度、有毒、难降解工业废水等方面。研究对象从生活污水 到石化污水，涉及造纸、制糖、酒精、皮革、合成脂肪酸等行业。m b r 可以处 理常规方法难以处理的污水，并且出水可以回用。 ( 5 ) 由于小型、中型和大型膜生物反应器工厂之间存在差异，m b r 的选取 也有待于研究。 ( 6 ) 适合城市生活小区等小规模、有机负荷不高的污水处理。 膜生物反应器未来急需解决的研究重点是： ( 1 ) 膜生物反应器的相关理论、技术及其在工业污水处理、面污染源控制、 8 第一章绪论 中水回用中的应用研究。 ( 2 ) 膜污染形成机理及控制。研究的方面具体包括膜污染的影响因素，防 止膜污染的措施，膜清洗方法等。 ( 3 ) 膜生物反应器运行条件的优化。对现有的处理厂的设备进行运行条件 的调节研究是最经济实惠的途径。如能耗的降低措施和技术；污泥停留控制措施 和时间的研究；膜组件和新型污水处理技术的组合以及运行方式的最优化研究 等。 ( 4 ) 研究影响膜生物反应器运行的控制因素和操作条件。 ( 5 ) 膜生物反应器的经济性研究及其生命周期的评价研究，尤其是中水回 用方面的经济性研究。 ( 6 ) 建立合理的膜生物反应器设计标准，建立和完善成熟的设计技术方法。 膜生物反应器相关研究对降低成本，实现污水资源化，对缓解水资源紧缺压 力有十分重要的战略意义。膜生物反应器在污水处理中的研究和应用是多学科交 叉研究的成果，涉及到生物学、水力学、材料学和工程学等众多学科和材料制备 新技术的研究。同时，多学科的交叉渗透和污水处理的需求是m b r 的发展的动 力，另外有机高分子材料科学的快速发展，使得膜生物反应器工艺在城市污水和 工业废水处理和中水回用领域中得到了更多的应用。由于该技术具有传统工艺无 法比拟的优势，膜技术需要在各个相关学科的交叉带动下，必将成为今后人们控 制水污染和解决污水回用问题的重要手段之一。 1 3 活性污泥法的特点和改造方法 活性污泥法是污水处理的重要方法，最初见于2 0 世纪初。2 0 世纪6 0 年代 严重的水污染问题加速了污水处理厂的建设，多数工艺都选择活性污泥法。全球 近6 万座城市污水处理厂中，有将近一半采用活性污泥工艺。在我国的城市污水 处理厂中，采用活性污泥工艺的占8 5 以上1 4 9 1 。对于去除有机污染物，活性污 泥法也具有自己的优势。 活性污泥法是以悬浮在水中的活性污泥为主体，在微生物生长有利的环境条 件下和污水充分接触，然后通过二沉池，使污水净化的一种方法。多采用中等污 泥负荷，曝气池采用连续推流式。其工艺流程如图1 3 。 9 第一章绪论 污水 1 3 1 活性污泥法的特点 图1 3 活性污泥法流程简图 出水 剩余污泥 活性污泥法本身是一种行之有效的水处理方法，在全球处理厂运行实践中积 累了丰富的经验。该方法有许多优点，如反应条件要求低，处理效率较高，微生 物易培养，来源广，可以适应于处理多种工业废水。己成为当前世界各国应用最 广泛和主要的一种废水生物二级处理流程，它曾经一度是城市污水处理工艺的主 流。但是传统的活性污泥处理工艺存在着以下的缺点g ( 1 ) 占地面积大、污水处理厂的基建投资大 5 0 l 、电耗高、动力消耗大、运 转管理费用高【5 1 】等特点。其改进方法中，普遍认为曝气生物滤池有占地面积小， 基建投资省，出水水质高的特点；生物接触氧化法则具有能耗低、剩余污泥量少 等优点。 ( 2 ) 污染物处理负荷较低，抗冲击负荷能力低。脱氮和除磷效果较差。污 泥产量大，成分复杂，可能含有多种物质，易产生污泥上浮、污泥膨胀等现象。 污泥膨胀现象会影响出水水质，甚至危害整个系统。针对这个问题可以采取有效 措施，国内外研究者在此方面也做了大量研究。 ( 3 ) 曝气装置结构不紧凑，占地面积较大。 ( 4 ) 一般情况下，出水水质很难达到回用水标准。 1 3 2 活性污泥法的改造方法 由于活性污泥法存在上述各种问题，对其工艺方面的改进使其得到经济、达 标、社会效益好等要求十分必要。活性污泥法经过简单的工艺改进后具备了良好 的生物除磷脱氮功能。在实践中不断发展和创新，同时研究开发了一些高效、经 济的污水处理新技术。改进方法主要针对运行方式、曝气方式、池形等方面，主 要介绍以下四种改造工艺和方法： ( 1 ) a - b 活性污泥法 a b 活性污泥方法是在有曝气沉砂池的普通活性污泥工艺中，将曝气沉砂池 1 0 第一章绪论 设为a 段，原初沉池改为中间初沉池，增建a 级污泥回流泵站，将曝气池作为 b 段，即可完成对普通活性污泥工艺的改造。工艺流程如图1 _ 4 所示。2 0 世纪 7 0 年代中期德国b o h n k e 教授开创了吸附一生物降解工艺，简称a b 法废水处理 工艺，并于8 0 年代开始用于生产实践。国内2 0 世纪9 0 年代从欧洲引进a b 活 性污泥法的吸附一生物降解工艺，具有处理量高、运行负荷高( 即曝气池的总容 积可以减少) 、对进水负荷的变化有较强的适应能力、对水质变化适应能力较强、 处理效果好等优点。该方法较适合于城市污水的处理。该法分a 段和b 段，a 段是一级处理系统，b 段是二级处理系统，特点是各阶段有不同微生物种群，有 各自的沉淀池和污泥回流系统。可以根据进水水质来调整a 和b 段负荷处理比 例来减少a 段产泥量。a b 活性污泥法的污泥也有缺点，比如需要两套污泥回 流系统，构筑物较多，剩余污泥多，增加了污泥处理和处置难度。a b 法的主要 特点是可通过a 段的絮凝和吸附去除有机物。刘新峰等1 5 2 1 介绍了中原油田石化 总厂运行a b 法处理含油工业污水，处理后外排水的各项指标均满足工业回用 水要求。黄建峰1 5 3 j 介绍了漳州市东区污水处理厂采用a b 活性污泥处理工艺处 理结果除s s 微量超标外，其它均达到国家一级排放标准。国外h a a n g r u i f f e n 污 水处理厂瞰j ，将单级活性污泥工艺改造成a b 活性污泥法，