（环境科学专业论文）膜生物反应器在城市污水处理中的实际运用研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t m e m b r a n eb i o r e a c t o ri sg e t t i n gw i d e l yu s e di ns e w a g et r e a t m e n tr e c e n ty e a r s i t i sq u i t ea d v a n c e db e c a u s ei th a sc o m p a c t e de q u i p m e n t ，s m a l ll o c a t i o n ，h i g hr a t eo f d e f e c a t i o n ，s t a b l ed r a i na n de a s i l ya u t o m a t i cc o n t r 0 1 t h es t u d yo ft h eb i o s e pc a n i m p r o v et h i sw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n i q u e ，m a k e si ta p p l ym o r ew i d e l yi n t h e m u n i c i p a lw a t e rt r e a t m e n t b i o s e p , d e v e l o p e db yv e o l i aw a t e r ，i sn o to n l yw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n tb u ta l s os o m e w h a tu s e di nd e a l i n gw i t hc i t ys e w a g e i n2 0 0 4 ，a g e n e r a la s s e s s m e n ti n c l u d i n gt r e a t i n ga b i l i t ya n de f f e c tw a sc a r d e da i m i n ga tt h e c o m m o np r o b l e mo c c u r r e di nn o r m a lw o r k i n go f8b i o s e et h o u g ht r e a t i n ga b i l i t y o ft h es e w a g es t a t i o ni sa f f e c t e db yt h em e m b r a n e s ，i ta l s oc a ns e t t l ef o rc u r r e n t a m o u n ta n dg e tg o o de f f e c t i naw o r d ，b i o s e ps e w a g es t a t i o nc a nm e e td i f f e r e n t c u s t o m e r s d e m a n d o n eo ft h eb i o s e ps t a t i o n st r e a t i n gc i t ys e w a g ei nt h e l u sh a sw o r k e df o r4 y e a r s w ed e t e r m i n e dt h es t a t i o nc o n t i n u o u s l yb yt h ee n do f2 0 0 4 t h ea s s e s s m e n to f t h et h e l u sp l a n ti si m p o r t a n t a sar e s u l t ，w h e nc o dl e v e la n ds si nt h ei n f l u e n t w e r e9 3 2 - 1 8 9 0 m g la n d8 6 8 m g lc o da n ds sw e r el e s st h a n3 0 m g la n d2 m g l r e s p e c t i v e l y r e m o v a lr a t i oo fm o r et h a n9 8 h a sb e e no b t a i n e df o rc o d h o w e v e r , t h ep l a n th a st h ep r o b l e mo fd e n i t r i f i c a t i o n a sa l lf i l t r a t i o no fm e m b r a n e ，b i o s e p h a st h ep r o b l e mo fb l o c k i nf a c t ，t h eo p t i m i z a t i o no ft h ef i l t r a t i o nc y c l ei sa ne f f i c i e n t w a yt o r e s o l v et h eb l o c kp r o b l e ma n dt os t a b i l i z et h em e m b r a n ef l u x i no r d e rt o r e a l i z et h eo n 1 i n ec l e a nm e m b r a n em o d u l e s ，t h ea e r a t i o no fm e m b r a n ew o r k s c o n t i n u a l l y , t h ed o ( d i s s o l v e do x y g e n ) i nt h ea e r a t i o nt a n kc o u l d n tb ec o n t r o l l e d ， r e a c h e d9 m g lm a x i m u m t h es l u d g eb a c k f l o wm a d ed or i s ei nt h ea n a e r o b i ca n d t h ed e n i t r i f i c a t i o nc a p a c i t yr e d u c e ，c a u s e dt h en i t r a t ec o n c e n t r a t i o ni nt h et r e a t e d w a t e re x c e e d st h ee f f l u e n ts t a n d a r d a sa l lf i l t r a t i o no fm e m b r a n e ，b i o s e ph a st h e p r o b l e mo fb l o c k i nf a c t ，t h eo p t i m i z a t i o no f t h ef i l t r a t i o nc y c l ei sa ne f f i c i e n tw a yt o r e s o l v et h eb l o c kp r o b l e ma n dt os t a b i l i z et h em e m b r a n ef l u x 2 0 0 3y e a r se n d ，t h e a b s t r a c t t h e l u s p l a n tc h a n g e do p e r a t i o nw a yw h i c hm a d et h em e m b r a n e sf l u x p r e s s u r er i s e f r o m6 0 i h m 2 b a rt o7 0 8 0 l h m 2 b a r k e yw o r d s ：m b r ，b i o s e p , m e m b r a n ef l u x ，m u n i c i p a lw a s t e w a t e r i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 1 b 勋， 2 0 0 5 年8 月1 0 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名：匕壅z 年月日 v - , 6 5 年d 月；9 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：毒2 2 0 0 5 年8 月1 0 日 第1 章引言 1 1 概述 第1 章引言 近年来随着我国经济的发展，工业废水与生活污水的排放量逐年增大。2 0 0 4 年废水排放量为4 8 2 4 亿吨，其中工业废水排放量为2 2 1 1 亿吨，生活污水排 放量为2 6 1 3 亿吨。由于污水处理能力的不足，仅很少一部分污水得到有效的 处理，其中城市生活污水的处理率仅为3 2 3 。大部分城市污水与工业污水经简 单处理便直接排入江河，对环境造成了极为严重的危害。我国总体水资源虽充 足但人均水资源的匮乏，每年人均占有水量仅为世界人均占有量的1 4 ，加剧 了我国的用水矛盾。由此可见，减少污水排放量是缓解我国用水矛盾的有效途 径，探讨新的有效污水处理技术是实现这一目标的重要措施之一。 通常，污水的处理方法可分为：1 ) 物理法：沉降、沉淀和过滤等；2 ) 化学 法：氧化、还原、中和及吸附等；3 ) 生物法：好氧性和厌氧性处理。在生物学 处理法中，因利用微生物，故在处理过程的最终阶段，须进行微生物和处理水 的固液分离。但该固液分离一直沿用占地面积大、耗时、低效的自然沉降法。 在寻求高效的水处理工艺过程中，将膜分离技术引入活性污泥法中，形成了新 型的污水处理工艺一膜生物反应器工艺( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，简称m b r ) 。由 于具有出水水质优异，操作运行简单，污泥产率低，占地面积小、低耗、高效 和不产生二次污染等特点n 3 ，膜生物反应器在污水处理的应用范围和规模不断扩 大和增加。 但是，由于受制于投资成本和处理成本，尽管膜反应器有着其他处理工艺 不可比拟的优点，实验室研究成果转化到实际运用中却很少。而在法国，v e o l i a 水务的膜生物反应器b i o s e p 已经进入实用阶段。对现有运行b i o s e p 膜生物反 应器的研究主要在几个方面：1 ) 处理效果的研究。b i o s e p 在工业废水处理中， 已经应用在化妆品行业、食品行业等的废水处理中，城市污水处理中也得到一 定应用。各种污水处理中膜生物反应器的处理效果研究可以对膜处理作出更客 观的评价，并在今后的在同类污水处理中应用提供更优化的设计方案。大量的 膜生物反应器的研究从城市污水开始，但受限于投资和运行成本，实际状况却 第1 章引言 是在工业废水处理中先得到广泛得应用。对于刚刚起步不久的b i o s e p 的城市污 水处理的运行评估，可以为今后的b i o s e p 的完善提供实际运行数据依据，这些 运行经验和数据同样可以为国内以后膜处理反应器的推广提供参考，缩短实际 转化时间。2 ) 膜长期运行后膜滤能力变化情况。相对于试验室的实验中短期运 行的研究，膜处理反应器在运行4 年以上后，膜滤能力的实际变化有着很大的 不同。整个污水站的处理能力最后瓶颈集中在膜组件的实际过滤能力上，为避 免在长期运行后由于膜滤能力下降导致污水站处理能力达不到标称值，研究长 期运行后的膜组件过滤能力变化规律可以为污水站的设计流量作出指导。3 ) 膜 污染。与所有膜处理一样b i o s e p 有膜堵塞的问题。膜污染却依旧是膜生物反应 器推广应用的主要障碍。制约膜技术应用的关键仍是膜的污染及堵塞问题，因 此对于实际运行中的膜污染研究成为必要。膜污染堵塞的原因大致可划分为： a ) 污水的化学与物理性状，如胶着物、膜亲合物的大量存在；b ) 操作条件，如 清洗周期不恰当和杂质在膜面上的附着沉积速度过大；c ) 流程设计，如膜组件 前处理不足、清洗效率低下、监控手段少和不便于拆卸等措施的进行等。实际 运行中，不同时期的膜清洗的方式的研究及效果的评估非常重要，膜处于不同 的寿命期，清洗方式的不同效果不同，而运行方式的不同对膜的运行也有着很 大的影响。b i o s e p 在城市污水处理中，对膜滤工艺共同问题膜堵塞的研究对其 进一步推广有着非常积极的意义。 1 2 膜生物反应器的组成 1 2 1 工艺组成 膜生物反应器组合工艺一般由生物反应器与膜分离组件组成。根据膜组件 设置的位置，可分为分置式和一体式两种。根据生物反应器有无供氧又可分为 好氧式膜生物反应器和厌氧式膜生物反应器。 分置式膜生物反应器的膜组件一般采用加压的方式。生物反应器的混合液 经泵增压后进入膜组件，在压力作用下混合液中的液体透过膜，成为系统处理 水，固形物、大分子物质等则被膜截留，随浓缩液回流到生物反应器内。分置 式的特点是运行稳定可靠，操作管理容易，易于膜的清洗、更换及增设，但一 般条件下为减少污染物在膜表面的沉积，由循环泵提供的水流流速都很高，为 此动力消耗较高。 2 第1 章引言 一体式的膜生物反应器组合工艺是将膜组件置入反应器内，通过真空泵或 其他类型泵抽吸，得到过滤液乜1 。为减少膜面污染，延长运行周期，一般泵的抽 吸是间断运行的。与分置式相比，一体式的最大特点是运行动力费用低，但在 运行稳定性、操作管理方面和清洗更换上不及分置式。 1 2 - 2 膜与膜组件的种类 按截留分子量来分膜种类有：微滤膜、超滤膜和反渗透膜1 。常应用于膜生 物反应器废水处理工艺中的是微滤膜和超滤膜。反渗透膜由于需很高的过滤压 力，动力消耗高，一般仅用于处理出水需脱盐的情况。 按材质来分膜种类有：有机膜( 如聚砜膜、聚丙烯腈膜等) 和无机膜( 如陶瓷 膜等) 。有机膜制造成本相对便宜，应用相对广泛，但在运行过程中易污染，寿命 短。而无机膜可弥补有机膜的不足，抗污染能力强，寿命长，能在恶劣的环境下 使用，但目前制造成本较高，使其广泛应用受到了限制膜组件形式主要有平板 式、管式、中空纤维式、螺旋式、毛细管式等。在分置式膜生物反应器工艺中， 平板式、管式等应用较多；在一体式膜生物反应器工艺中，多采用中空纤维式 平板式等。 1 3m b r 的优点 1 3 1 良好的污染物去除效果 m b r 在我国的研究始于1 9 9 3 年，研究对分离式m b r ，抽吸淹没式m b r ，重力 淹没式m b r 与传统生物处理工艺在城市污水处理方面进行的比较研究表明：各 种m b r 的出水水质均优于传统生物处理工艺。表1 - 1 h 1 和表1 - 2 h 1 分别为m b r 处 理生活污水的试验参数与处理效果，生活污水经m b r 处理后，c o d ，b o d ，浊度 都很低，大部分细菌、病毒被截留，水质达到或优于建设部生活杂用水水质 标准( c j 2 5 ，卜8 9 ) ，可直接作为楼房中水回用及城市园林绿化、扫除、消防 等用水。并且膜的截留作用防止了硝化细菌的流失，给生物反应器内的高浓度 硝化细菌的保持创造了有利的条件，从而大大提高了硝化效率。汪诚文、张军 对一体式m b r 硝化特性的研究表明舯1 m b r 对氮的去除效果高达9 7 。但研究也 表明：m b r 对氮的去除效果易受温度、冲击负荷、h r t 等因素的影响。 3 第1 章引言 表l - im b r 处理生活污水的试验参数 m b r膜面膜孔径 透膜压力运行 流程 膜材料膜组件膜通量l h 一m - 2 种类 积m 2pm k p a时问 好氧o 0 4陶瓷膜3 0 0 0 0 0 管式 7 5 - 1 5 04 0 好氧平板 0 8 8p a n2 0 0 0 0 02 0 4 51 5 06 0 分离式+ 填料超滤 好氧 1 op s3 0 0 0 0中空2 5 - 3 51 0 07 0 + 填料 a o中空 lp v co 0 1 2 35 0 - 1 2 01 4 0 + 填料超滤 好氧 2 op eo 0 3 中空 1 0 40 - 3 51 4 0 抽吸 中空 好氧 3 5p p0 0 6 5 66 06 0 淹没式超滤 好氧4p v c3 0 0 0 0中空1 1 1 0 03 0 好氧1 3p eo 2中空8 7 1 2 86 01 6 0 好氧3 2p e0 4中空l l 一1 3 8 6 02 1 6 好氧o 3p eo 1中空2 7 71 0 一5 2 63 0 重力好氧1p so 3 4中空3 61 53 4 淹没式 好氧 8p e o 4中空 1 2 5 5 4 1 13 8 好氧 1 2p v d fo 2 2 中空 1 6 7o 8 1 31 5 0 4 第1 章引言 表1 - 2m b r 对生活污水的处理效果 容积负荷污泥符合 项目c o d r a g l - 1n h r - n m g l - is s m g l 1浊度n t uh r t h k g 1 m 。d 1k g i k g - 1 d 1 进水4 0 0 一8 5 0l o - 4 03 0 0 - 6 0 05 0 8 0 0 4 - 3 4 o 1 9 o 5 5 5 出水1 0 2 0 1 5 进水 9 5 - 6 5 21 4 - 2 7 44 - 7 5 f l 水 51 2 进水 7 2 2 3 54 5 83 7 1 3 6 - 1 81 5 - 5 出水 1 1 - 6 01 61 3 进水1 5 2 - 4 3 31 2 - 3 73 3 1 4 91 8 - 1 6 0 6 出水 3 0o 6 60 1 进水 1 21 - 3 0 7 82 1 6 - 5 0 81 8 0 2 4 0 0 8 - 5 7 60 21 5 - 5 8 出水 1 5 3 0 20 进水3 0 0 - 7 0 0 4 0 0 8 0 0l o o _ 5 0 0 o 5 8 一l - 8 2o 4 65 出水 6 0 o3 进水 2 0 3 4 2 91 4 6 7 出水 2 00 进水1 3 0 - 3 2 20 5 9 - 11 5 - 5 01 4 6 - 1 8 5 0 5 - 1 8 50 3 3 - 2 0 23 1 5 出水 4 0 0 1o l 进水 3 1 2 21 2 99 4 6 o 9 0 1 0 1 出水7 33 5l 进水 3 3 6 - 8 0 81 5 9 - 3 5 1 5 f h 水 4 - 3 20 - 1 7 进水 6 9 64 3 2 0 2 1 - 30 3 5 - 0 6 5 ；l j 水 1 8 70 2 4 进水3 6 6 41 6 l 出水 1 3 1 1 在实际应用m b r 工艺的法国t e h l u s 镇市政污水站2 0 0 2 年处理效果见表卜3 。 m b r 对s s 有着非常好的处理效果，而且高达9 9 以上的b o d 去除率和9 5 以上 的c o d 去除率。氮的去除率也在9 9 以上。 5 第1 章引言 表1 - 32 0 0 3 年t h e l u s 污水站对生活污水的处理效果 s s m g l 一1 c o d m 9 0 2 l 1b o d 5 m g o z l 一1n h 。- n m g l 1 日期 进水出水进水出水进水出水进水出水 0 i 0 63 7 0 21 0 9 0 3 06 0 0 31 3 0l 0 1 ，1 3 3 3 0 29 2 1 3 01 0 51 1 0 1 ，2 73 2 037 2 05 92 9 0 35 4 0 1 0 2 ，1 0 3 9 0 28 8 0 3 04 9 0 31 0 00 8 0 3 1 0 6 6 0 21 4 3 03 36 8 0 3 5 8 o 5 0 4 ，0 7 5 8 0 21 1 9 0 3 05 3 0 31 2 01 5 0 5 ，1 2 4 4 068 0 03 3 3 5 0 3 1 l o 0 1 0 5 2 66 6 0 21 1 7 0 3 04 9 0 37 41 1 0 6 1 67 4 0 29 5 0 3 04 5 0 38 30 7 0 7 2 11 7 0 0 22 5 8 0 3 09 1 0 36 30 1 0 8 2 86 0 21 2 0 3 01 2 o 1 0 9 2 22 6 029 6 03 08 7 o 1 l o 1 5 3 1 0 21 1 2 03 45 5 031 1 03 5 1 1 1 71 2 0 0 21 4 1 0 3 04 9 0 1 1 2 0 85 3 0 0 26 8 4 0 3 07 10 5 在我国，m b r 同时应用于生活污水与工业废水处理的研究。表卜4 h 1 和表卜5 “1 分别为m b r 处理各种工业废水的试验参数与处理效果。这些研究结果都表明： m b r 对各种高浓度有机废水与难降解废水的c o d 、n h 。- n 、s s 、浊度等都能达到良 好的去除效果7 。1 引： 表卜4m b r 对工业废水的试验参数 项目啤酒石化 食品 毛纺印染 港口制药印染 流程好氧好氧厌氧a o接触氧化好氧a o 膜面积0 0 2 20 0 3 5 0 6 41 2 膜材料陶瓷膜 p a np e sp a np ep pp e 膜孔径 5 0 0 0 02 0 0 0 05 0 0 0 0o 1o 2o 1 膜形式管式中空板框式中空中空中空中空 膜通量6 0 - 7 01 2 5 - 2 93 5 - 4 59 1 一1 2 膜面流速 0 23 51 3 3 6 6 第1 章引言 表1 - 5m b r 对工业废水的处理效果 c 0 dn h 3 一ns s 容积负荷污泥符合 h r ts r t 废水项目 m g l 。1r a g l - m g l - k g 1 m - 3 d 1k g 1 k g - 1 d 一1 h d 进水 5 4 25 3 51 1 8 石化出水2 6 77 34 6o 8 0o 5 81 3 5 9 5 去除率9 18 69 3 迸水 2 5 6 51 0 5 毛纺 出水2 0 2o 5 6o 8 3 2 4 50 6 - 1 85 4 - 9 4 印染 去除率 9 64 7 进水 2 0 0 0 一1 5 0 0 06 0 0 一1 0 0 i o 食品出水 o2 - 5 0 3 3 - 0 6 36 0 去除率 7 0 - 9 01 0 0 进水4 1 3 - 1 6 2 17 4 9 4 4 4 - 7 5 啤酒出水 4 0 6 - 1 03 5 - 6 33 5 - 5 0 1 2 - 0 8 4 去除率9 69 0 进水 1 2 0 一1 5 02 0 0 - 4 5 0 港口出水1 。5 - 2 2 2 00 去除率 进水 巴西3 0 0 0 1 2 0 0 0 出水 1 2 4 80 1 5 - 0 1 71 2 - 4 85 - 5 0 基酸 1 3 9 - 1 6 0 去除率 1 3 2 污泥产率低 活性污泥法是城市污水和工业废水处理应用最广泛的生物处理方法，它把 废水中的有机污染物转化为生物体、c 0 ：和h 。0 的同时，产生大量的剩余污泥。 目前剩余污泥的处理与处置已成为污水处理厂能否正常运行的制约素之一，它 的费用占到污水处理厂总运行费用的2 5 - 4 0 ，甚至高达6 0 n 副。因此，从 源头减少污泥的产生量就显得非常必要和关键，这些因素推动和促进了具有剩 余污泥量少特点的m b r 技术的开发及研究。理论上讲，膜生物反应器能将污泥 完全截留在生物反应器内，实现不排泥操作一污泥零排放。1 9 9 1 年，在m b r 处 7 第1 章引言 理生活污水的小试中，c h a i z e 和h u y a r d 首次研究了m b r 对污泥产率的影响，在 s r t 为5 0 d 和l o o d 时，污泥产量大大减少，他们认为这是低f m 比例和较长污 泥龄的结果n6 l 。m u l l e r 在处理生活污水的中试研究发现：当污泥浓度( m l s s ) 高 达4 0 - 5 0 9 l 和污泥完全截留( s r t = o o ) 时，几乎不产生污泥n 引。桂萍在不同 s r t ( 5 - 8 0 d ) 条件下，用一体式m b r 处理生活污水发现：理论产率系数y c 与衰减 系数b 值随s r t 的延长而下降n 引。刘锐用一体式m b r 处理生活污水，在2 8 0 d 未 排泥的条件下运行，发现表观产率系数y h 随运行时间的延长呈明显的降低趋势， y 。从运行初期的0 2 4 8k g v s s k g c o d 下降为0 0 8 3 k g v s s k g c o d n 引。张绍园应 用食物链中能量递减的原理，在两段式m b r 中引入后生动物一蠕虫。发现有蠕 虫存在时，其污泥产率低于常规活性污泥法污水处理系统；当蠕虫浓度保持1 0 0 个i i i l 以上时，污泥产率为0 1 k g s s k g c o d ，约为常规活性污泥法的1 4 n 引。 但该方法还有待进一步的研究，如维持蠕虫在系统内的最佳数量，使污泥产率 趋向于零，达到不排放污泥的目的。m b r 的污泥产率见表卜6 n 1 。； 表卜6m b r 污泥产率 s r t d y b k g v s s k g c o d b d 一1s r t d y b k g v s s k g c o d b d 一1 50 1 40 3 250 3 80 0 8 1 00 1 40 1 71 00 2 6 - 0 3 00 0 8 2 00 0 7 6o 1 81 50 1 6 0 1 7o 0 8 4 00 0 7 20 0 95o 2 6o 0 5 8 0 0 0 5 6 0 0 51 0 0 2 3 o 0 5 1 3 1 50 0 3 8 0 2 4 80 0 2 32 0o 1 9o 0 5 0 0 4 0 1 25 00 0 9 80 0 5 1 4 膜分离研究进展 1 4 1 膜分离技术研究国外进展 1 7 4 8 年，法国学者a b b en o l l e t 首次提出了膜分离现象乜0 2 。近二、三十年 以来，膜分离技术得到迅猛发展，在工业给水处理、纯水处理、海水淡化、苦 咸水淡化等低浊度水处理中得到推广和应用乜0 2 1 1 。近几年来，膜分离技术已渗 透到高浊度污水处理的领域，并与各种工艺结合来解决传统方法难以解决的问 8 第1 章引言 题，特别是对于高c o d 、高s s 、有毒难降解有机工业废水的处理，在传统的生 物处理法中引进膜分离技术显得更为必要。 在污水处理中，美国的s m i t h 于1 9 6 9 年首次报道了活性污泥法和超滤结合 处理城市污水的方法瞳羽。在生活污水的处理中，以超滤膜分离替代二沉池，获 得了极佳的处理效果，出水水质b o d l m g l ，c o d 在2 0 - 3 0 m g l ，整个系统的处 理能力为1 0 一l o o m 3 d 。1 9 7 0 年英国人h a r d t 报道了超滤与活性污泥法结合处理 c o d 为2 3 0 0 0 m g l 的高浓废水的研究。1 9 7 2 年s h e i f 等开始了厌氧型滤膜生 物反应器的研究工作乜钔。g r e t h l e i n 在1 9 7 8 年利用厌氧消化池结合膜系统处理 生活污水汹】。尽管这些工艺取得了良好的出水水质，但由于当时膜技术发展相 对落后，膜材料种类少，膜价格昂贵，使用寿命短，限制了该工艺的长期稳定 运行，污水膜生物反应器仍处于初期研究阶段。 八十年代以后，随着膜制造技术的发展、膜分离工艺研究的完善、膜清洗 方法的改进和污水厂出水水质要求的提高，膜分离与活性污泥法结合作为固液 分离设备的研究重新获得重视，在工程方面也得到了广泛的应用。污水膜生物 反应器的研究工作有了很大的进展，特别是在以下几个方面：1 ) 提高膜组件性 能，具体为提高膜通量与截留率以及减轻膜污染，为膜组件的连续操作创造条 件；2 ) 开拓污水膜生物反应器应用的新领域，探求可行的工作条件和工艺参数： 3 ) 降低污水膜处理工艺的动力损耗，使其成为节能型新工艺；4 ) 探讨膜分离阻 力、污泥滤饼与膜通量等的机理。y a m a m a t o 等( 1 9 8 9 ) 研究了将中空纤维膜直接 浸于曝气池内的一体式膜生物反应器，证明了采用间歇抽滤和低压操作，可在 很大程度上防止不可恢复的膜堵塞，并使能耗进一步降低n6 | 。y a m a m a t o 等( 1 9 9 1 ) 还进行了s b r 工艺与中空纤维超滤膜组件构成的膜生物反应器处理制革废水研 究瞳7 1 。w o n g 等( 1 9 9 0 ) 研究了中空纤维膜的物理排列与堵塞的程度关系啪1 。 s a t o ( 1 9 9 1 ) 研究了膜通量与活性污泥浓度、溶解性c o d 、污泥粘度的动力学关系 。k o l e g a ( 1 9 9 1 ) 等研究了中空纤维微滤系统去除细菌和病毒的能力m 1 。 c h a i z e ( 1 9 9 1 ) 用完全混合生物反应器和板框式膜组件系统处理生活污水，研究 了污泥产量、稳态下悬浮固体浓度、s r t 和h r t 对膜生物反应器的影响等。y u i c h 等( 1 9 9 2 ) 进行了活性污泥加微滤膜生物反应器脱氮的研究口刭。h o g e t s u ( 1 9 9 2 ) 等 进行了固定床厌氧消化器与管式中空纤维膜组件组合处理羊毛清洗废水的研究 驯。k i a t ( 1 9 9 2 ) 等进一步研究了中空纤维膜的纤维问污泥积累机制及其最佳设 计密度口引。p 订l a y ( 1 9 9 2 ) 等对微滤系统凝胶层形成过程、影响因素、条件控制 9 第1 章引言 及模型预测进行了研究阱1 。k r a u t h ( 1 9 9 3 ) 等考察了加压活性污泥法与超滤膜构 成膜生物反应器啪】。a y a h i d e n o r i 等( 1 9 9 3 ) 进行了厌氧膜生物反应器去除磷酸盐 的研究。c h i e r n c h a i s r i ( 1 9 9 2 ) 等研究了在中空纤维膜下部装射流曝气装置以增 加膜通量的滤膜生物反应器聆l 驯。s c o t t ( 1 9 9 4 ) 等进行了消除膜污染方法的研究。 r o n a l d ( 1 9 9 4 ) 等研究了膜生物反应器处理含大量油脂及重金属的废水啪】。 h d e k i ( 1 9 9 4 ) 等对厌氧消化器与板框型超滤组件组合处理高浓度有机颗粒废水 进行了试验1 。a r a i 等( 1 9 9 5 ) 评估了中空纤维膜组件对一体式膜分离活性污泥 程( s m s a s ) 的影响h 。u e d a 等( 1 9 9 6 ) 利用中空纤维膜组件进行了处理城市污水一 体式膜分离活性污泥法( s m s a s ) 的工业化试验h 副。z h a n g ( 1 9 9 6 ) 等对膜生物反应 器与传统活性污泥法在微生物种群和细菌活性的对比方面进行了研究h 3 】。 n a g a o k a ( 1 9 9 6 ) 等，对细菌胞外聚合物( e p s ) 和污泥粘滞度对膜过滤阻力的影响， 进行了动力学分析h 钔。c h o o ( 1 9 9 6 ) 等则对厌氧消化液组分对膜渗透性能的影响 进行了研究h 钔。近年来，国外污水膜生物反应器有的已进入实用阶段。法国 v o e l i a 环境公司于1 9 9 3 年开始研发其b i o s e p ，1 9 9 7 年第一座污水站在工业领域 里正式启动，至今已有8 座污水站应用于工业废水处理和城市污水处理。 1 4 2 膜分离技术研究国内进展 近二十年来国内的污水处理技术有了很大的发展嵋，一1 。但由于污水性质 的复杂性，这些常规技术远远无法满足污水处理的技术需求。国内早在7 0 年代 末就开始了超滤膜污水处理的研究和应用工作，目前超滤膜分离已应用于电泳 漆废水、乳化油废液、羊毛洗涤废水、印钞废水等工程中，如超滤在电泳漆废 水治理中的应用，通过超滤膜分离将混有大量重金属离子杂质的电泳漆从废水 中回收出来重新回用嘞1 。国内有关污水膜生物反应器的研究工作起步较晚，仅 1 0 余年时间，但发展迅速。 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 1 ，岑运华介 绍了m b r 在同本的研究状况晦5 1 。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d 3 。同年中国科学院生态环境 研究中心王菊思启动m b r 的研究唧1 。1 9 9 5 年，樊耀波将m b r 用于石油化工污水 净化的研究咖1 ，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 、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 。 1 0 第1 章引言 近年来，膜生物反应器的处理对象不断扩展：邢传宏( 1 9 9 7 ) 采用无机膜一生 物反应器进行了处理生活污水的实验h 引；吴志超( 1 9 9 9 ) 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n 训；王建功( 1 9 9 9 ) 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法处理港口 污水的研究硎；何义亮( 1 9 9 9 ) 采用厌氧膜生物反应器进行高浓度食品废水处理 ：王连军( 2 0 0 0 ) 用无机膜生物反应器( i m b r ) 处理啤酒废水侧。 在膜生物反应器的操作条件和稳定运行条件特性的研究方面，樊耀波( 1 9 9 5 ) 通过数学推导，得出一个膜的最佳反冲洗周期测定公式f ( t ) = ( q f _ q 。) ( t b + t f ) ， 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嘞1 。张绍园 ( 1 9 9 7 ) 根据微生物反应动力学与物料平衡原理，推导了分离式膜生物反应器水 力停留时间公式：t = i 1 木( 1 b - 1 ) ( k s + l ) k s 。分析并讨论了膜生物反应器的 影响困素。结果表明，影响膜生物反应器的困素从大到小依次为：底物最大比 解决速度常数，饱和常数k s ，维持常数m ，真产率系数y 6 ，最大比增殖速率 | lm 。李春杰( 1 9 9 9 ) 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。罗虹( 2 0 0 0 ) 在m b r 反应器中混合液可过滤性的研究 中得出结论副：改善活性污泥性状是m b r 稳定运行不可忽略的困素；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。何义亮( 1 9 9 9 ) 进行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n 1 ，。桂 萍( 1 9 9 9 ) 进行一体式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n 引。 在膜生物反应器的理论研究方面，邢传宏( 1 9 9 7 ) 探讨了污泥粘度与污泥浓 度m l s s 以及给定临界雷诺数时，最小膜面流速v m i n 与污泥浓度m l s s 之间的关 系。当雷诺数为4 1 0 3 2 1 0 5 时，水力边界层厚度约1 8 5 - 5 9 | im ，传质边界 层厚度o 。约1 8 5 - 0 5 9um “引。孟耀斌( 2 0 0 0 ) 对分离式膜生物反应器的体积负荷 进行推导表明：浓缩区的存在是该工艺处理能力较大的原困，可通过增加浓缩 区的体积和调整循环流量来控制分离式膜生物反应器的处理能力。杨造燕 ( 1 9 9 9 ) 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系数的方法，从理论和实验上证 第1 章引言 实了膜生物反应器无剩余污泥排放的可能性m 1 。张绍元( 2 0 0 0 ) 根据生态学中物 质与能量流通的原理，提出建立高能量级生物体一后生动物蠕虫，以增强m b r 净化污水功能和减少污泥产量，并设计出二段式m b r 以适应高能级特种微生物 蠕虫的生长需要n 9 】。 1 9 9 3 年前后，我国高校与研究所加入了m b r 的开发研究工作，详见表卜7 h 1 。 近年来许多高等学校和科研院所都已进行了平板超滤膜、管状膜与活性污泥结 合的膜生物反应器处理生活污水和模拟废水的性能研究瞄，一】。利用不同分离材 料的膜，研究膜与传统的生物法等废水处理技术结合，来解决工业上高浓度、 难降解有机废水治理问题。1 9 9 7 年中国科学院生态环境研究中心开始了穿流式 膜一生物反应器的研究工作，清华大学、同济大学、天津大学等高校开展了分 离式m b r 和一体式m b r 的研究；m b r 的研究对象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、港口污水、印染废水；生物反应器从活 性污泥法扩展到接触氧化法；生物处理流程从好氧发展到厌氧，并且对不同污 水的处理效果、系统的稳定运行、操作条件的优化进行了研究。目前，膜生物 反应器已有在大楼废水、生活污水回用、医院废水处理的工程实例，但应用工 程数量还较少。国产的专用于膜一生物反应器的膜材料、膜组件还十分有限， 有待加快研究和开发，以利于我国m b r 技术的发展，早日实现国产化、规模化、 产业化。使其在我国污水和给水处理中发挥应有的作用。 这些污水膜生物反应器开发研究虽已取得一定的进步，但与国外水平相比 尚存在较大的差距。在实际应用方面，由于经济和技术原因，差距更大。对于 实际运用中出现的问题就更鲜有报道。 表1 - 7 我国m b r 研究状况 科研单位反应器废水 生活污水、洗浴废水、 清华大学 分离式( 无机膜) 抽吸淹没式 医院废水 同济大学分离式高浓度有机度水 中国科学院生态研究中心分离式印染废水、石化废水 哈尔滨建筑大学 重力淹没式 生活污水 天津人学重力淹没式生活污水 其他高校及科研单位分离式、抽吸淹没式生活污水、啤酒废水、港 - 1 废水等 1 2 第1 章引言 1 4 3m b r 实际运用现状 1 土地填埋场堆肥沥滤液处理 土地填埋场堆肥沥滤液含有高浓度的污染物，其水质和水量随气候条件 与操作运行条件的变化而变化。m b r 技术在1 9 9 4 年前就被多家污水处理厂用于 该种污水的处理。通过m b r 与r o 技术的结合，不仅能去除s s 、有机物和氮，而 且能有效去除盐类与重金属。最近美国e n v i r o g e n 公司开发出一种m b r 用于土 地填埋场沥滤液的处理，并在新泽西建成一个日处理能力为4 0 万加仑( 约1 5 0 0 m 3 d ) 的装置，将在2 0 0 0 年底投入运行砸司。该种m b r 使用一种自然存在的混合菌 来分解沥滤液中的烃和氯代化合物，其处理污染物的浓度为常规废水处理装置 的5 0 - - 1 0 0 倍。能达到这一处理效果的原因是，m b r 能够保留高效细菌并使细菌 浓度达到5 0 0 0 0 9 l 。在现场中试中，进液c o d 为几百至4 0 0 0 0 m g l ，污染物 的去除率达9 0 以上。 2 城市污水处理及回用 1 9 6 7 年第一个采用m b r 工艺的废水处理厂由美国的d o r r o l i v e r 公司建成， 这个处理厂处理1 4 m 3 d 废水。1 9 7 7 年，一套污水回用系统在日本的一幢高层 建筑中得到实际应用。1 9 8 0 年，日本建成了两座处理能力分别为1 0 m 3 d 和5 0m 3 d 的m b r 处理厂。9 0 年代中期，日本就有3 9 座这样的厂在运行，最大处理能 力可达5 0 0 m 3 d ，并且有1 0 0 多处的高楼采用m b r 将污水处理后回用于中水道呻1 。 据报道，这些系统的出水已达到深度处理的标准，而且系统占地小，管理方便， 系统中的污泥已得到充分的消化，产泥量很小。1 9 9 7 年，英国w e s s e x 公司在英 国p o r l o c k 建立了当时世界上最大的m b r 系统，日处