（环境工程专业论文）膜曝气生物悬浮反应器（mbasr）处理生活污水的研究.pdf

摘要 摘要 膜生物反应器是一种新型、高效的废水处理技术，在污水处理与回用领域有 良好的应用前景。本文在目前国内外膜生物技术分析研究的基础上，研制出新型 膜生物反应器工艺系统膜曝气生物悬浮反应器( m b a s r ) 。并对m b a s r 处 理生活污水的工艺条件、膜污染机理及反应动力学进行了系统实验。研究表明， m b a s r 具有较好的污水处理及抗污染性能，其出水水质能达到中水回用标准。 m b a s r 工艺的主要影响因素依次为进水污染物浓度、气水比、水力停留时间。 在最佳条件下( 进水c o d 3 0 0 m g l 、h r t - = 9 6 h 、g ：l = 1 5 ：1 ) ，c o d 去除率达 9 5 以上、s s 去除率可达1 0 0 、n h 3 - n 去除率达8 9 ，具有比活性污泥法及一 般膜生物反应器的明显优势。另外，本实验还在最佳操作条件，通过m b a s r 的 反应动力学研究，得出其污泥浓度公式为： 工：q ：! ! ! 兰塑! l 至+ 曼二刍i 1 + o - 0 1 3 x s r t l h r t s r t j 膜污染分析表明，m b a s r 系统总阻力由三部分组成：自身阻力、污染阻力 及浓差极化阻力。实验表明，1 4 和2 4 膜组件的总阻力分别为2 1 8 x 1 0 1 2 m 1 和 2 5 2 x 1 0 ”m - 1 ，其中膜污染阻力分别占总阻力的5 4 2 1 和5 1 6 。 关键词：生活污水，中水回用，膜曝气生物悬浮反应器，反应动力学，膜污染 a b s 廿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 r ( m b r ) i san e ws t y l ea n dh i g he f f i c i e n c yt e c h n o l o 曲o f w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，w h i c hh a sap e r f e c ta p p l y i n gp r o s p e c t i v ei nw a s t e w a t e r t r e a t m e n ta n dr e c l a m a t i o n b a s e do nt h ep r e s e n ta n a l y s i so fm e m b r a n ea n d b i o l o g i c a l t e c h n o l o g y ，t h i sa r t i c l ed e v e l o pan e ws t y l eo fm b rm e m b r a n ea e r a t e ds u s p e n d b i o r e a c t o r ( m b a s r ) t h es y n t h e t i ce x p e r i m e n t so nm b a s rw e r ed o n e ，i n c l u d i n g t h ep r o c e s sc o n d i t i o n 、m e m b r a n ef o m i n gm e c h a n i s ma n dk i n e t i c ss t u d y t h es t u d y s h o wt h a tm b a s ri sg o o di nw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dr e s i s tp o l l u t i o n i t so u t f l o w c a nr e a c ht h es t a n d a r do ft h em i d d l i n gw a t e rr e c l a m a t i o n t h em a i ni n f l u e n c i n g f a c t o r so fm b a s ra l et h ei n f l u e n to r g a n i cc o n c e n t r a t i o n ，t h er a t i oo fg a st ol i q u i d a n d h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ei nt u r n f o rm b a s rp r o c e s sa l ed e t e r m i n e d ，u n d e rt h e o p t i m a lt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s ( c o d i j c ， 就会出现明显的膜污染，通量将随时间而衰减，j c 被称作临界通量，它的值决定 于流体力学状况和其它一些因素。 由于影响临界通量的因素( 如表面相互作用等) 对不同系统变化很大，所以 预测临界通量是困难的。尽管如此，临界通量的概念仍可为系统的优化操作提供 指导。对于具体的系统，临界通量可由实验来确定，方法如下【7 6 】：使膜通量逐渐 增大，在每个通量下都保持一定时间，当通量较小时，操作压力是稳定的，但当 通量达到某一值后，操作压力将随时问的延长而增大。能使操作压力保持稳定的 最大通量就是临界通量。 b e n k a h l a 掣7 7 1 和s i h a s s e n 等【7 8 1 在考察膜的操作压力循环变化时渗透通量的 变化情况还发现，当通量不超过某一临界值时，随着操作压力的增大渗透通量线 性增大且可逆，即操作压力减小到某一值时所得到的通量与操作压力增大到同一 值时的能量值相同。但超过这一临界通量时，减小操作压力时，通量将不再恢复 到原来的值，而是低于这一值，即出现所谓“滞后效应( h y s t e r e s i s e f f e c t ) ”。这 一临界通量随膜面错流速度的增加而增大。这一现象也可以解释为当膜能量超过 临界通量时，由于膜污染的加剧而导致通量不能恢复到原来的值。由此也可以看 出，当膜通量在临界通量以下时，膜的污染是可以得到有效控制的。因此，在实 1 6 第二章研究思路 际工程中，应确保膜能量低于其临界通量。本实验的膜通量一般保持在1 0 l h 。 2 4 1 3 膜组件的选择和确定 在实际应用中一般要求将膜制成各种组件形式来使用。对废水处理用膜组件 的要求是：不易堵塞，易清洗和更换，单位透过液能耗费用低，单位体积膜面积 大。目前，超滤膜组件的主要形式有平板式、管式、螺旋式、毛细管式、棒条式 和中空纤维式等【7 0 】，其中螺旋式和毛细管式组件的装填密度均较高，但由于抗 污染能力差，一般不用于膜生物反应器，目前膜生物反应器中多用管式、中空纤 维式和平板式膜组件。 1 、管式膜组件与毛细管和中空纤维不同，管式膜不是自支撑的。这种膜 被固定在一个多孔的不锈钢、陶瓷或塑料管内，管直径通常为6 2 4 m m ，每个 膜组件中膜管数目一般为4 1 8 根。如图2 - 4 所示，原料一般是流经膜管中心， 而渗透物通过多孔支撑管流入膜组件外壳。这种管状膜的装填密度是很低的，一 般低于3 0 0 m 2 m 3 。 冈 截留鞫 图2 - 2 管式膜组件 2 、中空纤维膜组件中空纤维膜组件是装填密度最高的一种膜组件构型， 可以达以3 0 0 0 0 m 2 m 3 。在膜组件中装有一个有孔的中心管，原料液从该管流入， 这种情况下纤维呈环状排列并在渗透物侧予以封装。采用中心管可以使原料液在 腹内分布得更为均匀，从而提高膜面积利用率。 刭 一0 u 三 图2 3 横向流膜组件纤维排列方法( a ) 顺排：( b ) 错排 n0 m 第二章研究思路 3 、板框式膜组件平板式膜组件最突出的优点是每两片膜之间的渗透物都 是被单独引出来的，因此可以通过关闭个别膜组件来消除操作中的故障，而不必 使整个膜组件停止运转。 渗透物渗透物 拘板 图2 - 4 框式膜组件流道示意图 以上几种构型膜组件各具实用意义和局限性，具体情况见表2 - 1 。 表2 - 1 各种构型膜组件的优缺点 由上表可看出，管式膜组件的流体力学条件好，容易控制膜的浓差极化和结 垢，但造价较高，平板式膜组件最突出的优点是可以整“膜块”的形式组装和更换， 第二章研究思路 每两片膜之间的渗透物都是被单独引出来的，因此，可以通过关闭个别膜组件来 消除操作中的故障，而不必使整个膜组件停止运转。但在平板膜组件中需要个别 密封的数目太多，另外内部压力损失也相对较高。中空纤维膜组件的管径小，组 件的装填密度可以达到很高，单位膜面积的造价较低，虽然这类膜最易被污染， 且不好清洗，但通过改变流动方式和工艺条件可以对污染和浓差极化加以改善。 本试验也正是采用中空纤维膜进行实验研究的。 本实验用膜采用天津膜天膜科技有限公司生产的中空纤维帘式膜组件，膜材 料采用聚偏氟乙烯( p v d f ) ，由于其外形像窗帘，故称其为帘式膜组件，p v d f 是一种新型的氟碳热塑型塑料，单体结构式为c h 2 = c h 2 ，其结晶熔点为1 7 0 ， 使用温度范围为5 0 1 5 0 ，它有较好的化学稳定性和抗污染性，室温下不受酸、 碱等强氧化剂和卤素腐蚀1 7 ”。本实验共选用了两个帘式膜组件( 见图2 4 ) ，该 种膜的基本参数如表2 - 5 所示。 图2 5 中空纤维帘式膜组件实物图 表2 2 实验用膜基本参数 项目膜参数 膜的种类 膜质 膜的外形尺寸 膜面积 膜表面孔径 纤维内外径 出水浊度 出水悬浮物 超滤膜 聚偏氟乙烯 3 0 0 2 5 0 4 5 0 ( m m ) 1 5 m 2 片 0 2 2 u m 0 6 1 0 ( m m ) 1 ( n t u ) 6 ，所以细菌表面带负电荷。若填料表面的正电位越高，则细菌越易附着于 填料上，形成生物膜。另外，细菌属于亲水性粒子，所以提高表面的亲水性可以 加快生物膜的形成和附着。 在填料的这些物理和化学因素协同作用下，使得水中的污染物、细菌都易于 吸附在填料的邻近区域，而形成一个高浓度区，这个液、固、气三相共存的区域 为微生物的氧化降解作用提供了有利条件。 稳定性 废水处理要求填料必须有足够的机械强度，且物理、化学性质稳定，并能抵 2 0 第二章研究思路 抗废水和微生物的侵蚀，不溶出有害物质。 成本低廉 填料的费用一般约占生物膜工程总投资的3 0 4 0 以上，因此填料的性能价 格比非常重要。 根据以上原则，目前人们熟知的填料主要有陶粒、石英砂、活性炭、聚丙烯、 聚氯乙烯等，而我国目前对陶粒的研究最多，这是因为陶粒作为填料的一种，不 仅材料低廉易得，而且显示出的优良特性，特别适合我国的国情。 ( 2 ) 实验用填料 本实验中所用的填料是济南兴海生物滤料有限公司生产的轻质陶粒填料，其 实物照片及内部结构如图2 6 ，该填料具有密度小、比表面积大、耐腐蚀、强度 大等特点，在反应器中能实现悬浮状态，其具体性能见表2 3 。 图2 - 6 实验用陶粒填料实物图填料切面电镜扫描图( x 4 0 ) 表2 3 实验用填料基本参数 项目填料参数 平均粒径 粒子密度 堆积密度 脆度 酸可溶率 8 3 3 8 ( m m ) 0 7 1 4 9 c m 3 0 4 9 m l 1 r 3 r 2 ，即各因素影响程度 的大小依次是：有机负荷 气水比 水力停留时间，从上清液极差数值可看出进 水浓度对生物降解效果影响较大：对整个系统：r 3 r l r 2 ，即各因素影响程度 的大小依次是：气水比 有机负荷 水力停留时间，但从极差数值也可以看出， 对于整个系统来说，各因素对处理效果的影响都不是很大。综合考虑较好的水平 组为4 ( a 2 b l c 2 ) 和7 ( a 3 b l c 3 ) 。综合考虑有机物去除率露和实际应用的经济因素， 该m b a s r 处理生活污水适宜的工艺条件为：进水c o d 浓度l凹工一 赫浸瓣k饔懈蜡蜉 第三章m b a s r 运行效果的研究 由图3 1 4 进行线性回归( 相关系数对锄9 5 ) ，得到： = 5 0 9 由上两式可得 坛一x b = o 0 5 8 - - - 0 1 9 6 ( k g v s s k g c o d ) b = 0 0 1 3 ( d 一1 ) ( 3 - 2 1 ) ( 3 - 2 2 ) ( 3 2 3 ) ( 3 - 2 4 ) 对于普通活性污泥法的反应动力学参数，圪值的范围在0 2 5 0 4 ( k g v s s k g c o d ) 之问，b 值在o 0 4 0 0 7 d 一1 之间8 2 】；l a w r e n c e 和m c c a r t y 采用城市污水进行试验，得到坛值的范围在0 3 5 o 4 5 ( k g v s s k g c o d ) 之间， b 值在0 1 o 2 d 。1 之间。本试验得到的微生物产率系数= o 1 9 6 ，比文献给出的 范围明显偏小，说明本实验m b a s r 的微生物产率较低。此外，m b a s r 的污泥衰 减常数也比普通污泥法小很多。这主要是由于本试验进水c o d 明显低于普通活性 污泥法，c o d 负荷太低的缘故。 3 3 3m b a s r 稳定状态的污泥浓度公式 将式( 3 2 3 ) 、( 3 - 2 4 ) 代入式( 3 1 2 ) 、( 3 1 9 ) 得： y ：! ：! ! ! ! 塑! i 生旦+ c , - c 卫l ( 3 - 2 5 ) 1 + 0 叭3 s r th r t s r t i m!璺二竺!(3-26)x=1508x 土蒜产 如果反应器基本运行条件如h r t 、s r t 和进出水水质情况可知，由式 ( 3 2 5 ) 、( 3 2 6 ) 可以确定复合式膜生物反应器稳定状态的污泥浓度。 3 4 小结 ( 1 ) m b a s r 处理生活污水试验的出水情况表明，该反应器对c o d 、n h 3 - n 、 s s 、浊度等污染物有非常好的去除效果，膜出水c o d 2 0 m g l ，n h 3 - n 2 m g l ， 第三章m b a s r 运行效果的研究 浊度 i n t u ，对s s 的去除率达到1 0 0 。可见出水的各项水质指标始终优于建 设部生活杂用水水质标准c j 2 5 1 8 9 。可直接回用于城市绿化、洗车扫除等。 ( 2 ) m b a s r 对t p 的去除率为2 0 左右。要实现高效除磷，可以考虑增加 厌氧段或化学除磷。 ( 3 ) m b a s r 中丝状菌占有相当大的比重，有大量的原后生动物，能够形 成多种生物相及多个营养级组成的复杂生态系统。 ( 4 ) 本章考察了影响复合式曝气膜生物反应器处理效果的几个主要因素( 进 水污染物浓度、水力停留时间和气水比) ，并对其进行正交实验，得出了对应于 本实验水质情况下的最佳操作条件：进水c o d 浓度 3 0 0 m g l ，水力停留时间 为1 0 小时，气水比1 5 ：1 。 ( 5 ) 在最佳操作条件下，通过m b a s r 的反应动力学研究，得出污泥浓度 为： 一 h s r t l 需+ 等i 微生物产率