（环境工程专业论文）低溶解氧下膜生物反应器处理生活污水的应用研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：遣姓 日期：趔：丝! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：匝麴担导师签名：论文作者签名：型丝堑导师签名：e t 期：竺! 型：! ： 山东大学硕士学位论文 摘要 本文开展了一体式膜生物反应器处理生活污水的研究。主要研究了低溶解氧 下反应器的污染物去除效果和膜污染的影响因素。 研究结果表明，应用低溶解氧下膜生物反应器工艺处理生活污水在技术上是 可行的，处理出水的浊度小于0 4n t u ，c o d 值小于3 0m g l ，出水氨氮含量小于1 1 m g l ，处理出水完全符合建设部颁发的城市污水再生利用城市杂用水水质 ( g b r r1 8 9 2 伊一2 0 0 2 ) 。 在d o 为0 4 o 8m g l 的情况下，可以实现良好的同步硝化反硝化效果，氨氮 去除率和总氮去除率分别达到9 4 和7 2 。但是。降低d o n 0 0 5 m g ，l ，硝化反 应受到较大抑制，氨氮去除率最高为5 1 ，相应的总氮去除率最高为3 5 。 研究表明，膜污染与m l s s ，s v i 和s c o d 均具有定的相关性。灰色关联度 分析结果表明m l s s 浓度对膜污染的影响要大f s v i s c o d ，是膜污染的首要影 响因素；低c n 下膜污染主要表现为污泥在膜表面的沉积，简单的水冲洗可以实现 膜通量的有效恢复。 关键词：一体式膜生物反应器，低溶解氧，中水回用，膜污染，脱氮 山东大学硕七学位论文 a b s t r a c t n 嵋p e r f o r m a n c eo fam l l s c a l es u b m e r g e dh o l l o wf i b e rm e m b r a n e - b i o r e a c t o r ( s m b r ) t ot r e a tw a s t e w a t e rw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r 1 1 瞻s t u d ym a i n l yr e f e r r e dt h e p o l l u t a n t sr e m o v a li nt h ed i f f e r e n td oa n dt h ef a c t o r so f m e m b r a n ef o u l i n g n ee f f l u e n tq u a l i t yp r o v e de x c e l l e n ta n d s t a b l e 1 1 地a v e r a g ee f f l u e n tp a r a m e t e r s w e r ec o d 3 0 m g l ，n h 4 + n 1 1 m g l ，t u r b i d i t y 一 l爿t 。+ 十) 图2 - 1 试验流程示意图 2 1 2 试验装置 膜生物反应器试验装置如图2 - 2 所示 ( 1 ) 反应器1 6 8 0 m m 1 1 2 0 m m x l 5 0 0 m m ，有效容积8 0 0 l 。中间用挡板一分为 二，两部分上下均相通。出水区底部有穿孔管曝气( 部分后改为曝气头) 。 ( 2 ) 膜组件：天津膜天膜公司产的中空纤维膜，孔径o 1 i m a ，规格：l x o 5 m ，总 面积2 0 m 2 ，竖向放置。 1 6 山东大学硕士学付论文 图2 2 膜生物反应器装置 ( 3 ) 真空泵一台，液体流量计一个，真空表一个。时间继电器和水位控制器( 防 止膜暴露在空气中) 联合控制真空泵的开启，抽1 3 分钟，停2 分钟。 ( 4 ) 气泵三台( 两大一小) ，气体流量计一个，通过控制3 台气泵的分别开启 和各自的流量以及曝气方式来控制反应器中的d o 。 ( 5 ) 自动控制设备两套，控制进水泵和真空泵的运行，使反应器内水位最低在 膜组件之上，并保留超高。 2 1 3 进水水质 试验以环境学院化粪池内的粪尿污水为进水，污水预沉之后进入反应器。进 水水质如表2 1 所示。 表2 - 1 进水水质 c o d ( ”玑)氨氮( r a g l ) 浊度( n t u )温度( ) p h l8 6 1 5 51 9 5 15 2 1 6 21 8 - 2 l6 8 7 8 l 2 _ 2 监测项目与分析方法 试验过程进行的监测项目及其分析方法如表2 - 2 所示。 1 7 山东大学硕七学位论文 表2 - 2 监测项目与分析方法 监测项目分析方法 c o d重铬酸钾法( l y 4 0 5 0 犁c o d 恒温加热器) p h m p 2 2 0 p h 计 d o m c - - 7 w 溶解氧仪 n 0 2 - nn - ( 1 一蔡基) - 乙二胺分光光度法( u v - 7 5 4 分光光度计) 总氮过硫酸钾氧化紫外分光光度法( y x q g 0 2 型电热式蒸汽消毒器) m l s s 重量法 浊度 2 1 0 0 p 便携式浊度仪 氨氮纳氏试剂光度法( u v - 7 5 4 分光光度计，) n 0 3 - n酚二磺酸光度法( u v - 7 5 4 分光光度计，7 5 4 型紫外可见光光度计) 粘度z n n d 6 六速旋转粘度计 污泥z e t a 电位j s 9 4 h 型微电泳仪 2 3 试验安排 2 。3 1 清水试验 组装膜生物反应器试验装置，进行清水试验。试验步骤如下： ( 1 ) 开启气泵曝气，检查气路是否畅通，曝气是否均匀。 ( 2 ) 打开出水泵进行抽吸，观察出水情况。当液面逐渐下降时，出水中若出 现大量气泡造成水流不连续或出水量与出水泵额定值相差较大，则说明出水管路 不密封，漏气，需进一步完善。 ( 3 ) 检查液位控制器运转是否正常，功能能否实现。 ( 4 ) 检查自动控制系统是否正常，各按钮功能能否实现。 ( 5 ) 一切正常后，改变出水量，记录抽吸压力的读数。研究膜通量与压力差 的关系，计算膜的清水阻力。 2 3 2 污泥培养和反应器的启动 污泥培养：好氧生物活性污泥处理系统在正式投产前的首要工作是培养和驯 化污泥。活性污泥的培养和驯化可归纳为异步培养法、同步培养法和接种培养法。 为缩短反应器启动的周期，试验采用接种培养法。所用种泥取自济南盖家沟污水 处理厂( 济南市水质净化一厂) 的曝气池出水污泥。接种污泥的基本性状如表2 3 所 示。 1 8 山东大学硕+ 学位论文 表2 - 3 接种污泥的基本性状 由于膜生物反应器可以截留活性污泥，并且时间较紧，故省略间歇培养期， 将污泥培养和启动合二为一。由于反应器体积较大，而所取污泥只有5 0 l 左右， 以至反应器内污泥浓度只有o 1 5 9 l 。将活性污泥转移至反应器内，进原水至低液 位( 水没过膜组件) ，让混合液在反应器内空曝气，其间既不进水也不出水。这样 静态( 闷曝) 培养1 天后，开始进水。小流量进出水1 天后按正常流量进出水。 2 3 3 启动运行期 5 月初s s 增加到约2 9 l ，达到正常水平，认为启动完毕反应器开始正常运 行。为研究低溶解氧下膜生物反应器的污染物去除效果，将试验分成三个阶段。 主要工况参数如表2 4 所示。 表2 - 4 主要工况参数 参数第一阶段第二阶段第三阶段 混合液溶解氧( m e l ) 1 5 2 00 o 50 4 o 8 h r t ( h ) 555 膜通量( l m 2 h ) 7 9 7 97 9 抽吸时间停抽时间 1 0 m i n 3 m i n 9 山东大学硕+ 学位论文 第三章膜生物反应器的污染物去除效果分析 3 1 正常溶解氧条件下污染物的去除效果 为研究膜生物反应器处理生活污水在中水回用中的可行性，控制反应器内混 合液溶解氧为1 5 2 0 m g l ，研究了正常溶解氧条件下膜生物反应器对污染物的 去除效果。 3 1 1 浊度的去除效果 浊度的去除效果如图3 - 1 所示。 024681 0 时问( d ) 图3 - 1 浊度的去除效果 由图3 1 可知，进水浊度在6 0 9 0 n t u ，但处理出水浊度始终在0 4 n t u 以 下，符合城市污水再生利用城市杂用水水质( 6 b r r1 8 9 2 0 一2 0 0 2 ) 浊度去除 率在9 9 4 9 9 6 之间，说明膜生物反应器对浊度有非常好的去除效果。另外， 本研究还对处理出水的悬浮物进行了监测，所测值均为负值，说明处理出水中悬 浮物极少，悬浮物浓度在检出限以下 3 1 2c 0 d 的去除效果 c o d 的去除效果如图3 2 所示。 踟加加o f l 皇一毯秘 山东大学硕+ 学位论文 时同( d ) 图3 2c o d 的去除效果 可见，进水c o d 浓度在1 2 0 m g l 左右，处理出水稳定在3 0 m g l 以下，符合 城市污水再生利用城市杂用水水质) ) ( g b t1 8 9 2 0 - - 2 0 0 2 ) 。c o d 去除率在7 6 8 2 之间，并且与进水值的变化趋势一致，高的进水值可得到高的去除率，而低 的进水值下的去除率较低。上清液c o d 的变化趋势也与进水值一致，而出水c o d 比较稳定；进水对上清液c o d 影响很大，而对出水的影响则较小。说明膜对出水 起了一定的强化作用，提高了出水的稳定性。 3 1 3 氮的去除效果 ( 1 ) 氨氮去除效果 反应器对氨氮的去除效果如图3 3 所示。 579 时间( d ) 图3 - 3 氨氮的去除效果 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 窑 5 0 蒌 4 0 1 4 3 0 2 0 l o o 2 l 矗!窜如跖衢塘m 0 0 13世畿黛搋 山东大学硕+ 学位论文 由图可知，进水氨氮浓度为2 0 3 0 r a g l ，处理出水氨氮浓度小于1 1 m g l ， 符合城市污水再生利用城市杂用水水质) ) ( g b t1 8 9 2 0 - - 2 0 0 2 ) ，去除率在9 5 8 9 9 4 之间，可见膜生物反应器在d o 为1 5 2 0 m g l 情况下可以实现非常好的氨 氮的去除效果。 这是由于膜生物反应器可以截留世代周期长的硝化细菌，因此在正常溶解氧 下，硝化作用进行的比较完全。还可以看到，上清液和出水中的氨氮含量差别很小， 且变化趋势一致，说明氨氮的去除主要靠生物反应器中微生物的生物降解作用， 膜对小分子的氨氮不具有截留作用。 ( 2 ) 亚硝氮的变化 亚硝氮的变化情况如图3 4 所示。 拿 旨 魁 蛏 蜮 普 茸 2345 时问( d ) 图3 - 4 亚硝氮的变化情况 可见，出水中亚硝氮含量很低。这是因为正常溶解氧条件下，硝化产生的亚 硝氮能够迅速被氧化成硝氮。 ( 3 ) 硝氮的变化 硝氮的变化如图3 5 所示。 o 9 8 7 6 5 4 3 2 1 o 山东大学硕+ 学位论文 4 5 4 0 3 5 。3 0 粤2 5 憾 盏2 0 普1 5 1 0 5 o 3579 时间( d ) 图3 5 硝氮变化图 由图可知，出水硝氮含量较进水大幅增加，并且接近进水氨氮值。说明在正 常溶解氧条件下，膜生物反应器中的硝化反映占绝对优势，且进行得较完全，而 反硝化则几乎没有进行。 ( 4 ) 总氮去除效果 总氮去除效果如图3 - 6 所示。 4 5 4 0 3 5 3579 时间( d ) 图3 - 6 总氮去除效果图 筋垢m 5 o 一1旨一恻蜕_霹硇 山东大学硕十学位论文 由图可知，出水中总氮含量与进水值相比，略有下降。去除率在4 2 2 之 间，平均只有1 2 的总氮去除率。这说明在溶解氧为1 5 2 0 m g l 的条件下，膜 生物反应器中的氨氮几乎被完全硝化，但是反硝化反应基本未发生，所以，总氮 的去除效果很差。 3 2 小结 膜生物反应器在溶解氧浓度为1 52 m g l 时，处理出水的浊度小于 0 4 n t u ，c o d 值小于3 0 m g l ，出水氨氮含量小于1 i m g l ，处理出水完全符合城 市污水再生利用城市杂用水水质( g b t1 8 9 2 0 一2 0 0 2 ) 。 山东大学硕士学位论文 第四章低溶解氧条件下的去除效果 近年来许多研究发现，生物法处理废水时，好氧条件下存在总氮的损失，即 同时硝化反硝化现象。所谓同时硝化反硝化现象( s n d ) ，就是硝化反应和反硝化反 应在同一反应器中、相同操作条件下同时发生。而低溶解氧下更容易发生同时硝 化和反硝化，因为只要控制溶解氧在一个范围，使溶解氧不会低到抑制硝化作用， 也不会高到抑制反硝化作用时，硝化和反硝化可同时在同一反应器中发生。本研 究控制反应器中混合液溶解氧浓度小于i m g l 。其中第l l 天到2 5 天，混合液溶 解氧浓度为o o 5 m g l ；第2 6 天到3 l 天，混合液溶解氧浓度为0 4 0 g m g l 。 4 1 浊度的去除效果 低溶解氧情况下浊度的去除效果如图4 1 所示。 1 11 31 51 71 92 12 32 5 时间( d ) 图舢l 浊度的去除效果 由图4 1 可知，出水浊度小于0 4 5 n t u ，符合城市污水再生利用城市杂用 水水质( g b t1 8 9 2 0 一2 0 0 2 ) 。可见，低溶解氧条件对浊度的去除效果无不利的 影响。 4 2c o d 的去除效果 低溶解氧情况下膜生物反应器对c o d 的去除效果如图4 2 所示。 趵 o 一基一魁爨 山东大学硕十学位论文 2 0 0 1 8 0 1 6 0 1 4 0 o1 2 0 童1 0 0 晷帅 6 0 4 0 2 0 0 1 l 1 31 51 71 92 l2 32 5 时问( d ) 1 0 0 9 0 7 0 6 0 g 5 0 萋 4 0 稍 3 0 1 0 0 图4 2 c o d 的去除效果 由图4 - 2 可知，处理出水的c o d 小于3 5 m g l ，去除率在7 1 8 8 之间。 低溶解氧下出水c o d 完全符合城市污水再生利用城市杂用水水质) ) ( o b t1 8 9 2 0 2 0 0 2 ) 。可见，溶解氧的降低对c o d 的去除无不利影响。 4 3 氦的去除效果及分析 ( 1 ) 氨氮去除效果 氨氮去除效果如图4 3 所示。 6 0 5 0 o4 0 曹 型3 0 簌 腻 晡2 0 1 0 0 ： 欠警 入 v 一 | 。 一 d o = o 4 0 8 m 毋 广，弋 时问( d ) 图4 - 3 氨氮去除效果图 加鲫伯们m 0 山东大学硕士学位论文 由图4 3 可知，在混合液溶解氧浓度为o o 5 m g l 的情况下，进水氨氮浓度 为2 5 5 5 m g l ，处理出水氨氮浓度在1 9 m g l 3 5 m g l 之间，氨氮去除率在1 4 5 1 之间，可见，过低的溶解氧对硝化过程有很大的抑制作用，氨氮去除效果变 得很差。而溶解氧调整到o 4 1 o m g t 的情况下，处理出水氨氮浓度降低到l 7 m g l 之间，去除率增加到8 0 9 4 之间。可见，溶解氧降低程度如果在合适的 范围内，则氨氮的硝化反应是可以正常进行的。 ( 2 ) 亚硝氦的变化 亚硝氮的变化如图4 _ 4 所示。 ；一 d o = o 枷8 m g 几 譬厶 时同( d ) 图4 - 4 亚硝氮变化图 由图4 - 4 可知，在混合液溶解氧浓度为o o 5 m g l 的情况下，出水亚硝氮含 量非常高，在l m g l s m g l 之间。在混合液溶解氧浓度为0 4 0 8 m g l 的情况 下，亚硝氮含量明显降低，在0 2 m g l o 6 m g l 之间。在混合液溶解氧浓度为o 0 5 m g l 的情况下，高的亚硝氮含量说明硝化作用进行的不彻底，过低的溶解氧抑 制了硝化作用的进行。在混合液溶解氧浓度为0 4 0 8 m g l 的情况下，低的亚硝 氮含量说明了硝化进行的比较完全。 ( 3 ) 硝氮的去除 硝氮的变化如图4 5 所示。 8 7 6 5 4 3 2 l 0 一_暑一憾辫骚翟茸 山东大学硕士学位论文 时问( d ) 图4 5 硝氮的变化图 由图4 5 可知，在混合液溶解氧浓度为o 0 5 m g ，l 的情况下，出水硝氮含量 在1 g m g l 之问。在混合液溶解氧浓度为0 4 0 8 m g l 的情况下，出水硝氮含 量在l 2 1 m g l 之间。硝氮含量受到两种作用的影响，硝化作用将使硝氮含量增 加，二是反硝化作用会使硝氮含量降低，因此硝氮含量不能直接反映反应器中氮 污染物的去除情况。 ( 4 ) 总氮的去除效果 总氮的去除效果如图4 6 所示。 6 0 5 0 善4 0 苫 蓑3 0 蛹 确2 0 1 0 o l + 进水i 飞一 i l + 去除率l 、 夕， ： 81 31 82 32 83 3 时问( d ) 图4 - 6 总氮去除效果图 8 0 7 0 6 0 5 0s 4 0 菱 3 0 稍 2 0 1 0 0 山东大学硕+ 学位论文 由图4 6 可知，在混合液溶解氧浓度为o 0 5 m g l 的情况下，出水总氮在2 9 3 4 m g l 之间，去除率在0 3 5 之间，可见，低d o 情况下，由于硝化反应受到 较大抑制，导致后续的反硝化无法进行，由此总氮去除率难以提高。在混合液溶 解氧浓度为0 4 0 8 m g l 的情况下，出水总氮在7 2 4 m g l 之间，去除率在5 0 7 2 之间。结合氨氮，亚硝氮和硝氮的分析可知，溶解氧过低，硝化作用受到抑 制，反硝化由于硝酸盐的缺乏也不能进行，总氮去除效果不好。如能适当调整溶 解氧，使硝化不受到抑制，同时反硝化也可以进行，就可以实现氮的有效去除。 同步硝化反硝化与很多因素有关，如污泥的絮体结构、大小、密实度、污泥浓 度的高低、d o 、f m 、c n 、p h 值等。本试验中进水c n 比在3 4 之间，仍 取得了较好的脱氮效果。而齐唯等认为低c n 比下同步硝化反硝化效果不好1 2 9 1 。 这是因为在实际运行中经过污泥驯化阶段，污泥已经适应了低c n 比的生活污水， 并且污泥量也达到正常水平，保证了白养菌和异养菌的数量。进水c o d 较低，使 得f m 低；并且不排泥条件下，反应器内的泥龄较长，耗氧速率较低；反应器较大， 污泥絮体分散均匀，因此，即使在d o 较低的情况下，也可保证溶解氧对生物絮体具 有一定的穿透能力，保证了硝化的进行，为后续的反硝化提供点子受体和能量， 从而保持了较好的同步硝化反硝化效果。 在中试规模的反应器中，在如此低的溶解氧浓度下仍能取得良好的硝化效果， 原因可能有以下几点：乱曝气时间足够长，水质中存在无机物杂质和实际应用中 曝气效率要低于实验室小试；污泥浓度随时间稳步增加，较高的污泥浓度易创造 更好的缺氧微环境，污泥絮体不同部位更容易产生形成好氧区和缺氧区，氧传递 和硝态氮传递的不均匀性使得曝气状态下菌胶团内也可存在一定比例的缺氧微环 境。b 反应器中存在着异养硝化菌，其特点是适合在低d o 浓度下生长。因此，低 溶解氧情况下形成的更多的缺氧微环境使反硝化更容易进行，再加上好氧反硝化 茵的存在，导致了较高的总氮去除率。既能提高脱氮效果，又能节约曝气所需的能 源。 由此可见，控制d o 在一定范围，可以实现反应器内的同步硝化反硝化，从 而达到在同一反应器内氨氮和总氮的同时去除；既能提高脱氮效果，又能节约曝气 所需的能源。 山东大学硕士学位论文 4 4 小结 ( 1 ) 溶解氧降低到o 0 5 m g l 时，浊度和c o d 的去除效果没有受到明显的不 利影响。但是，处理出水氨氮浓度为1 9 m g l 3 5 m g l ，氨氮的去除率迅速降低到 1 4 5 1 ，硝化反应受到很大抑制，总氮去除率为0 3 5 。 ( 2 ) 溶解氧增加到0 4 0 8 m g l 的时候，氨氮去除率增加到9 4 ，相应的总氮 去除率提高到7 2 。可见，在溶解氧降低到合适的范围内，可以实现膜生物反应 器内的同步硝化反硝化，实现同一反应器内氨氮和总氮的同时去除。 山东大学硕十学位论文 第五章膜污染影晌因素的研究 5 1 膜污染的表征 膜污染是指处理物料中的微粒、胶体颗粒以及溶质大分子由于与膜存在物理、 化学作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附和沉积造成膜孔径变小或堵 塞，使膜通量及膜的分离特性产生变化的现象。以膜过滤阻力作为衡量膜污染的 指标，膜阻力由下式求得： 肛嘶讧r o ( 5 一1 ) 式( 5 1 ) 中： 舡一膜的过滤阻力，i m 尸- 一膜过滤压差，p a 。二一膜通量，l ( m 2 舢 r 旷一青洁膜的过滤阻力，i m ，可以通过对清洁膜进行清水试验求得 ，卜一液体的粘度，m p a - s 由于第一，第三阶段，改变了曝气量和曝气方式，三个阶段无法做比较，且 时间较短，实际上第一和第三阶段，压力一直稳定在0 和2 k p a ，并无明显变化； 而在第二阶段，即使膜压力有上升，经过简单的清水冲洗后，膜通量即可恢复， 并且膜压力呈现有规律的周期性变化。因此只研究了第二阶段的膜污染情况。 5 2 膜污染的影响因素 尽管目前在膜污染机制方面还没有达成共识，但对不同的具体环境下，研究者 对膜污染影响因素进行了广泛探讨，可归纳为以下3 方面：微生物特性，运行条件与 膜的结构性质。在实际应用中膜材料和运行条件的选择往往采用最佳值，因此微 生物特性和污泥混合液性质成为影响膜污染的主要因素。 5 2 1s v i 与z e t a 电位的相关关系分析 活性污泥法中，s v i 表示污泥的凝聚沉降和浓缩性能，通常s v i 值大于2 0 0 表示污泥不易沉降，小于1 0 0 时，污泥沉降性能好，但吸附性能差。z e t a 电位的 大小是反映凝聚性能的指标，活性污泥的基本组成部分是微生物，通常带负电。 污泥的z e t a 电位越高，相互之间排斥力越大，污泥更难结合成絮体，沉降性能就 3 l 山东大学硕士学位论文 差。因此，污泥的s v i 和z e t a 电位应该有某种相关性。如果两者确实存在相关性， 可以用测定方法简单的z e t a 电位来代替测定繁琐的s v i 。所做的s v i 和z e t a 电位 关系图如图5 1 所示。 s v i “1 曲 图5 - 1s v i 与z e t a 电位的相关关系图 启动完成后，污泥的s v i 呈降低的趋势，z e t a 电位也是减小的。但是由图5 1 可知，二者关系复杂，并无明显的相关性。这可能由于生活污水水质复杂，干扰物 质较多的缘故。 5 2 2 膜污染与n l s s 的关系 通常认为，污泥浓度增大，混合液粘度增加，膜堵塞严重，导致膜孔隙率降 低，从而膜过滤阻力增加。 所得出的过滤阻力与m l s s 之间的相关关系如图5 - 2 所示。 山东大学硕+ 学位论文 3 5 0 e + 1 2 3 o o e + 1 2 2 5 0 e + 1 2 名2 0 0 e + 1 2 i1 5 0 e + 1 2 1 o o e + 1 2 5 0 0 e + 1 1 0 0 0 e + 0 0 l ，0 02 0 03 0 04 o o5 0 0 s s ( g l ) 图5 - 2 膜过滤阻力与m l s s 的关系图 图5 - 2 可知，抽吸压力与m l s s 的变化趋势是一致的，呈正相关性。压力与 m l s s 呈指数关系，有非常好的相关性。并且考虑到清洗后膜压力的周期性变化， 可以说现行运行条件下m l s s 是膜污染的显著影响因素。 膜生物反应器利用膜组件的分离作用使反应器内保持较高浓度的污泥浓度 ( m l s s ) 和较长的污泥停留时间( s r t ) ，使其具有较好的生物处理效果和耐冲 击负荷的能力。但随着污泥浓度的增加，容易出现污泥的膨胀现象，同时伴随着 混合液粘度、溶解性有机物、凝胶层及惰性物质等变化，进而膜通量会受到影响。 所以，污泥浓度是膜生物反应器的重要参数，它不仅影响有机物的去除效果，还 会对膜通量产生影响【3 l 】。首先，有研究表明：污泥粘度刁随着m l s s 的变化呈现良 好的线性关系，而污泥粘度与膜通量成反比关系，这说明膜通量会随着m l s s 浓度 的增加而减小【3 2 】。其次，随着m l s s 的增加，污泥更容易在膜表面沉积，加快了 膜污染，导致过滤阻力的增加，从而也会使膜通量降低。可见，m l s s 对膜通量 的影响是复杂的，膜通量与m l s s 浓度的对数呈线性关系，即m l s s 浓度越大， 膜通量越小，处理单位水量所需的膜面积则越大，从而组件部分所需投资越大。( 3 ) 反应器内污泥浓度过高，污泥粘度大，扩散系数降低，会影响氧的转移效率，为了维 持反应器内足够的d o ，常常需要较大的气水比，特别是对于浸没式m b r ，为了 保持一定的膜面流速，以防止膜污染，也需要较高的供气量，从而必然使供气能耗 增加【3 扪。 山东大学硕士学位论文 5 2 3 膜污染与s v i 的关系 求得膜过滤阻力与s v i 的关系如图4 3 所示。 2 e + 1 2 2 e + 1 2 1 e + 1 2 1 e + 1 2 罩1 e + 1 2 吝8 e + i l 6 e + 1 1 4 e + i i 2 e + 1 1 o e + 0 0 1 0 01 5 02 0 0 s v i ( m i g ) 图5 - 3 膜过滤阻力与s v i 的关系图 由图5 3 可知，r 与s v i 是负相关的。s v i 降低，污泥沉降性能好，受曝气 和环流的影响小，更容易沉积在膜表面，从而导致膜过滤阻力增加。 黄霞等在研究膜生物反应器中污泥沉降性能对膜污染的影响时发现：膜污染 的发展表现出“两阶段性”，即初始阶段的缓慢上升期和随后的加速上升期。污泥 沉降性的变化对膜污染产生明显影响。随着污泥s v i 值的增大，膜污染平均速率 增加，膜过滤周期缩短；膜污染速率的“两阶段性”变化规律趋于明显，缓慢上升 期膜过滤压差的上升速率随污泥s v i 的增加而降低，加速上升期膜过滤压差的上 升速率随污泥s v i 的增加而增大蚓。这与本实验的结论一致，说明好的污泥沉降 性能对膜污染有着积极作用。 5 2 4 膜污染与s c o d 的关系 膜过滤阻力与s c o d 关系如图5 4 所示。 山东大学硕十学位论文 2 e + 1 2 2 e + 1 2 1 e + 1 2 1 e + 1 2 名1 e + 1 2 吝8 e + l l 6 e + 1 1 4 e + 1 1 2 e + 1 1 0 e + 0 0 2 0 3 0 4 05 06 07 08 09 01 0 0 s c o d ( m g l ) 图5 - 4 膜过滤阻力与s c o d 的关系图 由图5 - 4 可知，膜过滤阻力与s c o d 是正相关的。s c o d 增大时，混合液的 可溶性有机物就多，由于浓差极化和吸附等作用，必然有一部分以凝胶层的形式 留在膜上，使膜孔径变小，甚至阻塞。从而导致膜过滤阻力的增加。 反应器中溶解性c o d 主要是未反应的营养物，微生物产物( e p s ) 等。近年 来，e p s 浓度对膜污染的影响受到越来越多的关注。很多研究表明e p s 浓度高容易 形成大絮体，同时对污泥絮体之间的剪切起到缓冲作用，阻止污泥絮体的扩散，可 以改善污泥的过滤性能。但也有研究者对此持不同看法，e p s 引起混合液粘度增 加并且在膜表面积累导致膜过滤阻力的增加，研究实际上没有考虑m l s s 对粘度 的影响，e p s 总量的升高很可能是由于m l s s 增大引起，而m l s s 与粘度的相关 性已得到很多学者证实，因此单纯认为e p s 是引起粘度上升的原因是不准确的。 然而，e p s 可以缓冲污泥絮体之间的剪切作用，而粘度正是液体对剪切力的抵抗 能力的反映，由此推测，e p s 与粘度之间应该存在有相关关系。另外，在e p s 比 阻计算过程中，造成污染阻力的污染物很多，而e p s 只是其中的一种。尽管如此， n a g a o k a 的研究仍然提供了一些重要的信息，如混合液和污染层中e p s 存在动态 平衡，并且研究结果显示了污染层阻力与e p s 之间存在正相关关系【3 5 l 。除此之外， h o u g h t o n 等【矧的研究认为e p s 浓度过高和过低都会加剧膜污染，因此存在一个最 佳e p s 浓度，使污泥过滤性能最佳；对比了不同的实际应用中的膜生物反应器， 山东大学硕士学位论文 却认为e p s 总浓度对于活性污泥的过滤性能几乎没有影响。除此以外，l e e 等 3 7 1 通过3 个不同s r t 的膜生物反应器考察混合液的e p s 、接触角、表面电荷等性质 对膜污染的影响，发现悬浮固体颗粒疏水性、表面电荷由于与e p s 的组成和含量有 着密切的联系，成为其中影响膜污染的几项最重要的性质指标。他还指出在e p s 中，蛋白的含量对膜污染的影响最大。 5 3 灰色关联度分析 5 3 1 关联度理论 灰色关联分析是定量地比较或描述系统之间或系统中各因素之间，在发展过 程中随时间而相对变化的情况，即分析时间序列之间，在发展过程中随时间而相 对变化的情况，即分析时间序列曲线的几何形状，用它们变化的大小、方向与速 度等的接近程度，来衡量它们之间关联性大小，如果两比较序列的变化态势基本 一致或相似，其同步变化程度较高，即可以认为两者关联程度较大；反之，两者 关联程度较小。这种用于度量系统之间或者因素之间随时间变化的关联性大小的 尺度，称为关联度。对于信息的处理，现有的系统理论分析，大多采用回归分析， 但是它具有三个缺点：( 1 ) 需要大量的数据；( 2 ) 需求较典型的分布规律；( 3 ) 计算量大。而灰色系统的关联度分析则可以克服和弥补这些缺点。 只有弄清楚系统中的这种关联关系，才能对系统有比较透彻的认识，分清楚 哪些是主导因素，哪些是制约因素；什么是优势，什么是劣势，为进行系统分析、 预测、决策、评估、规划以及发展战略研究等打好基础。 灰色关联分析理论具有下列五个重要的特征：( 1 ) 总体性；( 2 ) 非对称性； ( 3 ) 非唯一性；( 4 ) 有序性；( 5 ) 动态性。因此，灰关联分析是一种客观的、有 效的、实用的系统分析方法。 灰色关联分析的基本步骤分为7 步： ( 1 ) 原始数据预处理。对于时间序列( 或经济序列) ，采用初值化变换或者 均值化变换；对于空间序列( 或指标序列) ，采用极差变换或者效果测度变换。 ( 2 ) 确定母序列和子序列。本研究以土壤渗滤系数k 为母序列，以土壤有 机质含量和土壤多糖含量为两个子序列，考察了两个子序列与母序列k 之间的关 联程度。 ( 3 ) 计算每个时刻点上母序列与各子序列差的绝对值。 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 确定最大值与最小值。 ( 5 ) 求各时刻点上母序列与子序列的关联系数，如式( 5 2 ) 所示。 善( 七) ：m i n m i n r x o ( k ) - x , k ( k ) 了 + p l m a x m a x x o ( k 丁) - x , ( 一k , ( 5 2 ) 2 丽万研砑而i r 5 之 式中：姜内珊 与z 脚之间的关联系数 勒f j | ；) 子序列，k = l , 2 ，n 置传卜母序列，k = l 2 ，n 伊一分辨系数，一般取0 5 ( 6 ) 求关联度，即计算关联系数的平均值，如式( 4 3 ) 所示。 r j 2 去善毒( 七) ( 5 - 3 ) ( 7 ) 排关联序：对于各子序列要比较其对同一母序列来说孰大孰小，从而可 以明确及理顺各子序列对于母序列的“主次”、优劣”关系翊。 5 3 2 关联度分析结果 为了分析m l s s ，s v i 和s c o d 对膜污染影响贡献的大小，应用灰色关联度 分析理论对m l s s ，s v i 、s c o d 与膜过滤阻力之间的相关关系进行了分析，分析 结果如表4 1 所示。 表5 1 各因素与膜过滤阻力的关联度分析 关联项 m l s ss v i，s c o d 序列 ，i r 2r 3 关联度 0 7 7 0 4 8 7o 6 0 7 6 4 5o 6 0 0 7 9 4 膜过滤阻力与m l s s 的关联度为0 7 7 ，大于膜过滤阻力与s v i 、s c o d 和z e t a 电位的关联度。这说明m l s s 对膜污染的影响要更大一些。 造成m b r 膜污染的直接物质来源是生物反应器中的污泥混合液，成分包括 微生物菌群及其代谢产物、废水中的大小有机分子、溶解性物质和固体颗粒等p 9 】。 通常，在m b r 膜过滤过程中，膜污染的形成机理主要有以下几种： ( 1 ) 小于膜孔径的颗粒物质在膜孔中吸附，通过浓缩、结晶、沉淀及生长等 作用使膜孔产生不同程度的堵塞，造成膜污染 4 们。 ( 2 ) 料液中的悬浮物、胶体物质及微生物被膜拦截，物质问通过吸附，架桥、 网捕等作用结合在一起，在膜表面沉积形成沉积层，降低膜通量，造成膜污染。 3 7 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 膜穿透压力及膜孔的堵塞造成膜表面出现浓差极化现象，当达到极限 浓度后，溶解性难降解小分子有机物析出并与污泥混合液悬浮固体( m l s s ) 结合 在膜表面形成凝胶层，造成膜污染。 沉积层与膜表面的结合力较弱，控制膜出水通量在合理的范围内可减少污泥 絮体在膜表面的沉积。此外，在膜过滤过程中，曝气或膜面错流等操作形成的剪 切力和扰动作用基本可以将沉积层去除，它对膜的通透性能影响不大。造成膜通 透性能降低的主要污染因素是膜孔的堵塞和凝胶层的形成。在膜过滤过程中水力 作用很难将这两种污染去除，必须通过专门的膜清洗才能恢复膜的通透性，这也 是导致工艺运行费用增加的主要原因之一。控制膜污染的主要目的是确保膜的通 透性，降低运行成本。因而，膜孔的堵塞和抑制凝胶层的形成是m b r 膜污染控 制的重点。 影响膜孔堵塞的主要因素是料液中的生物相尺寸和膜自身的特性。一般生物 相尺寸越小越容易堵塞膜孔且孔内微生物在营养物充足时会出现滋生现象，加重 膜孔堵塞程度 4 1 1 。膜的特性主要有膜材质、膜孔径大小、空隙率、亲疏性、电荷 性质和粗糙度等。不同特性的膜吸附料液颗粒物的程度不同，所以污染的程度也 不同。影响凝胶层析出的因素为料液生物相尺寸和反应器中的溶解性难降解有机 物浓度。溶解性难降解有机物这里主要是指胞外聚合物( e p s ) 会导致溶液粘度 的增加，堵塞污泥絮体颗粒之间的空隙，改变膜面形成的空隙率的结构，是凝胶 层形成的主要因素1 4 2 。生物相尺寸越小在过滤过程中越容易达到膜表面，形成比 阻更高的致密层，加速凝胶层的形成。此外，膜的出水通量在膜过滤过程中控制 着的程度，是影响凝胶层形成的主要外部因素。由以上分析可知，料液中的生物 相尺寸、膜自身的特性，反应器中的e p s 浓度及膜表面的浓差极化是影响膜孔堵 塞及凝胶层形成的主要因素。本试验中进水c o d 较低，污泥负荷相对低，并且由 于采用低溶解氧而降低了曝气量，因此未反应的营养物质和产生的e p s 应该是很 少的。而污泥浓度一直是稳步增长的，膜污染主要是由于污泥堵塞引起的。 5 4 小结 ( 1 ) 膜过滤阻力与m l s s ，s v i 和s c o d 之间均具有一定的相关性，其中膜 过滤阻力与m l s s 和s c o d 是正相关，膜过滤阻力与s v i 是负相关。 ( 2 ) 灰色关联度分析结果表明m l s s 对膜污染的影响要大于s v i 和s c o d ， 是膜污染的首要影响因素。 山东大学硕士学付论文 第六章结论与建议 6 1 结论 ( 1 ) 膜生物反应器在溶解氧为1 5 2 m g l 的时候，处理出水的浊度小于 0 4 n t u ，c o d 值小于3 0 m g l ，出水氨氮含量小于1 1 m g l ，处理出水完全符合城 市污水再生利用城市杂用水水质( g b 厂r1 8 9 2 0 - - - 2 0 0 2 ) 。 ( 2 ) 溶解氧降低到0 o 5 m g l 的时候，浊度和c o d 的去除效果没有受到明显 的不利影响：氨氮的去除率迅速降低到1 4 5 1 ，总氮去除率达到3 5 ，说明在 很低的d o 情况下，硝化反应难以进行，氨氮和总氮去除效果都较差。溶解氧在0 4 0 s m g l 的时候，氨氮去除率增加到9 4 ，总氮去除率提高到7 2 。使溶解氧在一 个较低而合适的范围内，可以实现膜生物反应器内的同步硝化反硝化。 ( 3 ) m l s s 、s v i 和s c o d 与膜污染之间均具有一定的相关性，其中m l s s 和 s c o d 是正相关，s v i 是负相关。灰色关联度分析结果表明，m l s s 对膜污染的影 响要大于s v i 和s c o d ，是膜污染的首要影响因素。 6 2 建议 ( 1 ) 试验中只采用了3 个溶解氧值，最佳溶解氧值仍有待研究。 ( 2 ) 由于时间所限，本试验仅运行了较短时间，为进一步研究膜污染的影响 因素，建议长时间运行。 山东人学硕+ 学位论文 参考文献 【1 m 欣混合液中影响膜污染的主要成分及控制：【学士学位论文】 山东大学环 境科学与工程系，2 0 0 4 【2 】钱茜，王玉秋我国中水回用现状及对策再生资源研究，2 0 0 3 ，( 1 ) ：2 7 - 3 0 【3 】黄明祝等中水回用及展望 【4 】杜茂安，丁玉海等洗浴废水回用处理的水质控制研究哈尔滨建筑大学学 报，2 0 0 2 ，3 5 ( 5 ) ：5 2 - 5 4 【5 】济南强制中水回用建设科技，2 0 0 2 ，( 1 1 ) ：5 4 【6 】解晓强，沙琪，杨俊才我国中水回用状况的分析与展望安装，2 0 0 3 ，1 2 7 ( 2 ) ； 1 7 【7 s m i t h c vt h e u s eo fu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ef o ra c t i v a t e ds l u d g es e p e r a t i o n p r c s n t e dp a p e ra t3 9t h ea n n u a lp u r d u ei n d u s t r i a lw a s t ec o n f e r e n c e ，i n d i a n a , 1 9 6 9 【8 】魏源送，郑祥，刘俊新国外膜生物反应器在污水处理中的研究进展工业水处理， 2 0 0 3 ，2 3 ( 1 ) ：1 【9 】岑运华膜生物反应器在污水处理中的应用水处理技术，1 9 9 1 ，1 7 ( 4 ) ：2 3 - 2 6 【1 0 刘茉娥等膜分离技术化学工业出版社出版，1 9 9 8 【1 1 】李红兵等中空纤维膜生物反应器处理生活污水的特性环境科学，1 9 9 9 ，3 ， 2 0 ( 2 ) ：5 3 5 6 【1 2 y a m a m o t o d i r e c ts o l i d - l i q u i ds e p a r a t i o nu s i n gh o l l o wf i b e rm e m b r a n e i n a c t i v a t e ds l u d g e a e r a t i o n t a n k w a t s c i t e c h , 1 9 8 9 ，：2 1 2 3 【1 3 m a s a r u t h e h o l l o wf i b e rm e m b r a n em o d u l ef o ra t a p w a t e r p l a n t m e m b r a n e ，1 9 9 5 ，2 0 ( 5 ) ：31 6 【1 4 r o s sw r e t a l p r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h ea d u fe r o c 宅豁t ot h ef u l l s e a l l t r e a m e n to f m a i z ep r o c e s s i n ge f f l u e n t w a r s c i t e c h , 1 9 9 2 ，1 0 ：2 7 【1 5 1 赵广英，罗敏等反渗透膜的污染分析及其清洗工业水处理，2 0 0 0 2 0 ( 1 ) ： 2 5 2 7 【1 6 张宝杰，王宝贞，石玉明，王刚新型膜生物反应器的试验研究哈尔滨