（环境工程专业论文）生物铁膜生物反应器处理生活污水的试验研究.pdf

中文摘要 摘要：本试验利用膜生物反应器( m b r ) 和传统活性污泥法中的生物铁法二者各自 的优点，将两者结合起来形成一种新型的l v l b r i 艺一生物铁法m b r 。试验在一体 式膜生物反应器中投加不同量的氢氧化铁絮体，系统地对人工模拟生活废水的处 理效果、污泥特性和膜污染进行了研究，在优化工艺的运行条件和工艺参数( 投 药量、污泥浓度) 以及充分认识微生物特性的基础上对其机理进行了探讨，得出 了一些重要结论： ( 1 ) 生物铁s m b r 工艺一定程度提高了出水水质，本试验条件下氢氧化铁最佳投 加量为混合液污泥浓度的5 ，此时生物铁s m b r 出水c o d 、总p 、n h 3 - n 比普通 r 分别高6 1 5 、1 2 3 6 和1 3 9 。 ( 2 ) 生物铁s l v l b r 工艺，3 - - - 5 的投加量下生物铁污泥具有良好的絮状结构， 降低了膜表面滤饼层阻力，并且缓解了膜孔堵塞的影响。然而当投加量增大到7 时，生物铁污泥解体为碎小的颗粒，削弱了生物铁对溶解性有机物的吸附：此外， 较高的有机物消耗，滋生了大量的丝状菌，丝状菌能释放更多的胞外聚合物，加 剧膜的污染。 ( 3 ) 由混合液中溶解性胞外聚合物( e p s s ) 、松散附着胞外聚合物( l b ) 与半透 膜压增长速率的关系分析e p s s 是造成膜污染的主要因素。随着氢氧化铁投加量的 不断增加，污泥胞外聚合物中多糖的分泌量加大，此时多糖对于膜污染效应的影 响越来越大。 ( 4 ) 当氢氧化铁投加量固定为污泥浓度的5 时，随着污泥浓度的不断升高，多糖 含量不断增加，而蛋白质含量增加不明显。由此可见，随着污泥负荷的降低，混 合液e p s 中的主要成分是多糖。 关键词：膜生物反应器( m b r ) ；氢氧化铁；膜污染；胞外聚合物 分类号： 7 j 9 9 2 3 j 匕塞蛮堑太亟堂僮途塞旦墨! 垦g ! a bs t r a c t a b s t r a c t ：t l u ss t u d yu s et h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) a n d b i o l o g i c a li r o ni nt h et r a d i t i o n a la c t i v es l u d g et of o r man e wm b rp r o c e s sc a l l e d b i o f e r r i c s m b r t h ee x p e r i m e n ts t u d i e ss y s t e m a t i c a l l yt h ee f f e c to fs i m u l a t e ds e w a g e t r e a t m e n t ，t h es l u d g ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h em e m b r a n ef o u l i n gu n d e rt h ec o n d i t i o no f d i f f e r e n td o s eo ff e ( o h ) 3i n t ot h es u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，n l eo p e r a t i n g c o n d i t i o no fb i o f e r r i c s m b ri so p t i m i z e db a s e do nt h ed i s c u s s i o no fd o s e ，s l u d g e c o n c e n t r a t i o n ，a n dm i c r o o r g a n i s mc h a r a c t e r i s t i c ( 1 ) t h eb i o f e r r i c s m b rp r o c e s se n h a n c e st h ee f f l u e n tq u a l i t y t h eo p t i m a ld o s eo f f e ( o h ) 3i n t os m b ri s5 o fs l u d g em i x t u r ec o n c e n t r a t i o n t h ec o d ，t o t a lp ，a n d n h 3 - no ft h ee f f l u e n ti nb i o f e r r i c s m b ri sh i 曲e rt h a nt h eo r d i n a r ys m b r6 15 ， 1 2 3 6 a n d1 3 9 o nt h ec o n d i t i o no f t h i se x p e r i m e n t ( 2 ) b i o f e r r i cs l u d g eh a sb e t t e ra g g r a g a t es t r u c t u r eo nt h ef e ( o h ) 3d o s eo f5 ，w h i c h d e c r e a s et h er e s i s t a n c eo ff i l t e rc a k el a y e re f f e c t i v e l yo nt h es u r f a c eo fm e m b r a n ea n d r e l e a s eb l o c k i n gi nm e m b r a n ep o r e s h o w e v e r , b i o f e r r i cs l u d g es t r u c t u r es e e m s d i s a g g r e g a t ew i t ht h ed o s ei n c r e a s i n gt o7 ，a n dt h u sw e a k e n t h ea d s o r p t i o no fs o l u b l e o r g a n i cs u b s t a n c e i na d d i t i o n ，t h eh i g h e ro r g a n i cm a t t e rc o n s u m p t i o nm u l t i p l i e st h e m a s s i v ef i l a m e n t o u s b a c t e r i u m ，a n d t h ef i l a m e n t o u sb a c t e r i u r nr e l e a s em o r e e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e st oa g g r a v a t em e m b r a n ep o l l u t i o n ( 3 ) s o l u b l ee x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e ( e p s s ) a r et h ep r i m a r yf a c t o rc a u s i n gt h e m e m b r a n ep o l l u t i o nb ya n a l y s i st h er e a l a t i o n s h i pb e t w e e ne p s s ，l ba n dt h ev a r i a t i o n o fs e m i - p e r m e a b l em e m b r a n ep r e s s u r ei nt h em i x t u r e u n d e rt h ed o s e o fp c ( o h ) 3 i n c r e a s i n gt o7 ，p o l y s a c c h a r i d e si ne p si n c r e a s e sa n dc a u s em o r es e v e r em e m b r a n e p o l l u t i o n ( 4 ) w h e nf e ( o h ) 3d o s ei n c r e a s e t o5 o fs l u d g e c o n c e n t r a t i o n ，t h ec o n t e n to f p o l y s a c c h a r i d ee n h a n c e ss i g n i f i c a n t l yc o m p a r e dt ot h ep r o t e i n t h em a i nm a t t e ri s p o l y s a c c h a r i d ea l o n gw i t hr e d u c t i o no fs l u d g el o a d k e y w o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r ；f e ( o h ) 3 ；m e m b r a n ef o u l i n g ；e x t r a c e l l u l a r p o l y m e r i cs u b s t a n c e s c i a s s n o ：t i_j9923 i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文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： 导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 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，也不包含为获得北京交通大学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：签字日期：年月 日 4 9 致谢 本论文的工作是在我的导师王锦教授的悉心指导下完成的，王锦教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来王老 师对我的关心和指导。 王锦教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向王老师表示衷心的谢意。 李久义教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，于小霞、袁嫒等同学对我论文中的实验研究 工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母亲，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 蝴p 。 1 膜生物反应器的简介 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，m b r ) 是一种将膜分离技术与生物处理单 元相结合的新型水处理技术，以实现微生物发酵，动植物细胞培养和生物催化转 化等。通常在常温和常压下进行生化反应。可使产物或副产物从反应区连续的分 离出来，打破反应的平衡，从而可大大提高反应转化率，增加产率或处理能力， 过程能耗低、效率高。膜生物反应器是一种膜分离技术与微生物学、生物化学等 相结合进行废水处理的新工艺，主要由“膜组件，生物反应器和物料输送 3 部分 组成。2 0 实际8 0 年代以来，该技术已成为研究的热点之一。m b r 在我国的研究 始于1 9 9 3 年，研究者对各式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 达到或优于建设部生活杂用水水质标准，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。它与传统的生化污水处理技术相比，具有固液分离效 果好、生化效率高、出水水质优、设备集中、占地面积小、污泥浓度高、污泥负 荷低、便于管理和自动控制等优点，基本解决了传统的活性污泥法存在的污泥膨 胀、污泥浓度低等因素造成的出水水质达不到中水回用要求的问题。 1 1m b r 的特点 传统活性污泥法有两个主要问题：活性污泥沉降性能和生化反应速率。泥水 分离是在二沉池中完成的，其分离效率完全依赖于活性污泥的沉降性能，污泥沉 降性能越好，泥水分离效率越高。而污泥的沉降性能取决于曝气池的运行状况， 所以改善污泥沉降性能必须严格控制曝气池的操作条件，这大大限制了这种处理 方法的使用范围，又由于经济因素的制约，二沉池的容积不可能无限增大，所以 曝气池中的活性污泥浓度不会很高，从而限制了系统的生化反应速率。活性污泥 法存在的另一个问题是剩余污泥的处置费用较高，系统在运行过程中产生大量的 剩余污泥，其处置费用约占总运行费用的6 0 。所以，减少系统运行费用的一条途 径是降低剩余污泥的产量。膜生物反应器是将高效膜分离技术与污水生物处理工 艺相结合而开发的新型系统。它以高效膜分离代替传统生物处理中的二沉池，以 实现更好的处理效果。 m b r 以膜组件替代二沉池提高泥水分离率，在此基础上，通过增大曝气池中 的活性污泥浓度来提高生化反应速率，同时通过降低f m 来减少剩余污泥发生量 ( 甚至为零) ，解决了传统活性污泥法的弊端。与传统活性污泥工艺相比，它主要有 以下优势： ( 1 ) 处理后的出水水质良好，不仅对悬浮物( s s ) 和有机物去除率高，而且可以去 除细菌、病毒等，出水浊度低，可直接回用； ( 2 ) 膜的过滤作用可使微生物完全截留在生物反应器内，实现反应器水力停留时 间( h r t ) 和固体停留时间( s r t ) 的完全分离，使生物反应器内保持较高的m l s s ，使 运行更加稳定，控制更加灵活： ( 3 ) 用膜组分代替二沉池，固液分离效率高，能够使泥水得到很好的分离，且设 备紧凑，占地面积小； ( 4 ) 有利于增殖缓慢的微生物，如固氮菌、硝化菌以及难降解有机物分解菌的截 留和生长，不需要进行延时曝气就能实现同步硝化和反硝化，强化了系统的硝化 能力，对氮、磷等污染物的去除效率提高，出水可满足t p 0 1 5m g l 一，t n 2 2 m g l - 1 的环境最大容忍限度( m a x i m u mt o l e r a b l er i s k ，m t r ) ，同时可提高难降解有 机物的降解效率； ( 5 ) 生物反应器内的微生物浓度高，耐冲击负荷，且传质效率高，氧传递率可高 达6 0 左右。 ( 6 ) 反应器在低f m 条件下运行，剩余活性污泥量远低于活性污泥工艺，无污泥 膨胀，降低了对剩余污泥处置的费用； ( 7 ) 易于实现自动控制，操作管理方便。 1 1 1m b r 的组成和分类 m b r 是由微滤( m f ) ，超滤唧) 或纳滤( n f ) 膜组件与生物反应器组成，根据膜 组件在生物反应器中的作用的不同，可将其分成分离膜生物反应器，曝气膜生物 反应器以及萃取膜生物反应器。 1 2 1 分离m b r 目前，在污水处理中使用较多的则是分离膜生物反应器。活性污泥法中为了 得到较高的生化速率，需要高的活性污泥浓度，但浓度升高又会使污泥在二沉池 中的沉降性能下降，影响出水水质。活性污泥法产生的剩余污泥处理费用也很高， 占系统总运行费用的5 0 ，甚至高达6 5 蚶1 1 。分离m b r 用膜组件来进行固液分离 则很好地解决了这两个难题。国内外的试验和运行表明，m b r 在高m l s s 下也能保 持稳定和较好的出水水质，通过降低f m 值可减少剩余污泥产量。 2 第一代膜生物反应器使用管状膜，膜分离装置置于生物反应器之外并用泵进 行水循环，称之为循环式( 分置式) m b r 。反应之后的泥水混合物经泵送入膜组件， 透过液作为处理出水，浓缩液再返回反应器进一步降解。循环流导致了较高的能 耗，典型值为3 k w h m 3 出水【2 1 。膜组件能耗的高低还取决于膜组件的构造。液体 在膜组件中的高速剪切流和循环泵的剪切力可以破坏微生物并直接导致生物反应 器中的微生物失去活性。 浸没式( 一体式) m b r 首先在日本被开发并大量安装使用。它可以克服循环式 m b r 的缺点。在浸没式m b r 中，膜组件直接浸没在泥水混合物中，透过液在抽吸 泵的作用下流出膜组件。膜组件的下方有曝气装置，将空气压缩机送来的空气形 成上浮的微气泡；在曝气的同时，紊动的液流在膜表面产生剪切力，有利于去除 膜表面的污染物。浸没式m b r 能耗的典型值为0 8 k w h m 弓出水【z 】。当前浸没式m b r 技术发展迅速，主要是因为此种构造的膜生物反应器具有较低的制造、维护和运 行费用。使用的膜组件可以是垂直或水平放置的中空纤维，或者是垂直安放的平 板膜。 膜组件 1 2 2 无泡曝气m b r 进水出水 图1 - 1 分离式m b r f i g 1 1s e p a r a t e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r 传统的曝气系统采用的是鼓泡供氧方式，0 2 的传质速率很低，利用率也比较 低。而m b r 的生物反应器6 尸m l s s - - 般很高，微生物生长需要很高的氧气量。近年 出现的无泡曝气m b r ( 见图1 2 ) 的0 2 利用率可接j # _ 1 0 0 ，是传统曝气的5 7 倍。当 空气或0 2 进入传质阻力很小的透气性膜后，在浓差推动力的作用下向膜外的活性 污泥扩散，由于0 2 停留在膜组件中的时间很长，0 2 的传质效率很高，而且因为0 2 的分压被控制在不致起泡，故不能进入大气，这样使0 2 的利用达到最大。 m p a n k h a n i a 用曝气m b r 处理有机物负荷率为2 4 5k g c o d ( m 31 d ) 的废水，当h r t 为3 4m i n 时，去除率可达8 9 ，0 2 也可在生物膜中保持传质所需的必要的浓度梯度 3 1 ，但该试验中的膜需每天清洗，这是其不足之处。这种曝气器不会产生气泡，因 而特别适合于含挥发性有毒有机物或发泡剂的废水处理。因为膜具有高的传质速 率，在0 2 中混入可生物降解的有机气体后，可能会取得较好的降解效果。 1 2 3 萃取m b r 图1 - 2 无泡曝气m b r f i g 1 - 2 a e r a t i o nw i t h o u tb u b b l em e m b r a n eb i o r e a c t o r 当废水中酸度、碱度、盐浓度高或含有毒、生物难降解有机物时，就不适于 用废水与微生物直接接触来实现处理。萃取m b r 将废水与活性污泥用膜组件隔离， 膜组件具有选择性，可使废水中的待处理成分透过，而水及其他物质则不能透过( 见 图1 3 ) 。污染物透过膜后在生物反应器中被微生物吸附降解，浓度不断下降，在废 水和反应器间形成一个浓度差，这是污染物进人生物反应器的根本传质推动力。 w l i u 等用萃取m b r 处理高盐度、强酸性的高浓度难降解氯酚废水，原水浓度为 1 0 0 0m g l 一，出水为1 0 0m g l 1 ，获得了较好的效果【4 】。运行中，污染物传质的主 要阻力来自于膜组件和附于膜组件表面的生物膜。g l i v i n g s t o n 等用萃取m b r 处 4 理氯苯，流量为5 0 时去除效率达9 8 - - 9 9 ，但传质系数很小【5 】。通过试验发现， 这是由于膜组件和生物膜阻力的原因，改进膜组件后，在去除效率不变的条件下， 可处理5 0 0l h - 1 的废水，处理能力提高了1 0 倍。 萃取m b r 中，从膜内向外扩散的污染物和从污泥向膜扩散的0 2 ，产生了异向 运动，这有别于传统反应器中的同向运动，且它们在生物膜上相遇，这样就大大 提高了污染物处理速率。但过厚的生物膜会阻碍污染物和0 2 的扩散，故保持适当 的生物膜厚度是很必要的。萃取m b r 中特定污染物存在于反应器中，这样向反应 器投加降解该种物质的专性细菌后，可以提高降解的针对性和效率，有时还可添 加无机营养成分来促进高效降解。 生 物 反 应 器 膜 组 件 膜生物反应器虽然有许多传统工艺无法比拟的优点，但是在实际应用中也存 在一些不足之处，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 膜造价较高 膜造价较高使得膜生物反应器的基建投资较高，据使用厂家反映，国产膜的 质量较差，使用初期效果尚可，经反冲洗后效率明显下降，所以绝大多数厂家都 选用进口膜。据统计，我国每年要花费1 0 2 0 亿元以上的人民币进口美国膜材料 和膜装备，其中膜片和组件的进口额约为4 - - - - 6 亿人民币【6 】。 ( 2 ) 能耗是制约m b r 推广的主要因素 在用于处理污水的m b r 中通常都维持较高的m l s s ( 8 1 2m g l 1 ) 浓度，这就容 易导致氧传递率的降低，从而使运行能耗变大。要维持较好的氧传递率和降低能 耗，应从以下两方面出发：一是合理选择曝气及混合装置，使混合液有较高的紊 动；二是调节运行参数，使生物保持良好的生长状态；此外，在固液分离或膜生 物反应器的运行中，为了维持稳定的透水率，膜面流速一般大于2 m s ，这就需要 较高的循环水量，造成较高的单位产水能耗。为了解决这一难题，许多学者都在 研究探索一些改良的m b r ，其中日本学者y a m a m o t o 等人开发的一体式m b r 对单位产 水能耗有所降低。 ( 3 ) 容易出现膜污染，给操作管理带来不便 膜污染问题是m b r 运行中的重大问题，同时也是国内外研究者面临的主要问 题。膜污染是指与膜接触的料液中的微粒、胶体粒子或溶质大分子，由于膜存在 的物理、化学作用或机械作用，而引起的膜面面孔内吸附、沉积，造成膜孔径变 小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性不可逆变化的现象。膜污染不但使m b r 无法正常运行，还使膜的使用寿命缩短，使m b r 的经济费用加大。 1 4 活性污泥中e p s 对膜污染的影响 1 4 1 膜污染的分类 ( 1 ) 无机污染 膜的无机污染主要是指碳酸钙与钙、钡、锶等硫酸盐及硅酸盐等结垢物质的 污染，其中碳酸钙和硫酸钙最常见。碳酸钙垢主要是由化学沉降作用引起的。二 氧化硅胶体颗粒主要是由胶体富集作用决定。在膜生物反应器中保持水的紊流对 于降低膜表面的无机污染是很重要的。 ( 2 ) 有机污染 当溶质不透过膜或只有少量透过而溶剂透过膜发生迁移时，产生了界面与主 体液间的浓度梯度，引起溶质从界面向主体液的扩散，其结果会引起渗透压增加， 这就使有限的操作压力减少，引起膜通量减少。但是浓差极化产生的作用是可逆 的，一般可以通过增加主体溶液的湍流程度来减轻浓差极化现象的影响。 ( 3 ) 生物污染 6 不可逆的膜污染和可逆的浓差极化均能引起膜性能的下降，但不可逆的膜污 染是主要原因。需要特别注意的是膜的生物污染。 微生物通过向膜面的传递而积累在膜面形成生物膜。当生物膜积累到一定程 度引起膜通量的明显下降时便形成生物污染。几乎所有的天然和合成高分子材料 都易于被细菌吸附，即使是表面自由能很低的憎水性材料也是如此。在强化传递 过程以增强生物降解效果的膜生物反应器中，微生物和膜面的接触得到了强化， 使得细菌很容易吸附到膜面上形成生物膜，并进一步生长、繁殖形成生物污垢。 形成生物膜的细菌由于自身代谢和聚合作用会产生大量的细胞外聚合物，它们将 粘附在膜面上的细胞体包裹起来形成粘度很高的水合凝胶层，进一步增强了污垢 与膜的结合力。与无机污染相似，生物污染造成的直接后果是膜通量的下降，引 起操作压力的上升，增加了系统的能耗。然而膜通量不是呈线性下降的，初期的 时候下降迅速，随后逐渐缓慢下降，最终稳定在较低水平。膜生物污染的另一个 影响是破坏膜的内部结构。细菌和微生物可以直接( 发酵形式) 或间接( 改变溶液性 质) 对膜进行降解，尤其是对那些有机高分子膜。生物降解的破坏作用主要是堵塞 膜的孔道，破坏膜内部致密的结构，使得膜内部变得疏松和散乱。不仅严重影响 到膜的分离性能，而且大大降低了膜的寿命，使得有机大分子和污染物透过膜， 影响到出水水质。 1 4 2 胞外聚合物的特性 影响膜生物反应器膜污染的因素可划分为三大类：膜组件( 如膜材料、膜孔径 和分布、膜组件的构造) 、操作条件( 如压力、错流速率和紊流) 、污泥混合液特性。 膜生物反应器处理污水不同于常规的膜过滤污水，因此，研究膜生物反应器的膜 污染机理，不仅需要考虑常规的膜污染过程，并且应充分考虑到混合悬浮液的生 物动力学特性及其与膜过滤的关系【_ 7 1 。至今，膜生物反应器的膜污染机理并没有完 全弄清楚，这需要进一步的研究。剪切力导致污泥颗粒破碎( 如污泥颗粒大小从 9 5 - - 一2 0 0 r a m 变为6 1 0 m m ) ，同时也刺激了细胞外聚合物( e p s ，e x t r a c e l l u l a r p o l y m e r i cs u b s t a n c e ，e p s ) 的释放，这导致了水力阻力的增加，因此，污泥混合 悬浮液中胶体和可溶性物质是膜污染的主要影响因素。 在s i t 3 r 中，与膜表面直接接触的是污泥混合液以及膜上黏附的污泥。因此， 污泥及其胞外聚合物对膜污染具有较大的影响。胞外聚合物包括荚膜、粘液层、 及其他表面物质，其有机部分主要由多聚糖、蛋白质和少量d n a 、脂肪腐殖酸组成； 其无机部分约占总量的1 0 - - - 2 0 引。胞外聚合物( e p s ) 可分为溶解? t e p s ( s o l u b l e e p s ，e p s s ) 、松散附着e p s ( l o o s e l yb o u n de p s ，l b ) 和紧密粘附e p s ( t i g h t l yb o u n d 7 e p s ，t b ) ，t b 位于内层，与细胞表面结合较紧，稳定的附着于细胞壁外，具有一 定外形；l b 位于t b 外层，具有比较松散的结构，是可向周围环境扩展、无明显 边缘的粘液层【9 】。e p s 的化学组成成分非常复杂，最主要的成分为蛋白质和多糖。 e p s 在细胞之间构成一种架桥作用，形成紧密的细胞菌落，细胞通过这些胞外物质 进行物质和能量的传递，还可以抵御杀菌剂和有毒物质对细胞的危害，具有重要 的生理功能。 在关于胞外聚合物的众多研究中，有些学者【l o 】认为膜污染的直接影响因素来 自于e p s s ，即溶解性e p s ，其分子量分布一般在1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 左右，e p s s 极易堵塞 膜孔，并容易沉积在膜表面形成凝胶层，造成膜污染。然而另外一些学者持不同 意见，认为e p s 中l b 含量对s v i 影响很大【1 1 】，l b 与细胞体结合不紧密，是一种开放 的疏松结构，含水分多，密度小，体积大，具有流变特性，可导致污泥絮体体积 增大，密度减小，甚至可能使污泥成为一种粘稠的胶体，更易附着在膜丝上从而导 致膜污染。 1 4 3e p s 对活性污泥的影响 微生物被e p s 包埋在里面，e p s 为固着的细胞创造了一个由其本质所决定的微 生物环境，特别是直接覆盖于细菌细胞壁外的e p s ，其特殊的位置决定着它的成分 及数量必然影响着污泥的表面特性、生物絮凝、沉降性能及脱水性能等，在活性 污泥中具有重要作用。对于e p s 影响沉降性能的机理研究，主要集中在e p s 对污泥 表面电荷的影响上。研究表吲1 2 】，e p s 的存在不利于污泥沉降，e p s 的主要成分蛋 白质、糖类、d n a 含量都与s v i 成正比关系，沉降性能的恶化与高浓度e p s 有关； f o r s t e r 等认为【l3 j 当e p s 含量过高，污泥表面负电荷足够大时，会由于絮体间斥力导 致沉降性能恶化，污泥表面的z e t a 电位直接与s v i 相关，随z e t a 电位增加s v i 升高。 m a g a r a 0 4 1 发现随着e p s 浓度增大，污泥电泳迁移率增大，沉降性能下降。但c h a o 认为s v i 与污泥表面的z e t a 电位关系不明显。蔡春光等的研究认为e p s 中蛋白质与 总糖的比值与污泥的表面负电荷负相关，与污泥的疏水性成正相关【l5 1 。王红武等 的试验表明l b 含量与s v i 有很好的相关性，不同运行方式和泥龄的污泥t b 含量与 s v i 之间基本没有规律。其中多糖浓度与s v i 有更好的相关性，与l b 含量和s v i 的 相关性几乎一致，而蛋白质浓度与s v i 的相关性差。这一结果表明决定l b 性能的主 要成分是多糖，多糖的亲水性比蛋白质强，其浓度增大导致l b 中滞留水分增多， 使絮体与水更难分离，沉降速度减慢，污泥沉降性能变差其中l b 中的多糖也是 影响絮凝效果的主要因素【l6 1 。w i l e n 等认为l b 含量的增加使污泥絮体界面粗糙度 相对增加，同时，可能导致絮体z e t a 电位增“，电泳迁移率增大，造成絮体与水分 离的难度增大，因此，l b 含量越高，污泥的沉降性能越差【1 7 】。王红武等人随后的 研究也证明：随着s r t 的延长，e p s 中t b 和l b 两部分的质量比值( mt b ml b ) 减少， 小于l o # m 的微小絮体数量减少，z e t a 电位值也减小e p s 的总量对污泥的沉降脱水 性能影响很小，但其组成( l b 、t b ) 有显著影响，ml b mt b i i 申越大，污泥表面的 z e t a 电位值越大，小粒径的污泥颗粒则越多，污泥的沉降脱水性能变差。因此，通 过改变运行条件，适当延长泥龄可减少1 t il b mt b 伸和z e t a 电位值，使小粒径絮体 的数量减少，可改善污泥的沉降脱水性能【18 1 。拟和接触角和e p s 组分的关系发现， 蛋白质多糖的比例与接触角的相关关系( = o 7 7 ) 好于e p s 的总量；e p s 中蛋白质含 量越高，污泥的疏水性越强( 间8 1 ) 絮体表面电荷与接触角( r 2 = 0 7 5 ) 并 e p s 中蛋 白质糖类( ：o 8 ) 相关，蛋白质的电性影响污泥絮体的表面电荷，可能是由于正电 荷和非极性氨基酸在蛋白质中占主导地位【l9 1 。 1 4 4e p s 对膜污染的影响机理 ( 1 ) e p s 是膜通量下降的重要因素 近年来，许多研究认为e p s 是膜污染最重要的生物因素。i n s o u n gc h a n g 等人 认为e p s 是膜阻力的主要贡献者【2 。序批式试验结果表明正常活性污泥中泥饼层 阻力r e 占膜总阻力r t 的5 4 8 ，而污泥膨胀的条件下r c r t 为9 9 。s r t 增加， r t 下降了7 1 ，而r c r t 由7 7 下降至3 0 。e p s 浓度与膜污染程度之间存在线性关系， e p s 与r e 回归的相关系数为0 9 以上，可见e p s 是活性污泥中通量下降的主要原因， 营养物质氮的缺乏，污泥产生较少的e p s ，因而具有较高的膜通量；同时，两种s i 玎 条件下，絮体颗粒的大小并没有明显的差别，也说明e p s 是膜通量下降的主要原因。 而且，在污泥的每一个生理状态，e p s 含量越高，膜污染越严重。 m e n g c h u ng a o 等以s m b r 处理氨氮无机废水的研究中发现：由于原水为无机模 拟废水，e p s 的增加主要来源于微生物的自溶。经过长时间的运行，微生物的形态 越来越不清晰，细胞之间充满了黏稠的e p s ，由于e p s 的黏性和相对分子质量大难 于通过膜的过滤而在反应器中积累【2 2 1 。 m b r 污泥浓度很高时，黏度和溶解性物质就成为膜通量下降的主要因素，而e p s 可能就是造成混合液黏度增加的主要原因。t u e d a 发现黏度的增加导致抽吸压力 的急剧上升，最终可以导致m b r 系统运行停止【2 3 。2 4 1 。e p s 浓度高还会增大混合液黏 度而不利于d o 的扩散，使污泥系统充氧困难，从而影响菌胶团的正常生理活动， 并使膜过滤压力极大地提高。t s k i m 等人通过投加粉末活性炭对膜污染的影响进 行了研究，发现m b r 中单位v s s 的溶解性e p s 投 j i p a c 后，从1 2 1 1 9 6m g g 减少到了 9 9 0 - - 一1 2 7m g g ，膜通量也得到了增加【2 5 】。j u n g c o oc h o i 等人研究发现，当发生污 泥膨胀时，膜的污染更为严重，其原因是丝状菌比菌胶团细菌产生更多的e p s ，并 且丝状细菌如诺卡氏菌属( n o c 矾i a ) 比正常污泥含有较多的类脂类物质【2 6 1 。不同种 类的e p s 对于膜污染的贡献程度也不同，t m u k a i 等人发现e p s 中蛋白质和糖类的比 例不同，超滤的膜通量也不同，膜通量随着蛋白质比例的减少而增加【2 7 1 。 1 5 混凝一m b r 的研究背景 混凝一膜生物反应器就是在原有的膜生物反应器内投加混凝药剂( 如聚铝、聚 铁及其复合聚合物、p a m 等) 来提高反应的效果。目前混凝一膜生物反应器多用来 处理成分复杂、高浓度、难降解的工业废水。 赵玉华【2 8 】等人在人工配制的生活污水中连续投力h f e c l 3 絮凝剂会发现，反应器 中的活性污泥上清液c o d 值越来越小，沉淀效果也是逐渐变好。这说明，投加在 反应器中的絮凝剂，絮凝剂在反应器中发生积累，因此，提高了m b r 中污泥沉降 性能和处理有机物的能力。 陈英文【2 9 j 利用自制的高效廉价混凝剂，将若干廉价的天然和废弃无机粉料( 如 粉煤灰、黏土等矿物，其中主要含硅、镁、钙和铁等) 进行简单的活化，并和极少 量的高分子絮凝剂复配而成新型的混凝剂，结合仿生膜生物反应器技术对印染废 水的处理进行了研究。试验得到：混凝后c o o e r 的去除率平均达7 5 1 ，色度分 别从1 2 5 0 倍和3 9 0 倍降为3 0 倍和1 2 倍。透过率达至i j 8 4 6 和8 6 2 ，浊度在1 0 度以 下。再经仿生膜生物反应器处理，出水c o d e r 低于5 0m g l ，c o o e r 去除率为9 6 2 ， 出水无色无味，达到部分回用水标准。 张永宝 3 0 等通过向浸没式膜生物反应器中投加氢氧化铁絮体，经过驯化后， 进而形成生物铁污泥来处理人工配制模拟印染废水。整个运行期间，混凝m b r 容 积负荷比普通m b r 平均高2 5 。尽管如此，混凝- m b r 容器的出水c o d 、染料和 n h 3 - n 浓度一直比普通m b r k 氐，均值分别低8 4 0m g l - 1 、3 8 5m g l 以和1 8 0 m g l 。 进水浓度相同，混凝一m b r 出水浓度低，所以去除率比普通m b r 高整个运行期间 混凝一m b r 对c o d 、染料和n h 3 - n 的去除率分别比普通m b r 高1 o 、9 5 和5 2 。 可见混凝- m b r 对污染物质的降解和转化效果比普通m b r 好，对染料尤为明显。 布多【3 i 】等对加氯化铁与未加氯化铁两种情况下混合液c o d e r 随曝气时间变 化进行了对比试验，两者混合液的c o d e r 均随时间降低，但投加氯化铁的混合液 c o d e r 冈i 开始时降得很快，在最初半个小时内由2 4 1 0 0 m g l 。1 降至9 4 5 7m g l ，这 一大幅度的降低可以归因为絮凝有效地去除了大量的有机物，之后c o d e r 则缓慢 下降，最后基本稳定在5 0 6 0 m g l 。左右；而未加入氯化铁的原始混合液c o d e r 下 l o 降趋势则一直比较缓慢，直到5 h 以后才稳定在10 0 m l 左右。 本实验中采用了混凝膜生物反应器，从混凝剂中所含的主要金属离子来分类， 可分为铝系混凝剂和铁系混凝剂。铝系混凝剂应用较早，也是当前使用范围最广 泛的品种之一，在国内外混凝剂市场上均有较高的市场占有率。但铝盐混凝剂形 成的絮体沉淀速度慢，在处理低温、低浊水和某些高悬浮物、高浓度有机污水时， 不能达到理想的处理效果；此外铝盐混凝剂在使用后会给环境带来二次污染，如 果控制不当，出水往往含铝量偏高，导致对人体存在某些潜在的危害。现在研究 表明铝盐的使用会造成人类的老年痴呆症，这些缺陷影响了铝盐混凝剂的进一步 推广和应用以及市场的进一步发展。 受铝系混凝剂的启发，以及铝系絮凝剂固有的一些缺点，人们又在此基础上 开发出铁系絮凝剂，具有沉降速度快，形成絮体大等优点。而铁絮凝剂具有安全 无害，絮凝速度快，形成的絮体脱水性更好，杂质及c o d 去除率高等优点，既可 用于污水处理，又可用于饮用水的净化【3 2 】，所以铁系絮凝剂近些年来发展很快， 2 0 世纪8 0 年代就已经实现了工业化生产。日本、美国、德国等许多国家都有许多 相关专利。所以，铁盐大有代替铝盐的趋势，在本实验中采用的是铁盐絮凝剂。 本实验中采用了混凝一膜生物反应器的研究思想是在原有的膜生物反应器内投 加混凝药剂( 如聚铝、聚铁及其复合聚合物、p a m 等) 来提高反应的效果同时能够减 缓m b r 中的膜污染。在传统活性污泥工艺中的曝气池中用了生物铁法，发现该工 艺具有污泥紧密、污泥活性高、细菌活跃、出水效果好等特点。 肖羽堂【3 3 】、孙天华【3 4 】、邓南圣【3 5 】、张亚静【3 6 】等学者认为生物铁法其作用机理 为： ( 1 ) 是利用铁的物理、化学性质以及铁与生物的共同效应，使微生物絮体和 f e ( o h ) 3 絮体协同凝聚，形成了絮体粗大、结构紧密的团状活性污泥，具有良好吸 附絮凝作用，可以进一步提高处理效率。 ( 2 ) 从生物角度来看，铁是生物氧化酶系中细胞色素的重要组成部分，在生 物氧化中通过f e 3 + 峥f e 2 + 氧化还原反应进行电子传递作用对生物氧化和生物絮凝作 用起了很大的促进作用。 ( 3 ) 减轻膜污染：在关于减轻膜污染的研究中，j c l e e 等【3 7 】研究了在浸没式 膜生物反应器中投加铝盐和沸石粉末对膜过滤特性的影响，并且发现投加铝盐后， 由于铝盐的絮凝作用将水中小的胶体颗粒变大的原因而使膜污染显著减少；投加 沸石粉末，沸石粉末表面吸附和生长了大量的微生物从而极大的增加了膜通量。 李春杰 3 8 1 等研究了在s m s b r 处理焦化废水的过程中，通过向反应器投加粉末活性 炭( p a c ) 进而形成生物活性炭( b a c ) 未实现对膜污染的防治，并通过对b a c 污泥的终端过滤来反应其对膜污染的改善作用。结果表明，b a c 污泥在终端过滤 过程中，其相对通量的变化规律与普通活性污泥相同，但投) j i p a c 后的膜通量明 显提高。 1 2 2 试验装置及研究方法 2 1 试验工艺流程与装置 2 1 1 工艺流程 生物铁m b r 是在普通m b r 的基础上定期向反应器内投加氢氧化铁絮体。本试 验工艺流程如图2 1 所示：人工模拟的生活污水分别经过生物铁膜生物反应器和普 通膜生物反应器的生物处理及截留作用，出水达到排放标准。 2 1 2 试验装置 图2 1 工艺流程图 f i g 2 1 p r o c e s sf l o wd i a g r a ma n dl a y o u t 试验装置如图2 2 所示，反应器规格为0 4 5m x0 5 m 0 1m ，有效容积为1 8l 。 膜组件采用聚偏氟乙烯( p v d f ) 中空纤维膜，有效面积0 2 5m 2 ，膜孔径0 0 3 9 m 。 膜组件下设有五个曝气砂头，进行鼓风曝气，以保证微生物的供氧条件。 人工模拟配制的生活污水经由进水蠕动泵打到反应器中，用液位控制仪控制 进水泵的开停来维持反应器的液位恒定；膜出水由蠕动泵抽吸提供推动力，由电 磁计量泵通过往复运动产生高压水流提供反洗水，由时间继电器控制间歇出水方 式( 出水5m i n ，反冲洗l m i n ) ，对膜组件进行定期反洗，并以此形式连续运行。整 个试验过程中进水与曝气均保持连续，曝气量由气体流量计控制。出水管上安装 真空表，由压力表的读数反映膜污染的情况。 1 原水箱；2 进水泵；3 液位控制探头；4 液位控制仪；5 真空表；6 膜生物反应器；7 膜组件；8 曝气砂头；9 曝气泵；1 0 电磁继电器；1 1 气体流量计；1 2 反冲洗泵；1 3 出水泵；1 4 反冲洗水箱 图2 - 2 试验装置图 f i g 2 2 c h a r to ft e s ta p p a r a t u s 2 1 3 原水配制 本试验原水采用自配的模拟生活废水，进水c o d 、总p 和n h 3 - n 的浓度范围分 别是3 0 0 3 5 0m g l ；6 9m g l 。1 9 2 m g l ；1 6 2m g l - 1 2 0 5m g l 一，原水配 制成分见表2 一l 。 表2 1 模拟生活污水组成 t a b 2 1t h ec o m p o n e n to fs i m u l a t e ds e w a g e 1 4 2 1 4 污泥培养及混凝剂的制备 接种污泥取自于酒仙桥污水处理厂，取回后加以驯化培养，经过一段时间( 大 约一至两周) 后，活性污泥对模拟生活污水具有一定的处理能力。然后将自制的氢 氧化铁絮体加入污泥中，继续培养驯化一周左右，形成生物铁活性污泥。氢氧化 铁絮