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膜生物反应器处理小区生活污水的试验研究 摘要 随着社会经济的发展和城市化进程的加快，部分居住小区与城市的距离较远 或小区污水暂时没有条件进入城市污水处理厂，其中大部分未经处理直接排入江 河湖泊。尤其是仅次于远离城市排水管网的宾馆、别墅、住宅区等，通常都是将 污废水直接排入周边的河道、湖泊或防洪沟，污染了环境，污染了水源，又限制 了水资源的合理开发利用。 本研究通过一系列试验，对污水中m l s s ，m l v s s ，b o d ，c o d ，t n ，n h 3 一n ， n 0 3 一n ，n 0 2 一n ，t p 、可溶性磷酸盐、d o 、p h 、浊度、生物相等多项指标进行 监测分析，提出在现有条件下结合污水处理的传统工艺，同时优化、改进膜单元 和反应器结构形式，使得膜生物反应器作为核心单元达到工程化应用。试验证明， 该膜生物反应器组合工艺对c o d ，b o d 去除率均在8 0 以上，t n 的平均去除 率为6 1 7 ，对n h 3 一n 的去除率在稳定运行时可高达9 0 ，对有机物、氮也 有明显的去除效果。总之，膜生物反应器组合工艺对污水多项指标的去除效果明 显优于其它生物处理工艺。 在污泥减量化方面，在试验的启动阶段选用颤蚓进行接种。试验中采用的2 个 寡毛类蠕虫反应器( 有机玻璃器皿制作) ，l # 反应器在试验的启动阶段采用颤蚓进行 接种，2 # 反应器作为对照。寡毛类蠕虫反应器有效容积为5 l ，采用推流方式，分 别由游离型蠕虫生长区、附着型蠕虫生长区( 安装丝状聚丙烯塑料和珊瑚砂组成的 混合填料) 和固液分离区组成。这2 个寡毛类蠕虫反应器均用来处理从一个中试规 模膜生物反应器系统排放出来的剩余污泥，并且固液分离区的污泥进行回流以免 蠕虫流失和污泥积聚。整个试验过程中监测分析的指标有温度、p h 值、污泥混合 液上清液中的t o c 、混合液浓度( t s s ) 等。 以此膜为例进行了污染膜的清洗方法研究，结果表明经过空曝气、反冲洗、 自来水冲洗、氢氧化钠碱洗、硫酸酸洗和超声波振荡清洗后，膜的通量恢复了8 7 ， 前三种清洗方法只是去除膜的外部阻力，对污染膜的通量恢复没有起到根本作用。 最后对该工艺用于生活污水处理进行了粗略的放大设计和技术经济分析，结 果显示日处理量为1 0 10 4 m 3 的一体式m b r 工程固定投资为2 4 2 5 元m 3 ，运行成本 为1 6 1 元m 3 。出水水质优异，可直接回用。该工艺用于生活污水处理有着巨大的 经济和环境效益。 关键词：膜生物反应器：污泥减量；膜污染；技术经济比较 i l a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i o - e c o n o m i ca n du r b a n i z a t i o n ，p a r to ft h el i v i n g c o m m u n i t yw i t hm o r et h a nas h o r td i s t a n c eo ft h ec i t yo rt h ep l o ts e w a g ed o e sn o t h a v et h ec o n d i t i o nt oe n t e rt h ec i t ys e w a g et r e a t m e n tp l a n tt e m p o r a r i l y ，i nw h i c h m a jo r i t yd i r e c t l yh a sn o td is p e r s e di n t ot h er i v e r sa n ds t r e a m sl a k ea f t e rp r o c e s s i n g 。 e s p e c i a l l yi np a r t i c u l a ri n f e r i o ri ni sf a ra w a yt h ec i t yd r a i n i n gw a t e rp i p en e t w o r kt h e g u e s t h o u s e ，t h ev i l l a ，t h er e s i d e n t i a ld i s t r i c ta n ds oo n u s u a l l yt h ea l ls m e a r sa n dt h e w a s t ew a t e rd i r e c t l y d i s p e r s ei n t ot h ep e r i p h e r a lr i v e rc o u r s e ，t h el a k eo rg u a r d s a g a i n s th o n g g o u t h ee n v i r o n m e n ti sp o l l u t e d ，t h ew a t e rs o u r c ei sp o l l u t e dt o o ，a n dt h e w a t e rr e s o u r c ei sa l s ol i m i t e df o rd e v e l o p i n ga n du s i n g t h r o u g has e l l 懿o fe x p e r i m e n t sa n dr e s e a r c h ，t ot h es e w a g ei nm l s s ，m l v s s 。 b o d ，c o d ，t n ，n h 3 - - n ，n 0 3 - - n ，n 0 2 - - n ，t p ，t h es o l u b l ep h o s p h a t e ，d o ，p h ，t h e t u r b i d i t y , t h eb i o l o g i c a le q u a lm a n yt a r g e t sc a r r yo nt h em o n i t o ra n a l y s i s ， u n d e rt h e e x i s t i n gc o n d i t i o n ，w ep r o p o s e du n i f i e st h es e w a g et r e a t m e n ta n dt h et r a d i t i o n a l p r o c e s s s i m u l t a n e o u s l yw en e e dt oo p t i m i z et h ei m p r o v e m e n tm e m b r a n eu n i ta n dt h e r e a c t o rs t r u c t u r a l s t y l e t oc a u s e st h em e m b r a n eb i o l o g yr e a c t o ra st h ec o r eu n i t w h i c ha c h i e v e st h ep r o je c ta p p l i c a t i o n e x p e r i m e n tp r o v i n g ，t h i sm e m b r a n eb i o l o g y r e a c t o rc o m b i n a t i o nc r a f tt oc o d ，b o de l i m i n a t i o nr a t ea b o v e8 0 t h ee l i m i n a t i o n r a t eo ft ni s6 1 7 ，i nt h es t a b l em o v e m e n te l i m i n a t i o nr a t eo fn h 3 一n m a yr e a c h 弱h i g ha s9 0 ，t ot h eo r g a n i cm a t t e r , t h en i t r o g e na l s oh a v et h eo b v i o u se l i m i n a t i o n e f f e c t i naw o r d ，t h em e m b r a n eb i o l o g yr e a c t o rc o m b i n a t i o nc r a f t s u r p a s s e so t h e r b i o l o g i c a lt r e a t m e n tc r a f to b v i o u s l yt ot h es e w a g em a n yt a r g e te l i m i n a t i o ne f f e c t t h ea s p e c to f r e d u c i n gt h eq u a n t i f i c a t i o ni nt h es l u d g e ，w es e l e c ti nt h e e x p e r i m e n t a lu n l o a d i n gp h a s et r e m b l e se a r t h w o r mt oc a r r yo nt h ev a c c i n a t i o n ，i nt h e e x p e r i m e n tw eu s e2o l i g o c h a e t aw o r mr e a c t o r ( p l e x i g l a s sh o u s e h o l du t e n s i l s m a n u f a c t u r e ) t h e1 8r e a c t o r u s e si nt h ee x p e r i m e n t a lu n l o a d i n gp h a s et r e m b l e s e a r t h w o r mt oc a r r yo nt h ev a c c i n a t i o n ，t h es e c o n dr e a c t o rt a k e st h ec o m p a r i s o n t h e o l i g o c h a e t aw o r n lr e a c t o rd i s c h a r g e a b l ec a p a c i t yi s1l ，w es e l e c tt h ed r i f tm e t h o d ， s e p a r a t e l yb yt h ed i s s o c i a t i o nw o r l t ig r o w t ha r e a ，a d h e r e st os t i c kc o h e r e ( m j x p a d d i n gw h i c ht h ew o r mg r o w t ha r e ai n s t a l l m e n tf i l i f o r mp o l y p r o p y l e n ep l a s t i ca n d c o r a ls a n da r ec o m p o s e d ) a n dt h el i q u i d - - s o l i d s e p a r a t i o na r e ac o m p o s e s ，t h e s e o l i g o c h a e t aw o r mr e a c t o ru s e sf o rt op r o c e s st h es u r p l u ss l u d g ew h i c hd i s c h a r g e s i i i 膜生物反应器处理小区生活污水的试验研究 f r o ma ne x p e r i m e n t a ls c a l em e m b r a n eb i o l o g yr e a c t o rs y s t e m ，i no r d e rt oa v o i dw o i t n o u t f l o wa n ds l u d g ea g g l o m e r a t i o nt h el i q u i d s o l i ds e p a r a t i o na r e as l u d g ec a r r i e so n t h eb a c k f l o w , i nt h ee n t i r et e s t i n gm o n i t o r st h ea n a l y s i st h et a r g e tt oh a v et h e t e m p e r a t u r e ，t h ep hv a l u e ，i ns l u d g ei n t e r m i x t u r es u p e r n a t et o c ，i n t e r m i x t u r e d e n s i t y ( t ss ) a n ds oo n w et a k et h i sm e m b r a n ea st h ee x a m p l ef o rh a v i n gc o n d u c t e dt h ep o l l u t i o n m e m b r a n ep u r g i n gm e t h o dr e s e a r c h ，a f t e ri n d i c a t e dp a s s e s t h r o u g ht h es p a t i a l a e r a t i o n ，t h ec o u n t e r - - f l u s h i n g ，t h er u n n i n gw a t e rf l u s h i n g ，t h es o d i u mh y d r o x i d e s o d aw a s h ，t h es u l f u r i ca c i da c i dp i c k l i n ga n dt h es u p e r - - s o n i co s c i l l a t i o nc l e a nt h e r e s u l ti st h a t ：t h em e m b r a n ef l u xr e s t o r e d87 ，t h ef i r s tt h r e ep u r g i n gm e t h o do n l yi s r e m o v e st h em e m b r a n et h ee x t e r n a ld r a g ，t op o l l u t e st h em e m b r a n et h ef l u xt or e s t o r e h a sn o tp l a y e dt h eb a s i cr o l e 。 f i n a l l yf o ru s i n gi ns a n i t a r ys e w a g ep r o c e s s i n gt ot h i sc r a f tc a r r y i n go nt h e s k e t c h ye n l a r g e m e n td e s i g na n dt h et e c h n i c a le c o n o m i ca n a l y s i s ，t h e r e s u ro f d e m o n s t r a t i o nd a t ep r o c e s sl o a df o r1 0 10 4 m 3t h ei n t e g r a t i o nm b rp r o j e c tf i x e d i n v e s t m e n ti s2 4 2 5y u a n r n 3 ，t h em o v e m e n tc o s ti s 1 61y u a n m 3 ，t h eq u a l i t yo f l e a k a g ew a t e ri sv e r yg o o d ，w h i c hc a nb eu s e dd i r e c t l y t h i sc r a f t h a st h eh u g e e c o n o m ya n dt h ee n v i r o n m e n tb e n e f i ti ns a n i t a r ys e w a g ep r o c e s s i n g k e yw o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r ；s l u d g er e d u c t i o n ；m e m b r a n ef o u l i n g ：t e c h n i c a l a n de c o n o m i cc o m p a r i s o n i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：罗旃日期：斧j 月矽e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并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。本人授权湖南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、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：罗诲 刷醛孙坼r 日期：列绛r 月7 7 臼 e l 期：2 9 年r 月7 7e l 硕 学位论文 1 1 本课题的背景 第1 章绪论 随着社会经济的发展和城市化进程的加快，部分居住小区与城市的距离较远 或小区污水暂时没有条件进入城市污水处理厂，其中大部分未经处理直接排入江 河湖泊。尤其是仅次于远离城市排水管网的宾馆、别墅、住宅区等，通常都是将 污废水直接排入周边的河道、湖泊或防洪沟，污染了环境，污染了水源，又限制 了水资源的合理开发利用。在城市生活污水处理方面，我国2 0 0 0 年生活污水排放 量为2 2 1 亿m 了，折合每日排放量为6 0 0 0 万m 3 ，到2 0 0 8 年生活污水排放量可达 7 0 0 亿m 3 。如果污水处理量为总排放量的5 0 ，水处理量就有3 0 0 0 万m 3 日。据 水利部的统计显示，松辽河、黄河、海河、淮河污染最为严重，5 3 的近海海域 受到污染，1 6 3 座被评价的湖泊水库中，有3 6 座受到不同程度的污染，其中1 9 座污染严重。水资源短缺和水污染已经成为制约国民经济可持续发展的重要因素。 目前，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，对水质环境的要求越来 越高，传统的生物处理工艺出水难以满足严格的污水排放要求。经济发展所带来 的水资源日益短缺也迫切要求开发合适的污水资源化技术，以缓解水资源的供需 矛盾。如我国华北及许多沿海城市都面临水资源短缺的困境，解决途径之一是污 水回用。一体化膜生物反应器可取代沉淀池、污水深度处理的混凝、过滤、消毒 等环节，因此是最佳污水回用技术。专家认为：膜生物设备的大规模应用将引起 污水处理技术的一场划时代的革命。它将膜分离技术与普通活性污泥法工艺有机 结合，采用膜组件( 超滤、微滤) 取代二沉池，固液分离效果好，出水悬浮固体 和浊度接近于零，细菌和病毒可全部去除，可随意控制污泥龄和生物污泥浓度， 能有效处理难降解物质，抵抗污泥膨胀能力强。与传统工艺相比，它具备小型一 体化，高效，占地与投资省，出水可回用实现资源化，操作管理简便，自动化程 度高等突出优点。国外的膜设备研制历经三十多年时间，已基本实现设备化，用 于生活污水的深度处理、回用和高浓度工业废水的有效处理。但由于膜固有的缺 陷，使膜设备的运行费与设备费相当昂贵，限制在我国的应用。目前，我国尚处 于膜生物处理工艺理论摸索与实验室阶段，尽快开发质优、价格合理、适合国情 的国产一体化生物设备是当务之急。在现有理论研究基础上，实现技术突破，开 发出可行的工艺，加速其设备化与市场化进程，将这- - 2 1 世纪最主要的成套技术 推广应用、服务于社会，必将实现环境效益与经济效益的统一。 膜正在被广泛用于城市用水的净化以及生活污水和工业废水的处理。膜分离 膜生物反应器处理小区生活污水的试验研究 技术被认为是2 1 世纪最有发展前景的高新技术之一。由中国科学院生态环境研究 中心与荷兰环境科学研究院合作研究的能耗膜生物反应器取得了可喜成果。该成 果报道于国际权威杂志“生物资源技术 ，并转载在国际水协会杂志“水二十一 世纪”，标志着中国的膜生物反应器研究跨入世界行列。膜生物反应器( m e m b r a n e b i o r e a c t o r ，简称m b r ) 是由膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术。 该工艺与传统废水生物处理工艺相比，具有出水水质好、出水可直接再生利用、 设备占地面积小、活性污泥浓度高、剩余污泥弱量低和便于自动控制等优点为， 该技术已经在污水再生利用和难解有机废水处理领域崭露头角，已成为代替传统 生化技术的一项高新技术。 小区生活污水处理与一般污水处理相比较具有以下的特殊性： ( 1 ) 居住小区污水流量较小，属于有机废水，可生化好，而污水中的悬浮物 相对较少，宜采用生物法污水处理技术； ( 2 ) 居住小区用地紧张，应考占地面积小的污水处理设施： ( 3 ) 居住小区的污水处理设施的施工周期不宜过长； ( 4 ) 居住小区的管理与维护属于社会化管理，应考虑设施操作简便的污水处 理工艺。 以活性污泥为代表的传统好氧生物处理工艺长期以为在生活污水以及工业废 水处理中得到了广泛的应用。但是，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高， 人们对水环境质量的要求越来越高。传统生物处理工艺主要由生物反应器和固液 分离部分组成，为提高处理效率就要加大反应器内的污泥浓度，但由于受到固液 分离技术的限制，过高的污泥浓度导致二沉池沉淀效率不高，所以反应器的微浓 度只能维持一定水平，以致处理效率差、负荷低。且还存在着剩余污泥量大，处 置费用高，出水水质不理想、不稳定，抗冲击能力差等缺点。 在上述背景下，研究开发效率高、投资少、能耗低的废水处理实用技术成为 必然，各种新型、改良的高效废水生物处理技术应运而生，其中最受关注的是膜 分离技术在废水处理中的应用，尤其是膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r , 简称 m b r ) 组合工艺。 m b r 工艺的出现迎合了城市化过程中生活小区一体化生活污水处理的要求， 但目前能耗较高、成本较高仍是阻碍膜生物反应器工艺发展的两大瓶颈。国内外 已经对m b r 工艺进行了大量研究工作，包括采用不同的膜与膜组件、不同形 式的生物反应器( 厌氧和好氧) 等，并使某些m b r 成功的用于污水再生利用、 粪便污水和垃圾渗滤的处理中，然而，m b r 要向实用化发展，还要解决若干经济、 技术因素。 2 硕j ：学位论文 1 2 本课题的目的、意义 水是生命的源泉，又是社会经济发展重要而宝贵的资源。随着经济的发展和 人口的增长工，水资源短缺已成为当今社会突出的环境问题。而随着我国社会经 济的高速发展，城乡面貌发生了深刻的变化。人们对改善环境污染状况、提高生 活质量、建设生态城市的要求与呼声与日俱增。城市化是经济发展、社会进步的 标志。近年来，我国小城镇建设的步伐明显加快，大量小城镇先后涌现城镇在推 动农村经济发展的同时，也带来了明显的环境问题。而当前小城镇建设中同步环 境保护设施建设的状况令人担忧。据国家体改委调查资料显示，目前，我国小城 镇的污水治理率仅有2 7 。小城镇的建设中潜伏着巨大的环境危机这一认识已经得 到了众多专家学者的认同。别一方面小城镇的建设形成了人口的相对集中，这也 给污水的治理带来了可能性。因此切合实际，按照我国小城镇的特点及经济实力 研究开发有效的具有中国特色的污水处理和资源化工艺具有很大的必要性和紧迫 性，这也是当今环保领域面向2 1 世纪的研究热点之一。 以中小城镇以及城市居住小区生活污水的处理与再生利用为前提，探讨研究 和寻求其处理与再生利用的模式，对处理工艺的运行和处理效果进行研究，获得 工程设计参数和运行参数。对运行过程中可能出现的问题进行探讨，是目前生活 污水处理与再生利用研究的重点。本课题以m b r 为处理模式，采用聚丙烯中空 纤维膜生物反应器，利用多工艺水处理实验平台，针对聚丙烯中空纤维膜生物器 的主要运行特性和污水处理效果进行了研究，同时对湖南大学校园的生活污水 m b r 的处理效果进行了现场试验研究，并对其总投资和运行费用进行了经济分 析。其研究成果可为中小城镇、居住小区，特别是其生活污水难于接入城市下水 道情况下的污水处理与再生利用提供有力的技术支持。经处理后的污水不仅解决 了水环境污染的问题，而且将处理后的水再生回用于小区内的绿化及景观用水等， 还可缓解城市用水紧张的状况，从而获得良好的社会效益和经济效益。 传统的活性污泥法由于难以在曝气池内维持较高的生物量，故其生物处理能 力较低，二沉池中单靠重力分离水中的胶体及细微颗粒难以达到出水水质要求。 另外活性污泥系统以世代较短的异养菌为主，主要去除易降解有机物，对难降解 有机物缺乏处理能力，对氮、磷等无机营养物质的去除率也很低。目前各种活性 污泥法都不可避免要排除剩余污泥，并且污泥的处理技术和费用历来是污水厂的 难题。膜生物反应器技术就是针对以上问题对活性污泥法进行改进而得到的一种 膜分离与生物处理相结合的方法。 自从1 9 8 9 年y o m a m o t o 等 1 1 人开始着手研究浸没式膜生物反应器( 一体式膜 生物反应器) 以来，一体式m b r 越来越受到研究者的青睐。它是一种将膜直接 浸没在曝气池中，而出水通过抽吸泵抽吸出水的工艺。清华大学【2 1 采用进1 3 板式、 膜生物反应器处理小区生活污水的试验研究 中空纤维式有机膜生物反应器( o m b r ) 工艺进行了处理生活污水小试试验，并 进行了采用陶瓷膜生物反应器( c m b r ) 处理生活污水试验研究。中国科学院采 用自行设计研制的聚砜、聚丙烯氰生物反应器工艺进行处理石化废水小试。中空 纤维膜组件以其体积小、组装灵活、可分组设置成若干框架结构、便于从曝气池 中拿出等特点，克服了平板膜不易拆装、清洗的缺点，而广泛应用于一体式膜生 物反应器( s m b r ) 中。在处理生活污水方面通常采用徽滤膜组件，常用的膜材 质有聚乙烯、聚丙烯、聚砜、聚偏氟乙烯等，聚偏氟乙烯膜应用于生活污水的处 理报道尚少。 能耗是污水处理工艺的一个重要评价指标，直接关系到处理方法的经济可行 性。目前，常规分离式m b r 运行能耗为3 - - 4 k w h m 3 ，较高的动力费用是m b r 推广应用中又一重大问题。 通常研究者都认为能耗的降低与膜污染的控制是m b r 研究领域两个独立的 课题，而张绍园、郑祥d 】采用穿流式、错流式膜组件进行分离式m b r 研究发现： 能耗随运行时间的延长、膜污染的增加呈上升趋势，从运行初期的不足o 5k wo h m 3 增加到3k w h m 3 。这说明：分离式膜生物反应器的能耗问题实质还是膜污 染问题。为了进一步降低能耗，天津大学顾平教授【4 】应用位差驱动出水和低水头 间断工作的重力淹没式m b r ，较好地克服了膜的污染与阻塞，使膜长时间保持较 大的膜能量，并且省去复杂的气水反冲洗设备和降低曝气量，使m b r 处理生活 污水能耗下降了1 0k w h m 3 ，因此，只要一台小流量的抽吸泵、曝气器和一个 反应池的一体式m b r 比分置式m b r 在生活污水处理上更具有经济优势。 虽然m b r 有诸多的优点，但要在工程中广泛应用还有很多问题需要进行进 一步的研究的探讨。如在膜材料的选择、膜组件的选型、运行条件的控制、处理 效果、膜的污染、一次性投资及运行成本等方面，在技术和经济上都有很多的问 题需要进行更深层次的研究。 1 3 膜生物反应器 1 3 1 膜的定义和分类及性能 1 3 1 1 膜的定义 膜从广义上可以定义为两相之间的一个具有选择透过性的透过性的薄层屏 障。膜分离是指在某种推动力的作用下，利用膜的透过性能，达到分离混合物( 如 溶液) 中离子、分子以及某些微粒的过程。与传统过滤器的最大不同是，膜可以 在离子或分子范围内进行分离，并且该过程是一种物理过程，不需发生相的变化 和添加助剂。膜的厚度一般为微米级，膜的分离与截留性能一般以膜的孔径和截 4 硕士学位论文 留分子量来加以区别。 1 3 1 2 膜的分类 按截留分子量分，膜可分为微滤膜、超滤膜和反渗透膜i y l 。常用于膜生物反 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。按材质分，膜可分为：有机膜( 如 聚矾膜、聚丙烯睛膜等) 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。而无机膜可以弥补有机膜的不足， 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。按照膜实现物质分离的特性可以将膜分为致密膜和有孔膜两 类。 其中，微滤、超滤、反渗透、气体分离等膜过程都属于以压力为驱动力的膜 分离过程，即压力驱动膜过程。 广泛用于废水处理的膜主要是由有机高分子材料做成的，如聚烯烃类、聚乙 烯类、芳香族聚酞胺、聚醚矾、聚氟聚合物等等。 1 3 2 膜的性能 1 3 2 1 膜的通量和膜的过滤方式 膜通量是指单位时间单位膜面积上通过的物质的量。在水处理中，膜通量的 单位是m 3 m 一2 s 一1 或者l m 一2 h 。在膜的分离过程中，影响膜通量的主要因 素有： ( 1 ) 膜的阻力： ( 2 ) 单位膜面积上的驱动压力； ( 3 ) 膜表面的水动力学状况； ( 4 ) 膜污染和其清洗情况。 膜过滤有两种基本操作方式：全程过滤( f u l l f l o wf i l t r a t i o n ) 和错流过滤 ( c r o s sf l o wf i l t r a i o n ) 。 全程过滤是指在膜两边压力差的驱动下，溶质和溶剂垂直于分离膜方向运动， 溶质被膜截留，溶剂通过膜而被分离。全程过滤中主体料液与透过液运动方向相 同。全程过滤也叫死端过滤( d e a de n df i l t r a t i o n ) ，它随着时间的增加，膜污染会 越来越严重，过滤阻力越来越大，膜的渗透速率将下降，必须周期性地停下来清 洗膜表面或者更换膜，所以全程过滤是间歇式的。 错流过滤过程中，主体料液与膜表面相切而流动，料液中的溶质被膜截留， 透过液垂直于膜面而通过膜流出，因此错流过滤也被称为切向流过滤。在错流过 滤过程中，料液流经膜表面时产生的剪切力会把膜面上滞留的颗粒带走，使污染 膜生物反应器处理小区生活污水的试验研究 层保持在一个较薄的水平上，能有效的控制浓差极化和滤饼堆积，所以长时间操 作仍可保持较高的膜通量。全程过滤比错流过滤操作简单，适用于实验等小规模 场合。在实际污水处理工程中，过滤一般采用错流操作。全程过滤和错流过滤的 示意图分别如图1 1 所示： 图1 1 全程过滤和错流过滤示意图 透过液 ( b ) 错流过滤 1 3 2 2 膜工艺中的物质传递 膜分离必须通过力的作用才能发生。膜分离的推动力可以是膜两侧的压力差、 电位差或浓度差。力可以是自然力，也可以是加载上去的。在膜生物反应器工艺 中最重要的传质现象是对流和扩散。 1 3 2 3 浓差极化与膜污染 膜分离过程是一个压力驱动膜过程，膜的j 胜能因膜污染随时间有很大变化， 通常表现为膜通量的减少。造成这种现象的主要原因是浓差极化和膜污染。浓差 极化是在膜分离过程中，料液中的溶剂在压力驱动下透过膜，溶质( 离子或不同 分子量的溶质与颗粒物) 被截留，由于水的通量j 不断把溶质带到滤膜表面，使溶 质在滤膜表面处的浓度c m 高于溶质在水溶液主体中的浓度c b ，在浓度梯度的作用 下，溶质由膜面向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增大， 导致膜通量下降。当溶剂向膜面流动，溶质向膜面流动的速度与浓度梯度使溶质 向本体溶液扩散的速度达到动态平衡时，在膜面形成一个稳定的相应于浓度差c m c b 的边界层，称为浓差极化边界层，这个现象称为浓差极化( c o n c e n t r a t i o n p o l a r i z a t i o n ) 。它产生的危害主要有： ( 1 ) 使膜表面溶质浓度增高，引起渗透压增大，从而减少传质驱动力； ( 2 ) 膜表面凝胶层或沉积层的形成会改变膜的分离特性： ( 3 ) 当溶质在膜表面达到一定的浓度时，有可能对膜发生溶胀或溶解恶化膜 的性能： 6 滤 液过 i_蒯鳃 硕 学位论文 ( 4 ) 严重的浓差极化导致结晶析出，阻塞通道，运行恶化。 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与膜存在 物理、化学作用或机械作用，而引起的膜面或膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过 流量与分离特性不可逆变化现象。膜污染使膜通量和分离特性下降，缩短膜的使 用寿命，降低膜的处理能力，从而使膜处理的费用增加。膜污染是一个复杂的物 理、化学过程，影响因素很多，如膜的特性、水中污染物种类、微生物及污泥浓 度因素等。 1 3 3 膜生物反应器技术的基本原理 膜生物反应器( m b r ) 是一种膜分离技术与微生物学、生物化学等相结合进 行处理的新工艺，主要由生物反应器和膜组件两个单元设备组成，污水进入生物 反应器后，污染物在生物反应器中被微生物同化和异化，异化产物多为无害的c 0 2 和h 2 0 ，同化物质成为微生物的组成部分。膜组件主要用于截留微生物和过滤出水， 由于膜的截留过滤作用，微生物可以被有效的截留在反应器中，从而控制微生物 在反应器中的停留时间( 污泥龄) 以及有效地对出水进行消毒。由于膜生物反应 器对污水同时进行降解和过滤，所以出水水质较好，通常有机污染物( c o d 或 b o d 5 ) 和悬浮物的去除率可以达到9 5 以上。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 负荷、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，在回用水和 废水处理中有广阔的应用前景。基于此，开发一种安全无毒、无二次污染的新型 絮凝剂对物质产品的生产工艺改进、人类的健康和环境保护都有很重要的现实意 义。生物絮凝剂具有上述优点，近年来受到研究者极大关注，有逐步取代传统絮 凝剂的趋势。 1 3 4 膜生物反应器的分类 按膜组件和生物反应器的相对位置，膜生物反应器可分为分置式生物反应器、 一体式膜生物反应器和复合式膜生物反应器三种【5 1 。 分置式m b r 如图1 2 所示，膜组件和生物反应器分开设置，生物反应器中的混 合液由泵增压后进入膜组件，在外力作用下膜过滤东液成为系统处理出水，活性 污泥、大分子物质等则被膜截留，并回流到生物反应器中。分置式m b r 的特点是： 运行稳定可靠，操作管理容易，易于膜的清洗、更换和增设，而且膜能量普遍较 大。但为了减少污染物在膜面的沉积，由循环泵提供的料液流速很高，为此动力 消耗较高，并且泵的高速旋转产生的剪切力会使某些微生物菌体产生失活现象。 7 膜生物反应器处理小区生活污水的试验研究 进水污泥回流 r1 r1 r 出水 生物反应器 膜组件 圈1 2 分置式膜生物反应器 一体式m b r ( 见图1 3 ) 根据生物处理的工艺要求，可分为两种组成形式： 第一种有两个生物反应器，其中一个为硝化池，另一个为反硝化池。膜组件浸没 于硝化反应器中，两池之间通过泵来更新要过滤的混合液。该组合方式基于以下 原因：( 1 ) 可以提供配套( 整装) 的膜和设备，便于旧系统的更新改造；( 2 ) 将 膜浸没池作为好氧区，而生物反应池作为缺氧区以实现硝化一反硝化的目的：( 3 ) 便于将膜隔离进行清洗。第二种组合最简单，直接将膜组件置于生物反应器内， 通过真空泵或其它类型的泵抽吸得到过滤液。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。 一体式m b r 利用曝气时气液向上的剪切力来实现膜面的错流效果，也有采 用在一体式膜组件附近进行叶轮搅拌和膜组件自身的旋转来实现膜面错流效果。 与分置式相比。一体式的最大特点是运行能耗低，占地更为紧凑，近年来在水处 理领域受到了特别关注，但其膜通量相对较低，容易发生膜污染，不容易清洗和 更换膜组件。 图1 3 一体式膜生物反应器 生物反应器 ( 销化) 复合式膜生物反应器不同之处在于生物反应器内加装填料，从而改变了膜生 物反应器的某些性状，使生物反应器内既有悬浮相的活性污泥又有附着相的生物 膜，从而提高了反应器污泥浓度，增强了处理废水的能力，提高了运行的稳定性。 8 硕士学位论文 其示意图见图1 4 。填料可采用常规填料或其它如泡洙塑料、颗粒活性碳等。 进水 空气 图1 4 复合式膜生物反应器 此外，根据生物反应器的需氧性，膜生物反应器又可分为好氧膜生物反应器 和厌氧膜生物反应器。根据生物反应器的受压情况又可分为常压膜生物反应器和 加压膜生物反应器，在加压膜生反应器中，生物处理装置处于加压状态。 1 3 5 膜生物反应器的特点 用膜组件代替传统的二沉池，可以进行高效的固液分离，克服了传统工艺出 水水质不稳定、污泥易膨胀的不足，具有许多其它生物处理工艺无法比拟的明显 优势。 结构紧凑，占地面积小。膜生物反应器仅用一个膜分离装置就完全实现了常 规了在常规生物处理中需要用较大的二沉池和砂滤系统才能实现的功能，使系统 变得较为紧凑，减小占地面积。特别是一体式m b r 在个反应器同时实现了生 物降解和泥水分离，更是如此。d a v i s 6 j 等对不同规模的膜生物反应器和传统活性 污泥法水处理厂进行比较发现，m b r 占地面积节约了l 2 2 3 。 处理效率高，出水水质好，从根本上解决了污泥膨胀问题。m b r 对有机物的 去除率来自两方面：一方面是生物反应器内微生物对有机物的降解；另一方面是 膜对有机物大分子的截留作用。在处理某些工业废水时，膜的截留作用有利于培 养出一些对该种废水有特殊降解能力的专属细菌，同时还可以延长大分子物质的 停留时间，使m b r 处理难降解有机物的能力得到加强。m b r 采用膜过滤几乎可 以截留水中所有悬浮物，选择性膜还可以截留混合液中的大分子物质和细菌、病 毒等，使得出水水质较好。m b r 使泥水分离不再依靠污泥的重力沉降，因此从根 本上杜绝了污泥膨胀现象对出水水质和生物处理系统的影响。 9 膜生物反应器处理小区生活污水的试验研究 容积负荷高，抗负荷冲击能力强。由于膜的高效截留作用，使微生物完全截 留在反应器中，实现了水力停留时间( h r t ) 和污泥停留时间( s r t ) 的完全分 离。因而能够在反应器中保留足够高的污泥浓度，这不仅使m b r 所能达到的容 积负荷大大提高，还使系统抵抗冲击负荷和有毒有害物质的能力得到了加强，并 使系统运行的稳定性得以提高。 产生剩余污泥量少，减少了污泥处理的工作量和费用。m b r 中较高的污泥浓 度可以实现在容积负荷很高的同时，污泥负荷保持很低，因此，进入m b r 的基 质将主要用于维持微生物的最低营养要求，而污泥的增殖量则很少，大减少了剩 余污泥的产量。从理论上讲，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。目前剩余污泥的处理与处理已成为污水处理厂能否正常运行的 控制因素之一，它的费用占到污水处理厂总运行费用的2 5 - - - 4 0 ，有的甚至高达 6 0 。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 技术的开发研究。 具有较高的脱氮效果。m b r 较长的污泥停留时间有利于增殖慢的细菌( 如硝 化细菌等微生物) 生长。c o t e l 7 】等研究者发现当污泥龄由1 0 天增加为5 0 天时氨 氮去除率由8 0 增加到9 9 。此外，膜生物反应器中较小的絮体有着更大的周长 和面积比，氧传质阻力小，从而提高了硝化速率。另外，m b r 中污泥浓度高，因 而易在污泥絮体中形成表面好氧、内部缺氧状态，所以可在同一反应器中实现硝 化和反硝化，使m b r 在去除c o d 的同时具有良好的脱氮效果。 m b r 处理系统的设备化、自动化程度高。m b r 由于构筑物少，系统结构紧 凑，非常容易加工成成套设备，便于运输和安装，可大大缩短施工期。另外，自 动化程度高，可实现无人看守因此大大节约了人工费。 1 3 6 膜生物反应器的研究进展 1 3 6 1m b r 在国际上的研究进展 膜生物反应器是一种将膜分离技术与传统生物处理工艺相结合的新型高效水 处理与回用技术，其最初的研究始于6 0 年代的美国，7 0 年代开始在日本得到商 业应用。 1 9 6 9 年，s m i t h 【8 j 等人发表了题为“膜分离活性污泥”的论文，被认为是m b r 组合工艺的最早雏形。美国的d o r r - - o l i v e r 公司在1 9 6 6 年前后也开始了膜生物反 应器的研究，开发了m s t ( m e m b r a n es e w a g et r e a t m e n t ) 的工艺。这一时期，研 究的重点在于开发适合高浓度活性污泥的膜分离装置。但由于受当时的膜生产技 术所限，膜的使用寿命短、通量小，加之当时处理排放出水水质要求不严，使这 项技术在相当长一段时间仅停留在实现室研究规模，未能投入实际应用。7 0 年代 后期，日本由于污水再生利用的需要，m b