（环境工程专业论文）反渗透深度处理膜生物反应器高盐分出水的研究.pdf

摘要 水环境的污染和水资源的短缺造成我国水资源形势同趋严峻。因此，城市污 水回用技术已成为目前的一个热点研究方向。 由于膜生物反应器( m b r ) 的高效分离作用，分离效果好于传统沉淀池， 处理装置容积负荷高，结构紧凑，占地面积小等优点，已被许多城市污水处理厂 所采用。天津空港污水处理厂地处东部沿海地区，由于地面下降、海水倒灌等各 种原因，该污水厂的进水含盐量较高，膜生物反应器( m b r ) 出水中盐类浓度 无法达到灌溉浇洒绿地的水质要求。反渗透技术( r o ) 由于具有除盐率高、自 控能力强等特点被选用作为后续部分来处理膜生物反应器的高盐分出水。 以此膜组合工艺( m b r + r o ) 对城市污水处理厂经沉砂池的出水进行小试 试验研究。试验中首先确定了反渗透系统的最佳工作压力。在一系列工作压力下， 观察反渗透的膜通量变化。试验证明在进水盐浓度为2 0 0 0 p p m ，平均工作压力为 0 4 m p a - 0 5 5 m p a 时，膜通量基本稳定在1 1 6 l m 2 h , - - - 1 5 1i m 2 h 之间。在反渗 透进水加药试验中，通过对三种阻垢剂，每种浓度分别为l p p m 、2 p p m 和3 p p m 对反渗透膜通量的影响及同等浓度下不同阻垢剂对反渗透膜通量影响的比较试 验，筛选出适合本工艺工况的阻垢剂。反渗透进水中加药情况：无需加药调p h ： 加杀菌剂次氯酸钠，加药量为5 0 p p m ；加次氯酸钠脱氯，加药量为1 4 p p m ：阻 垢剂选用p 1 曙4 ) 1 0 0 ，加药量为l p p m 。 在该工艺中，反渗透对污染物的去除率都很高。反渗透对膜生物反应器出水 中c o d 、b o d 、t p 、t n 和n h 3 n 去除率均在9 0 以上，m b r + r o 工艺总的去 除率达到9 8 以上，出水水质达到污水处理回用一级标准，可以灌溉浇洒绿地。 作为本课题的研究重点之一的去除盐类，反渗透有着优异的去除效果，各种盐离 子的去除率基本在9 0 以上。 根据现场试验观察、理论分析和参考相关技术文献，自行配置清沈药剂，在 化学清洗后，产水量增大，压差减小，脱盐率和回收率提高，产水品质也得到了 较好的恢复，说明此清洗药剂和清洗方案对反渗透膜的清洗效果较好。同时试验 确定反渗透的化学清洗周期为1 个月。 小试试验结果表明，反渗透对膜生物反应器出水中的污染物和盐类有很好的 去除效果，该组合膜工艺应用于高盐分城市污水厂出厂水回用处理在技术上是行 之有效的。 关键词：污水回用；高盐分；反渗透；膜生物反应器；膜通量 a b s t r a c t t h es i t u a t i o no fw a t e rr e s o u r c eh a sb e e nm o r ea n dm o r es e r i o u sw h i c hr e s u l t s f r o mt h ew a t e rp o l l u t i o na n dt h es h o r t a g eo fi t i no u rc o u n t r y a sar e s u l t ，t h e t e c h n o l o g yo fw a t e rr e u s eo fm u n i c i p a ls e w a g eh a sb e e n ap o p u l a rr e s e a r c h e d h e a d i n g m o r ea n dm o r e m u n i c i p a ls e w a g ep l a n t s u s et h em e m b r a n eb i o r e a c t o r t e c h n o l o g y , b e c a u s eo fi t se x c e l l e n tc h a r a c t e r ss u c ha ss e p a r a t ee f f i c i e n t l y , e f f e c t i v e s e p a r a t i o nb e t t e rt h a nf l o wt a n k , h i g hv o l u m el o a d i n ga n ds m a l lt a k i n g t i a n j i n k o n g g a n gs e w a g et r e a t m e n tp l a n ti si nt h ee a s t e r ns e a b o a r d ，b e c a u s eo fg r o u n df a l l a n ds e aw a t e re n c r o a c h m e n t ，t h ew a t e ri n f l o wo ft h ep l a n ti sh i g h l y - s a l i n e t h ew a t e r t r e a t e db ym e m b r a n eb i o r e a c t o rc a n n o ta c h i e v et h ew a t e rq u a l i t yr e q u i r e m e n t o f i r r i g a t i n g u r b a ng r e e n s p a c e t h a n k st o t h eh i g hd e s a l i n a t i o nr a t ea n de a s i l y a u t o m a t i c a l l yc o n t r o l l a t i o na n d s oo n ，t h et e c h n o l o g yo fr e v e r s eo s m o s i si ss e l e c t e dt o t r e a tt h eh i g h l y s a l i n ee f f l u e n t s t u d y i n gt h ec o m b i n a t i o no fm e m b r a n et e c h n o l o g y ( m b r + r o ) t ot r e a t t h e w a t e ro fs e w a g et r e a t m e n tp l a n tb yl a bt r i a l s 1a md o i n gr e s e a r c h e so nd e s a l i n a t i o nb y r e v e r s eo s m o s i s a tf i r s t ，t h eo p t i m u mo p e r a t i n gp r e s s u r ei sd e t e r m i n e db yc o m p a r i n g p e r m e a t ef l o wd e c l i n e su n d e r d i f f e r e n to p e r a t i n gp r e s s u r e s t h er e s u l ts h o w st h a tt h eo p t i m u mo p e r a t i n gp r e s s u r e i sb e t w e e n0 4 m p a 7 、。 0 5 5 m p a , a n dt h em e m b r a n ef l u xi sb e t w e e n1 1 6 l m 2 - h 1 5 1l m z ha t2 0 0 0 p p m i n t h et e s to fa d d i n gd r u gi n t ot h ef e e d w a t e ro fr e v e r s eo s m o s i s ，c o m p a r i n gt h ec h a n g eo f m e m b r a n ef l u xo fa d d i n go n ea n t i s l u d g i n ga g e n ta tl p p m ，2 p p ma n d3 p p ma n dt h r e e a n t i s l u d g i n ga g e n t sa to n ec o n c e n t r a t i o n ，s e l e c tt h es u i t a b l ea n t i s l u d g i n ga g e n t i nt h e f e e d w a t e r , u n n e c e s s a r yt oi n c r e a s ep h a d d i n gs o d i u mh y p o c h l o r i t et ok i l lg e r m s ，t h e d o s a g ei s5 0 p p m a d d i n g s o d i u ms u l f i t et od e c h i o r i s i z e ，t h ed o s a g ei s1 4 p p m t h e a n t i s l u d g i n ga g e n ti sp t p - 0 1 0 0 , t h ed o s a g ei sl p p m - l i lt h ee x p e r i m e n t ，t h er ou n i tc a ne f f i c i e n t l yr e m o v ea b o v e9 0 o fc o d ， b o d ，t p , t na n dn h 3 n ，t h et o t a lr e m o v a lr a t eo ft h ec o m b i n a t i o no fm e m b r a n e t e c h n o l o g yi sa b o v e9 8 w a t e rq u a l i t yc a n r e a c ht h ep r i m a r ys t a n d a r do fm u n i c i p a l w a s t e w a t e rr e c y c l i n g ，c a ni r r i g a t eu r b a ng r e e ns p a c e t h er e m o v a lr a t eo fs a l ti o n si s a b o v e9 u a c c o r d i n gt oo b s e r v i n gi n t h el a b ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt a k i n gm u c h r e f e r e n c ef r o mt h er e l a t i v el i t e r a t u r e s ，w ea d o p t e de f f e c t i v ec h e m i c a l sf o rc l e a n i n g a n ds c h e m e ，s 0t h ec l e a n i n ge f f e c t i v ei sg o o d a f t e rt h ec l e a n i n g ，w a t e ry i e l d i n c r e a s e s ，d i f f e r e n t i a lp r e s s u r er e d u c e s ，t h ei n c r e a s eo fs a l tr e j e c t i o na n dr e c o v e r yr a t e ， t h ew a t e rq u a l i t yo fp r o d u c tw a t e ri sr e s t o r e d a tt h es a m et i m e ，t h et e s td e t e r m i n e s t h ep e r i o do fc h e m i c a lc l e a n i n gi so n em o n t h t h el a bt r i a l ss h o w st h a tt h er 0u n i tc a nr e m o v em o s to fc o n t a m i n a t i o na n ds a l t a n di ti sf e a s i b l et e c h n i c a l l yt oa p p l yc o m b i n e dm e m b r a n et e c h n i c st ot h er e u s eo f h i g h l y - s a l i n eo u t f l o wo fm u n i c i p a ls e w a g ep l a n t k e yw o r d ： w a s t e w a t e rr e u s e ；h i g h l y - s a l i n e ；r e v e r s eo s m o s i s ；m e m b r a n e b i o r e a c t o r ；m e m b r a n ef l u x 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，也不包含为获得云洼王些太堂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：v 曲 签字r 期。卯产7 月，垌- 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云淫王些太堂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： 签字同期：力勺年，月j 调 导师签名歹z 兹徉 导师签名：2r 饼彳名 j ，i 签字r 期：吖年月i 弓同 学位论文的主要创新点 一、城市污水回用势在必行，城市污水回用具有经济和生态意义。已经有城市污 水处理厂利用m b r 工艺处理城市污水的报道，但是我国东部沿海地区由于地面 下降、海水倒灌等原因，污水处理厂进水中含有大量的盐分，m b ri 艺处理高 盐分的城市污水后的出水仍含有较高的盐分，无法回用市政用水作为绿化和景观 用水。本试验将r o 作为m b r 的后续工艺来深度处理高盐分的m b r 出水，来 脱除盐分达到灌溉浇洒绿地的水质要求。此组合工艺在国内鲜有报道。 二、在反渗透进水中含有较多无机结垢离子时，阻垢剂是不可缺少的，而合适的 阻垢剂将决定着反渗透的长期安全可靠地运行。本试验通过选取英国p o l y m e r t e c h n o g y 生产的t r i s p e1 0 0 0 、美国清力公司的p t p - 0 1 0 0 和国产t h - 0 1 0 0 三种阻 垢分散剂。通过对每种阻垢剂浓度为l p p m 、2 p p m 和3 p p m 对反渗透膜通量的影 响及同等浓度下不同阻垢剂对反渗透膜通量影响的比较试验，筛选出适合本工艺 工况的阻垢剂。为今后该m b r + r o 组合工艺在实际工程中处理高含盐城市污水 提供参考。 三、在后期反渗透出现膜污染的情况下，根据现场试验观察、反渗透进水水质情 况和参考各种相关技术资料，自行配置清洗剂和设计清洗方案。经过化学清洗后， 反渗透的各项运行参数恢复到运行初期水平，反渗透产品水水质也恢复正常；同 时试验确定了反渗透化学清沈的周期为1 个月。此清洗方案可为今后该m b r + r o 组合工艺在实际工程中处理高含盐城市污水提供参考。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 城市污水及污水回用技术 城市污水是指纳入和尚未纳入城市污水收集系统的生活污水和工业废水的 混合的污水1 1 j 。城市污水按来源可分为生活污水、工业废水和径流污水：生活污 水主要来自家庭、机关、商业和城市公用设施。其中主要是粪便和洗涤污水，其 水量水质明显具有昼夜周期性和季节周期性变化的特点。工业废水来自工业生产 过程中排放的废水，包括工艺过程用水、机器设备冷却水、烟气沈涤水、设备和 场地清洗水等。由于各种工业生产的工艺、原材料、使用设备的用水条件等的不 同，工业废水的性质相差很大。其中往往含有腐蚀性、有毒、有害、难于生物降 解的污染物。因此，工业废水一般经预处理后，达到符合城市下水道水质标准后 方能进入城市下水道管网系统。城市径流污水是雨雪淋洗城市大气污染物和冲洗 建筑物、地面、废渣、垃圾而形成的。这种污水具有季节变化和成分复杂的特点， 在降雨初期污水所含污染物甚至会高出生活污水数倍l 引。 1 1 1 城市污水的特点 城市污水水质特征取决于给水原水水质的化学成分、每人每r 用水量以及排 入下水道物质的性质和数量。水经城市使用后增加了各种杂质，如灰尘、油类、 细菌、肥料、农药，以及通过街道或土壤冲刷后增加了各种有机杂质，人体废物 ( 有机质、细菌、病毒、舳类) ；洗浴废水( 盐类、表面活性剂) ；工业废料( 热、 无机盐类、色、金属、有机物质、油类和工业产品本身) 。城市污水往往具有如 下特剧2 卅： ( 1 ) 有机污染物的生物可降解性 以可生物降解有机污染物为主的生活污水是城市污水的主要组成部分，功能 综合的城市排水系统接纳的生活污水约占总污水量的4 5 6 5 ，因此，相应的 城市污水具有生活污水的特点。一般城市污水保留了生活污水的主要特征，主要 污染物是易降解有机物，也是目前绝大多数城市污水处理厂都采用好氧生物处理 法的依据。 ( 2 ) 水质成分复杂性 城市污水的水质，在主要方面具有生活污水水质特征的同时，在不同城市或 城市的不同区域因工业的规模和性质不同，其水质指标和成分往往有明显变化。 第一章绪论 工业污水中污染物的种类要比生活污水多得多，变化又大，所以工业污水是造成 城市污水成分复杂、水质水量变化大的主要原因。实践经验表明，一般情况下只 要对能引起问题的为数不多的水污染源进行适当的预处理，就可以避免工业污水 对城市污水处理厂运行的影响。 ( 3 ) 地区及季节的差异 城市污水的水质情况，不仅南北方有差异，城市之间有差异，而且在同一城 市的不同区域，由于地区功能不同，其水质也有很大差异；对于同一区域的污水 处理厂，不同季节水质也有较大差异。因此，对水质水量要求稳定的回用水，在 技术上要充分考虑城市污水的这些特点，这也是回用工程取得成功的关键之一。 所以，在城市污水回用过程中，应根据城市污水来源、成分组成、水质浓度和变 化波动情况等，确定合适的城市污水处理工艺和回用的深度处理方法。 1 1 2 城市污水回用的必要性与迫切性 经济建设要发展，城市人口要增加，城市用水需求也就必然增长，城市的供 水、节水和水污染防治工作将面临十分严峻的形势。水危机及其衍生的水质与生 态问题不仅将束缚和制约我国经济发展第三步战略目标的实现。2 0 0 0 年国务院 及时召开了全国城市供水、节水和水污染防治工作会议，提出了“必须举持丌源 节流并重、节流优先、治污为本、科学丌源、综合利用”的原则。在这一战略的 实施过程中，具有节水和治污双重功能的城市污水再生利用将得到同益广泛的关 注。 2 0 多年来，国内外的实践经验表明，城市污水的再生利用是丌源节流、减 轻水体污染、改善生态环境、解决城市缺水的有效途径之一，不仅技术可行，而 且经济合理。城市污水的再生利用本身蕴含着合理性和必然性。其合理性表现在， 城市污水再生利用过程是水自然再生循环过程的模拟与强化。其必然性表现在， 城市用水的严重紧缺和水资源可持续利用的客观需求，要求人们将污水加以净化 处理和重新利用，以保证社会经济可持续发展的需求。污水经过适当的再生处理， 可以重复利用，实现水在自然界中的良性大循环。城市污水就近可得，可以重复 利用，易于收集，易于处理，数量巨大，稳定可靠，不受制于天，不受制于人。 作为城市第二水源要比海水、雨水来得实际，比长距离引水花钱要少得多。丌辟 这种非传统水源，实现污水资源化，对保障城市安全供水具有重要的战略意义。 1 1 3 城市污水的回用途径 城市污水回用的历史已有近百年，目前正处于全面普及的丌始阶段。从城市 污水回用的技术研究成果和工程应用状况来看，将城市污水处理后再利用，无论 2 第一章绪论 在技术上，还是在经济上都是可行的。目前再生水的用途主要有农业、工业、环 境娱乐、补充水源及地下水和市政杂用等。 ( 1 ) 城市污水回用于农业灌溉 从我国或从全世界范围来看，农业都是最大的用水户，用水量占全世界总用 水量的2 3 。将处理后的污水用于农业灌溉具有以下几方面的优点1 5 l ： 水源的成本低； 对防治污染与解决环境卫生问题是一种经济的废水处置方法； 回用水中含有的营养物质有助于植物生长； 为向地下水库回灌前提供附加处理。 ( 2 ) 城市污水回用于工业用水 城市污水用于工业生产用水的最大好处在于可以代替饮用水，因为在很多情 况下工业用水对水质的要求远低于饮用水标准。因此城市污水回用于工业对于工 业企业和市政当局都有很大的益处。目前，随着社会的快速发展工业相对于其它 行业来说对水的需求量最大，因此再生水回用于工业生产的潜力巨大，特别是对 于工业生产用水和工业冷却水而一言- 1 6 1 。 ( 3 ) 城市污水回用于市政用水 市政用水的内涵非常广泛，包括城市绿化带、公园、街道、消防、冲厕和冲 洗地面等用水，也包括人工湖、河、池塘注水和补充用水。由于我国在城市发展 规划中较少考虑城市生态需水量，结果一方面城市生态绿地的灌溉使用经过严格 处理的清洁的自来水，加剧了人与环境的用水矛盾；另一方面城市雨水、污水自 由排放，浪费了大量水资源，又带来了排洪、污水处理等问题。污水的收集、处 理回用是解决该问题的重要途径： 将城市生态绿地与污水生物处理措施相结合，利用城市绿地土壤过滤与吸 附、土壤微生物作用以及绿地植物的吸收等生物处理技术，开发适用于城市污水 生态绿地利用的可持续性污水处理与灌溉技术： 敷设管道通至建筑小区、建筑群或大型建筑物建立中水道系统，通至用户 作为生活杂用水，如冲厕、浇洒绿地、花园等，创建优美的社区环境； 在低沣荒地上建造水上公园，如建造观赏性鱼类池塘、观赏性水禽池塘、 藕塘、莲塘、苇塘以及人工湖等，充分发挥景观用水的作用，建造引人入胜的水 上景观和旅游场所嘿 在污水厂附近建立市政绿化苗圃和花卉基地，就近利用该厂出水灌溉和 污泥施肥。 ( 4 ) 城市污水回用于地下水回灌 由于地下水过量丌采，造成大面积地下水水位下降，水资源枯竭，同时引发 3 第一章绪论 了地面沉降。沿海地区超量开采地下水使淡水位大幅下降、海水入侵、地下水水 质变成、耕地盐碱化。河北省中东部平原累计地面沉降超过1 0 0 m m ，面积已达 3 1 3 9 万k m 2 ，占京津以南河北平原面积的5 5 ，在江苏、河北、山东等省也有 类似情况发生。将污水适当处理后的出水注入或渗入地下含水层，一方面可以抬 高地下水水位防止地面沉降或海水入侵，另一方面还可以对回用水进一步进行土 壤净化，然后再被间接回用。再生水用于地下水回灌，对再生水水质要求很高， 需要高级深度处理技术的支持，回灌前须经生物处理( 包括硝化与脱氮) ，还必 须有效去除有毒有机物与重金属，一旦回灌水质达不到要求，将会对地下水含水 层造成污染。为了防止地下水二次污染，保证水质达到回灌地下水的要求是前提 条件，因此必须控制微生物学指标、重金属、难降解有机物等参数，同时还需考 虑回灌区水文地质条件、地下水补给等方面的特点。 1 1 4 城市污水回用技术 城市污水回用是在城市污水处理技术的基础上，融合给水处理技术、工业用 水深度处理技术等发展起来的。各种先进处理技术被应用于城市污水，以满足污 水回用于各种特定用途的水质要求。处理的水平主要取决于回用水的具体用途。 ( 1 ) 常规处理技术 城市污水的常规处理技术是以生物处理工艺为主体，以达到排放标准为目标 的现代城市污水处理技术，经过长期的发展，已经达到比较成熟的程度。城市污 水中含有相当数量的漂浮物和悬浮物质，通过物理方法去除这些污染物的方法称 为一级处理，又称为物理处理或预处理。经过一级处理后的污水，b o d 去除率 为2 5 4 0 左右。一级处理在城市污水回用中起着相当重要的作用，它属于二级 处理的预处理工艺。城市污水二级处理早期主要要求去除水中呈胶体和溶解状态 的有机污染物质( 即b o d 、c o d ) ，b o d 去除率可达到9 0 以上。随着环境要 求的不断提高，慢慢将氮磷的去除列入了排放标准，从而产生了具有脱氮除磷作 用的二级强化处理工艺。城市污水二级处理传统工艺流程为：沉砂池初沉池生 物反应池二沉池。三级处理是在级、二级处理后的高级处理，进一步去除污 水中的难降解有机物、氮磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。主要方 法有生物除磷脱氮法、混凝沉淀法、砂滤法、活性炭吸附法、膜处理法、离子交 换法和电渗析等惮j 。 ( 2 ) 深度处理技术 深度处理一般是以污水的回收、回用为目的，在一级、二级或二级强化处理 之后增加的处理工艺。为了向多种回用途径提供高质量的再生水，需对二级或二 级强化处理后的城市污水进行深度处理，去除城市污水处理厂出水中剩余的污染 4 第一章绪论 成分，达到回用水水质要求。 城市污水回用深度处理基本单元技术有混凝沉淀( 气浮) 、化学除磷、过滤、 消毒等。对回用水水质要求更高时采用的深度处理单元技术有：活性炭吸附、臭 氧活性炭、生物炭、脱氨、离子交换、微滤、超滤、纳滤、反渗透、高级氧化 , m l s j 0 根掘去除污染物的对象不同，二级处理出水可采用的相应处理方法见下表。 表1 - 1 二级处理出水的处理方法 污染物处理方法 有机物 悬浮的 快滤( 上向流、卜向流、重力式、压力式、移动床、双层和多层 滤料) 、混凝沉淀( 彳i 灰、铝盐、铁盐高分子) 、微滤、气浮 溶解的活性炭吸附( 粒状炭、粉状炭、上向流、卜向流、流化床、移动 床、压力式、重力式吸附塔) 、臭氧氧化、混凝沉淀、生化处理 无机盐溶解的反渗透、电渗析、离子交换、蒸馏、冷却法 营养盐磷生物除磷、混凝沉淀( 加过滤) 氮生物硝化及脱氮、氨吹脱、离子交换、折点加氯 ( 3 ) 处理技术的组合与集成 污水回用包括进一步提高污水水质和再生水水质稳定2 个方面，不同水用户 对水质要求不同，因而在技术上表现出从单元技术，如絮凝沉淀、过滤、活性炭 吸附等向组合工艺技术，如“b a f + 混凝沉淀+ 加氯+ 过滤”等，再向多种技术集成， 如“b a f + 加氯+ 过滤+ 水质稳定”、“b a f + 混凝沉淀+ 加氯+ 过滤+ 杀菌+ 超滤+ 反渗 透+ 混床”等方面发展趋势。 1 1 5 新兴m b r 技术在城市污水回用中的应用 目前，新兴的一种处理技术为膜生物反应器( m e m b r a n eb i o l o g i c a lr e a c t o r ， m b r ) ，是生物处理技术与膜分离技术相结合的一种新工艺，以置于反应器外部 或浸没在反应器内部的膜取代传统的二沉池1 9 1 们。膜上附着生物所必要的生物 量，用于处理污水，也能去除颗粒物质，其出水的颗粒含量很低。由于其工艺简 单，占地面积小，出水水质好，一般不需经三级处理即可回用，所以现在一些城 市污水处理厂都陆续采用膜生物反应器工艺来处理城市污水。 生产的污水可用于许多回用目的，或经活性炭吸附、r o 和u v 消毒可用于 非直饮水的回用。生产的污水可用于许多回用目的，或经活性炭吸附、r o 和 u v 消毒可用于非直饮水的回用。 1 2 膜生物反应器 一种新型的生活污水和工业废水处理方法一膜生物反应器( m e m b r a n e 5 第一章绪论 b i o l o g i c a lr e a c t o r ) 是由膜分离组件及传统的生物反应器组成的处理系统，由于 它的高质量出水、反应器内能维持高效活性污泥以及较高的硝化效率，越来越受 到广泛重视。 1 2 1 膜生物反应器( m b r ) 工艺的特点和应用 该工艺将生物处理技术与膜分离技术相结合，膜分离组件置于曝气池中，污 水中的绝大部分有机物被微生物所分解，根据筛分原理，膜分离组件将微生物直 径大于膜孔径的颗粒截留下来，得到优质的处理出水1 1 1 j 。 特点：是生物处理技术与膜分离技术相结合的一种新工艺，取代了传统工艺 中的二沉池：能高效的进行固液分离，将废水中的悬浮物质、胶体物质、生物单 元流失的微生物菌群与己净化的水分离，工艺简单，占地面积小，出水水质好， 一般不需经三级处理即可回用；可使生物处理单元内生物量维持在高浓度，使容 积负荷大大提高，同时膜分离的高效性，使处理单元水停留的时间大大缩短，生 物反应器的占地面积相对减少；由于可防止各种微生物菌群的流失，有利于生长 速度缓慢的细菌( 如硝化细菌等) 的生长，从而使系统中各种代谢过程顺利进行； 使一些大分子难降解的有机物的停留时间变长，有利于它们的分解：工艺简单， 操作方便，可实现全自动化管理：膜生物反应器技术与其它过滤分离技术一样， 在长期的运转中，膜作为一种过滤介质容易堵塞，膜的通水量随运转时间而逐渐 下降，有效的反冲沈和化学清洗可减缓膜的堵塞i l 捌。 曝气曝气 i 原水一格栅一调节池一过滤器一膜生物反应器 l 一消毒 中水回用一中水蓄水池 图1 - 1 膜生物反应器中水同h jl ：艺流程 m b r 污水处理工艺常应用超滤膜和微滤膜。反渗透膜由于需很高的过滤压 力，动力消耗高，一般仅用于系统处理出水需脱盐的情况。m b r 工艺一般由膜 分离组件和生物反应器组成，由膜组件代替二次沉淀池进行固液分离。由于膜能 将全部的生物量截留在反应器内，可以获得长泥龄和高悬浮固体浓度，有利于生 长缓慢的固氮菌和硝化菌的增殖，不需进行延时曝气就能实现同步硝化和反硝 化，从而强化了活性污泥的硝化能力，膜分离还能维持较低的f m 使剩余污泥 产率远小于活性污泥工艺，且系统运行更加灵活和稳定1 1 3 1 7 1 。 1 2 2m b r 在污水回用中的脱盐 6 第一章绪论 由于沿海地区超量开采地下水使淡水位大幅下降，海水入侵，地下水水质变 成，耕地盐碱化等原因，沿海地区的污水处理厂进水中含有大量盐离子，处理工 艺一膜生物反应器中的微生物活性受到抑制，具体表现如下： 高浓度的赫对一般淡水性细菌的抑制表现在：( 1 ) 废水中盐分含量的高低影 响水的活度，从而导致水的渗透压的改变；( 2 ) 酶活性受阻，生物增长慢，产率 系数低；( 3 ) 高浓度氯离子对没有经过驯化的生物有一定毒害作用；( 4 ) 因水的密 度增加使活性污泥的凝聚沉降性能受到影响。 所以，膜生物反应器对高含盐废水中的盐类的去除效果往往不理想。无法达 到灌溉浇洒绿地等非直饮水回用的水质要求，需要后续步骤来脱盐进行回用。 1 3 反渗透( r o ) 1 3 1 反渗透与其他除盐技术的比较 目前常见的除盐技术有反渗透、蒸馏法、离子交换法和电渗析。反渗透、离 子交换法和电渗析处理水的效果及费用比较见下表1 1 9 1 ： 表l 一2 反渗透、离子交换法和电渗析处理水的效果及费川比较 之除率( )费h j ( 美元m 3 ) j l ：艺 t d s 总硬度( c a c 0 3 ) c o d 浊度投资运行费总计 反渗透9 19 79 09 2o 0 30 1o 1 3 电渗析3 45 23 05 00 0 1 4o 0 4 6o 0 6 离子交换 9 09 99 99 20 0 1 30 0 ( 而0 0 7 9 蒸馏法是最早被采用的除盐技术，其工艺较成熟，对原水水质要求不高，但 是蒸馏法脱盐投资昂贵，运行能耗高而且热交换部分易结垢。由表1 2 可看出相 对于反渗透和离子交换技术，电渗析投资费用较低，但是电渗析除盐效率不高， 而且它无法去除水中的有机物成分。离子交换是目前在电厂应用最广泛的除盐方 法，其产水水质较高，h o h 一级除盐+ 混合离子交换器出水电导率小于0 和s c m ，s i 0 2 残留量在2 0 g l 以下。但是离子交换树脂失效需再生，再生操作复 杂。如果原水水质含盐量较高，则离子交换再生频繁，再生酸和碱耗量大，运行 费用增加，同时，产生的大量酸、碱废水会造成污染。 反渗透装置容量大，占地面积小，自动化程度高，可适应大规模连续供水的 水处理系统。反渗透对水的回收率比电渗析高，一般为7 5 8 0 ，其脱盐率较 高，而且能有效地去除有机物和s i 0 2 胶体。 7 第一章绪论 1 3 2 反渗透的分离机理 对透过的物质具有选择性的薄膜称为半透膜，一般将只能透过溶剂的薄膜称 为理想的半透膜。当把相同体积的稀溶液( 例如淡水) 和浓溶液( 例如盐水) 分 别置于半透膜的两侧时，稀溶液中的溶剂将自然穿透半透膜而自发地向浓溶液一 侧流动，这一现象称为渗透。当渗透达到平衡时，浓溶液侧的液面会比稀溶液的 液面高出一定高度，即形成一个压差，此压差即为渗透压。渗透压的大小取决于 溶液的固有性质，即与浓溶液的种类、浓度和温度有关而与半透膜的性质无关。 若在浓溶液一侧旌加一个大于渗透压的压力时，溶液的流动方向将与原来的渗透 方向相反，开始从浓溶液向稀溶液一侧流动，这一过程称为反渗透。 目前普遍接受的理论认为起作用的半透膜可以看作是对扩散的非孔屏障，水 和溶质溶解在膜内，靠浓度梯度扩散过去。根据上述理论可以推导出以下公式： 1 3 2 1 水的迁移 通过半透膜的水迁移率( 恒温下) 可由下式表示： q 。= ( z s p - a p ) a t( 1 - 1 ) 式中q w 一通过膜的水流动速率，m s k w 一水的膜透过系数，( m p a s ) 。 p 膜两侧的水压差，m p a x p 膜两侧溶液渗透压差，m p a t - 膜的厚度，m a 膜的表面积，m 2 k w 与膜的性质和温度有关。 1 3 2 2 渗透压 渗透压与溶质的浓度、温度及所含离子的类型有关。对稀溶液，渗透压近似 可采用v a n th o f f 公式： p = k 印丁( 1 2 ) 式中p 渗透压，m o s m k g c j 一溶质的摩尔浓度，m o l l v i 可离解溶质生成的离子数，n r 气体常数，8 3 1 4 5 j m o l - 1 k o t 一绝对温度，k 1 3 2 3 盐的迂移 8 第一章绪论 通过膜的盐迁移与膜两侧的浓度或化学位之差成正比，可用下式表示： g = k f r z s c m t( 1 3 ) 式中q s 一通过膜的盐流量，m k 一膜的盐透过系数，1 g h c 膜两侧的盐浓度差，g l a 一膜的表面积，m 2 t 膜的厚度，m k 与膜的性质和温度有关，在此式中，通过膜的哉迁移仅与膜两侧的浓度 差有关，而与施加的压力无关。 通过膜的盐迁移通常用盐通过率或盐截留率来表示，赫通过率是通过膜进入 透过液中的盐占进料液中盐的百分数，可按下式计算： 昂= c j c r x l 0 0( 1 - 4 ) s 口一盐通过率， c p 一产品液的盐浓度，g l g 进料液的盐浓度，g l 用1 0 0 减去豁通过率的百分数即为盐截留率的百分数，c p = o j o w 。 1 3 3 影响膜性能的因素 1 3 3 1 回收率转变率 回收率或转变率通常被用来确定进料液转变为透过液的百分数，其计算如 下： y = q p o 1 0 0( 1 - 5 ) 式中 y 一回收率或转变率， q r 一产品液流速，m s q f 一进料液流速，m s 转变率为7 5 时，在盐水中含有进料水中绝大多数的溶解固体物，其浓度近 似比进料水的浓度高4 倍，为了节省能量，希望在尽可能高的回收率下操作，以 把投资费用减至最小。过高的回收率将产生较高的盐水浓度，将会使透过液流量 下降及赫通过量增加，导致膜的污染或浓盐水中过量的溶解盐沉淀，产生膜的结 垢。 1 3 3 2 温度 温度对渗透压与水通量两者均有影响。对渗透压的影响可见式( 1 2 ) 。水通量 9 第一章绪论 也与温度成正比，且通常与随温度变化的粘度的变化成正比。一个经验规律是水 温每升高1 ，膜产水量增大3 。 1 3 。3 3 压力 对给定的一组进水条件，增大压力会使每单位膜面积的水流量提高。虽然盐 通过膜的迁移( q s ) 不受压力的影响，但是增加压力引起的水流量增大却稀释了赫 对膜的通过，其结果使透过液的盐浓度较低( 降低了盐通过率) 。 1 3 3 4 压密 通过一清洁膜的水迁移量( 或通量) 会因膜的压密随操作时l 日j 的增长而下降。 压密是因在整个操作时间内聚合物膜的蠕动变形所致。压密与膜材料、所加压力 和温度有关。当压力和温度增加时，蠕动的趋向加大。膜截留层的紧密程度与水 迁移量的降低是时间的对数函数。在给定的压力温度下，水通量的对数与时间的 对数成直线关系。 1 3 3 5 浓差极化 由于在膜表面上存在一比主体溶液浓度高的边界层，由此而产生了浓差极 化。发生浓差极化时，因膜表面有水透过，故留下了较浓的溶质层，该层中的溶 质必然扩散返回主体溶液。由于螺旋卷式的通量较中空纤维高，所以前者产生浓 差极化的趋势大于后者。保持与膜平行的高流速及在膜表面处促进流体混合，使 边界层厚度降至最小，这样适宜的膜装置设计是十分重要的。浓差极化使膜表面 溶液的渗透压增高，由此引起水通量下降和通过膜的盐迁移量上升。倘若在边界 层中溶解溶质的浓度超过它的溶解度，则在膜表面上将有沉淀或结垢发生。在如 此高的浓度下，胶体物质变得较不稳定，因而它会凝聚和污染膜表耐1 8 l 。 1 4 课题研究背景、内容和意义 1 4 1 课题研究的背景 我国是世界人均水资源极少的贫水国之一，依据2 0 0 0 年中国环境状况公 报公布，我国人均水资源量为2 2 3 8 6 m 3 ，仅相当于世界人均占有量的四分之 一。而在缺水的同时，水体污染状况的同益加剧进一步造成了水资源的短缺。目 前我国正面临水资源短缺和水环境污染的双重压力，因此如何合理配置现有可利 用水资源，避免水资源的浪费成为亟待解决的重要问题，发展再生水回用技术已 逐渐成为解决目前水危机的有效途径之一。 1 0 第章绪论 再生水作为新水源已受到越来越广泛的重视。我国东部一些沿海地区由于地 面沉降、海水倒灌，导致该地区用常规工艺处理后的再生水含有较高盐分，难以 满足绿化、浇洒等用水的水质要求，需要进一步研究深度净化和脱盐技术来解决 再生水应用中的高盐分问题。天津空港物流加工区是一个新建的区域，在区域总 体规划中就将区域水资源综合利用和水环境保护作为将区域建成环保型、生态 型、节能型的可持续发展的新型工业园区的重要内容，对于给水系统、雨水系统、 污水系统、中水系统及生态河湖系统、地下水系统等水的项目和内容均进行了统 筹的规划和考虑。 由于空港物流加工区地下水含盐量高，空港污水处理厂采用m b r 工艺处理 污水，但m b r 工艺出水仍含有较高盐分，难以满足绿化、浇洒等用水的水质要 求，需要进一步除盐。因而专门设立天津市科技创新专项资金项目“多水源开发 与循环利用成套技术示范工程”。本论文为该子课题“高盐分再生水深度脱 盐技术研究”前期实验室研究中的部分成果，由于反渗透具有高脱盐、可自控性 好等优点，所以本试验采用r o 来深度处理m b r 的高盐分出水。 1 4 2 课题研究的内容 本试验主要是针对空港污水处理厂m b r 工艺出水中含有高盐分，为了达到 再生水回用一灌溉浇洒绿地的目的，设计了这套( m b r + r o ) 小型装置。本试 验具体的研究内容主要有以下几点： 1 了解膜生物反应器( m b r ) 和反渗透( r o ) 的工作原理，熟悉整套工艺 及其特点。 2 根据反渗透进水水质要求，设计预处理过程。 3 通过实验，确定反渗透装置运行的操作压力。 4 通过三种阻垢剂对反渗透的阻垢效果实验，筛选出反渗透进水投加的阻垢 剂及加药量。 5 参考资料和试验水质情况，选择合适的反渗透进水杀菌剂和还原剂。 6 对反渗透对各种污染物的去除效果进行实验和分析。 7 反渗透对各种盐离子的脱除效果进行实验和分析。 8 在反渗透出现污堵时，参考资料和现场污染情况分析，选择合适的清洗剂 和清洗方案。 1 4 3 课题研究的意义 本研究通过小型装置实验来模拟空港污水处理厂的m b r 污水处理工艺，采 用以小型r o 装置为核心的再生水深度脱盐技术来处理m b r 高盐分出水，通过 第一章绪论 完整的r o 系统操作条件的确定，r o 预处理的阻垢剂、杀菌剂、还原剂的筛选， 去除污染物、盐分的脱除及r o 膜的清洗的试验，为空港污水处理厂污水处理深 度脱盐的工程提供一定的技术指导作用。进而能够实现空港地区水资源的有效再 生回用，提高水资源利用效率，最大限度地开发利用水资源的目标。 1 2 第二章工艺介绍 2 1 膜生物反应器工艺 第二章工艺介绍 2 1 1 试验原水水质特点 污水处理工艺的选择要根据污水的特点以及出水所要达到的水质要求来确 定。试验原水来自天津市创业环保集团纪庄子污水处理厂曝气沉砂池。污水处理 厂原水由大部分生活污水和少部分工业废水组成，总体上可生化性较好，适宜采 用生物处理工艺，试验原水水质如下表所示1 2 0 1 ： 表2 - 1 试验原水水质 在进入反应器前，为防止尖锐颗粒物以及毛发类物质对进水泵和膜纤维造成 缠绕和损伤问题，进水泵前安装有孔径为l m m 的纱网，可代替细格栅起到初步 的筛选作用。 2 1 2 试验装置 试验使用浸没式膜生物反应器( s m b r ) 处理城市污水经过沉砂池后的出水， 试验装置流程如图2 1 所示： 试验装置主体反应器外型尺寸为4 7 0 m m x 4 0