（环境工程专业论文）一体式膜生物反应器结构优化及水动力学的研究.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 一体式膜一生物反应器结构优化及水动力学的研究 专业：环境工程 项士生：任全文 指导教师：王志远教授 黄霞教授 摘要 一体式膜一生物反应器( s u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，以下简称s m b r ) ，是 在气升式内循环反应器基础上改进的一种高效的生物处理与膜分离技术结合的反应器。 通过分析反应器流体力学特性的重要特征参数：气含率、液体循环速度和液相体积 传质系数及影响它们的相关因素：结构参数、操作参数和混合液参数，并结合工程放大 中的实际要求，对反应器的结构进行了优化改进设计。 通过对s m b r 的曝气装置优化的试验，结果表明：( 1 ) 流态特性试验：反应器的流 态特性非常近似于完全混合流。相比之下，孔径较小的穿孔管条件下的反应器的流态与 完全混合流偏离较大。( 2 ) 充氧性能试验：三种穿孔管充氧性能相差不大，与一般中孔 曝气管的性能相当。孔径较大的穿孔管充氧性能要优予孔径小的穿孔管。( 3 ) 清水动力 学试验：三种穿孔管条件下，膜间液体上升流速随着升流区曝气强度的增大呈现先上升 后超于稳定值的现象，低曝气强度时开孔直径越大膜间上升流速越高，高曝气强度时三 种穿孔管的膜问上升流速趋于一致：从提高膜间上升流速控制膜污染的角度来看，孔径 较大的穿孔管较优；本反应器存在一个经济曝气强度，约为l o o m 3 i m 2 h ，与之对应的膜 问上升流速稳定值约为0 4 3 r r d s 。( 4 ) 高通量膜过滤试验：大孔径的穿孔管更有利于防止 污泥在膜面的沉积，从而减轻膜污染。 对s m b r 中试装置中的膜组件，通过在不同曝气强度和不同污泥浓度条件下的临 界通量试验，得出：( 1 ) 在特定的反应器结构和一定的污泥浓度条件下，曝气强度是影 响临界通量的主要参数。当曝气强度小于经济曝气强度时，临界通量随曝气强度的增大 而增大；反之，临界通量趋于稳定。( 2 ) 在一定的曝气强度条件下，临界通量随污泥浓 度的增大呈现逐渐下降趋势，但在一定污泥浓度范围内，临界通量变化不大。( 3 ) 在一 定的污泥浓度条件下，反应器的结构成为影响临界通量的主要因素。 根据连续性方程、动量方程和能量方程，利用f l u e n t 软件对s m b r 进行了流动状 况模拟，获得了反应器升流区、降流区及局部区域的静压分布、液体循环速度和气含率 的变化规律及对反应器性能的影响，确定了大概的取值范围。通过模拟值与实际值的比 较，证实c f d 模型可以较准确地描述中试系统中曝气强度与膜问液体上升流速的关系。 关键词：一体式膜一生物反应器，穿孔曝气管，c f d ，结构优化，临界通量 论文类型：基础应用研究 本研究得到国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 项目( 2 0 0 2 a 6 0 1 2 2 0 ) 基金的资助。 l s t u d i e so nt h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c sa n do p t i m i z a t i o ni na s u b m e l 苫e dm e m b r a n e b i o r e a c t o r s p e c i a l l y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：r e nq u a n w e n d i s s e r t a t i o ns u p e r v i s o r ：p r o f w a n gz h i y u a n v p r o f h u a n gx i a a b s t r a c t s u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( s m a 鼢i sak i n do fn e wr e a c t o r t h a ti st h e c o m b i n a t i o no fb i o l o g i c a ld e g r a d a t i o na n dm e m b r a n es e p a r a t i o n , a n di si m p r o v e do ni n n e r l o o pa i r - l i fb i o r e a c t o r b yt h e o r ya n a l y s i s ，r e l a t i o n s h i po fg a sh o l d u p ，l i q u i dc i r c u l a t i o nv e l o c i t ya n do x y g e n t r a n s f e rc o e f f i c i e n t a l o n gw i mr e a c t o rs t r u c t u r e o p e r a t i o np a r a m e t e r s a n dm i x t u r e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ，w h i c hi so fi m p o r t a n c et of l u i dd y n a m i c so fs m b ka r eg a i n e d w i t ht h er e q u i r e m e n to f a p p l i c a t i o ni np r o j e c t , t h ec o n s t u c t u r eo f r e a c t o ra r eo p t i m i z e d b ye x p e r i m e n ts t u d yo fs p a r g e ro p t i m i z a f i o no fs m b r , t h ep e r f o r m a n c ea b o u td i f f e r e n t t y p e so fp e r f o r a t e dp i p es p a r g e ra r eo b t a i n e d ( 1 ) t h er e g i m ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h e f l u i d i z i n gq u a l i t y i sa l m o s te q u i v a l e n tt oc s t r ( c o n t i n u o u ss t i r r e dt a n kr e a c t o r ) ： c o m p a r e df l u i d i z a t i o nt od i f f e r e n tp o r es i z e so fs p a r g e ra tt h es a m ec o n d i t i o n s ，t h es m a l l e r p o r es i z es p a r g e ri sm o r ed i v e r g e n c et ot h ec s t r ；( 2 ) t h eo x y g e n i z i n ge x p e r i m e n ti n d i c a t e s t h a tt h eo x y g e n a t i o np e r f o r m a n c eo ft h r e ep o r es i z es p a r g e r sa r em o r eo rl e s st h es a m e ，a n d a l la r et h es i m i l a rt ot h ew i d e s p r e a dm e s o p o r es p a r g e r ；( 3 ) t h eh y d r o d y n a m i c se x p e r i m e n t u s i n gt a pw a t e ri si n v e s t i g a t e d ，a n dc o n c l u s i o ni st h a tu n d e rt h et h r e et y p e so fp e r f o r a t e dp i p e s p a r g e rc o n d i t i o n s ，a i rl i t tf l o wv e l o c i t i e si n c r e a s e da n dt h e nr e a c h e das t a b l ep o i i l t 、析t l lt h e i n t e n s i f i c a t i o no fa e r a t i o ni n t e n s i t yi nr i s e r u n d e rt h ec o n d i t i o no fl o wa e r a t i o ni n t e n s i t y , t h e l a r g e rt h ep o r es i z e ，t h eh i g h e rt h ea i rl i f tf l o wv e l o c i t y , w h i l eu n d e rt h eh i g ha e r a t i o n i n t e n s i t yc o n d i t i o n , t h ea i rl i f tf l o wv e l o c i t i e so f t h r e et y p e so fs p a r g e rt e n dt ot h es a r n ep e a k v a l u e t h el a r g e rp o r es i z eo fs p a r g e ri ss u p 甜o rt ot h es m a l lo n ef r o mt h ep o i n to fv i e wo f c o n t r o l l i n gt h em e m b r a n ef o u l i n g i td o e sm e a nt h a tt h e r ei sae c o n o m i c a la e r a t i o ni n t e n s i t y i nt h i sr e a c t o r , h e r ei sa b o u t10 0 m 3 m 2 h , t h ec o r r e s p o n d i n ga i rl i f tv e l o c i t yi sa b o u t0 4 3 m s ； ( 4 ) t h eh i g hf l u xm e m b r a n ef i l t r a t i o nr e s u l t st h a tt h el a r g es i z es p a r g e ri sm o l eb e n e f i t st o p r e v e n t i n gs e d i m e n t a t i o na n dd e p o s i t i o no f c o l l o i d a l s u s p e n s i o no nt h em e m b r a n es u r f a c e i l 寸o | ， 一 西安建筑科技大学硕士论文 ， ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! s ! ! ! ! 苎! ! ! ! ! ! 自! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! s ! ! ! ! ! ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! j ! ! ! ! 曼! c r i t i c a lf l u xr e g i o nf o rm o d u l eo f p i l o t - s c a l es m b rw a sm e a s u r e dw i m “f l u xs t e p w i s e m e t h o f f i nt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n ta e r a t i o ni n t e n s i t i e sa n dd i f f e r e n ts l u d g ec o n c e n t r a t i o n s f u r t h e r m o r ec h a r a c t e r i s t i c so fc r i t i c a lf l u xw e r es t u d i e d t h ec o n c l u s i o n si st h a t 一( 1 ) f o ra g i v e nc o n f i g u r a t i o no fs m b ra n di nac o n d i t i o no fs l u d g ec o n c e n t r a t i o ns p e c i f i c a l l y , a e r a t i o ni n t e n s i t yi st h em o s to fi m p o r t a n tp a r a m e t e ri m p a c t i n gt h ec r i t i c a lf l u x ：w h e n a e r a t i o ni n t e n s i t yi sl e s st h a ne c o n o m i c a la e r a t i o ni n t e n s i t y , c r i t i c a lf l u xi n c r e a s e dw i t ht h e a e r a t i o ni n t e n s i t yi n t e n s i f y i n g ，w h e r e a st h ec r i t i c a l f l u xt oap e a kv a l u e ；( 2 ) u n d e rt h e c o n d i t i o no fa e r a t i o ni n t e n s i t y t h ec r i t i c a lf l u xd e c r e a s e dw i mt h ec o n c e n t r a t i o no fs l u d g e i n c r e a s e d ，b u ti nas p e c i f i cr a n g eo fs l u d g ec o n c e n t r a t i o n ，c r i t i c a lf l u xi ss t a b i l i z i n g ；( 3 ) u n d e r t h ec o n d i t i o no fas p e c i f i cs l u d g ec o n c e n t r a t i o n ，r e a c t o rc o n f i g u r a t i o nb e c a m et h em a i n p a r a m e t e i se f f e c t i n gt h ec r i t i c a lf l u xc h o o s e n a c c o r d i n gt ot h ec o n t i n u i t ye q u a t i o n , t h em o m e n t u me q u a t i o n ，a n dt h ee n e r g ye q u a t i o n f o rm i x t u r e s o f t w a r ef l u e n ti su s e dt os i m u l a t ef l o wr e g i m ei ns m b r t h es t a t i cp r e s s u r e d i s t r i b u t i o n ，l i q u i dc i r c u l a t i o nv e l o c i t ya n dg a sh o l d u pi nt h ew h o l er e a c t o r - d o w n c o m e ra n d r i s e r , a n dl o c a l z o n e sa l e g o t t e nb ys i m u l a t i o n i n f l u e n c eo fr e a c t o r s t r u c t u r et oi t s p e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d , t h es p a no fs o m ep a r a m e t e r sa r ek n e w i ti sv e r i f i c a t i o nt h a tt h e c f ds i m u l a t i o nm o d e lc o u l d 岭u s e dt od e s c r i b et h er e l a t i o n s h i po fa i rl i f tf l o wv e l o c i t i e s a n da e r a t i o ni n t e n s i t ya c c u r a t e l yi nas m b rw i t h i nt h er a n g eo f t h ea i r f l o wr a t e sa p p l i e d k e yw o r d s ：s u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r , p e r f o r a t e dp i p es p a r g e r , c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ，o p t i m i z a t i o n ，c r i t i c a lf l u x p a p e rt y p e ：f u n d a m e n t a la p p l i c a t i o nr e s e a r c h t h i sr e s e a r c hg e t st h ef u n da i do f t h en a t i o n a lh i g ht e c h n i q u er e s e a r c hd e v e l o p m e n tp l a n ( 8 6 3 ) ( n o2 0 0 2a a 6 0 1 2 2 0 ) 1 1 1 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加阻标注和致谢的地方外， 论文中币包含其他入已经发表或撰写过豹研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申清学位葩文与资辩若有不实之处，本人承担一切摆关责任。 论文作者签名：2 f 7 1 0 三乙_ _ 醪期：如以、6 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查溺和借阕：学校可瞄公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 参软之导师签名：之。丝连 日期：枷、6 、。 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士论文 ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e ! ! ! ! ! s ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 自! g ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! e e ! ! ! 目! ! ! e 自g e ! g 目 1绪论 1 1 课题来源 本课题是国家级科研项目，属于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 项目( 编号： 2 0 0 2 a a 6 0 1 2 2 0 ) “新型膜一生物反应器的研制与应用”中的一部分。 r 、 1 2 课题研究的意义 随着我国城市化、现代化进程的加快，水资源短缺和水污染的矛盾将日益突出。为 缓解水资源短缺危机、实现污水的资源化，、迫切需要各种污水处理新技术的研究开发和 应用。以传统活性污泥法( c a s ) 为代表的好氧生物处理工艺，长期以来在生活污水及 工业废水处理中得到了广泛的应用，它具有卫生条件好、处理能力高、出水j 水质较好等 特点，但也存在一些不足：流程复杂，占地面积较大，基建投资较高；剩余污泥量大， 污泥处理费用高：常出现污泥膨胀现象i 使出水水质恶化：氧转移效率低，能耗大，运 行成本高：管理操作复杂等。 近年来，随着膜生产技术的提高和生产成本的降低，膜一生物反应器( m e m b r a n e b i o r e a c t o r 以下简称m b r ) 作为一种新型高效污水处理技术在国际上受到了广泛的关注。 特别是一体式膜一生物反应器( s u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r 以t 简称s m b 艮) ，由于 用膜组件代替c a s i 艺中的二沉池，可以进行高效的固液分离，相比传统工盏具有出 水水质好，容积负荷高，占地面积小，剩余污泥量低，操作管理方便等f j l 优点，受到人 们的青睐。今后可广泛应用于高层建筑的中水回用、高浓度有机废水的处理、难降解有 机废水的处理和受污染水源水处理等领域。 目前，s m b r 废水生物处理技术的研究与应用发展十分迅速。人们对膜一生物反应 器的微生物代谢性能、运行效果、膜污染的机理和清洗方法、运行条件的选择等方面进 行了大量的工作。但大多数研究是在实验室小试条件下进行的，对于中试现场研究做的 相对较少，另外在反应器水动力学特性方面缺乏必要的基础研究，在工程放大设计上的 基本参数也很缺乏，使得s m b r 的自身性能和应用范围均存在较多的局限。如：实际工 程中多采用相对较低保守的工作膜通量和较高的曝气强度以控制膜污染发展过快，增加 了投资与运行费用。 因此，我们必须从研究s m b r 反应器的水动力学特性和混合液反应特性等方面着 手，寻求膜污染的成因和控制手段，探索工程放大的规律，并加强与其他单元流程组合 工艺的研究与开发，建立相应的模拟和预测模型，从而使这项新型的生化处理技术在我 国的应用有个较大的发展。 目前对s m b r 研究的意义主要体现在： 。西安建筑科技大学硕士论文 1 应用发展的迫切需要。现有的城市污水厂的更新升级，特别是出水水质难以达 标或处理流量剧增而占地面积无法扩大的情况；有污水回用需求的地区或场所，如宾馆、 洗车业、客机、流动公厕等；应用于高浓度、有毒、难降解工业污水的处理，这类污水 采用常规活性污泥法处理尽管有一定作用，但出水水质难以达到排放标准的要求1 2 】。 s m b r 工艺所具有的特点，使其可望成为以上领域污水处理的适用技术。 2 从好氧m b r 的结构来说，s m b r 已经成为技术的主流，未来将加强它的水动 力学特性研究，进而搞清其对反应器混合液混合，传质及对膜污染的影响，进一步优化 s m b r 的反应器结构并选择合适的运行条件( 如经济的曝气强度等) ，不仅能使c o d 的去除达到快速、高效、低耗，而且可以实现硝化与反硝化的一体化，满足脱氮除磷的 要求。 3 从s m b r 技术的应用角度来看，如何做到技术上的先进性同工程上的经济合理 性有机地结合，是决定该技术能否得到大规模推广应用的关键所在。对s m b r 的工艺 应用来说，运行中各类膜材料的工作膜通量和经济曝气强度的选取，膜组件清洗手段和 周期的探讨又是重中之重。因此，需要更多、更详细的中试试验数据，为s 卿生物处 理技术的推广应用提供放大参数并为经济合理性提供依据。 1 3 国内外研究进展 膜一生物反应器是将膜技术与生物反应器相组合使用的废水处理新工艺。 s t e p h e n s o nt ，e t a l ( 1 9 9 7 ) 【3 j 根据使用的膜种类和在系统中所起的作用的不同把膜生 物反应器分为三类：固液分离膜一生物反应器( s o l i d - l i q u i ds e p a r a t i o nm e m b r a n e b i o r e a c t o r , 简称m b r ) ( 用于截留和分离固体) ；曝气膜一生物反应器( m e m b r a n e a e r a t i o nb i o r e a e t o r ，简称m a b r ) ( 无泡曝气，用于高需氧量的废水处理) ；萃取膜一 生物反应器( e x t r a c t i v em e m b r a n eb i o r e a c t o r ，简称e m b r ) ( 用于工业废水申优先污染 物的处理1 。 l 其中，固液分离膜二_ 生物反应器是目前研究和应用最为广泛的一类膜一生物反应 器，按照膜组件的放置方式它可分为分置式和一体式膜一生物反应器两大类h 。如图1 1 所示。 a 分置式厦生物反应器b 体式腰生物反应器 图1 ，1 固液分离膜一生物反应器 2 西安建筑科技大学硕士论文 一体式膜一生物反应器由日本学者y a m a m o t 0 1 4 1 等在1 9 8 9 年首先开发。膜组件直接 置入反应器内，通过泵的抽吸，得到过滤液；膜表面的错流由空气搅动产生，曝气器设 置在膜的正下方，混合液随气流向上流动，在膜表面产生剪切力，以减少膜的污染。由 于不需循环泵、抽吸泵的工作压力小，其单位产水能耗低于分置式m b r 的能耗；并且 具有结构紧凑、体积小、膜外皮层易于清洗等优点。但s m b r 单位膜的处理能力小、 膜的污染较重、透水率较低。 、_ 、 1 3 1 国外研究进展 膜一生物反应器的最早研究可以追溯到2 0 世纪6 0 年代末期的美国，至今已有近 4 0 年的时间。其间大致经历了三个发展阶段。 a 初步研究阶段( 2 0 世纪6 0 年代中后期o o 年代后期) 1 9 6 9 年s m i t h l s l 等报道 采用超滤膜来替代传统活性污泥工艺中的二沉池，甩于处理城市污水。1 9 7 0 年h a r d t i 州 等人报道采用死端过滤的超滤膜与1 0 l 的好氧反应器组合处理人工配制的污水。美国 的d o r r - o l i v e r 公司在1 9 6 6 年前后开发了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。 同一时期，厌氧m b r 研究也相继开始进行，实验室规模的研究( s h e i e f 等，1 9 7 2 ) 与中 试规模的研究( c r u v e r 等，1 9 7 4 ) 均取得了较满意的结果。1 9 7 8 年，g r e t h l i e n 等进行了厌 氧m b r 处理生活污水的研究l7 1 。 这一时期的工作主要是初步探索膜分离活性污泥的可行性，研究重点在于开发适合 高浓度活性污泥的膜分离装置，但由于受当时膜生产技术的限制，膜的使用寿命短，膜 通量小，加之当时对处理排放出水水质要求不严，使得这项技术仅停留在实验室研究规 模阶段，未能投冬实际应用。 b 快速发展阶段( 2 0 世纪8 0 年代初期9 0 年代中后期)1 9 7 0 年代以后，日本 由于污水再生利用的需要，膜一生物反应器的研究工作有了较快的进展。自1 9 8 3 年到 1 9 8 7 年日本有1 3 家公司使用好氧膜一生物反应器处理大楼污水，处理水做为中水回用。 1 9 8 5 日本建设省牵头组织了“水综合再生利用系统9 0 年代计划”，产、学、研相结合， 把膜生物反应器的研究在处理对象、规模和深度上都大大推进了一步【8 】【9 1 。另一方面， 加拿大z e n o n 公司于1 9 8 2 推出了分置式膜一生物反应器商业化产品z e n o g e ，用于生活 污水的好氧处理。有关膜技术与厌氧反应器的组合使用在2 0 世纪8 0 年代初也受到关注。 1 9 8 2 年d o r r - o l i v e r 公司开发了m a r s 工艺( m e m b r a n ea n a e r o b i cr e a c t o rs y s t e m ) 用 于处理高浓度有机工业废水。1 9 8 3 年和1 9 8 6 年，在英国也开发了类同的工艺，可使用 超滤或微滤膜1 1 0 1 。该工艺在南非进一步发展成为a d u f 工艺( a n a e r o b i cd i g e s t e r 这一时期膜一生物反应器废水处理与回用工艺获得了长足的发展，反应器形式、工 艺组合、应用范围及规模都有了很大的进步。研究重点是m b r 的处理效果与运行稳定 西安建筑科技大学硕士论文 ， 性方面。许多研究都证实了m b r 能获得良好的出水水质，运行具有一定的稳定性。该 阶段应用的m b r 的形式主要是分置式，膜材料多为无机膜，均采用错流过滤工作方式， 故造成较高的单位产水能耗。 c 深化发展阶段( 2 0 世纪9 0 年代中后期)m b r 开始规模化工程应用，有 关m b r 的理论研究也得到进一步的深化。 在膜一生物反应器理论研究方面：s gl u 【1 2 】、n a g a o k a 1 3 】基于维持系数概念建立了 膜一生物反应器的动力学模型，分别建立了包含e c p 、s m p 形成与降解的动力学模型。 r w i t z i g 1 川利用f i s h 技术考察了一体式膜一生物反应器中微生物相特性，指出活性污 泥处于维持状态可以实现无剩余污泥排放韵可能。b o r a n z h a n g ! ”】【16 】等对不同膜一生物 反应器系统中的污泥特性进行详细的比较分析。 在膜污染机理及控制措施方面：很多研究者对膜污染的影响因素( 膜组件性质、混 合液性质以及操作条件) 作了太量的研究，提出了恒通量操作模式、临界通量概念，研 究了提高膜面流速措施以及在线清洗技术，对于促进膜一生物反应器的推广应用有着重 要意义。y a s u t o s h is h i l r d z u t l 7 】等比较了一体式膜一生物反应器中不同形式膜组件的过滤 特性：t a t s u k iu e d a 碍】等对一体式好氧膜一生物反应器的膜过滤特性及膜污染控制措施 进行了全面的考察。 膜污染机理及高效低耗控制措施、m b r 工艺模型及其动力学研究与生物相特性研 究是目前研究的重点。 1 3 2 国内研究进展 膜一生物反应器( 主要是固液分离膜一生物反应器) 在国内的研究始于2 0 世纪9 0 年代初，与国际上类似，其发展过程也经历了从初步探索研究经快速发展到初步工程化 应用的过程。 一 1 9 9 1 年，岑运华介绍了m b r 在日本的研究状况【1 9 】。1 9 9 3 年华东理工大学环境工 程研究所进行了m b r 处理人工合成污水和制药废水的可行性研究。同年，中国科学院 生态环境研究中心开始启动分置式m b r 的研究。清华大学环境工程系开始一体式m b r 处理生活污水的研究1 2 0 1 2 1 1 圈嘲。1 9 9 5 年以后，天津大学、同济大学、哈尔滨工业大 学、浙江大学、西安建筑科技大学等相继开展了m b r 的研究。 1 9 9 6 年，汪诚文1 2 4 】等进行了一体式好氧中空纤维膜一生物反应器处理生活污水的 小试研究，结果表明系统能得到优质的出水，c o d 2 0 m g l ，n h 3 - n l m g l ，大肠杆菌 未检出，无臭味，完全符合建设部颁布的生活杂用水水质标准( c j 2 5 1 8 9 ) 。随后刑传 宏嘲、桂萍哳1 、刘甜2 7 1 、孟耀武口扪、顾平【2 9 】、李红兵d o 、邹联沛 3 q 、张宝杰等人也进 行了膜一生物反应器处理生活污水的研究。综合这些研究结果可以看出，膜一生物反应 器处理生活污水效果良好，出水可直接作为生活杂用水回用，容积负荷高，占地省：泥 龄长，污泥浓度高，污泥负荷低，剩余污泥产量少。 4 ，西安建筑科技大学硕士论文 一 许多研究者【3 2 】，【3 3 】，【3 4 】也将膜一生物反应器应用于对工业废水的处理中。试验结果表 明，膜一生物反应器可用于处理多种工业有机废水，应用范围广泛， c o d 、氨氮、s s 等处理效果良好，优于各自排放标准，部分可以回用。 总的来说，国内膜一生物反应器研究工作主要集中在实验室小试或中试阶段。虽然 有一些研究成果已从实验室开始走向工程应用，但应用规模都比较小，日处理量几十立 方米的居多，上百立方米规模的较少，而且在具有一定规模的实际工程应用中，尚未完 全解决膜污染的控制问题，运行过程中也尚有一些有待改进的问题。同时在能耗和膜处 理能力方面也还存在改进的空间。 1 3 3m b r 未来研究重点 m b r 宅e 内外的研究和应用发展迅速。目前在日本运行( 包括在建) 的膜一生物反 应器占全球的约6 6 。在m b r 实际应用中，9 8 以上是好氧膜一生物反应器，其中5 5 以上是一体式膜一生物反应器p 5 1 。s t e p h e n s o nt ，e ta l l ( 2 0 0 0 ) 归纳了膜一生物反应器 在不同类型废水中的应用比例，见表1 1 。 表1 1m b r 在不同类型废水处理中的应用比例 废水类型百分比( ) 工业废水 大楼废水 生活污水 城市污水 垃圾填埋场渗滤液 2 7 2 4 2 7 1 3 9 顾国维等( 2 0 0 2 ) 1 2 1 总结了国内m b r 研究现状，认为未来急需解决的研究重点有 以下几点j ( 1 ) 膜污染的机理及防治。如：污水中污染物成分中无机物、有机物、胶体物质等 对膜过滤和膜污染过程的影响及机理；膜的有机和生物污染模型的建立和研究，以避免 时间长、费用高的实验和测试；性能优越的新型分离膜，尤其是耐污染膜的开发研制； 新型膜组件的开发研s 0 ；膜组件清洗手段和频率的试验和探讨等。 ( 2 ) 膜生物反应器工艺流程形式及运行条件的优化。如：加强反硝化作用以提高氮 的去除率；同时硝化反硝化和短程硝化现象和控制因素的研究；能耗降低措施和技术； 污泥停留控制措施和时间的研究：膜组件和新型污水处理技术的组合以及运行方式的最 优化研究等。 ( 3 ) 研究m b r 的污泥产率与运行条件的关系。以合理减少污泥产量，降低污泥处理 费用。 ( 4 ) m b r 经济性研究。在目前国内外尤其是国内的经济发展水平、膜产品供应状况 一 西安建筑科技大学硕士论文 和规范设计要求的条件下，m b r 用于污水处理的最大经济通量的确定是一个亟待解决 的课题。伺时需要界定和推荐比较适于采用m b r 技术处理的污水类型。 ( 5 ) 制定设计方法和行业标准。目前国内外膜一生物反应器的工艺设计尚未见有较 成熟、系统的方法，建立一套合理的设计方法和标准也是急需解决的课题之一。 1 4 膜污染的水动力学控制 ： 目前高昂的膜投资和膜污染是影响膜一生物反应器进一步推广应用的关键因素。随 着膜材料科学技术的发展，膜材料和膜组件的费用会逐渐降低，但今后膜污染依旧是膜 一生物反应器推广应用的主要障碍。 多数研究认为有三大因素影响膜污染，即膜本身的性质、活性污泥的性质和m b r 的运行条件，而且三者相互影响，参见图1 2 。 图1 2 膜污染影响因素 膜污染控制对策有气、水或气，水混合反冲洗；化学清洗；膜材料改性；膜组件的 优化设计；临界通量控制；水动力学控制等。本节重点介绍水动力学控制方面的研究成 果。， t a r d i e ue ，e la 1 ( 1 9 9 9 ) p 6 j 分置式膜一生物反应器的小试规模试验表明，采用恒通量操 作方式，在低膜面流速下( o 5 m s ；r 庐1 2 0 0 ) ，污泥颗粒沉积在膜表面上形成泥饼层， 导致水力阻力迅速增加( 大于1 0 9 m s ) ；在常规膜面流速下( 4 r n s ；r 鲜9 0 0 0 ) ，膜表面 没有污泥颗粒沉积，水力阻力的增加主要是由胶体和可溶性物质引起。 6 ： 。 西安建筑科技大学硕士论文 一 b o u h b i l a e h ，e t a l ( 1 9 9 8 ) 0 7 1 ，1 3 8 】一体式中空纤维膜一生物反应器的试验表明，曝气量 是影响膜通量和膜污染的一个主要因素，但只对膜外部污染( 颗粒沉积和浓差极化) 有 效，而对膜内部污染没有效果。不过，提高曝气强度 从1 2 1 1 1 3 ( m 2 h ) 提高到3 6 m 3 o n 2 h ) 】， 可大幅度降低膜的水力阻力，从而增加膜通量。在给定的曝气条件下，定期反冲洗可大 大减轻膜污染。 j u d dsj ，e ta i ( 2 0 0 1 ) 分体式和一体式膜一生物反应器的试验表明，通过曝气在中空纤 维膜内形成活塞流，可大大减轻膜污染，从而可提高膜通量2 4 倍嘲。 c h a n gis ，e ta 1 ( 2 0 0 2 ) 研究表明，空气喷射可有效控制一体式中空纤维膜一生物反应 器的膜污染( 提高膜通量) 咖。 c f d 技术在m b r 研究中的应用情况详见0 | 2 节内容。 1 5 课题目的和主要研究内容 1 5 1 课题目的 鉴于课题组以前的研究基础，及目前制约s m b r 推广应用的主要问题：系统稳定 运行；投资成本较高；运行能耗较高。从环境工程应用的角度出发，为了对实际工程中 的反应器设计提供指导和预测，本论文以环流气升式反应器为基础，对反应器原理及水 动力学特性进行全面的研究，提出s m b r 结构优化设计的总体思路；通过清水试验对 反应器装置水动力学特性进行检验评价，同时优选出较佳孔径的曝气装置；展开s m b r 中试条件下的临界通量测定试验，进一步验证和评价结构优化的效果，同时为长期运行 试验优选操作参数；借助水动力学软件f l u e n t 对s m b r 内部流动状况进行数值模拟， 充分认识其水动力学特性，建立模型预测，为临界通量及经济曝气强度等操作参数的选 取迸一步提供理论依据。 一 1 5 2 主要研究内容 本论文主要包括以下几部分内容： ( 1 ) 8 m b r 的水动力学特性分析和构建。本节首先针对s m b r 应用中出现的问题， 对气升式环流反应器结构机理进行研究，分析影响反应器流体力学特性的的相关因素， 并结合工程放大中的实际要求对反应器的结构设计进行了改进，构建中试反应器装置， 以进行下面的试验。 ( 2 ) 曝气装置的优化选择。针对三种不同穿孔曝气管进行清水试验，分别分析三 种不同条件下，反应器的流态特性、充氧性能、水动力学特性和混合液的膜过滤性能， 以确定合理的曝气装置，同时对构建的反应器装置水动力学特性进行检验评价。 ( 3 ) 临界通量及其影响因素试验。对s m b r 中试装置中的膜组件开展了不同污泥 浓度、不同曝气强度条件下的临界通量测定试验，以进一步验证和评价结构优化的效果， 西安建筑科技大学硕士论文。 同时也为处理城市污水的长期运行试验进行操作参数的优选。 ( 4 ) s m b r 的c f d 模拟。通过对s m b r 中试装置结构简化建模，拟用网格处理软件 g a m b i t 进行网格的划分，再由f l u e n t 软件对模型进行模拟计算，获得反应器升流区， 降流区及局部区域的静压分布、液体循环速度和气含率的变化规律及对反应器性能的影 响。在中试装置中检验前面的c f d 模型的适用性， 8 西安建筑科技大学硕士论文 2 一体式膜一生物反应器的水动力学特性分析及构建 对于一体式膜一生物反应器国内外已经进行了比较广泛的研究，但目前，其放大设 计尚无成熟的理论。一般的设计手册中也鲜有相应的设计计算方法和实例。本章的目的 是在前人研究基础上，对反应器结构上存在的不足进行分析，潜鉴气升式环流反应器结 构所具有的良好气升循环特点来优化设计出新型的一体式膜一生物反应器，以期为其推 广应用提供依据和参考。本研究针对一体式好氧气升式膜一生物反应器，若无特别说明， 统一简称为s m b r 。 2 1s m b r 应用中存在的主要问题 、 。 实际工程中，运行能耗( 主要是曝气电耗) 较高，也即气水比( 处理单位水量所需 的曝气量) 较高，是制约一体式膜一生物反应器污水处理与回用工艺推广应用的重要因 素之一。分析造成气水比较高的主要原因在于反应器结构不尽合理造成的用于膜污染垮 制的曝气效率较低。另一个问题是反应器装置在放大时的结构强度不足。，囊 2 2 反应器的机理研究 ， 2 2 1 环流反应器的研究进展 环流反应器皿r ) 因其内部流体有规则地循环流动而得名，是近2 0 年来在强化鼓泡反 应器的基础上发展起来的，近年来已在化学工业、生化工程、环境工程等方面得到了一 定的应用。由于环流反应器除推进器式外，不是用机械搅拌，而是用反应流体的喷射动 能和流体的循环流动来搅动反应物料，所以它具有结构简单、造价低、易密封和能耗低 等优点【4 “。环流反应器因其内部流体的循环流动，对反应物之间的混合、传热、传质 均很有利。它既适合处理量大的高粘度物料，又有利于气液、液一液、气一液一固之 间的均相和非均相反应。国外自2 0 世纪5 0 年代开始对环流反应器进行较系统的研究，其 中b l e n k e 、s c h u g e f l 、s h a s h 、f a u s t 、l a n d e g h e m 、s i e g e l 、m e m h u k 、v e r l a a n 、c h i s t i 等 人都做了不少的