（环境工程专业论文）平板膜活性污泥膨胀反应器特性研究.pdf

摘要 摘要 污泥膨胀是活性污泥工艺中最为棘手的问题，它的突出问题是污泥沉降性 能差。然而，膜生物反应器能很好地解决泥水分离问题。更重要的是，在污泥 膨胀的工况下，污泥结构松散，过滤阻力较小；上清液清澈，出水效果好；同 时，由于是在低溶解氧的条件下，能达到节能的效果。 因此，本试验将采用浸没式膜生物反应器处理城镇污水在低d o 条件下， 有目的地使活性污泥发生膨胀，对膜生物反应器去除效果和膜污染控制进行试 验研究。 采用4 h 的错流过滤方式对截留分子量为7 万的三种超滤膜进行了性能比 较，并确定聚偏氟乙烯膜为试验用膜。 先后尝试外部循环法、密封曝气及敞开曝气法营造低氧条件，最后敞开曝 气法成功地使d o 基本处于0 1 2 1 3 9 m g l ，平均0 4 7 m g l 。在此条件下，污泥 发生丝状膨胀，s v i 达2 6 2 - 3 3 1m l g 。 污染物去除特性试验表明，膨胀状态m b r 对有机物和总磷的去除率与非膨 胀状态m b r 相当，但膨胀状态m b r 的总氮去除率较高。同时，膨胀状态m b r 节约了供氧，可以达到与非膨胀污泥同样高的去除负荷。 膨胀态m b r 中，由于丝状体互相缠绕，滤饼颗粒平均粒径不易变小，因而 通量下降较为缓慢；由于丝状体的支撑作用，滤饼孔隙率较大，导致比阻较小， 因而通量比非膨胀态污泥大。 通量影响因素试验表明：在泥龄为2 0 一6 0 天的范围内，泥龄越大，通量越大； 曝气量较小时，通量随着曝气量呈线性增大，但在较大的曝气量下通量增大的 趋势减弱；通量随着抽停比的增大先增大后减小，因此存在最佳的抽停比；通 量随着污泥浓度的增大呈幂函数规律下降。 膜污染机理研究表明：( 1 ) 在4 h 的恒压过滤中，滤饼过滤是主导过滤机 制。( 2 ) 建立了滤饼阻力与时间的关系、滤饼阻力与压差的关系模型。将滤饼 阻力的模拟值与实测值比较，二者十分接近。( 3 ) 临界通量为2 2 l m 2 - h ，在相 应的临界压力以下( 1 0 k p a ) 过滤时，通量的下降速度较慢。( 4 ) 启动过滤时 应缓慢加压( 或增大通量) 。 膜污染防治研究表明：( 1 ) 最佳的活性炭粒径为1 1 4 “m ，活性炭浓度为 捅要 1 9 l ：最佳的沸石粒径为1 3 7 “m ，沸石浓度为l g l 。单独投加、混合投加及不 同投加方式所起的作用是不同的。投加物料的作用机理是使滤饼可压缩性减小， 孔隙率增大，因而比阻减小。( 2 ) 投加物料可使临界通量提高，原因是细微颗 粒被物料吸附后，成为相对牢固的整体，混合液中粒子的平均粒径增大了。( 3 ) 化学清洗时，n a c l 0 溶液最佳浓度为0 5 ，最佳浸泡时间为1 h ，温度在4 3 3 以下越高越好。 关键词：低氧，丝状膨胀，平板膜，膜生物反应器，膜的筛选 2 a b s t r a c t s l u d g eb u l k i n gi sag i a n tt r o u b l ei na c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s sf o ri t sp o o rs l u d g e s e d i m e n t a t i o n h o w e v e r , i tc a nb e s o l v e db ym e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) s a t i s f a c t o r i l y f u r t h e r m o r e ，f i l t r a t i o nr e s i s t a n c ei sl e s sb e a 7 a u s eo fl o o s ec a k e ，a n d s u p e r n a t a n ti so fh i g hq u a l i t y e s p e c i a l l y , i nt h e 澉o fl o wd i s s o l v e do x y g e n ( d o ) c a u s e ds l u d g eb u l k i n g , e n e r g yc o n s u m p t i o nw o u l db ec o td o w ns i g n i f i c a n t l y s o , s u b m e r g e dm e m b r a n ef l a tm b rw a sa p p l i e dt ot r e a tu r b a nw a s t e w a t e ri n t h i ss t u d y s l u d g eb u l k i n gw a si n d u c e di n t e n t i o n a l l yu n d e rl o wd ot oi n v e s t i g a t et h e c o n t a m i n a t i o nr e m o v a la n dm e m b r a n ef o u l i n gc o n t r 0 1 t h ep e r f o r m a n c e so f3t y p e so fu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n e sw h o s ec o t - o f f m o l e c u l a rw e i g h t sw e r e7 0 0 0 0d a l t o n sw e r ec o m p a r e di n4h o u r s c r o s s - f l o w f i l t r a t i o n , a n dt h ep o l y v i n y l i d e n ef l u o r i d e ( p v d f ) m e m b r a n ew a sc h o s e nf o r f o l l o w i n ge x p e r i m e n t s e x t e r n a lc i r c u l a t i o n , c l o s ea e r a t i o na n do p e na e r a t i o nw e r et r i e dt og e tl o wd o t h el a s tm e t h o dr e s t r i c t e dt h ed oi n0 1 2 - 1 3 9 m g l ( 0 4 7m g lo nt h ea v e r a g e ) s u c c e s s f u l l y i ns u c hac o n d i t i o n ，t h es l u d g ev o l u m ei n d e x ( s v og o tt ob e2 6 2 t o3 3 1 m l g , w h i c hi sas y m b o lo fs l u d g eb u l k i n g w h e nc o m p a r e dt on o n eb u l k i n gm b r ，t o t a ln i t r o g e n ) r e m o v a li nb u l k i n g m b rw a sh i g h e r , b u to r g a n i cm a t t e rr e m o v a la n dt o t a lp h o s p h o r o u s ) r e m o v a l h a r d l yi m p r o v e d f o r t u n a t e l y ，s l u d g eb u l k i n gm b ra c h i e v e dt h ec o m p a r a t i v e r e m o v a ll o a di nr e s u l to fl e s sa i rs u p p l y i nt h eb u l k i n gm b r ，f l u xd e s c e n d e dm o r es l o w l yt h a ni nn o n eb u l k i n gm b r b e c a u s et h ei n t e r t w i s t e dm y c e l i ap r e v e n t e dp a r t i c l e sf r o mb e c o m i n gf i n e r , a n dt h e f l u xw a sa l s oh i g h e rb e c a u s et h em y c e l i a ss u s t a i n m e n tl e dt ol a r g e rp o r o s i t ys oa st o l e s ss p e c i a lc a k er e s i s t a n c e i n f l u e n c i n gf a c t o r si n v e s t i g a t i o ns h o w e dt h a t ，( 1 ) i nt h er a n g eo f2 0t o6 0d a y s ， l o n g e rs l u d g er e t e n t i o nt i m e ( s r t ) r e s u l t e di nh i g h e rf l u x ；( 2 ) a n dt h ef l u xr o s e l i n e a r l yw h e na e r a t i o nr a t er i s e s ，b u tm o r es l o w l yu n d e rv e r yh i g ha e r a t i o nr a t e ；( 3 ) a n da l o n gw i t hs u c t i o n i d l er a t i or i s i n g ，t h ef l u xe n h a n c e df i r s t l ya n dd e c l i n e d 3 a b s i k a c l a f k r w a 咄s ot h e r ee x i s t sa l lo p t i m a ls u c t i o n i d l er a t i o ；( 4 ) a n dt h ef l u xd e s c e n d e da s p o w e r - l a wf u n c t i o no fs l u d g ec o n c e n t r a t i o n m e m b r a n ef o u l i n gm e c h a n i s mr e s e a r c hs h o w e dt h a t ，( 1 ) i nt h e4 - h o u rc o n s t a n t p r e s s u r eu l t r a f i l t r a t i o no ff i l a m e n t o u ss l u d g e ，c a k ef i l t r a t i o nw a sa b s o l u t e l yt h e d o m i n a n tm e c h a n i s m ( 2 ) a n dc a k er e s i s t a n c ev s t i m em o d e l ，a sw e l la sc a k e r e s i s t a n c ev s p r e s s u r em o d e l ，p r e d i c t e dt h em e a s u r e dv a l u ew e l la n dt r u l y ( 3 ) a n dt h e s u b - c r i t i c a lp r e s s u r e ( 1 0 k p a ) f i l t r a t i o n , w h i c hi sc o r r e s p o n d i n gt os u b c r i t i c a lf l u x , p o s t p o n e dt h ef l u xd e c l i n e ( 4 ) a n dt h ef a v o r i t es t a r t u pp r o t o c o lw a s t oi n c r e m e n tt h e p r e s s u r eo rf l u xs l o w l y m e m b r a n ef o u l i n gc o n t r o lr e s e a r c hf o u n dt h a t ，( 1 ) t h eo p t i m a lp a r t i c l ed i a m e t e r s o fp a ca n dz e o l i t ew e r e1 1 4i ima n d1 3 7pm ，r e s p e c t i v e l y ，a n dt h eo p t i m a l c o n c e n t r a t i o n so fp a ca n dz e o l i t ew e r eb o t h1 以t h c l a r g e rf l u xa f t e ra d d i n gt h e s e m a t e r i a l sw a sa t t r i b u t e dt ol o wc o m p r e s s i b i l i t y , w h i c h e n l a r g e dt h ec a k ep o r o s i t ya n d r e d u c e dt h es p e c i a lc a k er e s i s t a n c ec o n s e q u e n t l y ( 2 ) a n da d d i n gm a t e r i a l se n h a n c e d c r i t i c a lf l u xb e c a u s et h er e l a t i v e l yf i r mc o m b i n a t i o no fc o l l o i d sa n dm a t e r i a l sr a i s e d t h ea v e r a g ed i a m e t e ro fp a r t i c l e si ns u s p e n s i o n ( 3 ) a n df o rc h e m i c a lc l e a n i n g , t h e o p t i m u mc o n c e n t r a t i o no fn a c l 0s o l u t i o nw a s0 5 ，a n do p t i m u ms t e e p i n gp e r i o d w a sl h , a n dt h eh i g h e rt e m p e r a t u r ew a sb e t t e ru n d e r4 3 3 k e y w o r d s ：l o wd i s s o l v e do x y g e n ( d o ) ，f i l a m e n t o u sb u l k i n g , h a t s h e e t m e m b r a n e ，m e m b r a n eb i o r e a c t o r , m e m b r a n es e l e c t i o n 4 符号说明 符号说明 a o _ 一膜孔截面积总和，m 2 a 膜的面积，m z g m l s s 浓度，k g m 3 q 一清水中的溶解氧饱和浓度，m g l c - 污泥浓度，k g m 3 d 广一滤饼间隙水中的c o d 浓度，m g l d i 一粒径，m e 扩散层滤饼层界面处的浓度梯 度，k g m 4 j r 一清水通量，m 3 m 2 s k 、n 一经验常数 k ：一常数 k 广一内源代谢速率，1 d k r 渗透率一 l 卜常数，通常取5 l l 一膜孔的长度，m 一单位时间内被剪切诱导作用带走 的颗粒质量，k g s n 膜孔的个数 卜_ 膜两侧的压力差，p a o 1 时刻的滤液流量，m 3 s 口一进水流量，l d r 单位压力下的比阻。m k g r c _ 滤饼阻力，m 。1 r ( 广浓差极化阻力，m - 1 r 混合液耗氧速率，m g l d s c _ 一比表面积，1 m s 常数，k g ( m 2 幻 卜i 生滤时间，8 v 混合液体积，l v 广一滤饼体积，m l w 细胞含水率， 一每个周期中的抽吸时间，s b 混合液中溶解氧饱和浓度修正系 数 y 。一滤饼浓差极化层界面剪切率s - 1 n 料液的粘度，p a s u 滤过液粘度，k g ( m s 1 p 0 - 一水的密度，k g m 3 5 a 一颗粒的半径，i l l c 广最终葡聚糖浓度，m g l c n _ 一滤饼的存在产生的修正系数 c 广- 滤饼的存在产生的修正系数 d 厂修正前的c f ，m g l d o 一溶解氧浓度，m g l d 一剪切诱导扩散系数，m 2 $ i i c r _ 锍道高度，i 1 1 卜通量，n 1 3 ，砰s k ，曾数 k 、l 【i 、l ( 1 、酶常数 硒| - 氧总转移系数，1 d k 一半速度常数，m g l k 常数 i 一流道长度，m m 一滤饼的面积密度，k g m 2 n r c o d 去除负荷， m g c o d m g m l s s d q 旷一初始滤液流量，m 3 s q 。剩余污泥流量，u d f ：一膜孔的半径，m r o _ 一膜本身的阻力，m - 1 r f 一膜污染阻力，m 。1 r 一比阻m k g s 0 一进爪c o d 浓度，m g l s 广上清液c o d 浓度，m g l $ 一滤饼的可压缩系数 l _ 一平均流速，m s 、r 憎i 一最大比降解速率， m g c o d m g m l s s d v 一滤液的总体积，n ， ) 【- 一m l s s 浓度，m g l y 一产率系数，m g m l s s m g c o d o 流体阻力系数 e 滤饼孔隙率 o 泥龄。d 每个周期中的停抽时间，s p c _ 一滤饼中细胞的湿密度，k g m 3 符号说明 p ，一滤饼的表观密度，k g m 3 巾f 一主体溶液中颗粒的体积浓度， 巾颗粒的体积浓度，即颗粒体积之 和在料液总体积中所占的比率 t 剪切强度，p a 6 t 滤液累积时间，s 由。滤饼中颗粒的体积浓度， 过滤开始时膜孔的的半径，m d p 。临界粒径，m 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子 版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：王庭爿移 珈6 年e 月2 徊 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 日 笠 学位论文作者 签名：亘良荫) 月加pb 年g月 谚日 第1 章课题的提m 第1 章课题的提出 1 1 城镇污水处理现状 我国小城镇数量居世界首位，由于受经济发展水平的限制，大量的小城镇 将长期存在。和大城市相比，小城镇所处位置的环境容量都较小，环境容易受 到污染，而且城镇经济实力小，难以投入大量资金进行环境保护和生态环境建 设。如何提高小城镇的环境质量，是我国今后发展中必须很好解决的问题，否 则，会影响我国的各方面的发展。 至1 9 9 9 年，全国共有1 70 0 0 个建制镇，绝大多数没有排水和污水处理设施 嘲。许多城镇周围的水生生态遭到严重破坏，常常水体鱼虾绝迹，发黑发臭。随 着城镇规模的不断增大。城镇污水的数量和污染强度都越来越强，如果仍然不 采取治理和保护措施，城镇水体的污染程度将持续增强。 另一方面，随着人们生活水平的提高，对环境质量的要求越来越高，美好 的环境质量已不仅是城市人追求的目标，也是村镇居民追求的目标。此外，良 好的环境质量也是发展地方旅游和吸引外资的必要条件。所以改善和保护小城 镇的生态环境质量，已经是当前非常紧迫的任务。 根据建设部、科技部、国家环保总局2 0 0 0 年联合发布的城市污水处理及 污染防治技术政策，到2 0 1 0 年，全国设市城市和建制镇的污水平均处理率不 低于5 0 ，设市城市污水处理率不低于6 0 ，重点城市的污水处理率不低于 7 0 嘲。对于三峡库区的要求更严格，根据三峡库区及其上游水污染防治规 划( 2 0 0 1 年2 0 1 0 年) ，至2 0 1 0 年库区及其上游主要控制断面水质应基本达到 国家地表水环境质量i i 类标准。届时，库区将建成城市污水处理厂1 5 1 座、沿 江城镇污水处理设施1 1 3 座，库区、影响区和上游区的生活污水处理率分别达 到9 5 、8 5 和7 0 御。 为实现上述目标，我国城镇污水处理厂的建设最近几年以前所未有的速度 发展。据初步统计，到2 0 0 0 年底，我国已建设城市污水处理厂4 2 7 座，污水处 理设计规模达到1 4 7 5 万m 3 d ，全国城市污水处理率为3 3 1 5 ；截至2 0 0 4 年底， 全国共建成城市污水处理厂7 0 8 座，日处理能力达7 3 8 7 2 4 多万立方米，城市污 水处理率提高到4 5 6 7 ”1 。其中，大型污水处理厂建设数量相对减少，而中小 第1 章课题的提 型污水厂则越来越多。 “十一五”规划纲要继续将基础设施建设列为五大重点投资领域之一，并 将城镇污水处理放在重要的位置，为水污染控制目标的实现提供了强有力的保 证。 1 2 城镇污水特点及处理要求 1 2 1 城镇污水的水质水量 小城镇的人口规模、自来水普及率和工农业发展的结构水平决定了小城镇 的污水排放量大都在3 0 0 0 3 0 0 0 0 m 3 d 的规模范围内咖。 小城镇污水由生活污水、工厂排水、观光污水、畜产排水、地下水渗入几 部分构成m 污水水质在主要方面有生活污水的特征哪，但各小城镇之间，由于 受工业废水的影响，污水水质完全不同，没有可比性嘲。有的5 0 以上是生活污 水，其它为以农产品加工的废水为主的工业废水。水中基本上不含重金属和有 毒有害物质，但氮和磷的含量较高，水量、水质波动较大。一般b o d s 为 1 0 0 1 5 0 m g l ，c o d 为2 5 0 3 0 0 为m g l ，可生化性好。s s 为2 0 0 m g l 左右1 ， p h = 6 5 7 5 ，色度( 稀释倍数法) 1 2 时的控制指标，括号内数值为水 温1 2 时的控制指标。 ， 根据小城镇污水的水质情况，对这类污水的处理，虽然化学混凝法也可以 达到比较好的处理效果，但不仅其运行费用高，而且污泥量大，因此基本上采 用生物处理方法叭1 。目前小城镇多照搬城市污水处理厂的处理工艺，常用的生 物处理法有传统活性污泥法、a b 法、氧化沟、s b r 法、生物膜法、a o 工艺、 a 2 o 工艺等。与城市污水相比，小城镇污水规模较小，分布相对分散，在大型 城市污水处理厂应用的处理工艺不一定适合小城镇的实际情况。因此我们需要 寻找简易、高效、节能、占地面积少、运行管理方便的符合小城镇实际的污水 处理技术。 1 3 膜生物反应器概况 1 3 1 膜生物反应器的特点及其处理小城镇污水的可行性 3 第1 节课题的提 f i 1 3 1 1 膜生物反应器的技术特点【1 4 1 1 1 5 11 1 6 1 7 1 【堋 1 ) 出水水质良好 膜组件将废水中大于膜孔径的有机物、无机物、悬浮物、细菌等进行截留， 从而达到良好的泥水分离效果，提高出水水质。有试验证明 t g 2 e p 生活污水经 膜生物反应器( m e m b r a n er e a c t o r ，简称m b r ) 处理后的出水水质均达到生活 杂用水水质标准( c j 2 5 1 8 9 ) 。从技术上说，要达到新标准的要求，m b r 是 可靠的选择。 2 ) 耐冲击负荷 由于膜组件的高效截留，m b r 中具有高污泥浓度，系统内生物量大，在容 积负荷较大的情况下污泥负荷也很低，因此较耐负荷冲击。有实验证明嘲，m b r 处理生活污水时，c o d c ，容积负荷的变化对出水影响很小。 水质水量变化大是小城镇污水的突出特点，而m b r 可以较好地解决这个问 题。 3 ) 污泥产量低 m b r 中的活性污泥浓度m is s 一般维持在1 0 2 5 9 l ，比传统活性污泥法 ( c a s ) 高出近1 0 倍左右。这无疑会产生两方面的优势：一是c o d 容积负荷率高， 一般为4 5 k g ( m 3 m ，二是污泥负荷率低。当w m ( 营养和微生物比率) t t 值低 于某一数值时，活性污泥就会处于一个因繁殖而增长和因内源呼吸而消耗的动 态平衡之中，达到这个理论平衡时，活性污泥增长为零，即不会有剩余污泥产 生，达到污泥的零排放。( 1 9 9 9 ) o ”等从理论和实验上证实了膜生物反应无 剩余污泥排放的可能性，但同时指出，为了排除m b r 中惰性或有毒物质的积累， 降低曝气能耗，应考虑适当排放一些污泥，即选择一个最佳活性污泥浓度。 4 ) 有利于硝化作用 因为微生物完全被截留在反应器内，实现了水力停留时间( h r t ) 和泥龄 ( s r t ) 的完全分离，所以可以控制较长的s r t ，使世代时间较长的硝化菌得以 富集，提高硝化效果。 5 ) 有利于去除难降解有机物 膜分离使污水中的大分予难降解成分在m b r 中有足够的停留时间，从而达 到较高的去除效果。 6 ) 目前的m b r 除磷效果不佳 4 第1 章课题的提晰 生物法除磷主要原理是利用聚磷菌一类微生物过量地从外部环境摄取磷， 并将磷以聚合的形态贮藏在菌体内，形成富磷污泥，排出系统外，达到从废水 中除磷的目的。对于m b r 来说，一般具有很长的泥龄，因此不利于磷的去除。 y o o n 等人的研究中发现嘲，与传统除磷工艺相比，采用m b r 并不能提高磷的 去除。现有报道的总磷去除率介于1 1 9 和7 4 之间。 从表1 - 1 可见，新标准对磷酸盐的排放标准没有比旧标准提高，反而降低了。 这为m b r 在小城镇污水处理中的应用提供了很好的契机。 对较好的除磷效果来自于与化学絮凝的结合，b u i s s o n 等人的m b r 通过投 加化学药剂取得了稳定的除磷效果，当a l ( 或f c l p 的摩尔比为1 时，磷的去除 率达8 0 以上。 1 3 1 2 膜生物反应器的经济特点哺 1 ) 占地少 因为m b r 容积负荷大，所需反应器体积较小，而且不需要设置二次沉淀池， 所以占地相对较小。在可用土地少或土地价格昂贵的情况下，这个优点很有吸 引力。 2 ) 基建投资和运行费用较高 m b r 用于污水处理的主要缺点包括膜系统本身的价格昂贵和频繁的膜清洗 使运行费用增加汹船1 。膜系统的投资大约与处理规模成正比，而常规污水处理 工艺则是规模越大越经济。在运行过程中，m b r 不同程度地存在膜污染问题， 也对该工艺的推广应用造成很大障碍汹儿。膜污染导致通量严重下降，能耗增 加，膜材料的侵蚀甚至系统失效汹1 。为了使系统正常运行，必须及时进行膜的 清洗或更换m 瑚1 。 但是，近年来膜的价格一直在下降。据报道1 ，k u b o t a 公司的膜价格从1 9 9 2 年的4 0 0 5 m 2 下降为2 0 0 0 年的1 0 0 $ m 2 。因此，从发展趋势看，基建投资和运 行费用较高的问题有望在一定程度上或某些情况下得到解决。 1 9 9 8 年，s a d h a n 等对z e n o nm b r 工艺( 根据制造商提供的全部工程造价 内容) 、氧化沟和常规活性污泥法三种流程造价做了比较和分析。资料中实际 运行的m b r 流程的最大流量为1 m g d ( 即4 5 4 6m a d ) ( 城市污水) ，所以三 种流程均以此流量为基准，见表1 2 。 第1 章课题的提卅 表1 - 21 m g d 城市污水处理厂投资比较表( 单位：美元) 平均处理费用 工艺基建投资年折旧费用运行维护费用年总费用 ( $ k g a l ) m b r5 0 6 8 6 2 75 1 6 0 0 02 6 7 0 0 07 8 3 0 0 02 1 5 氧化沟 5 5 8 7 8 0 05 6 9 0 0 03 0 7 0 0 08 7 6 0 0 02 4 0 活性污泥法 5 9 3 3 5 2 06 0 5 0 ( ) 02 6 2 0 0 08 6 7 0 0 02 3 8 1 9 9 8 年，d a v i e s 比较了设计流量为2 3 5 0 和3 7 5 0 0 人1 3 当量( p e ) 时，m b r 和活性污泥法污水厂的费用情况。在设计流量为2 3 5 0 人口当量时，m b r 污水 厂总造价为6 1 3 0 0 0 英镑，其中膜费用占7 8 。因为沉淀池、土地和建造费用的 差别，活性污泥法比m b r 总费用高出6 0 ；在设计流量为3 7 5 0 0 人口当量时， 情况反了过来，活性污泥法污水厂的总造价仅为m b r 的5 4 ，详见表1 3 m 1 。 表1 - 3 活性污泥法污水厂与m b r 费用比较( 单位：英镑) 项目 m b r 活性污泥法 设计人口当量 2 3 5 03 7 5 0 02 3 5 03 7 5 0 0 最大流量( m 3 d )1 枷 2 2 5 0 01 枷2 2 5 0 0 平均流量( m 3 d ) 6 5 01 0 5 0 06 5 0 1 0 5 0 0 隔栅 5 9 3 0 41 5 6 0 8 55 9 3 0 41 5 6 0 8 5 沉淀池 5 1 9 0 0 0 1 6 6 9 5 6 2 膜系统 4 8 0 0 0 0配m 0 0 0 0 土地 7 0 0 01 3 6 4 2 92 1 9 3 3 2 5 5 7 3 建造费用 1 2 6 0 0 09 5 6 0 9 53 8 0 0 0 01 7 8 7 7 8 3 总基建投资 6 1 3 0 0 07 2 9 2 5 2 49 8 0 2 0 43 9 4 2 2 5 9 人力 2 0 0 0 02 9 5 3 12 0 0 0 05 0 0 0 0 化学药品 4 2 5 0 0 04 2 0 04 2 0 0 电耗 l o i ) 0 01 0 6 9 1 71 3 0 1 4 8 0 7 0 膜更换 3 0 0 0 0舢；0 6 5 3 其它费用 1 1 1 7 3 3 3 4 7 4 1 9 0 ( ) 0 6 2 4 6 0 年运行费用 7 5 3 7 36 0 2 1 0 15 6 2 0 02 6 4 7 3 0 每吨处理费用 1 1 j6 21 3 2 4 9 可以看出，对于城市污水处理，与常规活性污泥法相比，m b r 存在一个最 大的经济处理流量( m a x i m u mt r e a t m e n tc a p a c i t y ) ，即在此流量以下，m b r 与 活性污泥法相比具有竞争力。 现在的小城镇污水较2 0 年l ； 已有了本质的区别。污水中新的污染物质，包 括农药、杀虫剂、内分泌干扰物等有毒有害物质和病原体越来越受到关注，传 统技术由于自身存在的弱点面临着挑战，膜技术为挑战问题提供了有效的解决 途径。随着膜产品价格的降低和膜工程技术水平的提高，膜技术在未来污水再 生利用中会起到越来越重要的作用。 6 第1 章课题的提出 1 3 2 膜生物反应器的发展啪肺儿“ m b r 技术起源于2 0 世纪6 0 年代的美国，其商业应用已有2 0 年的历史“钉。 1 9 6 9 年，s m i t h 首次报道了美国d o r r - o l i v e r 公司把活性污泥法和超滤工艺 结合处理城市污水的方法。该工艺最引人瞩目的是用膜分离技术取代常规的活 性污泥二沉池，膜的高截留率使生物反应器内维持很高的生物浓度，反应器在 低f m 比值下工作，可获得有机物的完全氧化。它是用一个外部循环的板框式 组件来实现膜过滤的，在生活污水的处理中，获得了极佳的处理效果：b o d i m g l ，c o d = 2 0 - - - 3 0 m g l 。系统处理能力为1 0 l o o r n 3 d 。另一个早期的报道是 h a r d t 等人，在1 9 7 0 年用1 个1 0 l 的好氧生物反应器处理合成废水，流程中用 一个死端超滤膜来实现泥水分离，其中的m l s s 浓度高达3 0 0 0 0 m g 几，是常规 好氧系统的2 0 多倍；膜通量为7 5 i m 2 h ，c o d 去除率为9 8 。d o r r o l i v e r 公司在2 0 世纪6 0 年代还开发了另一种膜处理工艺m s t ( m e m b r a n es e w a g e t r e a t m e n t ) 。在该系统中，污水进入悬浮生长的生物反应器中，并通过超滤膜组 件的抽吸作用连续出水。膜组件为板框式，进出口压力分别为3 4 5 k p a 到1 7 2 k p a ， 膜通量为1 6 9 u r n 2 h 。尽管这些工艺取得了良好的出水水质，但由于当时膜技 术发展相对落后，膜材料种类少，价格昂贵，使用寿命短，限制了该工艺的长 期稳定运行，处理污水的m b r 处于研究阶段。 2 0 世纪7 0 年代早期，美国密执安州的t h e t f o r d 系统公司( 现为z e n o n 环境 公司的一部分) 推出了自己的外置式膜分离系统c y c l c l e t 工艺用于住宅污水的 处理。该系统采用两级污泥好氧一缺氧流程，外置管式超滤膜来处理污水，出 水经过u v 消毒后用于冲厕。1 9 7 4 - - 1 9 8 2 年问，t h e f f o r d 系统公司共安装了2 7 套c y c l c - l e t 工艺产品。1 9 8 2 年，d o r r - o l i v e r 公司应用厌氧膜反应器系统( m a r s ) 来处理高浓度食品废水。该工艺采用外部循环超滤膜，总负荷8 k g c o d m 3 d ， c o d 去除率达9 9 。与此同时，英国采用超滤膜和微滤膜研制了2 套污水处理 系统，其概念在南非得以进一步发展而形成厌氧消化超滤工艺( a d u f ) 。a d u f 系统采用管式超滤聚砜膜。稳定状态膜通量为3 7 3 l m 2 h ，固体浓度为 5 0 9 t s s l 。1 9 9 4 年，t h e t f o r d 系统公司与z e n o n 环境公司合并为z c n o n 市政系 统公司。在二十世纪8 0 年代末和9 0 年代初，z e n o n 环境公司继续了美国的 d o r r - o l i v e r 公司早期在工业污水处理领域的研究工柞，研制成功z e n o n g e m 、 p e r m a f l o wz 一8 ( 由8 个内径2 4 m m 管式膜组成，膜面积8 m 2 ) 、z e c w e e d 等一 系列工艺。特别是形成z w 1 4 5 ( 膜面积1 3 5 m 2 ) 、z w 1 5 0 ( 膜面积1 3 9m 2 ) 、 7 第1 苹课题的提 j z w 5 0 0 ( 膜面积4 6 m 2 ) 、1 2 件组合z w 1 5 0 ( 膜面积可达6 3 m 2 ) ，8 件组合 z w 5 0 0 ( 膜面积可达1 4 6 m 2 ) 等系列产品，大大推动了m b r 技术的市场化进程。 我国对m b r 的研究起步较晚，中国科学院生态环境研究中心自1 9 9 3 年开 始m b r 的研究工作。2 0 世纪9 0 年代中后期，m b r 在我国得到发展，其处理对 象亦从生活污水扩展到工业废水。近年来，m b r 在我国已经进入了实用化阶段。 1 3 3 膜生物反应器分类嘶1 按膜在反应器中的作用分为分离膜生物反应器、无泡曝气膜生物反应器和 萃取膜生物反应器三种，其中以分离膜生物反应器应用最广1 啪1 。本文的研究 对象即为分离膜生物反应器，简称膜生物反应器( m b r ) 。按膜过滤式的驱动 方式可分为加压型m b r 和负压型m b r 。根据反应器中的供氧情况可分为好氧 和厌氧m b r 。 通常我们根据膜组件与生物反应器的相互位置将m b r 分为一体式( 或称内 置式、淹没式) m b r 、分置式( 或称外置式) m b rc s o , i 0 1 ) 如图1 - 1 。 生 镑 爱 盛 嚣 进 1 分量式i - i b i i k 一体式m 霸r 图1 - 1m b r 流程不意图 1 3 3 1 分置式膜生物反应器 如图1 - 1 ( a ) 所示，用于分离污泥的膜置于生物反应器之外，活性污泥混 合液在膜中分离，分离后的污泥返回到生物反应器中。分置式m b r 具有以下的 特点：组装灵活，各种不同种类的生物反应器与膜组件可以相互组合，形成 多种形式的分置式m b r ；易于控制，由于膜组件与生物反应器相互分开，所 以便于设备的安装，膜组件的清洗、更换、增设等：易于大型化，分置式系 8 第1 章课题的提出 统可以建成大规模的工业化系统，不受生物反应器的限制；透水率可相对增 大。因为泵的工作压力可在膜组件的承受压力范围内灵活调节，从而可最大限 度的增大透水率。但分置式m b r 存在着动力消耗大、系统运行费用高的问题， 其单位体积处理水的能耗是传统活性污泥法的1 0 2 0 倍。为了维持一定的水通 量，只有增加泵的工作压力以保证一定的膜面流速。污泥回流泵是造成系统运 行费用较高的原因。另外，由于泵的回流产生的剪切力可能影响徽生物的生物 活性。为了解决这个问题，水处理专家对上述的分置式m b r 进行了改进，通过 旋转膜或膜表面区域的叶轮来产生混合液的错流，这个系统不需大量的混合液 回流。所以不会产生上述问题。 1 _ 3 3 2 一体式膜生物反应器 如图1 - 1 ( b ) 所示，膜过滤装置直接置于生物反应器中，并淹没于污泥混 合液中，省略了向膜过滤装置中进水和将浓缩后的污泥循环回到反应池中的流 程，整个工艺流程更简单。曝气器设置在膜组件的正下方，膜表面的错流是由 空气搅动产生的，在这种剪切力的作用下，胶体颗粒被迫离开膜表面，减缓膜 的堵塞。膜出水靠真空泵抽吸或其他类型泵抽吸，结构紧凑、体积小、工作压 力小、动力消耗小、无水循环、不堵塞膜纤维中心孔等优点。同时也存在膜面 流速小易污染、出水不连续等问题。在实际应用中，通常将膜过滤装置置于单 独的活性污泥反应池中，并为了使m b r 能正常地运行应满足以下基本要求： 为活性污泥提供充足的氧；活性污泥池处于混合状态；有足够的维持过滤 的过膜压力差( t r a n s m e m b r a n ep r e s s u r e ，或t m p ) ；错流运行防止形成滤饼。 1 3 4 膜生物反应器的应用棚“1 踟 1 3 4 1 在污水回用中的应用 开发中水系统的主要目的是将建筑生活污水进行适当的处理后，作为冲厕、 洗车、空调冷却水和绿化等用水加以回用。由于受使用目的和城市建筑的限制， 要求中水回用水的水质良好，不会产生卫生问题，感官性状佳，同时还要求处 理流程简单、占地少、运行稳定、易于管理且适应性强。要达到上述回用水的 水质要求，通常必须进行三级处理。然而三级处理的费用相当高，以至于无法 被广泛采用。而膜生物反应器则以低得多的费用就能达到这一要求。日本于1 9 7 2 年出台法律，要求所有大型的建筑设施必须安装污水回用或雨水收集等节水设 9 第1 苹课题f i 勺提m 施。这一法律促进了m b r 在日本的推广应用。目前，日本已有近1 0 0 处高楼的 中水回用系统采用m b r 处理工艺，最大处理能力达5 0 0 m 3 d 。日本三井石化工 业公司建在东京某大楼的污水再生系统，日处理量为2 0 0 m 3 。其主要技术参数为： m l s s 为6 0 0 0 i o o o o m g l ，滞留时间为1 5 2 h ，b o d 负荷为0 7 9 1 4 2 k g m 3q d ， 采用的是截留分子量为2 0 0 0 0 的聚丙烯腈平板膜组件。国内也陆续展开研究和 应用。辽宁省通信公司某培训中心的生活污水，采用了一体式m b r 技术进行处 理。污水的c o d q 为3 2 0 3 4 0 m g l 、b o d 5 为1 8 0 2 0 0 m g l 、s s 为2 3 4 3 0 2 m g l ，水量为4 0 t d ，其出水指标与当地中水标准的对比见表1 - 4 。 表1 - 4 出水指标与中水标准对比表( 单位：m g l ) 项目 c o d 。 b o d 。 悬浮物 总大肠杆菌( 个，l ) 系统出水 2 0 1 0 00 绿化 6 0 3 0 3 0 5 0 0 洗车、喷水，景观 1 0 5 3 冲策、道路、清扫