（环境工程专业论文）浸没式双轴旋转厌氧膜生物反应器处理啤酒废水的研究.pdf

摘要 摘要 浸没式双轴旋转厌氧膜生物反应器( s u b m e r g e dd o u b l e s h a f tr o t a r y a n a e r o b i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，s d 凡铀m b r ) 具有设备结构紧凑，占地面积小， 且适用于处理一些高浓度的有机废水的优点。 当前人们对膜生物反应器的研究相对集中在外置式( 好氧) 膜生物反应器， 是因为这种m b r 的膜污染速率较慢。而浸没式厌氧膜生物反应器( s a n m b r ) 的膜污染速度更快，且难以得到有效的控制，因此限制了人们对s a n m b r 的研 究和应用。本试验针对上述s a n m b r 中膜污染不易控制的问题，特设计了 s d 凡缸m b r 。该反应器特点是采用旋转( 同向) 膜组件运行，由膜旋转形成的 均匀化效应和交错流效应可削弱膜表面的浓差极化及凝胶层的形成，同时在反 应器内还形成三相旋转流效应，从而更有效地减缓膜污染进程，延长膜使用寿 命。本研究以人工配制的啤酒废水为处理对象，通过试验考察s d r a n m b r 系统 的启动特性、c o d 的去除效果及其影响因素，同时对系统抗污染性能和反应器 内污泥特性对膜污染的影响进行研究，得出如下结论： ( 1 ) 在反应器启动时期，固定其温度( 3 2 ) 及h r t ( 2 4 h ) ，并以厌氧颗 粒污泥为接种污泥，试验仅用2 0 天即完成反应器的启动和污泥的驯化。同时c o d 去除率最高可达9 1 ，平均去除率为8 3 9 5 。另外，s d r a n m b r 系统具有耐冲 击负荷的能力，在污泥驯化期间，并未发生酸化现象。 ( 2 ) 在稳定运行阶段，s d r a n m b r 对啤酒废水具有良好的处理效果。系统 进水c o d 浓度在1 7 2 1 5 m g l - - - 2 2 6 9 9m g l 之间，容积负荷在2 0 7k g c o d m 3 d 4 5 4k g c o d m 3 d 之间，出水c o d 浓度范围为6 5 7 m g l 1 4 1 4 m g l ，c o d 去除率 维持在9 2 2 - 9 6 8 之间，平均为9 4 9 。此外，在稳定运行期间，虽然系统出 水v f a 浓度在3 3 1 8 m g l - 5 1 4 6 m g l 之间波动，但系统仍可以保持稳定的高效 性，说明系统具有良好的缓冲能力和较强的耐冲击负荷能力。 ( 3 ) 在进行新膜的清水通量试验时发现，s d r a n m b r 的膜通量会随膜旋转 速度( 膜面剪切流速) 的升高而降低，故在考虑最大程度减轻膜污染的前提下， 应尽可能地采用低转速运行试验。在稳定运行期间，系统可以在相对较大的膜 通量和低t m p 下保持高效运行。 ( 4 ) 整个试验过程中膜过滤阻力较小，即膜污染进程较慢。当膜旋转速度 由1 0 0 r p m 提高到1 5 0 r p m 时，对应的膜过滤阻力仅从0 2 7 6 x 1 0 1 2 m - 1 增大至 摘要 1 1 5 2 1 0 1 2 r n 一。 ( 5 ) 在整个试验过程中，m l s s 、e p s 以及污泥粘度均随运行时问的增加 呈上升趋势，只有污泥颗粒粒径是随运行时间的增加和膜旋转速度的提高呈逐 渐减小的趋势，且粒径范围由宽变窄。 ( 6 ) 通过电镜扫描图片对比得知，膜过滤阻力主要是由泥饼层和膜孔堵塞 引起的。但膜表面泥饼层较薄，并不致密，且有多处孑l 洞，而膜断面上也仅有 少量的不规则的颗粒物存在。 关键词：浸没式厌氧膜生物反应器；双轴旋转膜组件；啤酒废水；污泥特性： 膜污染 i i a b s t r a c t a b s t r a c t s u b m e r g e dd o u b l e - s h a f tr o t a r ya n a e r o b i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( s d r a n m b r ) h a st h ea d v a n t a g e so fc o m p a c ts t r u c t u r e ，s m a l lf o o ta r e a , a n di ti ss u i t a b l ef o rd e a l i n g w i t hs o m eo r g a n i cw a s t e w a t e r 、析t l lh i g hc o n c e n t r a t i o n a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho fm e m b r a n eb i o r e a c t o ri sr e l a t i v e l yc o n c e n t r a t e do nt h e e x t e r n a l ( a e r o b i c ) m e m b r a n eb i o r e a c t o r , b e c a u s ec o m p a r e dt ot h e s et w ow a y so f m b r , t h er a t eo fm e m b r a n ep o l l u t i o no fs a n m b ri sf a s t e ra n dm o r ed i f f i c u l tt ob e c o n t r o l l e d i ti st h er e a s o n st h a tr e s t r i c tp e o p l e sr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no n s a n m b r t h i st e s te s p e c i a l l yd e s i g n e dt h es d r a n m b rf o rt h em e m b r a n ep o l l u t i o n p r o b l e mi nt h e a b o v e m e n t i o n e ds a i l m b rw h i c hi sn o te a s yt oc o n t r 0 1 t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h er e a c t o ri s r e v o l v i n g ( c o c u r r e n t ) t h em e m b r a n em o d u l e m o v e m e n t ，w h i c hc a nw e a k e nt h ec o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o na n dt h ef o r m a t i o no fg e l l a y e ro nt h em e m b r a n es u r f a c eb yt h et u r b u l e n tf l o wa n ds t a g g e r e df l o wf o r m a t t e d f r o ms p i nm o d u l e ，a tt h es a m et i m ei nt h er e a c t o ra l s oc a nf o r mar o t a t i n gt h r e e p h a s e f l o we f f e c t s ，s ot h a ti tc a ne f f e c t i v e l ys l o wd o w nt h ep r o c e s so fm e m b r a n ep o l l u t i o n a n de x t e n dt h es e r v i c el i f eo fm e m b r a n e t h er e s e a r c hi ss t u d i e dt h es t a r t u p c h a r a c t e r i s t i c s ，t h er e m o v a lr a t eo fc o da n di t si n f l u e n c ef a c t o r s ，a n t i - p o l l u t i o n p e r f o r m a n c ea n di m p a c t s t h a tt h es l u d g ec h a r a c t e r i s t i c sp r o d u c et om e m b r a n e p o l l u t i o ni nt h es d r a n m b rs y s t e m ，w h i c hi so p e r a t e db ye x p e r i m e n t s 谢t l la r t i f i c i a l b e e rw a s t e w a t e r t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es d r a n m b rs y s t e mc o m p l e t e dt h es t a r t u po fr e a c t o ra n ds l u d g e a c c l i m a t i o nj u s t2 0d a y si nt h ee x p e r i m e n ta tt h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r eo f3 2d e g r e e s a n dc o n s t a n th r to f2 4h o u r s ，w h i c hw a si n o c u l a t e db ya n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e t h er e m o v a lr a t eo fc o dc o u l db eu pt o91 a n dt h ea v e r a g er e m o v a lr a t ew a s 8 3 9 5 i na d d i t i o n ，t h es d r a n m b rs y s t e mh a st h ei m p a c tr e s i s t a n c eo ft h el o a d c a p a c i t ya n t ii m p u l s i o n l o a da n di th a d n ta c i d i f i c a t i o np h e n o m e n o ni nt h ep e r i o do f s l u d g ea c c l i m a t i o n ( 2 ) i nt h es t a b l eo p e r a t i o np h a s e ，s d r a n m b rh a sag o o de f f e c tf o rb e e r w a s t e w a t e r w h e nt h ec o dc o n c e n t r a t i o no fs y s t e mw a t e ri n l e tr a n g e sf r o m17 21 5 i i i a b s t r a c t t o2 2 6 9 9 m g lw i t ht h ea v e r a g eo f2 0 2 5 3 m g la n dt h ev o l u m el o a dr a n g e sf r o m2 0 7 k g c o d m 3 - dt o4 5 4k g c o d m 3 d ，t h ec o d c o n c e n t r a t i o no fe f f l u e n ti si nt h er a n g e o f6 5 7t o141 4 m g lw h o s ea v e r a g ei s101 6 m g la n dt h er e m o v a lr a t eo fc o d r e m a i n e df r o m9 2 2 t o9 6 8 诵ma a v e r a g eo f9 4 9 i na d d i t i o n ，i nt h es t a b l e o p e r a t i o np e r i o d ，a l t h o u g ht h ev f ac o n c e n t r a t i o no fs y s t e mw a t e ri n l e tf l u c t u a t e d f r o m3 31 8t o51 4 6 m g l ，t h es y s t e mc a ns t i l lm a i n t a i nas t e a d i l ye f f i c i e n t p e r f o r m a n c e ，w h i c hs h o w st h a tt h es y s t e mh a sag o o db u f f e rc a p a c i t y ( 3 ) i nw a t e rf l u xe x p e r i m e n tf o rn e wm e m b r a n e ，i tf o u n dm e m b r a n ef l u xo f s d r a n m b rf a l la st h er o t a t i o ns p e e do fm e m b r a n e ( m e m b r a n es u r f a c es h e a rf l o w r a t e ) i n c r e a s e s s oi nt h ep r e m i s eo fc o n s i d e r i n gr e d u c i n gm e m b r a n ep o l l u t i o n f u r t h e s t ，l o w - s p e e do p e r a t i o ns h o u l db eu s e da sf a ra sp o s s i b l e i nt h ep e r i o do fs t a b l e o p e r a t i o n ，t h es y s t e mc a nr u nw i t hs t e a d i l ye f f i c i e n tr e m o v a lu n d e rt h ec o n d i t i o n so f r e l a t i v e l yl a r g e rf l u xa n d l o wt m e ( 4 ) m e m b r a n ef i l t r a t i o nr e s i s t a n c ew a ss m a l la n dt h ep r o c e s so fm e m b r a n e p o l l u t i o nw a s s l o wt h r o u g h o u tt h ec o u r s eo ft h ee x p e r i m e n t c o r r e s p o n d i n g m e m b r a n ef i l t r a t i o nr e s i s t a n c ei u s ti n c r e a s e df r o m0 2 7 6 x 1 0 1 2t o1 1 5 2 x 1 0 1 2 m 1a s m e m b r a n er o t a t i o ns p e e dh e i g h t e n e df r o mlo o r p mt o15 0 r p m ( 5 ) t h r o u g h o u tt h ec o u r s eo ft h et r i a l ，m l s s ，e p sa n dt h ev i s c o s i t yo fs l u d g e w e r ea l lo nt h er i s ea st h ei n c r e a s eo fo p e r a t i n gt i m e ，b u ts l u d g ep a r t i c l es i z e g r a d u a l l yd e c r e a s e da n dp a r t i c l es i z er a n g en a r r o w e da st h ei n c r e a s eo ft r a v e lt i m e a n dm e m b r a n er o t a t i o ns p e e d ( 6 ) i tw a sk n o w nt h a tm e m b r a n ef i l t r a t i o nr e s i s t a n c em a i n l yc a u s e db yt h ef i l t e r c a k el a y e ra n dt h em e m b r a n eh o l eb yc o m p a r i n gt h es c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e i m a g eo ft h en e wm e m b r a n ea n dp o l l u t e dm e m b r a n e b u tt h em u d c a k el a y e rw a st h i n ， s p a r s ea n dm u l t i - h o l eo nt h es u r f a c eo fm e m b r a n ea n dt h e r ew e r eo n l yas m a l l n u m b e ro fi r r e g u l a rp a r t i c l e so nt h em e m b r a n es e c t i o n k e yw o r d s ：s u b m e r g e da n a e r o b i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ；d o u b l e s h 撕r o t a r y m e m b r a n em o d u l e ；b e e rw a s t e w a t e r ；s l u d g ec h a r a c t e r i s t i c s ；m e m b r a n ep o l l u t i o n i v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得直昌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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：挑字日期：脚，工月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌盍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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本 学位论文作者签名：影魄膨n 导师签名： 签字吼加吕钞月沪签字日期：0 2 吖年，工叫日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 膜生物反应器( m b r ) 的概述 1 1 1m b r 的产生及其特点 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2 0 世纪9 0 年代迅速发展的 一项既能控制污染又可以实现污水资源化的新兴水处理技术，是膜分离技术与 生物处理技术相结合的一种新型生化反应系统。一般由膜组件、加压泵和生物 反应器组成，用膜组件代替二沉池进行固液分离。由于膜能有效地将反应器内 生物量截留在反应器内，使得该工艺获得较长的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，使活性污泥的硝化能力增强，同时膜生 物反应器还可以实现泥水( 停留时间) 分离。另外还因其污染物去除效率高f 净化水质好、水质稳定和净化水宜于回用等特点，已成为国际上诸多科研机构 研究的热点i l j 。 传统生物处理如活性污泥法等虽在生活污水及工业废水处理中得到较广泛 的应用，但由于是采用重力式沉淀池作为处理出水和微生物的固液分离手段， 存在以下不足【2 j ： ( 1 ) 沉淀池分离效率不高，曝气池内的污泥难以维持到较高浓度，致使处 理装置容积负荷低，基建投资高，占地面积大，剩余污泥量大； ( 2 ) 污泥沉降性能较差，不仅后续污泥处置费用高，而且生物反应器内污 泥浓度低( 一般在2 0 0 0 m g l 左右) ，很大程度上限制了生物降解速率； ( 3 ) 水力停留时间( h r t ) 与污泥停留时间( s r t ) 相互依赖，提高容积 负荷与降低污泥负荷往往相互矛盾； ( 4 ) 易出现污泥膨胀现象，使出水水质不够理想且不稳定； ( 5 ) 氧转移效率低，能耗大； ( 6 ) 操作管理不方便。 针对上述问题，m b r 将分离工程中的膜技术应用于废水处理系统，提高了 泥水分离效率，并且由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌的出现， 提高了生化反应速度。池截留活性污泥法泥水混合液中的微生物絮体和较大分 子有机物，重新回流至生物反应器内，提高生物反应器中污泥浓度，极大地提 第1 章绪论 高了生物对有机物的降解速率，同时由于污泥的完全回流，使得那些世代时间 长的硝化细菌和反硝化细菌在生物反应器内得以繁殖，提高了系统对n h a - n 的 去除率。再者，由于部分膜生物反应器内采取不排泥的方式运行，从而使得反 应器内活性污泥停留时间趋于无限长。因此，对于废水中那些在短时间内难以 降解的有机物就可以获得较充足的降解时间，有助于提高系统的去除效率。综 上所述，该项技术具有如下特尉3 】： ( 1 ) 固液分离率高：混合液中微生物和废水中的悬浮物等大分子有机物不 能透过膜，从而对s s 去除率达9 0 以上【4 j ； ( 2 ) 出水水质好：用膜组件代替二沉池，可在水力停留时间( h i 玎) 很短而 污泥停留时间( s i 玎) 很长的工况下运行，c o d 的去除率高达9 5 以上1 5 j ，而且可 以去除细菌、病毒等； ( 3 ) 氨氮去除率高：膜组件的截留作用使得增殖缓慢的硝化菌富集在反应 器内，有较高的n h 3 - n 去除率； ( 4 ) 污泥发生量少：在限制基质条件下，反应器中的营养物质仅能维持微 生物的生存，则基质一定，反应器的微生物浓度一定，微生物主要靠异化作用 来分解污染物，理论上无需排泥，在一定条件下降低了污泥处置费用； ( 5 ) 耐冲击负荷：反应器的微生物浓度较高，在负荷较大波动的情况下， 系统的去除效果变化不大，出水水质稳定； ( 6 ) 结构简单：易于实现自动化操作，运行管理方便，占地空间省； 由此可见，传统工艺处理废水能力相对弱，不能满足日益恶化的污水水质 的处理；系统设备占地面积大，土地投资大：污泥排放量相对多；用于污泥处 理的投资大；工作人员的投入多，开支多；而膜生物反应器处理高浓度有机废 水能力强，适应日益严重的污水水质；占地面积小，土地投资少；污泥排放量 少，用于污泥处理的投资少；采用p l c 控制，自动化程度高，减少工作人员的 投入，从而节省开支。从水质上来看，在原水水质相对恶劣的情况下膜生物反 应器处理高浓度有机废水的出水水质在c o d 、b o d 、s s 的去除率上比其它系统 更优越，有的甚至达到了零排放标准；应用m b r 处理工艺流程比较简单，从而 大大减少了占地面积 6 1 。因此m b r 应用于处理高浓度有机废水是具有十分好的 前景。 2 第1 章绪论 1 1 2m b r 的分类 膜与生物反应器各自具有多样性，因此膜生物反应器的种类也是多样的。 从生物反应器角度来考虑，依据微生物生长环境的不同分为好氧和厌氧两大类； 根据膜过滤时驱动方式的不同分为加压和抽吸式两大类；膜生物反应器的核心 部件是膜组件，从材料上可以分为有机膜和无机膜两大类；从构型上可以分为 管式、平板式、螺旋卷式、毛细管式和中空纤维式；按生物系统与膜过滤系统 组合方式可分为分置式膜生物反应器和一体式膜生物反应器；按照生物反应器 与膜单元结合的方式不同，膜生物反应器可分为三大类【7 】：用于固液分离及固 体物质循环的膜生物反应器。膜生物膜反应器，该技术关键在于在膜表面产 生无气泡曝气作用，从而增加氧的转移速率和效率。萃取膜生物反应器，采 用选择透过膜将污水与生物反应器隔开，该膜只允许目标污染物通过，进入膜 生物反应器被降解，而各种对微生物有害的物质不进入反应器危害微生物的代 谢活动，主要用于处理有毒工业废水【8 l ；按生物反应器形式不同又可分为膜一活 性污泥反应器( a s r ) ，膜一生物膜反应器( b r ) 与膜一组合反应器( h r ) ：国 外还将膜生物反应器分为r a m b 系统( 生酸膜反应器回收系统) ，m f m b 系统 ( 单相产甲烷系统) ，t o m b 系统( 完全氧化处理系统) 和s c m b 系统( 好氧分 离浓缩处理系统) 【9 1 2 l 。以下分别重点比较介绍分置式、一体式膜生物反应器及 厌氧、好氧膜生物反应器两大类反应器。 ( 1 ) 分置式膜生物反应器 分置式膜生物反应器又叫错流式膜生物反应器，简称c m b r ，其工艺流程 如图2 所示，分置式m b r 是指膜组件与生物反应器分开设置，膜组件在生物反 应器的外部，生物反应器反应后的混合液进入膜组件分离，分离后的清水流出， 污泥回流到反应器中继续参加反应。分置式的特点是：由于膜组件自成体系， 因此组装灵活，易于调控，运行稳定可靠，操作管理方便；膜易于清洗、更 换、增设；有利于建成大规模的工业化系统；分置式m b r 存在动力消耗大、 系统运行费用高的问题；可在膜组件的承受压力范围内最大限度的增大透水 率；污泥回流是造成系统运行费用高的主要因素，为了减少污泥在膜表面的 沉积，循环泵提供的水流流速都很高，但泵的回流造成的剪切力可能影响微生 物的活性【l3 1 。在分置式m b r 工艺中，一般采用平板式、管式膜组件，泵采用压 力式驱动方式。目前已经大规模应用的膜生物反应器大多数采用分置式，但其 动力消耗费用过高，每吨出水的能耗为2 1 0 k w h 1 4 】，约为传统活性污泥法能耗 3 第1 章绪论 的1 0 2 0 倍1 1 5 】，因此能耗较低的一体式膜生物反应器的研究将逐渐得到人们的重 视。 1 鼓空气曝气2 进水3 生物反应器4 浓缩液5 透过液出水6 膜组件7 加压泵 图1 1分置式膜生物反应器( c m b r ) 示意图 f i g 1 1 m o u n t e dc y l i n d e rt y p em e m b r a n eb i o r e a c t o r ( 2 ) 一体式膜生物反应器 一体式m b r 是将膜组件直接放置在生物反应器中，通过泵的负压抽吸作用 得到膜过滤出水。由于膜浸没在反应器的混合液中，称为浸没式( i m m e r s e d ) 或淹 式( s u b m e r g e d ) m b r | 1 6 】。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。一体式膜生物反应器又叫浸没式膜生物反应器，即s m b r 。其示意 图见图3 ，膜组件直接置入反应器内，通过泵抽吸作用得到过滤液，膜表面错流 由空气搅动产生。 一体式膜生物反应器又分为两种，一种是转盘式，即在生物处理槽内设置 中空轴及圆板状膜，通过中空轴的旋转使安装在轴上的膜也随之转动，利于防 止膜污染，另一种是浸没式，即将膜组件直接放入曝气池内，膜出水靠真空泵 抽吸来实现或利用液位差作为出水动力。 一体式膜生物反应器的特点：由于曝气作用使混合液随水流向上流动， 在膜表面产生剪切力以减少膜污染；一体式膜生物反应器结构紧凑，体积小， 占地面积少，整体性强；工作压力小，无需循环泵，大大减少了动力费用， 一体式膜生物反应器单位产水不到2 k w h m 3 ，减少膜面污染，延长运行周期， 提高膜使用寿命；但在运行稳定性、操作管理和清洗更换上来说不及分置式 膜生物反应器，且膜面流速低，水通量小；一体式膜生物反应器由于不使用 加压泵，可避免微生物菌体受到剪切力而失活。 4 第1 章绪论 4 1 鼓空气曝气2 进水3 透过液出水4 出水5 恒流泵6 生物反应器7 膜组件 图1 2 一体式膜生物反应器( s m b r ) 示意图 f i g 1 2s u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r c a c t o r ( 3 ) 好氧膜生物反应器 对膜生物反应器的研究就是从好氧膜生物反应器开始的，它的生物处理单 元通常使用活性污泥法，也有采用生物接触氧化法的，氧的提供采用底部微孔 管鼓空气曝气，也可采用射流曝气，后者比前者更加节约能量，试验表明好氧 膜生物反应器中d o 不足时，会影响到生物单元中微生物酶的活性，同时易形成 浓差极化，加重后续膜处理单元的膜污染，一般控制d o 在4 6 r a g l ，尤其对脱 氮除磷系统，d o 是限制硝化细菌与反硝化细菌生长的主要因素。 好氧膜生物反应器在运行过程中不产生臭味，反应条件易于控制，操作管 理方便，运行稳定且适用于c o d 负荷不是太高的废水，目前采用好氧膜生物反 应器用于城市污水，染料污水，石油废水等的试验研究。 ( 4 ) 厌氧膜生物反应器 厌氧技术尽管出现较早，却没有像好氧技术那样应用普遍，尤其在高浓度 污水的治理方面。由于好氧过程能耗较大，运转费用高，近年来人们开始重新 考虑厌氧技术在处理污水中的应用。厌氧膜生物反应器研究最早始于1 9 7 8 年， 利用厌氧硝化池膜系统处理生活污水，获得c o d ，n h 3 - n 的去除率分别是9 0 和7 5 。它的生物处理单元通常采用u a s b ，固定床，流动床，两相式等等， 厌氧膜生物反应器抗冲击能力强，适用于水量小，浓度高的废水。厌氧膜生物 反应器不需曝气，与好氧式相比可节约能耗，且产气中甲烷含量高，能回收利 用生物资源，但厌氧膜生物反应器运行条件需严格控制。 管运涛等【1 7 1 8 】就曾采用两相式厌氧膜生物反应器处理有机废水和造纸废 5 第1 章绪论 水，其工艺技术路线是产酸反应器+ 膜分离单元+ 产甲烷反应器，产酸反应器与 产甲烷反应器置于3 5 左右的恒温箱内，膜分离单元在常温下运行，取得c o d ， s s 去除率均在9 0 以上的效果。 1 1 3m b r 的研究进展 膜生物反应器由于它的独特的优点，近年来成为国内外的研究热点，对膜 生物反应器的研究主要有四个方面：一是扩大膜生物反应器的适用范围，拓宽 膜生物反应器的处理对象；二是对膜生物反应器操作条件和稳定运行条件进行 研究，使得膜生物反应器不但在最佳条件下运行，取得良好的处理效果，而且 减轻膜的堵塞程度，延长膜寿命，降低成本；三是对膜生物反应器理论进行研 究，深入探讨膜生物反应器去除污染物的机理；四是研究开发新型的生物反应 器系统，降低能耗，提高出水水质。 ( 1 ) 膜生物反应器适用范围的研究 膜生物反应器的研究始于二十世纪六十年代，美国的s m i t h 用它来处理城市 污水【1 9 】，同年进行了膜生物反应器处理生活污水的研究，并申报了专利，但由 于当时膜技术还不发达，膜品种较少，性能差，寿命短，制约了该技术的研究 与利用。7 0 年代初期，好氧分离式m b r 处理城市污水试验规模进一步扩大，日 本1 9 8 5 开始的“水综合再生利用系统9 0 年代计划”使膜生物反应器在污水处理对 象和处理规模上都向前推进了一大步，在该项计划中研制了处理7 类污水的膜 生物反应器系统，包括酒精发酵废水处理系统，造纸厂废水处理系统，淀粉工 厂废水处理系统，油脂蛋白工厂废水处理系统，大、小规模城市污水处理系统 和屎尿处理系统【2 0 1 ，并且美、法、德和澳大利亚等发达国家投入大量资金用于 该项技术的研究和开发【2 l 】。进入九十年代，随着膜分离技术的飞速发展，膜生 物反应器的研究也全面铺开，许多专家学者采用膜生物反应器分别对制革废水 2 2 】，酿造废水【6 1 、毛纺废水1 2 3 1 、印染废水1 2 4 1 、高浓度氨氮废水【2 5 】、含大量油脂 及重金属废水【2 6 1 ，进行了试验研究。 我国对膜生物反应器的研究起步较晚，始于上个世纪九十年代用中空纤维 超滤膜处理印钞厂擦板液的研究【2 7 1 ，1 9 9 5 年，中科院生态研究中心樊耀波将 m b r 工艺用于石油化工污水净化的研究，研制出一套试验室规模的好氧分离式 m b r ，该系统对石油化工污水中的c o d c ，b o d 5 ，s s ，浊度，石油类的去除率 分别为7 8 9 8 ，9 6 9 9 ，7 4 9 9 ，9 8 1 0 0 ，8 7 。后来，采用膜生物 6 第1 章绪论 反应器分别对生活污水【2 8 】，高浓度有机废水【2 9 】，港i z l 污水1 3 0 1 ，食品废水【3 i 】，丙 烯腈废水【3 2 1 ，医药废水【3 3 】，造纸废水3 4 1 ，巴西基酸生产废水【3 5 】，洗浴污水【3 6 】3 6 ， 毛纺废水【3 7 】，啤酒废水【3 8 】，进行了试验研究，出水水质好，效果理想。 ( 2 ) 膜生物反应器操作和稳定运行条件的研究 膜材料的选取 因膜的材料不同，膜分为有机膜和无机膜两种。常用的有机膜材料主要包括 聚砜( p s ) 、聚醚砜( p e s ) 、聚丙烯腈( p a n ) 、聚偏氟乙烯( p v d f ) 、聚乙烯( p e ) 、 聚丙烯( p p ) 等。无机膜主要以金属及金属氧化物、陶瓷等为材料。无机膜可 以克服有机膜的某些缺陷，化学稳定性好、机械性能优异、水能量大、不易污 染、易清洗等。目前国外已研制出一些无机管式膜【3 9 】。虽然目前主要还存在制 造成本高、能耗高等问题，但考虑到m b r 系统运行的综合效益，无机膜比有机 膜仍具有优越性【4 0 1 。 膜结构的选择 膜的结构可分为对称膜和不对称膜，目前选用较多的是不对称膜；较早出 现的对称膜组件，两侧是致密的分离层，中间是疏松多孔的支撑层，污染物质 可能通过一侧致密层，却可能被另一侧的致密层阻挡，造成膜孔道的堵塞，所 以一般来讲，不对称的膜组件较对称的膜组件更具抗污染特性。此外，膜孔径 大小，膜的截割分子量大小，膜的孔径分布，膜材料的不同等都是影响膜污染 程度的重要因素。 膜组件 目前应用于m b r 技术的膜组件主要有中空纤维膜和管式膜2 种，其中淹没 式膜生物反应器多应用中空纤维膜组件，由膜丝两端抽吸出水，而分置式膜生 物反应器多采用管式膜组件。管式膜组件逐步具有液体力学条件好、不易堵塞、 容易清洗和对料液预处理要求低等特点，非常适合用于污水处理，缺点是造价 高。中空纤维膜的特点是装填密度高、造价低、耐压性好，缺点是易堵塞、阻 力损失大。在实际应用中大多使用的是外压式m b r ，这是因为内压式反应器流 道较小，容易被污泥颗粒堵塞。别外膜组件长度也是影响膜透水率的因素之一， 利用公式x ( t ) = ( 一9 8 1 6 6 r 一7 4 7 6 6 l + 6 7 7 2 6 ) d u 来确定最佳膜组件长度，使 得膜利用效率最高，且最省能【4 1 1 。 有机负荷 生物反应器中污泥的有机负荷和污泥浓度m l s s 设计的大一些，生物反应 7 第1 章绪论 器的容积就可以小一些，同时这2 个参数数值的大小也影响处理效果。就c a s s 而言一般不采用高负荷而采用常负荷，即污泥负荷一般 o 5 k g b o d f l k g m l s s d ，m b r 的有机负荷一般 邑赫鬣求n工 、曷暑一n工 第3 章试验结果与分析 图3 8 启动试验期间，系统进水氨氮和出水氨氮随运行时间的变化情况 f i g 3 8v a r i a t i o no fi n f l u e n tn h ：- na n de f f l u e n tn h ：一nw i t hr u n n i n gt i m ei ns y s t e md u r i n g s t a r t i n gt e s t 运行时同d 图3 9 启动试验期间，系统进水总磷和出水总磷随运行时间的变化情况 f i g 3 9v a r i a t i o no fi n f l u e n tt pa n d e f f l u e n tt pw i t hr u n n i n gt i m ei ns y s t e md u r i n gs t a r t i n gt e s t 由图3 7 可知，反应器进水总氮浓度2 5 4 3 3 5 7 3 m g l 左右，其出水总氮浓 度2 2 9 6 - - 3 0 7 2 m g l 之间，总氮去除率在8 9 7 1 6 1 6 ，平均值为1 3 8 2 ，最 大去除率为1 6 1 6 。由此可见，厌氧膜生物反应器对总氮去除率很低，可认为 该工艺不具有脱氮功能。而本次试验中能够去除少量的氮的原因可能是，反应 器内厌氧微生物菌群在繁殖代谢时，利用系统中的氮元素作为营养物质，从而 达到合成新细胞的目的。从整个运行过程来看，系统在运行的第4 - - 6 天及1 2 3 5 第3 章试验结果与分析 1 6 天的两个时间段对氮的去除率相对比较高，也较其他时段稳定，很有可能是 系统内微生物正处于生长旺盛期。 对于氨氮来说，从图3 8 可知，系统出水氨氮浓度( 1 2 9 5 2 0 7 3 m g l ) 要 高于进水浓度( 1 1 4 1 1 8 7 4 m g l ) ，表明系统内有部分有机氮通过氨化细菌的 代谢作用生成了氨氮。另一方面，由于整个反应器都是密闭的，系统内部基本 上处于厌氧或缺氧环境，因此系统内没有足够的氧进行硝化反应，最终导致出 水氨氮浓度高于进水的浓度。 对于总磷来说，其大致情况基本上与氨氮是相似的。我们通过图3 9 可知， 系统出水总磷浓度( 4 1 5 - 8 7 6 m g l ) 也要高于进水总磷浓度( 3 4 6 - 7 7 5 m g l ) ， 这个现象也正好证实了厌氧释磷的说法。 3 1 2 结论 ( 1 ) 在不改变反应器温度( 3 2 ) 及水力停留时间( h i 玎) 的条件下，以 厌氧颗粒污泥为接种污泥，仅用2 0 天即可完成反应器的启动和污泥驯化的成熟。 由此可见本试验所选的s d r a n m b r 相比传统的厌氧生物反应器具有明显的优 势。与此同时，s d r a n m b r 经过后阶段( 1 0 天) 的运行，c o d 平均去除率可 达8 3 9 5 。在第1 9 天时，容积负荷为1 6 3 5 k g c o d m 3 d ，m l s s 由接种时的 1 1 3 9 l 增加至1 4 5g l ，而且v s s m l s s 也由初期的0 4 3 8 提高到0 5 8 5 。 ( 2 ) 此s d r a n m b r 系统的耐冲击负荷能力强。对有机物污染物( c o d ) 具有较高的去除率，最高为9 1 。在整个启动试验过程中，反应器运行稳定， 未发生酸化现象。 ( 3 ) 研究表明，在反应器启动阶段，反应器出水的碱度范围保持在9 8 3 8 1 6 0 4 m g l 之间；出水v f a 在2 8 8 5 - 3 5 6 3 m g l 范围内；出水碱度八，f a 在3 2 6 - 4 9 4 之间：当系统进水p h 值在6 5 7 5 范围内波动时，改成p h 值不会影响系统 内c o d 的去除率。当系统出水p h 在7 0 左右时，处理效果最佳，c o d 去除率 稳定在9 0 左右。 ( 4 ) 在污泥驯化及反应器的启动过程中，s d r a n m b r 系统对t n 的去除效 果较差。总氮去除率平均值为1 3 8 2 。由此说明该反应器不具备脱氮的工艺特 点。另外，系统出水氨氮浓度( 1 2 9 5 一2 0 7 3 m g l ) 高于进水氨氮浓度( 1 1 4 1 - - 1 8 7 4 m g l ) ，表明有机氮在厌氧m b r 内发生了氨化反应。同时反应器内出水总 磷浓度( 4 1 5 - - 8 7 6 m g l ) 也高于进水总磷浓度( 3 1 4 6 - - - , 7 7 5 m g l ) 。因此，系 第3 章试验结果与分析 统出水还有部分指标不够理想，故对系统出水还须做进一步处理，即进行脱氮 除磷。 由以上试验结果可知，在污泥驯化和反应器启动试验过程中，s d r a n m b r 具有以下特点： ( 1 ) s d r a n m b r 启动速度快。启动反应器仅需要2 0 天，同时还完成了污 泥的驯化。相比常规厌氧生物反应器要短很多。 ( 2 ) s d r a n m b r 系统的耐冲击负荷能力强。系统运行短短的2 0 天内，容 积负荷就改变了三次，但是反