（环境工程专业论文）曝气膜生物反应器处理模拟生活污水研究.pdf

硕士论文曝气膜生物反应器处理模拟生活污水研究 ab s t r 8 c t m emb “ 旧 ea 曰 旧 t i on b io fi 加 re actor ( m a b r) fo r the 讹a t m ent of s 加ul at e d d o m e s t i cw ast e w aterw as s tu d 1 ed h e r ein l a bor 田 o ry sc al e . ma b r i sanovel co m b i n a t l o nw aste w a l e r t re a l m ent p “ 沁 e s s ， w h e r eg as 一 伴 n n e a b l em emb r ane sare a p p l i e d toa e r a t l o n . ma b ri s c h ar a c t e ri z e dbybub b l e l e s s a e r at i o n and s p eci alb i o fi l m a 让 超 h e don the a e r a t ed mem b r an eb u b b l e l e s s ae n 戒 i o np r o v i d e s ahi gh o x y g en t r 田 妞 fer r a1 leandh as apote ni 泪 in tr e a t! n e n tof hi gh si r e n gth w as te w a 1 e ror 节 注 比 t e w at e r con tai垃 ngvol atileo rg 硕c su b 引 泊 刀 c es . t b e 而的 . 脚m ushou o wfi be r m e m b 在 in e m a d e bypol ypr o p y l e n e a o is asbi o fi lin c 出 石 eraswel l asbubbl e l e s s 别 沈 a t i o n d e v i ce. i tss p 戈 i alc har a c t e r o f t r 田 ” m i s s i on l i e s inth at ， d u e tog 限 a t conce n t ra t i o n 脚 d i e n t o f d i s sol ved o x y g e n and s ubs 往 口 沈而 st in g ins i debi。 一 film， n u t ri ti on andoxy g e n c o uld pen e t r a l ein t o bio fi lin fromo p posi tesi de o fm e m b r ane . 们l i sc h a 比 ic t e rfa v o rs to 朋hi e v in gs i m u 1 t a n e 0 us ni trifi c at i o nadd d e ni trification ( s n d ). t 七 e removal e ffic i enc yo f n h 3 一， i n， c o dandti 叮 b i d i ty、 v a s d e t e n n l n e d . t h e co讹s pondi n g bestr e 。 o v aie ffic i enc y o f n h ， 一， t n ， c o dand tu r b l di tyo b ta in e d 哪 7 9 2 9 %， 7 1 . 2 9 %， 7 7 石 5 %即d 9 3 .6 8 %. the re s u lts s h o wt h a t t h e p ar aj 刀 e l e r s suc has dis sol v e d oxy g en ( d o ) ， 口 t i o o f ul trog e n ( c /n) ， f im， 访幻 uenic o n c e d t r a t i 叽 p hand p r e s s u 比 e ofaer at i o n h a v e an linp o 比 犯t e 月 免 c t o nth e performa n c e ofm 人 b r-the bes t e ffi c i en c y o f sndcan bea c hi e v ed， 明 七 e n th e fo l l o 诫n g c o n d it i o nswereij 旧 七 d : d o con c e ni r ati on， 1 .om g /l; p h ， neu t r a 】 l tyora lk a l e s cen ce ; c 加， 4 5 . t h e t n 。 v a l e ffic i enc y l n c r e ase s d u n n g e nhanc i n g f / m. k eyw 心 rds : m e m b ran e a e r a t i onb io fi lmr e ac to r (ma b r); b u b b l e l e s s aerati on; s i m u l ta n e ous ni trifi c at i o n and d eni trifi c atio n ( s n d ) ; 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在 本学 位论文中， 除了 加以 标注和致谢的部分外， 不 包含其他人己 经发 表或公布过的 研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研 。 名 : 唾查 沙 夕 年 加帕 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅 或上网公 布本学位论文的 部分或全部内 容， 可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、 借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 。签 名 二 婆 霆 唱 呵年 夕 ” 翻 硕 士论 文.气膜生物反应器处理模拟生活污水研究 绪论 随着社会经济的发展和人口的增长，水资源短缺己经成为一个全球化的问 题， 而我国的 缺水形势尤 其严峻。 我国 人均水资 源量只相当 于世界人均水资 源量 的 1 14，是世界人均水资源极少的13 个国家之一。在全国印0多座城市中， 有近 4 0 0 座城市缺水，其中严重缺水的城市达 1 30 多个。与此同时，水环境污染日趋 严重。全国7 大重点流域地表水有机污染严重，主要是湖泊富营养化问题突出。 尤其近年来， 随着社会经济的快速发展， 工农业用水需求量迅速增长， 水资源浪 费 及污 染问 题日 趋严 重， 使我国 水资源短缺问 题更加突出。 近年来， 在水污染防治方面我们国家虽己做了许多工作， 但水资源污染的局 面仍日 趋严重，受污染水源的范围日益扩大。 当前，我国人口增长势头虽然有所 减慢， 但人口总数却在不断增加， 同时在全国工农业生产的快速发展中， 为了经 济的发展许多地区都有意或无意地采取了牺牲环境的行为。 尽管这种行为己经得 到了一定程度的有效控制， 但是要想使已经受到污染和正在受到污染的水源在短 期内完全恢复其原来的水质是不可能的. 我国淡水资源本来就十分紧缺， 在这种 背景下， 我国绝大多数的自来水厂都面临着采用新技术来处理受污染的水源，以 便能继续为人 们的生活与生 产提供合格用水 111 。 在 20 世纪初，饮用水净化技术已基本形成了现在被人们普遍称之为常规处 理工艺的处理方法，即:混凝、 沉淀或澄清、过滤和消毒。这种常规的处理工艺 至今仍是目前饮用水处理的主要工艺。 但是，随着工业的发展， 水中有害物质的 增多，水质的日益恶化:同时， 随着水质分析技术的逐渐改进，水中能够测得的 微量污染物质的种类也在不断增加， 常规水处理工艺在应用时遇到了新问题。 因 此， 常规的饮用水处理工艺已不能与现有的水源和水质标准相适应， 必须开发新 的水处理技术 121 。 污水处理技术随着社会的需求在不断发展、改善和进步。 从最初简单的沉淀 工艺和最原始的 滴滤池， 发展到后来的活 性污泥法和生物膜法。 在现代的处理 工 艺中， 又 将这些工艺 不断改进和创新。 针对传统的 活性污泥法 和生 物膜处理 废水 的不足，膜生物反应器成为研究的热点。 l l 膜生物反应器 膜生物反应 器( m e m b r ane hi ol ogi cal re a c t o r， m b r)是 将膜分离技术与 生物处理 技术相结合而 成的 一种新型、 高效的污水处理 技术。 通常所说的膜生 物反应器多 指膜分离生物反应器，即将膜分离技术应用于废水处理系统的工艺实现形式， 取 硕 士 论 文曝气膜生物反应器处理模拟生活污水研究 代二沉池， 减小了 设备尺寸， 可提高泥水分离效 率和生 化反应速率。 它的 研究 迄 今已逾 30 年了，其商业应用也有 20 年的历史了。 l l i 膜生物反应器的 分类 膜生物反应器的 研究开始于20 世纪60 年代 末。 在 水处理中 应用膜生物反 应器最早可以追溯到1966 年美国的do rr-oliver 公司把活性污泥法和超滤工艺相 接合处理生活污 水的 研究13 。 膜生 物反 应器能 够有效地 延长污泥固体 停留时间， 增加污泥浓度， 随即引起了水处理领域学者的广泛关注。 根据膜组件在膜生物反 应器中的作用，可以将膜生物反应器分为以下的 3 类。 ( 1) 膜曝气生 物反应器 ( meln b r ane a er a t i o n bi o fil m re a c t o r ， m a b r ) 它是利用透气 膜进行曝气供 氧的 一种污水生物处理 新工艺。由 于采 用的 透气 膜一般为微孔疏水有机膜或致密硅橡胶膜， 在保持 气体分压低于泡点 ( (b ubbl e point) 的 情况 下， 空气或纯 氧可以 极小的 气泡甚至无泡的形式进 入水体中，可以 获得很高的 氧利用率。 另一方面， 透气膜也是生物膜附 着生长的良 好载体。 由 于 传递的气体含在膜系统中， 提高了接触时间， 极大地提高了传氧效率， 氧利用率 可接近100 %。氧和营养物分别从生物膜的两侧在浓差、吸附等作用下进入到生 物膜内， 而对于常规的生物膜体系， 氧和营养物是从膜的同一侧进入膜内。这是 ma b r 生物膜系统传质的特殊之处。 ma b r 的生物膜具有了独特的微生物菌落分 层结构和污水处理功能， 在单一生物膜上来完成废水中污染物的有机碳氧化、 硝 化和反硝化。因此， 在m a b r 中，空气或纯氧通过透气膜为附着在其上的生物膜 提供无泡曝气， 同时透气膜上的生物膜与污水充分接触， 可实现高效低耗降解污 水中污染物的目的. ( 2 ) 萃取膜生物反应器 ( e x t r a c t i v e mem b ra n e b i o l o gi c al re a c 协 r ， e m b r) 结合膜萃取和生物降解，将有毒工业污水中有毒的，溶解性差的污染物优先 从废水中萃取出来， 然后用专性菌对其进行单独的降解， 从而使得专性菌不受原 废水的离 子浓度和p h 值的 影响， 生物反应器的功能得 到了 优化。 适合废水中酸 碱度高、 盐浓度高，含有有毒生物难降解有机物或者是含挥发性物质的情况。由 于基建费用高，目前尚无实际规模的应用. ( 3 )固液分离膜生物反应器( so l i d- li quldsepa r a t i o nm e m b r aneb i of o gi c al re a c t o f) 这种 膜生 物反应器是3 种膜生物反应器中 应用和研究最广的， 一 般提到 膜生 物反应器几乎都是指这种固液分离膜生物反应器。 它是用微滤或者超滤膜组件进 行固液分离， 替代了原活性污泥法中的二沉池的作用， 而且出水水质 良好且稳定。 而且，由于不 存在二沉池，实 现水力停留时间( hyd ra u l i c r et e ntiont 如e， h r t ) 和污 硕 士 论 文曝气膜生物反应器处理模拟生活污水研究 泥 停留 时 间 ( sl u d gerete ni iont加 e ， s r r ) 的 分 离 ， 使 运 行 条 件 更 加 灵 活 控 制。 生 物 反 应器内可以 保持很高的 微生物量， 容 积负 荷高，占 地面积小. 另 外， 容易实 现 自 动控制， 管理方便也是 其一 大优点。 存在的不 足: 第一， 在 运行 过程中， 膜易 受到污染， 导致出水量降 低， 给 操作管理带来困 难; 第二， 膜材料成 本较高; 第 三， 由于需要提供过量的气泡来防止膜污染的出现， 加之膜组件出水需要抽吸等 外压作用，因此能耗也较高。 l l .2膜材料 在某种推动力作用下，选择性的让混合物中的某种组分透过， 而保留其它组 分的 薄层材料都 可以认为是 膜. 根据不同的 分类标准对膜材料有下 列的 分类。 ( 1 ) 按膜分离孔径的大小可以分为微滤( 而ctdfil tl a t i 叽 m f ) 膜、超滤 ( ul tzafi l tr a t i o n ， u f ) 膜、 纳滤( nano fi l t rati o 几nf) 膜和反渗透膜( re v e rse o smo si s ， r o ) 膜。 ( 2 ) 按膜的 材质， 可分为 有机膜和无机膜两大类。 有机膜采用高分子合成 材料，种类繁多。 常用的高分子膜材料包括纤维素类，聚矾类、 聚酞胺类、芳香 杂环类、 聚烯烃类、 含氟高分子等。制造成本相对便宜，应用范围较广。缺点有 易污染，寿命短等。无机膜包括陶瓷膜、微孔玻璃、金属膜等。相对于有机膜， 无机膜的优点是化学性质稳定， 耐污染， 耐高温， 耐酸碱， 机械强度高， 寿命长。 但制造成本较高，限制了其广泛应用. ( 3 )按膜的结构，可分为对称膜和不对称膜两类。对称膜可分为致密膜或 者微孔 膜， 其膜截面方向上 ( 即 渗透方向 ) 的结构是均匀的。 非 对称膜相反， 膜截 面方向结构是非对称的， 其表面为极薄的， 起分离作用的致密表皮层， 或者有一 定孔径的细孔表皮层，皮层下面是多孔的支撑层。 (4) 按膜的分离机理，可分为多 孔膜、 致密膜和离子交换膜等。 (5) 按 膜的物态，有固膜、 液膜和 气膜三 类。目 前大规模工业应 用的多为 固膜，液膜已经有小规模的工业应用，气膜尚处于实验室研究阶段. l z 膜曝气生物反应器 ( m ab r ) 1 .2.i m a b r的基本原理 m a b r采用透气性致密 膜( 如 硅橡胶膜) 或微孔膜( 如 疏水性聚合 物膜) ， 通过 膜腔体供氧， 在保持气体分压低于 泡点 ( bobblepoi n t )的 情况下， 可实 现向生物 反应器的无泡 曝气; 并且以 膜为 载体生长高生物活性的生物 膜， 在单 一生物膜上 硕士论文吸气膜生物反应器处理模拟生活污水研究 来完成废水中污染 物的 有机碳氧化、 硝化和反硝化。 m a b r工艺采用透气性膜 直接供给高纯氧， 如图1 . 1、 图1 . 2 所示，由 于传递的 气体含在膜系统中， 传质 阻力小， 因 此提高了 接 触时间，极大地提高了 传氧效 率， 氧利用率可接 近 10 0 %， 是传统曝气的5 刀 倍。同时由 于在曝 气过程中不产 生气泡， 可以 避免 在供氧过 程中 产生泡沫并带出 水中的 挥发性有 机物。 在m a b r中 ，用于 氧传质的 膜也通 常在膜/ 液界面为生物膜提供附着生长的支撑载体。附着生长有生物膜的膜与氧 源接触紧密，氧在界面上直接传递并在生物膜内被利用。 在这样的生物膜里，从 膜来的氧气和通过生物膜的主体料液 中的污染底物以相反的方向流动 ( 见图 1 . 2) 。由于在生物膜中氧和底物浓度的最大值出现在不同的位置以及 ma b r中 生物膜的相对厚度不同，所以 在生物膜中存在明显的分层现象。 生物膜的分层使 之能够去除不止一种类型的污染物。在膜/ 生物膜界面附近的高氧浓度和低的有 机碳浓度促使了硝化反应的发生，此层上面的好氧层中易于进行有机碳氧化反 应，而在生物膜一液体界面附近存在的厌氧层却维持着反硝化反应的进行。 因此， 在 m 叭b r中， 可以同时实现硝化反应、反硝化反应和异氧氧化反应。 斗2 。 目 一一 - 书 . 口 一一一一一一一朋 1 图1 . i ma b r 示意图 1 一 膜组件:2 一 ma b r 对于附着在一般载体上传统的生物膜，溶解氧由表及里浓度逐渐降低，相应 生长着好 氧微生物、 兼性微生 物和厌氧微生 物。 而对于m a b r 生物膜， 好氧微生 物富集在生物膜/ 透气膜介面，溶解氧从里往外降低。当供氧条件控制得当时， 反应器处于缺氧或者厌氧状态， 生物膜最外层可以生长厌氧微生物，即相对于常 规生物膜， 好氧层和厌氧层相对位置发生反转。 这样的反转使得m 叭b r 生物膜的 微环境有利于进行硝化反应。由于硝化菌的生长速率远低于好氧异氧菌， 对于滴 滤池等传统生 物膜工 艺，只有当 b o d 浓度低于一 定值时硝化菌才能占 优势， 而 低b o d 的条件又会限制反硝化菌的活性， 从而影响系统的脱氮效果。 对于m 人 b r， 在紧靠透气膜载体表 面的生物 膜底层 溶解氧 浓度最 大， 有机物的浓 度经过外 侧生 物膜的 降解后降 低， 适宜发生 硝化反 应: 外层微溶解氧或无氧环境、 充 足的 有机 硕 士论 文曝气膜生物反应器处理模拟生活污水研究 碳源可以满足反硝化的需要，这两个过程的结合可以完成脱氮的全过程。 ( 厌氧领域二 反硝化领域) ( 好氧领域二 硝化领域) 图1 .zma b r 原理示意图 污水中的氮以有机氮、氨氮和氧化态氮三种形式存在。通常所说的凯式氮指 的是有机氮和氨氮两部分之和，凯式氮和氧化态氮构成了污水中的总氮( t n ) 。 对于一般的城市污水，氨氮与总氮的比值大约是0.8 。城市污水的氮的来源是多 方面的，有生活污水中含有的人体食物中蛋白质的代谢产物，也有焦化、化肥、 石化和制药等工业排放的工业废水. 硝化作用: 氨氮在有氧 存在的情 况下被微生 物氧化为亚 硝酸盐， 并进一步被 氧化为硝酸盐， 这一过程被称为生物硝化过程; 亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌。 ( 1) 氨氧化为亚硝酸的过程氨氧化细菌首先在氨氮加氧酶( a mo) 的作用下 将氨氮氧化为 n h 2 0 h 和h z o ， 此过程中的 2 个外源电子 来自 于后续的轻胺 氧化， 通过细胞色素c( c ytc) 和辅酶q (co q ) ，由轻 胺氧化还原酶( h a o ) 传递给 氨单加 氧 酶( a m o)。 n h 2 0 h 氧 化为 n 伍一 是在轻胺氧化 还原酶( h a o)作用下进行的。 a m o 是一种膜整合蛋白 ，而 h a o 存在于周 质中 141 。 ( 2) 亚硝酸盐 氧化为硝酸盐的过 程亚 硝酸氧化菌将 n oz- 氧化为 n 伪一 ，产生 a r p 和 n a d h ，并 通过卡尔文循环固定 c 伍， 原子示踪实验证明 亚硝酸盐好氧氧 化过程中， 产物硝酸盐中的 氧原子 来自 于水。亚硝酸氧化酶(no r)位于细胞的 呼吸颗粒上，与膜紧密结合，因为能量的需要， 参与此过程的细胞色素不是c 型， 而是 a 型(cyta 和c y t a 3 )， 整个体系 称为“ 亚硝酸氧化酶”，整个反应至今未检 出 任何中 间产物， 是一步 完成的( 见图1 .3 14 ) 。 上述利用无机物的 化能自 养代谢过 程 ，各反应氧化还原电位都比较高:eo 伽仇. 加h)= 3 40 m v ，eo (n氏一 / n 0 2 今 =43 0 m v ，因此 欲使无 机基质的 氧化和n a d 的还原相偶联， 必须提供一定 的能量， 而细菌的氧化磷酸 化效 率很低， n a d 还原过程产生1 分子 n a d h 需消耗3 硕士论文 曝气膜生物反应器处理模拟生活污水研究 分子八 t p ， 然而实际情况是氧化1 分子亚硝酸盐只产生1 分子的a l ， p ， 因此为获得合 成细胞所需的还原 力， 必须消耗大量的 a y p ， 这就是 硝化细菌生长慢、 世代时间 长和细胞产率低的 原因ll 。 均)峨万 . 州 .场0 皿幼.权化过理的电子传进体系 图1 . 3亚硝 酸盐 氧化过程 亚硝酸盐细菌将氨氮氧化为亚硝酸盐的反应和硝酸菌将亚硝酸盐氧化为硝 酸盐的反应可用下面两个反应方程式表示: n 比+ + 1 . 5 0 2 一z h + 十 h z ) n 仇汗 e n q一 0 . 5 仇 - - - 卜n 0 3 一 e 在生 理浓度条件 下， n h 3 一氧化为 n 呀一 n 的能量为 2 42. 8-3 51. 7 kj /m01 ， 所 产 生的能量亚硝酸菌可以利用5 % 1 4 %， n 0 2 一 n 氧化为n 伪一 n 产生的能量约为 64. 5 一 87. s kl/m01，硝酸菌的能量利用率为5 % 1 0 %。 ( 3) 硝酸盐 还原 和反硝化作用( deni 州 fication) 同化型硝酸盐还原过程是微 生 物以 硝态氮为氮源， 将硝酸盐 转化为 氨氮， 并 合成构 成蛋白 质的 氨基酸等生物 大分子的过程。异 化型硝酸盐还原过程是由 一群异 养型 微生物在 缺氧( 不存在分 子态的氧) 的条件下将氮氧化物侧呀 、n 伪. ) 还原为气态氮氧化物(n0 、 n z o)， 或进一步还原为n z 的反硝化过程. 在反硝化过程中，反硝化菌利用硝酸盐作为电子受体进行缺氧呼吸，若以甲 醇为反硝化碳源，其经典公式如下: n 0 3 ，+ 1 . 0 8 c h 3 0 h 十 0 .2 4 h 2 c 0 3 we es 仁 0 . 0 6c 5 h 702 n 十 0 .4 7 n 2 + 1 .6 8 践0+ h c 0 3 - 反硝化菌内 源呼吸中，发生的 反应如下: c ， h 刃z n 十 4 . 6 n 0 3 - - - - 卜 5 c 0 2 + 2 .s n 沙1 .2 h 2 0 咔 4 . 6 0 h- 1 :2 m阵b r的分类 根据气相在中空纤 维膜中的流 通方式， 无泡 供氧装置可以 分为 死端式和流通 式。 流通式是指 气体从中空纤维的一 端进入 而从另一端流出 151 ; 死端式无泡 供氧 装置则是指中空纤维膜的一端开口， 另一端被封死， 进入纤维管腔内的气体将全 硕 士论 文曝气膜生物反应器处理模拟生活污水研究 部被压入水中。 根据膜的结 构不同， m a b r 有板 框式、 管式和中 空纤维式等 几种膜结构形式。 除了与 膜结构的 不同 ( 即中空 纤维式， 管式和 板框式) 有关外， 反 应器还随液相混 合的方法和程度、 是否加入非渗透性生物膜支撑介质、 膜组件与生物反应器是一 体化的还是分置式的， 以及运行是连续的或间歇的不同而不同。m a b r 的研究按 照膜在 m a b r 中 的放置 位置分为 两类: 一种是把膜 和生 物反应器在同一 个单元中 结合:另一种是膜在生物反应器的外部， 安装在回流线上。 膜曝气生物反应器可 按连续流和间歇流操作。通常仅有膜上附着生长生物膜的ma b r 采用连续操作， 而另加支撑介质的ma b r 则采用间歇操作。 1 .2 j影响 m 眺b r运行的因素 ( 1) 膜污染 m a b r 反应器运行一段时间后， 发现膜组件会被污染物堵塞，反应器处理效 果下降，同时，膜使用寿命大大缩短。 膜污染根据发生的位置可以分成两种类型: 一种是外部堵塞，即污染物吸附沉积在膜的表面，增加了底物传递阻力; 另一种 是内部堵塞，即污染物在中空纤维膜壁上的微孔内吸附沉积，减小了膜孔径， 从而降低了氧的传递速率。这两种膜污染都会严重影响ma b r 的正常运行。 p an kh别 面 a等151 采用死端式m 叭 b r 处理城市污水，在c o d 去除率保持77 % 一段 时间后，逐渐下降到60%左右，在反冲洗后， c o d 去除率又逐渐恢复。因此，为 了使m 叭b r 能够高效运行，必须经常对膜进行反冲洗。 ( 2 )空气压力 透过中空纤维膜的空气在表面张力作用下吸附在膜表面，此时如果气液两相 压差较大，空气易在膜表面形成气泡，从而降低氧的传质效率。 因此，为达到无 泡曝气效果，空气压力必须低于起泡点气压。 在保证空气压力不超过最大安全气 压的情况下，不同的气压会产生不同的生物膜结构。 当空气压力较大时，通过显 微镜观察生物膜，发现其中 不存在厌氧层:监测出水，发现 n 伪一 和n 伍一 浓 度较高 ，需要进一步反硝化处理. 而保持适当 的空气压力，则 发生生物膜同时具 有硝 化层、 好氧层、 反 硝化层、 厌氧层。 因此，实际运 行中要 根据具体 情况调整 空气压力，以创造最佳曝气条件。 ( 3 )液相流速 工艺运行过程中，对液相流速在不同阶段有不同的要求。运行前期，即挂膜 阶段，液相流速不宜过高，否则生物膜受到较大的剪切力而很难生长。 正常运行 期间，为减小液相边界层厚度，加快底物的传递速率，同时控制生物膜的过度 积累，应保持较高的液相流速. 由于维持此流速所需能量在m a b r 反应器中占相 硕 士 论 文呀气膜生物反应器处理模拟生活污水研究 当大的比例， 探索最低液相流速成为一项重要的研究内容。 1 3膜曝气生物反应器 ( ma b r)国内外研究进展 1 3 .l国外 m 阵b r的研究状况 m a b r 反 应器系 统中， 膜本身 可以作为 生物膜的载体，也可以 用其它载体来 提供生物膜的生长。 大部分情况下， 曝气膜和反应器的组合方式为膜直接放置在 反应器内，但也有曝气膜与反应器分置的。 m ab r 可以连续运行，也可以间歇运 行。 膜曝气生物反应器最早是由美国的yeh 和je nki ns进行实验研究的，1978 年他 们采用聚四氟乙烯纤维膜供氧，利用附着在膜外层的生物膜处理人工污水，并 将其命名为p u r e f 议 edpi 而 rea c t e 尸 6 。 研究内容主要包括以下3 个方面。 1 人l.i m a b r 工艺去除 c o d 、 b o d 以 及脱 氮除磷的研究 ma b r工艺自从发明以来己被用来处理各种各样的废水.大量研究表明， 刻 城 b r特别 适用于处理高 浓度有 机废水. 相对传统的纯氧曝气工艺而言，ma b r 通常在高的氧分压下提供高纯氧， 使氧不经形成气泡直接到达附着的生物膜上，这使m ab r 能保持相当高的氧利 用 速 度 和 利 用 效 率 。 p an kh aj al sl 研 究 表明 进 水 c 0 d 负 荷 为 0. 06一 33 .8叼 (m 勺) 时 有 机 物 去 除 效 率 为 63% 91% ， 在 c 0 d 负 荷 为 8. 94叼 (m3 .d) 、 h rt 为 36m in 的 情况 下，一个实 验室规模的 聚丙烯死端中 空式纤 维m a b r 连续5 个月 获得80% 的c o d 去除率。 b 血di e 等 17 使用死端式管状纤维m a b r 进行硝化研究， 获得了很高的硝化 率，得到的氧传质效率近乎1 00%，依靠较薄的生物膜和较高的溶解氧浓度，似 乎由 于氧完全渗透通过了 生物膜而获得了高达13 k g n 比一 ( k gss d) 的比 硝化速 率， 这一数值要高于其它的硝化工艺. 因为硝化细菌的生长速率低，所以在整个 实验过 程中不 必对膜进 行冲洗 来控制生物膜厚度。 y ama g iwa等 18.9 ，l3l研究 表明 ， 罩 有 纤 维 织品 支 撑物 的 管 式 硅 胶 膜 上 形 成生 物膜后，可以同步去除有机碳与 进行硝化反 应，这种方法的硝化速率为 0. 0022 坷 (mz .d) ，比 仅 有 硝 化 反 应的 传 统 生 物 膜 法 好 。 并 发 现硝 化 菌 在 纤 维 支 撑 物 上 的 生物膜中占 有优势，因为 这里有足够的氧浓度进行硝化反 应， 而在缺氧的生 物膜/液体界面上，反硝化菌占据优势。 b ri 刀 d l e 等11 01 在处理 含易降 解溶解性有机物的酿酒废水的 m a b r 小试中 ，采 用了 死端合成中 空式纤维膜。 在没 有混合的情况下，有机物c o d 去除速率和去 硕 士论 文赚 气 膜 生 物 反应 器 处 理 模 拟 生 活 污 水研 究 除 效 率 分 别 为 27k 留(扩d)和 81 % ， 而 在完 全 混 合 的 情 况 下 ， 有 机 物 c o d 去 除 速 率 和 去 除 效率 为 28k gi (耐d)和 88% 。 硝化是 氨氮到硝酸氮的 氧化过程。 每 单位底物的硝化要比 每单位有机碳的氧 化需要消耗更多的氧。 如果生物膜的厚度可以保持在较低的程度， 则硝化速率的 限 制因素仅 仅是 膜材料可以提 供给生物 膜的有 用表面积111 . 1 入1 .2m a b r 工艺处理 工业废水中 挥发 性有 毒或难降 解的 有机污染 物 因为膜生物膜反应器具有无泡曝气的特点，所以在曝气时不会由于表面活 性剂的 存在而产生泡沫，同 时，可以 利用这一特点对挥发性有机化合物(vo c) 进行生物降 解， 这些挥发性有 机物如二甲苯、 苯酚、 氯 酚、 甲 苯 等，在传统曝气 生物降解过程中 ，会随着气泡一 起进入大气，造成大 气污染。 p ar k e r 等11 1 利用无孔硅 胶膜反 应器对二甲 苯进行了 生物降 解，二甲 苯的 生 物降解率达到了 63% 。 t i m berl ak e 等1 121采用硅橡胶膜的 m 峨 b r 处理含酚污水 ，在 流量为18l / in ln 、 起始质量浓度为1 0 00m 叭 、水力 停留 时间为 6 h 时， 对酚的 去除率达到98.5 % ，在酚得到有效降解的同时，反应器内的生物膜显著增加， 80% 的 碳转 化成c 仇 。 1 3 .l 3m a b r 的生物膜的 研究 目前，现代分子生物技术和检测技术的发展为研究和解析ma b r 中生物膜 的微生物群落提供了新的方法和手段。 ma b r 的生物膜微观结构对污染物去除效 果至关重要。 因此， 除了解生物膜的污染物处理效果外， 考察m 流 b r 生物膜的微观 结构成为近年研究的热点。 研究主要包括生物膜内微生物群落结构及其分布、 活 性特征等。 其目 的是通 过深入分析生 物膜的作用机 理， 解析工艺参数、微生物 特 性和处理效果之间的关系， 从而为实现ma b r 稳定高效的运行提供指导。 ( 1) 微生物的群落结构 y ama g lw a 等 11 31 较 早 证 实了 m a b r 生 物 膜中 由 于 传 质 异向 造 成多 种微 生 物 共存的特殊结构.该研究采用僧水型聚四氟乙烯膜曝气， 将三层多孔聚亚安酷泡 沫薄片置于膜表面进行微生物培养， 然后观察 各层中的生物相， 并与传统供氧方 式下的各层薄片中的生物相进行对比。 结果表明膜曝气时亚硝酸菌和硝酸菌的浓 度由泡沫薄片表面到里层逐渐增大， 硝化菌在接近曝气膜附近生长， 同其他异养 型细菌的 竞争较小; 而 在传统曝气方式下 薄片上 硝化菌浓度则是从主 体料液到内 部逐层递减。 任 biya 等 l 1采 用 f ls h 的 方 法 分 析 生物 膜 上 微生 物的 分 布 状况 ， 发 现 硝 化 菌 主要分 布在生物膜内 部， 而 其他细菌包括反硝化菌位于生物 膜外层以 及反应器内 的悬浮污泥。 c ol e 等 n ， 】 采用生物膜 切片 技术， 将生物膜分割成1 00 3 00 mm 的薄 片， 通过 硕 士论 文曝气膜生物反应器处理模拟生活污水研究 p c r-d g g e 手段 考察生 物膜内 部的 微生物群落 结构， 研究 发现每个生物膜薄片细 菌群落种类基本一致， 透气膜表面的生物密度最大。 selnm ens 等116 1 首次测定了 m a b r 生 物膜的硝化区和反硝化区，所得到的 微观信息用于m a b r 的设计和运行。 ( 2 )微生物的活性分布 ma b r 生物膜在活性分布上也与传统生物膜有所不同。对于传统生物膜， 生 物膜表面的 氧气和基质浓度最高， 因此表 层的 生物 膜活 性最大; 而m a b r 内 层氧 气 浓度最大 ， 有机物 浓度最 低， 活性区域分布在 曝气膜 表面附 近。 c ul e 等11 5 采 用生 物膜切片技术， 考察了 每个薄片的 微生 物呼吸 速率， 发现贴近供气膜表面的 微生 物活性最高， 并且空气曝气的生物膜活性高于氧气曝气， 水流流速大的生物膜活 性大于流速小的生物膜。 ( 3 ) 污染物和溶解 氧的浓 度变化规律 m a b r 最 显 著 的 特点 是 传质 异向 性。 比 bi ya 等114利 用微电 极的 手 段 证实 了 m a b r 生物膜内氧气和基质的降解方向相反的猜想， 同时研究发现在推流式反应 器中 ， 随着进水水 流的 方向 ， 生 物膜硝化去除率 逐渐降 低。 s a t o h 等【 ， 刀 在采用微电 极技术考察生物膜内部氨氮、硝氮和亚硝氮以及溶解氧的分布规律时， 得出不同 c o d 负荷和 供气压力对生物膜内 硝化菌和反硝 化菌分布区域没有影响的结 论。 ( 4 ) ma b r 生物膜模型 许多学者对ma b r 生物膜模型进行了研究.第一个ma b r 的模型是d e b us 等11 81 建立的，它是建立在一个异质生物膜模型基础上来预测二甲苯的生物降 解。该模型认为存在两个反应步骤，并且引入了一个与氧有关的内源分解阶段， 预测结果与试验结果拟合得很好， 并且表明二甲苯的去除受生物膜厚度的影响。 a l ll l l ed等 119 1 采用定量 模型来 研究异养生物膜降 解二甲 苯的空间分布与动力学 过 程，分析发现， 当氧气以空气的形式供给时， 异养菌群生活在膜/ 生物膜界面附近 的窄层中， 而当采用高纯氧时， 异养菌的活动层则一直靠近生物膜/ 液体界面处。 s c o tt等【20 建 立了 双底物限制m a b r 模型 来预测氧气和污染物 底物的传质与反 应， 该模型不仅 适合膜上生长的生物膜， 也适应于附着生长在非 渗透性支撑介质 上的 生物膜。 该 模型预测在一个中 等膜厚( 1 50卜 m) 的生物膜内 ， m a b r 生物膜能 在特别高的 氧气浓度下 运行， 所以 在整 个底物浓度 和液体速度值范围内 ， m 人 b r 的 底 物 去除 率 也 就比 较 高 。 c as cy等 121 建 立的 模 型 证明 在 给 定 膜内 的 氧 气 压 力 和碳底物浓度的条件下，侧 叭b r存在一个最优的生物膜厚度，在该厚度下，可 以 使底物进入活 性层的 扩散阻 力最小，反应 速率最高。 还发现活 性层的 位置随着 底物负 荷率和膜内 氧压力比 值的变化而 变化。 综观以上m a b r生物膜模型，发 现它们在形式上是多种多样的， 但共同点都是一维的， 并且都是预测沿反应器长 硕 士 论 文曝气膜生物反应器处理模拟生活污水研究 度方向上的纵断面浓度， 因此建立二维或三维模型是今后研究工作的重要课题. 1 3 .2国内ma b r的研究状况 沈志松、 钱国 芬等122 1 利 用中 空纤维膜制成的 供氧器在面 包酵 母菌的 发酵试验 中对发酵液供氧， 取得的产品发酵率比摇床供氧和自 然供氧高一个数量级. 张雪琴123 】 对用无泡曝气无机陶瓷膜生物反应器处理生活污水进行了探索性 试验， 测定了氧在膜生物反应器系统中的泡点压力( 挂膜前后) ， 研究了生物膜的 挂膜特性， 讨论了进水流量和进水污染物浓度分别对c o d 去除率的影响， 试验表 明 ， 在 适 宜的 进水 通 量巧 一75 l/ (扩h) 和 进水 污 染 物 浓 度 z oo m 留l 的 实 验条 件 下 ， c o d 去除度均高于90%， 与传统膜生物反 应器相比 ， 具有传 氧速率快、 氧利 用 率高 达1 00% 、能耗 低、设 备尺寸小、噪声小 等优点。 天津大学的郑斐 等【 241 用m a b r 工艺 处理人 工配制的 废水， 在进水c o d 浓度为 4 1 0 m gil、 n h 3 一质量 浓度为 5 0 m g 几 、 水力 停留 时间1 2 . s h、 c o d 容积负荷 为 0. 6ik g/ m 3 条 件 下 ， c o d 去 除 率 达 8 004 ， n h 3 一 去 除 率 达 90 % 以 上 ， 同 时 也 取 得 了一定的反硝化效果。 张凤君等125 1 采用中空纤维膜作生物膜载体及无泡供氧 装置， 利用具有死端 式和漂浮式特点的浸没式接触氧化工艺进行污水处理试验研究， 结果表明，在控 制系统工 作压力 0. 03m p a、 污水中 溶解氧为5 一 s m 创l及水力停留 时间s h 的条 件下， 污 水中 c o d 、 b o d 、5 5 的去 除率分别达7 0 % 、 9 0 % 和 7 5 %以 上， n h 3 一、 p 的 去除率也在7 0 %以 上， 系统连续运行 3 个月 ， 表 现了 较好的 稳定性和抗有机负 荷冲击能力 l 4 膜污染 膜污染是指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化 学相互作用或机械作用而引起的膜表面或膜孔内吸附、 沉积造成膜孔径变小或堵 塞， 使膜产生 透过流量与分离特征的不可逆变化现象126 1 。 在生物反应器内，混 合液在压力驱动下， 经 过膜组件的过滤截留， 某些 溶质在膜表面被截留， 浓 度升 高， 远高于反应器内溶质浓度， 从而造成溶质的反向扩散， 增加了水流通过膜的 阻力， 降低了膜通量， 这个过程称为浓差极化。 浓差极化和膜污染是影响膜渗透 通量下降的重要原因。 分析膜污染的原因以 及采取相应的 防治和 清洗措 施， 可以 使膜性能得到部分 恢复或完全恢复。 事实上， 膜污染问题己成为膜分离技术研究中的一个热点问题。 硕 士 论 文曝气膜生物反应器处理棋拟生活污水研究 l 4.1 膜的性质 膜的 性质一般 是指膜材料、 膜孔径大小、 空隙 率、 亲水性、电 荷性质、 粗糙 度等。研究表明，这些因素对膜污染有很大的影响。 亲水性膜受吸附影响小; 孔 径大通量高的 膜易 形成堵塞， 空隙率小的 膜易被 堵塞。 一 般混合液胶体粒子带 负 电， 所以 选 择带负电 的膜有利于防止膜 污染; 膜表面粗糙 度的增 加使膜表面吸附 污染的可能性增加， 但同时也增加膜表面的扰动程度， 阻碍了污染物在膜表面的 形成， 因此粗糙度对通量的影响是两方面效果的综合体现。 对于膜本身性质造成 的膜污染，应选用孔径适合、孔隙率高、带负电、亲水性的膜.许多研究表明， 选择合适的膜可以有效的减缓膜污染， 其中膜面改性和形成动态膜的污染防治技 术尤其值得注意。 l 4. 2 膜污染控制技术 膜过滤过程中，污水中的微粒、胶体粒子或溶质分子与膜发生物理化学相互 作用， 或因为浓差极化是某些溶质在膜表面超过其溶解度及物理作用而引起的在 膜表面或膜孔内吸附、 沉积，造成膜孔径变小或堵塞， 使膜产生透过流量与分离 特性发生变化127 刁 01 。 膜污染中 有些可以 通 过一定的方法消除或减轻，而某些 则 使膜发生了 永久性变化，无法消除。宏观上讲， 膜污染的形成主要受三方面的影 响: 膜的性质、料液的性质和操作条件，这三个方面相互影响相互制约。 ( 1) 投加粉末活性炭 (pa c ) 在投加p a c后，污泥絮体由于 p a c颗粒的存在而更加易于相互聚集而形成 体积更大、强度更高、 粘性更小的污泥絮体， 这样的污泥絮体在膜表面形成的污 泥滤饼层比较松散，透水性好，提高了混合液可滤性，另一方面，投加 pa c提 高污泥的沉淀性能，改善污泥的泥水分离性能，减缓滤饼层的形成。 ( 2 )低水通量过滤 水通量与由于压力导致的污染物在膜表面的增厚而引起的膜污染有关， 实验 和工 程实践都表明， 在低水通量情况下的过 滤使设备操作稳定， 而且能耗 较小、 膜污染 上升速率 低。 但这 种方法 会增加 所需的膜面积， 实际上也降低了 膜的 水通 量。 ( 3 )间歇操作 采用间 歇抽吸操 作模式旨 在通过定期 地停止 膜过滤，使沉积在 膜表面上 的污 泥在水 力的 作用 下从膜表面脱 落下来， 使膜的 过滤性能得以 恢复。 一般 抽吸 时间 越长，悬浮固体在膜表面的积累程度越大;间歇时间越长， 膜表面沉积污泥脱落 越多，膜过滤性能恢复也就越多。 硕 士 论 文限气膜生物反应器处理模拟生活污水研究 ( 4 ) 空气反吹 c vis v a n 目 t h an 等人 131 1 通过研究几种不同的 过滤一空 气反吹 操作模式发现， 15而n 过滤和 15而n 空气反吹可以 获得稳定的膜 通量， 与连续 运行的 工艺相比 膜通量提高到3 7 0 %， 说明 空气反 冲可以 减缓膜污染， 但对膜组 件的 强度要求苛 刻。 ( 5 ) 水反冲洗 用处理水进行定期反冲洗也可以减缓膜污染， 但冲洗强度和水量要比出水强 度和水量高，对膜性能要求也高。 ( 6 ) 空曝气 空曝气就是在停止进出水时，加大曝气强度，连续曝气 2 3d ，以 冲脱沉积 在膜表面上的污泥层。 空曝气是通过强化水流循环作用的物理清洗方法， 因此只 有当膜表面附着的污泥层对膜的过滤阻力造成很大的影响时， 这种方法的效果才 比较显著。 ( 7 ) 化学清洗 最有效的方法是根据污染的程度，把膜组件浸在化学清洗剂中2 确s h 。对于 不同种类的膜， 应选择合适的化学清洗剂，以防止化学清洗剂对膜的损害。 酸类 清洗剂可以溶解除去矿物质及盐类，而 n aclo 水溶液可有效地去除蛋白质等有 机污染及膜内微生物污染，一般两者结合使用效果更好. 常用的化学清洗剂有以下几种。 酸性情洗剂: