（环境工程专业论文）膜生物流化床的运行特性及性能优势.pdf

摘要 膜生物流化床的运行特性及性能优势 博十研究生：马金霞指导老师：王世和 东南人学土木学院 摘要 膜生物流化床( m e m b r a n e f l u i d i z e db e db i o r e a c t o r ，简称m f b b ) 是将膜分离与三相生 物流化床有机结合的产物，是水处理领域的一项新技术。本文开展了m f b b 处理城市污水 的试验研究，通过与普通膜生物反应器( 简称m b r ) 的对比，研究了m f b b 的除污特性、 微环境特征、微生物特性及其对处理效果的影响，研究了m f b b 的膜污染过程特征，并初 步尝试建立了用以表征m f b b 处理效果的动力学模型。主要成果如下： 通过m f b b 和m b r 处理城市污水的平行对比试验，考察了m f b b 对污染物的去除效 果，分析了m f b b 中生物降解和膜分离对污染物去除的贡献率。m f b b 对污染物的去除效 果均优于m b r 。载体的投加，使反应器中微生物由单一悬浮生物变成悬浮生物与附着生物 膜共存。载体上生物膜的脱落更新提高了反应器中微生物活性，提高了污染物去除率。载体 的投加有效缓解了膜污染进程，使膜表面粘胶层变薄，降低了膜对生物截留的贡献率。 考察了两个系统中污泥特性及微生物代谢产物随运行历程的变化，探讨了m f b b 的微 环境特征。分析认为，m f b b 中微生物增殖规律是附着生物膜和悬浮生物各自增殖的综合体 现，与m b r 的生物浓度变化有着本质的区别。m f b b 中生物污泥的沉降性好，脱氢酶活性 较高。s m p 的降解程度比m b r 的深，使残余s m p 浓度较低。e p s 的浓度也低于m b r 反 应器。 分析了m f b b 中微生物特性及其对反应器处理效果的影响。m f b b 中原、后生动物的 种类、数量均远远优于m b r ，并在m f b b 中很好地发挥着其指示作用。丰富的原、后生动 物对污染物的去除起着促进作用，有机物降解更彻底，剩余污泥量少。其对细菌的捕食促进 了细菌的增殖，提高了活性。对膜污染的缓解起着非常重要的作用。 通过对比试验，考察了两系统长期运行中抗膜污染性能，研究了m f b b 中载体的投加 及运行条件对膜污染的影响。在相同运行条件和运行历程下，m f b b 的膜通量下降速度远低 于m b r 。m f b b 通过改善反应器内混合液环境，可有效缓解膜污染进程，延长了反冲洗周 期，强化了长期稳定的运行效果。 基于m f b b 工艺特点本文初步尝试了m f b b 的动力学分析，建立了溶解氧扩散模型、 生物膜增殖模型及出水水质预测模型，为m f b b 技术的发展、动力学模型的完善及反应器 的运行控制提供了理论基础。 关键词：膜生物流化床；载体；生物膜；微环境； a b s t r a c t t h er u n n i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c ea d v a n t a g e s o fm e m b r a n e f l u i d i z e db e db i o r e a c t o r m aj i n - x i a s u p e r v i s o r ：w a n gs h i h e s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , n a n j i n g , c h i n a a b s t r a c t m e m b r a n e - f l u i d i z e db e db i o r e a c t o r ( s h o r t e df o ri v l f b b ) i st h ec o m b i n a t i o no ft h e m e m b r a n es e p a r a t i o na n dt h et h r e e - p h a s eb i o l o g i c a lf l u i d i z e db e d ，w h i c hi san e w t e c h n o l o g yi n t h ew a t e rt r e a t m e n tf i e l d 。t h ee x p e r i m e n ts t u d i e dt h ep e r f o r m a n c ei nm u n i c i p a lw a t e rt r e a t m e n t o fm f b b b yt h e c o m p a r i s o nw i t ht h em e m b r a n eb i o r e a c t o r ( s h o r t e d f o rm b r ) ，t h e p e r f o r m a n c eo fc o n t a m i n a n t sr e m o v a l ，a n d t h ec h a r a c t e ro fm i c r o - e n v i r o n m e n ta n dt h e m i c r o o r g a n i s ma n dt h e i re f f e c t s o nt h ec o n t a m i n a n t sr e m o v a li nm f b bw e r es t u d i e d t h e c h a r a c t e ro fm e m b r a n ep o l l u t i o nc o u r s ei nm f b bw a sa l s os t u d i e da n dt h ed y n a m i c sm o d e l s w h i c hw e r eu s e df o rs h o w i n gt h er e m o v a le f f e c t sw e r ea t t e m p t e dt ob ee s t a b l i s h e d t h er e s u l t s a r ea sf o l l o w s ： b yc o m p a r i n gm f b bw i t hm b ri nm u n i c i p a lw a t e rt r e a t m e n t , t h ec o n t a m i n a n t sr e m o v a l e f f e c t sw e r es t u d i e da n dt h ec o n t r i b u t i o n so fb i o d e g r a d a t i o na n dt h em e m b r a n es e p a r a t i o nw e r e a n a l y z e da sw e l l 1 n l er e m o v a le f f e c t si nm f b bw e r eb e t t e rt h a nt h o s ei nm b r 1 1 1 ea d d i t i o no f c a r r i e r si nm f b bm a d et h ee x i s t e n c ef o r mo fm i c r o o r g a n i s mc h a n g ef r o mt h es i n g l es u s p e n d s l u d g et ot h es u s p e n ds l u d g ea n da t t a c h i n gb i o f i l mt o g e t h e r t h ef a l l i n go f f a n dr e n e w a lo fb i o f i l m o nt h ec a r r i e r se n h a n t e dt h ea c t i v i t i e so fm i c r o o r g a n i s mi nt h er e a c t o lt h ea d d i t i o no fc a r r i e r s e f f e c t i v e l ys l o w e dt h ep r o c e s so fm e m b r a n ep o l l u t i o na n dm a d et h em u c o u sl a y e rt h i n n e rb u t d e c r e a s e dt h ec o n t r i b u t i o n so fm e m b r a n es e p a r a t i o n 1 1 1 ec h a n g e so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fs l u d g ea n dm i c r o o r g a n i s mm e t a b o l i cp r o d u c t si nt h e t w os y s t e m sw i t ht h er u n n i n gc o u r s ew e r ei n v e s t i g a t e d t h ec h a r a c t e ro fm i c r o - e n v i r o n m e n ti n m f b bw a sd i s c u s s e da sw e l l i tw a sa n a l y z e dt h a tt h em u l t i p l i c a t i o nr u l eo fm i c r o o r g a n i s mi n m f b bw a st h eg e n e r a lr e p r e s e n t a t i o no ft h em u l t i p l i c a t i o no fa t t a c h i n gb i o f i l ma n ds u s p e n d e d s l u d g e ，w h i c hw a se s s e n t i a l l yd i f f e r e n tf r o mt h a ti nm b r t h es e d i m e n t a t i o no ft h es l u d g ei n m f b bw a sb e t t e ra n dt h ed e h y d r o g e n a s ea c t i v i t yh i g h e r 1 1 1 ed e g r e eo fd e g r a d a t i o no fs o l u b l e m i c r o b i a lp r o d u c t ( s m p ) i nm f b bw a sh i g h e rt h a nt h a ti nm b r , w h i c hm a d et h ec o n c e n t r a t i o n o fs m pl o w e ri nm f b b a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fe x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e ( e p s ) i n m f b bw a si o w e rt h a nt h a ti nm b r t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o o r g a n i s ma n dt h e i re f f e c t so nt h er e m o v a lr e s u l t sw e r ea n a l y z e d i i i 东南人学博 ：学位论文 t h ec a t e g o r i e sa n dt h eq u a n t i t i e so fp r o t o z o aa n dm e t a z o a ni nm f b bw a sm u c hm o r et h a nt h o s e i nm b r t h ea b u n d a n tp r o t o z o aa n dm e t a z o a ni m p r o v e dt h er e m o v a le f f e c t so fc o n t a m i n a n t s ， w h i c hm a d et h ed e g r a d a t i o nm u c hd e e p e ra n dt h es u r p l u ss l u d g em u c hl e s s t h e i rp r e y i n go nt h e b a c t e r i ai m p r o v e dt h eb a c t e r i a lm u l t i p l i c a t i o na n da c t i v i t i e s t h e yh a dav e r yk e yf u n c t i o no n s l o w i n gt h em e m b r a n ep o l l u t i o n b yt h ec o m p a r i s o no fm f b ba n dm b r ，t h ep e r f o r m a n c e so fa g a i n s tm e m b r a n ep o l l u t i o n w e r ei n v e s t i g a t e d u n d e rt h es a m er u n n i n gc o n d i t i o n sa n dr u n n i n gc o u r s e ，t h ef a l l i n g s p e e do f m e m b r a n ef l u xi nm f b bw a sm u c hl o w e rt h a nt h a ti nm b r b yi m p r o v i n gi t se x i s t e n c ef o r mo f s l u d g ei nt h er e a c t o r , t h em e m b r a n ep o l l u t i o nc o u p ew a ss l o w e r , t h ec y c l eo fw a s h i n gm e m b r a n e w a sp r o l o n g e da n dt h es t a b l yr u n n i n ge f f e c t sf o ral o n gp e r i o dw e r ei n t e n s i f i e d b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm f b b ，i t sd y n a m i c sa n a l y s e sw e r ea t t e m p t e di nt h ep a p e r t h e m o d e l so fd o d i f f u s i o n ，m u l t i p l i c a t i o no fb i o f i l ma n dt h ep r e d i c t i o no ft h eq u a l i t yo ft r e m e d w a t e rw e r ee s t a b l i s h e d ，w h i c hc o u l db eu s e da sf o rt h et h e o r e t i c a lb a s e sf o rt h ed e v e l o p m e n t o fm f b b ，t h ei m p r o v e m e n to f t h ed y n a m i c sm o d e l sa n dt h er u n n i n gc o n t r o lo f t h er e a c t o r k e yw o r d s ：m e m b r a n e f l u i d i z e db e db i o r e a c t o r , c a r r i e r , b i o f i l m ，m i c r o - e n v i r o n m e n t i v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 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。 研究生签名：盟日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅 和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：翌金霍 导师签名；垒皇兰至出 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 水资源形势及工艺的提出 水，作为人类生存的不可或缺的资源，是社会、经济持续发展的重要支柱。随着以市场 经济为导向的经济体制改革的深入和经济的持续高速增长，我国的城市化进程得到了迅猛发 展，广大中小城镇迅速崛起，城市规模也不断扩大。但是，城市化进程的加速亦加重了城市 负荷，带来了一系列生态环境问题，威胁着城市的生存与发展。 目前，我国主要面临两方面的水资源问题：一是水资源短缺，另一方面是水体又在遭受 日益严重的污染。根据2 0 0 6 年中国环境状况公报i l l ：我国七大水系中，珠江、长江水质 良好，松花江、黄河、淮河为中度污染，辽河、海河为重度污染。另外，太湖、滇池为重度 污染。全国地表水属中度污染，在国家环境监测网监测的1 9 7 条河流，4 0 8 个断面中，l - i i i 类 ( 优、良好) 、i v - v 类( 轻度和中度污染) 、劣v 类( 重度污染) 水质的断面比例分别为4 6 、 2 8 、2 6 ，后两者比例之和高达5 4 ，可见，我国地表水各类水体污染形势非常严重。同 时，地下水状况也不容乐观，多数城市的地下水受到点状或面状污染。 在污染物排放方面，2 0 0 6 年，全国1 5 6 个入海河流断面的各污染物排海总量为：c o d 4 7 3 6 万吨；氨氮9 7 6 万吨；石油类6 7 万吨；总磷2 4 5 万吨。入海河流c o d m 。排入四大海区的 总量分别为：渤海2 0 0 万吨；黄海2 5 0 万吨；东海3 3 5 6 万吨；南海9 2 9 万吨。入海河流氨氮 排入四大海区的总量分别为：渤海2 4 3 万吨；黄海3 0 7 万吨；东海7 4 1 万吨；南海1 8 0 万吨。 大量污水未经处理直接排入水体造成的水环境质量恶化问题已引起全社会的普遍关注。 加强城市市政基础设施建设，加大污水处理力度，防止城市水环境恶化己成为共识。水资源 短缺和水环境污染已成为制约我国经济和社会发展的重要因素，努力研究开发出适合我国国 情的城市污水资源化技术已势在必行。 近年来，各种新型、改良型的高效处理技术应运而生，其中膜分离技术，特别是膜生 物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，简称m b r ) 组合工艺在废水处理中的应用格外引入注意i z j 。 该工艺与传统废水生物处理工艺相比，有着强大的优势，其出水水质好、出水可直接回用。 但膜污染阻碍了m b r 工艺的广泛应用，膜污染导致膜通量下降，增加膜组件更换和膜清洗 的频率，造成m b r 运行费用和能耗较高1 3 1 ，提高了治水成本，一定程度上限制了该技术的大 面积推广与工程应用。而生物膜法的代表如生物流化床，具有高负荷和强传质的突出优势， 但它存在载体容易流失，出水s s 通常偏高的问题。因此，如何扬长避短，探索经济有效地 提高污水处理效果的工艺以满足日益严格的水质要求是本文的立题宗旨。 基于上述思想，结合国内外相关经验，论文提出了膜分离与生物流化床相结合的污水处 理新工艺，称为膜生物流化床( m e m b r a n e f l u i d i z e db e db i o r e a c t o r ，简称m f b b ) 。通过试 验考察其运行性能，以期在有效解决各自现有不足的基础上，集成各自优势，开发一种新型 高效、低污染的复合型m b r ，为我国环境质量的改善，也为污水资源化提供有效的技术支 持。 东南大学博上学位论文 1 2 膜生物反应器( m b r ) 技术 1 2 1 发展概况 m b r 是将高效膜分离与污水生物处理工艺相结合而开发的新型处理系统，它以高效膜 分离代替传统生物处理中的二沉池，以实现更好的处理效果1 4 5 】。 m b r 最早出现在酶制剂工业中。m b r 在废水处理上的应用始于1 9 6 9 年，美国s m i t h 首 次报道了活性污泥法与超滤技术相结合处理城市污水的方法 6 1 。同年d o f f - o l i v e ri n c 进行了 m b r 处理生活污水的研究，其分离式m b r 技术获得了美国专利，成为m b r 应用于污水处理 的开端1 7 j 。这就是第一代m b r 分离式m b r 。 此后，膜分离技术发展很快，尤其是八十年代以后，m b r 进入了蓬勃发展时期，包括 日本i 美国、澳大利亚以及欧洲许多国家都投入了大量的物力、财力开展了研究。对膜材质、 膜组件形式、m b r t 艺组合进行了广泛的研究。随着膜材料的开发、膜制造技术的进步、 膜分离工艺的完善和膜清洗方法的改进，m b r 更具使用价值，m b r t 艺的商业应用更是取 得了空前的规模。t l1 9 8 3 1 9 8 7 年，日本有1 3 家公司采用m b r t 艺处理楼宇污水，处理后的 水可作中水回用，处理量最高达2 5 0 m 3 d 。1 9 8 9 年，日本政府启动了为期6 年、耗资1 1 8 亿日 元的“9 0 年代水复兴计划”科研项目，重点进行了m b r 处理七类污水的中、小规模的研究1 2 一。 美国的t h e t f o r d 公司在8 0 年代就将膜工艺用于大型办公楼、商业中心、工业区和运动场的废 水处理中。在英国，m b r 以其高效稳定的出水水质，尤其是满足了对细菌指标的要求而受 到青睐1 9 1 。法国m a i s o n s - l a f f i t t e 的a n j o u 研究中心开发了一种“b i o s e p ”的m b r 处理城市污水 工艺，已对两座污水处理厂进行改造，处理量为9 0 0m 3 d 1 1 0 1 。 我国关于m b r 技术的研究起步较晚。1 9 9 1 年，岑运华对m b r 的应用进行了综述研究【l l j 。 1 9 9 3 年，上海华东化工学院采用国产p v c 膜处理自配污水和制药废水，效果显著1 1 2 l 。1 9 9 4 年，华东理工大学林哲等进行了完全混合曝气池与p e 微孔过滤系统处理模拟污水的研究 3 1 。1 9 9 6 年，清华大学钱易等人采用进e l 板式、中空纤维式有机m b r ( o m b r ) m 艺进行了处 理生活污水的小试试验【1 4 1 ，并进行了采用陶瓷m b r 工艺处理生活污水的试验。1 9 9 6 - - 1 9 9 7 年，中科院生态环境研究中心樊耀波等人将m b r 用于石油化工废水净化的研究【1 5 , 1 6 1 ，研制 出一套试验室规模的好氧分离式m b r 。同济大学于1 9 9 9 年进行了中空纤维膜一生物反应器 处理生活污水的研列17 1 ，同年华南理工大学进行了用超滤法处理造纸化机浆的研列1 引。清 华大学桂萍等研究了三种形式m b r 工艺运行特性，并进行了一体式m b r 运行条件对膜过滤 特性的影响试验1 19 j 。清华大学孟耀斌对分置式m b r 处理生活污水的特性及其体积负荷进行 了研究1 2 0 l ，刘锐等首次对长期运行的一体式m b r 的膜污染进行了电镜观察，并对洗浴废水 进行了成功处理拉i 2 2 j 。天津大学顾平等开始应用中空膜生物床以中试规模对生活污水进行处 理l 玎j ，哈尔滨工业大学邹联沛等对影响m b r 中同步硝化反硝化的生态因子进行了深入研究 2 4 l 。随着我国水污染和水短缺问题的加重，我国的m b r t - 开究正加快发展。清华大学、同济 大学、天津大学、南京化工大学等高校以及其他一些科研单位都开展了分离式m b r 和一体 2 第一章绪论 式m b r 的研究；m b r 的研究对象从生活污水到石化废水、高浓度有机废水、食品废水、啤 酒废水、港口废水、印染废水；生物反应器从活性污泥法扩展到接触氧化法；生物处理流程 从好氧发展到厌氧，并对不同污水的处理效果、系统的稳定运行操作条件的优化进行了研究。 目前，m b r 已在楼宇污水、生活污水回用、医院废水处理的工程实例，但应用工程数量还 较少。国产的m b r 的膜材料、膜组件还十分有限，有待加快研究和开发，以加快我国m b r 技术的应用与发展，预计m b r 将在我国具有广阔的应用前景。 1 2 2m b r 组成与分类 m b r 是一种新型高效的污水处理工艺。主要由生物反应器和膜组件两部分组成。根据 膜组件和生物反应器的相对位置，m b r 分为分置式和一体式两种。分别如图1 1 和图1 2 所示。 进水污泥回流 出水 膜组件 图1 1 分置式m b r 在分置式m b r 中，生物反应器的混合液由泵增压后进入膜组件，在压力作用下膜过滤 液成为系统处理出水，活性污泥、大分子物质等被膜截留，并回流到生物反应器内。分置式 m b r l 2 l 通过料液循环错流运行，其特点是，操作管理容易，易于膜的清洗、更换及增设。但 为了减少污染物在膜面的沉积，由循环泵提供的料液流速很高，为此动力消耗很高。而且， 泵的高速旋转产生的剪切力会使某些微生物菌体产生失活现象1 2 5 1 。 一体式m b r 是直接将膜组件置于生物反应器内，通过真空泵或其他泵抽吸，得到过滤 液。为减少膜面污染，延长运行时间。一体式m b r 利用曝气时气液的剪切力来实现膜面的 错流效果，也有采用在一体式膜组件附近进行叶轮搅拌和膜组件的旋转来实现膜面错流效 应。与分置式相比，一体式m b r 的最大特点是运行能耗低。一般认为，一体式在运行稳定 性、操作管理和清洗更换上不及分置式。 根据生物处理的工艺要求，可在一体式m b r 生物反应器的前部加设一个反硝化池，有 膜组件的生物反应器可作为硝化池，两池间通过泵进行循环，如图1 2 ( b ) 。这样可在工艺上 实现硝化一反硝化的目的。 匠 生物反应器 ( a ) 3 出水 东南人学博上学位论文 生物反应器生物反应器 ( 反硝化) ( 硝化) ( b ) 图1 2 一体式m b r 出水 进水 p 奎塞塞。吾2 出水 3 卜填料：2 一膜组件；3 一生物反应器；4 一抽吸泵 图1 3 复合式m b r 复合式m b r ( 如图1 3 ) 在形式上也属于一体式m b r ，不同的是在生物反应器内添加 填料，从而形成复合式m b r ，改变了m b r 运行特性，提高了处理性能。 1 2 3m b r 常用膜简介 微滤膜和超滤膜是m b r 中常用的膜材料。不同的膜其膜孔径大小不同，在许多方面表 现出很大的差异。 1 2 3 1 微滤膜 微滤( m f ) 膜是一种精密过滤膜，膜的孔径范围一般为o 1 - , - 0 7 5 9 i n ，工况条件介于常 规过滤和超滤之间。全世界m f 膜的销量，在各种分离膜中一直居于领先地位，m f 产品占 膜总产值的5 0 以上。其主要特点如下。 ( 1 ) 分离效率：该特性受控于膜孔径和孔径分布。微滤膜的孔径比较均匀。滤膜孔径 越均匀，其过滤精度越高。 ( 2 ) 孔隙率：根据相关资料报道，每平方厘米的膜约有1 0 7 1 0 个孔。 ( 3 ) 有机微滤膜的厚度一般为9 0 - - , 1 5 0 1 a m ，是普通过滤介质的十几分之一。这有利于 提高过滤速度，降低膜阻力。 4 ) 高分子聚合物类的微滤膜为均一的连续体，物理、化学、生物性质稳定。 4 第一章绪论 1 2 3 2 超滤膜 超滤( u f ) 膜是介于微滤和纳滤之间的一种分离膜，是一种以膜两侧压力为驱动力， 以机械筛分原理为基础的溶液分离过程。使用压力通常为0 1 o 6 m p a ，筛分孔径从 i n m - - o 1 i l m ，截留分子量范围从5 0 0 到5 0 0 0 左右。一般来讲，它能从水中分离分子量大于 数千的大分子、胶体物质、蛋白质、微粒等，被分离组分的直径约为0 0 1 0 1 9 m ，这相当 于光学显微镜的分辨极限。膜的透过速率范嗣通常为o 5 5 m 3 ( m z d ) 。超滤膜一般采用非对 称膜。 1 2 4m b r 技术原理 m b r 将生物处理与膜分离相结合，其基本原理主要体现在以下两个方面： ( 1 ) 生物降解作用：污水进入生物反应器后，其中的污染物质被微生物氧化分解，最终 成为c 0 2 和h 2 0 等稳定的无机物，同时，微生物获取合成新细胞物质所需的能量。 ( 2 ) 物理截留作用：膜组件及膜面凝胶层可截留微生物保证了反应器内的污泥浓度，同 时也截留了大分子难降解有机物、部分小分子物质、细菌、病毒等，有效地提高了出水水质。 1 2 5m b r 处理污水的特点 m b r 技术具有许多其他生物处理r t 艺无法比拟的优势，主要有以下方面。 ( 1 ) 出水水质好。以膜组件取代二沉池可以使生物反应器获得比普通活性污泥法更高 的生物浓度，提高了生物的降解能力，处理效果好，出水悬浮物和浊度接近于零，可直接回 用，实现了污水资源化。 ( 2 ) 工艺参数易于控制。m b r 将微生物完全截留在反应器内，实现了反应器水力停留 时间( h r t ) 和污泥龄( s i 汀) 的完全分离，使运行控制更加灵活稳定。同时，控制较长的 s r t 可使世代时间较长的硝化菌得以富集，提高硝化效果，而膜分离也使废水中的大分子颗 粒状难降解成分在有限体积的生物反应器中有足够的停留时间，从而达到较高去除率。反应 器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行，可以实现基本无剩余污泥排放，减少污泥处 理的费用。 ( 3 ) 设备紧凑，占地少。由于生物反应器内污泥浓度高，容积负荷可以大大提高；同 时，一体式m b r 可使设备更加紧凑。 ( 4 ) 易于实现自动控制。膜分离单元不受污泥膨胀等因素的影响，易于设计成自动控 制系统，便于管理。 1 2 6m b r 中膜与微生物的共作用特性 m b r 中膜与微生物的共作用特性主要表现在以下方面： ( 1 ) 膜对微生物的截留作用，可以延长污泥泥龄，截留和富集世代周期长的细菌( 如： 硝化菌等) ，提高系统对氮和难降解有机物的去除能力。 ( 2 ) 膜分离工艺对活性污泥的生物性能有着重要影响，从而使m b r 中的生物组成、生 东南大学博i ：学位论文 物活性等产生许多新的变化。活性污泥在生物反应器和膜组件之间循环流动，并以较高速度 通过膜表面，循环泵的水力剪切作用对几何尺寸较人的原、后生动物影响较大，使其难以生 存。有研列2 5 j ，从厌氧m b r 工艺的不同位置取样测定污泥活性，结果表明，污泥经膜组件 浓缩后活性大为降低，而且活性的下降与循环次数的对数近似警线性关系。 ( 3 ) 膜和微生物的共同作用使系统出水水质好。反应器内微生物对有机物的降解作用 以及膜分离对有机物、s s 及细菌、病毒等的直接截留作用，使系统的出水水质好，并在进 水有一定波动的情况下仍能保证出水水质。 ( 4 ) 活性污泥混合液的组成与特性对膜污染及膜表面凝胶层的形成有直接的影响。混 合液的组成很复杂而且是变化的，理论上，其中的每一部分都对膜污染有贡献。有学者研究 了生物反应器内溶解性有机物的积累以及细菌胞外聚合物( e p s ) 对膜分离的影响，认为它 们都是构成凝胶层并导致膜通量下降的主要物质【2 6 , 2 7 , 2 8 1 。上清液中微小胶体尽管数量相对较 少，但对沉积层阻力的贡献很大1 2 9 l 。 实际上，在m b r 系统中，膜分离与微生物系统的上述影响是相互和双重的。例如， m b r 系统的特点之一是泥龄很长。一方面，随着系统的运行，污泥浓度变高，污泥负荷降 低，对有机物的去除效果得到提高，而且膜能有效地截留硝化菌及降解难降解有机物的特殊 微生物，提高系统的脱氮效果和对难降解有机物的去除能力，这些都是源于膜对微生物的有 效截留；另一方面，泥龄长，污泥浓度高，污泥负荷低，进水c o d 不足以维持系统微生物 的生长需要，使大量微生物死亡，而死亡微生物细胞壁的某些组分和粘液物质很难降解，这 些物质对膜污染有着重要的贡献；同时，泥龄的延长，污泥浓度增加，f m 低，内源呼吸会 加剧，产生大量的溶解性微生物产物，这些微生物产物是膜污染的重要成分之一，会在膜表 面形成凝胶层造成膜污染，但这些凝胶层又对大量的溶解性微生物产物和死亡的微生物产生 截留，保证了出水水质；又由于泥龄很长，这些被截留的物质最终可能得到微生物的有效降 解，从而在一定程度上减缓了这些物质对膜污染的程度。理想状态下，由于膜分离与生物系 统的相互作用，膜和微生物之间在m b r 中最终会达到一种动态平衡，从而保证整个系统的 长期稳定运行。但如果上述因素中某一环节出现问题，破坏了m b r 系统的平衡，就会进一 步破坏整个m b r 系统的稳定运行。当然，这里仅就s r t 与膜分离等相关因素进行了分析讨论， 实际上，m b r 系统中膜分离与微生物之问存在一种共作用机制，这种共作用机制是m b r 系 统内在机制的表观，有待于进一步深入研究。 1 2 7m b r 应用中存在的问题 事实证明，m b r 中膜的高效截留和分离作用使其在废水处理中具有独特的技术优势， 尤其在污水回用和设施占地上有其优势，这也是众多研究者为之投入巨大热情的主要原因。 但m b r 也存在膜污染及能耗高等问题，有待于研究解决。 1 2 7 1 膜污染的成因及影响因素 一、成因 6 第一章绪论 膜污染是指与膜接触的料液中的微粒、胶体粒子或溶解性物质由于与膜之间存在物理、 化学、生物或机械的作用，而在膜面或膜孔内吸附、沉积以及微生物在膜水界面的积累，造 成膜孔径变小或堵塞，使膜的透过流量与分离特性大幅度降低的现象。膜污染使m b r 在运 行一段时间后就必须对膜组件进行清洗，甚至需要更换膜组件来保持工艺额定的处理能力， 严重影响了工艺的稳定运行，制约了其推广和发展。 造成膜污染的物质存在于污泥混合液中，污泥混合液由泥相和水相两部分组成。泥相 主要指活性污泥絮体，活性污泥絮体是悬浮固体的聚集体，包含着各种各样的微生物、有机 物和无机物颗粒，这些物质通过胞外多聚物互相连接，胞外多聚物在活性污泥絮体中起到连 接和支撑骨架的作用1 3 0 1 。除了泥相，其它污泥混合液中的物质均为水相，主要包括胶体和 溶解性有机物，二者对膜表面沉积层的形成有着很大的影响。 从总体上讲，造成膜污染的原因是：污泥絮体沉积于膜表面；大分子物质，尤其是蛋 白质和多糖吸附于膜表面；小分子或小颗粒阻塞膜孔；细菌在膜孔道中或者在膜的表面滋生。 二、影响因素 ( 1 ) 膜组件本身对膜污染的影响 膜组件本身包括膜的材料、孔径大小及其物化性质。膜的亲水性越好，膜面形成浓差 极化及凝胶层就越慢；膜孔径越大，则小分子在压力作用下进入膜孔造成堵塞或吸附的几率 增加，使污染程度加剧。 ( 2 ) 膜面错流流速对膜污染的影响 反应器混合形式和曝气强度等决定着膜表面料液流速，流速越高或湍流程度越大，则 越易将吸附于膜表面的蛋白质等溶质大分子带走，有利于降低浓差极化和凝胶层的形成，减 缓膜污染。 ( 3 ) 温度对膜污染的影响 随着溶液温度的上升，料液粘度下降，扩散系数提高，降低了浓差极化的影响，减缓了 凝胶层的形成，使污染程度减轻。但是，温度过高时，蛋白质构象随体积膨胀，而结构变得 松散，易于堵塞膜孔。 ( 4 ) 操作条件对膜污染的影响 系统水力停留时间( h r t ) 、曝气强度、抽吸形式等操作条件的控制，对膜污染产生较 大影响。对于特定的反应器，操作条件因反应器运行特性而异，须综合考虑处理效果、膜污 染和经济性后确定最佳运行参数。 ( 5 ) 混合液特性对膜污染的影响 与膜表面直接接触的混合液是膜污染的最主要原因，其与膜组件间的相互作用是一个极 其复杂的过程。混合液中的微生物浓度、絮体结构大小、沉降性能、粘度等性质均与膜污染 密切相关。 膜污染是膜分离工艺中的一个突出问题，膜污染将直接引起膜通量的下降，影响膜的稳 定运行并决定膜的清洗和更换频率。膜污染使膜的使用寿命大大缩短，提高水处理成本，从 7 东南人学博l j 学位论文 而影响m b r 工艺的经济可行性。因此，膜污染始终是其推广应用的主要障碍，对此多数研 究者已达成共识并致力于膜污染问题的研究1 7 】。 至今，m b r 的膜污染机理尚未完全解明，须进一步加以研究。而针对膜污染的解决措 施尚处于探索阶段，目前较常用的办法为物理化学清洗。对已受污染的膜组件来说，目前较 普遍的解决手段是反冲洗、水力冲洗及在线药洗。如邹联沛等1 3 1j 分别对分置式、一体式m b r 的水力冲洗作了研究，得出用0 0 7 m p a 的压力水清洗1 0 m i n 能有效恢复膜通量。刘锐等1 2 l 】 对长期运行的一体式m b r 采用2 0 o - - 5 的次氯酸钠溶液进行在线药洗，有效去除了膜内表 面孳生的微生物。尽管上述物理化学清洗方法在缓解膜污染问题上的作用是直接和快捷的， 但在实际应用中须针对具体的系统采取不同的清洗方案，各参数的确定较为困难。最重要的 是，清洗手段始终是在膜组件受污染后的后续措施，需定期反复进行，对膜本身寿命有一定 影响，无法从源头上缓解或控制膜的污染，仅考虑了“治”而未考虑其“防”，并增加了工作量 和配套设施投入，因此，依靠单一的物化清洗显然无法满足治本的实际需求。 1 2 7 2 能耗 m b r 的能耗比常规活性污泥法( 0 3 o 5 k w h m 3 ) 高。高能耗的原因首先是因为m b r 运行过程须保持一定的膜驱动压力。其次是m b r 中m l s s 浓度较高，水中氧的传质效果往往 很差，所以m b r - i - 艺采用加大曝气量的方式来改善这一状况，因而造成能耗偏高。再者， 膜污染使膜通量迅速降低，必须增大流速，以冲刷膜面，减轻膜污染以维持所需的膜通量。 m b r 的能耗主要用于供水泵、循环泵、抽吸泵和曝气系统。浸没式m b r 通过反应器中 的气体运动来实现所需的错流速度，通过高于膜的水位来实现所需的压力。而外置式则通过 水泵来实现活性污泥的循环，满足所需的高压和流速，因此，浸没式l l ； i - 置式总能耗要低。 如何将能耗降低也是m b r 工艺的研究重点之一，高能耗问题的解决将进一步推动m b r 工艺的广泛应用和发展。 1 3 本课题研究的目的、意义和内容 1 3 1 课题的提出和意义 随着膜分离技术的发展，各种新型m b r 组合工艺不断涌现。不难看出，解决或有效控 制膜污染问题是许多学者改进m b r 工艺的出发点；而改善混合液性质，从根本上控制膜污 染源头亦是近年研究的重中之重。传统的m b r 是膜分离技术与活性污泥法的组合，由于系 统中散状扩散的悬浮污泥是导致膜孔道堵塞、膜通量下降的直接原因，因此，将膜分离与生 物膜法有机集成将成为一种趋势。好氧生物流化床是生物膜法的典型代表之一，具有处理效 率高、容积负荷大、抗冲击能力强、设备紧凑、占地少等优点，因而引起了工程界的极大兴 趣和广泛研究，被认为是未来最具发展前途的一种生物处理工掣3 2 1 ，且目前的研究和应用 发展相对成熟。鉴于当前的研究热点和已有技术基础，本课题提出将膜分离技术与生物流化 床有机集成，以期在进一步提高处理能力基础上，同时解决m b r 的膜污染问题和生物流化 床的载体易流失、出水s s 偏高的问题，最大限度地发挥综合优势。 r 第一章绪论 1 3 2 生物流化床技术特点 生物流化床处理污水的研究和应用始于2 0 世纪7 0 年代初，最早是由美国国家环保局 在1 9 7 0 - - 1 9 7 3 年进行的。国内对流化床的研究始于2 0 世纪7 0 年代末，到8 0 、9 0 年代，已 大量得到推广，应用领域涉及生活、炼油、制药、印染、食品等各种废水的处理。生物流化 床法处理污水技术之所以得到国内外研究者的高度重视，是由于与其它生物反应器相比，具 有如下优点： ( 1 ) 生物流化床具有巨大的比表面积( 见表1 1 1 3 2 1 ) 和比其它普通污水处理工艺浓度高得 多的生物量1 3 3 , 3 4 , 3 5 】。由于采用了小粒径固体作为载体并使载体流态化，故流化床的比表面积 比一般生物膜法大得多p 6 1 。这是生物流化床高负荷、高去除率的主要原 1 3 2 , 3 7 l 。 表1 1 几种生物膜法的比表面积 处理工艺比表面积( m 2 m 3 ) 生物流化床 普通生物滤池 生物转盘 接触氧化 塔式生物滤池 3 0 0 0 , - - 5 0 0 0 4 0 1 2 0 1 2 0 1 8 0 1 3 0 1 6 0 0 8 0 1 6 0 ( 2 ) 生物流化床具有很高的容积负荷a 和污泥负荷率1 3 i 3 2 3 7 1 ，见表1 2 1 3 2 3 8 】。因此，在 相同进水条件下，采用生物流化床处理污水，可使反应器容积大大减小，从而显著地降低占 地面积及工程投资。 ( 3 ) 好氧流化床耐冲击负荷能力强1 3 2 ， 3 7 1 。由于生物流化床内生