（环境工程专业论文）膜生物反应器处理印染废水的研究.pdf

摘要 本文以印染废水为处理对象，采用自行研制的水解酸化十复合式膜生物反应器处 理系统，对该系统处理印染废水的特征以及膜生物反应器运行的工艺参数、污泥性能、 操作条件、污泥膨胀特性变化和控制措施等方面进行研究。 采用正交试验方法，对不同水力停留时间、污泥浓度、溶解氧下膜生物反应器中 有机物去除特性进行研究，确定最佳组合，分析了三个参数对c o d 去除率的影响以及 系统维持稳定运行的工艺参数范围。当系统进水c o d 浓度在5 0 0 2 0 0 0m g l 之间， c o d 、色度去除率平均值分别为9 2 6 、7 6 7 ，相应出水c o d 浓度在4 2 8 0m g l ， 色度小于1 6 倍。c o d 容积负荷和污泥负荷对出水水质有影响，容积负荷和污泥负荷 分别在1 1 6 2 8 9 k g m 3 d 和0 1 3 o 2 7k g k g d 之间时，出水c o d 浓度小 于8 0m g l ，膜生物反应器具有较强的抗冲击负荷能力，同时在长时间内可维持较高 的去除率，维持系统稳定运行。该容积负荷是传统活性污泥法中容积负荷的1 5 3 0 倍。 运行过程中，膜生物反应器中悬浮性活性污泥增殖较快，污泥浓度较高，污泥体 积指数在1 2 0 1 8 0 m l g 之间，较传统活性污泥法中污泥体积指数大，沉淀性能较差。 反应器中微生物种类和数量较少，微生物相与处理效果有一定的指示关系，指示性微 生物随废水温度的变化有所不同。 研究表明，悬浮性活性污泥浓度、废水温度过高时，容易引起膜生物反应器中溶 解氧的严重不足，导致污泥膨胀。污泥膨胀对膜生物反应器出水水质和膜污染有不利 影响，发生污泥膨胀时，微生物对有机物的降解性能变差，出水c o d 浓度上升，去除 率下降。膜过滤压力增加较快，膜过滤压力变化速率是正常运行时膜过滤压力变化速 率的3 倍。本试验对控制污泥膨胀的方法进行了研究对比，表明投加双氧水和提高曝 气量均可增加水中的溶解氧。通过增加曝气量来提高反应器中溶解氧速度较慢，投加 双氧水可在短时间内大幅度提高水中的溶解氧，系统处理效果恢复较快。 试验中，膜透水量保持在1 9 0 2 2 0 l h 之间，悬浮性活性污泥浓度在5 o 6 o g l 之间，曝气量为6 o 7 o m 3 h 之间，膜过滤的适宜压力为0 0 1 6 m p a 。水力停留时间 对实际运行中膜过滤压力有较大的影响，比较了水力停留时间为7 h 、9 h 和l o h 时膜 过滤压力变化情况，水力停留时间为7 h 时膜过滤压力上升速率最大。本试验中，膜 生物反应器水力停留时间维持在9 l o h 之间，膜组件采用在低压操作模式下运行， 可较长时间维持较高膜透水量，膜操作压力变化缓慢。膜受到污染后，采用水力清洗 方法对膜通量进行恢复。 关键词：印染废水膜生物反应器工艺参数操作条件污泥膨胀 a b s t r a c t t h et h e s i st a k e sp r i n t i n ga n dd y e i n gw a s t e w a t e ra st h ee x p e r i m e n t a lo b j e c t a n du s e st h ea n a e r o b i ca n dh y b r i dm e m b r a n eb i o r e a c t o rd e s i g n e db yo u r s e l y e s t os t u d yt h eo p e r a t i v ec h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e m ，s t u d yt h et e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r ，t h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n ，t h e s l u d g ec h a r a c t e r i s t i c ，t h e c h a r a c t e r i s t i c o fa n dt h em e a s u r e so fr e s t r a i n i n go fs l u d g eb u l k i n gi nt h e m e m b r a n eb i o r e a c t o r a c c o r d i n gt oo r t h o g o n a ld e s i g n 。b yt h es t u d yo nr e m o v a lc h a r a c t e r i s t i c o ft h eo r g a n i cs u b s t a n c e ，d e t e r m i n i n go p t i m i z i n gc o m b i n a t i o no ft h et e c h n i c a l p a r a m e t e r s ( m l s s 。d oa n dh r t ) ，a n a l y z i n gt h ei n f l u e n c ea n dt h es p h e r eo nt h e r e m o v a lr a t eo fc o d i nt h es p h e r e ，w h e nt h ei n f l u e n tc o n c e n t r a t i o no fc o d w a sb e t w e e n5 0 0 m g la n d2 0 0 0m g l 。t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo fc o dw a s9 2 6 ， c o l o u rw a s7 6 7 a n dt h ec o r r e s p o n d i n ge f f l u e n tc o n c e n t r a t i o nw a sb e t w e e n 4 2 m g la n d8 0 m g l ，c o l o u rw a su n d e r1 6t i m e si nt h es y s t e m w h e nt h ev o l u m e l o a d i n gw a sb e t w e e ni 1 6 k g m a da n d2 8 9 k g m 3d ，t h es l u d g el o a d i n gw a s b e t w e e n0 1 3k g k g da n d0 2 7k g k g d ，t h er e m o v a lr a t eo fc o dw a su n d e r 8 0 m g lo nt h ew h o l ei nt h em e m b r a n eb i o r e a c t o r a tt h es a m et i m e t h em e m b r a n e b i o r e a c t o rh a dg o o da b i l i t yt or e s i s tt h el o a d i n gi m p a c ta n di tc o u l dk e e p t h es t a b i l i z a t i o na tt h el o n gt i m e t h ev o l u m el o a d i n gw a sm o r e1 5 3 0t i m e s t h a nt h a to ft h et r a d i t i o n a la c t i v a t e ds l u d g e d u r i n gt h er u n n i n gt i m e ，t h ea c t i v a t e dr o s eq u i c k l ya n dk e e p sm o r es l u d g e c o n c e n t r a t i o n ，t h es l u d g ev o l u m ei n d e xw a sb e t w e e n1 2 0 m l ga n d1 8 0 m l g t h e a m o u n to ft h em i c r o o r g a n i s mc o m p o s i t i o nw a sl a c ki nt h em b r b yt h es t u d yo n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo fc o d a n dt h em i c r o o r g a n i s m c o m p o s i t i o n 。w ed i s c o v e r yt h ea m o u n ta n dk i n do fm i c r o o r g a n i s ms h o war e m o v a l r a t e i t i ss h o w e dt h a th i g hm l s sa n dt h et e m p e r a t u r el e dt ot h el a c ko fd oa n d t h es l u d g eb u l k i n gi nt h em b r s l u d g eb u l k i n ge m e r g e dd u r i n gm b re x p e r i m e n t ， w h i c hw a sh a dt om e m b r a n ef o u l i n ga n d t h ee f f l u e n c eq u a l i t y w h e ns l u d g e b u l k i n gt o o kp l a c e ，t h ef i l a m e n t o u sm u l t i p l yq u i c k l y ，t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e o fc o dd e c li n e d s h a r p l y ，m e m b r a n ef o u li n gw a sm o r e3t i m e st h a nt h a to ft h e f u n c t i o nn o r m a l l y i nt h ee x p e r i m e n t ，c o m p a r i n gt h ew a y so fh 2 0 2a n dt h ea m o u n t o fa e r a t i o n ，t h ee f f e c to fw a yo fr a i s i n gd ow a sh 2 0 2a n de f f e c t i v et oc o n t r o l s l u d g eb u l k i n g d u r i n gt h er u n n i n gt i m e ，t h eb e t t e rp r e s s u r ew a s0 0 1 6 m p au n d e rc o n d i t i o n t h a tm e m b r a n ef l u xw a sb e t w e e n1 9 0l ha n d2 1 0 m l h ，m l s sw a sb e t w e e n5 0g l a n d6 0g l ，t h ea m o u n to fa e r a t i o nw a sb e t w e e n6 0m 3 ha n d7 o m 3 h h r th a d m o r ee f f e c to nt h em e m b r a n ep r e s s u r ed e c l i n e c o m p a r i n gh r to f7 h ，9 ha n d 1 0h ，t h eg r e a t e s tm e m b r a n ep r e s s u r ed e c li n ev e l o c i t yh a p p e n e di nh r to f7 h i nt h ee x p e r i m e n t ，h r tw a sb e t w e e n9 ha n dl o ha n dl o wp r e s s u r e ，t h em e m b r a n e h a db e e nb e n e f i tt or e l i e fm e m b r a n ef o u l i n ga n dw o u l db ep o l l u t e do nd i f f e r e n t l e v e ld u r i n gt h er u n n i n gt i m e ，t h ee f f e c to fp h y s i cm e m b r a n ew a s h i n gw a sb e t t e r m e t h o d st or e c o v e rm e m b r a n e f l u xa f t e rm e m b r a n ep o l l u t e d j i ah o n gj i a n ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rt o n gp a n r u i d y e i n g w a s t e w a t e r m e m b r a n e b i o r e a c t o r t e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r 0 p e r a t i o nc o n d i t i o n s l u d g eb u l k i n g 西安工程大学学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文 工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程大学。学校有 权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 作者签名： 指导老师签名： 日期：弘功多1翰 西安工程大学学位论文独创性声明 本人郑重声明：本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，论文不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西安工程大学、其他单位的学位或证 书等用途所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文与资料若有不实之处，本人愿承担相关责任 作者签名：凌红肆 日 期：加占、弓1 1 绪论 1 绪论 近年来，我国在推动水污染治理和水资源节约方面取得了积极的成效，但是环境 污染和水资源短缺仍未得到根本转变。创建环境友好型企业，构建资源节约型社会已 成为世界各国的一种共识。印染行业是工业废水排放的大户，据不完全统计，我国印 染废水排放量约为每天3 1 0 8 4 1 0 m 3 ，约占整个工业废水排放量的3 5 “1 ，同时 印染废水中含有大量的有机物，由此带来的环境污染比较严重。加之近年来p v a 浆 料、新型助剂、染料等难生化降解有机物的大量使用，使印染废水处理难度进一步增 加。传统的生物处理系统对c o d 的去除率大都由原来的7 0 下降到5 0 左右，甚至 更低，生化法的脱色效率已远远不能满足发展需要。因此，采用何种处理工艺使印染 废水达标排放以及回用的研究越来越受到人们的关注。 1 1 印染废水处理现状 1 1 1 印染废水特征 印染废水主要来自退浆、煮练、漂白、丝光、染色等工序，废水中含有残余染料、 助剂和一定量的浆料等难生物降解的污染物，是较难处理的工业废水之一。处理不当 将会造成水环境严重污染，使生态系统受到严重的破坏。印染废水主要有以下特点： 一是水质水量变化大，对处理单元会产生较大的冲击负荷。受纤维种类、加工工艺以 及管理等多种因素影响，不同产品产生的废水水质水量也不相同，多年统计结果表明， 国内各类纺织印染产品废水排放量约为生产用水量的7 8 8 5 ；二是有机物浓度 高，可生化性差，处理难度大。废水化学需氧量( c o d ) 高达2 0 0 0 4 0 0 0 m g l ，生 化需氧量( b o d 5 ) 与c o d 之比小于0 2 嘲；三是色度大；四是p h 值变化大。为使 染色溶液和印花溶液更好的上染到织物上，不同纤维织物印染工艺的p h 值条件有所 差异，所排放废水的p h 值变化大，一般来说，棉及混纺织物印染废水的p h 值较高。 1 1 2 印染废水处理技术 印染工艺中使用大量的碱液、各种染料和助剂等，污染成分复杂，处理难度大。 目前各种处理工艺主要集中在去除废水中碱度、色度和c o d 三项指标上，常用的处 理方法分为物理法、化学法、生物法三种。 ( 1 ) 物理法 常用的物理处理法是吸附法。吸附是利用固体表面的分子或原子受力不均匀而具 有多余的能量，当污染物碰撞到固体表面时，受到吸引而停留在固体表面，从而去除 1绪论 污染物。目前国内外主要采用活性炭吸附法，该法对废水中阳离子染料、直接染料、 酸性染料、活性染料等水溶性染料有较好的去除效果，对疏水性染料脱色效果较差。 s a i t o 。1 等人的研究表明，活性炭对废水的染料吸附较好，c o d 和b o d 5 的去除率分 别达到6 2 和9 2 。尽管活性炭对色度的去除效果较好，受吸附容量和生产原料以 及再生技术等因素限制，一般应用在浓度较低的染料废水处理或深度处理。 ( 2 ) 化学法 化学处理法是利用化学法反应的原理和方法回收废水中的污染物，或是改变污染 物的性质，使其无害化的一种处理方法。在印染废水中常用的有絮凝沉淀法、电化学 法和氧化法。 絮凝沉淀法 印染废水絮凝脱色机制是以胶体化学的d l v o 理论为基础，即在悬浮液中加入 絮凝剂，减少胶体粒子表面电荷，减弱同性粒子间斥力，粒子在碰撞时通过结合进行 絮凝。目前用于印染废水处理方面的絮凝剂主要有无机絮凝剂、有机高分子絮凝剂和 微生物絮凝剂。由于无机絮凝剂处理费用高、污泥生成量大以及对亲水性染料脱色效 果较差等原因，近几年研究主要以有机高分子絮凝剂为重点书1 。 电化学法 电化学法是通过电极反应使印染废水中的污染物转化为无害成分被分离去除。电 化学法处理印染废水脱色效果显著，对含有活性染料、直接染料、硫化染料等印染废 水，脱色率可达9 0 以上，对酸性染料废水的脱色率达到7 0 ”1 。但由于电极材料的 催化性能、电流效率低，电极极化严重，使用受到限制。 氧化法 氧化法是通过氧化染料分子发色基团中的不饱和双键，使发色基变为可降解结 构。常用的氧化法包括化学氧化、光催化氧化和超声波氧化。其中化学氧化研究目前 较为成熟，氧化剂一般采用f c n t o n 试剂( f e “一h 2 0 2 ) 、臭氧、氯气、次氯酸钠等。臭氧 氧化法在国外应用较多“。臭氧氧化法对活性染料、直接染料、阳离子染料和酸性染 料等水溶染料具有良好的脱色效果，但对硫化、还原、涂料等不溶性染料脱色效果较 差。光催化氧化法是利用某些物质( 如铁配合物、简单化合物等) 在紫外线作用下产 生自由基，氧化染料分子而脱色。吴峰1 等利用f e ( i i i ) 一羟基络合物进行光解实验， 结果表明，当d h 为3 5 时光解速率较大，f e ( i i i ) 与草酸盐的摩尔比为l 6 1 1 2 时脱色效果较好。光催化氧化法处理印染废水脱色效率较高，但不足之处是设备投资 和电耗较高，有待进一步降低。 ( 3 ) 生物处理法 生物处理法是利用微生物对废水中的污染物进行氧化分解。生物处理法包括好氧 处理和厌氧处理法，其中好氧生物处理占绝大数。好氧生物处理对b o d 5 的去除效果 1绪论 明显，一般可达到8 0 左右，但对色度和c o d 的去除效果不高。同时好氧法较高的 运行费用和剩余污泥处理也一直是一个难题。 由于以上各种方法各有其优缺点，实际工程使用中往往将多种处理方法和处理单 元优化组合。温学友等“2 1 采用接触氧化一电解法处理印染废水，结果表明，系统运行 稳定，处理效果良好，出水c o d 1 5 0 m g l ，色度1 2 倍。在工艺中使用电解法，能 耗较高。司朝晖“”等采用混凝一生物膜曝气一氧化塘法处理印染废水，运行结果表明， 出水水质良好，运行费用较高。 厌氧和好氧处理组合工艺作为近年来生物处理的研究重点，获得了比较大的成 功。汲传军“”等用水解酸化一生物接触氧化一絮凝反应组合工艺处理粘胶长丝印染废 水，结果表明，系统运行稳定，处理效果良好，出水c o d l o o m g l ，色度2 5 倍， 达到污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 一纷标准。钦潍“”等人采用预处理一才锯 酸化一a o 工艺处理印染废水，研究表明，系统运行稳定，处理效果良好，出水c o d 1 0 0m g l ， b o d 5 、 2 0 m g l ，色度5 0 倍，s s 7 0m g l ，达到污水综合排放标 准( g b 8 9 7 8 - 1 9 9 6 ) 一级标准。付永胜“”等用水解酸化一u a s b s b r 组合法处理印染废 水研究表明，系统处理效果较好，出水达到排放要求。刘帅霞“7 1 等用水解酸化一生物 接触氧化工艺处理印染废水表明，处理效果稳定，c o d 去除率在8 0 以上，出水达到 了排放要求。 由于污泥处理和药剂投加等，以上工艺一般占地面积较大，运行费用较高，在实 际运行中仍存在二次污染。据资料报道，国外一般污泥处理处置费用占整个污水处理 厂处理总费用的5 0 7 0 ，在国内也占4 0 左右。因此，近年来各种新型、改良型 高效废水处理技术应运而生，其中膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ) 由于具有占 地少、出水可回用、不需设置污泥处理系统等特点在废水处理应用中格外引人注目。 1 2 膜生物反应器 1 2 1 膜生物反应器的机理 膜生物反应器根据机理可分为三大类型“：膜一曝气生物反应器( m e m b r a n e a e r a t i o nb i o r e a c t o r , m a r s ) ，萃取膜生物反应器( 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 ， e m b r ) ，膜分离生物反应器( b i o m a s ss e p a r a t i o nm e m b r a n eb i o r e a c t o r , b s m b r ，简 称m b r ) 。 膜一曝气生物反应器为无泡曝气，它采用透气性致密膜( 如硅橡胶膜) 或微孔膜 ( 如疏水性聚合膜) 作为微生物膜生长的介质。废水在生物膜外表面流过，形成了氧 气和污染物之间的反向扩散，氧在生物降解过程中被利用，废水得以净化。由于传递 的气体含在膜系统中，延长了气体与废水的接触时问，极大的提高了传氧效率。 1绪论 萃取膜生物反应器是结合膜萃取和生物降解，利用膜将工业废水中有毒的、溶解 性差的污染物优先从废水中萃取出来，然后利用专性菌对其进行单独生物降解，使专 性菌不受废水中离子强度和p h 值的影响，膜生物反应器的处理功能得到优化。 膜分离生物反应器中的膜组件相当于传统生物处理系统中二次沉淀池。有机物的 去除是以选择性透过膜为分离介质，在静压差或外部推动力作用下，废水中小于膜孔 的粒子通过滤膜，大于膜孔的粒子被截留在膜表面以及反应器中，从而达到固液分离 目的。膜分离生物反应器是目前应用最广泛的膜生物反应器类型之一。 1 2 2 膜生物反应器的分类 膜生物反应器按照膜组件与反应器位置关系，可分为一体式膜生物反应器 ( s u b m e r g e dm e m b r 姐eb i o r e a c t o r ) 、分置式膜生物反应器( r e c i r c u l a t e dm e m b r a n e b i o r e a c t o r ) 和复合式膜生物反应器( h y b r i dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ) 。 进水 y 出水 i 卅 厂、 一 3 l 图卜1 一体式膜生物反应器 l 一膜生物反应器 2 一膜组件3 一抽吸泵 一体式膜生物反应器又称浸没式膜生物反应器，是将膜组件直接放置于反应器 中，利用真空泵抽吸或反应器内外压力差出流，通过曝气器产生气体的剪切力来减缓 膜污染。其特点是占地面积小，能耗较低，运行稳定性差，膜组件清洗相对较难。示 意图如图卜1 所示。 进水空气污泥川流 l23 图卜2 分置式膜生物反应器 l 一生物反腑器2 一真空泉3 一膜组件 分置式膜生物反应器分将生物反应器和膜组件分开，一般由加压泵将生物反应器 中的活性污泥混合液送入膜组件进行过滤，被浓缩的泥水混合物通过压力被送回生物 4 i 绪论 反应器内，以保持反应器中的微生物量。需要安装单独的加压泵和污泥回流系统。其 特点是运行条件易于控制，膜组件易于清洗、更换，膜污染可以有效控制，动力消耗 高，占地面积大。其示意图见图卜2 。 复合式膜生物反应器在形式上属于一体式膜生物反应器，不同的是在反应器内加 装填料，改变了反应器的处理性能。使生物反应器内既有悬浮性活性污泥又有附着型 生物膜，提高了反应器内总生物量，减缓膜污染，增强了反应器的处理效果和运行稳 定性。其特点是占地面积小，曝气可分开控制，能耗较低，膜污染较缓慢，运行相对 稳定。填料一般采用颗粒活性碳、软性以及半软性填料等。其示意图如图卜3 所示。 本文所采用的膜生物反应器即指这种复合式膜分离生物反应器。 进水 i 粪奏蚕囝2 3 图卜3 复合式膜生物反应器 1 一填料 2 一膜组件3 一生物反应器4 一抽吸泵 1 2 3 膜生物反应器的特点 与传统活性污泥法相比，膜生物反应器具有无法比拟的优势： ( 1 ) 整体紧凑，节约占地。膜生物反应器用膜组件代替传统活性污泥法中依靠 重力沉降实现泥水分离的处理系统，使整体结构变得较为紧凑，减少了占地面积。 d a v i s 等通过比较不同规模的膜生物反应器和传统活性污泥法污水处理厂发现，m b r 法可节省占地面积l 2 2 3 。 ( 2 ) 出水水质可达到回用标准，实现了水资源的可持续利用。膜生物反应器对 有机物的去除效果来自两方面：一方面是反应器内微生物对有机物的降解；另一方面 是膜对有机物大分子的截留作用。在处理工业废水时，膜的截留作用可以延长大分子 有机物在废水中的停留时间，加强了膜生物反应器处理难降解有机物的能力。膜生物 反应器采用膜过滤，不仅对悬浮物和有机物的去除效率高，还可截留废水中的细菌和 病毒等，出水水质良好。 ( 3 ) 实现水力停留时间( h r t ) 和污泥停留时间( s r t ) 的完全分离。膜生物反 应器可以同时实现很短的h r t 和很长的s r t 的完全分离，使反应器能够维持高的污 泥浓度，提高容积负荷，减少反应器体积。污泥负荷能够维持在较低水平，污泥产生 5 1绪论 量少，减少了污泥的处理量和处理费用。 ( 4 ) 膜生物反应器中污泥停留时间长，有利于世代时间长、增殖速度慢的硝化 细菌等微生物生长，提高了反应器的硝化效率。此外，反应器中污泥浓度较高，易于 在活性污泥内部形成缺氧状态，为反硝化细菌提供繁殖条件，在同一反应器中实现硝 化和反硝化，在去除c o d 的同时还具有良好的脱氮效果。 ( 5 ) 膜生物反应器的污泥浓度较高，加强了系统抵抗冲击负荷和有毒害物质的 能力，适合于处理难降解的有机废水。 ( 6 ) 膜生物反应器处理系统的设备成套化程度高，易于安装，自动化程度高， 节约人工费用。 膜生物反应器也存在一些难以避免的缺点： ( 1 ) 膜污染问题。膜污染是阻碍膜生物反应器推广应用的关键因素，资料表明， 膜污染主要来自三个方面“”1 ： 一是滤饼层。滤压差或水流作用下，膜截留产生的部分活性污泥和胶体物质在 膜表面沉积引起膜污染( 属可逆污染) ，其形成主要与废水中的悬浮物浓度有关。另 外微生物产生的胞外聚合物( e x t r a c e l l u a rp o l y m e r se p s ) 在反应器中不断积累， 引起混合液粘度和膜过滤阻力的增加，e p s 也是形成膜污染不可忽略的重要因素之 一。 二是溶解性有机物( s m p ) 。s m p 是在生物降解和代谢过程中产生的溶解性有机 物的总称，成份复杂，可生物化较差。l e u d e k i n g 和p i r e t 认为s m p 有两种类型组 成，其中之一是与微生物有关的产物( m 廿) ，其数值由微生物浓度( 即活性污泥浓 度) 控制。活性污泥浓度过高时，代谢产物较多，使得混合液中s m p 的浓度增加， 易被吸附在膜表面形成凝胶层，导致膜过滤阻力升高和膜通量的降低。 三是微生物。膜表面和膜内微孔中存在微生物生长所需的营养物质，不可避免 的会有大量微生物滋生。 ( 2 ) 能耗和造价问题。能耗和造价问题是污水处理工艺的重要评价指标，膜生 物反应器的能耗和造价高于传统活性污泥法。首先，膜生物反应器内污泥浓度较高， 为了提供微生物代谢所需溶解氧，减缓污泥在膜面的沉积，必须加大曝气量；其次， 膜生物反应器需要配置为膜组件提供膜分离所需压力的泵：另外，资料表明，膜组件 更换费用明显高于传统活性污泥法的土建费用，因此通过优化膜组件结构和膜材料来 降低能耗和造价足促进膜生物反应器发展和应用的重要因素。 针对膜生物反应器存在的问题，国内外的学者作出了大量的研究工作，提出了 许多解决的方法。 ( 1 ) 采用一体式膜生物反应器，相对于分置式膜生物反应器可以节省循环泵能 耗，而且由于膜组件放置在曝气器上方，受到曝气气流产生的剪切力影响，使膜面污 1 绪论 染明显减轻”“。 ( 2 ) 采用间歇抽吸过滤方式。当一体式膜生物反应器采用连续过滤方式出水时， 滤饼层和凝胶层不断增厚，增加了膜面污染。采用间歇抽吸过滤方式，在停止抽吸的 时段，沉积层会因曝气作用而从膜表面脱落，减缓了膜面污染。 ( 3 ) 在分置式膜生物反应器中采用恒流量控制，不仅能减少膜污染，大大延 长膜冲洗周期，而且实现了膜生物反应器进、出水量平衡，保持反应器内活性污泥浓 度和水力停留时间不变，减少进水水量波动对微生物产生的冲击。 ( 4 ) 对膜组件进行定期冲洗。一是反冲洗，可利用处理出水定期对膜组件进行 反冲洗，以减缓膜污染，提高膜透水率。二是药物清洗，膜组件运行时间较长时，用 药液浸泡，可去除膜组件上的污染物质。常用的化学药剂有次氯酸钠、稀酸、氢氧化 钠和表面活性剂等，对于不同种类的膜材料应选择合适的化学药剂，防止药剂对膜造 成损害。 1 2 4 膜生物反应器的研究进展 膜生物反应器最早使用在生物化工行业的连续发酵工艺，在废水处理领域的应用 研究开始于2 0 世纪6 0 年代末。1 9 6 9 年美国的s m i t h 首先报道了采用活性污泥法和 超滤膜结合工艺处理城市污水，研究表明，该系统对有机物、氮等常规污染物具有较 好的去除效果。同年，d o r r - o l i v e r 进行了膜生物反应器处理生活污水的研究，并申请 专利。 上世纪8 0 年代以后，由于膜生物反应器自身的优点以及膜技术的发展，膜生物 反应器的应用研究越来越引起国际上的极大重视。日本由于资源相对短缺的限制，在 膜生物反应器处理废水的研究开发方面投入了大量的人力、物力。日本”1 1 9 8 5 年通 过“a q u ar e n a i s s a n c e9 0 ”大型研究计划( 水再生利用9 0 计划) 的实施，极大地 推进了膜生物反应器种类和处理规模的研究应用，较为系统地研制完成七类废水( 酒 精发酵、造纸、淀粉、油脂、蛋白、生活、屎尿) 的膜生物反应器处理系统。许多相 关研究证明，膜生物反应器能够获得良好的出水水质。这一时期的研究主要集中在膜 生物反应器的处理效果和运行稳定性方面，膜生物反应器主要形式为分置式，由于其 能耗较高，日本学者y a m a m o t o 于1 9 8 9 年开发了一体式膜生物反应器。 上世纪2 0 世纪末，随着膜生物反应器工艺的优化和发展，研究和应用范围不断 扩大。1 9 9 2 年c h i e m c h a i s r i 用膜生物反应器处理生活污水，出水水质优于传统二级 处理后再经消毒的出水。1 9 9 3 年c h i e m c h a i s r i 分别利用中空、板式m b r 工艺处 理城市污水，c o d 去除率大于8 0 ，同时利用m b r 对生活污水进行了脱氮研究和 低温脱氮研究1 。1 9 9 4 年t h r o v e ”1 将无机膜反应器工艺运用在巴黎a u b e r g e n v i l l e w w t p 处理城市废水的半生产研究中，处理能力为1 8 4 0 m 3 d 。运行结果表明，c o d 7 8 1绪论 去除率为9 6 ，s s 、b o d 5 去除率大于9 9 9 。同年k n o bl o c k 1 研制了处理汽车制 造厂含油废水的膜生物反应器系统，s u t t o n 。”研究了膜生物反应器处理油脂类废水， 研究表明，m b r 对于油脂类废水具有极高的去除效果，甚至在水力负荷发生变化时， 仍能维持较高的去除率。 在膜生物反应器运行操作条件等方面，国外学者也开展了大量的研究工作。1 9 9 5 年，m u l l e r 0 2 1 进行错流式膜生物反应器中试试验，运行3 0 0 天，污泥浓度达到4 0 5 0 9 l ，体积负荷和污泥负荷分别为0 9 2 o k g c o d m 3 d 和0 0 2 1 k g k g m l s s d ， 总有机碳去除率达到9 0 。b o r a n z h a n g 于1 9 9 6 年对膜生物反应器与传统活性污泥法 进行了微生物种群及细菌活性研究。1 9 9 9 年n a g a o k a m l 等对细菌胞外聚合物及污泥粘 性对膜过滤阻力的影响进行了动力学分析。同年，r o s e n b e r g e r “3 研究了外置式m b r 中污泥浓度对运行特性的影响。n c i c e k 等研究了污泥龄分别在3 0 d 、2 0 d 、1 0 d 、5 d 的情况下污泥产率和污泥活性的变化关系，结果表明，随着污泥龄的减少，污泥产率 和污泥活性呈增加趋势。2 0 0 0 年d e f i a n c e 利用孔径为0 1 u m 的外置式m b r ，研究 了不同膜驱动压力( 喇p ) 、不同错流速率下的膜污染情况，结果表明，t m p 在临界 点以下时，膜通量随t m p 的增加呈线性增加，超过此点后，膜通量趋于恒定，临界 点随错流速率的增加而增加。 我国自2 0 世纪9 0 年代开始，在借鉴国外经验的基础上，对膜生物反应器处理工 业废水的可行性、操作运行条件、膜污染机理以控制对策进行了研究。清华大学的桂 萍1 等对膜生物反应器处理生活污水进行的研究表明，膜生物反应器处理生活污水效 果良好，运行稳定。张立秋等考察了膜生物反应器内活性污泥的增长规律，利用线性 回归方法确定了该实验条件下活性污泥的产率系数和微生物自身氧化率的数值，并确 定在一定条件下反应器内活性污泥浓度可能达到的最大值。桂萍。”应用正交试验方法 对一体式m b r 中膜污染速度与污泥浓度、曝气量和膜通量的关系进行研究，结果表 明，不同污泥浓度、曝气量下均存在一个临界膜通量。顾平1 在一体式膜生物反应器 处理生活污水的研究中发现，当曝气强度足够大时( 气水比接近1 0 0 ：1 ) ，污泥浓度 由l o g l 上升到3 5 9 r l 时，污泥浓度与膜通量之间没有明显的相关性；如果降低曝气 强度，污泥浓度对膜通量会产生一定的影响。王琼瑶1 等用自行研制的水解酸化+ 一 体式膜生物反应器处理印染废水试验研究表明，处理效果良好。膜通量与污泥浓度呈 线性关系，即污泥浓度越高，膜通量越小。研究表明，操作压力存在一个临界值，超 过次临界值，膜污染严重。何义亮1 等采用膜一厌氧生物反应器处理高浓度食品废水， 研究表明，当一体式膜生物反应器中c o d 容积负荷低于2 0k g m 3 d 时，c o d 去除 率在9 0 以上。在这些研究的基础上，膜生物反应器在我国逐步由试验研究走向应用， 并呈现出良好的应用前景。 1绪论 近几年，随着膜材料和膜生物反应器工艺操作条件的不断发展和优化，膜生物反 应器在废水处理中应用日益广泛。目前，在膜生物反应器的应用中，9 8 以上是好氧 膜生物反应器，其中5 5 d a 上是一体式膜生物反应器“。膜生物反应器在不同种类废 水中的应用比例见表卜1 。 表卜1 膜生物反应器在不同种类废水中的应用比例 t a b 1 1a p p l yo fm b rt od i f f e r e n tk i n d sw a s t e w a t e r 废水类型百分比( ) 工业废水 大楼废水 生活污水 城市污水 垃圾填埋厂渗滤液 2 7 2 4 1 7 1 2 9 1 2 5 膜生物反应器的研究重点 膜生物反应器未来的研究重点如下： ( 1 ) 膜污染的机理及控制。如：污水中各污染物成分如有机物、无机物、胶体 物质等对膜过滤过程的影响；膜污染模型的建立和研究；缓解膜污染研究和探讨。 ( 2 ) 新型分离膜技术的研究应用。性能优越的新型分离膜技术尤其是抗污染、 耐微生物侵蚀新型膜材料的研究，新型膜组件的开发研制。 ( 3 ) 膜生物反应器法处理工艺流程和运行条件的优化研究。 ( 4 ) 膜生物反应器经济性能的研究。m b r 处理废水最大经济流量的确定以及适 合m b r 处理的废水类型。 ( 5 ) 膜生物反应器系统工艺设计研究。目前国内外对膜生物反应器尚无比较成 熟、系统性的设计方法，研究开发膜生物反应器系统工艺的设计标准也是亟待解决的 问题。 1 3 膜生物反应器在印染废水中的研究 膜技术和膜生物反应器的出现为印染废水处理提供了新的研究思路。国内外研究 者采用膜进行印染废水处理取得了比较好的效果。 8 0 年代，中科院环化所与北京光华染织厂进行了超滤法处理还原染料废水的研 究试验，采用3 6 m 2 的外压管式聚矾超滤器，在进口压力2 2 0 2 4 0 k p a ，温度4 0 5 5 的条件下，运行2 0 0 0 多小时，脱色率一般可维持在9 5 9 8 ，c o d 去除率在 6 0 9 0 ，染料回收率大于9 5 1 ”1 。郭明远”等用自制的醋酸纤维素纳滤膜对x 一3 b 9 1 绪论 型活性染料的水溶液进行分离研究，效果较好。刘超翔等“”采用一体式膜生物反应器 对毛纺厂印染废水的处理进行了中试研究，结果表明，出水c o d 2 0 m g l ，色度 4 度， 出水水质明显优于该毛纺厂现有接触氧化处理工艺出水。郑祥等“”等采用厌氧一好氧 膜生物反应器处理毛纺织印染废水，出水指标达到建设部生活杂用水水质标准 ( c j 2 5 1 8 9 ) 。陈梅雪1 等考察了上流式接触氧化柱和接触氧化槽与膜系统组成的 分离式膜生物反应器处理印染废水的效果，上流式接触氧化柱一膜反应器和接触氧化 槽一膜反应器对c o d 的平均去除率分别为6 4 3 和8 1 7 ，对色度的平均去除率分 别为5 9 7 和4 1 。出水c o d 稳定在1 0 0m g l 以下，色度在5 0 倍以下 西安工程大学多年来采用一体式好氧膜生物反应器对印染废水处理效果进行室 内模拟研究和小试研究，结果表明，处理效果良好，出水c o d 1 5 0 m g l ，色度 1 6 倍。但缺乏膜生物反应器工程设计和实际运行所需的工艺参数和操作参数，与工程实 际结合性较差，有待进一步研究深化。 1 4 研究意义和内容 1 4 1 研究意义 本课题为陕西省教育厅产业化培育项目印染废水的膜一生物反应器法处理技术 研究的子课题项目。膜生物反应器是膜分离技术和生物处理技术结合形成的一种新 型、高效的污水处理技术，具有工程应用价值。 已有的初步研究发现，水力停留时间为9 h ，有机物去除率基本保持在8 3 1 以 上，但膜污染较严重。为了进一步对膜生物反应器处理印染废水的效果、运行参数以 及减轻膜污染的操作条件进行研究，为膜生物反应器处理印染废水的工艺设计和运行 管理提供技术参考和基础资料。本文采用自行设计制作的“水解酸化+ 复合式膜生物 反应器”工艺对印染废水处理进行中试研究，为小型化印染废水及高浓度难降解有机 废水膜生物反应器设备的产业化奠定基础。 1 4 2 研究的主要内容 ( 1 ) 研究系统对印染废水的处理效果，复合式膜生物反应器处理特征、运行规律 和污泥变化规律。 ( 2 ) 确定复合式膜生物反应器处理印染废水工艺参数。 结合运行特征和试验数据进行分析，确定复合式膜生物反应器处理印染废水工艺 参数，包括水力停留时间、固体停留时问、污泥浓度、c o d 容积负荷和污泥负荷等。 ( 3 ) 控制其它条件，研究膜生物反应器最佳运行工况。 ( 4 ) 分析不同处理效果时反应器中的生物相，建立生物相和处理效果之日j 的宏观 指标，为m b r 实际运行管理提供借鉴。 i 绪论 ( 5 ) 考察膜组件的运行情况，分析其使用周期。 1 4 3 研究创新点 ( 1 ) 复合式膜生物反应器处理系统工艺参数、操作条件。 西安工程大学多年来采用一体式好氧膜生物反应器处理印染废水的效果进行的 室内模拟研究和小试研究表明，处理效果良好，但缺