硕士论文-生物加强超滤深度处理城市污水回用试验研究.pdf

内蒙古大学 硕士学位论文 生物加强超滤深度处理城市污水回用试验研究 姓名：格根图雅 申请学位级别：硕士 专业：环境科学 指导教师：丁杰 20080510 内蒙古大学硕士学位论文 生物加强超滤深度处理城市污水回用试验研究 摘要 内蒙古呼和浩特市金桥发电厂以辛辛板污水处理厂处理后的二级排放水作 为电厂工业补给水源，针对污染物含量高的特点以及循环水高浓缩倍率运行的 要求，经反复的技术论证、中试试验和经济比较，最终选择了生物加强超滤工 艺。整个工程符合了国家节水技术政策大纲要求的“零排放”技术，达到了节 水、环保的目的。这是目前在国内中水回用工程中规模较大( 日处理水量达3 万吨) 、性能较好的一个M B R 工程，经调试、运行后出水水质与小型实验研究 出水水质类似，出水水质良好，超滤制水方式采用间歇式制水方式，运行过程 中膜污染不严重。金桥电厂再生水处理工程的建成体现了我国M B R 技术研发、 应用规模、工艺集成及先进性达到了国际领先水平，标志着我国的污水处理和 资源化技术跨入了世界前列。因此金桥电厂的工艺流程、运行情况等深受国内 外科研领域的关注。本文主要介绍金桥电厂设备、工艺流程，分析本工艺连续 运行一年多时间里系统对污染物的去除效果和膜污染的形成及其清洗等。通过 数据分析，进一步阐明膜生物反应器的先进性、可靠性，对未来M B R 工艺的推 广应用奠定了基础。 一年的运行结果表明，生物加强超滤系统出水水质良好。出水浊度、C O D 、 氨氮、T N 、T P 平均浓度分别为：O 11 5 N T U 、31 4 2 m g L 、0 2 6 6m g F L 、3 2 8 6 m g L 、 1 3 l r n g L ；系统出水中未检测出细菌存在，除了出水T P 值外，其余水质指标都 生物加强超滤深度处理城市污水回用实验研究 达到再生水用作冷却水的水质控制指标。 生物加强超滤系统内的微生物相的镜检表明，系统内的微生物种属具有以 下特点：微生物多样化、食物链长、硝化菌增值快和适应水质能力强等特点。 生物加强超滤工艺具有一定的同时硝化反硝化和除氮脱磷的功效。当原水 氨氮、总氮和总磷浓度分别在1 8 3 4m g L 、4 9 7 0 m g L 和2 1 4 4 3 9 m g L 之间时， 出水氨氮、总氮和总磷在O 2 7 0 7 8m g L 、2 8 - 4 1m g L 和O 8 2 2 4 4 m g L ，平均 去除率在9 9 、4 0 4 和5 8 1 7 。 一直以来由于膜污染造成的操作周期短、能耗和处理成本偏高影响着膜生 物反应器工艺的广泛应用。本工艺制水方式采用间歇式制水方式，联合反洗、 在线反洗、鼓风曝气等清洗方式和适当操作条件能很好的防治并预防膜污染的 产生，在长期运行中没有产生严重膜污染的情况。因此本工程的操作条件、清 洗方法能有效的清除膜面污染物，延长化学清洗周期，节省药物清洗费用，非 常具有推广应用价值。 关键词：生物加强超滤，深度处理，中水回用，膜污染，膜清洗 I l 内蒙古大学硕士学位论文 E X P E R I M E N TR E S E A R C Ho N A D V A N C E DT R E A T M E N T o FS E ，A G EA N DR E C L A I M E D ，A T E RU T I L I Z A T I o N B YB I o L o G l C A LS T R E N G T H E NU L T R A F I L T R A T I o N A B S T R A C T J i n Q i a oP o w e rP l a n ti nH o h h o t ，I n n e rM o n g o l i a ，s e l e c t e ds e c o n d a r yd r a i n a g e w a t e ra st h ep l a n t Si n d u s t r i a ls u p p l yw a t e r ，w h i c hi sf r o mX i nX i n B a nS e w a g e T r e a t m e n tP l a n t T a k et h es e c o n d a r yd r a i n a g ew a t e rh a v i n gt h eh i g hp o ll u t a n ta sw e l l a st h ec i r c u l a t i n gw a t e rr e q u i r i n gh i g hc o n c e n t r a t e dr a t i or u n n i n gi n t oc o n s i d e r a t i o n ， J i n Q i a oP o w e rP l a n ta d o p t e db i o l o g i c a ls t r e n g t h e nu l t r a f i l t r a t i o np r o c e s st h r o u g ht h e r e p e a t e dt e c h n i c a la r g u m e n t a t i o n ，p i l o tt e s ta n de c o n o m i cc o m p a r i s o n s T h ew h o l e p r o je c ta c c o r dw i t ht h en a t i o n a lp o l i c yf r a m e w o r kf o rw a t e rs a v i n gt e c h n o l o g y r e q u i r e m e n t so ft h e z e r o - e m i s s i o n ”a n da c h i e v ew a t e r - s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o np u r p o s e s A tp r e s e n t ，t h i sp r o j e c ti s o n eo ft h el a r g e s t ( o nd e a l i n gw i t h s e w a g eu pt ot h i r t yt h o u s a n dt o n e sp e rd a y ) a n dt h eb e t t e rp e r f o r m a n c eo fM B R i n r e c l a i m e dw a t e rr e u s ep r o j e c ti nt h ec o u n t r y J i n Q i a op l a n t e f f l u e n tq u a l i t y ，a f t e r c o m m i s s i o n i n ga n dr u n n i n g ，w a ss i m i l a rt ot h es m a l le x p e r i m e n t a le f f l u e n tq u a l i t y I I I 生物加强超滤深度处理城市污水回用实验研究 E f f l u e n tq u a l i t yi sv e r yg o o d U i t r a f i l t r a t i o ns y s t e mh a v eb e e nu s i n gi n t e r m i t t e n t p r o d u c ew a t e rm o d e I nt h er u n n i n gp r o c e s s ，m e m b r a n ef o u l i n gi sn o ts e r i o u s T h e f o u n d a t i o no fJ i n Q i a or e n e w a b l ew a t e rt r e a t m e n tp r o j e c tr e f l e c t st h a to u rc o u n t r y S M B R t e c h n o l o g yh a sr e a c h e dt h ei n t e r n a t i o n a ll e a d i n gl e v e ln om a t t e rt h a tM B R S r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o ns i z e ，p r o c e s si n t e g r a t i o na n da d v a n c e ds t a g e I nt h em e a n t i m e ，t h i sp r o je c ti n d i c a t e st h a tC h i n a Ss e w a g et r e a t m e n ta n dr e s o u r c e s t e c h n o l o g yh a ss t r o d ei n t ot h ef o r e f r o n to ft h ew o r l d T h e r e f o r eJ i n Q i a op l a n t p r o c e s sf l o wa n do p e r a t i o nc o n d i t i o nh a v ed e e p l ya t t e n d e db ys c i e n t i f i cf i e l di n n a t i o na n df o r e i g nc o u n t r y T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eJ i n Q i a op l a n te q u i p m e n t a n dp r o c e s s ，a n a l y s e st h a tt h es y s t e mt or e m o v ep o l l u t a n t sa n dt h ef o r m a t io no f m e m b r a n ef o u l i n ga n dc l e a n i n gf o u l i n gi nt h ep r o c e s so fc o n t i n u o u so p e r a t i o n m o r et h a nay e a r T h r o u g ht h ed a t aa n a l y s i s ，f u r t h e rc l a r i f i e dm e m b r a n e b i o r e a c t o r Sa d v a n c e dl e v e la n dr e l i a b i l i t ya sw e l la sl a i daf o u n d a t i o no fM B R t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee f f l u e n t q u a li t y o fb i o l o g i c a l s t r e n g t h e n u l t r a f i l t r a t i o ns y s t e mw a sg o o d T h ee f f l u e n tt u r b i d i t y ，C O D ，a m m o n i an i t r o g e n ，T N ， T Pa v e r a g ec o n c e n t r a t i o n sw e r e ：O 115N T U ，31 4 2 m g L ，0 2 6 6m g L ，3 2 8 6 m g L ， 1 31m g L ；T h ee f f l u e n ts y s t e md i dn o td e t e c ta n yp r e s e n c eo fb a c t e r i a A p a r tf r o m t h ee f f l u e n tT Pv a l u e ，t h eo t h e re f f l u e n tq u a l i t yi n d e xh a dr e a c h e d R e n e w a b l eW a t e r f o rC o o l i n gW a t e rQ u a l i t yC o n t r o lI n d e x T h ee x a m i n a t i o no fm i c r o b i a ls p e c i e si nb i o l o g i c a ls t r e n g t h e nu l t r a f i l t r a t i o n s y s t e mh a v ei n d i c a t e dt h a tm i c r o b i a ls p e c i e si nt h es y s t e m ，t h a th a st h ef o l l o w i n g I V 内蒙古大学硕士学位论文 c h a r a c t e r i s t i c s ：m i c r o b i a ld i v e r s i t y ，t h ef o o dc h a i nl e n g t ha n dr a p i d l yn i t r i f y i n g b a c t e r i ai n c r e a s i n ga n dt h es t r o n ga b i l i t yt oa d a p tt h ew a t e rq u a l i t y B i o l o g i c a ls t r e n g t h e n u l t r a f i l t r a t i o n p r o c e s s h a sac e r t a i ns i m u l t a n e o u s n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r if i c a t i o ne f f i c i e n c y ，m e a n w h i l en i t r o g e na n dp h o s p h o rr e m o v a l e f f i c i e n c y W h e nt h er a ww a t e ra m m o n i a ，t o t a ln i t r o g e na n d t o t a l p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o ni nt h e18 3 4m g L ，4 9 7 0 m g La n d2 14 4 3 9m g L ，t h ee f f l u e n t a m m o n i aa n dt o t a ln i t r o g e ni nt h eO 2 7 0 7 8m g L ，2 8 - 41m g La n dO 8 2 2 4 4m g L ，t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo f9 9 ，4 0 4 a n d5 8 17 M e m b r a n eb i o r e a c t o rt e c h n o l o g yh a sb e e nr e s t r i c t e dt ow i d e l ya p p l i c a t i o n ， b e c a u s em e m b r a n ef o u l i n gl e dt ot h es h o r to p e r a t i o nc y c l e ，h i g he n e r g ya n dc o s t si n M B R T h i sp r o c e s su s i n gt h ei n t e r m i t t e n tw a t e rm a k i n gm a n n e r ，jo i n tb a c k w a s h i n g ， o n l i n eb a c k w a s h i n g ，b l a s ta e r a t i o nc l e a n i n gm e t h o d sa n do t h e ra p p r o p r i a t eo p e r a t i n g c o n d i t i o n sC a nc o n t r o la n dp r e v e n tt h ef o r m a t i o no fm e m b r a n ef o u l i n gv e r yw e l l ，a n d i nt h el o n gr u n n i n g ，i ti sn o tp r o d u c i n gs e r i o u sm e m b r a n ef o u l i n g T h e r e f o r e ，t h e o p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n dt h ec l e a n i n gm e t h o d so f t h i sp r o j e c tc a ne f f e c t i v e l yr e m o v e m e m b r a n es u r f a c ec o n t a m i n a n t sa n de x t e n dt h ec h e m i c a lc l e a n i n gc y c l ea n ds a v e d r u g sc l e a n i n gc o s t s T h ep r o c e s sh a sv e r yp r o m o t i o n a lv a l u e ， K E Y W O R D S ：B i o l o g i c a lS t r e n g t h e nU l t r a f i l t r a t i o n ，S e c o n d a r y T r e a t m e n t ， R e c l a i m e dW a t e rR e u s e ，M e m b r a n eF o u l i n g ，M e m b r a n eC l e a n i n g V 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除本文已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得内苤直苤堂及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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：邈遮迢霾! 量 指导教师签名： E t期：! 至! 兰 4 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将 学位论文的全部氏容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允 许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。 为保护学院和导师的知识产权，作者在学期间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后 使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古大学就读期间导师的同意；若用 于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名：丝迅塑壅鱼 指导教师签名： E t期：j 竺丛 日期：趁曼2 ： 内蒙古大学硕士学位论文 1 1 1 城市污水回用的必要性： 第一章绪论 1 。1 问题的提出 水资源短缺，是我们面临的一个愈来愈严重的问题。我国水资源总量为2 。8 1 1 0 4 亿I n 3 ， 居世界第6 位，但人均占有量居世界第1 0 8 位，为世界上2 1 个贫水国家之一，人均占有淡冰 量相当于世界人均占有量的四分之一。随着经济的发展，工农业及居民生活用水量的需要石 断增大，加剧了水资源的紧张局面，同时污水量也大量增多，使河流、湖泊污染日趋严重， 甚至连地下水也不同程度地受到了污染，给城市取水带来了很大的难度。全国4 0 6 的城帝 饮用水源地水质较差，约有3 0 人口的饮用水受到污染。同时工业万元产值耗水量大等原因， 使水资源短缺及用水困难的情况更加严重，阻碍了经济建设的发展。 现在所提倡的循环经济是一种以资源的高效利用和循环利用为核心，以“减量化 ( R e d u c e ) 、再利用( R e u s e ) 、再循环( R e c y c l e ) ”为经济活动的行为准则( 称3 R 原则) ，以“低 消耗、低排放、高效率 为基本特征符合可持续发展理念的经济增长模式，是对“大量生产、 大量消费、大量废弃 的传统增长模式的根本变革。城市污水作为一种稳定可靠、可再生利 用的大量水资源，对其充分开发利用是有效节约、开发利用水资源的重要手段之一，其再生 处理比海水脱盐成本低，基建投资比远距离取水经济，是解决城市水资源严重不足的有效措 施。因此，将城市污水作为第二水源实现“污水资源化”是目前世界各国解决水危机的首选 方案【。 目前，国内外在城市污水的再生利用方面已建立起许多示范工程和实际应用工程1 2 J ，其 实际污水回用( 也称作“中水( 再生水) 利用”) 工程主要用在：园林绿化、小区用水、工业 冷却水、配合城市环境综合治理用水等等。考虑到工业中冷却水的水质要求相对较低、用水 量大，国内外大部分将处理后出水用于补充循环冷却水【3 1 。在电力工程项目中已经有成功利 用中水( 城市污水经处理设施净化处理后，其水质介于自来水和排污水之间的水叫中水，又 生物加强超滤深度处理城市污水回用实验研究 称再生水) 作为循环水冷却水水源的实例，如华能北京热电厂、邯郸热电厂、衡水电厂等 H 】 o 1 1 2 火电厂废水零排放： 由于电力工业既是用水大户，也是排水大户，1 座1 0 0 0 M W 电厂的用水量一般大于 l m 3 s ，相当于1 个2 0 多万人1 2 1 的中小城市的用水量【5 1 。随着国家对自然资源的取用和废 物的排放要求越来越严格，减少火电厂水资源的取用和工业废水的排放显得日益重要。对 工业废水进行处理及回收利用直至达到工业废水的零排放是符合环保政策的最佳方案【6 】。 火电厂废水“零排放”技术是当前电力工业重点研究的关键技术之一。所谓“零排放” 不是指绝对不向周围环境排放任何形式的水，而是指电厂不向地面水域排放废水，所有离 开电厂的水都是以湿气的形式，如蒸发到大气中或是以少量的水分包含在灰和渣中。“零 排放”电厂最大程度地增加了重复使用的水量，提高了水的重复利用率，减少了电厂的总 用水量，有效地防止了环境污染，从而达到了节水和环保的目的，是水务管理的最佳途径 1 7 1 。 1 1 3 污水深度处理： 城市二级排放水能被用作电厂循环冷却水补水，不仅可以扩大中水回用规模，而且还 可以为电厂冷却水提供一个水质稳定、水量充足的水源。但是，经过二级处理后的城市中 水中含有的悬浮物、胶体物质、碱度、有机物、氨氮及碳酸盐硬度达不到循环冷却水的要 求，所以按照所用水质标准需再经过深度处理后才可以回用。 深度处理是指在常规处理工艺后，采用适当的处理方法，将常规处理工艺不能去除的 污染物或消毒副产物的前提物加以去除，提高和保证水质。常用的深度处理方法主要有： 活性炭吸附、臭氧氧化、膜技术等，其中膜处理法具有良好的调节水质的能力，去除的污 染物范围比较广，从颗粒杂质到离子，细菌和病毒无一幸免，并且其能耗低、操作简单、 出水水质良好且稳定。近年来，膜分离技术代替传统的重力沉淀池的膜生物反应器工艺日 益引起人们的重视【8 1 。M B R 集生物降解、脱氮除磷、去除悬浮物和除浊度和色度、消毒 等功效于一体，是膜技术和污水生物处理技术有机结合产生的污水处理新工艺【9 m j ，其产 生和发展是这两类知识应用和发展的必然结果。膜技术和生物处理的学科交叉、结合，开 2 内蒙古大学硕士学位论文 辟了污水处理技术研究和应用的新领域。 1 2 1 课题来源 1 2 课题来源、研究内容及意义 内蒙古呼和浩特市金桥热电厂规划容量为4 x 3 0 0 M W 热电联产机组，以解决呼和浩特 市日益扩大的采暖负荷需要，一期工程建设2 x 3 0 0 M W 供热机组。金桥发电厂以辛辛板污 水处理厂处理后的二级排放水作为电厂工业补给水源。针对污染物含量高的特点以及循环 水高浓缩倍率运行的要求，采用当今世界先进的污水处理新工艺一生物加强超滤工艺深度 处理城市二级排放水，去除水中的悬浮物、有机物、氨氮及总磷等污染物。对城市中水的 日处理量达到3 万吨，是世界上最大规模的膜生物反应器再生水厂之一，符合国家节水技 术政策大纲要求的“零排放 技术，达到了节水、环保的目的。 1 2 2 研究内容 生物加强超滤工艺作为一种新型的高效废水生物处理技术，是目前国内外水处理领域 研究的新型污水处理与回用技术，不少研究者对此进行了探索和研究，并取得了明显成效。 但是仍有一些问题需要进一步深入研究，如污泥停留时间( S I 玎) 、水力停留时问( H R T ) 、 活性污泥浓度( M L S S ) 等运行控制参数的关系，以及最佳运行控制参数的确定等方面都 是M B R 设计中的重要参数。这些参数关系到M B R 系统的效率、费用和大规模应用的经 济性，因此国内外都对通过中试装置进行M B R 设计参数的优化和放大规律的研究极为重 视【1 1 。 本研究采用生物加强超滤工艺，对城市中水深度处理给电厂循环冷却水提供补给水源 时，对该工艺稳定运行条件进行研究。研究主要内容为： ( 1 ) 从总体上考察生物加强超滤处理城市中水的功效。控制系统适宜的操作条件， 考察长期运行过程中系统对有机物、氨氮、磷等的去除变化规律。 ( 2 ) 观察反应池和膜池内微生物的生物相。在系统处理城市污水过程中对生物池和 超滤池内的微生物种群和生物絮体进行观察，通过对微生物来判断系统出水稳 3 生物加强超滤深度处理城市污水回用实验研究 定性。 ( 3 ) 研究膜污染控制技术。在运行过程中超滤组件过滤过程中透膜压差( T M P ) 的 变化，进而分析超滤膜污染控制情况。研究系统的出水流量、T M P 等操作条件 对膜污染的影响。并探讨工艺运行期间对膜丝进行的四步清洗，对膜污染的去 除效果。 1 2 3 研究意义 本研究采用超滤膜技术代替传统的重力沉淀池，将膜分离技术和传统的活性污泥法结 合起来，共同承担去除污染物的作用。在生物池内利用微生物絮体内部因氧浓度梯度所形 成的氧分布微环境为再耗氧硝化过程的同时实现缺氧反硝化过程，达到同时脱氮除磷的作 用。 生物加强超滤系统同传统的生物处理技术相比，去除效率高、产水中未检测到悬浮物、 出水水质稳定、占地面积小、对某些难降解有机物的生物降解十分有利、剩余污泥量少、 处置费用低、硝化能力强、结构紧凑、易于自动控制和运行管理等众多优点。对此展开应 用研究，可以丰富和充实膜生物反应器的技术内容和特点： 研究活性污泥对有机物污染物的降解和脱氮的能力，提供更方便的污水处理系统 和优良的回用水水质，有利于克服传统生化处理法的不足。 研究生物加强超滤对城市中水处理过程中系统运行的稳定性、实用性。以便能急 时反映出系统在运行过程中出现的问题并采取有效的处理措旎。并对本工艺在水处理领域 中大规模、广泛应用提供稳定可靠的运行数据。 4 内蒙古大学硕士学位论文 第二章生物加强超滤工艺污水处理技术与理论 2 1 膜分离技术基本理论 膜分离技术是2 1 世纪水处理领域的关键技术，也是近年来水处理领域的研究热点。 膜分离一般是指在某压力驱动作用下，利用膜的选择透过性能达到分离混合液中离子、分 子以及某些微粒的过程【1 1 1 。其最大特点就是膜分离可以在离子或分子范围内进行，可以 去除溶解态的有机物和无机物。膜分离过程是一种物理的机械截留过程，分离前后物质不 发生相的变化。 2 1 1 膜材料 在某种推动力的作用下，选择性的让混合液中的某种组分透过，而保留其它组分的薄 层材料均可认为是膜。利用这种半透膜作为选择障碍层进行组分分离的技术总称为膜分离 技术。根据不同的分类标准对膜材料有下列分类f 1 2 1 ： ( 1 ) 按膜材质：可分为无机膜和有机膜两大类。无机膜包括陶瓷膜、微孔玻璃、金属膜和 碳分子筛膜。与有机膜材料相比，无机膜材料，特别是陶瓷膜可以弥补有机膜的不足，因 其化学性质稳定，抗污染能力强，耐高温和酸碱，能在恶劣的环境下使用，机械强度高， 寿命长等，其开发日益受到重视并取得长足进步，正进入工业应用。但制造成本较高，使 其广泛应用受到了一定限制。有机膜采用合成高分子材料，种类很多。常用的高分子膜材 包括纤维素类、聚砜类、聚酰胺类、芳香杂环类、聚烯烃类、含氟高分子类等。制造成本 相对便宜，应用较广泛，但在使用过程中易污染，寿命短。本课题研究的是超滤膜的应用， 所以下面列出了常用超滤膜中的高分子膜材料及性能，如表2 1 所利玎l ： 表2 1 各种实用超滤膜的性能比较 T a b 2 1S u m m a r yo fq u a l i t yo fk i n d so fu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n e 生物加强超滤深度处理城市污水回用实验研究 超滤膜 机械强度耐热性耐酸碱性水通量抗污染性耐细菌侵蚀性 聚砜高好 好 低较差好 磺化聚砜高好好高较好好 聚偏氟乙烯高好好低好 聚丙烯腈 高好 好 较高较好好 聚醚砜 很好好好 醋酸纤维较差较差较高较好好 ( 2 ) 按膜孔径分：可分为反渗透( r e v e r s eo s m o s i s ，R O ) 、纳滤( n a n o f i l t r a t i o n ，N F ) 膜、超 滤( u l t r a f i l t r a t i o n ，U F ) 膜和微滤( m i c r o f i l t r a t i o n ，M F ) 膜等。膜的厚度一般为微米级，膜 的分离与截留性能一般以膜的孔径或截留分子量( M o l e c u l a r - W e i g h tC u t o f f , M W C O ，单位 为D a l t o n ，缩写为D a ) 来加以区别。这几类膜的分类范围见图2 I f H 】。 分类 离子分子 大分子 颗粒大颗粒 llIIfll 粒径( 微米) 0 0 0 1 0 0 1 0 11 0 1 0 1 0 01 0 0 0 IIIlIIl IIIIllI 近似分子量( 眈) 1 0 02 0 01 0 0 01 0 0 0 02 0 0 0 0 1 0 0 0 0 05 0 0 0 0 0 一 症軎I, i n - d = A ： 7 y ，咩 7 口 水中各种物质 菹- k - 口K A 一 的相对大小 一水溶盐类 - 一 晦t 篁酸 ，p q 型 卜砂一 金属离子 舱 囊一 一 士 i 土卜 粉砂 一小 石棉纤维 反渗透l 分离法 纳滤 I l 微滤 l l ”。 l l 常规过滤 超滤 图2 1 膜的分类及其对应的分离粒径和截留分子量 F i g 2 1M e m b r a n e ss o r ta n dt h e i rp a r t i c l ed i a m e t e rs e p a r a t ea n dm o l e c u l a r - w e i g h tc u t o f f 由图2 1 可知，反渗透( R o ) 截留组分基于为小于l n m 的小分子溶质，可几乎将所有 的无机离子从水中去除，因此R O 成为海水淡化、超纯水和纯水制备的首选技术。纳滤( N F ) 又称之低压反渗透，其截留分子量( M W C O ) 为2 0 0 1 0 ，0 0 0 D a ，可将分子大小约为 6 塑鍪吏查兰堡主兰篁笙茎 l n m 一0 0 1 1 x r n 的溶解组分截留。N F 的总盐类去除率在5 0 一7 0 左右，对二价金属离子如钙、 镁的去除率特别高，因此常用于水的软化。超滤( U F ) 和微滤( M F ) 均属低压膜处理工 艺，U F 的截留性能一般用截留分子量表示，通常在1 0 ，0 0 0 3 0 0 ，0 0 0 D a 的范围内。M F 的截 留性能一般用膜孔径表征，即孔径分布中最大值所对应的微孔直径，般为0 0 8 1 0 肛m 1 1 1 。 其中超滤和微滤能有效地去除水中的悬浮物、胶体和病毒以及细菌等污染物【1 5 】，在一定 的压力下，它只允许溶剂和小于孔径的溶质透过，而阻止大于膜孔径的溶质通过，以完成 溶液的净化、分离与浓缩。所以，污水处理中常用u F 或M F 膜进行固液分离和深度处理， 其出水可直接回用，g - - 者出水水质无明显差异【1 6 1 。 ( 3 ) 按膜结构：分为对称膜和非对称膜两类。对称膜可为致密膜或微孔膜，但在其膜截面 方向( 即渗透方向) 的结构都是均匀的。非对称膜则相反，膜面截留方向结构是非对称的， 其表面为极薄的、其分离作用的致密表皮层，或具有一定孔径的细孔表皮层，皮层下面是 多孔的支撑层。 ( 4 ) 按膜分离机理：有多孔膜、致密膜和离子交换膜。 ( 5 ) 按物态：由固膜、液膜和气膜三类。目前大规模工业应用的多为固膜，液膜已有重视 规模的工业应用，气膜尚处于实验室研究中。 2 1 2 膜组件 膜组件是将一定面积的膜以某种形式组装的器件，是膜过滤过程的核心部件。目前已 有工业应用的膜组件，主要有板框式、螺旋卷式、管式、毛细管式、褶裥式和中空纤维式 等1 7 1 。各种膜组件的特点和使用条件见表2 2 【1 7 1 8 】： 表2 2 各种膜组件的特点和使用条件比较 T a b 。2 2S u m m a r yo fc h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sk i n d so fm e m b r a n e m o d u l e sa n dt h e i rs c o p eo fa p p l i c a t i o n 膜组件 面积体积价格水流紊组件膜清洗对预处能使用膜 比较项盲 ( m 2 m 3 ) 动性结构难易理要求耗类型 板框式4 0 0 - - 6 0 0局一般非常复杂易较低中 U FR o 螺旋卷式 8 0 0 1 0 0 0低差 复杂 难 较高 低U FR o 管式 2 0 3 0 非常高非常好简单易 低 高 M FU F 毛细管式 6 0 0 一 1 2 0 0 低好简单易低中 U F 7 生物加强超滤深度处理城市污水回用实验研究 褶裥式 8 0 0 - - - 1 0 0 0低 非常差 简单难高 M F 中空纤维式 5 0 0 0 ， 非常低非常好简单较易 低低 M FU F 4 0 0 0 0 2 1 3 膜生物反应器中适用的膜材料与膜组件 在膜生物反应器的设计和运行中，膜组件一般应该具备以下条件【1 8 1 ：( 1 ) 为膜提供 足够的机械支撑，流道通畅，没有死角；( 2 ) 能耗较低，其流态设计应尽量减少浓差极化， 提高分离效果：( 3 ) 装填密度尽可能高；( 4 ) 制造成本低，易于维护；( 5 ) 具有良好的机 械、化学和热稳定性；( 6 ) 抗膜污染能力强；( 7 ) 膜便于清洗、安装和更换。 目前在膜生物反应器的研究和实用中得到应用的膜材料与膜组件如表2 3 所示。浸没 式膜生物反应器一般采用中空纤维、板框式和管式膜组件，外置式膜生物反应器多采用管 式、板框式膜组件。膜种类基本上是微滤膜和超滤膜，使用的膜材质有聚砜、聚乙烯、聚 丙烯腈等【1 2 J 。 表2 3 【1 2 1 膜生物反应器中的使用膜材料及膜组件 T a b 2 3 t 1 2 1A p p l i c a b l em e m b r a n em a t e r i a la n dm e m b r a n em o d u l e si nm e m b r a n eb i o r e a c t o r s 膜材料 膜组件构型膜种类 聚乙烯中空纤维、板框 M F 聚丙烯 中空纤维M F 聚偏氟乙烯 中空纤维M F 聚砜 中空纤维、管式 U F 聚丙烯腈 中空纤维、板框 U F 陶瓷膜管式 M 【F 、U F 2 2 膜生物反应器的概述 膜生物反应器( M B R ) 是活性污泥生物降解过程和固一液分离的膜过滤器相结合的 一种工艺，是由生物处理单元和膜过滤单元组成，其中膜组件代替传统生物处理工艺中的 沉淀池，使M B R 工艺兼具了污水二级处理和深度处理的能力，出水经消毒后可直接回用， 8 内蒙古大学硕士学位论文 而传统工艺出水须再经深度处理后才能回用。 2 2 1 膜生物反应器的分类 根据膜组件在膜生物反应器中所起作用的不同，大致可将M B R 分为固液分离膜生物 反应器( S o l i d L i q u i dB 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 ) 、曝 气膜生物反应器( M e m b r a n eA e r a t i o nB i o r e a c t o r , M A B R ) 和萃取膜生物反应器( E x t r a c t i v e M e m b r a n eB i o r e a t o r , E M B R ) 三类。目前，后两者还处于中试阶段尚无实际工程应用的报 道，常用的膜生物反应器通常是指分离膜生物反应器。 膜生物反应器由生物反应器与膜单元结合方式划分，可分为外置式和浸没式两大类。 2 2 1 1 外置式膜生物反应器 外置式膜生物反应器是生物反应池和膜组件分开，由泵与管线连接构成，构型如图 2 2 所示。反应池内的混合液由泵打入膜组件，在压力作用下混合液中的液体透过膜，成 为系统处理水，而在混合液中的固体颗粒物、大分子物质等被膜截留，随浓缩液回流到生 物反应器内。此系统因生物反应器与膜单元相对独立而相互干扰小。 外置式M B R 通过料液循环错流运行，特点是：运行稳定可靠，操作管理容易，易于 膜的清洗、更换及增设、膜通量较大。但泵的高速旋转产生的剪切力对某些微生物细菌体 会产生失活现象，而且一般条件下为减少污染物在膜表面的沉积，由循环泵提供的水流流 速都很高，为此动力消耗较大【1 9 1 。 图2 2 外置式M B R F i g 2 2R e c i r c u l a t e dM B R 2 212 浸没式膜生物反应器 曝 图2 3 浸入式M B R F i g 2 3S u b m e r g e dM B R 浸没式膜生物反应器是将膜组件浸入生物反应池内，构型如图2 3 所示。原水进入膜 9 生塑垫塑塑堡堡垦竺墨垫史望查型旦塞竺竺壅 生物反应器后，其中的大部分污染物被混合液中的活性污泥分解，水通过真空泵的抽吸作 用从膜单元外表进入中空纤维反应器，得到渗透液。膜组件下设置的曝气系统不仅给微生 物分解有机物提供了所必需的氧气，而且气泡的冲刷和在膜表面形成的循环流速对污染物 在膜表面的沉积起到了积极的阻碍作用。 浸没式M B 删用曝气时气液向上的剪切力来实现膜面的错流效果，不使用循环泵， 可避免微生物菌体受到剪切力而失活【1 9 1 。此系统具有体积小、整体性强、工作压力小、 运行动力费用低等优点。但是其相对膜通量较低、膜部分的拆洗、清洗较困难。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。与外置式M B R 相比，浸入式M B R 的最大特点是运行能耗低，它利用曝气时气液向上的剪切力来实现膜面的错流效果，可使 膜组件长时间连续运行而无须反洗。 2 2 2 膜生物反应器的特点 膜生物反应器中，由于用膜组件代替传统活性污泥工艺中的二沉池，可以进行高效的 固液分离，克服了传统工艺中出水水质不够稳定、污泥容易膨胀等缺点，从而具有以下优 占1 1 2 1 ，、 ( 1 ) 膜能高效进行固液分离，使系统不仅对S S 、有机物去除率高，而且水处理过程中膜 表面形成凝胶层，可以截留粒径比膜孔径小得多的病毒和细菌。系统出水水质好、且 稳定，出水可直接回用。 ( 2 ) 由于膜的高效截留作用，可使微生物完全截留在生物反应器内，实现反应器水力停留 时间( H R T ) 和污泥龄( S R T ) 的完全分离，使运行控制更加灵活稳定。 ( 3 ) 生物反应器内能维持高浓度的微生物量，处理装置容积负荷高，占地面积小。 ( 4 ) 有利于增值缓慢的微生物( 如硝化细菌) 的截留和生长，系统硝化效率得以提高。也 可增加一些难降解有机物在系统中的水力停留时间，有效地将分解难降解有机物的微 生物滞留在反应器内，有利于难降解有机物降解效率的提高。 ( 5 ) 膜生物反应器一般都在高容积负荷、底污泥负荷下运行，剩余污泥产量低，降低了污 泥处理费用。 ( 6 ) 可以实现自动控制，操作管理方便。 但膜生物反应器也存在一些不足【1 2 】： l O 内蒙古大学硕士学位论文 ( 1 ) 在运行过程中，膜易受污染，产水量降低，给操作管理带来不便。这是目前广大研究 者致力改进的问题。 ( 2 ) 膜的制造成本较高，但随着膜制造技术的不断进步，其成本可望降低。 2 3 膜生物反应器的研究进展及应用现状 2 3 1 膜生物反应器的研究进展 膜生物反应器的研究从2 0 世纪6 0 年代末期美国报道至今已有近4 0 年的时间。从早 期试验研究到目前的实用化阶段，M B R 工艺得到迅速发展，不少研究者对此进行了探索 和研究，并取得了明显成效。日本、德国、英国以及法国等国家的生活污水的处理与回用 中膜生物反应