（环境工程专业论文）生态住宅中污水处理回用装置的研究.pdf

摘要 摘要 随着经济的迅猛发展和人民生活水平的提高，全社会的环境意识也逐渐增强， 居住环境质量越来越受到重视。选择注重生态概念的住宅，已成为很多居民的共 识，生态住宅也就应运而生。 本课题的研究目的是研制一套用于生态住宅的生活污水处理装置，其处理能 力要与五人家庭的污水排放量相适应，出水水质必须达到回用标准。要求该装置： 设备紧凑、占地面积小，工艺先进、操作简便，并在一定程度上实现自动控制。 为此，本实验首先根据文献调研情况，设计小型反应器，通过实验，优化操作参 数，然后进行处理装置的设计。 通过一体式陶瓷膜分离装置处理洗车废水和生活污水的实验，分析了各种生 化处理工艺和膜生物反应器的优缺点，选定投加填料的复合式膜生物反应器作为 生态住宅中生活污水的处理装置，并分别设置生化反应区和膜分离区。该反应器 具有抗冲击负荷能力高、运行稳定性好、管理维护方便等特点，而且由于生化反 应区应用了生物膜技术，可在悬浮污泥浓度低的条件下达到高处理效果，有效地 减轻了膜污染。 反应器不排泥分别在h r t = 4 h 、6 h 、8 h 、1 0 t l 各运行了一个月左右。结果表明， 系统出水水质良好且稳定，系统对c o d 的去除率均达9 0 以上。生化处理单元的 c o d 去除率随着h r t 的延长而提高，但h r t 8 h 时，由于污泥负荷低，微生物由 于营养不足而出现生物固体的自我消解，从而微生物量出现降低的趋势。 在h r t = 8 h 时，控制污泥龄s r t = 5 d 、1 0 d 、2 0 d 、4 0 d 的条件下各运行了一个 月左右。结果表明由于填料的存在，附着生物量占了反应器中生物量的很大一部 分，悬浮污泥的排放对反应器内总生物量的影响不大，所以污泥龄对c o d 的去除 效果的影响不显著，但n i l 3 n 的去除率受污泥龄的影响较大，随着污泥龄的增大 n h 3 - n 的去除率提高。对污泥活性的的分析表明，随着污泥龄的增大悬浮污泥的 活性变低，而填料上污泥活性受污泥龄的影响较小。 在h r t = 8 h 及不排泥的条件下对反应器内d o 对污染物的影响进行了分析， 结果表明，增大d o 虽然可以使总去除率提高，但能耗也会随之增加。 摘要 通过对运行过程中膜过滤压力的变化分析，发现膜过滤压力、膜总阻力与膜 通量有关，而混合液中溶解性有机物的积累可使膜阻力增大。另外，还分别考察 了抽吸时间和曝气量对膜过滤压力上升速率的影响，并结合膜电镜照片分析了膜 污染情况，并对其清洗方式进行了初步探讨。结果表明，在本实验条件下，膜污 染主要集中在膜外表面，膜内部污染不明显。经过碱液浸泡以后，膜表面滤饼层 基本去除，表面结构基本恢复。 利用上述实验得出的最佳运行参数，设计了用于生态住宅中的生活污水处理 装置，并且对该装置处理生活污水进行了经济技术分析。 关键词：生态住宅；生活污水：回用；复合式膜生物反应器；附着生长系统；膜 污染 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f e c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n g s t a n d a r d ，c h o o s i n ge c o t y p i cd o m i c i l eh a sb e c o m ec o m m o ns e n s e ，s ot h ec o n c e p to f e c o t y p i cd o m i c i l ei sa p p e a r e d t h et a s ko ft h i sr e s e a r c hs u b j e c ti st od e v e l o pas e w a g et r e a t m e n te q u i p m e n tu s e di n e c o t y p i cd o m i c i l e t h et r e a t m e n tc a p a c i t yo f t h ee q u i p m e n ts h o u l db ea c c o r d i n gw i t h t h eo u t l e to ff i v ep e o p l e sf a m i l y t h ee f f l u e n tq u a l i t ys h o u l dr e a c ht h er e u s es t a n d a r d t h et r e a t m e n te q u i p m e n ts h o u l db ec o m p a c t t h ev o l u m eo ft h ee q u i p m e n ts h o u l db e r e d u c e d ，t h ep r o c e s ss h o u l db ea d v a n c e da n de a s i l yo p e r a t i n ga n ds e l f - c o n t r o l l i n gt o s o m ee x t e n t i no r d e rt oa c h i e v ea b o v e g o a l ，as m a l la b b r e v i a t e dm e m b r a n e b i o - r e a c t o r w a ss c h e m e do u tt of i n do u t c o m p a t i b l eo p e r a t i n gp a r a m e t e r , t h e nt h et r e a t m e n t e q u i p m e n t w a s d e s i g n e d h y b r i dm e m b r a n eb i o r e a c t o rw a sc h o o s e d a st r e a t m e n t e q u i p m e n tu s i n g i n e c o t y p i c d o m i c i l ea f t e r a n a l y z i n ge x p e r i m e n t r e s u l to f d i s p o s i n gc a l 一w a s h i n g w a s t e w a t e ra n d m u n i c i p a l w a s t e w a t e r u s i n g c e r a m i c sm e m b r a n eb i o r e a c t o ra n d a n a l y z i n ga d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e st r a d i t i o n a lm e m b r a n eb i o r e a c t o r i ti n d i c a t e d t h a tt h i sb i o r e a c t o rh a s s t r o n ga b i l i t yo f s h o c k l o a d i n g r e s i s t a n c ea n dc a n c o n q u e rs l u d g e e x p a n s i o n b e c a u s eo f t h ee x i s t e n c eo f p a d d i n g t h er e a c t o rc a nm a i n t a i nl o w s u s p e n d i n g s l u d g e c o n c e n t r a f t o na n dc a nr e d u c em e m b r a n ec o n t a m i n a t i o n t h em e m b r a n e s e p a r a t i o na n db i o r e a c t o rc a nb o t ho p e r a t ei nh i g he f f i c i e n c y i nt h ec o n d i t i o no fn os l u d g ed i s c h a r g e ，t h er e a c t o rw a so p e r a t e da b o u to n em o n t h s e p a r a t e l yi nt e r m so f h r t = 4 h 、6 h 、8 h 、1 0 h t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h er e m o v a lr a t e o ft h es y s t e mt oc o dw e r ea l la b o v e9 0 t h ec o dr e m o v a lr a t eo fb i o - t r e a t m e n tc e l l i n c r e a s e da c c o r d i n gt ot h ei n c r e a s eo f h r t , b u t t h el o n g e rh r tl e a d e dt ol o w e r o r g a n i c l o a d i n g 研l e nt h eo r g a n i cl o a d i n gw a sa tal o wl e v e l t h em i c r o o r g a n i s m s e n d o g e n o u s r e s p i r a t i o nw o u l dh a p p e nf o rl a c ko fn u t r i t i o n ，s ot h ea m o u n to ft h em i c r o o r g a n i s m s w o u l dr e d u c e i nt h ec o n d i t i o no f h r t = 8 h ，t h er e a c t o ro p e r a t e da b o u to n em o n t hs e p a r a t e l yi n t e r m so fs r t = 5 d 、10 d 、2 0 d 、4 0 d t h er e s u l ts h o w e d 血a tt h es r th a sa l i t t l ee f f e c to n t h er e m o v a lr a t eo fc o d b e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo f p a d d i n gt h ea t t a c h e dg r o w t h s l u d g e c o n c e n t r a t i o na c c o u n t e df o rm o s to ft o t a l s l u d g ec o n c e n t r a t i o n ，s o t h e s u s p e n d i n gs l u d g ed i s c h a r g eh a sal i t t l ee f f e c to n t o t a ls l u d g ec o n c e n t r a t i o n s r ta f f e c t s t h er e m o v a lr a t eo f n h 3 - ng r e a t l y t h er e m o v a lr a t eo fn h 3 - ni n c r e a s e da c c o r d i n gt o t h ei n c r e a s eo fs r t a c c o r d i n gt o a n a l y z i n gt h es o u ra c t i v i t yo fm i c r o o r g a n i s m i i i a b s t r a c t s h o w e dt h a tt h es o u r a c t i v i t yo fs u s p e n d i n gm i c r o o r g a n i s mr e d u c e da c c o r d i n gt ot h e i n c r e a s eo fs r ta n dt h es r t h a sl i t t l ee f f e c to nt h es o u r a c t i v i t yo f a t t a c h e dg r o w t h m i c r o o r g a n i s m a c c o r d i n gt h ea b o v ea n a l y s i s t h e s e w a g et r e a t m e n te q u i p m e n tw i l l o p e r a t ei nt h ec o n d i t i o n o f n os l u d g ed i s c h a r g e i nt h ec o n d i t i o no fh r t = 8 ha n dn os l u d g ed i s c h a r g e ，t h ee f f e c to fd oo nt h e r e m o v a lr a t eo fc o n t a m i n a t i o nh a sb e e na n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a ti n c r e a s i n gd o c a ni n c r e a s et h er e m o v a lr a t eo fc o n t a m i n a t i o n ，b u tt h u st h ee n e r g yc o n s u m p t i o nw a s i n c r e a s e d t h ev a r i e t yo ft h et r a n s m e m b r a n ep r e s s u r ed u r i n gt h el o n g - t e r mr u n n i n gt e s tw a s a n a l y z e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h et r a n s m e m b r a n ep r e s s u r ea n dr e s i s t a n c ew e r e r e l a t e dt of l u xa n da c c u m u l a t e dd e g r e eo fs o l u b l eo r g a n i ci nt h em b r t h e ne f f e c t so f p u m pp e r i o d a n da e r a t i o n i n t e n s i t y , o nt h ei n c r e a s i n g r a t eo ft h et r a n s m e m b r a n e p r e s s u r ew e r ei n v e s t i g a t e d t h em e m b r a n ef o u l i n gw a s v i s u a l i z e db y s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p ea n d t h em e m b r a n ec l e a n i n gw a y sw e r ei n v e s t i g a t e d i tw a sf o u n dt h a tt h e m e m b r a n ef o u l i n gw a sc o n c e n t r a t e do nt h es u r f a c em a i n l y , a n dt h ei n t e r n a lf o u l i n gw a s n o to b v i o u s a f t e rs o a k i n gb yt h el y e ，t h ec a k et a y e ro nt h em e m b r a n es u r f a c ew a s r e m o v e d b a s i c a l l y t h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n te q u i p m e n tu s e di n e c o t y p i c d o m i c i l ew a sd e s i g n e d a c c o r d i n gt oo p t i m a lo p e r a t i o np a r a m e t e r s a n dt h ee c o n o m i ca n a l y s i so fm u n i c i p a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n tb yt h i se q u i p m e n t k e yw o r d s ：e c o t y p i cd o m i c i l e ，m u n i c i p a lw a s t e w a t e r , t e n s e ，h y b r i dm e m b r a n eb i o r e a c t o r , a t t a c h e d g r o w t hs y s t e m ，m e m b r a n ef o u l i n g 东华大学学位论文原翎性声明 本人郑蕊声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，猿立避行骚究工掺掰歉褥夔藏暴。浍文中已鞠确涟明耪 爱貔建窖乡 ，奉论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容煎责，并完全徽识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：彭民志 日期： 1 酬年弓月口日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保餐、使用学位论文的娥定，同意学校裸留并向国家有 关部门或机构遴交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以 蒋本学位论文鲍全部蕺辩分内容编入膏荚数据库避行捡索，可驻采嗣影印、缩印或扫擒等复 制手段保存和汇编本学位论文。 绦密日，在年撰密蘑连用本黻援书。 本学位论文属于 不保密、暖 学位论文作者繇氆良走 渊：谚彬p 鼙 指导教师签名：要! t 蟊麓：加宰年月节醚 第一章绪论 1 1 中国的水资源现状 第一章绪论 中国的水资源非常短缺，在人口还在进一步增加的同时，国民经济保持着高 速的发展，因此水资源的紧缺还会加剧。据初步估计，1 9 9 7 年我国人口为1 2 6 亿， 人均水资源拥有量为2 2 2 0 立方米，到2 0 3 0 年我国人口将会达到1 6 亿，那时人均 水资源拥有量仅为1 7 6 0 立方米，已经接近国际公认的用水紧张国家的标准，所以 我们所面临的是一个水资源有限而水资源需求却不断增长的矛盾。同时也应当看 到，我们一方面面临着水资源的短缺，而另一方面却存在着水资源的严重浪费情 况。从总体来说，我国的g d p 只有美国g d p 的八分之一，但两国的用水总量却 是差不多的。当然中国的人口总量大于美国的人口总量会有一定影响，但我国用 水中浪费现象严重，如中国农业灌溉用水的平均利用效率只有0 4 5 ，先进国家则 可以达到0 7 0 8 ；中国工业用水的重复利用率平均只有3 0 4 0 ，发达国家已 经达到了7 5 8 5 。 为解决水资源的短缺问题，在大力提倡节约用水，减少对水资源浪费的同时， 应该采用可持续的水资源利用模式。例如要尽可能地利用雨水、沿海城市利用海 水。同时进行废水的收集、处理和回用。 1 2 污水资源化 众所周知，水是一种可再生的自然资源。可是长期以来，水资源一直按”开采 一利用一污水排放”的使用方式，水资源最后以排放的方式被消耗。其实，污水排 放量占开采量的比重很大，而实际利用量却很少，污水资源化将是解决水资源短 缺的很好途径。若将污水处理后回用，将大大解决水资源的短缺问题，相当于开 辟了一个新水源。 在民用建筑或建筑小区使用后的各种排水，如冷却水、洗浴排水、盥洗排水、 洗衣排水、厨房排水、厕所排水等，经深度处理，水质满足一定的标准后，就可 以作为用途广泛的中水，回用于建筑或建筑小区作为杂用供水，也可用作城市绿 化用水、厕所冲洗水、洗车用水、清扫用水、景观用水、消防用水、工业冷却水 东华大学硕士学位论文 等，可以大量节约自来水资源。 1 2 1 国内外现状 作为缓解水资源危机的途径之一，日本早在1 9 6 2 年就开始回用污水，7 0 年 代己初见规模。随着回用技术的不断更新和发展，再生成本不断下降、水质不断 提高，逐渐成为缓解水资源短缺的重要措施之一。污水回用技术使日本近年来的 取水量逐年减少，节水已初见成效。赖沪内海地区污水回用量已达到该地区用淡 水总量的2 3 ，大大缓解了赖沪内海地区的水资源严重短缺问题。 美国也是世界上采用污水再生利用最早的国家之一，7 0 年代初开始大规模污 水处理厂建设，随后即开始回用污水 2 1 。目前，有3 5 7 个城市回用污水，再生回用 点5 3 6 个。全国城市污水回用总量约为9 4 1 0 9 m 3 年。其中包括：污灌用水、景 观用水、工艺用水、工业冷却水、锅炉补水以及回灌地下水和娱乐养鱼等多种用 途，其中灌溉用水为5 8 1 0 9 m 3 年，占总回用量的6 0 ；工业用水占总回用水量 的3 0 ，城市生活等其它方面的回用水量近1 0 。除日本和美国外，俄罗斯、西 欧各国、以色列、印度、南非和纳米比亚等国也开展了污水回用技术。此外，我 国台湾地区也自7 0 年代开始实施污水回用方案，许多污水处理厂不同程度地将深 度处理后的污水回用于工业生产和厂内用水。 我国大陆5 0 年代就开始采用污水灌溉的方式回用污水，但是真正将污水经深 度处理后回用于城市生活和工业生产仅有2 0 年的历史。率先采用污水回用的是大 楼污水的再利用，随着社会经济的发展和人们环境意识的不断提高，污水回用逐 渐扩展到缺水城市的许多行业。但直到8 0 年代中期，此项节水措施尚处于起步阶 段。8 0 年代末，随着我国大部分城市水危机的频频出现和污水回用技术趋于成熟， 污水回用的研究与实践才得以迅速发展。 1 2 2 污水的回用方式 办公楼、宾馆、饭店和生活小区等较为集中排放的污水就地净化后回用于冲 厕、洗车、消防、绿地浇灌等杂用水，通常称其为“中水”。早在1 9 8 2 年青岛市 就将中水回用作为市政及其它杂用水，以缓解其面临的淡水危机；北京市1 9 8 4 年 开始进行中水回用工程示范，并在19 8 7 年出台的北京市中水设施建设管理试行 办法中明确规定：凡建筑面积超过2 万m 2 的旅馆、饭店和公寓以及建筑面积3 第一章绪论 万m 2 以上的机关科研单位和新建生活小区都要建立中水设施。以此为契机北京市 的中水设旋建设得到较快的发展，1 9 9 5 年北京市已有中水设施1 1 5 个，日回用污 水己达1 2 万r n 3 ，中水建设已初具规模；此外，天津、深圳、上海和大连等城市 的中水建设也初见成效。 另外一个污水回用的方法是集中处理回用，即城市污水处理厂的二级处理出 水经深度处理后再供给工业生产和城市生活作低质用水。通常的二级污水处理技 术对污染物的去除效果有限，再经深度处理才能够有效的去除水中的污染物，使 其达到不同回用水质标准的要求。如，生活污水经二级处理后的c o d 、b o d 、s s 等仅能达到g b 3 8 3 8 8 8 污水综合排放标准，尚不能作为生活杂用水或工农业 用水，若考虑回用还必须对二级出水做进步的处理。如果回用污水用于农田灌 溉，只要水质指标能够满足g b 5 0 8 4 9 2 农田灌溉水水质标准即可：工业污水 回用则应该参考城市污水回用推荐标准c f c s 一9 3 ；当回用水作为城市生活杂用 水时c o d 、b o d 、s s 等指标应该达到国家建设部颁发的生活杂用水水质标准 c j 2 5 1 8 9 。 1 2 3 污水回用技术 污水回用的关键是污水处理技术，污水处理技术按其机理可分为物理法、化 学法、物理化学法和生物化学法等。通常污水回用技术需将多种污水处理技术进 行合理组合，即各种水处理方法结合起来深度处理。这是因为单一的某种水处理 方法一般很难达到回用水水质的要求。目前，中水回用和污水集中处理回用工艺 中常用的有好氧生物处理( 如生物接触氧化法、活性污泥法、生物膜法等) 、混 凝沉淀、过滤、活性炭吸附、消毒( 紫外、氯气、臭氧或二氧化氯等) 等方法。 工艺流程最多见的是： 原水一格栅一调节池一接触氧化池一沉淀地一过滤一消毒一出水。 膜分离技术是污水回用技术中的其中之一，以超滤膜分离技术替代上述工艺 中的沉淀、过滤单元，是一项有前途的技术工艺，日本已经用于中水道技术，而 我国在该方面的研究正处于实验阶段。 东华大学硕士学位论文 1 2 4 膜分离与膜生物反应器技术 产生于本世纪6 0 年代的膜分离技术是一种新兴的高效分离技术，最早应用于 海水和苦咸水的淡化。其后，随着膜分离技术的不断发展和新型膜材料的开发研 制，膜价格不断下降，使膜分离技术在水处理领域得到广泛的应用，并以其处理 效果好、能耗低、占地面积小、操作管理方便等特点而倍受关注。以生物反应器 和膜分离有机结合为核心的膜生物反应器是一个新的生物化学反应系统。 美国于6 0 年代末就将膜生物反应器用于废水处理，但直到1 9 8 5 年以后，人 们才对这项技术加以重视。1 9 8 9 年日本已有十几家公司采用膜生物反应器工艺处 理污水并回用，进入9 0 年代后，膜生物反应器工艺被广泛接受。目前，这项技术 己在欧洲、北美及亚洲一些国家得到较快的发展，并己在水处理的许多领域得到 应用。我国应用此项技术进行废水资源化的研究始于1 9 9 3 年，目前已有很多有关 膜生物反应器的研究报道。 污水回用的实践表明：污水回用措施既节水又能减轻环境污染，环境、经济 和社会效益都非常显著。 1 3 家用水处理设备的应用及研究现状 1 3 1 单独净化槽 在日本，没有排水管网的地区的生活污水处理都是采用现场( o n s i t e ) 处理形 式，所使用的处理设各称作单独净化槽( j o h k a s o u s ) ，其中的净化工艺主要是采用 活性污泥或接触氧化，日本有关部门( j a p a ne d u c a t i o nc e n t e ro fe n v i r o n m e n t a l s a n i t m i o n ) 还专门颁布法律( t h e j o h k a s o u s l o w a n d t h e b u i l d i n gs t a n d a r d l o w ) 对单 独净化槽的设计、运行、维护技术进行规范化。有关单独净化槽的发明专利和研 究文献都很多，在此不做详细阐述。 1 3 2 膜生物反应器 将膜生物反应器应用于家庭生活污水净化研究最多的是日本。虽然单独净化 槽对b o d 的去除率较高，但是其脱氮除磷的效果较差，而且出水中的s s 含量也 高，水中的微生物还要通过投加杀菌剂进行杀灭。针对上述不足，在家用生活污 水处理中使用膜生物反应器恰好可以克服单独净化槽的缺点。 第一章绪论 o h m o r i 等人1 3 用膜分离技术改造单独净化槽，并对膜分离净化槽的处理效果 进行了研究。 c h i e m c h a i s r i 等【4 将膜分离技术应用于现场生活污水处理装置，并在低温条件 下对其处理性能进行了研究。膜生物反应器以1 8 0 m i n 为个循环周期间歇曝气， 曝气时间停曝时间为9 0 m i r d 9 0 m i n ，以期达到同时硝化、反硝化去除水中的n 。当 运行温度从2 5 降低至5 时，由于硝化细菌活性的降低，n 的去除率从2 5 时 的9 0 降至5 时的2 0 。然后将间歇曝气形式改为持续曝气，n 去除率又恢复至 9 0 ，说明硝化细菌的活性得到了恢复。之后仍采用曝气9 0 m i n 停曝9 0 m i n 的曝 气方式，n 去除率可以保持在8 5 。实验还发现：当温度降低时，混合液中耗氧 菌所占比例减小，而在i o 。c 持续曝气提高硝化效率时，该比例又增大。2 5 。c 年n5 时最大体积硝化率没有明显不同，说明一旦达到高的、稳定的硝化作用后，两 个温度条件硝化菌的需氧情况没有很大的不同。 在我国，也有报道用膜分离改造单独净化槽并对其处理生活污水的效率进行 了研究。同济大学李红兵等【5 】分别进行了单独净化槽和用中空纤维膜改造后的单独 净化槽处理生活污水的试验研究，。结果表明：单独净化槽对c o d 的去除效率在 8 0 左右，对氨氮的去除率大约在5 0 6 0 。膜组件为聚丙烯材质中空纤维膜， 其有效面积为2 m 2 ，每根丝的有效长度3 7 0 m m ，膜的孔径为o 0 6 5um ，中空纤维 内径p b 径为4 0 0t am 4 6 0un l 。加膜改造后装置对c o d 的去除效果可达9 0 左右 或更高，并且可实现9 0 以上的氨氮去除率。膜对颗粒物及有机物的拦截作用使 改造后的装置出水c o d 指标不受冲击负荷的影响。但氨氮由于需较长的反应时间 且无法被膜拦截，出水氨氮受冲击负荷影响明显。 1 4 膜生物反应器 1 4 1 膜生物反应器的发展概况 生活污水的处理方法通常是生物曝气池法，也就是将生活污水进行充氧使生 活污水中的有机物在微生物的作用下发生氧化分解从而降低生活污水中的b o d 、 c o d 的含量。由于微生物的生长周期较长，在正常情况下其浓度较低，同时降解 产生的产物也不断稀释微生物的浓度，污水处理的速度因此比较慢。另外，处理 过的水要不断排放，在排放处理水的同时微生物也随之排放，进而需要不断补充 东华大学硕士学位论文 微生物，这就使得生活污水处理所需要的空间大，费用也高。 以活性污泥为代表的传统好氧生物处理工艺，长期以来在生活污水以及工业 废水处理中得到广泛应用。它具有卫生条件好、处理能力高、出水水质较好的优 点。但也存在以下不足： 1 流程复杂，占地面积较大，基建投资可观。 2 ，剩余污泥量大，污泥处置费用较高。 3 常出现污泥膨胀现象，使出水水质恶化。 4 氧转移效率低，能耗大。 5 管理操作复杂。 近年来，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们对水环境质量的 要求越来越高，采用传统的生物处理工艺使得出水难以满足污水排放标准，同时 水资源的短缺也迫切要求人们开发出新的污水资源化技术，因此，各种新型、高 效的污水处理技术应运而生，其中用膜分离技术代替传统的重力式沉淀池的膜生 物反应器工艺日益引起人们的重视。 6 0 年代末，s m i t h 等人【6 】首次用超滤膜过滤活性污泥，开始了超滤膜。生物反 应器( u l t r a - f i l t r a t i o nm e m b r a n eb i or e a c t o r ) 处理污水的研究。m b r 具有不设二 次沉淀池、h r t 和s r t 完全分离、不怕污泥膨胀、处理效率高、充氧效率高、容 易实现一体化自动控制、设计操作运行简便的优点。但是由于受膜生产技术所限， 早期的超滤膜组件大多由廉价的有机高分子材料制成，还存在着膜价格高、通量 小、寿命短、易堵塞等缺点，推广应用受到很大的限制。 上世纪7 0 年代后期，日本在膜分离技术在废水处理中的应用方面进行了大力 开发和研究，使膜生物反应器开始走向实际应用。进入8 0 年代后，国际上对膜生 物反应器的研究达到方兴末艾的程度。日本建设省制订了“a q u a r e n a i s s a n c e 9 0 ” 大型研究计划，其内容主要包括新型膜材料的开发、膜分离装置的研究等。法国、 美国、澳大利亚等国对膜生物反应器的研究也投入了很大的力量，在提高膜的生 产技术、降低生产成本的同时，膜的种类也大幅增加，还出现了通量大、寿命长、 易清洗、化学稳定性好、热稳定性高、机械性能优异的陶瓷超滤膜，拓宽了膜的 选择面，使膜生物反应器研究内容更加全面而深入，为9 0 年代的进一步推广应用 奠定了技术基础。目前膜生物反应器己成功地应用于中水道污水处理，粪便污水 第一章绪论 处理，垃圾渗滤液等废水处理中。日本有5 0 余座m b r 在运转。其水源取自生活 污水( 如淋浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、厕所排水等) 和冷却水。 膜生物反应器进行生活污水处理时，膜的作用是将水及生物降解产生的小分 子物质分离出去，而将微生物留在污水处理池中。b e r t h o l dg t l n d e r 等口】在生活污水 活性污泥处理工艺中分别采用管式膜、平板膜和中空纤维膜过滤技术代替传统的 二沉池，使生物反应器中的混合液体悬浮固体的浓度达到2 0 9 l ，远远高于传统活 性污泥法中的3 4 9 l ，而且出水水质良好，s s 几乎检不出，实际的中试运行证 明：和其它水处理方法相比，使用膜生物反应器进行污水处理不仅可以节约水资 源，还可以节约能源，节省设备和运行费用，减少设各占地，避免二次污染，有 着明显的环境效益，社会效益和经济效益。 对于生活污水，使用膜生物反应器进行处理是一种特别有效的方法，由于膜 对微生物的截流可以保持微生物的含量处于一个最佳的浓度，使生物反应速度加 快。即使污水中b o d 、c o d 的含量高时也可以达到很好的处理效果，缩小了处理 设备的体积。出水中固体悬浮物几乎测不出，对细菌和病毒也可以达到有效的截 流，使出水水质可以达到回用水的标准。使用膜生物反应器进行生活污水处理可 以大大减少所需要的空间、易于实现自动控制、也可以减少处理费用，同时由于 其污泥排放量小，可以降低污泥处理费用、减轻污泥排放而产生的二次污染。 1 4 2 膜生物反应器工艺、组成及特点 ( 一) 膜生物反应器工艺及组成 膜生物反应器工艺由生物反应器与膜分离组件组成。按照膜组件的设置位置， 可分为分置加压式和一体抽吸式两类 。一体式膜生物反应器装置占地省、能耗 少，近年来有关它的应用研究在国外受到关注。 分置式膜生物反应器处理工艺流程如下： 圆一匮圃一圃一豳一匿堕翌i i i j 固一圃一l i i i 圈一匿! i j i 羽一 旧水系统i 反应器简图如图1 所示： 东华大学硕士学位论文 污水 出水 图1 分置式膜生物反应器不意图 膜组件采用加压的方式，其工作过程是生物反应器的混合液经泵增压后进入 膜组件，在压力作用下混合液中的液体透过膜，而固形物和大分子物质被膜截留 住，随浓缩液回流到生物反应器内。分置式膜生物反应器运行稳定可靠，易于清 洗、更换及增设，但需循环泵提供较大膜面流速，动力消耗大。b e r t h o l dg r i n d e r 等1 0 1 在膜生物反应器中分别使用管式膜、平板膜和中空纤维膜组件，经过中试规 模的实际运行后发现：处理同样量的污水，一体式膜生物反应器的能耗仅是分置 式膜生物反应器能耗的一半。此外，还有研究发现：分置式膜生物反应器由于污 泥要经过循环泵不断循环，泵的高速剪切作用将会打碎菌胶团，对微生物的活性 有一定程度的影响。 一体式膜生物反应器如图2 所示，它是将膜组件置于反应器内，通过真空泵或 其它类型泵抽吸，得到过滤液，动力费用低。污水中的绝大部分有机物被微生物 所分解，根据筛分原理，膜分离组件将微粒直径大于膜孔径的颗粒截流下来，得 到优异的处理出水。为减少膜面污染，延长运行周期，通常使泵进行间断抽吸运 行。 污水 出水 图2 一体式膜生物反应器示意图 一体式m b r 为许多人看好，其主要原因是设备简单，能耗小。但是一体式 m b r 的膜污染问题一直难以解决，为延长膜的使用寿命，保证通量的稳定，一般 采用水下曝气直接冲击抖动膜纤维，以防止污染物在膜面沉积。 一体式膜生物反应器的形式除活性污泥法膜生物反应器外，国内外又相继开 第一章绪论 发了生物膜一膜生物反应器和活性污泥生物膜膜生物反应器。 ( 二) 膜生物反应器工艺特点 膜生物反应器作为一种新型高效的废水生物处理技术，近年来已被逐步应用 于城市污水和工业废水的处理。它用膜分离系统代替普通活性污泥法中的二沉池， 取得可直接回用的出水水质；而且有利于增殖缓慢的微生物如硝化细菌的截留和 生长，增强硝化作用【1 1 】。而且运行费用低，可采用p l c 控制，实现全程自动化控 制。m b r 膜生物反应器设备布置可集中可分散，具有灵活性。可实现污水就地处 理，进而可以节约大量给排水管道及泵站的费用。 与传统活性污泥法重力沉降过程中，由于颗粒的不固定容易使活性细菌与生 物体流失相比，膜生物反应器处理有机污染物，能使有机物深度氧化，并且排出 物不含固体颗粒，能完全保留生物体，在低温时亦能维持高处理能力。该处理过 程还可通过维持低f m 比例减少污泥浪费。反应器能够维持高含固浓度而使处理 工厂规模缩小。还可采用同时硝化与反硝化作用成功地除氮，污泥停留时间相当 长，从而完全保留体系中生长缓慢的硝化细菌。 具体特点总结如下： 1 对污染物去除效率高，抵抗污泥膨胀能力强，出水水质稳定，出水中没有悬浮 物，无需消毒。 2 高效地进行固液分离，其分离效果远好于传统的沉淀池，膜的机械截留避免了 微生物的流失，使微生物完全截留在反应器内，生物反应器内可保持高的污泥 浓度，从而提高体积负荷，降低污泥负荷，减少占地面积。 3 出水水质良好，出水悬浮物和浊度接近于零，细菌和病毒被大幅度去除，可直 接回用，实现了污水资源化。 4 泥龄长，大大提高了难降解有机物的降解效率，反应器在高容积负荷、低污泥 负荷、长泥龄下运行，基本实现无剩余污泥排放。剩余污泥量少，大大降低了 污泥处理费用。 5 使一些大分子难降解有机物的停留时间变长，有利于它们的分解。 6 实现了反应器水力停留时间( h r t ) 和污泥龄( s t r ) 的完全分离，运行控制 灵活稳定，设计、操作大大简化。 东华大学硕士学位论文 7 利于硝化细菌的截留和繁殖，极有效地去除氨氮，系统硝化效率高。通过运行 方式的改变亦可有脱氮和除磷功能。 8 膜生物反应器工艺结构紧凑，能耗低，占地面积小。易于实现一体化自动控制， 运行管理方便。 但由于工艺本身的原因，还存在一些缺点： a ) 由于系统中生物处理单元多采用传统的活性污泥法，反应器内的污泥浓度较 高，膜处理技术与其它的过滤分离技术一样，在长期的运转过程中，膜作为一 种过滤介质堵塞，膜的通过水量运转时间而逐渐下降，即膜堵塞问题，尚没有 有效的清洗技术，使m b r 系统的有效使用寿命缩短； b ) 分体式膜生物反应器，还会导致污泥活性下降( 循环加压泵引起) 及处理水温 度升高； c ) 膜制造成本偏高等。 1 4 3 膜生物反应器用于家庭生活污水处理的优点 家庭生活污水中含有粪便污水，使得其中含有相当量的胶体和高分子有机物， 这些污染物质的生物降解速率较低，在传统生物处理中，由于它们在生物反应器 中的停留时间较短，无法进行有效降解，严重影响了出水水质。而在膜生物反应 器中，由于分离膜对胶体和高分子物质有非常好的截留效果，可以极大地改善出 水水质：同时，因为这些物质在生物反应器中的停留时间延长，它们在生物反应 器中的降解效率得到大大提高。与传统生化处理法处理生活污水相比，膜生物反 应器处理生活污水具有以下特点：( 1 ) 出水水质清澈，不含悬浮固体，一般也不 含病菌和病原体：( 2 ) 出水中不仅有机物浓度相对较低，而且总氮和总磷的浓度 也远低于传统生化处理法；( 3 ) 由于膜的截留，生物反应器中可以保持很高的微 生物浓度，f m 值较低，污泥产率低：( 4 ) 膜生物反应器中微生物的种类、数量 和泥龄等主要根据对污染物质的去除有利与否进行控制，无需考虑污泥的沉降性 能，这就使得生物反应器中的生物相更加有利于污染物的分解转化，有可能获得 更高的去除效率。( 5 ) 膜生物反应器的工艺自动化程度高，所需工作人员少，环 境卫生条件好。( 6 ) 在生活污水中残留有机物浓度高、活性污泥浓度高时，传统 活性污泥法中二沉池正常运行非常困难，造成出水水质经常恶化，特别是出现污 泥膨胀时，运行管理更加困难。膜生物反应器工艺中，不仅出水水质好得多，而 1 0 第一章绪论 且基本不受进水冲击负荷的影响，出水水质稳定。 从经济上看，膜生物反应器的一次性投资要高于传统生化法，但是传统法要 达到膜生物反应器的处理效率而需增加的吸附工艺运行费用是相当高的；要达到 膜生物反应器优越的病菌、病毒去除率还需另外是消毒设备投资和运行费用，所 以膜生物反应器处理生活污水在经济上也具有一定的优势。而且对氮磷的去除效 率高，出水可以直接回用，其社会效益和环境效益也非常明显。 1 4 4 用于m b r 的膜材料、组件及m b r 的形式 目前应用于m b r 的膜材料大多为亲水性高分子材料。应用较为成熟的有p a n ( 聚丙烯腈) 、p v d f ( 聚偏氟乙烯) 、p v c ( 聚氯乙烯) 等。国外也有一些公司将 无机材料膜应用于膜生物反应器。现在有很多科研单位在致力于改性聚烯烃膜用 于m b r 的研究，但是掌握这项技术的单位很少。 用于m b r 的膜可以是微滤膜，也可以是超滤膜。近年来随着膜技术的飞速发 展，膜种类增多，膜组件的形式也多样化，膜组件的形式有中空纤维膜、粗管式 中空膜、管式膜、板框式、微管式以及旋转平膜等。对于不同的膜组件形式，被 使用和研究较多的为中空纤维膜。但