（环境工程专业论文）金属膜生物反应器废水处理技术.pdf

大连理工大学博士学位沧文 摘要 采用孑l 径为0 2 1 t m 的不锈钢膜生物反应器分别处理模拟生活废水和模拟酒厂废水。 处理生活废水的实验在室温下进行。处理酒厂废水的实验温度从3 0 开始，以5 或1 0 为升温梯度逐渐升温，最后达到8 0 。重点考察了中温、高温条件下膜生物反应器的 处理能力、活性污泥的物理化学及生物学特性以及对膜的过滤性能的影响、膜的清洗方 式，探讨了不锈钢膜应用于废水处理领域的可行性。 实验表明金属膜生物反应器有较高的污染物去除效率。温度对系统c o d 去除能力 有着比较明显的影响。细菌的死亡和溶解释放出溶解性微生物产物( s m p ) 和胞外聚合 物( e p s ) ，这类物质进入混合液，增大了出水s c o d 。然而，出水非常稳定，表明不锈 钢膜在高温条件下对悬浮颗粒、胶体以及溶解性大分子有机物有很好的截留作用。 由于存在好氧区和缺氧区，传统膜生物反应器具有一定的硝化反硝化脱氮能力，t n 去除效率可达3 0 以上。内循环膜生物反应器有利于形成向上流的好氧( 硝化) 环境和 向下流的缺氧( 反硝化) 环境，提高系统脱氮效率到5 0 左右。膜表面滤饼成分分析表 明，除了生物去除之外，通过截留大分子溶解性和胶体含氮化合物，金属膜在脱氮方面 发挥重要作用。t n 去除能力受温度的影响非常显著。比较上清液和出水t n 可知，在 低温阶段( 3 0 ) ，系统脱氮能力以生物去除为主；当温度升高到3 5 ，生物去除的氮 总量和膜截留部分相当；在高温阶段( 4 0 7 0 。c ) ，t n 去除作用基本全部通过膜的截留 发生。 随着温度的升高，活性污泥耗氧速率减小，表明污泥微生物代谢受到抑制，基质去 除速率减小。污泥增长率降低，表明高温膜生物反应器对污泥减量化是有利的。同中温 条件下丰富的微生物多样性相比，高温条件下微生物多样性大大减小。 污泥的许多性质与膜污染密切相关。随着温度的升高，污泥沉降性变差，上清液 e p s 、上清液悬浮固体浓度增大，污泥絮体粒径变小，这些因素导致混合液过滤阻力增 大，膜污染加重。虽然污泥疏水性没有一般的变化规律，但是污泥疏水性变化与膜污染 阻力变化一致，反映了污泥疏水性增大会加重膜污染。 膜表面滤饼层污染是膜污染中的最重要的因素。高温条件下由于增大了上清液中高 聚物( 主要是e p s ) 的含量从而导致膜表面滤饼层中凝胶含量增大，使凝胶层在膜污染 阻力中的贡献相对增大，而悬浮颗粒的贡献相对减小。 污泥的这些性质并不是独立无联系的，它们之间相互作用非常复杂，它们对膜污染 的影响作用也相互联系。实验结果表明了e p s 、污泥粒径分布的重要性，尤其是e p s 。 另外，在温度不断变化的高温条件下，污泥混合液中各组分含量的相对变化，对膜污染 金属膜生物反应器废水处理技术 的影响要高于常温条件。 内循环膜生物反应器可以减缓膜污染，获得较高的膜渗透通量，并且有利于节约能 耗。在线反冲洗可以大大减缓膜污染，延长膜工作时间。不锈钢膜清洗剂的选择范围远 比有机膜大。 总之，不锈钢膜组件应用于膜生物反应器处理废水的实验研究表明，不锈钢膜比有 机膜更适合于高温等极端条件和对出水水质有更高要求的条件。高温膜生物反应器有利 于节约特殊废水的处理成本和能量，有利于污泥减量化，适合处理高温高浓度废水，具 有一定的应用潜力。但是，高温条件下膜的污染会加剧，污染物去除能力下降，因此， 实际应用中需要考虑多种因素，选择合适的处理温度等操作条件。从本论文研究结果看， 综合考虑污染物去除效率和膜污染情况，高温膜生物反应器在低于5 0 运行是比较合适 的。 关键词：膜生物反应器；不锈钢膜：嗜热；膜污染 胞外聚合物 盔堡望圭盔堂堕主堂垡笙奎 w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sw i t hm e m b r a n eb i o r e a c t o rw i t hm e t a l l i c m e m b r a n e a b s t r a c t as t a l r j e s ss t e e lm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) w i t h0 2 mp o r es i z ew a su t i l i z e dt ot r e a t s y n t h e t i cd o m e s t i cw a s t e w a t e ra t2 5 a n dd i s t i l l e r yw a s t e w a t e ra ts k i f l e dt e m p e r a t u r e r e s p e c t i v e l y d u r i n gt e m p e r a t u r es h i f t ，t h et e m p e r a t u r eb e g a nw i t h3 0 t h e na s c e n d e d 、i t ha 5 o ra10 g r a d i e n t ，a n dr e a c h e d8 0 。ca tl a s t r e m o v a lp e r f o r m a n c eo ft h em b 艮m a i n f a c t o r si n f l u e n c i n gm e m b r a n ep e n e t r a b i l i t ya n dm e t h o d st oc l e a nm e t a l l i cm e m b r a n ew e r e i n v e s t i g a t e du n d e rm e s o p h i t i ca n dt h e r m c l p h i l i cc o n d i t i o n s t h ef e a s i b i l i t yf o ru s i n gs t a i n l e s s s t e e lm e m b r a n ei nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tw a se v a l u a t e d f o rd o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，m e t a l l i cm b rh a dah i g hr e m o v a lc a p a c i t y t e m p e r a t u r eh a d a ne v i d e l i ti n f l u e n c eo nc h e m i c a l o x y g e nd e m a n d ( c o d ) r e m o v a l ， m i c r o b i a ll y s i sr e l e a s e ds o l u b l em i c r o b i a lp r o d u c t s ( s m p ) a n de x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i c s u b s t a n c e s ( e p s ) i n t om i x e dl i q u i d s ，h e n c ei n c r e a s e de 国u e n ts o l u b l ec o d ( s c o d ) h o w e v e r , e 御u e n tq u a l i t yw a sc o m p a r a t i v e l ys t a b l e s h o w i n gt h a tt h es t a i n l e s ss t e e l m e m b r a n eh a da ne x c e l l e n tr e t a i n c a p a c i t y t os u s p e n d e ds o l i d s ，c o l l o i da n ds o l u b l e m a c r o m o i e c u l a rc o m p o u n d s d u et ot h ee x i s t e n c eo fa e r o b i ca n da n o x i cc i r c u m s t a n c e s ，t h ec o n v e n t i o n a lm b rc o u l d r e m o v em o r et h a n3 0 t nt h r o u g hn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i e a t i o n t h ei n n e rc y c l i n gm b r d i df a v o rt ot h et w ok i n d so fc i r c u m s t a n c e s ，t h eu p f l o wa e r o b i cc i r c u m s t a n c e ( n i t r i f i c a t i o n ) a n dt h ed o w n f l o wa n o x i cc i r c u m s t a n c e 阳e n i t r i f i c a t i o n ) ，e n h a n c i n gt h et nr e m o v a le f f i c i e n c y t oa b o u t5 0 耵1 ec o m p o n e n ta n a l y s i so ff i l t e rc a k eo nm e m b r a n es t t r f a c es h o w e dt h a t m e t a l l i cm e m b r a n ep l a y e dav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt nr e m o v a lb yr e t a i n i n gm a c r o m o l e c u l a r s o l u b l ea n dc o l l o i dc o m p o u n d s t nr e m o v a lc a p a c i t yo fm b rw a sm o r ei n f l u e n c e db y t e m p e r a t u r et h a nc o dr e m o v a l c o m p a r i s o no ft ni ns u p e m a t a n ta n de f f l u e n ts h o w e dt h a t b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lw a sd o m i n a n tu n d e r l o w e rt e m p e r a t u r e ( 3 0 c ) ，b i o l o g i c a l n i t r o g e nr e m o v a lw a se q u i v a l e n tw i t hm e m b r a n er e t a i nr e m o v a la t3 5 a n dm e m b r a n e r e t a i nr e m o v a lw a sd o m i n a n tu n d e rt h e r m o p h i l i cc o n d i t i o n s ( 4 0 7 0 c ) d e c r e a s e ds l u d g es p e c i f i co x y g e nu p t a k er a t e ( s o u r ) w i t ht e m p e r a t u r es h o w e dt h a t m e t a b o l i s mo fm i c r o b e sw a si n h i b i t e da n ds u b s t r a t er e m o v a lr a t eo fa c t i v a t e ds l u d g e d e c r e a s e d a 1 s ot h es l u d g ey i e l dd e c r e a s e dw i t li n c r e a s e dt e m p e r a t u r e i n d i c a t i n gt h a t t h e r m o p h i l i cm b rw a sf a v o r a b l et os l u d g er e d u c i n g d i v e r s i t yo fm i c r o b i a lc o m m u n i t ) r i i i 金属膜生物反应器废水处理技术 d e c r e a s e di nt h e r m o p h i l i cc o n d i t i o ut h a nm e s o p h i l i cc o n d i t i o n t h e r ew e r ec l o s er e l a t i o n sb e t w e e np r o p e r t i e so fs l u d g ea n dm e m b r a n ef o u l i n g w e a k e r s l u d g es e t t l e a h i l i t y , i n c r e a s e dc o n c e n t r a t i o n so fe p s ，s u s p e n d e ds o l i d sa n df r e eb a c t e d a si n s l u d g em i x e dl i q u i d s ，s m a l l e rf l o cp a r t i c l ea n db i g g e rv i s c o s i t yo fm i x e dl i q u i d sa th i g h e r t e m p e r a t u r ec a u s e dm o r es e r i o u sm e m b r a n ef o u l i n g a l t h o u g ht h e r ew a sn oc o m m o nc h a n g e w i t hs l u d g eh y d r o p h o b i c i t y , i tw a sc o n s i s t e n tw i t hm e m b r a n ef o u l i n gr e s i s t a n c e i n d i c a t i n g t h a th i g h e rs l u d g eh y d r o p h o b i c i t ye n h a n c e dm e m b r a n ef o u l i n g f i l t e rc a k ef o u l i n gw a st h em a i np a r to fm e m b r a n ef o u l i n g t h ec o n t r i b u t i o no fg e ll a y e r i n c r e a s e da th i g h e rt e m p e r a t u r ef o rh i g h e rc o n c e n 廿a t i o no f p o l y m e n cs u b s t a n c e s ( m a i n l ye p s ) i ns u p e r n a t a n ta th i g h e rt e m p e r a t u r e a n dt h ec o n t r i b u t i o no fs u s p e n d e ds o l i d sd e c r e a s e d p r o p e r t i e so fs l u d g ew e r er e l a t e dt oe a c ho t h e ra n dt h e i ri n f l u e n c eo nm e m b r a n e t h e e x p e r i m e n tr e s u l t si m p l i e dt h ei m p o r t a n c eo fe p sa n ds l u d g ep a r t i c l e s i z ed i s t r i b u t i o n ， e s p e c i a l l ye p s i nt h e r m o p h i l i cc o n d i t i o n sw i t hs h i f t e dt e m p e r a t u r e ，c o n s t i t u e n t sc o n t e n ti n s l u d g el i q u i d sc o m p a r a t i v e l yv a r i e d , c a u s i n gg r e a t e ri n f l u e n c eo nm e m b r a n ef o u l i n gt h a ni n n o r m a lt e m p e r a t u r e i n n e rc y c l i n gm b rc o u l da l l e v i a t em e m b r a n ef o u l i n g ，i n d u c eh i g h e rm e m b r a n e p e r m e a t ef l u xa n df a v o rt oe n e r g ys a v i n g m e m b r a n ec l e a n i n go nl i n ec o u l dg r e a t l ya l l e v i a t e m e m b r a n ef o u l i n ga n dl e n g t h e nm e m b r a n es e r v i c et i m e t h e r ew e r em u c hm o r ec l e a n i n g a g e n t sf o rs t a j _ r l l e s ss t e e lt h a np o l y m e r m e m b r a n e i ng e n e r a l t h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n te x p e r i m e n tr e s u l t so ft h em b rw i 恤s t a i n l e s ss t e e l m e m b r a n ei n d i c a t e dt h a ts t a i n l e s ss t e e lm e m b r a n ew a sm o r ea d a p t i v et h a no r g a n i cm e m b r a n e u n d e rc r i t i c a lc o n d i t i o n s ，s u c ha sh i g ht e m p e r a t u r ea n dr i g i d e rn e e df o re f f l u e n tq u a l i t y t h e r m o p h i l i cm b r w a sf a v o r a b l et or e d u c ec o s ta n de n e r g yo fs p e c i f i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n t a n ds l u d g er e d u c t i o n t h e r ew a sap o t e n t i a lf o rt h e r m o p h i l i cm b rt ot r e a th i g ht e m p e r a t u r e a n dh i 曲s t r e n g t hw a s t e w a t e r h o w e v e r , m e m b r a n ef o u l i n gw a sm o r es e v e r ea n dp o l l u t a n t s r e m o v a lc a p a b i l i t yd e c r e a s e di nt h e r m o p h i l i cc o n d i t i o n s m a n yf a c t o r sn e e dt ob ec o n s i d e r e d t od e t e r m i n ep r o p e ro p e r a t i n gc o n d i t i o n sf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h er e s u l t so ft h ep a p e r s u g g e s t e dt h a tt e m p e r a t u r eb e l o w5 0 cw a sa p p r o p r i a t ef o rt h e r m o p h i l i cm b rr u n n i n g ， c o n s i d e r i n gb o t hp o l l u t a n tr e m o v a la n dm e m b r a n ef o u l i n g k e yw o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a e t o r ；s t a i n l e s s s t e e l m e m b r a n e ；t h e r m o p h i l i c ； m e m b r a n ef o u l i n g ；e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i es u b s t a n c e s i v 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理二l 人学博十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名登盎鱼 导师签名：丝堕监 竺! 生年l 月_ 兰三f i 大连理工大学博士学位论文 引言 随着世界人口的增加、城市化进程的加快和社会经济的发展，全球范围内持续加剧 的水资源短缺和水污染问题，己成为人类2 1 世纪所面临的最紧迫的环境问题。占世界 人口1 4 的中国面临的问题更为严峻。水利部部长汪恕诚指出，水资源短缺与经济社会 发展对水资源需求不断增长的矛盾突出。我国人均水资源2 2 0 0 立方米，约为世界人均 水平的1 4 ，正常年份全国缺水量近4 0 0 亿立方米。水污染严重、水土流失与可持续发 展的矛盾突出。全国污水排放总量逐年上升，河湖污染有加重之势，水环境总体状况还 没有根本好转。水土流失、生态恶化的趋势没有得到根本遏制，地下水严重超采，一些 地区出现河道断流、湖泊干涸、湿地萎缩、绿洲消失，严重影响了经济社会的可持续发 展。 据国家环保总局统计，2 0 0 4 年全国废水排放总量4 8 2 ，4 亿吨，比上年增加4 9 。 其中工业废水排放量2 2 1 1 亿吨，城镇生活废水排放量2 6 1 3 亿吨。废水中化学需氧量 排放量1 3 3 9 2 万吨，其中工业废水中化学需氧量排放量5 0 9 7 万吨，城镇生活废水中化 学需氧量排放量8 2 9 5 万吨。废水中氨氮排放量1 3 3 0 万吨，其中工业氨氮排放量4 2 ，2 万吨，生活氨氮排放量9 0 8 万吨。 以行业为例。2 0 0 4 年造纸及纸制品业工业废水排放总量3 1 9 亿吨，其中排放达标 量2 8 6 亿吨，废水治理设施年运行费用3 2 t 3 亿元。废水中挥发酚排放量3 6 8 5 吨，化学 需氧量1 4 8 - 8 万吨。造纸及纸制品业工业用水总量为6 8 8 亿吨，其中新鲜水量3 7 3 亿吨， 重复用水量3 1 5 亿吨。 以地区为例。2 0 0 4 年辽宁工业废水排放量9 2 亿吨，排放达标量8 6 亿吨。污染物 排放量挥发酚为7 8 - 2 吨，化学需氧量1 3 6 万吨，石油类1 4 6 0 1 吨，氨氮1 0 万吨。 水污染和水资源短缺严重制约了国民经济的发展。今后，随着我国经济的进一步发 展，对水资源的需求仍将持续增长，污水排放量也将随之而进一步增加，水环境质量的 恶化和水资源的短缺将更为突出。因此，加强水污染控制，消除水污染，以控制我国水 环境质量恶化的趋势是我国未来近十五年内环境保护的重要战略目标。 近年来，随着膜生产技术的提高和生产成本的降低，膜生物反应器作为一种新型高 效的污水处理技术在国际上受到了广泛关注。特别是一体式膜生物反应器，因其具有出 水水质好、容积负荷高、占地面积小、剩余污泥产量低、操作管理方便等优点，受到人 们的青睐。目前，人们对膜生物反应器的运行效果、运行条件的选择、膜污染与控制等 方面进行了大量的研究工作。高温好氧条件下运行的膜生物反应器，对于某些特定的污 金属膜生物反应器废水处理技术 水类型，比如造纸废水、蒸馏废水、食品加工废水等，在能源节约、处理负荷和处理效 率等方面更是具有独有的优势，近几年来受到较多的关注。 本论文将新型的不锈钢膜组件应用于膜生物反应器，通过常温条件处理生活废水实 验和高温好氧条件处理酒厂废水实验，考察金属膜生物反应器的运行情况，重点考察了 高温好氧条件下污染物去除效率、污泥特征、膜污染等的变化情况。 大连理工大学博士学位论文 1 膜生物反应器和高温好氧废水处理技术的研究进展 1 1 膜生物反应器研究概况 膜生物反应器( m b r ) 是将膜分离技术和生物反应器结合而成的一个新的处理工艺。 它把膜分离工程与生物工程结合起来，以膜分离装置取代普通生物反应器中的二沉池， 从而取得高效的固液分离效果。膜生物反应器作为一种新型的高效水处理技术，曰益受 到各国的水处理技术研究者的关注。 11 1 膜生物反应器的发展 膜生物反应器在废水处理领域中的应用研究2 0 世纪6 0 年代始于美国。1 9 6 6 年，美 国的d o r r o l i v e r 公司首先将m b r 用于废水处理的研究。1 9 6 8 年，s m i t h 等将好氧活性 污泥法与超滤膜相结合的m b r 用于处理城市污水，该工艺具有减少活性污泥产量、保 持较高活性污泥浓度、减少污水处理厂占地面积等优点。但当时由于受膜生产技术所限， 膜的使用寿命短，水通透量小，使其在实际应用中遇到障碍 ”。7 0 年代后期，曰本研究 者根据本国国土狭小、地价高的特点对膜分离技术在废水处理中的应用进行了大力开发 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更是方兴未艾。日本建设省1 9 8 5 年 开始的“水综合再生利用系统9 0 年代计划”把m b r 在污水处理对象和规模方面的研究 大大推进了一步 2 】。日本在该项计划中对厌氧m b r 作了较系统的研究，建立了酒精发 酵废水、造纸厂废水、蛋白工厂废水、城市污水、淀粉厂废水等7 类污水的m b r 处理 系统。这一时期研究集中在m b r 的处理效果与运行稳定性方面，许多研究都证实了 m b r 能获得良好的出水水质。日本的三井石化公司用m b r 处理粪便污水，取得了前所 未有的良好效果。以后法国、美国、澳大利亚等国对膜生物反应器的研究也投入了很大 力量，使其研究内容更加全面和深入。 进入9 0 年代中后期，膜生物反应器在国外已进入了实际应用阶段p j 。加拿大的z e n o n 公司在膜生物反应器的推广方面作了许多工作。它首先推出了超滤管式膜生物反应器， 并将其应用于城市污水处理。为了节约能耗，该公司又开发了淹没式中空纤维膜丝的膜 组件。此膜组件可以直接放入曝气池，也可以单独设立分离池；采用正压压滤和负压抽 滤相结合的方式，荠采用在线过滤液脉冲反冲洗，以减少膜污染。目前这种膜生物反应 器己应用于美国、德国、法国和埃及等十多个国家，规模从3 8 0m 3 a 1 至7 6 0 0m “d1 。 另一个在膜生物反应器实际应用中具有竞争力的公司是日本的k u b o t a 公司，它所 生产的板式膜具有流通量大、耐污染和工艺简单的特点。此板式膜直接放入混合液中， 金属膜生物反应器废水处理技术 利用混合液的水头压力作为穿透压，将处理水排出系统，系统出水稳定。国际上知名的 生产商业化膜生物反应器的公司还有：日本的q r e l i s 和m i t s u ic h e m i c a l s 公司、南非w e i r e n v i g 公司、韩国a q u a t e c h 公司和丹麦b i o s c a n a s 公司等1 4 j 。 我国对膜生物反应器的大规模研究始于9 0 年代末期，已取得了很大进展【5 00 1 。 目前采用膜生物反应器处理的废水包括生活废水、石化污水、高浓度有机废水、食 品废水、啤酒废水、港口污水、印染废水等。生物反应器的类型从好氧反应器发展到厌 氧反应器，并且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。 膜生物反应器已有在大楼废水、生活废水回用、医院废水处理的工程实例，但应用工程 数量还较少。国产的专用于膜生物反应器的膜材料、膜组件还十分有限，膜的性能质量 还有待提高，需要加快研究和开发。 1 1 2 膜生物反应器的组成和特点 f 11 膜生物反应器的组成 根据膜组件在生物反应器中所起作用的不同，大致可将膜生物反应器分为膜分离生 物反应器、无泡曝气膜生物反应器和萃取膜生物反应器三种。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的二沉池，在此进行固液分离，截留的污泥回到生物反 应器，渗透液被排走；无泡曝气膜生物反应器采用透气性膜，对生物反应器进行无泡曝 气；萃取膜生物反应器利用膜将有毒工业废水中的优先污染物萃取后对其进行单独的生 化处理1 4 。本文所述均为膜分离生物反应器。 根据膜组件与生物反应器的组合方式，可将m b r 分为分置式和一体式( 如图1 1 ， 图1 2 ) 。分置式是指膜组件与生物反应器分开设置，膜的压力驱动靠加压泵；一体式是 将膜组件置入反应器内，压力驱动靠水头压差，或用真空泵抽吸。为减少膜面污染，延 长运行周期，一般泵的抽吸是间歇运行的。 4 大连理： 大学博士学位论文 污泥回流 _ _ l j j - j f 1 1 p 。一 ，7 7出水 一 ，7 卜一一 膜 图1 ，1 分置式m b r 简图 f i g 1 1d i a g r a mo f d i v i d u a lm e m b r a n eb i o r e a e t o r 进水 生物反应器 图1 2 一体式m b r 简图 f i g 1 2d i a g r a mo f s u b m e r g e dm b r 在分置式膜生物反应器中，膜的操作压力一般在1 - 4b a r ，膜通量在5 0 1 2 0l m 。2 h 。 其特点是运行稳定可靠、操作管理容易、膜组件易于清洗和更换。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，因此动力消耗较高。在一体式的膜生物反 应器中，由于不需要循环泵，抽吸泵的工作压力小，其能耗低于分置式膜生物反应器的 能耗，但在运行稳定性、操作管理和清洗更换方面不及分置式【l “。 f 2 1 膜与膜组件的种类 按截留分子量的不同将膜分为：微滤膜、超滤膜、纳滤膜、渗析和反渗透膜。膜生 物反应器废水处理工艺常用的是微滤膜和超滤膜。上述几种膜过程的分离机理见表 11 1 2 1 。 金属膜生物反应器废水处理技术 表1 1 各种膜过程的分离机理 t a b 1 1s e p a r a t i o nm e c h a n i s mo f d i f f e r e n tm e m b r a n ef i l t r a t i o np r o c e s s e s 按材质来分膜种类有：有机膜( 如聚砜膜、聚丙烯腈膜、聚乙烯膜等) 和无机膜( 如 会属膜、玻璃膜、碳膜、陶瓷膜等) 1 3 1 。有机膜制造成本相对便宜，应用相对广泛，但 在运行过程中易污染，寿命短。无机膜寿命长，但是价格高。膜材料是影响m b r 处理 效果的核心之一。长期以来适用于污水处理的高通量、耐污染、长寿命和低价格的膜材 料是膜生物反应器得以广泛应用的瓶颈所在。 膜组件形式主要有平板式、管式、中空纤维式、螺旋式、毛细管式等。在分置式膜 生物反应器中，平板式、管式应用较多；在一体式膜生物反应器中，多采用中空纤维式 和平板式。 ( 3 ) 无机膜 无机膜的特点 无机膜是由无机材料加工而成，是一种固态膜，以无机材料科学为基础的无机膜具 有聚合物分离膜所无法比拟的优点： 孔径分布窄、分离效率高，过滤效果稳定。 -化学稳定性好，耐酸、碱、有机溶剂。 - 耐高温，可用蒸气反冲再生和高温消毒灭菌。 抗微生物污染能力强，适宜在生物医药领域应用。 一 机械强度大，可高压反冲洗，再生能力强。 大连理工大学博士学位论文 无溶出物产生，不会产生二次污染，不会对分离物料产生负面影响。 分离过程简单，能耗低，操作运转简便。 -膜使用寿命长。 无机膜的应用 早在4 0 年代，无机膜就开始应用于u 2 3 5 浓缩【1 3 】。目前无机膜主要用于含油废水、 化工及石化废水、造纸和纺织废水、生活废水及放射性废水的处理 悼馆j ，其销售量占整 个膜市场的1 0 一2 0 ，并以每年3 5 的速度增长，受到国内外的广泛关注。 在无机膜中，当前最多研究和应用的是陶瓷膜 1 4 _ 18 1 。陶瓷膜是固态膜的一种，最早 由大日本印刷公司和东洋油墨公司在1 9 9 6 年开发引入市场。陶瓷膜主要是a 1 2 0 3 、z r 0 2 、 t i 0 2 和s i 0 2 等无机材料制备的多孔膜。其主要缺点是价格昂贵，目前制造过程复杂。陶 瓷膜的主要制备技术有：采用固态粒子烧结法制各载体及微滤膜，采用溶胶一凝胶法制 各超滤膜，采用分相法制备玻璃膜，采用专门技术( 如化学气相沉积、无电镀等) 制备 微孔膜或致密膜【”。 金属膜是另一种形式的无机膜，其中包括不锈钢膜。国内外大多数已经使用的不锈 钢膜都是高温烧结制成的。最新研制的金属膜采用不对称结构，以粗金属粉末作支撑材 料，以同种合金的细粉末喷涂作有效滤层；其孔径属微滤范围：颗粒物难以进入滤膜内 部堵塞滤道而滞留在膜表面，形成表面过滤 2 们。与传统多孔烧结金属滤材相比，不对称 金属膜通量高3 - 4 倍，压降较小，反冲洗周期长，且反冲效果较好。 不锈钢膜在酿酒、食品、制药、化工等行业已有应用。a n o n 【2 l 】采用不锈钢膜过滤 造纸厂废水，效果很好。s h u k l a z 2 采用不锈钢膜过滤玉米淀粉悬浊液。美国l o sa l a m o s 国家实验室采用不锈钢膜分离含锕溶液。有在酵母细胞分离方面的应用 ，也有在气 体分离方面的应用【2 5 2 6 1 。但是，在膜生物反应器废水处理中还未见采用金属膜的报道。 ( 4 ) 膜生物反应器的特点 将膜生物反应器应用于污水处理中，具有以下几个特征 ”1 ： 能高效地进行国液分离，其分离效果比传统的沉淀池要好。污染物去除效率高， 出水水质良好。不仅对悬浮固体、有机物去除效率高，而且可以去除细菌、病毒 等，出水可直接回用。 使生物反应器保持较高的微生物浓度。膜分离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和污泥龄的完全分离，使运行控制更加灵活、稳定。 膜分离装置能阻止高分子量的有机物和悬浮物向系统外流失，使参与反应的微生 金属膜生物反应器废水处理技术 物完全保持在生物反应器内，有利于增殖缓慢的微生物，如硝化细菌的截留和生 长，系统硝化效率得以提高。同时，膜可以阻留许多分解速度较慢的大分子难降 解物质，通过延长其停留时间而提高对它的降解效率。 装置处理容积负荷大，设备占地少，剩余污泥产量小。 传质效率高，氧传输效率高达2 6 6 0 左右。 易于实现自动控制，操作管理方便。 膜生物反应器也有不足之处。整个系统的处理量由膜分离装置的出流率决定，而膜 的出流率会随时间变化，这就增加了系统运行管理的难度。在运行过程中膜易受到污染 使产水量降低。另外，还有一些膜生物反应器的动力费用较高、投资较大以及制造成本 较高等。 1 1 ，3 膜生物反应器领域的研究和应用 有关膜生物反应器废水处理工艺的研究主要包括好氧和厌氧膜生物反应器的研究 和应用、膜生物反应器的性能、生物反应器污泥混合液的特性、膜过滤特征以及膜污染 的防治等方面。 ( 1 ) 膜生物反应器的研究和应用 日本是研究好氧一膜生物处理系统比较早的国家。日本的三井石化公司详细研究了 膜生物反应器对有机物的去除效果口阱。他们用膜生物反应器处理粪便废水，在进水b o d 。 为8 0 0 m g l ，c o d 为9 0 4 0 m g l 。的条件下，经处理后的出水b o d 5 小于1 0m g l ，c o d 小于2 4 0m g l 。用于处理大楼生活废水，进水b o d 5 为3 3 0 7 1 0m g l 。1 时，出水b o d 5 仅为1 5m g l ，c o d 为1 0 3 0m g l ，可以作为楼房中水道用水、草地喷水和汽车冲洗 水等，达到了污水回用的目的【2 9 。 日本东京大学y a m a m o t o 等人 3 0 】首先对中空纤维膜组件置入活性污泥反应器的一体 式膜生物反应器进行了研究。膜组件直接放入反应器内，通过泵的间歇抽吸，得到过滤 液；膜表面的错流由空气搅动产生，曝气装置设在膜的正下方，混合液随气流向上流动， 在膜表面产生剪切力，以减少膜的污染。试验结果表明在有机负荷为3 - 4k gc o d m - l d ， c o d 去除率在9 5 以上。 膜生物反应器在好氯处理方面，特别在处理好氧生活废水方面得到了比较广泛和深 入的研究。生活废水的有机物浓度一般比较低( c o d 1 0 0 0 0 ) 3 7 1 它们或附着 在细胞壁上，或以胶体或溶解状态存在于液相主体中。 e p s 的主要有机成分是糖类和蛋白质，二者的含量比( 以重量计蛋白质多糖) 约 在0 2 5 1 3 8 1 ，表1 2 为不同类型污泥的e p s 中蛋白质与多糖的比例蛐1 。此外，还有核 金属膜生物反应器废水处理技术 酸 3 9 - 4 1 、脂类 4 2 1 、腐殖酸 38 1 、糖醛酸或氨基糖”引，及无机成分 4 3 】。蛋白质和多糖的t o c 占整个e p s 的7 0 - 8 0 ，e p s 中剩余的2 0 3 0 的t o c 来自于腐殖成分，糖醛酸，核 酸和脂类等1 3 9 1 。 胞外聚合物在活性污泥法中的作用 e p s 在活性污泥法废水处理中扮演着至关重要的作用【删：它们对活性污泥絮体结 构、废水中污染物的去除、污泥的沉降性能以及污泥的处理有重要影响。 1 ) e p s 对活性污泥絮体疏水性和表面电荷的影响【删 由于活性污泥表面复杂的组成和结构，决定了污泥疏水性和表面电荷的主要影响因 素还没有被完全确定。有假设认为污泥的疏水性和表面电荷与e p s 的产生，组成和物 理特性有关。污泥的疏水性以接触角表示。污泥的疏水性反映了e p s 中既有疏水基团 又有亲水基团，是e p s 成分疏水性的平均值1 4 ”。 e p s 中各组成部分的比例( 蛋白质，多糖) 对污泥表面的疏水性影响比单个e p s 组 成部分重要的多。由于e p s 中各组成部分的物理化学性质不同，它们对污泥表面的疏 水性有不同的影响。多糖含量对污泥的疏水性和表面负荷有负的影响，而e p s 中蛋白 质含量对表面电荷有微弱的正的影响。疏水性和表面负荷不受污泥中总的e p s 含量的 影响。e p s 的成分与絮体的疏水性或表面电荷的线形关系见表1 4 。 表1 4e p s 成分与疏水性或表面电荷的线形关系的皮而逊系数 t a b 1 4p e a r s o n sc o e f f i c i e n t so f l i n e a rc o r r e l a t i o nb e t w e e nh y d r o p h o b i c i t yo rs u r f a c ec h a r g ea n de p s c o m p o s i t i o n e p s 成分 皮尔逊系数( r p ) 8 接触角( 3 2 ) 6表面电荷( 3 8 ) 6 注：a 表示r d 的置信水平为9 5 ，b 表示试验次数。 j o r a n d ( 1 9 9 8 ) 【4 6 】研究表明e p s 中的疏水部分仅仅由蛋白质组成，而不是多糖。同 时发现带有疏水部位的氨基酸对微生物絮体的疏水性影响很大。大量亲水性物质主要是 大连理工大学博士学位论文 中性多糖，它的存在对污泥的疏水性影响很大。 蛋白质与多糖的比例对污泥表面电荷的决定性作用可能与蛋白质独特的