（环境科学专业论文）自生生物动态膜反应器处理城市污水特性研究.pdf

a b s t r a c t t h es e l f - f o r m i n gb i o d y n a m i cm e m b r a n er e a c t o r ( s f d m r ) w a se q u i p p e dw i t ha1 0 0 9 m n y l o nm e s h a sf i l t e rm a t e r i a li n s t e a do fam i c r o - f i l t r a t i o nm e m b r a n ei nm e m b r a n eb i o r e a c t o r w e h a do b s e r v e dt h ef o r m a t i o na n dr e c o v e r yp r o c e s s e so fs f d m ，e f f e c t so fp o r es i z e s ，f l u xa n d m l s so nt h ef o r m a t i o no fs f d m t h ea r t i f i c i a ld o m e s t i cw a s t e w a t e rw a sf e dt ot h er e a c t o rt o e x a m i n et h el o n g t e r me f f e c ta n dt h em e c h a n i s mo f t r e a t m e n tw h e nh r t = 4 h ，f l u x = 2 0 8 l m 一2 h 一1 a n dm l s s = 4 0 0 0 m g lt h ep a p e rd i s c u s s e dt h ei m p a c to fh r t o nt h et r e a t m e n ta n dt h ea b i l i t y o fa n t i - s h o c k t h ed i s t r i b u t i o no ff i l t r a t i o nr e s i s t a n c ew a sa c c o u n t e dd u r i n ge x p e r i m e n t ，a n d h a r n e s s i n gm e a s u r eo ff o u l i n go f m e m b r a n ew a sa l s os t u d i e d t h r o u g ht h ec o m p a r i s o nb e t w e e n t h ec a sa n dm b r ，w em a d e t e c h n o l o g i c a la n de c o n o m i ca s s e s s m e n to ns f d m r t h ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tav e r yg o o de f f e c to fr e m o v a lc o u l db es e e nu s i n gt h es f d m r t ot r e a td o m e s t i cw a s t e w a t e r s y s t e mc o u l dw o r ks t e a d i l y4 0d a y sa tap r e s s u r ea sl o wa s9 m m w a t e rh e a dd r o p d u r i n gt h es t e a d yr u n n i n g ，c o n c l u s i o nf r o mt h er e s u l t so f i n v e s t i g a t i o nw a s t h a t s sc o n c e n t r a t i o nc o u l dn o tb em o n i t o r e d ，t u r b i d i t yo fe f f l u e n c ew a sl e s st h a n5 n t u ，a n dt h e r e m o v a lr a t e so fc o da n dn h 3 一nw e r ea b o v e8 0 a n d8 7 r e s p e c t i v e l y t h es e l f - f o r m i n g b i o - d y n a m i cm e m b r a n ec o u l df o r mi n4 8 h ，i n c l u d i n gc a k el a y e ra n dg e ll a y e r , a n dc a k el a y e r c o u l df o r mi n1 0 m i n t h ef o r m a t i o no f g e ll a y e rw a sas l o w e rp r o c e s s g e ll a y e rw a s c o m p o s e db y f i l a m e n t o u sb ys e m t h ef i l t r a t i o nr e s i s t a n c eo fs f d mw a so n l y1 5 x1 0 1 0 m ，e x p o n e n t i a l l yt w o o rt h r e et i m e ss m a l l e rt h a nm b r t h er e s i s t a n c ec a u s e db yc a k el a y e rc o n t r i b u t e da b o v e9 0 t o t h et o t a lf i l t r a t i o nr e s i s t a n c eo ft h es f d m a e r a t i n gw a sc o n d u c t e dt oc o n t r o lm e m b r a n e f o u l i n g w h e n a e r a t i n gt i m ew a s2 m i n ，f l u xc o u l db er e s u m e d t o7 2 k e y w o r d s ：s e l f - f o r m i n gb i o - d y n a m i cm e m b r a n e ；m b r ；d o m e s t i cw a s t e w a t e r ；f o u l i n go f m e m b r a n e ；f i l t r a t i o nr e s i s t a n c e 一一 圭查堑婆查堂塑主篓塞一 1 ，1 我国水资源污染现状 1 前言 水资源短缺已经成为一个全球化的环境问题，我国的缺水形势尤其严重。根据2 0 0 0 年 中国环境状况公报公布，我国人均水资源量为2 2 3 8 6 m 3 ，仅相当于世界入均水资源量 的l ，4 ，是世界入均水资源极少的1 3 个贫水国之一。在全国6 0 0 多座建制市中，有近4 0 0 座城市缺水，其中缺水严重的城节达1 3 0 多痤。网时水环境污染野趋严重，全国7 大重点流 域地表水有机污染普遍，特别是流经城市的河段有机污染较重，主要湖泊富营养化问题突出。 城市丈餐污水不经处理直接挤入水体所造成的水环境质鼙恶化问题，已g l 起全社会的高度关 注，防j ：城市水环境恶化也形成共识。困此，在充分考虑我国城市建设过程中经济、社会等 实际情况的前提下，研究开发适合我国国情的低投资低能耗城市污水处理技术已势在必行。 2 0 0 2 年中国环境状况公报公布，全国_ f ：= 业和城镇生活废水排放总量为4 3 9 5 亿吨。 其中工业废水排放鼙2 0 72 亿吨：城镇生活污家排放量2 3 2 。3 亿吨。废水中化学需氧量( c o d ) 排放总量1 3 6 6 9 万吨。其中工业废水中c o d 排放量5 8 4 0 万吨；城镇生活污水中c o d 排 放量7 8 2 9 万吨。近5 年我国废水和主要污染物排放量见f 表，由下表可见1 9 9 8 年至2 0 0 2 年，我国废水( 包括工业疲水和生活污承) 排放量呈逐年增加的趋势，c o d 排赦量有不同 程度的降低。 表1 1废水及主要污染物排放统计 t a b l ei - id i s c h a r g ea m o u n to f w a s t e w a t e ra n dc o d 、项目 废水排放量( 亿吨)c o d 排放量( 万吨) 年度 台计工业生活合计工业生活 1 9 9 83 9 5 32 0 0 51 9 4 81 4 9 5 68 0 0 66 9 5 0 1 9 9 94 0 1 1 1 9 7 32 0 3 81 3 8 8 。96 9 1 76 9 7 2 2 0 0 04 1 5 21 9 4 22 2 0 91 4 4 5 。07 0 4 57 4 0 5 2 0 0 l4 3 2 92 0 2 62 3 0 31 4 0 4 86 0 7 ，57 9 7 3 2 0 0 24 3 9 52 0 7 22 3 2 31 3 6 6 95 8 4 07 8 2 9 增减率( ) 1 52 30 92 。73 ，91 + 8 一 圭塑堕蔓查兰堡! 焦兰一 1 2 我国城市污水的治理技术现状 我国地表水体污染主要来自于工业和城镇，其中5 0 n 上来自于城市。城市污水污染 控制已成为我国水环境质量改善的制约因素。国家为有效地防治城市污水污染，十分重视发 展城市污水处理设施建设。近年来，我国城市污水处理厂建设发展迅速，已经初步形成污水 由分散治理向集中处理的趋势。目前，我国己建成并投入运行的城市污水处理厂1 8 7 库，设 计处理能力达到1 0 5 0 x 1 0 4 m 3 d ，其中二级生化处理能力约7 5 0 x 1 0 4 m 3 d ，全国城市污水二级 处理率仅达到9 1 0 。 我国的城市污水处理厂以二级生物处理为主，特别是近年建成的城市污水处理厂多是二 级生物处理。我国现有城市污水处理厂8 0 以上采用的是活性污泥法，其余采用级处理、 慢化一级处理、稳定塘法及土地处理法等口1 ，我国只有少数几座生物滤池城市污水处理厂。 借助于外贷，国外许多新技术、新】艺、新设备被引进到我国，我国污水处理t 艺技术由过 去只注重去除有机物发展为具有除磷脱氮功能。传统活性污泥法的衍生技术a b 法、氧化沟 法、a ot 艺、a 2 o ： 艺、s b r 法等在我国城市污水处理厂中均得到应用。传统活性污泥 法去除有机物效率高，能耗和运行费用相对都比较低，闪而得到广泛的应用。高碑店污水处 理厂、纪庄子污水处理工程、天津东郊污水处理厂、常州城北污水处理厂、苏州城东、城西 污水处理厂和上海曲m 、北郊城市污水处理厂均采用传统活性污泥工艺。a o _ k l 艺具有脱 氮功能，上海吴淞、长桥污水处理厂采用a o 工艺。a 2 o 工艺可以实现脱氮除磷，保定 市污水处理总厂、青岛李村污水处理厂、厦门杏林污水处理厂采用a 2 o 工艺。a b 法污水 处理j 二艺于8 0 年代初开始在我国应用于工程实践。由于其具有抗冲击负荷能力强、对p h 值变化和有毒物质具有明显缓冲作用的特点，故主要应用于污水浓度高、水质水量变化较大， 特别是工业污水所占比例较高的城市污水处理厂，有青岛市海泊河污水处理厂、淄博市污水 处理厂、深圳市罗芳污水处理厂、广州猎德污水处理厂等。目前氧化沟工艺是我国采用较多 的污水处理工艺技术之一，应用较多的是奥贝尔氧化沟工艺。d e 型氧化沟和三沟式氧化沟 在中高浓度的中小型城市污水处理中也有应用，采用卡罗塞尔氧化沟工艺的城市污水处理厂 大部分为外贷项目。苏州新区污水处理厂、台肥王小郢污水处理厂、成都新都污水厂、山东 离密市污水厂等均采用氧化沟工艺。多种类型的s b r 工艺在我国也有应用，如属第二代s b r 工艺的i c e a s 工艺，属第三代的c a s t 工艺、u n i t a n k 工艺等，我国四川巴中污水厂， 昆明第三、第四污水厂，上海石洞口污水厂均采用此类工艺。 近些年来，虽然我国城市水污染的工程治理得到了比较迅速的发展，极大的提高了城市 2 上海师范大学硕士论文 污水的处理水平，但处理量仍远远滞后于污水排放量，而且差距还有进一步扩大的趋势。同 时，由于现有的城市污水二级处理工艺源消耗大，运转费用高，以及排水管网的配套问题， 导致相当数量的污水处理厂没有正常运行。实际处理能力远低于设计能力。同时，剩余污泥 已经成为城市污水厂正常运行中迫切需要解决的问题。 1 3 膜生物反应器概述及发展 常规生物处理法的出水水质与沉降池的水力情况和污泥的沉降特性有关。只有通过扩大 沉降池容积来延长沉降时间，才能获得充分的固液分离。同时，为了避免污泥沉降性能恶化 或污泥膨胀，需要对生物处理单元实彳亍封闭控制，然而这往往受到经济条件的限制，即使使 用了这种控制，为了达到污水同用的目的，仍需进行诸如过滤、活性炭吸附等深化处理。 利用膜分离( 微滤或超滤) 技术来分离生物固体，可以克服二沉池和生物处理过程中 的不足之处。膜可以完全截留悬浮固体，提高出水水质。尽管早在六十年代末，d o r r - o l i v e r 就提出了活性污泥法与超滤相结合的上艺有一定的商业可行性，但直到i 9 8 5 年，膜生物反 应器的研究基本上还处于基础研究阶段，它的应用直到最近才得到重视，即在近十年中，膜 与生物处理相结合的工艺才得到迅速发展和应用。这种技术出现后，被称之为膜生物反应器 ( m b r ) ，相对于常规生物处理工艺具有以卜优点【34 】： 由于取消7 - - 沉池及将污泥浓度提高了2 5 倍，减小了占地面积。 膜的高效截流作用，使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 t r ) 的完全分离，使运行控制更加灵活稳定。 生物处理单元中污泥浓度高、泥龄长，对有机物的去除率高，耐冲击负荷。 有利于增殖缓慢的硝化细菌的截留、生长和繁殖，系统硝化效率得以提高。通过运 行方式的改变亦可有脱氮和除磷功能。 污泥产量少，降低了对剩余污泥处置的费用，但m b r 污泥的絮体较小且粘度较高。 也有试验发现，m b r 污泥的浓缩性能和脱水性能与传统工艺产生的污泥并无大的差异。 系统采用p l c 控制，可实现全程自动化控制。 1 3 1 。膜生物反应器分类 膜生物反应器根据机理可分为三大类型5 1 ：膜。曝气生物反应器( m e m b r a n ea e r a t i o n 上海师范大学硕士论文 b i o r e a c t o r , m a b r ) ：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 e t o r ，e m b r ) ：膜分离生 物反应器0 3 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 ) 。 膜曝气生物反应器 膜曝气生物反应器采用透气性致密膜( 如硅橡胶膜) 或微孔膜( 如疏水性聚合膜) 以板式 或中空纤维式组件，在保持气体分压低于泡点( b u b b l ep o i n t ) 的情况下，可实现向生物反应器 的无泡曝气。由于传递的气体含在膜系统中，因此提高了接触时间，极大地提高了传氧效率。 无泡曝气具有以下优点：( 1 ) 由于传递的气体含在膜系统中，因此提高了接触时间，从而达到 约1 0 0 的传氧效率；( 2 ) 由于气液两相被膜分开，因此有利于曝气_ _ 亡艺的更好控制，即有效 的将曝气和混合功能分开：( 3 ) 由于供氧面积一定，因此该工艺不受在传统的曝气系统中气泡 大小及其停留时间等因素的影响。 萃取膜生物反应器 萃取膜生物反应器是结合膜萃取和生物降解，利用膜将有毒工业废水中有毒的、溶解性 差的优先污染物从废水中萃取出来，然后用专陛菌对其进行单独的生物降解，从而使不受水 中离子强度和p h 的影响，生物反应器的功能得到优化。目前膜曝气生物反应器和萃取膜 生物反应器还处在实验室研究阶段，尚无实际的工程应用。 膜分离生物反应器 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，膜组什进行固液 分离，截留的污泥同流至生物反应器中透过水外排。它是应用最为广泛的种膜生物反应 器类型，一般所指的膜生物反应器均为膜分离生物反应器。本文下述膜生物反应器亦指膜生 物分离反应器。 按照膜组件与生物反应器的结合情况，则可将膜分离生物反应器( m b r ) 分为分置式膜生 物反应器、一体式膜生物反应器和复合式膜生物反应器三种。按照所用膜组件种类的不同， 又可将m b r 分为超滤膜生物n 应n ( l r m b r ) 、微滤膜生物反应器( m m 旧r ) 、反渗透膜生物 反应器 o m b r ) 和动态膜生物反应器( d m b r ) 。按膜分离组件可分为板框式、管式、转盘式 和中空纤维式膜生物反应器；按出水方式可分为抽吸式膜生物反应器、加压式膜生物反应器 和重力自压流式膜生物反应器。 1 3 2 膜生物反应器的发展与研究现状 1 9 6 9 f l ! s m i t h 【6 】等人发表了题为“膜分离活性污泥，论文，被认为是膜生物反应器组合工 4 上海师范大学预士论文 艺的最早雏形。文中采用超滤膜对曝气池出水直接进行过滤，并将微生物回流到反应器中， 结果有效地提高了污泥浓度。高效膜分离技术代替传统生物处理中的二沉池进行固液分离并 由此产生了膜生物反应器( m e m b r a n e b i o r e a c t o r ，m b r ) ，进入二十世纪八十年代以后，随 着膜的不断开发，膜生物反应器更具有实用价值，研究工作也有了很大的进展。早期的膜生 物反应器主要是分置式膜生物反应器，其膜分离部分相对独立、易控制、易清洗，但其能耗 相对较高，单位体积处理水的能耗是传统活性污泥法的1 0 2 0 倍”】。针对最初的分置式膜生 物反应器能耗较高的问题，日本学者y a m a m o _ t o 【8 1 等在1 9 8 9 年首先开发了一体式膜生物反应 器，在这种工艺中膜组件被吊在反应池内，下方为空气曝气器。曝气器提供反应过程中所 需的足够的氧，并去除膜表面的沉积物质。同样为了节能，在膜生物反应器中，已开始研究 在生物反应池中利用射流来进行曝气的方法【。主要特征是：膜组件置于形成射流的液体循 环系统中，曝气和过滤只需一个泵就可以完成。射流曝气器的工怍原理是：当液体射流通过 气层进入反应池时，携带了大量的空气。有限的氧传输量使这种技术只适应于较小的范围， 同时此工艺只用一个泵，使得机械结构相当简洁，又特别适合小型单位。利用空气反洗技术 去除膜阻塞的发明使得膜技术有这样的发展，即膜组件同时作为过滤器和曝气器【”1 。在这 种系统中，两组膜组件浸没在曝气池内，当组膜在提取渗透液时，另一组利用压缩空气进 行反洗。这种循环系统交替重复，空气流被源源不断的送入曝气池，使混合溶液得到充分曝 气。t a t s u k i 等l 使用重力自压流式膜生物反应器处理生活污水，在水头压差为1 6 9 m 时反应 器自流出水，进一步节约了能源，减少了膜生物反应器的运行费用。针对高浓度废水，在研 究好氧膜生物反应器的同时，也进行了一些厌氧膜生物反应器的研究，a n a g a n o ”| 丰日 a h o g e s t u 13 1 分别研究了厌氧膜生物反应器对酒精废水和羊毛清洗废水的处理。 从上世纪八十年代末以来，随着膜技术的不断发展，膜生物反应器更具有实用价值，膜 生物反应器的研究有了很大的进展。对膜生物反应器的研究主要集中在以下几个方面。 扩大膜生物反应器的应用范围，膜生物反应器的研究对象从生活污水、城市污水扩展到 高浓度有机废水与难降解工业废水等，但以生活污水的处理为主。x i a o - j u nf a n 1 4 1 采用膜生 物法进行处理城市污水的研究，确定在不同污泥停留时间和水力停留时间下污泥的特性。实 验历时3 0 0 天，包括4 个周期。对c o d 、氮和无机悬浮固体物料平衡的研究表明，在不同泥 龄2 0 天、1 0 天和5 天的情况下进水c o d 中分别有2 8 、4 2 和4 8 转化成活性污泥。估计 活性污泥产率系数和衰减系数分别为0 6 1 k g k g c o d i o 0 5 0 d 。在完全好氧系统中，氮平衡 接近1 0 0 。实验采用陶瓷超滤膜，膜面积为1 4 m 2 ，孔径为o 0 2 9 i n 。进水先经过5 0 0 9 i n 的筛 网。s t e f a n h o l l e r 等采用微滤膜生物反应器在高有机负荷( 6 1 3 k g m s d ) 处理人工合成城 5 l 海师范大学倾士论文 市污水，水力停留时间为1 5 h ，m l s s 为1 0 2 2 9 l ，反应器体积为1 4 l ，进水c o d 为4 0 0 8 7 0 m e l ，c o d 去除率达到9 5 以上。在洗浴污水”1 、港口污水、毛纺废水、含油废水 1 9 1 、含酚化合物废水 ”、含重金属废水 2 等方面也进行了大量的研究和应用。 对膜生物反应器生物特征也进行了很多研究工作。b o r a l lz h a n g t 2 2 1 等对膜生物反应器与 传统活性污泥法在微生物种群、细菌活性等方面进行了对比研究。研究表明，膜分离延长了 生物反应器的固体停留时间，降低了污泥产率，提高了容积硝化及有机物去除能力；但活性 污泥相对活细菌数减少，细菌比活性降低，而且很不稳定。较低的多糖比也说明污泥相对老 化。对原生动物、后生动物等的观察表明，膜生物反应器内微型动物种类少，且不稳定。 h n a g a o k a 等2 3 1 贝u 研究了细菌胞外聚台物( e p s ) 及污泥粘滞度对膜过滤阻力的影响，进行 了动力学分析讨论，并建立了相应的数学模型，指出通晕和有机负荷是对膜污染影响最大的 冈素。 探索不同生物处理工艺与膜分离单元的组台形式，生物反应处理工艺从活性亍亏泥法扩展 到接触氧化法、生物膜法、活性污泥与生物膜相结合的复合式工艺、两相厌氧1 一艺等。傅学 起等1 2 “使用改进型膜生物反应器处理洗浴污水，其反应器较一体式m b r 的膜污染大为减 轻，而较分置式m b r 的结构紧凑，体积小，工作压力小无水循环，节能；张军等【2 5 2 6 】 带有泡沫填料的复合淹没式膜生物反应器系统将多种污水处理工艺整合在极其简单的装置 中，使系统兼具生物膜法、活性污泥法和膜分离的特点。投加载体的膜生物反应器中同时存 在附着生k 和悬浮生妊的微生物，对m b r 系统的生物相进行分析，发现悬浮生长微生物中 的大多数菌属在生物膜中也同样存在，这为微生物在附着相和悬浮相之间的转化提供了物质 基础。此外，对反应器内微生物之间的相互关系进行了分析，对微生物的构成进行了探讨。 膜生物反应器对污水脱氮研究。膜生物反应器中污泥停留时间较长，有利于硝化细菌的 生长，膜生物反应器具有良好的脱氮能力。c o t e 和f a n 等的研究发现，当泥龄增大时，氨 氮的去除率也显著提高”1 。s u w a0 8 1 的研究发现，m b r 中污泥浓度高，因而易在污、旎絮体 中形成表面好氧、内部缺氧状态。所以可在同一反应器中实现硝化和反硝化，使m b r 在去 除c o d 的同时具有良好的脱氮效果。同时还对b o d 负荷和c n 比对反硝化速率和脱氮效 率进行了定量研究。张军等1 2 5 1 对复合淹没式膜生物反应器脱氦工艺的研究中发现，由于好 氧生物膜的填料内部存在厌氧环境，实现同时硝化反硝化作用，其t n 的去除率高达8 9 5 。 李红兵等唧在一体式好氧m b r 中也发现随着污泥浓度的增加， i n 的去除率呈上升趋势， 并解释为在好氧菌胶团内部存在厌氧环境，随着污泥浓度的增加，可提供较多的厌氧环境， 有利于反硝化的进行。汪诚文”1 对体式m b r 硝化特性的研究表明，m s r 对氮的去除效 6 上海师范大学硕士论文 果高达9 7 。但研究也表明，m b r 对氮的去除效果易受温度、冲击负荷、c o d 等因素的影 响。 影响处理效果与膜污染的因素、机理及数学模型的研究，探求合适的操作条件与工艺参 数，尽可能减轻膜污染，提高膜组件的处理能力和运行稳定性。m a g m a ”】的研究认为，在 活性污泥的条件下，污泥浓度过高对膜分离会产生不利影响，得出膜通透量与m l s s 的对 数呈线性下降关系。樊耀波等【3 2 】对膜生物反应器中膜的最佳反冲洗周期进行了研究，通过 数学推导与实验得到一个最佳反冲洗周期的测定公式：，( r ) = ( q ，一q ) ( t r + t b ) ，式中： f ( t ) 为膜的透水率，q j 为两次反冲洗之间的总透水量，蜴为一次反冲洗的耗水量，通过 实验确定，一般为常量，t ，为系统透水时间或反冲洗周期，“为反冲洗持续时间。何义亮 等5 3 3 1 提出膜对活性污泥混合液的分离过程是由t 两次分离，实现的，一次分离是混合液在压力 作用f 进行同液分离，二次分离是分离出来的液相透过沉积层到达膜表面，实现有机物大分 子及胶体物质与水的分离，并建立了数学模型。n o n gx u 等”j 研究了使用陶瓷膜处理城市 污水时膜污染情况，结果表明使用1 6 m m 直径的金属丝间距l o m m 缠绕在陶瓷膜上可大犬 提高膜通量，c o d 去除率都在9 5 以上。 膜生物反应器的技术经济分析。和其它工艺一样，m b r 工艺的发展不仅取决于工艺本 身，还取决于其经济可行性。g o w e n ”1 的研究得出，膜工艺的费用主要来自膜的价格、膜 的更换频率和能耗需求。d a v i s l ”j 等对不同规模的膜生物反应器和传统活性污泥法水处理厂 进行比较发现，m b r 占地面积节约了1 2 2 3 。郑祥”1 等对m b r 进行初步的技术经济分 析，研究结果表明，影响膜生物反应器运行费用的关键因素为膜通量和膜的使用寿命。李春 杰的研究表明，经济因素是制约膜生物反应器( m b r ) 废水处理工艺发展的关键，影响经济 性的真接原因是能耗、间接原因是膜受污染失效。能耗是制约m b r 推广应用的最大难题， 以错流式好氧m b r 为例其典型能耗为6k w t g m 3 4 8k w h m 3 1 3 9 1 ，比常规活性污泥法高1 0 2 0 倍。顾平1 4 0 1 对应用水位差驱动出水和低水头间断工作的重力淹没式抽吸淹没式m b r 的 能耗分析表明，曝气的能耗占总能耗的9 6 以上。 1 4 动态膜生物反应器及其发展现状 膜技术因其具有可靠的出水水质、简捷方便的操作方式等特点而引起了水处理界的广泛 重视，但膜组件价格昂贵以及膜污染造成的通量衰减等问题却严重阻碍了膜技术的推广应 7 上海师范大学硕士醅文 用。在膜过滤的过程中，溶液中的胶体和悬浮颗粒在压力的作用下被截留或吸附在膜表面， 造成了膜通量的下降，这现象称为膜污染。在膜分离工艺过程中，膜污染大大降低了膜的 通量，是应极力避免或控制的。但从另外一个角度看，膜表面的污染层增强了膜的截留能力， 使微滤膜可以截留病毒甚至小分子有机物，就像在原有的膜之上又增加了一层膜h ”。膜表 面的污染层的形成虽然会使能耗增大，但它有助于对小粒子的截留，提高过滤分离性能，而 且与相同孔径的清洁膜相比，它的渗透性也更好。这些优点使得膜表面的污染层由消极的抑 制变成了积极的利用。 动态膜的发现源于偶然，1 9 6 5 年美国o a k r i d g e 国家原子能所实验室在研究多孔物质脱 盐时，误用了与n a c i 不同的z r o c l 2 ，结果发现在多孔板上能形成脱盐层，同样具有反渗透 性能。这层薄膜是在压力作用下微粒就地沉积在多孔载体上，故称为原位形成膜( f o r m e d i n p l a c em e m b r a n e ) 或动力形成膜( d y n a m i cm e m b r a n e ) ，简称动态膜。 动态膜，是指采用某种固体微粒或反应中形成某种固体微粒，通过循环使其沉淀在膜表 面上形成新膜，或通过预涂剂或活性污泥在膜表面形成新膜，从而改进膜的工作性能，也称 为次目ej n ( s e c o n dm e m b r a n e ) “i 。为降低膜组件的造价，采用人孔径( 相对于超滤、微滤) 的材料来制作膜组件，在其过滤之前先用预涂刹或者微生物及其代谢产物在膜材料表面形成 动态膜，以便其过滤孔径变小而截留能力增强。动态膜可根据其形成的方式不同分为两类： 一类是预涂膜( p r e c o a e d ) ，其中又分为使用悬浮液和胶体溶液两种，通常被用作预涂剂的 材料有硅藻土、高岭土、m n 0 2 和z r 0 2 等。另一类是自形成膜( s e j f f 。n n ；n g ) ，即将所处理的 废液作为动态膜制各液来过滤制得。动态膜的研究始于反渗透，之后扩展到超滤，用下蛋白 质的回收、果汁过滤及废物生物处理。 m e g a t 4 3 1 等使用高岭土为预涂剂制备动态膜实验，结果显示当高岭土浓度为3 3 3 m g l 时，仅需1 0 分钟动态膜便可形成，滤过液浊度可达到在o 2 n t u 以下。且当膜面流速在一 定范围如1 6 2 5 m s ，对滤出液流速没有影响。 a i m a l a c k l 4 4 1 在处理市政污水厂二级出流的错流式微滤中。以纺织聚酯为原膜，k m n 0 。 和h c o o n a 反应形成m n 0 2 沉淀物能形成动态膜。m n 0 2 动态膜能提高滤通量、延长工作时 间、增加对固态污染物的截留。提高t i 作性能。1 0 0 m g l k m n 0 4 在p r z o 的条件下循环1 5 分钟就能形成很好的动态膜：原膜孔径从2 0 4 0 u m 减少到2 9 i n 以下，极大减小了颗粒透 过膜的可能性：滤通量能达到最大。滤过液浊度可稳定在0 2 n t u 以下。膜清洗简单而有效， 只要在原膜表面用刷子刷即可。 l e ej ”5 1 等在进行传统一体式膜生物反应器研究时，也提到动态膜的形成及对污染物的 8 圭塑! 里蔓奎兰堡兰笙三 一 一 去除，并发现膜表面的凝胶层一方面增加了过滤阻力，另一方面也提高了膜的截留能力。 m a r ea l t m a n “1 等人利用水合氧化错在不同的p h 值( p h = 3 ，5 、4 、6 ) 情况下分别形成 动态膜，在考察它们的特性时发现，随着p h 值的提高其运行周期缩短，而最终的出水通晕 会随之增加，但出水浊度却没有明显的变化趋势，这可能是因为锆离子在p h 值较低的情况 下所生成的颗粒较小，而小颗粒在形成动态膜的过程中需要用较多的时间去堵塞膜孔，且小 的颗粒会使得膜污染加重而阻力增人：在p h = 3 5 、6 时形成的动态膜对蛋白质的截留能力优 于p h = 4 时的动态膜。 k r y v o r u c h k o 等4 峙r 道了用粘土矿石制备动态膜的实验，结果显示蒙脱石、绿坡缕石、 伊利石、高岭石形成的动态膜的截留性能依次逐渐变差，蒙脱石虽然净化效果最好，但孔堵 塞造成的通量下降却也是最严重的。除此之外，采用过滤的目标物作为动态膜的制锯也有着 就地取材的优势，在可保证处理效果的前提下是一种好的选择。 j i r a r a t a n a n o n ( 4 8 j 等研究了在多孔陶瓷膜表面自生动态膜的形成，发现在3 0 0 k p a 的压力、 膜面流速为2 0 m s 时，菠萝汁在循环3 0 分钟后，可在膜表面形成自生动态膜，并对其过滤 性能进行了研究，发现对大分子物质如低聚糖、纤维素多聚糖等的截留率随时间经过急剧升 高后进入平稳，而对糖的截留率却刚好与之相反。 但范彬4 9 。2 蟠对动态膜处理城市污水进行了研究。以o 1 m m 孔径的普通筛网代替固定 膜材料构成一体式动态膜生物反应器( d m b r ) 处理实际城市污水。h r t = 3 5 h 时，出水水质 良好。出水中的s s 最高检测值为40 5 m g l ，但在多数情况下为0 。动态膜对反应器上清液 中的c o d 和t o c 的平均去除率分别为2 8 7 4 和3 6 9 。当溶解氧浓度大于2 3 m g l 时， 氨氮去除率大于9 6 。同时还对动态膜过滤性能进行了研究。结果表明生物动态膜所具有 的较强截留能力主要是由附着的凝胶层产生。已经覆盖有凝胶层的膜片与未使用过的新膜片 的清水过滤阻力几乎相等，由滤饼产生的过滤阻力占运行中动态膜片总过滤阻力的绝大部 分，新膜片在清水通过时有明显的初始阻力，而有凝胶层覆盖时的膜片几乎没有初始过滤阻 力。他们还研究了出水水头对自生生物动态膜过滤的性能的影响，结果表明，增加出水水头 不利于自生生物动态膜的恢复，动态膜的稳定运行时间随着恢复期出水水头的增加而显著降 低。当恢复期出水水头为0 5 e r a 时，稳定运行的时间 1 0 d ，当恢复期出水水头为1 0 c m 时， 稳定运行时间 5 h ，并研究了产生上述现象的原因，提出使每个过滤周期从出水水头为0 处 开始的操作策略。 y o s h i a k i ”1 采用孔径为1 0 0 1 x m 的尼龙筛网制作膜组件，同样利用生物动态膜，在反应器 内污泥浓度为6 5 0 0m g ，l 、出水压差为9 8 p a 的情况下，出水s s 在1 0 m i n 内就低于1 0 m g 几， 9 海师范大学硕士论文 而在4 0 r a i n 后可低于5m v l 。且在连续曝气的情况f ，出水s s 和浊度分别为1 3m g l 和 1 1 n t u 。 由于动态膜技术正在发展过程中，所以它尚未像其它的膜分离技术一样广泛地被某一行 业所采用，文献资料显示动态膜的应用处于实验性的尝试阶段，所能查到的文献资料也远远 少于其它膜分离技术，但随着膜技术的快速发展，动态膜技术在环境工程中的研究与应用也 将会越来越广泛。目前所见到的动态膜处理的废水有生活废水、污水处理厂二级出水、纺织 印染废水、食品生产废水及其它工业生产废水等。 1 5 课题的提出 1 5 1 研究的意义和目的 随着我国社会经济和城市化的发展，城市污水的排放量也逐年增大。由于受污水处理能 力的限制，只有很少一部分污水得到了有效处理，大部分城市污水未经任何处理便直接排入 自然水体，对环境造成极为严重的危害。我国城市污水的二级处理率仅为9 1 0 左右【”， 同时约有2 亿人1 ：3 生存在2 0 0 0 0 多个小城镇中，除了通向最近的水沟的排水管外，没有任何 的环卫设施。 目前，国家对城市污水处理越米越重视，根据建设部国家环保总局对城市；亏水处理规划 要求，劁2 0 1 0 年，全国城镇污水平均处理率不低于5 0 ，重点城市的污水处理率不低丁 7 0 5 “。由此预测，我国城市污水厂的建设将会以超常规的速度发展，预计将增加污水处理 能力5 0 0 0 6 0 0 0 万吨d ，需新建城市集中污水处理厂1 0 0 0 余座。同时随着经济和社会的发 展，将会建成一批城镇污水处理厂。但投资建设座城市污水处理厂的费用非常大，建成后 的运行费用又十分昂贵。据已建、在建污水处理厂的实际情况，吨位造价一般在1 5 0 0 2 0 0 0 元之间，运行费用在o 8 1 4 元，吨。即建成一座曰处理1 0 万吨污水的城市污水处理厂，一 次性投资约1 , 5 2 亿元，年运行费用数千万元。以如此巨大的投资和运行费用在全国建设 城市污水处理厂对于经济尚不发达的我国而言是不堪重负的。因此，从我国经济实力来说， 要大力推行污水处理政策，研究低投资、高效率、低耗能和技术简单的污水处理技术是今后 的发展方向。 自生生物动态膜反应器具有很多的优点，适合我国的国情。该工艺技术问题的研究将 为城市污水处理提供一条高效经济、切实可行的解决途径，具有重大意义。在目前膜生物反 1 0 上海师范大学硕二e 论文 应器从微滤、超滤甚至纳滤的发展过程中，提供种膜生物反应器发展的新思路。这种新思 路比微滤、超滤甚至纳滤膜生物反应器在我国的实际应用具有更大的现实意义。 本研究的目的就是探讨自生生物动态膜反应器对模拟城市污水处理的效果和自生生物 动态膜的形成及其污染的控制。本课题着重研究动态膜处理城市污水的效果和工艺特性，有 助于了解不同运行条件f 白生生物动态膜反应器对污染物的去除规律。 1 5 2 研究内容 通过测定c o d 、氨氮、总磷、s s 和浊度，研究本二| _ = 艺在处理模拟城市污水时有机 物、悬浮物和浊度方面的去除能力和作剧机理。 研究在不同水力停留时间如2 、3 、4 、5 h rf ，出水污染物浓度的变化情况。 研究自生生物动态膜的形态与组成以及不同污泥浓度、膜孔径、膜通量等状况对 白生生物动态膜形成的影响。 研究自生生物动态膜反应器的抗冲击能力，包括浓度冲击和流量冲击。 研究自生生物动态膜污染情况，膜通量的衰减情况及自生生物动态膜过滤阻力的 分布，并评价空曝气对自生生物动态膜的清洗效果。 通过与体式膜生物反应器工艺和传统活性污泥工艺比较，对自生生物动态膜反 应器的投资和运行费用进行技术经济评价。 上海师范大学硕士论文 2 实验的工艺流程、设备和方法 2 1 自生生物动态膜反应器的实验工况 2 1 1 实验装置 白生生物动态膜反应器的实验装置如图2 - 1 所示。 j ， ： l t 砂 _ + f 毛_ l 一 0 妪 ， ( 上) b 卜 图2 1 实验装置 f i g 2 - 】s c h e m a t i cd i a g r a m ( 1 ) 贮水池( 2 ) 反应器( 3 ) 动态膜组件( 4 ) 计量泵( 5 ) 气泵 ( 6 ) 空气流量计( 7 ) 曝气器( 8 ) 阀门( 9 ) 加热及温控系统 图2 - 1 是自生生物动态膜反应器的示意图，反应器内设导流板，将反应器分隔为左右两 部分，在左右两部分均设有曝气装置，在反应器的日常运行中，左侧曝气装置向混合液供氧 同时推动混合液在反应器内形成环流，维持反应器内混合液的完全混合状态。充氧均匀。右 侧即膜组件下方的曝气装置主要通过空曝气产生较强的气水多相流以控制自生生物动态膜 表面的污染。正常运行时，打开阀门8 ，进水由计量泵( i w a k ie s b 1 0 v i - i - 2 2 0 r 4 型电磁计 量泵) 从贮水池定量连续打入反应器内，滤液透过过滤面进入膜组件内的空腔，并通过山水 管流出反应器，成为自生生物动态膜反应器的出水。自生生物动态膜反应器在液面与出水口 之间的高差h 的驱动下自流出水。空曝气时，打开设置在膜组件底部的曝气装置，关闭 左侧曝气装置、进水泵和出水阀门，达到控制膜污染的目的。 上海师范火学硕士论文 2 1 2 自生生物动态膜反应器的主要设备 自生生物动态膜反应器的主要包括以下设备： 1 ) 贮水池 用以配制进水，总容积约1 0 0 升。 2 ) 蚶氧反应器 为长方体状反应容器，总容积3 0 升，有效容积约1 3 5 升。 3 ) 膜组件 动态膜组什由铁丝、筛绢橡皮管等自制而成，结构类似平板膜，过滤面由孔径为l o o p m 的筛绢包裹形成( 见图2 2 ) 。每片膜的有效过滤面积为o ，0 3 9 m 2 ，膜组件的运行方式为单段 并联运行，每片膜可单独控制出水。 图2 - 2 原膜及膜组件示意图 f i g2 - 2c o n f i g u r a t i o no f t h em e m b r a n em o d u l e 4 ) 加热系统 加热系统由加热棒和温度控制仪构成，用以控制反应器的温度。 1 3 p 海师范大学硕士论文 2 1 3 实验用水情况 实验用水为人工模拟城市污水，有机物浓度和城市污水相近，其组成主要采用葡萄糖、 淀粉和蛋白胨和混台配水，如表2 - 1 所示。 表2 - 1 人工配水有机组成【5 5 1 m g 几 t a b l e2 - 1o r g a n i cc o m p o n e n t sa n dc o n c e n t r a t i o no f a r t i f i c i a lc o m p o u n d e dw a t e r 2 2 测试项目及分析方法 本实验为了研究自生生物动态膜反应器处理城市污水的特征，需要测定p h 、c o d 、氮 氨、总磷、浊度、污泥浓度m l s s 及m l v s s 等。同时还有一些辅助项目的监测如，流速、 温度等。各种监测方法见表2 2 表2 - 2 监测项目和分析方法【5 6 】 t a b l e2 - 2m o n i t o ri t e m sa n d a n a l y s i sm e t h o d s 分析项目分析方法 p h玻璃电极法 c o d 重铬酸钾法 氨氮 纳氏试剂光度法 总磷 钼锑抗分光光度法 浊度光电式浑浊度仪 s v 1 0 0 m l 量筒 污泥浓度m l s s 重量法 污泥浓度m l v s s 重量法 4 上海师范大学硕士论文 3 自生生物动态膜的形成和再生研究 动态膜是多孔载体上微粒沉积或溶质在载体表面沉积及繁殖形成，其实质就是载体组件 在错流过滤时的浓差极化形成的滤饼层及凝胶层。由于涂膜或过滤时使 ； j 的溶液的溶质粒径 小于载体的孔径，在各种机理的作用下粒子在载体表面形成了一层具有微滤或超滤性质的膜 层，从而使动态膜的截留性能优于载体。所以动态膜的形成和表征可借用膜污染的相关理论 及机理进行研究和探讨。 在膜分离过程中。料液中的溶剂在压力驱动下透过膜，溶质( 离子或不同分子量的溶质 与颗