（环境科学专业论文）膜生物反应器在线超声清洗的特性研究.pdf

膜生物反应器在线超声清洗的特性研究 a b s t r a c t f o re f f e c t i v ec o n t r o lo fm e m b r a n ef o u l i n gc o m m o n l yo c c u r r e di nt h e c o n v e n t i o n a lm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) ，a nu l t r a s o n i c m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( u m b r ) w a sp r o p o s e di n t h i sd i s s e r t a t i o n i nt h en o v e lp r o c e s s ，o n l i n e u l t r a s o n i c c l e a n i n g w a su s e df o rm e m b r a n e b i o r e a c t o r f i r s t ，o p t i m u m p a r a m e t e r s o ft h eu l t r a s o n i c - m e m b r a n eb i o r e a c t o rw e r ec o n f i r m e db ya s h o r t t e r me x p e r i m e n t t h e ne f f e c to fo n l i n eu l t r a s o n i cc l e a n i n ga n dc h a n g e so f t h em i x e d - l i q u i du n d e rt h eu l t r a s o n i cr a d i a t i o nw e r es t u d i e d i nt h es h o r t t e r me x p e r i m e n t ，c h a r a c t e r i s t i c so ft h em i x e d l i q u i dw e r e d e t e r i o r a t e df o rc a v i t a t i o n so fu l t r a s o n i c i t sb a df o rt h ee o n t r o lo fm e m b r a n e f o u l i n g m a i n f a c t o r st h a tc a u s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em i x e d - l i q u i dw e r e d e t e r i o r a t e dw e r eu l t r a s o n i cp o w e ra n dl a s t e dt i m e t oa v o i de x c e s s i v e d e t e r i o r a t i o no ft h em i x e d - l i q u i da n ds a v ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，u l t r a s o n i c p o w e ra n dl a s t e d t i m es h o u l db ec o n t r o l l e d o p t i m u mp a r a m e t e r so ft h e u l t r a s o n i c m e m b r a n eb i o r e a e t o rw e r e ：u l t r a s o n i cp o w e ri s3 0 0 wa n dl a s t e dt i m e i s3 - 5 m i n i nt h el o n g - t e r me x p e r i m e n t ，w h e nu l t r a s o n i cp o w e ri s3 0 0 wa n dl a s t e d t i m ei s5 m i n ，c h a r a c t e r i s t i c so ft h em i x e d - l i q u i dw e r en o td e t e r i o r a t e d i nt e r m s o fq u a l i t yo ft h ee f f l u e n t ，t h eu l t r a s o n i c - m e m b r a n eb i o r e a c t o rw a ss i m i l a rt o c o n v e n t i o n a lm e m b r a n eb i o r e a c t o r w h e nu l t r a s o n i cp o w e ri s3 0 0 wa n dl a s t e d t i m ei s5 m i na n di n t e r v a lb e t w e e nt w oc l e a n i n g si s1 2 h ，u n d e rt h es a m e o p e r a t i o n a lc o n d i t i o n s ，t m p o ft h eu l t r a s o n i c m e m b r a n eb i o r e a c t o rw a s a p p r o x i m a t e l y l o w e r1 0 k p a ，a f t e r2 5 d a y so p e r a t i o n ，t h a n c o n v e n t i o n a l m e m b r a n eb i o r e a e t o rf o rc o n t r a s t a f t e ro p e r a t i o nf o rp e r i o d s ，e f f e c to ft h e u l t r a s o n i cw a sd e c l i n e df o rw e a k e n i n go fc o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o n k e yw o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) ，u l t r a s o n i cc l e a n i n g ，m e m b r a n e f o u l i n g 一2 膜一生物反应器在线超声清洗的特性研究 引言 随着社会经济的发展和人口的增长，水资源短缺已经成为一个全球化的问 题，而我国的缺水形势尤其严峻。我国人均水资源量只相当世界人均水资源量的 1 4 ，是世界人均水资源极少的1 3 个国家之一。在全国6 0 0 多座城市中，有近4 0 0 座城市缺水，其中严重缺水的城市达1 3 0 多个。与此同时，水环境污染 ；= 1 趋严重。 全国7 大重点流域地表水有机污染严重，主要湖泊富营养化问题突出。尤其近年 来，随着社会经济的快速发展，工农业用水需求量迅速增长，水资源浪费及污染 问题日趋严重，使我国水资源短缺问题更加突出。 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r - - m b r ) 是一种新型高效污水生物处 理技术，它集生物降解和膜的高效分离于一体，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。与传统污水生物处理工艺相比，该工艺具有出水 水质好、可直接回用，设备占地面积小、污泥浓度高、剩余污泥产量低和便于自 动控制等优点，因而在国际上发展迅速，受到广泛地关注。但是膜污染始终是制 约膜生物反应器大规模推广应用关键的问题之一。 超声波清洗技术应用极其广泛，具有清洗速度快、清洗效果好、便于实现自 动化控制等一系列的优点。本文将超声波清洗技术应用于膜污染的在线清洗，提 出了超声膜生物反应器工艺，并通过短期超声试验确定了合适的工艺参数。在 该工艺参数下，应用超声膜生物反应器进行了处理自配水的长期运行试验，研 究了长期运行过程中，在线超声清洗对膜污染的清洗效果，考察了超声波辐射对 生物反应器污泥混合液特性的影响。期望这样的工作，能够对膜污染的控制和膜 生物反应器工艺的推广应用起到一定的促进作用。 v i i - 膜生物反应器在线超声清洗的特性研究 第一章文献综述 1 1 膜一生物反应器工艺简介 1 1 1 膜一生物反应器工艺的发展由来 自1 9 1 4 年f o w l e r l 3 j 以及a r d e n e 等发表论文“无需滤池的污水氧化试验” 介绍活性污泥生物处理方法后，以活性污泥法为代表的传统好氧生物处理工艺长 期以来在生活污水和工业废水的处理中发挥了重要作用。但是在传统的活性污泥 处理工艺中，泥水分离是在沉淀池中靠重力作用完成的。由于分离效果有限，出 水中常含有相当量的s s ，浊度和c o d 等也偏高。同时，泥水分离效率依赖于活 性污泥时凝聚沉降性能，这就要求严格控制系统的操作条件，但由于水力停留时 间( h r t ) 和污泥停留时间( s r t ) 相互制约，很多情况下造成两难的选择。此 外，大量剩余污泥的产生，增加了日常运行的难度和费用。污泥膨胀也会导致出 水水质恶化。这些都限制了此类工艺的适用范围。 图1 - 1 普通活性污泥法工艺流程 针对传统活性污泥法存在的问题，各种新型、改良的高效废水生物处理技术 应运而生。膜- 生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r - - m b r ) 是一种将膜分离与生 物处理技术有机结合的新型高效污水处理工艺。通过膜组件的高效分离作用使泥 水彻底分离，出水水质得到强化，h r t 与s r t 相互独立，生物反应器内的污泥 浓度得到提高，s r t 的延长促使污泥中出现增殖缓慢的特殊菌( 如硝化菌等) ， 使生物反应器功能得到扩大，f m ( 营养物和微生物比率) 比值的降低减少了剩 余污泥的产量( 理论上可达到零污泥排放) ，从而基本解决了传统统活性污泥处 理工艺存在的突出问题。 1 1 2 膜一生物反应器的组成与分类 膜生物反应器是将膜分离过程与生物反应器组合使用的各类水处理工艺的 膜生物反应器在线超声清洗的特性研究 总称。根据使用的膜种类及其在系统中所起作用的不同，一般可将其分为三大类： 膜分离生物反应器( m e m b r a n es e p a r a t i o nb i o r e a c t o r ，截留和分离固体) 、膜曝气 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 ，无泡曝气，用于高需氧量的废水处理) 和萃取膜生物反应器( 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 ，用于工业废水中优先污染 物的处理) 。其中膜分离生物反应器是目前研究最为广泛的一类膜一生物反应器， 本文仅对此类膜生物反应器进行讨论，并直接将其简称为膜生物反应器。按照 是否需要氧气，膜一生物反应器分为好氧膜生物反应器和厌氧膜一生物反应器两 类。根据膜组件的位置，膜生物反应器分为分置式膜一生物反应器和一体式膜 生物反应器两类，如图1 2 所示。 进水浓缩液 生物反应器循环泵臌妇件 ( a ) 分置式膜- 生物反应器 ( b ) 一体式膜生物反应器 图1 - 2 两类膜一生物反应器( m b r ) 分置式膜生物反应器将膜组件和生物反应器分开放置。生物反应器中的混 合液经循环泵增压后送至膜组件过滤端，在压力驱动下混合液中的液体透过膜成 为系统处理出水，而颗粒物、大分子物质等则被膜截留，随浓缩液回流至生物反 应器内。分置式膜生物反应器运行稳定可靠，易于膜组件的清洗、拆卸及增设， 膜通量普遍较大。但一般条件下，为减少污染物在膜表面的沉积，延长膜的清洗 周期，需要用循环泵提供较高膜面错流流速，致使水流循环量增大、动力费用高， 并且泵高速旋转产生的剪切力会使某些微生物菌体出现失活现象【1 1 。 一体式膜生物反应器将膜组件直接浸没于生物反应器内的话性污泥混合液 中。原水进入生物反应器后，大部分污染物被混合液中的活性污泥分解，然后在 抽吸泵或水头压差作用下由膜过滤出水。曝气系统设景在膜组件下方，一方面为 微生物分解污染物提供必需的氧气，另一方面促使混合液在膜表面形成循环流 速，通过由此产生的剪切力和气泡的冲刷阻碍污染物在膜表面发生沉积。一体式 膜生物反应器由于省去了混合液循环系统，并且靠抽吸或水头压差出水，能耗 膜生物反应器在线超声清洗的特性研究 相对较低，空间布置也比分置式膜一生物反应器更为紧凑。 1 1 3 膜一生物反应器的特点 与其它污水处理工艺相比，膜生物反应器具有以下特点： 1 出水水质优良稳定 由于膜的高效分离作用，使得膜。生物反应器的处理出水极其清澈，悬浮物 和浊度接近于零脚，细菌和病毒被大幅去除1 。 同时，由于膜的高效分离作用，增强了系统对有机物及含氮化合物等污染物 的去除效率： ( 1 ) 彻底的泥水分离使膜生物反应器内能够维持很高的生物量，污泥浓度可 以维持在l o 2 0 9 l ，在不排泥的情况下甚至可以高达5 0 9 ，l 圆，在低f m 条件 下，生化反应速率加快； ( 2 ) 膜生物反应器s r t 的延长，使得污泥中增殖缓慢的特殊菌群( 如硝化 菌等) 获得稳定的生长环境，有利于提高硝化效率q 扣”； ( 3 ) 包括颗粒物、胶体以及大分子物质在内的污染物均被截留在系统之内， 增加了被微生物持续降解的机会】。综合各文献报道，膜生物反应器对c o d 的 去除率一般在9 0 9 9 ，n h 3 - n 的去除率在8 0 1 0 0 e ”1 。 2 容积负荷高，占地面积小，整个系统流程紧凑 膜生物反应器的容积负荷一般为1 2 3 2 k g - c o d ( m 3 d ) ，甚至高达2 0 k g c o d ( m 3 m 【1 l l ，因此自身所需占地面积相比传统工艺大大减小。 从整个处理系统来看，膜生物反应器工艺无需初沉池和二沉池，一般仅包 括调节池、膜生物反应池和清水池三个构筑物，流程简单，结构紧凑，整个系 统占地面积小，不受设置场所限制，适合于任何场合，可做成地面式、半地下式 或地下式。 3 剩余污泥产量少 当f m ( 营养物和微生物比率) 比率保持在某一低值时，活性污泥就会处于 一个因生殖而增长和因内源呼吸而消耗的动态平衡之中，达到这个理论平衡时， 活性污泥增长为零，即不会有剩余污泥产生。 膜- 生物反应器的污泥负荷一般为0 0 3 o 5 5k g - c o d ( k g - m l s s d ) ，低于传 统活性污泥法( o 4 o 8k g - c o d ( k g m l s s d 1 ) 。由于在低污泥负荷下运行，膜一 膜生物反应器在线超声清洗的特性研究 生物反应器的产泥量低于常规污水生物处理工艺。 4 运行管理方便 膜一生物反应器实现了h r t 与s r t 的完全分离，因此对生物反应器内的运行 状况更容易进行合理控制，简易的流程也便于实现自动控制，从而使运行管理变 得简单易行。 但是，膜生物反应器也存在着以下不足： 膜材料价格较高，使膜生物反应器的基建投资高于相同规模的传统污水处 理工艺【“1 ： 容易出现膜污染，膜的清洗( 尤其是离线的化学清洗) 给操作管理带来不便， 同时也增加了运行成本； 为克服膜污染，一般需用循环泵或膜下曝气的方式在膜面提供一定的错流流 速，造成运行能耗较高。 1 2 膜一生物反应器的研究进展与应用现状 1 2 1 国外的研究发展概况 膜生物反应器的研究始于2 0 世纪6 0 年代末的美国。1 9 6 6 年，美国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 9 年，s m i t l l 等人首次报道采用超滤膜 替代传统活性污泥工艺中的二沉池，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等优点。1 9 7 0 年，h a r d t 等人采用死端过滤的超滤膜与好氧反应器组合处理人工配制的污水，c o d 去除 率达9 8 。与传统活性污泥法相比，污泥浓度大幅度增加，膜通量为7 5l ( m l h ) 。 1 9 7 8 年，g r e t h l i e n 等人进行了厌氧膜生物反应器处理生活污水的研究，b o d 和 硝酸盐的去除率分别达到了9 0 和7 5 。由于受当时膜生产技术的限制，膜的使 用寿命短，膜通量小，膜生物反应器技术仅停留在实验室研究规模，未能投入 实际应用。 2 0 世纪7 0 年代，膜生物反应器工艺进入日本市场。7 0 年代后期，由于污 水再生利用的需要，日本膜生物反应器的研究工作有了较快的进展。1 9 8 5 年， 日本建设省牵头组织了“水综合再生利用系统9 0 年代计划”( a u q a r e n a i s s a n c e 9 0p r o j e c t ) ，产、学、研相结合，把膜生物反应器的研究在处理对 象、处理规模和处理深度上都大大推进了一步。日本在该项计划中对厌氧膜- 生 膜生物反席器存线超声睛洗的特性研究 生物反应器的产泥量低于常规污水生物处理工艺。 4 运行管理方便 膜生物反应器实现了h r i 与s k i 的完全分离，因此对生物反应器内的运行 状况更容易进行合理控制，简易的流程也便于奠；现自动控制，从而使运行管理变 得简单易行。 但是，膜生物反应器也存在着以下不足： 膜材料价格较高，使膜生物反血器的基建投资高于相同规模的传统污水处 理工艺： 容易出现膜污染，膜的清洗( 尤其是离线的化学清洗) 给操作管理带来不便， 同时也增加了运行成本； 为克服膜污染，一般需用循环泵或膜下曝气的方式在膜面提供一定的错流流 速，造成运行能耗较高。 1 _ 2 膜一生物反应器的研究进展与应用现状 1 2 1 国外的研究发展概况 膜生物反应器的研究始于2 0 世纪6 0 年代末的美国。1 9 6 6 年，美国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 9 年，s m i t h 等人首次报道采用超滤膜 替代传统活性污泥工艺中的二沉池，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等优点。1 9 7 0 年，h a r d t 等人采用死端过滤的超滤膜与好氧反应器组合处理人工配制的污水，c o d 去除 率达9 8 。与传统活性污泥法相比，污泥浓度大幅度增加，膜通量为7 5l ( f h ) 。 1 9 7 8 年，g r e t h l i e n 等人进行了厌氧膜，生物反应器处理生活污水的研究，b o d 和 硝酸盐的去除率分别达到j 9 0 和7 5 。由于受当时膜生产技术的限制，膜的使 用寿命短，膜通量小，膜一生物反应器技术仅停留在实验室研究规模，未能投入 实际应用。 2 0 世纪7 0 年代，膜一生物反应器工艺进入日本市场。7 0 年代后期，由于污 水再生利用的需要，日本膜生物反应器的研究工作有了较快的进展。1 9 8 5 年， 日本建设省牵头组织了“水综合再生利用系统9 0 年代计划”( a u q a r e n a i s s a n c e 9 0p r o j e c t ) ，产、学、研相结合，把膜生物反应器的研究在处理对 象、处理规模和处理深度上都大大推进了一步。日本在该项计划中对厌氧膜生 象、处理舰模和处理深度p 都大大推进了一步。日本在该项计划巾对厌氧膜- 生 膜生物反应器在线超声清洗的特性研究 生物反应器的产泥量低于常规污水生物处理工艺。 4 运行管理方便 膜一生物反应器实现了h r t 与s r t 的完全分离，因此对生物反应器内的运行 状况更容易进行合理控制，简易的流程也便于实现自动控制，从而使运行管理变 得简单易行。 但是，膜生物反应器也存在着以下不足： 膜材料价格较高，使膜生物反应器的基建投资高于相同规模的传统污水处 理工艺【“1 ： 容易出现膜污染，膜的清洗( 尤其是离线的化学清洗) 给操作管理带来不便， 同时也增加了运行成本； 为克服膜污染，一般需用循环泵或膜下曝气的方式在膜面提供一定的错流流 速，造成运行能耗较高。 1 2 膜一生物反应器的研究进展与应用现状 1 2 1 国外的研究发展概况 膜生物反应器的研究始于2 0 世纪6 0 年代末的美国。1 9 6 6 年，美国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 9 年，s m i t l l 等人首次报道采用超滤膜 替代传统活性污泥工艺中的二沉池，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等优点。1 9 7 0 年，h a r d t 等人采用死端过滤的超滤膜与好氧反应器组合处理人工配制的污水，c o d 去除 率达9 8 。与传统活性污泥法相比，污泥浓度大幅度增加，膜通量为7 5l ( m l h ) 。 1 9 7 8 年，g r e t h l i e n 等人进行了厌氧膜生物反应器处理生活污水的研究，b o d 和 硝酸盐的去除率分别达到了9 0 和7 5 。由于受当时膜生产技术的限制，膜的使 用寿命短，膜通量小，膜生物反应器技术仅停留在实验室研究规模，未能投入 实际应用。 2 0 世纪7 0 年代，膜生物反应器工艺进入日本市场。7 0 年代后期，由于污 水再生利用的需要，日本膜生物反应器的研究工作有了较快的进展。1 9 8 5 年， 日本建设省牵头组织了“水综合再生利用系统9 0 年代计划”( a u q a r e n a i s s a n c e 9 0p r o j e c t ) ，产、学、研相结合，把膜生物反应器的研究在处理对 象、处理规模和处理深度上都大大推进了一步。日本在该项计划中对厌氧膜- 生 膜生物反应器在线超声清洗的特性研究 物反应器作了较系统的研究，研n t 酒精发酵废水、造纸厂废水、蛋白工厂废水、 城市污水、粪尿废水、淀粉厂废水等7 类污水的膜生物反应器处理系统【”1 。这 一时期研究集中在膜- 生物反应器的处理效果与运行稳定性方面。许多研究都证 实了膜- 生物反应器能够获得良好的出水水质。 7 0 年代初期在美国，t h e t f o r ds y s t e m s 公司( 现为z e n o n 公司的一部分) 推 出了分置式膜分离系统“c y c l e l e t ”工艺用于生活污水的好氧处理。1 9 8 2 年， d o r r - o l i v e r 公司将膜厌氧反应器系统( m a r s ) 应用于高浓度食品废水的处理， 该工艺使用分置式超滤膜组件，容积负荷达到8 k g c o d ( m 3 d ) ，c o d 去除率达 到9 9 。与此同时，英国开发了两套分别采用微滤膜和超滤膜的污水处理系统， 其概念在南非进一步发展为厌氧硝化超滤工艺( a d u f ) ，a d u f 采用管式超滤 聚砜膜，稳定膜通量可达3 7 3 l ( m 2 h ) ，固体浓度则高达5 0 9 t s s l 1 4 】。8 0 年代 后期到9 0 年代初，z e n o n 公司继续d o r r o l i v e r 公司的早期研究，开发用于工业 废水的处理系统并获得成功，该公司的商业化产品z e n o g e m 已经投入使用。 早期膜生物反应器的型式主要是分置式，而且均采用错流式膜组件，即被 过滤流体平行于过滤表面，与滤液交错流动，由此产生的剪切力或湍流流动，以 限制滤饼层的厚度。为了维持稳定的透水率，膜面流速一般大于2 m s ，这就需要 较高的循环水量，造成较高的单位产水能耗。 为解决分置式膜- 生物反应器能耗较高的问题，人们开始研制新型膜生物反 应器。y a m a m o t o 等人l ”】将中空纤维膜浸没于普通曝气池中直接进行固液分离， 通过抽吸获得出水，开创了一体式膜生物反应器的研究。随后，c h i e m c h a i s r i 与 y a m a m o t o 等对一体式膜生物反应器处理生活污水进行了深入的研究，包括有机 物和氮的去除情况，以及温度对处理效果的影响等口，t 1 6 4 刀。 1 9 9 2 年m k n o p s 利用i y d n e y 和c o l t o n 提出的浓差极化理论研究错流式膜组件 的透水率 1 s j ，研究发现膜丝长度减少可以增加透水率，并提出了穿流式膜组件 的概念。穿流式膜组件的特点是膜丝不与循环水流方向平行，而是与循环水流方 向垂直。这种膜丝的粘结方法使膜组件不需要较高的进液速度就可产生湍流效 果，起到冲刷膜纤维的作用。随后的研究发现，穿流式膜生物反应器的能耗比 错流式膜生物反应器小得多1 1 9 1 。 法国c h a n gj 等人 2 0 l 将膜一生物反应器应用于饮用水处理，采用由中空纤维 膜生物反应器在线超声清洗的特性研究 超滤膜构成的分置式膜一生物反应器进行脱氮，并应用反冲洗技术，净通量超过 1 0 0 l ( m 2 h ) ，维持了2 个多月，出水中硝酸盐和亚硝酸盐的浓度分别低于2 0 m 。l 和o 1m l 。u r b r m n v 等人【2 1 】采用p a c m b r 组合工艺在法国的d o u c h y 进行了 处理能力为4 0 0 m 3 d 的中试研究，以去除饮用水中微量的硝酸盐氮( n 0 3 - n ) 、 天然有机物( n o m ) 与杀虫剂等，取得了良好的效果。 近些年来，膜一生物反应器的研究受到越来越多的关注，研究的广度和深度 也在不断加强，其中有关膜污染的机理和防治措施成为研究的焦点和难点。不少 学者建立了多个有关膜污染的数学模型，对膜污染的过程迸行定量描述。也有学 者应用新的研究手段，对膜污染的过程进行直接观测，如a gf a n e 研究小组开 发的d o t m 技术 2 2 - 2 3 l ，r h ，d a v i s 研究小组开发的d v o 技术 2 4 。2 5 】。许多膜污染 的防治方法得到应用。 1 2 2 国内的研究发展概况 膜生物反应器在我国的研究起步较晚，2 0 世纪9 0 年代我国水处理界开始关 注膜生物反应器。1 9 9 1 年，岑运华介绍了膜生物反应器在日本的研究状况。1 9 9 3 年中科院生态中心王菊恩启动了膜生物反应器的研究。同年上海华东理工大学 环境工程研究所进行了膜，生物反应器处理人工合成污水和制药废水的可行性研 究，1 9 9 4 年刘正雄口6 怕动平板膜生物反应器研究。1 9 9 7 年樊耀波 2 7 1 将膜生物 反应器用于石油化工污水的处理。国内膜生物反应器的研究现状见表1 - 1 。 表1 国内膜- 生物反应器( m b r ) 研究概况 膜组件 原水流程构型参考文献 材质型式 生活污水好氧分置式 z r 0 2 7 通道管状陶瓷膜 邢传宏等【2 8 1 生活污水8好氧一体式聚乙烯中空纤维微滤膜刘锐等f 2 9 】 生活污水好氧分置式陶瓷膜1 9 通道管状陶瓷膜张洪宇等【3 0 1 洗浴污水4 好氧 一体式聚乙烯 中空纤维微滤膜刘锐等口1 1 生活污水好氧一体式筛绢+ 生物膜平板型范彬等【3 2 1 巴西基酸 好氧分置式聚醚砜静态膜评价池吴志超等l 3 3 】 生产废水 ( p e s s 0 0 ) 港口污水接触氧化一体式聚乙烯中空纤维膜王建功【3 4 1 高浓度 厌氧 分置式 聚醚砜o 吧s ) 板框式膜 何义亮等【3 5 】 食品废水 高浓度厌氧分置式聚醚砜+ 聚丙板框式膜 吴志超等【3 6 】 食品废水8烯氰 大豆蛋白好氧一体式聚四氟乙烯板式膜王勇等p 7 1 6 膜生物反应器在线超声清洗的特性研究 废水 ( p v d f ) 高浓度含碳 a o 一体式聚偏氟乙烯 中空纤维膜王颖等1 3 8 1 氮工业废水 ( p v d f ) 商浓度好氧一体式聚乙烯中空纤维膜李红岩等1 3 9 】 氨氮废水 啤酒废水好氧分置式a 1 2 0 3单通道管状陶瓷膜王连军等1 4 0 】 石化废水好氧分置式 聚砜( p s ) 中空纤维膜 樊耀波等1 2 7 j 聚丙烯氰 丙烯腈废水好氧一体式中空纤维膜杨琦等【4 1 】 毛纺印染a ，o分置式聚丙烯氰中空纤维超滤膜郑祥等【4 2 】 废水3 ( p a n ) 毛纺印染好氧 一体式聚乙烯 中空纤维膜刘超翔等1 4 3 】 废水8 虬。 医药化工 a o 一体式聚丙烯畔)中空纤维膜白晓慧等【删 废水 抗生素废水好氧一体式聚偏氟乙烯板式膜孙振龙等1 4 5 】 化工废水6 o 一体式中空纤维膜崔学刚等1 4 6 】 造纸废水絮凝+ 好氧分置式 聚乙烯( p e )微孔过滤管 韩怀芬等【4 7 】 焦化废水 a o 一体式聚偏氟乙烯中空纤维膜李春杰等 a 2 ，o( p v d f ) 4 8 - 4 9 】 炼油废水。 a ，o 一体式聚乙烯( p e )中空纤维超滤膜彭若梦等1 5 0 1 有机农药 好氧一体式动物下脚料有自制仿生膜组件沈树宝等【5 1 i 废水 机高分子辅料( 管式) 医院污水。好氧一体式聚乙烯( p e )中空纤维膜丁杭军等磴2 1 微污染 好氧一体式聚乙烯( p e )中空纤维微滤膜莫罹等【5 3 1 水源水 微污染好氧 一体式聚偏氟乙烯中空纤维微滤膜 z h a n g l z 等 水源水( p v d f ) 5 4 】 蛋白类有机好氧一体式聚丙烯中空纤维膜张颖等【5 5 】 废水 酱油废水好氧一体式聚丙烯中空纤维膜田禹等t 5 6 1 城市垃圾渗 o 一体式聚乙烯板式中空纤维膜申欢等口7 】 滤液 毛纺印染 a o 一体式聚偏氟乙烯 中空纤维微滤膜郑祥等l 5 m 废水 ( p v d f ) 啤酒废水好氧一体式聚丙烯中空纤维膜张立秋等1 5 9 1 膜生物反应器在我国的研究首先从分景式膜生物反应器开始，国内学者从 处理特定类型的污水出发，对膜生物反应器进行了深入的研究。 中科院生态中心樊耀波1 2 7 , 6 0 通过数学推导提出了膜的最佳反冲洗周期的测 定公式：f ( t ) = ( q r - q b ) ( t r + t b ) ，并通过实验证实了这是一种较为方便的最佳 反冲洗周期的测定方法。郑祥帕1 】对膜生物反应器的的运行条件和膜污染控制的 膜一生物反应器在线超声清洗的特性研究 研究表明：膜污染是造成膜一生物反应器的能耗较高的主要原因：采用恒通量操 作方式，在运行初期控制通量有利于膜污染的控制；定期反冲洗是保证膜通量恒 定，维持膜长期稳定运行的有效措施。杨造燕【6 2 1 从维持微生物基本生命活动的 物质转化概念和污泥产生的平衡出发，提出了确定维持微生物基本生命活动的物 质转化的方法，从理论和实验上证实了膜生物反应器无剩余污泥排放的可能性。 桂萍p j 就膜操作条件对膜污染和膜运行费用的影响设计了全面的正交试验。 通过试验发现膜通量是影响膜污染最关键的因素，并且存在悬浮污泥在膜面不产 生明显附着的临界膜通量。该临界膜通量由污泥浓度与曝气强度共同决定。膜在 临界膜通量以下运行时，膜污染主要由溶解性有机物控制，而在临界膜通量以上 时，膜污染则主要由悬浮污泥的沉积控制。综合考虑经济性的影响，膜通量以控 制在临界膜通量为最经济。刘锐【6 3 】考察了一体式膜一生物反应器长期稳定运行过 程中的膜污染情况，探讨了造成膜污染的原因和膜污染的控制方法。其研究结果 表明，膜内表面微生物的滋生和膜外表面污泥层的附着是造成其试验条件下膜污 染的重要因素。采用2 5 的次氯酸钠溶液进行在线药洗可以有效地去除膜 内表面滋生的微生物，使膜过滤压差下降7 7 5 2k p a ：停止进出水，加大曝气 量进行空曝气是去除膜外表面附着污泥层的重要手段，可以使膜过滤压差下降 3 8 1 0 8 k p a 。 为了使m l s s 产生的膜污染最小化和保证稳定而优质的出水，必须使膜生 物反应器内污泥浓度不能太高和太低，为此研究了复合式膜生物反应器工艺， 通过在反应器内加入填料使微生物在滤料上附着生长，从而降低了混合液中悬浮 污泥浓度，又保证了反应器中高的总生物量。白晓慧【6 4 j 进行了一体式膜一复合生 物反应器处理生活污水的研究，在生物反应器内填装立体泡沫填料，使之成为由 附着生长型微生物和悬浮生长型微生物所构成的复合体系，利用载体容易截留和 附着量大的特点，提高反应器中总生物量( 1 0 9 l ) ，同时维持了较低的悬浮污 泥浓度( 2 0 0 6 0 0 r a g l ) ，从而明显减轻了对中空纤维膜的堵塞，良好的生物处理 效果在系统整体的处理效果中起主要作用，超滤则通过去除悬浮物使之得到了强 化。张军1 6 5 l 在所进行的复合淹没式中空膜生物反应器处理生活污水的特性研究 中，在下部装填盾形泡沫填料、上部装填中空纤维膜组件的复合生物反应器之外， 又设置了前置反硝化的a 段反应器，从而组成了a o 系统，并且在其中实现了 膜生物反应器在线超声清洗的特性研究 a 2 o 的运行条件。其后，张军 6 唧进行的该系统的脱氮除磷效能研究中发现，该 系统能够在去除有机污染物的同时脱氮除磷，但必须控制好反应器内的运行条 件。当温度控制在2 5 3 0 0 c ，d o 为4 - 6 m g l ，营养比为b o d 5 ：t n ：t p = 1 0 0 ：5 ：1 ， 进水为中性或碱性时，可获得出水c o d 3 0 m g l ，b o d 5 7 0 的处理效果。 1 2 3 膜一生物反应器在国内外的应用状况 目前在世界范围内，实际运行的膜生物反应器系统已经超过5 0 0 套，许多 工程正在计划或建设中。这些工程中有9 8 以上是好氧膜一生物反应器，其中约 5 5 是膜组件浸没于生物反应器中。膜生物反应器处理系统由于占地面积小， 出水水质好，目前越来越多的国家将其应用于污水的处理【6 7 稍】。 荷兰在处理能力为2 4 0 m 3 d 的膜生物反应器中试取得成功以后，正在建造 处理能力为1 8 ，0 0 0 m 3 d 的膜生物反应器污水处理厂，并计划从2 0 0 3 年开始投 资建设处理能力为6 2 4 x1 0 4 m 3 d 的膜生物反应器污水处理厂。德国已经建成 5 家大规模使用膜生物反应器污水处理厂，总处理能力为2 1 ，0 0 0 m 3 d ；另有两 家污水处理厂已在规划中，其中一家位于卡斯特的污水处理厂，设计服务人口为 8 万人，使用膜面积总计为8 8 ，0 0 0 m 2 ，预算为4 6 0 0 万德国马克，建成后将成 为世界上最大的膜生物反应器城市污水处理厂。 日本对于膜生物反应器的使用更为普遍，已建成几百套膜生物反应器污水 处理设施，主要是用于小区污水的处理与回用及工业( 如食品、饮料制造业等) 废水处理。美国和加拿大也有多个投入运行的m b r 污水处理厂，并取得了良好 的运行效果。 我国对膜生物反应器的应用研究起步相对较晚，目前正处于从实验室走向 实际工程应用阶段，一些应用实例见表1 - 2 。 表卜2 膜一生物反应器在我国的应用实例 处理能力c o d ( m g l )b o d ( m g l ) n - h + - n ( r a g l ) 废水种类 ( m 3 d ) 进水出水进水出水进永出水 洗浴废水 1 01 3 0 一3 2 2 4 09 9 2 1 250 5 9 10 2 o 4 印染废水 1 1l o m l 5 0 01 8 0 5 0 0 4 0 黄泔废水 1 79 0 0 1 2 0 0 0 1 0 06 8 0 5l o1 3 0 1 8 05 医院废水 2 54 8 - 2 7 8 2 52 00 4 制药废水5 0 1 5 0 0 - 4 9 0 0 1 8 05 0 0 一1 6 3 3l o1 0 - 2 41 大楼废水 2 0 09 2 - 1 0 82 32 7 - 3 282 5 7 3 9 41 5 膜一生物厦府器在线超声清洗的特性研究 1 3 膜污染及其影响因素和防治措施 膜污染是影响膜技术推广应用关键的问题之一。目前对膜污染的机理尚未了 解清楚，但对于影响膜污染的诸多因素已有不少研究成果，许多膜污染的防治措 施电在试验研究和工程实际中季譬到应用。 1 3 1 膜污染的概念 膜污染是指料液中的颗粒、胶体或溶质大分子，在物理化学或机械作用下引 起的在膜表面上或膜孔内部的可逆及不可逆的沉积，这种沉积包括吸附、堵塞、 沉淀、形成滤饼等1 6 9 。膜污染表现为膜过滤阻力升高，膜通量下降。 造成膜污染的主要原因有三个方面；( 1 ) 混合液中的溶解性有枧物在膜表面 积累造成的浓差极化。( 2 ) 细菌胞外聚合物( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r s ，简称e p s ) 在膜表面的沉积。e p s 的主要物质为微生物正常代谢产生的粘性多糖类物质、粘 性多肽分子和蛋白质分子等，这些含有活性基团的大分子物质可能与金属离子如 c a 2 + 和m 9 2 + 等相互作用，在膜表面形成凝胶层使膜通量下降【7 。j 。( 3 ) 膜表面及 内壁附着生长的细菌造成的生物堵塞。 n a g a t a 等人【7 1 j 在研究发酵液的错流微滤过程时，根据膜通量分五个阶段衰 减的现象将膜污染过程细分为五个阶段：a ) 大分子物质吸附和颗粒的开始沉积； b ) 单层颗粒层( m o n o l a y e r ) 的形成；c ) 多层颗粒层( m u l t i l a y e r ) 的形成；d ) 颗 粒层的重排和篮实( r e a r r a n g e m e n ta n dc o m p a c t i o n ) e ) 液体的粘度增加。这是 一种更接近微观实际情形的划分方法。 1 3 2 膜污染的影响因素和防治措施 在膜一生物反应器中，膜污染主要受膜的结构与性质、混合液的性质和系统 运行条件三方面因素的影响。各国学者对膜污染的影响因素进行了深入而细致的 研究，握出了许多控制膜污染的防治措施。 1 膜的结构与性质。如膜的材质、孔径大小及分布、表面粗糙度、表面电 荷性质等，都与膜污染有着密切的联系。 ( 1 ) 膜的孔径大小及分布。目前，大多数膜+ 生物反应器采用孔径大小o 1 0 4 um 的膜，完全可以截留以微生物絮体为主的活性污泥。从理论上讲，在确 保污染豹被截留的情况下，选择孔径大点的膜可以提高膜通量。但实验发现，选 膜，生物反应器在线超声清洗的特性研究 用较大膜孔径，反而加速了膜的污染，易形成膜孔堵塞 7 2 。c h o o 等人研究厌氧 膜生物反应器中膜孔尺寸对膜污染的影响发现，无论是对聚砜膜、纤维素膜和 聚偏氟乙烯膜，均是孔径在0 1um 附近时污染指数最小 7 3 】。 ( 2 ) 膜表面的粗糙度。粗糙的膜表面增大了膜的比表面积，增加了膜表面 对污染物吸附的可能性，但是也相应增加了膜表面附近的水流扰动程度，阻碍了 污染物在膜表面的积累，粗糙度对膜污染的影响是这两方面综合作用的结果。可 以通过在膜表面形成动态膜来改善膜表面的粗糙度，从而改善膜污染。 ( 3 ) 膜的亲疏水性。活性污泥是有机物质，因而疏水性膜易于受到污染， 亲水性膜较耐污染。对于疏水性膜，可以通过对膜材料进行化学改性，将其转变 为亲水性膜，以增强膜的耐污染性。 ( 4 ) 膜表面的荷电性质。由于吸附或排斥料液中的带电离子或者带有荷电 基团，使得膜表面带有电荷。膜表面的电荷性质对膜污染有一定的影响。当膜表 面的电荷与溶质电荷相同时，同性电荷相斥使界面凝胶层疏松，膜比较耐污染。 可以通过表面改性，改变膜表面的荷电性质，增强膜的耐污染性。 2 混合液的性质。混合液中的污泥浓度、溶解性有机物以及细菌胞外聚合 物( e p s ) 等，对膜污染有着重要的影响。 ( t ) 混合液的污泥浓度。较高的污泥浓度是膜- 生物反应器的特点之一，膜 生物反应器中污泥浓度可以维持在1 0 2 0 9 l 。但是污泥浓度越高，膜稳态通量 越低。ym a g a r a 等人的研究表明，膜通量随着污泥浓度的对数值的增加而线性 减小1 7 4 1 。尽管较高的污泥浓度可以提高膜生物反应器的容积负荷，但膜通量的 降低会影响整个系统的处理能力。因此，膜生物反应器内的污泥浓度不宜过高。 ( 2 ) 溶解性有机物。刘锐【6 3 】的研究表明：随着生物反应器上清液中溶解性 物质浓度的增加，系统出水c o d 升高且稳定性变差，上清液中的溶解性物质是 造成膜污染的重要因素。w i s n i e w s k i 等人用分置式膜生物反应器过滤城市污水 处理厂的污泥，考察不同膜面流速下污泥粒径分布和溶解性物质浓度对膜污染的 影响时发现，溶解性有机物质引起的膜污染几乎形成了5 0 的膜顾虑阻力【7 “。 ( 3 ) 细菌胞外聚合物( e p s ) 。胞外聚合物作为一种主要污染物已得到广泛 的证明。实验分析表明，胞外聚合物减少4 0 ( 在贫氨条件下培养的活性污泥) ， 膜饼的流体阻力也相应减少4 0 。h n a g a o k a 等人的研究表明，胞外聚合物在 膜生物反应器在线超声清洗的特- 眭研究 曝气池和膜表面均有积累，从而引起混合液粘度和膜过滤阻力的增加7 部。 改善混合液的性质，投加微生物载体，使部分悬浮生长的微生物转为附着生 长，减少能够沉积在膜表面的微生物及其代谢产物的数量，可以在保证反应器生 物量的情况下，减缓膜污染的发展。 3 系统运行条件。在膜生物反应器的实际运行中，膜通量、操作压力、曝 气强度、膜过滤的操作方式以及膜表面的错流流速等，均对膜污染有着重要的影 响，并直接关系到膜的使用寿命。应控制系统的水动力学和运行条件，减缓膜