（环境工程专业论文）一体式ao膜生物反应器处理市政污水运行优化的研究.pdf

摘要 随着城市建设和工业的发展，水体的污染和水源的萎缩产生了供水和需水之 间的矛盾。而城市污水再生利用是解决供水危机的重要途径，既可以提供新水源， 解决城市缺水问题，又可以大大消减水环境的污染总量。 近年来，m b r 技术作为膜技术和污水生物处理技术的有机结合产生的废水 处理新技术，在污水回用中已得到了广泛的应用和发展。 本课题正是利用m b r 技术，通过一体式a o 膜生物反应器处理市政污水， 考察反应器对污染物处理效果，重点对工艺参数进行运行优化研究。 本试验共运行约10 0 d ，试验结果表明：系统对c o d 、氨氮去除效果良好， 平均去除率分别达到9 1 和8 7 以上；对总氮和总磷去除效果很不稳定。污泥 浓度在2 0 0 0 m g l 3 5 0 0 m g l 韵范围变化时，污泥浓度的增大有利于提高系统对 污染物的去除效率，但是提高并不明显。水力停留时问在1 2 h 以上时，随着水力 停留时间的延长，系统对c o d 、氨氮、总氮和总磷的去除效果并没有明显的提 高。水力停留时间在2 3 h 时，可保证系统对污染物较好的去除效果。溶解氧浓度 在2 0 m g l 4 5 m g l 变化时，随着溶解氧浓度的增大，对c o d 、氨氮、总氮和 总磷的去除率没有显著影响。溶解氧浓度在3 0 m g l 左右可以较好的保证系统运 行效果。回流停回流时间设置为3 0 m i n 9 0 m i n 时，更利于对缺氧、好氧环境的 创造，从而提高对总氮和总磷的去除。温度在1 0 2 5 的范围变化时，温度的 提高对c o d 、氨氮的去除率略有提高，总氮去除率有所下降但幅度很小，总磷 去除率也只有小幅度的波动。运行中膜出水蠕动泵抽吸停抽吸的时间设置为 1 2 m i n 3 m i n ，整个运行阶段膜的工作状况较为稳定。在膜严重污染后，化学清洗 对膜通量有很好的恢复效果。 本文通过对一体式a o 膜生物反应器的运行研究，为m b r 工艺在工程实践 应用中的运行参数优化提供了可行的思路并具有一定的指导意义。 关键词：膜生物反应器；运行优化；污泥浓度：水力停留时间；溶解氧；温度 a b s t r a c t w 缸ht h ed e v e l o p m e r 吐o fi n d u s t r ya n do u fc i t y , w a t e rp o l l u t i o na n dr e d u c t i o no f w a t e rs o u r c e sc a u s ec o n f l i c tb e t w e e nw a t e rs u p p l ya n dw a t e rd e m a n d w a t e r r e c y c l i n gi sa ni m p o r t a n tm e a s u r et os o l v ew a t e rs u p p l yc r i s i s s o w ew o u l df i n dn e w w a t e rs o u r c e s ，r e s o l v et h ew a t e rs h o r t a g ep r o b l e mi nc i t ya n dr e d u c et h et o t a l p o l l u t a n t so f w a t e re n v i r o n m e n t r e c e m l y ，m b ri sw i d e l ya p p l i e da n dd e v e l o p e di nw a s t e w a t e rr e u s ea san e w w a s t e w a t e rt r e a t m e r at e c h n o l o g y , w h i c hi st h ec o n 击i n a t i o no fb i o b g i c a lt r e a t m e n t t e c h n o l o g ya n dm e r r b m n et e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , a oi n t e g r a t e dr n e r n b r a n eb i o r e a c t o rw a su s e dt ot r e a tm u n i c i p a l w a s t e w a t e r e x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h et r e a t m e n te f f i c i e n c y ， m a i n l yf o c u s e do nt h es t u d yo f o p e r a t i o no p t i m i z a t i o n t h ce x p e r i m e r aw a st o t a l l yl a s t e df o ra b o u t10 0d a y s t l 】er e s u l t sw e r ea s f o l l o w s ：t h es y s t e mm a d eg o o dr e m o v a lo fc o da n dn h 3 - n ，t h ea v e r a g er e m o v a l e f f i c i e m ye x c e e d e d9 1 a n d8 7 r e s p e c t i v e l y b u tt h er e m o v a lo f t na n dt pw e r e u n s t a b l e w h e nm l s s ( m i x e dl i q u a rs u s p e n d e ds o l i d s ) c h a n g e db e t w e e n2 0 0 0 m g l a n d3 5 0 0 m g l , t h em m o v a le f f i c i e n c yw a s i m p r o v e d al i t t l ew i t ht h em l s s i n c m a s i n g w h e nh r t ( h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ) w a sl o n g e rt h a n1 2 h , t h em m o v a l o f c o d ，n h 3 一n ，t na n dt pw e r en o to b v i o u s l yi m p r o v e dw i t hh r te x p a n d e d t h e s y s t e mc a ne l ：1 s u r eag o o dr e m o v a le f f e c tw h e nh r t w a s2 0 h w h e nd o ( d i s s o l v e d o x y g e n ) c h a n g e db e t w e e n2 0 m g la n d4 5r a g l , t h ec h a n g c so fd om a d eav e r y l i t t l ed i f f e r e m e so nt h er e m o v a lo fc o d ，n h 3 - n ，t na n dt p d os t a y e da ta b o u t 3 0 m g li sg o o de n o u g hf o rt h eo p e r a t i o ne f f e c tw h e nt h et i m eo fr e f l u x c e a s i n g r e f l u xw a ss e ta t3 0 m i n 9 0 m i n ，i tw a sb e t t e rf o rt h ec r e a t i o no fa n o x i ca n da m e m b t e n v i r o n m e n t s ot h er e m o v a lr a t eo ft na n dt pw a si n c r e a s e d w h e nt e m p e r a t u r e w a sb e t w e e n1 0 a n d2 5 c t h ei n c r e a s eo f t e m p e r a t u r ec a u s e dat i t t l er e m o v a lr a t e i m p r o v e m e n to fc o d a n dn h 3 一n b u tt h e i nr e l t i o v a lr a t ew a sd e c r e a s e dt oas m a l l e x t e r a , w h i l ef l u c t u a t i o no ft pr e m o v a lr a t ew a sp r e s e n t e d t h ep u m p c e a s i n gp u m p t i m eo f p e r i s t a l t i cp u m pw a ss e ta t1 2 m i n 3 r a i n , t h eo p e r a t i o no f m e m b r a n ew a ss t a b l e d u r i n gt h ew h o l ep e r i o d t l c h e m i c a lw a s h i n gh a dag o o de f f e c to nr n e m b r a n er e u s e a f t e rs e r i o u sm e m b r a mf o u h n g b yt h es t u d yo no p e r a t i o no fa o m b rt h ee 印e r i i i l e n tw h i c hh a sc e r t a i n p r a c t i c a lv a l u eo f f e r sa n o t h e rf e a s 击l ew a yf o ro p e r a t i o no p t i m i z a t i o na n de n g i n e e r i n g p r a c t i c e k e y w o r d s ：m b r ；o p e r a t i o no p t i m i z a t i o n ；m l s s ；h r t ；d o ；t e m p e r a t u r e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或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了谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 力矿7 年彦月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 奶 签字日期：砌7 年堋日 导师签名： 够s 手 签字日期：幻刀夕年厂月，日 第一章绪论 1 1 水资源现状 第一章绪论 水是人类生活、生产中必不可少的资源，随着全球范围内经济和人口的增长， 对水的需求量呈现逐渐增加的趋势。另一方面，水体的污染和水源的萎缩产生了 供水和需水之间的矛盾，水已经成为现代社会及经济发展的制约因素。 当今世界上有8 0 多个国家，约2 0 亿人口面临淡水资源的危机，其中2 6 个 国家的3 亿多人正生活在缺水状态中。预计到2 0 1 0 年，还将增加8 个国家，世 界范围内水资源危机正在形成。目前现有1 2 亿人面i 临中度到高度缺水的压力， 预计到2 0 2 5 年，形势将会进一步恶化，缺水人口将达到2 8 亿至3 3 亿。中国是 一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿靠，占全球水资源的6 ， 仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2 2 0 0m 3 ，仅为世界 平均水平的1 4 、美国的1 5 ，在世界上名列1 2 1 位，是全球1 3 个人均水资源最 贫乏的国家之一【2 】。为了解决水危机，城市污水回用是一个行之有效的途径。目 前我国的污水日排放量总量已超过l 亿矗，而城市生活污水的排放量约为 4 10 7 r n 3 d ，占污水总排放量的4 0 ，这部分污水水质水量稳定，如若经过适当 处理后回用，可以大大缓解我国水资源短缺的状态。研究开发简易、高效、节能 的处理新技术、新工艺，已成为我国环境工作者所面临的迫切任务。 城市污水资源化是指城市污水和工业废水经过适当处理达到一定的水质标 准，使之变为城市水源的一部分，达到充分利用水资源和减轻环境污染负荷的目 的，这部分水又叫再生水【3 】。 我国作为用水大国和世界上1 3 个贫水国之一，在水资源总量有限的前提下， 单纯地开发新的水资源是不可行的，开源与节流并举才是解决这一难题的有效途 径。随着经济和社会发展，污水排放量呈逐年上升趋势，大量污水未经处理或处 理不达标直接排放，是造成水质恶化的主要原因。实施污水资源化再利用，将大 量污水按不同回用方式的水质要求处理后循环利用，既可以提供新水源，解决城 市缺水问题，又可以大大消减水环境的污染总量【4 】。因此城市污水再生利用是解 决供水危机的重要途径。 城市污水水量巨大、水质稳定，是城市可利用的第二水源。国内外城市污水 回用的实践表明，城市污水回用不仅是经济的，而且是可靠和可行的。随着城市 污水处理率的提高和回用量的增大，逐步实现污水资源化，既可节约新水量，又 第一章绪论 可促进生态良性循环，对水资源的可持续利用和经济社会的可持续发展具有重大 的理论意义和现实价值。 目前，根据用户对水质的要求，以及污水中各种污染物的含量，可以采用生 物处理、砂滤、硝化、脱氮、絮凝沉淀、活性炭吸附、离子交换、膜析、消毒等 多种处理技术，组合成能够达到处理要求的工艺流程，实现城市污水的再生回用 【5 】 o 膜处理技术由于高效、实用、可调、节能和工艺简便，已经被广泛的应用于 污水回用领域，随着制造工艺的提高，曾被认为是十分昂贵的膜处理技术如今变 得越来越经济了，具有很强的竞争力。现在应用的较多的膜处理技术有微滤、纳 米过滤、超滤、渗析、反渗透、电渗析、气体分离等。其中m b r 技术作为膜技 术和污水生物处理技术的有机结合产生的废水处理新技术，在污水回用中已得到 了广泛的应用和发展。 1 2m b r 介绍 膜生物反应器，简称m b r ( m e m b m mb i o r e a c t o r ) ，在污水处理中的研究始 于2 0 世纪6 0 年代，该工艺利用膜组件的高效截流作用取代传统活性污泥法工艺 的二沉池进行固液分离，具有占地面积小出水水质优良稳定，可以满足许多非饮 用水领域回用需求等优点。目前在许多国家都有规模化应用，但在我国的规模化 应用还很少。近年来由于水资源日趋紧张污水回用需求不断提高，同时膜的生产 技术得到发展，膜制造成本不断降低，工艺在污水处理领域的应用表现较好。 1 2 1 眦的分类 m b r 分为三类【6 】：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) ：萃取m b r ( 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萃取) 。 其中，膜分离生物反应器是应用最广泛的一种m b r 类型。按照是否需氧可 分为好氧和厌氧m b r t7 1 ，2 0 世纪7 0 年代后期大规模好氧m b r 首先在北美应用， 然后依次是2 0 世纪8 0 年代早期日本( 同期南非厌氧m b r ) ，9 0 年代中期欧洲， 9 0 年代末期中国。好氧m b r 中目前占主导地位的是分体式m b r ，能耗是一个 主要的影响因素：厌氧m b r 中由于缺少曝气，目前均采用分体式m b r 。 根据膜组件的类型可以分为中空纤维m b r 、管式m b r 、板式m b r 和卷式 m b r ；根据生物反应器的受压情况可以分为膜加压生物反应器( 生物处理装置处 第一章绪论 于密闭加压状态) 和膜常压生物反应器( 生物处理装置处于常压状态) ；根据膜分 离的形式分为微滤m b r 、超滤m b r 、纳滤m b r 和反渗透m b r ；根据操作压 力分为抽吸式m b r 和加压式m b r ：根据膜使用形态分为浸渍型和循环型；根 据膜组件的作用方式可分为内压式( 水的透过方向是从管内向管外) 和外压式( 水 的透过方向是从管外向管内) ，在实际应用中大多使用的是外压式m b r ，因为内 压式反应器流道往往比较小，容易被污泥颗粒所堵塞造成膜污染。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，利用膜组件进行固液分 离，截留的污泥回流至生物反应器中，透过水外排。膜分离生物反应器按照膜组 件的放置方式可分为分体式r ( 生物反应器的混合液由泵增压后进入膜组件， 在压力的作用下膜过滤液成为系统处理出水，活性污泥、大分子物质等被膜截留， 并回流到生物反应器内，如图a ) 和一体式m b r ( 将膜组件置于生物反应器内， 通过真空泵或其他类型的泵抽吸，得到过滤液，如图b ) 。分置式膜生物反应器， 采用错流式膜组件，即过滤液体平行于膜表面与滤液交错流动，产生的剪切力或 湍流减轻了悬浮物在膜表面的沉积。该反应器运行稳定可靠，操作管理简单。但 污泥回流动力消耗较大，回流泵的剪切作用会对微生物的活性产生一定影响。分 体式m b r 中膜组件与生物反应器相对独立，膜组件一般可与各种不同的生物反 应器结合，构成各种不同的分体式m b r ，易于膜的清洗、更换及增设，操作管 理容易，既能用于好氧处理，也能用于厌氧处理，但是由于膜面流速需求要高， 动力消耗较高。一体式膜生物反应器，也称浸没式膜生物反应器，膜组件置于生 物反应器内，滤液由泵( 或靠静压) 排出，曝气装置设在膜组件下方，除具有充氧 功能外，造成的强烈搅拌作用，减轻了混合液中悬浮物在膜表面的吸着。与分置 式膜生物反应器相比，一体式膜生物反应器能耗小，结构紧凑，体积小。一体式 m b r 体积小、运行能耗低，并且由于曝气形成的剪切和紊动使污泥固体很难积 聚在膜表面，不易堵塞膜纤维中心孔，同时还可以借助曝气形成的剪切和紊动来 控制膜表面固体的厚度。目前一体式m b r 使用较为普遍，但一般只用于好氧处 理。 ：水污泥回流 1， r 袋 生物反应器循环泵膜组件 ( a ) 分置式膜生物反应器 医 生物反应器抽吸泵 ( b ) 一体式膜生物反应器 图l 一1m b r 组成示意图 第一章绪论 膜分离的种类根据膜孔径的大小，可分为微滤( m i c r o f i l t r a t i o n ，简称m f ) 膜、 超滤( u l t r af i l t r a t i o n ，简称n f ) 膜和反渗透( r e v e r s eo s m o s i s ，简称r o ) 膜【引。微 滤膜用于分离0 2 - 4 i t m 的大颗粒、细菌和大分子物质，操作压力一般为 o 0 1 0 2 m p a 。超滤膜所分离的颗粒大小为0 0 0 2 0 2 “m ，一般为分子量大于5 0 0 0 的大分子和胶体，操作压力为0 1 - 0 5 m p a 。纳滤膜用于分离分子量数百的分子。 反渗透用于分离数百分子量以下的分子和离子。目前，大多数的m b r 工艺都采 用0 1 0 4 1 x m 的膜孔径，这对于以截留微生物絮体为主的活性污泥来讲，完全可 以达到目的。膜材质包括有机膜和无机膜，有机膜制造相对便宜，应用广泛，但 在运行过程中易受污染、寿命短；无机膜则抗污染能力强，寿命长，能在恶劣的 环境下使用，但目前制造成本较高，所以难以得到广泛的应用。 1 2 2 膜生物反应器的特点 与传统的活性污泥法相比，m b r 工艺有许多传统活性污泥工艺无法比拟的 优越性。 ( 1 ) 出水水质好。m b r 对有机物的去除效果来自两个方面：是反应器内 微生物对有机物的降解；另一方面是膜对大分子有机物的截留作用。膜的截留作 用可以大大延长大分子物质的停留时间，使m b r 处理难降解有机物的能力得到 加强。 ( 2 ) m b r 实现了水力停留时间( h 盯) 和污泥停留时间( s r t ) 的完全分 离。m b r 可以在很短的h t r 和很长的s t r 下运行，并得到较好的处理效果。 膜组件能有效的分离悬浮固体，因此可以最大限度地将活性污泥截留在生物反应 器内，系统的抗冲击负荷和处理有毒有害物质的能力得到提高，系统的稳定性加 强。李红兵【9 】等用中空纤维膜生物反应器处理生活污水，在水力停留时间为1 5 h ， 容积负荷高达5 7 k g c o d ( m 3 d ) 的条件下，系统对c o d 的去除率在9 0 以上。吴 志超 1 0 】采用好氧m b r 处理巴西基酸生产废水，c o d 容积负荷为1 2 k g c o d ( m j d ) 、2 4 k g c o d ( m 3 d ) 、3 6 k gc o d ( m 3 d ) 、4 8 k gc o d ( m 3 d ) 时，出水c o d 浓度的保持稳定。 ( 3 ) m b r 的产泥量较小，使运行费用降低传统法污泥浓度低，污泥产量 高，剩余污泥的处置费用占到废水处理总成本的5 0 左右【1 1 】。而m b r 系统在较 低的f m 条件下运行，污泥的产率远低于传统法，从而使剩余污泥的处置费用 大幅度的降低，进而降低废水的处理成本。c h a i z e 和h u y a r d 1 2 】研究了m b r 的产 泥情况，发现s r t 在5 0 或1 0 0 d 时，污泥的产量大大减少，这主要是低f m 值 和较长泥龄的结果：杜萍【l3 】研究了一体式m b r 在不同的s r t ( 5 8 0 d ) 条件下的 4 第一章绪论 产泥情况得出：理论产泥系数y 。与衰减系数b 值随s r t 的延长而下降；刘锐【i 4 】 用一体式m b r 处理生活污水，在2 8 0 d 未排泥的条件下运行，发现表观产率系 数y b 随运行时间的延长呈明显的降低趋势。 ( 4 ) 污泥停留时间( s i 大幅度延长，可使硝化菌和亚硝化菌等世代时间 较长的微生物有效地滞留在生物反应器内，从而使m b r 系统比传统法具有更好 的脱氮除磷的能力【1 5 l 。由于m b r 中污泥浓度高，易在污泥絮体中形成表面好氧、 内部缺氧状态，可以在同一反应器中实现硝化和反硝化，使得m b r 在去除c o d 的同时具有良好的脱氮效果。而污泥浓度的增加会使好氧菌胶团的内部提供较多 的厌氧环境，有利于反硝化的进行【1 6 】。 ( 5 ) 结构紧凑，占地面积小。由于m b r 所需的体积较小且无需设置二次 沉淀池，使得m b r 系统的占地面积较之传统法大大缩小，特别是一体式m b r ， 在一个反应器中同时实现了生物降解和泥水分离。d a v i s 等对不同规模的m b r 系统和传统活性污泥法水处理厂比较发现，m b r 占地面积节约了l 2 1 3 。因此 m b r 系统在一些土地使用紧张的地区较之传统法建设的可行性较高。 ( 6 ) 与传统法相比，膜污染一直是m b r 系统中一个难以克服的问题，它 使膜的过滤阻力增大，透水率逐渐下降，严重影响了m b r 系统的处理效果，成 为限制m b r 系统广泛应用的一个主要障碍【1 7 】。 1 2 3 膜生物反应器国外的发展研究 膜生物反应器在废水处理的研究始于美国。1 9 6 6 年，s m i t h 等人报道了美国 的d o n o l i v e r 公司建成的第一个采用超滤膜与活性污泥法相结合的m b r 工艺废 水处理厂【1 8 】，即用超滤取代活性污泥法中的二次沉淀池。将膜分离技术应用到污 水处理中作为富集生物处理单元的生物浓度的手段，一改常规的污水生物处理法 用生物循环来增加曝气池中微生物的浓度，膜的高截留率，使生物反应器内维持 很高的生物浓度，反应器在低f m 比值下工作，可获得有机物的完全氧化。这 个处理厂处理1 4 m 3 d 生活废水【1 9 1 。但当时由于受膜生产技术的限制，膜的使用 寿命短、水通量小，在推广应用中遇到障碍。1 9 6 8 年，s m i t h 等人将好氧活性污 泥法与超滤膜相结合的m b r 用于处理城市污水的研究，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剧2 0 1 。1 9 6 9 年b u d d 等分离式m b r 技术获得了美国专利 2 1 1 。 7 0 年代初期，好氧分离式m b r 处理城市污水的试验规模进一步扩大：同时， 厌氧m b r 研究也相继开始进行实验室规模的研究与中试规模的研究。1 9 7 0 年 h a r d t 等人用个1 0 l 的好氧生物反应器处理合成废水【2 2 ，流程中用一个死端超 滤膜来实现泥水分离，其中的m l s s 浓度高达3 0 0 0 0 m g l ，是常规好氧系统的 第章绪论 1 0 倍多，膜通量为7 s l ( n ? h ) ，c o d 去除率为9 8 。1 9 7 1 年b e m b e r i s 等人报道 了d o r ro l i v e r 公司开发的一种膜污水处理工艺m s t ( m e m b r a n es e w a g et r e a t m e n t ) 旧j 。在该系统中，污水先通过一个旋转的鼓型筛网，然后进入悬浮生长的生物反 应器中，并通过对超滤膜组件的抽吸作用而连续出水。膜组件为板框式，进出口 压力分别为3 4 5 k n 井和1 2 7 k n m 2 ，膜通量为1 6 9 l ( m 2 h ) 。1 9 7 8 年，g r e t h l i e n 等进行了厌氧m b r 处理生活污水的研究，有机污染物和硝酸盐的去除率分别达 到9 0 和7 5 。 这一时期m b r 的研究重点是开发适合高浓度活性污泥的膜分离装置，但由 于受当时膜生产技术的限制，膜的使用寿命短，膜通量小，这项技术在相当长的 时间内仅停留在实验室研究规模，未能投入实际应用。 在日本，由于严重缺水，不少研究者对膜分离技术在污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。1 9 7 7 年，一套污水回 用系统在日本的一幢高层建筑中得到实际应用，1 9 8 0 年日本建成了两座处理能 力分别为1 0 m 3 d 和5 0 矗d 的m b r 处理厂【2 4 1 。自1 9 8 3 年至1 9 8 7 年，1 3 家公司 应用好氧分离式膜生物反应器处理大楼污水，处理后的污水作为中水进行回收利 用，其处理水量达5 0 2 5 0 m 3 d 1 2 5 】。19 8 8 年y a l m m o t o 等人开展了中空纤维膜淹 没式膜生物反应器的小试研刭2 6 1 ，采用间接抽吸式中空纤维微滤m r b 工艺处理 生活污水，进水中可生物降解污染物质被完全氧化，而单位能耗仅为 0 0 7 k w h m 3 ( 处理水) 【27 1 。此研究使得膜生物反应器的研究领域进一步拓宽，并 为今后的实际应用打下了坚实基础。 早期的m b r 主要局限于生活污水和城市污水处理，着眼于有机物的去除。 8 0 年代末以来，m b r 处理的对象拓宽到工业废水、石化废水、发酵废水甚至堆 肥、填埋场沥滤液等废水处理方面。8 0 年代后，国际上对m b r 的研究方兴未艾， 英国、美国、南非等也投入很大力量对膜生物反应器进行更加全面和深入的研究。 8 0 年代末到9 0 年代初，z e m n 环境公司继续了d o r ro l i v e r 公司在其在工业污水 处理领域的研究工作，研制成功了两个注册产品【勰2 9 。z e n o n 环境公司商业化的 产品系统z e m n g e m 也随之在1 9 8 2 年进入市场。同年，d o r ro l i v e r 推出了膜厌 氧反应器系统( m a r s ) 来处理高浓度食品废水。该工艺采用外部循环超滤膜，总 负荷8 k g c o d ( r n a d ) ，c o d 去除率达9 9 。与此同时，英国采用超滤膜和微滤膜 研制了两套污水处理系统 3 0 】，其概念在南非得以进一步发展而形成厌氧消化超滤 工艺( a d u f ) 。a d u f 系统采用管式超滤聚醚矾膜，稳定状态膜通量为 3 7 3 l ( m 2 h ) ，固体浓度为5 0 9 t s s l 31 】。 9 0 年代初，m b r 开始应用于废水的脱氮除磷研究，h i d e k i 与h i d e n o r i 分别 进行了m b r 的高效氨氮硝化与工业废水去除磷酸盐的研究 3 2 】。c h i e m c h a i r i 等人 6 第一章绪论 进一步对中空纤维膜淹没式膜生物反应器进行了中试研刭3 3 】。 1 9 9 2 年法国c h a n gi 等人将m b r 应用于给水处理【3 4 】，开展了微污染饮用水 脱氮的研究，该研究中氮的容积负荷达2 8 k g ( m 3 d ) ，h r t 在3 0 6 0 r a i n ，出水的 氮浓度在o 1 0 2 m g l ，并采用反冲洗的技术使膜通量在长达2 个月的运行中一 直维持在1 0 0 l h r m 2 。1 9 9 6 年，u r b r a i nv 用m b r 进行饮用水生产的中试研究， 以去除饮用水中微量的氮、有机物与杀虫剂，取得了良好效果。进入九十年代中 后期，膜生物反应器在国外已进入了实际应用阶段。加拿大的z e n o n 公司是一家 跨国性的公司，致力于膜生物反应器的推广工作。它首先将超滤管式膜生物反应 器应用于城市污水处理厂为了节约能耗，它又开发了淹没式中空纤维膜丝的膜组 件，目前此种膜生物反应器己应用于美国、德国、法国和埃及等十多个地方，规 模从3 8 0 m 3 d 至7 6 0 0 m 3 d 。1 9 9 9 年z e n 公司应用m b r 技术对美国科罗拉多 州的a r a p a h o e 县的污水处理厂改造成功，处理能力最高为5 6 7 8 m 3 d ，出水水质 ( b o d 5 m g l 、固体悬浮物 5 m g l 、总磷 o 2 m g l 、总氮 1 0 m g l ) 完全达到可 以回用的要求【蚓。到2 0 0 0 年已有处理能力高达1 2 7 0 0 m 3 d 规模的废水处理工程。 在荷兰，一脂肪提取加工厂采用传统的氧化沟污水处理技术处理其生产废水，由 于生产规模的扩大，结果导致污泥膨胀，污泥难以分离，最后采用z e n o n 的膜组 件代替沉淀池，运行效果良好。 另一个在膜生物反应器实际应用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、耐污染和工艺简单特点。1 9 9 7 年k u b o t a 公司 应用m b r 工艺的污水处理厂在英国北部的p o r b c k 建成，用于去除悬浮物、 c o d b o d 、细菌及氮，最大处理量1 9 0 0 m 3 d ，进水b o d = 1 6 0 m g l ，出水 b o d 4 m g l 、c o d 2 5 m g l 、n h 3 im g l 、浊度 o 0 0 o 0 懒 垧 m 挖 m 加 o 第四章一体式a o 膜生物反应器运行优化的研究 1 0 0 9 0 8 0 邑7 0 褥 鬟6 0 5 0 4 0 3 0 1 5 0 0 。2 0 0 02 0 0 0 2 5 0 0 2 5 0 0 。3 0 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 3 5 0 0 。4 5 0 0 污泥浓度范围( m g l ) 图4 2 污泥浓度对污染物去除率的影响 从图4 2 可见，在污泥浓度在1 5 0 0 m g l 2 0 0 0 m g l 时，对c o d 的平均去除 率较低，只有8 3 ，而对氨氮、总氮的平均去除率在7 0 以上，对总磷的去除 率也有6 5 。分析原因：因为污泥浓度在1 5 0 0 m g l 2 0 0 0 m g l 时主要出现在水 厂出现停电一天的现象后反应器再次开启的几天，尽管没有曝气没有进水对活性 污泥造成了很大的影响，污泥浓度急剧下降，但仅仅一天的时间污泥对污水仍能 保持其适应性，反应器恢复运行后污泥可以很快的恢复以前的性能，从而对各污 染物仍能有较高的去除率。随着污泥浓度的增大，系统对c o d 去除率的影响并 不大，都能保持在9 0 以上；污泥浓度在2 0 0 0 m g l 3 5 0 0 m g l 的范围时，随着 污泥浓度的增大，对氨氮、总氮和总磷的去除率都相应有所提高。可见，在一定 的污泥浓度范围内，污泥浓度的增大有利于系统对污染物的去除效率。在污泥培 养后反应期内活性污泥浓度迅速增大，在运行初期，污泥浓度较大，基本保持在 3 5 0 0 m g l 以上，但是污泥的s v i 偏低，在7 0 m l g 左右，所以污泥的活性较差， 从而影响了系统的去除效果，对各污染物的去除率都偏低。 从本试验中发现，在该一体式a o 膜生物反应器的运行过程中对污泥浓度 的控制较差。一方面是由于反应器本身在结构和运行故障上的问题：反应器宽度 较小同时深度较大，宽度和高度的比例为l ：6 ，这样的结构导致在反应内水力混 合效果较差，即使曝气量足够大，在反应器底部仍然会发生污泥的沉积，使底部 污泥无法充分与污水和氧气接触反应，影响微生物的增殖，使得在运行期间最大 的污泥浓度也只有不到6 0 0 0 m g l ；运行中出现停电，好氧段回流泵出现故障无 法工作，也在短时间内对污泥的生长造成了明显的影响。另一方面，进水水质的 第四章体式a o 膜生物反应器运行优化的研究 变化也是影响污泥生长污泥浓度维持的重要因素。运行中一段时间进水色度大幅 增加，污水明显发黑，并且污水粘度增大，进入反应器后使得污泥迅速变黑，沉 降性能变差，从所取混合液中发现，污泥絮体明显减少，污泥浓度迅速降低。因 此，尽管膜生物反应器具有较强的抗污染物冲击负荷能力，但在运行过程中仍要 十分注意进水水质的变化，特别是污水粘度的变化。在该试验中，污泥浓度并没 有出现很高的浓度，但在运行中一段时间系统的处理效果较好，可见膜生物反应 器内较低的污泥浓度也能达到较好的处理效果。 4 2 水力停留时间( h r t ) 对运行效果的影晌 h r t 指的是污水在反应器内的平均停留时间，也就是污水与生物反应器内 微生物作用的平均反应时间，即反应器的容积除以进水流量。传统的生物处理法 中h r t 与s r t 是相互关联的，很难把它们分开控制，但将膜分离技术与传统的 生物处理法相结合，则可以对h r t 和s r t 分别控制。本试验中通过控制调节膜 出水量来调节h r t 。 第一阶段试验将i - n o 控制在2 3 h 、2 7 h 、3 1 h 兰个水平进行试验，每个停留 时间下试验时间约1 5 天；第二阶段则将h r t 调整在1 8 h 、1 4 h 、1 2 h 三个水平， 由于第二阶段试验前期膜污染以及出水管路出现故障，未能顺利调节出水量，每 个停留时间下试验时间较短，约4 5 天。 4 2 1 水力停留时间( 盯) 对c o d 处理效果的影响 活性污泥对污水中有机物的好氧降解反应需要一定的接触反应时间，但过长 的反应时间又会造成微生物的内源呼吸，反而造成有机物的积累。试验中不同水 力停留时间下c o d 的去除如图4 3 ： 3 3 第四章一体式a o 膜生物反应器运行优化的研究 口进水口出水口去除率 =l- - 一 ， ： 一 一 ： 7 口 ， 一 一 少 少 少 少 ， ， ， ， 岳! j 弓弓 弓弓 1 2 h1 4 h 1 8 h2 3 h2 7 h3 1 h h r t ( h ) 图4 - 3 不同h r t 对c o d 去除的影响 主 、_ ， 褥 篮 粕 从图4 3 可知，在不同的水力停留时间下，出水c o d 浓度都可以稳定在较 低的水平。尽管随着水力停留时间的延长，进水c o d 浓度不断增大，但是在不 同的水力停留时间下，都可以保持较高的c o d 去除率。由此可知，在该膜生物 反应器中，由于膜的高效截留和进一步分离作用，水力停留时间对c o d 的去除 效果影响不大。 4 2 2 水力停留时间( 玎) 对氨氮处理效果的影响 试验中不同水力停留时间下氨氮的去除如图4 4 ： 加舳绚加m o o o o 0 o o o 0 0 o o 加们鲫加加 第四章一体式a o 膜生物反应器运行优化的研究 7 0 6 0 5 0 z4 0 差3 0 2 0 1 0 0 囱进水日出水口去除率 习： ： 二习 7 q i7 自 7 七= - _ _ _ 。匪 习重 - | ：|； 一匡 匡 习皋 爿苣1 1 2 h1 4 h1 8 h 2 3 h 2 7 h 3 l h h r t ( h ) 图4 4 不同h r t 对氨氮去除的影响 余 、- ， 褥 餐 粕 从图4 4 可知，水力停留时间在1 2 1 ：卜2 7 h 之间变化时，出水氨氮浓度和去除 率都比较稳定，去除率都可以稳定在8 0 9 0 。水力停留时间在3 1 h 时的试验 阶段是在运行前期，一方面污泥活性不佳，同时氨氮的容积负荷较大，很大程度 上影响了对氨氮的处理效果。从图4 4 可见，水力停留时间在1 2 h 以上时，对氨 氮的去除效果影响不大，继续延长水力停留时间并不能更大程度提高对氨氮的去 除效果。 4 2 3 水力停留时间( m 玎) 对总氮处理效果的影响 试验中不同水力停留时间下总氮的去除如图4 5 ： 加鲫加印们加加o 第四章一体式a o 膜生物反应器运行优化的研究 7 0 6 0 5 0 4 0 量 三3 0 - 2 0 1 0 0 口进水日出水口去除率 图4 - 5 不同i - i r t 对总氮去除的影响 8 0 7 0 6 0 5 0 主 4 0 錾 3 0 稍 2 0 1 0 o 从图4 5 可知，在水力停留时间为3 l h 时的试验阶段，由于氨氮去除效率很 低，硝化效率较低，同时进水总氮偏高，使得对总氮的去除效率较低，出水总氮 浓度偏高。因此在该水力停留时间下的试验结果并不能有效考察水力停留时间的 影响。在其他水力停留时间的运行中，在水力停留时间为2 7 h 时，去除率最高， 在水力停留时间为1 4 h 时，出水总氮浓度最低，同时有较高的去除率。从此可见， 在水力停留时间在1 2 h 以上时，水力停留时间的延长对总氮的去除率进一步提高 并没有明显的作用，在水力停留时间在1 4 h 时，可以达到对总氮较好的去除效果。 4 2 4 水力停留时间( m 玎) 对总磷处理效果的影响 试验中不同水力停留时间下总磷的去除如图4 6 ： 第四章一体式a o 膜生物反应器运行优化的研究 6 0 5 0 4 0 j 警3 0 o l 卜2 0 1 0 o 目进水巴融水口去除率 h i l t ( h ) 图4 - 6 不同h r t 对t p 去除的影响 主 、_ ， l 篷 稍 在水力停留时间为1 2 h 和1 4 h 的试验期间，由于实验室仪器和药品的原因， 无法检测进出水总磷浓度，所以只能考察在其他水力停留时间下总磷的去除影 响。从图4 6 可知，在水力停留时间为2 7 h 时对总磷的去除率最高，可以达到8 0 以上。而在水力停留时间为1 8 h 时，对总磷的去除效率很低，在水力停留时间为 3 1 h 时，去除率也只有5 0 。分析原因一方面是由于在这两个水力停留时间下的 运行阶段，污泥s v 偏高，污泥活性较差；另一方面在该阶段的运行期间，进水 的c n 比较低，也是影响对总磷的去除效果的一个重要原因。 本试验中，进水依靠液位计控制进水泵开启的方式，因此h r t 主要由出水 量的大小来控制。运行中对膜出水量的控制并没有能达到理想的水平，所以h r t 都控制在较长的时间。因此，膜生物反应器中膜通量的控制是对h r t 调整的关 键。运行中，蠕动泵的泵头出现故障，影响了对膜出水的抽吸作用力，在对蠕动 泵进行了修理后，在相同的工况下膜出水量有明显的增大。同时在膜出水管路接 口处的气密性，也在一定程度上影响膜出水动力。此外，在运行中期膜的污染， 也是导致无法进一步调大膜出水量的重要原因。因此，膜出水动力的维持和出水 管路工作状况是在运行中需要密切注意的。 4 3 溶解氧( d o ) 对运行效果的影响 活