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太原理工大学硕士研究生学位论文 复合膜生物反应器处理生活污水研究 摘要 本文应用复合膜生物反应器装置对生活污水的处理进行了试验研究。 复合膜生物反应器，是在活性污泥生物反应器中部分安装填料并结合膜分 离装置构成的。该反应器结合了活性污泥和生物膜法两种工艺的特性，利 用悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜共同承担生物降解的作用，同 时在反应器内安置了材质为聚偏氟乙烯( p v d f ) 、孔径为0 2 b t m 的淹没式微 滤( 砸) 膜组件，以达到固液分离的目的。 试验结果表明，复合膜生物反应器系统出水水质较好且比较稳定，对 有机物有很好的去除效果。系统c o d e r 出水为8 8 m g l 一2 2 2 m g l ，平均值为 1 5 4m g l ，去除率为9 5 左右。系统b o d 5 出水为7 3 - 1 0 1 m g l ，平均值为 8 7 m g l ，去除率为9 6 左右。通过对d o 和h r t 变化的分析，发现复合 膜生物反应器对有机物的去除受d o 浓度的影响较大，控制d o 在 1 5 m g l 4 m g l 时，系统对c o d e r 的去除效率较高，且受d o 的影响较小， 但当d o 为o 5 m g l 时，系统对c o d c r 的去除效率急剧降低。复合膜生物 反应器的h r t 也影响着系统对有机物的去除率，在h r t 为1 h 左右时，系 统对c o d c r 的去除率最低，随h r t 的延长，去除率逐渐上升，在h r t 在 3 h 以上时，系统对c o d c r 的去除率受h r t 的影响逐渐减弱，根据试验分 析，本系统选择用的h r t 为5 h 。 通过试验结果发现，复合膜生物反应器系统也具有良好的脱氮除磷功 效。该系统对污水中n h r n 和t n 有较高的去除率，分别达到了9 7 和7 8 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 这是因为生物膜内部可以形成很大范围的厌( 缺) 氧区域，有利于反硝化 的顺利进行，提高了脱氮效果；试验结果表明系统对污水中n h a - n 和t n 的去除率受d o 的影响较大，系统d o 为o 5 m g l 时，系统对n h r n 和t n 的去除效率急剧降低，但系统d o 在1 - 2 m g l 之间时，膜生物反应器对 n h 3 n 和t n 的去除率均较高，分别达9 6 和8 0 以上，发生了同时硝化 反硝化现象。当系统d o 在2 m g l 以上时，系统对n h 3 - n 的去除效率基本 不受d o 的影响，处理效率较高。而系统对t n 的去除效率却随着d o 浓度 的增加而略微减少，在系统d o 为4 m g l 时，总氮的去除率降为6 6 。通 过本试验得出，在系统d o 为1 - 2 m g l 为最佳值。通过试验研究h r t 的变 化对脱氮的影响，发现其最适宜的h r t 为5 8 h ，此时，氨氮和总氮平均去 除率为9 6 和7 7 。同时发现当h r t 过短时，n i - 1 3 n 的去除效果不明显， 也影响了反硝化的去除效果。当h r t 过长时，由于f m 值开始显著降低， 影响了系统中生物能获取的营养，部分生物因得不到足够的营养而死亡， 污泥浓度有所下降，其中硝化细菌和反硝化细菌所受影响较为显著，使得 脱氮效果下降。由于填料内部的厌氧微生物、膜的过滤作用、以及微生物 对磷生态需求三方面的因素，系统对总磷有一定的去除效果。其系统出水 总磷浓度在0 9 m g l 一2 1 m g l 之间，去除率在5 8 一8 2 之间。 在试验运行过程中发现，膜较易受污染，造成膜通量下降，甚至造成 膜无法继续使用。论文对膜污染物产生的原因及规律进行了阐述研究，并 讨论了减缓膜污染的七条有效措施。试验发现，在保持膜通量不变的情况 下，膜装置在工作一段时间后，操作压力也会越来越高。通过物理和化学 清洗一定程度上能恢复膜组件的性能，延长膜组件使用寿命，使得膜元件 太原理工大学硕士研究生学位论文 的污染得以改善。 关键词：生活污水，复合膜生物反应器，膜分离，膜污染及膜清洗， 脱氮除磷 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h es t u d yo nh y b i u ds u b 匝r g e dm 匝n 正i ra n e b i o l o g i c a lr e a c t o rf o rd o 正j s t i cs e 厂a g e t i 辽a t 匝n t a bs t r a c t al a b - s c a l eh y b r i ds u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o rr e a c t o r ( h s m b r ) f o r d o m e s t i c s e w a g et r e a t m e n tw a si n v e s t i g a t e d i nt h i s s t u d y h s m b rw a s c o n s i s t e db yac o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s st h a tw a sp a r t i a l l yf i l l e d w i t hc a r t i e rt of o r mb i o f i l ma n dam e m b r a n em o d u l ef o rs o l i d l i q u i ds e p a r a t i o n t h i si n n o v a t i v es y s t e mc o m b i n e dt h ec o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s sa n d t h eb i o f i l mt oc r e a t eac o n d i t i o nf o ro r g a n i cd e g r a d a t i o nb yb o t hs u s p e n d e d s l u d g e f l o c sa n da t t a c h e db i o m a s s m e a n w h i l e ，ap v d fm i c r o f i l t r a t i o n m e m b r a n em o d u l ew i t h0 2g mp o r es i z ei si m m e r s e di n t ot h er e a c t o rf o rag o o d s o l i d l i q u i ds e p a r a t i o n f r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h eh s m b rh a v eh i 曲a n ds t a b l eo r g a n i c m a t t e r sr e m o v a le f f i c i e n c y t h ec o d e ri ne f f l u e n ti sa b o u t8 8 m g l - 2 2 2 m g l w i t ha na v e r a g ev a l u eo f15 4m g la n dt h er e m o v a lr a t eo f9 5 t h eb o d 5i n e f f l u e n ti sa b o u t7 3 - 10 1m g lw i t ha na v e r a g ev a l u eo f8 7 m g la n dt h em e a n r e m o v a lr a t eo f9 6 a st h em a i nt w oi m p o r t a n tf a c t o r sf o rs y s t e mp e r f o r m a n c e ， t h ee f f e c t so fd oa n dh r tw e r es t u d i e d i ti sf o u n dt h a td oh a v es i g n i f i c a n t e f f e c to l lt h eo r g a n i cd e g r a d a t i o np e r f o r m a n c ei nh s m b r s y s t e m w h e nt h e v 太原理工大学硕士研究生学位论文 d oi sm a i n t a i n e db e t w e e n1 5 m g la n d4 m g l ，t h er e m o v a lr a t ei sq u i t es t a b l e ； h o w e v e r , w h e nt h ed oi sc h a n g e dt o0 5 m g l ，t h er e m o v a lr a t e f o rc o d d e c r e a s e dd r a m a t i c a l l y a sw e l l ，h r th a v ei n f l u e n c eo nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e w h e nh r ti slh ，t h er e m o v a lr a t eo fc o d e rr e a c h e st h em i n i m u md u r i n g o p e r a t i o n a lp h a s e s ；w i t ht h ei n c r e a s eo fl i r t , t h er e m o v a lr a t ec a r lb er e c o v e r e d ； w h e nh r tw a sl a r g e rt h a n3 h ，t h er e m o v a lr a t eo fc o d e rw i l lb es l i g h t l y i n f l u e n c e db yh r tf l u c t u a t i o n a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i s ，5 hh r t w a s q u i t eg o o df o rs y s t e mo p e r a t i o n t h eh s m b rh a sg o o de f f i c i e n c yf o rn i t r o g e n a n dp h o s p h a t er e m o v a l d u r i n gt h ee x p e r i m e n t a lo p e r a t i o nf o rn u t r i e n tr e m o v a l ，t h er e m o v a lr a t e sf o r n h 3 - na n dt na r es t a b l e ，w h i c hw a s9 7 a n d7 8 r e s p e c t i v e l y t h e r e a s o nf o r t h eg o o dn i t r o g e nr e m o v a lr a t ew a st h a tt h ei n t e r i o ro fb i o f i l mh a v ea n a n a e r o b i c ( a n o x i c ) a r e a , w h i c hi s e s s e n t i a lf o rt h eg r o w t ha n du t i l i z a t i o no f d e n i t r i f i e r i nt h em e a n t i m e ，i ti sf o u n dt h a td oh a v ei m p o r t a n te f f e c to nt h e r e m o v a lp e r f o r m a n c eo fn h 3 - na n dt n ，w h e nd oi sk e p tm o r et h a n0 s m g l ， t h er e m o v a lr a t ed e c r e a s e dr a p i d l y ；w h e nd oi sk e p tb e t w e e nlm g la n d2 m g l ， t h er e m o v a lr a t e sf o rb o t hn h 3 - na n dt na r eh i 曲，r e a c h i n g9 6 a n d8 0 r e s p e c t i v e l y , i m p l y i n gt h a tb o t hn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s e sa r e t a k i n gp l a c e w h e nd oi sa b o v e2 m g l ，i th a sl i t t l e i n f l u e n c eo nt h er e m o v a l r a t et h e r e f o r et h ed i s p o s a lr a t ei sh i 曲h o w e v e rt h er e m o v a lr a t eo ft nd r o p s s l i g h t l yw i t ht h ef u r t h e ri n c r e a s eo f d o ：w h e nd oi s4 m g l ，t h er e m o v a lr a t eo f n i t r o g e ni sa b o u t6 6 i nc o n c l u s i o nt h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tw h e nd o i s v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 b e t w e e nlm g la n d2 m g l ，i ti st h eb e s tf o rs e w a g et r e a t m e n t b ys t u d y i n gt h e i n f l u e n c eo fh r to nt h en i t r o g e nr e m o v a l ，i ti sf o u n dt h a tt h eb e s th r ti s5 8 h ， w h i c ho f f e r sa9 6 r e m o v a lr a t eo fa m m o n i aa n d7 7 o ft o t a l n i t r o g e n h o w e v e r , i ft h eh r ti st o os h o r t ，t h er e m o v a lr a t eo fn h 3 - ni sn o tg o o d ，t h a ti s c a u s e db yt h ew a s ho u to fd e n i t r i f i e ru n d e rs h o r th r t w h e nh r ti st o oh i g h ， s o m eo fb a c t e r i aw i l ld i ef o rl a c ko fn u t r i t i o na n dt h es l u d g ec o n c e n t r a t i o nw i l l d e c r e a s e ，l e a d i n gt oal o wr e m o v a lr a t eo fo x i d i z e dn i t r o g e n b e c a u s eo ft h e c a r r i e rf i l l e di nt h es y s t e m ，t h ef i l t r a t i o no ft h em e m b r a n em o d u l ea n dt h e e x i a e n c eo fa n a e r o b i cm i c r o o r g a n i s m ，t h es y s t e mh a sc a p a c i t yt oc o n s u m e p h o s p h a t e t h ep h o s p h a t ec o n c e n t r a t i o ni nt h ee f f l u e n ti sr a n g e df r o m0 9 m g l t o2 1 m g m ，a n dt h er e m o v a lr a t ei sb e t w e e n5 8 a n d8 2 。 m e m b r a n ef o u l i n gc a nb ef o u n dd u r i n gh s m b r o p e r a t i o n ，l e a d i n gt oa f l u xd e c l i n ea n de v e nam e m b r a n ef a i l u r e t h i st h e s i se x p l a i n st h er e a s o n sa n d t h em e c h a n i s m so ft h em e m b r a n e f o u l i n g a n dd i s c u s s e ss e v e ne f f e c t i v e a p p r o a c h e s t os l o wd o w nt h e d e v e l o p m e n to fm e m b r a n ef o u l i n g t h e e x p e r i m e n tf i n d st h a tw i t has t a b l ef l u x , t h et r a n s m e m b r a n ep r e s s u r ew i l l e v o l u t i o na r e rap e r i o do ft i m e p h y s i c a la n dc h e m i c a lc l e a n i n gc a ne f f e c t i v e r e c o v e rt h em e m b r a n e p e r m e a b i l i t y k e yw o r d s ：d o m e s t i cs e w a g e ，t h eh y b r i ds u b m e r g e dm e m b r a n eb i o l o g y r e a c t o r , m e m b r a n es e p a r a t i o n ，m e m b r a n ef o u l i n g ，n u t r i e n ta n dp h o s p h o r u s r e m o v a l v i i 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：雹色丝，： 日期：2 翌盛望三塑 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为：目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 导师签名： 日期：丝置望9 竺望 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题的提出 第一章绪论 地球上可供利用的水资源占地球总水量的0 6 ，且在全球的分配极不均匀。据联 合国人居中心提供的资料，目前在全球范围内，面临缺水问题的人数约占全球总人数的 2 0 ，即为1 2 亿人左右。我国也是一个水资源极度缺乏的国家，人均水资源占有量约 为2 5 0 0 m 3 ，仅为世界人均占有量的1 4 ，位居1 1 0 位，已被联合国列为1 3 个水资源缺 乏的国家之一。预计到2 0 3 0 年，我国总人口将达到1 6 亿顶峰。届时，居民需水量将 由1 9 9 5 年的3 1 0 亿m 3 增加到1 3 4 0 亿m 3 ，工业用水将由5 2 0 亿m 3 增加到6 6 5 0 亿 m 3 。水资源危机将是2 l 世纪影响我国经济可持续增长的第一制约因素。水资源一方面 存在短缺，另一方面水体又在遭受着日益严重的污染。国外水体污染曾相当严重，许多 河流、湖泊受到污染，例如日本的琵琶湖、美加边境的五大湖、欧洲的莱茵河和多瑙河、 英国的泰晤士河等。1 9 9 7 年我国废水总量为4 1 6 亿吨，其中工业废水为2 2 7 亿吨， 生活污水为1 8 9 亿吨。工业废水的处理率为7 8 9 ，达标率为5 4 4 ，生活污水的处 理率只有2 0 。全国约有1 3 的工业废水和4 5 的生活污水未经处理就直接排入江、 河、湖和海，使水环境遭到严重的污染。例如长江流域面积1 8 0 万k m 2 ，年径流量l 万亿吨，但每年向它排放的污水多达1 3 0 多亿吨，形成了8 0 0 k m 的污染带。长江的 污染物有酚和氰化物1 8 0 0 万吨，重金属( 砷、汞、福、铬、铅) 1 6 3 0 吨，石油类污染 物近万吨。淮河，每年排入污水近2 1 亿吨，在枯水期，中上游部分几乎成为死水， 污染严重河区水的色度近1 0 0 倍，氨氮超过饮用水标准数十倍。松花江流域、海河流 域污染也相当严重。我国的湖泊污染和营养化也相当严重，太湖、洞庭湖、白洋淀、滇 池尤为突出【1 1 。2 0 0 7 年太湖爆发大规模的蓝藻事件造成无锡等周边城市自来水发臭事件 长达半月之久，这也是近年来由于水污染事件造成的对人民及子孙后代生活影响最显著 的案例之一。 城市生活污水回用就是将城镇居民生活中使用过的水经过处理后回用。其回用又有 两种不同程度的回用：一种是将污、废水处理到饮用水程度；而另一种则是将污、废水 处理到非饮用水程度。对于前一种，因其投资较高、工艺复杂，非特缺水地区一般不常 采用，多数国家则是将污、废水处理到非饮用的程度，由此引出了中水概念。中水也就 太原理工大学硕士研究生学位论文 是将人们在生活和生产中用过的优质杂排水( 不含粪便和厨房排水) 、杂排水( 不含粪便污 水) 以及生活污( 废) 水，经集流再生处理后，回用充当地面清洁、浇花、洗车、空调冷却、 冲洗便器、消防等不与人体直接接触的杂用水。因其水质指标低于城市给水中饮用水水 质标准，但又高于污水允许排入地面水体排放标准，故其水质居于生活饮用水水质和允 许排放污水水质标准之间，取名为“中水”。把住宅、宾馆、大型公用建筑、机关和学校 排放的生活污水，进行就地处理，并就地回用于厕所冲洗、地面和路面冲洗、庭院绿化 等用途，这种分散、小规模( 相对于城市大规模再生利用而言) 的污水回用，通常称为“中 水工程”。中水工程不仅是污水回用的重要形式之一，也是城市生活节水的重要方式。 中水工程具有灵活、易于建设、勿需长距离输水、运行管理方便等优点，是一种较有前 途的污水直接再生利用方式，尤其是对于大型公共建筑、宾馆和新建高层住宅区。现在 全世界己有比较成熟的中水回用技术，而且新的技术仍在不断出现，我国已在总结国内 外成功经验的基础上，制定出建筑中水设计规范( c e c s 3 0 9 1 ) ，生活杂用水水质标 准( c j 2 5 1 8 9 ) 。中水系统的水源水一般选择清洁的生活杂排水，如洗车水、厨房污水、 洗衣水、沐浴水、冷却水和城市污水处理厂出水。经上述工艺流程处理后，出水水质完 全可满足有关生活杂用水水质标准的要求。尽管对于中水回用建设单位来讲，在目前的 水价政策下，中水回用工程的直接经济效益尚不尽如人意，但从宏观角度来看，中水回 用的经济效益和社会效益却十分显著。中水处理的关键是污水处理技术，污水处理技术 种类繁多，通常污水回用技术需多种污水处理技术的合理组合，即各种水处理方法结合 起来深度处理污水。中水回用和污水集中处理回用工艺中常用的好氧生物处理方法有活 性污泥法、生物接触氧化法和生物转盘法；常用的物化处理方法有混凝沉淀、精密过滤、 臭氧氧化、活性碳吸附等 2 1 。 随着近年来对污水处理回用的重视，污水处理新技术得到快速发展，膜生物反应装 置也是其中的一种。 膜生物反应装置将分离膜引入传统活性污泥法或生物膜法中，形成了新型的污水处 理方法一膜分离污泥法包括微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、纳滤( n f ) 和反渗透限o ) 等膜分离技 术。另外，膜分离技术以及它与其它技术的集成技术将逐步地有针对性地取代目前采用 的传统分离技术，并对化工、石化、环保等领域产生深远影响。 膜生物反应器与传统的活性污泥法相比存在以下优点： 工艺流程短，占地省，小型化系统放置场所不受限制。轻巧、小型的装置中生物 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 处理技能和膜分离机能被一体化，省去了二沉池，占地面积小，约为传统生物处理法的 一半； 出水b o d 5 、氮、磷和悬浮固体浓度很低，不含细菌、寄生虫卵等，出水符合三 级处理标准和污水回用标准，可直接回用或补充地下水； 可以使水力停留时间和污泥龄分开，使运行控制更灵活、稳定； 利于世代时间长的硝化细菌的增殖，从而提高硝化细菌； 污泥浓度高，提高传氧效率； 反应器内m l s s 可高达6 0 0 0 - - 1 5 0 0 0 m g l ，使得装置处理容积负荷大，减少占 地，也便于传统污泥法的改造： 膜生物反应器有良好的抗冲击负荷的能力，利用其高的m l s s 可以保证有机负 荷高峰期的出水水质，且在低峰期污泥可以进行自身消化( 内源呼吸) ，致使剩余污泥比 常规活性污泥法处理中少5 0 - 8 0 ，可以减少剩余污泥处置费用； 膜生物反应器中由于存在高的m l s s ，硝化与反硝化同时存在，且具有很高的反 硝化效果，脱氮能力强。而在需要高效除磷时，只需往污水中投加少量明矾或其他混凝 剂，因为膜能有效的分离这些不能沉淀的细小微絮凝状的磷，只要其粒径小于0 2 1 a n 即可。 易于从传统工艺进行改造，该工艺可以作为传统污水处理工艺的深度处理单元， 在城市二级污水处理厂出水深度处理( 从而实现城市生活污水的大量回用) 等领域有着 广阔的应用前景。 膜生物反应器工艺具有比其它工艺独特的优越性，其工艺在国内外已得到成熟运用 和推广。因此，应加大对膜生物反应器处理工艺的研究，为其在更广阔领域的实际工程 的推广和应用提供理论基础和依据。目前超滤膜主要应用于纯水等附加值较高的物质产 品的生产中，在污水处理中由于工艺存在能耗高、膜的价格高、通量低、污染较快等缺 点，制约了其在实际工程中得到大规模应用。作为一种新型的高效污水处理技术，研制 抗污染强、通量大、价格低的膜产品，系统的研究膜生物反应器的处理效率、运行特性、 最佳运行参数、以及膜污染的防止与清洗，促进其在废水中的膜应用得到广泛的应用和 推广，实现膜生物反应器工艺的产业化。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 膜生物反应器的分类和特点 膜生物反应器，是指将膜分离装置和生物反应器结合而成的一种新的处理系统。它 把分离工程结合起来，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污水处理技术，日益受到各国水处理 技术研究者的关注。 在传统的废水生物处理技术中，泥水分离是在二沉池中靠重力作用完成的，其分离 效率依赖于活性污泥的沉降性能，沉降性越好，泥水分离效率越高。而污泥的沉降性取 决于曝气池的运行状况，改善污泥沉降性必须严格控制曝气池的操作条件，这限制了该 方法的适用范围。由于二沉池固液分离的要求，曝气池的污泥不能维持较高浓度，一般 在1 5 3 5 9 l 左右，从而限制了生化反应速率。水力停留时间( h r t ) 与污泥龄( s r t ) 相互依赖，提高容积负荷与降低污泥负荷往往形成矛盾。系统在运行过程中还产生了大 量的剩余污泥，其处置费用占污水处理厂运行费用的2 5 - - - 4 0 。传统活性污泥处理系 统还容易出现污泥膨胀现象，出水中含有悬浮固体，出水水质恶化。针对上述问题m b r 将分离工程中的膜分离技术与传统废水生物处理技术有机结合，大大提高了固液分离效 率，并且由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌( 特别是优势菌群) 的出现， 提高了生化反应速率。同时，通过降低f m 比减少剩余污泥产生量，从而基本解决了 传统活性污泥法存在的许多突出问题。 膜生物反应器主要由膜组件和膜生物反应器两部分构成。大量的微生物在生物反应 器内与基质( 废水中的可降解有机物等) 充分接触，通过氧化分解作用进行新陈代谢以 维持自身生长、繁殖，同时使有机污染物降解。膜组件通过机械筛分、截留等作用对废 水和污泥混合液进行固液分离。大分子物质等被浓缩后返回生物反应器，从而避免了微 生物的流失。生物处理系统和膜分离组件的有机组合，不仅提高了系统的出水水质和运 行的稳定程度，还延长了难降解大分子物质在生物反应器中的水力停留时间，加强了系 统对难降解物质的去除效果。 膜组件部分从构型上可以分为：管式膜生物反应器、板框式膜生物反应器、卷式膜 生物反应器、中空纤维式膜生物反应器；根据膜的材料可分为：有机膜膜生物反应器、 无机膜膜生物反应器：根据膜过滤的压力驱动方式可分为：加压型和抽吸型；根据膜组 件在m b r 中所起作用的不同，可将m b r 分为：分离m b r ( 膜组件相当于传统生物处 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 理系统中的二沉池，m b r 由于高的截流率，并将浓缩液回流到生物反应池内，使生物 反应器具有很高的微生物浓度和很长的污泥停留时间，因而使m b r 具有很好的出水水 质) 、无泡曝气m b r ( 采用透气性膜对生物反应器无泡供氧，氧的利用率可达1 0 0 ， 因不形成气泡，可避免水中某些挥发性的有机污染物挥发到大气中) 、萃取m b r ( 用于 提取污染物的萃取，由内装纤维束的硅管组成，这些纤维束的选择性将工业废水中的有 毒污染物传递到好氧生物相中而被微生物吸附降解) 。 生物反应器部分可分为好氧型和厌氧型。好氧法使用的通常是活性污泥法。活性污 泥法是当前世界各国应用最广的一种二级生物处理流程，具有处理能力高、出水水质好 等优点。但由于传统活性污泥法一般采用重力式沉淀池作为固液分离部分，这就使曝气 池混合液污泥的质量浓度不可能太高，即传统的重力沉淀池限制了活性污泥的体积负 荷，而且不可避免地会有污泥流失。也使出水水质变坏。而膜分离技术的引入克服了传 统流程的这些缺点o l 。首先，可大幅度提高曝气池的污泥质量浓度，由传统的3 - 5 9 l 提高到2 0 9 ，l ，甚至更高。这就使容积负荷大大提高，处理设施的占地面积大大减小； 出水水质稳定优质，可直接达到回用水的标准；一些生长缓慢，在传统工艺中易流失的 菌种可得到保持，有利于难降解物质的降解1 4 】。生物膜法是与活性污泥法平行发展起来 的一类好氧生物处理方法。其特点是微生物附着生长在一定的介质表面，形成生物膜， 使其起到稳定分解废水中有机物的作用。一些学者认为，生物膜法与膜分离技术结合， 将会有更大的优势，其主要原因在于正常生物膜法的出水只含少量碎小的脱落的生物 膜，与活性污泥混合液相比悬浮固体含量低得多，这就相应减小了膜分离的负担，使膜 的运行周期更长。澳大利亚新南威尔士大学膜与分离技术中心的f a n eag 采用生物滤 池与分离式膜分离设备相结合处理生活污水。膜设备为外压式中空纤维微管组件，膜孔 径0 2 1 a m ，考虑用高压空气反冲，该系统处理效果很好。厌氧生物处理技术由于其能耗 低、容积负荷高、产泥量少等优点一致受到人们的注意。但传统厌氧消化池的水力停留 时间与污泥停留时间相同，大大局限了厌氧技术的应用。而近十年发展的厌氧新工艺， 如厌氧接触法、厌氧滤池、u a s b 等，都是致力于将水力停留时间与厌氧污泥的停留时 间分开，这就大大提高了厌氧反应器的效率，并使其在常温下运行成为可能。而膜分离 技术作为一种非常高效的分离手段，并不受混合液中污泥性能的影响，只是机械地根据 孔径大小将各种生物菌群落和高分子有机物截留下来。因此，可以设想将膜分技术与厌 氧反应器结合，有可能产生一种更高效、低耗、易控制、易启动的新型厌氧膜生物反应 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 器【5 1 。 根据膜组件设置的位置，活性污泥膜生物反应器可分为分置式和一体式膜生物反应 器。 1 2 1 分置式膜活性污泥反应器 分置式膜活性污泥反应器工艺流程下图1 1 所示。生物反应器与膜组件通过泵与管 线连接，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，成为系统处理水，而固形物大分子物质等则被膜截留，随浓缩液回流到生物反应 器内。 进水浓水回流 图1 - 1 分置式m b r 工艺流程图 f i g 1 - 1p r o c e s sf l o wc h a r to f s p l i t - m b r 出水 1 9 6 9 年s m i t h 等描述了在活性污泥工艺中用超滤膜代替沉淀池；2 0 世纪7 0 年代 h a r d t 等采用超滤膜分离活性污泥法用好氧生物反应器处理综合污水 6 1 ，膜通量为7 5 l ( m 2 h ) ，c o d e r 去除率为9 8 。日本的三井公司对膜生物反应器对有机物的去除效果进 行了全面研究。它们用膜生物反应器处理粪便污水，在进水b o d 5 为8 1 0 0 m g l ，c o d m n ( 日本用锰法测量化学需氧量) 为9 0 4 0m g l 的条件下，经处理后的出水b o d 5 小于1 0 m g l ，c o d m n ( 日本用锰法测量化学需氧量) 小于2 4 0m g l ，取得了前所未有的处 理效果。日本工业技术院公害自愿研究所的曲方裕一对膜活性污泥法的硝化脱氮效果进 行了深入研究，结果表明污水b o d 5 t n 为2 4 5 以上时，总氮去除率可达到9 9 以上； 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 同时结果还表明，膜生物反应器的运行具有一定的稳定性。到今天为止，膜生物反应器 系统广泛应用在生活污水处理及回用方面、高浓度的食品工业及啤酒工业中【7 】。 对分置式膜生物( 活性污泥) 反应器系统的研究和利用比较多，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l o 2 0 倍【8 】，为解决能耗较高的问题产生了一体式膜生物( 活性污泥) 反应器。 1 2 2 一体式膜活性污泥反应器 一体式膜活性污泥反应器组合较简单，直接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。为减少膜面污染，延长运行周期，一般泵的抽吸是 间断运行的。一体式膜活性污泥反应器利用曝气时气液向上的减切力来实现膜面的错流 效果，也有采用在一体式膜组件附近进行叶轮搅拌和膜组件的旋转来实现膜面错流效 应。与分置式相比，一体式的最大特点是运行能耗低。一般认为，一体式在运行稳定性、 操作管理方面和清洗更换上不及分置式。 图1 - 2 一体式m b r 工艺流程图 f i g 1 2p r o c e s sf l o wc h a r to f i n t e g r a t e d - m b r 出水 1 2 3 复合式膜生物反应器 复合式膜生物反应器从型式上看，也属于一体式膜生物反应器，也是将膜组件置于 生物反应器中，通过重力或负压出水，所不同的是生物反应器的型式。复合式膜生物反 应器，是在生物反应器中部分安装填料和活性污泥一起形成复合式处理系统。 在复合式膜生物反应器中安装填料的目的有两个：一是提高处理系统的抗冲击负 荷，保证系统的处理效果；二是降低反应器中悬浮性活性污泥浓度，减小膜污染的程度， 保证较高的膜通量。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 3 复合式m b r 工艺流程图 f i g 1 - 3p r o c e s sf l o wc h a r to f h y b r i ds u b m e r g e dm b r 出水 有研究表b 凋t g l 生物反应器中的污泥浓度过高或过低都会对膜通量产生不利的影 响。污泥浓度过高时，污泥容易在膜表面沉积，形成较厚的污泥层，导致过滤阻力增加， 从而使膜通量降低；污泥浓度过低时，反应器内微生物对有机物的降解去除效果减弱， 使得混合液中溶解性有机物浓度增加，从而在膜表面和膜孔内吸附，导致过滤阻力增加， 影响膜通量。而在生物反应器内安装填料之后，则可以很好地解决这些问题。填料上附 着生长的大量微生物，能够保证系统具有较高的处理效果并有抵抗冲击负荷的能力【l o j 【l l 】同时又不会使反应器内悬浮污泥浓度过高，影响膜通量。 1 3 膜生物反应器的应用和发展现状 1 3 1 国外膜生物反应器工艺的研究及应用情况 膜生物反应器在废水处理领域的应用研究始于美国，膜生物反应器最早出现于酶制 剂工业，它最早应用于污水处理领域的应用开始于六十年代，1 9 6 6 年，美国的d o r r - o l i v e r 公司首先将膜生物反应器用于废水处理的研究。在该废水处理系统中，污水进入悬浮生 长的生物反应器中，并通过超滤膜组件的抽吸作用连续出水，膜组件为板框式。美国的 s m i t h 报道了好氧活性污泥法与超滤膜结合用于处理城市污水，研究证明，该工艺具有 减少活性污泥产量、维持较高活性污泥浓度、减少污水处理厂占地面积等优点【1 2 】。1 9 6 9 年，b u d d 等的分离式膜生物反应器获得了美国专利。7 0 年代初期，好氧分离式膜生 物反应器的研究进一步扩大，同时厌氧膜生物反应器的研究也相应进行。h a r d t 将完全 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 混合式生物反应器与超滤膜结合用于处理高浓度废水的研究。同时h a r d t 等人使用完全 混合膜生物反应器处理生活水，其中的m l s s 高达3 0 0 0 0 m g l ，是常规好氧系统的2 3 倍， 膜通量为7 5 l m 2 h ，c o d 去除率达到了9 8 1 1 3 】。1 9 7 1 年，b e m b e r i s e t a l 在一座实际的 污水处理厂进行了膜生物反应器的试验，取得了良好的试验结果。1 9 7 2 年s h e l f 等人开 始了厌氧型膜生物反应器的研究工作。1 9 7 4 年c r u v e r 等进行了厌氧膜生物反应器的中 试试验研究，都取得了较好的结果。c j r e t h l e i n 等在1 9 7 8 年进行了厌氧硝化池一膜系 统处理生活污水的研究，b o d 和n o x 的去除率达到了9 0 和7 5 t 1 4 】。h a m m e re t a 1 ( 1 9 6 9 ) 和l ie ta 1 ( 1 9 8 4 ) 分别进行了厌氧一膜系统操作的可行性研究。研究表明，厌氧 污泥沉淀性能差，要获得高浓度的污泥，提高污泥龄是厌氧消化技术的关键。6 0 年代 到7 0 年代这一时期，由于膜种类少，且膜材料大多为有机高分子，生物稳定性差，使 用寿命短，膜通量小，限制了该工艺的实际应用，这项技术仅停留在试验室研究规模。 7 0 年代后，膜生物反应器的研究有了较快地发展。到了8 0 年代，把膜生物反应器的研 究从污水处理对象与规模上都大大推进一步的是日本，这一时期日本多家公司使用好氧 膜生物反应器处理大楼废水，经处理后的水做中水回用，处理水量达到5 0 2 5 0 m 3 d 。日 本1 9 8 5 年开始实施“水综合再生利用系统9 0 年代计划”，该项计划的目的是解决水污染 问题和从污染物中获取能量。特别是开发一种膜技术与生物反应器相结合来处理工业和 城市污水，省能省地，出水水质好，适于污水回用的工艺。项目耗资1 1 8 亿日元。研制 了酒精发酵废水、蛋白工厂加工废水、造纸厂废水、淀粉厂废水、粪便废水、城市污水 等7 类污水的膜生物反应器处理系统l l5 1 。进入8 0 年代中后期，欧美的一些研究成果对 膜生物反应器的应用和推广也做出了很大贡献，t r a l 提出：错流式微滤膜因操作压力 低，可降低废水处理中的能耗，能耗问题开始受到重视【1 6 1 。1 9 8 6 年，b i n d o f 等人用 厌氧固定床与膜分离组合工艺处理高浓度生活污水【1 7 】。研究了有机负荷、d o 等因素对 微滤膜生物反应器工艺处理稀释玉米浸液水时溶解性有机碳去除负荷的影响，在不同的 负荷下，总去除率超过了9 6 ，说明有机负荷对膜生物反应器去除c o d 无太大的影 响。中空纤维膜组件直接置于曝气池中，1 9 8 9 年，y a m a m o t o 将间歇抽吸出水，减缓了 膜的堵塞，c o d 的去除率9 5 ，脱氮达6 0 。9 0 年代以后，膜生物反应器的应用与 机理研究已进入实际应用阶段，并得到迅速推广。m k n o n s 利用l y d n e y 和c o l t o n 提 出的浓差极化理论，研究了错流式膜组件的透水率，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