（市政工程专业论文）CASS工艺—膜过滤中水处理技术的研究.pdf

摘要 摘要 本课题采用截留分子量5 0 0 0 0 d a 的国产聚丙烯腈中空纤维超滤膜，加工成 外壁面积1 1 m 2 的外压式柱状膜组件，并组装成间歇产水、膜自曝气的一体式 膜生物反应器。 应用该装置对小区生活污水进行处理，研究它对污水中c 0 d 的去除效果以 及原水水质、水力停留时间、反应温度对c o d 去除率的影响。实验证明，原水 中c o d 浓度升高、水力停留时间缩短、在低温下运行都会降低反应器对c o d 的生化去除率，但c o d 的总去除率始终保持在9 0 左右，出水水质稳定，说明 一体式膜生物反应器具有较强的耐冲击负荷能力，超滤膜对高分子有机物的截 留作用显著，但在低温下运行，膜污染严重，出水压力迅速上升，膜通量减小。 同时研究了该装置对n h ，蝌、悬浮物的去除效果，结果显示，膜生物反应 器对n h 3 一n 的去除率比一般活性污泥系统明显提高，达8 0 8 5 之间；出水 浊度小于3 n t u ，浊度去除率大于9 8 。一体式膜生物反应器出水各项指标均 满足生活杂用水水质标准。 通过对反应器内微生物增殖进行动力学分析，证明反应器内污泥浓度不仅 与迸水水质、蛐玎、s r t 等条件有关，而且与反应器中混合物上清液的c o d 浓 度有关。反应器中的污泥产量比一般活性污泥法低，且在其它条件不变的情况 下，随着s r t 的延长，污泥浓度将会逐渐增至最大值。通过一体式膜生物反应 器的实验验证了以上动力学分析。 课题深入研究了一体式膜生物反应器内污泥浓度对膜通量和c o d 去除效 果的影响。当反应器内污泥浓度过高时，混合物上清液的c o d 浓度明显升高， 膜通量迅速下降，出水压力迅速升高。说明膜生物反应器系统应选择一个合适 的污泥浓度，既保证较高的生化去除率，又使膜在出水压力较低的情况下，获 得较高的透水率。 根据对一体式膜生物反应器处理生活污水的研究，自行研制了多功能外罩 式膜生物反应器，它是c a s s 工艺与膜过滤单元组合的新型外置式膜生物反应 器。一方面利用膜过滤单元对活性污泥的截留，延长s r t ，使c a s s 池获得更 高的生物浓度，并延长高分子有机固体停留时间，提高生化处理效果。另一方 面，利用c a s s 工艺出水悬浮物浓度低，水质好的优点，提高膜的水通量，减 缓膜的污染，降低循环水流速，节约能耗。为膜技术在中水处理工程中的应用 进行了卓有成效的探索。 北京工业大学工学硕士学位论文 应用该装置处理生活污水，实验证明反冲制水的运行方式优于间歇制水， 对提高膜通量效果显著。通过对最佳反冲洗周期的探讨，利用膜自身的性能， 采用低压恒流启动、少量多次反冲洗的运行方式，有效地提高了水通量、减缓 了膜的污染，延长了膜的使用寿命。 多功能外罩式膜反应器处理生活污水，c o d c ，、b o d 5 、n h 3 一n 、浊度、细 菌等均得到良好的去除效果，各项指标均达到生活杂用水的水质标准。 关键词活性污泥；超滤：膜污染：膜生物反应器：组合工艺：反冲洗周期 i i 摘要 a b s t r a c t h 0 1 l o wf i b e ru fm e m b r a l l ep m d u c e di no u rc o u n t r yw i m 10 5 d am w c o sw a s m a d ei m op 0 1 e s h 印e dp a nw i t he x t e m a lw a l lo f1 1 s q u a r em e t e r s ，w h i c hw a s c o m p o s e dm e m b r a n eb i o r e a c t o rw h j c hm e r g e sb i o l o g i c a lt r c a t m e n ta i l dm e m b r a n e 丘1 t r a t i o na no r g a l l i cw h 0 1 e t h ed e v i c ep r o d u c e sw a t e ri n t e n n i i t e n t l ya i l d a e r a t i n g m e m b r a i l ed i r e c t l y t h ed e v i c ew a su s e dt ot 工a td o m e s t i cw a s t e w a t e ro far e s i d e n t i a ld i s 城c t f o r s t u d y i n gi t sr e m o v a lo fc o d i nw a s t e w a f e ra n di 1 1 v e s t i g a t i n gt h ei n f l u e n c eo fr a w w a t e r s q u a l i t y ，h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ea i l dr e a c t i o nt e m p e r a t l l r e t h ee x p e r i m e n t p r o v e dt 1 1 a t t h er e a c t o r sb i o c h e m i c a lr e m o v a lo fc o dw a sr e d u c e d ，w h a t e v e rt h e c o n c e n t r a t i o no fc o di nr a ww a t e rh a sg o n eu p ，h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m eh a sb e e n c u r t a i l e d ，o rt h er e a c t o rh a sw o r k e di nl o wt e r r l p e r a c u r e ，b u tt h ew h o kr e m o v “o f c o dr e t a i n e da b o u t9 0 ，a n dt h eq u a l i t yo fe m u e n tw a ss t a b l e i ti si l l u s t r a t e dt h a t m e m b r a n eb i o r e a c t o rw h i c h m e r g e sb i o i o g i c a lt r e a f m e n ta n dm e m b r a n e n l t r a t i o na n o 唱a n i cw h o l e c a nb e a rs h o c kl o a dw e l l ，a n du l t r a 矗l r a t i o nm e m b r a n eh o l db a c k h i 曲 一m 0 1 e c u i a ro r g a n i cc o m p o u n de f i c c t i v e ly ，b u tw h e nt h em e m b r a n ew o r k si n1 0 w t e m p e r a t u r e ，m e m b r a n ef o u l i n gi ss e r i o u s ，t h ep r e s s u r eo f e m u e mr i s e sq u i c k l ya n d q u a n t i t yo f p r o d u c e d w a t e r 丘d mm e m b m er e d u c e so b v i o u s l y w ea l s oh a v es t u d i e dt h ed e v i c e sr e m o v a lo fn h 3 一na 1 1 ds u s p e n d e dm a t t e r a s r e s u l td e m o n s t r a t e d ，t h em e m b r a n eb i o r e a c t o r sr e m o v a lo fn h 3 一nr e a c h e s8 0 8 5 ，w h i c hi sh i g h e rt h a ng e n e r a la c t i v a t e ds l u d g es y s t e mo b v i o u s l y ，a n dt u r b i d i t y o fe 用u e n ti s1 e s sm a l l3 n t u ，w 1 1 i c hr e m o v a ji sm o r et h a n9 8 t h ee 蜘u e n t s q u a l i t yi n d e xo f t h ed e v i c eh a s r e a c h e dq u a l i t ys t a n d a r d so fr e c l a i m e dw a t e l t h r o u g hd y n 锄i ca 1 1 a l y s i s t o p m l i f e r a t i o n o fm i c r o o 唱a n i s mi nm e m b r a i l e b i o r e a c t o r ，i ti sp r o v e dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fs l u d g ei nt h er e a c t o rn o to n l yi s r e l a t e dt oq u a l i t yo fr a ww a t e r ，h i u js i ：b u ta l s oi sr e l a t e dt ot h ec o n c e m r a t i o no f c o di nu p p e rc l e a rw a t e lt h eo u t p u to fs l u d g ei nt h er e a c t o ri sl o w e rt l l a l lg e n e r a l a c t i v a t e d s l u d g es y s t e m ，a n d w h e no m e rc o n d i t i o n s a r en o t c h a n g e d ， t h e c o n c e n t r a t i o no f s l u d g ew m r i s et om a ) 【i m u r n 蓼a d u a l 崎w i t hs r ti sl e n g m e n c d t h e e x p e r i m e n th a sv e r i f i e da b o v ea n a l y s i s i i i 北京工业大学工学硕士学位论文 w em a d eat h o r o u g h i n v e s t i g a t i o n o na f r e c to fc o n c e n t r a t i o no fs l u d g et o q u a n t i t yo fp r o d u c e dw a t e ra 1 1 dr e m o v a lo fc o d r h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fs l u d g e i nt h er e a c t o rw a se x c e s s i v e ，t 1 1 ec o n c e n t r a t i o no fc o di nu p p e rc l e a rw a t e ro ft h e r e a c t o ri n c r e a s e do b v i o u s l y q u a i l t i t yo fp r o d u c e dw a t e r 丘d mm e m b r a n er e d u c e d o b v i o u s l ya 1 1 d t h ep r e s s u r eo fe m u e n tm s eq u i c k l y i ti l l u s 仃a 止e dt h a tm e m b r a l l e b i o r e a c t o rs h o u l dh a v eas u i t a b l ec o n c e n t r a t i o no fs l u d g e ，w h i c he n s u r e h i 班 b i o c h e m i c a lr e m o v a lo fc o da n dh i 曲q u a n t i t yo fp r o d u c e dw a t e r1 1 i l d e rl o w e r w o r i ( i n gp r e s s w e 0 nt h eb a s i so f s t u d yo nt h et r e a m l e n to f d o m e s t i cw a s t e w a t e rb ym e m b r a n e b i o r e a c t o rw h i c hm e 唱e sb i 0 1 0 百c a lt r e a t m e n ta n dm e m b r a n ef i l 仃a t i o na i l o 唱撕c w h 0 1 e ，w ed e v e l o p e dav e r s a t i l em e m b r a n eb i o r e a c t o rw i t ho u t e rc o a tt h r o u g ho u r o w n e f r o n s ，w 1 1 i c hi san e wt y p eo fc o m b i n e dm e i n b r a l l eb i o r e a c t o rt h a tm e m b m e f i l t r a t i o ni so u to ft h eb i o r e a c t o la n dt h ed e v i c em a k eu s eo ft h ee f r e c tm a t m e m b r a l l ef i l t r a t i o nh o l d st h ea c t i v a t e d s l u d g e b a c ki n t om eb i o r c a c t o r ，w h i c h l e n g t h e n st h es r t ，g e t sh i 曲e rc o n c e n t r a t i o no fm i c r o o r g m i 锄i nt l l e c a s st a n k ， a n d1 e n g t h e n st h er e t e n t i o np e r i o do fm a c m m o l e c u l a r c o m p o u n ds 0 1 i d si no r d e rt o i m p r o v et h ee f r e c t so f b i o t r e a t m e n t 0 n 也eo m e rh a i l d ，m ed e v i c em a k e su s eo f t h e a d v 舭t a g eo fc a s sp r o c e s s ，t h a ti t s e m u e n th a sl o wc o n c e n t r a t i o no fs u s p e n d e d s o l i d s ，i no r d e rt oi m p r o v em eq u a i l t i t yo fp m d u c e dw a t e r ，s l o w e dd o w l lm 锄b r a l l e f o u l i n g ， r e d u c ec u r r e n t v e l o c i t y o f c i r c u l a t i n gw a t e r e c o n o m i z eo n p o w e r c o n s u l l l p t i o n a l lt h i sc o n t r i b u t et oa p p l i c a t i o no f m e m b r a 工l et e c l m i q u et or e c l a i m e d w a t e rt r e a t m e n t t h ed e v i c ew a su s e dt ot r e a td o m e s t i cw a s t e w a t c r ，a i l dm ee x p e r i m e n tp r o v e d t h a tt h em o d eo fp m d u c i n gw a t e rw i t hp e r i o d i c a lb a c k w a s h i n gi s s u p e r i o rt o t h e m o d eo fi n t e m l i t t e n tp r o d u c i n gw a t e r t h ef o 肌e ri m p m v e dq u a n t i t yo fp r o d u c e d w a t e re 矗c c t i v e l yt h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o no no p t i m u mb a c k w a s h i n g c y c l e ，a n do n b a s i so fm e m b r a n e sc h a r a c t e r i s t i c s ，i tw a sd e t e m l i n e dt oa d o p tm em o d eo f w o r k i n g t h a ts t a r t i n ga tl o w p r e s s u r ea 1 1 di nc o n s t a n t r a t eo f n o wa n d b a c k w a s h i n g m o r ct i m e s b u tw i t hl e s sw a t e rq u a n t i t y ni m p r 0 v e dq u a n t i t yo fp r o d u c e dw a t e r ，s l o w e dd o w n m e m b r a n e f o u l i n g ，p r 0 1 0 n g e ds e r v i c el i f eo f m e m b r a n e e f r e c t i v e l y t h ev e r s a t i l em e m b r a n eb i o r e a c t o rw i t ho u t e rc o a tc a nr e m o v ec o d ，b o d ， n h 3 n ，t u r b i d i t y a 1 1 db a c t e r i a 疔o md o m e s t i cw a s t e w a t e re f r e c t i v e ly ，a 1 1 dt h e i v c o n c e n t r a t i o no ft h e mi n p r o d u c e dw a t e ra l l h a v er e a c h e dq u a l i t ys t a n d a r d so f r e c l a i l n e dw a l e t k e y w o r d s u l t r a f i h r a t i o n ( u d ，a c t i v a t e ds l u d g e ，m e m b r a n ef o u i i g ，m e m b r a n e b i o r e a c t o r ， c o m b i a t i o np r o c e s s ，b a c k w a s hp e r i o d v ， 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 随着经济的迅速发展和人口的急剧膨胀，世界上许多国家和地区相继出现 了水资源匮乏现象，而且这种趋势仍在不断恶化。据联合国第二次人类居住区 大会称：到2 0 1 0 年，世界城市将面临十分严重的缺水问题，并且它将成为“2 l 世纪城市里最容易引起争端的问题。”与此同时，污水排放量日益增加，全世界 每年约有4 2 0 0 多亿m 3 污水排入江河湖海，对作为水源的水体造成严重污染， 使“水资源危机”雪上加霜。我国由于人口众多，许多地区的水资源缺乏更为 严重，全国人均水资源占有量为2 4 0 0 m 3 ，只有世界人均水资源占有量的1 4 ， 属于世界上1 2 个最贫水国家之一。因此，解决“水资源危机”刻不容缓。 目前人们采取的主要途径有：改善供水设施，节约用水；加强水资源保护， 防治污染；开辟新水源。由于生活污水水质稳定可靠，只有o 1 的污染物质( 海 水为3 5 ) ，而且易于收集，深度处理后再利用，其基建投资比远距离调水经 济，因此许多国家都将城市污水回用作为解决缺水问题的首选方案之一。在美 国，有3 0 0 多座城市实现了污水处理后再利用；以色列在1 9 8 7 年已有2 1 0 个市 政污水回用工程，城市污水回用率达7 2 ；1 9 9 6 年纳米比亚温得和克市污水回 用量达到2 i 0 0 0 m 3 d ；我国北京市目前也已建成首都机场、中国国际贸易中心、 清华浴池等几十项污水回用工程，总设计能力3 0 0 0m 3 d ；青岛、大连、太原、 天津、西安等缺水的大城市也相继开展了污水回用于工业和民用的试验研究， 有的已修建了回用试点工程，并取得了积极成果。 由于污水处理绝大部分采用生物法，因此它的再利用最终涉及到微生物( 活 性污泥或生物膜) 和处理水的固液分离问题，同时，处理后的水无论作为生活 杂用水还是某种工业用水，对其固体含量、色度、气味和细菌指标等都有严格 的要求。而固液分离一直沿用的自然沉降法除了占地面积大、耗时低效外，也 无法实现再利用的水质要求。在此情况下，超滤( 微滤) 技术以结构简单、占 地少、操作压力低、无相变、能耗少、适用范围广、分离效率高的优点被引入 污水回用领域，它可将游离细菌和大分子有机物完全阻隔在生物反应池内，使 出水水质完全达到回用要求。 另一方面，正是由于膜分离的特点改变了传统生物处理法中污染物的构成， 使大分子有机物和胶体明显上升，出现有机污染物的累计，也改变了微生物生 长代谢的环境，促使某种专性微生物的增殖，这就涉及到操作条件的控制问题。 北京工业大学工学硕士学位论文 随着膜分离过程的延续，膜表面粘附的污泥逐渐增厚而且紧密，当膜表面污泥 的流态发生突变时，膜表面污泥层的阻力急剧增大，使水通量迅速下降，这就 是膜污染和堵塞问题。这些问题都是制约膜技术应用的关键问题，因此我们可 以看到在污水资源化领域中，膜分离技术无论在基础理论方面还是应用方面都 有待进一步研究。 目前人们对于膜的研究工作主要集中在以下几个方面：膜的材料、形式、 孔径、厚度等物理化学性能对分离效率的影响：分离操作条件如温度、p h 值、 含盐量、分离物浓度等对分离效率的影响；膜面污染控制和清洗恢复的药剂 及方法。而对膜生物反应器的研究内容更加全面而深入，大致可分为以下几个 方面：扩大膜生物反应器的适用范围，探求合适的工作条件和工作参数； 设法提高超滤膜组件的性能，并从膜生物反应器的构型上尽可能为膜的稳定工 作创造条件，主要是为减轻膜堵塞程度，提高膜通量和截留率；降低处理工 艺的动力损耗，使其成为节能型新工艺。为此许多人做了大量的研究工作，为 9 0 年代膜生物反应器的进一步推广应用奠定了基础。 在开发新型膜材料的基础上，上述问题的实验研究都已取得不同程度的进 展。本课题正是在这样的背景下提出，目的是将目前处理小区生活污水较常用 的周期循环活性污泥法( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ，简称c a s s 工艺) 和膜过滤相结合，优化操作条件，发挥各自的优势，开发出一种中水回用的新 工艺。它将在未来的城市小区污水资源化领域具有广阔的应用前景。 1 2 膜分离技术在国内外的研究及应用 1 2 1 膜技术分类 膜，更准确地说是半渗透膜，它是一薄层物质，它能在一定的推动力下， 利用混合物中各种组分的物理化学性质的不同将它们分离开来，从广泛意义来 说，每种膜都是一个过滤单元。1 。 工业化应用膜过程的分类及其基本特征见表1 1 ，其中反渗透、纳滤、超滤、 微滤都属于以压力为驱动力的膜分离过程，即压力驱动膜过程。 反渗透运行压力高，一般为1 5 1 0 m p a ，截留组分为o 1 1 r l i n 的小分子 溶质，几乎能将所有无机离子从水中去除，因此反渗透成为海水淡化、超纯水 和纯水制备的优选技术。纳滤又称作低压反渗透，操作压力为o 5 2 o m p a ，截 留分子量( m w c o ) 为2 0 0 1 0 0 0 d a ( d a l t o n s ) ，可将分子大小约为l n m 的溶 解组分截留，纳滤的总盐类去除率在5 0 7 0 左右，对二价离子如钙、镁的 第l 章绪论 表1 1 膜分离过程的分类及其基本特性 过程透过组分截留组分 推动力分离机理膜类型 简图 压力差 进料lb 微滤( m f )溶液、 o 0 2 0 1 筛分多孔膜 m i c r 0 6 l t m t i o n气体1 0u m 粒子 滤液 o 5 m p a 压力差浓缩液 超滤( u f )小分子l 2 0 m 大非对 4 ：= 十一 0 1 1 m p a 筛分 进料 u l t r a f i l t r a h o n溶液分子溶质 称膜 溶剂、低压力差溶解扩散非对称 茫纛； 纳滤( n f )1 n m 以上溶 价小分子 o 5 d o n n a 效 膜或复 n a n o 丘1 t r a t i o n质 溶质1 5 m p a应合膜 选择性吸 反渗透( r o )附，毛细非对称 溶质( 盐) o 1 1 m压力差 r e v e r s e溶剂管流动，膜或复越二卜 小分子溶质l l o m p a 进料l 碥( 水) o s m o s i s溶解一扩合膜 散 般 0 0 2非对称 进料净化液 筛分，微 膜或离 - ，叫卜- j 卜 渗析( d )小分子 um ，血液 浓度差孔膜内的 叫卜+ d i a l v s l s 溶质渗析时子交换 扩散液 接受液 受阻扩散 o 0 0 5u m膜 反向离子 进料型型 电渗析( e d )小离子 离子电位差 在离子交离子交 i ；生：2l e 1 e c t r o d i a l y s i s 组分换膜内的换膜 迁移 阴离子 遗阳离子 气体、小压力差l 溶解一扩均质 气体分离( g p )分子组分 大分子组分 1 0 m p a散，分子膜，复 鼍日爹 g a s 或膜中易浓度差( 分筛分，努 合膜， p e 订n e a f i o n溶组分压差)森扩散非对称渗透气 i 宝苫鲨盔兰三主簦圭主堡笙苎 膜，多 孔膜 均质 膜内易溶不易溶解组膜，复 溶质或 渗透汽化( p v )分压差溶解一扩，渣剂 解或易挥分或难挥发合膜， 叶广 p e r v a p o r a t i o n 浓度差散 进料l 靠 发组分物非对称 膜 溶质 倒匝 液膜( l m )在液膜中 在液膜中难浓度差溶解扩散 两 外i l i q u i d 难溶解组 溶解组分p h 差传递 液膜 钿i m e m b m n e分 去除率特别高，因此可用于水的软化。超滤和微滤属于低压膜处理，操作压力 为o 1 1 0 m a 。超滤的截留性能一般用截留分子量表示，通常在1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 d a 的范围内。微滤的截留性能一般用标称孔径表征，即孔径分布中最大 值对应的微孑l 直径，一般为o 0 8 1 0 um 。超滤和微滤能有效地去除水中的悬 浮物、胶体和细菌等。 1 2 2 膜技术发展概况 人类首次揭示膜分离现象是1 7 4 8 年法国学者阿贝诺伦特( a b b en o l l e t ) 发现水能自然地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内。3 。但由于当时人类的认识能力 和科技发展状况的限制，直到1 8 6 4 年t r a u b e 才成功研制出历史上第一片人造 膜亚铁氰化铜膜。而直到2 0 世纪中叶，各种膜分离技术才得以发展，其中 微滤和电渗析( m i c r o f i l 仃a t i o n ，m f e 1 e c t r o d i a l y s i s ，e d ) 于5 0 年代率先进入 工业应用，6 0 年代是反渗透( r e v e r s eo s m o s i s ，r 0 ) ，7 0 年代是超滤 ( u 1 t r a 6 l t r a t i o n ，u f ) ，8 0 年代是气体分离，9 0 年代是渗透蒸发( p e n ，a p o r a c i o n ， p v ) 。这些膜分离技术都是伴随着新型膜材料的开发而不断发展，6 0 年代初l o e b 和s o u r i r a j a l l 用相转化法制得非对称醋酸纤维素反渗透膜”，7 0 年代c a d o t t e 等 通过界面缩聚制得n s l o o 复合反渗透膜，两年后又研制出n s 一2 0 0 复合反渗透 膜，8 0 年代研制出f t - 3 0 复合反渗透膜，该膜有优异的渗透选择性和耐游离氯 性能，今年又衍生出了超低压反渗透膜。在各种性能优异的膜不断被开发的同 时，各种膜组件相继问世。1 9 6 1 年美国h e v e n s 公司首先提出管式膜组件的制造 方法，1 9 6 5 年在美国加利福尼亚大学制造出苦咸水淡化的管式反渗透装置，1 9 6 7 4 第1 章绪论 年至1 9 7 0 年d u p o n t 、d o w 等公司分别发明了卷式和中空纤维式膜组件，其中 以芳香聚酰胺为膜材料的中空纤维膜组件获1 9 7 1 年美国柯克帕特里克 ( k i r k p a t r i c k ) 化学工程最高奖。其间，膜分离技术的优势不断强化，并在各个 领域越来越多的得到应用。有专家预言，2 l 世纪是膜的世纪。 我国1 9 5 8 年开始进行离子交换膜的研究和电渗析法海水淡化的试验研究。 1 9 6 6 年开始反渗透半透膜的研究，1 9 7 5 年后开展了超滤膜的研究，其后在国家 “六五”、“七五”、“八五”计划中，膜技术均被列为重点研究开发项目。国产 的反渗透和超滤装置在很多工业领域相继得到应用。 1 2 3 膜技术在水处理领域的研究与应用 1 9 6 9 年，美国s m i t h 首先报道了活性污泥生物法和超滤结合处理城市污水 的方法53 ，可谓膜生物反应器的雏形。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，使其在投入实际应用中遇到障碍。到7 0 年代后期，日本 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 年代后期， 随着膜材料的开发，国际上对膜生物反应器的研究更是方兴未艾，研究内容更 加全面而深入。 膜生物反应器所用的超滤和微滤属于低压膜处理，操作压力为o 1 1 o m p a ，超滤的截留性能一般用截留分子量表示，通常在1 0 0 0 1 0 0 ，o o o d a 的 范围内。微滤的截留性能一般用标称孔径表征，即孔径分布中最大值对应的微 孔直径，一般为o 0 8 1 0um 。超滤的主要分离机理是筛滤，在一定的压力下， 它只允许溶剂和小于膜孔径的溶质透过，而阻止大于膜孔径的溶质通过，以完 成溶液的净化、分离与浓缩。超滤技术具有以下特点：无相际间的变化，可 以在常温和低压力下进行分离，因而耗能低；超滤分离是简单的流体加压输 送过程，工艺流程简单，易于操作管理；设备体积小，结构简单，故投资费 用低；物质在浓缩分离过程中不发生质的变化，因而使用于保味和热敏性物 质的处理：适合稀溶液中微量贵重大分子物质的回收和低浓度物质的浓缩； 能将不同分子量的物质分级：超滤膜是由高分子聚合物制成的均匀的连续 体，在使用过程中无任何杂质脱落，保证超滤液纯净。超滤在水力停留时间和 浊度去除效率这两个参数上，远远优于常规过滤，在控制消毒副产物方面的功 效也很显著。 以生物反应器和膜单元结合方式来划分，膜生物反应器可分为分置式和一 体式两类。分置式是膜组件和生物反应器分开，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；固形体、 北京工业大学工学硕士学位论文 大分子物质等被膜截留，随浓缩液回流到生物反应器内。分置式的特点是运行 稳定可靠，操作管理容易，易于膜的清洗、更换及增设，但般条件下为减少 污染物在膜表面的沉积，由循环泵提供的水流流速都很高，为此动力消耗较高。 一体式膜生物反应器是将膜组件置入反应器内，通过真空泵抽吸得到过滤液。 为减少膜面污染，延长运行周期，一般泵的抽吸是间断进行的。与分置式相比， 一体式的最大特点是运行动力费用低“1 ，但在运行稳定性、操作管理方面和膜的 清洗更换上不及分置式。 膜生物反应器出水水质好，可达到生活杂用水水质标准。其工艺参数易于 控制，可实现较长的s r t ，使世代时间较长的硝化菌得以富集，提高硝化效果。 同时，膜分离技术使废水中的大分子难降解成分，在有限体积的膜生物反应器 中有足够停留时间，从而达到较高去除率。由于反应器内污泥浓度高，容积负 荷可大大提高，使设备紧凑，占地少。而一体式膜生物反应器可使设备更加紧 凑。膜分离单元不受污泥膨胀等因素的影响，易于实现自动控制，便于管理。 膜生物反应器在国外已有很多应用。首先在污水回用领域日本于1 9 7 2 年出台法律，要求所有大型建筑设施必须安装污水回用或雨水收集等节水设施。 这一法律促进了膜生物反应器的推广应用。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 m 3 d 的膜生物反应器处理厂。现在，已有3 9 座这样的水厂 在运行，最大的处理能力可达5 0 0 m 3 d 。 在工业废水处理中人们将厌氧工艺与膜技术相结合，1 9 8 7 年南非成功 地建成膜厌氧生物反应器处理玉米加工废水，有机物去除率可达9 7 ，渗水率 8 3 7 l ( m 2 h ) 。也有将好氧生物反应器与膜技术结合，处理工业废水的。韩国 的s a n gy b u n gm o t o r 公司采用好氧膜生物反应器处理含油废水，油的去除率可 达到9 9 。 膜生物反应器也被用于处理市政污水。t r o u v e 等利用膜生物反应器处理市 政污水已达到中试规模，日处理水量1 8 4 0 m 3 d ，c o d 及n h 3 一n 的去除率达 9 3 9 9 9 ，系统产水率为6 0 8 0l ( m 2 h ) 达1 5 d 以上，系统稳定运行达l o o d 以上。 国内的研究目前基本处于实验室阶段，由于种种原因在水处理厂的建设中 还很少用到。 1 3 周期循环活性污泥法( c a s s 工艺) 的研究与应用 周期循环活性污泥法( c a s s 工艺) 是从序批式活性污泥法简称s b r 。6 第l 章绪论 ( s e g u e n c i n g b a t c h r e a c t o r ) 工艺改进发展而来的。s b r 工艺是一种按间歇曝气 方式运行的活性污泥污水处理技术。它从f i j j & d r a w ( 加入及排放) r e a c t o r 反 应器发展而来，由于f i l l & d r a w 存在的局限性，很快被连续流反应器( c o n t i n o u s a c t i v a t e ds l u d 譬er e a c t o r ，简称c a s ) 替代了。 上世纪七十年代初，为了解决连续流污水处理工艺( c a s ) 中存在的一些问 题，比如：对水质变化和冲击负荷适应性差、易发生污泥膨胀等问题，由美国 r o b e r th i n e 教授等人发起，对序批式活性污泥法重新进行了研究和评价，并于 1 9 7 9 年发表了第一篇采用s b r 工艺处理污水的论著。其后日本、澳大利亚等 国都对该工艺进行了应用研究。随着研究的不断深入，人们对该工艺的机理和 优越性有了全新的认识。 进入8 0 年代，各种新型不堵塞曝气器、新型浮动式出水堰( 滗水器、撇水 器) 以及自动监控硬件设备和软件技术的出现和发展，使s b r 工艺的优势得到 充分发挥，并迅速应用于工程实践。1 9 8 0 年在美国国家环保局的资助下，印第 安纳州c u l v e r 城投建了世界上第一个s b r 工艺的污水处理厂。1 9 8 4 年美国国 家环保局通过了s b r 技术评价，此后，在政府的资助下，s b r 成为美国中小型 污水处理厂的首选工艺。1 9 8 5 年日本下水道理事会公布了对序批式活性污泥法 的技术评价报告书，充分肯定了该工艺的优点。至今，日本采用s b r 工艺的小 型污水处理厂数量仍保持着世界第一的记录。在澳大利亚，公用事业部引入s b r 工艺用于城市污水处理，它已成为城市污水处理的主导工艺，近1 0 年来已建成 s b r 污水处理厂近6 0 0 座。我国自1 9 8 5 年在上海建成首座处理肉类加工污水 的s b r 系统后，陆续在城市污水及工业废水处理领域对该工艺进行推广和应 用。 为了解决连续进水和取消污泥回流等问题，总装备部工程设计研究总院自 1 9 9 4 年开始在s b r 工艺的基础上，进行周期循环活性污泥法( c y c i i c a c t i v a t e d s l u d g es y s t e m ，简称c a s s 工艺) 的试验研究工作，并始终与工程实践相结合， 探索了c a s s 工艺处理常温生活污水、低温生活污水以及制药、制革、食品加 工、飞机维修等工业废水的实验运行条件和工程设计参数，同时研制了c a s s 工艺的配套设备( 如滗水器、水下曝气机等) 。 该工艺的特点是在反应池前部设置了预反应区，可实现连续进水，后部安 装了可自动升降的滗水装置，可实现时序自动控制，整个工艺不需污泥回流。 近年来，该工艺以其构筑物简单、建设费用低、操作方便、运行可靠的特 点首先在军队营区污水处理领域得以推广，显示了它在小区生活污水处理方面 的优势。 ! ! ! 暑! ! ! ! 皇! ! ! ! 皇鐾i i ；：鉴兰三兰璺圭兰垡笙銮 1 4 本课题的研究工作 1 4 1 课题来源 本课题是北京工业大学建工学院和总装备部工程设计研究总院联合申报的 应用性课题，由学校导师指导，设计院提供研究经费和实验条件。 1 4 2 研究目的 ( 1 ) 选择适合本课题研究的膜材料和膜组件，使之具备国产化条件和处理生 活污水的工程应用前景。 ( 2 ) 考察膜材料的分离性能( c o d c r 、b o 胁、n h 3 n 和悬浮物的去除率) 以 及操作条件对膜分离的影响，找到增加膜通量、提高膜抗污染能力的途径。 ( 3 ) 研制膜反应器，使之成为c a s s 工艺的后续处理单元，考察c a s s 工艺一 膜过滤组合装置处理生活污水的效果，并优化操作条件。 1 4 3 研究内容 ( 1 ) 考察各种膜材料的物理化学性质，比较它们的分离特性( 包括膜的透水 通量和截留率) 和抗污染能力，并选择适合于中水处理的膜材料和膜孔径，使 之具备大的水通量、较好的抗污染能力，能够在工程化过程中实现低造价、低 能耗。 ( 2 ) 用所选膜材料的柱状中空纤维膜组件建立一体式膜生物反应器系统，通 过单因素对比实验研究原水水质、水力停留时间、反应温度、污泥浓度等控制 条件对膜反应器去除c o d c ，效果的影响，探讨通过改变反应条件实现增大水通 量，减轻膜污染，降低能耗的途径。 ( 3 ) 探讨反应器内污泥的生长情况、种类、性状以及污泥浓度对膜通量的影 响，确定合适的操作条件，使平衡状态下系统保持最佳污泥浓度。 ( 4 ) 在上述研究的基础上，通过改变运行方式改造膜反应器，使之作为c a s s 工艺的后续处理单元，再进行c a s s 工艺膜过滤的中水处理实验研究，考察 c o d c ，、n h 3 一n 、悬浮物和细菌的去除率，验证该工艺出水是否满足中水回用的 水质指标要求。 ( 5 ) 研究c a s s 工艺膜过滤系统水通量的提高情况，并通过实验选择适当的 膜清洗方式和清洗周期。 第2 章膜生物反应器、c a s s 工艺的理论基础 第2 章膜生物反应器、c a s s 工艺的理论基础 2 1 超滤原理 2 1 1 超滤的操作方式。3 超滤有两种基本操作方式：全程过滤( f u i i f i o w “i t r a t i o n ) 和错流过滤( c r o s s f l o wf i l t r a t i o n ) 。全程过滤是指在膜两边压力差的驱动下，溶质和溶剂垂直于分 离膜方向运动，溶质被膜截留，溶剂通过膜而被分离。全程过滤中主体料液与 透过液运动方向相同。全程过滤也叫死端过滤( d e a de n df i l t r a t i o n ) 它随着操 作时间的增加，膜污染会越来越严重，必须周期性地停下来清洗膜表面或更换 膜，所