（环境工程专业论文）膜生物反应器处理生活污水运行控制优化研究.pdf

武泼理 夫学璜士学氆釜文 摘要 零谚究采弱濮生物爱盛嚣工艺，潋生活污术尧娃瑷对象，系绞缝考察了 膜嫩物反应器的遮行效能，煎点对膜生物反应器运行稳制条件进行优忧研究， 在此基础上建立了有机底物降解和污泥增长动力学模式，并进一步对膜生物 反艨器的应用避季亍了技术经济分析。 貘生穆爱纛捺采硝连续逡农方式，程遗零量为8 ：5 l d ，零力侉整露淘 ( h r t ) 为2 4 h ，进水c o d 浓度为1 6 1 8 2 1 0 8 m g l ，进水负荷为0 1 5 o 2 0 k g c o d ( m 3 d ) ，水温为1 8 2 2 0 0 的条件下，7 日借究成启动。此后，进水 c o d 派发为2 t 9 + 3 3 9 3 。l m g l ，送水量痰8 。5 l i d 逐步增至6 1 + 5 l d ，枣积受萄 褶应遗由0 2 3 k g c o d ( m 3 d 1 逐渐增茄至2 9 7 k g c o d ( m 3 - d ) ，反应器辩c o d 的 平均去除率为9 3 7 。其闻，容积负荷和污泥负荷的变化对c o d 去除率没有 明驻影响。运行过程中，由予进水水质的变化分别在籀4 0 、4 9 运行同形成了 嚣次狰鑫受穗。容积受蘩分躺提蹇甍3 。6 8 k g c o d ( m 3 国、4 ，4 6 k g c o d l ( m a d ) ， 假c o d 去除率仍高达9 8 9 、9 7 5 ，冲击负荷均未对反应器的遨行效果产 生影响。在整个运行阶段，污泥从感观上经历了由开始时的黑色变为灰褐色 最聪变为黄褐稳的过程，污溅浓度由接秘对的2 2 1 2 m g l 最终增至8 9 2 6 m g l ， m l v s s m l s s 窍所降低。穗爱应器稳定逐行螽羯，躐察反应器内瀵台滚豹生 物相，镜检发现后生动物轮嫩。以上结果表明，膜生物反应器具有启动迅速， 负荷提高快，肖机物去除率商，运行稳宠和抗冲击负荷能力强等优点，而且 虿_ | 三l 弱瘸镜硷擞物鞠鹣方法来誊褒判叛瘦斑黎豹运纾坟悫。 在膜生物殿应器处理藏活污水研究的基础上，建纛了有枫底物降解蘑力 学方程和污泥增长动力学方程，其表达式分别为： 矗瑚州舟瞄粥，等= 0 ，1 0 9 7 笋吨淄4 。 运行控制祭件优化研究袭明，最佳邀行控制参数中m l s s 为5 5 0 0 m g l ， h r t 为3 4 h ，簸佳 棼泥对闼必1 5 天t 经济技本分析结果发蠛，采雨膜叠三物反应器姓瑗生活污承瘸予豳f i t 在技 术和经济上是w 行的，其工程总投资为2 5 9 万元，与生化和物化相结合的工 愁相当，但运行成本较低，可节省o 0 9 元m 3 。 荧键滋；骥生鐾爱痤器，垒潺污隶，运豁散麓，动力学 武汉理工夫学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , t h ed o m e s t i c w a s t e w a t e rw a st r e a t e d u s i n g t h em e m b r a n e b i o r e a c t o r e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c y , o p t i m i z et h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n t h ek i n e t i c se q u a t i o no fs u b s t r a t ed e g r a d a t i o n a n d s l u d g eg r o w t h w e r ec o n s t r u c t e d e c o n o m i ca n dt e c h n i c a l a n a l y s i s o f m e m b r a n eb i o r e a c t o rw e r e i n v e s t i g a t e d t h es t a r tu po ft h em e m b r a n eb i o r e a c t o rc o u l db ef i n i s h e di n7d a y s ，w h e nt h e o p e r a t i n gc o n d i t i o n s w e r e - t h ei n f l u e n tf l u x8 5 l i d ，t h eh r t3 4 h ，t h ei n f l u e n t c o d1 6 1 8 2 1 0 8 m g l ，t h e v o l u m e l o a d i n go 1 5 0 2 0 k g c o d ( m 3 d ) ，t h e i n f l u e n t t e m p e r a t u r e 18 2 2 0 0 w h e nt h e o p e r a t i n g c o n d i t i o n sw a st h e i n f l u e n tc o d 2 1 9 3 3 9 3 1 m g l ，t h ei n f l u e n tf l u xw e r ei n c r e a s e dg r a d u a l l yf r o m 8 5 l dt o6 1 5 l d ，t h ev o l u m el o a d i n gw a si n c r e a s e df r o mo 2 3 k g c o d ( m 3 d ) t o 2 9 7 k g c o d ( m 3 - d ) ，t h ea v e r a g ec o d r e m o v a le f f i c i e n c yw a s9 3 7 t h ec h a n g e o fv o l u m el o a d i n ga n ds l u d g el o a d i n gh a dn o to b v i o u se f f e c to nc o dr e m o v a l r a t e s t h ei m p a c tl o a d i n gw e r ec o m ei n t ob e i n gd u et oc h a n g eo fi n f l u e n tq u a l i t y i nt h e4 0 s ta n dt h e4 9 s td a y s ，v o l u m e l o a d i n g r o s et o 3 6 8 k g c o d ( m j - d ) 、 4 4 6 k g c o d ( m 3 - d ) ，c o dr e m o v a le f f i c i e n c yw e r e9 8 9 、9 7 5 t h eo p e r a t i o n e f f e c to fm e m b r a n eb i o r e a c t o rw e r en o ti n f l u e n c e d d u r i n gt h ec o u r s eo fa l l o p e r a t i o n ，s l u d g ea p p e a r a n c e h a sb e e n c h a n g e d ，t h a tc o l o r w a s c h a n g e d f r o mb l a c k t od u s tc o l o ra n df i n a l l yc h a n g e dt os n u f fc o l o r ，m o r e o v e r ，m l s si n c r e a s ef r o m 2 2 1 2 m g l t o8 9 2 6 m g l ，w h e r e a st h er a t i oo f m l v s s m l s sw a sd e c r e a s e d i nt h e p h a s e so fs t e a d i l yo p e r a t i o n ，t h e r o t i f e rt h a tb e l o n g st om e t a z o aw a sf o u n di n c o u r s eo fo b s e r v e dt h em i c r o b ep h a s eo fs l u d g em i x e dl i q u i db ym i c r o s c o p e t h u s i tc a nb es e e nt h a tt h em e m b r a n eb i o r e a c t o rh a dm a n yo u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s ， s u c ha ss h o r t e rs t a r t u pp e r i o d ，h i g h e ro r g a n i c c o n t a m i n a t i o nr e m o v a lr a t e s ， q u i c k e rc h a n g eo f v o l u m el o a d i n g ，m o r es t a b i l i t yo p e r a t i o n ，s t r o n g e ra n t i - i m p a c t l o a d i n gc a p a b i l i t y , a n do p e r a t i o n s t a t u so ft h em e m b r a n eb i o r e a c t o rw e r ee s t i m a t e d b yt h em e a n st h a tt h em i c r o b ep h a s eo fs l u d g em i x e dl i q u i d w e r eo b s e r v e db y m i c r o s c o p e b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no ft h em e m b r a n e b i o r e a c t o r t r e a t i n gt h ed o m e s t i c i l 武汉理t 火学硕士学位论文 w a s t e w a t e r , t h ek i n e t i c se q u a t i o no fs u b s t r a t ed e g r a d a t i o na n ds l u d g eg r o w t hw e r e c o n s t r u c t e d ，t h ee x p r e s s i o n sw e r e a sf o l l o w s ： 瓦x t 足= 3 9 9 7 1 9 l 1 1 s 。j + o q ，s 驺，s 。一足l s 。j 尘l ：o 1 0 9 7 望也二墨! 一o 0 3 5 4 。 x y vx p v t h e i n v e s t i g a t i o no f t h eo p t i m u mo p e r a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h eb e s to p e r a t i o n p a r a m e t e r sw e r em l s s 5 5 0 0m g l ，h r t3 4 h ，o p t i m u mt i m ef o rs l u d g ed r a i n a g e 1 5d a y s e c o n o m i ca n dt e c h n i c a la n a l y s i so nm e m b r a n eb i o r e a c t o rp r o c e s si n d i c a t e d t h a tt e c h n i c a la n de c o n o m i c a lf e a s i b i l i t yo fm e m b r a n eb i o r e a e t o rp r o c e s st ot r e a t d o m e s t i cw a s t e w a t e rf o rr e u s eh a sb e e na p p r o v e d t h eg r o s si n v e s t m e n to ft h e p r o j e c t w a s2 5 9 ，0 0 0 y u a n ，t h a t w a se q u a lt ot h e b i o c h e m i s t r y a n dp h y s i c a l c h e m i s t r yp r o c e s s ，b u t t h eo p e r a t i o nc o s tw a s p o w e r ，a n d c o u l ds a v eo 0 9y u a n p e r s t e r e k e y w o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o ld o m e s t i c ，o p e r a t i o ne f f i c i e n c y , k i n e t i c s 1 1 i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 随着全球范围经济的快速发展和人口的急剧增长，水资源短缺、水环境 污染己成为全球人类共同面临的严峻挑战。消除水环境污染，实现水资源化， 节约水资源，缓解需水和供水之间的矛盾，已成为世界各国普遍关注的课题。 不少缺水国家把污水再生利用作为解决水资源短缺的重要战略之一。近年来， 各国针对水环境污染和水资源短缺开展了大量的研究工作，各种新型、改良 型的高效污水处理与回用技术应运而生，其中膜生物反应器( m e m b r a l l e b i o r e a c t o r ，m b r ) 以其独特的优点，在世界范围受到普遍关注。 1 1 膜生物反应器发展概况 膜分离技术应用于废水处理始于2 0 世纪6 0 年代末。1 9 6 9 年s m i t h t l 】等首 次报道了在活性污泥法工艺中采用超滤取代二次沉淀池的方法处理生活污 水。此后，h a n l t 2 1 等采用好氧生物反应器对合成废水进行处理研究，并在工 艺中用一个死端超滤膜实现泥水分离，c o d 去除率可达9 8 。美国d o r r o l i v e r 公司开发的m s t ( m e m b r a n es e w a g et r e a t m e n t ) 处理系统，采用的生物反应 器靠对超滤膜组件的抽吸作用实现连续出水l ”。这一时期，由于受膜生产技术 所限，膜的使用寿命短、通量小，上述研究仅停留在实验室研究阶段。 7 0 年代末期，为实现污水的再生利用，膜生物反应器的研究工作发展较 快。1 9 8 3 年到1 9 8 7 年日本有1 3 家公司使用好氧膜生物反应器处理公寓、办 公楼生活污水作为中水回用。1 9 8 9 年日本政府联合许多大公司共同投资进行 了为期6 年的“9 0 年代水复兴计划”科研项目1 4 l ，其内容涉及到新型膜材料 的开发、膜分离装置的构造设计和膜生物反应器运行系统的研究。 1 9 8 2 年d o r r o l i v e r 公司开发了膜厌氧反应器系统( m e m b r a n ea n a e r o b i c r e a c t o rs y s t e m ，m a r s ) 用于处理高浓度食品废水。与此同时。在英国也开 发了类同的工艺p j ，该工艺在南非进一步发展成为厌氧消化超滤工艺 ( a n a e r o b i cd i g e s t e ru l t r a f i l t r a t i o np r o c e s s ，a d u f ) 6 1 。8 0 年代来到9 0 年代 初，加拿大z e n o n 公司开发研制了z e n o g e m 、z e n o w e e d 等工艺，并使之形成 一系列商品化产品，大大推动了膜生物反应器技术的市场化进程。 武汉理1 ：大学颓七学位论文 我国对膜生物反应器的研究始于上 鼓纪9 0 年代。1 9 9 3 年吴开芬f 7 l 等研究 了中空纤维超滤膜处理回用印钞厂擦板液的可行性；同年上海华东理工大学 环壤工程研究暇进行了膜擞甥反应器处遵合成废水釉剃药疲7 k 的的可行牲研 究 嚣 。北震，许多高校农礤究所迸 亍了膜生物反应器鹣开发骚究工作，在生活 溺水和工业废水处理方面取得了良好的效果，并对反应器性能及特性进行了 研究【9 14 1 。目前，膜生物裁应器已逐步在生活污水和工业废水处理中得到应 翔。 1 2 膜生物反应器 貘生兹爱藏纂将簇按零与生穆疲废器稳缝会，楚一耱藜鍪鼹效熬生狻爱 威器。根据所使用膜的种擞及作用不同，膜生物反_ | 敷器可分三类，即：曝气 膜生物反应器( m e m b r a n ea e r a t i o n b i o r e a c t o r ) 、萃取膜生物反应器( e x t r a c t i v e m e m b r a n e b i o r e a c t o r ) 弱分勰膜生镑反疲嚣( s e p a r a t i o n m e m b r a n eb i o r e a c t o r ) 。 霸前，分离膜生物反应器的研究最为深入，且已有殿耀予实际王耧中的报道， 黼曝气膜生物反应器和萃取膜生物反应器仅处于实验宣研究及中试阶段。 。2 。 曝气膜生物反藏器 曝气膜擞物反应器的工艺原理见图i - 1 。反应器曝气系统为透气性膜，空 气或0 2 在膜腔内流动过程中，在浓差你用下向膜外活性污泥混含液扩散。常 髑酶簇骞透气後致密壤霸壤瘩毪教魏袋，秀耱貘豹俊质疑理毒强苓稳，瞧均 为在一定压力下使膜腔内空气、0 2 向臌外侧混合液中扩散。该葳应器适用于 含挥发性有爨有机物或发泡剂工业废水的处理。 。2 2 萃联膜生物反藏嚣 对于含商盐、高酸碱溅生物难降解有毒有机物的废水，采用传统的生化 法处理，所会污染物对微生物有强烈的辛辔制或毒害搀用，净化散栗差，丽且 爱应体系牵荣些易挥发物旗荔造成大气污染。在萃欷貘玺秘反纛嚣( 觅鼙l 一2 ) 中，具有选撵透过性的膜将废水与活性污泥混合液分开，废水中的污染物有 选择性地在膜中溶解扩散进入膜外混念液，被专性细菌降解。在萃取膜生物 爱应舔中，黢缝 孛彝玺麓爱痤器鑫鑫猿立，耪互影豌不大，其鸯操圣筝管理灵 薤汉瑗王大掌硬士学整论文 活，处理效果稳定的特点f 1 5 】。 麒 夔 件 生 物 爱 廓 瓣 膜 爨 释 溪i - 1 溱气貘室黪发应藜 ， 饕1 2 攀取蒺玺裙爱嶷器 1 2 。3 分离膜生物鼠裁嚣 。2 ，3 ， 王慧滚程 根獭膜缀件设置的能簧不丽，分离膜生物葳威嚣w 分为分鬻式和俸式 辩萃孛。鞠l + 3 ( a ) 尧分澈式袋裳耪葳寂器，采弱镶滚斌貘缀黪。鄂过滤滚髂 平雩亍予壤袭鞭与滤滚交镄流动，产生的剪切力域濑流减轻了悬浮物焱膜表蕊 黪流积。该殷应器运行稳定可靠，搽作管理籁浆。德褥混强流动力瀵耗较大， 网流泵的剪切作用会对微生物的活性产生一定影响。图1 - 3 ( b ) 为一体式臌 鼙三凌爱藏器，瞧拣浸没斌貘奎魏爱瘦器，蒺鳃伴爨予整凌反戏器凑，滤滚国 策( 或嚣静糕) 捺窭，臻气装甏设在貘缝侮下蠢，狳疑毫交戴凌辘终，逡威 鹣强熬搅搏终怒，躐辍了漫会波中悬浮凌在默袭隧的啜着。菇势置式貘生铭 反应器相比，体式暾嫩物反应器能糕小，结构紧凑，体积小。 避求撵濑髓溅避永 生糖履徽嚣撼辩：鬣聪蕴许生秘反应嚣 。，1 一一謦 ) “ 掂暇聚 ( a ) 分置式膜嫩翱殷成器f b ，一体式麒臻物反应器 澄i - 3 势麓貘生绥炭盛器工髦滚耧鏊 3 武汉理工夫学硕士学经论文 1 ，2 3 2 膜材料及构型 分离膜生物反应器所用的膜及膜缎件种类较多。根据膜孔孔径不同，膜 磁分为微滤貘、超滤貘翻缎滤貘，其孛潋微滤貘、怒滤瑛应弱较多。根据裁 膜材料不同，膜分为有机膜和无机膜。有机膜有聚烯烃类膜、纤维素衍生类 膜、聚脂类膜、聚砜类膜等，无机膜常见的为陶瓷脱。根据膜组件形式不同， 膜组件可分为平扳式、管式、螺旋式、中空纾维式簿，其中以繁茂和中空纤 维式最为常凳。 1 2 3 ，3 反腹器的特点 分离骥生物爱应器审溺予弼貘组馋代替了簧绫涟经污泥王慧孛熬二沉 滟，可以_ 进行黼效的固液分离克服了传统工艺出水水质不够稳定、污泥容易 膨胀等不足，其特点主要体现在以下几个方面1 6 叫9 】： 辩穑髻二毒明显麓季枣壹终霜，警提裹爨l m g 毛瓣胃这 宪全硝化，其原因是膜生物反应器中的s r t 较长，f m ( f o o d m i c r o o r g a n i s m r a t i o ) 值低，形成的絮凝体有利于硝化菌的繁殖和生长；另外 滚勰氧豹增燕魄会健迸硝德蓥豹增鏊，貘愆截蟹谗蠲也壤硝化麓雩导到聚集， 强化了氨氮的去除效果。为了增加氧酶传递效率朝利用效率。2 0 璧纪8 0 年代 以后出现了膜法无泡充氧的方式，由于氧以分子形态扩散进入水中，效率几 擎可达】o o 1 5 6 1 。膜法无泡宠氧技术掇离7 氧豹利用效率，降低了动力能耗， 势虽无泡沫产生，同葬亨蹬承承震逡较鲑驿”。 7 武汉理工大学硕十学位论文 1 4 膜生物反应器的应用现状 近年来，膜生物反应器已在许多国家应用于生活污水和工业废水的处理 及回用。据统计，目前在世界范围内，投入实际运行的膜生物反应器已超过 5 0 0 套，还有许多工程正在计划或建设中，近年来，膜生物反应器在国外的应 用情况见表l l 。 表1 - 1 膜生物反应器在国外的应用情况【5 8 6 2 1 我国对膜生物反应器的研究始于上世纪9 0 年代，经过多年的研究已取得 了令人瞩目的成绩。随着研究的不断深入，目前膜生物反应器已逐步在生活 污水和工业废水处理中得到了应用，但应用工程数量较少，具体应用工程实 例见表1 2 。 武汉理：夫学骥士学霞论文 表1 2 膜生物反应器在我国的应用实例1 6 3 6 7 j 1 5 本试验的研究目的和内容 箭文对膜建耪反应器酌类型、特点、发展过程、磷究送震疆及应焉现狡 滋行了简单的回顾和总结。从中可以鬻出，膜生物殿应器作为一种新型的污 水处理与回爝技术是目前灏内外水处理领域研究的个热点。谢不少研究者 辩藏进行了探索秘疆突，势取褥了翻鼹艘效，蓬援露一些润题嚣簧进一多深 入研究。如许多研究者对麒生物反应器的污泥浓度、h r t 和s r t 等运行控制 参数分别进行了研究，但研究成果仍不够系统和深入。特别是对运行控制参 数之阗弱联系，菝及最佳邋雩亍控测参数麴确定等方聪遂缺乏细致静磅究。 因此，本研究采用膜生物反应器工艺，以生活污水为处理对象，譬的舔 在：考察膜缴物反应器的运行效能，建立有机底物降解动力学和污泥增长动 力学的数学模式，重点对膜生物反应器运行控制条件进行优化 i 究，为工程 设计提供最德的设诗及运行控截参数，疆使其戒为簿效、节爱瓣污农憝理最 佳实用技术。 本研究的主要内容包括： ( 1 ) 考察貘垒錾爱痰嚣在癌动、受耱挺毫窥稳定运褥遗程巾豹运蠢效憨。 探讨膜生物殿应器对有机污染物的去除特性，考察膜对有机污染物去除的强 化作用，并研究反应器内污泥特性、微生物增殖规德和微生物相等生物特性。 ( 2 ) 在竣生物反应器稳定运芎亍条 串下，建立发成器的有机艨物降解动力 9 藏汉理工大学醭学棱论文 学和污泥增长动力学的数学模式。 ( 3 ) 对膜生物反应器的运行控制祭件进行优化研究。探索殿成器运行控 制参数之闻静联系，确定黢生甥反应嚣处理生活污承辩豹最佳运行控制参数。 ( 4 ) 在试验研究的纂璐上，对菜麟涎夺区生活游承处理及审承强用工程 谶行设计，并与常用的生化一物化处理工艺进行技术及经济对比分析。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章试验方法与过程 2 1 试验流程与设备 2 1 1 工艺流程 试验工艺流程如图2 1 所示。储水箱中的生活污水经水泵提升至高位水 箱，然后自动流入恒位水箱，恒位水箱出水从底部稳定进入膜生物反应器。 在好氧条件下污水中的有机物被微生物降解，净化后的污水经膜组件靠静压 差排出，静压差为2 m ，出水量由调节阀控制。反应器为一体式中空纤维膜生 物反应器，曝气器设置于反应器底部、膜组件下方，由空压机供氧。 1 储水箱；2 提升泵；3 高位水箱：4 恒位水箱；5 生物反应器；6 膜组件 7 微孔曝气器；8 空气压缩机；9 气体流量计：1 0 出水调节阀i 11 排泥阀 图2 1 膜生物反应器工艺流程图 2 1 2 主要设备 ( 1 ) 储水箱：储存试验用水，有效容积3 0 l 。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 高位水箱：向恒位水箱补水，有效容积5 0 l 。 ( 3 ) 恒位水箱：由浮球阀控制，向反应器稳定供水。 ( 4 ) 膜生物反应器：用有机玻璃柱加工而成，底部设进水口、进气口和 排泥口。反应器内径l o o m m ，有效高度1 1 0 0 m m ，有效容积8 5 l 。 ( 5 ) 膜组件：采用天津膜天膜技术公司生产的聚偏氟乙烯( p v d f ) 中 空纤维微滤膜。膜孔径o 2t u n ，膜组件有效面积为0 7 m 2 。 ( 6 ) 其它试验设备：见表2 1 。 表2 - 1 试验设备 2 2 试验水质及分析测定方法 2 2 1 试验用水 生活污水取自河北科技大学3 号学生公寓楼排水集水井；所取污水用纱 网过滤去除漂浮物和大颗粒悬浮物后作为试验用水，水质情况见表2 - 2 。 表2 2 试验用水水质情况 2 2 2 接种污泥 反应器接种污泥取自石家庄市桥西污水处理厂二沉池，所取污泥呈黑褐 色，为细小的絮状体，沉降性能良好，m l v s s m l s s 为o 6 9 9 。反应器接种量 为2 0 0 0 m g l 。 2 藏汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 主要分析项目及测定方法 试验分析项目及测定方法见表2 - 3 。 表2 3 分耨矮瓣及灏定方法 2 2 4 试验仪器及试剂 分辑测试掰月仪器见袭2 - 4 。 表2 4 主瑟设备仪器 序号仪器名称用途生产厂窳 o x i3 3 0 i 鳖藩瓣氧测定仪 p h s 一2 c 型酸度计 a b 2 0 4 - n 型电子天平 a p o l l o9 0 0 0 型t o c 测定仪 2 5 0 b 羹生纯培养籍 p m 6 型0 l y m p u s 驻微镜 d g b 2 0 ，0 0 2 型台式干燥箱 s x 2 4 - 1 0 墅禧式电黻妒 s w c c j - 1 b v 超净工作台 立式压力蒸汽灭菌器 测定羚o德国w t w 公司 测定p h 值杭髑窳星仪器设铸厂 称样梅特勒托利多仪器有限公司 测t o c美凰t e k m a r 公司 臻莽蘩耱汪苏餐金珐市宏牮仪器厂 观察生物相o l y m p u so p t i c a lc o , l t d 烘干样品重庆试验设备厂 熄烧撵晶天津零牮j 实验纹器骞袋公司 无菌操作苏州安泰空气技术有限公司 高滕灭菌上海博迅实业有限公司 l 2 3 4 5 6 7 s 9 m 武汉理工大学硕士学位论文 所用的试剂及药品见表2 - 5 。 表2 - 5 试验药品 2 3 试验过程及方法 2 3 1 反应器效能试验 为考察膜生物反应器的运行效能，本试验分三个阶段进行，即启动阶段、 负荷提高阶段和稳定运行阶段。 启动阶段。控制h r t 为2 4 h ，进水负荷为0 1 5 0 2 k g c o d ( m 3 - d ) ，当c o d 的去除率达到9 0 以上，出水水质稳定，反应器内的污泥形成絮体，且沉降 性能较好时，可认为反应器启动成功。 负荷提高阶段。启动结束后进入负荷提高阶段，负荷提高幅度为0 4 k g c o d ( m 3 d ) ，当c o d 的去除率大于9 0 时，继续提高进水负荷，提高幅度 维持不变。 稳定运行阶段。控制进水负荷不变，在高负荷下考察反应器的运行效果。 本试验运行控制参数见表2 6 。 1 4 武汉理i ：大学硕士学位论文 进水量( m 3 i d )8 0 9 0 进水c o d ( r a g l ) 1 5 0 2 0 0 进水负荷( k g c o d m 3 - d ) 0 1 5 o 2 1 1 5 6 0 0 2 0 0 3 5 0 0 2 3 o 6 0 o 6 2 o 3 0 0 4 0 0 2 8 3 0 为考察反应器耐冲击负荷的能力，在反应器运行过程中，控制其它运行 参数不变，通过增加进水量或提高c o d 浓度形成冲击负荷，考察反应器耐冲 击能力。 2 3 2 反应器运行控制试验 为探索反应器的最佳运行控制参数，本试验在三种不同的运行条件下进 行，反应器初始的污泥接种量相同，运行过程中控制不同的进水负荷、h r t 和d o ，具体控制参数见表2 7 。 表2 7 反应器运行控制试验控制参数 武汉理： 大学硕十学位论文 第3 章膜生物反应器运行效能研究 本研究以生活污水为处理对象，对膜生物反应器启动及运行特性进行考 察，探讨反应器的运行效能。主要包括反应器启动及运行效果、耐冲击性、 膜组件的作用、微生物浓度及特性变化等。 3 1 膜生物反应器启动及运行结果 为考察反应器的启动及运行特性，试验中反应器运行过程分为三个阶段， 即启动阶段、负荷提高阶段和稳定运行阶段。 启动阶段，主要是对所接种污泥进行培养驯化，使其适应试验水质。本 研究中，反应器启动采用连续进水方式，控制进水量为8 5 l d ，水力停留时间 ( h r t ) 为2 4 h ，进水c o d 浓度为1 6 1 8 2 1 0 8m g l ，进水负荷为0 1 5 0 2 0 k g c o d ( m 3 d ) ，水温为1 8 2 2 0 0 。启动后，反应器运行效果相对较差，第 l 6 运行日，出水c o d 浓度为2 1 5 6 0 8 m g l ，c o d 去除率在6 4 2 8 8 1 之间。到第7 运行日，反应器出水为1 5 6m g l ，c o d 去除率为9 2 o 。此后， 反应器运行效果趋于稳定，c o d 去除率为9 2 5 ，可视反应器启动成功。 负荷提高阶段，反应器进水c o d 浓度为2 5 0 3 5 0m g l ，负荷提高靠逐 步增加进水量( 缩短h r t ) 来实现。反应器的进水量由8 5 l d 逐步增至6 1 5 l d ， 容积负荷相应地由o 2 3 k g c o d ( m 3 d ) 逐渐增加至2 9 7 k g c o d ( m 3 d ) 。整个负荷 提高阶段，c o d 去除率为9 0 3 9 7 6 。 为进一步考察高负荷条件下反应器的运行效能，自第5 0 运行日起进行稳 定运行试验。其间，试验用水c o d 浓度波动较大，反应器运行负荷为2 2 2 8k g c o d ( m 3 m ，c o d 的平均去除率为9 5 9 ，出水c o d 的平均浓度为1 5 2 m g l 。 反应器的运行结果见图3 - 1 。 】6 武汉理工大学硕十学位论文 7 0 0 6 0 0 5 0 0 茜4 0 0 o3 0 0 o u2 0 0 1 0 0 0 o 一 - - - , - 刘琳c o d l w 哪。 。0 v 、- 051 01 52 02 53 03 54 04 55 05 56 0 运行日( d ) 图3 - 1 反应器的运行结果 v 糌 韭 誉 8 由反应器的运行结果可见，膜生物反应器处理生活污水，启动迅速，负 荷提高快，有机物去除率高，运行稳定。 3 2 反应器的负荷率 负荷率直接反映了底物与微生物之间的平衡关系，是生物反应器主要的 控制参数之一。本研究中，负荷率分别以容积负荷和污泥负荷表示。 3 2 1 容积负荷 容积负荷是指反应器单位容积、单位时间能够接受并将其降解到预定程 度的有机污染物量，以v 表示。 虬：簪 k g c o o l ( m d ) 】 ( 3 - 1 ) 式中：q 一污水流量，m 3 d ； 品一原污水中有机物污染物( c o d ) 的浓度，m g d l ： v 一反应器有效容积，m 3 。 在既定的反应器中，微生物降解有机物是有一定限度的，这个限度在宏 观上的体现就是反应器在可能持有的最大污泥浓度和一定c o d 去除率条件 7 m鲫加如加加。 武汉理工大学硕士学位论文 下，容积负荷有一定的限度。为保证反应器的正常运行，容积负荷必须控制 在该限度内，否则会引起反应器性能恶化。 一5 o 勺 4 o 量3 o 萝2 o 枢 嚣1 o 撰扛 051 01 52 02 5 3 0 3 5 4 0 4 55 05 5 6 0 运行日( d ) 图3 - 2 容积负荷的变化情况 图3 - 2 为试验过程中容积负荷的变化情况图。由图3 2 可知，反应器启 动成功以后，随着进水量的增加，反应器的容积负荷由o 2k g c o d ( m 3 d ) 开始 逐步提高，提高幅度为0 4k g c o d ( m 3 d ) ，到第4 5 运行日，进水量增至6 1 5 l d ， 容积负荷提高到2 9 7k g c o d ( m 3 d ) ，c o d 的平均去除率为9 5 9 。在此后的 稳定运行过程中，容积负荷为2 2 2 8k g c o d ( m 3 d ) ，c o d 的平均去除率为 9 5 9 。由于试验用水来源所限，本试验没有再进行反应器提高负荷试验，对 进一步运行的情况无法讨论，但可以肯定，反应器达到一定的容积负荷以后， 再提高负荷，c o d 去除率无疑将会下降到人们不可接受的程度。 摹 瓣 篮 啪 凸 o u 容积负荷( k g c o d m 3 d ) 图3 3 容积负荷与c o d 去除率关系图 1 8 武汉理工火学硕士学位论文 图3 3 为反应器在负荷提高和稳定运行阶段，容积负荷与c o d 去除率的 关系图。从图中可以看出，反应器在容积负荷为o 2 3 2 9 7k g c o d ( m 3 - d ) 之 间运行时，c o d 去除率为9 0 3 9 7 6 ，容积负荷的变化对c o d 去除率的 影响不大，这表明此区间属于最佳容积负荷区间。 3 2 2 污泥负荷 污泥负荷为反应器内单位重量活性污泥、单位时间能够接受并将其降解 到预定程度的有机污染物量，以胁表示。 m = 甓 k g c o d ( k g m l s s d ) 】 ( 3 2 ) a r 式中：q 污水流量，n 1 3 d s & 原污水中有机物污染物( c o d ) 的浓度，m g l ； x 混合液悬浮固体( m l s s ) 浓度，m g l ； y 反应器有效容积，m 3 。 污泥负荷是影响有机污染物降解、活性污泥增长的重要因素。在传统的生 物处理过程中，采用高额的污泥负荷，将加快有机污染物的降解速度与活性 污泥增长速度，降低反应器的容积，在经济上比较适宜，但处理水水质未必 能够达到预定的要求。采用低值的污泥负荷，有机污染物的降解速度和活性 污泥的增长速度都将有所降低，致使反应器的容积加大，建设费用增高，但 处理效果可能提高。 051 01 52 02 53 03 54 0 4 55 0 5 56 0 运行日( d ) 图3 - 4 污泥负荷的变化情况 9 o 8 6 4 2 0 1 o 0 0 0 o 事一盖8u堂v稼g蜡蜂 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 4 为试验过程中污泥负荷的变化情况图。可见，在整个运行过程中， 污泥负荷波动较大。在反应器启动及负荷提高初期，由于容积负荷较低，使 其污泥负荷也维持在较低的状态：第1 5 运行日，容积负荷由0 2 8k g c o d ( m 3 d 1 提高至0 6 0k g c o d ( m 3 - d ) ，此时反应器内污泥浓度偏低，致使污泥负荷由0 2 2 k g c o d ( k g m l s s d ) 突然升至o 5 6k g c o d ( k g m l s s d ) ；在随后的1 8 个运行日 内，污泥负荷在o 4 o 6k g c o d ( k g m l s s d ) 之间波动：此后，随着污泥浓度 的不断增长，污泥负荷有所降低，第3 5 运行日后，基本维持在0 3k g c o d ( k g m l s s d ) 。 由此可见，膜生物反应器属于低污泥负荷生物反应器。反应器长期运行于 低污泥负荷状态，使污泥硝化得以进行，从而表现出较低的污泥产率。 、一 擗 篮 粕 8 u 污泥负荷( k g c o d k g m l s s d ) 图3 5 污泥负荷与c o d 去除率关系图 图3 5 为反应器在负荷提高和稳定运行阶段污泥负荷与c o d 去除率的关 系图。由图3 5 可以看出，污泥负荷在o 1 6 o 6 6 k g c o d ( k g m l s s d ) 变化， c o d 去除率均在9 0 3 9 7 6 之间，污泥负荷的变化对c o d 去除率没有明 显影响。这表明0 1 6 o 6 6 k g c o d ( 1 【g m l s s d ) 是本研究中膜生物反应器高效 运行的最佳污泥负荷区间。 3 2 3 冲击负荷 冲击负荷是反应器在正常运行状态下，运行负荷大幅度提高的现象，在 一定条件下是评价反应器性能的一种运行方式。 武汉理工大学硕士学位论文 根据札= 兰，形成冲击负荷的方式有两种：一是在进水量不变的情况 y 下，进水c o d 浓度大幅度提高；另一种则是在进水c o d 浓度不变的情况下， 进水量大幅度增加。 由图3 - 1 和图3 2 可以看出，在反应器运行过程中，由于进水水质的变化 分别在第4 0 、4 9 运行同形成了两次冲击负荷。容积负荷分别由前一天的1 3 2 k g c o d ( m 3 。d ) 、2 6 2k g c o d ( m 3 d ) ，提高到3 6 8k g c o d ( m 3 d ) 、4 4 6k g c o d ( m 3 d ) ， 冲击负荷的幅度分别为2 3 6k g c o d ( m 3 d ) 、2 2 0k g c o d ( m a d ) 。从运行结果 看，第4 0 运行日，进水c o d 浓度升高至6 0 1 1m g l ，出水c o d 浓度为6 4 m g l ，c o d 去除率高达9 8 9 ；第4 9 运行日，进水c o d 浓度增至5 4 1 6 1 1 1 9 l ， 出水c o d 浓度为1 3 8m g l ，c o d 去除率可达9 7 5 。可见，冲击负荷均未 对反应器的运行效果产生影响。 试验结果表明：膜生物反应器处理生活污水具有较强的抗冲击负荷能力， 其原因是反应器内污泥浓度高，生物持有量大；再就是膜的高效截留作用， 保证了出水水质的稳定。 3 3 膜作用 3 3 ，1 膜的截留原理 在膜生物反应器中，膜除靠机械截留作用对悬浮物、细菌有良好的截留 作用外，对溶解性有机物也有较好的截留效果，其作用主要体现在以下几个 方面，机理示意图见图3 - 6 。 ( 1 ) 通过膜孔本身的截留作用，即膜的筛滤作用对溶解性有机物去除。 ( 2 ) 通过膜孔和膜表面的吸附作用对溶解性有机物去除。 ( 3 ) 通过膜表面形成沉积层的筛滤，f 吸附作用对溶解性有机物去除。 但是，这三种作用对溶解性有机物去除的贡献并不相同。膜孔的筛滤作 用只能去除溶解性有机物中分子量大于膜的截留分子量的大分子有机物，对 于大量的分子量小于膜孔径的有机物，主要是通过膜孔和膜表面的吸附作用 以及膜表面沉积层的筛滤吸附作用。 2 i 武汉理j ：大学硕士学位论文 膜 膜 膜 2 0 ；到第l l 运行日后活性污泥逐步有絮体形成，沉降 瞧戆套获改善，到第2 5 运行翻活性浮淀形成较为密安、颗粒较大的絮凝体， s v 为1 6 ，s v i 为9 2 1 m l l g ，浮泥变为黄褐色。其原因是：戚应器扁渤初期， 浮泥溪靛处子恢复蹬段，运餐效果较楚，反嫩器内营券物质巍浦，细菌处于 对数增殖期，燧动性能活泼，幼能大予范德华引力，菌体不翁结合。随着反 应器冷纯效暴鹣提高，疲应嚣内营莠物质含爨降低，细菌增疆速度减小，处 于内源呼吸期戏减衰增殖期后段，细菌运动性能减弱，在布郎运动作用下， 靠范德华弓| 力，菌体捐互碰撞，互楣结合，形成活性污泥絮体。另外活性污 泥中的微生物分泌的粕性物质，促进了菌胶团的形成。 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 2 2 生物相 在生物处理过程中，通过对污泥混合液生物相的镜检，能够观察到出现 在活性污泥中原生动物和后生动物，并判别认定其种属，据此能够了解生物 处理系统的运行状况，并能判断处理水质的优劣。 在膜生物反应器运行过程中，为了及时了解反应器运行状况和活性污泥 生物相的变化，在启动、负荷提高和稳定运行期间对混合液生物相进行了镜 检。 在启动期，污泥处于培养驯化阶段，混合液中游离细菌居多，出现豆形 虫、草履虫等原生动物。在负荷提高期。污泥菌胶团培育成