（环境工程专业论文）mcass工艺处理生活污水的运行控制优化研究.pdf

中文摘要 近年来，随着自控技术和膜生产技术的不断提高，c a s s 和m b r 工艺因为各 自独特的优点越来越受到人们的普遍关注。本课题的提出是在以往研究的基础 上，将c a s s 和m b r 工艺结合在同一构筑物内，根据不同的排放要求可以实现灵 活应用，从而最大限度发挥两种处理工艺各自的优势，使污水水质指标得到可靠 保证。 本试验以人工配制的生活污水为处理对象，系统的考察了c a s s 和m b r 组合 工艺的运行效能，重点对该组合工艺运行控制条件进行优化研究。试验主要从曝 气方式、水力停留时间和反应周期三个方面考察了系统对c o d 、n h 。- n 和t n 的去 除效果。试验结果表明：( 1 ) 曝气方式的不同对c a s s 和膜出水c o d 、n h 。- n 的去 除率影响不大，平均去除率都在9 0 以上；对t n 的去除率影响较大，特别是采 用问歇曝气方式时，c a s s 和膜出水t n 处理效果最好，平均去除率分别为8 3 3 和8 9 7 ，而且膜出水始终优于c a s s 出水，出水平均浓度仅为3 5 5m g l 。 ( 2 ) 随着水力停留时间的延长，组合工艺对c o d 、n h 。- n 和t n 的去除率均有所 增大，但是c o d 的上升幅度较小，而n h 。一n 和t n 的增幅较大。水力停留时间为 1 1 h 的n h 。一n 和t n 去除率比8 3 h 增大了3 0 - 4 0 ，但是过长的水力停留时间 会造成工程投资和运转费用的增加。( 3 ) 在水力停留时间为1 1 h 时，反应周期的 改变对c o d 的去除效果影响不大，周期为3 h 和4 h 时的c o d 平均去除率为9 1 5 和9 0 5 。因此，c a s s 和m b r 组合工艺在水力停留时间为1 1 h ，且间歇曝气 下运行时，c o d 、n h 【。一n 和t n 的去除效果好，实现了工艺的优化运行。 此外，试验从污泥负荷、溶解氧、温度等方面分析了c a s s 和m b r 组合工艺 的脱氮效果和膜污染情况，以及两工艺组合后的相互影响，从而更好地实现系统 的最佳优化运行。 关键词： c a s sm b r 组合工艺优化运行间歇曝气膜污染 a b s t r a c t r e c e n t l y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o - c o n t r o la n dm e m b r a n ep r o d u c t i o n t e c h n o l o g y , c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ( c a s s ) a n dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b g ) a r eg i v e nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb e c a u s eo ft h e i rp a r t i c u l a ra d v a n t a g e s t h e e x p e r i m e n tw h i c hi s i nt h ef o u n d a t i o no f f o r m e r l ys t u d i e dc o m b i n e sc a s sa n dm b r t o g e t h e r i tc a l le x e r tt h ea d v a n t a g e so f e a c ho t h e ri nt h eg r e a t e s te x t e n ta c c o r d i n gt o d i f f e r e n te f f l u e n ts t a n d a r da n dm a k et h ee f f l u e n tq u a l i t ya s s u r a b l e i nt h i sp a p e r ，t h ea r t i f i c i a l p r e p a r e dd o m e s t i cw a s t e w a t e rw a st r e a t e db yt h e c o m b i n a t i o np r o c e s so fc a s sa n dm b 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 e o 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 i tm o s t l yi n v e s t i g a t e dt h e s y s t e m sr e m o v a lo fc o d ，n h 3 - na n dt nf r o mt h r e ea s p e c t so fa e r a t i o nm o d e 、 h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) a n dr e a c t i o np e r i o d t h er e s u l t sa sf o l l o w s ：( 1 ) t h e e f f e c to fa e r a t i o nm o d eo nt h ec o d ，n h 3 no fe m u e n tf r o mc a s sa n dm b rw a s l e s s ，t h ea v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c ye x c e e d e d9 0 a l lt h et i m e b u ti th a dg r e a te f f e c t o nt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft n ，e s p e c i a l l yw h e nt h ea e r a t i o nm o d ew a si n t e r m i t t e n t a e r a t i o n ，t h et no fe f f l u e n tf r o mc a s sa n dm b r w a st h eb e s t ，t h ea v e r a g er e m o v a l e f f i c i e n c yr e a c h e d8 3 3 a n d 8 9 7 t h ee f f l u e n to fm b r w a sb e t t e rt h a nc a s s a n d t h ea v e r a g ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o nw a so n l y3 5 5 m g l ( 2 ) t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f c o d 、n h 3 一na n dt nw i l lr i s ew i t hh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ei sl e n g t h e n e d ，b u tt h e e x t e n to fc o di sl i t t l e ，n h 3 - na n dt ni sj u s to p p o s i t e w h e nh y d r a u l i cr e t e n t i o n t i m er o s ef r o m8 3 ht oll h t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fn h 3 na n dt ni n c r e a s e db y a b o u t3 0 - - 4 0 b u ti tw i l lr e q u i r eh i g hi n v e s t m e n ta n d o p e r a t i o nc o s tw i t hh y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m ei sl e n g t h e n e d ( 3 ) w h e nh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ew a sllh ，t h ee f f e c t o fr e a c t i o np e r i o do nt h ec o dw a sl i t t l e t h ea v e r a g er e m o v a le s p e c i a l l yo fc o dw a s 91 5 a n d9 0 5 i nr e a c t i o np e r i o do f3 ha n d4 h t h e r e f o r e ，t h er e m o v a lo fc o d ， n h 3 - na n dt ns h o w e db e t t e r e f f e c tu n d e rt h ec o n d i t i o n so fll h sh r ta n d i n t e r m i t t e n ta e r a t i o nb yt h ec o m b i n a t i o np r o c e s so fc a s sa n dm b r i ta c h i e v e dt h e o p t i m i z e do p e r a t i o n f u r t h e r m o r e ，a tt h i sa s p e c t so fs l u d g el o a d i n g 、d i s s o l v e do x y g e n 、t e m p e r a t u r ee t a l ，t h ee x p e r i m e n t a n a l y z e dt h er e m o v a le f f e c to fn i t r o g e na n dm e m b r a n ef o u l i n gi n t h ec o m b i n a t i o np r o c e s so fc a s sa n dm b & a n dd i s c u s s e dt h ee f f e c to fe a c h o t h e r t h a tc a l lc a u s et h es y s t e mt oa c h i e v et h eb e s to p t i m i z e do p e r a t i o n k e yw o r d s ：c y c l i ca c t i v a t e d s l u d g es y s t e m ，m e m b r a n eb i o r e a c t o r , c o m b i n a t i o np r o c e s s ，o p t i m i z e do p e r a t i o n ，i n t e r m i t t e n ta e r a t i o n ，m e m b r a n ef o u l i n g 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，也不包含为获得叁室苤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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：囊鼍，荔签字日期：汐7 年乡月，2 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤注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： 穗善，芳 导师签名： 签字日期：y 7 年多月，日 獬 签字日期泖7 年参月，_ 7 日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 i ic a s s 工艺技术原理 第一章绪论 周期循环式活性污泥法( 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 ) 是 美国g o r o n s z y 教授在i c e a s 的基础上研究开发出来的一种改进型s b r 工艺。 该工艺的核心为间歇式反应器，在此反应器中按曝气和不曝气交替运行，将生物 反应过程和泥水分离过程集中在一个池子中完成。c a s s 工艺是国内外公认的先 进工艺，该工艺已广泛应用于欧美许多国家的城市污水和各种工业废水的处理。 随着自动化水平的不断提高，对c a s s 的研究将日益深化、不断完善。由于其具 有投资少、运行管理方便、可分期建设等特点，适合中国国情，近年来，在国内已 得到推广应用。 1 1 1c a s s 反应器的构成 c a s s 工艺是一种具有良好脱氮除磷功能的循环间歇废水生物处理技术口1 。它 集曝气、沉淀、排水于一体，以进水一曝气、沉淀、撇水、进水一闲置作为一个完 整周期，实现好氧缺氧厌氧交替运行的过程。典型的c a s s 反应器由生物选择 区、预反应区和好氧区三部分构成，各区容积之比一般为l ：5 ：3 0 。三个反应 区以串联推流方式运行，而各反应区内部则以完全混合方式运行，实现同步硝化 反硝化和生物除磷。 生物选择区设置在反应器的进水处，是一个容积较小的污水污泥接触区，其 容积约为反应器总容积的1 0 ，水力停留时间为0 5 1 o h ，以不超过总h r t 的5 1 0 为宜。该区是按照活性污泥种群组成动力学口1 的规律而设置的，其工艺过程 遵循活性污泥的积累再生理论“1 。使活性污泥在选择器中经历一个高负荷的吸附 阶段( 基质积累) ，随后在主反应区经历一个较低负荷的基质降解阶段，以完成 基质降解的全过程和污泥再生。选择区内污泥浓度很高，可以使废水中存在的溶 解性易降解有机物通过酶转移机理予以快速的吸附和吸收，从而有利于茵胶团细 菌的生长，克服污泥膨胀。主反应区向生物选择区的回流污泥一般是以每天将主 反应区中的污泥全部循环一次为依据来确定回流比，对于城市污水来说，一般为 旱季进水流量的2 0 啼1 。生物选择区可以根据不同的情况设置在厌氧、缺氧或好 氧条件下运行。通常在以脱氮除磷为目的的处理工艺中，宜选择在缺氧一厌氧条 天津大学硕士学位论文第一章绪论 件下运行；如果以去除废水中有机污染物为目的，则一般选择在好氧条件下运行 阳1 。生物选择器使活性污泥不断地经历高絮体负荷阶段，这样有利于絮凝性细菌的 生长，提高污泥活性，并通过酶反应快速去除废水中的溶解性易降解底物，从而抑 制了丝状细菌的生长和繁殖，避免了污泥膨胀的发生。同时当生物选择器处于缺 氧环境时，回流污泥存在的少量硝酸盐氮( 约为n o 。一n = 2m g l ) 可得到反硝化， 反硝化量可达整个系统硝化量f f 勺2 0 吲。当选择器处于厌氧环境时，磷得以有效地 释放，为生物除磷做准备。 预反应区一般在缺氧条件下运行，不但可以连续进水，同时又发挥了生物选 择器的作用，能有效抑制丝状菌的生长和繁殖，避免污泥的丝状膨胀，提高了系 统的运行稳定性。此外，预反应区是一个水力缓冲区，对进水水质、水量具有缓 冲作用，可以在其中最低水位以下放置填料以提高系统的容积负荷。而且还具有 促进磷的进一步释放和强化反硝化的作用，同时这个区内的难降解大分子物质可 发生水解作用，这对提高有机物的去除率具有一定的促进作用。 主反应区即好氧区，是去除营养物质的主要场所，通常控制氧化还原电位 ( o r p ) 在1 0 0 m v 1 5 0 m v ，溶解氧d o 在0 - - - 2 5 m g l 哺1 。运行过程中，通常将主反 应区的曝气强度加以控制使反应区内主体溶液处于好氧状态，完成降解有机物的 过程，而活性污泥内部则基本处于缺氧状态，溶解氧向污泥絮体内的传递受到限 制而硝态氮由污泥内向主体溶液的传递不受限制，从而使主反应区中同时发生有 机污染物的降解以及同步硝化和反硝化作用。主反应区完全混合特性还可以很好 地平衡水量负荷，稀释突然的负荷冲击和毒害物质冲击，这也是c a s s 工艺具有 良好地抵抗负荷冲击的原因。 i i 2c a s s 工艺的反应周期 完整的c a s s 工艺运行周期一般可分为四个阶段旧1 ： ( 1 ) 曝气阶段。在此阶段，曝气系统向反应池内供氧，一方面满足好氧微生 物对氧的需要，另一方面有利于活性污泥与有机物的混合与接触，从而使有机污 染物被微生物氧化分解，同时，污水中的n h 。一n 也通过微生物的硝化作用转化为 n 0 x - - n 。 ( 2 ) 沉淀阶段。停止曝气后，微生物继续利用水中剩余的溶解氧进行氧化分 解。随着反应池溶解氧的进一步降低，微生物由好氧状态向缺氧状态转化，并发 生一定的反硝化作用。与此同时，活性污泥在几乎静止沉淀的条件下进行分离， 活性污泥沉至池底，下一个周期继续发挥作用，处理后的水位于污泥层上部。 ( 3 ) 滗水阶段。沉淀阶段完成后，置于反应池末端的滗水器在程序控制下开 始工作，自上而下逐层排出上清夜。与此同时，反应池污泥层内因为溶解氧很低 天津大学硕士学位论文第一章绪论 仍会发生反硝化作用。 ( 4 ) 闲置阶段。闲置阶段的时间一般较短，主要保证滗水器在此时段内上升 到原始位置，防止污泥流失。如果在此阶段进行曝气，则有利于恢复污泥的活性。 1 1 3c a s s 工艺的特征及优点 c a s s 工艺的主要技术特征有n 0 | ： l 、同时具有完全混合式和推流式反应器的特点 由c a s s 反应器中污染物的降解过程可知，污水一进入反应池，就被几十倍甚 至几百倍的混合液所稀释，使各点的混合液浓度几乎相同，在空间上看，是一种 完全混合式反应器；而在运行中，c a s s 反应池通常按曝气、沉淀、排水和闲置四 个阶段根据时间依次进行。由于时间的不可逆行，不存在返混现象，所以c a s s 系统又是一种推流式反应器。 2 、运行过程的非稳态性 c a s s 工艺在反应阶段，基质浓度随时问由高到低变化， i p f m 随时间由高到 低变化，而每个工作周期内排水开始时c a s s 池内液位最高，排水结束时，液位最 低，液位的变化幅度取决于排水比，而排水比与处理废水的浓度、排放标准及生 物降解的难易程度等有关。反应池混合液的体积和基质浓度均是变化的，基质的 降解是非稳态运行的。 3 、溶解氧周期性变化，浓度梯度高 c a s s 在反应阶段是曝气的，微生物处于好氧状态，在沉淀和排水阶段不曝 气，微生物处于缺氧甚至厌氧状态。因此，反应池中溶解氧是周期性变化的，氧 浓度梯度大、转移效率高，这对于提高脱氮除磷效率、防止污泥膨胀及节约能耗 都是有利的。实践证明，对同样的曝气设备而言，c a s s 工艺与传统活性污泥法 相比有较高的氧利用率。 4 、抗冲击负荷能力强 c a s s 工艺中生物选择区对进水基质的快速吸附与吸收作用，很大程度上降 低了进水负荷的波动对c a s s 主曝气区的影响，而且污水在c a s s 池中呈现完全混 合的状态，也很好地缓解水质水量的波动。当进水发生变化影响污泥性能和处理 效果时，可简单调节进水和曝气循环系统，以适应水质变化，具有无可比拟的操 作上的灵活性。 此外，与传统的活性污泥处理工艺相比，c a s s 工艺具有以下优点阳1 ： ( 1 ) 生化池中由于曝气和静止沉淀间歇运行，使基质b o d 。和生物体m i v s s 浓 度随时间的变化梯度加大，保持较高的活性污泥浓度，增加了生化反应推动力， 提高了处理效率。静止沉淀时，活性污泥处于缺氧状态，生物体进行内源呼吸， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 保证了出水水质。 ( 2 ) 生化池分为生物选择器、厌氧区和主曝气区，利用生物选择器及厌氧区 对磷的释放、反硝化作用以及对进水中有机底物的快速吸附及吸收作用，增强了 系统的稳定性；同时，曝气区和静止沉淀的过程中都同时发生硝化和反硝化反应， 因而具有脱氮除磷的作用。 ( 3 ) 建设费用低。由于省去了初次沉淀池、二次沉淀池以及刮泥系统，建设 费用可节省2 0 - - 3 0 。工艺流程简洁，污水厂主要构筑物为集水池、沉砂池、c a s s 曝气池、污泥浓缩池，布局紧凑，占地面积可减少3 5 。 ( 4 ) 运行费用省。由于曝气是周期性的，池内溶解氧的浓度也是变化的，沉 淀阶段和排水阶段溶解氧降低，重新开始曝气时，氧浓度梯度大，传递效率高， 节能效果显著，而且回流至生物选择器的污泥回流比仅为2 0 ，运行费用节省 1 0 2 5 。 ( 5 ) 有机物去除率高，出水水质好，不仅能有效去除污水中有机碳源污染物， 而且具有良好的脱氮除磷效果。根据生物选择原理而设置的生物选择器，能使进 水中大量溶解性基质通过快速酶去除机理得以吸附和吸收，而且有利于磷的释放 和反硝化作用，抑制丝状菌的大量繁殖，增强系统运行的稳定性。 ( 6 ) 对水量、水质的适应性较强，反应器可变容积运行而且还可通过调节曝 气循环过程、调整曝气时间和强度来适应进水负荷的变化n 。 ( 7 ) 根据生物反应动力学原理n2 1 ，使废水在反应器各区间呈现推流而在各区 内为完全混合的复杂流态，不仅保证了稳定的处理效果，而且提高了容积利用率。 ( 8 ) 增加了预反应区和污泥回流，引人生物选择器机理和空间上创造厌好 氧回流措施，不但使反应池具有更高的抗冲击负荷能力( 短时间内可抗3 0 的冲 击负荷) 和适应能力，而且通过培养具有特色的颗粒状污泥，与时间上和空间上 实现厌氧缺氧好氧条件配合，有利于创造更好的生物脱氮除磷条件。 ( 9 ) 污水处理厂设备种类和数量较少，管理、控制系统简单，运行安全可靠， 不易发生污泥膨胀，一般污泥指数不超过5 0 - - - , 7 0 m l g 。剩余污泥量少，污泥稳定 性好，脱水性能佳。一般情况下，去除l k g b o d ；可产生0 2 - 0 3 k g 剩余污泥，为 传统活性污泥法的6 0 左右。由于污泥在曝气池中己得到一定程度的消化，所以 剩余污泥的耗氧速率一般在1 0m g o ：( g m l s s h ) 以下，一般不需要再经稳定化处 理，可直接脱水。而传统活性污泥法剩余污泥的耗氧速率大于2 0m g o ：( g m l s s h ) ， 必须经稳定化后才能进行脱水。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 4c a s s 工艺存在的问题n 仉埘 1 、工艺的设计依据 c a s s 工艺尚处于发展阶段，目前其仅在中、小型城市污水处理厂和某些工业 废水处理站上得到了应用，由于缺少完善科学的理论依据以及对其脱氮除磷的机 理还有待深入了解，故在工程设计时大多依靠经验数据。广大水处理工作者应通 过大量的基础研究和多方面的交流合作来获得统一的理论指导和成熟的设计方 法。 2 、工艺的关键部件 c a s s 工艺的关键部件如潜水搅拌器、曝气器、滗水器、自控仪表( 溶解氧控 制器、o r p 控制器等在线控制仪器) 等，国内虽已有定型产品，价格也仅为国外同 类产品的5 0 甚至2 0 ，但其质量、可靠程度均不如国外的产品。以微孔曝气 器为例，国内常用的球冠形微孔曝气器的氧转移效率最高不超过1 8 ，而进口超 微孔膜式曝气管的氧转移效率为3 2 ，而且还具备防堵塞和自清洗功能。 与其他s b r 工艺一样，c a s s 工艺更多地依靠设备、仪表、仪器来实现各种功 能，上述关键部件的可靠程度是设计人员首先考虑的问题，这一点已在国内几家 采用c a s s 工艺成功运行的污水处理厂得到确认。毫无疑问，国内环保产品在技术 水平、质量等多个环节上还有很长的路要走。 3 、工艺的控制问题 c a s s i 艺的日益广泛应用，得益于自动化控制技术的发展及在污水处理工程 中的应用。c a s s 工艺的特点是程序工作制，可根据进水及出水水质变化来调整工 作程序，保证出水效果。整套控制系统可采用现场可编程控制( p l c ) 与微机集中 控制相结合，同时为了保证c a s s i 艺的正常运行，所有设备应设有自动控制系统 和手动操作两种方式，以防在一种操作方式发生故障时可以采用另一操作方式进 行控制。 目前国内对c a s s 工艺的反应过程数据了解不够，所以对c a s s 工艺采用的控制 方式大多是严格的时间控制，而这种依赖于经验数据的控制方式并不能适应水 量、水质的变化。各种在线控制仪表只是起到了监测作用，管理人员根据监测数 据再对c a s s 工艺的各个阶段进行调整( 主要是时间上的调整) 。很明显，这种基于 时间的自控方式并不能体现出自动化控制的特点，无法保证出水水质，而且对操 作管理人员的素质要求也很高。 4 、工艺的选择问题 工程实践证明，c a s s 工艺特别适用于有脱氮除磷要求、污水中可生化性的有 机物含量较高、污水厂用地紧张的场合。同时应该看到，处于发展阶段的c a s s 天津大学硕士学位论文第一章绪论 工艺在基础理论和控制模式上还有待进一步完善，对于有机物浓度较低的南方城 市污水采用c a s s i 艺很难达到预期的处理效果。另外c a s s 工艺在国内大型污水处 理厂的应用还缺少成功的经验。 1 2 膜生物反应器( m b r ) 的技术原理 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，简称m b r ) 是将膜分离技术中的超微滤 组件与污水生物处理中的生物反应器相互结合而开发的新型系统。它是利用微生 物对反应基质进行生物转化，利用膜组件分离反应产物并截留生物体。根据所使 用膜的种类及作用不同，膜生物反应器可分三类，即：曝气膜生物反应器 ( m e m b r a n ea e r a t i o nb 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 em e m b r a n e b i o r e a c t o r ) 和分离膜生物反应器( s e p a r a t i o nm e m b r a n eb i o r e a c t o r ) 。其中， 曝气膜生物反应器和萃取膜生物反应器仅处于实验室研究及中试阶段，而分离膜 生物反应器的研究最为深入，且已广泛应用于污水处理和中水回用领域u 4 1 5 1 。 1 2 1 分离膜生物反应器的构成 传统的活性污泥法的泥水分离是在二沉池中靠重力作用完成的，其分离率完 全取决于活性污泥的沉降性能，而污泥的沉降性能完全取决于曝气池的运行状 况。所以，要改善污泥的沉降性必须严格控制曝气池的运行条件。为了提高活性 污泥法混合液的泥水分离率，增大曝气池的污泥浓度，提高生化反应速率，改善 出水水质，人们将分离工程中的膜技术应用于废水生物处理，以膜组件代替二沉 池，构成分离膜生物反应器。由于膜组件对混合液泥水的高效分离，几乎没有污泥 流失，可使生物反应器保持很高的污泥浓度，一般可达1 0 ，- - - 2 0g l ( 好氧型) ，比传 统活性污泥法的污泥浓度高1 0 倍左右。从而大大提高生物反应器的容积负荷和降 低污泥负荷，c o d 容积负荷一般可达4 5k g ( m 3 d ) ，污泥负荷低至0 0 4 3 k g ( k g d ) ，使处理装置具有体积小、处理效率高、耐负荷冲击能力强的特点剐。 同时，由于污泥的停留时间长，使世代时间长的硝化细菌能够在曝气池内积累增 多，使处理装置具有较好的脱氮能力。从理论上讲，污泥的停留时间可以无限延 长而避免排泥，但停留时间过长会使截留下来的无机物越来越多，降低污泥的活 性，因此要定期排掉一部分污泥。膜生物反应器主要是由膜组件、泵和生物反应 器三部分组成。根据微生物生长环境的不同分为好氧和厌氧两大类；根据泵与膜 组件的相对位置不同分为加压和抽吸式两大类。膜生物反应器的核心部件是膜组 件，从材料上可以分为有机膜和无机膜两大类；从构型上可以分为管式、框板式、 卷式和中空纤维式；按膜过滤驱动方式分为压力式和抽吸式；按膜组件安放位置 天津大学硕士学位论文第一章绪论 分为分置式和一体式反应器。 分置式m b r 是指膜组件与生物反应器分开设置，膜组件在生物反应器的外部， 生物反应器反应后的混合液进入膜组件分离，分离后的清水流出，污泥回流到反 应器中继续参加反应。分置式的特点是运行稳定可靠，操作管理方便，易于膜的清 洗、更换。但分置式m b r 动力消耗大、系统运行费用高，其单位体积处理水的能 耗是传统活性污泥法的1 0 - - 一2 0 倍n 7 1 。一体式m b r 是将膜组件直接安放在生物反应 器中，通过泵的负压抽吸作用得到膜过滤出水。由于膜浸没在反应器的混合液中， 称为浸没式或淹没式。一体式m b r 利用曝气时气液向上的剪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或通过膜组件自身的旋转来 实现膜面错流效应u 引。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。同分置式相比，具有工艺简单，运行费用低等特点，其能耗仅为0 2 0 4 k w h m 3 ，但运行稳定性、操作管理和清洗更换不及分置式n 引。 1 2 2 膜生物反应器( m b r ) 的特点 分离膜生物反应器中由于用膜组件代替了传统活性污泥工艺中的二沉池，可 以进行高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印。2 引： ( 1 ) 能够高效地进行固液分离，分离效果远优于传统的沉淀池，出水水质 良好，出水悬浮物和浊度接近于零，可直接回用，实现污水资源化。 ( 2 ) 由于膜的高效截留作用，使微生物完全截留在反应器内，实现了反应 器水力停留时间( h r t ) 和污泥龄( s r t ) 的完全分离，使运行控制更加灵活稳定。 ( 3 ) 膜的机械截留作用避免了微生物的流失，生物反应器内微生物浓度高， 有效地提高了反应器的容积负荷，降低了污泥负荷，耐冲击负荷能力强。 ( 4 ) 有利于增殖缓慢的硝化细菌的截留、生长和繁殖，系统硝化效率得以 提高，通过运行方式的改变亦可具有脱氮和除磷功能。 ( 5 ) 泥龄长。膜分离使污水中的大分子难降解成分，在体积有限的生物反 应器内有足够的停留时间，大大提高了难降解有机物的降解效率。反应器在高容 积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行，剩余污泥产量低，降低了污泥处置费用。 ( 6 ) 有利于世代时间长、生长缓慢的硝化菌的截留与生长，提高了系统的 硝化效率，增加了难生物降解有机物的水力停留时间，有效地将分解难生物降解 的有机微生物滞留在生物反应器内，有利于难降解有机物的去除。 ( 7 ) 结构紧凑，占地面积小，易于一体化自动控制，运行管理方便。 总之，膜生物反应器具有许多其它污水处理方法所不具有的优点，特别是在 高浓度难降解有机废水和污水回用上具有无可比拟的优势。但是，膜生物反应器 天津大学硕： ：学位论文第一章绪论 同时也有一些难以避免的缺点。首先是由于反应器内m l s s 浓度高，造成对膜孔的 堵塞及膜污染，直接导致膜通量下降，降低了m b r 系统的产水量，而且膜的价格 较贵，运行能耗高。其次，普通的分离式膜生物反应器与传统好氧生物处理工艺 相比，对营养物的去除并没有太大的改善，同样存在脱氮除磷效率不高的问题。 因此，近年来，人们不断地对膜生物反应器进行改进，以便进一步强化其处理效 果。 1 2 3 复合式膜生物反应器 普通的膜生物反应器( m b r ) 由于其出水水质好，可实现固体停留时间与水力 停留时间的完全分离，易于实现自动控制等优点而备受关注，但同时由于反应器 内微生物呈悬浮状态，在膜过滤过程中容易在膜表面形成淤积，从而导致膜的过 滤阻力增大，使运行费用大大增加，同时也缩短了膜的操作周期，成为此类反应 器在实际中推广应用的一大难题。复合式膜生物反应器是微生物固定化技术与膜 过滤技术结合的新型膜生物反应器，它在发挥膜生物反应器优势的基础上，又能 将生物有效的固定在载体上，使反应器中的悬浮生物浓度大大降低，从而有效地 克服了上述问题雎制。复合式膜生物反应器中通过投加一定比例的悬浮生物载体， 形成悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜两种微生物，共同承担去除污染物 的作用。同时利用生物膜结构内部因氧浓度梯度所形成的氧分布微环境，在好氧 硝化过程的同时实现缺氧反硝化过程，达到同时脱氮除磷的作用，并将淹没式m f 膜组件直接置于复合生物处理器中，形成复合淹没式膜生物反应器( h y b r i d s u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，h s m b r ) 污水处理系统。由于这一系统中含有 生物膜和活性污泥两种微生物形式，势必会表现出与单一系统不同的生物处理特 性。研究表明，活性污泥一生物膜复合工艺，可以提高系统的抗冲击负荷能力， 强化生物脱氮除磷效率，抑制污泥膨胀，减缓膜污染，提高膜通量心引。总之，与 普通膜生物反应器和活性污泥法相比，复合式膜生物反应器具有自身独特的特点 2 6 j ( 1 ) 微生物相多样化，物的食链长，并能存活世代时间较长的微生物。因生 物膜上的微生物没有像性污泥法中的悬浮生长微生物那样受强烈的曝气搅拌冲 击，生物膜为微生物的繁衍、增殖及生长栖息创造了安稳的环境。生物膜上能够 生长高次水平的生物，在纤毛虫、轮虫类之上还栖息着寡毛虫和昆虫，因而其食 物链长。此外，生物膜上能够生长世代时问较长、增殖速度缓慢的微生物，如硝 化菌、氨化菌等。 ( 2 ) 微生物量多，处理能力大，净化功能显著提高。由于附着生长的生物膜 具有较少的含水率，单位反应器容积的生物量可高达活性污泥的几倍，因而复合 天津大学硕：e 学位论文第一章绪论 生物反应器具有较强的处理能力。又由于硝化菌的大量繁殖，复合生物反应器具 有一定的硝化功能，其净化功能得以提高口7 1 。 ( 3 ) 有机负荷高，耐冲击负荷。复合生物反应器受水质、水量变化而引起的 有机负荷和冲击负荷波动的影响较小，反应器的运行稳定性得以大幅度提高。当 有机负荷为3 5 k g c o d m 3 d 时，c o d 的去除率仍可达8 0 以上啪1 。 ( 4 ) 减少污泥膨胀和剩余污泥。丝状菌优先生长在生物膜上，可有效改善活 性污泥中因丝状菌的大量繁殖而导致的污泥膨胀问题，相反还可以利用丝状菌较 强的分解能力，提高复合生物反应器的处理效果。在生物膜中，因其食物链长、 生长着高次营养水平的生物，特别是在生物膜底部厌氧层的厌氧菌能够降解好氧 过程合成的剩余污泥，从而使总的剩余污泥量减少。 ( 5 ) 流程少，h r t 短。复合系统将活性污泥法与生物膜法合建在一个好氧反 应器内，减少了生物处埋单元的数量；因总生物量的增加，在相同的处理要求下 可进一步缩短水力停留时间，提高系统的处理能力。 ( 6 ) 脱氮除磷效率高。生物膜法的显著特点，就是随着生物膜厚度的增加其 传质阻力相应增加，在不改变操作条件下生物膜内的缺氧层厚度随之增加，形成 外层为好氧层而内层为缺厌氧层的微环境。好氧层主要进行硝化反应而缺氧层 主要进行反硝化反应，缺氧层的形成有利于加强生物反硝化能力，可在好氧反应 器内利用附着微生物同时进行硝化和反硝化。 1 3c a s s 和m b r 工艺的优化 1 3 1c a s s 工艺的脱氮除磷优化 c a s s 工艺运行中控制供氧强度以及混合液溶解氧的浓度使其从0 逐渐上升到 2 5 m g l 左右，这样使活性污泥絮体的外周保持一个好氧环境进行硝化，由于氧在 活性污泥絮体内的传递受到限制，而具有较高浓度梯度的硝酸盐则能较好地渗透 到絮体内部有效地进行反硝化。另外，该工艺曝气与非曝气交替进行，从而使泥水 混合液通过主反应区，顺序经过缺氧好氧厌氧环境，尤其在非曝气阶段0 5 h - - 1 0 h 内污泥层以胞内在生物选择高负荷下储存或吸收的碳为碳源，进行反硝化， 在污泥沉淀过程中也有一定的反硝化作用。可见，c a s s 系统中溶解氧的浓度对同 步硝化反硝化的程度是至关重要的。 研究表明，当厌氧区内n 0 。一n 浓度在1 5m g l 以上时，释磷会受到抑制心钊， 而c a s s 工艺的末端出水n o 。一一n 浓度一般在5m g l 左右，这样使得从主反应区回 流的活性污泥中含有一定浓度的硝酸盐，导致在厌氧区反硝化菌和聚磷菌对底物 天津大学硕士学位论文第一章绪论 形成竞争，使聚磷菌无法获得足够的短链脂肪酸( s c f s ) 进行充分释磷，进而严 重影响了磷的吸收，导致系统除磷效率的降低。因此，为了达到更好的脱氮除磷 效果，可以对c a s s 系统进行如下改进啪1 ： ( 1 ) c a s s 反应池的主反应区采取间歇频繁的曝气方式，以使其不断的形成 缺氧好氧环境，利用短程硝化和反硝化以变相延长主反应区的有效曝气时问， 进一步提高其生物脱氮和聚磷效率，同时通过不断的缺氧好氧环境的设置还可 以在不影响硝化和除磷效率的情况下，使污泥的无机化速率达到最大，且污泥产 量小而稳定，减少了污泥的处理费用。 ( 2 ) 严格控制生物选择区为厌氧条件( 其混合液中硝酸盐的含量小于0 1 m g l ) ，而从主反应区回流的污泥中硝酸盐含量远大于这一标准，但是污水在缺 氧区通过反硝化作用使得n 0 。- _ n 浓度大幅度降低。因此，通过增设从缺氧区到生 物选择区的回流污泥，可以减少n 0 。一n 对除磷影响。 ( 3 ) 将主反应区的污泥回流到缺氧区。此回流污泥为缺氧区的反硝化除磷 ( d p b ) 提供电子受体n o 。一，补充硝态氮，同时通过回流污泥活性高、吸附性能 好的活性污泥来吸附缺氧区的有机物以弥补进水碳源的不足，使得缺氧区内反硝 化和释磷进行完全，减少了从缺氧区回流到生物选择区的污泥中含有高n 0 。_ n 的 可能性，保证了整个系统内营养盐去除的稳定运行。 1 3 2m b r 工艺的脱氮除磷优化 普通的膜生物反应器( m b r ) 始终在好氧曝气下运行，从而造成反应器中污泥 颗粒粒径比较小，使得污泥颗粒中好氧层较厚而厌氧层很薄，所以活性污泥m b r 系统的好氧反硝化脱氮速率有限。c o t e 等人口采用单级好氧的淹没式船r 处理 城市污水回用的研究表明，对n h 。一n 和t k n 的去除率分别为8 0 和8 1 ，对t n 的 去除率却只有3 6 ；而在增加前置反硝化反应器( 缺氧池) 后，其脱氮效果明显提 高，t n 的去除率增加至8 0 。由此可知，单级完全好氧的活性污泥船r 系统具有 较强的硝化能力，而反硝化能力较差，脱氮效果不佳。 在好氧m b r 系统内，一般具有很长的泥龄，长泥龄有助于硝化菌的生长并可 降低剩余污泥产量，但不利于磷的去除；短泥龄因剩余污泥较多可取得较高的除 磷效果。另外，和生物脱氮过程类似，由于厌氧微环境的局限性，微生物在进行 反硝化过程中需要利用有机碳作为电子供体，从而和聚磷菌对有限的碳源产生竞 争，使得聚磷菌在释放磷的过程中可利用的碳源减少，从而降低了聚磷菌在厌氧 状态下对磷的释放量。因此，为了提高传统好氧m b r 工艺的脱氮除磷功效，人们 提出了许多改进形m b r 工艺： ( 1 ) 前置厌氧反硝化+ 前置缺氧反硝化+ 好氧硝化临r 三级工艺。即在好氧 天津大学硕士学位论文第一章绪论 硝化反应器前依次设置厌氧反应器和缺氧反应器，膜组件与好氧反应器相连，系 统中含有厌氧反应器、缺氧反应器和好氧反应器三个生物反应器。试验结果表明 口刳，上述两种工艺均取得了较好的硝化和反硝化效果，对n h 。一n 、t n 和t p 的去除 率分别高达9 9 、8 7 和9 9 以上。 ( 2 ) 序批式膜生物反应器。序批式m b r 工艺除具有一般m b r 的优点外，对 于膜组件本身和s b r 工艺两种程序运行都有帮助。首先，进水期的充满状态导致 了反应器内氧浓度很快降低，避免了传统的前置反硝化膜生物反应器中氧可能连 续进入反硝化区的弊端；其次，对于s b r 来说，在传统s b r 处理中活性污泥必要 的沉淀时间和清洁水的排水阶段占据了整个循环周期的大部分时间，利用膜分离 可以在反应阶段排水，同时可以完全免去沉淀阶段所需要的时间。该系统用于处 理生活污水，对t n 、t p 的平均去除率分别为8 7 4 和9 3 9 ，远强于好氧m b r 的脱氮除磷性能口3 。 ( 3 ) 间歇曝气m b r 工艺。即在一个反应器内，按时间序列分别完成曝气、 停曝，以实现好氧硝化、缺氧反硝化作用的交替过程，膜组件置于反应器内，一 般曝气时进行膜渗透过滤。 1 4 本试验研究的意义、目的和内容 1 4 1 试验研究的意义 从前文可以看出，c a s s 工艺和m b r 工艺都具有自己独特的优点，是公认的 先进工艺，均具有一定的脱氮除磷功能。如果对系统运行环境进行优化，同时将 c a s s 与m b r 工艺相结合，组成复合式反应器( l i - c a s s 工艺) ，这样不仅可以最 大限度地发挥两种处理工艺各自的优势，增强系统对污染物的去除能力，而且还 具有以下功能： ( 1 ) 采用多组m - c a s s 反应池并列运行，当出水无回用要求时，系统可以只 按照c a s s 工艺出水，出水水质满足排放标准；当出水需要回用时，系统可以通 过m b r 出水，以满足回用要求。 ( 2 ) m c a s s 采用模块式设计，在工程建设初期，可以根据中水用水量的变 化和处理要求进行灵活组合，减少工程建设和运行管理费用。 ( 3 ) 采用m - c a s s 工艺可以减少污泥处理系统的建设和运行费用。因为该系 统中污泥泥龄长，污泥通过延时曝气消耗自身的有机物，剩余污泥量少，并可实 现污