（环境工程专业论文）非织造布膜生物反应器处理生活污水研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 织造布由于本身结构的特点，其固有阻力比中空纤维膜要低一个数量级，同时非织造布 污染主要是因为非织造布的内部污染引起的，微生物粘附在非织造布纤维之上，是造成 非织造布通量下降的主要原因。非织造布膜生物反应器非织造布清洗的适宜措施为空曝 气结合化学清洗( o 3 n a c i o 溶液浸泡) 。 关键词；非织造布；膜生物反应器；生活污水；膜污染 一一 大连理工大学博士学位论文 n o n w o v e n sm e m b r a n eb i o r e a c t o rf o rd o m e s t i cf 场s t e w a t e rt r e a t m e n t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) h a sb e e nw i d e l yu s e di nw a s t e w a t e r t r e a t m e n tt oa c h i e v eh i g h e re f f l u e n tq u a l i t y , w h i c hi so f t e nd i f f i c u l tt ob ee f f e c t i v e l ym e tb y c 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 s t h ea d v a n t a g e so fm b ra r eah i g hm i x e dl i q u i d s u s p e n d e ds o l i d s ( m l s s ) c o n c e n t r a t i o n , p r o d u c i n gh i g h e rr a t eo fr e m o v a lo fb i o l o g i c a l o x y g e nd e m a n d o d ) a n dc h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ( c o d ) ，al o w e re x c e s ss l u d g e p r o d u c t i o na n dt h ep r o d u c t i o no ft r e a t e dw a t e rc a l lb cr e u s e d m e m b r a n eb i o r e a c t o rh a s b e e nd e v e l o p i n gf o rs e v e r a ld e c a d e sa n da l w a y sb r o a d e n i n gi t s a p p l i c a t i o nf i e l d s ，a n dh a s a t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n c a p i t a lc o s t so ft h em e m b r a n eb i o r e a c t o rp r o c e s sa r e s u b s t a n t i a l l yi n f l u e n c e db yt h em e m b r a n ec o s t , w h i c hh a sr e s t r i c t e dt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n o ft h em e m b r a n eb i o r e a c t o ri nl a r g es c a l e n o w a d a y si nt h ew o r l d , m e m b r a n ef i l t r a t i o n m o d u l ei si nt h es i t u a t i o no fl l i g hp e r f o r m a n c ew i t hh i g 五p r i c ea n dl o wp r i c ew i t hp o o r p e r f o r m a n c e an e wt y p es u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o rw i t ht h en o n w o v e u sa st h e f i l t r a t i o nm o d u l ew a sd e s i g n e df o rs o l v i n gt h i sp r o b l e m t h en o n w o v e n si sp r o d u c e di n d o m e s t i cc o r p o r a t i o n i ti so ft h ea d v a n t a g eo fl o wp r i c ew h i c hi so n l y1 3 0c o m p a r e dw i t ht h e m a r k e tp r i c eo ft h ec o n v e n t i o n a lh o l l o wm e m b r a n e t h ep a p e r i n v e s t i g a t e dt h et r e a t m e n tp e r f o r m a n c eo fs i m u l a t e dd o m e s t i cw a s t e w a t e rw i t h n o n w o v e u sb i o r e a c t o r , a h n o s ta l le f f l u e n tw a t e rq u a l i t yc a nm e e tt h en a t i o n a lc r i t e r i o no f r e c l a m a t i o nw a t e re x c e p tt h a tb a c t e r i ai sn e e d e dt ob ed i s i n f e c t e d 。t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts s c o u l db er e m o v e dc o m p l e t e l y ；t h ee f f l u e n tc o d ，b o d 5a n dn h 4 + - nw e r el e s st h a n2 0m g l - 1 ， 1 0m g l 1 ，a n d1 5m g r 1 ，r e s p e c t i v e l y i no r d e rt oo p t i m i z et h ed e s i g n i n gp a r a m e t e r so fn o n w o v e n sb i o r e a c t o r , f o ri t sw i d e a p p l i c a t i o ni nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t , t h ef a c t o rt h a ta f f e c t st h ee f f l u e n tt r e a t m e n te f f i c i e n c y a n dt h ef a c t o rt h a ta f f e c t st h es t a b l eo p e r a t i o no fn o n w o v e n sb i o r e a c t o rw e r ea n a l y z e di nt h i s p a p e r t h ep e r f o r m a n c eo fs y n t h e t i cd o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n tw a se v a l u a t e di nt h e n o n w o v e i l sb i o r e a c t o rw i t hd i f f e r e n tp o r ed i a m e t e rn o n w o v e n sa sf i l t r a t i o nm a t e r i a la ts a m e o p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h eo p t i m a ld e s i g n i n gp a r a m e t e r sa r es h o w na sf o l l o w i n g ： ( 1 ) f o rn o n w o v e n sb i o r e a c t o rw i t hg r a v i t yo u t f l o w , t h ec r i t i c a lp r e s s u r ew a sa b o u t3 0 c m w a t e rh e a dd r o pa n dt h ec r i t i c a lf l u xw a sa b o u t1 0 1 m z h t h ea p p r o p r i a t ea e r a t i o ni n t e n s i t y o f 即mu o n w o v e n sb i o r e a c t o ra tt h ea c t i v a t e ds l u d g ec o n c e n t r a t i o no f4 0 0 0m g ，lw a s1 0 1 3 _ ，h ( 2 ) f o rn o n w o v e u sb i o r e a c t o rw i t hp u m ps u c t i o no p e r a t i o n ，h r tw a sm o r et h a n5 4 h ，6 h w a sr e c o m m e n d e d ，m l v s sc o n c e n t r a t i o ni nn o n w o v e n sb i o r e a c t o rs h o u l db ek e p ta t9 0 0 0 非织造布膜生物反应器处理生活污水研究 m 叽s o l i d r e t e n t i o nt i m ew a sa b o u t4 5d a y s 皿em a j o rp r o b l e mt h a th i n d e r st h ew i d ea p p l i c a t i o no fm e m b r a n eb i o r e a c t o ri s m e m b r a n ef o u l i n g i no u rr e s e a r c h ，n o n w o v e n sf o u l i n ga n dt h ep r o b l e mo ff l u xd e c l i n ew e r e s t u d i e dt of m do u tt h ei n f l u e n c eo fo p e r a t i o n a lc o n d i t i o n so nn o n w o v e n sf l u xa n dt op r o l o n g t h ep e r i o do fn o n w o v e n sf i l t r a t i o nt h r o u g hc o n t r o l l i n g o p e r a t i o n a lc o n d i t i o n s s u c h 豳 c o n t r o l l i n gt h ea e r a t i o ni n t e n s i t y , t h ea c t i v a t e ds l u d g ec o n c e n t r a t i o ni nt h eb i o r c a c t o r , t h e o p e r a t i o np r e s s u r ef o rt h eg r a v i t yf l u x ，t h eo p e r a t i o nt i m ed u r i n gt h ep u m ps u c t i o nm o d e l ，a n d s o d u r i n gt h ee x p e r i m e n t s ，t h em e c h a n i s mo fn o n w o v c n sf o u l i n ga n dt h ec l e a n i n gm e t h o d a f t e rn o n w o v e n sf o u l i n gw e r ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l yt oo f f e rs o m eu s e f u li n f o r m a t i o nf o r t h ea p p l i c a t i o no fn o n w o v e n sb i o r e a c t o r 1 n h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ef o u l i n go f h o l l o wm e m b r a n ew a sr e s u l t e df r o mt h ef o r m a t i o no fc a k el a y e ro nm e m b r a n es u r f a c e ， h o w e v e r , t h en o n w o v a n sf o u l i n gw a sd u et ot h ei n n e rf o u l i n go ft h en o n w o v e n sf o rt h e n o n w o v e n sc h a r a c t e r c o m p a r e dw i t ht h eh o l l o wm e m b r a n ei n t r i n s i cf i l t r a t i o nr e s i s t a n c e , t h e n o n w o v e n si n t r i n s t i cf i l t r a t i o nr e s i s t a n c ew a so n l ya b o u t1 0 o fm e m b r a n ei n t r i n s i c r e s i s t a n c e f o rt h en o n w o v e n sf o u l i n g , t h em i c r o b ea d h e r e st ot h es u r f a c eo fn o n w o v e n sf i b e r , w h i c hi st h em a i nr e a s o nf o rt h en o n w o v e n sf l u xd e c l i n e t h ef e a s i b l em e t h o do fn o n w o v e n s c l e a i n gw a st oc o m b i n et h ea e r a t i o nw i t h o u t n f i u e n ta n dt h ec h e m i c a lc l e a n i n g ( o 3 n a c i o s o l u t i o n ) k e yw o r d s ：n o n w o v e n s ；m e m b r a n eb i o r e a c t o r ；d o m e s t i cw a s t e w a t e r ；m e m b r a n ep o l l u t i o n 一- 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 日期： 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 釜杰鱼 作者签名：艺丕型 ， 导师签名：车黑i 呈l 盐 年月日 大连理工大学博士学位论文 1 引言 1 1 研究背景 水资源是有限的，地球上可供利用的水资源约占地球总水量的0 6 ，并且水资源在 全球各地分配极不均匀，全球有6 0 以上的陆地淡水不足，有4 0 多个国家缺水，加上 世界人口的增长和社会经济的发展，对淡水的需求量急剧增加，产生了资源型缺水危机； 同时由于水体的污染，世界上许多国家和地区相继出现了水质污染型缺水危机，世界上 约有1 1 3 个国家的人得不到安全水【1 1 。当今世界有8 0 个国家，约2 0 多亿人口面临淡水 资源危机，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，缺水已成为世界性的问题【2 l o 我国是世界上1 3 个水资源最贫乏的国家之一【3 j ，虽然我国水资源的总储量平均每年 达2 8 0 0 0 亿m 3 ，但人均水资源拥有量仅为2 3 4 0 m 3 a ，仅为世界平均水平的1 4 。随着我国 经济的迅速发展，工业化和城市化步伐的加快，淡水资源的短缺和水环境的污染日益突 出。当前相当部分城市水资源短缺，城市缺水范围不断扩大，缺水程度日趋严重。据统 计，全国6 6 9 个城市中，4 0 0 个城市常年供水不足，其中有1 1 0 个城市严重缺水，日缺水 量达1 6 0 0 万m 3 ，年缺水t t 6 0 亿m 3 【4 】。由于缺水，每年影响工业产值2 0 0 0 多亿元。天津、 长春、大连、青岛、唐山和烟台等大中城市己受到水资源短缺的严重威胁。因此城市污 水的再生利用，实现污水资源化，对保障城市安全供水具有重要的意义。 传统类型的污水处理与回用设施的建设需大量占地；处理废水的过程中会产生多种 二次污染物；在净化污水的过程中因气味、剩余污泥、噪音以及耗用能源所造成的污染 问题十分严重。因此，常规污水处理工艺的强化、组合及高效、低耗能处理技术的应用， 污水处理和资源回收相结合技术，己成为城市污水处理技术研究的主流。近年来，膜生 物反应器作为一种新型高效污水生物处理技术在国内外受到广泛的关注。 传统活性污泥法是以设二沉池作为泥水分离的，所以存在以下不足1 5 】： ( 1 ) 二沉池沉淀分离效率有限，出水携带很多悬浮污泥，导致出水水质不佳。 ( 2 ) 考虑到泥水分离是以重力式沉淀池实施的，所以曝气池中m l s s 不能太高， 则处理装置容积负荷低，占地面积大。 ( 3 ) 传氧效率低，能耗高。 ( 4 ) 易发生活性污泥膨胀，管理操作复杂。 ( 5 ) 剩余污泥量大，污泥处置费用高，处置费用占污水处理厂运行费用的 2 5 4 0 6 1 。 非织造布膜生物反应器处理生活污水研究 生物反应器中每天排放的剩余污泥量x ( g d ) 与污泥龄( s r t ) 的相关关系如下： z 竖。! ! ! 蝗：型 ( 1 1 ) 1 + k ax s r t h r t 式中： c i 一进水c o d 浓度( r a g l ) g 一出水c o d 浓度( m e l ) v 一生物反应器的容积( m 3 ) h r t - 水力停留时间( h ) s r t - 污泥停留时间( h ) y 0 一理论产率系数( m g 微生物m g 基质) 一衰减常数( d 1 ) 从式( 1 - 1 ) 中可以得知剩余污泥量x 随污泥龄( s r t ) 的延长而降低。如果提高生物反应 器的污泥龄，将大大降低剩余污泥的处置费用。但是过长的污泥龄又常常会导致曝气池 面积过大，能耗高，污泥沉降性能差，出水中悬浮固体的增加。 ( 6 ) 出水水质易受进水水质的影响，出水水质不稳定。 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r c a c t o r ) 是膜技术和污水生物处理技术有机结合产生 的废水处理新工艺，它利用膜分离( 微滤或超滤) 技术来分离生物固体，由膜过滤取代传 统生化处理技术中二次沉淀池，克服了二沉池和生物处理过程中的不足之处。膜可以完 全截留悬浮固体，提高出水水质。早在六十年代末，d o f f - o l i v e r 就提出了活性污泥法与 超滤相结合的工艺有一定的商业可行性，但直到1 9 8 5 年，膜生物反应器的研究基本上还 处于基础研究阶段，它的应用直到最近才得到重视，即在近十年中，膜生物反应器工艺 才得到迅速发展和应用。膜生物反应器与传统的活性污泥处理工艺相比存在如下的优点 7 - s ： ( 1 ) 工艺流程短，轻巧、小型的装置中生物处理机能和膜分离机能被一体化，省 去了二沉池，占地面积小，约为活性污泥法的一半。 ( 2 ) 出水b o d s 、氮、磷和悬浮固体浓度很低，不含细菌、病毒、寄生虫卵等，出 水符合三级处理标准，可直接作为中水利用。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 利于世代时间长的硝化细菌的增殖，从而提高硝化效率。 ( 5 ) 污泥浓度高，泥龄长，对有机物的去除率高，耐冲击负荷。 ( 6 ) 由式( 1 1 ) 可知，延长污泥龄( s r t ) 砒a 减少剩余污泥量的产生。对于传统的活 一2 一 大连理工大学博士学位论文 性污泥法，过长的污泥龄将会导致出水中悬浮固体的增加。而在膜生物反应器中，由于 膜的截留作用，长污泥龄运行并不影响出水水质。膜生物反应器的剩余污泥比常规活性 污泥法处理少5 0 - - 8 0 ，剩余污泥量的减少可以降低污泥处理费用，简化污水处理工 艺操作，特别是对于小型污水处理厂和分散的污水处理设施，其优越性更为突出。 ( 7 ) 膜生物反应器里由于m i s s 浓度高，絮状污泥存在好氧区和缺氧区，可同时发 生硝化与反硝化现象，通过运行方式的改变可具有脱氮和除磷功能。 1 2 国内外膜生物反应器研究进展 1 2 1 膜生物反应器的分类 根据膜组件在生物反应器中所起作用的不同，目前膜生物反应器可以分为三类，分 别为分离型膜生物反应器，曝气膜生物反应器和萃取膜生物反应器 9 1 。其中，分离型膜 生物反应器中的膜用于污水处理中的固液分离，截留的污泥回到生物反应器，渗透液被 排走。 曝气膜生物反应器中，曝气应用透气性膜【1 0 i ，目前所用的膜有两种，即透气性致密 膜和疏水性微孔膜，空气或氧气透过它们向液相传质的机理有所不同。当氧气透过致密 膜时，在气压较高的情况下，氧气扩散可以透过致密透气性膜材料而不形成气泡，向液 相侧扩散，氧的扩散阻力主要在于固体膜的透气性和膜壁的厚度。当空气透过微孔膜时， 氧的分压应控制在泡点以下，通过膜孔向液相传质。氧气在传质中遇到两种阻力，即固 体膜阻力和液膜阻力。试验结果表明，氧气通量一般由液膜阻力控制。在膜曝气系统中， 由于氧气停留在膜的内腔中，气体停留时间越长，分配到液相中的氧气比例越大，氧气 传质效率越高。选择不同的膜表面积和气压，能满足生物反应器的各种需氧量。由于无 泡供氧，这种曝气器可用于含挥发性有毒有机物或发泡剂的工业废水处理系统，膜曝气 系统尤其适用于曝气池活性污泥浓度很高、需氧量很大的系统。另外，曝气池也可以在 有压工况下运行，曝气器的膜还有疏散c 0 2 的功能。该工艺由于可以实现生物反应器的 无泡曝气，可以大大提高反应器的接触时间和传氧效率，有利于曝气工艺的控制，不受 传统曝气中气泡大小和停留时间的因素的影响。 萃取膜生物反应器主要用于工业废水中优先污染物的处理，由于高酸碱度、盐度或 对生物有毒物质的存在，某些工业废水不宜采用与微生物直接接触的方法处理；当废水 中含挥发性有毒物质时，若采用传统的好氧生物处理过程，污染物容易随曝气气流挥发， 发生气提现象，不仅处理效果很不稳定，还会造成大气污染。为了解决这些技术难题， 英国学者l i v i n g s t o n 研究开发了萃取膜生物反应器，选择性透过膜被用于萃取有毒工业 废水中的特定的污染物，然后对其进行单独的生化处理l l ”。废水与活性污泥被膜隔开来， 一3 一 非织造布膜生物反应器处理生活污水研究 废水在膜内流动，而含某种专性细菌的活性污泥在膜外流动，废水与微生物不直接接触， 有机污染物可以选择性透过膜被另一侧的微生物降解。由于萃取膜两侧的生物反应器单 元和废水循环单元是各自独立，各单元水流相互影响不大，生物反应器中营养物质和微 生物生存条件不受废水水质的影响，使水处理效果稳定。系统的运行条件如水力停留时 间( h r t ) 和污泥停留时间( s r t ) 可分别控制在最优的范围，维持最大的污染物降解 速率。 本文中的膜生物反应器均指分离型膜生物反应器。 t 废水流 纤维膜内腔中室纤维膜壁 有机钫 l j j 生物膜鲆维聪 图1 1 无泡曝气膜生物反应器1 f i 9 1 1b u b b l e - f r e ea e r a t i o nm e m b r a n eb i o r e a c t o r 出水( 含浓缩无机质) 图1 2 萃取膜生物反应器 f i 9 1 2e 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 分离型膜生物反应器的分类方法有多种。按照膜组件的放置方式可为分置式和一体 大连理工大学博士学位论文 式膜生物反应器；按照生物反应器是否需氧可分为好氧和厌氧膜生物反应器。根据选用 膜材料的不同，又可分为有机膜生物反应器与无机膜生物反应器。按照所用膜组件种类 的不同，又可分为超滤膜生物反应器、微滤膜生物反应器、纳滤膜生物反应器和动态膜 生物反应器。按膜分离组件可分为板框式、管式、转盘式和中空纤维式膜生物反应器。 分置式膜生物反应器把生物反应器与膜组件分开放置，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得到系统出水，活性污泥则被膜 截留，并随浓缩液回流到生物反应器内。一体式系统直接将膜组件置于反应器内，通过 泵的抽吸，得到过滤液，膜表面清洗所需的错流由空气搅动产生，曝气器设置在膜的正 下方，混合液随气流向上流动，在膜表面产生剪切力，以减少膜的污染。 在分置式膜生物反应器中，膜的操作压力一般在1 - 4 b a r ，膜通量在5 0 。1 2 0 i m 2 h 。 其运行特点是运行稳定可靠、操作管理容易、膜组件易于清洗和更换。但为了减少污染 物在膜面的沉积，由循环泵提供的料液流速很高，因此动力消耗较高。在一体式的膜生 物反应器中，形成膜的出水压力差通常有两种方式：依靠生物反应器内混合液的静水位 压的重力自流式和吸水泵的负压抽吸式，膜的操作压力一般在0 5 b a r 左右，膜通量在 1 5 - 5 0 l m 2 h 。抽吸式膜生物反应器由于不需要循环泵，抽吸泵的工作压力小，单位产水 能耗小于2 k w h m 3 ，低于分置式膜生物反应器的能耗，应用比较广泛，但在运行稳定 性、操作管理和清洗更换方面不及分置式。 生物反应器 ( 1 ) 分置式膜生物反应器 生物反应器 ( 2 ) 一体式膜生物反应器 图1 3 分置式和一体式膜生物反应器 f i 9 1 3s e p a r a b l ea n di n t e g r a t v em e l i l b l a r t f 随着膜生物反应器的不断发展，针对膜生物反应器的膜污染以及处理水质要求的提 高，出现了复合式膜生物反应器，复合式膜生物反应器也是将膜组件置于生物反应器之 一5 一 非织造布膜生物反应器处理生活污水研究 中，通过重力或负压出水，形式与一体式膜生物反应器相同，但生物反应器的型式不同 复合式膜生物反应器，是在生物反应器中安装填料，形成复合式处理系统。 瞅 蜘牺融嚣 奈奈企夺一黜 羹蚕套蠢昏 图1 4 复合式膜生物反应器“1 r i 9 1 4c o m b i n e dm e m b r a n eb i o r e a e t o r 1 2 2 膜生物反应器工艺的研究及应用进展 1 2 2 1 膜生物反应器工艺在国际上的研究及应用进展 膜生物反应器最先应用于微生物发酵工业，1 9 6 5 年b a t t e n 等提出了用膜分离技术进 行微生物浓缩。1 9 6 8 年w a n g 成功运用膜生物反应器制造取酶制剂【1 2 】。膜生物反应器在 废水处理的研究始于美国。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。1 9 6 9 年，s m i t h 等将好氧活性污泥法与超滤膜相结合的膜生物反应器用 于处理城市污水，研究证明，该工艺具有减少活性污泥产量、维持较高污泥浓度、减少 污水处理厂占地面积等优点【1 3 1 。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 1 1 4 1 。7 0 年代初期，好氧分离式膜生物反应器处理城市污水的试验研究进一步扩大。同时， 厌氧膜生物反应器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。h a r d t 等人 将完全混合式生物反应器与超滤单元组合处理污水，有机污染物的去除率达至u 9 8 ，出 水中不含有细斟1 5 1 。b e m b e r i s 等人于1 9 7 1 年在一个实际污水处理厂中实验了膜生物反应 器，均取得了较满意的结果【1 6 1 。1 9 7 8 年，g r e t h l e i n 等进行了厌氧膜生物反应器处理生活 污水的研究1 1 7 】。有机污染物和硝酸盐的去除率分别达至u 9 0 和7 5 。 这期间膜生物反应器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 大连理工大学博士学位论文 停留在实验室研究规模，未能投入实际应用；直到2 0 世纪7 0 年代后期，大规模好氧膜生 物反应器才开始在北美应用。 7 0 年代末期，日本由于污水再生利用的需要。同时膜生物反应器由于其占地面积小 和出水水质优良的优势，其应用有了很快的进展。自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大楼废水，经处理后的水做中水回用，处理规模达 5 0 2 5 0 m 3 d 。日本在1 9 8 5 年开始实施的“水综合再生利用系统9 0 年代计划”把膜生物 反应器在污永处理方面的研究和应用大大推进了一步! i s - 1 9 1 。在该项计划中，日本对厌氧 膜生物反应器作了较系统的研究，研制了酒精发酵废水、造纸厂废水、蛋白工厂废水、 城市污水、屎尿废水、淀粉厂废水等7 类污水的膜生物反应器处理系统。许多研究证明 了膜生物反应器能获得良好的出水水质。日本的三井石化公司用膜生物反应器处理粪便 污水，取得了良好效果【l s ! 。1 9 8 6 年，b i n d o f f 等用厌氧固定床与膜分离组合工艺处理高 浓度生活污水【刎。1 9 8 8 年，k r a u t h 等用有氧反应器与膜组件相结合的工艺处理污水， f h 于提高了供氧能力，获得了很好的出水水质【2 1 1 。目前在日本运行( 包括在建) 的膜生 物反应器占全球的6 6 。 这期间( 进入8 0 年代后期) ，膜生物反应器的研究内容大致分为以下几个方面： ( 1 ) 探索新的膜生物反应器形式，扩大其适用范围 ( 2 ) 探求合适的操作条件和工艺参数，尽可能提高膜组件的性能 ( 3 ) 降低处理工艺的动力消耗 ( 4 ) 进行机理及数学模型描述的研究 ( 5 ) 大规模实用化装置的研制。 进入九十年代中后期，膜生物反应器进入了快速发展期，国际上对膜生物反应器在 生活污水处理、工业废水处理、饮用水处理方面进行了大量地研究，对膜生物反应器机 理、特性、膜通量的影响因素及操作条件等方面也进行了大量的研究工作，膜生物反应 器已进入实际应用阶段，并得到了快速的推广。 目前国际上主要有四家大公司生产和经营膜生物反应器，它们分别是加拿大的 7 _ n o n 公司，日本的m i t s u b i s h ir a y o n 公司，法国的s u e z l d e i d i 公司和日本k u b o t a 公司阎。z e n o n ，m i t s u b i s h ir a y o n 和k n b o t a 公司生产一体式聚合物中空纤维膜组件， 而s u e z - l d e i d i 公司生产分体式管式陶瓷膜组件。加拿大的z c n o n 公司首先推出了超 滤管式膜生物反应器，并将其应用于城市污水处理。为了节约能耗，它又开发了淹没式 中空纤维膜丝的膜组件，此膜组件可以直接放入曝气池，也可以单独设立分离池；采用 正压压滤和负压抽滤相结合的方式，并采用在线过滤液脉冲反冲洗，以减少膜污染。目 前这种膜生物反应器已应用于美国，德国、法国和埃及等十多个地方，规模从3 8 0 m 3 d 一，一 非织造布膜生物反应器处理生活污水研究 至7 6 0 0 m 3 d 删。日本的k u b o t a 公司所生产的板式膜具有流通量大、耐污染和工艺简单 特点。此板式膜直接放入混合液中，利用混合液的水头压力作为穿透压，将处理水排出 系统，系统出水稳定。 ( 1 ) 膜生物反应器处理生活污水 日本的三井石化公司用膜生物反应器处理大楼生活污水，进水b o d s 为3 3 0 - 7 1 0 m g l 时，出水b o d s 仅为1 - 5 m g l ，c o d 为1 0 - 3 0 m g l ，称为中水道技术，可作为冲洗厕所 用水、草地灌溉水和洗车用水等，达到了污水回用的目的嘲。c h i e m c h a l s r i 等人用膜生 物反应器工艺处理生活污水，出水水质好于传统二级处理后再经消毒的出水【卅。t r o u v e 等将无机膜生物反应器工艺运用在巴黎a u b e r g e n v i u ew w t p 处理城市废水的半生产性 运行中，处理能力为1 8 4 0 m 3 1 d ，对s s 、b o d 5 去除率大于9 9 9 ，n h 4 + - n 去除率大于 9 7 ，c o d 的去除率为9 6 ，硝化大于9 9 9 。i c k - t a e 等人用膜生物反应器处理生活 污水，在水力停留时间8 小时左右的情况下，c o d 去除率为9 6 ，出水无s s “。u e d a 用膜生物反应器处理生活污水( 3 2 3 9 m 3 d ) ，水里停留时间为1 3 1 6 h ，b o d 5 负荷为 0 1 6 0 3 7 k g m 3 d ，b o d 5 污泥负荷o 0 1 5 - 0 0 4 6 k g k g d ，当进水b o d 5 为1 3 3 4 5 8 m g l ， t n 为3 2 - - - - 1 9 m g l ，t p 为3 8 3 0m g l 时，三者的去除率分别为9 9 ，8 3 ，7 0 1 2 6 。 德国e r f t 河流协会在该协会的一个小型城市生活污水处理厂内建立了一个半工业规模 的膜生物反应器中试工厂，膜组件形式为中空纤维膜，总面积2 7 8 m 2 。五个月的运行结 果表明，污泥浓度( m i s s ) 可以达到1 5 9 l ：c o d 由8 0 0 恤鲋降至2 0 m g l 以下。进水 的t k n 为3 5 m g l ，出水的n h 4 + - n 浓度为l i n g l ：不再需要过滤和消毒后处理田】。目 前德国、日本、奥地利、加拿大、美国等国家已建成了应用好氧膜生物反应器处理生活 污水的中试工厂。k u b o t a 膜生物反应器技术公司在英国北部s o m e r s e t 海岸的p o f l o c k 村 庄建立了一个污水处理厂，最大处理规模为1 9 0 0 m 3 d ，运行1 4 个月的结果表明，出水 水质很好，b o d 5 不超过5 m # l ，并且不受进水b o d 5 变化的影响；出水的平均浊度为 o 3 n t u t l l l 。 ( 2 ) 膜生物反应器处理工业废水 r o s s 等研究应用厌氧消化与超滤膜相结合的系统处理玉米加工废水取得成功，已建 成的实际污水处理厂进水c o d 为1 5 0 0 0 m g l ，出水c o d 可达到4 0 0 m g l ，去除率在 9 7 以上吲：s u w a 等对食品加工废水进行了小试试验研究，污泥浓度为2 7 2 3 6 9 v s s l ， 进水b o d 5 负荷为0 3 3 1 6 6 k g ( m 3 d ) 时，对c o d 的去除率大于9 7 2 9 1 。e l a c o s t e 等用微滤、超滤膜生物反应器工艺纯氧曝气处理含蛋白胨、葡萄糖等人工合成废水，进 水c o d 为6 0 0 r a g l , b o d 5 为4 3 0 m g l 、总氮6 6 2 m g l 、s s 为3 8 m g l ，出水c o d 小 于3 0m g l ，c o d 和b o d 5 的去除率为9 7 和9 8 ，出水中没有细菌和s s 闭。o i o o 等 一8 一 大连理工大学博士学位论文 进行了膜生物反应器治理酒精蒸馏废水( 迸水c o d 为2 2 6 0 0 m g l ，s s 为4 1 7 m g l ) 的 研究。膜生物反应器为分置式，由完全混合厌氧反应器和板框超滤膜组成。反应温度5 5 ，c o d 去除率可达9 7 【3 1 1 。e l m s l e h 等研究了分置式膜生物反应器处理乙酸合成废水 ( 2 0 0 0 m g t o c l ) ，分别使用微孔膜( 孔径0 弘m ，0 4 l m ) 和超滤膜( 孔径o 0 8 肛m ， 0 0 5 m ) 。厌氧反应器温度3 5 ，试验结果t o c 去除率均超过9 5 。悬浮性固体浓度 均保持在0 1 3 9 a , ，甲烷气体产率稳定在0 7m 3 k g t o c 【3 2 1 。a d r e s o n 等应用高密度聚乙烯 多孔膜进行两相厌氧消化处理葡萄糖合成废水( c o d 为3 5 0 0 1 0 4 0 0 m g l ) ，膜组件放 置在两相反应器内。产酸相反应器有机负荷4 9 5 4 1 k g c o d m 3 d ，水力停留时间o 7 1 9 d ： 产甲烷相有机负荷o 9 8 1 2 2 k g c o d m 3 d ，水力停留时间2 9 7 7 d 。整个系统c o d 去除 率9 8 以上，出水悬浮物质的浓度很低( 小于5 0 m g l ) l 硎。 在工业废水处理中还应用萃取式膜生物反应器。因为高酸碱度或对生物有毒物质的 存在，某些工业废水不宣采用与微生物直接接触的方法处理，当废水中含挥发性有毒物 质时，若采用传统的好氧生物处理过程，污染物容易随曝气气流挥发，发生气提现象， 不仅处理效果很不稳定，还会造成大气污染p 卅。为了解决这些技术难题，1 9 9 4 年，英 国学者l i v i n g s t o n 研究开发了萃取式膜生物反应器印l ，废水与活性污泥被膜隔开，废水 在膜内流动，而含某种专性细菌的活性污泥在膜外流动，废水与微生物不直接接触，有 机污染物可以选择性透过膜被另一侧的微生物降解。由于萃取膜两侧的生物反应器单元 和废水循环单元是各自独立的，各单元水流相互影响不大，生物反应器中营养物质和微 生物生存条件不受废水水质的影响，使水处理效果稳定。系统的运行条件如水力停留时 间和污泥停留时间可分别控制在最优的范围内，便于获得最大的污染物降解速率。 l i v i n g s t o n e 用萃取式膜生物反应器成功进行了3 氯硝基苯化工废水的处理，3 一氯硝 基苯在萃取式膜生物反应器中得到有效的降解。随后，l i v i n g s t o n 等使用该技术，对苯 酚、苯胺、硝基苯、2 ，3 一二氯苯胺、3 ，4 一二氯苯胺等挥发性有机物进行处理，同样得 到有效的生物降解效果【3 5 1 。1 9 9 9 年，f r e i t a s d o ss a n t o s 用萃取式膜生物反应器处理含有 二氯甲烷的医药工业生产废水，证实了萃取式膜生物反应器对于含有有机化合物的无机 废液具有潜在的处理能力1 3 q 。萃取式膜生物反应器的出水因去除了有机物而保留了废水 中的有效无机原料，处理水可以在工业生产系统中回用。 ( 3 ) 膜生物反应器处理饮用水 随着氮肥与杀虫剂在农业中的广泛应用，饮用水也不同程度地受到污染。1 9 9 2 年， 法 c h a n g , j 等人将膜生物反应器应用于给水处理，开展了微污染饮用水除氮的研究， 出水的氮浓度在o 1 2 0 i i l g 刖3 7 1 。l y o n n a i s ed e se a u x 公司在9 0 年代中期开发出同时具有生 物脱氮、吸附杀虫剂、去除浊度等功能的膜生物反应