MBR工艺用于食堂废水处理研究毕业论文.doc

天津工业大学2011届本科毕业论文MBR工艺用于食堂废水处理研究毕业论文目 录前 言1第一章 绪论21.1 餐饮废水的概述21.2 餐饮废水的危害21.3 国内外关于餐饮废水处理现状和处理方法31.3.1 国内外关于餐饮废水处理现状31.3.2 国内外关于餐饮废水处理方法31.4 膜生物反应器概述61.4.1 膜生物反应器的分类61.4.2 分置式和一体式膜生物反应器的优缺点71.4.3 膜生物反应器于传统方法比较91.4.4 一体式和分置式优缺点101.5 膜生物反应器应用现状及展望101.5.1 国外研究现状101.5.2 国内研究现状111.5.3 应用展望121.6 论文主要研究内容12第二章 实验与操作142.1 实验方法142.1.1 实验试剂142.1.2 实验仪器142.2 实验系统描述142.2.1 实验装置142.2.2 实验用膜基本参数162.2.3 实验用水水质及其分析方法162.2.4 氨氮的标准曲线162.2.5 总磷的标准曲线172.3 实验内容17第三章 实验结果与分析193.1 废水预处理与污泥驯化193.2 COD去除效果及影响因素分析193.3 氨氮去除效果及影响因素分析213.3.1 生物脱氮的基本原理213.3.2 NH3-N去除效果分析213.4 TP去除效果及影响因素分析223.4.1 餐饮废水中磷的主要来源及其危害223.4.2 磷的去处效果233.4.3 生物除磷的基本原理233.4.4 影响生物除磷效果的因素243.5 SS去除效果24第四章 膜污染264.1 膜污染概述264.1.1 膜污染的定义及影响因素264.1.2 膜污染的控制264.2 膜的清洗及其效果分析27第五章 结论31参考文献32附录 34译文41谢 辞47第一章 绪论1.1 餐饮废水的概述据资料统计，我国的餐饮业每年以16%的速度在递增，餐饮废水以成为我国主要水体污染源之一。餐饮废水排放量约占城市生活污水排放量的3%，但其BOD、COD的含量却占总负荷的1/3。可见餐饮废水是高浓度污染源，也是城市周围水体受污染的主要原因之一。对城市周围水体污染以及城市污水处理厂的负荷增加具有相当大的影响。餐饮废水是餐饮业营业过程中产生的综合废水，主要来源于餐饮业的准备、餐具的洗涤、食物残余的渗沥液等由于餐饮业的特征.餐饮废水具有排放分散水质波动大等特点。食物准备阶段产生的废水，主要包含肉餐饮业准备的动物油脂、泥沙等;餐具的洗涤废水包含大量的洗涤剂以及动植物油脂等;食物残余产生的渗沥液是一种典型的高浓度有机废水，其COD质量浓度高达56万mg/L，同时由于就餐人员的复杂性，还存在病毒污染。总体上，餐饮废水的污染特征主要体现为高浓度的有机污染。另外，餐饮业污水的产生是由于在烹饪过程中使用大量的动物油和植物油，这些油脂经加热烹炒、高温煎炸后部分进入食物，而在刷洗餐具、油锅以及倒掉残油和残羹冷炙的过程中，大量油脂和厨房生活污水混合进入下水道而形成的。动植物油脂是多组分烃基脂肪酸类有机混合物，COD、BOD值高，有一定的色度和气味，易燃、易氧化分解，一般都比水轻，难溶于水。1.2 餐饮废水的危害餐饮废水中含有大量的食物残渣，有机物含量相当高。据国内几个主要大城市对餐饮废水污染指标监测的结果显示：COD为5001 000 mg/L，BOD5 为300400 mg/L，SS为300400 mg/L，油脂在150 mg/L以上 1 。事实上，有的废水COD含量达到几千甚至上万mg/L。受制于人们的生活饮食习惯，餐饮废水水质、水量变化大，并且用于餐饮废水处理的空间有限，这些都给餐饮废水的处理带来了限制2。餐饮废水有着以下主要危害：（1）排放具有间歇性及水质水量不稳定性等特点，它的排放较大程度地影响着城市生活污水的水质水量， 不利于城市污水处理厂的稳定运行。（2）含杂物油脂及氮磷化合物较多，如直接排入江河湖海中，可导致天然水体的富营养化，严重时形成的油膜能阻止水体复氧，导致水生生物死亡， 破坏水体生态平衡，如排入市政排水管网中，低温时易堵塞管道， 高温时易滋生细菌，产生恶臭，腐蚀管道。（3）餐饮废水中含有多种致癌有毒物质, 严重危害人体健康。因此，加强对餐饮废水的处理已成为目前生活污水处理中一个紧迫而又棘手的问题，国家环保总局、各省市环保部门都对餐饮废水的处理提出了具体要求与对策。目前，对餐饮废水处理方法的研究主要集中在混凝、气浮、过滤、粗粒化法等物化处理方法及生物处理方法( 如生物转盘、普通活性污泥法、SBR 等) , 但这些方法都具有这样或那样的缺点，使餐饮废水的治理不如人意3、4。综上可知，开展对餐饮废水处理方法的研究具有重要的现实意义，对餐饮废水处理设备的开发具有广阔的市场前景。本论文采用膜生物反应器及简单前期预处理来处理餐饮废水。1.3 国内外关于餐饮废水处理现状和处理方法1.3.1 国内外关于餐饮废水处理现状鉴于前述，餐饮污水有机成分较多，各成分间的综合作用强，稳定性差，但毒性不大，预处理相对比较困难，其排放时间有一定的规律性，排放瞬间流量大，流量时变化系数大中午和晚上一般是厨房污水排放的高峰值期间。同时餐饮废水中含油量很高，而洗涤剂的使用使得油呈乳化状漂浮于水中，从而大大增高了水中化学耗氧量的值，一般均达到几千mg/L。而且，由于油与洗涤剂的比重较小，它们与废水中的悬浮物粘合在一起，使之不易沉降。现有处理装置一般可以使污水达到国家规定的排放标准，或者在污水排入城市污水管网系统之前，进行简单的预处理，真正做到污水处理之后能够回用的一体化装置较少。同时中小型餐饮业布局不合理。目前大多数的餐饮业厨房的布置拥挤，可利用空间有限，对污水处理装置的外形尺寸要求十分严格。对于城区的中小型餐饮店，废水处理一般只能在室内进行，这大大限制了生物处理设施应用。尽管国内已经研制出餐饮废水一体化设备，但处理能力有限，一次性投资较大，许多业主难以接受，并且它要求操作人员懂得设备工作原理，具有一定处理故障能力，维护起来并不容易。1.3.2 国内外关于餐饮废水处理方法本实验中的餐饮废水经隔油沉淀预处理，因此在此处主要介绍，油水分离后的废水处理方法。在除去大部分油脂后的废水中主要污染物为各种蛋白质和淀粉类等有机污染物,目前针对这种污水的研究较多，主要的有以下几种：1、混凝法 由于餐饮废水中污染物大量以胶体形式存在，一般投加混凝剂先对胶体脱稳，再进行沉淀，将其去除。混凝剂主要有无机混凝剂和有机混凝剂两种，无机混凝剂一般有聚合氯化铝（PAC）、聚合硫酸铁（PFS）、聚合氯化铁（PFC）等聚合铝铁盐，它们通常带正电荷，能吸附水体中带负电的胶体而发生凝聚，并从水体中沉降从而除去水中的污染物；聚丙烯酰胺（PAM）是常用的有机高分子混凝剂，它分为阳离子型、阴离子型和非离子型三大类。刘葵等5采用PFS、PFC、与PAM混合使用，处理餐饮废水，研究表明：PFS、PAC与不同类型的PAM复合使用时COD去除率的变化规律是接近的，二者与阴离子型PAM复合使用时的效果最好，与非离子型PAM复合使用的效果最差。PFS与阴离子型PAM复合使用时COD去除率最高可达到91.22%，PAC与阴离子型PAM复合使用时COD去除率可达到91.42%，已达到污水综合排放标准的一级标准。磁分离技术是利用各种物质磁性的差别，在不均匀磁场中实现分离的一种方法。本身具有磁性的物质可直接进行磁分离，本身无磁性的物质则可通过投加磁粉后进行磁分离。加入磁粉处理餐饮污水的磁分离法，虽然具有易于操作、运行费用低等优点，但出水的含油量难以达标排放。曾胜等在加入磁粉的同时加入混凝剂使混凝过程得到强化，然后通过磁分离器使混凝污泥分离除去，获得了较磁分离法和一般混凝法更好的处理效果。丁保宏等6采用新型高效无机混凝剂聚硅酸铝以化学絮凝法处理餐饮废水，废水中的COD去除率达到88%，取得了令人满意的处理效果。董晓丹7利用自制复合混凝剂处理餐饮废水，餐饮废水COD为2532mg/L，通过对工艺指标的优化，COD去除率达到90%以上，处理水达到了城市下水道接纳水质标准，经进一步砂滤处理后，出水可达到污水综合排放标准的二级标难。2、生物法餐饮废水可生化性较好，因此可以采用生物处理方法。根据微生物对氧的需求性，生物法可分为好氧法和厌氧法。（1）好氧法好氧法是在有游离氧(分子氧)存在的条件下，好氧微生物利用废水中的有机污染物，作为营养源进行好氧代谢，将污染物质转化为无害的简单无机物。好氧法主要有传统活性污泥法、生物膜法、间歇式活性污泥法(SBR)等。（2）厌氧法厌氧法是在没有游离氧的条件下，厌氧微生与兼性微生物降解和稳定有机物的生物处理方法，在处理过程中，复杂的有机物被降解转化为简单的有机物或无机物。近年来开发的厌氧处理构筑物主要有厌氧生物滤池、厌氧接触法、UASB反应器、分段消化法等。张志等9采用高效厌氧生物处理技术为主体的处理工艺，采用钢结构复合厌氧颗粒床反应器，对餐饮废水进行处理。试验结果证明，复合厌氧颗粒床反应器对操作条件以及进水水质的突变表现出较好的耐冲击能力，出水水质稳定。稳定运行阶段出水的COD、BODS、油脂和SS等指标均符合污水综合排放标准（GB8978-1996）中的一级标准要求。白中炎10等以广州某酒店污水治理工程厌氧单元的启动调试进行研究，该酒店废水处理工艺由隔油池、厌氧膜床和好氧反应器三部分组成。废水经过隔油池去除大部分动植物油脂（油脂质量浓度在30mgL/以下）和部分有机物后，由污水泵提升至厌氧膜床反应器进行厌氧发酵，出水流至好氧反应器进一步净化处理。厌氧单元经过85d的启动运行，COD容积负荷达到4.0kg/(m3d)，COD去除率稳定在50%左右。（3）好氧厌氧联合处理法由于厌氧法和好氧法都有其优点和缺点，因此有研究用好氧法与厌氧法联合使用，达到高效处理的目的。张景丽等采用了厌氧和好氧联合工艺处理餐饮业废水。工艺对餐饮废水处理效果良好，COD、NH3-N、TP、SS的去除率分别为91.7798.20%、88.02%96.00%、56.3292.14%、85.00%90.91%，出水中COD、NH3-N、SS达到污水综合排放标准（GB8978-1996）的一级标准。Ulysess等对日本的家庭、宾馆、饭店产生的餐饮废水处理工艺进行了调查，典型的工艺流程为厌氧池+生物接触池+淀池，使用了厌氧+好氧组合工艺。3、膜法 膜法主要利用微孔过滤原理。陈广春等研究了无机陶瓷膜处理餐饮废水的操作条件对膜通量及COD 去除率的影响。实验结果表明：操作参数对膜通量及餐饮废水的COD 去除率均有一定影响。小孔径的陶瓷膜对COD 的去除效果较好；进水浓度越高，COD 的去除率越高；而膜内压力对COD去除率的影响不大。何毅等10采用无机膜好氧组合工艺对高浓度餐饮废水（COD 15000 mg/L） 进行处理。考察了进水COD浓度、溶解氧浓度、水力停留时间对好氧反应器处理效果的影响。结果表明：当水力停留时间大于56 h时,废水的COD去除率高于90 %，温度对处理效果影响不大。对好氧出水用无机膜进行分离，最终出水COD小于25 mg/L，浊度小于1NTU。（1） 电化学法 Xandra等采用电絮凝法处理餐饮废水，通过对油脂含量高，不同的COD、BOD和SS浓度的餐饮废水的电絮凝实验表明：Al电极优于Fe电极；进水pH、电导率和电流密度不影响污染物的去除效率；电负荷是最重要的操作参数，最佳电负荷和电流密度分别是1.679.95F/m3和3080A/m3，且与废水的特性有关；Al电极消耗范围是17.7106.4F/m3，电耗小于1.5Kwh/m3，试验污水的油脂去除率大于94%，电絮凝能中和废水的pH。林辉等采用电絮凝法处理餐饮废水，结果显示：脉冲电絮凝可消除铝阳极的钝化，提高电解电流效率；在相同的去除率时，脉冲电絮凝比直流电絮凝节能30%。宋卫锋11等用改装的直流、脉冲两用电源对餐饮废水做了对比处理研究。试验结果表明：脉冲电解的处理效果优于直流电解，在COD的去除率相近的情况下，电耗可降低5.5%。当脉冲频率为1.67KHz，水力停留时间为29min，电流为5A时，电耗为0.22KWh/m3，COD的去除率可以达到83.1%。（5）机械法 罗树雄等12 将餐饮污水中有营养价值的固体物质经过粉碎、固液分离和烘干消毒等工序后打包统一收集。含油污水经过油水分离后，废油回收，废水排入下水道。以上餐饮废水的处理方法，都有其各自的优点，但又都存在这样或那样的缺点，如：经济效益问题，占地面积问题，处理效果问题。所有这些使得以上餐饮废水的处理方法都不尽如人意。综上可知，开展对餐饮废水处理方法的研究具有重要的现实意义，对餐饮废水处理设备的开发具有广阔的市场前景。在本实验中采用的是最新最先进的膜生物法，即将膜法和生物处理方法有效的结合起来，组成一体的装置，使得设备减小了场地的占用，有获得了很好的处理效果，在下面我们会详细介绍膜生物反应器法的各种优点。1.4 膜生物反应器概述膜生物反应器（MBR）技术是一种新型的高效污水处理技术，是将膜分离技术与传统的污水生物处理技术相结合的产物。该技术用膜分离取代传统活性污泥处理工艺的二沉池，可以进行高效的固液分离，克服了传统活性污泥工艺中的水质不够稳定、污泥容易膨胀等不足。经过一级过滤和除砂处理的污水在进入厌氧区后，不仅提高了污水的可生化性，而且让回流污泥与污水充分接触，增强了活性污泥对污水的降解能力；随后污水进入缺氧区，将难降解的大分子有机物分解成易生化的小分子有机物；然后污水进入好氧区进行有机物生化降解，同时进行生物硝化反应，并通过回流到厌氧区进行反硝化反应，完成脱氮功能。处理后的大部分混合液到膜区通过膜组件进行泥水分离，清水进入清水池；不能通过膜的污水流人生物选择池进行处理。由于中空纤维膜组成的膜组件孔径仅为0.1m，因此可将曝气池中的细菌胶团和游离细菌完全保留在膜区，实现了泥水分离，使各种悬浮颗粒、细菌、藻类、COD及有机物均得到有效去除，保证了出水的优良水质。1.4.1 膜生物反应器的分类膜生物反应器的种类很多，按照不同的标准可以对膜生物反应器做不同的分类，常见的有如下几种：（1）按膜组件类型划分，有如下几种分类：中空纤维膜膜生物反应器、管事膜生物反应器、板式膜生物反应器、卷式膜生物反应器。（2）按膜生物反应器需氧性划分，有以下几种分类：好氧型膜生物反应器、厌氧式膜生物反应器。（3）按膜生物反应器受压型划分，可以分为以下几类：膜加压式的膜生物反应器、膜常压式的膜生物反应器。（4）按反应器和膜组件的组合形式划分，有二种分类：一体式膜生物反应器、分离式膜生物反应器、隔离式膜生物反应器。（5）根据膜组件在膜生物反应器中所起的作用的不同，大致可将膜生物反应器(MBR)分为分离膜生物反应器、无泡曝气膜生物反应器和萃取膜生物反应器三种。分离膜生物反应器中的膜组件相当于传统生物处理系统中的二沉池，膜生物反应器由于膜高效的截留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，因而使膜生物反应器具有很高的出水水质；无泡曝气膜生物反应器采用透气性膜，对生物反应器进行无泡供养，氧的利用率可达100%，气泡不形成，可避免水中某些挥发性有机污染物的散发;用于提取污染物的萃取膜生物反应器是由内装纤维束的硅管组成。这些纤维束具有良好的选择性，可将工业废水中的有毒污染物传递到好氧生物相中，然后在反应器中被微生物吸附降解。根据膜组件和生物反应器的相对位置可以将MBR分为2大类：分置式MBR和一体式MBR。1.4.2 分置式和一体式膜生物反应器的优缺点本实验采用一体式膜生物反应器处理餐饮废水，这是经过详细探讨和查找相关资料后做出的选择，下面针对这两种膜生物反应器的优缺点做简要介绍。（1）分置式膜生物反应器的原理及特征分置式MBR也称为第一代MBR，它是MBR的早期形式。在分置式MBR中，膜组件与生物反应器独立，之间由泵和管线连接构成。反应器内混合液由泵加压后进入膜组件，滤液通过泵抽出，悬浮物则被膜截留，随浓缩液重新流同到反应器内进入下一次的处理，循环往复分置式MBR工艺流程如图1-1所示图1-1 分置式膜生物反应器工艺流程图早期的分置式MBR均采用错流式膜组件，即原液是平行于滤膜表面流动的，与滤液垂直交错(如图1-2所示)，错流过滤产生较大的剪切力，可限制制滤饼层的厚度，对缓解膜污染极为有效，但是为了维持稳定的透水率，膜面流速一般要求大于2m2/s 这就需要较多的循环水量，而造成较高的单位产水能耗。 图1-2 错流过滤示意图（2）一体式膜生物反应器的原理及特征为了解决分置式MBR能耗较高的问题，人们研究出了第二代MBR一体式MBR。日本学者Yamamoto等13在1989年首先开发了一体式MBR。其工艺流程见图1-3。在一体式MBR中，膜组件直接置于反应器内部，通过泵抽吸得到滤液，省去了分置式所需的循环泵及管路系统。好氧MBR的膜组件正下方置有曝气器，曝气使得混合液随气流向上流动。在膜表面产生剪切力，胶体颗粒在这种剪切力的作用下被迫离开膜表面，延缓了膜污染的产生。一体式MBR可以利用曝气时气液向上的剪切力来实现膜面的错流，也可以采用在膜组件附近进行叶轮搅拌。依靠膜组件自身的旋转来实现膜面错流效应14。 图1-3 一体式膜生物反应器工艺流程图对一体式MBR研究的初期，采用的是负压抽吸出水方式15 ，并且为减小膜面污染泵的抽吸是间断运行。1999年一种新型的一体式MBR重力淹没式MBR在日本试验成功，Tatsuki、Ueda等人利用膜组件上部混合液的高度差所产生的水压将水压出膜组件，处理每吨水能耗约为2.4 KW.h根据生物处理工艺要求可将一体式MBR分为2种组成形式16：在第一种行驶中，曝气池由硝化池和返销化池组成。膜组件浸没于硝化反应器的液体中，两池之间过滤通过泵来循环，一般可以提供配套的膜和设备，膜的隔离和清洗比较方便。将浸没了膜组件的区域作为好氧区，生物反应池作为缺氧区，还能达到硝化反硝化的目的。第二种形式是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来抽吸，得到过滤液，组合上更为简单，但在脱氮功能上不及第一种形式。1.4.3 膜生物反应器于传统方法比较 随着我同废水水量的剧增和水质处理难度的加火。传统的生物处理法存在的问题日益突出，相比之下。膜生物反应器处理工艺的优点非常明显，主要表现为以下几个方面： （1）传统活性污泥处理法(CAS)的沉淀池固液分离效率低，设备容积负荷低。MBR由于膜的机械截流作用，较大地避免了曝气池内微生物流失。反应器内污泥浓度较高，大大提高了设备的容积负荷。 （2）CAS出水中一般仍含有大量悬浮物质，不能满足较高要求，MBR出水水质可以满足目前国际上最严格的污水排放标准。 （3）传统工艺一般都设有初沉池、二沉池，构筑物多，占地面积大。与土地日益紧张的现状相矛盾。MBR艺流程紧凑，生物反应器取代了二沉池，大大缩小了构筑物的占地面积。 （4）传统方法一般会产生大量剩余污泥，增加后期处理工序的难度和费用。 MBR工艺中，膜的截留作用延长了污泥泥龄，反应器起到污泥消化池的作用17使得污泥产量少，后期处理较容易 （5）传统工艺一般耐水质、水量和有毒物质冲击负荷能力弱，运行不稳定 MBR中活性污泥浓度能随进人反应器的有机物浓度变化而变化，达到一个动态平衡，使得出水稳定且耐冲击负荷。 （6）传统方法需要专门的脱氮设备才能达到一定的除氮效果，MBR工艺中，较长的污泥泥龄有利于增殖缓慢的硝化细菌的截留、生长和繁殖，从而系统对氨氮和难降解有机物的去除效果较好18。 (7)传统方法工艺复杂，操作管理不便，还需防止污泥膨胀而MBR工艺设备少，易于一体化和自动控制，操作管理十分方便。且水力停留时间和污泥龄可完全分开，运行控制更加灵活、稳定。 （8）传统方法一般只适于中低浓度废水的处理，高浓度废水需要稀释后才能进行处理，而MBR工艺适用于任何浓度废水的处理19，均能达到很好的处理效果。 （9）一般将一种传统工艺改造为另一传统工艺十分困难，新建反而更为经济，但若将普通活性污泥法处理设备改造成MBR工艺则比较容易，不必另建。 （10）根据污水水量、水质及处理难易程度的不同，MBR处理工业废水的一次性投资通常在0.41万元/m2，应用于中水同用系统的MBR(10500/m2)一次性投资通常在0.250.5万元m2 20，均远高于常规处理工艺的投资。高投资的主要原因是膜及膜组件价格昂贵，进口膜价格远远高于国产膜。MBR的总运行成本一般在24元/m2，同样高于常规工艺的处理费用。高运行成本主要来自于动力能耗费和膜的更换费，目前来看，大型污水处理厂采用常规工艺更为经济，但长远来看，污水排放标准的愈益严格、膜组件质量的提高和费用的逐步下降、技术的发展将更完善，会使得MBR的经济投资逐步降低。1.4.4 一体式和分置式优缺点分置式膜生物反应器主要优点：运行稳定，操作管理方便，膜组件清洗、更换及曾设比较容易生物反应器和膜组件是独立的系统，彼此之间干扰很小，膜组件与各种生物反应器结合，构成不同的分置式膜生物反应器，既能用于厌氧处理，也能用于好氧处理。分置式膜生物反应器主要缺点：为了减少污染物在膜面的沉积，料液流速一般要求达到很高，由于膜组件置于反应器外部，需要回流泵等装置，故相对占地面积大，分置式膜生物反应器运行成本高，远远高于常规处理。一体式膜生物反应器主要优点：装置简单，不需要循环泵，只需一台小流量抽吸泵、曝气器和一个反应池即可，单位产水能耗比分置式低30倍以上，操作压力较小，远小于分置式，结构紧凑，占地少，因为不需要循环泵，所以可以避免微生物菌体失活，可以保持长时间的稳定膜通量而无需化学清洗膜。一体式膜生物反应器主要缺点：单位处理能力小，透水率低，膜污染更为严重，运行不是十分稳定，操作管理上相较分置式要复杂一点。综合以上分置式膜生物反应器和一体式膜生物反应器的优缺点，考虑到实验室的实际实验条件及实验经费问题，本实验采用一体式膜生物反应器作为实验装置。1.5 膜生物反应器应用现状及展望1.5.1 国外研究现状MBR最先应用于微生物发酵工业，在废水处理领域中的应用研究始于20世纪60年代的美国。美国的Smith于1969年首次报道了活性污泥法和超滤结合处理城市污水的方法 21。20世纪70年代以后，厌氧MBR技术相继开始研究，1978年，Grethlicn进行了厌氧MBR处理生活污水的研究。与此同时，日本根据本国国土狭小、地价高的特点，对膜分离技术在废水处理中的应用进行大力的研究，使MBR开始走向实际应用。80年代以后，随着膜质量的提高和造价的降低、膜分离工艺的完善、膜清洗方法的改善和污水处理厂出水水质要求的提高，国际上对MBR的研究更深入。日本学者Yamamoto等在1989年首次开发了一体式MBR。 90年代，各国对MBR投人了大量的精力，从各个方面提高了MBR的实用性。MBR已不再局限于生活污水和城市污水处理，开始向特种废水处理方向延伸，处理对象扩展到工业废水、石化废水发酵废水，甚至堆肥、填埋场沥滤液等的废水处理方面。2002年，Chettiyappan Visvanayhafl等为减少反渗透法用于脱盐海水中的操作和维护，改进了RO系统的工作情况22 。同一年，Alper Nuhoglua等用MBR对饮用水进行脱氮的实验，实验反应器为一个搅拌器，利用MBR可使NH3-N去除率上升到98.523。2003年，Hideaki Noma等将膜技术应用于菲律宾一旅游胜地海岛的废水处理，出水用于冲厕及灌溉24 。1.5.2 国内研究现状我国对膜生物反应器污水处理技术的研究较晚，但发展迅速，近年来，MBR工艺已有实际应用实例，并保持着良好的发展势头。1991年，芩运华首次报道了膜生物反应器在日本的应用情况。随后，一些大学和科研机构纷纷开展了关于膜生物反应器的研究。如清华大学、中科院生态环境研究中心、哈尔滨工业大学、天津工业大学、同济大学、华东理工大学等对膜生物反应器的运行特性、膜通量的影响因素、膜污染的防治与清洗等方面做了大量细致的研究工作，MBR技术研究受到国家“八五”、“九五”、“十五”科技攻关项目基金支持，取得了很大进步。2002年，膜生物反应器的研发又被列为“863”重大科技项目，推进膜生物反应器在污水处理及回用中的应用。目前我国已有膜科学技术研究机构上百家，膜生产企业数百家，参与MBR的研究机构有数十家，近年来，中国期刊网上关于MBR研究的论文500余篇，MBR的研究方面取得了很大进展。近年来，我国的MBR研究有了深入发展，在膜污染方面，黄霞、刘锐等在研究中发现，MBR中溶解性微生物产物(SMP)在膜生物反应器中累积和然后又被降解的现象25。俞开昌、文湘华等开展了次临界操作下的膜污染机理的研究，指出此临界条件下，膜污染经历两个阶段：即缓慢的不可逆污染阶段和快速的可逆污染阶段 。赵方波、于水利等采用原子力显微镜等技术分析了泥饼层微结构特征和污泥中不同组分对膜污染的影响，指出SMP含量与泥饼层的渗透性有较大相关性 。F. G. Meng 则将分形理论应用到泥饼层微结构的分析中，指出泥饼层有较好的分形特征。于海茵等则进行了NH3等离子气体改性PP微滤膜， 从而改善MBR膜污染状况。于水利、卢燕等采用纳米A2/O改性PVDF膜，使膜的亲水性和机械强度都得到了改善。在污染物去除方面，MBR处理对象的范围不断扩大，在已有研究的基础上，MBR被用于抗生素废水、中药废水、聚酯废水等难降解废水领域。处理规模已由实验室走向中试和实际应用，涌现出很多提供MBR产品的公司，如清华德人环境工程公司、北京永新环保公司、诺卫环境安全工程技术有限公司、浙大凯华、天津膜天膜技术有限公司等。1.5.3 应用展望 由于MBR具有独特地优点，在城市污水、给水处理等方面得到广泛的应用和关注。MBR工艺在下列领域具有较大的应用前景：（1）土地填埋场/堆肥沥滤液处理、高层建筑的中水回用、高浓度有机废水的处理、难降解有机废水的处理和饮用水处理等。但MBR工艺投资和运行费用较高，在我国推广应用还有一定困难。目前，随着水资源短缺的日益加剧，人们的环境保护意识日益提高仪器膜技术的发展日益成熟，MBR技术在我国将作为一种实用技术而被广泛使用。（2）MBR在膜污染的防治、污泥产生量的减少、节能和降低交加、新型膜过滤技术等方面的开发研究将不断深入，在大规模实用化工程开发方面具有广阔的开发前景。（3）膜生物反应器有效克服了与污泥沉降性能有关的限制，并取代二沉池，同时还能达到澄清和除菌的目的。在废水处理中有利于微生物浓度的提高，可提高系统的传氧效率并可使某些专性细菌维持其原有的活性，在不增加反应器容积的情况下，可使处理水量大大提高。（4）由于其具有出水水质优、占地少、易于实现自动控制等许多常规工艺无法比拟的优势，膜生物反应器在午睡处理与回用事业中所起的作用也越来越大，并具有非常广阔的应有前景。（5）膜生物反应器工艺的一大缺点是膜在运行一段时间以后会因为膜受到污染而导致膜通量的降低，如何减缓膜污染进程从而维持膜通量是应用膜工艺时所面临的一大挑战。（6）虽然较高的污泥浓度能有效减小MBR的体积，但过高的污泥浓度对于MBR正常运行时不利的，在运行MBR时应控制适当的污泥浓度。此外，MBR的工艺条件的优化、传质过程数学模型研究及优化也需进一步研究。1.6 论文主要研究内容本实验目的是研究膜生物反应器处理餐饮废水的效果及其可行性。对膜生物反应器进行长期的运行试验研究。研究的主要有以下几点内容：（1） 确定膜生物反应器处理食堂废水的最佳参数设置。（2） 研究膜生物反应器处理餐饮废水长期运行过程中各项水质指标的去除效果及污泥的性状。以及研究不同曝气量等操作条件下上清液、出水等各项水质指标的变化情况，包括：COD、NH3-H、SS、TP等的去除效果。（3） 在实验的基础上，对膜堵塞和膜污染机理及其影响因素进行了探讨，初步试验了曝气清洗和手工擦洗两种膜清洗方法，并对其效果做了简要评价。46第二章 实验与操作2.1 实验方法2.1.1 实验试剂试剂名称级别生产厂家硫酸-硫酸银分析纯天津市风船化学试剂有限公司过硫酸钾分析纯天津市江天化工技术有限公司抗坏血酸分析纯天津市天新精细化工开发中心钼氨酸分析纯天津市江天化工技术有限公司硫酸分析纯天津风船化学试剂有限公司氢氧化钠分析纯天津市江天化工技术有限公司重铬酸钾优级纯天津市北方天医试剂厂酒石酸钾钠分析纯天津市福晨化学试剂厂2.1.2 实验仪器实验用仪器生产厂家T6分光光度计北京普希通用仪器有限公司气体流量计(0.25-2.5m3/h)天津五环仪表厂磁式空气泵浙江森森实业有限公司MH2800D普析北京普希通用仪器有限公司精密电动搅拌器天津华兴伟业实验仪器有限公司2.2 实验系统描述2.2.1 实验装置实验中采用的装置为有机玻璃材料制作，长方形，分为缺氧和好氧两部分，两部分池容分别为12L，总池容为：24L。进水使用液位自动控制系统，在水位低于设定值时进水泵自动进水，反应器由好氧区和厌氧去组成，实验使用了两组管式膜组件，膜置于好氧区，膜组件出水分别为1L/h和2L/h，设备24小时连续运行，处理水量72L/d，运行方式：运行4min，曝气清洗1min。本研究所用实验装置工艺流程如图2-1所示，图2-2a、图2-2b为实验装置的实物图。图2-1 膜生物反应器工艺流程图图2-2a膜生物反应器装置实物图（反面）图2-2b 膜生物反应器实物图（正面）2.2.2 实验用膜基本参数本实验选用天津膜天膜工程技术有限公司的PVDF管式膜，其基本参数如表一所示。表2-1 实验用膜的基本规格项目1L膜2L膜膜的种类微滤膜微滤膜膜的孔径0.1m0.1m膜直径12mm12mm膜长度140mm160mm膜过滤面积0.025m20.05m22.2.3 实验用水水质及其分析方法 本实验用水取自天津工业大学第一食堂的餐饮废水，具体的水质指标和废水分析测定方法如表2-2所示。各项废水指标的测定均采用的是国家标准废水测定方法。在实验运行过程中，每天取样，分别有进水、反应器中水上清液、出水。分别测定它们的COD、氨氮、总氮、总磷、悬浮物固体浓度SS等指标。表2-2实验用水水质及其分析方法分析指标数值分析方法pH68.5pH测量仪SS (mg/L)50170重量法COD (mg/L)6001400快速消解分光光度法氨氮 (mg/L)1545纳氏分光光度法总磷 (mg/L)310钼酸铵分光光度法*注：水质分析所用水样为经隔油沉淀预处理后的水2.2.4 氨氮的标准曲线本实验测试氨氮所用的方法为国家环保标准HJ-535-2009 纳氏分光光度法，其标准曲线如图2-3图2-3氨氮的标准曲线2.2.5 总磷的标准曲线本实验测定溶解性磷采用的是钼酸铵分光光度法，其测量范围为：0.01mg/L0.6mg/L，其标准曲线如图2-4图2-4溶解性磷的标准曲线2.3 实验内容本实验分三个阶段进行，各阶段具体内容如下：第一阶段：污泥驯化阶段，污泥取自纪庄子污水处理厂，其污泥主要是处理市政污水，在进行餐饮废水的处理前需要进行适当驯化，使微生物适应餐饮废水并逐步将污泥驯养到能够适应高浓度的餐饮废水，且出水达到排放标准，此阶段大约需耗时2周。第二阶段：工艺参数优化阶段，在次阶段，每天取样测量进水、上清液、出水的氨氮含量和COD值，并且通过不断调整如缺氧好氧HRT、污泥浓度、曝气量、抽停时间比等相关工艺参数，使膜生物反应器达到最佳状态。第三阶段：膜污染，通过压力计监测膜的污染情况，探讨通过调整诸如曝气量、抽停时间比等相关参数缓解膜污染的速度，通过查找资料和相关实验研究膜污染的清洗方法，并对各方法对膜清洗的效果和优缺点做出简要评价。第三章 实验结果与分析3.1 废水预处理与污泥驯化本实验所用废水是先经过隔油沉淀预处理。活性污泥取自纪庄子污水处理厂二沉池，因餐饮废水COD浓度高、含大量有机物的特点，其污泥无法适应处理餐饮废水的需要，因此，先期进行污泥驯化。污泥驯化主要有以下有几个步骤。（1）闷曝 闷曝是指往反应器中加入清水和污泥，曝气，为污泥提供充足的氧气，唤醒活性污泥。（2）快速增殖期 此阶段的目的是让微生物快速生长，达到需要的污泥浓度，开始用自来水和葡萄糖配COD含量为1000mg/L的溶液，放入生物反应器中，加入适量污泥，进行曝气，每隔八小时，停止曝气0.5小时，静置，取上清液，测量其COD值，并将沉降后的反应器中的上清液排出一半，即12L，再配12L COD浓度为1000mg/L的溶液加入反应器中，继续曝气，微生物经过大约3天的快速增长，反应器中上清液的COD浓度很快达到标准。（3）废水驯化期 为了让微生物适应餐饮废水的环境，在此阶段初期，曝气结束后，将配好的溶液和餐饮废水以4:1的比例加入反应器中，进行曝气，每八小时，检测一次上清液COD值，排放上清液，再按相同比例加入配置的溶液和废水，经过大约1天的时间，上清液的COD值达到了要求。然后，将配置溶液和餐饮废水以3:2加入反应器中，如此往复，逐步提高加入反应器中的餐饮费水的比例，直至最后加入的全部是餐饮废水，在上清液达到要求大标准值后，污泥驯化结束。3.2 COD去除效果及影响因素分析化学需氧量(COD)是表征水中有机污染物的相对含量的一项十分重要的指标。有机物的污染对水体的自净能力有很大的影响，严重影响到水体中各种生物的生长发育，当前也普遍使用COD值作为检验水体污染程度的指标。经过处理后的水体的COD值必须达到国家规定的排放标准，才能排放，COD值过高则表示水体中有机污染物的相对含量过大，若直接排放会引起污染。因此，本实验将COD作为检验出水水质的一项重要指标。图3-1显示了膜生物反应器进水、上清液和出水中COD历时变化情况。由图可知：图3-1 COD值变化情况图3-2 COD的去除率 （1） 由图3-1可看出，出水的COD基本稳定在50mg/L以下，达到了国家一级排放标准，这说明这套膜生物反应器组合工艺在处理餐饮废水方面是完全可行的，且效果果很好，出水水质良好且出水情况稳定。（2）生物反应器中的上清液的COD值已经很低了，基本稳定在80-100mg/L，由此可知，生物反应器中的活性污泥对COD的去除起了主要作用，膜的作用是分离了活性污泥和可溶性有机大分子，弥补了生物反应器处理性能不稳定，为良好、稳定的出水提供了保证。（3）在图3-1中，我们可以看出，由于餐饮废水排放的间歇性、和不稳定性的特点，进水的COD值波动很大，正常稳定在600-800mg/L，但是在3月29日到31日这几天，进水的COD一度高达1400mg/L，这是因为食堂下水道堵塞，导致取样点的水体中淤积了很多固体有机物的残渣，这使得进水COD很高，但是，在出水和生物反应器的上清液中，我们可以看出，其波动并不大，仅仅比平时高了一点，起伏并不是特别明显，这也充分表明了膜生物反应器的抗冲击和负荷能力，说明膜生物反应器在处理餐饮废水方面完全能够保证稳定而又良好的出水水质。（4）在试验阶段未进行人为排泥，故随着泥SRT的增加，产生了大量的难降解的溶解性高分子物质，使得上清液的COD去除率波动比较大，这也影响了出水的稳定性。故认为，在综合考虑脱氮除磷的基础上，应对膜生物反应器进行适当的排泥。（5）膜生物反应器具有很高的稳定性和很高的处理效果，即使在进水COD浓度较高的情况下，COD也具有很高的去除率。3.3 氨氮去除效果及影响因素分析3.3.1 生物脱氮的基本原理优点R1anwein废水中存在着有机氮、氨氮、硝态氮等形式的氮，而其中以氨氮和有机氮为主要形式。在生物处理过程中，有机氮被异养微生物氧化分解，即通过氨化作用转化为成氨氮，而后经硝化过程转化变为NO3-N 和NO2-N，最后通过反硝化作用使硝态氮转化成氮气，而逸入大气。 由此可见，进行生物脱氮可分为氨化硝化反硝化三个步骤。由于氨化反应速度很快。在一般废水处理设施中均能完成，故生物脱氮的关键在于硝化和反硝化。（1） 硝化作用是指将氨氮氧化为亚硝酸氮和硝态氮的生物化学反应，NH3-N的生物氧化需要大量的氧，大约每去除1g 的NH3-N 需要4.2g氧气；因此，硝化是个好氧过程，本实验中的此过程是在反应器中的好氧区完成的。（2）反硝化作用是指在厌氧或缺氧（DO0.30.5mg/L）条件下，硝态氮、亚硝态氮及其其它氮氧化物被用作电子受体而还原为氮气或氮的其它气态氧化物的生物学反应。本实验中，这个过程是由反硝化菌在缺氧区完成的。3.3.2 NH3-N去除效果分析图3-4显了膜生物反应器进水、上清液和出水中NH3-N浓度的历时变化，图3-3显示了NH3-N的去除率。从图上可以看出:（1）膜生物反应器对氨氮具有很好的去除效果。在初期由于刚投入运行，硝化细菌不是很多，去除率在8688%之间，随着污泥停留时间SRT的延长，硝化细菌逐渐增多，处理效果提高，去除率达到了94%以上；（2）从图3-3中可以看出，NH3-N的去除率始终都在85%以上，大部分时间都稳定在90%以上，从图中可以看出在3月14号到16号这段时间，氨氮出现了较为明显的波动，那是因为，那段时间食堂下水道堵塞，大量有机物淤积在取样点，导致取到的水，氨氮和COD都特别高，一度超出了测量范围，但是，即使如此，我们也可以看到氨氮的去除率还是稳定在85%以上，此外从进水的氨氮浓度可以看出，水中氨氮的含量波动始终很大，这是餐饮废水的特点之一，排放的间歇性和不稳定性，但是在出水端我们又发现出水始终稳定在很小的范围内波动，这些都充分说明了膜生物反应器拥有较强的稳定性和抗负荷性。（3）膜生物反应器对氨氮的去除主要是硝化细菌在起作用，膜对氨氮基本没有截流作用。（4）膜生物反应器对氨氮具有良好的去除效果有两方面的原因:一方面，世代较长的硝化细菌通过膜截流在生物反应器里，使得生物反应器中具有较高的硝化细菌浓度，从而使得MBR具有良好的去除氨氮能力; 另一方面，由于膜生物反应器中污泥的产量较少，故来自别的细菌对硝化细菌的竞争较小，因此对氨氮的去除保持着很高的活性26，所以即使是氨氮浓度较高的情况下也有很好的去除效果。图3-3 氨氮的去除率图3-4 氨氮含量变化情况3.4 TP去除效果及影响因素分析3.4.1 餐饮废水中磷的主要来源及其危害 在餐饮废水中溶解性磷最主要有两个来源，分别是含磷洗涤剂、洗衣粉和食物残渣，其中尤其以含磷洗涤剂中的磷为最大来源，在餐饮业，每天都要使用大量的洗涤剂、洗衣粉。这些产品中大多含有磷。这些磷大部分都溶解与废水中了，它不像食物残渣可以在预处理阶段去除很大一部分，溶解性磷无法在预处理阶段去除，只能通过生物反应器除磷。众所周知，磷与水体富营养化有着密切的关系，特别是过量的磷能引起赤潮，危害水体环境而日益受到关注。磷作为一种营养因子，是诱发水体富营养化的重要因素之一。特别是作为人类资源宝库的海洋，一旦发生赤潮则危害更大。赤潮发生后，赤潮生物含有大量鳞渣，其遗体腐败时要消耗大量的溶解氧，影响水环境质量，一些藻类还会产生毒素或腥臭味，影响鱼类生存严重的还会通过食物链影响人类健康。3.4.2 磷的去处效果 图3-5在实验前期，采用一天内，不同时间点多次采样的方式，测餐饮废水中，磷含量的变化值，经过数天的实验，取其平均值，从图3-5中可以看出，磷的含量波动很大，但稳定在4mg/L以上，本实验中，对膜出水和上清液没有做全程跟踪的测量，只在实验过程中，在膜生物反应器稳定后，随机取过几次样，实验结果表明，上清液和的磷含量基本稳定在2mg/L以下，而出水的总磷所有检测的数据都在0.5mg/L以下，这说明，膜生物反应器对总磷的去处有很好的效果，出水总磷含量达到了国家一级排放标准。图3-5 原水中磷的含量3.4.3 生物除磷的基本原理生物除磷主要是利用聚磷菌在厌氧条件下释放磷和在需氧条件下蓄积磷作用。在厌氧条件下，聚磷菌在分解体内聚磷酸盐的同时产生三磷酸腺苷(ATP)，聚磷菌利用ATP以主动运输方式将细胞外的有机物摄入细胞内，以聚羟丁酸(PHB)及糖原等有机颗粒的形式储存在细胞内。聚磷菌在厌氧条件下释放出的磷，是利用ATP时的水解产物，反应式如下：ATP+H2OADP+H2PO4在需氧条件下，储存有有机物的聚磷菌在有溶解氧和氧化态氮的条件下进行有机物代谢，同时产生大量的ATP，产生的ATP大部分当然是供给细菌合成和维持生命活动，一部分则用于合成磷酸盐蓄积在细菌内27l。3.4.4 影响生物除磷效果的因素（1）DO的影响，为最大限度的发挥聚磷菌的吸磷作用，必须在好氧区供给足够的DO，以满足聚磷菌对其贮存的PHB进行降解时(同时对废水中的低级脂肪酸进行降解)对DO作为最终电子受体的需求量，实现最大限度的转化PHB而释放出足够的ATP，供其过量吸磷之需。（2）进水中BOD5/总磷的比值，废水生物除磷工艺中厌氧区有机基质的含量及其与有关微生物营养物间的比例关系，是影响聚磷菌释磷及吸磷效果的一个不容忽视的控制要点。聚磷菌在厌氧区中释放磷产生的能量，主要用于其吸收溶液中可溶性低分子量基质并合成PHB而贮存在其体内，以作为其在厌氧压抑环境下维持生