（环境工程专业论文）mbr工艺处理啤酒废水的工程应用.pdf

学位论文的主要创新点 一 对工程运行的工艺参数和运行的稳定性进行研究 建立系统长 期稳定运行的控制条件 为m b r 在啤酒废水处理应用提供有益的借 鉴 并且为如何减缓膜污染 在工程中延长膜清洗周期 降低成本 提供基础依据 二 通过污泥镜检观察了活性污泥的生物相 了解微生物及污泥状 态 判断活性污泥系统的处理效果及运行情况 并指导膜污染的防 治 摘要 啤酒工业废水主要含糖类 醇类等有机物 有机物浓度较高 虽然无毒 但易于腐败 排入水体要消耗大量的溶解氧 对水体环境造成严重危害 针对天津某啤酒厂废水的水质特点 采用m b r 处理工艺 设计处理能力 为4 0 0 0 t d 的废水处理装置 本实验主要以天津某啤酒污水处理厂中膜生物反应 器中的进出水水质及污泥为主要研究对象 对实际运行的工艺参数和运行的稳 定性进行研究 建立系统长期稳定运行的控制条件 为m b r 在啤酒废水处理 应用提供有益的借鉴 并且为如何减缓膜污染 在工程中延长膜清洗周期 降 低成本提供了基础依据 工程运行两个月期间 对各项主要进出水水质指标进行测试 结果表明 在进水c o d c 5 0 0 1 0 0 0 m g l n h 3 n2 0 一3 0 m g l t p0 6 一 1 4 m g l 情况 下 m b r 产水c o d c 4 0 m g l n h 3 n 3 m g l t p 2 0 0 0 m g l b o d s i o o o m g l 在这一过程中 参加生物 降解的有机基质有5 0 9 0 转化为沼气 而发酵后的剩余物还可回收作为优质 肥料和饲料 因此 厌氧生物处理啤酒废水已经受到了越来越多的关注 1 3 2 1 升流式厌氧污泥床 u a s b u a s b 是由荷兰w a g e n i n g e r 农业大学l e t t i n g a 教授提出 它是利用厌氧微生物 天津工业人学硕十学位论文 降解废水中的有机物原理 其主体分为配水系统 反应区 气 液 固三相分离 系统 排水系统与排泥系统 沼气收集系统四个部分 具有效能高 处理费用低 电耗省 投资少 占地面积小等优点 完全适用于高浓度啤酒废水的治理 1 3 2 2 内循环厌氧反应器 内循环厌氧反应器于2 0 世纪8 0 年代中期由荷兰p a q u e s 公司开发研制成功 它是在u a s b 反应器的基础上发展而来的 和u a s b 反应器一样 可以形成高生 物活性的厌氧颗粒污泥 但不同的是这种反应器内部还能够形成流体循环 此类 反应器高度约为1 6 2 5 m 容积负荷为普通升流式厌氧污泥床 u a s b 的4 倍左 右 占地面积少 基建投资省 有机负荷高 抗冲击负荷能力强 运行稳定性好 1 4m b r 工艺 m b r 是高效膜分离技术与活性污泥法相结合的新型污水处理技术 它可以 取代活性污泥法中的二沉池 进行固液分离 1 4 1 膜技术简介 膜分离技术是一种广泛用于液体和气体物质分离 浓缩和提纯的分离技术 它以具有选择通过能力的薄膜为分离材料 膜壁密布微孔 在压力作用下 原 液中的小分子物质通过膜壁 进入透过液 而分子量较大的物质被膜截留 存 留在浓缩液中 从而达到分离或浓缩的目的 其过滤方式分为内压式和外压式 两种 如图1 1 所示 浓透 液 内压式过滤外乐式过滤 图1 1 膜过滤方式 4 第一章绪论 1 4 2 膜生物反应器的分类 根据膜组件在膜生物反应器中所起作用的不同 大致可将m b r 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 2 3 1 1 分离m b r 分离m b r 是目前最为普遍的应用形式 活性污泥法为了得到较高的生化 速率 需要高的活性污泥浓度 但浓度升高又会影响活性污泥的沉降性能 活 性污泥法产生的剩余污泥处理费用也较高 分离m b r 用膜组件来进行固液分 离则很好地解决了这两个难题 分离m b r 用膜组件与生物反应器的相互位置 可分为分置式m b r 和一体式m b r 分置式m b r 的膜组件与反应器通过泵与 管线连接 互相干扰小 易于分别控制 膜组件也易于清洗 更换或增设 但 混合液经泵送后易失活 且动力消耗大 运行费用增加 一体式m b r 的膜组 件浸没在生物反应器中 曝气器位于膜组件下方 混合液随气流向上流动 在 膜表面产生的剪切力可迫使胶体颗粒离开膜表面 让水透过 一体式m b r 能 耗小 工作压力小 易于在原有设施基础上实现技术改造 减少改造成本和占 地面积 2 无泡曝气m b r 传统的鼓泡供氧方式氧的利用率低 很难满足m b r 中高生物量对氧的需 求 近年来出现的无泡曝气m b r 中氧的利用率可接近1 0 0 是传统曝气的5 7 倍 当空气或氧进入传质阻力很小的透气性膜后 在浓差推动力的作用下向 膜外的活性污泥扩散 由于氧气在膜组件中停留的时间长 氧传质效率高 而 且氧的分压被控制在不致起泡 故不能进入大气 这样使氧的利用率达到最大 这种曝气器由于不产生气泡因而特别适合于含挥发性有毒有机物或发泡剂的废 水处理 3 萃取m b r 萃取m b r 将废水与活性污泥用膜组件隔离 膜组件具有选择性 可使废 水中的待处理组分透过 而水及其它物质则不能透过 污染物透过膜后在生物 反应器中被微生物吸附降解 浓度不断下降 在废水和反应器间形成一个浓度 差 这是污染物进入反应器的根本传质推动力 萃取m b r 适合用于处理酸度 碱度 盐浓度高或含有毒 生物难降解有机物不宜于微生物直接接触的废水 1 4 3m b r 工艺的特点 与许多传统的生物水处理工艺相比 m b r 具有以下主要特点 1 出水水质优质稳定 天津t 业大学硕士学位论文 由于膜的高效分离作用 分离效果远好于传统沉淀池 处理出水极其清澈 悬浮物和浊度接近于零 细菌和病毒被大幅去除 同时 膜分离也使微生物被 完全被截流在生物反应器内 使得系统内能够维持较高的微生物浓度 不但提 高了反应装置对污染物的整体去除效率 保证了良好的出水水质 同时反应器 对进水负荷 水质及水量 的各种变化具有很好的适应性 耐冲击负荷 能够 稳定获得优质的出水水质 2 剩余污泥产量少 该工艺可以在高容积负荷 低污泥负荷下运行 剩余污泥产量低 理论上 可以实现零污泥排放 降低了污泥处理费用 3 占地面积小 不受设置场合限制 生物反应器内能维持高浓度的微生物量 处理装置容积负荷高 占地面积 大大节省 该工艺流程简单 结构紧凑 占地面积省 不受设置场所限制 适 合于任何场合 可做成地面式 半地下式和地下式 4 可去除氨氮及难降解有机物 由于微生物被完全截流在生物反应器内 从而有利于增殖缓慢的微生物如 硝化细菌的截留生长 系统硝化效率得以提高 同时 可增长一些难降解的有 机物在系统中的水力停留时间 有利于难降解有机物降解效率的提高 5 操作管理方便 易于实现自动控制 该工艺实现了水力停留时间 h r t 与污泥停留时间 s r t 的完全分离 运行控制更加灵活稳定 是污水处理中容易实现装备化的新技术 可实现微机 自动控制 从而使操作管理更为方便 6 易于从传统工艺进行改造 该工艺可以作为传统污水处理工艺的深度处理单元 在城市二级污水处理 厂出水深度处理 从而实现城市污水的大量回用 等领域有着广阔的应用前景 膜生物反应器与传统的污水处理方法相比虽然具有以上的优势 但也存在 一些不足 主要表现在以下几个方面 膜造价高 使膜生物反应器的基建投资 高于传统污水处理工艺 膜污染容易出现 给操作管理带来不便 能耗高 首 先m b r 泥水分离过程必须保持一定的膜驱动压力 其次是m b r 池中污泥浓度 非常高 要保持足够的传氧速率 必须加大曝气强度 还有为了加大膜通量 减轻膜污染 必须增大流速 冲刷膜表面 造成m b r 的能耗要比传统的生物 处理工艺高 1 4 4m b r 技术术语 1 原水 r a ww a t e r 6 第一章绪论 指未经过处理的地下水 地表水和海水 在膜法水处理中也包括城市自来 水 2 原水参数 f e e dw a t e rp a r a m e t e r 需要处理的污水水质 水量的参数 其中主要包括 污水的来源及主要污 染成份 c o d c b o d 5 s s n h 3 n t p 硬度 碱度 电导等 如果是工 业废水 需要考核该工业单位的生产工艺和污水水体内的化学物质组成 原水 水量参数包括 平均时污水流量 平均天污水流量 峰值流量 各污水量分 布 污水流量变动周期等 3 产水 p e r m e a t ew a t e r 正常工作时透过滤膜的那部分水 4 通量 f l u x 通常是指单位时间内单位膜面积透过膜的液体量 单位一般为l m 2 h 5 产水量 p e r m e a t e 在规定的运行条件下 膜元件 组件或装置单位时间内所生产的水量 6 跨膜压差 t r a n s m e m b r a n ep r e s s u r e 跨膜压差简t m p 被定义为驱动水透过膜所需的压力 为进水侧压力和 过滤液侧压力的差值 即膜两侧压力差值 7 膜污染 m e m b r a n ef o u l i n g 膜污染是指料液中的微粒 胶体粒子 溶质分子或细菌由于与膜之间存在 物理化学作用而在膜表面及膜孔中沉积或滋生使膜孔堵塞或变小 导致过膜阻 力增大 膜的透过通量下降的现象 广义的膜污染不仅包括由于不可逆的吸 附 堵塞引起的污染 不可逆污染 而且包括由于可逆的浓差极化导致凝胶层 的形成 可逆污染 二者共同造成运行过程中膜通量的衰减 影响膜污染的因 素很多 比如溶质大小 菌类的滋生 膜结构 膜的物理特性 膜 溶质 溶剂 之间的相互作用 包括静电作用力 范德华力 溶剂化作用 空间立体作用 8 反洗 b a c k w a s h 与过滤过程的水流方向相反 从中空纤维膜丝的产水侧把等于或优于透过 液质量的水输向进水侧 因为水被从反方向透过中空纤维膜丝 从而松懈并冲 走了膜外表面在过滤过程中形成的污物 9 气 水清洗 a i ra n dw a t e rs c r u b b i n g 通过连续曝气冲刷m b r 的膜组件 从而在膜四周围形成水流和气泡的湍 流 通过膜丝抖动和膜丝之间的相互摩擦使得沉积在膜表面的污染物脱落 1 0 气一水比 a i ra n dw a t e r r a t i o 对于m b r 工艺特指单位时间内用于抖动冲刷膜丝的曝气量和膜丝产水量 7 天津工业人学硕l 学位论文 之比 此部分曝气也能供给生化反应的溶解氧 合理选择气水比是保持m b r 膜组件正常工作的一个重要参数 在操作过程中 气水比可以根据活性污泥性 状 膜丝产水量变化和跨膜压差得变化来调节 同时也需要保持反应器中流体 的有效循环 11 化学清洗 c h e m i c a lw a s h 就是使用化学药剂对组件或系统进行清洗以此达到恢复膜过滤性能的清洗 方法 化学清洗有两种方法 一种是用于常规清除膜轻度污染的的在线化学增 强反洗 另一种是脱机化学浸泡清洗 1 2 化学增强反洗 c h e m i c a l l y e n h a n c e db a c k w a s h 化学增强反洗是指膜组件在膜生物反应池内的状态下 从产水管把选用的 化学清洗药剂反向流到中空纤维膜内部 并通过膜微孔渗透到原水侧 此过程 可有效的杀灭膜内外表面的细菌并分解附着在膜表面上的有机物 以恢复膜通 量的目的 1 3 离线化学浸泡清洗 o f f i i n ec h e m i c a ls o a k i n gw a s h 离线化学浸泡清洗主要是在化学增强反洗效果不能达到预期的清洗效果时 采用此方法 就是把膜单元吊出m b r 膜池 放到准备好的化学清洗池内浸泡 并曝气清洗 浸泡化学清洗可以选择相对较高药剂浓度进行 因此可以达到理 想的清洗效果 彻底清除污染物 恢复膜通量 1 4 5m b r 工艺在污水处理中的应用 膜生物反应器最早出现在酶制剂工业中 在水处理的应用稍晚于酶制剂工 业 可以追溯于1 9 6 9 年美国d o r r o l i v e ri n c 用超滤膜与活性污泥生物反应器相 结合处理生活污水的研究 4 近年来 m b r 被用于处理高浓度生活污水 5 含油废水 6 1 高浓度氨氮废 水 7 1 毛染废水嘲以及难降解有机废水 9 1 均取得了良好的效果 刘锐等人在运 行条件一致的情况下把膜生物反应器 m b r 和传统活性污泥工艺 c a s 进行了 比较研究 结果表明 m b r 具有比c a s 更为良好的出水水质 其平均出水c o d c 浓度为5 5 m g l 低于c a si 艺 7 9 7 m g l t 1 0 1 采用国产中空纤维膜反应器 m b r 处理生活污水的研究表明 m b r 工艺出水悬浮物为零 细菌总数优于饮用水标 准 c o d c r 和氨氮去除率高于9 5 出水可以直接回用 l 将膜生物反应器应 用于处理高浓度有机废水的实验表明 该系统c o d c 去除率维持在9 0 以上 且很稳定 但对于溶解性小分子物质造成的c o d c 无法起到截留作用 对于 n h 3 n 的去除率达到8 4 5 以上 但d o 必须维持在l m g l 以上 系统出水几 乎无悬浮物 1 2 在处理难降解有机废水 杭州华丰造纸厂废水 时 膜生物反 8 第一章绪论 应器仍有良好的处理效果 当m l s s 为5 8 0 0 m g l 时 去除率可达到8 5 左右 c o d c 最低可降至6 0 3 m g l 达到造纸工业废水一级排放标准 因此 膜生物反应器是一种新型高效的污水处理与回用工艺 在污水处理 与回用中有良好的应用前景 1 4 6m b r 在啤酒废水中的应用 m b r 工艺处理啤酒废水稳定运行时 对c o d c 和n h 3 n 有着良好的去除 效果 c o d c 与n h 3 n 的平均去除率均在9 0 以上 m b r 工艺对进水有机负 荷冲击具有较强的适应能力 当反应器中的污泥处于增长期时 m b r 工艺对 t n 具有4 0 左右的去除效果 是生物同化作用和同步硝化 反硝化共同作用的 结果 当污泥浓度处于稳定期时 t n 去除率下降为3 0 左右 主要是同步硝 化一反硝化的结果 当反应器内污泥处于增长期时 通过生物同化作用对t p 具 有一定的去除效果 最高去除率可达5 1 5 而当污泥浓度稳定后 对t p 基 本没有去除效果 甚至出现负去除率现象 因此要想获得较为理想的t p 去除 率 就必须定期的排除剩余污泥 通过g c m s 分析得出 啤酒废水中低分子量 的有机酸 醇类有机物在m b r 中优先被降解去除 酸 醇 酯类等有机物在 经过膜组件时又进一步得到降解 膜组件对于保证系统的最终出水水质起到了 关键的作用 出水中剩余的有机物主要为高分子量的烷烃类 l 引 1 5 膜污染问题及膜清洗 膜生物反应器在污水处理工艺中有着十分广阔的应用前景 并在实际中得到 应用 但同时膜分离技术也存在一些缺点 主要是能耗高 易堵塞 寿命短和费 用高等 这些问题实质上都是由膜污染引起 膜污染已成为m b r 今后的研究方 向 膜污染严重制约和影响了m b r 在废水处理中的推广应用 l 8 1 因此研究膜 污染形成过程和影响因素以及操作过程中诸因数对膜过滤的影响等 对于膜生物 反应器的实际应用具有极其重要的意义 1 5 1 膜污染的机理及分类 在m b r 系统中 膜表面会因接触胶体 有机物 微生物等而产生吸附和沉 淀等物理现象 可细分为五类 1 固体污染物 它是由反应器混合液中的无机大颗粒 如悬浮固体物质 细砂 泥沙等所造 成的 9 天津工业大学硕士学位论文 2 无机盐类污染物 膜的无机污染主要是指碳酸钙和钙 钡 锶等硫酸盐及硅酸等结垢物质的污 染 其中碳酸钙和硫酸钙最常见 在膜反应器中保持水的紊流态对防止膜的污染 是重要的 碳酸钙垢主要是由化学沉降作用引起的 二氧化硅胶体颗粒主要是由 胶体富集作用决定的 1 9 无机物在膜表面或支撑层孔道内壁沉积 凝结会引起结 垢 并导致膜空闭塞或孔道堵塞 3 有机污染物 有机污染物是指蛋白质 絮凝剂 天然高分子等有机胶体和容易在膜面附着 的溶解性有机物 在氢键 色散力吸附和憎水作用下 有机物被吸附在膜上 2 0 膜生物反应器工艺中 溶解于生物反应池的有机物主要来自微生物代谢过程 被 称为溶解性微生物产物 这部分溶解性生物产物容易引起膜吸附性污染 4 胶体污染物 在m b r 系统中存在有粒径为0 3 一0 5 p m 的小颗粒时 它会沉积在膜表面形成 胶体 藻类 细菌和有机物都可能处于胶体尺寸 这些胶体状态物质有可能吸附 于膜表面引起污染 胶体物质有不同的起源 它们产生的膜污染也有很大的区别 来自非生物过程的胶体物质有淤泥和粘土等无机物 它们引起的水通量衰减往往 源于滤饼层污染 它们一般不会引起热力学不可逆的吸附在膜表面 积聚在膜表 面的这些类型的胶体很容易水力清洗 如反冲洗和空气擦洗 所去除 5 微生物污染物 膜生物反应器工艺里微生物污染是导致膜水通量衰减的主要原因 微生物污 染有如下两种方式 其一是微生物新陈代谢产生的溶解性或胶体状物质在膜分离 过程浓缩并吸附在膜表面或孔道内壁 其二是细菌吸附在膜表面并增值形成生物 膜 无论微生物污染采用何种方式发生 胞外聚合物在膜表面的吸附过程都被认 为是关键因素 这种粘稠并且类似泥泞一样的水凝胶为细菌代谢过程所分泌 它 主要有蛋白质和杂多糖类物质组成 并荷负电性 在好氧的m b r 系统中 主要的污染物质是由生物细胞分泌出的物质 可以 在不破坏菌体细胞的情况下与微生物相分离 且离开该物质菌体仍可以存活 2 根据其存在状态不同可进一步分为胞外多聚物和溶解性微生物产物 胞外多聚物 以凝胶态存在于活性污泥絮体中的微生物细胞周围 溶解性微生物产物以溶解态 存在于生物反应器的上清液中 胞外多聚物是由微生物 主要是细菌 新陈代谢 水解 分泌所产生的或由废水本身组成所产生的位于细胞体外的高分子聚合物 主要由多糖类 p o l y s a c c h a r i n e 蛋白质 p r o t e i n 核酸 n u e t e i c a c i d 脂质 1 i p i d 组成 经试验发现 降低4 0 的胞外多聚物含量 就可减少4 0 因泥饼层所造成 的阻力 2 2 1 在反应槽中存在有胞外多聚物时 混合液黏度 v i s c o s i t y 就会增加 l o 第一章绪论 使中空纤维膜过滤时阻力增加 造成通量的减少 2 3 1 m b r 系统中 在曝气的剪 切力作用下 微生物的絮体结构容易受到破坏 形成较小的絮体 并使胞外多聚 物自生物体内释放至混合液中 使膜阻力增加 2 4 1 5 2 膜污染的控制方法 1 5 2 1 合理选择膜材料 膜组件应采用孔径分布窄 亲水性好 耐污染 易于清洗的膜材料 膜对污 水中固体微粒 胶体吸附能力的大小与膜材料的分子结构有关 王猛等 2 5 发现 聚丙烯膜的抗污染性优于聚砜膜 抗污染性比较好的膜材料有聚丙烯 p p 膜 聚 乙烯 p e 膜和聚丙烯腈 p a n 膜等 膜的亲水性对于抗污染十分重要 除选择亲 水性好的膜外 在膜组件投入运行前还应进行亲水处理 2 6 1 5 2 2 对混合液进行预处理 由于混合液中常含有粒状物 胶体等杂质 易使膜污染 如果对其进行预处 理 可使浓差极化和膜污染减少 通常的方法有调节p h 值 添加抗氧化剂 添 加防垢剂等 但m b r 的混合液中有微生物 污泥需回收利用 所以必须尽量避 免对微生物造成损害 有人采用f e c l 3 作为絮凝剂或采用粉末活性炭 都使混合 液更易过滤 2 7 1 5 2 3 选择最佳操作条件 操作条件包括水力停留时间 h r t 污泥停留时间 c s r t 透膜压力 t m p 膜表面的错流速度 c r o s s f l o wv e l o c i t y c f v 等 厌氧m b r 的膜阻力 通常会 大于好氧m b r 原因为厌氧m b r 系统含有较细小的胶体物质和无机物质的沉淀 2 8 在浸没式m b r 系统中 曝气的作用除了提供氧气给微生物外 并可促进膜 组件扰动 从而减缓污染 在较短h r t 下 生物可获得比较多的营养盐 增加生 物的成长力 导致污泥浓度 m l s s 的升耐2 9 各污染影响因子之间相互影响 孔径尺寸和透膜压力相关 当孔径较大时 则透膜压力就比较小 当抽吸力 s u c t i o n 大幅度增加时 透膜压力增加 反应器 的黏度会随之增加 造成m b r 的操作失败 3 0 1 黏度增加的原因是污泥絮体受到 过量的剪切力影响 造成胞外聚会物e c p 释放 由此发现 当操作条件改变后 混合液的性质受到影响 因此在m b r 操作时 参数的变换需做多方考虑 1 5 2 4 采用最佳膜清洗方式 膜的清洗有物理清洗 化学清洗 超声波清洗和电清洗等 物理清洗是用机 天津t 业人学硕i 学位论义 械力从膜面上或膜孔内去除污染物 对于孔堵塞和形成凝胶层的膜采用化学清洗 是最有效的方法 超声波清洗是通过超声波脉冲产生的高能量破坏膜表面和吸附 物质的链接 松散膜面上的颗粒 从而去除膜表面的沉积层 刘听等 3 l 研究了超 声波在膜污染监测和清洗上的应用 运用时域反射计通过反射波的波幅高低来反 映膜污染的类型和大小 通过比较确定 采用反冲洗 超声波的方法清洗效果最 好 基本上可以将膜污染完全清除 张斌 3 2 1 的研究表明 清洁水反冲 超声波和 化学清洗相结合可以有效地恢复膜通量 1 5 2 5 化学清洗 化学清洗通常是用化学清洗剂 如稀酸 稀碱 表面活性剂 络合剂和氧 化剂等 对于不同种类的膜 选择化学剂要慎重 以防止化学清洗剂对膜的损 害 选用酸类清洗剂 可以溶解除去矿物质及d n a 而采用碱类清洗剂可有效 地脱除细菌 蛋白质污染 1 碱清洗 碱清洗的药剂有氢氧化物 碳酸盐 磷酸盐 过硼酸盐等 碳酸盐 磷酸 盐的碱性很弱 一般用来调节p h 值 磷酸盐还常用作分散剂 过硼酸钠可用 于清洗膜孔内的胶体物质 2 酸清洗 酸清洗的药剂有盐酸 硫酸 硝酸 磷酸 氨基酸 氢氟酸等 酸能有效 地去除碳酸盐组分的硬垢和金属氧化物垢 这些酸与金属的碳酸盐或氧化物反 应 使之转变为可溶性金属盐类 酸能溶解碳酸盐 磷酸盐 硫酸铁 及金属 的氧化物 但酸 除氢氟酸外 对硅酸哉无效 对于脂类 悬浮物和微生物生 长形成的沉积物 酸洗的效果很差 盐酸 盐酸与水垢或金属氧化物形成金属氯化物 绝大多数的金属氯化物 在中的溶解度很大 故盐酸对碳酸钙一类的硬垢和氧化铁等氧化物的清洗特别 有效 硫酸 硫酸能与金属的氧化物形成可溶性化合物 但硫酸与碳酸钙反应生 成硫酸钙的溶解度很小 故硫酸不宜作为碳酸钙和硫酸钙的清洗剂 硫酸可在 较大的温度范围内使用 不挥发 硝酸 硝酸的稀溶液是一种强酸 大多数的硝酸盐的溶解度很大 故硝酸 盐很强的清洗能力 磷酸 磷酸是一种中强酸 与金属氧化物反应后的磷酸盐的溶解度小 且 磷的价格昂贵 所以磷酸很少用来做清洗剂 氨基磺酸 氨基磺酸是一种无色无臭的粉状药剂 加入水后能与碳酸钙垢 反而达到清洗的目的 氨基磺酸对钙盐的溶解度很大 适用于清洗钙 镁等金 1 2 第一章绪论 属碳酸盐或氢氧化物等物质组成的硬垢 但氨基磺酸的缺点是价格偏高 清除 氧化铁的能力较差 氢氟酸 氢氟酸作为酸洗药剂的特点是铁的氧化物的溶解速度很快 且有 溶解硅垢的特殊能力 由于氢氟酸的毒性大 腐蚀性强 易挥发 难处理 所 以很少用作膜的清洗剂 3 表面活性剂清洗 表面活性剂清洗主要有阴离子 阳离子 非离子表面活性剂三种 他们能 分离膜表面的油类 脂类和微生物产生的沉积物 还可以改善清洗剂和膜表面 沉积的接触 减少用水量 缩短清洗时间 4 络合剂清洗 络合剂清洗是利用各种络合剂其中包括鳌合剂对各种垢离子如钙离子 离 子 铁离子等的络合作用配位作用或鳌合作用 使之生成可溶性的络物配位化 合物或鳌和物进行清洗 络合剂清洗中常用的无机络合剂有聚磷盐 常用的有 机鳌合剂有柠檬酸 乙二胺乙酸和氮三乙酸 柠檬酸能溶解氧化铁和氧化铜 其原理一方面是柠檬酸溶液的酸性可以促进氧化铁的溶解 另一方面柠檬酸又 能络合铁而将氧化铁除去 但铁被柠檬酸络合的络合物一亚铁柠檬酸难溶解 会 再沉淀出来 再次污染膜 如果用含氨柠檬酸溶液 就能生成溶解度很大的柠 檬酸亚铁氨和柠檬酸高铁氨络合物 从而可有效彻底的去除铁的氧化物 参与 金属离子络合作用的是一价 值越高 以络合物形式存在的比例越高 越有利 于络合清洗 但也不是值越高越好 这是因为值过高 可能生成更稳定的物质 不能被络合溶解 所以作为清洗液进行络合清洗时 不仅要考虑酸增加的一面 还要考虑碱度增加导致出现难容沉淀的一面 5 清洗剂清洗 酶能将膜表面的蛋白质 多糖类 油脂类等有机物降解 从而可去除膜表 面的这些有机污染物 酶降解有机物的速度很慢 所以在清洗膜时需要浸泡很 长时间 而且残留的酶清洗剂会抑制微生物的生长 另外 酶的价格很昂贵 6 消毒剂清洗 常用的膜消毒清洗剂有次氯酸钠和双氧水 这两种消毒剂具有很强的氧化 能力 在杀菌的同时能有效地清除膜表面和膜孔中的有机物 次氯酸钠能高效 的氧化膜的有机堵塞物 反应速度很快 只需要很短的清洗时间 缺点是腐蚀 性太强 且溶解出的氯气会刺激人的呼吸系统 双氧水是一种较温和的消毒剂 对于被有机物污染的膜的清洗有较好的效果 7 复合型药剂清洗 复合型药剂是碱性清洗剂 磷酸盐 络合物 酶洗剂等混合物 它对膜的清 天津t 业大学顾 i 学位论文 洗是一种综合作用 能很好的去除膜表面的有机和无机污染物 1 6m b r 发展的前瞻 1 6 1m b r 应用的重点领域和方向 1 现有城市污水处理厂的更新升级 特别是出水水质难以达标或处理流量剧 增而占地面积无法扩大的水厂 2 无排水管网系统的小区 如居民点 旅游度假区 风景区等 3 有污水回用需求的地区或场所 如宾馆 洗车业 客机 流动厕所等充分 发挥m b r 占地面积小 设备紧凑 自动控制 灵活方便的特点 4 高浓度 有毒 难降解工业废水处理 如造纸 制糖 酒精 皮革 合成 脂肪酸等行业 是一种普遍的点源污染 m b r 可以对这些常规处理工艺无法达 标的废水进行有效的处理 并实现回用 5 垃圾填埋厂渗滤液的处理及回用 6 小规模污水厂 站 的应用 膜技术的特点十分适合处理小规模污水 1 6 2m b r 未来的研究重点 1 膜污染的机理及防治 2 m b r 工艺流程形式及运行条件的优化 3 m b r 污泥产率与运行条件的关系 以合理减少污泥产量 降低污泥处理 费用 4 m b r 生物反应器内微生物的代谢特性及其对出水水质 污泥活性等的影 响 从而确定适宜的微生物生长及代谢条件 5 m b r 工艺经济性研究 在目前国内经济发展水平 膜产品供应状况和规 范设计要求的条件下 m b r 用于污水处理的最大经济流量的确定 6 以节能 处理特殊水质对象 兼具脱氮除磷 操作维护简便 可以长期稳 定运行等为目标 开发新型的膜生物反应器 1 7 实验研究的目的和意义 针对啤酒废水的特点 本项目采用u a s b 预处理降i k 毳c o d c 再经过m b r 深 度处理的主体工艺 对啤酒废水进行处理 使出水达到景观用水的标准 本实验主要以天津某啤酒污水处理厂膜生物反应器的进出水及好氧池与膜 1 4 第一章绪论 池的污泥为主要研究对象 研究运行过程中运行参数对膜污染的影响 考察 m b r 出水水质 从而为工程中减缓膜污染 延长膜清洗周期 降低成本提供基 础依据 针对天津某啤酒厂废水的水质特点 采用m b r 处理工艺 设计处理 能力为4 0 0 0 t d 的废水处理装置 工程运行实验6 0 d 主要考核指标 每日对 m b r 进出水的c o d c r 氨氮 p h 以及m b r 好氧池和膜池的污泥浓度等指标 进行测试 检测生化效果 通过调节m b ri 艺运行参数 优化污泥性状 从 而达到减缓膜污染速度 延长膜清洗周期 降低运行成本的目的 使生化工艺 和膜系统工艺达到最佳处理效果 对今后m b r 工艺在啤酒废水处理与回用工 程的稳定运行提供宝贵经验 1 5 第二章t 程介绍与运行结果讨论 第二章工程介绍与运行结果讨论 2 im b r 处理废水的机理 膜生物反应器主要由生物反应器和膜组件两单元设备组成 它是利用微生 物反应机制进行生物转化 利用膜组件分离反应产物 并截留生物体 实现水 力停留时间与污泥停留时问的彻底分离 消除了传统活性工艺的污泥膨胀问题 并且由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌的出现 提高了生化反 应速率 同时 通过降低f m 比减少剩余污泥产生量 提高生化处理效果 膜 生物反应器 m b r 是以酶 微生物或动 植物细胞为催化剂 进行化学反应或 生物转化 同时凭借滤膜不断地分离出反应产物并截留催化剂而进行连续反应 2 2 啤酒污水处理厂设计思路 废水处理工艺的选择要根据废水的特点以及出水所要达到的水质要求来确 定 天津某啤酒厂采用u a s b i 艺进行预处理 将c o d c 由2 0 0 0 2 5 0 0 m l 降至 5 0 0 1 0 0 0 m g l 然后进入m b r 进行深度处理 出水各项指标达到景观用水标准 2 2 1 处理规模 由于啤酒废水的产量随季节的变化而波动较大 污水厂的最大日处理量应 按夏季产量高峰期的最大污水排放量来设计 最大值为4 0 0 0 m 3 d 工程分两期 一二期r 处理污水量均为2 0 0 0 m 3 一期采用膜天膜科技公司生产的柱式中空纤 维膜 共用1 6 个膜架 每个膜架有1 6 支柱式膜 每支膜有效面积为2 5 m z 额 定产水量为1 0 4 m 3 h 二期采用膜天膜科技公司生产的f p ai i 型帘式膜组件 共用1 6 个膜架 每个膜架有2 2 片帘式膜 单片膜有效面积为2 0 m 2 额定产水 量为1 0 4 m 3 h 2 2 2m b r 处理工艺 啤酒厂m b r 系统现行工艺流程如图2 1 1 7 天津工业人学硕 学位论义 2 2 3 工艺说明 图2 1m b r 工艺流程 2 2 3 1 工艺特点 采用多段a o m b r 工艺 该工艺可有效降解啤酒废水中的氨氮和有机物 缺氧段和活性污泥回流系统 可提高氨氮硝化效果 好氧段又分为亚硝化段和 硝化段 通过控制溶解氧 使氨氮在第一个好氧段发生亚硝化反应 通过污泥 回流 使亚硝酸盐在缺氧段发生反硝化反应 产生氮气并消耗掉部分有机污染 物 实现脱氮功能 减少后续氧的供给量 达到节能效果 在好氧二段 剩余 氨氮和亚硝酸盐氮进行硝化反应 膜过滤系统放在第二好氧段后 确保出水氨 氮和亚硝酸盐氮达标 同时可使剩余有机物降解生成c 0 2 和h 2 0 膜的高效截 流作用使污泥浓度达到较高水平 增加去除氨氮和有机物的效果 提高产水水 质 3 3 2 2 3 2m b r 池设计参数 1 好氧池 池容 4 0 0 m 3 停留时间 4 8 h 污泥回流 3 3 1 0 0 m l s s 9 0 0 0 m g m 2 膜池 总的膜池数 4 总池容 2 4 0 m 3 停留时间 2 8 8 h 每个膜池中膜箱数 4 总的膜箱数 1 6 1 8 第二章工程介绍与运行结果讨论 每个膜箱产水量 1 0 4 2m 3 h 每个膜池体积 1 2 0 m 3 总的膜池体积 4 8 0 m 3 2 2 4m b r 系统的组成 典型的m b r 系统通常由两部分组成一生物反应器和膜组件 在污水处理 领域 最常用的m b r 系统通常由预处理系统 生化系统 膜过滤系统 鼓风 曝气系统 膜清洗系统 控制系统 和污泥脱水系统组成 2 2 4 1 预处理系统 m b r 预处理系统根据需要处理的污水水质不同 需作针对性的预处理 适 当的预处理对于浸没式m b r 是非常重要的 预处理的目的不仅是为了保护中 空纤维膜组件的完整无损 而且是为了防止不对膜丝从微观性能上造成不可修 复的污染和伤害 预处理系统主要包括 格栅 隔油 气浮 絮凝沉降等工艺 格栅在选用时建议选用l 2 m m 栅隙的格栅 主要作用是为了去除污水中 的纤维 大颗粒污染物等对膜丝引起的伤害 隔油是为了去除原水中由动植物油或矿物油所形成的浮油 若油脂为乳化 状态 需作破乳处理 气浮是为了去除密度较轻的油脂 碎屑 果皮肉等污染物 絮凝沉降的目的是为了去除细小的颗粒污染物 或者重金属离子等 预处理单元的构成视原水水质有一种或多种处理单元构成 2 2 4 2 生化系统 厌氧区或者缺氧区和好氧区以及相应的管路 微孔曝气器和排出口等共同 构成了m b r 的生物处理部分 生化系统的构成是m b r 系统的核心 生化部分的设计思路同传统生化系 统的设计思路 生物处理方法是利用微生物将污水中的有机污染物分解成二氧 化碳和水 另外利用微生物对氨氮和磷的作用 实现对氨氮和磷的去除 从而 彻底地实现污染无害化 生化处理是先利用厌氧微生物的降解能力将污水中较 难分解的有机高分子污染物分解成较易分解的有机低分子污染物 再利用好氧 微生物将污染物最终分解成二氧化碳和水 同时利用厌氧微生物的反硝化作用 将硝态氮转化为氮气 利用好氧微生物的聚磷作用将磷从污水中分离出来 经预处理的原水首先进入厌氧区 在这里原水与循环的混合液体进行混合 然后流入好氧区 在好氧区 污水进行曝气处理 空气由与分布器相连的风机 供给 微滤膜组件直接浸没在好氧区内 或者在重力作用下进料 或者靠离心 1 9 天津t 业人学硕i j 学位论文 泵进料 混合液体与空气充分混合后 以错流方式连续流过中空纤维膜 并不 断冲刷着膜表面 污水在生物反应器的厌氧区和好氧区内经过生物处理 清洁 的水透过中空纤维膜 排放到消毒系统 进行进一步处理 残余的固体 有机 物颗粒 微生物 细菌和病毒则不能通过膜 被截留在液体混合物中 最终被 活性污泥降解 经m b r 处理的污水 排出水质可达到固体悬浮物颗粒含量低 于l m g l 浊度低于1 n t u 2 2 4 3 膜过滤系统 膜过滤系统的组成包括 1 膜组件 膜组件为外压帘式中空纤维膜 见图2 2 水由中空纤维外侧向膜内渗透 膜材质为聚偏氟乙烯 p v d f 可耐次氯酸钠 二氧化氯 臭氧等氧化剂 使 用寿命长 可用普通杀菌剂如n a c l 0 和盐酸作为杀菌和膜清洗剂 价格便宜 专用于m b r 的c p 系列膜组件由于外形象门帘而被称为帘式膜 是由中空纤维 微滤膜 集水管 树脂槽及封端树脂浇铸而成的膜分离单元 膜工作压力范围 为1 0 一5 0 k p a 运行压力较低 能耗低 产水采用开8 m i n 停2 m i n 自动控制 i 卜a 叫i 集水管 集水管 i 一b 叫 图2 2 中空纤维帘式膜组件 c 2 膜单元框架 水处理过程中 除小型的实验装置外 由于处理水量较大 一般都需要数 十帘 数百或数千帘膜组件来完成水的过滤作用 为便于进行管理 经常是将 2 0 第二章工程介绍与运行结果讨论 一定数量的帘式膜组装成一个模块 即由一个膜架来固定帘式膜 膜架主要有 以下构成 a 单元架框 集成膜组件 支撑膜组件 使独立的膜组件集成为一个独立工作 的单元 b 产水集合管 一个膜单元的所有组件的集水管集合到一起 作为膜单元产水 集合管 2 2 4 4 产水泵 通常 使用自吸式水泵或离心式水泵 需要注意使用自吸式水泵时由于水 泵的设雹场所不同 吸程增大 有时会得不到所需要的产水量 另外 水泵的设置场所比膜分离池更低的场合 需要采取措施防止虹吸现 象的发生 分组运行的场合 在原则上应该是产水泵也分组运行 2 2 4 5 鼓风曝气系统 鼓风曝气系统分为微孔曝气系统和大孔曝气系统 二者的作用不同 微孔 曝气系统的作用是为了满足生化反应所需要的空气量 而大孔曝气系统是为了 满足膜表面清洗所需要的空气量 大孔曝气系统 曝气管路安装在膜单元框架的下部 曝气管路包括曝气主 管和曝气支管 曝气支管上开设 3 4 r a m 向下的气孔 气孔间距为2 0 6 0 m m 曝气支管和膜组件平行安装 曝气孔径和间距也可根据实际情况进行设计 微孔曝气系统 微孔曝气系统选择市场上的盘式 管式等曝气器 根据生 化需要设置 2 2 4 6 膜清洗系统 膜清洗系统包括在线清洗系统和离线清洗系统 在线清洗系统主要包括 反洗泵 加药泵 反洗管路等 离线清洗系统主要包括 起吊设备 化学清洗池 加药泵 循环泵 进出 水管和气管等 2 2 4 7 控制系统 控制系统包括 鼓风机的控制 产水泵的控制 原水提升的控制 反洗泵 的控制 加药泵的控制 以及各管路流量和压力的控制 生化反应参数的控制 液位的控制 产水水质参数的监测等 1 m b r 系统的工作模式为按照设定的工作周期进行工作 工作模式的设定 见下表2 1 2 1 天津 丁业人学顾f 学位论义 表2 1m b r 系统工作模式 以上所设定的工作周期模式 需根据具体的污水情况进行确定 当原水水 质较好 膜污染的速率较慢的情况 可以适当提高工作时间 要根据实验数据 确定 缩短空曝气时间 2 所有膜单元是分组运行还是相互独立 工作组膜单元数为1 运行 需要 根据膜单元数确定 原则上每一个独立的工作组配备独立的产水泵和鼓风机为 最好的设备配置 但出于工程造价考虑 很多时候 工作组之间公用一套产水 泵系统和鼓风机系统 这种情况下 主管路和支管路之间的设置方式非常重要 避免造成抽吸能力分布不均 影响通量 而且工作组内膜单元较多 泵停止工 作时 易造成再启动时工作困难 需要配备排气设备 3 膜组件的原位清洗选择在空曝气时间进行 在清洗系统的设计上是分单元 清沈还是分工作组清洗 由工程设计人员确定 确定清洗方式后 通过核算药 剂量和反洗水量 确定反洗系统的设备配置 4 在污水处理中 空曝气非常关键 鼓风机的运行是不间断的 如果鼓风机 出现停机 产水泵应停止工作 5 膜组件工作时的液位不得低于反应器内的低液位 膜组件距液面上表面 5 0 0 r a m 低于该液位 膜组件应停止产水 6 原位清洗根据工程情况确定周期 一般为一周 次 外置式化学清洗需要 根据运行情况确定 7 实时监测跨膜压差 产水浊度 8 反应器内温度 p h 值 液位 反洗水压力 流量都是需要监测的数据 9 产水泵的控制 根据液位传感器的检测信号自动控制运行 高液位启动 低液位停止 1 0 p h 调整系统 根据p h 在线控制仪的检测信号自动控制加药泵的起停 从而控制向混合液内加入缓冲物质 保持p h 在6 8 之间 1 1 生化系统曝气 根据d o 在线监测仪的检测信号来控制鼓风机运行 通 过变频系统及电动阀实现曝气量的调节 第二章工程介绍与运行结果讨论 1 2 膜表面吹扫曝气 持续进行 2 2 4 8 污泥处理系统 m b r 系统的污泥处理等同传统的活性污泥法 设备包括两部分 污泥脱水 机和加药装置 处理能力 污泥脱水机为5 t h 1 污泥脱水机包括空气压缩机1 台和减速机2 台 3 p 齿轮电动机l 台 2 加药装置包括 三相异步电动机2 台 加药泵1 台 2 2 5 原水水质 1 m b r 进水水源 u a s b 系统出水 2 水质和水量 污水处理原水水量4 0 0 0 m 3 d c o d c 浓度为2 0 0 0 2 5 0 0 m g l 经过前期u a s b 工艺处理后 c o d c 为5 0 0 1 0 0 0m g l n h 3 n 为2 0 一 3 0 m g l t p 为0 6 1 4 m g l t n 为1 9 5 4 1 1 m g l p h 为7 2 7 6 碱度为8 2 7 1 2 3 3 m g l 电导率1 7 1 0 2 6 1 0 1 a s c r n 2 2 6 出水水质 该废水经过处理后 要求达到国家颁布的 城市污水再生利用景观环境用 水水质 g b 1 1 8 9 2 1 2 0 0 2 有关水质指标如表2 2 所示 本工艺出水可达到 天津市地方标准水污染物排放限值 满足景观用水要求 无异臭气 异臭味 亦可以用作中水回用 表2 2 景观片j 水水质主要指标一览表 天津t 业人学硕 l 学位论文 2 3 实验部分 2 3 1 实验化学药剂 表2 3 实验所需化学药品 测定参数 药品 c o d c r 氨氮 总磷 硝酸盐氮 重铬酸钾 邻菲哕啉 硫酸亚铁铵 浓硫酸 硫酸银 硫酸 无氨水 氢氧化钠 碘化钾 碘化汞 酒石酸钾钠 氯化铵 标准 过硫酸钾 硫酸 钼酸铵 酒石酸氧锑钾 氧化锡 盐酸 锡粒磷 酸二氢钾 氨基磺酸 硫酸锌 盐酸 2 3 2 实验仪器 电子分析天平 梅特勒一托利多仪器有限公司 分光光度计 s h i m a d z uu v 2 4 5 0 电热干燥箱 天津市三水科学仪器有限公司 p h 计 上海精密科学仪器有限公司 电导率仪 上海雷磁仪器厂 2 4 实验分析与测定方法 本实验的测定水样取自天津某啤酒污水处理厂膜生物反应器的进水口 膜 池 好氧池与出水口处 2 4 1c o d c 的测定 重铬酸钾法 2 4 1 1 原理 在强酸性溶液中 准确加入过量的重铬酸钾标准溶液 加热回流 将水样 中还原性物质 主要是有机物 氧化 过量的重铬酸钾以试亚铁灵作指示剂 用硫酸亚铁铵标准溶液回滴 根据所消耗的重铬酸钾标准溶液量计算水样化学 需氧量 2 4 1 2 仪器 1 5 0 0 m l 全玻璃回流装置 第二章t 程介绍与运行结果讨论 2 加热装置 电炉 3 2 5 m i 或5 0 m l 酸式滴定管 锥形瓶 移液管 容量瓶等 2 4 1 3 试剂 i 重铬酸钾标准溶液 c l 6 k 2 c r 2 0 7 2 试亚铁灵指示液 3 硫酸亚铁 铵标准溶液 c n h 4 2f e s 0 4 2 6 h 2 0 4 硫酸一硫酸银溶液 5 硫酸汞 结晶或粉末 2 4 2 氨氮的测定 纳氏试剂比色法 2 4 2 i 实验原理 碘化汞和碘化钾的碱性溶液与氨反应生成淡红棕色胶态化合物 其色度与 氨氮含量成正比 通常可在波长4 1 0 4 2 5 n m 范围内测其吸光度 计算其含量 本法最低检出浓度为0 0 2 5 m g l 光度法 测定上限为2 m g l 采用目视比色 法 最低检出浓度为0 0 2 m g l 水样作适当的预处理后 本法可适用于地面水 地下水 工业废水和生活污水 2 4 2 2 实验仪器 1 带氮球的定氮蒸馏装置 5 0 0 m l 凯氏烧瓶 氮球 直形冷凝管 2 分光光度计 3 p h 计 2 4 2 3 实验试剂 1 无氨水 2 i m o l l 盐酸溶液 3 i m o l l 氢氧化纳溶液 4 轻质 氧化镁 5 0 0 5 溴百里酚蓝指示液 p h 6 0 7 6 6 防沫剂 如石蜡 碎片 7 吸收液 硼酸溶液 o 0 1 m o l l 硫酸溶液 8 纳氏试剂 9 酒石酸钾钠溶液 1 0 铵标准贮备溶液 1 1 铵标准使用溶液 1 2 1 0 m v 硫酸锌溶液 1