（环境工程专业论文）ao膜生物反应器处理印染废水的研究.pdf

摘要 纺织行业是我国工业废水排放较大部门之一，据不完全统计，每年排放量达9 亿多吨，为我国工业废水排放量的第六位，其中印染废水排放量占8 0 ，是我国排放 废水和污染物量较大的行业之一。但根据调查知，在已建成的印染废水处理设施中， 能够运行的污水处理站仅占4 8 8 ，其中c o d 。处理达标率只有4 2 4 3 9 6 ，而造成不能 运行或不达标的主要原因是工艺问题。针对以上问题，本论文对印染废水的好氧生物 处理进行了改进，在好氧生物核心单元氧化池中引入膜组件，组成了一体式好氧 膜生物反应器( m b r ) 处理单元，并在好氧m b r 处理单元前加入水解酸化单元。 水解酸化和一体式m b r 的结合，组成了印染废水的a om b r 处理系统。水解酸化 可提高印染废水的可生化性，利于后续的m b r 的处理；膜的高效截留作用，将污染物 截留在反应器内，提高了污染物在反应器内的停留时间，提高了污染物的处理效率。 因此通过a o m b r 处理后，印染废水可实现达标排放，且膜组件的应用可省去了传统 生物处理依靠重力的固液分离系统，减小了基建投资。 本论文系统地研究印染废水的水质特性、废水处理效果和膜污染，在充分认识运 行条件、微生物特性、系统运行特性之间关系的基础上，对其机理进行了探讨。在研 究过程中利用标准重铬酸钾法对系统进水、水解酸化出水、m b r 上清液以及出水的 c o d 。，进行了测量；利用叠氮化钠修正碘量法对好氧m b r 的溶解氧进行了测定；对系 统内的生物相及s v 。s v i 、污泥负荷和容积负荷等也进行了测量和计算；对系统中 膜污染分别采用物理清洗和化学清洗方法；对膜污染的控制采用了低水通量、间歇操 作、合理的气水比的方法。对以上实验所得数据，采用数理统计工具s p s s 软件及e x c e l 办公软件进行分析、处理、作图，得出以下主要结论： ( 1 ) 整个系统对污染物的去除效果良好，出水c o d 。能基本保持在l o o m g l - l 以下。 c o d = ，的去除率为9 0 9 6 左右，色度去除率为5 8 1 7 6 6 ，s s 和浊度接近于0 ，p h 可 调节到7 8 ，运行近1 0 0 天情况下无污泥排放。出水的c o d 。色度，s s ，浊度及p h 等的指标分别达到g b 4 2 8 7 - - 1 9 9 2 纺织染整工业水污染物排放标准中一级排放标 准。 ( 2 ) 反应器内生物相丰富，污泥浓度高，有利于难生物降解有机物的去除。系统 容积负荷高、污泥负荷低，耐冲击负荷。 ( 3 ) 停留时间和m l s s 是两个对处理效果影响较大的参数。 ( 4 ) 确定系统最佳运行参数为，停留时间9 h ，d o 保持在2 3 9 l - 1 。 ( 5 ) 膜污染采用物理清洗后用碱洗较为有效。 关键词：印染废水；水解酸化；膜生物反应器( m b r ) ；a om b r ：膜污染；水处理 a b s t r a c t t e x t i l ei n d u s t r yi so n eo ft h eb i g g e s ts e w a g ed i s c h a r g ei n d u s t r i e si no u r c o u n t r y ，i ti sr e p o r t e di n c o m p l e t e l y ，t h eq u a n t i t yo ft h ec h a r g es e w a g ei s u pt o0 9b i l l i o nt o n sp e ry e a r ，r a n k e d6 “w i t h i nt h ei n d u s t r i a ls e w a g e i n w h i c h8 0p e r c e n ti sd y e i n gs e w a g e ，s ot h et e x t i l ei n d u s t r ys e w a g ei sr e g a r d e d a st h eb i g g e ro n ei ns e w a g ec h a r g ea n dt h eq u a n t i t yo ft h ep o l l u t e dm a t t e r w h i l ea tt h es a m et i m e o n l y4 8 8p e r c e n to ft h es e w a g et r e a t m e f i ts t a t i o nc a n b eo p e r a t e do r d e r l y ，a n dt h ee f f i c i e n c yo ft h et r e a t m e n tr a t i oi so n l y4 2 4 3 p e r c e n tw i t ht h ec o d 。t h er e a s o nr e s u l ti nt h i sp h e n o m e n am a i n l ye x i s t si n t h et e c h n i q u eo ft h et r e a t m e n tw a y t h i st h e s i sp u tf o r w a r dan e ww a yb a s e d o nt h et r a d i t i o n a lm e t h o do ft r e a t m e n tt h ed y e i n gw a s t e w a t e ra c c o r d i n gt ot h e e x i s tp r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e - - i n t r o d u c em e m b r a n eu n i t i n t ot h eo x i d a t i o n p o n d ，f o r m i n gai n c o r p o r a t e dm b rt r e a t m e n tu n i t ，m e a n w h i l ea d d sh y d r o l y s i s a c i du n i tb e f o r et h ea e r o b i cm b rt r e a t m e n tu n i t t h ec o m b i n a t i o no fh y d r o l y s i sa c i da n di n c o r p o r a t e dm b rt r e a tu n i t c o n s t r u c tt h ea om b rd y e i n gw a s t e w a t e rt r e a ts y s t e m h y d r o l y s i sa c i di m p r o v e d t h eb i o c h e m i c a lp r o p e r t yo fd y e i n gw a s t e w a t e r ，b e n e f i tt h el a t e rm b rt r e a t p r o c e s s ：i ti st h ee f f i c i e n ts e p a r a t i o nf u n c t i o no fm e m b r a n et h a ti m p r o v e c o n t a m i n a n t sr e t e n t i o nt i m ei nt h er e a c t o ra n dt h ee f f i c i e n c yo ft r e a t i n go n t h ep o l l u t e dw a t e rt h r o u g hr e s t r i c t i n gt h ec o n t a m i n a t e si nt h er e a c t o r s o t h et r e a t m e n ts e w a g ei nt h i sm e t h o dc a nm e e tt h es t a n d a r do f d i s c h a r g e r e q u i r e m e n t sw i t h o u tt o om u c hi n v e s t m e n ti nf u n d a m e n t a lc o n s t r u c t i o n s w h i c h n e e d e di nt h et r a d i t i o n a lw a yo fb i o l o g i c a lt r e a t i n gm e t h o ds y s t e ms e p a r a t i n g t h es o l i d so u to ft h el i q u i dt h r o u g hg r a v i t a t i o np r i n c i p l e t h ep r o p e r t i e so ft h ed y e i n gw a s t e dw a t e r ，t h ee f f e c to f s e w a g ew a t e r t r e a t i n gm e t h o da n dm e m b r a n ef o u l i n gw e r es t u d i e di nt h i st h e s i s ，t h e p r i n c i p l eo ft h et r e a t i n gw a sd i s c u s s e db a s e do nt h ec o m p l e t e l yc o m p r e h e n s i o n o ft h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n ，m i c r o b ep r o p e r t i e sa n dt h e s y s t e mo p e r a ti o nc h a r a c t e r s c o d 。，o ft h es y s t e mi n f l u e n t ，h y d r o l y s i sa c i de f f l u e n t u pc l a r i f yl i q u i d o fm b ra n de f f l u e n tw e r em e a s u r e di nt h et r i a l sb yt h es t a n d a r dp o t a s s iu m d i c h r o m a t em e t h o d ：t h ed i s s o l v e do x y g e no fa e r o b i cm b rw a sm e a s u r e db ys o d i u m a s i d em e t h o d ：m e a n w h i l et h ee t cw e r em e a s u r e da n dc o m p u t e dt o od u r i n gt h e t r i m s ：t h ep h y s i c a lc l e a n i n ga n dc h e m i c a lc l e a n i n gw e r ea d o p t e ds e p a r a t e l y t od e a lw i t ht h em e m b r a n ef o u i i n gi nt h es y s t e m l o ww a t e rf l u e ，i n t e r m i t t e n t o p e r a t i o na n dr a t i o n a ls p e c i f i cv a l u eo fa i ra n dw a t e rm e t h o d sw e r ea d o p t e d i nt h em e m b r a n ec o n t a m i n a t i o n t h em a i nc o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e da sf o l l o w i n g sb ya n a l y z i n gt h ed a t a t h r o u g ht h es t a t i s t i c s s o f t w a r eo fs p s sa n dt h ee x c e lt o o l ： ( 1 ) t h eo p e r a t i o ns y s t e mi sv o l u b l et og e tr i do fc o n t a m i n a n t s c o d 。，o f e f f l u e n tc a nb eb e l o w1 0 0 m g l s t e a d i l y t h ee x c l u d i n gr a t i oo fc o d 。，i sa b o u t 9 0p e r c e n t ，t o n ee x c l u s i o nr a t i o ni sf r o m5 8 1t o7 6 6 p e r c e n t ，s sa n d t u r b i d i t yv a l u ea p p r o a c h e dt o0 p hc a nb ea d j u s t e da b o u t7 8 t h e r ei sn o s l u d g ed i s c h a r g ed u r i n gt h e1 0 0 一d a yo p e r a t i o nc o n d i t i o n t h ei n d e xo fc o d 。， t o n e ，s st u r b i d i t yv a l u ea n dp hm e e tt h ef i s tc l a s ss t a n d a r do fg b 4 2 8 7 1 9 9 2 ( 2 ) t h e r ea r em a n yd i f f e r e n tm i c r o o r g a n i s m si nt h er e a c t o r ，a n dt h em l s s i sh i g h t h et w of a c t o r sa r eb e n e f i tt od i s p o s et h eh a r db i o d e g r a d a t i o nm a t t e r ( 3 ) h r ta n dm l s sa r et w om a i nf a c t o r sf o rr e m o v a lc o n t a m i n a n t s ( 4 ) t h eb e s to p e r a t i o nc o n d i t i o n sa r eh r tm o r et h a n9 ha n dd om a i n t a i n2 3 9 一 ( 5 ) a f t e rp h y s i c a lc l e a n i n gu s ec h e m i c a lc l e a n i n gt od e a lw i t ht h e m e m b r a n e f o u li n g k e y w o r d s ：d y e i n gw a s t ew a t e r ：h y d r o l y s i sa c i d ： m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) ； a om b r ；m e m b r a n ef o u li n g ：w a t e rt r e a t m e n t 1 绪论 1 绪论 1 1印染废水水质特点及处理方法 1 1 1 印染废水水质特点 我国工业废水中，印染行业是工业废水排放大户，与其它行业相比，不但耗水量 大，而且水污染严重，因此印染废水必须严加控制排放。根据印染行业产品使用的原 料、产品品种、产品加工方式和产品用途的不同，印染行业可划分为棉纺印染行业、 毛纺染整行业、丝绸印染行业和麻纺印染行业等。虽然不同印染厂加工工艺不同，但 一般主要经过退浆、漂白、丝光、染色、整理等工序，印染过程各工序排出的废水组 成印染废水，一些典型印染废水的主要成分见表1 1 。 表卜1 各种印染废水的主要成分 t a b 1t h em a i ni n g r e d i e n t so fd i f f e r e n td y e i n gw a s e w a t e r 所用染料种类 废水中主要污染成分 直接染料 活性染料 酸性染料 酸性媒染染料 金属络合染料 阳离子染料 硫化染料 还原染料 纳夫妥染料 分散性染料 染料、元明粉、食盐、纯碱、表面活性剂 染料、烧碱、磷酸盐、小苏打、元明粉、尿素、表面活性剂 染料、元明粉、硫酸铵、醛酸、硫酸、表面活性剂 染料、元明粉、醋酸、重铬酸盐、表面活性剂 染料、元明粉、硫酸、醋酸钠、硫酸铵、表面活性剂 染料、元明粉、醋酸钠、硫酸铵、纯碱、表面活性剂 染料、硫化碱、纯碱、元明粉 染料、元明粉、保险粉、纯碱、红油 染料、醋酸钠、烧碱、盐酸、亚硝酸钠、表面活性剂 染料、各种载体、保险粉、表面活性剂 从上表可以看出，不同的染料使用不同的药剂，因此印染废水水质非常复杂，其 水质特点可进一步归结为： a 水量大。纺织印染行业是湿法加工行业，其生产过程中水量较大。2 0 0 4 年7 1 绪论 月最新资料表明，纺织行业是我国工业废水排放较大部门之一，据不完全统计，每年 排放量达9 亿多吨，为我国工业废水排放量的第六位，其中印染废水排放量占8 0 ， 是我国排放废水和污染物量较大的行业之一。 b 有机污染物含量高。因化纤织物的发展和印染后整理技术的进步，不同染料、 不同助剂、不同织物以及新型浆料、助剂的使用，使难以生化降解的有机物大量进入 印染废水中，使废水的b o d 。c o 风值很低，一般在2 0 9 6 左右，增加了处理难度。因此需 要采取措施，使b o d 。c o d 。值提高到3 0 左右或更高些，以利于进行生化处理。 c p u 值高且变化大。印染工艺中需要大量的烧碱，特别是退浆废水，其p h 值一般 不小于1 2 ，因此必须对其进行预处理，投加酸降低p h 值。经预处理达到一定要求后， 再进入调节池，与其它的印染废水一起进行处理。 d 色度高，有时可高达4 0 0 0 倍以上。印染废水处理的重要任务之一就是进行脱 色处理，要研究和选用高效脱色菌、高效脱色混凝剂和有利于脱色的处理工艺。 e 水质变化剧烈。因生产的间断运行，存在着水量水质的波动，因此处理工艺要 考虑这个因素，要有一定的适应水量、水质负荷变化的能力。 各类印染工业产品排放的废水水质情况见表1 2 。 表l 一2 各类印染工业产品排放的废水水质情况“1 t a b 1 2a l lk i n d so ft h ew a s t e w a t e rf r o mt h ep r e s e n c ed y e i n gi n d u s t r y “ 注：c o d e r 染料、还原漂白剂、醛、还原净水剂、淀粉整理剂等： b o d ”有机物，如染料、浆料、表面活性剂、酯酚、加工药剂等： 色度：染料、颜料在废水中呈现的颜色； 悬浮物( s s ) ：纤维屑粒、浆料、整理加工药剂等； p h ：烧碱。 2 l 绪论 国家要求印染工业废水达标要求应符合g b 4 2 8 7 - 1 9 9 2 纺织染整工业水污染物排 放标准中的废水排放标准，参见附表1 。 1 1 2 印染废水的处理方法 目前紫用印染废水治理方法有：a 。物理法，其中最常用的是吸跗法( 主要用于三 级处理) ：b 化学法，主要有混凝沉淀法、混凝气浮法、氯氧化法、臭氧氧化法、电 解气浮法等；c 生物处理法，包括厌氧生物处理法和好氧生物处理法。好氧生物处理 法中常用的有表面曝气活性污泥法、高浓度活性污泥法、生物转盘、生物接触氧化、 生物铁法和s b r 等。厌氧生物处理法中先进的为上流式厌氧污泥床( u a s b 法) 。 1 1 ，2 1 物理法 物理法以吸附脱色为代表。吸附脱色技术是依靠吸附剂的吸附作用来脱除染料分 子的。吸附法所用材料是活性炭、活性硅藻土、煤渣和活化煤等，它们共同点均是对 废水中微量有机污染物具有卓越的吸附特性。一般情况下，吸附剂对废水中以b o d s 、 c o d 。r 等综合指标表示的有机物，如合成染料，有独特的去除能力，并且吸附是可逆的， 当达到某吸附容量时，出水的水质恶化，吸附剂需再生。该法存在的主要问题是吸 附材料价格昂贵，吸附容量有限，仅适合于二级处理后含有少量有机污染物的水质； 易受水中悬浮物、高分子污染物( 浆料等) 、油脂的影响：吸附剂用量大，处理费用 高。 1 1 2 2 化学法 a 混凝法 混凝法包括混凝沉淀法、混凝气浮法。废水中含有大量的无机杂质与有机杂质( 甚 至有大量高分子有机物) ，呈胶体状态，由于其颗粒极微小，不能通过沉降以至分离。 混凝法是在废水中加入合适的药剂，通过压缩双电层，粘接架桥，网捕等作用破坏胶 体和微小悬浮颗粒在水中形成的分散体系，使其形成明显的絮凝体，然后通过重力沉 降或气浮，使其分离。 该法主要适用于降低废水的色度和去除多种高分子物质、胶体有机物、重金属有 毒物质( 如汞、镉和铅等) 以及导致水体富营养化的物质( 如磷等可溶性无机物) 。 纺织印染废水中含有大量染料、助剂和浆料、洗涤剂和其它化学药剂，其中染料多数 呈胶体状态，采用混凝法处理。有一定的处理效果。印染废水的混凝脱色技术，投资 费用低，设备占地少，处理量大，是一种被普遍采用的脱色技术，但由于印染废水成分 复杂，水质变化大，难于选择合适、经济的混凝剂。因此，如何选择高效的絮凝剂和 i 绪论 有效的絮凝脱色工艺。则是该技术的关键。 b 氧化法 氧化法是将废水中呈溶解状态的有机物和无机物，通过化学反应被氧化为微毒或 无毒物质，或者转化为容易与水分离的形态，从而达到处理的目的。 纺织印染废水经生物法或混凝法处理后，随b o d 。和部分悬浮物的去除，色度也 有一定的降低，一般情况下，生物脱色率降低，仅为4 0 5 0 。混凝法的脱色率稍 高，但因染料品种和混凝剂的不同而有很大的差别，脱色率在5 0 9 0 之间。因此， 采用混凝方法处理后出水仍有较深颜色，需进一步脱色，方法有氧化脱色法和吸附法 两种，氧化脱色法包括有氯氧化法、臭氧氧化法、光氧化法、超声波氧化等。 ( 1 ) 氯氧化法 c l 。在水中水解生成氯酸和次氯酸。氯酸和次氯酸在酸性较强的溶液里分解出氧， 有很强的氧化性，最终产物是氯化物。二氧化氯在酸性较强的条件下会分解并生成氯 酸，放出氧气，从而氧化、降解废水中的带色基团与其他的有机污染物；在弱酸条件 下，二氧化氯不易分解污染物，而是直接和废水中污染物发生作用并破坏有机物的结 构，因此p h 值能影响处理效果。c 1 ：氧化法处理效果较好，但由于对p h 值要求严格， 而纺织印染水碱性强，需要大量酸中和，成本高，而且它易与水中有机物生成氯代有 机物( a 0 x ) ，毒性很大，易造成了二次污染。 ( 2 ) 0 3 氧化法 0 。同样是强氧化剂，同c l 。一样，降解废水中的带色基团与其它的有机污染物。 但o 。氧化法需采用0 。发生器及一系列处理设备，造价较高，投加量大。 ( 3 ) 光氧化脱色法 光氧化脱色法是利用光和氧化剂联合作用时产生的强烈氧化作用，氧化分解废水 中的有机污染物质，是能使色度大幅度下降的一种处理方法，但对废水中c o d 。、b o d s 、 s s 等其它污染指标的去除还有待于进一步的研究。 ( 4 ) 超声波氧化法 超声波处理印染废水是基于超声波能在液体中产生局部高温、高压、高剪切力， 诱使水分子及染料分子裂解产生自由基，引发各种反应并促进絮凝。用超声波技术降 解浓度为4 4 4 m g l - 1 的酸性红b 废水，在投2 n n a c l 约1 9 l _ 1 ，处理5 0 m i n 时，酸性红b 废水脱色率近9 0 。 氧化法是一种优良的印染废水脱色方法，但如果氧化程度不足，尽管染料分子的 发色基团可能被破坏而脱色。但其中的c o d 。仍未除尽；若将染料分子充分氧化；能量、 药剂量消耗可能会过大成本太高。反应过程中控制不当还会产生二次污染以及对设 备构筑物的损坏。 4 i 绪论 c 电化学法 电化学法是通过电极反应使印染废水得到净化。英国率先提出用铁电极处理污水， 并在城市污水处理中实旌：美国随后对含油废水进行了电化学法处理，但因能耗、耗铁 成本偏高未受重视。随着电化学和电力工业的发展，各种高效率反应器的出现使处理 成本大幅下降，电化学方法又重新引起人们的重视，进一步提高电极材料的催化性能， 提高电流效率，减弱电极极化以降低能耗仍是今后的主攻方向，根据电极反应方式划 分，电化学方法可细分为内电解法、电絮凝法、电气浮法和电氧化法。 1 1 2 3 生物法 生物法脱色是利用微生物酶来氧化或还原染料分子，破坏不饱和键及发色基团。 脱色微生物对染料具有专一性，其降解过程为，先是染料分子的吸附和富集，接着再 进一步降解，微生物通过一系列氧化、还原、水解、化合等生命活动，最终将染料降解 成简单无机物或转化为各种营养物及原生质。染料分子细微的结构变化都会大大影响 微生物对废水的脱色率，如某些藻类对含一o h 、一n 凡的染料脱色率很高，但几乎无法降 解含一c h 。、一0 c 地、一n 0 2 的染料分子。 好氧工艺是常见的处理工艺，但由于染料分子的生物降解性差，废水b o d s c o d 。，比 值低，致使普通的好氧工艺对废水色度、c o d 。，去除率不高( 一般在6 0 7 0 ) 。通过向 曝气池中投加f e ( o h ) 。、延长难降解物质在系统内的停留时间等措施，能大幅提高曝气 池的活性污泥负荷，从而提高了系统的脱色率和c o d 。去除率；将固定化细胞技术应用 于好氧工艺也可取得良好效果。 厌氧好氧处理工艺能在一定程度上弦补好氧工艺的不足。据文献报道”，有些 有机物在好氧条件下较难被微生物降解，经厌氧酸化预处理可以将难降解有机物降解 的大分子有机物转化成易生物降解的小分子有机物，为后续的好氧生物处理创造良好 的条件。厌氧水解工艺考虑了产甲烷菌与水解产酸菌生长速率不同，在反应器中利用 水流动的淘洗作用造成甲烷菌在反应器中难以繁殖，将厌氧处理控制在反应时间短的 厌氧处理第一阶段，即在大量水解细菌、产酸菌作用下将不溶性有机物水解为溶解性 有机物，将难生物降解的大分子物质变为易生物降解的小分子物质。厌氧水解处理可 以作为各种生化处理的预处理，由于不需曝气而降低了生产运行成本，可提高污水的 可生化性，使后续好氧生物处理能较容易进行，大大提高了有机物的去除率，厌氧一 好氧处理工艺( a o ) 除应用于印染废水处理外还广泛地应用于难生物降解的制药、 化工、造纸等高浓度有机废水的处理中。 此外，水解酸化反应器不需设气体分离和收集系统，无需搅拌设备，因此造价低， 且便于维修。反应器可在常温条件下运行，不需外界提供热源和供氧，出水无不良气 体，节约能耗，降低了运行费用；具有耐冲击负荷能力强、污泥产率低、占地少等优 1 绪论 点，在工程中有推广价值。 在印染废水处理中经水解酸化后，废水中染料的发色基团在厌氧条件下完成脱色 过程，同时以微生物氧化其它有机物产生还原性的n a d h ( 辅酶1 ) 或n a p h ( 辅酶2 ) 作为辅酶，通过还原酶的还原作用而使发色基团破坏，形成苯胺类或萘胺类产物“1 ， 然后进行脱色产物的开环等微生物降解代谢作用，直至生成二氧化碳和氨等无机物。 实验“1 表明，染料废水经水解酸化预处理后，废水的可生化性提高，保证了后续好氧 处理的效果。 常规生物法处理印染废水的脱色率和c o d 。，去除率不高，并且反应时间长，一般 不适宜单独应用。根据调查可知，已建成的印染废水处理设施中，能够运行的污水处理 站占4 8 8 ，其中c o d 。，处理达标率只有4 2 4 3 ，而造成不能运行或不达标的主要原因 是工艺问题。国内大多采用以常规生化法为主来处理印染废水，但占地面积大、需专 人管理，所以本实验选用膜生物反应器技术( m b r ) 处理印染废水。膜生物反应器技 术原理与活性污泥法相同，不同点在于m b r 依靠膜分离技术实现固液分离，而常规生 物法依靠重力沉降来达到泥水的分离。 目前。市场也迫切要求人们开发出新的污水资源化技术，因此，各种新型、高效 的污水处理技术应运而生，其中用膜分离技术代替传统的重力式沉淀泥水分离的膜 生物反应器工艺日益引起人们的重视。目前，国内对m b r 处理生活污水的研究较多， 而对处理印染废水却少有报道。印染废水由于含多种染料等难生物降解有机物，传统 物理、生化等处理技术对印染废水的处理效果往往不理想，因此用m b r 处理印染废水 的研究具有重要意义。 1 2 膜生物反应器( m b r ) 1 2 1 膜生物反应器简介 膜生物反应器( m b r ) 是将膜分离技术( 多使用超、微滤膜) 与污水处理中的生 物反应器相结合而成的一种新的污水处理装置。将膜组件引入直接废水生物处理的氧 化池中，可达到生物降解和泥水分离同时进行的目的。这种把膜分离技术与生物工艺 结合起来进行污水处理的研究已超过三十年。首次报道”为美国的d o r r 一0 1 l v e r 公司 把活性污泥法和超滤工艺结合用来处理城市污水。这种反应器综合了膜处理技术和生 物处理技术的优点。超、微滤膜截留活性污泥混合液中微生物絮体和较大分子有机物， 使之停留在反应器内，在反应器内获得高生物浓度，并延长有机固体停留时间，极大 地提高了微生物对有机物的氧化率；同时，经过超、微滤膜处理后，出水质量高，可 以直接用于非饮用水回用：系统几乎不排剩余污泥，且具有较高的抗冲击能力。特别 是1 9 8 9 年y a m a m o t o “1 将中空纤维膜应用于活性污泥处理中，使工艺运行成本大大降 6 1 绪论 低，实际应用前景广阔。目前全世界的m b r 有5 0 0 多个，正在应用于不同的污水处理， 如生活污水、垃圾渗滤波、城市污水、小区污水回用等。 1 2 2 膜生物反应器( m b r ) 的特点 m b r 以膜组件替代二沉池提高泥水分离率，在此基础上，通过增大曝气池中的活 性污泥浓度来提高生化反应速率，同时透过降低f m 来减少剩余污泥发生量( 甚至 为零) ，解决了传统活性污泥法的弊端，其优点是娜： a 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，实现了污水资源化。 b 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 阀( h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，简称h r t ) 和污泥龄( s l u d g er e t e n t i o nt i m e ， 简称s r t ) 的完全分离，使运行控制更加灵活稳定。 c 反应器内的微生物浓度高，耐冲击负荷。 d 有利于世代交替时间较长的硝化细菌的截留、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有脱氮和除磷的功能。 e 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，可以实现基本无剩余污泥排放。 f 可实现全程自动化控制。 g 占地面积小，工艺设备集中。 1 2 3 膜生物反应器( m b r ) 的组成和分类 1 2 3 1 m b r 的组成 从整体构造上来看，膜生物反应器主要是由膜组件和生物反应器两部分组成。 a 膜分离生物反应器中膜组件相当于传统生物处理系统中的二沉池，利用膜组件 进行固液分离，污泥截流在生物反应器中，水透过膜外排。 b 生物反应器是污染物降解的主要场所，根据微生物生长需氧情况的不同还可分 为好氧和厌氧两大类。 1 2 3 2m b r 的分类 通常所说的膜生物反应器实际为三类反应器的总称：a 膜一曝气生物反应器 ( m e m b r a n ea e r a t i o nb i o r e a c t o r ，m a b r ) ：b 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 l 绪论 b i o r e a c t o r ，e m b r ) ；c 膜分离生物反应器( b i o m a s ss e p a r a t i o nm e m b r a n e ，m b r ) 。 本课题使用的为膜分离生物反应器。膜分离生物反应器按膜组件和生物反应器的相对 位置又可分为一体式( 或浸没式) 、分景式( 或循环式) 和复合式膜生物反应器三种。 一体式( 或浸没式) 是指膜组件安置在生物反应器内部，本课题采用一体式m b r ；分 置式( 或循环式) 是指膜组件与生物反应器分开设置；复合式在形式上也属于一体式 膜生物反应器，所不同的是在生物反应器内加装填料。膜分离生物反应器的示意图如 卜1 所示。 原水 回漉 进水 ( - 一韩式m 腿 fb ) 分置式m 强 ( c ) 复合式l 吼 图卜1 膜分离生物反应器的示意图 f i g 1 1m e m b r a n eb i o r e a c t o rs c h e m a t i cd i a g r a m 实际运行中分置式m b r 与一体式m b r 互有优缺点。其区别如表卜3 所示 表1 - 3 两种形式反应器的区别 t a b 1 3t h ed i f f e r e n c eo ft w ot y p em b r 出水 1 绪论 根据膜生物反应器的两部分操作单元自身的多样性，膜生物反应器还可有另外不 同的分类，见表卜4 。 表卜4 根据膜生物反应器的两部分操作单元分类 t a b 1 4c l a s s i f i c a t i o na c c o r d i n gt ot h et w op a r t so p e r a t i o nu n i to fm b r 内容 分类 膜组件 膜材料 压力驱动形式 生物反应器 膜组件与生物反应器的组合方式 管式、平板式 有机膜、无机膜 外压式、抽吸式 好氧、厌氧 一体式、分置式、复合式 1 2 4 膜的分类及常见膜组件类型 1 2 4 1 膜的分类 膜是一层薄薄的、具有特殊的物理化学性质的材料，当对膜施加一定的推动力时， 它能将混合的物料分开。目前已商业化的膜技术主要是微滤( m f ) 、纳滤( n f ) 、超滤 ( u f ) 、反渗透( r 0 ) 、电渗析( d ) 、透析( e d ) 、气体膜分离( g s ) 和渗透汽化( p v a p ) 。膜 可以根据其推动力的不同进行分类，反渗透、纳滤、超滤、微滤都是以压力为推动力 使水透过膜而达到分离的目的；电渗析过程可以使水中小分子溶质的离子通过膜，其 推动力为电位差；而透析、气体膜分离、渗透汽化的膜过程其推动力则为浓度差。表 卜5 列出了按推动力进行分类的各种常见的膜过程。 表卜5 以推动力进行分类的各种常见的膜过程 t a b 1 5c o m m o nm e m b r a n ep r o c e s sa c c o r d i n gt ot h ec l a s s i f i c a t i o nb yp u s h 推动力膜过程 压力差 浓度差 电位差 反渗透、纳滤、超滤、微滤 透析、气体膜分离、渗透汽化 电渗析 9 1 绪论 不同的膜过程所分离的物质分子粒径不同，膜过滤图谱卜2 清楚表明了这几种过 滤方式所能去除的粒子范围。 q - l j 塞 一 星 鼙 破 曩 窖 各 寸 矗笼 垂 型 落 _ 制h i ji k 。器 e 霸at 萋 耋 1 k i w 臻 - 嚣 - t 。 墓 ! 訇 禁 霪 - _ 一： 蓉 嚣l 耄 囊 - _ * - - l c - - t o - ： 糕 暖 塞 懈 善 嚣 震 屯d 盏 ； _ 嚣 凇 警 _ - = 摹； l 一 一 一_ ： l 目 援 h 一 降 删 器 ：祠一 _ k _ 、j 墨；i k 鞫匐 嚣 器 蔷： 宕 糠# - 一 t 董母翻 赢 警誊 嚼。鬻蓬 枣 培器条 复 图1 - 2膜过滤图谱 f i g 1 2t h ea t l a so fm e m b r a n ef il t e r s l o 1 绪论 1 2 4 2 常见膜组件类型 工业应用中通常需要较大面积的膜。安装膜的最小单元被称为膜组件。膜组件的 设计有很多种，它们均根据两种膜构型设计：a 平板膜，如板框式、卷式膜；b 管式 膜，如毛细管式和中空纤维式。 板框式膜组件是最简单的膜装置，膜片安装在支撑板间，支撑板上的流道槽用以 疏通过膜流体；膜和支撑通过滤筒连接也是板框式膜组件的主要构造形式。中空纤维 膜可以在较小空间内组装大面积膜。超滤和微滤过程所采用的中空纤维管直径约 1um ，流体在纤维管内流动：反渗透和气体分离过程所采用的中空纤维膜管径通常更 为纤细，纤维管外表面为分离面，流体在纤维管内流动的称为内压式膜组件；流体在 纤维管外流动的称为外压式膜组件。表1 - 6 为近期文献中有关m b r 所用滤膜及组件的 情况及组件形式。 表卜6 近期文献中有关m b r 所用滤膜及组件的情况及组件形式 t a b 1 6m e m b r a n e sa n ds t y l e so fm o d u l e su s e di nm b ri nr e f e r e n c e sr e c e n t l y 1 1 1 绪论 1 2 5 膜生物反应器在废水处理中的研究进展 1 2 5 1 国际膜生物反应器进展 国际上首次报道把膜分离技术与生物工艺结合起来进行污水处理的是美国的 d o r r - o l l v e r 公司。他们把活性污泥法和超滤工艺结合处理城市污水，到目前为止已 超过三十年。该工艺最引人的瞩目的是用膜分离技术取代常规的活性污泥二沉池，用 膜分离技术作为处理单元中富集生物的手段，而不是采用常规的回流循环来增加曝气 池中微生物的浓度，但由于受到当时膜生产技术的限制，膜的寿命短、通量小，未能 投入使用；2 0 世纪7 0 年代后期由于日本污水再生利用的需要，开始重视膜分离技术 在废水处理中的应用，建产省组织日本的大学、研究所、企业开始全面研究，使膜分 离技术得以应用；8 0 年代后期，国际上对膜组件应用于废水的生物处理方兴未艾， 研究内容更加全面；9 0 年代后期，国内的科研院所开始对此进行研究。而膜生物反 应器的商业化应用也已经有2 0 年的历史了。今天，有5 0 0 多个膜一生物反应器工程 正在世界各地处理着各种不同的污水，工业污水、城市污水、楼宇污水和中水回等。 表1 - 7 中列出了一些发达国家近年来m b r 的应用情况。 表卜7m b r 的应用情况 t a b 1 7a p p l i c a t i o no fm b ri nd e v e l o p e dc o u n t r i e s 1 2 i 绪论 注：污水处理厂仍在建设中： 原文中单位为i n h ，估计是i n h a b i t a n t s 的缩写，其义为人口当量，此处按照li n h = o 5 m 3 d 估算； 原文中单位为人口当量( p o p u l a t i o n e q u i v a l e n t s ，p e ) 。此处按照1p e = 0 5 m 3 d - 1 估算。 1 2 5 2 国内膜生物反应器进展 我国对膜生物反应器的研究还刚刚起步。1 9 9 3 年吴开芬”等人研究了用中空纤 维超滤膜处理回用印钞厂擦板液的可行性；1 9 9 4 年马纳，王新德”1 作了膜生物反应 器在生物技术中的应用；1 9 9 6 年欧阳铭，朱向宏等。”对膜生物反应器工艺在污水回 用处理中的试验研究；t 9 9 8 年清华大学环境工程系的刑传红”1 对无机膜生物反应器 处理生活污水进行了实验研究，效果较好；1 9 9 9 年同济大学和大连理工大学的李红 兵、杨磊m 3 等人也先后对生活污水进行了实验，前者利用中空纤维微滤膜生物反应 器处理生活污水，后者是利用中空纤维超滤膜生物反应器处理生活污水；另外天津大 学利用膜生物反应器对中水进行处理，渴望得到推广应用。2 0 0 2 年崔学刚、程焕龙。o 等用膜生物反应器处理化工废水，得出c o d 仃去除率大于9 5 的处理效果：2 0 0 2 年姬广 磊，奚旦立，季萍研究了膜生物反应器在高浓度有机废水处理中的应用；2 0 0 3 年王 敏等研究了膜生物反应器处理涂料废水，也得到了c o d 。s s 的去除率分别为9 1 和 8 3 的处理效果；2 0 0 4 年翟素莲、金海明眦1 研究了一体式膜生物反应器处理中药废水， 出水达到g b 8 9 7 8 - 1 9 9 6 一级排放标准。上述各例所使用的膜组件均为有机膜组件。目 前，一些学者在研究有机膜i v i b r 的基础上，还发明了一种无机膜生物反应器 ( i n o r g a n i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，i m b r ) 。i a l b r 的核心是采用无机膜，与上述有机 1 绪论 膜比较，无机膜具有化学稳定性好、热稳