（环境工程专业论文）一体式膜生物反应器运行特性试验研究.pdf

摘要 为了考察膜生物反应器的运行特性，以中空纤维膜为核心，人工配制污水为研究对象， 设计并运行了一个有效容积为1 9 l 的一体式膜生物反应器( s m b r ) ，并对影响处理效率的污泥 浓度、溶解氧浓度、水力停留时间等因素进行了考察。试验证实采用s m b r 工艺处理污水时， 可以实现良好的处理效率和稳定的出水水质。为了克服s m b r 在处理高浓度污水时膜组件易堵 塞的弊端，试验末期在s i c d 3 r 反应器前增加了一生物接触氧化装置，构成复合式膜生物反应器， 并对其运行特性进行了初步的试验研究。试验结果表明： ( 1 ) s m b r 出水的浊度在o 6 6 5 n t u 之间，平均出水浊度为3 3 n t u ，符合城市杂 用水水质标准规定的浊度要求； ( 2 ) s m b r 系统不适宜在高容积负荷条件下运行。在低容积负荷条件下运行时，出水水 质稳定，c o d 值在2 0 m g l 以下，远低于城市杂用水水质标准( g b t 1 8 9 2 0 2 0 0 2 ) 中规定的 c o d 浓度限值( 5 0 m g l ) ； ( 3 ) 在s m b r 反应池中，n i - 1 3 一n 的去除率与进水负荷和反应池的溶解氧浓度有关。为 获得理想的n h 3 - n 的去除率，溶解氧浓度应在2 m g l 左右，进水负荷不宜过高； ( 4 ) 随着污泥浓度的增加，s m b r 反应池内溶解氧浓度减小。当污泥浓度小于7 5 0 0 m g l 时，池内溶解氧浓度较高；当污泥浓度增加到7 5 0 0 m g l 左右之后，池内溶解氧浓度较低； ( 5 ) s m b r 的处理效果受进水水质、水量变化的影响较小，系统有很强的抗冲击负荷能 力； ( 6 ) 污泥浓度是影响膜污染的主要因素。污泥浓度较大时，氧传质系数减小，同样的汽 水比下，溶解氧较低，微生物的黏性较大，即溶液中生物细胞外分泌物( e x t r a c e l l u a rp o l y m e r s ， e p s ) 的比阻增大，污染加速； ( 7 ) 与酸碱清洗之后膜透水量相比，酒精浸泡之后膜透水量提高了3 4 倍，膜清洗周 期可以延长为原来的6 倍。 ( 8 ) 微生物的生长特性也是影响膜污染的个重要因素。微生物的生长特性可以通过控 制污泥负荷和溶解氧浓度来调节，s m b r 工艺适宜的污泥浓度为o o l o 3k g c o d k g ( m l s s ) d ，适宜的溶解氧浓度为1 o 4 0 1 1 1 舡。 关键词：s m b r ) 污泥浓度；溶解氧浓度；污泥负荷；过膜压力；膜污染 a b s t r a c t i no r d e rt o i n v e s t i g a t e t h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs m b r ( s u b m e r g e dm e m b r a n e b i o r e a c t o r ) ，w et o o kt h eh o l l o wf i b e rm e m b r a n ea st h ec o r e ，a r t i f i c i a ls e w a g ea st h es t u d yo b j e c t ， d e s i g n e da n do p e r a t e dam e m b r a n eb i o r e a c t o rd e v i c e ( s m b r ) , w h i c hc o n t e n tw a s19l i t e r s t h e nw e s t u d i e dt h ei n f l u e n c ee f f e c to fs l u d g ec o n c e n t r a t i o n ，d i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o n ，t h eh y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m ea n di n s p e c t e dt h em a i nf a c t o r so fm e m b r a n e f o u l i n g t e s tc o n f i r m e dw h e nw eu s e d s m b rp r o c e s st ot r e a tw a s t e w a t e r , w ec o u l dg e tag o o dr e m o v i n ge f f i c i e n c ya n ds t a b l ee f f l u e n t q u a l i t y t oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so fs m b rt h a tw a se a s yt ob ep l u g g e di nt h et r e a t i n gh i g l l c o n c e n t r a t i o nw a s t e w a t e r , a tt h ee n do fe x p e r i m e n t ，ab i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o nr e a c t o rw a s c o n s t i t u t e dt oc o m p o s i t et h eh y b r i ds u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r t h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s w e r es t u d i e di n i t i a l l y t h er e s u l ts h o w e d ： ( 1 ) t h et u r b i d i t yo ft h ee f f l u e n tw a t e rw a sb e t w e e n0 6a n d6 5 n t u ，t h ea v e r a g et u r b i d i t yw a s 3 3 n t u t h i sv a l u em e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e ”m i s c e l l a n e o u sc i t yw a t e r q u a l i t ys t a n d a r d s ”； ( 2 ) s u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o rs y s t e mw a sn o ta p p r o p r i a t et or u ni nt h eh i g l ll o a d i n g c o n d i t i o n i nl o wl o a d i n g , e f f l u e n tw a t e rw a s s t a b l e ，a n dc o dv a l u ew a su n d e r2 0m g l f a rl o w e r t h a nt h ew a t e rq u a l i t ys t a n d a r d ； ( 3 ) i ns m b r ，n h 3 - nr e m o v a lw a sc o r r e l a t i v ew i t ht h ei n f l u e n tl o a d i n ga n dd i s s o l v e do x y g e n c o n c e n t r a t i o no fr e a c t o r t og e ta g o o dn h 3 - nr e m o v a l ，d i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o ns h o u l db ei n 2 m g la n di n f l u e n tl o a d i n gs h o u l dn o tb et o oh i 曲 ( 4 ) a st h ec o n c e n t r a t i o no ft h es l u d g ei n c r e a s e d ，t h ed i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o nw a s d e c r e a s e d w h e nt h es l u d g ec o n c e n t r a t i o nw a sl e s st h a n7 5 0 0 m g l ，t h ec o n c e n t r a t i o no fd i s s o l v e d o x y g e nw a sh i g h e r , a n dw h e nt h es l u d g ec o n c e n t r a t i o nw a sa b o v e7 5 0 0 m g l ，t h ec o n c e n t r a t i o no f d i s s o l v e do x y g e nw a s l o w e r ； ( 5 ) t h ee f f i c i e n c yo fs m b rw a sh a r d l ya f f e c t e db yt h ei n f l u e n tw a t e r sq u a l i t ya n dq u a n t i t y t h es m b r s y s t e mh a dt h es t r o n gf i g h t i n gc a p a b i l i t i e st ow i t h s t a n dt h ei m p a c tl o a d i n g ； ( 6 ) t h es l u d g ec o n c e n t r a t i o nw a st h ei m p o r t a n tf a c t o ro ft h em e m b r a n ef o u l i n g w h e nt h e s l u d g ec o n c e n t r a t i o nw a sh i g h e r , o x y g e nt r a n s f e rc o e f f i c i e n td e c r e a s e d a tt h es a m ea i r - w a t e rr a t i o ， t h er e s i s t a n c eb ye p s ( e x t r a c e l l u a rp o l y m e r s ) i n c r e a s e d ，f o u l i n ga c c e l e r a t e d ( 7 ) c o m p a r e dt h ep e r m e a b i l i t yo fm e m b r a n ec l e a n e du s i n ga c i da n da l k a l im e t h o d ，m e m b r a n e p e r m e a b i l i t yi n c r e a s e db y3 - 4t i m e sa f t e ra l c o h o li m m e r s i o n t h em e m b r a n ec l e a n i n gc y c l ec o u l db e e x t e n d e da b o u ts i xt i m e s ( 8 ) i nt h em e m b r a n eb i o r e a c t o rs y s t e m ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o b i a lg r o w t hw a sa l s oa l l i m p o r t a n tf a c t o ro ft h ef o u l i n go f h o l l o wf i b e rm e m b r a n e t h em i c r o b i a lg r o w t hc h a r a c t e r i s t i c sc o u l d b ec o n t r o l l e dt h r o u g ht h e s l u d g el o a d i n ga n dt h ed i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o n t h em o s t a p p r o p r i a t es l u d g ec o n c e n t r a t i o nw a s0 0 1 o 3k g c o d k g ( m l s s ) da n dt h em o s ta p p r o p r i a t e c o n c e n t r a t i o no fd i s s o l v e do x y g e nw a s1 0 - - 4 o m g m k e yw o r d s ：s m b r ；t h es l u d g ec o n c e n t r a t i o n ；d i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o n ；s l u d g el o a d i n g ； t r a n s m e m b r a n ep r e s s u r e ；m e m b r a n ef o u l i n g 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 狼云 如秒7 年月乡e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 劢曰年多月占日 穹年月日 绪论 水资源与环境问题日益成为人类社会的发展的制约因素，政治、道德及科学技术都 在力图控制与全面解决水问题的严重恶化问题。我国在近几年投入高达上千亿的资金来 达到环保目标，到2 0 1 0 年，我国实现水处理率要不低于6 0 ，北京的污水回用率要达 到5 0 。污水的资源化即污水再生回用成为解决水问题的关键【l 】。最近我国部份城市水 价调整，鼓励使用中水，为污水再生回用提供了良好的市场发展空间。但传统污水再 生处理技术存在着出水质量不高、占地大、稳定性差的缺点，另外大型处理厂存在设备 与运行的资金短缺问题，二级处理厂达到回用标准要增加设备成本，如输送回用水的泵 房、管线要增加新设备、空间、污泥处理问题等，在短期传统技术都不能完全满足环境 治理的要求【2 】。 膜技术的快速发展，从5 0 年代反渗透膜限o ) 技术的大规模的应用阶段开始，还没 有超滤陋) 与微滤o v a ) 商业应用到净水方面，而之后的1 0 年里，m e m e o r 公司的m e a q u a s o u r c e 公司的u f 在这方面取得了极大的发展。从1 9 9 5 年到2 0 0 4 年， z e n o n ，x f l o w , h y d r a n a u t i c s 等公司开发出了新一代的膜技术，不仅应用在净水给水方面， 也用于污水处理方面。出现了最大的膜法污水处理厂，其处理能力达到2 0 0 0 0 0 m 3 d 引。 全球错流膜设备与元件2 0 0 4 年产值达到6 4 亿美元，到2 0 0 7 年预计将超过8 4 亿美元【4 】。 特别是膜生物反应器( s m b r ) 技术在近几年内得到了突破性的应用与发展，该法与 传统的污水处理工艺相结合，具有处理工艺简单、占地少、出水品质高、水质稳定、产 渣量小等特点，而且易于从现有的传统活性污泥工艺进行改造，因此在污水的处理与回 用技术研究中倍受关注，为污水再生回用的实现带来了光明的前景【5 】。s m b r 技术废 渣产生量少、便于高度自控的优点，能够实现将一级污水直接处理达到城市回用水标准， 如果增加反渗透( r o ) 处理，可以达到更高的工艺用水与饮用水要求【6 l 。占地面积小，自 动化程度高，不仅方便了旧污水处理厂的升级改造，也可以满足小区与楼宇的中小型污 水处理与回用水的需求。在应用技术领域，国外已达到较为成熟的阶段，工程的最大规 模记录不断被打破，2 0 0 0 年s m b r 处理污水最大规模仅在几千吨天( m 3 d ) ，现有最大 运行的s m b r 项目为4 0 0 0 0 m 3 d 。z e n o n 公司在美国的g e o r g i a 州f u l t o n 省的在建项目 达到5 7 0 0 0 m 3 d ，计划于2 0 0 7 年竣工，成为目前最大在建s m b r 项目1 7 1 。而国内，规模 最大的是天津经济技术开发区污水处理厂的中水回用系统，处理能力达到2 8 0 0 0 m 3 d 系 统。特别是规划中的二0 0 八年奥运中水补给项目中北京北小河污水处理厂，欲全部采 i x 用s m b r 工艺，规模能力达到7 5 0 0 0 m 3 d ，在其不增加占地的基础上，实现原污水处理 厂的升级，实现高品质回用给水。 s m b r 技术应用领域从处理量上看主要集中在生化性能好、有回用经济效益的城市 生活污水，对于中小型处理系统，在工业污水处理、饮用水等应用领域也有较快速的增 长。工艺以运行成本相对较低的一体式膜生物反应器有氧活性污泥法为主；使用的膜以 中空纤维膜与平板膜为主，其中典型的中空膜为聚偏氟乙烯( p v d f ) 帘式中空纤维膜， 具有出水量大、抗污染性能强、化学稳定性好的特点【8 1 。目前虽然我国形成了研究与应 用s m b r 的热潮，但在研究方面，还只局限于实验室阶段，其中大多局限于生物方面。 搞膜材料的研究相对较少，膜技术与s m b r 技术相对成熟且产业化的就更少了。在应用 方面，使用国产膜的工程规模不大。国外膜价格高，为国产膜的2 3 倍，但是工艺成 熟稳定，膜使用寿命长，成为s m b r 技术的主流【9 】。 研究重点 本文以一体式膜生物反应器为研究对象，以国产中空纤维膜技术的污泥浓度与膜污 染为研究重点，探讨s m b r 技术的最佳污泥浓度范围、溶解氧浓度范围和减轻膜污染的 方法。全面阐述了膜生物反应器在污水再生回用中的污泥浓度和膜污染问题。 长安大学硕卜学位论文 第一章s m b r 法污水回用的必要性和迫切性 1 1 国内s m b r 应用背景 人类文明并非真正意义上的文明，环境与资源问题是这种文明所伴生的恶果，也是 成为限制其发展的巨大障碍。但人类必将走向真正的文明，那就是尊重环境、可持续发 展的文明。随着人类社会的发展与科技的进步，必将全面解决他所面临的问题。当今， 对于严峻的水资源短缺和污染问题，产生了一种新技术一体式膜生物反应器( s m b r ) 污水再生技术，由于其在污水回用中的显著优点和光明前景，必然推动文明进程的发展。 我国水资源短缺，水污染加剧了问题的严重性。随着我国环保事业的飞跃发展，城 市污水处理厂建设正在高速发展。但是城市污水处理不是最终目的，而应该变废为宝， 积极发展污水再生利用，这是水污染综合防治的一个重要环节和目的之一。然而我国的 污水再生回用还处于一个低水平阶段。不能实现污水资源化，就不能把经济社会和环境 效益统一起来，一味追求污水处理率的现行污水处理状况正面临尴尬境地，如管网问题， 处理费用问题、设计与操作技术问题、污泥处理问题。环境问题与水资源短缺问题依旧 十分严重。南水北调、海水淡化等取水手虽然在一定程度上缓解了当前生产生活的缺水 压力，但取水成本较高。 膜生物反应器( s m b a ) 污水再生技术就是在这种背景下应运而生，在近年来取得了 长足发展，其中环境问题与资源问题的日益严峻、国家和民众的日益重视是其发展的外 部条件，膜技术的不断成熟与s m b r 特有的优越性是内在因素。在未来几十年里，s m b r 技术必将在繁荣的给排水产业中占据最重要的一席之地。 1 2 水资源与水环境问题 随着人类社会的不断发展，尤其是人口的快速增加、城市化与工业化水平的不断提 高，随之而来的原始资源型和污染型水资源短缺问题也日益突出，并成为亟待解决的全 球性问题。在我国，水资源短缺和水污染加剧所构成的水危机已经成为2 l 世纪最严峻 的问题之一。许多地区，尤其是北方和沿海地区，出现了工农业争水、城乡争水、地区 之间争水、超采地下水和挤占生态用水的现象。 我国水资源人均占有量不到世界平均水平的l 4 ，且时空分布不均。我国6 0 0 多座 建制市中，有4 0 0 座缺水，其中严重的有1 3 0 多个，每年给城市工业产值带来1 2 0 0 亿 第一章m b r 法污水回用的必要性和迫切性 元以上的损失。预计2 0 1 0 年后，我国将进入严重缺水期，2 0 3 0 年缺水量将达到4 0 0 5 0 0 亿m 3 【1 0 】。与此同时，大量的污水未经处理或部分处理后排放江河湖海，造成水体污 染。全国七大水系、主要湖泊、近岸海域及部分地区地下水，7 5 以上的湖泊水域、5 2 的城市河段、9 0 以上的城市水域以及5 0 的城市地下水，都有不同程度的污染。 据初步统计，到2 0 0 0 年底，我国己建成城市污水处理厂4 2 7 座，其中二级生化污 水处理厂2 8 2 座，污水生化处理总规模已达到1 4 7 5 万m 3 d 。到2 0 0 2 年底，污水处理厂 总数已达5 3 7 座，污水处理率仅为3 9 9 7 。2 0 0 5 年，5 0 万人以上城市的污水处理率应 达到6 0 。国家规划，到2 0 1 0 年，所有城市的污水处理率不得低于6 0 ，直辖市、省 会城市以及重点风景旅游城市不得低于7 0 。为了实现这个目标，需新增污水处理能力 ( 5 0 0 0 6 0 0 0 ) 1 0 4 m 3 d ，所需的建设投资为2 0 0 0 3 0 0 0 亿元( 不包括运行费用) 。如果对全 国县级以上城市的市政污水进行处理，全国将有超过1 0 0 0 座的城市污水厂待建，市场 需求在4 0 0 0 亿元以上。毫无疑问污水回用有着非常广阔的商业发展前景【1 1j 。 我国年排放污水8 0 0 多亿立方米，城镇日排污水约为1 3 7 亿立方米，污水处理率仅 为6 。另外，现有处理厂也存在着设计、运行资金、管理、技术等问题以及开工率低 0 2 1 等问题，污水资源化是解决水问题的根本出路。 1 3 污水资源化现状 世界上一些缺水国家把城市污水再生利用作为解决水资源短缺的重要战略之一，把 城市污水再生处理后用于农业灌溉、工业生产、城市景观、市政绿化、生活杂用、地下 水回灌和补充地表水等方面的研究与工程应用，已有较长的历史，这项研究不仅可以保 护水环境，缓解需水和供水之间的矛盾，促进水质水量的再生循环，而且取得了显著的 环境、经济和社会效益。回用水的应用，使日本取水量出现负增长。美国、以色列、德 国等也取得较好的成果【l 2 1 。 从2 0 世纪8 0 年代开始，我国就开始大力开发城市污水再生利用技术，在技术研究 与工程实践方面取得了一定的进展。但总的来说，城市污水再生利用规模较小，二级处 理出水的深度处理基本套用常规给水处理工艺。由于涉及管网的建设，水处理厂都在城 市的下游，再生水出不去，也是一个大问题。所以再生水一般仅限于局部利用或处理厂 内部利用，这与当前城市污水再生利用的多元化需求极不相称。因此，在确定城市污水 处理和再生利用的要求上必须体现自己的特点，工程实施要考虑国情和实际条件。对城 市污水再生利用的水质、用途、处理程度、处理流程、输水方式的选择上，要综合平衡、 2 长安大学硕士学位论文 远近结合，既要满足功能要求和用水水质需求，又要因地制宜、经济合理。在这种背景 之下，s m b r 技术的出现使污水再生出现了光明的前景【13 1 。 1 4s m b r 污水处理技术 1 4 1s m b r 技术介绍 1 4 1 1s m b r 膜分离技术原理 膜分离一般是指在某种压力驱动作用下，利用膜的选择透过性能，达到分离混合液 中离子、分子以及某些微粒的过程【1 4 】。与传统过滤器相比，其最大不同就是膜分离可以 在离子或分子范围内进行，并且该过程是一种物理的机械截留过程，膜分离前后物质不 发生相的变化和不需添加辅助剂。膜的厚度一般为微米级，膜的分离与截留性能一般以 膜的孔径或截留分子量( m o l e c u l a r - w e i g h tc u t o f f ，m w c o ，单位为d a l t o n ，以下缩写为 d a ) 来加以区别。水处理中的膜分离过程均属于压力驱动膜过程，对应的分离粒径和 m w c o 如图1 1 所示。 分费 赢予 1 分子 l 大分子矮较大磁轻 i-lili 轻径l ，m )o io o lo | ii oi ol l o o o fliiili 近馘分子量( d - ) 1 0 02 幻i o 1 0 0 0 02 1 0 0 0 0 0 o o l i i t 一 一- l l 一 水中备种物晨 一 瞳一 _ 一瓜- 口，t 翰拥对丈小 缓馥 一 一砂 鱼曩囊予 ! j - 褂砂一 佣 t 矗垃蜱- 厦擂趸 i i l 锾澎 l 分鼻磕 精鹭 l i 。 l 譬残过滤 翅蠢 lli 图i i 压力驱动膜分离工艺的分类及其对应的分离粒径和截留分子量 由图1 1 可知，反渗透限o ) 截留组分基本为小于i n m 的小分子溶质，几乎可将所有 无机离子从水中去除，因此r o 成为海水淡化、超纯水和纯水制备的首选技术。纳滤( n f ) 又称之低压反渗透，其截留分子量( m w c o ) 为2 0 0 一1 0 0 0 0 d a ，可将分子大小约为1 n m 0 0 1 m 的溶解组分截留。n f 的总盐类去除率在5 0 一7 0 左右，对二价金属离子如 钙、镁的去除率特别高，因此常用于水的软化。超滤( e r e ) 和微滤( m e ) 均属于低压膜 3 第一章m b r 法污水回用的必要性和迫切性 处理工艺，o f 的截留性能一般用截留分子量表示，通常在1 0 0 0 0 - - 3 0 0 0 0 0 d a 的范围内。 m f 的截留性能一般用膜孔径表征，即孔径分布中最大值所对应的微孔直径，一般为 0 0 8 - 1 0 1 1 1 。 超滤和微滤能有效去除水中的悬浮物、胶体和病毒以及细菌等污染物。超滤和微滤 的主要分离机理是机械筛滤，在一定的压力下，它只允许溶剂和小于膜孔径的溶质透过， 而阻止大于膜孔径的溶质通过，以完成溶液的净化、分离与浓缩。所以，污水处理中常 用o f 或m f 膜进行固液分离和深度处理，其出水可直接回用，且二者出水水质无明显 差异【慨1 6 17 1 。因此，淹没式s m b r 工艺多采用o 1 一o 4 , u1 1 1 的微滤膜。 1 4 1 2s m b r 对有机物去除的机理 s m b r 对有机物的去除来自两方面：一方面由于生物反应器对有机物的降解作用， 使得s m b r 系统中生物降解能力增强；另一方面是膜对有机大分子物质的截留作用，大 分子物质可以被截留在好氧反应器内，获得比传统活性污泥法更多与微生物接触反应的 时间，并有助于某些专性微生物的培养，提高有机物的去除效率。膜过滤过程中形成的 凝胶层，可以截留比膜孔径小的物质，当生物反应器处理效果不佳时，由于膜的高效截 留作用，仍可以获得很好的出水水质。s m b r 中微生物担负着降解有机污染物的重要作 用，而膜的高效截留进一步保证了系统出水水质的稳定。 s m b r 中膜对有机物的去除机理主要来自以下三个方面的作用，如图1 2 。第一， 膜孔的机械筛滤作用，图1 2 a ；第二，膜孑l 和膜表面的吸附作用，图1 2 b ；第三，膜表 面形成的凝胶层的筛滤或( 和) 吸附作用，图1 2 c o 在这三种去除作用机理中，各种机理对有机物去除的贡献并不相同。机理一只能去 除有机物中分子量大于膜截留分子量的大分子有机物，对于大量的分子量小于膜孔径的 有机物的去除，主要通过机理二和机理三去除。 童 囊 二) 癌质皤雹参污泥顿控 “l 基讫的力滤 蝴孔发表逝的瞬尉 4 长安大学硕士学位论文 蕨 i c ) 瑟饼缮舸暖彤徊鳓褥江 图1 2 膜对有机污染物的截留机理 1 4 1 3m b r 技术分类 m b r 是膜分离技术与生物法处理技术完美融合在一起的一个新兴技术【1 4 1 。分为三 类：膜分离生物反应器( m e m b r a n es e p a r a t i o nb i o r e a e t o r ) ( 截留和分离固体) ；膜曝气生物 反应器( m e m b r a n ea e r a t i o nb i o r e a e t o r ) ( 无泡曝气，用于高需氧量的废水处理) ；萃取 e m b r ( e x t r a e t i v em e m b r a n eb i or e a c t o r ) ( 用于工业废水中优先污染物的萃取) 【1 5 】。其中， 膜分离生物反应器是应用最广泛的一种m b r 类型。 膜生物反应器的分类一般按照膜组件和生物反应器的相对位置可以分为一体式膜 生物反应器、分置式膜生物反应器、复合式膜生物反应器三种，如图1 3 所示。 翻j舅冀 广 ，、，_ 、 叫_ 舭- 篓霜l 缝】i i 曩l l l 稃4 i - ) 一体式膜生钧反应器 _ ) 分置式膜生钧反应器 出采 麓 空 生奢厦磁霸 霉) 复合式膜生物反应曩 图1 3 三类基本膜分离生物反应器工艺流程图 膜分离生物反应器( 简称m b r ) 按照是否需氧，可分为好氧和厌氧m b r ，并且在传 统生化法基础上，产生多种m b r 污水处理形式如：厌氧m b r 、有氧m b r 、生物膜法 m b r 、加活性碳m b r l l 6 】、生物脱n ，p 的m b r l l 9 2 0 1 、化学强化脱n ，p 的m b r t 2 1 1 等。 第一章m b r 法污水回用的必要性和迫切性 2 0 世纪7 0 年代后期大规模好氧m b r 应用出现，首先在北美应用，然后是2 0 世纪8 0 年代早期日本( 同期南非厌氧m b r ) ，9 0 年代中期欧洲，9 0 年代末期中国。按膜的位置 分为分体式m b r ( s i d e s t r e a mm e m b r a n eb i o r e a c t o r ) 与一体式m b r ( s u b m e r g e dm e m b r a n e b i o r e a c t o ro ri m m e r g e dm e m b r a n e ) 。一体式m b r 由于较低的运行能耗，成为大型m b r 技术的主流。从膜材料来看，有亲水性好、耐清洗的无机膜，如氧化锆氧化钛的合成陶 瓷膜：还有更为价廉适用的有机膜，如从早期的聚矾( p s ) 、聚醚砜( p e s ) 。聚丙烯睛( v a n ) 等超滤膜的使用发展到以聚烯烃( p e p p ) 、聚偏氟乙烯( p v d f ) 为主的微滤膜，聚偏氟乙烯 和聚烯烃有其优良的化学稳定性、抗氧化性和耐污染性，是最有前途的膜材料【2 2 1 。膜组 件有平板膜、管式膜和中空纤维膜发展到目前以中空纤维膜为主的膜组件。在本论文中 所研究的内容限定在p v d f 中空纤维膜组件构成的一体式膜生物反应器。s m b r 指的是 一体式好氧膜分离生物反应器。 1 4 2 污水再生工艺 由于传统二级出水水质不经过深度处理，回用用途很窄，经过生物处理的二级出水 水质一般达不到回用水的水质标准。传统二级出水水质特点：1 ) 、溶解性固体含量高， 无机盐很难处理。2 ) 、营养盐含量高，一般氮( n ) ，磷( p ) 去除率低。3 ) 、b o d ，c o d 浓 度高。4 ) 、s s 悬浮物含量高。5 ) 、有一定色度。总之，城市污水二级处理出水，要达到 回用还要进一步污水再生处理。包括去除氮磷、溶解性有机构、溶解性无机盐、消毒、 脱臭、除色、毒物质的处理。现行的污水再生处理工艺流程大体有如下几种： ( 1 ) 基本工艺( 以二级处理出水为基础) 1 ) 、二级处理一一消毒 2 ) 、二级处理一一过滤一一消毒 3 ) 、二级处理一一混凝一一沉淀( 澄清、气浮) 一一过滤一一内消毒 4 ) 、二级处理一一微孔过滤一一消毒 ( 2 ) 直接再生( 以污水原水为基础) 5 ) 、污水预处理一一厌氧调节池一一人工土地处理一一消毒 6 ) 、污水预处理一一二级曝气生物滤池一一消毒 ( 3 ) 其他深度处理工艺( 通常以二级出水) 如活性炭吸附、脱氮离子交换、超滤、纳滤、反渗透、臭氧氧化等一种或几种工艺 的组合。 6 长安大学硕士学位论文 1 4 3s m b r 工艺优点 把膜分离技术中的超滤或微滤技术与污水处理中的传统活性污泥法( c o n v e n t i o n a l a c t i v a t e ds l u d g e ，c a s ) 相结合，用膜组件代替活性污泥法中的二沉池，就构成了膜生物 反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r , m b r ) 污水处理工艺，它是一种新型高效的污水处理工艺。 它利用膜分离组件将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物截留住，省掉二沉池，提 高了系统固液分离的能力。由于膜能将全部的生物截留在反应器内，获得长泥龄和高悬 浮固体浓度，且能维持较低的f m ，因此，活性污泥浓度可以大大提高，水力停留时间 ( 如 玎) 和污泥停留时间( s r t ) 可以分别控制，而难降解的物质在反应器中不断反应 和降解，强化了生物反应器的功能。与传统活性污泥工艺相比，它主要有以下优势： ( 1 ) 处理后的出水水质良好，不仅对悬浮物( s s ) 、有机物去除效率高，而且可以去除 细菌、病毒等，出水浊度低，可直接回用； ( 2 ) 膜的过滤作用可使微生物完全截留在生物反应器内，实现反应器水力停留时间 ( h r t ) 和固体停留时f ( s r t ) 的完全分离，使生物反应器内保持较高的m i s s ，使运行更 加稳定，控制更加灵活； ( 3 ) 用膜组分代替二沉池，固液分离效率高，且设备紧凑，占地面积小； ( 4 ) 有利于增殖缓慢的微生物，如固氮菌、硝化菌以及难降解有机物分解菌的截留 和生长，不需要进行延时曝气就能实现同步硝化和反硝化，强化了系统的硝化能力，对 氮、磷等污染物的去除效率提高，出水可满足t p ( 0 1 5 m g l ，t n 2 2m g l ) 的环境最大 容忍限度( m a x i m u mt o l e r a b l em s k ，m t r ) ，同时可提高难降解有机物的降解效率； ( 5 ) s m b r 曝气池的活性污泥不因产水而损失，在运行过程中，活性污泥会因进入 有机物浓度的变化而变化，并达到一种动态平衡，这使系统出水稳定并有耐冲击负荷的 特点； ( 6 ) 反应器在低f m 条件下运行，剩余活性污泥量远低于活性污泥工艺，无污泥膨 胀，降低了对剩余污泥处置的费用； ( 7 ) 膜生物反应器易于一体化，易于实现自动控制，操作管理方便。从产水水质来 看，浸没式膜生物反应器( 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 ，s m b r ) 可以对s s 、细菌 有很好的去除，但通常以二级出水进行的过滤不能对n ，p 的去除，反渗透对于氨氮的去 除也不能完全达到地表水的要求，石灰沉降法对t n ，t p 有较好的去除，但成本较高， 产生大量废渣。所以对于n 与p 的去除只有通过生物法或与化学法结合来实现。而s m b r 法由于硝化菌的生长，能对氨氮有较好的去除。与传统除磷工艺相比，采用膜生物反应 7 第一章m b r 法污水回用的必要性和迫切性 器并不能提高磷的去除，现有报道的总磷去除率介于1 9 和7 4 之间【2 1 1 。 1 4 4 污水再生技术经济分析 高品质的出水和较高的经济效益，有利用s m b r 技术的发展与推广。s m b r 技术 与传统再生处理工艺( 二级生物处理加混凝、沉淀、过滤) 进行了技术经济比较，表1 1 不同污水处理方式的主要技术经济指标比较表，分析了s m b r 与传统三级处理的成本构 成。可以作为深度处理如纳滤、反渗透等技术的前端，使更高净水要求成为可能。 图1 1 不同污水处理工艺与成本对比。r o 法成本较高，s m b r 位居第二，影响s r 技术推广的还是膜的成本问题。由于此数据是采用国外的工程实例为计算依据的，国外 的技术还是较为昂贵。 表1 1 不同污水处理方式的主要技术经济指标比较表 一级处理二级处理传统三级处理s m b r 污t r v ( ：t r _ d m 3 d ) 3 4 0 - 4 8 08 5 0 1 2 0 016 5 0 2 0 0 02 0 0 0 3 0 0 0 污泥处理( 元i n 3 d ) 2 5 0 - 3 5 03 0 0o 一之o 泵站( 元m 3 d )4 l o o0 o 管网( 元m 3 d ) 2 8 5 08 05 0 设备总计( 删d ) 7 2 0 8 4 01 1 5 踮1 6 6 02 5 0 0 0 0 0 03 0 0 0 - 4 0 0 0 占地m 2 m 3 d l 1 41 5 2 1 5 20 5 旬7 电耗k w h m a0 0 4 旬0 8o 1 5 - 0 3 00 5 lo 5 l r t ( a f 万m 3 d ) 2 0 - - 4 52 2 蝴5 - 1 0 吨水成本( 元l n 3 ) 0 1 旬20 2 o 51 22 3 u t r 价格( t r _ , m a ) 0 1 o 2o 3 4 ) 5 1 - 31 3 注：上表根据城市污水处理工程项目建设标准及相关s m b r 工程实际得到的数据 2 6 , 2 7 1 ，其中一、二级处 理厂的规模选取v 类o 5 2 万m 3 ，d 作为比较。数据都经过以污水原水为处理基础折算得到的值。 逗) s m b r 占地由于可以建到地下室，可以认为不占地，实际面积也要小于其他生物处理厂1 2 左右 s m b r 处理厂可以最接近用水源，如在楼字内或在小区内，所以可以认为不用专门建造管线和泵站 表中一二级处理总设备投资中，仅包括厂区围墙内的设施，没有计算征地、拆迁、青苗与破路赔偿、电力增 容等，所以在一些场合下，实际总投资可能要高于s m b r 处理厂的投资 水价由现行污水处理费获得生活污水o - 3 元：工业污水o 35 元；商业污水o 5 元 8 长安大学砸学位论文 i兰；一。二ijj。i。l二二二j二i二 圈i _ 4 不同污水处理工艺与成本 图中的数据以1 万吨1 天的工程为依据经过以污水原水为进水基础折算。其中r o 法是以连 续u f 产东为进水工艺，其它三级处理都是以二级常规污本处理产水为进水。 s m b r 技术是环境友好型水处理技术，在近几年迅猛发展起来，高运行成本与投 资成本是一个亟待解决的问题。膜通量的提高、膜寿命的延长、膜价格的降低中任何单 一因素的研究进展均会大幅度降低s m b r 的运行费用。随着膜制造技术的进步，膜质量 的提高和膜制造成本的降低，s m b r 的投资与运行费用也会随之大幅度降低。据估算， 膜还有相当大的降价空间，在未来的3 5 年内，随着膜材料的改进和生产规模的扩大， 膜价格有望降为目前的4 0 6 0 i 嚣】。 14 5s m b r 进展和展望 1 4 5 1 国外 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，m 1 3 r ) 是膜分离技术与生物反应器相结合的生 物化学反应系统，最先用于酶制剂工业，它在废水处理领域中的应用研究始于2 0 世纪 6 0 年代的美国，但当时由于受膜生产技术的限制，在实际应用中遇到障碍。7 0 年代后 期，日本研究者对膜分离技术在污水处理中的应用进行了大力开发和研究，使膜生物反 应器开始走向实际应用。8 0 年代后，国际上对膜生物反应器的研究更是方兴未艾。法、 美、澳等国家也投入很大力量对膜生物反应器进行更加全面和深入的研究，1 9 9 8 年6 月在加拿大的温哥华召开的国际水质协会( i a w q ) 第1 9 届双年会上，m b r 在污水处理过 程中的应用成为热点议题之一，当时涌现出一批新型的、科技含量高的膜法水处理技术， 为今后的进一步推广应用奠定了技术基础。目前国外已成功地将膜生物反应器应用于中 第一章m b r 法污水回用的必要性和迫切性 水道污水、粪便污水及工业废水等的处理中【2 9 】。 目前，膜生物反应器己应用于美国、德国、法国、日本和埃及等数十个国家，处理 规模在6 - - - 4 0 0 0 0 m 3 d 。韩国汉城正在建造亚