（环境工程专业论文）生物膜膜生物反应器处理微污染地表水的应用研究.pdf

摘要 本文应用膜技术和细胞固定化技术对微污染水源水进行净化处理研究，不 仅简化了传统给水处理的工艺流程，提高了处理效果和效率，而且集成了生物 膜法和膜生物反应器工艺的优点，提出了生物膜膜生物反应器( b m b r ) 新工 艺。在反应器内，生物膜附着生长在具有渗透性的纤维膜丝载体上形成双膜， 既具有生物降解功能，同时还具有分离功能。b m b r 工艺在给水领域的应用， 国内外还未见报道，因而，本研究设计了b m b r 小试装置处理微污染地表水， 研究相应的机理和最佳运行控制条件，以探求此工艺应用于实际给水处理工程 的可行性。 在b m b r 处理微污染源水的试验中，首先通过对有机物和氨氮的去除效果 的测定，得出改善污染物去除效率的最佳水力停留时间h r t 为o 8h 。 其次，应用分子量分析手段，测定了反应器中上清液中分子量大于1 0 0 0 0 的大分子有机物与小于3 0 0 0 的小分子有机物占有相当大的比例，说明膜丝表面 生物膜强化了系统对有机物的截留作用。通过烧杯试验，研究了附着在膜丝上 的生物膜对c o d 与氨氮的去除效果，并测定了生物膜量，证明了b m b r 中生 物膜的生物活性对去除污染物起到强化作用。 最后，分析确定了膜污染的原因是，膜孔堵塞和膜面形成的凝胶层造成膜 污染从而产生膜过滤阻力。粘附在膜面上的凝胶层主要组成是形成生物膜的细 菌产生的细胞外聚合物( e x t r a c e l l u a rp o l y m e r s ，e p s ) 。膜污染程度与运行时间长 短和操作条件有关。 在反应器运行期问，出水平均浊度0 2 n t u ，平均去除率9 5 i p o ；出水氨氮 平均值0 3 8m g l 1 ，平均去除率7 8 6 ；出水c o d m 。平均值为2 3 9m g l 一，平均 去除率7 6 2 ；出水u v 2 5 4 平均值为o 0 3 6 ，平均去除率5 0 1 ；t h m s 平均值为 0 3l a g l 一，平均去除率达7 0 7 。因此，应用生物膜一膜生物反应器作为给水处 理工艺是切实可行的。 关键词：微污染，生物膜一膜生物反应器( b m b r ) ，生物膜，生物量，膜污 染、胞外聚合物( e p s ) a bs t r a c t i nt h i s p a p e r , a p p l i c a t i o no fm e m b 啪et e c h n o l o g ya n dc e l l i m m o b i l i z a t i o n t e c h n i q u ef o rt r e a t m e n to fm i c r o - p o l l u t e ds o u i c ew a t e rw a ss t u d i e d a sar e s u l t , c o n v e n t i o n a lt e c h n o l o g i c a lp r o g r e s so fd r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n tw a ss i m p l i f i e da n d t h ee f f i c i e n c yw a si m p r o v e d i n t e g r a t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r o g r e s si nb i o f i l m s y s t e ma n di nm e m b r a n eb i o r e a c t o r , t h eb i o f i l m m e m b r a n eb i o - r e a c t o r m b r ) t e c h n i q u ew a sp r o p o s e d i nt h er e a c t o r , t h eb i o f i l ma d h e r e da n dg r e wo nt h ef i b e rf i l m a n dt h e nt h ed o u b l ef i l mw a sf o r m e dw i t l lt h ep r o p e r t i e so fd e g r a d a t i o na n d s e p a r a t i o n a p p l i c a t i o nb m b rp r o g r e s sf o rd r i n k i n gw a t e rt r e a t r a e n th a sn o tb e e n r e p o r t e d i no r d e rt ot e s t i n gt h ef e a s i b i l i t yi na p p l y i n gt h i st e c h n o l o g yi nd r i n k i n g w a t l 口ft r e a t m e n t , t h i sp a p e rd e s i g n e dal a b o r a t o r ys c a l eb m b ra n ds t u d i e do nt h e m e c h a n i s ma n dt h eo p t i m u mo p e r a t i n gc o n d i t i o n f i r s t l y , d u r i n gt h eb m b rp r o g r e s sf o rd r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n t ，w ef o u n dt h e b e s th r tw a s0 8ht oi m p r o v et h er e m o v a lo ft h ep o l l u t i o nb yd e t e r m i n i n gr e m o v a l r e s u l t so f t h eo r g a n i cc o m p o u n d s ，a m m o n i an i t r o g e nc o m p o u n d s s e c o n d l y , b ya n a l y z i n go r g a n i cm o l e c u l a rw e i g h td i s t r i b u t i o n ，t h er e s u l t , i n w h i c hb o t hh i g hm o l e c u l a rw e i g h to r g a n i c s ( i o k ) a n dl o wm o l e c u l a rw e i g h t o r g a n i c s ( 3 k ) w e r ed o m i n a n ta n dh a dam u c hl a r g eo c c u p a t i o ni nt h em i x t u r e s o l u t i o no f t h er e a c t o r , i n d i c a t e dt h ei n t e n s i f i e di n t e r c e p t i o no f o r g a n i cs u b s t a n c e sb y t h eb i o f i l ma t t a c h e dm e m b r a n e b yj a rt e s t i n g ，t h er e m o v a le f f e c to fc o da n d a m m o n i an i t r o g e nw a so b s e r v e dt os t u d yt h eb i o f i l mo fa d h e r i n gt om e m b r a n e s i m u l t a n e o u s l yt h eq u a n t i t yo fb i o m a s so fm e m b r a n e i n d i c a t e dt h ei n t e n s i f i e d r e m o v a le f f i c i e n c yo f c o n t a m i n a t i o nb yt h eb i o f i l m l a s t l y , w ea n a l y z e dt h er e a s o no ft h em e m b r a n ef o u l i n gi s t h a tf i l t r a t i o n r e s i s t a n c e sw o u l db ed e t e r m i n e db yf o u l i n gm a i n l yc o m p o s e do fp o r eb l o c k i n ga n d g e ll a y e rf o r m a t i o n t h em a i nc o m p o s i t i o no fg e ll a y e ra d h e r e dt ot h es u r f a c eo f m e m b r a n ew a se x t r a c e l l u a rp o l y m e r sr e p s ) p r o d u c e df r o mg e r m t h ee x t e n to f m e m b r a n ef o u l i n gw a sd e p e n d e do nt h el e n 【g t ha n dt h ec o n d i t i o no f o p e r a t i o n d u r i n gt h ew h o l eo p e r a t i o no f t h er e a c t e r , a v e r a g et u r b i d i t yr e m o v a le f f i c i e n c y w a s9 5 o w i t ha v e r a g ep e r m e a t eo f0 2 n t u w h i l ea v e r a g ea m m o n i an i t r o g e n r e m o v a le f f i c i e n c yw a s7 8 6 w i t ha v e r a g ep e r m e a t eo fo 3 8m g l 1 a n da v e r a g e r e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d m ，u v 2 ua n dt h m s vw e r e7 6 2 ，5 0 1 a n d7 0 7 ， w i t ha v e r a g ep e r m e a t eo f2 3 9m g l 1 ，0 0 3 6a n d0 3p g l 一，r e s p e c t i v e l y t h eo v e r a l l r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea p p l i c a t i o no ft h i sm e t h o df o rd r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n ti s f e a s i b l e k e yw o r d s ：m i c r o - p o l l u t e d ，b i o f i l m m e m b r a n eb i o l o g i c a lr e a c t o r m b r ) ， b i o f i l m ，b i o m a s s , m e m b r a n ef o u l i n g , e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：首抽 乙签字日期加6 年6 月，夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘望有关保留、使用学位论文f 特授权苤洼盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名彳耙乙 签字同期：z 蛐b 年6 月门日 导师签名： 签字同期： 撕绎 i ，g 年占月乡日 第一章绪论 1 1 水源及微污染地表水 第一章绪论 1 1 1 水源状况 人类的生存与活动离不开水。水覆盖着7 1 的地球表面，因此地球得到了“蓝 色星球”的美名。但是在1 3 亿( k i n ) 3 的水资源中，9 8 都是含盐的水，淡水只 有3 0 0 0 万c k m ) 3 ，而且其中8 8 呈固态( 冰帽和冰川) ，其余1 2 的淡水中多 数是地下水，人们可以直接取用的淡水，即从河流和湖泊中取用的淡水，只占 0 0 1 4 。 我国是水资源较丰富的国家之一，水资源总量为2 8 1 2 4 亿m 3 ，位居世界第 六，然而由于人口众多，以1 2 亿计，我国人均占有水资源量仅2 3 4 0 m 3 ，约为世 界人均占有水量的i 4 。又由于我国水资源主要来源于降水，降水遭受大气环流， 海陆位置以及地形、地势等因素的影响，在地区分布上很不均匀，总格局是南 方多，北方少，东南多，西北少。在时间分布方面更显不平衡，大多数降水集 中夏季7 、8 、9 三个月份。我国西北华北以及沿海缺水地区受水资源匮乏的影 响，使这些地区的国民经济发展受到严重的制约。 1 1 2 地表水环境的污染现状 人们生活用水、生产用水主要来自于地下水和地表水，其中地表水分布较 为广泛，来源丰富且利用较为方便，加之近年来地下水的过量使用，水位急剧 下降，因而各种地表水源( 如江河、湖泊、水库等) 已成为人们用水的主要来 源。近年来，世界经济的持续发展，尤其是有机化工、石油化工、医药、杀虫 剂及除草剂等生产工业的迅速增长，有机物的人工合成，促进了社会发展，方 便了人们的生活。目前已合成的化学物质达到1 0 0 0 万种，经常使用的有7 - 8 万 种。但是它们是双刃剑，造福于人类也危害人类，由于生产、使用与废弃等过 程不当，已经对环境造成了污染，各种生产废水和生活污水未达到排放标准就 第一章绪论 直接进入水体，对水源造成了极大的危害，水源水质也因此急剧下降。它们通 过食物链又进入人体产生种种危害与潜在威胁。 据统计，我国七大江河和内陆河的1 1 0 个重点河段符合地表水环境质量标 准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) i 、类的仅占3 2 ，i l i 类的占2 9 ，属于、v 类的占 3 9 0 0 。有8 2 的江、河、湖泊受到污染，9 2 的城市面临水污染的威胁。 近年来总的情况是发达国家比较重视环保事业，投入了大量财力，水污染 控制较好，水源水质总趋势向好的方面发展，而发展中国家由于重视生产发展， 往往忽视环保事业，即或重视环保，但因经济实力有限不能在环保投入很多资 金，因此水污染日趋严重，使饮用水源受到污染，影响到饮水健康。解决的办 法一是保护水源，控制污染；二是强化水处理工艺。 1 2 微污染水源水的净化技术 当水中所含的污染物种类较多、性质较复杂，但浓度比较低微时( 通常认 为c o d 应低于1 5m g l 0 1 ) ，通常被称为微污染水，其特点就是与一般污水相 比，污染物水中的含量很低，其主要污染物有有机物、氨氮、铁、锰、重金属 等。 尽管这些污染物浓度不高，但其危害却很大。1 9 世纪初，欧美一些国家的 地表和地下水源受到污水、粪便和垃圾等物质的污染，造成霍乱、痢疾、伤寒 等传染病的多次大规模的爆发和蔓延，夺去了成f 上万人的生命。以“加药混凝 一沉淀一过滤一消毒”为生活饮用水的处理工艺，基本上消除了上述水传染病的 爆发。 以地表水为水源的水厂主要采用这种工艺流程。其处理对象主要是水中悬 浮物和胶体杂质。原水加药后，经混凝使水中悬浮物和胶体形成大颗粒絮凝体， 而后通过沉淀池进行重力分离。过滤是利用粒状滤料截流水中杂质，用以进一 步降低水的浊度，同时对水中某些有机物、细菌及病毒等的去除也有一定的效 果。消毒是灭活水中致病微生物。 然而此工艺去除的有机物主要为分子量大于1 0 0 0 0 的部分，对低分子量的 有机物的去除作用很小。国内外的试验研究和实际生产结果表明，受污染水源 第一章绪论 水经常规的混凝、沉淀及过滤工艺只能去除水中有机物2 0 3 0 ，且由于溶解 性有机物存在，不利于破坏胶体的稳定性而使常规工艺对原水浊度去除效果明 显下降( 仅为5 0 6 0 ) 。用增加混凝剂投量的方式来改善处理效果，不仅使 水处理成本上升，而且可能使水中金属离子浓度增加，也不利于居民的身体健 康【2 1 如果希望提高给水处理中对有机物的去除效率，单纯依靠常规处理是不可 能实现的。因此针对微污染水源通常在传统工艺前增加或强化预处理，或在其 后增加深度处理等，具体处理方法包括【3 ，4 】： 夺预处理：生物氧化( 生物接触氧化、生物陶粒滤池、生物流化床、粗滤 慢滤) ，化学氧化( c 1 2 、k m n 0 4 、1 - 1 2 0 2 ，0 3 ，u v ，氧化耦合絮凝) ，吸 附( 粉末活性碳，粘土) 夺深度处理：活性碳吸附，臭氧活性碳，生物活性碳，光催化氧化，吹脱 法，膜技术，其它( u v + 0 3 、h 2 0 2 + u v 、离子交换、固定化微生物、超 声波) 夺强化混凝 目前国内外微污染水源水的处理均采用以上工艺中的一种或几种的组合。 各种工艺都有其特定的去除对象，同时也存在相应的缺点，选用工艺时要针对 去除内容而定。当前膜技术被认为是最有前途的一种方法，近年来由于材料价 格的下降和性能的改善，在水处理领域得到了广泛应用和推广。 1 3 生物处理技术 t 生物处理是借助于微生物群体的新陈代谢活动除去水中的氨氮、有机物等 污染物。由于在低营养条件下生存的贫营养微生物通常是以生物膜的形式存在 的，所以微污染水源水的生物预处理方法主要是生物膜法。该法是利用附着在 填料表面上的生物膜，使水中溶解性的污染物被吸附、分解、氧化，有些还作 为生物膜上原生动物的食料【5 】。用生物预处理代替传统的预氯化处理工艺，不仅 起到了相同的效果，而且避免了卤代有机物的生成。同时微生物可使原水中可 被转化成细胞物质部分的有机物得到一定的去除，使水中生物同化有机碳( a o c ) 量大为减少，有效地防止了管网水中由于具有营养物质使细菌得到繁殖使水质 第一章绪论 下降的现象。同时改善了水的混凝沉淀性能，使后续的常规处理更好地发挥作 用，也减轻了常规处理和后续深度处理过程的负荷，延长了过滤或活性碳吸附 等物化处理工艺的使用周期和使用容量。 生物处理对有机物的去除机理主要有以下几个方面 2 1 ：( 1 ) 微生物对小分子 有机物的降解。由于微生物生长代谢中物质和能量的需要，将部分低分子有机 物分解成二氧化碳和水，同时也将降解中生成的部分中间产物合成微生物体。 ( 2 ) 微生物胞外酶对大分子有机物的分解作用。( 3 ) 生物吸附絮凝作用。生物 膜的比表面积较大，能吸附部分有机物。微生物分泌物多聚糖等粘性物质有类 似化学絮凝的作用，使部分大分子有机物在生物反应器中被填料上生物膜吸附 下来，在反冲洗时被带出反应器。 目前用于水厂的生物处理工艺主要有生物滤池、生物流化床、生物活性碳、 生物转盘以及生物接触氧化法。 1 3 1 微生物的代谢与酶催化 水处理中的生物处理技术是利用微生物群体的新陈代谢活动对营养物的吸 收而去除水中污染物质达到对原水的净化。起到重要作用的微生物通常以菌胶 团形式存在。细菌的粘液层或荚膜物质相融合成菌胶团，菌胶团细菌包藏在胶 体物质内，一方面对动物的吞噬起保护作用，同时也增强了它对不良环境的抵 抗能力i o j 。 菌胶团的生长状态可分为附着型( 生物膜法) 和悬浮型( 活性污泥法) 。菌 胶团有较强的吸附和氧化有机物的能力，其对有机污染物的去除作用是通过初 期的快速吸附和紧接着的生物代谢作用而完成的。菌胶团对有机物的吸附作用 是个动态过程，即吸附和脱附是同时进行的。当吸附达到饱和时，吸附量达 到最大值，只有通过再生才能恢复其吸附能力，这是借助于细菌的代谢作用来 实现的。代谢过程是其去除有机物的第二步。它将部分有机物氧化分解，同时 进行生物体的合成过程。这种氧化和合成过程都能去除有机物。细菌没有专门 的吞噬器官，在吸取营养时，分泌酶使营养物通过细胞膜进入细胞。进入细胞 的营养物质用于合成蛋白质、脂肪和其它碳水化合物。这些物质部分用于细胞 的增长，在呼吸过程中被消耗。不能被利用的物质转化成溶解状态，释放到介 第一章绪论 质中j 生物降解的实质是污染物通过微生物细胞所分泌的各种酶系统的催化而逐 步氧化分解的过程。每种污染物的降解都需要相应的酶。酶就其形成过程而言， 大致可分为两类：固有酶和适应酶。固有酶是微生物生长发育所需要的，也称 基本酶。它在细胞核的基因控制下连续产生，不受细胞周围生化环境变动的影 响。在某些情况下，例如受到了各种持续的物理、化学影响，微生物会在其体 内产生适应新环境的酶，这种酶则称为适应酶。在水处理中，适应酶的产生具 有十分重要的意义。为了诱导新的酶系统产生需要一段时间，称为诱导时间。 在微生物试验中，当菌种对原水不适应时，细菌生长曲线上存在一个适应期， 就是这个道理。在生物处理不同水体的驯化过程中，除微生物种类组成发生变 化外，还形成了新的适应酶系统，这是生物污泥能适应水质改变的另一因素。 根据酶在细胞内外的不同，可分为胞外酶和胞内酶。外酶能透过细胞，作 用于细胞外面的物质，它们都是起催化水解作用的。内酶则不能透过细胞，只 能在细胞内部起作用，主要起催化细胞的合成和呼吸的作用。因此，外酶参与 营养物质进入细胞的准备过程，而内酶促进微生物细胞同化营养物质就很快被 吸入细胞，于是通过内酶的作用，迅速完成氧化、合成等一系列生化反应。如 果细菌碰到的是复杂的或固体物质，它就分泌出外酶，把吸附在细胞周围的这 种物质分解转化成较简单的、溶解的物质，再渗入细胞，在内酶的作用下，进 行氧化、合成反应。细菌都要通过内酶和外酶的共同作用来实现对水体的净化 作用。 1 3 2 污染物的降解 衡量水体污染程度的重要指标之一是耗氧量，以其表征的有机物突然升高， 通常是生活污水污染的结果。有机污染物在环境中的降解可分为热分解、光分 解、化学分解和生物分解。 生物能有效去除原水中可生物降解的有机物，主要是分子量小于1 5 0 0 的低 分子量有机物【s 】。这部分有机物在原水中占总有机物的比例根据不同原水水质而 有所不同，研究表明在水质较好的水体中小分子有机物所占比例较大，而在水 质较差的水体中，比例较小。因此，生物处理有效去除这部分有机物对提高整 第一章绪论 个给水处理工艺的去除效果有重要的意义【2 l 。通过可生物降解有机物的去除，可 减少消毒副产物( d b p s ) 前驱物的含量，改善出水水质0 】。 在有机物生物降解研究中，有机物究竟能降解到何程度是很重要的，m a u s n c t 等根据有机物降解的进行程度将生物降解分为三个阶剐“】： ( 1 ) 初级生物降解( 埘m a r yb i o d c g r a d a t i o n ) ：有机污染物在微生物的作用 下，母体化合物的化学结构发生变化，并改变了原污染物分子的完整性，即有 机物本来的结构发生部分变化。 ( 2 ) 环境容许的生物降解( e n v i r o n m e n t a l l ya c c e p t a b l eb i o d e g r a d a t i o n ) ：可 除去有机污染物的毒性或者人们所不希望的特性，例如在表面活性剂的降解过 程中那种使表面活性剂失去起泡性能的降解作用，或者是在有毒有机污染物降 解过程中使其降低或完全去除对水生生物毒性的降解作用。 ( 3 ) 最终生物降解( u l t i n a t eb i o d e g r a d a t i o n ) ：有机物的无机化，完全被降 解成c 0 2 、h 2 q 和其它无机物，并被同化成微生物的一部分。 在利用微污染水源水的课题中，去除其中的有机物是至关重要的，因为有 机物在通常采用的加氯消毒过程中消耗氯，而且产生的氯代物可能是三致物质。 对有机物的完全生物降解通常比较困难，尤其对于难降解的惰性物质或是稳定 存在的生物代谢产物，例如腐殖质，它能稳定存在于天然水体中，是天然有机 物( n a t u r a lo r g a n i cm a t t e r , n o m ) 的主要部分。但微生物降解有机物有巨大潜能， 被一些学者称作“微生物的绝对可靠性”和“微生物降解的必然性” h i 。微生物有 着巨大的适应能力，充分利用生物作用是环境保护中充分利用自然的无害化过 程，而且可以降低处理费用，所以强化生物过程是微污染水源水处理的必然方 向。 1 3 3 生物膜法的优点 研究与实践均已经表明，在许多情况下，生物膜法不仅能代替活性污泥法 用于城市污水和工业废水的二级生物处理，而且还具有一些独特的优点，如运 行稳定、抗冲击负荷、更为经济节能、无污泥膨胀问题、具有一定的硝化与反 硝化功能、可实现封闭运转防止臭味等。具体表现f 1 刁如下： ( 1 ) 经济节能，易于维护管理 第一章绪论 在生物膜上生长繁育的生物中，动物性营养一类者所占比例较大，微型动 物的存活率亦高。这就是说，在生物膜上能够栖息着寡毛类和昆虫，在捕食性 纤毛虫、轮虫类、线虫类之上还栖息着寡毛虫类和昆虫，因此，在生物膜上形 成的食物链要长于活性污泥上的生物链。正是这个原因，在生物膜处理系统内 产生的污泥量也少于活性污泥处理系统，特别是在生物膜较厚时，底部厌氧层 的厌氧菌能够降解好氧过程合成的剩余污泥，从而使总的剩余污泥量大大减少， 因而可以减少污泥处理与处置的费用。 生物膜处理系统具有较高的生物量，一般不需要污泥回流，因而不需要经 常调整反应器内污泥量和剩余污泥排放量，易于运行的维护和管理。此外，生 物滤池、生物转盘等工艺，都节省能源，动力费用较低，去除单位重量b o d 耗 电量较小。 ( 2 ) 具有一定的硝化反硝化功能 在生物膜处理法中，生物污泥的生物固体平均停留时间与污水的停留时问 无关。因此，硝化和亚硝化菌也得以繁衍、增殖。因此，生物膜法的各项处理 工艺都具有一定的硝化功能，采取适当的运行方式，还可能具有反硝化脱氮的 功能。 ( 3 ) 对水质、水量变动有较强的适应性 生物膜处理法的各种工艺，对流入原污水水质、水量的变化都具有较强的 适应性，这种现象已为多数运行的实际设备所证实，即或有一段时间中断进水， 对生物膜的净化功能也不会造成致命的影响，通水后能够很快地得到恢复。 ( 4 ) 污泥沉降性能好，无污泥膨胀问题 由生物膜上脱落下来的生物污泥，所含动物成份较多，比重较大，而且污 泥颗粒个体较大，沉降性能良好，宜于固液分离。 另外，由于微生物附着生长，即使丝状菌大量繁殖，也不会导致污泥膨胀。 相反还可以利用丝状菌较强的分解氧化能力，提高处理效果。 ( 5 ) 能够处理低浓度的污水 活性污泥处理系统，不适宜处理低浓度的污水，如原污水的b o d 5 值低于 5 0 6 0m g l ，将影响活性污泥絮凝体的形成和增长，净化功能降低，处理水质 低下。但是，生物膜法对低浓度污水，也能够取得较好的处理效果，运行正常 第一章绪论 可使b o d 5 为2 0 3 0m g l 艇j 原污水b o d s 降为5 1 0m 班。 1 3 4 生物处理技术在微污染水处理中的应用 ( 1 ) 生物接触氧化法 生物接触氧化法是生物预处理工艺中一种有代表性、研究较深入和应用较 多的类型。生物接触氧化工艺是1 9 世纪末发展起来的，日本于1 9 7 1 年开始应用于 饮用水源水的预处理，国外已有生产应用的实例【2 】。从2 0 世纪9 0 年代起，国内这 项技术开始进入生产性试验和实际工程应用阶段。我国“七五”、“八五”和“九五” 科技规划中都把微污染源水处理技术的攻关放在重要位置。清华大学、同济大 学和中国市政工程中南设计院等单位对该项目技术进行了系统的试验和研究， 取得了很好的效果，表明生物接触氧化法是一种行之有效的方法。 生物接触氧化法是在池内设置人工合成的填料，已经充氧的污染原水浸没 全部填料，并以一定的流速流经填料，通过填料上形成的生物膜的絮凝吸附、 氧化作用使水中的可生化利用的污染物基质得到降解去除。它属生物膜法的一 种，主要由池体、填料、布水装置和曝气系统四部分组成。 应用生物接触氧化法处理微污染原水，通常采用自然挂膜法，以氨氮和化 学需氧量去除率达到稳定水平作为挂膜成功的标志。源水与生物膜接触时，通 过微生物的新陈代谢活动和生物吸附、絮凝、氧化、硝化、合成和摄食等综合 作用，使源水中氨氮、铁、锰和有机物等逐渐被氧化和转化，达到净化水质的 目的。 ( 2 ) 曝气生物滤 i g ( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ，b a f ) 生物滤池是目前生产上常用的生物处理方法，有淹没式生物滤池( 曝气与 不曝气) 、尉砂生物过滤及慢滤池等。滤池中装有比表面积较大的填料，通过 固定生长技术在填料表面形成生物膜，水体与生物膜不断接触过程中，使有机 物及氮等营养物质被生物膜吸收利用而去除，这种滤池在运行中有时需补充一 定量的压缩空气，这不仅为生物生长提供足够的溶解氧，而且有助于新老生物 膜的更新换代，保证生物膜的高氧化能力。 曝气生物滤池工艺是近年来国际上较为流行的一种新型水处理技术。与传 统的生物处理技术相比，曝气生物滤池具有占地面积小、处理效果好、抗冲击 第一章绪论 负荷能力强、流程简单、能耗省、填料经久耐用及维护费用低等突出优点”3 1 。 b a f 在欧洲、北美及日本等国已获得了广泛的应用，在世界各地有几百座b a f 处理设施，在国外其主要应用领域包括城市污水处理、生活污水处理、工业废 水处理以及中水处理掣1 4 。瑚。 目前，曝气生物滤池技术已被引入给水处理领域，并逐渐成为对微污染源 水进行生物预处理的有效手段之一。研究表a j t 1 7 。1 9 1 ，曝气生物滤池是去除微污 染源水中有机物、氨氮等污染物的一种行之有效的方法，其对氨氮的去除率达 8 0 以上，对耗氧量、浊度、色度、铁、锰等污染物也均有较好的去除效果。曝 气生物滤池预处理技术不仅可减少消毒过程中的氯气消耗量，减少水中卤代有 机物的生成量，降低给水管网中细菌滋生的可能性，提高饮用水的安全性，而 且还可降低混凝剂的投量，降低运行成本，使后续处理工艺变得简单易于操作。 从2 0 世纪9 0 年代起，国内微污染原水的曝气生物滤池预处理技术开始进入生产 性试验研究阶段。 ( 3 ) 生物转盘 生物转盘( r o t a t i n gb i o l o g i c a lc o n t a c t o r ，简称r b c ) 是一种生物膜法废水处理 技术，其于2 0 世纪6 0 年代开创【2 0 1 以来，在污水处理中已被广泛采用，目前在给 水处理中尤其是水源水污染较为来严重的水处理中逐渐被采用。 生物转盘主要由盘片、接触反应槽、转轴及驱动装置所组成，其整个处理 过程为：转盘浸入或部分浸入充满废水的接触反应槽内，在驱动装置的驱动下， 转轴带动转盘一起以一定的线速度不停地转动，转盘交替地与废水和空气接触， 经过一段时间的转动后，盘片上将附着一层生物膜。在转入废水中时，生物膜 吸附废水中的有机污染物，并吸收生物膜外水膜中的溶解氧，分解有机物，微 生物在这一过程中以有机物为营养进行自身繁殖；转盘转出废水时，空气不断 溶解到水膜中去，增加其溶解氧。生物膜交替的与废水和空气接触，变成一个 连续的吸氧、吸附、氧化分解过程，使生化过程更为有利地进行，转盘上生物 膜生长的表面积大，生物量丰富，不会出现生物滤池中滤料堵塞情况，容易清 理与维修管理，而且生物转盘有较好的耐冲击负荷的能力，运转费用较低，脱 落生物膜也易于处理，但存在不足之处是生物需要的接触时间较长，构筑物占 地面积较大，且塑料盘片的价格较贵。 第一章绪论 1 a 膜分离技术 1 4 1 概述 膜可以看作是一种材料，这种材料能让某种物质比其他物质更容易通过。 膜的这种性质奠定了膜分离的基础口”。膜广泛的存在于自然界中，特别是生物 体内，早在1 7 8 4 年法国学者a b b en o l l e t 就发现水能自然扩散到装有酒精的猪膀 胱内，首次揭示了膜分离现象。2 0 世纪，现代化电子显微镜的问世，证实了存 在于动植物体内的细胞膜。1 9 5 0 年美国开始进行反渗透的研究，1 9 6 0 年洛布和 索里拉金教授制成了第一个膜渗析器。1 9 6 8 年美国学者s m i t h 等人首次用超滤 膜过滤活性污泥，开始了超滤膜生物反应器( u l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n e b i o r e a c t o r , u m b r ) 处理污水的研究。 膜分离( m e m b r a n es e p a r a t i o n ) 是指在某种推动力作用下，利用膜的选择透 过性能，达到分离混合物( 如溶液) 中离子、分子以及某些微粒的过程。与传 统过滤器的最大不同是，膜可以在离子或分子范围内进行分离，并且该过程是 一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂【2 2 1 。膜具有两个明显的特征：一 是必须有两个界面，两个界面与两侧流体接触，二是膜具有选择透过性，可以 使流体中的一种或几种物质通过，而将其它物质截留。 目前的膜分离技术有：微滤( m i c r o f i l t r a t i o n ，m f ) 、超滤( u l t r a f i l t r a t i o n ，u f ) 、 纳滤( n a n o f l l t r a t i o n ，n f ) 、反渗透( r e v e r s eo s m m s i s ，r o ) 、渗析( d i a l y s i s ，d ) 、 电渗析( e l e c t r o d i a l y s i s ，e d ) 、渗透汽化( p e r v a p o r a t i o n ，p v ) 、膜蒸馏( m e m b r a n e d i s t i l l a t i o n ，m d ) 、膜萃取( m e m b r a n ee x t r a c t i o n ，m e ) 等。膜分离的推动力可以 是膜两侧的压力羞、电位差或浓度差。水处理中常以压力差为推动力，采用的 膜技术有微滤、超滤、纳滤和反渗透。反渗透是利用膜有选择的滤过溶剂( 通 常是水) 而截留离子物质的性质，以膜两侧静压差为推动力，克服溶剂的渗透 压，使溶剂通过反渗透膜而实现对液体混合物分离的过程。与反渗透相比，微 滤和超滤的操作压力低、透水量大。纳滤是在反渗透膜过程的基础上发展起来 的新型压力驱动膜，选择性介于反渗透和超滤之间，分离性能优良。各种膜分 离技术的截留性能如表1 1 所示【2 。 膜的性能主要由膜材料决定。膜材料可分两大类：无机材料和有机材料。 第一章绪论 有机材料包括天然改性材料和高分子复合材料。无机材料主要有金属、陶瓷、 玻璃、碳分子筛和沸石等材料。由无机材料制成的无机膜适应环境的能力强， 耐高温，d m 耐酸、碱，但制作复杂，不易控制膜结构。天然改性材料即粗壮纤维 素，具有良好的成膜性能，易于酯化、醚化、接枝、共混、共聚、交联等，可 通过各种改性手段调节膜材料中各种亲疏水官能团的比例，但在较高温度和酸、 碱条件下易发生水解，对很多有机物或一些无机物分离率较低。高分子复合材 料由单体聚合而成，具有良好的成膜性能，易于控制膜结构，具有疏水性、耐 高温、耐有机溶剂，总之，其耐酸耐碱能力强。高分子复合材料种类繁多，应 用也很广，较常用的有聚砜( p s ) 、聚偏氟乙烯( p v l ) f ) 、聚乙烯醇( p 、，a ) 、 聚丙烯腈( p a n ) 、聚酰胺( p a ) 等。 表i - i 膜过程的分类及其基本特征 第一章绪论 1 4 2 膜分离技术在水处理中的应用 近十年来，膜分离技术应用十分广泛，不仅应用于纯水制备、食品生产、 医药合成和海水淡化，还应用于水处理、能源和化工生产过程。膜分离以其装 置简单、操作容易、分离效率高且工艺过程中不会产生对人体有毒副作用的物 质而倍受青睐。将膜组件直接放置于活性污泥工艺中的曝气池中，用于固液分 离即为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 ) 。这一工 艺起源于日本，目前已有五十余座s m b r 在运转，主要是在日本用于污水处理。 日本、德国、英国和法国的研究表明s m b r 出水质量高，出水s s 为零，细菌和病 毒被大部分截留 2 3 - 2 s 1 。但是由于s m b r 投资和运行费用较高，目前尚不能全面推 广。r o 分离同时也去除了天然水中大量对人体有益的矿物质，许多人怀疑长期 饮用它是否会对人类健康产生危害。n f 作为一种极具潜力的新技术被称做“低压 反渗透”，它与r o 相比去除离子较少，能保留一部分有益的矿物质，且具有压力 低、流量大的优势，因此更加备受研究者关注，有望在饮用水深度处理中得到 广泛应用。近年来，低压膜过滤u f 、m f 被广泛用来替代传统的净水工艺。如从 1 9 8 8 年至今，法国有5 5 座以上的膜处理厂已经投产或正在建设中。然而由于单 一的u f 、m f 分离只能部分去除水中的有机物、细菌、病毒等，所以在应用方面 有一定的局限性。而膜分离与其它技术相结合，它的优势就可以得到充分发挥。 如u f ( m f ) 与n f 结合进行水的深度净化处理；u f 与生物法结合处理污染水源； 另外法国u f 与p a c 结合的大型水厂，其运行灵活可靠，在进水水质波动的情况 下也可得到稳定的出水水质。可以说，膜技术在水处理领域的应用正在向着组 合工艺的方向发展。天津大学是国内较早对膜组合工艺进行研究的单位，在应 用m b r 、m c r 处理生活污水、饮用水方面已取得了可喜的成绩。 膜分离技术引入到水处理领域，形成了全新的水处理方法，而它与其他技 术的结合更对水处理技术的发展产生深远的影响。随着膜制造技术的进步，膜 质量的提高和制造成本的降低，各种新型膜反应器的开发，膜法在水处理中的 应用范围将越来越广，以膜技术为主体的净水技术有着广阔的前景。 1 4 3 饮用水处理中几种常见的膜组合工艺 将膜分离技术应用于给水处理，由于能够有效地截留杂质、细菌和病原菌， 1 2 第一章绪论 其出水水质优质稳定、安全性高、生物稳定性好，同时可以降低消毒加氯量。 此外，膜分离效率高，工艺流程短，易控制，使用灵活，且可以与其它工艺组 合使用。因此，膜分离技术被认为是当今获得优质安全饮用水的重要技术之一 阢2 7 1 。 ( 1 ) 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r s ，m b r ) 2 0 世纪6 0 年代，美国学者最先将活性污泥工艺与膜分离技术结合并应用于 废水处理中有机污染物的去除。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 ) 能够 有效地延长污泥固体停留时间，增加污泥浓度，随即引起了水处理领域学者的 广泛关注【2 8 捌。现在，全世界已经有超过1 0 0 0 个m b r 在运行中，并且还有很多 正在兴建当中。其中大部分在日本，其余的分散在北美及欧洲，m b r 在我国的 研究始于1 9 9 3 年。 膜生物反应器由膜组件和生物反应器构成，是生物处理技术的活性污泥与 膜分离的组合工艺。按二者结合的形式，膜生物反应器可分为两类：分置式和 一体式。分置式，也称循环式，运行稳定、操作简单，膜清洗、更换方便，但 是污泥循环动力消耗较高。在微生物特性方面，分置式膜生物反应器系统中， 高膜面流速产生的高剪切力的作用使得污泥絮体的平均尺寸较小，有利于传质 过程。同时反应器内水流的剧烈紊动使微生物在种类上有所减少，与活性污泥 相比，原生动物的生长受到了一定限制【姗。也有研究发现污泥循环会造成生物 活性大幅度降低，导致处理效率下降 3 q 。一体式，也称淹没式( i m m e r s e d ) 或 浸没式( s u b m e r g e d ) ，与分置式相比，最大的优点是运行动力费用低，但是运行 稳定性及膜清洗更换方便性上不如分置式。 采用膜生物反应器净水工艺相对于传统净水工艺有许多优点，其中工艺简 单、体积小、易于实现自动控制的特点，是其最明显的优势。生物处理通常被 认为是低能耗，无害化的过程，此外膜对系统的稳定出水起到了重要作用，弥 补了生物反应池处理性能的不稳定，提高了系统整体抗冲击负荷能力嘲。同时 生物作用能有效去除膜截留难以去除的小分子有机物，也是对膜分离的良好补 充。有中试结果表明膜生物反应器的溶解性有机物( d i a s o l v e do r g a n i cm a t t e r , d o m ) 的降解和吸附使其膜阻力比直接膜分离器( d i r e c tm e m b r a n es e p a r a t o r , d m s ) 低的多；出水水质更佳p ”。 第一章绪论 当然，采用膜生物反应器作为饮用水处理的主体工艺，也存在着与生物处 理相关尚需解决的问题，例如水源水基质少，生物与基质的接触几率小，生物 代谢水平低。若污泥浓度过高难以维持生长，则污泥呈负增长，