（环境工程专业论文）膜生物反应器处理抗生素废水及脱氮研究.pdf

昆明理工大学硕士学位论文 摘要 膜生物反应器( m b r ) 是近年来一种迅速发展的废水生物处理技术。它 是将污水的生物处理技术和膜过滤技术结合在一起的新型技术。其优点是 反应器中污泥浓度高，对有机污染物去除率高，出水中没有悬浮物；污泥 产率低；硝化能力强；并且管理方便，易于实现自动化控制。膜生物反应 器己成功的应用于中水道污水、粪便污水和工业废水处理等领域，而且不 断应用于难降解废水的处理。 抗生素是目前国内应用较多的生物制药，采用发酵工艺，通过微生物 的生命活动，将粮食等有机原料进行发酵、过滤、提炼而成，在生产过程 中产生的废水c o d 及氨氮浓度高、色度大、硫酸盐浓度高、难于生物降 解和具有生物毒性等特点。 本文报道了用一体式膜生物反应器( s m b r ) 处理抗生素废水试验研究 的结果，实验结果表明： t 、进行人工配水实验得知，兼顾去除有机物和n h 3 n ，p h 值应控制 在8 0 左右。温度应控制在3 0 c 左右。d o 应控制在2 3 m g l 。 2 、进行原水实验，好氧时间2 5 小时，缺氧时间1 5 小时，不排泥的 情况下，采取c o d 负荷为1 1k g m ”d ，温度控制在3 0 左右，d o 控制 在2 5 m g l ，p h 值控制8 0 左右的条件下，迸水采用原水进水。对实际废 水的处理试验得知，出水水质良好，达到污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 的一级标准。 3 、从试验中得出，当温度大子3 0 ( 2 ：p h 值大于8 0 ：d o 小于1 0 m g l 时可实现h n 0 2 积累。同时研究也得到，高的氨氮负荷也有利于 - i n 0 2 积 累。 4 、在运行中发现，在不排泥的情况下，污泥浓度m l s s 和体积负荷 呈线性相关，体积负荷x 和污泥浓度m l s s 的关系为m l s s = 3 1 4 6 6 x + 3 7 1 0 7 ；膜通量和污泥浓度呈负指数关系：j v = 4 7 2 1 0 8 x x 22 4 5 ；膜生物 反应器中的膜组件对大分子有机物有一定的截留作用，本实验中发现截留 率为2 7 3 。 + 关键词：膜生物反应器抗生素废水短程硝化反硝化膜通量生物脱氮 垦翌翌三查兰堡主兰垒堡壅 塑薹 a b s t r a c t m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) i san e w l yp r o m p td e v e l o p e dt e c h n i q u ei n r e s e n ty e a r s i ti sc o m b i n e dw i t ht h eb i o t r e a t m e n ta n dm e m b r a n ef i i t e r i t ，s a d v a n t a g ei s t h eh i g h e rm l s s ，h i g h e rr a t eo ft a k i n go f fp o l l u t e ，n o s s ，l i t t e p r o d u c to fm l s s ，h i g h e rc a p a b i l i t yo fn i t r a t i o n ，c o n v e n i e n tm a n a g e m e n ta n d e a s i l ya c h i e v i n g a u t o m a t i o n m b rh a s a p l l i e ds u c c e e d l y i nm i d f l u m e w a s t e w a t e r ，w a s t e w a t e ro fe x c r e m e n ta n du r i n ea n di n d u s t r i a lw a s t e w a t e r ， m o r ea n dm o r ea p p l i e di nw e a kd e g r a d a b i l i t yw a s t e w a t e rc o n t i n u o u s l y a n t i b i o t i ci st h ew i d e s t - u s e db i o p h a r m a c e u t i c a li nt h ew o r l d ，a n di ti s m a d eo fg r a i ni nt h et e c h n o l o g yo ff e r m e n tt h r o u g ht h eb e h a v i o ro fm i c r o b e s l i v i n g ，t h e nt h r o u g h f i l t e ra n dr e f i n e i t s p r o d u c t i o nw i l lp r o d u c el a r g e a m o u n to fw a s t e w a t e r ，w h i c hi s h i g h e r c o dc o n c e n n a t i o n ，h i g h e r s 0 4 2 c o n c e n t r a t i o n ，c h r o m a t i c i t yc o l o u r ，t a s t e ，w e a kb i o d e g r a d a b “i t ya n dt o x i c i t y ， t h eo u t c o m eo ft h es 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 ) t r e a t i n g t h ea n t i b i o t i cw a s t e w a t e ri sr e p o r t e di nt h i st h e s i s o u rr e s u l ti ss u m m a r i z e d a sf o l l o w s ： 1 i nt h em a n u a lw a s t e w a t e r e x p e r i m e n t ，t h ep e r f o r m a n c e d a t af o r r e m o v i n gc o d a n dn h 3 一nw e r eo b t a i n e d p hi s8 o ，t e m p e r a t u r ei s3 0 ，d o i s2 3 m g l 2 i nt h ea n t i b i o t i cw a s t e w a t e re x p e r i m e n t ， a tt h el o a d so f 1 1 k g c o d m 3 d ，a tt e m p e r a t u r e3 0 ，d o2 5 m g l ，p h8 0 ，i n t h ew a yo f 2 5 ha e r o b i ct i m ea n d1 5 ha n o x e m i at i m e ，e f f l u e n tq u a l i t yi sv e r yg o o d i t c o m e su pt ot h ec l a s si o ft h en a t i o n a ls t a n d a r df o rw a s t e w a t e rd i s c h a r g e 3 t h ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a th n 0 2w a sa c c u m u l a t e dw h e nt e m p e r a t u r e 3 0 ，d o 8 0 ，t h eh i g h l o a do fn h 3 一ni sb e n e f i tt o a c c u m u l a t eh n 0 2 ， 4 i nm o t i o n ，i fn o te j e c t i n gm u d ，m l s si st h el i n e a rr e l a t i o no ft h ev a l u e o fc a p a c i t yl o a d s w h i c hi sm l s s 5 3 1 4 6 6 x + 3 7 1 0 7 m e m b r a n ef l u xh a st h e i n d e xr e l a t i o no fm l s s t h em e m b r a n em o d u l ei nm b r h a sal i t t l ef u n c t i o n i nc u t t i n gl a r g e - m o l e c u l eo r g a n i cm a t t e r i nt h i de s p e r i m e n t ，t h er e m o v a lr a t e o fl a r g e m o l e c u l eo r g a n i cm a t t e ri s2 7 3 1 i 昆明理工大学硕士学位论文 t h ed e v i c eo f t r e a t i n g a n t i b i o t i c sw a s t e w a t e r b y m b rh a sb e e n i n t r o d u c t o r i l ye s t a b l i s h e d ，a n d s o m e e x p e r i m e n t h a sb e e nd o n ei nt h i s t h e s i s ，s oe s t a b l i s h e dt h eb a s ef o rt h en e x ts e a r c h k e y w o r d s ：m e m b r a n e b i o r e a c t o r ，a n t i b i o t i cw a s t e w a t e r ，s h o r t c u t n i t r i f i c a t i o n ，d e n i t r i f i c a t i o n ，m e m b r a n ef l u x ，b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l l h 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不舍任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：牟，莒1 日 期：歹矿癣一月矿日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：论文作者签名：兰釜：壶 日 期：之! 丝垒月 & 旦 昆明理工大学硕士学位论文 文献综述 第1 章文献综述 1 1 膜生物反应器概述 膜生物反应器是膜技术和污水生物处理技术有机结合产生的废水处理 新工艺。其产生和发展是这两类知识应用和发展的必然结果。膜技术和生 物处理技术的学科交叉、结合，开辟了污水处理术研究和应用的新领域。 1 1 1 膜生物反应器的提出 一、生物处理的发展b “4 1 自1 9 1 4 年在英国由阿登和洛基特创造了活性污泥法以来，常规的活性 污泥法处理废水以其价格低廉、适应性广、出水水质好等诸多优点迅速在 废水处理中得到了广泛的应用。时至今日，虽然各种新工艺层出不穷，但 活性污泥法仍是有机废水，尤其是城市污水处理的首选工艺。 但是，常规的连续流活性污泥法( c f s ) 存在着较多缺点。例如：由于其 泥水分离需要通过污泥在二沉池中的自然沉降来实现，因此，其最常见的 问题是容易发生污泥膨胀；另一方面，由于受氧传递速率的控制。曝气池 中污泥的浓度难以提高，相应地，曝气池中所能达到的容积负荷也难以提 高；此外，它还有抗冲击负荷能力差、对有毒有害物质敏感、剩余污泥量 大、需单独建设三级处理以满足脱氮除磷要求等。因此，在传统活性污泥 法的基础上，人们陆续提出了很多的改迸方法，如；接触氧化法、氧化沟 法、s b r 法和枉邦法等新工艺。 接触氧化法又称浸没曝气式生物滤池，在池中装满各种挂膜介质，全 部滤料浸没在废水中，在滤料支承下部设置曝气管，用鼓风杌对其进行鼓 泡充氧，废水中的有机物被吸附( 接触) 于滤料表面的生物膜法上，被微生 物分解氧化。生物膜经历挂膜、生长、增厚、脱落等更替过程。一部分生 物膜脱落后变成活性污泥，在循环流动中，吸附和氧化分解废水中的有机 物。多余的脱落生物膜在二次沉淀池中除去。空气通过设在池底的曝气装 置进入水流，当气泡上升时向废水供应氧气。并使池中的废水得以混合。 接触氧化法的优点是：容易管理：忍受负荷、水温变动的冲击力强：剩余 污泥量少；比较容易去除难分解和分解速度慢的物质。它的缺点是滤料间 水流缓慢。接触时间长，水流冲刷作用小，生物膜只能自行脱落，污泥容 昆明理工大学硕士学位论文 文献综述 易结团；剩余污泥往往沉降性能较差，恶化出水水质；动力消耗高；调试 时挂膜过程需要较长时间，较为困难。 氧化沟工艺属于延时曝气法的一种。污泥和活性污泥的混合液在环状 曝气渠道中循环流动，靠曝气转刷或池底的水力推进器使污泥保持悬浮状 态，并使曝气转刷间歇工作以使活性污泥处于厌氧和好氧的交替之中，这 不仅提供了良好的生物脱氮条件，而且调整了污泥性能，有利于生物絮凝， 使活性污泥易于沉淀。氧化沟一般水力停留时间长达1 0 3 0 小时，污泥平 均停留时间为1 0 - 3 0 天污泥负荷为o 0 5 k g ( b o d s ) k g ( m l v s s ) d 。有机容 积负荷为o 2 0 4 k g ( b o d 5 ) m 3 d 。由此可以看出，氧化沟曝气时间特别长， 使出水水质优于其它活性污泥法，抗冲击负荷能力也大为提高，并且剩余 污泥量少，污泥性质稳定，可以直接干化处理。因此，氧化沟一般不设置 初沉池和污泥消化池，节省了投资费用，并使工艺流程简单，简化了运行 管理。由于氧化沟同时具有脱氮除磷功能，与普通的三级处理比较，其基 建和运行费用都要低3 0 左右。但氧化沟需要较大的占地面积，并对曝气 转刷、水力推进器等设施要求较高，其厌氧、好氧的交替也对设备的自动 化提出了较高的要求。 s b r 工艺即序批式生物反应器( s e q u e n c eb a t c hr e a c t o r ) ，是一种间歇 运行的污水处理工艺，它是指在一个反应器中完成进水、曝气、静沉、排 水( 排泥) 等一系列过程，并在一个周期结束后重新进入下一运行周期的工 艺。其显著的优点在于省去了二沉池和污泥回流系统，使系统得以简化。 同时，由于s b r 可自由调整各过程的参数，使运行管理极为灵活方便。当 s b r 增加缺氧过程并通过控制排水量从而控制适当的回流比时，s b r 可以 实现良好的脱氮效果，并改善有机物的可生化性。由于s b r 在运行方式上 属于完全混合式，而在时间上属于理想的推流式，因此，s b r 同时具有完 全混合式和推流式的优点，具有抗冲击负荷、不易发生污泥膨胀、出水水 质优于常规的完全混合式反应器等优点。同时，由于s b r 可以实现理想的 静沉，因此，s b r 的沉降效果可以达到最好。但由于s b r 需要在每个反应 池中装设曝气装置，并需要特殊的滗水器以满足排水时水位变化的要求， 因此，s b r 的设备投资费用较高，同时设备利用率较低。而且s b r 需要在 装设曝气管的反应池中静止沉降，曝气管容易堵塞。由于s b r 的间歇运行 所导致的操作繁琐，使s b r 需要较为复杂的自动控制系统，这也使其设备 投资费用升高。 2 昆明理工大学硕士学位论文 文献综述 杜邦法是指在完全混合式活性污泥系统中投加粉末活性碳的生物处理 系统，于1 9 7 2 年由美国d up o n t 容器制造厂提出( 美国专利3 9 0 4 5 1 8 1 ，其 优点在于活性碳可以吸附一部分废水中的难降解有机物和对生物有毒有害 的物质，然后缓慢释放，或随剩余污泥排出。因此，杜邦法可以忍受一定 的冲击负荷，对有毒有害物质的忍受能力也较强，特别适合于较难处理的 工业废水和有毒有害废水的处理。活性碳的吸附作用还可以有效的去除水 中构成色度的物质，提高系统的脱色能力。活性碳的吸附作用也可以延长 废水中难降解有机物的停留时间，提高他们的降解程度，并提高处理水的 质量。同时，活性碳的吸附作用对活性污泥也有一定的吸附浓缩作用，有 助于改善活性污泥的沉降和脱水性能，可以在一定范围内提高污泥浓度， 并可以使一些生长较慢的徽生物的浓度得以提高，提高系统处理难降解有 机物和脱氮的能力。当进水中有表面活性物质时，活性炭的吸附作用可以 减轻曝气池的起泡作用，提高充氧效率。但活性碳的加入提高了运行成本， 使杜邦法仅适用于小水量的场合，而难以在废水水量较大的场合得到推广。 二、膜生物反应器的提出 以上各种活性污泥的改进工艺都可以在一定程度上提高活性污泥法的 处理能力并使其对各种废水具有更大的适应性。但是随着生产生活用水量 的增加和水资源的逐渐趋于匾乏，污水回用已成为一种不可避免的趋势， 这就对废水处理提出了更高的要求。随着废水处理技术的发展，人们总想 探索出一种更为高效、处理效果更为稳定、出水水质更好的处理方法。对 于生物处理来说，由于徽生物所能承受的污泥负荷量是有限的，通过提高 徽生物的活性来提高反应器的处理能力是极为有限的。因此，在保持污泥 负荷不变的前提下提高反应器容积负荷的唯一途径就是提高反应器内的污 泥量。对于普通的活性污泥反应器来说，提高污泥浓度存在着两个方面的 障碍：首先，由于泥水分离仅靠混合液在二沉池中的自然沉降过程来实现， 当污泥浓度超出一定范围后就会引起污泥沉降性能的恶化。另一方面，提 高反应器内的污泥浓度就必然会增加对氧的需求童。在常规好氧生物处理 中，由于受氧传递速率的限制，当污泥浓度增加到一定值后，在增大污泥 浓度就会危及到反应器中的好氧状态，从而影响反应器的处理效果。针对 第一个方面，人们提出了将泥水混合液直接进行膜过滤以提高泥水分离的 效果，从而提出了膜生物反应器这一新工艺。针对第二个方面，人们提出 了纯氧曝气、深井曝气以及加压活性污泥等处理工艺。 昆明理工大学硕： 学位论文 文献综述 1 1 2 膜生物反应器国内外研究现状 一、国外膜生物反应器的研究现状 1 9 6 9 年，美国的s m i t h 5 首次报道了美国的d o r r o l i v e r 公司把活性 污泥法和超滤工艺结合处理城市污水的方法。该工艺最引人瞩目的是用膜 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。它 是用一个外部循环的板框式组件来实现膜过滤的。在生活污水的处理中， 获得了极佳的处理效果，b o d 1 m g l 时，对c o d 有良好的去除效果，其去 除率可达9 0 以上，且d o 再增加对c o d 的去除效果不再有明显影响。在短 期缺氧条件下，即d o 在0 5 1 0 m g l 时，系统也能获得较好的去除效率。 但是严重缺氧时间较长，如d o 1 0 m g l 。为减少工艺的曝气能耗，d o 应控制在1 5 2 ，0 m g l 张军等i2 1 1 进行了复合式膜生物反应器处理生活污水的试验，研究表明 ：随着d o 的增加，系统对c o d ，b o d 和n h 3 n 的总去除率均有增加的趋势 。但即使在d o 很低( 1 15 m g l ) 的条件下，系统仍能获得可观的去除效果， 此时系统对c o d ，b o d 和n h 3 一n 的去除率分别为：7 7 2 、9 7 o 和7 6 4 。反应器内d o 浓度对硝化反应速度及硝化细菌的生长速率具有极大影响， 但普遍认为d o 2 0m g l 时，d o 浓度对硝化作用的影响可不予考虑。 1 1 4 膜生物反应器的分类和特点 通常提到的膜生物反应器，实际是三类反应器的总称；它们分别是 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 ) ；萃取 膜生物反应器( e x t r a c t i v em e m b r a n eb i o r e a c t o r ，e m b r ) ；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 eb i o r e a c t o r ，b s m b r ，简称m b r ) 【2 1 ，2 引。 膜j 曝气生物反应器 无泡曝气m b r 虽早见于c o t e p 1 等于1 9 8 8 年的报道。它采用透气性 致密膜( 如硅橡胶膜) 或微孔膜( 如疏水性聚合膜) ，以板式或中空纤维 式组件，在保持气体分压低于泡点( b u b b l ep o i n t ) 的情况下，可实现向生 物反应器的无泡曝气。由于传递的气体含在膜系统中，因此提高了接触时 间，极大地提高了传氧效率。同时由于气液两相被膜分开，有利于曝气工 艺的更好控制，有效的将曝气和混合功能分开。因为供氧面积一定，所以 昆明理工大学硕士学位论文文献综述 该工艺不受传统曝气系统中气泡大小及其停留时间等因素的影响。此后， 英国的k e i t h b r i n d l e l22 t 等对此进行了更多的研究，如在序批式生物膜法中 采用螺旋硅橡胶膜管进行无泡曝气，取得了高效曝气效果。 萃取膜生物反应器 萃取m b r 是结合膜萃取和生物降解，利用膜将有毒工业废水中有毒 的、溶解污染物从废水萃取出来，然后用专性菌对其进行单独的生化降解， 从而使专性菌不受废水中离子强度和p h 值的影响，生物反应器的功能得 到优化。目前膜一曝气生物反应器和萃取膜生物反应器还处在实验室阶段， 尚无实际的工程应用。 膜分离生物反应器 膜分离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， 利用膜组件进行固液分离，截流污泥回流至生物反应器中，透过水外排。 按膜组件和生物反应器的相对位置，膜分离生物反应器又分为一体式 膜生物反应器、分置式膜生物反应器、复合式膜生物应器三种。分置式 m b r i ”i 如图1 3 所示。 一出水 出水 图卜3 分萱式m b r 在分置式m b r 中，生物反应器的混合液由泵增压后进入膜件，在压 力作用下膜过滤液成为系统处理出水，活性污泥、物质等则被膜截留，并 回流到生物反应内。最早使用的m b r 是双泵循环系统，如c y c l e l e t 艺， 而z e n o n 和g e n e r a lm o t o r s 共同开发的z e n o g e m 工艺则是单泵循环体 系。分嚣式m b r 采用的膜组件形式一般为平板式和管式( 如z e n o n 公司名 为p e r m a f l o w z 8 的管式膜组件) 。 分置式m b r 通过料液循环错流运行，其特点是：运行稳定可靠，操 作管理容易，易于膜的清洗、更换及增设。但为了减少污染物在膜面的沉 9 昆明理工大学硕士学位论文 文献综述 积，由循环泵提供的料液流速很高，为此动力消耗较高，其单位体积处理 水的能耗是传统活性污泥法的1 0 - 2 0 倍。污泥回流是造成系统运行费用高 的主要因索，为了减少污泥在膜表面的沉积，循环泵提供的水流流速都很 高，但泵的回流造成的剪切力可能影响微生物的活性。在分置式m b r 工 艺中，一般采用平板式、管式貘组件，泵采用压力式驱动方式。 一体式m b r i ”i 如图l 。4 所示，根据生物处理的工艺要求，可分为两种 组成形式：第一种有两个生物反应器其中一个为硝化池，另一个为反硝 化渣。膜组件浸没于硝化反应器中，两池之间通过泵来更新要过滤的混合 液。该组合方式基于以下原因：可以提供配套( 整装) 的膜和设备，便 于旧系统的更新改造；将膜浸没池作为好氧区，而生物反应池作为缺氧 区以实现硝化一反硝化冒的；便予将膜隔离进行清洗。第二种组合最简 单，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抽吸， 得到过滤液。为减少膜面污染，延长运行周期，一般泵的抽吸是间断运行 豹。 蒯泵 rc 。一出水 生物反应器 图1 - 4 一体式m b r 一体式m b r 主要靠空气和水流的扰动来减缓膜污染，也有采用在一 体式膜组件附近进行叶轮搅拌和膜组件自身的旋转( 如转盘式膜组件) ， 通过中空轴的旋转使安装在轴上的膜也随着转动，形成错流过滤。圊分置 式相比，具有工艺简单，运行费用低等特点，其能耗仅为0 2 o 4 k w h m 。， 但在运行稳定性、操作管理和清洗更换不及分置式。在一体式m b r 中， 多采用中空纤维和平扳式等膜组件。但一些学者认为，一体式在运行稳性、 操作管理方面和清洗更换上不及分置式。 常用于m b r 工艺的膜有微滤膜( m f ) 和超滤膜( u f ) 。目前，大多 l o 警 昆明理工大学硕士学位论文 文献综述 数的m b r 工艺都采用0 1 o 4ui b 的膜孔径，这对于截留微生物絮体为主 的活性污泥来讲，完全可以达到目的。膜材料包括有机膜和无机膜，有机 膜制造相对使宜，应用广泛，但在运过程中易污染、寿命短；无机膜则抗 污染能力强，寿命长，能在恶劣的环境下使用，但目前制造成本较高所 以难以得到广泛的应用。 复合式膜生物反应器在形式上也属于一体式膜生物反应器，不同的是 在生物反应器内加装填料，从而形成复合式膜生物反应器，改变了膜生物 反应器的某些性状。( 见图1 5 ) 。 氅墨出水 图1 - 5 复合式膜生物反应器工艺流程 根据生物反应器的需氧性又可分为好氧膜生物反应器和厌氧生物反应 器。根据生物反应器的受压情况又可分为膜常压生物反器和膜加压生物反 应器。在膜加压生物反应器中，生物处理装置处于加压状态。 膜生物反应器技术具有许多其他生物处理工艺无法比拟的明显优势。 主要是以下几点；。“j 。 能够高效地进行固液分离，分离效果远好于传统的沉淀池，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。 膜的高效截流作用，使微生物完全截留在反应器内，实现了反应器 水力停留时间( h r t ) 和污泥龄( s t r ) 的完全分离，使运行控制更加灵 活稳定。 反应器内的微生物浓度高，耐冲击负荷。 有利于增殖缓慢的硝化细菌的截留、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功能。 泥龄长。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闯，大大提高了难降解有机物的降解效率。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 昆明理工大学硼士学位论文 文献综述 放。 系统采用p l c 控制，可实现全程自动化控制。 占地面积小，工艺设备集中。 总之，膜生物反应器具有许多其他污水处理方法所不具备的优点，特 别是出水水质可以满足目前最严格的污水排放标准，甚或今后更加严格的 排放要求。但是也存在膜污染、膜清洗和膜更换以及能耗高等问题，有待 于研究解决。 1 1 5 膜生物反应器动力学模型 一、微生物动力学模型 桂萍、刘锐、何义亮等1 2 9 均以活性污泥法的物料平衡为基础，建立了 微生物浓度的动力学模型。但是其中动力学系数的求解方法不尽相同，而 且求得的动力学参数的差别较大。 张绍园i ( 1 9 9 7 ) 根据微生物反应动力学与物料平衡原理，推导了分离 式膜生物反应器水力停留时间公式； t = 1 1 f 1 ，b - 1 ) ( k s + l ) k s 分析并讨论了膜生物反应器的影响因索。结果表明，影响膜生物反应 器的因素从大到小依次为：底物最大比降解速度常数k ，饱和常数k s ，维 持常数m ，真产率系数y g ，最大比增殖速率u 。 二、不排泥运行理论及模型 p i r t 在l9 6 5 年较系统地进行过不同生长速率条件下微生物增生研究， 提到过维持 微生物基本生命活动的物质转化概念，建立了下面模型： q e = u y g + m y g ：真实细胞产率系数( k g m l s s k g c o d d ) ；q e ：比基质去除率 ( k g c o d k g m l s s ，d ) ；u ：细胞实际比增长率( d 。) ；m ：单位质量细胞单位 时间用于维持基本生命活动的基质量( 相当单位质量细胞的维持能) 。此值 般为常数，可称为“维持系数”。其意义为当q e 相当此值时，生物处理 系统所去除的基质全部用于维持其基本生命活动，系统没有新细胞( 污泥) 产生，即成为无剩余污泥排放的生物处理工艺。 杨造燕( 1 9 9 9 ) 也从维持微生物基本生命活动的物质转化概念和细胞 昆明理工大学硕士学位论文 文献综述 ( 污泥) 产生和平衡的理论，提出了确定维持微生物基本生命活动的物质转 化系数( 即维持系数m ) 的方法，从理论与实验上证实了膜生物反应器无剩 余污泥排放的可能性。 三、膜污染动力学模型 s a t oa n di s h i l ( 1 9 9 1 ) 对分置式膜生物反应器处理粪便污水过程中产生 的活性污泥进行了小型过滤试验，总结出膜过滤阻力与污泥浓度、污泥粘 度及溶解性有机物浓度之间的关系： r = 8 4 2 ，7 ap ( s s ) o9 2 6 ( c o d ) 13 8 6 uo 3 2 6 1 1 6 膜生物反应器的经济分析 对m b r 与传统三级处理工艺的经济比较如下： 对于一个规模为8 0 6 m3 d 的居住区污水回用工程分别采用厌氧一好氧 一絮凝一沉淀一过滤消毒工艺( 以下简称工艺1 ) 和中空膜生物反应器工艺 ( 以下简称工艺2 ) 进行经济分析和比较。经济分析和比较依照给水排水工 程概预算与经济评价手册进行。如表卜1 所示。 由以上的分析可以看出，工艺1 的总基建投资是工艺2 的3 9 8 倍。由 于目前国产膜组件的成本较高且工作寿命较低，更换膜组件的费用占了运 行费用的约5 0 ，如果膜组件的费用可以减低2 ，工艺2 的运行费用与工 艺1 的基本持平。由于工艺2 的基建费用低，其企业内部收益率高于工艺 】。 表卜1i d b r 与传统三级处理工艺的经济比较 比较项目工艺1工艺2 主要构筑物的基建投资( 万元) 1 1 0 6 83 9 7 2 主要设备、材料的基建投资( 万元) 7 6 6 0了3 0 总基建投资( 万元) 18 7 6 84 7 0 2 单位处理水量的基建投资( 元( m 3 d ) 2 3 2 55 8 3 单位处理水量的电力消耗【( k w h ) m 3 o 6 3 1o 9 8 8 单位处理水量的运行费用( 元m 3 ) 1 0 81 5 0 中空膜生物反应器处理工艺的基建投资低于传统工艺。但由于膜的造 价较高，需要的曝气量较大，目前运行费用仍较高。其单位处理水量的电 力消耗约为1 0 ( k w h ) m 3 。 1 3 昆明理工大学硕士学位论文 文献综述 1 2 抗生素废水概述 1 2 1 抗生素定义 关于抗生素的定义，曾有不同的学说。由于早期发现的一些抗生素， 如青霉素、链霉素、金霉素、红霉素等均来源于微生物的生命活动，而且 主要应用于细菌性感染的疾病防治上，故认为“抗生索是微生物在新陈代 谢过程中产生的、具有抑制它种微生物的生长和活动，甚至杀灭它种微生 物性能的化学物质。”也由于此，有人将抗生素称为抗菌素。 随着对抗生素研究的不断深入，把抗生素的来源仅限于“微生物”产 生的就显得狭隘了，现在已经知道，抗生素的来源不只限于细菌、放线菌 和真菌等微生物，植物及动物也能产生抗生素。例如蒜素、黄连素、鱼腥 草素、鱼素等。抗生素准确定义是微生物、植物、动物在其生命活动过程 中产生( 或利用化学、生物或生化方法所衍生) 的化合物，是具有在低浓度 下选择性地抑制或杀灭它种微生物或肿瘤细胞能力的化学物质，是人类控 制感染性疾病、保障身体健康及防治动植物病害的重要药物。抗生素的生 产以微生物发酵法进行生物合成为主，即通过微生物将培养基中某些分解 产物合成具有强大抗菌素或抑菌作用的药物l 2 9 j 。 1 2 2 抗生素制药的生产工艺 抗生素生产主要包括菌种制备及菌种保藏、培养基制备与灭菌及空气 除菌、发酵工艺与设备、发酵液的预处理和过滤、提取工艺和设备、干燥 工艺与设备。以粮食为主要原料生产抗生素的生产工艺流程见图l 一6 。 【噩童卜稀辱鹃嗣厂坦递卜吨堑习 蹶h 善器1 一避 川玉由一垂孕 一l 萨面卜磔 卜涩f 嘉卜一匿困一瞳煎卜一过到 “ i i 暖爰每i 网a圆 图卜6 以粮食或糖蜜为主要原料生产抗生素的生产工艺流程 下面对传统青霉素以便了解抗菌素类制约废水的来源和水质特征f ” 青霉素是p 一内酰胺类抗生素的主要代表，生产过程如下： 1 4 昆明理工大学硕士学位论文 文献综述 种子制备 以甘油、葡萄糖和蛋白胨组成培养基进行孢子培养，生产时每吨培养 基以不少于2 0 0 亿个孢子的接种量接到以葡萄糖、乳糖和玉米浆等为培养 基的一级种子罐内，于( 2 7 1 ) 通气搅拌培养4 0 小时左右。一级种子培 养好后，按1 0 接种量移种到以葡萄糖、玉米浆等为培养基的二级繁殖罐 内，于( 2 5 1 ) 通气搅拌培养1 0 - 1 4 小时，便可作为发酵罐的种子。 发酵生产 发酵以淀粉水解糖或葡萄糖为碳源，以花生饼粉、骨质粉、尿素、硝 酸铵、棉子饼粉、玉米浆等为氮源，还需无机盐( 包括硫、磷、钙、镁、钾 等) 类。温度先后为2 6 和2 4 ，通气搅拌培养。发酵过程中的前期6 0 小 时内维持p h6 s t 7 2 ，以后稳定在p h6 7 左右。 青霉素的提取与精制 从发酵液中提取青霉素，多用溶媒萃取法，经过几次反复萃取，就能 达到提纯和浓缩的目的：另外，也可用离子交换或沉淀法。由于青霉素的 性质不稳定，整个提取和精制过程应在低温下快速进行，注意清洗，并保 持在稳定的p h 范围内。 青霉素生产过程所产生的废水主要由废发酵液、以及过滤冲洗水等组 成。 1 2 3 抗生素废水的水质特征 抗生素制药废水可分为：废母液、废酸碱液、设备和地面冲洗废水、 冷却废水等，其废水排污点布置i “i 见图1 7 。 由图1 7 可以看出，在抗生素发酵生产工艺的每个环节几乎都有废水 排放： ( i ) 废母液：指经过提取的发酵液，本类废水如果不含有最终成品，b o d 5 为4 0 0 0 13 0 0 0m g l 。其水量大，污染物浓度高，是抗生素生产过程排放 的各股废水中污染程度最严重一股废水。 ( 2 ) 废酸碱液和有机溶剂废水：该类废水主要是在发酵产品的提取过 程，需要采用一些提取工艺和特殊的化学药品造成。 ( 3 ) 设备和地面冲洗废水，洗涤水的成份与发酵废水相似，b o d5 为 5 0 0 1 5 0 0 m g l 。如过滤设备和材料的冲洗废水，离子交换吸附柱的冲洗废 水等，水量大，污染物含量低。 昆明理工大学硕士学位论文 文献综述 ( 4 ) 冷却废水，一般情况下未被生产原料和产品污染，所以不与其它废 水混合处理。此外，位于厂区内的实验室和各项生活设施也都有相应的废 水向外排放。 成品 圈1 7 抗生素生产废水排污点示惹图 从抗生素的生产工艺及使用原料中，我们可以看出，该类废水成份复 杂，有机物浓度高，溶解性和胶体性固体浓度高，p h 值经常变化，温度较 高，带有颜色与气味，悬浮物含量高，含有难降解物质和有抑菌性作用的 抗生素，并且有生物毒性。其具体特征如下： c o d 浓度高( 5 0 0 0 8 0 0 0 0 m g l ) 其中主要为发酵残余基质及营养物、溶媒提取过程的萃余液，经溶媒 回收后排出的蒸馏釜残液，离子交换过程排出的吸附废液，水中不溶性抗 生素的发酵滤液