（环境工程专业论文）一体式膜生物反应器ao工艺处理己内酰胺废水研究.pdf

一堕 一体式膜生物反应器a o 工艺处理己内酰胺废水研究 摘要 近年来由于锦纶( 尼龙) 6 纤维、锦纶树脂、聚酰胺、薄膜和人造革在工程塑 料应用领域的扩大和发展，对己内酰胺的需求量也在不断增长。我国己内酰胺的 产量长期不能满足国内的需求，前几年仅能满足消费量的1 厂3 ，目前也只能满足 消费量的5 0 左右【2 1 。专家预测2 0 0 5 年我国己内酰胺的供给量将达到2 9 5 万吨， 但同年国内需求量将达到4 1 o 万吨，市场缺口为1 1 s 万吨。因此，大力发展我 国的己内酰胺产业是当务之急。 己内酰胺生产废水成分复杂，虽属于可生化废水，但其含氮量极高，属于难 降解废水。以活性污泥法为代表的传统好氧生物处理工艺长期以来在生活污水以 及z , l k 废水处理中得到了广泛应用，但若应用于己内酰胺废水的处理则很难使氨 氮、总氮达标。而膜生物反应器工艺则具有对污染物去除效率高、硝化能力强等 优点，并且能在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行，符合己内酰胺废水的 处理要求。 本试验首先比较了一体式无机膜生物反应器( m b r ) a o 工艺和传统好氧生 物( c a s ) a o 工艺处理模拟己内酰胺废水的出水效果，研究在常规污泥浓度下膜 生物反应器的优势，分析膜管对处理效果的影响及其机理，并通过污泥特性舶比 较，研究两系统内微生物的生长情况。然后研究了m b r 系统在各种条件下处理 模拟己内酰胺废水的特性，通过改变水力停留时间、污泥龄、有机负荷、d o 、 回流比等各项参数，系统研究了改变各参数对出水效果的影响，从中选取最有利 于系统稳定运行并使系统取得最佳处理效果的运行条件。 本试验还研究了m b r 系统内微生物特性，通过不同负荷下污泥的耗氧速率 及比耗氧速率的测定及污泥混合渡粘度的测定，分柝了运彳亍过程中微生物的代谢 特性。最后，对m b r 膜分离特性及膜污染控制进行了初步研究，分析不同水力 停留时间、不同抽停时间及曝气量对膜分离特性的影响，并计算了膜的总阻力变 化- 通过清水试验，比较了膜管在经过物理清洗及化学清洗后膜通量的变化订 摘要 算出凝胶极化阻力及膜污染阻力，讨论本试验中减缓膜污染的有效途径。 本试验的研究结果表明，一体式无机膜生物反应器对污染物去除效率高，出 水水质稳定，出水悬浮物和浊度接近于零，并且能高效地进行固液分离，其分离 效果远好于传统的沉淀池。生物反应器内可保持高的污泥浓度，从而提高体积负 荷，降低污泥负荷，减少占地面积。反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄 下运行，利于硝化细菌的截留和繁殖，极有效地去除氨氮，系统硝化效率高。是 适于己内酰胺废水处理的新型高效工艺。 关键词：己内酰胺一体式膜生物反应器a o 工艺耗氧速率膜污染 一坐些 s t u d y o i ls u b m e r g e dm e m b r a n er e a c t o ro f a op r o c e s sf o r t h et r e a t m e n to fc p lw a s t e w a t e r a b s t r a c t r e c e n t l y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn y l o n ，c o l o p h o n y , m e m b r a n e a n dl e a t h e r o i d i nt h ea r e ao f e n g i n e e r i n gp l a s t i c ，t h ed e m a n d f o rc p li si n c r e a s i n g ，mo u rc o u n t r y , f o rm a n yy e a r s ，t h eo u t p u to fc p lc o u l dn o ta p p e a s et h em a r k e td e m a n d i nt h el a s t f e wy e a r s ，t h eo u t p u ti so n l y1 3o ft h ea c t u a lc o n s u m p t i o na n dp r e s e n t l y , 1 1 2o ft h e a c t u a lc o n s u m p t i o n a c c o r d i n gt os o m ee x p e r t i s e ，i nt h ey e a ro f2 0 0 5 ，t h es u p p l yo f c p lw i l lr e a c h2 9 5 ，0 0 0t o n sb u tt h ed e m a n dw i l lr e a c h4 1 0 0 0 0 t o n s ，t h e r ew i l lb ea s h o r t a g eo f115 ，0 0 0 t o n s i ti su r g e n tt od e v e l o pt h ei n d u s t r yo fc p l i no u rc o u n t r y n o w t h o u g h t h ew a s t ew a t e ro fc p li sb i o d e g r a d a b l e ，t h ec o m p o n e n to ft h ew a s t e w a t e ri s v e r yc o m p l i c a t e da n dt h e c o n t e n to fn i t r o g e ni s v e r yh i g h ，t h ew a t e ri s a c t u a l l yh a r d t o d e g r a d e a c t i v es l u d g el r e a t m e n t ，w h i c hi sr e p r e s e n t a t i v eo ft h e t r a d i t i o n a la e r o b i cb i o l o g i c a lt r e a t m e n t ，h a sb e e nw i d e l yu s e di nt h et r e a t m e n to f l i v i n ga n di n d u s t r i a lw a s t ew a t e rf o rm a n yy e a r s b u ti fi t u s e di nt h et r e a t m e n to f c p lw a s t ew a t e r , t h en h 4 + - na n dt ni nt h et r e a t e dw a t e rc a r ln o tr e a c h 也es t a n d a r d o nt h ec o n t r a r y , m b r ( m e m b r a n eb i o l o g i c a lr e a c t o r 、h a st h ea d v a n t a g eo fh i g h r e m o v ee f f i c i e n c y , g o o dn i t r a t i o ne f f e c ta n di tc a nr u nu n d e r h i g hv o l u m el o a d ，l o w s l u d g el o a da n dl a s t i n gs l u d g ea g e i tc a na p p e a s et h et r e a tr e q u i r e m e n to fc p lw a s t e w a t e r i nt h i sr e s e a r c h ，f i r s t l y , t h et r e a te f f i c i e n c yo fm b r a op r o c e s sa n dc a sa o p r o c e s so fs i m u l a t i v ec p lw a s t ew a t e ri sc o m p a r e d t h ea d v a n t a g eo fm b r i n o r d i n a r ys l u d g ec o n c e n t r a t i o ni ss t u d i e da n dt h ee f f e c to fm e m b r a n em o d u l e so nt h e t r e a t e f f i c i e n c y a n di t sm e c h a n i s mi s a n a l y z e d t h r o u g h t h e c o m p a r i s o no ft h e c h a r a c t e r i s t i co f t h e s l u d g e ，t h eg r o w i n gc o n d i t i o no f t h e m i c r o o r g a n i s m si nt h et w o 1 1 t r e a c t o r si so b s e r v e d t h e nt h et r e a te f f i c i e n c yo fs i m u l a t i v ec p l w a s t ew a t e ri nm b r s y s t e mu n d e rv a r i o u sc o n d i t i o ni ss p e c i a l l ys t u d i e d t h ep a r a m e t e ro fh r t , s l u d g e a g e ，o r g a n i cl o a d ，d o ，r a r ec h a n g e do n eb yo n ea n du n d e re a c hc h a n g e dc o n d i t i o n ， t h et r e a te f f i c i e n c yi ss t u d i e da n dw ef i n do u tt h eo p t i m a lc o n d i t i o nt oa t t a i nb o t ht h e s y s t e ms t a b i l i z a t i o na n dh i g h t r e a te f f i c i e n c y t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h em i c r o o r g a n i s m si nt h em b r s y s t e m i sa l s os t u d i e d t h e m e t a b o l i z a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i co f t h em i c r o o r g a n i s m sd u r i n gt h ep r o c e s si sa n a l y z e d t h r o u g h t h eo u r s o u rt e s ta n dt h ev i s c o s i t yo f t h es l u d g e f i n a l l y , t h es e p a r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c a n dt h ec o n t r o lo fm e m b r a n ep o l l u t i o ni s p i l o t s t u d i e d t h ee f f e c to fv a r i o u sc o n d i t i o no fh r t , p u m pp e r i o da n da e r a t i o n i n t e n s i t yo nt h es e p a r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h em e m b r a n ei ss t u d i e da n du n d e re a c h c o n d i t i o n ，t h em e m b r a n e r e s i s t a n c ei sc a l c u l a t e d t h ec h a n g eo fm e m b r a n ef l u xa f t e r p h y s i c a la n dc h e m i c a lc l e a n i n gi sc o m p a r e dt h r o u g hw a t e r t e s ta n db o t hr ma n dr e f i sc a l c u l a t e d b a s e do nt h e s e a n a l y s i s ，t h e e f f e c t i v e w a y so fs l o w e rm e m b r a n e p o l l u t i o na t ed i s c u s s e d a st h er e s e a r c hh a ss h o w n ，s m b rh a sh j 【g hr e m o v e e f f i c i e n c ya n d t h eq u a l i t yo f t r e a t e dw a t e ri ss t a b i l i z e d t h e r ei sn o s u s p e n d e ds o l i di nt h e t r e a t e dw a t e ra n dt h e t u r b i d i t yi sn e a r z e r o ，t h es e p a r a t i o no fs o l i da n d l i q u i di nt h em b rs y s t e mi sh i g h e f f i c i e n t l ya n df a rb e t t e rt h a nc a ss y s t e m t h em b rs y s t e mr e t a i n sh i g hs l u d g e c o n c e n t r a t i o na n dt h ev o l u m el o a di sh i g ha n dt h es l u d g el o a di sl o ws ot h es y s t e m o c c u p i e sl e s sa r e a m b rs y s t e m r u n su n d e r h i g hv o l u m el o a d ，l o ws l u d g el o a da n d l o n gs l u d g ea g e ，w h i c hc r e a t eag o o d c o n d i t i o nf o rt h e p r o p a g a t i o no f t h e n i t r i f i c a t i o n m i c r o o r g a n i s m s t h es y s t e me f f i c i e n t l yr e m o v e st h en h 4 + - na n dh a sh i g hn i t r a t i o n e f f i c i e n c y i ti san e w l y e f f i c i e n t p r o c e s sf o rt h et r e a t m e n to f c p lw a s t ew a t e r y u a n q u a n ( e n v i r o n m e n t a l e n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rx id a n l i k e yw o r d s ：c p l s m b ra op r o c e s so u r m e m b r a n e p o l l u t i o n v 丝二里一塑 1 1 己内酰胺概况 第一章绪论 酰胺类物质就是羧酸羧基中的羧基被氨基置换后的化合物。己内酰是由e 氨基己酸分子内脱水形成的一个内酰胺。己内酰胺简称为c p l ，化学分子式 ，9 ；o 为c h j k ，呈白色粉末或结晶固体，熔点为6 8 6 9 ，沸点为2 6 2 5 。c ， 易溶于水和乙醇、乙醚、氯仿、苯等有机溶剂。它是重要的有机化工原料之一。 绝大部分用于制备尼龙6 纤维，少部分用作尼龙树脂和薄膜，且广泛应用于纺织 业，汽车、船舶、电子电器、工业机械、食品包装和日用消费品等。经常接触己 内酰胺，可出现神经衰弱症候群：头痛、乏力、记忆力减退、失眠等。另外，己 内酰胺具有较强的吸湿性，易溶于皮脂，引起接触性皮炎。 己内酰胺( c p l ) 作为尼龙6 中间体，早在1 9 4 3 年首先由德国b a s f 公司实现 了工业化生产【lj ，随着尼龙纤维的迅速崛起，带动了世界范围内己内酰胺的迅速 发展。近年来由于锦纶( 尼龙) 6 纤维、锦纶树脂、聚酰胺、薄膜和人造革以及在 工程塑料应用领域的扩大和发展，对己内酰胺的需求量也在不断增长。我国己内 酰胺的产量长期不能满足国内的需求，前几年仅能满足消费量的1 3 ，目前也只 能满足消费量的5 0 左右【2 1 。专家预测2 0 0 5 年我国己内酰胺的供给量将达到2 9 5 万吨，但同年国内需求量将达到4 1 0 万吨，市场缺口为1 1 5 万吨。因此，大力发 展我国的己内酰胺产业是当务之急。 1 1 1 己内酰胺生产废水的可生物降解性 测定污水的b o d f f c o d 值是鉴定污水可生化性的传统方法。b o d 反映了在 有氧条件下，水中可生物降解的有机物量。目前以5 天作为测定生化需氧量的标 准时间，简称5 日生化需氧量( 用b o d 5 表示) 。c o d 反应了在一定条件下化学方 东华大学硕士学位论文 法能氧化的有机物的量，它代表了水中几乎全部的有机物量。对于有机物组成相 对稳定的废水，其c o d 与b o d s 之间应有一一定的比例关系。采用b o d 5 c o d 值 的方法评价污水可生化性是最简便易行且最常用的方法。其判定依据通常如表所 示 3 】0 b o d 5 c o d 可生化性判定标准 b o d 5 c o d 0 4 5o 3 0 4 50 2 5 0 3 0 o 2 5l i 可生化性较好可生化较难生化不宜生化 1 己内酰胺生产废水成分复杂，主要污染物有己内酞胺、硫按、甲苯、苯甲酸、 六氢苯甲酸、环己烷、环己酞胺、环己烷的磺酸盐类、乙酸等。其中有机污染物 可生化性还是比较好的。从b o d 5 c o d 的比值看出，己内酞胺为0 8 7 5 ，甲苯为 0 5 8 8 ，苯甲酸为o 8 0 5 ，乙酸为o 8 0 5 ，己内酰胺生产废水的b o d 5 c o d 大于o 3 0 ， 属于可生化性污水【4 】。 1 12 传统活性污泥法的局限 虽然己内酰胺废水属于可生化性废水，但废水中氮的含量较高，总氮的含量 可以达到1 2 3 ，而一般国内现有回收工艺的出水含大量己内酰胺单体以及 一部分低聚物，c o d 、总氮可分别达到2 0 0 0 3 0 0 0 m g 1 和4 0 0 5 0 0 m g 1 ，这样的 水质如果用传统活性污泥法处理，只能c o d 达标，而氨氮、总氮很难达标，而 且虽然以活性污泥法为代表的传统好氧生物处理工艺长期以来在生活污水以及 工业废水处理中得到了广泛应用。但活性污泥法也存在如下的局限性： 1 ) 活性污泥系统的传氧效率较低，能耗较高。 2 ) 系统在运行过程中产生大量剩余污泥，污泥的后续处理量大、费用高。 3 ) 由于采用重力式沉淀池作为处理水和微生物的固液分离手段，水中的胶体 及微细颗粒难以去除，因而限制了其出水水质。并且二沉池的浓缩性能受活性污 泥的沉降性能的影响，因而曝气池的污泥不能维持较高的浓度，般约2 、4 9 1 ， 限制了活性污泥法的生物处理能力，致使处理装置容积负荷低，占地面积大。 4 ) 活性污泥法必须严格控制曝气池的操作条件，否则易出现污泥膨胀、污泥 二浮等问题，影响整个工艺的正常运行。 5 ) 在活性污泥的微生物系统中以世代较短的异养菌为主，主要去除易降解有 第一章绪论 机物，对难降解有机物缺乏处理能力，对氮、磷等无机营养物质的处理能力不高。 为了克服这系列的局限性，环境工作者对活性污泥法不断地进行革新和改 进，首先从改变其运行方式和曝气技术方面入手，产生了多点进水、完全混合、 渐减曝气、纯氧曝气、深层曝气等多种形式；然后又从革新其基本工艺出发，推 出了许多新型工艺，如氧化沟、a b 法、a o 法、a a 0 法、s b r 以及固定化 微生物细胞技术等。其中最引人注目的是用膜分离技术代替传统的重力式沉淀池 而产生的新型的水处理技术膜生物反应器工艺。 1 2 膜技术 1 2 1 膜技术概况 目前膜分离技术被公认为2 0 世纪末至2 1 世纪中期最有发展前途的高科技之 一。在短短的几十年里，膜技术迅速发展，受到世界的瞩目f 5 】。扩散定理、膜的 渗析现象、渗透压原理、膜电势等一系列研究为膜的发展打下了坚实的理论基础。 相关科学技术的突飞猛进也使得膜的实际应用成为可能。 膜根据制膜材料的不同分有机膜和无机膜。目前世界膜及膜装置的市场总销 售量已超过1 0 0 亿美元。固体膜占9 9 以上。有机膜的特点是：高的分离效率； 不发生相变；设备简单，易操作；能耗少，缺点是：易受污染、堵塞：操作温度 低、使用寿命短。无机膜的销售额占市场的1 0 2 0 ，并以每年3 5 的增长率发 展【“。 无机膜的研究始于2 0 世纪4 0 年代，但真正的商品化无机膜是从8 0 年代法 国s f e c 改进了美国联合碳化物公司的技术而发展起来的。1 9 8 1 年，s f e c 成功 地将商品化的氧化锆投入厂奶业、饮料业等行业中并将它推广。先后在食品、化 工、环境、生物等领域广泛使用【7 】【8 1 。由于无机膜耐高温、耐有机溶剂、耐酸碱、 抗微生物腐蚀、刚性及机械强度好、孔径均匀、不老化、寿命长等优点废点，大 大弥补了有机膜在这些方面的不足9 1 。在膜分离技术中，无机膜开始展露出它不 可替代的一面。 无机膜按成膜材料分有陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和碳分子筛膜，其中废水处 理中应用较多的主要是陶瓷膜。按形状分有管式、圆平板式、多沟槽式、中空纤 东华大学硕上学位论文 维式；按功能分有微滤膜( m f ) 、超滤膜( u f ) 、纳滤膜( n f 、反渗透膜( r o ) 等； 按结构分有单层和多层1 0 1 ” 。 无机膜的制备方法有溶胶一凝胶法( s e l g e l ) 、离子烧结法、化学气相沉积法、 阳极氧化法、分相法等蚴。已开发用于制备无机膜的材料有：t i 0 2 、a 1 2 0 3 ，、z r 0 2 、 s i 0 2 及p d 合金、n i 、p t 、a g 、硅酸盐及沸石。溶胶凝胶法是广泛用于制备无 机膜的方法，尤其适合于超微孔，薄膜化无机膜的制造。 制取无机膜的方法主要归纳为以下几种：1 1 2 玎】 a 溶胶凝胶法，它是制备无机膜中最重要的一种方法。一般以醇盐为原 料如s i ( o c 2 h s ) 4 、s i ( o c h 3 ) 4 、z r ( o c s h 7 ) 4 、t i ( o c 3 h 7 ) 4 、a l ( o c 3 h 7 ) 3 、a 1 ( o c 4 h 9 ) 3 等制备s i 0 2 、t i 0 2 、z r 0 2 、a 1 2 0 3 、z r 0 2 一s i 0 2 、t i 0 2 一s i 0 2 和z r 0 2 - t i 0 2 一s i 0 2 等系 统的无机分离膜。 b 固态粒子烧结法，一种在传统多孔陶瓷膜烧结法基础上发展起来的工艺。 可以制多种材料的陶瓷膜。 c 分相法，其实就是制备玻璃膜的方法。因r 2 0 b 2 0 3 s i 0 2 系列玻璃存在 高分相现象，所以利用这一原理将r 2 0 一b 2 0 3 s i 0 2 系玻璃分成r 2 0 一b 2 0 3 相和s i 0 2 相，而r 2 0 b 2 0 3 相和s i 0 2 相在酸中的溶解度相差很大，这样就可以利用酸将溶 解度高的r 2 0 一b 2 0 3 浸出，留下的s i 0 2 形成多孔玻璃膜。 d 阳极氧化法，将金属薄片( 如铝和锆) 在酸性电解质中进行阳极氧化从而 制得分离膜，如a h 0 3 膜。 1 2 2 膜过程及应用 膜分离过程以选择性透过膜为分离介质，在膜两侧推动力作用下，原料组份 选择性透过膜，以达到分离、提纯的目的。现已开发应用的膜分离技术有微滤、 超滤、反渗透、电渗析等，这些膜过程的装置、流程设计都相对成熟，并有大规 模工业应用。 膜分离技术已普遍用于化工、轻工、环境工程、电子、食品等领域。工业应 用的膜组件主要有中空纤维、卷式、板框式、管式和毛细管式。中空纤维和卷式 组件膜填充密度高，造价低，组件内流体力学条件好。但对制造技术要求高，密 封困难，抗污染能力差，对料液预处理要求高。板框式及管式组件膜填充密度低， 4 第一章结论 造价高，但清洗方便，耐污染【1 5 j 。 12 3 膜技术发展趋势 对于已经有工业应用的膜过程，膜技术研究开发的焦点是膜的选择性、单位 成本的分离能力及操作的可靠性。对于不同的膜过程，这些问题的要求及目前研 究解决的程度相差甚大。 膜的选择性，即膜的分离能力。对于反渗透膜过程，8 0 年代开发的聚合复 合膜，脱盐率已达9 9 8 9 9 。9 ，已没有必要在脱盐率上作进一步的改进。与此 相似，超滤、微滤和电渗析膜的选择性也都达到分离应用要求的水平。在气体分 离和渗透汽化中，膜的选择性有待进一步提高，以空气分离制氧为例，其富氧浓 度的极限是4 5 5 0 ，氧的浓度有待进一步提高。渗透汽化膜虽工业上已用于 有机溶剂脱水，但从水溶液中分离亲水性有机膜的开发，一直未有突破【l “。有机 物分离汽化膜应用前景广阔，但任重道远。 膜材料、结构及膜组件的装填密度。它们都影响着膜装置的成本。选用具有 高渗透性的膜材料，减少膜的厚度，采用经济的方法制造高填充密度的膜组件都 可减少膜过程的费用【l “。在现代反渗透过程中，膜组件的费用一般占工厂总投资 的2 5 - 3 0 ，膜组件的更换费用不大于总操作费用的1 0 。在微滤过程中，膜 和组件的更换费用占总操作费的5 0 ，减少这部分费用将对过程经济性产生重要 影响。 操作的可靠性。这在所有膜技术中都非常重要。影响可靠性的决定性因素因 过程的不同而异。在气体分离中，膜的稳定性很重要，膜污染的影响通常并不重 要，物料只要稍加预处理即可，但膜面上的微小缺陷将会对分离过程产生严重的 影响u 。对于超滤和微滤过程，污染是影响过程可靠性的决定性因素。解决系统 操作稳定性往往需要将许多因素结合起来考虑，如合适的膜材料、合理的组件设 计合理的清洗和防污染方法，以及合理的工艺流程设计。 目前，膜技术的研究主要是针对已有工业应用的膜过程存在的问题进行。污 染是超滤膜的普遍问题，开发抗污染超滤膜可减少过程的设备费、操作费，增加 膜的寿命，但开发难度大，且因体系而异，目前使用的方法是对膜表面进行修饰 改性，加强膜污染相关理论研究，开发有效的抗污染技术非常必要。微滤膜技术 东华大学硕二l 学位论文 应用最广，开发廉价、抗污染、耐高温和抗溶剂的微滤膜组件，以改进现有膜过 程和拓展应用领域。 膜材料的开发在膜技术发展中极其重要，现有的些膜材料存在着热稳定性 和化学稳定性差等缺陷，宜继续开发功能高分子膜材料，即通过对膜分离基理的 认识，合成各种分子结构的功能高分子，定量研究分子结构与分离性能之间的关 系：通过引入不同的活性基团对表面进行改性：开发耐高温和强酸碱介质的无机 膜材料 1 9 】。 1 3 膜生物反应器的基木概念及其发展 膜生物反应器( m b r ) 是一种将高效分离技术与传统活性污泥法相结合的 新型水处理反应器，具有对污染物去除效率高、硝化能力强、出水水质好、设计 和操作简化等优点，其产生和发展是膜技术和生物处理技术知识应用和发展的必 然结果。它开辟了污水处理术研究和应用的新领域，应用潜力大f 2 0 】。 膜与生物处理工艺结合的膜生物反应器研究迄今已逾3 0 年了，m b r 的商业 应用也有2 0 年的历史了。 t 9 6 9 年，美国的s m i t h t 2 q 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。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 2 减d , n l 时，总氮去除率从8 0 降到了5 0 ( n a h 等，2 0 0 0 ) 。s u w a 等人【4 3 1 ( 1 9 9 2 ) 研究了反硝化速率和b o d 负荷之间的关系，发现在o ，4 3 8 9 ( l d ) 的负荷下，反硝 化不会发生，而超过此值后则随着负荷率的增长而线性增长。外加碳源的类型和 污泥剪切力也有影响。 3 细菌和病毒 m b r 具有去除大量细菌和病毒的能力，这一特性已经引起重视。尽管膜孔 第一章绪论 直径可能大与微生物尺寸，但是去除率往往大于预期效果。c h i e m c h a i s r i 等人1 4 4 j f 1 9 9 2 ) 把孔径为o 0 3 ；_ t m 和0 1 h m 的膜过滤出水进行比较，发现膜孔径的大小对 于病毒的去除情况显得不是很重要，二者出水中的病毒浓度在同一个数量级， 运行稳定时病毒含量都在1 0 p f u m 以下，并且观察到当凝胶层在膜表面形成后， 病毒去除率就会提高。与此形成对比，c o t e 等人( 1 9 9 7 ) 报告说，在反应器中m l s s 浓度高，噬菌体的去除率就高，噬菌体吸附于固体之上。通过对于细菌的物理分 离研究，肯定了凝胶层的形成可以减小膜的有效截留分子量( t i l l 等人，1 9 9 8 ) 。 u e d a 和h o r a n ( 2 0 0 0 ) 认为膜污染造成的有效孔径的减小在噬菌体去除中扮有极其 重要的角色。 ( 二) 运行条件对膜生物反应器的影响 桂萍h 5 i ( 1 9 9 9 ) 用膜生物反应器处理生活污水，发现当污泥龄变化于5 - 8 0 d 之 间时，整个系统对c o d 和氨氮的去除效率始终保持在9 0 以上。c h i e m e h a i s r i 和y a m a m o i o ( 1 9 9 4 ) ) 召- - 体式膜生物反应器处理生活污水【4 4 】，发现短期的温度降 低使异养菌的活性显著下降，但异养菌的数目基本不发生变化，有机物的去除效 果也没有受到影响；而当温度低于1 0 时，严格好氧的硝化细菌的数目由于氧 传质速率下降而大幅度减少，硝化作用受到限制，氮去除率显著降低。 张绍园1 4 6 1 ( 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 + ( 1 一1 ”( k s + l ) k 。分析并讨论了膜生物 反应器的影响因素。结果表明，影响膜生物反应器的因素从大到小依次为：底物 最大比解决速度常数k ，饱和常数k s ，维持常数1 1 2 ，真产率系数y g ，最大比增 殖速率岍。 邢传宏等人1 4 7 1 ( 1 9 9 7 ) 通过研究其生物动力学参数，推导了c m b r 稳态运行 时的生物浓度计算公式，进而求得表观产率因数y g 为o 6 5 ，衰减常数k d 为0 1 d 。 邢传宏等探讨了污泥粘度与污泥浓度m l s s 以及给定临界雷诺数时最小膜 面流速v m i n 与污泥浓度m l s s 之间的关系。孟耀斌( 2 0 0 0 ) 对分置式膜生物反应 器的体积负荷进行推导表明：浓缩区的存在是该工艺处理能力较大的原因，可通 过增加浓缩的体积和调整循环流量来控制分嚣式膜生物反应器的处理能力。杨 造燕( 1 9 9 9 ) 从维持微生物基本生命活动的物质转化概念和污泥产生的平衡出发， 东华大学硕士学位论文 提出了确定维持微生物基本生命活动的物质转化系数的方法，从理论和实验上证 实了膜生物反应器无剩余污泥排放的可能性 4 ”。 ( 三) 一体式膜生物反应器研究现状 由于分置式膜生物反应器具有能耗大，菌胶团容易受到泵剪切力影响等问 题近年来国内外对膜直接浸入生物反应器的一体式膜生物反应器的研究很多。 1 活性污泥- 膜生物反应器 1 9 8 9 年y a m a m o t o 首次将中空纤维膜直接浸入生物反应器，应用于一体化膜 活性污泥法【5 0 j ，使膜生物反应器的运行成本降低到常规活性污泥法的水平。 国外开展m b r 研究比较多的是日本，早在上世纪8 0 年代初就开始了该项 研究。 例如日本北千住终点菇的污水处理系统就采用了膜生物反应器工艺，其主 要技术参数为：污泥浓度6 - 1 0 9 s s l ，水力停留时间1 5 2 h ，有机负荷 o 7 9 1 4 2 k g b o d ( m 3 。所采用的膜为孔径o 0 1 1 1m 、切割分子量2 0 0 0 0 的聚丙 烯腈平板超滤膜。据报道，该系统的出水已达到深度处理标准，而且由于系统中 的污泥已得到充分消化，因此产泥量很少。该系统占地小，超作管理方便，目前 使用情况良好。膜一生物反应器可与隔油装置相结合处理含油的饮食店废水。如 东京都新宿车站大楼中水回用设施，其出水水质完全复合中水水质标准。该装置 运转以来，取得了明显的经济效益与节水效果。统计结果表明，该设备每年节水 7 2 0 0 0 t ，扣除设备折旧、电力消耗和制水成本，每年节水7 8 1 1 7 1 8 日元。 膜生物反应器的出现使粪便污永不经稀释的直接处理成为了可能。目前在日 本已有许多地方采用了膜生物反应器工艺来处理粪便污水。日本有关机关开发 了n s 粪便污水处理新工艺，其核心部分是超滤膜组件与高浓度活性污泥法的组 合系统。该系统于1 9 8 5 年在日本琦玉县越谷市建成。粪便污水经该系统处理后， 出水不含固性物，c o d 和色度削减约5 0 ，而反应器的污泥浓度可高达1 5 1 8 9 l 左右，系统运行稳定。 国内对该类膜生物反应器的研究也比较多。张宝杰应用体式膜生物反应器 进行了配制水的实验”“。研究发现：一体式中空纤维膜生物反应器是一种新型商 效的污水处理技术。4 8 d 的连续运行实验表明系统对c o d 、氨氮有较高的处理效 率，而且出水无色无昧，无s s ，且未检出大肠杆菌。对反应器内及膜分离后出 水水质进行分析发现：系统最大c o d 去除率达9 9 2 ，平均c o d 去除率达 第一章绪论 9 38 ；有机物的去除大部分是在生物反应器内由生化降解去除，生物反应的平 均去除率达8 1 2 。膜分离截留部分c o d 占总平均去除率的1 2 5 。出水水质 指标远好于普通活性污泥法。膜的分离截留对于稳定系统出水起到了决定作用。 系统对氨氮的去除也是主要靠生物反应去除。系统最大氨氮去除率达9 8 7 ，平 均氨氮去除率达7 8 9 ，膜截留部分氨氮去除率占系统总平均去除率的1 0 9 。 杨造燕等l “l 研究了以一体式膜生物反应器为基础的剩余污泥产量最少或无剩余 污泥产生的最新的污水处理理论和技术。从维持微生物基本生命活动的物质转化 概念和细胞( 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。实验发现：膜生物反应器是一种可维持最低限度( 甚至 无) 剩余污泥产生的活性污泥方法。处理生活污水时，其必要的污泥负荷可低到 0 0 4 3 k g c o d ( k g 干污泥d ) ，将不产生剩余污泥，这一负荷比常规活性污泥的 负荷低近l o 倍，就是说膜生物反应器可使污泥浓度增加1 0 倍，而反应器容积不 增加。在传统活性污泥法中，尽管延时曝气系统可以达到这么低的污泥负荷，但 由于受二沉池水力条件影响，污泥浓度一般最大也不超过5 0 0 0 m g l ，所以要达 到这种极低污泥负荷则需要极大的曝气池容积，大大增加了处理造价。由于膜生 物反应器的污泥负荷极低，剩余污泥量外排极少( 或不排) ，0c 非常大( 甚至 趋于。) ，此时p 可趋于最小值ur a i n 那么对应的s s 。i ，所以膜生物反应器 处理后的水质理论上可以达到生物处理方法可降解的最低值。水质极好且稳定可 供多种用途的水回用。由于全部可降解物都矿化为c 0 2 和h 2 0 ，没有微生物的 增长( 无剩余污泥) ，因此对应的氧消耗量相对高一些，即能耗相对较高。但当 无需特别高的出水要求时，可以人为地控制剩余污泥量，维持反应器内所要求的 一定的高污泥浓度，此时能量消耗就会相应降低，所排的剩余污泥量与常规活性 污泥比较还是较少。生活污水中不可生物降解的物质较少，不排剩余污泥对膜生 物反应器系统影响不大，但当处理中有较多不可生物降解的物质或有毒物质时， 污泥中不可生物降解的物质( 惰性物质) 会在膜生物反应器中积累，剩余污泥排 放要适当增加。 杨磊口卅等人用外压一体化中空纤维超滤膜生物反应器( u m b r ) 进行了处理 生活污水的试验。结果表明，当水力停留时问( h r t ) 为5 h 、膜通量在4 4 2 1 1 0 l h 东华大学硕上学位论文 时，u m b r 对生活污水中c o d 、浊度、s s 的去除率分别可达9 0 、9 8 、1 0 0 ， 出水c o d 6 0 m g l 、浊度 3 、s s 为0 ，污泥质量浓度m l s s 、污泥负荷f r 、反 应器容积负荷f w 分别为6 2 k g m 3 、o 4 6 k g ( k d ) 、1 8 2 k g ( m 3 d ) 。初步探 讨了超滤膜的堵塞机理，通过杀菌清洗可使超滤膜通透能力恢复到新膜的9 7 以上。u m b r 出水浊度低，水质稳定，宜于回用。刘锐【5 4 1 进行的中试试验结果 表明：一体式好氧中空纤维膜生物反应器处理生活污水用于回用在技术和经济上 都是可行的。在不人为排泥的条件下，该系统连续运行1 1 0 多天没有洗膜。系统 出水稳定优质( c o d 3 0 m g l ，n h 3 _ n 。孓： 一m b rm l s s _ 1 一c a sm l s s + 一膜通量 。， 、 15 k g c o dr l l - 3d30 k g c o d m d50 k g c o dm 3 d 34 污泥镜检比较 t d 图3 7 污泥浓度和膜通量随时间的变化 彝 商 衄皿 。 目” | j 在实验过程中，对m b r 系统和c a s 工艺的污泥分别进行了镜检，以检测污 泥中的指示生物，考察污泥的活性和生长情况。 在试验的开始阶段，两系统中微生物均以鞭毛虫、变形虫等原生动物为主， 随着系统的运行，发现m b r 系统的污泥逐渐呈红色而c a s 工艺的污泥呈黄白 色，在显微镜下观察发现，此时c a s 工艺的污泥絮体主要以球菌和短杆菌为主， 并伴有钟虫、盖纤虫、累枝虫、瓢体虫等，而m b r 系统的污泥中菌属种类较多，并 伴有红斑瓢体虫、线虫、草履虫、轮虫、漫游虫等后生动物的出现，个体肥大且 活跃。先前所看到的m b r 系统的红色污泥，推测就是显微镜下看到的红斑瓢体 虫。两系统的菌胶团结构紧密，形成大的絮状颗粒，且均有表征系统运行良好的 钟虫等指示菌种的出现，表明两系统中污泥成熟，活性较强，出水水质较为稳定。 同时通过污泥沉降指标( s v 3 0 ) 来比较两系统内污泥的沉降性能。在3 0 m i n 内 体积沉降比s v 3 0 ( m b r ) 2 6 0 左右s v 3 0 ( c a s ) = 5 5 左右，两者的沉降性能均极 好，没有污泥膨胀等问题的发生。 第三阜膜生物反应器与传统活眭污泥法处理己内酰胺废水比较 35 m b r 系统和c a 8 系统产率系数与衰减系数髟的求解 通过对试验数据的分析，得出了m b r 系统和c a s 系统处理己内酰胺废水 的动力学参数，匕、k 。，并对其进行了分析例。 图3 8l 行扼衡舁不葸幽 对系统中的污泥进行物料平衡，如图3 - 8 所示，可用下式表示： 矿( t 蹦v v ) v = f ( a 岱x ) 一瓯肖。 ( 3 】) 式中v 反应器的有效容积，l ； 瓯剩余污泥量，l d ； ( 譬) 活性污泥的增殖速度，m ( l d ) ； 口r ( ! 警) 。反应器内活性污泥浓度随时间的变化，m e j ( l d ) 。 d r 两边除以试。，即得： 去( 警卜瓦l 。百d x o ) 一譬 t ，2 ) ( 3 2 ) 式右边第二项的倒数熹即为生物固体平均停留时间目c 。式( 3 2 ) 可改写 。 为： 瓦1 孑