（环境工程专业论文）膜生物反应器中污泥自消化技术及其机理研究.pdf

摘要 摘要 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 ) 是一种新型、高 效的污水处理工艺，m b r 因其抗负荷冲击能力强、出水水质好、运行维护简 单、污泥产率低等优点而在污水处理领域中具有强大的竞争力，受到许多专家的 青睐，已经在部分发达国家广泛的应用。 在膜生物反应器中，由于膜的高效截留作用，使到反应器中保持 着较高的污泥浓度( m l s s ) ，虽然剩余污泥产率低，但系统一旦运行时 间长，就很容易导致反应器中m l s s 过高，加剧了膜污染的速率。目 前关于降低m b r 中污泥产率的技术有通过控制运行条件( 污泥泥龄、 曝气量) 以及物理的、化学的剩余污泥减量法等。这些方法在一定程 度上能促进污泥的消化，降低污泥产率，但由于这些方法都存在着一 定的缺陷，这限制着它们的推广运用。研究了在膜生物反应器中通过 投加中空填料来提高反应器中污泥自消化能力的新技术，整个实验 运行了9 8 d 。实验表明，在整个实验过程中污泥浓度基本维持在4 5 0 0m g l 左右，最低为3 8 0 0 m g l ，最高为6 2 0 0 m g l ，平均值为4 6 1 5 m g l ，体现出填料 型膜生物反应器具有高效的污泥自消化能力。研究同时表明，填料型反应器对有 机物的去除效果要比普通的膜生物反应器好，对c o d 的平均去除率为9 6 1 2 ， 对氨氮的平均去除率为8 7 2 7 ，对t p 的平均去除率为5 5 8 0 ，出水水质良好， 可见填料型膜生物反应器技术具有一定的研究价值及一定的发展潜力。 关键词：膜生物反应器，填料，膜污染，生物相 广东工业大学硕士学位论文 a bs t r a c t m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m a r ) i san e w , e f f i c i e n tw a s t e - w a t e rt r e a t m e n t ，m b rh a s as t r o n gc o m p e t i t i v ei ns e w a g et r e a t m e n tf i e l da n dt a k e sm a n ye x p e r t s sv i e w sf o ri t s a n t i - s h o c kl o a dc a p a b i l i t y ，g o o do u t f l o w , s i m p l eo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，a n dl o w y i e l do fs l u d g e ，a n dh a sb e e nw i d e l yu s e di nd e v e l o p e dc o t m t r i e s m l s si sh i g hi nt h em b r ，b e c a u s et h er o l eo fh i g h - p e r f o r m a n c em e m b r a n e r e t e n t i o n a l t h o u g hy i e l do fs l u d g ei sl o wi nm b r , t h em l s s w i l lh eh i g h e rw h e nt h e s y s t e mw o r k sf o ral o n gt i m e ，w h i c ha g g r a v a t e sm e m b r a n ef o u l i n g c u r r e n t l y , t o r e d u c et h ey i e l do fs l u d g ei nm b r b yc o n t r o l l i n gt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ( s l u d g e a g e 、a i rs u p p l y ) a n dt h et e c h n o l o g i e so f p h y s i c a l 、c h e m i c a ls l u d g er e d u c t i o ne t c ，t o s o m ee x t e n t ，i tc a np r o m o t et h es l u d g ed i g e s t i o na n dr e d u c et h ey i e l do fs l u d g e ，b u t t h e r ea r es o m ed e f e c t si nt h e s ew a y st h a tr e s t r i c tt h e s ew a y st oh ew i d e l yu s e d s t u d y t h en e wt e c h n o l o g yo fi n c r e a s i n gt h ec a p a b i l i t yo fs l u d g ed i g e s t sb yt h r o w i n ga c a n u l a t ep a d d i n gi n t ot h em b r , a n dt h es t u d yr u n sf o r9 8d t h es t u d yi n d i c a t e st h a t m l s si sa r o u n d4 5 0 0 m g l , t h el o w e s tm l s si s3 8 0 0 m e 班, t h eh i g h e s tm l s si s 6 2 0 0 r n g la n dt h ea v e r a g em l s si s4 6 15 m g l ，w h i c hs h o w st h em e c h a n i s mo ff i l l e r m b rh a sah i g hc a p a c i t yt or e d u c et h es l u d g e t h es t u d ya l s oi n d i c a t e st h a tt h e m e c h a n i s mo ff i l l e rm b rh a sab e t t e rr e m o v a lo fo r g a n i cm a t t e rt h a nt h eg e n e r a l m b r ，t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo fc o di s9 6 1 2 ，t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo f n h 4 + - ni s8 7 2 7 ，t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo ft pi s5 5 8 0 ，t h eo u t f l o wi sg o o d ， w h i c hi n d i c a t e st h a tt h ef i l g m e m b r a n eb i o r e a c t o rt e c h n o l o g yh a sav a l u eo fr e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n tp o t e n t i a l k e y w o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，s t u n ；m e m b r a n ef o u l i n g ，m i c r o b i a lc o m m u n i 广东工业大学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究以及所取得的成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表的或撰写过的研究成果，不包含 本人或其他用途使用过的成果。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，并表示谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下所取得的， 论文成果归广东工业大学所有。 申请学位与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 论文作者签字： 二o o 八年五月一日 第一章绪论 第一章绪论弟一早硒y 匕 1 1 膜生物反应器污水处理工艺 1 1 1m b r 的简介 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，简称m b r ) ，是由膜分离技术和生物处 理技术结合而成的一种新型、高效的污水处理技术。2 0 世纪6 0 年代，在美国开 展了早期的膜与活性污泥法结合处理生活污水的研究。随即引起了广大研究者的 兴趣。早期m b r 的研究主要集中在工艺的处理效果上，但同时，研究者也发现了 膜的污染问题。由于当时膜组件制造水平不高，膜的寿命不长，限制了m b r 技 术在实际工程中的推广应用。进入2 0 世纪8 0 年代以后，随着膜材料的开发、 膜制造技术的进步和膜清洗方法的改进，膜生物反应器的研究有了进一步发展， m b r 更具有实用价值。膜生物反应器技术在2 0 世纪末得到了迅速的发展，膜生 物反应器以其处理效率高，效果好，占地面积小，控制方便等优点，吸引了大量研 究者的兴趣，其在废水处理中的应用领域和规模的不断扩大。膜分离技术最早应 用于微生物发酵工业，随着膜材料和制膜技术的发展，其应用领域不断扩大，已经 涉及到化工、电子、轻工、纺织、冶金、食品、石油化工和污水处理等多个领域 【1 】。膜生物反应器主要是由膜组件和生物反应器两部分组成。根据膜组件与生物 反应器的组合方式可将膜生物反应器分为以下三种类型：分置式膜生物反应器、 一体式膜生物反应器和复合式膜生物反应器。 1 1 2m b r 分离的基本原理 m b r 膜组件主要有微滤、超滤、纳滤和反渗透。 ( 1 ) 微滤微滤又称精过滤，其基本原理属于筛网状过滤，所分离的料液组分直 径为o 0 3 1 5 微米，在压差作用下，小于膜孔的粒子通过滤膜，大于滤孔的粒子 被截留到膜上，从而实现不同组分的分离。 ( 2 ) 超滤超滤主要为筛分机理，溶液凭借外界压力的作用，以一定流速在具有 一定孔径的超滤膜面上流动，溶液中的无机离子、低分子物质透过膜表面，溶液 中的高分子物质、胶体微粒、热原质及细菌等被截留下来，从而达到分离和浓缩 广东工业大学硕士学位论文 的目的。 ( 3 ) 纳滤纳滤与超滤类似，也属于压力驱动型膜过程，但传质机理却与之不同。 一般认为，超滤膜由于孔径较大，传质过程主要是孔径筛分形式。而大部分纳滤 膜为荷电膜，即纳滤膜的行为与其荷电性能以及溶液的荷电状态和相互作用都有 关。纳滤膜本身带有电荷，通过静电相互作用，阻碍多价离子的渗透，所以能在 很低压力下具有较高脱盐率。 ( 4 ) 反渗透反渗透膜的透过机理，一般认为是选择性吸附毛细管扩散机理， 即认为反渗透膜是一种多孔性膜，具有良好的化学性质，当溶液与这种膜接触时， 由于界面现象和吸附作用，对于优先吸附在界面上的水以水流的形式通过膜的毛 细管并被连续地排除。所以反渗透过程是界面现象和压力下流体通过毛细管的综 合结果。 1 1 3m b r 工艺的特点 v 9 3 r 工艺特点膜生物处理技术应用于废水再生利用方面，具有以下几个特 点： 能高效地进行固液分离，将废水中的悬浮物质、胶体物质、生物单元流 失的微生物菌群与已净化的水分开。分离工艺简单，占地面积小，出水水质好， 一般不须经三级处理即可回用。 可使生物处理单元内生物量维持在高浓度，使容积负荷大大提高，同时 膜分离的高效性，使处理单元水力停留时间大大的缩短，生物反应器的占地面积 相应减少。 由于可防止各种微生物菌群的流失，有利于生长速度缓慢的细菌( 硝化 细菌等) 的生长，从而使系统中各种代谢过程顺利进行。 使一些大分子难降解有机物的停留时间变长，有利于它们的分解。 膜处理技术与其它的过滤分离技术一样，在长期的运转过程中，膜作为 一种过滤介质堵塞，膜的通过水量运转时间而逐渐下降有效的反冲洗和化学清洗 可减缓膜通量的下降，维持 v 9 3 r 系统的有效使用寿命。 m b r 技术应用在城市污水处理中，由于其工艺简单，操作方便，可以实 现全自动运行管理。 2 第一章绪论 1 1 4m b r 工艺在实际应用现状及问题 ( 1 ) m b r 工艺在实际应用现状 目前膜生物反应器应用较多的是日本，英、美、法等国也逐渐开始使用1 2 1 。 如：日本用其进行生活污水的处理，净化水作为中水回用；法国有人将其用于给水 脱氮的处理；美国用m b r 进行含油废水处理；英国用隔离式m b r 进行有毒工业废 水的处理等。当前，m b r 工艺正在快步前进，全世界投入运行或在建的m b r 系统已超过2 5 0 0 套f 3 1 。已投入运行的规模最大的m b r 污水处理工程是位于德 国的k a a r s t 市的n o r d k a n a l 污水处理厂，设计平均流量为4 5 0 0 0m 3 d ( 峰值流量 为5 0 0 0 0m 3 d ) 。在建规模最大的是位于美国w a s h i n g t o n 的b r i g h w a t e r 污水处理 厂，设计平均流量为1 1 7 0 0 0 m 3 d ( 峰值流量为1 4 4 0 0 0 m 3 d ) ，预计将于2 0 1 0 年 投入使用。 国内对m b r 的研究仅十余年，但发展十分迅速。1 9 9 1 年1 0 月，岑运华4 1 介绍了m b r 在日本的研究状况，1 9 9 3 年以后，许多高校与研究所加入了m b r 的开发研究工作嗍。国内对m b r 的研究大致可分为三个方面： 探索不同生物处理工艺与膜分离单元的组合形式，生物反应处理工艺从活性 污泥法扩展到接触氧化法，生物膜法，活性污泥与生物膜相结合的复合式工艺， 两相厌氧工艺等； 一 影响处理效果与膜污染的因素，机理及数学模型的研究，探求合适的操作条 件与工艺参数，尽可能减轻膜污染，提高膜组件的处理能了和运行稳定性； 扩大m b r 的应用范围，m b r 的研究对象从生活污水扩展到高浓度有机废水 ( 食品废水，啤酒废水) 与难降解工业废水( 石化污水，印染废水等) ，但以生 活污水的处理为主。 目前，m b r 在我国也有一些应用实例，如：北京密云污水处理厂再生水回 用工程( 设计规模4 5 万m 3 d ，其中3 6 万m 3 d 已于2 0 0 6 年6 月2 3 日投入运行， 主体工艺为内置式m b r ，出水回用于景观水体) ；北京高碑店污水处理厂m b r 中水工程；北京4 0 2 医院m b r 污水处理工程；北京海淀温泉镇m b r 回用工程； 3 广东工业大学硕士学位论文 北京顺义汇联食品有限公司m b r 污水处理工程：徐州卷烟厂污水处理站( 设计 规模2 0 0 0 m 3 d ，主体工艺为外置式m b r - - r o ，出水回用于锅炉补给水和空调循 环冷却水) 等。 ( 2 )n b r 工艺在实际应用中的问题 膜生物反应器虽然有许多传统工艺无法比拟的优点，但是在实际应用中也存 在一些不足之处，主要表现在以下三个方面2 1 ： 膜造价较高，使得膜生物反应器的基建投资较高 据使用厂家反映，国产反渗透膜的质量较差，使用初期效果尚可，经反冲洗后脱 盐效率明显下降，所以绝大多数厂家都选用进口反渗透膜。据统计，我国每年要花 费1 0 2 0 亿元以上的人民币进口美国反渗透膜材料和膜装备，其中膜片和组件的 进口额约为4 - - 6 亿人民币。 反渗透技术是膜分离技术领域中投资高、难度大的一项技术，我国在该领域 与国外的差距是综合性差距，即在技术、装备和原料方面均存在较大的差距，因此 要在短时间内通过提高国产化水平来降低膜造价是很困难的。 能耗是制约m b r 推广的主要因素 在用于处理污水的m b r 中通常都维持较高的m l s s ( 8 , - 一1 2 9 l ) 浓度，这就容 易导致氧传递率的降低，从而使运行能耗变大。要维持较好的氧传递率和降低能 耗，应从以下两方面出发：一是合理选择曝气及混合装置，使混合液有较高的紊动； 二是调节运行参数，使生物保持良好的生长状态。在固液分离或膜生物反应器的 运行中，为了维持稳定的透水率，膜面流速一般大于2 m s ，这就需要较高的循环水 量，造成较高的单位产水能耗。 容易出现膜污染，给操作管理带来不便，加大了运行费用 膜污染问题是m b r 运行中的重大问题，同时也是国内外研究者面临的主要 问题。膜污染是指因膜存在着物理、化学作用或机械作用，使得料液中的微粒、 胶体粒子或溶质大分子被膜面面孔吸附而沉积在膜表面，造成膜孔径变小或堵塞， 使膜产生透过流量与分离特性不可逆变化的现象。膜污染不但使m b r 无法正常 运行，还使膜的使用寿命缩短，使m b r 的经济费用加大。各种资料表明，影响膜污 染的主要因素是：膜的性质、料液性质和膜分离操作条件。 4 第一苹绪论 ii 鼍暑暑詈昌皇篁皇皇 1 1 5 膜污染的影响因素及其控制 膜分离强化了传统活性污泥的处理能力，但膜本身存在一个不容忽视的问题， 即膜污染问题。膜污染主要有膜表面覆盖污染和膜孔内阻塞污染两种形式。膜表 面污染层大致呈双层结构，上层为较大颗粒的松散层，紧贴于膜面的是小颗粒的细 腻层，一般情况下，松散层尚不足以表现出对膜性能产生较大的影响，在水剪切力 的作用下可以冲洗掉，而附于膜表面上细腻层则对膜性能正常发挥产生较大的影 响。因为该污染层的存在，有大量的膜孔被覆盖，而且，该层内的微粒及其他杂质之 间长时间的相互作用极易凝胶成滤饼，增加了透水阻力。膜孔堵塞是指细微粒子 塞入膜孔内，或者膜孔内壁因吸附蛋白质等杂质形成沉淀而使膜孔变小或者完全 堵塞，这种现象的产生，一般是不可逆过程。 在m b r 运行工艺中，造成膜污染的因素主要是：膜本身的性质、m l s s 和污泥 组成、m b r 运行条件，三者相互影响 e l 。 膜污染的控制方法有气、水或气水混合反冲洗；化学清洗；膜材料的改性；膜组 件的优化设计；临界膜通量控制；水动力学控制；空气喷射和活塞流。 1 1 6 膜污染的控制 膜清洗一般分为物理清洗和化学清洗。物理清洗一般指人工清洗和水力清 洗，如用高流速水冲洗、海棉机械擦洗、清水或清水与空气混合流体进行反冲洗 和反向脉冲冲洗等；化学清洗主要借助化学试剂的反应、溶解、乳化、分散、吸 附作用清除膜污染。采用的试剂有次氯酸钠、稀碱、稀酸、表面活性剂、氧化剂、 酶、螯合剂等。为了取得理想的清洗效果，在实际应用中，往往采用多种清洗方 式的组合对膜进行清洗。 1 1 7m b r 的研究展望 与传统生物处理方法相比，膜生物反应器优势明显，并不断得到发展和应用。但 许多研究和工程实践也发现该技术存在一些不足，未来膜生物反应器研发的要点 可考虑以下方面： ( 1 ) 膜污染机理及防治的理论研究。加强这方面的理论研究是实现我国m b r 技 术赶超世界先进水平的必要准备。 ( 2 ) l v i b r 专用的膜材料开发。对污泥混合液有抗污染能力，对酸、碱清洗具有化 5 广东工业大学硕士学位论文 学稳定性及一定机械强度的廉价膜材料开发；膜组件的清洗手段探讨等。 ( 3 ) m b r 工艺改进。包括提高其脱氮、除磷性能的研究；氧传质及能耗降低措施 和技术研究；污泥停留时间优化研究以及污泥产率、污泥减量处理研究等。 ( 4 ) m b r 设计技术的标准化。目前国内外m b r 工艺设计尚未见有成熟、系统 的方法，建立一套合理的设计标准也是急需解决的课题之一。 ( 5 ) m b r 工艺专用设备的研发。m b r 工艺应用中涉及一些专用设备，如在线反 洗控制系统、特殊形式的膜组件等，建立这些设备的技术规范、提高设备的 性能及制造水平也是m b r 工艺应用所要面临的问题 1 2 国内外膜生物反应器中污泥消化的研究 目前，国内外关于m b r 中污泥消化技术的报道鲜有见闻，主要有通过控制 运行条件( 污泥泥龄、水力条件) 以及物理的、化学的剩余污泥减量技术等。 1 2 1 通过控制运行条件实现污泥消化 通过延长m b r 中的污泥泥龄( s r t ) 及控制水力条件都能达到减少污泥产率的 效果。因s r t 较长，m b r 中污泥浓度高，营养相对缺乏，使一部分污泥进行内源呼吸 而死亡被其它微生物所利用，达到减少污泥产率的目的；利用m b r 中错流流速所 引起的剪切力对细胞的破壁作用，杀死部分微生物，同样能起到减少污泥产率的效 果。 c h x i n g 等人及s e o n g h o o ny o o n a 等人【7 ，8 1 的实验研究都表明了通过延长 m b r 中的s r t ，能够降低剩余污泥量；k i m e t a l 9 】通过实验发现借助强大的机械剪 切力，可以降低剩余污泥量。 通过控制m b r 的运行条件来虽然在一定程度上能降低污泥产率，但其存在着 一定的缺陷。k y u n g g u e ns o n g 1 0 1 等人认为虽然长的s i 玎能降低污泥产率，但不能 很好的减少整个系统的剩余污泥；杨小丽【l l 】等认为剪切力破坏了污泥絮体，增加 了溶解性物质的浓度和混合液的浓度，加剧了膜污染，同时s e o n g h o o ny 0 0 n 【1 2 】 认为借助强大的机械剪切力降低剩余污泥量的技术实际上是不可行的。 1 2 2 物理化学法污泥消化技术 将m b r 中部分污泥通过化学( 0 3 、酸碱) 物理、( 超声波) 地处理后，再回流到 m b r 中，能达到降低污泥产率的目的。因0 3 、酸碱及超声波对细胞壁有溶解作 6 第一章绪论 用，使到污泥细胞破裂，细胞质溶解到溶液中，为其它微生物所利用，从而减少了微 生物量。 s h e n g - b i n gh e 【1 3 】等人与k y u l l g - g u e ns o n g 1 0 1 等人的研究都发现了在m b r 中回 流部分0 3 处理过的污泥能有效的减低剩余污泥量；y 0 u n g k h e eo h , a t “】等人研究发 现将碱和0 3 结合处理部分污泥再回流到m b r 中，不仅能有效地减少剩余污泥量， 而且0 3 的投加量比单独投加时要节约6 0 ；s e o n g h o o ny c ，o n 【1 5 】等人研究表明， m b r 中回流部分超声波处理过的污泥，能够实现剩余污泥零产率。 在m b r 中回流部分经物理化学处理过的污泥技术虽然能较好地降低污泥产 率，但也存在一定的缺陷。系统中增加了回流步骤使工艺复杂化及投资费用增加、 0 3 存在成本耐1 6 】及投加量过多时会增加溶液中的胞外聚合物( e p s ) 反而加剧了膜 污染旧等缺点；强碱存在腐蚀反应器的缺点【1 8 1 ；超声波存在超声效率低，参数优化， 反应器优化等问题1 9 】，这些都制约了此技术的推广。如何找出一种更有效、更经 济、更环保的污泥消化新技术，使到在不排泥进行处理、不外加能量及药剂的情 况下，降低m b r 中m l s s ，延缓膜污染速率显得非常重要，因此产生了m b r 中污 泥自消化技术。 1 2 3 微型动物捕食的污泥自消化技术 食物链中能量从低级传递到高级过程中，能量是逐级减少，减少的能量以c 0 2 及h 0 2 的形式排放到环境中，减少了合成新生物的量。因此，可以通过延长食物链 或强化食物链中微型动物的捕食消化作用，在m b r 中，培养适量的微型动物，如蠕 虫、纤毛虫等，通过此类微型动物对低级微生物的捕食消化作用，可以实现m b r 中 污泥的自消化。 w o u t e rg h y o o t l 2 0 】等人通过同时运行两段式的c a s 与两段式的m b r , 以比较 此两种技术处理人工合成污水的效能。实验结果表明，系统中的微型动物能有效 地降低污泥产率，在处理同样的污水情况下，m b r 中污泥产率要比c a s 中污泥产 率低2 0 - 3 0 。魏源送【2 1 】等人比较了蠕虫在m b r 和活性污泥化( c a s ) 的生长 状况及其导致污泥减量效果。实验过程发现：实验结果表明蠕虫能够通过捕食老 化的污泥及活性污泥来减少污泥量，但m b r 中蠕虫生长不稳定。刘宏波【2 2 1 等人将 自生动态膜生物反应器与生态调控技术相结合，研究m b r 中蠕虫对污泥减量的 影响。实验结果表明：在m b r 中，蠕虫的存在能有效地控制污泥浓度，m b r 中 7 广东工业大学硕士学位论文 存在一个动态平衡的m l s s 浓度，m l s s 浓度基本保持在4 0 0 0 m g l 左右，老化的 污泥及部分活性污泥被蠕虫所消化，而蠕虫死亡后又被活性污泥所利用，实现污泥 的零排放。 w o u t e rg h y o o t 、魏源送及刘宏波等人的研究都表明了利用微型动物的捕食作 用能有效的降低m b r 中污泥的产率，防止反应器中m l s s 的波动过大，但是，利用 微型动物捕食污泥的技术存在着一定的不足。两段式的m b r 虽然能够有效降低 剩余污泥的产率，实现剩余污泥的零排放，但m b r 中微型动物对硝化细菌有约 束作用、m b r 中容易出现了溶解性有机物的积累【2 0 1 ，同时，此技术需建设两个 反应池，这增加了基建投资及日常运行费用。蠕虫型的m b r 技术虽能有效地降 低剩余污泥产率，但由于蠕虫在m b r 中生长情况不佳、需人工进行投加蠕虫， 这增加了此技术正常运行的难度，同时蠕虫密度过低对m b r 中污泥产率和污泥 沉降性能的影响较d x ( 2 1 1 及蠕虫密度过高会影响出水浊度f 2 2 1 ，这些缺点都限制了蠕 虫型m b r 技术的发展。因此，寻找更有效、更经济、更稳定的污泥自消化技术 势在必行。 1 3 本课题目的与意义 膜生物反应器( m a r ) 因其出水水质好，运行维护简单，剩余污泥产率低等优点 而具有广阔的发展前景，其处理工厂水量以每年2 0 的速度增长【2 3 1 ，逐步取代传 统的活性污泥法( c a s ) 。但是m b r 中存在了膜污染问题，制约了m b r 技术的推 广运用。 膜污染缩短了膜的使用寿命口4 1 ，导致更换膜频繁，投资成本升高，同时，膜污染 还造成曝气量及抽吸水头的增加，使到运行成本增加【2 5 】，这些都限制了m b r 技术 的推广运用。 造成膜污染的因素有水力条件、膜组件设计、膜材料、污泥的物化性质以及 操作条件和环境条件口6 1 。梁红英口7 1 等发现污泥特性直接影响膜的生物污染，主要 包括混合液悬浮固体浓度( m e s s ) 粘度及胞外聚合物( e p s ) 等；a l f i e r ip o l l i c e 2 8 1 等 和封剩2 9 】等分别研究表明随着活性污泥浓度( m e s s ) 增加，膜通量降低，膜污染加 剧；杨小丽等f l l 】研究表明污泥浓度过高或过低都会使膜污染速率加快。大量研究 表明m l s s 对膜污染具有很大影响，因此，如何减少m b r 中的剩余污泥，维持m b r 中适当的m l s s 以减少膜污染，对于m b r 技术的推广运用具有重要的意义。 第一章绪论 本课题是通过观察填料型膜生物反应器( 复合式膜生物反应器) 中污泥增殖 情况及其中生物相的变化情况，以及剩余污泥的自消化，从而找出一种有效而经 济的减少m b r 中的剩余污泥，实现污泥零产量，减缓膜污染的方法。 1 4 本课题拟采用的研究思路 污泥厌氧消化是一种非常有效的污泥稳定化处理工艺，能够实现污泥的减量 化、无害化、和资源化的目标【3 们。污泥厌氧消化是一个多极过程，在这个过程中 微生物分解各种类型的有机物为简单的有机物，并通过其他微生物转变成更简单 的有机化合物 c o , ，h ：0 ，c h 。和h ：s ，从而实现污泥减量的目的，它目前是国际 上最为常用的污泥生物处理方法【3 1 1 。 因此，在m b r 中可以引进传统的污泥厌氧技术，即通过设置局部的厌氧区域， 使在生物处理有机物的同时部分污泥进行厌氧消化，达到减少剩余污泥的目的， 以提高m b r 中污泥自消化能力。 从理论上讲，在底部设置厌氧区实现剩余污泥的自消化具有可行性。南方天 气比较温暖，不需要加热，m b r 中温度基本能满足中温消化( 3 0 c 3 6 ) 要求； m b r 中较长的固体停留时间s r t , 满足了污泥厌氧消化需要比较长周期的要求；底 部进水，可以为厌氧污泥提供搅拌的动力；厌氧环境，促进了放磷菌的生长繁殖，增 加了溶液中磷的释放，可以解决m b r 中t p 去除率较低的问题。 在m b r 中增设中空的填料来实现局部的厌氧环境，可以提高m b r 中污泥的 自消化能力。将内部织有若干张线网并在上下底面各留有一小的进出水口的中空 圆柱形泡沫填料投加到m r 中，因加入填料的进出水口相对内部的体积来说要 小得多，使到氧很难传递到填料的内部，填料内部形成厌氧环境，内部污泥进行厌 氧消化，加上线网的存在，为污泥提供了附着场所，增加了污泥浓度，有利于污泥的 厌氧消化，促进了r 中污泥的自消化；此外，吸附在填料外层的微生物，在填料上 进行生长繁殖，形成生物膜，随着生物膜厚度的增加，氧在生物层中的传递速率逐 步减小，最终传递不到内层，内层处于厌氧状态，加上养料早就在外层被消耗掉，内 层的微生物因得不到氧及养料而进行了内源消耗，最终失去活性及吸附性，脱落到 溶液中，被活性污泥所利用，减少了污泥量；同时，生物膜的存在，促进了微型动物的 生长，加强了微型动物的捕食作用，减少了剩余污泥量。尤朝阳【3 2 1 等在研究了投加 9 广东工业大学硕士学位论文 填料的m b r 处理的效能的同时，发现了在m b r 中投放多孔泡沫填料可增加固定 的生物量而降低了污泥的浓度。 m b r 中通过设置局部的厌氧区域来促进污泥自消化，在无需外加能量或药剂 的情况下能有效地降低剩余污泥产率，防止m b r 中m l s s 过高，能有效地控制膜污 染，从而节省运行费用，且无二次污染，是一项更有效的、更经济的、更环保、 更稳定的污泥减量化新技术。同时，由于在反应器中存在着厌氧的区域，这有利 于氨氮的反消化过程及总磷的放磷过程，可能有利于氨氮和总磷的去除效果。 l o 第二章实验部分 第二章实验部分 2 1 实验目的及装置图 2 1 1 实验目的 ( 1 ) 在膜生物反应器中引进污泥的厌氧消化技术以增强m b r 中污泥的消化能 力，即在m b r 中添加中空的填料以设置厌氧区域，让一部分污泥在生物处理有 机物的同时进行厌氧消化，达到降低污泥产率、减缓膜污染的目的 ( 2 ) 研究填料型膜生物反应器对c o d 、t p 、氨氮等指标的去除效果及其对膜污染 的延缓效果；同时研究各个指标的去除规律，以找出更好的去除方法。 ( 3 ) 通过观察整个实验过程中生物相变化情况，找出生物相与各个指标去除效 率之间的联系。 2 1 2 实验装置图 9 l 储水箱2 、3 恒流水泵4 鼓风机6 中空纤维膜7 、8 填料9 出水箱 本实验所用的填料为中空内织线网的泡沫塑料( 如下图2 - i ) ，留有- - d , 的进、 出水口的中空填料，将填料内部用细线织成一张或若干张线网，填料内部的体积 约为0 1 2 l ，用细线一端系着填料另一端系在m b r 的底部，在反应时填料能悬浮 在液体中。由于氧气难以进入填料内部，填料就成了一个小型的“污泥厌氧消化 池 ，污泥可以在其中进行中温厌氧消化。另一方面，由于污泥对废水的好氧处 r 东i 业太学硕士学位论文 理会产生一定量的污泥，从而使得反应器中的污泥浓度稳定在定的范围内，以 实现从污泥的零增殖，从而能有效的延缓膜污染的速率。 22 实验仪器设备与药品 221 实验仪器设备 图2 1 填料 r f i g2 - ls t u f f i n g ) 第二章实验部分 表2 - 1 仪器和设备一览表 ( t a b 2 1 a p p a r a t u sa n de q u i p m e n t ) 仪器设备名称生产单位用途 2 2 2 中空纤维膜的参数 膜组件采用天津膜天膜有限公司生产的中空纤维膜，膜材质为聚偏氟乙烯 ( p v d f ) ，产品型号：m o f - 5 0 3 ，膜孔径0 2um ，长度( 折叠) 1 5 c m ，p h 范围：2 1 0 ，操作压力o 1 5 m p a 两个膜生物反应器的膜的膜面积保持一致，膜的表面积 为0 2 m 2 ，共两个。 膜材料：聚偏氟乙烯( p v d f ) 是一种新型的氟碳热塑性塑料，其结晶熔点为 1 7 0 0 。c ，适用温度范围为1 5 - - 1 0 0 c 。它有较好的耐气候性和化学稳定性，室温 下不受酸、碱等强氧化剂和卤素腐蚀。 膜组件形状为u 型膜组件，u 型两端用树脂固定在一起作为出水端，与集水 管相连。两个膜的膜表面均为疏水性。两个反应器采用了两个完全相同的中空纤 1 3 广东工业大学硕士学位论文 维膜，两个膜的内径均为d 内= o 5 m m ，外径均为d 外= o 8 r m 。 2 2 3 主要实验药品 药品一览( 见表2 - 2 ) 表2 - 2 实验所用药品一览 ( t a b 2 2 e x p e r i m e n t a ld r u g s ) 1 4 第二章实验部分 2 3 污泥的培养与驯化 实验用的污泥取自广州市沥溶污水处理厂好氧池回流污泥。采用接种培养法 进行污泥的培养和驯化。取污泥进行培养和驯化，每天培养三个周期，曝气6 5 h 静置1 5 h ，每天换水一次。污泥培养初期( 第1 3 天) 每天加营养液两次，营养液配 方如表2 3 ；驯化中期( 第4 _ 8 天) ，将模拟城市污水与营养液按照由小到大的比例添 加到污泥中，使污泥慢慢适应人工废水环境；n 写i i 化后期( 第9 - 1 0 天) ，培养污泥所用 污水，均是人工污水。整个驯化过程为1 0 天，经驯化过的污泥沉降性能良好，对 实验环境适应能力强。在培养过程中，温度控制在2 0 c 2 5 c ，曝气4 5 个小时，静置 1 5 个小时，d o 控制在2 - 4 m g l 之间，p h 值在6 5 7 2 之间，每天排出2 3 的上清液。 经过培养后，污泥浓度有了明显的提高，从开始的4 5 0 0 m g l 左右上升至l j 7 0 0 0 m g l 以上，此时污泥己经达到基本成熟的状况，具有良好的絮凝沉降性能，混合液 3 0 m i n 沉降比在5 0 左右，s v i = 7 1 左右，此时，上清液出水比较清澈，c o d 在5 0 m g l 左右。镜检观察到污泥上的微生物有固着型纤毛虫( 如钟虫、累枝虫) 、游泳型 纤毛虫( 如斜管虫、盾纤虫) 以及扫除生物( 如轮虫、线虫) 等。固着型和游泳 型纤毛虫吸附废水中的大分子有机物，将其水解为小分子有机物，同时吸收溶解 性有机物和经水解的水分子有机物进入体内，从而起促进反应器净化速度，提高 反应器整体的处理效率的功能；而扫除生物能够吞食老化的生物和游离细菌，起 去除反应器内的污泥、防止污泥积聚和堵塞的功能，通过以上微生物化学和吞食 作用，废水得到净化。 表2 3 营养液配方 ( t a b 2 3n u t r i e n ts o l u t i o nf o r m u l a ) 2 4 实验方法与步骤 2 4 1 实验方法 本实验采取自行设计的膜生物反应器，其有效容积为9 l 。实验用污泥取自 广州市沥涪城市污水处理厂：废水采用人工模拟生活污水来配制。反应器底部预 广东工业大学硕士学位论文 设两个曝气头( 规格：排气量为7 2 l r n i n ，压力为o 0 1 2 m p a ) ，反应器上部放置 中空纤维膜组件，膜面积为0 5 m 2 ，膜孔径0 2 1 t m ，材料为聚偏氟乙烯( p v d f ) ， 两组中空填料分别系在两个曝气头正上方。将膜组件浸入生物反应器中，构成了 一个一体式膜生物反应器；另外系统进出水均用微电脑全自动控制，水力停留时 间( h r t ) 控制在8 个小时左右。 生物反应器：反应器外形为矩形，由有机玻璃制成，有效容积均为9 l ，长为 2 6 c m 、宽为1 6 c m 、高为2 2 c m 。 运行条件：环境温度2 5 - 3 0 c ，d o 控制在3 - 5 m g l ，p h 值在6 5 - 7 2 之间。 运行方式：采用s b r 方式运行，h r t 为8 h ，具体如下： 进水：0 7 ：4 2 0 8 ：1 2 曝气：0 7 4 2 0 9 ：3 0 出水：0 9 ：3 0 1 0 ：0 6 进水：1 0 ：0 6 1 0 ：3 6 曝气：1 0 0 6 1 l ：5 4 出水：1 1 ：5 4 1 2 ：3 0 进水：1 2 ：3 0 1 3 ：0 0 曝气：1 2 - 3 0 1 4 ：1 8 出水：1 4 ：1 8 1 4 ：5 4 进水：1 4 - 5 4 1 5 ：2 4 曝气：1 4 5 4 1 6 ：4 2 出水：1 6 ：4 2 1 7 ：1 8 进水：1 7 ：1 8 1 7 ：4 8 曝气：1 7 ：1 8 1 9 ：0 6 出水：1 9 0 6 1 9 ：4 2 进水：1 9 4 2 2 0 ：2 2 曝气：1 9 4 2 2 1 ：3 0 出水：2 1 ：3 0 一2 2 ：0 6 进水：2 2 ：0 6 2 2 ：3 6 曝气：2 2 - 0 6 2 3 ：5 4 1 6 第二章实验部分 出水：2 3 ：5 4 0 0 ：3 0 进水：0 0 3 0 0 1 ：0 0 曝气：0 0 - 3 0 0 2 ：1 8 出水：0 2 - 1 8 0 2 ：5 4 进水：0 2 5 4 0 3 ：2 4 曝气：0 2 - 5 4 0 4 ：4 2 出水：0 4 4 2 0 5 ：1 8 进水：0 5 ：1 8 0 5 ：4 8 曝气：0 5 - 1 8 0 7 ：0 6 出水：0 7 - 0 6 0 7 ：4 2 整个实验期间采用间歇出水，进水时停止曝气及出水，进水时开始曝气。 每天监测各项出水指标一至两次，每次取样为出水时的瞬时采样。整个实验过程 所用的污水均采用人工配制，用自来水加葡萄糖、磷酸二氢钾、碳酸氢铵等模拟 生活污水，水质情况见下表 表2 4 实验进水水质 ( t a b 2 - 4 e x p e r i m e n t a li n f l u e n tw a t e rq u a l i t y ) 水温 c o d r a gol - 1氨氮m g oz - 1 t p m g 1 7 1p h 2 5 3 52 5 0 4 2 0lo 2 20 6 - 3 5 6 8 - 7 2 2 4 2 实验步骤 ( 1 ) 取污泥进行培养和驯化，初期( 第1 3 天) 采用营养液进行驯化；驯化中期( 第 4 8 天) ，在营养液中按一定比例逐渐加入自配的人工污水，使污泥慢慢适应人工环 境；n n 化后期( 第9 1 0 天) ，培养污泥所用污水，均是人工污水。整含驯化过程为1 0 天，经驯化过的污泥沉降性能良好，对实验环境适应能力强。在培养过程中，温 度控制在2 0 c 2 5 c ，曝气4 5 个小时，静置1 5 个小时，d o 控制在2 - 4 m g l 之间，p h 值在6 5 7 2 之间，每天排出2 1 3 的上清液。经过培养后，污泥浓度有了明显的提高， 从开始的4 5 0 0 m g l 左右上升到7 0 0 0 吼以上，此时污泥已经达到基本成熟的状 况，具有良好的絮凝沉降性能，混合液3 0 m i n 沉降比在5 0 左右，s v i = 7 1 左右，此 时，上清液出水比较清澈，c o d 在5 0 m g l 左右。镜检观察到污泥上的微生物有 固着型纤毛虫( 如钟虫、累枝虫) 、游泳型纤毛虫( 如斜管虫、盾纤虫) 以及扫 1 7 广东工业大学硕士学位论文 除生物( 如轮虫、线虫) 等。固着型和游泳型纤毛虫吸附废水中的大分子有机物， 将其水解为小分子有机物，同时吸收溶解性有机物和经水解的水分子有机物进入 体内，从而起促进反应器净化速度，提高反应器整体的处理效率的功能；而扫除 生物能够吞食老化的生物和游离细菌，起去除反应器内的污泥、防止污泥积聚和 堵塞的功能，通过以上微生物化学和吞食作用，废水得到净化。 ( 2 ) 污泥培养成熟后，取其中一部分进行实验，另一部分继续培养以备用。 ( 3 ) 实验方案实施：用实验反应器的进出水各种有一个恒流泵控制，以确保实 验进出水的稳定：调整工艺运行参数，使其达到最佳处理效果； ( 5 ) 定期测定参数：化学需氧量( c o d c r ) 、氨氮( n h ，n ) 、总磷( t p ) 、溶 解氧( d o ) 、p h 值、温度、污泥浓度( m l s s ) 、s v 、s v i 、膜通量等，观察其 出水的效果以及污泥形态； ( 6 ) 适时对膜进行清洗； ( 7 ) 定期观察反应阶段膜生物反应器生物相的变化，以了解污泥的生长情况， 并根据观察结果来调整曝气量和营养比例。 2 5 实验中各指标的测试分析方法 表2 5 实验中各指标的测试分析方法 ( t a b 2 5 a n a l y t i c a lm e t h o d so f t e s t i n g t h ev a r i o u si n d i c a t o r s ) 水质指标分析方法 c o d n h 3 一n t p s v m l s s 膜通量 p h 生物相 d o 快速密闭催化消解法( 含滴定法) 纳氏试剂光度法 钼锑铵分光光度法 1 0 0 m l 量筒静置3 0 r a