（环境工程专业论文）mbr工艺中水回用工程运行工况的研究.pdf

中文摘要 本课题以天津大学游泳馆中水回用工程为平台，通过收集工程自2 0 0 4 年5 月1 日启动调试至2 0 0 5 年4 月3 0 日近一年的日常运行数据，总结了工程调试运 行过程，分析了m b r 工艺对污水中主要污染物的去除效果，并探讨了其去除机 理。各项污染物的去除率如下：c o d e r 为3 4 1 8 9 4 、b o d 5 为9 5 5 9 9 3 、 l a s 为9 4 9 7 9 、n h 3 - n 为8 4 9 9 9 8 、浊度为9 3 7 9 9 9 。其去 除机理以生化作用为主，以膜的物化作用为辅。 针对m b r 工艺运行中出现的、有别于其它生化处理工艺的特殊现象( s v ，o 值和s v i 值偏高) 进行探讨，分析问题原因：一是由于f m 值低，微生物营养 条件差，使得耐低营养的丝状菌占了优势；或是由于菌胶团细菌体外的多糖类基 质被微生物利用了，造成絮体结构松散，使得s v i 值高；二是由于m b r 池的曝 气量比普通生化法的曝气量大，较强的曝气强度打碎了菌胶团絮体，使得絮粒变 小，s v i 值高。同时针对膜污染在本工程的具体表现，探讨了影响膜污染的因素 和缓解膜污染的方法。 本课题采用了国际上普遍认可的数学模型在溶解性微生物产物( s m p ) 形 成和降解基础上建立的m b r 动力学模型，对工程进行理论的优化。本文建立了 工程常规监测数据( c o d e r 、b o d 5 、s s 、t n 等) 和m b r 动力学模型组分( x l 、 x s 、s s 、s l 、s n d 、等) 的转换方案，利用m a t l a b 7 1 软件对数学模型进行 拟合，分析参数的敏感度，调整敏感参数，确定使模拟误差最小的参数值。 应用数学模型，通过改变指定的运行参数值，分析它们的变化对出水水质的 影响，确定出m b r 工艺的较佳运行参数，即h r t = 6 8 h r ：s r t = 3 0 d ；工程在此 参数下运行时，既能保证良好的出水水质，又能使能耗较小，达到优化的目的。 本文对膜最佳清洗周期进行了理论探讨。其工程应用有待下一步研究实践。 关键词：m b r 工艺污染物去除效果生化动力学模型数学模型模拟 工程运行优化 a b s t r a c t t l l i sp a p e rs t u d i e dt h em e m b r a n eb i o r e a c t o t ( m b r lo ft i a n j i nu n i v e r s i t y n a t a t o r i u mr e c l a i m e d - w a t e rr e u s ep r o j e c ta n dm o n i t o r e da n dr , 2 0 r d e dn e a r l yi t s o p e r a t i o nd a t a sf r o mm a yl “2 0 0 4t oa p r i l3 0 m2 0 0 5s i n c et h es t a r t - d a t eo ft h e m b r t 1 l es t a r t - u pp r o c e s so fm b rw a ss u m m a r i z e do nt h eb a s i so ft h a t , a n dt h e p o l l u t a n tr e m o v a lp e r f o r m a n c ea n dm e c h a n i s mo fw a s t e w a t e rw a sa n a l y z e d t 1 l e f 啦t i o v a lr a t eo fc o d c r ，b o d s ，l a s ，n h 3 一na n dt u r b i t i d ya r e3 4 1 8 9 4 ， 9 5 5 毋9 3 9 4 v 9 7 9 8 4 9 , - 9 9 ，8 a n d9 3 7 , - 9 9 9 r e s p e c t i v e l yn 坞 c o n t a m i n a t i o nr e m o v a li s m a i r d yd 印e n d e d o nb i o c h e m i c a la c t i o na n dt h e m e m b r a n e sp h y s i c o c h e m i c a la c t i o nh a sar o l e 勰w e l l t h ep r o b l e m sw h i c ha r ed i f f e r e n tf r o mc e n v e i l f i o n a lt r e a t m e n tp r o c e s so c c u r r e d i nt h eo p e r a t i o no f m e m b r a n eb i o r e a c t o r , a n dw h yt h ev a l u eo fs va n ds v ia r eh i 吐i s d i s e u s s e d 皿o s ep r o b l e m sa r ec a u s e db yt w of a e t o r s f i r s t t h ef i l a m e n t o u sb a c t e r i u m i sd o m i n a n ti nm b ro rf l n y i o s eb e s i d ez o o 西o e ai su s e db ym i c r o b i ab e c a m eo ft h e l o wv a l u eo ff m ，w h i c hc a u s e dt h em i e r o b i a lf l o el o o s e d ，c o n s e q u e n f l gt h ev a l u eo f s i sl l i p r h s e c o n d 。t h em b r sa e r a t i o nq u a n t i t yi sm o r et h a nc o n v e i l f i o n a l b i o c h e m i e a lp r o c e s s a n dt h es t r o n ga e r a t i o nb r e a ku pz o o g l o e af l o e , w h i c hm a k em e v a l u eo fs v i1 l i 吐s i m u l t a n e o u s l y , t h ei n f l u e n e i n gf a c t o r so fm e m b r a n ef o u l i n ga n d t h em e t h o d so fa l l e v i a t i n gm e m b r a n ef o u l i n ga r ed i s e u s s e di nt h i sp a p e ra c c o r d i n gt o t h em e m b r a n ef o u l i n gi nt h i sp r o j e c t am a t h e m a t i c a l m o d e lo f s o l u b l e m i c r o b i a l p r o d u c t s ( s m p s ) f o r m a t i o n - d e g r a d a t i o nw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h ea c t i v a t e ds l u d g em o d e ln 01a n d t h ec o n c e p t i o no fs m p 珊sm o d e li sa p p l i c dt ot h em e m b r a n eb i o r e 垃e t o rp r o c e s s 、析ml l i 口r hc o n c e n t r a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g eu n d e ra e r o b i cc o n d i t i o n a c c o r d i n gt ot h e p r e s e n tm o n i t o r i n gs t a t u so fw a t e rq u a l i t y , t h i sp a d e l s e tu pt h ec o n v e r s i o nm e t h o d b e t w e e nt h em o d e lc o m p o n e n t sa n dg e n e r a lm e a s u r e dd a t aa n dt h em e a s u r e dd a t aa r e a p p l i e di n t ot h er o o d e l t h e nt h em o d e li ss i m u l a t e dw i t ht h es o f t w a r eo f n “n a b 7 1 s e n s i t i v i t ya n a l y s i so fp a r a m e t e mw a si n v e s t i g a t e d i no r d e rt o d e t e r m i n ew h i c hp a r a m e t e ri n f l u e n c et h es y s t e mm o s t ，t h e l le s t i m a t ep a r a m e t e rv a l u e f o rg e t t i n ga c o u r a t er e s u l t s t h er o o d e lc 锄b ea p p l i e dt oa n a l y z et h ec h a n g eo fe m u e n tq u a l i t ya n d d e t e r m i n er e a s o n a b l eo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r st h r o u g hc h a r l 西n go n eo p e r a t i o n a l p a r a m e t e ra n dm a i n t a i n i n go t h e rp a r a m e t e r su n c h a n g e d b a s e do nt h em o d e ls i m u l a t i o n ， p e r f o r m a n c ea n de n e r g ys a v i n gc 趾 s i k 3 0 db ee o n t r o l l e d i tc a nb ed e d u e e dt h a tt h eg o o dt r e a t m e n t b ea c h i e v e db yc o n t r o l l i n g h r t = 6 - 8 h ra n d t h ep a p e ri n t r o d u c e do p t i m a lm e m b r a n ew a s h i n gi n t e r v a la n di t sa p p l i c a t i o nt o t h ee n g i n e e r i n go p t i m i z a t i o ns h o u l db es t u d i e di nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a e t o r , p o l l u t a n tr e m o v a lp e r f o r m a n c e ，b i o c h e m i c a l k i n e t i cm o d e l ，s i m u l a t i o n 诵t hm a t h e m a t i c a lm o d e l ，o p e r a t i o no p t i m i z a t i o n 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，也不包含为获得盘生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：套慈 签字日期：一占年，月，弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行简 缩，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。同意学校 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：硷奎 签字日期：一薛f 月”日 导师签名：事支j 签字日期：0 9 年o j j 9 ；e l 天津大学硕士学位论文第章综述 1 1 选题背景 第一章综述 1 1 1 水资源概况 水资源是指可直接被人类利用、能不断更新的天然淡水。全球水的总储量为 1 3 8 6 x 1 0 1 1 m 3 ，然而淡水资源仅占全球水资源的2 5 3 ，而且8 7 的淡水资源储 存于高山冰川、两极冰盖、冰冻地带和深度7 5 0 米以上的地下层，便于取用的河 水、湖泊水和浅层地下水等淡水资源仅占地球水总储量的o 2 6 。 全球淡水资源的地域分布也极不平衡，6 0 - - 6 5 以上的淡水集中分布在 9 1 0 个国家，如美国、哥伦比亚、加拿大等，而占世界人口总量4 0 的8 0 多个 国家是水资源缺乏的国家，其中近3 0 个国家为严重缺水国。 目前，水问题主要反映在两个方面。一是水资源的日益短缺，二是水质下降， 其原因是工业废水和生活污水的排放污染。1 9 9 7 年3 月联合国水会议首先向世 界发出郑重警告：“水，不久将成为一个深刻的社会危机，石油危机之后的下一 个危机就是水”，水资源的短缺开始引起国际社会的广泛关注。2 0 0 1 年3 月在海 牙召开的“第二届世界水资源论坛”部长会议上，2 l 世纪世界水事委员会报告说， 目前全球有1 0 1 1 亿人没有用上洁净水，有2 1 亿人没有良好的卫生设备。2 0 2 5 年世界新增人口3 0 亿以上，所需供水缺少2 0 ，加之浪费与污染，所需供水缺 少可达5 0 上【l 】o 我国是世界上2 1 个最缺水的国家之一，人均水资源仅为世界平均的1 4 ，列 世界第1 1 0 位，而且在时空上分布极不均匀，开发利用难度大。近年来，随着我 国国民经济的高速发展和城市化进程的加速，城市需水量快速增加，水污染迸一 步加剧，导致我国大部分城市普遍存在着水污染严重和水资源短缺的问题。尤其 是北方城市的需水量，已接近或超过城市极限水资源量【2 1 。虽然近些年许多大中 城市建设了污水处理厂，但我国的永资源状况仍处于局部有改善，整体仍在恶 化”的状态中。水资源短缺和粗放低效利用的状态并存，水资源及其安全性已成 1 天津大学硕士学位论文第一章综述 为中国社会经济发展的瓶颈。 面对如此严峻的形势，要保证经济和社会的持续健康发展，保证水资源的可 持续利用，污水处理与中水回用势在必行。 1 1 2 中水回用的可行性和意义 为解决水危机，各国各地采取了积极有效的措施，核心为“开源节流”。水资 源的总体战略由单纯的水污染控制转变为全方位的水环境参与与发展。在各种措 施中，具体可行的途径之一就是中水回用。 长期以来，人们一向把“废水”与“污垢的、肮脏的”词语相联系，无论处理的 怎样好，也只能排放不能再用。通过国内外科技人员的技术攻关和工程实践，证 明上述观点是错误的。水是自然界中唯一不可替代，也是唯一可以重复利用的资 源。废水经过适当再生处理，可以重复利用，实现水在自然界中的良性循环。废 水就近可得，易于收集，再生技术基本成熟，一般情况下建设中水回用工程比兴 建天然水取水工程，特别是长距离引水工程要节省投资，并能相当程度地降低运 行费用。 在中水回用方面，国外已经有了较为成功的经验，如日本、美国、南非、以 色列等国早已开展了污水经深度处理后回用的工作，并且都建设了不同规模的中 水回用工程。例如，作为城市中永回用前驱之的佛罗里达州的圣彼得斯堡，1 9 7 8 年就开始将中水回用作生活杂用水，目前已经能向7 0 0 0 多户家庭提供中水。而 整个美国目前有3 5 7 个城市实施了中水回用，年回用量为9 4 x l o g m 3 ，其中6 0 的中水用于农业灌溉，3 0 用于工业，其余用于城市生活设施和地下水回灌f 3 】。 日本从1 9 6 2 年就开始了中水回用的实践，促进了当时的工业复兴。1 9 9 0 年，日 本以东京为主，遍及全国建立了1 3 9 6 处中水回用工程，回用量为2 2 8 x 1 0 4 m 3 d 。 中水回用率达到生活用水量的o 6 f 4 1 。以色列由于长期缺水，对污水资源重新利 用充分重视，其中水回用程度之高堪称世界第一。截止到1 9 8 7 年，全国就有2 1 0 个市政中水回用工程。回用方式有小型社区就地回用，大中城市区级回用。其全 部污水的9 0 收集排放，8 0 经过处理，有6 0 n o - - 6 5 经处理后得以回用c 卯。 我国于8 0 年代中期在北京建成第一个中水回用试点工程。以后，各地纷纷 开展中水的试验和研究，中水工程实例日益增多。从已运行的中水工程所做的中 天津大学硕士学位论文第一章综述 水水质抽测结果表明，其出水水质符合杂用水水质标准，长期用于冲厕、冲洗汽 车、绿化等，未发现不良后果。这些已运行的工程为中水设施的开发提供了宝贵 的经验，并为中水技术的推广应用提供了充分依据【6 1 。 为保证中水回用的安全可靠性。中水回用要达到水质合格、水量合用和经济 合算三个指标。即中水使用要满足以下要求：不影响人体健康；对环境质量不影 响；对使用者维护无不良影响：不影响产品质量；达到使用的各类标准；为使用 者接受；技术可行；经济合理，水价有竞争力；对使用者进行安全教育【1 1 。 中水回用在我国刚刚开始推广应用，一般居民对中水了解不多，其使用的安 全性尤为重要。尤其是中水供水系统与生活给水系统的管道、附件和调蓄设备在 建筑物内并存，生活饮用水又是中水系统日常补给和事故应急水源，所以有误把 中水当作饮用水的可能，为保证供水的安全可靠，在中水供水设计中做了严格的 安全防护措施的技术规定。( 1 ) 为避免中水管道系统与生活饮用水系统误接，污 染生活饮用水，中水管道严禁与生活饮用水管道直接连接。向中水水箱或水池补 给生活饮用水的管道应高出最高水位2 5 倍管径以上，以空气进行隔断。中水管 道与生活饮用水管道、排水管道平行埋设时，水平净距不小于0 5 米；交叉埋设 时，中水管道在饮用水管道下面，排水管道上面，其净距不小于0 5 米。( 2 ) 为 避免发生误饮，室内中水管道不宜暗装。明装的中水管道外壁应涂浅绿色标志。 中水水池、水箱、阀门、给水栓均应有明显的“中水标志。中水管道上不得装水 龙头，便器冲洗宜采用密闭型设备和器具，绿化、浇洒、汽车冲洗宜采用壁式或 地下式给水栓【6 】。 综上所述，中水回用不仅是可行的，而且是势在必行，它可以有效地节约宝 贵的淡水资源，又可以减少污水和废水的排放量，减轻水环境的污染，缓解城市 排水管网的超负荷现象，具有明显的社会、环境和经济效益【刀。它对解决我国水 资源紧缺，缓解水危机具有现实和深远的意义。 1 1 3 膜生物反应器工艺 中水回用的关键是污水处理技术。目前常规的污水处理工艺是生化处理后增 加混凝沉淀、过滤、吸附及消毒等后续处理工艺。随着水处理技术的发展，新兴 工艺不断涌现。膜生物反应器在众多的新兴工艺中脱颖而出，特别是一体式膜生 天津大学硕士学位论文第一章综述 物反应器，它因其可靠的出水水质、容积负荷高、占地面积小、剩余污泥少以及 简捷方便的操作方式等特点引起水处理界的广泛重视。但膜组件价格昂贵以及膜 污染等问题防碍了膜生物反应器工艺的推广。近年来，随着材料科学技术的发展， 膜材料和膜组件的费用在逐渐降低；随着膜污染研究的深入，提出了众多的缓解 膜污染的措施。 从目前研究发展的趋势来看，中水回用将是膜生物反应器在我国推广应用的 主要方向【l 】【鄹。 1 1 4 天津大学游泳馆中水回用工程 天津大学作为天津市的用水大户，同时又是中水回用技术的主要研究单位， 为了响应市政府节约用水的号召，同时把我校建设成为全国首座生态大学。我校 分别在新建的5 2 斋学生宿舍楼自行设计安装了1 5 0 m 3 d 的中水回用工程，此工 程于2 0 0 4 年5 月被评为了高校节水综合示范工程，是2 0 0 3 年度天津市科学技术 进步奖项目之一。在5 5 斋学生宿舍楼建设了5 0 0 m 3 d 的中水回用工程，并启动 了天津大学游泳馆中水回用工程，其日处理能力为5 0 0 1 n 3 d 。 天津大学游泳馆中水回用工程采用的是一体式膜生物反应器工艺。工程以处 理地热浴池洗浴污水为主，相对生活污水，洗浴污水中的营养物质少，在工程运 行中可能会出现种种问题。为了考察此中水回用工程的处理效果，运行情况等， 本研究以此工程为平台展开。 目前，国内外对膜生物反应器在各个领域的应用、膜污染问题等方面的研究 较多，但关于m b r 工艺的设计规范及运行工况优化的资料寥寥无几，本研究应 用数学模型对m b r 工艺的运行进行理论优化。 1 2 膜生物反应器的工程应用与研究 m b r 最先用于微生物发酵工业，在污水处理领域中的应用研究始于6 0 年代 的美国。2 0 世纪7 0 年代后期，大规模好氧膜生物反应器首先在北美应用，然后 依次是8 0 年代早期日本( 同期南非：厌氧膜生物反应器) ，9 0 年代中期欧洲，9 0 年代末期中国。进入2 l 世纪，国内外对膜生物反应器的研究有了较大的进展， 天津大学硕士学位论文第一章综述 并逐渐进入中试和生产性应用研究阶段。m b rt 艺具有常规污水生化处理工艺 无法比拟的优势，因此在城市污水处理、中水回用、生活污水以及高浓度工业废 水等处理中得到了广泛的应用。 目前，日本运行( 包括在建) 的膜生物反应器占全球的6 6 。在膜分离生物反 应器的应用中，9 8 以上是好氧膜生物反应器，其中5 5 以上是一体式膜生物反 应器。膜生物反应器在不同种类废水中的应用比例见表1 - - 1 9 】【1 0 】。 表1 1 膜生物反应器在不同种类废水中的应用比例 废水类型百分比慌 生活污水 2 7 大楼废水 2 4 工业废水2 7 城市污水1 2 土地填埋厂渗滤液 9 1 2 1 膜生物反应器的工程应用 一、m b r 在城市污水处理中的应用 2 0 世纪9 0 年代中后期，加拿大的7 _ 七n o n 公司首先将超滤管式膜生物反应器 应用于城市污水处理。为了节约能源，它又开发了淹没式中空纤维膜丝的膜组件， 目前，此种膜生物反应器已应用于美国、德国、法国和埃及等l o 多个地方，规 模从3 8 0 m a d 至7 6 0 0 m a d 。加拿大有9 座城市污水处理厂，采用了z e n o n 公司的 膜1 1 2 。 二、m b r 在生活污水处理中的应用 m b r 最广泛的应用是生活污水的好氧处理，而且采用最多的膜组件为中空 纤维式，这可能是由于中空纤维柔性好，在一体式膜生物反应器中可以随气流摆 动，从而增大元件之间的摩擦，加快滤饼的脱落【1 3 】。 荷兰在处理能力为2 4 0 m 3 d 的中试取得成功以后，正在建造处理能力为 1 8 0 0 0 m a d 的m b r 污水处理厂。英国己建设的四个m b r 生活污水处理厂是： p o r l o c k 污水处理厂( 膜供应商：k u b o t a ，规模为1 9 0 0 m 3 a ) ；s w a n a g e 污水处理厂 天津大学硕士学位论文第一章综述 ( 膜供应商：k u b o t a ，规模为1 3 0 0 0 r a 3 d ) ：d a l d o w i e 污水处理厂( 膜供应商：k u b o t a ， 规模为1 0 8 0 0 m 3 d ) ；w r a x a l l 污水处理厂( 膜供应商：k u b o t a ，规模为2 9 0 m 3 d ) 。 德国已经建成5 家大规模使用m b r 的污水处理厂，累计处理能力为2 1 0 0 0 m 3 ，d ；另外两家污水厂已在规划中，其中一家位于k a a r s t 的污水处理厂设计服务 人口为8 万人，使用膜面积总计为8 8 0 0 0m 2 ，预算为4 6 0 0 万德国马克，建成后 将是世界上最大的使用m b r 的污水处理厂1 4 1 。 三、m b r 在中水回用系统中的应用 由于受使用目的和城市建筑的限制，回用水水质要求较高，不能产生卫生上 的问题，能够达到回用的水质标准，同时要求处理的流程简单，占地少，运行稳 定。污水一般情况下需要深度处理才可以达到回用的要求，但深度处理的费用太 高，难以广泛应用。m b r 工艺恰能满足以上要求，而且m b r 工艺的出水水质 如c o d 与b o d 5 的去除率高、浊度很低，大部分细菌和病毒被截留，优良的出 水水质，使得可直接回用于建筑及城市绿化清洁、消防等1 1 1 。 在日本，由于1 9 7 7 年出台了法律，要求所有大型的建筑物设施必须安装污 水回用或雨水收集等节水设施，促进了膜生物反应器的推广应用。不久就有3 9 座膜生物反应器在运行。最大处理能力为5 0 0 m 3 d 15 1 。1 9 8 0 年，日本有1 0 0 多处 的高楼采用m b r 进行中水回用u 6 1 。至2 0 0 2 年，日本已有3 0 0 余座m b r 工艺的 小区中水回用工程【1 4 】。例如，在日本丸之内的三井大楼和东京饭店都采用了m b r 工艺进行中水回用f 1 7 1 。 四、m b r 在高浓度生活污水处理中的应用 粪便污水有机物浓度很高，采用传统的处理方法，以厌氧生物处理为主的技 术，将其作为可回收资源，但存在生物降解不完全，氮、磷的去除少，效果不稳 定的缺点。m b r 工艺的出现为粪便污水处理提供了有效可行的途径。 日本采用m b r 工艺进行粪便污水处理已有十几年的历史。粪便污水中有机 物含量很高，b o d 5 常达1 0 0 0 0 r a g l ，采用常规生化处理必须先将污水进行稀释。 m b r 工艺使粪便污水不经稀释直接进行处理成为可能，并取得了前所未有的处 理效果。日本的崎玉县越谷市在1 9 8 5 年采用m b r 工艺处理粪便污水，粪便污 水经系统处理后，出水不含固体物，c o d 与色度大幅度削减，反应器的污泥浓 天津大学硕士学位论文第一章综述 度可高达1 5 0 0 0 - - 1 8 0 0 0 m g l 左右，而且系统运行稳定。1 9 9 4 年，e t 本已有1 2 0 0 多套膜生物反应器系统用于处理4 0 0 0 多万人的粪便污水【1 6 】【1 8 】。 五、m b r 在其它废水处理中的应用 2 0 世纪8 0 年代末以来，m b r 的处理对象拓宽到工业废水、石化废水、发 酵废水甚至堆肥、填埋场渗滤液等废水处理方面【1 2 1 。 m b r 在处理工业废水方面已有一些应用实例。如：荷兰x f l o w 公司开发的 m b r 在生活污水和食品、林业、造纸等工业废水处理中得到了广泛的应用，工 业废水累计处理能力为2 4 5 m 3 h 。爱尔兰的a v o n m o n e 公司和m i n e h t m a l t 厂的工 业废水处理规模分别是7 1 0 0 m a d 和1 7 2 0 m 3 d 。法国的d e g r e m o n t 公司有一座处 理规模为5 0 0 m 3 d 的处理工业废水的m b r 污水处理工程：日本截至到2 0 0 2 年已 有1 5 0 余座处理工业废水的m b r 污水处理工型1 2 】0 4 1 。 现有的垃圾渗滤液污水处理工程普遍因为渗滤液本身c n 不协调，而且水 质复杂多变等原因，存在着污泥培养困难，污泥活性差，处理效果差的现象。所 以，普通的生化处理不能满足垃圾渗滤液污水处理的要求。而膜生物反应器则充 分发挥了它污泥龄长，能够富集大量难降解有机物分解菌和硝化细菌等增殖速率 慢的微生物，生物菌种繁多的优势，大大改善了垃圾渗滤液处理的现状【l 靶。在 m b r 和r o 技术结合的中试试验中，发现m b r 使用一种自然存在的混合菌来分 解渗滤液中的烃和氯代化合物，其处理污染物的浓度为常规废水处理装置的5 0 1 0 0 倍，进水c o d 为几百至4 0 0 0 0 m g l ，污染物的去除率达9 0 以上1 1 6 】。 德国建成了垃圾渗滤液日处理能力为3 0 0 m 3 的管式膜生物处理装置，可将上 千毫克升的氨氮降至十几毫克升，使这种十分难以处理的废水完全达到了无害排 放的要求。此外，在德国有2 0 座处理工业渗滤液的m b r 污水处理工程，规模 为5 0 2 4 0 m a d 1 2 1 。 1 2 2 膜生物反应器的研究现状 国内外m b r 的研究大致可分为以下几个方面： 一、膜污染的机理和防治。 膜污染是关系到m b r 运行可靠性、经济性的关键问题，膜污染物和料液性 - 7 天津大学硕士学位论文第一章综述 质之间的相关性还缺乏定量的分析和考察，膜污染数学模型还需进一步研究。此 外，膜污染问题还涉及到新型膜材料和膜组件的研制和开发( 如无机膜的开发) ， 预处理工艺的研究( 如格栅，混凝沉淀等) ，污泥混合液改性的研究( 如污泥浓度的 确定和各种添加剂的研究等) ，工艺参数的优化和膜清洗方法的改进( 如特定污染 物清洗方法的研究) 。 二、膜生物反应器和其它废水处理工艺的结合和改进。 虽然膜技术的引入是m b r 工艺的一大优势，但其生物反应器部分仍采用传 统的活性污泥法，还有改进的必要和潜力，比如采用一些新型污水处理工艺( 如 a 2 o 法、s b r 工艺、氧化沟或生物膜法等) ，以达到进一步提高其处理效率的目 的，也为现行污水厂的改造创造条件。 三、膜生物反应器应用范围的研究。 膜生物反应器对某些特殊废水的处理研究，如用于被重金属污染的废水、有 毒或难降解的有机工业废水、垃圾渗滤液的处理等，以扩大m b r 研究应用的领 域。 四、膜生物反应器设计规范和方法的确定。 现有的m b r 采用的工艺参数比较混乱，没有统一规定。m b r 工艺的发展 应用需要一套成熟的设计标准和设计方法来对生产设计加以指导，此外对m b r 的经济性也需进一步研究，以确定m b r 工艺适宜的处理规模。 五、膜生物反应器数学模型的研究。 包括膜污染模型、膜组件模型和生物动力学模型的研究，以及如何应用数学 模型来设计和优化m b r 工程例。 1 2 3 膜生物反应器在工程应用中存在的问题 膜生物反应器虽然已经取得了不错的处理效果，但在工程应用中尚存在若干 问题需要解决： 天津大学硕士学位论文第一章综述 ( 1 ) 膜污染。 膜生物反应器运行一段时间后，膜组件会被污染物堵塞，使反应器处理效果下 降，同时膜使用寿命大大缩短。膜污染根据发生的位置可以分成两种类型：一种 是外部堵塞，即污染物吸附沉积在膜的表面，为可逆污染；另一种是内部堵塞， 即污染物在中空纤维膜壁上的微孔内吸附沉积，减小了膜孔径，从而降低了膜通 量，为不可逆污染。这两种膜污染都会严重影响m b r 的正常运行。 ( 2 ) 能耗问题。 m b r 反应器的运行成本主要由电费、药剂费、人工费等三部分组成。其中 药剂费主要指膜组件化学清洗所消耗药剂的费用。由于投加量较小、加之经简单 处理后可重复使用，因此药剂费可以忽略不计。同时由于m b r 工艺自动化程度 高，人工费也较少。所以电费在运行成本的兰个主要组成部分中是最主要的。能 耗是污水处理工艺的一个重要评价指标，直接关系到处理方法的经济可行性。目 前，常规分离式m b r 运行能耗为3 4 k w h m 3 ，淹没式m b r 运行能耗为o 6 2 k w h m 3 ，高于活性污泥法的o - 3 o 4 k w h m 3 ，较高的动力费用是m b r 推广应 用中又一重大问题【2 3 】。 1 3 研究目标与内容 1 3 1 研究目标 本课题旨在研究中水回用工程的日常运行效果，处理机理；对工程出现的问 题，分析原因；寻求膜生物反应器工艺运行的优化方法和较优的运行参数，使膜 生物反应器工艺能达到较好的运行效果。 1 3 2 研究内容 本课题重点研究以下几个方面的内容： 1 、对工程运行参数和进出水水质进行一年时间的采集和分析，分析污水中 主要污染物的去除效果并探讨其去除机理。 2 、针对工程运行中出现的有别于普通生化处理工艺的现象、问题进行研究， 天津大学硕士学位论文 第一章综述 分析探讨其原因，并提出改进措施。 3 、在上述工作的基础上，采用m b r 动力学模型，借助计算机技术，对m b r 工艺进行模拟，研究模型在实际工程中的应用，并对本工程的运行进行理论优化， 提出较佳操作参数的优化方案。 天津大学硕士学位论文第二章天津大学游泳馆中水回用工程 第二章天津大学游泳馆中水回用工程 2 1 原水水质与中水水质 2 1 1 原水水质 本工程收纳污水分为三部分： 1 、地热浴池排水 根据浴池工作人员对地热水开采量的记录，2 0 0 1 年全年地热水用水量为 8 8 ，3 7 9 m 3 ，冷水用量按热水量的1 3 计，则浴池全年洗浴水量约为1 1 7 ，8 0 0 m 3 ( 3 2 2 7 4 m 3 d ) 。 2 、游泳池洗浴水 这部分排水来自游泳池的洗浴间。每人每次洗浴水用量按2 0 0 升计，每天洗 浴人数按平均5 0 0 人计，则游泳池全年洗浴水量约为3 6 ，5 0 0 m 3 ( 1 0 0 m 3 d ) 。 3 、游泳池反洗水 这部分排水来自游泳池循环净化处理系统。由于净化工艺的需要，处理系统 需定期进行反冲洗。夏季天热时，每3 天反冲洗一次，延续时间为两个月；其它 季节，反冲洗每1 5 天进行一次，每次反冲洗用水量约2 0 0 m 3 。游泳池反冲洗排 水量全年约为8 , 0 0 0 m 3 ( 平均2 2 m 3 d ) 。 该中水回用工程的处理水量确定为5 0 0 m 3 d ( 2 0 m 3 h ) 。其中地热浴池排水和 游泳池洗浴水的排放时间主要集中在1 0 ：0 0 1 9 ：0 0 ，其余时间不排水。游泳 池反洗水多在晚上1 2 ：o o 左右排放，水量变化较大。 洗浴污水占总污水量的9 0 以上，其特点是污染程度较轻，所含有机污染 物主要为人体分泌物、洗涤剂等。由于游泳池水是经过消毒剂( 溴氯海因) 处理 过的，并且有时为了调节泳池水的p h 值，也投加一定量的小苏打( 碳酸氢钠) 。 所以本工程水质的另一特点即为含盐量高。其具体水质情况见表2 1 。 天津大学硕士学位论文第二章天津大学游泳馆中水回用工程 表2 - i 原水水质情况 项目水质变化范围水质平均值 c o d c ，( r a g l ) 6 0 6 , 1 9 6 6 61 3 0 0 6 b o d 5 ( m g l ) 1 3 9 8 2 9 64 2 ，8 3 i a s ( r a g l ) 7 6 8 15 8 41 1 8 2 t - n ( m g ，l ) 2 1 3 6 5 5 4 34 8 7 5 n h 3 - n ( m g l ) 4 6 5 2 1 4 5 1 3 1 5 t - p ( r a g l ) 0 1 1 2 4 53 1 2 浊度( n t u )1 3 0 7 8 6 1 34 6 3 5 p h 6 87 温度( ) 1 2 ，3 22 1 1 ( 2 1 。1 ( m g l ) 1 2 5 7 7 呐4 1 0 52 8 7 9 2 1 2 中水水质 所谓“中水”，是指城市污水或生活污水经过处理后，达到规定的水质标准， 可在一定范围内重复使用的非饮用水，其水质介于上承( 饮用水) 与下水( 生活 污水) 之间。中水虽不能饮用，但它可以用于一些对水质要求不高的场合。 为保证中水回用的安全性，我国针对中水的不同应用途径，制定了一系列的 城市污水再生利用相关标准，目前其标准分为五项，具体有城市污水再生 利用分类、城市污水再生利用城市杂用水水质、城市污水再生利用 景 观环境用水水质、城市污水再生利用补充水源水质、城市污水再生利用 工业用水水质。 本工程中水主要回用于喷泉、校园广场等多种景观用水和教学楼、办公楼等 的厕所冲洗水。现将本工程参照的相关标准说明如下：标准一见表2 - 2 、标准二 见表2 3 。 城市杂用水是指用于冲厕、道路清扫、消防、城市绿化、车辆冲洗、建筑施 工的非饮用水。 天津大学硕士学位论文第二章天津大学游泳馆中水回用工程 表2 2 城市污水再生利用城市杂用水水质标准( g b t 1 8 9 2 0 2 0 0 2 ) 序 道路清扫、 号 项目冲厕城市绿化车辆冲洗建筑施工 消防 1 p h 6 m 母o 2 色( 度)兰3 0 3 嗅无不快感觉 4 浊度( n t u )茎5曼1 0茎1 0 5三2 0 溶解性总固体 s 5 1 5 0 0 s 1 5 0 0 _ 1 0 0 0s 1 0 0 0 ( m e l ) 五日生化需氧量 6 茎l o 1 5 三2 0- 1 0 1 5 b o d s ( m g l ) 7 氨氮( n a g t ) - 1 0s i o受0- 1 01 2 0 阴离子表面活性 8 茎1 0- 1 0s 1 01 抑5 ，- 1 0 剂( m g a - d 9 铁( m 舭) s 0 3g ) 3 1 0 锰( m g t 0 0 1三抑1 1 1 溶解氧( m e t l ) 2 1 0 1 2 总余氯( m e l ) 接触3 0 m i n 后芝1 0 ，管网末端o 2 总大肠菌群“个 1 3 9 l ) 景观环境用水( s c e n i ce n v i r o n m e n tu s e ) 是指满足景观需要的环境用水，即用 于营造城市景观水体和各种水景构筑物的水的总称。它又分观赏性景观环境用水 ( a e s t h e t i ce n v i r o n m e n tu s e ) 和娱乐性景观环境用水( r e c r e a t i o n a le n v i r o n m e n t u s e ) ；观赏性景观环境用水：指人体非直接接触的景观环境用水，包括不设娱乐 设施的景观河道、景观湖泊及其他观赏性景观用水。娱乐性景观环境用水：指人 体非全身接触的景观环境用水，包括设有娱乐设施的景观河道、景观湖泊及其他 娱乐性景观用水。它们由再生水组成，或部分由再生水组成( 另一部分由天然水 或自来水组成) 。 天津大学硕士学位论文第二章天津大学游泳馆中水回用工程 表2 - 3 城市污水再生利用景观环境用水水质标准( g b t 1 8 9 2 1 - 2 0 0 2 ) 观赏性景观环境用水娱乐性景观环境用水 序 项目湖泊水景 号河道类河道类湖泊类水景类 类类 1 基本要求无漂浮物，无令人不愉快的嗅和味 2 p h 6 - 9 五日生化需氧量 3s 1 0野野 ( b o d s ) ( m g l ) 4 悬浮物( s s ) ( m g l )盟0 5 1 0 5 浊度( n t u ) 茎5 0 6 溶解氧( m g l ) 兰1 5 ：2 0 ， 7 总磷( 以p 计) ，( r a g l ) s 1 0：如5s 1 01 r o 5 8 总氮( r a g l ) s 1 5 9 氨氮( 以n 计) ，( r a g l ) 9 不得检 1 0 粪大肠菌群( 爪l ) s 1 0 0 0 0 2 0 0 0 5 5 0 0 出 1 1 余氯( r a g l ) 2 = o 0 5 1 2 色度( 度) 3 0 1 3 石油类( r a g l ) s 1 0 阴离子表面活性剂 1 4 o 5 ( r a g l ) 天津大学硕士学位论文第二章天津大学游泳馆中水回用工程 2 1 3 日常监测指标、方法和仪器 表2 - 4 日常监测指标、方法和仪器 监测指标监测方法主要实验仪器 温度 直读法普通水银温度计 p h 直读法p h 试纸 色度 直读法试验用c 2 0 0 型多参数离子测定仪 浊度直读法 2 1 0 0 p 浊度仪 c o d o r重铬酸钾法回流装置和滴定管 烘箱 悬浮性固体 重量法 光电天平 b o d 5 稀释与接种法h p s 2 5 0 生化培养箱 过硫酸钾消解法与钼 t - pu v 2 8 0 0 型紫外可见分光光度仪 锑抗分光光度法 过硫酸钾氧化法与紫 t - nu v 2 8 0 0 型紫外可见分光光度仪 外分光光度法 n h 3 - n纳氏试剂光度法 7 2 1 型分光光度仪 n o 。- n离子色谱法 离子色谱分析仪戴安d x 6 0 0 氯化物 硝酸银滴定法锥形瓶和滴定管 阴离子表面活性剂亚甲兰分光光度法 分液漏斗 溶解氧直读法溶解氧仪 s 0 4 2 。离子色谱法离子色谱分析仪戴安d x 6 0