（环境科学专业论文）内循环膜生物反应器及其在污水回用处理中的应用研究.pdf

t h es t u d yf o c u s e do nt h es h o r a g ea n dl o wr e u t i l i z a t i o nr a t eo fw a t e rr e s o u r c e si n o u r c o u n t r y , d e v e l o p e d an o v e lm e m b r a n e b i o r e a c t o r _ 一i n t e m a l c i r e u l a t i o n m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( i c m b r ) a t i e rt h er e a c t o rw a ss e tu d ，i c m b rw a so p e r a t e d f o r5m o n t h e su s i n gr e a lw a s t e w a t e rf r o mc h i n ar e s o u r c e sb r e w e r i e sc o ，l t d a s i n f l u e n t ；t h es t a r t u p ，p 矾o r r n a n c e ，s l u d g ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm e m b r a n ef o u l i n gi n i c m b rw e r er e s e a c h e d t h ep r i n c i p l eo fi c m b ri sb a s e do nt h ei n t e m a lc i r e u l a t i o nr e a c t o r t h r o u g h f i x i n gh o l l o wf i b e rm e m b r a n em o d u l ea n da e r a t i o np i p ei nt l l es e c o n dr e a c t i o ns e c t i o n o f l c ，i c m b rf o r m 酣ac o m p a c tp r o c e s so f i ca n dm b r ：i t sw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i ci s s i m i l a rw i t hm es e r i e so fu p f l o wa n a e r o b i cs i u d g eb l a n k e ta n dm e m b r a n e b i o r e a c t or _ m o r e o v e r , i c m b ra r a i n e di n t e m a lc i r c u l a t i o nf r o mg a su p f l o w , t h e r e f o r e i ts u c c e s s f o l l yr e a l i z e ds i m u t a n e o u sr e m o v a lo fo r g a n i cp o l l u t a n ta n d n i t r o g e ni no n e r e a c t o r , w i t h9 3 a n d9 2 r e m o v a le f f i c i e n c yo fc o da n dt nr e s p e c t i v e l y s i n c e s i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e da e r a t i o na n dd i s p e n s e dw i t ht h ep o w e rf o ri n t e r n a lc i r c u l a t i o n , i c m b rc o u l ds a v e5 0 e n e r g yc o m p 撕n gw i mt h ec u r r e n tm b r d u r i n gt h eo p e r m i o no fi c m b r t h e r ef o r m e dg r a n u l a rs l u d g ew i t hg o o d p e r f o r m a n c ei nt h ea n a e r o b i cs e c t i o n t h eg r a n u l a t i o np r o c e s sw a sc h a r a c t e r i z e db y t h r e ep h a s e s ，n a m e l ya c c l i m a t i o n ，g r a n u l a t i o na n dm a t u r a t i o n a tt h ee n do ft h e o p e r a t i o n ，t h es p e c i f i cm e t h a n o g e n i ca c t i v i t ya n ds l u d g ev o l u m ei n d e xo ft h e g r a n u l a rs l u d g er e a c h e d1 5 2 9 c o d c n d g v s s da n d1 2 5 m l g s sr e s p e c t i v e l y ；a n dt h e b i o p a r t i c l eh a v eah i g h e rs t r e n g t h ，a b r a t i o ne x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h ea b r a t i o nr a t e c o e f f i c i e n to ft h eb i o p a r t i c l ei s0 1 5 2 d d u r i n gm a t u r a t i o np h a s e b i o p a r t i c l es i z e k e p th o m e o s t a s i s 。w i t l lm e d i u md i a m e t e r so f 2 5 1 m m ：t h ec o n c e n t r a t i o no f m l v s si s l5 2 9 li na n a e r o b i cs e c t i o n ；t h eb i o m a s ss y n t h e s i sw a sl o w w i 协t h em a x i u m s p e c i f i cg r o w t hr a t eo f o 0 1 8 d 一，t h e r e f o r e ，t h es l u d g ew a s n td i s c h a r g e d i c m b rw o r k e di nt l l em o d eo fc o n t i n u o u si n f l u e n ta n di n t e r m i t t e n te f f i u e n t t h e c h a n g eo fm e m b r a n ef l u xw a sc h a r a c t e r i z e db yt w op h a s e so fr a p i dd e c l i n ea n d s t a b i l i z a t i o n ，m e m b r a n ef o u l i n gw a se f f e c t i v e l yr e s t r a i n e db ya e r a t i o na n dw o r k i n g m o d eo f i n t e r m i t t e n te f f i u e n t w h e nt h ef l u xs t a b i l i z e da t1 0 l m 2 hf i n a l l y ，t h ec h a n g e o f a e r a t i o na n dm l v s sc o n c e n t r a t i o nh a d n ts i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo ni t r e v i e w e df r o mt h ew h o l ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，i c m b rh a sah i g hr e m o v a l e f f i c i e n c yo fo r g a n i cp o l l u t a n ta n dn i t r o g e n ；a n di se a s yt oo p e r a t e ，t h e r e f o r e ， i c m b rh a sag o o dp r o s p e c tf o re q u i p m e n td e v e l o p m e n t h o w e v e r ，t h er e l a t i o n b e t w e e ng a sp r o d u c t i o na n di n t e m a lc i r c u l a t i o nf l o w ，t h es e p a r a t i o no f b i o g a sf r o ma i r ， a n dt h em i c r o e c o l o g yo fg r a n u l a rs l u d g ea r et h ep r o b l e m st of u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：i n t e r n a lc i r c u l a t i o n ，m e m b r a n eb i o r e a c t o r , w a s t e w a t e rr e u s e ， g r a n u l a rs l u d g e ，n i t r o g e nr e m o v a l 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2 圣洼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：辛崩 签字日期：2 州哆年，月2 s 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盎盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁注盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 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。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： 主 岔旖导i i i 1 1 1 i ；可哆黾之 签字日期：2 哆岁年f 月2 岁日 签字日期：2 醇年月2 岁日 天津大学硕士学位论文 第一章概述 1 , 1 选题背景 第一章概述 我国是水资源短缺的国家，全国6 6 9 个城市中，4 0 0 个城市常年供水不足， 其中有1 1 0 个城市严重缺水，日缺水量达1 6 0 0 万m 3 ，由于缺水，每年至少造成 工业产值损失2 0 0 0 亿元。同时由于水资源优化配置不到位，优水低用，忽视污 水再生利用，造成了水资源的极大浪费。据统计，我国工业万元产值用水量平均 为1 0 3 m 3 ，是发达国家的1 0 2 0 倍；我国水重复利用率平均为4 0 左右，而发 达国家平均为7 5 8 5 。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，污水处理和回用势在必行。国内外的实践经验 表明，城市污水的再生利用是开源节流、减轻水体污染、改善生态环境、解决城 市缺水问题的有效途径之一，不仅技术可行，而且经济合理。 从目前污水回用处理技术的发展来看，污水回用处理工艺主要有两大类：第 一类是以传统二级处理工艺( 活性污泥法) 的出水为原水，再经过以物理化学方 法为主的深度净化处理，使水质达到回用要求，其中最常用的深度处理工艺为“混 凝+ 沉淀+ 过滤”( 老三套) 和c m f ( 连续微滤) ；第二类是采用生化与膜分离结 合的处理工艺，将污水直接处理达到回用水质要求，如m b r ( 膜生物反应器) 。 与“二级处理工艺+ 深度净化”相比，m b r 工艺主要有以下优点： 1 ) 出水清澈透明，悬浮物、细菌和病原体微生物被大幅度去处。 2 ) 可以采用较高的污泥浓度( 1 0 9 l ) ，从而泥龄很长，可使世代周期长 的细菌( 如硝化细菌) 在反应器内截留和繁殖。 3 ) m b r 内生物污泥在运行中可以达到动态平衡，不必考虑污泥的沉降性能 和担心污泥流失问题。 4 ) 实现了水力停留时间与污泥停留时间的完全分离，可以截留一时难以降 解的大分子有机物，延长其在反应器内的停留时间，使之得到最大限度 天津大学硕士学位论文 第一章概述 的氧化分解。 5 ) 由于污泥龄很长，出水中代谢物含量极低，所以水质良好而稳定，宜于 回用，实现了污水资源化。 6 ) 膜生物反应器的抗冲击负荷能力大，比一般的活性污泥法大2 3 倍。 7 ) 在实际应用中，由于膜的高效分离作用，不必设立沉淀、过滤等固液分 离设备，不需反冲洗，使整个系统流程简单，易于集成。系统占地面积 大为缩小，运行管理简单，易于实现自动化。 8 ) 独特的膜组件运行方式可以根据回用水量的变化，灵活调节模块的建设 运行。 但是m b r 也存在投资费用高、膜污染、膜需清洗和更换以及能耗高等问题。 本课题是辽宁省省院校合作科研项目，目的是开发新型的低能耗、高效膜生物反 应器，研究膜生物反应器在污水回用处理中推广应用的关键技术。 1 1 膜生物反应器发展现状 膜生物反应器实际上是三类生物反应器的总称。膜分离生物反应器 ( m s b r ，简称m b r ) ，萃取膜生物反应器( e m b r ) ，膜曝气生物反应器 f m a b r ) ；其中在水处理中得到应用的是第一种。膜分离生物反应器中的膜组件 相当于传统生物处理系统的二沉池，利用膜组件进行固液分离，污泥被回流或直 接截留在生物反应器中，透过水外排。一直以来，对于膜生物反应器的研究主要 包括两方面，一是膜生物反应器处理效果的研究，如难降解废水的处理和污水脱 氮除磷等；另一方面是对于膜污染防治问题的研究。 1 2 1 膜生物反应器处理效果的研究 1 2 1 1i i i r 处理难降解废水 由于膜生物反应器在污水处理中表现出较强的处理能力，国内外众多学者进 行了m b r 处理难降解废水的研究。吴志超，王士芬1 1 曾采用分置式好氧膜生物 天津大学硕士学位论文 第一章概述 反应器研究了对巴西基酸生产废水的处理效果，并和常规生物工艺进行了对比， 结果表明，膜生物反应器有产泥量少，污泥活性好，能有效提高难降解有机物的 去除效率等优点。韩怀芬等人1 2 1 采用管式膜生物反应器处理造纸废液，原水c o d 浓度为9 0 0 1 3 0 0 m g l ，通过混凝沉淀后进入反应器，出水可达一级排放标准。 同时，也有学者研究了厌氧膜生物反应器对工业废水的处理效果。例如，何义亮 等1 3 】对高浓度食品废水进行处理；管运涛【4 】对造纸黑液配制废水进行处理；结果 表明，厌氧膜生物反应器能产生更多的挥发酸，系统产甲烷相的酸化水平较高， 有利于发挥产甲烷反应器的去除能力。这些研究都是基于膜生物反应器中膜的无 选择性截留特性，膜组件使反应器内活性污泥一直保持高水平，提高了处理效率， 同时膜的截留作用使大分子有机物和难降解有机成分能在有限的生物反应器内 有足够的停留时间，保证了出水稳定性。 近年来也有学者将膜生物反应器和a o 生物处理工艺结合起来以进一步提 高其处理难降解废水的能力，即在膜生物反应器前加一个厌氧段，利用厌氧酸化 菌对难降解有机物进行酸化水解作用，提高废水的可生化性，为好氧段的处理创 造条件。据报道【5 l ，该工艺用于处理毛染废水时比单纯好氧膜生物反应器具有更 高的脱色效率，出水色度小于4 度。另外，李春杰等人1 6 1 将一体式膜生物反应器 按照s b r 的序批式运行方式运行处理有毒难降解的焦化废水，在一池内按照“缺 氧好氧”或“缺氧1 好氧缺氧2 ”的工况运行，取得了很好的处理效果。 1 2 1 2 m i i r 脱氮除磷效果研究 在m b r 中，由于膜对硝化茵的截留作用，世代时间较长的硝化菌能够在 h r t 较小的条件下生存富集，故大多数m b r 工艺对n h 4 + - n 的去除效果非常好， 去除率大于9 0 ，但由于厌氧环境不充分，对t n 的去除不理想，出水硝态氮含 量较高。通过在生物反应器前增加厌氧段，或将膜生物反应器按照缺氧一好氧的 工况序批式运行，可将总氮的去除率提高至6 0 8 0 。 膜生物反应器中，由于较高的污泥浓度使氧传递速率减小，在好氧菌胶团内 部存在厌氧环境，有利于反硝化的进行。李红兵等7 1 在一体式好氧m b r 中发现 随着污泥浓度增加，t n 去除率呈上升趋势。其实在很多m b r 工艺中都可观察 到同步硝化反硝化现象，但是，m b r 中的好氧反硝化脱氮效率有限，现在还末 天津大学硕士学位论文第一章概述 见有单纯地应用同步硝化反硝化理论脱氮的m b r 工艺报道，但有不少学者对其 影响因素作了深入地研究。邹联沛等【8 】研究了m b r 中d o 对同步硝化反硝化的 影响，得出结论为d o 在l m g l 时，最高n h 4 + n 和t n 的去除率为9 5 和9 2 。 d a v i e s 等【9 】在一体式m b r 的中试研究中指出，只要严格控制f ：m 值和p h 值， 就可能达到较高的氨氮去除率。b e r t h o d 和m u l l e r 1 0 , 1 1 对m b r 工艺中污泥传氧系 数进行了测定，得出的数据虽不尽相同，但都得出随着m l s s 的增加，氧的传递 效率明显减小的结论。 短程硝化反硝化在m b r 脱氮研究中也得到体现，如李春杰、耿谈等u 2 , 1 3 i 在 用m s b r 处理焦化废水时获得了稳定、高效的短程硝化作用，并通过试验证实 是由于泥龄太长所产生的微生物代谢产物抑制了硝化反应过程中的硝酸盐细菌 的结果，但过长的泥龄也会影响亚硝酸盐细菌的活性，影响系统整体的脱氮效果。 除磷是m b r 工艺中的难点，从大多数m b r 工艺运行结果来看，出水磷浓 度难以达标。m b r 工艺具有很长的污泥龄，故般不适合采用生物法除磷，但 也有成功的例子。p e d r oa c 等人【1 4 1 采用生物膜膜反应器处理含磷废水，在 有机负荷率为1 5 9 m g c o d l d 的条件下，得到磷( p 0 4 ”p ) 的去除率达7 2 ，目 前这种工艺还处于研究阶段。m b r 工艺中常常采用投加絮凝剂以共沉淀模式来 提高磷的去除效果，研究表明，在进水总磷浓度为1 1 9 m g l 条件下，添加 a 1 2 ( s 0 4 ) 3 和f e c l 3 可使出水中磷浓度下降到l m g l 1 卯。b e r t h o d 等人1 1 6 1 通过投加 f e c l 3 絮凝剂来提高磷的去除效果，将p 0 4 3 一一p 浓度从5 m g l 降到o 3 m g l 以下， 沉淀剂摩尔比为1 o 1 5 ，若按被去除的磷考虑，摩尔比为2 0 。 1 2 2 膜污染防治问题的研究 1 2 2 1 膜污染及其影响因素 膜污染是影响膜生物反应器推广应用的主要因素，根据国际纯粹与应用化学 协会0 0 p a o 的定义，膜污染是指由于悬浮物或可溶性物质沉积在膜的表面、孔 隙和孔隙内壁，从而造成的膜通量降低过程。 根据上述定义，膜污染主要源于三个方面：其一是膜孔缩小。这主要是一些 分子直径小于膜孔的物质被吸附在孔的表面造成的。c r o z e s 等人 1 7 l 提出，一旦 膜孔缩小会进一步扩大浓差极化，从而导致膜污染的加剧。其二是膜孔堵塞，膜 d 天津大学硕士学位论文 第一章概述 见有单纯地应用同步硝化反硝化理论脱氮的m b r 工艺报道，但有不少学者对其 影响因素作了深入地研究。邹联沛等1 研究了m b r 中d o 对同步硝化反硝化的 影响，得出结论为d o 在l m g l 时，最高n i - h + - n 和t n 的去除率为9 5 和9 2 。 d a v i e s 等例在一体式m b r 的中试研究巾指出，只要严格控制f ：m 值和p h 值， 就可能达到较高的氨氮去除率。b e r t h o d 和m u l l e r 1 0 , l q 对m b r 工艺中污泥传氧系 数进行了测定，得出的数据虽不尽相同，但都得出随着m l s s 的增加，氧的传递 效率明显减小的结论。 短程硝化反硝化在m b r 脱氮研究中也得到体现，如李春杰、耿谈等 1 2 , 1 3 i 在 用m s b r 处理焦化废水时获得了稳定、商效的短程硝化作用，并通过试验证实 是由于泥龄太长所产生的微生物代谢产物抑制了硝化反应过程中的硝酸盐细菌 的结果，但过长的泥龄也会影响亚硝酸盐细菌的恬性，影响系统整体的脱氮效果。 除磷是m b r 工艺中的难点，从大多数m b r 工艺运彳亍结果来看，出水磷浓 度难以达标。m b r 工艺具有很长的污泥龄，故一般不适合采用生物法除磷，但 也有成功的例子。p e d r oa c 等人【1 4 1 采用生物膜一膜反应器处理含磷废水，在 有机负荷率为1 5 9 m g c o d l d 的条件下，得到磷( p 0 4 ”p ) 的去除率达7 2 ，目 前这种i 艺还处于研究阶段。m b r 工艺中常常采用投加絮凝剂以共沉淀模式来 提高磷的去除效果，研究表明，在进水总磷浓度为1 1 9 m 舡条件下，添加 a 1 2 ( s 0 4 _ ) 3 和f e c l 可使出水中磷浓度下降到i m g l 1 ”。b e r t h o d 等人【1 q 通过投加 f e c l 3 絮凝剂来提高磷的去除效果，将p 0 4 3 - p 浓度从5 m g 1 降到0 3 m g l 以下， 沉淀剂摩尔比为1 0 1 5 ，若按被去除的磷考虑，摩尔比为2 0 。 1 2 2 膜污染防治问题的研究 1 2 2 1 膜污染及其影响因素 膜污染是影响膜牛物反应器推广应用的主要因素，根据国际纯粹与应用化学 协会( i u p a c ) 的定义，膜污染足指由于悬浮物或可溶性物质沉积在膜的表面、孔 隙和孔隙内壁，从而造成的膜通量降低过程。 根据上述定义，膜污染主要源于三个方而：其一是膜i l 缩小。这主要是。些 分子直径小于膜孔的物质被吸附在孔的表面造成的。c r o z e s 等人提出，一旦 膜孔缩小会进一步扩人浓差极化，从而导致膜污染的加剧。其二是膜孔堵塞，膜 膜孔缩小会进一步扩大浓差极化，从而导致膜污染的加剧。其二是膜孔堵塞，膜 4 一 天津大学硕士学位论文 第一章概述 孔堵塞发生在颗粒分子塞入膜孔内径时。其三是浓差极化造成的凝胶或滤饼层。 这种情况发生在颗粒分子直径大于膜孔直径时。由于膜一侧的表面和接近表面处 物质浓度增加形成的浓差极化会造成溶解性物质通过膜的阻力增加，而凝胶层或 滤饼层的形成是浓差极化产生的一种极端形式。滤饼是由悬浮物质吸附在膜表面 形成的，丽凝胶层主要是由细胞外聚合物，溶解性有机物及微细胶体等形成的。 m b r 不同于常规的膜过滤，因此研究m b r 膜污染的机理不仅需要考虑常 规的膜污染过程，还应充分考虑混合悬浮液的生物动力学特征与膜过滤的关系。 至今m b r 膜污染机理并没有完全搞清楚。英国学者将膜污染的主要影响因素归 为三大类( 见图l 一1 ) 【i 。膜的材质决定了膜的亲水性和膜空隙率，膜孔的尺寸 l 膜污染的影响因素 i lii 膜 il 活性污泥 i 运行条件 - i 构造m l s s k k一构造h _ j 材质 i -_ je p s目j j c f v - 4 亲水性| - j 絮体结构| j 曝气 一孔隙率 1 _ 一可溶物质| 一h r t ，s r th l i j 膜孔尺寸 1- l 絮体大小i - i 俐p | i f 图i - i 膜污染的影响因素 则会影响过膜压力差 ( t m p ) ；反应器的构造 与错流的速率( c f v ) 将 影响活性污泥中生物细 胞的胞外聚合物( e p s ) 生成、污泥絮凝体结构和 大小以及溶解物的性质； m b r 中的h r t 、s r t 则 直接影响污泥的浓度和 e p s 的形成与生长。总 之，膜污染在m b r 工艺 中是非常复杂、难以控制 的，它是影响m b r 工艺 实用化的主要问题。 1 2 2 2 膜污染控制 通过对膜生物反应器中膜污染影响因素的分析，当前膜污染防治问题的研究 主要是从膜性质、料液性质和膜分离操作条件三方面展开的。 天津大学硕士学位论文 第一章概述 1 、膜性质 膜的性质包括膜材质、膜孔径大小、孔隙率、亲疏水性、电荷性质和粗糙 度等。膜按材质来分，包括有机膜和无机膜两大类。目前应用较多的是有机膜， 包括聚烯烃类、聚乙烯类、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等。现有的研究 表明，无机膜的抗污染能力较强，并且无机膜本身除了具有超滤截留功能外还能 作为曝气器使用；在几种常用的有机膜材质中，聚偏氟乙烯的抗污染能力最强， 聚砜膜最易受污染。 从理论上讲，在保证能截留所需粒子或大分子溶质的前提下，应尽量选择孔 径或截留分子量大的膜，以得到较高膜通量。但实际研究中发现，较大孔径的膜 更易受污染。何义亮等3 l 提出了“并联运行的平板膜组件中，通量最大的膜优先 衰减且衰减幅度最大”的观点。k h c h o o 1 9 l 研究得出结论，孔径在o 1 u m 附近 时，初始消化液对膜的污染趋势最小。s h i m i z u 等【2 0 1 在用陶瓷膜进行的试验中发 现，孔径为0 0 5 o 2 u m 的膜通量最大。目前，大多数m b r 工艺都采用孔径0 1 0 4 u m 的膜。 膜的亲疏水性对膜污染的影响比较复杂，对于不同性质料液，不同条件下 可能得出不同的结论。一般认为对于膜与有机组分为主的活性污泥之间的表面能 越低越好，即选择亲水性膜。原因在于亲水的膜表面与水形成氢键，这种水处于 有序结构，当疏水溶质要接近膜表面须破坏有序水，不易进行。对于疏水性、易 受污染的膜，如聚砜等，可采用移植亲水性基团或交链复涂等方法来改善膜表面 的亲水性，降低蛋白质对膜的吸附污染。 水体中一般都有带负电荷的胶团，当膜表面呈负电性时，由于荷负电胶体微 粒与膜表面间存在较强的电性斥力，故此时膜不易被污染。膜表面粗糙度对膜通 量有正反两方面的影响，一方面粗糙度的增加将加剧吸附污染的可能性，另一方 面也将增加膜表面的扰动程度。 2 、料液性质 活性污泥混合液成分复杂，它包括微生物菌群及其代谢产物，待处理废水中 的有机高分子、小分子、溶解性物质和固体颗粒。现有的研究表明，膜污染主要 发生在膜的表面，生物反应器内细菌胞外聚合物( e p s ) 、溶解性有机物( s m p ) 天津大学硕士学位论文 第一章概述 及微细胶体是造成膜污染的主要因素。此外，膜污染还包括溶解性无机物导致的 无机污染( 水垢层) 和活性污泥絮体等悬浮物形成的污泥层。 活性污泥浓度对膜污染有一定的影响。一些研究表明，膜通量与污泥浓度的 对数呈线性关系，污泥浓度越高，膜稳态通量越低，认为活性污泥浓度控制在 4 9 l 左右为最佳；但另一些研究的结果恰好相反，j u n g m i nl e e 等人2 1 1 在生物膜 膜生物反应器和常规的一体式膜生物反应器的对比试验中发现，生物膜 膜生物反应器的悬浮污泥浓度虽然较低( o 1 9 l ) ，但其过膜阻力( t m p ) 却比常规 膜生物反应器( 3 9 l ) 的过膜阻力增长快，无论哪种膜生物反应器，悬浮污泥浓度 越高，过膜阻力增长得越缓慢，通过比较分析了上述两类膜生物反应器悬浮污泥 中s m p 、e p s 含量和有机物分子量分布，研究者认为由于污泥絮体可在膜表面 形成透水性的保护层，阻止溶解性的污染物向膜表面靠近，所以较高浓度的悬浮 污泥更有利于防止膜污染。还有学者研究表明，悬浮污泥浓度过高或过低都会对 膜通量产生不利影响，当污泥浓度过高时污泥易在膜表面沉积，形成较厚的污泥 层，导致过滤阻力增加：当污泥浓度太低时，污泥对溶解性有机物的吸附和降解 能力减弱，使得混合液上清液中的溶解性有机物浓度增加，从而易被膜表面吸附， 导致过膜阻力增加。由此可见，国内外对膜污染受悬浮污泥浓度的影响还缺乏统 一认识，需进一步深入研究。 污泥颗粒大小及分布对膜污染也有影响，一般说来，颗粒尺寸越小，向膜面 的净迁移速度越大，颗粒越易在膜面沉积，形成的沉积层也越致密，透水性越小， 故颗粒尺寸过小将加剧膜污染。值得注意的是，随着s r t 的延长，m b r 中污泥 颗粒有减小的趋势，但选取s r t 值还应结合混合液的其它特性综合考虑。 现阶段，改善料液特性缓解膜污染比较好的方法是向反应器中投加粉末活性 炭( p a c ) 以形成生物活性炭( b a c ) 。j s k i m 2 2 1 的研究表明，添加p a c 可使 混合液中胞外聚合物( e p s ) 减少，降低污泥絮体的可压缩性，增加沉积层的孔 隙率，使膜通量得以提高。 3 、膜分离操作条件 m b r 分为分置式和一体式两类，它们的运行方式和操作条件有较大不同。 分置式m b r 一般以恒压过滤方式运行，膜通量的变化可以反映膜污染状况。操 天津大学硕士学位论文 第一章概述 作压力和膜面流速是分置式m b r 的两个重要的操作参数，一般来说，宜选用低 的操作压力和高的膜面流速以缓解膜污染。当操作压力较小时，膜透水率随压力 增加呈正比例增加，当压力增大至一定临界值后，透水率不再变化。s a w 等人报 道微滤膜的临界压力值在1 2 0 k p a 左右，超滤膜的临界压力值在1 6 0 k p a 左右。膜 面流速的增加可以增大膜面水流扰动程度，提高膜通量。黄霞等人的研究表明， 在每种污泥浓度下，膜通量随膜面流速的增加而增加，但增加速度逐渐降低。 k h c h o o 和d e v e r e u x l 2 3 j 的研究表明，过大的膜面流速将削弱动态生物沉积层， 有可能造成不可逆污染。此外，在分置式系统中，由于泵的剪切挤压作用会使某 些微生物失活，使污泥颗粒减小，导致e p s 的释放从而加剧膜污染。 一体式m b r 一般以恒流过滤方式运行，过膜阻力大小变化可以反应膜污染 程度。设备的操作参数、生物反应器的构造和膜组件的结构形式等都将对膜污染 产生影响。桂萍等人【2 4 】通过正交试验考察了出水泵抽吸时间、停泵时间和曝气量 3 个因素对膜抽吸压力上升速率的影响程度，得出结论是按影响程度大小排序为： 抽吸时间 曝气量 停泵时间，最佳组合条件为：抽吸时间1 0 m i n ，停泵时间 5 m i n ，曝气量4 m 3 h 。刘锐等人【2 5 l 考察了生物反应器构造对膜间错流流速的影响， 发现反应器高度越高，上升流道越窄，下降流道和底部流道越宽，在同样曝气量 条件下，可获得越大的错流流速，从而更有利于缓解膜污染。ys h i m i z u 等人【2 6 】 研究了不同装填密度的中空纤维膜用于处理生活污水时的过滤特性，研究结果表 明，当抽吸压力大于4 0 k p a ，流速从小于0 5 m s 时会引起中空纤维丝的堆积， 使有效膜面积减小；中空纤维膜的运动或振动对提高膜通量的贡献很小。杨大春 等人【2 7 1 采用水力计算的方法研究发现膜的几何尺寸对产水量的影响很大，由于出 水的驱动力只是在中空纤维居中较短的一部分保持高数值，故应在经济允许条件 下尽量缩短膜的总长度；同时纤维粘合长度越长，出水量越低，故应在强度允许 的条件下尽量缩短粘合长度。另外，彭跃莲等人【2 8 1 还研究发现，由于膜组件越长， 泵的循环流量越小，越节能，故存在最佳的膜组件跃度，当膜面流速为2 m s 时， 最佳膜组件长度为o 7 9 3 m ；当膜面流速为3 m s 时，最佳膜组件长度为0 7 4 4 m 。 天津大学硕士学位论文 第一章概述 1 3 研究目标及主要内容 低能耗、高效膜生物反应器的出水水质以国家城市污水再生利用景观环 境用水水质( g b t 1 8 9 2 1 2 0 0 2 ) 规定的标准为目标，该标准对t n 、n h 4 * - n 和t p 都有较严格的要求；由于m b r 的运行能耗主要用于曝气和维持膜出水通 量的稳定，因此，在保证出水水质的前提下，有效的降低曝气量，预防膜污染是 低能耗、高效膜生物反应器设计开发的关键技术。在反应器设计制作之前，研究 比较了几种不同类型生物处理技术与膜分离技术相结合的处理工艺，最终确定反 应器设计以厌氧处理工艺中最具先进性的内循环厌氧反应器( i c ) 为基础，通过 在第二厌氧反应室内设跫中空纤维膜组件和穿孔曝气管，构成i c 集成m b r 工 艺的内循环膜生物反应器( i c m b r ) 。 本课题旨在通过内循环膜生物反应器对实际污水的处理试验，重点研究以下 两方面的问题： 1 、全面考察内循环膜生物反应器对试验污水的处理能力和运行特征。为中 试规模i c m b r 应用于污水回用处理探索合适的运行参数。 2 、内循环膜生物反应器中污泥的性能变化，颗粒污泥的形成过程和特性， 以及膜污染过程分析。 天津大学硕士学位论文 第二章实验装置和研究方法 2 1 实验装置 第二章实验装置和研究方法 l 、进水管 2 、迸水流量计 3 、内循环水箱 4 、降流管 5 、厌氧反应室 6 、第二反应室 7 、膜组件 8 、第一集气提升管 9 、第二集气提升管 1 0 、液位计 1 1 、电磁阀 1 2 、膜出水流量计 1 3 、气体流量计 1 4 、取样口 图2 - 1 内循环膜生物反应器装置示意图 本实验自行设计的内循环膜生物反应器( 如图2 1 ) 是用透明有机玻璃柱加 工而成的。装置主要由以下几部分组成： 1 、生物反应区 生物反应区高1 4 0 m ，内径1 5 0 r a m ，总体积2 5 l ，其中厌氧反应室和第二反 应室各高o 7 m ，容积1 2 5 l 。在反应器上，每隔1 5 0 m m 设置一个取样口，共设 置了6 个取样口，以便取样进行分析。反应区的顶部为溢流堰，生物处理后的水 天津大学硕士学位论文 第二章实验装置和研究方法 可不经膜组件由溢流堰进入外围集水槽出水。 2 、内循环系统 内循环系统包括内循环水箱、降流管以及集气提升管。内循环水箱设置在反 应器最顶部，高1 8 0 m m ，内径1 0 0 m m ，容积1 5 l ，底面倾角3 0 度，顶部设置 排气阀，底部同降流管和集气提升管连为一体，用法兰固定于集水槽上。 3 、曝气系统 i c m b r 第二反应室的曝气系统采用电磁式空气压缩机，最大曝气量 4 2 m 3 h ；气体经流量计( 量程为o 0 6 m ) 调节后通过p v c 穿孔管曝气，孔 径2 m m 。 4 、中空纤维膜组件 i c m b r 反应器的膜组件选用中空纤维帘式膜，其基本规格见表2 - 1 。 表2 - 1 膜组件性能参数 聚偏氟乙烯微滤膜组件的优点是化学稳定性好，抗污染能力强，不易堵塞，能够 长期使用；缺点是机械强度较低，易折断。因此试验过程没有对膜进行反冲洗， 而是采用间歇出水的方式控制膜污染。i c m b r 反应器中膜组件的额定流量大于 反应器的运行流量，污水通过潜水泵进入反应器。膜出水采用液位计结合电磁阀 控制。 本课题研究设计的内循环膜生物反应器是根据厌氧内循环反应器( i c ) 的运 行原理，在i c 反应器的第二厌氧反应室设置中空纤维膜组件和穿孔曝气管构成 天津大学硕士学位论文 第二章实验装置和研究方法 的i c + m b r 集成工艺，工艺流程如下： 污水由图2 - 1 所示的进水管进入内循环水箱，再经降流管到达厌氧反应室的 底部，反射后向上流动，与厌氧颗粒污泥均匀混合，大部分有机物在这里被降解 转化成沼气。经厌氧反应室处理过的废水，会自动地进入第二反应室被继续进行 处理，废水中的剩余有机物可被第二反应室内的污泥进一步降解，使废水得到更 好的净化。第二厌氧反应室的泥水通过膜组件进行固液分离，清水受重力和虹吸 作用被吸入膜组件的集水管中排走，污泥被截留在反应室内。厌氧反应室产生的 沼气和第二反应室产生的气体分别由第一集气提升管和第二集气提升管收集，气 体沿提升管上升，同时把反应室的混合液提升至反应器顶的内循环水箱中。内循 环水箱中分离出的气体由顶部的排气阀排走，泥水混合液沿着降流管返回到厌氧 反应室的底部，与底部的颗粒污泥和进水充分混合，实现混合液的内部循环。内 循环的结果使厌氧反应室不仅有很高的生物量，很长的污泥龄，并具有很大的升 流速度，使该室内的颗粒污泥完全达到流化状态，有很高的传质速率和生化反应 速率，从而大大提高了厌氧反应室去除有机物的能力，内循环膜生物反应器的称 号便由此得来。这样，废水就完成了处理的全过程。 2 3 1i c l m i b r 反应器中的生物特征 通过i c m b r 的工艺流程可以看出，i c m b r 反应器相当于上流式厌氧污泥 床( u a s b ) 和膜生物反应器( m b r ) 的串联运行；由于第二反应室中设有穿孔 曝气管，因此会有一部分经过曝气的循环水进入厌氧反应室。k i e n e r 和l e i s i n g e r 等人【2 9 】的研究已表明，产甲烷菌是严格厌氧菌，他们的代谢和生长只能在无氧条 件下进行。因此，含溶解氧的内循环水进入厌氧反应室似乎会对系统的运行造成 不利影响；然而在自然界中氧化环境和还原环境共存的现象十分普遍，这是因为 氧在环境中均匀分布的情况并不多见，在好氧环境与厌氧环境的交界处经常会出 现缺氧状态，例如，土壤颗粒内、稻田中、活性污泥絮体以及其他的一些细菌群 落内都会产生缺氧状态；此外，好氧消化和活性污泥等处理系统中也存在缺氧环 天津大学硕士学位论文第二章实验装置和研究方法 境，即同一反应器内好氧和厌氧环境同时存在。 对自然界中各种缺氧环境的研究探索，使污水处理工艺在单一反应器内综合 利用好氧和厌氧微生物成为可能。g e r r i t s e 和g o t t s c h a l 等人报道0 0 ，如果供氧速 率低于需氧微生物的氧利用速率，则产甲烷菌等严格厌氧菌就可以和好氧菌在同 一环境中生存；此时，厌氧微生物能够受到需氧微生物呼吸作用的保护。b e u n i n k 和r e h m 等人1 3 1 1 研究了发酵槽中液相主体的缺氧现象，由于氧被吸收利用以及筝 的扩散受到限制，使生物膜沿纵向产生了明显的氧浓度梯度：好氧代谢在生物肤 外层占优势，内层则以厌氧代谢活动为主要特征。g u i o t 等人旧也曾报道，在厌 氧颗粒污泥外围，兼性发酵菌是优势菌种；当环境供氧受到限制时，溶解氧会被 外围的兼性细菌及额外的需氧菌消耗，可有效避免颗粒污泥内部产乙酸菌、产甲 烷菌与氧的直接接触。 在i c m b r 反应器中，内循环水带入的溶解氧能促使厌氧颗粒污泥表面形成 好氧生物膜，使好氧和厌氧微生物存在于同一反应器内。在限制供氧条件下，氧 化代谢和还原代谢有效结合，使部分不能被好氧微生物消耗的污染物可以被厌氧 微生物分解代谢，既强化了反应器的处理能力，又节省了运行费用。 2 3 2i a 惦r 的技术优点 提高反应器的处理效能，缩小反应器容积，从而降低工程投资，节省占地面 积，这始终是水处理工程技术人员追求的目标。采用i c + m b r 集成工艺的内循 环膜生物反应器可最大限度的发挥两种处理工艺各自的优势，使反应器出水指标 得到可靠的保证。 内循环膜生物反应器的技术优点是： 1 ) 出水的稳定性好。因为i c m b r 相当于u a s b 和m b r 反应器串联运行，下面 的u a s b 反应器具有很高的有机负荷率，起“粗”处理作用，上面的m b r 反应器的负荷较低，起“精”处理作用，出水水质稳定。 2 ) 具有很高的容积负荷率。i c m b r 由于存在着内循环，传质效果好，生物量大， 污泥龄长，因此能承受较高的进水有机负荷。 天津大学硕士学位论文 第二章实验装置和研究方法 3 ) 节省基建投资和占地面积。i c m b r 不仅体积小，有很大的高径比，而且由于 膜的高效分离作用，不必设立沉淀、过滤等固液分离设备，所以占地面积特 别省，非常适用于占地面积紧张的厂矿企业采用。 4 ) 易于实现自动化。整个系统流程简单，易于集成，运行管理简单。 5 ) 节省能耗。底部厌氧反应器承担了高负荷进水，极大的减少了曝气量；气体 提升实现内循环，不必外加动力。 6 ) 抗冲击负荷能力强。因为循环流量与进水在厌氧反应室充分混合，使原废水 中的有害物质得到充分稀释，大大降低有害程度，从而提高了反应器的耐冲 击负荷能力。 7 ) 具有缓冲p h 的能力。内循环流量相当于二级出水回流，可利用c o d 转化的 碱度，对p h 起缓冲作用，使反应器内p h 保持稳定，减少进水投碱量。 8 ) 可以达到较高的污泥浓度。不必考虑污泥的沉降性能和担心污泥流失问题， 从而泥龄很长，使世代周期长的细菌( 如硝化细菌) 在反应器内截留和繁殖。 9 ) 出水清澈透明，宜于回用，实现了污水资源化。由于污泥龄很长以及膜的高 效分离作用，出水中代谢物含量极低，而且能够截留一时难以降解的大分子 有机物，延长其在反应器内的停留时间，使之得到最大限度的氧化分解。悬 浮物、细菌和病原体微生物被大