（环境工程专业论文）mf在mbr垃圾渗滤液处理工艺的应用探讨.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 垃圾焚烧处理是以最快速度实现城市生活垃圾无害化、稳定化、资 源化和减量化的最终处置目标的重要手段：然而焚烧厂垃圾在处置过程 中，也会由于堆放和储存过程中的分解和压滤等作用产生高浓度的垃圾 渗滤液，其特点是水质水量波动大、成份复杂、有毒有害物质含量高。 目前垃圾渗滤液对周围环境的污染问题日趋严重，垃圾渗滤液的控制和 治理已经成为当前环境保护领域内的一项重大研究课题。膜生物反应器 ( m s g ) 是由污水生物处理技术和膜分离技术结合的一种新型污水处理与 回用工艺，其对于高浓度、难降解有机废水的处理有着一定的研究前景； 而反渗透作为一种新型的物化处理技术，在废水深度处理方面也具有很 好的研究前景。 本课题的研究通过对上海御桥焚烧厂垃圾渗滤液的特点分析，提出 利用m f 的m b r 对渗滤液进行处置，作为反渗透的预处理。就一体式好 氧膜生物反应器在处理垃圾渗滤液过程中的污染物去除效果、影响因素 和膜污染机理等展开研究，并且对反渗透技术在垃圾渗滤液进行深度处 理方面也进行了一定的研究。着重对工艺的经济性作出了分析。 对m b r 去除污染物特性的试验结果表明：m b r 对垃圾渗滤液中污 染物的去除效果较好，在h r t 为2 0 7 2 h ，c o d e r 和n h 3 - n 污泥负荷分 别为0 0 3 2 - 0 2 5k g c o d k g m l s s d 和0 0 1 5 - - 0 0 3 k g n h 3 - n k g m l s s d 的条件下去除率分别为9 0 和8 0 以上。本实验反应器中污泥浓度最高 达到1 5 9 l ；大量的惰性物质( 如s m p 、e c p 等) 等难降解物质随着实 验运行时间的增加而在反应器中累积，使得污泥沉降性能变差、污泥活 性降低、生物相变差等：对反渗透深度处理垃圾渗滤液的研究实验结果 表明：r o 对m b r 系统处理后出水的c o d 去除率达到9 6 以上；在对 膜污染研究试验中表面，膜污染主要是由一些颗粒物质吸附造成的膜面 污染，对膜清洗的研究试验结果表面，化学清洗对恢复膜通量更为有效。 对工艺经济成本分析表明，使用微滤膜的m b r 对垃圾渗滤液的去除效果 较好，经济合理。比起其它工艺处理垃圾渗滤液具有一定的经济优势。 关键词垃圾渗滤液；膜生物反应器( m r ) ；微滤；膜通量 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t t or e a l i z et h ep u r p o s eo fw a s t eh a r m l e s s ，s t a b i l i z a t i o n ，r e c y c l i n ga n d m i n i m i z a t i o n ，i n c i n e r a t i o n sp l a y s a l l i m p o r t a n t r o l e si nt h e d i s p o s a l o f m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) b u tt h er e f u s el e a c h a t e i nu r b a n g a r b a g e i n c i n e r a t i o np l a n ti sak i n do fo r g a n i cw a s t e w a t e ro fh i g hc o n c e n t r a t i o na n d d i f f i c u l tt r e a t m e n t , w h i c hi sv e r yd i f f i c u l tt ot r e a tb e c a u s eo fi t sv a r i a b l e q u a n t i t ya n dq u a l i t ya n dm u c ht o x i ca n dh a r m f u li n g r e d i e n ti ni t b e c a u s ei t m a yh a z a r de n v i r o n m e n tb a d l y , i th a sb e e no n eo ft h ec r i t i c a lp r o b l e mo f p o l l u t i o nc o n t r o lt ot r e a tl a n d f i l ll e a c h a t ei nt h en o w a d a y sa n dal o n gt i m e l a t e r t h em e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) ，c o m b i n e d p r o c e s s o f b i o l o g i c a l t r e a t m e n tw i t l la d v a n c em e m b r a n es e p a r a t i o n ，i san e wt e c h n o l o g yf o r w a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dr e u s e m b rh a st h es p e c i f i e dr e s e a r c hf o r e g r o u n d b e i n gu s e df o rt r e a t i n gt h eo r g a n i cw a s t e w a t e ro fh i g hc o n c e n t r a t i o na n ds h o w b i o d e g r a d a b l en a t u r e r e v e r s eo s m o s i s ( r o ) ，a san e wp h y s i c o c h e m i c a l m e t h o d ，h a ss p e c i f i e dr e s e a r c hf o r e g r o u n di nw a s t e w a t e ra d v a n c et r e a t m e n t t h ee m p h a s i so ft h i ss t u d yi st oa n a l y s i st h ee c o n o m yo ft e c h n i c s m b r s r e m o v a le f f e c to fc o n t a m i n a t i o n r 0 sr e m o v a le f f e c to fc o n t a m i n a t i o na n d m e c h a n i s mo fm e m b r a n ef o u l i n gw e r ei n v e s t i g a t e dt ot r e a tt h el e a c h a t ef o r m s h a n g h a iy u q i a or e f u s ei n c i n e r a t i o np l a n t t h er e s e a r c he x p e r i m e n t a lo fm b rr e s u l t ss h o w ：m b rh a sg o o de f f e c t i nc o n t a m i n a t i o nr e m o v a l ，w h e ns l u d g el o a d i n gr a t e so fc o da n dn h 3 - n w e r eb e t w e e n 0 0 3 2 0 2 5 k g c o d k g m l s s d a n d0 0 15 0 0 3 k g n h 撇g m l s s dr e s p e c t i v e l y , t h em b r h a dr e m o v a le f f i c i e n c i e so f c o da n dn h 3 州r a n g i n ga b o v e9 0 a n d8 0 r e s p e c t i v e l ya th r tb e t w e e n 2 0 7 2 h i ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fs l u d f ea n d s m p ，s l u d g ec o n c e n t r a t i o ni ns t a b l es t a g ei n c r e a s e dw i t ht h ee n l a r g e m e n to f v o l u m e t r i cl o a d i n ga n dw a sa b o v e15 9 li np r o c e s so ft h ee x p e r i m e n t ；t h e s l o w - b i o d e g r a d a b l es u b s t a n c es u c ha ss m p a n de x t r a c e l l u l a rp o l y m e r s ( e c p ) w e r ea c c u m u l a t e di nt h em b rw i t ht h ee x t e n s i o no fn m n i n gt i m e , w h i c h 一 堕南交通大学硕士研究生学位论文第页 。- - 二_ 二一二二= 二：j ：- 二一= 二_ = 二： c a u s e ds l u d g es e t t l ea b i l i t yt ob e c o m e w o r s e 、s l u d g ea c t i v i t yt od e e r e a s e 、t h e s l z eo f s l u d g ep a r t i c l et or e d u c et or e d u c ea n dm i c r o b i a lv a r i a t i o nt ob e b a d , a s w e l la s c o n t r i b u t i n gt ot h ep o o rm e m b r a n ep e r m e a b i l i t yo ft h em i x e d l i q u o r 1 1 1 er oh a dr e m o v a le f f i c i e n c i e so fc o d o v c 9 6 i nt h er e s e a r c ho f t h em e m b r a n ew a s h i n g , t h ec h e m i c a lw a s h i n g i sae f f e c t i v em e t h o d a n db vt h e d l s c u s s i o no fe c o n o m y , i ti ss u r et h a tm e m b r a n eb i o r e a e t o rl i n kt h ed i s ct u b e r e v e r s eo s m o s i sp r o c e s sw i t hm a n y a d v a n t a g e si ns t a b i l i t y , a r e aa n de c o n o m v l san e wt e c h n o l o g ys u i t a b l ef o rt h et r e a t m e n to fr e f u s el e a c h a t ei nm s w i n c i n e r a t i o np l a n t k e yw o r d sr e f u s el e a e h a t e ；m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) ；m i c r o f i l t r a t i o n ；丑畎 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或橇构送交论文的复印件和电子舨，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属予 1 保密已，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囱，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名 日期：函口g 、5 、 指导老师签名：事匆翔 争芗 日期：心谭。善、每 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究 工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的 个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 针对目前膜组合技术处理渗滤液费用高等问题进行课题研究。现阶 段有许多研究膜组合技术的试验；但是，研究m f 在m b r 垃圾渗滤液处 理工艺的应用，以此作为反渗透的预处理的研究还很少。单独的膜法处 理渗滤液是不能达到我们所要处理的目的，通过膜组合技术对运行参数 的确定和处理效率的研究，以及分析m f 在m b r 处理垃圾渗滤液过程中 的运行和经济分析，以此作为r o 的预处理，提出一种高效、经济的渗滤 液处理技术，以规划期内总操作费用最小为目标，所以，m f 在m b r 垃 圾渗滤液处理工艺的研究是具有一定的创新性的，具有一定的指导意义。 彳 。再哆 一扩萨 者移 作 口 文 扣 渤议 位期擎巨 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 前言 随着我国改革开放的不断发展；人民生活水平日益提高，我国 城市化程度也越来越快，城市数量和规模不断扩大以及城市人口急 剧增加，城市生活垃圾也相应的迅速增长。根据城市生活垃圾处理 无害化、减量化和资源化的基本原则，垃圾焚烧发电己成为近年来 解决城市生活垃圾蹴路的一个新方向鞭3 。盎予垃圾的堆放，不可避 免带来渗滤液的污染问题。 冒前，国志城市垃圾填埋场渗滤液的处理一般采用回灌、生物 处理等常规方法疆3 ，但在实际运行中，微生物常因渗滤液水质、水 量的变化和较大的冲击负荷而被抑制甚至死亡，使不能生物降解的 污染物在排放承体中长期积累，默蔼对周匿环境、地表和地下水造 成污染口。4 ，。因此，发展垃圾渗滤液治理技术已经成为一项迫切的研 究课题。 膜生物反应器( m b r ) 是由污水生物处理技术和膜分离技术结合 的一种新型污水处理与回用工艺强1 ，由于膜的截留作用，反应器中 的生物完全被截整在反应器中，实现了水力停留时闻和污泥龄的完 全分离，使反应器内保持较高的m l s s ，对污染物的去除率高，出水 的s s 和浊度很低，细菌和微生物则完全被去除，出水水质较好阳1 。 由于膜代替了传统的二沉池，设备结构紧凑，占地面积少，在废水 处理中运用相当广泛。对于高浓度、难降解有机废水的处理有着一 定的觋究前景；两徽滤属于笨力驱动膜分离技术，一种应用范围很 广的物化处理技术，分离的组分直径为0 0 3 - - 1 5 u m ，主要去除微粒、 亚微粒和细粒物质】。在废水深度处理方面也具有很好的研究前景。 舀前国内的膜组合工艺处理垃圾渗滤液的工程有很多，因垃圾 渗滤液的水质变化大，渗滤液中成分复杂多变，一年四季变化大， 春、夏两季有机物浓度高，冬秋季节有机物浓度低且可生化性很差， 氨氮变化幅度较小。垃圾渗滤液还有一个特点，就是各组分的含量 与垃圾填埋场的填埋时间有关，填埋时间超过5 年后，渗滤液中有 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 机物含量逐渐降低，可生化性变差阳州。所以m b r 多采用u f 膜，使 得出水水质能较好的作为后续处理的进水，这样就必须加大成本的 投入，从而对建设和运行环节构成了一定的经济负担。 因此，深入研究膜组合工艺对垃圾渗滤液的去除效率、优化膜 组合工艺的运行参数：发展垃圾渗滤液治理技术己经成为一项迫切 的研究课题。 1 2 垃圾渗滤液的产生、水质特征及影响因素 1 2 1 垃圾渗滤液的产生及影响因素 垃圾填埋场渗滤液，又称垃圾浸出液或垃圾渗滤水，是指垃圾 在填埋过程中受到挤压、垃圾本身的分解以及地表水和地下水的渗 入等作用产生的高含量污水n 引。垃圾填埋场渗滤液来源及影响因素 主要有1 1 。m 1 引： ( 1 ) 气候和水文条件：降水包括降雨和降雪，是渗滤液的产生 的主要来源。降雨受其本身的数量、强度、频度、持续时间影响； 降雪受其温度、风速、雪块特征、场地情况、先前情况等影响：降 水的一部分形成地表径流，一部分被下渗。影响地表径流的因素有 雨量、雨强、填埋场的含水率、填埋场的表面状况等；未被排走的 水分一部分被蒸发，一部分下渗至垃圾堆体中并逐渐下渗到垃圾底 部，有机物含量高的垃圾和土层，持水能力较高，会减小下渗速率， 填埋场中垃圾和土壤的分层填埋也会抑制水的下渗。 ( 2 ) 现场操作、管理条件：垃圾预处理程度，压实程度，表皮 植被，覆土，边墙条件，衬托材料，灌溉，回灌等。 ( 3 ) 垃圾特性：垃圾的组成，渗透率，填埋年龄，颗粒粒径， 垃圾密度及初始温度。 ( 4 ) 垃圾的内部降解过程：垃圾分解与垃圾有效水分及酸碱度、 温度、时间、氧的存在、成分、颗粒大小等有关。 1 2 2 渗滤液的水质特性 垃圾在渗滤液和微生物的长期作用下不断被溶解、分解，呈溶 质形式的有害有毒产物进入渗滤液中，导致垃圾填埋渗滤液中的污 染物浓度特别高，性质也特别复杂n 引。而且其性质会随着填埋场的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 气候条件、水文条件、垃圾的成分性质及其含水量和填埋工艺方法 的不同而异。对于同一填埋场，其渗滤液的性质会随着填埋场使用 时间的长短而变化。总体来看，渗滤液具有如下的几点水质特征： ( 1 ) 有机物浓度高，比例失调 垃圾渗滤液中的c o d 和b o d 。的浓度最高可达几万m g l ，与城市 污水相比，浓度极高。可生化指标b o d 。c o d 的值在o 1 - - 0 ? 范围 变化，并随填埋的时间增长而降低，碱度含量则升高，这就要有求 所采用的工艺要有比较高的c o d 负荷率，较长的水力停留时间或较 大的反应容积。 渗滤液的成分异常复杂。国内有关渗滤液的水质数据资料还不 多见n 引。张兰英n 引检测到的渗滤液中有机物种类共9 3 种有机化合 物，其中2 2 种被列入我国和美国e p a 环境污染物的黑名单中 。此 外，国外的学者在部分渗滤液样品中还发现了尼古丁、咖啡因、 p h t h a l a t ep l a s t i c i z e r s 等有害物质n 钔。o m a n 和h y n n i n g n 们在对多 个填埋场渗滤液的分析中也发现了1 5 0 种不同的有机污染物。 ( 2 ) 氨氮含量高、含盐量高 渗滤液的氨氮浓度随填埋时间增加而增加，有时可高达2 0 0 0 - 3 0 0 0 m g l ，如此高的氨氮浓度，使微生物营养素c n 比例严重失调， 影响微生物的活性，降低生物处理的效果。渗滤液中的氯化物和磷 酸盐等盐类物质，有时也很高，影响生物渗透压的平衡，制约生物 处理的正常发挥，为避免对生物处理的不利影响，必要时应进行脱 盐处理。 ( 3 ) 金属含量高 垃圾渗滤液中含有多种金属离子，其中铁和锌离子含量较高， 超过一般的排放标准，对微生物有强烈抑制作用，长时间运行，会 导致污泥中的无机物含量增加，影响系统正常运行。为此，对某些 处理工艺，应考虑须重金属离子的去除问题。 ( 4 ) 营养元素比例失调 微生物对于营养元素c 、n 、p 比例要求并不十分严格，但其中 有机物和氨氮的含量高，而磷元素较为缺乏，且比例严重失调，和 微生物所需要的磷元素相差较大，不利于微生物的生长。 ( 5 ) 水质变化大 垃圾渗滤液的水质会随季节、气候、填埋年数的长短及其垃圾 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的种类和数量的变化而变化。对c o d 、b o d 。、n h 。- n 、p h 和碱度而言， 填埋时间是影响其含量的主要因素。填埋初期和中期渗滤液的 b o d 。c o d 比一般在0 3 o 7 5 ，比较适宜采用生物处理，两者的去除 效果良好。但随着填埋时间的增加，垃圾日趋稳定，垃圾渗滤液中 的有机物浓度降低，b o d 。的值可低于0 1 ，此时有机物中相对分子质 量大的化合物比例大，可生化性很差。广般来讲，对于“年轻填 埋场( 3 5 年以下) 的渗滤液，其特点是低p h 值、高b o d 。，c o d ， 高b o d 。c o d 值；另一类是较“老 的填埋场( 3 5 年以上) 的渗滤 液，其特点是b o d 。，c o d 较低，b o d 。c o d 值也较低，n h 。一n 浓度高， p h 值通常为7 5 左右心引。生物法处理垃圾渗滤液的效率随填埋龄的 增加越来越低，n h 。一n 、p h 和碱度亦随着填埋时间的增加而增大。 总而言之，渗滤液水质具有诸多特点，是一种很难完好处理的废 水。表i - i 为国内部分垃圾填埋场近期的渗滤液水质情况2 。 表i - i 国内部分垃圾填埋场渗滤液水质 c 0 0 口 b 0 0 5n l b - n碱度 填埋场p h 研l g ，l )缸i g ，l )0 彬l ) 杭州天子岭 3 6 2 12 1 0 02 4 06 5 一7 5 厦门垃圾填埋场 1 4 0 08 8 04 5 8 0 广州李坑垃圾填埋场 哇02 5 0 01 0 0 06 5 7 8 石家庄鹿圈狭石沟垃圾填埋 2 4 0 驴一 1 2 0 口、一 9 7 6 8 7 4 场 3 01 6 0 0 8 8 1 0 5 2 8 6 1 0 5 分一 苏州七子山垃圾填埋场 1 3 3 4 3 56 2 v 7 9 6 3 0 3 72 5 2 i 12 9 4 1 1 8 1 5 2 4 0 9 5 3 2 5 6 上 每老巷处置场 5 6 2 5 71 6 1 3 88 6 0 5 广州大田山垃圾填埋场 4 7 0 01 5 4 01 2 1 07 4 0 07 。8 5 1 4 0 0 南京市水阁垃圾填埋场 1 8 2 6 3 73 6 4 5 1 93 08 1 8 3 1 8 9 0 香港新界东北垃圾填埋场 2 0 01 5 0 0 1 3 膜生物反应器 1 3 1 膜分离技术概述 ( 1 ) 膜分离原理 膜分离( m e m b r a n es e p a r a t i o n ) 是指在某种推动力作用下，利 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 用膜的选择透过性进行分离和浓缩的方法乜引。这里的膜是指在一种 流体相内或是两种流体相内之间的一层薄的凝聚相物质( 固态或液 态) ，它把流体分为两个互不相通的部分，但两部分之间可以进行物 质传递。无论是固态膜还是液态膜都必须具有两个明显的特征心3 。2 钔： 一是必须有两个界面，两个界面与两侧流体接触，二是膜具有选择 透过性可以使流体中的一种或几种物质通过，而将其它物质截留。 如图1 - 1 所示，膜过滤有两种基本操作方式：死端过滤( d e a de n d f i l t r a t i o n ) 和错流过滤( c r o s sf 1 0 wf i l t r a t i o n ) 嵋引。死端过滤 是指在膜两边压力差的驱动下，溶质和溶剂垂直于分离膜方向运动， 溶质被膜截留，溶剂通过膜而被分离，因此死端过滤也被称为全程 过滤。错流过滤工艺中，主体料液与膜表面相切而流动，料液中的 溶质被膜截留，透过液垂直于膜面而通过膜流出，因此错流过滤也 被称为切相流过滤。 辩液 l 0+ ，r ，7 ( a ) 死端过渡 c b ) 锩流过滤 图1 - 1 死端流过滤与错流过滤示意图 目前的膜分离技术有：微滤( m ic r o f ii t r a t i o n ，m f ) 、超滤 ( u l t r a f ii t r a t i o n ，u f ) 、纳滤( n a n o f il t r a t i o n ，n f ) 、反渗透 ( r e v e r s eo s m o s is ，r o ) 、渗析( d i a l y s i s ，d ) 、电渗析 ( e l e c t r o d i a l y s i s ，e d ) 、控制释放( c o n t r o lr e l e a s e ) 、膜传感 器( m e m b r a n e s e n s o r ) 、气体分离( g a sp e r m e a t i o n ，g p ) 、渗透汽 化( p e r v a p o r a t i o n ，p v ) 、膜蒸馏( m e m b r a n ed i s t i l l a t i o n ) 、膜 萃取( m e m b r a n ee x t r a c t i o n ) 、液膜( l i q u id m e m b r a n e ) 等托p 2 。 膜分离的推动力可以是膜两侧的压力差、电位差或浓度差。水处理 中常以压力差为推动力，采用的膜技术有微滤、超滤、纳滤和反渗 透。反渗透是利用膜有选择的滤过溶剂( 通常是水) 而截留离子物 质的性质，以膜两侧静压差为推动力，克服溶剂的渗透压，使溶剂 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 通过反渗透膜而实现对液体混合物分离的膜过程。与反渗透相比， 微滤和超滤的操作压力低、透水量大。纳滤是在反渗透膜过程的基 础上发展起来的新型压力驱动膜，选择性介于反渗透和超滤之间， 分离性能优良心引。 膜按材料可分为有机材料和无机材料，前者又分为天然改性材 料和高分子复合材料。目前，膜的产量、品种、功能和应用以有机 高分子聚合物材料制成的膜及其过程为主瞳p 圳。根据膜过滤压力和 推动力不同，可分为加压型和抽吸型口；根据膜组件( m e m b r a n e m o d u l e ) 形式不同可分为平板式、管式、螺旋卷式、毛细管式和中 空纤维式口钉；根据膜组件与反应器组合方式不同，可分为分离式、 隔离式和一体式( 浸没式) 副。 ( 2 ) 微滤膜技术的发展与应用 微滤膜过滤是世界上开发应用最早的膜过滤技术。以天然或人 工合成的高分子聚合物制成的微滤膜过滤技术始于1 9 世纪中叶口引， 但对膜分离技术的系统研究始于2 0 世纪。1 9 0 7 年b e c h h o k d 系列化 多孔火棉胶膜并发表了第一篇系统研究微滤膜性质的报告，首先提 出了气泡法测微滤膜孔径。1 9 1 8 年z s i g m o n d y 等人最早提出规模生 产硝化纤维素微滤膜的方法，并与1 9 2 1 年获得专利。1 9 2 5 年在德 国哥廷根( g o t t i n g e n ) 成立了世界上第一个微滤膜公司一s a r t o r i u s g m b h 鲥，专门生产和销售滤膜。第二次世界大战后，美英等国得到 德国微滤膜公司的资料，于19 4 7 年相继成立了工业生产机构，开始 生产硝化纤维素微滤膜，用于水质和化学武器的检验。1 9 6 0 年 s o u r i r a ja n 和l o e b 1 公布了著名的l - s 膜制备工艺。从2 0 世纪 6 0 年代开始，随着聚合物材料的开发，成膜机理的研究和制膜技术 的进步，微滤膜的发展进入了一个飞速发展的阶段 。膜品种扩大 到c a - c n 、聚酞胺、p v d f ( 聚偏氟乙烯) 、p a n ( 聚丙烯腈) 、p c ( 聚 碳酸酯或磷脂酰胆碱) 、p e s ( 聚醚砜) ，p s ( 聚苯乙烯) 、p e ( 聚乙 烯或磷脂酰乙醇胺) 和p t f e ( 聚四氟乙烯) 、聚酯和无机膜陶瓷材 料( 氧化锆和氧化铝) ，此外，还可以利用玻璃、铝、不锈钢和增强 的炭纤维作为膜材料等拍8 。3 钔。制膜工艺从完全挥发相转化扩大到凝 胶相转化、控制拉伸致孔、核辐射刻蚀致孔等；孔径范围为0 1 帅 到7 5 阳系列化；组器形式从单一的膜片滤器到褶筒式、板式、中空 纤维式和卷式等h p “3 。应用范围从试验室的微生物检测急剧发展到 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 制药、医疗、饮料、生物工程、超纯水、饮用水、石化、环保、废 水处理和分析检测等广阔的领域引。 美、英、法、德、日本都有自己品牌的微滤膜。在国际市场上 影响最大的是美国m i l l i p o r e 公司，其次是德国s a r t o r i u s 公司。 微滤膜制备方便，价格便宜，应用广泛h 朝。目前，微滤膜的产值占 了膜技术总产值的一半以上。 我国微滤膜技术开发较晚。2 0 世纪五六十年代，我国一些科研 部门微滤膜进行了小规模的试制和应用，但基本上没有形成工业规 模的生产能力。真正的起步应算是7 0 年代末期和8 0 年代初期，上 海医药工业研究院等单位对微滤膜进行了较系统的研究。目前，国 内已有了多种商品化微滤膜。由于国产微滤膜性能稳定，价格低廉， 占据着国内大部分市场定额h 4 。4 5 3 。 与国外相比，我国相转化法微滤膜的性能和国外同类产品性能 基本一致，褶筒式滤芯己在许多场合下替代了进口产品，得到了广 泛应用；用控制拉伸生产的p e ，p p 、等m f 膜，虽然生产工艺和质 量有待提高，但以其价廉、耐溶剂等优点在不断拓宽市场h 引。总之， 通过国家“七五 和“八五科技攻关，我国的微滤膜技术改变了 仅有c a - c n 膜片的局面，相继开发了c a 、c a c t a 、p s 、p a s 、p v d f 、 尼龙等膜片和筒式滤芯；开发了p p 、p e 、p t f e 等控制拉伸致孔的微 滤膜和聚酯、聚碳酸酯等的核径迹微滤膜；无机微滤膜也有了自己 的产品。微滤膜已在饮料、食品、电子、石油化工、医药、分析检 测核和环保等领域得到较为广泛的应用，取得了很好的经济、社会 和环境效益h 。 ， 1 3 2 膜生物反应器技术基本原理 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o l o g i c a lr e a c t o r ，简称m b r ) 是 将生物处理技术与膜分离技术相结合而形成的一种新型、高效的污 水处理技术引。通常m b r 由生物反应器和膜组件两部分构成，生物 反应器是污染物降解的主要场所，生物反应器内的微生物利用污水 中的有机物进行生长繁殖，并逐渐开始在系统内形成适合有机污染 物降解的微生物链，使污染物能得到较充分的降解：膜组件代替传 统的二沉池，膜的分离作用将微生物截留在生物反应器内，以维持 较高的活性污泥浓度，并能对污水进行高效的固液分离。m b r 技术 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 解决了传统活性污泥工艺出水水质不稳定、污泥易膨胀等问题，具 有许多其它生物处理工艺无法比拟的明显优势h 。刚。 1 3 3 膜生物反应器的分类 m b r 通常是由微滤膜、超滤膜或纳滤膜组件和生物反应器组合 而成，其分类有多种：根据膜组件在生物反应器中的作用不同，可 分为膜一曝气生物反应器、萃取膜生物反应器、膜分离生物反应器三 类；按照膜组件构型可分为管式、板框式、卷式及中空纤维式；根 据膜材料不同可以分为有机膜和无机膜两大类；按照膜组件与生物 反应器的组合位置，可分为一体式( 浸没式) 、分置式( 循环式) 和 复合式；按照膜过滤的驱动方式可分为压力式和抽吸式哺。表卜2 比较了不同构型膜组件的优缺点。 表1 - 2 不同构型膜组件的优缺点 分置式m b r 如图1 - 2 所示，膜组件和生物反应器分开设置，生 物反应器中的混合液由泵增压后进入膜组件，在压力作用下膜过滤 液成为系统处理出水，活性污泥、大分子物质等则被膜截留，并回 流到生物反应器中。分置式m b r 的特点是：运行稳定可靠，操作管 理容易，易于膜的清洗、更换和增设，而且膜通量普遍较大。但为 了减少污染物在膜面的沉积，由循环泵提供的料液流速很高，为此 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 动力消耗较高，并且泵的高速旋转产生的剪切力会使某些微生物菌 体产生失活现象嘞3 。 图卜2 分置式膜生物反应器 一体式m b r 如图i - 3 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 一个为反硝化池。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的目的； 便于将膜隔离进行清洗。第二种组合最简单，直接将膜组件置于生 物反应器内，通过真空泵或其它类型的泵抽吸，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的。 出承 生物反盈器 图i - 3 一体式膜生物反应器 一体式m b r 利用曝气时气液向上的剪切力来实现膜面的错流效 果，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 转来实现膜面错流效果。与分置式相比，一体式的最大特点是运行 能耗低，占地更为紧凑，近年来在水处理领域受到了特别关注。但 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 其膜通量相对较低，容易发生膜污染，不容易清洗和更换膜组件。 复合式膜生物反应器不同之处在于生物反应器内加装填料，从 而改变了膜生物反应器的某些性状，使生物反应器内既有悬浮相的 活性污泥又有附着相的生物膜，从而提高了反应器内污泥浓度，增 强了处理废水的能力，提高了运行的稳定性 5 3 o 其示意图见图卜4 。 填料可采用常规填料或其它如泡沫塑料、颗粒活性碳等。 窆气 避i ( 7 j 嬲i 图1 - 4 复合式膜生物反应器 1 3 4 膜生物反应器的特点 出水 用膜组件代替传统的二沉池，可以进行高效的固液分离，克服 了传统工艺出水水质不稳定、污泥易膨胀的不足，具有许多其它生 物处理工艺无法比拟的明显优势。 ( 1 ) 结构紧凑，占地面积小 膜生物反应器仅用一个膜分离装置就完全实现了在常规生物处 理中需要用较大的二沉池和砂滤系统才能实现的功能，使系统变得 较为紧凑，减小了占地面积。特别是一体式m b r 在一个反应器中同 时实现了生物降解和泥水分离，更是如此。d a v is 哺们等对不同规模的 膜生物反应器和传统活性污泥法水处理厂进行比较发现，m b r 占地 面积节约了1 2 2 3 。 ( 2 ) 处理效率高，出水水质好，从根本上解决了污泥膨胀问题 m b r 对有机物的去除效果来自两方面：一方面是生物反应器内 微生物对有机物的降解；另一方面是膜对有机物大分子的截留作用。 在处理某些工业废水时，膜的截留作用有利于培养出一些对该种废 水有特殊降解能力的专属细菌，同时还可以延长大分子物质的停留 时间，使m b r 处理难降解有机物的能力得到加强；m b r 采用膜过滤 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 几乎可以截留水中所有悬浮物，选择性膜还可以截窝混合液中的大 分子物质和细菌、病毒等，使得出水水质较好。m b r 使泥水分离不 再依靠污泥的重力沉降，因此从根本上桂绝了污泥膨胀现象对出水 水质和生物处理系统的影响。 ( 3 ) 容积负荷高，抗负旖冲击能力强， 由于膜的高效截留作用，使微生物完全截留在反应器中，实现 了水力停留时间( h r t ) 和污泥停留时间( s r t ) 的完全分离，因而 能够在反应器中保留足够高的污泥浓度，这不仅使m b r 所能达到的 容积负荷大大提高，还使系统抵抗冲击负荷和有毒有害物质的能力 得到了加强，并使系统运行的稳定性得以提离。 ( 4 ) 产生剩余污泥量少，减少了污泥处理的工作量和费用 m b r 中较高的污泥浓度可以实现在容积负荷很高的同时，污泥 负荷保持很低，因此，进入m b r 的基质将主要用予维持微生物的最 低营养要求，而污泥的增殖壁则很少，大大减小了剩余污泥的产量。 从理论上讲，膜生物反应器能将污泥完全截餐在生物反应器内，实 现不捧泥操作。冒前剩余污泥的处理与处置已成为污水处理厂能否 正常运行的制约因素之一，它的费用占到污水处理厂总运行费用的 2 5 4 0 ，有的甚至高达6 0 晦靶。因此，从源头减少污泥的产生量 就显得非常必要和关键，这些因素推动和促进了具有剩余污泥量少 这特点的m b r 技术的开发及研究。 ( 5 ) 具有较高的脱氮效采 m b r 中长的污泥停留时间有利于增殖慢的细菌( 如硝化细菌等 微生物) 生长。c o t e 【5 町等研究者发现当污泥龄由量0 天增加为5 0 天 时氨氮去除率由8 0 增加到9 9 ；此外，膜生物反应器中较小的絮体 有着更大的周长和面积比，氧传质阻力小，从而提高了硝化速率。 另外，m b r 中污泥浓度高，因面易在污泥絮体中形成表面好氧、内 部缺氧状态，所以可在同一反应器中实现硝化和反硝化，使m b r 在 去除c o d 的阕时具有良好的脱氮效果。 ( 6 ) m b r 处理系统的设备化、自动化程度高 m b r 由于构筑物少，系统结构紧凑，非常容易加工成成套设备， 便予运输和安装，可大大缩短施工期。另外，自动化程度嵩，可实 现无人值班看守，因此大大节约了人工费。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 1 3 5 膜生物反应器在垃圾渗滤液处理中的应用 自1 9 6 9 年，美国的s m i t h 首次报道了美国d o r r - o liv 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以来，膜生物反应 器技术在水处理中的应用研究取得了显著的成效。从1 9 8 3 1 9 8 7 年 日本已有l3 家公司采用好氧m b r 工艺处理大楼废水作为中水回用 哺 。美国在m a n s f i l e d o h i 建造了一套处理规模为15 1 m 3 d 的膜生物 反应器系统，用于处理某汽车制造厂的工业废水嫡劓。英国也有用膜 生物反应器处理有毒工业废水的实例引。 我国对m b r 的研究起步较晚，但发展十分迅速，膜生物反应器 已应用在城市污水处理及回用、工业废水处理及回用、垃圾填埋渗 滤液处理及回用、净水厂进水预处理及后续处理工艺的泥水分离和 清洁生产工艺等领域。 天津大学的李征们对膜生物炭反应器( m b a c ) 处理经u a s b 处理 的垃圾渗滤液和m b a c 单独处理垃圾渗滤液进行了研究，在u a s b 出 水c o d 为8 5 0 1 9 0 0 m g l ，b o d 5 为5 2 2 7 8 m g l 时，m b a c 对c o d 的 平均去除率为4 5 ，对b o d 。的平均去除率为9 1 ；采用单独的m b a c 处理时，垃圾渗滤液进液c o d 浓度为2 0 4 6 2 9 7 6 m g l ，水力停留时 间为1 4 1 6 h ，对c o d 的平均去除率为6 9 ，而与同样条件下 u a s b + m b a c 对c o d 的去除效果相差无几。 申欢等采用m b r 对垃圾渗滤液经u a s b 预处理的出水进行了降 解试验，当m b r 进水c o d 为8 0 01 7 0 0 m g l ，氨氮为5 0 - - 4 3 0 m g l 时，对c o d 的去除率为7 0 8 5 ，对氨氮的去除率为9 0 9 9 8 ， 对总氮的去除率为5 0 6 7 。 闫志明2 1 等对厌氧污泥复合床( u a s c b ) 一序批式膜生物反应器 ( s m b r ) 串联工艺处理垃圾渗滤液进行了试验研究，并与单纯的s m b r 工艺进行了对比。当进液c o d 浓度为2 5 0 0 m g l ，氨氮浓度为3 8 0 m g l ， c o d 总容积负荷为o 1 8 o k g c o d m d 时，组合工艺出水c o d 浓度 为9 0 一2 2 0 m g l ，出水氨氮浓度为5 0 7 0m g l ，c o d 去除率达到9 2 以上，氨氮的去除率在8 0 以上，其中u a s c b 对氨氮几乎没有去除。 s m b r 对c o d 的去除率为8 7 - 9 4 。 许宜平3 3 等采用固相萃取前处理和气相色谱质谱联用的方法，4 分析厌氧一膜生物反应器处理垃圾渗滤液中多环芳烃的去除效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 结果表明，对多环芳烃的总去除效率超过8 0 ；大部分三环、四环 和五环的芳烃可在处理过程中被厌氧降解。多环芳烃的主要降解反 应发生在厌氧滤池工艺段，然而s c o d ( 溶解性化学耗氧量) ，b o d 。 和t o e 的主要去除工艺段则是膜生物反应器。 陈少华哺们等利用凝胶层析方法分析了垃圾渗滤液中有机物分子 量的分布情况，并考察了利用膜生物反应器( m b r ) 处理垃圾渗滤液 系统中有机污染物分子量的分布以及水溶性腐殖质( a h s ) 含量的变 化。研究发现，垃圾渗滤液中的有机物主要由两部分组成，即分子 量大于6 0 0 0 的大分子物质和分子量小于1 5 0 0 的小分子物质。大分 子物质主要是水溶性腐殖质，而小分子物质主要由挥发性有机酸及 水溶性腐殖质组成。大分子的a h s 难以被微生物降解，但能被微滤 膜截留。大部分小分子的a h s 既难以被微生物降解，又不能被膜截 留，是构成m b r 处理出水c o d 的主要成分。 1 4 课题研究目的、内容及意义 本课题利用垃圾渗滤