（環(huán)境工程專業(yè)論文）膜法處理雨污混合污水試驗(yàn)研究.pdf

摘要 摘要 膜生物反應(yīng)器以其占地面積小 出水水質(zhì)好 負(fù)荷高和產(chǎn)泥率低等特點(diǎn)在 污水處理及回用中得到了廣泛的應(yīng)用 本課題以雨污混合污水為研究對象 建 立了小試和中試規(guī)模的一體式缺氧 好氧膜生物反應(yīng)器工藝 考察了膜生物反應(yīng) 器的去除污染物的性能 同時(shí)進(jìn)一步對膜生物反應(yīng)器的膜污染進(jìn)行了研究 最 后系統(tǒng)介紹了膜生物反應(yīng)器等一系列膜技術(shù)處理同濟(jì)大學(xué)生態(tài)樓沖廁廢水及部 分雨水的示范工程 在一體式缺氧 好氧膜生物反應(yīng)器處理特性研究中 通過對小試和中試規(guī)模 的膜生物反應(yīng)器工藝運(yùn)行特性的考察 得出以下結(jié)論 小試裝置當(dāng)進(jìn)水c o 阢 值在5 5 4 2 0m g l 之間波動(dòng)時(shí) c o d o 總?cè)コ试? 5 0 o 1 0 0 之間 出水c o d c r 可達(dá)2 0m g l 以下 膜的截留率在1 0 左右 氨氮進(jìn)水值在l 叫0m g l 出水 值在3m g l 以下 總?cè)コ示S持在9 5 以上 總氮出水值在0 5 2 0m g l 總?cè)?除率基本穩(wěn)定6 0 以上 但稍有波動(dòng) 中試裝置膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)對c o d c r 的 去除率穩(wěn)定在8 2 左右 出水c o d c f 也維持在3 0m g l 以下 對n l h n 的去除 率穩(wěn)定在9 0 以上 由于進(jìn)水水量不穩(wěn)定 所以 i n 去除率在1 0 5 8 之間波 動(dòng) 出水滿足 城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn) g b1 8 9 1 8 2 0 0 2 一級a 標(biāo)準(zhǔn) 中試裝置運(yùn)行后期發(fā)生了嚴(yán)重的污泥膨脹 但是有機(jī)物和氨氮去除效果并沒有 受到影響 在對膜生物反應(yīng)器的膜污染現(xiàn)象的考察中 不僅對胞外聚合物測定的方法 進(jìn)行了優(yōu)化 而且討論了膜污染的影響因素及其防治 得出以下結(jié)論 超聲法 可以將e p s 細(xì)分為l b 和t b 較好地揭示膜生物反應(yīng)器中的膜污染機(jī)理 e p s 提取量較高 細(xì)胞破碎也較輕 可以作為胞外聚合物的理想提取方法 最佳的 出水方式采用抽吸9 分鐘與抽停3 分鐘的模式 每周一次的在線清水反洗和每 兩周一次的低濃度 2 0 0p p m 次氯酸鈉在線反洗 可以有效的減小膜污染速 率 延緩膜污染 延長膜的清洗周期 通過膜清洗優(yōu)化試驗(yàn)得出 先用清水沖 洗泥餅層再用低濃度次氯酸鈉浸泡1 小時(shí) 然后用1 檸檬酸浸泡l 小時(shí) 高濃 度次氯酸鈉浸泡1 2 小時(shí) 可使膜的通量恢復(fù)率達(dá)到9 9 為最佳清洗方法 而 單獨(dú)酸洗1 2 小時(shí)的膜通量恢復(fù)率僅為6 0 通過膜阻力測定與分析 得出空膜 阻力即新膜的固有阻力占總阻力的8 濃差極化阻力和泥餅層阻力占總阻力的 摘要 8 8 內(nèi)部阻力占總阻力的4 運(yùn)行穩(wěn)定后的膜生物反應(yīng)器內(nèi) s m p 和l b 高 于曲陽污水廠污泥 t b 各組分明顯低于曲陽污水廠污泥 而s m p 和l b 是膜污 染的主要物質(zhì) 更容易引起膜污染 而膜表面凝膠層的s m p l b 和t b 三種成 分均比運(yùn)行穩(wěn)定后的膜生物反應(yīng)器低 在示范工程部分 得出以下結(jié)論 集裝式m b r 不但具有普通m b r 出水水 質(zhì)好 占地面積小等特點(diǎn) 而且就地處理 非常適合小區(qū)及不能并入城市污水 管網(wǎng)地區(qū)污水的處理和回用 在線混凝超濾工藝可以強(qiáng)化有機(jī)物的去除效果 確定f e c l 3 7m g l p a m 0 3 5m g l 作為本實(shí)驗(yàn)混凝劑投加量 保持膜通量6 4 l m 2 h 不變 在線混凝超濾工藝在運(yùn)行的3 0 個(gè)周期中 總壓差上升1 0k p a 平均每周期上升o 0 3 3i d e a 跨膜壓差上升趨勢減緩 膜污染速率降低 超濾作 為反滲透工藝的預(yù)處理 對t o c c o d m n 和u 5 4 均有一定的去除效果 出水 濁度穩(wěn)定在0 3 n t u s d i 4 滿足反滲透進(jìn)水s d i 5 的要求 但對電導(dǎo)率 總 堿度和總硬度的去除效果不明顯 反滲透處理工藝對t o c 電導(dǎo)率 c o d u v 2 5 4 濁度 總堿度和總硬度的去除率分別達(dá)到9 3 9 5 9 8 9 4 9 0 6 9 9 9 8 3 9 3 4 1 8 9 2 l 9 7 9 4 最終產(chǎn)水電導(dǎo)率 1 0us c m 符合部分行 業(yè)的純水使用要求 應(yīng)用前景廣闊 后處理單元中通過混床對電導(dǎo)和硬度進(jìn)一 步去除 使最終出水可作實(shí)驗(yàn)室用水 整個(gè)系統(tǒng)按各功能區(qū)的作用 可以做到 分質(zhì)供水 關(guān)鍵詞 膜生物反應(yīng)器 膜污染 超濾 反滲透 a b s t r a c t a b s t r a c t m e m b r a n eb i o r e a e t o r r w i t hi t ss m a l lf l o o ra r e a g o o de f f l u e n tq u a l i t y h i g h l o a d a n dt h el o ws l u d g el o a d i n gr a t eh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ns e w a g e t r e a t m e n ta n dr e u s ef i e l d i nt h i ss t u d yt h es m a l l s c a l ea n dp i l o t s c a l es u b m e r g e d a n o x i c a e r o b i cm b rw e r ec o n s t r u c t e dt ot r e a tm i x e ds e w a g ea n dr a i nw a t e r i nt h e p u r p o s eo fi n v e s t i g a t i n gt h ep o l l u t a n tr e m o v a lc h a r a c t e ra n dm e m b r a n ef o u l i n g p h e n o m e n o no fm b r f i n a l l yt h ed e m o n s t r a t i o np r o j e c tf o rt r e a t i n gt h ef l u s h i n g w a s t e w a t e ro fs h e n gt a ib u i l d i n gi nt o n g j iu n i v e r s i t y 析t hm e m b r a n ep r o c e s s e sw a s s y s m a t i c a l l yi n t r o d u c e d i nt h es t u d yo ft h ep e r f o r m a n c eo ft h es u b m e r g e da n o x i c a e r o b i cm b r t h r o u g h t h ei n v e s t i g a t i o no ft h es m a l l s c a l ea n dp i l o t s c a l em b r t h ec o n c l u s i o n sw e r ed r a w n i nt h es m a l l s c a l ed e v i c e w h e nt h ei n f l u e n tc o d c rf l u c t u a t e db e t w e e n5 5 4 2 0m e t h et o t a lc o d c rr e m o v a le f f i c i e n c yw a s8 5 1 0 0 t h ee f f l u e n tc o d c rw a sb e l o w2 0 m g l a n dt h em e m b r a n er e t e n t i o nr a t ew a sa r o u n d10 w h e nt h ei n f l u e n tn h 4 n w a s10 4 0m g l t h et o t a ln h 4 nr e m o v a le f f i c i e n c yw a sa b o v e9 5 a n dt h e e f f l u e n tn 山 nw a sb e l o w3m e m t h ee f f l u e n tt nw a so 5 2 0m g l a n dt h et o t a l t nr e m o v a le f f i c i e n c yw a sa b o v e6 0 h o w e v e ral i t t l ef l u c t u a t i o n i nt h ep i l o t s c a l e d e v i c e t h et o t a lc o d c rr e m o v a le f f i c i e n c yw a sa r o u n d8 2 t h ee f f l u e n tc o d c rw a s b e l o w3 0m g m t h et o t a ln h 4 nr e m o v a le f f i c i e n c yw a sa b o v e9 0 t h et o t a lt n r e m o v a le f f i c i e n c yf l u c t u a t e db e t w e e n10 5 8 b e c a u s eo ft h ef l u c t u a t e di n f l u e n t t h e e f f l u e n tc a l lm e e tt h e u r b a nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t p o l l u t a n td i s c h a r g e s t a n d a r d s g b18 918 2 0 0 2 f i r s tl e v e la s t a n d a r d i nt h el a t ep e r i o do fr u n n i n gt h e p i l o t s c a l ed e v i c e s e r i o u ss l u d g eb u l k i n go c c u r r e d b u tt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft h e o r g a n i cm a t t e ra n dn i h nw a sn o ta f f e c t e d i nt h ei n v e s t i g a t i o no ft h em e m b r a n ef o u l i n gp h e n o m e n o no fm b rt h e d e t e r m i n a t i o nm e t h o do fe x t r a c e u u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e sh a sb e e no p t i m i z e d m e a n w h i l et h ei n f l u e n c i n gf a c t o ra n dt h ec o n t r o lo fm e m b r a n ef o u l i n gh a sb e e n d i s c u s s e d t h e nt h ec o n c l u s i o nw a sd r a w n e p sc a nb es u b d i v i d e di n t ol ba n dt bb y r n a b s t r a c t t h eu l t r a s o n i cm e t h o d w h i c hc a l lb e t t e rr e v e a lt h em e c h a n i s mo fm e m b r a n ef o u l i n g o ft h em e m b r a n eb i o r e a c t o r t h eu l t r a s o n i cm e t h o dc a nb eu s e da sa ni d e a le x t r a c t i o n m e t h o dw i t hh i g h e re p se x t r a c t i o na n dl i g h t e rc e l ld i s r u p t i o n t h eb e s te f f l u e n t d i s c h a r g i n gm o d e sw e r e9m i n u t e sa s p i r a t i o na n d3m i n u t e si n t e r m i t t e n t t h em e t h o d o fo n l i n ew a t e rb a c k w a s h i n go n c eaw e e ka n dl o wc o n c e n t r a t i o n 2 0 0p p m s o d i u m h y p o c h l o r i t eo n l i n eb a c k w a s h i n go n c ee v e r yt w ow e e k sc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h e m e m b r a n ef o u l i n gr a t e r e t a r dm e m b r a n ef o u l i n ga n dp r o l o n g e dt h em e m b r a n e c l e a n i n gc y c l e t h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o no fm e m b r a n ec l e a n i n gt e s t sw eg o tt h e c o n c l u s i o nt h a tt h eb e s tc l e a n i n gm e t h o de n a b l e dt h em e m b r a n ef l u xr e c o v e r yr a t e r e a c h i n g9 9 f i r s t l yr i n s em u d c a k el a y e rw i t hw a t e ra n ds o a k e do n e h o u rw i t hl o w c o n c e n t r a t i o ns o d i u mh y p o c h l o r i t e a n dt h e ns o a k e dlh o u rw i t hl c i t r i ca c i da n d s o a k e d12h o u r s i t hh i g hc o n c e n t r a t i o n so fs o d i u mh y p o c h l o r i t e b u tt h em e m b r a n e f l u xr e c o v e r yr a t ew a so n l y6 0 b yas e p a r a t e12 一h o u ri m m e r s i o n t h r o u g ht h e m e m b r a n er e s i s t a n c ed e t e r m i n a t i o na n da n a l y s i st h ec o n c l u s i o n sw e r ed r a w nt h a tt h e h o l l o wm e m b r a n er e s i s t a n c et h a ti si n h e r e n tr e s i s t a n c ei nt h en e wm e m b r a n e a c c o u n t e df o r8 o ft h et o t a lr e s i s t a n c e c o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o nr e s i s t a n c ea n d c a k el a y e rr e s i s t a n c ea c c o u n t e df o r8 8 a n dt h ei n t e m a lr e s i s t a n c ea c c o u n t e df o r 鋤 i nt h em e m b r a n eb i o r e a c t o ra f t e rs t a b l eo p e r a t i o n s m pa n dl bo ft h es l u d g ew a s a b o v et h es m ba n dl bo ft h es l u d g eo fq u f a n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s a n d t h et bw a ss i g n i f i c a n t l yl o w e rt h a nt h a ti nt h eq uy a n gp l a n t w h i l et h es m pa n dt h e l bi st h em a i ns u b s t a n c e so ft h em e m b r a n ef o u l i n g w h i c hc a nb ee a s i l yc a u s e db y t h es m pa n dl b t h es m p l ba n dt bc o m p o n e n t si nt h eg e ll a y e ro ft h em e m b r a n e s u r f a c ea r e1 0 w e rt h a nt h o s ei nt h em e m b r a n eb i o r e a c t o ra f t e rs t a b l eo p e r a t i o n i nt h ed e m o n s t r a t i o np r o j e c t sp a r tt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r ed r a w n a s s e m b l e dm b rn o to n l yh a da d v a n t a g e so fm b rw i t hg o o de f f l u e n tq u a l i t ya n d s m a l lf l o o ra r e ae t c b u ta l s oc a nb eu s e di ns i t ut r e a t m e n ta n dw a sv e r ys u i t a b l ef o r s e w a g et r e a t m e n ta n dr e u s ef o r t h es e w a g ew a t e ro fr e s i d e n t i a lc o m m u n i t ya n dt h o s e a r e ac a n n o ti n c o r p o r a t e di n t ot h eu r b a ns e w a g ep i p en e t w o r k o n l i n ec o a g u l a t i o n u l t r a f i l t r a t i o np r o c e s sc a ne n h a n c er e m o v a le f f e c to fo r g a n i cm a t t e r a n dd e t e r m i n e d t h eo p t i m u md o s i n gq u a n t i t yw a st h a tf e c l 3w a s7m g l p a mw a so 3 5m g l i nt h e 1 v 一 i 一 i 1 一一一 3 0c y c l e so p e r a t i o no fo n l i n ec o a g u l a t i o nu l t r a f i l t r a t i o np r o c e s s m a i n t a i n i n gt h e m e m b r a n ef l u x6 4l m 2 u n c h a n g e d t h et o t a lp r e s s u r ed i f f e r e n c ei n c r e a s e d1 0 k p aw i t ha v e r a g er i s eo 0 3 3k p ap e rc y c l e t h et r a n s m e m b r a n ed i f f e r e n t i a lp r e s s u r e i n c r e a s i n gt r e n dw a ss l o w e dd o w n a n dt h e m e m b r a n ef o u l i n gr a t ed e c r e a s e d u l t r a f i l t r a t i o na sap r e t r e a t m e n to fr e v e r s eo s m o s i sp r o c e s s t h et o c c o d m na n d u v 2 5 4r e m o v a lm u s th a v et h ee f f e c to fe f f l u e n tt u r b i d i t ys t a b i l i z e da t0 3n t u s d i s a t i s f yt h er e v e r s eo s m o s i sw a t e rs d 5r e q u i r e m e n t s h o w e v e r c o n d u c t i v i t y t o t a la l k a l i n i t ya n dt o t a lh a r d n e s sr e m o v a le f f e c tw a s n o to b v i o u s t h er e m o v a lr a t e s o fr e v e r s eo s m o s i st r e a t m e n tp r o c e s s0 1 1t h et o c c o n d u c t i v i t y c o d m n u v 2 5 4 t u r b i d i t y t o t a la l k a l i n i t y a n dt o t a lh a r d n e s sr e a c h e d9 3 9 5 9 8 9 4 9 0 6 9 9 9 8 3 9 3 4 1 8 9 2 1 a n d9 7 9 4 t h ef i n a le f f l u e n te l e e t f i c a lc o n d u c t i v i t ys1 0 t a s c m a c c o r d e dw i t hs o m ei n d u s t r i e s p u r i f i e dw a t e rr e q u i r e m e n tw i t h aw i d e p r o s p e c to fa p p l i c a t i o n t h ef u r t h e rr e m o v a lo fc o n d u c t i v i t ya n dh a r d n e s sb ym i x e d b e do fp o s t p r o c e s s i n gu n i tm a d et h ee f f l u e n tc a nb eu s e di nl a b o r a t o r y a c c o u n t i n gt o e a c hf u n c t i o n a lr 畫o nr o l eo ft h ew h o l es y s t e m i tc a ns u p p l yw a t e rb yd i f f e r e n t q u a l i t y k e yw o r d s m e m b r a n eb i o r e a c t o r m e m b r a n ef o u l i n g c o a g u l a t i o n u l t r a f i l t r a t i o n v 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本入完全了解同濟(jì)大學(xué)關(guān)于收集 保存 使用學(xué)位論文的規(guī)定 同意如下各項(xiàng)內(nèi)容 按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版 本 學(xué)校有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和電子版 并采用影印 縮印 掃描 數(shù)字化或其它手段保存論文 學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提 供本學(xué)位論文全文或者部分的閱覽服務(wù) 學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國 家有關(guān)部門或者機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 在不以贏利為目 的的前提下 學(xué)?？梢赃m當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部內(nèi)容用于學(xué)術(shù)活 動(dòng) 學(xué)位論文作者簽名 徐牲為 叫年3 月7 s 目 經(jīng)指導(dǎo)教師同意 本學(xué)位論文屬于保密 在年解密后適用 本授權(quán)書 指導(dǎo)教師簽名 學(xué)位論文作者簽 名 年月日年月 日 同濟(jì)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文 是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下 進(jìn)行 研究工作所取得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本學(xué)位論文 的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的 已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的 作品的內(nèi)容 對本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集 體 均已在文中以明確方式標(biāo)明 本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任 由本人承擔(dān) 簽名 徐牲劈 卅年3 月j 寫e t 第一章緒論 1 1 課題來源和研究背景 1 1 1 課題來源 第一章緒論 本課題來源于世博科技專項(xiàng) 先進(jìn)材料膜生物反應(yīng)器用于污水處理的性能 和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)研究 項(xiàng)目編號 0 7 d z 0 5 8 1 4 1 1 2 課題產(chǎn)生的背景 水是生命之源 地球上的水資源數(shù)量巨大 總量約為1 3 8 億立方公里 但 是能直接被人利用的卻僅為0 0 1 全球用水量的大幅增加和人口的增加 對水 資源的需求越來越大 水資源危機(jī)帶來的生態(tài)系統(tǒng)惡化和生物多樣性破壞 也 將嚴(yán)重威脅人類生存 人類也正面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn) 2 l 世紀(jì)水資源正在變成一種寶貴的稀缺資源 水資源問題己不僅僅是資源 問題 更成為關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì) 社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和長治久安的重大戰(zhàn)略問題 水資源危機(jī)既阻礙世界可持續(xù)發(fā)展 也威脅著世界和平 水資源問題是全球性 的問題 實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用 支撐和保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展 是世 界各國共同面臨的緊迫任務(wù) 幾千年來 人們一直將水視為 取之不盡 用之不竭 的物質(zhì) 如今 人們正 越來越清醒地認(rèn)識到水資源正在變成一種寶貴的稀缺資源 我國是一個(gè)水資源 貧乏的國家 人均水資源占有量只有2 3 0 0 m 3 約為世界人均水量的1 4 全國 6 6 8 座城市中有4 0 0 多座城市缺水 被聯(lián)合國列為1 3 個(gè)貧水國家之一 我國降 水量時(shí)空變化大 水資源在時(shí)空上也分布極為不均 變化差異大 致使水資源 供需矛盾更為加劇 由于水資源分布的不同 根據(jù)聯(lián)合國規(guī)定的缺水標(biāo)準(zhǔn) 部 分城市為極度缺水城市 其次 我國地表水資源和地下水資源污染也非常嚴(yán)重 而水環(huán)境惡化的趨勢并未得到有效遏制 相反地 進(jìn)一步加劇了水資源的緊缺 第一章緒論 使其所造成的影響更為突出 水環(huán)境的惡化 不僅降低了水體的使用功能 破 壞了生態(tài)系統(tǒng) 進(jìn)一步加劇了水資源緊缺的矛盾 以水資源緊張 水污染嚴(yán)重 和洪澇災(zāi)害為特征的水危機(jī)時(shí)有發(fā)生 對我國正在實(shí)施的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略帶來 了嚴(yán)重影響 而且還嚴(yán)重威脅到城市居民的飲水安全和人民群眾的健康 我國不僅是 水量型缺水 的國家 更是 水質(zhì)型缺水 的國家 所謂 水 質(zhì)型缺水 主要表現(xiàn)在 i 水源水污染 諸如太湖藍(lán)藻爆發(fā)大規(guī)模污染水源水 事件 2 水處理技術(shù)手段滯后 直接導(dǎo)致溶解性化學(xué)物質(zhì)去除率低 對飲用水 安全存在一定的影響 3 二次污染 長距離的管道輸送和水箱造成的二次污染 降低了飲用水的品質(zhì) 在飲用水缺乏的同時(shí) 全球?qū)︼嬘盟|(zhì)的要求也愈來 愈高 如我國新 生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)定的指標(biāo)由原來的3 5 項(xiàng)增至了1 0 6 項(xiàng) 新標(biāo)準(zhǔn)對當(dāng)代的水處理技術(shù)產(chǎn)生了一定的挑戰(zhàn) 第一代城市飲用水凈化工 藝采用了混凝一沉淀一過濾一氯消毒的流程 但其對無害物控制程度低 第二 代即俗稱的深度處理 在第一代工藝的后面增加臭氧 顆粒活性炭的工藝 起 到了對有毒有害的有機(jī)物進(jìn)行有效控制的作用 但其對有機(jī)物的去處也有一定 的限度 并且在飲用水輸送過程中存在生物穩(wěn)定性問題 生物穩(wěn)定性問題是指 水在輸送和儲(chǔ)存過程中 發(fā)現(xiàn)微生物增殖現(xiàn)象 這是新出現(xiàn)的重大生物安全性 問題 若要達(dá)到我國新飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) 解決上述問題 采用傳統(tǒng)技術(shù)則需要 進(jìn)行復(fù)雜的技術(shù)和工程改造 操作也將較為困難 成本提高 膜過濾技術(shù)與傳 統(tǒng)技術(shù)相比更為優(yōu)越 隨著膜技術(shù)的日趨成熟 其在工程實(shí)際中的應(yīng)用必將進(jìn) 一步擴(kuò)大 近年來 由于上述水資源緊張問題以及對廢水的排放標(biāo)準(zhǔn)提高等原因 國 內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者將目光投向了膜生物反應(yīng)器這一新興的水處理技術(shù) 與膜 生物反應(yīng)器相關(guān)的著作和論文層出不窮 但有關(guān)其研究仍在繼續(xù) 本文就膜生 物反應(yīng)器及其他時(shí)下討論較多的膜處理技術(shù)進(jìn)行探討 希望能夠起到拋磚引玉 的作用 2 第一章緒論 1 2 膜技術(shù)與膜污染的研究概況 1 2 1 膜的分類與性能 膜是指兩相具有選擇透過性的薄層屏斟1 1 在驅(qū)動(dòng)力的作用下 利用膜的透 過性可使混合液中的離子 分子以及某些微粒與溶劑分離 壓力驅(qū)動(dòng)膜的截留 機(jī)理主要是機(jī)械篩分作用 吸附截流作用為其次 表征膜的分離性能的參數(shù)主 要有兩個(gè) 一是各種物質(zhì)透過膜的速率比值 即截流率 其大小表示了該體系 分離的難易程度 二是膜通量j 即單位時(shí)間單位膜面積通過的物質(zhì)的量 影響 j 的主要因素有 膜阻力 膜驅(qū)動(dòng)壓力 膜面水動(dòng)力學(xué)條件 膜污染及其清洗情 況等等 膜分離過程有死端過濾 d e a d e n df i l t r a t i o n 和錯(cuò)流過濾 c r o s sf l o w f i l t r a t i o n 兩種基本方式 死端過濾指在膜兩側(cè)壓差作用下 溶質(zhì)和溶劑垂直于 分離膜方向運(yùn)動(dòng) 溶質(zhì)被截留 溶劑通過膜而被分離 主體料液與透過液運(yùn)動(dòng) 方向相同 隨著操作時(shí)間的增加 膜污染會(huì)越來嚴(yán)重 過濾阻力會(huì)越來越大 必須周期性的停下來清洗或更換膜 錯(cuò)流過濾的主體料液與膜表面相切而流動(dòng) 料液中的溶質(zhì)被膜截留 透過液垂直于膜面而通過膜流出 錯(cuò)流過濾中 錯(cuò)流 可以把膜表面滯留的顆粒污染物帶走 使污染層保持在一個(gè)較薄的水平 能有 效的控制濃差極化和濾餅堆積 所以長時(shí)間操作仍可保持較高的膜通量 在實(shí) 際污水處理工程中 膜過濾一般采用錯(cuò)流過濾 微濾 m f 超濾 u f 納濾呷 和反滲透 r o 都是以壓力為推動(dòng)力的膜技 術(shù) 它們的壓力分布范圍為 m f 0 0 1 m p a 0 2 m p a l i f o 1 m p a 1 0 m p a n f 0 4 m p a 1 5 m p a r 0 1 0 m p a 一1 0 0 m p a 微濾和超濾過程只是簡單的機(jī)械篩分 和擴(kuò)散作用 通常 能截留分子量5 0 0 以上 1 0 6 以下的膜分離過程稱為超濾 只能截留更大分子 通常被稱為分散顆粒 的膜分離過程被稱為微濾 納濾膜具有 離子選擇性 因此分離過程中除了包括物理截流和篩分作用外 靜電相互作用 也起到不可估量的作用 在反滲透過程中 占主導(dǎo)地位的分離機(jī)理為水優(yōu)先吸 附毛細(xì)管流動(dòng)溶解 擴(kuò)散理論 即溶質(zhì)的滲透分為兩個(gè)階段 首先溶質(zhì)被膜吸收 或溶解 然后經(jīng)擴(kuò)散或?qū)α魍ㄟ^膜 3 第一章緒論 1 2 2m b r 簡介和分類 膜生物反應(yīng)器 r 2 l 是生物處理技術(shù)與膜分離技術(shù)相結(jié)合的一種新型高 效的污水處理技術(shù) 膜生物反應(yīng)器利用微生物對反應(yīng)機(jī)制進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化 利用 膜組件分離反應(yīng)產(chǎn)物 并截留生物體 實(shí)現(xiàn)水力停留時(shí)間與污泥停留時(shí)間的徹 底分離 消除了傳統(tǒng)工藝的污泥膨脹導(dǎo)致出水水質(zhì)不穩(wěn)定的問題 并且由于曝 氣池中活性污泥濃度的增大和污泥中特效菌的出現(xiàn) 提高了生化反應(yīng)速率 同 時(shí)通過降低f m 比減少了剩余污泥產(chǎn)量 提高生化處理效果 膜生物反應(yīng)器主要由生物反應(yīng)器和膜組件兩部分組成 生物反應(yīng)器是使污 染物得到降解 膜組件是起到過濾的作用 進(jìn)一步凈化水質(zhì) 由兩部分間的組 合方式而決定了m b r 的分類 根據(jù)膜組件在膜生物反應(yīng)器中所起作用的不同 3 大致可將m b r 分為分離 膜生物反應(yīng)器 m e m b m n es e p a r a t i o nb i o r e a c t o r 用于污水處理中的固液分離 無泡曝氣膜生物反應(yīng)器 m e m b r a n e a e r a t i o nb i o r e a c t o r m a b r 無泡曝氣 用于高 需氧量的廢水處理 和萃取膜生物反應(yīng)器 e x t r a c t i v em e m b m n eb i o r e a c t o r e m b r 用于工業(yè)廢水中優(yōu)先污染物的處理 其中固液分離膜生物反應(yīng)器 忸r 是最常用的 已廣泛應(yīng)用于工程中 而m a b r 和e m b r 還處于中試階段 以 下均指分離膜生物反應(yīng)器 膜生物反應(yīng)器根據(jù)其與膜組件的相對位型 一般可分為分置式膜生物反 應(yīng)器和一體式膜生物反應(yīng)器 分置式膜生物反應(yīng)器是指膜組件與生物反應(yīng)器分 開設(shè)置 反應(yīng)器內(nèi)混合液經(jīng)泵增壓進(jìn)入膜組件 膜過濾液成為系統(tǒng)處理出水 活 性污泥 大分子物質(zhì)等被膜截留 又回流到反應(yīng)器內(nèi) 其特點(diǎn)是 運(yùn)行穩(wěn)定可 靠 操作管理容易 易于膜的清洗及更換 但為了減少污染物在膜面的沉積 由循環(huán)泵提高的料液流速很高 為此動(dòng)力消耗較高 且循環(huán)泵產(chǎn)生的剪切力會(huì) 造成微生物的活性受損 一體式膜生物反應(yīng)器根據(jù)生物處理的工藝要求 有多種 組合形式 較為普遍使用的是由浸沒池和生物反應(yīng)池組成 其特點(diǎn)是 可以提 高配套整裝的膜和設(shè)備 便于舊系統(tǒng)的更新改造 將膜浸沒池作為好氧區(qū) 而生 物反應(yīng)池作為缺氧區(qū) 以實(shí)現(xiàn)硝化反硝化的目的 便于將膜隔離進(jìn)行清洗 為 減少膜面污染 延長運(yùn)行周期 一般泵的抽吸采取間斷運(yùn)行 體式在運(yùn)行時(shí) 利用曝氣引起的氣液向上的剪切力來實(shí)現(xiàn)膜面的錯(cuò)流效果 也有采用在一體式 4 第一章緒論 膜組件附近進(jìn)行葉輪攪拌和膜組件自身的旋轉(zhuǎn)如轉(zhuǎn)盤式膜組件來實(shí)現(xiàn)膜面錯(cuò)流 效應(yīng) 與分置式相比 一體式最大特點(diǎn)是運(yùn)行能耗低 但是在運(yùn)行穩(wěn)定性 操 作管理方面和清洗更換上不及分置式 但為使污水處理系統(tǒng)的成本更加低廉 目前在m b r 領(lǐng)域的研究工作主要是基于一體式膜生物反應(yīng)器系統(tǒng) 并已將其廣 泛地運(yùn)用于m b r 脫氮工藝中 根據(jù)膜組件形式不同 膜組件可分為平板式 管式 螺旋式 中空纖維式 等 本試驗(yàn)?zāi)ど锓磻?yīng)器采用的是中空纖維膜 根據(jù)膜組件的作用方式 中空纖維膜又可分為內(nèi)壓式和外壓式兩種 內(nèi)壓 式中 水的透過方向是從管內(nèi)向管外 而外壓式相反 在實(shí)際應(yīng)用中大多使用 的是外壓式 因?yàn)閮?nèi)壓式流道往往較小 容易被污染顆粒所堵塞 根據(jù)膜孔孔徑不同 可將膜組件中的膜分為微濾膜 超濾膜 納濾膜其中 以微濾膜 超濾膜較多應(yīng)用在m b r 中 微濾膜可分離孔徑大于0 1 9 m 的顆粒和 溶解性大分子物質(zhì) 超濾可分離的顆粒粒徑范圍則為為o 0 5 m l n m 1 2 3m b r 技術(shù)優(yōu)勢 m b r l 6 是一種生物技術(shù)與膜分離技術(shù)相結(jié)合的高效水處理技術(shù) 其技術(shù)優(yōu) 勢 6 8 為 膜能夠高效的進(jìn)行固液分離 出水水質(zhì)不再依賴于活性污泥的沉降性 能 克服了常規(guī)活性污泥法中容易發(fā)生污泥膨脹的弊端 系統(tǒng)的操作比常規(guī)污 水處理工藝大為簡化 出水水質(zhì)優(yōu)于常規(guī)工藝 出水懸浮物和濁度接近于零 可直接回用 膜使微生物完全截留在反應(yīng)器內(nèi) 實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器水力停留時(shí)間 h r t 和污泥齡 s i 玎 的完全分離 使運(yùn)行控制更加靈活穩(wěn)定 剩余污泥產(chǎn)量低 膜分離使污水中的大分子難降解成分 在體積有限的 反應(yīng)器內(nèi)有足夠的停留時(shí)間 大大提高了難降解有機(jī)物的降解效率 反應(yīng)器在 高容積負(fù)荷 低污泥負(fù)荷 長泥齡下運(yùn)行 高的s r t 使污泥消化 污泥產(chǎn)率低 有利于增殖緩慢的硝化細(xì)菌的截留 生長與繁殖 系統(tǒng)硝化效率得以提 高 通過運(yùn)行方式的改變亦可得到脫氮和除磷的功能 無需二沉池 可減小占地面積 因?yàn)闆]有二沉池固體負(fù)荷的限制 曝氣 5 第一章緒論 池中活性污泥濃度可以很高 5 0 0 0 2 0 0 0 0 m g l 反應(yīng)器體積也可大大減小 同 時(shí)反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度高 耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng) 系統(tǒng)可采用p l c 進(jìn)行自動(dòng)控制 自動(dòng)化程度高 更適合現(xiàn)代企業(yè)管理 由 于其有機(jī)物去除效率高 出水水質(zhì)好且穩(wěn)定 占地面積小 易于設(shè)備化 m b r 水處理技術(shù)日益廣泛地應(yīng)用于高濃度有機(jī)污水處理和水循環(huán)再利用中 廁所糞 便污水污染物濃度高而回用要求嚴(yán)格 同時(shí)又受到占地面積 影響景觀等條件 的限制 普通水處理工藝難以達(dá)到要求 采用m b r 工藝的處理可達(dá)到良好的出 水水質(zhì) 1 2 4 超濾研究機(jī)制 超濾是指 水溶液在壓力推動(dòng)下 流經(jīng)膜表面 溶劑及小分子溶質(zhì)透水膜 從而使水得到凈化 比膜孔大的溶質(zhì)及溶質(zhì)集團(tuán) 如大部分膠體和大量有機(jī)物 都被截留 隨水流排出 成為濃縮液 在超濾過程中 由于被截留雜質(zhì)在膜表面上不斷積累 產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象 當(dāng)膜表面溶質(zhì)濃度達(dá)到某一極限時(shí)生成凝膠層 使膜通量急劇下降 這使超濾 的應(yīng)用受到一定程度的限制 因此 需通過試驗(yàn)研究最佳工藝和運(yùn)行條件 最 大限度地降低濃差極化 使超濾成為一種可靠的反滲透預(yù)處理方法 當(dāng)超濾速 率衰減到一定程度而趨于平衡時(shí) 需通過清洗以恢復(fù)其通量 超濾可根據(jù)膜分離過程不同分為死端過濾和錯(cuò)流過濾兩種基本方式 死端過濾 在壓力驅(qū)動(dòng)下 溶劑和小于膜孔的溶質(zhì)透過膜 大于膜孔的顆 粒被截留 并堆積在膜面上 主體料液與透過液運(yùn)動(dòng)方向相同 隨著時(shí)間的增 加 膜污染加重 過濾阻力增大 膜滲透速率下降 需周期性清洗膜表面或換 膜 在工程實(shí)際中則需定期進(jìn)行反沖洗 錯(cuò)流過濾 在泵推動(dòng)下 主體料液與膜表面相切流動(dòng) 料液中的溶質(zhì)被膜 截留 并由剪切力將截留物帶走而使污染層保持在一個(gè)較薄的水平 能有效的 控制濃差極化和濾餅堆積 在長時(shí)間操作下仍可保持較高的膜通量 在許多領(lǐng) 域有代替死端過濾的趨勢 死端過濾的優(yōu)點(diǎn)是回收率高 但膜污染較為嚴(yán)重 錯(cuò)流過濾雖能減輕膜污 染 但其回收率大大降低 在實(shí)際污水處理工程中 一般采用錯(cuò)流過濾以降低 6 第一章緒論 運(yùn)行成本 1 2 5 反滲透研究機(jī)制 反滲透是指在鹽水側(cè)施以一大于滲透壓的壓力 使溶劑透過選擇性半透膜 從而實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)溶劑分離的效果 反滲透的工作原理均采用物理法 不添加任何 殺菌劑和化學(xué)物質(zhì) 不發(fā)生化學(xué)變相 反滲透半透膜上有許多膜孔 這些孔的大小與水分子的大小相當(dāng) 由于細(xì) 菌 病毒 大部分有機(jī)污染物和水合離子均比水分子大得多 因此不能透過半 透膜而與透過反滲透膜的水相分離 反滲透法可用于進(jìn)行分離 提純和濃縮溶 液 在水中的眾多雜質(zhì)中 溶解性鹽類是最難清除的 因此 除鹽率經(jīng)常被用 來表征反滲透的凈水效果 反滲透除鹽率的高低主要決定于反滲透半透膜的選 擇性 目前 較高選擇性的反滲透膜元件除鹽率可達(dá)9 9 7 此技術(shù)廣泛用于海 水淡化中 1 2 6 混床研究機(jī)制 混床是混合離子交換柱的簡稱 此裝置采用的是離子交換的原理 所謂混 床 就是把一定比例的陽 陰離子交換樹脂混合裝填于同一交換裝置中 并對 流體中的離子進(jìn)行交換 脫除 鑒于陽樹脂的比重比陰樹脂大 因此將混床內(nèi) 陰樹脂置于陽樹脂上方 一般陽 陰樹脂裝填的比例為1 2 也可為1 1 5 的 可按不同樹脂酌情考慮選擇 混床可分為體內(nèi)同步再生式混床和體外再生式混床 本中試驗(yàn)研究中采用 體外再生式混床 1 2 7 膜污染機(jī)理及影響因素 1 2 7 1 膜污染表現(xiàn) 在膜生物反應(yīng)器操作運(yùn)行過程中 由于膜的狀況不同 水力條件不同以及 7 第一章緒論 反應(yīng)器內(nèi)混合液性質(zhì)的不同 其污染情況也不盡相同l s i o j 如d e f i a n c ef 1 1 等對分 置式好氧m b r 的研究認(rèn)為 膜的污染主要由占絕對多數(shù)的生物絮體起主導(dǎo)作用 y o u l l 2 等在厭氧消化液對膜生物反應(yīng)器的研究得出 對膜污染的主要貢獻(xiàn)為以無 機(jī)物 如c a c l 2 等 及有機(jī)物的結(jié)晶等沉積于膜表面而引起通量下降 c h a n g 等 1 3 1 和l e s j e a n l l 4 等的研究表明 細(xì)胞外產(chǎn)生的胞外聚合物 e p s 如多聚糖 蛋 白質(zhì)等 既在曝氣池中積累 又在膜上積累 從而引起混合液黏度和膜過濾阻 力增加 1 2 7 2 膜污染過程 膜生物反應(yīng)器中的活性污泥混合液是產(chǎn)生膜污染的一個(gè)主要來源 由于活 性污泥混合液組成成分的復(fù)雜性 導(dǎo)致膜污染過程極為復(fù)雜 研究表明 膜污 染過程可分為兩個(gè)階段 15 l 第一階段主要是濃差極化 膜孔污染和凝膠層造成 的膜阻力的迅速提升 這個(gè)階段發(fā)生在膜開始過濾后的幾分鐘內(nèi) 第二階段則 是由于顆粒物的逐步沉積在膜表面而形成污泥層所致 這時(shí)隨著污泥層的增加 膜生物反應(yīng)器的處理能力也得到提高 但膜通量也不斷減少 這時(shí)膜阻力增長 緩慢 這一階段可持續(xù)較長時(shí)間 根據(jù)膜污染現(xiàn)象的特征及膜表面沉積的污染物質(zhì)的類型和沉積模式的不 同 一般用4 種經(jīng)典模型 l6 來進(jìn)行描述 膜孔堵塞模型 假設(shè)膜的一部分孔隙完全地被顆?；虼蠓肿游镔|(zhì)所堵 塞 造成膜的有效過濾面積減小 膜過濾面積的減少速度與過濾流量成正比 濾餅過濾污染模型 適用于描述顆?；虼蠓肿游镔|(zhì)在膜表面沉積形成一 層濾餅層的污染情況 此時(shí) 膜過濾阻力的增加主要是由于濾餅層的積累所造 成的 內(nèi)部孔道堵塞模型 描述的是顆粒沉積在膜的內(nèi)孔壁上的情況 此時(shí)會(huì) 導(dǎo)致膜孔徑減小 該模型的主要假定是膜孔內(nèi)部體積的減小與濾液體積成正比 混合堵塞污染模型 介于膜孔堵塞污染模型和濾餅過濾污染模型之間的 一種膜污染模型 在混合過濾污染模型中 假設(shè)當(dāng)膜孔受到部分堵塞時(shí) 新的 污染物有的會(huì)沉積在已經(jīng)附著在膜表面的污染物上 有的則會(huì)直接沉積在膜表 面上 造成膜過濾有效面積的減小 當(dāng)膜孔被完全堵塞之后 如果具有足夠的 過濾壓力 濾液仍然可以通過膜孔 此時(shí) 新的污染