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

摘要 摘要 膜生物反應器以其占地面積小 出水水質好 負荷高和產(chǎn)泥率低等特點在 污水處理及回用中得到了廣泛的應用 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 好氧膜生物反應器工藝 考察了膜生物反應 器的去除污染物的性能 同時進一步對膜生物反應器的膜污染進行了研究 最 后系統(tǒng)介紹了膜生物反應器等一系列膜技術處理同濟大學生態(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 的膜生物反應器工藝運行特性的考察 得出以下結論 小試裝置當進水c o 阢 值在5 5 4 2 0m g l 之間波動時 c o d o 總去除率在8 5 0 o 1 0 0 之間 出水c o d c r 可達2 0m g l 以下 膜的截留率在1 0 左右 氨氮進水值在l 叫0m g l 出水 值在3m g l 以下 總去除率維持在9 5 以上 總氮出水值在0 5 2 0m g l 總去 除率基本穩(wěn)定6 0 以上 但稍有波動 中試裝置膜生物反應器系統(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 由于進水水量不穩(wěn)定 所以 i n 去除率在1 0 5 8 之間波 動 出水滿足 城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準 g b1 8 9 1 8 2 0 0 2 一級a 標準 中試裝置運行后期發(fā)生了嚴重的污泥膨脹 但是有機物和氨氮去除效果并沒有 受到影響 在對膜生物反應器的膜污染現(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 得出以下結論 超聲法 可以將e p s 細分為l b 和t b 較好地揭示膜生物反應器中的膜污染機理 e p s 提取量較高 細胞破碎也較輕 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 然后用1 檸檬酸浸泡l 小時 高濃 度次氯酸鈉浸泡1 2 小時 可使膜的通量恢復率達到9 9 為最佳清洗方法 而 單獨酸洗1 2 小時的膜通量恢復率僅為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 運行穩(wěn)定后的膜生物反應器內(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 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 分均比運行穩(wěn)定后的膜生物反應器低 在示范工程部分 得出以下結論 集裝式m b r 不但具有普通m b r 出水水 質好 占地面積小等特點 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化有機物的去除效果 確定f e c l 3 7m g l p a m 0 3 5m g l 作為本實驗混凝劑投加量 保持膜通量6 4 l m 2 h 不變 在線混凝超濾工藝在運行的3 0 個周期中 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 滿足反滲透進水s d i 5 的要求 但對電導率 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)水電導率 1 0us c m 符合部分行 業(yè)的純水使用要求 應用前景廣闊 后處理單元中通過混床對電導和硬度進一 步去除 使最終出水可作實驗室用水 整個系統(tǒng)按各功能區(qū)的作用 可以做到 分質供水 關鍵詞 膜生物反應器 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 學位論文版權使用授權書 本入完全了解同濟大學關于收集 保存 使用學位論文的規(guī)定 同意如下各項內(nèi)容 按照學校要求提交學位論文的印刷本和電子版 本 學校有權保存學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 學校有權提供目錄檢索以及提 供本學位論文全文或者部分的閱覽服務 學校有權按有關規(guī)定向國 家有關部門或者機構送交論文的復印件和電子版 在不以贏利為目 的的前提下 學?？梢赃m當復制論文的部分或全部內(nèi)容用于學術活 動 學位論文作者簽名 徐牲為 叫年3 月7 s 目 經(jīng)指導教師同意 本學位論文屬于保密 在年解密后適用 本授權書 指導教師簽名 學位論文作者簽 名 年月日年月 日 同濟大學學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學位論文 是本人在導師指導下 進行 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的其他個人和集 體 均已在文中以明確方式標明 本學位論文原創(chuàng)性聲明的法律責任 由本人承擔 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 先進材料膜生物反應器用于污水處理的性能 和經(jīng)濟指標研究 項目編號 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 水資源危機帶來的生態(tài)系統(tǒng)惡化和生物多樣性破壞 也 將嚴重威脅人類生存 人類也正面臨著嚴峻的挑戰(zhàn) 2 l 世紀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 更成為關系到國家經(jīng)濟 社會可持續(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 實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用 支撐和保障經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展 是世 界各國共同面臨的緊迫任務 幾千年來 人們一直將水視為 取之不盡 用之不竭 的物質 如今 人們正 越來越清醒地認識到水資源正在變成一種寶貴的稀缺資源 我國是一個水資源 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 個貧水國家之一 我國降 水量時空變化大 水資源在時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)定的缺水標準 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重 而水環(huán)境惡化的趨勢并未得到有效遏制 相反地 進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) 進一步加劇了水資源緊缺的矛盾 以水資源緊張 水污染嚴重 和洪澇災害為特征的水危機時有發(fā)生 對我國正在實施的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略帶來 了嚴重影響 而且還嚴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 水質型缺水 的國家 所謂 水 質型缺水 主要表現(xiàn)在 i 水源水污染 諸如太湖藍藻爆發(fā)大規(guī)模污染水源水 事件 2 水處理技術手段滯后 直接導致溶解性化學物質去除率低 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 在飲用水缺乏的同時 全球對飲用水水質的要求也愈來 愈高 如我國新 生活飲用水衛(wèi)生標準 規(guī)定的指標由原來的3 5 項增至了1 0 6 項 新標準對當代的水處理技術產(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?；钚蕴康墓に?起 到了對有毒有害的有機物進行有效控制的作用 但其對有機物的去處也有一定 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 若要達到我國新飲用水水質標準 解決上述問題 采用傳統(tǒng)技術則需要 進行復雜的技術和工程改造 操作也將較為困難 成本提高 膜過濾技術與傳 統(tǒng)技術相比更為優(yōu)越 隨著膜技術的日趨成熟 其在工程實際中的應用必將進 一步擴大 近年來 由于上述水資源緊張問題以及對廢水的排放標準提高等原因 國 內(nèi)外已經(jīng)有很多學者將目光投向了膜生物反應器這一新興的水處理技術 與膜 生物反應器相關的著作和論文層出不窮 但有關其研究仍在繼續(xù) 本文就膜生 物反應器及其他時下討論較多的膜處理技術進行探討 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 在驅動力的作用下 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 壓力驅動膜的截留 機理主要是機械篩分作用 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 一是各種物質透過膜的速率比值 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 即單位時間單位膜面積通過的物質的量 影響 j 的主要因素有 膜阻力 膜驅動壓力 膜面水動力學條件 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壓差作用下 溶質和溶劑垂直于 分離膜方向運動 溶質被截留 溶劑通過膜而被分離 主體料液與透過液運動 方向相同 隨著操作時間的增加 膜污染會越來嚴重 過濾阻力會越來越大 必須周期性的停下來清洗或更換膜 錯流過濾的主體料液與膜表面相切而流動 料液中的溶質被膜截留 透過液垂直于膜面而通過膜流出 錯流過濾中 錯流 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較薄的水平 能有 效的控制濃差極化和濾餅堆積 所以長時間操作仍可保持較高的膜通量 在實 際污水處理工程中 膜過濾一般采用錯流過濾 微濾 m f 超濾 u f 納濾呷 和反滲透 r o 都是以壓力為推動力的膜技 術 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械篩分 和擴散作用 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 占主導地位的分離機理為水優(yōu)先吸 附毛細管流動溶解 擴散理論 即溶質的滲透分為兩個階段 首先溶質被膜吸收 或溶解 然后經(jīng)擴散或對流通過膜 3 第一章緒論 1 2 2m b r 簡介和分類 膜生物反應器 r 2 l 是生物處理技術與膜分離技術相結合的一種新型高 效的污水處理技術 膜生物反應器利用微生物對反應機制進行生物轉化 利用 膜組件分離反應產(chǎn)物 并截留生物體 實現(xiàn)水力停留時間與污泥停留時間的徹 底分離 消除了傳統(tǒng)工藝的污泥膨脹導致出水水質不穩(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) 提高了生化反應速率 同 時通過降低f m 比減少了剩余污泥產(chǎn)量 提高生化處理效果 膜生物反應器主要由生物反應器和膜組件兩部分組成 生物反應器是使污 染物得到降解 膜組件是起到過濾的作用 進一步凈化水質 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器 忸r 是最常用的 已廣泛應用于工程中 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器 膜生物反應器根據(jù)其與膜組件的相對位型 一般可分為分置式膜生物反 應器和一體式膜生物反應器 分置式膜生物反應器是指膜組件與生物反應器分 開設置 反應器內(nèi)混合液經(jīng)泵增壓進入膜組件 膜過濾液成為系統(tǒng)處理出水 活 性污泥 大分子物質等被膜截留 又回流到反應器內(nèi) 其特點是 運行穩(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 為此動力消耗較高 且循環(huán)泵產(chǎn)生的剪切力會 造成微生物的活性受損 一體式膜生物反應器根據(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池組成 其特點是 可以提 高配套整裝的膜和設備 便于舊系統(tǒng)的更新改造 將膜浸沒池作為好氧區(qū) 而生 物反應池作為缺氧區(qū) 以實現(xiàn)硝化反硝化的目的 便于將膜隔離進行清洗 為 減少膜面污染 延長運行周期 一般泵的抽吸采取間斷運行 體式在運行時 利用曝氣引起的氣液向上的剪切力來實現(xiàn)膜面的錯流效果 也有采用在一體式 4 第一章緒論 膜組件附近進行葉輪攪拌和膜組件自身的旋轉如轉盤式膜組件來實現(xiàn)膜面錯流 效應 與分置式相比 一體式最大特點是運行能耗低 但是在運行穩(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 領域的研究工作主要是基于一體式膜生物反應器系統(tǒng) 并已將其廣 泛地運用于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 本試驗膜生物反應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 在實際應用中大多使用 的是外壓式 因為內(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 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 技術優(yōu)勢 m b r l 6 是一種生物技術與膜分離技術相結合的高效水處理技術 其技術優(yōu) 勢 6 8 為 膜能夠高效的進行固液分離 出水水質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器內(nèi) 實現(xiàn)了反應器水力停留時間 h r t 和污泥齡 s i 玎 的完全分離 使運行控制更加靈活穩(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 反應器內(nèi)有足夠的停留時間 大大提高了難降解有機物的降解效率 反應器在 高容積負荷 低污泥負荷 長泥齡下運行 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菌的截留 生長與繁殖 系統(tǒng)硝化效率得以提 高 通過運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 因為沒有二沉池固體負荷的限制 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 反應器體積也可大大減小 同 時反應器內(nèi)微生物濃度高 耐沖擊負荷能力強 系統(tǒng)可采用p l c 進行自動控制 自動化程度高 更適合現(xiàn)代企業(yè)管理 由 于其有機物去除效率高 出水水質好且穩(wěn)定 占地面積小 易于設備化 m b r 水處理技術日益廣泛地應用于高濃度有機污水處理和水循環(huán)再利用中 廁所糞 便污水污染物濃度高而回用要求嚴格 同時又受到占地面積 影響景觀等條件 的限制 普通水處理工藝難以達到要求 采用m b r 工藝的處理可達到良好的出 水水質 1 2 4 超濾研究機制 超濾是指 水溶液在壓力推動下 流經(jīng)膜表面 溶劑及小分子溶質透水膜 從而使水得到凈化 比膜孔大的溶質及溶質集團 如大部分膠體和大量有機物 都被截留 隨水流排出 成為濃縮液 在超濾過程中 由于被截留雜質在膜表面上不斷積累 產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象 當膜表面溶質濃度達到某一極限時生成凝膠層 使膜通量急劇下降 這使超濾 的應用受到一定程度的限制 因此 需通過試驗研究最佳工藝和運行條件 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處理方法 當超濾速 率衰減到一定程度而趨于平衡時 需通過清洗以恢復其通量 超濾可根據(jù)膜分離過程不同分為死端過濾和錯流過濾兩種基本方式 死端過濾 在壓力驅動下 溶劑和小于膜孔的溶質透過膜 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動方向相同 隨著時間的增 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 在工程實際中則需定期進行反沖洗 錯流過濾 在泵推動下 主體料液與膜表面相切流動 料液中的溶質被膜 截留 并由剪切力將截留物帶走而使污染層保持在一個較薄的水平 能有效的 控制濃差極化和濾餅堆積 在長時間操作下仍可保持較高的膜通量 在許多領 域有代替死端過濾的趨勢 死端過濾的優(yōu)點是回收率高 但膜污染較為嚴重 錯流過濾雖能減輕膜污 染 但其回收率大大降低 在實際污水處理工程中 一般采用錯流過濾以降低 6 第一章緒論 運行成本 1 2 5 反滲透研究機制 反滲透是指在鹽水側施以一大于滲透壓的壓力 使溶劑透過選擇性半透膜 從而實現(xiàn)溶質溶劑分離的效果 反滲透的工作原理均采用物理法 不添加任何 殺菌劑和化學物質 不發(fā)生化學變相 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 由于細 菌 病毒 大部分有機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 反滲透法可用于進行分離 提純和濃縮溶 液 在水中的眾多雜質中 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9 9 7 此技術廣泛用于海 水淡化中 1 2 6 混床研究機制 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 本中試驗研究中采用 體外再生式混床 1 2 7 膜污染機理及影響因素 1 2 7 1 膜污染表現(xiàn) 在膜生物反應器操作運行過程中 由于膜的狀況不同 水力條件不同以及 7 第一章緒論 反應器內(nèi)混合液性質的不同 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 的研究認為 膜的污染主要由占絕對多數(shù)的生物絮體起主導作用 y o u l l 2 等在厭氧消化液對膜生物反應器的研究得出 對膜污染的主要貢獻為以無 機物 如c a c l 2 等 及有機物的結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 細胞外產(chǎn)生的胞外聚合物 e p s 如多聚糖 蛋 白質等 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 膜生物反應器中的活性污泥混合液是產(chǎn)生膜污染的一個主要來源 由于活 性污泥混合液組成成分的復雜性 導致膜污染過程極為復雜 研究表明 膜污 染過程可分為兩個階段 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 這時隨著污泥層的增加 膜生物反應器的處理能力也得到提高 但膜通量也不斷減少 這時膜阻力增長 緩慢 這一階段可持續(xù)較長時間 根據(jù)膜污染現(xiàn)象的特征及膜表面沉積的污染物質的類型和沉積模式的不 同 一般用4 種經(jīng)典模型 l6 來進行描述 膜孔堵塞模型 假設膜的一部分孔隙完全地被顆?；虼蠓肿游镔|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 適用于描述顆粒或大分子物質在膜表面沉積形成一 層濾餅層的污染情況 此時 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 此時會 導致膜孔徑減小 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 假設當膜孔受到部分堵塞時 新的 污染物有的會沉積在已經(jīng)附著在膜表面的污染物上 有的則會直接沉積在膜表 面上 造成膜過濾有效面積的減小 當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 新的污染