膜生物反应器处理城市生活污水的研究
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摘要
膜生物反应器工艺是一新兴的水处理技术，可以说是传统水处理法的一次飞跃，但目前无论从技术上还是经济上讲，还存在未克服的难题。技术上存在专门的膜及膜组件的开发、膜寿命短等困难，经济上膜生物反应器一次性投资高且运行费亦高等缺点。正是在这样的情况下，出于能通过实验研究突破存在的关键性技术障碍的初衷，进行了本次实验。
本实验的重点是通过膜生物反应器处理合肥王小郢污水厂的生活污水，从理论上，比较各种不同的膜材料及其特性；论述了膜的污染与清洗；膜生物反应器无剩余污泥的理论；同步硝化反硝化机理；污泥中粘度及中空纤维表面错流流速计算模型等。中试实验中研究了操作压力、曝气量对膜通量的影响，分析了出水水质COD_(cr)、NH_3-N等值，并预测了其它影响因素对膜通量的影响和其它水质指标的去除情况。此外，对本工艺进行了经济评价，并与现有工艺进行了对比。得出了如下的结论：在操作压力为0.073MP、曝气量为150L／min、污泥浓度MLSS平均为5500mg／L的运行条件下，得到如此的出水水质，COD_(cr)一直保持在20mg／L以下，去除率均在90％以上，NH_3-N则一直稳定在2mg／L以下，去除率也均在90％以上，达到很好的去除效果。从技术和经济上本工艺均有很好利用价值，具有很好的可行性。
随着经济的发展，水资源的紧缺，膜生物反应器工艺将势必成为一种不可替代的有效的被广泛应用的水处理方法，亦将大大改观我国目前水资源极其危急和水污染严重的局势。
Recent advancement in membrane technology, especially in micro- and ultra-filtration, has given an impetus to the development of membrane bioreactors for various wastewater treatments. A membrane bioreactor, a combination process of biological reactor coupled with membrane separation, is regarded as innovative technology for wastewater treatment and reclamation. The process has many advantages, such as excellent and stable effluent quality, compact equipment, high volumetric load and less surplus sludge production. For these reasons, studies on the application of membrane bioreactor in treating domestic wastewater are very important.
In this paper, domestic wastewater were treated in a pilot-scale submerged membrane bioreactor . It had an initial CODcr averaged 200mg/L and NH3-N average 20mg/L. The hydraulic residence time (HRT) was 4. During the pilot experiment, surplus sludge was not removed, so the sludge residence time (SRT) was very long. The biomass concentration ranged from 5000mg/L to 6000mg/L. Dissolved oxygen concentration (DO) was 3. 7mg/L. Under the conditions of transmembrane pressure 0. 073MP, membrane flux 80L/h and air flow rate 150L/min, the results showed that average removal rate of CODcr and NH3-N is more than 90% respectively. In most of time, rate of both are 95%. By this process, the effluent was stable and could be reused for washing and so on.
The submerged membrane bioreactor has the potential to be applied to small wastewater treatment plants and it will bring us new and beautiful life and environment.
本实验的重点是通过膜生物反应器处理合肥王小郢污水厂的生活污水，从理论上，比较各种不同的膜材料及其特性；论述了膜的污染与清洗；膜生物反应器无剩余污泥的理论；同步硝化反硝化机理；污泥中粘度及中空纤维表面错流流速计算模型等。中试实验中研究了操作压力、曝气量对膜通量的影响，分析了出水水质COD_(cr)、NH_3-N等值，并预测了其它影响因素对膜通量的影响和其它水质指标的去除情况。此外，对本工艺进行了经济评价，并与现有工艺进行了对比。得出了如下的结论：在操作压力为0.073MP、曝气量为150L／min、污泥浓度MLSS平均为5500mg／L的运行条件下，得到如此的出水水质，COD_(cr)一直保持在20mg／L以下，去除率均在90％以上，NH_3-N则一直稳定在2mg／L以下，去除率也均在90％以上，达到很好的去除效果。从技术和经济上本工艺均有很好利用价值，具有很好的可行性。
随着经济的发展，水资源的紧缺，膜生物反应器工艺将势必成为一种不可替代的有效的被广泛应用的水处理方法，亦将大大改观我国目前水资源极其危急和水污染严重的局势。
Recent advancement in membrane technology, especially in micro- and ultra-filtration, has given an impetus to the development of membrane bioreactors for various wastewater treatments. A membrane bioreactor, a combination process of biological reactor coupled with membrane separation, is regarded as innovative technology for wastewater treatment and reclamation. The process has many advantages, such as excellent and stable effluent quality, compact equipment, high volumetric load and less surplus sludge production. For these reasons, studies on the application of membrane bioreactor in treating domestic wastewater are very important.
In this paper, domestic wastewater were treated in a pilot-scale submerged membrane bioreactor . It had an initial CODcr averaged 200mg/L and NH3-N average 20mg/L. The hydraulic residence time (HRT) was 4. During the pilot experiment, surplus sludge was not removed, so the sludge residence time (SRT) was very long. The biomass concentration ranged from 5000mg/L to 6000mg/L. Dissolved oxygen concentration (DO) was 3. 7mg/L. Under the conditions of transmembrane pressure 0. 073MP, membrane flux 80L/h and air flow rate 150L/min, the results showed that average removal rate of CODcr and NH3-N is more than 90% respectively. In most of time, rate of both are 95%. By this process, the effluent was stable and could be reused for washing and so on.
The submerged membrane bioreactor has the potential to be applied to small wastewater treatment plants and it will bring us new and beautiful life and environment.
引文
[1] 郑领英。膜分离与分离膜。高分子通报，1993，3：134～137
[2] 国家计委关于组织实施膜技术及其应用产业化专项公告．2001，2，13
[3] 冯晓西、乌锡康主编．精细化工废水治理技术．化学工业出版社出版发行．2000，3：96
[4] 黄霞．膜生物反应器废水处理工艺的研究进展．环境科学研究．1998，11(1)：40～44
[5] 王萍．印染废水处理方法的研究进展．化工环保，1997，17(5)：273～276
[6] 续曙光等．我国膜分离技术研究．，生产现状及在水处理中的应用．环境科学进展，1997，5(6)：15～18
[7] 朱宛华，张再利．膜分离技术及膜生物反应器的发展和展望．安徽化工，2001，2：24～27
[8] 黄永前．无机分离膜与环境保护．环境工程．1998，16(2)：14～16
[9] 童汉清等．膜分离技术及其应用．化工装备技术．1999，20(2)：22～24
[10] 刘忠洲、续曙光、李锁定．微滤、超滤过程中的膜污染与清洗．水处理技术．1997．23(4)：187～193
[11] 刑卫红．无机分离膜技术在食品、发酵行业中的应用．膜科学与技术．1997，17(6)：19～22
[12] 刑传宏等．无机膜-生物反应器处理生活污水试验研究．环境科学．1997，18(3)1～4
[13] 高从楷．膜技术可持续发展技术的基础．水处理技术，1998，24(1)：14～19
[14] 王建龙等．固定化微生物技术在难降解有机污染物治理中的研究进展．环境科学研究．1999，12(1)60～64
[15] 桂萍、黄霞、钱易．三种型式生物反应器工艺运行特性研究．给水排水．1999，26(3)：24～28
[16] 岑运华．日本水综合再生利用系统90计划的进展概要．环境科学研究．1990，3(2)：50
[17] 郑祥、朱小龙等．膜生物反应器在水处理中的研究及应用．2000，1(5)：13～20
[18] 刑传宏、钱易．超滤膜生物反应器处理生活污及其水力学研究．环境科学．1997，18(5)19～22
[19] 孟耀斌、文湘华等．分置式膜生物反应器处理生活污水的抗冲击负荷能力．环境科学．2000，21(5)：22～26
[20] 杨造燕、匡志花．膜生物反应器无剩余污泥排放的研究．城市环境与城市生态．1999，12(1)：16～18
[21] 徐英、李发永等，用聚砜和磺化聚砜超滤膜处理含油污水的研究．石油大学学报(自然科学版)．1997，21(2)：67～69
[22] 含保义、董声雄．PVDF超滤膜性能的研究．三明师专学报．2000，3：91～93
[23] 杨牛珍、王英特等．聚丙烯腈超滤膜低温氧等离子体表面改性．2000，14(3)：314～317
[24] 黄征青．聚醚砜中空纤维超滤膜的研制．膜科学与技术．2000，20(4)：30～32
[25] 李艳香、王宏光等．一种含有高分子液晶超滤膜的制备与性能．2000，20(5)：27～31
[26] 尹秀丽、邓桦等．PVDF-PS共混超滤膜的研究．水处理技术．1997，23(2)：131～134
[27] 袁誉洪、陈栋华等．聚乙二醇改性聚乙烯醇超滤膜的性能．中南民族学院学报．1998，17(2)：10～14
[28] 刘双进．污水处理新技术．海洋出版社．1985，17～22
[29] 刘双进．污水处理新技术．海洋出版社．1985，12～14
[30] 李书国，超滤膜的污染原因及清洗方法．食品科学．1999，2：28～30
[31] C．P．小莱斯利格雷迪等著，李献文译．废水生物处理理论与应用．北京：中国建筑出版社，1989：273～285
[32] 邹联沛、刘旭东等．MBR中影响同步硝化反硝化的生态因子．环境科学．2001，22(4)：51～55
[33] 高廷耀、周增炎等．生物脱氮工艺中反硝化现象．城市给排水．1998，24(12)：6～9
[34] 张自杰主编．排水工程下册，第三版．中国建筑工业出版社出版．1996，276～279
[35] 刘锐，黄霞等．一体式膜生物反应器的水动力学特性．环境科学．2000，21(5)：47～50
[36] 奚旦立、孙裕生、刘秀英编．环境监测．高等教育出版社出版．1995，381～383
[37] 何义亮、顾国维等．膜生物反应器生物降解与膜分离共作用特性研究．环境污染与防治．1998，20(6)：18～20
[38] 张捍民、王宝贞，淹没式中空纤维膜过滤装置中曝气强度对系统的影响．水处理技术．2001，27(2)：93～95
[39] 刘锐、黄霞等．一体式膜生物反应器长期运行中的膜污染控制．环境科学．2000，21(2)：58～61
[40] Smith c v, Jr Gregorio D D, Talcot R M. The use of ultrafiltration membrane for activated sludge separation. In : Presented Pager at 24th Annual Purdue Industrial Waste Conference. Indiana, 1968.1300～1310
[41] Yamamoto K, Hiasa. M. Mahood T, Matsuo T. Direct Solid-liquid separation using hollow fiber membrane in an activated sludge tank. Water Sciences and Tdchnology. 21 (4):43～54
[42] Scott K, Adhamy A, W Atteck, etal.Crossflow microfiltration of organic/water suspensions. Wat Res, 1994,28(1): 137～145
[43] Jonsson A S, Gun Tragardh. Fundamental principles of ultrafiltration. Chem Eng Process. 1990,27:67～81
[44] K. Parameshwaran, C. Visvanathan, and R. Ben Aim. Membrane as solid/liquid separator and air diffuser in bioreactor. Journal of Environmental Engineering. 1999,9:825～834
[45] Aya, H. Modular membrane for self contained reuse systems. Water Quality Int. 1994,4:21～22
[46] Hadi Husain and Picrre Cote, Membrane bioreactor for municipal wastewater treatment. WQI. 1999,3:19～22
[47] Ahmed T. and Semmens M.J. Use of sealed end hollow fbers for bubbleless membrane aeration: experimental studies. J. Mem. Sci. 1992,69:112～118
[48] M. Pankhania, T. Stephenson and M. J. Semmens. Hollow fiber bioreactor for wastewater treatment using bubbleless membrane aeration. Wat. Res. 1994,28(10):26～30
[49] L. M. Freitas dos Santos and G. Lo Biundo. Treatment of pharmaceutical industry process wastewater using the extractive membrane bioreactor. Environmental progress. 1999,18(1):35～39
[50] Pirt, S. J. The mainenance energy of bacteria in growing cultures. Proc.Roy. Soc. London, 63B, 1965:24～231
[51] Pirt, S.J. Maintenance Energy: A general model for the energy-sufficient growth, Arch. Microbial. 1982:300～302
[52] Laanbroek H J, Gerards S. Competition for limiting amounts of oxygen between Nitrosomanas europaea and Nitrobacteria winogradskyi grown in mixed continuous cultrures. Arch Microbiology, 1993,159:453～459
[53] Yusuf Chisti and Murray Moo-Young. Improve the performance of airlift reactors. Chemical Engineering Process, 1993,6:38～45
[54] L. Defrance, M.Y. Jaffrin. Reversibility of fouling formed in activated sludge filtration. Journal of Membrane Science 1999,157:73～84
[55] Y. Magara and M. Itoh. Wat. Sci. Tech. 1991,23:1583～1590
[56] S. Lubbecke, etal. Water Reseach. 1995,29(3):793
[57] Tatsuki Ueda, Kenji Hata. Effects of aeration on suction pressure in a submerged membrane bioreactor. Elsevier Science Ltd. 1997,31 (3):489～494
[58] 武江津等编．三废处理工程技术手册—废水卷．化学工业出版社．北京，1999：753-754
[2] 国家计委关于组织实施膜技术及其应用产业化专项公告．2001，2，13
[3] 冯晓西、乌锡康主编．精细化工废水治理技术．化学工业出版社出版发行．2000，3：96
[4] 黄霞．膜生物反应器废水处理工艺的研究进展．环境科学研究．1998，11(1)：40～44
[5] 王萍．印染废水处理方法的研究进展．化工环保，1997，17(5)：273～276
[6] 续曙光等．我国膜分离技术研究．，生产现状及在水处理中的应用．环境科学进展，1997，5(6)：15～18
[7] 朱宛华，张再利．膜分离技术及膜生物反应器的发展和展望．安徽化工，2001，2：24～27
[8] 黄永前．无机分离膜与环境保护．环境工程．1998，16(2)：14～16
[9] 童汉清等．膜分离技术及其应用．化工装备技术．1999，20(2)：22～24
[10] 刘忠洲、续曙光、李锁定．微滤、超滤过程中的膜污染与清洗．水处理技术．1997．23(4)：187～193
[11] 刑卫红．无机分离膜技术在食品、发酵行业中的应用．膜科学与技术．1997，17(6)：19～22
[12] 刑传宏等．无机膜-生物反应器处理生活污水试验研究．环境科学．1997，18(3)1～4
[13] 高从楷．膜技术可持续发展技术的基础．水处理技术，1998，24(1)：14～19
[14] 王建龙等．固定化微生物技术在难降解有机污染物治理中的研究进展．环境科学研究．1999，12(1)60～64
[15] 桂萍、黄霞、钱易．三种型式生物反应器工艺运行特性研究．给水排水．1999，26(3)：24～28
[16] 岑运华．日本水综合再生利用系统90计划的进展概要．环境科学研究．1990，3(2)：50
[17] 郑祥、朱小龙等．膜生物反应器在水处理中的研究及应用．2000，1(5)：13～20
[18] 刑传宏、钱易．超滤膜生物反应器处理生活污及其水力学研究．环境科学．1997，18(5)19～22
[19] 孟耀斌、文湘华等．分置式膜生物反应器处理生活污水的抗冲击负荷能力．环境科学．2000，21(5)：22～26
[20] 杨造燕、匡志花．膜生物反应器无剩余污泥排放的研究．城市环境与城市生态．1999，12(1)：16～18
[21] 徐英、李发永等，用聚砜和磺化聚砜超滤膜处理含油污水的研究．石油大学学报(自然科学版)．1997，21(2)：67～69
[22] 含保义、董声雄．PVDF超滤膜性能的研究．三明师专学报．2000，3：91～93
[23] 杨牛珍、王英特等．聚丙烯腈超滤膜低温氧等离子体表面改性．2000，14(3)：314～317
[24] 黄征青．聚醚砜中空纤维超滤膜的研制．膜科学与技术．2000，20(4)：30～32
[25] 李艳香、王宏光等．一种含有高分子液晶超滤膜的制备与性能．2000，20(5)：27～31
[26] 尹秀丽、邓桦等．PVDF-PS共混超滤膜的研究．水处理技术．1997，23(2)：131～134
[27] 袁誉洪、陈栋华等．聚乙二醇改性聚乙烯醇超滤膜的性能．中南民族学院学报．1998，17(2)：10～14
[28] 刘双进．污水处理新技术．海洋出版社．1985，17～22
[29] 刘双进．污水处理新技术．海洋出版社．1985，12～14
[30] 李书国，超滤膜的污染原因及清洗方法．食品科学．1999，2：28～30
[31] C．P．小莱斯利格雷迪等著，李献文译．废水生物处理理论与应用．北京：中国建筑出版社，1989：273～285
[32] 邹联沛、刘旭东等．MBR中影响同步硝化反硝化的生态因子．环境科学．2001，22(4)：51～55
[33] 高廷耀、周增炎等．生物脱氮工艺中反硝化现象．城市给排水．1998，24(12)：6～9
[34] 张自杰主编．排水工程下册，第三版．中国建筑工业出版社出版．1996，276～279
[35] 刘锐，黄霞等．一体式膜生物反应器的水动力学特性．环境科学．2000，21(5)：47～50
[36] 奚旦立、孙裕生、刘秀英编．环境监测．高等教育出版社出版．1995，381～383
[37] 何义亮、顾国维等．膜生物反应器生物降解与膜分离共作用特性研究．环境污染与防治．1998，20(6)：18～20
[38] 张捍民、王宝贞，淹没式中空纤维膜过滤装置中曝气强度对系统的影响．水处理技术．2001，27(2)：93～95
[39] 刘锐、黄霞等．一体式膜生物反应器长期运行中的膜污染控制．环境科学．2000，21(2)：58～61
[40] Smith c v, Jr Gregorio D D, Talcot R M. The use of ultrafiltration membrane for activated sludge separation. In : Presented Pager at 24th Annual Purdue Industrial Waste Conference. Indiana, 1968.1300～1310
[41] Yamamoto K, Hiasa. M. Mahood T, Matsuo T. Direct Solid-liquid separation using hollow fiber membrane in an activated sludge tank. Water Sciences and Tdchnology. 21 (4):43～54
[42] Scott K, Adhamy A, W Atteck, etal.Crossflow microfiltration of organic/water suspensions. Wat Res, 1994,28(1): 137～145
[43] Jonsson A S, Gun Tragardh. Fundamental principles of ultrafiltration. Chem Eng Process. 1990,27:67～81
[44] K. Parameshwaran, C. Visvanathan, and R. Ben Aim. Membrane as solid/liquid separator and air diffuser in bioreactor. Journal of Environmental Engineering. 1999,9:825～834
[45] Aya, H. Modular membrane for self contained reuse systems. Water Quality Int. 1994,4:21～22
[46] Hadi Husain and Picrre Cote, Membrane bioreactor for municipal wastewater treatment. WQI. 1999,3:19～22
[47] Ahmed T. and Semmens M.J. Use of sealed end hollow fbers for bubbleless membrane aeration: experimental studies. J. Mem. Sci. 1992,69:112～118
[48] M. Pankhania, T. Stephenson and M. J. Semmens. Hollow fiber bioreactor for wastewater treatment using bubbleless membrane aeration. Wat. Res. 1994,28(10):26～30
[49] L. M. Freitas dos Santos and G. Lo Biundo. Treatment of pharmaceutical industry process wastewater using the extractive membrane bioreactor. Environmental progress. 1999,18(1):35～39
[50] Pirt, S. J. The mainenance energy of bacteria in growing cultures. Proc.Roy. Soc. London, 63B, 1965:24～231
[51] Pirt, S.J. Maintenance Energy: A general model for the energy-sufficient growth, Arch. Microbial. 1982:300～302
[52] Laanbroek H J, Gerards S. Competition for limiting amounts of oxygen between Nitrosomanas europaea and Nitrobacteria winogradskyi grown in mixed continuous cultrures. Arch Microbiology, 1993,159:453～459
[53] Yusuf Chisti and Murray Moo-Young. Improve the performance of airlift reactors. Chemical Engineering Process, 1993,6:38～45
[54] L. Defrance, M.Y. Jaffrin. Reversibility of fouling formed in activated sludge filtration. Journal of Membrane Science 1999,157:73～84
[55] Y. Magara and M. Itoh. Wat. Sci. Tech. 1991,23:1583～1590
[56] S. Lubbecke, etal. Water Reseach. 1995,29(3):793
[57] Tatsuki Ueda, Kenji Hata. Effects of aeration on suction pressure in a submerged membrane bioreactor. Elsevier Science Ltd. 1997,31 (3):489～494
[58] 武江津等编．三废处理工程技术手册—废水卷．化学工业出版社．北京，1999：753-754