【正文】 于初級研究階段。特別是開發(fā)一種膜技術(shù)與生物反應(yīng)器相結(jié)合來處理工業(yè)和城市污水，省能省地，出水水質(zhì)好，適用于污水回用的工藝。為了使得膜能夠連續(xù)長期穩(wěn)定的使用，在中空絲膜的下方以一定強度的空氣不斷對膜進行抖動，既起到為生物氧化供氧作用，又防止活性污泥附著在膜的表面造成膜的污染?；瘜W(xué)清洗后的流量回復(fù)性好。中空絲膜能夠截留幾乎所有的微生物，尤其是針對難以沉淀的、增殖速度慢的微生物，因此系統(tǒng)內(nèi)的生物相極大豐富，活性污泥馴化、增量的過程大大縮短，處理的深度和系統(tǒng)抗沖擊的能力得以加強，處理水質(zhì)穩(wěn)定。中空絲膜所需的吸引壓力僅為－～－，動力消耗低。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。其中分離膜生物反應(yīng)器是目前研究和應(yīng)用最廣泛和深入的膜生物反應(yīng)器，在無特指的情況下，通常稱之為MBR。曝氣設(shè)備產(chǎn)生氣泡，大量氣泡帶動液體形成的水流波動造成的膜元件之間的摩擦，這有助于膜表面污染層的脫落。而無泡供氧技術(shù)與生物反應(yīng)器相結(jié)合形成了一種新型膜生物反應(yīng)器，即無泡曝氣膜生物反應(yīng)器(Membraneaerated biofilm reactor MABR).該技術(shù)具有傳氧效率高、硝化與反硝化一體化、污泥發(fā)生量小以及運行管理方便等優(yōu)點，是處理高需氧量廢水的一項新技術(shù)。此外，廢水中含有揮發(fā)性有毒物質(zhì)時，如采用生化法曝氣，則會發(fā)生氣提現(xiàn)象，從而影響處理的穩(wěn)定性。萃取膜生物反應(yīng)器中，污泥與廢水并不直接接觸，廢水在膜腔內(nèi)流動，而活性污泥則在膜外流動。其裝置示意圖見圖17。以上三種類型的膜生物反應(yīng)器的特性比較見表11表11 三類膜生物反應(yīng)器的優(yōu)缺點反應(yīng)器類型優(yōu)點缺點膜分離生物反應(yīng)器l 占地面積??；l 徹底去除水中的固體物質(zhì)；l 出水無需消毒；l COD、營養(yǎng)物質(zhì)可以在一個單元內(nèi)被去除；l 高負(fù)荷率和低污泥產(chǎn)率；l 流程啟動快；l 系統(tǒng)不受污泥膨脹的影響；l 模塊化、升級改造容易。萃取膜生物反應(yīng)器l 可以處理有毒工業(yè)廢水；l 出水流量?。籰 模塊化、升級改造容易；l 細(xì)菌與廢水隔離。原水進入生物反應(yīng)器后，其有機底物在其高濃度的混合活性污泥的作用下得到氧化分解。圖18一體式膜生物反應(yīng)器(5) 分置式膜生物反應(yīng)器分置式MBR工藝(亦稱之為交叉流MBR，CMBRCrossflow Membrane BIOReactor)。其工藝流程圖見圖19。n 膜組件可與各種生物反應(yīng)器結(jié)合，構(gòu)成不同的分置式膜生物反應(yīng)器。n 操作壓力比較小，遠(yuǎn)小于分置式（）。主要缺點n 為了減少污染物在膜面的沉積，料液流速一般要求要達(dá)到很高，動力消耗相應(yīng)也高。n 透水率低，膜污染更為嚴(yán)重。而造成高能耗的原因主要是因為膜生物反應(yīng)器的膜易于污染。所以，要實現(xiàn)膜生物反應(yīng)器的廣泛應(yīng)用，必須解決的問題就是膜污染。膜污染分為可逆和不可逆膜污染，如濃差極化，可通過物理，化學(xué)和生物方法來減輕和改善的一類污染為可逆膜污染；而膜孔堵塞，不合理的料液性質(zhì)使膜受到腐蝕及膜的自身劣化等稱為不可逆膜污染。膜分離的操作條件主要包括：操作壓力、膜面流速和運行溫度三個方面。理論上講， Tardieu 等人在研究好氧膜生物反應(yīng)器過程中得出結(jié)論，認(rèn)為數(shù)量占優(yōu)的微生物是導(dǎo)致膜污染的主要因素。（3）控制對策①增加動態(tài)膜采用在膜表面增加動態(tài)膜的方法截留污染物質(zhì)，形成膜垢層起到濾餅過濾的作用，以減少污染物質(zhì)與膜的接觸，減少膜孔堵塞情況的發(fā)生。為增加顆粒平均粒徑，提高膜表面對污染物質(zhì)的截留效率，減少膜孔堵塞情況的發(fā)生，目前采用較多的方法是添加粉末活性炭和絮凝劑。張永寶等通過實驗發(fā)現(xiàn)，氫氧化鐵絮體的混凝吸附作用可使混合液中的小膠體顆粒絮凝成較大的顆粒，這使得生物鐵一體式MBR 中的污泥粒徑大于普通一體式MBR 中的污泥粒徑。合理曝氣可產(chǎn)生紊流，清洗膜表面和阻止污泥聚集，就能保持膜通量穩(wěn)定，膜孔堵塞減弱。在1966年,美國的Dorroliver公司首先將MBR 用于廢水處理的研究。同時厭氧MBR研究也相繼開始進行。日本1985年開始的水綜合再生利用系統(tǒng)，在90 年代計劃把MBR 研究在污水處理對象與規(guī)模上都大大推進一步。同年上海華東理工大學(xué)環(huán)境工程研究所進行了MBR處理人工合成污水和制藥廢水的可行性研究。 本文研究目的和研究內(nèi)容 研究目的本研究將A/A/O工藝與膜分離相結(jié)合對污水進行處理，強化其脫氮除磷效果，并采用射流曝氣，充分利用混合液回流的動力，設(shè)備簡單，運行方便。本試驗采用射流曝氣泵，因為射流曝氣能提高氧的傳遞效率和利用率，可滿足好氧區(qū)的曝氣要求，而不需要鼓風(fēng)機；利用了A/A/O工藝良好的脫氮除磷性能，同時結(jié)合膜的高效截留作用，大大提高了TN與TP的去除率；采用超濾膜組件可大大提高膜通量而使投資成本降低；需要真空抽吸；本研究所采用的設(shè)備數(shù)量少，運行管理方便。處理生活污水期間，分階段觀測反應(yīng)器中污泥形態(tài)，再對比前期工作，得出結(jié)論。本研究的技術(shù)路線內(nèi)容如下圖111。A/A/O生物脫氮除磷工藝流程見圖21，城市污水中主要污染物質(zhì)在A/A/O工藝中變化特性如圖22所示。所以，A/A/O能同時完成有機物的去除、硝化脫氮、磷的過量攝取而被去除等功能，脫氮的前提是NH3—N應(yīng)完全硝化，好氧池能完成這一功能；缺氧池則完成脫氮功能。在污泥量少，供氧有富余時悶曝35小時后進入靜沉步驟。以前2次進水時間間隔為基準(zhǔn)安排進水時間，并且每天將此間隔縮短1半。，該工藝流程最為簡單，總的水力停留時間也少于同類其他工藝。、缺氧狀態(tài)，以避免聚磷菌釋放磷而降低出水水質(zhì)，以及反硝化產(chǎn)生N2而干擾沉淀。根據(jù)生物除磷原理,在厭氧條件下,聚磷菌通過菌種間的協(xié)作,將有機物轉(zhuǎn)化為揮發(fā)酸,借助水解聚磷釋放的能量將之吸收到體內(nèi),并以聚β羥基丁酸PHB形式貯存,提供后續(xù)好氧條件下過量攝磷和自身增殖所需的碳源和能量。為解決A2/O工藝碳源不足及其引起的硝酸鹽進入?yún)捬鯀^(qū)干擾釋磷的問題,研究者們進行了大量工藝改進,歸納起來主要有三個方面:一是解決硝酸鹽干擾釋磷問題而提出的工藝,如:UCT、MUCT等工藝。當(dāng)UCT工藝作為階段反應(yīng)器在水力停留時間較短和低泥齡下運行時在美國被稱為VIP(Virginia Initiative Process,1987)工藝。圖23 UCT工藝流程圖24 MUCT工藝流程 補充碳源可分為兩類:一類是包括甲醇、乙醇、丙酮和乙酸等可用作外部碳源的化合物,一類是易生物降解的COD源,它們可以是初沉池污泥發(fā)酵的上清液或其它酸性消化池的上清液或者是某種具有大量易生物降解COD組分的有機廢水,例如:麥芽工業(yè)廢水、水果和蔬菜工業(yè)廢水和果汁工業(yè)廢水等。Johannesburg(JHB)工藝是在A/A/O工藝到厭氧區(qū)污泥回流線路中增加了一個缺氧池,這樣,來自二沉池的污泥可利用33%左右進水中的有機物作為反硝化碳源去除硝態(tài)氮,以消除硝酸鹽對厭氧池厭氧環(huán)境的不利影響。這種作法是以犧牲系統(tǒng)的反硝化速率為前提的。圖25 倒置的A/A/O工藝流程其特點如下:①聚磷菌厭氧釋磷后直接進入生化效率較高的好氧環(huán)境,其在厭氧條件下形成的吸磷動力可以得到更充分的利用,具有“饑餓效應(yīng)”優(yōu)勢。據(jù)他們報道,該工藝在實驗室機理試驗中得到了較好的除磷脫氮效果。②DPB在傳統(tǒng)除磷系統(tǒng)中大量存在。原污水進入?yún)捬醴磻?yīng)池后,聚磷菌放磷,大部分有機底物被污泥生物降解。再曝氣池吹脫氮氣并使聚磷菌完全再生。裝置的實物照片見下圖26。具體方法見表22。污泥來自污水處理廠二沉池排泥，經(jīng)靜沉棄去上清液后將污泥濃縮后移入反應(yīng)器內(nèi)。測定初期水質(zhì)及排水階段上清液的水質(zhì)，根據(jù)水質(zhì)情況調(diào)節(jié)進水量和養(yǎng)料的投加。監(jiān)測水質(zhì)的情況。圖31 COD去除效果示意圖圖32 COD去除率在無排泥條件下，系統(tǒng)運行近1個月，反應(yīng)器進水COD濃度在300700mg/L。從圖中可以看出，在運行穩(wěn)定期的30天內(nèi)，進水COD濃度在300mg/L700mg/L之間，平均COD體積負(fù)荷為4kg/m3*d，基本穩(wěn)定在25mg/l以下。從圖33可以看出COD在各區(qū)中的分布，好氧區(qū)的COD濃度隨著運行時間的增長而增加，同時從的監(jiān)測數(shù)據(jù)中也發(fā)現(xiàn)，上清液的濁度也隨著運行時間的增長而增大，從最初的28上升至了918。從而大量的SMP的積累就必然導(dǎo)致了上清液濁度和COD的上升。這就是MBR反應(yīng)器中膜對有機物去除的強化作用。圖34 膜對污染物的截留機理示意圖從圖33中還可以看出，缺氧池的COD濃度值隨著進水COD濃度的波動而波動，同時隨著運行時間的增長，缺氧池的COD濃度在總的趨勢上有小幅度的增加，缺氧區(qū)COD濃度隨著運行時間而增加是因為，缺氧池COD的來源主要有兩個方面。進一步根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可以得知，在反應(yīng)器運行中期，隨著SMP的積累，導(dǎo)致好氧區(qū)COD濃度升高，生化反應(yīng)對COD的去除貢獻降低，膜對于COD的去除貢獻升高。其中生化反應(yīng)所占去除貢獻率=（進水COD好氧區(qū)上清液COD）/進水COD，膜所占去除率=（缺氧區(qū)上清液COD出水COD）/進水COD圖35 膜和生化反應(yīng)所占去除COD貢獻比 系統(tǒng)對氮去除特性的研究 系統(tǒng)對氨氮去除效果的研究在無排泥條件下，系統(tǒng)運行一段時間后，由于人工配水的外界因素，系統(tǒng)氨氮進水濃度在630mg/L之間，有一定起伏。而從總體來看，系統(tǒng)對氨氮的去除率較為穩(wěn)定，平均去除率在93%上下，%。圖36 氨氮去除效果曲線 系統(tǒng)對總氮去除效果的研究，波動比較大，主要是因為采用人工配水，總氮主要包括的是NH4CL和大豆的有機氮，同時人工配水為兩天配一次，NH4CL在進水里不是穩(wěn)定形態(tài)，一部分會變?yōu)榘睔鈸]發(fā)掉，所以才導(dǎo)致總氮波動變化大。圖37 NO2N去除效果曲線圖38 NO3N去除效果曲線圖39 凱氏氮去除效果曲線系統(tǒng)進水NO2N濃度較低， mg/L，處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，可初步說明硝化菌的生長會受到反應(yīng)器內(nèi)環(huán)境的影響。為了進一步驗證和了解膜在整個系統(tǒng)運行中對污染物去除效果的影響，設(shè)計了如下實驗，在系統(tǒng)運行穩(wěn)定時清洗浸泡膜組件，首先將原水分別直接通過運行一段時間的膜組件和用檸檬酸清洗浸泡后的膜組件，這時的運行一段時間膜表面已經(jīng)形成濾餅層，然后測定其對污染物的去除率，再將生物反應(yīng)器中的混合液通過清洗后的膜組件，每隔一隔時間測定出水中有機物的含量，實驗結(jié)束后再將原水通過膜組件測量其對污染的去除效果。分析變化原因：首先是由于抽水泵非恒壓水泵，抽水壓力瞬時有變化，所以出水不穩(wěn)定；其次是膜存在一定的污染，造成壓力上升而流量反而下降的現(xiàn)象；此外，由于膜一開始就放入反應(yīng)器，在未抽水時就已經(jīng)受到污染，故在運行較短時間內(nèi)通量降低較快。圖中0時刻更換清洗后的膜組件，負(fù)值表示清洗膜組件之前，正值表示清洗膜組件之后。對于濁度和COD，清洗后膜組件換上去以后出水濁度明顯升高達(dá)到48，COD也上升到了629mg/L。所以經(jīng)過24小時后，雖然膜攔截能力明顯提高。 膜污染與清洗 膜污染及其減緩防治措施膜污染是由于被處理物料中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)分子與膜發(fā)生物理化學(xué)作用，或因濃度極化使某些溶質(zhì)在膜表面濃度超過其溶解度，以及機械作用而引起的人膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過流量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象。從污染物的性質(zhì)又可分為有機污染，如胞外聚合物、溶解性有機物、蛋白質(zhì)、脂肪及細(xì)微膠體等；無機污染，如廢水中碳酸鹽、硫酸鹽、硅酸鹽、凝膠無機膠體等；生物污染，如簾式中空纖維膜組件，其可視為柔性填料，處理不當(dāng)，微生物易在其上面吸附生長，形成生物膜，造成水通量下降[42]。對已污染的膜進行處理，使其恢復(fù)膜通量，目前歸納起來主要有三種方法，一是反沖洗，反沖洗是提高膜透水率和保護膜透水穩(wěn)定性的重要技術(shù)，樊耀波教授曾對MBR的反沖洗周期做過研究[22]，得出確定MBR的反沖洗周期公式，并探討如何在實際運行過程中測得的最佳反沖洗周期，至于反沖洗水量，反沖洗壓力還有待于進一步研究。MBR水處理技術(shù)是未來水工業(yè)中極具生命力的一項新技術(shù)，是能真正實現(xiàn)污水回用，廢水資源化的一項重要且競爭力強的技術(shù)，但其實際推廣應(yīng)用一直受到膜污染問題的困擾，如何解決污染問題是擺在從事MBR研究工作者面前的難題。空曝氣能強化水流循環(huán)作用,對減小因膜表面附著較厚的污泥層而引起的過濾阻力增大有顯著作用，并能延長膜的運行壽命[44]。反沖洗能提高膜通透性并減少膜結(jié)垢，因而可形成優(yōu)化的，穩(wěn)定的水力操作條件。在線藥洗通過加藥泵反沖洗膜，簡化了膜組件的裝卸程序。綜上，本實驗確定防止膜污染以及進行膜清洗的措施如下：在膜的下部設(shè)置空氣曝氣管，外連接射流曝氣裝置，利用曝氣產(chǎn)生的紊流對膜表面進行沖洗，防止懸浮物的附著和沉淀。經(jīng)過離線藥洗后的膜通量可以得到恢復(fù)。在膜組器的斜下部設(shè)置空氣曝氣管，外連接曝氣裝置，利用上升空氣產(chǎn)生的向上液流來實現(xiàn)對膜表面的沖洗。2．在膜的運行過程中，一直伴隨著濃差極化現(xiàn)象的發(fā)生，為了防止和減緩這一現(xiàn)象的發(fā)生，保持膜在運行過程中的穩(wěn)定運行，每隔24 h進行反沖洗一次。 本章小結(jié)與問題1）改進后的膜生物反應(yīng)器對COD，氨氮，總氮有很好的去除效果，整個反應(yīng)器運行期間，%、氨氮的平均去除率為95%、%，整個系統(tǒng)對COD、氨氮總氮的去除顯示出了良好的穩(wěn)定性。4）通過研究膜去除污染物機制后，發(fā)現(xiàn)雖然在反應(yīng)器運行初期膜就具有良好的機械攔截能力，但是形成穩(wěn)定的具有吸附降解能力的濾餅層需要更長的時間。4 系統(tǒng)污泥形態(tài)特性的研究在MBR工藝中，由于膜的高效攔截能力和短時間內(nèi)將污泥回流至反應(yīng)器內(nèi)，使得反應(yīng)器中的污泥形態(tài)，微生物種群分布均有別于傳統(tǒng)工藝。 從污水處理廠取回泥后，使其適應(yīng)人工配水水質(zhì)后（即COD的去除率90%）投入反應(yīng)器中，在系統(tǒng)運行的第一天，污泥濃度為6019mg/L，其污泥SV30為55%，SVI值為102，污泥沉降性能良好；而從第二天開始污泥的沉降實驗中就觀察到，泥水界面已經(jīng)變的非常模糊，SV30達(dá)到64%；第4天時，反應(yīng)器內(nèi)的污泥基本鏡檢也發(fā)現(xiàn)泥水基本已經(jīng)完全混合在一起，混合液中的細(xì)菌基本呈游離狀態(tài)。圖 42為污泥濃度與氨氮的去除關(guān)