AAO+MBR组合工艺脱氮除磷性能研究毕业作品.docx

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AAO+MBR组合工艺脱氮除磷性能研究毕业作品

苏州科技学院本科生毕业论文

ResearchonTreatmentofWastewaterbyImprovedMembraneBio-reactor

Abstract

Membranebioreactor（MBR）technologyhasmanyadvantagesbeyondwithtraditionalmethods,Ithastheverygoodapplicationprospect,butenergy-intensive,MembranefoulingprocessisthemainapplicationoftheMBRobstacles.Weadoptedfromtheaerationofaerationmembranebioreactorsandsuctionpump,replacedtheblower.Throughtheexperimentalstudyofnearly100daysinthisnewsystemwithartificialsynthesisMBRsewageeffectandthepossibleproblems,Throughtheresearchofoxygen,revamp,HRT,mixtureofbackflowMLSSratio,theCandN,P,degradetheperformanceDO,revamp,HRT,sewagerefluxratioetc,andanalysisofoperationparametersofpollutantremovalefficiencyofsludgeform.Thetestshows:

indealingwiththesyntheticwastewater,thesystemCODCrduringtheremovalratearegreaterthan85%ofNH3-Nefficiency,alsomaintainsin95%,selectingsuitablenitrification,liquidrefluxratiooftotalnitrogenremovalratearehigherthan70%,andtheeffluentturbidity,colorless,odorlessand1NTUareless.Inexaminingtheaerationofsludgeformwhentheeffectthat:

theaeration,highintensityinthepumpshearingforceandaerationstrongturbulence,anaerobicsludgepoolbecameverylooseandfinely,thisstateofseriousimpactonthesludgesedimentationperformance,butmoreconducivetothedegradationofpollutantsreactor.Inaddition,theexperimentofmembranemoduleoffluxchangebeforeandaftercleaningandwaterqualitychangemadesystem.

KeywordsMBR；municipalwastewater；Membranepollution；sludgecharacteristics

AAO+MBR组合工艺脱氮除磷性能研究

摘要

膜生物反应器（MembraneBio-reactor，MBR）技术具有传统方法所不及的许多优点，具有很好的应用前景，但高能耗、膜污染是影响MBR工艺推广应用的主要障碍。

我们从曝气方式入手采用射流曝气膜生物反应器加抽吸泵，取代了鼓风机。

通过近100天的试验研究此新型MBR系统在处理人工合成污水的效果以及可能遇到的问题；通过研究溶解氧、SRT、HRT、混合液回流比、MLSS对C、N、P的降解性能，确定DO、SRT、HRT、污水回流比等运行参数，并且分析污泥形态对污染物去除效率的影响。

经试验证明：

在处理人工合成废水期间，系统对CODCr的去除率均大于85%，对NH3-N去除率也基本保持在95%以上，同时选取适宜的硝化液回流比时，总氮的去除率均高于70%，而且出水无色无味，浊度均小于1NTU。

在考察射流曝气对污泥形态的影响时发现：

采用射流曝气时，在水泵高强度剪切力和射流曝气强紊流的共同作用下，好氧池内污泥变得十分松散和细碎，这种状态严重影响了污泥的沉降性能，但却更加有利于反应器内污染物的降解。

另外，本实验对膜组件清洗前后膜通量的变化以及出水水质的变化也做了系统的概括。

关键字膜生物反应器；射流曝气；膜污染；污泥形态

1绪论

水是生命之源，是人类文明不断发展的基础条件，是人类生存的根本。

和谐的水环境和丰裕的水资源是人类社会可持续发展的基本前提。

然而随着现代工业、城市建设的高速发展以及人口的快速增长，人类面临着严重的水危机，具体表现为严重的水资源短缺和水环境污染。

1.1我国水资源现状

我国的缺水形势尤其严峻。

根据2000年《中国环境状况公报》[1]，我国虽然水资源总量居世界第4位，但人均水资源量为3，仅相当于世界人均占有量的1/4，是世界人均水资源极少的13个贫水国之一。

与此同时，水环境污染日益严重。

我国相关环保部门监测结果表明，全国90％以上的城市水域受到严重污染，约有50％的重点城市水源不符合饮用水水源标准，主要水系、湖泊和海域污染严重，七大水系V类和劣V类水质达到52.8%，主要湖泊氨氮、总磷、高锰酸钾指数严重超标富营养化问题突出。

我国水体污染主要来源于超标排放的工业废水和大量未经处理直接进入水体的城市生活污水。

据《2003年中国环境状况公报》[3]公布，2003年，全国废水排放总量为460亿t，其中城市生活污水排放量亿t，占污水排放总量的53.8%。

城市生活污水正成为水污染的最大“公害”之一。

因此，城市生活污水的处理对于改善城市环境质量与居民生存环境，促进社会的可持续发展具有十分重要的意义。

1.2我国城市生活污水处理现状

我国污水处理面临着水污染严重，污水治理起步晚、基础差、要求高的形势。

近些年，城市污水处理的建设有了很大发展，截至2005年6月底，全国661个城市建有污水处理厂708座，处理能力为4912万m3/d，是2000年的两倍多，全年城市污水处理量亿m3，比2000年增加了43%，城市污水处理率达45.7%。

但绝大多数城市的污水处理能力满足不了实际需要，全国还有297个城市没有建成污水处理厂，其中，地级以上城市63个，包括人口50万以上的大城市8个；位于重点流域、区域“十五”规划范围内的城市54个。

全国5万多个城镇，370多万个村庄，9亿多人口居住地尚无污水处理设施.与国际相比，我国城市污水处理率较低，其主要原因是我国的城市污水处理厂建设滞后。

据资料介绍[3]，美国现在平均每1万人就拥有1座污水处理厂，英国和德国每7000～8000人拥有1座污水处理厂。

而我国城镇人口中，平均每150万人才拥有1座污水处理厂。

我国城市污水处理的主要方法有物理、化学、物理化学和生物方法。

这些方法可以单一使用，也可以针对不同的污水水质组合使用。

污水生物处理法是19世纪末出现的污水治理技术，现今已成为世界各国处理污水的主要手段。

我国现阶段的城市污水处理主要以生物法为主，物理法和化学法起辅助作用。

目前我国城市污水处理广泛使用的水污染治理技术有传统活性污泥法，延时曝气活性污泥法，SBR（SequencingBatchReactor）,AB（AbsorptionBio-degradation），UNITANK和氧化沟工艺，A/O和A2/O等。

这些工艺被证明是行之有效的水污染控制技术。

但是这些工艺的优缺点也同样明显。

如：

（1）传统活性污泥法对有机物去除率高、污泥负荷高、池容积小、电耗省、运行费用低。

此法稳定可靠，已经积累了丰富的设计和管理经验，但是缺点是占地多，建设投资大，仅能满足BOD5、CODCr、SS三项出水指标，且该工艺容易产生污泥膨胀现象，除磷和脱氮效果差。

（2）SBR法具有以下优点：

第一，理想的推流过程使生化反应推动力增大，污水在理想的静止状态下沉淀，需要的时间短，效率高，运行效果稳定，出水水质好；第二，耐冲击负荷，池内有滞留的处理水，对污水有稀释、缓冲作用，有效抵抗水量和有机污物的冲击；第三，反应池内存在DO、BODS浓度梯度，有效控制活性污泥膨胀；第四，SBR法系统本身也适合于组合式构造方法，利于污水厂的扩建和改造；第五，实现好氧、缺氧、厌氧状态的交替，具有良好的脱氮除磷效果；第六，工艺流程简单、占地面积小、造价低。

但是其缺点是对自动控制技术和连续在线分析仪表要求高，操作复杂，难于管理。

（3）氧化沟法具有处理工艺及构筑物简单、无初沉池和污泥硝化池（一体式氧化沟还可以取消二沉池和污泥回流系统）、有机物去除率较高、脱氮、除磷（沟前增设厌氧池）、综合指标较优、泥龄长、剩余污泥少且容易脱水、处理效果稳定等优点，但是存在负荷低、占地大、电耗大、运转费用偏高的缺点。

（4）A/B法存在污泥量大、构筑物及设备较多、建设投资和处理成本高、运行管理复杂的缺点。

（5）UNITANK法虽然布置紧凑，用地省，连续运转，省电耗，结构设计简单经济，但该方法不具备脱氮除磷功能。

因此为了弥补不同工艺的缺点，同时人类对水环境质量的要求越来越高，各种新型、改良的高效废水生物处理技术应运而生。

而其中引人注目的是用膜分离技术代替传统的重力式沉淀池，构成了新型的水处理技术，膜生物反应器组合工艺。

1.3膜生物反应器的研究概况

当今水污染和水资源短缺问题已成为制约许多国家经济社会发展的重要因素，因此各国都在积极开发经济、高效的水处理工艺。

膜生物反应器（membranebioreactor简称MBR）工艺正是在这一背景下产生的。

作为一种新型、高效的水处理技术，MBR工艺正受到我国水处理工作者的重视。

在MBR工艺中，创造性地利用膜作为泥水分离手段与传统活性污泥过程连用，因此MBR工艺具有许多其它生物处理工艺无法比拟的明显优势。

近年来随着膜技术和膜组件的发展，组合工艺运行成本大大降低，使得MBR工艺实际应用前景广阔。

1.3.1膜生物反应器简介

膜生物反应器（MBR）是利用高效分离膜组件取代二沉池与生物处理中的生物单元组合形成一套有机整体的水净化再生技术。

MBR利用膜的截留作用，几乎能将全部的污泥及微生物截留下来，使生物单元具有很高的污泥浓度，不但提高了其对有机物的去除率，而且使其对氨氮的去除率也明显增高。

与传统废水生物处理工艺相比，MBR具有生化效率高、有机负荷高、污泥负荷低、出水水质好、设备占地面积小、便于自动控制和管理等优点。

污泥停留时间与水力停留时间分离，克服了活性污泥与自身无法克服的缺点。

虽然能耗较高、膜成本较高仍是目前限制膜生物反应器工艺发展的两大瓶颈，但是该技术已经在污水回用和难降解有机废水处理领域崭露头角，并在世界范围内许多实际工程中得到了成功地应用。

膜与生物处理工艺结合的膜生物反应器研究迄今已逾30年了，近几十年来更是得到迅猛发展。

MBR的商业应用也有20年的历史了。

1969年，美国的Smith首次报道了美国Dorr-Oliver公司把活性污泥法和超滤工艺结合处理城市污水的方法。

该工艺最引人瞩目的是用膜分离技术取代常规活性污泥二沉池，用膜分离技术作为处理单元中富集生物的手段，而不是采用常规的回流循环来增加曝气池中微生物的浓度。

它是用一个外部循环的板框式组件来实现膜过滤的。

在生活污水处理中，获得了极佳的处理效果，BOD＜1mg/L，COD=20～30mg/L，系统处理能力为10～100m3/d。

另一个早期的报道是Hardt等人，在1970年用一个10L的好氧生物反应器处理合成废水，流程中用一个死端超滤膜来实现泥水分离，其中的MLSS浓度高达30000mg/L，是常规好氧系统的23倍，膜通量7.5L·m-2/h，COD去除率为98%。

Dorr-Oliver公司在60年代还开发了另外一种膜处理工艺MST（MembraneSewageTreatment）。

在该系统中，污水进入悬浮生长的生物膜反应器中，并通过超滤膜组件的抽吸作用连续出水。

膜组件为板框式，进出口压力分别为345KN·m-2和172KN·m-2，膜通量为16.9L·m-2/h。

尽管这些工艺取得了良好的出水水质，但由于当时膜技术发展相对落后，膜材料种类少，价格昂贵，使用寿命短，限制了该工艺的长期稳定运行，污水膜生物反应器仍然处于初级研究阶段。

1970年美国的Dorr-Oliver公司和日本的Sanki-engineering有限责任公司达成协议，使得该工艺首次进入日本市场。

80年代以后，随着膜制造技术的发展、膜分离工艺的完善、膜清洗方法的改进和污水厂出水水质要求的提高，MBR开始在污水处理行业得到应用。

1989年，日本政府联合许多大公司共同投资进行了为期6年的“90年代水复兴计划（AquaRenaissanceProgramme’90）”科研项目，其目的是寻求满足长期水量需求，解决水污染问题和从污染物中获取能量。

特别是开发一种膜技术与生物反应器相结合来处理工业和城市污水，省能省地，出水水质好，适用于污水回用的工艺。

今天，日本已经有数家公司提供成套产品，应用于家庭污水处理和回用以及废水中COD、NH3-N较高的工业领域。

MBR（膜生物反应器）工艺的工作原理：

首先通过活性污泥来去除水中可生物降解的有机污染物，然后采用膜将净化后的水和活性污泥进行固液分离。

本工程使用的膜为中空丝膜，膜的孔径在0.4μm左右，能够截留住活性污泥以及绝大多数的悬浮物，取得清澈的出水。

为了使得膜能够连续长期稳定的使用，在中空丝膜的下方以一定强度的空气不断对膜进行抖动，既起到为生物氧化供氧作用，又防止活性污泥附着在膜的表面造成膜的污染。

其样例如下图1-1：

图1-1中空丝膜样例

1.膜的强度高：

由于聚丙烯中空纤维膜的制备方法采用的是“熔融挤出、拉伸成型”的制膜方法，聚丙烯大分子规则取向，因而膜的强度高，在高强度曝气和定期的化学清洗过程中，膜不容易断裂。

2.膜的化学稳定性能好：

聚丙烯中空纤维膜生产过程中，没有投加任何添加剂和致孔剂等，因而化学稳定性能好，可以采用强酸或者强碱清洗。

可以采用含氯消毒剂清洗，以清除膜表面的大量微生物污染。

化学清洗后的流量回复性好。

图1-2膜片示意图

4.中空丝膜是最适合于MBR技术应用的膜材料之一，主要基于以下性能特点：

传统的好氧活性污泥处理工艺，在高污泥负荷的情况运行会出现污泥膨胀现象，使得泥不难于分离导致系统不能正常运行、出水不达标。

而MBR工艺是用膜抽吸作用来进行泥水分离，污泥膨胀不会影响MBR系统的正常运行和出水水质，因此运行管理极为方便。

传统的活性污泥工艺的活性污泥浓度一般在3000～5000mg/l，而MBR工艺的活性污泥浓度一般在8000～12000mg/l，且不需生化沉淀池，故大大减少了占地面积和土建投资，其土建占地约为传统工艺的1/3。

中空丝膜能够截留几乎所有的微生物，尤其是针对难以沉淀的、增殖速度慢的微生物，因此系统内的生物相极大丰富，活性污泥驯化、增量的过程大大缩短，处理的深度和系统抗冲击的能力得以加强，处理水质稳定。

MBR系统有利于增殖缓慢的硝化细菌的截留、生长和繁殖，系统硝化效率得以提高。

膜分离使污水中的大分子难降解成分，在体积有限的生物反应器内有足够的停留时间，大大提高了难降解有机物的降解效率。

反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行，可以实现基本无剩余污泥排放。

2左右，动力消耗低。

膜生物反应器易于一体化，且易实现自动控制，操作管理方便；MRB的工艺过程如下图1-3：

图1-3MBR膜工艺流程

膜生物反应器是国际上于20实际60年代开始研究，90年代得到快速发展和应用的一项废水生物处理新技术，它将膜分离技术和生物反应过程有机结合，以膜技术的高效分离作用取代传统活性污泥法中的二沉池，实现传统工艺所无法比拟的泥水分离和污泥浓缩效果，消除了污泥膨胀的影响，并大幅度提高了曝气池中活性污泥的浓度，省却了污泥回流系统，大大延长了泥龄，减少了剩余污泥量，并通过膜对废水中SS，有机物，病原菌和病毒的高效截留作用，大大提高了处理出水水质，并在通常情况下，其处理出水无需进行消毒处理即可达到相关的卫生标准。

其简单组合工艺见图1-4：

图1-4膜生物反应器简单组合工艺

膜生物反应器的分类

MBR主要由膜组件，泵和生物反应器三部分组成，生物反应器是污染物降解的主要场所，膜是对混合液和对特殊污染物进行分离和萃取的介质，而泵则是为满足分离和萃取提供所需的动力（压力）的必需设备（根据泵与膜组件的相对位置不同分为加压泵和吸压泵两类）。

按膜组件的作用方式，MBR可分为内压式和外压式两种。

内压式中，水的透过方向是从管内向管外，而外压式相反。

在实际应用中大多使用的是外压式MBR，因为内压式MBR流道往往较小，容易被污染颗粒所堵塞。

而根据膜组件在膜生物反应器中所起作用的不同，可将其分为：

分离膜生物反应器、萃取膜生物反应器和无泡曝气膜生物反应器三种类型。

而目前通常所说的MBR即是此三种类型的总称。

其中分离膜生物反应器是目前研究和应用最广泛和深入的膜生物反应器，在无特指的情况下，通常称之为MBR。

（1）膜分离生物反应器

将分离工程中的膜技术应用于废水生物处理，以具有固液分离功能的膜组件替代二沉池所构建的分离膜生物反应器（MBR），不仅借助于其对废水或混合液中微米级颗粒的截留作用，大大提高了泥水分离的效果，而且可以始终保持高质量的出水，并使污泥膨胀对出水水质的影响减小很多，也使污泥始终处于生物反应器中而持续发挥其功能。

固液分离式膜生物反应器也称为错流式膜生物反应器。

曝气设备可设在膜组件的下方，产生的气流向上；或竖直设于膜组件中间，产生水平气流。

曝气设备产生气泡，大量气泡带动液体形成的水流波动造成的膜元件之间的摩擦，这有助于膜表面污染层的脱落。

有机膜组件，尤其是中空纤维类的分离膜更有利于最大程度地利用曝气产生的气流。

（2）无泡曝气膜生物反应

传统的曝气系统采用的是鼓泡曝气供氧，动力消耗大，氧气传质效率低，无法满足微生物对氧的需求。

因此一种新型高效曝气工艺一无泡供氧技术应运而生，这种技术的关键在其供氧过程中无气泡产生，供氧效率可高达100%，达到了目前供氧技术的最佳效果。

而无泡供氧技术与生物反应器相结合形成了一种新型膜生物反应器，即无泡曝气膜生物反应器（Membrane-aeratedbiofilmreactorMABR）.该技术具有传氧效率高、硝化与反硝化一体化、污泥发生量小以及运行管理方便等优点，是处理高需氧量废水的一项新技术。

但目前对MABR的研究还仅处于实验和中试阶段，尚未达到大规模工业应用的水平。

其装置示意图见图1-5、1-6。

图1-5MBR装置示意图

图1-6氧和有机质的扩散示意图

（3）萃取膜生物反应器

当废水中含有对微生物有毒害作用的成分（很高浓度的盐、很大的酸碱度或者是生物难降解的有毒有机物等）时，直接用生化法是不适宜的。

此外，废水中含有挥发性有毒物质时，如采用生化法曝气，则会发生气提现象，从而影响处理的稳定性。

有这些情况的废水都需要进行预处理。

为了解决这些技术难题，英国学者Livingston于1993年研究开发了萃取式MBR（EMBR）。

萃取膜生物反应器能很好处理这些废水。

萃取膜生物反应器中，污泥与废水并不直接接触，废水在膜腔内流动，而活性污泥则在膜外流动。

活性污泥中的微生物一般是针对废水培养出来的专性细菌。

采用的膜一般是疏水性的硅橡胶膜，且有选择透过性，能允许挥发性有机物透过而水及无机成分则无法透过。

首先污染物在膜中溶解扩散，再以气态形式离开膜进入膜另侧的混合液中，在混合液中由专性菌分解成CO2、H2O等无机小分子。

其装置示意图见图1-7。

图1-7萃取式膜生物反应器

现在膜萃取技术有限公司已将它全面投入实际生产应用。

等[8]人用萃取膜生物反应器处理制药工艺废水（含有毒挥发性物质如DCM），证明不论从技术角度还是从经济角度，它都优于这类废水的传统处理方法，像活性炭吸附法、空气清洗法、气提法等。

它具有很广的应用前景。

以上三种类型的膜生物反应器的特性比较见表1-1

表1-1三类膜生物反应器的优缺点

反应器类型

优点

缺点

膜分离生

物反应器

●占地面积小；

●彻底去除水中的固体物质；

●出水无需消毒；

●COD、营养物质可以在一个单元内被去除；

●高负荷率和低污泥产率；

●流程启动快；

●系统不受污泥膨胀的影响；

●模块化、升级改造容易。

●曝气受到限制；

●膜易受污染；

●膜价格高。

膜曝气生

物反应器

●氧利用率高；

●能量利用率高；

●占地面积小；

●氧需要量大，可以在供氧时控制；

●模块化、升级改造容易。

●膜易于污染；

●基建投资大；

●无实际工程实例；

●工艺复杂。

萃取膜生

物反应器

●可以处理有毒工业废水；

●出水流量小；

●模块化、升级改造容易；

●细菌与废水隔离。

●基建投资大；

●实际工程实例；

●工艺复杂。

又按膜分离技术与生物反应器的组合方式，可分为分置式和一体式（淹没式）两种MBR。

（4）一体式膜生物反应器

一体式MBR工艺（亦称之为浸没式MBR，SMBR-SubmergedMembraneBio-Reactor）.由日本学者Yamamoto等在1989年首先开发，该运行方式将膜放置于生物反应器内部，曝气装置设置在膜组件的正下方。

原水进入生物反应器后，其有机底物在其高浓度的混合活性污泥的作用下得到氧化分解。

膜组件下方设置的曝气装置不仅具有为混合液微生物提供足够DO和促进充分搅拌混合的功能，同时由于气泡的搅动及其在膜表面形成的循环流而起到对膜表面的冲刷和剪切作用，可有效防止污染物在膜表面的附着和沉积。

处理后的废水经抽水泵的负压抽提，通过膜的分离作用，而使混合液中的非溶解性物质截留在混合液中，净化水则通过膜而成为处理出水。

其工艺流程图见图1-8。

图1-8一体式膜生物反应器

（5）分置式膜生物反应器分置式MBR工艺（亦称之为交叉流MBR，CMBR-Cross-flowMembraneBIO-Reactor）。

该运行方式将膜与生物反应器分开设置。

生物反应器中混合液经抽液泵加压提送至膜组件，在压力作用下，混合液中的液相滤过膜组件而成为处理出水。

混合液中的不溶性成分（固形物及大分子物质等）则被截留在膜外而成为浓缩液，并通过回流系统返回生物反应器。

其工艺流程图见图1-9。

图1-9分置示膜生物反应器

以上两种类型的膜生物反应器的特性比较见表1-2

表1-2分置式和一体式膜生物反应器的对比

分置式MBR

一体式MBR

主

要

优

点

⏹运行稳定，操作管理方便。

⏹膜组件的清洗、更换及增设比较容易。

⏹生物反应器与膜组件是独立的系统，彼此之间干扰很小。

⏹膜组件可与各种生物反应器结合，构成不同的分置式膜生物反应器。