PAC对MBR工艺废水处理的耦合强化效能研究

PAC对MBR工艺废水处理的耦合强化效能研究

分类号UDCPAC对指导教师张锦职称副教授学位授予单位大连海事大学——-●————————-_—————————————————--●————————_-——————--一一一申请学位级别硕士学科(专业)环境科学与工程论文完成日期2011·5答辩日期≯矿，／．6．旁7答辩委员会主席n●j，J■nlTnl‘一nl爹I‘◆大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博／硕士学位论文：坠￡越迦＆王苎废丞处理的掐金壅丝熬篚班塞：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名门墨准碉≯D作多月≥7日学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到‘中国优秀博硕士学位论文全文数据库》(中国学术期刊(光盘版)电子杂志社)、<中国学位论文全文数据库》(中国科学技术信息研究所)等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。本学位论文属于：保密口在——年解密后适用本授权书。不保密∥(请在以上方框内打“√一)论文作者签名订j准确导师签名：日期：押f／年n-n■一随着现代社会工业经济的也随之增加，加剧了水资源的短缺和水环境的恶化，带来众多的环境问题。膜生物反应器技术近年来在水处理领域得到不断研究和关注。与传统的处理工艺相比，膜生物反应器(MBR)对于污水的处理具有突出的优点，是目前最有发展前途的水处理技术。但膜污染问题成为了制约MBR广泛发展应用的瓶颈。本试验旨在研究通过向反应器中投加粉末活性炭(PAC)以改善MBR的操作性能，提高污水处理效果，缓解膜污染，减少剩余污泥排量。本研究首先以模拟生活废水为处理对象，通过平行对比研究，探讨不同PAC。投量下MBR．PAC工艺的运行效能，考察投加PAC对污水处理效果和膜性能的影响，探求实验条件下的最佳PAC投量关系。其次，实验中以制浆废水为研究对象，通过MBR．PAC工艺对实际制浆废水的处理研究，探讨MBR-PACI艺对难处理制浆废水的处理效果，指导后续的实际工程应用。实验结果表明，投加PAC能在整体上改善MBR反应器处理污水的运行效能。在研究条件下，PAC的投加剂量为109时，MBR．PAC工艺达到最佳的污水处理效果。在水力停留时间为12h时，MBR．PAC对模拟生活污水的处理效果可达：COD的去除率为94．15％、氨氮的去除率为92．58％、总氮的去除率为89．98％、总磷的去除率为99．43％，相比远远高于单纯MBR工艺的运行结果。PAC的投加不仅可以提高MBR工艺中活性污泥浓度的增长幅度，而且可以减少剩余污泥的产量，MBR．PAC中剩余污泥产量相比MBR减少了88．2％。PAC的投加使得微生物生长环境得到了改善，污泥浓度增长更快。MBR．PAC工艺对难降解制浆废水表现出高效的处理效果：COD的去除率为90．25％，氨氮的去除率为87．59％，总磷的去除率为70．59％。关键词：膜生物反应器；粉末活性炭；膜污染：剩余污泥减排!一吩n一n英文摘要ABSTRACTAsmodemindustrialeconomydevelopment，theusageofcitywaterincreasedrasticallyandtheemissionsofsewageincreasecorresponding．ThequestionofWatershortagesandthedeteriorationofwaterenvironmentbringthemanyenvironmentalproblems．Membranebio-Reactor(MBR)hasgotlotofattentioninwaterareasinrecentyear．MBRhasmuchmoreadvantagescomparedwithotherwastewatertreatmentprocesses．Butthewidespreadapplicationofthemembranebioreactorisconstrainedbymembranefouling,tosettletheproblemisthemainaspectofresearchinthisfield．Thepurposeofthisstudywastoinvestigatetheeffectofpowderedactivatedcarbon(PAC)ontheinfluenceofMBRperformance．TheeffectofpowderedactivatedcarbononeffluentqualityandmembranefoulinginMBRwereinvestigatedthroughparalleltests．Thereactorwerefedwithsyntheticdomesticsewage?ThepurposeofstudyisfortosearchforthebestamountofPACatexperimentconditionsandexploretheeffectofvotedPACforthesewagetreatmentandtheperformanceofmembrane．Atthesametime，throughtheMBR-PACprocessforpaperwastedisposaltostudyandexploretheactualeffectofMBR．PACprocessfort11edisposalofintractablepaperwasteandthedirectapplicationinengineering．Theresultsshowedthat：thebesteffectofMBR．PACprocessforsyntheticdomesticsewageatHRTis12hour,andthebestvoteddoseis109．TheremovalratesofCOD，ammonia,totalammoniaandtotalphosphoruswererespectively94．15％，92．58％，89．98％and99．43％．TheeffectofMBR-PACprocessforthedisposalofpaperwastewasbetterthanMBRprocessbecauseofthePACadditiononthewhole．SludgeconcentrationwashigherinMBR-PACprocessandtheamountofremainsludgeinMBR·PACprocessreduced88．2％comparedwithMBR．Activatedsludgegrewbetter,SincethegrowingenvironmentWasimprovedwhentherewasPACinreactor．PACcouldreducetheamountofthemembraneeffluent，lowerthecakeresistanceatthesametimeprolongtheyearofmembrane．TheeffectofMBR．PACforpaperwasteisefficient，TheremovalratesofCOD，ammoniaandtotalphosphoruswererespectivelv90．25％，87．59％and70．59％．Keyword：MBR；PAC；CakeResistance；RemainSludgeReduce．，n_n目录目录第l章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．‘．11．1膜生物反应器研究发展概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l1．1．1膜生物反应器的原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．1．2膜生物反应器的工艺特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l1．1．3膜生物反应器的类别⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21．1．4膜生物反应器的发展历史⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯61．2膜污染概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．71．2．1膜污染的机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．71．2．2膜污染的种类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．81．2．3膜污染的影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．101．2．4膜的清洗方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯121．2．5控制MBR膜污染的措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．131．3粉末活性炭(PAC)在水处理中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯131．4本文的研究目的和研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．151．4．1研究目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．151．4．2研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15第2章实验装置与分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．172．1试验装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l72．2实验药品⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l82．3实验仪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯182．4试验运行条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．192．5模拟生活废水成分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．192．6活性污泥的驯化与培养⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯192．7实验主要测试项目与分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯202．7．1本实验测试项目的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．202．7．2测试项目和分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．202．8PAC的选择与处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2l2．9膜的清洗方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．22第3章实验结果分析与讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．253．1模拟生活废水水质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．253．2MBR—PAC工艺中PAC投量对出水水质的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯253．2．1PAC投量对COD去除效果的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯253．2．2PAC投量对氨氮去除效果的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．26．■n目录3．2．3PAC投量对总氮的去除效果的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．283．2．4PAC投量对总磷去除效果的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．293．2．5最佳水力停留时间时PAC投量对生活废水处理效果的影响对比．313．3MBR工艺与MBR．PAC工艺的比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯333．3．1对COD去除效果的对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．333．3．2对氨氮去除效果的对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯353．3．3对总氮去除效果的对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．363．3．4对总磷去除效果的对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．373．3．5PAC对污泥性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．393．3．6PAC对MBR膜性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯393．4MBR．PAC工艺对制浆废水的处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．423．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯44结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．45结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．45展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯47攻读学位期间公开发表论文⋯⋯⋯⋯’⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．51致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯：⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52n一PAC对MBR．T艺废水处理的耦合强化效能研究第1章绪论1．1膜生物反应器研究发展概述1．1．1膜生物反应器的原理膜生物反应器又称MBR(MembraneBio．Reactor)，是一种由膜分离技术和生物反应器技术相结合的新型污水处理工引¨。膜生物反应器主要由池体、膜组件。曝气系统、泵及管道阀门仪表等组成。污水进入生物反应器，污水中的污染物在生物反应器中被微生物同化与异化，通过微生物降解作用净化水质。膜组件主要用于截留微生物和过滤出水。由于膜的截留过滤作用，将活性污泥与大分子有机物及细菌等截留在生物反应器中。得益于膜的高截留率，使生物反应器内可维持较高的生物浓度，加速生化反应的进行。膜生物反应器能够在高负荷情况下稳定运行。同时由于膜的良好截留作用，提高了污泥停留时间(SRT)和水力停留时间(HI盯)，优化了生物处理工艺，提高了生物反应器的实用性和灵活性。由于微生物几乎可以全部被截留在生物反应器中，生物污泥浓度的提高使得在理论上污泥的泥龄可以无限长，因此出水的有机物含量降低，能有效地去除氨氮。1．1．2膜生物反应器的工艺特点与许多传统的生物水处理工艺相比，膜生物反应器具备很多优点。膜生物反应器的工艺特点如下【2，3'4】：1)污染物去除率高，能高效地进行固液分离。对于悬浮固体、浊度、有机物、病原微生物都有着较高的去除率。2)膜具有高效截留作用和分离作用，微生物完全截留于反应器内，使得反应器中污泥浓度较高，微生物浓度高，提高了冲击负荷，加强了系统运行的稳定性。3)实现了水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)的分开，污泥停留时间(Sl玎)很长，使得生长缓慢的微生物如硝化细菌可以稳定的截留、生长和繁殖，具有较高的脱氮效果，使得MBR同时具有降低COD和脱氮效果。4)MBR中污泥浓度高，污泥絮凝颗粒从外到内形成了溶解氧梯度，相应形成好氧区、缺氧区和厌氧区，从此实现了反硝化和生物除磷。5)膜分离使难降解成分在生物反应器内有足够的停留时间，泥龄长、污泥产n第1章绪论量低，排除的剩余污泥浓度大，直接进行脱水，降低了污泥处理和处置费用。6)化学药剂投加量少或不需投加化学药剂。7)出水水质稳定，处理水量灵活，出水可直接回用；占地面积小、构筑物少，工艺设备集中，可以去除细菌和病毒，节省传统消毒环节，简化工艺流程；MBR工艺易于实现自动控制，便于操作管理，提高了工艺的灵活性与实用性。1．1．3膜生物反应器的类别l、按MBR膜组件的功能，膜生物反应器分为以下三种类型1)膜曝气生物反应器(MembraneAerationBioreactor,MABR)MABR采用疏水性致密可透气的多孔复合膜，将氧气转移给生物反应器中的降解性微生物，对生物反应器无泡供给高纯氧，膜通常还充当膜／液接触面上生物生长的支撑介质，氧气在膜组件上的停留时间长。与传统曝气系统相比，提高了氧传质效率，氧的利用率可达100％，是传统曝气的5～7倍【5】。这是因为气体的分压被控制在小于泡点，不形成气泡，使得水中一些易挥发的有机污染物不易挥发到大气中，同时氧气也无法进入到大气中，因而使得氧气被充分应用。又由于氧气的传质面积一定，在传统曝气系统中影响气泡大小和停留时间的因素对其没有影响，系统供氧更稳定。因此MABR适合处理高有机负荷率、高需氧的废水以及对挥发性有机物进行生物降解。对于含挥发性有毒有机物或发泡剂的工业废水处理极其适合，无气泡形成使得废水中的挥发性有毒污染气无法挥发到空气中形成二次污染。2)萃取膜生物反应器(ExtractiveMembraneBioreactor,EMBR)萃取式膜生物反应器的膜组件由内含纤维束的硅管或其他疏水性聚合物制成。运行方式一种是膜组件隔开水流和生物膜，废水在膜腔内流动，通过膜组件内含纤维束的选择使得易挥发的有机污染物传递到生物膜中进行生物降解。由于膜的疏水性，废水中的水以及其他无机物质无法通过膜组件向活性污泥中扩散，使污染物从废水经过膜进入生物反应器所需的动力只有靠有机物在生物反应器中的生物降解产生浓度梯度来维持。所以在生物反应器中的条件能够优化，以保证高的生物降解负荷率。另一种是通过膜组件的萃取作用将有毒污染物从废水中转移到生物介质，相对其进行单独的分解与生化处理，最终作为活性污泥中的专性nPAC对MBRj[艺废水处理的耦合强化效能研究细菌的底物而被分解成C02、H20等无机小分子物质。因此萃取式膜生物反应器可用于对于高酸度或碱度、高浓度无机物、高浓度有毒物质的工业污水的处理。3)膜分离生物反应器(BiomassMembraneBioreactor,BSMBR，简称MBR)。膜分离生物反应器是现在应用最为广泛的一种方式。膜分离生物反应器中的膜组件代替了传统的活性污泥法中的二沉池，可以进行固液分离，对混合液具有高效分离功能，同时较高的截流率将截留的污泥回流到生物反应器内，保持了高浓度的活性污泥和较长的污泥停留时间，使得膜分离生物反应器出水水质好、剩余污泥产量少，具有较好的脱氮能力。膜分离生物反应器的优点是固体全部去除；COD、固体、营养物在同一单元中去除；高负荷率、启动快、易于改造。上述三种反应器中，膜曝气生物反应器和膜分离生物反应器目前还处于实验室阶段，膜分离生物反应器在实际研究和应用得最广泛【6】。2、按膜组件和生物反应器的结合方式，可分为一体式(或浸没式)膜反应器、分置式(或外置式)膜生物反应器【7，81。1)一体式(或浸没式)膜生物反应器一体式膜生物反应器将膜组件置于生物反应器内，通过负压抽吸，一般是真空泵抽吸，混合液中的水由膜表面进入中空纤维而排出反应器，得到过滤液。膜组件下方设有曝气装置，将空气形成上浮的微气泡，利用曝气时向上的气液形成的剪切力来实现膜面的错流效果。同时在膜表面紊动的液流形成剪切力，在这种剪切力的作用下，胶体颗粒被迫离开膜表面，提高了去除膜表面污染物效率。膜出水靠抽吸泵抽吸出水，出水不连续。一体式膜生物反应器的优点是结构紧凑、体积小，降低了处理系统的能耗和占地面积；工作压力小、运行能耗低、运行费用少。但是由于膜组件位于反应器内部，污泥以及微生物易附着在膜表面形成膜污染。一体式膜生物反应器的膜通量通常要低于分置式膜生物反应器。一体式膜生物反应器结构如图1．1所示。n第1章绪论进水图1．1一体式膜生物反应器Fig．1．1IntegrationMBR2)分置式(或外置式)膜生物反应器分置式膜生物反应器也称第一代MBR，该反应器将膜组件与生物反应器分开设置，反应器中设有循环管路，生物反应器中的混合液由泵增压后进入膜组件，活性污泥以及大分子物质等被膜截留；加压泵驱动压力，过滤液在压力作用下成为处理出水。分置式膜生物反应器通过料液循环错流运行，由循环泵提供的水流流速高，动力消耗高、设备造价高，因而影响其实际应用性。分置式膜生物反应器的特点是污泥浓度高、水力停留时间长，适于有毒、高有机浓度、难生物降解污水的处理；组装灵活、运行稳定可靠，易于控制、便于安装、操作管理容易，易于膜的清洗更换。分置式膜生物反应器结构如图1．2所示。空气图1．2分董式膜生物反应器Fi91．2MountedcylinderMBR3、按MBR膜材料不同划分根据膜材料的不同，膜组件主要分为有机膜、无机膜、复合膜以及仿生膜。有机膜主要有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚砜(PS)、聚酰胺(PA)、聚偏氟乙烯(PVDF)等几种【91。目前美国、加拿大、法国、日本等国家已经成功地将聚乙nPAC对MBRjJ：艺废水处理的耦合强化效能研究烯(PE)、聚醚砜(PES)、聚偏氟乙烯(PVDF)材料制成的膜组件应用到MBR中【1们。我国已经将聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚砜(PS)等膜组件初步应用到MBR中。有机膜的特点是：分离效率高、易操作、设备简单、耗能少；容易污损、使用寿命短。但有机膜价格较便宜，市面上最常用的是聚偏氟乙烯(PVDF)膜。有机膜在实际应用的范围广泛，如工业废水的处理、饮用水的处理、生物技术、食品发酵等行业基本都采用了有机膜作为膜组件材料。无机膜的种类繁多，以金属粉末为原料烧结制成的金属膜；由Si02、B203、Na20组成的玻璃熔融物在酸中浸制形成的玻璃膜；以A1203或Zr02为原料构成的陶瓷膜在无机膜中具备最佳的热稳定性能。因此实际应用中的无机膜主要以陶瓷膜为主fl¨。无机膜的特点是耐高温、孔径大小易控制、使用寿命长，能够在恶劣的工作环境下使用，但是价格昂贵，在市场上应用较少【12】。复合膜与仿生膜是目前科研研究重点，同时具备有机膜与无机膜的优点结合了低廉价格优势与良好的抗污染能力，成为了膜材料未来的重点发展方向。。4、按膜组件类型划分根据膜组件的构造类型，可分为管式膜、板式膜和中空纤维式膜【13】。其中管式膜成本最高但是抗污染效果最好，对于湍流的促进效果最好并且易于机械清洗；板式膜成本较高，对湍流的促进效果一般，可以进行拆卸清洗。以上两种膜均不可以进行反冲洗。中空纤维式膜的成本最低，虽然湍流促进性能较差、对冲击压力敏感、易污染，但是可以进行反冲洗、压实度高、能处理胶体含量较高的废水。目前中空纤维式膜在市场上应用最广。5、按膜组件的孔径分类根据膜组件的孔径可分为微滤、超滤、纳滤。孔径为微滤的膜组件在膜生物反应器对废水的处理中得到了广泛的应用，可以去除0．1um的悬浮物；超滤孔径的膜组件可以截流粒径范围在5．100nm的大分子物质。超滤和微滤利用表面过滤的机理来去除细微的颗粒物。孔径为纳滤的膜组件可以部分或是接近100％的脱除水中的离子。在水处理工程中以中空纤维式微滤膜和超滤膜应用的最多。6、按生物反应器需氧性能分类根据生物反应器的需氧性能可分为好氧性膜生物反应器和厌氧性膜生物反应器。日本根据作用原理及特征将其归纳为四种，即酸回收膜生物反应器系统n第1章绪论(RAMB)、甲烷发酵膜生物反应器系统(MFMB)、完全氧化处理膜生物反应器系统(TOMB)、好氧处理低浓度有机废水膜生物反应器系统(SCMB)【I41。其中好氧性膜生物反应器主要用来处理生活污水、城市废水，而厌氧性膜生物反应器则主要应用于高浓度有机废水的处理。1．1．4膜生物反应器的发展历史20世纪60年代膜生物反应器技术开始在废水处理领域中得到应用研究。1966年美国的Don"olive公司率先将膜生物反应器(MBR)用于废水处理的研究；1969年美国Smith等人将超滤膜与好氧活性污泥法结合构成的MBR用来处理城市污水㈣；同年Budd等的分离式MBR技术获得了专利。20世纪70年代，关于膜生物反应器(MBR)的研究深入展开。好氧分离式MBR在处理城市污水的试验规模上逐渐扩大，同时关于厌氧MBR的研究也开始相继进行。1978年Grethlein利用厌氧消化池与膜分离进行生活污水的处理，对BOD5的去除率分别达90％和75％【161。Bhattacharyya等人将在处理城市污水中使用了超滤膜并获得了非饮用回用水f171。实验室规模的研究取得了较好的结果，但由于受当时生产技术的限制，膜组件的种类较少、水通透量小、寿命较短，导致膜生物反应器(MBR)无法长期稳定的运行，致使MBR技术在实际工程中的推广与应用受到了限制。20世纪80年代，随着材料科学的发展，制膜水平逐渐提高，膜生物反应器(MBR)工艺开始了迅速发展。在日本由于国土面积狭小、地价高，膜生物反应器(MBR)所具备的占地面积小和出水水质好的优势，使得其在日本得到了大力开发和研究，在实际应用上有了较快的进展。这一时期研究集中在膜生物反应器的处理效果与运行稳定性方面，研究证实膜生物反应器具有良好的出水水质。20世纪90年代，膜生物反应器技术迅速发展。中空纤维式膜生物反应器已经应用到试验中试规模；一体式膜生物反应器应用于城市污水的处理生产性研究；萃取式膜生物反应器(EMBR)成功进行了3．氯硝基苯化工废水处理研究等。膜生物反应器在生活污水处理、工业废水处理、饮用水处理等方面都得到了广泛的研究与应用。关于膜生物反应器的研究从实验室小试、中试规模走向了生产性试验，逐渐应用于中、小型污水处理厂。目前世界主要有四家大公司经营MBR，它们分别是加拿大Zenon公司、日本MitsubishiRayon公司、法国Sue．LDE／IDI公司和日本Kubota公司【18l。nPAC对MBR工艺废水处理的耦合强化效能研究国内关于膜生物反应器的研究起步较晚。1991年岑运华介绍了同本关于膜生物反应器(MBR)研究状况【l9】；天津大学于1992年开展了关于中空式纤维膜进行的泥水分离技术研究；1993年中国科学院环境工程研究中心启动了关于膜生物反应器(MBR)的研刭20】；同年我国多位学者证实了膜生物反应器(MBR)在技术上和经济上处理生活污水的可行性；1994年杨造燕展开了膜生物反应器(MBR)处理污水及回用的研究，很好地解决了膜堵塞的问题。1995年樊耀波将膜生物反应器(MBR)应用于石油化工污水的研究，并成功研制出一套适用于实验室规模使用的好氧式膜生物反应器【2¨。近些年，膜生物反应器的处理对象不断拓展，生活污水、食品废水、啤酒废水、港口污水、印染废水、造纸废水、中药废水、高浓度有机废水、石化污水等都成为膜生物反应器的处理研究对象；生物反应器的类型从好氧发展到厌氧；生物反应器的工艺从活性污泥法拓展到接触氧化法、生物膜法。同时对不同污水处理效果、操作条件优化、系统稳定运行等方面进行了广泛研究【22-24]。与此同时，国内学者开始研究建立膜生物反应器运行参数的数学模型，通过实验论证最佳排泥时间、最佳水力停留时间、最佳反冲洗周期等。膜生物反应器的广泛应用现阶段取决于提高膜性价比、降低运行能耗、减少膜污染问题的解决。膜在运行过程中受到污染导致膜通量下降，影响膜组件的使用寿命和工作效率。如何采取措施延缓膜污染关系到膜生物反应器在工程中的广泛应用性。目前膜生物反应器的发展前景与发展趋势主要归纳为以下几个方面：膜生物反应器长期稳定运行的工艺条件的优化：生物反应器的经济性研究，降低能耗与投资运行成本，促进膜生物反应器大规模的应用；污染机理的研究与膜污染控制方法的试验和探讨：研发耐污染、低成本性能优越的新型膜材料，发展新型膜生物反应器【25】。1．2膜污染概述1．2．1膜污染的机理根据国际纯粹和应用化学协会(IUPC，InternationalUnionofpureandAppliedChemistry)的定义，因为悬浮物或可溶性物质沉积在膜的表面、孔隙和孔隙内壁，n第1章绪论所造成膜通量降低的过程称为膜污染【261。膜污染是指膜组件与过滤液中的微粒、胶体粒子以及溶质大分子发生物理、化学作用或机械作用从而使得在膜表面或膜孔内产生吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜的透水阻力增加，膜表面形成滤饼层增加传质阻力，过膜的压力增大，阻碍了膜面上的溶解与扩散，产生膜发生通量降低与分离性能变差的现象【271。膜被污染后渗透通量下降，膜组件的截留效率下降。膜污染与浓差极化具有内在联系。溶质(离子或不同分子量的溶质与颗粒物)不透过膜或只有少量透过，溶剂在压力驱动下透过膜发生迁移，在水通量的作用下溶质在滤膜表面聚集，使得在滤膜表面溶质浓度高于水溶液中溶质浓度，产生了滤膜表面与水溶液问的浓度梯度。在浓度梯度作用下，引起溶质由滤膜表面向水溶液扩散形成边界层，使得局部渗透压增加，膜通量下降。在滤膜便面形成一个稳定浓度差边界层的现象称为浓差极化(ConcentrationPolarization)t2引。浓差极化产生作用可逆，增加水溶液的湍流程度可以减轻浓差极化现象。大多数情况下，浓差极化是形成膜污染的根源。形成膜污染的物质来源主要是膜生物反应器中的污泥混合液，其中包括废水中的大小有机分子、微生物菌群及其代谢产物、溶解性物质和固体颗粒等。膜污染可分为膜孔堵塞污染和膜表面沉积滤饼层污染。膜孔堵塞污染是由于在膜孔中粒径小于膜孔径的颗粒物质发生吸附，经过浓缩、结晶、沉淀及生长等作用堵塞膜孔，造成膜污染【29】。膜表面沉积滤饼层污染分为在膜面上污泥的沉积层阻力和膜面上凝胶极化阻力，沉积层的形成是由于膜拦截废水中悬浮物、胶体物质及微生物，物质经过吸附、架桥、网捕等作用相结合；凝胶层的形成是由于浓差极化作用，部分有机物、无机物以及微生物等溶解性难降解物质与污泥混合液悬浮固体结合构成凝胶层，它的存在增加了膜过滤阻力【301。膜通透性能降低的主要原因就是膜孔的堵塞和凝胶层的形成。因此为确保膜的通透性，防止膜孔的堵塞和抑制凝胶层的形成是应对膜生物反应器污染的主要研究方向。1．2．2膜污染的种类1、根据污染物的化学与生物性质，膜污染分为无机污染、有机污染和微生物污染【”】。1)、无机污染nPAC对MBR工艺废水处理的耦合强化效能研究膜的无机污染由结垢引起，主要是指碳酸钙与钙、钡、锶等硫酸盐及硅酸盐等结垢物质的污染，如废水中碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐、凝胶无机胶体，以碳酸钙和硫酸钙为最常见的无机污染。在膜生物反应器中保持水的紊流能够降低膜表面的无机污染。2)、有机污染如胞外聚合物(EPS)、溶解性有机物、蛋白质、脂肪、细微胶体等引起的污染。国外学者研究发现细胞外聚合物、溶解性有机物及细微胶体对形成凝胶层，导致膜通量下降有较大影响，这主要是因为微生物代谢产生的多糖类粘性物质和一些胶体会在膜内表面形成一层凝胶层。膜的表面电荷、憎水性、粗糙度等特性对有机吸附污染有重大影响。3)、微生物污染微生物污染主要是微生物通过向膜表面进行传递，在膜表面腐殖质、聚糖脂、进行新陈代谢活动的产物等大分子物质容易吸附生长，积累形成生物膜造成膜的阻塞，引起膜通量的下降形成生物污染。细菌容易吸附在天然和合成高分子材料上，形成生物膜的细菌在自身代谢和聚合作用下产生大量的胞外聚合物(EPS)。胞外聚合物将粘附在膜表面上的细胞体包裹起来形成粘度较高的凝胶层。膜微生物污染的另一个影响是破坏膜的内部结构，细菌和微生物对有机高分子膜可以进行发酵形式或改变溶液性质的降解。生物降解破坏了膜内部的致密结构，使其变得疏松和散乱，降低了膜的寿命以致影响出水水质。由于微生物较强繁殖能力，使得微生物污染成为膜系统运行中的一个弱点。2、根据水力清洗的效果，膜污染分为可逆污染和不可逆污染。1)、可逆污染由浓差极化引起的凝胶层污染称为可逆污染。可逆污染可以通过水力清洗或．者气水反冲洗去除。2)、不可逆污染由不可逆的吸附、堵塞等化学和生物反应引起的污染称为不可逆污染，膜组件与过滤液中的微粒、胶体粒子以及溶质大分子发生物理、化学作用或机械作用从而使得在膜表面或膜孔内产生吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，产生膜通量和分离特性的不可逆变化。不可逆污染通过水洗等物理清洗难以消除。n第1章绪论3、根据污染物的位置，膜污染分为附着层污染和膜堵塞。1)、附着层污染附着层包括微生物、悬浮物以及胶体物质形成的滤饼层，溶解性无机物形成的沉积层和溶解性有机物浓缩后粘附的凝胶层。附着层污染可视为为外部污染。2)、膜堵塞膜孔堵塞污染是由于在膜孔中粒径小于膜孔径的颗粒物质发生吸附，经过浓缩、结晶、沉淀及生长等作用产生不同程度的堵塞，膜堵塞可视为内部污染。～1．2．3膜污染的影响因素膜污染的影响因素比较复杂，通过大量的研究实验及实际应用，膜污染主要受三方面的影响，分别是：膜性质、污泥混合液性质和膜生物反应器运行参数。这三方面因素相互影响，相互制约。l、膜性质的影响膜的性质主要分为膜材质、膜孔径大小、膜结构、孔隙率、电荷性质、亲／疏水性质和粗糙度。膜的各种性质都会不同程度对膜污染产生影响。膜材质不同，膜污染程度有很大差别。K．H．Choo等研究实验中发现，在聚矾膜、纤维素膜和聚偏氟乙烯膜三种膜对比实验中，聚偏氟乙烯膜的污染较小f3到。根据对称膜和非对称膜对比，发现由于非对称膜的表层孔径小于膜的内部孔径，污染物质不容易进入内部，大都在膜表面被截留【331。污染相对较小因此水处理中基本采用非对称结构膜。水溶液中的胶体粒子一般带负电，如果选择呈正电性的膜材质，根据异性相吸的原理，胶体杂质会易吸附于膜表面上形成污染。因此通常在实际应用中会选用负电荷的膜材质。在Choi等人的研究中表明憎水性膜比亲水性膜更容易吸附溶解性物质，产生膜污染【341。在关于膜表面粗糙度的研究中发现，膜表面粗糙度y的增加引起膜表面对污染物的吸附可能性的提高。2、污泥混合液性质的影响‘6活性污泥混合液是造成MBR膜污染的物质来源。污泥混合液包含污水中的有机大分子、小分子、溶解性物质和固体颗粒，微生物菌群及其代谢产物，理论上讲每一部分都不同程度的造成膜污染。但EPS在理论上被认定是决定活性污泥物化性质和生物性质的关键物质【51。胞外聚合物(Extracellularpolymericsubstance，．10．nPAC对MBR工艺废水处理的耦合强化效能研究EPS)是在一定环境条件下活性污泥中由微生物主要是细菌，分泌于体外的细胞代谢产物或细胞自溶物等高分子聚合物，主要成分与微生物的胞内成分相似包括蛋白质、多糖、腐殖质和核酸等，其中蛋白质和多糖占有大多数。EPS存在于活性污泥絮体内部及表面，堆积在细胞外围，具有微生物本身制造的黏性和保护作用的基质，抵御杀菌剂和有毒物质对细胞的危害。在膜生物反应器(MBR)关于膜污染的研究中，大量研究认为EPS是MBR膜污染的优先污染物。胞外聚合物会使水溶液的粘度增加，堵塞污泥颗粒之间的空隙，改变在膜表面形成的空隙率结构。生物反应器中的胞外聚合物浓度是影响膜孔堵塞及凝胶层形成的主要因素【29】。通过对膜生物反应器膜污染形成机理的研究，认为活性污泥浓度过高会导致污泥在膜表面沉积形成污泥层，膜通量降低：活性污泥浓度较低时，溶解性有机物易于被膜表面吸附构成凝胶层。无论活性污泥浓度过高或过低都会导致胞外聚合物增加【35】。3、膜生物反应器运行参数的影响膜生物反应器运行参数包括：温度、曝气强度、临界通量、HRT和SRT1)、运行温度对膜污染的影响温度是活性污泥中微生物活性的影响因素之一，温度过高或过低都会影响活性污泥的特性因此对膜污染产生影响。通过SvenLyko的实验验证，较低的温度会加速膜污染，推测成因是因为较低的温度会使液态黏度升高m1。一般来说，微生物在20-30℃具有较高生物活性。保持MBR中混合液在这个温度范围，对膜造成的污染较低，同时也保持了很高的膜通量。2)、曝气对膜污染的影响曝气在提供溶解氧的同时也在膜表面为水溶液提供错流动力，使污染物在膜表面不易积累。增大曝气可以改善膜表面的污泥层积累，可以破坏浓差极化，抑制凝胶层的析出。但曝气量过大会导致较大膜面剪切力的产生，使得污泥絮凝体遭到破坏以致胞外聚合物(EPS)从菌胶团中释放到水溶液中，提高了溶解性物质、胶体物质的浓度，形成膜孔的吸附、堵塞和膜面凝胶层，引起膜污染【35]。因此要合理曝气，根据进水、混合液性质和MBR的运行操作条件，确定经济曝气强度。3)、临界通量对膜污染的影响n第1章绪论临界通量(criticalflux)，是指在长期稳定运行条件下膜生物反应器在没有出现压力急剧增加现象和膜穿透时的膜出水通量【401。膜出水通量的大小对膜表面浓差极化程度有着巨大影响。膜材质、运行操作条件和污泥混合液的浓度这三者决定临界通量的大小。Howell在90年代中期提出了次临界通量(sub．criticalflux)的概念f4l】。通过试验验证膜生物反应器在次临界通量条件下运行，可以避免由泥饼层淤积引起的膜污染的迅速发生，膜组件因此可以长期稳定运行即膜的污染速率维持在一个稳定且较低的水平‘42粕3。4)、HRT和SRT对膜污染的影响膜生物反应器的出现实现了水力停留时间和污泥停留时间的完全分离。通过VisvanathanC．等实验研究发现在较长的水力停留时间条件下，膜污染会得到缓解Ⅲ3。过短的水力停留时间会导致膜生物反应器中溶解性有机物的积累，引起膜污染的产生。污泥停留时间越长在提高污泥浓度的同时也可以减少剩余活性污泥产量，但是过长的污泥停留时间会使微生物处于内源呼吸状态，造成微生物活性降低和死亡，产生较多的溶解性代谢产物从而加重了膜污染H卯。而过低的污泥停留时间会在增加排泥量的同时也导致了可溶性有机物的增加，从而加速了膜污染。1．2．4膜的清洗方法膜的清洗方法包括物理方法和化学方法。l、物理清洗物理清洗是指不使用任何形式化学药剂，采用人工、机械清洗和清水清洗等清洗方法。物理清洗包括水反冲洗、海绵球清洗、空气反吹清洗、空曝气清洗、超声波清洗、机械刮除、脉冲清洗、脉冲电解及电渗透反冲洗等方法【矧。但由于物理清洗不能彻底清除膜污染，清洗效果有限，单靠物理清洗不能使膜的透水率得到有效的恢复。所以物理清洗只是一种简单的维护手段。超声波清洗主要是利用超声波在水中的空化作用引起剧烈的紊流、气穴和震动和超声波在水中的加速溶解和乳化作用，从而达到去除膜污染的目的。使用超声波进行清洗速度快、效果好，据研究利用超声波还可以测定膜污染的类型【471。但是由于超声波对微生物有抑制作用，使用超声波进行清洗对活性污泥中微生物的影响需要进一步的研究确定。．12．n一PAC对MBR-1：艺废水处理的耦合强化效能研究2、化学清洗化学清洗就是采用硝酸、柠檬酸、盐酸，氢氧化钠、次氯酸钠、表面活性剂、络合剂等化学试剂洗去吸附在膜上的污染物质如污垢、沉积物以及腐蚀产物等，恢复膜生物反应器的膜通量和产水水质【48】。酸类清洗剂可以去除DNA、污垢沉积物、矿物质以及金属氧化物引起的污染层。通过实验验证先用硫酸浸泡膜组件再接着用柠檬酸浸泡，可以是膜组件的膜通量恢复至原来的100％。碱类试剂可以有效去除蛋白质的污染，破坏凝胶层，恢复膜通量。碱性试剂适用于清洗被有机物或微生物污染的膜组件。通过实验验证表明次氯酸钠试剂的清洗效果优于氢氧化钠试剂的清洗效果。膜通量的恢复率可以达到90％以上。但注意不要使用杀菌剂，因为它可以杀伤微生物从而影响活性污泥中的生物活性，会使得膜生物反应器处理效果变差。1．2．5控制MBR膜污染的措施延缓膜污染问题，应从膜污染的影响因素入手采取相应的措施，例如优化膜组件设计，如改善膜的材质、膜组件的合理布置、优化选择膜的结构与型号；确定临界污泥浓度、临界通量：膜的清洗以及确定膜生物反应器的运行条件等。改善污泥混合液的性质是近些年来关于MBR工艺改革的侧重点。在膜生物反应器(MBR)中投加活性炭粉末(PAC)与活性污泥混合液混合形成生物活性污泥(BAC)，构成MBR．PAC工艺。活性炭是一种多孔性物质，具有较大的比表面积和吸附能力。活性炭的吸附作用和膜组件的截留作用相结合可以改善工艺的性能。活性炭粉末(PAC)与活性污泥混合液中的污泥絮体相互作用，可以形成粒径更大、粘性更小的絮体颗粒。污泥的性能在沉淀和过滤方面得到更好的改善，减缓了以PAC为中心的泥饼层形成，较好地维持了膜通量。从通过降低膜生物反应器中胞外聚合物(EPS)的浓度出发，来减少凝胶层的生成。活性炭粉末(PAC)的加入可以改变活性污泥混合液中微生物的特性使得凝胶层难以形成，从而减少膜污染的发生。1．3粉末活性炭(PAC)在水处理中的应用活性炭是一种孔隙结构发达的炭质材料，具有发达的内部孔隙结构和巨大的n第1章绪论比表面积，它的密度比水小、稳定性高，耐高温、高压、强酸以及强碱，有着优异的吸附性能和物理化学稳定性【49】，在工业上获得了广泛的应用。活性炭在水处理中的应用已有悠久的历史【501。20世纪20年代首次在水处理中使用了活性炭：20世纪中叶，活性炭在水处理中主要用于去除异嗅和异味；20世纪60年代，欧洲国家开始利用活性炭的吸附性能处理工业废水；20世纪70年代，粉末性活性炭开始被引入到水处理工艺中。活性炭根据其粒径的大小可分为粒状活性炭(GranularActivatedCarbon，GAC)，粉末活性炭(PoweredActivatedCarbon，PAC)。由于GAC的孔状结构限制，其吸附速率与分离率较低，因此GAC在应用范围受到了限制。PAC是指经过炭化和活化加工到一定力度的活性炭。炭化在隔绝空气下加热原材料，组成稳定的新结构；活化是通过将活性炭孔隙结构发达，来制成多孔结构的活性炭，PAC多为木制炭。在有机物去除方面，PAC对于分子量较小的有机物的去处效果要因有机物的憎水性和极性的改变而变化；但是对于分子量在1000．5000范围内的有机物PAC可以有效地去除；大分子有机物因难以进入PAC的孔隙或以易堵塞其孔隙，因此PAC对于大分子有机物去除率较低【5¨。PAC因其微孔结构发达，比表面积大，吸附性强且生产方便，在去除水体的嗅、味、色度等方面的优良性能和处理氯化有机物、农药、天然以及人工合成有机物的良好效果，在水处理中的应用越来多。近几年来，国内外的一些研究者通过向MBR工艺中投加PAC形成MBR．PAC工艺，在提高工艺处理效果的同时也减缓了膜的污染【52。531。Guo等在试验研究中发现PAC的投加可以使MBR工艺有效地减缓过膜压力的增加和减轻膜污染f删。Satyawalia等通过研究发现PAC的投加抑制了污泥膨胀，将膜通量提高了23％，延长了膜组件的清洗周期【55矧。Tsai等在关于向MBRT艺投加PAC优势的总结中，发现在MBR中投加的PAC可以吸附去除对活性污泥中的微生物群落有毒害作用的化合物【571。在MBR工艺中投加PAC后，活性污泥中的微生物以PAC为载体形成生物活性炭(BAC)。活性污泥以PAC为骨架，污泥之间相互粘附从而形成比一般污泥絮体更具抗压性的絮体。在改善了污泥絮体的性质的同时提高了污泥混合液的过滤性，从而使在膜表面形成的凝胶层相对疏松，空隙度高、透水性能好，因此延缓了MBR．PAC工艺的膜出水量的下降速度。PAC的投加改善出水水质的原因则是nPAC对MBR丁艺废水处理的耦合强化效能研究因为PAC吸附有机物和溶解氧为PAC周围和表面微生物营造了良好的生存环境，微生物的代谢活动得到加强，有机物被迅速降解【5引。这就意味着PAC的投加在改善活性污泥的性能，提高工艺处理效果的同时也保护了膜组件延长其使用寿命。关于试验中粉末活性炭的选择，PAC的种类选择、投加量的确定以及环境因素的影响，都决定着PAC对处理效果的影响。PAC的孔隙形状大小、表面化学性质(官能团的分布)、灰分含量和组成等性质决定了活性炭孔隙中有机物的扩散和迁移速度，影响着活性炭对有机物选择性吸附1501。关于PAC的投加量，应从出水水质、经济成本等实际情况选择合理经济的投加剂型591。而不同的环境因素如温度、pH值对于PAC的活性均有不同程度的影响。在伍海辉等人关于投加粉末活性炭进行常规工艺处理效果的试验中表明pH范围在6．6．5时处理效果最好【删。1．4本文的研究目的和研究内容1．4．1研究目的膜生物反应器作为新兴的污水处理技术，充分融合了生物反应器的生物降解和膜的高效分离的特点，实现了对污水处理的稳定、高效、节能的目标，比传统污水处理工艺更具实际应用优势。本试验向MBR工艺投加粉末活性炭(PAC)，形成MBR—PAC工艺。通过对MBR．PAC工艺对模拟生活废水的处理，分析PAC的投加对污水处理结果和膜性能的影响，探求最佳的PAC投量，分析PAC对减缓膜污染、延长膜的使用寿命以及对减少剩余污泥排量的影响，为MBR工艺对废水处理的实际应用提高有效的技术参考。同时，通过MBR．PAC工艺对制浆废水的处理研究，探讨MBR．PAC工艺对实际废水的处理效果，以指导后续的实际工程开发应用。1．4．2研究内容本试验分别以模拟生活废水和制浆废水为处理对象，向MBR反应器中投加PAC，采用MBR反应器进行对比试验，分析PAC对MBR工艺处理效果的影响及组合工艺的作用特点。本文主要包括如下几部分研究内容：(1)PAC最佳投加剂量的确定。比较投加不同剂量PAC情况下，模拟生活污水的处理情况。选择不同的水力停留时间，比较出水水质，确定最佳的水力停留时7～．～n第1章绪论间，探求研究条件下的最佳PAC投量。(2)PAC对MBR反应器除污染效果的影响。以COD、氨氮、总氮、总磷等为指标。(3)分析对比MBR工艺与MBR．PAC工艺对模拟生活废水的处理，从而探讨PAC对MBR工艺去污染效果的影响。(4)PAC对活性污泥的影响。分析比较MBR及MBR．PAC工艺中活性污泥浓度的增长速率和剩余活性污泥的相对产量，探讨PAC的投加对MBR反应器中活性污泥浓度及剩余污泥排放量的影响，从而以此为指导进一步确定工艺的适宜PAC投加量。(5)PAC对膜性能的影响。通过对PAC投加前后MBR工艺的膜污染程度和相同周期内膜出水量的变化对比，分析PAC投加对MBR工艺中膜性能的影响。(6)MBR．PAC工艺对制浆废水的处理。以模拟生活污水处理效果的条件摸索为基础，通过对实际制浆废水中氨氮、总磷、COD等为指标，分析探讨MBR．PAC对实际废水的处理效果和进一步开发应用的可行性。◆‘▲n通过流量计可控制进水和曝气的强弱，反应装置为自动控制。例2．1膜生物反应器装置Fi92．1MembraneBio=Reactor工艺流程图如图2．2所示。图2．2工艺流程图Fi薛．2FlowChartn第2章实验装置与分析方法膜组件主要性能参数见表2．1。表2．1膜组件主要性能参数1'ab2．1PerformanceParameter项目单位内容膜面积膜孔径膜材质膜式样操作压力适应pH适应温度O．2l×0．400．2PVDF中空帘式0．0l-o．052．105-452．2实验药品浓硫酸、95％乙醇、盐酸、硫酸银、硫酸汞、重铬酸钾、邻菲哕啉、硫酸亚铁、硫酸亚铁铵、氢氧化钠、碘化钾、碘化汞、酒石酸钾钠、硫代硫酸钠、硫酸锌、过硫酸钾、抗坏血酸、钼酸铵、酒石酸锑钾、磷酸二氢钾、硝酸钾、酚酞、葡萄糖、氯化铵、三氯化铁、无水氯化钙、无水硫酸镁、次氯酸钠、活性炭等。以上所使用的药品均为分析纯。2．3实验仪器紫外分光光度计：JASCOV-550紫外／可见／近红外分光光度仪，日本岛津；显微镜：BX51TF型，OlympusCorporationJAPAN；超声波清洗器：KQ2"200型，上海沪沁仪器设备有限公司：超纯水机：LP．DI型，上海讯辉环保公司；电子分析天平：AW320型，日本岛津；酸度计：pHS．3C型，上海嘉鹏科技有限公司；数显鼓风干燥箱：101．1A型，杭州中拓仪器有限公司；，o吼一胁一℃nPAC对MBR工艺废水处理的耦合强化效能研究2．4试验运行条件本试验中膜生物反应器采用抽水泵、通过液位计控制抽水。系统采用全曝气的方式，间歇出水，每次出水5minmlomin。水力停留时间(HI玎)根据试验的要求进行适当调整。系统运行中反应器温度维持在15℃_25℃，pH在6．5—7．5之间。运行期间有效总容积133．2L。2．5模拟生活废水成分实验采用人工配置的模拟生活废水，按照COD：N：P=100：5：1的质量比原则配置，主要成分为葡萄糖、硫酸铵和磷酸二氢钾。此外加入适量微量元素如钙、疾、铁等以满足微生物生长需要。模拟生活污水具体成分见表2．2。表2．2模拟生活废水成分Tab2．2Ingredientofsyntheticdomesticsewage药剂名称化学式对应元素浓度(mg／L)葡萄糖C6H1206eH20174．5(C)硫酸铵(NH3)2S048．485(N)磷酸二氢钾KH2P041．412(P)无水氯化钙CaCl20．360(Ca)无水硫酸镁MgS040．200(Mg)三氯化铁FeCl3·6H200．205(Fe)2．6活性污泥的驯化与培养活性污泥取自大连市付家庄污水处理厂二沉池的回流池，活性污泥颜色呈深褐色：镜检时污泥中存在大量纤毛虫和少量钟虫。在膜生物反应中加入活性污泥，在温度为15℃_25℃条件下持续曝气，进行驯化。在驯化期间以5天为一周期，定量向膜生物反应器中投加营养盐，使活性污泥逐渐适应模拟生活污水COD至400mg／L浓度左右。在驯化期间活性污泥的浓度保持在2000mg／L以上。驯化2个星期左右，镜检发现活性污泥中指示生物生长良好，驯化成功。膜生物反应器运n第2章实验装置与分析方法行稳定，开始进行试验阶段。二次驯化：由于在试验后期需采用制浆废水进行试验研究，鉴于制浆废水与模拟生活废水水质存在差异，需用制浆废水对活性污泥进行二次驯化保持其活性。开始采用低浓度COD的制浆废水(约为100rag／L)进行驯化，逐渐提高制浆废水的COD浓度至400mg／L-600mg／L。2．7实验主要测试项目与分析方法2．7．1本实验测试项目的确定l、COD：COD是表示水质污染程度的重要指标，废水中往往含有有机物，一般来说，COD是衡量水中有机物质含量的指标。COD的去除率是衡量膜生物反应器对废水处理效果的重要指标。2、氨氮、总氮：氨氮是指水中以游离氨和铵离子形式存在的铵；总氮是指水中各种形态的无机和有机氮，常被用来衡量水体受营养物质的污染程度。氨氮与总氮是衡量水质的重要指标之一，它们的测定值代表着水体被污染和自净状况。膜生物反应器在处理污水时就有较好的脱氮效果，因此采用氨氮、总氮作为试验测试项目之一。3、总磷：总磷是指水中各种形态磷的总量。磷是水域中藻类植物生长的必需元素，水中含有过量的磷是发生水体营养化与赤潮的主要原因。生活污水、化肥农药、洗涤剂中都含有过量的磷。为了衡量工艺对除磷的效果，采用总磷作为测试项目之一。4、MLSS-MLSS是指混合液污泥浓度(mixedliquorsuspendedsolids)的简写，混合液污泥浓度在活性污泥处理系统中最为重要的设计运行参数。膜生物反应器工艺由于具有高截留的作用，污泥浓度高的特点。因此选用MLSS指标来衡量工艺中污泥浓度的情况。MLSS的测定方法简单，作为指标应用范围较广。2．7．2测试项目和分析方法测试项目和分析方法如表2．3所示：nPAC对MBRT艺废水处理的耦合强化效能研究表2．3实验测试项目和分析方法Tab2．3ExlletimemtestitemandmalymⅡ螺妇谢2．8PAg的选择与处理。，1一：、7．r⋯-’·^_●■》．一●●，。先将活性炭用100目筛子筛出，在经去离子水反复浸泡清洗后；放于鼓风干燥箱在10512条件下干燥24小时，称量后达到恒重，密封保存待备用。活性炭性，．：，，⋯；：能如表2．4所示。；．．-：，．：．』．、?L?‘-．f：‘表2．4活性炭性能；。t●‘．^，’。Tab2．4pe商o．nanc．eofactivatedcartxm。n第2章实验装置与分析方法灼烧残潋以硫酸盐计)受甲基蓝吸附量2．O合格2．9膜的清洗方式本试验中对膜的清洗，为了达到较好清洗效果，采用的是物理清洗和化学清洗两种方法相结合的方式。其中酸类清洗剂可以去除DNA、污垢沉积物，碱类清洗剂可以有效地脱除蛋白质污染16l】。关于一体式膜生物反应器对于生活污水处理的报道，本实验膜组件清洗顺序为先用自来水进行冲洗，然后用O．03％次氯酸钠浸泡12小时，再次用自来水冲洗；，最后用0．33％硫酸浸泡6小时，第三次自来水冲洗16¨。清洗效果如图所示。·参：鍪夏三●≥蝤．≮一●o、2je’|'．1■-‘一三二=⋯，啊露’卺{?}棼“q～。．v一一蠢．嘲雹}『1}～．m．4^·～’一。一jFj：fa；：．=一_云，■罗㈨。l1-Ii墨二·1．～一。。i．二鞘一ll，暑点t匿，擘4⋯⋯一一”『I篡!二_，一_；图2．3膜污染Fi92．3hI锄bn哪polluti∞nPAC对MBR工艺废水处理的耦合强化效能研究产r‘E-一‘二i：‘：二；≥茹一一w】鳞手i一：甍a。。碧{。?一．．一‘’一-一一‘一，赢七j．。一—Ir．●攀_t坠i一基～_——。’‘一垒?二o：F!蛭二一·：≥琵。Ik’一～～～～一《一，__一-}鹬1～、～～。√，删4一。’}罨§}一、■一～了墨曩未o，：9j_】r，艟嘎：～＼～一’一一!／．，越嚣撼i毪§一百‘，：一隅．．显萱耍穗型毒亏I⋯’l壁兰薹薹薹∑曩薹差蠹基■图2．4水清洗Fig2．4Waterclean，o·l-1『I-～1—-气1—·_?!-1Ir，，一百留黟r一——1日㈡’毒惑三I'‘囊携■’__■蘑孪l黾一≤j曼二■]三■二霉遘一耋_-一擎{；叠￡一⋯⋯一。一——+二·1．—■。。。。—l正I，一—，二～一一，～一一+一：?j}一。■一一～～’一蛩■j一萎●jl：‘：一、一’二_+二主{；．_～～～⋯一：_·一⋯一，一一Ⅻ：●，l，。之二一．．二：，耋方“二二。#’Il《j≯饔蠹蠢幽。I．．之j'l．▲～氆—蕊．：瑟瑟鍪篓二二．⋯。=～上，；。IjI一。一镬置码e§§晰二⋯；i。，Il“七也一——图2．5次氯酸钠清洗n第2章实验装置与分析方法j图2．6硫酸清洗Fig2．6Sulfuricacidclean?曦。。7一，7．’·’、◇j～：．’：．¨一’t：·f’一rj‘“’．。，．‘、’}，；．．．’p季’．．．：．t，，?“．?∥．。谛lt’一，‘q．：1’。’’-24-，墨t，一nPAC对MBR工艺废水处理的耦合强化效能研究第3章实验结果分析与讨论3．1模拟生活废水水质试验采用人工配置的模拟生活废水，其组成成分为葡萄糖、硫酸铵、磷酸二氢钾、无水氯化钙、无水硫酸镁和三氯化铁。模拟生活废水进水水质情况见表3．1。表3．1进水水质Tab3．1Qualityofinfluent3．2MBR—PAC工艺中PAC投量对出水水质的影晌在试验中向膜生物反应器中分别逐量投加粒径为O．15mm的PAC，观察不同PAC投加量对于生活废水出水水质的影响。每次投加PAC时，均保持相同的进水水质。3．2．1PA0投量对COD去除效果的影响在试验中进水采用模拟生活废水进行研究，在试验过程中分别向膜生物反应器中逐量投加29、69、109PAC，选择不同的水力停留时间(HRT)，分析投加不同PAC下对出水COD的去除效果的影响。实验结果见表3．2和图3．1。表3．2PAC对COD的去处效果1'ab3．2Thel'el'noveofCODn第3章实验结果分析与讨论／一、冰V番l}篮稍Z468lUlZZ436486U‘7Z；HRT／h图3．1PAC用量对COD的去处效果Fig3．1TheremoveofCOD由图3．1可以看出，随着PAC投加剂量的增加，COD的去除率呈上升趋势。当PAC投加剂量为109时，停留时间为2h时出水COD的去除率就达到86．34％。而在PAC投加29剂量时，2h停留时间时的COD的去除率仅为61．95％，PAC投加69剂量时，相同停留时间时的COD去除率为80．48％。由图可以看出在水力停留12h的时间段内，COD的去除率呈上升趋势。在水力停留时间为12h时，PAC投加量为29、69和109时对应的出水COD的去除率分别为90．24％、92．19％、94．15％。随后，尽管延长水力停留时间，但是COD的去除率曲线走向平缓。实验结果表明COD在HRT为12h时可取得最大值的去除率。在实验研究范围内，在膜生物反应器中投加109剂量的PAC，其COD的去除效果最好，不同水力停留时间下的平均去除率为88．99％。3．2．2PAC投量对氨氮去除效果的影响在试验中采用进水水质如表3．1所示的模拟生活废水进行研究，在试验过程中向膜生物反应器中投加PAC的量依然为29、69、109，选择不同的水力停留时间(HRT)，分析对出水氨氮的去除效果。实验结果见表3．3和图3．2所示。∞∞舳加∞的∞∞加mOnPAC对MBR工艺废水处理的耦合强化效能研究表3．3PAC对氨氮的去处效果Tab3．3Theremoveofammonia图3．2PAC用量对氨氮的去处效果Fig3．2Theremoveofammonia由图3．2可以看出，随着PAC投加量的增加，氨氮的去除率呈上升趋势。PAC投加剂量为29时，水力停留为2h时对氨氮的去除率仅为73．28％。而在PAC投加69剂量时，停留2h时的氨氮的去除率为76．50％，PAC投加109剂量时，相同停留时间氨氮的去除率就上升为90．78％。由图可知在水力停留12h的时间段内，随着水力停留时间的延长，出水的氨氮的去除率呈逐渐升高。当水力停留时间为12h时，PAC投加量为29、69和109时对应出水的氨氮的去除率分别达到92．16％、n第3章实验结果分析与讨论92．51％和92．58％。随后，再延长水力停留时间，对氨氮的去除率基本保持稳定不变。即在水力停留时间为12h时氨氮的去除率基本可达最大。3．2．3PAC投量对总氮的去除效果的影响在试验中采用进水水质如表3．1所示的模拟生活废水进行总氮的去除实验研究，试验过程中的PAC投加量依然为29、69、109PAC，同样控制不同的水力停留时间(HI玎)，分析不同水力停留时间下PAC投量对总氮的去除效果的影响。实验结果见表3．4和图3．2。表3．4PAC对总氮的去处效果Tab3．4TheremoveoftotalammonianPAC对MBR工艺废水处理的耦合强化效能研究，一、水褂笾稍图3．3PAC用量对总氮的去处效果Fig3．3Therc加[10veoftotalammonia由图3．3可以看出，随着PAC投加剂量的增加，总氮的去除率呈明显的上升趋势。PAC投加剂量为29时，水力停留时间2h的出水的总氮去除率仅为28．36％。而在投加69剂量PAC之后，停留2h时的总氮的去除率就上升到54．58％。投加109剂量PAC后，停留2h的总氮去除率已上升到75．07％。在水力停留12h的时间段内，投加了29、69、109PAC的总氮的去除率曲线呈稳定的上升状态，在水力停留时间为12h时的出水总氮的去除率分别达到73．74％、86．87％和89．98％。在12h的水力停留时间之后，尽管再延长水力停留时间，但是对总氮的去除率却基本保持不变，即去除率并未随着水力停留时间的再延长而增加。即在水力停留时间为12h时，总氮的去除率取得最大值。同时，从实验结果还可以看出，随着PAC投量的增加，其对总氮的去除率增加显著，这种显著增加的去除率效应可以反之大幅度缩短水力停留时间。3．2．4PAC投量对总磷去除效果的影响在试验中模拟生活废水的迸水水质依然如表3．1所示，试验过程中PAC的投加量同前，即分别为29、69和109，同样选择不同的水力停留时间(HRT)，分析MBR．PACT艺中PAC投量对总磷的去除效果的影响。实验结果见表3．5和图3．4。0ODD口∞∞∞加∞的们∞加mmn第3章实验结果分析与讨论表3．5PAC对总磷的去处效果Tab．3．5Theremoveoftotalphosphorus30卜20÷10÷'+PAC=1092468101224364860。72：HRT／h图3．4PAC用量对总磷的去处效果Fig3．4Theremoveoftotalphosphorus由图3．4可以看出，随着PAC投加剂量的增加，总磷的去除率呈上升的趋势。PAC投加剂量为29时，水．力停留时间为2h时出水的总磷去除率仅为54．13％。而在投加69剂量PAC之后，相同水力停留时间时出水的总磷的去除率为58．04％，两者相比去除率有提高但提升幅度不大。但当PAC投加量增加至109后，相同水力停留时间时的出水总磷的去除率已上升到97．8％。同时，在水力停留12h的时间nPAC对MBR工艺废水处理的耦合强化效能研究段内，投加了29和69PAC的模拟生活废水出水总磷的去除随着水力停留时间的延’长而显著上升，在水力停留时间为12h时的出水总磷的去除率分别达到95．43％和98．12％。而在12h的水力停留时间之后，尽管再延长水力停留时间，但是总磷的去除率却基本持平，即去除率并未随着水力停留时间的延长而增加。在水力停留时间为12h时，模拟生活废水的总磷去除率取得最大值。同时通过实验结果还可以发现，向膜生物反应器中投加109剂量的PAC之后，废水中总磷的去除率相对较高，在水力停留时间为2h时的去除率即可达到97．8％，整个水力停留时间范围内总磷的去除率基本保持在97％以上，12h时总磷的去除率达到了99．43％。可见投加109剂量PAC对总磷的去除影响远远大于投加其他剂量PAC时对总磷去除率去除效果的影响。即适量投加PAC可以实现高效的总磷去除目的。通过以上对COD、氨氮、总氮、总磷的去除实验结果中可以分析出：投加109剂量的PAC可以获得优于投加29、69剂量PAC的出水水质，COD、氨氮、总氮、总磷等去除率在投加109剂量的PAC时取得了最好的去除效果。水力停留时间小于12h时的时间段内，随着水力停留时间的增加，COD、氨氮、总氮、总磷的去除率呈上升状态；在水力停留时间为12h时，COD、氨氮、总氮、总磷的去除率最高；水力停留时间大于12h时，COD、氨氮、总氮、总磷的去除率基本保持稳定。因此可以确定MBR．PAC工艺的最佳的水力停留时间为12h。3．2．5最佳水力停留时间时PAC投量对生活废水处理效果的影响对比依然采用进水水质如表3．1所示的模拟生活废水进行实验，控制水力停留时间为12h，分别向膜生物反应器中投加29、49、69、89、109不同剂量的PAC，具体分析在所选定的最佳水力停留时间下iMBR。PAC工艺中不同剂量的PAC对污水处理效果的影响。实验结果见表3．6和图3．5。表3．6最佳HRT去处效果1、ab3．6TheremoveofbestHRTn第3章实验结果分析与讨论总磷0．21mg／L0．14mg／L0．086mg／L0．048mg／L0．026mg／L图3．5最佳HaRT去处效果Fig3．5TheremoveofbestHRT由图3．5可以看出，在所选定的最佳水力停留时间下，COD、氨氮、总氮、总磷的去除率随着投加PAC剂量的增加而逐渐增加。COD的去除率增幅较小，在投加109剂量PAC时，COD的去除率达到了最高值94．15％。总氮的去除率在投加29剂量PAC时为73．74％，投加49PAC时总氮去除率上升到77．87％，投加69PAC时总氮去除率为86．87％，投加89PAC时总氮去除率上升为89．03％。在投加109剂量PAC时，总氮的去除率达到了最高值89．98％。在投加PAC后，氨氮的去除率上升缓慢，基本保持在92％以上，在投加89剂量PAC后，氨氮的去除率达到最大值92．58％。投加109剂量PAC后，出水保持了同样的氨氮去除率。总磷的去除率较高，保持在95％以上，且随着投加剂量的增加而稳幅增加，在投加109剂量PAC时，总磷的去除率达到了最高值99．43％。通过采用进水水质相同的模拟生活废水进行试验，分别向膜生物反应器中分别投加29、49、69、89、109剂量PAC，选择12h作为最佳水力停留时间，对出水COD、氨氮、总氮、总磷的实验测试结果进行分析，可以得出以下结论：随着PAC投加剂量的增加，出水COD、氨氮、总氮、总磷等去除率取得不同程度增长。投加89剂量PAC，氨氮的去除率达到最大值。但在投加109剂量的PAC后，模拟生活废水的出水各项指标均达到最高值，模拟生活废水的出水水质达到最好状nPAC对MBR工艺废水处理的耦合强化效能研究态。3．3MBR工艺与MBR-PAC工艺的比较选择同一个膜生物反应器作为反应池，采用进水水质相同的模拟生活废水进行试验。MBR工艺与MBR．PACI艺在相同的操作条件下运行。MBR．PACI艺中投加的PAC剂量为109。同时延长水力停留时间至72h，分析比较MBRI艺与MBR-PAC工艺对模拟生活废水的处理效果。3．3．1对COD去除效果的对比’在试验中采用进水水质如表3．1所示的模拟生活废水进行研究，测量不同水力停留时间的出水COD，对MBR工艺与MBR．PAC工艺的COD去除效果进行对比。实验结果见表3．7和图3．6。表3．7COD的去处效果对比1’ah3．7ThecontrastremoveofCOD出水CODMBRMBR-PACHR．r：=4h150m∥L48m∥LHRT=6h144m∥L40mg／LHRT=8h120m∥L32m∥LHRT=10h96m∥L28mg／LHRT=12h60mg／L24mg几HRT=24h“m班48mg／LHRT=36h88mg／L52mg／LHRT--48h96m∥L60m班HRT=60h72mg／：L52m∥LHRT=72h76m∥L56mg／Ln第3章实验结果分析与讨论图3．6COD去除效率对比Fig3．6ThecontrastremoveofCOD由图3．6可知，在水力停留12h的时I’自J段内，随着水力停留时间的延长，MBR工艺与MBR．PAC工艺对模拟生活废水COD的去除曲线均呈稳定的上升状态，且在水力停留时间为12h时对COD的去除率达到了最高值。之后再延长水力停留时间，COD的去除率并未随着水力停留时间的延长而增加，而是出现了小幅波动，COD的去除率略有下降。同时，从图中的实验结果可见，MBR．PAC工艺对COD的去除率整体高于MBR工艺对COD的去除率。在最佳水力停留时间，MBR工艺的出水COD为60mg／L，MBR．PAC工艺的出水COD为24mg／L。同时从实验结果还可以看出，MBR．PAC工艺在较短的停留时间下可达到较高的COD去除效果，相比可显著缩短工艺的水力停留时间。MBR．PAC工艺中COD的高效去除率主要是由于PAC的投加所致。投加PAC后，在试验初期对COD的去除主要依靠PAC的吸附作用完成。随着活性污泥的培养成熟，投加到膜生物反应器中的PAC与活性污泥中的微生物吸附凝聚在一起形成生物活性炭(BAC)。PAC的吸附作用、微生物的降解作用和膜的高效分离作用三者协同，使得MBR．PAC工艺具有较高的COD去除效率。MBR．PAC工艺对COD的平均去除率>88％。n出水氨氮MBRMBR-PACHRT．=4h4．2mg／L1．314mg／LHRT=6h3．34mg／L1．303mg／LHRT=Sh2．16mg／L1．268mg／LHRT=10h2．03mg／L1．112mg／LHRT=12h1．84mg／1．,1．06mg／LHRT兰24h1．95mg／L1．186mg／LHRT=36h1．971mg／LI．173mg／LHRT--48h1．873mg／L1．136mg／LHIU’=60h1．968mg／L1．207mg／LHRT=72h2．0llmg／L1．169mg／L图3．7氨氮去除效率对比Fig3．7Thecontrastremoveofammonia由图3．7可知，MBR．PAC工艺对氨氮的去除率整体高于MBR工艺对氨氮的去除率。MBR．PAC工艺的出水氨氮在最初的2h水力停留时间段就有着较好的去除效果，在整个停留时间范围内对氨氮的去除率为90．78％．92．58％，平均去除率为--35--n第3章实验结果分析与讨论91．57％。MBRT艺停留时间短时氨氮的去除率相对较低，但随着停留时间的延长，其对氨氮的去除率明显增加，实验时间段内平均氨氮去除率仅为81．73％。MBR．PAC工艺的氨氮去除率比MBR工艺要高出9．84％。由于MBR工艺具有高效截留作用，使得生长增殖缓慢的硝化细菌大量截留在反应器内，提高了整个工艺的硝化效率。因此MBR工艺对氨氮就具有较好的去除效率。MBR-PAC工艺因为投加了PAC的原因，使得硝化细菌以PAC为吸附生长载体大量繁殖，MBR二PAC工艺中的硝化细菌数量要高于MBR工艺，MBR．PAC工艺中的硝化细菌活性更大。因此在MBR．PAC工艺中氨氮的去除效果更好也更稳定。3．3．3对总氮去除效果的对比试验方法和条件同上，表3．9和图3．8表示MBR工艺与MBR．PAC工艺对总氮的去除效果的对比。表3．9总氮的去处效果对比仉lb3．9Thecontrastremoveoftotalammonia出水总氮MBRMBR—PACHRr．=4h13．98mg／L4．98mg／LHRT=6h12．06mg／L4．71mg／LHRT=8h10．8Img／L3．64mg／LHRT=10h9．47mg／L2．33mg／LHRT=12h8．83mg／L2．037mg／LHRT=24h8．97mg／L2．205mg／LHRT=36h9．13mg／L2．314mg／LHRT=48h9．61mg／L2．602mg／LHRT=60h9．34mg／L2．579mg／LHRT=72h9．56mg／L2．593mg／LnPAC对MBRJ：艺废水处理的耦合强化效能研究图3．8总氮去除效率对比Fig3．8Thecontrastremoveoftotalammonia由图3．8可知，MBR工艺在停留时间较短时对总氮的去除效果相对较低。MBR．PAC工艺对于总氮的去除效率要远远好于MBR工艺对总氮的去除效率。在最佳水力停留时间12h，MBRI艺对总氮去除率也只达到了56．58％，而MBR．PAC工艺在水力停留时间为2h时对总氮的去除率为75．07％，12h时对总氮的去除率已经达到89．98％。MBR工艺对总氮的平均去除率仅为47．13％，MBR．PAC工艺对总氮的平均去除率达到了84．33％。MBR．PAC工艺对总氮具有较高的去除率，推测分析其原因主要是由于在膜生物反应器中投加PAC后，由PAC形成的菌胶团结构紧凑，氧气在菌胶团内部会分布不均，由此形成了好氧．缺氧的区域，使得MBR．PACI艺具备了同步硝化和反硝化的条件，因此对总氮起到了较高的去除作用。3．3．4对总磷去除效果的对比在如上相同的实验条件下，MBR工艺与MBR．PAC工艺对总磷去除效果的对比实验结果见表3．10和图3．9。表3．10总磷的去处效果对比Tab3．10Thecontrastrelnoveoftotalphosphorusn第3章实验结果分析与讨论图3．9总磷去除效率对比Fig3．9Thecontrastremoveoftotalphosphorus．由图3．9的实验结果可见，MBR工艺对总磷的去除效果在水力停留时间较短时同样较低，随着水力停留时间的延长，其对总磷的去除效率显著增加，但从总-体上看要明显低于MBR．PAC工艺对总磷的去除效率。MBR．PAC工艺对于总磷的I去除，保持着一个比较稳定的状态，在水力停留为2h时，其对总磷的去除率就已。经达到了97．80％，在HRT为12h时，对总磷的去除率达到了最大(为99．43％)，总磷的平均去除率为98．64％，而MBR工艺对于总磷的平均去除率仅为67．50％。生物除磷的主要机理是在好氧环境下聚磷菌进行有氧呼吸，从废水中摄取磷并以聚合态的形式贮藏在活性污泥中，形成高磷污泥排出系统；在厌氧环境下，nPAC对MBR工艺废水处理的耦合强化效能研究吸收了磷的聚磷菌从体内释放磷并产生能量已满足聚磷菌自身生长的需求。MBR工艺在停留时间较短时不能形成良好的厌氧、好氧条件，因此对总磷的去除率较低。而MBR．PAC工艺对总磷具有较高的去除率，推测其原因在膜生物反应器中投加了PAC后，膜生物反应器中PAC与活性污泥颗粒相互结合，形成了以PAC颗粒为核心的生物活性炭(BAC)。PAC的投加使得活性污泥絮凝体彼此更容易吸附、聚集，活性污泥在组成、絮体结构等性质上发生了变化，更易形成好氧．缺氧环境，易于对磷的生物吸收与去除。3．3．5PAC对污泥性能的影响实验中观测发现，MBR工艺与MBR．PAC工艺中污泥具有相似的生物相，即投加PAC后，MBR．PAC中的生物与MBR中相比没有很大差别。实验中取大连付家庄污水厂的活性污泥进行接种，活性污泥的颜色呈深褐色，通过显微镜观察在活性污泥中发现纤毛虫和钟虫。MBR工艺中活性污泥在驯化过程中，随着时间的增加活性污泥颜色逐渐变浅，在活性污泥后期颜色呈黄褐色。而在MBR．PACI艺中活性污泥的颜色对于投加PAC的变化不明显。连续测量3天活性污泥浓度，MBR工艺中活性污泥的浓度变化范围为2200m∥L-2276mg／L，增幅为76m∥L；MBR．PAC工艺中活性污泥变化的浓度范围在2028m∥L．2143m∥L，增幅为l15m∥L。MBR-PAC工艺的活性污泥浓度增长幅度高于MBRI艺52％。PAC的投加为微生物的生长提供了更适宜的附着场所，改善了整体的生存环境，促进活性污泥的生长，维持了一个相对稳定的污泥浓度。实验中MBRI艺在三天内的剩余活性污泥产量为349，MBR．PAC工艺的剩余活性污泥产量仅为49，MBR．PACn第3章实验结果分析与讨论PAC投加量为109)。图3．10膜出水量变化对比Fig3．10Thecontrastofmembraneeffluent由图3．10中MBR工艺与MBR．PAC工艺出水量的对比可以看出，投加了PAC后膜生物反应器的出水量下降速率比MBR工艺要缓慢。在运行时间初始，MBR工艺与MBR．PAC工艺的出水量基本一致。但随着运行时间的增加，MBRT艺与MBR．PACT艺的出水量逐渐拉大了差距。分析其原因是因为PAC的投加，在改善了混合液特性的同时减少了在膜表面粘附的污泥。PAC颗粒与活性污泥相互作用形成的絮体颗粒沉降性能与过滤性能更好。PAC在纤维膜表面附着，使得活性污泥在膜表面的附着量减少；同时PAC吸附了水中的溶解性有机物，降低了溶解性有机物在膜表面的沉积并减缓了泥饼的形成，从而降低了膜的表面堵塞，提高了膜出水量。但随着运行时间的增加PAC与活性污泥充分结合会导致滤饼层的形成，降低出水量形成膜污染。实验进行到30天，从膜组件上获取膜丝进行扫描电镜观察。对比MBR工艺与MBR．PAC工艺膜污染情况，结果如图3．1l所示。n图3．11(a)MBR膜表面扫描电镜幽片Fig3．11(a)SEMofMBR图3．11(b)MBR-PAC膜表面扫描电镜图片Fig3．11(b)SEMofMBR．PAC从电镜扫描图片可以看出MBR．PAC和MBR工艺中膜表面具有明显的差异。投加PAC后PAC与活性污泥吸附凝聚在一起形成生物活性炭(BAC)，因此改善了滤饼层的性质，使得滤饼层具有刚性【62】，有效地阻止了溶解性有机物与胞外聚-41．n第3章实验结果分析与讨论合物等膜污染主要物质的形成，延缓了膜污染的发生。因此，PAC投加可在一定程度上减缓MBR的膜污染，延长膜的使用寿命。从以上实验可得知如下结论：1、本实验条件下，MBR．PAC工艺对模拟生活废水的处理效果明显高于MBR工艺。MBR．PAC工艺对COD的平均去除率>88％，氨氮的平均去除率为91．57％，总氮的平均去除率已经达到了84．33％，总磷的平均去除率为98．64％。PAC的吸附和活性污泥结构的改变，使得MBR．PAC工艺对COD的去除率略高于MBR工艺。PAC的投加为膜生物反应器中的微生物生长提供了良好的载体，使得MBR．PAC工艺的氨氮去除率高于MBR工艺氨氮去除率。2、PAC的投入使得活性污泥浓度保持稳定，减少了剩余活性污泥的产生。在改善污泥特性的同时，减缓了出水量的降低速度。PAC与活性污泥形成的生物活性炭(BAC)，较好地吸附并降解了溶解性有机物与胞外聚合物有效地阻碍了膜污染主要物质的形成，在减缓膜污染程度的同时保护了膜组件，延长了膜组件的使用寿命。3．4MBR-PAC工艺对制浆废水的处理通过实验的验证，关于模拟生活废水的处理MBR-PAC工艺在性能与出水水质上要明显优于MBR工艺，为了探讨MBR．PAC工艺在实际应用的广泛性，因此在试验中又采用了制浆废水进行进一步实验，研究MBR-PAC工艺对实际废水的处理效果。实验中应用的制浆废水取自丹东市某造纸厂，水质呈黄棕色浑浊液，黏度较．大，有刺激性气味。废水经部分稀释后主要成分见表3．1l所示。表3．11制浆废水的主要水质指标Tab3．11Targetofpaperwastewater由于本部分实验采用制浆废水进行试验研究，鉴于制浆废水与模拟生活废水水质存在差异，采取逐渐向MBR．PAC工艺加大制浆废水负荷量，对活性污泥进行二次驯化来保持其活性。nPAC对MBR工艺废水处理的耦合强化效能研究在试验中采用进水水质如表3．11所示的制浆废水进行研究，分析测试不同水力停留时间的出水水质的各项指标。MBR—PAC工艺中投加的PAC剂量为lOg。MBR．PAC工艺对制浆废水的处理效果见表3．12和图3．12。表3．12制浆废水出水水质Tab3．13Qualityofpaperwastewatereffluent●__●__________●'__●___。_-__-____-。●_。●。。_-___●___●________-●_-●●-____--_●____-_______⋯100-／．、冰静餐粕±幽睦除率2468lO水力停留时间／h12图3．12制浆废水出水去除率Fig3．12There／rloveofpaperwastewater由图3．12可知，MBR．PACT艺对制浆废水的处理效果。在最佳水力停留时间12h，氨氮的去处率达到了87．59％；总磷的去除率为70．59％；COD的去除率为90．25％。在同样的进水的条件下如图3．13所示，MBR工艺在最佳水力停留时间的氨氮去除率为73．07％；总磷的去除率仅为53．94％，COD的去除率为82．69％。制浆废水进水COD值偏大，MBR．PAC工艺和MBR工艺相对比COD的去除率提高了7．56％。对氨氮的去除率可达87．59％，比MBR工艺高出14．52％；对总磷的去除率可达70．59％，比MBR工艺高出16．65％。O0O0O∞舳伯∞的们∞加mOn第3章实验结果分析与讨论3．5本章小结幽3．13MBR与MBR．P：AC处理效果对比Fig3．13ThecontractofMBRandMBR-PAC1、本试验条件下，通过PAC投加剂量的改变，探讨了不同PAC剂量下MBR．PAC工艺对模拟生活水的处理效果。经过试验的验证，投加109剂量的PAC，MBR．PAC工艺对模拟生活废水处理的结果最好；水力停留时间为12h时，出水水质最好。2、MBR—PAC工艺对废水中COD、氨氮、总磷、总氮的去除率都整体高于MBR工艺。PAC的吸附性能和PAC与活性污泥结合形成生物活性炭(BAC)是MBR．PAC工艺对废水的处理效果好于MBR工艺的主要原因。3、PAC的投入降低了膜出水量的下降，减缓膜污染的同时也延长了膜组件的使用寿命。PAC的投入也改善了微生物的生长环境，提高了活性污泥浓度。4、MBR．PAC工艺对于难处理制浆废水具有较高的处理效果，其对COD、氨氮、总磷的去除率明显高于MBR工艺。n分析，考察PAC的投加对MBR工艺对污水处理效果及对工艺膜组件及性能的影响。通过细致的实验研究，本文主要得出如下结论：1)在本试验条件下，MBR．PAC工艺对模拟生活废水的处理效果好于MBR工艺，PAC的吸附性能和PAC与活性污泥结合形成生物活性炭(BAC)是MBR．PACI艺处理效果好于MBR工艺的主要原因。2)MBR．PAC工艺在水力停留时间12h时，对模拟生活污水达到最佳处理效果，PAC最佳投加剂量为109。工艺对COD的去除率可达94．15％、氨氮的去除率达92．58％、总氮的去除率达89．98％、总磷的去除率高达99．43％。3)PAC的投加能明显改善活性污泥的性能，进而改善膜的性能，减少膜的污染并延长膜的使用寿命。PAC的投加使得MBR．PAC工艺的活性污泥浓度增长幅度高了MBR工艺52％，而且MBR．PAC工艺中剩余污泥的产量仅为MBR工艺的11．8％。PAC的投加使得微生物生长环境得到了改善，污泥浓度增长更快。4)MBR．PAC工艺对难降解制浆废水表现出高效的处理效果，其对COD的去除率可达90．25％，比MBR工艺高出7．56％；对氨氮的去除率可达87．59％，比MBR工艺高出14．52％；对总磷的去除率可达70．59％，比MBR工艺高出16．65％。‘展望本试验虽然取得了较好的试验效果，基本达到了预期的实验目标，但因为时间的限制，在某些方面仍存在不足之处。因此，在认真分析试验数据，总结试验结论的同时对加以改进的方面提出个人的建议：粉末性活性炭的投加使得膜生物反应器在处理废水的效果上得到了提高。但实验中仅采用了模拟生活污水对运行条件和PAC投加剂量进行实验摸索研究。实n结论与展望验结果的实用性需要大量的经中试实验和大型MBR工艺验证。PAC的投加延缓膜污染的技术，可以在实际应用中进行广泛的研究和推广。娟nPAC对MBR工艺废水处理的耦合强化效能研究参考文献[1]http：／／baike．baidu．c鲫／view／9485．htm#3[2]林丰．水解酸化+一体式MBR组合工艺处理城镇污水回用研究[D]．南京：东南大学，2004．[3]周亚琴．MBR污水处理工艺研究[J]．延安大学学报，2009，12(4)：83—88．[4]付国楷，余健，郑宪明．MBR在水处理中的应用研究[J]．净水技术，2004，14(2)：34—38．[5]顾国维，何义亮．膜生物反应器在污水处理中的研究和应用[M]．北京：化学工业出版社，2002．[6]牛涛涛，汪建根，李振玉，闰晓．膜生物反应器在污水处理中的应用及其前景展望[J]．环境研究与监测，2008，21(1)：35—38．[7]TomStephenson，SimonJudd，BruceJefferson，eta1．Membranebioreactorsforwastewatertreatment[M]．UK：IWAPublishing，2000．卜8．[8]YangWenbo，NazimCicek，JohnIlg．State—of—the—artofmembranebioreactors：WorldwideresearchandcommercialapplicationsinNorthAmerica[J]．JournalofMembraneScience，2006，270(卜2)：201—211．[9]房蕾，郑骥，MBR技术的发展及应用[J]，技术与工程应用，2010，11：43—47．[10]马光勇，罗严，李留刚．MBR技术在我国的研究进展[J]．科学与技术信息，2009，23：1020—1021．[11]黄永前．无机分离膜与环境保护．环境。1二程，1998．v16．n．[12]张再利，朱宛华，江荣，膜分离技术及膜生物反应器的发展和展望[J]，安徽化工，2001，2：24—27．[13]刘静文，张光辉，顾平，MBR的应Hj与研究进展[J]，环境工程，2009，27：152-156．[14]郭茂新．水污染控制：【程学[M]．北京：中国环境科学出版社，2005．[15]SmithC．V，GregorioD．0．andTalcottR．M．Theuseofnltrafiltrationmembranesforactivatedsludgeseparation．Proc24rdInd．WasteConf．，PurdueUniversity，AnnArborScience，AnnArbor，U．S．A．1969，1300-1310．[16]H．E．Grethlein．AnaerobicDigestionandMembraneSeparationofDomesticwastewater．Wat．Pol1．ControlFed．1978．[17]D．Bhattacharyyaeta1．UltrafiltrationofComplexWastewater：RecyclingforNon—pottableUse．Wat．P011．ControlFed．1978．[18]刘岩，李志东，蒋林时，膜生物反应器处理废水的研究进展[J]，长春理工大学学报，2007，30(1)：98-101．[19]唐丽，袁爱华，陈广春，膜生物反应器在废水处理中的应用[J]，江苏环境科技，2006，19-47．n参考文献(1)：26-29．[20]樊耀波，王菊思．水与废水处理中的膜生物反应器技术[J]，环境科学，2007，16(5)：79-81[21]樊耀波．膜生物反应器净化石油化工污水的研究．环境科学学报．1997年．[22]杨红群，周艳玲．膜生物反应器的技术研究[J]，环境保护科学，2006，32(3)：13-15．[23]于水利，赵方波．膜生物反应器技术发展沿革与展望[J]．工业用水与废水，2006，37(2)：1-6．[24]程钟，邱谨楠．膜生物反应器的研究及在废水处理中的应用[J]，污染防治技术，2006，19(3)：30—33．[25]罗涛．膜生物反应器处理小区生活污水的试验研究[J]，湖南大学．2009年．[26]KorosWJ，MaYH，ShimizuT．TerminologyformembranesandmembraneProeesses[J]．JMembSei．，1996，120(2)：149—159．[27]殷峻，陈英旭．膜生物反应器中的膜污染问题．环境污染治理技术与设备，200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