一体式膜生物反应器膜污染机理及处理生活污水稳定运行特性研究

【摘要】：膜生物反应器是由污水生物处理技术与膜分离技术结合而成的新型污水处理与回用工艺。本论文就一体式膜生物反应器处理生活污水的工艺条件和膜污染理论开展了研究，并对其工艺设计进行了探讨。主要结果如下： 通过正交设计试验，确定了一体式膜生物反应器处理生活污水的较优工艺条件。工艺条件按影响程度由大到小排序为：水力停留时间(HRT)5h，溶解氧浓度(DO)3mg／L，抽吸时间12min，停止时间6 min。HRT对膜生物反应器的运行效果影响很大，主要反映了膜通量的大小。第一次从理论角度研究了废水浓度对混合液粘度的影响，并得到了混合液的粘性与各操作条件的总关系式。本实验条件下得到膜生物反应器最佳排泥时间为36d，反应器内最大活性污泥浓度可达到12.0151g／L，并根据生物反应器中活性污泥增长量公式得到理论说明。 通过连续运行试验，较为详细的研究了膜的污染情况。曝气产生反应器内污水循环和增氧，曝气量愈大水循环流量愈大，并且随主腔水深增大，水循环流量增大，在主腔污水上升过程中流速随气泡的体积增大、浮力增大而增大；副腔尽量减小流速可增加主腔的曝气浮力。通过消除膜外污染的临界流速理论研究得出：运行时膜污染的临界流速，和反冲洗时膜污染的临界流速。在污染物颗粒粒径一定的情况下，膜面不淤积临界流速减小的方法为减小膜管的抽吸压力，减小主腔的宽度。减小副腔内的流速，合理控制膜管内的压力可极大的减少膜外污染或消除膜污染。增加污染物颗粒粒径，减少凝胶层与膜管壁的吸引力，是解决膜污染的途径。膜管内层流时，膜管内径愈大，膜管内污染物颗粒粒径愈小，管内不污染的临界流速愈小。紊流时膜管内径愈小，管内污染物颗粒愈大，管内不污染的临界流速愈小。清洗时，膜管内为层流时需解决污染物颗粒粒径减小，紊流时需解决污染物颗粒粒径增大， 西安理工大学博士学位论文 才可使膜管内不污染的临界流速减小。同时不论层流或紊流皆需减小膜与污染物间 的粘结力，即就是污水与膜面材料具有同种电荷性质可有效的减少膜面污染。膜管 的抽吸压力对膜管内存在凝胶层时，对抗污染有利。由于曝气使主腔内的流速随气 泡上升而增大，是水深的函数。膜外污染主要是胶体物质及污泥层在膜外表面沉积 形成的;内部污染主要是以丝状体及葡萄球菌为主体的生物污染，这些丝状体紧紧 的缠绕在一起，塞死透过液运动的通道。膜污染机理主要有四种形式:膜面吸附; 浓差极化;凝胶层的形成;膜孔堵塞。维持膜长期稳定运行的主要控制条件:保持 生物反应器内良好的水力循环条件，维持膜面良好的水力冲刷作用，反应器主、副 腔通道的设计要合理，曝气量要适当;保持操作条件的稳定，操作条件的经常变化 会促进膜的堵塞过程，加速膜污染。由微生物造成的生物污染是本研究膜通透性低 下的主要原因。采用酸洗和碱洗相结合的方法对膜组件进行清洗能有效除去生物污染。 通过长期运行试验，考察了优化条件下膜生物反应器处理生活污水的稳定运行 特征。通过用模糊数学方法对膜过滤过程进行评价，条件间相互比较选择最佳条件 完全可行。整个运行期间，系统对有机物的去除效果稳定，系统COD始终保持在 50mg几以下，其它各项指标均能达到中水回用标准。虽然系统抗冲击负荷能力很 强，但还是避免形成冲击负荷，所以应对系统内的污染物浓度进行控制。第一次从 理论上分析出应控制的系统内最大污染物浓度。本研究提出了一体式MBR各参数 间的设计原则、方法、步骤，最佳运行条件下各动力间的配合选型，并对该工艺的 运行能耗与固定投资作了评价。 通过对反应器内流态进行分析，得到主腔气体的上升流速远大于液体的上升流 速。大量气泡以较高速度穿过中空纤维膜组件，再加上气体挟带的水流对膜表面的冲 刷，避免了凝胶极化层的增厚和堵塞物质的积累。反应器中微生物菌群与普通活性污 泥法中的比较，大致认识了MBR中的微生物菌群。MBR中菌胶团结合紧密，有 较强的氧化和吸附能力，原、后生动物适应性较差。 通过加入弹性填料考察了膜生物反应器处理生活污水性能的变化。投加填料的 MBR在投入稳定运行后膜的通透性随运行时间的延长而缓慢下降，且较投加填料 前明显增大。附着相和悬浮相污泥共存，并以附着生长的微生物为主。这可以有效 的减缓膜过滤阻力的上升和膜的堵塞。 关键词:一体式膜生物反应器，排泥时间，膜污染，膜过滤过程，优化，填料 【关键词】：一体式膜生物反应器 排泥时间 膜污染 膜过滤过程 优化 填料
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：X703
【目录】：

• 前言11-12
• 1 膜生物反应器在污水处理中的发展和应用研究现状12-29
• 1．1 膜生物反应器在污水处理中的发展12-27
• 1．1．1 膜生物反应器概述12-17
• 1．1．2 膜生物反应器的研究和应用现状17-27
• 1．2 本研究的目的及主要内容27-29
• 1．2．1 研究目的27
• 1．2．2 研究内容27-29
• 2 不排泥条件下膜生物反应器长期稳定运行特征29-57
• 2．1 实验装置与实验方法29-30
• 2．1．1 实验装置与处理对象29-30
• 2．1．2 分析项目30
• 2．2 膜生物反应器的运行30-45
• 2．2．1 试验运行过程30-33
• 2．2．2 运行试验结果33-45
• 2．3 废水的水质对膜污染的影响45-50
• 2．3．1 胶体浓度45-48
• 2．3．2 废水浓度对混合液粘度的影响48-50
• 2．4 污泥的性质50-56
• 2．4．1 混合液MLVSS与MLSS的测定50-52
• 2．4．2 最佳排泥时间的理论分析52-56
• 2．5 小结56-57
• 3 膜污染问题的研究57-97
• 3．1 污染规律的理论研究57-74
• 3．1．1 一体式膜生物反应器结构57-58
• 3．1．2 曝气量与错流流速的关系理论研究58-64
• 3．1．3 消除膜面污染的理论研究64-69
• 3．1．4 减少中空纤维膜管内部污染理论研究69-73
• 3．1．5 小结73-74
• 3．2 定性分析实验过程中膜污染的发展情况74-77
• 3．2．1 膜通量及过滤压差的时间变化74-75
• 3．2．2 事故分析75
• 3．2．3 膜污染的发展75-77
• 3．3 污染物的鉴定及污染机理77-86
• 3．3．1 污染物的鉴定77-83
• 3．3．2 膜污染的机理83-86
• 3．4 减缓膜污染的有效措施86-90
• 3．4．1 操作方式的优化86-87
• 3．4．2 曝气作用87
• 3．4．3 错流过滤87-88
• 3．4．4 降低膜面受到的平均压力88-89
• 3．4．5 膜自身特性的改进(膜材料的改性)89-90
• 3．4．6 膜组件结构的优化90
• 3．5 膜的清洗90-93
• 3．5．1 反冲洗92-93
• 3．5．2 空曝气93
• 3．5．3 化学清洗93
• 3．6 膜的抗污染性(等温吸附曲线)93-95
• 3．7 小结95-97
• 4 优化条件下膜生物反应器稳定运行情况97-131
• 4．1 膜过滤过程的优化97-103
• 4．1．1 建立膜过滤过程的模糊综合确定体系97
• 4．1．2 膜过滤过程的因素集97-100
• 4．1．3 膜过滤过程评价、条件选择实例操作100-101
• 4．1．4 上述计算结果与实际运行的比较101-103
• 4．1．5 小结103
• 4．2 优化条件下的运行情况103-108
• 4．2．1 对污染物的去除情况104-107
• 4．2．2 系统的抗冲击负荷能力107-108
• 4．3 污染物限制浓度分析108-115
• 4．3．1 污染颗粒悬浮速度ω108-109
• 4．3．2 悬浮污染颗粒被中空纤维膜管吸附速度ω_1109-110
• 4．3．3 中空纤维膜管表面污染颗粒的临界起动流速110-111
• 4．3．4 悬浮污染颗粒沿横向分布111-113
• 4．3．5 反应器内污染物浓度限制113-115
• 4．4 膜生物反应器的模拟设计115-121
• 4．4．1 基本设计控制步骤116-117
• 4．4．2 各参数间相互控制关系117-118
• 4．4．3 放大设计基本原则118-119
• 4．4．4 设计方法119
• 4．4．5 放大设计实例119-121
• 4．5 膜生物反应器的经济分析121-130
• 4．5．1 能量消耗121
• 4．5．2 MBR的最佳曝气水深及气泡大小的理论分析121-127
• 4．5．3 MBR工艺的经济评价127-128
• 4．5．4 MBR工艺与传统中水处理工艺的经济比较128-130
• 4．6 小结130-131
• 5 反应器内的流态与微生物菌群分析131-139
• 5．1 反应器内的流态分析131-133
• 5．1．1 试验过程与结果131
• 5．1．2 试验结果分析讨论131-133
• 5．2 反应器内微生物菌群与传统活性污泥法的不同133-138
• 5．3 小结138-139
• 6 加入弹性填料后膜生物反应器的性能变化139-145
• 6．1 试验方法139-140
• 6．2 试验过程140
• 6．3 试验结果140-143
• 6．3．1 对污染物去除的影响140-141
• 6．3．2 对膜通透性的改善141-143
• 6．4 污泥浓度的变化143-144
• 6．5 小结144-145
• 7 结论与建议145-149
• 7．1 结论145-148
• 7．2 建议148-149
• 致谢149-150
• 参考文献150-160
• 附录160-168

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