厌氧和好氧MBR处理生活污水的运行效果及膜污染特性比较研究

论文摘要

厌氧MBR作为厌氧生物处理与膜过滤的结合技术,不仅保留了厌氧技术投资少、能耗低、污泥产量低、可产生沼气能源等特点,而且从根本上解决了厌氧微生物流失的问题,实现了SRT和HRT的分离,有效提高了厌氧技术的出水效果。近年来,国内外广泛开展了利用厌氧MBR处理高浓度有机废水的研究,然而涉及低浓度有机废水和膜污染机理的研究却很少,在很大程度上限制了厌氧MBR的发展。本实验分别利用厌氧和好氧MBR对模拟生活污水进行处理,研究比较了不同HRT下,厌氧和好氧MBR的运行效果及膜污染特性,并从污泥特性和微生物代谢产物角度分析了二者膜污染差异的主要原因,提出了厌氧MBR膜污染的动态过程,对厌氧MBR的膜污染控制提出了建议和方法。结果表明,厌氧MBR具有较高的COD去除效果,但受厌氧微生物代谢速度的限制,厌氧MBR的处理效果略低于好氧MBR。当HRT=10h时,出水COD为49mg/L,去除率高达90%,略低于好氧MBR的94%,达到中水回用的基本要求。COD的衡算结果表明,厌氧MBR从整体上提高了厌氧微生物对有机物的降解能力,但产甲烷能力较低,膜对有机物的截留量高于好氧MBR。在脱氮除磷效果方面,厌氧MBR的NH4+-N去除率达到45%,低于好氧MBR的98%,而磷酸盐的去除率却明显高于好氧MBR,达到50%,分析认为厌氧微生物代谢过程对氨氮和磷酸盐的利用、生物脱氮作用以及膜表面磷酸盐的沉积是厌氧MBR实现脱氮除磷的主要原因。实验过程中,厌氧MBR的膜污染速度始终快于好氧MBR。膜阻力分析结果表明,膜表面泥饼层的迅速形成,是导致厌氧MBR迅速膜污染的最主要原因。通过对两套MBR的污泥特性和微生物代谢产物进行比较,发现厌氧MBR中较多的小颗粒污泥不仅促进了泥饼层的迅速形成,而且使其结构更为致密均匀。此外,SMP和EPS中蛋白质与膜污染也有显著的正相对性,它们会不断向膜表面沉积,对泥饼层起到了压实作用,降低了泥饼层的孔隙率,促进了厌氧MBR的膜污染。由本文的研究对厌氧MBR膜污染的动态过程提出如下假设:厌氧MBR启动初期,小颗粒污泥会优先在膜表面沉积,形成致密的泥饼层,进而改变膜表面的疏水性和带电性,促进了污泥颗粒、胶体以及溶解性物质在膜表面的进一步沉积,导致膜阻力迅速增加;随着厌氧污泥黏度的下降,膜表面流体的湍流程度增大,污染物在膜表面的沉积受到抑制,厌氧MBR进入缓慢污染的阶段;颗粒污泥的破碎释放大量EPS,导致上清液SMP不断积累,大量蛋白质类物质沉积到泥饼层的孔隙中,不断压实泥饼层,迅速降低泥饼层的透水性,最终引发严重膜污染。传统的曝气冲刷不仅不利于厌氧MBR膜污染控制,还会降低厌氧微生物代谢活性,并极大提高了运行成本。厌氧MBR的膜污染控制应该从反应器的结构、膜组件的位置以及膜污染的预测和模拟着手,在保证厌氧颗粒污泥活性的基础上实现膜污染的前端控制,充分发挥厌氧MBR高效节能的特点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 膜生物反应器的发展和应用
• 1.3 膜污染
• 1.3.1 膜污染的机理和研究现状
• 1.3.2 膜污染的分类
• 1.3.3 膜污染的影响要素
• 1.4 厌氧膜生物反应器
• 1.4.1 厌氧工艺的简单介绍
• 1.4.2 厌氧工艺面临问题
• 1.4.3 厌氧MBR 的发展和应用
• 1.4.4 厌氧MBR 的机遇和挑战
• 1.5 课题研究的目的和内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究内容
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 实验装置
• 2.1.2 模拟人工污水
• 2.1.3 反应器的启动和运行
• 2.2 检测方法
• 2.2.1 常规指标分析
• 2.2.2 SMP 和EPS 的分析
• 2.2.3 污泥比阻的测定
• 2.2.4 临界通量的测定
• 2.2.5 膜污染的分析和表征
• 第3章 厌氧和好氧MBR 运行效果的比较
• 3.1 处理效果的比较
• 3.1.1 COD 去除效果的比较
• 3.1.2 COD 衡算
• 3.1.3 脱氮除磷效果的比较
• 3.2 膜过滤特性的比较
• 3.2.1 TMP 的变化规律
• 3.2.2 膜通量的变化规律
• 3.2.3 膜阻力分析
• 3.3 膜表面形态的观察和分析
• 3.3.1 泥饼层的结构和形态
• 3.3.2 膜表面粗糙度分析
• 3.3.3 膜面污染物分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 厌氧MBR 膜污染机理的探究
• 4.1 污泥性质对膜污染的影响
• 4.1.1 污泥浓度对膜污染的影响
• 4.1.2 污泥粒径对膜污染的影响
• 4.1.3 污泥黏度对膜污染的影响
• 4.2 微生物代谢产物对膜污染的影响
• 4.2.1 SMP 对膜污染的影响
• 4.2.2 EPS 对膜污染的影响
• 4.3 厌氧MBR 膜污染过程推测和控制建议
• 4.3.1 膜污染动态过程的推测
• 4.3.2 厌氧MBR 膜污染控制的建议
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及其他成果
• 致谢