膜生物反應(yīng)器是將膜分離技術(shù)和生物處理技術(shù)直接相結(jié)合，幾乎能將所有的微生物截留在生物反應(yīng)器中，這使反應(yīng)器中的生物污泥濃度極高，理論上污泥泥齡可以無限長，使出水的有機(jī)污染物含量降到最低，極有效地去除氨氮，對難降解的工業(yè)廢水也非常有效。膜過濾作用使出水清澈透明，無懸浮物，可直接回用。尤其是將中空纖維膜直接淹沒在生物反應(yīng)器水下而構(gòu)成的淹沒式中空膜生物床，能耗較低、體積較小、構(gòu)造簡單、運(yùn)行方便。一體化的中空膜生物床可取代混凝、沉淀、過濾、吸附、消毒等多項(xiàng)處理工藝，同樣獲得高質(zhì)量出水水質(zhì)，因此它的研究更受重視。
膜生物反應(yīng)器的開發(fā)除了涉及生物處理理論和膜過濾理論問題外，真正能開發(fā)成產(chǎn)品的關(guān)鍵 是如何克服膜的污染和堵塞，使膜能長時間維持較大的通量，即在保持正常通量的情況下，盡量能延長膜的壽命；同時要降低曝氣量，以減少工藝的電力消耗［1］。
本研究擬檢驗(yàn)國產(chǎn)膜的可應(yīng)用性，同時省去傳統(tǒng)的出水抽吸泵［2］，采用位差驅(qū)動出水，省去復(fù)雜的氣或水反沖洗設(shè)備，低水頭間斷工作，盡量降低曝氣量和動力消耗，以使開發(fā)的設(shè)備盡快投入實(shí)際應(yīng)用。
1 試驗(yàn)方法和材料
1.1 中試設(shè)備
設(shè)備如圖1所示。反應(yīng)器為聚氯乙烯塑料制造，矩形截面柱體(截面積為0.3m2)，有效水深H=3.6～3.9 m，有效容積V=1.08～1.17m3(浮球閥液位控制器控制反應(yīng)器的最高和最低水位，高低水位差為0.3m)，反應(yīng)器內(nèi)置6只中空纖維膜膜組件。膜出水靠水位差驅(qū)動，集水管統(tǒng)一收集出水，出水流量由流量計(jì)調(diào)節(jié)控制。?
1.2 中空纖維膜組件和裝置的運(yùn)行 ?
試驗(yàn)中采用的中空纖維膜組件及其特性如表1所示。
表1 試驗(yàn)中采用的中空纖維膜組件
| 膜材質(zhì) |
膜孔直徑（μm) |
組件表面積（m2） |
制造商 |
| 聚偏氟乙烯（PVDF） |
0.22 |
2.0 |
天津紡織工學(xué)院 |
中空膜生物床處理
生活污水試驗(yàn)在1998年6月至1998年11月期間共采集數(shù)據(jù)約150d。設(shè)計(jì)出水流量200 L/h，采用間歇運(yùn)行方式，運(yùn)行期間無反洗，無人工及化學(xué)藥劑清洗。原水采用人工配制模擬
生活污水(見表2)。
表2 人工配水的組成 mg/L
| 成分 |
C |
CO（NH3） |
KH2PO4 |
CaCl2 |
MgCl2 |
CuSO4 |
| 濃度 |
300 |
22.5 |
7.32 |
0.8 |
1.0 |
0.002 |
試驗(yàn)裝置運(yùn)行的其他條件：?
① 曝氣紊流：運(yùn)行出水期間曝氣氣水比35∶1。
② 低壓出水：出水流量采用閥門、流量計(jì)控制恒定，人為降低了出水水頭。
③ 間歇運(yùn)行：7min出水，3min停止出水空曝。
1.3 水質(zhì)分析方法 COD分析采用重鉻酸鉀法，氨氮分析采用納氏試劑比色法，溶解氧分析采用JPB-607便攜式溶解氧分析儀，pH值分析采用PHS-2C精密級酸度計(jì)，濁度分析采用GDS-3B光電
濁度計(jì)，細(xì)菌分析采用平板計(jì)數(shù)法。
2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 中空纖維膜的透水特性
為了解國產(chǎn)膜的透水特性，用清水研究了出水水位差與膜出水量間的關(guān)系。在清水試驗(yàn)中，出水水位差與膜通量間呈直線關(guān)系，直線的斜率稱為膜的比通量，即單位水位差、單位面積、單位時間的出水量。國產(chǎn)膜與國外膜的比通量比較見表3。從表中可見，該膜比通量較大，但機(jī)械強(qiáng)度較低，易于折斷。
表3 不同來源膜組件的清水試驗(yàn)
| 膜來源 |
國產(chǎn)聚偏氟乙烯膜 |
加拿大膜 |
日本膜 |
| 膜比通量[L/（h.m2.m）] |
27.28 |
15.36 |
12.79 |
2.2 COD的降解和反應(yīng)器中的MLSS變化
運(yùn)行期間進(jìn)水COD的平均值為366.4 mg/L，最大值為780.9 mg/L，最小值為228.0 mg/L。出水COD的平均值為13.1mg/L，最大值為25.2mg/L，最小值為4.4mg/L，COD的平均去除率為96.0%；沖擊負(fù)荷對出水COD去除沒有影響，這說明系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。
從運(yùn)行結(jié)果看，國產(chǎn)膜分離性能良好，運(yùn)行過程中無剩余污泥排放，MLSS變化如圖3所示。
2.3 出水細(xì)菌總數(shù)?
平板記數(shù)法檢測出水細(xì)菌總數(shù)共三次(前期、中期、后期)，細(xì)菌總數(shù)均＜10個/mL，見表4.試驗(yàn)結(jié)果表明，采用膜生物反應(yīng)器后，出水不需消毒，可直接回用。
表4 不同運(yùn)行時間的細(xì)菌分析結(jié)果
| 運(yùn)行時間（d） |
2 |
51 |
106 |
| 出水細(xì)菌總數(shù)（個/mL) |
8 |
0 |
3 |
2.4 出水濁度
出水濁度的分布如表5所示。95%的出水濁度＜1.0NTU。試驗(yàn)中濁度＞1.0NTU的情況都與裝置調(diào)整有關(guān)：重新啟動真空系統(tǒng)或調(diào)整浮球閥等。
表5 出水濁度分布
| 濁度范圍（NTU） |
0 |
0-1 |
1-2 |
＞2 |
| 頻率（%） |
69 |
26 |
2 |
3 |
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2.5 膜通量變化與COD沖擊負(fù)荷
在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，采用出水控制閥控制出水流量衡定，此時出水流量為200 L/h,折合膜 通量16.7 L/(m2·h)。在出水控制閥全開的情況下，出水流量可以達(dá)到350L/h，折合膜通量29.2L/(m2·h)。考慮到工作水頭，國產(chǎn)膜的性質(zhì)與加拿大Zenon膜類似，而劣于日本Kubota板式膜［3］。研究COD沖擊負(fù)荷時，短時間全開閥門，以觀察最大流量的變化，從而了解膜阻力的變化，如圖4所示。?
在正常負(fù)荷條件下，最大出水量非常緩慢地下降。從裝置開始運(yùn)行到第83 d，每天平均降低幅度約為0.6 L/d；而當(dāng)沖擊負(fù)荷出現(xiàn)后，最大出水量呈現(xiàn)下降趨勢，大約2d之后，出現(xiàn)大幅度下降，每天平均降低幅度高達(dá)7 L/d；當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷正常之后，最大出水量逐步回升。圖5中給出沖擊負(fù)荷出現(xiàn)之后反應(yīng)器內(nèi)MLSS的變化情況。
反應(yīng)器內(nèi)MLSS的變化規(guī)律與最大出水量的降低有類似之處，2d之后開始大幅度增加。當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷正常之后，MLSS又恢復(fù)正常值。?
關(guān)于膜通量降低的原因可分析如下：COD沖擊負(fù)荷使反應(yīng)器內(nèi)活性污泥濃度迅速增加，微生物進(jìn)入生命活動旺盛的對數(shù)增長期，細(xì)胞繁殖速度加快，MLSS迅速增大說明了這一點(diǎn)。污泥濃度的提高增加了混合液的粘度，從而使液—固分離困難；同時處于對數(shù)增長期的污泥活性 高、有大量細(xì)胞外聚合物存在［4］，增加了膜過濾阻力，也是膜最大出水量降低的原因。
2.6 氨氮的去除
在膜生物反應(yīng)器中，由于污泥泥齡長，而且溶解氧充足，有利于硝化菌生長，因此氨氮去除良好。試驗(yàn)期間內(nèi)，進(jìn)水氨氮濃度為10～20mg/L，其平均值為16mg/L，出水氨氮濃度＜1mg/L，氨氮去除率在97%以上。
3 膜生物反應(yīng)器的經(jīng)濟(jì)分析
膜生物反應(yīng)器技術(shù)具有出水水質(zhì)良好、運(yùn)行管理簡單、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，是污水回用的適用技術(shù)。本研究對一個規(guī)模為806m3/d居住區(qū)污水回用工程分別采用厭氧→好氧→絮凝→沉淀→過濾→消毒工藝（以下簡稱工藝1）和中空膜生物床工藝（以下簡稱工藝2）進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，同時進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析和比較。經(jīng)濟(jì)分析和比較依照有關(guān)手冊進(jìn)行[5]。就出水水質(zhì)而言，工藝2出水的濁度、SS、COD和NH3-N優(yōu)于工藝1，但是出水中的NO3--N會劣于工藝1。經(jīng)濟(jì)分析比較的主要結(jié)論見表6。
表6 兩種污水處理工藝的經(jīng)濟(jì)比較
| 比較項(xiàng)目 |
工藝1 |
工藝2 |
| 主要構(gòu)筑物的基建投資（萬元） |
110.68 |
39.72 |
| 主要設(shè)備、材料的基建投資（萬元） |
76.60 |
7.30 |
| 總基建投資（萬元） |
187.28 |
47.02 |
| 單位處理水量的基建投資[元/（m3.d)] |
2325 |
583 |
| 單位處理水量的電力消耗（kW.h/m3) |
0.631 |
0.988 |
| 單位處理水量的運(yùn)行費(fèi)用（元/m3） |
1.08 |
1.50 |
| 注 *膜的費(fèi)用計(jì)入運(yùn)行費(fèi)用 。 |
根據(jù)以上分析可以看出，工藝1的總基建投資是工藝2的2.78倍。由于目前國產(chǎn)膜組件的成本較高且工作壽命較低，更換膜組件的費(fèi)用占了運(yùn)行費(fèi)用的約50%，如果膜組件的費(fèi)用可以減低20%，工藝2的運(yùn)行費(fèi)用與工藝1的基本持平。由于工藝2的基建費(fèi)用低，它的
企業(yè)內(nèi)部收益率高于工藝1。
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