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水處理膜生物反應器原理與應用(簡體書)
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《水處理膜生物反應器原理與應用》膜生物反應器(MBR)技術,由於具有出水水質優良穩定、裝置占地面積小、剩餘污泥產量低等優點,被譽為21世紀最有發展前途的水處理新技術。《水處理膜生物反應器原理與應用》主要介紹水處理MBR的技術原理與應用。首先介紹MBR的基礎知識,包括MBR的技術特徵,膜污染概念、特徵、分類及其控制策略以及MBR的設計與運行要點。然後介紹MBR的膜組件以及處理城市污水、微量有機污染物、工業廢水、受污染水源水以及高濃度污水污泥的特性。最後介紹MBR的工程應用案例。
黃霞,清華大學環境學院教授、環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室主任,長江學者獎勵計劃特聘教授,國家傑出青年科學基金獲得者,國務院政府特殊津貼專家,國際水協會高級會士(IWAfellow),IWA膜技術專業委員會委員,國際雜誌FrontiersofEnvironmentalScience&Engineering執行副主編。主要從事膜法水處理技術、生物電化學水處理技術、污水資源化等方面的研究工作。在國內外學術期刊上發表論文200多篇,其中SCI收錄100多篇,授權國家發明專利24項。曾獲國家科學技術進步獎二等獎2次,高等學校科學技術進步獎等省部級一等獎5次,國際期刊EnvironmentalScience&Technology2009年度十佳論文獎和2011年度最佳審稿人獎。
文湘華,清華大學環境學院教授。主要研究領域為環境生物技術和水污染理論及控制技術。近年來的研究主要集中於可持續汙水處理工藝、新型生物反應器如膜生物反應器、高效微生物和微生物群落特徵等。承擔與參加過多項國家自然科學基金項目、國家科技攻關項目、“863”項目、中國工程院諮詢項目。發表論文百餘篇,其中SCI收錄70余篇,主編或合作編著專著或教材4本、譯著2本。曾獲國家科學技術進步獎二等獎、中國科學院自然科學獎一等獎、高等學校科學技術進步獎和自然科學獎一等獎、北京市科學技術進步獎一等獎、美國ISI經典引文獎等獎勵。
《水處理膜生物反應器原理與應用》編輯推薦:膜生物反應器(MBR)技術被譽為21世紀最有發展前途的水處理新技術,在全球范圍內受到廣泛關注。作者及其研究團隊在錢易院士的率先倡導下,自20世紀末以來一直致力于膜生物反應器在水處理中的原理與應用研究,主要針對MBR的構型及膜組件、新型MBR工藝及其處理各類污水的特性、膜污染機理與控制技術、工程應用等開展了系統研究。《水處理膜生物反應器原理與應用》即為作者及其研究團隊十多年來部分研究成果的總結。主要介紹MBR基礎知識、系統總結了MBR的膜污染概念、特征、分類及其控制策略以及MBR的設計與運行要點;MBR的膜組件,以及處理城市污水、微量有機污染物、工業廢水、受污染水源水以及高濃度污水污泥的特性;以作者及其研究團隊的研究成果為技術支持的MBR工程應用案例。《水處理膜生物反應器原理與應用》可供水處理領域科研人員、工程技術人員以及高等院校環境工程專業本科生、研究生參考。
叢書序
前言
第1章基礎知識
1.1膜分離概述
1.1.1膜與膜分離過程
1.1.2膜分離特點
1.1.3膜工藝過程的基本參數與運行模式
1.2生物處理概述
1.2.1好氧生物處理原理
1.2.2厭氧生物處理原理
1.2.3生物脫氮原理
1.2.4生物除磷原理
1.2.5生物處理主要工藝參數
1.3膜生物反應器簡介
1.3.1膜生物反應器的構成與分類
1.3.2膜生物反應器的基本特點
1.3.3膜生物反應器的研究與應用發展概要
1.3.4膜生物反應器的膜組件
1.4膜生物反應器的膜污染
1.4.1膜污染的概念
1.4.2膜污染的特徵
1.4.3膜污染的分類
1.4.4膜污染的影響因素
1.4.5膜污染綜合控制策略
1.5膜生物反應器的設計與運行要點
1.5.1預處理
1.5.2生物處理工藝的選擇
1.5.3生物動力學參數與工藝參數
1.5.4基本工藝計算
1.5.5膜污染清洗
1.5.6混合液調控

第2章膜生物反應器的膜組件
2.1氣沖柱式中空纖維膜組件
2.1.1膜組件構型
2.1.2膜組件臨界通量
2.1.3不同通量下的膜污染發展特性
2.2過濾/曝氣雙功能膜組件
2.2.1膜組件與工藝特徵
2.2.2微孔管曝氣的充氧性能
2.2.3微孔管的清水過濾性能
2.2.4微孔管曝氣對膜污染的清洗效果
2.2.5過濾/曝氣雙功能型MBR處理生活污水
2.2.6過濾/曝氣雙功能膜組件的膜污染
2.3動態膜組件
2.3.1微網基材的選擇
2.3.2動態膜過濾週期及其影響因素
2.3.3動態膜功能分析
2.3.4動態膜生物反應器處理城市污水的中試

第3章膜生物反應器處理城市污水的特性
3.1膜生物反應器與傳統活性污泥法的比較
3.1.1工藝特徵
3.1.2污染物去除效果
3.1.3出水組成分析
3.1.4溶解性微生物產物的時間變化
3.2工藝參數對膜生物反應器性能的影響
3.2.1工藝特徵
3.2.2工藝參數對污染物去除效果的影響
3.2.3進水容積負荷對污染物去除效率的影響
3.2.4污泥齡對MBR活性污泥性質的影響
3.2.5MBR微生物增殖特徵與反應動力學
3.3不排泥條件下膜生物反應器的長期運行特性
3.3.1去除有機物的穩定性
3.3.2污泥增殖特性
3.3.3溶解性微生物代謝產物的長期變化
3.4膜生物反應器強化除磷
3.4.1污泥齡對膜生物反應器生物除磷的影響
3.4.2胞外多聚物對膜生物反應器生物除磷的影響
3.4.3膜組件對磷的截留特性
3.4.4溶解性微生物產物對膜生物反應器生物除磷的影響
3.5膜生物反應器去除腸道病毒
3.5.1城市污水中噬菌體的濃度與衰減
3.5.2活性污泥中噬菌體的衰減
3.5.3膜生物反應器中活性污泥對噬菌體的去除特性
3.5.4膜生物反應器中膜組件對噬菌體的截留效果

第4章膜生物反應器去除微量有機污染物
4.1目標微量有機污染物的選取
4.2MBR和SBR去除典型內分泌干擾物的對比
4.2.1工藝特徵
4.2.2內分泌干擾物去除效果的對比
4.2.3內分泌干擾性去除效果的對比
4.2.4內分泌干擾物去除途徑的對比
4.3污泥齡對MBR去除典型內分泌干擾物的影響
4.3.1工藝特徵
4.3.2污泥齡對典型內分泌干擾物去除效果的影響
4.3.3污泥齡對內分泌干擾活性去除效果的影響
4.3.4污泥齡對典型內分泌干擾物去除途徑的影響
4.4A2/O-MBR工藝對微量有機污染物的去除特性
4.4.1工藝特徵
4.4.2目標微量有機污染物的去除效果
4.4.3目標微量有機污染物的遷移行為
4.4.4各單元污泥對微量有機污染物的吸附與降解特性
4.5MBR中膜及凝膠層對微量有機污染物的吸附特性
4.5.1試驗方法
4.5.2微濾膜對4種EDCs的吸附效果
4.5.3膜上凝膠層對目標物的吸附特性
4.6納濾與MBR組合工藝對內分泌干擾物的去除特性
4.6.1工藝特徵
4.6.2BPA和NPnEO的去除效果
4.6.3雌激素類EDCs的去除效果
4.6.4EDCs去除效果的比較
4.6.5雌激素活性的去除效果
4.6.6常規污染物的去除效果
4.6.7污染物在納濾與MBR組合系統中的遷移行為

第5章膜生物反應器處理工業廢水的特性
5.1膜生物反應器處理焦化廢水
5.1.1焦化廢水的特性
5.1.2A1/A2/O-MBR處理焦化廢水的性能評價
5.1.3總HRT對污染物去除效果的影響
5.1.4回流比對污染物去除效果的影響
5.1.5與A1/A2/O-CAS長期對比研究
5.2基因工程菌生物強化膜生物反應器處理含阿特拉津廢水
5.2.1基因工程菌生物強化MBR系統
5.2.2基因工程菌生物強化MBR對阿特拉津的去除
5.2.3基因工程菌生物強化MBR長期運行中阿特拉津的去除效果
5.2.4基因工程菌生物強化MBR長期運行中COD和氨氮的去除情況
5.2.5阿特拉津生物強化處理對污泥活性的影響
5.2.6MBR和CAS生物強化去除阿特拉津的比較
5.2.7基因工程菌在MBR中的生態行為
5.3膜生物反應器處理印染廢水
5.3.1廢水概況與現有處理工藝
5.3.2中試工藝與運行條件
5.3.3系統運行情況

第6章膜生物反應器處理受污染水源水的特性
6.1幾種膜生物反應器處理微污染水源水的效果
6.1.1工藝系統與原水水質
6.1.2懸浮生長型MBR的工藝特性
6.1.3附著生長型MBR的效果
6.2幾種膜生物反應器中微生物的特徵
6.2.1懸浮生長型MBR微生物相
6.2.2塊狀填料-MBR微生物相
6.2.3PAC-MBR微生物相
6.3BAF-UF組合工藝去除致嗅物質的特性
6.3.1BAF-UF組合工藝特徵
6.3.2BAF-UF組合工藝運行條件優化
6.3.3BAF中生物量與細菌群落結構分析
6.3.4水質的三維熒光分析
6.3.5BAF-UF組合工藝運行效果的綜合比較

第7章厭氧膜生物反應器處理高濃度污水污泥的特性
7.1厭氧膜生物反應器的特點
7.1.1厭氧膜生物反應器的結構特點
7.1.2厭氧膜生物反應器的運行特點
7.1.3厭氧膜生物反應器的應用前景
7.2工藝系統與研究方案
7.2.1試驗裝置
7.2.2處理污泥來源與特點
7.2.3接種污泥
7.2.4裝置啟動及運行
7.3不同負荷下US-AnMBR系統和AnMBR系統的污泥消化特性
7.3.1工況1
7.3.2工況2
7.3.3工況3
7.3.4工況4
7.3.5工況5
7.3.6工況6
7.4污泥消化性能的整體分析
7.4.1VS降解率和比產氣率
7.4.2消化污泥的穩定性
7.4.3消化液水質指標的比較
7.5US-AnMBR系統中污泥消化效果的影響因素
7.6超聲對US-AnMBR系統污泥消化性能的影響機理
7.6.1超聲對污泥物化性質的影響
7.6.2超聲對污泥中微生物性質的影響

第8章膜生物反應器的工程應用
8.1處理醫院污水的MBR工程
8.1.1海澱鄉衛生院汙水處理工程
8.1.2四○二醫院汙水處理工程
8.2處理洗浴污水的MBR工程
8.2.1工程背景
8.2.2工程概況
8.2.3工程運行效果
8.2.4小結
8.3小區汙水處理-海澱溫泉MBR污水再生工程
8.3.1工程背景
8.3.2工程概況
8.3.3工程運行效果
8.3.4小結
8.4大規模城市汙水處理廠--密雲縣汙水處理廠MBR污水再生工程
8.4.1工程背景
8.4.2工程概況
8.4.3工程運行效果
8.4.4小結
8.5與生物脫氮除磷工藝耦合的MBR工程--碩放MBR工程
8.5.1工程背景
8.5.2工程概況
8.5.3工程運行效果
8.5.4小結
8.6工業廢水處理--徐州捲煙廠MBR工程
8.6.1工程背景
8.6.2工程概況
8.6.3工程運行效果
8.6.4小結
8.7污染河水淨化--溫榆河水資源利用MBR工程
8.7.1工程背景
8.7.2工程概況
8.7.3工程運行效果
8.7.4小結
8.8國內MBR工程應用情況
參考文獻
第1章 基礎知識
1.1膜分離概述
1.1.1膜與膜分離過程
1.1.1.1膜
廣義的“膜”是指分隔兩相界面的一個具有選擇透過性的屏障,稱其為“薄膜”,簡稱為“膜”。它以特定的形式限制和傳遞各種化學物質,其形態千差萬別,有固態和液態、均相和非均相、對稱和非對稱、帶電和不帶電等之分。一般膜很薄,其厚度可以從幾微米(甚至到0.1μm)到幾毫米。盡管如此,不同形式的膜均具有一個特點,即滲透性或半滲透性。
膜是膜分離過程的核心。根據膜的性質、來源、相態、材料、用途、形狀、分離機理、結構、制備方法等的不同,膜有不同的分類方法:
(1) 按分離機理,主要有反應膜、離子交換膜、滲透膜等;
(2) 按膜的性質,主要有天然膜(生物膜)和合成膜(有機膜和無機膜);
(3) 按膜的結構,有對稱膜、非對稱膜和復合膜;
(4) 按膜的形狀,有平板膜、管式膜和中空纖維膜。
1.1.1.2膜分離過程
膜分離是指以具有選擇透過功能的薄膜為分離介質,通過在膜兩側施加一種或多種推動力,使原料中的某些組分選擇性地優先透過膜,從而達到混合物分離和產物提取、純化、濃縮等的目的。它與傳統過濾的不同在于,膜可以在分子范圍內進行分離,并且這一過程是一種物理過程,不需發生相的變化和添加助劑。原料中的溶質透過膜的現象一般叫做滲析;溶劑透過膜的現象叫做滲透。
膜分離過程有多種,不同的分離過程所采用的膜及施加的推動力也不同。表1.1列出了幾種工業應用膜分離過程的基本特性及適用范圍。
微濾、超濾、納濾與反滲透都是以壓力差為推動力的膜分離過程。當在膜兩側施加一定的壓差時,混合液中的一部分溶劑及小于膜孔徑的組分透過膜,而微粒、大分子、鹽等被截留下來,從而達到分離的目的。這四種膜分離過程的主要區別在于被分離物質的大小和所采用膜的結構和性能不同。微濾的分離范圍為0.05~10μm,壓力差為0.015~0.2MPa;超濾的分離范圍為0.001~0.05μm,壓力差為0.1~1MPa;反滲透常用于截留溶液中的鹽或其他小分子物質,壓力差與溶液中的溶質濃度有關,一般在2~10MPa;納濾介于反滲透和超濾之間,脫鹽率及操作壓力通常比反滲透低,一般用于分離溶液中相對分子質量為幾百至幾千的物質。
表1.1幾種工業化膜分離工程的基本特性及適用范圍(邵剛,2002)
過程簡圖膜類型推動力傳遞機理透過物截留物微濾
(0.05~10μm)均相膜、非對稱膜壓力差
0.015~0.2MPa篩分水、溶劑
溶解物懸浮物微粒、細菌超濾
(0.001~0.05μm)非對稱膜、復合膜壓力差
0.1~1MPa微孔篩分溶劑、離子及小分子生物
大分子反滲透
(0.0001~0.001μm)非對稱膜、復合膜壓力差
2~10MPa優先吸附、毛細孔流動水溶劑、溶質
大分子、離子滲析非對稱膜、離子
交換膜濃度差擴散低相對分子
質量溶質、離子溶劑相對
分子質量>1000電滲析離子
交換膜電位差反離子遷移離子同名離子、水分子膜電解離子
交換膜電位差
電化學反應電解質離子
選擇傳遞、電極反應電解質
離子非電解
質離子滲透氣化均相膜、復合膜、非對稱膜
壓力差溶解擴散蒸氣難滲液體電滲析是指在電場力作用下,溶液中的反離子發生定向遷移并通過膜,以去除溶液中離子的一種膜分離過程。所采用的膜為荷電的離子交換膜。目前電滲析已大規模用于苦咸水脫鹽、純凈水制備等,也可以用于有機酸的分離與純化。膜電解與電滲析的傳遞機理相同,但膜電解存在電極反應,主要用于食鹽電解生產氫氧化鈉及氯氣等。
滲透氣化與蒸氣滲透的基本原理是利用被分離混合物中某些組分有優先選擇性透過膜的特點,使進料側的優先組分透過膜,并在膜下游側氣化去除。滲透氣化和蒸氣滲透過程的區別僅在于進料的相態不同,前者為液相進料,后者為氣相進料。這兩種膜分離技術還處在開發之中。
1.1.2膜分離特點
與傳統分離技術相比,膜分離技術具有以下特點:
(1)在膜分離過程中,不發生相變,能量轉化效率高;
(2)一般不需要投加其他物質,不帶入二次污染物質,不改變分離物質的性質,并節省原材料和化學藥品;
(3)膜分離過程中,分離和濃縮同時進行,可回收有價值的物質;
(4)可在一般溫度下操作,不會破壞對熱敏感和對熱不穩定的物質,并且不消耗熱能;
(5)膜分離法適應性強,操作及維護方便,易于實現自動化控制,運行穩定。
因此,膜分離技術除大規模用于海水淡化、苦咸水淡化、純水生產外,在城市生活飲用水凈化、城市污水處理與利用以及各種工業廢水處理與回收利用等領域也逐步得到推廣和應用。
1.1.3膜工藝過程的基本參數與運行模式
1.1.3.1基本參數
1. 膜通量
膜通量(membrane flux)是指物料(如水)在單位時間通過單位膜面積的量,通常用J表示。國際標準單位為m3/(m2?s)或簡化為m/s,有時也稱為滲透速率或過濾速率。其他非國際標準單位包括L/(m2?h)(或LMH)和m/d。膜通量由膜過程的驅動力和過濾總阻力決定。對于固液分離膜生物反應器(membrane bioreactor, MBR),驅動力即為跨膜壓差(transmembrane pressure, TMP)。一般情況下,MBR的運行通量在10~100LMH。
由于溫度會影響濾過液的黏度,從而會影響膜過濾性。因此,不同溫度下測定的膜通量,可以用式(1.1)校正到同一溫度下的通量:J=J20×1.025(T-20)(1.1)式中,J和J20分別代表溫度為T(℃)和20℃時的通量。
2. 過濾阻力
過濾阻力R(m-1)的定義為R=PμJ(1.2)式中,μ為黏度,Pa?s;P為過濾壓差,即跨膜壓差,Pa;J為膜通量,m3/(m2?s)。
過濾阻力R包括膜阻力Rm、膜表面或膜孔內部的膜污染阻力Rf、膜與溶液界面區域的阻力Rcp。
膜阻力Rm由膜材料本身決定,主要受膜孔徑大小、膜表面孔隙率和膜厚度的影響。膜污染阻力Rf構成與膜污染機理相關,主要包括膜孔堵塞、膜表面凝膠層和泥餅層阻力。膜與溶液界面區域的阻力Rcp與濃差極化相關。
3. 跨膜壓差
跨膜壓差是指施加在膜兩側的過濾壓差,可以通過安裝在膜兩側的壓力傳感器進行測定。以浸沒式MBR為例,跨膜壓差測定的示意圖如圖1.1所示。
圖1.1浸沒式MBR跨膜壓差的測定示意圖
以膜組件中間斷面為例,跨膜壓差可以表示為TMP=P外-P內=Hm-(P表+Hm-Hp+hγw)=Hp-P表-hγw=H-H′p-P表-hγw(1.3)式中,P外、P內分別為膜組件中間斷面處膜外側和內側的壓力,Pa;P表為壓力表表壓,Pa;H為膜池水深,m;Hm為膜組件中間斷面距水面的距離,m;Hp、H′p分別為壓力表距水面和池底的距離,m;h為膜組件到壓力表之間的管路阻力損失,m;γw為濾過液的重度,N/m3。
如果膜組件到壓力表之間的管路阻力損失忽略不計,則式(1.3)可簡化為式(1.4):TMP=H-H′p-P表(1.4)需要注意的是,對于實驗室中常用的小試裝置來說,一般膜面積小導致出水流量小,管路也相對較短且布置簡單,因而管路阻力損失一般可以忽略不計。而對于規模較大的中試或實際工程來說,由于膜面積較大,管路布置相對復雜,因此,管路阻力損失的影響可能不可忽略。為減小這種影響,一方面可采取限制單根出水管所接納的膜組件數量和適當放大出水管管徑的辦法來降低管道中水流流速;另一方面,可采取縮短膜組件至壓力表之間的管路長度和簡化管路布置來降低管路的阻力損失。
1.1.3.2死端與錯流過濾
超濾和微濾的過濾模式主要有兩種:死端過濾和錯流過濾,如圖1.2所示。
圖1.2死端過濾和錯流過濾示意圖
(a) 死端過濾;(b) 錯流過濾
1. 死端過濾
如圖1.2(a)所示,原料液置于膜的上游,溶劑和小于膜孔的溶質在壓力的驅動下透過膜,大于膜孔的顆粒則被膜截留。過濾壓差可通過在原料側加壓或在透過膜側抽真空產生。在這種過濾操作中,隨著操作時間的增長,被截留的顆粒將在膜表面逐漸累積,形成污染層,使過濾阻力增加,在操作壓力不變的情況下,膜通量(膜滲透速率)將下降。因此,死端過濾是間歇式的,必須周期性地停下來清洗膜表面的污染層或更換膜。
死端過濾操作簡便易行,適于實驗室等小規模的場合。固含量低于0.1%的物料通常采用死端過濾;固含量在0.1%~0.5%的料液則需要進行預處理;而對固含量高于0.5%的料液通常采用錯流過濾操作。
2. 錯流過濾
如圖1.2(b)所示,在泵的推動下料液平行于膜面流動,與死端過濾不同的是料液流經膜面時產生的剪切力把膜面上滯留的顆粒帶走,從而使污染層保持在一個較薄的穩定水平。因此,一旦污染層達到穩定,膜通量將在較長一段時間內保持在相對高的水平。近年來錯流操作技術發展很快,在許多領域有替代死端過濾的趨勢。
1.1.3.3恒通量與恒壓力過濾
膜過程有兩種操作方式:一種是恒定膜通量變操作壓力運行;另一種是恒定操作壓力變膜通量運行。當在恒定通量操作模式下運行時,隨著膜過濾過程的進行和膜污染的累積,導致膜過濾阻力增加,表現出操作壓力的升高;當在恒定操作壓力模式下運行時,隨著膜過濾過程的進行和膜污染的累積,表現出膜通量的下降。
1.2生物處理概述
廢水生物處理是利用微生物的生命活動,去除廢水中呈溶解態或膠體狀態的有機污染物或營養物質,從而使廢水得到凈化的一種處理方法。廢水生物處理技術以其消耗少、效率高、成本低、工藝操作管理方便可靠和無二次污染等顯著優點而被廣泛應用。

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