硕士论文范文——载体曝气生物反应器处理低温生活污水研究

摘 要 - I - 中图分类号： 论文编号： U D C： 密 级： 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 载体曝气生物反应器处理低温生活污水研究载体曝气生物反应器处理低温生活污水研究 作者姓名：作者姓名： 学科名称：学科名称：建筑与土木工程建筑与土木工程 研究方向：研究方向：市政工程市政工程 学习单位：学习单位：河北联合大学河北联合大学 学习时间学习时间: 提交日期提交日期: 申请学位类别：申请学位类别：工程硕士工程硕士 导师导师 姓名：姓名： 单位：单位：河北联合大学河北联合大学 建筑工程学院建筑工程学院 论文评阅人：论文评阅人： 单位：单位：河北联合大学河北联合大学 建筑工程学院建筑工程学院 论文答辩日期：论文答辩日期： 答辩委员会主席：答辩委员会主席： 教授教授 唐山唐山 河北联合大学河北联合大学 年年 月月 河北联合大学硕士学位论文 - II - 摘 要 借鉴于之前对于载体曝气生物反应器系统的研究，文中主要实验验证了在低温 环境下（1016）时 CABR 对人工生活污水的去除效果，重点对比分析低温和 常温两种环境下的反应器的效能，并且实验分析出在低温环境下影响反应器处理效 果的因素。 实验证明，常温下（25左右）CABR 反应器 COD 去除率最小为 84.05%，最 高可达 94.29%；NH4+-N 平均去除率 80.72%，最高达 85.92%；TN 平均去除率达到 77.83%，最高去除率达 81.66%。低温下（1016），COD 去除率最小为 65.57%， 最高可达 85.45%；NH4+-N 平均去除率 76.55%，最高达 83.64%；TN 平均去除率达 到 65.00%，最高去除率达 73.01%。 低温下，当温度由 16降低到 10时，COD，NH4+-N 和 TN 的去除效果开始 下降，在进水浓度趋于稳定的情况下，COD 出水浓度由 40mg/L 提高到 70mg/L，NH4+-N 出水浓度由 6mg/L 上升到 9mg/L，TN 出水浓度由 15mg/L 提高到 25mg/L。当温度降低到 10时，TN 的去除效果显著降低。当温度为 16，水力停 留时间为 8h，10h，14h 时，出水效果随着 HRT 的增加而增加，在 HRT 为 14h 时达 到最好的出水效果，COD 去除率高达 83.20%，NH4+-N 去除率最高为 82.35%，TN 去除率达 74.72%。当温度为 12，水力停留时间为 8h，10h，14h 时，出水效果随 着 HRT 的增加而缓慢增加，受到温度影响较大，在 HRT 为 14h 时达到相对前两种 情况较好的出水效果。 研究结果表明：在保证 CABR 反应器的基本水处理性能的情况下，反应器能在 较低的温度下（12左右）达到处理标准。 关键词：关键词：载体曝气生物反应器；低温；生物脱氮 摘 要 - III - Abstract Based on the former research of Carrier Aerated Bioreactors (CABR), the research methods which included reducing the aeration flow aeration, intermittent aeration, were adopted to test the CABR system on the effect of artificial sewage processing, the focus of comparative analysis of reactor, low temperature and normal temperature two kinds of environment performance, and experimental analysis of factors affecting reactor the treatment effect in the low temperature environment. Experiments show that, at room temperature (25) of CABR reactor, the removal rate of COD for a minimum of 84.05%, the highest was 94.29%; the average NH4+-N removal rate of 80.72%, up to 85.92%; the average removal rate of TN reached 77.83%, the highest removal rate reached 81.66%. Low temperature (1016), the removal rate of COD is the minimum is 65.57%, the highest was 85.45%; the average NH4+-N removal rate of 76.55%, up to 83.64%; the average removal rate of TN reached 65%, the highest removal rate reached 73.01%. Low temperature, when the temperature is reduced from 16 to 10, the removal effect of COD, NH4+-N and TN began to decline, in the influent concentration tends to be stable under the condition of COD, the effluent concentration increased from 40mg/L to 70mg/L, NH4+-N effluent concentration increased from 6mg/L to 9mg/L, TN effluent concentration increased from 15mg/L to 25mg/L.When the temperature is reduced to 10.TN removal efficiency decreased significantly.When the temperature of 16,the hydraulic retention time was 8h,10h,14h,effluent effect increases with the increase of HRT, to achieve the best effect of water in HRT is 14h, the removal rate of COD reached 83.20%, the highest removal rate of NH4+-N is 82.35%, the removal rate of TN is 74.72%. When the temperature of 12, the hydraulic retention time was 8h, 10h, 14h, effluent effect with the increase of HRT increased slowly. The research results show that: in the guarantee of basic water treatment performance of CABR reactor under the condition that the reactor at low temperature (12) to achieve the processing standards. Keywords: carrier aerated bioreactors, Low-Temperature, Biological nitrogen removal 河北联合大学硕士学位论文 - IV - 目 次 引 言1 第 1 章 绪论2 1.1 低温对处理生活污水的影响.2 1.1.1 低温下微生物的生长受到抑制2 1.1.2 低温下微生物的酶促反应速度下降2 1.1.3 低温下活性微生物的数量降低3 1.1.4 低温下水中氧的传递效率降低3 1.2 生活污水脱氮工艺研究.3 1.2.1 A/O 和 A2/O 工艺.3 1.2.2 SBR 工艺4 1.2.3 短程硝化反硝化4 1.2.4 同步硝化反硝化技术4 1.2.5 生物固定化脱氮技术4 1.3 膜曝气生物反应器（MABR）.5 1.3.1 MABR 的基本原理5 1.3.2 MABR 的特点6 1.3.3 MABR 的研究现状7 1.3.4 现存的限制 MABR 发展的因素8 1.4 载体曝气生物反应器9 1.4.1 CABR 的理论基础.9 1.4.2 CABR 的特点.10 1.4.3 CABR 的研究前景.10 第 2 章 实验目的内容及分析方法12 2.1 试验研究内容方案.12 2.1.1 研究目的及研究内容12 2.1.2 研究技术路线及方案12 2.2 试验装置13 2.2.1 实验所需材料及设备13 目 次 - V - 2.2.2 实验仪器各部件工作原理13 2.3 试验流程14 2.4 污水水质14 2.4.1 生活污水水质14 2.4.2 试验进水水质14 2.5 分析方法15 2.5.1 数据测试所需其他试验仪器15 2.5.2 试验测试项目及方法15 第 3 章 CABR 处理生活污水的初期性能测试17 3.1 载体组件的制作及测试17 3.2 生物膜的培养18 3.2.1 运行初期 COD 的处理效果 19 3.2.2 运行初期氨氮的去除效果.20 3.3 实验初期阶段小结20 第 4 章 CABR 处理生活污水的效能研究22 4.1 COD 的去除效果 .22 4.2 氨氮（NH4+-N）的去除效果.23 4.3 总氮（TN）的去除效果 25 4.4 本章小结27 第 5 章 CABR 低温下处理生活污水影响因素研究28 5.1 降低水温对 CABR 的影响.28 5.1.1 降低水温对 COD 的影响 .28 5.1.2 降低水温对氨氮的影响29 5.1.3 降低水温对 TN 的影响.30 5.2 水力停留时间对 CABR 处理低温污水的影响.31 5.2.1 不同水力停留时间对 COD 的影响 .31 5.2.2 不同水力停留时间对氨氮的影响32 5.2.2 不同水力停留时间对 TN 的影响.34 5.3 CABR 与其他常规工艺处理低温生活污水的比较.35 河北联合大学硕士学位论文 - VI - 5.4 本章小结36 结 论38 参考文献39 致 谢42 导师简介43 作者简介44 引 言 - 1 - 引 言 传统污水处理工艺比较适合在常温下，20左右，能达到较好的处理效果，当 温度降低时，出水水质变差。对于北方来说，冬季较南方温度更低，所以出水水质 较差。曝气池内的生物受温度的影响，当冬季水温降低到 612时，生物活性降低， 污水处理能力下降。生活污水脱氮处理主要依靠硝化细菌和反硝化细菌，细菌活性 下降，硝化能力下降。污水处理的硝化速率在 15时急速下降，硝化作用停止一般 在 5左右时，下降的硝化效果，使得氨氮的去除率难以符合国家排放标准。污水 处理问题在当今社会越来越得到重视。进入冬季后，污水处理厂步通常需要经过很 长一段时间的调整，才能保证氨氮能出水效果。在这调整时间内，氨氮过多的排放， 水中 N，P 浓度升高，容易造成水体的富营养化，例如水葫芦的恶性繁衍，加剧与 生态环境的恶化。 生物反应器中的氮需要经过氨化反应、硝化反应和反硝化反应，微生物在这一 系列过程中起到非常重要的作用，然而，微生物生存的条件多种多样，不同的微生 物需要的生存条件也不一样，但是最主要的还是温度。从微生物的数量来看，当温 度降低时，反应器中的微生物减少，导致整体的处理效果降低，从生物特性来看， 当温度降低时微生物内部生理特征也会有所改变，对于微生物来说吸收营养物质的 速率变慢，数量相对减少，蛋白质的合成率减缓，生命代谢活动降低，最终将影响 整个污水处理系统，导致生物反应器处理效果降低。城市生活污水脱氮处理，主要 是通过硝化和反硝化作用，作用效果和速率会受到温度的影响，生物脱氮在 1530下处理效果较好，当温度下降到 10一下，硝化会受到很大程度的限制。 温度同时也是影响反硝化细菌增殖速度和性的重要因素。 有研究表明：温度在 13时，生物作用开始降低，处理效果有明显的下降。 整个污水处理系统处理污水的效率降低一半，当水温低于 4时处理体统没有明显 的处理效果，在这样的低温下，还会出现污泥膨胀等不利于水处理的现象。因此， 传统的污水处理方式在低温下已经难以适应更高的水质要求，我们需要寻找更多处 理低温污水的方法，以满足新的水质需求。 河北联合大学硕士学位论文 - 2 - 第 1 章 绪论 1.1 低温对处理生活污水的影响 我国现阶段处理生活污水的主要方法为生物法。水中污染物主要依靠微生物的 生理代谢活动进行处理，影响微生物的因素有温度，PH，碳源，氮源等，其中温度 是最主要的影响因素，温度的变化，影响着微生物的活性1。在酶促发生反应的温 度区间里，温度降低 10，微生物的活性将降低为原来的两倍，所以低温会抑制微 生物的生长。 1.1.1 低温下微生物的生长受到抑制 微生物生长需要体内的酶系统的来进行催化作用，使得物质在生物酶的作用下 进行转化进而释放能量，这是一个复杂的生理生化反应2。酶的主要是由生物活性 蛋白质组成，与无机的催化剂相比，是依靠蛋白质的高效结合来发生反应3。鉴于 蛋白质拥有这样的反应原理，温度很大程度影响催化效果，每一种酶都有自己适合 的活性催化温度，无论是过高于还是过低于这个范围，酶的活性会受到影响，在高 温环境下酶会失去活性，在低温的环境下酶的活性受到抑制4。 1.1.2 低温下微生物的酶促反应速度下降 有研究表明，微生物在能够保持活性的范围内，酶促反应速率和温度有关， 当温度过低时酶的活性受到严重的抑制5。去除污水中的氮一般使用生物法，生物 脱氮每一步都依靠酶促反应的进行。脱氮反应是将水中的有机态氮，通过各种酶发 生反应转化为 N2 从水中分离出去。其中发生 4 步化学反应，第一步是氨化反应， 需要依靠氨单加氧酶(AMO)，羟胺氧还酶(HAO)，第二步是氨氧化反应需要依靠亚 硝酸盐氧还酶(NOR)、硝酸盐还原酶(NaR)，第三步是硝化反应需要依靠亚硝酸盐还 原酶(NiR)。从微观的生化反应角度来看，低温对于相关酶促反应有较大影响，因为 生物体内的氮的转化过程经历了十分复杂的酶促反应6。氨化细菌之所以对温度较 其他异样微生物更为敏感，是因为脱氮过程中的氨氧化反应阶段是自养菌反应，这 一现象使其成为污水脱氮及环境氮素循环的关键环节，被认为是整个硝化-反硝化过 程中的限速步骤7 第 1 章 绪论 - 3 - 1.1.3 低温下活性微生物的数量降低 温度是影响微生物生长发育的一个重要因素，温度的降低会使细菌的繁衍速度 变慢1。微生物的生长温度是有范围的，当温度降到最低温度以下时，细菌的新陈 代谢活动被抑制，最终进入休眠阶段。虽然活性污泥中不同的细菌对温度的变化反 应不同，但大多数细菌在低温情况下都会失去活性。 1.1.4 低温下水中氧的传递效率降低 温度降低导致细胞膜渗透率和流动性的降低，硝化反应需要在好氧的条件下进 行，由于低温度对细胞膜的影响，硝化反应的速度会降低，这是因为水中溶解氧进 入微生物体内的传输效率降低9。水中的溶解氧在低温的环境下含量提高，反硝化 反应是在缺氧状态下进行的，因为反硝化菌为异养型微生物，大部分是厌氧微生物， 硝酸盐氮的还原酶的活性随着溶解氧浓度的升高而降低10，反硝化菌的反硝化速率 被抑制，并且在低温下，微生物分解有机物的速率减低，从而减少了反硝化过程中 所需可生物降解碳源数量，进而降低反硝化速率6。 1.2 生活污水脱氮工艺研究 污水中的主要通过生物脱氮，亚硝化细菌将水中的氨氮氧化成为亚硝酸氮，硝 化细菌通过硝化作用将亚硝酸氮转化为硝酸氮。反硝化细菌将硝酸盐氮和亚硝酸盐 氮还原为氮气。 1.2.1 A/O 和 A2/O 工艺 A/O 是缺氧/好氧的的缩写，是较经典脱氮的工艺，它的第一阶段在缺氧的环境 下进行，反硝化作用时直接将污水中的有机物作为碳源，污水在缺氧段将淀粉、纤 维、碳水化合物和其他悬浮污染物和可溶性有机物水解为有机酸，当进入好氧阶段， 可以提高废水生物的效率性，在足够的氧气的条件下，硝化作用将氨氮氧化为硝酸 盐氮，通过回流返回到缺氧反应池中，在低氧的情况下，进行反硝化作用，释放出 氮气，实现生活污水的脱氮处理。 A/O 工艺虽然能够脱氮，但是效率不高，若要提高效率，必须加大内循环比。 内循环液来自曝气池，含有一定的 DO，使缺氧阶段难以保持理想的缺氧状态，影 响反硝化效果。A2/O 是 A/O 工艺的改进，它在缺氧池增加了一道厌氧工艺，使得污 水在厌氧缺氧好氧交替运行，得到较高的处理效率。可是该工艺反应池容积较 河北联合大学硕士学位论文 - 4 - 大，污泥回流量高，消耗的能量多，费用偏高，适合于大中型城市污水厂。 1.2.2 SBR 工艺 SBR 工艺中的脱氮的硝化反应阶段和反硝化反应阶段在同一反应器内，通过改 变不同的时间段，控制进水浓度，曝气量，污水中溶解氧浓度等，实现反应器内的 硝化反硝化。若运行效果好，氮的去除率可以达到百分之九十，对比其他的处理工 艺，减少了污水反应所需要的反应池，简化了处理过程。更重要的是，SBR 对污水 质量和流量的变化不敏感，能够适应较大范围的变化，不容易引起污泥的膨胀，使 其影响处理效果。 1.2.3 短程硝化反硝化 短程硝化反硝化是一种新型脱氮理论，该理论认为氨转化为亚硝酸盐和硝酸盐 是两种独立可以分开反应的。短程硝化反硝化是利用硝酸菌和亚硝酸菌在动力学特 性上存在的固有差异，当硝化反应进行到 NO2-N 阶段，会产生大量的 NO2-N，随着 NO2-N 的不断增多，增加到一定量时可以直接发生反硝化反应。可以通过调节温度、 pH 值、氨浓度、DO、氮负荷、有害物质和泥龄来实现短程生物脱氮。 SHARON 工艺和 OLAND 工艺是短程硝化用于实际应用的例子。1997 年，荷兰 Mulder 提出 SHARON 工艺，在高温 32左右，硝酸菌的最小停留时间大于亚硝酸 菌，可以控制系统的水力停留时间在硝酸菌和亚硝酸菌最小停留时间之内，亚硝酸 菌被选择出来，所以积累了 HNO2的量，该工艺需要在高温环境下，所以只对温度 较高的废水脱氮有重要作用。OLAND 工艺关键是控制溶解氧来实现 HNO2的积累。 1.2.4 同步硝化反硝化技术 同步硝化反硝化不仅在同一个反应其中同时存在好氧与缺氧环境，还需要硝化 和反硝化反应同时进行。反应器内硝化细菌和反硝化细菌是同时存在的，所以只要 控制好条件，同时硝化反硝化是可以反应的。好氧情况下虽然会抑制反硝化过程， 不代表有氧存在抑制反硝化细菌的生长。反应器若能控制溶解氧的含量，就可以使 反应器内好氧和缺氧环境同一存在，满足细菌硝化反硝化同时进行的要求。 1.2.5 生物固定化脱氮技术 将微生物固定在载体上，形成多层生物膜，相当于小型的生物反应器。有研究 第 1 章 绪论 - 5 - 表明，固定化硝化细菌耐低温的能力很强，硝化细菌对基质的亲和力在低温的环境 下相对被提高了。日本市村等人以 PVA 与海藻酸钠结合包埋固定硝化菌，在 1.78L 流化床中进行了硝化试验，氨氮容积负荷达 2kg(m3d) 11。日本下水道事业团利用 固定化硝化菌进行研究，在流化床中进行了一年半的生产性实验，氨氮去除率达到 90%以上11。 1.3 膜曝气生物反应器（MABR） 膜生物反应器12-17中的膜曝气反应器具有氧利用率高、能量利用率高、氧需要 量可以在供养时控制以及模块化/升级改造容易等的优点，这些优点正好能够达到节 能的目的，研究中的反应器也是由膜曝气反应器衍生出来的。 膜曝气生物反应器（membrane aerated bioreactor，即 MABR）是利用透气膜进 行曝气供氧的一种污水生物处理新工艺。运用透气膜进行供氧的想法最早由 schaffer 等提出，而将膜曝气和生物反应器结合起来的研究始于 20 世纪 80 年代18。 大部分情况下，MABR 系统的曝气膜和反应器的组合方式制作成为膜组件直接 放置在反应器内，但是也存在曝气膜与反应器分置的 MABR 系统。根据现在的研究 可知，MABR 可以连续运行，也可以间歇运行。 1.3.1 MABR 的基本原理 膜曝气生物反应器系统的基本原理可归纳为无泡曝气、异向传质、功能的分层 结构这三个方面19。 1）无泡曝气的实现 MABR 系统进行无泡供氧主要采用硅橡胶致密膜、疏水性微孔膜和表面修饰膜 这三类作为透气膜，而做为传递氧气的介质的膜组件多采用中空纤维式或平板式， 其原理是利用曝气时气体在膜两侧形成的分压差，使膜空腔内的氧气在压差的作用 下经过膜壁进入生物膜内部，完成向生物膜的无泡供氧。 2）生物膜系统中氧气和有机物的异向传质 MABR 系统与传统的生物膜系统的不同点在于，无泡曝气生物膜系统。氧气由 生物膜的底层向表层传递，有机物从生物膜的表层向底层进入到生物膜内，即氧和 营养底物在生物膜内的异向传递。 3）生物膜的功能分层结构进行同步硝化反硝化脱氮 MABR系统的另一个显著特性就是生物膜具有不同活性的功能层。反应器中载 体膜组件在水处理反应过程中氧气和有机物均为异向传递，在这种反应环境下生物 河北联合大学硕士学位论文 - 6 - 膜会生长在一定厚度范围之内，保持各层间一定的平衡和稳定关系。正因为这一特 性，MABR一般不会像常规生物膜法出现生物膜易脱落的现象。 MABR 反应器中氧从生物膜的内部向生物膜表面扩散，氧浓度是从生物膜的内 部到表面递减；污水中的有效营养成分则从生物膜的表面向生物膜内部扩散，而营 养物质浓度从生物膜表面到内部递减。生物膜表层的溶解氧浓度较低甚至是无溶解 氧以及高浓度的有机物的环境，正好特别适合反硝化微生物生长反应，这样在同一 个 MABR 反应器中实现了同步硝化反硝化的反应39,40，同一时间内对污水中的氮进 行硝化和反硝化降解是此反应器的优点之一。 图 1 生物膜分层结构图示 Fig.1 Sketch of hiberarchy of bio-film 1.3.2 MABR 的特点 MABR 具有以下显著特点20： 1）曝气设备将空气或氧气沿着膜组件利用无泡曝气的形式供给生物膜中的微生 物，曝气过程较缓慢，让微生物能够充分利用，氧利用率高。 2）曝气过程中不产生气泡，避免了污水中易挥发有机物随气泡进入大气造成的 二次污染和避免了处理存在表面活性剂成分的污水时产生泡沫。 3）MABR 反应器中空气、液体两相分开运行，膜组件最表层的生物膜不会因 受到气体流动摩擦而脱落，同时氧和有机底物以相反的方向流动，通过控制反应器 中膜组件两面的反应环境，使生物膜微生物的生长产生明显的分层，从而达到同时 硝化反硝化和去除有机物的效果； 4）MABR 系统反应器多采用中空纤维膜作为生物膜的载体，比表面积很大， 为氧的传递及生物膜的生长提供了巨大的表面积，能够有效的减少反应器的占地面 积，非常适合占地面积不大的污水处理厂使用。 第 1 章 绪论 - 7 - 1.3.3 MABR 的研究现状 1）国外 MABR 的研究现状 近年来，关于 MABR 的研究主要集中在除碳同步脱氮、处理废水中挥发性有 毒或难降解的有机污染物、异向传质生物膜特性及结构模型等方面的应用和基础研 究等几个方面21。 （1）利用 MABR 工艺去除有机物以及同步脱氮 Semmens 等22采用聚丙烯中空纤维膜为膜材料处理合成废水，证明了单一膜曝 气生物膜反应器可以有效地同时去除合成废水组分中的 COD 和氨氮。 Gong 等23采用包裹无纺布的多微孔炭管膜组件进行污水处理效果的研究，结果 表明在出水总氮平均为 48.65 mgL-1，总氮去除率达到 83.77%。 Terada 等24采用终端式膜无泡曝气生物膜反应器对含高浓度氨氮养殖废水进行 了研究，膜材料采用改性过的聚乙烯微孔膜。试验结果表明，在进水表面负荷为 5.76gm-2d-1和 4.48gm-2d-1时，总有机碳和总氮的平均去除率分别为 96% 和 83%。 Yamagiwa 等25试验采用罩有纤维制品支撑物的管式硅胶膜作为膜材料的 MABR 反应器进行处理污水研究，证明其可以同步去除有机碳与进行硝化反应，并 且生物膜中反硝化菌在生物膜中生长良好，占据优势，其硝化速率为 0.0022kg m- 3d-1。 （2）利用 MABR 处理工业废水中挥发性有毒或难降解有机污染物 如果需处理的污水中含有如二甲苯、苯酚、氯酚、甲苯、乙腈等挥发性有机化 合物，处理过程中如出现气泡，这些有毒物质就会随着气泡一起扩散，造成大气污 染。而 MABR 采用无泡曝气的曝气方式，在曝气时不会由于部分物质的存在而产 生泡沫，利用这一特点对挥发性有机物进行生物降解，就可以避免由于泡式曝气引 起的挥发性污染物的而造成的二次污染。由于上述原因，MABR 系统常常在研究处 理含有毒或难降解有机物的工业废水中的有机污染物被人们作为首选。 2）国内 MABR 的研究现状 国内对于膜生物反应器的研究起步较其他国家晚，目前国内开始有部分相关研 究工作的个人和相关的研究机构对 MABR 系统进行相关的研究工作，其研究的内容 主要集中在无泡曝气和 MABR 系统在处理废水中的基本应用两个方面。 26利用聚偏氟乙烯中空纤维膜采取无泡充氧对生物接触氧化工艺进行试验研究。 研究表明：在污水处理过程中 BOD5、CODcr 和 SS 的去除率分别可达到 92%、83% 河北联合大学硕士学位论文 - 8 - 和 94%，同时生物膜的厚度可以自动维持在一定范围内，而不存在膜堵塞问题。 张凤君等27采用中空纤维膜对浸没式接触氧化工艺进行污水处理试验研究。研 究结果：污水中 COD 的去除率达 70%、BOD 的去除率为 90%以上、SS 的去除率也 在 75%以上，NH4+-N、P 的去除率均为 70%以上。 张雪琴28利用无机陶瓷膜生物反应器，对此反应器处理生活污水的性能进行探 索性试验。试验表明：在进水量为 15.75Lm-2h-1、进水有机污染物浓度为 200mg/L 的实验条件下利用此生物反应器处理污水，COD 去除率均在 90%以上，而且传氧 速率很快。 吴春英等29，在 MABR 系统中利用中空纤维膜，研究膜曝气生物反应器的硝化 作用性能和有机物的去除效果。结果表明，污水的总氮负荷从 2.5 到 9.5g/(m2d)变 化时，污水中的总碳去除率为 95%。最大硝化速率和硝化率分别为 7.5g/(m2d)和 90%。 董文艺等30学者采用聚丙烯中空纤维膜采取无泡充氧，考察 DO 对 MABR 的影 响试验研究。研究表明：当混合液 DO 质量浓度高于 2mg/L 时，MABR 对 COD 和 NH4+-N 具有很好的去除效果，COD 和 NH4+-N 去除率分别高于 88.8%和 94.5%，但 对于 TN 的去除效果较差，去除率低于 24%。 总的来说，国内对于 MABR 的研究仍然处于起步阶段，研究内容不够深入。因 此多挖掘深层的问题使 MABR 的研究更加完善是国内相关研究人员们仍需努力的方 向。 1.3.4 现存的限制 MABR 发展的因素 近年来，MABR 在处理不同种污水的应用领域上取得较大的发展，但 MABR 工艺大多只处于实验室研究阶段，并未能像生物氧化沟等技术在工业上得到大面积 的推广应用，这是因为 MABR 工艺本身存在制约的因素31。 1）膜污染 MABR 反应器在运行一段时间后，膜组件会被残余的污染物堵塞，导致反应器 处理效果下降，同时也会使膜的使用寿命大大缩短。因此，为了保证 MABR 系统的 正常运转，处理过程中需要经常对膜进行反冲洗，而这种补救手段又会增加使用的 资金，并且会增加更多的能耗，这与现在社会节能环保的要求对立。 2）空气压力 曝气过程中空气在膜的表面张力作用下空气会吸附在膜表面，如果在此过程中 气液两相压差较大，空气就会很容易在膜表面形成气泡，破坏无泡曝气32。因此， 第 1 章 绪论 - 9 - MABR 系统在实际运行中需要根据水处理过程中的具体情况调整空气压力，以创造 最佳曝气条件33,34。这就增加了工艺的操作难度，限制了工艺的推广普及。 3）液相流速 MABR 工艺在水处理运行过程中，在不同的处理阶段有不同的流速要求。运行 前期，即挂膜阶段，污水流速应保持低速，否则生物膜会因为受到较大的剪切力而 很难生长，延长挂膜时间。挂膜结束进入正常运行阶段后，需加快液相流速，以此 来加快底物的传递速率，同时也可以防止微生物生长过快导致的生物膜过厚，而影 响处理效果。维持液相流速需要的能量不小，为了追求反应器的更加节能以及操作 便捷，找到最佳液相流速也是一项重要的研究内容。 无论是减轻膜污染，还是控制空气压力，或是调整液相流速，这都增加了工艺 的操作难度。从生物膜的特点要求来看，中空纤维需要按一定的距离间隔分布，导 致膜曝气组件的制作困难，这都限制了工艺的推广普及。 1.4 载体曝气生物反应器 MABR 中的膜即是曝气元件，又是生物膜载体。那么任何一种材料如果能够实 现这一功能，均可替代膜参与其中。从全局的角度来看，这些膜材料应当属于一种 特殊的、能够曝气的载体。CABR（carrier aerated bioreactors）是借鉴 MABR 工艺， 以亲水尼龙布为载体材料组建的一种载体曝气生物反应器。 1.4.1 CABR 的理论基础 1）载体膜材料选择 目前，MABR 用于无泡供氧的膜材料主要有 3 类：硅橡胶致密膜、疏水性微孔 膜和表面修饰膜。此外还有关于采用可透气性织物或者陶瓷膜等进行无泡曝气的报 道35,36。 疏水性微孔膜对氧的选择性较差，泡点压力低，压力过高会产生气泡，但膜通 量大，且容易加工成中空纤维以增大膜组件的比表面积。然而疏水性膜为了让水透 过膜必须进行材料表面改性，这些材料用于水过滤时必须对材料表面进行亲水化处 理，而亲水化处理时引人的表面活性剂往往会影响其使用，因此需要制备亲水性膜 37。 38利用氧化剂和表面活性剂对聚丙烯中空纤维膜表面进行亲水改性，提高了进 行无泡充氧时中空纤维膜的耐压能力。研究得出：聚己烯醇（PVA）是一种廉价、 有效的表面亲水改性处理剂。根据以上理论应运而生的载体曝气生物反应器 河北联合大学硕士学位论文 - 10 - CABR，载体件由一种廉价的亲水透气性好的尼龙布制成，并在制作后期运用聚己 烯醇进行亲水性处理，这就使 CABR 的载体不仅具有无泡曝气的功能，又具有造价 低亲水性好，不易产生膜污染的特点。 2）污水处理的环境 CABR 反应器中尼龙布载体材料起到了生物膜载体和无泡曝气41-43的作用，反 应器中在运行的整个过程中载体材料将气、液两相相互隔离，水体不发生扰动，水 流流速均匀分布。而且试验反应器生物处理时间较长，水的流速平缓，远小于一般 沉淀池的流速（0.51.0mm/s），水流条件相当或优于沉淀池的水流条件，这些反应 器本身所具有的条件已经具有了节能处理污水的优点，也为研究提供了在曝气方式 上进行进一步实验研究的有利条件。 1.4.2 CABR 的特点 1）同步硝化反硝化脱氮除碳 和传统的脱氮理论相比，CABR 能够在一个反应器内实现硝化反硝化，同步除 碳脱氮的功能，大大节省了反应器运行的时间，降低了运行费用。 2）沉淀合并 CABR 反应器水体不发生扰动，水流流速均匀分布。而且试验反应器生物处理 时间较长，水的流速平缓，其流速远小于一般沉淀池的流速（0.51.0mm/s），水流 条件相当或优于沉淀池的水流条件，沉淀效果良好。 3）污泥处理 CABR 的反应器中载体膜组件在水处理反应过程中氧气和有机物均为异向传递， 在这种反应环境下生物膜会生长在一定厚度范围之内，保持各层间一定的平衡和稳 定关系，每层区域微生物种群都能形成功能区生长。部分老化或死亡的生物膜也不 会成片的从载体上脱落，比较活跃的微生物会把老化或死亡生物膜中可利用的部分 降解掉。由于这种特性，CABR 反应器产生的污泥很少，很长时间才需要排泥，降 低了污泥处理的成本，又间接的降低了能耗。 1.4.3 CABR 的研究前景 1）生物膜及其理论研究 由于生物膜本身的的复杂性和特殊性以及研究人员的专业性的限制，目前国内 外对于生物膜的异向传质进行的研究并不足够深入44。如果今后对于生物膜的研究 有了突破，能够建立一个相对完善的生物膜的理论体系，对于优化生物膜的功能、 第 1 章 绪论 - 11 - 控制生物膜的厚度、提高生物膜的活性以及进一步优化 CABR 反应系统都会有极佳 的帮助。 2）影响因素的要求 CABR 对操作参数的把握由于外界环境的变化以及实验人员的不同都会有些许 的变化，需要对系统参数进行更为详尽系统的调控，以便对污水的处理达到更好的 效果，也更有利于此项水处理技术的更快的走出实验室实现工业化。 3）反应器本身 目前在反应器系统操作还是人工操作为主，这就会使处理结果出现较多误差， 有待于进行智能化操作。研究就是在反应系统曝气的部分实现一部分的自动化控制， 实现节能和优化运行的目的。 河北联合大学硕士学位论文 - 12 - 第 2 章 实验目的内容及分析方法 2.1 试验研究内容方案 2.1.1 研究目的及研究内容 如前所述 MABR 的这种分层结构非常适宜进行同时硝化反硝化，在常温环境下， COD 和氨氮的去除率可达到较好的效果。低温环境下的效能还有待考察。但是 MABR 存在膜材料价格较高，组件制作复杂，疏水性膜材料虽然工作条件优良但对 空气洁净度要求较高。 针对 MABR 的这些问题，本研究选择了一种廉价的亲水透气性好的尼龙布制作 的曝气载体并构建了相应的载体曝气生物反应器（Carrier Aerated Bioreactor，即 CABR），具有 MABR 的所有功能。具体做法是将两层尼龙布边缘用环氧树脂和塑 料制成的粘胶粘在一起，空气在两层尼龙布中的狭窄的空腔内流动，通过尼龙布的 微孔传递到反应器内。 1）试验研究目的 本研究以生物方法为主要处理工艺，以人工污水模拟低温生活污水为研究对象， 重点考察该系统在低温的环境下去除无机有机污染物，特别是氨氮的性能，并以此 研究其最佳的运行参数，为实际应用提供理论和工艺运行依据。 2）试验研究内容 构建载体曝气生物反应器 CABR，探索在低温环境下（1016），变化水力 停留时间，COD、TN 和氨氮的处理效果。 2.1.2 研究技术路线及方案 1）准备阶段：设计制作并测试载体组件和组装反应器； 2）启动阶段：考察启动过程中活性污泥接种，亲水透气性织物的挂膜情况； 3）试验阶段：考察不同低温下（1016），不同水力停留时间 HRT，CABR 对 COD、氨氮、TN 的去除能效。 4）实验方案 下图是本试验的工艺流程图。基本工作过程为：储水箱里的污水通过调节阀后 进入反应器内，水流自上而下。空气压缩机传输空气进入所制的载体组件空腔内 第 2 章 实验目的内容及分析方法 - 13 - 为载体材料表面上形成的生物膜提供氧气，污水为生物膜提供营养物，通过生物膜 上微生物新陈代谢和沉淀作用达到去除水中污染物的目的。 图 2 试验基本流程图 Fig.2 Basic flow chart 2.2 试验装置 2.2.1 实验所需材料及设备 本实验研究所需材料及设备：尼龙布，塑料板，有机玻璃，储水箱，电磁式空 气压缩机(Air compressor)ACO-328：功率 60w，排气量 82L/min。 2.2.2 实验仪器各部件工作原理 1）主体反应装置 下图所示的是主体反应器，采用有机玻璃制成（高 1.2m，长 0.18m，宽 0.18m，壁厚 0.006m），有效容积 32L。 图 3 主体反应装置 Fig.3 The main reaction device 河北联合大学硕士学位论文 - 14 - 反应器中的载体组件，采用尼龙布制成，单片载体组件长 1.05m，宽 0.165m， 一个单独载体组件总面积 0.347m2，一个反应器中的载体为 5 片，故比表面积 54.14 m2/m3。组件采用流通式，一端进气，另一端出气。 2）空气压缩机 本实验中采用的是功率为 60W 的电磁式空气压缩机，本机拥有 供气量稳定，噪音小的特点，气流大小符合本实验的要求，并可长时间工作。 2.3 试验流程 按照图 2 中的流程进行实验。 研究的基本工作过程为：储水箱里的污水通过调节阀后进入反应器内，水流自 下而上，通过蠕动泵调节进水流量，进而控制水力停留时间，出水为虹吸出水方式。 空气压缩机传输空气进入所制的载体组件空腔内，为载体材料表面上形成的生物膜 提供氧气，污水为生物膜提供营养物，通过生物膜上微生物新陈代谢和沉淀作用达 到去除水中污染物的目的。 2.4 污水水质 2.4.1 生活污水水质 根据北京市市政设计研究总院主编的给水排水设计手册标注的日常生活污水中 各项污染物的指标如表 145。 表 1 生活污水水质 Table5 Typical quality of sewage water 浓度(mg/L） 指标 高中低 COD1000400250 TN854020 BOD400200100 2.4.2 试验进水水质 试验采用人工配水，以 C6H12O6、NH4Cl 为主配制，分别作为试验的碳源、氮 源，并根据不同的运行阶段调节投加量，同时投加其他药品，满足细菌生长所需的 其他微量元素。 第 2 章 实验目的内容及分析方法 - 15 - 表 2 人工污水配料表 Table1 Artificial sewage ingredients 葡萄糖 g/LNH4Cl g/LK2HPO4 g/L酵母膏 g/L 微量元素液 g/L 0.40.150.0070.00150.6 微量金属元素溶液中每升含有 1.5gFeCl36H2O，0.03gCuSO45H2O，0.15gCoCl26H2O，0.12gZnSO47H2O。 由于研究为验证探究型实验，进水各项数据需要波动较大，在不同阶段的实验 汇总采取不同的进水指标。试验用水水质情况如表 3 所示： 表 3 试验用水水质概况 Table2 Conditions of the test water 水质参数COD(mg/L)TN (mg/L)NH4+-N(mg/L) 范围250-45025-553550 2.5 分析方法 2.5.1 数据测试所需其他试验仪器 试验所用的主要仪器如表 4 所示。 表 4 试验所用仪器一览表 Table8 Schedule of apparatus used in the experiment 仪器型号厂家 便携式溶解氧仪JPB-607A上海雷磁仪器厂 干燥箱202-1上海市试验仪器总厂 紫外可见分光光度计752上海菁华科技仪器有限公司 智能消解仪CM-05北京双晖京承电子产品有限公司 数显恒温水浴锅HH-8上海博迅实业有限公司医疗设备厂 2.5.2 试验测试项目及方法 试验主要测定分析的水质指标包括：COD、TN、NH4+-N，检测方法主要参考 国家环保局水与废水检测分析方法，具体的分析项目与方法见表 5 河北联合大学硕士学位论文 - 16 - 表 5 水质测试指标及分析方法 Table9 Water quality testing index and analysis method 分析项目参考标准分析方法 CODHJ/T 399-2007快速消解分光光度法 TNGB 118944-89碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法 NH4+-NGB 7481-87纳氏试剂分光光度法 第 3 章 CABR 处理生活污水的初期性能测试 - 17 - 第 3 章 CABR 处理生活污水的初期性能测试 试验中参考典型生活污水水质标准，以人工配水模拟生活污水作为处理对象， 根据 CABR 的基本性能、微生物的生长特性等基本数据，保证反应器正常运行。 3.1 载体组件的制作及测试 1）载体材料制作的要点 载体制作采用亲水性尼龙布作为载体主体的材料，为曝气载体组件提供比较大 的比表面积，并运用进一步的亲水性处理使其亲水性更加优越，防止其在运行中产 生漏气的现象。尼龙布作为载体材料，所能承受的压力是有限的，制作时需要运用 硬质的材料作为支撑框架，使尼龙布能够形成比较坚固的载体结构，为细菌的生长 提供足够稳定的空间。制作时要保证载体组件空腔内的气流通畅，保证组件得到最 大的利用空间。 2）载体组件的制作 根据泡点测试，试验载体材料尼龙布的泡点压力为 20cmH2O 水柱，为保证载体 不漏气，在粘结过程中，每个曝气单元按小于 10cmH2O 水柱长度进行粘结。其中研 究面向 CABR 反应器的节能潜力，因此不要求最大的处理效果而更专注于载体的气 密性，最终每个曝气单元按照 7cmH2O 进行粘接制作。 出 气 进 气 图 4 空气走向载体模板 Fig.4 Carrier template of path to follow 河北联合大学硕士学位论文 - 18 - 制作时，将尼龙布裁成长 1.05m，宽 0.165m 的条状，并按照图 5 所示制作模板， 将模板制作好之后，在模板上铺上一层预先裁剪好的尼龙布，用胶水将 1mm 厚（考 虑本实验中的载体需要更好的通气效果，所有的制作所需塑料条均采用 1mm 厚）的 塑料条按模板指示的走向粘在尼龙布上，接着在其上再放一层裁制好的尼龙布，将 两层尼龙布粘在一起。将粘好的尼龙布的上下两面用 0.001m 厚的塑料条粘住。为防 止进气压力过大将粘结处的塑料条撑开，将所有面上的大的受力接点用 3mm 宽的塑 料条进行加固。将粘好的载体件在阴凉处放置超过 8 小时，确保完全粘好之后，连 接进气管以及出气管，保证载体件下部进气，上部出气。 3）载体组件的完成 将制作完成的载体组件放进浓度1%聚乙烯醇溶液（溶液应近似澄清，搅动时 有少许泡沫产生，太浓会导致