（市政工程专业论文）AOMBR系统特性及其处理污水的试验研究.pdf

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本研究建立了微生物增殖和有机物降解动力学模型，其中污泥产率系数y 和 污泥衰减系数k 分别为o 2 9 和0 0 5 ；并且用模型模拟预测本试验反应器内的污泥 增长速度和反应器的c o d c r 出水浓度的变化。 关键词：o m b r ，脱氮，动力学模型 浙江工业大学硕士论文 摘要 s t u d yo nt h ec h a ra c t e r i s t i c sa n d j = f s t e 後t e rt r e a t 匝n tb ya n o x i c 正r o b i c m 匣m b ra n eb i o r e a c t o r a b s t r a c t c o n v e 刀l t i o n a l b i o l o g i c a l n u t r i e n tr e m o v a lp r o c e s se x i s t ss o m e p r o b l e m ss u c ha ss y s t e mc o m p l e x ，l a 玛ef o o t p r i n t ，h i g hi n v e s t n l e n t ，1 0 w a n t i - i h l p a c tl o a d i n gc a p a b i l i 咄e c t t h eo b je c t i v eo fm i ss t u d yw a st o m a k eu s eo fm e n 小m e ss 印a r a t i o n如n c t i o na n da c t i v a t e d s l u d g e t r e a t m e n tt oi m p r o v et nr e m o v a l a na n o x i c a e r o b i cm e m b r a 【n eb i o r e a c t o r ( o - m b r ) w a sc h o s e nt o t r e a t m e n tt h ed o m e s t i cw a s t e w a t e r t h e r ew e r ef o u rp h a s e si nt h i s e x p 面m e n t a tf i r s t ，a c t i v a t e ds l u d g ew a sc u l v i t e da n da c c l i m a t e d a m d t h e n ，a o m b rw a sc h o s e nt ot r e a tt h es i m u l a t e dd o m e s t i cw a s t e w a t e r ， t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o no fc o d c r n h 4 + _ n ，t na n dt u r b i d i t yi ne m u e n t s w a s17 m g l ，o 8 5 m g l ，1 6 7m g la n do 2 8n t u ，r e s p e c t i v e l y i nt h e t h i r dp h a s e ，t h ef a c t o r so fc n ，m l s s ，d oa n dh i 汀w e r ec 撕e do u tt 0 i i e s t i g a t et h eo p e r a t i o ne 伍c i e n c yi nt h i se ) 【p e r i m e n t s t h eo p t i m a l t e c l u l o l o g i c a lc o n d i t i o n si n o - m b rw e r ed e t e 眦i n e dt h a t t h ec n v a l u ei s8 ：1 1 0 ：l ，t h em l s s 5 6 l ，t h ed o 1 3m g la n dt h e h r ta n o x i cp 0 0 13 9 3 h ，t h eh i u 、i nt h ea e r a t i o np 0 0 15 5 h a t l a s t ，u n d e r 2 浙江工业大学硕上论文 摘要 t h eo p t i m a l t e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n ，o m b rw a sc h o s e nt ot r e a tt h e d o m e s t i cw a s t e w a t e r ，也ea v e r a g ec o n c e n n 嘶o no fc o d c r n h 4 + - n ，t n a n dt u r b i d i 够i ne m u e n t sw a s12 6 m g l ，lm l ，2 9 4m g l ，r e s p e c t i v e l y t h em e m b r a n ew a sw a s h e db yw a t e re v e 拶w e e kt or e d u c e 也e a c c u m u l a t i o no fc a k el 忙r t br e c o v e rn u x ，t h em e d 曲r a n ew a sw a s h e d b y5 n a 0 ha n do 5 n a c l o ，a n dt h em e m b r a n ef l u xw a sr e c o v e r e dt o 7 1 o f i n i t i a lf l u x k i n e t i cm o d e l so fm i c r o o 玛a n i s mm u l t i p l i c a t i o n a n d o 玛a n i c p 0 1 1 u t a i l t sr e m o v a lw e r ee s t a b l i s h e d t h ee x p e r i m e n t a ld a t ao fy i so 2 9 a n dt h e i so 0 5i nt h i se x p e r i m e n t b yt h em o d e l ，t h ec h a n g eo f c o n c e i l t r a t i o no fc o d c ri ne f j 1 u e n ta n dm i c r o b i a lg r o 、t hc a nb ep r e d i c e d c o n t r o l l e d k e y w o r d s ：a o m b r ，n i t r o g e nr e m o v a l ，1 ( i n e t i c sm o d e l 3 浙江工业大学硕士论文第l 章目录 目录 第1 章绪论1 1 1m b r 的研究进展。l 1 1 1 国外m b r 工艺的研究及应用情况l 1 1 2 国内m b r 工艺的研究及应用情况。3 1 2a o m b r 工艺的提出。5 1 3 o m b r 的理论基础6 1 3 1 o m b r 工艺原理6 1 3 2 o m b r 对有机物的去除原理7 1 3 3a o m b r 生物脱氮原理7 1 4 课题的目的和意义8 1 5 课题来源9 第2 章o m b r 的装置设计与试验方案。1 0 2 1 试验装置设计1 0 2 1 1 装置与流程1 0 2 1 2 主要设备1 1 2 2 运行控制参数1 2 2 3 试验方案1 2 2 4 试验原水水质及接种污泥1 4 2 4 1 试验水质1 4 2 4 2 接种污泥。l5 2 5 主要分析项目和检测方法。1 5 2 5 1 分析检测项目1 5 2 5 2 水质分析方法。1 5 第3 章o m b r 对生活污水处理及影响因素的研究1 7 3 1 活性污泥的培养和驯化17 3 2 刖o m b r 对模拟生活污水处理的研究2 0 3 2 1 试验运行参数2 0 3 2 2 试验结果与讨论2 l 3 3 影响因素的研究2 8 3 3 1c n 对污染物去除效果的影响2 8 3 3 2o 段d o 对污染物去除效果的影响2 9 3 3 3m l s s 对污染物去除效果的影响3 2 3 3 4h i 玎对污染物去除效果的影响3 5 3 4 a o m b r 对实际生活污水处理的研究。3 9 3 4 1 试验运行参数。二3 9 3 4 2 结果分析与讨论3 9 3 5 小结4 1 第4 章膜污染及其清洗4 3 4 1 膜污染机理4 3 浙江工业人学硕士论文 第l 章目录 4 2 膜污染的影响因素4 3 4 3 膜污染的防制措施4 7 4 4 本试验采取的措施4 9 4 5d 、结5l 第5 章o m b r 中动力学模式的探讨5 3 5 1 微生物增殖动力学模型5 3 5 1 1 基本假设5 4 5 1 2 模型的建立“5 4 5 2 动力学参数的求解5 6 5 3 ，j 、结6 l 第6 章结论和建议6 2 6 1 结论6 2 6 2 建议6 3 参考文献6 4 致 射6 8 攻读学位期间发表的学术论文。6 9 i i 浙江工业大学硕十论文 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1m b r 的研究进展 1 1 1 国外m b r 工艺的研究及应用情况 膜生物反应器是一种将膜分离技术与传统生物处理上工艺结合的新型高效 水处理与回用技术，其最初的研究始于6 0 年代的美国，7 0 年代开始在日本得到商 业应用。 1 9 6 6 年，美国的d o 盯- 0 1 i v e r 公司首先将膜生物反应器用于废水处理的研究。 在该废水处理系统中，污水进入悬浮生长的生物反应器中，并通过超滤膜组件的 抽吸作用连续出水，该工艺大胆的提出用膜分离技术取代常规活性污泥中的二沉 池，利用膜具有的高效截留的物理特性，使生物反应器内维持较高的污泥浓度， 反应器在f m 低比值下工作，这样就可以使有机物尽可能得到氧化降解，提高了 反应器的去除效率。这工艺一经提出，立即吸引了许多专家学者，开始了m b r 的研究热潮【。1 9 6 9 年美国的s m i 廿l 报道了好氧活性污泥法与超滤膜结合用于处理 城市污水，研究证明，该工艺具有减少活性污泥产量、维持较高活性污泥浓度、 减少污水处理厂占地面积等优点【2 】。这一时期，研究的重点在于开发适合高浓度 活性污泥的膜分离装置。但由于受当时的膜生产技术所限，膜的使用寿命短、通 量小，加之当时对处理排放出水水质要求不严，使这项技术在相当长一段时间仅 停留在实验室研究规模，未能投入实际应用。 7 0 年代初期，好氧分离式膜生物反应器的研究进一步扩大，同时厌氧膜生物 反应器的研究也相应进行。1 9 7 0 年h a r d t 等人将完全混合式生物反应器与超滤膜 结合用于处理生活污水，其中m l s s 浓度高达3 0 0 0 0 m l ，是常规好氧系统的2 3 倍，膜通量为7 5 l m 之h ，c o d c r 去除率达到9 8 ，且出水中不含细菌【3 】。c r e l 衄e i i l 等人在1 9 7 8 年进行了厌氧硝化池膜系统处理生活污水的研究，b o d 和n o x 的去 除率达到了9 0 和7 5 。7 0 年代后期，日本由于污水再生利用的需要，m b r 的研 究工作有了较快的进展，使膜生物反应器开始走向了实际应用。 8 0 年代以后，随着膜制造技术的发展、膜分离工艺的完善、膜清洗方法方法 的改进和污水厂出水水质要求的提高，m b r 开始在污水处理行业得到应用。1 9 8 5 浙江工业大学硕士论文第1 章绪论 年t r a n 提出：错流式微滤膜因操作压力低，可降低废水处理中的能耗，能耗问题 开始受到重视【4 1 。1 9 8 6 年，b i n d o f 等人用厌氧固定床与膜分离组合工艺处理高浓 度生活污水【5 1 。自1 9 8 3 1 9 8 7 年日本有1 3 家公司使用m b r 处理大楼废水，经处理 后的水做中水回用，处理水量达5 0 2 5 0 1 1 1 3 d 。日本政府于1 9 8 5 年联合很多大学、 研究所和大公司推出了“水综合再生利用系统9 0 年代计划，【6 】，目的是开发一种 将膜技术和反应器技术结合的工艺，适用于处理工业和城市污水，节能省地，出 水水质好，解决中长期水量需求和污水回用问题，在该项目计划中，日本对厌氧 m b r 作了较系统的研究，研制了造纸厂废水、酒精发酵废水、屎尿废水、城市 污水、蛋白工厂废水、淀粉厂废水等7 类污水的m b r 处理系统。该项目耗资1 1 8 亿日元，这一时期研究几种在m b r 的处理效果与运行稳定方面。许多研究都证 实了m b r 能获得良好的出水水质。在一阶段，m b r 的型式主要是分离式，早期 的分离式m b r 均采用错流式膜组件，为了维持稳定的透水率，膜面流速一般大 于2 l n s ，这就需要较高的循环水量，造成较高的单位产水能耗。直到1 9 8 9 年，日 本学者y a 帆a o t o 等将低压膜直接放入普通曝气池中进行固液分离，开创了一体式 中空纤维膜生物反应器的研究，针对膜组件的污染堵塞问题，y a m 锄o t o 在试验 中采用间歇抽吸和低压操作，在很大程度上可防止不可恢复的膜堵塞，改工艺单 位出水能耗为0 0 0 7 k w m n 3 ，c o d c r 的去除率9 5 ，t n 去除率达6 0 【1 7 1 。 9 0 年代初，膜生物反应器开始应用与废水的脱氮除磷的研究。1 9 9 2 年s u w a 等人进行了活性污泥法加微滤构成的膜生物反应器脱氮研究【8 】。1 9 9 3 年 c h i e m c h a i 蛹等人利用膜生物反应器进行了生活污水脱氮研究【9 】和低温脱氮研究 【l o 】，并进一步研究了一体式膜生物反应器内硝化菌数量、最大硝化速率及温度 对处理效果的影响【l l 】。1 9 9 8 年s a k e l l 撕o u s 在研究m b r 污泥零排放时，对穿流式 m b r 与错流式m b r 进行比较，穿流式膜组件的特点是膜丝不与循环水流方向平 行，而是与循环水流方向垂直，这种膜丝的粘结方式使膜组件不需要较高的进液 速度就可以产生湍流效果，起到冲刷膜纤维的作用，该试验发现穿流式的能耗为 1 1 5 枞l m 3 ，比错流式的能耗5 6 m 1 m 3 小得岁1 2 1 。在膜生物反应器的稳定运行 方面，g u n d e r 等进行了淹没式膜生物反应器处理城市污水的中试研究，系统稳定 运行时间超过4 个月，在此期间没有进行膜的化学清洗【1 3 】；d z v i e s 的中试研究结 果表明，利用淹没式膜生物反应器处理生活污水，系统稳定运行近1 年，氮的去 2 浙江- t 业火学硕士论文 第l 章绪论 除率达9 0 ，出水c o d 的平均值为2 0 8 m “1 4 】。 2 0 0 2 年b o r i sl e s j e a i l 等对提高生物亚磷酸盐和氮的去除率的构型的改进进行 了研究。试验表明，在前后脱氮模型中，利用系统可达到有效的总磷去除率。在 污泥年龄和有机物沉积量相同的条件下，膜生物反应器系统比传统技术的磷去除 率略耐”】。日本k u b o t a 公司于2 0 0 3 年5 月建成了第1 0 0 0 座浸没式m b r 污水处理 厂，加拿大z e n o n 公司的m b r 工艺污水处理规模也从1 9 9 3 年的小于1 0 0 0 m 3 d 发展 到现在的1 5 0 1 0 2 l m 3 d 。荷兰、德国、美国也已有多个投入运行的污水处理厂， 并取得了良好的运行效果。m b r 具有传统生物反应器所无法比拟的优点，目前 已在水处理领域得到了较为广泛的应用，随着膜制造成本的降低和m b r 专用膜 组件的研究开发，m b r 技术研究的广度和深度也在不断加强，其中新型膜工艺 的开发和膜污染的防治成为研究的焦点和难点，也是m b r 大规模推广应用的理 论基础。鼬m u r a 等【16 】在浸没式m b r 中用折流板将膜组件与生物反应器分开( 底 部保持连通) ，从而形成折流式m b r ( b a m e dm b r ) 。通过间歇进水的运行方式， 周期性地在折流板与生物反应器器壁之间形成缺氧区，提高了系统的脱氮能力， 由于折板的加入也减缓了系统的膜污染。 1 1 2 国内m b r 工艺的研究及应用情况 有关膜生物反应器的研究在我国起步较晚，始于2 0 世纪9 0 年代初。国内对 m b r 的研究大致可以分为几个方面：( 1 ) 探索不同生物处理工艺与膜分离单元 的组合形式，生物反应处理工艺从活性污泥法扩展到接触氧化法、生物膜法、活 性污泥与生物膜相结合的复合式工艺、两相厌氧工艺；( 2 ) 影响处理效果与膜污 染的因素、机理及数学模型的研究、探求合适的操作条件与工艺参数，尽可能减 轻膜污染，提高膜组件的处理能力和运行稳定性；( 3 ) 扩大m b r 的应用范围， 扩展到高浓度有机废水( 食品废水、啤酒废水) 与难降解工业废水( 石化污水、 印染废水等) ，但还是以生活污水的处理为主。 近2 0 年来，膜生物反应器在中国发展迅速。1 9 9 0 年天津大学进行了中空纤维 膜生物反应器的小试研究；1 9 9 1 年1 0 月，岑运华介绍了m b r 在日本的研究情况； 1 9 9 3 年上海华东理工大学环境工程研究所进行了m b r 处理人工合成污水和制药 废水的可行性研究，结果表明膜通量、c o d c r 截留率和膜孔径明显相关【用。同年， 清华大学刘正雄启动平板膜生物反应器研究，中国科学院生态环境中心王菊思 浙江工业大学硕上论文第1 章绪论 启动膜生物反应器的研究。1 9 9 5 年，樊耀波【l8 】将m b r 用于石油化工污水净化的 研究，研制出一套实验规模的好氧分离式m b r ，该系统对石油化工污水中 c o d c r 、b o d 5 、s s 、浊度、石油类的去除率分别为7 8 9 8 、9 6 9 9 、7 4 9 9 、9 8 1 0 0 、8 7 。1 9 9 7 年张绍园等根据微生物反应动力学模型，推导了分 离式膜生物反应器水力停留时间公式，并以此公式为基础，分析与探讨了膜生物 反应器的影响因素。1 9 9 9 年，吴志超采用m b r 处理c o d 高达3 0 0 0 1 2 0 0 0 m l 的巴西基酸生产废水，同年，何义亮采用厌氧膜生物反应器进行高浓度食品废 水的处理。2 0 0 0 年，王连军用无机膜。生物反应器处理啤酒废水。2 0 0 2 年，韩怀 芬等研究了膜生物技术在造纸废水处理中的应用，原水c o d 浓度为9 0 0 13 0 0 m l ，处理后的出水可达到一级排放标准【1 9 1 。 早期的m b r 多为完全好氧式活性污泥反应器，研究人员发现此类m b r 系统 在提高有机污染物的同时对营养物质的去除并没有多大改进。在好氧m b r 工艺 中，由于曝气的作用，生物硝化作用进行较彻底，因d o 浓度高而生物反硝化作 用较弱，致使总体脱氮效率较低。为了提高总氮去除率，在单一的好氧段膜生物 反应器的基础，部分研究人员通过控制运行条件增设缺氧区采用回流的方式以获 得最佳的脱氮效果，张西旺等在一体式膜生物反应器前增设缺氧区和回流装置的 方法形成好氧缺氧运行的方式获得了对高浓度氨氮下总氮很好的去除；没有增 设缺氧区和回流装置的情况下，进水氨氮浓度为1 0 0 m l 左右时总氮( t n ) 去除 率只有6 0 。而在设置了缺氧区后，去除率曾经达到过9 6 o ，其原因就是缺氧 区设置后给反硝化菌提供了充足的有机物和反应场所，避免了由于硝化盐和亚硝 酸盐的积累对硝化反应的限制，出水t n 可达建设部生活杂用水水质标准【2 0 】。 随着研究的进展，一些研究表明，在好氧膜生物反应器里加生物载体填料， 可以取得对n h 4 + - n 和t n 很高的去除效果，由于反应器中高浓度的污泥有利于在 污泥絮体中形成好氧区和厌氧区，而且，填料载体挂膜充分后，膜表面同样也会 形成立体的好氧缺氧层递层，客观上为在同一个反应器中实现同步硝化反硝化 创造了条件。试验出水结果表明，在d o ，p h 等因素控制得当的情况下系统对 n 】对n 和t n 平均去除率分别达到了9 3 o ，8 8 9 【2 1 1 ，比传统的该工艺效果要好。 相比于传统活性污泥法，m b r 反应器里的污泥絮体比较松散，可能不利于 剩余污泥的处理和反硝化的发生。对此，进行了投加粉末活性炭和未投加p a c 的 4 浙江t 业大学硕上论文第l 章绪论 m b r 系统的脱氮效果的对比试验，试验结果表明，投加了粉末活性炭后的m b r 系统中，污泥絮体尺寸增大，可在絮体内部形成缺氧区，更加有利于反硝过程的 发生，因而投加p a c 后的m b r 在脱氮方面有比较显著的优势，反硝化去除率达 到9 6 以上【2 2 2 3 1 。 我国膜生物反应器已经在油墨废水、印染废水、生活污水处理和回用、气水 膨胀反冲洗系统、饮用水、含氟废水、含铬及铅蓄电池等废水得到广泛应用，目 前正在应用m b r 对高氨氮废水、微污染地表水、医用废水及粪便污水等进行研 究处理，此外对膜污染的机理及控制等也做了深入的研究。2 0 0 8 年贾辉等人在研 究m b r 中膜污染发现，膜污染过程中污染具有“污染2 阶段 ，第一阶段是首先 受到附着能力强、粘性高的小颗粒物质的污染，优势形成的是粘性凝胶层；第二 阶段是较大颗粒物质的黏附阶段【2 4 】。 综上所述，与传统脱氮工艺相比，m b r 脱氮工艺具有污泥负荷低、所需h r t 短、容积负荷高、抗冲击负荷强、出水稳定等优点。膜的截留作用可防止生长缓 慢的硝化菌流失，是一种比较理想的硝化反应器。但是m b r 在工艺设计、系统 性能的提高以及运行稳定性等方面作进一步的研究，才能在实际中广泛应用。且 有研究表明：c n 、反应器内污泥浓度、以及d o 等都对膜生物反应器脱氮的效 果有直接的影响，目前国内有一些科研单位和机构从事着膜生物反应器脱氮技术 的研究，但是这一技术还处于不成熟阶段，需要进一步探索和研究。 1 2 o m b r 工艺的提出 o m b r 组合工艺是基于传统o 活性污泥法工艺与膜分离技术的结合， 膜组件浸没于好氧池内，代替重力沉淀池进行固液分离。该组合工艺充分发挥了 o 活性污泥法工艺和膜生物反应器各自的优点，克服传统活性污泥法在处理生 活污水方面的缺陷。传统a ，o 活性污泥法工艺是将反硝化反应器放置在系统之 首，所以又称前置反硝化生物脱氮工艺。在本工艺中反硝化、硝化与b o d 的去 除分别在两座不同的反应器内进行，硝化反应器内经充分反应的硝化液一部分回 流至反硝化反应器，而反硝化反应器内的脱氮菌以原污水中的有机物作为碳源、 以回流液中硝酸盐的氧作为受电体进行呼吸和生命活动，将硝态氮还原为气态氮 ( n 2 ) ，不需要外加碳源。因此，设内循环系统，向前置的反硝化回流硝化液是 浙江工业大学硕士论文第l 章绪论 本工艺的特征。这是目前较为广泛的一种脱氮工艺。传统o 工艺为了保持构 筑物中足够数量的硝化菌以完成硝化反应，需要维持较长的污泥龄，因而相应增 大了构造物容积；而其絮凝性较差的硝化茵也可能会随二沉池流出，影响硝化效 果，从而降低系统的脱氮效率。膜生物反应器由于膜的高效截留作用，除了维持 反应器内足够的微生物量，同时保证了系统较长的污泥龄，有利于世代时间较长 的硝化菌增殖。另外，膜生物反应器内由于污泥的絮体较小，而较小的絮体有着 更大的周长与面积之比，使得氧传质阻力减小，硝化作用更加彻底，此外膜生物 反应器内能维持较高的污泥浓度，有利于反硝化的进行，回流污泥中的溶解氧会 很快被消耗掉，不会破坏缺氧段的适宜环境。因此该组合工艺具有处理效果稳定、 工艺简单、管理方面等优点，有着良好应用前景。 1 3 o m b r 的理论基础 1 3 1 刖o m b r 工艺原理 根据硝化与反硝化作用是否在同一反应器内发生，可将膜生物反应器脱氮工 艺分为两大类：a ，o 型式的膜生物反应器脱氮工艺和单一反应器间歇曝气膜生物 反应器( 即一体式膜生物反应器) 脱氮工艺。 第一种工艺即为0 m b r 工艺，工艺简图见图1 1 。前置反硝化在缺氧条 件下运行，含碳有机物的去除、含氮有机物的氧化和氨氮的硝化在好氧条件下运 行，在好氧段内加入超滤膜组件代替传统工艺中的二沉池，好氧段混合液回流至 缺氧段，提供硝化液。 图1 1 工艺简图 第二种工艺大多数使用序批式反应器( s b r ) 的运行工艺，在时间序列上实 现缺氧好氧段的组合并控制每一部分适宜的时间比例，可以得到较好的脱氮效 果，同时，由于是一体式装置，所以没有混合液的回流，减少了设备需求，降低 6 浙江丁业大学硕士论文 第1 章绪论 了运行费用。 1 3 2 刖o m b r 对有机物的去除原理 o m b r 工艺对有机物的去除是通过缺氧段、好氧段污泥的生物作用和超 滤膜的截留这三个过程而实现，其中主要依靠的是生物反应器内活性污泥的去除 作用。在活性污泥处理系统中，有机污染物从污水中被去除，其实质就是有机物 作为营养物质被活性污泥微生物摄取、代谢与利用的过程，也就是所谓“活性污 泥反应”的过程。这一过程的结果是污水得到净化，微生物获得能量合成新的细 胞，使活性污泥得到增长。在o m b r 工艺中，由于膜对污泥的截留作用，一 方面使反应器内能够维持较高的污泥浓度，微生物量增加，从而使生物降解作用 增强；另一方面是膜对有机大分子物质的截留，大分子物质可以被截留在好氧反 应器内，获得比传统活性污泥法更多的与微生物接触的反应时间，并有助于某些 专性微生物的培养，提高有机物的去除效率。因此o m b r 组合工艺很大程度 上强化了生物反应器对有机物的去除能力，从而提高了膜生物反应器对有机物的 去除能力。 r 1 3 3 o m b r 生物脱氮原理 污水中含氮化合物主要以两种形式出现：有机氮及氨态氮。生物脱氮的基本 原理是微生物的硝化和反硝化作用，有机氮化合物，在氨化菌的作用下，分解、 转化为氨态氮。随后在亚硝酸细菌和硝化细菌的作用下，分解的氨态氮和原污水 中含的氨态氮一起进一步分解氧化，首先在亚硝化菌的作用下，使氨转化成为亚 硝酸氮；续之在硝酸菌的作用下，进一步转化为硝酸氨。反硝化作用是指硝酸氮 ( n 0 3 _ n ) 和亚硝酸氮( n 0 2 。n ) 在反硝化菌的作用下，被还原为气态氮( n 2 ) 的过程。 o m b r 工艺是基于传统前置反硝化脱氮工艺( o ) ，结合膜分离技术而 形成的一种新型工艺。m b r 可以通过膜的截留作用，使硝化菌长期停留在好氧 池内，在不增加池容的前提下相应延长了污泥龄，满足了硝化菌的生成，减少了 硝化菌的流失。同时，由于膜的高效截留使得污泥浓度显著提高，硝化菌、反硝 化菌数量都增加，这将有利于系统的硝化速率和反硝化速率的提高；并且由于存 在较高的污泥浓度，根据生物脱氮理论，除了传统硝化反硝化作用发生外，还 7 浙江工业大学硕上论文 第1 章绪论 存在着好氧区内同步硝化反硝化现象。 同步硝化反硝化现象就是硝化反应和反硝化反应在同一反应器中、相同操作 条件下同时发生的现象。近年来好氧化硝化菌和异养硝化菌的发现以及好氧反硝 化、异氧硝化和自养反硝化等研究的进展，奠定了s n d 生物脱氮的理论基础。对 于同时硝化反硝化现象的解释可以分为两大类：一类是从微生物的生理学角度来 解释，可称为生物论，为好氧条件下同时存在好氧反硝化菌和异养硝化菌，从而 导致s n d 反应的发生；一类是从微生物所处环境的角度来解释，可称之为生境论， 其中生境论还可分为宏观生境论渊和微观生境论2 6 1 。宏观环境理论，就是由于 充氧装置的充氧不均匀和反应器的构造原因，造成生物反应器形态不均，在反应 器内形成缺氧厌氧段而形成的s n d 作用；微观环境理论，就是在活性污泥菌胶 团和生物膜内部存在多种多样的微环境类型，从而形成微观的缺氧厌氧环境造 成s n d 反应的发生。s n d 工艺具有明显的优越性，主要表现在：( 1 ) 节省反应器 体积；( 2 ) 缩短反应时间；( 3 ) 无需酸碱中和。 根据前人的研究，在膜生物反应器工艺中，同步硝化反硝化现象存在，这 主要是膜生物反应器中较高的污泥浓度所致。不过，在常规条件下，a ，o m b r 工艺中脱氮原理主要还是根据传统硝化反硝化理论。 1 4 课题的目的和意义 本研究的缺氧好氧m b r 是将传统的o 工艺与m b r 相结合，不仅具备了 截留硝化细菌、增加污泥浓度的优点，而且为好氧菌和反硝化菌创造了相对独立 的生存环境。由于没有污泥回流，减少二沉池，从而减少占地面积、工艺简单、 管理方便，节约运行成本，因而具有良好的发展前景。本试验在发挥m b r 已有 优势的前提下，针对系统污染物去除效果及脱氮能力展开研究，并对影响因素如 h r t 、c n 、d o 及m l s s 等进行系统和深入的研究，确定最佳的运行参数；力 图建立微生物增殖和有机物降解的动力学模式，模拟并预测系统污泥变化及对有 机物的处理效果，为以后工程化研究和应用提供技术支持。 o m b r 工艺的研究，有助于将系统的设计和运行更加合理化和科学化， 提高微生物进行脱氮的效率，同时通过对反应动力学的分析研究，可以预测膜生 物反应器中污泥浓度的变化和膜生物反应器中c o d c r 出水浓度的变化，力图使 8 浙江工业人学硕士论文 第1 章绪论 微生物能够在人工调控环境下更适宜发挥效力，使反应能够在比较理想的条件下 进行。 1 5 课题来源 本研究得到水体污染控制与治理科技重大专项( 2 0 0 8 z x 0 7 10 1 - 0 0 6 - 3 ) 子课的 资助。 9 浙江工业人学硕士论文第2 章a o m b r 的装置设计与试验方案 第2 章o 一r 的装置设计与试验方案 根据原水水质特点，结合o 活性污泥法与m b r 工艺设计原理，本研究采 用a o m b r ( a m o x i c a e r o b i c b i o r e a c t o r ) 处理生活污水。o m b r 工艺是将常 规一体式膜生物反应器与o 活性污泥法相结合的组合工艺。 2 1 试验装置设计 2 1 1 装置与流程 本研究的试验装置见图2 1 。 图2 1 试验装置图 1 高位水箱；2 平衡水箱；3 浮球阀；4 进水流量计；5 搅拌器；6 膜组件；7 回流污泥泵； 8 曝气头；9 真空表；1 0 出水流量计；1 1 蠕动泵；1 2 气体流量计；1 3 气泵。 试验中采用的是前置缺氧好氧工艺以及中空纤维膜生物反应器( m b r ) 的 运行方式，其实质是活性污泥生物反应器与中空纤维膜膜单元的组合工艺。膜组 件直接浸没在好氧反应器中，出水采用蠕动泵抽吸出水运行，好氧段连续曝气。 具体工艺流程如下图： l o 混合液回流 出水 浙江工业大学硕士论文第2 章，o m b r 的装置设计与试验方案 其流程为：将模拟生活污水( 实际生活污水) 作为原水注入水箱中，原水经 提升水泵送至高位水箱；在重力流下，高位水箱水流入平衡水箱，平衡水箱中装 浮球阀，保持水位恒定；生物反应器采用连续运行的方式，平衡水箱中水采用重 力流恒定进入缺氧反应器，在该反应器内设搅拌器进行搅拌；缺氧段的出水经连 通管恒定地流入好氧反应器，在好氧反应器连续曝气，曝气量由流量计控制；同 时在回流泵的作用下，将好氧反应器的混合液由底部回流至缺氧反应器，在回流 泵连续运行的工况下使混合液不断循环；好氧反应器内的出水由蠕动泵控制，出 水流量由流量计显示。 2 1 2 主要设备 ( 1 ) 反应器：反应器材质为有机玻璃，缺氧段是圆柱形，直径为0 2 m ，高为o 3 m ， 有效容积为7 8 5 l ，有效水深为o 2 5 m 。好氧段是长方体，长为0 3 5 ，宽为o 1 m ， 高为o 5 m 。缺氧段中设有搅拌机( 型号d 2 5 2 f 搅拌机) ，目的是为了使缺氧污 泥与污水充分混合，提高处理效果。好氧段底部设有6 个曝气头，有一台空气泵 ( 型号a c o 0 0 3 ，流量为6 0 l m i n ) 供气，用气体流量计( 型号l z b 6 ) 控制其 气体流量，进行连续曝气。空气泵提高的空气通过曝气砂头进入水体，为微生物 供氧，同时对膜丝形成扰动流，阻止膜组件的堵塞。 ( 2 ) 膜组件：试验采用某技术有限公司的聚偏氟乙烯( p ) f ) 中空纤维膜，膜 孔径为0 0 5 岬l 。膜面积为o 4 m z 。 ( 3 ) 进、出水装置：整个反应器采用连续进水及连续出水的运行方式。高位水 箱中的水流入通过浮球阀控制的平衡水箱中，然后进入缺氧池。出水由蠕动泵( 型 号是b t - 0 0 1 ) 控制，泵后设有转子流量计。蠕动泵的间歇运行使混合液流向膜 面的流速交替为零，当停止抽吸时，膜面在曝气产生的剪切作用下，使沉积的污 物脱落，在一定程度上延缓了膜的污染。但是此过程中，由浓度极差化引起的膜 面有机物积累也可能会由扩散作用返回混合液中。 ( 4 ) 回流装置：混合液回流采用小型潜水泵( 型号h j 5 1 1 ) 进行回流，由于其 流量比较难调节，因此固定回流比为4 5 。 ( 5 ) 其它：为了及时了解膜污染状况，出水管处安装压力表。 浙江工业大学硕士论文第2 章o m b r 的装置设计与试验方案 容积( l ) 水力停留时间( h ) d o ( m g l ) 进水流量( m ) 出水流量( m ) 曝气设备 7 8 5 7 8 5 3 、7 8 5 2 、7 8 5 1 5 o 0 5 3 3 、2 、1 5 3 、2 、1 5 9 、1 0 、1 2 9 3 、1 0 2 、1 2 1 5 o 5 6 采用曝气泵曝气，由气体流量计控制曝气量，曝气头采用砂 头，每组6 个，均匀布设 回流比4 5 活性污泥m l s s ( m g ，l ) 2 0 8 0 9 1 5 0 2 3 试验方案 第一阶段：活性污泥培养驯化。 第二阶段：1 ) 对模拟生活污水的处理进行研究；2 ) 进行微生物增殖和有机 物降解的动力学模型的研究。 第三阶段：对系统影响因素的研究。 第四阶段：以第三阶段确定的运行参数，对实际生活污水的处理进行研究。 具体试验方案见表2 2 。 1 2 浙江工业人学硕上论文第2 章o m b r 的装置设计与试验方案 表2 - 2 试验方案 阶段试验目的试验内容 污泥驯化污泥驯化投入接种活性污泥反应 第器启动，进水为模拟生活 污水，检测反应器进、出 阶水各污染指标，镜检观察 段生物相 对模拟生活污水的处理进行研究系统对各污染检测出水及上清液各污 第 研究物的去除效果染物指标 建立微生物增殖和有机物降 求出废水生物处理 在m l s s = 8 4 0 2 m g l 及 - 。 阶 解的动力学模型系统的微生物增长 m l s s = 7 5 2 2 m g l 时，测 段 特征的参数y 和k定出水c o d c r 浓度及污 值泥中c o d c r 浓度 c 尉 研究进水c 肘对有不同的c 小依靠改变碳 机污染物去除效果源来实现，检测各污染物 的影响 的出水指标 d o 浓度固定回流比，考察取固定回流比( 4 5 ) ， 第影响因m l s s 浓度好氧段溶解氧浓控制好氧段d o 浓度( 分 素研究 h r t度、好氧段水力停别取o 5 、1 、2 、3 、4 、5 、 阶留时间及m l s s 对 6 m g l ) 、水力停留时间 段有机污染物去除效( 取3 、5 5 、8 h ) 及不同 果的影响m l s s 检测各污染物的出 水指标 以第三阶段确定的运行参研究系统对各污染检测各污染物的出水指 第四阶段数，对实际生活污水进行研物的去除效果 标 究 1 3 浙江工业大学硕上论文第2 章