（化工过程机械专业论文）废水处理内环流固定床生物膜反应器性能研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 生物膜法是一种简单高效的废水处理技术，与活性污泥法相比，具有处理效率高、 系统设备少、占地面积小、适用范围广、耐冲击性能强等优点，并能在反应器内形成稳 定的生态体系。 本文研究开发了一种新型的废水处理反应器，把气升式内环流反应器的结构特点与 弹性立体填料相结合，充分利用生物膜法处理废水的优点，同时通过内环流流型改善反 应器内部的流动状态，成为新型的内环流固定床生物膜反应器。 本文通过人工合成废水的处理，考察了内环流固定床生物膜反应器的挂膜效果，以 及对碳、氮等污染物的处理效果和影响因素，并利用数值方法对底物降解过程进行了模 拟计算，主要内容有： 1 建立了内环流固定床生物膜反应器实验装置，并对生物载体挂膜进行实验研究； 2 采用正交实验方案，分别确定了影响反应器内c o d 和氮去除率的相关因素，以 及最优实验参数，实现了反应器硝化和反硝化装置一体化的功能； 3 将内环流固定床生物膜反应器与活性污泥及流化床生物膜反应器进行了实验比 较。结果表明，该反应器的c o d 和氨氮去除效率相对较高，且具有无回流、气液比小、 运行成本低等优势； 4 利用非线性最小二乘法和误差分析，确定了反应器内底物降解动力学方程的参 数，即砌。，】么s ：o 0 1 5 6m i n l ，墨= 5 1 6 9 6m g l ，五= 6 9 7 5 7m g l ，杉y x s = o 0 0 2 2m i n 1 。 模拟计算结果表明：本文建立的h a l d a n e e n d o 组合动力学模型，用以描述该反应器的动 力学行为是合适的。 5 h a l d a n e e n d o 组合动力学方程与一级反应的m o n o d 、h a l d a n e 和m o n o d e n d o 方 程的计算结果进行比较，表明h a l d a n e e n d o 组合方程对本文的实验结果吻合较好。 在对反应器长时间连续运行的实验研究基础上，本文对这种新型反应器的运行参数 和影响因素进行了综合测试和分析，并确定了最优的运行方案，模拟了底物降解规律， 为内环流固定床生物膜反应器的理论分析和实际应用奠定了基础。 关键词：内环流反应器；固定床：生物膜；反应动力学 废水处理内环流固定床生物膜反应器性能研究 s t u d yo ni n t e r n a ll o o pf i x e d b e db i o f i l mr e a c t o rb e h a v i o rf o rt h e t r e a t m e n to fw a s t e w a t e r a b s t r a c t n l et r e a t m e n to fw a s t e w a t e rb yu s i n gb i o f i l mm e t h o di ss i m p l ea n dh i g h l ye f f e c t i v e t e c h n o l o g y c o m p a r e dw i t ht h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，t h eb i o f i l mt e c h n o l o g yh a sm a n y a d v a n t a g e ss u c ha sh i g h e rr e m o v f le f f i c i e n c y ，l e s se q u i p m e n t ，s m a l l e rl a y o u ta r e a , w i d e a p p l i c a t i o n ，s t r o n gi m p a c tr e s i s t a n c ea n ds t a b l ee c o l o g i c a ls y s t e mi nr e a c t o r sa n ds oo n n ep a p e rr e a s e a r c h e sa n dd e v e l o p san e wt y p eo fr e a c t o rt h a tc o m b i n e st h es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so fa i r l i f ti n t e r n a ll o o pr e a c t o rw i t ht h ee l a s t i c i t yp l a s t i cb i o f i l mc a r r i e r 1 1 1 e r e a c t o rn o to n l yu t i l i z e sf u l l yt h ea d v a n t a g e so ft e c h n o l o g yo fb i o f i l mw a s t e w a t e rt r e a t m e n t , b u ta l s oh a sag o o dh y d r o d y n a m i c sc o n d i t i o nb e c a u s eo ft h ei n t e r n a ll o o pf l o wp a t t e r ni n s i d e t h er e a c t o r , 1 1 1 ee x p e r i m e n t a ls e t - u po f t h en e vt y p eo f r e a c t o r , w h i c hi sn a m e di n t e r n a ll o o p f i x e db e db i o f i l mr e a c t o r ( i l f b b r ) , i sb u i l ta n di n v e s t i g a t e d n 圮p a p e rs t u d i e st h ee f f e c to fb i o f i l mf o r m a t i o np r o c e s si ni l f b b rb yu s i n gt h e s y n t h e t i cw a s t e w a t e r i ta l s os t u d i e st h et r e a t m e n te f f e c ta n di n f l u e n c i n gf h c t o i 甚i nc n r e m o v a lr a t e i na d d i t i o n , t h ek i n e t i c so fs u b s t r a t ed e g r a d a t i o ni sc a l c u l a t e db yu t i l i z i n gt h e m e t h o do f t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em a i nc o n t e n t so f t h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 1 1 1 ee x p e r i m e n t a ls e t - u po fi l f b b ri sb u i l t a n dt h ef o r m a t i o np r o c e s so fb i o f i l mo n t h ec a r d e ri si n v e s t i g a t e d 2 t h eo p t i m a lo p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r so fr e m o v a lr a t e so fc o d a n dn i t r o g e na r ec o n f i r m e d 耶f u n c t i o no fs i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o ni n t h er e a c t o ri sa c h i e v e d 3 c o m p a r e d 埘t ha c t i v a t e ds l u d g er e a c t o ra n df l u i d i z e db e db i o - r e a c t o r i l f b b rs h o w s h i g h e rr e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d a n dn h 4 - n f u r t h e r m o r e ，i th a sa l s os o m ea d v a n t a g e ss u c h a sn o n - r e c i r c u l a f i n ge x t e r n a lf l o w ，s m a l l e rg a s l i q u i dr a t i oa n dl o w e ro p e r a t i n gc o s t 4 t h ep a r a m e t e r si nk i n e t i c se q u a t i o no fs u b s t r a t ed e g r a d a t i o nf i r ed e t e r m i n e db yu s i n g t h em e t h o do f n o n l i n e a rl e a s ts q u a r e sa n de r r o ra n a l y s i s t h e s ep a r a m e t e r sa r ea sf o l l o w s ： 。l 圪s = o 0 1 5 6 r a i n 1 ，墨= 5 1 6 ，9 6 m g l ，局= 6 9 7 5 7 m g l 一，乞y x s = o 0 0 2 2 m i n 1 t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti ti sa p p r o p r i a t ei nd e s c r i b i n gt h eb e h a v i o u ro fk i n e t i c s o fs u b s t r a t ed e g r a d a t i o nb yu s i n gt h ee q u a t i o no fh a l d a n e - e n d ot h a ti sd e v e l o p e di nt h i s p a d e l 大连理工大学硕士学位论文 5 i nc o m p a r i s i o nw i t ht h ef i r s t - o r d e rk i n e t i c se q u a t i o n so fm o n o d , h a l d a n ea n d m o n o d - e n d or e s p e c t i v e l y ，t h eh a l d a n e e n d oe q u a t i o na c c o r d sw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s w e l l b a s e do nt h ec o n t i n u o u se x p e r i m e n tf u n n e df o ral o n gt i m e ，t h ep a p e ra n a l y s e st h e o p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r so f i l f b b r ，d e t e r m i n e st h eo p t i m a ls c h e m ea n d s i m u l a t e st h ep r o c e s so fs u b s t r a t ed e g r a d a t i o n t h ed i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e st h eb a s i sf o r t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o no f l l f b b r k e yw o r d s ：i n t e r n a ll o o pr e a c t o r ；f i x e db e d ；b i o f i l m ；k i n e t i c s i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 切o 、7 - 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：堕 导师繇刻盎星 型丛年旦月望日 大连理工大学硕士学位论文 引言 废水生物处理技术已经在世界范围内广泛应用，其主要处理工艺分为悬浮生长工艺 和附着生长工艺( 生物膜法) ，如活性污泥法、生物滤池、生物接触氧化塔和生物转盘 等，上述工艺一定程度上满足了对去除废水中c o d 的要求；但是，近些年来，水体富 营养化问题日益严重，利用生物法去除废水中的氮成为研究和应用的热点。为了满足废 水处理的要求，传统的污水处理工艺必须将各处理单元分设，往往还需要进行污泥回流 和污水循环，这势必增加基础建设及管道、设备的投资，同时，也必然增加运行成本。 因此，研究一体化的处理工艺成为一种趋势。 在一体化处理工艺研究过程中，将处理工艺和生物反应器相结合是整个过程的核 心。生物膜法处理工艺在大多数情况下可以完全取代活性污泥法，而且，生物膜法还具 有运行稳定、抗冲击性强、污泥产量低和硝化与反硝化除氮的功能，在废水处理领域已 经得到广泛应用：气升式内环流生物反应器是一种新型的生物反应器，其结构简单、剪 切力小、回流量小、混合传质效果好，在相同的条件下，同处理效率较高的深井曝气法 相比，它可以达到同样甚至更好的处理效果，从而大大减少了废水处理成本，而且，在 反应器的内外筒之间可以形成一定的厌氧区域，有利于反硝化的进行，因此，在废水处 理领域，气升式内环流生物反应器有着广阔的应用前景。将气升式内环流生物反应器同 生物膜法相结合，就可以充分的利用生物膜法处理废水的优势，同时，也降低反应器的 基础建设费用和运行成本，从而实现废水处理工艺的一体化目的。 本文研究是在前期的气升式内环流生物反应器的流体动力学特性和气液传质动力 学特性研究的基础上，将该反应器同弹性立体填料相结合，设计了内环流固定床生物膜 反应器，并对人工合成废水进行处理，利用正交实验的方法，考察了反应器对c o d 和 氮的去除效果的影响因素，整个实验运行将近2 0 0 天。实验数据整理和分析的结果表明， 同其他类型废水处理工艺( 如活性污泥法和流化床生物膜法) 相比，无论是在c o d 去 除上，还是在n h 4 + 去除上，均优于上述两种方法，而且去除效果稳定。本文还对底物 降解动力学和反应器动力学进行了研究，利用非线性最小二乘法和误差分析对动力学参 数进行确定，对底物降解过程进行模拟，得出了与实验数据吻合较好的底物降解动力学 方程。 本文的第一章为文献综述部分，介绍了生物膜法污水处理技术及其工艺、环流反应 器和生化反应动力学的基本原理及研究；第二章主要介绍了实验装置和流程，简单地介 绍了实验材料、实验仪器和试剂，详细地介绍了实验检测指标、分析方法和实验步骤； 第三章首先考察了污泥培养驯化，同时对载体挂膜进行了研究；利用反应器间歇运行的 废水处理内环流固定床生物膜反应器性能研究 方式，考察并验证了反应器性能的优越性：利用反应器连续运行的方式，考察了反应器 去除c o d 和氮的影响因素，并对实验结果进行整理分析，得出了最大影响因素；第四 章建立了底物降解动力学方程，利用误差分析和非线性最小二乘法求取了动力学参数， 对底物降解过程进行了模拟，得出了与实验结果吻合较好的动力学方程；同时，利用实 验数据确定了反应器的动力学参数。 限于作者的水平和经验，论文中难免存在疏漏和不妥之处，恳请批评指正。 一2 大连理工大学硕士学位论文 1 文献综述 污水是人们在生活和生产过程中使用过的含有各种污染物的水，主要来源于城镇的 住宅、工厂和各种公共建筑设施。例如，在人们的日常生活中。洗漱、淋浴和卫生设备 均排放生活污水；在工业生产中，几乎所有的车间、工厂和厂矿都排放工业废水；在农 业生产中，由于化肥和农药的使用，也会导致一定的水污染。随着经济发展和城市化进 程的加快，城市污水排放量与日俱增，目前我国城市污水年排放量已经达到4 1 4 亿立方 米【”，由此造成的环境污染问题臼趋严重。 近些年，许多天然湖泊、水库及周边海域水体富营养化，已严重威胁到自然界的生 态平衡和人类的生产生活。饮用水中含氮过高，会导致体内正常的血红蛋白氧化成高铁 血红蛋白，失去血红蛋白在体内的输氧的能力，可导致高铁血红蛋白血症，甚至还能致 癌。为此，许多国家已经对废水排放或中水回用的氮指标进行了调整，严格控制氮的排 放量。 中国是水资源严重匮乏的国家之一，人均水资源持有量不足世界平均水平的i 4 ， 而且水质污染日趋严重。因此，从多学科角度研究污水处理的问题，是我国研究人员面 临的重要课题之一。 1 1 生物膜法污水处理技术 生物处理法是1 9 世纪末出现的污水处理技术，主要去除的对象是呈溶解态和胶体 状态的有机污染物质和无机污染物质，利用微生物的新陈代谢作用使之转化成为稳定的 无害化物质。目前，生物处理法已成为世界各国处理城市生活污水和工业废水的主要手 段。 按照反应过程中有无氧的参与，生物处理法可分为好氧处理工艺和厌氧处理工艺两 大类，好氧工艺多用于处理中等浓度以下的污水。厌氧工艺多用于处理高浓度的有机污 水。 按照微生物在生物反应器中的生长状态，污水生物处理还可划分为悬浮生长工艺和 附着生长工艺( 生物膜法) 两种。前者以活性污泥法为代表，微生物在曝气池内以活性 污泥的形式呈悬浮生长状态：而后者则以生物膜法为代表，微生物以生物膜的形式圃着 在某种载体的表面上。生物膜法在很多情况下不仅能替代活性污泥法用于城市污水的二 级生物处理，而且还具有一些独特的优点，如运行稳定、抗冲击负荷能力强、经济节能、 不产生污泥膨胀，且具有一定的硝化与反硝化除氮功能，还可实现封闭运转防止臭味等。 废水处理内环流固定床生物膜反应器性能研究 因此，自上个世纪7 0 年代以来，生物膜法废水处理工艺引起广大研究者和工程师们的 极大兴趣。 1 1 1 生物膜及其形成过程 单一或混合微生物细胞能牢固地附着于水环境中任何适宜的载体表面，并在上面进 行生长和繁殖，由细胞表面向外生长的菌丝体与胞外聚合物形成纤维状缠结的生物膜结 构。由于废水中含有多种可溶性或不溶性的污染物质，通常观察到的生物膜还含有大量 被吸附或镶嵌于其内的非生物物质，因此，生物膜是由有生命的细胞和无生命的无杌物 所组成的结构。 组成生物膜的微生物相主要有细菌、真菌、藻类、原生动物和后生动物等，还可能 有病毒。有些微生物体的结构简单，如原核生物；有些细胞结构则较复杂，如真核生物； 而病毒仅具有非细胞的组织结构。一般说来，生物相的组成与活性随底物浓度、水力停 留时间、废水成分、p h 值、温度、曝气情况以及其它影响因素的改变而变化【2 羽。 在混合生物膜中，微生物生长情况比单一菌膜要复杂得多。各种微生物在群体中相 互影响，共栖于一个生态平衡环境之中。通过镜检，可以看到不同微生物在培养系统中， 都有着特定的生长规律及生长曲线。共栖环境中的每条曲线都有自己的形状与位置，与 环境中营养物质的变化以及微生物之间的相互依存情况密切相关。这些生长曲线所反映 的微生物群的生长规律有助于人们通过微生物镜检，去推知废水处理过程中的水质情况 1 4 。混合微生物的生长曲线如图1 1 所示。 错 芏 譬 图1 1 混合微生物生长曲线 f i g i 1g r o w t hc u r v e so f m i x e dm i c r o b e s 研究表明：生物膜的累积形成是物理、化学和生物过程综合作用的结果【5 1 ，生物膜 形成过程示意图如图1 2 所示，其中包括： 1 有机分子从水中向生物膜附着生长载体表面运送，其中有些被吸附，便形成了 被微生物改良的载体表面( 图1 2 a ) ； 2 水中一些浮游的微生物细胞被传送到改良的载体表面，其中碰撞到载体表面的 大连理工大学硕士学位论文 一部分细胞在表面吸附一段时间后因水力剪切或其他物理、化学和生物作用又解吸出 来；而另一部分则被表面吸附一定时间后变成了不可解吸的细胞( 图1 2 b ) ； 3 不可解吸的细胞摄取并消耗水中的底物与营养物质，繁殖增长。同时，细胞产 生的部分代谢产物将排出体外，这些产物中的胞外多聚物把生物膜紧紧地结合在一起。 由此可见，微生物细胞在消耗水中底物能量进行新陈代谢时，便形成了生物膜的积累( 图 1 1 c ) ： 4 细胞在增殖时也可向水中释放出游离的细胞( 图1 1 d ) 。 0 ，8 易，0 口 刁，禽。躐盎一 蒯* 麻t ，i i i f i 毡诲 | 黼 ，9 ，雩。毒勰 i t 戢俸月f c lg l l l l 羲体i i f t位 图1 2 生物膜形成过程示意图 f i g 1 2t h ed i a g r a mo f b i o f i l mf o r m a t i o n 1 1 2 生物膜的特i 生 图1 3 为生物膜系统的示意图1 6 。生物膜附着在固体载体上生长，这些载体通常是 不可渗透的。固相载体可以是天然材料，如滴滤床中的石砾，也可以是合成材料，如塑 料填料，其形状可以是填充塔中所用的有褶皱的薄板或流化床中所用小的颗粒。 懑萋 图1 r 3 生物膜系统示意图 f i g 1 3t h ed i a g r a mo f b i o f i l ms y s t e m 一般而言，生物膜可分为两个区：基膜和表膜，其中包含了微生物和其他粘附着胞 外聚合物的颗粒物，这些聚合物是由微生物排泄产生的，一般认为与生物絮凝剂所含的 废水处理内环流固定床生物膜反应器性能研究 聚合物相同。基膜包含一层结构化的积聚物，具有明显的边界，基膜内的传质一般被视 为分子扩散；表膜提供基膜与液相主体间的传质，其传质一般以层流为主。基膜和表膜 的相对厚度与生物膜中的微生物和系统的水力特性有关。一方面，在生物膜与液相主体 间存在相对运动，这一运动取决于系统的类型，例如在填充塔中生物膜及载体不动，液 相以薄层的形式流过生物膜；而在转盘式生物反应器中则是液相相对不动，生物膜及载 体在液相中转动。另一方面，从液相到生物膜的传质还取决于水力学特性。有些生物膜 系统还包含气相，气相提供氧气或积存气相产物。 建立生物膜系统的数学模型时，一般忽略表膜的作用，只考虑基膜。在模型中认为 生物膜只是由单一的生物种类组成的，如图1 4 所剥郇。由图片建立了一些概念：进出 细菌细胞的基质、营养物、电子受体等的传质只通过分子扩散作用进行，此外，在液相 主体和生物膜之间的传质是层流或湍流的扩散过程。 霞 e l “m 图1 4 生物膜微观照片 f i g 1 4m i c r o - p i c t u r eo f b i o f i l m 1 1 3 生物膜中的微生物相 生物膜主要是由微生物及其胞外多聚物所组成，这些只有在显微镜下才能观察到具 体形态的微生物，其形态迥异，种类繁多，但归纳起来主要有细菌、真菌、藻类、原生 动物和后生动物等。 1 细菌细菌是微生物膜的主体，它产生的胞外多聚物为生物膜结构的形成奠定 了基础。生物膜上细菌的种类取决于其生长速率和微生物膜所处的环境，如水中营养物 状况、附着生长状况、细菌在生物膜中所处的位置和温度等环境条件。根据所需营养物 的不同，细菌又可分为无机营养型的自养菌和有机营养型的异养菌，其中异养菌是生物 膜中的主要细菌类型，能够从流经生物膜表面的水中获得足够能量的底物。生物膜中常 出现的细菌种类有：球衣菌、动胶菌、硫杆菌属、无色杆菌属、产碱菌属、甲单胞菌属、 诺卡式菌属、色杆菌属、八叠球菌属、埃希式大肠杆菌、副大肠杆菌属、亚硝化单胞菌 属和硝化杆菌属掣”。 一6 大连理工大学硕士学位论文 2 真菌真菌是具有明显细胞核而没有叶绿素的真核生物，大多数具有丝状形态， 包括单细胞的酵母菌和多细胞的霉菌。真菌可利用的有机物范围很广，以多碳类有机物 居多。当污水中有机物的成分发生变化、负荷增加、温度降低、口h 值降低和溶解氧水 平下降时，很容易滋生出丝状菌。生物膜中常出现的丝状菌有：瘤胞属菌、灿烂微重真 菌、红色桨酶、水镰刀酶、皮丝状胞酶等 7 1 。 3 藻类藻类是光照条件下生物膜中的主要成分，在明渠和溪流的岩石上经常发 现有藻类。在普通生物膜滤池表层滤料的生物膜以及附着生长污水稳定塘的填料一般都 有大量的藻类存在【8 l 。尽管藻类不是生物膜主要的微生物类群，但藻类却作为水生环境 中的生产者，是受阳光照射下水体中生物膜微生物的主要构成部分。由于出现藻类的地 方只限于生物膜反应器中表层很小的部分。因而对污水净化不会起很大的作用。生物膜 中常出现的藻类有：小球藻属、绿球藻属、席藻属、颤藻属、毛枝藻属和环丝属等1 7 1 。 4 原生动物原生动物是动物中最低等的单细胞动物。在成形的生物膜中，它们 不断捕食生物膜表面的细菌，因而在维持生物膜表面的活性细菌状态方面起着积极作 用。原生动物或者以胞饮的方式摄取有机物质，或者以嗜菌的方式吞噬细菌、藻类和其 他粒子并消化作为它们的营养物质。在滴滤池污水处理装置中，常出现因原生动物的捕 食而影响生物膜积累的情况。从微观来看，浮游的原生动物在生物膜内的紊动可影响生 物膜深处的传质情况。生物膜中常出现的原生动物有：鞭毛类、肉足类和纤毛类等【_ ”。 5 后生动物后生动物是由多个细胞组成的多细胞动物，属无脊椎型动物。生物 膜中常出现的后生动物有：轮虫类、线虫类、寡毛类和昆虫及其幼虫类。 综上所述，生物膜中的微生物十分丰富，形成了由细菌、真菌及藻类等原生动物与 后生动物缠结在一起的复杂生态体系。这些微生物是否出现以及是否占优与污水水质和 生物膜所处的环境条件密切相关。观察微生物膜中的生物相状态，可以检查并判断生物 膜反应器的运转情况以及污水处理的效果。 1 1 4 生物膜的净化机理 生物膜法使微生物附着在载体表面上，通过对流经载体表面的污水中有机营养物的 吸附、溶解氧向生物膜内部的扩散以及在膜中发生的生物氧化等作用，对污水中的污染 物进行分解。在生物膜反应器中，污染物、溶解氧及各种必需营养物首先要经过液相扩 散到生物膜表面，进而到生物膜内部，只有扩散到生物膜表面或内部的污染物才有机会 被生物膜中的微生物所分解并转化，最终形成各种代谢产物( 如c 0 2 、水等) 。在生物 膜的最外层形成以好氧型微生物为主体的生物膜层，而在好氧层的深部由于扩散作用制 约了溶解氧的渗透往往形成厌氧区。由于厌氧菌的作用，硫化氢、氨和有机酸等物质容 废水处理内环流同定床生物膜反应器性能研究 易在厌氧区内积累。但在供氧充分的条件下，厌氧层的厚度就会被压缩至某一限度，形 成的有机酸在异养菌的作用下转化为c 0 2 和水，而氨和硫化氢在自养菌作用下被氧化为 各种稳定的盐类，使整个生物膜反应器保持活性。此外，在生物膜反应器中，由于微生 物被固着在载体上生长并繁殖，受污水的水力停留时间影响较小，因此，硝化菌等增殖 速度较慢的微生物也能够生长繁殖，从而导致生物膜中的微生物种属多样，并可形成稳 定的生态系统。生物膜内底物的去除过程见图1 5 【5 j 。 簟 体 。一一 7 蹦 产暂 图1 5 生物膜内底物去除过程图 f i g 1 5t h er e m o v a lo f s u b s t r a t ei nb i o f i l m 综上所述，生物膜法与活性污泥法相比，无论是在微生物的存在形式和结构特性方 面，还是在废水处理的工艺过程和原理方面，都存在着一定的差异，且具有一定的优势。 目前，生物膜法处理废水已成为环境工程技术领域的研究热点之一，内容涵盖了处理工 艺的研究，反应器的研究、生物膜填料研究、底物降解动力学的研究等等。 1 1 5 生物脱氮工艺 排放的污水中氮的含量过高不仅会造成水体的富营养化而且还危害人类及生物生 存。传统的污水生物脱氮方法主要是利用硝化和反硝化反应来进行，通过一定的工艺， 分别在两个不同的反应器中进行，优点是运行条件较易控制，同时可以获得良好的有机 物去除效果和脱氮效果。l w x i a o 和m r o d g e r s 等人 9 1 将水平流生物膜反应器( h f b r ) 和全混式反硝化反应器( d r ) 相结合，来去除废水中有机物和氮，当回流比分别为2 ， 4 和6 时，c o d 的去除率分别为9 6 8 ，9 7 1 和9 7 4 ，氨氮的去除率分别为9 9 3 ， 9 8 0 和9 4 4 。但是这种工艺的缺点是流程较长、处理设备多、基建费用高；为补充 反硝化阶段碳源不足，需外加碳源，很难在有效性、经济性、可行性方面同时达到要求 而运用于工程当中。 一8 一 蚺il丫 木 脯熊 大连理工大学硕士学位论文 近年来，国内外的研究者在不同类型的反应器中都发现了有氧条件下废水中氮的含 量减少，即同时硝化和反硝化( s n d ) 。其原理主要是由于反应器中存在异养硝化菌， 或者反应器内存在好氧和缺氧区，或者生物膜内存在好氧区和缺氧区。f u 和b i s h o p 等 人的研究表明，当生物膜厚度大于0 2 5 l m m 时，生物膜内部有可能发生反硝化反应。 利用s n d 可实现单个反应器内的生物脱氮过程，这样就克服了传统脱氮工艺需分设多 个处理单元，同时进行污泥回流和污水循环，占地面积大、运行费用高等缺点。r o sm 和v r t o v se k j l l 0 建立了一种厌氧缺氧一好氧一体化圆柱形填料塔状生物滤池，如图1 6 所示。塔体由于供氧位置及回流量的控制实现了三个氧特性分区：底部为厌氧段，中部 为缺氧段，上部为好氧段。硝化过程在好氧段完成，通过回流引入到缺氧段实现反硝化。 图1 6 一体化生物滤池图 f i g 1 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ec o m b i n e db i o f i l t e r f e r m a n d e p o l a n c 等人【l l 】采用流化床处理生活污水，通过置于床体中部的气体分布 器将一个反应器分成缺氧和好氧两个部分，反应器的部分出水经气液一固三相分离器 后，和进水一起循环至流化床底部缺氧区。改变气体分布器在流化床中的高度，可以调 节好氧区和缺氧区体积的大小，保证一定的脱氮率。吴成强等【1 习开发的体式生物脱氮 反应器，通过高程差将好氧生物膜和缺氧污泥床这两种不同生长系统以容积比为2 ：1 分布于同一个上流式反应器中的上下部，用于小区生活污水处理，总氮去除率最高可达 6 0 9 。k p o l i v e i r a - e s q u e r r e 和y w a t a n a b e 1 3 1 建立了一种硝化和反硝化一体化的膜生 物反应装置，装置通过控制气升式内环流反应器内的液面高度，为反应器内部提供好氧 和缺氧阶段，以此来达到硝化和反硝化的目的。 上述工艺虽然实现了废水处理工艺一体化的目的，但是，在工艺上操作复杂，运行 成本高，处理效率低，在具体的工程应用上还需要进一步研究。 废水处理内环流固定床生物膜反应器性能研究 1 2 生物膜反应器工艺 到目前为止，应用于污水处理的实用生物膜反应器工艺形式各异，从传统的生物滤 池、生物接触氧化塔和生物转盘到新型的生物流化床反应器、移动床生物膜反应器、序 批式生物膜反应器和垂直折流生物膜反应器等，均在工程实践中得到不同程度的应用或 处于小试及中试的积极研究阶段。 1 2 1 传统生物膜反应器工艺 1 生物滤池生物滤池是生物膜反应器的最初形式，1 8 9 3 年英国的科贝特( c o r b e t t ) 创建了世界上第一个具有喷嘴布水装置的洒滴滤池，经过一段时间的使用后，迅速地在 欧洲一些国家得到了广泛的应用【1 4 1 。随着其研究的不断深入和实际运行经验的不断积 累，生物滤池己由原来的低负荷普通生物滤池逐步发展成为高负荷生物滤池和塔式生物 滤池。生物滤池的一般结构如图1 7 所示。 普通生物滤池由池体、滤料、布水装置和排水系统四部分组成。它一般以碎石、焦 炭和炉渣为滤料，分为工作层和承托层两层填充，布水系统多为喷嘴喷洒布水。 图i 7 生物滤池的一般结构 f i g 1 7s t r u c t u r eo f b i o f i l t e r 塔式生物滤池是一种高池深、高负荷率运行的生物滤池。塔式生物滤池相当于多个 普通滤池的串联运行，且由于塔身高，增加了通风流量，因此可以提高处理效率。塔式 生物滤池使用的填料多为各种材质的波纹板、蜂窝和管式填料，如图1 8 所示。塔式生 物滤池与普通生物滤池相比，具有处理能力强、占地面积小等优点，在国内外应用较多。 2 生物接触氧化塔生物接触氧化也称淹没式生物滤池或浸没式曝气法。2 0 世纪 初，德国的克洛斯( c l o o s ) 、贝奇( b a c h ) 和美国的布斯韦尔( b u s w e l l ) 等人试验研 究了接触曝气法。2 0 世纪7 0 年代，在日本研究者的改进下，提高了处理效果。近2 0 年来，该技术在国内外都得到了广泛的研究和应用，主要用于处理生活污水和某些工业 有机废水。 1 0 一 大连理工大学硕士学位论文 厂、厂、厂、八， ( ) 圈 墅气一 黼一 y 撇t 图1 9 生物接触氧化法装置构成 f i g 1 9t h ec o m p o s i t i o no f b i o - c o n t a c to x i d a t i o ne q u i p m e n t 生物接触氧化塔内的生物膜活性一般高于生物滤池。此外，由于曝气的搅拌作用增 加了传质效果，使生物接触氧化塔比活性污泥法和生物滤池的处理效率明显提高。生物 接触氧化塔剩余污泥量相对较小，运行控制和维护管理简便，近年来越来越多地得到工 程应用。 3 生物转盘生物转盘源于德国，第一套半生产性的生物转盘试验装置是于1 9 5 4 年在德国海尔布隆污水处理厂建成，至7 0 年代，这种工艺在欧洲己经得到了广泛的应 用。 生物转盘如图1 1 0 所示，主要由盘片、接触反应槽、转轴及驱动装置所组成。生物 转盘的主体是同轴等间距安装的多组圆盘片构成的回转体，半浸于水槽中，盘片上附着 废水处理内环流固定床生物膜反应器性能研究 生物膜。当转片转动时，下部与污水接触进行有机物摄取，上部与空气接触进行充氧， 使污水中的有机物得以氧化分解旧。 接艟反应槽 黼渊觏 乙_ j 聪勃装置 图1 1 0 生物转盘 f i g 1 1 0t h er o t a t i n gb i o l o g i c a lc o n t a c t o r 生物转盘多为机械驱动，也有空气驱动的。与塔式生物滤池、生物接触氧化塔相比， 其b o d 容积负荷较低，处理效率也相对较低。 1 2 2 新型生物膜反应器工艺 1 生物流化床生物流化床可分为两相生物流化床和三相生物流化床两类。两相 为液( 污水) 、固( 载体) 相，三相为液、固、气相。 两相生物流化床内的载体全为生物膜所包裹，微生物高度密集，耗氧速度很大，对 污水的一次充氧不足以保证微生物对氧的需求；此外，单纯依靠原污水的流量很难使载 体达到流态化状态，因此常采用部分水回流的操作方式。脱膜对于生物流化床工艺也是 至关重要的，有时需要设置专门的脱膜装置。两相生物流化床的工艺流程如图1 1 l 。 图1 11 两相生物流化床处理工艺流程 f i g 1 1 if l o w c h a r t o f t w o p h a s eb i o l o g i c a l f l u i d i z c db e d 三相生物流化床无需充氧设备；由于反应器内载体之间的摩擦较强烈，一般也无需 另设脱膜装置。典型的三相生物流化床装置与工艺如图1 1 2 所示。生物流化床的载体一 般为小粒径的聚苯乙烯球、活性炭、无烟煤、焦炭、建筑砂和石英砂等。 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 2 三相生物流化床装置与上艺流程 f i g 1 1 2f - , q m p m e ma n df l o wc h a no f t h r e e - p h a s ef l u i d i z e db e d 陈月芳、宋存义等【l q 利用新型沸石复合填料生物流化床反应器工艺对生活污水进行 深度处理实验，结果表明，该工艺在水力停留时间( 且足r ) 为1 0h ，曝气量为2 0 ：1 时， 出水氨氮浓度2m g ，l ，去除率9 2 ；c o d 浓度3 9 4 m g l ，去除率为4 8 8 4 5 。 2 移动床生物膜反应器( m b b r ) m b b r 是1 9 8 8 年挪威k a l d n e sm i j e c p t e k n o g i 公 司与s i n t e f 研究所联合开发成功的【l ”。它主要是针对固定床反应器定期反冲洗、流化床 反应器需使载体流态化、淹没式生物滤池堵塞需清洗滤料和更换曝气器的复杂操作等问 题而开发的新型反应器。它具有耐冲击负荷、泥龄长、剩余污泥少、高效性和运转灵活 性等优点。 “ m b b r i 艺适合应用于中、小型生活污水和工业有机废水处理，特别是一体化或地 埋式污水处理装置，有很好的应用前景。季民掣18 】对好氧m b b r 处理生活污水、厌氧复 合床移动膜反应器处理高浓度有机废水、厌氧好氧m b b r 处理食品废水等进行了研究。 均取得了较好效果。c h a n d l e r 等人1 1 9 】采用塑料填料，应用两级m b b r 对造纸厂废水回用 处理进行中试。结果表明：当h r 功3 h 时，可溶解性b0 _ d 平均去除率达9 3 以上，出水 b o d 平均浓度低于7 8 3 m g l 。j o h n s o nc h 等人【2 0 】在v a l l e yp r i d ep a c k 污水处理厂的活性 污泥处理系统前增加了m b b r 预处理工艺，当表面积负荷为2 0gc o d ( m 2 m 时，一级反 应器( m b b r ) 中b o d 的去除率高于9 0 ，二级反应器去除氨氮速率达到o 3 8 趴m 2 d ) 。 此外，m b b r 与其它工艺相结合，还可实现同时脱氮除磷的效果。 3 序批式生物膜反应器( s b b r ) s b b r 是将序批式的操作模式与生物膜法相结合 的一种新型复合式生物膜反应器，它既保持了生物膜法的优点，又使系统操作简单方便。 常用的生物膜载体有软纤维填料、聚乙烯填料和活性炭填料等【2 1 】。 s b b r 可用于脱氮除磷或废水浓度变化较大的场合。d a n i e lmw h i t e 等人l 用s b b r 处理金矿含有氰化物的冶炼废水，在f a i r b a n k sa l a s k a 污水处理厂富集培养氰化物降解 菌，在一个周期4 8h 内，氰化物的去除率达9 7 5 ；试验中还发现此系统具有很好的脱 废水处理内环流固定床生物膜反戍器性能研究 氮功能，每提供l m o l 的葡萄糖就会降解1 0 m o l 的n h 3 - n 。李伟光等人1 2 3 谰s b b r 处理屠宰 场废水，各项污染指标参数的去除率分别为：c o d 为9 7 ，b o d 为9 9 ，t n 为9 2 ，油 脂为8 2 ，出水指标达到国家二级标准。 4 垂直折流生物膜反应器( v t b r ) v t b r 反应器借鉴了深并曝气的原理，将深井 中曝气系统移至地面以上，并与生物接触氧化法相结合，进行废水处理。v t b r 反应器 是一种垂直、管式、折流生化反应器，废水在反应器系统内经过多级折流，延长了气、 液接触时间；同时，由于流动阻力的存在，使前面各级反应器在微正压条件下操作，增 大了氧在水中的溶解度，提高了氧的传质效率。v t b r 反应器兼有深井曝气和生物接触 氧化法的优点，同时又克服了深井曝气对地质条件要求高、施工技术要求高及维修不便 的缺点，获得高效低能耗的污水处理效果。 以上的生物膜法废水处理工艺中，反应器一般均为传统的鼓泡式反应器，为了保证 废水的处理效果，往往需要借助于大量的回流来增强反应器的处理效果，或者增加反应 器的曝气量；或者需要借助于预充气装置，在一定程度上增加了废水处理的能耗和成本， 这也是废水处理行业需要解决的一项新课题。 1 3 环流反应器 环流反应器( l o o pr e a c t o r ) 是一类高效的气一液、液一固或气一液固多相反应 器。其结