（化工过程机械专业论文）anammox流化床反应器的性能研究与模拟.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 在处理含氮废水上，厌氧氨氧化f a n a e r o b i ca m m o i l i 啪0 ) 【i d a t i o n ，简称a n a m m o x l 比传统的硝化一反硝化工艺更经济高效。其最大的特点是，将氨氮( 矾+ ) 和亚硝氮 ( p 2 。- 。转变为氮气( m ) ，而不需外加氧气和碳源。液固流化床反应器可有效地减少内 外扩散限制对底物扩散的影响。而易于流化的多孔聚乙烯醇( p v a ) 颗粒的选用，既有助 于生物生长，同时可以有效的减少能量消耗。 本文对a n a m m o x 流化床反应器的性能进行实验与数值模拟进行研究，应用p v a 颗粒作为a n a m m o x 菌的生物挂膜填料，建立两相流化床( f b r ) 生物膜反应器，进行 脱氮工艺研究。实验结果表明：总氮( 二、亚硝氮( ，0 2 1 川去除率和硝氮( 仍棚产率 与氨氮去除率之比为1 8 6 ：1 0 2 ：0 1 6 。由于含有a n a m m o x 菌，p v a 颗粒的颜色由白 色变为棕红色。应用变性梯度凝胶电泳法可检测到两种a n a m m o x 菌k s u l 序列和 k 0 2 序列，并以k s l 一1 序列为主：水力停留时间为9 1 6 小时，氨氮、亚硝氮和硝氮去 除率分别为8 l 、9 2 和7 5 。氨氮、亚硝氮和总氮去除速率分别增加到o 7 1 埏n f m 3 、 o 7 7k gn ( m 3 d ) 和1 3 5 埏n ( m 3 d ) 。同其他类型废水处理反应器( 如固定床和以普通填 料的流化床生物膜反应器) 相比，无论是在 ，0 ，_ 去除上，还是在协+ w 去除上，均 优于上述两种方法，而且去除效果稳定。 本文建立了a n a m m o x 流化床反应器的反应机理模型和人工神经网络模型。通过 模型模拟和实验结果比较表明，内外扩散限制同时存在时的总体有效系数t 1 。，随液相主 体浓度变化，内外扩散限制仅在底物浓度低于0 0 1g l 时对生物反应有影响。这说明对 比生长率很低的a n a m m o x 菌而言，内外扩散的限制对反应的影响较小。a n a m m o x 流化床反应器的反应机理模型和人工神经网络模型的模拟值与实验值的误差在2 0 以 内。 本文应用a n 舢“m o x 菌的双底物生物反应动力学模型，对p v a 颗粒作为填料的流 化床反应器进行模型建立和数值模拟。该模型不但考虑到了传质的限制和流化床的反应 动力学特性，而且考虑生物膜的实际增长方式。本文提供的模型为描述流化床的特性提 供了一般的方法。同时由于考虑到了剥离效应的影响，本文提供的数学模型不但可以预 测p v a 颗粒中的生物密度，也可以对液相主体中的生物密度进行预测。 本文为a n a m m o x 流化床反应器的工业化应用提供了科学依据。 关键词：a n a m m o x ；流化床反应器；脱氯：p v a 颗粒；数值模拟 n 6b 办4 0 x 流化床反应器的性能研究与模拟 s t u d ya n ds i m u l a t i o no fd e n i t r o g e n a t i o nb yi m m o b l i z e d a n a m m o x s i u d g ei naf b r a b s t r a c t a n a m m o xp r o c e s sf o rt l l e 协：咖e mo fn i 廿o g e nh a ss o m eg e n e r a lc o s t e f f i c i e l l t a d v a n t a g e sc o m p a r e dt om 仃i f i c a t i o n d e n i t r i 疗c a t i o n t h ei d e a lp r o c e s sf e a n l r e sa u t o 仃。口1 1 i c c o n v e r s i o n so fa i i l i n o n i na n dn i t r i t et od i i l i t r o g e ng a sw i t h o u td e m a n df o ro x y g e na n dn o e x t e m a lc a r b o nr e q u i r e m e n t a1 i q u i d _ s 0 1 i df l u i d i z e db e dr e a c t o r ( f b r lw a sc h o s ef o ri t sl o w c o s ta i l dh i g 壬1e m c i e n c yi nr e d u c i n 窖t l l eo u t e i 。m a s s t r a n s f e rr e s i s t a l l c e m o r e o v e r ，u s i n gp v a b e a d sw h i c hi sl i g h ta n de a s vt os u s p e l l di nw a t e r ，h a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h l v e 丘色c t i v e ，s t a b l e ，e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，a n ds oo n f i r s t l v ， t 1 1 i sp a p e rr e s e a r c h e dt h e c h a r a c t e r sa n ds i m u l a t i o no fd e n i t r o g e n a 6 0 nb v i m m o b i i i z c da n a m m o xs l u g ei naf b r d e n i t r o g e n a _ c i o nw a sc a r r i e do u te x p e r i i n e n t a l l y ， i m e g r a t e dal i q u i d s o l i dn u i d i z e db e dr e a c t o r ( f b r j ，t h eu s i n go f p o l y v i n y la 】c o h o 】( p 1 、c a ) b e a d sa st h eb i o c a r r i e r s 甜l dd e r f e c ta n a m m o xd i d c e s s t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w e d ： ( 1 ) t h ee x p e r i m e mc a r r i e do u ti nt l i sp 印e ri se x a c t l yt h ea n a m m o xp r o c e s s r a t i o so f t = _ nr e m o v a l ，0 2 。- r e m o v a l ，a n d 仍圳p r o d u c t i o n t o m 西- r e m o v a l 眦r e1 8 6 ：1 0 2 ： o 1 6 t h ec 0 1 0 ro fi h ep v a g e lb e a d sc h a l l g e df 0 mw 1 1 i t et ob r o w n i s hr o d ，w h i c hi s c o n s i s t e n t 州t l la n a m m o xb a c t 谢a b yt h ed e n a t u r i i l gg r 甜i e mg e le l e c t r o p h o r e s i s ( d g g e ) m e t h o d ，b o mk s u 1 la n dk u 2 ja n 锄m o xs 丑i n sw e r ed e t e c t e dw i t h k s u 1 l协d o m i n a n c ei nm ef b rd r o c e s s ( 2 ) 1 1 1 i sp r o c e s sc a na c h i w eas a t i s b 坨t o r ye m c i e n c yi nd e n i 仃0 9 e n a t i o n w i t hh y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m e s ( h i u s ) 蠡_ o m1 6ht o9h ，巩+ a 1 1 d 0 0 r e m o v a le f f i c j e n c j e sw e r e a b o u t8 1 a n d9 2 r e s p e c t i v e l y rn er 锄o v a lr a t e so f 嘲+ 以仍a i l dt o t a lm t r o g e n i n c r e a s e du pt o0 7 1k gn “m 3 d ) ，o 7 7k gn ( m 3 | d ) a n d1 3 5k gn ( m 3 d ) ， r e s p e c t i v e ly ( 3 )c o m p a r et oo m e r 卯e so f b i o r e a n o r ， f b ru s i n gp v aa sc a r r i e rc a i lg e tm o r e 曲如l ea n dh i 曲e ra b i l i t i e si nn o to n l vm 爵一r e m o v a la n d 0 ，r e m o v a i i na d d i t i o n ，am 弛e m a t i c a lm o d e lw a sf o 船e du s i n gb o t hb i o r e a c d o ne n g i n e c r i n g p r i l l c i p 】e sa n d 删6 c a ln e u t r _ a 1n e 咖r k t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf b l l o w e d ： ( 1 ) 0 v e r a l le 日、e c t i v e n e s sf 犯t o r sn d f ) d e m o n s 仃a t i n gm ei n t e m a la n do u t e rm a s s t r a n s f e r r e s i s t a d c e a p p r o x i m a t e d1 0 0 c o r r e s p o n d i n gw i t hb u l kc o n c e n t r a t i o n t h i si n d i c a t e dt h a t m a s s - 订a n s f e rr e s i s t a _ i l c ec o u l db en e g l e c t e df o r 曲el o wg r o w t l lr a t eo f a n a m m o xb a c t e r i a 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) t h es i n l u l a t e dr e s u l t sc o r r e s p o n d e ds a t i s f a c t o r i l yw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a i tw a st h ef i r s tt i m em a t ，am a t h e m a t i c a lm o d e la b o u t 觚os u b s 廿a t e sw a su s e dt o d e s c r i b et h es i m u l t a n e o u sd i f f h s i o na n dr e a c t i o no fs u b s t r a t ei n 血ef b r n o to 羽ym ei m e m a l a i l do u t e rm a s s 仃a n s f e rr e s i s t a n c e ，b ma l s ot h ec h a r a c t e ro ft h eb i o r e a c t i o nd y n 锄i c sa n d t h eg r o w i n gm o d eo fb j o f i l mw e r ec o n s i d e f e d m o r e o v e r ，m ep r o p o s a lm o d e la l s ot a k e s a c c o u n to ft h ed e t a 妇e n to ft h eb i o f i h n sa n d 也e r e f o r ei tc a nd r e d i c tb o t l lt h ec o n c e m f a t i o n o fs u b s t r a t e sa i l dd e n s i wo fa l i v eb i o f i l m si na l l 口a n so ft h ef b r r e s u l t s 怕mm i sp 印e rc a i la l s op r o v i d ep r 0 v i d es c i e n t m cb a s i sf o ri n d u s t r i a l 印p l i c 砒i o n o f t h ed e n i t r o g e n a t i o nb vi 埘_ 1 1 1 0 b i l i z e da n a m m o xs l u g ei naf b r k e vw o r d s ：a n a m m o x ；f b r ； d e n i t r o g e n a t i o n ：p v a - g e ib e a d s ； s i m u l a t i o n 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：趣趁日期：丝! 生曼曼 大连理t 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r 大学硕士、博士学位论文版权使刚规定”，同意 大连理j 人学保留并向国家有关部fj 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l ：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：建查垒作者签名：蕉垄盈 导师虢 童2 盔晕 苎塑堕一年互月- = l 日 8 5 大连理工大学硕士学位论文 引言 我国目前的环境污染状况很严重，废水处理，特别是有机工业废水的有效处理、达 标排放势在必行。然而，在现有的废水处理工程中，普遍存在着投资及运行费用高、能 耗大、占地面积大、操作管理不便且在处理高浓度难降解有机废水以及含高氨氮浓度废 水时难以达标等问题。因此急需开发高效、低耗、占地面积少、应用面广的新的废水处 理技术。 在处理含氮废水上，a n 伽以m o x 工艺比传统的硝化一反硝化工艺更经济高效。其最 大的特点是，将旧；- 和d ，一转交为n 2 不需外加氧气和碳源。液固流化床反应器可 有效地减少内外扩散限制对底物扩散的影响。两易于流化的p v a 颗粒的选用，可以有效 的减少能量消耗。 本文研究是本课题研究组在前期的a n 砧v i m 0 x 的反应动力学特性和反应器的的流 体动力学特性和传质动力学特性研究的基础上，将该反应器同弹性填料p 、，a 颗粒相结台， 设计了a n a m m o x 流化床生物膜反应器，并对人工合成废水进行处理，利用回归分析 和变性梯度凝胶电泳法的方法，验证了确为a n a m m o x 反应，整个实验运行将近3 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反应器( 如固定床和普通填料 的流化床生物膜反应器) 相比，无论是在a 0 2 去除上，还是在+ 一去除上，均优 于上述两种方法，而且去除效果稳定。本文同时建立了a n a m m o x 流化床反应器的反 应机理模型和人工神经网络模型。通过实验数据和计算的结果比较表明，模型是有效的。 本文的第一苹为文献综述部分，介绍了生物膜脱氮技术及其工艺、流化床反应器和 生物膜法动力学的基本原理及研究；第二章a n a 删o x 流化床反应器的性能实验，主要介 绍了实验装置和流程、实验材料、实验仪器和试剂、实验检测指标、分析方法和实验步 骤；第三章a n a 咖o x 流化床反应器反应机理模型及模拟：第四章a n a m m o x 流化床反应器 神经网络模型及模拟，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。 限于作者水平，论文中难免有不当甚至错误之处，恳请老师和同学批评指正。 a n a m m o x 流化床反应器的性能研究与模拟 1 文献综述 1 1 氨氮废水处理的现状及意义 1 1 ，1 氦素污染及其危害 我国是世界上水资源严重匮乏和环境污染最为严重的国家之一。2 0 0 6 年，全国废水 排放总量为5 3 6 8 亿吨。其中，工业废水排放量2 4 0 2 亿吨，占废水排放总量的4 4 7 ； 城镇生活污水排放量2 9 6 6 亿吨，占废水排放总量的5 5 3 。废水中化学需氧量排放量 1 4 2 8 2 万吨。其中，工业废水中化学需氧量排放量5 4 i 5 万吨，占化学需氧量排放总量的 3 7 9 ；城镇生活污水中化学需氧量排放量8 8 6 7 万吨，占化学需氧量排放总量的6 2 i 。 废水中氨氮排放量1 4 1 3 万吨。其中，工业氨氮排放量4 2 5 万吨，占氨氮排放量的3 0 0 ： 生活氨氮排放量9 8 8 万吨，占氨氮排放量的7 0 o 。工业废水排放达标率9 2 ，l ，比上 年下降0 5 个百分点，工业用水重复利用率8 0 6 。其他未经处理的污水直接排入江河 湖海，致使我周的水环境遭受严重污染和破坏。据中国环境状况公报和水利部、 报 告显示，全国七大水系和内陆河流的1 1 0 个重点河段中，属4 类和5 类水体的占3 9 ： 城市地面水污染普遍严重，并呈进步恶化的趋势，1 3 6 条流经城市的河流中，属4 类、 5 类和超过5 类标准的高达7 6 8 ；约5 0 的城市地下水受到不同程度的污染；全国大淡 水湖如滇池、太湖和巢湖等氮、磷污染严重，富营养化程度逐年加剧；一些地区的饮用 水源也受到严重污染，对人民健康造成严重危害。主要污染指标+ w 、艿j 、氨氮、 挥发酚和古油类，其次为重金属1 2j 。 水污染主要来源于工业水污染、城市污水和农业污染。工业污水主要来自造纸业、 冶金工业、化学工业、采矿业、农产品加工和食品工业等。尽管： 业废水的排放量在过 去的十年期间逐年下降，而生活污水的总量却在增加。除了农产品加工这间接水污染 行业外，作物种植和家畜饲养等农业生产活动对水环境也产生重要影响。最近的研究结 果表明氮肥和农药的大量使用是水污染的重要来源，大量使用低质化肥以及氮肥与磷肥、 钾肥不成比例施用。特别值得注意的是大量廉价低质的氨肥的使用。另外，杀虫剂的使 用范围也在扩大，导致物种的损失，并造成一些受保护水体的污染。肉类制品在过去的 1 5 年中产量急剧增长，随之而来的是大量的动物粪便直接排入饲养场附近水体。 水体污染造成了极大的危害，富营养化的湖泊、水库因藻类大量繁殖，使溶解氧下 降，鱼虾缺氧窒息死亡。水污染危害人体健康、渔业和农业生产( 通过被污染的灌溉水) 、 生态系统，增加了清洁水供应的支出。我国城镇附近水体受污染率己高达9 0 ，对数亿 人的饮用水安全问题构成重大威胁，水中致病微生物会导致大规模的疾病暴发和流行。 大量未经充分处理的污水被用于灌溉，已经使1 0 0 0 多万亩农田受到重金属和合成有机物 2 大连理工大学硕士学位论文 的污染。污水灌溉还造成粮食产量低，污染加大，营养成分下降。 中国政府在2 0 0 2 年颁布实施的城市污水处理及污染防治技术政策中也明确规定： “设市城市和重点流域及水资源保护区的建制镇，必须建设二级污水处理设施，可分期 分批实旌。收纳水体为封闭或半封闭水体时，为防治富营养化，城市污水应进行二级强 化处理，增强除磷脱氮的效果”。废水脱氮成为水污染控制中的一个重要研究方向f3 1 。 1 1 2 氮污染控制技术 针对水中的氨氮污染，目前常用的控制技术可分为物化处理技术和生物处理技术。 氨氮排入水体后可转化为岛一，去除 1 丑1 可采用传统的物化方法( 如离子交换法、 反渗透和电解法) ，也可采用一些经济高效的替代方法，如膜生物反应器、生物膜电极反 应器等。 1 2 硝化反应一反硝化处理工艺 传统脱氮的方法有物理化学方法和生物方法。物理化学方法包括欧脱法、电渗析和 反渗透、离予交换法和化学混凝等方法1 舢。 生物脱氮技术在近2 0 年来得到了飞速发展，并已广泛应用在生产实践中。废水中的 含氮化合物在微生物的作用下，会相继发生氨化反应、硝化反应和反硝化反应。 1 2 ，1 氮化反应( a 舢o n i f j c a t j o n ) 废水中的有机氮化台物在氨化菌的作用下分解、转化为氨态氮。 r c h n h2 c o o h + 0 2 + r c h h ) c o o h + c 0 2 + n h 3 n 吣 氨化反应是废水中的有机氮化合物通过微生物胞外蛋白酶的水解作用转化成为氨基 酸，之后进入内脱氨基产生氨。此过程在好氧和厌氧条件下均可以进行，好氧条件下参 与脱氨基的微生物主要有枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和荧光假单胞菌等；厌氧条件下的微 生物主要有腐败梭菌、兼性大肠杆菌、酵母菌和变形杆菌等i 引。 1 2 2 硝化反应( n i t r i f j c a t i o n ) 硝化反应是在好氧条件下，将巩+ w 转化为d ，- 的过程。此过程可分解为两个 过程，氨氧化菌( m 的s o 棚。船甜) 将甑+ _ 氧化为 。和亚硝酸氧化菌( m 肋6 叩f p 一将 o ，一氧化为0 j 。- 的过程。 其反应方程式可简化为： 朋j + 1 5 d 寸d 2 。+ 埘+ 肠0 一f( f ；2 7 8 4 5 k j ) ( 1 2 ) a n a m m o x 流化床反应器的性能研究与模拟 伪一+ 1 5 d 斗伪- ， ( a f = 7 2 2 7 奶 ( 1 3 ) 在此氧化过程中氨氧化菌首先在氨单加氧酶a m o ( a m m o 撕am o n o o 母g e n a s e ) 的作用 下，将氨氨氧化为n h 2 0 h 和h 2 0 。轻胺氧化还原酶h a o ( h y d r o x y l 锄i n eo x i d o r e d u c t a s e ) 将n h 2 0 h 氧化为。一 广，亚硝酸氧化菌将仍一w 氧化为 ， 。- ，产生a t p 和n a d h 并通过卡尔文循环固定c 0 2 。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌，是化能自养菌，革兰氏 染色阴性，不生芽孢的短杆状细菌，广泛存活在土壤中，在自然界的氮循环中起着重要 的作用。这类细菌的生理活动不需要有机营养物质，而是从c 0 2 中获取碳源，从无机物 的氧化中获取能量1 6 j 。 1 23 反硝化反应( d e n i t r i f f c a t i o n ) 反硝化反应是在无氧或缺氧条件下，反硝化菌将氮氧化物( v q w 、 ，凸一) 还原为气 态氮氧化台物( 0 、胁d ) ，或进一步还原为n 2 的过程。反硝化菌是属于异养型兼性厌氧 菌的细菌。在厌氧条件下以硝酸氮为电子受体，以有机物为电子供体。 n o h 5 c h p h s c 0 2 + 3 n 2 + 1 h p + 6 0 h 。 q 反硝化反应中，最大的问题就是污水中可用于反硝化的有机碳的多少及其可生化程 度。在8 p 现7 鼢v 3 5 的范围内，可以认为反硝化反应的碳源是充足m 】。其中，同化型 硝酸盐还原过程是微生物将硝态氮作为氮源，将硝酸盐转化为氨氮，并合成构成蛋白质 的氨基酸等生物大分子的过程，代表性的菌属为气单胞菌属、芽孢杆菌属、欧文氏菌属、 肠杆菌属、微球菌属、分枝杆菌属、葡萄球菌属中的一些种异化型1 5 i 。 传统生物脱氮方法存在许多方面的不足。硝化菌群增殖速度慢且难以维持较高的生 物浓度，特别是在低温的冬季，因此造成系统总水力停留时间长，有机负荷较低，增加 了基建投资和运行费用；硝化过程是在有氧条件下完成的，需要大量的能耗( 氨氮的氧当 量是4 ，5 7 9 ) ；反硝化过程需要一定的有机物，废水中的协4 一经过曝气有大部分被去 除，因此反硝化时往往要另外加入碳源( 如甲醇) ：系统为维持较高的生物浓度及获得良好 的脱氮效果，必须同时进行污泥回流和硝化液回流，增加了动力消耗和运行费用：抗冲 击能力弱，高浓度氨氮和亚硝酸盐进水会抑制硝化菌的生长：为中和硝化过程产生的酸 度，需要加碱中和，增加了处理费用n 近年，经过研究表明生物脱氮过程中存在一些超出人们传统认识的新现象，如硝化 过程不仅由自养菌完成，异养菌也可以参与硝化作用：某些微生物在好氧的条件下也可 以进行反硝化作用的同步硝化反硝化现象；有些研究者在实验室中观察到在厌氧反应器 中氨氮减少，即厌氧氨氧化现象等。这些现象的发现为水处理： 艺的进一步发展提供了 一4 大连理工大学硕士学位论文 理论研究的基础 s 】。 1 3 厌氧氨氧化脱氮工艺 近些年来，人们试图从各个方面突破传统生物脱氮的困境。a n a m m o x ( a 1 l a e r o b i c 加n m o n i 啪o x i d a t i o n ) 是d e l t f 大学u ”c r 生物技术实验室，在上世纪9 0 年代研究开 发出的种新型的生物脱氮工艺。a n a n m m o x 工艺由两个步骤组成，在亚硝化阶段， 氨氮首先在低溶解氧条件下被氧化成亚硝态氮；在厌氧氨氧化阶段，氨氮的氧化产物亚 硝酸根与氨氮以接近1 ：l 的比例反应直接生成气态氮和少量 旧j - a ，。严格来说厌氧氨 氧化也是一个反硝化过程，只是这个反应的电子供体为氨氮，是一个自养过程。 1 3 1 厌氧氨氧化反应的机理研究 早在1 9 7 7 年b r o d a 就从热力学的角度推测自然界可能存在以亚硝酸盐为电子受体的 厌氧氨氧化反应如式i 5 。 m 玎+ 晖+ 2 十2 吼o ( g = 一3 5 8 u 聊d 脚j ) ( 1 5 ) 到2 0 世纪9 0 年代，m u l d 盯等人才首先发现这一现象，最初认为厌氧氨氧化代谢的 电子受体为硝酸盐。进一步的研究表明，亚硝酸才是厌氧氨氧化代谢的电子受体，n 2 0 也可以作为厌氧氨氧化代谢的电子受体。在厌氧氨氧化代谢过程中还会产生硝酸盐，检 测不到其它中间产物，c 0 2 是厌氧氨氧化菌生长的唯碳源，没有有机物存在，亚硝酸 盐是厌氧氨氧化活性所必须的j 。 v a i ld eg m f 等人旧采用15 n 标记试验，对厌氧氨氧化的代谢途径进行了进一步研究。 结果表明n h 2 0 h 最可能是氧化氨的电子受体，并提出了其代谢途径：厌氧氨氧化菌首先 将v 国。- 转化成磁d 疗，再以岛d 抒为电予受体将一- 氧化形成j 氆：地胁进 一步转化成n 2 ，并为一- 还原成n h 2 0 h 提供电子。试验中有少量晚- 被氧化成 7 岛“，推测0 2 一氧化成 幻j 可能为厌氧氢氧化菌固定c 0 2 提供电子。 随后的研究表明，在厌氧氨氧化过程中存在以下平衡关系：巩+ - 消耗量、q w 消耗量和 ，0 l _ - 产量之间的比例为1 ：1 3 2 ：o 2 6l 3 1 ，其包括细胞合成在内的生物反应 过程可表示为式1 6 。 吼。+ 1 3 2 吗一+ 0 0 6 6 嬲q 一州3 + | f 1 6 、 1 0 2 m + o 2 6 a q 一+ o 0 6 6 c e q j + 2 0 3 吼d 1 3 2 厌氧氨氧化反应的应用前景 厌氧氨氧化反应为污水处理过程中氮素的转换途径提供了新的思路，厌氧氨氧化反 a _ n a m m o x 流化床反应器的性能研究与模拟 应确认的新转换途径：氨氮以亚硝酸氮作为电子受体直接氧化至氮气。尽管目前对厌氧 氨氧化微生物的作用机理、反应条件了解还不深入，但可以直观地看到该反应缩短氮素 转换的过程，与传统脱氮工艺中氮素转换途径相比更简单、更经济。 a n a 删o x 工艺具有如下优点： ( 1 ) a n a m m o x 过程中氨可直接用做反硝化反应的电子供体，因此不需要另外投加碳源， 既节省费用，也防止了二次污染。 ( 2 ) a n a 删o x 过程的生物量是极低的，通常仅产生少量的污泥，使a m m m o x 过程比传 统硝化系统的运行费用明显要低得多。 到目前为止，应用于污水处理的实用生物膜反应器： 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、流 化床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 4 厌氧氨氧化生物反应器 1 4 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 n ) 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| l “。随着其研究的不断深入和实际运行经验的不断积累， 生物滤池已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 1 所示。 图1 1 生物滤池的一股结构 f i g 1 1s 仃u c t u r eo f b i o n l 栅 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。 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，因此可蛆提高处理效率。塔式 大连理工大学硕士学位论文 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 2 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 1 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f b u s w e l 】) 等人试验研究了接 触曝气法。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。 厂、厂、厂、厂、一 圈 空气一 置摩 图1 3 生物接触氧化法装置构成 f i g 1 3n l ec o m p o s i t i o no f b i o c o m a c to x i d a t i o ne q u i p m e 玎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。 n a o 帕x 流化床反应器的性能研究与模拟 ( 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，7 0 年代，这种工艺在欧洲已经得到了广泛的应用。 生物转盘如图1 4 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 ”l 。 接触反鹰槽 黼渊瓶 l j 副动装置 图1 4 生物转盘 f 嘻1 4n er o 饿i n g b i o j o g i c a jc 龇t d 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， 其口0 d 容积负荷较低，处理效率也相对较低。 1 4 2 新型生物膜反应器工艺 ( 1 ) 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f 。它主要是针对固定床反应嚣定期反冲洗、流化床反 应器需使填料流态化、淹没式生物滤池堵塞需清洗滤料和更换曝气器的复杂澡作等问题 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 工艺适合应用于中、小型生活污水和工业有机废水处理，特别是体化或地 埋式污水处理装置，有很好的应用前景。季民等【”j 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 肋d 】e r 等人【】8 j 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：当珊丁为3 h 时，可溶解性b d 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【1 9 】在v a l 】e yp 谢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 0g 吼7 m ( m 2 - d ) 时，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 ( n 1 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。 ( 2 ) 流化床生物膜反应器( s b b r )s b b r 是将流化床的操作模式与生物膜法相结合 一8 大连理工大学硕士学位论文 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。 常用的生物膜填料有软纤维填料、聚乙烯填料和活性炭填料等| 2 0 】。 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 imw h i t e 等人【2 i 】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氮功能， 每提供】m o l 的葡萄糖就会降解1 0 m o l 的n h 3 埘。李伟光等人j 22 】用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：阮+ 一为9 7 ，占d d 为9 9 ，删为9 2 ，油脂为8 2 ， 出水指标达到国家二级标准。 ( 3 ) 垂直折流生物膜反应器( v t b r ) v t b r 反应器借鉴了深井曝气的原理，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。 ( 4 ) 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( 填料1 相，三相为液、固、气相。 图1 5 两相生物流化床处理工艺流程 f i g 1 5f l o wc h a r to f t w o p h a s eb i o l o g j c a lf l u i d i z e db e d 两招生物流化床内的填料全为生物膜所包裹，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填 料达到流态化状态，因此常采用部分水回流的搡作方式。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 5 。 三相生物流化床无需充氧设备：由于反应器内填料之间的摩擦较强烈，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 6 所示。生物流化床的填料一般 a n a m m o x 流化床反应器的性能研究与模拟 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。 图1 6 三相生物瓶化床装置与工艺流程 f i g 16e q u i p m e n ta n d 钉o wc h a no f t h r e e - p h a s en u i d i z e db e d 陈月芳、宋存义等f 2 叫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( ，豫n 为1 0h ，曝气量为2 0 ：1 时， 出水氨氮浓度2m l 去除率9 2 ； v 玉一一浓度3 9 4 m l ，去除率为4 8 一8 4 5 。 j a n e - y i i w u 等人 2 4 j 研究了在生物流化床内，以p v a 颗粒为填料时，反应器的有色废 水的去除。实验表明，含固态微生物p v a 颗粒的流化床可以达到9 0 的去除率。 t r a nt h ih i e nh o a ，l i uz h “l l l l 等人刚研究了，以p v a 作为生物量的填料，并应用流 化床作为反应器。回流泵流量控制在6 7 升分钟，以维持流态化状态。进料中氨氮( 以 氨盐形式存在的氮) 和亚硝氮( 以亚硝酸盐形式存在的氮) 的浓度均逐步增加到3 0 0 毫克 氮升。其中，水力停留时间为9 1 6 小时，氨氮和亚硝氨的去除率分别为8 1 和9 2 。 氨氮和总氮去除速率分别增加到o 7 1 埏n ( m 3 d ) 和1 3 5 埏n ( m 3 d ) 。 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。而本文的生物流化床生物膜反应器，由于 选用了易于p 、，a 颗粒作为生物膜填料，基本解决了能耗和成本的问题。 1 4 3 生物膜填料的类型和应用 生物填料是生物膜污水处理中的重要部件，作为微生物的填料，填料对微生物生长、 繁殖和脱落有重要的影响，填料的性能与污水处理的效率、能耗、基建投资、稳定性及 可靠性均有直接关系。随着合成塑料等相关科技的发展和国内外专家对生物膜结构、机 理、生长动力学原理等方面的深入研究，各种类型的生物填料不断更新换代，逐渐改善 了填料对生物膜的附着能力，提高了生物膜处理污水效率。目前，生物膜反应器中常用 奎垄堡三奎堂堡主兰垡堡墨 一一 一 的填料种类有固定式填料、悬挂式填料和悬浮式填料三种类型c ( 1l 固定式填料固定式填料以蜂窝填料为代表。在2 0 世纪7 0 年代，固定式填料在 污水生物处理中发挥着极其重要的作用。但s e m k o vk 等人刚对蜂窝填料的固定床反应 器内液相轴向混合进行了研究，结果发现，水和气在填料内横向不能流通，造成布气布 水不均，易堵塞。 囊 毒 麴 囊2瓣 蒌；赫 薹匿宰孺 雾生瓣 羹车瓣 “# = - - - d f 咖 例1 7 y d t 、t a 和p w t 填科不惹倒 f i 譬1 7 d i a 擘r a m o f y d t ， t aa 1 1 d p w t r 2 1 悬挂式填料悬挂式填料的出现，一定程度上克服了固定式填料的不足。周海峰 等人俐在对印染废水进行预处理后，分别设置一好氧池、兼氧池和二好氧池，池内均布 置弹性立体填料，各个池内有机物y 玉+ 去除率分别为4 5 、1 5 和7 5 ，达到了预 定的效果。梅翔等人俐利用y d t 弹性立体填料、t a 弹性波形填料和p w t 立体网状填料， 如图1 7 所示，在微污染水源生物接触氧化处理工艺中去除污染物的效果进行初步比较， 结果表明，三种填料均可用于微污染水源生物接触氧化处理工艺。 在相同条件下，三种填料氨氮的去除效果接近，但同t a 和p w t 填料相比，y d t 填 料挂膜容易，主要是由于该种填料比表面积较大。 f 3 1 悬浮式填料悬浮式填料的发展主要是由于生物流化床废水处理工艺的发