（化工过程机械专业论文）金属膜mbr中活性污泥菌群结构变化的分子生物学解析.pdf

r 萋 ! 一 。芝， at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nc h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y t h ec h a n g e so fm i c r o b i a lc o m m u n i t i e sa n a l y s ei n a c t i v i t i e ds l u d g eo fm e t a lm e m b r a n e b i o l o g yr e a c t o r b yz h a n gp a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h ut o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 譬， 1； 1甜。 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：此 思。 学位论文作者签名：多丕辫 日 期：纱g 2 。上 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字目期： 导师签名： 签字日期： 啼钟j 1 摘要 金属膜m b r 中 活性污泥菌群结构变化的分子生物学解析 摘要 随着环境科学的发展，由于传统的纯培养分析方法存在着一定的缺陷，不能满足环 境分析的要求。随着分子生物学技术的迅猛发展，许多分子生物学技术被应用于环境中 微生物群落的分类、鉴定和微生物种群结构的动态分析中。 本文通过以p c r ( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ) - d g g e ( d e n a t u r i n gg r a d i e n tg e l e l e c t r o p h o r e s i s ) 、f i s h ( f l o r e s c e n c ei n - s i t uh y b r i d i z a t i o n ) 技术为主的一些分子 生物学技术，对浸没式板式金属膜生物反应器的活性污泥中微生物种群结构的时空分布 特性进行了初步探索，旨在从分子生物学的水平上对膜生物反应器中活性污泥样品的微 生物种群结构的变化情况进行研究。 浸没式板式金属膜生物处理技术是一项正在逐步完善中且极具应用前景的处理中、 高浓度生活污水的新技术。在实验室水平，本研究对单独运行硝化槽和同时运行硝化槽 和脱氮槽( a o ) 金属膜生物反应器的启动和运行进行了研究。系统稳定运行1 1 4 天， c o d 去除率保持在8 5 ，总氮去除率从3 0 上升到9 0 ，氨氮去除率为9 0 左右；出水 水质指标c o d 为1 0m g l 左右，t n 从2 0m g l 降至4 m g l 左右，n h 4 + _ n 为lm g l 以下，n 0 3 一一n 为2 5m g l 降至3 m g l 以下，n o 。一一n 从0 3m g l 降至0 0 5 m g l 以下，均达到国家排放标 准。 为了排除中试装置的杂质干扰问题，简化实验方案，进行了膜生物反应器小试实验 装置的运行研究，采用的原水为人工配制的模拟生活废水，排除了不必要的干扰因素。 在膜生物反应器小试实验装置的运行过程中，观察梯度凝胶电泳图谱，可知菌群结构产 生变化，且污泥培养一周左右后，优势菌种数目稳定，系统稳定运行，处理水质效果良 好。采用p c r 、d g g e 、f i s h 等分子生物学技术对金属膜生物处理系统中菌群的变化驯化 和生长、硝化菌群结构、组成进行了研究，并探讨了脱氮槽内硝化菌群与氮素组成变化 之间的内在联系。p c r d g g e 结合f i s h 检测结果表明：随着运行时间的增长，系统中可 检出微生物种群数量逐渐增加并最后趋于稳定，不同菌种的相对丰度也发生了变化。 关键词：分子生物学；菌群结构；金属膜生物反应器；链式聚合酶反应变性梯度凝胶 电泳；荧光原位杂交 i i 瞧lfjti 噜，对0哩 口 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h e c h a n g e s o fm i c r o b i a lc o m m u n i t i e s a n a l y s e i na c t i v i t i e ds l u d g eo f m e t a lm e m b r a n e b i o l o g y r e a c t o r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe n v i r o n m e n t a ls c i e n c e , t h e r ea r em a n yd i s a d v a n t a g e si n a n a l y s e sm e t h o ds u c ha sc u l t u r ea n di tc a n tf o l l o wt h ed e v e l o p m e n t m a n ys t u d i e si n m i c r o b i a le c o l o g yh a v ef o c u s e do nd e c r i b i n gt h ed i v e r s i t yo fm i c r o b i a lc o m m u n i t i e sa n dt h e r e l a t i o na b u n d a n c e so ft h em o s tc o m m e nm e m b e r i nt h i ss t u d y , d e n a t u r i n gg r a d i e n tg e le l e c t r o p h o r e s i s ( d g g e ) a n df l u o r e s c e n c ei ns i t e h y b r i d i z a t i o n ( f i s h ) w i t ho l i g o n u c l e o t i d ep r o b e s w e r eu s e dt o i n v e s t i g a t e m i c r o b i a l c o m m u n i t yc o m p o s i t i o ni na c t i v i t i e ds l u d g eo fm e t a lm e m b r a n eb i o l o g yr e a c t o r m e t a lm e m b r a n ei sb e c o m i n gan e wt e c h n o l o g yi nh i g hl o a dd o m e s t i cw a s t e w a t e r t r e a t m e n t ，i th a sab r i g h tf u t u r e i nt h el a b ，t h ed e e pr e s e a r c hw o r kif o c u so ni st h es t a r ta n d r u n n i n go ft h i ss y s t e mw i t hn i t r a t i o nt a n ka n db o t hn i t r a t i o nt a n ka n dr e m o v en i t r o g e nt a n k d u r i n gt h e 114 d a y ss t a b l eo p e r a t i o n ，t h er e m o v a lo fc o d e rw a sm a i n t a i na b o u t8 5 ，t h e r e m o v a lo f t ns t a r t sf r o m3 0 u pu n t i l9 0 ，t h er e m o v a lo f n h 4 + - nw a sl e v e l e do f fa t9 0 ， w a t e rq u a l i t y ：c o dw a sa b o u t10m g l ，t nw a sd o w nf r o m 2 0m g lt 0 4m g l ，n i l , + 一nw a g u n d e r1m g l ，n 0 3 - nw a sd o w nf r o m2 5m g lt o3m g l ，n 0 2 - nw a sr e d u c e df r o mo 3 m e g lt o0 0 5 m g l ，l o w e rt h a nt h ec i t yw a s t e w a t e rc o m p r e h e n s i v ed i s c h a r g es t a n d a r d i nt h ep a p e r , ih a v ed o n ee x p e r i m e n t a t i o no fm e t a lm e m b r a n es y s t e mt of a c i l i t a t et h e p r o c e s so fe x p e r i m e n t a t i o n ，w a s t ew a t e rs i m u l a t i n go fs e w a g ew a t e rw a sm a d eb yu st o r e m o v eu n n e c e s s a r yd i s t u r b a n c e i nt h ep r o c e s so fm e t a lm e l t l b r a n es y s t e m ，d g g ep i c t u r e r e v e a l e dt h a tt h e r ew e r es o m ec h a n g e si nb a c t e r i a lc o m m u n i t y p c r 、d g g e 、f i s hm o l e c u l a r b i o l o g i c a lt e c h n i q u e sw e r ea p p l i e di nt h en i t r i f i c a t i o nb a c t e r i u mm i c r o b i a lc o m m u n i t i e s ，a n d d i s c o v e r e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en i t r i f i c a t i o nb a c t e r i u ma n dn i t r o g e nc h a n g i n g t h e r e s u l to fp c r d g g ei n d i c a t e ct h a t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo p e r a t i o n ，t h en u m b e ro f m i c r o b i a lc o m m u n i t yw a sa d d i n g a b o u n d a n c ew a sa l s oc h a n g i n g k e yw o r d s ： m o l e c u l a rb i o l o g y ；m i c r o b i a lc o m m u n i t i e s ；m e t a lm e m b r a n eb i o l o g yr e a c t o r ； p o l y m e r a s e c h a i n r e a c t i o n d e n a t u r i n g g r a d i e n t g e l e l e c t r o p h o r e s i s 、 f i s h ( f l o r e s c e n c ei n s i t uh y b r i d i z a t j o n i i i 骨 嘧lfl t o 东北大学硕士学位论文英文缩写表 a p s b o d c o d d g g e d n t p d o f i s h m l s s 僵i ，s s p b s p c r s b r s s 英文缩写表 a m m o n i u m p e r s u l f a t e b i o l o g i c a lo x y g e nd e m a n d c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d d e n a t u r i n gg r a d i e n tg e le l e c t r o p h o r e s i s d e o x y n u c l e o s i d et r i p h o s p h a t e d i s s o l v e do x y g e n f l u o r e s c e n c ei ns i t uh y b r i d i z a t i o n m i x e d h q u o rs u s p e n d e ds o l i d s m i x e dv o l a t i l el i q u o rs u s p e n d e ds o l i d s p h o s p h a t eb u f f e r e ds a l i n e p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n s e q u e n c i n gb a t c h r e a c t o r s u s p e n d e ds o l - i v 过硫酸铵 生化需氧量 化学需氧量 变性梯度凝胶电泳 脱氧核糖核苷三磷酸 溶解氧 荧光原位杂交 悬浮固体浓度 挥发性悬浮固体浓度 磷酸盐缓冲液 聚合酶链式反应 序批式反应器 悬浮固体浓度 伊 f l - 东北大学硕士学位论文目录 摘要 目录 a b s t r a c t 英文缩写表 第1 章绪论 第 1 i i i i v l 1 1 水资源及水环境现状1 1 2 水处理技术概述1 1 3 膜技术概述2 1 3 1 膜技术处理污水的原理3 1 3 2 膜的分类3 1 4 膜反应器技术概述4 1 4 1 膜絮凝反应器4 1 4 2 膜生物反应器概述5 1 4 3 膜生物反应器的特点5 1 4 4 膜生物反应器的应用现状7 1 4 5 膜生物反应器的研究现状7 1 4 6 金属膜生物反应器8 1 5 课题的提出和意义8 2 章实验中应用的分子生物学技术1 0 2 1 概j 盎10 2 2 总d n a 提取一1 0 2 3 聚合酶链式反应( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ，p c r ) 1 l 2 3 1p c r 技术的原理1 2 2 3 2p c r 反应体系1 4 2 4 变性梯度凝胶电泳( d e n a t u r i n gg r a d i e n tg e le l e c t r o p h o r e s i s ，d g g e ) 15 2 4 1d g g e 技术的原理1 5 2 4 2p c r d g g e 流程1 6 2 4 3p c r 扩增17 2 4 4d g g e 技术在环境分析中的应用17 2 5 荧光原位杂交( f l o r e s c e n c ei ns i t uh y b r i d i z a t i o n ，f i s h ) 18 2 5 1f i s h 技术的发展概况1 9 2 5 2f i s h 技术的原理1 9 2 5 3f i s h 技术的应用2 1 第3 章 3 1 金属膜生物反应器的启动与运行2 2 实验材料与方法2 2 3 1 1 实验装置2 2 一v 东北大学硕士学位论文 目录 3 1 2 实验材料2 4 3 1 3 实验主要仪器2 5 3 2 分析方法一2 5 3 3 浸没式板式金属膜生物反应器的启动2 6 3 4 浸没式板式金属膜生物反应器的稳定运行2 6 3 4 1 有机物的去除2 6 3 4 2n 元素的去除2 7 第4 章微生物群落的分子检测与分析2 9 4 1 实验原料与设备3 0 4 1 1 实验原料及采集3 0 4 1 2 实验设备3 0 4 2 活性污泥中d n a 的粗提与纯化3 l 4 2 1 试剂及其配法3 1 4 2 2 实验方法3 1 4 3p c r 扩增3 2 4 3 1p c r 实验所需试剂3 2 4 3 2p c r 实验方法3 2 4 4 变性梯度凝胶电泳( d g g e ) 一3 3 4 4 1d g g e 所需试剂及其配方3 3 4 4 2d g g e 实验方法3 4 4 5 荧光原位杂交( f i s h ) 3 5 4 5 1f i s h 所用试剂及其配方3 5 4 5 2 实验方法3 7 4 6 结果与讨论3 9 4 6 1 总d n a 的提取与纯化3 9 4 6 2p c r 的扩增结果。4 1 4 6 3 变性梯度凝胶电泳分析：4 2 4 6 4 硝化菌的f i s h 分析5 3 4 7 实验结果分析6 0 4 8 j 、结6 6 第5 章结论和建议。6 7 5 1 结论6 7 5 2 建议6 7 参考文献。6 9 致谢7 3 一v i 腓0il毒 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 水资源及水环境现状 地球上的水大部分是咸水，淡水仅占2 5 3 ，其中三分之二被冰川和永久雪所冰冻， 只剩下不到l 可供使用。世界上6 0 亿人口已经占用了从河流、湖地下水层所能取得的 淡水总量的一半以上n 1 。人类为了满足各种用水需求，不断超量地对淡水资源进行开采 和利用，严重响了自然界生态系统的生存和发展。 我国的水资源非常紧张，水环境恶化的现状还引发了地下水位下降，近岸海污染日 趋严重等其他问题。在数量上，我国水资源年平均径流量为2 7 11 5 亿立方米，居世界第 6 位。但人均年有量不足2 2 0 0 立方米。约为世界人均水资源占有量的1 4 ，北方地区只 有9 9 0 立方米，不到世界人均值的1 8 。在充分考虑节水的情况下，估计在2 0 3 0 年用水 总量为7 0 0 0 亿一8 0 0 0 亿立方米，预计用水量已经接近可利用水量的上限瞳1 。 目前，由于现有的水源开发已接近极限，因此，要满足水的需求量只能从节用水和处理 污水、回用有限水资源方面着手。 1 2 水处理技术概述 城市集中水处理技术是人类文明进步的一大标志。传统的城市供水技术以地水或地 表水为水源，其处理工艺称为“常规处理工艺”。由下列单元组成：混凝、沉淀和澄清、 过滤消毒等。处理对象是水中悬浮物、胶体物质以及致病微生。原水加药后，经混凝处 理工艺，胶体物质脱稳并和悬浮物一起参与形成大颗絮凝体，再经沉淀池重力分离。其 中，混凝是凝聚和絮凝的总称。凝聚为胶体粒的脱稳过程，絮凝是脱稳胶体颗粒相互聚 集的过程，形成的絮凝体又称“矾花 。这个过程是向水中投加药剂( 混凝剂) 混合后在 反应池的渐缓水流中，经一段时间完成的。它是后续沉淀、过滤的重要基础口1 。该工艺 的工艺流程如图1 1 所示： 图1 1 传统法给水消毒处理流程 f i g 1 1f l o wc h a to fd i s i n f e c tw a t e ri nt r a d i t i o n a lm e t h o d 1 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 目前的社会已经进入大工业化时代，工业污染问题非常严重。各种水体己被各种化 学物质严重污染，传统的处理方法己经不能满足需要。上个世纪的五六十年代己经出现 过很多次因为水体受到污染引起的人类中毒甚至死亡的事件。目前活性污泥法是世界上 应用最为广泛的污水处理方法，该处理方法己经有一百多年的历史，其工艺流程如图1 2 所示。 图1 2 活性污泥法流程图 f i g 1 2f l o wc h a to fa c t i v i t i e ds l u d g em e t h o d 但由于采用重力式沉淀作为处理水和微生物的固液分离手段，由此带来了以下几方 面的问题h 1 ： ( 1 ) 流程复杂，占地面积大，基建投资昂贵； ( 2 ) 沉淀池固液分离效果有限，曝气池内的污泥难以维持较高的浓度； ( 3 ) 由于沉淀池固液分离效率不高，出水水质不理想，而且容易出现污泥膨胀、污 泥上浮现象，出水水质不稳定； ( 4 ) 水力停留时间( h r t ) 和污泥龄( s r t ) 相互依赖，实际运行时很难通过延长s r t 、 缩短h r t 的方法降低污泥负荷，提高体积负荷，以提高处理效率； ( 5 ) 剩余污泥量大，污泥处置费用高，管理操作复杂等。 以上的诸多因素使传统的水处理方法已经不能适应现在社会的需要，在此背景下， 国内外相关学者竞相开发新型、改良型的高效水处理技术和工艺，以适应现在社会的需 要。其中，以膜技术在水处理中的应用格外引人注目。 1 3 膜技术概述 膜分离作为一高新技术在近几十年来迅速发展为产业化的高效节能分离过程。几十 年来，膜分离技术在能源、电子、石化、医药卫生、重工、轻工、食品、饮料行业和人 民日常生活及环保等领域均获广泛的应用，产生了显著的经济和社会效益。社会的需求 及自然界水资源的紧张促使膜技术发展迅速，使膜技术不断创新、进步、完善，成为单 2 - 、l l o - i ；t u 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 元操作，成为集成过程中的关键。工业生产排放的污水、废水和生活产生的废水深度处理 回用与资源化，已经引时起了人们的广泛重视，不断有关于膜分离技术深度处理各种污 水和废水的报道。 1 3 1 膜技术处理污水的原理 膜分离技术是一大类技术的总称。和水处理有关的主要包括微滤、超滤、纳滤和反 渗透等几类。这些膜分离产品均是利用特殊制造的多孔材料的拦截能力，以物理截留的 方式去除水中一定颗粒大小的杂质。在压力驱动下，尺寸较小的物质可通过纤维壁上的微 孔到达膜的另一侧，而尺寸较大的物质则不能透过纤维壁而被截留，从而达到筛分溶液 中不同大小组分的目的。 1 3 2 膜的分类 从膜的孑l 径角度可以分为四大类：微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜。 微滤分离是利用筛分原理在压力差作用下进行的，常用于液体混和物( 主要是水性 悬浊液) 中滤除界于o 0 5 5 岬的悬浊物质颗粒，该技术在制药行业中的过滤除菌、电子 工业用的高纯水制备、食品工业、饮用水生产和城市污水处理等领域广泛应用。超滤在 压力差作用下进行的筛孔分离，从液体中将大小为0 0 0 1 2 0 0 5 1 a m 的溶质分离出来，主 要为大分子化合物、高分子化合物、抗体和病毒等。主要应用于食品、医药、工业废水 处理! 超纯水制备及生物技术领域。纳滤膜压差一般为0 5 2 o m p ，孔径小于o 0 2 1 t m ， 它具有两个显著特征：一个是其截留相对分子质量在2 0 0 - - 10 0 0 ，另一个是纳滤膜对无机 盐有一定的截留率幽1 从膜的结构上来看，纳滤膜大多数是复合型膜，即膜的表层分离层和 它的支撑层化学组成不同。通常用来截留杀虫剂、颜料、胶体等。反渗透是在压力推动 下进行液体混合物分离的过程，可以脱除盐类物质，应用于苦咸水淡化、海水淡化及化 工、食品、医药、造纸工业中同大小组分的分离目的这些分离膜的孔径0 和分离的对象 见图1 3 。 从膜的材料来分可以分为：有机膜和无机膜。有机膜主要包括各种纤维膜和树脂膜， 无机膜主要包括陶瓷膜和金属膜。有机膜类造价低、滤过性能好，但是强度较差；陶瓷 膜：强度高、耐蚀性能好，但是造价较高；金属膜强度大，耐腐蚀性强( 寿命长) ；使 用温度范围广( 可到2 0 0 。c ) ；保存管理容易( 可在干燥状态下保管) ；使用范围广( 溶 液，油，气体等) ；可能循环利用；所以从各方面的因素综合考虑，金属膜有着很好的 发展前景。 - 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 傲游 翘滤纳滤厦豢透 骥孔径 0 0 5 。2 。0 斗l 铀 0 彻i 一一ol m00 2 哺哪 ln - n 细赣、慧浮物 罐囱质、瘸獭 杀虫荆 盐 藏辩、齄律 陵拦藏物 誓薯薯鼍 透过钫 蛋白魔、病毒盐、胶体 部分盐 盐，菠体 系威潮 图i 3 几类膜分离技术及其分离特性 f i g 1 3s e p a r a t et e c h n i ca n dc h a r a c t e r i s t i co ft h e s em e n b r a n c e s 1 4 膜反应器技术概述 膜反应器技术是将膜技术与传统水处理方法相结合得到的一种新型高效的理工艺。 它利用膜技术截留水中的颗粒、絮体和大分子物质，从而达到净化水的目的。基于超滤 工艺研究开发的反应器有两种：膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，m b r ) 和膜混凝反 应器( m e m b r a n ec o a g u l a t i o nr e a c t o r ，m c r ) 。m b r 活性污泥法和膜分离技术的结合，用 于处理污水，然后回用或者排放；而m c r 混凝和膜分离技术的结合，用于处理给水， 供生活或生产使用。 1 4 1 膜絮凝反应器 长期以来，饮用水的处理都是采用加氯消毒、絮凝沉淀结合过滤工艺，之后根据原 水水质的变化和饮用水指标的要求，又出现了强化常规处理技术的处理工艺。近年来， 膜分离技术引入到水处理领域，形成了全新的水处理方法，膜分离技术与其它技术相结 合能适应水质的变化，出水能够满足新的、更严格的饮用水指标的要求。 膜絮凝反应器属于近几年新开发的水处理工艺，它将传统的给水处理厂的沉淀池和 澄清池结合在一起，通过使用超滤膜将水中的絮体从水体中分离出来。 膜絮凝反应器的特点和优势主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 省去了体积庞大的沉淀池和澄清池，只需要体积较小的膜反应池。 ( 2 ) 在传统法中，水体主要靠重力沉降作用去除水中的絮体，需要占用较长的时间； 使用膜反应器则靠膜的分离截留作用将絮体分离，大大缩短了反应时间。 ( 3 ) 膜工艺是靠膜孔截留的绝对过滤方式，因此膜的分离截留作用非常稳定，受外 界水体水质变化的影响较小，因此膜技术在水源水质出现波动的情况下，可以可靠的保 证供水质量。 ( 4 ) 通过各种工艺和膜工艺进行组合，使膜反应器的出水水质容易达到国家标准。 ( 5 ) 由于其工艺简单，可以进行模块化设计，并可以制成便于移动的小型处理设备。 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 尽管在饮用水处理中，微滤和超滤技术的应用增长速度很快并且其相对于常规过滤 和消毒技术有很多优越性，但是该技术应用于饮用水处理仍处于初级阶段，主要原因是 膜污染的问题还没有得到有效解决。为了扩大微滤和超滤技术的应用，膜技术需要和其 他水处理技术组合，混凝和粉末活性炭吸附技术常用在过滤器预处理工艺。 目前世界上最大规模的微滤膜净水厂是位于美国加州的s a nj o s e 的s a r a t o g a 水厂， 处理能力1 9 万m 3 d ，使用0 2 u r n 的中空纤维膜，1 9 9 4 年2 月投产。水厂的运行结果 表明，虽然原水中的浊度变化很大，最低时小于1 n t u ，最高时大于2 5 0 n t u ，但出水 浊度一直保持在0 0 5 n t u 以下船3 。德国r o e t g e n 水厂计划将处理能力提高到6 0 0 0 m 3 h ， 对微滤和超滤技术进行考察。1 9 9 6 年底，处理能力为6 1 0m 3 h 的三个小型水厂( 一个超 滤水厂，两个微滤水厂) 开始运行。运行结果表明，除了m e m t e c 微滤膜不能完全去除病 毒外，超滤水厂的出水水质完全合乎理想脚。日本厚生省领导下进行的 m a c 2 1 ( m e m b r a n ea q u ac e n t u r y2 1 ) 项目，目的是使用微滤膜和超滤膜对被污染的河水 实施净化的可能性。采用单一的膜过滤法操作取代以前的快速过滤方式即絮凝、沉淀、 砂滤的固液分离操作是可行的，而且采用膜过滤法进行净水处理的可靠性很高口羽。 1 4 2 膜生物反应器概述 膜生物反应器的构想最早出现在酶制剂工业中。美国的s m i t h 首次报道了用活性污 泥法和超滤法结合处理城市污水的方法，并由d o r r - o l i v e ri n c 在1 9 6 9 年申请了美国专利 1 1 o 但直到1 9 8 5 年，膜生物反应器的研究基本上还处在基础研究阶段。法国、美国、 澳大利亚等国对膜生物反应器的研究投入了很大的力量，使膜生物反应器的研究内容更 加全面和深入，为九十年代的进一步推广应用奠定了技术基础。 1 4 3 膜生物反应器的特点 膜生物反应器是高效膜分离技术与生物处理技术有机结合产生的一种新型废水处 理新工艺。该工艺相对于常规废水生物处理工艺具有以下特点n 引： ( 1 ) 结构紧凑，占地面积小。 膜生物反应器仅用一个膜分离装置就完全实现了在常规生物处理中需要用较大的 二沉池和沙滤系统才能实现的功能，使系统变得较为紧凑，减小了占地面积。特别是一 体式m b r 在一个反应器中同时实现了生物降解和泥水分离，更是如此。 ( 2 ) 处理效果高，出水水质好，从根本上解决了污泥膨胀问题。 m b r 对有机物的去除效果来自两方面：一方面是生物反应器内微生物对有机物的 降解；另一方面是膜对有机物大分子的截留作用。在处理某些工业废水时，膜的截留作 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 用还有利于培养出一些对该种废水有特殊降解能力的专属细菌n 们，这些细菌絮凝能力较 差，从而难以在普通生物处理过程中得到优势增殖。 ( 3 ) 容积负荷高，抗负荷冲击能力强。 m b r 实现了水力停留时间( h r t ) 和污泥停留时间( s r t ) 的完全分离，可以同时实现 很短的h r t 和很长的s r t 。因而能够在反应器中保留足够高的污泥浓度，好氧膜生物 反应器处理城市生活污水时污泥浓度一般为l o 2 0 9 l ，最高可达5 0 l ；处理工业废水 时，污泥浓度为2 4 0 l ，大部分高于2 0 l 。厌氧膜生物反应器污泥浓度最高记录是 5 6 6g ln 劓。m b r 中较高的污泥浓度不仅使m b r 所能达到的容积负荷大大提高，还使 系统抵抗冲击负荷和有毒有害物质的能力得到了加强，并使系统运行的稳定性得以提 高。如李红兵等用中空纤维膜生物反应器处理生活污水，在水力停留时间为1 5 h 和5 8 h ， 容积负荷高达5 7 6 k g c o d ( m 3 d ) ，系统对c o d 的去除率在9 0 以上n 引。 ( 4 ) 产生剩余污泥量少，减少了污泥处理的工作量和费用。 m b r 中较高的污泥浓度可以实现在容积负荷很高的同时，污泥负荷保持很低，因 此，进入m b r 的基质将主要用于维持微生物的最低营养要求，而污泥的增殖量则很少， 大大减小了剩余污泥的产量。从理论上讲，膜生物反应器能将污泥完全截留在生物反应 器内，实现不排泥操作。c h a i z e 和h u y 孤d 首次研究了m b r 对污泥产率得影响，在s r t 为5 0 和l o o d 时，污泥产量大大减少，他们认为是低f m 比例和较长的污泥龄的结果； m u l l e r 在处理生活污水的中试研究中发现：当污泥浓度( m l s s ) 高达4 0 5 0 9 l 和污泥完 全截留时，几乎不产生污泥。m b r 排出的剩余污泥一般较为稳定，可以不进行污泥消 化而直接脱水，使m b r 的剩余污泥处理费用得以降低。目前剩余污泥的处理与处置已 成为污水处理厂能否正常运行的制约因素之一，它的费用占到污水处理厂总运行费用的 2 5 - 4 0 ，有的甚至高达6 0 肥。因此，从源头减少污泥的产生量就显得非常必要和关 键，这些因素推动和促进了具有剩余污泥量少特点的m b r 技术的开发及研究。 ( 5 ) 具有较高的脱氮效果。 m b r 中长的污泥停留时间有利于增殖慢的细菌( 如硝化细菌等微生物) 生长。c o t e 等研究者发现当污泥龄由1 0 天增加为5 0 天时氨氮去除率由8 0 增加到9 9 ；f a n 等研 究者的实验中，当污泥龄由5 天增加为1 0 天时氨氮去除率由9 4 增加到9 9 阻2 1 。硝化 作用的改善不仅因为膜生物反应器可以维持较长的污泥龄。另外，m b r 中污泥浓度高， 因而易在污泥絮体中形成表面好氧、内部缺氧状态，所以可在同一反应器中实现硝化和 反硝化，使m b r 在去除c o d 的同时具有良好的脱氮效果。李红兵等在一体式好氧m b r 中发现随着污泥浓度的增加，t n 除率呈上升趋势( 1 8 9 5 7 5 ) ，并解释为在好氧菌胶 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 团的内部随着污泥浓度的增加，可提供较多的厌氧环境，有利于反硝化的进行1 。 ( 6 ) m b r 处理系统的设备化、自动化程度高。 m b r 由于构筑物少，系统结构紧凑，非常容易加工成成套设备，便于运输和安装， 可大大缩短施工期。另外，自动化程度高，可实现无人值班看守，因此大大节约人工费。 总之，膜生物反应器具有许多其它污水处理方法所不具有的优点，特别是在高浓度 难降解有机废水和污水回用上具有无可比拟的优势。但是废水和污泥对膜的污染使膜的 通量难以保持稳定，这就促使人们不断改进反应器的形式以减轻膜污染或增大膜面积以 维持所需的透过水量。 1 4 4 膜生物反应器的应用现状 大规模好氧m b r 的最早商业应用是在2 0 世纪7 0 年代末期的北美。然后依次是2 0 世纪8 0 年代早期日本，9 0 年代中期欧洲，9 0 年代末期中国n 3 1 。厌氧m b r 工艺的首次 商业应用是8 0 年代早期的日本和南t e t 9 1 。膜生物反应器在日本的发展最为迅速，目前在 日本运行( 包括在建) 的膜生物反应器占全球的6 6 。在膜生物反应器的应用中，9 8 以 上是好氧膜生物反应器，其中5 5 以上是一体式膜生物反应器。 1 4 5 膜生物反应器的研究现状 时至今日，膜生物反应器已成为当今水处理界研究的一个热点问题。目前，膜生物 反应器的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 扩大膜生物反应器的使用范围，m b r 的研究对象从生活污水扩展到高浓度有机 废水( 食品废水、啤酒废水) 与难降解工业废水( 石化废水、印染废水、造纸废水等) 。 ( 2 ) 探求合适的工作条件和工艺参数，降低处理工艺的动力消耗，使其成为节能型 新工艺。并从膜生物反应器的构型上尽可能为膜的稳定工作创造条件，主要是减轻膜堵 塞程度，提高膜通量和截留率。 ( 3 ) 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等。 具体来讲，今后膜生物反应器应用可能得到迅速发展的重点领域和方向如下： ( 1 ) 现有的城市污水处理厂的更新升级。特别是出水水质难以达标或处理流量剧增 而占地面积无法扩大的情况。 ( 2 ) 应用于无排水管网系统的地区，如小居民点、度假区、旅游风景区等。 ( 3 ) 应用于污水会用需求的地区或场所，如宾馆、洗车业、客机、流动公厕等充分 发挥膜生物反应器占地面积小、设备紧凑、自动化程度高、操作灵活方便。 一7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 4 ) 应用于高浓度、有毒、难降解工业污水处理。如高浓度有机废水是一种较普遍 的点源污染，全国造纸、制糖、酒精、皮革、合成脂肪酸等行业每年有机污水的排放量 很大。这类污水采用常规活性污泥法处理出水水质难以达到排放标准。而m b r 在技术 上的优势，决定它可以对常规方法难以处理的污水进行有效的处理，并且出水可以回用。 1 4 6 金属膜生物反应器 膜生物反应器自上世纪6 0 年代首次用于污水处理以来，以其高质量的出水、强大 的处理能力、易于操作管理等优点，越来越受到人们重视，尤其是在过去的2 0 年中更 取得了快速的发展，成为2 1 世纪最有前途的污水处理技术之一。 膜生物反应器中常用的膜为超滤膜和微滤膜，膜材质多为有机高分子材料( 如聚烯 烃类、聚砜、醋酸纤维素、聚酰亚胺等) 和无机陶瓷。有机膜具有制造容易、成本低的 优点，但是对物料适应性、对化学侵蚀的抵抗性以及机械强度等性能都较差，在膜污染 出现后难以通过清洗手段恢复。无机陶瓷膜虽然强度大、化学稳定性好，但是难以控制 孔径尺寸、难以封接、在使用中容易破碎。金属膜作为一种新型的无机膜，以其良好的 化学稳定性、耐热性、耐压性、寿命长、容易拆换检修、便于维护清洗、易于回收再生 等优点，在水处理领域逐渐得到重视和应用。 本研究采用浸没式金属膜生物反应器，对模拟生活污水进行试验，考察不同运行条 件下系统对水中营养物的去除效果以及活性污泥中微生物的菌群变化与处理水质之间 的关系。 1 5 课题的提出和意义 虽然膜生物反应器因具有众多的优点和良好的发展前景，国内外众多专家学者对其 开展了大规模的研究，但是它依然存在一些问题阻碍了其进一步更广泛的应用。目前主 要的问题如下： ( 1 ) 对反应器本身的研究较少。由于各种废水性质于差万别，一种类型的反应器不 可能对于所