（分析化学专业论文）多级好氧移动床生物膜—曝气生物滤池串联处理涂料工业废水的研究.pdf

摘要 生物膜法具有稳定性好，抗冲击负荷能力强，无污泥膨胀、不需回流等优点，在水处 理领域受到普遍青睐，成为废水处理方法的主流。目前，移动床生物膜反应器( m b b r ) 和曝 气生物滤池饵a f ) 作为两种新型的生物膜处理工艺，凭借各自的特点和优势，发展成为两 种高效的污水处理方法。m b b r 法在国外应用较为广泛，但在国内应用较少，基本上还处 在实验室研究阶段。b a f 法在我国得到了很好的研究和开发，并已在多个大、中、小型工 程中得到了实际应用。鉴于这两种方法均为近年来新兴的生物膜法处理工艺，且具有不同 的特点，将二者进行多级串联可发挥各自的优势，目前在国内外尚未见相关的报道。 随着涂料工业的迅猛发展，涂料废水的妥善处理成为人们日益关注的焦点。本文综 述了目前国内外处理涂料工业废水的几类主要方法，并着重分别介绍了移动床生物膜和 曝气生物滤池的原理、特点及应用。实验部分采用将这两种生物膜法进行多级串联的方 式处理涂料工业废水，考察了系统对有机物的降解以及对悬浮物和浊度的去除能力，取 得了令人满意的结果。 本文首先研究了火山岩作为曝气生物滤池填料的吸附能力，即将两级反应器串联， 每段反应器均采用7 0 的体积比来投加火山岩，温度控制在2 5 ，在单级h r t 为8 h 的条件下，出水c o d 去除率最高可达6 6 6 7 。这是由于火山岩本身有大量的孔隙，具 有优良的吸附能力。因此，将它作为b a f 的填料，一方面可以为微生物提供很好的生 存、繁殖场所，进一步深度去除有机污染物；另一方面，也可以利用它很强的吸附能力， 对悬浮物和浊度也能进行很好的截流、净化作用。 其次，比较了两种填料( 聚乙烯填料和火山岩) 预挂膜的速度以及效果，结果表明： 在采用了快速接种排泥法后，两种填料的挂膜速度均很快，生物膜在一周左右便都可以 达到成熟；而且挂膜的效果也很好，生物相多样而丰富，出水c o d 的平均去除率均可 达到8 0 以上。 然后，对串联起来的反应系统处理高浓度涂料工业废水( 混有部分人工合成生活污 水) 的能力进行了研究，实验数据显示：系统去除c o d 效果很好，反应器在单级水力 停留时间大于5 h 时，可以保证出水c o d 总去除率高达9 3 。 最后，考察了系统对于废水中悬浮物、浊度的去除效果。结果显示：处理系统对悬 浮物的去除效果很好，平均去除率达到了9 5 3 8 。同时，因为后续的两级b a f 反应器 具有良好的截留、吸附作用，使得最终出水的浊度均在检测限( 3 n t u ) 以下，达到了 国家饮用水的标准。在系统运行期间，对各级反应器p h 值的变化也进行了连续测定， 废水在经过m b b r l 反应池处理后，出水的平均p h 值由进水时的5 4 9 升至7 2 0 ；而后 面串联的三个反应池出水的p h 值变化均很小：最终出水的平均p h 值为7 6 9 。该研究 为提高生物膜法处理废水的效率提供了充足的参考依据。 关键词：移动床生物膜反应器；曝气生物滤池；聚乙烯填料；火山岩；涂料废水 a b s t r a c t b i o 棚mp r o c e s s e sb e a r 怕ea d v 撇g e so fs t a b l er e m o v a le m c i e n c y ，g o o dr e s i s t a n c et o s h o c kl o a d s ，n os l u d g es w e l l i n go rn on e e df 曲b a c k w a s 蛐n go rd r a w b a c k s ，m a k j n gi to n eo f t b em o s ti m p o n a n tm e i l l o d st 0d e c o n t a m i n a t ew a s t e w a t e r h e r e t o f o r e ，幽em o v j n gb e db i o f i l m r e a c t o r ( m b b r ) a n dt 圭l eb i o l o g i c a la e r a t e dn n e r ( b a f ) ，t 、oo f 搬e n o v e lb i o f i l mt e c 王l n o l o g i e s ， h a v eb o mb e c o m es i g i l i f i c a n t l ye 戍c t i v et r e a 舡n e n t so fw a s t e w a t e rd u et 0m e i rr e s p e c t i v e c h a r a c t e f i s t i c s m b b ri sn o wb e i b g 印p l i e dw i l d l y 如r o a d ，w l l i l ew i 墩f c wr e p o 如 d o m e s t i c a l l y ，a m o n gw l l i c ha r et 1 1 eo n c so nt h ep h a s eo fl a bs c a l es t i l i b a fi ss u c c e s s 蹦1 y d e v e l o p e di n t e m 越l ya n dp u ti i i 幻删i c ei na l lk i n d so fp r o j e c t sa tp f e s e n t h o w e v e r ，s t u d y o nm em u l t i s t e pm b b r - b a fr e a c t o r si nv 【a i l d e mf o rw a s t e w a t e rt r e a m l e n th a sn e v e r b e e n 辫s e n t e db e f o r c ，t h u sm d 畦n gi tap r o m i s 谗g 蠡e l d t oi n v e s t i g a t e p m p e rd i s p o s i go fp a i n tw a s t e w a t e ri su n d o u b t e d l yo f 掣e a ts i g r d f i c a n c en o w a d a y s i n t h i sp a p e r ，i tp r e s e n t s 搬eb 械cp 血c 谗l e so f m b b r 姐db a fa n dt h e 蚴s o n sf o rp u 蛙讯g 也e s e 惭ot e c h n o l o g i e si ns e r i e s m o r c o v 碣i ti n v e s 廿g a t e dm ef a c t o r sa 彘c t i n g 血ef u n 谢o no f 也e 缸e a t m e n ts y s t e ma sw e l la si t sc a p a c “yt or e m o v eo r g a r 娃cc o m p a u n d ，s u s p e n d e ds o l i d s ( s s ) a n dt u r b i d 咄 f i r 鲋y ，t h ca d s o r p 6 0 nc a p a c 姆o fl a v aa s 也em e d i ao fb a f r e a c t o r sw a sm o n i t o r e d t h e r c s u l t ss h o 、v e dt h a tn l es y s t e mw a sa b l et o 陀m o v e6 6 6 7 o f 也ec h e i n i c a lo x y g e nd c m a n d ( a 3 d ) w h e nt w or e a c t o r sw e r eu s e di nt a n d e m ，搬ef a t i oo fc a i t i c r s 霸l l e di n t o 也er c a c t o r s w a s7 0 ，m et e m p e r a t u r ew a ss e ta t2 5 。ca n d 也eh y 出a u l i cr e t e l l t i o nt i m e ( h r t ) o fs i n g l e b a fw a sm o r et h a n8 h 1 k si n d i c a t c d 垃l a tl a v al l a sa ne x c e l l e n ta d s o f p t i o nc 印a c i 坝t h h s b r i n g i n ga n 印p r o a c hf o rt h ci n t e g m t i o no f b i 0 1 0 9 i c a lr e m o v a la n da d s o i p t i o np o s s i b l e s e c o n d l y ，t h ep e r f o 船a n c e so f 僦。妊n d so f c a 料i e r ss u p p o r t i n gm b b ra n db a f 靶a c t o r s r c s p e c t i v e l yw e r cc o m p a r e d i 1 1t b ep m c e s s0 f p r e i 1 1 0 c u l a t i o n np r e s e n t e d 血a tp r e - i n o c u l a t i o n b i o 壬至l mb e n e 丘t e db o t ht r e a t m e n ts y s e m sf o raq 埘c ks t a r t - u p ht o o ko n l yo n ew e e kt og e t t l l e s et w ob i o f i l ms y s t e m sm a t u r e d ，a l l o 、v i n gn l ee m u e n tc o dr e m o v a lu pt o 8 0 ， r e s p e c t i v e ly 1 龟e n ，ab i o f i l m 打e 锄o n ts y s t e mf o rap a i n ti n d u s 仃yw a s t e w a t e r ( m i x e dw “hs o m e 枷蠡c i a ls e w a g ew a t e f ) w a sd e s i g n e d ，u s i i l g 撕om b b 风f o l l o w e db yt w ob a f si ns 丽e s n o s o l i d ss e p a r a t i o na i l ds i u d g eh a n d l i n gw a si n s t a l l e d n l es y s t e mp e r f o h n e dw e l ld u r i n gt h e w b o l ee x p 舐m e n t w i mav e r yh i 曲印e c i & b i o 丘l ms u 尥c ea r e a ，m b b r sf o l l o w e db yb a f s o 丘醯ac o m p a c tp r o c e s sc o m b i 壬l a 矗o nf o rc o m p l e t cb i o l o g i c a lt r e a t m e n to fp a i n tw a s t e w a t e r t h ee x p e d m e n t a ld a t ap r e s c n t e d 也a t 也ca v e r a g ec o dr e m o v a le 蕊c i e n c yo f 搬ee 趣u e n t 吼s a s l l i g ha s 9 3 f i n a l l y ，t l l ep a p e rr e p o r t st l l ee 髓c t so fr e m o v i n gs sa n dt u r b i d h yi nt h i st r e a t m e n t s y s t e m t h ea v e r a g er e m o v a le 硒c i e n c yo fs si 1 1m ee f f l u e n tr e a c h e dt o9 5 3 8 a n dt h e t u r b i d i 锣l e v e lh 聪d e s c e n d e db e l o w 也ed 。t e c t i o nl i m “( 1 0 w e r 【1 1 a n3n 1 u ) t h e r e f o r e ，t h e 灯e a t e dw a t c i 。w a sc l e a ra n d 胁s p a r e n t a d d i t i o n a l l y 也ei n v e s t i g a t e dp a r a m 曲汀sr e a c h e dt h e i i n a t i o r l a ls t a 】帕a r d r e q u i r e m e m s m e a n w h i l e ，m ee x p e r i m e n td a 土ap r e s e m e d a ni m e r e s t i n g i n c r c m e n ti np hv a l u e so ft h eo m l e to fm b b r l ，、 ，i ms m a l lc h a n g e si nt 1 1 eo m e r l r e e r e a c t o r s k e yw o r d s ：m o v 协gb e db i o 丘1 mr e a c t o r ；b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ；p o l y e t l l y l e n ec a r r i e r ； l a v a ：w a s t e w a t e rt r e a n n e m i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取彳寻豹磅究成果。据我所知，除了文中特别加以标注翻致游豹迪方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得东北师范大学绒萁他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一间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 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：起兰坠日期 如。t 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范 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，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者豢名：起垫b 指导教师签名： 戮 期：2 1 型：i ：多强 期： 学位论文作者毕业层去向： 工作单位； 通讯地照： 电话： 郏编： 盟 凇：工 第一章引言 11 涂料工业废水的特性及危害 目前，我国涂料生产量逐年提高，其中，2 0 0 4 年共生产涂料2 9 8 万吨，位居世界第 三；至2 0 0 5 年，产量达3 4 3 万吨，年均增速约为1 5 蚶”。然而，现阶段各种涂料的生 产工艺及其特性都决定了在生产过程中将产生大量有毒、有害的工业废水。随着我国涂 料工业的飞速发展，涂料废水的处理同盏成为需要高度关注的环境问题。 各种涂料在生产过程中大多涉及树脂合成，并使用有机溶剂和助剂等多种化工原 料，同时还含有大量作为增稠剂和分散剂的各种高分子有机化合物，所以在生产过程中 不可避免地存在着工业废水的排放口j 。另外，涂料废水中还含有大量纳米级超细的无机 物料，如钛自粉( t i 0 2 ) 、高岭土和各种有色颜料等。 由于涂料行业生产规模小，品种多，通常是问歇、批量生产，因此其废水具有以下 几个特点1 3 5 ：间歇排放，水质和水量波动比较大；各生产工序产生的废水差异很大； 废水水量少但污染物组成十分复杂；含多种有毒性的、难于生化降解的高分子有机化合 物，而且浓度较高；废水的固体物含量很高。 因此，如果不能妥善处理此类废水，必将对环境造成严蕈的污染。下面以最常见的 溶剂型涂料和水溶性涂料废水为例，说明不达标污水排放的危害1 6 j ： 1 、溶剂型涂料废水的危害 溶剂型涂料废水中台有机溶剂和其他有机化合物，当它们在水体中逐渐分解时，将 消耗大量的溶解氧。同时，其化学毒性也可以引发水域动物( 如鱼类) 体内生成肿瘤或 者扰乱它们的内分泌，甚至造成水域动物发生变性口】。这类废水中常含有重金属，如铅、 铬、汞和锌。重金属在环境中的累积将导致长远的环境污染问题，比如沉积物的污染以 及通过食物链所造成的毒害，而这些最终将影响到人类的健康。 2 、水溶性涂料废水的危害 在二十世纪九十年代，人们开发了水溶性涂料j 。此后，水溶性涂料以其优良的品 质得到广泛的应用。然而将水溶性涂料废水排放到水体，其含有的圆体颜料将增加水体 的浊度，除了带来感官上的不适，还会引起水中鱼鳃的堵塞，导致鱼类呼吸困难。同时 它还将阻碍曰光的照射，从而降低水体中植物的光合作用。此外，水溶性涂料废水中含 有的可生物降解物质，如表面活性剂和纤维素增稠剂，在降解过程中也会消耗水中的溶 解氧，这将威胁到水中鱼类和其他水生生物的生存。 1 2 涂料工业废水常用处理方法简介 随着涂料工业的迅猛发展，涂料工业废水所引发的水体污染问题越来越严重地威胁 随着涂料工业的迅猛发展，涂料工业废水所引发的水体污染问题越来越严重地威胁 l 到人类的生存环境，制约着社会和经济的发展。因此，治理废水，保护水资源已成为全 球性的闻题。 目前，涂料废水的治理广泛采用各种物化分离法、生物法以及物化一生物耦台等方 法，取得了一定豹效果。焚烧、温式氧住和光催化等技术还处于尝试与摸索阶段，未见 应用于处理实际涂料废水的报道。 1 2 1 常见的几种废水物化处理方法的比较 迄今，应用各种物化方法在涂糕疲水处理的很多方掰都取得了遗展，将其作为处理 涂料废水的预处理或单一处理手段效果显著。废水中的物质会消耗水中大量的溶解氧， 因此固体悬浮物的增多将大糯度提商水中的化学耗氧董( c o d c ，) 翻，废求中的颜料和 色素也会影响到水体中的p h 值。采用物化分离方法，主要包括气浮法、混凝法、吸附 法、萃取法、膜分离法等，可以很好地去除废水中的悬浮物和颜料色素等物质，同时还 可以去除废水中的固体物质和重金属。表l 比较了上述几种常用的物化处理方法的优缺 点。 表1 1几种常用的物化处理方法的比较1 m 1 3 】 1 2 2 废水生物处理过程中有机物的去除机理及常见方法比较 废水的生物处理主要是利用微擞物的新陈代谢作用，使呈溶解态和胶体状态的有机 污染物转化为无害物质。作为一种鬟要的处理方法，生物法可以将有毒、有害的有橇物 转化为毒性较小的物质l l 。它具有反应条件比较滠和，微生物来源广，对环境适应性强， 无需投加药翔，可避免二次污染等优点，并且成本上也经济合理，目前已经成为处理城 市污水和有机工业废水的主流工艺。 1 2 2 1 废水生物处理过程中有机物的去除机理 废水的生物处理，就是利用微生物的生命活动，先对污染物进行快速吸附，然后透 过微生物的酶的作用，氧化分解废水中的有机物，在微生物自身生长繁殖的同时，使废 2 水得以净化i l ”。 根据废水生物处理系统中微生物存在的状态，大体上可以分为悬浮生长的活性污泥 法和固着生长的生物膜法两大类。活性污泥法于1 9 1 4 年在英国建厂以来，已有7 0 年的 历史，成为当今世界范围肉应用较为广泛的一嵇生物处理工艺。它主要是撩生物絮凝体 以悬浮态与废水形成混和液，使废水中有机物通过与微生物充分接触而被其吸附、分解 的过程。生物膜法贝习是使微生物群俸附蓑予英偬物体表面上墨膜状，当疲水流经栽体表 蝴和生物膜接触的过程中，废水中的有机污染物即被微生物吸附、稳定，最后转化为 h 2 0 、c 0 2 、n h 3 和微生物细胞物旗，从而使废水得以净化。 同时根据废水生物处理系统中起主要作用的微生物的呼吸类型，又可以分为好氧处 理、厌氧处理和兼氧处理系统。本实验研究的主要是好氧处理系统，去除对象是废水中 溶解的翮胶体炊态的宥机污染物，通过微生物的代谢传用予以转化秘稳定，达到无害化， 所以下面将着熏分析一下好氯处理方法的机理。 废水好氧处理系统是在好氧豹环境下，由好氧微生物聪废水中污染物进行好氧代 澍。废水中的有机物经好氧微生物的分解氧化，最后成为无机终产物( c 0 2 ，h 2 0 ) ，这 些产物线以液态形式保存下来，或以气态形式散逸到大气中。通常好氧微生物代谢速度 快，生长繁殖速率高。因此，好氧法处理污染物，一般具有降解彻底，处理效率高，出 水水质十分稳定等特点。 1 2 2 1 2 常见的几瓣废水生物处理方法的比较 目前关于废水生物处理的方法有很多相关研究，在实际应用上也十分广泛【l “1 9 】。其 中，活一陡污泥法是较为藏熟豹生物处理工艺，在各耱废水处理中已缀褥到了广泛的应用。 但这一工艺存在处理系统占地面积大，污泥易膨胀，需回流，抗冲击性差，运行不稳定 等闯蔻。 废水的生物膜处理方法是与活性污泥法并列的一种废水生物处理技术。生物膜是在 惰性载体的表面形成的，由微生物细胞及它们产生的胞外多聚物组成。将生物膜引入到 废水处理反应器中便形成了生物膜反应器。下面几节将从多个方疆对生物膜法废水处 理工艺进行评述。 】3 生物膜法的基本原理和特点 生物膜法工艺在2 0 世纪5 0 6 0 年代开始出现，暖前是水处理领域较为活跃的研究 课题之。近年来，水处理顿域的重大进展和发展报多都集中在生物膜滋处理工艺上。 1 3 1 生物膜法处理废水的基本原理 生物膜的构造见下图1 2 “。附着在载体表面的生物膜是高度亲水的物质，由于生物膜 的吸附佟用，它的表藤上附着一层缀薄盼水膜，相对予外侧运动着的水滤，水黢是静止 的。水流中的有机物可以被生物膜氧化。由于水膜中有机物浓度比进水中的低得多，于 是当废水在滤料表面流动霄，有机物可通过水流的紊劫耪浓度差扩散作餍进入水膜中， 并进一步扩散到生物膜中去，不断被生物膜吸附、吸收和降解。同时，空气中的氧也将 经过废水而进入生物膜。生物膜上的微生物在氧的参 与、作用下，对有机物进行分解，本身不断增薅，使 生物膜不断变厚，传递进来的氧很快被表面微生物消 耗捧，生物膜豹内层褥不至i 氧的供应，傻厌氧微生物 在生物膜的内侧大量滋养，形成厌氧层。而有机物的 分解主簧依靠好氧露的作用，微生物进杼梳体代谢， 产生了如水、二氧化碳、氨以及其它无机盐，它们沿 相反方向，从艇物膜经过水膜进入流动的废水及空气 中去。巡生物膜的厚度不大时，好氧层与厌氧慰之间 可以维持平衡关系，厌氧层产生的代谢产物如有机 酸、醇类、醵佬氢等在透过好氧层时，可被送一步降 解除去，达到净化水质的目的。但当生物膜较厚，废水中有机物浓度较大时，空气中的 氧将很快被表箍豹生物膜所消耗，佼靠近滤料的一层生物膜戮得不鲴充足豹氧的供应而 使厌氧微生物发展起来，从而使厌氧层的代谢产物增多，特别是气态产物不断逸出，削 弱了生物膜的固着力，这时的生物膜则是老化了的生物膜，很容易从载体上或填料上脱 落下来。同时，在原采的位遴上有生长出新的生物膜来【2 2 j 。 与活性污泥法相比，生物膜法具有稳定性好，抗冲击负荷的能力强，能耗低，无污 泥膨胀、回流，操作运行稳定，系统维护方便等优点，因此，滴滤邀、生物转盘、生物 滤池、接触氧化池、生物流化床等生物膜法得到了人们的青睐。但生物膜法也存在许多 缺陷，如生物滤池容易发生堵塞问题，需要定期发冲洗，设备检修困难；生物转盘占遣 面积大，散发臭气；生物接触法难以使负荷均匀分布在载体表面，一定程度上影响了反 应器的处理效采；生物流亿床反应器中的载体颗粒只有在流化状态下才能发挥作用，工 艺的稳定性较差。 针对以上各方法的不足，研究和开发新型高效的、复合的处理工鎏势在必行。 l 。3 2 生物指示作用 菌胶团的大量存在和增薅、固糟型纤东虫等雁生动物的出现，是污泥和生物膜成熟 的标志。在废水好氧生物貘法系统的运转过程中，菌胶溺的形态结构和原生动物的种属 可以定性地表明系统的运转状态，这就是生物指示作用。 当运行条件改变时，原生、后生动物的种类、数量及形态都会随之变化，并且较菌 胶团更易于观察和鉴别，所以，将朦生、羼生动物作为废水水质及处理效果的指示生物 是可行的。如钟虫和漫游虫喜在较清洁的水中生活，是寡污带的指示种；草履虫可在厌 氧或缺氧的环境中生活，耐污力极强。居生动物中的轮虫要求较高兹溶解氧，可作为承 体寡污带和污水生物处理效果好的指示生物；而线虫相对来说耐污力较强，可在好氧和 兼镟厌氧的环撬中生活，兼毪厌氧蔼在缺氧时大最繁蘧，是污水净亿程度差的指示生物 瞄。但在利用指示生物进行败测评价的同时，也必须要考虑到指示生物的广栖性，同类 指示生物不问种属的生存适应范围也有所不同，例如钟斑类中的累校虫有较强的耐污能 4 力，在中污带中也能生活。因此，单凭生物检测或盲目地按别人的经验来指导生产是不 够严谨的。薅且由于日兹生物指标还缺乏严格的标准，因此只能l 乍为一耪定性或拣助手 段，仍需要和化学、物理的测试手段相结合，从而有效地指导实际工程的生产和运行。 1 4 影响生物膜反_ | 立器运行效果的主要因素 培养好生物膜是净化废水的关键。污水长时间流过载体，就会在其表面形成生物膜， 并逐渐成熬，其标恚为：生物膜潘水流方囱的分布、生物膜上由细藏及各种微生物缰成 的生态系、对有机物的降解功能都达到了平衡和稳定状态。生物膜是由细菌、真菌、藻 类、原生动物、后生动物以及一些肉眼可见的蠕虫、昆虫的幼虫等缀成。微生物由细胞 内向细胞外伸展的胞外多聚物使微生物细胞形成纤维状的缠缝结构，故被称为生物膜。 1 4 1 毒物及毒害作用机理 有毒有害物质常指进入泼水中的、对微生物具有杀伤性域对其活性具有一定掷制效 应的某些无机物质及有机物质。通常表现为生物膜的性质发生改变，膜的结构松散、脱 落，微生物的多样性减少，数量降低，工艺去除率减小【2 4 】。微生物对于不同的毒物， 鼹表现如来的薅垂受限度不嗣f 2 5 】，通常经过驯化，可以提赢微生物对某些特定有毒物质的 抗性，从而提高对其处理的效率f 2 酣。尽管微生物具有被逐渐驯化和慢慢适应的能力，但 懿果商毒物受麓持续较长时间，佼毒性物质完全穿透迸生物壤，生物膜爱应器瓣性能必 然会受到较大的影响。毒物对微生物的毒害作用机理主要有以下几个方葡田】： ( 1 ) 使缁胞壁、细胞膜发生变形或分裂，直接杀死微生物； ( 2 1 使酶变形和失活，损伤酶和重要的代谢过程； ( 3 ) 化学结构与代谢物质类似的有机物“竞争”酶的活性中心，与酶结合，从而抑翩中间 产物的形成，使酶的催化速率比增长速率低，即产生竞争性抑制： ( 4 ) 对细胞成份的合成过程产生抑制作用： ( 5 ) 按生素对核酸、渊a 和缯胞壁合成驰抑制作用。 1 4 2 营养物质平衡 任何生物的生长都需要一定种类和数量的营养物质，污水中所谓的营养物质是指能 为微生物所氧化、分解、利月的那些物质，主要是废水中的各类有桃污染物质。由于微 生物种类多、食性广、代谢类型多样，生活污水中的蒋养成分全面而且均衡，能充分满 足微生物的需要。然陋有些工业玻水成分苹一，其中所含煮的营养成分不一定能完全适 合或满足微生物的需要，就要靠外加的营养来进行合理地调配【2 4 1 。 微生物生长所需能营养物质主要有： ( 1 ) 碳是构成微生物的重要元素，是细胞的骨架，含碳有机物是细菌重要的能源。 ( 2 ) 氮也是构成为生物体的熏要元素，菌体蛋白质、核酸等分子中都有氮元素。 ( 3 ) 无机盐类也是细麓生长繁殖中不可或缺的营养物质。细菌体内的蛋白质和酶中还含 有少量的s 、p 。此外，细菌还需要k 、h n 、m g 、c a 、f e 、c o 、z n 、c u 等微量元 素作为营养，一般所需的量都甚微。 l 。4 3 溶躺氧的影响 根据细菌与鼠的关系，可以将纲菌分为好氧菌、厌氧菌和兼性厌氧菌。好氧微生物 在无氧的环境中不能生存，而厌氧菌在有氧的环境中则会中毒。因此要根据不同的处理 工艺，来选择是否需要供氧以及供氧豹量和方式。生物膜法通鬻采用好氧绷蓥来净化污 染物。好氧细菌进行有氧呼吸，以分子氧作为生物氧化过程的电子受体，因此只有在有 氧的情提下方生长帮繁殖。好氧微生物需要的是溶解在水中的氧，都溶解氧。氧在水 中的溶解度往往与水温、大气压有关。充氧量与好氧微生物的生长量、有机物浓度成正 相关性。因此，在废水处理过程中，溶解氧的供斑量要根据好氧微生物的数量、生理特 征、有机物性质及浓度来进行综合考虑。一般而言，溶解氧的浓度以维持在2 3 m 譬l 为宜。好氧生物处理法的优点是氧化速率商，反应器容积小；缺点是需要外加氧源，能 耗大，导数运行成本增多1 2 8 l 。 1 4 4 温度的影响 在影响微生物生理活动的各项嗣素中，温度的作用非常重要。温度适宜，能够促进、 强化微生物的生理活动：温度不适寅，就会减弱甚至破坏微生物的生理活动。温度不适 宜还能导致微生物形态和生理特性的改变，甚至可能使微生物死亡。 湿度对生物貘反应器的影响是多方西的，最适宣湿发条l 牛下，微生物的生理滔动强 劲、旺盛，表现在增殖方面则是裂贼速度快。同时，尽管不同种属的细菌都能在较宽的 温度范垂内生存，但一般丙言，都有萁活憔最大或生长速度最快的最适宜溢度范潮，据 此可将细菌分为嗜冷性、适温性和嗜热性三类。在废水好氧生物膜处理中，以中温菌为 主，其生长繁殖的最适宜温度为2 3 7 。因此，为了保证凌水处理设施豹正常运行和 处理效率，在设计反应器时，一定要考虑保证温度的措施。当濒度低予最遥运行温度时， 生物的处理效果开始下降，当低于4 时，几乎没有处理效果。而温度过高也会降低处 理效果，主要在于过高温度时，微生物的代谢速率加快，可使胶体物质j 乍为呼吸基质被 消耗，从而导致污泥结构松散，微生物的附着性降低，吸附能力减弱，出水中出现漂泥 瑗象，出水悬浮物浓度升高，东质不达标。同时，温度也是影响氧转移速率豹蹇接因素， 随着温度的升高，水中的溶解氧呈下降趋势，从而减缓对有机物的氧化分解能力2 4 0 8 1 。 由j 毙可见，温度影确细菌的生长与繁赣，戳及生化反应速率，同时对好氧生物处理 工苏中氧的传递也产生较大的影响。 1 4 5 p h 的影响 一般来说，微生物翡生理活动与环境的酸碱度密甥耱关，只有在适宜的酸碱发条箨 下，微生物才能进行正常的生理活动。每种微生物的生长与繁殖通常都会有一个最适合 豹p h 值藏围，如一般细菌、藻类和原生动物的p h 值的适应范围在4 l o 之间。僵由于 异常的一 值可以损害细胞表厦的渗透功能和内部的酶反应，因此较为适宜的d h 值范 围怒6 8 ，即在中性或碱性的环境中微生物生长与繁殖最为合适。 表1 2 微生物正常生长的最适p h 值范卧2 卅 p h 值 适合生长繁殖的微生物 污泥性能 在培菌驯化阶段，如考虑p h 值的影响因素，并使其偏于某一侧，那么即使在较高 的酸性或碱性的条件下运行，由于微生物已经适应驯化过程的环境条件，因此能使整个 群体保证一定的净化能力。但是，当p h 值作为冲击负荷出现时，待处理污水的p h 值 在短时间内会出现过高或过低现象，原水的p h 值常常不能符合微生物生长繁殖的要求。 当受到高p h 值冲击时，微生物是不能够适应的，在这种情况下，反应最敏感的是生物 相。此时，钟虫呈呆滞状态或者消失，菌胶团解体，呈松散模糊，游离菌、草履虫增多， c o d 和b o d 的去除率下降。 1 4 6 水力停留时间及负荷的影响 生物膜反应器中，大部分微生物以生物膜的形式附着生长在填料上，一般世代期较 长，可以维持反应器内一定浓度的生物量。因此，通常只考虑水力停留时间即可，不需 要考虑微生物在反应器中的停留时间( 即污泥龄) 。水力停留时间( h r t ) 是指待处理 的污水在反应器内的平均停留时间，即污水与生物反应器内微生物之间平均的反应、作 用时间。水力停留时间等于反应器有效容积与进水流量之比。在废水量一定的条件下， 延长水力停留时间，会增加投资成本。并且，虽然随着h i h 的延长，可以提高污染物 的总去除率，但单位时间污染物的去除效率是逐渐降低的。所以，在实际工程中，h r t 的设计不宜过长，应该在成本和处理效果之间寻求一个平衡。 负荷，也称为负荷率，是描述进水量或进水中底物浓度的参数，是反映处理工艺效 率的重要指标。通常分为水力负荷、有机负荷两种类型。负荷率与水力停留时间和进水 有机物浓度有关，对于一定的进水底物浓度来讲，负荷率越低，水力停留时间就越长， 因此反应器出水中的有机物浓度就越低：反之则越高，即有机物的去除率下降。 1 5 移动床生物膜反应器的原理、特点及国内外研究概况 1 5 1 移动床生物膜反应器的原理及特点 1 5 1 1 移动床生物膜反应器的原理 k 移动床生物膜反应器( m b b r 一- m o v i l l gb e db i l f i l mr e a c t o r ) 在二十世纪八十年代 末、九十年代初在欧洲得以开发，至今己在商业应用上取得了巨大成功f 2 9 】。m b b r 是处 7 于悬浮生长的活性污泥法和附着生长的生物膜法之间的高效新型反应器1 3 0 】，它的的基本 设计原理是将比重接近水、可悬浮于水中的悬浮填料直接投加到反应池中作为微生物的 活性载体，载体在反应器中随水流自由移动，并逐渐在载体单元表面生长出生物膜，生 物膜中的微生物利用水中的基质元素进行新陈代谢，从而达到去除水中有机污染物和脱 氮除磷的目的。在好氧反应器中通过曝气推动载体处于流化状态；在缺氧厌氧反应器 中，通过机械搅拌使载体移动。为防止反应器中填料的流失，一般会在反应器出口处设 一个多孔滤筛。 1 5 1 2 移动床生物膜反应器的特点 作为生物膜法的一种，移动床生物膜反应工艺具有生物膜法的优点：悬浮填料的比 表面积一般都比较大，附着在填料表面及其内部的微生物呈多样化，数量大，并且生物 的食物链长，能存活世代时间较长的微生物，在填料单元内可以形成从细菌一原生动物 一后生动物的食物链，处理能力大，净化功能显著。同时m b b r 设备占地少，去除效 果稳定，便于操作口”。和活性污泥相比，m b b r 是具有高浓度微生物的生物膜反应器， 不易堵塞，所以无需反冲洗，也不需要任何污泥回流，因此处理系统可以连续运行。同 时，与大多数生物膜反应器不同的是，m b b r 利用了整个池容，并且水头损失也很低【3 2 1 。 此外，在整个生物生态系统中，m b b r 同时存在好氧和厌氧代谢活性，而且对毒性以及 其他不利于生物处理的环境因素的敏感度低，适应性强，具有很好的抗冲击性，即使在 遭受冲击负荷的时候，也可以很快恢复到稳定状裂3 3 】。 好氧移动床生物膜反应器结合了生物接触氧化法和好氧生物流化床的特点，强化了 污染物、溶解氧和生物膜的传质效果【3 4 1 。在水流和气流冲击下，填料上生物膜的更新速 度较快，生物活性高。当曝气时，生长生物膜的填料密度因与水相近，在反应池中随水 流化，由此产生的气、水、填料三者间的充分接触和碰撞，一方面使氧的利用率、水中 有机污染物的传质效率等大为提高，另一方面使老化的生物膜易于从填料表面脱落，便 于膜的更新，使膜保持活性 35 1 。同时，生物膜上脱落下来的生物污泥含有的动物成分多， 密度大，污泥颗粒大，沉降性能好，易于固液分离，而且剩余污泥产量少，减少了污泥 处理费用。另外，由于填料较轻，其流化所需的动力消耗也并不很高，一般满足供氧的 气量，即能起到良好的搅拌作用，这就使得悬浮载体生物膜法成为处理污水的一种合适 方澍36 1 。 移动床生物膜反应器可减少现有的污水处理系统的体积，易于在已有污水处理厂的 基础上进行升级改造【”j ，而且处理的效果更好。ga n d r e o t t 0 1 a 等人通过中试成功地升 级一座超负荷运转的污水处理厂，使有机碳和氨氮的去除率在水力停留时间为5 5 7 h 时分别达到了8 8 和9 0 1 3 ，即使在低温( 8 ) 下，碳氮的去除率仍达到了7 3 和 7 2 【3 。因此，m b b r 是生物处理工艺升级时的一个很好的解决方法。 1 5 2 悬浮填料的开发及应用 在m b b r 处理废水的工艺中，悬浮填料是生物膜的支撑和载体，它的性能关系到 挂膜的难易、反应器中生物量的多少以及处理效率的高低。作为处理工艺的核心，悬浮 填料的肖效比表面积是常规固定式填料的数倍，附着生物量大且微生物的活性高，因而 能够在较短的时闻内将污染物去除。 悬浮填料是在固定式填料和粮状硬质填料的基础上发展而来的。固定式填料和硬质 填料在术缝理中均存在缺陷；2 0 避纪9 0 年代襁，蓑型轻质弼鑫由移动豹悬浮壤料开发 成功，揭开了一个新的水处理方向。悬浮填料的材质以聚乙烯、聚丙烯为主，适当添加 辅助成分，密度一般控制为1 o c m 3 左右。也霄采用多孔塑料材料或者聚氨醑泡沫材料 4 】，4 2 j 。 根据形状与大小的差异，悬浮填料可分为以下几类： ( 1 ) l i n p o r 多孔溆沫壤睾耳：2 0 世纪7 0 年代中期，以德国的l m d ea 妊i e n g e s l l s c h 礅 公司所开发的多孔泡沫块状悬浮填料为代表，其材质多为聚氨酯泡沫块，密度小于水， 形状为小方块。璞料譬裹魏隙状，表西和内部均长满微生物，溉可以生物膜法为主两猿 立运行，也可投加到活性污泥处理池中以提高处理效率。当海绵块的体积约为活性污泥 浊俸积豹l 3 0 豹对候，l i n f 系统中豹污泥总量要比传统的活蛙污泥法高出2 3 俯。 ( 2 ) k a l d i l e s 填料：2 0 墩纪8 0 年代，由挪威k a l d n e sm i l j o t e k n o l o 百公司( 砌v f r ) 与 挪威科技大学( n t n u ) 和挪威研究所( s i n t e f ) 联合开发了k a l d n e s 填料。 与l i n p o r 工芑不同的是，k a l 血e s 填料是刚性 豹，露不是软性的。壤料瓣形状星空心圆柱体，逡 部由十字筋连接。柱的外壁带疑条状鳍翅，形似齿 轮，在水中的流动性好，丽且璞料的表面积相对较 大。由于填料的碰撞和摩擦剧烈，微生物主要生长 于填料的内侧。为防止填料流失，需要在出水端设 置筛网或毒做成楔形出水挡墙。目前，国内开发的 部分种类的悬浮填料均由此演化而来。 ( 3 ) 大型球状或柱状悬浮壤料：上世纪9 0 年代 中期，由同济大学陈洪斌所在的课题组成功开发球状或柱状的悬浮填料，现已在水处理 工程中应用j 。 填料形状为球状成圆柱状，粒径有2 5 h 皿、5 0 胍和1 0 0 h u n 等，由翼板和套环组 成，密度为o 9 5 o 9 8 9 ，c m 3 ，比表面积为1 0 0 4 4 0 m 2 m 弓。在处理池的出水端设置栅栏 就可以防止填料流失。 目前m b b r 所使用的填料多为聚乙烯材料。 l o u 磁d o u 4 4 】的磅究中用了约l c m 3 的立方体，通过充 氧能力试骏的结果表明，在其填充率为5 0 时，填 料在瀑气淑中 滚化莨好。 王o d e g a a r d 【4 5 1 建议为了保 证填料能够自由懋浮，填充率( 填料的填充率是填 料壤积傣积占曝气池有效体积的百分毙) 要低于 7 0 。 o 1 5 3 移动床生物膜法的国内外研究概况 移动床生物膜反应器是1 9 8 8 年最先由挪威k a l d i l e sm i l i j 0t e h l o l o g i ( k m t ) 公亩 与 s i n t e f 研究机构联合开发并申请专利( n o1 7 26 8 7 ，p c l y n o9 i 0 0 0 7 ) 【j 圳，并在国外得 到了很好的发展。鉴于移动床生物膜反应工艺的诸多优点，目前全世界2 2 个国家的4 0 0 多个大型废水处理厂都在应用这一处理工艺。此外，还有几百家小型的处理单位，大多 数在德国，也以m b b r 为核心处理技术【3 2 】。迄今为止，国外应用m b b r 进行生活污水、 工业废水 4 “”】的小试、中试及生产型实验研究，均取得了良好的效果。 近年来，我国也有人进行了这方面的研究，但用于生活污水处理的研究较多，在工 业废水方面的研究较少，而且大多处在试验性研究阶段，相关方面的污水处理工程的应 用实例还不多【5 。 季民等1 55 】采用好氧移动床生物膜反应器处理低浓度的生活污水时，发现该方法挂膜 容易，水力停留时间短，处理效果稳定，不需污泥回流，反应器体积紧凑，操作简单。 利用m b b r 处理生活污水，在进水c o d 为8 0 3 0 0 m l ，h r t 为2 4 h ，有机负荷为 o 4 8 2 9 3 k g c o d ( m 3 d ) 的条件下，出水c o d 浓度可降至3 0 6 0 m g l 1 3 4 l 。朱文亭闭等 提出了循环m b b r ，当进水c o d 为2 0 0 7 0 0 m g l ，h r t = 4 h 时，c o d 平均去除率达 到了8 8 8 。并且反应器内的流态接近完全混合，同时也控制了生物膜厚度，使微生物 始终处于生长旺盛的阶段，进而加快有机物的降解速率。 工业废水不仅水量和水质波动大，而且一些废水的营养物质缺乏或含有毒或有害物 质，对废水处理工艺的要求高。王学江【5 7 等利用m b b r 处理石化废水，采用了新型的 悬浮填料，在h r t 6