（市政工程专业论文）MBBR法处理城市污水去除污染物的特性研究.pdf

硕十学位论文 摘要 目前国内正在进行大量中小城镇污水厂建设，低成本、高效率、运行管理简 单的移动床生物膜反应器工艺具有广阔的应用前景，但是国内外学者对移动床生 物膜反应器的研究主要集中在好氧工艺，而涉及厌氧工艺的很少。本试验通过对 移动床生物膜反应器处理南方热带亚热带地区城市生活污水的试验研究，分别在 好氧和厌氧条件下探讨了水力停留时间，p h 值，填料填充率，冲击负荷对反应器 处理效果的影响，并对m b b r 处理模拟城市生活污水进行了动力学研究。 在挂膜试验阶段，利用污水厂的接种污泥以及快速挂膜法可以缩短填料挂膜 的时间，使用快速挂膜法挂膜只需少量的接种污泥，且不需要设置循环池和循环 泵。该挂膜方法不仅可以用于好氧条件下，而且适用于缺氧和厌氧条件下。 试验结果表明，好氧m b b r 工艺对于污水中的有机物和氨氮具有良好的去除 效果。当进水c o d c ，在3 0 0 m g l 左右，氨氮在1 5 m g l 左右，p h 在7 左右，填料 填充率为3 0 ，h r t 为6 h ，对c o d c ，的去除率为8 4 ，对氨氮的去除率为7 8 7 ， 对t n 的去除率为5 0 。厌氧m b b r 工艺对于污水中的有机物和氨氮的去除效果 不理想。当进水c o d c r 在3 0 0 m g l 左右，氨氮在1 5 m g l 左右，p h 在7 左右，填 料填充率为3 0 ，h r t 为2 4 h ，对c o d c r 的去除率为5 5 7 ，对氨氮的去除率为 4 4 5 ，对t n 的去除率为3 5 6 。 最后基于莫诺特( m o n o d ) 提出的底物的比降解速率与底物浓度之间的关系式 和h e u k e l e k i a n 等人提出的描述微生物净增长速率和底物利用速率关系的基本关系 式，探讨用m b b r 技术去除模拟城市污水中c o d c ，和氨氮的动力学。 关键词：移动床生物膜反应器；水力停留时间；悬浮填料：好氧；厌氧 i i m b b r 法处理城市污水去除污染物的特性研究 墨暑暑暑詈詈暑詈毫暑i , , - - p ! 一h i 置詈皇 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，al a r g en u m b e ro fs m a l la n dm e d i u m s i z e du r b a nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s a r eb e i n gc o n s t r u c t e di nc h i n a m o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o rp r o c e s s ( m b b r ) ，w h i c hi s c h a r a c t e r i s t i co fl o w - c a s t ，h i g he f f i c i e n c y ，s i m p l eo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t ，h a sab r o a d p r o s p e c ti na p p l i c a t i o n h o w e v e r ，b o t hd o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r sf o c u st h e i rr e s e a r c ho f m o v i n gb i o f i l mb e dr e a c t o r ( m b b r ) o nt h ea e r o b i cp r o c e s sa n dp a yl i t t l ea t t e n t i o nt ot h e a n a e r o b i cp r o c e s s t h i sr e s e a r c hs t u d i e so nu r b a nd o m e s t i cs e w a g ei ns o u t ht r o p i c a la n d s u b t r o p i c a lw i t hm b b r t h es t u d i e sa r ec a r r i e do u tt os t u d yt h ee f f e c t so fh y d r a u l i cr e t e n t i o n t i m e ，p h ，f i l l i n gr a t eo fs u s p e n d e dc a r r i e ra n di m p a c tl o a do nt h et r e a t m e n tr e s u l t so ft h e r e a c t o rb o t hu n d e ra e r o b i ca n da n a e r o b i cc o n d i t i o n s i ta l s oe x p l o r e st h er e a t i o nk i n e t i c so f t r e a t i n gd o m e s t i cs e w a g ew i t hm b b r d u r i n gt h ee x p e r i m e n t a t i o no fb i o f i l mc u l t u r i n gl o a d ，t h ea c t i v a t e ds l u d g ef r o mt h e w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ta n dt h er a p i db i o f i l mc u l t u r i n gl o a da r eu s e dt os h o r t e nt h et i m e r e q u i r e d u s i n gt h er a p i db i o f i l mc u l t u r i n gl o a dd o e s n tn e e dt o om u c ha c t i v a t e ds l u d g e b e s i d e ，i td o e s n tn e e dc i r c u l a t i n gp o o la n dr e c y c l ep u m p t h i sm e t h o do fb i o f i l mc u l t u r i n g l o a dc a nn o to n l yb e e nu s e du n d e rt h ec o n d i t i o n so fa e r o b i c ，b u ta l s ot h ec o n d i t i o n so f h y p o x i aa n da n a e r o b i c t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea e r o b i cm b b rh a dg o o de f f e c to nr e d u c i n gt h eo r g a n i cm a t t e r a n dn i t r o g e n w h e nh r ti s6 h , t h ec o d c rc o n c e n t r a t i o no fi n f l u e n ti s3 0 0 m g l ，t h ef i l l i n g r a t eo fs u s p e n d e dc a r r i e ri s3 0 ，t h en h 3 - nc o n c e n t r a t i o no fi n f l u e n ti s15 m g l ，t h ep hi s a r o u n d7 ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d c rc a l lr e a c h8 4 ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fn h 3 - ni s 7 8 7 a n dt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft n - ni s5 0 t h ea n a e r o b i cm b b rh a dl e s se f f e c to n r e d u c i n gt h eo r g a n i cm a t t e ra n dn i t r o g e n , t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d c rc a nr e a c h5 5 7 ， t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f n h 3 - ni s4 4 5 a n dt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft n - ni s3 5 6 w h e n h r ti s12 h ，t h ec o d c rc o n c e n t r a t i o no fi n f l u e n ti s3 0 0 m g l ，t h ef i l l i n gr a t eo fs u s p e n d e d c a r r i e ri s3 0 ，t h en h 3 - nc o n c e n t r a t i o no fi n f l u e n ti s15 m g l ，t h ep hi sa r o u n d7 a tl a s t ，b a s e do nt h ef o r m u l a r yo nt h es p e c i f i cs u b s t r a t ed e g r a d a t i o ne f f i c i e n c ya n dt h e s u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o nb r o u g h tb ym o n o da n dt h ef o r m u l a r yo nt h en e tm i c r o b i a lg r o w t h e f f i c i e n c ya n ds u b s t r a t eu t i l i z a t i o nr a t eb r o u g h tb yh e u k e l e k i a n , e t c ，as t u d yo ft h er e a t i o n k i n e t i c so fc o d c ra n dn h 3 - nr e m o v e l i nt h ed o m e s t i cs e w a g ew i t hm b b ri sd i s c u s s e d k e yw o r d s ：m b b r ；h r t ；s u s p e n d e dc a r r i e r ；a e r o b i c ；a n a e r o b i c 硕士学位论文 插图索引 图2 1m b b r 反应器装置示意图1 9 图2 2m b b r 反应器小试装置图19 图2 3 多面空心球载体：2 0 图2 4 挂膜试验阶段对c o d c r 去除效果2 1 图2 5 挂膜阶段对氨氮去除效果2 2 图3 1 水力停留时间对c o d c r 去除率的影响2 3 图3 2 不同p h 值对c o d c ，去除率的影响2 4 图3 3 填料填充率对c o d c ，去除率的影响。2 5 图3 4 冲击负荷对c o d c 。去除率的影响2 6 图3 5 水力停留时间对氨氮和t n 去除率的影响2 7 图3 6 不同p h 值对氨氮和t n 去除率的影响2 8 图3 7 填料填充比对氨氮去除率的影响2 9 图3 8 填料填充比对t n 去除率的影响。2 9 图3 9 冲击负荷对氨氮和t n 去除率的影响3 0 图3 1 0 厌氧适应期试验对c o d c r 去除效果3 l 图3 1 1 厌氧适应期试验对氨氮去除效果31 图3 1 2 水力停留时间对c o d c ，去除率的影响3 2 图3 1 3 不同p h 值对c o d c r 去除率的影响一3 3 图3 1 4 填料填充率对c o d c ，去除率的影响3 3 图3 1 5 水力停留时间对氨氮和t n 去除率的影响3 4 图3 1 6p h 值对氨氮和t n 去除率的影响3 5 图3 1 7 填料填充比对氨氮去除率的影响3 6 图3 18 填料填充比对t n 去除率的影响3 6 图4 1 移动床生物膜反应器动力学研究的模型4 0 图4 2 有机物好氧降解动力学常数测定回归曲线( 填充率3 0 ) 4 3 图4 3 有机物好氧降解动力学常数测定回归曲线( 填充率4 0 ) 4 3 图4 4 有机物好氧降解动力学常数测定回归曲线( 填充率5 0 ) 4 3 图4 5 有机物厌氧降解动力学常数测定回归曲线( 填充率3 0 ) 4 5 图4 6 有机物厌氧降解动力学常数测定回归曲线( 填充率4 0 ) 4 5 图4 7 有机物厌氧降解动力学常数测定回归曲线( 填充率5 0 ) 4 5 图4 8 氨氮好氧降解动力学常数测定回归曲线( 填充率3 0 ) 4 7 v i m b b r 法处理城市污水去除污染物的特性研究 图4 9 氨氮好氧降解动力学常数测定回归曲线( 填充率4 0 ) 4 7 图4 1 0 氨氮好氧降解动力学常数测定回归曲线( 填充率5 0 ) 4 7 图4 1 l 氨氮厌氧降解动力学常数测定回归曲线( 填充率3 0 ) 4 9 图4 1 2 氨氮厌氧降解动力学常数测定回归曲线( 填充率4 0 ) 4 9 图4 1 3 氨氮厌氧降解动力学常数测定回归曲线( 填充率5 0 ) 4 9 图4 1 4 好氧u i 0 c 的关系图( 3 0 ) 5 1 图4 1 5 好氧u o i 0 c 的关系图( 4 0 ) 5 2 图4 1 6 好氧u - i 0 c 的关系图( 5 0 ) 5 2 图4 1 7 厌氧u o i 0 c 的关系图( 3 0 ) 5 4 图4 1 8 厌氧u l 。的关系图( 4 0 ) 5 4 图4 1 9 厌氧u l e 。的关系图( 5 0 ) 5 4 v i i 硕卜学位论文 附表索引 表2 1 城市生活污水组成1 8 表2 2 城市生活污水水质18 表2 3 水质指标和检测方法一览表1 8 表2 4 填料的技术参数2 0 表2 5m b b r 反应器挂膜试验的运行参数2 l 表3 1 总氮物料平衡2 7 表4 1 有机物好氧降解动力学常数测定( 填充率3 0 ) 4 2 表4 2 有机物好氧降解动力学常数测定( 填充率4 0 ) 4 2 表4 3 有机物好氧降解动力学常数测定( 填充率5 0 ) 4 2 表4 4 有机物厌氧降解动力学常数测定( 填充率3 0 ) 4 4 表4 5 有机物厌氧降解动力学常数测定( 填充率4 0 ) 4 4 表4 6 有机物厌氧降解动力学常数测定( 填充率5 0 ) 4 4 表4 7 氨氮好氧降解动力学常数测定( 填充率3 0 ) 4 6 表4 8 氨氮好氧降解动力学常数测定( 填充率4 0 ) 4 6 表4 9 氨氮好氧降解动力学常数测定( 填充率5 0 ) 4 6 表4 1 0 氨氮厌氧降解动力学常数测定( 填充率3 0 ) 4 8 表4 11 氨氮厌氧降解动力学常数测定( 填充率4 0 ) 4 8 表4 1 2 氨氮厌氧降解动力学常数测定( 填充率5 0 ) 4 8 表4 1 3 好氧i 0 。和u 的关系( 填充率3 0 ) 5 0 表4 。1 4 好氧i 0 。和u 的关系( 填充率4 0 ) 5 0 表4 1 5 好氧i 0 。和u 的关系( 填充率5 0 ) 5 1 表4 1 6 厌氧i 0 c 和u 的关系( 填充率3 0 ) 一5 2 表4 1 7 厌氧i 0 c 和u 的关系( 填充率4 0 ) 5 3 表4 1 8 厌氧i 0 c 和u 的关系( 填充率5 0 ) 5 3 表4 1 9 好氧有机物降解动力常数1 ) m a x 和k s 5 5 表4 2 0 好氧氨氮降解动力常数1 0 m 舣和k s 5 5 表4 2 l 厌氧有机物降解动力常数1 ) 一和k s 5 5 表4 2 2 厌氧氨氮降解动力常数um a x 和k s 5 5 v l l i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 豫) 鸥 日期：沙o ) 年岁月编 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密吼 ( 请在以上相应方框内打“4 ) x 洮 l 多 年年 1 叼 纱 渺 显 期期一 甜 磅叫 袁淹 npy，_旁 签釜者师 硕十学位论文 第1 章绪论 我国是世界上的人口和资源大国，但是因为人口众多，也是一个人均资源匮乏的国 家，水资源可利用量和人均水资源量极为有限。我们的淡水资源总量为2 8 亿立方米， 占全球水资源的6 ，仅低于巴西、苏联、加拿大、美国和印度尼西亚，但是由于我国 国土辽阔，人口众多，按人口、耕地平均，人均和亩均占有量均低于世界平均水平。人 均占有量为世界人均占有量的1 4 左右，亩均占有量仅为世界亩均占有量的3 4 。据对 1 4 9 个国家和地区的最新统计，中国人均占有量已经退居世界1 1 0 位。随着我国经济的 飞速发展和人民物质生活水平的提高，人们对于健康水资源的要求越来越强烈，水资源 短缺和国家经济可持续发展的矛盾将会越来越凸现。水资源评价最新成果显示， 1 9 8 0 2 0 0 0 年水文系列与1 9 5 6 1 9 7 9 年水文系列相比，中国黄河、淮河、海河和辽河4 个流域降水量平均减少6 ，地表水资源量减少1 7 ，海河流域地表水资源量更是减少 了4 1 ，北少南多的水资源格局进一步加剧。现状全国缺水量达4 0 0 亿立方米，近三分 之二的城市存在不同程度的缺水，全国现状农村饮水不安全人口仍有2 0 3 亿人，受水量 及水质不安全影响的城镇人口近1 亿。农业平均每年因旱成灾面积达2 3 亿亩左右，2 0 0 8 年冬季至2 0 0 9 年春季的严重旱情再次给中国敲响了警钟。与此同时，长期形成的高投 入、高消耗、高污染、低产出、低效益的状况仍未根本改变。中国每立方米水g d p 产 出仅为世界平均水平的三分之一，2 0 0 7 年全国废污水排放量7 5 0 亿立方米，水功能区达 标率仅为4 1 6 。必须切实采用科学有效的措施保护我们周围的环境，合理地利用水资 源，同时对以造成的水体污染进行综合整治并再利用，因此污水处理技术有广阔的应用 前景。 1 1 移动床生物膜反应器的技术特征 1 1 1 移动床生物膜反应器工艺 1 9 8 8 年，为了解决污水厂的传统活性污泥法污泥沉降困难、易流失的问题，增强脱 氮功能，挪威k a l d n e sm i e c p t e k n o g i 公司与s i n t e f 研究机构联合开发了一种新型生物 膜反应器。该反应器工艺简单，提高了污水厂的脱氮效率，改善了运行效果，同时又 不需增加原有反应器的容积。这就是最初的k m t 生物移动床。最初的移动床生物膜反 应器工艺简单，提高了污水的脱氮效率，改善了运行效果，同时又不需增加原有反应器 的容积。后来一些学者对其进行了研究和改进，使其更多地应用到实际生产中晗刊。它既 能克服传统的固定载体生物接触氧化法生物膜膨胀的缺点，又能避免生物流化床载体流 失的问题。m b b r ( m o v i n g b e db i o f i l mr e a c t o r ) 也称移动床生物膜反应器从此正式诞 m b b r 法处理城市污水去除污染物的特性研究 生了，属于生物膜法水处理工艺，是接触氧化法工艺的一种，是在流化床基础上形成的 污水处理新技术，具有处理能力高，能耗低，不需要反冲洗，水头损失小，不发生堵塞 等的工艺特点。迄今为止，国内外已经应用m b b r 进行处理生活污水和处理工业废水 的小试、中试和生产性试验，均取得了良好的效果。 m b b r 反应器中载体具有较高的比表面积，生物膜在载体表面大量生长。在好氧反 应器中，通过曝气的作用，推动载体随水流沉浮移动；在缺氧厌氧反应器中，通过机 械搅拌使载体移动。m b b r 核心部分是能在反应器中保持悬浮状态的载体。悬浮载体是 近年来国内外污水处理用载体研究开发的一大动向，此类载体密度接近于水，使用时直 接加于曝气池中，微生物在载体表面上生长的过程中，载体是在水中充分流化，使膜、 液、气三相充分接触，以保持微生物得以充分利用溶解氧和良好的传质条件，污染物质 被快速降解。与以往的载体不同之处在于，其与污水能频繁多次接触，因此被称为“移 动的生物膜”瞄1 。 1 1 2 悬浮填料 悬浮填料作为m b b r 核心部分，应具有以下特点： ( 1 ) 填料能悬浮在水中，因此其密度应控制在1 0 9 c m - 3 左右，依靠水力和曝气 的搅动作用即可以使其达到流化状态； ( 2 ) 填料的形状多为圆柱体，形状规则，空隙率大，易于挂膜，同时拥有较大的 比表面积2 5 m 2 m o ： ( 3 ) 填料对气泡有剪切、阻隔、吸附的作用，增大传质面积，提高传质效率。 悬浮填料根据形状常分为以下几种睁刀： ( 1 ) 多孔型泡沫填料：多孔泡沫填料最早应用于德国l i n d e a g 公司开发研究的 l i n p o r 工艺，其材料为聚氨醋泡沫块，尺寸较小，为1 2 m m x1 2 m m x1 2 m m 。l i n p o r 工 艺中载体投配率为1 3 ，可极大提高反应器中的生物量，浓度可达到5 - 8 9 m l s s l ， 填料呈多孔状，表面和内部均长满微生物，既可以生物膜法为主独立运行，也可投加到 活性污泥处理池以提高处理效率，由于填料的比重与水接近，所以在运行时填料悬浮于 水中并随着水流和曝气在水中流动，从表面上看和普通活性污泥法很相似。该公司开发 了l i n p o r c 、l i n p o r - n 、l i n p o r c n 分别针对含碳有机物处理、含氮有机物的硝化和同 步硝化反硝化。 ( 2 ) c a p t o r 工艺中泡沫方块：c a p t o r 工艺由英国s i m o n h a r t l e y 公司和美国 a s h b r o o k s i m o n - h a r t l e y 公司联合开发完成。其悬浮填料采用2 5 m m x 2 5 m m 1 2 m m 的 聚氨醋泡沫块作为生物膜载体，孔径约为8 5 r t m ，载体投加比为1 5 7 5 ，为生物附着 提供了很大的表面积，般为1 5 m 2 m 3 ，其生物量浓度可以达到7 - 9 9 m l s s l 。吸附在 填料内部老化生物会逐渐矿化并越积越多，致使填料重量增加下沉难以浮动，c a p t o r 系 统使用挤压装置周期性排出填料，再将挤压掉污泥的填料重新回到曝气池中。因此 2 硕士学位论文 c a p t o r 系统是一种高容积负荷的强化流程，适合高浓度污水的处理。 ( 3 ) k m t 型悬浮填料：k m t 移动床生物膜工艺由挪威k m t 公司开发，其载体为 专利产品圆柱状k m t 聚乙烯塑料载体，呈外棘轮状，内壁由十字筋连接，其直径为 1 0 m m ，高度为1 0 m m ，密度为0 9 2 - 4 ) 9 6 g c m 3 。载体投加率可以达到7 0 ，其比表面积 可达3 5 0 m 2 m 3 ，生物量浓度可达3 - - 4 9 m l s s l 。 ( 4 ) 橡胶颗粒填料：b i o s a c 流动床生物膜污水处理工艺是由中国国家电力建设研 究所与韩国s a m k w a n g 公司合作研制。其反应器内所用载体填料为粒径1 0 m m 左右 的多孔橡胶胶粒，比表面积可达4 5 0 0 m 2 m 3 ，反应器内部保持较高的微生物量，m l s s 可达2 0 0 0 0 m g l 。由于运行时填料间相互碰撞，使得载体表面生物膜较薄，其生物活性 相对较高。 ( 5 ) 大型球状或柱状悬浮填料：由国内研发，填料形状为球状或圆柱状，尺寸为 2 5 r a m ， 5 r a m 和 l m m ，其比表面积为1 0 0 3 0 0 m 2 m 3 ，传质效率高。目前，己在饮 用水源预处理和废水处理中有所应用。季民等人在分析目前使用较多的各种填料的基础 上，研究出一种新型移动生物膜轻质填料。该填料外形为空心圆柱体，内部有多个支撑 面，圆柱表面可设计成平面，凹凸面或波纹面等。其材质为聚乙烯、聚丙烯，与水的相 对比重为0 9 2 0 9 5 ，外观漂亮，耐磨性能好，使用寿命长。 1 1 3 移动床生物膜反应器去除有机物的原理 生物膜去除有机物主要是依靠附着在滤料或某种载体表面的微生物来实现。生物膜 是高度亲水的物质，在污水不断在其表面更新的条件下，在其外侧总是存在一些附着水 层。在生物膜表面和一定深度的内部生长繁殖着各种各样的微生物和微型动物，并形成 了有机污染物细菌原生动物( 后生动物) 的食物链。在生物膜的外侧，由于经常和水 接触，吸收营养物质和溶解氧都很容易，因此形成了有利于好氧和兼氧型微生物生活的 好氧层。随着微生物的繁衍，生物膜的不断增厚，在生物膜的内部以及与滤料或载体接 触的部分，由于营养物质和溶解氧的缺乏，微生物的生长繁殖受到限制，好氧微生物难 以生存，兼氧微生物转为厌氧代谢方式，而厌氧微生物的活性反而较高，于是形成了由 兼氧和厌氧型微生物组成的厌氧层。 在生物膜表层的附着水层中，由于水层中的有机物被氧化，从而使得有机物和溶解 氧的浓度降低，因此当反应器内部的水沿着生物膜表面流动时就会产生浓度差，在浓度 差的作用下，有机物和溶解氧从废水中转移至附着水层中，进而被生物膜吸附进入其中。 在此条件下，微生物对有机物进行分解和同化合成，使废水中的有机物浓度下降，废水 从而得到净化。 在好氧层中，微生物利用有机物的方式分为两种：一部分有机物被氧化分解为简单 的无机物，并释放出能量以供给生命活动所需；另一部分有机物则被合成为新的原生质， 以供微生物生长繁衍所需的构成物质。这两种方式的反应式如下： 3 m b b r 法处理城市污水去除污染物的特性研究 c x h y o ：+ ( x + i 1y 一兰z ) o ：与x c o ：+ 丢y h 2 0 + 能量 ( 2 1 ) n c x h y 。z + i n y 一三z _ 5 ) 。2 + n h 3 马c s h ，n 。2 邶- 5 ) c 。( 2 2 ) n y - _ _ _ 4 4 h ，0 。 原生质的氧化分解( 内源呼吸) ： c 5 h 7 n 0 2 + 5 0 2 与5 c 0 2 + 2 h 2 0 + n h 3 + 能量( 2 3 ) 在废水中的营养物质充足时，微生物既可以氧化分解有机物以供给生命活动所需能 量，又可以将有机物合成新的原生质，转化为自身的一部分；当废水中营养物质缺乏时， 微生物会分解细胞内储存的物质，甚至是自身的原生质，以获取所需要的能量。 在厌氧环境下，兼氧和厌氧微生物起作用，将有机物经过水解、发酵、产乙酸和产 甲烷四个阶段进行分解，并生成c h 4 、无机物( c 0 2 、n h 3 、h 2 0 、h 2 s 等) 、部分被合 成自身一部分的新原生质以及生命活动所需要的能量。 在生物膜的好氧厌氧层不断分解利用有机物的同时，在生物膜内、外，生物膜与水 层之间存在着多种物质传递过程。空气中的氧溶解于流动水层，从那里通过附着水层传 递给生物膜，供生物膜用于呼吸；污水中的有机污染物则由流动水层传递给附着水层， 然后进入到生物膜，并通过微生物的代谢作用被降解。这样污水就在流动中被净化。微 生物的代谢产物如h 2 0 等则通过附着水层进入流动水层，并随之排走，而c 0 2 以厌氧 层分解产物如h 2 s 、n h 3 以及c h 4 等气态代谢产物则从水层逸出进入空气中。 当厌氧层还不够厚时，它与好氧层保持着一定的平衡和稳定关系，好氧层能够维持 正常的净化功能，但是随着厌氧层的增厚，其代谢产物也在不断增多，这些产物向外侧 逸出，必然要穿过好氧层，到达一定程度后，会使得好氧层生态系统的稳定性受到破坏， 从而失去这两种膜之间的平衡关系，又因气态物质的不断逸出，减弱了生物膜在滤料( 填 料、载体) 上的附着力，处于这种状态的生物膜即为老化生物膜，老化生物膜净化功能 较差而且易于脱落。生物膜脱落后生成新的生物膜，新的生物膜需要一定的时间才能发 挥其净化污水的功能。比较理想的情况是：减缓生物膜的老化进程，不使厌氧层过分增 长，加快好氧膜的更新，并尽量是生物膜不集中脱落。 1 1 4 移动床生物膜反应器的脱氮原理 水中的氮主要以有机氮、氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮四种形式存在。而城市污水 中，主要为有机氮和氨氮，其中有机氮占总氮的6 ，而氨氮则为4 。生物脱氮就是利 用微生物的作用，将氨氮和有机氮转化为n 2 和n o 。的过程。在生物处理过程中，有机 4 硕一 二学位论文 氮被微生物氧化分解，通过氨化作用转化为氨氮，而后通过硝化过程转化变为n o x - n ， 通过反硝化过程转化为n 2 n ，而逸出大气。由于氨化作用很快，在一般的污水处理构 筑物中都能完成，因此生物脱氮的关键在硝化与反硝化过程。 ( 1 ) 氨化作用是指将有机氮化合物转化为氨氮的过程，也称为矿化作用。参与氨 化作用的细菌称为氨化细菌。在自然界中，它们的种类很多，主要有好氧性的荧光假单 胞菌和灵杆菌、兼性的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌等。在好氧条件下，主要有两种降解 方式： 一种是氧化酶催化下的氧化脱氨1 ，例如氨基酸生成酮酸和氨；另一种是某些好氧 细菌在水解酶的催化作用下可以进行水解脱氮反应。而在厌氧或缺氧条件下，厌氧和兼 氧微生物通过还原脱氨、水解脱氨以及脱水脱氨三种方式对有机氮化合物进行脱氮反 应。 ( 2 ) 硝化作用是指在好氧条件下，通过亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用完成将氨氮 转化为n o x - n 的过程。亚硝酸细菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌 属。硝酸菌有硝酸杆菌属、硝酸球菌属。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌。发生硝化反 应时，细菌通过氧化氨氮和n o ；- n 的过程获得能量，碳源来自无机碳化合物，如：c o ：一、 h c o i 以及c 0 2 等。硝化菌主要有以下特征： ( i ) 自养性：硝化菌以无机碳化合物为碳源，以氨氮或亚硝酸盐氮为电子供体， 以游离氧为电子受体，通过对氨氮或亚硝酸盐氮的氧化获得能量，其产物是亚硝酸盐氮 或硝酸盐氮。除维氏硝化杆菌( n i t r o b a c t e r w i n o g r a d s k y i ) 的一些品系也能在某些有机培 养基上兼性生长外，绝大多数硝化菌的生长不仅不需要有机底物，而且当有机物浓度过 高时，对硝化菌的生长不利。 ( i i ) 生长速率低：这两类细菌能分别从各自的氧化过程中获得生长所需的能量， 但其能量利用率不高，故生长较缓慢，其平均世代时间在1 0 小时以上。亚硝酸菌世代 时间是8 3 6 小时，硝酸菌为1 2 5 9 小时，两者的世代时间都很长，其生长速率远远低 于异养细菌的生长速率。因此，在生物反应器内要维持一定的硝化菌数量，必须保证足 够长的泥龄或生物量。 ( i i i ) 好氧性：硝化细菌在氧化氨氮时会消耗大量的氧，因此，要保证硝化反应正 常进行，反应器内必须维持较高的溶解氧浓度。 ( i v ) 依附性：硝化细菌和悬浮固体有强烈的亲和作用，易依附在悬浮固体、填料 等固体介质上，具有附着生长的特点。 硝化反应可以用以下方程式表示： n h ：+ 1 5 0 ，n o ；+ + 3 h + + h ，o + 能量 ( 2 4 ) n o ；+ 0 5 0 ，一n o ；+ 能量 ( 2 5 ) 可以看出硝化过程需要大量的氧气，每去除1 9 氨氮产生0 1 4 6 9 细胞新物质，需消 耗大约4 2 5 9 0 2 ，同时硝化过程产生大量的h + ，需要大量的碱中和才能使反应顺利进行， 一5 - m b b r 泫处理城市污水去除污染物的特性研究 每去除1 9 氨氮需要消耗大约5 5 4 9 碱度( 以n a 2 c 0 3 计算) ，另外硝化反应还受温度的 影响很大，尤其是低温时不利于反应的进行。 ( 3 ) 反硝化作用是在厌氧或缺氧条件下( d o 4 m g n h 3 n l ) ，氧为限制 条件下，反应速率对应于d o 是一级而不是半级反应，这或许意味着液膜扩散是这一过 程的限制步骤。当d o 小于2 0 8 m 9 0 2 l 时，不发生硝化反应。 瑞士的m m a u r e r 等口叫人研究了低负荷污水处理厂的移动床多孔填料脱氮模型。这 一模型描述了缺氧条件下聚亚安酯泡沫填料移动床的水解反应及液相和填料之间的可 溶及颗粒物质的传递过程。 1 2 6 移动床生物膜反应器与其他工艺的组合应用 在新西兰w e l l i n g t o n 的m o ap o i n t 筹建的污水处理厂口引工艺流程为移动床生物膜反 应器( m b b r ) 生物接触氧化工艺( s c r ) ，b r u s t e n 等人对该工艺进行了小试。试验 结果显示，在s c r 阶段平均单元停留时间( m c r t ) 为3 天、b o d 5 有机负荷为 1 5 0 k g b o d 5 m 3 d 。1 时，最终出水浓度小于1 0 m g b o d s 。动力负荷实验显示，在m b b r 单元的最大b o d 5 负荷超过1 3 3k g b o d s m 3 d 1 时，出水质量仍然很高。 美国l o u i s i a n a 的b a t o nr o u g e 化工厂啪1 采用m b b r + 纯氧曝气活性污泥系统处理 废水。在所实验的所有负荷率中，易生物降解b o d 在m b b r 单元全部被去除。在负荷 为1 0 2 0 9 b o d 5 m 2 d 1 时，较难生物降解的有机物也可以降解，有时t b o d 5 的去除率 超过9 5 。 美国的c h j o h n s o n 等口7 1 人把m b b r 工艺作为预处理单元分别处理屠宰厂废水和精 炼厂废水。在处理精炼厂废水的p h i l l i p sp e t r o l e u mb o r g e r 处理厂，进水c o d 在 3 0 0 5 4 0 m g l 之间变化时，出水c o d 为4 0 6 0 m g l 。对氨氮处理的结果显示，出水氨氮 1 0 硕上学位论文 浓度平均低于0 7 m g l ，甚至进水浓度高达1 8 m g l 时，出水仅为2 m g l 。另一个处理屠 宰厂废水的v a l l e yp r i d ep a c k 处理厂呻1 ，大部分有机物在第一个m b b r 就被去除。第二 个m b b r 主要发生硝化反应，其氨氮去除率为0 8 3 2 n h 3 - n m 3 d 。在运行两个月后， s c o d 去除率达到了8 6 5 。采用移动床生物膜反应器与活性污泥法组合工艺来处理木 材加工纤维污水的一项中试及两项实际规模的研究也证明，作为第一单元的移动床生物 膜反应器可承受的有机负荷范围通常高达1 5 2 5 k g c o d m 3 d ，无论从技术还是从投 资和运行费用方面，该工艺系统都表现出高效、稳定和具有竞争力。 1 2 7 移动床生物膜反应器的技术改进 m b b r 作为一种革新型水处理技术，相对于其他废水处理技术有着许多的优点，但 是过国内外的一些研究人员对反应器的结构和应用等方面进行了进一步探讨和改进。季 民等啼1 人在分析目前流行的各种填料的优缺点的基础上，研制开发了一种新型移动床生 物膜填料。试验证明，该填料挂膜较容易，在高负荷时，填料内部也不易形成堵塞现象 或结团问题；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。赵庆 良等h 3 1 在传统的活性污泥法工艺中加入废弃轮胎颗粒作为生物载体形成生物膜反应器。 该反应器中载体颗粒平均粒径2 2 5 m m 比表面积2 3 0 0 m 2 m 3 ，颗粒比重1 1 2 ，投加率为 1 2 。结果发现废弃轮胎颗粒作为一种新型的污水处理生物膜载体具有强度高、耐磨损、 材料易得、价格低廉和废物再利用等优点。盛兆琪等h 町用无纺布卷制成的环柱状载体作 为曝气池中的悬浮载体进行研究，发现无纺布环柱状载体的生物膜量为1 2 9 9 l ，其中 有机物含量为6 9 5 。朱文亭等3 人总结了一般的移动床生物膜反应器存在的缺点，对 其池型和内部结构进行了改造，开发出循环移动载体生物膜反应器。该反应器克服了由 于池型和曝气装置的限制，填料在反应器内的移动状态不均衡，以及池内不同程度地存 在死区，影响混合传质效果的缺点。并且改善了反应器内水力流动特性和能耗方面的问 题。将移动床生物膜反应器按照s b r 的运行方式来操作是移动床生物膜反应器技术的 进一步发展，它被称之为移动床序批式生物膜反应器( m o v i n gb e ds e q u e n c i n gb a t c h b i o f i l mr e a c t o r , m b s b b r ) 。移动床序批式生物膜反应器既具有移动床生物膜反应器的 优点又具有序批式运作方式带来的好处，因而它的操作和净化性能更优，适用性更强， 更具发展前途。它可以使同一个反应器在不同的时间段发挥不同的功用，发生不同的反 应，而不用像连续进水的工艺一样需要多个反应器来满足不同生物过程的同时进行。 m b s b b r 多用来进行脱氮除磷，国外的一些研究表明，它在对氮磷的去除方面有非常 良好的表现蝴3 。1 9 7 7 年在德国出现了利用漂浮在水面的浮筒牵引的可以运动的水下曝 气装置，我们称之为悬挂链曝气装置。1 9 8 4 年在德国夏萨克森州a l g o m n i s s e n 污水处理 厂，通过对悬挂链曝气系统的控制，将硝化和反硝化反应加入到整个处理过程中。到了 1 9 9 1 年，该技术进一步完善，在构筑物中考虑了除磷区，至此悬挂链曝气技术发展成为 结构形式灵活紧凑、处理效果良好并可以实现除磷脱氮的综合活性污泥处