（环境科学与工程专业论文）复合型生物膜反应器处理污水的研究.pdf

壅垒型兰塑堕垦生竖丝些堡查竺型塑 a b s t r a c t t h i s p a p e r i sd i v i d e di n t ot w o p a r t s t h er e c e n tp r o g r e s s i nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t b y b i l f i l mr e a c t o ri sr e v i e w e di nt h ef i r s tp a r t h y b r i db i o l o g i c a lr e a c t o r ( h b r ) ，a n o v e lc o m b i n i n g p r o c e s s ，i sc o n c e r n e d e v a l u a t i o n m e t h o d s o f b i o d e g r a d a b i l i t yo f v a r i o u sc h e m i c a l sa n dm e t h o d so ft r e a t m e n to fs u r f a c t a n t sw a s t e w a t e ra r ea l s o p r e s e n t e d e x p e r i m e n t a ls t u d i e so nh y b r i db i o l o g i c a lr e a c t o ra r ec o n d u c t e di nt h es e c o n d p a r t ah y b r i db i o l o g i c a lr e a c t o rw h i c h c o n t a i n e db o t hs u s p e n d e d a n da t t a c h e d g r o w t hb i o m a s si sd e v e l o p e db yi n t r o d u c i n gl i n p o ra sc a r r i e r sa n du s e df o rt h e t r e a t m e n to f s y n t h e t i cw a s t e w a t e ra n ds u r f a c t a n t sw a s t e w a t e r i nt h ef i r s ts t a g e ，h y b r i db i o l o g i c a lr e a c t o ri su s e df o rt h et r e a t m e n to f s y n t h e t i c w a s t e w a t e ri nal a b o r a t o r ys c a l em o d e l ap l e x i g l a s st a n kw i t h11 2 1e f f e c t i v e v o l u m e ，i su s e da st h ea e r a t i o n l i n p o ri sp l a c e di n t ot h et a n k s t a r t i n gu pt h e r e a c t o ra f t e rs e e d i n g c o dr e m o v a le f f i c i e n c yi sa b o v e8 5 a so l ri n c r e a s e dt o 2 k g c o d m 3 dg r a d u a l l y c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ( c a s ) ，t h ec a p a c i t yo fn h 4 一nr e m o v a la n dd e n i t r i f i c a t i o ni sb e t t e rt h a nt h a ti n c a s ，w h i l ec o d r e m o v a li sn o ta sg o o da si nc a sw h e nf i l l e dw i t h2 5 c a r r i e r s i nt h i sh y b r i db i o l o g i c a lr e a c t o r , a t t a c h e d g r o w t hb i o m a s si sa b o u t2 9 l ，w h i c h c o n s i s t e do fa b o v e6 6 o ft h et o t a lb i o m a s sc o n c e n t r a t i o n c o dr e m o v a l e f f i c i e n c yi n c r e a s e dw i t h i n c r e a s eo f t h e a c t i v i t yo f a t t a c h e d g r o w t ho r g a n i s m t h i s i n d i c a t e st h a tt h ea t t a c h e d g r o w t hb i o m a s sa n d a c t i v i t yp l a y e dam a j o r r o l ei nc o d r e m o v a li nt h i sh y b r i db i o l o g i c a lr e a c t o r a s s e s s m e n t so f b i o d e g r a d a b i l i t yo f s e v e r a li m p o r t a n ts u r f a c t a n t sa r et e s t e di nt h e s e c o n ds t a g e a t2 0 1 ，5 0 m 【e 1c o n c e n t r a t i o no ft w e e n - 8 0i s b i o d e g r a d a b l e ， p o l y o x y e t h y l e n e1 2 - a l k y le t h e rn a _ 2 s o 。i se a s i l yb i o d e - g r a d a b l e h y b r i db i o l o g i c a lr e a c t o ri su s e df o rt h et r e a t m e n to f t w e e n 8 0w a s t e w a t e ri na l a b o r a t o r ys c a l em o d e li nt h et h i r ds t a g e a t2 0 l ，h r t ll h ，a b o u t5 0 m l c o n c e n t r a t i o no ft w e e n 一8 0w a s t e w a t e ri st r e a t e d ，c o dr e m o v a le f f i c i e n c yr e a c h e s 复台型生物膜反腑 f 处删污水的聊f 究 4 87 t h e c a p a c i t yo f n h 4 一n r e m o v a la n dd e n i t r i f l c a t i o ni nh y b r i d b i o l o g i c a lr e a c t o r i s e s s e n t i a lt ob es t u d i e df u r t h e rt h et e c h n i q u e sf o r h i g hs t r e n g t h s u r f a c t a n t s w a s t e w a t e rt r e a t m e n ts h o u l db e d e v e l o p e d k e y w o r d s ：h y b r i db i 0 i o g i c a ir e a c t o r ：c a rr i e r ：b i o d e g r a d a b ili t y w a s t e w a t e rt r e a t m e n t 复台型生物膜反应器处理污水的研究 0 前言 污水处理技术的发展与应用是影响社会可持续发展的重要因素。近年 来，随着人类环境保护意识的提高，国内外对废水排放的限制标准越来越严 格。因此，迫切需要研究开发经济、高效的污水处理技术。在原有污水厂的 基础上改进处理工艺，提高污水处理效果已经成为水污染控制领域的重点和 热点。 长期以来，污水的生物处理工艺一直以活性污泥法和生物膜法为主。 传统活性污泥法工艺处理能力高，出水水质好，但存在污泥沉降困难、易流 失，系统易受冲击等问题：生物膜法具有抗冲击负荷，系统中微生物多种多 样以及微生物存活世代时间长且有较高活性的特点。如何发挥二者的优势， 探索经济有效地提高污水处理效果的工艺是本论文的立题宗旨。 另外，从实际需要角度讲，随着城市的发展和生产规模的不断扩大， 已建造运行的污水处理厂所承受的负荷也会逐渐增加。同时，为适应更高排 放标准的要求，提高出水水质，现有污水厂升级改造势在必行。 基于上述思想，结合国内外相关经验，论文确定了活性污泥法与生物 膜法相结合的复合型生物膜处理工艺处理污水的方案。以l i n p o r 为填料，对 复合型生物膜工艺进行小试研究，考察系统性能、运行状况及成本，并在此 基础上对可生物降解的表面活性剂废水进行处理。 论文作为对复合型生物膜反应器的初步研究为该方向的进一步探索和 应用提供参考。 在试验期间，本人得到了杨凤林教授，张兴文老师，杨卫身老师等人的 悉心指导，得以j 顿利完成论文工作。 复合型生物膜反应器处理污水的研究 1污水处理的研究进展 1 1 污水处理的意义 1 1 1 概述 水是生命之源，是地球上唯不可替代的自然资源。我国水资源匮乏， 人均水资源占有量仅为世界平均水平的四分之一，水资源不足、水体污染和 水环境生态恶化已严重制约了经济发展。2 1 世纪9 0 年代以后，我国在水和 废水的研究与开发方面加大力度，主要对饮用水净化、饮用水源的污染防治， 污水处理及回用等项目加强研究和应用，以适应经济发展的需要，进一步提 高人们生活质量。建设部2 0 0 0 年颁布的城市污水处理及污染防治技术政 策要求：2 0 1 0 年全国设市城市和建制镇的污水平均处理率不低于5 0 ， 设市城市的污水处理率不低于6 0 ，重点城市的污水处理率不低于7 0 。【l 】 1 1 2 污水产生的来源及主要污染物 污水主要来源于城镇的住宅、工厂和各种公共建筑设施。据统计，1 9 8 5 年以来，我国污水年排放量一直维持在3 5 0 4 0 0 亿m 3 左右，1 9 9 7 年污水排 放量达到最高值4 1 6 亿m 3 ，其中工业废水排放量2 2 7 亿m 3 ，市政污水排放 量1 8 9 亿m 3 。污水中化学需氧量( c o d ) 排放量达1 7 5 7 万t ，其中工业废 水c o d 排放量1 0 7 3 万t ，市政污水c o d 排放量6 8 4 万t 。一般来说，污水 的大部分为c o d 在1 0 0 0 m g l 以下的中低浓度的污水。 污水中的污染物质按其化学性质可以分为无机物和有机物。无机污染物 主要包括无机盐( 如s 0 4 。、s 2 - 和c i 。等) 、酸、碱、重金属( 如h g 、c d 、c r 、 p b 、z n 、c u 等) 离子、毒性无机物( 如c n 。和a s 等) ，以及氮、磷等植物 性营养物质，这些污染物质大多数主要来源于生产或应用含这类物质的特殊 工业，在污水排入城市排水管网前多采用物理、化学或物理化学法进行处理 以去除该类物质。有机污染物主要包括以碳、氮元素为主要化学成分的污染 物质，对于生活污水来说，主要有蛋白质( 4 0 6 0 ) 、碳水化合物( 2 5 5 0 ) 和油脂( 1 0 ) 此外还含有一定量的尿素，对中等强度的污水来说， 7 5 的悬浮固体和4 0 的可过滤性固体均为有机物质8 j 。 墨垒型竺塑堕垦窒璺竺型望查竺里! ! i 1 1 3 污水处理的必要性 有机污染物在水环境中进行氧化分解消耗水中的溶解氧，在缺氧或厌氧 条件下发生腐败发酵，释放出h ：s 、n i t ，和c h 。等有毒有臭味的气体，恶化 水质，破坏水体。在受到有机物严重污染的水体中，水中溶解氧接近于零， 水生生态平衡遭到破坏，水生生物的生长受到抑制或死亡，如鱼类在溶解氧 低于4 m g l 的水体中不易生存。同时，有机物又是包括病原菌在内的多种 微生物的食物，水中有机物的增多，为微生物的繁衍创造了更为有利的条件， 也就增加了水传播疾病的可能性。因此，控制与去除水中有机污染物，是污 水处理工程的主要任务之一。 最初人们对于污水的处理是以去除悬浮物和有机物为目的的。近年来， 由氮磷造成的水体富营养化、水体缺氧、对水中生物的毒害作用等引起了人 们的关注。国内外对废水处理的排放限制标准也规定了污水排放中的氮、磷 含量。研究开发经济有效的脱氮除磷工艺、合理控制氮磷废水的污染已成为 环境工作者面临的重要课题。 总之，合理有效的污水处理一方面可以保护环境水体不受污染：另一方 面可以进行污水的深度处理，中水回用，节水减污。这些都有利于合理利用 水资源，促进经济效益、社会效益、环境效益的协调发展。 1 2 污水生物处理的原理及方法 1 2 1 污水生物处理的原理 生物法是通过微生物的代谢活动使水中的污染物( 主要是有机物) 转化 和稳定的污水处理方法。 好氧生物法处理的原理是：在好氧条件下，废水中的悬浮固体和胶状物 质被微生物吸附，可溶性有机物被微生物用作自身繁殖的营养，代谢转化成 生物细胞，并氧化成为最终产物( 主要是c o ，) 。以活性污泥法为例，对有 机物的氧化分解过程可由下式简单描述： c 、o 、h 、n 、s + 0 2 + n + p m ( 鼠o + c 0 2 + n h 3 ) + c 5 h 7 n 0 2 + 能量( 1 - 1 ) ( b o d ，c o d ，t o c ) ( 电子受体1 ( 营养物) ( 代谢产物) ( 新增细胞) 由此可以看出，曝气池污水中有机污染物的氧化分解速率主要取决于溶 解氧的水平、营养物质是否充分以及微生物底物的浓度。 复合型生物膜反应器处理污水的研究 1 2 2 污水生物处理的方法 按照污水处理生物反应器中微生物的生长状态，污水生物处理可划分为 悬浮生 乏工艺和附着生长工艺( 见图1 1 ) 。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状态；后者以生物膜法为代表，微生 物以膜状附着在某种载体的表面上。 匡巫至口 图1 1 按微生物生长状态分类的废水生物处理工艺 f i g 1 1s y s t e m a t i c so fb i o m a s sf o r m si nw a s t e w a t e rt r e a t m e n ts y s t e m s 1 3 污水处理的生物膜法 1 3 1 污水生物膜法处理的原理 生物膜法是利用生物膜上生长的微生物摄取污水中的有机污染物作为营 养来净化废水。生物膜具有较大的表面积，能够大量吸附废水中的胶体和溶 解性物质并将有机物分解，使废水得以净化。 1 生物膜 生物膜是由固定在附着生长载体上的并经常镶嵌在有机多聚物结构中的 细胞所组成，通常具有孔状结构，又很强的吸附性能。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： ( 1 ) 有机分子从水中向生物膜附着生长的载体表匝运送，其中有些被吸附 复合型生物膜反应器处理污水的研究 便形成了被微生物改良的载体表面； ( 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 体表面的细胞一部分在被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； ( 3 ) 不可解吸的细胞摄取并消耗水中的底物与营养物质，数目增多：同时， 细胞产生的物质，有些将被排出体外。这些物质中有一些是胞外多聚物， 将生物膜紧紧地结合在一起，由此，微生物细胞在消耗水中的底物能量 进行新陈代谢时便使得生物膜形成累积； ( 4 ) 微生物细胞进入水中或在增殖时向水中释放游离的细胞。 生物膜形成后并不是一成不变的，主要表现在生物膜的脱落造成的生物 膜量的减少。如形成后的生物膜会因为生物的内源呼吸而使生物膜减少；生 物膜内部的厌氧层发生厌氧分解产生c o 。、h 2 s 、c h 。、n l ，等气体，气体逸 出时，减弱生物膜在载体表面的附着力，使生物膜脱落；生物膜上的线虫类 等后生动物的蠕动实使生物膜松动；水力剪切力对生物膜的冲刷作用也会使 生物膜脱落。 2 生物膜的微生物相 生物膜由多种微生物组成，主要有细菌、真菌、藻类、原生动物和后 生动物( 见表1 1 ) 。 表1 一l 生物膜构成的微生物相 t a b 1 - 1m i c r o o r g a n i s mi nb i o f l l m 3 脱氮 生物脱氮中氮的转化主要分为硝化和反硝化两个阶段。一般认为，硝化 反应在好氧条件下进行，反硝化反应在厌氧条件下进行，两者不在同一条件 4 复台型生物膜反应器处理污水的研究 下进行。因而目前的生物脱氮工艺大多单独设立缺氧和厌氧环境。近年来， 一些研究发现，硝化和反硝化可同时进行川。通过研究认为川，微环境的存 在是硝化反硝化同时发生的主要原因；某些系统的反应器流态上的特征，有 利于同时硝化和反硝化。在一定厚度的生物膜上，硝化和反硝化可同时进行。 因为氧只能渗透到填料外层的某一深度，即外层为好氧层，发生硝化反应； 内层为缺氧层，脱氮菌利用硝化菌产生的硝酸盐进行脱氮线。 硝化活性和菌类的生长率受各种环境因素( p h 、碱度、溶解氧、氨的浓 度、温度、有机物浓度、起抑制作用的化合物) 的影响。m b b r 中硫化物 和有机物可减小系统的硝化能力1 6 】。当有机物浓度大于1 0 0 m g l ( c o d n h 4 n 3 5 ) ，系统的硝化容量下降；当硫化物的浓度为o 5 m g s l 时，由于存在可降解有机物自养菌和异养菌的竞争引起硝化活性的下降旧”。 反硝化速率主要取决于碳氮比。 1 ，3 2 污水生物膜法处理工艺及其进展 生物膜反应器可以划分为固定床和流动床两大类。常用的方法有：生物 滤池、生物转盘、生物流化床以及近年来应用的移动床生物膜法、复合生物 膜法等。 1 生物滤池 生物滤池是在间歇砂滤池和接触滤池的基础上发展起来的人工生物处理 法。废水通过布水器均匀地分布在滤池表面，滤池中装满了滤料，废水沿着 滤料的空隙从上向下流到集水沟、排水渠，流出池外。废水通过滤池时，滤 料截留了废水中的悬浮物，同时把废水中的胶体和溶解性物质吸附在自己的 表面，其中的有机物使微生物迅速繁殖起来，这些微生物又进一步吸附了水 中呈悬浮、胶体和溶解状态的物质，逐渐形成了生物膜。生物膜成熟后，栖 息在生物膜上的微生物摄取污水中的有机污染物作为营养，对废水中的有机 物进行吸附氧化，使废水得到净化。生物膜具有较大的表面积，能够大量吸 附废水中的有机物，而且具有很强的氧化能力。在有机物被分解的同时，微 生物的机体则在不断地增长和繁殖。生物膜上的微生物老化死亡后，生物膜 会从滤料表面脱落下来，然后随着废水流出池外。生物滤池的主要特点是构 造简单，操作简便，停留时间短，故能经受有毒废水的冲击；但不易控制出 水水质，受环境的影晌较大。 复合型生物膜反应= ；： 处理污水的研究 曝气生物滤池( b a f ，b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ) 也叫淹没式曝气生物滤池 r s b a f ，s u b m e r g e db i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ) 。国外从2 0 世纪初开始进行研 究，于8 0 年代末基本成型，后不断改进，并开发出多种形式。在开发过程中，充 分借鉴了污水处理接触氧化法和给水快滤池的设计思路，集曝气、高滤速、 截留悬浮物、定期反冲洗等特点子一体。其工艺原理为，在滤池中装填一定 量粒径较小的粒状滤料，滤料表面生长着生物膜，滤池内部曝气，污水流经时，利 用滤科上高浓度生物膜量的强氧化降解能力对污水进行快速净化，此为生物 氧化降解过程；f 司时，因污水流经时，滤料呈压实状态，利用滤料粒径较小的特点 及生物膜的生物絮凝作用，截留污水中的大量悬浮物，且保证脱落的生物膜不 会随水漂出，此为截留作用；运行一定时间后，因水头损失的增加，需对滤池进行 反冲洗，以释放截留的悬浮物并更新生物膜，此为反冲洗过程。一般说来，曝气 生物滤池具有以下特征：( 1 ) 用粒状填料作为生物载体，如陶粒、焦炭、石英砂、 活性炭等；( 2 ) 区别于一般生物滤池和生物塔，在去除b o d 、氢氮时需进行曝 气；( 3 ) 高水力负荷、高容积负荷及高的生物膜活性；( 4 ) 具有生物氧化降解和截 留s s 的双重功能，生物处理单元之后不需再设二次沉淀池；( 5 ) 需定期进行反 冲洗，清洗滤池中截留的s s ，同时更新生物膜。 李汝琪o 等使用粒状填料，利用曝气生物滤池处理生活污水，在0 5 3 m h 的水力负荷下r o d j ，m ns s 州一m 和1 、n 的甲土除亨分尉2 - ? ：j ，9 2 j m ， 9 6 7 ，9 i 8 ，8 5 i 。雷国元等以球形陶粒为曝气生物滤池的生物载体， 进行城市污水处理的半工业试验，考察了滤速、气水比、冲击负荷、反冲洗 等因素对曝气生物滤池工作性能的影响。结果表明：在装置规模为1 2 m 3 d ，水 温为( 2 0 2 3 5 ) ，滤速为( 6 0 9 8 2 1 ) m h ，碳化柱和硝化柱气水比分别为 l ：1 和2 ：l ，进水c o d 为( 1 2 0 3 3 8 ) m g l ，n 也+ n 为( 3 0 0 5 3 6 ) m g l 的条 件下，出水达到生活杂用水的标准：冲击负荷和反冲洗对滤池出水水质没有显 著的影响。b a f 是一种新型污水处理技术，在国外已有实际应用。运行经验 表明，采用该工艺可显著节约基建投资并减少占地面积，出水水质较好，运行费 用低，管理方便，特别是其模块化结构利于未来的扩建。该工艺可独立建立，也 可与其他污水处理工艺组合应用，是种可替代传统的污水处理工艺的污水 处理法。张智等”研采用复合变速生物滤池对城市污水厂二级出水进行了深度 处理的生产性试验。结果表明：复合变速生物滤池应当采用小断面进水、大 复合型生物膜反应器处理污水的研究 断面出水的运行方式，最佳运行条件为h r t ：2 8 h ，工作周期为2 4 h ，浊度去 除率为7 4 3 9 0 o ，c o d 。，去除率为2 0 0 4 2 0 ，b o o 。去除率平均值为 6 9 o 。 2 生物转盘 生物转盘是由一系列平行的旋转圆盘、转动横轴、动力及减速装置、 氧化槽等部分组成。在氧化槽中装满了待处理的废水，约一半的盘片浸没在 废水水面下。盘面上面生长着一层生物膜( 1 4 r a m ) ，当圆盘浸没于废水中 时，废水中的有机物被盘面上的生物膜吸附；当圆盘离开废水时，盘面形成 一一层薄薄的水膜。水膜从空气中吸氧，同时在生物酶的催化下，被吸附的有 机物在生物膜上被氧化分解。圆盘每转动一圈，即进行一次吸附一吸氧氧化 分解过程，转盘不断转动，如此反复循环，使污染物不断氧化分解。 生物转盘具有微生物浓度高、生物相分级、硝化和反硝化功能等特点， 其使用范围广，1 0 r a g l 以下的超低浓度污水和1 0 0 0 0 m 1 以上的高浓度废水 都口j 处埋，且污泥严量少，小斋曝气、回流，1 i 产生污泥膨胀和二次污染。 郭养浩】等采用固定化红螺旋菌生物转盘反应器处理味精工业废水，结果表 明，在好氧( 微氧) 条件下，c o d 去除能力比在厌氧条件下强，在无曝气 条件下，高浓度物料容易导致厌氧发酵。最佳转盘转数为8 0 r m i n ；在进料 浓度为1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 m gc o d l ，物料停留时间为4 0 - 5 0 h 条件f ，c o d 去除 率达9 2 以上；转盘转速增加，有利于提高生物膜和液相界面的传质速率， 增加生物反应器系统的处理能力。 3 生物接触氧化 生物接触氧化是在反应器内装有填料，充氧的废水与长满生物膜的填料 接触，在生物膜的作用下，废水得到净化。生物接触氧化在运行初期，少量 的细菌附着于填料表面，由于细菌的繁殖逐渐形成很薄的生物膜。在溶解氧 和食物都充足的条件下，微生物的繁殖十分迅速，生物膜逐渐增厚。当生物 膜达到一定厚度时，兼氧菌、厌氧菌在内层开始繁殖，形成厌氧层。经过一 段时间，内层生物膜大块脱落。在生物膜已脱落的填料表面上，新的生物膜 又重新生长起来。由于填料的表面积较大，所以生物膜发展的每一阶段都是 同时存在的，使去除有机物的能力稳定在一定的水平上。生物膜在反应池内 呈立体结构，有利于保持稳定的处理能力。生物接触氧化法的基本工艺可分 7 复台型生物腰反衄器处理污水的研咒 为一段法、二段法和多段法。一段法流程如图1 3 所示。远水进入生物接触 氧化池，而后进入二沉池进行泥水分离。处理的上清液或排放或作进一步处 理，污泥从二沉池定期排走。 原水圃巫圄耳至一处理水 ii t 污泥 图1 2 生物接触氧化基本流程图 f i g 1 2s c h e m e o f b i o c o n t a c to x i d a t i o n p r o c e s s 接触氧化法体积负荷高、处理时间短，节约占地面积，最高体积负荷可 达3 6 k g b o d ( m 3 d ) ) ；填料下的曝气管，不仅能提供充分的氧，还能对生物 膜起到搅动作用，加速生物膜的更新，使生物膜保持较高的活性；污泥产量 低，不需同流，h 水水质好，不存在污泥膨胀问题；但该法也存在不足：如 负荷过两时，生物膜较厚，易堵塞填料，所以必须要有负荷界限和防堵塞冲 洗措施；大量产生的后生动物膜瞬时脱落，会影响出水水质；组合状的接触 填料有时会影响曝气与搅拌。 肖羽堂等”在姚江水质为p h 6 8 7 4 、浊度9 2 0 n t u 、色度2 5 3 7 度、n h 4 + - n 1 0 9 0 m g l 、n 0 2 - n o 0 7 5 0 2 5 m g l 和c o d m 。8 1 8 9 m g l 的 条件下进行了生物接触氧化法预处理微污染原水的除污染作用机理研究， 生化池进水处填料层生物膜厚度为0 3 o 5 m m ，出水处填料层膜厚为0 1 0 3 m m ，当水中溶解氧控制在7 9 m g l 时，填料上生物膜全是好氧层，无厌 氧层存在。生物接触氧化法净水过程是一个高度综合、高度好氧的生物作用 过程，包括生物膜吸附，生物絮凝，有机物的生物降解及氨氮的显著硝化等 作用。生物膜上的细菌主要是高好氧贫营养性微生物。刘文君等m 1 对淮河( 蚌 埠段) 饮用水源进行了生物接触氧化预处理装置生产性试验。试验表明：在水 气比1 ：l 、滤速3 6 6 0 m h 时，生物预处理对水源水中有机物( o c ) 和氨氮的 去除效率分别为1 3 6 2 0 5 和7 0 9 0 影响生物预处理运行效果的主要 因素是溶解氧和温度。张东i ”迸行了受污染原水的弹性填料生物接触氧化处 理挂膜试验。研究了水温、曝气强度和气水比等因素对y d t 生物接触氧化 池挂膜的影响。结果表明：生物接触氧化池挂膜受水温影响很大，水温越高，挂 复台型生物膜反应器处理污水的研究 膜时间就越短，水温低于1 5 。c 自然挂膜难以成功。在挂膜期间，采用较小的曝 气强度和气水比可缩短生物膜的成熟时间。对判断生物膜是否成熟的指示性 参数一氨氮去除率和c o d 。去除率进行了比较，认为用氨氮去除率作为判断 生物膜成熟的指示性参数较适合。 4 生物流化床法 在生物流化床的反应器中装入粒径较小、密度大于水的载体颗粒，废水 以一定的流速自下而上的流动使载体层流化，废水中的有机污染物通过与载 体表面的生物膜接触而达到去除的目的。为了解决固定床生物膜法的易堵塞 的弊端，控制水体富营养化，e p a 对生物流化床工艺进行了较为详细的研究。 7 0 年代中期以后，生物流化床处理污水的技术得到推广。 在生物流化床中，生物膜生长在一般为砂的载体上，其粒径为0 2 一l m m ， 使生物膜的表面积达2 0 0 0 3 0 0 0 m 2 m 流化床体积，床内的生物量达1 0 1 4 9 l 。 比一般活性污泥法曝气池中的生物量高出5 7 倍，所以它具有以下优点：生 物深度浓度大，生物膜表面积大；生物与有机质的混合接触良好；不易受负 荷和温度突然变化的影响；床层的阻力降较小。因此流化床的b o d ；容积负 荷要比活性污泥法高出1 0 倍，装置却比其他生物处理法小得多。 流化床与活性污泥法去除b o d ；氮的生物处理工艺效能比较来看，两种 方法在流量和b o d ，及氮去除率相同的情况下，生物流化床中污水的停留时 间远少于活性污泥法，占地面积也小于活性污泥法。 流化床是既具有固定床生长法特点，又具有悬浮生长法特点的反应器。 因此，反应器内微生物浓度高，容积负荷高，占地面积小，投资少，具有较 强的抗冲击性。 a h i r a t a 等”5 1 用完全混合式三相流化床对含酚废水进行处理，该流化 床包括生物膜悬浮污泥。生物膜对酚类的去除呈零级反应，没有悬浮污泥时， 负荷高于8 0 m 2 ( k g - p h o h d ) ，比表面积较大的条件下，酚类的去除率几乎可 达到1 0 0 。郑礼胜等6 1 对内循环三相生物流化床处理生活污水进行了中试 研究，探讨了生物膜的形成和水力停留时间及供气量对处理效果的影响。结 果表明：在气水比4 ：1 、水力停留时间4 0 m i n 、进水c o d l 5 0 1 0 0 0 m g l 条 件下，平均c o d 去除率为8 9 、平均去除容积负荷为1 0 4 k g c o d m ，d ，氧 利用率为1 3 。 复合型生物膜反应器处理污水的研究 5 厌氧生物膜膨胀床 厌氧生物膜膨胀床是为优化污水处理甲烷发酵工艺于1 9 7 4 年研究和开 发出来的，与生物流化床相似，它也是在多为圆柱形结构的的床内填充细小 的砂、砾石、无烟煤和塑料等固体颗粒作为微生物附着的载体，但污水从床 底部流入时仅使填料层处于膨胀而非流化状态，即颗粒间仍保持互相接触。 厌氧生物膜膨胀床系统可以处理多种不同类型的污水，如生活污水、糖浆发 酵污水、牛粪便污水等。 6 复合生物膜反应器 将生物膜法与其它污水处理工艺结合起来就形成了复合生物膜反应器 ( h y b r i db i o l o g i c a lr e a c t o r 简称h b r ) 1 7 a 复合生物膜反应器模拟了大 自然生态系统中水体的自净功能。在自然系统中，水体中起自净作用的微生 物大致可分成两类：一是附着生长在各种物体表面的微生物；二是水中悬浮 微生物，如菌类絮状物、甲壳类动物以及各种鱼类。复合生物膜反应器中的 悬浮微生物和填料上的微生物分别类似于自然水体中的悬浮微生物和附着生 长的微生物。因此，反应器内部能够保持较高的微生物量，提高了系统的有 机负荷和效率。 活性污泥生物膜反应器是在活性污泥曝气池中加入填料作为微生物附 着生长的载体，通过增加反应器中的生物量来提高污水处理的效果。复合生 物膜反应器与传统活性污泥法比较，具有以下特点： ( 1 ) 增加了反应器中单位体积的生物量； ( 2 ) 减小曝气池的体积； ( 3 ) 改善了系统的稳定性和运行性能； ( 4 ) 提高了系统的有机负荷和效率。 复合生物膜反应器中填料具有以下特点： ( 1 ) 反应器中的填料的比表面积大，可达几百到上千m 2 ，m 3 ，微生物在 填料上能够大量附着、繁殖； ( 2 ) 填料对气泡有剪切、阻隔和吸附的作用，使气泡的停留时间和气、 液的接触面积增加，提高了传质效率，节约了能源； ( 3 ) 菌种在填料上的分布由表及里依次为好氧菌种、缺氧菌种、厌氧菌 种。菌种的多元化有利于提高污水的处理效果，缩短处理时间； 复合型生物膜反应器处理污水的研究 f 4 1 由于运行时填料相互碰撞，使载体表面生物膜较薄，生物活性相对较 高； f 5 1 填料的多孔性使其容易挂膜。 m c h a n d a n 等n 们将生物滤池与活性污泥工艺结合起来处理含三氯 乙烯的废水。三氯乙烯的浓度从1 m l 到l o o m l 逐渐提高，底物醋酸钠和 其它营养物的浓度也平行增加，生物膜生长5 5 - 6 0 天。c o d 和三氯乙烯作 为控制生物膜生长的基本参数。c o d 去除率为5 4 6 9 7 5 ，三氯乙烯的去 除率达到7 2 6 9 9 9 。c ：n ：p 为1 0 0 ：2 0 ：l 时，三氯乙烯的去除率最大， p h 为7 4 ：i ：0 2 时有利于三氯乙烯的降解，三氯乙烯的生物去除率达到8 1 5 。 g e b a r af 【”1 在实验室传统的活性污泥工艺的曝气池中垂直放入塑料网，提高 了合成污水的b o d 。去除率和污泥停留效率。该工艺被命名为活性污泥生物 膜废水处理系统。可以为现有污水处理厂活性污泥工艺升级，并可节约费用。 j i a n l o n gw 等”在活性污泥一生物膜反应器中加入聚氨酯泡沫填料，考察有机 负荷对系统的影响。实验发现，随着有机负荷的提高，附着生长的生物膜量 也在提高；填料上的生物量在系统的所有生物量中占多数，并认为附着生长 的微生物在c o d 的去除中起主要作用。 7 移动床生物膜反应器 移动床生物膜反应器最初是挪威k a l d n e sm i j e c p t e k n o g i 公司与s r n t e f 研究机构为解决污水厂传统活性污泥法污泥沉降困难、易流失的问题而联合 开发的一种生物膜反应器叫1 。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。后来一些学者对其进 行了研究和改进”2 。”，使其更多地应用到实际生产中。 ( 1 ) m b b r 原理及特点 移动床生物膜反应器的主要原理是污水连续经过装有移动填料的反应器 时，在填料上形成生物膜，生物膜大量繁殖，起到净化污水的作用。 与传统的活性污泥法相比，m b b r 既具有传统活性污泥法的运转灵活 性，又具有生物膜法的耐冲击负荷、剩余污泥少，泥龄长的特点，而且水 头损失小、不易堵塞、无需反冲洗、一般不需回流1 2 ”。 移动床生物膜反应器的填料一般比表面积较大、耐腐蚀和耐磨性较好且 质量轻。目前采用的填料多为橡胶颗粒、聚乙烯、聚丙烯塑料等。在好氧反 复台型生物膜反施器处理污水的研究 应器中，通过曝气推动填料随水流移动；在缺氧或厌氧反应器中通过机械 搅拌使填料移动。 ( 2 ) 研究及应用现状 目前，国内外已对移动床生物膜反应器进行了多项试验性研究，并用来 处理生活污水、造纸废水、肉加工废水、脱氮等，均取得了较好的效果。由 于m b b r 可减小现有污水处理系统的体积，且处理效果较好，到1 9 9 9 年，欧 洲已有m b b r 型污水处理厂7 8 个，美国有5 个，闩本有3 个，新西兰有2 个脚】。 a ，m b b r 处理高有机负荷污水 “ m b b r 增加能够反应器中单位体积的生物量，因而提高了系统的有机负 荷和效率。c h a n d l e rh 等采用塑料填料，应用两级生物反应器对造纸厂废 水回用处理进行中试，结果表明，h r t 为3 小时，可溶解性b o d 平均可减 少9 3 ，出水b o d 平均浓度达到7 8 3 m g l 。c h 等在两个工厂原有的活 性污泥处理系统前分别增加了m b b r 对废水进行预处理：p h i l l i p s 精炼厂在 m b b r 实际运行的三个月内平均表面积负荷2 7 9c o d m 誓d ，平均去除率稳 定在6 2 ，中试负荷为5 4 9 c o d m 2 d ，平均去除率也稳定在6 2 ；v a l l e y p r i d e p a c k 污水处理厂的二级污水处理系统中，表面积负荷为2 0 9c o d l i n 2 d ，第 一个反应器( m b b r ) 的可溶解性b o d 的去除率大于9 0 ，第二个反应器 的硝化去除氨氮达到o 3 8 9 m 2 d 。 m b b r 高负荷条件下性能稳定，可多级联用处理废水。如用于处理肉加 工废水【2 b 】：将三个m b b r 连接使用处理肉加工废水，第一个反应器的c 0 d 负荷高达1 0 k g m 3 ，h r t 约为4 小时，t c o d 去除率为5 0 _ - 7 5 ；第二个和 第三个反应器的总h r t 为4 1 3 小时，有机物去除率可分别达到t c o d 7 5 、 s c o d 7 0 - - 8 8 。有机物去除率与有机负荷成线性关系。污水预处理厂p 1 用 两级高效m b b r ，无固体分离和污泥处理装置，处理家禽加工废水，填料 比表面积2 5 0 m 2 m 3 ，有机负荷3 0 4 5 k gc o d m 3 d ，m b b r l c o d ，去除率为 8 0 ，m b b r1 和m b b r 2 合用c o d ，去赊率为9 0 9 5 。m b b r 也可用于处理 化工废水f 3 0 】。在负荷为5 3 9 b o d 。m 2 d 的条件下，易降解b o d 可去除6 0 8 0 ； 负荷为1 0 2 0 9b o d f l m 2 d 时，较慢降解的有机物也可以降解，有时b o d 。去 除率可达9 5 。m b b r 也可在厌氧条件下运行。季民i 等用厌氧移动床生 物膜反应器处理人工合成高浓度有机废水，进水浓度为5 3 0 0 - - - 2 0 1 4 1 m g l ， 复台型生物膜反应器处理污水的研究 容积负荷5 3 8 2 0 6 2 k g c o d m 3 d ，h r t 0 9 8 d ，经过5 0 d 的运行，c o d 去除率 达到9 0 以上。 b 脱氮 m b b r 能够提高脱氮效率。r u s t e nb 1 3 2 1 在f r e v a r 废水处理厂使用 k a l d n e s 型k 1 填料中试进行废水的脱氮处理。进水为预处理过的生活污水， 温度为4 8 2 0 ，结果表明，1 0 * c 时，硝化速率可达到1 9 0 9t n k m 2 d ，反 应器的p h 7 。前期脱氮效果主要受水中易降解有机物浓度和m b b r 缺氧 区进水中溶解氧的影响。设计指出m b b r 与前硝化、后脱氮、絮凝及最后 的固体分离系统结合使用，入水为2 5 m gt n l ，总氮的去除率7 0 ，空床h r t 可达到4 5 小时。p a s t o r e l l i ，g 【3 3 1 等采用聚乙烯填料研究( 1 ) 两级连续流动 好氧工艺有机碳去除和硝化状况；( 2 ) 用来脱氮的异养移动床序批式生物膜 反应器和用于硝化的连续流动的自养生物膜反应器的有机碳去除和硝化、脱 氮状况。在好氧条件下，c o d ，与负荷( 8 9c o d m 2 d 以下) 成正比；在氧和 氨的浓度一定的条件下，由于液膜扩散，硝化速率与消耗的氧量成一级反应； 无外加碳源，即使c o d ，负荷很低时，脱氮率也不低于o 3 9n o s - n m 2 d 。寒 冷地区采用m b b r 处理污水也能取得较好效果9 4 1 。r b c 污水处理厂采用 m b b r 进行脱氮处理，温度5 1 5 ，平均有机负荷7 9 9 c o d m 2 d ，氨氮负 荷o 9 9n h ：n m 2 d ，低于8 c 时，碳和氮的去除率可分别达到7 3 和7 2 。与 一些工艺结合使用还可同时脱氮除磷 5 , 3 5 1 。 生物法是一种经济而有效的废水处理方法，但是，如果污染物不能被 微生物降解，生物处理将是无效的。因此，主要污染物的生物降解性决定了 用生物法去除该物质的可能性和合理性。对污染物好氧生物降解性和厌氧生 物降解性的研究可为正确选择合理的生物处理方案提供理论依据。 1 4 生物降解性评价 生物降解是有机物通过生物代谢作用而被分解的现象。物质的生物降 解受多种因素影响，除了其自身结构的影响外，温度、p h 值、受试物浓度、 其他物质的作用以及生物源、生物量等生物条件都能影响物质的生物降解。 按降解程度不同，生物降解分为使物质丧失其特性的初级生物降解；使 堡垒型圭塑堕星生壁竺些堡查塑型塑 物质对环境的不良性质消失的环境可接受的生物降解；物质被降解成二氧化 碳、水、及无机赫，或分解成为参与微生物代i 9 过程的物质的极限生物降解 ( 3 6 ，3 7 ) 。 1 4 1 生物降解性测定方法 判断物质生物降解性的试验方法取决于生物降解所需达到的程度。目 前，对十有机化合物生物降解性的试验已建立r 较多方法，主要有：基质去 除率法、微生物指标法、综合评估法。 1 基质去除率法 用特性指标( 受试物的浓度) 和综合指标( c o d 、t o c 、d o c 、b o d ，c o d 、 b o d t o c 等) 来确定物质的生物降解性。测定受试物的浓度虽然比较直观， 但只能了解其表观降解程度，即初级生物降解性。b o