（环境科学专业论文）复合生物反应器处理生活污水试验研究.pdf

a b s t r a c t t h e r ew e r eq u i t eaf e wp r o b l e m si nt h et r a d i 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 e s ， s u c ha sd i f f i c u l ts l u d g es e t t l i n g e a s ye f f i u xa n de a s i l yi m p a c t i v es y s t e m t os o l v e t h e s ep r o b l e m s ，m u l r i p l eb i o l o g i c a lr e a c t o rw a sp r o p o s e dt ok e e pah i g hm i c r o b i a l b i o m a s si nt h es y s t e m t h ep v cs t u bt u b ef i l l e r sw e r eu s e da st h ec a r r i e r sf o rt h e g r o w t ho fm i c r o o r g a n i s m si nt h em u l t i p l eb i o l o g i c a lr e a c t o r t h ef o r m a t i o no fb i o f i l m a n dt h er e m o v a lr a t eo fo r g a n i cm a t t e r , n i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nt h er e a c t o rw e r e s t u d i e d t h e s t u d yw a sd i v i d e di n t os e v e r a lp a r t s ：t h ep i l o ts t u d y o ft h es t a r t u po f m u l r i p l e b i o l o g i c a lr e a c t o r ；t h ei n f l u e n c es t u d yo fh r t , o r g a n i cl o a da n dt h eg a sw a t e rr a t i oo n t h eo p e r a t i o ne f f e c to ft h em u l r i p l eb i o l o g i c a lr e a c t o r ；t h ep i l o ts t u d yo ft h en i t r o g e n ， p h o s p h o r u sa n ds u s p e n d e dm a t e r i a lr e m o v a l t h er e s u l t so fs t u d yw a sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ea c t i v a t e ds l u d g ew a su s e dt os t a r tu pt h em u l r i p l eb i o l o g i c a lr e a c t o r w h e nt h ew a t e rt e m p e r a t u r ew a sa b o u t2 6 c ，t h ec o dr e m o v a lr a t ew a sa b o v e9 5 a n dt h ea m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lr a t ew a sa b o v e9 0 a f t e rt w e l v ed a y s t h e nt h e f o r m a t i o no fb i o f i l mw a sf i n i s h e d t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h es t u bt u b ef i l l e r sw e r e t h eb e t t e rc a r r i e r sf o rt h eg r o w t ho f m i c r o o r g a n i s m sa n dw e r ei nf a v o ro ft h e ( 2 ) t h ei n f l u e n c es t u d yo fh r t o nt h eo p e r a t i o no fr e a c t o ri n d i c a t e d ：t h eo r g a n i c m a t t e ra n da m m o n i an i t r o g e nr e m o v a le f f e c tw e r eb e t t e rw h e nt h eh r tw a sa b o v e 10 h t h ec o dc o n c e n t r a t i o ni ne f f l u e n tw a sl e s st h a n8 0 m g la n dt h ea m m o n i a n i t r o g e nc o n c e n t r a t i o ni ne f f l u e n tw a s l e s st h a n6 m g lw h e nt h ec o dc o n c e n t r a t i o n i ni n f l u e n tw a sb e t w e e n4 8 0 m g l 6 0 0m g la n dt h ea m m o n i an i t r o g e n c o n c e n t r a t i o ni ni n f l u e n tw a sb e t w e e n18 m g l 3 2m g l ( 3 ) t h ei n f l u e n c es t u d yo fo r g a n i cl o a do nt h eo p e r a t i o no f r e a c t o ri n d i c a t e d ：t h e o r g a n i cm a t t e rr e m o v a lr a t ei nt h em u l r i p l eb i o l o g i c a lr e a c t o rw a si n c r e a s i n gf i r s t ， t h e nd e c l i n i n ga n df i n a l l yg r o w i n gu pb yi n c h e sw h e nt h eo r g a n i cl o a dw a sg r o w i n g f r o mo 15 7 5 k g c o d m 3 dt o1 3 7 5 k g c o d m 3 d t h eo r g a n i cm a t t e rr e m o v a lr a t ei n t h es i n g l ea c t i v a t e ds l u d g es y s t e mw a si n c r e a s i n gf i r s ta n dt h e nd e c l i n i n g ，w h i c h i n d i c a t e dt h a tt h em u l t i p l eb i o l o g i c a lr e a c t o rw a sa b l et oe n d u r eh i g hi m p u l s i v el o a d ( 4 ) t h ei n f l u e n c es t u d yo f t h eg a sw a t e rr a t i oo nt h eo p e r a t i o no fr e a c t o r i n d i c a t e d ：t h eo r g a n i cm a t t e rr e m o v a lr a t ew a si n c r e a s e dr e m a r k a b l yw i t ht h e i n c r e a s i n go ft h eg a sw a t e rr a t i ow h e nt h eg a sw a t e rr a t i ow a sl e s st h a n4 w i t ht h e i n c r e a s i n go ft h eg a sw a t e rr a t i o ，t h eo r g a n i cm a t t e rr e m o v a lr a t ew a si n c r e a s e ds l o w l y w h e nt h eg a sw a t e rr a t i ow a sm o r et h a n4 w h e nt h eg a sw a t e rr a t i ow a s12 ，t h e o r g a n i cm a t t e rr e m o v a lr a t ew a sh i 曲t o9 6 ( 5 ) t h ep i l o ts t u d yo ft h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lu n d e rd i f f e r e n t c a r b o nn i t r o g e nr a t i oi n d i c a t e d ：t h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lr a t ew e r eh i g h t o6 8 5 ，8 7 5 r e s p e c t i v e l yw h e nt h ec a r b o nn i t r o g e nr a t i ow a s1 2 ( c a r b o n p h o s p h o r u sr a t i ow a s12 0 ) i nt h em u l t i p l eb i o l o g i c a lr e a c t o r ( 6 ) t h es u s p e n d e dm a t e r i a lr e m o v a lr a t ew a sr e m a r k a b l ei nt h em u l t i p l e b i o l o g i c a lr e a c t o r t h es sc o n c e n t r a t i o ni nt h ee f f l u e n tw a sl e s st h a n4 5 m g lw h e n t h es sc o n c e n t r a t i o ni nt h ei n f l u e n tw a sb e t w e e n13 0 m g l - - 19 0 m g l k e yw o r d s ：m u l t i p l eb i o l o g i c a lr e a c t o r , s t u bt u b ef i l l e r s ，t h ef o r m a t i o no f b i o f i l m ，w a s t e w a t e rt r e a t m e n t 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。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过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：却鼍加歹年多月。e l 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 壹叠 2 , 9 0 6 年稠l oe l 第一章综述 第一章综述 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 废水生物处理是除物理化学法以外的另一大类水处理方法，它是利用微生物 的生命活动过程对废水中的污染物进行转化作用，从而使废水得到净化的处理方 法。污水生物处理法是借助于微生物的新陈代谢活动，使有机污染物转化成为稳 定的无害物质，其去除对象主要是呈溶解状态和胶体状态的易被生物降解的有机 污染物。该项技术迄今已有近1 0 0 年的历史，由于其具有有机物去除率高、运行 成本较低等优点，一直是城市污水和可生物降解的工业污水处理中最经济有效的 方法。目前废水生物处理的市场每年以1 2 1 5 的高增长率迅速发展，因而前 景是广阔的。 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。发挥二者的优势，将生物膜法与活性污泥处 理工艺结合起来形成了复合生物反应器( h ) b r i db i o l o g i c a lr e a c t o r 简称h b r ) n 3 。 复合生物膜反应器水体中既存在附着生长在各种物体表面的微生物，又存在 悬浮微生物。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，对于氮、磷去除效果显著，是一种经济、高效的污水处理技术，具有广泛的 应用前景。 1 1 2 研究的意义 由于废水中成分的复杂性，尤其是废水中氮、磷成分的增加，研究高效稳定 的生物处理技术具有广泛的应用前景。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。系统中既存在附着生长在各种物体表面的微生物又存在悬浮 生长微生物，提高了微生物的种类和数量，对原有污水处理厂工艺的改进及生物 处理技术的研究都有重要的指导意义。 河海人学硕二l ：学位论文 1 2 生物膜法概述 1 2 1 生物膜法处理原理 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，有很强的吸附性能。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面运送，其中有些被吸附 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 0 2 、h 2 s 、c h 4 、n i - 1 3 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l 一1 ) 。 第一章综述 表1 - 1 生物膜构成的微生物相 细菌真菌藻类原生动物后生动物 球衣菌瘤胞属小球藻属鞭毛虫轮虫类 假单胞菌属红色桨霉绿色藻属肉足虫线虫类 硫杆细菌白地霉席藻属纤毛虫类 寡毛类 亚硝化单胞菌属水镰刀霉颤藻属昆虫类 硝化杆菌属灿烂微重真菌毛枝藻属 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【2 】。通过研究认为【3 】，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【4 】。 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【5 1 。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0 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【5 一。反硝化速率主要取决于碳氮比。 1 2 2 生物膜法处理工艺 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、排水渠后流出池外。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 河海大学硕士学位论文 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。 李汝琪h 1 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，b o d 5 ，c o d ，s s ，n h 4 + - n 和t n 的下均上除亨分别是9 5 3 ，9 2 6 ， 9 6 7 ，9 1 8 ，8 5 1 。 雷国元确1 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 - - 一，2 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 ：l 和2 ：1 ，进水c o d 为1 2 0 3 3 8 m g l ， n h 4 + - 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。 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 一 4 m 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一氧化分解过程，转盘不断转动，如此反 复循环，使污染物不断氧化分解。 郭养浩阳1 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 一- 5 0 0 0 m g c o d l ，物料停留时间为4 0 - - 一5 0 h 条件下，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 第一章综述 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。在生物膜己脱落的填料表面上，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为一段法、二段法和多段法。一段法流 程如图1 1 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 图1 1 生物接触氧化基本流程图 处理水 污泥 张东n 们进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，挂膜时间就越短，水温低于 1 5 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 m n 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 河海大学硕：b 学位论文 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 - - 一3 0 0 0 m 2 m 3 ，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 5 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。 a h i r a t a 等【1 1 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1 0 0 。 郑礼胜等n 2 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问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 3 , d ，氧利用率为1 3 。 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 微孔膜生物反应器 微孔膜生物反应器是最近几年引起研究者们关注的一种革新的生物膜反应 器，它采用特制的微孔膜使待处理污染物质与微生物分开的方式、通过逆向扩散 进行传质并通过微生物氧化作用去除污水中的有机污染物。 f r e i t a sd o ss a n t o s 等人【1 3 】曾研究两种微孔膜的生物膜反应器系统，发现生物 膜过厚是运行中的主要问题，并提出了相应的控制措施。p a v a s a n t 等人曾推导出 数学模式用来预测污染物的轴向浓度分布并用试验数据进行了验证，同时发现该 种反应器的限速步骤主要是污染物在生物膜内的传质阻力。 7 移动床生物膜反应器 第一章综述 移动床生物膜反应器最初是挪威k a i 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 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【1 4 l 。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 【i5 1 ，使其更多地应用到实际生产中。在移动床生物膜反应器中，装填有短管状聚 乙烯塑料填料，这些填料随反应器内混合液的回旋翻转作用而自由移动，在好氧 反应器中这种回旋力是由曝气提升力而提供的，而在缺氧反应器中则来自于机械 搅拌桨。当采用连续流操作方式时，该反应器可成功地用于经初沉后污水的硝化； 而当采用间歇流操作方式时，则又可成功地用于反硝化( f i t c he ta 1 ) 1 6 】。 8 复合式生物膜反应器 复合式生物膜反应器是近年来发展较快、引起研究者极大兴趣的复合处理工 艺，这些反应器将各单一操作的优点复合在一起，使反应器的净化功能极大提高。 1 3 复合生物反应器概述 1 3 1 复合生物反应器的概念 复合生物反应器( h y b r i db i o l o g i c a lr e a c t o r ) ( h b r ) 是将传统的活性污泥 法与生物膜法( 接触氧化法) 进行有机结合的一种新型高效的污水处理工艺。复 合式生物反应器是近年来颇受关注的新型污水处理工艺，其特点是在活性污泥曝 气池中投加填料作为微生物附着生长的载体，进而形成悬浮生长的活性污泥和附 着生长的生物膜，共同承担去除污水中有机污染物的任务【1 7 - 1 9 1 。 1 3 2 复合生物反应器的特点及分类 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。 复合生物反应系统的主要构型有：活性污泥一生物膜反应器、序批式生物膜 反应器、升流式厌氧污泥床一厌氧生物滤池和附着生长污水稳定塘等【2 0 1 。 河海大学硕 ：学位论文 ( 1 ) 活性污泥生物膜反应器 所谓的复合式活性污泥生物膜反应器是在活性污泥曝气池中投加载体作为 微生物附着生长的载体，悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜共同承担着去 除污水中有机污染物的任务。在该反应器中活性污泥对有机物的分解氧化工程简 单描述如下： c ，0 ，h ，n ，s + 0 2 + n + 尸丝_ h 2 0 + c 0 2 + n h 3 + g h 7 n 0 2 + 能量 ( b o d ，c o d ，t o c ) ( 电子受体) ( 营养物) ( 代谢产物)( 新增细胞) 由活性污泥对有机物降解过程可知：流入曝气池污水中的有机污染物在曝气 池中的氧化分解速率主要取决于溶解氧的水平、营养物质是否充分和活性污泥微 生物浓度。对于提高溶解氧水平来讲，可以通过采用微孔曝气、压力射流曝气或 补加纯氧曝气来实现( g a u d y & g a u d y1 9 8 0 ) 2 1 1 ；若n 和p 等营养物质不足， 可按b o d 5 ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：1 的比例投加一定量的n i - h c l 或h 3 a 0 4 等来满足微生物的 生长需要。很显然，在满足前两个条件下，微生物的浓度越高，有机物质的氧化 速率越大。 在增加微生物浓度方面已有研究者在该领域取得积极的研究效果。在7 0 年 代以后，先后有研究者采用粉末活性碳( p a c ) 改进活性污泥法的污水处理厂性 能( s u b l e t t ec ta 1 ，1 9 8 2 ；m e t e a l f & e d d y , 1 9 9 1 ；d a l m a c i j ac ta 1 ，1 9 9 6 ) 2 2 , 2 3 ，2 4 ，具有 加快有机物代谢、抗冲击与毒物负荷、改善污泥沉降性能和减少在曝气池表面形 成泡沫等优点。 在增加曝气池中微生物量方面，赵庆良【2 5 】亦曾选用废弃的轮胎颗粒( 平均 粒径2 2 5 m m ，比重1 1 2 ) 作为生物膜附着生长的载体，该生物膜载体具有机械 强度高、耐磨损、材料易于获得、价格低廉以及废弃物再利用等优点。研究中曾 设计并选用三套不同类型、大小及形状的复合式活性污泥生物膜反应器作为研 究对象，分别在试验室及现场进行试验，用于处理人工配制污水、城市污水和啤 酒加工污水，并对附着生长的生物膜量、厚度及活性进行研究，同时也分别考察 了三套反应器的去除有机物c o d 的性能。试验结果表明：复合式活性污泥生物 膜反应器引入轮胎颗粒作为生物膜附着生长载体，有机物c o d 的去除率可提高 5 0 - 8 0 左右。 以上研究均表明复合式活性污泥一生物膜反应器是一种行之有效的提高有机 第一章综述 物去除能力的方法，此工艺可用于改建、扩建已有的污水处理厂站，亦可用于指 导新建污水处理厂。 ( 2 ) 序批式生物膜反应器 序批式生物膜反应器是在序批式活性污泥反应器中引入生物膜的一种新型 复合式生物膜反应器，近年来亦引起研究者们的兴趣。 序批式活性污泥法也称作间歇式活性污泥法，与传统的活性连续流活性污泥 法的主要不同在于曝气、沉淀与澄清均是在同一反应器内依序进行的，而前者的 曝气、沉淀与澄清则是分别在曝气池和沉淀池内同时进行的。该工艺出现在活性 污泥法开创的初期，后来因操作烦琐、曝气装置易于赌塞等原因，对活性污泥法 长期采用了连续运行的方式。近2 0 , - - - 3 0 年来，随着自动化程度的不断提高，加 之连续式活性污泥法的日趋复杂化，有研究者对序批式活性污泥法重新进行再认 识，认为该工艺具有投资少和操作简单等优点。 在f a n g 等人 2 6 】进行的序批式生物膜反应器处理由奶粉等合成的污水的小 试研究中，发现采用软纤维填料作为生物膜附着生长载体可以更有效地去除 c o d 和n h 4 + - n ，与传统的序批式活性污泥法相比，序批式生物膜反应器因省却 沉淀工序而使整个周期缩短，即使悬浮液连续曝气，软纤维填料上的生物膜内部 也能进行有效的反硝化作用。 在k o l b 等人【2 7 】进行的序批式生物膜反应器处理含不易降解的工业废水的 研究中，采用活性碳做填料和微孔膜的序批式生物膜反应器处理苯- - 氯酚和三 氯乙烷酚的人工配水，可充分利用活性碳的吸附性并减少其再生，减少混合液 中有机污染物对细菌的毒性。研究结果表明，活性碳的使用寿命比单纯作为吸附 剂时可延长至少5 倍，在2 4 h 的运行周期内，9 5 的苯- - 氯酚可以被生物降解， 在每一个周期内所加入的三氯乙烷亦有5 可以降解，再有，活性碳先吸附后再 进行生物降解比两个过程同时进行对有机污染物的去除速率要快。 ( 3 ) 升流式厌氧污泥床一厌氧生物滤池 升流式厌氧污泥床厌氧生物滤池是一种新型的复合式厌氧反应器。反应器 底部是设有或没有三相分离器的升流式厌氧污泥床，其内颗粒污泥生物量浓度平 均高达2 0 - 3 0 9 l ，而上部则是厌氧生物滤池，用以进一步去除有机污染物，并 可防止处理水中狭带大量悬浮物。该反应器是在同一反应器内将位于下部的升流 河海火学硕士学位论文 式厌氧污泥床与上部的厌氧生物滤池有机的结合在一起，充分发挥污泥床内颗粒 污泥大与去除有机物效率高、滤池能有效截留生物污泥与悬浮固体的功能。国内 有研究表明( 孙慧修等，1 9 9 2 ；祁佩时等，1 9 9 2 ) 2 8 , 7 - 9 1 ，瓷环或纤维填料均可用 做厌氧生物滤池的填料，该复合式厌氧反应器可有效地用来处理啤酒和乳品等高 浓度的有机污水。 ( 4 ) 附着生长污水稳定塘 稳定塘是一种比较古老的污水处理技术，从上一世纪末即已开始使用，自 5 0 年代后得到较快的发展。附着生长污水稳定塘就是在稳定塘内填置人工制造 的附着生长载体，使之成为细菌及藻类等微生物栖息场所，从而增加稳定塘内微 生物的总量。此项处理技术缩短了污水在塘内的水力停留时间，而且提高了稳定 塘的净化功能。填料上及其周围可形成大量小的稳定的生态系统。生物相及其丰 富，从细菌和藻类到原生动物和后生动物无所不有，稳定塘内的生物量也大大增 加，而且改善了微生物在塘内的空间分布。 1 3 3 复合生物反应器的发展 关于复合生物反应器的发展及分类，最早的复合生物反应器可追溯到1 9 2 9 年，b u s w e l l 等人发明的接触氧化法。他们将由薄木片编织成的木垫垂直地悬浮 在曝气池中，此即为复合生物反应器的雏形 3 0 oh a y s 发明了将石棉布垂直地悬 浮在曝气池的工艺。这种工艺在当时小规模的处理厂中得到了广泛的应用。但由 于易堵塞、费用高、卫生条件差，接触氧化法基本上停滞了近4 0 年。 2 0 世纪6 0 年代，复合生物反应器污水处理工艺颇受欢迎。由于当时生物膜 法普遍采用的生物载体( 填料、滤料) 是石质材料，比表面积小，密度大，无法 实现较高的有机负荷，因此联合工艺在初始费用上要高于活性污泥法而被其所取 代。近年来，新型塑料材料层出不穷，高负荷填料代替了传统的石质滤料作为通 用的生物载体。有资料表明，新型填料的有机负荷率可比石质滤料高1 0 1 5 倍 3 - 3 2 o 直到2 0 世纪6 0 年代末期，材料科学的快速发展才促成了载体投加法的发展。 1 9 6 7 年，k a t o 等人首先报道了将立式塑料网格安装在曝气池中的“固定活性污 泥法工艺 ，其主要优点是能防止污泥膨胀，减少对污泥回流的要求。 近十几年来，人们开发和应用了各种浸没式活性污泥系统中的“组合塑料填 第一章综述 充物质( m o d u l a rp l a s t i cp a c k i n gm a t e r i a l ) ”。在日本和德国，由聚氯乙烯纤维和 组合塑料制成的塑料网和“成串环状填料( r i n gl a c e ) 已经在实际工程中得到了 应用。此外，在曝气池中投加多孔悬浮载体的工艺，如l i n p o r 工艺、c a p t o r 工 艺等近年来也得到了重视。在反应器中投加微小载体( 粒径小于1 0 0 t m ) 的工艺 也受到关注，这些小微体包括粉末活性炭、粘土、焦炭、木屑等咖1 。 1 3 4 复合生物反应器影响因素分析 影响复合生物反应器最主要的因素有反应器的进水底物浓度、营养物质、水 力停留时间、，生物膜周围的水力剪切力、溶解氧水平、温度、p h 、营养物质以 及水中含有其它抑制性物质等因素。 ( 1 ) 进水底物浓度 在复合生物反应器处理污水过程中，由于污水中有机组分是生物膜与活性污 泥中微生物食物和能量的主要来源，因而污水流量及其中的有机物含量就是影响 反应器性能的重要因素之一。污水中有机物浓度在长时间或短时间内的改变均可 导致微生物生长形式的改变，结果必然会影响到处理水的水质和反应器的处理效 率以及剩余污泥的产生量。 ( 2 ) 营养物质 生物膜上的微生物与悬浮生长活性污泥中的微生物，在其新陈代谢过程中需 不断地从外界环境中汲取营养物质并获得能量以合成新的细胞物质。因此，生物 膜微生物所赖以生长环境中所含营养物质的多寡及其相互之间的比例就决定了 微生物细胞的合成、生长及繁殖，也就影响到生物膜反应器的处理效能。 在细菌细胞内，含水量很高，约占8 0 ，以维持其正常新陈代谢活动，细菌 细胞中各组分及重量百分数如下： 从图1 2 所示的细菌细胞组成的元素可以看出，细菌对营养物质的要求主要 是碳源( 在量上以b o d 5 表示) 和氮源，还有作为无机营养物质的磷源。在污水 的好氧处理工艺中，各主要营养物质的比例一般取b o d 5 ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：1 ，而厌氧 生物处理工艺中其比例一般取b o d 5 ：n ：p = 2 0 0 - - - , 3 0 0 ：5 ：l 。 河海人学硕：i j 学位论文 碳( 5 3 1 ) 氧( 2 8 3 ) 氮( 1 2 4 ) 氢( 6 2 ) 磷( 5 0 ) 硫( 1 5 ) 钠( 1 i ) 钙( 9 ) 镁( 8 ) 铁( 1 ) 图1 2 细菌细胞组分及其重量百分数( 秦麟源，1 9 8 9 ) ( 3 ) 溶解氧、氨氮浓度的影响 好氧微生物的活性受溶解氧浓度的影响，溶解氧少，微生物新陈代谢能力降 低，不利于污水处理。氨氮的硝化、有机物的降解及磷的去除都需要有足够的溶 解氧。硝化能力与溶解氧、氨氮的浓度有关。如果溶解氧不足，轻则好氧微生物 的活性受到影响，新陈代谢能力降低，重则微生物的生长规律遭到影响甚至破坏。 l j h e m 【3 3 】认为当溶解氧与氨的浓度比小于2 时，硝化速率取决于水体中的溶解 氧；当溶解氧与氨的浓度比大于5 时，氨的浓度限制硝化速率。氨浓度为2 3 m g l 时，硝化速率多为溶解氧控制，硝化速率与溶解氧浓度近似为一级反应关系。 对于生物反硝化来说，起净化作用的主要是专性厌氧微生物，适宜生长在氧 化还原电位较低的环境中，所以需要保持缺氧环境。如果反应器引入了分子态的 氧或溶解氧，则由于大多数厌氧微生物可能产生h 2 0 2 或氧的游离基形式0 2 。而使 自身杀死，或者由于氧改变了微生物生活的较低的氧化还原电位条件而使其自身 失去活性。 从生物除磷机理可知，d o 浓度可能会影响好氧阶段的磷吸收速率，但是， 只要有足够的好氧时间就不会影响磷的去除量。在好氧条件下，聚磷菌通过分解 氧化储存的或外源的含碳物质产生能量，用于吸收溶解磷，并在细胞内的合成聚 磷。 ( 4 ) 水力剪切力 在复合生物膜反应器中，生物膜一经形成，就发挥着去除污水中有机污染物 的作用，然而生物膜量并不是一成不变的，这主要表现在生物膜脱落而造成生物 膜量的减少。除了生物膜上微生物进行内源呼吸而使生物膜量减少外，生物膜脱 一 8厂觚水 第一章综述 落的原因主要有：生物膜内部厌氧层发生厌氧分解产生c 0 2 、h 2 s 、c i - h 和n i l 3 等气体溢出时，减弱生物膜在载体表面的附着力；生物膜上线虫类等原生动物蠕 动会使生物膜松动；再者就是作用于生物膜上的水力剪切力对生物膜的冲刷作用 亦使生物膜脱落等。尽管造成生物膜脱落的这些因素能在一定程度上起着更新生 物膜的作用，但其对生物膜量的损失作用不容低估，特别是作用于生物膜上的水 力剪切力直接决定了生物膜厚度与生物膜量，从而也就影响了生物膜反应器的运 行效果。 由于曝气量增大会导致系统内水力剪切力的增强，将加速填料表面生物膜的 脱落，一方面造成生物量的损失，影响出水水质；另一方面提高了填料表面的生 物活性，有利于污水处理。 ( 5 ) p h 值 p h 值在大幅度内变化会影响反应器的效率，甚至对微生物造成毒害性而使 反应器失效，这主要归因于p h 值的改变可能引起细胞膜电荷的变化，进而影响 微生物对营养物质的吸收和微生物代谢过程中酶的活性。 一般来讲，每种微生物的生长与繁殖都通常有一个最适p h 值范围，一般细 菌、放线菌、藻类和原生动物的p h 值适应范围是在4 1 0 之间，但在p h 值在 6 5 8 5 的中性和碱性环境中则生长与繁殖最好，p n 值低于4 5 时真菌完全占优 势。在厌氧环境中产酸菌及产氢产乙酸菌对p h 值的适应范围为5 0 6 5 ，而产 甲烷菌对p h 值适应范围则在6 6 7 5 之间。 已经有试验证实在反硝化生物膜内p h 会增加酬。从生物膜的表层到生物膜 的底部p h 增加l 2 个单位是很正常的。同样道理，在消耗碱度的生物膜中， 也会观测到p h 值的降低，比如，硝化生物膜滔1 。碱度的存在是氨氮硝化的首要 条件。硝化程度是影响反硝化效果的主要因素之一。充足的碱度可使氨氮彻底硝 化。当碱度耗尽时，氨氮向亚硝酸盐的转化停止，但是亚硝酸盐向硝酸盐的转化 继续进行，直至亚硝酸盐被全部转化。在反硝化生物膜中，如果p h 值增加，就 会导致生物膜内磷酸钙发生沉淀，这是由于p h 的增加而使可溶性磷的溶解度降 低。 因此，当处理污水的p h 值过高或过低时，要根据反应器形式适当的投加酸 或碱调整p h 值到一个合适的范围。 河海大学硕士学位论文 ( 6 ) 温度 温度对复合生物膜反应器的影响是多方面的，温度改变，参与净化的微生物