（环境科学专业论文）好氧颗粒污泥膜生物反应器处理畜禽废水的研究.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t t h e w a s t e w a t e r fr o m t h e l i v e s t o c k f a r m i s o n e o f i m p o r t ant p o l l u t i o n s o u r c e s , w h i c h c a u s i n g n o n - p o i n t p o l l u t i o n i n c h i n e s e c o u n t ry . l i v e s t o c k w a s t e w a t e r c o n t a i n s h i g h c o n c e n t r a t i o n s o f i n o r g a n i c and o r g ani c n i t r o g e n ( n ) c o m p o u n d s , o t h e r n u t r i e n t s , and p a t h o g e n i c o r i n d i c a t o r b a c t e r i a . wh e n l a r g e v o l u m e s o f w a s t e w a t e r a r e a p p l i e d t o t h e s u r f a c e s o i l , b a c t e r i a p a s s t h r o u g h t h e v a d o s e z o n e and a c t a s a p o t e n t i a l r e s e r v o i r f o r c o n t a m in a t i o n o f g r o u n d w a t e r . h e a v y r a i n f a l l f a c i l i t a t e s t h e t r an s p o rt o f p a t h o g e n i c b a c t e r i a , and s u c h p a t h o g e n s i n t r o d u c e d i n t o g r o u n d w a t e r c a n s u r v i v e i n a c u l t u r a b l e s t a t e o r a v i a b l e b u t n o n c u l t u r a b l e s t a t e . a s a r e s u l t , e n v i r o n me n t a l p o l l u t i o n an d h u m an h e a l t h p r o b l e m s m a y a r i s e a f t e r d r i n k i n g o r c o m i n g in t o c o n t a c t w i t h c o n t a m i n a t e d g r o u n d w a t e r c o n t a i n i n g p a t h o g e n i c b a c t e r i a . a i m e d a t t h i s c a s e , a m e m b r ane b i o r e a c to r s e e d e d w i t h a e r o b i c g r anu l a r s l u d g e w a s i n v e s t i g a t e d f o r s i m u l t ane o u s r e m o v a l o f o r g a n i c s u b s t a n c e s and n i t r o g e n fr o m l i v e s t o c k f a r m wa s t e wa t e r s . a e r o b i c g r anu l a r s l u d g e w a s c u l t u r e d s u c c e s s i v e l y and s t a b l y e x i s t e d i n t h e m e m b r an e b i o r e a c to r s , i n o c u l a t e d b y fl o c c u l a r a c t i v a t e d s l u d g e a n d f e d w i t h g l u c o s e a s o r g a n i c s u b s t r a t e b y me a n s o f s p e c i al a l t e rna t i n g ana e r o b i c - a e r o b i c o p e r a t i o n m o d e i n s e q u e n c i n g b a t c h r e a c t o r . mi c r o s c o p i c o b s e r v a t i o n o f t h e g r a n u l a r s h o w e d t h a t t h e m o r p h o l o g y o f g r a n u l e s w a s n e a r l y s p h e r i c a l o r e l l i p t i c a l w i t h d e n s e s t r u c t u r e and c l e a r o u t l i n e . t h e a v e r a g e d i a m e t e r s o f g r anu l a r s l u d g e w e re 1000/cm. i t s m i x e d l i q u i d s u s p e n d e d s o l i d s ( m i s s ) b e i n g 6 5 0 0 m g / l and s l u d g e v o l u m e i n d e x ( s v i ) b e i n g 4 o m ug . a n a e r o b i c g r anu l a r s l u d g e m e m b r ane b i o r e a c t o r and a g e n e r a l a c t i v a t e d s l u d g e m e m b r ane b i o r e a c t o r w e r e c o m p a r e d i n p a r a l l e l o n t r e a t i n g s y n t h e t i c l i v e s t o c k f a r m w a s t e w a te r u n d e r s i m i l a r o p e r a t i o n al c o n d i t i o n s . a e r o b i c g r anu l a r s l u d g e m e m b r a n e b i o r e a c t o r d e m o n s t r a t e d a m o r e s t a b l e a n d e x c e l l e n t e f f l u e n t q u a l i t y t h a n t h a t o f g e n e r al a c t i v a t e d s l u d g e m e m b r ane b i o r e a c t o r . i t s c o d and n h 4 - n r e m o v al e f f i c i e n c y a c h i e v e d 9 2 % an d 8 5 .2 % r e s p e c t i v e l y . i t s e f fl u e n t c o d a n d n h + 4 - n ab s tra c t c o n c e n t r a t i o n w e r e 4 6 .2 m g / l a n d 4 .8 m g / l o n a v e r a g e , m u c h l o w e r t h a n t h a t o f g e n e r a l a c t i v a t e d s l u d g e m e m b r a n e b i o r e a c t o r ( 8 6 . 8 m g / l a n d 1 4 .9 m g / l ) u n d e r t h e s a me c o n d i t i o n s . i n a d d i t i o n , t h e m e m b r a n e fl u x o f t w o d i f f e r e n t m e m b r a n e b i o r e a c t o r s w a s c o m p a r e d . t h e fl u x r e d u c t i o n o f a e r o b i c g r a n u l a r s l u d g e m e m b r a n e b i o r e a c t o r w a s m u c h lo w e r t h a n t h a t o f g e n e r a l a c t i v a t e d s l u d g e m e m b r a n e b i o r e a c t o r . t h e i n t r o d u c t i o n o f a e r o b i c g r a n u l e s i n t o t h e m e m b r a n e b i o r e a c t o r s y s t e m w as b e n e f i c i a l t o c o n t r o l l i n g m e m b r a n e f o u l i n g . e x p e r i m e n t a l r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e m e m b r a n e b i o r e a c t o r h a d s u p e r i o r p e r f o r m a n c e o n t r e a t i n g a c t u a l l i v e s t o c k f a r m wa s t e wa t e r . a t t h e s a me t i m e , t h e e f f e c t f a c t o r s o f s i m u l t a n e o u s n i t r i f i c a t i o n a n d d e n i t r i f i c a t i o n v i a a e r o b i c g r a n u l a r s l u d g e mb r w e r e a l s o s t u d i e d i n o r d e r t o i n v e s t i g a t e s o m e k e y c o n t r o l p a r a m e t e r s . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w e d t h e r e m o v a l o f o r g a n i c s u b s t a n c e s a n d n i t r o g e n c o m p o u n d s w a s a c c o m p l i s h e d e f f i c i e n t l y u n d e r t h e , c o n d i t i o n s o f d i s s o lv e d o x y g e n c o n c e n t r a t io n w as 2 - 3 m g / l , p h w a s 8 - 8 .5 a n d t e m p e r a t u r e w a s 3 0 c . i n a d d i t i o n , m e m b r a n e f o u l i n g a n d m e m b r a n e c l e a n i n g i n t h e a e r o b i c g r a n u l a r s l u d g e m e m b r a n e r e a c t o r w e r e s t u d i e d . d u r i n g t h e p e r i o d o f o p e r a t i o n , t h e i n t r o d u c t i o n o f a e r o b ic g r a n u l e s i n t o t h e mb r s y s t e m b e n e f i t e d f o r c o n t r o l l i n g m e m b r a n e p o r e b l o c k i n g a n d c a k e f o r m a t i o n o n t h e m e m b r a n e . wa t e r c l e a n i n g , c h e m i c a l c l e a n i n g a n d u l t r a s o u n d c l e a n i n g t e c h n i q u e w e r e a p p l i e d t o r e m o v e f o u l i n g m i c r o f i l t r a t i o n m e m b r a n e s .t h e p a p e r d e s c r i b e d a n e x p e r i m e n t a l s t u d y o f u l t r a s o u n d s a f e t y w i t h e s t ima t i n g t h e e f f e c t o f u l t r as o u n d i n t e n s i t y , u l t r a s o u n d t im e , u l t r a s o u n d t e mp e r a t u r e a n d u l t r a s o u n d c e l l m a t e r i a l . r e s u l t s s h o w t h a t ass i s t e d - u l t r a s o u n d c l e a n i n g i s a n e f f e c t i v e m e t h o d f o r t h e r e c o v e ry o f p e r me a t e s fl u x . k e y w o r d s : l i v e s t o c k f a r m w a s t e w a t e r ; a e r o b ic g r a n u l a r s l u d g e ; m e m b r a n e b i o r e a c t o r ; m e m b r a n e f o u l i n g a n d c l e a n i n g 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电 子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以 及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版; 在不以 赢利为目 的的前 提下，学校可以 适当复制论文的部分或全部内 容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 砾 蕊 日 年 万 月引日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内 部 5 年 ( 最 一长 5 年 ， 可 少 于5 年) 秘密t o 年 ( 最x1 0 年， 可少于1 0 年) 机 密 * 2 。 年( 最 长 2 0 年 可 少 于2 0 年 ) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 听取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 庄何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 应论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : * al 01 年 5月a )日 第一章绪论 第一章绪论 第一节畜禽废水的污染现状及处理工艺 1 . 1 . 1 畜禽废水的污染现状 近年来，畜禽养殖业 ( 畜牧业)在我国发展迅速:自1 9 8 0 年起，二十多年 来畜禽养殖业在我国 农业产值中所占比例从 1 8 %增加到3 5 %。目 前， 我国已成 为世界最大的肉、蛋生产国，禽肉、猪肉、鸡蛋产量均居世界第一。畜禽业的 发展呈现出以下 4个特点。 ( 1 )集约化养殖场大量兴起。截至 2 0 0 3年，全国 已有集约化畜禽养殖场近 5 万个，占有了全国养猪总量的约 2 0 %、奶牛存栏总 量的4 5 %和养鸡总量的7 5 %，全行业产值约4 0 % 为集约化养殖场创造。 ( 2 )集 约化养殖场在空间分布上日益向发达地区集中，向城郊和居民聚居点集中。出 于降低养殖、运输和销售成本及便于加工的需要，集约化养殖场大多建在人口 稠密、交通方便、 水源充沛的地方，8 %一1 0 %的规模化养殖场距当地居民水源 地的距离不超过5 0 m , 3 0 %-4 0 %的规模化养殖场距离居民或水源地最近距离不 超过 1 5 0 0 。对环境影响比较大的大中型集约化畜禽养殖场，超过8 0 %集中在人 口比较集中、水系较发达的东部沿海地区和诸多大城市周围，西部地区的大中 型养殖场仅占总量的 1 %左右。 ( 3 )新建的大多是规模小、条件差、自 有资金 匾乏的养殖场.相当数量的新建集约化养殖场是通过公司加农户形式集中发展 起来的或者来自 养殖专业户扩大规模，因此许多养殖场的配套设施不完善。目 前，小规模集约化畜禽养殖场占我国集约化养殖场总数的 8 0 %以上，养殖场平 均规模仅为 猪场6 5 0 头， 鸡场2 . 2 万只【 1) ， 存栏量在2 0 0 头以 上的大型奶牛场仅 占奶牛场总数的 5 %a ( 4 )种、养分离趋势明显.在畜禽养殖业集约化、专业 化水平不断提高的同时，果菜等种植行业的产业化水平也在迅速提高，养则不 种植、 种则不养殖成为普遍趋势， 超过8 0 % 的集约化养殖场没有足够数量的配套 耕地消纳其产生的畜禽粪便。以上特点使集约化畜禽养殖场的污染危害凸显。 集约化养殖场排放的污染物有以下两个特点: ( 1 )量大，据农业部的统计 表明，根据全国现有的大中型畜禽规模化养殖场的年出栏量计算，其全年粪便 及粪水总量超过1 0 亿吨，再加上集约化生产的冲洗水，实际的排污量已远远超 第一章绪论 过这个数字; ( 2 )质差，根据农业部环境监测总站的统计结果，集约化养殖场 排放污水c o d平 均超标5 3 倍，s s( 悬浮物)超标1 4 倍， 氨氮、总磷等指标超 标2 0 倍以上。除了对水体造成有机污染外，其中所含的大量氮、磷是造成河、 湖、水库富营养化污染的元凶，含有的病源微生物、寄生虫 ( 卵) 及孽生的蚊 蝇还存在严重的环境卫生隐患。然而，集约化畜禽养殖场的污染问题未引起足 够重视，污染物排放在相当程度上处于放任自 流的状态。 据国家环保总局 2 0 0 2 年对全国2 3 个省、自 治区、直辖市进行的规模化畜禽养殖业污染情况调查，目 前， 全国9 0 %以 上的 集约化养殖场建设前未经过环境影响 评价， 6 0 %以 上的集约 化养殖场未采取干湿分离 ( 粪便与尿、冲洗水分开)的清洁生产1 _ 艺。由于未 经发酵处理的畜禽粪含水量大、恶臭、不卫生，处理、运输、施用既不方便也 不安全，加之种、养分离，畜禽粪很难通过还田消纳。而集约化养殖场污染治 理设施的建成率不到 3 0 %，其中绝大多数还是不可能处理达标的简易设施，以 致大量的畜禽粪便及冲洗混合污水直接排入自 然环境， 甚至经过渗透污染地下 水，畜禽粪因此由宝变害:上世纪 7 0年代， 全国3 4 个重点湖泊中富营养化的 湖泊仅占 5 %, 2 0 0 2年，除偏远且流态特殊的洱海和博斯腾湖外全部处于富营 养化状态。仅以浙江为例，养殖场排放污染物已占 到水体富营养化物质来源的 6 0 %以上:另外，在我国农村居民中高发的钩虫病、类丹毒病等均与养殖场污 染物处理不当 有关， 2 0 0 4年爆发的主要通过畜禽粪便和分泌物传播的禽流感更 是预告了集约化养殖场污染的巨大隐患。 集约化畜禽养殖场的污染危害巨大，发达国家普遍按照工业污染的治理办 法来对其管理。 例如，自 上世纪5 0 年代起， 日本开始进行大规模的集约化养殖， 在各大城市郊区新建了大量集约化畜禽养殖场。由于每天有大量含粪便污水排 入天然水体，造成了严重的环境污染。6 0年代末期，日本用 “ 畜产公害”概念 描述了这一污染的严重性。随后，日本、德国等在7 0 年代制定了有关法规对养 殖场污染进行强制治理。目前德国对集约化畜禽养殖场的管理要求甚至严于工 厂，不仅建设前有较高的环境政策门槛，还通过限定每个畜禽养殖场一年产生 粪肥中的氮、磷、硫的总量来控制其生产规模，甚至规定畜禽养殖场必须在冬 季减少存栏量以适应环境容量的季节变化。即便如此严格的环境管理，集约化 养殖场污染物的处理在发达国家仍然是个难题，我国则更加突出. 由于多种因素， 畜禽养殖业污染防治工作严重滞后于产业的发展， 畜禽养殖 场的污染治理和综合利用远没有像工业污染治理那样得到重视和支持。全国虽 第一章绪论 然有少数的畜禽养殖场建造了能源环境工程，但相对养殖场总数而言显得微不 足道.尤其是大中型畜禽养殖场大都处于经济较发达地区和沿海地区，以及大 城市周围，其产生的粪便和污水，对部分地区，特别是大中城市周边环境造成 了严重污染，局部地区因此造成地表水、地下水、土壤和环境空气的严重污染， 影响了人们的身体健康和正常生产生活。 畜禽养殖场未经处理的畜禽粪便被随意堆放，导致大量的氮、磷流失，形 成水体污染.未经处理的污水中含有大量污染物质，其污染负荷很高( 各类畜禽 的粪尿排泄系数见表1 . 1 ) ，这种高浓度有机废水直接排入或雨水冲刷进入江河 湖库， 大量消耗水体中的溶解氧， 使水体变黑发臭。水中含有大量的n . p 等营养 物是造成水体富营养化的重要原因之一。排入鱼塘及河流使对有机物污染敏感 的水生生物逐渐死亡，严重者导致鱼塘及河流丧失使用功能。养殖污水长时间 渗入地下水，使地下水中的硝态氮或亚硝态氮浓度增高，地下水溶解氧含量减 少，水体有毒成分增多，导致水质恶化，甚至丧失其使用功能，以至危及周边 生活用水水质。且高 浓度污水可导致土壤孔隙堵塞，造成土壤透气、透水性下 降及板结、盐化，严重影响土壤质量，甚至伤害农作物，造成减产和死亡。 表1 . 1 各类畜禽的粪尿排泄系数m 粪尿b 0 0氨氮t p t n 项目 一 9 / ( 头 d )k g / ( 头. a ) 175751 522l 4.0.0.6 生猪 蛋禽 肉禽 牛 2 2 0 02 9 0 0 2 0 3 3 7 . 5 一6 . 7 5 0 . 90 . 1 1 5 一1 3 . 5 1 8 0 0 0 8 0 5 0 . 1 1 5 八曰 5二曰 方，1 1 0 - 0 7 随着畜禽业的不断发展和规模化养殖，其带来日益严重的环境污染问题， 其不仅影响经济发展，而且还危及生态安全，已成为人们普遍关注的社会问题。 过去一些地方将规模化畜禽养殖作为产业结构调整、增加农民收入的重要途径 加以鼓励，却忽视了污染防治工作。环保部门现在己开始加强畜禽养殖业污染 防治工作。为控制畜禽养殖业产生的废水、废渣和恶臭对环境的污染，促进养 殖业生产工艺和技术进步，维护生态平衡，国家环境保护总局发布了 畜禽养 第 一章绪论 殖业污染物排放标准( 见表1 . 2 ) ，着手治理畜禽养殖场和养殖区的污染难题。 这一标准的制定，表明我国继工业污染防治、城市环境治理之后，又将治理农 业污染问题纳入了视野范围。它旨在鼓励生态养殖， 推动畜禽养殖业可持续健 康发展; 促进畜禽场在废弃物处理过程中考虑资源化利用，减少末端污染物处 理量。 表1 . 2 集约化畜禽养殖业污染物最高允许日 均排放浓度标准 控制项目5 日生化需氧量 ( m g / l ) 化学需氧量 ( m g / l ) 悬浮物 ( m g / l ) 2 0 0 氨氮 ( m g / l ) 总磷( 以p 计) ( m g / l ) 标准值8 , 0 低投入、高产出是畜禽养殖业竞争的优势所在， 然而， 不能以 牺牲环境为 代 价来换取一点经济效益。做好畜禽养殖污染防治工作，实现废水回收再利用， 减少废水的排放和化学物质对环境的输入。在降低生产成本的同时，强化物质 循环和能量转化，不仅要实现处理过程的无害化，而且要实现处理过程的资源 化，提高资源的利用率， 有效地保护和改善生态环境， 促进畜禽养殖环境与经济 的可持续协调发展。 1 . 1 . 2 畜禽养殖废水的主要处理技术 畜禽废水是比较难处理的有机废水之一，主要是因为其排量大，温度较低 ( 大多数工厂化养殖场采用水冲清粪工艺):废水中固液混杂，有机物含量较 高，固形物体积较小，很难进行分离;冲洗时间相对集中，使得处理过程无法 连续进行; 养殖业属微利产业， 无法投入大量资金用于污水处理。 废水中的c o d , b o d 等指标严重超标，悬浮物量大，氮，磷含量丰富， 氨氮含量高且不易去除， 单纯采用物理、化学或者生物处理方法都很难达到排放要求。因此一般养殖场 的废水处理都需要使用多种处理方法相结合的工艺进行。 1 . 1 . 2 . ， 自然处理法 自 然处理技术是利用天然水体、土壤和生物的物理、化学与生物的综合作 用来净化污水。其净化机理主要包括过滤、截留、沉淀、物理和化学吸附、化 学分解、生物氧化以及生物的吸收等。其原理涉及生态系统中物种共生、物质 循环再生原理、结构与功能协调原则，分层多级截留、储藏、利用和转化营养 物质机制等。自然处理方法主要模式有: 氧化塘、土壤处理法、人工湿地处理法 第一章绪论 等方法。 氧化塘又称为生物稳定塘， 是一种利用天然或人工整修的池塘进行污水生 物处理的构筑物。其对污水的净化过程和天然水体的自 净过程很相似， 污水在塘 内停留时间长， 有机污染物通过水中微生物的代谢活动而被降解， 溶解氧则由藻 类通过光合作用和塘面的复氧作用提供， 亦可通过人工曝气法提供。作为环境工 程构筑物， 氧化塘主要用来降低水体的有机污染物， 提高溶解氧的含量， 并适当 去除水中的氮和磷， 减轻水体富营养化的程度。 土壤处理法是常年性的污水处理工程，可分为以下几种:a 、慢速渗滤系统 适用于渗水性能良 好的土壤和蒸发量小的地区。此系统可同时实现污水处理和 利用。 b 、 快速渗滤系统是以补给地下水、 使污水再生回用为目的的系统， 适用于 渗透性能十分良 好的 土壤， 其上不能种植作物。本系统要求污水有较高程度的预 处理。c 、地表漫流系统适用于地面具有2 % - 8 % 坡度的透水性较差的粘土和重 粘土地块， 污水在地块高端散布开后， 沿地面均匀漫流， 在下段设集水渠。 d 、湿地 系统是利用低洼湿地或沼泽地对污水进行处理的系统。 人工湿地可通过沉淀、吸附、阻隔、微生物同 化分解、硝化、反硝化以及 植物吸收等途径去除废水中的悬浮物、有机物、氮、磷和重金属等。近年来， 人工湿地的研究越来越受到重视，叶勇等利用红树植物木榄和秋茄处理牲畜废 水营养盐 n , p ， 两 种植 物对n , p 的去除效果较好j )廖新佛， 骆世明分别以 香根 草和风车草为植被， 建立人工湿地， 随季节不同， 对污染物的去除率不同， c o d 去除率可达 9 0 %以 上， b o d 5 可达8 0 % 以 上(4 ) 自 然处理法投资少，工艺简单、动力消耗少、运行费用低，在有足够土地 可利用的条件下，它是一种较为经济的处理方法， 特别适宜于小型畜禽养殖场 的废水处理。但净化功能受自然条件的制约。 1 . 1 . 2 . 2 厌氧处理技术 2 0 世 纪 5 0 年代出 现了 厌 氧接触法 ( a n a e r o b i c c o n t a c t p r o c e s s ) 工艺， 此后 厌氧 滤器 a f ( a n a e r o b i c f il t e r ) 和上流式厌氧污泥床 u a s b ( u p fl o w a n a e r o b i c s l u d g e b e d ) 的发明 推动了以 提高 污泥浓度和改善废水与污泥 混合效果为 基础的一系列 高负荷厌氧反应器的发展，并逐步应用于禽畜污水处理中。厌氧处理特点是造 价低，占地少，能量需求低，还可以产生能源一 沼气;而且由于处理过程不需要 氧， 所以 不受传氧能力的限制， 因而具有较高的有机物负荷潜力， 能使一些好氧 第一章绪论 微生物所不能降解的部分有机物进行降解。常用的方法有:完全混合式厌氧消 化器、厌氧接触反应器、厌氧滤池、上流式厌氧污泥床、厌氧流化床等。邓良 伟， 陈铬铭用内 循环厌氧反应器 ( i c ) 工艺处理猪场废 水15 1 , t p 的去除率5 3 .8 % , c o d 去除率8 0 .3 % n , b o d 5 去除率达9 5 .8 %, s s 的去除率为 7 8 %， 沼气产气率达1 .5 - 3 m 3 / d .张国治等选用小 球藻、颤藻等藻类， 采用悬浮 藻类法和固定藻类法两种 工艺， 对猪粪厌氧废液 进行净化处理， 也取得了 较好的 效果， 。 近年来，学者对 各种厌氧反应器研究较多，认为新型超高效厌氧反应器处理猪场污水有机污染 物有广阔的前景。 1 ， .2 .3 好氧处理技术 好氧处理的基本原理，是利用微生物在好氧条件下分解有机物，同时合成 自 身细胞( 活性污泥) 。 在好氧处理中， 可生 物降 解的有 机 物最终可 被完 全氧化为 简单的无机物。该方法主要有活性污泥法和生物滤池、 生物转盘、生物接触氧 化、 序批式活性污泥、 a / o 及氧化沟等。 采用好氧技术 对畜禽废水进行生物处理， 这方面研究的 较多的 是 水解与s b r结 合的 2艺。 s b r ( s e q u e n c i n g b a t c h r e a c t o r ) 工艺， 即序批式活性污泥法。 s b r 是基于传统f i l l - d r a w 系统改进并发展起来的一 种间歇式活性污泥工艺 h l 。 它把污水 处理构 筑物从空间 系 列转化为 时间 系列 ， 在 同一构筑物内进行进水、反应、沉淀、 排水、闲置等周期。 s b r 与水解方式结合 处理畜禽废水时，水解过程对c o d c r 有较高的去除率，s b r对总磷去除率为 7 4 . 1 % ,高 浓 度氨氮去 除 率达9 7 % 以 上 18 1 。 此外， 其 他 好 氧 处理 技 术 也 逐 渐应 用 于畜禽废水处理中，如间歇式排水延时曝气 ( i d e a )、循环式活性污泥系统 ( c a s s )、间歇式循环延时曝气活性污泥法 ( i c e a s )。 1 . 1 . 2 . 4 混合处理法 上述的自 然处理法、 厌氧法、好氧法用于处理畜禽废水各有优缺点和适用范 围，为了取长补短， 取得良 好稳定的出水水质，实际应用中加入其他处理单元。 混合处理就是根据畜禽废水的多少和具体情况， 设计出由以上三种、 或以 它们为 主体并结合其它处理方法进行优化的组合共同处理畜禽废水。这种方式能以较 低的处理成本， 取得较好的效果。 如彭军等人选择厌氧一兼氧组合式生物塘作为主体工艺，将上流式厌氧污 泥床移植到兼性塘，猪场废水经该工艺处理后，其b o d 5 , c o d c r , n h 4 * - n可 第 一章绪论 分别从9 0 0 0 m g / l . 1 4 0 0 0 m g / l , 1 2 0 0 m g / l 、 降至2 0 m g / l . 6 0 m g / l . 6 5 m g / l ，成功 地解决了 热带地区 规 模化猪场污 水污染负荷高 和养猪行业利润低的两大难题19 1 杭州西子养殖场采用了厌氧好氧结合的处理工艺， 经处理后， 水中c o d c r 约为 4 0 0 m g / i , b o d s 为 1 4 0 m 创 l ， 基 本 达到 废 水 排 放 标准 1 0 1 。 韩力 平 等 采 用 直 接投 加 优势菌的方法，可大大改善原自 然处理系统的能力，提高对水体或土壤中难降 解有 机 物的降 解能力 11 1 1 。 深圳农 牧实业公司的 污水处理工程， 工艺 流 程为污水 * 固液分离*调节池一上流式厌氧消化*植物塘*鱼塘*排放， 处理的废水也能 达到深 圳 市 废水排放标准1 1 2 1 。 李金秀等采用a s b r - s b r组合反 应器系 统，a s b r 作为 预 处 理 器 ( 厌 氧 ) ， 主 要用 于去 除有 机物 ， s b r ( 好氧 ) 用于生 物脱 氮 处理1 1 3 1 膜生物反应器是由膜分离技术与生物反应器相结合的新型生物化学反应系 统。它用膜取代了传统的二沉池，具有出水稳定、活性污泥浓度高、抗冲击负 荷能力强、剩余污泥少、装置结构紧凑、占地少等特点。近年来，已经逐渐应 用于各种污水的处理。范建伟，张杰采用膜生物反应器对上海市郊一畜禽场的 排出废水进行处理， 通过一段时间的调整，处理系统逐步稳定，出 水达到国家 一级排放标准1 1 4 1 畜禽废水的处理方法还有很多， 很难找出一种单一的处理方法就能达到所要 求的满意效果。某一种处理方法能否被接受，不仅要考虑这种处理方法在技术 上的优势，还要考虑实现这种废水处理方法的投资、日常运行费用和操作是否 方便.畜禽废水处理方法可简单地归纳为物理处理法、物理化学处理法、化学 处理法和生物处理法， 但应用最广泛的是生物处理法， 即主要通过微生物的生命 过程把废水中的有机物转化为新的微生物细胞以及简单形式的无机物，从而达 到去除有机物的目 的。在实际应用中，视具体情况而定。 第二节 膜生物反应器在废水处理中的研究 1 . 2 . 1 1 . 2 . 1 . 1 膜生物反应器 膜生物反应器及其特点 膜分离技术被认为是 2 1 世纪最有发展前景的高新技术之一l i5 , 18 7膜分离方 法是指利用天然或人工制备的无机膜或有机膜，借助于外界能量或化学位差的 第一章绪论 推动，对双组分或多组分溶质和溶液进行分离、分级、提纯和富集的方法。 膜 分离技术作为新的分离净化和浓缩技术，操作方便、设备紧凑、过程安全、 分 离效果好， 近3 0 年来广泛应用在食品、酿造、医药、 化工、环保等领域( 17 1 膜生物反应器( m e m b r a n e b i o r e a c t o r , 简称m b r ) 是 将酶、微生 物或动、 植 物细胞等固定在具有特定化学性质的聚合物膜表面上或膜腔内， 或将游离的酶、 微生物或动、植物细胞限定在一定的空间范围内，以实现废水的生化反应与分 离同时进行的一种特殊反应器。它是由膜分离技术与生物反应器相结合的新型 生物化学反应系统。用膜取代了传统的二沉池，具有出水稳定、活性污泥浓度 高、抗冲击负荷能力强、剩余污泥少、装置结构紧凑、占地少等特点。在污水 处理方面，膜分离与生物工艺有机结合形成的膜生物反应器 ( m b r )技术具有 一些常规污水处理工艺无法比拟的优势。随着研究和开发的深入，该技术已经 显示出良好的发展前景。美国、日本等发达国家都己将膜技术列入了2 1 世纪优 先发展的高新技术。我国在 2 0 0 0年也己 将膜产业列为国家重点支持的2 2项化 工产业之一。对膜生物反应器处理污水技术还设立了国家技术研究发展计划课 题进行研究。近年来，膜生物反应器己经逐渐应用于各种污水的处理。 膜生物反应器与传统的生化污水处理技术相比 ， 具有以 下主要优点【 18 . 1d ) :与 传统的 活性污泥法( c a s p ) 比，由于 膜反 应器取代了 二沉 池， 这可 使污 泥停留 时 间 ( s r t ) 和水力停留时间 ( h r t ) 分别控制， 由于s r t 大， 泥龄长， 污泥浓度高， 抗冲击负荷能力强，降解速率高，降解充分，对难降解物质也可使之降 解: 污 泥龄可以随意控制， 使得泥龄长、产率低的菌种能够在反应器中停留，如硝化 细菌等;由于反应器中高浓度的污泥有利于在污泥絮体中形成好氧区和厌氧区， 从而在一个反应器中可以实现同步硝化和反硝化;与传统污水处理工艺相比可 以获得更为优良的出水水质，而且不需要后处理工序如消毒等，可直接作为中 水进行回用:有利于自 动控制和处理设施的一体化:占 地面积小， 对于在地价 昂贵的城市中建立城市污水回用实施，有很好的经济可行性。因此该技术己成 为目 前水处理技术的研究热点。 1 . 2 . 1 . 2 膜生物反应器工艺组成 膜生物反应器主要由膜组件、泵、和生物反应器三步分组成，其中生物反 应器是污染物降解的主要部分，膜是对混合液和特殊污染物进行分离和萃取的 介质，而泵则是为满足分离和萃取提供所需的动力 ( 压力)的必需设备。根据 第一章绪论 膜组件在膜生物反应器中所起的作用不同，可将其分为分离膜生物反应器 ( b s m b r - b i o m a s s s e p a r a t i o n m e m b r a n e b i o r e a c t o r ) 、 无泡 曝气 膜生 物反 应器 ( ma b r -me m b r a n e a e r a t i o n b i o r e a c t o r )和萃取膜生物反应器 ( e mb r - e x t r a c t i v e m e m b r a n e b i o r e a c t o r ) 三种类型. 根据不同的 分类基础， 膜生物反应 器还可以有其他的分类方法，见图1 . 1 . 分离膜生物反应器 按膜组件的作用与功能曝气膜生物反应器 萃取膜生物反应器 按膜组件与生物反应器 的组合形式 一体式膜生物反应器 分置式膜生物反应器 好氧膜生物反应器 按生物反应器供氧 厌氧膜生物反应器 常压膜生物反应器 按膜组件的受压情况 加压膜生物反应器 中空纤维膜生物反应器 管式膜生物反应器 按膜组件的类型 板式膜生物反应器 卷式膜生物反应器 图1 . 1 m b r 的分类 1 . 2 .2 膜生物反应器研究进展 1 9 “年，美国的d o r r - o l i v e r 公司首先将 mb r用于废水处理的研究。1 9 6 9 年，s m i t h 等将好氧活性污泥法与超滤膜相结合的m b r用于处理城市污水。 7 0年代初期，好氧分离式膜生物反应器处理城市生活污水的试验研究进一步扩 第一章绪论 大。1 9 7 0 年，h a r d t e t a 1 (2 0 将完全混合式生物反应器与 超滤膜结合在一起进行污 水处理。 2 0 世纪7 0 年代后期， 大规模好氧膜生物反应器首先在北美应用， 然后 依次是2 0 世纪8 0 年代早期日 本( 同期南非: 厌氧膜生物反应器) ， 9 0 年代中期欧 洲， 9 0 年代末期中 国川 。 进入9 0 年代中后期，膜生物反应器 在国 外己 进入了实际应用阶段。目 前在 世界范围内，实际运行的m b r工艺已 经超过5 0 0套，同时还有许多工程在计划 或建设中( 见表1 . 3 ) 。 膜生物反应器在日 本的发展十分迅速， 目前在日 本运行( 包 括在建) 的膜生物反应器占全球的6 6 % ， 其余的m b r 工程主要在北美和欧洲。这 些工程中 9 8 %以上时膜分离工艺与好氧生物反应器而非厌氧生物反应器相组 合。约 5 5 %是膜浸没于生物反应器中， 其余则是膜组件置于生物反应器之外。 7 0年代中后期，日 本由于本国国土面积狭小、地价高、资源短缺等原因，对膜 分离技术在废水处理的应用进行了大力的开发研究。 日 本对mb r开展了系统研 究， 研制了酒精发酵废水，造纸厂废水，蛋白工厂废水、城市污水、粪尿废水、 淀粉厂废水等污水处理的m b r 系统。在北美，mb r处理生活污水的应用主要是 流量在1 0 - 2 0 0 m 加 的小型处 理装置， 己 有5 0 余座此类 设 施在运行. 这些生物反 应器设计h r t均在2 4 h 以上，s r t也都较高，因为每年只排泥1 - 2 次。 表 1 .3 世界范围内mb r亦不同种f q *中的f用h . n 0 f , 污水类型 比例 ( %) 工业污水楼宇污水家庭污水城市污水垃圾渗滤液 我国关于m b r 工艺的研究适于2 0 世纪9 0 年代初期， 虽然起步较晚， 但发 展十分迅速。1 9 9 1 年1 0 月，岑运华介绍了m b r 在日 本的研究状况(2 , 。 之后， 许多高校与研究所加入了mb r的开发研究工作。 国内对m b r的研究大致可分为 以下几个方面: 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 性污泥法扩展