（环境工程专业论文）错流式膜生物反应器处理己内酰胺废水脱氮性能的研究.pdf

捕要 但经过一定时间后，微生物也能适应这种生长环境。 通过向反应器内投加粉末活性炭( p a c ) ，形成生物活性 炭系统，对其处理效果和系统运行的情况与未投加时进行比 较，表明投加后对膜污染有显著的减轻，膜通量获得了较大 的提高；但由于膜本身的截留效果十分可靠，污染物去除率 并不会因为投加p a c 而得到明显提高。 实验系统长期稳定运行时的高去除率保证了出水的可 回用性。通过评价膜生物反应器投资费用和处理费用，表明 了m b r 的在脱氮稳定性上有着很大竞争优势，处理费用的 竞争性也有着相当大的发展潜力。 关键词：外置式膜生物反应器，动态膜，脱氮性能， 膜污染，粉末活性炭，处理费用 第一孝 谬硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h e d e n i t r i f i c a t i o nc a p a b i l i t yo f c r o s s f l o wm e m b r a n eb i o r e a c t o r i nt r e a t i n gc a p r o l a c t a mw a s t e 弘汀e r a b s t r a c t t oa d v a n c eas m a l ls t e pi nr e s o l v i n gt h ed i f f i c u l t yo f d e n i t r i f i c a t i o no f h i g h n i t r o g e ns t r e n g t hw a s t e w a t e r ，t h e w a s t e w a t e rp r o d u c e dd u r i n gt h ec a p r o l a c t a mm a n u f a c t u r i n g w a ss e l e c t e di nt h i sr e s e a r c ha st h ew a t e rt ob et r e a t e d t h i s r e s e a r c ha d o p t e de x t e r n a li n o r g a n i cc e r a m i cm e m b r a n ec o u p l e d a n o x i c o x i cb i o r e a c t o ra st h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mt ot r e a tt h e s i m u l a t e d w a s t e w a t e r ， a n de x a m i n e di t s c a p a b i l i t y o f d e n i t r i f i c a t i o na n do r g a n i cr e m o v a la n dt h ep r o f i l eo fi t sf l u x d e c l i n ep r o c e s s t h er e s e a r c ha l s of i x e do nt h eo p t i m u m r u n n i n gp a r a m e t e r sa n dm e m b r a n eo p e r a t i o n a lc o n d i t i o n sa ta c e r t a i nr a n g e b e f o r et h er u n n i n go ft h em b r ，k a o l i nm i c r o - p a r t i c l e s w i t ham e a nd i a m e t e ro f2 1 x mw e r em e m b r a n e do nt h ei n n e r w a l lo ft h ec e r a m i cm e m b r a n et u b ea st h ed y n a m i cm e m b r a n e a b s t r a c t t of i l t r a t et h es i m u l a t e d c a p r o l a c t a m w a s t e w a t e r r e s u l t s i n d i c a t et h a tr e m o v a lr a t ei sh i g h e ra n df l u xd e c l i n eb e c o m e s m u c hs l o w e rt h a nf i l t r a t i n gd i r e c t l yw i t hc e r a m i cm e m b r a n e s t h r o u g ho p e r a t i n g a tl o w p r e s s u r e s ，g o o dp e r f o r m a n c e p r o v i d e sw a r r a n t yf o rm b r t or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n t h er e s e a r c ha n a l y z e dt h et r a n s f o r m a t i o no fn i t r o g e ni n t h es y s t e ma n df o u n dt h a tt h en i t r o g e ni nm e m b r a n ep e r m e a t e w a sm a i n l yn i t r a t e t h i sp h e n o m e n o nd e m o n s t r a t e dt h a tt h e l i m i t i n gf a c t o rf o rt h ed e n i t r i f i c a t i o no ft h es y s t e mw a st h e a n o x i es e g m e n td u et ot h ei m p r o p r i e t yo ft h ec nr a t i oo ft h e w a s t e w a t e r ，f o rt h i si n a p p r o p r i a t e n e s sr e s u l t e di n t h el a c k i n g o fc a r b o ns o u r c eo ft h eb i o l o g i c a ls y s t e m t h r o u g ha s s a y i n g t h es o l u b l em i c r o b i a lp r o d u c t s ( s m p ) a c c u m u l a t e di nt h e s y s t e m ，t h er e s e a r c h e rd i s c o v e r e d t h a tt h es m pw o u l db e b r o k e nu pf r o mm a c r o m o l e c u l e st om i c r o m o l e c u l e sa n dt h e nb e d e g r a d e d s m pc o u l di n h i b i tt h ea c t i v i t yo f t h em i c r o o r g a n i s m s i nt h es y s t e m ，b u tt h ea c t i v i t yw o u l dr e c o v e ra f t e rt h em i c r o b e s a d a p t e dt ot h ee n v i r o n m e n t b ya d d i n gp o w d e r e d a c t i v a t e dc a r b o n ( p a c ) i n t ot h e r e a c t o rt of o r mb i o l o g i c a la c t i v a t e dc a r b o n ( b a c ) s y s t e m ，t h e r e s e a r c h e rc o m p a r e dt h et r e a t m e n te f f i c i e n c ya n do p e r a t i o n p e r f o r m a n c eo fi tw i t ht h es y s t e mw i t h o u tt h ea d d i t i o no fp a c 蒙- 攀 缪硕士学位论文 t h er e s u l t sm a d ec l e a rt h a tt h ea d d i t i o no fp a cc o u l da l l e v i a t e m e m b r a n e f o u l i n gr e m a r k a b l y h o w e v e r ，t h er e m o v a lr a t e h a s n th a da n yf u r t h e r s i g n i f i c a n ti m p r o v i n gd u e t ot h e m e m b r a n e ss t a b l ea n do u t s t a n d i n gc u t t i n ge f f e c t s 。 t h el o n g t e r mo p e r a t i o no ft h es y s t e mm a d es u r et h a tt h e h i g ha n ds t a b l er e m o v a le f f i c i e n c yi sj u s tr e l i a b l e ，a n dt h e d e p e n d a b l ep e r m e a t ew a t e rq u a l i t ye n s u r e dt h a tt h et r e a t e d w a t e rc o u l db e r e u s e df e a s i b l y t h er e s e a r c he v a l u a t e dt h e c a p i t a l c o s ta n dt r e a t m e n tc o s to ft h em b rp r o c e s s c o n t r a s t i n g t h ec o s t so fm b rw i t ht h e s eo f c o n v e n t i o n a l t r e a t m e n tp r o c e s s ，t h er e s e a r c h e rf o u n dt h a tt h e r ei s g r e a t c o m p e t i t i o na d v a n t a g e i nd e n i t r i f i c a t i o n s t a b i l i t y a n d r e a s o n a b l ep o t e n t i a li nm b r t e c h n o l o g y k e yw o r d s ：e x t e r n a lm e m b r a n e b i o r e a c t o r ( e m b r ) ， d y n a m i c m e m b r a n e ( d m ) ， d e n i t r i f i c a t i o n c a p a b i l i t y ， m e m b r a n e f o u l i n g ，c a p r o l a e t a m w a s t e w a t e r , t r e a t m e n tc o s t ，p o w d e r e da c t i v a t e d c a r b o n ( p a c ) 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：叩j 哗 日期：。l 一年t 月，日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 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，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可 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。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密留 学位论文作者签名：呷表等 日期：v 5 年1 月j 目 指导教师签名买理童 日期：击舞j 月湖 9 - - 李走嘭硕士学位论文 1 1 水污染现状 i 1 i 水危机及其对策 第一章绪论 1 9 7 3 年3 月，联合国召开的水资源会议曾庄严宣告“水不久将 成为一个深刻的社会危机，世界上石油危机后的下一个危机。”现在 这个危机己来到我们面前，它已经成为我国经济和社会发展的重要制 约因素。水资源的管理、水污染的防治，水的回用及其对经济、社会 发展影响的分析己成为我国政府部门、社会各界关注的热点1 1 - 2 1 。 我国的水资源总量为2 8 1 万亿m 3 ，居世界第6 位，但人均水资 源只排在第1 2 l 位，是世界上1 3 个贫水国之一。我国6 0 0 多个城市 中，4 0 0 多个城市存在供水不足问题，全国城市总缺水量为6 0 亿m 3 ， 每年因水资源匮乏影响的工业产值高达2 3 0 0 亿元。 按照1 9 9 8 年的人口统计，我国人均水资源只有2 2 2 1 m 3 ，仅是世 界人均占有水量的i 4 ，进入2 l 世纪，我国的水资源矛盾将进一步加 剧，据预测，2 0 3 0 年中国入口将达到1 6 亿入，届时人均水资源仅有 1 7 5 0m 3 ，水已成为制约2 1 世纪中国社会经济持续发展的重要因素。 水危机的另一个表现为水环境危机，这是指由于水质下降而引发 的危机。大量工业废水和生活污水的排放造成的水资源严重损害了人 们的健康和生产的发展，也破坏了生态平衡。据世界卫生组织统计， 目前全世界有2 9 亿人喝不上干净水，每年至少有1 5 0 0 万人死于水污 染引起的疾病。 为了解决水危机，世界各国根据自己国情，采取了相应对策，其 中开源节流是必选的途径，而污水治理和回用是其中的重要内容，它 既开辟了新的水源，又减少了对水环境的污染和水生态环境的破坏， 是解决水危机的重要战略举措。 第一章绪论 中国每年从城市排放工业废水和生活污水约4 2 0 亿m 3 ，据e i t ( e n v i r o n m e n t a l & i n t r a s t r u c t u r a lt e c h n o l o g i e si n c ，) 评估川，约有10 的废水经初级处理，另有1 0 废水经二级处理，也就是说，每年 排入我国河、湖的经处理过的废水约为8 4 亿m 3 。中国工程院在为国 家编制“中国可持续发展一一水资源战略”中指出，当2 0 1 0 年和 2 0 3 0 年全国污水治理普及率分别为5 0 和8 0 时，城市污水对水环 境的污染负荷并没有明显减弱，这是因为，污水处理率虽然增加了， 但污水排放量增加更快，到2 0 1 0 年，中国城市的污水年排放量估计 将达到6 0 0 亿m 3 。国内外水环境恢复与再生的实践经验证明，只有 对污水进行深度处理及回用，才能实现健康的水循环，也就是说，仅 仅傲到污水处理后排放是远远不够的，必须推进污水深度处理和霉生 水的有效利用。给水和排水处理应该像人身上的动脉和静脉血液循环 那样，建立起健康的水循环体系，才能拯救水资源，解决水危机【副。 污水深度处理和回用在经济发达国家已在推广，甚至普及。1 9 9 6 年日本有1 6 2 处污水处理厂有水再生设备，再生水利用量达到4 8 1 0 4 m 3 d ，欧美远早于日本就达到相当高的普及率，见表l l 。 表l l 发达国家水深度处理普及率 t 曲l el li m p l e m e n t a t i o nr a t i oo f a d v a n c e di r e a t m e n ti nd e v e l o p e dc o u n m e s 我国将污水处理后回用于城市生活和工业生产，近2 0 多座“建 筑中水”回用设施在运转，石家庄铁路将建成年中水回用量共1 2 0 万 吨的几个中水回用工程，但目前我国的污水再利用仍呈零星分布局 面，大多是在个别工厂、大楼、住宅小区内实施小型的中水回用，再 用范围限于工业冷却、少量市政杂用等低质用水，且基本采用传统的 处理工艺。 2 磐孝 谬硕士学位论文 1 1 2 水污染来源及其组成 水污染有两类，一类是自然污染，另一类是人为污染，而以后者 为主。人为污染是人类生活和生产活动中产生的废、污水对人体的污 染，包括生活污水、工业废水、农田排水、矿山排水及垃圾渗滤液等。 生活污水主要包括厨房洗涤、厕所冲洗和沐浴等产生的污水，含 有大量碳水化合物和氮、磷、硫等营养元素，还含有洗涤剂和各种病 原菌，进入水体后会大量消耗水中溶解氧，导致水体富营养化并产生 恶臭。 工业废水是最重要的水污染源之一，它排放量大，种类多，所含 污染物成分复杂，毒性和危害严重。主要工业生产产生废水的分类见 表1 2 。其特点是悬浮物含量高，酸、碱度大，常含农药、酚、染 料、多环芳烃、油脂等有害物质。垃圾渗滤液是降水流经垃圾时携带 其中的无机物及有机物所形成的，它进入水体将造成严重污染。这些 废水、污水是城市污水的主要来源。 表l - - 2 主要工业生产产生废水的分类 t a b l e1 - 2m a i nc a t e g o r i e so f i n d u s t r i a lw a s t c w a t c r 生产部门污染物质的主要来源废水和主要污染物 动力部门 火力发电站、核电站冷却废热水、放射性废水 黑色选矿，烧绪、炼焦、练铁，炼钢、轧酚、氰、多环芳烃类化合物、冷却 冶金钢 废热水、洗涤废水等 冶金 有色选矿、烧结、冶_ 骧、电解，精炼等 舍c u 、p b 、z n 、h g 、c d 、a s 等重 工业冶金 金属的废水、冷却废热水、酸性废 水等 纺织印染工棉纺、毛纺、丝纺、针织、印染等染料，酸、碱、硫化物、纤维状悬 业浮物等 化学工业 化学肥料、有机和无机化工生产、化 各种盐类、h g 、c d 、a s ，酚、氰化 学纤维、合成橡胶、塑料，涂料、农物、苯类、醛粪，醇类、油类、多 药、制药等生产环芳烃化合物等 第一章绪论 生产部门污染物质的主要来源废水和主要污染物 石油化学工炼油、蒸馏、裂解、催化等工艺以及油类、酚类及各种有机物等 业 有机化学产品的合成 制革工业皮革、毛发的鞣制含c d 、s 、n a c l 、硫酸，有机物等 采矿工业 矿山的剥离和挖掘、采矿和选矿等生含大量悬浮物及重金属的选矿、矿 _ t 井( 坑) 排出水 造纸工业 纸浆、造纸的生产碱、术质素、酸、悬浮物等 食品加工工 油类、肉类、乳制品、水产，水果、 营养元素、有机物、微生物病原菌 业酿造等加工生产等 机械制造工农机、交通工具和设备制造与修理、 含酸废水、电镀废水，c r 、c d 、油 业锻压及铸件工业设备、金属制品的加类等 工制造 电子及仪器电子组件、电讯、器材，仪器仪表制含重金属元素废水、电镀废水、酸 仪表工业造等性废水等 建筑材料工石棉、玻璃、耐火材料、烧窖业及各悬浮物等 业类建筑材料加工等 污水中污染物通常可以分为以下几种1 6 j ： 固体污染物在水中以溶解态( 直径小于l n m ) 、胶体态( 直 径l 1 0 0 n m ) 和悬浮态( 直径大于1 0 0 n m ) 存在。在水质分析中则把 能透过滤膜( 孔径约3 1 0 i j t m ) 的叫溶解固体( d s ) ，不能透过的叫 做悬浮固体或悬浮物( s s ) ，两者之和为总固体( t s ) 。固体悬浮物 常用悬浮物含量和浊度两个指标表征，用适当的膜分离技术可以取得 极佳的分离效果。 需氧污染物能通过生物化学和化学作用消耗水中溶氧的 物质称为需氧污染物，大多数为有机物，一般采用生化需氧量( b o d ) 、 化学需氧量( c o d ) 、总需氧量( t o d ) 和总有机碳( t o c ) 来表征 污染程度。 营养性污染物废水中所含氮( n ) 和磷( p ) 是植物和微生 物主要营养物，超过一定浓度会引起水的富营养化。 4 薅拳五带硕士学位论文 此外还有油脂类污染物、生物污染物( 如致病的细菌、病毒、 虫卵等) ，酸、碱、金属污染物、有毒污染物等。 1 1 3 污水回用及对水质的要求 目前污水处理和回用按水源分大致有以下三种： 城市污水集中处理回用城市污水( 由生活污水和工业废水 等组成) 经二级处理、深度处理后回用于工业生产和城市生活用水。 工业废水处理、回用工厂对生产过程中形成的废水进行分 离、净化处理，回收其中某些有用组分，净化后的水循环使用，工程 本身形成闭路循环，实现“零排放”。 建筑中水回用办公室、宾馆、饭店和生活小区等较为集中 排放的生活污水就地净化处理后用于冲厕、洗车、消防、绿地浇灌等 用水，通常称其为建筑中水( b u i l d i n gr e c l a i m e dw a t e r ) 。而中水 ( r e c l a i m e dw a t e r ) 则是指各种排水经处理后，达到规定的水质，可 在一定范围内重复使用的非饮用水。相对于城市污水大规模的处理回 用，建筑中水属于分散，小规模的污水回用工程，具有灵活、易建、 无需长距离输水等优点。 污水回用一般应满足三个基本条件：水质合格、水量合用及经 济合算。 城市污水量大且相对成分稳定，不受季节影响，易于收集。城 市污水中只含0 1 的污染物( 海水含盐3 5 ) ，再生处理比海水脱 盐率成本低，基建投资比远距离饮水经济，因此将城市污水作为第二 水源，实现“污水资源化”是目前世界各国解决水危机的首选方案。 按处理程度划分，城市污水处理可分为一级处理、二级处理和 三级处理。一级处理通常只去除水中的漂浮物和部分悬浮污染物等， 处理后污水达不到排放标准；二级处理主要采用活性污泥、生物膜法， 也有采用化学或物理化学法，经二级处理后，可去除污水中大量b o d s 和悬浮物，已在较大程度上净化了污水；污水的三级处理又称为污水 的深度处理( a d v a n c e dt r e a t m e n t ) 或高级处理，但深度处理往往以 第一章绪论 废水的回用为目的。 回用水处理一般指二级处理和深度处理，当二级处理出水满足 特定回用要求可回用时，此二级处理出水也成回用水( 或再生水) ， 也有人将用于建筑物内杂用的回用水称为中水。 二级处理出水含有大量悬浮物、溶解的有机物及无机盐，需经 深度处理将其进一步脱除。 1 2 生物脱氮理论 1 2 1 全程硝化反硝化过程 废水生物脱氮一般由三种过程组成：氨化作用、硝化作用和反硝 化作用，膜生物反应器工艺的脱氮原理也是建立在硝化一反硝化的机 理之上的。废水生物脱氮利用自然界氮素循环的原理，在水处理构筑 物中营造出适宜于不同微生物种群生长的环境，通过人工措施i t l ，提 高生物硝化反硝化速率，达到废水中氮素去除的目的。 1 、氨化作用( a m m o n i f i c a t i o n ) 生物圈中的氮素储量有限，为了生命的延续和发展，被生物固定 ( 同化) 的氮素必须以适当的方式返回生物圈。将有机氮转化为氨的 生物反应，称为氨化作用。在细菌的作用下，污水中的蛋白质和氨基 酸在生物稳定化过程中分解、转化为氨态氮如n h ，和n h 4 + - n 。氨化 作用所释放的氨，一部分被其它微生物重新利用，其余部分积累于环 境中。在自然界，氨化作用是有机氮无机化，是实现氮素循环使用的 重要环节。 2 、硝化作用( n i t r i f i c a t i o n ) 释放至环境中的氨可被生物氧化。将氨氧化为亚硝酸盐和硝酸 盐的生物反应，称为硝化作用。其中，由自养微生物引发的硝化作用， 称为自养型硝化作用( a u t o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o n )由异养型微生物引 发的硝化作用，称为异养型硝化作用( h e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o n ) 。 6 雄拳 哥硕士学位论文 经过硝化作用后，氨转化亚硝酸盐和硝酸盐，迁移性增大，易被植物 吸收，也易随水流失。 废水中的氨氮氧化成硝酸盐的硝化反应是由两种好氧微生物完 成的。此过程包括两个基本反应步骤：由亚硝酸菌参与的将氨氮转化 成亚硝酸盐的反应；由硝酸菌参与的将亚硝酸盐转化为硝酸盐的反 应。亚硝酸菌和硝酸菌都是化能自养菌，它们利用c o ：、c 0 3 2 - 和h c 0 3 等作为碳源，通过n h 3 、n h 4 + 或n 0 2 。的氧化获得能量。硝化反应过 程在好氧条件下进行，以氧作为电子受体。其反应过程可用下式表示： 亚硝化反应；n h 4 + + 0 2 + h c 0 3 。一n 0 2 + h 2 0 + h 2 c 0 3 + 亚硝酸菌 硝化反应：n 0 2 。+ n h 4 + + h 2 c 0 3 + h c 0 3 + 0 2 一n 0 3 。+ h 2 0 + 硝酸菌 总反应：n h 4 + + 0 2 + h c 0 3 一n 0 3 。+ h 2 0 + h 2 c 0 3 + 微生物细胞 不考虑硝化过程中硝化菌的增殖，可计算出l 克氨氮氧化成硝酸 盐氮需氧4 5 7 克，其中亚硝化反应需3 4 3 克，硝化反应需1 1 4 克； 同时约消耗7 1 4 克重碳酸盐碱度( 以c a c o ，计) 。根据热力学理论可 计算出亚硝酸菌和硝酸菌的产率系数分别为0 2 9 m g v s s m g 。1 n h 4 + - n 和o 0 8 4 m g v s s m g “n 0 2 。一n 。 3 、反硝化作用( d e n i t r i f i c a t i o n ) 存在于环境中的亚硝酸盐和硝酸盐可被用作电子受体而被还原。 硝酸盐还原为氮气的生物反应，称为反硝化作用( d e n i t r m c a t i o n ) 。 在自然界，反硝化作用是氮素重新返回大气的主要途径。 反硝化作用过程中的n 0 2 和n o ，。的转化是通过硝化菌的同化作 用和异化作用完成的。同化作用是n 0 2 和n 0 3 。还原成氨氮，用以合 成细胞质的合成。异化作用是反硝化细菌参与的条件下，将硝化过程 产生的硝酸盐或亚硝酸盐还原成n ：的过程。反硝化菌是一类化能异 养兼性缺氧性微生物，其反应需在缺氧条件下进行。反硝化过程中反 硝化菌利用各种有机基质作为电子供体，以硝态氮为电子受体而进行 缺氧呼吸。从n 0 3 。还原为n 2 的过程经历四步连续的反应： 7 第一章绪论 硝酸盐还厦 - - - - + 亚硝酸盐还原 - - - - - 氧化还原氧化亚氨还原 一- i p - - - - n 0 3 n 0 2 n o n 2 0 n 2 其反应过程可表示为： n 0 3 - - n + c h 3 0 h + h 2 c 0 3 一n 2 + h 2 0 + h c 0 3 。+ 微生物细胞 1 2 2 厌氧氯氧化作用 硝化过程中含氮化合物的价态从3 到+ 5 价，经历了8 个电子价 位豹变化，在如此广泛的变化范围内，若不同价态化合物问存在歧化 反应，则可缩短生物脱氮的历程。此外，若能利用亚硝化菌世代期较 硝化菌短、生长速率高、产率系数大等特点，将硝化控制在亚硝化阶 段，则也可缩短生物脱氮的历程。因此，从这两条思路着手，得到了 许多新的发现。 厌氧条件下的氨氧化实际上是含氮化合物之间发生歧化反应所 致，其中n 0 2 是一个关键的电子受体。亚硝化细菌在无氧条件下可 通过n 0 2 与n h 4 + - n 之问的歧化反应获得代谢所需的能量。因亚硝 化菌是一种自养菌，故这一反应无需外加碳源，从而为t n c o d 值较 赢的原水采用生物脱氮提供了作用机理。该反应如下： n h 4 + + n 0 2 一n 2t + 2 h 2 0 若能培养出能催化这些反应的微生物酶，则废水生物脱氮将开创 一片新的天地。 1 9 7 7 年奥地利理论化学家b r o d a 从化学反应热力学角度出发， 大胆地预言了厌氧氨氧化反应和厌氧氨氧化菌的存在。十多年后， m u l d e r 等人【8 1 在生物脱氮流化床反应器内发现了厌氧氨氧化反应。接 着，v a nd eg r a a f 等人 9 1 又以多种方法证明，厌氧氨氧化是一个生物 反应。经过长期努力，s t r o u s 等人u o l 采用梯度密度离心技术，成功地 分离了厌氧氨氧化菌。谱系分析证明，被分离的两种厌氧氨氧化菌 ( b r o c a d i aa n a m m o x i d a n s 和k u e n e nt u t t g a r t i e n s i s ) 都属于分支很深 的浮霉细菌【1 1 】。现已提出厌氧氨氧化的反应机理，并获得了许多实 验证据的支持 1 2 1 5 。 8 露孝 带硕士学位论文 1 2 3 短程硝化一反硝化过程 在传统工艺中，一直把氨彻底氧化成硝酸盐( n h 4 + 一n 0 2 - 一n 0 3 。， 全程硝化) ，主要目的是根除氮素的耗氧能力并避免亚硝酸盐对生物 的毒害作用。但是，在废水脱氮中，全程硝化并非必要，把氨氧化成 亚硝酸盐( n h 。+ 一n 0 2 ) 也能取得相同效果。就生物脱氮而言，硝化 过程中的“n 0 2 一n 0 3 ”与反硝化过程中的“n 0 3 一n 0 2 “是一段多 走的路程，完全可以从硝化一反硝化工艺中省去。这种把氨氧化控制 在亚硝酸盐阶段的硝化作用，称为短程硝化( s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n ) 。 2 0 世纪9 0 年代末，人们机智地利用亚硝酸细菌和硝酸细菌在生 理学和生长动力学上的差异，通过有效的工程手段和操作措旅，成功 地实现了短程硝化【1 6 1 。短程硝化一反硝化工艺的开发，不仅降低了 硝化所需的充氧能耗，也减少了外加碳源所致的运行费用，还免去了 中和硝化产酸带来的药剂消耗。该工艺流程短，操作简单，剩余污泥 产量低。一经问世就受到了人们的青睐。特别值得称奇的是，这个工 艺未经中间试验，便由一个1 5 l 的实验室装置直接放大成了一个 1 8 0 0 m 3 的生产性系统 1 7 1 。迄今为止，已有两个城市污水处理厂应用 短程硝化一反硝化工艺，脱氮效果令人满意 1 s l 。 短程硝化反硝化有下列特点。 a 对活性污泥法，可节省氧气供应量约2 5 ，从而降低能耗； b 节省反硝化所需碳源的4 0 ，在c n 比一定的情况下提高了 t n 的去除率； c 减少污泥生成量可达5 0 ； d 减少投碱量； e 缩短反应时间，相应反应器容积可减小。 1 2 4 同步硝化反硝化作用 同步硝化反硝化作用。氨氮的硝化和硝化物的反硝化分别在好氧 环境和缺氧环境中完成的。污泥絮体作为一个系统考虑，在外部曝气 的情况下污泥外部可以形成好氧区，而内部由于氧在传递过程中被消 9 第一章绪论 耗完毕形成缺氧区。所以只要d o 控制恰当，可以在同一环境中实现 硝化反硝化。 1 2 5 短程硝化厌氧氨氧化工艺 短程硝化一厌氧氨氧化工艺是由短程硝化工艺和厌氧氨氧化工 艺集成的新型生物脱氮工艺 1 9 1 。在短程硝化阶段，吸收了短程硝化 一反硝化工艺的指导思想和操作技术，将短程硝化进行到一定程度， 使出水中的氨和亚硝酸盐之比满足厌氧氨氧化的需要。在厌氧氨氧化 阶段，以厌氧氨氧化代替短程硝化一反硝化工艺中的反硝化作用，彻 底摆脱了生物脱氮对有机物的依赖。 在瑞士，短程硝化一厌氧氨氧化工艺已进行了5 m 3 ( 硝化反应器 和厌氧氨氧化反应器各2 5 m 3 ) 规模的中间试验 2 0 l 。经过为期半年多 的运试，该工艺处理厌氧消化污泥离心液的效果良好。在荷兰，一个 1 8 9 8 m 3 的短程硝化一厌氧氨氧化系统( 硝化反应器1 8 0 0 m 3 ：厌氧氨 氧化反应器9 8 m 3 ) 己付诸应用。 1 2 6 生物脱氮的影响因素 不同的工况下系统的脱氮效率影响因素有很多，因而要对影响脱 氮性能的各因素进行考察。 ( 1 )硝化的影响因素 污泥龄对膜生物反应器的硝化作用有很大影响，有研究者发现， 当污泥龄由l o 天增加为5 0 天时，氨氮去除率由8 0 增加到9 9 ； 当污泥龄由5 天增加为1 0 天时，氨氮去除率由9 4 增加到9 9 。也 有研究发现过长的污泥龄对硝化作用有负面影响，难降解的溶解性商 分子物质被膜截留在系统内，随着污泥龄的增加而积累，对硝化菌产 生抑制作用 2 1 l 。硝化作用的改善不仅因为膜生物反应器可以维持较 长的污泥龄。在膜生物反应器中硝化菌的含量与传统活性污泥法中相 近，在较低负荷下，氨氮氧化能力约为o 2 m m o ln 9 4 m l s s h 一。但 是，z h a n g 等人2 2 1 发现，膜生物反应器中硝化活性为2 2 8 9 1 0 第攀 缪硕士学位论文 n h 4 + - n k g m l s s h 一，而工艺参数与之相近传统活性污泥反应器中 的硝化活性只有o 9 6 9 n h 4 + - n k g d m l s s h ，他们进一步的研究指出， 硝化速率的提高是由于膜生物反应器中污泥絮体较小，较小的絮体有 着更大的周长，面积比，氧传质阻力小，硝化作用更彻底 2 3 - 2 4 1 。 ( 2 )反硝化的影响因素 絮体尺寸对反硝化作用没有明显的影响，碳源的种类、b o d 负 荷及c n 比等参数对反硝化作用有着显著的影响，这与传统生物处理 工艺相同。有研究者对b o d 负荷及c ，n 比对反硝化速率和脱氮效率 作了定量研究，在他们的实验条件下，当b o d 负荷小于04 3 8 6 g l - 1 d 以时，没有反硝化的发生，大子o 4 3 8 9 l - l , , d 以时，反硝化速率 随负荷而线性增大。同样，当b o d 与总凯氏氮的比值由l o 增加为 2 5 时，总氮去除率由4 0 提高到9 0 。为增大b o d 负荷，除外加 碳源外，多数工艺设计尽量利用内源碳进行反硝化。对于a o 形式 的膜生物反应器，可采用污泥回流；当m l s s 较高时，不同的回流比 对氮的去除没有明显的影响膜生物反应器中较高的污泥浓度有利于 反硝化的进行。在设计合理的a o 系统中，好氧池回流污泥中的剩 余溶解氧会被消耗尽，因而不会破坏缺氧池适宜的环境条件。但过高 的污泥浓度会造成空气曝气系统难以满足微生物对氧的需求，造成硝 化速率的降低1 2 5 2 6 。 有研究者指出在适宜的p h 、d o 条件下，当n h 4 + - n 浓度为 2 0 0 0 r a g l ，容积负荷控制在2 k g m - 3 d 。以下时，一体化膜生物反应 器具有良好的硝化性能，n h 4 + - n 基本上都转变成硝酸盐，控制一定 的d o ，c n 等条件，可在一定的条件下实现同步硝化反硝化。由于 膜生物反应器特殊的优点，在对高浓度氨氮废水和低c n 的废水的处 理效率上有无可比拟的优势 2 7 j 。但也有研究者发现，在错流过滤的 系统中由于离心泵的高速旋转和膜管内的激烈紊流状态会对污泥的 活性产生影响 2 8 1 。 第一章绪论 1 3 己内酰胺废水 己内酰胺( c a p r o l a c t a m ) 简称为 c p l ，化学分子式 为 明，) ，c 2 0 ，呈白色粉末或结晶周体，熔点为6 8 6 9 c ，沸点 洒 为2 6 2 5 ，易溶于水和乙醇、乙醚、氯仿、苯等有机溶剂。它是重 要的有机化工原料之一。绝大部分用于制备尼龙6 纤维，少部分用作 尼龙树脂和薄膜，且广泛应用于纺织业，汽车、船舶，电子电器、工 业机械、食品包装和日用消费品等。 己内酰胺( c p l ) 作为尼龙6 中间体，早在1 9 4 3 年首先由德国b a s f 公司实现了工业化生产【”】，随着尼龙纤维需求的迅速上升，带动了 世界范围内己内酰胺生产的迅速发展。锦纶( 尼龙) 6 纤维、锦纶树 脂、聚酰胺、薄膜和人造革的需求增长以及在工程塑料应用领域的扩 大和发展，对己内酰胺的需求量也都在不断增长。我国己内酰胺的产 量长期不能满足国内的需求，上世纪九十年代仅能满足消费量的1 3 ， 到本世纪之初仍只能满足消费量的5 0 左右 3 0 1 。因此，各大企业正 在努力扩大己内酰胺生产量，由此产生的废水量也必将大量增加。 1 3 1 己内酰胺废水的可生物降解性 己内酰胺生产废水成分复杂。主要污染物有己内酰胺l 硫胺， 甲苯、苯甲酸、六氢苯甲酸、环己烷、环己酞胺，环己烷的磺酸盐类， 乙酸等。其中有机污染物可生化性还是比较好的，从b o d 5 c o d 的 比值看出，己内酰胺为o 8 7 5 ，甲苯为o 5 8 8 ，苯甲酸为0 8 0 5 ，乙酸 为0 8 0 5 ，己内酰胺生产废水的b o d 5 c o d 大于0 3 0 ，属于可生化性 污水1 3 1 1 。 1 3 2 己内酰胺废水的处理方法 虽然己内酰胺废水属于可生化性废水，但废水中氮的含量较高， 而一般国内现有回收工艺的出水含大量己内酰胺单体，以及一部分低 1 2 磐- 攀 学硕士学位论文 聚物，c o d c ，、总氮可分别达到2 0 0 0 3 0 0 0 m g l 。和4 0 0 5 0 0 r a g l 一， 这样的水质如果用传统活性污泥法处理，只能使c o d c ，达标，丽氨氮、 总氮很难达标，而且虽然以活性污泥法为代表的传统好氧生物处理工 艺长期以来在生活污水以及工业废水处理中得到了广泛应用。但活性 污泥法也存在如下的局限性： 1 ) 活性污泥系统的传氧效率较低，能耗较高。 2 、系统在运行过程中产生大量剩余污泥，污泥的后续处理量大、 费用高。 3 ) 由于采用重力式沉淀池作为处理水和微生物的固液分离手段， 水中的胶体及微细颗粒难以去除，因而限制了其出水水质。并且二沉 池的浓缩性能受活性污泥的沉降性能的影响，因而曝气池的污泥不能 维持较高的浓度，一般约2 4 9 l ，限制了活性污泥法的生物处理能 力，致使处理装置容积负荷低，占地面积大。 4 ) 活性污泥法必须严格控制曝气池的操作条件，否则易出现污泥 膨胀、污泥上浮等问题，影响整个工艺的正常运行。 5 ) 在活性污泥的微生物系统中以世代期较短的舅养菌为主，主要 去除易降解有机物，对难降解有机物缺乏处理能力，对氮、磷等营养 物质的处理能力不高。 为了克服这一系列的局限性，环境工作者提出了诸如：多点进水、 完全混合、渐减曝气、纯氧曝气、深层曝气等多种改进形式；然后又 从革新其基本工艺出发，推出了许多新型工艺，如氧化沟、a b 法、 a 0 法、a a o 法、s b r 以及固定化微生物细胞技术等。其中最引人 注目的是用膜分离技术代替传统的重力式沉淀池而产生的新型的水 处理技术一一膜生物反应器工艺。 1 4 膜技术在污水治理及回用中的应用 1 4 1 膜分离技术 2 0 0 0 多年前，我国古人就已经在生产实践中利用天然生物膜的 第一章绪论 分离特性，但由于受当时认识水平的限制，膜技术长期以来并没有得 到应有的发展。自此以后经过了漫长的发展，直到7 0 年代初， e c u s s l e r 研制出含流动载体的液膜，继而又研制成功隔膜型液膜， 将膜分离科学提高到了一定水平。 膜分离技术中值得一提的是微孔过滤技术。微孔过滤 3 2 1 与反渗 透、超滤均属于压力驱动型膜分离技术，所分离的组分直径为 o 0 3 1 5 9 i n ，主要除去微粒、亚微粒和细粒物质。微孔过滤是以静压 差为推动力，利用筛网状过滤介质膜的筛分作用进行分离的膜过程， 其原理与普通过滤相类似，但过滤的微粒在0 0 3 1 5 t t m ，因此有称其 为精密过滤，是过滤技术的新发展。据1 9 9 3 年世界膜分离市场统计， 反渗透占9 o ，超滤占8 o ，而微滤占3 5 o ，由此可见微滤在膜 分离技术中的地位是绝对不容忽视的。 微滤操作分为两种，死端过滤和错流过滤。死端过滤操作简单易 行，适于实验室等小规模场合。对于含固量低于0 1 的料液通常采 用这种形式，而含固量在0 1 0 ，5 的料液则需进行预处理；对于含 固量高于0 5 的料液通常采用错流过滤。近2 0 年来微滤的错流过滤 技术发展很快3 3 q 引，有代替死端过滤的趋势。错流过滤时原料液以 切线方向流过膜表面，在压差作用下通过膜，料液中的颗粒则被膜截 留而停留在膜表面形成一污染层。 当料液流量较大时，为避免膜被污染和阻塞，应采用错流设计， 它在控制浓差极化和污染层堆积方面是很有效的。错流膜分离技术分 为低剪切膜分离技术和高剪切膜分离技术 3 6 1 。低剪切膜分离技术改 变了膜表面的流动状态，通过主流流体的流动在膜表面产生一定的速 度梯度，因流体粘性的作用而在膜表面产生一定的剪切力，从而使滞 留层厚度变薄，渗透通量升高，对料液里的固体浓度也没有很严格的 限制，除了反冲洗和清洗膜时间外，可以实现分离过程的连续操作， 但必需采用高