（环境工程专业论文）“接触氧化膜生物反应器”工艺处理生活污水的研究.pdf

摘要 “接触氧化+ 膜生物反应器”工艺结合了传统污水处理方法和膜生物反应器( m b r ) 的优点，针对现在一体式膜生物反应器工程实践中的诸多不足，尤其是国产膜组件在应 用中存在的问题( 如膜污染的防治、膜生物反应器工艺流程形式及运行条件的优化、污 泥产量高) ，采用传统工艺与m b r 工艺结合的方法，研究新的m b r 组合工艺，并为其 工程实践提供理论依据。本论文采用国产的m f 型膜组件，以处理人工模拟市政废水的 小试为例，对其长期运行效果、工况影响因素、污染特点、能耗分配等几个方面进行了 研究，获得了以下几方面的成果。 一、以为期1 4 8 天的多阶段试验为基础，考察了“接触氧化+ 膜生物反应器”工艺 处理人工模拟市政废水及高浓度有机废水的试验效果。通过试验发现：接触氧化池和 m b r 反应器对有机污染物去除的作用不同，接触氧化段承担了废水中大部分的有机负 荷；m b r 段有机负荷较低，特别是在低负荷( c o d = 5 0 0 m g l 左右) 下，m b r 段污泥 浓度增长缓慢，反应器内污泥在长期运行中活性降低，微生物自身分解产生大量的溶解 性微生物产物( s m p ) ，对处理效果造成不利影响。 二、接触氧化池在出水c o d 1 0 0 m g l 时，氨氮的处理效率非常低，本论文根据国 内外常用的附着式生物膜理论模型，解释了这一原因。多物种建模的结果表明，因为存 在空间和溶解氧的竞争，当液相主体内的有机基质浓度超过大约2 7 m g l 时，消化细菌 不能在生物膜内生存。根据微生物的生长理论，论文阐述了生物膜法工艺中氨氮的去除 与c o d 及溶解氧的关系。 三、m b r 工艺在其运行条件不变的情况下，反应器中污泥的增长变化是一个动态的 过程，因而其污泥的特性也具有动态变化的特性。在长期的试验运行中，本论文研究了 污泥活性的变化，同时，根据污泥活性的变化，反应器内产生的s m p 的不同，试验中 考察了中空纤维膜过滤特性的变化。 最后，在试验的长期运行中，微生物种群的变化对试验的处理效果有一定的影响。 随着试验的进行以及试验条件的改变，反应器内优势物种也在发生着变化。各优势物种 对试验的运行效果有着不同的影响，本试验通过观察，试验中研究了不同条件下出现的 优势物种以及其对试验的影响。 关键词：膜生物反应器，膜组件，氨氮，溶解氧，污泥活性，优势物种 a b s t r a c t t h ec o n t a c to x i d a t i o n m e m b r a n eb i o r e a c t o rt e c h n o l o g yc o m b i n e st h et r a d i t i o n a lt r e a t m e n t m e t h o d sa n dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) f o rt h em a n yi n a d e q u a c i e so fs u b m e r g e d m e m b r a n eb i o r e a c t o re n g i n e e r i n gi no p e r a t i o n ，p a r t i c u l a r l yf o r t h ed o m e s t i cm o d u l ep r o b l e m s i nt h ea p p l i c a t i o n ( s u c ha sm e m b r a n ep o l l u t i o nc o n t r o l ，t h eo p t i m i z a t i o no ft h em e m b r a n e b i o r e a c t o rp r o c e s sa n do p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，s l u d g eh i g hy i e l d ) ，t h et r a d i t i o n a lp r o c e s sa n dt h e m e t h o do fc o m b i n i n gm b r p r o c e s s ，a n ds t u d yt h en e wm b r c o m b i n e dp r o c e s s ，a n di t s e n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n dp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i s i nt h i sp a p e r ，u s i n gt h em fd o m e s t i c m o d u l ed e a lw i t ht h es m a l lm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt e s ta sa ne x a m p l eo fi t sl o n g - r u ne f f e c t ，t h e s t a t u so ff a c t o r s ，p o l l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，e n e r g yd i s t r i b u t i o n ，a n ds e v e r a lo t h e ra r e a sw e r e s t u d i e d f i r s t l y ，b a s e do n1 4 8d a y sm u l t i s t a g ep i l o t ，t h ec o n t a c to x i d a t i o n - m e m b r a n eb i o r e a c t o r t e c h n o l o g yt o t r e a tt h em u n i c i p a lw a s t e w a t e ra n dt h eh i g hc o n c e n t r a t i o no f o r g a n i c w a s t e w a t e rw a ss t u d i e d ，a n du n d e r s t a n d i n gt h ee f f e c to ft h eb i o f i l ma n dt h em b ri nt h e r e s p e c t i v ep a r a g r a p h t h er e s u l t ss h o w e dt h eb i o f i l ma s s u m e dm o s to f t h eo r g a n i cw a s t e w a t e r l o a d ，a n dm b ro ft h el o wo r g a n i cl o a d ，e s p e c i a l l yi nt h er e g u l a rl o a d ( c o d = 5 0 0 m g l ) ，t h e m b r s l u d g ec o n c e n t r a t i o no fg r o w t hs l o wt h es l u d g ei nt h er e a c t o r ，l o n g t e r mo p e r a t i o no f t h ea c t i v i t yd e c r e a s e d ，m i c r o b i a ld e c o m p o s i t i o no fag r e a tn u m b e ro ft h e i ro w ns m p ，t h e e f f e c to fc a u s i n ga d v e r s ee f f e c t s s e c o n d l y ，w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fe f f l u e n tc o dw a so v e r10 0m g li nt h eb i o f i l m ， a m m o n i at r e a t m e n te f f i c i e n tw a sv e r yp o o r a c c o r d i n gt oc o m m o na t t a c h m e n tb i o f i l m t h e o r e t i c a lm o d e la th o m ea n da b r o a d ，t h er e a s o n sw a se x p l a i n e d m u l t i - s p e c i e sm o d e l i n g r e s u l t ss h o wb e c a u s eo fs p a c ea n dd is s o l v e do x y g e no fc o m p e t i t i o n ，w h e nt h eo r g a n i c s u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o ni so v e r2 7m g l ，n i t r o b a c t e r i ac a n ts u r v i v ei nt h ei n s i d eo fb i o f i l m a c c o r d i n gt om i c r o b i a lg r o w t ht h e o r y ，t h ep a p e re x p l a i n e dr e l a t i o n st h ea m m o n i an i t r o g e n r e m o v a lw i t ht h ec o da n dt h ed i s s o l v e do x y g e ni nt h eb i o f i l m t h i r d l y ，w h e nt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n su n c h a n g e di nm b r ，t h es l u d g eg r o w t hi s a d y n a m i cp r o c e s si nr e a c t o r ，s ot h es l u d g ec h a r a c t e r i s t i c sa l s oh a v et h ed y n a m i cc h a n g e b y t h el o n gp e r i o do ft r i a lo p e r a t i o n ，t h ea c t i v i t yc h a n g eo ft h es l u d g ew a sr e s e a r c h e d a tt h e s a m et i m e ，i na c c o r d a n c ew i t ht h ea c t i v i t ys l u d g ec h a n g e di nt h er e a c t o r ，a sw e l la st h er e a c t o r g e n e r a t e dd i f f e r e n tq u a n t i t yo fs m p ( s o l u b l em i c r o b i a lp r o d u c t ) ，t h ep a p e rr e s e a r c h e dt h e c h a n g eo ft h eh o l l o wf i b e rm e m b r a n ef il t r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a tl a s t ，i nt h el o n g - t e r mo p e r a t i o no ft h et r i a l ，t h ec h a n g eo ft h em i c r o b i a lp o p u l a t i o n s h a v ea f f e c t e dt ot h ee f f e c to ft h ee x p e r i m e n t a l a st h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s s e da n dt h e c o n d i t i o n sc h a n g e d ，t h ee d g es p e c i e sa r ea l s ot oc h a n g ei nt h er e a c t o r t h ee d g es p e c i e sh a v e d i f f e r e n te f f e c tt ot h ep i l o to p e r a t i o n t h r o u g ht h eo b s e r v a t i o n ，t h ee d g es p e c i e su n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n sa sw e l la si t se f f e c tt ot h ee x p e r i t a lw a ss t u d i e di nt h ep i l o t k e yw o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r ；m e m b r a n em o d u l e ；a m m o n i an i t r o g e n ；a c t i v i t ys l u d g e ； d i s s o l v e do x y g e n ；e d g es p e c i e s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者虢乳坪哞 锣盼，月如日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：孔坪吩 别磁锄妒f 诲 2 箩年亨具3 多日 q 年 月日 长安大学硕十学位论文 第一章概述 1 1 污水资源化的现状 水是地球环境的基本要素之一，是人类生存的命脉，是维持人类社会发展的物质基 础和主要能源之一。中国科学院在中国水问题的出路中指出：“水问题已成为我国 2 1 世纪经济发展最突出的重大问题。 我国水资源总量约2 8 1 万立方米，居世界第6 位，但人均水资源只排在第1 2 1 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 亿立方米，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，我国人均水资源量只有2 2 2 1 m 3 , 仅是世界人均占有水量的1 4 ， 进入2 1 世纪，我国的水资源矛盾将进一步加剧，据预测，2 0 3 0 年中国人口将达到1 6 亿人，届时人均水资源仅有1 7 5 0 m 3 ，水己成为制约2 1 世纪中国社会经济持续发展的重 要因素。 为了解决水资源短缺，世界各国根据自己国情，采取了相应对策，其中开源节流是 必选的途经，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，有减少了对 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。 中国每年从城市排放工业废水和生活污水约4 2 0 亿立方米，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，约有1 0 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、湖的经处理的废水约为8 4 亿立方米。中国工 程院在为国家编制“中国可持续发展水资源战略中指出，当2 0 1 0 年和2 0 3 0 年全 国污水治理普及率分别达到了5 0 和8 0 时，城市污水对水环境的污染负荷并没有明 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 亿立方米。污水是被污染、使用价值不高的水资源。 污水资源化是指生活污水和达标排放的工业废水经深度处理后，作为可再生资源回用到 适宜的位置，它是水资源可持续发展的重要组成部分。由于人口的膨胀和工、农业的发 展，目前我国资源性缺水和质量性缺水问题都很严重，人们感受到了前所未有的水危机。 水资源危机的解决有赖于水资源的可持续利用，污水资源化正是实现水资源可持续利 用，解决水资源供需矛盾的有效措施f 2 1 。 国内外水环境恢复与再生的实践经验表明，只有污水深度处理及回用，才能实现健 康的水循环，也就是说，不仅仅做到污水处理后排放是远远不够的，必须推进污水深度 第一章概述 处理和再生水的有效利用。污水再生利用技术已经成为解决我国水资源短缺的一种重要 手段。从2 0 世纪8 0 年代开始，我国就开始大力开发污水再生利用技术，在技术研究与 工程实践方面取得了一定的进展【3 1 。但总的来说。污水再生利用规模较小，二级处理出 水的深度处理基本套用常规给水处理工艺。由于涉及管网的建设，水处理厂都在城市的 下游，再生水出不去，也是一个大问题。所以再生水一般仅限于局部利用或处理厂内部 利用，这与当前城市污水再生利用的多元化需求极不相称。因此，在确定城市污水处理 和再生利用的要求上必须体现自己的特点，工程实施要考虑国情和实际条件。对城市污 水再生利用的水质、用途、处理程度、处理流程、输水方式的选择上，要综合平衡、 远近结合，既要满足功能要求和用水水质需求，又要因地制宜、经济合理。因此，近年 来各种新型、改良型的高效废水处理技术应运而生，其中的膜分离技术，特别使膜生物 反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，简称m b r ) 组合工艺 3 】在废水处理中的应用格外引人注 意。该工艺与传统废水处理工艺相比，具有出水水质好、出水可直接回用、设备占地面 积小、活性污泥浓度高、污泥产量低以及便于自动控制的特点。虽然目前能耗较高、成 本较高仍是阻碍膜生物反应器工艺的两大瓶颈，但是该技术已经在污水回用和难降解 有机废水处理领域崭露头角，并在实际工程中得到了成功的应用，特别是近几年膜生物 反应器大量的应用于中小型污水处理工程。相信随着膜技术的发展，膜的制造成本的下 降和新型膜组件及膜生物反应器工艺的不断开发，膜生物反应器技术在废水处理中会得 到更多的应用1 4 】。 1 2 生物膜处理技术 生物处理是借助于微生物群体的新陈代谢活动除去水中的氨氮、有机物等污染物。 由于在低营养条件下生存的贫营养微生物通常是以生物膜的形式存在的，所以微污染水 源水的生物预处理方法主要是生物膜法。该法是利用附着在填料表面上的生物膜，使水 中溶解性的污染物被吸附、分解、氧化，有些还作为生物膜上原生动物的食料。用生物 预处理代替传统的预氯化处理工艺，不仅起到了相同的效果，而且避免了卤代有机物的 生成。同时微生物可使原水中可被转化成细胞物质部分的有机物得到一定的去除，使水 中生物同化有机碳( a o c ) 量大为减少，有效地防止了管网水中由于具有营养物质使细菌 得到繁殖使水质下降的现象。同时改善了水的混凝沉淀性能，使后续的常规处理更好地 发挥作用，也减轻了常规处理和后续深度处理过程的负荷，延长了过滤或活性碳吸附等 物化处理工艺的使用周期和使用容量。生物处理对有机物的去除机理主要有以下几个方 面： 长安大学硕十学位论文 ( 1 ) 微生物对小分子有机物的降解。 将部分低分子有机物分解成二氧化碳和水， 生物体。 由于微生物生长代谢中物质和能量的需要， 同时也将降解中生成的部分中间产物合成微 ( 2 ) 微生物胞外酶对大分子有机物的分解作用。 ( 3 ) 生物吸附絮凝作用。生物膜的比表面积较大，能吸附部分有机物。微生物分 泌物多聚糖等粘性物质有类似化学絮凝的作用，使部分大分子有机物在生物反应器中被 填料上生物膜吸附下来，在反冲洗时被带出反应器。目前用于水厂的生物处理工艺主要 有生物滤池、生物流化床、生物活性碳、生物转盘以及生物接触氧化法。 1 2 1 微生物代谢与污染物降解 水处理中的生物处理技术是利用微生物群体的新陈代谢活动对营养物的吸收而去 除水中污染物质达到对原水的净化。起到重要作用的微生物通常以菌胶团形式存在。细 菌的粘液层或荚膜物质相融合成菌胶团，菌胶团细菌包藏在胶体物质内，一方面对动物 的吞噬起保护作用，同时也增强了它对不良环境的抵抗能力。菌胶团的生长状态可分为 附着型( 生物膜法) 和悬浮型( 活性污泥法) 。菌胶团有较强的吸附和氧化有机物的能 力，其对有机污染物的去除作用是通过初期的快速吸附和紧接着的生物代谢作用而完成 的。菌胶团对有机物的吸附作用是一个动态过程，即吸附和脱附是同时进行的。当吸附 达到饱和时，吸附量达到最大值，只有通过再生才能恢复其吸附能力，这是借助于细菌 的代谢作用来实现的。代谢过程是其去除有机物的第二步。它将部分有机物氧化分解， 同时进行生物体的合成过程。这种氧化和合成过程都能去除有机物。细菌没有专门的吞 噬器官，在吸取营养时，分泌酶使营养物通过细胞膜进入细胞。进入细胞的营养物质用 于合成蛋白质、脂肪和其它碳水化合物。这些物质部分用于细胞的增长，在呼吸过程中 被消耗。不能被利用的物质转化成溶解状态，释放到介质中。生物降解的实质是污染物 通过微生物细胞所分泌的各种酶系统的催化而逐步氧化分解的过程。每种污染物的降解 都需要相应的酶。酶就其形成过程而言，大致可分为两类：固有酶和适应酶。固有酶是 微生物生长发育所需要的，也称基本酶。它在细胞核的基因控制下连续产生，不受细胞 周围生化环境变动的影响。在某些情况下，例如受到了各种持续的物理、化学影响，微 生物会在其体内产生适应新环境的酶，这种酶则称为适应酶。在水处理中，适应酶的产 生具有十分重要的意义。为了诱导新的酶系统产生需要一段时间，称为诱导时间。在微 生物试验中，当菌种对原水不适应时，细菌生长曲线上存在一个适应期，就是这个道理。 在生物处理不同水体的驯化过程中，除微生物种类组成发生变化外，还形成了新的适应 第一章概述 酶系统，这是生物污泥能适应水质改变的另一因素。根据酶在细胞内外的不同，可分为 胞外酶和胞内酶。外酶能透过细胞，作用于细胞外面的物质，它们都是起催化水解作用 的。内酶则不能透过细胞，只能在细胞内部起作用，主要起催化细胞的合成和呼吸的作 用。因此，外酶参与营养物质进入细胞的准备过程，而内酶促进微生物细胞同化营养物 质就很快被吸入细胞，于是通过内酶的作用，迅速完成氧化、合成等一系列生化反应。 如果细菌碰到的是复杂的或固体物质，它就分泌出外酶，把吸附在细胞周围的这种物质 分解转化成较简单的、溶解的物质，再渗入细胞，在内酶的作用下，进行氧化、合成反 应。细菌都要通过内酶和外酶的共同作用来实现对水体的净化作用。 衡量水体污染程度的重要指标之一是耗氧量，以其表征的有机物突然升高，通常是 生活污水污染的结果。有机污染物在环境中的降解可分为热分解、光分解、化学分解和 生物分解。生物能有效去除原水中可生物降解的有机物，主要是分子量小于1 5 0 0 的低 分子量有机物。这部分有机物在原水中占总有机物的比例根据不同原水水质而有所不 同，研究表明在水质较好的水体中小分子有机物所占比例较大，而在水质较差的水体中， 比例较小。因此，生物处理有效去除这部分有机物对提高整个给水处理工艺的去除效果 有重要的意义。通过可生物降解有机物的去除，可减少消毒副产物( d b p s ) 前驱物的 含量，改善出水水质。在有机物生物降解研究中，有机物究竟能降解到何程度是很重要 的，m a u s n e t 等根据有机物降解的进行程度将生物降解分为三个阶段： ( 1 ) 级生物降解( p r i m a r yb i o d e g r a d a t i o n ) ： 有机污染物在微生物的作用下，母体化合物的化学结构发生变化，并改变了原污染 物分子的完整性，即有机物本来的结构发生部分变化。 ( 2 ) 环境容许的生物降解( e n v i r o n m e n t a l l ya c c e p t a b l eb i o d e g r a d a t i o n ) 可除去有机污染物的毒性或者人们所不希望的特性，例如在表面活性剂的降解过程 中那种使表面活性剂失去起泡性能的降解作用，或者是在有毒有机污染物降解过程中使 其降低或完全去除对水生生物毒性的降解作用。 ( 3 ) 最终生物降解( u l t i m a t eb i o d e g r a d a t i o n ) ： 有机物的无机化，完全被降解成c 0 2 、h 2 0 和其它无机物，并被同化成微生物的一 部分。在利用微污染水源水的课题中，去除其中的有机物是至关重要的，因为有机物在 通常采用的加氯消毒过程中消耗氯，而且产生的氯代物可能是三致物质。对有机物的完 全生物降解通常比较困难，尤其对于难降解的惰性物质或是稳定存在的生物代谢产物， 例如腐殖质，它能稳定存在于天然水体中，是天然有机物( n a t u r a lo r g a n i cm a t t e r , n o m ) 4 长安人学硕二卜学位论文 的主要部分。但微生物降解有机物有巨大潜能，被一些学者称作“微生物的绝对可靠性” 和“微生物降解的必然性”。微生物有着巨大的适应能力，充分利用生物作用是环境保 护中充分利用自然的无害化过程，而且可以降低处理费用，所以强化生物过程是微污染 水源水处理的必然方向。 1 2 2 生物膜法的优点 研究与实践均已经表明，在许多情况下，生物膜法不仅能代替活性污泥法用于城市 污水和工业废水的二级生物处理，而且还具有一些独特的优点，如运行稳定、抗冲击负 荷、更为经济节能、无污泥膨胀问题、具有定的硝化与反硝化功能、可实现封闭运转 防止臭味等。具体表现如下： ( 1 ) 经济节能，易于维护管理 在生物膜上生长繁育的生物中，动物性营养一类者所占比例较大，微型动物的存活 率亦高。这就是说，在生物膜上能够栖息着寡毛类和昆虫，在捕食性纤毛虫、轮虫类、 线虫类之上还栖息着寡毛虫类和昆虫，因此，在生物膜上形成的食物链要长于活性污泥 上的生物链。正是这个原因，在生物膜处理系统内产生的污泥量也少于活性污泥处理系 统，特别是在生物膜较厚时，底部厌氧层的厌氧菌能够降解好氧过程合成的剩余污泥， 从而使总的剩余污泥量大大减少，因而可以减少污泥处理与处置的费用。 生物膜处理系统具有较高的生物量，一般不需要污泥回流，因而不需要经常调整反 应器内污泥量和剩余污泥排放量，易于运行的维护和管理。此外，生物滤池、生物转盘 等工艺，都节省能源，动力费用较低，去除单位重量b o d 耗电量较小。 ( 2 ) 具有一定的硝化反硝化功能 在生物膜处理法中，生物污泥的生物固体平均停留时问与污水的停留时间无关。因 此，硝化和亚硝化菌也得以繁衍、增殖。因此，生物膜法的各项处理工艺都具有一定的 硝化功能，采取适当的运行方式，还可能具有反硝化脱氮的功能。 ( 3 ) 对水质、水量变动有较强的适应性 生物膜处理法的各种工艺，对流入原污水水质、水量的变化都具有较强的适应性， 这种现象已为多数运行的实际设备所证实，即或有一段时间中断进水，对生物膜的净化 功能也不会造成致命的影响，通水后能够很快地得到恢复。 ( 4 ) 污泥沉降性能好，无污泥膨胀问题 由生物膜上脱落下来的生物污泥，所含动物成份较多，比重较大，而且污泥颗粒个 体较大，沉降性能良好，宜于固液分离。另外，由于微生物附着生长，即使丝状菌大量 第一章概述 繁殖，也不会导致污泥膨胀。相反还可以利用丝状菌较强的分解氧化能力，提高处理效 果。 ( 5 ) 能够处理低浓度的污水 活性污泥处理系统，不适宜处理低浓度的污水，如原污水的b o d 5 值低于5 0 - 6 0 m g l ，将影响活性污泥絮凝体的形成和增长，净化功能降低，处理水质低下。但是，生 物膜法对低浓度污水，也能够取得较好的处理效果，运行正常可使b o d 5 为2 0 , - - , 3 0m g l 的原污水b o d 5 降为5 - - 1 0m g l 。 1 2 3 生物膜技术在污水处理中的应用 ( 1 ) 生物接触氧化法 生物接触氧化法是生物预处理工艺中一种有代表性、研究较深入和应用较多的类 型。生物接触氧化工艺是1 9 世纪木发展起来的，日本于1 9 7 1 年开始应用于饮用水源水 的预处理，国外已有生产应用的实例。从2 0 世纪9 0 年代起，国内这项技术开始进入生 产性试验和实际工程应用阶段。我国“七五”、“八五”和“九五”科技规划中都把生物 接触氧化水处理技术的攻关放在重要位置。清华大学、同济大学和中国市政工程中南设 计院等单位对该项目技术进行了系统的试验和研究，取得了很好的效果，表明生物接触 氧化法是一种行之有效的方法。生物接触氧化法是在池内设置人工合成的填料，已经充 氧的污染原水浸没全部填料，并以一定的流速流经填料，通过填料上形成的生物膜的絮 凝吸附、氧化作用使水中的可生化利用的污染物基质得到降解去除。它属生物膜法的一 种，主要由池体、填料、布水装置和曝气系统四部分组成。应用生物接触氧化法处理微 污染原水，通常采用自然挂膜法，以氨氮和化学需氧量去除率达到稳定水平作为挂膜成 功的标志。原水与生物膜接触时，通过微生物的新陈代谢活动和生物吸附、絮凝、氧化、 硝化、合成和摄食等综合作用，使源水中氨氮、铁、锰和有机物等逐渐被氧化和转化， 达到净化水质的目的。 ( 2 ) 曝气生物滤池( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ，b a f ) 生物滤池是目前生产上常用的生物处理方法，有淹没式生物滤池( 曝气与不曝气) 、 煤砂生物过滤及慢滤池等。滤池中装有比表面积较大的填料，通过固定生长技术在填料 表面形成生物膜，水体与生物膜不断接触过程中，使有机物及氮等营养物质被生物膜吸 收利用而去除，这种滤池在运行中有时需补充一定量的压缩空气，这不仅为生物生长提 供足够的溶解氧，而且有助于新老生物膜的更新换代，保证生物膜的高氧化能力。曝气 生物滤池工艺是近年来国际上较为流行的一种新型水处理技术。与传统的生物处理技术 6 长安人学硕一i ：学位论文 相比，曝气生物滤池具有占地面积小、处理效果好、抗冲击负荷能力强、流程简单、能 耗省、填料经久耐用及维护费用低等突出优点。b a f 在欧洲、北美及日本等国已获得了 广泛的应用，在世界各地有几百座b a f 处理设施，在国外其主要应用领域包括城市污 水处理、生活污水处理、工业废水处理以及中水处理等。目前，曝气生物滤池技术已被 引入给水处理领域，并逐渐成为对微污染源水进行生物预处理的有效手段之一。研究表 明，曝气生物滤池是去除微污染源水中有机物、氨氮等污染物的一种行之有效的方法， 其对氨氮的去除率达8 0 以上，对耗氧量、浊度、色度、铁、锰等污染物也均有较好的 去除效果。曝气生物滤池预处理技术不仅可减少消毒过程中的氯气消耗量，减少水中卤 代有机物的生成量，降低给水管网中细菌滋生的可能性，提高饮用水的安全性，而且还 可降低混凝剂的投量，降低运行成本，使后续处理工艺变得简单易于操作。从2 0 世纪 9 0 年代起，国内微污染原水的曝气生物滤池预处理技术开始进入生产性试验研究阶段。 ( 3 ) 生物转盘 生物转盘( r o t a t i n gb i o l o g i c a lc o n t a c t o r ，简称r b c ) 是一种生物膜法废水处理技术， 其于2 0 世纪6 0 年代开创以来，在污水处理中已被广泛采用，目前在给水处理中尤其是 水源水污染较为来严重的水处理中逐渐被采用。生物转盘主要由盘片、接触反应槽、转 轴及驱动装置所组成，其整个处理过程为：转盘浸入或部分浸入充满废水的接触反应槽 内，在驱动装置的驱动下，转轴带动转盘一起以一定的线速度不停地转动，转盘交替地 与废水和空气接触，经过一段时间的转动后，盘片上将附着一层生物膜。在转入废水中 时，生物膜吸附废水中的有机污染物，并吸收生物膜外水膜中的溶解氧，分解有机物， 微生物在这一过程中以有机物为营养进行自身繁殖；转盘转出废水时，空气不断溶解到 水膜中去，增加其溶解氧。生物膜交替的与废水和空气接触，变成一个连续的吸氧、吸 附、氧化分解过程，使生化过程更为有利地进行，转盘上生物膜生长的表面积大，生物 量丰富，不会出现生物滤池中滤料堵塞情况，容易清理与维修管理，而且生物转盘有较 好的耐冲击负荷的能力，运转费用较低，脱落生物膜也易于处理，但存在不足之处是生 物需要的接触时间较长，构筑物占地面积较大，且塑料盘片的价格较贵。 1 3 膜生物反应器的发展及简介 1 3 1 膜生物反应器的历史 膜与生物处理工艺结合的膜生物反应器研究迄今已有3 0 多年了，m b r 的商业应用 也有2 0 多年的历史了。1 9 6 9 年，美国的s m i t h 首次报道了美国的把活性污泥法和超虑 工艺结合处理城市生活污水的方法。该工艺最引人瞩目的是用膜分离技术取代常规的活 第一章概述 性污泥二沉池，用膜分离技术作为处理单元中富集生物的手段，而不是采用常规的回流 循环来增加曝气池中微生物的浓度。它是用一个外部循环的板框式组件来实现膜过滤 的。在生活污水的处理中，获得了极佳的处理效果。b o d l m j l ，c o d = 2 0 - - - , 3 0 m g l ，系 统处理能力为1 0 , - 、, 1 0 0 m 3 d 。但由于受当时膜生产技术的限制，膜的使用寿命短、通水 能力低，价格昂贵，而难以投入实际使用，进入2 0 世纪7 0 年代后，鉴于水和土地资源 的日益紧张，日本开始重视膜分离技术在废水处理和中水回用中的应用，并组织大学、 研究院和企业等开始了全面的研究，使m b r 技术开始进入实用阶段。与此同时，美国开 发的好氧分离式m b r 处理城市污水的试验规模进一步扩大，并取得了较满意的结果。进 入2 0 世纪8 0 年代后，随着膜制造技术的发展以及膜分离工艺的不断完善，m b r 技术开 始在废水处理领域受到广泛重视，并得到快速推广应用。自1 9 8 3 年到1 9 8 7 年，日本有 1 3 家公司使用好氧m b r 处理写字楼废水，并将出水进行中水回用，出理规模达5 0 - - , 2 5 0 m 3 d ，其于1 9 8 5 年开始实行的“水综合再生利用系统9 0 年代计划”则大大推进了 m b r 的研究及其在污水处理中应用对象和规模。进入2 0 世纪9 0 年代中后期，对m b r 的 研究方兴未艾，并更趋深入。日益增多的欧美等发达国家将m b r 处理城市污水的生产性 研究，同时将m b r 应用于不同废水的处理，并开始有四家大公司经营m b r ，它们分别是 加拿大的z e n o n 公司、日本的m i t u b i s h ir a y o n 公司、法国的s u e zl d e i d i 公司和日 本的k u b o t a 公司。目前，全世界有超过几千套m b r 系统投入实际运行，正在设计建设之 中的亦为数众多。日本是世界上应用m b r 工艺发展最快的国家之一，其应用m b r 工艺的 污水处理厂占全球的7 0 以上，其余主要分布在欧洲和北美等发达国家。目前，大部分 应用m b r 工艺的城市污水处理厂的处理能力小于4 0 0 m 3 d ，但近几年能力为5 0 0 0 一- - 2 0 0 0 0 m 3 d 的m b r 污水处理厂的数量以在逐年增加。 我国有关m b r 工艺的研究始于2 0 世纪9 0 年代初期，虽然起步较晚，但发展十分快 速。1 9 9 1 年开始对日本等国家的m b r 相继开展了该工艺的研究【5 】。1 9 9 5 年，国家科委资 助天津大学进行了对该工艺的研究，并成功开发了厌氧一好氧m b r 工艺，取得了一系列 研究成果，并为该工艺的进一步研究和生产性实用化打下了良好的基础。与此同时，清 华大学、同济大学、中科院生态环境研究中心、哈尔滨工业大学以及其他高等院校及科 研单位等对不同类型的膜、不同的m b r 运行方式及其处理不同废水的效能和运行控制方 式等进行了研究，取得了一大批研究成果，m b r 的处理对象由城市污水生活污水的处理 扩展到石化废水、高浓度有机废水、食品废水、啤酒废水、印染废水等，其工艺形式由 活性污泥法拓展到接触氧化法，由好氧工艺发展到厌氧工艺，有力地促进了该工艺的产 长安大学硕士学位论文 业化【6 1 。现在，我国最大的m b r 工艺4 5 0 0 0 m 3 d 的密云再生水厂已经建成投产。 1 3 2 膜生物反应器的类型及工作原理 膜生物反应器主要是由膜组件、泵和生物反应器三部分组成。其中生物反应器是污 染物降解的主要场所，膜是对混合液和对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的必备设备( 根据泵与膜组件的相对位置的不同分为 加压泵和吸压泵) 。根据膜组件在膜生物反应器中所起的作用的不同，可将其分为分离 式膜生物反应器( b s m b r ) 、无泡曝器膜生物反应器( m a b r ) 和萃取膜生物反应器 ( e m b r ) 三种类型，而目前通常所说的m b r 即是此三种类型的总称。其中b s m b r 是目前研究和应用最广泛和深入的膜生物反应器，在无特指的情况下，通常称之为 m b r 。该工艺所使用的膜组件相当于传统生物处理系统中的二沉池，主要功能是固液分 离，截留的污泥回流至生物反映器，透过水外排；m a b r 则采用透气性膜，对生物反应 器进行无泡曝气，实现对氧的高效利用；e m b r 则采用萃取膜将废水中的有害或溶解性 差的物质进行萃取后，采用专性菌对气进行单独的生化降解，从而使专性菌不受废水中。 离子强度和p h 的影响，优化生物反应器的功能。 在上述分类的基础上，还可进一步加以分类。如根据m b r 中微生物生长需氧情况 的不同可分为好氧( o m b r ) 和厌氧( a m b r ) 两大类，o m b r 有活性污泥法和生物膜 法等，a m b r 有硫化床法、u a s b 法、固定床法、接触氧化法和两相法等；根据组件中 的膜材料化学组成的不同可分为有机膜m b r 和无机膜m b r ；根据膜孔径大小的不同可。 分为微滤膜m b r 和超滤膜m b r 。此外，根据膜组件和生物反应器的组合位置的不同， 膜生物反应器游客分为一体式和分置式膜生物反应器两大类。前者指膜组件安置在生物 反应器的内部，后者是指膜组件与生物反应器分开设置；根据m b r 运行方式的不同， 又可分为按一定时间顺序间歇操作的序列间歇式活性污泥法m b r 工业和连续运行的 m b r 工艺。上述各种分类的m b r 并不互相排斥，在必要的情况下可以组成一个新的生 化反应系统。图1 1 所示为m b r 的分类。 9 第一章概述 ( 1 ) 分置式膜生物反应器( c m b r ) 图1 1m b r 的分类 i 燮 聃” 生- 履直 一。一1 图1 2 分置式m b r 分置式m b r ( c m b r ) 通过料液循环错流运行，加压泵从生物反应器抽水，压入 膜组件中，膜滤后水排出系统，浓缩液回流至生物反应器。c m b r 运行方式具有稳定可 靠、膜易于清洗及更换、通量较大等优点。其不足是其在较高的交叉流速和压力条件下 工作，膜组件分离的污泥需要回流，为减少在膜表面的沉积和污染，以延长其清洗时间 间隔，通常需要循环加压泵提供较高的膜面错流速度( 3 6 m s ) ，压入膜组件，以在膜 表面形成有效的冲刷作用。因而致使循环流量增大，所需动力消耗较大( 处理每方水的 能耗为2 - - 1 2 k w h ，是c a s 工艺的1 0 - 2 0 倍) 。同时，由于泵的高速旋转，在混合液流 经泵叶轮时，易使微生物菌体在高强的剪切作用下失去活性。对此，亦可采用旋转膜组 件的方式加以克服。目前，已经规模应用的膜生物反应器大多为分置式，但其动力费用 过高，因此能耗较低的一体式膜生物反应器的研究逐渐得到了人们的重视。 ( 2 ) 一体式膜生物反应器( s m b r ) l o k 安大学硕士学位论文 进水 图1 3 一体式m b r 一体式膜生物反应器工艺流程如图1 3 所示：一体式膜生物反应器是将膜组件直接 安置在生物反应器内部，曝气装置设置在膜组件的下方。原水进入生物反应器后，其有 机底物在其高浓度的混合活性污泥的作用下得到氧化分解。膜组件下方的曝气装置不仅 具有混合液微生物提供足够的d o 和促进搅拌混合的功能，同时由于起跑的搅动及其在 膜表面形成的循环流而起到对膜表面的冲刷和剪切作用，可有效防止污染物在膜表面的 附着和沉积。处理后的废水经抽水泵的负压抽提，通过膜的分离作用，而使混合液中的 非溶解性物质截留在混合中，净化水则通过膜而成为处理出水。此种组合运行方式的 m b r 可省去二沉池和混合液循环系统，其所需的能量较低，整体结构较为紧凑，占地 面积少。但由于将膜设置于高浓度的混合液内，其膜通量相对较小，容易发生膜污染问 题，较难以清洗和对膜组件的更换。同时，一体式m b r 的出水通常是间歇的。为有效 防止一体式m b r 的膜污染问题，可采取在膜下方进行高强度曝气的方式，以增强空气 和水流的搅拌紊流作用，延缓污染物的沉积和污染；也可将组件固定于中空轴，使其水。 随轴转动，在膜表面形成交叉流，防止膜污染。 s m b r 对废水中有机底物强化去除的原理，主要表现在：由于膜对混合液中m l s s 的截留作用，使生物反应器的m l s s 大大高于传统的活性污泥法，进而强化了有机物的 氧化降解作用。同时，由于膜对m l s s 的截留作用，使污泥