（环境工程专业论文）一种新型两段式生物反应器处理生活污水的试验研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：狸挝二釜 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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 和借阅；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 f 保密论文在解密后应遵守此规定) 沦文作者签名：在世：釜导师签名：拯豁 期： 山乐人学帧i | 乍位论上 摘要 本论文丌发研究了一种利用两段式生物反应器实现废水资源化的新型工艺， 设霄序批式好氧颗粒污泥生物反应器和膜生物反应器两个生物反应阶段。在第一 阶段中。通过对序批式反应器内好氧颗粒污泥的培育实现了有机物的高效去除， 在此过程中产生少量的剩余污泥，而随出水被沈出的分散细菌( s s ) 刚好成为第二 个阶段即膜生物反应器内原、后生动物的养分；第二阶段则在m b r 内对污水进 行深一步处理，实现对第一阶段有机物的进一步降解，提高出水水质，同时微型 动物大量捕食细菌，实现帚蜍污泥减量化。 在序批式反应器中，通过改变操作条件培养出颗粒活性污泥，较小的沉淀时 日j 是产生颗粒污泥的主要因素。在较低的沉降速度下产生以菌胶团为主的颗粒， 提高污泥的沉降速度产生以丝状菌为主要结构的颗粒污泥。反应器的容积负荷对 颗粒结构有一定影响，提高容积负荷有利于形成密实且沉降速度快的颗粒污泥 容积负荷的提高对c o d 去除效果没有明显影响，有机物的去除主要在一个周期 的前期发生。氨氮的去除约为2 4 左右，出水中几乎没有硝酸赫和亚硝酸盐，反 应器中可能发生同步硝化反硝化 膜生物反应器中投加粉末活性炭后形成的( p a c m b r ) 组合工艺，改善了污泥 混合液的性状，膜污染得到了有效缓解，同时出水水质得到提高，出水经适当处 理可达到回用的目的。研究结果表明：组合工艺可以明显改善膜的过滤性能，显 著提高膜的使用周期p a c 的吸附作用减少了由于胞外聚合物而引起的膜污染： 膜表面p a c 颗粒的存在减小了浓差极化层的厚度和水力边界层的厚度，提高了 对流传质系数和过滤物质的传递速率：膜表面形成的p a c 层提高了潜在污染物 的反扩散，还可过滤微生物和胶体颗粒，减少它们到达膜表面的数量。 组合工艺能在不排泥的运行条件下。保证了出水水质。稳定运行后化学需氧 量c o d 去除率可达到9 5 以上，出水氨氮基本维持在lm g l 以下，出水无s s 检出，出水浊度小于o 3n t u ，同时减缓了膜污染，大大增加了膜清沈和更换周 期。两段式生物反应器工艺不仅是污泥减量技术发展的方向，也是防治膜污染的 有效手段，是一项高效、节能的新型城市污水资源化技术，具有良好的经济、环 境和社会效益，具有广阔的市场前景。 关键词：两段式生物反应器，组合工艺，好氧颗粒污泥，膜生物反应器，生活污水 山东久学颀f 擘位论上 a b s t r a c t 【nt l l i sp a p e r , an o v e lt e c h n o l o g yu s i n ga t w o s t a g e sb i o r e a c t o ri no r d e rt oa c h i e v e w a s t e w a t e rr e c l a m a t i o nw a sd e v e l o p e d i tw a sc o m b i n e dw i t hag r a n u l a rs e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o r ( s b r ) a n dam e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) d u n n gt h ef i r s tp r o c e s s ，t h e o r g a n i cm a t t e rc o u l db er e m o v e de f f e c t i v e l yb yt h ec u l t i v a t e da e r o b i cg r a n u l e si nt h e s b r a tt h es a m et i m e ，i i t t l ee x c e s ss l u d g ew a sp r o d u c e dw h i l et h es u s p e n d e ds o l i d ( s s lw a s b e do u tw i t ht h ee f f l r e n tb e c a m et h ea l l t r i e n to ft h ep r o t o z o a na n dm e t a z o a i nt h em b r t h es e c o n dp r o c e s sc o u l dh a v et h ew a s t e w a t e rf u r t h e rt r e a t m e n to nt h e b a s i so ft h ef i r s tp r o c e s st oi m p r o v et h ee 街u e n tq u a l i t y , a n dr e a l i z et h ee x c e s ss l u d g e r e d u c t i o nt h r o u g ht h em i c r o f a u u ap r e d a t i o n t h ea e r o b i cg r a n u l e sc o u l db ec u l t i v a t e ds u c c c s s f u l l yi nt h es b rb vc h a n g i n g t h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，a n dt h es h o r t e rs e t t l i n gt i m ew a st h ep r i m a r ya f f e c t i n gf a c t o r t h ez o o g l o e ag r a n u l e sp r e d o m i n a t e di nt h el o w e rs e t t l i n gv e l o c i t y , t h e nf i l a m e n t o u s m i c r o o r g a n i s m sg r a n u l e sc o u l db ef o r m e dw i t ht h ei n c r e a s i n go f t h es e t t l i n gv e l o c i t y t h eo r g a n i cl o a d i n gr a t e ( o l r lh a ds o m ee f f e c t so nt h eg r a n u l a rs t r u c t u r e w i t ht h e i n c r e a s i n go fo l h i g h e rs e t t l i n gv e l o c i t ya n dd e n s e rg r a n u l e sc o u l db es h a p e d b u t t h er e m o v a le 衔c i e n c yo fc o dd i dn o ta l t e ro b v i o u s l y t h er e m o v a lo fo r g a n i c p o l l u t a n t sh a p p e n e dd u r i n gt h ef o r m e rp e r i o dm a i n l y t h er e m o v a le m c i e n c yo f a m m o n i am t r o g e nw a sa b o u t2 4 w h i l en i t r a t ea n dn i t r i t ew e r ea l m o s ta b s e n ti nt h e e m u e n t s i m u l t a n e o u sn i 仃i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o nm i g h to c c u ri nt h er e a c t o r a d d i n gp a ct ot h em b r c o u l da m e l i o r a t et h ec h a r a c t e r i s t i c so fs l u d g em i x t u r e a n dr e d u c et h em e m b r a n ef o u l i n ge f f e c t i v e l y t h ee f f l u e n tq u a l i t yc o u l da l s ob e a d v a n c e da n dr e u s e da f t e rs o m eo t h e rr e l e v a n tt r e a t m e n t r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e c o m b i n e dt e c h n o l o g yc o u l di m p r o v et h em e m b r a n ef i l t r a t i o np e r f o f i n a n c ee v i d e n t l y a n di n e r e a s e dt h eu s i n gp e r i o do fm e m b r a n e n i ea d s o r p t i o ne 仃e c to fp a cr e d u c e d t h em e m b r a n ef o u l i n gc a u s e db ye p s 1 1 他p r e s e n c eo fp a co nt h em e m b r a n es u r f a c e m i n i s h e dt h et h i c k n e s so f t h ec o n c e n t r a t i o ni m l a r i z a t i o na n dh y d r a u l i cb o u n d a r yl a y e r t h et r a n s f e r r i n gv e l o c i t yo ft h ef i l t e r e dm a t t e rw a se n h a n c e d a tt h es a m et i m e t h e p a cl a y e rc o u l da l s of i l t e rt h em i c r o o r g a n i s m sa n dc o l l o i d st oc u td o w nt h ea m o u n t l a n d i n go nt h em e m b r a n es u r f a c e t h ec o m b i n e dp r o c e s sc o u l de n s u l et h ee f f l u e n tq u a l i t yw i t h o u td i s c h a r g i n g s l u d g e t h ec o dw a sr e d u c e db v9 5 a n dt h ea m m o n i u mc o n c e n t r a t i o ni nt h e e f f l u e n tw a su n d e rl m g l t h e r ew a sn os si nt h ee f f l u e n la n dt h et u r b i d i t yw a sl e s s t h a n0 3 n t u a tt h es a m et i m e ，t h em e m b r a n ef o u l i n gc o u l db ea l l e v i a t e da n dt h e c l e a n i n ga n dr e p l a c i n gp e r i o dw a sp r o l o n g e d t h et w o - s t a g e sb i o r e a c t o ri sn o to n l yt h ew a yo fs l u d g er e d u c t i o nb u ta l s ot h e e f f e c t i v em e a s u r et op r e v e n tt h em e m b r a n ef o u l i n g i ti sah i g he 衔c i e n c ya n ds a v i n g e n e r g yn o v e lt e c h n o l o g yt or e a l i z et h ew a s t e w a t e rr e c l a m a t i o n w h i c hs h o w sg o o d e c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i ta n db r o a dm a r k e t k e yw o r d s ：t w o s t a g e sb i o r e a c t o r ，c o m b i n e dt e c h n o l o g y ，a e r o b i cg r a n u l e s ，m b r ， d o m e s t i cw a s t e w a t e r 2 山东人学倾卜学位论史 第一章绪论 1 1 课题背景 水是生命之源，有“蓝色黄金”之称。地球表面约有7 0 以上面积为水所覆盖， 其余约占地球表面3 0 的陆地也有水存在，但只有2 5 3 的水是供人类利用的淡 水。由于丌发困难或技术经济的限制到目觚为止，海水、深层地下水、冰雪固 念淡水等难以被直接利用。比较容易丌发利用的、与人类生活生产关系最为密切 的湖泊、河流和浅层地下淡水资源，只占淡水总储量的0 3 4 ，还不到全球水总 量的万分之一，因此地球上的淡水资源并不丰富同时，水资源在各地分布极不 均匀，全球有6 0 以上的陆地淡水不足，其中2 6 个国家的3 亿多人生活在缺水 状态中，缺水已经成为世界性问题【l 】联合国预计，到2 0 2 5 年，世界将近一半 的人口会生活在缺水的地区。中国水资源状况也不容乐观，人均占有量排在世界 l l o 位，被联合国列为1 3 个贫水国家之一【2 1 进入2 l 世纪后，因为人口增长、不合理使用、污染和全球变暖等原因，地 球生命之液已经向人类亮出黄牌。在我国，水资源的利用方面存在三个方面的问 题：一是随着人口的急剧增加、经济的快速发展和人民生活水平的提高，用水量 持续增长。导致水资源短缺；二是我国的生产力水平较低，人们的节水意识较差， 水资源浪费严重；三是水污染严重，这更加剧了水资源的紧张程度。根据2 0 0 4 年中国环境状况公报公布：我国七大水系的4 1 2 个水质监测断面中，4 1 8 的断面满足i i 类水质要求，3 0 3 的断面属、v 类水质，2 7 9 的断面属 劣v 类水质，由此可见，我国地表水各类水体污染情况非常严重。同时，地下水 状况也不容乐观，多数城市的地下水均受到点状或面状污染，水危机已经严重制 约了人类的可持续发展。正如联合国早在1 9 7 7 年所发出的警告：“水不久将成为 一项严重的社会危机，石油危机之后的下一个危机是水”。对于以上问题，我国 水资源的总体战略是：必须以水资源的可持续利用支持我国社会经济的可持续发 展。因此，在城市生活和工业用水方面，必须从不够重视节水、治污和不注意丌 发非传统水资源转变为节流优先、治污为本、多渠道丌源的城市水资源可持续利 用战略，这是保证我国水资源可持续利用所必需，也是建设现代化工农业和城乡 健康生活的重要内容。 山东人学做i 学位论文 城市污水水质相对稳定，水量有保证，取水费用比远距离引水要低得多，再 生利用可以大大减轻环境污染，促进资源的良性循环l 引鉴于城市污水的这些优 势许多国家在丌源节流中把城市污水作为第二水源，并成功地用于工农业生产 和城市建设等领域上个世纪未期，美国在水领域的总体战略目标发生了调整， 由单纯的水污染控制转变为全方位的水环境可持续发展。随着战略目标的调整 带来了美国水的管理体制和技术路线两方面的变化在污水处理的技术路线上， 关键性的转变是出单项技术转变为技术集成。以往是以达标排救为目的，针对某 些污染物去除而设计工艺流程，现在调整到以水的综合利用为目的，将现有的技 术进行综合、集成，以满足所设定的水资源化目标。技术路线和工艺流程不断升 级换代，具体体现在以下几个方面：城市二级污水处理厂升级换代，二级污水 处理厂普遍增加了三级处理工艺流程，以便于实现再利用目的。污水三级处理 后增加高级深度处理，经过上述三级处理后的出水，采用微滤膜过滤和反渗透膜 处理等工艺，出水水质可达到饮用水杯准，目l ；i 多用于补充作为饮用水水源的地 面水或地下水。建立“水银行”概念，将地面水和地下水互补使用，将丰水期剩 余的自来水，以及经深度处理后的达标水回注到地下含水层储存，当干旱或需要 用水时。从“水银行”中调出所需的地下水以满足供水需求。污水处理设施实现 了装置化、小型化，使城市污水分散处理、就地回用得以实现。 随着我国经济的迅速发展、人民生活水平的提高和拉动内需力度的加大，我 国城市化的速度大大加快，大量的小城镇迅速兴起，城市排水量平均以2 4 亿一 的速度逐年递增。但迄今为止。绝大部分小城镇中的城市污水仍然处于不加治理 直接排放到水体的状态，成为水体环境污染的主要来源；已建成或拟建设的污水 处理工艺，绝大部分套用现有大城市大型污水处理厂的污水处理工艺，对小城镇 排放的污水水量、水质等特点针对性不足，而且大部分工艺仅以去除有机物为主 要目的。对氮、磷等去除效果差，容易造成水体富营养化。因此，为改善我国水 环境污染的现状，遏制水体富营养化，研究和丌发适合中小城镇的高效、经济的 具有脱氮除磷作用的污水处理技术和工艺具有十分重要的意义。同时，传统的污 水处理厂采用的活性污泥法剩余污泥产量较大，容易造成二次污染，在充分保证 处理效果的前提下，尽可能采用剩余污泥产生量小的工艺，以实现良好的经济、 环境和社会效益。 山东人学帧i ：学位论史 1 2 我国城市污水处理工艺与技术的发展 我国解决城市污水的净化问题始于2 0 世纪7 0 年代些城市利用郊区的坑 塘洼地、废河道、沼泽地等稍加整修或围堤筑坝。建成稳定塘，对城市污水进行 净化处理此阶段开始重视引进国外先进技术和设备，开展与国外的技术交流， 逐步探索适合我国国情的工程技术和设计为以后的建设奠定了基础。 我国现有城市污水处理厂8 0 以上采用的是活性污泥法，其余采用一级处 理、强化一级处理、稳定塘法及土地处理法等。“七五”、“八五”、“九五”国家科 技攻关课题的相继建立与完成，使我国在污水处理新技术、污水再生利用新技术、 污泥处理新技术等方面都取得了可喜的科研成果，某些研究成果达到国际先进水 平同时国外许多新技术，新工艺、新设备被引进到我国，a b 法、氧化沟法、 o 工艺、刖oi 艺、s b r 法在我国城市污水处理厂中均得到应用。 我国8 0 年代以前建设的城市污水处理厂大部分采用普通曝气法活性污泥处 理工艺，由于该工艺主要以去除b o d 和s s 为主要目标，对氮磷的去除率非常 低。为了适应水环境及排放要求，一些污水处理厂正在进行改造，增加或强化脱 氦和除磷功能。a b 法污水处理工艺于8 0 年代初丌始在我国应用于工程实践。 由于其具有抗冲击负荷能力强、对d h 值变化和有毒物质具有明显缓冲作用的特 点，故主要应用于污水浓度高、水质水量变化较大，特别是工业污永所占比例较 高的城市污水处理厂目前氧化沟工艺是我国采用较多的污水处理工艺技术之 一，应用较多的有奥贝尔氧化沟工艺，由我国自行设计，全套设备国产化，已有 成功实例。d e 型氧化沟和三沟式氧化沟在中高浓度的中小型城市污水处理中也 有应用。多种类型的s b r 工艺在我国均有应用，如c a s t 工艺、u n i t a n ki 艺等。 随着我国对水环境质量要求的提高，修订后的国家污水综合排放标准 ( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 也越来越严格，特别是对出水氮、磷要求的提高，使得新建城市 污水处理厂必须考虑氮磷的去除问题。由此丌发了改良? d m oi 艺和回流污泥 反硝化生物除磷工艺，并已丌始在实际工程中应用，同时一些用于城市污水深度 处理的工艺如m b r 等也得到了大力的丌发和研究并进行了中试工程。从工程规 模上看，一批大中型污水处理厂的相继建成投产标志着我国污水处理事业发展到 一个崭新的阶段。 山牙：八学帧i 学位论正 1 3s b r 工艺简介 序批式( 问歇) 活性污泥法( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ，简称s b r ) 是近年来在国 内外被引起广泛重视和研究r 趋增多的一种废水处理工艺早在1 9 1 4 年英国学者 a r d e n 和l o c k e t 发明活性污泥法之时，首先采用的便是这种水处理工艺。由于处 理工艺流程简单，处理效果好等优点，逐渐引起世界污水处理界的广泛关注我 国也于2 0 世纪8 0 年代中期丌= 始对s b r 进行研究，迄今应用已比较广泛。近年来， 随着计算机和自动控制技术的飞速发展，解决了活性污泥法丌发初期日j 歇操作中 的复杂问题，使该工艺的优势得到了逐步充分的发挥，而监测技术的自动化程度 以及污水处理厂自动化管理要求的r 益提高，又为i 、日j 歇式活性污泥法再度深入研 究和应用提供了极为有利的先决条件。从应用情况束看，s b r 是一种高效、经济、 可靠、管理方便、适合中小水量污水处理的工艺，符合我国的国情，在我国有着 广阔的应用酊景 序批式活性污泥法工艺是由按一定顺序日j 歇操作运行的s b r 反应器组成的。 s b r i 艺一个完整的操作过程，办即每个s b r 反应器在处理废水时的操作过程包 括如下五个阶段：进水、反应、沉淀、出水、闲置s b r 法的运行工况以日j 歇操 作为主要特征。所谓序列问歇式有两种含义：一是运行操作在空间上是按序列排 列、宜歇的，由于污水大都是连续排放且流量波动很大，这时s b r 反应器至少为 两个池或多个池，污水连续按序列进入每个反应器，它们运行时的相对关系是有 次序的，也是间歇的：二是每个反应器的运行操作。在时间上也是按次序排列的、 间歇的，一般可按运行次序分为上述五个阶段，称为一个运行周期。在一个周期 中。各个阶段的运行时间、反应器内混合液体积的变化以及运行状态等都可以根 据具体污水性质、出水质量与运行功能要求等灵活掌握。因此对于某单一的s b r 反应器来说，不存在空| b j 上控制的障碍，只在时| 日j 上进行有效地控制和变换，即 能达到多种功能的要求，灵活性强。 s b r 工艺是一种简易、快速且低耗的废水生物处理工艺，其特有的优点如下： 1 ) 工艺简单，造价低； s b r 工艺的主体工艺只有一个s b r 反应器，它与普通活性污泥法工艺流程 相比。不需要另设二沉池及污泥回流设备，一般情况下不需设调节池，多数情况 下可省去初沉池。出于流程简单，相应地节省了基建费用和运行费用，而且卸置 6 山东人学坝i 学位论文 紧凑节省了占地面积。k e t c h u m 等人的统计结果表明：采用s b r 法处理小城 镇污水，要比用普通活性污泥法节省基建投资3 0 多 2 ) 时日j 上具有理想的推流式反应器的特征； 在连续流反应器中有完全混合式与推流式两种极端的流念在连续流完全 混合式中，曝气池中的底物浓度等于出水底物浓度，根据生化反应动力学，由于 曝气中的底物浓度很低，其生化反应推动力也很小，反映速率与去除有机物的效 率都很低在理想的推流式曝气池中，污水与回流污泥形成的混合液在池内呈推 流状沿曝气池流动，此问在曝气池的各断面上只有横向混合，不存在纵向的“返 混”，尽可能地保持了反应的最大推动力。s b r 反应器中的混合液虽然呈完全混 合状态，但是底物与微生物浓度的变化在时间上是一个推流过程，并且呈现出理 想的推流状念 3 ) 运行方式灵活，脱氮除磷效果好； s b r 法由于在时日j 上的灵活控制，为其实现脱氮除磷提供了极有利的条件， 它可以很容易实现好氧条件下增大曝气量、反应时自j 与污泥龄。来强化硝化反应 与脱磷菌过量摄取磷过程的顺利完成，也可以在缺氧条件下方便地投加原污水 ( 或甲醇等) 或提高污泥浓度等方式，提供有机碳作为电子供体使反硝化过程更快 地完成，还可以在进水阶段通过搅拌维持厌氧状态，促进脱磷菌充分的释放磷 可见，s b r 法很容易满足脱氮除磷工艺的要求，在时间控制上的灵活性大大提 高了其脱氮除磷的效果 4 1 良好的污泥沉降性能： 污泥膨胀问题是传统活性污泥法运行过程中经常发生且难以杜绝的令人棘 手的问题，其膨胀原因多是由于丝状菌的过度生长造成的。在s b r 工艺中，底 物浓度较高，反应器内存在着较大的浓度梯度，且运行过程中缺氧( 或厌氧) 和好 氧状态并存，同时污泥龄较短，这些因素都限制了丝状菌的过度繁殖，污泥的沉 降性能良好，不易发生污泥膨胀 5 ) 对进水水质水量的波动具有较好的适应性： 在一般的废水生物处理工艺中，都要设置调节池以均化进水的水质水量。而 s b r 反应器是集调节池、曝气池和沉淀池为一体的污水处理工艺，能承受较大 的水质水量波动，具有处理效果稳定的特点。 山东人学帧 学位论殳 1 4 好氧颗粒污泥技术简介 好氧活性污泥法是应用最广的污水处理方法，但常规好氧处理系统大多存在 缺点，如容易产生大量的剩余污泥、对冲击负荷敏感、反应器体积庞大及容积负 荷较低等。普通活性污泥法的容积负荷一般约为o 2 2 0k g c o d ( m 3 d ) ，而以颗 粒污泥作为污染物降解主体的厌氧污泥床反应器r ( u a s b ) 的容积负荷却可以达到 4 0k g c o d ( m 3 - d ) ，并且污泥沉降性能优良，反应器内生物量得以大幅提高l 引。好 氧颗粒污泥的研究建立在厌氧颗粒污泥研究的基础之上，借鉴厌氧颗粒污泥培养 的成功经验，近几年国内外均有在s b r 系统中培育出好氧颗粒污泥的报道( 5 - 7 1 - 在好氧反应系统中实现污泥的颗粒化，将使反应器中存留大量沉降性能良好的活 性污泥。且降低了污泥沉淀系统的要求，减少了剩余污泥的排放。由于颗粒污泥 具有高容积负荷下降解高浓度有机废水的良好生物活性，因而可减少反应器占地 面积，从而减少一定的投资，尤其在土地紧张的地区具有积极的意义i ”。 作为近几年发展起来的一种新型的污水生物处理技术，好氧颗粒污泥早期的 研究主要在连续流的b a s ( b i o f i l ma i r l i f ts u s p e n s i o n ) 反应器中进行，需要在培养过 程中添加污泥载体，如d eb e e r 等吲对硝化细菌，两h u i s 等9 1 和v a nb e n t h u m 等【1 0 1 对好氧异养细菌进行了研究。 1 9 9 1 年，s h i nh - s 等i i l l 以合成废水在连续流a u s b ( a e r o b i cu p f l o ws l u d g e b l a n k e t ) 反应器中培育出好氧颗粒污泥，但运行条件非常苛刻，须采用纯氧曝气， 并需在反应器中设置搅拌装置。同年，m i s h i m a k 等【1 2 l 以城市污水作为进水，在 b o d 负荷1 5 7k # ( m 3 - d ) 时，利用a u s b 反应器实现了好氧活性污泥的自凝聚。 近年来各国学者对在非连续流条件下培育好氧污泥也进行了研究。1 9 9 7 年， m o 唱e n r o t i l 等1 5 】利用好氧的间歇式s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 反应器对好氧颗 粒污泥的自凝聚及其性能进行了研究。在稳定阶段反应器中主要为颗粒污泥和絮 状污泥的混合物。但是，在反应器运行1 3 0d 后，颗粒污泥丌始解体，c o d 去除 率下降，具体原因尚需要进一步讨论。1 9 9 9 年，p e n g 等1 1 3 在s b r 反应器中，以 醋酸钠为碳源，在低溶解氧( d o 为o 7 1 0 r a g l ) 情况下形成具有良好生物学性能 的好氧颗粒污泥，并认为好氧颗粒污泥的形成有利于在低溶解氧浓度下保持较高 的降解能九r 提高处理效率。1 9 9 9 年，b e u n 等”4 1 指出，在s b r 反应器中控制沉 淀时间可以沈出絮状污泥，这是影响好氧颗粒污泥形成的主要因素：较短的水力 8 山东久学坝 学位论史 停留时h j 有助于形成好氧颗粒污泥并指出c o d 负荷和水流剪切力对好氧颗粒 污泥形成的作用与其在b a s 反应器中对生物膜的作用类似，但需要进一步的研 究和证实同时，他们还提出了以活性污泥中分离得到的悬浮、非沉淀的细胞为 接种污泥时，好氧颗粒污泥的形成机理。2 0 0 0 年，b e u n 等【1 5 l 对相同负荷，相同 气体表面速率和相同操作周期情况下。s b a r q ：s e q u e n c i n g b a t c h a i d i f lr e a c t o r ) 反应 器、s b r 反应器和b a s 反应器中产生的不同好氧颗粒污泥进行比较，并在s b a r 反应器中发现存在硝化和反硝化过程。2 0 0 1 年。e t e r e 等1 1 6 1 对在不同操作条件下 形成的好氧颗粒污泥的特性及其沉淀性能进行了系统研究，并指出单个好氧颗粒 污泥的沉降速率可以用改良的s t o k e s 公式描述，而基于自由沉降试验的计算结 果可以得到好氧颗粒污泥大致的孔隙率数据 在国内，对好氧颗粒污泥的研究起步较晚，但近年来逐渐成为报道的热点问 题。1 9 9 9 年，竺建荣等【7 1 刀利用厌一好氧交替a a a ( a l t e r n a t i o na n a e r o b i c a e r o b i c p r o c e s s ，s b r 的一种变型) - r 艺研究生物脱磷过程中，发现了好氧颗粒污泥的自凝 聚现象，研究了在此条件下好氧颗粒污泥的培养和理化特性，并指出好氧颗粒污 泥具有较高的好氧速率和代谢活性。2 0 0 1 年，卢然超等i l | 1 以厌氧颗粒污泥为接 种污泥，在厌一好氧交替工艺中研究了s b r 反应器工艺在不同条件下对好氧污 泥颗粒化和生物除磷效果的影响。浙江大学白晓慧【l9 】在活性污泥工艺中，通过控 制水力停留时间、溶解氧和曝气量培养出沉降性能良好的好氧颗粒污泥，它可明 显提高曝气池的处理能力，有效改善固液分离效果并实现同步硝化反硝化。2 0 0 3 年，王强等 2 0 1 利用葡萄糖为单一基质，以普通絮状污泥作为接种污泥，在s b r 反应器中选择培养出了好氧颗粒污泥，并对好氧颗粒污泥的基本性质和影响其形 成的因素进行了初步的分析。 好氧颗粒污泥技术克服了普通活性污泥法存在的缺点，具有结构稳定、生物 转化效率高、沉降性能好、耐冲击负荷能力强、占地面积小、产生剩余污泥量少 等优点，得到了国内外专家学者的高度重视。但到目前为止，有关好氧颗粒污泥 的形成过程和形成机理方面的研究尚不成熟，对污泥颗粒化的规律理解还很欠 缺，并且对于好氧颗粒污泥的应用尚未进行工业实践，这方面的工作还有待进一 步深入研究。 9 山东人学坝 ：学协论正 1 5 膜生物反应器技术简介 全球水环境质量的严重恶化和经济的高速发展，迫切要求适合时代发展的污 水资源化技术，以缓解水资源的短缺状况。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，其中的膜技术，特别是膜生物反应器( m e m b r a n e b i o r e a c t o r ，简称m b r ) 组合工艺在废水处理中的应用格外引人注目。该工艺是通 过膜分离来强化生物处理系统的一种组合工艺。它将膜分离技术中的超、微滤膜 组件与污水生物处理工程中的生物反应器结合起来，用膜组件代替传统重力式沉 淀池，显著地提高了系统固液分离的能力，从而使系统出水水质和容积负荷都得 到大幅度提高。膜生物反应器是在污水排放标准越来越严格和水资源短缺问题同 益突出的背景下应运而生的。作为一种新型高效的生物处理技术，由于其处理效 率高、出水水质稳定、管理操作简便等优点，得到了人们越来越多的重视1 2 1 1 。 国外有专家把膜技术的发展称为“第三次工业革命”，作为2 l 世纪最有前途 的高新技术之一，m b r 在水处理领域中的应用得到了世界范围内的广泛关注l 硐。 m b r 污水处理工艺的研究始于2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 6 年美国的d o r r o l i v e r 公司 首先在美国化学会议上发表了该项研究结果f 捌。但当时由于受膜生产技术所限， 膜的使用寿命短、价格昂贵，使其在投入实际应用中遇到了障碍。2 0 世纪7 0 年 代后，日本开始重视膜分离技术在废水处理与回用中的应用。并组织日本的大学、 研究所、企业丌始了全面的研究，使膜生物反应器丌始走向实际应用 2 4 1 。8 0 年 代以后，随着膜制造技术的发展、膜分离工艺的完善、膜清洗方法的改进及污水 厂出水水质要求的提高，膜生物反应器在污水处理行业受到青睐。到1 9 9 3 年， 已报道日本有3 9 套外置式m b r 系统用于日本的卫生和工业领域【2 5 1 。u e d a 等人 于1 9 9 6 年利用中空纤维膜组件进行了处理城市污水一体式膜分离活性污泥法的 工业化试验【2 引，z h a n g 等人于1 9 9 6 年对m b r 与传统活性污泥法在微生物种群 和细菌活性的对比方面进行了研究 2 7 】。近l o 年来，随着膜技术的飞速发展，r 本、欧洲等膜制造技术发达的国家广泛丌展了m b r 新工艺的研究。只本率先将 这一技术用于中水系统并取得成功2 8 - 2 9 1 。国外污水m b r 已进入实用阶段1 2 6 3 0 m 】， 目前，在世界范围内，实际运行的m b r 系统已超过了5 0 0 套，同时许多工程正 在计划或者建设中。 我国已丌展对m b r 的研究，并取得了一些成就。1 9 9 1 年岑运华田j 介绍了 o 山寒人学碗i 学位论文 m b r 在只本的研究情况，此后国内多家研究单位对m b r 进行了广泛研究；1 9 9 8 年清华大学环境工程系邢传宏对无机m b r 处理生活污水迸行了试验研究唧l ； 1 9 9 9 年同济大学和大连理工大学的李红兵，杨磊等人也先后对生活污水进行了 试验，i i 者利用中空纤维微滤m b r 处理生活污水，后者是利用中空纤维超滤 m b r 处理生活污水1 3 5 舶l ：2 0 0 0 年顾平等用中空m b r 对生活污水进行了中试研 究 3 7 l ：2 0 0 1 年郑样等用m b r 对毛纺废水进行了中试研究【3 8 1 目前已经有m b r 应用于污水处理和中水回用的实际工程的实例在实际工程应用上，天津清华德 人环境工程有限公司率先在国内实施了m b r 在水处理行业的产业化，取得了很 好的效益目前。m b r 的发展已涉及化工、制药、食品、畜产和生活废水处理 等行业 根据膜材料的不同，膜主要分为有机膜、无机膜两大类。有机膜价格较便宜， 但易污损；无机膜能在恶劣的环境下工作，使用寿命长。但价格较贵。根掘膜组 件在m b r 中所起作用的不同，可将m b r 分为分离m b r 、无泡曝气m b r 和萃 取m b r 三种。分离m b r 中的膜组件相当于传统生物处理系统中的二沉池，出 于其具有较高的截流率，并将浓缩液回流到生物反应池内使生物反应器具有很 高的微生物浓度和很长的污泥停留时问，因而具有很好的出水水质；无泡曝气 m b r 采用透气性膜对生物反应器无泡供氧，氧的利用率可达1 0 0 ，因不形成气 泡，可避免水中某些挥发性的有机污染物挥发到大气中；用于提取污染物的萃取 m b r 是由内装纤维束的硅管组成，这些纤维柬的选择性将工业废水中的有毒污 染物传递到好氧生物相中而被微生物吸附降解 图卜l 中空纤维膜组件图l - 2 聚丙烯膜丝 根掘生物反应器和膜组件结合的方式不同，膜生物反应器可分为分置式和一 体式( 见图1 3 ) 。分置式是指膜组件与生物反应器分丌设置，压力驱动靠加压泵。 分置式的持点是运行稳定可靠，操作管理容易，易于膜的清沈、更换，但般条 山东夫学碗l ：学位论文 件下为减少污染物在膜表面的沉积，山循环泵提供的水流流速都很高，动力消耗 较高一体式是将膜组件黄于生物反应器中，通过真空泵抽吸，得到过滤液。一 体式的最大特点是运行费用低，但在运行稳定性、操作管理方面和膜的清沈更换 上不如分置式 出水 生物反应器膜组件生物反应暑 l 分置式膜生物反应器& 体式膜生物反应器 酗l - 3 膜生物反虑器的分类 膜生物反应器作为一种新型高效的废水生物处理技术，与传统的生化处理技 术相比，具有以下主要特点： 1 ) 对污染物去除效率高，抵抗污泥膨胀能力强，出水水质稳定。出水中没有悬 浮物，无需消毒： 膜组件良好的固液分离效果，使m b r 可保持较高的生物量和较长的污泥龄， 因此具有较强的生化降解能力。利用m b r 处理城市污水，处理后出水中c o d 、 b o d 5 、浊度、细菌等指标均达到或优于城市杂用水水质( g b t 1 8 9 2 0 - 2 0 0 2 ) 标准可直接作为中水回用的水源 2 ) 膜的机械截留避免了微生物的流失，生物反应器内可保持高的污泥浓度，从 而提高体积负荷，减少占地面积； 膜的截留作用可使生物反应器内微生物得以富集，在生活污水处理中，m b r 一般可使m l s s 的质量浓度维持在l o 2 0p , l ，在不排泥的情况下反应器中污泥 的质量浓度可高达4 0 - 5 0g lt 3 9 1 3 ) 剩余污泥量少大大降低了污泥处理费用； 活性污泥法是城市污水和工业废水处理中应用最广泛的生物处理方法，但活 性污泥法剩余污泥量大 4 0 l ，是制约污水处理厂能否正常运行的因素之一提高 m b r 中微生物浓度，可降低f m ，增长污泥龄【4 。l ，减少污泥产生量。杨造燕等 1 4 2 根掘维持微生物基本生命活动的物质转化概念和细胞( 污泥) 产生的平衡理论， 证实了m b r 无剩余污泥排放的可能性。 山东人学琐i 学位论史 4 ) 实现了水力停留时问和污泥停留时问的彻底分离，设计、操作大大简化 传统的活性污泥处理系统水力停留时f j ( h r t ) 与污泥龄( s r t ) 难以分别控制， 而膜的高效截留作用可使微生物较完全地截留在生物反应器内，系统可在h r t 很短而s r t 很长的工况下运行，实现反应器h r t 与s r t 的分离使反应器运行 控制更加灵活、稳定。污泥停留时州较长，有利于微生物的培养驯化，提高废水 中难降解有机物的净化效率。 5 ) 膜生物反应器工艺结构紧凑，易于实现一体化自动控制，运行管理方便： 但由于工艺本身的原因，也存在一些缺点： 1 ) 膜堵塞问题，尚没有有效的清沈技术，给操作管理带束不便； 2 ) 膜制造成本偏高，膜生物反应器的基建投资较高： 3 ) 实际工程中能耗高，动力消耗大 目前，国内外报道较多的是将m b r 应用于生活污水的处理并将净化后的水 作冲厕、道路清扫、浇洒、绿化、洗车、喷水景观等由于m b r 工艺流程简单， 占地少，运行稳定，净化效率高，故近年来在国内一些城市也将其作为示范工程 应用于生活污水处理及回用。尽管m b r 的运行费用略高于常规生物处理方法， 但其处理出水能达到中水回用的目的且随着膜制造技术的进步，膜质量的提高 和膜制造成本的降低，m b r 的投资也会随之大幅度降低。另外，各种新型膜生 物反应器的开发，如在低压下运行的重力淹没式m b r 、厌氧m b r 等与传统的 好氧加压膜生物反应器相比，其运行费用大幅度下降。因此可以预见，膜生物反 应器作为中水回用技术将会愈来愈具有经济、技术上的竞争优势，预计中水回用 将是m b r 在我国推广应用的主要方向1 4 3 】 1 6 剩余污泥减量化工艺简介 生物技术是解决我国水环境问题的关键技术，在发达国家。以活性污泥法为 代表的生物污水处理技术己相当成熟，己广泛应用到城市和工业污水处理中。但 活性污泥法最致命的弱点是大量剩余污泥的产生，污泥治理已成为难以解决的关 键问题。各种污泥处理与处置方法需要的资金巨大，如在欧美，污泥处理基建费 用占污水处理厂总基建费用的比例高达6 0 - - 7 0 ，而另一方面，随着城市生活 污水处理量和处理率的增加，污泥产生量也将急速增加，据统计全球约有l 3 的 活性污泥处理设施存在污泥沉降侄差的问题，所以当今污水处理研究的热点课题 山东人学坝卜学位论文 是污泥处理，研究丌发从源头上不产污泥或产生量尽可能少的污水处理技术我 国污水处理产业刚刚起步- 且所采用的技术大都是旧式的活性污泥法，平均处理 率还不到3 0 ，远远低于发达国家。因此，面对我国巨大的环境市场，在丌发废 水处理技术时不能光考虑满足水质的要求，更需要研究丌发从