（环境工程专业论文）一体式膜生物反应器处理稀土氨氮废水的实验研究.pdf

曲 内蒙古科技大学硕士学位论文 论文题目：二堡垄瞎牛挚反应器处理稀土氨氮废水的实验研究 作者：郭雅琼 指导教师： 协助指导教师：缈罄弘一单位： 论文提交日期：2 0 10 年0 6 月0 2 日 学位授予单位：内蒙古科技大学 单位： 单位： 内蒙古科技大学 i 一 - - 一体式膜生物反应器处理稀土氨氮废水的实验研究 a e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft r e a t i n gr a r ee a r t h a m m o n i aw a s t e w a t e r b yas u b m e r g e dm e m b r a n e bi o r e a c t o r 研究生姓名：郭雅琼 指导教师姓名：韩剑宏 内蒙古科技大学能源与环境工程学院 包头0 1 4 0 1 0 ，中国 c a n d i d a t e ：g u oy a - q i o n g s u p e r v i s o r ：h a nj i a n - h o n g s c h o o lo fe n e r g ya n de n v i r o n m e n t i n n e rm o n g o l i au n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b a o t o u0 1 4 0 1 0 ，p r c h i n a 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日期： 内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 随着稀土产业的发展，稀土废水的排放量日益增大且处理难度高，因此急需找出一条 合适的技术路径。而一体式膜生物反应器( m b r ) 作为一种高效膜分离技术与活性污泥法 相结合的新型水处理技术，该技术处理高浓度难降解有机废水处理，不仅具有脱氮功能， 而且结构紧凑，占地面积小，无需二沉池，因此，采用一体式膜生物反应器处理稀土氨氮 废水是可行的，且是较为合适的处理工艺。 本实验主要是以u a s b 处理后的水为原水，研究一体式膜生物反应器对稀土氨氮废水 的处理情况，分析了处理效果及动力学参数，确定清洗方法。 反应器启动阶段主要是对污泥的培养和驯化，以葡萄糖为营养基质，使污泥增殖，并 逐步提高进水氨氮的浓度，使污泥在较低的c n 条件下达到较好的氨氮去除效果，约一个 月后污泥浓度不在变化，当c n 为0 8 7 时，c o d 去除效果稳定，在8 5 左右，氨氮去除 可达5 0 以上。 在运行期间探讨了增加污泥负荷后，反应器的去除效果，以及不同p h 值，溶解氧，水 力停留时间( 丑 汀) 对c o d 和氨氮去除效果的影响，得到最佳的实验条件为：h r t 为1 0 小时，p h 值为7 5 ，溶解氧为3 m g l ，在此条件下c o d 和氨氮的去除率分别为8 8 7 和 5 4 6 。 通过动力学的分析表明，细菌的比增长速率与基质浓度满足m o n o d 方程：声= 熹， 最大比降解速率= o 0 1 2 d 一，底物的饱和常数k = 2 3 4 7 m g l ，硝化反应的动力学模型 可表示为：z = 0 0 1 2 百鲁了。 为确保更好的运行效果，需对膜进行清洗以减缓膜堵塞。首先采用物理清洗，水力冲 洗大约1 5 分钟，再用水力反冲洗- 4 , 时，通量可恢复2 0 9 ：其次用n a o h 在清洗浓度为 0 2 5 、清洗时间为3 0 m i n 、温度为4 0 的条件下进行清洗，通量能够恢复到7 0 以上。 关键词：膜生物反应器，稀土废水，氨氮，硝化反应动力学，膜污染 r e a s o n a b l e ，s m a l lf o o t p r i n ta n dw i t h o u tt h es e c o n d a i * ys e t t l i n gt a n k t h ew a s t e w a t e ri st r e a t e db y t h e b i o r e a c t o rw h i c hi sf e a s i b l e ，a n di sm o r ea p p r o p r i a t et r e a t m e n tp r o c e s s t h eu a s bt r e a t e dw a t e rw a sm a i n l ya sr a ww a t e ri nt h i sp a p e r t h ew a s t e w a t e rw a ss t u d i e d b yt h eb i o r e a c t o r t h et r e a t m e n te f f e c ta n dt h ek i n e t i cp a r a m e t e r sw e r ea n a l y s i s e d , a n dt h ec l e a n i n g m e t h o dw a sd e t e r m i n e d t h es t a r t - u po fr e a c t o rw e r em a i n l yt h ec u l t i v a t i o na n dd o m e s t i c a t e do fs l u d g e ，u s i n gg l u c o s e a sn u t r i e n tm e d i u m , w h i c hm a d es l u d g ep r o l i f e r a t e d , a n dg r a d u a u yi n c r e a s e dt h ec o n c e n t r a t i o no f a m m o n i aw a t e r , k e p tt h es l u d g ei nt h el o w e rc nc o n d i t i o n s ，t oa c h i e v eb e t t e rr e m o v a le f f e c t a f t e r am o n t h , s l u d g ec o n c e n t r a t i o nd i d n tc h a n g e ，a n dw h e nt h ec nw a s0 8 7 ，r e m o v a le f f i c i e n c yo f c o dw a ss t a b l e ，w h i c hw a sa b o u t8 5 ，a m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lw a su pt o5 0 d u r i n gt h eo p e r a t i o n , t h er e m o v a lo f r e a c t o rw a si n v e s t i g a t e dw i t ht h el o a di n c r e a s e d c o d a n da m m o n i ar e m o v a lw e r ei n f l u e n c e db yp n ，d i s s o l v e do x y g e n , h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h g t ) a n dt h eb e s te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sw e r e ：h r tw a s1 0 ，p h = 7 5 ，d i s s o l v e do x y g e n ： 3 m g l ，t h er e m o v a lr a t eo f c o d a n da m m o n i an i t r o g e nw e r e8 8 7 a n d5 4 6 t h ek i n e t i ca n a l y s i ss h o w e dt h a tt h eb a c t e r i a ls p e c i f i cg r o w t hr a t ea n ds u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o n e q u a t i o nw a ss a t i s f i e dm o n o de q u a t i o n ：2 志，m a x i m u ms p e c i f i c 如洳饿吣 0 0 1 2 d 1 ，s u b s t r a t es a t u r a t i o nc o n s t a n tw a s2 3 4 7 m g l , d i g e s t i o nk i n e t i cm o d e lc a nb ee x p r e s s e d a s ：胪0 - 0 1 2 赢 i no r d e rt oe n s u r eb e t t e ro p e r a t i o ne f f e c t ，i tw a sr e q u i r e dt oc l e a nt h em e m b r a n et or e d u c e m e m b r a n eb l o c k a g e f i r s to fa l l ，p h y s i c a lc l e a n i n gw a su s e d a b o u t15m i n u t e sw a su s e db yw a t e r w a s h i n g ，t h e no n eh o u rw a su s e db yb a c k w a s hw a t e r ，f l u xc o u l db er e c o v e r e do f2 0 9 s e c o n d l y t h en a o hw a su s e d , c l e a n i n gc o n c e n t r a t i o nw a s0 2 5 ，c l e a n i n gt i m ew a s3 0 m i n , t h et e m p e r a t u r e w a s4 0 ，f l u xc a nb er e c o v e r e dm o r et h a n7 0 k e yw o r d s ：t h em e m b r a n eb i o r e a c t o r ；r ew a s t e w a t e r ；a m m o n i a ；n i t r i f i c a t i o nk i n e t i c s ； m e m b r a n ep o l l u t i o n 内蒙古科技大学硕士学位论文 目录 摘 要i a b s t r a c t i i 引 言1 1 文献综述2 1 1 研究背景2 1 1 1 我国水资源及水污染现状2 1 1 2 稀土氨氮废水的种类及来源3 1 1 3 稀土氨氮废水产生的危害4 1 1 4 氨氮废水的处理现状及存在问题5 1 2 同时硝化反硝化( s n d ) 工艺7 1 2 1 同时硝化反硝化的机理7 1 2 2 同时硝化反硝化的理论解释8 1 2 3 同时硝化反硝化工艺的优缺点8 1 3 膜生物反应器的基本概念及其发展9 1 3 1 膜生物反应器的基本构成和分类9 1 3 2 膜生物反应器的特点1 1 1 3 3 膜生物反应器在国内外的应用1 2 1 3 3 膜生物反应器的污染及清洗1 4 2 研究的目的和意义。1 6 2 1 课题的来源1 6 2 2 研究的目的和意义1 6 3 实验材料及方法17 3 1 实验装置1 7 3 2 实验内容18 3 3 实验水质及分析方法1 9 4 反应器的启动2 0 4 1 污泥的培养驯化2 0 4 2 启动阶段的运行效果分析2 0 4 2 1 反应器对c o d 的去除效果2 1 4 2 2 反应器对氨氮的去除效果2 1 4 2 3 启动阶段c n 对氨氮去除效果的研究2 3 4 3 小结2 4 5 一体式膜生物反应器的运行研究2 5 5 1 膜生物反应器的去除特性分析2 5 内蒙古科技大学硕士学位论文 5 1 1 f 氐负荷下膜生物反应器的去除特性。2 5 5 1 2 增加负荷后膜生物反应器的去除特性2 6 5 1 3 膜对污染物去除的强化作用2 8 5 2 膜生物反应器的影响因素分析2 9 5 2 1 h r t 对c o d 和氨氮处理效果的影响2 9 5 2 2 p h 值对c o d 和氨氮的处理效果的影响。3 0 5 2 3 溶解氧对c o d 和氨氮处理效果的影响3 2 5 3 膜生物反应器中污泥浓度的变化情况分析3 4 5 4 j 、l 右3 5 6 一体式膜生物反应器硝化反应动力学的实验研究3 6 6 1 硝化反应的影响因素分析。3 7 6 1 1 溶解氧对硝化反应的影响3 7 6 1 2p h 对硝化反应的影响3 7 6 1 3 有毒物质对硝化反应的影响。3 8 6 2 生物硝化动力学4 0 6 3 卅、结4 l 7 膜的污染及清洗研究4 2 7 1 膜的污染4 2 7 2 膜的清洗4 4 7 2 1 物理清洗4 4 7 2 2 化学清洗4 5 7 3 小结4 8 结论4 9 建议5 0 参考文献51 在学研究成果5 6 j g (谢5 7 内蒙古科技大学硕士学位论文 引言 水是一切生物生存的物质基础，也是人类赖以生存、从事各种经济活动和社会 活动的命脉。随着经济的持续发展和人口的不断增长，排放到水体中的污水量越来 越多，水污染所造成的环境问题也越来越被人们所关注。 稀土产业是具有国际竞争力的高新产业，我国的稀土产业依靠拥有世界最大稀土资 源的优势迅速崛起，以平均年增长率大于2 0 的速度增长【1 1 ：稀土金属生产技术的提高 使得稀土应用于更多的领域，社会需求量增加，随着稀土产业的发展，稀土废水的排放 量日益增大，且废水中氨氮含量高，增加了处理难度。 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 ) 是生物技术与膜技术相结合的高效 生化水处理技术。由于膜的过滤作用，生物完全被截留在生物反应器中，实现了水力停 留时间和污泥龄的彻底分离，使生物反应器内保持较高的m l s s ，硝化能力强，污染物 去除率高。目前m b r 常用于处理垃圾渗滤液，生活废水，印染废水等。 稀土氨氮废水的大量排放，会造成水体的富营养化，对水质产生严重危害，不仅降 低水体的透明度，使水变得腥臭难闻，而且使水变得腥臭难闻，消耗水体的溶解氧，必 须找到一条合适的解决途径。而膜生物反应器作为一种高效膜分离技术，充分利用膜的 高效截留作用，能够有效地截留硝化菌，完全保留在生物反应器内，使硝化反应保证顺 利进行，有效去除氨氮，避免污泥的流失，并且可以截留一时难于降解的大分子有机 物，延长其在反应器的停留时间，使之得到最大限度的分解。将二者的有效结合，不仅 达到降解氨氮的目的，也拓展了m b r 的应用范围。本文主要对一体式膜生物反应器的 处理效果，以及达到最好处理效果时各影响因素的控制条件的优化进行了实验研究，在 此基础上，对消化反应的影响因素以及动力学做进一步的分析研究，得出一体式膜生物 反应器中硝化反应的动力学模型，并对运行过程中膜的污染及清洗做初步的实验研究， 找出最佳的清洗方案及清洗条件。通过论文的研究，稀土氨氮废水有了新的处理途径， 用体式膜生物反应器处理稀土氨氮废水可节省占地面积，不设二沉池，从而节约投 资，并且一体式膜生物反应器还可发挥自身的特点，达到较好的去除效果，使出水不含 杂质。通过对处理效果的分析以及动力学参数的确定，将对膜生物反应器处理稀土氨氮 废水有进一步的指导意义。 一体式膜生物反应器在处理稀土氨氮废水方面的应用，既有一定的经济效益，又有 环境效益，完全符合国家环境保护“十一五”规划中“低投入、低消耗、少排放 的要 求。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 文献综述 水资源是人类的生命之源。随着世界人1 ：3 的增加、城市化进程的加快和社会经济的 发展，全球范围内持续加剧的水资源短缺和水污染问题，已成为人类当前所面临的最紧 迫的环境问题。占有世界l 4 人口的中国面临的问题更为严峻。大量未经处理的生活污 水和工业废水肆意排放，不仅给国家的水环境造成了严重污染，直接危害了人类身体健 康，而且加剧了水资源的紧缺。 水污染和水资源短缺严重制约了国民经济的发展。今后，随着我国社会主义经济的 进一步发展，对水资源的需求仍将持续增长，污水排放量也将随之而进一步增加，水环 境质量的恶化和水资源的短缺将更为突出。因此，加强水污染控制，消除水污染，以控 制我国水环境质量恶化的趋势是我国未来近十五年内环境保护的重要战略目标。 包头是举世瞩目的稀土工业原料基地。稀土产业的迅速发展随之也带来了冶炼过程 中大量废水的排放稀土废水的直接排放，加重了对沿途地下水及周边环境的污染。 稀土废水种类复杂，其中氨氮废水排放量大，且氨氮含量高，直接排入水体，会导 致水体的富营养化，由此引起江河湖泊的严重污染，它不仅直接影响了人们的生存环 境，也造成了国民经济的巨大损失。 生物法是目前运用最广、最有研究前景的方法。生物脱氮是生物法控制氮的一个重 要分类。近年来，生物法脱氮技术又有许多新进展，其中，同时硝化反硝化以它自身的 优点受到许多研究者的关注。 而膜生物反应器j 下是膜技术与生物法的有效结合。随着膜生产技术的提高和生产成 本的降低，膜生物反应器作为一种新型高效的污水处理技术在国际上受到了广泛关注。 特别是一体式膜生物反应器，因其具有出水水质好，容积负荷高，占地面积小，剩余污 泥产量低，操作管理方便等优点，受到人们的青睐。 1 1 研究背景 1 1 1 我国水资源及水污染现状 根据2 0 0 8 年中国环境状况公报【2 】，我国地表水污染依然严重。长江、黄河、珠 江、松花江、淮河、海河和辽河七大水系总体水质与上年持平。2 0 0 条河流4 0 9 个断面 中，一类至三类、四类至五类和劣五类水质的断面比例分别为5 5 0 、2 4 2 和 2 0 8 。珠江、长江总体水质良好，松花江为轻度污染，黄河、淮河、辽河为中度污 染，海河为重度污染。在监测营养状态的2 6 个湖泊及水库中，呈富营养状态的占 4 6 2 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 根据国家环境统计公报【3 】，2 0 0 8 年，全国废水排放总量5 7 1 7 亿吨，比上年增加 2 7 。其中，工业废水排放量2 4 1 7 亿吨，占废水排放总量的4 2 3 ，比上年增加 2 0 1 城镇生活污水排放量3 3 0 0 亿吨，占废水排放总量的5 7 7 ，比上年增加6 4 。 废水中化学需氧量排放量1 3 2 0 7 万吨，其中，工业废水中化学需氧量排放量4 5 7 6 万 吨，占化学需氧量排放总量的3 4 6 ；城镇生活污水中化学需氧量排放量8 6 3 1 万吨， 占化学需氧量排放总量的6 5 4 。废水中氨氮排放量1 2 7 0 万吨，其中，工业氨氮排放 量2 9 7 万吨，占氨氮排放量的2 3 4 ；生活氨氮排放量9 7 3 万吨，占氨氮排放量的 7 6 6 。 1 1 2 稀土氨氮废水的种类及来源 稀土冶炼必然会造成环境污染。目前稀土冶炼主要用混合型稀土精矿，氟碳铈稀土 精矿，独居石稀土精矿和离子型稀土精矿等作为原料。随着所用原料的不同，生产稀土 产品的差异，适用的冶炼方法也随之不同，采用的化工试剂品种也有差别。因此，在稀 土生产中所产生的有害“三废”来源，品种和性质差别较大，不同的冶炼工艺所产生污 染形式和程度也不尽相同。碱法工艺相对酸法工艺污染较j d 4 。 包头地区稀土冶炼主要以酸法为主。在稀土精矿的分解，混合稀土金属的生产，稀 土元素的分离过程中，使用了大量化学试剂，加之白云鄂博矿含有高氟和放射性钍元素 的特殊性【5 j ，导致在稀土生产过程中产生了大量而复杂的污染物。针对包头地区稀土湿 法冶炼工艺的各种生产工序，产生的稀土废水有1 0 余种 6 1 。 在产生的稀土废水中，稀土氨氮废水是高硬度、高碱度、高氟、高钠、高含盐量、 波动范围很大、很难处理的一种工业废水。主要包括硫铵废水和氯铵废水。 ( 1 ) 硫铵废水 硫铵废水是稀土生产中利用焙烧矿在制备碳酸稀土过程中产生的。由于在焙烧过程 中加入了大量的硫酸，而在制备碳酸稀土的浸出液中又加入了大量的碳酸氢铵，所以， 在制备碳酸稀土的过程中产生了大量的硫酸铵废水。又由于硫铵废水是在稀土生产过程 的前道工序产生的废水，故废水特点是成分复杂，水量较大，高硬度，高氨氮，是稀土 生产氨氮废水中较难处理的一部分废水。主要含氨氮、硫酸根和钙、镁离子，污染物为 氨氮。 ( 2 ) 氯铵废水 氯铵废水是在生产单一碳酸稀土及水洗过程中产生的。由于在碳酸稀土中加入了大 量盐酸，在制备单一碳酸稀土的过程中又加入了大量的碳酸氢铵，致使产生一部分氨氮 浓度很高的稀土氯化铵废水( 母液) 。在单一碳酸稀土进行稀土元素分离之前进行的水 内蒙古科技大学硕士学位论文 洗过程，又要产生一部分浓度较低的稀土氯铵废水。在工业实际生产中一般将这两部分 废水混合即为稀土氯铵废水。废水中主要含氨氮、氯离子，污染物为氨氮 7 1 。 1 1 3 稀土氨氮废水产生的危害 稀土氨氮废水进入水体后，水体中营养物质增多，促使藻类迅速繁殖，生长周期缩 短，有限的营养物质在短期内一再被重复利用，一遇适宜环境就爆发性地繁殖，以致出 现水华现象。水体富营养化状态一旦形成，将对水质产生严重危害，主要表现为以下几 占【8 】 ， 、 ( 1 ) 降低水体的透明度 在富营养水体中，生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的大量水藻。这些水藻浮在湖水 表面，形成一层绿色浮渣。经过风吹，水面这层绿色浮渣被密集、浓缩，看上去就象一 湖绿色的“豌豆汤 。位于表层水体悬浮着密集的水藻，使水质变得浑浊，透明度明显 降低，富营养严重的水质透明度仅有0 2 m ，湖水感官性状大大下降。 ( 2 ) 使水变得腥臭难闻 在富营养状态的水体中生长着很多藻类，其中有一些藻类能够散发出腥味异臭。这 些散发腥味异臭的藻类，影响水体周围的空气，也影响水质。在春末和夏季、秋天温度 较高的时期，水藻大量增殖，成团的藻类死亡分解腐烂时，经过放线茵等微生物的分解 作用，这些水藻散发出更加浓烈的使人恶心的腥臭。现在已经知道 8 1 ，象蓝藻门的束丝 藻属和鱼腥藻属都散发出类似猪圈中令人难闻的臭味，腔球藻属则散发出令人讨厌的青 草腐烂时的臭味；绿藻门的空球藻属散发出的气味则象鱼腐烂时的腥臭。此外，硅藻门 小某些藻属如针杆藻属也能发出腐质恶臭。 ( 3 ) 向水体释放有毒物质 富营养对水质的另一个影响是某些藻类能够分泌、释放有毒性的物质。例如，蓝藻 门的不定腔球藻，铜锈微囊藻等藻能够分泌藻青菌这样的带有毒性的物质，这种有毒的 物质进入水体后，若被牲畜饮入体内，可引起牲畜肠胃道炎症。人若饮用也会发生消化 道炎症，有害人体健康。 ( 4 ) 消耗水体的溶解氧 富营养湖泊的表层，藻类可以获得充足的阳光，表层水体有充足的溶解氧。但是在 富营养湖泊的深层则不然。首先，由于表层有密集的藻类，因而使得阳光难以透射进入 湖泊深层；而且，阳光在穿射水层的过程中，被藻类吸收而衰减，所以深层水体的光合 作用明显地受到限制而减弱，因而溶解氧的来源也就随之减少。其次，湖泊藻类死亡后 不断地向湖底沉积不断地腐烂分解，也会消耗深层水体大量的溶解氧，严重时可能使深 层水体的溶解氧消耗殆尽而呈厌氧状态，使得需氧生物难以生存。 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 对水生生态产生影响 在j 下常情况下，湖泊水体中各种生物都处于相对平衡的状态。但是一旦水体受到污 染而呈现富营养状态时，某些生物种类明显减少，而另外一些生物种类则显著增加；水 体的这种j 下常的生态平衡就会被扰乱，生物种群量就会显示出剧烈的波动。这种生物种 类演替就会导致水生生物的稳定性和多样性降低，破坏了湖泊生态平衡。 ( 6 ) 影响供水水质并增加制水成本 湖泊常常是生活饮用水和工业用水的供给水源。随着生产发展和人民生活水平的提 高，城市和工矿区对饮用和工业供水的需求量与日俱增。然而，富营养水体在作为供给 水源时，会给制水厂带来一系列问题。首先，富营养水体由于缺氧而产生硫化氢、甲烷 和氨气等有毒有害气体，而且水藻产生的某些有毒的物质，在制水过程中，更增加了水 处理的技术难度。其次，夏日是高温藻类增殖旺盛的季节，过量的藻类会给制水厂在过 滤过程中带来障碍，水藻可能经常堵塞过滤池。为了消除堵塞现象，需要改善或者增加 过滤措施。既影响制水厂的出水率，同时也加大了制水成本费用。 1 1 4 氨氮废水的处理现状及存在问题 1 1 4 1 处理现状 目前国内外处理氨氮废水的方法分为物理法【9 12 1 3 1 ，化学法【1 0 , 1 1 , 1 4 , 1 5 】和生物法 【1 4 ，1 b 1 羽。各方法的处理技术及发展现状见下表： 表i i 氨氮废水的处理技术及现状 1 1 4 2 存在问题 综合上述方法来看，用物理化学方法去除污水中的氨氮，虽时间短，见效快，去除 率高，但药品费用高，污泥产率高，且个别方法对处理高浓度废水效果不是很好。在使 用一些药品时，还会带来二次污染。 生物方法去除污水中的氨氮，可因地制宜，方法多，能耗低，并且污泥产率低。前 期资金投入多一些，后期则经济实惠，价格低廉，管理方便，绿色环保，发展前景广 阔。如表1 2 中所示，生物法中传统的硝化反硝化法又存在占地面积大，抗冲击负荷 低，水力停留时间长，处理费用高等一系列的弊端，不适合使用，这就需要寻求一种改 进的硝化反硝化工艺，短程硝化反硝化需要控制较高的温度，对于大量的氨氮废水处理 耗能太大且不易控制。厌氧氨氧化也有他的不足之处：到目前为止，厌氧氨氧化的反应 机理、参与菌种和各项操作参数不明确。相比之下，同时硝化反硝化法具有以下优点 【l8 j ： ( 1 ) 硝化过程和反硝化过程可以在一个反应器内同时进行，则可节省更多的占地 面积：( 2 ) 避免n 0 2 。氧化成n 0 3 及n 0 3 再还原成n 0 2 这两个多余的反应，从而可节 省约2 5 的0 2 和4 0 以上的补充碳源；( 3 ) 碱度消耗减少。但不足之处是，单使用生 物法处理氨氮废水，需要二沉池，且会有大量污泥流失。 对于包头地区，经济发展还比较落后，稀土产业已经成为支柱型产业，随着它的迅 速发展，稀土废水的产量也越来越大，其中的氨氮废水由于它氨氮含量高，难降解已成 为人们关注的焦点。因此一种投资小，处理量大，符合当地实情的处理方法成为发展的 内蒙古科技大学硕士学位论文 趋势。在全国都强调绿色环保的大环境下，只有寻求种能与生物法相结合的新技术， 才能解决根本问题。 1 2 同时硝化反硝化( s n d ) 工艺 1 2 1 同时硝化反硝化的机理 废水生物脱氮工艺中通常发生有机物的好氧氧化、硝化和反硝化反应三种不同的生 物反应。传统理论认为硝化与反硝化过程完全是对立的两个生化过程，然而令人惊异的 是，研究发现一些特殊的细菌可以同时进行异养硝化和反硝化。c a s t i g n e t t i 等【1 9 1 首次报 道了土壤中常见的假单胞菌等1 2 种反硝化细菌可产生异养硝化的现象。荷兰d e l t l 技术 大学的r o b e r t s o n 等【2 0 】从污水处理厂的反硝化单元分离出好养硫球菌，该细菌可进行好 氧反硝化，同时又是异养硝化细菌。最近几年国外有不少试验研究证明存在同时硝化反 硝化现象，尤其是有氧条件下的反硝化现象确实存在于各种不同的生物处理系统【2 1 1 。 当好氧环境与缺氧环境在一个反应器中同时存在，硝化和反硝化在同一反应器中同 时进行时则称为同时硝化反硝化。同时硝化反硝化不仅可以发生在生物膜反应器中， 如流化床、曝气生物滤池、生物转盘；也可以发生在活性污泥系统中，如曝气池、氧化 沟。 同时硝化反硝化的活性污泥系统为今后简化生物脱氮技术并降低投资提供了可能 性。关于同步硝化反硝化机理的研究目前国内外认同的理论有【2 2 】： ( 1 ) 微环境理论：微环境体积非常微小，大多数属于微米级的。同样，微生物个 体所处的环境也是微小的，也就是说，从空间角度看影响微生物个体生存状态的环境是 微小的。微环境直接决定微生物个体的活动状态，而宏观环境的变化往往导致微环境的 急剧变化和不均匀分布，从而影响微生物群体的活动状态并在某种程度上出现所谓的表 里不一现象。在活性污泥中，决定各类环境分布状况的因素包括：有机物和电子受体 ( 溶解氧，硝态氮) 的物质传递特性，菌胶团的结构特征，各类微生物的分布和活动状 态等。氧传递和硝态氮传递的不均匀性，曝气状态下菌胶团内也可存在一定比例的缺氧 微环境。因此在曝气状态下也可以出现某种程度的反硝化，也就是所谓的同步反硝化现 象。 ( 2 ) 好氧反硝化菌理论：近年来，硝化反硝化的理论有了新的重要发现，即许多 异养菌也能完成有机氮和无机氮的硝化过程，而且在很多的生态系统中，还比自养菌占 有优势；异养硝化菌同时也是好氧反硝化菌，因而能在好氧条件下把氨氮直接转化成气 态最终产物；另外，还发现一些其它细菌也能好氧反硝化，如生丝微菌属 ( h y p h o m i c r o b i u mx ) 】。 内蒙古科技大学硕士学位论文 在生产规模的生物反应器中，完全均匀的混合状态并不存在。菌胶团内部的溶解氧 梯度目前也已经被广泛认同，使实现s n d 的缺氧厌氧环境可在菌胶团内部形成。由于 生物化学作用而产生的s n d 更具实质意义，它能使异养硝化和好氧反硝化同时进行， 从而实现低碳源条件下的高效脱氮。 1 2 2 同时硝化反硝化的理论解释 ( 1 ) 宏观环境解释 2 4 1 由于充氧装置的不同，使生物反应池的混合形态不均，可在其中形成好氧、缺氧、 厌氧环境，因此发生同时硝化反硝化反应( s n d ) 。此为生物反应池的大环境，即宏观环 境。 ( 2 ) 微观环境解释 微环境体积非常微小，大多数属于微米级的。同样微生物个体所处的环境也是微小 的，也就是说，从空间角度看影响生物个体生存在状态的环境是微小的。微生物活性污 泥絮体外表面d o 较高，以好氧硝化菌为主；深入絮体内部，氧传递受阻及外部氧的大 量消耗，产生缺氧区、厌氧区，反硝化菌占优势，可见絮体内外的缺氧和好氧环境是形 成s n d 的主要原因，而缺氧环境的形成又有赖于水中d o 浓度的高低及微生物絮体结 构，因此控制d o 浓度及絮体结构对能否进行s n d 至关重要。 ( 3 ) 生物学解释 近年来，好氧反硝化菌和异养硝化菌的发现，突破了传统理论认为硝化反应只能由 自养菌完成和反硝化反应只能在缺氧条件下进行的观点。对于好氧反硝化、异养硝化、 自养反硝化的现象，近年来生物学的发展已经可以给出令人比较满意的答案。由于许多 好氧反硝化菌也是异养硝化菌，能够直接把n h 4 + 转化为最终气态氮而逸出，因此s n d 也就成为可能。 1 2 3 同时硝化反硝化工艺的优缺点 同时硝化反硝化过程是在一个反应器中进行，它具有以下优点：完全脱氮；强化磷 的去除；曝气量较低，节省能耗并增加设备处理负荷；减少碱度的消耗；系统的设计和 操作简单。同时硝化反硝化工艺的不足之处就是影响因素较多，过程难以控制。 同步硝化反硝化工艺存在的问题： ( 1 ) 需进一步研究有机碳源的可生物利用性对反硝化速率的影响，以提高好氧反 硝化的总氮去除率； ( 2 ) 一些同时硝化反硝化工艺在除氮的同时观察到明显的生物除磷现象，同时硝 化反硝化过程除磷是一个有待深化的方向； 内蒙古科技人学硕十学位论文 ( 3 ) 异氧硝化型氨氧化n h 4 + + n 0 3 。_ n 2 和异氧亚硝酸型氨氧化n h 4 + + n 0 2 - - * n 2 技 术的研究将会是一个重要的研究方向； ( 4 ) 从微生物的角度扩大对好氧反硝化菌的分类研究，发掘好氧反硝化菌的种属 资源，研究好氧反硝化菌的生长特性，提高和改善水处理过程同时硝化反硝化作用也是 研究重点。 1 3 膜生物反应器的基本概念及其发展 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 ) 水处理技术正是一种生物技术与膜 技术相结合的高效生化水处理技术，膜生物反应器是结合了膜分离技术和传统的污泥法 的一种高效污水处理技术，由于膜的过滤作用，生物完全被截留在生物反应器中，实现 了水力停留时问和污泥龄的彻底分离，使生物反应器内保持较高的m l s s 。硝化能力 强，污染物去除率高。 膜生物反应器是一种高效膜分离技术与活性污泥法相结合的新型水处理技术。中空 纤维膜的应用取代活性污泥法中的二沉池，进行固液分离，有效的达到了泥水分离的目 v - 的。充分利用膜的高效截留作用，能够有效地截留硝化菌，完全保留在生物反应器内， 使硝化反应保证顺利进行，有效去除氨氮，避免污泥的流失，并且可以截留一时难于降 解的大分子有机物，延长其在反应器的停留时间，使之得到最大限度的分解。 1 3 1 膜生物反应器的基本构成和分类 膜生物反应器根据机理可分为三大类型：萃取膜生物反应器( e x t r a c t i v em e m b r a n e b i o r e a c t o r ，e m b r ) ；膜曝气生物反应器( m e m b r a n e a e r a t i o nb i o r e a c t o r ，m a b r ) ； 膜分离生物反应器( b i o m a s ss e p a r a t i o nm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，b s m b r ，简称r ) 。 萃取膜生物反应器是结合膜萃取和生物降解，利用膜将有毒工业废水中有毒的、溶 解性差的污染物优先从废水中萃取出来，然后用专性菌对其进行单独的生物降解，从而 使不受水中离子强度和p h 的影响，生物反应器的功能得到优化。 曝气m b r 采用透气性致密膜( 如硅橡胶膜) 或微孔膜( 如疏水性聚合膜) 以板式或中空 纤维式组件，在保持气体分压低于泡点( b u b b l ep o i n t ) 的情况下，可实现生物反应器的无 泡曝气。由于传递的气体含在膜系统中，因此提高了接触时间，极大地提高了传氧效 率。 膜分离生物反应器中的膜组件相当于传统生物处理系统中的二沉池，膜组件进行固 液分离，截留的污泥回流至生物反应器中，透过水外排。它是应用最为广泛的一种膜生 物反应器类型。 4 、循环泵5 、膜组件4 、空气管5 、蠕动泵6 、出水 6 、回流污泥7 、出水 图1 1 两种膜生物反应器示意图 分置式系统通常由生物反应器、膜组件和加压泵组成，生物反应器中的混合液经泵 增压后进入膜组件，在压力作用下混合液中的液体透过膜，成为系统处理水：而固形 物、大分子物质等则被膜截留，随浓缩液回流到生物反应器内。其特点是运行稳定可 靠：膜易于清洗、更换及增设；而且膜通量普遍较大。但一般条件下，为减少污染物在 膜表面的沉积，延长膜的清洗周期，需用循环泵提供较高的膜面错流流速，致使水流循 环量增大、动力费用增高1 2 5 1 ，并且泵的高速旋转产生的剪切力会使某些微生物菌体产生 失活现象m j 。而一体式系统是废水进入膜生物反应器后，其中的大部分污染物被混合液 中的活性污泥分解，再在压差作用下由膜过滤出水。这种形式的膜生物反应器由于省去 了混合液循环系统，并且采用负压操作直接出水，能耗相对较低：占地较分置式更为紧 凑，近年来在水处理领域受到了特别关注。但由于其压差小，膜通量相对较低，容易发 生膜污染，不易清洗和更换膜组件，所以一般需设置搅拌或旋转设备，以增加膜表面的 紊动，或采取一些特殊的运行方式，以减缓膜通量的下降。 位论文 膜分离技术与传统生物处理技术结合 分离于一体，相对于普通生物法，它 ( 1 ) 膜生物反应器的结构紧凑，占地面积小。仅用一个膜分离装置就完全实现了 在常规生物处理中需要用较大的二沉池和沙滤系统才能实现的功能，使系统变得较为紧 凑，减小了占地面积。特别是一体式m b r 在一个反应器中同时实现了生物降解和泥水 分离，更是如此。y a m a o t o k l 2 7 1 等对不同规模的膜生物反应器和传统活性污泥法水处理 厂进行比较发现，m b r 节省了占地面积约1 2 2 3 。 ( 2 ) 操作管理简单易行。m b r 使泥水分离不再依靠污泥的重力沉降，从根本上杜 绝了污泥膨胀现象对出水水质和生物处理系统的不利影响，这是膜生物反应器与其它类 型的生物反应器相比最显著的优点。 m b r 对有机物的去除效果来自两方面：一方面是膜对有机物大分子的截留作用； 另一方面是生物反应器内微生物对有机物的降解。在处理某些工业废水时，膜的截留作 用还有利于培养出一些对该种废水有特殊降解能力的专属细菌，这些细菌能够絮凝在膜 表面并得到增殖，这优于普通生物处理过程。另外，膜的截留作用还可以延长大分子物 质的停留时间，使m b r 处理难降解有机物的能力得到加强。m b r 由于采用膜过滤， 可以实现出水中无悬浮物，选择性膜还可以截留混合液中的大分子物质和细菌、病毒 等，因此，出水水质较好。各种m b r 处理城市污水的出水水质均优于传统生物处理工 艺，消毒后已达到或优于建设部生活杂用水水质标准( c j t 4 8 1 9 9 9 ) ，可作为楼房中 水及城市园林绿化、消防等用水回用。 ( 3 ) m b r 中较高的污泥浓度可以实现在容积负荷很高的同时，污泥负荷保持很 低，这使得进入m b r 的基质将主要用于维持微生物的最低营养要求，从而大大减小了 剩余污泥的产量。从理论上讲，膜生物反应器能将污泥完全截留在生物反应器内，实现 不排泥操作。b m c k m a n n m 掣2 8 j 对m b r 中污泥产率的影响进行了研究，在s t r 为5 0 和1 0 0 d 时，