（环境工程专业论文）微生物固定化技术在mbr中的应用.pdf

学位论文的主要创新点 i i l ll fi ii i fl l lll ii i i iiii 18 7 9 2 7 0 一、迄今，大部分报道都是通过特定培养目的培养出好氧颗粒污泥， 然后再分析颗粒的形成机理，本试验根据己提出的好氧颗粒污泥形成 机理来培养好氧颗粒污泥，利用丝状菌假说和胞外聚合物假说，采用 s b r 系统，通过促进和抑制丝状菌生长的方法，成功地培育出了两种 不同性质的好氧颗粒污泥。 二、将得到的两种不同性质好氧颗粒污泥分别与膜生物反应器结合， 形成丝状菌好氧颗粒污泥a g m b r 及非丝状菌好氧颗粒污泥 a g m b r ，并与传统m b r 做对比，研究其运行性能，并对好氧颗粒 污泥对膜污染的影响进行了分析。 摘要 本试验以絮状活性污泥为接种污泥，在两个相同的序批式活性污泥反应器 ( s b r ) 中分别通过促进与抑制丝状菌生长的方式，成功地培养出两种性质不同 的好氧颗粒污泥。然后，将培养成熟的两种好氧颗粒污泥分别投加到膜生物反应 器( m b r ) 中形成好氧颗粒污泥膜生物反应器( a g m b r ) ，同时与传统m b r 进行对比，考察了好氧颗粒污泥对膜污染的影响。 r l 促进丝状菌生长，仅用1 5 d 便得到成熟的好氧颗粒污泥，沉降速度为4 5 m h ，s v i 值3 5 4 5m f g ，粒径主要在2 qn l m 之间，耗氧速率( s o u r ) 为1 3 5 m 趴g m m ) ，内部以丝状菌为主；l 毪抑制丝状菌生长，耗时1 2 0 d 得到成熟好氧 颗粒污泥，沉降速度6 1m h ，s v i 维持在3 0m v g 左右，粒径主要在1 - 1 6m m 之 间，s o u r 为1 2 1m 烈g m m ) ，内部以杆菌为主。好氧颗粒污泥培养成熟后，两 者对c o d 的去除率相差不大，均达到9 5 以上；r l 对n h 4 + - n 的去除率为9 5 ， 略低于r 2 的9 8 ；r l 对t n 的去除率达到6 0 ，明显高于r 2 的5 0 ；r 1 对 t p 的去除率为3 1 ，而r 2 为3 0 。与接种污泥相比，r l 、l 匕反应器中胞外多 聚物( e p s ) 含量均有所增加，这说明胞外多聚物在好氧颗粒的污泥形成过程中 起到了关键作用。 将丝状菌颗粒污泥以连续流a g m b r 方式运行时，颗粒出现解体，系统发 生丝状菌膨胀，系统内e p s 含量明显增加，仅运行5 d 便达到最高运行压力。将 非丝状菌颗粒污泥以连续流a g m b r 方式运行，1 5 d 达到最高运行压力，比传统 m b r 运行周期延长了一倍。与传统活性污泥相比，非丝状菌好氧颗粒污泥对膜 污染现象具有明显的减缓作用。试验期间，进水c o d 为4 0 0 m g l 、t n 为2 0m g l 时，传统m b r 的s v i 在1 2 0 m f g ，而丝状菌颗粒污泥a g m b r 稳定在5 0m f g 左右。非丝状菌颗粒污泥a g m b r 对c o d 的平均去除率略高于传统m b r 分别 为9 2 和8 9 ，二者对氨氮平均在9 2 左右相差不大：a g m b r 较m b r 对t n 有较高的去除效率平均值为4 0 ，明显高于m b r 的1 7 。通过红外吸收光谱 图对比发现，不论在m b r 还是非丝状菌颗粒污泥a g m b r 中，胞外聚合物都是 导致膜污染的重要物质。滤饼层阻力在两者膜污染中均起到主要作用，但m b r 的膜孔阻力要高于a g m b r ，好氧颗粒污泥沉降性能好，污泥不易在膜表面沉积 形成滤饼层，减少了滤饼层阻力，粒径较大，降低了污泥进入膜孔的机率，减少 了膜孔阻塞。 关键词：好氧颗粒污泥；膜生物反应器；形成机理：膜污染；胞外多聚物 a b s t r a c t u s i n gc o n v e n t i o n a lf l o c c u l e n ta c t i v a t e ds l u d g ea ss e e d i n gs l u d g e ，t w ot y p e so f m a t u r ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew e r er e s p e c t i v e l yc u l t i v a t e di nt h es a m et w o s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r s ( s b r ) b yp r o m o t i n ga n di n h i b i t i n gf i l a m e n t o u sb a c t e r i a g r o w t h t h e n , t h et w ot y p e so fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew e r ea d d e dt om e m b r a n e b i o r e a c t o r ( m b r ) t ob u i l t t h ea e r o b i cg r a n u l a r s l u d g e m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( a g m b r ) t h ep e r f o r m a n c ea n dt h ei m p a c to nt h em e m b r a n ef o u l i n go fa g m b r a n dc o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g em e m b r a n eb i o r e a c t o rw a sc o m p a r e du n d e rt h e s a m ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s i i lr ir e a c t o rt h em a t u r ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew a sc u l t i v a t e db yp r o m o t i n g f i l a m e n t o u sb a c t e r i ag r o w t h , a n dt h ew h o l ec u l t i v a t i o np r o c e s sl a s t e df o r15 d a tt h e s a m et i m e ，a n o t h e rk i n do fm a t u r ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew a sc u l t i v a t e di nr 2 r e a c t o rb yr e s t r a i n i n gf i l a m e n t o u sb a c t e r i ag r o w t h , a n dt h ew h o l ec u l t i v a t i o np r o c e s s l a s t e df o r12 0 d t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i ss h o w e dt h a tt h es l u d g eg r a n u l e sp r o d u c e d i | lr 1r e a c t o rh a das e t t l i n gv e l o c i t yo f4 5m h , s v i ( s l u d g ev o l u m ei n d e x ) o f3 5 - - 4 5 m 垤，s o u r ( s l u d g eo x y g e nc o n s u m p t i o nr a t e ) o f 1 3 5m g ( g m i n ) a n dm a i nd i a m e t e r d i s t r i b u t i o nr a n g e d2 4m m ；w h i l et h es h d g eg r a n u l e sc u l t i v a t e di nr 2r e a c t o rh a da s e t t l i n gv e l o c i t yo f 6 1m h , s v io f a b o m3 0m l g ，s o u ro f1 2 1m g ( g 。m i n ) a n dm a i n d i a m e t e rd i s t r i b u t i o nr a n g e dl 1 6n l m a f t e rc u l t i v a t i o nf i n i s h e d t h et nr e m o v a l e f f i c i e n c yi nr 1r e a c t o rw a sa b o u t6 0 a n d5 0 i nr 2r e a c t o r c o m p a r e dw i t ht h e i n o c u l a t e ds l u d g et h ec o n t e n to fe x t r a c e i l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ( e p s ) w e r e i n c r e a s e di nr 1a n dr 2r e a c t o r , i n d i c a t i n gt h a te x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s p h y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h ef o r m a t i o np r o c e s so f a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e d i s i n t e g r a t i o no c c u r e d i nt h ef i l a m e n t o u sa e r o b i c g r a n u l a rs l u d g ea g m b r s y s t e m , f i l a m e n t o u s b a c t e r i a p r o l i f e r a t e d a n df i l a m e n t o u s b u l k i n go c c u r r l e c l , a c c e l e r a t e dt h er a t eo fm e m b r a n ef o u l i n ga n do n l yp e r i s t e df o r5d a y s a f t e r7d a y s r u n n i n g ，t h em e m b r a n ei nt h em b rw a ss e r i o u s l yf o u l e d , a n du n d e rt h es a m e c o n d i t i o n st h ea g m b rp e r s i s t e df o r15d a y s , w h i c hs h o w e dt h a ti nt e r m so f m i t i g a t i o no fm e m b r a n ef o u l i n g ，n o n - f i l a m e n t o u sb a c t e r i aa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ei s b e t t e rt h a nt h a to f c o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g e i nt h et r i a lp e r i o dt h ev a l u eo f s v io f t h em b rw a sa l w a y sm o r et h e12 0m l g ，b u tt h ea g m b rw a ss t a b l e da t5 0m l g ， r o l ei nm e m b r a n ef o u l i n gi nt h eb o t ht w or e a c t o r s ，d u et ot h el a r g es i z ea n db e t t e r s e t t i n ga b i l i t yo fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ，t h ep o r eb l o c k i n gw a sr e d u c e d t h e r e f o r e ， t h ep o r er e s i s t a n c ei na g m b rw a ss i g n i f i c a n t l yl o w e rt h a nt h a ti nm b r k e yw o r d s ：a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ；m e m b r a n eb i o r e a c t o r ；f o r m a t i o nm e c h a n i s m ； m e m b r a n ef o u l i n g ；e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s 目录 第一章前言1 第二章原理。3 2 1 好氧颗粒污泥技术3 2 1 1 好氧颗粒污泥的提出与初期研究3 2 1 2 好氧颗粒污泥的特性3 2 1 3 好氧颗粒污泥培养关键技术4 2 1 4 好氧颗粒污泥形成机理6 2 2 膜生物反应器的研究进展7 2 2 1 膜生物反应器的发展7 2 2 2m b r 的工艺特点8 2 2 3 膜污染m b r 的缺陷9 2 2 4 膜污染的数学模型1 1 2 3 本课题研究主要目的和意义1 2 第三章好氧颗粒污泥培养l5 3 1 前言1 5 3 2 试验部分1 5 3 2 1 试验装置及流程1 5 3 2 2 接种污泥及进水水质1 5 3 3 试验结果与讨论l8 3 3 1 好氧颗粒污泥的培养l8 3 3 2 好氧颗粒污泥微生物镜检2 0 3 3 3 好氧颗粒污泥的电镜观察2 l 3 3 4 好氧颗粒污泥粒径2 2 3 3 5 好氧颗粒污泥的e p s 2 2 3 3 6 好氧颗粒污泥的活性2 5 3 3 7 好氧颗粒污泥比重2 5 3 3 8 颗粒污泥培养期间对污染物的去除规律变化2 6 3 4 ，j 、结3l 第四章好氧颗粒污泥膜生物反应器( a g m b r ) 3 3 4 i 前言3 3 6 2 展望5 6 参考文献5 7 硕士在读期间发表论文6 3 致谢6 5 第章前言 第一章前言 固定化微生物技术( i m m o b i l i z e dm i c r o - o r g a n i s m s ) 是2 0 世纪6 0 年代由生物 化工中的固定化酶技术发展起来的生物技术。采用固定化技术，将微生物通过一 定的技术手段( 如利用载体材料、包埋物质或合理控制水力条件等) 使微生物固 着生长。与游离微生物相比，有利于提高反应器内微生物的数量，利于反应后的 固液分离，利于脱氮、去除高浓度有机物，对冲击负荷有较强的适应能力。利用 微生物固定化技术处理污水，具有一系列优点【lj ： ( 1 ) 微生物经固定化后，不易流失，有利于回收重复利用。 ( 2 ) 固定化的微生物，能提高系统的处理能力和适应能力。 ( 3 ) 固定化微生物体系适合于连续化、自动化、反应过程易于控制。 ( 4 ) 固定化微生物易于与产物分离，改善了后续处理过程，提高了利用效 率，降低了成本。 ( 5 ) 固定化微生物技术可以充分提高微生物的停留时间，不会出现微生物 流失现象，可以任意调节容积负荷，处理效率将会大大提高。 ( 6 ) 微生物固定技术可以固定特殊功能的微生物，抵抗有毒物质的毒副性 能力强，还能在一定程度上避免游离细胞连续反应器中最为危险的杂菌的污染。 目前，国内外对于微生物固定化方法，并没统一的分类标准，根据其制备方 法不同可以分为：包埋固定化、胶联固定化、表面吸附固定和自身固定化等【2 j 。 包埋固定化 由于对微生物细胞活性影响小，操作简单，目前较为常用，和广泛研究的微 生物固定化方法便是包埋固定化，系指将微生物包埋在半透性膜内，或使微生物 细胞扩散进入多孔性的载体内部，即微生物固定在膜内，而底物和反应代谢产物 可自由出入。 胶联固定化 胶联固定化是利用两个或两个以上的功能基团，使微生物菌体相互连结成网 状结构，即使功能基团直接与微生物细胞表面的反应基团如氨基，烃基等进行胶 连，形成共价键而达到固定化的目的。该方法所用胶联剂较昂贵，且在形成共价 键的过程中，会对微生物细胞的活性造成较大的影响，因此应用受到一定限制。 表面吸附固定化 表面吸附固定化系指微生物通过物理、化学或离子结合法吸附在载体表面的 固定方法。这种固定方法操作简单，对微生物活性影响小，但所固定的微生物数 天津- r q k 大学硕上学位论文 量受到表面积的限制。生物滤池、生物转盘等工艺是固定化的典型例子。 自身固定化 是一种微生物自身作用进行微生物固定化的方法，又叫做细胞间自交联固定 化，即在特殊的装置中，通过严格控制工艺运行参数包括沉降时间，交换比，剪 切力，进水负荷，溶解氧浓度等形成的固定化微生物，又称颗粒污泥。升流式厌 氧污泥床反应器中的厌氧颗粒污泥及s b r 中的好氧颗粒污泥的形成就属于微生 物的自身固定化过程。 颗粒污泥在厌氧反应器及好氧反应器内均能形成，分别称作厌氧污泥颗粒化 和好氧污泥颗粒。污泥的颗粒化最先是在u a s b 反应器中提出的，随后厌氧颗粒 污泥在工业废水和生活污水的处理中，得到广泛应用。但厌氧颗粒污泥的培养需 要较长的启动时间、温度要求严格。而好氧颗粒污泥是近几年来兴起的新型废水 生物处理技术，好氧颗粒污泥具有丰富的微生物相，提高了生物含量，对增强反 应器的抗冲击负荷能力具有深远意义。好氧颗粒污泥与传统的活性污泥法相比， 沉降速度快，节省运行时间；能维持相对稳定的环境，抗冲击负荷能力增强；对 难降解物质起到了更好的效果；脱氮除磷效果好；出水水质稳定等特点。因此， 好氧颗粒污泥技术已成为国内外研究热点。 膜生物反应器m b r ( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ) 以膜单元取代二沉池，悬浮物和 胶体被膜截留，污泥沉降性能不会影响出水水质，曝气池中活性污泥浓度高、提 高了生物降解速率，同时降低了比负荷率，减少了剩余污泥产量【3 4 】。尽管膜生 物反应器具有很多优点，但膜污染已成为影响膜应用的关键因素。研究发现胞外 聚合物( e p s ) 、溶解性微生物产物( s m p ) 等物质对膜污染有着直接影响。同 时人们发现，微生物形态及粒径，对膜污染也有一定的影响。l i m 5 】发现颗粒污 泥粒径越大，造成的膜污染越轻。凶此改变膜生物反应器内污泥的性状，采用较 大粒径的污泥，对膜污染过程可以有效缓解。膜生物反应器具有出水稳定，污泥 浓度高，而好氧颗粒污泥粒径大，沉降性能好，能有效减少膜污染，同时具有同 步脱氮除磷的效果。因此，将好氧颗粒污泥技术与膜分离技术有机结合可以更好 的发挥两者的优势。 迄今，大部分报道都是通过特定培养目的培养出好氧颗粒污泥，然后再分析 颗粒的形成机理，本试验根据已提出的好氧颗粒污泥形成机理来培养好氧颗粒污 泥，利用丝状菌假说和胞外聚合物假说，采用s b r 系统，通过促进和抑制丝状菌 生长的方法，成功地培育出了两种不同性质的好氧颗粒污泥。将得到的两种不同 性质好氧颗粒污泥分别与膜生物反应器结合，形成丝状菌颗粒污泥a g m b r 与非 丝状菌颗粒污泥a g m b r ，并与传统m b r 做对比，研究其运行性能，并对好氧颗 粒污泥对膜污染的影响进行了分析。 第二章原理 2 1 好氧颗粒污泥技术 第二章原理 2 1 1 好氧颗粒污泥的提出与初期研究 好氧颗粒污泥的研究始于2 0 世纪9 0 年代初，m i s h i m ak 【6 j 等基于厌氧颗粒 污泥在u a s b 中的形成模式，利用纯氧曝气，在好氧升流式污泥床反应器 ( a e r o b i cu p f l o ws l u d g eb l a n k e t ，a u s b ) 中接种活性污泥，成功地培养出了好 氧颗粒污泥。 m o r g e n r o t he 等人【_ 7 】最早在s b r 反应器中培养出好氧颗粒污泥。此后，b e u n 等人【8 】使用s b a r 反应器，在短沉降时间和高剪切力条件下，首次在s b r 反应 器中培养出好氧颗粒污泥。竺建荣等人【9 】利用a a a 工艺( 一种s b r 反应器) 培 养出好氧颗粒污泥，随后s b r 培养模式为广大研究者采用。1 9 9 7 年后，好氧颗 粒污泥的研究迅速展开，在s b r - t 艺中培养好氧颗粒污泥的文章大量出现。采 用低溶解氧( 1 0 m g l ) ，p e n gd 等人0 j 成功地培养出颗粒污泥。利用短沉降时 间，脉冲进料形成的饥饿段和高剪切力， r a yj 等人l l i j 成功培养出好氧颗粒污泥。 利用厌氧好氧交替的s b r 反应器，j a n ga 1 2 1 等人成功地培养出好氧颗粒污泥。 2 1 2 好氧颗粒污泥的特性 与传统絮状活性污泥和厌氧颗粒污泥相比，好氧颗粒污泥具有以下特剧1 3 】： ( 1 ) 外观较为规则、光滑，有明显的泥水分界线。 ( 2 ) 沉降性能好，固液分离效果明显，出水水质好。 ( 3 ) 系统内可以维持较高的污泥浓度，污泥负荷较低，处理效率大大提高。 ( 4 ) 具有一定的机械强度，粒径较大，在废水性质突变，如p h 值、毒性 物质浓度改变，颗粒污泥能维持相对稳定。 ( 5 ) 细菌形成颗粒状的聚集体是一个微生物系统，由不同种种群组成共生 或互生体系，有利于有机物的降解。 ( 6 ) 试验表明，好氧颗粒污泥培养所需时间短，有时仅需1 5 d 便可完成， 而厌氧颗粒污泥培养至少三个月以上【1 4 1 。 ( 7 ) 大量试验表明，好氧颗粒污泥的形成对温度没有严格的要求，不用严 格控制温度，而厌氧颗粒的形成对温度要求较严格，一般控制在3 5 5 5 才能形 天津工业大学硕士学位论文 成稳定的厌氧颗粒污泥【15 1 。 ( 8 ) 好氧颗粒污泥由于粒径较大，具有同步硝化反硝化的能力，大大提高 了系统的脱氮能力，由于聚磷菌的存在系统具有较好的除磷效果。厌氧颗粒污泥 以产酸菌、产甲烷菌为主，不能有效脱氮除磷。 2 1 3 好氧颗粒污泥培养关键技术 由于具有诸多优点，好氧颗粒污泥的研究已经成为热点。近几年对于好氧颗 粒污泥培养的报道很多，但运行方式和参数各不相同，都是通过特定培养目的培 养好氧颗粒污泥。影响好氧颗粒污泥形成的因素很多，到目前为止人们对于好氧 颗粒污泥的形成过程中最关键因素尚不明确。好氧颗粒污泥的形成是一个复杂的 过程，反应器构型、沉降时间、溶解氧、剪切力、进水负荷等均可影响颗粒污泥 的形成l 1 6 1 。 ( 1 ) 底物组成 大量试验表明在不同基质中均可培养出好氧颗粒污泥，如乙酸钠、葡萄糖、 合成废水等，不同碳源培养出的好氧颗粒污泥在菌种组成，性能及结构上也各不 相同】。以醋酸钠为基质培养的好氧颗粒污泥结构紧密，优势菌种为杆菌；以葡 萄糖为基质培养出的好氧颗粒污泥结构较为疏松，优势菌种为丝状菌：以蔗糖为 基质培养出的好氧颗粒污泥同样以丝状菌为主。 ( 2 ) 沉降时间 关于好氧颗粒污泥报道，大多数都是在s b r 反应器中。序批式活性污泥反 应器主要包括进水、曝气、沉淀、排水和静置等五个过程。污水进入系统后开始 曝气，当系统停止曝气后进入沉淀阶段混合液出现泥水分层，随后上清液被排出， 活性污泥截留在反应器内。s b r 反应器中的沉淀时间对反应器内的活性污泥起 到了水力选择压作用。选择压是最早用于种群遗传学的术语，把种群内的选择作 用和物理学上的压力相比来表示种群内的选择作用大小，利用选择压的原理，建 立高度选择性的培养环境，使不适应该培养环境的微生物不能生长或极少生长， 从而筛选和富集培养出目的微生物 1 7 】。 在好氧颗粒污泥培养过程中，大家一致认为污泥沉降时间是形成好氧颗粒污 泥的一个重要参数。在较短的沉降时间下，细碎的活性污泥很难在反应器内沉积 下来，随出水被排走，沉降速度好的活性污泥继续留在反应器内，不断积累，在 较强的水力剪切力的作用下逐步形成颗粒污泥。若采用较长的沉降时间，细碎的 絮状污泥也会在反应器内沉积，沉降性能较差，不利于产生较大的水力选择压， 凶此好氧颗粒污泥很难形成。若采用过短的沉降时间，具有良好沉降性能的活性 污泥或者细小颗粒很容易随出水被洗出，反应器内污泥浓度大大降低，反应器内 第二章原理 污泥生长缓慢，因此也难形成颗粒污泥。综上可知，沉降时间的选择，对于好氧 颗粒污泥的形成是一个关键因素。 ( 3 ) 流体剪切力 反应器中水力剪切力主要依靠气体流量产生，较高的表面气体流速可以使菌 胶团趋于颗粒化，松散的污泥将从颗粒表面脱落，形成的好氧颗粒污泥表面光滑， 脱落的细碎污泥将随出水排出，当表面气体流速较低时，不利于好氧颗粒污泥的 形成【1 引。 较高的流体剪切力刺激胞外多聚物( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ，e p s ) 的产生，使细胞表面疏水性增强【1 9 珈l 。微生物受到较高的水力剪切力产生大量的 e p s ( 以蛋白质和多糖为主) ，多糖的存在增加了颗粒污泥内部的黏性而蛋白质 增加了颗粒表面的疏水性，疏水性增加有利于固液分离，同时更有利于形成稳定 的好氧颗粒污泥。胞外多聚物对好氧颗粒污泥形成及其稳定的结构具有重要意 义；在较高的水力剪切力下活性污泥受到刺激分泌出更多的胞外多聚物，当好氧 颗粒污泥形成后，达到一个平衡。 ( 4 ) 反应器构型 反应器构型在颗粒污泥形成中同样起着重要作用，水流方式对颗粒形成至关 重要，反应器构型直接影响流体运动模式，而特定的运行方式也会对颗粒污泥形 成起到促进或抑制的作用【2 。大量文献表明，在圆柱状或升流式反应器中更容易 形成颗粒污泥，而且高径比( h d ) 越大，越有利颗粒污泥的形成【2 2 】。 ( 5 ) 有机负荷 好氧颗粒污泥的形成的有机负荷范围在2 5 1 5k g m 3 d 。之间，但不同有机 负荷下好氧颗粒污泥的性状大相径庭【2 3 2 4 1 。有机负荷过低，会出现丝状菌膨胀， 影响系统的沉降性能。有机负荷较低时，颗粒粒径较小，有机负荷提高时；好氧 颗粒污泥的粒径也在增大，颗粒密度降低，同时颗粒的生长速度及生物降解能力 也在增加【i 纠。但有机负荷过高也不利于好氧颗粒污泥的形成，较高的有机负荷可 能会引起丝状菌膨胀或粘性膨胀，从而影响颗粒污泥的沉降性能，对颗粒形成产 生负面影响，因此，在好氧颗粒污泥培养过程中选择合适的有机负荷也是较为关 键的因素1 2 引。 ( 6 ) 进料方式 s b r 主要包括进水、曝气、沉淀、排水和静置等五个运行过程。进料阶段 营养污泥丰富，随着反应时间的延长，反应器内营养物质逐渐匮乏，有些微生物 进入能源呼吸阶段。材料表明，以脉冲式进料运行的反应器，曝气段细菌处于内 源呼吸，疏水性升高，微生物之间开始凝聚以抵抗饥饿，细胞表面吉布斯自由能 下降，容易形成颗粒【1 1 1 。由于s b r 反应器采用特定的时间上的推流方式，每个 论及假说，最后提出了一个基于胞外多聚物假说的模型。 ( 2 ) 自凝聚原理 反应器中的微生物在适当条件下，细胞之间相互凝聚形成一种体积和密度较 大、传质和活性较好的微生物颗粒，叫做自凝聚现象。在反应器中，一般只要满 足一定的条件，这种自凝聚现象就会发生。迄今，无论是好氧颗粒污泥还是厌氧 颗粒污泥都是在特定的运行条件下培养出来的。很多文献报道在较短的沉降时间 下，反应器内絮状活性污泥由于沉降性能较差随反应器出水排出，沉降性能较好 的活性污泥在反应器内沉积相互凝聚在一起，在水力剪切力的作用下形成密度较 大、表面光滑、沉降性能较好的颗粒污泥【8 , 3 2 。有人指出，颗粒污泥的形成是一 个进化的过程，通俗讲，当反应器运行参数适宜，为生物通过缓慢的进化过程， 最终实现污泥的颗粒化1 3 引。 料和价格的限制，虽然膜生物反应器出水水质好，但还是没能迅速发展，直到 7 0 年代后期，膜生物反应器开始迅速发展f 3 7 ，3 引。 膜牛物反应器初期应用阶段： 7 0 年代由于膜制作技术进步，促进分离膜应用到污水处理当中，试验表明 膜生物反应器技术出水水质能达到中水回用标准，随后m b r 技术被积极地应用 到实际废水当中；但由于膜组件价格昂贵且膜组件容易受到污染等因素限制了 m b r 的推广。日本在1 9 8 3 1 9 8 7 有多家公司将m b r 应用到中水回用当中，使膜 生物反应器得到了很好的发剧3 9 柏l 。 膜牛物反应器发展阶段： 从上世纪9 0 年代以来，膜生物反应器技术在世界范围内得到迅速发展，从 生活污水处理逐步扩展到工业废水处理。我国于9 0 年代中后期对膜生物反应器 进行了大规模的研究和应用，取得诸多研究成果。m b r 已应用于各个领域，包 括生活污水、高浓度有机废水和工业废水、化工废水4 1 1 、食品废水【4 2 1 、屠宰废 水【4 3 1 等。 天津- r q k 大学硕士学位论文 2 2 2m b r 的工艺特点 膜生物反应器m b r 是将膜分离技术与传统活性污泥的高效结合。将膜分离 技术与传统活性污泥相结合，以膜分离取代传统活性污泥法的二沉池，进行高效 的固液分离效果。传统活性污泥法出水无法达到中水回用的标准，膜生物反应器 的高效固液分离效果使其在在污水处理与回用领域得到了广泛应用【州7 1 。传统活 性污泥法采用二沉池出水，而m b r 省去了二沉池，直接采用膜过滤出水【4 引。 m b r 具有以下特点： ( 1 ) m b r 工艺流程简化，占地面积小。 m b r 将传统活性污泥的曝气池和二沉池合二为一，将二者融合在一个构筑 物中，并取代了三级处理的全部设施，极大地简化了工艺流程，减少了占地面积， 节省了基建费用【4 引。 ( 2 ) 出水水质稳定，可直接中水回用。 m b r 具一个显著的特点，即高效的固液分离效果，其处理效果大大优于传 统活性污泥法，出水浊度低，符合中水回用标准，不用进行后续处理，由于膜的 截留作用反应器内具有较高的污泥浓度，污泥负荷较低，因此具有一定的抗冲击 负荷能力，即使进水水质发生变化，m b r 出水仍然能稳定在一定范围内，出水 水质比较稳定 5 0 - 5 2 】。 由于膜的截留作用，m b r 反应器中可以保持较高的污泥的浓度，一般能达 到1 0 0 0 0m g l ，某些反应器内甚至高达3 5 0 0 0m g l 1 5 3 】。由于反应器内污泥浓度 较高，污泥负荷偏低，更有利于微生物对有机物的降解。j i nk i es h i m 研究了浸 没式膜牛物反应器，试验结果表明，在进水c o d 浓度为1 6 0 0m g l ，氨氮浓度 6 0 0m g l 时，c o d 和氨氮的去除率分别为9 8 ，和9 5 1 5 4 1 。m u h a m m a dh a i - m a l a c k 认为随着污泥浓度的变化，m b r 反应器对c o d 的去除率也在变化， 一般去除率维持在8 0 9 8 之f 日- j t ”】。 膜分离过程可根据被截留分颗粒或分子大小来分类，有反渗透、纳滤、超滤 和微滤。微滤一般应用于细菌、原生动物、胶体和微细颗粒物的分离；超滤膜可 以截留病毒、乳化剂和大分子物质：纳滤膜还可以出去腐殖酸、酶、合成色素和 高价离子：反渗透可以截留溶解盐以获得纯净水。一般将微滤或超滤应用在m b r 中【5 6 】，膜工艺过程由于滤饼层的存在，分离膜往往能够截留比它标称孔径细小得 多的物质。比如，在膜生物反应器工艺里，使用微滤膜就能够实现病毒和大分子 物质的截留，这是由于微滤过程中滤饼层的存在使微滤膜表面覆盖一层薄膜导致 孔径更小，实现了超滤的过程。 ( 3 ) 长污泥龄，剩余污泥少。 高效的固液分离效果，使微生物完全截留在膜生物反应器内，实现了污泥停 第二章原理 留时间( s r t ) 与水力停留时间( h r t ) 分离，运行稳定，反应器污泥龄长，大 大提高了有机物降解效率，污泥负荷低，溶剂负荷高，微生物增殖速度减缓，剩 余污泥产量少，减少了剩余污泥处理费用。理论上讲由于膜的存在，系统运行可 以采用不排泥的运行方式，污泥龄无限延长，实现剩余污泥的零排放【5 。 ( 4 ) 容积负荷高，抗负荷冲击能力强。 膜的机械截留作用避免了微生物的流失，反应器内可保持高的污泥浓度，从 而能提高容积负荷，普通膜生物反应器内的污泥浓度可达到1 0 2 0g l ，处理某 些高浓度废水时，污泥浓度最高可达5 0g l 。由于污泥浓度高，大大降低了污泥 负荷，使系统对有毒有害物质的处理能力有所增高，即使进水有机物突然升高， 系统仍能维持稳定，保持良好的出水效果，具有很强的抗冲击能力。 ( 5 ) 具有较高的脱氮效果。 由于膜的截流作用使s r t 充分延长，有利于增殖缓慢微生物的生长，如硝 化细菌生长缓慢，很难在水力停留时间短的情况下富集，但由于膜的截留作用， 硝化细菌能够富集，因此m b r 系统对氨氮具有较高的去除率。在膜生物反应器 中将氨氮氧化为硝氮，因此普通膜生物反应器对总氮的去除率不是很高。试验表 明，采用序批式m b r ，能达到很好的脱氮效果，这一方法类似于s b r l 5 引。由于 污泥浓度很高，当溶解氧供应不足时，会产生局部缺氧现象，硝氮被反硝化细菌 还原，可以实现较好的总氮去除率【5 9 1 。在浸没式m b r 中控制溶解氧在1 0m g l 时系统可以实现同步硝化反硝化，反应器内氨氮和总氮均有较好的去除效果唧l 。 有学者认为，污泥龄太长对系统的除污效果有负面影响，当污泥龄过长时会导致 硝化细菌活性降低，同时会影响系统对有机物的去除效果，因此，无限长的污泥 龄只是理想状态，系统应定期排泥1 6 l j 。 ( 6 ) 实现p l c 控制、操作管理方便。 m b r 省略了二沉池，将曝气池和二沉池合并在一个构筑物内，使结构更为 紧凑，这样更有利于集中控制。整个工艺流程采用p l c 控制，基本可以实现自 动化，操作管理更为方便。 2 2 3 膜污染m b r 的缺陷 m b r 反应器中随着反应时间进行膜组件受到污染，导致膜的水通量不断衰 减。受污染的膜组件水通量下降，因此要对膜组件定期进行清洗，导致设备停运， 增加了运行费用，即使进行水力清洗或者药洗，膜的水通量也无法完全恢复，因 此膜污染足m b r 的一大缺陷陬j 。 膜孔堵塞、滤饼层、浓差极化、吸附等均可造成m b r 膜通量下降。浓差极 化现象并不属于通常所说的膜污染现象，是指由于浓度梯度的作用，膜附近溶质 天津工业大学硕上学位论文 高导致局部渗透压增加，当运行方式改为错流顾虑时，浓差极化现象便会自 失。m b r 中通常所说的膜污染是指活性污泥混合液中的固体颗粒、有机污 、溶解性物质、微生物菌群、胶体粒子等在运行过程中与膜组件接触，膜组 在一定的孔径，在压力作用下，超过膜孔径的粒径较大物质在膜表面沉积形 饼层而粒径较小的物质在膜内孔沉积造成膜孔堵塞，使膜的水通量下降，产 可逆变化。 活性污泥混合液是造成m b r 中的膜污染物质的来源，活性污泥的性质直接 着膜污染的情况【6 3 1 。 在m b r 系统中，造成膜污染的物质可以分为以下五类： ( 1 ) 固体无机污染物 在工程上，m b r 进水当中不可避免含有无机颗粒，如悬浮固体、泥沙等， 固体物质能引起膜污染。 ( 2 ) 无机盐类污染物 当m b r 进水中含有大量无机盐类污泥如钙盐、钡盐等易结垢物质，容易在 面形成碳酸钙硫酸钡等物质，影响膜的通量。减少无机盐类结垢最有效的方 是采用错流技术，避免发生浓差极化现象，从而减少结垢。在处理高盐废水 如何防止化学结垢也是m b r 反应器运行的一个实际问题畔1 。 ( 3 ) 有机污染物 活性污泥混合液中的溶解性有机物很容易在膜表面附着，如天然高分子、蛋 等有机污染物。这些物质具有憎水性质，在氢键等吸附力作用下这些物质吸 膜表面【6 5 】。 ( 4 ) 胶体污染物 在m b r 系统中由于压力存在，小颗粒物质会在膜表而沉积并形成胶体物质。 由于临界电位存在，胶体表面在压力作用下浓缩并趋于稳定，持续在膜便面沉积 并最终形成泥饼层。 ( 5 ) 生物污染物 m b r 反应器靠负压出水，在压力的作用下微生物会附着在膜表面，随后在 膜表面生长，并形成一层生物膜，导致膜通量下降，出水压力升高。在基质的降 解过程中，微生物会分泌一种多聚物，这种物质对膜污染有着重要作用。由于在 混合液中状态不同，将其分为两种，分别叫做溶解性微生物产物( s o l u b l e m i c r o b i a lp r o d u c t s ，s m p ) 和胞外多聚物( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ， e p s ) 。s m p 和e p s 成分相似，s m p 溶解于混合液中，而e p s 存在于活性污泥 细胞周围，以凝胶态存在。 微生物进行基质分解和内源呼吸过程中会产生s m p 。其组成十分复杂，是 第二章原理 多糖、腐殖质、核酸、蛋白质、抗生素，硫醇和有机酸等多种物质的混合体。试 验发现，采用分置式m b r 反应器，由于组件置于反应器外侧，使用循环泵进行 固液分离，这种运行方式对活性污泥絮体有较大破坏，许多细胞破损，释放出大 量s m p ，增大了膜的过滤阻力，膜污染现象很严重【j 。研究发现，在m b r 反 应器中，s m p 随着反应时间的进行，在膜反应器内大量积累，并导致过滤阻力 增加，加速膜污染【j 。 许多学者认为，影响膜污染的关键因素便是胞外聚合物( e p s ) 。e p s 以凝 胶的状态存在于细胞周围，包括：蛋白质、核酸、多糖、脂类等。由于多糖类物 质具有黏性，及蛋白质的疏水性，使污泥微生物聚集生长，形成大的活性污泥絮 体，因此，e p s 对污泥性质起着关键作用。有学者认为，滤饼层阻力是构成膜污 染的主要阻力，而滤饼层由无机物、微生物、有机物组成，有机物中包含e p s 【7 l j 。 c h a n g t 7 2 】认为滤饼层形成后，胞外聚合物会将滤饼层之间的缝隙填满，大大降低 了膜的水通量，因此，胞外聚合物在膜污染中起着至关重要的作用。研究表明， e p s 在m b r 中会大量积累，当从细胞表面脱落时便进入混合液中，当污泥吸附 在膜表面时便会引起膜表面e p s 大量积累，混合液粘度和膜过滤阻力会相应的 增加【7 3 1 。混合液中e p s 含量的增加，会加快膜污染的速度，e p s 含量过高会引 发严重的生物污染【7 4 1 。l e e 等人认为，活性污泥中的e p s 组成和含量直接决定污 泥的性质，而污泥的性质对膜污染有着重要的作用【7 引。 在m b r 反应器中，活性污泥絮体大小及沉降性能，对膜污染有着重要影响， 粒径大小能直接影响活性污泥在膜表面的沉积情况。反应器内活性污泥具有较大 的粒径时，污泥不容易在膜表面沉积。而当活性污泥粒径较小时，由于压力的作 用会直接吸附到膜表面，进而形成致密的滤饼层，过滤阻力增大，膜污染较严重。 试验发现，在研究m b r 膜污染情况时，采用两种不同粒径分布的活性污泥作为 接种污泥，发现小粒径活性污泥对膜的污染情况更为严重 7 6 j 。 2 2 4 膜污染的数学模型 膜污染一般采用经典的d a r c y 定律来表征。 根据d a r c y 定律，过滤模型中膜通量的基本表达式可表示如下： 心 扛确再西习 公船1 ) 式中：，膜通量沏3 m 2 s ) ； p 膜两侧压力差) ； 天津工业大学硕士学位论文