（环境工程专业论文）复合型膜生物反应器同步硝化反硝化实验研究.pdf

摘要 摘要 膜生物反应器是生物处理技术与膜技术的有机结合，复合型膜生物反应器是 在传统的膜生物反应器内加入填料，使活性污泥和生物膜共存的一种反应系统。 填料加入后可以很大程度上减少悬浮污泥的量，这样可以减缓膜的污染，同时整 个系统的抗冲击负荷能力加强，而且生物膜内部可以形成很大范围的厌氧区域， 有利于反硝化的顺利进行，所以本试验对于t n 的去除率较高，达到9 0 以上。 本实验主要研究d 0 、c n 、h r t 、p h 对系统去除有机物和脱氮的影响。d o 过低不能满足微生物生长和降解污染物的需要，d o 过高会扩大反应器的好氧区， 使得污泥中好氧菌较活跃，大量繁殖，加速有机物的消耗，使得反硝化菌得不到 足够的碳源，致使t n 的去除率降低。本实验最终确定最佳的d 0 在l 2 m g 几 之间。 c n 是影响系统去除效果的重要因素，当保持进水c o d 不变，降低进水 n h 3 一n 浓度时，系统表现出良好的去除效果，而保持进水n h 3 一n 不变，降低进 水c o d 浓度时系统去除效果较差，但是稳定一段时间后系统处理能力又有所回 升，表明系统有较强的自我调节能力。 p h 也是影响微生物菌群生长和硝化反硝化反应速率关键因素，p h 过高或过 低会对微生物产生致命的抑制，微生物的生命活动、物质代谢与d h 密切相关， 当p h 值在5 9 5 的范围内变化时，膜生物反应器去除有机物和脱氮的影响变化 较大，从实验结果来看，最佳的p h 值为7 o 8 5 的范围内。 通过改变h r t 为5 h 、8 h 、1 0 h 、1 5 h 的条件下观察系统去除有机物和脱氮的 效果，试验结果表明去除c o d 和氨氮最适宜的h r t 为8 h 以上，但脱氮的最佳 值在8 1 0 h 之问，所以本实验的h r t 的最佳值为8 h 。h r t 的选择与污泥浓度 密切相关，h r t 较低时污泥中微生物获得的营养物质多，处于对数生长期，细 菌繁殖快，污泥浓度增大，h r t 较高时，污泥中微生物处于衰亡期，细菌老化， 污泥浓度降低。 膜生物反应器中同步硝化反硝化的发生符合反应器溶解氧分布不均理论以 及缺氧微环境理论。同时d 0 值是影响系统同步硝化反硝化的关键因素，系统反 广东工业大学工学硕士学位论文 应器的结构以及系统中污泥浓度也在定程度上间接影响同步硝化反硝化的进 行，影响同步硝化反硝化的各种因素对于处理效果的影响主要是通过改变污泥浓 度以及污泥中微生物的活性来实现。 关键词：膜生物反应器；同步硝化反硝化；影响因素：填料 a b s t r a c t m e m b m n eb i o r e a c t o r ( m b r ) i sar e a s o m b l ec o m b 血a t i o no fb i o l o g i c a lt r e a t m e n t t e c t l l l o l o g ya n dm e m b r a i l ct e c h n o l o g y ，c o r i l p l e xm e m b r a n eb i o r e a c t o ri sar e a c t i v i t y s y s t e mo fa d d i n gf i l l c ri t lt h eb i o r e a c t o r ，w l l i c hc a j lk e e pt h ea c t i v a t e ds l u d g ea n d b i o f i l mc o n c o r n i t a n c e i tc o u l dr e d u c et h e 锄o u mo fm l s s a n da l l e v i a t et h c m e m b r a n ep o l l u t i o nw h e na d d i n gt h ef i l l e ri i lt h eb i o r e a c t o la tt h es a m et i r l l e ，t h e a b i l i t yo f r e s i s t i n gi n l p a c tl o a do f t h es y s t e mw i l lb es t r o n g e r ，a t l dt h e r ew i l lb eak 曙e s c a l ea n a e r o b i ca r e amt h eb i o n l m ，t h a ti sa d v a n t a g e do fd e n i t r m c a t i o n 1 1 l er e m o l e 伍c i e n c yo f t n i sa b o v e9 0 i r it h es y s t e m t h ei m p a c to f c o da n dt nr e l n 0 v a le f f i c i e n c yb yd o 、c n 、h r ta i l dp hi st h e m a i l lr e s e a r c ha i mi 1 1t h ep a p e li fd 0t o o1 0w ，皿c r o o r g a n i s mg r o wa n dr c m o lo f p o l l u t i o n sc a i l o tb es a t i s f a c t i o n i f d o t o oh i g kt h a l 砌le x p a n dt h ea e r o b i ca r e ao f t h es y s t e r 玛a e r o b i cm i c r o b i a lw i l lm c r e a s em p i d l 弘i i l c r e a s i i l gt h ec o n s u m p t i o no f c o d ，s ot h er e m o v a le m c i e n c yo f t nd e c l k t h eb c s tr a n g eo f d oi sl 2 m g l c ni st h ek e yi n d e xo fr e l n o v a le m c i e n c yi i lc o m p l e xm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，t h c s y s t e mk e e pl l i 曲r e m o v a le m c i e n c yw h e nd e c l m i n gt h ei n f l u xc o n c e m r a t i o n o f n h 3 一na n dk e 印i n gt h ec o dc 1 1 a n g e l e s s b u tt h er e r n o v a le m c i e n c yw i l ld e c l i i l e w h e nd e c l i i l m gt h ei n n u xc o n c e n t r a t i o no fc o da n dk e e p i n gt h en h 3 _ nc h a n g e l e s s t h ee 摅c to f r e m o v a le m c i e n c yw i l lb e t t e rt l l a i lb e f o r ew h e nn m i n ge n o u 曲1 0 n g t 曲e i ts h o w st h tt h es y s t e mh a v et h es e l f r e g u l a t i o n p hv a l u ei sa l s ot h ek e yi 1 1 d e xo f m i c r o b i a l 伊o w m ga t l dt h es p e e do f n i t r i f i c a t i o n a 1 1 dd e 血r i f i c a t i o n p hv a l u et o oh 培ho rt o o1 0 wc a i lr e s t r a i l lt h eg r o m ho f i i l i c m b i a l ， t h ev i t a la c t i v i t ya n dm e t a b o l i s mo fm i c r o b i a l i ss t r o n g l yr e l a t e dt oph t h er e m o v a l e m c i e n c yo fm e m b r a n eb i o r c a c t o rh a v eb i g g i s hn u c t u a t e ，w h e np hv a l u ec h a n g ei n t l l es c o p eo f 5 曲5 t h eb e s tp hv a l u es c o p ei s7 8 5 c h a n g et h eh r t i 1 1t h es c o p eo f 5 、8 、1 0 、1 5 ，e x p e r i t i l e ms h o wt l m tt h cb e s t h i sa b o v e8 ho fr e m o v a lc o da n dn h 3 - n ，a n dt h eb e s th r ti s8 1 0 ho f r e m 0 lt n ， s o8 hi st h eb e s th r t o f e x p e r i n l e n t f 丁丁 查三些查兰三耋堡圭兰堡篁兰 h r ti ss t r o n g l yr e l a t e dt om l s s ，w h e nh r tl o w e r ，t h em i c r o b i a li si 1 1t h e g r o 、v t hp l l a s e ，g e t sm o r e 肌t r i t i o n ，g r o 、v t hq u i c k l y ，t h c 。s si n c r c a s m g ，w h c nh r t 蛐g h e r ，t h em i c r o b i a li si nt h ec o n t a b e s c e n c ep h a s e ，b e c o m i n ga g i i l g ，m l s sd e c l i n e t h a nb e f o r e s oe v c r ye 腩c tf a c t o r sm u s tk e 印s t a b l e ，t h es y s t e mc a nh a v et h eb e t l e r r e r n o v a le f ! i c i e n c y n i t r m c a t i o na n dd e n j t r m c a t i o na c c o r dw “ht h et h e o r yo fm a l d i s t r i b u t i o no fd o a n dt h e o r yo fd e f l c i e n c yo fo x y g e ni nm i c r o e n v i r o n m e n t d 0i st h ek e yf a c t o ro f 血r i n c a t i o na i l dd e n i t r m c a t i o n ，t h ee ) p e r i i l l e n t a lc o i l f i g u r a t i o n 肌dt h cm l s sa l s o i n n u e n c ei nt h e 血r i f i c a t i o na n dd e n i t r m c a t i o n ，t h ei m p a c to fr e 】n o v a le m c i e n c yb y a l le 妇融c tf k t o r si st h r o u g h o u tc h 锄g et h cm l s sa i l di i l i c r o b i a la c t i v ca c h i e v e k e yw o r d s ：埘忙m b r a n eb i o r e a c t o r ； s i n l u n a n e o u sn i t l 唷f i c a t i o n _ d e 血r i f i c a t i o n e f f e c t 梳t o r ：6 1 1 e r 第一章绪论 第一章绪论 目前世界上许多天然湖泊、水库及周边海域因水体富营养化已严重威胁到 自然界的生态平衡和人类的生产生活，而引起这一现象的原因是含氮废水的肆 意排放，为此国内外许多国家已经对废水排放或回用的氮指标进行了调整，严格 控制氮的排放量，废水中的氮以有机氮和无机氮两种形式存在，其中有机氮有 蛋白质、氨基酸、尿素等，而无机氮则包括氨氮、亚硝态氮、硝态氮等。含氮废 水的超标排放是造成水体污染的主要原因之一。 1 1 脱氮的概况 1 1 1 水体中氮的来源 水体中的氮的来源是多方面的，主要由城市生活污水、工厂工业废水和农 田灌溉污水三方面带入。此外自然界的天然固氮也是一个方面，通过雷电固定 大气中的氮就占天然固氮的1 5 。大气中的氮通过下雨会降解到水体，水体本 身尚有许多能固氮的微生物，如某些固氮菌和蓝绿藻，在光照充足的情况下能 将大气中的氮固定下来并进入水体。据统计，一些湖泊中的固氮微生物从大气 中固定下来的氮可达湖泊中藻类生长所需氮量的5 0 【l 】。而土壤中的固氮菌和 豆科植物根瘤菌的生物固氮也是造成氮进入地下水环境和土壤内源的因素。 ( 1 ) 城市生活污水中的氯随着我国城市人口的增加和人口的进一步集 中，及人民生活水平的提高，城市排放的垃圾量和污水量在逐步上升。城市生 活污水中的氮主要由厨房洗涤、厕所冲洗、淋浴、洗衣等带入，城市生活污水 中含有的有机氮和氨氮，主要来源于人体食物中蛋白质代谢的废弃物如粪便等。 通常新鲜生活污水中有机氮如尿素等约占6 0 ，无机氮中氨氮约占4 0 ，并有 微量的硝酸态氮和亚硝酸态氮，约占不到l 。陈旧生活污水中由于有细菌， 能将蛋白质分解，使有机氮变成氨氮，从而使水体中氨氮的比例上升。 ( 2 ) 工业废水中的氮工业废水中的氮，既取决于工厂所用原料的性质， 也与生产工艺及产品的种类有关；同时与工厂的管理尤其是废水的管理技术及 广东工业大学工学硕士学位论文 水平有关。因此不仅在不同类型工厂的工业废水中所含的氨氮，硝态氮、亚硝 态氮的浓度是不相同的；就是同一类型产品的工厂，不同工厂之间的废水含氮 情况也各不相同。产生高浓度含氮废水的工厂大致可以分为两大类型。一类是 含氮产品的生产厂，另一类是含氮产品的使用厂和加工厂。会产生氨氮废水的 工厂主要是合成氨厂及系列氮肥厂、复合肥厂、硝酸生产厂、炼焦厂、己内酰 胺厂、玻璃及玻璃制品厂、半导体印刷电路板生产厂、铁合金厂、石化厂、炼 油厂、家电厂、制冷剂厂、屠宰厂、肉品加工厂、酒厂等( 2 j o ( 3 ) 农业污水中的氮我国的氮肥消费及需求在数量上位居全世界第一， 我国历年来氮肥用氨折l o o n 计，己从1 9 5 8 年的1 5 1 10 4 t 增加到1 9 9 7 年的 2 0 7 4 5 1 0 4 t 。氮肥施入土壤以后并不是全部立即被植物所吸收的，般认为当 季植物所吸收的量不超过5 0 ，剩下来的残留于土壤之中，可被后季作物所利 用，其量约为2 5 3 5 ；而损失到大气或随水流失的部分可达总量的2 0 以 上。而有的统计数字表示氮肥旖用后氮素的利用率仅有2 0 3 5 ，大气挥发 部分占5 1 5 ，土壤吸收1 0 1 5 ，有约4 0 6 5 的氮素进入地面水 和地下水。在农村为了取得高额农作物产量，常常超量使用化肥致使农田的用 肥量继续增加，加上我国科学施肥及推广问题未得到有效解决，进入水体的流 失的氮肥数量必然也越来越高。即使按1 0 流失量来计算，按1 9 9 7 年化肥用 氨折氮计进入水体的氮有2 0 7 4 5 1 0 4 t ，按2 0 0 0 2 0 0 1 年氮肥需求量计进入水体 的氮肥有2 3 0 0 m t 数量十分可观。我国目前的农药产量约1 1 0 4 9 l0 4 t a ，其中有 机氮农药约为8 6 2 3 1 0 4 t 。平均使用农药量为1 0 8 k g 肛击仅1 0 2 0 的农药 吸附在农作物上，有8 0 9 0 的农药会流失在土壤里，会随雨水冲淋、农业 排水和地表径流流人河道等水体之中。因此由施用农药而排入水体的有机氮也 相当可观”j 。 1 1 2 氮对水体的危害 ( 1 ) 造成水体的富营养化氮和磷是植物和微生物的主要营养性元素， 当水体中含n o 2 m g l ，含p 0 0 2m g ，l ，水体就会营养化。水体中所含的氨氮， 特别是封闭水体中的氨氮最突出的危害是会造成水体的富营养化。水体富营养 化后会引起某些藻类的恶性繁殖，一方面有些藻类本身有藻腥味会引起水质恶 第一章绪论 化使水变得腥臭难闻；另一方面有些藻类所含的蛋白质毒素会富集在水产物体 内，并通过食物链影响人体的健康，甚至使人中毒。如海生腰鞭毛目生物的过 度繁殖能使海水呈红色或褐色，即俗称“赤潮”。沟藻属是形成赤潮的常见种类 它们所产生的毒素会被贝类动物所积累，人食用后会引起严重的胃病甚至死亡。 水体中大量藻类死亡的同时会耗去水中所含的氧气，从而引起水体中鱼虾 类等水产物的大量死亡，致使湖泊退化、淤泥化，甚至变浅，变成沼泽地甚至 消亡。据统计，我国平均每年有2 0 个天然湖泊消亡。我国广东珠江沿海、厦门 沿海、长江口近海水域，渤海湾曾多次发生藻类过度繁殖引起的赤潮，造成鱼 类等水产物大量的死亡，造成海洋渔业资源的破坏，经济损失严重。 ( 2 ) 降低水体的观赏价值水质优良的江河、湖泊、公园是城市景观的 重要组成部分，也是人们生活娱乐、游泳、观赏、休息的最佳场所。如无锡的 太湖、南京的玄武湖、杭州的西湖、武汉的东湖、长春的南湖、昆明的滇池、 吉林的松花湖，以及国内众多的都市湖泊公园莫不如此。我国主要湖泊目前大 部分已呈不同程度的营养状态。有些湖泊通体发黑、发臭，人们已无法在其中 游泳、游览了，更观赏不到鱼类在其中嬉戏的情景，大大降低了这些湖泊的利 用价值【“。 ( 3 ) 危害人类及生物的生存当水体中p h 值较高时，氨氮往往呈游离氨 的形式存在，游离氨对水体中的鱼及水生物皆有毒害作用。当水体中 n h 3 n 1 m 叽时，就会使生物血液结合氧的能力下降；当n h 3 - n 3 m g ，l 时， 在2 4 9 6 h 内金鱼及鳊鱼等大部分鱼类和水生物就会死亡。人体若饮用了 n 0 3 一n 1 0 m g l 或n 0 3 - n 5 0 m g l 的水，则可使人体内正常的血红蛋白氧化成 高铁血红蛋白，失去血红蛋白在体内输送氧的能力，出现缺氧的症状，尤其是 婴儿。当人体血中高铁血红蛋白 7 0 时则会发生窒息现象。亚硝酸盐若长时间 作用于人体可致癌。亚硝酸盐经水煮沸后还可造成浓缩，其危害程度更大。以 亚硝酸盐为例，自来水中含量为0 0 6 m g l ，煮沸5 m 血后增加到o 1 2 m g l ，增 加了1 0 0 。亚硝酸盐与胺类作用会生成亚硝胺，对人体有强致癌作用，并能 导致畸胎。因此美国推荐水中亚硝酸盐的最高允许浓度是l m g l ，而我国上海 第一医院建议在饮用水中亚硝酸盐的浓度必须控制在0 2 m l 以下川。 ( 4 ) 增加污水的处理成本污水中n h 3 _ n 的增加会增加污水的处理成本。 广东工业大学工学硕士学位论文 以氯气处理法计，每增加l g n h 3 一n 则需增加8 1 0 9 的氯气量。若以化学中和 法、沉淀法处理，也会增加化学沉淀剂的投入量。除此之外氨还会与一些含铜 及铜合金设备中的铜组分反应引起相关设备的腐蚀。 1 1 3 生物脱氮工艺概述 传统的废水脱氮方法如物理化学法有折点加氯法、化学沉淀法、离子交换 法、吹脱法、液膜法等；生化法有藻类养殖、生物硝化和反硝化等。虽然以上 很多方法都能有效地去除水中的氮，但都存在着一些不足，只有几种方法能够 真正用于废水的脱氮处理，很难在有效性、经济性、可行性方面同时达到要求， 运用于工程实践。 在生物脱氮方面，国内外都做了大量的研究和试验，新开发出了许多关于 生物脱氮的工艺，焦点主要集中在开发一些能耗和化学药剂耗用量低、流程简 单、基建及运行费用低和脱氮效率高的工艺上。 ( 1 ) s h a r o n 工艺s h a r o n 工艺，由荷兰d e l f c 技术大学开发。该工艺 应用了高温( 3 0 3 5 ) 下，氨氧化菌的生长速率高于亚硝酸氧化菌生长速率的 特点，富集氨氧化菌实现亚硝化。 n h ：+ 詈o ：盟+ n o i + h ：o + 2 h + n 0 i + 之c h 删塑一鼍n2 + 毛c o2 + 鼍h 2 0 + o h ( 1 1 ) ( 1 2 ) s h a r o n 工艺选用了c s t r 反应器在无污泥回流条件下利用了反应器的水 力停留时间( h r t ) 与污泥停留时间( s r t ) 的同一性，并且严格控制反应器的p h ， 保证氨氮的亚硝化。同时通过间歇曝气，在一个反应器内进行硝化和反硝化， 目前第一个生产规模的s i a r o n 工艺已经于l9 9 8 年初在荷兰鹿特月的d o k l a - v e n 废水处理厂建成并投入运行，该s h a r o n 反应器进水氨氮浓度为1 扎，进 水氨氮的总量为1 2 0 0 k g d ，氨氮去除率为8 5 。研究表明s h a r o n 工艺适于 高氨氮废水处理，对于大多数低温含氨废水处理并不适用【4 l 。 ( 2 ) o l a n d 工艺o l a n d 工艺是由比利时g e m 微生物生态实验室于1 9 9 6 年开发的。l a a n b r o e k 研究表明氨氧化菌对溶解氧的亲合力较强| ；5 。在低d 0 条 件下，亚硝酸氧化菌的下降速度较氨氧化菌更快。利用这两类菌动力学特性的 4 第一章绪论 差异，实现了淘汰亚硝酸氧化菌，使亚硝酸大量积累。目前主要采甩两种反应 器形式来研究o l a n d 系统，一种是生物转盘系统1 6 】( r m a t i n gb i 0 1 0 9 i c a l c o i l t a c t o r ，r b c l ；另一种是悬浮式膜生物反应系绀7 j ( m e m b r a n cb i o r e a c t o r ， m b r ) 。r b c 通过在转盘上生物膜的不断形成形成一定的好氧区和厌氧区， m b r 通过膜生物反应器截留作用脱氮。0 l a n d 工艺是在低氧浓度下运行，对 于活性污泥的沉降性、污泥膨胀、以及对除氮以外的其它污染物质去除效果的 影响等仍需进一步研究。 ( 3 ) a n a m m 0 x 工艺1 9 9 5 年，m u l d e r 等人在实验室厌氧脱氮流化床反应器 内观察到大量的氨消失，并把这个以氨为电子供体的反硝化反应称为 a n a n i o x 【8 】。不久，v a n d eg r a a f 等人证实，厌氧氨氧化可利用氨作为电子 供体还原硝酸盐至n 2 【9 】。该工艺的特点是在严格厌氧条件下a n a m m o x 细菌以 n 0 2 一或n 0 3 一为电子受体，将氨转化为n 2 的生物脱氮过程。厌氧氨氧化有多种途 径，羟胺( n h 2 0 h ) 和联氨( n 2 h 4 ) 是厌氧氨氧化过程的中间产物1 1 0 1 川。 因a n a m m o x 微生物的世代时间长，宜采用生物膜法。如流化床及r b c 等。 a h p p e n 【1 2 1 等1 9 9 7 年在德国的m e c h e r n j c h 地区采用r b c 处理垃圾渗滤液，当氨浓 度为2 0 0 4 0 0 m g 几时氮的去除率可达7 0 9 0 【1 3 l ；胡宝兰等利用上流式厌 氧污泥床作为厌氧氨氧化反应器，取得了对n h 4 + 、n 0 x 一的良好去除率。s t m u s 等人开发出s h a r o n a n a m m 0 x 联用工艺【”】，处理污泥消化池上清液可获得了 8 3 的t n 去除率。有关联用工艺的优化及实际应用尚待迸一步研究。 厌氧氨氧化工艺可以大幅度地降低硝化反应的充氧能耗，每摩尔n h 4 + 仅需 消耗o 7 5 m o l 氧气，免去反硝化反应的外源电子供体，可节省传统硝化反硝化 反应过程中所需的中和试剂；产生的污泥量极少。但还存在一些问题：( 1 ) 厌 氧氨氧化对于反应器的表面负荷、去除率和反应器的启动速度应有进一步研究 ( 2 ) 在厌氧氨氧化流化床中，由于部分生物量被洗出，因此如何促进 a n a m m o x 微生物的大量繁殖，提高处理效率是目前存在的一个问题。( 3 ) 实际应用中，如何有效地把氨部分亚硝化和与厌氧氨氧化结合起来仍需作进一 步探讨。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 2 膜生物反应器的研究进展 1 2 1 概述 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 ，是一种由膜分离单元与生 物处理单元相结合的新型水处理技术。它不仅可在生物反应池中维持高浓度生 物量，提高处理装置的容积负荷，减少污泥负荷，降低污泥产量低，节省占地 面积。此外，由于膜的高效截留作用，可以获得较长泥龄和高悬浮固体浓度， 有利于生长缓慢的固氮菌和硝化菌的增殖，强化了活性污泥的硝化能力；同时 实现了水力停留时间与污泥停留时间的彻底分离，消除了传统活性污泥工艺的 污泥膨胀问题。因此，该工艺被有关专家誉为“污水资源化的一项革命性技术”。 国家将其列为“2 1 世纪议程实施能力及可持续发展实用新技术”，它已被许多 发达国家广泛应用于水资源的保护与再利用。 1 9 6 9 年，美国的s m i t h l l 6 1 等人首次报道了将活性污泥法和超滤膜组件相结 合处理城市污水的工艺研究，该工艺大胆地提出用膜分离技术取代常规活性污 泥法中的二沉池，这就是膜生物反应器的最初雏形。由于在传统的生化水处理 技术中，如活性污泥法，泥水分离是在二沉池中靠重力作用完成的，其分离效 率依赖于活性污泥的沉降特性，沉降性越好，泥水分离效率越高。而污泥的沉 降性取决于曝气池的运行状况，改善污泥沉降性必须严格控制曝气池操作条件， 这限制了该方法的运用范围。由二沉池固液分离的要求，曝气池的污泥不能维 持较高的质量浓度，一般在2 9 l 左右，从而限制了生化反应速率。水力停留时 间( h r t ) 与污泥龄( s r t ) 相互依赖，提高容积负荷与降低污泥负荷往往形成矛 盾。系统在运行过程中产生大量的剩余污泥，其处置费用占污水处理厂运行费 用的2 5 4 0 。而且易出现污泥膨胀，出水中含有悬浮固体，出水水质不理 想。针对上述问题，m b r 将分离： 程中的膜技术应用于废水处理系统，以膜技 术的高效分离作用取代活性污泥法中的二次沉淀池，达到了原来二次沉淀池无 法比拟的泥水分离和污泥浓缩的效果，从而可以大幅度提高生物反应器中的混 合液浓度，使泥龄增长，通过降低f m 比使剩余污泥量减少，出水水质显著提 高，特别是对悬浮固体，病原细菌和病菌的去除尤为显著。该工艺一经提出， 立即吸引了许多专家学者的注意，开始了膜生物反应器的研究热潮，人们对膜 第一章绪论 生物反应器的特性、净化效能、膜渗透速率的影响因素、膜污染的防治及组件 的清洗等问题进行了全面、详细的研究，为该项技术在实际工程中的应用奠定 了基础。 膜生物反应器的研究和开发只有近3 0 年的历史，真正应用只有1 0 多年。 它是废水生物处理技术和膜分离技术有机结合的生物化学反应系统，是一种新 型高效的污水处理与回用工艺。膜生物反应器工艺具有出水水质优、占地少、 易实现自控等许多常规工艺无法比拟的优势，其在污水处理与回用事业中所起 的作用也越来越大，并具有非常广阔的应用前剥1 7 】。 1 2 2 膜生物反应器( m b r ) 的原理和分类 膜生物反应器主要由膜组件和膜生物反应器两部分构成。大量的微生物( 活 性污泥) 在生物反应器内与基质( 废水中的可降解有机物等) 充分接触，通过氧化 分解作用进行新陈代谢以维持自身生长、繁殖，同时使有机污染物降解。膜组 件通过机械筛分、截留等作用对废水和污泥混合液进行固液分离。大分子物质 等被浓缩后返回生物反应器，从而避免了微生物的流失。生物处理系统和膜分 离组件的有机组合，不仅提高了系统的出水水质和运行的稳定程度，还延长了 难降解大分子物质在生物反应器中的水力停留时间，加强了系统对难降解物质 的去除效果。 膜组件部分从构型上可以分为：管式膜生物反应器、板框式膜生物反应器、 卷式膜生物反应器、中空纤维式膜生物反应器；根据膜的材料可分为：有机膜 膜生物反应器、无机膜膜生物反应器；根据膜过滤的压力驱动方式可分为：加 压型和抽吸型；根据膜组件在m b r 中所起作用的不同，可将m b r 分为：分离 m b 刚膜组件相当于传统生物处理系统中的二沉池，m b r 由于高的截流率，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 污泥停留时间，因而使m b r 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) 、萃取m b r ( 用于提取污染物的萃 取，由内装纤维束的硅管组成，这些纤维束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) 。 广东工业大学工学硕士学位论文 生物反应器部分可分为好氧型和厌氧型。好氧法使用的通常是活性污泥法。 活性污泥法是当前世界各国应用最广的一种二级生物处理流程，具有处理能力 高、出水水质好等优点。但由于传统活性污泥法一般采用重力式沉淀池作为固 液分离部分，这就使曝气池混合液污泥的质量浓度不可能太高，即传统的重力 沉淀池限制了活性污泥的体积负荷，而且不可避免地会有污泥流失。也使出水 水质变坏。而膜分离技术的引入克服了传统流程的这些缺点。首先，可大幅度 提高曝气池的污泥质量浓度，由传统的3 5 9 l 提高到2 0 9 几，甚至更高。这就 使容积负荷大大提高，处理设施的占地面积大大减小；出水水质稳定优质，可 直接达到回用水的标准：一些生长缓慢，在传统工艺中易流失的菌种可得到保 持，有利于难降解物质的降解。生物膜法是与活性污泥法平行发展起来的一类 好氧生物处理方法。其特点是微生物附着生长在一定的介质表面，形成生物膜， 使其起到稳定分解废水中有机物的作用。一些学者认为，生物膜法与膜分离技 术结合，将会有更大的优势，其主要原因在于正常生物膜法的出水只含少量碎 小的脱落的生物膜，与活性污泥混合液相比悬浮固体含量低得多，这就相应减 小了膜分离的负担，使膜的运行周期更长。澳大利亚新南威尔士大学膜与分离 技术中心的f a l l e a g 采用生物滤池与分离式膜分离设备相结合处理生活污水。 膜设备为外压式中空纤维微管组件，膜孔径0 2 u m ，考虑用高压空气反冲，该 系统处理效果很好。厌氧生物处理技术由于其能耗低、容积负荷高、产泥量少 等优点一致受到人们的注意。但传统厌氧消化池的水力停留时间与污泥停留时 间相同，大大局限了厌氧技术的应用。而近十年发展的厌氧新工艺，如厌氧接 触法、厌氧滤池、u a s b 等，都是致力于将水力停留时问与厌氧污泥的停留时 间分开，这就大大提高了厌氧反应器的效率，并使其在常温下运行成为可能。 而膜分离技术作为一种非常高效的分离手段，并不受混合液中污泥性能的影响， 只是机械地根据孔径大小将各种生物菌群落和高分子有机物截留下来。因此， 可以设想将膜分技术与厌氧反应器结合，有可能产生一种更高效、低耗、易控 制、易启动的新型厌氧膜生物反应器【1 7 l 。 1 2 3 膜生物反应器的特点 ( 1 ) 能高效地进行固液分离，其分离效果比传统的沉淀池要好，且占地少 第一章绪论 通过膜分离装置所获得的水质很好，可以直接再利用。 ( 2 ) 使生物反应器能保持高浓度的微生物。膜分离装置能阻止高分子量 的有机物和悬浮物向系统外流失，使参与反应的微生物完全保持在生物反应器 内，这对于截留世代期较长的微生物尤其有利，如硝化细菌在反应器中的停留时 间，有利于系统硝化效率。 ( 3 ) 膜可以阻留许多分解速度较慢的大分子难降解物质，通过延长其停留 时间而提高对它的降解效率。 ( 4 ) 剩余污泥产量小，污泥处理费用少。 ( 5 ) 易于实现自动化，操作管理方便。 1 2 4 膜生物反应器在国内外的研究现状 膜生物反应器最早出现在酶制剂工业中。b i a t t 等在1 9 6 5 年提出了用膜分 离技术进行微生物浓缩，1 9 6 8 年w 狐g 等成功地运用膜生物反应器制取酶制剂。 从那以后膜生物反应器在酶制剂工业中应用研究不断发展，现已形成工业化生 产规模【17 1 。 在水处理中应用膜生物反应器技术稍晚于酶制剂工业，可以追溯于1 9 6 9 年 美国d o n o l i v e rl i l c 用超滤膜与活性污泥法生物反应器相结合处理生活污水的 研究，1 9 7 2 年s h e l f 等开始了厌氧型的膜生物反应器的研究工作，但直到1 9 8 5 年膜生物反应器的研究仍处于基础研究阶段。 进入2 0 世纪8 0 年代，膜生物反应的研究工作有了较快的进展。自1 9 8 3 年 到1 9 8 7 年，在日本已有1 3 家公司使用好氧膜生物反应器处理废水，经处理后 的水做中水回用，处理水量每天达5 0 2 5 0 0 。日本1 9 8 5 年开始实施水综合再 生利用系统，9 0 年代计划在该项计划中研制了处理7 类污水的膜生物反应器系 统。包括：酒精发酵废水处理系统( 5 矗d ) 、造纸厂废水处理系统( 1 0 一d ) 、淀 粉工厂废水处理系统( 5 m 3 d ) 、油脂、蛋白工厂废水处理系统( 7 5 m 3 d ) 、小规模 城市污水处理系统( 1 0 m 3 d ) 、中等规模城市污水处理系统( 2 0 m 3 d ) 、屎尿处理 系统( o 5 m 3 d ) ，把膜生物反应器的研究在污水处理对象及处理规模上都向前大 大推进一步。 1 9 9 3 年德国k h 1 ( r a u t h 等进行有压活性污泥法反应器与超滤膜构成的膜生 9 广东工业大学工学硕士学位论文 物反应器研究。1 9 9 2 年y u i e h i s u w a 等进行了活性污泥加微滤膜生物反应器的脱 氮研究。在污水处理对象与重点污染物降解方面膜生物反应器涉及范围不断 拓宽，1 9 9 1 年t o n e l l i 等研制了处理汽车制造厂含油污水的膜生物反应器系统。 1 9 9 2 年美国r a k a g o p l a n v e n d a t a d n 等用中空纤维膜生物反应器进行有毒化合物 降解研究，结果表明，该技术成果应用于有毒废水的处理很有希望。膜生物反 应器的实际应用己不乏实例。除前面提到的日本国中试规模中水回用与厌氧中 试规模的膜生物反应器系统外，美国在m a l l s 矗e l d 0 h b 建造了一套处理规模为 1 5 1m 3 d 某汽车制造厂工业废水处理的膜生物反应器系统。德国已经建成5 家 大规模使用m b r 的污水处理厂；另外两家污水厂已在规划中，其中一家位于 k i a r s t 的污水处理厂设计服务人口为8 万人，使用膜面积总计为8 8 0 0 0 m 2 ，建 成后将是世界上最大的使用m b r 的污水处理厂。日本对于m b r 的使用较为普 遍，主要是用于小区污水的处理与回用及工业( 如食品、饮料制造业) 废水处理 【1 7 】。 随着氮肥与杀虫剂在农业巾的广泛应用，饮用水也不同程度受到污染。 l v o n m i s e d e s e s 公司在2 0 世纪9 0 年代中期开发出同时具有生物脱氮、吸附杀 虫剂、去除浊度功能的m b r 工艺，1 9 9 5 年该公司在法国的d o u c h y 建成了日 产饮用水4 0 0 m 3 的工厂。出水中氮质分别可达l o o 、9 8 和9 9 9 。刘超翔 等采用规模为1 0 m 3 d 左右的一体式膜生物反应器对毛纺厂印染废水的处理进 行了中试研究，整个系统在现场实际条件下连续运行了1 6 0 d 实验结果表明， 用此装置处理印染废水，出水水质稳定良好，系统出水c o d 2 0 m l ，无s s ， 色度小于4 度，水质明显优于该毛纺厂现有接触氧化处理工艺出水。目前，膜 生物反应器的应用研究在不断进展，如用于洗浴污水、制药废水、黄泔废水、 粪便废水、造纸废水等处理【1 ”。 综合国内研究现状，其主要研究内容可以分为以下几个方面 】：探索不 同生物处理工艺与膜分离单元的组合形式，生物反应处理工艺从活性污泥扩展 到接触氧化法、生物膜法、活性污泥与生物膜相结合的复合式工艺、两相厌氧 工艺等；影响处理效果与膜污染的因素、机理及数学模型的研究，探求合适 的操作条件与工艺参数，尽可能减轻膜污染，提高膜组件的处理能力和运行稳 定性；扩大m b r 的应用范围，m b r 的研究对象从生活污水扩展到高浓度有 第一章绪论 机废水( 食品废水、啤酒废水) 与难降解工业废水( 石化废水、印染废水等) ，另 外，也有少数研究者采用硅橡胶膜生物反应器对废水中的挥发性有机化合物 ( v o c ) 进行生物处理的传质动力学研究。 1 2 5 膜生物反应器在脱氮领域的应用 由于膜组件的截留作用，污泥被全部截留在反应器内，反应器内污泥浓度 很高，使得s r t 可以很长，这就为世代时间较长的硝化细菌的生长创造了条件， 使其数量增加，因此，m b r 对n h 3 n 的去除效果很好。 传统的脱氮工艺主要建立在硝化一反硝化机理之上，硝化与反硝化应分别 在好氧和厌氧反应器内进行。为了提高脱氮效率，减少体积和降低运行能耗， 有研究人员提出了新的脱氮理论，主要包括同步硝化反硝化理论、好氧反硝化 理论和短程硝化反硝化理论。 在m b r 中，较高的污泥浓度限制了氧的传质。使得在生物反应器内可能 存在缺氧或厌氧的环境，为同步硝化反硝化的发生创造了条件。缺氧或厌氧微 环境的形成与反应器内溶解氧的高低、污泥絮体的结构有关。在污泥絮体的外 表面溶解氧的浓度最高，以异氧好氧菌和硝化菌为主，由于这些细菌对溶解氧 的消耗，当溶解氧继续向污泥絮体内部扩散时，使得污泥絮体内部溶解氧越来 越少，特别是在污泥絮体较大和较密实时。污泥絮体内部会形成缺氧或厌氧区。 在溶解氧较低的情况下，污泥絮体内部也容易产生缺氧或厌氧区，为反硝化创 造条件。 1 2 6 系统中填料对脱氮的作用 复合型膜生物反应器是在传统的膜生物反应器中投加填料，使系统内部活 性污泥和生物膜共存的系统。安装填料的目的有两个：一是提高处理系统的抗 冲击负荷，保证系统的处理效果；二是降低反应器中悬浮性活性污泥浓度，减 小膜污染的程度，保证较高的膜通量。 生物反应器中的污泥浓度过高或过低都会对膜通量产生不利的影响。污泥 浓度过高时，污泥容易在膜表面沉积，形成较厚的污泥层，导致过滤阻力增加， 从而使膜通量降低；污泥浓度过低时，反应器内微生物对有机物的降解去除效 广东工业大学工学硕士学位论文 果减弱，使得混合液中溶解性有机物浓度增加，从而在膜表面和膜孔内吸附， 导致过滤阻力增加，影响膜通量。而在生物反应器中安装填料之后，则可以很 好地解决这些问题。填料上附着生长的大量微生物，能够保证系统具有较好的 处理效果并有抵抗冲击负荷的能力，同时又不会使反应器内悬浮污泥浓度过高， 影响膜通量。 1 3同步硝化反硝化国内外研究现状 近年来国内外有不少实验和报道证明存在同时硝化反硝化现象 ( s i m u l t a n e o u sn “r 试c a t i o na n dd e n i t r i & a t i o n 简称s n d 又称同步硝化反硝化) 。 是同一反应器中使两类不同性质的微生物同时工作形成同时硝化反硝化，这样 硝化反应的产物可直接成为反硝化反应的底物，避免了培养过程中硝酸盐的积 累对硝化细菌的抑制，从而加速硝化反应的进程。活性泥法脱氮工艺将更加简 化而效能却大为提高。同连续处理装置相比，同时硝化反硝化提供了一种节省 缺氧池的费用或至少减少其容积的潜力。同时硝化反硝化是在去除氨氮的同时 去除有机污染物，具有相当大的优越性。 1 3 1 国内研究现状 ( 1 ) 进水水质的交叉影响吕锡武指出碳源不仅影响缺氧反硝化同样也 影响好氧反硝化，碳源越充足，总氮去除率越高馆】。总氮去除率因进水碳氮比不 同而异，总氮去除率随进水c o d 的提高而增加。同时，进水c o d 越高，好氧反 硝化现象越明显，好氧反硝化随进水c 瓜值的提高更明显 1 9 】。李峰认为进水碳 氮比对氨氮的硝化没有影响，但对总氮去除率有显著的影响。进水碳源越充足， 山水n o x - n 越低，总氮去除率越高。同时还发现好氧阶段总氮去除率在进水碳 源充足时不能忽视，大约有1 7 7 5 的总氮在此期间被去除【2 们。胡宇华等在活性 污泥中投加多孔载体的s n d 体系中，研究有机碳源对氨氮去除的影响，提出在初 始碳源为4 0 0 1 0 0 0 r 叫l 时采用补料运行方式，可使出水氨氮浓度维持在较低 水平( 9 0 ) l 。 1 4 选题的目的和意义 脱氮是近年来废水处理研究中的重要课题，而生物脱氮又被公认为是目前 废水脱氮处理中经济、有效的方法之一。采用生物硝化手段将氨氮转变成硝态 氮后排放仍然会造成环境污染，所以，去除氨氮污染的根本途径在于先通过