（环境工程专业论文）摇动床生物膜反应器处理废水的实验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 废水生物处理方法以其反应条件比较温和，微生物来源广，对环境适应性强；矸i 需 投加药剂，可以避免造成二次污染等优点成为废水处理方法中的重要分支。其中，摇动 床生物膜反应器是一种新型生物膜反应器，与传统的生物膜法相比，具有挂膜容易、去 除有机物能力强、启动时间短、节省占地、运行稳定、易于控制等特点。 本实验对摇动床生物膜反应器处理不同浓度废水进行了探索性实验，考察了系统对 碳、氮的处理效果，同时考察了系统中硝化反硝化的实现以及各种参数对处理效果的影 响。 实验共间歇运行了1 4 个月，取得了比较好的处理效果。确定了该工艺处理生活污 水的最佳工艺参数，即在 i t 一曲，d o = 3 - 4m g l ，t = 2 0 2 8 ，p h = 7 8 ，c n = 2 0 的条 件下，该工艺可以达到最佳运行状况；同时证明了新型的软性填料具有挂膜容易，时间 短，成功率高的特点，2 0 天左右即可成功完成挂膜，并且填料上的微生物浓度高，生 物相活跃；处理高浓度有机废水的小试试验的结果表明，在2 0 一2 8 条件下，容积负荷 小于8k g c o d ( m 3 d ) ，h r t - 矾时，c o d 去除率达到7 5 以上。容积负荷小于5 c o d ( m 3 d ) 的条件下，系统对于n h 4 + - n 、t n 的去除率均达到5 0 以上。同时说明了在 较高氨氮负荷条件下，系统仍然能进行硝化反硝化反应，证明了摇动床生物膜反应器具 有较强的生物脱氮能力，并且系统的脱氮是通过同时硝化反硝化完成的。 关键词：摇动床生物膜反应器；软性填料；生活污水；高浓度有机废水 塑型壅生塑竖星堕墨竺! ! 堕坐塑壅堕婴塑 s t u d y o nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t u s i n g s w i m m b e db i o f i l mr e a c t o r a b s t r a c t w a s t e w a t e rb i o l o g i c a lt r e a t m e n tn e e d sn oc h e m i c a l ，w h i c hi s h e l p f u lt oa v o i ds e c o n d p o l l u t i o n , a n d i n v o l v e dr e a c t i o ni sm i l d ，a n dt h em i c r o b ec a l lb eg o t t e ne v e r y w h e r e a l lo f t h e s e m a k ei tb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e t h o d su s e dt od e c o n t a m i n a t ew a s t e w a t e r s w i m m m g - b e db i o f i l m r e a c t o ri sak i n do fn o v e lb i o f l l mr e a t o r i n c o m p a r i s o n w i t h c o n v e n t i o n a lb i o l o g i c a lt r e a t m e n ts y s t e m s s b b rh a v em a n y a d v a t a g e ss u c ha sh i g h e rc o d r e m o v a l ，as h o r t e rl i m eo f s t a r t i n g ，r e d u c i n gt h ea r e ao f t h el a n d ，o p e r a l i n gs t e a d i l y ，c o n t r o l l i n g e a s i l y a n ds oo i l s w i m m i n g - b e db i o f i l mr e a c t o rw a su s e dt o l r e a ts i m u l a t i v ew a s t e w a t e r t h er e m o v a l e f f i c i e n c yo fc o da n dn i t r o g e nw e r es t u d i e d ，i na d d i l i o n g , t h ep r i n c i p l eo fs i m u l t a n e o u s n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a l i o n ( s n d ) w a ss t u d i e d a n dt h en e w k i n do f s o f tc a r r i e rw a s p r o v e d t h a tb i o f i l mw a s e a s yt og r o w o ni t t h ee x p e r i m e n tl a s t1 4m o n t h sa n dt h er e s u l t sw e r ed e s i r a b l e f i r s t l y ，t h ep e r f o r m a n c eo f s b b rt ot r e a td o m e s t i cw a s t e w a t e rw a si n v e s t i g a t e di nb e n c h - s c a l et e s t t h eo p t i m a lp a r a m e t e r h r to f6 h ，d oo f3 - 4 r a g 1 ，c nr a t i o no f2 0w a sd e t e r m i n e d s e c o n d l y ，t h eo p e r a t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c so fs b b r p r o c e s s i nt h ec o u r s eo f 虹e a t i n gh i g h - s t r e n g t ho r g a n i cw a s t e w a t e rw a s s t u d i e d r e s t u l ts h o w st h a tt h ea v e r a g ec o d r e m o v a le f f i c i e n c ya c h i e v e d7 5 a tv o l u m e t r i c l o a d i n g su pt o8 k g c o d ( m 3 m a n da v e r a g et n a n dn 1 4 4 + - nr e m o v a le f f i c i e n c ya c h i e v e d r r l o r et h a n5 0 a tv o l u m e t r i cl o a d i n gl e s st h a n5k g c o d ( m 3 d ) a tl a s t ，i ti sp r o v e d t h a ts b b r c a nr e a i i z et h es i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o nb i o l o g i c a ln i t r o g e n r e m o v a l t e c h n i q u e k e y w o r d s ：s w i m m - b e db i o f d mr e a c t o r ；s o f tc a r r i e r ；d o m e s t i cw a s t e w a t e r ；h i g h - s t r e n g t ho r g a n i c w a s t e w a t e r 一一 独创性说明 作者郑重声明：本硕：i ：学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 i f 1 ：及i k 得研究j ，览。拈。僻i k 。所知，除r 殳l 特 0 川1 以标注和致诩f 的地方 外，论文r f l 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 大连理工大学或其他单位的学位或证：忙所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：楚襄 日期： 避 。勘 人连理l 人学硕十学倚论文 1 绪论 1 1 污水处理的生物膜法 生物膜法和活性污泥法一样，同属于好氧生物处理方法。当活性污泥法靠曝气池中 悬浮流动着的活性污泥来净化有机物，而生物膜法是利用固着于固体介质表面的微生物 摄取污水中的有机污染物作为营养来净化废水【_ 1 _ i 。生物膜具有较大的表面积，能够大量 吸附废水t _ 卜f 的胶体和溶解性物质并将有机物分解，使废水得以净化 2 l 。 11 1 生物膜的形成及特点 在净化构筑物中，填充着数量相当多的挂膜介质，当有机废水均匀地淋洒在介质表 层上时，便沿介质表面向下渗流，在充分供氧的条件下，接种的或原存在于废水中的有 机物，迅速进行降解有机物的生命活动，逐渐在介质表面形成黏液状的生长有极多微生 物的膜，即称之为生物膜。 随着微生物的不断繁殖生长，以及废水中悬浮物和微生物的不断沉积，使生物膜的 厚度不断增加，其结果是使生物膜的结构发生变化。膜的表层和废水接触，由于吸取营 养和溶解氧比较容易，微生物生长繁殖的迅速，形成了由好氧微生物和兼性微生物组成 的好氧层( 1 2 r a m ) 。在其内部和介质接触的部分，由于营养科和溶解氧的供应条件差， 微生物生长繁殖受到限制，好氧微生物难以生活，兼性微生物转为厌氧代谢方式，某些 厌氧微生物恢复了活性，从而形成了由厌氧微生物和兼性微生物组成的厌氧层。厌氧层 是在生物膜达到定厚度时才出现的，随着生物膜的增厚和外仲，厌氧层也随着变厚。 在负荷低的净化构筑物内，由于有机物氧化分解比较完全，生物膜的增长度较慢， 好氧层和厌氧层的界限并不明显。但在高负荷的净化构筑物内，生物膜增长迅速，好氧 层和厌氧层的分界比较明显。 在处理过程中，生物膜总是在不断地增长、更新、脱落。造成生物膜不断脱落的原 岗有：水力冲刷、由于膜增厚造成质量的增大、原生物动物的松动、厌氧层和介质的黏 结力较弱等。其中以水力冲刷最为重要的。生物膜是生物处理的基础，必须保持足够的 数量。一般认为，生物膜厚度介于2 - 3 r a m 时较为理想。生物膜太厚，会影响通风，甚 至造成堵塞。厌氧层一旦产生，会使处理水质下降，而且厌氧代谢产物会恶化环境卫 t l 二。 筛动床生物膜反应器处理废水的实验研究 l1 2 生物膜净化废水的原理 从图l1 可以看出f 3 】，由于生物作用，在其表面有一层很薄的水层，称之为附着水 层，附着水层内的有机物大多已被氧化，其浓度比滤池迸水的有机物浓度低的多。因 此，进入池内的废水尚在膜面流动时，由于浓度差的作用，有机物会从废水中转移到附 着水层中去，进而被生物膜所吸附。同时，空气中的氧溶入废水后，继而进入生物膜。 在此条件下，微生物对有机物进行氧化分解和同化合成，产生的二氧化碳和其他代谢产 物一部分深入附着水层，部分析出到空气中去，如此循环往复，使废水中的有机物不 断减少，从而得到净化。 滤 料 厌氧层好氧层( 一：。 n h 3 、 一、 h d 等 、l 一 ； 一 b o d? o l 1 、一一， 水层水层 图1 1 生物膜结构及其工作示意 f i g 1 1t h e s t r u c t u r eo f b i o f i l m 在向生物膜细菌供氧的过程中，由于存在着气液膜阻抗，因而速率甚慢。所以随着 生物膜厚度的增大，废水中的氧将迅速的被表层的生物膜所耗尽，致使其深层因氧不足 而发生厌氧分解，积蓄了h 2 s 、n i - 1 3 、有机酸等代谢产物。但当供氧充足时，厌氧层的 厚度是有限的，此时产生的有机酸类能被异氧菌及时地氧化成c 0 2 和h 2 0 ，而n h 3 和 h 2 s 被自氧菌氧化成n 0 2 、n 0 3 - 和s o ? 等，仍然维持着生物膜的活性。若供氧不足， 从总体上讲，厌氧菌将起主导作用，不仅丧失好氧生物分解的功能，而且将使生物膜发 生非正常的脱落。 2 大连理工大学预十学何论文 1 1 3 生物膜的微生物相 生物膜主要是由微生物及其胞外多聚物所组成，这些只有在光学显微镜下才能观察 到具体形态的微生物，形态迥异，神类繁多，但归纳起来主要有细菌、真菌、藻类、原 生动物和后生动物等。 a 细荫 细菌是微生物膜的主体，而其产生的胞外多聚物为生物膜结构的形成奠定了基础。 生物膜卜细菌的种类取决于其i ! 长速率和微牛物膜所处的环境，诸如水中营养状况、附 着生长状况、细菌在生物膜中所处的位置和温度等环境条件。根据所需营养的不同，细 菌可分为无机营养型的自养菌和有机营养型的异养菌，其中异养菌是生物膜中的主要细 菌类型，能够从流经生物膜表面的水中获得足够的能量底物。生物膜中常出现的细菌种 类有【4 ：球衣菌、动胶菌、硫杆菌属、无色杆菌属、产碱菌属、甲单胞菌属、诺卡式菌 属、色杆菌属、八叠球菌属、埃希式大肠杆菌、副大肠杆菌属、亚硝化单胞菌属和硝化 杆菌属等。 b 真菌 真菌是具有明显细胞核丽没有叶绿素的真核生物，大多数具有丝状形态，包括单细 胞的酵母菌和多细胞的霉菌。真菌可利用的有机物范围很广，特别是多碳类有机物。当 污水中有机物的成分变化、负荷增加、温度降低、p h 降低和溶解氧水平下降时，很容 易滋生丝状菌。生物膜中常出现丝状菌 4 】：瘤胞属、灿烂微重真菌、红色桨酶、水镰刀 酶、皮状丝胞酶等。 c 藻类 藻类是受阳光照射下的生物膜中的主要成分，如在明渠和溪流的岩石上就经常发现 有藻类，普通生物滤池表层滤料的生物膜中及附着生长污水稳定塘的填料上 5 亦有大量 的藻类。尽管藻类不是生物膜主要的微生物类群，但藻类却作为水生环境中生产者是受 阳光照射下水体中的生物膜微生物的主要构成部分。由于出现藻类的地方只限于生物膜 反应器中表层很小部分，因而对污水净化不起很大作用。生物膜中常出现的藻类有【4 ： 小球藻属、绿球藻属、席藻属、颤藻属、毛枝藻属和环丝属等。 d 原生动物 原生动物是动物中最低等的单细胞动物，在成熟的生物膜中它们不断捕食生物膜表 面的细菌，因而在保持生物膜缅菌处于活性细菌状态方面起着积极作用。原生动物或者 以胞饮方式摄取有机物质，或者以嗜菌的方式吞噬细菌、藻类和其他粒子并消化作为它 们的营养物质。在诸如滴滤池的污水处理生物膜反应器中经常可以观察到原生动物捕食 一3 一 摇动床生物膜反麻器处理废水的实验研究 并因此而影响生物膜累积和性能情况。从微观角度上讲，浮游的原生动物甚至通过再生 膜内运动产生紊动而影响到生物膜的深处的传质情况。生物膜经常出现的原生动物有 4 】4 ：鞭毛类，肉足类，纤毛类等。 e 后生动物 后生动物是由多个细胞组成的多细胞动物，属无脊椎型。生物膜中经常出现的有轮 虫类、线虫类、寡毛类和昆虫及其幼虫类。 综上所述可见，生物膜上的微生物相十分丰富，形成了由细菌、真菌和藻类道原生 动物和后生动物的复杂的生态体系，这些微生物的出现与是否占优势常与污水水质和生 物膜所处的环境条件相关。微生物膜上的生物相可以起到指示生物的作用，由此可以检 查、判断生物膜反应器的运转情况及污水处理效果。 1 2 污水生物膜法处理工艺及其发展 1 2 1 生物膜反应器的发展沿革 生物膜反应器是污水生物处理主要技术之一，它与活性污泥并列，即是古老的、又 是发展中的污水生物处理技术。 在1 9 世纪末期的1 8 9 3 年，英国进行将污水在粗滤料上喷洒进行净化实验取得了良 好的净化效果，作为生物膜反应器的生物滤池开始问世，并从此开始用于污水处理的实 践。 在2 0 世纪2 0 3 0 年代，开始建造了许多生物膜反应器系统，其主要形式就是生物 滤池。与微生物处于悬浮生长状态的活性污泥法相比，虽然生物滤池具有生物量高和净 化效果较好等优点，但由于其水量负荷和b o d 负荷均较低、环境卫生条件也较差、处 理构筑物占地面积较大且有可能被脱落的生物膜堵塞等缺点，在4 0 5 0 年代生物滤池有 逐渐被活性污泥法取代的趋势。 在此期间，作为生物膜反应器的生物滤池的填料主要是碎石、卵石、炉渣和焦炭等 实心拳状的无机天然滤料，一般具有比表面积小和空隙率低等缺点。到了6 0 年代，新 型的有机合成材料开始大量生产，广泛使用的有由聚乙烯、聚苯乙烯和聚酰胺等制成的 波纹板状、列管状和蜂窝状等有机人工合成填料，其比表面积和空隙率大大增加。再加 上环境保护对水质要求的进一步提高，生物膜反应器获得了新的发展。到了7 0 年代， 除了普通生物滤池( t r i c k l i n gf i l t e r s ，也称滴滤池) 外，生物转盘a 强c ) 、淹没式生物滤池 ( s u b m e r g e db i o f i l mr e a c t o r ) 和生物流化( f l u i d i s e db e d ) 技术都得到了比较多的研究和应 用。近年来，生物膜反应器以其独特的优势更受广大研究者和工程师们的关注，又涌现 4 人连理：【大学硕士学位论文 出大量新型的单一和复合式生物膜反应器( h y b r i db i o - r e a c t o r s ) ，如微孑l 膜生物膜反应器 ( m e m b r a n eb i o f i l mr e a c t o r ) 、气提式生物膜反应器( a i r 1 i f t s ) 、移动床生物膜反应器 ( m o v i n gb e d b i o f t l mr e a c t o r ) 、序批式生物膜反应器( s e q u e n c i n gb a t c hb i o f i l mr e a c t o r ) 、 升流式厌氧污泥床一厌氧生物滤池( u a s b a f ) 及附着生k 稳定塘( a t t a c h e d g r o w t h p o n d s ) ，等等。 由此可见，生物膜反应器发展迅速，由单一到复合，有好氧亦有厌氧，逐步形成了 一套较完整的污水生物处理工艺系列。 1 2 2 生物膜反应器的类型与技术现状 根据生物膜反应器内微生物附着生长载体的状态，生物膜反应器可以划分为固定床 和流动床两大类。在固定床附着生长载体固定不动，在反应器内的相对位置基本不变； 而在流动床中附着生长载体不固定，在反应器内处于连续流动的状态。基本操作时是否 有有氧气的参与，各生物膜反应器或者处于好氧状态，或者处于缺氧和厌氧状态。 下面对各生物膜反应器及技术应用现状加以简要介绍。 a 生物滤池 生物滤池是生物膜反应器的最初形式，随着对其研究的不断深入和式及运行经验的 不断积累，生物滤池已由原来承受较低负荷的普通生物滤池逐步发展成为承受较高负荷 的高负荷生物滤池和塔式生物滤池，此外还有处于无氧操作条件下的厌氧生物滤池和与 活性污泥曝气池串联在一起的活性生物滤池。在生物滤池处理污水的过程中，经过预处 理的污水以滴状喷洒在滤池表面，经过一段时间在填料表面形成生物膜，待生物膜成熟 后，栖息在生物膜上的微生物即摄取流经膜表面的污水中的有机物作为营养，从而使污 水得以净化。韩润平等人【6 】采用复合床生态滤池处理城市污水，水力负荷提高到 2 0 m 3 ( m 2 d ) ，仍有较好的去除效果，水力负荷降低，c o d 、n h 4 + _ n 去除率均增加，对 磷也有较好的去除效果。 因为生物滤池已是比较成型的生物膜反应器工艺，近年来人们研究的主要目标是它 的硝化和反硝化功能，如p a r k e r 等人【7 】对两座实际生产规模的用于硝化的生物滤池的 处理效率和生物膜控制技术进行了研究，认为控制反冲洗和捕食性微生物可以达到良好 的除氮效果；p a l s d o t t i r b i s h o p 【8 】对实际生产规模的塔式生物滤池的实验数据进行了 验证，用以预测氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮沿滤池深度和生物膜厚度方向的浓度分 布；s c h r a m m 等人【9 】经研究发现硝化菌在生物表层形成的细胞膜较厚，等等。 b 生物转盘 5 摇动床生物膜反应器处理废水的实验研究 生物转盘亦称旋转生物接触器( r b c ) ，是由一系列平行的旋转圆盘、转动横轴、动 力及减速装置和氧化槽等部分组成。自1 9 5 4 年在当时的西德建造的第一套半生产性生 物转盘以来，目前已在国际范围内得到普遍应用。当圆盘面积的4 0 - 5 0 浸没于污水 时，盘片上的生物膜吸附污水中的有机物，圆盘转动离开污水，生物膜上的固着水层从 空气中吸收氧，被吸附的有机物在微生物酶的作用下氧化分解，从而使污水得到净化， 此种操作的称之为厌氧生物转盘。 与生物滤池的状况相似，近年来人们多丌展r b c 用于硝化与反硝化的研究并取得 积极成果 1 0 、11 。m a r t i n i l 2 等人为改进处理生活污水和工业废水的实际生产规模的三 级r b c 处理厂，将二次沉淀池污泥进行回流，对b o d s 和s s 的去除率分别提高约5 0 和4 0 。s u o u y a n g 1 3 将r b c 生物膜引入到厌氧，缺氧衡氧工艺( a 2 0 ) 中，把较长 生物固体停留时间( s r t ) 的生物膜和较短s r t 的悬浮生长污泥有效的结合在一起，用以 去除城市污水中的有机碳、氮和磷带来很大的实际效益。还有一项对r b c 改进的工艺 是在r b c 后设置固体接触( s c ) 操作单元，即形成r b c s c 处理系统来提高总的污染物 去除效率，如s s 、总c o d 和溶解性c o d 的去除率可分别提高2 6 、1 8 和 1 7 1 4 1 。在增加r b c 的盘片比表面积和提高生物膜量方面，r a d w a n r a m a n u j a m 15 1 采用多孔的尼龙纸附着于盘片上，用于实验室内处理合成的2 , 4 二氯酚 的研究，著讨论水力负荷、进水浓度和c n 比对2 ，4 二氯酚去除的影响，推导出相应的 数学模式。对于超负荷运转的r b c 进行补充曝气可改善其性能并能适应不同的有机负 荷率f l6 】。采用总有机碳( ，r o c ) 丽非b o d 和c o d 来表达处理高浓度食品加工污水r b c 的高负荷率，发现反应器处理效率和进水的一些参数相关性较好 1 7 】。此外，y e h 等人 1 8 】还研究了流量与进水有机负荷对厌氧r b c 性能的影响，其结论是当水力停留时阈 h r t - - 3 2 h 时，厌氧r b c 处理进水c o d 为3 2 4 8 1 2 1 5 0 m g l 的商浓度污水非常有效。 c 淹没式生物滤池 淹没式生物滤池亦称生物接触氧化法，1 9 7 1 年在日本首创，近2 0 余年来，该技术 在国内外都得到了广泛的研究与应用，用于处理生活污水和某些工业的有机污水。所谓 淹没式生物滤池就是在池内充填一定密度的填料，污水浸没全部填料并与填料上的生物 膜广泛接触。在微生物新陈代谢功能的作用下，污水中的有机物得以去除，污水得以净 化。淹没式生物滤池多在好氧状态下运行，充氧方式可以是污水预先充氧曝气再流经填 料，也可以是在池内设有人工曝气装置。 由于污水处理厂内传统的悬浮生长工艺占地面积较大，在场地有限的条件下，为较 大程度的去除营养物质，便可考虑采用类似于淹没式生物滤池的附羞生长工艺，如采用 6 大连理【。人学硕士学位论文 较大的比表面积的聚苯乙烯球的b i o s t y r 反应器系统便使得所设计的处理厂非常紧凑 1 9 。有关的实际运行结果表h f j 2 0 ，采用淹没式生物滤池处理污水，c o d 去除率大于 7 0 ，出水中n h a n 浓度低于5 m g l ，且几乎不含有苯、单体硫、油脂和酚等污染 物。采用塑料作为生物膜载体的厌氧好氧淹没生物滤池还可有效的处理垃圾渗滤液并 抗冲击负荷 21 1 。关于p h 对于淹没式生物滤池的影响，v i l l a r e r d e 等人【2 2 】认为具体表 现不适的p h 值会造成微生物失活、底物受限制和游离氨的抑制等方面。此外，s a k a i 等 人 2 3 1 还考察了淹没式滤池采用磁各向异性的管状生物膜载体的情形，因磁力作用，可 在1 5 m i n 内于载体表面形成生物膜，这种反应器在h r ，r _ 1 h 及进水c o d 为2 0 0 m g l 的 条件下，总c o d 去除率可达8 0 左右。 d 生物流化床与气提式生物膜反应器 生物流化床应用于污水处理领域始于7 0 年代初期并率先在美国和同本进行广泛的 研究与应用。所谓生物流化床，就是以砂和活性炭等颗粒物质为载体充填于生物反应器 内，因载体表面附着生长着生物膜雨使其质变轻，当污水以一定流速从下而上流动时， 载体便处于流化状态。按照使载体流动的动力来源的不同，生物流化床一般可分为以液 流为动力的流化床和以气流为动力的三相流化床两大类。在两相流化床中，按照进入流 化床的污水是否预先充氧曝气，床体又可处于好氧状态和厌氧状态，前者主要用于处理 污水中的有机污染物，而后者则主要用于去除污水中的亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等。 气提式生物膜反应器和机械搅动床是三相流化床相似的生物膜反应器，只不过是作 用于填料生物膜上的剪切力更大( 如前者) 或此力来源于空气以外的其他驱动力，如后者 的机械搅拌。 近年来，生物流化床已经发展成为一种较有前景的污水生物处理工艺，这主要归因 于反应器内微生物流失速率较底、勿需污泥回流、不堵赛且保持较高的固- 液接触面积 等。在这类生物膜反应器中，硝化与反硝化仍然是研究者最为关注的，如l a z a r o v a 等人 f 2 4 憎采用循环流的气提式生物膜反应器研究其硝化性能，悬浮载体生物膜技术用以对 垃圾渗滤液进行硝化，在2 0 c 和水力停留时间h r t = 1 4 时可达1 4 9 n h 4 + - n ( i n 3 h ) 的硝化 速率；运行在负荷率为5 k g n h 4 + - n ( m 3 h ) 的气提式生物膜反应器在硝化时可达到9 9 的 氨的转化率 2 5 1 。此外，流化床与气提式生物膜反应器的水力学状况也是研究者感兴趣 的课题，因为它影响到使载体悬浮的状况和传质，如h e i j n e n 等人【2 6 】 推导除内循环式 三相气提式生物膜反应器处理污水时的简化水力学模式：g j a l t e m a 等人 2 7 1 对气提式反 应器进行了一系列研究，发现水力学状况和载体颗粒间碰撞控制生物膜的形成，载体的 粗糙度越大越利于生物膜的形成。 7 摇动床生物膜反应器处理废水的实验研究 e 厌氧生物膜膨胀床 厌氧生物膜膨胀床是为优化污水处理甲烷发酵工艺于1 9 7 4 年研究和开发出来的， 与生物流化床相似，它也是在多为圆柱形结构的床内填充细小的砂、砾石、无烟煤和塑 料等固体颗粒作为微生物附着生长的载体，但污水从床底部流入时仅使填料层处于膨胀 而非流态化状态，即颗粒间仍保持互相接触。曾经有报道表n 2 8 1 ，厌氧生物膜膨胀床 处理系统可用来处理多种不同类型的污水，包括生活污水、糖浆发酵污水、合成污水、 牛粪便污水和乳清污水等，对c o d 小于6 0 0 m g l 的低浓度污水的处理亦是非常有效 的。 f 移动床生物膜反应器 移动床生物膜反应器是近年来颇受研究者重视的另一种革新型生物膜反应气，它是 为解决固定床反应器需定期反冲洗、流化床需载体流化、淹没式生物滤池堵塞需清洗滤 料和更换曝气器的复杂操作而发展起来的【2 9 】。它使微生物附着在载体上，载体漂浮在 反应器内，并随混合液的回旋翻转而自由移动，从而达到处理污水的目的。它不仅集活 性污泥法和生物膜法的优点于一身，而且克服了两者的缺点，具有处理能力商、能耗 低、不发生堵塞、结构紧凑、无需污泥回流、维护管理简单的工艺特点。近几年来，国 内外有人应用m b b r 进行了处理生活污水，工业废水的实验研究，均取得了较好的结 果( 3 0 3 3 。在移动床生物膜反应器中，装填有短管状聚乙烯塑料填料，这些填料随反应 器内混合液的回旋翻转作用而自由移动在好氧反应器中这种回旋力是由曝气提升力而 提供的，丽在缺氧反应器中则来自于机械搅拌桨。当采用连续流操作方式时，该反应器 可成功的用于经初沉后污水的硝化；而当采用间歇流操作方式时，则又可成功的用于反 硝化【3 4 】。该处理工艺可靠，易于操作，适用于设计小型污水处理厂或改造已有的超负 荷运转的活性污泥处理系统 3 5 1 。 g 复台式生物膜反应器 复合式生物膜反应器是近年来发展较快、引起研究者极大兴趣的复合处理工艺，这 些反应器将单一操作的优点复合在起，使反应器的净化功能极大提高。其特点是在活 性污泥曝气池中投加填料作为微生物附着生长的载体，进而形成悬浮生长的活性污泥和 跗着生长的生物膜，共同承担去除污水中有机物的任务 3 6 - 3 8 1 。有代表性且进行深入研 究或应用的复合式生物膜反应器主要有复合式活性污泥一生物膜反应器 3 9 、4 0 、序批式 生物膜反应器f 4 1 】、升流式厌氧污泥床恹氧生物滤池 4 2 1 , r 附着生长稳定塘【4 3 。 综上所述，生物膜反应器的类型众多，有的已多年应用于污水处理的生产实践，有 的则正处于研究阶段或将要应用于实际，还有的只是刚刚于实验室内研究开发出来的新 8 大连理 ：大学硕十学位论文 型工艺有待于进一步总结研究。还应说明的是，上面所述的生物膜反应器尽管多有好氧 与厌氧之分，但即使在好氧生物膜反应器中，好氧与厌氧微生物总是共存的，尤其是对 于生物膜较厚的情况，溶解氧仅能通过扩散达到微生物膜的表层，深层的生物膜通常处 于缺氧或厌氧状态从而伴随发生着厌氧反应过程。 1 2 3 生物膜反应器的特征 生物膜反应器用于处理污水技术源远流长，近年来，其各种类型又得到比较多的研 究与应t h ；j ，这主要是因为它与传统的活性污泥法相比操作方便、剩余污泥少、抗冲击负 荷和适用于小型污水处理厂等 3 4 1 。具体来说，该工艺具有如下几个方面的特征。 a 微生物相多样化，生物的食物链长，并能存货世代时间较长的微生物 由于生物膜上的微生物没有象活性污泥法中的悬浮生长微生物那样承受强烈的曝气 搅拌冲击，生物膜反应器为微生物的繁衍、增殖及生长栖息创造了安稳的环境，除了大 量细菌生长外，还可能出现大量真菌f 丝状菌) ，线虫类、轮虫类及寡毛虫类除线的频率 也较高。由此看来，生物膜上能够栖息高次水平的生物，在捕食性纤毛虫、轮虫类、线 虫类之上还栖息着寡毛虫和昆虫，因而在生物膜上能形成较长的食物链。又由于生物膜 附着生长在固体填料上，其生物固体平均停留时间( 即污泥龄) 较长，因此在生物膜上能 够生长世代较长、增蒴速度慢的微生物，如硝化菌等。 b 微生物量多，处理能力大，净化功能显著提高 由于微生物附着生长并使生物膜具有较少的含水率，单位反应器容积内的生物量可 高达活性污泥法的5 - 2 0 倍，因而生物膜反应器具有较大的处理能力。又由于有世代时 间较长的硝化菌生长繁殖，生物膜反应器不仅能有效的去除有机污染物，而且更具有一 定的硝化功能，因而其净化功能显著提高。 c 污泥沉降性能良好，易于固液分离：剩余污泥产量少，降低污泥除力与处置费用 由生物膜上脱落下来的污泥，因所含动物成分多和比重较大，且污泥颗粒个体较 大，因而具有良好的污泥沉降性能，易于固液分离。在生物膜中，因较多栖息着高次营 养水平的生物、食物链较长，因而剩余污泥量明显减少，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， 因而可减轻污泥处理与处置的费用。 d 耐冲击负荷，对水质、水量变动具有较强的适应性，并能处理低浓度的污水 生物膜反应器受水质、水量变化而引起的有机负荷和水力负荷波动的影响较小，即 或有一段时间中断进水或工艺遭到破环，反应器的性能亦不会受到致命的影响，恢复起 一9 - 摇动床生物膜反虑器处理废水的实验研究 来也较快。再有，生物膜反应器系统可处理进水b o d 低于5 0 6 0 m g c 的污水，使其出 水b o d 低至5 1 0 m g l ，这点是活性污泥法无可比拟的。 e 易于运行管理，减少污泥膨胀问题 生物膜反应器具有较高的生物量，一般不需要污泥回流，因而不需要经常调整反应 器内污泥和剩余污泥排放量，易于运行的维护和管理。另外，在活性污泥法中，因污泥 膨胀问题而导致的固液分离困难和处理效果降低一致困扰着操作管理者，而生物膜反应 器由与微生物附着生长，即使丝状菌大量繁殖，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。 除上面所述的生物膜反应器的好的特征外，当然它也存在着不足，如需要较多的填 料和支撑结构，在不少情况下基建投资超过活性污泥法；出水常常携带较大的脱落的生 物膜片，大量非活性细小悬浮物分散水中使处理水的澄清度降低；厌氧生物膜反应器启 动需使较长且处理水往往达不到排放标准等。但综合比较起来，生物膜反应器还是有着 活性污泥法等其他处理工艺不可代替的优势。 1 2 4 生物膜反应器的发展趋势 由于生物膜反应器本身内在的优点，近年来国内外一些专家学者均对此进行了更为 深入的研究，内容涉及到生物膜载体的开发与改良、微生物在载体表面的固定机理与技 术、生物膜增长与对有机物的去除等，因而使得对生物膜反应器的研究进一步向纵深发 展。 随着对生物膜的有关特征的认识和基础理论研究的逐步加深，已有的实际应用工艺 诸如生物滤池和生物转盘等更趋于日臻完善，更出现了生物流化床等新型的生物膜反应 器工艺与系统，同时亦有研究者将生物膜的优势引入至u 悬浮生长污水处理系统形成各种 组合工艺，充分利用各自的优点。在去除污染物方砸，研究者从去除不同来源的有机 物、营养物方面更是取得了丰硕的成果。 今后，生物膜反应器的研究将更趋向于进一步探讨微生物在载体表面的固定机理， 开发工程实际中普遍适用的微生物固定技术，优化生物膜结构及各种反应器工艺系统。 进一步使各种膜反应器系统的净化功能更为光谱与高效，使其进化功能进一步提高。深 入研究生物膜微生物的增长及底物去除动力学和生物膜微生物的能量代谪 。生物膜反应 起更朝着节能和自动化控制方向发展。 1 0 大连理工大学硕士学位论文 1 - 3 生物填料的特点及其分类 在废水生物膜处理工艺中，反应器填充的填料是核心部分，其性能直接影响和制约 着工艺的处理效率。较好的生物学特性是填料作为生物膜反应器内微生物载体所应具备 的主要性能 4 4 。从七十年代到九十年代期间，人们发明了许多填料，像蜂窝状填料、 立体波纹填料、软性填料和半软性填料、盾式组合填料、悬浮填料、酶促填料等，这些 填料各有优缺点，在不同的反应其t p 应用也不同。综上所述，生物膜工艺的演变过程， 实际上是一个填料特性不同完善的过程。从丌始的砂石等天然填料发展到目前人工合成 材料填料，人们不断完善了生物膜法法废水处理技术，并使其优点进一步得到发挥，随 着生物膜法应用范围的不断扩大，国内外水处理工作者不断研制、开发，生产和应用各 种填料，为丰富填料类别，促进填料技术的发展方面作了大量工作。随着我国经济的持 续高速发展和对环保事业的日益重视，各种新型填料在废水生物膜工艺中必将有更加广 泛的应用。人们在其演变和性能研究方面已取得了令人瞩目的进展。 1 3 1 填料的分类 填料的分类方法很多，按不同的分类有不同的名称，按填料的材料分类，有塑料、 陶瓷、金属等；按填料的弹性分为硬性、半软性、软性等；按填料应用时的安装方式分 为固定和悬浮等；按填料的装配情况分为整装和乱堆等；按填料的形状分，有拉西环、 鲍尔环、阶梯环、矩鞍环、网环等。污水处理常用的填料其结构特点简述如下： 1 3 1 1 硬性填料 硬性填料有焦炭、滑| 生炭、波纹板、蜂窝等。典型代表是蜂窝填料，常用的蜂窝状 填料一般是由超薄形轻质玻璃钢或各种薄形塑料片构成的，孑l 形有正六角形和偏六角形 之分，孔径在2 0 一l o o m m 之间。安装时直接堆叠在接触氧化池的布气系统上面，微生物 直接生长于玻璃钢或塑料管壁上。但在长期使用过程中，蜂窝填料逐渐暴露出许多弊 端：比表面积较小，生物膜量少；填料表面光滑，不易挂膜；水和气在填料内横向不能 流通，造成布气布水不均 4 5 j ；易堵塞。同时，这也是硬性填料普遍存在的问题。 立体波纹填料由于其加工程序比较复杂，成本高，国内很少采用，其结构类似于蜂 窝填料只不过孔形更加复杂、多变，管壁多波纹。 填置式塑料填料是由塑料制成的各种几何形状结构的填料，在生产上多采用注塑一 次成形的_ 艺，填料内部多孔、弯折，有利于气水分布，填置式塑料填料由于价格昂 贵，国内应用较少 4 6 。 摇动床生物膜反应器处理废水的实验研究 l t 3 1 ，2 软性填料 以软性纤维填料为代表。其基本结构是在根中心绳索上系扎软化纤维束，根据纤 维束纵向和横向之间距离以及纤维束的长短，分为不同型号。安装时需要固定在辅助支 架上。 特点： a 质轻高强，物理、化学性能稳定，造价低，组装方便； b 软性纤维填料比表面积远大于其它类型填料，理论比表面积为1 2 0 0 m 2 m 3 2 5 0 0 m 2 m 3 ，孔隙率 9 0 ，生物附着能力强，生物膜与废水的接触效率高； c 出水稳定，就有较高的耐冲击负荷，造价低廉【4 7 】； d 但当布气不均匀时，纤维束不能像伞一样均匀四面散开，而是随充氧方向倾斜， 所以对充氧布气要求很高； e 当废水浓度高时，填料易结团，减少了实际表面积，且填料易发生断丝，中心绳 松动等情况，寿命较短。 1 3 1 3 半软性填料 半软填料基本有两类，一类是在塑料杯上下功夫，使纤维束不易彼此搭住结团，这 类填料有盾式填料、笼式填料等。另一类是所谓的弹性填料，是由塑料或尼龙等拉丝组 合而成，这些丝本身是有一定强度的，因此填料本身也有一定强度，彼此不易搭结成 团。 北京纺织科学研究院在2 0 世纪8 0 年代开发的半软性填料属于第一种类型 4 6 】，它 有填料单片、塑料管和中心绳三部分组成，所有组成部分采用耐酸、耐碱、耐老化性能 较好的低密度聚乙烯为原料。经熔融注塑成由中心孔向外放射的形状，针刺状的圆形单 片是半软性填料的主体，由中心绳依次穿过各单片的中, t j q d ，单片间嵌套塑料管以固定 片距串联成所需长度。 特点： a 半软性填料具有特殊的结构和水力性能，孔隙率大( 大于9 6 ) ，流阻小，并且当 水流通过填料层时可产生明显的湍流流态，提高水与生物膜的接触效率，增大了去除污 染物的能力； b 该填料布水、布气性能好，传质效率高； c 生物膜更新速度快，其生物膜的活性和有机物去除能力高于硬性填料和软性填 料； 一1 2 - 大连理1 火学硕士学位论文 d 每个填料都能独立存在，本身不结球，无堵塞可能，且填料耐腐蚀，加工、运输 和安装都很方便； e 但微生物附着性能差，成本较软性填料高。 1 ，3 1 4 组合式填料 该填料综合了软性填料和半软性填料的优点而部分克服其不足。 组合式填料是基于软性填料的比表丽积大、易挂膜和半软性填料的不结团、布气均 匀的优点基础上设计的一种填料，以y d t 弹性立体填料为例。 y d t 由于其具放射装弹性丝的立体构形，对气水混合流体起多层次的连续碰撞和 把大气泡割成小气泡的作用，大大加速了氧的转移速率，除此之外，y d t 弹性丝表面 有微毛刺，可吸附众多的小气泡附着在上面，延长了接触对涮，提高氧转移量。y d t 弹性填料与其他填料相比，其供养量和耗电量可减少5 0 以上，且该填料比表面积大、 孔隙率大、不宜堵塞、价格便宜、安装运输方便，有明显经济效益，建议广泛使用。 1 3 1 5 悬浮填料 悬浮型填料挂膜后密度接近于水，在曝气池中以悬浮填料形式存在，其用量( 以体 积计) 约为曝气池体积的2 0 7 0 。悬浮填料具有全立体结构，直接投放，无须固定的 特点，应用在兼氧一好氧工艺中不仅可取得9 0 以上的c o d 去除率，而且脱氮效果也很 好，剩余污泥少，使用寿命长。由于其比表面积相对较大，因而可使微生物与有机底物 有更多的接触机会，使水体中的溶解氧分布更均匀，易挂膜，不堵塞。但需再吃体中 迸、出水口处或是在距避、出水口一定距离处用绳网或不锈钢网自上而下挡住悬浮填 料，以免堵塞进、出口，防止填料流失。北京桑德环保公司集团发明的s n p 型填料， 北京清华永新双益环保有限公司生产的s q c 型、t i t 型球状填料都属于此种 4 8 1 。同 济大学刘翔等对悬浮填料的现状、特点、应用和发展作了分析和研究1 4 9 。韩西海等人 用多孔球形填料对石化废水做了处理效果实验研究 5 0 j 。夏四清等做了悬浮填料处理石 化废水的硝化作用研究表明悬浮填料硝化作用较好【5 1 。 i 3 1 , 6 酶促生物填料 这种填料是在制作生产过程中加入能够刺激生物生长的促进剂，使得微生物能够快 速的在填料表面生长。重庆建筑学院，九五科技攻关研究开发的酶促填料便是水处理生 物膜法和微生物固定化技术相结合的产品，固定化为生物技术是通过化学或物理手段将 游离细胞或酶加以固定，使之不容水于但仍具有生物活性 5 2 、5 3 。该技术的主要特点 为：采用固定化微生物后，微生物浓度可得到极大提高，可保持搞活性和高浓度的微生 1 3 摇动床生物膜反廊器处理废水的实验研究 物，处理效率得到提高，微生物流失量少，增值速度缓慢的微生物可充分得到利用。这 种填料的主要优点是填料挂膜速度快，生物膜量相对比较大， 1 3 t 2 填料的作_ 肆j 填料在生物膜反应器中的作用有以下几点： 它是微生物生长的载体，为微