（环境工程专业论文）移动床生物膜反应器启动过程实验研究.pdf

摘要 摘要 移动床生物膜反应器( m b b r ) 作为一种新型的废水处理工艺，以其负荷大、 效率高、剩余污泥量少、无污泥膨胀，设备简单、操作方便，可小型化、配套化、 自动化等优点，正逐渐从科研走向小型产业化，移动床生物膜反应器将会是未来 污水发展的一个方向。 移动床生物膜反应器首先要解决的是填料挂膜启动的问题，因此，本文首先 综述移动床生物膜反应器启动特性研究进展。之后通过实验，详细的讨论了接种 污泥浓度、水力停留时间、气水比对模拟生活污水的影响。实验结果表明：对于 低浓度的进水c o d e r ( 弋 n 0 2 一+ 3 矿+ h 2 0 + 能量 n 0 2 - + o 5 0 2 n 0 3 一+ 能量 通过计算，发现硝化过程需氧量很大，去除1 9 氨氮产生o 1 4 6 9 细胞新物质， 需要消耗大约4 2 5 9 0 2 ，同时又会产生大量的一，使得水中p h 值降低，因此为 了使硝化反应顺利进行，去除1 9 氨氮需要消耗大约5 5 4 9 碱度( 以n a 2 c 0 3 计算) 。 从中也可以看出，微生物通过氧化氨氮和亚硝酸盐氮来获得能量，其中碳源来自 无机碳化合物，如碳酸盐、碳酸氢盐以及小分子气体c 0 2 。同时，硝化细菌由于 是以无机碳化合物为碳源，氨氮或亚硝酸盐氮为电子供体，以游离氧为电子受体， 产物是亚硝酸盐氮或硝酸盐氮，所以对于有机底物，绝大多数硝化菌的生长不需 要有机底物，甚至当有机底物浓度过高时候，对硝化菌的生长反而不利。加之硝 化细菌在氧化过程中对能量的利用率不高，生长比较缓慢，平均世代时间甚至可 以长达1 0 小时以上。一般来说，亚硝酸菌世代时间为8 3 6 小时，硝酸菌世代时 间为1 2 5 9 小时，因此其生长速率远远低于异养菌的生长速率，同时，由于硝化 菌是严格的好氧菌，氨氮被硝化细菌氧化时又会耗费大量的氧，为了保持硝化反 应的正常运行，反应器内必须保持较高的溶解氧量。在活性污泥系统，对氧气的 需求会比较高，一般维持在1 5 2 m g l 范围内，但由于移动床生物膜法硝化区域 在填料膜层的生物絮体的内部，为了提高溶解氧对生物絮体的穿透力，提高硝化 反应速率，一般可将需氧量提高到2 m g l 以上。 反硝化菌主要为兼性异养菌，但也有自养菌存在。氧含量的不同，兼性异养 菌也起着不同的作用，当无氧或者氧气很低的情况下，兼性异养菌在有硝酸盐或 亚硝酸盐存在的条件下，以有机碳为电子供体和营养源进行反硝化反应。在通常 的活性污泥系统中，溶解氧通常保持在0 5 m g l 以下的状态下，反硝化反应才能 1 6 广东工业大学硕士学位论文 正常运行，对于填料上附着的微生物，也可认为是附着型的，对于附着型的生物 膜系统，传质阻力大的情况是发生在附着相生物膜层，此时，要使反硝化反应正 常运行，需要提高溶解氧的浓度。反硝化反应可用如下方程式表示( 假设以甲醛 为碳源) ： 6 n o a 一+ 2 c h a o h 6 n 0 2 一+ 2 c 0 2 + 4 h 2 0 6 n 0 2 一+ 3 c h 3 0 h3 n 2 + 3 c 0 2 + 3 h 2 0 + 6o h 一 从上式可以看出，反硝化菌将硝酸盐氮还原成为小分子气体，如c 0 2 和n 2 ， n 0 3 - 和n 0 2 一作为电子受体，营养源为有机碳化合物，通过反应可以看出，反硝 化反应需氧量极少，反硝化进行程度的决定性因素是有机碳含量及其可生化性。 反硝化菌呼吸产能效率决定有氧呼吸和无氧呼吸的优先级别，反硝化菌既可以利 用游离氧进行有氧呼吸，也可以利用硝酸盐中的化合态氧进行无氧呼吸。有氧呼 吸和无氧呼吸可用下面的方程式表示( 以碳水化合物为例) ： c 6 h 1 2 0 6 + 6 0 26 c 0 2 + 6 h 2 0 + 能量( 2 3 8 6 5 k j t 0 0 1 ) 5 c 6 h i 2 0 6 + 2 4 k n 0 3 ，3 0 c 0 2 + 1 8 k o h + 1 2 n 2 + 能量( 2 8 7 2 1 k j m 0 1 ) 从上面的方程式可以看出，同时存在游离氧和化合态氧的时候，由于有氧呼 吸产能较多，优先进行有氧呼吸，因此，在一般的活性污泥系统里，为了让反硝 化反应能正常进行，会将溶解氧保持在o 5 m g l 以下，抑制有氧呼吸，优先无氧 呼吸。而膜生物系统，由于传质阻力多发生在生物膜层，因此膜内层容易发生反 硝化反应，故在较高的溶解氧浓度下，也能发生反硝化反应。 在好氧条件下，生物膜中聚磷细菌以超出自身生长需要的磷量，通过 p h b p h v 的氧化代谢产生能量并且合成新的贮磷细胞，产生富磷污泥，同时， 在厌氧状态下，兼性细菌将溶解b o d 转化成低分子发酵产物如v f a s ，通过聚 磷菌的同化作用，合成成为胞内碳能源贮存物p h b p h v ，所需能源来自聚磷的 水解，也就导致了磷酸盐的释放。由于移动床生物膜膜层既有好氧层，又有厌氧 层，因此在生物膜内可以发生磷的贮和释放，通过调节磷的投加量，可以减少富 磷污泥的排放，提高磷的利用率。下图为生物膜除磷过程。 废水 墨墨，聚磷菌释磷合成a t p堑墨聚磷菌吸磷降解a t p苎堡出水 第三章启动条件对挂膜的影响 3 1 2 填料在不同溶解氧条件下的挂膜情况 表3 1 为填料1 在不同气量条件下的溶解氧量测试，表3 2 为填料2 在不同 气量条件下的溶解氧量测试。 表3 - 1 填料l 在不同气量条件下的溶解氧量测试 ( t a b 3 1o x y g e n a t i o nc a p a c i t yo ft h et e s tc a s ei nd i f f e r e n tg a sr a t ei nf i l l e r1 ) 采用连续进水方式，填料l 填充率为5 0 ，气泵在m b b r 反应器充满水后 气量范围为0 2 5 1 1 m 3 h ，本实验采用6 档气量测试，接种污泥体积均为2 0 l ， 采用闷曝后通入模拟生活污水的方式挂膜，通入模拟生活污水的浓度 为5 0 0 m g l ，水量为1 0 l h 。从表中可以看出，气量为0 2 5 m 3 h 、0 3 5 m 3 h 、0 4 5 m 3 h ， 0 5 5 m 3 h 由于溶解氧量过小，不满足硝化菌需氧量需求，而且这四个气量下，挂 膜2 - - 4 天，污泥就因为泥水分离而矿化死亡，说明溶解氧量不满足微生物摄取外 来营养物质所需溶解氧量，缺氧导致大量好氧异氧微生物死亡矿化，尤其是o 2 5 m 3 h 的气量，甚至出现发臭现象，挂膜失败。0 7 5 m 3 h 由于曝气量过大，水相中 溶解氧量过大，供氧量过剩，水力冲刷大，营养物质随水流失严重，微生物过度 消耗自身原生质，最终导致挂膜未到3 天微生物就死亡矿化，出现泥水分离现象。 下图是气量为0 6 5 m 3 h 时，7 天后挂膜情况。该图是刮取上层填料1 上附着生物 膜层，在4 0 0 倍微生物显微镜下观察所得。发现生物膜中出现原生动物，也就是 图中的草履虫，说明上层水质逐渐从高负荷水体质量差转向正常状态，生物膜层 生物结构稳定，挂膜成功。 1 8 麓 爱i 塑亟。曼量蟹墅 图3 - 1 填料l 在0 6 5 m 3 h 气量条件下的挂膜情况 ( f i g 3 1h a n g i n gb i o f i l mi n0 6 5 m 3 hg a sr a t ei nf i l l e r11 表3 - 2 填料2 在不同气量条件下的溶解氧量测试 ( t a b 3 - 2o x y g e n a t i o nc a p a c i t yo ft h et e s tc a s ei nd i f f e r e n tg a sr a t ei nf i l l e r2 1 图3 - 2 填料2 在0 4 5 m 3 h 气量条件下的挂膜情况 ( f i g 3 2h a n g i n gb i o f i l mi n0 4 5 m 3 hg a sr a t ei nf i l l e r2 1 填料2 为改进型的多面空心球，该填料球芯填充棉条，连续进水方式，填料 2 填充率为2 0 ，本实验采用5 种不同的充气条件，接种污泥体积均为2 0 l ，采 用闷曝后通入模拟生活污水的方式挂膜，通入模拟生活污水的浓度为5 0 0 m g l ， 水量为1 0 l 几。从表中可以看出，气量为0 2 5 m 3 h 、0 3 5 m 3 h 的条件下，平均溶 1 9 第三章启动条件对挂膜的影响 解氧气量为0 1 3 m g l 和0 2 0 m g l ，不满足微生物好氧需求，单位体积微生物量 减少，对吸附上填料2 球芯上的微生物，由于其好氧层供氧量不足，异样型微生 物在充足的营养下却无法正常的好氧呼吸，因此导致原本挂在填料2 球芯上的微 生物由于缺氧死亡而脱落，最终导致泥水分离。0 5 5 m 3 h 、0 6 5 m 3 h 气量下，平 均溶解氧量基本在0 4 0 m g l 上，但由于由于单位体积曝气强度过大，单位面积 填料2 上所受气体冲刷力、水流剪切力过大，导致微生物对填料2 的附着力大大 降低，加上营养物质的过度流失，余氧量大，最终微生物氧化自身原生质，导致 泥水分离。当填料2 在0 4 5 m 3 h 气量条件下，如上图所示，经过4 0 0 倍微生物 显微镜观察上层填料2 附着生物膜层，出现原生动物，但活性相对较弱，可能是 制片时间过久，导致载玻片上微生物活性下降。生物膜出现了后生动物轮虫，说 明供氧量充足，水质较为干净，生物膜中微生物群体结构丰富，挂膜成功。 3 2h r t 3 2 1 水力停留时间启动条件的挂膜启动原理 水力停留时间( h r t - h y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m e ) 指的是微生物在反应器中的停 留时间，水力停留时间还涉及到微生物的世代时间。微生物世代时间短，水力停 留时间低于微生物的世代时间，微生物对污水中有机物的摄取程度低，就直接被 排走了；微生物世代时间长，水力停留时间高于微生物的世代时间，反应器会因 为污泥老化而降低对污水的处理效率。硝酸菌世代时间一般都比亚硝酸菌的世代 时间长，硝酸菌的世代时间一般为1 2 , - , 5 9 小时，亚硝酸菌的世代时间则为8 3 6 小时。在膜生物系统中，因为反应器内微生物大部分是附着在填料表面上，一般 世代时间会较长。水力停留时间的设定可以根据微生物世代时间、微生物浓度以 及污水处理效率来综合考虑。下式为水力停留时间计算公式： 0 ；一v q 式中：0 水力停留时间( 日) v 二一反应器体积 卜废水量日 广东工业大学硕士学位论文 从上式可以看出，废水量固定的条件下，延长水力停留时间会增加反应器体 积，基建投资成本增加。水力停留时间延长，可以提高污染物的去除率，但同时 单位时间污染物的去除效率是降低的。对于水力停留时间的设定，要综合考虑废 水水质、微生物世代时间、污染物处理效率以及微生物量等。并不是水力停留时 间越长，污染物处理效率就越好，因为在给定的水力停留时间里，污水中总会存 在微生物难降解的物质，故水力停留时间与处理效果存在一个平衡点。当污水中 的有机负荷增大，膜系统中的硝化速率会降低，这是因为异养菌与硝化细菌竞争 生物膜表面的空间和溶解氧，而异养菌世代时间比硝化细菌短，繁殖快于硝化细 菌，使得硝化细菌在有机物竞争上处于劣势，从而抑制硝化细菌的增殖，与此同 时，当异氧菌数量处于绝对优势的时候，会大大影响硝化菌对氨的吸收。下表为 填料l 和填料2 在不同水力停留时间条件下对填料挂膜启动的影响。 3 2 2 填料在不同水力停留时间条件下的挂膜情况 表3 3 为填料1 在不同水力停留时间条件下的挂膜启动测试，表3 - 4 为填料 2 在不同水力停留时间条件下的挂膜启动测试。 表3 - 3 填料1 在不同水力停留时间条件下的挂膜启动测试 ( t a b 3 - 3h a n g i n gb i o f i l mo ft h et e s tc a 8 ei nd i f f e r e n th r t i nf i l l e r1 ) 、 h r t h挂膜情况 反应器闷曝4 h 之后可见接种污泥吸附在填料上，通入模拟生活污水，7 天后填料上基本没有生 “。 物膜，悬浮生物相微生物丰富 反应器闷曝4 h 之后可见接种污泥吸附在填料上，通入模拟生活污水，7 天后填料上基本没有生 物膜，悬浮生物相微生物丰富 ，反应器闷曝4 h 之后可见接种污泥吸附在填料上，通入模拟生活污水，7 天后填料上见微量生物 “。 膜，手触摸略有滑腻感，悬浮生物相微生物丰富 反应器闷曝4 h 之后可见接种污泥吸附在填料上，通入模拟生活污水，7 天后填料上见微量生物 。 膜手触摸略有滑腻感，填料上有少量黏连物质 反应器闷曝4 h 之后可见接种污泥吸附在填料上，通入模拟生活污水，7 天后填料上可见少量生 “一 物膜，手触摸有滑腻感，填料上可见黏液 填料1 采用0 6 5 m 3 h 的气量，5 0 的填充率，待闷曝一段时间后通入5 0 0 m g h 浓度的模拟生活污水。通过上表可知，h r t 为6 3 h 和7 6 h 的时候，填料l 七天 内都没挂上膜，反而悬浮生物相微生物丰富，原因是模拟生活污水中的营养物质 在反应器中停留时间相对较短，营养物质来不急被填料上尚未附着牢固的微生物 吸收就被排走了，生物膜好氧层微生物营养不够，导致微生物向富营养的悬浮相 移动，从而挂膜失败。之后随着h r t 的增加，生物膜的生长情况越来越好，说 明当h r t 为1 9 h 条件下，营养物质的流动情况适宜异氧微生物生长，它们首先 2 1 第三章启动条件对挂膜的影响 在生物膜上扎根，之后亚硝酸菌和硝酸菌的与异氧微生物达到生长平衡点，生物 膜缓慢生长。下图为h r t 为1 9 小时条件下填料1 的挂膜情况，使用4 0 0 倍微生 物显微镜观测所得。由图可知，填料1 上有丝状的乳白色黏液，生物膜上出现后 生动物轮虫，为捕食型原牛动物，它的出现表明水质处理优良、牛物膜系统为完 全氧化型，膜生物群落已经成熟，说明生物膜己稳定处理污染物。 图3 - 3 填料1 在h r t 为1 9 h 的条件下的挂膜情况 ( f i g 3 3h a n g i n gb i o f i l mw h e nh r t i s19 hi nf i l l e r1 ) 表3 - 4 填料2 在不同水力停留时间条件下的挂膜启动测试 ( t a b 3 - 4h a n g i n gb i o f i l mo ft h et e s tc a s ei nd i f f e r e n th r ti nf i l l e r2 ) h r t h挂膜情况 6 3 7 6 9 5 1 2 6 1 9 0 反应器闷曝2 h 之后可见填料球芯上附着一层微生物， 后球芯附着层消失，填料表面基本没有生物膜 反应器闷曝1 h 之后可见填料球芯上附着一层微生物， 后球芯附着层消失，填料表面基本没有生物膜 闷曝一段时间后通入模拟生活污水，1 天 闷曝段时间后通入模拟生活污水，2 天 反应器闷曝1 h 之后可见填料球芯上附着一层微生物，闷曝一段时间后通入模拟生活污水，6 天 后见填料球芯内有少量黏液包覆的生物膜，填料表面几乎不见生物膜 反应器闷曝1 h 之后可见填料球：芭= 一f ：附着一层微生物，闷曝一段时间后通入模拟生活污水，6 天 后见填料球芯内有少量黏液包覆的生物膜，填料表面有微量生物膜，手触摸有滑腻感 反应器闷曝0 5 h 之后可见填料球芯上附着一层微生物闷曝一段时间后通入模拟生活污水，6 天后见填料球芯内有少量黏液包覆的生物膜，填料表面有少量生物膜，手触摸有滑腻感 填料2 采用0 4 5m 3 h 的气量，1 0 的填充率，待闷曝一段时间后通入5 0 0 m g h 浓度的模拟生活污水。如表3 4 所示，由于填料2 球芯棉条比表面积比聚丙烯骨 架大，表面张力大于聚丙烯骨架，因此润湿性、生物吸附性能都优于聚丙烯骨架。 当h r t 为6 3 小时、7 6 小时以及9 5 小时的条件下，前期接种污泥中微生物的 吸附主要是通过聚丙烯球芯，但在上述三个条件之下，模拟生活污水水流速度相 对较快，营养物质流速较快，停留在聚丙烯球芯里的异养微生物出于自身能量需 求，会聚集在营养物质丰富的地方，也就是从附着相流向悬浮相，最终随模拟生 活污水排入二沉池，水质净化得不到保证。随着h r t 的增加，营养物质停留在 箝滋 广东工业大学硕士学位论文 反应器的时间增加，附着在填料2 球芯内的异养微生物的营养得到保证，从而顺 利的繁殖，硝酸茵，亚硝酸菌等世代时间较长的微生物也有个适合的生长周期， 生物膜在球芯里最快牛长，聚丙烯骨架基于其材质的电负性特性，导致其表面能 低，表面润湿性差，生物膜的生长比球芯缓慢。如下图所示，该样品取自填料2 球芯处生物膜，使用4 0 0 倍微生物显微镜观察，发现后生动物，下图为轮虫，并 且十分活跃，说明曝气良好，生物生长情况良好，处理水质稳定，处理效果良好， 水中有机物含量低，老化污泥陆续解体时，为该生物提供大量食物而大量繁殖。 一 一 o 二备 一，唧 一。a o 。j i 一i - 蜘 “ 囊r ， 图3 - 4 填料2 在h r t 为1 9 h 的条件下的挂膜情况 ( f i g 3 - 4h a n g i n gb i o f i l mw h e nh r t i s19 hi nf i l l e r2 ) 3 3 接种污泥浓度 3 3 1 接种污泥浓度启动条件的挂膜启动原理 从理论上来说，接种污泥浓度越大，微生物数量越多，在水相中微生物能碰 撞到单位面积填料表面的概率减小，随着微生物数量的减少，单位面积填料表面 上微生物碰撞的概率增大，这就意味着接种污泥浓度越小，对挂膜启动越有利。 但实际上，微生物对填料附着程度还受到填料表面性能的影响，表面性能呈电正 性的填料材质，对水相中成电负性的微生物起到异电性相吸的作用，填料固体表 面与水相界面能降低，水相越能在填料固相中润湿，提高水相中微生物在填料固 相中的着床能力。市面上填料的种类有好几十种，总的来说分三大类：一是硬性 填料，所用材质多为聚乙烯、聚丙烯等电负性的材料，这类材料最常见，应用方 面也最广，一般可用来处理废气和部分废水，例如聚丙烯多面空心球，该多面空 心球有多种规格，如2 5 m m 球径、5 0 m m 球径，与水的比重为0 9 2 - - 0 9 5 。专利 第三章启动条件对挂膜的影响 产品圆柱状k m t 聚丙烯填料，该填料直径一般为1 0 m m ，与水的比重为 0 9 2 - - 0 9 6 ：二是半软性填料，实质上是对硬性材料的改进，最简便的方法就是与 毛丝组合，通过毛丝的亲水、表面积大的特性提高填料挂膜的成功率；第三种是 软性填料，该类填料体质较软，吸附性能也较好，最典型的是早期使用的海绵， 之后的孔径为8 5um ，尺寸规格为2 5 m m 2 5 r a m 1 2 m m 的聚氨酯泡沫块，但 这类填料容易被微生物吃掉，或者填料内部生物老化而产生矿化效应而沉积在填 料空隙中。 3 3 2 填料在不同接种污泥浓度条件下的挂膜情况 我们实验中的所使用的填料1 ( 聚丙烯多面空心球) ，要提高它对微生物的 吸附性能，一是接种污泥浓度不能太低，过低微生物种子数量太少，起不到加速 作用，太高悬浮相生物浓度过高，与附着相微生物竞争底物，容易造成附着相难 生长生物膜。二是填料1 球芯添加比表面积大的物质，如棉条。也就是我们实验 中所用到的填料2 。活性污泥浓度采用3 个污泥段浓度段，分别是8 0 0 - 一9 0 0 m g l 浓度段，9 0 0 1 0 0 0 m g l 浓度段，1 0 0 0 - 1 1 0 0 m g l 浓度段。采用闷曝流动法，该 方法与排泥挂膜法和闭路循环法不同，先接种一定浓度的接种污泥，开启曝气， 待闷曝一定时间后，当填料上粘附一定量的活性污泥之后通入模拟生活污水，这 样可以节省一定的挂膜时间。 试验接种污泥采用广州沥窖污水处理厂二沉池集泥井污泥。填充率为5 0 ， 曝气量0 6 5 m 3 l ，水力停留时间1 9 h ，进水2 0 0 m g l 模拟生活污水。下表为不同 浓度段填料1 的挂膜情况。 表3 - 5 填料1 在不同接种污泥浓度条件下的挂膜启动测试 ( t a b 3 - 5h a n g i n gb i o f i l mo ft h et e s tc a s ei nd i f f e r e n ti n o c u l a t i v es l u d g ec o n c e n t r a t i o ni nf i l l e r1 ) 污泥浓度( 呱l )挂膜情况 8 0 删 荔椭骺5 小帆蝌黼眺2 艏麒蝌锄嬲7 骺髓吼触动 胁1 0 0 0 荔种污泥后4 小时见填料附着污泥4 天后触摸填科有粘滑感9 天后镜检可见原生动 1 0 0 0 11 0 0 接种污泥后4 小时见填料附着污泥。5 天后触摸填科有粘滑感，1 5 天后出现泥水分离 从上表可知，接种污泥主要是对填料挂膜启动前期起到加速作用，主要原因 是接种污泥的微生物含量越大，微生物适应性越大，填料越容易附着污泥，但与 活性污泥法不同的是，膜生物系统分成附着相和悬浮相，假如在相同的时间通入 广东工业大学硕士学位论文 模拟生活污水，悬浮相浓度越高，附着相微生物生长越缓慢，这是悬浮微生物竞 争有机底物的结果。因此对于不同的填料，不同的挂膜条件，接种污泥浓度对挂 膜启动是有一个最优值的。下图为接种污泥浓度在8 0 0 9 0 0 m g l 范围内填料1 的挂膜情况。从图中可以看出，生物层中的絮体比较紧致，出现了固着型的原生 动物钟虫，说明在该条件下，水体处理效率良好，膜生物群落生长良好。 。举 j “ 。” - ：| 一7 9 ； 。 j 。、撩， ，。_ r 。：j 未 图3 - 5 填料1 在接种污泥浓度为8 0 0 - 9 0 0 m g l 范围内的挂膜情况 ( f i g 3 - 5h a n g i n gb i o f i l mo ft h ei n o c u l a t i v es l u d g ec o n c e n t r a t i o ni nt h er a n g eo f8 0 0 - 9 0 0 m g li n f i l l e r1 ) 相似的，填料2 挂膜，分别采用三个接种污泥浓度段：5 0 0 - 6 0 0 m g l ， 6 0 0 7 0 0 m g l ，7 0 0 8 0 0 m g l ，闷曝一定时间后通入模拟生活污水的方式，闷曝 时间根据肉眼观察填料上粘附一定量活性污泥为标准。填充率1 0 ，气量 0 4 5 m 3 l ，水力停留时间1 9 h 。下表为填料2 在不同接种污泥浓度下的挂膜情况。 表3 - 6 填料2 在不同接种污泥浓度条件下的挂膜启动测试 ( t a b 3 - 6h a n g i n gb i o f i l mo ft h et e s tc a s ei nd i f f e r e n ti n o c u l a t i v es l u d g ec o n c e n t r a t i o ni nf i l l e r2 1 污泥浓度( m g l )挂膜情况 5 0 蓊椭龋3 小时燃黼黼汜2 觚麟洲椭嬲“骺镜检砜胜动 6 0 0 蓊种污泥后3 小时见填料附着污泥3 天后触摸填料有粘滑感“天后镜检可见原生动 7 洲0 0 荔种污泥后4 小时见填料附着污泥3 天后触摸填料有粘滑感8 天后镜检可见原生动 第三章启动条件对挂膜的影响 麓滋糯 黼 漂摹漂 ”- 零憩翳缡鬻墅鞋 瓣 鏊 。 图3 - 6 填料2 在接种污泥浓度为5 0 0 - - 6 0 0 m g l 范围内的挂膜情况 ( f i g 3 - 6h a n g i n gb i o f i l mo ft h ei n o c u l a t i v es l u d g ec o n c e n t r a t i o ni nt h er a n g eo f5 0 0 6 0 0 m g li n f i l l e r2 1 从填料2 的挂膜情况来看，棉条之所以吸附性较强，是因为棉条比表面积大， 较大的空隙能容纳更多的污水，为微生物吸附提供载体。在挂膜前期，接种污泥 浓度越高，意味着悬浮相生物群落集中，较高等的动物蚕食着细菌等较低等的生 物，填料骨架为疏水性物质，微生物吸附困难，填料上吸附营养物质较少，同时， 在水力剪切力的共同作用下，使得接种污泥越高，挂膜时间越长。待接种污泥浓 度降到一定值，如试验中的5 0 0 6 0 0 m g l ，微生物悬浮相和附着相的营养物质浓 度差减小，微生物就会选择流向吸附性更好的填料2 棉条球芯中。上图 中，5 0 0 6 0 0 m g l 接种污泥浓度下，填料2 在挂膜6 天后4 0 0 倍镜检下，出现草 履虫，该样品是从上层填料中刮出，说明污水通过由下到上净化顺序后，水质逐 渐从负荷高、水质差向水质正常过渡。 3 4p h 值 3 4 1p h 值启动条件的挂膜启动原理 膜反应器的核心是填料挂上的生物膜，如果p h 值变化范围大，将会影响到 反应器的效率，严重的，当p h 值低于5 或者高于9 的时候，反硝化反应将受到 强烈抑制，生物膜大量脱落，造成反应器失效。原因是过低的p h 不利于原生动 物和细菌的生长，反倒对于霉菌和酵母菌生长有利，由于多数霉菌不会像细菌那 样在胞外分泌粘液，导致细菌营养物质被霉菌抢夺而“饿死”，使生物膜层脱落。 2 6 广东工业大学硕士学位论文 过高的p h 值使原生动物活性受到抑制，菌胶团解体，严重影响生物膜处理效果。 3 4 2 填料在不同p h 值条件下的挂膜启动情况 在进水c o d c r 浓度为5 0 0 m g l ，曝气量为0 6 5 m 3 h ，填充率为5 0 ，水力 停留时间为1 9 0 h 条件下，下表为填料1 挂膜肩动曰p h 值曲线，下图为填料1 的挂膜肩动第8 天的镜检情况。 图3 7 填料1 挂膜启动日p h 值曲线 ( f i g 3 - 7t h ep hc u r v eo f h a n g i n gb i o f i l mi nf i l l e r1 ) 图3 - 8 填料1 挂膜启动第8 天的挂膜情况 ( f i g 3 - 8t h ee i g h t hd a yo f h a n g i n gb i o f i l mi nf i l l e r1 ) 从图中可以看出，随着p h 值的不断降低，第7 、8 日p h 值已经低于5 ，在 挂膜启动第8 天4 0 0 倍镜检发现霉菌，霉菌长势极好，不见原生动物和后牛动物， 反应器酸化，溶解氧降低，霉菌已成优势菌种。观察填料，发现牛物膜几乎没有 挂成。 第三章启动务件对挂膜的影响 3 5 温度 微生物全程的生长完全取决于生化反应，而这些反应的速率又直接受到温度 的影响。在限制范围内，酶的活性有一个最大值点，微生物生长会随温度增高而 逐渐达到最大生长率，之后微生物受到酶活性失活的影响，生长速率很快下降。 好氧层中，若温度升高，氧转移率降低会直接导致氨硝化过程不完全，造成亚硝 酸盐积累。在膜生物反应器中，温度对硝化、反硝化过程速率的影响遵循a r r h e n i u s 方程，该公式描述为： q d ，- r = q d , 2 0 0 ( t 一2 0 ) 其中，q d r 温度t 时反硝化速率，g n o - 3 - n g v s s d ； q d 2 r 2 0 时硝化速率，g s o - 3 - n g v s s d ； 卜温度系数。 从上式可以看出，温度不仅影响系统中硝化菌和反硝化茵的数量和存在的种 类，还影响它们的活性。一般的，在膜生物系统中，生物硝化的反应温度在5 范围内，其中硝酸菌的最佳生长温度比亚硝酸菌的温度范围宽，为3 5 4 2 c 。对 于温度低于2 8 的硝化系统，氨氧化动力学与亚硝酸盐氧化动力学均为反应速 率的限制因素。生物反硝化的反应温度在5 4 0 范围内，最适宜温度范围为 1 5 3 5 。在低温条件下，为了保证反硝化效果，可以适当延长膜生物系统的水 力停留时间。下表列出硝化菌生存温度范围。 表3 _ 6 硝化菌生存温度范围 ( t a b 3 6h a n g i n g b i o f i l mo ft h et e s tc a s ei nd i f f e r e n ti n o c u l a t i v es l u d g ec o n c e n t r a t i o ni nf i l l e r2 ) 类别细菌属名适宜温度 硝 硝化杆菌属 5 _ 4 0 硝化球菌属 1 5 3 0 酸 硝化螺菌属2 0 3 0 菌 硝化刺菌属 2 5 3 0 。亚硝化弧菌属 5 3 0 亚硝化杆菌属2 4 0 饷 亚硝化球菌属 2 m 酸 亚硝化单胞菌属 5 3 0 。亚硝化螺菌属 1 5 - 3 0 雷 亚硝化叶状菌属1 5 3 0 如外界环境温度变化较大，进水有机负荷浓度高，曝气不足情况下，会导致 酵母菌疯长，产生酸化现象，填料上已挂上的膜，由于厌氧层厚度增厚，出现脱 落现象。这是生物趋富营养的生存特性。因此，有机负荷越高，填料挂膜越困难。 2 8 第四章移动床生物反应器的条件优化研究 本章主要讨论接种污泥浓度、水力停留时间以及气水比等3 个肩动条件对移 动床生物膜反应器挂膜启动的影响，实验得出该反应器的最优化启动条件。 4 1 接种污泥浓度对m b b r 反应器中生物量的影响 图4 18 0 0 - - 9 0 0 m g l 浓度段接种污泥对m b b r 反应器中悬浮生物量以及附着生物量的影响 ( f i g 4 - 11 1 1 ei n o c u l a t i v es l u d g ec o n c e n t r a t i o ni nt h er a n g eo f8 0 0 - 9 0 0 m g n p a r a g r a p hi n f l u e n c e0 1 1 t h es u s p e n d e db i o m a s sa n da t t a c h e db i o m a s si nm b b r r e a c t o r ) 图4 29 0 0 一1 0 0 0 m g l 浓度段接种污泥对m b b r 反应器中悬浮生物量以及附着生物量的影响 ( f i g - 4 - 2t h ei n o c u l a t i v es l u d g ec o n c e n t r a t i o ni nt h er a n g eo f9 0 0 10 0 0 m g lp a r a g r a p hi n f l u e n c e o nt h es u s p e n d e db i o m a s sa n da t t a c h e db i o m a s si nm b b r r e a c t o r ) 广东工业大学硕士学位论文 图4 - 31 0 0 0 - 1 1 0 0 m g l 浓度段接种污泥对m b b r 反应器中悬浮生物量以及附着生物量的影响 ( f i g 4 - 3t h ei n o c u l a t i v es l u d g ec o n c e n t r a t i o ni nt h er a n g eo f10 0 0 11o o m g lp a r a g r a p hi n f l u e n c e o nt h es u s p e n d e db i o m a s sa n da t t a c h e db i o m a s si nm b b rr e a c t o r ) 对填料1 采用接种污泥阶梯浓度挂膜。如图示，从基数上来看，接种污泥浓 度越高，悬浮相生物量初始值越大，但3 个浓度段的悬浮初始生物量相差不会太 远。对于1 0 0 0 1 1 0 0 m g l 浓度段的接种污泥来说，前2 天，悬浮生物量下降较 快，原因是曝气盘片气量不完全均匀，m b b r 反应器为方形设计，四边死角容 易造成曝气气流强度不够，悬浮相微生物受重力作用容易沉积在反应器四边死 角，加之通入污水时，反应器左侧底部连通槽进水流速不均，容易产生水流吸力， 造成原本在死角的沉积淤泥淤积在反应器左边的进水槽底部。9 0 0 - 1 0 0 0 m g l 浓 度段在挂膜第四天出现填料附着生物量突变的情况，这是填料取样误差导致。 由于我们的迸水是低c o d e r 的模拟生活污水，接种污泥浓度过低，微生物 种子不够，微生物对填料附着几率大大降低，通入污水之后，m b b r 反应器会 由于缺少完整的接种污泥微生物群落，造成异氧菌大量繁殖，填料上难以生长出 厌氧好氧层的生物膜，势必会影响脱氮除磷效果。单一异养微生物种群也因难以 适应变化的环境，容易在天气变化剧烈的情况下大量死亡，m b b r 反应器也起 不到它所应起的去污净水作用。因此，接种污泥所起到的作用是提供完整的微生 物群落种子，促使填料上能更快的生长出新的微生物膜，完成对废水的处理过程。 接种污泥的增速作用主要是在挂膜的初期，接种污泥浓度越大，接种效果不一定 越好。判断填料上所挂微生物量多寡的是附着生物量，浓度为1 0 9 0 m g l 的接种 污泥挂膜7 天后，平均附着生物量为0 o l m g l ，远低于浓度为8 4 0 m g l 的接种 第四章移动床生物反应器的条件优化研究 污泥挂膜7 天后的平均附着生物量，后者约为前者的8 倍。原因是接种污泥浓度 越高，悬浮相的生物量越多，悬浮相营养物质多，微生物具有往丰富营养源迁移 的习性，故填料上附着生物量随着接种污泥浓度的增加，附着生物量不断减少。 试验上证明，当进水c o d e r 浓度为2 0 0 m g l 时，接种污泥与进水c o d e r 浓度相差2 5 倍时，接种污泥中微生物会寻找附着相，形成菌胶团，利用菌胶团 巨大的比表面积截取流动的营养物质，因此，低于1 0 0 0 m g l 的接种污泥浓度对 填料1 上附着生物量稳定上升是有促进作用的，但是高于1 0 0 0 m e d l 对填料l 上 的附着生物量影响不大。相对于填料1 ，较易挂膜的填料2 接种污泥浓度可以低 到4 0 0 5 0 0 m g l 浓度段，进水c o d e r 浓度依然是2 0 0 m g l ，但仍可以使填料2 挂上膜。经过一年多的摸索，得出一条所投加接种污泥浓度的经验性结论：投加 的活性污泥浓度需要比进水c o d e r 浓度要高，高多少根据填料与季节来定。经 实验得出：1 对于低浓度的进水c o d e r ( 2 0 0 r n g l ) ，接种污泥浓度是进水c o d e r 浓度的扣5 倍，但不要超过1 0 0 0 m g l ，能有效缩短前期挂膜启动时间。2 对于 难挂膜的填料，它的接种污泥浓度要比易挂膜填料浓度高。3 冬天接种污泥浓度 要比夏天的浓度高，因为冬天的天气变化大，接种污泥容易死，浓度太低接种污 泥中好氧菌容易受到环境温度的影响而活性受到抑制。 4 2 水力停留时间对模拟生活污水去除效率的影晌 4 2 1 水力停留时间对填料1 与填料2 的c o d e r 去除效率的影响 图4 - 4 当b l r t 为1 9 0 h 时对填料1 的c o d e r 去除效果的影响 ( f i g 4 _ 4w 1 1 h r ti s19 o hi n f l u e n c eo i lt h ec o d e rr e m o v a lo ft h ef i l l e r1 ) 3 1 广东工业大学硕士学位论文 图4 _ 5 当h r t 为1 9 o h 时对填料2 的c o d c r 去除效果的影响 ( f i g 4 - 5w h e nh r t i s19 o hi n f l u e n c eo nt h ec o d c rr e m o v a lo ft h ef i l l e r2 ) 如图4 4 所示，填充率为5 0 ，水量为0 0 1 m 3 l ，气水比为6 5 ，当h r t 为 1 9 o h 时，填料1 的c o d e r 平均去除率约7 5 ，其c o d e r 去除率呈下降趋势， 最低曾下降至5 0 ，之后去除率急剧上升，原因是曝气不均容易导致对底层填料 的水力剪切力变化比较大，填料在翻滚过程中，水流夹杂着空气等撞击着填料表 面，微生物附着力没有水流变化大，只有少部分粘着型的微生物可以粘附在填料 上，其余大部分由于水流冲击力大而附着不上填料层。填料层的中层和上层填料， 由于底层填料对水力剪切力的分散作用，使得中上层填料受到的冲刷力较少。挂 膜第3 天，触摸填料，感觉有些滑腻感，有部分微生物在填料上附着，挂膜前5 天，c o d e r 去除率缓慢下降，经过d o 测试挂膜第5 天填料分层溶解氧量，上层 微生物溶解氧量为2 0 m g l ，中层微生物溶解氧量为3 1 m g l ，下层微生物溶解 氧量为4 2 m g l ，说明填料层间溶解氧量不均匀，导致微生物降解c o d e r 的能力 逐渐下降，经过缓慢搅动填料层后，c d o 的去除率上升。 水量为0 0 1 m 3 l ，气水比为2 5 ，当h r t 为1 9 h 时，填料2 的c o d e r 去除率 如图4 - 5 所示，其去除率基本稳定在6 0 8 0 ，平均去除率约7 1 。由于填料2 球芯的吸附作用比球形骨架容易，因此填料2 在闷曝3 小时后球芯已经吸附一定 量的接种污泥，之后通入2 0 0 m g l 的模拟生活污水，2 天后触摸填料，感觉有滑 腻感，4 天后，部分球芯聚集了灰黑色带透明水膜的菌胶团，填充率为1 0 ，填 料层翻滚不明显，呈现上下浮动状态，填料层分层不明显，溶解氧量为3 2 m g l ， 能满足膜体需求，c o d e r 处理效率稳定，填料上层p h 稳定在6 8 - - 7 3 之间，反 第四章移动床生物反应器的条件优化研究 应器p h 值波动不大。出水水质清澈，有少许悬浮物质。 图4 - 6 当h r t 为1 2 6 h 时对填料1 的c o d c r 去除效果的影响 ( f i g 4 - 6 吼h r ti s12 6 hi n f l u e n c eo nt h ec o d e rr e m o v a lo ft h ef i l l e r1 ) 图4 - 7 当h r t 为1 2 6 h 时对填料2 的c o d e r 去除效果的影响 ( f i g 4 - 7 、t v h c l lh r ti s12 6 hi n f l u e n c eo i lt h ec o d e rr e m o v a lo ft h ef i l l e r2 ) 填料l 在水量为0 0 1 5 m 3 l ，气水比为4 3 ，h r t 为1 2 6 h 的条件下，c o d e r 出水浓度普遍偏高，水力停留时间缩短了，微生物膜尚未完全长成，平均悬浮生 物量为o 8 4 m g l ，为附着生物量的约2 8 倍，挂膜5 天后触摸填料，有少许滑腻 感，说明生物膜尚未完全长成，对有机物的去除作用不明显。 在水量为o 0 1 5 m 3 l ，气水比为1 6 6 ，h r t 为1 2 6 h 条件下，填料2 闷曝3 - - 4 h 就可以通水，在挂膜期间，填料2 对c o d e r 的去除率相对于填料1 要稳定，在 挂膜第3 天，触摸填料2 感觉有滑腻感，溶解氧量为3 5 m g l ，挂膜第5 天，填 料2 触摸有少许粘滑感，溶解氧量为5 0 r n g l ，说明曝气不均，水力冲刷大，导 广东工业大学硕士学位论文 致原本已挂上膜的填料由于水力剪切力大而脱落。造成c o d e r 去除率持续下降。 图4 8 当h r t 为9 5 h 时对填料1 的c o d e r 去除效果的影响 ( f i g 4 8w h e nh r t i s9 5 hi n f l u e n c eo nt h ec o d c rr e m o v a lo ft h ef i l l e r1 ) 图4 - 9 当h r t 为9 5 h 时对填料2 的c o d c r 去除效果的影响 ( f i g 4 - 9w h e nh r t i s9 5 hi n f l u e n c e0 1 1t h ec o d c rr e m o v a lo ft h ef i l l e r2 ) 填料1 在h r t 为9 5 h 的条件下，c o d e r 去除率很低，原因是水力停留时间 短，意味着反应器内水力流化作用强烈，在挂膜初期，大部分的微生物处在对数 生长期，细胞表面尚未形成荚膜和粘液层，此时微生物生长旺盛，布朗运动剧烈， 微生物不容易形成菌胶团，大多以悬浮物质存在，水力流化作用使得微生物过早 的流入二沉池，降低挂膜成功率，同时出水c o d e r 也不稳定。 填料2 在h r t 为9 5 h 条件下，c o d e r 去除率较之相同填料下h r t 为1 9 o h 条件下下降约5 3 。挂膜第2 天，略见填料球芯有黑色生物膜，挂膜第5 天，溶 第四章移动床生物反应器的条件优化研究 解氧量为4 4 m g l ，触摸球芯棉条有少许粘滑感，肉眼观察下球芯表面的生物膜 层为很薄的淡灰色，而聚丙烯骨架几乎难以见到生物膜，说明表面积大的亲水物 质在h r t 为