（环境工程专业论文）移动床生物膜反应器填料性能比较研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 废水生物处理具有反应条件温和，微生物来源广，对环境适应性强，可以避免造成 二次污染等优点，已经成为废水处理中重要的方法之一。其中，移动床生物膜反应器( 简 称m b b r ) 工艺已经越来越受到人们的重视，但在国内报道较少，还基本处于实验室小 试阶段，因此是一个非常有发展前景的科研领域。 本文介绍了废水生物处理技术的基本原理，并对生物膜反应器的发展、特点、类型 以及生物膜反应器填料的功能、特点和应具备的条件进行了概述。在此基础上，本文分 别选取了五种含活性炭比例不同的填料以及一种不含活性炭的参照填料，分别从亲水 性、c o d 与n i - h + - n 鞠去除、微生物量以及微生物种类方面对各填料在相同的运行条件 下进行了比较研究，并对优势填料的部分运行参数进行试验，为实际工程提供设计依据。 首先，研究了填料的亲水性和填料投加量对充氧性能的影响，实验结果表明：含活 性炭填料的亲水性要好于参照填料；填料填充率为4 0 时充氧能力达到最大值。 其次，比较了六种填料对有机物和氨氮的去除效果，得出活性炭填料在去除c o d 和n i - h + n 方面要好于参照填料，且填料生物量多，微生物相丰富；活性炭含量为2 5 与3 0 的填料流化状态较好，挂膜速度较快，但活性炭含量为3 0 的填料耐冲击负荷 能力较差，后期处理效果较活性炭含量为2 5 的填料差。 最后考察了优势填料去除氨氮的运行参数，得出p h 值对氨氮去除效率和硝化效率 影响很大，该填料最佳运行条件的p h 应在8 5 左右为宜；该处理系统对进水有机负荷 比较敏感，随负荷的增加，硝化效率迅速降低。本实验当进水c o d 由2 0 0 m g l 提高到 5 0 0 m g l 时，反应器硝化效率下降约5 0 ；通过进水氨氮浓度对氨氮去除效果影响的试 验中得出，随着进水氨氮浓度的提高，氨氮去除率和硝化率都呈下降趋势。 关键词：废水处理；移动床生物膜反应器；填料；活性炭 移动床生物膜反应器填料性能比较研究 c o m p a r a t i v e r e s e a r c ho nc a r r i e r so f m o v i n gb e d b i o f i l mr e a c t o r a b s t r a c t b i o l o g i c a lt r e a t m e n t , w h i c hh a st h ea d v a n t a g ef o rt h em i l dr e a c t i o nc o n d i t i o n , b r o a d m i c r o b i a ls o u r c e ，s t r o n ga d a p t a b i l i t yt ot h ee n v i r o n m e n ta n da v o i d i n gt h es e c o n d a r yp o l l u t i o n , e t c ，h a sb 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 so fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tn o w ，t h em o v i n g b e db i o f i l mr e a c t o r ( m b b r ) i sr e c e i v i n gi n c r e a s i n ga t t e n t i o n ，b u tl e s sb er e p o r t e di nt h e d o m e s t i c ，s oi ti sav e r yp r o m i s i n ga r e ao fr e s e a r c h t h eb a s i cp r i n c i p l eo fw 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 ti si n t r o d u c e d t h ed e v e l o p m e n t , c h a r a c t e r i s t i ca n dt y p eo fb i o f i l mr e a c t o ra r es u m m a r i z e d ，a sw e l la st h ef u n c t i o na n d c h a r a c t e r i s t i co ft h eb i o f i l mr e a c t o rc a r r i e r o nt h i sb a s i s ，f i v ek i n d so fc a r r i e r sw i t hd i f f e r e n t r a t i o so fa c t i v a t e dc a r b o na n do n ew i t h o u ta c t i v a t e dc a r b o nw e r es e l e c t e dt oc o m p a r et h e a s p e c t so fh y d r o p h i l i c i t y ，c o dr e m o v a l ，n i t r i f i c a t i o n , m i c r o b i a lb i o m a s sa n dm i c r o b i a lb r e e d i nt h es a m eo p e r a t i o nc o n d i t i o n f i n a l l y ，s o m eo p e r a t i o np a r a m e t e r so ft h ea d v a n t a g e dc a r r i e r s a r et e s t e d ，a r i dw i l lb eb e n e f i tt ot h ea c t u a lp r o j e c td e s i g n f i r s to fa l l ，c a r r i e rh y d r o p h i l i c i t ya n dt h ee f f e c to ft h ec a r r i e rd o s a g et ot h eo x y g e n a t i o n c a p a c i t ya r es t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ：t h eh y d r o p h i l i c i t yo fc a r r i e rw i t h c a r b o ni sb e t t e rt h a nt h ec o m p a r i s o nc a r r i e r ；t h eo x y g e n a t i o nc a p a c i t yo fr e a c t o ri sm a x i m u m i nw h i c hc a r r i e r sa r ef i l l e di n4 0p e r c e n t s e c o n d ，b yc o m p a r i n gt h er e m o v a le f f i c i e n c yo f t h es i xc a r r i e r st ot h ec o da n dn h 4 + - n ， t h i sp a p e rg e tt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ：t h ec a r r i e r s 、析mc a r b o ni sb e t t e rt h a nt h ec o m p a r i s o n c a r r i e ri nt h er e m o v a le f ! f i c i e n e yo fc o da n dn h 4 + - n ，b i o m a s sa n dm i c r o b i a lm o r p h o l o g y ； t h ef l u i ds t a t u sa n dt h eg r o w i n gs p e e do ft h eb i o f i l mo fc a r r i e r sw i t h2 5 a n d3 0 a c t i v a t e d c a r b o ni sb e t t e rt h a no t h e r s ；砀er e m o v a le f f e c to ft h ec a r r i e rw i t h2 5 a c t i v a t e dc a r b o ni s b e t t e rt h a nt h eo n ew i t h2 5 a c t i v a t e dc a r b o nl a t e rf o rt h eh i 曲c a p a c i t yo fr e s i s t i n gi m p a c t 1 0 a d f i n a l l y ，t h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r sf o rr e m o v i n ga m m o n i ao ft h ea d v a n t a g ec a r r i e ra r e s t u d i e d 强ea m m o n i ar e m o v a la n dn i t r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yi si n f l u e n c e dg r e a t l yb yt h ep h , a n dt h ea p p r o p r i a t ep hs h o u l db ea r o u n d8 5i nt h eb e s to p e r a t i n gc o n d i t i o n s t l l i ss y s t e mi s s e n s i t i v et o t h eo r g a n i cl o a do fi n l e tw a t e r ，s ot h eg r e a t e ro ft h el o a d ，t h el o w e ro ft h e n i t r i f i c a t i o ne 舔c i e n c y i nt h i se x p e r i m e n t 也en i t r i f i c a t i o ne f j c i c i e n c yi sr e d u c e dt o5 0p e r c e n t w h e nt h ei n f i u e n tc o di si n c r e a s e df r o m2 0 0 m g f lt o5 0 0 m g l t h et r e n do fa m m o n i ar e m o v a l i i 大连理工大学硕士学位论文 r a t e sa n dn i t r i f i c a t i o nr a t e sa l ed e c l i n ew i t ht h e i n h e r eo f i n f l u e n ta m m o n i ac o n c e n t r a t i o n b u t t h i sc a r r i e rc a l lg e th i g h e rr e m o v a le f f i c i e n c yf o rt h en o r m a ld o m e s t i cs e w a g e k e yw o r d s ：w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ；m o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r ；c a r r i e r s ；a c t i v a t e d c a r b o n i h 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。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。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：么垒盔壶鲤壁生纽咝歪盏豢缮斟j 芝丝改。旌鸳耋。 作者签名：丝益建笠 日期i ：鲨2 年! 月立l 日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 边杰五拯生蚴醴厘整盟磋墼! 丝碰2 出。盘叁缉缸 作者签名：旌也垂日期：塑2 年- l 月五日 导师签名：翅缮童妊 日期：翌2 年鱼月坦日 大连理工大学硕士学位论文 引言 随着世界人口的膨胀和工业的高速发展，水环境污染问题越来越严重的威胁着人类 的生存环境，制约着社会和经济的进一步发展。因此，治理废水，保护世界水资源免受 污染已成为全球瞩目的问题。发达国家水污染防治从6 0 年代的末端治理到、7 0 年代的防 治结合、从8 0 年代的集中治理到9 0 年代的清洁生产，不断更新处理工艺技术、设施及 设备。目前【l 】，美国有城市污水处理厂约2 万座，其中8 4 为二级生物处理工艺；日本 有6 0 0 多座，绝大多数是采用生物法。对于工业废水处理，特别是重点污染行业如石油、 造纸、纺织印染、化工、制药、农药等废水的治理目前大多数采用生物处理工艺。因此， 在目前发展的废水处理技术中，废水生物处理法已成为世界各国处理控制水污染的主要 手段。 废水生物处理法是利用微生物的生命过程对废水中的污染物进行转移和转化作用， 从而使废水得到净化的处理方法，其主要特征是应用微生物特别是细菌，并在为充分发 挥微生物的作用而专门设计的生化反应器中，将废水中的污染物转化为微生物细胞以及 简单形式的无机物。在废水处理中常采用的生物技术主要有：活性污泥法、生物膜法、 厌氧处理法等。 生物膜法实质上是微生物固定化技术，它是微生物细胞固定在载体上，并在其上生 长繁殖，最后形成膜状生物体。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 2m m ) 。在 其内部和介质接触的部分，由于养料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。这种微生物结构对废水处理是十分 重要的。 在废水的生物膜法处理工艺中，填料是整个工艺的核心。作为微生物的载体，它影 响着生物膜的生长、繁殖、脱落，对水处理构筑物的运行效果都有十分重要的影响。微 生物在填料上附着生长形成生物膜，生物膜在新陈代谢过程中吸收废水中的物质，从而 达到降解废水的目的。因此本文选取了五种含活性炭比例不同的填料以及一种不含活性 炭的参照填料，分别从亲水性、c o d 与n h 4 + - n 的去除等对各填料在相同的运行条件下 进行了比较研究，并对优势填料的部分运行参数进行试验，为实际工程提供设计依据。 移动床生物膜反应器生物填料性能比较 1绪论 1 1 废水生物处理技术 1 1 1 废水生物处理的特点 废水生物处理是除物理化学法以外的另一大类水处理方法【2 】，它是利用微生物生命 活动新陈代谢过程中对废水中的污染物进行的转移和转化作用，其处理过程的主要特征 是应用微生物，并在为充分发挥其生命活动中的作用而专门设计的生化反应器中，将废 水中的污染物转化为微生物细胞以及简单形式的无机物。 同物理化学法相比，生物处理法具有以下特点。由于污染物被生化转化的过程不需 要高温高压，在温和的条件下经酶催化即可高效并相对彻底地完成，因此，处理费用低 廉，微生物具有易培养、来源广、繁殖快，对环境适应性强和易实现变异等特性，适当 地对其加以培养繁殖，特别是在特定条件下进行驯化，能使之很好地适应各种有毒的工 业废水环境；通过对菌种进行有针对性地筛选、培养和驯化，可以使大多数的有机物质 实现生物降解处理，因此对废水水质的适用面越来越宽；废水生物处理法由于不投加药 剂，因此可以避免对水质造成二次污染。另外，生物处理效果较好，不仅能去除有机物、 病原体、有毒物质，还能去除臭味、提高透明度、降低色度等。所有这些优点都使得生 物法处理废水成为废水处理方法的首要选择。同时，它也是一项保障可持续发展的有力 技术措施。废水处理过程中常采用的生物技术方法主要有：生物膜法、活性污泥法等。 1 1 2 活性污泥法 活性污泥法处理废水的试验开始于1 9 世纪末【3 ，4 】，1 9 1 4 年活性污泥法首先在美国得 到应用。本世纪初，活性污泥法己成为世界各国应用最广泛的一种二级生物处理工艺。 污泥成分主要是由球菌、杆菌和丝状菌等组成的颗粒状结构，废水中主要污染物质的生 物降解，也是在污泥颗粒中进行的。在活性污泥颗粒中，有多种微生物共同存在，它们 之间通过相互协同作用，可以加快污染物的降解，尤其是对于污染物成分比较复杂的废 水。采用活性污泥法处理废水的方法很多，而常用的主要是：序批式活性污泥法 ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) ，简称s b r 法、吸附生物降解( a d s o r p t i o nb i o d e g r a d a t i o n ) ， 简称a b 法等。 随着现代工业的迅速发展，城市和工业废水排放量逐渐增大，使水质和水量的不稳 定性日益加剧，废水中难降解有机物的种类和数量不断增加，传统活性污泥法的不足更 2 大连理工大学硕士学位论文 加暴露出来【5 】，如：( 1 ) 耐水质、水量冲击负荷能力差，运行不够稳定；( 2 ) 曝气池中生 物浓度低；( 3 ) 污泥产量大；( 4 ) 易产生污泥膨胀；( 5 ) 对n ，p 处理能力低等。为了适应 废水处理发展的要求，人们不断改进传统的活性污泥法，开发了许多新工艺流程，如生 物膜法、氧化沟法、生物接触氧化法、i c e a s 、c a s s 、d a t - i a t 、b a f 生物处理系统、 生物滤池、生物流化床、土地处理系统( 慢速渗滤处理系统s r 、地表稳流处理系统o f 、 快速渗滤处理系统砒、污水湿地处理系统w l 和地下渗滤土地处理系统u g ) 等【l j 。 1 1 3 生物膜法在废水处理中的应用 生物膜法属于好氧生物处理方法，其实质是微生物固定化技术，主要是将微生物细 胞固定在载体( 即填料) 上，细胞与载体间不发生任何化学反应，并在其上生长繁殖，最 后形成膜状生物污泥。它是利用固着在固体介质表面的微生物摄取污水中的有机污染物 作为营养物质来净化废水【6 】。生物膜具有较大的表面积，因此能够大量吸附废水中的胶 体和溶解性物质并将有机物分解，从而使废水得以净化f 7 1 。 ( 1 ) 生物膜净化废水的原理 在净化构筑物中，填充着很大数量可以的挂膜介质，当有机废水均地淋洒在介质表 层上时，便沿着介质表面向下渗流，在充分供氧的条件下，接种的或原存在于废水中的 微生物，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，其结果是生物膜的结构发生了变化。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 - 2m m ) 。在其内部和介质接触的部分，由于养料和 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一定厚度时才出现的，随着生物膜的增厚和外伸， 厌氧层也随着变厚【8 】。 在低负荷净化构筑物内，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 和厌氧层的分界就比较明显。 在处理过程中，生物膜总是在不断地增长、更新、脱落。造成这种脱落的原因有： 水力冲刷、原生物动物的松动、膜增厚造成质量的增大、厌氧层和介质的黏结力较弱等。 其中以水力冲刷最为重要。生物膜是生物处理的基础，必须保持足够多的数量。一般认 3 移动床生物膜反应器生物填料性能比较 为，生物膜厚度在2 3m l n 时比较理想。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生。 生物膜是高度亲水性物质，在污水不断在其表面更新的条件下，其外侧总是存在一 层附着水层。生物膜又是微生物高度密集的物质，在膜表面和一定深度的内部生长繁殖 着大量的各类微生物和微型动物，并形成有机污染物一细菌一原生动物( 后生动物) 的食 物链。 生物膜在形成与成熟后，由于微生物不断生长，其厚度不断增加，在增厚达到一定 程度后，氧不能透入的里侧深部即转变为厌氧区域，形成厌氧挂膜，生物膜便由好氧和 厌氧两层组成。好氧层的厚度一般为2n l l t l 左右，有机物的降解主要在好氧层内进行。 生物膜结构及其工作原理见图1 1 【9 】，由图可知，由于生物作用，在填料表面有一层很薄 的水层，称之为附着水层，附着水层内的有机物大多己被氧化，其浓度比进水的有机物 浓度低的多。因此，进入池内的废水尚在膜表面流动时，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，一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。 料 废氧屡| 蟹氟蔗( 一 陬l d _ _ 一o ， 嚣露辞l l 、 l l 熬o d i & l l l l 、一一 农j 荟嫩屡 图1 1生物膜结构及其工作示意图 f i g 1 1 t h es t r u c t u r eo fb i o f i l ma n ds c h e m a t i cd i a g r a m 4 大连理工大学硕士学位论文 在向生物膜细菌供氧的过程中，由于存在着气液膜阻抗，因而速度较慢。因此随着 生物膜厚度的增加，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 0 4 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，而且将使生物膜在下述作用 中脱落： 微生物本身的衰老、死亡、微生物的内源呼吸代谢活动； 内层微生物的厌氧代谢，产生c 0 2 、n h 3 、h 2 s 、c i - h 等气体，使生物膜的粘附 力减少； 不断增厚的生物膜本身的重量； 曝气或水力冲刷剪切作用下，使生物膜的剥落力大于附着力，最终膜成片脱落。 由于在整个处理系统中，膜脱落仅在局部填料区域发生，并且裸露的填料上会出现生物 膜新一轮生长，因此这类局部的脱落更新是正常的现象。 ( 2 ) 生物膜的生物相 研究发现，构成生物膜的微生物主要有【l o 】：细菌、真菌、藻类( 在有光条件下) 、 原生动物、后生动物，此外还有病毒。 细菌 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。 生物膜上细菌的种类取决于其生长速率和微生物膜所处的环境，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。根据所需营养物的不同， 细菌可分为有机营养型的异养菌和无机营养型的自养菌，其中异养菌是生物膜的主要细 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【l i j ：球衣菌、硫杆菌属、动胶菌、无色杆菌属、产碱菌属、甲单胞菌属、诺卡式菌 属、八叠球菌属、色杆菌属、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。 真菌 真菌是具有明显细胞核而没有叶绿素的真核生物，并且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，多碳类有机物最为普 遍。当污水中有机物的成分变化、温度降低、负荷增加、p h 降低和溶解氧水平下降时， 就容易滋生丝状菌。生物膜中常出现丝状菌【l l 】：灿烂微重真菌、瘤胞属、红色桨酶、水 镰刀酶等。 5 移动床生物膜反应器生物填料性能比较 藻类 藻类是受阳光照射下的生物膜中的主要组成成分，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以及附着生长污水稳定塘的填料上【1 2 】 也有大量的藻类。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的部分，因此对污水净化作用不大。生物膜中常出现的藻类 有【1 2 1 ：小球藻属、席藻属、绿球藻属、颤藻属、毛枝藻属等。 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，因此在保持生物膜细菌处于活性细菌状态方面起到了积极的作用。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 捕食并因此而影响生物膜累积和性能情况。从微观角度讲，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深处的传质情况。生物膜经常出现的原生动物有 1 1 2 】：鞭毛类，肉足类，纤毛类等。 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线 虫类、轮虫类、寡毛类、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、原生 动物和后生动物等组成的复杂的生态体系，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有关。微生物膜上的生物相还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。 ( 3 ) 生物膜法在废水处理中的应用 生物膜法是土壤自然过程中的人工强化，主要用于去除废水中呈溶解的和胶体状的 有机污染物。它具有以下几点优越性：不存在污泥膨胀问题；对废水水质、水量的变化 有较好的适应性；剩余污泥量少等。传统上采用生物膜法处理工业废水的设备主要有： 生物转盘、生物滤池、生物接触氧化池和生物流化床等。生物膜载体也从卵石、焦炭等 天然材料，逐步向以合成树脂为主、形状各异的膜载体发展，同时也出现了固定床和流 化床等多种形式。1 9 8 9 年y 锄锄o t o 【1 3 】将中空纤维膜丝直接置于曝气池中，对构建的一 体式膜生物反应器进行了研究。 汤纯鹏等【1 4 】采用中空柱状膜载体对工业废水处理进行了研究，取得了良好的效果。 李红兵等l l5 】以渗气性膜作为载体填料设计出一种与生物膜法相结合的反应器，称为膜生 6 大连理工大学硕士学位论文 物反应器( m b r ) 。在m b r 中，氧气通过膜的细孔直接扩散到生物膜上，由于膜的孔径 在i t m 范围，由气相扩散到液相的气体不会产生气泡，使氧气传递速率和气液有效接触 面积有了极大的改进，国外的一些研究结论也于此相似。 生物膜法采用流化床工艺开始于2 0 世纪7 0 年代，由于该法具有生物累积浓度高， 水力停留时间短，不存在活性污泥中常出现的污泥膨胀和堵塞问题，能适应不同浓度范 围的废水，能适应较大的冲击负荷，占地面积小等优点，近年来备受人们关注。生物流 化床自问世以来，世界各国都投入了大批人力物力进行研究，有的己用于生产实践。荷 兰h e i j n e n 等人【1 6 j 利用厌氧生物流化床和好氧生物流化床相串联的流程，处理酵母生产 过程中排放的高浓度有机废水，c o d 去除率为3 5 ，c o d 负荷可达8 2 k g ( m 3 。目 前，对于生物流化床，特别是三相生物流化床的流动特征尚无合适的模型来模拟，好氧 生物流化床也缺乏生产实践经验，因此应对这两方面的内容进行更多的研究。 1 2 废水处理生物膜反应器 1 2 1 生物膜反应器的发展沿革 生物膜法是污水生物处理的主要技术之一，它与活性污泥法并列，既是古老的、又 是发展中的污水处理技术。 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试验取得了良 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去 除效果好等优点，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卵石、碎石、炉渣和焦炭等 实心拳状的无机性天然滤料，一般具有空隙率低和比表面积小等缺点。到了6 0 年代， 新型的有机合成材料开始大量生产，广泛使用的是由聚乙烯、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， 除了普通生物滤池外，浸没式生物滤池，生物转盘和生物流化床技术都得到了较多的研 究与应用。 7 移动床生物膜反应器生物填料性能比较 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，因此涌 现出大量新型的单一或复合式生物膜反应器，如移动床生物膜反应器、微孑l 膜生物反应 器、气提式生物膜反应器、复合式活性污泥一生物膜反应器、序批式生物膜反应器等。 由于生物膜反应器本身存在的优点，近年来国内外一些专家学者都对此进行了深入 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有了更进一步的纵向 发展。 因此，从生物膜反应器的发展历程可知，生物膜反应器发展迅速，由单一到复合， 有好氧亦有厌氧，逐渐形成了一套完整的污水生物处理工艺系列。 1 2 2 生物膜反应器的特征 生物膜反应器用于处理污水具有很长的历史，近年来，该反应器又得到了较多的研 究与应用，这主要是因为它与传统的活性污泥法相比具有剩余污泥少、操作方便、抗冲 击负荷和适用于小型污水处理厂等优点【1 7 1 。具体来说，该工艺具有一下特点。 ( 1 ) 微生物相多样化，生物的食物链长，微生物存活时间长 由于生物膜上的微生物没有像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( 丝状菌) ，并且轮虫类、线虫类及寡毛虫类出 现的频率也较高。因此，生物膜上能够栖息高等生物，在捕食性纤毛虫、轮虫类、线虫 类之外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、增殖速度慢的微生物，如硝化菌等。 ( 2 ) 微生物量多，处理能力大，净化效果好 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，因此生物膜反应器具有较大的处理能力。并且由于有世代 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。 ( 3 ) 污泥沉降性能好，易于固液分离；剩余污泥产量低，降低了污泥除力与处置费 用 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， 因而具有较好的污泥沉降性能，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 8 大连理工大学硕士学位论文 层的厌氧菌能够降解好氧过程中合成的剩余污泥，使总的剩余污泥量大大减少，因此可 减少污泥处理的费用。 ( 4 ) 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不大，即 或有一段时间中断进水或工艺遭到破环，反应器的性能也不会受到很大的影响，恢复移 动床生物膜反应器处理废水的实验也较快。而且生物膜反应器系统可处理进水b o d 低 于5 0 6 0m g l 的污水，使其出水b o d 低至5 1 0m g l ，这点是活性污泥法无可比拟的。 ( 5 ) 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直困扰着操作管理者，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好的特征外，当然它有很多不足，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，大量细小的悬浮物分散水中使出水的澄清度降低；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，生物膜反应器还是有着活性污泥法等其 他工艺不可替代的优势。 1 2 3 生物膜反应器类型及研究应用 根据生物膜反应器内微生物附着生长载体的状态，生物膜反应器可分为固定床和流 动床两大类。具体生物膜反应器类型如图1 2 的划分。 9 移动床生物膜反应器生物填料性能比较 圈 好氧生物转盘 厌氧生物转 图1 2 生物膜反应器类型 f i g 1 2 t h eb i o f i l mr e a c t o rt y p e 在固定床中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。基于操作时是否有氧的参与， 各生物膜反应器处于好氧状态，或者处于缺氧和厌氧状态。 另外，近年来生物膜反应器已经渗透和复合到污水生物处理的其他工艺中，形成的 各式各样的复合式生物膜反应器，其主要类型有： 1 0 大连理工大学硕士学位论文 ，活性污泥一生物膜反应器 i 序批式生物膜反应器 复合式生物膜反应器 升流式厌氧污泥床一厌氧生物滤池 i 附着生长污水稳定塘 下面从传统生物膜反应器和新型生物膜反应器两方面做介绍。 ( 1 ) 传统生物膜反应器 生物滤池 生物滤池【18 】是以土壤自净原理为依据，在污水灌溉的实践基础上，经较原始的间歇 砂滤池和接触滤池而发展起来的人工生物处理技术。它是当代污水生物处理系统中认识 最早的处理工艺。 生物滤池的发展经历了普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池三个阶段。 生物滤池是生物膜反应器最早的形式，随着对其研究的不断深入和式及运行经验的不断 积累，生物滤池己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。 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，p a r k e r 等人【1 9 】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 2 0 l ：乖j 实际生产规模的塔式生物滤池的实验数据进行了验证， 来预测氨氮、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【2 1 】经研究发现硝化菌在生物表层形成的细胞膜较厚，等等。生物滤池具有 负荷率高、占地面积大缩小、对水质水量突变的适应性强等优点。近年来，将生物滤池 应用于微污染水源水的预处理工艺是一个新的发展方向。 生物转盘 生物转盘是2 0 世纪6 0 年代在联邦德国开创的一种污水生物处理技术。我国从7 0 年代初开始引进生物转盘技术，对其开展了广泛的科学研究，不仅在生活污水和城市废 水方面得到了应用，而且在化纤、石化、印染、制革、煤气发生站等行业的工业废水处 理领域也得到了应用，并取得了良好的效果。 移动床生物膜反应器生物填料性能比较 生物转盘亦称旋转生物接触器( m 3 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。按照有无氧气的参与，生物转盘可分为好氧生物转 盘和厌氧生物转盘。好氧生物转盘的接触反应槽敞开，盘片有4 5 5 0 浸没在污水中； 厌氧生物转盘的接触反应槽密封，以利于厌氧反应的进行和收集沼气，在国内外尚处于 小试及中试阶段，主要用于处理高浓度含碳有机废水、反硝化脱氮与除磷和进行硫酸盐 还原脱硫等。 与生物滤池的发展状况相似，近年来人们多开展r b c 用于硝化与反硝化的研究并 取得积极成果。m a r t i n 2 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 5 和s s 的去除率分别提高约5 0 和 4 0 。李海芳等【2 3 】针对生物转盘污水处理工艺，研究设计出能提高生物转盘处理效率的 循环水轮的结构及一体化的安装工艺形式，以非能源的方式提高了系统耐冲击负荷能力 和去除效率，并通过示范工程进行了验证，充分肯定了该技术的高效性和实用性。 生物接触氧化 生物接触氧化法就是淹没式生物滤池，于1 9 7 1 年在日本首创。此法是在池内设有 人工曝气装置，提供微生物所需要的氧，起到搅拌与混合作用，污水流经池内填料与生 物膜接触，在微生物新陈代谢作用下使污染物去除。它是一种介于活性污泥法与生物滤 池两者之间的生物处理技术，兼具两者优点。生物接触氧化法广泛应用于城市污水处理， 还用于印染废水、石油化工废水、啤酒厂废水、粘胶纤维废水以及晴纶废水等工业废水。 淹没式生物滤池是在池内填充一定密度的填料，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，便可采用类似于淹没式生物滤池的附着生长工艺，使得所设计 的处理厂变得紧凑。有关的实际运行结果表吲2 4 1 ，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n i - 1 4 + - n 浓度低于5m 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【2 5 】。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 6 】认为不合适 的p h 值会造成微生物失活、底物受限制和游离氨受到抑制等方面的影响。 ( 2 ) 新型生物膜反应器 生物流化床 1 2 大连理工大学硕士学位论文 生物流化床于2 0 世纪7 0 年代初期应用于污水生物处理领域，美国和日本首先进行 了多方面的研究工作并取得了大量较好的成果。生物流化床是以砂、活性炭、焦炭一类 的较小的颗粒为载体充填在床内，载体表面被覆着生物膜，其质变轻，污水以一定流速 从下向上流动，使载体处于流动状态，是提高微生物降解有机物能力的一种高效的工艺。 它分为两相流化床( 污水和生物膜载体为两相，预先充氧曝气) 、三相流化床( 污 水、生物膜载体和空气或纯氧为三相) 和厌氧一好氧流化床等。该工艺多用于处理c o d 浓度较高的工业生产有机废水，如酵母发酵废水、豆制品废水、啤酒糖化废水、化粪池 污水和屠宰废水等。此法具有b o d 容积负荷率高、处理效果好、占地少和投资省等优 点，而且还可取得脱氮的效果。 最近几年，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、不堵塞且保持较高的固液接触面 积等。 移动床生物膜反应器( m b b r ) m b b r 是1 9 8 8 年挪威k a l d n e sm i j e c p t e k n o g i 公司与s i n ，距f 研究机构联合开发， 是为解决固定床反应器定期反冲洗、流化床需使载体流化、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展起来的。它处理污水的主要原理是模仿了大自然生态 系统中水体的自净功能，具有耐冲击负荷、泥龄长、剩余污泥少、高效性等优点【2 7 1 。 移动床生物膜反应器是在反应器中投加密度略小于1 、比表面积大的悬浮填料，微 生物附着生长在