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硕士论文移动床生物膜反应器填料的选择及其处理低浓度废水特性的研究 摘要 太湖是重要的饮用水水源地，太湖的水污染严重影响人们的生活质量和地区经济的 可持续发展。有效控制太湖水环境中的污染物总量，是改善太湖水质的必要前提之一。 针对太湖附近部分乡镇污水处理厂常规工艺脱氮水平较低，出水总氮难以达标的问题， 开展以生物浮动床为核心的常规工艺改造技术研究，实现废水的强化脱氮。本文采用移 动床生物膜反应器( m o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r , m b b r ) 与a o 的联合工艺进行废水处 理，强化脱氮技术。经研究得出以下结论： 1 ) 本实验采用聚乙烯和海绵填料作为m b b r 的悬浮填料，通过两种填料对c o d 、 t n 、氨氮的去除效果，得出海绵填料对污染物的去除效果总体要优于聚乙烯填料。原 因是方体海绵填料更有利于微生物的附着，微生物能够渗入海绵填料的内部，形成的生 物膜不易被冲刷掉，有利于微生物的生长繁殖。 2 ) 为了控制好反应器内填料的流态同时节约投资费用，将曝气池分为三格，通过 对比实验选出填料放置的最佳位置。在相同的水质、系统操作条件下，综合考虑填料放 置不同位置对c o d 、t n 、n h 4 + n 的去除效果，得出填料放置在进水段对污染物处理效 果较好。 3 ) 本实验主要研究了m b b r 的影响因素：水力停留时间( h r t ) 、温度、回流比、进 水浓度、溶解氧( d o ) 。得出最佳的运行条件为：h r t 为6 h ，回流比为3 ：1 ，d o 在2 3 5 m g l ， 温度在2 5 以上。 4 ) m b b r 反应器抗冲击负荷能力强。主要有以下两方面的原因：一是m b b r 内悬浮 填料附着的生物量高；其次附着生长的生物膜较厚，遭受冲击负荷时填料内层的生物膜 因有外层膜的缓冲，受到的冲击作用较小恢复快，且生物膜上生物相的多样性也使其抗 冲击能力提高。 5 ) 在低温条件下，移动床生物膜反应器对污染物的处理效果明显降低。但是延长 水力停留时间，增加微生物与有机污染物的接触时间，处理效果能够提高。 关键词：移动床生物膜反应器m b b r 、填料、脱氮、影响因素 硕士论文 a b s t r a c t t a i h ul a k ei sa l li m p o r t a n td r i n k i n gw a t e rr e s o u r c e ，t h ep o l l u t i o ni nt a i h uh a ss e r i o u s l y a f f e c t e dp e o p l e sl i f ea n dd e v e l o p m e n to fr e g i o n a le c o n o m i c ，s oe o n t r o l lo fp o l l u t a n t si nt o t a l e f f e c t i v e l yi san e c e s s a r yp r e r e q u i s i t ef o ri m p r o v i n gt h ew a t e rq u a l i t yo ft a i h u d u et ot h e l e v e lo fg e n e r a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s si ns e w a g et r e a t m e n tp l a n t si sn o th i g h ，d e v e l o p i n ga f l o a t i n gb e db i o l o g i c a lp r o c e s sb a s e do nt h ec o n v e n t i o n a lt r e a t m e n tt o a c h i e v ee n h a n c e d w a s t e w a t e rd e n i t r i f l c a t i o ni sn e c e s s a r y i nt h i sp a p e r , w ea p p l i e dt h ej o i n tp r o c e s so fm o v i n g b e db i o f i l mr e a c t o r ( m b b r ) a n dm of o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n t , e n h a n c i n gt h en i t r o g e n r e m o v a lt e c h n o l o g y t h em a j o rc o n c l u s i o n sw e r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 ) i nt h i sp a p e r , t h ep o l y e t h y l e n ea n ds p o n g ef i l l e r sw e r eu s e da st h em b b r sm e d i u m ， t h e nc o n s i d e r i n gt h et w of i l l e r s e f f e c t so nt h er e m o v a lo fc o d ，t na n dn h 4 + n a c c o r d i n g t ot h eo v e r a l lt r e a t m e n tr e s u l t s ，i t so b t a i n e dt h a tt h es p o n g ef i l l e rw a sb e t t e rt h a nt h e p o l y e t h y e n ef i l l e r a st h eb i o f i l mc o u l dp e n e t r a t ei n t ot h ei n s i d eo fs p o n g ef i l l e r , i tw a sm o r e c o n d u c t i v et oa t t a c h m e n tf o rm i c r o b e s 2 ) i no r d e rt oc o n t r o lt h ef l o wp a t t e r no ff i l l i n gi nt h er e a c t o rw h i l es a v i n gc o s t s ，t h e a e r a t i o nt a n kw a sd i v i d e di n t ot h r e ec e l l s ，t h e ns e l e c t e i n gt h eb e t t e rf i l l i n gp o s i t i o nb y e x p e r i m e n t s i nt h es a m ew a t e rq u a l i t ya n ds y s t e mo p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，c o n s i d e r i n gt h e r e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d ，t na n dn h 4 十- n ，i t so b t a i n e dt h a tt h ef i l l e r si nt h ei n l e ts e g m e n t h a db e t t e rt r e a t m e n te f f e c t 3 ) n ee x p e r i m e n ts t u d i e dt h em a j o rf a c t o r sa f f e c t i n gt h em b b r ：h y a r a u l i cr e t e n t i o n t i m e ( h r t ) ，t e m p e r a t u r e ，r e f l u xr a t i o ，i n f l u e n tc o n c e n t r a t i o na n d d i s s o l v e do x y g e n ( d o ) a s t h ec o n c l u s i o n , t h eo p t i m u mo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ：h r tw a s6 h ，t h er e f l u xr a t i ow a s3 ：1 ，d o w a sf r o m2t o3 5 m g 化t e m p e r a t u r ew a sa b o v e2 5 4 ) m b b rr e a c t o rh a dag r e a tr e s i s t a n c et ot h ec h a n g i n go fi n f l u e n tc o n c e n t r a t i o n 1 1 1 e r e a s o n sw e r ea sf o l l o w e d ：b e s i d e st h eb i o m a s sw a sh i g h ，t h em i c r o b ew a sg r o w i n gi nt h ef o r m o ff i x a t i o n w h e ns u b j e c t e dt os h o c kl o a d i n gc h a n g e ，d u et ot h eo u t e rm e m b r a n e sb u f f e r , t h e i n n e rm e m b r a n es u f f e r i n gt h et o x i ce f f e c t ss h o u l db es m a l la n dt h er e c o v e r yw a sq u i c k 5 ) w h e nt h et e m p e r a t u r ew a sl o w , p o l l u t a n t s ( c o d ，n i - l , + - n ，t n ) t r e a t m e n te f f e c tw a s s i g n i f i c a n t l yr e d u c e d e x t e n d i n gt h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，i n c r e a s i n gt h er e s p o n s et i m e b e t w e e nm i c r o b e sa n d o r g a n i cp o l l u t a n t s ，t h e nt h e r e m o v a lo f p o l l u t i o nc o u l db ei m p r o v e d k e yw o r d s ：m o v i n g b e db i o f i l mr e a c t o r ( m b b r ) ，s u s p e n d e df i l l e r , d e n i t r o g e n ，f a c t o r s 硕士论文 移动床生物膜反应器填料的选择及其处理低浓度废水特性的研究 1 绪论 1 1 研究背景 众所周知，由于人类社会生活的不断提高以及工业的不断发展，当今世界很多地区 都面临着缺水的危机【1 1 。为了人类社会的持续发展，尽快化解水资源危机是全世界人们 共同努力的方向。在世界缺水的国家中，中国是不容忽视的。最近几年自然灾害不断降 临到我国，使水资源问题进一步加剧。在全国有一半以上的城市缺水，部分城市严重缺 水【z 】。在水资源问题凸显的同时，随着我国人口的不断上升，2 0 年后我国人均水资源占 有量将会下降4 0 0 5 0 0 立方米，那时人类的需水量将与水资源的开发量相当【3 l 。目前我 国在面临缺水问题的同时，还面临着水污染加剧的情况，这使得解决水资源问题的难度 增大。现今社会，水污染问题日益严重的主要原因是城市污水处理率低、达标率不高、 污染物排放总量超标【4 】。这些未达标的水直接排入水体对水资源造成污染，有的甚至对 饮用水源造成一定的损害，这就促使自来水厂需增加前处理来达到饮用水标准，进而增 加成本。为了防止这样的情况不断恶化，国家现有文件规定城镇的污水处理率需超过 7 0 ，对于缺水的城市再生水利用率也需达到3 0 以上，其他的城市根据需要确定再生 水利用率p 】。可见，再生水回用是保证我国水资源可持续发展的必要条件。 在水资源中，太湖是重要的饮用水水源地，它关系到很多城市居民饮用水的安全【6 l 。 太湖水污染和富营养化不仅使自然环境遭到破坏，也给当地的经济造成一定的损失。对 于太湖水污染的治理，控制水环境中的污染物总量不超标，是改善太湖水质、控制藻华 爆发的必要前提之一【7 1 。氮磷等营养物质是造成水华最主要的因素，如果情况得不到有 效地控制，这将对人类社会的可持续发展产生危害【8 】。在太湖附近的城镇当中，他们的 生活污水和工业废水都是通过管道排放n - 级污水处理厂进行处理的，这些污水处理厂 对氨氮的去除率不高，使得处理后污水氮的含量没有明显降低【9 】。随着国家排放标准的 提高，城镇污水出水总氮难以达标，难以适应社会发展的需要。综上所述，为了保护太 湖水环境，促进社会发展，开展研究一种高效的脱氮工艺已成为水污染控制领域中的一 项重要课题【1 0 j 。 1 2 常规的城镇污水生物处理技术 污水生物处理的关键是附着在填料上的微生物，微生物通过新陈代谢等作用来降解 污水中的有机物，使它转化为易降解的物厨1 1 1 。生物处理技术可以分为两大类【12 1 ，一类 是通过有无氧气参与来判断，有氧参与的是好氧生物处理工艺，无氧参与的是厌氧生物 处理工艺；第二类通过微生物生长方式判断，一种是悬浮生长工艺，此工艺中活性污泥 l 绪论 硕士论文 法最为典型，还有一种是附着生长工艺，以生物膜法作为代表工艺 1 1 , 1 3 , 1 4 , 1 5 】。 1 2 1 污水生物处理的活性污泥法 活性污泥法工艺是一种广泛应用而行之有效的污水生物处理法，也是一项极具发展 前景的污水处理技术，这体现在它对水质水量的广泛适应性，灵活多样的运行方式，良 好的可控制性，以及通过厌氧或缺氧区的设置使之具有生物脱氮、除磷的效能等方面【1 6 1 。 活性污泥处理法对常规的污染物能够有很好的去除效果，包括溶解性的和非溶解性 的，它主要是通过活性污泥的吸附降解等作用达到去除效果【1 7 1 。活性污泥处理工艺也能 够去除一部分盐类和工业废水【1 8 】。 活性污泥处理法经过研究者们不断地实践改进，它对污染物的处理技术已趋于成 熟。活性污泥法的本质是利用水体的自净作用，但是它与自然水体自净又有些不同，自 然水体的自净只能在一定浓度范围内且耗时长，而活性污泥处理法可以处理受污染较严 重的污水，因此看作为强化的水体进化过型1 9 1 。 1 2 2 污水生物处理的生物膜法 生物膜处理法是生物接触氧化池处理、生物滤池处理、生物转盘处理、曝气生物滤 池处理及生物流化床处理等生物处理法的一种统称，它们之间的共同点是微生物都是以 附着生长的方式在填料上形成生物膜 2 0 1 。生物膜法处理污染物的机理是污水与生物膜接 触后，污染物首先被微生物吸附到生物膜的表面，然后经过降解从而得到处理。生物膜 法对水质水量变化的适应性较强，污染物去除效果好，是一种运用较为普遍的生物处理 方法【2 l 】。 生物膜法去除污染物的过程主要包括污染物在污水中的扩散作用、在生物膜中的传 递作用、氧气在污水以及生物膜内的吸附扩散作用、被微生物吸附的污染物氧化分解作 用、微生物自身的新陈代谢等过程，由此可看出生物膜处理法是一个吸附、稳定的复杂 过程【捌。由于生物膜的表面、内部所获的氧气浓度不同，分别形成好氧、兼性微生物组 成的好氧层和厌氧、兼性微生物的缺氧层。所获氧气能力不同是由于生物膜表面与污水 进行接触，容易吸取营养物质和溶解氧：而生物膜内部由于扩散阻力，对溶解氧的传递 产生一定的阻碍作用，氧气供应不足，形成缺氧层，所以生物膜可形成同步硝化与反硝 化的过程，加强脱氮处理【2 引。 1 3 脱氮机理 1 3 1 污水生物处理中常用的脱氮机理 污水中氮主要以有机氮、n i - h + n 、n 0 2 - n 和n 0 3 n 四种化合物形式存在 2 4 1 。有机 氮通过异氧菌的作用能转化为氨氮，所以可以用氨氮的去除率来衡量污水处理工艺脱氮 2 硕士论文 移动床生物膜反应器填料的选择及其处理低浓度废水特性的研究 效果的好坏。常规的脱氮技术如下： 1 传统的生物脱氮工艺 1 ) 三段生物脱氮工艺 三段生物脱氮工艺的有机物氧化反应、硝化反应和反硝化反应都是一个独立体，每 一个部分都有其自己的沉淀池和各自独立的污泥回流系统。这使得有机物降解、硝化和 反硝化都在各自的反应器中进行，这样可控制它们的反应条件处于最佳状态，处理效率 高。但是此工艺在反硝化阶段的污水是经过硝化反应处理后的，有机物在硝化阶段会被 大量利用，导致反硝化的碳源不足，这就需要外加碳源( 如甲醇) 来保证工艺的反硝化效 果【2 5 1 。 2 ) 前置缺氧好氧生物脱氮工艺 前置缺氧好氧生物脱氮工艺是在1 9 8 0 年左右初步开发的，它的特点是反硝化段设置 在硝化段的前面，且经过不断发展现已成为脱氮处理中最常见的处理方法。污水首先进入 缺氧池进行反硝化，反硝化所需的碳源由污水中的有机污染物提供，无需外加碳源，反 硝化后水进入好氧池进行硝化反应【2 6 1 。 3 ) 后置缺氧好氧生物脱氮工艺 后置缺氧好氧生物脱氮工艺的反硝化阶段可以通过补充外来碳源，也可以在没有外 来碳源的情况下利用活性污泥的内源呼吸提供电子供体还原硝酸盐。前置缺氧的反硝化 速率高于后置缺氧工艺，一般为3 一- 8 倍，这就表明后置缺氧工艺需要较长的停留时间才 能达到一定的反硝化速率，反应过程中必要时应在缺氧区补充碳源【2 7 | 。 2 厌氧氨化氧化 厌氧氨化氧化( a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n a n a m m o x ) ，它是指在无需经过将 氨态化合物氧化成硝态氮或亚硝态氮的过程，微生物直接以n h 4 + 为电子供体，以n h 2 或n h 3 - 为电子受体，将n 吖转变成n 2 的生物过程。 厌氧氨化氧化是直接利用n h 4 + - n 作为反硝化的电子供体，这就节约了外加碳源的 费用。与常规硝化和反硝化的脱氮工艺相比，厌氧氨化氧化只需消耗3 7 5 的氧气就可 将l m o l n h 4 + 氧化成n 2 ，耗氧量大大降低。常规脱氮工艺过程中会产生大量的酸碱，这 就需要投加中和剂来平衡反应器中的p h ，而厌氧氨化氧化过程中，产酸量大大下降，产 碱量甚至可减少为零，这就节省了中和试剂，降低了成本【2 8 1 。 一些研究学者对厌氧氨化氧化进行了一些研究：a d a p e n a - m o r a l 2 9 对j a n a m m o x - i - _ 艺运行的稳定性进行了研究，得出了反应过程中产生的四氧化二氮，可能会造成生物浮 选的问题。胡宝兰等例对序批式a n a m m o x 反应器和生物膜a n a m m o x 反应器的性能 对比研究，结果表明两者对氮的去除能力虽然高于传统脱氮工艺，但它们在抗基质浓度 冲击和水力负荷冲击的能力上还是有一定的区别，后者高于前者。为了加快a n a m m o x 的启动，可先培养生长速度较快的反硝化菌生物膜，然后通过一些条件的控制使其转化 3 1 绪论硕士论文 为厌氧氨氧化反应1 3 1 1 。研究学者们在亚硝化和厌氧氨氧化脱氮机理的基础上，开发出一 种新的脱氮工艺全程自养脱氮新技术( c o m p l e t e l y a u t o t r o p h i c n i t r o g e nr e m o v a lo v e r n i t - r i t e ，c a n r o n ) 3 2 1 。 3 短程硝化反硝化 1 9 7 5 年，v o e t s 掣3 3 】是第一个提出短程硝化反硝化生物脱氮这个概念的，他们是在处 理高浓度氨氮废水的过程中发现硝化阶段积累了大量亚硝酸盐氮，然后直接将亚硝酸盐 进行反硝化。1 9 8 6 年，s u t h e r d s o n 等阱】通过研究验证了亚硝酸盐氮积累方法进行生物脱 氮的可行性，同时发现在曝气生物滤池等反应器中通过控制一定的水质和工艺条件( 如 d o 、h r t 、p h 、温度、抑制性物质【3 5 1 等) ，也可实现短程硝化反应【3 6 1 。 1 ) 短程硝化反硝化的优点主要有： ( 1 ) 此工艺所需的外加碳源量低，节约了投资成本。 ( 2 ) 由于曝气池的硝化反应只需将有机氮、氨氮氧化到亚硝酸盐的状态，这就降低 了需氧量，节省了动力消耗。 ( 3 ) 由于只需氧化到亚硝酸盐的状态，这就使得反应时间减少，相应的反应器容积 也会减少，降低了污泥产量，减少了投碱量。 2 ) 影响短程硝化控制的因素有： ( 1 ) 溶解氧量。g c i u d a d 掣3 7 1 研究了高氨氮溶液中氨的去除和不同溶解氧浓度对亚 硝酸盐的积累影响，研究结果表明，在运行较稳定的情况下且溶解氧浓度低于1 4 m g l 时，亚硝酸盐积累率达到7 5 ，同时氨的去除率达虱j 9 5 。郝春明 3 8 1 等研究了低溶解氧 浓度下，反应器内的氨氮氧化和亚硝酸盐积累情况，结果表明在低溶解氧条件下亚硝酸 盐的积累率仅为5 5 ，这说明说明亚硝酸盐的积累浓度不仅和溶解氧浓度有关，与温度 和污泥泥龄的关系也是不可忽略的。 ( 2 ) 废水的p h 。不同的微生物有其各自适合生长繁殖的p h 范围，为了让反应器内亚 硝酸菌大量生长，控制好p h 是非常关键的。h e l l i n g a 等t 3 9 】通过实验将反应器的p h 控制在 7 8 的范围内研究的s h a r o n 工艺。 ( 3 ) 污泥泥龄。不同微生物的世代周期不一样，亚硝酸菌的世代周期比硝酸菌的短， 所以控制好污泥泥龄是使亚硝酸菌占主要优势的关键。为了可以更好地控制反应器的污 泥泥龄，s h a r o n - v _ 艺采用无污泥回流的全混合反应器( c o m p l e t es t i r r e dt a n kr e a c t o r , c s t r ) 反应器，因为此反应器的水力停留时间与污泥泥龄相等，此时只需控制反应器的 水力停留时间，即等于控制了反应器的污泥泥龄 如】。 ( 4 ) 抑制剂的选择。为了使反应器内的硝化产物多为亚硝酸盐，可向反应器内投加 一定的抑制剂，且这种抑制剂只对硝酸菌有作用，对亚硝酸菌的作用可忽略不计。宋学 起等【4 l 】从反应的安全性、抑制剂的投加剂量和投加次数等多方面进行研究，得出消毒剂 作为抑制剂将有很大的前景。 4 硕士论文移动床生物膜反应器填料的选择及其处理低浓度废水特性的研究 1 3 2 本实验的脱氮机理 本实验采用的脱氮机理是前置缺氧好氧的脱氮机理加上同步硝化与反硝化。此方法 在传统脱氮工艺的基础上，通过在同一反应器内实现硝化与反硝化过程强化脱氮功能。 这样在使氮的去除率得到保证的同时，简化运行操作，且降低了工艺建设费用。 1 3 2 1 前置缺氧好氧机理 废水首先经过缺氧池内的反硝化菌进行反硝化然后进入好氧池利用硝化菌进行硝 化反应，废水经沉淀池沉淀后污泥以一定的回流比循环到缺氧池进行反硝化。 本实验使用的a o t 艺的特点如下：经过缺氧池进行反硝化产生的碱度可以用来补 充硝化反应的需求；在反硝化反应器中无需外加碳源，可直接利用原污水中有机物；利 用硝酸盐作为电子受体处理进水中有机污染物，这不仅可以节省后续曝气量，而且反硝 化菌对碳源的利用更广泛，甚至包括难降解有机物【4 2 】。 1 3 2 2 同步硝化反硝化机理 同步硝化反硝化是指在没有明显独立设置缺氧区的活性污泥法处理系统内总氮被 大量去除的过程。在此过程中废水流经填料时，由于填料外部充分接触氧气，形成好氧 区；而填料内部氧气没有外部那么足，形成了缺氧区，为同步硝化与反硝化提供了反应 条件。 g e o r g e n a k h l a 4 3 】等通过慢速砂滤实验研究了同步硝化反硝化现象，在此过程中污水 中的常规污染物( 氮、磷、有机污染物等) 都有很好的净化效果。d j z h a n g 等m j 将溶解氧 浓度控制在l m g l 以下时，采用间歇式曝气工艺，实现了稳定的同步硝化反硝化反应。 同步硝化反硝化的机理一般需从以下两方面进行讨论：生物学和反应器【4 5 1 。从反应 器的角度看，由于在反应器中氧的传递速率并不一致，这就导致污泥和生物膜中外部与 内部的含氧量也不一样。在污泥和生物膜外部，由于与氧气接触较充分，进行以硝化菌 为主体的硝化反应；在内部由于氧传递受抑制，进行以反硝化菌为主题的反硝化反应。 从生物学角度看，由于异氧硝化菌和好氧反硝化菌的存在，即在好氧条件下很多反硝化 菌可以进行硝化作用，在低浓度氧状态下，硝化菌和亚硝化菌可以进行反硝化作用，还 有很多异氧反硝化菌也能完成氨氮的硝化过程。这就为同步硝化与反硝化提供了前提条 件。吕锡武等【删为了验证好氧反硝化过程和缺氧硝化过程的存在进行了氨氮废水处理的 实验，得出好氧反硝化和缺氧硝化的脱氮能力随污水中溶解氧浓度的升高呈下降趋势， 氮的去除率很高，最高可达6 0 以上。 5 l 绪论 硕士论文 1 4a o 工艺的原理与特点 1 4 1 o 工艺原理 a o 是缺氧池与好氧池的简称，它与活性污泥法相比，既能够去除有机污染物，又 能有一定的脱氮除磷的功能。a o 工艺是在前段不曝气使它保持缺氧状态，后端进行曝 气，池内充满氧气，处于好氧状态。a 段溶解氧一般不大于0 2 m g l ，o 段溶解氧一般 为2 叫l m l 。缺氧池中的异养微生物可降解一些难溶或者不溶的有机污染物，使它们转 化为可溶性的有机物，同时将可溶性大分子有机物转化为小分子有机物；当污水进入好 氧段时，经过缺氧池处理后的有机酸、可溶性有机物在好氧菌的作用下得以分解去除。 a o 工艺去除污染物的原理是在缺氧池进行反硝化反应，硝态氮和亚硝态氮经过还原反 应生成氮气逸出，在好氧池进行硝化反应，有机氮经过氧化反应生成硝态氮和亚硝态氮， 然后部分回流至缺氧池与进水混合进行反硝化脱氮。 1 4 2a o 脱氮工艺特点 缺氧好氧脱氮工艺是传统脱氮工艺的改进技术，相比于一般的脱氮技术，它具有如 下特点： 1 ) 效率高。相比于传统的水处理技术，它不仅能够对有机物有很好的处理效果。 而且通过硝化反应与反硝化反应的交替运行，a o 工艺对氮的去除也能达到很好的效 果。 2 1 工艺流程简单，投资费用低，操作方便。该工艺去除有机污染物和氮是同步进 行的，在进行反硝化过程时，它无需外加甲醇等碳源，直接利用废水中的有机物作为反 硝化的碳源，节约成本。 3 ) 容积负荷高。由于缺氧反应器中异养微生物降解了一些难溶或者不溶的有机污 染物，使他们转化为可溶性的有机物，同时将可溶性大分子有机物转化为小分子有机物， 提高了生化比，有效地提高了硝化及反硝化的污泥浓度，与传统的工艺相比，具有较高 的容积负荷。 4 ) 抗冲击负荷能力强。a o 工艺反应器内污水的流态是完全混合型，对水质水量 的变化有一定的承受能力。 1 5m b b r 的原理与特点 由上面的叙述可知，污水生物处理方法多种多样，但每种方法都有各自的优点和缺 点。常规活性污泥法则是生物处理方法中最为主要和常用的处理方法【4 7 1 。它适用范围广、 处理水量大、运行成本低，但随着世界各国城市化进程的不断加快、公众对污水处理厂 操作环境要求的日益提高以及能源供给的日益紧张，使活性污泥工艺现了一系列为人们 6 硕士论文移动床生物膜反应器填料的选择及其处理低浓度废水特性的研究 所越来越关注的问题。这些问题包括：由于城市化不断提高用地紧张与日俱增，需开发 用地更为节省的新工艺；在城市污水处理厂进行废水处理时，考虑的较多的是有机物和 悬浮物的去除，对氮磷的去除还不是很重视。而据有关研究氮、磷等营养元素是引起水 体富营养化的主要原因，因此必须加强工艺脱氮除磷的功能；由于污水的排水量与日俱 增，且废水中所含的污染物种类日趋复杂，在一定时期内导致活性污泥工艺的超负荷运 行以及运转不稳等问题。 生物滤池虽然操作简单、运行方便，抗冲击承受能力强，但设备检修困难，且容易 发生堵塞问题，需要定期反冲洗。生物转盘的主要优点是能耗低、管理方便，缺点是占 地面积较大、且运行时会有一定气味产生，造成环境问题。生物接触氧化法虽是一种生 物膜法，但是它也融入了活性污泥处理法的特点。它的优点是容积负荷高、反应时间短、 操作管理方便、占地面积小，但难以使填料表面均匀地与污染物接触。生物流化床的优 点是单位容积的生物量可达到一定程度，且也能够承受高容积负荷；反应器内载体呈流 化状态，传质效果好，但动力消耗较大，反应过程控制较为复杂，在实际工程放大设计 上，还缺乏一定的基本参数。针对以上各方法的不足，一种无需污泥回流、不需反冲洗、 占地面积小、运行管理简单的新型废水生物处理工艺，即移动床生物膜反应器越来越受 到环保工作者们的关注。 1 5 1 移动床生物膜反应器原理 移动床生物膜反应器净化污水的关键是放置在曝气池中的悬浮填料。当污水进入曝 气池时，填料与污水充分接触，且填料随水流上下运动，保证填料与污水接触的更加充 分，经过一段时间的运行，在悬浮填料上形成一层生物膜，生物膜上包含了净化污水的 微生物，微生物通过吸附降解作用去除污染物【4 8 1 。m b b r t 艺的重要部分是悬浮填料， 这种填料的密度略大于或略小于水的密度。它在曝气池内可通过鼓风装置和水流运动处 于悬浮状态，且填料有大的比表面积，可附着大量的微生物种群。又由于它处于上下流 动状态，在流动过程中可更新生物膜，使生物膜一直处于活性较高的状态。另外，每个 填料上均附有不同种类的微生物种群，且填料各处的氧气量并不一致，这就在填料的不 同部分形成好氧区和缺氧区甚至厌氧区，为同步硝化反硝化提供了很好的反应条件和场 所。 相比现在技术较为成熟的污水处理法如活性污泥法及生物膜法，移动床生物膜反应 器还是一种新的水处理技术。但是通过研究表明，移动床生物膜反应器在脱氮除磷的能 力上有很大的优势，将来会成为水处理技术中的一个重要组成部分。 1 5 2m b b r 的特点 1 ) m b b r _ t 艺的特点 移动床生物膜反应器兼具活性污泥法和传统生物膜法的特点，抗冲击负荷能力强、 7 1 绪论硕士论文 运行操作简单、污泥泥龄较长等，它与现有的生物膜法相比有如下几个特点： ( 1 ) 反应器中悬浮填料相比于传统的填料，具有大的比表面积，这就为微生物的附 着提供了好的场所，悬浮填料的比表面每立方米可达n 2 0 0 - - - 5 0 0 平方米，这么大的比表 面保证了附着微生物的种类和数量，提高了反应器的容积负荷能力，降低水力停留时间， 达到好的处理效果 4 9 1 。 ( 2 ) 由于填料上附着的微生物膜具有一定的厚度，在填料的表层，它与溶解氧能够 充分接触，可形成好氧的状态，附着好氧微生物；而在生物膜内部，由于氧气的传递会 受到定的限制，可形成缺氧区和厌氧区，附着厌氧和缺氧微生物，这就会同步硝化与 反硝化提供了条件，加强了氮的去除，同时也降低了反应的时间【5 0 1 。 ( 3 ) 反应器的填料由于曝气装置的作用、水流的运动、以及其接近于水的密度特性， 使填料一直处于上下运动的状态。在流动过程中，填料表面附着的生物膜相互摩擦，老 化的生物膜脱落，这就保证了填料上的微生物一直处于高活性的状态，脱落的生物膜随 水流留出。 ( 4 ) m b b r 工艺具有较高的灵活性，既可以作为独立的工艺运行，又可以与a o 、 a ：o 、s b r 等工艺联合运行。此外，m b b r 的进水也可采用不同的方式，既可以连续进 水又可以间歇进水，m b b r 改造成本低，在传统的污水处理工艺中投加悬浮填料，即可 增加脱氮除磷的效果【5 1 1 。 ( 5 ) 在设计m b b r 工艺时的目的是希望它能够在连续运行的基础上，反应器内的填 料能够避免堵塞的问题，这样就不需要反冲洗，降低了能耗。同时还考虑了m b b r 的灵 活性，可以与不同的工艺联合使用，在去除有机物的同时也能使氮磷达标。m b b r 去除 污染物的微生物由两类组成，包括附着生长在悬浮填料表面的微生物和水中悬浮微生 物。 由上述m b b r 的特点可得出，移动床生物膜反应器加强了运行工艺的稳定性和维护 的方便性，提高系统的有机负荷能力和脱氮除磷效率；由于填料处于悬浮状态，无需反 冲洗，这就使得整个工艺的水头损失小、不易出现堵塞等现象【5 2 】。 2 ) 填料的特点 综上所述，在移动床生物膜反应器的整个处理工艺中法中，悬浮填料是最重要的组 成部分，它的特点如下： ( 1 ) m b b r 所采用填料的密度与水的密度相近，只要通过强度不大的曝气系统即可 使它处于悬浮状态，且填料在运动过程中，填料表面附着的生物膜会相互摩擦，老化的 生物膜脱落，加快了生物膜的新陈代谢作用，这就保持了填料上的微生物处理有机污染 物的能力，强化了脱氮除磷的能力【5 3 1 。 ( 2 ) 维护管理方面。当运行出现问题时，由于填料密度接近于水，关闭曝气装置填 料会悬浮在装置表面，此时即可进行检修，无需像传统生物膜法需将填料运出才能检修， 硕士论文移动床生物膜反应器填料的选择及其处理低浓度废水特性的研究 这就保证了维修的速度，降低了故障时间【降”】。 ( 3 ) 填充率易选择。王学江等【5 6 】使用同济大学研发的悬浮填料进行充氧能力的实验， 填充率以体积l l o 、1 0 、3 0 、5 0 的顺序发生变化。得出如下结论：当采用5 0 的 填充率时，这时装置的运行状态最好，此时填料不仅呈现好的流化状态，而且此时的污 水处理能力也不低。当然并不是每次都应采用5 0 的填充率，遇到具体的情况，可以采 用同样的方法进行选择，确定出合适的填充率。 1 6m b b r 的研究方向 由上述讨论m b b r t 艺的特性可看出，它还是有很大的发展空间，为了使m b b r 法 将来更好地运用到水处理工艺中去，我们还需不断的对m b b r 进行研究和改进，具体如 下： 1 ) 悬浮填料的研发。m b b r 对污染物去除效果的影响因素中，悬浮填料的选择是至 关重要的。就目前而言，我国对悬浮填料的研究并不成熟，所开发出的填料不具备经济 的要求，这就使得处理成本较高。除此之外，现对填料特性的研究也不是很深入，如亲 水性、易挂膜等，所以开发出经济高效的填料是现在所要研究的重点【57 1 。 2 ) 移动床生物膜反应器工艺的研究。m b b r 具有很高的灵活性，它可与多种传统工 艺组合使用，也可作为单独的污水处理工艺，且都能达到很好的处理效果。现在，m b b r 工艺的运用还不是很广泛，这与人们对m b b r 的了解程度不高有关，所以在强化m b b r 工艺特性研究的同时，还应进行工艺的推广及培训一批运行维护的人才。 1 7 课题的来源及研究背景 1 7 1 课题的来源 本课题是“国家水体污染控制与治理科技重大专项”中“湖泊富营养化治理与控制技 术及工程示范主题”中的“乡镇污水及重点行业污染负荷削减关键技术及工程示范课题” ( 课题编号：2 0 0 8 z x 0 7 1 0 1 0 0 3 ) 中的一项课题。 1 7 2 课题研究的意义 本课题开展以生物浮动床为核心的常规工艺改造技术的研究，来强化传统活性污泥 法的脱氮功能，解决传统活性污泥法所遇到的一系列问题。通过选择o 工艺与m b b r 联用即在曝气池内投加悬浮填料，结合生物膜和活性污泥法去除污染物的特性，研究这 个组合工艺的脱氮效果。 通过以生物浮动床为核心的常规工艺改造技术研究，不仅可以解决传统活性污泥法 在运行中所遇到的问题，同时也可以加强脱氮处理，使出水中氮的含量达标排放，减少 水体富营养化，这对改善水环境质量有重要的现实意义。 q l 绪论硕士论文 1 8 本课题的研究内容 本课题开展以生物浮动床为核心的常规工艺改造技术研究，实现废水的强化脱氮。 主要内容包括： 1 】浮动床生物膜反应器填料筛选研究 通过资料的查阅，海绵填料和聚乙烯填料是悬浮填料中处理效果较好的两种，为了 更好地研究m b b r t 艺的特性，通过对比实验，从两种填料中筛选出效果较好的一种。 2 ) 填料放置位置的研究 填料放置在不同的位置，也会对污水的处理效果产生影响，为了确定填料的放置位 置，开展生物浮动床池形结构研究，研究不同池型结构对填料浮动效果和处理效果的影 响。主要是通过隔板将曝气池分成三格，研究填料放置不同的位置对污染物的去除效果， 从而筛选出效果较好的一组。 3 1 生物浮动床填料填充率研究 研究生物浮动床中不同填充率对填料浮动效果和处理效果的影响，确定最佳的填充 率。主要研究包括： ( 1 ) 填料填充率1 5 - 6 0 之间不同对填料浮动效果的影响； ( 2 ) 不同填充率对处理效果的影响。 4 1 生物浮动床脱氮工况优化研究 对生物浮动床的容积负荷、溶解氧( 曝气量) 、回流比、停留时间、温度等工艺参 数对处理效果的影响，确定最佳工况条件。主要研究包括： ( 1 ) 不同容积负荷对处理效果的影响； ( 2 ) 不同溶解氧( 曝气量) 对处理效果特别是对脱氮效果的影响； ( 3 ) 不同回流比对脱氮效果的影响； ( 4 ) 不同停留时间对脱氮效果的影响； ( 5 ) 温度的变化对脱氮效果的影响。 5 ) 低温对移动床生物反应器的影响 为了研究低温对移动床生物膜反应器的影响，通过在低温( 5 。c 一1 5 ) 下测定装置 对污染物的处理效果，并通过停留时间的改变，观察处理效果的变化情况。 l o 硕t 论文 移动床生物膜反应器填料的选择及其处理低浓度废水特性的研究 2 实验部分 2 1 进水水质 实验所用的进水来自于常州某污水处理厂，水质如表2 1 所示： 表2 1 进出水水质 t a b 2 1w a t e rq u a l i t yo fi n f l u e n t 2 2 实验仪器 实验所用仪器如表2 2 所示： 表2 2 设备名称及厂家 t a b 2 2e q u i p m e n ta n dm a n u f a c t u r e r 设备名称生产厂家 s y q d s x 2 8 0 a 型压力蒸汽灭菌器 d h g 9 2 4 0 a 型电热恒温鼓风干燥箱 d k 9 8 i i l k w 万用电炉 u p t - i 2 0 t 经济型超纯水器 h y c - 6 8 6 8 a 医疗科研保存箱 p w c p g c 电子天平 h a c hc a t n o 5 4 6 5 0 18 溶氧测定仪 u v l 0 0 0 紫外分光光度计 v 18 0 0 分光光度计 上海申安医疗器械厂 上海精宏试验设备有限公司 天津市泰斯特仪器有限公司 上海优普实业有限公司 青岛海尔特种电器有限公司 艾德姆衡器有限公司 h a c h 有限公司 上海天美科学仪器有限公司 上海天美科学仪器有限公司 2 3 实验装置 2 3 1 实验采用的装置 1 ) 装置流程图及尺寸 实验采用m b b r 与a o 的复合工艺，实验的流程图如下： 2 实验部分 硕： 论文 进水槽a o 池 溢流堰、搅拌器、过水孔、曝气管、溢流堰 填料、活动板 图2 1 装置流程示意图 f i g 2 1t h es k e t c ho f d e v i c ep r o c e s s 各运行装置的尺寸如表2 3 所示： 表2 3 装置尺寸 t a b 2 3t h es i z eo f d e v i c e s 沉淀池 进水槽缺氧池好氧池沉淀池 l b h ( c m ) 5 2 x 4 2 x 4 0 2 5x 2 0 x 4 5 lo o x 2 0 x 4 52 0 x 2 0 x 4 5 装置的运行说明如下：由上图可看出，废水首先进入进水槽，然后进入缺氧池，经 由缺氧池流入好氧池，好氧池出水后流入沉淀池，沉淀后的污泥以一定的回流比与进水混 合后流入缺氧池，其中好氧池的一格放入填料。该装置共有四组，每两组放同一种填料。 第一组和第二组放置海绵填料，第三组和第四组放置聚乙烯填料，并将每组曝气池分3 格。放置相同填料的两组装置，一组填料放在进水段，另一组放在出水段。上图填料放 置进水段，以此类推。 实验进水通过提升泵将污水提升到进水槽中，进水槽通过溢流槽与进水保持循环。 为了保证进水槽的水进入四组装置的流量相同，通过计时电磁阀控制。 2 ) 装置照片 实验的装置图片如图2 2 、2 3 所示： 1 2 硕士论文 移动床生物膜反应器填料的选择及其处理低浓度废水特性的研究 图2 2 整体装置图 f i g 2 2t h ew h o l ed e v i c es k e t c h 2 4 实验检测项目及其分析方法 图2 3 电磁阀装置图 f i g 2 3t e l e c t r o m a g n e t i cv a l u es k e t c h 各项水质指标采用水和废水监测分析方法中的标准测试方法进行分析。其中常 规监测项目及方法见表2 3 表2 3 实验监测项目与方法 t a b 2 3e x p e r i m e n to fm o n i t o r i n gi t e m sa n dm e t h o d s c o d 重铬酸钾法 t n n h 4 + - n n o t 。n t p 溶解氧 温度 p h 碱性过硫酸钾紫外分光光度法 纳氏试剂光度法 紫外分光光度法 过硫酸钾钼锑抗分光光度法 用哈希溶氧仪直接测量 温度计 p