（环境工程专业论文）新型填料移动床生物膜反应器中有机碳氧化、氨硝化的研究.pdf

东北师范大学硕士毕业论文 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；不需投加药剂，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，移动床生物膜反应器( 简称m b b r ) 这一 处理工艺越来越受到人们的重视，但在国内报道较少，还基本处于实 验室小试研究阶段，是一个非常具有发展前景的科研领域 本文介绍了废水生物处理及生物膜法废水处理的基本原理，并对 移动床生物膜反应器的概念及其运行效果的影响因素进行了概述。实 验部分主要是采用新型聚乙烯填料作为微生物附着生长的载体，考察 此法除碳脱氨的能力。 首先，研究了填料对充氧性能的影响和预挂膜的作用，实验表明： 填料填充比例为6 0 ( 空床体积比) 时充氧能力提高最多，约为2 9 ；而 预挂膜有利于系统快速启动。 其次，对移动床生物膜反应器处理较高浓度有机生活污水( 混有部 分工业废水) 的能力进行了研稿佑果显示：系统去除c o d c r 效果很好， 反应器单级水力停留时间大于8 h 时，移动床1 对有机物去除率达到 9 0 。当移动床1 容积负荷小于5k g c o d ( m 3 d ) 时，其容积负荷与去除 负荷表现出良好的相关性，最大去除负荷可达4k g c o d ( m 扎d ) 左右，两 级移动床联用，可保证c o d 去除率在9 0 以上，出水c o d 在1 0 0 m g l 以下：此外，通过对实验数据进行拟合，认为此法基质去除动力学模 型符合s t o v e r k i n c a r m o n 模式，即l r = m i g ( k + l o ) ，相关系数 r 2 = 0 9 9 7 9 ，最大比基质去除速率m 和比例常数k ，分别为5 7 7 7 9 ( m 2 西 f f l j5 9 8 9g ( m 2 d ) 泸 最后，考察了移动床生物膜反应器对低有机负荷高氨模拟废水的 硝化能力，结果表明：操作条件对系统运行效果影响很大，研究中发 现碱度加入量以n a h c 0 3 n h 4 + - n ( 质量比) 8 - 10 为宜；p h 值8 0 - 9 0 比 较有利于硝化反应；硝化系统对进水有机负荷比较敏感，随负荷增加 硝化速率迅速降低。另外，实验中游离氨对硝化产物形态作用明显， 东北师范大学硕士毕业论文 其浓度超过2 5 3 0m g l 时，硝态氮中亚硝酸盐比例超过9 5 。实验 过程中m b b r l 氨氮最大容积负荷与去除负荷分别为1 1 6k g ( m 3 d 痢 o 8 5 k g ( m 3 - 回。系统稳定运行时，移动床1 内氨氮去除速率为 6 6 5 5 9 n h 4 + - n ( m d ) ，脱氨能力远高于活性污泥法。移动床生物膜反应 器去除氨氮能力很强，在进水氨氮浓度小于3 0 0 m g l 时，两级移动床 联用，氨氮去除率超过9 9 ，最终出水氨氮浓度在1 m l 左右；即使 在接近4 0 0 m g l 较高浓度的冲击r ，氨氮去除率仍可维持在9 5 ，出 水氨氮少于2 5 m g l 。 关键词：移动床生物膜反应器聚乙烯填料 有机负荷高铵负荷硝化 东北师范大学硕十毕业论文 a b s t r a c t w a s t e w a t e rb i o l o 西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 sh e l p f u l t oa v o i ds e c o n dp o l l u t i o n a n di n v o l v c dr e a c t i o ni sm i l d a n dt h em i c r o b e c a nb eg o t t e ne v e r y w h e r e a 1 lo ft h e s em a k ei tb e c o m eo n eo ft h em o s t i m p o r t a n tm e t h o d su s e d t od e c o n t a m i n a t ew a s t e w a t e l h e r e t o f o r e ，t h e r ea r e f e wr e p o r t so nt h et e c h n o l o g yo f m o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r ( m b b rf o r s h o r t ) a th o m e a n dt l l er e s e a r c hi ss t i l lo n t h ep h a s eo fl a bs c a l e m b b ri s a v e r yp r o m i s i n gt e c h n o l o g y i nt h ef i e l do f w a s t e w a t e rt r e a t m e n t 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 la n db i o f i l mt r e a t m e n t w e r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p c r t h ec o n e 印to fm b b ra n dt h ef a e t o r st h a t a f f e c tt h ef i m c t i o no fm b b rw e r es u m m a r i z e dt o o t h ec a p a c i t yo fm b b r t or e m o v e o r g a n i cc o m p o u n d a n da m m o n i u m n i t r o g e nu s i n g n e w p o l y e t h y l e n ec a 州e l w a ss t u d i e d f i r s t l y ，t h ei n f l u e n c eo f c a r r i e ro no x y g e nt r a n s f e rt e s ta n dt h eb e n e f i t o f p r e i n o c u l a t i o nb i o f i l mw e r e r e s e a r c h e d + t h ee x p e r i m e n t a ld a t as h o w e d t h a tt h ec a p a b i l i t yo f o x y g e nt r a n s f e rc o u l d b er a i s e db y2 9 w h e nt h er a t i o o fc a r r i e rf i l l e di n t o t h er e a c t o rw a s6 0 a n dp r e - i n o c u l a t i o nb i o f i l m c o n d u c e dt oq u i c ks t a r t u do f t h es y s t e m s e c o n d l y ，t h et r e a t m e n to fs e w a g ew a t e r ( c o n t a i n i n gs o m ei n d u s t r i a l w a s t e w a t e r ) u s i n gm b b r w a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw h e n t h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r tf o rs h o r t ) o fs i n g l em b b rw e r em o r e t h a n8h o u r s t h er e l t l o v a lr a t eo fo r g a n i cc o m p o u n dr e a c h e dt o9 0 i n m b b r l o n l y ah i g hc o r r e l a t i o n b e t w e e nr e m o v e d l o a d i n g r a t ea n d a p p l i e d v o l u m e t r i cl o a d i n gr a t ea p p e a r e dw h e no r g a n i cv o l u m e t r i cl o a d i n g s i n m b b r lw e r e1 e s st h a n5 k gc o d ( m ma tt h es a m et i m e ，t h em a x i m u m r e m o v a ll o a d i n gw a sa b o u t4 k gc o d ( m 5 。d 1 t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f c o d e rc o u l db eo v e r9 0 w h e nt w o p h r a s em b b r w a su s e d ，a n do u t l e t c o dw e r eb e l o w10 0m 2 几f u r t h e r m o r e ，t h eo b t a i n e dd a t ai ne x p e r i m e n t s c o n f i d e n t l ya d j u s tt o t h em o d e lo fs t o v e r k i n c a n n o n ：l r = m l o ( k + l 0 ) ， r 2 = 0 9 9 7 9 t h em a x i m a l s p e c i f i c s u b s t r a t e d e g r a d a t i o n r a t ea n d p r o p o r t i o n a l i t y c o n s t a n tw e r e5 7 7 7 ( o d ) a n d5 9 8 9 g ( m 2 d ) 东北师范大学硕士毕业论文 r e s p e c t i v e l y f i n a l l y ，t h ef u n c t i o no fm b b r t od e c o n t a m i n a t es y n t h e t i cw a s t e w a t e r c o n t a i n i n gh i 曲a m m o n i u ml o a d i n g b u tl o wc o n c e n t r a t i o n o r g a n i c c o m p o u n dw a s s t u d i e d i nt h i s s t u d y ，t h e v a l u eo fn a h c 0 3 n h 4 + - n r e p r e s e n t i n gt h ea l k a l i n i t ya d d e di n t os y s t e mw a s 8 - 1 0a n dp hv a l u e b e i n g f a v o ro fn i t r i f i c a t i o nw a s8 o 一9 0 i na d d i t i o n n i t r i f i c a t i o ne f i i c i e n c y d e d i n e d r a p i d l yw i t hi n c r e a s eo f o r g a n i cl o a d i n g a n dn i t r i t ew o u l d b u i l d u p w h e nt h ec o n c e n t r a t i o n so ff r e ea m m o n i aw e r em o r et h a n2 5 3 0m g l i n t h e e x p e r i m e n t ，t h e m a x i m u ma m m o n i u mv o l m n e t r i c l o a d i n g s a n d m a x i m u mr e m o v a ll o a d i n g sw e r e1 16k g ( m j d ) a n do 8 5k ( m 3 西 r e s p e c t i v e l y w h e nt h es y s t e mo p e r a t e ds t a b l y ，t h ea m m o n i u m r e m o v a lr a t e r e a c h e dt o6 6 5 5 9 n i - h + - n ( m 3 函i nm b b r l t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f a m m o n i u me x c e e d e d9 9 a n dt h eo u t l e tc o n c e n t r a t i o nw a sa b o u t1 m g l w h e nt h e s y n t h e t i c w a s t e w a t e rw i t hi n l e tc o n c e n t r a t i o n sb e l o w3 0 0 m g n h 4 + - n lw a sp u r i f i e db yt w o - p h r a s em b b r e v e nt h o u g ht h ei n l e t m n m o n i u mc o n c e n t r a t i o n sw e r ea sh i 曲a sn e a r4 0 0m g l ，t h et o t a lr e m o v a l e f f i c i e n c y s t i l lr e m a i n e d9 5 a n do u t l e ta m m o n i u mw e r el e s st h a n2 5 m g l 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 ；p o l y e t h y l e n ec a r r i e r ； o r g a n i cl o a d i n g ；h i g h a m m o n i u m l o a d i n g ； n i t r i f i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得东北师范大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：套丝迅日期： 1 卅九，1 z - ，j o 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文铍查阅和借阅。本人授权东北师范 大学可以将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、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 、 ，t 学位论文作者签名：童燮指导教师签名：工蕴蛰 日期：趔：1 2 ：! 堡日期：3 d 2 生：! ! ：! 兰 学位论文作者毕业后去向： 工作单位 通讯地址 电话 自日编 东北师范人学硕士毕业论文 第一章引言 1 1 废水生物处理中有机物的去除机理及常用方法比较 随着某些工业的高速发展和人v j 的急剧膨胀，水体环境污染问题 越来越严重地威胁着人类的生存环境，制约着社会和经济的发展。因 此，治理废水，保护水资源已成为全球性的问题。废水治理主要包括 物理、化学和生物方法。其中生物处理方法与物化方法相比，反应条 件比较温和，不需要高温高压；微生物来源广，对环境适应性强：不 需投加药剂，可以避免造成二次污染。所有这些优点使得废水生物处 理成为废水处理方法中的重要分支。 1 1 1 废水生物处理中有机物去除机理 污水生物处理，就是利用微生物的生命活动，先对污染物进行快 速吸附然后通过微生物的酶的作用，氧化分解废水中的有机物，在微 生物自身生长繁殖同时使废水得以净化。根据废水生物处理系统中微 生物存在的状态，可分为悬浮生长系统和固着生长( 膜法) 系统。在悬浮 生长系统里，微生物以絮体状活性污泥的形式存在并发挥作用；而污 水的生物膜处理法实质是使细菌及其它菌类微生物，和原生动物、后 生动物一类的微型动物附着在滤料或某些载体上生长繁殖，形成膜状 生物污泥即生物膜，来去除有机物。无论是悬浮生长系统还是膜法系 统，根据废水生物处理系统中起主要作用的微生物的呼吸类型，又可 以分为好氧处理、厌氧处理和兼氧处理系统。本实验重点研究的是好 氧处理系统，所以主要分析一下好氧处理方法的机理。 废水好氧处理系统是在好氧环境下，由好氧微生物对废水中污染物 进行好氧代谢。这时，废水中有机物被好氧微生物分解氧化成无机终 产物( c 0 2 ，h 2 0 ) ，这些产物或以液态形式保存下来，或以气态形式散 失到大气中。好氧微生物通过这样的代谢方式获取的能量很大( 代谢反 应获取能量的大小取决于初始物和终产物之间能量差) 。因此，好氧微 生物代谢速度快、生长繁殖速率高。由于好氧代谢的特性，好氧法一 般污染物降解彻底，处理效率高，处理后废水中污染物浓度可降至很 东北师范人学硕士毕业论文 低，而且出水水质稳定。好氧法的高处理效率缘于以下几点 2 】： ( 1 ) 具有很强的吸附能力，可以迅速吸附废水中的有机物质和许多 无机离子； ( 2 ) 具有很强的分解、氧化有机物的能力。被吸附的大分子有机物 质，在微生物细胞分泌的胞外酶的作用下，变成小分子的可溶性有机 物，象废水中原有的小分子可溶性有机物那样，透过细胞膜进入微生 物细胞，这些被吸收的营养物质，再由胞内酶的作用，经过一系列生 化途径，氧化为无机物并放出能量，也就是微生物的异化作用。与此 同时，微生物利用异化过程中产生的一些中间产物和释放的能量来合 成细胞物质，这就是微生物的同化作用。在废水的处理过程中，微生 物的异化和同化作用同时进行，使得微生物不断生长繁殖，废水中的 有机物也就不断地被降解去除； ( 3 ) 具有良好的沉降性能，使其易与处理水分离而使出水达到良好 的处理效果。 1 1 2 常见废水生物处理方法比较 目前废水生物处理方法研究多种多样，在实际中各有应用p “j ，每 种方法都各具优点，但同时也存在很多问题。其中活性污泥法具有适 用范围广，处理水量大，运行成本低等优点，但基建费用高，且要求 管理人员具备一定的技术水平，若操作不好易发生污泥膨胀等问题， 使系统处理效果变坏。生物滤池虽然操作运行简单，对水质水量变化 承受力强，但设备检修困难，且容易发生堵塞问题，需要定期反冲洗， 这无疑增加了废水的处理费用。而生物转盘主要优点是动力消耗低、 抗冲击负荷强、无需污泥回流、管理方便，缺点是占地面积大、散发 臭气。生物接触氧化法又称浸没式生物滤池，是一种具有活性污泥法 特点的生物膜法，优点是容积负荷高、停留时间短、运行管理简单、 占地面积小，但难以使负荷均匀分布在载体表面，一定程度上影响了 反应器的处理效果。生物流化床单位容积生物量相当高，容积负荷高， 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。 东北师范大学硕士毕业论文 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 ：作者们的关注。 1 2 生物膜法废水处理的基本原理、特点及生物指示作用 1 2 1 废水处理中生物膜法基本原理及特点 图1 1 生物膜净化污水示意图 生物膜法净化污水的原理 可用图1 - 1 来说明一j 。生物膜的 表面上吸附着一层很薄的水膜， 相对于外侧运动着的水流，水膜 是静止的。水流中的有机物可被 生物膜氧化。由于水膜中有机物 浓度比流动水层中的低，于是流 动水层中的有机物可通过水流 的紊动和浓度差扩散作用进入 水膜中，并进一步扩散到生物膜 中去，不断被生物膜吸附、吸收 和降解。同时，空气中的氧不断 溶入水中，通过流动水层和水膜 进入生物膜，被微生物用来氧化有机物和进行本身的新陈代谢。微生 物在分解有机物的过程中，本身不断增殖，使生物膜不断变厚，传递 进来的氧很快被表层微生物消耗掉，生物膜的内层得不到氧的供应， 使厌氧微生物在生物膜的内侧大量滋长，形成厌氧层，而有机物的分 解主要依靠好氧层的作用。微生物的代谢产物如水、二氧化碳、氨以 及其他无机盐则沿相反方向，从生物膜经过水膜进入流动水层或空气 中。当生物膜的厚度不大时，好氧层与厌氧层之间可以维持平衡关系， 厌氧层产生的代谢产物如有机酸、醇类、硫化氢等在透过好氧层时， 可被进一步降解除去，取得满意的出水水质。但当厌氧层逐渐加厚， 厌氧层的代谢产物增多，特别是气态产物不断逸出，削弱了生物膜的 固着力，这时的生物膜称为老化了的生物膜，很容易从载体或填料上 东北师范大学硕十毕业论文 脱落下来。同时，在原来的位置又生长出新的生物膜。 与微生物悬浮生长的活性污泥法相比，生物膜法具有许多优点 1 0 l 。 主要表现在： ( 1 ) 由于存在许多生长繁殖速度缓慢的硝化细菌，因此具有较高的 脱氮能力； ( 2 ) 生物膜中存在的微生物多样性丰富，包括好氧菌、厌氧菌、真 菌和藻类等，使其在去除污染物时表现出一定的广谱性； ( 3 ) 大量微生物生长和占据了整个反应器的空间，单位体积生物量 比活性污泥法高，因此单位体积处理能力更大； ( 4 ) 膜法中的食物链比活性污泥法长，产生的污泥大都被生物消 耗，因此剩余污泥量少； f 5 ) 系统操作维护方便，能耗低，无需污泥回流； ( 6 1 因系统的微生态复杂，对水力和有机负荷变化的承受能力强， 操作运行稳定。 1 2 2 生物指示作用 菌胶团的大量存在和增殖、固着型纤毛虫等后生动物的出现，是污 泥和生物膜成熟的标志。在废水好氧生物处理的生物膜法系统运转过 程中，菌胶团的形态结构和原生动物的种属可以定性地表明系统的运 转状态，这就是生物指示作用。 当运行环境条件改变时，原生、后生动物的种类、数量和菌胶团 的数量及形态结构会随之变化。由于原生、后生动物的种类、数量、 形态随系统运转状态变化而发生的变化，相比菌胶团易于观察和鉴别， 所以，以原生、后生动物作为废水水质及处理效果的指示生物是可行 的。如钟虫和漫游虫喜在较清洁的水中生活，是寡污带的指示种；草 履虫可在缺氧或厌氧的环境中生活，耐污力极强。后生动物中轮虫要 求较高的溶解氧量，可作为水体寡污带和污水生物处理效果好的指示 生物；而线虫相对来说耐污力较强，可在好氧和兼性厌氧的环境中生 活，兼性厌氧菌在缺氧时大量繁殖，是污水净化程度差的指示生物【l ”。 陈绍军等人f 1 2 通过研究发现，在氨硝化过程中，有壳类原生动物数量 4 东北师范大学硕+ 毕业论文 的变化可以很好地反映出硝化效果。但在利用指示生物进行监测评价 的同时，也必须要考虑到指示生物的广栖性，同类指示生物不同种属 的生存适应范围也有不同，例如钟虫类中的累枝虫有较强的耐污能力， 在中污带中也能生活。因此，不町以单凭生物检测或盲目的按别人得 出的经验来指导生产运行，那将是危险的。而且由于生物指标目前还 缺乏严格的标准，故生物检测只能作为一种定性或辅助手段，仍需要 和化学、物理学的测定方法相结合来指导实际工程的生产和运行。 1 3 氨氮废水处理方法简介 受污染水体巾，氮主要以有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮 网种化合物形式存在。其中，有机氮和氨氮所占比重较大，且以氨氮 的危害最为严重。而有机氮在异养微生物的氨化作用下，又可以转化 为氨氮形式，所以废水中氨氮的去除对于保护环境致关重要。氨氮废 水处理方法中主要分为两大类：物化法和生物硝化法。 1 3 1 物化法 ( 1 ) 空气吹脱法 废水中氨主要以铵离子( n h 4 + ) 和游离氨( n h 3 ) 的形式存在，且二者 之间为动态平衡。随着p h 值的变化，平衡发生移动。当调节适当的p h 值时，一般p h = 9 5 1 1 5 ，使绝大部分铵转化为游离态氨，然后通入空 气将废水中的氨吹除，达到去除氨氮的目的。该方法比较适合高浓度 氨氮废水的处理，如垃圾渗滤液( 氨氮浓度1 5 0 0 - 2 5 0 0 m g l ) ”、制药废 水( 氨氮浓度7 2 0 0 7 5 0 0 m g l ) ”4 】的处理，操作条件控制适当，氨氮去除 率较高。但吹脱后仍有几十至几百m g l 的氨氮残留在废水中，需要后 续深度处理。此法优点是流程简单，易管理，缺点是气温低时除氨效 率不高，能耗大，吹脱塔易发生堵塞以及游离氨逸出会造成二次污染。 ( 2 1 强酸性阳离子交换树脂法【l “与沸石吸附法 强酸性阳离子交换树脂对废水子氨氮的去除作用是由于连接在树 脂磺酸基( s 0 3 h ) 上的h + 与废水中的n h 4 + 相互交换，使废水中的氨氮 被有效除去，失效的树脂经稀硫酸再生后可继续使用，废水中的离子 交换反应可用下式表示( r 代表离子交换树脂的骨架部分) ： 东北师范人学硕士毕业论文 r s d j 日+ n h ；- - ) r s q n h ；+ h + ( 1 - 1 ) 2 r s 0 3 一n h ；+ h 2 s 0 4 寸2 r s 0 3 日+ ( n h 4 ) 2 s o ,( 1 2 ) 此法选择性强，有副产品硫酸铵产生，但药剂消耗量大，处理成 本高。 沸石吸附交换法在国内外都有研究 1 6 , 1 7 ，其去除氨氮机理主要为离 子交换作用。沸石骨架上的平衡阳离子和水分子与骨架结合得不紧密， 极易与周围水溶液里的阳离子发生交换，交换后的沸石晶格结构不被 破坏，这就使得沸石具有阳离子交换特性。其去除水中氨氮以及再生 的过程如下式所示( z 代表沸石骨架) ： 除氨过程：z n a + + 阍：一z n h ；+ n a +( 1 3 ) 再生过程：z n h ；+ n a + - - + z 一批+ + n h ； ( 1 4 ) 此法通常处理能力不大，要求有澄清或过滤等预处理设备，对低 浓度氨氮废水的处理效果较好，多用于废水的二级或三级深加工处理。 ( 3 1 化学沉淀法 化学沉淀法是近年来兴起的一种新的去除高浓度氨氮的方法。 n h 4 + 在一定条件下可以与一些离子形成不溶于水的复盐，如磷酸铵镁、 磷酸铵锌、磷酸铵锰和磷酸铵镍等。研究表明，弱碱性条件下，采用 磷酸铵镁沉淀法( 简称m a p 法) 可有效地去除废水中n h 4 + n ，其反应如 式( 1 - 5 ) 所示【1 ”。从理论上讲，每去除1 9 n - h + 一n 就应该有1 7 5 9 m g n h 4 p 0 4 6 h 2 0 沉淀生成。 m g “+ n h ；+ p 0 4 3 一+ h 2 0 m g n h 4 p 0 4 6 h 2 0 士 ( 1 5 ) 化学沉淀法所需反应时间短，操作简单，并且产生的沉淀物含氮、 磷等具有肥效的元素，可用做复合肥。但实际废水成分复杂，此法受 到诸多因素的干扰。如溶液中的铁离子、铝离子、钙离子等，尤其是 钙离子会直接与磷酸根结合生成更难溶的沉淀物，以及在p h 值控制不 当的情况下，磷酸镁和氢氧化镁的产生，都会阻碍生成磷酸铵镁沉淀， 影响脱氨效果【l 。所以，并不是每种废水都适合用此法进行处理，至 少要排除干扰因素之后，m a p 法才可有效地应用。 6 东北师范大学硕十毕业论文 1 3 2 生物硝化法 废水生物处理中，氨态氮可以在两类自养细菌( 亚硝酸菌和硝酸菌) 的作用下，逐步被氧化为硝酸盐 2 0 1 ，硝化菌在氧化氨的同时获得一定 能量来维持自身的代谢和进行生长繁殖，这一过程称为生物硝化，如 下式所示： 2 n h ：+ 3 0 2 j 骂2 婀+ 4 h + + 2 h 2 0 ( 1 - 6 ) 2 n 0 2 + 0 2 鸟2 加i( 1 7 1 ( 1 一1 1 式与( 1 2 ) 式合并后为总反应方程式： n h ：+ 2 d 2 堕马婀+ 2 h + + 马d ( 1 - 8 ) 从式( 1 6 ) 与( 1 7 ) 可以看出，生物硝化是一个好氧过程，且在氨的 氧化过程中有酸产生，所以生物法去除氨氮会受到溶解氧和p h 值的影 响【2 1 , 2 2 。此外，废水中碳氮b 2 2 3 1 以及水温等因素都会对生物硝化过程 产生影响。 在生物脱氮方法研究中人们发现，由于氨的硝化是由两类独立的 细菌完成，因此可以将氨氧化控制在亚硝酸盐阶段，直接进行后续生 物处理即反硝化，这样不仅降低了氧的消耗，而且在反硝化时外加有 机物的量理论上亦可节省4 0 【2 4 】。由此可见，脱氮过程中氨硝化及亚 硝化的研究具有非常重要的意义。 生物法去除氨氮以其运行费用低，处理效果好，不会造成二次污 染等优点，越来越受到环保工作者的重视并开展了广泛的研究 2 5 , 2 6 1 。 1 4 移动床生物膜反应器简介及国内外研究概况 1 4 1 移动床生物膜反应器简介 移动床生物膜反应器( m b b r l n o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r ) 1 9 8 8 年 最先由挪威k a l d n e sm i l i j ot e k n o l o g i ( k m t ) 公司与s i n t e f 研究机构联 合开发并申请专利( n o1 7 26 8 7 ，p c t n o9 i 0 0 0 7 ) 27 1 。本法又称悬浮填 料移动床工艺，它是吸收了传统的流化床和生物接触氧化法两者的优 点而成的一种高效污水处理方法，其主要原理就是以比重接近水的悬 东北师范大学硕十毕业论文 浮填料直接投加到曝气池中作为微生物生长附着的载体，依靠曝气池 内的曝气和水流的提升作用在反应器内自由流动( 在厌氧反应器中由搅 拌器械带动形成流化状态) ，此法不需反冲洗和污泥回流，而且水头损 失小，是悬浮生长的活性污泥法与附着生长的生物膜法相结合的一种 工艺2 8 09 1 ，兼有完全混合式活性污泥法均匀接触所形成的高效率和生物 膜法能承受高负荷冲击的双重优点。 填料是反应器的核心部分，其性能的好坏直接关系到挂膜的难易 程度、反应器中生物量的多少和反应器运行效果的好坏口。填料一般 耐腐蚀、耐磨性较好，这样可以应用更持久，减少运行费用；密度与 水相近，可以减少曝气过程的动力消耗；另外，微生物可利用附着生 长的比表面积巨大，这样无须污泥回流就可以保证反应器内有足够量 的微生物进行废水处理。而且，大量生物膜的形成，有利于世代期较 长的硝化细菌的大量繁殖，所以，移动床生物膜反应器具有很强的硝 化能力。 与其他废水生物处理方法相比，移动床生物膜反应器操作更为简 单，产泥量少，处理高负荷能力和效果方面也更有优势 3 1 , 3 2 。 1 4 2 国内外研究概况 移动床生物膜反应器( m b b r ) 自1 9 8 8 年开发以来，在国外得到一 定的发展，现在有1 0 0 多个基于此技术的污水处理厂在世界各地的1 7 个国家已经投入使用或在建造之中，它们主要用于城市污水【33 j 或工业 废水中有机物质及n h 4 + - n 的去除 3 ”。国外在应用m b b r 进行处理生 活污水、工业废水的小试、中试及生产性实验研究中，普遍取得了较 好的效果。近年来，我国不少学者也进行了这方面的研究，但用于生 活污水处理的研究较多，在工业废水方面的应用研究较少，而且大多 处于实验性研究阶段，移动床生物膜工艺在我国污水处理工程中的应 用实例还不多。 移动床生物膜反应器可减小现有污水处理系统的体积，易于在现 有污水处理厂基础上升级口，且处理效果更好。g a n d r e o r o l a 等人通 过中试成功地升级一超负荷污水处理厂，使有机碳和氨氮的去除率在 东北师范人学硕士毕业论文 水力停留时间为5 5 7 h 时分别达到8 8 矛u9 0 3 6 ，即使在8 。c 的低温 下，碳氮的去除率仍达到了7 3 和7 2 【3 7 。m b b r 工艺无需污泥回流， 所需的沉淀池体积小而且无堵塞，易管理。所以m b b r 是生物处理工 艺升级时的一个很好的解决方法。 此外，m b b r 法可以和一些物理、化学方法相结合 3 8 ，应用于要 求深度处理的小型污水处理厂。有人采用a 1 ”作絮凝剂与移动床生物 膜反应器联用【3 ，使出水c o d 达到5 0 m g l 以下，b o d 7 的去除率超 过9 6 ，出水总磷浓度小于o 3 8 m g l ，去除率超过9 7 。同时，其他 污染物也得到了有效地治理。 目前移动床生物膜反应器在我国主要以小试及基础性研究为主。 如填料开发、反应器设计、低浓度有机废水和氨氮去除等方面 4 1 , 4 2 ， 所以考察移动床处理较高浓度有机废水和处理低有机负荷高氨废水的 能力是很有意义的。 1 5 移动床生物膜反应器运行效果的影响因素 1 5 1 毒物及毒害作用机理 废水生物处理是以废水中所含的污染物作为营养源，利用微生物 的代谢作用使污染物被降解，废水得以净化。显然，如果废水中的污 染物不能被微生物降解，生物处理是无效的。当废水中突然进入有毒 物质或待处理废水本身所含毒性物质超过微生物耐受限度时，将会对 微生物产生抑制和毒害作用，使系统的处理效率降低甚至破坏整个系 统的正常运行。微生物对不同毒物的耐受限度不同 4 3 ，通常经过驯化， 可以提高微生物对某些特定有毒物质的抗性，从而提高对含有毒物废 水的处理效率【。 废水中凡是能延缓或完全抑制微生物生长的化学物质，统称为毒 害物质，简称毒物。这些毒物从化学性质上来分可划分为有机物和无 机物；从处理的角度又可划分为能被生物处理去除转化的物质( 如h 2 s 、 苯酚、c n 一等，也称非稳定性毒物) 和不能被生物处理去除转化的物质( 如 汞、铜等，也称稳定性毒物) 两大类。毒物对微生物的毒害作用机理主 要表现在以下几个方面【4 5 j ： 9 东北师范大学硕十毕业论文 ( 1 ) 损伤细胞结构成分和细胞外膜； ( 2 ) 损伤酶和重要代谢过程； f 3 1 竞争性抑制作用； ( 4 ) 对细胞成分合成过程的抑制作用； ( 5 ) 抗生素对核酸、d n a 和细胞壁合成的抑制作用。 1 5 2 可生化性 所谓废水可生化性的实质是指废水中所含的污染物通过微生物的 生命活动来改变污染物的化学结构，从而改变污染物的化学和物理性 能所能达到的程度。研究污染物可生化性的目的在于了解污染物质的 分子结构能否在生物作用下分解到环境所允许的结构形态，以及是否 有足够快的分解速度。在废水生物处理中，b o d 5 和c o d 是常用的两 个水质指标，用b o d 5 c o d 值评价废水的可生化性是广泛采用的一种 最为简易的方法。在一般情况下，b o d 5 c o d 值愈大，说明废水可生 化处理性愈好。综合国内外的研究结果，可参照下表来评价废水的可 生化性 4 6 。 表1 1 废水可生化性评价参考数据 b o d 5 c o d 值 0 4 50 3 0 4 5o 2 o 3 o 2 可生化性好较好较难不宜 1 5 3 溶解氧的影响 根据对环境中氧的需要与否，可将微生物按氧的需求分类。凡利 用分子氧作为电子受体的微生物都是好氧的，而利用除分子氧以外的 其他分子作为电子受体的则为厌氧微生物，兼性微生物既可利用分子 氧作为电子受体，也可利用其他化合物作为电子受体。但这类微生物 在有氧的环境中生长速率更快。好氧微生物在无氧环境中不能生存， 而厌氧菌在有氧环境中则会中毒。因而在好氧工艺中需要强化供氧方 式，充分满足微生物对氧的需求，而厌氧工艺则正好相反，需要与氧 严密隔绝。 此外，溶解氧也是废水生物脱氮工艺中重要的影响因素。在硝化 l o 东北师范大学硕士毕业论文 阶段，溶解氧卅i 足会导致无法提供足够的电子受体而减缓微生物的硝 化速度，在反硝化阶段又会由于溶解氧浓度过高而抑制反硝化菌的生 长，从而使大量硝酸盐和亚硝酸盐积累下来，进而导致处理效率下降。 1 5 4 温度的影响 微生物生长的全过程都完全取决于生化反应，而这些反应的速率 又直接受温度的影响。在限值内，微生物的生长会随温度的增高而逐 渐达到最大生长= 率，超过限值后，酶的活性会随温度升高迅速失活， 微生物的生长率便很快下降。一般而言，温度在2 3 0 时微生物生长 很快，水处理效果也好，但当温度高于3 5 或低于1 0 时，微生物生 长缓慢，水处理的效果变差，出水水质变坏。所以利用移动床生物膜 反应器处理高温废水m 和探索低温对反应器处理效率的影响等研究 领域也同样受到了环保工作者的关注。同时，温度也是影响氧转移速 率的直接因素，随着温度的升高，水中溶解氧呈下降趋势，从而减缓 了有机物的氧化分解，降低了系统的处理效率；促使氨的硝化过程不 完全，造成亚硝酸盐的积累。但近年来研究发现 4 5 0 】，通过控制温度并 联合溶解氧作为控制参数，以亚硝酸盐途径进行硝化反硝化既可以提 高废水的处理效率又能节省能源和减少反应器容积。 1 5 5p h 值的作用 生物体内的生化反应都是在酶的参与下进行的，酶反应需要合适 的p h 值范围，过高或过低的p h 值会导致酶的失活，因此废水的酸碱 度对微生物的代谢活力有很大的影响口”。废水生化处理实践经验表明， 废水酸碱度以p h 值保持在6 0 9 0 之间较为适宜。但微生物经驯化后， 适应范围可进一步扩大。另外，p h 值可以显著影响氨的硝化过程。溶 液中氨的存在形态受p h 值影响分为离子态和分子态( 游离氨) 。其中游 离氨对水中微生物有很强的毒害和抑制作用。a m t h o n i s e n 的实验结果 显示 5 2 ，游离氨对氨氧化菌的抑制浓度为1 0 1 5 0r a g l , 而亚硝酸盐氧 化菌的抑制浓度为0 1 1 0 m g m 。 总之，废水性质和环境因素的分析，以及判断采用生物法处理废 水是否合适，是设计废水生物处理工程的重要步骤。 f j ( i l 师范大学硕士毕业论文 1 5 6 水力停留时间及负荷的影响 废水生物处理工程中所涉及的停留时间主要包括水力停留时间 ( h r t - - h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ) 和微生物在反应器中的停留时间即污泥 龄。传统的活性污泥法处理，既要考虑水力停留时间又要考虑污泥龄， 以维持反应器内一定浓度的生物量。微生物停留时间短，则反应器内 生物相以世代较短的生物为主，反之则以世代较长的微生物为主。而 在移动床生物膜反应器中通常只考虑水力停留时间，因为反应器内大 部分微生物以生物膜的形式附着生长存填料上，一般世代期较长。由 于只考虑水力停留时间，使移动床生物膜反应器在工程设计上简化了 许多。水力停留时间可通过下式计算： 0：三(1-9) q 式中：日水力停留时间( 日) 矿容器体积 q 废水量日 由上式可以看出，在废水量一定的条件下，延长水力停留时间， 则会增加建筑体积，提高投资成本。虽然随着h r t 的延长，可以提高 污染物的总去除率，但单位时间污染物的去除效率是逐渐降低的。所 以，实际工程中h r t 的设计不宜过长。当然，在给定的h r t 内，微生 物是不可能降解掉所有可降解有机物的【53 1 ，所以需要在成本与处理效 果之间确定一个平衡点。 废水生物处理系统中负荷有三种表示方法：反应器单位容积的污 染物负荷量( 容积负荷) ；单位填料面积的污染物负荷量( 填料表面负荷) ； 单位生物量的污染物负荷量( 污泥负荷) 。有机负荷是影响硝化效果的重 要因素，有机负荷的增加会使硝化速率降低。因为当有机物浓度较高 时，异养菌与硝化菌竞争生物膜表面的空间和溶解氧，从而抑制硝化 细菌的增殖；若异养菌数量大大超过硝化菌时，也会阻碍氨向硝化菌 的传递。 此外，废水的组成以及具体的地理位置等条件都会影响到反应器 的运行效果。所以，在实际工程建造之前，小试、中试实验和不同影 东北师范人学硕士毕业论文 响因素的考察是必要的。 1 6 研究目的与内容 1 6 1 研究目的 本实验旨在模拟实际工程，建立一种新型填料移动床生物膜反应 器的小试模型，考察其处理较高浓度生活污水( 混有部分工业废水) 的能 力和对低有机负荷高氨模拟废水的硝化能力，并确定反应器的最佳运 行参数，建立相应的数学模型，为实际工程的建立提供参考。 1 6 2 研究内容 实验分为两阶段，第一阶段以混有部分工业废水的生活污水为处 理对象，主要考察反应器去除有机物的能力；第二阶段采用实验室配 制的低有机碳高氨模拟废水，考察系统在不同条件下去除氨氮的效果。 具体研究内容如下： ( 1 ) 料对曝气充氧性能的影响( 清水实验) ； ( 2 ) 预挂膜与培养生物膜对启动实验的影响 ( 3 ) 填料填充率对有机物去除效果的影响； ( 4 ) 停留时间( h r t ) 、有机负荷对反应器处理效率的影响； ( 5 ) 移动床生物膜