（环境工程专业论文）改性载体在流化床中固定化微生物及处理苯胺废水的研究.pdf

摘要 摘要 流化床为一种高效的生物膜反应器，具有高生物浓度和高生物活性等特点。但是目 前生物流化床技术还没有很广泛地推广，还存在不少需要攻克的难题，其中有一条非常 重要的就是流化床效率的提高和节能问题。目前流化床载体中无机载体普遍存在比重 大，流化困难和挂膜较难等缺点，而有机载体经常存在着表面光滑、亲水性差等问题， 不利于提高反应器的效率和节能。当流化床内载体的密度接近水时，容易流化，有利于 反应器节能；载体空隙率大有利于增大固定化微生物量，载体表面亲水或者带正电荷或 者具有活性官能团有利于微生物附着，从而有利于反应器处理效率的提高。所以在研制 流化床载体时，应该着眼于使密度接近于水、增大空隙率和使得表面亲水或者带上正电 荷或者具有活性官能团。本论文尝试对两种已有的材料进行改性，并将此两种改性载体 与流化床传统的载体颗粒活性炭通过静态和动态实验进行比较，然后对其中固定化微生 物性能较好的改性聚氨酯海绵载体进行微生物固定化行为研究。在取得较好的结果以后 将其应用于同步去除苯胺废水中苯胺和n h 4 + n 的研究，在此实验中详细地研究了实验 的启动和驯化过程，并随后进行了毒性实验和因素实验。 为了考察改性后的两种载体的微生物固定化性能的好坏，进行了静态和动态实验， 结果表明：由静态和动态实验可以看出，海绵载体捕获微生物地能力最强，主要是由于 海绵的多孔结构，对微生物具有截陷作用，而且聚氨酯海绵本身对于微生物不具有毒性， 当处于流化状态时，在海绵载体内微生物的活性较高。这表明，海绵载体是一种适合于 流化床的优良的载体。 在微生物固定化过程中，存在着较多的影响因素，本论文对其中几个主要因素的影 响进行了研究，发现：n v ( 有机容积负荷) 促进固定化微生物的繁殖速度，同时影响了 载体内部的微生物种类；随着h r t 从9h 减少到o 5h ，悬浮污泥量大量减少，附着污 泥量在总污泥量中所占比例开始上升，最终达到1 0 0 ；在一定范围内，接种污泥浓度 越高，越有利于反应器的快速启动；当载体能够保证流化的前提下，填充率越高在相同 的时间内的固定化微生物量最大。 在同步去除苯胺废水中苯胺和n h 4 + 一n 实验的驯化和挂膜过程中，改性聚氨酯海绵 载体的固定化微生物量最终达到了2 7 5 9 l 。高的微生物浓度保证了本启动过程的成功， 也证明了改性聚氨酯海绵载体是一种优良的载体，可以很好地将苯胺降解菌和硝化细菌 同时固定在一起，使其能和谐共存，并发挥了良好的生物协同作用。 当外界条件为p h 为7 5 8 5 ，d o 浓度为2 0 3 0 m g l ，无机碳源( n a h c 0 3 ) 添加 量为2 0 0 3 0 0 m 【l 时能有效地实现苯胺与氨氮的同步去除。此条件f 苯胺去除率接近 9 8 ，n h 4 + - n 去除率在9 8 9 9 之问。 关键词：废水生物处理：三相流化床；载体；改性聚氨酯海绵；硝化 华南理工大学工学硕士学位论文 a e r o b i cf l u i d i z e db e di sa l le f f i c i e n tb i o f i l mr e a c t o ri nw h i c hm i c r o o r g a n i s m sc o n c e n t r a t i o n a r eh i g ha n dm i c r o o r g a n i s m si sa c t i v e b u tm a n yp r o b l e m sb l o c kt h es p r e a do fa e r o b i c f l u i d i z e db e da tp r e s e n t n o wt h ea e r o b i cf h i d i z e db e dc a r d e r sa r ec o n s i s to ft h ei n o r g a n i c c a r r i e r sw h i c hh a v es h o r t c o m i n g ss u c ha sh e a v ys p e c i f i cg r a v i t ya n do r g a n i cc a r d e r sw h i c h h a v es h o r t c o m i n g ss u c ha sp o o rh y d r o p h i l e w h e nt h ed e n s i t yo fc a r r i e r si sc l o s et ow a t e r ，i t c a nb ef l u i d i z e d e a s i l yw h i c hc a ns a v ee n e r g y h i g hi n t e r s p a c e r a t ei sf a v o ro fh i g h m i c r o o r g a n i s mc o n c e n t r a t i o n t h es u r f a c ew h i c hi sh y d r o p h i l i c o r p o s i t i v e i sf a v o ro f a t t a c h m e n to fm i c r o o r g a n i s m s a l lc a l le l e v a t et h ee f f i c i e n c yo fr e a c t o r s o ，c a r r i e r ss h o u l db e m a d et ol i g h td e n s i t y ，h i g hi n t e r s p a c er a t e ，h y d r o p h i l i ca n dp o s i t i v e t w oc a r d e r sw e r em a d e b ym o d i f i c a t i o n a n d t h et w oc a r d e r sa r ec o m p a r e dt og a cb ys t a t i ca n dd y n a m i c e x p e r i m e n t t h ei m m o b i l i z a t i o no fm i c r o o r g a n i s m si n t h em o d i f i e dp o l y u r e t h a n ec a r r i e r s ( m p c ) i ss t u d i e d i ti si m p l i e dt o t h ee x p e r i m e n ti nw h i c ht h er e m o v e m e n to fa n i l i n ea n d n i - i g + - ns i m u l t a n e o u s l yi ss t u d i e d t h e nt h et o x i c i t ya n df a c t o r sa r es t u d i e d t h er e s u l t s p r o v e dt h a t t h ec a p t u r ef o rm i c r o o r g a n i s m so fm p ci sb e s ta m o n gt h et h r e e c a r r i e r s b e c a u s eo ft h ep o r o u ss t r u c t u r ea n di t si n n o c u i t y w h e nt h ec a r r i e ri sf l u i d i z e d ，t h e a c t i v i t i e so fm i c r o o r g a n i s m si sb e s t s ot h ec a r r i e rm a d eo fp o l y u r e t h a n ei sat y p eo fc a r r i e r w h i c hi ss u i to fa f b r m a n y f a c t o r sa f f e c tt h ep r o c e s so fi l m n o b i l i z a t i o no fm i c r o o r g a n i s m s i ti ss t u d i e dt h a ts e v e r a l m a i nf a c t o r sa f f e c tt h ep r o c e s s t h er e s u l t sa r et h a tn vc a na c c e l e r a t et h ep r o p a g a t er a t ea n d a f f e c tt h es o r t so fm i c r o o r g a n i s m si n s i d et h ec a r r i e r s a l o n gw i t hh r tw h i c hc h a n g ef r o m9 h t oo 5 h t h em l s sd e c r e a s ea n dt h ep r o p o r t i o no fa t t a c h e db i o m a s st ot si n c r e a s et o1 0 0 t os o m ee x t e n t ，t h er a t eo fs t a r t u pi n c r e a s ea st h ec o n c e n t r a t i o no fi n o c u l a t i o ns l u d g e t h e b i o m a s si n c r e a s ea l o n gw i t ht h ev o l u m er a t i ow h i c hc a r r i e rh a v et ot h er e a c t o rv o l u m ei ft h e c a r r i e r sc a nf l u i d i z e i nt h e p r o c e s s o fd o m e s t i c a t i o na n ds t a r t u pf o r r e m o v i n gt h e a n i l i n ea n dn h 4 + - n s i m u l t a n e o u s l y t h eu l t i m a t eb i o m a s si m m o b i l i z e di n s i d et h em o d i f i e dp o l y u r e t h a n ec a r r i e r s i s 2 7 5 9 lw h i c hg u a r a n t e et h es t a r t u pa n dp r o v e t h a tt h ec a r r i e rm a d eo fm o d i f i e d p o l y u r e t h a n ei sn i c ew h i c hi m m o b i l i z et h ea n i l i n eb a c t e r i aa n dn i t r o b a c t e r st o g e t h e ra n dm a k e t h e mw o r kc o o p e r a t i v e l y t h es i m u l t a n e o u sr e m o v i n go fa n i l i n ea n dn 1 4 4 + nc a np e r f o r mw e l la tp h7 5 8 5 ，d o 2 0 - 3 0m g l , n a h c 0 32 0 0 3 0 0 m g lo nt h ec o n d i t i o no fw h i c ht h er e m o v a lr a t eo fa n i l i n ei s 9 8 a n dt h er e m o v a lr a t eo fn i - h + ni sb e t w e e n9 8 w i t h9 i i a b s t r a c t k e y w o r d s ：b i o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ；t h r e e p h a s ef l u i d i z e db e d ；c a r r i e r s ； m o d i f i e d p o l y u r e t h a n es p o n g e ；n i t r i f i c a t i o n i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： y 尔揖盎9 日期：2 一d 年6 月2 ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密瓯 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：劝研趔 剔稚各勺钿诗 日期：埘岁年月吖日 日期：加o i - 年月叫日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 生物流化床处理污水的研究和应用始于2 0 世纪7 0 年代初的美国。它以生物膜法为 基础，吸收了化工操作中的流态化技术，形成了一种高效的废水处理工艺，是生物膜法 应用的一大突破。生物流化床技术是使废水中的基质在床内同均匀分散的生物膜相接触 而获得降解去除。因载体颗粒较小，总比表面积大，为微生物生长提供了足够的反应场 所，因而提高了单位容积的微生物量：其次，废水从载体生物颗粒的四周流过时能与生 物颗粒广泛而频繁地接触，加之细小而密实的载体在床内的互相摩擦作用使得生物膜能 够保持最佳活性状态，同时也加速了有机污染物由废水中向微生物膜内的传质过程。 在2 0 世纪7 0 年代初的美国，作为固定床生物膜法的生物滤池技术已得到较为普遍 的应用。固定床操作存在容易堵塞的缺点，因此需要选用大粒径的滤料以减少阻力，然 而大粒径滤料降低了微生物附栖生长的比表面积，降低了反应器内的生物量浓度，从而 影响了处理效率。能否在解决堵塞问题的同时又能保证很高的处理效率就成为人们所关 心的课题。在这种背景下，人们提出了将固定床改变为流化床的设想。1 9 7 3 年美国人 j e r i s 和j o h n s 等将流态化技术用于废水生化处理，并于同年申请专利，1 9 7 5 年投入工业 性生产，现为e c o l o t r o l 公司的专利，其商品名为h y f l o 流化床。1 9 8 0 年4 月在英国 曼彻斯特举行了一次世界性的“生物流化床处理废水”的专题会议，与会专家学者对生 物流化床净化污水的反应动力学、生物流化床在城市污水和工业废水的处理以及处理核 工业产生的高浓度硝酸盐废水等方面的内容进行了广泛的交流和讨论。与会者一致认 为，从本质上讲，生物流化床是一类既有固定生长法特征又有悬浮生长法特征的反应器， 具有容积负荷高、传质速度快、抗冲击能力强、占地面积小、运行稳定等优点，适宜城 市生活污水的二级处理和三级处理以及工业废水的处理。目前，生物流化床应用于工业 废水的处理已经成为水污染控制领域的研究热点之一。进入2 0 世纪后期，已建成了一 些中小型的生物流化床装置并投入生产运行，主要应用于纺织印染、石化、炼油、皮革 等行业高浓度有机工业废水的治n t l 。3 1 。 我国在这方面的研究起步较晚【l l 。1 9 7 8 年，兰化研究院环保所开始进行纯氧生物流 化床处理石油化工废水的研究工作，先后进行了石油化工综合废水、丁烯氧化废水、甲 醇废水和油漆废水处理的研究。1 9 7 9 年，国家建委城建局向成都市政设计院、北京市环 保所、哈尔滨建工学院、武汉给水排水设计院等单位下达了生物流化床专题研究任务， 上述各单位以城市污水为对象各自进行了比较广泛的探索和研究，在此基础上推出了以 兼气床为主的工艺流程。国内不少单位对生物流化床有研究，如上海医药设计院、北京 环保所、华南理工大学环境科学研究所、抚顺石油炼制研究所、哈尔滨建筑工程大学、 华南理t 大学丁学硕十学位论文 清华大学等，已经用它处理印染和制药等废水，取得了良好的效果眠 1 1 1 生物流化床的分类 按照载体流态化的推动力，生物流化床可分为以液相流动为推动力的两相流化床和 以气体流动为主要推动力的三相流化床两大类。其中两相流化床又分为好氧流化床和厌 氧流化床。一般厌氧流化床中只有当厌氧微生物的产气量非常大的时候才可能形成三相 厌氧流化床【5 】。生物流化床的分类见图1 - 1 。 厂厌氧生物流化床 l 好氧生物流化床( 体外充氧) ，传统三相生物流化床 _ 外循环_ - - , f h 生物流化床 、 内循环三相生物流化床 图1 - 1 生物流化床的分类 f i g 1 - 1c l a s s i f i c a t i o no fb i o f l u i d i z e db e d s 根据其结构形式，三相流化床又可分为传统三相流化床、外循环三相流化床、内循 环三相流化床等三类【3 一，如图1 - 2 所示。 进 口 口 床 床 化 化 流 流 物 物 生 生 相 相 两 三 厂 颗粒活性炭 木 屑，载体内固定化微生物的活性木屑载体 海绵载体 颗粒活性炭。 2 3 3 动态实验 虽然在静态实验中，改性聚氨酯海绵载体固定化微生物量最大，活性也较强，但是， 在流化床中水力条件比较剧烈，很容易将固定化的微生物冲洗下来，因此，容易捕获微 生物的载体不一定能在流化床中牢固的固定化微生物。所以，设计了三种载体在流化床 中的动态实验来检验三种不同的载体在流化床中固定化微生物能力，并了解他们之间的 差别。实验结果见图2 4 和图2 5 。 由图2 4 比较这三种载体的固定化污泥量，认为海绵载体之所以在较短的时间内就 固定化了大量的污泥，其主要原因是与海绵载体多孔和孔径大的特点有关，而且海绵载 体由于本身较轻，因此在水中时水充斥在海绵中，海绵此时的孔呈张开状态，在流化床 中流动的过程中，像一张网一样对活性污泥不断的捕获，从而在较短的时间内使得载体 聚集了大量活性污泥，虽然活性污泥不断地流失，但是在不断地捕获和流失的过程中， 随着活性污泥的生命活动，产生了大量的胞外多聚物( e p s ) ，这种物质微生物产生的 e p s 主要成分是一些不同类型的高分子物质，如多糖，蛋白质，核酸等聚合物i “j ，这些 高分子物质在细胞之间起到连接作用，使得在海绵载体内部的污泥连成一体，同时这种 物质具有一定的粘性，将细胞与载体粘结起来，同时由于在生长的过程中，丝状菌繁殖， 穿插在活性污泥中，形成了一种类似于“骨架”的结构，使得被固定在载体内部的菌胶 团不易脱落，从而形成了载体内的固定化生物群落。而颗粒活性炭外表粗糙，比表面积 大，虽然有许多孔由于孔径过小，并不能让微生物繁殖，但是仍然有许多大孔可以让微 生物生存，这使它在微生物保护和附着方面优于许多其他的载体，并且，由于活性炭对 有机物具有吸附能力，所以颗粒活性炭还具有在生物量增殖到有足够能力代谢基质之前 储存基质的能力。但是由于在挂膜最开始的可逆附着阶段，此时主要的结合力主要是来 2 0 第二章载体的改性和筛选实验 白于活性炭的吸附作用以及微生物在水中所做的布朗运动，由于此时的吸附力较弱，使得 依附在颗粒活性炭表面的微生物容易被水力剪切作用所冲刷掉，而且，由于颗粒活性炭 不能像海绵那样能在较短的时间内捕获大量的污泥，从而附着在颗粒活性炭表面的微生 物量较少。木屑载体显然是由于表面的化学键的作用较弱，难以在流化床中固定化较多 的微生物在其表面，这可能是由于化学键的数目太少或者正电荷总量太小引起的。 由图2 5 可以看出，在三种载体中，改性聚氨酯海绵载体内固定化的微生物活性最 高，改性木屑载体次之，而颗粒活性炭上附着的微生物活性最弱。分析原因认为，可能 是由于颗粒活性炭形成的生物膜最致密，所以氧气的传递效果最差，而改性聚氨酯海绵 载体孔隙率高，孔径较大，形成的固定化生物团密度较小，所以在载体内的氧气的传递 效果较好。这一点由于实验条件所限，无法做出正确地解释，在目前所见的文献中，也 没有找到合适的理由。比较图2 4 和图2 5 还可以看出，随着反应器各种载体附着微生 物量的增加，附着微生物的活性下降，这表明，随着附着微生物量的增加，附着微生物 可以获取的有机物量减少，并且传氧传质效果开始变差，从而微生物的活性减弱，这一 点与p g i k a s l 75 j 的结论相同。综合上面得到如下结论：在三种载体中，对微生物的吸附 能力海绵载体 颗粒活性炭 木屑，载体内固定化微生物的活性海绵载体 木屑载体 颗粒活性炭。表明改性聚氨酯海绵载体适合于作为流化床的载体，而且是一种优良的流 化床载体。 图2 - 4 载体类型对载体上生物量的影响 f i g2 - 4t h ee f f e c to fc a r r i e ro nt h ea t t a c h e db i o m a s s 华南理工大学工学硕士学位论文 图2 5 载体类型对载体上微生物的活性的影响 f i g2 - 5t h e e f f e c to fc a r r i e ro nt h ea t t a c h e dm i c r o o r g a n i s m sa c t i v i t y 2 4 本章小结 ( 1 ) 两种载体在改性后，具有较大的比表面积和接近于水的密度，同时亲水性都 有所上升，改性后的木屑载体表面具有带有f 电荷的环氧基。 ( 2 ) 静态实验中对微生物的吸附能力海绵载体 颗粒活性炭 木屑，载体内固定 化微生物的活性木屑载体 海绵载体 颗粒活性炭。 ( 3 ) 动态实验中三种载体固定化微生物的能力海绵载体 颗粒活性炭 木屑，载 体内固定化微生物的活性海绵载体 木屑载体 颗粒活性炭。 ( 4 ) 由静态和动态实验可以看出，海绵载体捕获微生物的能力最强，2 4 d 最终生 物量接近于3 5g ，l ，这主要是由于海绵的多孔结构，对微生物具有截陷作用，而且聚氨 酯海绵本身对于微生物不具有毒性，当处于流化状态时，在海绵载体内微生物的s o u r ( 比好氧呼吸速率) 在6 7 m 9 0 2 ( g v s s 附近，而颗粒活性炭和木屑上的微生物的s o u r 分别在4 5m 9 0 2 ( g v s s h ) 和6 2m 9 0 2 ( g v s s h ) 附近，明显在海绵载体内微生物的活性 最高。这表明，海绵载体是一种适合于流化床的优良的载体。 一广o目吾o 第三章改性海绵载体的微生物固定化行为 第三章改性海绵载体的微生物固定化行为 3 1 材料与方法 3 1 1 实验废水 实验废水用葡萄糖作为碳源，以n h 4 c i 、 磷酸盐提供氮和磷，所配废水的b o d ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：l ，再添加一定的m n 、m g 、f e 等微量 元素，具体配方如表3 - 1 ；用n a 2 c 0 3 调p h 值至 6 5 7 0 。 3 1 2 菌种来源 菌种为第二章实验启动所使用的污泥。 3 1 3 实验仪器 空气压缩机( p h - 0 5 ，8 k g f c m 2 ，广东开平 微型电机厂) ；减压阀( y q y 一1 2 ， p 2 = 1 1 6 k g f c m 2 ，上海减压器厂) ：气体流量计 ( l z b 一4 ，0 0 6 0 6m 3 h ，浙江余姚仪表三厂) ； 液体流量计( l z b 6 ，4 - 4 0 l i i ，浙江余姚仪表三 厂) ；加热棒( 2 0 0 w ，广州光明电器厂) 。 表3 1 废水成分 t a b l e 3 - 1 t h ec o m p o n e n to f w a s t e w a t e r 营养成分浓度( m g 1 ) 葡萄糖 n i - 1 4 c l m g s 0 4 。7 h 2 0 k 2 h p 0 4 k h 2 p 0 4 c u s o , f c c l 3 m n s 0 4 n i c l 2 h 3 8 0 3 c o c l 2 3 1 4 载体来源与特性 本研究所用载体为改性聚氨酯海绵载体，相关数据见表2 - 2 。 3 1 5 分析方法 c o d c r ( 重铬酸钾法) ；d o ( 溶氧仪) ；酸度计( p h s 一3 c ) ；生物相观察( n i k o n e 2 0 0 ， 南京) 。 3 1 6 实验方法 1 ) n v ( 有机容积负荷) 的影响 本实验在一个1 0 l 的内循环流化床( 见图2 - 1 ) 中运行，所用废水为人工合成废水 ( 见表3 - 1 ) ，载体粒径为3 r a m 一5 m m 。向反应器中投加5 0 0 m l 的海绵载体以及污泥， 一一巧加加一毗姒一一一 华南理工大学工学硕士学位论文 混合后污泥浓度约2 9 l ，少量曝气，让载体和污泥混合在一起培养1 2 h ，然后闷曝培养 2 d ，不定期测定反应器中c o d c 。，及时换水。两天后开始进水。在三个不同的n v 下进 行挂膜实验，以考察反应器进料模式对其的影响：进水c o d c r 在8 0 0 1 0 0 0 m g l 之间变 化，第一次挂膜控制h r t 为9 h ，n v 约为2 3 3k g ( m 3 - d ) ，历时9 d ；第二次挂膜控制 h r t 为3 h ，n v 约为7 5 4k ( m 3 d ) ，历时9 d ：第三次挂膜控制h r t 为1 1 5h ，n v 约 为1 5 8 6 k g ( m 3 d ) ，历时9 d ，结果见图3 - 1 和图3 2 。 2 、h r t 的影响 本实验与前一个实验类似，n 、，约为7 5 4k g ( m 3 d ) ，在三个不同的h r t 下进行 挂膜实验，以考察反应器水力条件对其的影响：第一次挂膜控制h r t 为9 h ，历时9 d ； 第二次挂膜控制h r t 为3 h ，历时9 d ；第三次挂膜控制h r t 为0 5 h ，历时9 d 。结果 见图3 3 和图3 4 。反应器中的改性聚氨酯海绵载体填充率为5 。 3 ) 接种污泥浓度的影响 实验方法如前，反应器中的载体填充率为2 5 ，n v 约7 5 4k g ( m 3 d ) ，h r t 为 0 5 h 。采用三种污泥接种浓度，第一次采用2 1 4 9 l 的接种污泥浓度；第二次采用约6 9 l 的接种污泥浓度；第三次采用约1 2 l 的接种污泥浓度。结果见表3 4 。 4 1 填充率的影响 本实验为了考察颗粒密集度对微生物固定化的影响。实验方法与前类似，n v 约7 5 4 k g ( m 3 d ) ，h r t 为o 5 h ，接种污泥浓度为2 1 0 9 l ，少量曝气，让载体和污泥混合在 一起培养1 2 h ，然后f 曲曝培养2 d ，约6 h 换一次水。两天后将泥排净，然后开始进水。 在两个不同的填充率下进行挂膜实验，以考察反应器中载体颗粒密集度对其的影响：第 一次挂膜填充率为5 ；第二次挂膜填充率为2 5 。结果见图3 - 6 与图3 7 。 3 3 结果与讨论 3 3 1n 、，的影响 。 在流化床反应器处理污水的过程中，由于污水中有机物组分是固定化微生物食物与 能量的主要来源，因此污水流量及其中的有机物含量就是影响反应器性能的重要因素之 一。污水中的有机物负荷在长时间或短时间内的改变均可导致微生物生长形式的改变， 结果必然会影响到反应器中固定化微生物量的变化。因此本实验的目的就是通过改变 n v 来了解其对固定化微生物量的影响。 由图3 - 1 可以看出，在n v 为2 3 3 k g ( m 3 d ) 时，附着污泥量在o 1 0 2 5 m g l 之 间变化，9 d 内附着污泥量增加得很少，随着实验的进行，悬浮污泥量极快地增长，附着 污泥量在总污泥量中所占比例逐渐减小，到第9 d 时，仅占1 1 左右。随着n v 增长到 7 5 4k g ( m 3 d ) ，此时h r t 为3 h ，停留时问大大缩短，一定量的悬浮污泥冲出，附 着污泥量在总污泥量中所占的比例上升，同时由于n v 上升，加之悬浮污泥量减少，对 第三章改性海绵载体的微生物固定化行为 附着污泥的营养竞争减少，从而附着污泥快速上升，经过9d 的实验后，附着污泥量达 到了2 4e , l 左右，附着污泥量在总污泥量中所占比例达到8 4 左右。当n v 增长到 1 5 8 6k g ( m “d ) 时，此时h r t 为1 5h ，大量的悬浮污泥被冲出，这时附着污泥浓度 上升得占比重的加大，固定化微生物量进一步减少。这主要是由于废水的主要成分是葡 萄糖，所以当n v 增大到一定限度时，丝状菌极易过量生长。这表明，n 。对于固定化 微生物更快，但是随着实验的进行，发现载体内的微生物种类发生了变化，丝状菌大量 繁殖( 见图3 - 1 1 ) ，开始在载体内占优势，这时非丝状菌类微生物量开始减少，由于丝 状菌交叉形成了网状结构，彼此之间空隙较大，从而固定化微生物量减小，随着丝状菌 在中间所量的增长具有很大的作用，在一定范围内且进水浓度不变时，增大n 0 可以加 速固定化微生物量的增长。但是如果在固定化微生物培养驯化阶段，使用的为葡萄糖废 水这种类型的废水，可能过高的n v 会造成菌落形态的变化，使得固定化微生物量减少， 同时，在n v 增大的过程中，所需的曝气量上升，曝气量上升会使得所需的能耗增大， 反应器内平均液流速度上升，水流紊动加剧，这也是造成固定化微生物量减少的原因之 一。 由图3 2 可以看出，这段时间内的c o d o 变化与总污泥量和n v 相关，当n v 较 小时，由于悬浮污泥大量增长，反应器内总污泥量增大，从而f m 较小，所以去除率 较高，而随着n v 的增大，虽然总污泥量增加较快，但是f m 增大，所以c o d m 去除 率下降，当n v 达到1 5 ，8 6k ( m 3 d ) 时，去除率持续下降，这主要是由于有机负荷 增大的同时，固定化微生物量减少所致。 图3 - 1 不同的负荷对微生物固定化的影响 f i g3 1 t h ee f f e c to f o r g a n i cl o a d so i lt h ei m m o b i l i s a t i o n 华南理工大学工学硕士学位论文 嗑 兽 型 爱 图3 - 2 n v 变化阶段进出水c o d c ，的变化 f i g3 - 2 t h ec h a n g eo fc o d c rd u r i n gt h ec h a n g eo fn v 3 3 2 h r t 的影响 h r t 为流化床反应器的一个重要的运行参数，指的是待处理废水在反应器内的平 均逗留时间，也就是污水与生物反应器内微生物作用的平均反应时间，当反应器内h r t 减小时，废水流量上升，造成了反应器内平均液流速度上升，水力剪切力上升，对载体 上的固定化微生物的剥落作用加强，在理论上来说不利于微生物的附着生长。但是从另 一方面来说因为微生物只有在污泥停留时间大于微生物的世代期时才能存留在反应器 内，所以h r t 减小在一定程度上却又有利于将悬浮生长的微生物从反应器内除去，减 少悬浮微生物对附着微生物在营养物和氧气方面的竞争，从而可以促进附着微生物的生 长。 由图3 3 可以看出，当h r t 为9 h 时，随着实验的进行，反应器内悬浮污泥大量增 长，附着微生物量增长不多，与启动初期时比较变化非常小，当实验进行到第9 d 时， 附着污泥量在总污泥量中所占的比例在6 左右。这表明，当h r t 较长时，微生物流失 量小，悬浮微生物的增长速率大于其流失率，从而可以不断增殖而在反应器内逐渐积累 起来。分析原因，认为悬浮的微生物与附着的微生物相比，在生长的竞争过程中更为有 利，这是由于附着的微生物易于受到生物膜内传质阻力和底物扩散限制的影响。当微生 物在载体外部和内部附着以后，底物必须首先穿过表层生物膜才能为载体内的微生物所 利用，故存在底物扩散限制的问题；而当微生物以悬浮状絮体存在时，由于絮体相对于 生物膜来说极小，且呈分散状存在，每个微生物均可自由地与底物接触，极易摄取底物， 因此悬浮生物的生长速率大于附着生物，使悬浮生物量比附着生物量多，其摄取的底物 第三章改性海绵载体的微生物【酣己化行为 量也比附着生物更多，如此造成一种对附着微生物生长不利的循环。随着停留时间的减 短，附着微生物量在总生物量中所占的比例上升，当h r t 为0 5 h 时，悬浮微生物量接 近于0 以，附着微生物量接近6 p j l ，这表明，停留时间缩短，虽然会增大水力剪切力， 但是其对附着微生物地促进作用要强于水力剪切力带来的负面效应。内循环生物流化床 良好运行的基本条件是培养出良好的固定化微生物并减少悬浮生物量，从而发挥高生物 浓度的优势。为了使生物膜生长良好，必须采取较短的h r t ，使得悬浮生物的稀释率大 于其增长率，即使得h r t 小于悬浮微生物增长率的倒数，此时悬浮生物可被冲出反应 器外。由于固定化微生物在载体内部附着生长，当h r t 减小时，只要载体不被冲出反 应器外，固定化微生物就不会随出水流失，即附着生物的稀释率不随h r t 的减小而增 大，从而即使当h r t 很小时，其稀释率仍小于增长率，附着微生物仍可在反应器内繁 殖，因此，为了让固定化微生物生长良好，启动阶段必须采取较短的停留时间，以利于 附着生物的增长。在微生物固定化过程中，其进出水c o d 变化情况如图3 4 。 图3 3h r t 对微生物固定化的影响 f i 9 3 - 3 t h ee f f e c to fh r t o nt h ei m m o b i l i z a t i o no fm i c r o o r g a n i s m s 华南理工大学上学硕士学位论文 莹 篓 图3 4h r t 变化阶段进出水c o d c r 实验 f i g3 - 2 t h ec h a n g eo fc o d c rd u r i n gt h ec h a n g eo fh r t 3 3 3 接种污泥浓度的影响 由于海绵载体是孔网状结构，对反应器污泥具有捕获能力，所以在启动初期的接种 污泥浓度有可能会对反应器的固定化微生物量造成较大的影响。 表3 - 4 。按种污泥浓度对附着微生物量的影晌 f i 9 3 4 t h ee f f e c to f c o n c e n t r a t i o no fs l u d g eo i lt h ei m m o b i l i z a t i o n 由表3 - 4 可以看出，随着接种污泥浓度的增大，在反应器内附着污泥量大大上升， 这表明，对于具有孔网状结构的改性聚氨酯海绵载体而言，在反应器内接种污泥浓度在 一定范围内，浓度越高越有利于最初阶段的固定化微生物的量。虽然本实验中并没有看 出接种污泥浓度达到一定限度就不再对固定化微生物量有着f 比的关系，但是从理论上 判断，决不可能浓度越高越好。 国内某些学者1 3 6 9 l 提及，接种污泥浓度存在一个最大值，此值远远小于1 l ，这一 点与本文不同，进行分析认为，前者提出的理论的原因其一为所使用的载体为陶粒和聚 苯乙烯等载体，其对微生物的初始固定化以吸附为主，不像海绵载体可以大量的捕获污 泥，当接种污泥量达到一定浓度时，就对其表面吸附的微生物量没有影响了，这一点由 l i u ! 鲫1 的实验可以看出，并且在接种后未将接种污泥排除，所以造成接种污泥越高，悬 第三章改性海绵载体的微生物同定化行为 浮污泥浓度就越高，使得挂膜反而不理想。而本文中载体为改性聚氨酯海绵载体，具有 孔网状结构，对微生物具有截陷固定能力，捕获微生物的能力强于陶粒等载体，因此， 接种污泥在一定浓度范围内浓度越高越有利于改性聚氨酯海绵载体的微生物固定化。并 由此可知，在启动阶段初期，孔网状载体包络固定微生物技术要优于传统的表面吸附固 定技术。 所以由实验可知，当反应器内改性聚氨酯海绵载体的填充率为2 5 时，接种污泥 浓度在2 - 8 9 l 范围内变化时，浓度越高越有利于改性聚氨酯海绵载体固定化微生物的 量。 3 3 4 填充率的影响 对于载体而言，单位体积的载体固定化微生物的量肯定有一个极大值，因此反应器 内的载体量的多少应该会直接影响反应器内的固定化微生物总量。许多文献中流化床反 应器内填充率都达到了2 5 一4 0 左右i r es 4 ，6 5 趣，7 6 1 ，这表明，前面实验中的5 的填充率 还远远不够，因此，本章对比了5 的填充率与2 5 的填充率两种情况，以了解不同的 填充率对固定化微生物量的影响。 由图3 - 6 可以看出，填充率为2 5 时固定化微生物量明显高于填充率为5 时，当 实验进行到了第9 d 时，填充率为2 5 时固定化微生物量约为填充率为5 时的3 倍。 这表明，流化床中在能保持载体能够流化的前提下，高的填充率能够增大流化床中最大 的固定化微生物量。 由图3 7 可以看出两种填充率之间的差别，当填充率为2 5 时，去除率始终在8 0 以上，这表明，高的填充率有助于反应器的快速启动。 图3 - 6 两种填充率下固定化微生物量 f i 9 3 - 6t h ed i f f e r e n tb i o m a s s e si nd i f f e r e n tv o l u m er a t e s 华南理工大学工学硕士学位论文 v 祷 髓 诫 8 u 图3 7 两种填充率下c o d o 去除率变化的比较 f i g3 - 7t h ec h a n g eo fc o d e rd u r i n gt h ec h a n g eo fd i f f e r e n tv o l u m er a t e s 3 3 5 载体挂膜过程分析 在实验启动过程中，由于海绵载体结构呈网状结构，在为期2 5d 的间歇培养的过 程中，捕获了大量的污泥( 见图3 - 5 a ) ，并且由于培养过程中呈缺氧状态，在载体内 产生了一定量的丝状菌，这些丝状菌缠绕在海绵的内部结构上或者贯穿与海绵内部的空 隙( 见图3 - 5 c 和图3 - 5 d ) ，成为了固定化微生物团的骨架结构。当n v - k o 时，h2 口，。由于亚硝化菌的氧饱和常数陆远小于 硝化细菌，所以在稳定的硝化系统中降低溶解氧浓度可能引起两种菌群之间对氧的竞 争，导致菌群的动态演替，进而影响氨的生物氧化程度。除此之外，实验还观察到当溶 解氧为4 0m g l ，出于操作气水比过大，引起流化床内的颗粒剧烈碰撞，载体上附着的 第五章苯胺废水的处理 微生物出现严重脱落并随出水流失，造成出水悬浮物过高，反应内的微生物量由2 7 5g l 左右下降至8 2 3g l ，为维持反应器内的微生物量，还需污泥回流。因此，为保证苯胺 的降解和硝化过程的顺利进行，流化床内的溶解氧适宜控制在2 0 - 3 0m g l 的范围内。 o o ( m g g l ) 匠召进水c o d 区娶出水c o d 圆c ( ) d 去除率( ) 目进水苯胺皿出水苯胺旺田苯胺去除率f ) 图5 4 d o 对c o d 和苯胺降解的影响 f i g 5 4 t h ee f f e c to fd o o nb i o d e g r a d a t i o n o o ( m 0 图5 5 d o 对硝化过程的影响 f i g5 - 5 t h ee f f e c to fd o o nn i t r i f i c a t i o no fc o da n da n i l i n ep r o c e s s 华南理_ 大学工学硕士学位论文 皂 邑 横 篓 稍 图5 - 6 d o 浓度对氨氮的去除速率影响 f i g 5 6 t h ee f f e c to fd o o nn i t r i f i c a t i o nr a t e 5 2 3p h 对同步进行苯胺降解与硝化的影响 硝化过程消耗大量的碳酸盐碱度，会引起p h 值的降低。氧化1m gn h 4 + - n 需要消 耗8 6 4m gh c o f ，其中只有很小一部分结合到细胞物质内，大多数用于中和n h a * 一n 氧 化时释放出来的h + ，如果废水碱度不足，由于得不到需要的反应物和p h 值降低引起的 有害作用将抑制硝化反应的进行。实验结果见图5 7 和图5 8 。由图5 7 、图5 - 8 可以看 出，当p h 在7 5 8 5 时，苯胺的去除效果最好，c o d o 的去除率在9 7 以上，苯胺的去 除率在9 8 9 9 ，硝化细菌的生长最好，出水n h 4 + 一n 低于0 0 3 6m g l ，反应器 内的n h 4 + - n 基本完全转化成n 0 3 - - n 。p h 为5 5 时，c o d c ，的去除率仅为6 0 左右， 苯胺去除率降到了6 5 左右，造成了反