（环境工程专业论文）sbbr工艺同步硝化反硝化处理高氨氮有机废水的试验研究.pdf

摘要 本论文研究了序批式生物膜反应器s b b r 和s b r 在驯化过程中生物膜和活性污泥 的物理特性、生物特性以及驯化过程中两种反应器对c o d 盯和n h 4 + - n 的去除能力，实 验结果表明，在h r t 为1 2 h ，曝气量为1 5 0 l h ，p h 值为7 2 7 5 ，温度为2 5 0 c 的条件 下，驯化过程中虽然s b b r 反应器中悬浮污泥浓度低于s b r 中的悬浮污泥浓度，但其 生物量却远远高于s b r ，s b b r 对污染物具有更高的去除效率和对进水水质变化以及其 他不利的环境条件有较好的适应能力。污泥驯化成熟时，在进水c o d 和n h 4 + - n 的浓 度分别是2 1 0 0 m g 1 和5 2 5 m g 1 的情况下，s b b r 工艺对二者的去除率分别是9 4 和 9 0 2 ，s b r 工艺对二者的去除率分别是9 3 和8 6 1 。 在上述试验研究的基础上，通过改变s b b r 系统的曝气量来实现该工艺的同步硝化 反硝化。变化反应器的运行参数d o 、p h 值、温度和c n 比等来考察反应器的处理效果， 最终获取各参数的最佳控制范围。试验主要得出以下结论：s b b r 工艺实现同步硝化反 硝化后对t n 和n h 4 “都具有良好的去除效果，去除率分别达到了7 6 和9 9 ；在不同的 进水p h 值、d o 浓度、温度、c 厂r 比的条件下，s b b r 反应器对c o d 去除率都在8 0 以上， 且s b b r 中的生物膜对外界环境的适应性较强；试验确定了同步硝化反硝化脱氮工艺的 最佳参数：p h 值为7 5 ，适宜温度为2 8 0 c ，d o 浓度为2 - 4 m g l ，最佳进水c n 比为4 5 ，控 制实验在最佳参数条件下运行，使进水c o d c ，和氨氮浓度分别为2 1 0 0 m g l 和5 0 0 m g l 时，系统出水c o d a ，氨氮，t n 浓度分别为1 1 0 m g l ，5 m g l ，5 8 m g 1 ，去除率分别是 9 4 7 ，9 8 8 ，9 0 2 ，去除率都很高，检验了最佳条件的可靠性；当实验进水c o d 浓 度保持在2 1 0 0 m g 1 ，n h 4 + - n 浓度在3 0 0 m g l 一9 0 0 m g l 时，系统都能得到较好的出水水质， n h 4 + - n 的去除效率都稳定在9 0 以上，t n 去除率在7 0 以上，c n 适应范围较宽泛。 关键词：s n d 过程，生物膜，s b b r 工艺，s b r 工艺，高氨氮有机废水 a b s t r a c t t h i s p a p e rs t u d y o nt h e s b b r ( s e q u e n c i n g b a t c hb i o f i l mr e a c t o r ) a n dt h e s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o ra c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ) ，d i s c u s s i n ga b o u tt h ep h y s i c a l p r o p e r t i e sa n db i o l o g i c a ln a t u r e so ft h eb i o m e m b r a n ea n dt h ec o d e r s ，n h 4 - n sr e m o v a l e f f i c i e n c yo f t h et w or e a c t o r si nt h ed o m e s t i c a t e dp r o c e s s ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e s t h a tw h e nt h eh r ti s12 h ，a e r a t i o ni s15 0 l h ，t h ev a l u eo fp hi sb e t w e e n7 2a n d7 5 ，t h e t e m p e r a t u r ei s2 5 0c ，a l t h o u g ht h ec o n c e n t r a t i o no ft h es u s p e n d e ds l u d g ei nt h es b b r r e a c t o r i sl o w e rt h a n t h o s ei nt h es b r , t h eb i o m a s sl i v e w e i g h t sa l em u c hh i g h e rt h a nt h o s ei nt h e s b r s t h es b b rh a sa h i g h e rp o l l u t a n tr e t e n t i o ne f f i c i e n c ya n dab e t t e ra d a p t a t i o na b o u tt o t h ec h a n g i n go ft h ef e e dw a t e r sq u a l i t ) ，a n do t h e ra d v e r s ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s w h e n t h es l u d g ea l ed o m e s t i c a t e dm a t u r e l y , t h ec o n c e n t r a t i o no ft h ef e e dw a t e r sc o da n dt h e nh 4 + - na r e210 0 m g la n d5 2 5 m g 1r e s p e c t i v e l y ，t h es b b r sr e m o v a lr a t ea b o u tt h et w o f a c t o r sa r e9 4 a n d9 0 2 r e s p e c t i v e l y , t h es b r sa r e9 3 a n d8 6 1 o nt h eb a s e so ft h es t u d y , t h r o u g hc h a n g i n gt h ea e r a t i o no ft h es b b r s y s t e mt oa c h i e v e s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o no ft h i st e c h n i c ，t h r o u g hc h a n g i n gp a r a m e t e r so f d o ，t h ev a l u eo fp h ，t e m p e r a t u r ea n dc ni nt h er e a c t o rt oi n v e s t i g a t et h ee x p e r i m e n t s e f f e c t s ，a n dc a mt h eb e s tc o n t r o la r e ao fe a c hp a r a m e t e r w ec a ng e tt h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n sf r o mt h ee x p e r i m e n t ：t h em e t h o do fs b b rh a sag o o dr e m o v a le f f i c i e n c yi n c o d ，a tt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tv a l u eo fp h ，t h ec o n c e n t r a t i o no fd o ，t e m p e r a t u r ea n dt h e v a l u eo fc t , t h er e m o v a lr a t eo fc o da l eh i g h e rt h a n8 0 ，t h i si n d i c a t e st h a tt h eb i o l o g i c a l m e m b r a n eh a sab e t t e ra b i l i t yi na d a p t i n ge x t e r n a le n v i r o n m e n t t h i se x p e r i m e n tc o n f i r m st h e b e s tt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so ft h es i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f y i n g t e c h n i c ：t h ev a l u eo fp hi s7 5 ，t h eo p t i m u mt e m p e r a t u r ei s2 8 。c ，t h ec o n c e n t r a t i o no fd oi s 2 - 4m g n ，t h eb e s tv a l u eo fc ni s4 5 u s i n gt h ep r o c e s so fs b b r , t h ec o n c e n t r a t i o no fc o d i nt h ef e e dw a t e ri sk e p tt o210 0 m g 1 ，t h ec o n c e n t r a t i o no fnh 4 + - ni sb e t w e e n3 0 0 m g la n d 9 0 0 m g 1 ，t h es y s t e mc a ng e tab e t t e rw a t e rq u a l i t yo fe f f l u e n t ，t h er e m o v a lr a t eo fnh p - _ na r e a l lh i g h e rt h a n9 0 ，t h er e m o v a lr a t eo ft na r ea l lh i g h e rt h a n7 0 ，t h ea c c o m m o d a t i o n r a n g e o fc ni sv e r yb r o a d t h eb e s tp a r a m e t e r so ft h i se x p e r i m e n ta l ea sf o l l o w s ，t h ev a l u eo ff e e d w a t e r sp hi s7 5 ，t h ev a l u eo fd oi sb e t w e e n2 m g la n d4 m 酣，t h eh r ti s12 h ，t h e t e m p e r a t u r ei s2 8 。c ，b e s i d e st h ef e e dw a t e r sc o n c e n t r a t i o no fc o d e ri s2 10 0 m g la n d a m m o n i an i t r o g e ni s5 0 0 m g l ，t h ee f f l u e n tw a t e r sc o n c e n t r a t i o no fc o d e r , a m m o n i a n i t r o g e n a n dt na r e1 1 0 m g l ，5 m g l ，5 8 m g 1r e s p e c t i v e l y , t h er e m o v a lr a t e sa r e9 4 7 ，9 8 8 ，9 0 2 r e s p e c t i v e l y , t h er e m o v a lr a t e sa r ea l lh i g h ，a n de x a mt h er e l i a b i l i t yo ft h eo p t i m a lc o n d i t i o n k e yw o r d s ：t h ep r o c e s so fs n d ，b i o m e m b r a n e ，s b b rt e c h n i c ，s b rt e c h n i c ，h i 曲 a m m o n i a n i t r o g e no r g a n i cw a s t e w a t e r l i 长安大学硕士论文 1 1 研究课题的提出与意义 第一章绪论 我国水资源总量为2 8 1 2 4 亿m 3 ，其中河川径流量为2 7 11 5 亿m 3 ，居世界第六位。但我国 人均资源量只有2 7 1m 3 ，是世界人均占有量的，列世界第8 8 位，属于世界十二个贫水 国之一【。因此，虽然我国水资源总量并不少，但人均水量并不丰富。这些有限的水资 源正遭受着城市污水的污染，而这些城市污水绝大多数未经处理直接排放。由于我国工 业技术水平相对较低，使得资源消耗过高，污染排放量过大，对环境的污染很严重，其 中工业废水的排放量增加较快，在2 0 0 1 2 0 0 6 年期间增加了1 8 6 ，以淮河为代表的江河， 因为工业废水排放而遭到较为严重的污染【2 】。据统计，我国受污染较重的流域是淮河、 海滦河、松辽河和黄河流域，污染河长的比例分别为8 0 、6 4 、6 0 和5 0 。造成水 污染的来源包括点污染源和面污染源【3 】。这些污染点源和面源未经处理，直接排入天然 水体，造成了城市附近水体的严重污染。水环境的污染，严重影响了人民的身体健康， 限制了工农业的发展。水污染又分为自然污染和人为污染，其中以人为污染为主。大量 的研究结果已经证明，污水中的氮和磷是导致受纳水体富营养化的主要原因之一。而这 些氮和磷主要是由工业废水的排放所产生的。有资料显示，当水体符合以下指标时，将 认为此水体已经富营养化：总磷浓度大于0 0 2 m g l 、总氮浓度大于0 3 m g l 、b o d 大于 1 0 m g l 或者p h 值为7 , - 9 的淡水中细菌总数超过1 0 万个毫升，叶绿素a 含量大- 于1 0 p g l 【4 】。每向水体放入l 克磷将会引起9 5 0 克( 干重) 藻类的生长，由此可见藻类生长的主要因 素是磷【5 l 。水体中由于氮、磷元素的排入而引起的水体富营养化问题越来越严重，破坏 了水生态环境结构并引起水体质量恶化，水体的各个功能都被影响。水体的富营养化将 会引起很大危害且影响深远，首先会造成巨大的经济损失，还会威胁着人类健康，最后 氮和磷这些污染物排放增加会引起生态环境的恶化，因此控制氮磷污染物的排放对降低 水体富营养化具有十分重要的意义。 由于水环境污染和水质富营养化这两个问题，越来越多的国家开始制定更加严格的 氨氮排放标准，控制氮元素排放的指标由单独的氨氮排放发展到硝态氮和总氮的排放。 例如，我国规定新建的污水处理技术其总氮和氨氮的排放标准是小于等于1 5 m g l 和 5 m g c l ，已经建成的污水处理厂的排水指标要进行工艺改进，在改进后也要达到城镇 污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 的要求【6 j 。因此，更高的出水控制标准 第一章绪论 给污水处理工艺提出了一个巨大的挑战，污水的脱氮除磷技术也成为污水处理领域的重 点和难点，同时是当今环境工作者所面临的一个重大课题。 氨氮等有机物的污染危害是非常大的，它们随污水进入水体，可引起水体富营养化， 造成藻类和水生植物的迅猛生长，并由此衍生一系列不良后果。其次，氨氮是硝化细菌 的能源，它通过硝化作用引起水体缺氧，致使大量鱼类死亡。然后氨对水生生物产生毒 害，氨给藻类和水生植物的生长提供养料，同时它也会给各种水生动物造成有毒的影响， 由于氨的存在它很容易造成水生生物中毒。最后，氨氮转化成硝酸盐，硝酸盐也影响着 人类的健康，因为它能诱发高铁血红蛋白血症和胃癌 7 1 。每天流入湖泊的污水量为6 0 0 万m 3 ，约占全国废水的6 ，其主要污染物是氨氮和磷等有机物。近二十年来我国富营 养化的河流和水库的比例已经从5 猛增至5 5 ，比如，江苏太湖上世纪九十年代的氨 氮含量比六十年代增加了l o 倍左右。治理这个湖的重度富营养化问题已经耗资1 0 0 多 亿元，才使该湖的富营养化问题有所缓解。而周围7 0 0 多家限期治理的企业每个月排放 的污水中，营养性成分一氮、磷的排放量却还在上升【8 】。其次是生活污水，包括厨房洗 涤、厕所冲洗和沐浴产生的污水，含有大量的氮、磷等营养元素，还含有洗涤剂和各种 病原菌，进入水体后会大量消耗水中的溶氧，使水富营养化。我国的污水脱氮除磷的工 作是从8 0 年代开始的，迄今为止取得了一定进展【9 l 。但近年来，由于我国污水处理厂技 术设备和工艺改进速度的滞后，加之民营企业非常迅猛的发展，水体的富营养化问题越 来越严重，已经严重阻碍了我国经济的可持续发展。 针对水环境污染和富营养化的问题，大多数国家和地区制定严格的氨氮排放标准， 对氮元素涉及的控制指标也在增加，从过去的由单一的氨氮的控制发展到硝态氮，总氮 的排放控制，氮、磷的脱除控制，这已经成为各国控制水质富营养化的主要奋斗目标， 例如，在国家关于环境保护的“十一五”计划任务中规定：化学需氧量排放标准不多于 1 3 0 0 万吨，氨氮的排放标准低于1 6 5 万吨，并且这些标准还要逐年提高【l o l 。因此，更 高的出水标准对我们的污水处理工艺来说是一个巨大的挑战，高浓度氨氮废水的脱氮除 磷技术，尤其是比较经济的废水脱氮除磷技术也成为水质环境保护领域的重点和难点， 同时是当今环境工作者所要解决的重大问题。 从对国内外相关资料的研究可以看出，目前活性污泥工艺是生物脱氮除磷的主要方 法，在传统活性污泥工艺基础上，人们进行了多种改进，各种改进的活性污泥工艺虽然 各有其特点，但由于复杂的工艺结构、高能耗、耐冲击负荷能力差、除磷脱氮效果不稳 定等原因，该工艺在实际应用中受到了很大限制。此时，在活性污泥工艺上改进的生物 2 长安大学硕士论文 膜法成为了一种比较完善的工艺，无论是在池形、运行方式、曝气方式、还是载体等方 面有了很大的改进空间。在生物学方面用常规手段己很难解决高浓度难降解的污水，生 物膜和活性污泥结合的方式在发展和应用方面就占据了举足轻重的地位。到现在为止， 生物膜法的工艺有以下几种：生物接触氧化池、生物流化床、生物滤池( 普通生物滤池、 高负荷生物滤池以及塔式生物滤池) 和生物转盘等1 1 1 1 。由于不断的开发新型的滤料和不 断更新的工艺技术，出现出大批新型单一生物膜反应器或复合式生物膜反应器，比如： 附着生长稳定床及序批式生物膜反应器( s b b r ) 、升流式厌氧污泥床厌氧生物滤池 c o a s b a f ) 、移动床生物膜反应器( m o v i b e d b i o f i l m r e a c t e r ) 、活性污泥生物膜反应器 ( a c t i v a t e d s l u d g e b i o f i l m r e a c t e ：) 、气提式生物膜反应器( a i r - l i f t s ) 和微孔膜生物反应器 ( m e m b r a n e ) 等 2 1 ，因此生物膜工艺技术既独立又可以结合到污水处理的各种其他工艺 中。其主要优点有：消除活性污泥工艺中污泥膨胀的问题，在调控活性污泥的系统时， 可以忽略污泥的沉降性能问题，极大简化了工艺控制程序；其次，大大提高了曝气池的 生物量，这使系统能在超低负荷状态和超大泥龄下运行，它能够去除各种污染物质；再 者，在同样处理的要求下，可使曝气池容积减小，节省了污水处理厂的占地面积；最后， 由于反应系统中生物量的提高，严格了曝气速率的要求，由于膜分离，纯氧曝气将会被 大量使用。 为了提高废水生物处理工艺的工作能力及其适用范围，很多学者对曝气式膜反应器 进行了研究。这种反应器利用了膜能分离两种不同相物质的特性，允许组分从一相迁移 到另一相。同时提高了微生物降解废水中污染物的能力，优化了生物反应器中的运行条 件。在废水处理中微生物种群以聚合的絮状体形式悬浮在大量液体中或者存在于反应器 中附着在固体表面的固体膜中。高浓度的活性细菌可以被生物膜所截留，这些活性细菌 都是复杂的基体，包括：截获的非生物固体、细菌产生的高聚物、微生物群落、基质和 代谢物等，悬浮的菌胶团中的细胞比生物膜上微生物比停留更短的时间，生物膜使那些 生长速率小于系统水力停留时间的微生物种群生长繁殖，因此，那些需要生长缓慢的微 生物群体才能去除营养物、惰性物质和复杂的污染化合物，由此可以通过生物膜工艺达 到去除的目的，而无需采用悬浮菌胶团工艺那样长的水力停留时间或者很高的污泥回流 比。特别是膜对微生物的完全截留为特殊微生物如硝化细菌和亚硝化细菌的增长提供了 有利的条件。在这其中序批式生物膜反应器( s b b r ) 备受关注，与活性污泥法相比，该反 应工艺除了生物膜法所具有的优点外，还具有以下优点：生物量高，微生物具有多样性， 工艺处理能力大且运行稳定，剩余污泥量少等。许多学者对序批式生物膜反应器处理生 3 第一章绪论 活污水，考察其处理城镇污水除磷除氮的效果，在工业废水处理方面，也进行了大量的 实验。本课题将采用s b b r 方法，以聚乙烯纤维填料为生物载体，对高氨氮有机废水进 行同步硝化反硝化脱氮研究。 1 2 课题研究的目的和内容 1 2 1 课题研究的目的 城市污水是污水主要来源之一，其中氮的来源主要为：生活污水和工业污水，特别 是化肥厂、焦化厂、制革与印染企业、食品与肉类加工厂、石油精炼厂排放出来的污水； 此外还有氮氧化合物、固体物和渗滤液等等。污水中的氮有4 种形态，即有机氮、氨氮、 亚硝酸氮( 少量) 和硝酸盐氮( 硝化过程的最终产物) ，典型污水中总氮含量约为4 0 - - 5 0 m g l t l 3 1 5 1 。最严重的影响当属富养水( 所含氮，磷养分过多) 造成的“死亡水域”。特 别是高氨氮的污水流入到河流湖泊中后，为水域中藻类植物提供了丰富的营养，导致其 快速生长，消耗了水中大部分的溶解氧，水生动物都因缺氧而无法生存，以至于该水域 成为“死水”。在墨西哥海湾密西西比河的入海口处就有一片面积达8 0 0 0 平方英里的“死 亡水域”( 约2 0 4 8 0 平方公里) 。据统计，全世界约有4 0 0 块这样的区域，总面积高达2 4 5 万平方公里【1 6 1 。另外，氨氮元素还会增大工业循环水杀菌处理和给水消毒的用氯量，对 一些金属，特别对铜的腐蚀性非常强；当污水经过处理回用的时候，水中的氨氮可以促 使输水管道或用水设备中微生物的过度繁殖而形成污垢，导致管道和用水设备的堵塞， 并且换热效率也被影响。我国氮素污染己危害工业、农业、养鱼业、旅游业等诸多行业， 并对饮水的质量和食品安全构成巨大威胁。脱氮除磷技术的进一步发展已成为环境工作 者的首要任务，目前主要的脱氮方法有生物硝化反硝化、折点加氯、气提吹脱和离子交 换法等【1 7 1 。消化污泥脱水液、垃圾渗滤液、生产催化剂，养殖业等产生的废水等都含有 极高的氨氮浓度，以上方法由于游离氨氮的生物抑制作用或成本方面的原因而使其应用 受到限制。处理高浓度氨氮废水的方法可以分为物化法、生化联合法和生物脱氮法【1 9 】。 生物脱氮主要是利用硝化细菌和反硝化细菌繁殖时吸收废水中的氮，达到脱氮的目的， 即用生化的方法将硝酸盐和亚硝酸盐转化为氮气的过程。异氧反硝化细菌微能在缺氧条 件下产生反硝化作用，假若有足够的有机碳源，它能利用硝酸盐作为氢受体，将硝态氮 转化成氮气而溢出。多种常见的兼性菌也可以完成脱硝作用，这种新的脱氮方法包括短 程硝化反硝化、厌氧氨氧化和全程自养脱氮和好氧反硝化。大量的新型生物脱氮方法相 4 长安大学硕士论文 继出现，不仅弥补了传统工艺的缺陷，而且提高了废水的脱氮效率，降低了废水脱氮的 成本。但是目前国内外对生物脱氮技术同步硝化反硝化的原理缺少完善，因此，在前人 相关实验研究的基础上，对同步硝化反硝化脱氮原理和s b b r 工艺相结合的氨氮去除效 果进行研究具有一定的现实意义。 我国虽然地大物博，但人均水资源仅为世界平均水平的四分之一，且水资源分布不 平衡，旱、涝灾害时常发生。全国每年缺水总量约为4 0 0 亿立方米，其中有4 0 0 余座城 市供水不足，1 1 0 座城市严重缺水，由于过度抽取地下水，导致7 0 座城市不同程度的严 重下沉的后果，每年因缺水造成的直接经济损失达2 0 0 0 亿元，少产粮食7 0 0 多亿公斤【1 8 】。 中国有超过7 0 的河流、湖泊、海岸受到污染，9 0 的城市地下水受到污染【1 9 】。水污染 从江河支流向干流延伸；从地表向地下渗透；从陆域向海域发展；从城市向农村蔓延。 水资源短缺已经成为全球面临的严重问题，经过集中处理的污水循环再利用己经成为全 世界的共识。国内污水处理由于资金成本、环保意识等种种原因，污水处理的现状还是 与国外存在很大的差距。适合我国国情的污水处理技术应该是投资少、费用低、效果好虹 的技术。 许多专家倡导对含氮污水的就地回收，就地处理，就地回用来实现水的重复利用， 尤其是在居民生活区，这种方法更为经济和可行。但是从国内外相关研究可以发现，传 统的污水脱氮方法结构复杂、高消耗、耐冲击负荷能力差、脱氮效果不稳定，所以这些 方法在实际应用中都有一定的局限性。虽然各种改进工艺不断出现，但并没有改变实质# 的操作流程，所以不能解决根本的问题。采用膜生物反应器( s b b r 法) 进行污水脱氮处 理，是在一个反应器内实现好氧和缺氧两种环境，从而实现脱氮的目的，s b b r 方法除 具有普通s b r 方法的优点外，还有其自身的特点，如生物含量高，微生物多样性，耐 负荷冲击力强，同时还具有很大的处理能力，运行稳定，剩余污泥量很少，膜分离的作 用省去了沉淀工序而减少了运行周期等，所以s b b r 工艺出现以来，一直倍受人们的关 注，但对于s b b r 工艺有待解决的问题和需要研究的内容仍然较多。 本试验采用序批式生物膜反应器s b b r 和s b r 在同样的启动条件下，对比驯化过 程中生物膜和活性污泥的物理特性、生物特性以及对c o d 和氨氮的去除效果的不同， 最后还对s b b r 工艺处理高氨氮有机废水进行了试验研究，其研究目的是：使用s b r 和s b b r 两种反应器，通过控制相同的前提条件，考察了污水驯化过程中的污泥浓度、 生物相、污泥活性、沉降性等方面的不同，在此试验基础上，研究反应条件的改变对 s b b r 中同步硝化反硝化效果的影响，最后对s b b r 工艺同步硝化反硝化处理高氨氮有 5 第一章绪论 机废水的机理进行探讨，为进一步的试验研究及工程应用提供参数。 1 2 2s b r 工艺特性及应用 s b r ( 序批式活性污泥法) 工艺一般认为是由美国的i r v i n e 在2 0 世纪7 0 年代初开 发的【2 0 】。随着人们对s b r 研究的深入，新型的s b r 不断出现。8 0 年代初，出现了连续 进水的i c e a s ，后来g o r a n z y 教授相继开发了c a s s 和c a s t 工艺。9 0 年代，比利时 的s e g h e r s 公司开发了u n i t a n k 系统，把s b r 的时间推流与连续系统的空间推流 结合起来【2 1 1 。我国于8 0 年代中期开始对s b r 进行研究与应用。目前，s b r 工艺在我国 工业废水处理领域比较广泛，已经建立的s b r 工艺处理已经处理了多种污水。该方法 按运行次序将一个周期分为进水期、反应期、沉淀期、排水期和闲置期5 个阶段，并进 行不断的周期反复对污水进行处理。这种工艺进水和排水都采用间歇式，我们可以根据 运行功能要求和进出水水质等灵活掌握一个周期中每个阶段的运行时间、反应池中的混 合液浓度和运行状况等。只要控制和变换每个阶段的操作时间，就能得到不同的污水处 理效果。 s b r 最根本的特点是处理工序是不连续的，而是间歇的、周期性的，污水分批依次 经过进水、曝气、沉淀和排水，然后又重新经过。最初的s b r 工艺进水、曝气、沉淀、 排水和排泥都采用间歇方式，后来陆续出现各种改进，有些方法把进水改成连续，另外 一些把部分曝气改成连续 2 2 1 ，还有一些方法将出水改为连续，但是这些方法仍然有序批 处理周期运行的特点，所以应该属于s b r 工艺的类型。一般来说，连续处理比间歇处 理简单和方便，那么s b r 工艺采用这种比较繁琐的方式是因为它以这种方式换取了更 大的效率：仅仅使用一个反应池就能完成全部的反应和沉淀工作，删掉了连续流工艺中 的二沉池、回流污泥设施的步骤，简化了处理构筑物，占地变小，基建投资大大降低。 因为这个优点，s b r 工艺被迅速推广使用。近2 0 年来，由于s b r 工艺的低造价和高效 率，在世界各国得到广泛应用，各种类型的s b r 工艺被污水处理厂投入运行，由s b r 发展出来很多种不同的工艺，比较典型的有：i c e a s 工艺、d a r - i n t 工艺、c a s s 工艺、 u n i t a n k 工艺和m s b r 工艺1 2 3 1 。目前，u n i t a n k 和m s b r 的出现在一定的程度上反 映了s b r 工艺的发展趋势，它的一体化和组合式的设计思想构成了污水处理工艺的最 新研究方向【2 4 1 。 6 长安大学硕士论文 1 2 2 1s b r 处理的工艺特点 s b r 工艺之所以能够日益受到重视，并得以广泛应用，是由于其运行方式的特殊性， 它最根本的特点是处理工序的不连续性，是间歇的、周期的。这使其具有一系列传统连 续流活性污泥法无法比拟的优点。 ( 1 ) 工艺流程简单、造价低、占地少 原则上，s b r 污水处理工艺的主体设备只有一个序批式间歇反应器，与普通的活性 污泥法相比，它不需要初沉池、二次沉淀池、污泥回流及污泥回流设备，一般情况下也 可不设调节池，设备简单，操作简单。s b r 法工艺的污水处理系统紧凑节省占地。 ( 2 ) 处理效果好 处理效果优于传统的活性污泥法，这是s b r 工艺的主要特点之一。s b r 反应器中 的底物浓度和微生物浓度是随反应时间而变化的，并且反应过程不连续。在连续的曝气 反应阶段，底物和微生物有连续的浓度变化。在此期间，虽反应器内的污泥和污水是处 t 于混合的状态，但随时间的推移，混合浓度是逐渐降低的，这和连续流活性污泥法中污 染物的变化规律不同，在运行周期间，它是一个非连续的反应过程，反应器中活性污泥 处在一种相互交替吸附、吸收、生物降解和转化过程中，因此它去除有机物的效率高。 ( 3 ) 具有较高脱氮除磷的效果 s b r 工艺可根据具体的处理要求，通过不一样的控制手段而灵活运行。它为脱氮除 磷提供了有利的条件，因为它可以灵活自如地控制运行时间。s b r 工艺可以很容易实现 好氧、缺氧和厌氧状态这几个不同条件的交替，除此之外，此工艺还可以通过在好氧条 件下增大曝气量、增加反应时间和污泥龄的方法来强化磷菌过量摄磷过程和硝化反应及 聚的顺利进行，同时能在缺氧条件下通过投加原污水或提高污泥浓度的方法来提供有机 碳源作为电子供体促使反硝化过程更迅速的进行；还可以通过搅拌维持进水阶段的厌氧 条件，以促进聚磷菌充分的释放磷【1 9 】。 ( 4 ) 具有较好的污泥沉降性能 传统活性污泥法在运行的时候经常发生污泥膨胀问题，这些问题是难以杜绝的且令。 人棘手的。丝状菌的过度生长是污泥膨胀的主要原因。研究分析认为，依照污泥膨胀发 生的困难程度来进行排序的话，在不同的活性污泥生物处理工艺中发生污泥膨胀顺序应 该为：传统推流式，间歇式，完全混合式和阶段曝气，s b r 工艺之所以能有效地控制丝 状菌的过量繁殖，主要是由于四个方面：反应器中存在较大的浓度梯度；反应器中 7 第一章绪论 缺氧( 或厌氧) 和好氧状态并存；反应器中有较高的底物浓度；污泥龄比增长速率 大【2 5 1 。 ( 5 ) 能较好的适应进水水质水量的波动 通常在废水生物处理的构筑物中，因为微生物对其生存环境的条件要求很严格，当 处理系统中的废水水质水量发生明显的变化时，生物处理效率将受到很大影响。所以普 通的废水生物处理工艺都要采用设置调节池的方式来均化进水水质和水量。s b r 反应器 是由调节池、曝气池和沉淀池所组成的一种污水处理工艺，这种工艺允许较大水质水量 的波动，并且处理效果非常稳定可靠。研究表吲2 6 1 ，s b r 工艺在运行每个周期间及同周 期内进水阶段出现巨大的水质水量变化，甚至处理负荷增加到正常负荷的两倍以上，在 这种情况下，该工艺仍然能获得较好的污染物去除效果。 1 2 2 2s b r 处理工艺存在的问题1 2 7 - 2 9 i ( 1 ) 处理连续进水时，单独的s b r 反应器的使用需要一个比较大的调节池； ( 2 ) 对于多个s b r 反应器来说，它们进水和排水的阀门切换太频繁； ( 3 ) 无法满足大型污水处理工程的要求，如大型污水处理项目连续进水和连续出 水的要求； ( 4 ) 间歇周期运行带来曝气、搅拌、排水、排泥等设备利用率不高，增大了设备 费用和装机容量。 ( 5 ) 对操作人员技术水平要求较高，主要是技术型操作管理，要求操作人员具有 一定的文化水平和技术水平。 ( 6 ) 如果需要后处理，则需要较大容积的调节池。 ( 7 ) 对自控要求高，人工操作基本上不可能正常运行，自控系统必须质量好，运 行可靠。 1 2 3s b b r 工艺特性及应用 1 2 3 1s b b r 工艺的发展及应用 s b b r 是序批式生物膜反应：器( s e q u e n c i n gb i o f i l mb a t c hr e a c t o r ) l 拘简称，它是一种 目前国内外正在研究的新型污水生物处理新工艺。g o n z a l e s 和w i l d e r e r 最早提出了 s b b r 的概念口0 1 ，德国学者w i l d e r e r 在1 9 9 2 年正式提出。s b b r 是建立在s b r 基础之 长安大学硕上论文 上，它仍然保留了s b r 的操作方式，既保留了s b r 的诸多优点，又有优于s b r 法的特 点。反应器内的生物膜由各种不同的填料形成，它创造性的将生物膜与活性污泥有机的 结合在了一起，形成了一种新型复合式生物膜反应器。总的来说，s b b r 可分为三类【3 1 】： 固定填料式s b b r 。反应器内含有塑料、陶粒等其它固定式生物载体。 流化填料式s b b r 。反应器内装有颗粒状的可以流化的生物载体，比如活性炭。 固定膜式s b b r 。在反应器中有一个可透过性膜，这种膜不仅可以成为微生物的附 着体，而且能完成充氧功能。 s b b r 工艺在国内的研究和应用主要集中在处理工业废水上，多数集中在处理有毒 物以及难降解的有机物，近年来，对氮磷去除能力的研究越来越多。下面介绍s b b r 的 应用状况： ( 1 ) s b b r 处理工业废水的应用研究 工业废水中通常有较高的c o d 值、b o d 值、s s 值及高色度，一般的污水处理工 艺处理过的水很难达到国家排放标准。将s b b r 工艺用于处理多种浓度较高的废水产生 的结果都优于s b r 工艺。王乾扬等【3 2 】采用s b b r 工艺进行皮革废水的处理试验，结果 说明s b r 法的运行周期比s b b r 长，普通的s b r 法比s b b r 方法降解速率小。s b r 法 用比s b b r 法更长的曝气时间才能达到相同的出水标准。s b r 法排出水的c o d 值明显 低于s b b r 法。詹伯君等嗍运用s b b r 工艺对印染废水进行处理的实例表明：s b b r 方 法启动速度快，出水水质能保持稳定，且具有非常强的耐冲击负荷能力。梁晨辉等【3 4 】 采用s b b r 法和一定的物化法相结合的方法处理高盐度有机废水，出水c o d 的含量比 进水减少了7 9 6 。 ( 2 ) s b b r 工艺处理含有有毒废水和难降解有机废水的应用研究 w o b u s - a 等【3 习与k a b a l l o 等3 6 】采用s b b r 方法过滤和降解对氯酚，分析了问歇与连 续进水两种方式对反应器处理效果的影响。间歇进水( 序批式处理工艺) 反应器内的液体 是匀相的，在连续进水反应器中的液体存在着浓度梯度，这是因为生物膜的吸附作用对 降解氯酚的效果不明显。w h i t e d a n i e lm 等 3 7 1 利用s b b r 工艺处理开采金属矿沥析出的 含氰废水，这种废水含有剧毒，成分复杂，对环境有非常大的危害。采用s b b r 工艺， 以2 4 小时为运行周期，一个周期后可将2 0 m g l 的氰化物降解至0 5 m g l ，同时以l ：1 摩尔的量生成氨氮。同时实验还得出封闭式的s b b r 系统能经受低温，低能耗，移动性 强的优越性能，优先选择处理此类废水【翊。 ( 3 ) s b b r 去除废水中氮磷的应用研究 9 第一章绪论 目前对使用s b b r 工艺去除有机废水中氮磷的实验研究还比较少，国内只有李军3 9 1 对这个工艺的除磷作用进行了研究。他将软性填料序批式生物膜法工艺应用到了杂排水 上。应用中确定了使用该工艺的最优工艺方法参数，并对软性填料序批式生物膜法a o 工艺处理杂排水时脱氮除磷等做了进一步研究。表明软性填料s b b r 好氧系统可有效地 去除c o d 、浊度、s s 等。国内也有研究学者用s b b r 工艺处理各种废水，并得到了很 好的效果。 罗勇【4 0 】采用s b b r 反应器处理粪便污水厌氧出水试验，研究表明：当有机负荷为 0 4 k g c o d m 3 d ，h r t 为1 2 h ，挂膜密度3 0 及水温为2 5 时，可使c o d 为2 6 0 0 m g l ， 氨氮为5 0 0 m g l 及t - n 为5 0 0 m g l 的进水，出水c o d 为3 5 0 m g l ，氨氮为7 m g l ，t - n 为8 0 m g l ，c o d 去除率为8 6 3 ，氨氮去除率为9 9 2 ，t - n 去除率为8 4 5 ，在s b b r 反应器中实现了高效的同步硝化反硝化脱氮。 荣宏伟和吕炳南【4 i 】采用s b b r 工艺脱氮除磷的研究表明，在最优工况稳定运行条件 下，虽然进水的污染物浓度波动变化比较大，但s b b r 工艺对c o d 、氨氮、总氮、总磷和 s s 的去除表现出较好的去除能力，并且研究还表明s b b r 工艺对水质的变化具有一定 的抗冲击负荷能力，该工艺是一种行之有效的同步脱氮除磷工艺。 姜文谦 4 2 1 采用s b b r 法处理城市污水的试验研究表明：序批式生物膜法( s b b r ) 处 理城市污水具有较好的处理效果，并有一定的抗冲击负荷能力，有机物c o d 的去除率基 本保持在8 0 9 0 ，n h 3 、t p 的去除率保持在9 0 以上，t n 的去除率在5 5 左右， 出水水质达到国家污水综合排放一级排放标准。 1 2 3 2s b b r 法降解有机物的机理 当进水之后，反应器中的填料截留了废水中的悬浮物，同时把废水中的溶解性物质 和胶体吸附在膜的表面，有机物促使微生物很快开始繁殖，这些微生物进一步吸收废水 中的物质，这些物质呈悬浮、胶体和溶解状态，而后慢慢形成了生物膜。生物膜成熟了 以后，吸附在生物膜上的微生物靠污水中的有机污染物为养料，吸附和氧化废水中的有 机物，所以经过生物滤池后的废水能被净化。生物膜的表面积非常大，废水中的有机物 可以被大量吸附，并且生物膜具有很强的氧化能力和吸附作用。伴随着有机物的分解， 微生物则在不断繁殖增大，从而使生物膜的数量逐渐增加。随着生微生物的老化死亡， 填料表面的生物膜将会脱落下来，然后和废水一起流出池外。 总的来说，污水生物处理可划分为悬浮生长工艺和附着生长工艺，悬浮生长以活性 1 0 长安大学硕士论文 污泥法为代表，微生物在曝气池内以活性污泥的形式呈悬浮状态，而附着生长工艺就是 以生物膜法为代表，微生物以膜状固着在某种载体的表面上。在生物膜反应器中，废水 在生物膜表面流动时，废水中的有机物就会从运动着的废水中转移到附着的水中去，并 进一步被生物膜所吸收。同时空气中的氧也经过废水进入生物膜，生物膜上的微生物在 氧的参与下对吸附在其上的有机物进行分解和机体的新陈代谢，产生二氧化碳和氮气等 无机物沿着生物膜经过附着水排放到流动的废水和空气中去。由此有机物的含量减少， 废水得到净化。同时由于扩散作用制约了d o 的渗透，从而在生物膜内部形成缺氧和厌 氧区。在生物膜的内部缺氧区和厌氧区，厌氧菌的繁殖和代谢，促使了反硝化反应的进 行，使整个反应器保持活性。此外，在生物膜反应器中，由于微生物被固定在载体表面， 使得水力停留时间h r t 与固体停留时间s r t 分离，因而有利于增长速率很慢、世代期 很长的微生物在其中生长繁殖。例如为硝化菌的生长繁殖提供了非常优越的环境【4 3 1 。 在实际研究中认为，生物膜对溶解性有机物的去除主要来自3 个方面的作用：第一 个作用是通过膜的截留作用，即膜的筛滤作用对溶解性有机物的去除；第二个作用是通 ： 过膜的吸附作用对溶解性有机物的去除；第三个机理是通过膜表面形成的沉积层对溶解 性有机物的去除。由于废水组成通常含有多种组分，故生物膜上的生物相是相当丰富