（环境工程专业论文）搅拌强度对反硝化紊动床的特性影响研究.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 搅拌强度对反硝化紊动床的特性影响研究 专业：j 贼_ y - 程 学生：郑兰香 导师：彭党聪教授 摘要 在生物膜反应器内由于生物膜的脱附，反应器内不仅有附着态的生物膜还有悬浮态的 微生物。当影响脱附的因素发生变化时，生物膜的结构、性质及其与悬浮微生物的活性均 会发生变化。 本研究以缺氧紊动床生物膜反应器( m b b r ) 为对象，研究了不同搅拌强度( 1 0 0 r p m 、 1 2 0r p m 、1 5 0r p m 、2 0 0r p m ) 下m b b r 反应器内附着态和悬浮态的生物量及微生物活性等。 试验结果表明： ( 1 ) 搅拌强度越高，生物量越大。在1 0 0 r p m 、1 2 0 r p m 、1 5 0 r p m 、2 0 0 r p m 下，单位载 体上的生物膜量分别为3 3 7m g g 、5 3 2m g g 、8 2 3m g g 、9 8 7 m g g ；反应器内的总生物量 分别为1 3 4 1 9 、2 1 5 6 9 、3 2 2 5 9 、3 4 3 3 9 ；生物膜分别为1 2 0 5 9 、1 9 0 2 9 、2 8 6 0 9 、3 0 8 4 9 ； 悬浮微生物分别为1 3 6 9 、2 5 4 9 、3 6 5 9 、3 4 9 9 。虽然各转速下的生物量变化较大，但是生 物膜和悬浮微生物占总生物量的比例基本不变，分别在8 9 和l l 左右。 ( 2 ) 搅拌强度越高，微生物的活性越低。在1 0 0 r p m 、1 2 0 r p m 、1 5 0 r p m 、2 0 0 r p m 下， 总生物量的硝氮降解速率分别为3 0 1 m g g h 、2 1 5 m g g h 、1 2 2 m g g h 、7 5 m g g h l 生物膜 的硝氮降解速率分别为3 2 1 m g g h 、2 2 9 m g g h 、1 3 2 m g g h 、7 g r o g g h ；悬浮微生物的 硝氮降解速率分别为1 2 4 m g g h 、1 1 0 m g g h 、4 o m g g h 、3 7 m g g h 。 ( 3 ) 搅拌强度越高，微生物的比生长率y 越大。在1 0 0 r p m 、1 2 0 r p m 、1 5 0 r p m 、2 0 0 r p m 下，y 值分别为0 3 1 5g s s g c o d 、o 3 5 1g s s g c o d 、o 3 9 6g s s g c o d 、o 3 9 0g s s g c o d 。 ( 4 ) 搅拌转速达到2 0 0r p m 时，反硝化生物膜反应器内部分形成颗粒污泥。 ( 5 ) 生物膜内存在c a 2 + 、m 萨+ 的积累，在7 0 0o c n 定生物量，c a c 0 3 和m g ( o 聊2 的分 解对测定的生物量具有显著的影响，导致试验结果偏差。 关键词：m b b r 搅拌强度生物膜悬浮微生物生物量硝氮降解速率比生长率 西安建筑科技大学硕士论文 t h ee f f e c t o fs t i r r i n gi n t e n s i o no nt h ep e r f o r m a n c eo f ad e n i t r i f y i n gm o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r ( m b b r ) s p e c i a l t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g s t u d e n t ：z h e n gl a n x i a n g i n s t r u c t o r ：p m f p e n gd a n g c o n g a b s t r a c t b e c a u s eo fd e t a c h m e n t , t h e r ea l et w ok i n d so fb i o m a s si nt h eb i o f f l mr e a c t o r s ：t h ea t t a d 硷d b i o m a s s ( b i o f t h n ) a n dt h es u s p e n d e db i o m a s s t h es l r u c t u r eo f b i o f i l ma n dt h ea c t i v i t i e so f b o t h t h ea t t a c h e db i o m a s sa n dt h es u s p e n d e db i o m a s sw o d db ed e e p l ya f f e c t e db yd e t a c h m e n t 1 1 1 er e s e a r c hw a sc a r r i e do u tw i t ha l la n o ) 【i cm o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r ( m s b r ) a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so f b i o m a s sw e r es t u d i e da td i f f e r e n tm i x i n gi m e n s i o n s ( 1 0 0 r p m , 1 2 0r p m ，15 0r p m ， 2 0 0r p m ) t h ef o l l o w i n gr e s u l t sw e r eo b t a i n e d ： ( 1 ) t h eb i o m a s si n c r e a s e dw i t h t h es t i r r i n gi n t e n s i o n u n d e r1 0 0 r p m , 1 2 0 甲【n ，1 5 0 r p m , a n d 2 0 0r p m ，t h ea t t a c h e db i o m a s sm a t c h e dt o3 3 7m e g ，5 3 2m g e ，8 2 3m g g ，9 8 7m e g gc a r r i e r s ， r e s p e c t i v e l y ；a n dt h et o t a lb i o m a s si nt h er e a c t o rm a i n t a i n e da t1 3 4 1 9 ，2 1 5 6 9 , 3 2 2 5 9 , 3 4 3 3 9 ， r e s p e c t i v e l y ；t h ea t t a c h e db i o m a s sm a i n t a i n e da t1 2 。0 5 9 , 1 9 。0 2 9 , 2 8 6 9 , 3 0 8 4 9 , r e s p e c t i v e l y ；a n d t h es u s p e n d e db i o m a s sm a i n t a i n e da t1 3 6 9 ，2 5 4 3 6 5 9 , 3 4 9 9 , m s p e c f i v e l y a l t h o u g ht h e b i o m a s sw e r ev a r i a b l ea t4d i f f e r e n tr p m , t h ea t t a c h e db i o m a s sa n dt h es u s p e n d e dn o m a s sw a s a b o u t8 9 a n d11 t h a to f t o t a lb i o m a s s ，r e s p e c t i v e l y ( 2 ) t h ea c t i v i t yo f b i o m a s sd e c r e a s e dw i t ht h es t i r r i n gi n t e n s i o n u n d e rl o o r p m , 1 2 0r p m , 1 5 0r p ma n d2 0 0r p m ，t h en u ro ft h et o t a lb i o m a s sa c h i e v e dt o3 0 1 m g g 1 l ，2 1 5 m g g 1 l ， 1 2 2 m g g h , 7 5 m g g h ，r e s p e c t i v e l y ；a n dt h en u r o f t h ea t t a c h e db i o m a s sr e a t c h e dt o3 2 1 m f f g h 2 2 9 m g g h ，1 3 2 m g 幢l l ，7 9 m g g h ，r e s p e c t i v e l y ；a n dt h en u r o ft h es u s p e n d e db i o m a s s m a t c h e dt o1 2 4 m g g ，h ，1 1 o m g g 1 1 ，4 0 m g g 1 l ，3 7 m g g 1 1 r e s p e c t i v e l y ( 3 ) t h ey i e l dc o e f f i c i e n to f b i o m a s s i n c r e a s e dw i t ht h es t i r r i n gi n t e n s i o n u n d e r l 0 0 r p m ， 1 2 0 r p m , 1 5 0 r p m ，a n d2 0 0r p m ，t h ey i e l dc o e f f i c i e n tw a so 3 1 5g s s g c o d ，0 3 5 1g s s 值c o d ， 0 3 9 6g s s 幢c o d ，0 3 9 0g s s g c o d ，r e s p e c t i v e l y 西安建筑科技大学硕士论文 ( 4 ) t h eg r a n u l e sw e r ef o u n di nt h es t i r r e da n o x i cd e n i t r i f y i n gm b b ra t2 0 0 r p m ( 5 ) c a 2 + a n dm 9 2 + w e r ea c c u m u l a t e di nt h ed e n i t r i f y i n gb i o f i l m a n dt h ed e c o m p o s i t i o no f c a c 0 3a n dm g ( o h ) 2a t7 0 0 。cl e dt ot h ee r r o rr e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t k e yw o r d s ：m b b r , s t i r r i n gi n t e n s i o n ，t h ea t t a c h e db i o m a s s ，t h es u s p e n d e db i o m a s s ，n o m a s s ， n i t r a t eu t i l i z a t i o nr a t e ( n u n ) ，t h ey i e l dc o e f f i c i e n t 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，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，也不包含本人或其他人在其它单位 已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的 所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：炭p 乡厢 日期：砂岁f 化 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：砷乒霜导师签名：簪与艮咱期：盯f ，r 二 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士论文 1 1 水体中氮的来源及其危害 1 绪论 1 1 1 水体中氮的来源 自然界中的氮以有机氮和无机氮两种形态存在。有机氮包括含氨基、胺基和硝基的有 机化合物如尿素、胞壁酸、氨基酸、脂肪胺等。而无机氮则包括氨氮、亚硝态氮和硝态氮。 废水中氮的形式和含量取决于废水的来源和种类。我国水体中的氮主要来源于城市生活污 水、工厂工业废水和农业生产活动。 ( 1 ) 城市生活污水 随着我国城市人口的增加和人口的进一步集中，人民生活水平的提高，城市排放的垃 圾量和污水量在逐步上升。城市生活污水中的氮主要有厨房洗涤、厕所冲洗、淋浴、洗衣 等带入，城市垃圾的渗滤液含有较高的氨氮。城市生活污水中含有的有机氮和氨氮。主要 来源于人体食物中蛋白质代谢的废弃物如粪便等。通常新鲜生活污水中有机氮如尿素等约 占6 0 ，无机氮中氨氮占4 0 ，并含有微量的硝态氮和亚硝态氮，约占不到1 【l 】。 ( 2 ) 工业废水 产生高浓度含氮废水的工厂，大致可以分为两大类型。一类是含氮产品的生产厂，另 一类是含氮产品的使用厂和加工厂。会产生氨氮废水的工厂主要是合成氨厂及系列氮肥厂、 复合肥厂、硝酸生产厂、炼焦厂、己内酰胺厂、玻璃及玻璃制品厂、半导体印刷电路板生 产厂、铁合金厂、石化厂、炼油厂、家电厂、制冷剂厂、屠宰厂、肉类加工厂，酒厂等。 例如，一个年产1 5 1 0 4 t 的合成氨厂每天排放的含氨不到5 的废水就有6 0 t 多。而在铀 净化过程中常用硝酸作为溶液的萃取剂，此类工艺废水中硝酸盐含量高达3 3 i ”。 ( 3 ) 农业生产活动 我国农业生产活动中大量使用氮肥，包括铵、硝酸态氮肥及含氮的复合肥。统计数字 表明氮肥使用后氮素的利用率仅占2 0 3 5 ，大气挥发部分占5 1 5 ，土壤吸收1 0 - - 1 5 ，剩余4 0 6 5 的氮素进入地面水和地下水。而与使用农药而排入水体的有机氮也相 当可观。据统计，使用的农药中仅1 0 2 0 的农药吸附在农作物上，有8 0 9 0 的农药会 流失在土壤里，或随雨水冲淋、农业排水和地表径流进入河道等水体中【l 】o 1 1 2 水体中氮的危害 排水中氮对环境的影响早在5 0 年代就引起广泛注意，原因是各种形态的氮可能带来一 西安建筑科技大学硕士论文 系列的环境问题，其中包括： ( 1 ) 造成水体的富营养化氮和磷是植物和微生物的主要营养性元素，当水体中含 n o 2 m g l ，p o 0 2 m g l ，水体就会富营养化。水体富营养化后会引起某些藻类的恶性繁殖， 一方面有些藻类本身有藻腥味会引起水质恶化( 水变得腥臭难闻) ；另一方面有些藻类所含 的藻毒素会富集在水产物体内，并通过食物链进而影响人体健康，甚至使人中毒。而且， 水体中大量藻类死亡的同时会耗去水中所含的氧气，从而引起水体中鱼虾类等水生生物的 大量死亡，致使湖泊退化，淤泥化、甚至变浅、变成沼泽地，甚至消亡。“水华”及“赤潮” 现象严重地威胁着自然水体。 ( 2 ) 危害人类及水生生物的生存当水体中p h 值较高时，氨态氮往往呈游离氨的形 式存在，游离氨对水体中的鱼及水生生物皆有毒害作用。当水体中n 卜n l m g 几时，就会 使生物血液结合氧的能力下降；当n 地一n 3 m g 几时，在2 4 9 6 h 内金鱼及鳊鱼等大部分鱼 类和水生物就会死亡。饮用水中n o ，- n i o m g l 时，则会使人体内正常的血红蛋白氧化成高 铁血红蛋白，失去血红蛋白在体内输送样的能力，出现缺氧的症状，尤其是婴儿。当人体 中高铁血红蛋白 7 0 贝j i 会发生窒息现象。此外，亚硝酸盐若长时间作用于人体可引起致癌。 亚硝酸盐与胺类作用会生成亚硝胺，对人体有强致癌作用。 ( 3 ) 降低水体的观赏价值 随着改革开放的深入，人民生活水平的提高，旅游已成 为人们越来越广泛的需要。而水质优良的江河、湖泊、公园是城市景观的重要组成部分， 也是人们生活娱乐、休闲的最佳场所。如无锡的太湖、昆明的滇池。但目前我国大部分湖 泊已呈现不同程度的富营养化状态。有些湖泊通体发黑、发臭，大大降低了这些湖泊的利 用价值。 ( 4 ) 增加污水的处理成本污水中氨氮的增加会增加污水的处理成本。以氯气处理 法计，每增加l g 氨氮则需增加8 l o g 的投氯量。若以化学中和法、沉淀法处理，也会增 加化学药剂的投入量。除此之外，氨还会与些含铜及铜合金设备中的铜组分反应引起相 关设备的腐蚀。 1 - 2 污水生物脱氨技术 污水脱氮方法主要分为物化法和生化法两大类，其中物化法主要有化学沉淀法、空气 吹脱法、选择性离子交换法、折点氯化法等。物化法一般投药量大，且易造成二次污染； 而生化法由于其脱氮率高，可避免造成二次污染而被广泛应用。 传统污水生物脱氮的基本原理是在微生物作用下，将污水中含氮化合物转化为氮气的 过程，其中包括硝化和反硝化两个过程。 西安建筑科技大学硕士论文 1 2 1 硝化 硝化是指在好氧条件下，水中的氨氮在微生物作用下被氧化为硝酸盐氨的过程。它分 为两个阶段，分别由亚硝酸菌和硝酸菌完成。第一步是由亚硝酸菌将氨氮氧化为亚硝酸盐 氮，亚硝酸菌包括亚硝酸盐单胞菌属和硝酸盐球菌属；第二步是由硝酸菌将亚硝酸盐氮进 一步氧化为硝酸盐氮，硝酸菌包括硝酸盐杆菌属、螺旋菌属和球菌属。 硝化过程可表示为： n h ；+ 委d 2 骘晖+ h 2 0 + 2 h + n o ；+ 妻0 2 丑墼! o n o ； 二 从硝化反应过程可以看出，硝化过程只是改变了氮在水体中的存在形式，丽并没有从 水体中彻底去除，要彻底去除水体中的氮，还需要进行反硝化。 1 2 2 反硝化 ( 1 ) 反应过程 生物反硝化是指在缺氧条件下，水中的硝酸盐氮或亚硝酸盐氮在反硝化菌的作用下还 原为氮气的过程。反硝化菌很普遍，包括假单胞菌属、反硝化杆菌属、螺旋菌属、无色杆 菌属等，多数是兼性菌。 反硝化过程中，反硝化菌利用各种有机基质作为电子供体，以硝酸盐作为电子受体而 进行缺氧呼吸。从n o ；还原为，的过程经历了一系列连续的反应过程： n o ；型避n o ；堕燮! 里b 0 咝吗n 2 0 墼堕玛2 反硝化过程中，部分反硝化菌只含有硝酸盐还原酶时，n o ；只能还原至n o ；硝酸 盐还原酶是一种含有钼辅基的蛋白质复合物，它在催化反硝化时有如下电子转移过程： n a d h 2 斗剧d 斗醌寸细胞色素b 斗m o _ n o ； 在反应过程中，首先由黄素蛋白( f a d 或删) 接受从还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷 酸( n a d h 2 ) 来的电子，并将它转移给醌和细胞色素b ，然后将电子转移给含铝的硝酸盐 还原酶，使 扬6 + 还原为胁“，而胁5 + 再将电子转移给晖而使其还原为n o ；团。 ( 2 ) 计量学 反硝化反应可表示为： n o ；+ 3 h 一0 5 n ，+ 月j 0 + o h n o ；+ 5 目一o 5 n 2 + 2 h 2 0 + o h e e s * ，。：，。，塑塞壅堑坠堑奎兰堡圭篁兰 ! 。 由上式可知，每转化l g d i 一| v 为n 2 时，需要有机物( 以b o d 表示) l 7 1 9 ( 了1 0 3 1 4 = 1 7 1 ) ：每转化l gn 0 3 一为2 时，需要有机物为 2 8 6 9 ( 2 “5 1 4 = 2 8 6 ) ，同时产生3 5 7 9 碱度( 以c a c 0 3 计，1 0 0 ( 2 1 4 ) ：3 5 7 ) 。 ( 3 ) 动力学 1 ) 反应速率动力学 在反硝化过程中，硝氮和有机物两者均作为反硝化菌的基质被同时利用，即反硝化反 应为双重基质限制的生物化学反应。因此，反硝化过程的速率可用双重m o n o d 模式来描述： 毋毒蠹 ( 1 ) 式中 v n 一反硝化速率( m g n o ；一n m g v s s 蛾 k 一最大反硝化速率( m g n o ；一n m g v s s ； k l 一有机物的米氏常数( m g l ) k ：一n o ；一的米氏常数( m g l ) s 一有机物的浓度( m g l ) s 2 一n o ；一的浓度( m g l l ) n o ；一的米氏常数如约为o 1 5 m g l ，而有机物的米氏常数则随被利用的有机物种类 的变化而变化。 n n o ；一的浓层黏2 l m g l l 时，式( 1 ) 可简化为： r 1 2 d n “意j ( 2 ) 即反硝化速率为n o ；一的零级反应。同时式( 2 ) 也说明， n o ；一浓度大于 l m g l 时，反硝化过程的速率主要为有机物的种类和浓度所控制。 当有机物的浓度墨 k l ，式( 2 ) 可进一步简化为： v d n = 七( 3 ) 即整个反硝化过程与有机物和0 f 一的浓度无关，此时凹一n 以最大速率被反硝 化。 当有机物的浓度墨 t ，式( 2 ) 可进一步简化为： v d = 七墨( 4 ) 式中七= 七t 。此时，反硝化速率为电子供体浓度的一级反应。 4 西安建筑科技大学硕士论文 2 1 细胞增长动力学 反硝化过程中，微生物的净增长速率可表示为： 口= y v d u b 式中 口一反硝化菌的净增长速率( m g v s s m g n o ；一n 自) y 一反硝化菌的细胞产率系数( m g v s s m g n o ；一) b 一内源呼吸系数o h ) y 、b 随有机物的种类变化而变化，普遍规律是，被利用的有机物越简单( 含碳原子的 个数越少) ，y 值越小。 ( 4 ) 影响反硝化的环境因素 1 ) 碳源 有机碳源的种类对反硝化菌的活性有着重要影响。碳源的种类不同，反硝化速率以及 反硝化菌的比增长速率也不相同。对内源呼吸、生活污水和外加碳源( 如甲醇) 三种不同 的碳源来说，其反硝化速率依次增高，而反硝化菌的比增长速率则依次降低。 城市污水中的有机物作为碳源时，b a r n a r d 提出反硝化速率存在三个不同的阶段。第 一阶段发生在反硝化刚开始的5 l s m i n ，此时的反硝化速率最快，为5 0 m g l h ，该阶段反 硝化菌利用挥发性脂肪酸和醇类等可快速生物降解的厌氧发酵产物作为碳源进行反硝化； 第二阶段自第一阶段结束一直延续到所有外碳源用完为止，反硝化菌以不溶的或复杂的可 溶性有机物作为碳源，因而反硝化速率比第一阶段慢，约为1 6 m g l h ；第三阶段由于外碳 源耗尽，反硝化菌以微生物内源代谢产物为碳源，反硝化速率仅为5 4 m g l h p 。 2 ) 温度 温度对反硝化速度的影响遵循a r r h e i u s 方程，可以下式表示： 岛= 如0 。2 式中 j 0 一温度为邪寸的反硝化速度( g n 0 3 一寸嗽，v s s d ) 砭。一温度为2 0 。c 时的反硝化速度( 驴i 0 3 一- y g v s s d ) 丁一混合液温度( ) p 一温度修正系数，一般为1 。0 3 1 。1 5 反硝化菌对温度的变化虽不如硝化菌那样敏感，但反硝化速率也随着温度变化而变化， 温度越高，反硝化速率越快。最佳温度为3 0 3 54 c 。低于1 5 。c 反硝化速率明显下降，低至 5 c 时反硝化几乎停止【4 】。 西安建筑科技大学硕士论文 3 jp h 溶液p h 值的变化对反硝化过程存在两方面的影晌：一是反硝化菌的活性：二是反应 形成的最终产物。 最大反硝化速率发生在p h 值为7 0 7 5 。当p h 值低于6 0 或高于9 0 时，反硝化速 率明显降低；同时溶液的p h 值也决定着反硝化的最终气态产物，当p h 值超过7 以上时， n 2 是n o ；n 还原的主要产物；当p h 值低于7 以下时，n o 和n 2 0 将成为其还原的主要产 物。而n o 和n 2 0 ( n x o ) 一方面是环境污染物质；另方面n x o 对反硝化菌还有一定的 抑制性。特别是当反硝化工艺为活性污泥法时，n x o 积累还可能引起污泥膨胀。因此，对 于反硝化系统，溶液的p h 值应控制在大于7 0 为宜【5 】。 4 ) 溶解氧 反硝化菌是兼性菌，既能进行有氧呼吸，也能进行无氧呼吸。从热力学上说，含碳有 机物好氧生物氧化时所产生的能量高于厌氧反硝化所产生的能量，这表明当同时存在分子 态氧和硝酸盐时反硝化菌会优先进行有氧呼吸。另外，反硝化菌从有氧呼吸转变为缺氧呼 吸的关键是合成缺氧呼吸的酶，而分子态氧的存在会抑制这些酶的合成及其活性，所以为 了保证反硝化过程的顺利进行，必须保持严格的缺氧状态。一般，在活性污泥反硝化系统 中，溶解氧应低于o 2 m g l ；而在生物膜系统中，溶解氧应低于o 5 m g 凡即可不影响反硝化 进行1 3 】。 5 ) c n 在生物反硝化过程中，c n 比是控制脱氮效果的一个重要因素，其比值愈低，反硝化 过程除去的氮就愈少。理论上1 9 的n 0 3 一- n 被完全反硝化需要消耗2 8 6 9 的b o d ，实际工 程运行时，当c n 大于4 6 时，可认为碳源充足，不需另外投加碳源，反之，则应投加 甲醇或其它易降解的有机物作为碳源。在a o 工艺中，c n 可高达8 ，这是因为城市污水 中成分复杂，常常只含有一部分快速生物降解的b o d 可作为反硝化的碳源闭。 1 3 1 生物膜及生物膜法污水净化机理 微生物细胞几乎能在水环境中的任何适宜的载体表面附着，并在其上生长和繁殖，由 细胞内向外伸展的胞外多聚物使微生物细胞形成纤维状的缠结结构，称之为生物膜 6 1 。确 切地说，生物膜是通过胞外聚合物由离散细胞簇( b a c t e r i a lc l u s t e r s ) 相互粘附和离散 细胞簇与固相载体粘附所形成的不均匀结构【7 j 。 生物膜法污水处理技术就是使微生物附着在载体表面上，形成生物膜，当污水流经载 6 西安建筑科技大学硕士论文 体表面时，通过生物膜对污染物的吸附以及在膜中所发生的生物氧化等作用，对污染物进 行分解。活性污泥法和生物膜法的区别不仅在于净化微生物存在方式的不同，而且重要在 于扩散过程在生物膜动力学行为中是一个必须考虑的因素。在生物膜反应器中，污染物、 溶解氧及各种必需营养物首先要经过液相扩散到生物膜表面，进而到达生物膜内部，只有 扩散到生物膜表面或内部的污染物才能有机会被微生物所分解与转化，最终形成各种代谢 产物。 1 3 2 生物膜的形成及其性质 ( 1 ) 生物膜的形成 生物膜的形成是一个复杂的物理、化学和生物过程综合作用的结果网。首先，水中一 些浮游的微生物细胞碰撞到载体表面，一部分细胞被表面吸附一段时间后因水力剪切力或 其他物理、化学和生物作用解吸出来，而另一部分则被表面吸附后变成不可解吸的细胞： 这些细胞摄取水中的底物与营养物质，其数目增多；与此同时，细胞产生大量的代谢产物。 这些产物中一些是胞外聚合物，将生物膜紧紧的结合在一起，由此，微生物细胞在消耗水 中底物能量进行新陈代谢时便使得生物膜形成。 可以说，生物膜的形成是微生物附着、生长、脱附及衰减共同作用的过程。生物膜在 载体表面形成的第一步是微生物在载体表面的附着。然后附着的微生物在给定的环境下繁 殖、增长最终形成具有一定厚度和密度的生物膜。水力条件和基质负荷是影响生物膜的两 个重要参数1 8 1 。在生物膜形成初期，水力条件影响较大，较小的剪切力有利于细胞在载体 表面的附着和固定阿。 ( 2 ) 生物膜的组成 生物膜由细胞、胞外聚合物、吸附物和 水组成，其中水是生物膜的主要组分，最高 可达生物膜总重的9 8 ，细胞最高可达生物 膜总重的5 n 。胞外多聚物( e p s ) 主要由 多聚糖、蛋白质、磷酯和核酸等组成，生物 膜的一般组成及含量见表1 1 。 应该注意的是，不同生物膜的具体组分 将随着微生物的种类、生理状态、生长环境、 液相的水力条件等因素的变化而不同。因此， 具体生物膜的组分应具体测定，表1 1 的组 分比例只是简单估计的。 表1 1 1 生物膜的一般组舻 组分名称 细胞2 5 水9 8 胞外聚合物 多聚糖 1 2 核酸 l 一2 蛋白质( 包括酶和调整蛋白质) 1 - 2 糖蛋白类 1 2 磷脂1 2 吸附的物质 西安建筑科技大学硕士论文 ( 3 ) 生物膜的结构 生物膜为多孔结构，其内有许多通道。在生物膜表面孔隙率为b 4 9 3 ，而靠近载体 表面的生物膜孔隙率降至6 7 6 8 ；不同部位孔隙的大小也不一样，在生物膜表面孔径大 约为2 0 u m ，靠近载体表面的则为0 3 pm 左右。一般而言，生物膜的孔径小于1u m t l 0 】。 b is h o p 和z h a n g 采用染色吸收法测得生物膜的平均孔径为0 4um 【儿、12 】。虽然不同类型生 物膜的通道大小和结构不同，但其作用相同，均是作为营养物质、酶、代谢产物及废弃物 的传输通道 9 1 。 ( 4 ) 生物膜的活性分布 生物膜内不同厚度处微生物的活性不同。在生物膜表面由于接触较高的基质浓度，生 物膜保持很高的活性；而在附着界面上，由于基质的限制引起大量的细胞死亡使得生物膜 活性相对较低。在生物膜表层活性生物量占总生物量的7 2 9 1 ，而在靠近附着界面上的 活性生物量仅占3 1 3 9 “。有研究指出，附着界面上生物质的活性较之生物膜外表面的 生物质的活性下降1 5 3 0 i ”l 。 ( 5 ) 生物膜内的传质 在生物膜反应器中，基质的转化速率在很大程度上取决于生物膜内的传质，而基质在 生物膜内的传质又往往与其结构紧密相关。生物膜内不仅有细胞簇，而且还含有孔穴。在 细胞簇内，传质方式为分子扩散，而在孔穴内，传质方式既有分子扩散也有对流扩散；液 相主体流速的加大对生物膜内孔穴内的对流传质有着明显的促进作用【1 4 “5 。由膜外液相主 体流速的改变而造成生物膜内传质特性的改变对于同生物膜内不同厚度处的扩散影响也 不同。般来说，生物膜表面附近的传质特性受流速影响较大，而生物膜内部的传质特性 受流速的影响较小n 6 1 。 1 3 3 生物膜反应器 ( 1 ) 生物膜反应器的发展 1 8 9 3 年，英国进行了将污水在粗滤料上喷洒进行净化的试验，并取得了良好的净化效 果，从此生物滤池开始问世，并开始用于污水处理的实践。 2 0 世纪2 0 3 0 年代，许多生物膜反应器系统用于实际污水处理，其主要形式是生物滤 池。与微生物处于悬浮生长状态的活性污泥法相比，生物滤池虽然具有生物量高和净化效 果较好等优点，但也存在水量负荷和b o d 负荷较低、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。在此期间，生物滤池所采用的填料主要是 碎石、卵石、炉渣和焦炭等实心拳状的无机天然滤料，不但比表面积小，而且空隙率低， 所以在4 0 5 0 年代生物滤池逐渐被活性污泥法所取代。 西安建筑科技大学硕士论文 6 0 年代，随着新型有机合成材料的开发和大量生产，由聚乙烯、聚苯乙烯和聚酰胺等 高比表面积和空隙率的新型有机人工合成填料的问世，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。 7 0 年代，除了普通生物滤池( t r i c k l i n gf i l t e r ，也称为滴滤池) 外，生物转盘( r b c ) 、 淹没式生物滤池( s u b m e r g e db i o f i l mr e a c t o r ) 和生物流化床( f l u i d i z e db e d ) 技术都得到 了比较多的研究与应用。不同类型的生物膜反应器在长期的使用中逐渐显现出各自的缺点， 主要为：滴滤池的容积利用率较小，因此负荷较低；淹没式生物滤池的布水和布气很难十 分均匀：流化床经常出现水力不稳定且耗能较大等。 近年来，随着对生物膜反应器的进一步开发和研究，开始出现大量新型的单一或复合 式生物膜反应器，如微孔膜生物反应器( m e m b r a n eb i o f i l mr e a c t o r ) 、气提式生物膜反应器 ( a 打h n s ) 、紊动床生物膜反应器( m o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r , 简称m b b r ) 、复合式活性污泥 生物膜反应器( h y b r i da c t i v a t e ds l u d g e b i o f i l mr e a c t o r ) 、序批式生物膜反应器( 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 ) 等。这些新型生物膜反应器的出现以及传统生物膜反应器性能的改 善和提高，使生物膜反应器在污水处理中得到广泛应用。 ( 2 ) 紊动床生物膜反应器( m b b r ) 紊动床生物膜反应器是在生物滤池和流化床的工艺基础上发展起来的。它既具有传统 生物膜法耐冲击负荷、泥龄长、剩余污泥量少的特点，又具有活性污泥法的高效性和运转灵 活性的优点。 2 0 世纪8 0 年代，北欧颁布了要求减少营养物质排放量的条款，要求各污水厂对原 工艺进行改造，以实现脱氮除磷。通过引进化学沉淀可以实现除磷，而普通活性污泥法 水力停留时间只有3 5 h ，不能实现脱氮。在挪威，当时的主流观点认为最有效的脱氮方 法是使用紧凑的生物膜工艺，如淹没式生物滤池和普通生物滤池。由于滤池中存在生物 膜载体易于堵塞以及需要反冲洗等缺点，这限制了生物膜工艺的应用。m b b r 就是在这种 背景下被开发出来。 m b b r 由挪威k m t 公司和s i n t e f 研究结构联合开发，其基本思路是设计一种能连续运 行，且水头损失小，生物膜比表面积大，又无堵塞，无需反冲洗的生物膜反应器。具体做 法是向反应器内投加颗粒载体，微生物附着在载体上形成生物膜，并可随水流动( 图1 1 ) 。 曝气池内的曝气装置( a ) 和厌氧缺氧池中的搅拌器( b ) 可以保证颗粒自由流动。为防止被 冲走，反应器出口设滤网，颗粒在运动中不断碰撞、摩擦，从而可有效防止堵塞。颗粒载 体在反应器内的填充率可根据实际情况而定，最大为7 0 【1 ”。 西安建筑科技大学硕士论文 进水 i髂o 0 o o d 。，? 空气 ( ) 荦9 早9 早9辩 ( q ) 好氧m b b r ( b ) 缺氧或厌氧m b b r 图i i 紊动床生物膜反应器 与其它类型的生物膜反应器相比，紊动床生物膜反应器具有以下优点：解决了固定床 反应器需定期反冲洗、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 器等问题。实际的运行结果表明，当采用连续流操作方式时，其可成功地用于经初沉后污 水的硝化；而当采用间歇流操作方式时，则又可成功用于反硝化。由于其处理工艺可靠， 易于操作，适用于设计小型污水处理厂或改造已有的超负荷运转的活性污泥处理系统。 ( 3 ) 生物膜反硝化 生物反硝化可在各种生物膜工艺中迸行，由于可以不用考虑氧气传质，从而消除了氧 气对容积负荷的限制。此外，反应器内微生物以附着态存在，剩余污泥量少，减少了沉淀 池的容积。因此，反硝化的容积负荷能够高于好氧生物膜工艺。另外。生物膜上能生长世 代时间较长的微生物，而这类微生物一般对有毒或难降解物质具有适应或降解能力。因此， 与活性污泥反硝化相比，生物膜反硝化具有负荷高、剩余污泥量少、能处理难降解有机物 及抗毒性等优势。 紊动床生物膜反应器使用高比表面积的填料，且系统不易堵塞，适合用于反硝化工艺。 1 4 生物膜脱附 在污水生物处理系统中，处理效果和反应器内的微生物量密切相关，生物量的多少是 微生物生长和损失的净结果。在生物膜反应器中，生物膜的损失包括三个部分：衰减、被 捕食和脱附【l s l 。其中衰减和活性污泥中的相似，可用一般的一级衰减系数表示；虽然生物 膜被原生动物或更高一级动物捕食对沉淀池的沉淀效率很重要，但至今没有相关的定量研 究，通常忽略它的作用。而生物膜的脱附作为生物膜损失的重要机制之一，是广大研究者 关注的焦点。 生物膜脱附( b i o f ii md e t a c h m e n t ) 是指微生物个体和细胞代谢产物从生物膜上脱落进 入液相主体中，它是保持生物膜上微生物平衡生长的一个基本过程i 】9 】。d r y e r s 将脱附过程 1 0 西安建筑科技大学硕士论文 分为5 类：冲刷、磨损、人为干扰、被捕食和剥落【】9 】。而r i t t m a n n 则更简单地将生物膜脱 附分为三类：冲刷磨蚀( e r o s i o n ) ，碰撞磨损( a b r a s i o n ) 和剥落( s l o u g h i n g ) 1 9 1 。其中， 冲刷磨蚀是指生物膜载体表面由于受到水流或气流切向力，而在载体表面冲刷摔面积较小 的一些生物膜，产生生物膜剪切损失：碰撞磨损是指当紊动很强烈时，载体受到轴向力作 用，引起载体颗粒间的互相碰撞，其间磨蚀了部分生物膜；而剥落是指大面积的生物膜由 于不确定的原因从载体表面脱落下来。剥落一般发生在生长时间较长、较厚的生物膜中， 或是发生在环境条件突变情况下( 如负荷的突然提高) ，它是一个不确定、非连续的过程。 与之相比，冲刷磨蚀和碰撞磨损则被认为是反应器中连续发生的过程。 目前对脱附的研究主要集中在不同生物膜反应器中的脱附机理、影响脱附的因素以及 对脱附建立数学模型这几个方面。 1 4 1 影响生物膜脱附的因素 影响生物膜脱除因素主要包括剪切力、上升流速( 气体流速和液体流速) 、基质的种类 和浓度、载体浓度以及载体的表面特性等。 ( 1 ) 剪切力的影响 a r c a n d 对u b f 的研究结果表明，液体流动所产生的剪切力与生物膜的脱附无关，但是 气体流动产生的剪切力则显著的影响生物膜地脱附刚。而n i c o l e l l a 认为剪切力在0 1 4 0 1 7 n m 2 时，对生物膜脱附的影响很小刚。表2 所列出的是一些研究者对生物膜脱附建立 的数学表达式，从中可见有的认为剪切力对生物膜的脱附无关，有的则认为有关。 ( 2 ) 流速的影响 c r i s t i a n on i c o l e l l a 等对流化床生物膜反应器的脱附过程进行研究，结果表明：液 体流速越大，脱附速率越大瞄】。c h a n g 在其研究中指出，流速上升，反应器中的紊动强度 加大，使得载体间的碰撞频率显著增加，从而导致形成的生物膜薄而致密】。g j a l t e m a 在 气提式流化床中的研究表明，气体的上升流速较小时( 3 1 6 2 c m s ) 对生物膜的脱附没 有影响，但是当流速超过8 6c m s 时，将显著影响生物膜的脱附。 ( 3 ) 基质的影响 p e y t o n 的研究结果表明，对于难生物降解的基质，生物膜的脱附速率会下降m 1 。在气 提式生物膜反应器中，当基质负荷率突然降至零时，生物膜脱附率迅速降低至一稳定水平 【2 ”。t p c l e m e n t 等在反硝化反应器中发现当硝氮浓度为4 8 m g 几和5 m g l 时，脱附率分别 为0 3 2d - 和0 4 3 d ，即负荷越高，脱附率越小嘲。 ( 4 ) 载体的影响 西安建筑科技大学硕士论文 在反应器中载体浓度与生物膜脱附的关系方面，c h a n g 和g j a l t e m a 的研究表明，反应 器中载体浓度增加，导致颗粒间的碰撞加剧使生物膜变薄【1 8 、1 9 。但n i c o l e l l a 发现，颗粒 浓度的增加，生物膜的脱附速率会下降田j 。而有的研究表明，当气体的上升流速恒定时， 生物膜的脱附速率与载体间的碰撞成正比。载体数量一定时，增大载体尺寸会导致载体问 的碰撞几率加大；载体填充率一定时，增大载体尺寸虽然会引起载体间的碰撞几率降低， 但是载体间的碰撞能量却相应加大，因而脱附速率反而上升田】。 就载体的表面特性与生物膜的关系而言，g j a l t e m a 发现，当向反应器内加入表面粗糙 的裸载体时，会导致载体颗粒间的碰撞加剧，从而使得生物膜的脱附速率上升刚。c h a n g 通过对外形不规则和球形的活性炭载体的研究表明，当载体的表面未完全覆盖生物膜时， 载体外形的不规则有助于防止附着生物的脱除，一旦载体表面被完全覆盖后，载体的表面 特性对生物膜的脱附则没有影响【勰】。 ( 5 ) 其它因素的影响 生物膜内部厌氧层发生厌氧分解产生的c 0 2 、h 2 s 、c h ，和n b 等气体产物逸出时，将减 弱生物膜在载体表面的附着力：线虫等后生动物的蠕动会使生物膜松动，导致生物膜脱落； 当生物滤床中生物膜过厚时，自身的重力也会促进生物膜的脱落【1 】。 1 4 2 不同类型生物膜反应器中的脱附机理 ( i ) 流动床 对于流化床生物膜反应器，液体流动产生的剪切力和颗粒间的碰撞是导致生物膜脱附 的主要机理。同时，雷诺数、生物量、剪切力和颗粒浓度对脱附速率也会产生影响：液体 流速越大，脱附速率越大；颗粒雷诺数越大，生物膜的比脱附率越大；单位载体上的生物 膜量越大，脱附速率越大，但不如雷诺数的影响明显；而剪切力的大小，则直接影响生物 膜的结构，在较大的剪切力下形成的生物膜更为密实圆。 在气提式生物膜反应器中，生物膜的脱附主要是由于气体流动导致颗粒间碰撞所引起， 脱附速率与生物膜载体的填充浓度线性相关，单位反应器内颗粒数越多，碰撞的几率则越 大，相应地由此引起的碰撞损失也越大：数量一