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膜生物流化床的除污特性及 强化反硝化脱氮技术 硕士研究生：施颖指导教师：王世和教授 东南大学土木工程学院 摘要 膜生物流化床( m e m b r a n eb i o l o g i c a lf l u i d i z e db e d ，简称m b f b ) 是将膜分离与三相生 物流化床有机结合的产物，是一项新型的污水处理技术。本文开展了m b f b 处理城市污水 的试验研究，考察了膜生物流化床的除污特性、强化反硝化的影响因素及微环境特性、微生 物特性对处理效果的影响，通过研究取褥如下主要成果： 通过连续试验，考察了载体投加量，曝气强度对系统运行特性的影响。结果表明：载体 投加量为1 0 ，气水比为1 2 ：l 时能取得较好的污染物去除效果，c o d 、n h + - n 、 i n 和 t p 的平均去除率分别为9 8 3 2 、9 8 3 5 、6 8 7 4 和4 7 6 3 。这是由于m b f b 中流化的生 物粒子和膜的高效截留作用提高了反应器对污染物的去除能力及运行稳定性 研究了硝化反硝化动力学，进行了菌种计数，结果均表明系统具有较好的硝化反硝化能 力，为了迸一步提高反硝化效果，本试验通过控制回流比、悬挂填料、投加碳源等措施。进 行了各自在强化膜生物流化床的反硝化作用。结果表嘎：试验范围内，碳源对反硝化作用的 影响最大，填料次之，回流比的影响相对较小。三者能将 i n 去除率分别提高5 0 ，4 4 和2 1 。最佳工况条件为：回流比2 0 0 - 3 0 0 ，缺氧区下部挂体积比2 0 q - g 料，投加乙 醇为碳源，c n 为1 3 ：1 。在此工况下的 i n 平均去除率为8 0 2 ，比未强化前提高了1 1 5 。 对m b f b 系统中的生物浓度、生物活性、混合液沉降性能以及生物相组成的跟踪研究 发现，系统中悬浮生物和附着生物膜共存，以附着生物为主，因此抗冲击负荷能力强，生物 活性较高，污泥沉降性能好，生物相丰富，原、后生动物捕食细菌，改善了混合液的特性， 明显提高了生物活性。 关键词：膜生物流化床；强化反硝化；载体；生物膜 r e m o v a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o n t a m i n a n t sa n d e n h a n c e d t e c h n o l o g y o fd e n i t r i f i c a t i o ni n m e m b r a n e b i o l o g i c a lf l u i d i z e db e d b ys h iy i n g s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gs h i - h e c o l l e g eo f c i v i le n g i a e e r i n g , s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , n a n j i n gc h i n a a b s t r a c t m e m b r a n eb i o l o g i c a lf l u i d i z e db e d ( m b f b ) i st h ec o m b i n a t i o no f t h em e m b r a n es e p a r a t i o n a n dt h et h r e e - p h a s eb i o l o g i c a lf l u i d i z e db e d ，w h i c hi san e wt e c h n o l o g yi nt h ew a t e rt r e a t m e n t f i e l d t h ee x p e r i m e n ts t u d i e dt h ep e r f o r m a n c ei nt h em u n i c i p a lw a t e rt r e a t m e n to fm 【b f b t h e p e r f o r m a n c eo fc o n t a m i n a n t sr e m o v a l ，t h ef a c t o r sa f f e c t i n ge n h a n c e dd e n i t r i f i c a t i o na n dt h e c h a r a c t e ro fm i c r o - e n v i r o n m e n ta n dt h em i c r o o r g a n i s ma n dt h e i re f f e c t so nt h ec o n t a m i n a n t s r e m o v a li nm b f bw e r es t u d i e d 1 1 豫r e s u l t sa l e 嬲f o l l o w s ： b yc o n t i n u o u sr u n n i n gt e s t , t h ei n f l u e n c eo ft h er u b b e rc 强t l t i e ra n da e r a t i o ni n t e n s i t yo n e f f l u e n tq u a l i t yw 啪s t u d i e d 1 0 o f t h er u b b e rg a t r i e ra n d1 2 ：lo f a e r a t i o ni n t e n s i t y 眦o p t i m a l f o rt h eo p e r a t i o no fm b f bi nt h et e s t r e m o v a lr a t e so fc o d ，n h 4 二n ，t n ，t pr e a c h e s9 8 3 2 、 9 8 3 5 、6 8 7 4 a n d4 7 6 3 r e s p e c t i v e l y d y n a m i c so fn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o nw a s t u d i e d b ye x p e r i m e n ts t u d y , i n f l u e n c e o fb a c k f l o wr a t i o 、s u s p e n d e dm e d i aa n dc a r b o ns o u r c ea n dr a t i oo fc a l 。o o i la n dn i t r o g e nw e r e i n v e s t i g a t e d c a r b o ns o u r c eh a sm o r ei n f l u e n c eo i lr e m o v a lr a t e so ft nt h a ns u s p e n d e dm e d i a , w h i l eb a c k _ f l o wr a t i oh a st h el e s ti n f l u e n c e t h ei n f l u e n c eo fb a c k f l o wr a t i o 、s u s p e n d e dm e d i aa n d g 瞄l l - b o ns o u r c eo nr e m o v a lr a t e so ft nw c f e5 o 、4 4 、2 1 b a c k f l o wr a t i oo f2 0 0 0 0 - 3 0 0 s u s p e n d e dm e d i ao f 2 0 i nt h ee n do f a n o x i cz o n e e t h a x l o l 笛c a r b o n l u l l c 弓a n dc no f1 3 ：1a r e o p t i m a lf o rt h eo p e r a t i o no fm b f bi nt h et e s t i nt h ec o n d i t i o n , t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e so ft n r e a c h e d8 0 2 1 1 5 h i g h e rt h a nb e f o r e r e s e a r c ho nt h ec o n c e n t r a t i o na n dc o n s t i t u t i o no fm i c r o o r g a n i s m 、d e h y d r o g e n a s eo f m i c r o o r g a n i s m 、s e d i m e n t a t i o no f t h es l u d g ew e r es t u d i e d t h ec o n s t i t u t i o no f m i c r o o r g a n i s mw a s t h em u l t i p l i c a t i o no fa t t a c h i n gb i o f i l ma n ds u s p e n d e ds l u d g e , w h i l et h ea t t a c h i n gb i o f i l mi sm o l e t h a nt h es u s p e n d e ds l u d g e t h ea b u n d a n tp r o t o z o aa n dm e t a z o a ni m p r o v e dt h er e m o v a le f f e c t so f c o n t a m i n a n t s t h e i rp r e y i n go nt h eb a c t e r i ai m p r o v e dt h eb a c t e r i a lm u l t i p l i c a t i o na n dt h e ya l s o s l o w e dt h em e m b r a n ep o l l u t i o n k e yw o r d s ：f l u i d i z e db e d m e m b r a n eb i o r e a c t o r ；e n h a n c e dt e c h n o l o g yo fd e n i t r i f i c a t i o n ；c a r r i e r , b i o f i i m 第一章绪论 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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 其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一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了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：旌趑导师签名r 兰里至圣日期：识胗。谚 东南大学硕士学位论文 1 1 研究背景及课题的提出 第一章绪论 中国经济的快速发展，导致水资源供需矛盾日趋激化。而我国现有的污水处理厂对导致 水体富营养化的主要营养盐氮的去除率很低，致使水体富营养化现象日益加剧。因此，研究 和开发高效、经济的生物脱氮工艺已成为当前热点。目前普遍认为生物脱氮是从废水中去除 氮素污染的经济有效的方法之一i l j 。它主要是利用微生物的氨化、硝化、反硝化作用使废水 中的氨氮最终转化成无害的氮气排放。 富营养化是指生物所需的氮、磷等无机营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等相对封闭 或水流缓慢的水体，在适宜的外界环境( 水域的物理化学环境) 因素综合作用下，引起藻类 及其它浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧下降，水质恶化，鱼类及其它水生生物大量死亡的现 象。由于藻类在与水生植物竞争营养盐上有优势当湖泊水体营养盐过多后，藻类滋生，根 生或浮游生物大量生长，造成湖泊水体正常功能的危害。藻类在代谢死亡过程中会释放各种 藻毒素，具有较强的毒理作用。如果以营养化水体为水源。藻体可堵塞滤池而影响水厂生产， 所含的毒素和气味物质则影响饮用水的质量【2 】。 通常，湖泊、海湾富营养化的限制性物质是氮和磷，所以用氮和磷作为富营养化的指标 是有效的实验表明，随着水中氮、磷的增加，藻类的繁殖量也在增加，且呈线性相关。地 面水体和地下水中氮污染物的增加会引起生态及健康方面的有害影响。氨氮要消耗水体中的 溶解氧，氨氮进入水体后，可在硝化细菌作用下氧化成硝酸盐，氧化每毫克氨氮为硝酸盐氮 要消耗水体中的溶解氧4 5 7 克；氨氮会与氯作用生成氯胺，而氯胺的消毒作用比自由氯小， 影响氯的消毒效果鱼类对游离氨非常敏感。即使水体中游离氨的浓度很低，也会影响鱼鳃 中氧的传递，对大部分鱼类两言，水体中游离氨的致死量为lm g l 。硝酸盐和亚硝酸盐在 人体中会转化为亚硝胺，这是一种致突变、致畸、致癌物，对人体有严重的潜在威胁。 根据国家环保总局 5 5 生物膜厚度 o 2 m m ，镜检生物相良好且稳定，即 认为挂膜成功【2 们。 3 2 载体投加量对处理效果的影响 生物降解作用来自反应器内存在的活性微生物的活动。载体影响着微生物的生长、繁殖、 脱落和形态，因而，对反应器的运行效果及能耗都有十分重要的影响。载体的比表面积大， 可提供较大的生物栖息空间，使得大量的生物得以附着生长。载体有切割、阻挡气泡和吸附 的作用，增加气泡的停留时间和气、液接触表面积，加快氧的转移速率，提高传质效果，从 而减少曝气量，节约能源，减少设备体积。投加载体能形成附着生长的生物膜，以提高反应 器内的生物量和生物种类。载体选择需要考虑的因素包括粒径、密度、形状、强度等，这是 为了使载体易于流化，但不易流失；能提供大的比表面积，以增加生物量；具有足够的强度， 不易磨损。另外还须考虑载体容易附着生物膜，无毒害作用；价格低廉，易于就地取材，能 满足工程大规模应用等。有机材料，例如橡胶颗粒或适宜的合成材料，除具有无机材料具有 的一切性能外，还具有耐磨损、可以变废为宝、就地取材、能够满足工程大规模应用的需求。 橡胶载体粗糙的表面适合微生物生长繁殖，因而可作为一种优良的微生物载体。本研究 采用一种轻质橡胶载体。其湿真密度为1 1 4 咖m 3 ，粒径2 - 3m m 。该载体比重接近水的比 重，启动流化容易，并且易于挂膜。通过考察好氧区容积的6 ，8 ，1 0 0 4 和1 2 的载体投 量时处理效果的各个指标。确定最佳的载体投加量。试验运行参数见表3 2 。 表3 2 稳定运行参数 注：表中各参数均为稳定运行期的平均值 3 2 1c o d 去除效果 图3 1 是不同载体投加量下膜生物流化床( m b f b ) 系统对c o d 的去除效果。由图可见， 当载体投加量为6 、8 、1 0 和1 2 时，c o d 的平均去除率分别为9 2 9 8 、9 6 8 2 、 9 8 4 8 和9 8 1 8 。可见，系统对c o d 的去除效果较好，均达到9 2 以上。而在投加6 载 体时，反应器内载体上的附着生物量较少，导致c o d 的去除率相对较低。随着投加载体量 的增加，c o d 的去除率上升，但在投加8 、1 0 和1 2 载体情况下，c o d 的去除率相 1 2 东南大学硕士学位论文 差不明显，分析认为，载体有切割、阻挡气泡和吸附的作用，增加气泡的停留时间和气、液 接触表面积，加快氧的转移速率，能明显提高传质效果。所以随着载体的投加，附着生物量 增加，c o d 的去除效果也有所增加，但当载体的填充率超过1 0 以后，载体处于拥挤状态， 导致其在反应器内的流化程度降低，附着在载体上的生物膜组分更新变慢，生物活性变差； 同时，处于拥挤状态的载体影响了生物处理三要素( 好氧微生物、可生化有机物、氧气) 之 间的传质效率。 3 2 2n h 4 + - n 去除效果 o b - i i - 出水o 去除宰( 投加脯载体) - 4 1 - 出水o 去除串( 投加h 载体) 出水6 - 去除搴( 投加l 脯蓑体 + 出水+ 去除宰( 投加1 2 蓑体) 0 5 1 0 1 52 02 53 0 运行历程，d 图3 1 载体投加量对出水c o d 的影响 图3 2 是不同载体投加量下膜生物流化床( m b f b ) 系统对n h 4 + - n 的去除效果。由图可见， 当载体投加量为6 、8 、1 0 和1 2 时，出水的n h 4 + - n 平均浓度分别为1 9 4m g l 、0 9 3 m g l 、0 5 9m g l 和0 4 4m g l ，平均去除率分别为9 1 5 6 、9 7 0 4 、9 8 5 9 和9 8 2 2 。 载体投加量在8 以上时，m b f b 系统对n h 4 + - n 的平均去除率在9 7 以上。且载体投加量 为l o 和1 2 时，系统对n h + - n 的去除效果相差不大，可见在8 - 1 0 的载体投加量时， 系统内的生物量就足以达到较好的n h + - n 去除效果。 分析认为，随着载体投加量的增加，载体上附着的微生物量增加，n h 4 + - n 的去除效果 也有所增加，但当载体的填充率超过1 0 以后，载体处于拥挤状态，导致其在反应器内的 流化程度降低，附着在载体上的生物膜组分更新交慢，生物活性变差；同时，处于拥挤状态 的载体影响了生物处理三要素( 好氧微生物、可生化有机物、氧气) 之间的传质效率。 1 3 ()，哥笾_孚qou 帕 鲐 驺 ；2 加 卯 加 m o 一，矗昌)毯矮8u*茁 第三章膜生物流化床工艺对城市污水的处理效果 3 2 3t n 去除效果 + 出水, - o - - 左除率( 投加矾载体) 出水- 去除牢( 投加l ( 戌载体) + 出水- 去除率( 投加l 蕊载体) l 9 5 邑 9 0 ； 笾 8 5 啪 z + 8 0i z 7 5 ol l = _ j - 1 = 刍_ 皇 o o 蟹b - _ a l 一7 0 05l o1 52 02 53 0 运行历程d 图3 2 载体投加量对出水n h , + - n 的影响 图3 3 是不同载体投加量下膜生物流化床( m b f b ) 系统对t n 的去除效果。由图可见，载 体投加量在6 时的t n 平均出水浓度较高，为2 1 0 4m g l ，对应的平均去除率为6 1 5 3 。 投加8 、l o 和1 2 载体时，1 n 的平均去除率分别为6 5 8 、6 8 7 6 和6 8 3 3 。 可见，在投加载体的环流曝气器中，要实现硝化和反硝化过程的协同作用，达到脱氮的 目的，一定的载体填充率是必需的，载体一方面提供了缺氧环境，有利于反硝化过程的进行； 另一方面，在载体表面和外层溶氧丰富的位置，也吸附生长了大量的细菌，由于被固定在载 体上，细菌在体系中的停留时间增加，使得生长缓慢的硝化细菌可以存在，有利于硝化过程 的进行，促进了氨氮向硝酸盐氮的转化；而后，在缺氧区域中，经由反硝化过程转变为氮气， 完成脱氮的整个过程。而投加6 载体时提供的微生物固着环境有限，微生物的数量不够且 不能满足足够的缺氧环境，反硝化进行不充分当载体的投加量超过1 0 以后，载体处于 拥挤状态，在反应器内的流化程度降低，影响了生物膜的更新，载体上的生物活性降低，因 此对t n 去除效果的贡献有限。载体投加量在8 0 0 - 1 0 时能得到较好的去除效果。 毫 喜 瑙 耋 5 0 4 0 3 0 * 2 0 置 1 0 - i i - 出水o 去除宰( 投加6 _ 载体) 出水- - o - 去除率( 投加8 载体) - 出水* 去除率( 投加1 0 载体) 7 0 6 5 霎 5 5 碍 篮 5 0 稍 4 5 舌 4 0 l - _ l _ - - _ - l _ - - l _ l l - - l - j3 5 0 51 01 52 02 53 0 运行历程d 图3 3 载体投加量对出水t n 的影响 1 4 2 o 0 6 4 2 -强e)趟爱z-+叠z*习 东南大学硕士学位论文 3 3 曝气强度对处理效果的影响 气水比是控制好氧生物处理运行的一个重要的工艺参数，可以反映反应器中溶解氧浓度 的高低和生物膜被冲刷更新的快慢。供气量的大小是影响运行效果的重要因素，既要满足微 生物的好氧呼吸需要，又要保证填料的正常流化。 s h e n s h u n gc h e r t 掣2 1 】对液体流速对颗粒活性炭上生物膜形成的影响进行了研究。他认 为剪切力对生物膜形成的作用是两方面的：一方面，随着剪切力的增加生物膜会变薄；另一 方面，当剪切力增加，硝化细菌会分泌更多的胞外聚合物，有利于生长缓慢的硝化细菌在载 体上的粘附和累积生长。较高的液速会延缓生物膜最初的形成，但一旦最初的生物膜形成， 较高的液速将会使生物膜生长加快。生物膜的厚度决定了反应器中微生物的浓度，而微生物 浓度与处理效率密切相关。 m b f b 反应器中，曝气包括两方面作用：( 1 ) 为生化反应提供足够的溶解氧，以保证含 碳有机物降解和硝化过程的正常进行；( 2 ) 强化反应器内的紊流状态，提高对膜表面污泥颗 粒的剪切作用以控制膜污染和保持膜通量 2 2 , 2 3 1 。曝气强度的大小与系统处理效果、生物絮体 性能、膜污染和能耗等紧密相关，适宜的曝气强度是m b f b 正常运行的先决条件。因此， 在满足系统处理要求的前提下，须全面考虑反应器的适宜曝气强度。 试验以气水比作为曝气强度指标，研究了气水比分别为9 ：l 、1 2 ：l 和1 8 ：l 三种工况 下m b f b 的运行效果。试验的运行参数如表3 3 表3 3 稳定运行参数 注：表中各参数均为稳定运行期的平均值 3 3 1c o d 去除效果 图3 4 为不同曝气强度下m b f b 系统对c o d 的去除效果。由图可见，当气水比为9 ：l ； 1 2 ：l 和1 8 ：l 时，c o d 的平均去除率分别为9 4 6 9 0 , 4 ，9 8 3 6 和9 8 4 3 ，可见，系统的 c o d 去除效果良好，均达到9 4 以上，且受曝气强度影响不大。 当气水比为9 ：l 时，d o 浓度为1 7 m g l ，此时c o d 的去除效果较低，分析认为，气 水比较低时，载体流化不够充分，载体上的生物量有限，并且，由于水力冲刷作用较小，生 物膜易老化，更新较慢，影响了生物活性。 当气水比增加到1 2 ：1 时，通过上升气流循环和提供剪切力的曝气强度较高，m b f b 反 应器内的溶解氧迅速上升为2 4 m g l ，这说明反应器内的溶解氧很充足，能满足硝化细菌和 1 5 第三章膜生物流化床工艺对城市污水的处理效果 异养菌的最大需求；同时，由于反应器内气泡的搅动，水力紊动剧烈，生物膜表面更新快， 在这种情况下，稳定生物膜厚通常不会大于最佳膜厚，即生物膜的增长速率与内源呼吸、水 力冲刷等因素造成的生物膜减少速率相等时的膜厚。此时，c o d 去除效果比较稳定。 当气水比升高到1 8 ：l 时，水中溶解氧的浓度已经达到饱和，不再明显增加，对c o d 的去除效果没有很大提高。同时，增大气水比将使m b f b 的能耗和运行成本增加。 毫 喜 醚 袋 薹 3 3 2n h 4 + n 去除效果 运行历程d 图3 4 曝气强度对出水c o d 的影响 在自养型硝化细菌作用下，氨态氮氧化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的过程称为硝化反应。 由于硝化细菌是好氧菌，所以，良好的充氧条件是硝化作用顺利进行的必要条件，这也是本 试验进行不同气水比试验的出发点 图3 5 为不同曝气强度下m b f b 系统对n h 4 + - n 的去除效果。由图可见，当气水比为9 ： l 、1 2 ：l 和1 8 - 1 时，出水n h 4 + - n 的平均去除率分别为9 6 9 2 、9 8 4 1 和9 8 4 8 。可 见，各试验曝气强度下，均取得较好的氨氮去除效果，随着气水比的增加，n l - h + - n 的去除 率有一定程度的增加，但不很明显，受曝气强度影响较小。 气水比为9 ：1 时，n i - 1 4 + - n 的去除效果不佳，分析认为有两个原因：( 1 ) 异养菌的生长 繁殖速度比硝化菌要快，在气水比较小，即水中溶解氧的含量低时，异养菌首先利用水中的 溶解氧开始大量繁殖，限制了硝化菌的生长繁殖，所以，气水比低时，反应器内溶解氧无法 满足所有微生物生长的需要：( 2 ) 气水比低时，载体流化不充分，载体上的生物量有限，并 且由于水力冲刷作用较小，生物膜老化，更新较慢，影响了生物活性。 当气水比从9 ：l 增加到1 2 ：l 时，n h 4 + - n 的去除率随着气水比的增加而快速增加， n h 4 + - n 出水平均浓度为0 6 3 m g l ，去除率高达9 8 4 1 。气水比超过1 2 ：l 时，出水浓度和 去除率没有明显变化，反应器内的d o 充足，这足以保证硝化作用的发生，使n h 4 + - n 得以 转化或直接从系统中去除。 气水比增加到1 8 ：l 时，水中溶解氧的浓度已经达到饱和，不再明显增加，对n h 4 + - n 的去除效果没有很大提高。同时，增大气水比必然使m b f b 的能耗和运行成本增加。因此 1 6 东南大学硕士学位论文 要获得理想的n 】吼+ - n 去除效果，气水比须维持在1 2 ：l 左右。 3 3 3t n 去除效果 运行历程，d 图3 5 曝气强度对出水n h 4 + - n 的影响 由图3 5 可见，随着曝气强度的增加，硝化作用增强，气水比由9 ：1 上升至1 2 ：l 时， t n 的平均去除率分别为6 7 8 增加到了6 8 8 1 随着曝气强度的继续增加，气水比为1 8 ： l 时，t n 的去除率略有下降，其平均去除率为6 7 7 9 。可见，曝气强度不能过大，但同时 需保证反应器内良好的流态化条件 分析认为，气水比较低时，载体颗粒流化循环情况不佳，同时氧的来源不足，传质系数 较低，且反应器内易造成死角，硝化作用较差，前置脱氮所需消耗进水中的有机物较少，有 机物的去除主要在好氧区完成；当气水比较高时，硝化作用已经较为完全，有机物主要是在 缺氧区被用作反硝化碳源德以去除。随着气水比的提高，反应器好氧区的d o 浓度提高，流 化床的循环作用将硝态氮带入缺氧区的同时也带入了一部分d o ，使缺氧区的有效体积减小； 同时，由于曝气强度的增加加大了对载体表面的冲刷作用 吉 曼 趔 袋 置 * 茁 运行历程d 图3 6 曝气强度对出水t n 的影响 m b f b 反应器处理污水的高效性主要是由于系统内具有较高的生物浓度，而流态化操作 方式所创造的良好传质效果则是维持反应器内较高生化反应速率的必要条件。1 2 - l 的气水 1 7 第三章膜生物流化床工艺对城市污水的处理效果 比既能保证反应器内良好的流化条件，剪切力又不致使生物膜脱落、流失，故能取得较好的 t n 去除效果。 3 4 稳定运行情况下m b f b 对污染物的去除效果 3 4 1 试验运行条件 本试验采用低压恒流连续曝气间歇抽吸方式运行，试验期间。对膜组件进行定期反冲洗。 稳定后的主要运行参数见表3 4 表3 4 稳定运行参数 注：表中各参数均为稳定运行期的平均值 3 4 2c o d 的去除效果与特性 m b f b 系统对c o d 的去除效果主要来自两方面：一方面为反应器内活性微生物对有机 物的降解：另一方面为膜将大分子物质及浊度物质截留于反应器内，获得比传统活性污泥法 更多与微生物接触的时间和机会，提高了对有机物的去除率。 图3 7 显示m b f bt 艺对c o d 的去除情况。监测显示，尽管迸水的c o d 浓度在 3 2 3 6 m g l 与6 0 7m g l 范围内波动，但出水c o d 始终保持在较低浓度，一般在2 5m g l 以 下，达到了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 一级a 标准5 0 m g l ) m b f b 进水c o d 平均浓度为4 0 9 6 3m g l ，系统出水的c o d 平均浓度在1 5 0 0m g l ，对应 的平均去除率为9 8 3 2 ，出水水质稳定。从反应器上清液和出水c o d 的差值可以看出， m b f b 系统对c o d 的降解主要依靠微生物的作用，生物降解的c o d 平均为9 2 8 ，而膜 及膜表面的凝胶层主要是起强化作用，本试验中膜的贡献率为5 5 2 。尽管上清液的c o d 去除率在8 7 2 到9 5 8 之间波动，但出水的c o d 去除率保持稳定，受进水水质和反应器 系统本身变化影响不大。 分析认为，m b f b 系统对c o d 有较强的去除能力，这是由生物膜中异养菌和反应器内 的悬浮微生物的生物降解以及纤维膜的截留共同作用的结果。随污水带入的异养菌很容易在 载体上生长积累，很快就能承担起去除有机物的角色。这是由于反应器内含有大量悬浮载体， 其上附着生物膜，这使得反应器内保持了一定的生物量，生物相较活性污泥系统更为丰富， 提高了c o d 的去除率。而且，膜和悬浮载体共同对出水水质起着严格把关的作用，处理水 的水质稳定，c o d 均保持在2 5m g l 以下，并具有较强的抗冲击能力。系统中固着生物膜 1 8 东南大学硕士学位论文 的进一步成熟和生长脱落平衡有效地提高了生物系统抗有机负荷冲击能力，保证了出水水质 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 一级a 标准) 。 图3 7 m b f b 对c o d 的去除效果 3 4 3n h 4 + - n 的去除效果与特性 m b f b 系统对n h 4 + - n 的去除主要基于两方面：( 1 ) 膜生物流化床中固、液、气三相的 流化操作使基质、氧、生物膜充分混合、接触，增强了传质效率，大大提高了硝化速率；( 2 ) 膜对微生物的截留作用，使世代周期较长的硝化菌、亚硝化菌得以在系统内富集、增殖，硝 化作用和反硝化作用大为提高。 图3 8 显示了m b f bi 艺对n 地+ 粕的去除情况。监测显示，进水n h + - n 平均浓度为 3 9 4 2m g l ，出水n h 4 + - n 的平均浓度为o 6 4m g ，l ，相应的平均去除率为9 8 3 5 。尽管进 水的n h 4 + - n 浓度在1 9 5m g ，l - 6 5 3m g l 之间变化，出水n i l , + - n 浓度在系统稳定后一般都 在3 m g l 以下。可见，系统对n h 4 + - n 的去除效果非常好。m b f b 上清液和出水n h 4 + - n 浓 度也相差不大 分析认为，去除n h 4 + - n 需依靠自养菌的硝化菌，污水中带入的数量很少。由于硝化细 菌的世代周期长，在自然挂膜的条件下生长出一定数量的该菌种需要较长时间，待亚硝化菌 和硝化菌增殖到一定数量。膜的截留作用使生长缓慢、世代周期长的硝化菌滞留在反应器中， 较长的泥龄使硝化细菌逐渐积累，从而使系统保持着较高的硝化能力。随着载体生物膜上硝 化菌浓度的提高，n h 4 + - n 去除率逐渐升高。上清液和出水n h 4 + - n 浓度相差不大是因为 n h 4 + - n 分子量比较小，其直径比膜孔径小很多，所以能透过膜孔出水。 1 9 第三章膜生物流化床工艺对城市污水的处理效果 墨 喜 谜 袋 z + ； 王 z 图3 8m b f b 对n h 4 + - n 的去除效果 3 4 4t n 的去除效果与特性 图3 9 为m b f b 工艺对 i n 的去除情况。比较图3 8 和3 9 可见，t n 的去除效果和n h 4 + - n 的去除效果的变化过程基本一致。监测显示，进水的t n 平均浓度为4 5 6 7m g l ，出水t n 的平均浓度为1 5 2 3 m g l ，t n 去除率在6 7 3 - 7 0 3 范围内波动，平均去除率为6 8 7 4 。 和n h 4 + - n 的去除效果相当，m b f b 上清液和出水的 i n 浓度也没有显著差异 在系统达到稳定以后，出水的t n 平均浓度仍略高于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 一级a 标准) 分析认为，流化床内较大的循环将硝态氮带入缺氧区的同 时也带入了一部分d o 。使缺氧区的体积减小，所以，虽然反应器的硝化效果很好，反硝化 却不能很好地进行。实测的缺氧区内的d o 一般在l m g l 以上，不能达到反硝化所需的缺 氧条件而载体上的生物膜中依次存在好氧层，缺氧层以及厌氧层，这同时又为反硝化提高 了缺氧区的体积，由于载体的比表面积较高，因此通过载体上的生物膜而提高的缺氧区在整 个反应器中占较大部分反应器内的脱氮主要是由载体上生物膜的同步硝化反硝化来实现 的。m b f b 系统上清液和出水t n 浓度没有显著差异同样是由于 i n 类的分子量和直径比较 小，能够通过膜孔，所以系统对t n 的去除效果主要是生物降解。 墨 邑 魁 殛 置 图3 9 m b f b 对t n 的去除效果 2 0 蛳加加m o 东南大学硕士学位论文 为此本试验考虑采取强化反硝化脱氮措施，以使出水的t n 能够达到 r c h ( o h ) c o o h + n h 3 硝化反应：在好氧条件，将n h 4 + - n 转化为n 0 2 和n 0 3 。此作用是由亚硝酸菌和硝酸 菌两种化能自养型微生物共同完成。 n h ：+ 2 0 2 墨哒骂n o ；+ 2 h + h p 反硝化反应：在无氧或缺氧条件下，反硝化菌将n 0 2 和n 0 3 还原成n 2 。 第四章强化反硝化脱氮的影响因素 6 煅+ 3 吗伽幽乌5 + 3 2 + 7 h 2 0 + 6 0 h 一 4 1 2 硝化反硝化作用测定 4 1 2 1 硝化作用的测定 在恒温( 2 3 士1 ) 条件下【2 5 1 ，将从m b f b 好氧区取出适量污泥混合液，用自来水冲洗 3 - - 一6 次，洗脱表面吸附的n 地+ - n ，n 0 2 - n ，n 0 3 - n ，取1 5 l 洗净的污泥至一个容器中进 行曝气充氧。 向容器中加入1 0 m l1 0m m o l l n a c l 0 3 抑制硝化作用1 2 6 1 ，1 s h 后加入n l - h c l ( 使容器内 n i - h + - n 浓度为5 0m g i 。混合均匀后每隔一定时间，测定样品中所含n h 4 + = n ，n 0 3 - n 浓 度。 时间，h时同h 图4 1n h 4 + - n 浓度随时问的变化图4 2 n 0 3 - n 浓度随时问的变化 图4 1 为反应器污泥硝化性能试验中n i + - n 浓度随时间的变化情况。监测显示，系统 中n i - h + - n 浓度随反应时间的延长而逐渐降低：反应开始的前5 小时，n h 4 + - n 的浓度迅速 下降，最大下降速率为1 5 9 9 m g ( l h ) ，然后，n h , ) + - n 的下降速率减缓并逐渐趋于稳定 分析认为，在试验开始的前5 h ，n h ( + - n 浓度较高，系统的亚硝化作用为零级反应，其降解 速率与n h 4 + - n 浓度无关，n h 4 + - n 降解以最大速度进行当n i l , + - n 浓度下降到一定程度( 本 试验为5 h ) ，n i 山+ - n 浓度开始成为降解反应的限制因素，反应速率开始下降。 图4 2 为反应器污泥硝化性能试验中n 0 3 - n 浓度随时间的变化情况监测显示，在试 验开始的前5 h ，系统中n 0 3 - n 浓度随反应时间的延长而逐渐升高：在o 5 h 内，n 0 3 - n 的 浓度迅速上升，最大上升速率为15 9m g ( l h ) ，然后，n 0 3 - n 的上升速率减缓并趋于稳定。 分析认为，n i 也+ - n 的降解速率下降，生成的n 0 2 - n 浓度下降，导致n 0 3 - n 的降鼹速率下 降；同时，硝化过程中不断有h + 生成，p h 值下降，当p h 值下降到7 以下时，硝化菌的活 性受到影响，硝化反应速率降低。反应5 h 以后，系统内的n 0 3 - n 浓度达到4 4 9 m g l ，之 后基本保持不变。 由硝化过程可知，n 】山+ n 氧化为n 0 2 - - n 时产生的能量，约为氧化为n 0 3 n 产生能量 的4 5 倍。所以，在稳态条件下，生物处理系统不会出现亚硝酸盐的积累，硝化反应的限制 2 4 东南大学硕士学位论文 步骤是亚硝化菌将n 】h 4 + - n 氧化为n 0 2 - n 的过程。在反应的前5 h 内，n l - h + - n 以较快的速 率降解，5 h 后，反应趋于平缓。另外，从模拟曲线的斜率可以看出，n 0 3 - n 的增长速率低 于n h + n 的降解速率。 4 1 2 2 反硝化作用的测定 在恒温( 2 3 4 - i ) 条件下，将从m b f b 缺氧区取出的适量污泥混合液，冲洗后取2 l 至 1 个容器中。向容器中加入1 0 m l1 0 m m o l l n a c l 0 3 抑制硝化作用，然后向容器中加入k n 0 3 ( 使容器中的n 0 3 0 4 浓度为6 5 m g l ) ，并投加充足的碳源，混合均匀后每隔一定时间取样， 测定n 0 3 - n 浓度。 时f 司，l i 图4 3 反硝化试验中n 0 3 - n 的浓度 图4 3 为污泥反硝化性能测定中n 0 3 - n 浓度随时间的变化过程。从拟合曲线的斜率可 以看出，在试验开始的前3 个小时内，反应器内的n 0 3 - n 降解较快，平均降解速率为2 1 9m g ( l h ) ，水样在l l 小时内基本反硝化完全由于反硝化菌的比增长速率与一般好氧异养菌 的比增长速率相近，比硝化菌的比增长速率大得多，因此系统在实验室培养条件下取得了良 好的比反硝化速率。 分析认为：反硝化菌是兼性细菌既可进行有氧呼吸。也可进行无氧呼吸。当同时存在 分子态氧和硝酸盐时优先进行有氧呼吸，这是因为有氧呼吸将产生较多的能量。因此，为保 证反硝化的顺利进行，必须保持缺氧状态，m b f b 中较高的污泥浓度有利于污泥絮体内部缺 氧微环境的形成 4 1 3 菌种计数 在脱氮过程中，硝化作用是由将n i - h + - n 转化为n 0 2 。- n 的亚硝化菌和将n 0 2 。- n 转化为 n 0 3 - n 的硝化菌共同完成的，反硝化作用由将n 0 3 - n 转化为n 2 的反硝化菌实现，菌种数 量直接影响硝化反硝化过程的正常进行。表4 1 为m b f b 系统中采用m p n 法菌种计数的结 果。 第网章强化反硝化脱氮的影响因素 表4 1m b f b 系统中脱氮菌的数量 亚硝化菌( c e l l l ) 硝化菌( c e l l l ) 反硝化菌( c e n l ) 3 5e + 8 1 8 e + 8 5 3e + 8 可见，m b f b 系统中亚硝化菌、硝化菌和反硝化菌的数量都很高，膜的截留使世代时间 较长的硝化菌在反应器内有较好的增殖环境。由于载体的加入，载体上生物膜内部形成缺氧 环境，有利于反硝化菌的生长，所以反硝化菌的数量较多。 系统中反硝化菌的数量均高于亚硝酸菌或硝酸菌，表明系统均有较好的反硝化能力，这 与前述反硝化作用研究结论一致。但由3 4 节可知，m b f b 系统可取得9 8 3 5 的n h 4 + - n 去除率，而相应的 in 去除率却不高，只有6 8 7 4 ，可见m b f b 系统的反硝化效果仍不甚 理想，与系统具有较高反硝化能力的结论似有矛盾。分析认为：良好的硝化效果是提高反硝 化效果的前提，而反硝化菌是兼性细菌，外界环境因素直接影响其反硝化能力的发挥，如溶 解氧和碳源有机物等。对此，本研究将进一步探讨m b f b 系统中反硝化的主要影响因素及 提高反硝化效果的措施。 4 2 强化反硝化脱氮的影响因素及强化反硝化措施 4 2 1回流比对脱氮效果的影响 回流比直接影响到反应区内d o 和n 0 3 - n 的浓度，因此首先来研究其对反硝化的影响。 为考察回流比对脱氮效果的影响，本试验研究了8 种不同工况下m b f b 系统对氮化物 的去除效果。试验的工况为：进水c o d 平均浓度4 1 5 8 m g l ，t n 平均浓度5 5 1 m g l ，气水 比1 2 ：l ，平均水温2 4 图4 4 为m b f b 系统中回流比对t n 去除率的影响。由图可以看出，回流比从5 0 增加 到2 5 0 时，t n 的去除率随回流比的增加而快速增加，