（环境工程专业论文）膜曝气生物反应器在城市污水脱氮中的应用.pdf

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和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学 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。 学位论文作者签名： 璇絮签字日期：圳矿年，月哆e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权云洼王些太堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：) p o 年 ， i 狄 其冲 ， 导师签名： e t 签字日期：渺年月矽日 学位论文的主要创新点 一、采用本研究所自制的疏水性聚偏氟乙烯( p v d f ) 中空纤维膜， 对无泡曝气的基本参数如泡点压力等进行研究，考察了水力条件和 曝气压强对曝气效果的影响，并与常规曝气器工作效能做了比较。 二、以自制的疏水膜组件进行膜曝气生物器( m a b r ) 处理模拟城市 污水研究，考察了不同进水负荷、运行周期、h r t 、c n 比等实际 运行参数对有机物的的去除和同步硝化反硝化的影响。 三、采用p c r d g g e 技术，研究m a b r 系统中生物膜的微生物种群 群落结构变化，并对优势菌种进行基因测序、1 6 sr r n a 同源性比对 分析。 摘要 膜曝气生物反应器( m e m b r a n ea e r a t i o nb i o r e a c t o r , m a b r ) 是将膜技术与生 物反应器有机结合的废水处理新技术。膜组件同时起到生物膜载体和无泡曝气 的双重作用，使氧气和营养物质的传递分别从生物膜的两侧进入膜内，因而生 物膜内部存在明显的溶解氧和底物的浓度梯度，实现同步进行硝化反硝化 ( s i m u l t a n e o u sn 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 n ，s n d ) 。 本文以自制的疏水性p v d f 中空纤维微孔膜为组件的膜曝气生物反应器 ( m a b r ) 进行生活污水的处理研究。实验进行2 1 0 天，初期进行清水膜曝气试验， 考察水力条件和曝气压强对曝气效果的影响，并比较膜曝气与常规曝气器进行 工作效能比较，验证其良好的工作效能；后期采用快速排泥挂膜法进行生物挂 膜成功后，启动膜曝气生物反应器，通过对水样t c o d 盯、s c o d 。，、n i - 1 3 n 以 及t n 的测试分析，分阶段进行了对同步硝化反硝化( s n d ) 脱氮和去除的性能考 察，并分析了碳氮比( c n ) 、水力停留时间( h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，h r t ) 等运行 参数对系统运行性能的影响。 实验结果表明： 对于清水膜曝气实验，气压控制在泡点以内，充氧能力随液体循环流量的 增大而提高，随气压的升高而增加；而气压超过泡点，供氧初期充氧能力显著 提高，但随曝气时间的延长增长幅度降低。同一实验条件下，膜曝气氧总转移 系数0 0 1 2 8 m i n 1 明显高于普通曝气器氧转移系数0 0 0 3 2 m i n 1 ，证明其氧传递的 优越性。 生物挂膜阶段，反应器水温2 6 2 8 、p h 为7 5 8 5 、压力3 3 7 k p a 下 实现无泡曝气、添加辅助曝气使反应器内溶解氧含量为2 3 m g l ，经2 0d 左右， 成功实现生物挂膜，启动膜曝气生物反应器，随运行时间的延长，生物膜增厚， 使得高进水负荷下的去除率有一定提高。溶解氧1 0 m g l 下可得到总氮( t n ) 的 最佳去除效果，n h 3 - n 、t n 和c o d 盯去除率分别为4 3 ，4 6 和3 5 ，说明反 应系统已具有较好的同步硝化反硝化能力。另外，m a b r 运行过程中生物膜量 较低，维持在1 4 0 - 1 7 0 m g g ，一方面是由于膜组件填充比较低，另一方面生物 膜长势不均，限制了反应器系统c o d c r 、n h 3 - n 和t n 去除率的进一步提高。 从批式实验结果来看，碳氮比( c n ) 和水力停留时间( h r t ) 对硝化效率和反硝 化率有显著影响，c n l i , 过低反硝化缺乏碳源，c n l g 过高则传质困难，硝化效 率降低。系统体积交换率对c o d n h 3 n 、t n 去除率的提高也有一定影响。降 低系统体积交换率为5 0 ，延长h r t 为1 2 h ，c nc = b 为5 的条件可以认为是本反应 系统的理想操作参数，c o d 。，、n h 3 n 和t n 的去除率分别可以提高至5 4 、5 5 、 5 0 。 p c r - d g g e 技术测试结果表明，该m a b r 反应系统中存在i l i 仃o b a c t e r 硝化 杆菌种、a c t i v a t e ds l u d g e b a c t e r i u m 活性污泥细菌、n i t r o s o m o i 瑚亚硝化单胞菌种 具有反硝化功能的h y p h o m i c r o b i u m 生丝微菌属，由此说明该反应系统发生了同 步硝化反硝化。 关键词：膜曝气生物反应器；同步硝化反硝化；无泡曝气；脱氮；微生物群落 变化 i i a b s t r a c t m e m b r a n e a e r a t e db i o f i l mr e a c t o r 、析t 1 1b i o f i l mp r o c e s sf o rw a s t e w a t e r ( m a b r ) ，c o m b i n e sm e m b r a n et e c h n o l o g y t r e a t m e n t t h em i c r o p o r o u sh o l l o wf b e r m e m b r a n ea c t sa sb i o f i l mc a r t i e ra sw e l la sb u b b l e l e s sa e r a t i o nd e v i c e i t ss p e c i a l c h a r a c t e ro ft r a n s m i s s i o nl i e si nt h a t ，d u et og r e a tc o n c e n t r a t i o ng r a d i e n to fd i s s o l v e d o x y g e na n ds u b s t a n c ee x i s t i n gi n s i d eb i o - f i l m ，n u t r i t i o na n do x y g e nc o u l dp e n e t r a t e i n t ob i o f i l mf r o mo p p o s i t es i d eo fm e m b r a n e t 1 1 i sc h a r a c t e rf a v o r st oa c h i e v i n g s i m u l t a n e o u sn 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 n ( s n d ) t h et r e a t m e n to f m u n i c i p a lw a s t e w a t e rb yam e m b r a n ea e r a t i o nb i o l o g i cr e a c t o r ( m a b r ) m a d eo fp o l y v i n y l i d e n ef l u o r i d e ( p v d f ) m e m b r a n ew a ss t u d i e di n l a b o r a t o r ys c a l e t h ee x p e r i m e n tc a r r i e do u tf o r18 0d a y s ，f i r s ti nc l e a nw a t e r , t h e e f f e c to fh y d r a u l i cc o n d i t i o na n da i rp r e s s u r eo na e r a t i o ni ns t i l lw a t e rw a ss t u d i e d ， a n dc o m p a r e dw i mt h en o r m a la e r a t i o n ；t h e nt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d c r 、 n h 3 - na n dt nw a sd e t e r m i n e dt os t u d i e dn i t r i f i c a t i o n ，d e n i t r i f i c a t i o na n d s i m u l a t a n e o u so r g a n i cc a r b o nr e m o v a lp e r f o r m a n c eo fm a b r ，a n dt h ei m p a c tt o s y s t e mf o rd i f f e r e n tr a t i oo fo r g a n i cc a r b o nt on i t r o g e n ( c n ) ，h y d r a u l i cr e t e n t i o n t i m e ( h r t ) w a sm a d e t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： b u b b l ep o i n ti ns t i l lw a t e ri sh i g h e rt h a ni ti nf l u i d sa tas p e c i f i e dd e p t h a i r p r e s s u r eb e l o wt h eb u b b l ep o i n tm a k e sah i g h e re f f i c i e n c yo fo x y g e nt r a n s m i s s i o n 、析t 1 1ah i g h e rl i q u i dc i r c u l a t i n gf l o w , o ram i l e ra i rp r e s s u r e e a r l yw h e na i rp r e s s u r e e x c e e d sb u b b l ep o i n tc a ng e tap r o m i n e n te f f i c i e n c y , b u tt h eg r o w t hr a t eg e t sl o w e r a st h ea e r a t i o nt i m eg e t sl o n g e r t h em e m b r a n e ss h o w sah i g h e re f f i c i e n c ya e r a t i o n p e r f o r m a n c e d u r i n gt h eb i o f i l mc u l t u r e ，2 6 2 8 o ft h eb i o - r e a c t o rs y s t e m ，a e r a t i o n p r e s s u r eu n d e r3 3 7 k p ac a l la c h i e v eb u b b l e l e s sa e r a t i o n a d da u x i l i a r ya e r a t i o nt o m a k et h ed i s s o l v e do x y g e n0 8 m g l ，p h7 5 8 5 ，2 0d a y sl a t e r ，t h eb i o f i l mg r o w e d s t e a d l y s e tu pt h i sm e m b r a n ea e r a t i o nb i o - r e a c t o r ( m a b r ) ，t h er e m o v a le f f i c i e n c y w a se n h a n c e d 、i mal o n g e rr u n n i n gt i m e t h ed i s s o l v e do x y g e n1 0 m g lc a ng e ta b e s tr e m o v a le f f i c i e n c yo ft n ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d c r 、n h 3 - na n dt n w e r e3 5 、4 3 a n d4 6 r e s p e c t i v e l y i nc o n c l u s i o n ，t h em a b rh a sg o o dc a p a c i t y i nn i t r o g e nr e m o v a lo fs y n c h r o n o u sn 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 n ( s n d ) b e s i d e s ， b i o f i l mg r o w su n e v e na n dl o wb i o m a s sa r et h ec r i t i c a lf a c t o r sf o rt h el o wr e m o v a l e f f i c i e n c yo fc o d c r 、n h 3 - na n dt n i i i f o rb a t c he x p e r i m e n t s ，t h ep a r a m e t e r ss u c ha sr a t i oo fo r g a n i cc a r b o nt o n i t r o g e n ( c n ) h a v e a n i m p o r t a n t e f f e c to nd c n i t r i f i c a t i o na n ds u b s t a n c e t r a n s m i s s i o no fb i o f i l m al o wr a t i ow i l lr e s u l ti n1 a c ko fc a r b o nr e s o u r c ef o r d e n i t r i f i c a t i o na n dah i g hr a t i ow i l lr e s u l ti nd i f f i c u l t yo fm a t e r i a lt r a n s m i s s i o nf o r b i o f i l me x c e s si n c r e a s e d a sw e l la sh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) ，m a k et h e v o l u m eo fe x c h a n g er a t et o5 0 ，h i 玎12 h ，a n dr a t i oo fo r g a n i cc a r b o nt on i t r o g e n ( c n 15c a l lb ec o n s i d e r e da st h eb e s tp a r a m e t e r ，a n di nt h i so p e r a t i n gc o n d i t i o n ，t h e r e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d c r 、n h 3 - na n dt nw e r e5 4 、5 5 a n d5 0 r e s p e c t i v e l y r e s u l t so fp c r - d g g es h o w st h a tn i t r o b a c t e r 、a c t i v a t e ds l u d g eb a c t e r i u m 、 n i t r o s o m o n a sa n dh y p h o m i c r o b i u ma r ei nt h em a b r ，s n do c c u r si nt h es y s t e m k e yw o r d ：m e m b r a n ea e r a t i o nb i o - r e a c t o r ( m a b r ) ；s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o n ( s n d ) ；b u b b l e l e s sa e r a t i o n ；n i t r o g e nr e m o v a l ；b i o l o g i c a lc o m m u n i t y c h a n g e s i v 目录 第一章绪论1 1 。1 膜曝气生物反应器1 1 1 1m a b r 的定义及作用机理1 1 1 2m a b r 的膜材料及膜组件2 1 1 3m a b r 在城市污水处理中的应用3 1 1 4m a b r 运行中的影响因素4 1 1 5m a b r 的发展前景6 1 2 脱氮工艺概述6 1 2 1 传统脱氮工艺6 1 2 2 影响生物脱氮的环境因素8 1 2 3 同步硝化反硝化9 1 。3 本课题实施的背景、意义及研究内容1 1 1 3 1 课题实施的背景意义1 1 1 3 2 课题实施目的及研究内容1 2 第二章实验材料与方法1 3 2 1 实验材料13 2 。1 。1 实验用水1 3 2 1 2 接种污泥1 3 2 1 3 膜组件参数1 3 2 2 主要实验仪器及药品1 4 2 2 1 实验仪器1 4 2 2 2 实验药品1 4 2 3 实验中水质与污泥指标测试方法1 4 2 4 实验装置与工艺16 2 5 实验方案17 2 5 1 膜曝气清水实验17 2 5 2 污泥培养、驯化1 7 2 5 3 生物挂膜实验1 8 2 5 4 膜曝气脱氮、去除有机物实验18 2 5 5 批式实验。18 第三章无泡曝气实验研究1 9 3 1 实验方法。1 9 3 2 实验步骤1 9 3 3 实验结果与讨论2 0 3 3 1 泡点的测试2 0 3 3 2 曝气压力对充氧效果的影响2 1 3 3 3 与曝气器充氧效果比较2 2 3 3 4 不同水循环流量对曝气效果的影响2 3 3 4 本章小结2 4 第四章疏水性聚偏氟乙烯膜生物膜生长过程2 5 4 1 活性污泥培养实验2 5 4 1 1 实验方法2 5 4 1 2 实验步骤2 5 4 1 3 实验结果与讨论2 6 4 2 生物挂膜实验2 8 4 2 1 实验方法2 8 4 2 2 实验步骤2 9 4 2 3 实验结果与讨论2 9 4 2 3 1 挂膜阶段c o d c r 和n h 3 n 去除效果分析3 0 4 2 3 2 生物挂膜阶段性分析31 4 2 3 3m a b r 的生物相分析3 2 4 3 本章小结3 3 第五章m a b r 处理模拟城市污水工艺特性研究3 5 5 1m a b r 对城市污水的去除效果分析3 5 5 1 1 实验方法3 5 5 1 2 实验步骤3 5 5 1 3 实验结果与讨论3 5 5 2 批式实验4 3 5 2 1 静态实验分析4 3 5 2 1 1 实验原理与步骤4 3 5 2 1 2 实验结果与讨论4 3 5 2 2 不同体积交换率的影响4 5 i i 5 2 2 1 实验原理与步骤4 5 5 2 2 2 实验结果与讨论4 5 5 2 3 不同c n 比的影响。4 7 5 2 3 1 实验原理与步骤4 7 5 2 3 2 实验结果与讨论4 7 5 3 试验阶段生物膜分析4 9 5 。4 本章小结5 0 第六章生物膜测试分析51 6 1 生物膜量计算。5 1 6 1 1 实验方法51 6 1 2 实验结果与讨论。5 1 6 2 生物膜扫描电镜( s e m ) 5 l 6 2 。1 实验原理51 6 2 2 实验方法5 2 6 2 3 实验结果与讨论。5 3 6 3p c r d g g e 技术5 4 6 3 1 实验原理5 4 6 3 2 实验方法5 4 6 3 3 实验结果与讨论5 6 6 4 本章小结5 7 第七章结论及建议5 9 7 1 实验结论5 9 7 2 问题总结及建议6 0 参考文献6 1 发表论文和参加科研情况说明6 7 谢辞6 9 1 1 1 第一章绪论 1 1 膜曝气生物反应器 第一章绪论 1 1 1m a b r 的定义及作用机理 膜曝气生物反应器( m e m b r a n ea e r a t e db i o r e a c t o r ，m a b r ) 是采用透气性致密 膜( 如硅橡胶膜) 或微孔膜( 如疏水性聚合物膜) ，通过膜腔体供氧，在保持气体分 压低于泡点( b u b b l ep o i n t ) 的情况下，向生物反应器内无泡曝气；并且以膜为载 体生长高生物活性的生物膜，在单一生物膜上来完成废水中污染物的有机碳氧 化、硝化和反硝化1 1 j 。 m a b r 工艺采用透气性膜直接供给氧气，氧气利用率可接近1 0 0 2 1 ，是传 统曝气的5 7 倍。由于在曝气过程中不产生气泡，可以避免在供氧过程中产生 泡沫并带出水中的挥发性有机物。在m a b r 中，用于氧传质的膜在膜液界面 为生物膜提供附着生长的支撑载体。附着生长有生物膜的膜与氧源接触紧密， 氧在界面上直接传递并在生物膜内被利用。在这样的生物膜里，从膜传来的氧 气和通过生物膜的主体料液中的污染底物以相反的方向流动( 图1 1 ) 。由于在生 物膜中氧和底物浓度的最大值出现在不同的位置以及m a b r 中生物膜的相对 厚度不同，所以在生物膜中存在明显的分层现象。生物膜的分层使其能够去除 不止一种类型的污染物。在膜生物膜界面附近的高氧浓度和低的有机碳浓度促 使了硝化反应的发生，此层上面的好氧层中易于进行有机碳氧化反应，而在生 物膜液体界面附近存在的厌氧层却维持着反硝化反应的进行。因此，在m a b r 中，可以同时实现硝化反应、反硝化反应和异养氧化反应1 3 】。 、h 1 ，。w ( 液帽) 4 缓髦i 褫参绣熙荔缓l l l 荔 ( 气相) 图1 1m a b r 传质机理图 天津工业大学硕士毕业论文 1 1 2m a b r 的膜材料及膜组件 ( 1 ) 膜材料分类 4 1 目前，膜曝气生物膜反应器所采用的膜主要有两种：疏水性微孔膜( 中空纤 维有机膜) 和致密的无孔硅橡胶膜。疏水性微孔膜多采用聚丙烯、聚四氟乙烯、 聚偏氟乙烯等材料制成，由于膜具有疏水性，微孔能够保持干燥并充满气体， 氧气通过微孔传递到附着的生物膜内或溶解于反应器的污水中。 其中，聚偏氟乙烯( p v d f ) 是一种结晶性聚合物，分子结构为 c f 2 c h 2 】n ， 玻璃化温度3 9 ，结晶熔点约1 7 0 ，热分解温度 3 1 6 ，机械性能优良，具 有良好的耐冲击性、耐磨性和化学稳定性。在室温下p v d f 不被酸、碱、强氧 化剂和卤素所腐蚀，对脂肪烃、芳香烃、醇和醛等有机溶剂很稳定，在盐酸、 硝酸、硫酸和稀、浓( 4 0 ) 碱液中以及高达1 0 0 温度下，其性能基本不变， 并且耐紫外线和耐老化，其薄膜置于室外长期不变脆不龟裂【5 1 。 这种膜由于价格便宜，气体通量大，容易加工成小直径的中空纤维膜来增 大膜组件的比表面积，在m a b r 中得到广泛应用。但其对氧的选择性较差，泡 点压力低，为了避免气泡的产生，只能采用较低的气压，且在长期运行中会造 成亲水性物质的吸附，使膜疏水性下降，影响曝气效果，而膜本身较差的化学 稳定性使膜污染难以去除。 硅胶膜采用硅橡胶( p d m s ) f n 成，具有较高的氧氮分离系数，对氧有优先透 过能力。这种膜结构致密，泡点压力高，可承受较高的压力而不产生气泡。根 据传质动力学，较高的气压增加了反应器内氧的浓度梯度从而获得大的传质推 动力和传氧速率。但这种膜膜壁较厚，氧传递阻力相应增大。 除了这两类膜材料，还有采用无纺布、陶瓷膜或微孔炭管膜等曝气的报道。 ( 2 ) 膜曝气组件的种类 根据气相在中空纤维膜中的流通方式，无泡供氧装置可以分为死端式和流 通式。死端式无泡供氧装置则是指中空纤维膜的一端开口，另一端被封死，进 入纤维管腔内的气体将全部被压入水中。死端式曝气的优势在于膜丝内腔中的 气体压力高，可以获得较大的传质推动力。并且进入膜丝内腔的氧气可全部被 压入水中，实现1 0 0 的氧传递效率，适用于纯氧曝气。缺点是膜内沿长度方向 氧分压不均匀。流通式是指气体从中空纤维的一端进入而从另一端流出。流通 式膜组件可防止氧气分压的不均匀性，但会导致未利用氧气的流失。因此流通 式膜组件适用于空气曝气，死端式膜组件多应用于纯氧曝气的场合以保证高的 氧气利用效率。 ( 3 ) 膜曝气组件的形式 第一章绪论 根据膜的结构不同，m a b r 有板框式、管式和中空纤维式等几种膜结构形 式1 6 j 。除了与膜结构的不同有关外，反应器还随液相混合的方法和程度、是否 加入非渗透性生物膜支撑介质、膜组件与生物反应器是一体化的还是分置式的， 以及运行是连续的或间歇的不同而不同。m a b r 的研究按照膜在m a b r 中的 放置位置分为两类：一种是把膜和生物反应器在同一个单元中结合；另一种是 膜在生物反应器的外部，安装在回流线上。膜曝气生物反应器可按连续流和间 歇流操作。通常仅有膜上附着生长生物膜的m a b r 采用连续操作，而另加支撑 介质的m a b r 则采用间歇操作。 1 1 3m a b r 在城市污水处理中的应用 m a b r 因其独特的优势，已成为膜生物反应器领域研究的热点。根据它的 工艺特点，其应用研究可以分为四个方面：高需氧量废水、高氨氮浓度废水、 挥发性有机物1 7 1 ( v o c ) 及生活污水。 ( 1 ) m a b r 处理高需氧量废水的研究 在传统的废水生物处理过程中，使用纯氧曝气能耗大，无法实现1 0 0 的氧 传递。m a b r 能够提供适当的氧分压以使氧气充分渗透进入生物膜，从而处理 高浓度的废水，并获得较高的容积负荷。g h o g o m u 等【8 】采用聚丙烯死端式中空 纤维膜曝气生物反应器，进水c o d 负荷0 0 6 3 3 8 k e d ( m 3 d ) 、h r t 为3 6 m i n 的情况下，连续运行5 个月，实现8 0 的c o d 去除率，生物量产率系数为 0 4 1 k g t s k g c o d 。y a m a m o t o 等【9 j 对中空纤维式组件置入活性污泥反应器的方 式进行了研究。结果发现，在有机负荷c o d 为1 1 5k g ( m 3 m 的条件下，h r t 为4 h 时，稳定运行1 2 0d ，其c o d 去除效率大于9 5 ，6 0 的氮可通过间 歇曝气得以除去。 ( 2 ) m a b r 处理挥发性有机物的研究 在传统的生物好氧废水处理工艺中，因为空气气泡能够带走水中的v o c ， 所以v o c 会未经生物降解而进入大气。m a b r 由于具有无泡曝气的特点，不 会形成气泡，因此可以利用这一特点对挥发性有机物如苯酚、甲苯、氯酚等进 行降解。s e m m e 璐i lo 】等在实验室规模的硅橡胶膜生物反应器中，生物膜生长成 熟后，二甲苯不会再逸到空气中，说明其在生物膜中已被除去。l i v i n g s t o n 等【1 1 1 采用硅橡胶膜的m a b r 处理含酚污水，在流量为1 8l m i n 、起始质量浓度为 1 0 0 0m g l 、水力停留时间为6h 时，对酚的去除率达到9 8 5 ，在酚得到有 效降解的同时，反应器内的生物膜显著增加，8 0 的碳转化成c 0 2 。其他如d e b u s 等i l u j 利用无孔硅橡胶膜反应器对二甲苯进行了生物降解，二甲苯的生物降解 率达到了6 3 ，取得了很好的去除效果。 天津工业大学硕士毕业论文 ( 3 ) m a b r 处理高氨氮浓度废水的研究 b r i n d l e 和s t e p h e n s o n 等l l i 】使用死端中空纤维膜曝气生物反应器，依靠较薄 的生物膜和较高的溶解氧浓度，对高氨氮浓度的合成废水进行研究，其硝化度 达到1 3 k g n h 4 + - n ( k g s s d ) ，比传统硝化工艺要高得多。因为硝化细菌生长速 率低，所以整个实验过程中不必对膜进行冲洗以控制生物膜厚度。t i m b e d a k e 1 2 】 等在g o r e r e x 织物膜上形成的l m m 厚的生物膜中，发现了硝化反应、反硝化反 应和异养氧化同步存在，其原因是生物膜分成了三层。在膜生物膜界面附件的 高氧浓度和低的有机碳浓度促使了硝化反应的发生。此层上面的好氧异养层中 易于进行有机碳氧化反应，而在生物膜液体界面附近存在的缺氧层却维持着反 硝化反应的发生。 ( 4 ) m a b r 用于生活污水的研究 目前，m a b r 应用于生活污水处理主要集中在国内。张风君等【l l 】采用中 空纤维膜作生物膜载体及无泡供氧装置，利用具有死端式和漂浮式特点的浸没 式接触氧化工艺进行污水处理试验研究，结果表明：在控制系统工作压力 0 1 0 3 m p a 、污水中溶解氧为5 - - 8m g l 及水力停留时间8 h 的条件下，污水中 c o d 、b o d 、s s 的去除率分别达7 0 、9 0 和7 5 以上，n h 3 n 、p 的去除率 也在7 0 以上，系统连续运行3 个月，表现了较好的稳定性和抗有机负荷冲击 能力。王猛等【1 2 j 在膜生物反应器中用无泡供氧进行生活污水处理的试验研究， 气源为空气。试验结果表明无泡供氧方式可以使膜生物反应器系统获得稳定的 供氧，供气量比传统的气泡式供氧方式大大降低，提高了氧的利用率，降低了 动力消耗，同时对生活污水中的c o d 、b o d 5 、n h 3 - n 等都具有较好的去除效 果。 ( 5 ) m a b r 在其它领域应用的前景 无泡供氧技术在水处理中某些领域的应用尚属空白，如在饮用水的生物处 理中。由于饮用水中污染物的浓度比废水低得多，处理过程中的氧需求量也相 应少得多，即便考虑到氨氮浓度较高的情况( 4 m g l 左右) ，整个生物处理过程对 溶解氧的需求一般也不会超过3 0m g l 1 3 】。如果采用纯氧无泡曝气进行预充氧 以使进水溶解氧达到超饱和状态，则进入饮用水生物处理装置后短时间内即可 以被微生物利用掉，从而不仅满足了好氧微生物对氧气的需求，而且避免了传 统曝气过程对浊度去除的影响。 1 1 4m a b r 运行中的影响因素 ( 1 ) 膜污染 第一章绪论 一般来讲，膜污染是指处理物料中的各种微粒、胶体粒子或溶质大分子，与 膜存在着物理化学相互作用或机械作用而在膜面、膜孔内沉淀与积累，造成膜面 污染、膜孔径变小或堵塞，膜的透水阻力增加，膜通量减少和分离性能下降的现 象。 广义的膜污染可以分成三种类型【1 4 1 ：一种是浓差极化，主要是水的流动使得 大分子物质和固体颗粒物质不断在膜表面累积，膜表面的浓度高于料液主体浓 度，在膜表面一定厚度层产生稳定的浓度梯度区。过滤开始，浓差极化开始；过 滤停止，浓差极化消除，是可逆的污染。一种是表面沉积，是由膜表面滋生的大 量微生物及其代谢产物组成的粘泥( 粘性多糖类、多肽类和蛋白质分子等) ，在过 滤膜表面形成的一层生物膜而造成膜通量减小的污染。一种是膜孔堵塞，指污染 物结晶、沉淀、吸附于膜孔内部，造成膜孔不同程度的堵塞，通常难以去除，一 般认为是不可逆的污染。 对所有的膜生物反应器，膜污染都是一个难点问题。基于中空纤维膜本身呈 现疏水性，在某些条件下容易被有机物质污染。但在正常的操作条件下，气体由 内向外从膜壁的微孔中通过，污染并不容易发生。中空纤维疏水膜的污染问题一 般发生在操作异常的条件下，比如曝气压力过低，甚至停止曝气等，尤其在停止 曝气的情况下，在水压的作用下，一部分微生物以及其它有机物和无机物会局部 地渗透到膜壁的微孔中，造成气体传质困难，处理效果下降的结果。从大量的实 验操作经验看，要注意保持一定的操作压力，尤其当某操作压力使得反应器水体 中溶解氧为o m p j l 时要特别注意，此时容易发生膜污染。 ( 2 ) 空气压力 透过中空纤维膜的空气在表面张力作用下而吸附在膜表面，此时如果气液 两相压差较大，空气易在膜表面形成气泡，从而降低氧的传质效率t 2 1 1 。因此， 为达到无泡曝气效果，空气压力必须低于起泡点气压。在保证空气压力不超过 最大安全气压的情况下，不同的气压会产生不同的生物膜结构。保持适当的空 气压力，则生物膜同时具有硝化层、好氧层、反硝化层、厌氧层。因此，实际 运行中要根据具体情况调整空气压力，以创造最佳曝气条件。 ( 3 ) 液相流速 工艺运行过程中，对液相流速在不同阶段有不同的要求。运行前期，即挂 膜阶段，液相流速不宜过高，否则生物膜受到较大的剪切力而很难生长【1 5 】。正 常运行期间，为减小相边界层厚度，加快底物的传递速率，同时控制生物膜的 过度积累，应保持较高的液流速。因此探索最佳液相速成为一项重要的研究内 容。 天津t 业大学硕士毕业论文 1 1 5m a b r 的发展前景 众多研究表明，无泡供氧是一种很有发展前景的新型高效供氧方式，具有传 氧效率高、无泡沫形成、设备体积小、能耗低等优点，经过1 0 多年的发展，水的 生物处理领域已经有小规模的成功应用。但是无泡曝气的机理及实际效果的研究 多处于实验室阶段，只有少数的工程应用，要将其大规模应用于水处理的实际工 程领域，还需要解决以下几个主要问题： ( 1 ) 膜污染问题是阻碍其大规模应用的主要障碍，自然水体中存在的铁、油 脂、表面活性剂和悬浮固体会污染膜面，降低甚至阻止氧气向水中传递。工业废 水中经常含有油脂，它能轻易地进入疏水膜孔，一旦膜孔被油脂填充，氧气通过 膜孔的传质速率变小，曝气膜组件的充氧效果也会大大降低。含有表面活性剂， 如普通家用洗涤剂的废水，也会使膜组件的曝气效率明显降低，因为水中表面活 性剂浓度的增大，会降低水的表面张力，直到最后湿润膜【2 引。 ( 2 ) 在实际应用中，操作压力也成了限制因素。当膜内部与液相主体压差大 于一定值时，就会有气泡形成，所以膜内外压强需要控制在低于气泡形成压力的 范围。因此，需改进膜制造工艺，研究制备膜孔小且均匀、抗溶涨性能好、耐高 温的膜材料，并降低膜制造成本。 ( 3 ) 如何通过改进曝气池构造、掌握操作运行参数以及开发新型膜材料来推 进无泡曝气的实际应用，还有待于进一步的研究。 随着膜材料在各个领域越来越广泛的应用和膜技术自身的不断发展进步，膜 组件的制造成本将逐渐降低，膜污染问题也将逐步得到解决，无泡供氧技术也将 会有进一步的发展和广泛应用。 1 2 脱氦工艺概述 1 2 1 传统脱氮工艺【1 6 】 传统脱氮工艺可区分为生物脱氮和物理化学脱氮。在生物脱氮系统中，不 但要去除有机物，还要将污水中的有机氮和氨氮通过硝化一反硝化过程转化为 氮气，最终从污水中去除。物理化学脱氮不包括有机氮转化为氨氮和氨氮氧化 为硝酸盐的过程，通常只能去除氨氮。对于城市污水而言，一般来说生物脱氮 的可行性和经济性要优于其他脱氮工艺。 生物脱氮的原理与工艺： 城市污水的氮的来源是多方面的，有生活污水中含有的人体食物中蛋白质 第一章绪论 的代谢产物，也有焦化、化肥、石化和制药等工业排放的工业废水。污水中的 氮以有机氮、氨氮和氧化态氮三种形式存在。生活污水中的氮主要存在方式是 氨氮和有机氮。其中氨氮占5 0 - 6 0 ，有机氮占4 0 - - 6 0 ，硝态氮仅占0 - - - 5 。 传统废水生物脱氮实际上是将氮在自然界中循环的基本原理应用于废水生物处 理，并借助于不同微生物的共同协调作用以及合理的人为运行控制，将生物去 碳过程中转化而产生的及原废水中存在的氨氮转化为氮气从废水中脱除的过 程。传统生物脱氮主要包括同化作用、硝化作用、反硝化作用三个过程。具体 过程简述如下： 1 ) 同化作用 污水中一部分氨氮被同化为新细胞物质，以剩余污泥形式去除。 2 ) 硝化作用 硝化反应是由一类自养型好氧微生物完成的，包括两个步骤：第一步为亚 硝化过程，是由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸盐，亚硝酸菌中有亚硝酸单胞菌 属、亚硝酸螺杆菌属和硝化球菌属；第二步称为硝化过程，由硝酸菌将亚硝酸 盐进一步氧化为硝酸盐，亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌，利用无机碳化合物 如c 0 3 z 。，h c 0 3 。和c 0 2 作为碳源，从n h 3 、n h 4 + 或