（市政工程专业论文）新型膜—生物膜反应器（MBR）脱氮除磷的研究.pdf

摘要 通过中试试验，较深入地考察新型膜生物膜反应器脱氮除磷的特性以及相关 的工艺条件和影响因素；初步探讨了新工艺对有机物的去除特性以及膜污染及其 防治技术。 试验结果表明，迸水有机负荷对脱氮除磷有着直接的影响。当c o d c r t n 4 时，硝化液回流比r 成为该新型工艺脱氮的主要控制因素，脱氮效率随着进水有 机物浓度的降低而下降。t p 的去除效果也和t n 的去除效果相似，进水c o d c r t n 越高，除磷效果越好。当c o d c r t n 4 ，t h er e m o v a l o fni s s u b j e c t t ot h er e t u r nr a t i or a n dl e s si n f l u e n c e db yt h ei n l e t o r g a n i c c o n c e n t r a t i o n h o w e v e r ，t h er e m o v a lo fph a ss o m er e l a t i o n s h i p sw i t ht h a t t h eh i g h e r t h ec o d c r t n ，t h eb e t t e rt h ep h o s p h o r u sr e m o v a l o nt h eo t h e rh a n d s ，i nt h ec a s eo f c o d c r t n 1 5 0 时t p 的去除效果3 2 图3 2 7r 1 5 0 ，降低进水c o d c r t n 情况下t p 的去除试验3 3 图3 2 8c o d t n 介于4 8 时不同内回流比r 下t p 的去除率3 3 新型膜生物膜反应器( m b r ) 的研究 图3 2 9c o d c r t n 大于8 时不同内回流比r 下t p 的去除率3 4 图3 3 0 填料污泥和活性污泥含磷量的比较3 5 图4 1o r p 范围和物理、生物现象的关系3 7 图4 2 低进水c o d e r 时o r p 曲线图3 8 图4 3高进水c o d e r 时o r p 曲线图3 9 图4 4o r p 值分布良好丽脱氮除磷效果不好的情况4 0 图4 5 污泥浓度增长情况和s v 变化情况4 0 图4 6 生物膜工作过程示意图4 2 图4 7 齿轮填料使用前表面情况4 3 图4 8 齿轮填料表面长满生物的情况4 4 图4 9 悬球填料丝表面长满生物后的情况4 5 图4 1 0 碱度对出水氨氮的影响4 5 图4 1 1温度对出水氨氮的影响4 6 图4 1 2 不同进水方式的t n 、t p 的去除率比较5 1 图5 1 膜过滤阻力分布示意图5 3 图5 2 为不同时期膜阻达到极限值的时间5 5 图5 3 是膜阻达到不同值时汽水反冲洗效果图5 7 图5 4 新膜运行前内外表面情况5 9 图5 5 运行两个月后膜内、外部污染情况( 5 0 0 倍) 5 9 图5 6 运行两个月后膜内、外部污染情况( 3 0 0 0 倍) 5 9 图5 7 运行两个月后膜内、外部污染情况( 8 0 0 0 倍) 6 0 硕士学位论文 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表2 5 表4 1 表4 2 附表索弓 试验基本运行参数1 1 试验污水基本水质指标1 1 添加葡萄糖后试验污水基本水质指标1 1 添加葡萄糖后试验污水基本水质指标1 1 常规检测项目及检测方法1 3 不同c n 比时的脱氮效果4 8 不同基质对厌氧区磷释放量的影响表4 9 v 湖南大学 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弓| 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，均已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：双”雄文日期：口 年，月矽日 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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 i 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 敛膨硼主丈日期：口 年j 月彤日 导师签名： 务和乏 日期：口f 年f 月二f 日 第1 章前言 1 1 膜生物反应器技术概述 1 1 1 膜生物反应器的组成和特点 膜生物反应器是膜技术和污水生物处理技术有机结合产生的废水生物处理新 工艺，通常提到的膜生物反应器，实际是三类反应器的总称，即我们常见的膜曝 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 ) ，萃取膜生物反应器 ( e x t r a c t i v em e m b r a n eb i o r e a c t o r , e m b r ) ，膜分离生物反应器( b i o m a s sm e m b r a n e b i o r e a c t o r ，b s m b r ，简称m b r ) 。在上述三种反应器中，膜分离生物反应器研究和 和应用得最广泛，而其它两种反应器还处于实验室阶段，实际工程的应用还未见 于报导。 膜生物反应器中的膜组件相当于传统生物处理系统中的二沉池，利用膜组件 进行固液分离，截流的污泥回流至生物反应器中，透过水外排。膜生物反应器的 分类一般按照膜组件和生物反应器的相对位置可以分为一体式膜生物反应器、分 置式膜生物反应器、复合式膜生物反应器三种，如图1 1 所示。 进水 空气 出水 生物反应器 回流 生物反应器出水 0 ) 一体式膜生物反应器b ) 分置式膜生物反应器 进 空 出水 生物反应器 c ) 复台式膜生物反应器 图1 1 三类基本膜分离生物反应器工艺流程图 新型膜一生物膜反应器( m b r ) 的研究 在一体式膜生物反应器中，膜组件浸没在生物反应器里，所以又称为浸没式 膜生物反应器如图1 1 ( a ) 。滤液依靠泵的抽吸或者液压产生的推动力透过膜组件 排放出来，污泥则被截留在反应器里。一般都是在膜组件的下方曝气，利用曝气 时气液向上的剪切力来实现膜面错流效果，达到减轻膜污染的效果。一体式膜生 物反应器的优点是运行能耗低，结构紧凑，占地面积少。缺点是在运行稳定性、 操作管理方面和清洗更换上不及分置式。 分置式膜生物反应器则实行膜组件和生物反应器分离的方式，膜组件单独设 置，如图1 1 ( b ) 。它利用增压泵将生物反应器里的混合液增压进入膜组件，在 冲击压力作用下液体被膜过滤成为系统处理出水，活性污泥、大分子物质等则被 膜截流，并通过回流系统回流到反应器内。由于分置式膜生物反应器通过料液循 环错流运行，其特点是：运行稳定可靠，由于易于膜的清洗、更换及增设，所以 操作管理容易。缺点是动力消耗比较高。 复合式膜生物反应器在形式上也属于一体式膜生物反应器，只是在一体式膜 生物反应器内加装填料，从而形成复合式膜生物反应器，改变了膜生物反应器的 某些性状，见图1 1 ( c ) 。国内外关于复合式膜生物反应器的研究主要是在脱氮除 磷和膜污染控制方面。很多研究都认为与一体式膜生物反应器相比，可以在一定 程度上提高氨磷的去除，还认为加装填料后，可以减少悬浮态活性污泥浓度，从 而减轻膜污染【l 】，但l e ej u n g m i n 等人却通过滴滤池m b r 的研究得出了相反的结论 1 2 1 ，这方面还存在一些争议。 1 1 2 膜生物反应器的发展历史 膜生物反应器的发展历史不长，迄今为止也才不过3 0 多年，而m b r 的商业 应用也只有2 0 年的历史。不过m b r 技术的发展速度却很快。 美国的s m i t h 等人首次( 1 9 6 9 年) 报导了利用超滤膜取代活性污泥法工艺中 二沉池的方法【3 i 。不久( 1 9 7 0 ) ，h a r d 等在一个i o l 的生物反应器里放置超滤膜， 采用终端过滤实现生物分离的方式来处理合成废水，在他们的研究里，活性污泥 浓度达到了2 3 3 0 9 l ，远高于常规活性污泥的污泥浓度；c o d 去除率达到了 9 8 t m 。但由于当时膜技术发展还处于起步阶段，可供选择的膜材料种类少，膜 的使用寿命短，限制了该工艺的长期稳定运行。到了2 0 世纪7 0 年代，在d o r r o l i v e r 公司和日本的s a n k i e n g i n e e r i n g 有限责任公司签订协议后，膜技术进入了日本市 场。7 0 年代后期，日本研究者因地制宜，对膜分离技术在废水处理中的应用进行 了大力开发和研究，使膜生物反应器开始走向了实际应用。特别是8 0 年代初期， 由于新型膜材料的出现和膜市场的迅速发展，加上8 0 年代中后期各种型式膜生物 反应器的出现，使得系统的稳定性得到很大提高，运行能耗降低，膜生物反应器 ：【艺在废水处理中的应用受到越来越广泛的重视。到了上世纪9 0 年代，膜生物反 应器已经成功应用于中水道污水处理、粪便污水处理、垃圾渗滤液废水处理、高 浓度有机废水处理等。包括日本和加拿大等国在内韵不少公司已经相继开发出有 实用价值的膜生物反应器系统，并在实际工程中开始陆续得到应用 s l 。 我国的膜生物反应器研究始于上世纪9 0 年代初期。上海华东化工学院研究了 用膜生物反应器处理人工合成污水和制药废水的可行性【6 】。从1 9 9 5 年清华大学用 膜生物反应器处理生活污水取得成功【7 l ，到2 0 0 1 年2 月国家计委下达关于组织实 施膜技术及其产业化专项的公告，标志着我国政府开始正式重视膜分离技术在水 处理中的应用 a l 。 1 2 膜生物反应器脱氮除磷的研究进展 1 2 1 膜生物反应器脱氮的研究进展 同目前通用的生化脱氮工艺一样，m r b 脱氯在理论上并没有什么根本差别。 为了提高总氮去除率，在单一的好氧膜生物反应器的基础上，部分研究人员通过 控制运行条件增设缺氧区采用回流的方式以获取最佳的脱氮效果；张西旺等在一 体式膜生物反应器前增设缺氧区和回流装置的方法形成好氧缺氧运行的方式获 得了对高浓度氨氮下总氮很好的去除；没有增设缺氧区和回流装置的情况下，进 水n h 4 + - n 浓度为1 0 0 m 【g i 左右时总氮( t n ) 去除率只有6 0 ，而在设置了缺氧 区后，去除率曾经达到过9 6 0 ，其原因就是缺氧区设置后给反硝化菌提供了充 足的有机物和反应场所，避免了由于硝化盐和亚硝酸盐的积累对硝化反应的限制， 出水t n 可达建设部生活杂用水水质标准【”。 随着研究的进展，一些研究表明，在好氧膜生物反应器里加生物载体填料， 可以取得对n h 4 + n 和t n 很高的去除效果，由于反应器中高浓度的污泥有利于在 污泥絮体中形成好氧区和厌氧区，而且，填料载体挂膜充分后，膜表面同样也会 形成立体的好氧缺氧层递层，客观上为在同一个反应器中实现同步硝化反硝化创 造了条件。试验出水结果表明，在d o 、p h 等因素控制得当的情况下系统对n h 3 一n 和t n 平均去除率分别达到了9 3 o 、8 8 9 t “i ，比传统的该工艺效果要好。齐唯等 在浸没式膜生物反应器中对同步硝化反硝化效应进行了研究，得出氧的传递是影 响同步硝化反硝化的主要因素；p h 值的改变也是通过影响微环境中氧的传递，进 而影响同步硝化反硝化作用，在一定的条件下，取得了对n h 4 + 一n 8 1 和t n 8 4 左 右的去除率【1 1 “3 1 。有些研究人员在试验过程中发现了短程硝化和反硝化的现象 ( s h o r t c u tn 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 ) d 4 - 1 s 。依据他们的发现，李春杰研究 了s m b r 处理焦化废水中的短程硝化反硝化，在试验运行初期，由于泥龄短使微 生物代谢产物未得到充分积累，硝化过程进行得非常彻底；然后在高效短程硝化的 基础上进行反硝化，当反硝化负荷 8 4 4 h 时，可 硕十学位论文 应器已经成功应用于中水道污水处理、粪便污水处理、垃圾渗滤液废水处理、高 浓度有机废水处理等。包括日本和加拿大等国在内帕不少公司已经相继开发出有 实用价值的膜生物反应器系统，并在实际工程中开始陆续得到应用m 。 我国的膜生物反应器研究始于上世纪9 0 年代初期。上海华东化工学院研究了 用膜生物反应器处理人工合成污水和制药废水的可行性【6 】。从1 9 9 5 年清华大学用 膜生物反应器处理生活污水取得成功m ，到2 0 0 1 年2 月国家计委下达关于组织实 施膜技术及其产业化专项的公告，标志着我国政府开始正式重视膜分离技术在水 处理中的应用口】。 1 2 膜生物反应器脱氮除磷的研究进展 1 2 1 膜生物反应器脱氮的研究进展 同目i j l 通用的生化脱氮工艺一样，m r b 脱氮在理论上并没有什么根本差别。 为了提高总氮去除率，在单一的好氧膜生物反应器的基础上，部分研究人员通过 控制运行条件增设缺氧区采用回流的方式以获取最佳的脱氮效果；张西旺等在一 体式膜生物反应器前增设缺氧区和回流装置的方法形成好氧缺氧运行的方式获 得了对高浓度氨氮下总氮很好的去除；没有增设缺氧区和回流装置的情况下，进 水n h 4 + n 浓度为1 0 0 i r i g ，l 左右时总氮( t n ) 去除率只有6 0 ，而在设置了缺氧 区后去除率曾经达到过9 6 o 。其原因就是缺氧区设置后给反硝化菌提供了充 足的有机物和反应场所，避免了由于硝化盐和亚硝酸盐的积累对硝化反应的限制 出水t n 可达建设部生活杂用水水质标准哪。 随着研究的进展，一些研究表明，在好氧膜生物反应器里加生物载体填料， 可以取得对n h 4 + n 和t n 根高的去除效果，由于反应器中高浓度的污泥有利于在 污泥絮体中形成好氧区和厌氧区，而且，填料载体挂膜充分后，膜表面同样也会 形成立体的好氧缺氧层递层，客观上为在同一个反应器中实现同步硝化反硝化创 造了条件。试验出水结果表明，在d o 、p h 等因素控制得当的情况下系统对n h 3 一n 和t n 平均去除率分别达到了9 3 0 、8 8 9 t “】，比传统的该工艺效果要好。齐唯等 在浸没式膜生物反应器中对同步硝化反硝化效应进行了研究，得出氧的传递是影 响同步硝化反硝化的主要因素；p h 值的改变也是通过影响微环境中氧的传递，进 而影响同步硝化反硝化作用，在一定的条件下，取得了对n h 4 + n 8 1 和t n 8 4 左 右的去除率 1 1 - 1 3 1 。有些研究人员在试验过程中发现了短程硝化和反硝化的现象 ( s h o r tc u tn 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 ) 。”。依据他们的发现，李春杰研究 了s m b r 处理焦化废水中的短程硝化反硝化，在试验运行初期，由于泥龄短使微 生物代谢产物未得到充分积累，硝化过程进行得非常彻底；然后在高效短程硝化的 基础上进行反硝化，当反硝化负荷 8 4 4 h 时，可 基础上进行反硝化，当反硝化负荷 8 4 4 h 时，可 翌翌! 耋丝坚垒垒兰：兰罂：些至茎 实现8 1 3 4 的反硝化率，此时外加碳源的c o d ：n 为2 1 ：1 0 6 1 。 相比于传统活性污泥法，m b r 反应器里的污泥絮体比较松散，可能不利于剩 余污泥的处理和反硝化的发生。对此，进行了投加粉末活性炭和未投加p a c 的 m b r 系统的脱氮效果的对比试验，试验结果表明，投加了粉末活性炭后的m b r 系统中，污泥絮体尺寸增大，可在絮体内部形成缺氧区，更加有利于反硝过程的 发生，因而投加p a c 后的m b r 在脱氮方面有比较显著的优势，反硝化去除率达 到9 6 以上【”0 8 1 。 1 2 2 膜生物反应器除磷的研究进展 m b r 去除磷的工艺与常规活性污泥法基本上相同，国内外对除磷工艺的研究 不少，一般都是采用a o 和s b r 的形式，而且多数是和脱氮联用，射o 膜法由 于容易控制严格的厌氧好氧环境，因此是研究得比较多的一种工艺。 有人对比了有厌氧和无厌氧情况下该工艺的除磷情况，发现没有厌氧环境， 总磷( t p ) 的去除率只有2 2 ，而在有厌氧段( a o ) 的情况下，t p 的去除率可 达7 0 【1 9 i ；b k o c a d a g i s t a n 采用在上流式厌氧固定床后的好氧反应器里面放置了 微滤膜的形式，获得了对氮和磷各自9 4 以上的去除率【2 “，不过该工艺成本比较 高，现阶段难以大规模的推广；p e d r o a c 等人采用生物膜一膜反应器处理含磷废 水，在有机负荷率为1 5 9 m g ( e m 2 d ) 的条件下，磷( p 0 4 p ) 的去除率达7 2 t 2 1 1 。 由于除磷菌的世代时间较短，s r t 是一个比较重要的参数，为了尽量避免s r t 过 长带来的负面影响，于是有人在强化生物除磷工艺( e b p r ) 的好氧段旁边放置膜 组件，无论采用前置反硝化方式还是后置反硝化方式，都取得了令人满意的除磷 效果，在s r t 为2 5 天的情况下。依然取得了对t p 9 7 以上的去除率，后置反硝 化在运行良好时同样曾经获得了很好的t p 和t n 的去除效果，前者为9 9 ，后 者9 4 【2 2 4 3 1 。而h a l i lh a s a r 在对浸没式膜生物反应器( s m b r ) 和c a s p 工艺进 行对比研究中发现，s b r 的运行方式在s r t 为5 0 d ，好氧时d o 为1 9 - 4 m g 1 之间 变化，进水t p 为1 9 0 m l 的情况下，取得了出水t p i m g l 的去除效果。这表 明膜生物反应器中，只要内部结构优化得当，高效脱氮除磷是完全可以实现的。 一方面由于工艺的差异，另一方面由于膜组件性能的因素，导致不是每一种 m b r 工艺对除磷效果都能达到排放要求，在环境的要求越来越高使得出水排放标 准越来越严格的情况下，有时只依靠生物除磷出水经常难以达标，m b r 工艺中也 常采用投加絮凝剂以共沉淀模式来提高磷的去除效果，研究表明，当a 】与t p 的 摩尔比为1 5 ，进水t p 浓度为4 3 5 3 m g ，l 时，出水t p 浓度可以降到o 5 m e , l 左右，达到t p 小于l m g l 的排放标准l 。迟军等人基于磷的难溶金属盐化学沉 淀物很难透过超滤膜的现象，在反应器内进行了通过投加铝盐的方式进行除磷， 获得了8 2 的去除率，也使出水中t p 降到o 5 m l 鲥以下1 2 “。 4 1 2 - 3 微生物学在脱氮除磷方面的研究进展 微生物群落决定着污泥特性，同时微生物群落的组成也决定着系统脱氮除磷 的效果，而目前有关膜生物反应器中的微生物及其生物动力学特性知之甚少【2 7 】。 由于传统的分析手段的局限性，我们必须建立新的分析技术和手段来深入了解膜 生物反应器中活性污泥中的微生物群落结构及其多样性。人们在实验研究的过程 中不断改进方法。a n d r e w 在研究中利用不同的v f a s ( v o l a t i l ef a t t ya c i d s ) 发现：当 作为碳源的聚羟基脂肪酸脂( p h a ) 主要以聚3 羟基丁酸( 3 h b ) 的形态存在时 比以聚3 羟基戊酸( 3 h v ) 的形态存在时更容易促进好氧吸磷【2 8 l ；而由 m f a s ( m i c r o b i a lf a t t ya c i d s ) 9 量方法改进而来的脂肪酸异丙基脂( f a t t ya c i d i s o p r o p y le s t e r s ) 方法在定量测定活性污泥法中尤其是在测定由于微生物群落的构 成的改变而导致的活性污泥的质量变化时取得了很好的效果1 2 9 ；好氧呼吸速率 ( o u r ) 也被研究人员常用来表征生物的生长和活性i ”1 。但是上述方法只是从宏观 上反映反应器中的微生物的变化，并不能从微观上体现外部条件变化所带来的生 物的多样性和群落的变化。 随着现代分子生物学的发展，以核酸杂交技术为主要内容的分子生物等技术， 为研究生物群落构成及其多样性提供了新的强有力的方法和手段。到目前为止， 人们对活性污泥系统中何种微生物对除磷起主要作用仍不清楚，不过由于现代分 子生物学的发展，利用基于除磷活性污泥样品的1 6 s r d n a 克隆基因库构建专一性 探讨，结合细胞内聚磷酸盐颗粒的特殊染色技术，h e s s e l m a n n t ”1 等和c r o c e t t i ”1 等利用显微镜对除磷微生物进行原位观察和鉴定，利用对b p r o t e o b a c t e r i a 专一性 的探讨鉴定了实验室规模的除磷反应器中占优势的微生物种群。虽然上述研究都 是在常规活性污泥法中完成的，但不妨碍他们在m b r 中的应用。当膜生物反应 器长时间不排泥，使m l s s 维持在很高的浓度时，污泥浓度的增长是一条开始增 长较快，尔后逐渐趋于平缓的曲线，常规方法解释不了该现象的发生，利用荧光 原位杂交技术f i s h ( f l u o r e s c e n ti n s i t uh y b r i d i z a t i o n ) 对常规活性污泥法和膜生 物反应器内染色细胞进行定位分析，结果表明，膜生物反应器里高污泥浓度利用 自身能量维持新陈代谢，而不是处于生理增长状态1 3 3 l 。而且f i s h 和变性梯度凝 胶电泳d g g e ( d e n a t u r i n gg r a d i e n tg e le l e c t r o p h o r e s i s ) 的分析结果也表明：m b r 中的微生物群落和其多样性，不同于常规活性污泥；m b r 适宜于氨氧化菌的生长； m b r 中的硝化菌通常为不同形状的串状，小颗粒污泥中的硝化菌含量高于其在大 颗粒污泥的含量f 2 6 】。而l u i s a 等则利用另一项现代监测手段核磁共振m m r ( n u c l e a r m a g n e t i cr e s o n a n c e ) 使得在线监测细胞中的能量变化成为了可能【3 4 】。另 外间歇缺氧好氧条件的s m b r 中，被认为是间歇曝气s m b r 中硝化和反硝化过程 中占优势的两种菌种：亚硝化单胞菌和反硝化产碱菌，它们的占优势醌是 塑篓璧= 兰塑鉴量窖兰：翟2 詈：篁翟耋 u b i n o n e 一8 间歇好氧缺氧条件下，悬浮微生物中微生物的多样性，通过苯醌图谱 ( q u i n o n ep r o f i l e s ) = 里的组成可以以摩尔分数表示出来1 3 5 i 。因此研究微生物的生物学 机理，对膜生物反应器的开发具有重要意义。 1 3 膜生物反应器在处理城市污水中的研究方向 m b r 在废水需要回用和占地有限制的场合具有独到的优势。从上面的分析可 以看出m b r 对有机物和氨氮都有很好的去除效果，但是与传统活性污泥法相比， m b r 脱氮除磷的技术总体来说还不是很完善，工程应用经验不太多，很多研究成 果还只停留在实验室阶段。现在m b r 处理目标要求一般是回用水标准，但单独 依靠生物法还是难以稳定达到回用水标准的要求，而且生物脱氮除磷的效果一直 都不是很好，在这方面还有待进行深入的研究。笔者认为将来研究的重点主要是 以下几点： 一、m b r 工作条件下生物脱氮除磷的生物学机理，微生物尤其是除磷菌 ( p a o s ) 的机理，研究它们有助于我们根据不同处理要求筛选出高效而稳定的专 性脱氮除磷菌种，从而研究出新型的高效脱氮除磷工艺。 二、新型m b r 脱氮除磷效果的工艺和相关研究成果的示范工程及推广。目 前的m b r 工艺基本上都是基于传统的污水处理工艺上加膜而形成的膜生物反应 器，所确立的数学模型也都有相应的局限性。应采用更加适合于m b r 工艺推广 的新型工艺，如生物膜膜生物反应器，a 2 0 一生物膜等工艺，一方面有利于设计 规范的制定。另一方面又能在提高脱氮除磷效果的同时还可以减少后续污泥的处 理成本。 1 4 本课题的提出、研究内容及其意义 1 4 1 本课题的提出 目前，膜生物反应器在国内外的研究发展很快，其研究和开发现状主要包括如 下几个方面：一是生化处理和工艺运行参数的影响因素和优化；二是膜成套技术 的研制。膜生物反应器在迅速发展的同时，也存在一些技术和应用推广的瓶颈， 主要问题分析如下： 一、m b r 不同工艺对含氮化合物去除研究。膜生物反应器各种不同工艺实际 上都是建立在各种传统生化处理工艺基础上的，主要形式有两级和单级脱氮除磷 工艺，现在在脱氮方面，技术已经比较成熟。同时，新的脱氮除磷理念( 同步硝 化反硝化和短程硝化反硝化、同步脱氮除磷) 也开始慢慢深入到m b r 中。相对 而言，由于需要依靠排泥来实现t p 的去除，m b r 系统中除生物除磷的效果还不 是很理想。虽然随着现代分子生物学的发展，微生物学在脱氮除磷方面的研究进 硕士学位论文 展比较快，以核酸杂交技术为主要内容的分子生物等技术，为研究生物群落构成 及其多样性提供了新的强有力的方法和手段，取得了不俗的成果。但是该方面国 外做得比较多，而国内多只停留在理论上。 二、在膜生物反应器脱氮研究中，基于各种脱氮理念的不同工艺都有出现 3 6 3 叭，但同时脱氮除磷的工艺研究得比较少，主要是由于膜生物反应器自身污泥 龄( s r t ) 较长的特点和除磷需要较短s r t 的机理相冲突，很难用传统m b r 工 艺获得较为理想的除磷的效果。传统的m b r 工艺出水总磷效果不理想，为此多 数m b r 工艺还是采用投加絮凝剂的化学方法来获取满意的除磷效果，这样难免 要增加药剂以及与之相关的成本。 三、m b r 远期的推广障碍在于膜污染是否能够解决和脱氮除磷的总体效果。 笔者认为，m b r 应该从以下几方面作为m b r 的研究重点：1 ) 、国产化优质膜 组件的研制和生产。考虑组合工艺或者动态膜应该是值得考虑的方向；2 ) 、膜污 染的机理和防治。膜污染是m b r 推广应用的主要影响因素之一。目前膜污染的 形成机理还不是很成熟，主要是由于现在的检测方法和手段的限制，因此必须和 其他的检测方法结合( 例如生物技术) 以探测膜污染的形成机理。建立相应的数 学模型以预防膜污染，3 ) 、m b r 技术规范研究。设计规范和工艺参数的确定是 m b r 工艺大规模运用的前提条件之一，因此它们的确定是势在必行。4 ) 出水t p 。 随着环境恶化，出水t p 要求越来越严格，现在m b r 基本上着眼于回用水，但只 有少部分处理工艺对磷的去除率稍高，可依旧达不到排放标准的要求，应该转向 有高t p 去除率的工艺研究和开发。 因此，研究和开发出一种能够同时获得较为理想的脱氮除磷效果的m b r 工 艺，对于污水处理行业和中水回用将具有重要的实际意义。本课题就是在这样的 背景下提出来的。 本课题考虑将污水处理生物膜最新技术( 悬浮生物载体) 与膜分离技术相结 合，研究开发一种新型膜一生物膜反应器。该反应器将悬浮载体填加于u c t 工艺 的好氧池，同时将膜分离系统也与u c t 工艺相结合，可以获得良好的脱氮除磷作 用。 该工艺采用的u c t 工艺( u n i v e r s i t yo fc a p et o w n ) 采用两套回流系统，好 氧区的污泥混合液回流至缺氧区，内中携带的n o x n 在缺氧区经反硝化而去除。 反硝化后的混合液一部分通过内回流系统回流至厌氧区。在废水c o d t n 适当的 情况下，缺氧区中反硝化作用完全，可以使缺氧区出水中n o 。一n 浓度接近于零， 从而使接受缺氧区混合液回流的厌氧区的n o ；一n 液接近于零，保持严格的厌氧环 境，最大限度地排除回流液中的硝酸盐对厌氧区放磷的不利影响。其与传统的 u c t 工艺的区别在于没有二沉池，缺少污泥回流系统，厌氧区的污泥浓度需要全 7 新型膜一生物膜反应器( m b r ) 的研究 部从缺氧区回流来保证。而且由于回流到厌氧区的污泥混合液是在反硝化之后， 因而又与改良型u c t 工艺类似。 1 4 2 本课题的研究内容 本课题的主要研究内容有以下几点： 一、新型膜一生物膜反应器脱氮的研究。 本课题考虑通过以下三个步骤来确定脱氮的最优运行工况。1 ) 调节进水有 机负荷以及改变进水方式来获取脱氮所需的最佳c n 比值和进水方式。2 ) 调节 硝化液回流比以确定不同回流比与脱氮效率之间的关系。3 ) 改变工艺的水力停 留时间来寻求最佳的h 盯。 二、新型膜一生物膜反应器除磷的研究 本课题采用如下几个步骤来确定除磷的最优运行工况。1 ) 调节进水有机负 荷确定c n 比与除磷的关系。2 ) 改变内回流比的大小以考察内回流比r 与系统 除磷的关系。3 ) 在不同的s r t ( 污泥停留时间) 下确定s r t 对本工艺除磷的影 响。 三、悬浮载体的添加对系统脱氮除磷的影响。 对比试验数据以确定悬浮载体对脱氮的作用。测定悬浮载体上生物膜污泥和 好氧区活性污泥t p 含量与常规活性污泥t p 含量进行对比，以确定添加悬浮载体 对除磷的作用。 四、膜污染的防治。 本课题拟采用水力清洗、反冲洗和药剂清洗的方式来考察各种清洗方式对减 轻膜污染的作用。 1 4 3 本课题的意义 本课题针对目前通用的膜生物反应器脱氮除磷效果不佳，反应器功能开发不 够，能耗高等问题进行重点研究。在本阶段的实验里，主要研究的是该新型工艺 在不同工况下的脱氮除磷效果，从而获得该工艺运行时的最优工艺参数，以期为 生产性试验提供最优化的运行参数。并将成果以示范工程形式推广应用。该研究 开发成果在防治水环境恶化，保护和科学利用水资源等方面，拥有巨大的市场， 其经济、社会和环境效益显而易见。 第2 章试验装置和试验方法 2 1 试验装置和运行参数 本试验装置主要由提升泵、蓄水池、进水压力罐、进水泵、配水系统、反应 池、悬浮填料、微滤膜、曝气设备、搅拌器、气体流量计、出水计量设备、回流 泵、出水泵、药液反冲洗、自动控制系统等设备组成。试验装置如图2 1 所示。 r 一一 供氧设备厂一一一一一 调节池