（环境工程专业论文）多孔载体生物反应器处理废水效果及性能研究.pdf

多孔载体牛物反廊器处理废水效果及性能研究 摘要 本文构建好氧一厌氧好氧的生物膜反应器，在连续进水的条件下对生物载体 的挂膜速度、有机物和氮的去除效果及不同温度下的污水处理特性进行了研究， 实现有机物降解、低温脱氮及污泥减量化的目的。反应器运行3 6 0 多天，停留时 间1 8 h ，从低温下( 1 5 左右) 启动反应器，c o d 的降解在较短的时间就能达 到好的去除效果，不受温度的影响，稳定后c o d 的去除率能达到9 0 左右。由 于反应器是低温下启动，微生物生长速率慢，尤其对温度敏感的硝化菌影响显著， 直到温度达到2 0 左右，n 地n 的去除率达到9 9 。t n 的效果在运行稳定后 达到6 5 ，将沉淀池的污泥回流( r = 1 0 0 ) 到厌氧池的1 区域，脱氮效果达到 7 0 8 0 。折流板厌氧反应器，实现污泥原位减量的目的，污泥产率为0 0 5 6 7 g s s ( g c o d ) 一，为传统活性污泥的2 0 9 8 ；同时具备了降解有机物、氮磷的性 能，在低温下载体生物膜脱落时，起到很大的作用，保证好的出水效果。d g g e 和4 5 4 焦磷酸测序分析表明反应体系微生物种群丰富，实现了有机物的降解及低 温脱氮的目的。 对载体微生物有机物降解及硝化的速率进行测定，结果表明，多孔载体可以 很好的固定微生物，有机物的降解速率高。随着有机负荷的增加，载体微生物的 硝化速率先增后降；而氨氮负荷的增加对硝化速率的影响不明显。当温度低于 1 5 ，也能保证9 9 的硝化效果。折流板厌氧反应器可溶组分的分析表明，厌 氧区截留污泥，微生物种群丰富，同时具备了为反硝化提供碳源、降解底物、污 泥减量的性能。 构建富集硝化菌的反应器，改性载体流化快、生物量丰富、硝化速率高，比 不改性载体有明显的优势。接种污水处理厂污泥的o 反应器，停留时间为9 8 h ， 在低温下( 1 0 1 6 ) 很快稳定，并获得好的出水效果，但污泥减量不明显。 关键词：聚氨酯载体；m b b r ；废水处理；脱氮；污泥减量； l v 硕十学位论文 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，aa e r o b i c - a n a e r o b i c - a e r o b i c b i o f i l mr e a c t o rw a sc o n t i n o u s l y o p e r a t e d f o ro v e r36 0d a y s ，w i t hah y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m eo f18 h u n d e rt h e c o n d i c t i o no fc o n t i n u o u sf e e dw a t e rt h es p e e do fb i o f i l mf o r m a t i o na n dr e m o v a l e f f e c t so fc o d ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sw e r es t u d i e d t h ep u r p o s eo ft h ed e g r a d a t i o n o f o r g a n i cn l a t t e r t h en i t r o g e nr e m o v a li nl o wt e m p e r a t u r ea n ds l u d g er e d u c t i o n w e r e r e a l i z e d t h er e a c t o rs t a r t e di nl o wt e m p e r a t u r e ( 15 ) ，b u tt h ep e r f o r m a n c ew a sb a r e l y a f f e c t e d ，w i t hs t e a d yc o dr e m o v a l ，a n dm e a nr e m o v a lr a t eo fa b o u t9 0 d u et o u n d e rl o wt e m p e r a t u r e ，t h eg r o w t ho fm i c r o o r g a n i s m sr e l a t i v e l ys l o w , e s p e c i a l l yt h e i m p a c to ft e m p e r a t u r e s e n s i t i v en i t r i f y i n gb a c t e r i a ，n h 4 - nr e m o v a lr a t eo f 9 9 u n t i l t h et e m p e r a t u r er e a c h e sa b o u t2 0 w h e nt h er e a c t o rb e c a m es t e a d y , t nr e m o v a l r a t ec a nr e a c h6 5 ，a n dt h r o u g hr e f l u x i n gt h es l u d g e ( r = 10 0 ) t oa n a e r o b i ct a n k ，t h e t nr e m o v a lr a t ec o u l di n c r e a s eu pt o7 0 一8 0 a n a e r o b i c b a f f l e dr e a c t o rc o u l d c o n t r i b u t et ot h es l u d g er e d u c t i o n ，t h es l u d g ep r o d u c t i o ni nt h es y s t e mw a s0 0 5 6 7 g - s s ( g - c o d ) 4 , w h i c hw a sa b o u t2 0 9 8 o ft h a ti nt h ec o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s s m e a n w h i l e ，r e a c t o rp o s s e s s e d t h ep e r f o r m a n c eo fd e g r a d a t i o no r g a n i c ， n i t r o g e n ，a n dp h o s p h o r u s u n d e rl o wt e m p e r a t u r e ，w h e nt h el o s so fm i c r o b i a lw a s o b s e r v e df o ra e r o b i cr e a c t o r1 ，t h ea n a e r o b i cc o m p a r t m e n tp l a y e das i g n i f i c a n tr o l ei n t h et o t a la m m o n i an i t r o g e nr e m o v a l ，r e a c h i n gag o o dr e m o v a lr a t e d g g ea n d4 5 4 - p y r o s e q u e n c i n gs h o w e dh i g hd i v e r s i t yo fm i c r o b i a lp o p u l a t i o n sw i t h i nt h er e a c t o r u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，w h i c he n s u r e dt h e i rg o o dt r e a t i n gp e r f o r m a n c e t h ed e g r a d a t i o no r g a n i ca n dn i t r i f i c a t i o na c t i v i t yo ft h ec a r d e r sw a se v a l u a t e d r e s p e c t i v e l y i tt u r n e do u tt h a tp o r o u sc a r r i e r s c a nb ef i x e dm i c r o b i a l ，t h eh i g h l y d e g r a d a t i o nr a t eo fo r g a n i cs u b s t a n c e t h en i t r i f i c a t i o nu n d e rd i f f e r e n to r g a n i cl o a d s w a sa l s oe x a m i n e d n o n m o d i f i e dc a r d e rw a sb e t t e rt h a nm o d i f i e dc a r r i e rf o rt h e n i t r i f i c a t i o nr a t e w i t ht h ei n c r e a s eo f o r g a n i cl o a d ，t h en i t r i f i c a t i o nr a t ef i r s ti n c r e a s e d b u tt h e nd e c r e a s e d ，b u tt h en i t r i f i c a t i o nr a t ew a sl i t t l ei n f l u e n c ew i t ht h ei n c r e a s eo f a m m o n i u mn i t r o g e nl o a d i nl o wt e m p e r a t u r e ，i ns p i t eo ft h el o s so fb i o f i l mi na e r o b i c r e a c t o r1 ，ah i g hn i t r i f i c a t i o nr a t e ( 9 9 ) c o u l ds t i l lb em a i n t a i n e d b ya n a l y z i n gt h e c h a n g e si ns o l u b l ec o m p o n e n t si nt h ea b rs y s t e m ，w ec o n c l u d e d t h a ta n a e r o b i cz o n e c a nb ei n t e r c e p t e ds l u d g e s om i c r o b i a lp o p u l a t i o n sw e r er i c h m e n t ，a n ds u p p l i e d c a r b o ns o u r c ef o rd e n i t r i f i c a t i o n ，d e g r a d a t i o no ft h es u b s t r a t e ，t h es l u d g er e d u c t i o n i nt h en i t r i f y i n gb a c t e r i ae n r i c h m e n tr e a c t o r , i ti sc l e a rt h a tt h eh y d r o p h i l i c m o d i f i e dc a r r i e r sp o s s e s ss e v e r a la d v a n t a g e sw h e nc o m p a r e dw i t hn o n m o d i f i e d c a r r i e r s ：f a s tf l u i d i z a t i o n ，h i g hb i o m a s sc a p a c i t y , a n dh i g hn i t r o g e nr e m o v a l aa o v 多孔载体生物反应器处理废水效果及性能研究 m o v i n gb e d b i o f i l mr e a c t o ri n o c u l a t e dw i t hs e w a g es l u d g ew a s c o n t i n o u s l yo p e r a t e d a tl o wt e m p e r a t u r e ( 1 0 1 6 。c ) w i t hah y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m eo f9 8 h t h er e a c t o r s t a b i l i z es o o n ，a n dg o tag o o de f f e c to fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，b u tt h es l u d g er e d u c t i o n w a sn o to b v i o u s k e yw o r d s ：p u f ；m b b r ；w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ；n 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 l u d g er e d u c t i o n ； v i 硕士学位论文 第1 章引言 1 1 废水的排放及处理与剩余污泥的产生 对于人类来说，水是生命之源、是赖以生存和发展的重要物质基础。随着社 会的发展，水资源短缺的问题也越来越受到关注，为了解决问题，我们不仅要开 发尚不能用的水资源，还要努力还原已经受到污染的水源，水污染己成为制约我 国经济可持续发展的一个重要因素。据( ( 2 0 1 0 年中国环境状况公报n 】，目前全 国地表水总体水质属中度污染，在国家环境监测网监测的4 0 9 个地表水监测断面 中，i i i i 类，i v 、v 类，劣v 类水质的断面比例分别为5 9 9 、2 3 7 和1 6 4 。 特别是在北方，干旱少雨的气候使得地表水状况更加严峻，出现了“有河皆干， 有水皆污”的局面；全国1 8 2 个城市的地下水水质监测结果表明，全国地下水状 况不容乐观，水质为优良一良好一较好极的监测点占全部监测点的4 2 8 ，而水质 为较差一极差级的监测点占全部监测点的5 7 2 ，地下水水质以良好一较差为主， 饮用水安全事件频出。从这些数据可以看出，水环境的恶化正对人类的生活和整 个社会的发展造成越来越严重的影响，而造成这一现象的主要原因之一是大量未 经处理的生活废水、工业废水以及农村废水的任意排放。 1 1 1 废水的排放及处理 随着社会的发展经济快速增长，我国城市化进程的加快，人口急剧增加，城 镇生活污水排放量也呈现同益增加的趋势。2 0 1 0 年全国城市污水的排放量为 6 1 7 3 亿吨，而全国建有城市污水厂为2 8 3 2 座，处理能力1 2 5 亿立方米同。 根据中国环境保护远景目标纲要，到2 0 1 5 年，全国新增城镇污水管网约1 6 万公 罩，新增污水日处理能力4 2 0 0 万电，污水处理设施负荷率提高到8 0 以上，城 市污水处理率达到8 5 。 另一方面，工业废水排放量近年来大致持平，废水中的c o d 排放量逐年减 少，排放达标率逐年增加。但由于不同行业企业的废水性质差异较大，可生化性 一般较差，处理工艺比较复杂，而很多企业为了降低生产成本，宁可接受处罚也 不愿进行污染治理，普遍存在偷排乱排的现象，造成了企业周边环境的逐渐恶化。 随着我国农村经济的快速发展，农村生活污水和乡镇企业废水排放量的增大。根 据建设部对我国具有代表性的9 个省4 3 个县7 4 个村庄的入村入户调查显示， 9 6 的村庄没有排水渠道和污水处理系统瞳3 ，生产生活污水随意排放。据统计口1 ， 目前我国农村每年产生生活污水约9 0 亿吨，而相对应的处理率却微乎其微。当 多孔载体生物反应器处理废水效果及性能研究 前县城的污水处理率约为4 2 ，而到乡镇和村一级则非常低，严重污染了农村地 区居住环境，直接威胁着广大农民群众的生存环境与身体健康。根据国家“十二 五”规划的目标，到2 0 1 5 年要基本实现所有县和重点建制镇具备污水处理能力 口1 ，采取分散或相对集中、生物或土地等多种处理方式，因地制宜开展农村生活 污水处理，逐步提高生活污水处理率。 我国近几年废水排放量及c o d 排放量如图1 1 所示h 1 ，可以看出近几年废水 排放总量逐年升高，而c o d 的排放量是逐年降低。减轻废水对环境的影响，就 必须在减少各方面未经处理的污水排放的同时，加大污水的处理效果。 图1 1 中国废水及c o d 排放量年变化图 1 1 2 废水生物处理技术及剩余污泥的产生 生物法是目前常用的污水处理技术，它是利用自然界中广泛分布的个体微 小、代谢营养类型多样、适应能力强的微生物的新陈代谢作用，对污水进行进化 的处理方法。污水生物处理方法是建立在环境自净作用基础上的人工强化技术， 其意义在于创造出有利于微生物生长繁殖的好环境，增强微生物的代谢功能，促 进微生物的繁殖，加速有机物的无机化，增进污水的净化过程。根据微生物生长 方式的不同，生物处理技术主要是活性污泥法和生物膜法。生物膜法对水质、水 量变化的适应性较强，污染物去除效果好，运行稳定、抗冲击负荷、更为经济节 能、无污泥膨胀问题、具有一定的硝化与反硝化功能、可实现封闭运转防止臭味 等，是一种被广泛应用的生物处理方法嘲。 生物膜法是微生物附着生长在滤料或填料上，形成生物膜，污水与生物膜接 触后，污染物被微生物吸附转化，污水得到净化。生物膜中的生物种类相当的丰 富，一般由细菌、真菌、原生动物、后生动物、藻类以及一些肉眼可见的蠕虫、 昆虫的幼虫等组成。丝状菌在活性污泥处理方法中会引起污泥的膨胀，导致差的 2 啪咖渤跏伽珊姗季抛|毛伽伽o coco量e面口ccu5 ja苗苗； 硕士学位论文 出水效果，但是在生物膜法中，丝状菌在生物膜中滋长，它们具有很强的降解有 机物的能力，有利于提高污染物的去除效果。其次，生物膜法可以培养世代时间 较长的微生物，硝化菌和亚硝化菌的世代时间都比较长，比增殖速度较小，如亚 硝化单胞菌属( n i t r o s o m o n a s ) 、硝化杆菌属( n i t r o b a c t e r ) 的比增殖速度分别为o 2 1 和1 1 2 d 。在一般生物固体平均停留时间较短的活性污泥法处理系统中，这类细 菌是难以存活的。在生物膜处理法中，生物污泥的生物固体平均停留时间与污水 的停留时间无关，硝化菌和亚硝化菌也得以繁衍、增殖1 。因此，生物膜反应器 具有良好的硝化功能。 生物膜法去除污水中污染物是一个吸附、稳定的复杂过程，包括污染物在液 相中的紊流扩散、污染物在膜中的扩散传递、氧向生物膜内部的扩散和吸附、有 机物的氧化分解和微生物的新陈代谢等过程。如图1 2 所示生物膜表面容易吸取 营养物质和溶解氧，形成由好氧和兼性微生物组成的好氧层，而在微生物的内层， 由于微生物利用和扩散阻力，制约了溶解氧的渗透，形成由厌氧和兼性微生物组 成的厌氧层。在生物膜外，附着一层薄薄的水层，附着水流动很慢，其中的有机 物大多已被生物膜中的微生物摄取，其浓度要比流动水层中的有机物浓度低。与 此同时，空气中的氧也扩散转移进入生物膜好氧层，供微生物呼吸。生物膜上的 园 倦 垒物膜废水髅 卜_ i 簸氧磐动 屡瑶水水 图1 2生物膜净化污水示意图 ，无枫彗 物 微生物利用溶入的氧气对有机物进行氧化分解，产生无机盐和二氧化碳，达到水 质净化的目的。这一过程可用式1 1 表示。 3 多孔载体牛物反应器处理废水效果及性能研究 c ，h y o , m + 詈一弘一x c q + y h 2 0 一脯( 1 - 1 ) 微生物对另一部分有机底物进行合成代谢，形成新的细胞物质，所需能量取 自分解代谢。这一过程可用式1 2 表示： 胛cn y 0 2 + 嗍州x 牛q 与 ( 1 2 ) ( c 5 1 - i , n 0 2 ) 。+ 刀( x 一5 ) c 0 2 + 姜( 少一4 ) h 2 0 一h 同时，微生物还可以对自身的细胞物质进行氧化分解，并提供能量，这一过 程称为内源呼吸。当有机底物充足时，大量合成新的细胞物质，内源呼吸并不明 显，但当有机底物消耗殆尽时，内源呼吸就成为提供能量的主要方式了，其过程 可用式1 - 3 表示。 ( c 5 b d 2 ) 。+ 5 刀q 一5 玎c 0 2 + 2 n i l 2 d + n n h 3 + a l l ( 1 - 3 ) 图1 3 是上述微生物分解代谢、合成代谢以及内源呼吸过程中能量与代谢 产物的模式图盯1 有机物+ 氧+ 微主物 ( c 0 、h n 、s 、p ) 合皎细胞物囊+ 氧 ：；h r n o ：j 内源代渤产物+ 能量 h 2 0 、n h 3 l l l i i i 代溯唆留扬i i l - - - - - - _ - 彳。二- - n h 3 、s 0 4 2 - ，只能量= _ 图1 3 微! 物的合成代谢和分解代谢 可以看出合成代谢与分解代谢都是通过能量传递紧密地联系在一起，无论是分解 代谢还是合成代谢，它都足能去除水中的有机物，但代谢的产物不同，分解代谢 是产生c 0 2 和h 2 0 ，而合成代谢是产生新的细胞物质。 随着废水的净化过程会引起微生物的净生成，为了维持体系的正常运转，这 部分净增值的“多余”微扛物就以剩余污泥的形式排出体系。污泥体积约占处理 水量的0 3 0 5 左右，如废水进行深度处理，污泥量还可能增加0 5 。1 倍。随 着工业用水和生活用水的增多，需要处理的废水和污水的量也逐渐增大，所产生 的污泥量也越来越多。 4 硕十学位论文 1 1 3 剩余污泥的处理和处置 目前我因污水处理量和处理率虽然不高，但城市污水处理厂每年排放的干污 泥大约为1 8 0 力吨，并以每年大约1 0 的速度增长。未来几年我国将建成上千座 污水处理厂，每座污水处理厂每天要排放含水率约9 9 2 的剩余污泥达数百乃至 上力吨，这些数量巨大的污泥将成为未来急需处理的难题。传统的污泥处理技术 包括污泥的浓缩、脱水和干燥三方面。国内现有的基本是污泥浓缩和脱水技术， 污泥经浓缩和脱水后，一般含水率只能降低到8 0 左右。随着城市污水处理率的 提高，污泥产量也不断增加，其处理处置问题愈加突出。 全国城镇污水处理厂产生干污泥约为1 8 0 万t 年( 含水8 0 污泥9 0 0 万t ) ； 预计未来五年内，每年将产生干污泥5 4 0 万t ( 含水8 0 污泥2 7 0 0 万t ) ；现有 污水处理设施中有污泥稳定处理设施的还不到1 4 ，有些地方的污泥没有得到合 理的处理和处置便被直接排放，造成了严重的二次污染啤1 。目前许多城市正在积 极进行各种污泥无害化、资源化试验，使其能够达到长期稳定且最终消除其对生 态环境的不良影响，如污泥堆肥、污泥焚烧等，但都存在二次污染及处置费用高 的问题。 剩余污泥的处理过程中最核心的思路是实现剩余污泥的减量化，它包括两方 面的含义：减少污泥产生量( 污泥减质) 和减少污泥容积( 污泥减容) 旧3 因此，在污水 处理的进程中，用更新、更好的技术对污泥进行减量，在不影响污水处理系统稳 定和处理效果的同时，有效减少最终的污泥产量，从而大大降低剩余污泥处置和 排放过程中造成二次污染的机会。污泥的减量化一般分为污泥的原位减量化和异 位减量化，如图1 4 1 1 0 所示，污泥的原位减量化是指在反应器的内部通过各种手 段，例如添加化学试剂，改变反应器的构造( 膜生物反应器，好氧一厌氧耦合反应 图1 4 污泥减量化机理研究图 5 多孑l 载体生物反应器处理废水效果及性能研究 器，或是添加原生动物提高捕食效应等) ，实现了在反应器内即降解了有机物， 又实现了去污泥自身生长的控制，达到污泥减量化的目的。 1 2 生物移动床的研究进展 目前使用载体的污水处理技术有固定床、流化床和生物移动床( m b b r ) 等。 比较受关注的生物反应器包括好氧生物流化床，它具有反应器结构简单、不需要 污泥回流、微生物浓度高、流体混合性能好和传质效率高等特点，因而具有处理 效率高、容积负荷大、抗冲击能力强、设备紧凑、占地少等优点n ，其中研究较 多的是三相生物流化床。三相生物流化床的主要特点是利用生物膜内的好氧与厌 氧区域的共存现象在同一个反应器内实现有机物和氮的同时生物去除，同时由于 生物膜内微生物捕食作用的增强使剩余污泥产量较低。但传统生物膜法的最大缺 点是生物膜在固体介质的表面形成，膜达到一定厚度后，容易脱落，生物膜的厚 度控制困难，出水常带有较大、且易沉淀的生物膜片，也带有许多非常细小的 生物碎片，容易导致出水较浑浊怕1 。 移动床生物膜反应器( m o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r , m b b r ) 通过在反应器中 添加生物载体，使微生物附着在载体上，载体在反应器内随着混合液的流动作用 而自由流化，从而达到处理污水的目的。m b b r 不仅克服了传统活性污泥法占 地面积大、污泥膨胀及污泥流失等缺点，还解决了固定床生物膜法需定期反冲洗、 清洗滤料等复杂操作问题，同时在保证传质效率的基础上，克服了传统流化床反 应器使载体流化动力消耗过大的缺点2 1 ，因此陔技术在国外得到了广泛的应用。 而在我国近年m b b r 虽然已开始出现工业应用案例，但生物膜载体及处理工艺 以模仿国外技术为主，缺乏自主研发，相关基础研究，特别是生物载体开发和生 物膜的机理研究比较滞后，已有的研究也主要停留在小试和中试研究阶段n 引，无 法满足应用的需求。 1 2 1m b b r 的工艺原理 一般工艺流程 首先是污水连续经过m b b r 内的悬浮填料，并在一定时问及条件下形成牛物 膜，挂膜成功后启动反应器，污水与生物膜接触，污水中的有机物作为营养物质， 为生物膜上的微生物所摄取转化，从而使污水得到了净化，微生物自身也得到增 殖。如图1 5 所示4 | ，对于好氧反应器，通过曝气使填料移动；对于厌氧反应器， 则是依靠机械搅拌。 6 硕士学位论文 厌氧反应器 一 墼， 一 i 图i 5m b b r 的一般工艺 好氧反应器 工艺特点 由于生物膜上的微生物没有受到强烈的曝气搅拌冲击，生物膜为微生物的繁 衍、增殖创造了良好的条件，使微生物多样化，而且量多，一般污泥浓度可达普 通活性污泥法污泥浓度的5 1 0 倍，曝气池污泥质量浓度可高达3 0 4 0 9 l 一，在填料 上可以形成从细菌一原生动物一后生动物的食物链长，能存活世代时间较长的微 生物，很好的保护了生长慢的微生物n5 l ，如世代时间比较长的硝化细菌，因此能 可靠的用于生物脱氮。处理能力大，净化功效显著。 生物膜上脱落下来的生物污泥含动物成分多，密度大，污泥颗粒大，沉降性 能好，易于固液分离，并且剩余污泥的产量少，减少了污泥处理费用。对水质和 水量变动的适应性强，易运行管理。m b b r 能充分的利用反应池容积、水头损失 小、不易阻塞、无需反复冲洗，不需要回流，载体分布均匀，运行可靠，操作简 单流化过程中增大了生物膜与污水及气泡间的传质面积，增加了传质速率，不仅 强化了相间的传质过程，也提高了氧的利用率在这个生物生态系统中同时具有好 氧和厌氧代谢活性，而且对毒性以及其他不利于生物处理的环境因素的敏感度 低，适应性强n 引。 1 2 2m b b r 应用现状 移动床生物膜反应器是1 9 8 8 年由挪威k a l d n e sm i j e c p t e k n o g i ( k m t ) 公司与 s i n t e f 研究机构联合开发并申请专利n 的一种新型高效低能耗的生物废水处理 装置。该反应器工艺简单，是介于固定填料生物接触氧化法和生物流化床之间的 一项新工艺，结合了悬浮生长的活性污泥法与附着生长的生物膜法的优点，克 服了接触氧化法填料易堵塞、生物膜过厚易结团的缺点；同时也解决了生物流化 床三相分离困难、动力消耗高的问题。将其应用于废水的处理，既提高污水厂的 脱氮效率，改善运行效果，又不需要增加原有反应器的容积。并且随着水质排放 7 多孔载体牛物反应器处理废水效果及性能研究 标准要求的逐年严格，传统的活性污泥法存在c o d 负荷低，硝化及脱氮效率差、 处理性能在低温下难以保证等问题，尤其是对于一些氨氮浓度较高的污水，去除 效果难以达到排放标准要求。因此，很多已经建成的污水处理厂面临提高处理能 力和出水标准的问题。 通常采用载体是一种有效的提高反应器中微生物浓度的方法，可以提高反应 器的容积负荷和处理效率8 j ，所以m b b r 被广泛应用。目前国外已有许多专家学 者针对m b b r 进行了大量的研究，包括小试、中试甚至生产性的研究，普遍取得 了良好的效果，同时对有机物的去除及脱氮除磷的机理和影响因素有了一定的 认识。在国外m b b r 主要被应用到小型污水厂深度处理的设计、已有超负荷运转 的活性污泥处理系统的改造、垃圾渗滤液处理和造纸废水处理等方面：在国内 m b b r 己被应用到低浓度生活污水和少数工业废水的治理中n 引 工艺条件研究 朱文亭等用经过改造的m b b r 处理人工配制的葡萄糖废水瞳引，对工艺条件进 行了研究。结果表明，当进水c o d 为2 0 0 7 0 0 m g l 、气水比为1 0 ：l 、水力停留时 问为4 h 时，c o d 平均去除率可达8 8 8 。挪威的r u s t e n 等在f r e v a r 废水处理厂对 m b b r 脱氮作用的中试结果表明乜，在一定的d o 浓度下，硝化速率随着温度的升 高而增加 氨的硝化去除 众所周知，脱氮要经过硝化一反硝化过程，即存在好氧一厌氧条件。通常的处 理工艺都是用两个独立的反应器串联来满足脱氮的条件。在m b b r 中，由于载体 的存在，生物膜增长到一定厚度形成厌氧一好氧的微环境，在同一反应器中实现 生物脱氮的目的。魏海娟等比副采用移动床生物膜反应器实现了稳定同步硝化反硝 化脱氮实验研究了c n 对同步硝化反硝化脱氮的影响，结果表明，随着c n 的 增加，同步硝化反硝化脱氮效率提高，在好氧条件下总氮去除率最高达至a j 9 2 9 。 碱度和p h 在同步硝化反硝化脱氮中对氮素去除的影响不大。 动力学研究 一直以来，m b b r 的动力学研究已经很深入，但这方面的报道却很少，动 力学模型的深入研究及优化呵以更好的确定有关参数，寻找液、气、固的传质代 谢规律，形成完整的理论体系。a l m a 等比3 1 用简单的一维数学模型与c s t r 方程 结合，联系了反应器与生物膜，给出了一个更详细的模型描述，能够模拟生物膜 的增长并且可计算浓度分布，用微电极方法测黾氧的分布为腐败参数与不同的流 速建立简单的经验关系，它将可用于在相同条件下预测氧的浓度分布。m a r t i n a 等晗引利用m b b r 处理城市污水，研究了通过建立模型来评估m b b r 的动力学和化 学计量参数，对分离与粘附的生物膜呼吸运动的测定，表明了底物储存与异氧生 物好氧速率的相关性。 8 硕i ：学何论文 m b b r 的组合工艺 为了实现好的效果和更多的功能，很多研究将不同运行条件的m b b r 串联， 或是和其他类型的反应器组合，达到高效率的去除有机物、氮和磷等。h y e o kp a r k 等乜翮用三阶段生物移动床( 厌氧厌氧一好氧) 处理纺织印染废水，每个反应器充 满2 0 ( v v ) 的聚氨酯一活性炭载体，结果表明，在相对低的m l s s 浓度，m b b r 对c o d 与色度的去除率分别达到8 6 和5 0 ，并且它们的去除大多在厌氧段。 s h u a iy a n g 等乜叫用一种批式运行的移动床反应器( s b m b m b r ) 处理废水，c o d 、 t n 、n h 4 n 的去除率平均为9 3 5 、8 2 6 、9 5 6 ，好氧阶段同时n 、p 去除， d o 是个重要的因素。 总之，移动床生物膜反应器有优良的性能，是一种适用于处理生活污水和工 业废水的新工艺，污水处理装置可以设计为好氧或厌氧等不同的运行方式。实际 工程设计时，可根据处理对象的不同采用不同的运行方式或多级反应器串联系 统，还可以和其他工艺组合共同处理成分复杂的废水，由此可见，移动床生物膜 反应器具有很好的发展与应用前景，可用在现有的常规污水处理厂，使之提高对 有机物的去除率和达到脱氮除磷的目的，满足日趋严格的污水排放标准。 1 2 3m b b r 存在的问题 机理方面：悬浮载体的生物膜形成机理及影响因素研究不足，不同结构的载 体的影响、成膜过程的动力学及其微生物种群的结构特点了解甚少，导致工艺操 作和反应器的设计依赖于经验，缺少理论指导和设计经验；需要进一步发展强化 m b b r 硝化活性的新方法，进一步的揭示脱氮的机理。 工艺方面：研究和应用中应用的填料材料和结构都比较单一，缺乏将硝化一 有机物氧化一反硝化高度集成的处理工艺，整个池内进气分布不均匀而导致局部 填料堆积，在反应器中难以全池转动、混合，填料容易随处理水流失，导致反应 器堵塞。 1 3 生物载体的研究进展 微生物同定化及固定化微生物用于水处理的研究始于上世纪8 0 年代，微生 物固定化方法包括包埋、物理吸附及微胶囊法妲7 。随着材料科学的不断发展，用 于微生物固定化的载体材料也同趋多元化，对水处理技术的创新提供了重要的途 径。对于m b b r 工艺，生物膜载体是核心。目前，市场上存在很多不同形状、 材料和比表面积的载体心引载体材料的大小、形状、多孔性及比表面积对微生物 的同着和生物膜的形成均有很大的影响。 9 多孔载体生物反应器处理废水效果及性能研究 1 3 1 影响生物载体性能的因素 随着材料技术的发展，控制生物膜结构和厚度的生物载体技术成为可能， 其中最受关注的是多孔微生物载体技术，以多孔聚氨酯和改性纤维素载体为代表 白上世纪9 0 年代开始做了大量的研究。多孔微生物载体由于其结构可控，微生 物可在多孔载体内部“自动 聚集，形成三维结构的生物膜，因而避免了流体剪 切力的影响，同时由于生物膜的结构和厚度可以自由的设计和控制，多孔载体内 部可以形成好氧微生物及厌氧微生物协同共生的环境，使生物膜处理污水的优势 能够更充分的发挥出来。因此，利用多孔微生物载体构建的生物反应器，通过控 制载体的尺寸、孔径大小及微生物相容性，能够调控包括硝化反应在内的好氧微 生物和厌氧微生物菌群的协同反应，达到同时高效去除水中的有机物和氮化合物 的目的啪1 ，也可以通过形成结构可控的生物膜实现污泥减量化。驯。由此可知，理 想的生物载体应该是具有多孔结构、高孔隙率、大的比表面积及强的微生物兼容 性。载体材料的表面性能如表面的亲疏水性及表面电荷也极大地影响着微生物 在多孔内的聚集和固着化，从而影响多孔载体的微生物兼容性。”3 。 影响生物载体性能的因素 - 一 亲水性表面较疏水性表面更能吸附微生物粒子，且只有当亲疏水性达到一 定平衡时微生物的生长情况才比较好，不同种类的细胞要求的该平衡值不同。因 为亲水性的表面吸附作用较弱，并且吸附可逆，这有利于满足微生物生理活动的 需要；疏水性的表面吸附作用比较强，但吸附不可逆口。载体材料表面的生物膜 既要求有较高的吸附强度，又要能满足微生物的生理活动的需求，因此亲水性太 好或疏水性太强都对微生物附着存在不利影响，需要一定的亲疏水平衡值。另外， 一般水环境的p h 值大于微生物本身的等电点( 一般为3 5 左右) ，细菌表面将会 由于氨基酸的电离作用而带负电性口2 | ；而一般的有机高分子材料的表面带有负电 荷，由于同种电荷的相斥作用，将不利于微生物在其表面粘附。通过对载体材料 的表面进行处理使之带上正电荷，将有利于微生物的粘附。 生物膜在填料表面形成的第一步便是微生物要在载体表面聚集和附着，随后 才有微生物依托环境繁殖、增长，最终发展成具有一定厚度和密度的生物膜，这 个过程也称为挂膜。微! 物在载体表面的附着取决于细菌表面的特性和载体表面 的物理化学性质。因此，悬浮生物载体的比表面积、形状、多孔结构、水力性能 等是影响载体挂膜性能的主要凶素，载体表面结构与性质( 如电荷性、 粗糙度、 亲疏水性) 也将直接影响微生物聚集、附着及成膜的动力学过微生物种的生存 口引，其处理污水的效果优于传统的悬浮培养的活性污泥法。传统的生物膜足一维 结构，其菌群结构与功能的关系是目前环境、医学、生物技术等领域的研究热点 【3 l ，3 4 1 0 硕+ 学位论文 1 3 2 良好生物载体具备的条件 一种良好的多孔微生物载体必须具有大的比表面积，高孔隙率，大的吸附 容量，不易造成堵塞，易于传送氧气和营养物质等优点，同时也应具价廉、耐 磨和易装卸等特点。因此，对于制成悬浮多孔填料的材料有如下要求： ( 1 ) 密度应接近于水。填料密度过大，造成其悬浮困难或能耗过高；若密度 过小，又不易维持其在反应器中的一定流态；而密度接近于1 的填料在正常的曝 气强度下极易全池流化，能耗较低。悬浮填料的密度在0 9 5 0 9 9 8g c m 。3 之间 比较适合。 ， ( 2 ) 优良的稳定性。由于生物反应器中发生的污染物转化过程涉及物理化学、 生物化学及能量传递的错综复杂的过程，其反应过程所涉及的也是一个复杂的多 元反应体系。因而，作为悬浮多孔载体的材料必须具备足够的稳定性，以免发生 溶解或参与其中的各种反应，导致自身的消耗。填料材料的稳定性主要包括生物 稳定性、化学稳定和热力学稳定性等几个方面，优良的稳定性才能使载体长期 使用，是保证生物净化稳定性及降低运行成本的重要因素。 ( 3 ) 对微生物无毒。由于该工艺的主要优势之一是利用生长在载体内的微生 物的代谢功能，把有机物分解成二氧化碳，把含氮化合物转化成氮气，把含磷化 合物变成生物物质而达到对污水的净化。所以，在整个系统中，载体材料表面微 生物附着情况是其工艺启动及效果的关键之一，最基本的要求是载体的材质必须 对各种微生物无毒性。 ( 4 ) 良好的表面带电特性。由于在一般的生物处理过程中，生物反应的p h 值 通常在7 左右，此时的微生物表面带负电荷，因而若选择表面带有正电荷的材料 作载体，有利于附着或固定化过程的快速完成，也有利于提高微生物与填料之间 的结合的强度。 ( 5 ) 具有一定的亲水性。在生物膜反应器中，填料的亲水性对微生物的挂膜 性能及挂膜后生物膜的性能有影响：填料的亲水性越强，其污水好氧处理效率越 好，抵抗气流的冲击能力越强，挂膜越牢固，生物膜越不容易脱落，从而使反应 器内能保持更高的生物量，去除效果受到的波动更少。 ( 6 ) 合适的多孔结构。污水处理过程中，在流动状态下，微生物被捕获或聚 集于多孑l 载体内，形成“自”固定化过程，是三维生物膜形成的关键。多孔载体 的孔径太小，不利于微生物的进入，孔径太大微生物容易流出。载体孔隙率太小 的话，载体的死体积太大，导致微生物浓度难以提高。因此，适合微生物捕获的 多孔结构及孔隙率对于三维生物膜的形成及其反应系性能至关重要。 ( 7 ) 载体的价格低廉。载体的原料和生产成本低，才能有效地降低总投资。 目前，主要研究的生物载体材料包括海藻酸钙、琼脂等天然高分子载体，聚 乙烯( p e ) 、聚氯乙烯( p v c ) 、聚苯乙烯( p s ) 、聚丙烯( p p ) 、聚氨酯( p u ) 11 多孑l 载体生物反应器处理废水效果及性能研究 等合成高分子载体。它们的主要性能比较如表1 1 口所示： 表1 1 不同载体的特性及使用性能 1 3 3 生物移动床中各种载体的应用现状及问题 悬浮填料是m b b r 工艺常用的生物载体，其性能的好坏对挂膜的难易、反 应器内的生物量的多少及其反应器的处理效率都有直接的影响。作为m b b r 工 艺中的悬浮生物载体一般填料应具有以下的特点：填料的密度控制在1 0 9 c m 弓 左右，能悬浮在水中，依靠水力和曝气的搅动作用即可以使其达到流化状态；拥 有较大的比表面积2 0 0 5 0 0m z m 一；载体具有多孔结构，形状规则、空隙率大， 微生物容易聚集，且易于挂膜；载体对气泡有剪切、阻隔、吸附的作用，增大传 质面积，提高传质效率。另外，根据实际运行的条件m b b r 反应器中填料的填 充率一般为1 5 一7 0 左右。如图1 6 所示，目前，已应用的悬浮填料根据形状 常分为以下几种： 1 、多孔型泡沫填料：以德国公司所开发的多孔泡沫块悬浮填料为代表。材 质多为聚氨酯泡沫块，形状为小方块，大小不超过1 5 m m ，填料呈多孔状，表面 和内部均长满微生物，既可以生物膜法为主独：盘运行，也可投加到活性污泥处理 池以提高处理效率。 2 、k m t 型悬浮填料：由挪威公司联合开发，其中k m t 型系列填料应用最 多。大小不超过1 1m l n ，呈外棘轮状，内壁由十字筋连接。目前，国内开发的部 分悬浮填料均由此演化而来，如大连市春柳河污水处理厂在投加该类填料后，处 理能力能显著提高。 1 2 硕士学位论文 3 、大型球状或柱状悬浮填料：由国内研发，填料形状为球状或圆柱状，粒 径有2 5 ，5 0 和1 0 0m m 等，由翼板和套环组成。 图1 6 常见的悬浮填料 因此，开发结构可控的高效生物载体是m b b r 工艺发展的关键，但到目前 为止对于载体的材料学性质及多孔结构的影响的研究很少，而且已有的载体种类 有限，研究上缺乏环境学科与化工及材料科学的交叉与合作，因此生物载体的设 计及应用缺乏理论指导。 聚氨酯是一类分子链上带有氨基甲酸酯键的多孔高分子材料，由于结构和性 能可调，加工性好，聚氨酯