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摘要 摘要 移动床生物膜反应器是近年来出现的一种革新型生物膜反应器，它吸收了传 统的流化床和生物接触氧化法两者的优点。既能解决固定床反应器需定期反冲 洗、流化床需使载体流化的问题，也解决了淹没式生物滤池堵塞需清洗滤料和更 换曝气器的复杂操作等问题。同时，微生物附着生长在生物载体上，可以维持较 长的生物固体停留时间，为世代时间长、增殖速度慢的硝化菌群的生存提供了良 好的生存环境。而同步硝化反硝化是近年来发现的一种新的脱氮工艺，该工艺在 节省资金、能源及简化生物除氮技术等方面具有很大优点。它的最大特点是实现 了硝化和反硝化的一体化，在反应过程中可以有效利用废水中有机碳源进行反硝 化；反硝化反应增加的碱度补充硝化反应减少的碱度，使系统内的p h 值相对稳 定；另外，硝化反应和反硝化反应可在相同的条件和系统中进行，简化了操作的 难度。本文在前人研究基础上，将同步硝化反硝化技术和移动床生物膜反应器相 结合，并对其影响因素、脱氮过程特性以及微生物特性进行了研究。 试验研究了溶解氧、碳氮比、温度、p h 值和o r p 等因素对移动床生物膜反 应器中同步硝化反硝化的影响。研究结果表明，溶解氧在2 0 , - - , 3 0m g l 之间时， 均可以获得比较稳定的脱氮效果，这时候的硝化反硝化趋于平衡，能够获得最佳 的脱氮效果。通过对碳氮比的研究发现碳氮比在1 0 - - 1 2 之间可以获得稳定脱氮 效果，t n 平均去除率达到8 7 左右，氨氮平均去除率在9 5 左右。c o d 去除效 果也达到9 2 左右。通过对温度、p h 值和o r p 以及生物膜厚度的研究还表明移 动床生物膜反应器中同步硝化反硝化的最适宜温度范围是2 5 - - 3 0 ，最佳p h 值范围为7 8 8 0 ，最佳o r p 范围为- 4 0 - 一1 0 0 m v 。 试验研究了移动床生物膜反应器中同步硝化反硝化的脱氮过程特征和微生 物特性。结果表明移动床生物膜反应器内同步硝化反硝化过程的主要特征是，在 反应器0 , - - , 4 小时系统运行初期，硝化反应和反硝化反应同时进行，这段时间内 氨氮和t n 的去除都处于比较快的阶段。在反应器4 _ 7 小时系统运行中期，主要 发生的是硝化作用，反硝化作用几乎停止，氨氮去除率继续上升，总氮去除作用 停滞。在反应器7 1 2 小时系统运行后期，反硝化作用占主导地位，硝化作用停 止，氨氮去除作用停止，总氮去除率开始继续上升。通过对微生物的研究发现， 生物膜内部微生物相极其丰富，生长着大量的细菌、真菌，还有大量的钟虫、草 履虫和累枝虫等原生动物。移动床生物膜反应器同步硝化反硝化处理实际生活污 水时，可以取得良好的c o d 和氨氮去除效果，对t n 也有一定的去除能力，去除 率在5 2 3 9 9 6 左右。 北京工j 世大学工学硕士学位论文 关键词：移动床生物膜反应器；同步硝化反硝化；影响因素；脱氮特性 a b s t r a c t a bs t r a c t m b b ri sa ni n n o v a t i v et y p eo fb i o f i l mr e a c t o r , w h i c ha b s o r bt h et r a d i t i o n a lb e d s a n db i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o n sa d v a n t a g e si nr e c e n ty e a r s i ts o v l e st h ep r o b l e m s t h a tf x e d - b e dr e a c t o ri sr e q u i r e dt op e r f o r m p e r i o d i cb a c k w a s h i n ga n df l u i d i z e db e d i sr e q u i r e dt oe n a b l et h ef l o wo fc a r r i e r , a l s ot h ep r o b l e m st h a ts u b m e r g e db i o f i l t e ri s r e q u i r e dt oc l e a nt h ef i l t e ra n dr e p l a c et h ea e r a t o r s i m u l t a n e o u s l y , i tc a nm a i n t a i n l o n g e rb i o l o g i c a ls o l i dr e t e n t i o nt i m eb yt h a tm i c r o b i o l o g yg r o wi nt h eb i o l o g i c a l v e c t o r , s oi tc a l lp r o v i d eag o o dl i v i n ge n v i r o n m e n tf o rt h eg r o u po fn i t r o b a c t e r i a w h i c hh a v el o n gg e n e r a t i o nt i m ea n ds l o wp r o l i f e r a t i o n s n dw h i c hi sf o u n di nr e c e n t y e a r s i san e w n i t r o g e nr e m o v a lt e c h n o l o g y , i th a sg r e a ta d v a n t a g e so fs a v i n gm o n e y a n de n e r g yi nt h ep r o c e s sa n ds i m p l i f y i n gt h e b i o l o g i c a ln i t r o g e nt e c h n o l o g y i t sm o s t p r o m i n e n tf e a t u r ei sa c h i e v i n gi n t e g r a t i o no ft h en 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 ，i tc a n e f f e c t i v e l yu s et h ew a s t e w a t e r so r g a n i cc a r b o nf o rd e n i t r i f i c a t i o ni nt h er e a c t i o n p r o c e s s ；i tm a i n t a i n ss y s t e m sp hv a l u e si nas t e a d yc o n d i t i o nb yt h a ti n c r e a s i n g b a s i c i t yi nt h ed e n i t r i f i c a t i o np r o c e s sa d dt h ec o n s u m i n gb a s i c i t yi nt h en i t r i f i c a t i o n p r o c e s s ；i ts i m p l i f i e st h ee x p e r i m e n to p e r a t i o nb yt h a 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 r e a c ti nt h es a m ec o n d i t i o n sa n ds y s t e m s t h i sp a p e rw h i c hi sb a s e do np r e v i o u s s t u d i e sc o m b i n es n da n dm b b r ，r e s e a r c h e do n i n f l u e n c i n gf a c t o r s ，c h a r a c t e r i s t i c so f n i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s sa n dm i c r o b i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s e x p e r i m e n ti ss t u d i e do nt h ed o ，c n ，t e m p e r a t u r e ，p hv a l u e ，o r pi m p a c t i n go n t h es n d t h er e s u l t ss h o wt h a ti tc a na c q u i r er e l a t i v e l ys t a b l en i t r o g e nr e m o v a lw h e n d oi s2 0 3 0m g l ，i nt h i st i m e ，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 na r eb a l a n c ea n d t h es y s t e mo b t a i nh i g h l y e f f i c i e n td e n i t r i f i c a t i o nr a t e t h er e s u l t ss h o wt h a ti tc a n g e t as t a b l en i 打o g e nr e m o v a lw h e nc ni sb e t w e e n10t o12 ，i nt h i sc o n d i t i o n ，t n r e m o v a lr a t er e a c h e da na v e r a g eo f8 7 ，t h ea v e r a g en i t r o g e nr e m o v a lr a t eo f 9 5 ，c o dr e m o v a le f f i c i e n c yr e a c h e da b o u t9 2 b yr e s e a r c h i n go nt e m p e r a t u r e ， p hv a l u e ，o r pa n db i o f i l mt h i c k n e s s ，i ts h o w st h a tt h em o s ts u i t a b l et e m p e r a t u r e r a n g ei s2 5 一3 0 ，t h eb e s tp hv a l u er a n g ei s7 8 8 0 ，t h em o s to r pg o o d r a n g ei s - - 4 0 。- - 10 0 m v t h i sp a p e ri ss t u d i e do nc h a r a c t e r i s t i c so fn i t r o g e nr e m o v a l p r o c e s sa n d m i c r o b i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s i ts h o w st h a 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 nr e a c ta t 北京工、i k 大学工学硕士学位论文 t h es a m et i m ew h e nt h es y s t e mi sr u n n i n go nt h et i m eo fo 4 ，i nt h i st i m e ，r e m o v a l o fa m m o n i aa n dt na r ei nt h es t a g eo fr e l a t i v e l yf a s t t h en i t r i f i c a t i o na r em a i n l i y r e a c t i n gb yd e n i t r i f i c a t i o na l m o s tc e a s e dw h e nt h es y s t e mi s r u n n i n go nt h et i m eo f 4 7 ，i nt h i st i m e ，a m m o n i ar e m o v a lr a t ec o n t i n u e st or i s ea n dt nr e m o v a lr a t e u n c h a n g e d e n i t r i f i c a t i o nd o m i n a t e da n dn i t r i f i c a t i o ns t o p p e dw h e nt h es y s t e mi s r u n n i n go nt h et i m eo f7 12 ，i nt h i st i m e ，t nr e m o v a lr a t ec o n t i n u e st or i s ea n d a m m o n i ar e m o v a lu n c h a n g e b yt h es t u d yo fm i c r o b i a lc h a r a c t e r i s t i c ss h o w e d t h a tt h e s y s t e mh a sv a r i o u st y p em i c r o b i o n ，g r o w i n gal a r g en u m b e ro fb a c t e r i a ，f u n g i ，t h e r e a r el a r g en u m b e r so fv o r t i c e l l a ，p a r a m e c i u ma n dp r o t o z o a ，s u c ha se p i s t y l i s w h e n d e a l i n gw i t ha c t u a ls e w a g eb ym b b r ，i tc a na c h i e v eg o o dr e m o v a le f f i c i e n c yo f c o da n da m m o n i an i t r o g e n ，a l s om a i n t a i nac e r t a i nc a p a c i t yo ft nr e m o v a l ，t h et n r e m o v a lr a t ei sa b o u t5 2 3 9 k e y w o r d s ：m o v i n g b e db i o f i l mr e a c t o 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 ；i n f l u e n c i n gf a c t o r s ；c h a r a c t e r i s t i c so f d e n i t r i f i c a t i o n i v 独创性声明 本人声明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，也不包含为获得j 壁塞兰些太堂或其它教育机构 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。 签名：迄【i 2 圭日期：2 = 塑! 篁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 量塞王些太堂有关保留、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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 第1 章绪论 第1 章绪论 水是构成地球上一切生命体的基本要素，参与了生命体形成及其物质、能量 转化。水是宝贵的自然资源，在地球上广泛分布。随着社会经济的发展和人口的 增长，水资源短缺已经成为一个全球化的问题，而我国的缺水形式尤其严峻。我 国人均水资源量为2 2 3 8 6 m 3 ，仅相当于世界人均占有量的1 4 ，居世界第8 8 位， 是世界人均水资源极少的1 3 个贫水国之一。我国不仅水资源短缺，且时空分布 不均，开发利用难度较大。我国6 1 7 个城市中，有近4 0 0 个城市缺水，其中缺水 严重的城市达1 3 0 个。水资源的短缺已经严重制约了我国某些城市的工业发展， 制约了我国国民经济的持续发展。缺水每年给城市工业产值造成的损失在1 2 0 0 亿元以上。与此同时，水环境污染日趋严重。全国7 大重点流域地表水有机污染 普遍，特别是流经城市的河段有机污染严重，主要湖泊富营养化问题突出。多数 城市地下水受到了一定程度的点状或面状污梨。 水环境污染的状况越来越严重，其中以氮、磷等营养物的大量排放引起的水 体富营养化的问题最为突出。根据全国1 3 0 余个湖泊的调查结果显示，高营养 化湖泊占4 3 5 ，中营养化湖泊占4 5 0 t 2 1 。富营养化不仅影响水质的质量，而 且危害人类健康。氮、磷等营养物的输入是大多数水体产生富营养化的根本原因。 随着经济发展、人们环境意识的提高和水环境标准的严格化，污水去除技术已经 从单一去除有机物的阶段进入既要去除有机物又要满足脱氮除磷的深度处理阶 段，以控制富营养化为目的的脱氮除磷技术已经成为当今污水处理领域的重要研 究方向。污水的深度处理技术是污水再生与回用技术的发展，是国民经济的重要 资源，在淡水资源日趋短缺的情况下，人们对污水的深度脱氮除磷处理、利用问 题给予了极大的关注，污水的深度脱氮除磷处理可以提高污水的重复利用率，可 以大量节约水资源【3 j 。 1 1 氮素的循环 自然界中，蕴藏着大量的氮。自然界中的氮素物质以3 种形式存在，有机态 氮：据估计，地球上蕴藏的有机态氮至少有2 0 0 2 5 0 亿t ；无机态氮：铵盐、硝 酸盐，约为有机态氮总量的1 ；分子态氮：空气中大约7 9 是氮气。自然界氮 循环( n i o r t e g nc y c l e ) 是描述自然界中单质氮和化合态氮之间相互转换的物质循 环。即氮素在大气圈、水圈、生物圈和土壤圈之间的流动。这一循环是开放性的， 但极为完善。构成氮循环的主要环节是：生物体内有机氮的合成、氨化作用、硝 化作用、反硝化作用和固氮作用。 北京工业大学工学硕士学位论文 同 化 1 1 1 氮的固定 图1 1 氮素的循环 f i g 1 1n i t r o g e nc y c l e 大气是生物圈中最大的氮素库。在海平面上，按体积计氮气约占大气的7 9 。 但是，氮气只有转化成化合氮( 与氢或氧结合) 以后，才能被高等植物同化；再通 过食物链传递，进一步被动物和其他生物利用。生物固氮是指具有固氮能力的生 物将n ：转化成n h 。、n 0 2 和n 0 3 的过程( n i t r o g e nf i x a t i o n ) 。高能固氮也叫大气固 氮，是指雷电、太阳高能辐射、火山爆发等使空气中的n ：转换成n h 。或n 0 3 的过 程，n h 。极易溶于水形成n h 。+ ，n h 4 + 和n 0 3 。则由雨水带到地面。生物固氮和高 能固氮是在自然条件下自发进行的，称为天然固氮。天然固氮以生物固氮为主。 工业固氮又称化学固氮，是用高温、高压和化学催化的方法，将n 。和h 。合成n h 。 的过程。此外，煤、石油等化石燃料的大量开采与使用，使储存在其中的有机态 氮被活化成无机态的氮氧化物，最终形成n 0 3 参与到氮循环。我们把工业固氮 和化石燃料燃烧时氮活化叫做人工固氮。工业固氮的发明以及氮肥的广泛使用， 极大地促进了农业的发展，使农作物的产量大幅度提高，为解决全球粮食短缺做 出了巨大贡献。与此同时，也破坏了全球氮循环平衡，造成严重的环境问题。 一2 一 第1 章绪论 1 1 2 氨的同化 为了生长和繁殖，所有生物必须从生物圈中摄取氮素，用于合成细胞物质。 将氨合成细胞物质的生物反应，称为氨的同化( a m m o n i aa s s i m i l a t i o n ) 。在自然界， 氨的同化是无机氮有机化，使氮素被固定于生物体内的主要方式。植物吸收土壤 中的n h 4 + 和n 0 3 ，进而将这些无机态氮合成为植物体内蛋白质等有机物，动物 和其他异养生物则不能直接利用n h 4 + 和n 0 3 。，动物直接或间接以植物为食物， 将植物体内的蛋白质等有机态氮分解成氨基酸，然后再同化成动物体内的蛋白质 等有机物。 1 1 3 氨化作用 生物圈中的氮素储量有限，为了生命的延续和发展，被生物固定( 同化) 的氮 素必须以适当的方式返回生物圈。将有机氮转化为氨的生物反应，称为氨化作用 ( a m m o n i f i c a t i o n ) 。氨化作用所释放的氨，一部分被其他生物重新利用，其余部 分积累于环境中。在自然界，氨化作用是有机氮无机化，是实现氮素循环使用的 重要环节。微生物、动物和植物都具有氨化能力，可以发生在好氧和厌氧环境中。 1 1 。4 硝化作用 释放至环境中的氨可被生物氧化。将氮氧化为亚硝酸盐和硝酸盐的生物反 应，称为硝化作用( n i t r i f i c a t i o n ) 。它的重要性是产生氧化态的硝酸盐，产物又可 以参与反硝化作用。其中，由自养型微生物引发的硝化作用，称为自养型硝化作 用( a u t o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o n ) ；由异养型微生物引发的硝化作用，称为异养型硝化 作用( h e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o n ) 。 1 1 5 反硝化作用 在土壤氧气不足的条件下，存在于土壤中的化能异养型反硝化细菌，将硝酸 盐还原成亚硝酸盐，并进一步把亚硝酸盐还原为气态的n ：0 和n 。返回到大气中， 这一过程叫反硝化作用( d e n i t r i f i c a t i o n ) 。在此过程中，反硝化细菌利用硝酸中的 氧，使葡萄糖完全氧化为c o 。和h ：0 并释放能量。可存在于环境中的亚硝酸盐和 硝酸盐可被用作电子受体而还原。在自然界，反硝化作用是氮素重新返回大气的 主要途径【4 1 。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 1 6 异化性硝酸盐还原作用 亚硝酸盐和硝酸盐不仅可被用作电子受体而还原成氮气，也可进一步还原成 氨。将硝酸盐用作电子受体而还原成氮的生物反应，称为异化性硝酸盐还原作用 ( d i s s i m i l a t o r yn i t r a t er e d u c t i o n ) 。在自然界，该作用常发生于电子受体贫乏的缺氧 环境中5 1 。 总之，在自然状态下，n 。通过天然固氮作用进入生物圈，进入到生物圈中的 氮可重复循环利用，也通过反硝化作用损失一部分的无机态氮，损失部分可通过 天然固氮得到补偿，两者保持动态平衡。 1 2 水体中氮素的来源 水体中的氮主要来源于自然过程和人类活动，但造成水体污染的氮主要是由 于人类从事社会生产活动所引起的，氮主要以有机氮和无机氮两种形式存在于水 体中。水体中的氮来源是多方面的，主要是由城市生活污水、工厂工业废水和农 业灌溉污水三方面带入。 1 2 1 城市生活污水中的氮 随着我国城市人口的增加和人口的进一步集中，及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由厨房洗涤、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。我国部分城市 城市污水中含氮情况见表1 1 【6 1 。 表1 1 不同城市污水中的含氮量 t a b 1 - 1 t h en i t r o g e nc o n t e n to f s e w a g ei nd i f f e r e n tc i t i e s 有机氮氨氮氨氮 有机氮氨氮氨氮 所在地所在地 ( m g l )( m g l ) t k n ( m g l )( r a g l ) t k n 上海曹杨 2 97 5o 7 2 青岛海河 6 71 1 70 6 4 上海两区2 43 8o 6 1沈阳北部6 51 6 6 o 7 2 上海西厂 2 67 00 7 3 广州 31 70 8 5 天津咸阳路 81 7o 6 9 江苏泰安 1 43 20 6 9 天津纪庄子 8 1 73 0 1o 7 0 无锡清扬 2 67 50 7 4 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。新鲜的生活污水中有机氮如尿素等约占6 0 ，无机氮中氨氮约 占4 0 ，并有微量的硝酸态氮和亚硝酸态氮。陈旧生活污水中由于有细菌，能将 第1 章绪论 蛋白质分解，使有机氮转变成氨氮，从而使水体中的氨氮比例上升。 1 2 2 工业废水中的氮 工业废水中的氮，既取决于工厂所用的原料的性质，也与生产工艺及产品的 种类有关；同时与工厂的管理尤其是废水的管理技术及水平有关。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、 肉品加工厂、酒厂等、各类工业废水中氨氮情况见表1 2 【6 1 。 人工合成的含氮化肥是水体中氨氮营养元素的主要来源。据统计我国的氮肥 产量居世界首位。我国化工废水的处理率仅有7 2 ，因此我国因工业废水排入水 体的氮是十分可观的。排放有机氮废水的工厂主要有：有机原料厂、合成材料厂、 染料厂、农药厂和有机材料厂。 表l - 2 各类工厂废水中含氨氮情况 t a b 1 - 2t h es i t u a t i o no f w a s t ew a t e rc o n t a i n i n ga m m o n i ai nv a r i o u st y p e so fp l a n t 工厂名称 氨氮情况( r a g l ) 工厂名称 氨氮情况( m g l ) 焦化废水 5 7 0 0 0 印染废水 1 0 0 2 5 0 无烟煤气化废水5 1 0 0 0 化粪池渗滤液 1 0 0 5 0 0 电解锰废水 1 6 4 2 0 8 酒厂 1 1 4 3 8 0 电解铬废水1 0 7 6制革厂8 3 1 5 9 玻璃制造 3 0 0 6 5 0 纸浆废水 3 9 1 - 4 5 0 脂肪提炼1 2 5印刷电路板废水3 0 0 氨和尿素生产厂 2 0 0 1 4 0 0 0 电化厂活性炭厂 1 0 0 0 1 9 0 0 氨和硝酸生产厂 1 3 0 1 8 0 0 电厂清洗水8 5 0 5 7 0 0 氨混合肥生产厂 6 0 0 石化产品生产水 1 0 0 1 8 1 0 硝酸磷肥 6 2 5 8 8 0 联碱法生产纯碱 1 6 2 0 某催化剂生产厂 5 8 3 5 2 0 8 3 9 眚牧栏废水 4 2 4 炼油酸性废水 1 3 5 6 5 5 0 家禽废水 一 4 4 0 炼油厂含硫废水 6 5 6 1 1 8 0 湿式冶金废水 1 0 0 0 1 2 0 0 谷物加工厂4 5 胶合板废水 3 9 7 4 5 0 肉类加工厂 7 7 5 0 味精制造废水 2 5 0 7 0 0 0 屠宰废水2 3 1 0 0 赖氨酸生产厂 2 0 0 1 8 6 3 3 青霉素废水 1 8 0 4 7 5 含氰废水 7 0 0 5 0 0 0 炸药厂综合废水 5 3 2 1 3 7 0 甲醇炭黑废水 1 0 0 0 1 2 0 0 0 羊毛加上废水 1 6 0 芳香类化工厂 3 l 3 2 8 0 北京工j 业大学工学硕士学位论文 1 2 3 农业污水中的氮 使用无机氮肥的农田排水和地表径流。农田施用化学肥料和农家肥料，也是 引起水环境氮污染的主要人为因素之一。农田中施用的化学肥料和农家肥料，除 一部分真正被农作物吸收利用外，其余的被土壤吸附、残留或溶于水中，有相当 一部分通过雨水径流进入江河湖泊。近年来，由于化肥的大量使用，以及可耕地 土壤质量的降低，肥料成分容易流失，导致大量的氮流入水体。氮肥施入土壤以 后并不是全部被立即吸收，一般认为当季植物所吸收的量不超过5 0 ，剩下来的 残留于土壤中，可被后季作物所利用，其量约为2 5 - - , 3 5 ；而损失到大气或随 水流失的部分可达总量的2 0 以上。 此外含有机氮的农药的使用也是农业污水氮的重要来源，有8 0 - - - , 9 0 的农 药会流失在土壤罩，会随雨水冲淋、农业排水和地表径流流入河道等水体之中。 含有机氮的农药有：氨基甲酸酯类、酰胺类、脲类、磺酰胺类、杂环胺类等。 农村的家畜养殖厂、牧场中家畜的废弃物、排泄物也是农业污水中氮的来源。 1 3 水体中氮素的危害 我国经济发展迅速，随着现代工业的迅猛发展和化肥及农药的普遍应用，废 水中氮的含量也不断增加，水环境受到严重污染。当水体中氮含量超标，不仅使 水环境质量恶化，还对人类以及动、植物有严重的危害作用。水体中氮素的危害 主要有： ( 1 ) 造成水体富营养化 水体富营养化是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量 进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖的现象。 氮和磷是植物和微生物的主要营养元素，当水体中含n 0 2 m g l ，含p o 0 2 m g l ， 水体就会营养化。水体富营养化的后果，首先是破坏水资源，降低水的使用价值， 直接影响人类的健康，同时提高水处理的成本；其次是导致鱼类及水生动物的大 量死亡，破坏水产资源，引发“藻华”和“赤潮等现象。目前水环境的富营养 型污染相当普遍，已成为当今世界普遍关注的环境问题之一【_ 7 1 。 ( 2 ) 对人类和生物的生存产生危害 当水体中的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 中的鱼及水生物皆有毒害作用。当水体中n h 3 - n l m g l 时，就会使生物血液结合 氧的能力下降；当n h 3 - n 3m g l 时，在2 4 - - 一9 6 小时内大部分鱼类和水生物就会 死亡。人体若饮用了n 0 3 - n i o m g l 或n 0 3 n 5 0 m g l 的水，则可使人体内正常 一6 一 第1 章绪论 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氧的能力，出现缺氧 的症状。亚硝酸盐若长时间作用于人体可引起致癌。亚硝酸盐经过水煮沸后还可 造成浓缩，其危害程度变得更大。人们一旦从受污染的瓜果蔬菜和饮用水中摄取 过量的硝酸盐，高血压、先天性中枢神经系统残疾和非霍金氏淋巴瘤就有可能发 生。大量医学研究报道证明，肝癌、胃癌等症的发病率也与人体摄人的硝酸盐量 密切相关。 ( 3 ) 消耗水体中的溶解氧，破坏水环境生态平衡 良好的水体内，各类水生生物之间及水生生物与其生存环境之间保持着既相 互依存又相互制约的密切关系，处于良好的生态平衡状态。氨氮随污水排入水体 后，会在硝化菌的作用下，消耗水中的溶解氧，转化为硝酸盐。通常l m g 氨氮氧 化成硝态氮需消耗4 6 m g 溶解氧。水体中氨氮愈多，消耗的溶解氧也愈多，严重 时会使鱼类等水生动物窒息死亡，导致水环境条件发生改变，破坏水环境的生态 平衡。使水质不仅又黑又臭，且透明度也差，严重影响了水体的观赏和旅游价值。 ( 4 ) 增加污水处理成本 当含有较高浓度氨氮的水体作为水源，或对含氨氮较高的污水处理厂出水采 用氯进行消毒时，氯的消耗量较大，成本高，因此污水处理厂仅处理到氨化程度 是不够的。由于氮的存在，水体发生富营养化时，光合微生物( 大多数为藻类) 数量增加，因此增大了水处理设备被堵塞的可能，运转周期缩短，从而增加了水 处理的费用。 1 4 氮素的污染控制 氮对我国及世界环境造成了多方面影响，我们应采用科学的措施和政策，遏 制氮对环境与生态的破坏。我国是农业大国，7 0 的活化氮来自于农业生产，最 根本的方法是合理施肥，提高氮肥利用效率。因此，改革现有耕作制度、推广精 确施肥、加强农业技术推广体系建设是关键。在工业生产过程中，提高能源利用 率或减少含氮物的生成量，也可对固定排放源采用催化还原、吸收、吸附等技术， 控制、回收或利用废物中的氮氧化物，使其达到无害化排放。监测规模化养殖场， 禁止其随意向湖泊、河道中排放氮污染物等。对城市污水进行深度脱氮除磷处理，r 从而减少排入水体的氮、磷元素。 在废水脱氮技术的研究、开发和应用中，涌现了一大批行之有效的处理工艺， 构成了废水脱氮处理的技术体系。这些废水脱氮技术可区分为物化法和生物法两 大类。其中，物化法主要有空气吹脱法、选择性离子交换法、折点氯化法、磷酸 氨镁沉淀法等。物化脱氮法工艺复杂、成本较高，易对环境造成二次污染，且物 化脱氮法不包括有机氮转化为氨氮和氨氮氧化成硝酸盐过程，通常只能去除氨 氮，所以实际运用中受到一定的局限，难以大规模推广使用【8 】。而生物法( 即生 北京工业大学工学硕士学位论文 物脱氮技术) 由于其具有成本低、应用范围广等特点而逐渐成为目前应用最广泛 的废水脱氮技术9 1 。 1 5 移动床生物膜反应器 随着水体富营养化问题的日益突出、水质指标系统不断严格化，使废水脱氮 问题成为了水污染控制中广泛关注的热点。而传统多级分设备的生物脱氮工艺以 及序批式活性污泥工艺等，虽然在废水脱氮方面起着重要的作用，但仍然存在着 以下问题： ( 1 ) 硝化反应和反硝化反应所需要的条件不同，需要序批式进行，且h r t 较长，反应池占地面积大； ( 2 ) 污泥产生量大，剩余污泥处理费用高，污泥不易沉降，而且容易发生 污泥膨胀； ( 3 ) 耐水质、水量冲击负荷能力差，运行不够稳定； ( 4 ) 中和硝化过程中产生的酸度，需要加碱中和，增加了处理费用； ( 5 ) 曝气池中的生物浓度低，曝气池氧的传质效率低。 与此相比，单级生物脱氮工艺在生物脱氮过程当中展现出更多的优势。硝化 反应耗氧、耗碱度、但不消耗碳源，而反硝化过程不需氧、产生碱度、消耗大量 碳源，两者在多方面表现为互补。如果硝化和反硝化反应能在同一处理系统中连 续实现，硝化反应的产物可直接成为反硝化反应的底物，避免了硝化过程中的 n o ：一的积累对硝化反应的抑制，加快硝化反应的速度，还可以有效利用废水中有 机碳源进行反硝化；而且也不需外加动力进行硝化液循环；反硝化反应增加的碱 度补充硝化反应减少的碱度，使系统内的p h 值相对稳定；另外，硝化反应和反 硝化反应可在相同的条件和系统中进行，简化了操作的难度【1 0 1 。因此，能在一个 单体设备中实现连续脱氮过程的单级脱氮工艺一直是污水脱氮领域研究的热点。 1 5 1 移动床生物膜反应器的发展历程 1 5 1 1 生物膜反应器的发展 生物膜处理法的实质是使细菌和菌类一类的微生物和原生动物、后生动物一 类的微型动物附着在滤料或某些载体上生长繁育，并在其上形成膜状生物污泥 ( 生物膜) 。污水不断的与生物膜接触，污水中的有机污染物，作为营养物质， 为生物膜上的微生物所摄取，污水得到净化，微生物自身也不断得到繁殖。 在1 8 9 3 年，英国进行将污水在粗滤料上喷洒进行净化实验取得了良好的净 化效果。1 9 0 0 年以后，这种工艺得到公认，命名为生物过滤法，处理构筑物则 称为生物滤池，开始用于污水处理实践，并迅速在欧洲一些国家得到应用。与活 一8 一 第1 章绪论 性污泥法相比，生物滤池具有生物量高和净化效果较好等优点，但由于其水力负 荷和b o d 。负荷均较低、环境卫生条件也较差、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。 2 0 世纪2 0 - 3 0 年代，建造了许多生物膜反应器系统，其主要形式就是生物 滤池。5 0 年代，在原民主德国有人按化学工业中的填料塔的方式，建造了直径 与高度比为1i 6 一- - 1 ：8 ，高度达8 一- - 2 4 米的塔式生物滤池，通风畅行，净化功能 良好。这种生物滤池的问世，使占地大的问题进一步得到解。 到了6 0 年代，原联邦德国开创了生物转盘技术。原联邦德国斯图加特工业 大学勃别尔( p o p e l ) 教授和哈特曼( h a r t m a n ) 教授对生物转盘技术进行了大量的 试验研究和理论探讨，就此奠定了生物转盘技术发展的基础，使得生物膜法得到 进一步的发展。 7 0 年代开创了生物接触氧化法技术，虽然早在2 0 年代、3 0 年代曾有人对此 技术进行过研究，但是生物接触氧化法的大发展还是在7 0 年代开始的。7 0 年代， 还出现了生物流化床技术。起初，生物流化床是用于化工领域的一项工艺，从 7 0 年代初期开始，一些国家将这一技术应用于污水生物处理领域，开展了多方 面的科学研究工作【l 。 近年来，生物膜反应器以其独特的优势受到更广大研究者和工程师的关注， 涌现了一大批新型的生物膜反应器，如膜生物反应器、气提式生物膜反应器、移 动床生物膜反应器、附着生长稳定塘以及复合式活性污泥生物膜反应器。研究内 容涉及到生物膜载体的开发与改良、微生物固定机理与技术、生物膜增长规律、 生物膜的传质特性、对有机物的去除及基质去除动力学等等方面。 污水生物膜处理法既是古老的，又是不断发展的污水生物处理技术。生物膜 处理技术在经过一个多世纪的发展、演变，生物膜反应器已经形成了多种污水生 物处理工艺。生物膜反应器分类图1 - 2 所示【1 2 1 。 北京工业大学工学硕十学位论文 生物滤池 普通生物滤池( 好氧) 图1 - 2 生物膜反应器分类 f i g 1 - 2c a t e g o r i e so fb i o f i l mr e a c t o r 1 5 1 2 移动床生物膜反应器的发展 移动床生物膜反应器( m o v i n g b e db i o f i l mr e a c t o r ，m b b r ) 是近年来出现的 一种革新型生物膜反应器。移动床生物膜反应器是在1 9 8 7 年召开的“第二次保 护北海国际会议”中要求北海周围各国切实降低排入的营养物质总量的压力下， 挪威为了改善当时污水厂脱氮功能而开发出来的。当时挪威最有效的脱氮工艺是 淹没式生物滤池，但此工艺易堵塞，需阶段反冲洗，使工艺运行非常复杂。同时， 挪威当时的污水厂大都采用传统活性污泥法，且没有脱氮功能，为解决上述问题， 一1 0 第1 章绪论 迫切需要开发一种简单的生物膜工艺，既能增加现有污水厂的脱氮效率及运行问 题，同时又不需增加现有反应器的容积。基于这种思想，1 9 8 8 年挪威k a l d n e s m i j e c p t e k n o g i 公司与s i n t e f 研究机构联合开发了一种新型生物膜反应器 k m t 移动床生物膜反应器【1 3 1 5 】，随后便在欧洲各国流行起来。历经十几年的研究 发展，m b b r 已经被成功的应用于各种各样的废水处理，如印刷废水【1 6 1 、造纸行 业的高温废水【17 1 、海咸水【1 引、含酚废水【1 9 - 2 2 和市政【1 8 】等废水，研究结果表明， m b b r 工艺不仅能取得良好的去除有机物的能力，同时也有很好的去氮功能。 1 5 2 移动床生物膜反应器的原理、构造及特点 1 5 2 1 移动床生物膜反应器的原理 移动床生物膜反应器又称为悬浮填料生物膜工艺( s u s p e n d e dc a r t i e rb i o f i l m p r o c e s s ，s c b p ) 是指在水处理构筑物中直接投加密度与水相近的轻质填料，利用 附着生物量或者生物膜与活性污泥共同去除污梨2 3 1 。填料在池内能够停留于任何 位置，曝气时随水流动或自由流化，这种现象又称为“移动的生物膜”。移动床生 物膜反应器本质上仍属于生物膜法，但是在运动特性、运行方式以及生物膜状况 等方面具有独特的性质和特点。 1 5 2 2 移动床生物膜反应器的构造 移动床生物膜反应器一般为长方体型或圆柱型结构。长方体型的反应器沿池 长方向用板均隔为几格或不分格。水进入池后呈推流态至出水，在每格中由于曝 气流化而。呈完全混合态。池内填充悬浮填料，穿孔曝气管在一侧曝气，使填料在 池内循环流动。圆柱体型结构的反应器底部设有微孔曝气头。另外，有的反应器 不仅在池底安装了曝气装置，还安装了搅拌装置，这些搅拌装置可以使反应器方 便灵活的应用于缺氧状态下。有时为了防止曝气带来的气提作用和挥发作用，可 以在反应器上方加一个盖子【2 4 1 。 1 5 2 3 移动床生物膜反应器的特点 移动床生物膜反应器吸收了传统的流化床和生物接触氧化法两者的优点。既 能解决固定床反应器需定期反冲洗、流化床需使载体流化的问题，也解决了淹没 式生物滤池堵塞需清洗滤料和更换曝气器的复杂操作等问题【2 孓2 8 1 ，同时，微生 物附着生长在生物载体上，可以维持较长的生物固体停留时间( 即污泥龄) ，为 世代时间长、增殖速度慢的硝化菌群的生存提供了良好的生存环境【2 9 1 ，使得系统 脱氮能力十分突出【3 0 】。与其它生物处理方法相比，m b b r 的独特优势主要表现为 以下几点【3 1 。3 7 】： ( 1 ) 生物量有了很大提高，对预处理要求不高，不存在堵塞问题； ( 2 ) 反应器内混合效果好