（模式识别与智能系统专业论文）移动床生物膜反应器短程硝化反硝化脱氮的研究.pdf

b y y a nk a i t a 0 b e ( h u n 锄u n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a n i a ls a t i s f a c t i o n0 ft h e r e q u h m e n t sf o r t h ed e 黟e e0 f m a s t e ro fe n g i n e e r i l l g m u n i c i p a le n 酉n e e r i n g i nt h e h u n 觚u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rk es h u i z h o u m a y 2 0 1 1 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引用的内容外，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： f 司耀矗、 日期：弘，年月g 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 1 、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“”) 作者签名： 0 3 匆髫垄、日期：硼rr 年 月3 日 导师签名：船良矿日期：芦“年莎月夕日 硕士学位论文 摘要 水污染是造成我国水资源短缺的主要原因。在造成水体污染的各类污染物 中，氮源污染越来越严重，已成为未来污水处理的重点。短程硝化反硝化脱氮工 艺是近年来刚刚发展起来的新型生物脱氮技术，该技术产泥量少、紧凑高效且节 约能耗，已经得到越来越广泛的应用。我国中小城镇较多，但中小城镇的污水排 放量较少，不适合集中建设大型污水处理厂。移动床生物膜反应器( m b b r ) 作 为一种新型污水处理工艺，兼具活性污泥法和生物膜法的优点，运行简单，节省 占地和基建投资，适合在中小城镇应用。本文提出在m b b r 中实现短程硝化脱 氮，探讨了其实现途径，同时研究了水力停留时间、p h 值、氨氮负荷、有机负 荷和d o 浓度等对m b b r 短程硝化脱氮的影响，并进行了相关的动力学研究。 m b b r 短程硝化反硝化脱氮的实现：控制m b b r 在高d o 浓度水平( 2 0 m g l - 1 ) 和低d o 浓度水平( 0 5 1 0 m g l - 1 ) 连续交替运行，经过2 5 d 时间的反 复培养，亚硝酸盐氮积累率达到了7 5 9 4 ，基本实现了短程硝化脱氮。 影响因素实验：系统d o 浓度对m b b r 短程硝化脱氮的影响最大，系统d o 浓度大于o 8 1 m g l - 1 时，出水亚硝酸盐氮浓度大幅下降，浓度大于1 1 4 m g l - 1 时，出水硝酸盐氮浓度逐渐升高，亚硝酸盐氮积累率降至5 0 以下，m b b r 已 逐渐向全程硝化脱氮转化；h r t 对m b b r 短程硝化脱氮影响较小，h r t 大于 1 2 h ，氨氮去除率大于7 0 ，出水氨氮浓度小于1 0 m g l - 1 ，同时具有7 0 以上的 亚硝酸盐氮积累率；系统p h 值对短程硝化脱氮的影响较大，p h 在8 9 间，氨 氮去除率为7 7 4 ，出水氨氮浓度平均值为8 3 5 m g l - 1 ，亚硝酸盐氮积累率为 7 1 8 9 ；氨氮负荷和有机负荷对短程硝化脱氮有较大的影响，高有机负荷和低 氨氮水平下，亚硝酸盐氮积累率降低，证明短程硝化脱氮适合处理低碳氮比的污 水。 最后，基于m o n o d 基质降解模型建立了氨氮比利用速率动力学方程和亚硝 化菌生长动力学方程，并用微分法求解出了动力学参数。 关键词：m b b r ；短程硝化反硝化脱氮；溶解氧控制途径；影响因素 a b s t r a c t w a t e rp o n u t i o ni st h em a j o rr e a s o nf o rt h es h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e si nc h i n a a m o n gt h ev a r i o u sk i n d so fc o n t a m i n a n t sc a u s i n gw a t e rp o l l u t i o n ， p o l l u t i o no f n i t r o g e ni sm o r ea n dm o r es e r i o u s ，a n dh a sb e c o m et h ef b c a lp o j n to fr e s e a r c h e sj n t h ef u t u r eo nw a s t ew a t e rt r e a t m e n t t h ep r o c e s 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 n v i an i t r i t e ，w h i c hi san e w l y - d e v e l o p e d t e c h n o l o g yf o rd e n i t r i f i c a t i o ni nr e c e n ty e a r s ， p r o d u c e sl i t t l es l u d g e ，r u n se f f e c t i v e l ya n dc o m p a c t l y ，s a v e se n e r g y ；a n dh a sb e e n a p p l i e dm o r ea n dm o r ew i d e l y t h e r ea r em a n ym i d d l ea n ds m a uc i t i e si n0 u rc o u n t r y b u tt h eq u a n t i t yo fs e w a g ei sl i t t l e ，a sar e s u l t ，i t sn o ts u i t a b l et oc o n s t m c tl a r g e w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s i n t e n s i v e l y a san e ww a s t e w a t e rt r e a t m e n t p r o c e s s ， m b b rh a st h e a d v a n t a g e s0 fb o t ha c t i v a t e ds l u d g em e t h o da n db i o m e m b r a n c e p r o c e s s ，a n di t sa p p r o p r i a t ef b rs m a l lt o w n sb e c a u s e0 fi t ss i m p l eo p e r a t i o na n d s a v i n gi nm o n e y a n ds p a c e t h ep a p e rp r o p o s e st h em e t h o do fn 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 nv i an i t r i t ei nm b b r ，a n d e x p l o r e st h ea p p r o a c h e st oa c h i e v ei t i nt h e m e a n w h i l e ，i tm a k e ss t u d i e sa b o u tt h ee f f c c to ff a c t o r s ( s u c ha sh l u ：p h ，n h 3 n l o a d ，o r g a n i cl o a da n dc o n c e n t r a t i o no fd o ) ，o nt 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 v i an i t r i t ei nm b b r ，a 1 0 n gw i t hr e s e a r c h e s0 fr e l e v a n td y n a m i c s a c h i e v e m e n to 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 nv i an i t r i t e i nm b b r ： m a k i n gt h em b b r r u n si nh i g hd o c o n c e n t r a t i o n ( 2 o m g i ，1 ) a n dl o wd oc o n c e n t r a t i o n ( o 5 1 0 m g 。l 。1 ) a l t e r n a t e l ya n dc o n t i n u o u s t h r o u g h2 5 d a y sc u l t i v a t i o n ，t h e a c c u m u i a t i o nr a t eo f n o ：一nr e a c h e s7 5 9 4 ，a n dt 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 nv i an i t r i t ei sr e a l i z e d t h ee x p e r i m e n to fi n n u e n c ef a c t o r s ： d oc o n c e n t r a t i o nh a st h em o s ts i g n i f i c a n t i m p a c t0 nt 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 nv i an i t r i t ei nm b b r w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no ft h ed oi sb i g g e rt h a n0 81 m g l ，t h en o ；一nc o n c e n t r a t i o ni nt h ee f n u e n t d e c r e a s e sb yal a r g em a r g i n ；w h e nt h ec o n c e n t r a t i o ni sa b o v e 1 1 4 m g l 。1 ， t h e n o ；一nc o n c e n t r a t i o ni nt h ee m u e n ti n c r e a s e sg r a d u a l ly a n dt h ea c c u m u l a t i o nr a t e o fn o ；一nd r o p st o5 0 o rl o w e r ，w h i c hm e a n sm b b rh a st r a n s f e r r e dt ot r a d j t j o n a l f h l ln i t r a t i o n d e n i t r i f y i n g d e n i t r i f i c a t i o n h r th a s o n l yl i t t l ei n n u e n c e0 nt h 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 nv i an i t “t ei nm b b r w h e nh r t i sl o n g e rt h a n1 2 h ， t h er e m o v a lr a t eo fn h 3 一ni s h i g h e rt h a n7 0 ，a n dt h en h 3 nc o n c e n t r a t i o ni n e m u e n ti sl o w e rt h a n1 0m g - l 一，w i t ht h ea c c u m u l a t i o nr a t eo fn o ；一na b o v e7 0 p hi nt h es y s t e mi n f l u e n c e st 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 nv i an i t r i t eg r e a t l y i 硕士学位论文 w h e np hl i e sb e t w e e n8a n d9 ，t h ef e m o v a lr a t eo fn h 3 - ni s7 7 4 ，t h ea v e r a g e c o n c e n t r a t i o no fn h 3 - ni ne m u e n ti s8 3 5m g l 。1 ，t h ea c c u m u l a t i o nr a t eo fn o ；一n i s7 1 8 9 n h 3 - nl o a da n do r g a n i cl o a da l s 0p l a y sab i gr o l et oa f f c c tt h er e s u l to f t h ec x p e r i m e n t i nt h ec o n d i t i o no fh i g ho r g a n i cl o a da n dl o wn h 3 n l o a d ，t h e a c c u m u l a t i o nr a t eo fn o ；一ni sr e d u c e d ，w h i c hd e m o n s t r a t e st h a tt h en i t r i f i c a t i o n a n dd e n i t r i f i c a t i o nv i an i t r i t ef i t st h es e w a g ei nl o wc n f i n a l l y ，b a s e d0 nt h em o n o ds u b s t r a t eb i o d e g r a d a t i o nm o d e l ，t h ep a p e re s t a b l i - s h e st h ed y n a m i c se q u a t i o n so fn h 3 一n su t i l i z a t i o nr a t e ，a n dt h ee q u a t i o n so fa o b s g r o w t hk i n e t i c s b e s i d e s ，t h ed y n a m i c sp a r a m e t e r sa r eg o tb yu s i n gad i f f e r e n t i a l m e t h o d k e y 、7 r d s ： m b b r ；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 nv i an i t r i t e ；d oc o n t r o l a p p r o a c h ； i n n u e n c ef a c t o r s 移动床生物膜反应器短程硝化反硝化脱氮的研究 目录 学位论文原创性声明及学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i i i 附表索引x 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 课题的提出。1 1 3m b b r 工艺2 1 3 1 概j 述2 1 3 2m b b r 反应器的工艺特点3 1 3 3m b b r 工艺去除污染物的原理4 1 3 4m b b r 工艺的研究现状8 1 4 短程硝化反硝化脱氮理论1 0 1 4 1 概述1 0 1 4 2 实现短程硝化反硝化的可行性1 1 1 4 3 短程硝化反硝化的关键控制因子1 2 1 4 4 短程硝化反硝化的研究现状1 5 1 5 课题研究的意义和内容1 7 1 5 1 本课题的研究意义1 7 1 5 2 课题的主要研究内容1 8 第2 章实验材料与方法1 9 2 1 试验装置与材料1 9 2 1 1 试验装置1 9 2 1 2 悬浮填料1 9 2 2 废水水质与水质指标分析方法。2 1 2 2 1 废水水质2 1 2 2 2 水质分析方法2 2 2 2 3 实验温度2 2 2 2 4 试验主要仪器设备2 2 2 3 启动与挂膜2 3 v 硕士学位论文 第3 章m b b r 内短程硝化反硝化的实现和稳定运行一2 4 3 1 短程硝化反硝化生物脱氮的实现途径2 4 3 1 1 不同控制因素实现短程硝化脱氮的优缺点2 4 3 1 2m b b r 实现短程硝化脱氮的控制参数2 5 3 2m b b r 反应器的全程硝化反硝化状态2 6 3 2 1 全程脱氮时进出水氨氮、总氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的变化2 6 3 2 2 全程脱氮时进出水有机物的变化2 7 3 3m b b r 反应器的短程硝化反硝化状态2 8 3 3 1 全程硝化脱氮向短程转化时进、出水氨氮的变化一2 8 3 3 2 全程脱氮向短程转化时出水硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的变化2 9 3 3 3 全程脱氮向短程转化时进出水有机物的变化。3 0 3 4m b b r 短程硝化反硝化脱氮的微生物特征3 0 3 5 本章小结3 2 第4 章m b b r 短程硝化反硝化脱氮研究3 3 4 1 水力停留时间( h i 汀) 对短程脱氮的影响3 3 4 1 1 不同水力停留时间氨氮的去除效果3 3 4 1 2 不同水力停留时间硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的变化。3 4 4 1 3 不同水力停留时间有机物的去除效果3 5 4 2p h 值对短程脱氮的影响3 6 4 2 1 不同p h 值氨氮的去除效果3 6 4 2 2 不同p h 值出水硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的变化3 7 4 2 3 不同p h 值有机物的去除效果3 8 4 3 进水氨氮负荷对短程脱氮的影响。3 9 4 3 1 不同进水氨氮浓度值下氨氮的去除效果3 9 4 3 2 不同进水氨氮浓度值下硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的变化4 0 4 3 3 不同进水氨氮浓度值下有机物的去除效果4 1 4 4 进水有机负荷对短程脱氮的影响4 2 4 4 1 不同进水有机物浓度下氨氮的去除效果4 2 4 4 2 不同进水有机物浓度下硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的变化4 3 4 4 3 不同进水有机物浓度下有机物的去除效果4 4 4 5 溶解氧( d o ) 浓度对短程脱氮的影响4 4 4 5 1 不同d o 浓度值下氨氮的去除效果4 4 4 5 2 不同d o 浓度值下硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的变化4 5 4 5 3m b b r 短程硝化脱氮d o 浓度临界值确定实验4 7 4 5 4 不同d o 浓度值下有机物的去除效果4 8 移动床生物膜反应器短程硝化反硝化脱氮的研究 4 6 本章小结4 8 第5 章m b b r 短程硝化动力学研究”5 0 5 1 短程硝化反硝化的生化机理5 0 5 1 1 物质转化途径5 0 5 1 2 电子传递模式5 0 5 1 3 能量的产生和传递5 1 5 2 短程硝化脱氮动力学5 1 5 2 1 动力学研究内容5 1 5 2 2 氨氮的比利用速率动力学5 1 5 2 3 亚硝化菌生长动力学5 4 5 3 本章小结。5 5 结论和建议5 6 参考文献5 9 致谢6 3 v 硕士学位论文 插图索引 图2 1m b b r 运行原理示意图一1 9 图2 2m b b r 小试装置图2 0 图2 3m b b r 反应器中的悬浮填料( 挂膜前) 2 1 图2 4m b b r 反应器中的悬浮填料( 挂膜后) 2 1 图3 1 全程脱氮进、出水氨氮、总氮浓度及氨氮去除率的变化2 6 图3 2 全程脱氮出水硝酸盐氮和亚硝酸盐氮浓度的变化2 7 图3 3 全程脱氮进、出水c o d c r 及c o d c r 去除率的变化2 8 图3 4 转化阶段进、出水氨氮及氨氮去除率的变化。2 8 图3 5 转化阶段出水硝酸盐氮、亚硝酸盐氮浓度和亚硝酸。2 9 盐氮积累率的变化2 9 图3 6 转化阶段进、出水c o d c r 及c o d c r 去除率的变化3 0 图3 7 填料表面生物膜微生物2 0 倍照片，3 1 a ) 钟虫3 1 b ) 其它纤毛虫。3 1 图3 8 填料表面生物膜絮体1 0 倍照片3 1 a ) 絮体照片1 3 1 b ) 絮体照片2 3 1 图3 9 混合液中微生物2 0 倍照片( 扭头虫和草履虫) 3 1 a ) 扭头虫3 1 b ) 草履虫3 1 图3 1 0 混合液中后生动物2 0 倍照片和混合液絮体1 0 倍照片3 1 a ) 后生动物2 0 倍照片。3 1 b ) 混合液絮体1 0 倍照片一3 1 图4 1 不同h r t 下进、出水氨氮浓度及氨氮去除率的变化。3 3 图4 2 不同h r t 下出水硝酸盐氮、亚硝酸盐氮3 4 浓度和亚硝酸盐氮积累率的变化。3 4 图4 3 不同h r t 下进、出水c o d c 。及c o d c r 去除率的变化。3 5 图4 4 不同p h 值下进、出水氨氮浓度及氨氮去除率的变化3 6 图4 5 不同p h 值下出水硝酸盐氮、亚硝酸盐氮3 7 浓度和亚硝酸盐氮积累率的变化3 7 图4 6 不同p h 值下进、出水c o d c r 及c o d c r 去除率的变化3 8 移动床生物膜反应器短程硝化反硝化脱氮的研究 图4 7 不同氨氮负荷下进、出水氨氮浓度及氨氮去除率的变化3 9 图4 8 不同氨氮负荷下出水硝酸盐氮、亚硝酸盐氮4 0 浓度和亚硝酸盐氮积累率的变化4 0 图4 9 不同氨氮负荷下的进、出水c o d c r 及c o d c ，去除率的变化4 1 图4 1 0 不同有机负荷下进、出水氨氮浓度及氨氮去除率的变化4 2 图4 1 1 不同有机负荷下出水硝酸盐氮、亚硝酸盐氮浓度4 3 和亚硝酸盐氮积累率的变化4 3 图4 1 2 不同有机负荷下进、出水c o d c ，及c o d c r 去除率的变化。4 4 图4 1 3 不同d o 浓度下进、出水氨氮、出水总氮4 5 浓度及氨氮去除率的变化4 5 图4 1 4 不同d o 浓度下出水硝酸盐氮、亚硝酸盐氮浓度。4 6 和亚硝酸盐氮积累率的变化4 6 图4 1 5m b b r 短程硝化脱氮d o 浓度临界值的确定4 7 图4 1 6 不同d o 浓度值下进、出水c o d c r 及c o d c r 去除率的变化4 8 图5 1 短程硝化过程氨氮比利用速率动力学参数回归曲线。5 3 附表索引 表2 1 填料的技术参数一2 0 表2 2 中国南方城市生活污水水质2 2 表2 3 水质指标和检测方法2 2 表3 1 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 ) 2 7 x 硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 我国是世界上十二个水资源严重短缺的国家之一，水资源短缺和分布不均严 重制约着我国经济社会的发展【1 1 。造成我国水资源短缺的原因主要有以下两方 面：客观方面，降水量不足造成了资源性短缺，水资源的时空分布不均降低了其 使用率；人类活动方面，水源浪费和水污染造成了水质性短缺。 水污染造成的水质性缺水是造成水资源短缺的主要原因。数据显示：2 0 0 7 年全国废污水排放量为5 5 6 8 亿立方米，2 0 0 8 年为5 7 2 o 亿立方米，2 0 0 9 年则 达到了5 8 9 2 亿立方米。2 0 0 9 年中国环境状况公报指出：全国地表水污染 依然较重，全国2 0 3 条河流的4 0 8 个地表水国控监测断面中，i i i i 类、v 类和劣v 类水质断面比例分别为5 7 3 、2 4 3 和18 4 ；2 6 个国控重点湖泊 中，i i 类、类、类、v 类、劣v 类水质各占3 9 j1 9 2 、2 3 1 、 1 9 2 、3 4 6 ，其中5 0 以上的湖泊处于富营养状态。 在各种造成水体污染的因素中，氮、磷等营养元素无疑是最关键的。2 0 0 9 年我国近海海域共发生赤潮6 8 次，太湖、巢湖、滇池等内湖的严重水华现象也 是由氮、磷引起的。氮、磷所造成的富营养化不仅严重危害近海养殖业和旅游 业，而且由富营养化引起的水质污染会带来一系列的饮用水安全问题。因此未来 污水处理的重点之一是减少水体中氮、磷排入量，以阻止水体富营养化，使水资 源在水质和水量方面都得到保障。 我国全面建设小康社会以来，城市化水平不断提高，2 0 0 6 年全国城镇人口 5 7 7 亿，2 0 1 0 年中国的城市化率达到了5 0 。根据国家环保总局的城市污水处 理及污染防治政策，到2 0 1 0 年，我国城镇污水平均处理率应不低于7 0 ，大批 污水处理设施将投入运营，开发高效节能的新型污水处理工艺应用于实际生产下 一阶段的研究重点。 1 2 课题的提出 发达国家一般采用建设集中式的城市污水处理厂治理水污染，而我国经济实 力薄弱，地区差异较大，对于投资较大的污水处理设施，存在着经济可行性方面 的问题。我国中小城镇多，经济发展水平不一，且中小城镇及生活小区产生的污 水水量较小，如果采用集中式的大型污水处理厂，二方面大型污水处理厂的建设 投资很大，运行费用很高，同时过于集中式的污水处理方式也增加了配套污水管 网的造价；另一方面，城镇本身的资源条件限制了大型污水处理设施的建设，集 移动床生物膜反应器短程硝化反硝化脱氮的研究 中式污水处理设施一般占地较大、能耗较大，但城镇的土地资源往往不足，且环 境条件也很少能够满足大型污水处理厂的建设。因此，在中小城镇应根据本地资 源条件，优先发展高效率的、节省用地、环境影响小、节省建设投资和运行费 用，并且可以自动运行、降低维护难度的污水处理工艺。 移动床生物膜反应器( m o v i n gb e db i o f l l mr e a c t o r ，m b b r ) 是在生物接触氧 化法和生物流化床的基础上开发的一种新型高效低能耗的污水处理工艺【2 j 。目 前，国内外对m b b r 的研究已进入实用阶段，并且在m b b r 处理生活污水和工 业废水方面的小试、中试和生产性试验均取得了良好的效果。该工艺生物量大且 活性高，运行负荷高；剩余污泥量少，没有污泥膨胀问题；耐冲击负荷，抗毒性 强；结构紧凑，占地少；不堵塞，不需反冲洗，操作维护简单，适合在我国各中 小城镇应用，就地建设，分散式处理。 我国现有污水处理厂采用的二级处理工艺8 0 以上为活性污泥法。近年 来，我国提高了水环境质量要求，对氮、磷等营养元素的处理要求有所提高，一 些改进的活性污泥技术被采用，如氧化沟法，a o 法，a 2 0 法，s b r 法等。这 些工艺大都存在能耗高、古地面积大、管理维护困难等问题。这些传统脱氮工艺 将硝化阶段和反硝化阶段隔离在两个池体或者两个区域进行，不仅增加了反应池 体面积和动力费用，而且反硝化阶段往往缺少碳源，使反硝化脱氮难以进行。 近年来的研究发现，氨氮氧化在厌氧条件下也可以发生，某些异养菌也可参 与硝化过程，反硝化过程在好氧条件下也可进行。这些现象提供了新的理论和思 路去开发新型的脱氮工艺，如同步硝化反硝化生物脱氮工艺、厌氧氨氧化生物脱 氮工艺和短程硝化反硝化生物脱氮工艺都是在这些理论基础上研究完善的。其中 短程硝化反硝化生物脱氮相比传统脱氮工艺具有以下优势：节约2 5 左右的氧 供应量；反硝化节省4 0 左右的碳源，适合低c n 情况下的脱氮；减少3 0 5 0 的的反硝化反应器容积；产泥量少，具有较高的反硝化速率。 本课题结合m b b r 反应器和短程硝化反硝化工艺的优势，力求在m b b r 反 应器中稳定实现短程硝化反硝化脱氮，并且能够在常温条件下处理生活污水取得 较好的脱氮效果。 1 3m b b r 工艺 1 3 1 概述 2 0 世纪7 0 年代中期，德国l i n d ea k t i c n g e s l l s c h a f t 公司开发出旨在改进传统 活性污泥法的l i n p o r 工艺，该工艺利用高空隙的聚氨醋塑料泡沫块作为载体， 将其放入活性污泥池中，有助于微生物的附着和生长，以便提高活性污泥法的生 物量，1 9 8 4 年在德国的f r e i s i n g 建起了第一座以l i n p o r 工艺运行的污水处理厂 【3 ，4 1 。1 9 8 7 年召开的第二次保护北海国际会议要求北海周围各国降低排入海 硕一l 二学位论文 里的营养物质总量，北海周围国家急需将现有污水厂增加脱氮功能。当时大部分 污水厂采用的传统活性污泥法，没有脱氮功能，在运行方面出现很多问题，而最 有效的淹没式生物滤池脱氮工艺易堵塞，需反冲，不能广泛使用。19 8 8 年，挪 威k a l d n e sm i j c c p t e k n o g i 公司与挪威科技大学和挪威研究所合作开发了新工艺 k a l d n e m b b r ，此工艺采用刚性空心圆柱体填料，填料比表面积较大且流动性 好，19 9 0 年在挪威的s t e i n s h o l t 新建了生产性的污水处理厂【5 】，之后移动床生物 膜反应器因其独特的优势逐渐得到重视和发展。 m b b r 是一种介于活性污泥法和固定生物膜法之间的高效新型生物反应 器。其基本原理是将悬浮填料投加到曝气池中，作为微生物的活性载体，污水连 续经过填料时，填料上长出生物膜，填料依靠曝气池内气流的提升和紊动作用运 动，达到流化状态，带动填料上的异养和自养微生物利用水中的c 、n 、p 等进 行新陈代谢，从而起到净化污水的作用。另外，在曝气时，填料与水处于完全混 合状态，系统中形成了气、液、固三相。载体在水中的碰撞和剪切作用，使空气 气泡更加细小，增加了氧利用率。每个载体填料内外均具有不同的生物种类，内 部生长一些厌氧菌或兼氧菌，外部为好养菌，每个载体都相当于一个微型反应 器，使硝化反应和反硝化反应同时存在，从而提高了处理效果。 1 3 2m b b r 反应器的工艺特点 m b b r 工艺拥有活性污泥法和生物膜法两者共同的优点，是一种高效的污 水处理工艺。活性污泥法主要依靠混合液中的悬浮微生物，生物膜法则主要依靠 附着在固定填料表面的微生物。m b b r 工艺充分发挥两者的优势，反应器中的 微生物既有由于曝气和水流的提升作用而悬浮生长的活性污泥，又有附着生长在 填料上的生物膜，这样就能克服了上述两种工艺的缺陷，扬长避短，相互补充。 m b b r 具有以下几个特点1 6 】： 曝气状态下填料处于完全流化状态，一方面填料对气泡有剪切、阻隔和吸 附作用，延长了气泡的停留时间，增加了生物膜与气、液层的接触面积，增强了 传质效率，提高了氧的利用率和污染物的去除效率。另外一方面，填料之间的相 互摩擦、碰撞促进了填料上老化生物膜的脱落和新的生物膜的形成，保证填料上 生物膜具有较高的活性； 悬浮填料表面的生物膜达到一定厚度后，外层生物膜以好氧为主，内层生 物膜以厌氧和兼性厌氧菌为主，悬浮填料的不同位置为微生物提供了不同的好氧 和厌氧生存环境，因此填料上附着生长的生物膜同时具有好氧和厌氧的双重代谢 机能，有助于脱氮除磷； 可充分利用反应池容积，悬浮填料在反应器内均匀分布，水头损失小，产 泥量少，不易堵塞，无需定期反冲洗，运行可靠，操作简单。 悬浮填料的比表面积很大，一般情况下可以达到2 0 0 5 0 0m 2 m 3 ，为生 移动床生物膜反应器短程硝化反硝化脱氮的研究 物膜和微生物的繁衍、增殖提供了良好的条件，微生物活性高且生物量大，提高 了反应器的容积负荷，缩短了反应时间。 m b b r 工艺结构简单，一般为长方体型或者圆柱体型，方便对现有传统 污水处理设施的改造。反应器的运行方式也比较灵活，可与其它工艺联用，也可 以单独运行，单独使用时可以是连续流运行或者间歇式，甚者可以改造为序批式 运行方式。 填料是m b b r 工艺技术的核心，填料的特性会影响到附着其上的生物膜的 生长状况，从而间接影响反应器的处理效果。为保证m b b r 反应器具有一定的 污水处理效果，悬浮填料必须具备以下特点和功能： 填料的比重略轻于水，一般为0 9 2 o 9 7 9 c m 3 ，挂膜完成后填料比重等 于或略大于水，有助于填料悬浮于水中，保证曝气时填料具有较好的流化状态。 填料的比表面积较大，可为微生物的附着生长提供更多的生存环境。 填料要耐磨、耐腐蚀，并且要具有较好的水力条件，即填料具要适合的物 理形状和良好的孔隙率，保证填料在反应器内不会造成水力短流，造成堵塞。 随着m b b r 工艺的不断改进和使用，越来越多不同形状、不同材质的填料 被开发出来。目前m b b r 反应器使用的填料大多数为聚乙烯或聚丙烯塑料材 质，形状一般为小圆柱体或者小的空心球体。 1 3 3m b b r 工艺去除污染物的原理 1 3 3 1m b b r 去除有机物 首先该工艺属于生物膜法，附着在填料上的生物膜是高度亲水的物质，生物 膜外侧存在着一层附着水层，污水与填料和生物膜流动接触，通过附着水层进行 物质传递和能量交换。生物膜又是微生物高度集中的物质，在膜的表面和一定深 度的内部生长繁殖着大量的各种类型的微生物和微型动物，并形成了有机污染 物一细菌一原生动物( 后生动物) 的食物链。生物膜生长到一定厚度后，在氧不 能透入的里侧深部转变为厌氧状态，形成厌氧膜。这样，生物膜便由好氧和厌氧 两层组成，有机物的降解主要在好氧层内进行。 在生物膜内外，生物膜与水层之间进行着多种物质的传递过程。在浓度梯度 的动力作用下，水中的溶解氧和有机污染物被流动水层带至附着水层，传递给生 物膜，微生物则通过分解代谢作用吸收有机物，污水逐步得到净化；微生物的代 谢产物如水等通过附着水层进入流动水层，并随其排走，厌氧代谢产物如c 0 2 、 h 2 s 、n h 3 和c h 4 等则从水层逸出进入空气。当厌氧膜逐渐加厚，逐渐增多的厌 氧代谢产物通过好氧膜时，会破坏好氧膜的稳定状态，生物膜处于老化状态，逐 渐脱落，接着会生成新的生物膜，重复上述循环过程，有机物在这个循环过程中 不断的被去除。 硕i ：学位论文 其次，该工艺具有活性污泥法的特点，混合液中存在活性污泥絮凝体，它是 由千万个细菌为主体结合形成的统称为“菌胶团 的团粒。活性污泥对有机物的 去除主要靠初期的强力吸附和后续的微生物代谢作用。活性污泥具有很强的生物 吸附能力，污水中的有机物与其短暂接触后即被吸附至絮凝体表面，微生物吸收 后通过分解代谢和合成代谢将其降解，生物膜和活性污泥絮凝体降解有机物的生 化机理基本保持一致【7 1 。 ( 1 ) 有机物的好氧去除 分解代谢的过程是将一部分有机物氧化分解，最终形成c 0 2 、h 2 0 和小分 子的无机物质，并从中获取合成新细胞物质所需要的能量： 111 c x h y o z + ( x + 言y 一言z ) 0 2 一x c 0 2 + 主y h 2 0 + h ( 1 1 ) 式中c 。h 、，o ，一一有机污染物 合成代谢的过程是利用另外一部分有机物和分解代谢过程中产生的能量合成 新的细胞，即为微生物的增殖过程： 11 n c 。h y o ：+ n ( x + y 一寺z 一5 ) 0 2 + n h 3 一 ( c 5 h 7 n 0 2 ) 。+ n ( x 一5 ) c 0 2 + 三( y 一4 ) h 2 0 一h ( 1 2 ) z 另外，营养物质缺乏时，微生物进入内源呼吸状态，微生物对自身的细胞物 质进行代谢反应