（环境科学与工程专业论文）流化床生物膜反应器处理高盐废水效能的研究.pdf

国内图书分类号： 学校代码：10213 国际图书分类号： 密级：公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 （同等学力人员） 流化床生物膜反应器处理高盐废水 效能的研究 硕 士 研 究 生 ： 迟明磊 导 师 ： 姚杰教授 申 请 学 位 ： 工学硕士 学科 ： 环境科学与工程 所 在 单 位 ： 哈尔滨工业大学 （威海） 答 辩 日 期 ： 2011 年 9 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 classified index: u.d.c: dissertation for the master degree in engineering the study of treatment performance of high-salinity wastewater in fluidized-bed biofilm reactor candidate： chi minglei supervisor： prof.yao jie academic degree applied for： master of engineering speciality： environmental science and engineering affiliation： harbin institute of technology（weihai） date of defence： september, 2011 degree-conferring-institution： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 i 摘摘 要要 高盐废水是水处理领域的难题之一，如果不进行妥善处理而排放，会给环 境带来严重污染。本课题针对某食品加工厂排放的海产品清洗水和泡菜腌渍水， 应用流化床生物膜反应器对高盐废水进行处理，对流化床生物膜反应器的启动 方式、最佳运行条件和抗冲击能力进行研究，为处理系统的升级改造和优化设 计提供参考。 该厂废水水量变化范围为 500-2000m3/d， cod 浓度变化范围为 50-800mg/l， 氨氮为 8-150 mg/l，盐度为 0.5-2.5g/l。启动实验在 20条件下，配置模拟污水 cod 进水 300 mg/l，氨氮 15 mg/l，盐度 2.5 g/l，采用同步驯化和两步驯化两 套方案进行挂膜启动。同步驯化方案的第十二天生物膜厚度达到 2mm， cod 去除率达到 90%左右，氨氮去除率达到70%左右；活性污泥在第十五天后cod 去除率保持稳定，达到 87%左右，氨氮去除率达到 65%左右。两步驯化方案的 生物膜在第二十四天 cod 去除率达到 74%，氨氮去除率达到 60%。 反应器最佳运行条件通过正交实验进行研究，在不考虑交互作用影响的情 况下，各因素对处理系统影响大小为：hrt盐度do填充率ph营养物浓 度，最佳运行参数为 hrt 10 h，盐度 10 g/l，do 为 2.5 mg/l，填充率 50%， ph 为 7，cod 浓度 500mg/l。考虑交互作用情况下，各因素影像处理效果的顺 序为：hrtph温度；最佳运行参数为 ph 为 7.0，温度 25，hrt 24 h。填 充率盐度碳氮磷比。填充率 40%，盐度 10g/l，碳氮磷比为 100:5:1。盐度 停留时间，最佳盐度 7.5mg/l 时，最佳停留时间 hrt 为 16h。 在研究反应器抗冲击能力试验中，将溶解氧浓度从 2mg/l 升到 4mg/l，在 相同溶解氧条件下生物膜法比活性污泥法 cod 去除率大约高 15%， 氨氮去除率 大约高 10%。温度在 10到 30范围内变化时，温度在 10，生物膜法 cod 去除率高 20%左右，温度在 15，cod 去除率高 15%左右，温度在 20，cod 去除率高 5%左右，20以上相差不大。停留时间从 2h 变化 24h 过程中。停留 时间小于 10h 生物膜法比活性污泥法高 20%左右；氨氮去除率相差 15-20%。进 水从 cod 100mg/l，氨氮 20mg/l 上升到 cod 800mg/l，氨氮 160mg/l 时，生 物膜法处理效果好，波动小，cod 去除率比活性污泥法高 15%左右，氨氮去除 率高 15-20%。盐度在 5g/l 到 30g/l 范围内变法，生物膜法的 cod 去除率和氨 氮去除率比活性污泥法高 5-10%。 关键词：流化床反应器；含盐废水；挂膜与驯化；生物膜 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ii abstract the treatment of high-salt wastewater is difficult. emissions of high-salt wastewater without properly handled would bring many environmental pollution. in this study, wastewater from a food plant for cleaning seafood and discharge of kimchi water is handled by fluidized-bed biofilm reactor. the study scheme contains start program, the best operating conditions and impact resistance. it is all for improving treatment system and optimize the design . the influent flux of plant wastewater ranges from 500 t/d to 2000 t/d. the concentration of cod ranged from 50 mg/l to 800 mg/l. the concentration of ammonia is between 8 mg/l and 150mg/l. the salinity vary from 0.5 g/l to 2.5 g/l. experiments of artificial sewage influx with cod 300mg/l, ammonia 15mg/l, salt 2.5 g/l are operated under 20 . this paper studied two ways of start-up biofilm reactor . one is start-up and domestication at the same time. the other is domestication after start-up. the biofilm of simultaneous program was matured after 12 days. the cod removal percentage could reach about 90% eventually. the removal percentage of ammonia can reach 70%. the removal percentage of activated sludge can reach 87% in the end. the removal rate of ammonia stabilized at 65% afer 15 days. the biofilm of two-step scheme was matured after 19 days. the cod removal percentage could reach about 74% eventually. the removal percentage of ammonia can reach 60%. by orthogonal experiments without interaction, effect of various factors affecting the treatment system is: hrtsalinitydofilling proportionphcod concentrations. the best operating parameters is：hrt of 10h, salinity of 10g/l, do of 2.5mg/l, filling proportion of 50%, ph of 7, cod concentration of 500 mg/l. considering the case of interaction, the effect of various factors is: hrt ph temperature; the optimal operating parameters is ph of 7.0, temperature of 25 , hrt of 24h. salinity filling proportion nutrition ratio. filling proportion of 40%, salinity of 10g/l, carbon: nitrogen:phosphorus ratio is 100:5:1. salinity residence time, the optimal salinity is 7.5mg/l, the optimal hrt is 16h. when dissolved oxygen concentration rises from 2mg/l to 4mg/l, biofilm is 15% higher than activated sludge in cod removal efficiency, 10% higher in ammonia removal efficiency. when temperature varys from 10 to 30 , cod removal efficiency with biofilm is about 20% higher at 10 , about 15% at 15 , about 5% at 20. when residence time changes from 2 hour to 24 hour, cod removal efficiency of biofilm is about 20% higher than activated sludge; ammonia 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iii removal efficiency is 15-20% higher. when influx of cod 100 mg/l, ammonia 20 mg/l rises to cod 800mg/l, ammonia 160mg/l, cod removal percentage is about 15% higher than the activated sludge, ammonia removal efficiency is 15-20% higher. when salinity impact varis from 5g/l to 30g/l, cod and ammonia removal percentage of biofilm is 5-10%, higher than the activated sludge. keywords: fluidized bed reactor, salinity wastewater, suspended filler, biofilm and acclimation, biofilm 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iv 目 录 摘 要 . i abstract .ii 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 高盐废水研究现状 . 2 1.3 流化床生物膜反应器原理. 7 1.4 课题研究的目的、意义和内容 . 8 第 2 章 实验材料和方法 . 10 2.1 实验仪器和试剂 . 10 2.2 实验装置. 13 2.3 实验方法. 14 第 3 章 流化床生物膜反应器的启动 . 16 3.1 流化床生物膜反应器的挂膜与启动 . 16 3.2 流化床生物膜反应器运行效果比较 . 18 3.3 本章小结. 30 第 4 章 流化床生物膜反应器运行工艺参数的优化 . 31 4.1 流化床生物膜反应器运行工艺参数的优化. 31 4.2 ph、温度、hrt 运行参数优化 . 33 4.3 填料填充量、盐度、营养成分运行参数优化 . 34 4.4 hrt 和盐度运行参数优化. 35 4.5 本章小结. 36 第 5 章 流化床生物膜反应器处理性能研究 . 37 5.1 流化床生物膜反应器对含盐废水中有机物降解规律的研究. 37 5.2 降解动力学. 54 5.3 本章小结. 57 结 论 . 58 参考文献 . 59 攻读学位期间发表的学术论文及其他成果 . 64 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 . 65 致谢 . 66 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 v 简历 . 67 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 第 1 章 绪 论 1.1 引言 水是生命体的基本组成部分，是生命发生、发展和繁殖演化的基本条件；是 人类社会生产、生活的物质基础，是人类生存的不可替代的重要资源。水资源是 指可供人类利用或可能被利用，具有足够数量和可用量，而且能够不断更新的天 然淡水。因此，水资源又并不完全等同于水。水资源按照来源可以分为地表水资 源和地下水资源两大类1。 1.1.1 全球水资源现状 水是构成生命的基本单位，在维系生命和健康方面，有着无可替代的重要作 用。地球拥有丰富的水资源，地球表面超过三分之二被水覆盖，但是 98%的水都 是不能直接饮用的海水，淡水资源总量仅占地球总水量的 2%，而这 2%的淡水当 中，有 88%储存在两极的冰盖以及雪线以上的高山冰川当中，剩下的 12%广泛分 布于地表和地下，而人类仅能开采利用地表水和部分浅层地下水，这部分占地球 淡水总量不到 1%2。 虽然地球的水循环受蒸发和大气环流的影响，始终处于运动当中，但是时空 分布非常不均匀，总的分布情况是赤道地区多，两极地区少；大约 65%的水资源 集中在 10 个国家里，而供养世界总人口 40%的 80 个国家却严重缺水。由于环境 污染和人口增长，水资源的供给越来越不能满足日益增长的社会经济发展的需 要，联合国千年宣言预测，到 2015 年全世界有一半的人口无法获得安全的饮用 水，到 2025 年，全球将有 40 亿人面临水资源匮乏的压力3，水资源匮乏的问题 已经引起了世界各国政府的普遍重视，许多国家已经开始加快在水资源再生利用 和新水源开发方面的研究。 1.1.2 我国水资源现状 我国是水资源大国，水资源数量排在世界第四位，拥有全球水资源总量百分 之六的水资源，从绝对数量上来看是比较丰富的，总量大约两万八千亿立方米， 但是由于我国是世界第一的人口大国，人均占有量仅有两千一百立方米左右，人 均占有量还达不到世界平均水平的四分之一。我国水资源时空分布不均衡，总体 分布情况是东多西少，人均占有情况是东缺西多；我国有三分之一以上的河流受 到污染，90%以上城市水域污染严重，而且我们国家目前经济高速发展，人口膨 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 胀，工农业用水量不断增加，水环境保护压力越来越大4-6。 1.2 高盐废水研究现状 1.2.1 含盐废水的来源 含盐废水按照含盐量的多少可以分成高、中、低三类：低含盐废水是指含水 中含有溶解性固体无机盐类的质量浓度小于 0.5%的废水； 中含盐废水一般是指含 无机盐大于 0.5%而小于 3.5的废水；高含盐废水是指含溶解性固体质量浓度大 于等于 3.5%的废水。 含盐废水的来源广泛，按照来源可以分为含盐生活污水和含盐工业废水两大 类。含盐生活污水的主要来源是海水代用产生的污水。例如在城市生活中，海水 可以替代淡水作为冲厕水。目前香港海水冲厕的普及率高达 70以上，未来计划 普及率提高到 100，将成为世界上第一个以海水作为冲厕水的城市。我国的青 岛、天津、大连、烟台等城市也开展海水冲厕的实践。随着水资源的短缺，海水 代用的规模必然会会越来越大。海水代用产生的污水除了含有不同浓度的有机污 染物外，最主要的特点是含有大量的无机盐，例如氯离子、硫酸根例子、钠离子、 钙离子等离子。这些盐分会给污水处理系统带来很大的影响，盐度过高会影响微 生物新陈代谢，降低处理系统的处理效果7。 含盐工业废水的来源主要是工业生产过程中产生的，如印染厂印刷、漂染， 造纸厂造纸漂白，石油化工的采油、冷却过程以及农药生产和食品加工等工序， 会在生产过程中产生含有一定盐度的有机废水。 另外，远洋船舶的压舱水，废水最小化生产中产生的盐水，大型船舰上的生 活污水也都是含盐水，如果不进行妥善处理，很容易造成环境污染。 含盐废水来源广泛，不同的盐度对处理系统的产生的影响也不同，因此，研 究不同盐度下，影响微生物处理效率的因素和原理对指导含盐废水的处理具有指 导意义8。 1.2.2 含盐废水的危害 含盐废水的危害远远大于普通污水。含盐水随着淡水的蒸发会造成流经土地 盐碱化，可导致农作物歉收甚至绝收，对生态环境危害很大；渗入地下后能污染 地下水，造成人畜饮水困难，如果长期饮用高含盐水，能够诱发许多种疾病如高 血压、心脏病、肾脏疾病等；水中的溶解的盐会对道路、桥梁和排水管网造成强 烈的腐蚀，导致使用寿命缩短。例如冬季在道路上播撒钠盐融雪剂的公路，与没 有经过融雪剂处理的道路，其使用寿命可减少 50 %以上9。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 含盐废水对水中微生物的影响很大：(1) 盐度影响微生物细胞内外的渗透 压。高渗透压导致细胞胞浆分离，从而影响微生物的生长，严重时甚至导致微生 物死亡10。(2)盐度影响污泥菌群结构。高盐情况下，细菌种类减少，优势菌种主 要为假单胞菌11，作为污泥骨架的丝状菌消失，污泥结构变得松散12。(3)盐度 影响原生动物正常存活。 原生动物对于延长生物链， 提高出水水质有重要作用13。 (4)盐度能增加水的密度，影响污泥沉降性能14。 因此，含盐废水处理宏观上来看主要面临以下问题：(1)盐离子浓度变化干扰 系统处理性能。盐度 5g/l 以下时，增加盐度有利于微生物的生长，超过质量浓 度 5g/l 时，盐度越高处理系统的效率越低15。(2)盐度影响微生物代谢酶类的活 性，高盐度使微生物好氧量增加，有机物降解速率下降16 。(3)氯离子浓度对微 生物有毒性17 。(4)微生物适应能力有限，盐度大于 5%时很难驯化18。 根据盐度对微生物的影响，可以采取以下措施提高微生物处理效果：(1)驯化 微生物19。通过驯化使微生物适应高盐环境，抵抗盐度的影响(2)保持盐度稳定， 防止盐度冲击。盐度降低过程比盐度升高过程对微生物影响更大，突然的盐度变 化会造成细胞组织释放而导致 cod 升高20。 (3)接种嗜盐菌。 嗜盐菌耐盐能力高， 微生物驯化很难适应 50g/l 以上的盐度，需要接种嗜盐菌处理污水21 。(4)添加 拮抗剂。微生物会高效摄入某些离子对钠离子产生拮抗作用，比如许多嗜盐菌通 过在细胞内累积大量钾离子的策略来抵抗高浓度的钠离子22。 (5)优化工艺。 微生 物在含盐废水中去除效率低，好氧速率高23，因此可以采用低有机负荷，高溶解 氧的运行方式24； 附着生长的生物膜法比悬浮生长的活性污泥法处理含盐水的效 果好25；sbr 间歇工艺比连续工艺处理效果好26。 1.2.3 高盐度废水处理方法 水中的盐分能对微生物体内的各种代谢酶类产生影响，而且还影响微生物细 胞内外的渗透压，所以含盐废水比普通污水处理起来要困难，高含盐废水会严重 影响微生物的生长，并抑制微生物对水中污染物的分解利用。目前对高盐水处理 常采用的处理方法有生物法和物理化学法两大类。 1.生物法 生物法是通过对微生物进行驯化，或直接接种能耐受高含盐量的嗜盐菌处理 含盐废水。经过驯化的微生物或嗜盐菌能够适应特殊的生活环境，能耐受高盐的 生活环境， 高效降解水中有机物。 生物法分为悬浮生长法和附着生长法两大类27。 生物法与物化法相比，具有经济、高效、二次污染少的特点，因此被广泛应用于 各种废水的处理。目前国内外利用生物法处理高盐有机废水的研究很多，通常集 中在在转盘式好氧反应器、生物接触氧化法、序批式生物反应器（sbr）工艺等 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4 方面。 1）转盘式好氧反应器处理含盐废水 生物转盘属于附着生长法，它是以盘片作为微生物附着生长的载体，盘片一 部分浸于水，一部分暴露在空气中，通过盘片的旋转，使盘片上得微生物分别与 污染物和空气接触，来达到降解处理污染物的目的。生物转盘有许多优点，由于 微生物和水中的污染物接触时间长，处理效果比较好，抗负荷冲击能力比较强； 没有曝气装置，不容易发生堵塞；没有污泥膨胀等现象，脱落的生物膜易沉淀、 管理方便、运转费用低。这些特点使其在废水处理中得到广泛的应用与发展。对 于生物转盘处理高含盐废水方面的应用，国外学者 a.r. dincer 和 f kargi28作了 相关的研究，并取得了成效。 2）接触氧化法 生物接触氧化法又称淹没式生物滤池，是将填料全部浸没在污水中，利用机 械装置向水中充氧，生物膜大部分固着生长在填料上的工艺。由于吸附作用，生 物膜表面上附着一层滞流液膜层，空气中的氧气通过滞流层进入生物膜，在好氧 环境中，污水层内有机物不断迁移扩散到生物膜内，被其中微生物吸收、氧化、 分解。 接触氧化工艺有较强的抗毒性和冲击负荷的能力，反应器体积虽然小，却可 以维持较高的污泥龄，因此处理水的出水水质好，水力停留时间也大大缩短29。 赵慎晃30等通过逐步提高有机负荷和盐浓度的方法， 驯化出处理高盐废水的微生 物，采用 a-b 两段生物接触氧化法处理 cl-浓度 10000 mg/l 的废水，a 段生物接 触氧化的容积负荷能达到 3.0kgcod/（m3d） ，b 段生物接触氧化的容积负荷可 达 1.2 kgcod/（m3d） ，两段接触氧化法抗负荷冲击能力强，能耐受高盐度、无 污泥膨胀，对 cod 去除率达到 80%，对氨氮的去除率达到 75%。张明生31等采 用生物接触氧化工艺处理高含酸盐废水当进水硫代硫酸钠的浓度在 60014000 mg/l 时，出水 cod 浓度小于 500 mg/l，cod 去除率 92%95%。而且当生物接 触氧化系统受到冲击时，恢复速度快，一般 35 个周期后即可恢复正常。 吕宝一32研究了两段 a/o 接触氧化法对高盐废水的处理效果。结果表明， 经 过驯化培养后，系统完全能够适应在高盐条件下对 cod 和氨氮的降解。cod 最 终去除率可以达到 96%，氨氮的去除率达到了 87.5%，对总氮的去除率达到 59.4%，并且系统抗盐度冲击和有机负荷冲击的能力强。填料上的微生物数量大， 种类多，生物膜中异养菌数量达到 109 cfu/g干重填料，硝化菌和反硝化菌数量 达到 107 cfu/g 干重填料，在显微镜下可以看到生物膜结构紧凑，原生动物和后 生动物丰富。 3）传统活性污泥法 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 5 盐度对活性污泥法的影响比对生物膜法处理的影响大。因此，使用活性污泥 法处理含盐废水首先要驯化培养出具有良好适应性的耐盐微生物。 汪善全33等采用序批式摇床反应器在高含盐废水中接种污泥培养好氧颗粒. 结果表明，当废水盐度小于 10 g/l nacl，以葡萄糖做碳源时，toc 处理效率达 到 70.3%97.6%。当进水盐度达到 35 g/l nacl，处理难降解维生素废水时，活性 污泥处理该含盐废水 toc 去除率的与处理淡水相近，达到 70%.这表明好氧颗粒 污泥能够有效处理高含盐废水并且具有很好的抗盐度冲击能力.实验得到的好氧 颗粒污泥粒径为 0.53 mm，沉降速度大大高于淡水对照组的污泥沉降速度.而且 与淡水对照组相比，含盐废水的污泥产率更低、污泥活性更高、颗粒稳定性更好. 另外在相同运行条件下，接种好氧絮状污泥反应器 toc 去除效果优于接种厌氧 的颗粒污泥反应器，但接种厌氧颗粒污泥的反应器具有更强的抗盐度冲击能力。 4）sbr 间歇反应器有较强的抗冲击负荷能力，比连续流反应器有更好的处理效果。 schwarzenbeck n34使用序批式反应器处理食品加工厂废水，实验结果表明，含 盐质量分数为 1%3%的加工废水经过 10h 处理后，cod 的去除率为 95%左右。 svi 为 100mg/l 左右，ss 为 15-20mg/l。moon b h35利用序批式反应器研究海 产品加工废水脱氮的处理。在 ph 值为 7.5 和 9 时，逐步将氨氮的质量浓度从 50mg/l 至 120mg/l，同时 tds 从 1%增加到 5%。实验结果表明，在 ph 值等于 7.5，氨氮质量浓度为 82mg/l，tds 为 5%的条件下，污泥经过驯化能够脱氮。 5）a2/o 工艺 a2/o 工艺有脱氮除磷功能，废水经过厌氧水解释磷、缺氧反硝化脱氮、好氧 氧化和硝化三个过程，高含盐量的生活废水和工业废水必然会对系统产生影响。 thongchai p36采用 a2/o 工艺处理含盐废水，cod、氨氮、总磷的质量浓度分别 为 500mg/l、25mg/l、15mg/l。当 nacl 质量浓度从 0 提高 30g/l 时，未驯化污 泥的 cod 去除率开始时的 97%下降到 60%，驯化的污泥 cod 去除率由开始时 的 90%下降到 71%。总磷的去除率随着盐度的提高从 48%降到 10%。 总氮去除率 减少较小，最终得出硝化细菌比异养菌更能适应高盐环境，而且反硝化菌比硝化 菌更强耐盐性的结论。 综上所述，不同的处理工艺，对盐度的敏感程度不同，有些工艺增加盐度能 使微生物沉降性更好，另一些则相反。高盐度一般会对微生物的正常代谢产生不 利影响，影响的程度取决于盐度的大小、微生物驯化情况和处理工艺等因素。在 其他条件相同的情况下，间歇反应器比连续运行反应器对高盐环境耐受力更强， 附着生长比悬浮生长耐受能力强，驯化后的微生物比未驯化对盐的耐受力会更 高，嗜盐菌比驯化细菌对盐的耐受能力更强。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 6 2 物理化学法 1) 电化学法 根据氧化剂的不同，电化学法处理有机污染物可分为两大类，第一类是直接 电氧化法，它是利用通电电极表面产生羟基自由基来处理污水；第二类以生成的 氧化剂来处理污水。高盐有机废水，由于含有大量的无机盐，因此都具有良好的 导电性，采用电化学方法处理是一个不错的选择。 在高盐度条件下，废水电导率高，这为电化学法处理高盐度有机废水方面提 供了应用空间。王宏37 等应用电解凝絮法，实现了对高盐有机废水中有机物的 有效去除，在进水氯离子的质量浓度达到 1.23105mg/l 时，codcr去除率达到 94% ，bod5 去除率达到 90 %以上，并且电解凝絮法处理设备简单，因为没有 微生物参与所以不怕冲击，操作也相对容易，处理过程不需要投加化学药剂，管 理方便。黄瑾38采用电化学微电解法处理高盐有机废水的过程中中，反应初始 ph 值为 4-7、铁碳质量比为 1、过氧化氢加入量为 0.1%，曝气一小时后，cod 去除率为 57.6%，盐去除率为 47.0%；处理后废水的 bod5/cod 达到 0.65，生化 性显著提高。cod 去除符合一级动力学规律。刘占孟39采用电化学法处理染料 高盐废水，电流密度为 0.015a/cm2，槽电压为 8.4v，电解 90min，cod 去除率 为 65%，色度的去除率为 70%。徐龙君40采用铸铁阳极电解絮凝法对老龄垃圾渗 滤液进行了处理，通过正交实验和单因素实验表明，当电流密度为 50 ma/cm2、 ph 值为 9、极板间距为 2 cm、电解 75 min 后，cod 和 nh3-n 的去除率分别达 到 70.34%和 90.01%。电化学处理过程主要依靠电解中产生的游离氯和铁离子对 有机物进行降解，水中的电解质数量的提高能有效提高溶液的电导率，增强电化 学法的处理效果。 2) 反渗透法 反渗透法是指有外部提供压力，通过半透膜提取溶液中溶剂的过程。反渗透 法淡化处理含盐水的技术已相当成熟。lefebvre o41等采用反渗透法处理化工厂 的废水，废水排放量为 450m3/h，氯离子的质量浓度为 13000mg/l，经过反渗透 处理后，氯离子质量浓度下降到 4000mg/l，反渗透法是世界上淡化处理含盐水 最有效的技术之一，由于反渗透膜膜孔非常小，当给水浓度较高时，膜孔容易堵 塞，反渗透系统需要更高的操作压力，而且反冲洗的次数也会升高，因此反渗透 法处理的能量消耗比较大。 3) 蒸馏法 膜蒸馏技术是膜技术与蒸发过程相结合的膜分离过程，它以膜两侧蒸汽温度 差为传质动力，是热量和质量同时传递的过程，膜孔内是分子扩散和努森过程的 综合结果。 油田采油废水排放温度很高， 如华北油田废水排放温度高达 60以上， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 7 而膜蒸馏操作温度热侧水溶液在四五十度， 即可操作42-43， 操作时不需额外加热， 因此， 膜蒸馏技术在节能上更具优势。 刘东44采用反渗透法处理石化企业废水后， 浓相废水采用减压膜蒸馏处理。研究了膜蒸馏浓缩过程中膜通量和浓相水质的变 化规律。结果表明，在真空度 0.095mpa，原水温度 70，流速 0.66m/s-1的条件 下， 膜通量达 25.83kg/(m 2h)， 将其浓缩至 20 倍时通量仍保持在 11.7kg/(m2h)， 产水电导保持在 4 s/cm 以下。微溶无机盐的沉积是造成减压膜蒸馏过程通量降 低的主要原因。马静颖45等研究减压膜蒸馏技术处理油田高含盐废水，膜通量随 着膜内真空度的增加，先是略有提高，当真空度超过某一临界值后，膜通量则急 速升高；膜通量随着废水含盐量增加而减小。 4) 焚烧法 某些有机物的沸点很高，对于含有大量高沸点有机物的废水，单独通过蒸发 预处理的办法不能实现有机物和无机盐的完全分离，因此焚烧技术已经越来越多 地使用于高浓度有机废水的处理。ma j y46等采用萃取技术对蒸发残液进行预处 理，使有机物和无机盐分离，然后再将脱盐后的有机物再进行焚烧。 综上，无论是蒸馏法和焚烧法，还是渗透法和反渗透法，都存在能耗大，处 理成本高的缺点， 因此， 如果没有特殊要求， 一般采用生物法处理高盐有机废水， 而流化床生物膜反应器兼有兼有生物法处理成本低和固着生长处理效率高的优 点，因此流化床生物膜反应器处理高盐废水具有很好的效果和优势。 1.3 流化床生物膜反应器原理 由于微生物在固着生长条件下比悬浮生长处理效果好，间歇运行比连续运行 处理效率高，高盐废水比较难处理，综合考虑以上三方面因素，选择占地面积小、 处理效率高的流化床生物膜反应器。 流化床生物膜反应器是综合了传统活性污泥法和生物膜法的优点的一种新型 反应器，它传统的生物接触氧化法有很大区别，主要特点如下47-48： 1. 运行时进水水流和曝气气流在反应器内错流运动，增大了气水接触面积， 而且池内设置导流板，填料在反应器内部循环流动，极大的提高了氧利用率。 2. 反应器内流化运动的填料相互碰撞摩擦，促进了生物膜的更新，克服了传 统生物接触氧化池在运行一段时间后，由于生物膜过厚造成脱落，并阶段性出现 出水水质变差的缺点，这种流态化的方式非常有利于水体中污染物在生物膜上的 传质，有利于提高处理效率。 3. 根据填料不同，流化床生物膜工艺可以组合出多种处理功能，除对有机污 染外还可对氨氮、硝态氮等进行处理。 4. 处理效率高和结构紧凑，处理设备的占地面积仅为传统设备占地面积的二 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 8 分之一到四分之一。 刘黎慧等49通过对移动床生物膜反应器(mbbr)处理模拟城市生活污水的研 究，建立了 mbbr 系统的基质降解模型。实验结果表明:当进水 codcr质量浓度在 150500 mg/l、水力停留时间为 4 h时，codcr的去除率在 87%以上。徐云侠50 研究了 mbbr 工艺的有机物去除能力及脱氮性能，结果表明： 进水 cod 浓度分 别为 1000 mg/l、氨氮浓度 25 mg/l 时，发现 hrt 为 8 h 时，mbbr 处理生活污 水的 cod去除率分别为92； tn 去除率分别为94。 进水cod浓度为500 mg/l 时，mbbr 工艺 cod 去除率达到 95。进水 cod 浓度在 2001000 mg/l 的范 围内，mbbr 的氨氮去除率不受进水浓度影响，稳定在 97左右。曹艳晓等51研 究水解酸化-ambbr-好氧工艺。ambbr 采用好氧启动，微充氧方式运行，挂膜 时间短，膜更新速度快；工艺稳定后，cod 的去除率可达到 80%，氨氮的去除率 达到 70%以上；出水 tn 平均浓度低于 20 mg/l；运行的 3 周内，系统没有外排污 泥。 在流化床生物膜反应器内使用的填料由高分子与无机物复合材料构成，在高 污染或厌氧环境下，微生物在载体表面富积，能形成高效的微生物薄膜，这种载 体有着如下特点52-57： (1) 比表面积大，是一般传统填料的 2 到 3 倍左右。 (2) 耐化学腐蚀和耐磨。 (3) 密度 0.97-0.99g/ml，在通气时充分流化，无供气时自漂浮。 (4) 一次加料，无需更换，极大降低运行维护费用。 综上所述流化床生物膜反应器是传统的活性污泥法和生物膜法工艺的结合， 它既没有传统生物膜法生物量分布不均匀，需要按时反冲洗的缺点，又没有活性 污泥法的容易发生污泥膨胀，低温时处理效果不好的不足。流化床生物膜反应器 可提供较大的微生物附着空间，提供繁殖硝化和反硝化微生物的场所，微生物保 有量大，抗冲击能力强；能有效提高氧气转移率，污泥龄长，剩余污泥产生量少， 可缩短处理时间和提高处理效率。 1.4 课题研究的目的、意义和内容 1.4.1 研究的目的及意义 高盐废水是一种难处理废水，由于水中含有大量的盐分，抑制了微生物对有 机物的降解，如果不进行妥善处理，将会引发赤潮等不利环境影响。沿海地区许 多食品加工厂通常采用海水对鱼虾等海产品进行冲洗，这些含有大量污染物的高 含盐废水通常存在水质和水量波动幅度大等特点，目前还没有还没有成熟的处理 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 9 手段和缺乏高效稳定的处理工艺，而且现阶段对含盐废水的研究主要集中在不同 盐度对有机物降解和脱氮除磷的影响方面，对短期内盐度冲击和有机负荷冲击等 方面的研究较少，因此亟需一整套能够适应盐度、有机负荷冲击的高盐废水稳定 处理工艺。 本课题针对威海某食品加工厂含盐废水水质水量波动大的特点，根据生物膜 可以使微生物固着生长，流态化间歇运行能够高效处理污水的原理，应用流化床 生物膜反应器对含盐废水处理的最佳运行条件和抗冲击能力进行研究，为今后研 究抗冲击能力强的高效处理工艺以及优化反应器设计方面提供参考。 1.4.2 研究内容 本实验通过人工配置模拟食品加工厂的含盐废水，与活性污泥法对比，对流化 床生物膜反应器的降解性能进行研究： 1. 流化床生物膜反应器的挂膜启动研究 分别采用同步驯化和两步驯化的两种方案进行挂膜启动，以生物膜厚度超过 2mm 作为启动标志， 在挂膜成功后再通过与传统活性污泥法在 cod 去除率、 氨氮 去除率方面进行比较，得出最佳挂膜启动方式。 2. 流化床生物膜反应器处理效果影响因素的研究 通过正交实验考察 ph 值、盐度、溶解氧、填充率、停留时间、有机物浓度对 流化床反应器的影响，得到最佳运行工艺条件。 3. 考察溶解氧、温度、盐度、填充率、cod 负荷冲击、盐度冲击、停留时间变 化对流化床生物膜反应器处理效果的影响，为流化床反应器的日常运行提供参考。 4. 流化床生物膜反应器降解动力学的研究 通过流化床生物膜反应器对降解动力学的计算和实验，获得降解过程反应速率 常数，