（环境工程专业论文）好氧颗粒污泥的培养及其膜生物反应器的运行特性研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 膜生物反应器是一种将高效膜分离技术和传统活性污泥法相结合的新 型水处理工艺，但膜污染问题始终困扰其发展。好氧活性污泥不仅具有同步 脱氮除磷功能，其各项污泥性状也均优于传统活性污泥。可以将两者结合起 来处理污水，减轻膜污染。本论文中比较研究了s b a r ( s e q u e n c i n gb a t c h a i r l i f tr e a c t o r ) 和s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 中好氧颗粒污泥的培养 和运行过程，考察了好氧颗粒污泥膜生物反应器( a g m b r ) 去除污染物的 能力，反应器中颗粒污泥性状的变化和膜污染特征等。具体研究结果如下： ( 1 ) 以一般活性污泥为接种污泥，采用人工配制的模拟生活污水，经 过1 0 0 d 左右运行，分别在s b a r 和s b r 中成功培养出了成熟的好氧颗粒污 泥。两反应器中颗粒污泥都具有稳定的基本形态结构，其微生物主要由杆菌 和球菌组成，对c o d 。，和氨氮的去除效果也分别达到了9 3 和9 9 以上。其 中s b a r 反应器中好氧颗粒污泥的粒径、s v i 、比重、s o u r 、t n 和t p 的 去除率分别为0 4 5 - 2 0 m m 、1 9 9 7 m l g 、1 0 3 2 4 、4 7 6 8 9 0 2 k g m l s s h 、8 2 和6 5 ；s b r 反应器中污泥的粒径、比重、s v i 、s o u r 、t n 和t p 的去除 率为0 18 1 0 r a m 、2 9 1 2 m l g 、1 0 3 0 3 、4 3 2 1 9 0 2 k g m l s s h 、5 8 和5 0 左右。比较而言，s b a r 更利于好氧颗粒污泥的培养和运行。 ( 2 ) a g m b r 运行7 5 天，其c o d 。，、氨氮和总氮去除率分别为9 1 9 5 、8 9 5 7 - 1 0 0 和4 8 2 5 9 0 8 4 ，运行中颗粒污泥出现一定程度地解体。 还分别考察了反应器运行中污泥沉降性能、胞外聚合物( e p s ) 的变化特征。 结合反应器中污泥混合液比阻的变化对膜污染情况进行讨论，a g m b r 中泥 饼层阻力为5 3 2 x 1 0 1 1 1 1 1 ，占到总阻力的6 7 4 2 。通过对膜污染物质进行红 外光谱分析，发现膜污染的主要物质为蛋白质和糖类物质。 关键词：好氧颗粒污泥培养驯化好氧颗粒污泥膜生物反应器 运行特性 a bs t r a c t t h em e m b r a n eb i o r e a c t o ri san e wt y p et e c h n i q u eo fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t w i t ht h ec o m b i n a t i o no fh i g h l ye f f e c t i v em e m b r a n es e p a r a t i o na n dt r a d i t i o n a l a c t i v a t e d s l u d g ep r o c e s s h o w e v e r , m e m b r a n ef o u l i n ga l w a y sh i n d e r si t s d e v e l o p m e n t t h et e c h n i q u eo fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g en o to n l yp o s s e s st h e f u n c t i o no fs i m u l t a n e o u sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ，b u ta l s oi t s e v e r y p e r f o r m a n c ea n ds t a t ei sp r i o rt ot r a d i t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s s ow ec a n t r e a ts e w a g ea n dr e d u c em e m b r a n ef o u l i n gt h r o u g hb e i n gc o m b i n e dm e m b r a n e b i o r e a c t o rw i t ha e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e f i r s t l y , i nt h i sp a p e rt h ec u l t u r ea n d o p e r a t i o np r o c e s so fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew a sc o m p a r e di ns e q u e n c i n gb a t c h a i r l i f tr e a c t o ra n ds e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r s e c o n d l y , t h e a b i l i t yo fp o l l u t a n t r e m o v a lw i t ht h ev a r i e t yo f p e r f o r m a n c ea n d s t a t eo fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ea n d c h a r a c t e r i s t i c so fm e m b r a n ef o u l i n gw e r e i n v e s t i g a t e d i na e r o b i cg r a n u l a r s l u d g em e m b r a n eb i o r e a c t o r t h es p e c i f i cs t u d yr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es u c c e s s f u lc u l t u r eo fm a t u r ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e si ns e q u e n c i n g b a t c ha i r l i f t r e a c t o r ( s b a r ) a n ds e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o r ( s b r ) w e r e p e r f o r m e du s i n gas y n t h e t i cd o m e s t i cw a s t e w a t e ra n dc o n v e n t i o n a lf l o c c u l e n t a c t i v a t e ds l u d g ea ss e e d i n gs l u d g e i nt w ot y p e so fr e a c t o r s ，a e r o b i cg r a n u l e s c a nm a i n t a i nt h es t a b l em o r p h o l o g i cc h a r a c t e r i s t i c ；a n dac l o s ee x a m i n a t i o no f t h eg r a n u l es u r f a c er e v e a l e dt h ep r e s e n c eo fal a r g ed i v e r s i t yo fm i c r o b i a l m o r p h o t y p e s ，i n c l u d i n gb a c t e r i a lr o d sa n dc o c c i i nb o t hr e a c t o r st h ec o d c ra n d n h 4 1 。一nr e m o v a le f f i c i e n c i e sr e s p e c t i v e l yw e r eu pt o9 3 a n da b o v e9 8 t h e s i z ed i s t r i b u t i o n 、s v ia n ds o u ro ft h ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ea n dt h er e m o v a l r a t eo ft na n dt pi ns b a rw e r eo 4 5 2 0 m m 、1 9 9 7 m l g 、4 7 6 8 9 0 2 k g m l s s h 、8 2 a n d6 5 ，r e s p e c t i v e l y b u ti ns b rt h o s ew e r eo n l y 0 1 8 1 0m m 、2 9 1 2m u g 、4 3 2 19 0 2 k g m l s s h 、5 8 a n d5 0 o rs o i n c o m p a r i s o n ，s b a ri sm o r ec o n d u c i v et ot h ec u l t u r eo fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e a n dr u n n i n g ( 2 ) t h ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g em e m b r a n eb i o r e a c t o rw o r k e d7 5d a y s i n t h i so p e r a t i o n ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yf o rc o d c r 、n h 4 + - na n dt nw a s91 9 5 、8 9 5 7 10 0 a n d4 8 2 5 9 0 8 4 ，r e s p e c t i v e l y t h eg r a n u l a r s l u d g e a p p e a r e dd i s i n t e g r a t i o n t os o m e e x t e n t t h e n ，t h es l u d g ed e p o s i t i o n p e r f o r m a n c e s a n dt h ev a r i o u sc h a r a c t e r i s t i c so fe x t r a c e l l u l a r p o l y m e r i c s u b s t a n c e sw e r ei n v e s t i g a t e di nt h eo p e r a t i o no fr e a c t o r l a s t l y , t h es i t u a t i o n so f m e m b r a n ef o u l i n gw e r ed i s c u s s e di nc o m b i n a t i o nw i t hs p e c i f i cr e s i s t a n c eo f m i x t u r es o l u t i o ni na e r o b i cg r a n u l a rs l u d g em e m b r a n eb i o l o g i c a lr e a c t o lt h e c a k el a y e rr e s i s t a n c ew a s5 3 2 x10 1 m ，a c c o u n t t i n g f o r6 7 4 2 o ft o t a l r e s i s t a h o ei na e r o b i cg r a n u l a rs l u d g em e m b r a n eb i o l o g i c a lr e a c t o r t r o u g ht h e a n a l y s i so f i n f r a r e ds p e c t r u mf o rm e m b r a n ef o u l i n gm a t t e r sf o u n dt h a tt h em a i n f o u l i n gm a t t e r sa r ep r o t e i n sa n dc a r b o h y d r a t em a t e r i a l sf o r m e m b r a n e k e yw o rds ：a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ；c u l t u r ea n da c c l i m a t i o n ；a e r o b i c g r a n u l a rs l u d g em e m b r a n eb i o r e a c t o r ；o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 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，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构 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。 鳓髻。、漏 慨 6 j 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：墨。、a 1 面导师签名：嗍：如、胁 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1好氧颗粒污泥技术 1 1 1好氧颗粒污泥的特点 好氧颗粒污泥是近几年发现的在好氧条件下自发形成的细胞自身固定 化颗粒，具有良好的沉淀性能、较高的生物量和在高容积负荷条件下降解高 浓度有机废水的良好生物活性。成熟的好氧颗粒污泥颜色一般为橙黄色或白 色，极少数呈浅褐色，颗粒形状大致呈球形或椭球形，颗粒表面光滑，边界 清晰。好氧颗粒污泥的密度较大，在多数情况下，s b r 中形成的颗粒污泥的 相对密度为1 0 0 6 8 9 c m 3 1 0 0 7 2 9 9 c m 3 ，稳定操作条件下的污泥浓度维持在 3 2 0 6 8 8 9 u u 。而在s b a r 反应器中，污泥相对密度稳定在1 0 0 8 9 c m 3 左 右乜，。大多数情况下颗粒污泥的密度随直径的增大而降低。污泥容积指数值 小，含水率低，所以在相同体积下，所含生物量较大，并且污泥沉降速率高 【2 】。单个好氧颗粒污泥沉降速率在1 8 m h 3 5 m h 。己有研究表明，颗粒粒径 和沉降速率之间呈正相关关系幢，。 1 1 2 好氧颗粒污泥的研究进展 好氧颗粒污泥的早期研究主要在连续流反应器中进行，运行条件苛刻。 要求在b a s ( b i o f i l ma i r l i f ts u s p e n s i o n ) 反应器中进行，并且需要在培养过 程中添加污泥载体n ，。1 9 9 1 年，s h i n e 等n ，开始利用连续流a u s b ( a e r o b i c u p f l o ws l u d g eb l a n k e t ) 反应器对好氧活性污泥自凝聚现象进行研究，但运行 条件苛刻，须用纯氧曝气才能形成，且无脱氮除磷能力。1 9 9 7 年起， m o r g e n r o t t s ，等利用间歇式s b r 反应器对好氧颗粒污泥的自凝聚及其性能进 行了研究。p e n gr s ，等在s b r 反应器中，以醋酸钠为碳源，在低溶解氧( d 0 0 7 1 0 m g l ) 情况下形成具有良好生物学性能的好氧颗粒污泥。b e u n 哺3 等证实在 s b r 反应器中较短的水力停留时间和较大的水流剪切作用有助于形成好氧 颗粒污泥，沉淀时间的选择是影响好氧颗粒污泥菌群的主要因素。 在国内，1 9 9 9 年清华大学竺建荣等研究厌氧一好氧交替工艺中好氧颗 粒污泥的培养和理化特性。在普通好氧曝气条件下，反应器内培养出了好氧 颗粒污泥，颗粒直径0 5 1 5 m m ，比重1 0 0 7 左右，含水率9 7 9 8 ， m l s s 为4 0 4 - - 6 8 8 m g l ，s v i 为2 0 4 5 m l g 。颗粒污泥受阻沉降层的均匀 沉降速度为2 1 5 c m m i n 。临界浓度时沉降速度值约为0 3 5 c m m i n 。清华大学 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 卢然超等n ，研究了s b r 工艺的脱氮除磷效果和污泥沉降性能。结果表明，反 应器中形成了同时具有脱氮除磷能力的好氧颗粒化污泥，其对c o d 和p 的 去除率分别为9 0 和8 5 左右；n h 4 + - n 和t n 去除率分别达到9 0 和8 0 ； 颗粒污泥的s v i 值约为5 0 m l g ，并且出水水质好。浙江大学白晓慧在活性 污泥工艺中，通过控制水力停留时间、溶解氧和曝气量培养出沉降性能良好 的好氧颗粒污泥，它可明显提高曝气池的处理能力，有效改善固液分离效果 并实现同步硝化反硝化。2 0 0 4 年，大连理工大学王芳等1 利用气升式间歇反 应器( s b a r ) 研究了好氧颗粒污泥的培养条件、生长特性及其稳定性。在 控制各项运行条件( 有机负荷、接种污泥、反应器曝气量、进水碳源及循环 时间) 下，s b a r 运行了近2 2 个月，研究结果表明：较高的有机负荷更有 利于好氧颗粒污泥的培养和驯化，形成的颗粒污泥更密实，沉降性能更好； 由活性污泥接种培养的好氧颗粒污泥性质更为稳定，沉降性能和耗氧速率更 好；以蔗糖为碳源物质，形成好氧颗粒污泥速率快，但容易引起丝状异养菌 的大量生长；以乙酸钠作为单独进水碳源时，污泥颗粒化速度慢，颗粒化程 度不好；而以蔗糖和乙酸钠为混合进水碳源时，污泥颗粒化状态很好，性能 稳定，没有丝状菌体出现的迹象；在相同的运行条件下分别考察了在3 h ， 6 h ，1 2 h 和2 4 h 等水力循环时间下反应器中好氧污泥颗粒化过程，综合考虑 循环时间对颗粒污泥各项特性的影响，认为培养颗粒污泥水力循环时间保持 在6 h 左右为宜。2 0 0 7 年，王永飞等- 通过逐步缩短沉降时间和提高氮负荷 的方法，实现好氧硝化颗粒污泥反应器启动，对好氧颗粒污泥形成过程中颗 粒的物理性状和污染物去除效能等方面进行考察。 1 1 3好氧颗粒污泥颗粒化的影响因素 从目前的研究结果来看，影响好氧颗粒污泥颗粒化的因素主要有以下几 占 j 、o ( 1 ) 反应器和水流形式 截至目前为止，反应器的结构特性对颗粒污泥形成的影响并未有系统的 研究，但几乎所有的好氧颗粒污泥和厌氧颗粒污泥都是在柱状反应器中形 成，而且高径比( h d ) 比较大的反应器有利于污泥的颗粒化。b e u n n l 等对 比序批式鼓泡塔( s e q u e n c i n gb a t c hb u b b l ec o l u m n ，s b b c ) 、生物膜气浮反 应器( b i o f i l ma i r l i f ts u s p e n s i o n ，b a s ) 和序批式气提反应器( s e q u e n c i n gb a t c h a i r l i f tr e a c t o r , s b a r ) 三种生物反应器在相同c o d 负荷和表观气速等外部操 作条件下好氧颗粒污泥的生长情况进行研究，表明：s b b c 中颗粒平均直径 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 最大，但其生物量密度最小，s b a r 反应器形成的颗粒污泥直径较小，但生 物量密度大；b a s 反应器是三者之中唯一采用连续进液方式的反应器，它的 颗粒污泥多来自破碎的生物膜，连续进液方式可能在一定程度上影响了颗粒 污泥直径的增大。 ( 2 ) 沉降时间 沉降时间是影响形成好氧颗粒污泥的主要因素之一，短的沉降时间可以 将沉降性能较差的絮状污泥排出反应器，而沉降速率高的污泥截留于反应器 内。过长的沉淀时间会导致絮状污泥的积累，不利于形成颗粒污泥；过低的 沉降时间会使活性污泥大量洗出，导致反应器中m l s s 的下降及c o d 降解 能力的下降。q i n 等考察了2 0 m i n ，1 5 m i n ，1 0 m i n 和5 r a i n 四个时间下s b r 中污泥的形成状况，发现只有沉降时间为5 m i n 时颗粒占多数，且颗粒粒径 较大：沉降时间为2 0 m i n ，1 5 m i n ，1 0 m i n 时，颗粒污泥和悬浮污泥共同存在。 可见，选择较短的沉降时间可以促进污泥颗粒化过程。 ( 3 ) 接种污泥 目前好氧颗粒污泥的培养所采用接种污泥主要包括两类：以普通的絮状 活性污泥为接种污泥；直接采用厌氧颗粒污泥进行驯化n “1 “，。 从目前已有报道来看，接种污泥不是污泥颗粒化的限制性因素，不论采 用的接种污泥为絮状活性污泥还是厌氧颗粒污泥都成功地培育出好氧颗粒 污泥或者实现了厌氧颗粒到好氧颗粒污泥的转化。 ( 4 ) 底物组成 好氧颗粒污泥己经在多种底物中成功培养出来，其中包括葡萄糖、乙酸 钠、乙醇、苯、合成废水和实际工业废水及城市污水，由此看来底物种类不 是污泥颗粒化的关键因素“1 ”。但是，底物成分会影响好氧颗粒污泥 的微观结构和种类。t a y e 川等分别以醋酸盐、葡萄搪为碳源做平行试验，通 过扫描电镜观察发现，以醋酸盐为碳源的颗粒污泥比另一种颗粒污泥致密得 多，且前者由杆状菌构成，而后者内层主要是球状菌，外层由杆状菌和丝状 菌构成。可见，不同碳源培养出来的好氧颗粒污泥在优势菌种和外表形态上 都有很大区别。 ( 5 ) 底物负荷率 由于传质阻力的影响，相对于絮状污泥而言，颗粒污泥生长较慢。维持 较高的c o d 负荷有助于克服传质阻力，但负荷过高也易引起丝状菌种大量 生长，从而阻碍污泥沉淀并最终导致反应器出水的恶化和反应器运行状况的 不稳定。如果在较高的c o d 负荷下提高水流剪切力，丝状菌易于破碎并随 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 反应器出水排出，则有利于形成较为紧密而边界清晰、沉降性能较好的颗粒 污泥。 ( 6 ) 溶解氧 己有研究者对溶解氧饱和度与好氧颗粒污泥的形成之间的关系进行了 研究。m o s q u e r a c o r r a l 等k ”在s b r 中研究了溶解氧饱和度为1 0 0 和4 0 是 好氧颗粒污泥的形成状况。结果显示，高饱和度下形成的颗粒比较稳定，而 低饱和度下虽可以形成颗粒但是粒径比较小，容易随水流带出反应器。 d a n g c o n g 等心也发现在溶解氧浓度为l m g ( 相当于2 0 。c 溶解氧饱和度1 0 ) 形成的颗粒污泥粒径约为0 3 m m - - 0 5 m m ，并伴有大量的污泥絮凝体，颗粒 的沉降性能较差( 沉降速率为2 5 m h ) 。由此可见，好氧颗粒污泥的形成需 要较高的溶解氧浓度。 ( 7 ) 水力剪切力 水力剪切力对好氧颗粒污泥的形成具有重要作用，与好氧颗粒污泥的机 械强度、稳定性等有直接关系。l i u 和t a y n 2 ，详细综述了水力剪切力在生物 膜、好氧颗粒污泥以及厌氧颗粒污泥形成过程中的作用，并从自固定微生物 的结构、质量传递、e p s 的产生、能量代谢以及分子生物学的角度分析了水 力剪切力对自固定细胞的影响。b e u n 等报道气速为0 0 1 4 m s 和0 0 2 m s 时 在u s b r 中没有发现颗粒污泥形成，而气速提高为0 0 4 1 m s 时出现了颗粒 化现象，并形成了光滑、紧密和稳定的颗粒污泥。 ( 8 ) 胞外聚合物 胞外聚合物( e p s ) 是细胞粘合的介质，通过架桥作用，连结胞外聚合 物和细菌而形成最初的三维微生物聚合体结构，它对污泥颗粒的形成与稳定 性起着重要作用也利。现在已经普遍发现高的水力剪切力能促使微生物细胞的 呼吸作用，分泌更多胞外多聚物，并使生物膜结构在给定水力剪切力条件下 得到平衡心引。胞外多搪( p s ) 对细菌吸附和相互凝聚作用过程作用较大，而 蛋白质( p n ) 对颗粒相关细菌的结构和稳定性的作用相对较少心副。 1 1 4 好氧颗粒污泥的应用 好氧颗粒污泥具有丰富的生物多样性、反应器内生物截流量高、微生物 活性强等优点，使其具有脱氮、除磷和降解有机物的能力。在城市生活污水、 工业废水的治理方面己经进行了大量的研究，表明好氧颗粒污泥具有良好的 处理效果。 ( 1 ) 处理有机废水 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 刘莉莉等以葡萄糖模拟废水培养出的好氧颗粒污泥为接种体，通过啤 酒废水驯化，考察该污泥处理啤酒废水的可行性。a r r o j o 等乜7 1 曾用牛奶厂废 水作为进水来培养好氧颗粒污泥。沉降性很好，s v i 为6 0 m l g 。t n 和c o d 的去除率分别为8 0 和7 0 ，不同阶段出水中t s s 在5 0 m g l 到7 0 0 m g l 之 间变化，出水中t s s 与出水时间和c o d v s s 都有关。结果表明好氧颗粒污 泥s b r 系统出水中存在固体是结构单元的固有特点。另外，减少出水时间 和限制进水中c o d v s s 比值对出水t s s 有积极作用。 ( 2 ) 处理高氨氮废水 阮文权和陈坚等血引将厌氧颗粒污泥驯化成为具有同步硝化反硝化功能 的好氧颗粒污泥，并利用颗粒污泥进行了同步硝化反硝化的研究。整个脱氮 过程可分为c o d 降解和硝化和反硝化两个阶段：在第l 小时c o d 和氨氮的 去除速率非常迅速，分别达到了5 0 和4 4 8 ，2 小时后，随着有机碳源浓 度的降低，氨氮代谢速率下降，氨氮去除率为5 1 ；生物反应进入第二阶段， 此阶段n 0 2 - 和n 0 3 一出现明显积累，而n 0 2 - 的积累速率更快，4 小时后，反 硝化速率加快，使得n 0 2 - 和n 0 3 - 浓度快速下降，说明残留的有机物满足反硝 化细菌的需要，厌氧反硝化菌能利用c o d 小于1 0 0 m g l 的有机物作为电子 供体进行反硝化。 ( 3 ) 处理含磷废水 m u l k e r r i n s 等列在a 2 o 工艺中培育出反硝化聚磷菌，强化脱氮除磷效果 的同时发现，反硝化聚磷菌在乙酸和丙酸存在的厌氧环境存在释磷现象，有 助于研究该菌种的代谢特性。t s u n e d a 等阳们在改良a 2 o 工艺( 厌氧好氧缺 氧) 中，通过控制碳源投加量，促使反硝化聚磷菌生长，反硝化聚磷菌的摄 磷量达到总摄磷量的4 4 ，高于a z 0 工艺的2 1 和o 工艺的1 3 。 ( 4 ) 吸附重金属 l i u 等棚，探索了颗粒污泥用作工业废水中z n 2 + 和c d 2 + 生物吸附剂的可 行性。试验结果显示好氧颗粒污泥对z n 2 + 的吸附能力与z n 2 + 初始浓度c o 和 颗粒浓度x o 有关，其吸附力与z n 2 + 初始浓度和颗粒浓度的比值c o x 。成一 定的比例关系，利用这一比值来描述不同初始条件下的吸附数据，发现吻合 程度较好。颗粒污泥对z n 2 + 的最大吸附容量为2 7 0 m g g 。在对c d 2 + 的研究中 发现了与z n 2 + 吸附相类似的现象，好氧颗粒污泥对二价镉离子的最大生物吸 附容量为5 6 6 m g g 。可见颗粒污泥对重金属离子有较强的吸附能力和较大的 吸附容量，可以作为种有效的生物吸附剂用于工业废水的处理。 ( 5 ) 处理有毒废水 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 蓝惠霞b 引在微好氧条件下( 溶解氧浓度为0 2 r a g l - - - 0 7 r a g l ) 对降解五 氯酚( p c p ) 的好氧颗粒污泥培养进行了研究。该研究利用厌氧颗粒污泥作 为接种污泥，在微氧状态下培养出具有降解p c p 的好氧颗粒污泥。培养过 程中，不断提高p c p 负荷对污泥进行驯化，污泥对废水的降解能力不断提 高。在p c p 负荷达1 0 m g l d 时，p c p 、c o d 和a o x 的去除率分别达8 1 3 、 8 0 8 和8 0 6 ，基本上不存在氯代中间产物，反映了颗粒污泥内部的厌氧 菌和外层的好氧或兼性菌都具有较高的活性。 1 2 膜生物反应器技术 1 。2 1m b r 简介 膜生物反应器m b r ( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ) 是将高效膜分离技术与污 水生物处理工艺相结合而开发的新型系统，具有以下特点。，： ( 1 ) 高效地进行固液分离，出水水质良好，可以直接回用； ( 2 ) 完全截留微生物，实现水力停留时间和污泥龄的完全分离； ( 3 ) 有利于生长缓慢的硝化菌的截留与生长，提高了系统的硝化效率， 增加了难生物降解有机物的水力停留时间，有效地将分解难生物降解的有机 微生物滞留在生物反应器内，有利于难降解有机物的去除。 ( 4 ) m b r 综合了膜分离技术和生物处理技术的优点，可使出水悬浮物 和浊度接近于零； ( 5 ) 出水中细菌和病毒被大幅度去除，可以保持很高的污泥浓度，剩 余污泥排出量可达到最低限度，从而污泥龄很长，且可以人为控制，因而可 缩小反应器容积； ( 6 ) 无污泥膨胀问题，运行管理简单。 1 2 2m b r 的组成与分类 根据膜组件在生物反应器中所起作用的不同，可将膜生物反应器分为膜 分离生物反应器、无泡曝气膜生物反应器和萃取膜生物反应器三种。而从微 生物代谢特征而言，可将膜生物反应器分为好氧和厌氧膜生物反应器；根据 膜组件与反应器的组合方式，可以分为一体式和分置式膜生物反应器阳”。 膜技术按截留分子量不同可分为：微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜。 按材质划分膜的种类有：有机膜，如聚丙稀膜、聚乙烯膜、聚矾膜、聚丙稀 睛膜和聚偏氟乙烯膜等；无机膜，如金属膜、玻璃膜和陶瓷膜等。膜组件的 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 形式主要有平板式、管式、中空纤维式和卷式膜以及毛细管式等m ，。 1 2 3 m b r 的研究进展 1 9 6 6 年，美国的d o r r o l i v e r 公司首先将m b r 用于废水处理的研究。1 9 6 8 年，s m i e h 等将好氧活性污泥法与超滤膜相结合的m b r 用于处理城市污水， 该工艺具有减少活性污泥产量、保持较高活性污泥浓度、减少污水处理厂占 地等优点。7 0 年代后，日本由于污水再生利用的需要，m b r 的研究工作有 了较快的进展。日本1 9 8 5 年开始的“水综合再生利用系统9 0 年代计划 把 m b r 研究在污水处理对象与规模上都大大推进了一步。这一阶段，m b r 的 型式主要是分离式，称为第一代m b r 工艺m 1 。 早期的分离式m b r 均采用错流式膜组件，单位产水能耗高。为了解决 m b r 能耗较高的问题，人们研究了第二代m b r ：一体式m b r 。日本学者 y a m a m o t o 等在1 9 8 9 年首先开发了一体式m b r 。膜组件直接置入反应器内， 通过泵的抽吸，得到过滤液；膜表面的错流由空气搅动产生，曝气器设置在 膜的正下方，混合液随气流向上流动，在膜表面产生剪切力，以减少膜的污 染。由于不需循环泵、且抽吸泵的工作压力小，一体式m b r 的单位产水能 耗小，低于分离式m b r 的能耗；并且具有结构紧凑、体积小、膜外皮层易 于清洗等优点。但一体式m b r 单位膜的处理能力小、膜的污染较重、透水 率较低。1 9 9 2 年m k n o p s 利用i y d m e y 和c o l t o n 提出的浓差极化理论研究 错流式膜组件的透水率，研究发现膜丝长度减少可以增加透水率，并提出了 穿流式膜组件的概念引。 进入9 0 年代中后期，膜生物反应器在国外己进入了实际应用阶段。加 拿大的z e r o n 公司在膜生物反应器的推广方面作了许多工作。它首先推出了 超滤管式膜生物反应器，并将其应用于城市污水处理。这种膜生物反应器己 应用于美国、德国、法国和埃及等十多个地方。另一个在膜生物反应器实际 应用具有竞争力的公司是日本的k u b o t a 公司，它所生产的板式膜具有流通 量大、耐污染和工艺简单特点。此种板式膜直接放入混合液中，利用混合液 的水头压力作为穿透压，将处理水排出系统，系统出水稳定n ”。 m b r 在我国水处理方面的应用研究首先从分离式m b r 开始。近年来， 我国的m b r 研究正加快发展，1 9 9 7 年中国科学院生态环境研究中心开始了 穿流式膜一生物反应器的研究工作，各大高校开展了分离式m b r 和一体式 m b r 的研究；m b r 的研究对象从生活污水扩展到石化污水、高浓度有机废 水、食品废水、啤酒废水、港口污水、印染废水；生物反应器从活性污泥法 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 扩展到接触氧化法；生物处理流程从好氧发展到厌氧，并且对不同污水的处 理效果、系统的稳定运行、操作条件的优化进行了研究。目前，m b r 的研 究在膜污染的防治、污泥产生量的减少、节能和降低造价、新型膜过滤技术 的开发和高效生化细菌等方面不断深入，m b r 的研究正朝着大规模实用化 工程的开发方面发展阳”。 可以预见，膜生物反应器将是近来研究开发的一个重点。随着膜制备技 术的进步，m b r 专用膜品种的开发，膜质量的提高和膜制造成本的降低， m b r 的设备投资也会随之降低，m b r 在水处理中的应用范围必将越来越广。 膜生物反应器水处理技术的发展和广泛应用将成为生化水处理技术发展史 上的又一次飞跃，在未来的水工业技术领域占有重要的位置。 1 2 4 膜污染 膜污染是指被过滤料液中的某些组分在膜表面或膜孔中沉积导致膜渗 透量下降的现象。膜污染后其渗透通量下降，跨膜压力增大，截留效率下降。 膜污染的影响因子纷繁复杂，m b r 中膜污染因子主要来自三个方面：膜的 性质、操作条件和活性污泥混合液性质”。 ( 1 ) 膜性质的影响 与膜污染有关的膜性质主要有：膜材质、膜孔径大小、孔隙率、电荷性 质、粗糙度和亲疏水性质等| 。k a n g 等，人研究了厌氧m b r 中聚丙烯膜、 氧化锆陶瓷膜的过滤特性，认为无机膜的通量远高于有机膜，但是高的造价 限制了无机膜在m b r 中的推广应用。c h o o 等7 1 研究了厌氧m b r 中不同膜 材料的污染情况，发现膜污染以外部污染为主，即有机物在膜面的吸附，无 机物在膜面的沉积以及微生物在膜面的粘附。 ( 2 ) 操作条件的影响 m b r 的操作条件主要包括：进水性质、污泥龄、污泥负荷、曝气量、 反应器结构、操作压力、温度、抽吸时间等h ”。h o n g 等3 - 研究表明降低起 始压力或初始膜通量可以减缓膜通量下降的速率。f i e l d 等h 盯首次引入了临界 通量的概念，认为只要膜通量保持在临界通量以下，膜污染几乎可以忽略。 j e f f e r s o n 等引的研究表明，m b r 在低于临界通量下操作时，较低的操作压力 可以避免不可逆的膜污染，有利于保持稳定的膜通量，减少膜的清洗频率， 从而降低操作费用。m a g a r a 等n 引的实验结果表明，温度升高1 。c 可引起膜通 量增加2 ，他们认为这是由于温度变化引起料液粘度的变化所致。 ( 3 ) 活性污泥混合液性质的影响 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 m b r 中膜污染物质的来源是活性污泥混合液。而混合液的性质包括污 泥浓度、污泥颗粒大小、污泥表面电荷、混合液所含胶体粒子及溶解性有机 物等h ”。这些性质之间相互交叉相互影响，因此，污泥混合液对膜的污染极 为复杂。d e f i a n c e 等7 研究了混合液中各组分对膜污染的影响。实验结果表 明，溶解性物质部分、胶体部分和悬浮固体部分在总过滤阻力中所占的比例 分别为5 ，3 0 和6 5 。b o u h a b i l a 等认为混合液中的胶体和溶解性物质 对膜污染起主要作用。c h o o 等利用厌氧m b r 研究了消化液成分对膜渗透 性能的影响，结果表明微细胶体是形成膜阻力导致膜通量下降的主要因素。 1 2 5 膜污染数学模型 膜污染数学模型在一定程度上能够描述各污染因子对膜污染的影响程 度，是优化膜生物反应器运行的有效工具。膜污染因子纷繁复杂，相应的数 学模型也不尽相同。 ( 1 ) 阻力模型 根据d a r c y 定律过滤模型，膜通量可以表示为： a p j = r 竺1 ( 1 1 ) ( 如+ 岛+ r c ) 式中j 一膜通量m 3 m 2 s 。 p 一膜两侧的压力差，p a 。 p 一渗透液粘度，p a s o r m 一新膜的阻力，m 一。 r p 一膜孔堵塞阻力，i i l 。 r c 一膜表面滤饼层阻力，m 。 ( 2 ) 膜污染数学模型 国内外学者根据考察对象的不同分别推导出了相应的数学模型，因此模 型受到考察对象的制约，应灵活运用。 l i u 等引通过均匀设计得到了适用于活性污泥混合液条件下的膜间液体 上升流速计算模型。并实测了膜过滤阻力的上升速率，建立了膜间液体上升 流速( u l r ) 污泥浓度( x ) 和膜通量( j ) 对污泥沉积速率( k ) 的影响模型： k = ( 8 9 3 3 1 0 7 ) x0 5 3 2 j 仉3 7 6 “；? 7 ( 1 - 2 ) 通过该模型，可以选择合适临界曝气强度和临界膜通量，也可以对不同 操作条件下的膜污染情况进行预测。 s h i m i z u 等设计了膜过滤数学模型，研究发现高的过膜压力、低的流 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 体流动性( 或剪切力) 导致中空纤维膜膜丝“堆积”，膜有效过滤面积减小。 在膜丝不发生迅速“堆积”的情况下，膜过滤稳定通量可以表达为： 厶= 圪= k o 矽o u m l s s 郴 ( 1 - 3 ) 此处v l 、k 、u 、中分别为流体反向传递速率、过滤常数、气液两相流 速、膜组件几何因子。 n a g o a k a 等2 从反应器中微生物增长的角度分析了e p s 对膜污染的影响 并提出了一系列相关模型。模型指出反应器中e p s 浓度与微生物产率呈正相 关，在膜过滤过程中e p s 会在膜表面沉积并压实导致膜阻力的上升。膜过滤 总阻力( r ) 是膜固有阻力r m 、沉积e p s 阻力之和： r = 姗+ r 肼 ( 1 4 ) 其中，r 为过滤总阻力( m 。1 ) ，r m 为膜固有阻力( m 。1 ) ，a 为e p s 产 生的阻力系数( m k g ) ，m 为膜表面e p s 密度( k g m 2 ) 。n a g o a k a 等2 1 认为 降低反应器进水有机负荷、选择合适的过膜压力是控制膜表面e p s 沉积的有 效途径。 1 3 好氧颗粒污泥膜生物反应器的研究进展 随着好氧颗粒污泥技术的日趋完善，颗粒污泥优异的污水处理性能加之 对膜污染良好的抑制作用，越来越多的研究开始将膜生物反应器与好氧颗粒 污泥二者的优势合二为一，进行实际废水的处理。目前国内外好氧颗粒污泥 膜生物反应器工艺方面的研究还较少，所做的研究主要是围绕好氧颗粒污泥 减轻膜污染方面进行的”。 2 0 0 4 年，x i u f e nl i ，f a n g s h ug a ol 6 引等通过用好氧颗粒污泥膜生物反应器 处理市政废水来控制膜生物反应器的污染进行了研究。结果表明好氧颗粒污 泥膜生物反应器表现出了良好的处理效果：出水的c o d 在1 5 5 0 m g l 之间， c o d 的去除率达到8 0 - 9 5 ；出水氨氮的浓度小于1 5 m g l 。研究得出： 好氧颗粒污泥膜生物反应器中膜的渗透性要比传统污泥膜生物反应器中膜 的渗透性高出5 0 ；通过水洗可使好氧颗粒污泥膜生物反应器的膜通量恢复 8 7 7 ，药洗能使膜通量恢复1 0 0 。 2 0 0 5 年，张楠、周琪等聆引对膜生物反应器中好氧颗粒污泥的形成及其性 质进行了研究。他们在不同的容积负荷下对一体式膜生物反应器中好氧颗粒 污泥的形成、性质进行了研究，并探讨了其形成机理。通过电镜观察，可以 将好氧颗粒污泥看做是以丝状菌为骨架，胞外聚合物为“粘合剂”的微生物聚 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 集体。朱振中、周艳等，以人工合成模拟废水对好氧颗粒污泥膜生物反应器 的运行特性和膜污染进行了研究。结果表明：在h r t 为6 h ，溶氧浓度为4 6 m g l ，c o d 的容积负荷为7 2 4 k g m 3 - d 的条件下，c o d 的去除率可达到9 6 以上，当氨氮的容积负荷为0 1 7 k g m a d 时，氨氮的去除率可达6 0 。通过 比较2 种不同形态的活性污泥( 颗粒污泥和絮状污泥) 在m b r 运行过程中 膜通量的变化趋势表明，颗粒污泥m b r 膜通量的下降速度明显比絮状污泥 m b r 的下降速度慢很多，且通过空气反冲或用水清洗即可使通量基本恢复。 2 0 0 6 年，王芳