（环境工程专业论文）移动床生物膜反应器技术处理废水研究.pdf

移动床生物膜反应器技术处理废水研究 上海大学硕士学位论文 摘要 本论文首先综述了移动床生物膜反应器( m b b r ) 技术及其在废水处理中应 用研究的现状和发展趋势。本论文主要以模拟城市污水为处理对象，采用一套特 定的m b b r 系统，进行去除有机物和氨氮的试验研究。 通过试验研究，探讨了容积负荷和进水浓度等工艺参数对反应器处理性能和 效果的影响，进行了污泥产率和氮平衡的计算，并观察了反应器中微生物相，比 较了悬浮微生物和附着微生物对有机物的去除作用。试验结果表明：当进水 c o d c ，负荷为7 k m 4 m g n h 3 一n 1 ) ，氧为限制条件下，反应速率对应于d o 是一级而不是半级反应， 这或许意味着液膜扩散是这一过程的限制步骤。当d o 小于2 0 8 m g o z l 时，不发 生硝化反应。瑞士的m m a u r e r 等人研究了低负荷污水处理厂的移动床多孔填料 脱氮模型 2 3 】。这一模型描述了缺氧条件下聚亚安酯泡沫填料移动床的水解反应及 液相和填料之间的可溶及颗粒物质的传递过程。 1 2 3 移动床生物膜反应器技术的改进 虽然移动床生物膜反应器是一种革新型水处理技术，并且和其他废水处理技 术相比有许多优点，不过国内外的一些研究人员对反应器的结构和应用等方面进 行了进一步探讨和改进。季民等人在分析目前流行的各种填料的优缺点的基础 上，研制开发了一种新型移动床生物膜填料1 3 1 。试验证明，该填料挂膜较容易， 在高负荷时，填料内部也不易形成堵塞现象或厌氧结团问题；在水流和气流冲击 下，填料上生物膜的更新速度较快，生物活性高。朱文亭等人针对一般的移动床 生物膜反应器存在的缺点，对其池型和内部结构进行了改造，开发出了循环移动 载体生物膜反应器【4 1 。该反应器克服了由于池型和曝气装置的限制，填料在反应 器内的移动状态不均衡，以及池内不同程度地存在死区，影响混合传质效果的缺 点。并且改善了反应器内水力流动特性和能耗方面的问题。将移动床生物膜反应 器按照s b r 的运行方式来操作是移动床生物膜反应器技术的进一步发展，它被 7 移动床生物膜反应器技术处理废水研究 上海大学硕士学位论文 称之为移动床序批式生物膜反应器( m o v i n gb e ds e q u e n c i n g b a t c hb i o f i l m r e a c t o r m b s b b r ) 。移动床序批式生物膜反应器既具有移动床生物膜反应器的 优点又具有序批式运作方式带来的好处，因而它的操作和净化性能更优，适用性 更强，更具发展前途。它可以使同一个反应器在不同的时间段发挥不同的功用， 发生不同的反应，而不用像连续迸水的工艺一样需要多个反应器来满足不同生物 过程的同时进行。m b s b b r 多用来进行脱氮除磷，国外的一些研究表明，它在 对氮磷的去除方面有非常良好的表现 1 9 _ 2 1 1 。 1 3 移动床生物膜反应器技术的实际应用研究 1 3 1 生活污水的处理 h o d e g a a r d 等人研究了挪威的s t e i n s h o l t 生活污水处理厂中m b b r 的运行情 况【2 “。最后结果显示处理厂的运行情况良好，总氮、总磷、t c o d 的去除率分别 为4 5 、9 8 和9 3 。在新西兰w e l l i n g t o n 的m o ap o i n t 筹建的污水处理厂工艺 流程为移动床生物膜反应器( m b b r ) 生物接触氧化工艺( s c r ) ，b r u s t e n 等 人对该工艺进行了小试【2 “。试验结果显示，在s c r 阶段平均单元停留时间 ( m c r t ) 为3 天、b o d s 有机负荷为1 5 o k g b o d d m 3 d 时，最终出水浓度小于 1 0 m g b o d 5 以。动力负荷实验显示，在m b b r 单元的最大b o d 5 负荷超过 1 3 3 k g b o d d m 3 d 时，出水质量仍然很高。意大利的g a n d r e o t t o l a 等人用m b b r 系统升级位于气候寒冷地区的r b c 污水处理厂，对其在夏季和冬季的表现进行 了研究心j 。在夏季时，水温在1 0 1 6 c 之间，平均有机负荷为9 9 9 c o d m 2 d ，去 除率达到了7 9 。氨氮的平均去除率也达到了7 3 。在冬季温度低于8 c 时， m b b r 系统中有机碳和氮的去除率分别为7 3 和7 2 。挪威的b r u s t e n 等人研 究了m b b r 在几个小的生物化学工艺处理生活污水的处理厂的应用【2 6 】。试验显 示，改建为m b b r 后的处理厂处理效果非常好，磷的去除率达到9 7 ，出水浓 度低于0 3 m g p a ，出水b o d y ( 大约为1 1 7 x b o d 5 ) 、 1 0 m g b o d 7 1 。其中的k a r a s j o k 处理厂( 北纬6 9 5 。) ，废水的平均温度为5 7 ，m b b r 反应器的有机负荷高 达l l g b o d 7 m 2 d ，鉴于如此高的有机负荷和低温的废水，达到9 4 的b o d 7 去除 率是十分令人满意的。新建的s t e i n s h o l t 处理厂废水指标接近设计负荷，出水c o d 移动床生物膜反应器技术处理废水研究 上海大学硕士学位论文 低于5 0 1 1 1 鲫，b o d 7 一直很低，最高为2 5 m g b o d 7 1 ，而在e i d s f o s s i 处理厂运行 负荷低于设计负荷，出水b o d 7 一直低于l o m 酊。对于磷的去除，e i d s f o s s i 处理 厂出水0 2 8 m g t p a ，s t e i n s h o l t 处理厂出水低于0 2 5 m g t p a 。意大利的g a n d r e o t t o l a 等人研究应用一种低价值填料( 比表面积为1 6 0 m 2 ，m 3 ) 的m b b r 工艺要获得优 于活性污泥系统处理效果所需要的工艺条件 2 7 1 。实验结果显示，比表面积为 1 6 0 m 2 m 3 的m b b r 表现不如a s 。但m b b r 的限制不在于相对生物活性，而在 于生物浓度。为了使m b b r 得净化效果好于a s 系统，其最小比表面积应大于 2 0 0 2 5 0 m 2 m 3 ，这是在填充率为7 0 的情况下，如果填充率小于7 0 ，那么填料 的比表面积一定要更高。 1 3 2 工业废水的处理 1 3 2 1 纸浆和造纸废水 挪威的a b r o c h d u e 等人用移动床生物膜反应器来处理混合的新闻纸废水 2 8 o 进水t c o d 为3 4 0 0 m 酊，t b o d 7 为1 6 0 0 m g 1 ，在h r t 为4 5 小时内，t c o d 和t b o d 7 去除率分别为6 5 7 5 和8 5 9 5 。添加了三级化学处理工艺后，在h r t 为1 0 小时，加入4 0 0 m 酣a v r ，t c o d 去除率为9 5 。挪威的b r u s t e n 等人也应 用移动床生物膜反应器来处理几个不同水质的造纸厂废水【2 9 1 。在s t o r ap a p y l l l s g r y c k s b oa b 造纸厂出水的平均c o d 去除率从化学处理的4 5 上升到生物化学 处理的7 8 ，出水b o d 7 j y 悯z 均6 0 9 b o d t m 3 降低至小于1 0 9 b o d 7 m 3 ，最大值 不超过2 5 9 b o d t m 3 。在s t o r a c e l l i n d u s t r i a b 造纸厂重要的是氯酸盐的去除。 结果显示，氯酸盐在厌氧反应器中去除率达9 0 。f c o d 的去除率在7 0 7 5 之 间，f b o d 7 的去除率为9 6 。挪威的s j j a h r e n 和h 0 d e g a a r d 研究了用厌氧一好 氧m b b r 工艺处理高温造纸废水( 5 5 ) 【3 0 】。厌氧反应器去除率达到 3 4 k g s c o d m 3 d ，好氧反应器去除率为1 8 k g s c o d m 3 d 。厌氧反应器在负荷为 7 k g s c o d m 3 d 时，s c o d 去除3 0 ，最终s c o d 去除6 0 。s j j a h r e n 等人后来 只用好氧m b b r 工艺来处理高温造纸废水( 3 1 1 。整个运行过程中，s c o d 去除率 在6 0 6 5 之间。在负荷率为2 3 3 8 k g s c o d m 3 d 时，去除率为 1 5 - 2 4 蚝s c o d m 。d ，s b o d 的去除率为7 4 7 6 。b r o c h d n c e 等人用m b b r 工 艺处理中性亚硫酸纸浆废水，证明在很高的有机负荷下也可以很好地去除 9 移动床生物膜反应器技术处理废水研究 上海大学硕士学位论文 c o d l 3 2 1 。在有机负荷逐级增加到5 0 k g c o d m 3 d ，去除率基本恒定，总的去除率 为6 0 7 0 ，可溶性c o d 去除率为7 5 8 0 ，b o d 去除率为9 6 ，可溶性b o d 去除率为9 7 。当负荷高达4 5 4 7 k g c o d m 3 d 时，总b o d 7 除率仍高达9 6 。 1 3 2 2 食品工业废水 挪威的b r u s t e n 等人把移动床生物膜反应器用以乳酪加工废水生化处理厂 的改造工程中【矧。运行结果证明，当负荷大幅度变化且超出设计值时，改造后的 处理系统可达到9 8 的c o d 与磷的去除率。b r u s t e n 等人还在挪威乳品联合公 司一家牛奶厂用k n i t 移动床生物膜工艺进行牛奶废水的预处理的小试研究【3 4 1 。 当c o d 负荷达5 0 0 9 c o d m 3 h 和9 0 0 9 c o d m 3 h 时，c o d 的去除率分别为8 5 和6 0 。季民等人应用厌氧好氧移动床生物膜串联工艺处理冰淇淋食品废水 的试验表明f 3 】，该串联工艺系统对c o d 去除率平均达9 0 以上，其中厌氧反应 器的c o d 去除率在6 0 9 0 之间，好氧反应器自身的c o d 去除率在7 0 8 0 之间。 1 - 3 2 3 其它工业废水 移动床生物膜反应器还被用来处理其他类型的工业废水。b j o r nr u s t e n 等人 用m b b r + 纯氧曝气活性污泥系统处理美国l o u i s i a n a 的b a t o n r o u g e4 l 3 ：i - 废水 f 矧。即便在有机负荷高达5 3 9 b o d j m 2 d 时，m b b r 阶段可以将易生物降解b o d 全部去除。在经过活性污泥单元后，出水平均浓度仅为3 4 m g f b o d 5 1 。美国的 c h j o h n s o n 等人把m b b r 工艺作为预处理单元分别处理屠宰厂废水和精炼厂废 水【3 6 】。在处理精炼厂废水的p h i l l i p s p e t r o l e u mb o r g e r 处理厂，出水c o d 为 4 0 6 0 r r i 鲫。对氨氮处理的结果显示，出水氨氮浓度平均低于o 7 m 朗。在另一个 处理屠宰厂废水的v a l l e y p r i d ep a c k 处理厂，大部分有机物在第一个m b b r 就被 去除。第二个m b b r 主要发生硝化反应，对氨氮的去除率为0 8 3 2 9 n h ，一n m z d 。 在s b o d 平均表面负荷率为2 0 9 e j m 2 d 时，第一个m b b r 反应器对s b o d 的平 均去除率大于9 0 。 1 3 3 与其它水处理技术的组合应用 由于m b b r 结构简单、维护管理容易和处理效率稳定，为此，对于成分复 l o 移动床生物膜反应器技术处理废水研究 上海大学硕士学位论文 杂的废水，许多学者用m b b r 和其他一些工艺组合来研究最佳的处理工艺流程。 在新西兰w e l l i n g t o n 的m o ap o i n t 建立的污水处理厂选择移动床生物膜反应器 ( m b b r ) 生物接触氧化工艺( s c r ) 作为生活污水的二级处理工艺【矧。在有 机负荷为5 o k g b o d j m 3 d 时，出水浓度小于1 0 m g b o d j l 。甚至当最高负荷超过 1 3 3 k g b o d 5 i n 3 d 时，出水质量仍然很高。美国l o u i s i a n a 的b a t o nr o u g e 化工厂 采用m b b r + 纯氧曝气活性污泥系统处理废水i3 5 1 。在所实验的所有负荷率中， 易生物降解b o d 在m b b r 单元全部被去除。在负荷为1 0 - 2 0 9 b o d 5 m 2 d 时，较 难生物降解的有机物也可以降解，有时t b o d 5 的去除率超过9 5 。美国的 c h j o h n s o n 等人把m b b r 工艺作为预处理单元分别处理屠宰厂废水和精炼厂废 水【3 6 i 。在处理精炼厂废水的p h i l l i p sp e t r o l e u mb o r g e r 处理厂，进水c o d 在 3 0 0 5 4 0 m 鲫之间变化时，出水c o d 为4 0 6 0 r r l 鲈。对氨氮处理的结果显示，出 水氨氮浓度平均低于0 7 m 酽，甚至进水浓度高达1 8 r a g 1 时，出水仅为2 m 鲋。 另一个处理屠宰厂废水的v a l l e yp r i d ep a c k 处理厂，大部分有机物在第一个 m b b r 就被去除。第二个m b b r 主要发生硝化反应，其氨氮去除率为 o 8 3 2 1 9 n h 3 一n m 2 d 。在运行两个月后，s c o d 去除率达到了8 6 5 。采用移动床 生物膜反应器与活性污泥法组合工艺来处理木材加工纤维污水的一项中试及两 项实际规模的研究也证明，作为第一单元的移动床生物膜反应器可承受的c o d 有机负荷范围通常高达1 5 2 5k g c o d m 3 d ，无论从技术还是从投资和运行费用方 面，该工艺系统都表现出高效、稳定和具有竞争力【3 7 】。 1 4 本课题研究的意义、目的和主要内容 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 ) 作为一种新型的 生物膜反应器，它不仅克服了活性污泥法占地广、发生污泥膨胀以及污泥流失等 缺点，还继承了生物膜法处理效率高、耐冲击负荷等优点，解决了需定期反冲洗、 清洗滤料和更换曝气器等复杂操作的问题，克n t 流化床使载体流化的动力消耗 过大的缺点。因此它具有处理能力高，能耗低，出水水质稳定，耐冲击负荷能力 强，占地少，维护管理简单的工艺特点。近年来国内外的研究学者对m b b r 的 研究成果主要涉及以下几个方面：1 、对m b b r 悬浮填料的研究；2 、对m b b r 工艺条件的研究；3 、净化功能的研究，包括有机物的去除、氮的硝化反硝化去 移动床生物膜反应器技术处理废水研究 上海大学硕士学位论文 除；4 、实际应用研究，包括生活污水和各种工业废水的处理。但是迄今对m b b r 的研究较多的是针对反应器的运行效能、污染物的去除效果等，还有一些问题有 待深入的研究：对m b b r 技术去除有机物和氨氮的机理研究，如污泥产率的估 算、脱氮途径和氮平衡的计算；对m b b r 中生物特性的研究，包括生物膜性质、 生物膜中微生物多样性和生物动力学参数等：m b b r 技术去除污染物的反应动 力学和有关水力学的研究等。 基于上述情况，本论文确定了对m b b r 处理模拟城市污水进行小试研究的 方案，考察系统性能、运行状况，并在此基础上对系统的后续工艺和动力学进行 了研究。本论文研究的主要内容包括： 1 研究m b b r 技术处理模拟城市污水的可行性，考察该系统降解有机物 ( c o d c ，) 、硝化及反硝化的性能和效率。具体包括： 系统的接种与挂膜； 考察模拟城市污水中c o d c r 和n h 3 n 去除的主要机理和影响因素； 对系统的污泥产率进行估算； 进行氮平衡计算，考察和分析废水中总氮( t n ) 去除程度及可能的脱氮 途径； 对移动床生物膜反应器中生物相进行观察和分析； 悬浮微生物与附着微生物作用的比较。 2 对混凝沉淀作为m b b r 的后续工艺进行试验研究，包括： 对几种常用的混凝剂进行筛选，选择最适合和最经济的混凝剂： 对筛选出的混凝剂进行最佳混凝条件的试验： 考察m b b r 与混凝沉淀联合工艺处理模拟城市污水的效果。 3 探讨用m b b r 技术去除模拟城市污水中c o d c r 和n h 3 n 的动力学，求 出相关的动力学系数。 有机物降解动力学常数的测定： n h 3 n 转化动力学常数的测定； 微生物增长动力学的研究。 玉堑塑堕生塑堕垦鏖墨垫垄! 垒鬯壅查堑塞 圭塑盔兰堡苎! 笙! 望婆 第二章材料与方法 2 1 试验装置和材料 2 1 1 试验装置 m b b r 系统小试装置如图2 - 1 所示，反应器的材质为有机玻璃，主体外形为 圆桶形，底部呈圆锥形，高7 0c m 、直径3 0c m ，总有效容积为3 8 l 。反应器内 放置聚丙烯球形塑料填料，填料填充率为4 0 ，采用鼓风曝气，用空气流量计来 计量与调节曝气量。 2 1 2 悬浮填料 1 、进水池2 、压缩空气3 、曝气器 4 、排泥管5 、空气转子流量计6 、排水口 图2 - 1m b b r 系统小试装置示意图 本论文采用的悬浮填料是一种以聚丙烯为主要材料的特殊塑料制品，空心球 状，内有多叶瓣翼片。表面易于生物膜附着生长，而且巧妙的结构设计使填料在 使用时不堵塞，始终具有理想的空隙率，并具有良好的通气、过水性能。另外， 由于填料较轻，其流化所需的动力消耗也并不很高，一般满足供氧的气量，即能 起到良好的搅拌作用。具体参数如表2 - 1 所示： 、卜巨曼广一二品黟互一 二。鬻鐾坚一 捌学 移动床生物膜反应器技术处理废水研究上海大学硕士学位论文 表2 i 填料的技术参数 直径( r a m )( m 2 m 3 ) 空隙率( )密度( 8 c m 3 ) 气泡切割性能堵塞情况 5 03 5 0 - 3 6 09 00 9 2 - 0 9 7 好不易 2 2 废水水质和测定方法 2 2 1 废水水质 本论文所用污水为模拟城市污水，其组成见表2 2 ，其主要水质指标见表2 3 。 表2 - 2 模拟城市污水组成 粤挲l j 型生! ! ! l 复些堡 壁墼三塾塑壁墼塑三塑壁墼壑塑 ：- 掣鬻= 兰羔黑生兰：! ! ：! ! ：!型 注：以上数据为2 0 0 l 模拟城市污水中的含量 其中蔗糖构成了废水中的主要碳源，氯化铵则是废水中氨氮的主要来源。磷 酸二氢钾和磷酸氢二钾是废水中的p 源，其构成了微生物生长繁殖必不可少的营 养物质，并有p h 缓冲能力，而其中的碳酸氢钠提供废水的碱度和硝化细菌有利 生长的良好的p h 环境。 本论文中的m b b r 为单级反应器，出水中含有较多的s s ，其沉降性能较差。 因此未经特别说明，m b b r 出水的c o d c 。均经过孔径0 4 5 z m 的滤膜过滤，即 f c o d o ；进水中不含有机氮成分，认为进水的总氮浓度和氨氮浓度致；反应 过程中的总氮认为是氨氮、亚硝酸根氮和硝酸根氮的总和。 2 2 2 测定方法 各项水质指标都采用国家标准分析方法【3 8 】测定，具体方法见表2 - 4 。 1 4 堑垫座竺塑堕星窒墨垫查竺里壅查堡壅。笪生竺墅生里型兰兰堕 袭2 - 4承质指标及测定方法一览表 查里塑堡型室互鲨 d h 玻璃电极法 c o d c f 重铬酸钾法 n i l ，n纳氏试剂光度法 n o ，nn - ( 1 - 萘基) 一l - - - 胺光度法 n o _ n酚二磺酸光度法 d o溶解氧仪 s s 、v s s重量法 生物膜相o l y m p u s c x 3 1 生物显徽镜 2 3 m b b r 的接种与挂膜 2 3 1 挂膜方法的比较 目前，有关挂膜方法及其影响因素的研究较少，应用广泛的挂膜方法是密闭 循环法，即把预先培养好的活性污泥与污水混合后，泵入反应器中，出水流入循 环池，经过2 3 天密闭循环，以小水量直接进水并逐渐加大进水量，直至生物膜 新陈代谢出现，微生物生长良好，挂膜结束，而后加大进水投入试运行。循环挂 膜法一般需要2 3 周的时间才能成功，时间长，操作也不方便，另一方面，采用 这种方式形成的生物膜固着不太理想，当冲击负荷较大时易脱落，从而导致恢更 周期长，甚至需重新挂膜。另外循环挂膜法需要设置循环池和循环泵，且需要数 量较多的接种污泥，操作不方便。 基于生物膜是微生物在载体上生长、繁殖的这一原理，通过实验和理论分析 逐渐形成了“快速排泥挂膜法”1 3 9 】，即将接种的活性污泥和污水混合后泵入反 应器中，静置6 8 小时，使污泥与载体接触起到接种微生物的作用，之后全部排 放掉，再连续进不含污泥的污水，并逐渐加大进水量。在适宜的温度下，在较短 时间即可完成挂膜。研究显示快速排泥挂膜法挂膜只需少量的接种污泥，不需要 设置循环池和循环泵，且挂膜速度快。由于基于同样的微生物学原理，排泥法不 仅可以用于好氧条件下的挂膜，而且适用于缺氧和厌氧条件下的挂膜。因而快速 排泥挂膜法是比目前应用广泛的循环法优越的挂膜方法。 移动床生物膜反应器技术处理废水研究 上海大学硕士学位论文 2 3 2 本系统的挂膜过程 本试验采用“排泥法”挂膜。活性污泥来自某污水处理厂二沉池的回流污泥， 将接种的活性污泥和污水混合后倒入反应器中，静置2 4 小时，使污泥与填料充 分接触起到接种微生物的作用，之后全部排放掉，再连续进不含污泥的人工配水， 并逐渐加大进水有机负荷。经过一周的培养，在填料的表面生长出薄薄的一层黄 色生物膜。3 0 天后生物膜呈黄褐色，出现轮虫和线虫等后生动物，标志生物膜 已逐渐生长成熟。同时也获得了较为稳定的出水，可以开始进行试验研究。挂膜 阶段的主要运行结果见图2 2 。 二! 垄坐! ! ! 二! 二些查! 塑二婴! 耋堕垩i 51 01 5 2 02 53 03 5 时间( d ) 图2 2 挂膜阶段的c o d c ，去除效果 1 0 0 8 0 一 誊 6 0 甜 篷 4 0 窖 2 0 。 0 lj|一 o 0 o 0 0 o 0 0 蚰皿加 一j暑5口8*薯 移动床生物膜反应器技术处理废水研究 上海大学硕士学位论文 第三章m b b r 处理模拟城市污水的小试 研究 本章试验采用m b b r 处理模拟城市污水，对有机物和氨氮的去除进行了研 究。探讨了容积负荷、进水浓度等运行参数对m b b r 处理性能和效果的影响， 进行了污泥产率和氮平衡的计算，并观察了反应器中的微生物相，比较了悬浮微 生物和附着微生物对有机物的去除作用。 3 1 有杌物的去除 3 1 1 有机物去除的基本原理 生物膜法是依靠固着于固体介质表面的微生物来净化有机物。生物膜的结 构可分为几部分。在处于好氧条件下的生物膜表层，由于与废水接触，因此吸收 营养物质和溶解氧比较容易，微生物生长繁殖迅速，形成了由好氧和兼氧微生物 组成的好氧层。在生物膜内部与介质接触的部分，由于营养物质和溶解氧供应条 件差，微生物的生长繁殖受到限制，好氧微生物难以生存，兼氧微生物转化为厌 氧代谢方式，厌氧微生物具有较高的活性，从而形成了厌氧和兼氧微生物组成的 厌氧层。 由于生物膜的吸附作用，其表面有一层很薄的水层，附着水层内的有机物 大都被氧化，其浓度比进水浓度低得多，因此进入生物反应器内的废水沿生物膜 面流动时，由于浓度差作用，有机物会从废水中转移到附着水层，进而被生物膜 吸附。与此同时，空气中的氧在溶入废水后，继续进入生物膜，在此条件下，微 生物对有机物进行氧化分解和同化合成，使废水中的有机物不断减少，废水从而 得到净化。 好氧生物处理中，一部分被微生物吸附的有机物氧化分解成简单的无机物， 同时放出能量，作为微生物自身生命活动的能源。另部分有机物则作为生长繁 殖所需要的构成物质，合成新的原生质。这种氧化分解和同化合成可用如下的反 应式表示： 1 7 移动床生物膜反应器技术处理废水研究 上海大学硕士学位论文 有机物的氧化分解： c ；h ，。一f z + i l y 一丢z ) 。：直bx c 。z + 三y h 。+ 能量 原生质的同化合成( 以氨为氮源) ： 。 n 0 2 + ( n x - 5 ) c o ：+ h 0 2“ + i j 2 5 ) 0 2 。尹g h 2 h 0 2 原生质的氧化分解( 内源呼吸) ： l 毗 c 5 h t n 0 2 + 5 0 2 二o5 c 0 2 + 2 h 0 2 + n h 3 + 能量 从上面的反应式可看出，当废水中的营养物质充足时，既可让微生物氧化 分解有机物、产生足够的能量，又能大量合成新的原生质，使微生物得到增殖； 当废水中营养物质缺乏时，微生物只能依靠分解细胞内贮存的物质，甚至把原生 质也作为营养物质利用，以获得生命活动所需的最低限度的能量。 厌氧生物处理是在没有游离氧存在的条件下，兼氧和厌氧微生物降解、稳定 有机物的处理方法。厌氧分解有机物，一般包括四个阶段，分别为水解、发酵、 产乙酸和产甲烷阶段。在此过程中有机物被转化为三部分：c h 4 、无机物( c 0 2 、 h 2 0 、n h 3 、h 2 s ) 和少量的被转化合成的新的原生质。 3 1 2 c o d c ，容积负荷对c o d c ，去除率的影响 容积负荷是运行的重要工艺参数之一，这里提到的负荷都是指投配负荷。 m b b r 稳定运行在进水p h 值为6 8 、水温为1 8 2 5 c 、d o 为3 t m g l 的条 件下，试验考察了逐步提高的容积负荷对c o d c r 去除率的影响。图3 1 反映了不 同容积负荷下c o d c 。去除率的变化趋势。表3 - 1 是迸、出水c o d c ，的变化情况。 1 0 0 琶 9 0 僻8 0 嚣7 0 善 6 0 u 5 0 r i l l 一j j 一l 。l 一 024 681 0 c o d c ，容积负荷( k g m 3 d ) 图3 - 1 容积负荷对c o d c 。去除率的影响 1 8 移动床生物膜反应器技术处理废水研究 上海大学硕士学位论文 表3 - 1 进、出水c o d c 。变化情况 容积负荷( k g m 3 d ) 1 7 2 1 9 2 2 垡! ：堕! ：丝! ：! ! ! ：! ! 由图3 - 1 中可知，当c o d c ，容积负荷在1 7 k g m 3 d 时，c o d c ，去除率一直 稳定在9 0 左右，在这一范围内c o d e 。容积负荷的增大对m b b r 的c o d c ，去除 率影响不大。说明在一定的c o d c ，容积负荷范围内，m b b r 对有机物有良好的 去除效果。此后，随着c o d c ，容积负荷的提高，c o d c r 去除率开始缓慢降低。 在c o d c r 容积负荷率为1 5 k g m 3 - d 时，c o d c r 的去除率降低到8 0 左右。虽然 随着c o d o 容积负荷的提高c o d o 去除率有所降低，但是出水c o d c ，增大也就 意味着m b b r 内可供微生物利用的有机物增多，生物膜在营养物质丰富的条件 下很快就会增长变厚，从而又保证了一定的去除率。由此可见，在一定的c o d ， 容积负荷范围内，m b b r 对有机物的去除有着良好的表现。 3 1 3 进水c o d c ，浓度对c o d c ，去除率的影响 i ；i 戮 粕9 1 重。9 。0 进水c o d c r 浓度( m g l ) 图3 - 2 进水c o d c 。浓度对c o d c 。去除率的影响 图3 2 显示c o d c r 去除率随着进水c o d c r 浓度的增加而略有提高。因为在 水力停留时间一定时，进水c o d c ，浓度提高使生物膜周围营养物质更加丰富， 微生物的生长繁殖更快，微生物种群也更加多样化，从而有利于c o d c ，降解。 另外，虽然进水c o d c ，浓度变化较大，但出水c o d c r 去除率的变化幅度却很小， 这说明m b b r 具有在一定浓度范围内出水水质稳定的优点。 移动床生物膜反应器技术处理废水研究 上海大学硕士学位论文 3 1 4 冲击负荷对c o d c ，去除率的影响 冲击负荷的形成主要是由于进入废水处理设施的废水在流量或有毒有害物 质的浓度上大大超过了处理设施在正常运转情况下的处理能力。冲击负荷未经有 效的缓冲面进入废水处理设施后对处理设麓的处理能力和处理效果造成不利影 响，使得处理后的废水达不到处理标准，甚至造成超标排放的现象。冲击负荷实 际上包括两个方面，其一是水量的冲击，其二是污染物的冲击，即有毒有害物质 的冲击。一般以城市污水为处理对象的污水处理厂面临的冲击负荷主要是废水水 量和浓度变化造成的，其水质组分相对稳定，有毒有害物质含量较低。因此本试 验主要考察模拟城市污水水量和浓度的变化造成的冲击负荷对m b b r 系统的影 响。 当系统稳定运行在c o d c r 容积负荷为7 k g m d 、水力停留时间为1 2 h 时， 固定水力停留时间，提高有机容积负荷来测定系统的抗冲击负荷能力。试验包括 将系统的c o d c r 嬲7k g m 3 - d 提高到1 0k g m 3 - d 和从7k g m d 提高到 1 5k g m d 两种工况。系统运行1 2h 后开始监测c o d o 去除率随时间的变化情 况。两种工况下c o d o 去除率随时间变化关系见图3 - 3 。 i + 1 0 k g c o d m 3 d + 1 5 k g c o d m 3 d1 时间m ) 图3 - 3 冲击负荷对c o d c 。去除率的影响 当c o d c 。容积负荷从7k g l m 3 d 提高到1 0k g m l d 后，c o d c 。去除率没有明 显的波动，只有小幅度的变化，c o d c r 去除率一直稳定在8 9 左右。但是c o d c r 容积负荷从7 k g m 3 - d 提高到1 5m g m 3 d 后，c o d c r 去除率出现较明显的下降趋 势，到运行6 0 h 时c o d c ，去除率降为7 4 ，随后c o d c r 去除率缓慢回升。这主 要是由于在m b b r 抗冲击负荷试验前，系统负荷较低，填料上生物量较多，但 2 0 p，-l；。r-，l 踟0 96一褂畿邯l。ou 移动床生物膜反应器技术处理废水研究 上海大学硕士学位论文 活性较低。随着c o d c r 容积负荷的提高，填料上的生物膜活性随之提高，降解 有机物的能力也得到了提高，因此在一定的c o d c ，容积负荷范围内，c o d c 。去 除率没有明显的变化。当系统受到较高负荷的冲击时，生物膜难以在短时间内适 应，因此c o d c ，去除率表现为缓慢下降，但系统经过稳定运行，随着生物量的 增加、生物活性的提高，仍能恢复到较高的c o d c ，去除率。由此可见，m b b r 在一定的c o d c ，容积负荷范围内有良好的耐冲击负荷性。 3 2 氨氮的去除 3 2 1 氨氮去除的基本原理 废水中的氮主要以有机氮、氨氮、亚硝氮和硝氮四种形式存在。在城市污水 中，主要为有机氮和氨氮。新鲜的生活污水中有机氮约占总氮的6 0 ，氨氮则为 4 0 。废水中的有机氮通过细菌对蛋白质的分解转化为氨，此为氨化作用。 生物脱氮就是利用微生物的作用，将氨氮和有机氮转化为n 2 和n o 。的过程。 其中主要包括硝化和反硝化两个过程。 硝化过程是指在好氧条件下，经亚硝酸菌和硝酸菌的作用，将氨氮转化为硝 氮和亚硝氮的过程。硝化菌的活性受外界影响较大，故硝化反应与温度、溶解氧 浓度、污泥龄、p h 和有机负荷有关。另j , l q i 自化反应会引起水中p h 的下降，因此， 需注意控制碱度在一定范围内。硝化反应可用如下反应方程式表示： n h 4 + + 1 5 0 2 n 0 2 + h 2 0 + 2 h + + 能量( 亚硝酸菌) n o z + 0 50 2 卜n 0 3( 硝酸菌) 反硝化过程是指在无氧条件下，反硝化菌将硝氮和亚硝氮转化为氮气的过 程。进行反硝化时，n 0 3 和n 0 2 作为电子受体存在，而以有机碳作为电子供体 和营养源进行反应。故废水的有机碳含量及可生化性是反硝化反应的决定性因 素，一般认为b o d s t k n 大于3 5 时碳源充足，否则需外加碳源。另外，反硝 化还受反应温度和p h 等因素的影响。反硝化反应可用如下反应方程式表示( 以 甲醇为碳源) ： 6n 0 3 + 2 c h 3 0 h 6 n 0 2 + 2 c 0 2 + 4 h 2 0 ( 硝酸还原菌) 2 1 移动床生物膜反应器技术处理废水研究 上海大学硕士学位论文 6n 0 2 - + 3 c h 3 0 h 卜3 n 2 + 3 c 0 2 + 3 h 2 0 + 6 0 h ( 亚硝酸还原菌) 生物膜中兼有好氧层和厌氧缺氧层，加上稳定的生物栖息环境，有利于世代 周期较长的硝化和反硝化菌的生存，从而可使生物膜反应器通过控制适当的停留 时间来达到硝化反硝化脱氮的目的，从而实现对废水的深度处理。 3 2 2 n h 3 n 容积负荷对氮去除率的影响 硝化活性和菌类的生长率受各种环境因素( p h 、碱度、溶解氧、n h 3 n 浓 度、温度、有机物浓度和起抑制作用的化合物) 的影响。在m b b r 运行稳定后， 试验考察了n h 3 n 容积负荷和有机负荷同步变化对n h 3 n 和t n 的去除率的影 响。 美 v t i j _ 凿 粕 予 董 匝五! 巫坐砸1 垫圈 n h 3 一n 容积负荷( k g m 3d ) 图3 - 4 n r l 3 n 容积负荷对n i t 3 n 去除率的影响 r。1。11。一 i 3 4 m g l _ 4 8 m g l 1 6 m g lf 6 0 鉴4 0 辞 嚣2 0 看 o o 【一j 一j l j 0 00 5 0 1 0 01 5 02 0 0 2 5 0 n h 。一n 容积负荷( k g m 3d ) 图3 - 5 n h 3 - n 容积负荷对t n 去除率的影响 从图3 - 4 、图3 - 5 中可知，n h 3 n 和t n 的去除率随着n i t 3 n 容积负荷的增 加有减少的趋势。n h 3 一n 容积负荷在0 1 5 0 2 0k g m 3 d 时，n h 3 一n 和t n 去除 率都比较高，分别达到8 0 和5 0 左右。这是因为此时相应的有机负荷为 移动床生物膜反应器技术处理废水研究 上海大学硕士学位论文 1 7 2 2 6 4k g m 3 d ，是属于低有机负荷的情形，这时好氧异养菌具有很高的活性， 但数量并未大到对自养硝化菌产生抑制的程度，自养硝化菌在合适的n h 3 一n 负 荷下，具有较好的硝化能力。n h 3 一n 的容积负荷大于0 5 0k g m 3 - d ，n h 3 n 和 t n 的去除率发生了大幅度的下降。n h 3 一n 容积负荷在0 5 0 1 5k g m 3 - d 时， n h 3 n 和t n 的去除率都仅为3 0 左右，这是由于此时相应的有机负荷为 7 4 7 1 4 9 3 k g m 3 d ，是属于高有机负荷的情形，这时好氧异养菌具有高的活性， 并在数量上与自养硝化菌相比明显占优势，自养硝化菌的硝化能力受到抑制。因 此，这里硝化效果的优劣从根本上说是取决于好氧异养菌与好氧自养硝化菌的竞 争。 3 2 3 进水n h 3 n 浓度对氮去除率的影响 鬟 v 龄 凿 粕 0 1 02 03 0 4 05 0 进水n h 3 - n 浓度( m g l ) 图3 - 6 进水n 码- n 浓度对氮去除率的影响 从图3 - 6 可知，随着进水n i - 1 3 一n 浓度的提高( 相应地有机负荷从1 9 6 上升 到5 6 3k g m 3 d ) ，n h 3 - n 和t n 的去除率都有不同程度的降低。这是因为n h 3 n 浓度上升实际上是提高了n h 3 n 容积负荷，并且伴随着有机负荷的提高，使系 统的硝化和脱氮能力显得不足。不过在进水n h 3 一n 浓度高达4 8 m 矿。时，n h 3 n 和t n 的去除率也接近4 0 ，仍显示了反应器较强的脱氮能力。 3 2 4 有机负荷对氮去除率的影响 试验将进水n h 3 - n 容积负荷控制在0 3 5 k g m 3 d 左右，在不同的有机负荷条 件下运行，得到氨氮及总氮的去除效果，如图3 - 7 。 鳖垫盎生塑壁垦蜜壁垫查竺望壅查婴塞 圭塑奎兰堡主堂! ! 羔! 苎 1 0 0 一8 0 番6 0 蕾| 巨4 0 粕2 0 0 i 塾壑圭堕皇二! 二璺塑圭堕兰f 0 0 02 0 0 4 0 06 0 08 0 0 有机负荷( k g m 3 d ) 图3 7 有机负荷对氮去除率的影响 试验研究了n h 3 一n 容积负荷为0 3 5 k g m 3 d 、有机负荷在1 8 k g m 3 d 范围 内，有机负荷的提高对氮去除率的影响。由图3 7 可以看出，在有机负荷为 1 9 k g m 3 - d 时，n h 3 一n 和 i n 的去除率分别达到8 0 和5 0 。在有机负荷为 7 5 k g m 3 d 时，n h 3 一n 和t n 的去除率都接近4 0 。在整个试验的有机负荷范围 内，随着有机负荷的增加，n h 3 一n 和t n 的去除率都呈逐渐下降的趋势。根据传 统的硝化理论，硝化作用是由自养型硝化菌将氨转化为硝态氮的过程。与异养型 细菌相比，硝化菌的产率低，比增长速率小，在污泥中异养菌和硝化菌竞争底物 和溶解氧，使硝化菌的增长受到抑制，所以硝化菌占微生物的比例很小。其比值 与污水中的b o d t k n 有关。b o d t k n 值越高，硝化菌所占比率越小，硝化速 率越低。因此可以认为有机负荷的提高影响了系统的硝化能力，可降解有机物的 增多引起了自养菌和异养菌的竞争，导致系统硝化能力的降低。 3 3 其它运行参数的影响 3 3 。1 d o 浓度 有机物的降解和氨氮的硝化都需要有足够的溶解氧。如果溶解氧不足，轻则 好氧微生物的活性受到影响，新陈代谢能力降低，重则微生物的生长规律遭到影 响甚至破坏。在溶解氧不足的条件下，对溶解氧要求较低的微生物将滋生繁殖， 正常的生化反应过程将受到影响，污水中有机物的氧化不能彻底进行，处理效果 下降。如在溶解氧严重不足的条件下，厌氧微生物将大量繁殖，好氧微生物受到 抑制而大量死亡，这时生物膜将恶化变质，处理水水质显著下降。同时，溶解氧 2 4 整型壅圭塑堕垦生矍垫查竺里壅查堕塞 圭堡查兰堡主堂垡垒兰 浓度又不宜过高，因为这不仅造成能源浪费，而且也会因微生物代谢活动增强、 营养供应不足而使生物膜自身发生氧化。 对于脱氮来说，在硝化反应过程中，理论上转化l m g n h 3 - n 为n 0 3 。一n 需要 氧4 5 7 r a g ；而在反硝化反应过程中，氧的存在将会使反硝化细菌以分子氧而不 是以n 0 3 - 、n o z 离子中的氧来进行呼吸，这样将无法完成反硝化作用；从微生 物角度来看，硝化反应中的溶解氧浓度直接关系到硝化反应速度和硝化细菌的生 长速度。反硝化反应中的溶解氧浓度直接关系到反应中的电子受体。但是考虑到 生物膜内部缺氧、厌氧环境的存在，硝化反硝化在生物膜处在好氧环境下也可以 发生，因此在试验中反应器中溶解氧的浓度一般在3 7 m g l 。 3 3 2 曝气量 由于本论文处理的废水浓度相对较低，所以曝气量调整到刚好使填料完全流 化即可。试验前期填料生物膜薄，使填料完全流化所需的能耗大，而且反应器水 力停留时间长，因此气水比稍高，约为1 0 ：1 。在缩短水力停留时间，填料生物膜 增厚，填料变重之后，气水比降到约4 ：1 就能保证填料的完全流化。 论文中m b b r 系统的曝气方式为穿孔管曝气，虽然穿孔曝气管产生的气泡 较大，但是气泡在上升过程中不断与填料发生碰撞，一方面延长了气泡在水中的 停留时间，另一方面也容易被撞裂为更细小的气泡，从而大大提高了曝气的效率。 在试验过程中，m b b r 系统中的d o 一直都能够维持在3 7 m g l ，这也就 意味着处理低浓度污水时，曝气量的绝大部分都是用来提供填料流化所需的能 量，因此填料的性能参数对m b b r 系统的能耗有很大的影响。选择的填料密度 越接近水就越容易达到流化状态，m b b r 系统的运行能耗就可以进一步降低。 3 3 3 p h 和碱度 尽管生物膜反应器具有较强的耐冲击负荷的能