（环境工程专业论文）悬浮填料构型对微生物挂膜的影响及其有机物降解动力学研究.pdf

摘要 摘要 移动床生物膜反应器( m b b r ) 是近年来开发的新型高效生物膜反应器，主要 是为了弥补活性污泥法和生物流化床的不足。m b b r 具有处理能力高、出水质量 好且运行稳定、运行管理简单、污泥龄长、剩余泥量少且无污泥膨胀等优点，具 有广阔的应用前景，尤其是目前国内正在进行传统活性污泥处理厂的改造及大量 中小城镇污水处理厂的建设。 本课题先用填料一确定最佳溶解氧( d o ) 和水力停留时间( 玎文t ) 值，然 后在相同的运行条件下对三种填料对m b b r 反应器的处理效果、稳定运行特征、 抗冲击能力进行了对比，并对底物降解动力学常数进行初步探讨。 采用移动床生物膜反应器，在悬浮一填料填充率为4 0 ，p h 为6 3 7 6 ， 温度为2 0 3 0 ，c n p = 1 0 0 ：5 ：i 的条件下，用模拟生活废水研究启动挂膜的影 响因素。结果表明：m 盯= 6 h ，d o = 3m g l 时挂膜速度快，c o d 、n h 3 - n 去除效 率高，可达9 0 。d o = i 5m g l 时前5 天c o d 去除率略高于d o = 3m g l 时， 此后c o d 、n h 3 - n 去除率均稳定在8 0 以上，d o = 5 m g l 时，不利于挂膜。职t - 6 h 和h i 玎= 8 h 时c o d 、n h 3 - n 去除率比较接近，且高于= 4 h 和h r t = 1 2 h 时。 在职t = 6 h ，d o = 3m g l 的最佳条件下对填料二和填料三进行挂膜，填料一 挂膜启动时间比填料二和填料三长，达2 5 d ，填料二和三基本接近为1 8 d ，填料 三最易于挂膜，但是初期膜不稳定也易于脱落。 在 玎玎= 6 h ，d o = 3m g l 的条件下稳定运行时，三种填料的c o d 、n i l 3 - n 去 除率都比较高，填料一和填料二达9 0 以上，填料三略差也在8 5 左右；t n 、 t p 的去除率普遍偏差，都只有5 0 多。 三种填料对进水c o d 浓度突然增大有一定抗性，其中填料二的适应性最好。 当水量增大为1 5 0 时，三种填料均有一定抗水量冲击性能，且填料二 填料一 填料三，当增大为3 0 0 时，抗水量冲击性能急剧下降，尤其是填料三运行一段 时间后填料上基本没有微生物。 对m b b r 技术去除模拟生活污水中c o d 和n h 3 - n 的底物降解动力学进行了 初步研究。在进水c o d 浓度4 0 0 m g l ，进水n h 3 - n 浓度2 0 m g l 的条件下，通过对 不同水力停留时间下试验数据的回归分析，求出相关降解动力学常数k s 和p m a x 。 广东工业大学硕士学位论文 关键词：m b b r ；悬浮填料；启动挂膜；废水处理；动力学 i i a b s t r a c t a bs t r a c t m o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r ( m b b r ) i sa n e we f f e c t i v eb i o l o g i c a lm e m b r a n e r e a c t o ri nr e c e n ty e a r s ，d e v e l o p e df o rt h ei n s u f f i c i e n c i e so fa c t i v es l u d g em e t h o da n d b i o l o g i c a lf l u i d i z e db e d w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hp r o c e s s i n ga b i l i t y ，h i g h e f f i c i e n c ya n dp e r f o r m a n c es t a b i l i z e ，e a s yt oo p e r a t e ，l o n gs l u d g ea g e ，l e s ss l u d g ea n d n os l u d g eb u l k i n g ，m b b rh a v eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t so nt r a n s f o r m a t i o no f t r a d i t i o n a la c t i v a t e ds l u d g et r e a t m e n tp l a n t sa n dt h ec o n s t r u c t i o no fal a r g en u m b e ro f s m a l la n dm e d i u m s i z e dt o w n ss e w a g et r e a t m e n tp l a n t si nc u r r e n td o m e s t i c t h i st o p i cm a k e ss u r et h eb e s td oa n dh r tw i t ht h ep a c k i n g1 ，a n dt h e n c o n t r a s t st h et h r e ek i n d so fp a c k i n g st r e a t m e n te f f e c t ，s t a b l eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a n dr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c ei nt h es a m eo p e r a t i o nc o n d i t i o ni nm b b r ，a n dd i s c u s s e s t h es u b s t r a t ed e g r a d a t i o nd y n a m i c sc o n s t a n t m o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r ( m b b r ) ，f e d 谢廿ls i m u l a t i o nw a s t e w a t e r ，w a s u s e dt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c ef a c t o r so fh a n g i n gf i l ms t a r t - u p ，w i n lt h ep r e m i s e c o n d i t i o no fs u s p e n d e dp a c k i n g1 f i l l i n gr a t eo f4 0 ，t h ep ho f6 3 7 6 ，t h e t e m p e r a t u r eo f2 0 3 0 。c ，c n p = 10 0 ：5 ：1 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a t h a n g e dm e m b r a n es p e e dr e l a t i v e l yf a s tw h e nh r t = 6 h ，d o = 3m g l ，a n dc o d ， n h 3 - nr e m o v a le f f i c i e n c ya r eh i g h ，u pt o9 0 c o dr e m o v a lr a t ei ss l i g h t l yh i g h e r t h a nd o = 3 m g li nf i r s t5c l a y sw h e nd o = 1 5m g l ，t h e nc o d ，n h 3 - nr e m o v a l r a t ea r es t a b l ea r o u n d8 0 ，a n di tg oa g a i n s th a n g i n gm e m b r a n ew h e nd o = 5m g l t h er e m o v a lr a t e so fc o d n h 3 - n a p p r o x i m a t ew h e nh r t = 8 ha n dh r t = 61 1 ，a n d h i g h e rt h a nh r t = 4 ha n dh r t = 1 2h t h ep a c k i n g2a n dp a c k i n g3h a n gm e m b r a n eu n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o no f h r t = 6h ，d o = 3m g l t h ep a c k i n g1s t a r t u pt i m ei sl o n g e rt h a np a c k i n g2a n d p a c k i n g3 ，u pt o2 5d ，a n dp a c k i n g2a n d3a r eb a s i cc l o s et o18d p a c k i n g3m o s t e a s i l yh a n g e df i l m ，b u tt h ef i l mi sn o ts t a b l ea n de a r l ye a s yt of a l lo f f u n d e rs t a b l eo p e r a t i o nc o n d i t i o no fh r t = 6l l ，d o = 3m e l ，t h ec o d ，n h 3 - n r e m o v a lr a t e so ft h et h r e ek i n d so fp a c k i n g sa r eh i g h ，p a c k i n g1a n dp a c k i n g2a b o v e i i l 广东工业大学硕士学位论文 9 0 ，a n dp a c k i n g3s l i g h t l yl e s sa l s oa ta r o u n d8 5 ；t h et n ，t pr e m o v a lr a t e so f t h e t h r e ek i n d so fp a c k i n ga r eg e n e r a l l yl o w ，o n l yb ym o r et h a n5 0 t h r e ek i n d so fp a c k i n g sh a v et h er e s i s t a n c e0 1 1c o dc o n c e n t r a t i o no fi n f l u e n t s u d d e n l yi n c r e a s i n g ，o fw h i c ht h ea d a p t a b i l i t yo ft h ep a c k i n g 2i sb e s t w h e nt h e i n f l u e n ti n c r e a s e st o15 0 ，t h r e ek i n d so fp a c k i n ga l lh a v ec e r t a i nr e s i s t a n c et o i n f l u e n ti m p a c tp e r f o r m a n c e a n dp a c k i n g2 p a c k i n g1 p a c k i n g3 ；w h e nt h ei n f l u e n t i n c r e a s e st o3 0 0 ，r e s i s t a n c e st oi n f l u e n ti m p a c tp e r f o r m a n c ef a l ls h a r p l y , e s p e c i a l l y p a c k i n g3h a sl e s sm i c r o o r g a n i s m so np a c k i n ga f t e rr u n n i n gap e r i o d o ft i m e k i n e t i c sw a ss t u d i e do ft h er e m o v a lo fo r g a n i cc o m p o u n d sa n dn h 3 - nw i m m b b r w o r ko u tt h er e l a t e dd y n a m i cc o n s t a n tk sa n dl l m 叙，b yr e g r e s s i o na n a l y s i s t h et e s td a t au n d e rd i f f e r e n th y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，w i t hc o n d i t i o n so fi n f l u e n tc o d c o n c e n t r a t i o n4 0 0m g l ，n h 3 - nc o n c e n t r a t i o n2 0m g l ， k e yw o r d s ：m o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r ( m b b r ) ，s u s p e n d e dc a r r i e r , w a s t e w a t e r t r e a t m e n t ，s t a r t - u p ，k i n e t i c s i v 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t a b s t r a c ti nc h i n e s e i a b s t r a c ti ne n g l i s h c o n t e n ti nc h i n e s e v c o n t e n ti ne n g l i s h v i i i c h a p t e r o n ei n t r o d u c t i o n 1 1 1t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fb i o f i l mm e t h o d 2 1 2t h ep r e s e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tt r e n do f b i o f i l mm e t h o d 4 1 2 1t h ed e v e l o p m e n te v o l u t i o na n dt r e n do ft h eb i o f i l mm e t h o d 4 1 2 2t h ec o m m o np r o c e s so fb i o f i l mm e t h o d 5 1 2 3t h eb a c k g r o u n d ，p r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fm b b r 7 1 3t h es y s t e mt h e o r yo fb i o l o g i c a lm e m b r a n e 8 1 3 1t h ea t t a c h m e n tp r o c e s s 8 1 3 2t h ed e s o r p t i o np r o c e s s 9 1 4t h ei n f l u e n c e f a c t o r so np r o l i f e r a t i o no fm i c r o o r g a n i s m s 9 1 4 1t h en u t r i e n te l e m e n t s 9 1 4 2d o 9 1 4 3t h eb i o f i l mc a r t i e r 10 1 4 4h r t 1 0 1 5t h em e a s u r e so nr e i n f o r c e m e n to ft h em i c r o b i a lg r o w t h 11 1 5 1 t h er e i n f o r c e m e n to f m i c r o o r g a n i s m s 11 1 5 2t h es u r f a c em o d i f i c a t i o no fs u s p e n e dp a c k i n g 1 2 1 6r e s e a r c hs i g n i f i c a n c e ，p u r p o s ea n dt h em a i nc o n t e n t 1 4 c h a p t e rt w oe x p e r i m e n t a ls e c t i o n 15 2 1e x p e r i m e n tm a t e r i a l sa n dm e t h o d 15 2 1 1 e x p e r i m e n te q u i p m e n ta n di n s t r u m e n t s 15 2 1 2 e x p e r i m e n tr e a g e n t 16 2 1 3 s u s p e n d e dp a c k i n g 17 v i i i c o n t e n t 2 2t h eq u a l i t yo ft h ew a s t e w a t e ra n dm e a s u r i n gm e t h o d 19 2 2 1t h eq u a l i t yo fs y n t h e t i cw a s t e w a t e r 19 2 2 2t h et e s ti n d e xa n dm e t h o d 19 2 2 3i n o c u l a t i v es l u d g ea n dt h ef e e d i n gp a t t e m 2 0 c h a p t e rt h r e e t h eo p t i m i z a t i o no fs t a r t u pi nm b b r 2 2 3 1t h ei n f l u n c eo fd oo ns t a r t u p 2 2 3 1 1t h ei n f l u n c eo f d oo nr a m o v a lr a t eo f c o da ts t a r t u p 2 4 3 1 2t h ei n f l u n c eo f d oo nr a m o v a lr a t eo f n h 3 - na ts t a r t - u p 2 6 3 1 3t h ei n f l u n c eo f d oo ns u r f a c ea p p e a r a n c e 2 7 3 2t h ei n f l u n c eo f h r to ns t a r t - u p 。：二。“2 7 3 2 1t h ei n f l u n c eo f h r to nr a m o v a lr a t eo fc o da ts t a r t u p 2 8 3 2 2t h ei n f l u n c eo f h r to nr a m o v a lr a t eo f n h 3 - na ts t a r t - u p 3 0 c h a p t e rf o u r t h ec o m p a r i s i o no fs t a r t - u pa n do p e r a t i o nw i t ht h r e ek i n d so f p a c k i n g su n d e r t h eb e s tc o n d i t i o n 3 2 4 1t h eo b s e r v a t i o no f s t a t i cc o n t a c ta n g l e 3 2 4 2t h ec o m p a r i s i o no fs t a r t - u pw i t ht h r e ek i n d so fp a c k i n g 3 3 4 2 1t h ec o m p a r i s i o no f c o dr e m o v a lr a t ea ts t a r t - u p 3 3 4 2 2t h ec o m p a r i s i o no f n h 3 - nr e m o v a lr a t ea ts t a r t u p 3 5 4 3 b i o l o g i c a lp h a s eo b s e r v a t i o n ：3 8 4 4t h ec o m p a r i s o no ft r e a t m e n te f f e c tu n d e rs t a b l eo p e r a t i o n 4 1 4 4 1t h ec o m p a r i s o no fc o dt r e a t m e n te f f e c tu n d e rs t a b l eo p e r a t i o n 4 1 4 4 2t h ec o m p a r i s o no ft r e a t m e n te f f e c to fn h 3 - na n dt nu n d e rs t a b l e o p e r a t i o n ：4 3 4 4 3t h ec o m p a r i s o no ft pt r e a t m e n te f f e c tu n d e rs t a b l eo p e r a t i o n 4 6 4 5r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e 4 7 4 5 1t h ei m p a c tr e s i s t a n c eo f m a l f u n c t i o n 4 7 4 5 2t h ei m p a c tr e s i s t a n c eo fo r g a n i cl o a d i n g 4 7 4 5 3t h ei m p a c tr e s i s t a n c eo f h y d r a u l i cl o a d i n g 4 8 c h a p t e rf i v e r e a s e a r c ho i ld e g r a d a t i o nk i n e t i c s 5 2 5 1t h eb a s i ct h e o r i e so fs u b s t r a t ed e g r a d a t i o nk i n e t i c s 5 2 t x 广东工业大学硕士学位论文 5 2 t h em o d e lt os t u d yt h ek i n e t i c so fm b b r 5 3 5 3t h ed e t e r m i n a t i o no fk i n e t i c sr e s e a r c h 5 3 5 3 1 d e t e r m i n a t i o no fo r g a n i cm a t t e rd e g r a d a t i o nk i n e t i c sc o n s t a n t 5 4 5 3 2d e t e r m i n a t i o no f n h 3 - nd e g r a d a t i o nk i n e t i c sc o n s t a n t 5 5 c o n c l u s i o u 5 8 r e f e r e n c e 6 0 p u b l i c a t i o n sd u r i n gm a s t e rp e r i o d 6 5 o r i g i n a l yd e c l a r a t i o n 6 6 a c k n o w l e g e m e n t s 6 7 x 第一章绪论 第一章绪论 水在人们的生产生活中具有不可或缺的作用。我国的淡水资源总量2 8 万亿立方米 占地球总水量的0 2 6 ，虽位居第6 ，但人口众多相对人均占有量有限，仅为世界人均 值的，居于世界银行统计的1 5 3 个国家中的第8 8 位。随着工农业突飞猛进的发展及世 界人口的急剧膨胀，全球的淡水资源日益紧张。世界范围内约有8 0 个国家存在着影响 经济发展和人民生活的缺水问题，水资源问题越来越严重影响人们的生活质量和生产 发展。随着经济的飞速发展，城市污水的排放量大幅增加，水污染问题已成为社会焦 点之一。而随着经济的发展，物质生活水平的不断提升，越来越多的人追求健康的水 源供应，若是不能日益完善和严格执行环保相关事宜，日益凸现的经济可持续发展与 水资源短缺之间的矛盾将无法避免。全国近三分之二的城市存在不同程度的缺水，全 国农村饮水不安全人口仍有2 亿多，受水量及水质不安全影响的城镇人口近1 亿】。农 业平均每年因早成灾面积达2 3 亿亩左右，2 0 0 8 年冬季至2 0 0 9 年春季的严重旱情再次给 中国敲响了警钟。目前为止，“三高 和“两低 之间的矛盾状况仍然存在。2 0 0 8 年 全国废污水排放量7 5 8 亿立方米，水功能区达标率仅为4 2 9 。2 0 1 0 年，中国化学需氧 量排放总量1 2 3 8 1 万吨【4 】。大量废水排入天然水体，已使我国8 0 的河流湖泊受到不同 程度的污染。由于水污染控制的相对滞后，受污染的水体逐年增加，加之中国工业化、 城市化的快速发展，不可避免的会加快水污染速度，加剧了水资源短缺。水污染已成 为我国面临的严重环境问题之一，在水资源日益短缺的今天，必须切实采用科学有效 的措施保护我们周围的环境，合理地利用水资源，同时对已造成的水体污染进行综合 整治并再生利用，这样才能有利于保护水环境、保护水源，促进有限水资源的可持续 开发利用。 以有机污染物为主的污染种类是目前污水处理的主要目标，而生物法是这些污染 物处理的基本方法，活性污泥法和生物膜法是当今应用最广的处理工艺。活性污泥法 作为当今世界范围内应用最多的一种生物处理工艺，具备自己独特的优点，如处理能 力高、出水水质好等，然而存在一些不足。与活性污泥法平行发展起来的生物膜法， 越来越受到广大研究者和环保工程师们的关注，它应用于各种污水的处理有自己独特 的特点，不仅能替代传统活性污泥法，更具运行负荷高且运行稳定、抗毒性和抗冲击 广东x - 业大学硕士学位论文 负荷强、污泥产量低、无污泥膨胀、经济节能、管理操作简单、可实现同步硝化反硝 化等优茸s 】。 1 1 生物膜法的基本原理和特点 生物膜处理技术是根据土壤自净的原理发展起来的，用于处理污水技术源远流长。 生物膜法净化污水的原理可用图1 1 来说明1 6 - s 。当有机废水或由活性污泥悬浮物培养 而成的接种液流过载体时，水中的悬浮物及微生物被吸附于固相载体表面上，其中的 微生物利用有机底物进一步增长繁殖，逐渐在固相载体表面生成一层粘液状的生物膜。 由于生物膜的吸附作用，膜的表面存在一层很薄的水膜，水膜相对于外侧运动水流静 止。废水流经生物膜时，流动水层中的有机物通过水流扰动和浓差扩散作用进入附着 水膜，并进一步扩散到生物膜中。微生物利用水中溶解的氧气，分解氧化扩散到生物 膜中的有机物，补充微生物自身所需营养，并不断增殖，生物膜增厚也不断增加。废 水底物及氧的传质阻力也逐渐增加，在膜的表层仍能保持足够的营养及氧的供给，而 在膜深处将由于营养或氧的供给不足而出现内源代谢或厌氧层。微生物的代谢产物如 h 2 0 、c 0 2 、n h 3 等则沿反方向，从生物膜经过水膜进入流动水层或大气中。当厚度适 中时，好氧与厌氧之间维持平衡，厌氧代谢产物有机酸、醇类、硫化氢等透过好氧层 时进一步降解除去，出水水质好。当厌氧层厚度逐渐加厚，厌氧气态产物如硫化氢等 增多，降低生物膜附着力，生物膜进入老化阶段，在水力冲刷作用下很容易脱落。老 化的生物膜脱落后，载体表面又可重新吸附、生长、增厚生物膜直至重新脱落。从吸 附到脱落，生物膜完成一个生长周期。降解反应过程可以简单概括为：基质向生物 膜表面扩散，在生物膜内部扩散，微生物分泌的酵素与催化剂发生化学反应， 代谢生成物排出生物膜。 生物膜反应器有这活性污泥法不具备的特点，比如操作简便、耐冲击性能强、剩 余污泥少且无膨胀等。具体特征如下【5 9 - 1 3 。 ( 1 ) q 三物膜上的微生物种类繁多，除大量细菌外，还可能出现大量真菌( 丝状菌) 、 放线菌、线虫类、轮虫类及寡毛虫类等原生动物和后生动物形成较长的食物链。膜中 生物种群沿水流方向具有一定的空间分布。因此具有较强较广泛的污染物去除能力。 ( 2 ) 生物膜中的食物链相对较为完整，从细菌到原生动物、后生动物都参与污染 物的去除过程，产生污泥大都被生物消耗，剩余污泥量较少，从而降低污泥处理与处 第一章绪论 置费用。 p 图1 - 1 生物膜法净化污水原理图 f i g l - 1p u r i f i c a t i o no f w a s t e w a t e rb i o f i l ms c h e m a t i c ( 3 ) 生物膜中微生物种类繁多且复杂，剩余污泥量少，因为不会发生污泥膨胀现 象，系统操作维护及运营管理比较方便。而生物膜反应器处理效果主要靠微生物附着 在填料上的生长，即使丝状菌大量繁殖，不仅不会导致污泥膨胀，还可以提高处理效 果，主要是因为丝状菌不仅增加了填料的微生物和污染物的吸附能力，而且可以利用 丝状菌较强的氧化分解能力，强化污染物的去除效果。 ( 4 ) 生物膜中除了悬浮的微生物，附着在载体上的微生物能更有效的利用反应器 的空间，数量更多种类更丰富，单位容积的生物量可高达活性污泥法的几倍甚至几十 倍，单位处理能力更大。 ( 5 ) 世代时期比停留时间长的微生物在活性污泥法中难以增殖，而生物膜法污泥 龄较长，即使像硝化菌这样世代生长时间长的微生物等也能很好的繁殖增长，因此生 而具有较高的生物脱氮能力，净化功能显著提高。 ( 6 ) 由于生物膜法膜中生物相更丰富，脱落的污泥比重较大且个体较大，沉降性 能良好，更易于固液相的分离。 二4 ( 7 ) 生物膜法抗负荷波动的性能良好，尤其是由水量、水质变化而引起的水力负 荷和有机负荷，对短暂的故障或者短期的水质水量变化有一定抗性且恢复性较好。更 有一点活性污泥法无可比拟的是能处理低浓度的污水。 除上所述生物膜法的优点外，它也存在着一些不足，如需要有填料或支撑结构情 广东工业大学硕士学位论文 况下才能实现运行，一般基建费用普遍较活性污泥法高；处理系统水中s s 较高，而且脱 落的生物膜片容易随水流出。 1 2 生物膜法的研究现状及发展趋势 1 2 1生物膜法的发展沿革及趋势 1 9 世纪末期1 8 9 3 年，在英国首度出现生物滤池，并开始应用于污水处理中，实验通 过在粗滤料上喷洒污水进行测试，取得了良好的净化效果。2 0 世纪2 0 3 0 年代，建造了 很多以生物滤池的形式为主的生物膜反应器系统，生物滤池虽具有高效的净化性能和 良好的出水水质等优点，但它也同样存在着不足，如b o d 5 负荷和水力负荷均较低、占 地面积较多、环境卫生条件不好、脱落的生物膜易导致堵塞等，在4 0 5 0 年代活性污泥 法大有取代生物滤池的趋势。主要是因为在此期间，生物滤池的填料大多是实心的比 表面积和孔隙率低的无机天然材料，如碎石、炉渣等。到了6 0 年代，比表面积和孔隙 率大大增加的新型有机人工合成填料开始大量生产并投入使用，改善了原有填料比表 面积小和空隙率低等不足，加上环保要求出水水质不断提高，使得生物膜反应器获得 了进一步的发展。到了7 0 年代，又涌现出了大批新的处理系统并广泛应用，主要有淹 没式生物滤池、生物转盘及生物流化技术等降i o l 。 由于生物膜反应器自身的优点，近年来引起国内外专家学者的广泛关注并进行了 更为深入的研究【1 4 1 。内容涉及甚广，包括：原有载体的改良及新型载体的开发设计、载 体表面的微生物固定机理与相关处理技术、微生物的增殖、对有机物的去除、同步硝 化反硝化及及机理的研究及同时脱氮除磷的研究等。已广泛应用的工艺生物滤池、生 物转盘等日趋成熟稳定，逐渐完善，更涌现出大量单一与复合形式的新型反应器系统 工艺，单一型如厌氧生物膜膨胀床、移动床生物膜反应器等，复合式生物膜反应器工 艺如将生物膜的优势引入到悬浮生长污水处理系统中形成的各种不同工艺，都能根据 不同污废水的特征，充分发挥各自的优势，尽量降低缺点的影响。生物膜反应器经历 单一到复合，兼有好氧、厌氧及好氧厌氧混合，逐渐形成了一套比较完整的污水生物 处理工艺系统【s 1 。 今后，载体表面微生物的固定机理的探讨研究，具亲水性、生物亲和性载体和在实 践中常用微生物固定化技术的开发研究，各种工艺参数的优化，提高系统净化功能的效 4 第一章绪论 率和广谱性。生物膜微生物的增殖规律及能量代谢机制和污染物的底物降解动力学有 待于进一步的探讨研究嘲。 1 2 2 废水生物膜常见处理工艺 生物膜反应器种类繁多，根据不同的分类条件，分类不同。根据附着微生物生长 的载体的运动状态，可将生物膜反应器划分为两大类：固定床和流动床。根据在操作 过程中是否有氧参与，可分为好氧和厌氧和兼氧三种，一般而言把兼氧归于好氧，分 为好氧式和厌氧式两大类【l o _ 6 】。 生物膜反应器的类型众多，分类如图1 - 2 0 0 j 。像生物滤池、生物转盘等已经有应用 于污水处理多年，逐渐步完善，像移动床生物膜反应器等已广泛进行中小实验及用于 中小型处理工艺的建设，还有些反应器仅仅是刚刚于实验室内研究开发的新型工艺有 待于进一步总结研究。虽然生物膜反应器多有好氧与厌氧之分，但其实在好氧反应器 里也总是好氧、兼氧甚至厌氧微生物共同存在的，尤其在生物膜比较厚的情况下，只 是说一般那种微生物更占主导作用，d o 通过扩散作用达到微生物膜的表层，由于传质 阻力的作用，深层的生物膜并不能获得足够的氧气而通常处于缺氧或厌氧状态，从而 形成好氧、缺氧、厌氧共存的膜层系统，一般而言这种相对厚实的生物膜具有一定的 脱氮除磷作用【7 】。 广东工业大学硕士学住论文 图1 - 2 生物膜反应器分类 f i g 1 2 t h ec l a s s i f i c a t i o no fb i o f i l mr e a c t o r s 6 第一章绪论 1 2 3 移动床生物膜反应器产生背景、原理及特点 目前而言，传统活性污泥法是大部分污水处理厂所采用的处理工艺，但处理效率 比较低，卫生条件比较差，从而导致大量污水处理很难达标。移动床生物膜反应器就 是在这些不足的基础上，研究者们新开发的革新型污水处理新技术工艺，它不仅解决 了活性污泥法的不足，而且消除了固定床反需定期反冲洗、流化床需消耗大量流化动 能、淹没式生物滤池的滤料清洗及更换曝气器等不足【l s 】。 移动床生物膜反应器主要工作原理跟生物膜法类似，在移动床生物膜反应器中膜 的主要载体是悬浮填料，而反应器处理效果的好坏主要取决于载体上生物膜的量和种 类及系统的操作条件。在反应器内膜上的微生物利用废水中的有机物进行生命活动和 增殖，从而去除废水中的污染物，分吸附和氧化分解两步完成，一般吸附时间短去除 率下降快，而氧化分解需要的时间长。填料上生物膜形成一般要经历微生物在填料上 的附着，部分由于水力等综合作用解吸，不可解吸微生物在填料上固着生长，逐渐形 成生物膜，生物膜增殖变厚，内部逐渐形成兼氧、厌氧层，随着膜层的不断加厚，厌 氧层逐渐加厚，厌氧产物不断增加，当厌氧产物增加到一定值后，由于厌氧层产气增 加，导致膜层附着力下降，加之水力和填料间运动摩擦，生物膜脱落，然后再原来生 物膜基础上进行下一周期的生长，这就是填料表层生物膜的变更周期。一般而言，有 机物越丰富，微生物活性越高，增殖越快，膜层更新越快。 反应器生物膜的表面积增大，填料上生物膜具有一定厚度，同时存在好氧和厌氧 环境，能进行同时硝化反硝化作用，尤其是膜层比较厚时同步硝化反硝化效果更明显。 m b b r 以现代生物技术和生物膜工艺原理为基础，核心是将作为微生物生长载体的悬 浮填料投加到反应器内。在m b b r 反应器中由于水流的提升作用而呈流化状态，微生 物与废水充分接触，微生物利用这些废物作为营养氧化分解供生命活动及增值，从而 达到净化污水的效果。m b b r 具有自己独特的特点，具体如下1 1 9 - z 2 ： 工艺所用悬浮填料比表面积大，多孔性使得填料提供更多的微生物增殖生长空 间，容易挂膜。 r 存在好氧、兼氧、厌氧等多种菌种，微生物种类繁多有利于提高污水的处理效 果，大大缩短污染物在反应器的停留时间，流量一定时可大大减小池体容积从而节省 基建投资。 广东工业大学硕士学位论文 悬浮填料由于密度接近与水，极易形成流化状态，而且由于流化的填料与气泡 之间容易出现碰撞切割现象，这极大地提高了固液气三相之间的传质效率，提高了氧 的利用率，增强处理效率，而且节约能源。 悬浮填料的挂膜和脱膜速度都比较快，微生物活性高，而且对毒性以及其他不 利于生物处理的环境因素的敏感度低，适应性强，增强净化效果，出水水质好。 悬浮填料随水流不断循环流动和自身旋转，不易堵塞，老化的生物膜在水力紊 动下自动脱落，不易构成填料积泥问题。 改善了反应器的通气和过水性能，水头损失小，无需回流，运行可靠，构筑物 简单。 工艺不仅可单独运行，也可以投加到活性污泥法以增加微生物量，在不增加构 筑物的情况下提高净化效果或增加处理水量；作为预处理手段可以选择性地去除某些 污染物，为后续能更好的处理奠定基础。 移动床生物膜反应器虽然发展时间并不是很长，但颇受国内外学者的关注，研究 得到长足的发展，该工艺可用于生产【1 7 7 3 - 2 4 l 、生活废水【1 6 馏】及各种工业废水【s 1 2 2 6 - 3 0 1 的 处理，均取得了较好的效果。现有污水处理厂大部分采用活性污泥法，而m b b r 可在 日处理量不变的情况下提高污水处理效率，或者在原有污水处理厂处理效率的基础上 增加处理量，易于对现有污水处理厂进行升级改造。针对我国传统污水处理设施，一 些学者进行研究取得不错效果【，卜卅。 1 3 生物膜系统理论 附着与脱附是生物膜系统中最主要的的两个宏观过程，它们对生物膜反应器的特 征和效能有重要影响。简要说明附着与脱附过程的机理及主要模型。 1 3 1附着过程 生物膜附着过程的机理，目前仍然不很清楚，有c h a r a c