（环境工程专业论文）复合式膜生物反应器在城市污水处理中的应用研究.pdf

摘要 本课题的研究目的是研制一套用于提高污水回用和保护水资源的新型反应器，因 此，设计了装载有新型悬浮填料的复合式膜生物反应器。本课题重点研究操作参数( 水 力停留时间，污泥龄，污泥负荷，溶解氧) 对复合式膜生物反应器性能的影响。 反应器在不排泥条件下运行了一个月，以研究h r t 对反应器性能的影响。h r t 分别 为1 2 h 、1 0 h 、8 h ，试验结果表明，无论h r t 如何变化，系统对c o d 的去除率均在9 5 以 上，在试验所选水力停留时间内，h r t 对c o d 去除率的影响不明显。从n h 4 + n 去除率可 以看出，生物反应器对n h 4 + n 的去除率随h r t 的增加而降低，膜对n h 4 + - n 的截留效果 不明显。有毒物质( 甲苯、吡啶) 的去除率随h r t 的增加而增加。综合考虑，选定h i 卅8 h 。 在h r p 8 h 条件下，改变污泥龄使其分别为1 0 d 、1 5 d 、2 0 d ，以研究污泥龄对反应 器性能的影响。结果表明，c o d 、n h 4 + - n 和有毒物质( 甲苯、吡啶) 的去除率均随污泥龄 的增加而增加。 在h r t = 8 h 及不排泥条件下，研究了污泥负荷对反应器性能的影响。结果表明，c o d 去除率随c o d 污泥负荷的增加而增加，n h 4 + - n 去除率随n h 4 + n 污泥负荷的增加而降低， 有毒物质( 甲苯、吡啶) 的去除率随进水中有毒物质浓度的增加而降低。 在h r t = 8 h 及不排泥条件下，研究了d o 对反应器性能的影响。c o d 去除率随d o 的 增加而增加，n h 4 + n 去除率在d o = 2 m g l 时达到最大值，有毒物质( 甲苯、吡啶) 的去除 率均随d o 的增加而增加。 色质联机分析表明出水中含有少量有毒中间产物，但其浓度很低。 本论文还进行了膜清洗试验，并通过扫描电镜观察了清洗效果。试验表明，化学清 洗后污染膜能基本恢复清洁膜的结构。 关键词：复合式膜生物反应器，城市污水，有毒有机物，膜污染 a p p l i c a t i o no ft h eh y b r i dm e m b r a n e b i o r e a c t o ri n t h et r e a t m e n to fm u n i c i p a lw a s t e w a t e r z h a n gx i a o l e i ( e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a oc h a o c h e n g a b s t r a c t t h eo b j e c t i v eo ft h i sr e s e a r c hi st od e s i g nan e wr e a c t o rf o ri m p r o v i n gw a s t e w a t e rr e u s e a n dt os a v ew a t e rr e s o u r c e s t h e r e f o r e ，an e wh y b r i dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( h m b r ) 埘t l l s u s p e n d e dc a r r i e r so fn e w m a t e r i a la n ds t r u c t u r ew a s e x p l o r e d t h i ss t u d yw a sf o c u s e do nt h e e f f e c to f o p e r a t i n gp a r a m e t e r s ( h r t , s r t , s l u d g el o a da n dd o ) o nh m b rp e r f o r m a n c e u n d e rt h ec o n d i t i o no fn os l u d g ed i s c h a r g i n g ，h m b rw a so p e r a t e df o ra b o u to n em o n t h t oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fh r to nh m b rp e r f o r m a n c e i nt h i sr u n ，h r tw a sc o n t r o l l e d i n12 h ，10 ha n d8 h t h er e s u l t ss h o w e dt h a tn om a t t e rh o wt h eh r t c h a n g e d ，t h er e m o v a lr a t e o fc o di nt h es y s t e mw a sa l la b o v e9 5 t h ee f f e c to fh r to nc o dr e m o v a le f f i c i e n c yw a s n o ts i g n i f i c a n t f r o mt h er e m o v a lr a t eo fn h 4 + - ni nt h es y s t e m ，w ec a ns e et h a tr e m o v a lr a t e o fn h 4 + - no fb i o - t r e a t m e n tc e l ld e c r e a s e da c c o r d i n gt ot h ei n c r e a s eo fh r t a n dm e m b r a n e c a nn o th o l dn i - h + - nb a c ke f f e c t i v e l y t h er e m o v a lr a t eo ft o x i co r g a n i cc o m p o u n d s ( t o l u e n e ，p y r i d i n e ) i n c r e a s e da c c o r d i n gt ot h ei n c r e a s eo fh r t b a s e do na no v e r a l l c o n s i d e r a t i o no fv a f i o u sf a c t o r s ，h r to fs hw a st h ef e a s i b l ev a l u ef o rh m b r o p e r a t i o n u n d e rt h ec o n d i t i o no fh r ta t8 h ，h m b rw a so p e r a t e dt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo f s r to nh m b r p e r f o r m a n c e i nt h i sr u n ，s r tw a sc o n t r o l l e di n10 d ，15 da n d2 0 d t h er e s u l t s s h o w e dt h er e m o v a lr a t eo fc o d ，n h 4 + - na n dt o x i co r g a n i cc o m p o u n d s ( t o l u e n e ，p y r i d i n e ) a l li n c r e a s e da c c o r d i n gt ot h ei n c r e a s eo fs r t u n d e rt h ec o n d i t i o no fh r ta t8 ha n dn os l u d g ed i s c h a r g i n g ，h m b rw a so p e r a t e dt o i n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fs l u d g el o a do nh m b rp e r f o r m a n c e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r e m o v a lr a t eo fc o di n c r e a s e da c c o r d i n gt ot h ei n c r e a s eo fc o d s l u d g el o a d ，t h er e m o v a l r a t eo fn h 4 + - nd e c r e a s e da c c o r d i n gt ot h ei n c r e a s eo fn h 4 + - ns l u d g el o a d ，t h er e m o v a lr a t e o ft o x i co r g a n i cc o m p o u n d s ( t o l u e n e ，p y r i d i n e ) d e c r e a s e da c c o r d i n gt ot h ei n c r e a s eo ft h e c o n c e n t r a t i o no ft o x i co r g a n i cc o m p o u n d si nt h ei n f l u e n t u n d e rt h ec o n d i t i o no fh r ta t8 ha n dn os l u d g ed i s c h a r g i n g ，h m b rw a so p e r a t e dt o i n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fd oo nh m b rp e r f o r m a n c e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e m o v a l r a t eo fc o di n c r e a s e da c c o r d i n gt ot h ei n c r e a s eo fd o ，t h er e m o v a lr a t eo fn h 4 + - ni sh i g h e s t w h e nd o = 2 m g l ，t h er e m o v a lr a t eo ft o x i co r g a n i cc o m p o u n d s ( t o l u e n e ，p y f i d i n e ) i n c r e a s e d a c c o r d i n gt ot h ei n c r e a s eo fd o g c m sa n a l y s i ss h o w e dt h a tt h e r ew e r es m a l la m o u n t so ft o x i co r g a n i cc o m p o u n d s p r o d u c e d ，b u tt h ec o n c e n t r a t i o n sw e r ev e r yl o w i nt h i st h e s i st h e r ew e r es t i l le x p e r i m e n t so fc l e a n i n gt h em e m b r a n et r e a d s a n dt h e m e m b r a n ef o u l i n gw a sv i s u a l i z e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e t h er e s u l t ss h o w e dt h a t a f t e rc h e m i c a lc l e a n i n g ，t h ep o l l u t e dm e m b r a n ea l m o s ta p p e a r e dt h es t r u c t u r eo fn e w k e yw o r d s ：h y b r i dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( h m b r ) ，m u n i c i p a lw a s t e w a t e r ，t o x i co r g a n i c c o m p o u n d s ，m e m b r a n ef o u l i n g 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：覆堕量 日期：1 年6 月2 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：丞蝗重 指导教师签名：乏笔三茸蛋二b 笋一 指导教师签名： 间二甲苯 苯 对二甲苯 邻二甲苯。不同苯系物的启动时间差别很大，如甲苯在1 0 m g l 浓度时，几乎不需要启动 期，完全降解时间为3 9 h 。对二甲苯启动期需要1 5 h ，完全降解时间为6 3 h 。而在相同浓 13 第一章绪论 度时，邻二甲苯需要3 0 3 h 的启动期，完全降解时间为3 2 7 h 。各种苯系物的完全降解浓度 分别为：甲苯s 1 8 0 m g l ，邻二甲苯s 1 1 4 m g l ，间二甲苯_ 2 2 0 5 m p a ) ，介电 常数减少至近似于有机物和气体，从而使气体和有机物完全溶解在废水中，气液界面消 失，形成均相氧化体系。因此有机物的氧化可以在富氧的均一相中进行，有着较高的反 应速率。超临界水氧化技术中也存在着一定的问题，如反应器堵塞及由酸引起的反应器 严重腐蚀问题。 5 ) 超声波降解技术 超声波降解是近年来发展起来的一种水处理技术。它主要是利用了超声辐射所产生 的空化效应。在空化泡崩溃的瞬间，会在其周围极小空间范围内产生出1 9 0 0 - 5 2 0 0 k 高 温和超过5 0 6 5 1 07 p a 的高压，并伴有强烈的冲击波和时速高达4 0 0 k m h 的射流，这些极 端环境足以将气泡内气体和液体交界面的介质加热分解为强氧化性的物质如o h 、o 等，从而氧化降解有机物质【4 0 1 。 超声波降解技术在污水毒性削减方面显示了很大的发展潜力。它对含卤化合物的脱 卤、氧化效果显著，氯代苯酚、氯苯等含氯有机物最终降解产物为h c i 、h 2 0 、c 0 2 等。 超声降解对硝基化合物脱硝基亦很有效。熊宜栋【4 l 】用不同频率和强度的超声波以多种方 式对模拟和实际硝基苯废水进行处理研究。发现功率在1 0 0 w 、时间为6 0 s 条件下，硝基 苯的降解率可达8 0 9 。加入适量的h 2 0 2 及少量的f e 2 + ，不仅可以使c o d 的去除率及硝 基苯的降解率分别提高到8 7 和9 2 ，而且反应时间大大缩短，超声波强度也减半。目 前，超声波降解技术还主要处于实验探索阶段。 1 5 4 3 生物处理技术 1 ) 传统生物法及其改进工艺 传统的活性污泥法自诞生之日起就一直肩负着处理污水的重任。但是随着现代工业 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的发展，越来越多的有毒难降解物质的产生让传统活性污泥工艺受到挑战。在应用好氧 活性污泥法削减毒性的研究中，除了采用各种物化方法降低有机物的毒性作为预处理以 及培养驯化活性污泥外，还应用了一些新的工艺如膜生物反应器等。 厌氧生物技术处理高浓度有机工业废水及含有毒难降解有机污染物的城市污水，长 期以来一直受到人们的重视，并且开发了一系列的高效厌氧生物反应器，如升流式厌氧 污泥床、膨胀的颗粒污泥床等。在厌氧处理过程中的水解酸化阶段有其特殊的作用。何 苗f 4 2 j 采用厌氧水解酸化工艺对焦化废水中有机污染物进行处理，并就处理后的有机物对 好氧生物降解性能的影响进行了研究。结果表明，萘经厌氧酸化处理后转化为易于好氧 生物降解，其生物氧化率由原来的3 1 2 提高至5 1 2 。喹啉和吲哚对好氧处理的抑制作 用完全消除。于是人们将水解酸化与其他生物处理工艺联用处理有毒工业废水，并取得 了不错的效果。李咏梅【4 3 】等用水解酸化缺氧好氧生物膜法处理焦化废水，当水力停留 时间为3 7 9 h 时，系统出水对发光菌的相对发光率达9 6 8 ，发光菌致死率下降到3 2 ， 其毒性相当于0 0 2 3 m g l 氯化汞的毒性，毒性很低。 2 ) 培养和投加高效降解菌 自然界有着丰富的微生物种群，当其生存环境发生变化时，某些微生物通过自然突 变形成新的菌种，更多的可能通过形成诱导酶系统具备了新的新陈代谢功能而生存下 来。利用微生物的这种特性，可以选择适当的微生物群落，创造和保持最佳环境条件， 从而筛选和培养高效优势菌种用以降解各种有毒难降解有机物，从而削减污水毒性。 3 ) 禾l j 用共代谢作用 很多污染物质在单独作为碳源时被认为是难以生物降解的，但是如果加入一些像甲 醇这样的一级基质却是可以被微生物降解的，这便是所谓的共代谢作用。马娜m 】在研究 含氮杂环化合物缺氧生物降解时发现，在缺氧条件下甲醇的加入可以提高吡啶、喹啉、 苯并咪唑等的降解效率。 在共代谢作用中，非生长基质并不能引起微生物能量的增长、增殖。微生物主要是 利用生长基质( 一级基质) 产生的酶来降解非生长基质。因此，一级基质的选择是十分重 要的。同时，共代谢过程中一级基质与二级基质要保持合适的浓度。王永杰【4 5 】等在用有 机磷农药广谱活性降解菌以共代谢方式降解废水中的有机磷农药时发现，一级基质浓度 过高会抑制降解酶的产生，有机农药降解率不高；一级基质浓度过低，菌体生长受到抑 制，有机磷农药降解率也不高。另外，要保证足够的氮、磷及其他一些营养元素，以使 微生物能够正常生长。 1 7 第一章绪论 4 ) 基因工程技术 随着微生物遗传学的发展，人们发现，微生物降解有机污染物的基因通常与质粒有 关。许多有毒化合物，尤其是复杂芳环类化合物的生物降解往往有降解性质粒的参与。 因此，通过对特定的降解性质粒进行研究，分离出目的基因片段，再将其与适当的载体 连接后，转入受体菌中，便可得到能够降解特定有毒有机污染物的基因工程菌。工程菌 的另一类育种方法是利用原生质体融合技术，将几种遗传性状不同的细胞变成一个细 胞，融合的细胞可以集中双亲的优良性状，甚至还可能产生双亲没有的一些新性状。 综上所述，目前对于污水毒性削减的工艺研究主要集中在毒性大、毒物浓度高的有 机废水方面，方法涉及物理、化学、生物等各个方面。而对于毒性相对较小的城市污水 并未引起足够的重视，进行的毒性削减工艺研究较少。 1 6 课题的提出、目的、意义及研究内容 1 6 1 课题的提出、目的及意义 我国水资源的总量为2 8 万亿立方米，位居世界第四，但人均水量仅为世界水量的 1 4 ，属于贫水的国家之一，再加上水资源在不同地区的不同季节分布极不均匀，以及主 要河流、湖泊的水体污染，更加剧了我国的水资源危机。随着城市发展，对水资源的需 求也日益增加，水资源的紧缺矛盾已成为经济发展的重要制约因素。因此，加强污水深 度处理后回用是节约淡水资源、缓解水资源供需矛盾的重要途径之一。 传统的生物处理工艺难以满足污水回用标准，因此，各种新型、高效的污水处理技 术应运而生，其中用膜分离技术代替传统的重力式沉淀池的膜生物反应器工艺日益引起 人们的重视。 但由于工艺本身的原因，常规的膜生物反应器还存在一些缺点： a ) 由于系统中生物处理单元多采用传统的活性污泥法，反应器内的污泥浓度较高， 膜处理技术与其它的过滤分离技术一样，在长期的运转过程中，膜作为一种过滤介质堵 塞，膜的通过水量运转时间而逐渐下降，即膜堵塞问题，尚没有有效的清洗技术，使 m b r 系统的有效使用寿命缩短； b ) 分体式膜生物反应器，还会导致污泥活性下降( 循环加压泵引起) 及处理水温度升 高； c ) 膜制造成本偏高等。 为了减缓膜污染，提高污水处理效果，在普通膜生物反应器的基础上研究开发了复 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 合式膜生物反应器装置。复合式膜生物反应器是将中空纤维膜组件直接置于好氧的含有 活性污泥和生物膜两种微生物的复合反应器内构成的。与其他膜生物反应器工艺不同的 是，复合式膜生物反应器系统生物反应器内既有悬浮生长的活性污泥，又有附着生长的 生物膜，两种微生物共同作用完成对污染物的降解。 本课题准备将复合式膜生物反应器应用于城市污水处理及回用，考察复合式膜生物 反应器对污染物的去除效果及影响因素，确定各处理单元的相应的运行参数，并探讨膜 分离特性及膜污染控制方法。研究复合式膜生物反应器各处理单元出水中的有毒物质， 评价该系统对城市污水有毒物质的去除效果。 1 6 2 本课题的研究内容 1 ) 复合式膜生物反应器处理城市污水工艺研究 考察复合式膜生物反应器对污染物的去除效果及影响因素，研究膜组件的分离特性 及膜污染控制方法。 研究系统运行时最佳运行参数，包括水力停留时间、污泥龄、污泥负荷及溶解氧 对c o d 、n h 4 + - n 等在各处理单元中去除效率的影响； 研究水力停留时间对膜分离特性的影响，了解膜分离特性的变化情况； 采用扫描电镜观察膜表面污染物的沉积，确定膜污染情况，采用化学清洗方法减 缓膜污染。 2 ) 城市污水回用安全性研究 研究复合式膜生物反应器各单元出水有毒物质的降解情况，考察系统对有毒物质的 削减效果。 采用气相色谱法对各单元出水中的有毒物质进行定量分析，并利用g c m s 法分 析有毒物质的降解规律； 研究膜组件对有毒物质的截留能力，确定复合式膜生物反应器对毒性的削减效 果。 1 9 二 k 验装镕方法 2 1 实验装置 第二章试验装置及方法 211 复合式膜生物反应器简介 复合式膜生物反应器工艺是将中空纤维膜组件直接嚣于好氧的含有活性污泥和生 物膜两种微生物的复合反应器内构成的。与其他膜生物反应器工艺不同的是，复合式膜 生物反应器系统生物反应器内既有悬浮生长的活性污泥，又有附着生长的生物膜，两种 微生物共同作用完成对污染物的降解。 21 2 复合式膜生物反应器所用填料及膜组件简介 污水处理中的生物载体，要求具有较高的孔隙率和较太的比表面积，以有利于基质 传递和生长较多的生物膜惰性材料一般具有较强的机械强度。其中，有机聚合物生物 载体因其价格低廉、制造工艺简单和耐腐蚀等特点，在污水处理中得到了越来越广泛的 应用。 本课题采用的填料为立体空心填料，填料为中空结构。正常运行时，填料悬浮在水 中。填料内部生长厌氧菌，产生反硝化作用可以脱氮；外部生长好氧菌，去除有机物 整个处理过程中同时存在硝化与反硝化过程。该填料采用优质的共聚材料，长时间浸泡 在废水中不会降解，也不会对微生物有毒害作用。其窄心结构为内外共有三层空心圆 每个圆内有l 条棱，外有3 6 条棱。改填料比表面积高，可达6 0 0 m 2 m 3 。实物如图2 - l 所示，有关性能参数如表2 1 所示。 图2 - 1 填料实物图 f i g z - 1i m a g e o f f i l l e r 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 该填料的表面较粗糙，易于微生物挂膜。在常温下，维持一定的运行条件，经过5 1 5 d 即能挂膜成熟。 目前应用于m b r 的膜材料大多为亲水性高分子材料，应用较为成熟的有p a n ( 聚丙 烯腈) 、p v d f ( 聚偏氟乙烯) 、p v c ( 聚氯乙烯) 等。试验中采用的膜组件由天津膜天膜工程 技术有限公司生产，其形状如图2 2 所示。 h b 叫 图2 - 2 中空纤维帘式膜组件 f i g 2 - 2 t h eh o l l o wf i b e rm e m b r a n em o d u l e 其具体性能参数见表2 2 。 表2 - 2中空纤维帘式膜组件性能参数表 t a b l e2 - 2p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f h o l l o wf i b e rm e m b r a n em o d u l e 2 1 3 复合式膜生物反应器污水处理技术特点及悬浮填料移动床工艺系统特点 2 1 3 1 复合式膜生物反应器污水处理技术特点 复合式膜生物反应器系统具有自身的独特特点，表现出了与活性污泥法不同的技术 2 1 第二章试验装置及方法 优势。主要有： 1 、微生物相多样化，生物的食物链长，并能存活世代时间较长的微生物。因生物 膜上的微生物没有像活性污泥法中悬浮生长的微生物那样受强烈的曝气搅拌冲击，生物 膜为微生物的繁衍、增殖及生长栖息创造了安稳的环境。生物膜上能够生长高层次水平 的生物，在纤毛虫、轮虫类之上，还栖息着寡毛虫和昆虫，因而其食物链长。此外，生 物膜上能够生长世代时间较长、增殖速度缓慢的微生物，如硝化菌、氨化菌等。 2 、微生物量多，处理能力大，净化功能显著提高。由于附着生长的生物膜具有较 少的含水率，单位反应器容积的生物量可高达活性污泥的几倍，因而复合式膜生物反应 器具有较强的处理能力。又由于硝化菌的大量繁殖，复合式膜生物反应器具有一定的硝 化功能，其净化功能得以提高。 3 、有机负荷高，耐冲击负荷。复合式膜生物反应器受水质、水量变化而引起的有 机负荷和冲击负荷波动的影响较小，反应器的运行稳定性得以大幅度提高。 4 、微生物活性高。研究表明，生物膜上微生物的比耗氧速率比活性污泥高，说明 复合式膜生物反应器具有较高的微生物活性，可增强反应器的生物处理能力。 5 、减少污泥膨胀和剩余污泥。丝状菌优先生长在生物膜上，可有效改善活性污泥 中因丝状菌的大量繁殖而导致的污泥膨胀问题，同时还可以利用丝状菌较强的分解能 力，提高复合式膜生物反应器的处理效果。在生物膜中，因其食物链长、生长着高层次 营养水平的生物，特别是在生物膜底部厌氧层的厌氧菌能够降解好氧过程合成的剩余污 泥，从而使总的剩余污泥量减少。 6 、流程少，h r t 短。复合系统将活性污泥法与生物膜法合建在一个好氧反应器内， 减少了生物处理单元的数量，因总生物量的增加，在相同的处理要求下可进一步缩短水 力停留时间，提高系统的处理能力。 7 、脱氮除磷效率高。生物膜法的显著特点就是随着生物膜厚度的增加其传质阻力 相应增加，在不改变操作条件下生物膜内的缺氧层厚度随之增加，形成外层为好氧层而 内层为缺厌氧层的微环境。好氧层主要进行硝化反应而缺氧层主要进行反硝化反应，缺 氧层的形成有利于加强生物反硝化能力，可在好氧反应器内利用附着微生物同时进行硝 化和反硝化过程，强化系统整体的脱氮除磷功效。 2 1 3 2 悬浮填料移动床工艺系统特点 污水的生物膜法既是古老的，又是发展中的工艺。迄今为止，已经有多种生物膜法 在使用，如好氧生物滤池、生物转盘、淹没式生物滤池，颗粒介质生物膜、流化床等， 2 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 悬浮载体生物膜法又称悬浮填料移动床工艺，是在2 0 世纪9 0 年代中期得到开发和应用 的，它是吸收了传统的流化床和生物接触氧化法两者的优点而成的一种高效的污水处理 方法。其核心部分就是以比重接近于水的悬浮填料直接投加到曝气池中作为微生物的活 性载体，依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用处于流化状态。它是悬浮生长的活性污 泥法和附着生长的生物膜法相结合的一种工艺。与以往的填料不同的是，悬浮填料能与 污水频繁多次接触，因此被称为“移动的生物膜”。 l 、具有生物膜法所具有的优点 参与净化反应微生物的多样化，微生物专性更强；生物的食物链长，正是因为在生 物膜上形成的食物链长于活性污泥上的食物链，在生物膜处理系统内产泥量也少于活性 污泥处理系统，据报道由于悬浮填料一般比表面积都较大，附着在填料表面及内部生长 的微生物数量大、种类多，因此污泥浓度可达普通活性污泥法的污泥浓度的5 1 0 倍， 曝气池污泥总质量浓度最高可达3 0 - 4 0 9 l ，并且在填料单元内可以形成细菌原生动物 后生动物的食物链；能够存活世代时间较长的微生物，这是因为在生物膜处理法中， 生物固体平均停留时间与水力停留时间无关，世代时间较长的硝化菌和亚硝化菌也能得 以繁衍、增殖；由生物膜上脱落下来的生物污泥，所含的动物成份很多，比重较大，而 且污泥颗粒个体较大，污泥的沉降性良好，易于固液分离，系统的处理效果不太依赖微 生物的分离；能够处理低浓度的污水；活性污泥处理系统在原污水的b o d 值长期低于 5 0 - - 一6 0 m g l ，将影响活性污泥的絮凝体的形成和增长，净化功能降低，处理水质下降， 但生物膜法对低浓度污水，也能取得较好的处理效果。 2 、与活性污泥法及其它生物膜法相比 复合式膜生物反应器是活性污泥法和生物膜法的联合工艺，取二者之长，避二者之 短。和复合式膜生物反应器工艺相比：好氧生物滤池不能充分利用池容；生物转盘 经常出现机械设备问题；淹没式生物滤池难以使负荷均匀分布在载体的表面；由于 需要反洗，颗粒介质生物滤池不能连续工作；流化床不稳定。与多数的生物膜反应器 相比，复合式膜生物反应器克服了这些缺点，利用了整个池容，和活性污泥反应器一样； 与活性污泥反应器相比，它不需要污泥回流，和生物膜反应器一样。生物膜在整个反应 器内自由流化的载体上生长，在反应器的出流处用格栅将载体截流在反应器内。因为不 需要污泥回流，只有剩余的微生物需分离，这就比活性污泥法有很大的优势。 3 、悬浮填料的特点 在复合式膜生物反应器法中，悬浮填料是其核心部分，具有独特的优点： 2 3 第二章试验装置及方法 1 ) 悬浮填料在曝气时，生长了生物膜的填料密度因与水接近，填料依靠曝气的搅拌 作用，处于流化状态，这不仅使污水与填料上的生物膜广泛而频繁地接触，而且填料在 流化过程中切割分散气泡，使布气趋于均匀，氧利用率也得到了提高，由此产生的固、 液、气的三相充分接触混合和碰撞，增大了传质面积，提高了传质效率，强化了传质过 程，因此，在达到一定的污染物去除率情况下，污水在池内的停留时间更短，同时，即 使有了冲击负荷，也可以很快的恢复处理效果。另外，悬浮填料受到气流、水流的冲刷， 老化的膜能够自动脱落，保证了膜的活性，促进了新陈代谢，而且在反应池中水流化的 填料还可能大量生长丝状菌，既可利用丝状菌高效降解有机物的功能，使出水水质改善， 又无污泥膨胀之虞。 2 ) 维护管理方便。由于填料比重与水接近，只需要很少的气量即可使其均匀悬浮于 水中。使用时无需填料支架，只需在曝气池出水处设置栅网拦截，靠曝气水流将其回流 至池前端，可节省投资，且投配、更新更方便。另外操作者不用像管理活性污泥法系统 那样，担心污泥回流比、排除剩余污泥量及污泥膨胀等问题，因此，操作简单，工作量 也少。 3 ) 填充率易选择。3 0 - - 5 0 ( 体积t t ) 的填料在曝气池中流化良好。对于悬浮填 料只要充氧能力许可并保证其自由悬浮，可以根据需要选择填充比率。 2 1 4 复合式膜生物反应器工艺流程 本课题研究中，采用工艺的构型为复合式膜生物反应器( h y b r i dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ， h m b r ) ，其工艺流程如图2 3 所示。 配水 图2 3 复合式膜生物反应器流程图 f i g 2 3 f l o wc h a r to fh y b r i dm e m b r a n eb i o r e a c t o r 2 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 如图2 3 所示，复合式膜生物反应器由进水系统、生物反应器单元、出水管路系统 三部分组成。 进水系统由进水箱和水泵组成。配水由进水泵连续提升至反应器进水口，液面高度 由液位浮球阀控制，当液位上升到最高液位，浮球阀闭合继电器，关闭水泵，停止反应 器注水；当液位下降到最低液位时，浮球阀开启继电器，水泵运行，开始向反应器注水。 反应器尺寸大小为5 0 c m x 4 5 c m x 6 1 c m ，有效容积为8 0 l 。为了防止填料对中空纤维 膜组件膜丝的剪切及磨损，反应器沿长度方向在1 5 ：3 5 c m 处设置了带孔隔板，将反应 器隔为体积不等的两部分，其中在小体积部分加装悬浮型填料，在大体积部分安装膜组 件，活性污泥混合液能在隔板孔口间自由流动。在反应器底部设置了穿孔曝气管，在运 行期连续曝气，对池内混合液起到搅拌作用，并对固着及悬浮的微生物供氧。在膜组件 一侧，底部也设有穿孔曝气管，在运行期连续曝气，水气两相呈错流形式冲击中空纤维 膜。通过曝气一方面使反应器中的活性污泥混合液维持一定的循环流动速度形成对膜表 面的冲刷以减轻活性污泥在膜表面的沉积；另一方面供给微生物分解污水中有机物所需 的氧气。 系统出水采用间歇抽吸的方式，间歇出水是通过时间继电器控制高压隔膜泵来实现 的。在泵抽吸时，在膜组件内形成负压，而膜组件淹没在混合液中，在膜组件的外侧形 成正压，在膜组件两侧的压力差作用下，生物反应器中的混合液经膜组件的过滤分离后 排出。 2 2 试验方法 2 2 1 模拟城市污水水质 研究中，为尽可能使试验用水水质保持稳定，采用模拟城市污水配方，由葡萄糖、 磷酸二氢钾、硫酸铵、碳酸氢钠、甲苯、吡啶等配制而成，其各部分组成如表2 3 所示。 表2 - 3 模拟城市污水配水方案 t a b l e2 - 3t h ef o r m u l ao fs i m u l a t e du r b a ns e w a g e 由于配水中的有机组分在配水箱中微生物的作用下会部分降解，因此进水c o d 、 2 5 第二章试验装置及方法 n h 4 + n 等会在一定范围内发生波动。但总的来说，试验期间所配污水的水质情况如表2 4 所示，平均水质接近中等强度的城市污水。 表2 _ 4 试验用水平均水质 t a b l e2 - 4t h ea v e r a g eq u a l i t yo f w a t e ru s e di ne x p e r i m e n t 2 2 2 实验方案 系统接种污泥取自东营市稠油厂污水处理净化车间。污泥取回后，在容器内间歇培 养驯化几天后开始在装置中进行挂膜试验，由初始的间歇挂膜逐渐改为连续进水 挂膜。挂膜成功后，则开始连续进水运行。本试验采用间歇出水的运行方式，间 歇出水比连续出水有利于缓解膜的污染和堵塞，能减缓滤饼层的形成速度以及降低 滤饼层的密实度，因此为了稳定膜通量，延长稳定运行时间，必须确定抽吸时间和抽停 时间的最佳组合条件，本试验根据膜组件的使用要求选定抽吸时间抽停时间= 1 0 m i n ： 2 m i n 。 在m b r i 艺中，为了缓解膜污染，一般选用较高的曝气量。事实上，曝气量应该选 择一个最佳值，当曝气量进一步增加时，效果将会变得不明显，而且，过高的曝气量不 仅导致较高的能量消耗，同时导致混合液粒径减小，影响膜过滤。 在进水浓度改变不大的前提下，影响生物反应器处理效果和反应动力学的主要参数 包括污泥龄和水力停留时间。污泥龄不仅决定生物量的比增长速率，影响生物反应器内 的污泥浓度和底物代谢速率，而且还会影响生物反应器上清液中溶解性有机物的浓度和 微生物的代谢特性，对生物反应器中反应动力学条件的控制具有至关重要的意义；而水 力停留时间的改变将会影响进水容积负荷，从而影响生物反应器内污泥的增殖以及有机 物的降解特性。 试验中考察了水力停留时间、污泥龄，污泥负荷以及d o 等操作条件对污水中污染 物以及有毒物质的去除效果的影响。在试验过程中，膜的操作运行采用恒通量、变过滤 压力的间歇抽吸的操作模式。随着运行时间的增长，污染物在膜面的积累，膜过滤压力 会逐渐升高。为了使各阶段试验具有可比性，当变换运行条件时，将膜组件从生物反应 器中取出，进行清洗。 2 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 2 3 分析项目与分析方法 试验过程中对系统进水、膜出水区上清液及膜出水水质进行了测定，包括c o d 、 n h 4 + n 、甲苯、吡啶等项目。同时也对反应器内的污泥及填料上生物膜的微生物特性进 行了研究，包括生物相观察、m l s s 、m l v s s 等。各测定项目和分析方法如表2 5 、表 2 6 所示。 表2 5 常规水质指标、分析方法及仪器 t a b l e2 - 5 i n d e x s ，m e t h o d sa n di n s t r u m e n t so fr o u t i n ea n a l y s i sf o rw a t e rp o l l u t i o n 表2 5 中生物膜重量的具体测定方法如下： 碱洗法【4 6 】：随机抽取一定数量的生物膜填料，放置于烘箱中烘干2 小时后于干燥器 冷却至恒温，称重为w l ，然后用2 0 n a o h 溶液加热并不断搅拌将填料表面上的生物膜 完全溶解，用清水冲洗填料，之后将填料放置于烘箱中再烘2 小时，取出填料再冷却至 恒温，称其重量为w 2 ，则总的生物量w = 【( w 1 w 2 ) 取样的填料个数】反应器中的填料总 数。 表2 - 6 毒性指标、分析方法及仪器 t a b l e2 - 6 i n d e x s ，m e t h o d sa n di n s t r u m e n t so ft o x i c i t ya n a l y s i sf o rw a t e rp o l l u t i o n 表2 6 中有毒物质含量的具体测定方法如下： 试验步骤： a 萃取：分别取各单元出水水样3 0 r a l ，用3 0 r a l 二氯甲烷萃取三次，将得到的萃 取液置于锥形瓶中； b 过滤：将得到的萃取液用无水硫酸钠过滤，除去残留水分，滤液置于锥形瓶中； 2 7 第二章试验装置及方法 c 浓缩：将过滤后的萃取液置于浓缩器中，在6 5 c 下进行浓缩； d 将浓缩好的样品保存于带塞小瓶中，取1 b l 样品进入气相色谱仪或色质联机中进 行测定，分析样品有机物的组成并记录峰面积。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第三章复合式膜生物反应器驯化挂膜试验 在废水生物处理的过程中，要使整个工艺正常运行其前提条件就是反应器中必须存 在数量足够且基本稳定的微生物，这是处理工艺启动的先决条件。在实际工程中，调试 期的主要工作就是改变环境条件，尽快的使处理水体中的有用微生物成为优势生物群 体，从而能高效稳定的处理污水。如果启动不成功，则工艺的后续处理都是没有意义的。 就本课题而言，复合式膜生物反应器成功启动就是挂膜成功。因而必须对活性污泥进行 驯化培养并在反应器中投加填料进行挂膜，当活性污泥中及生物膜上的微生物对污水的 处理达到驯化挂膜的处理要求时，即认为驯化挂膜成功。 系统接种污泥取自东营市稠油厂污水处理净化车间。污泥取回后，在容器内间歇培 养驯化几天后开始在装置中进行挂膜试验，由初始的间歇挂膜逐渐改为连续进水 挂膜。污泥的培养驯化，使用自配的模拟城市污水水质的污水，在此期间逐步增加毒物 的浓度最后使其适应试验用水的环境。驯化挂膜期间h i 汁1 2 h 。 3 1 驯化挂膜过程中生物相的变化 在污泥驯化挂膜过程中，污泥中的微生物发生着两个变化，一是能利用该废水中有 机污染物的微生物数量逐渐增长，不能利用的则逐渐死亡、淘汰；二是能适应该废水的 微生物在废水有机物的诱发下产生能分解利用该物质的诱导酶【1 9 】。 生物膜是由微生物群体组成的粘状物，是生物处理的主角。生物膜的形成是废水在 经流载体表面的过程中，通过微生物向载体表面的输送以结合固定化过程的途径实现 的，而其生长则是通过废水中有机营养的吸附、传递及氧向生物膜内部的传递扩散等过 程所促进的生物膜中微生物对有机质的氧化降解作用维持的。试验中的生物膜的挂膜过 程可用下表3 1 来表示。 在驯化挂膜过程中，定期对悬浮污泥及填料上的生物膜进行镜检，通过镜检发现驯 化前污泥中的优势原生动物主要有：豆形虫、草履虫、波豆虫、尾波虫、屋滴虫等，这 些都属于快速游泳型的种属。驯化挂膜成功后镜检发现悬浮污泥与生物膜上的生物相基 本相同，都存在大量的丝状菌和放线菌，反应器内有种类丰富的原生动物和后生动物， 同时还发现游泳型原生动物多聚集在生物膜及菌胶团周围捕食游离细菌。悬浮生长的微 生物主要有前口虫、裸e l 虫、漠口虫、肾形虫、裂口虫、袋口虫，草履虫、长颈虫和漫 游虫等游泳型原生动物及轮虫；附着生长的微生物主要有带柄钟虫、累枝虫、线虫、轮 2 9 弟三章复合式膜生物反应$ 驯化挂旗试验 虫等。整个驯化挂膜过程中生物相观察结果如图3 1 、图3 2 所示： 表3 - l 复合式膜生物反应嚣挂膜过程 t a b l e 3 - 1t h ep r o c 蝴o f t r a i n i n gb l c - f l l m i o h m b r 生长阶段观察到的现霉现象分析 初生阶段；i 着! 娑微生物膜附着 此阶段由于挂膜才冈唰开始，生物膜的密度蛳 此阶段由于生物膜的厚度尚较薄，微生物的生长不受 填料表面生物膜的厚度明显有机营养物输送和氧传递限制园而生物膜厚度明显增加， 生长阶段增加，且生物膜较前一阶段但随