懸浮填料生物膜特性及其處理高濃度有機(jī)廢水效能研究.pdf

1、生物膜法作為與活性污泥法并重的一種污水處理工藝具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，研究生物膜的形成和脫落機(jī)理有利于進(jìn)一步了解生物膜的工作原理，從而通過(guò)人工手段來(lái)維持適宜的生物膜厚度和獲得較高的生物膜活性，為生物膜法在實(shí)際廢水中的應(yīng)用提供理論支持。另外，開(kāi)發(fā)用于處理高濃度有毒有機(jī)廢水的新型高效穩(wěn)定生物處理工藝對(duì)當(dāng)前環(huán)境的改善具有重要的意義。本論文以自行開(kāi)發(fā)的混有無(wú)機(jī)活性粒子的聚乙烯高分子塑料為生物填料，以移動(dòng)床為主體工藝，來(lái)研究生物膜在該填料上的形成過(guò)程和

2、脫落機(jī)理，并研究該填料生物膜工藝去除高濃度有機(jī)廢水中C、N等營(yíng)養(yǎng)元素的效能與作用機(jī)制以及進(jìn)行深度短程硝化的處理效果。
　　本論文首先研究了生物膜的形成與脫落機(jī)理。提出了生物膜生物量流率和生物量停留時(shí)間（即生物膜污泥齡）的概念并給出其相應(yīng)的定義。在聯(lián)合基質(zhì)平衡和微生物增長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出生物量流率和生物量停留時(shí)間的數(shù)學(xué)模型式，該模型能用來(lái)描述生物膜在穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中附著、脫落、生長(zhǎng)以及消亡四者之間的動(dòng)態(tài)行為關(guān)系。它反映了在生物膜中

3、微生物或者是粒子在生物膜中的平均停留時(shí)間。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)稀釋率對(duì)生物量停留時(shí)間起著決定性作用，進(jìn)而影響生物膜的結(jié)構(gòu)、活性、組成、強(qiáng)度、污泥產(chǎn)率以及表面形貌。隨著稀釋率的增加，生物膜的生物量流率增加而生物量停留時(shí)間減少。當(dāng)稀釋率由1day-1增加到8day-1時(shí)，生物膜的生物量流率由0.2852gSS/(m2·d)增加到2.1001gSS/(m2·d)，相應(yīng)的生物量停留時(shí)間則由13.12day減少到2.49day。生物量停留時(shí)間短意味著生物膜表

4、面的細(xì)胞生長(zhǎng)和更新速率加快。致使生物膜變厚同時(shí)密度變小，生物膜表面由致密光滑變得更加松散多孔。生物膜表面大量微孔的形成有利于基質(zhì)在膜內(nèi)的傳質(zhì)，同時(shí)由于細(xì)胞生長(zhǎng)和表面更新的加快，大量的有活力的年輕的新生代占據(jù)生物膜的表面，正是這兩個(gè)原因促使生物膜活性隨著生物量停留時(shí)間的縮短而提高。同時(shí)也是污泥產(chǎn)率提高的主要原因。
　　本論文對(duì)比研究了厭氧生物膜和好氧生物膜法對(duì)高濃度苯胺化工廢水的處理效果。結(jié)果表明，厭氧處理的運(yùn)行負(fù)荷和處理效率不僅要

5、比好氧處理高，而且對(duì)有機(jī)氮的氨化速率也比好氧處理提高了42％，但厭氧無(wú)法有效去除氨氮。針對(duì)苯胺廢水的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種同步產(chǎn)甲烷反硝化的厭氧-好氧生物膜組合工藝，通過(guò)直接回流好氧硝化液到厭氧反應(yīng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行產(chǎn)甲烷反應(yīng)、反硝化反應(yīng)和污泥減量，以達(dá)到同時(shí)去除營(yíng)養(yǎng)元素C和N。結(jié)果表明：回流比對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果有著重大的影響。直接回流好氧硝化液不僅有利于改善厭氧反應(yīng)器的環(huán)境，提高了其處理效率，實(shí)現(xiàn)了反硝化，還提高了后續(xù)好氧的硝化

6、速率。在保持系統(tǒng)總HRT為5day和進(jìn)水濃度約為8400mg/L的情況下，當(dāng)回流比由1增加到8時(shí)，系統(tǒng)出水COD下降到180mg/L，去除率高達(dá)98%；好氧反應(yīng)器氨氮去除率高達(dá)90%，出水氨氮下降到10mg/L以下；TN從1100下降到110mg/L左右，去除率高達(dá)90%。由于厭氧反應(yīng)器的消化作用，厭氧反應(yīng)器的表觀(guān)污泥產(chǎn)率為0.133kgSS/kgCOD，好氧反應(yīng)器出水SS由950下降到60mg/L，很好的實(shí)現(xiàn)了污泥減量。同步產(chǎn)甲烷反硝

7、化系統(tǒng)中厭氧菌和反硝化菌是一種競(jìng)爭(zhēng)與互利共棲的生態(tài)關(guān)系。硝酸鹽氮的反硝化中間產(chǎn)物如NO2-,N2O會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷細(xì)菌產(chǎn)生抑制作用。當(dāng)COD:NO3-N比到達(dá)8:1時(shí)，產(chǎn)甲烷完全被抑制。
　　本論文研究了厭氧-好氧移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器對(duì)高濃度城市垃圾滲濾液的處理效果。結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠在高負(fù)荷下成功處理垃圾滲濾液，其中厭氧移動(dòng)床承擔(dān)著去除COD的主要任務(wù)。即使在進(jìn)水負(fù)荷高達(dá)16.14kgCOD/(m3·d)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)COD的去除率依然高

8、達(dá)94.45%，其中厭氧段的貢獻(xiàn)高達(dá)86.56%。后續(xù)的好氧段不僅起到了保證出水水質(zhì)的作用，更承擔(dān)著去除氨氮的主要任務(wù)。只要好氧段HRT大于1.25day，系統(tǒng)對(duì)氨氮的總?cè)コ适冀K在97%以上，最終出水氨氮濃度在6.13～9.87mg/L，能穩(wěn)定地達(dá)到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。該厭氧-好氧移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。即使在24h內(nèi)受到超過(guò)正常運(yùn)行負(fù)荷4倍的沖擊時(shí)，系統(tǒng)對(duì)COD的總?cè)コ蕛H下降了7.08%。而且，經(jīng)過(guò)三天左右的時(shí)間即可

9、恢復(fù)正常。
　　通過(guò)動(dòng)態(tài)慢性毒性實(shí)驗(yàn)表明氨氮濃度對(duì)厭氧反應(yīng)器產(chǎn)生抑制效應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)器中自由氨濃度超過(guò)100mg/L時(shí)，對(duì)垃圾滲濾液COD的去除率由86%下降到71%；間歇急性毒性實(shí)驗(yàn)也表明氨氮濃度也能對(duì)厭氧污泥和生物膜產(chǎn)生抑制作用，但是生物膜的抗氨氮毒性能力比活性污泥要強(qiáng)，在pH為7.5時(shí)，氨氮濃度達(dá)到6000mg/L時(shí)，厭氧污泥產(chǎn)甲烷完全被抑制，而厭氧生物膜的產(chǎn)甲烷活性只有在氨氮濃度達(dá)到8000mg/L以上時(shí)才完全被抑制。

10、　　本論文還采用了好氧移動(dòng)床工藝對(duì)經(jīng)厭氧預(yù)處理的垃圾滲濾液進(jìn)行深度中溫短程硝化研究?？疾炝薍RT、DO濃度、pH值、C/N比以及氨氮負(fù)荷等工藝參數(shù)對(duì)氨氮去除率和亞硝酸鹽氮積累率的影響。結(jié)果表明，在進(jìn)水氨氮濃度為400mg/L，溫度25±1℃條件下，控制HRT為24h，DO濃度為2mg/L，pH值為8，C/N小于3時(shí)，則氨氮去除率達(dá)到70%以上，亞硝酸鹽氮的積累率高達(dá)90%。間歇試驗(yàn)證明了該生物膜反應(yīng)器中亞硝化菌的數(shù)量和活性要遠(yuǎn)高于硝化菌

11、。該移動(dòng)床生物膜工藝可以選擇性固定和積累氨氧化細(xì)菌，從而實(shí)現(xiàn)較高的氨氮去除率和穩(wěn)定的亞硝酸鹽氮積累率。
　　論文最后研究了好氧移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器對(duì)城市垃圾滲濾液COD去除動(dòng)力學(xué)，并建立了動(dòng)力學(xué)模型，即S=(S0-Sn)exp(-K2Xt)+Sn。不同初始濃度和不同填料填充比下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬結(jié)果表明該模型能夠描述生物膜法處理城市垃圾滲濾液的生物降解過(guò)程。動(dòng)力學(xué)參數(shù)K2能夠直觀(guān)的反映基質(zhì)的降解速率，Sn可以作為滲濾液的可生化性和可降解