懸浮填料生物膜特性及其處理高濃度有機廢水效能研究.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特的優(yōu)點，研究生物膜的形成和脫落機理有利于進一步了解生物膜的工作原理，從而通過人工手段來維持適宜的生物膜厚度和獲得較高的生物膜活性，為生物膜法在實際廢水中的應用提供理論支持。另外，開發(fā)用于處理高濃度有毒有機廢水的新型高效穩(wěn)定生物處理工藝對當前環(huán)境的改善具有重要的意義。本論文以自行開發(fā)的混有無機活性粒子的聚乙烯高分子塑料為生物填料，以移動床為主體工藝，來研究生物膜在該填料上的形成過程和

2、脫落機理，并研究該填料生物膜工藝去除高濃度有機廢水中C、N等營養(yǎng)元素的效能與作用機制以及進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理。提出了生物膜生物量流率和生物量停留時間（即生物膜污泥齡）的概念并給出其相應的定義。在聯(lián)合基質平衡和微生物增長動力學的基礎上推導出生物量流率和生物量停留時間的數(shù)學模型式，該模型能用來描述生物膜在穩(wěn)定運行過程中附著、脫落、生長以及消亡四者之間的動態(tài)行為關系。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間。實驗發(fā)現(xiàn)稀釋率對生物量停留時間起著決定性作用，進而影響生物膜的結構、活性、組成、強度、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間減少。當稀釋率由1day-1增加到8day-1時，生物膜的生物量流率由0.2852gSS/(m2·d)增加到2.1001gSS/(m2·d)，相應的生物量停留時間則由13.12day減少到2.49day。生物量停留時間短意味著生物膜表

4、面的細胞生長和更新速率加快。致使生物膜變厚同時密度變小，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在膜內(nèi)的傳質，同時由于細胞生長和表面更新的加快，大量的有活力的年輕的新生代占據(jù)生物膜的表面，正是這兩個原因促使生物膜活性隨著生物量停留時間的縮短而提高。同時也是污泥產(chǎn)率提高的主要原因。
　　本論文對比研究了厭氧生物膜和好氧生物膜法對高濃度苯胺化工廢水的處理效果。結果表明，厭氧處理的運行負荷和處理效率不僅要

5、比好氧處理高，而且對有機氮的氨化速率也比好氧處理提高了42％，但厭氧無法有效去除氨氮。針對苯胺廢水的特點，開發(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，通過直接回流好氧硝化液到厭氧反應器來實現(xiàn)在同一個反應器內(nèi)進行產(chǎn)甲烷反應、反硝化反應和污泥減量，以達到同時去除營養(yǎng)元素C和N。結果表明：回流比對整個系統(tǒng)的運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器的環(huán)境，提高了其處理效率，實現(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和進水濃度約為8400mg/L的情況下，當回流比由1增加到8時，系統(tǒng)出水COD下降到180mg/L，去除率高達98%；好氧反應器氨氮去除率高達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90%。由于厭氧反應器的消化作用，厭氧反應器的表觀污泥產(chǎn)率為0.133kgSS/kgCOD，好氧反應器出水SS由950下降到60mg/L，很好的實現(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爭與互利共棲的生態(tài)關系。硝酸鹽氮的反硝化中間產(chǎn)物如NO2-,N2O會對產(chǎn)甲烷細菌產(chǎn)生抑制作用。當COD:NO3-N比到達8:1時，產(chǎn)甲烷完全被抑制。
　　本論文研究了厭氧-好氧移動床生物膜反應器對高濃度城市垃圾滲濾液的處理效果。結果表明：該系統(tǒng)能夠在高負荷下成功處理垃圾滲濾液，其中厭氧移動床承擔著去除COD的主要任務。即使在進水負荷高達16.14kgCOD/(m3·d)時，系統(tǒng)對COD的去除率依然高

8、達94.45%，其中厭氧段的貢獻高達86.56%。后續(xù)的好氧段不僅起到了保證出水水質的作用，更承擔著去除氨氮的主要任務。只要好氧段HRT大于1.25day，系統(tǒng)對氨氮的總去除率始終在97%以上，最終出水氨氮濃度在6.13～9.87mg/L，能穩(wěn)定地達到一級排放標準。該厭氧-好氧移動床生物膜反應器具有較強的抗沖擊負荷能力。即使在24h內(nèi)受到超過正常運行負荷4倍的沖擊時，系統(tǒng)對COD的總去除率僅下降了7.08%。而且，經(jīng)過三天左右的時間即可

9、恢復正常。
　　通過動態(tài)慢性毒性實驗表明氨氮濃度對厭氧反應器產(chǎn)生抑制效應，當反應器中自由氨濃度超過100mg/L時，對垃圾滲濾液COD的去除率由86%下降到71%；間歇急性毒性實驗也表明氨氮濃度也能對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，在pH為7.5時，氨氮濃度達到6000mg/L時，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到8000mg/L以上時才完全被抑制。

10、　　本論文還采用了好氧移動床工藝對經(jīng)厭氧預處理的垃圾滲濾液進行深度中溫短程硝化研究?？疾炝薍RT、DO濃度、pH值、C/N比以及氨氮負荷等工藝參數(shù)對氨氮去除率和亞硝酸鹽氮積累率的影響。結果表明，在進水氨氮濃度為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，則氨氮去除率達到70%以上，亞硝酸鹽氮的積累率高達90%。間歇試驗證明了該生物膜反應器中亞硝化菌的數(shù)量和活性要遠高于硝化菌

11、。該移動床生物膜工藝可以選擇性固定和積累氨氧化細菌，從而實現(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床生物膜反應器對城市垃圾滲濾液COD去除動力學，并建立了動力學模型，即S=(S0-Sn)exp(-K2Xt)+Sn。不同初始濃度和不同填料填充比下的實驗數(shù)據(jù)模擬結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程。動力學參數(shù)K2能夠直觀的反映基質的降解速率，Sn可以作為滲濾液的可生化性和可降解