復(fù)合生物反應(yīng)器-膜分離技術(shù)處理城市污水的試驗(yàn)研究.pdf

1、本論文是國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“西部干旱缺水地區(qū)水資源再生利用研究”的專題之一，針對(duì)城市污水的特點(diǎn)，采用復(fù)合淹沒式膜生物反應(yīng)器中試裝置對(duì)其進(jìn)行了處理試驗(yàn)與回用研究。復(fù)合膜生物反應(yīng)器是在傳統(tǒng)活性污泥反應(yīng)器中投加懸浮載體，形成懸浮生長(zhǎng)的活性污泥和附著生長(zhǎng)的生物膜兩種微生物共同承擔(dān)生物降解的作用，并將淹沒式微濾(MF)膜組件安置于復(fù)合生物反應(yīng)器內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)固液分離的目的。 對(duì)復(fù)合生物反應(yīng)器和活性污泥反應(yīng)器處理城市污水的功效進(jìn)行了對(duì)比

2、試驗(yàn)，探討了復(fù)合生物反應(yīng)器中微生物比耗氧速率與出水底物濃度之間的相關(guān)關(guān)系；研究了復(fù)合淹沒式膜生物反應(yīng)器處理城市污水及回用的特性，從微生物維持能角度出發(fā)，計(jì)算了系統(tǒng)的維持能和污泥產(chǎn)率系數(shù)；分析了復(fù)合系統(tǒng)微生物組成的特點(diǎn)，對(duì)同時(shí)硝化反硝化的現(xiàn)象和機(jī)理進(jìn)行了研究，并對(duì)其動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述；對(duì)影響膜污染的一些控制因素進(jìn)行了試驗(yàn)檢驗(yàn)，建立了膜過濾污染機(jī)理評(píng)價(jià)模型；初步分析了膜生物反應(yīng)器污水處理系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。論文的主要工作及其成果包括以下

3、幾個(gè)方面： 1.在對(duì)等的試驗(yàn)條件下，對(duì)復(fù)合生物反應(yīng)器和傳統(tǒng)活性反應(yīng)器兩系統(tǒng)處理城市污水的功效進(jìn)行了對(duì)比分析。試驗(yàn)表明復(fù)合生物反應(yīng)器出水中色度、COD、TOC、NH3-N的濃度比活性污泥反應(yīng)器低，證明HBR系統(tǒng)比CAS系統(tǒng)具有較高的污染物去除能力和較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力，硝化作用顯著。因生物膜的存在，HBR改善了活性污泥易膨脹、流失和沉降性差等缺點(diǎn)，使HBR系統(tǒng)比活性污泥系統(tǒng)具有更佳的運(yùn)行穩(wěn)定性。對(duì)好氧復(fù)合生物處理系統(tǒng)而言，微生物

4、的比耗氧速率更能準(zhǔn)確地反映其活性程度，且微生物的比耗氧速率與出水底物COD之間存在Monod關(guān)系。復(fù)合生物反應(yīng)器生物降解過程中，生物膜起著重要作用。 2.采用復(fù)合淹沒式膜生物反應(yīng)器試驗(yàn)裝置在西安市北石橋污水凈化中心對(duì)城市污水進(jìn)行了處理試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)出水濁度小于1NTU(平均值為0.59NTU)，SS未檢出，色度值在9-39度之間(平均值為30度)，COD濃度為6.0-22.8mg/L(平均值為14.5mg/L，去除率

5、達(dá)95.5％)，NH3-N濃度在0.1-1.6mg/L之間(平均去除率為97.8％)，TN濃度在8.2-20.0mg/L之間(平均值為13.6mg/L，平均去除率為71.7％)，TP濃度在0.33-2.7mg/L之間(平均值為1.22mg/L，平均去除率為72.5％)，對(duì)糞大腸桿菌群的去除率達(dá)3-4log以上。膜出水經(jīng)消毒處理后可完全滿足任何用途的城市雜用水水質(zhì)要求。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在Pirt維持理論基礎(chǔ)上，推導(dǎo)計(jì)算了系統(tǒng)的維持能系數(shù)E和

6、微生物(污泥)產(chǎn)率系數(shù)y，其值分別E=0.0285mgCOD/mgTB.h和y=0.129mgTB/mgCOD，二者均低于懸浮生長(zhǎng)MBR的數(shù)值。這說明復(fù)合系統(tǒng)在底物利用中表現(xiàn)出了對(duì)水質(zhì)水量的變動(dòng)有較強(qiáng)的適應(yīng)性，運(yùn)行穩(wěn)定性更佳且剩余污泥產(chǎn)量減少。 3.通過鏡檢的方法對(duì)復(fù)合生物反應(yīng)器中微生物的結(jié)構(gòu)特征和組成進(jìn)行了長(zhǎng)期觀察，分析了微生物組成的特點(diǎn)。鏡檢發(fā)現(xiàn)，懸浮相和附著相上有大量的菌膠團(tuán)和絲狀菌。在生物膜上存活的細(xì)菌，其種屬基本上與

7、生息在活性污泥上的細(xì)菌相同。其中，絲狀菌優(yōu)先存活在生物膜上。系統(tǒng)內(nèi)生息的原生動(dòng)物和后生動(dòng)物也非常豐富。相比較而言，附著相中的生物多樣性優(yōu)于懸浮相，說明在生物凈化過程中生物膜起著重要作用。經(jīng)對(duì)生物膜和活性污泥進(jìn)行的掃描電鏡圖象顯示，生物膜絮體結(jié)構(gòu)較活性污泥密實(shí)，二者均由大量短桿菌和部分球菌等細(xì)菌組成，生物膜內(nèi)球菌的數(shù)量多于活性污泥。 4.通過試驗(yàn)觀測(cè)到好氧復(fù)合膜生物反應(yīng)器工藝具有較強(qiáng)的硝化作用和反硝化作用功效，其對(duì)NH3-N、T

8、N和TP的去除率分別為97.8％、71.7％和72.5％，生物脫氮除磷效果顯著，并對(duì)完全好氧系統(tǒng)的同時(shí)硝化反硝化行為和機(jī)理進(jìn)行了分析研究。其理論觀點(diǎn)是生物絮體的氧微環(huán)境和好氧反硝化以及異養(yǎng)硝化作用促使了好氧反應(yīng)器的同時(shí)硝化反硝化過程的發(fā)生，進(jìn)而在完成對(duì)碳去除的同時(shí)達(dá)到了脫氮除磷的功效。主要是生物膜的多層結(jié)構(gòu)，因氧濃度梯度形成的外層生物膜中好氧硝化菌占優(yōu)勢(shì)，主要進(jìn)行硝化反應(yīng)；內(nèi)層異養(yǎng)反硝化菌占優(yōu)勢(shì)，主要進(jìn)行反硝化反應(yīng)。另外，由于系統(tǒng)內(nèi)高濃

9、度的活性污泥，使得氧傳遞系數(shù)減小，可在絮體內(nèi)部形成局部的缺氧微環(huán)境。在試驗(yàn)條件下，復(fù)合系統(tǒng)的硝化速率和反硝化速率不受氮負(fù)荷大小的限制，隨著水中氮負(fù)荷的增加，其相應(yīng)的去除率也隨之線性增加。當(dāng)COD負(fù)荷率在0.1-0.2kgCOD/kgTB.d時(shí)TP的去除效率明顯提高。計(jì)算表明，復(fù)合MBR系統(tǒng)的最大比硝化速率和最大反硝化速率分別為0.02d-1和7.7×10-5d-1，數(shù)據(jù)反映了其反硝化速率要小于硝化速率，進(jìn)一步優(yōu)化操作條件還可提高脫氮效率

10、。 5.試驗(yàn)研究了操作條件如MLSS濃度、TMP、曝氣以及間歇過濾模式等對(duì)膜污染的影響，分析了空曝氣、水力反洗與化學(xué)清洗對(duì)消除膜污染的影響，研究了MF膜滲透中膜孔堵塞和濾餅層過濾機(jī)理。淹沒式MBR系統(tǒng)的的膜污染過程可用“兩段式”來描述，即：過濾初期，膜污染有一個(gè)快速增長(zhǎng)期，隨之膜孔堵塞和濾餅層達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡并趨于穩(wěn)定，膜污染增長(zhǎng)緩慢。操作條件與膜污染直接相關(guān)，適宜的操作條件可有效控制膜污染的發(fā)生及其程度。試驗(yàn)結(jié)果表明，淹沒式膜生

11、物反應(yīng)器底部曝氣形成的紊流態(tài)產(chǎn)生水力剪切力使膜絲處于抖動(dòng)狀態(tài)，避免了污泥顆粒在膜表面和膜孔內(nèi)的過多積累，進(jìn)而減緩了膜污染發(fā)生的程度。間歇過濾模式可有效控制膜污染的發(fā)生和發(fā)展，適宜的間歇滲透時(shí)間模式對(duì)控制膜污染是有效的，停抽時(shí)間的過度延長(zhǎng)對(duì)控制污染效果不顯著?？掌貧夂退Ψ聪粗饕コっ嫖廴?，化學(xué)清洗可消除因膜孔堵塞引起的內(nèi)部污染。建立了微濾膜標(biāo)準(zhǔn)膜孔堵塞和濾餅層過濾模型，計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)膜孔堵塞常數(shù)Kb和濾餅層過濾常數(shù)Kc分別近似為2×1

12、0-5和2×10-7，試驗(yàn)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)的膜過濾機(jī)理屬于同時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)膜孔堵塞和濾餅層過濾，二者均控制著整個(gè)膜過濾過程。 6.通過費(fèi)用-效益原則分析研究了膜生物反應(yīng)器污水處理中的成本構(gòu)成、主要影響因素等，并與傳統(tǒng)生物處理系統(tǒng)進(jìn)行了成本比較。在投資總成本中，膜組件購(gòu)置費(fèi)用所占的比例最高，且投資成本隨著膜成本和非膜成本的增加而增加，與系統(tǒng)的處理規(guī)模成反比。在淹沒式構(gòu)型中，曝氣占總能耗的主要成分。MBR系統(tǒng)的運(yùn)行管理費(fèi)用與膜通量、膜壽命

13、成負(fù)對(duì)數(shù)關(guān)系，而與膜價(jià)格成線性關(guān)系。在膜污染允許的范圍內(nèi)，可提高反應(yīng)器內(nèi)的MLSS濃度，以維持低污泥產(chǎn)率，降低運(yùn)行管理成本。綜合考慮投資成本、運(yùn)行管理成本和占地費(fèi)用等因素，MBR系統(tǒng)較其它傳統(tǒng)系統(tǒng)具有最佳的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，其發(fā)展的前景十分活躍。 上述研究成果表明，復(fù)合淹沒式膜生物反應(yīng)器用于城市污水處理，其出水經(jīng)消毒處理后可滿足任何用途的城市雜用水水質(zhì)要求。復(fù)合生物處理系統(tǒng)與傳統(tǒng)生物處理系統(tǒng)相比，具有降解能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠和脫氮除磷