厌氧折流板反应器与膜曝气生物膜反应器的耦合作用研究

发布时间：2020-09-04 06:55

　　由于污水中的氮元素是诱发水体富营养化的主要因素,因此脱氮成为水处理研究领域的热点问题。脱氮过程不仅需要大量专属微生物的协同作用,而且对环境条件的要求十分苛刻,所以高效去除中高浓度有机含氮废水中的含氮污染物更是水处理行业中的难题。目前国内外普遍采用的厌氧、好氧串联方法,不仅工艺流程长、基建费用高、占地面积大,而且需要回流等额外设施。本实验首先分别启动驯化厌氧折流板反应器和膜曝气生物膜反应器,然后利用膜曝气生物膜外层的厌氧状态与厌氧折流板反应器内部环境相融合的特性,将驯化好的膜组件置入运行稳定的厌氧隔室内构成耦合反应器。此工艺所具有的产酸、产甲烷、硝化和反硝化的多相分离特征,不仅避免了不同生化过程中相互竞争和抑制现象的产生,而且充分发挥了不同微生物种群之间的协同互生作用,实现了单一反应器处理中高浓度有机含氮废水的同时去碳脱氮功效。 (1)厌氧折流板反应器采用直接接种厌氧颗粒污泥的低负荷同步启动方式,15d后处理效果便趋于稳定。随后两次提高进水有机负荷,COD的去除率始终保持在90%以上。当进水COD浓度为1800 mg/L时三个隔室出水VFA浓度依次为673 mg/L、148 mg/L和24 mg/L,总产气率依次为1.13 L/d,2.57 L/d和0.71 L/d,表明反应器对有机污染物的去除效果良好。通过对各隔室出水水质的分析和颗粒污泥表面生物相的研究,证明反应器内基本实现了产酸相和产甲烷相的分离。 (2)通过与其它材质的膜进行对比表明,包裹无纺布的炭膜对微生物具有较强的吸附能力,适宜作为膜曝气组件。实验分别考察了以空气和纯氧为气源的膜曝气生物膜反应器运行效果,前者稳定运行时的COD和TN去除率分别为83.6%和81.6%,而后者分别为82.4%和84.2%,均实现了同时去碳脱氮的功效。不同气源所形成的生物膜均具有特殊的分层结构,生物膜内层具有较高的氧气浓度,微生物种群分布主要以好氧自养菌为主,而外层处于缺氧和厌氧状态,主要以异养菌为主。两组膜组件在高负荷运行时所产生的过厚生物膜,阻碍了底物和氧源在生物膜内的有效传递,降低了处理效果。最后优选出曝空气膜组件与厌氧折流板反应器进行耦合实验研究。 (3)耦合反应器对COD具有更好的去除效果,平均出水浓度和去除率分别为51mg/L和96.8%。当进水有机负荷提高50%时,出水COD浓度仍处于60 mg/L以下,具有良好的抗有机负荷冲击能力。反应器对含氮污染物的去除效果明显,稳定运行期间对TN的平均去除率为80.1%。因为流入液体中有机底物的减少和硝态氮的增加,使得3号隔室的沼气产量和甲烷含量均明显减少,但是取而代之的是更为稳定和优良的出水水质。实验结果显示耦合反应器内的生物膜保持了内层好氧、外层缺氧/厌氧的特殊结构,而当内层的硝化细菌活性降低时,脱氮效果随之恶化。 (4)基于AQUASIM 2.0所建立的混合生物膜模型,验证了好氧自养菌主要分布在生物膜的内层,而异养菌主要分布在生物膜的外层。灵敏度分析结果表明,微生物的最大比生长速率、细菌对氧的饱和常数和化学计量参数值对模拟中底物变量浓度的计算具有非常重要的影响,而其它常数在预测模型质量方面所起到的作用较弱。模拟结果表明,C/N比值和生物膜厚度对于生物膜的处理功效均有重要的影响,C/N比值较低造成的反硝化碳源不足和C/N比值较高形成的对自养菌的抑制均会使得TN的去除率下降;而生物膜过厚时所造成的对底物传质的阻碍和过薄时形成的缺氧/厌氧环境的缺乏,同样会降低脱氮的效果。数值模拟的应用有助于耦合反应器结构设计的优化及实际工程的应用。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2008
【中图分类】：X703
【部分图文】：

厌氧消化,有机物

厌氧折流板反应器与膜曝气生物膜反应器的祸合作用研究化分为产酸和产甲烷两个阶段Iv，“】。有机物在产酸阶段被水解和发酵后形成脂肪酸、醇类、二氧化碳和氢气等，进而在后面的产甲烷阶段被转化为沼气。此理论简要描述了厌氧消化的微生物种群的协同过程，在相当长的时间内指导着生产实践，并被用于厌氧生物处理过程的动力学描述。由于产甲烷菌不能以两碳以上的脂肪酸和除甲醇以外的醇类作为底物，所以此理论难以说明产甲烷菌利用多醇、多酸而进行生命活动的本质。随着人们对厌氧消化过程中微生物种群间的不断了解，Bryant等人l0]发现了奥氏甲烷杆菌是一种甲烷菌与一种产氢产乙酸菌构成的共生体，并于1979年提出了厌氧消化三阶段理论【l0]。如图1.IB所示，此理论是目前最常使用的理论模式，将厌氧消化过程划分为水解、产酸和产甲烷三个阶段，与二阶段理论相比明显的不同之处在于突出了产氢产乙酸细菌在发酵过程中的核心地位，并将其单独划分为一个阶段。产氢产乙酸菌将多酸、多醇等转化为产甲烷菌可直接利用的底物，补充了二阶段理论的不足。

隔室,养猪场废水,厌氧折流板反应器,体积

Fig.1.2DifferenttyPeso，fABR为了减少污泥的流失和减轻第一隔室的有机负菏，BooPathy等人I2’】针对养猪场废水设计了一种两隔室的ABR，如图1.2D所示，其中1号隔室的体积是2号隔室的2倍。虽然此结构减缓了水流在1号隔室的上升速度，增强了微生物截留能力，但是与等体积的三隔室ABR对比，处理效果反而变差。同样是针对处理养猪场废水，Yang等人[zs】

示意图,曝气生物,生物膜,示意图

图L6传统生物膜(A)与膜曝气生物膜(B)的示意图Fig.1.6SchematierePresentationofTdB(A)andMAB(B)(2)膜组件的构造膜组件的性能对于MABR的运行至关重要，目前所采用的膜主要有三种:微孔膜、致密膜和复合膜卿，‘oo]。微孔膜的应用比较广泛，其传质机理为孔内气体的均相传质。虽然微孔膜传质阻力可以忽略不计，但是附着的生物膜容易改变其亲水性，造成传质效果的下降，因而不宜长时间使用。由于氧气在硅树脂中的溶解度要远高于其在水中的溶解度，所以致密膜具有很高的渗透性，其传质机理为溶解扩散。致密膜具有较高的膜界面压力，所以不会像微孔膜那样容易堵塞，适宜长时间的使用。将聚合物覆盖在微孔膜表面，即形成了复合膜，其兼具了微孔膜和复合膜的特点。按照气体在膜组件中流通方式的不同，可将曝气方式分为闭端式和贯通式。前者是指气体从膜组件的一端进入，而另一端封死;后者是指气体从膜组件的一端进入，从另一端排出。闭端式虽然可以实现100%的氧气使用效率，比较适宜纯氧曝气，但是容易在膜腔内形成气体分压的不均匀，其它气体的融入会造成氧传质效率的下降。而贯通式

【引证文献】