炭膜曝气生物膜反应器废水处理特性研究

论文摘要

膜曝气生物膜反应器（MABR）采用透气膜对生物膜进行曝气供氧，是一种将膜技术与生物膜技术相结合的污水处理新技术。它利用了膜能够将气液两相分离的特性，空气通过透气膜为附着在其上的生物膜进行无泡曝气供氧，使生物膜能够高效降解水中污染物。虽然MABR具有许多传统生物反应器无可比拟的优点，但目前反应器膜污染、膜材质稳定性差、过高的膜组件造价等缺点很大程度上限制了它的推广应用。对此，本论文采用一种成本低廉的煤基炭膜作为MABR膜组件，进行了炭膜曝气生物膜反应器（CMABR）处理废水的实验研究。实验探讨了炭膜作为透气性载体膜的可行性。结果表明煤基炭膜表现出了较高的微生物吸附能力，单位面积微生物吸附量为0.55 gTOC／m2，能够作为生物膜的载体；炭膜具有较高的传氧能力，传氧系数KM为0.36 m／h，适用于作为MABR的供氧装置，能够保证生物膜的用氧需求。CMABR处理生活污水实验表明，反应器平均COD、NH4+-N、TN去除率分别为88％、90％和78％，膜比表面COD、NH4+-N去除速率分别达到35.6 CODg／m2．d、9.34 gNH4+-N／m2．d，系统具有较高污染物去除能力，在同时脱碳除氮方面表现突出。反应器长时间运行过程中，微生物新陈代谢产物—胞外聚合物（EPS）是引起膜内污染的关键物质，疏水性的EPS填充在膜孔内，大大降低了膜的氧传递系数。碱洗是有效的去除膜污染的方法，经清洗后的膜组件几乎可以恢复其原有的传氧性能。将CMABR用于处理无机含氨氮废水，通过调节膜内气压来控制氧的供给。在膜内气压0.017 MPa、0.015 MPa下，CMABR中生物膜消耗掉炭膜所供给全部氧气的同时保证氨氮良好去除效果。在气压0.009 MPa下，MABR出水NH4+-N：NO2--N接近1：1，可以利用厌氧氨氧化工艺进行继续处理；最大比表面积氨氮去除负荷可以达到9.7g／m2．d，单位面积炭膜上有限的生物量以及生物膜内底物扩散作用限制了其进一步的提高。实验考察不同的运行参数（膜内气压、进水碳氮比、水力停留时间）对反应器处理效果的影响，优化了系统的运行条件。生物膜重复挂膜过程缩短了反应器的启动过程，仅8d就可以完成；在膜内气压0.025 MPa，进水碳氮比5：1，水力停留时间8h条件下，NH4-N、COD去除率和反硝化效率分别达95％、88％和92％以上；炭膜曝气生物膜反应器具有良好的稳定性，抗冲击负荷能力强。采用荧光原位杂交技术（FISH）分析不同生物膜内部群落结构及空间分布。处理无机含氨氮废水的生物膜优势硝化菌是亚硝化单胞菌群（Nitrosomonas）、亚硝化螺菌群（Nitrosospira）和硝化螺菌（Nitrospira），三者数量占总菌数的60％以上。另外，亚硝化菌贯穿于整个生物膜内部，未出现分层结构；而对于处理进水碳氮比为5：1的异养／自养复合菌生物膜，亚硝化螺菌（Nitrosospira）和硝化螺菌（Nitrospira）成为优势菌群，二者总数占全菌比例数下降为20％，几乎观察不到亚硝化单胞菌群（Nitrosomonas）的存在。生物膜内部出现了硝化菌分层现象：硝化菌明显地生长在生物膜内层，外层以硝化菌以外的微生物为主，根据运行效果推测其为反硝化菌。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 膜曝气生物膜反应器废水处理技术和炭膜及其应用的研究进展
• 1.1 膜曝气生物膜反应器的发展
• 1.2 膜曝气生物膜反应器的组成及特点
• 1.2.1 反应器的组成
• 1.2.2 膜材质与膜组件型式
• 1.2.3 反应器的特点
• 1.3 MABR的研究、应用及其发展前景
• 1.3.1 MABR运行的影响因素
• 1.3.2 MABR生物膜微生物学研究
• 1.3.3 MABR建模
• 1.3.4 MABR的应用
• 1.3.5 MABR的发展前景
• 1.4 废水生物脱氮技术
• 1.4.1 传统生物脱氮技术
• 1.4.2 同步硝化反硝化
• 1.4.3 短程硝化反硝化
• 1.4.4 厌氧氨氧化
• 1.4.5 好氧反氨化
• 1.5 炭膜及其在环境领域中的应用
• 1.5.1 炭膜的分类
• 1.5.2 炭膜的性能
• 1.5.3 炭膜在环境领域的应用
• 1.6 本课题的研究目的、意义及研究内容
• 1.6.1 研究目的及意义
• 1.6.2 研究内容
• 2 炭膜曝气生物膜反应器处理生活污水实验研究
• 2.1 煤基管式炭膜的制备及其主要特性
• 2.1.1 炭膜的制备
• 2.1.2 炭膜孔结构性能表证
• 2.1.3 煤基炭膜膜组件的主要特性
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 炭膜曝气生物膜反应器实验系统
• 2.2.2 实验用水与接种污泥
• 2.2.3 分析项目与方法
• 2.3 炭膜曝气生物膜反应器运行实验研究
• 2.3.1 实验过程简介
• 2.3.2 炭膜氧传递能力
• 2.3.3 炭膜对微生物的吸附能力
• 2.3.4 反应器挂膜启动阶段
• 2.3.5 反应器连续运行效果
• 2.3.6 反应器氧利用情况
• 2.3.7 生物膜特性
• 2.4 炭膜膜清洗与膜污染
• 2.4.1 炭膜清洗方式的研究
• 2.4.2 膜污染分析
• 2.5 炭膜和其他膜在MABR中的应用比较
• 2.6 小结
• 3 炭膜曝气生物膜反应器处理无机含氨氮污水研究
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 实验装置和实验用水
• 3.1.2 分析方法
• 3.2 炭膜曝气生物膜反应器硝化作用和氧利用率研究
• 3.2.1 短程硝化及其主要影响因素
• 3.2.2 实验过程简介
• 3.2.3 反应器硝化作用及溶氧变化
• 3.3 炭膜曝气生物膜反应器氨氮去除负荷
• 3.3.1 实验过程简介
• 3.3.2 反应器最大氨氮去除负荷的研究
• 3.4 小结
• 4. 炭膜曝气生物膜反应器运行条件优化
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 实验装置和实验用水
• 4.1.2 分析方法
• 4.2 实验过程简介
• 4.3 炭膜重复挂膜实验
• 4.4 内膜空气压力对处理效果的影响
• 4.5 进水碳氮比对处理效果及生物膜活性的影响
• 4.5.1 进水碳氮比对处理效果的影响
• 4.5.2 进水碳氮比对生物膜活性的影响
• 4.6 HRT对处理效果的影响
• 4.7 反应器抗冲击能力的研究
• 4.8 小结
• 5. 反应器生物膜微生物学研究
• 5.1 概述
• 5.2 荧光原位杂交
• 5.2.1 荧光原位杂交原理
• 5.2.2 硝化细菌分类及探针
• 5.2.3 FISH技术对硝化细菌的研究
• 5.3 材料与方法
• 5.3.1 FISH实验所用探针及杂交条件
• 5.3.2 实验玻片处理及药品配制
• 5.3.3 杂交步骤
• 5.4 处理无机含氨氮废水生物膜硝化菌微生物学研究
• 5.4.1 硝化菌生物膜种群结构分析
• 5.4.2 硝化菌空间分布
• 5.4.3 硝化菌生物膜表面特性
• 5.5 处理人工模拟生活污水（碳氮比5:1）生物膜硝化菌微生物学研究
• 5.5.1 异养/自养复合菌生物膜硝化菌种群结构分析
• 5.5.2 硝化菌空间分布
• 5.5.3 异养/自养复合菌生物膜表面特性
• 5.6 小结
• 6. 结论、创新点与建议
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢