膜生物反应器处理城市污水的微环境特征及膜污染控制

论文摘要

膜生物反应器是污水的生物处理与膜分离技术有机结合的新型污水处理技术。本文开展了膜生物反应器处理城市污水的试验研究,通过研究和分析取得如下主要成果:通过与传统活性污泥工艺的比较试验,系统考察了MBR的除污特性和反应动力学。MBR中膜的截留作用提高了系统的污染物去除能力和抗污染、pH值和温度的冲击能力。MBR系统中污泥的亚硝化、反硝化作用均呈零级反应,对应降解速率常数分别约为传统活性污泥的2.2倍和2.5倍;MBR中硝化作用规律不明显。MBR中的细菌总数、硝酸菌、亚硝酸菌和反硝化菌数量分别比传统活性污泥法高出12个数量级。通过170天的连续运行试验,研究了MBR在不排泥条件下处理城市污水的微环境特征。发现污泥浓度最终稳定于7000 mg/L左右;与传统活性污泥法相比,稳定阶段MBR的污泥脱氢酶活性较小,污泥沉降性能略差。MBR内出现了溶解性微生物产物的积累,但随着运行时间的延长可被进一步降解。污泥负荷与胞外聚合物浓度呈负相关;多糖和蛋白质是胞外聚合物的主要组分,二者占胞外聚合物总COD的60%以上。全面考察了MBR独特的微环境及运行条件对系统出水水质、污泥活性及系统运行稳定性的影响。系统出水COD随上清液COD的增加而增加;MBR试验运行中期,系统脱氢酶活性随上清液COD增加而明显下降。经济曝气强度随污泥浓度的增加呈指数递增;经济曝气强度下膜污染发展速率随污泥浓度变化而变化,污泥浓度过高或过低时,膜污染发展速率均加快。对MBR中微型动物群落结构随运行历程的变化进行了系统研究,并探讨了微型动物对MBR系统运行的指示作用。随着运行历程的推移,MBR中微型动物由活性污泥性生物向中间污泥性生物转变;不同微型动物种类及数量与COD去除率间的相关性不显著;而微型动物总数和肉足类动物数量与NH4+-N和TN的去除率均呈显著相关。研究得出污泥混合液中悬浮固体、胶体物质和溶解性物质所形成的膜阻力分别占总阻力的55%、39%和6%,以此为依据,考察了曝气强度、污泥浓度及进水COD浓度对膜污染的影响,建立了膜过滤阻力模型。对不同进水浓度下的膜污染发展状况进行了预测,找出了对应临界污泥浓度MLSS和临界曝气强度G的MLSSG临界曲线。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号、缩略词等专用术语注释表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的提出与意义
• 1.1.1 我国水环境现状
• 1.1.1.1 水资源现状堪忧
• 1.1.1.2 水污染严重
• 1.1.2 课题的提出及意义
• 1.2 膜生物反应器（MBR）技术
• 1.2.1 MBR 的组成与分类
• 1.2.2 MBR 的特点
• 1.2.3 MBR 技术基本原理
• 1.3 膜生物反应器国内外研究与应用现状
• 1.3.1 MBR 在国外的研究进展
• 1.3.2 MBR 在国内的研究进展
• 1.3.2.1 污染物去除效果
• 1.3.2.2 操作条件及运行稳定性研究
• 1.3.2.3 膜污染特性及控制研究
• 1.3.2.4 MBR 的相关理论研究
• 1.3.2.5 新型膜生物工艺研究
• 1.3.3 MBR 应用现状
• 1.3.3.1 MBR 在国外的应用现状
• 1.3.3.2 MBR 在国内的应用现状
• 1.4 膜污染及其影响因素研究
• 1.4.1 膜污染概念与成因
• 1.4.2 膜污染的影响因素
• 1.4.3 降低膜污染的措施
• 1.5 MBR 中微环境的研究现状
• 1.5.1 微环境概念
• 1.5.2 MBR 中独特的微环境
• 1.5.3 微生物产物对膜生物反应器的影响
• 1.5.3.1 微生物产物对生物反应器运行的影响
• 1.5.3.2 微生物产物对膜污染的影响
• 1.6 研究目的与研究内容
• 1.6.1 研究目的
• 1.6.2 研究内容
• 第二章 膜生物反应器除污特性及反应动力学
• 2.1 试验装置与试验方法
• 2.1.1 试验装置与流程
• 2.1.2 试验水质
• 2.1.3 测定项目及分析方法
• 2.1.4 试验方法及运行条件
• 2.2 污染物去除效果
• 2.2.1 COD 去除效果
• 2.2.2 氨氮、总氮去除效果
• 2.2.3 磷去除效果
• 2.3 膜对污染物的强化去除作用
• 2.3.1 试验水质与运行条件
• 2.3.2 有机污染物的去除
• 2.3.3 氨氮、总氮的去除
• 2.3.4 悬浮物及浊度的去除
• 2.4 脱氮性能研究
• 2.4.1 生物脱氮机理
• 2.4.2 动力学试验及细菌检测方法
• 2.4.2.1 硝化作用的测定
• 2.4.2.2 反硝化作用的测定
• 2.4.2.3 硝化菌、亚硝化菌及反硝化菌的测定
• 2.4.3 动力学试验及细菌检测结果分析
• 2.4.3.1 硝化动力学
• 2.4.3.2 反硝化动力学
• 2.4.3.3 菌种计数
• 2.4.3.4 反硝化效果的提高及控制
• 2.5 抗冲击性能
• 2.5.1 污染物负荷冲击
• 2.5.1.1 进水COD 容积负荷对出水COD 的影响
• 4⁺-N 容积负荷对出水NH₄⁺-N 的影响'>2.5.1.2 进水NH₄⁺-N 容积负荷对出水NH₄⁺-N 的影响
• 2.5.2 温度的影响
• 2.5.2.1 对污染物去除效果的影响
• 2.5.2.2 对MBR 膜污染的影响
• 2.5.3 pH 值冲击
• 2.6 小结
• 第三章 无排泥运行下膜生物反应器的微环境特征
• 3.1 试验装置与试验方法
• 3.1.1 试验装置与流程
• 3.1.2 测定项目及分析方法
• 3.1.2.1 EPS 的提取和测定
• 3.1.2.2 多糖—蒽酮比色法
• 3.1.2.3 蛋白质—考马斯亮蓝比色法
• 3.2 污泥特性
• 3.2.1 污泥增殖特性
• 3.2.1.1 污泥增殖规律
• 3.2.1.2 污泥增殖动力学
• 3.2.2 污泥活性随时间的变化
• 3.2.3 污泥沉降性的变化
• 3.2.4 过滤特性的变化
• 3.3 微生物种群分布特征及相互关系
• 3.4 微生物代谢特性
• 3.4.1 溶解性微生物产物（SMP）的动态变化
• 3.4.1.1 SMP 浓度随运行历程的变化
• 3.4.1.2 SMP 组成随运行历程的变化
• 3.4.2 胞外聚合物的含量及组成随运行历程的变化
• 3.4.3 EPS 与SMP 的相关关系
• 3.5 小结
• 第四章 微环境对膜生物反应器运行的影响
• 4.1 微生物产物对MBR 运行的影响
• 4.1.1 SMP 对生物反应器运行的影响
• 4.1.1.1 SMP 对系统出水水质的影响
• 4.1.1.2 SMP 对污泥活性的影响
• 4.1.2 EPS 对污泥沉降性能的影响
• 4.2 污泥浓度与曝气强度对MBR 的综合影响
• 4.2.1 对污泥特性影响的定性分析
• 4.2.2 对污染物去除效果的影响
• 4.2.2.1 污泥浓度对污染物去除效果的影响
• 4.2.2.2 曝气强度对污染物去除效果的影响
• 4.2.3 对膜污染的影响
• 4.3 小结
• 第五章 MBR 中微型动物特征及动态变化
• 5.1 活性污泥中微型动物的群落结构
• 5.2 微型动物的代谢特性及作用
• 5.2.1 代谢特性
• 5.2.2 微型动物的作用
• 5.2.2.1 对提高出水水质的作用
• 5.2.2.2 对污泥减量的作用
• 5.2.2.3 指示作用
• 5.3 微型动物的种类鉴别及计数
• 5.4 MBR 中微型动物种群和数量的动态变化
• 5.5 主要微型动物种群跟踪观察
• 5.6 微型动物与污泥沉降特性及处理效果的相关性分析
• 5.7 小结
• 第六章 膜污染机理及控制
• 6.1 膜污染及机理分析
• 6.1.1 膜污染的表达及膜阻力测定
• 6.1.2 膜污染机理分析
• 6.1.2.1 微生物及活性污泥的污染
• 6.1.2.2 有机物污染
• 6.1.2.3 无机物污染
• 6.1.2.4 浓差极化
• 6.2 活性污泥的各组成部分对膜污染的贡献
• 6.2.1 污泥组分的分离
• 6.2.2 阻力测定计算方法
• 6.2.3 污泥组分对膜污染贡献及分析
• 6.3 实用性膜污染模型
• 6.3.1 模型的建立
• 6.3.2 试验方法及试验结果
• 6.3.2.1 均匀设计法
• 6.3.2.2 试验设计及结果
• 6.3.3 模型求解及效果检验
• 6.3.3.1 模型的求解
• 6.3.3.2 显著性检验及因素主次的确定
• 6.3.4 模型应用及运行条件对膜污染阻力模型的影响
• 6.3.4.1 模型应用
• 6.3.4.2 运行条件对膜污染阻力模型的影响
• 6.4 膜污染控制
• 6.4.1 优化膜分离的微生态环境
• 6.4.1.1 优化膜分离条件
• 6.4.1.2 新型组合工艺
• 6.4.2 改善混合液性质控制膜污染
• 6.5 小结
• 第七章 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 论文创新之处
• 7.3 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的学术论文