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

2、試驗，探討了復合生物反應器中微生物比耗氧速率與出水底物濃度之間的相關關系；研究了復合淹沒式膜生物反應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)，計算了系統(tǒng)的維持能和污泥產(chǎn)率系數(shù)；分析了復合系統(tǒng)微生物組成的特點，對同時硝化反硝化的現(xiàn)象和機理進行了研究，并對其動力學問題進行了數(shù)學描述；對影響膜污染的一些控制因素進行了試驗檢驗，建立了膜過濾污染機理評價模型；初步分析了膜生物反應器污水處理系統(tǒng)的技術經(jīng)濟性。論文的主要工作及其成果包括以下

3、幾個方面： 1.在對等的試驗條件下，對復合生物反應器和傳統(tǒng)活性反應器兩系統(tǒng)處理城市污水的功效進行了對比分析。試驗表明復合生物反應器出水中色度、COD、TOC、NH3-N的濃度比活性污泥反應器低，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的抗沖擊負荷能力，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，使HBR系統(tǒng)比活性污泥系統(tǒng)具有更佳的運行穩(wěn)定性。對好氧復合生物處理系統(tǒng)而言，微生物

4、的比耗氧速率更能準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關系。復合生物反應器生物降解過程中，生物膜起著重要作用。 2.采用復合淹沒式膜生物反應器試驗裝置在西安市北石橋污水凈化中心對城市污水進行了處理試驗。試驗結果表明，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％)，對糞大腸桿菌群的去除率達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)試驗數(shù)據(jù)，在Pirt維持理論基礎上，推導計算了系統(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MBR的數(shù)值。這說明復合系統(tǒng)在底物利用中表現(xiàn)出了對水質(zhì)水量的變動有較強的適應性，運行穩(wěn)定性更佳且剩余污泥產(chǎn)量減少。 3.通過鏡檢的方法對復合生物反應器中微生物的結構特征和組成進行了長期觀察，分析了微生物組成的特點。鏡檢發(fā)現(xiàn)，懸浮相和附著相上有大量的菌膠團和絲狀菌。在生物膜上存活的細菌，其種屬基本上與

7、生息在活性污泥上的細菌相同。其中，絲狀菌優(yōu)先存活在生物膜上。系統(tǒng)內(nèi)生息的原生動物和后生動物也非常豐富。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)對生物膜和活性污泥進行的掃描電鏡圖象顯示，生物膜絮體結構較活性污泥密實，二者均由大量短桿菌和部分球菌等細菌組成，生物膜內(nèi)球菌的數(shù)量多于活性污泥。 4.通過試驗觀測到好氧復合膜生物反應器工藝具有較強的硝化作用和反硝化作用功效，其對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，并對完全好氧系統(tǒng)的同時硝化反硝化行為和機理進行了分析研究。其理論觀點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器的同時硝化反硝化過程的發(fā)生，進而在完成對碳去除的同時達到了脫氮除磷的功效。主要是生物膜的多層結構，因氧濃度梯度形成的外層生物膜中好氧硝化菌占優(yōu)勢，主要進行硝化反應；內(nèi)層異養(yǎng)反硝化菌占優(yōu)勢，主要進行反硝化反應。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。在試驗條件下，復合系統(tǒng)的硝化速率和反硝化速率不受氮負荷大小的限制，隨著水中氮負荷的增加，其相應的去除率也隨之線性增加。當COD負荷率在0.1-0.2kgCOD/kgTB.d時TP的去除效率明顯提高。計算表明，復合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，進一步優(yōu)化操作條件還可提高脫氮效率

10、。 5.試驗研究了操作條件如MLSS濃度、TMP、曝氣以及間歇過濾模式等對膜污染的影響，分析了空曝氣、水力反洗與化學清洗對消除膜污染的影響，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，膜污染有一個快速增長期，隨之膜孔堵塞和濾餅層達到動態(tài)平衡并趨于穩(wěn)定，膜污染增長緩慢。操作條件與膜污染直接相關，適宜的操作條件可有效控制膜污染的發(fā)生及其程度。試驗結果表明，淹沒式膜生

11、物反應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，適宜的間歇滲透時間模式對控制膜污染是有效的，停抽時間的過度延長對控制污染效果不顯著?？掌貧夂退Ψ聪粗饕コっ嫖廴荆瘜W清洗可消除因膜孔堵塞引起的內(nèi)部污染。建立了微濾膜標準膜孔堵塞和濾餅層過濾模型，計算得到的標準膜孔堵塞常數(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，試驗檢驗發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)的膜過濾機理屬于同時的標準膜孔堵塞和濾餅層過濾，二者均控制著整個膜過濾過程。 6.通過費用-效益原則分析研究了膜生物反應器污水處理中的成本構成、主要影響因素等，并與傳統(tǒng)生物處理系統(tǒng)進行了成本比較。在投資總成本中，膜組件購置費用所占的比例最高，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。在淹沒式構型中，曝氣占總能耗的主要成分。MBR系統(tǒng)的運行管理費用與膜通量、膜壽命

13、成負對數(shù)關系，而與膜價格成線性關系。在膜污染允許的范圍內(nèi)，可提高反應器內(nèi)的MLSS濃度，以維持低污泥產(chǎn)率，降低運行管理成本。綜合考慮投資成本、運行管理成本和占地費用等因素，MBR系統(tǒng)較其它傳統(tǒng)系統(tǒng)具有最佳的競爭優(yōu)勢，其發(fā)展的前景十分活躍。 上述研究成果表明，復合淹沒式膜生物反應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、運行穩(wěn)定可靠和脫氮除磷