1、摘 要- I -中图分类号： 论文编号： U D C： 密 级： 硕 士 学 位 论 文载体曝气生物反应器处理低温生活污水研究作者姓名： 学科名称：建筑与土木工程 研究方向：市政工程学习单位：河北联合大学 学习时间: 提交日期: 申请学位类别：工程硕士导师 姓名： 单位：河北联合大学 建筑工程学院论文评阅人： 单位：河北联合大学 建筑工程学院论文答辩日期： 答辩委员会主席： 教授唐山 河北联合大学年 月河北联合大学硕士学位论文- II -摘 要借鉴于之前对于载体曝气生物反应器系统的研究，文中主要实验验证了在低温环境下（1016 ）时 CABR 对人工生活污水的去除效果，重点对比分析低温和常温两
2、种环境下的反应器的效能，并且实验分析出在低温环境下影响反应器处理效果的因素。实验证明，常温下（25左右）CABR 反应器 COD 去除率最小为 84.05%，最高可达 94.29%；NH 4+-N 平均去除率 80.72%，最高达 85.92%；TN 平均去除率达到77.83%，最高去除率达 81.66%。低温下（1016），COD 去除率最小为 65.57%，最高可达 85.45%；NH 4+-N 平均去除率 76.55%，最高达 83.64%；TN 平均去除率达到 65.00%，最高去除率达 73.01%。低温下，当温度由 16降低到 10时，COD，NH 4+-N 和 TN 的去除效果开
3、始下降，在进水浓度趋于稳定的情况下，COD 出水浓度由 40mg/L 提高到70mg/L，NH 4+-N 出水浓度由 6mg/L 上升到 9mg/L，TN 出水浓度由 15mg/L 提高到25mg/L。当温度降低到 10时，TN 的去除效果显著降低。当温度为 16，水力停留时间为 8h，10h，14h 时，出水效果随着 HRT 的增加而增加，在 HRT 为 14h 时达到最好的出水效果，COD 去除率高达 83.20%，NH 4+-N 去除率最高为 82.35%，TN去除率达 74.72%。当温度为 12，水力停留时间为 8h，10h，14h 时，出水效果随着 HRT 的增加而缓慢增加，受到温
4、度影响较大，在 HRT 为 14h 时达到相对前两种情况较好的出水效果。研究结果表明：在保证 CABR 反应器的基本水处理性能的情况下，反应器能在较低的温度下（12左右）达到处理标准。关键词：载体曝气生物反应器；低温；生物脱氮摘 要- III -AbstractBased on the former research of Carrier Aerated Bioreactors (CABR), the research methods which included reducing the aeration flow aeration, intermittent aeration, were
5、adopted to test the CABR system on the effect of artificial sewage processing, the focus of comparative analysis of reactor, low temperature and normal temperature two kinds of environment performance, and experimental analysis of factors affecting reactor the treatment effect in the low temperature
6、 environment.Experiments show that, at room temperature (25) of CABR reactor, the removal rate of COD for a minimum of 84.05%, the highest was 94.29%; the average NH4+-N removal rate of 80.72%, up to 85.92%; the average removal rate of TN reached 77.83%, the highest removal rate reached 81.66%. Low
7、temperature (1016), the removal rate of COD is the minimum is 65.57%, the highest was 85.45%; the average NH4+-N removal rate of 76.55%, up to 83.64%; the average removal rate of TN reached 65%, the highest removal rate reached 73.01%.Low temperature, when the temperature is reduced from 16 to 10, t
8、he removal effect of COD, NH4+-N and TN began to decline, in the influent concentration tends to be stable under the condition of COD, the effluent concentration increased from 40mg/L to 70mg/L, NH4+-N effluent concentration increased from 6mg/L to 9mg/L, TN effluent concentration increased from 15m
9、g/L to 25mg/L.When the temperature is reduced to 10.TN removal efficiency decreased significantly.When the temperature of 16,the hydraulic retention time was 8h,10h,14h,effluent effect increases with the increase of HRT, to achieve the best effect of water in HRT is 14h, the removal rate of COD reac
10、hed 83.20%, the highest removal rate of NH4+-N is 82.35%, the removal rate of TN is 74.72%. When the temperature of 12, the hydraulic retention time was 8h, 10h, 14h, effluent effect with the increase of HRT increased slowly.The research results show that: in the guarantee of basic water treatment p
11、erformance of CABR reactor under the condition that the reactor at low temperature (12) to achieve the processing standards.Keywords: carrier aerated bioreactors, Low-Temperature, Biological nitrogen removal河北联合大学硕士学位论文- IV -目 次引 言 .1第 1 章 绪论 .21.1 低温对处理生活污水的影响 .21.1.1 低温下微生物的生长受到抑制 .21.1.2 低温下微生物的酶
12、促反应速度下降 .21.1.3 低温下活性微生物的数量降低 .31.1.4 低温下水中氧的传递效率降低 .31.2 生活污水脱氮工艺研究 .31.2.1 A/O 和 A2/O 工艺 .31.2.2 SBR 工艺 .41.2.3 短程硝化反硝化 .41.2.4 同步硝化反硝化技术 .41.2.5 生物固定化脱氮技术 .41.3 膜曝气生物反应器（MABR） .51.3.1 MABR 的基本原理 .51.3.2 MABR 的特点 .61.3.3 MABR 的研究现状 .71.3.4 现存的限制 MABR 发展的因素 .81.4 载体曝气生物反应器 .91.4.1 CABR 的理论基础 .91.4.
13、2 CABR 的特点 .101.4.3 CABR 的研究前景 .10第 2 章 实验目的内容及分析方法 .122.1 试验研究内容方案 .122.1.1 研究目的及研究内容 .122.1.2 研究技术路线及方案 .122.2 试验装置 .132.2.1 实验所需材料及设备 .13目 次 - V -2.2.2 实验仪器各部件工作原理 .132.3 试验流程 .142.4 污水水质 .142.4.1 生活污水水质 .142.4.2 试验进水水质 .142.5 分析方法 .152.5.1 数据测试所需其他试验仪器 .152.5.2 试验测试项目及方法 .15第 3 章 CABR 处理生活污水的初期性
14、能测试 .173.1 载体组件的制作及测试 .173.2 生物膜的培养 .183.2.1 运行初期 COD 的处理效果 .193.2.2 运行初期氨氮的去除效果 .203.3 实验初期阶段小结 .20第 4 章 CABR 处理生活污水的效能研究 .224.1 COD 的去除效果 .224.2 氨氮（NH 4+-N）的去除效果 .234.3 总氮（TN）的去除效果 .254.4 本章小结 .27第 5 章 CABR 低温下处理生活污水影响因素研究 .285.1 降低水温对 CABR 的影响 .285.1.1 降低水温对 COD 的影响 .285.1.2 降低水温对氨氮的影响 .295.1.3 降
15、低水温对 TN 的影响 .305.2 水力停留时间对 CABR 处理低温污水的影响 .315.2.1 不同水力停留时间对 COD 的影响 .315.2.2 不同水力停留时间对氨氮的影响 .325.2.2 不同水力停留时间对 TN 的影响 .345.3 CABR 与其他常规工艺处理低温生活污水的比较 .35河北联合大学硕士学位论文- VI -5.4 本章小结 .36结 论 .38参考文献 .39致 谢 .42导师简介 .43作者简介 .44引 言- 1 -引 言传统污水处理工艺比较适合在常温下，20左右，能达到较好的处理效果，当温度降低时，出水水质变差。对于北方来说，冬季较南方温度更低，所以出水
16、水质较差。曝气池内的生物受温度的影响，当冬季水温降低到 612时，生物活性降低，污水处理能力下降。生活污水脱氮处理主要依靠硝化细菌和反硝化细菌，细菌活性下降，硝化能力下降。污水处理的硝化速率在 15时急速下降，硝化作用停止一般在 5左右时，下降的硝化效果，使得氨氮的去除率难以符合国家排放标准。污水处理问题在当今社会越来越得到重视。进入冬季后，污水处理厂步通常需要经过很长一段时间的调整，才能保证氨氮能出水效果。在这调整时间内，氨氮过多的排放，水中 N，P 浓度升高，容易造成水体的富营养化，例如水葫芦的恶性繁衍，加剧与生态环境的恶化。生物反应器中的氮需要经过氨化反应、硝化反应和反硝化反应，微生物在
17、这一系列过程中起到非常重要的作用，然而，微生物生存的条件多种多样，不同的微生物需要的生存条件也不一样，但是最主要的还是温度。从微生物的数量来看，当温度降低时，反应器中的微生物减少，导致整体的处理效果降低，从生物特性来看，当温度降低时微生物内部生理特征也会有所改变，对于微生物来说吸收营养物质的速率变慢，数量相对减少，蛋白质的合成率减缓，生命代谢活动降低，最终将影响整个污水处理系统，导致生物反应器处理效果降低。城市生活污水脱氮处理，主要是通过硝化和反硝化作用，作用效果和速率会受到温度的影响，生物脱氮在1530下处理效果较好，当温度下降到 10一下，硝化会受到很大程度的限制。温度同时也是影响反硝化细
18、菌增殖速度和性的重要因素。有研究表明：温度在 13时，生物作用开始降低，处理效果有明显的下降。整个污水处理系统处理污水的效率降低一半，当水温低于 4时处理体统没有明显的处理效果，在这样的低温下，还会出现污泥膨胀等不利于水处理的现象。因此，传统的污水处理方式在低温下已经难以适应更高的水质要求，我们需要寻找更多处理低温污水的方法，以满足新的水质需求。河北联合大学硕士学位论文- 2 -第 1 章 绪论1.1 低温对处理生活污水的影响我国现阶段处理生活污水的主要方法为生物法。水中污染物主要依靠微生物的生理代谢活动进行处理，影响微生物的因素有温度，PH，碳源，氮源等，其中温度是最主要的影响因素，温度的变
19、化，影响着微生物的活性 1。在酶促发生反应的温度区间里，温度降低 10，微生物的活性将降低为原来的两倍，所以低温会抑制微生物的生长。1.1.1 低温下微生物的生长受到抑制微生物生长需要体内的酶系统的来进行催化作用，使得物质在生物酶的作用下进行转化进而释放能量，这是一个复杂的生理生化反应 2。酶的主要是由生物活性蛋白质组成，与无机的催化剂相比，是依靠蛋白质的高效结合来发生反应 3。鉴于蛋白质拥有这样的反应原理，温度很大程度影响催化效果，每一种酶都有自己适合的活性催化温度，无论是过高于还是过低于这个范围，酶的活性会受到影响，在高温环境下酶会失去活性，在低温的环境下酶的活性受到抑制 4。1.1.2
20、低温下微生物的酶促反应速度下降有研究表明，微生物在能够保持活性的范围内，酶促反应速率和温度有关，当温度过低时酶的活性受到严重的抑制 5。去除污水中的氮一般使用生物法，生物脱氮每一步都依靠酶促反应的进行。脱氮反应是将水中的有机态氮，通过各种酶发生反应转化为 N2 从水中分离出去。其中发生 4 步化学反应，第一步是氨化反应，需要依靠氨单加氧酶(AMO) ，羟胺氧还酶(HAO) ，第二步是氨氧化反应需要依靠亚硝酸盐氧还酶(NOR) 、硝酸盐还原酶(NaR) ，第三步是硝化反应需要依靠亚硝酸盐还原酶(NiR) 。从微观的生化反应角度来看，低温对于相关酶促反应有较大影响，因为生物体内的氮的转化过程经历了
21、十分复杂的酶促反应 6。氨化细菌之所以对温度较其他异样微生物更为敏感，是因为脱氮过程中的氨氧化反应阶段是自养菌反应，这一现象使其成为污水脱氮及环境氮素循环的关键环节，被认为是整个硝化-反硝化过程中的限速步骤 7第 1 章 绪论- 3 -1.1.3 低温下活性微生物的数量降低温度是影响微生物生长发育的一个重要因素，温度的降低会使细菌的繁衍速度变慢 1。微生物的生长温度是有范围的，当温度降到最低温度以下时，细菌的新陈代谢活动被抑制，最终进入休眠阶段。虽然活性污泥中不同的细菌对温度的变化反应不同，但大多数细菌在低温情况下都会失去活性。1.1.4 低温下水中氧的传递效率降低温度降低导致细胞膜渗透率和流
22、动性的降低，硝化反应需要在好氧的条件下进行，由于低温度对细胞膜的影响，硝化反应的速度会降低，这是因为水中溶解氧进入微生物体内的传输效率降低 9。水中的溶解氧在低温的环境下含量提高，反硝化反应是在缺氧状态下进行的，因为反硝化菌为异养型微生物，大部分是厌氧微生物，硝酸盐氮的还原酶的活性随着溶解氧浓度的升高而降低 10，反硝化菌的反硝化速率被抑制，并且在低温下，微生物分解有机物的速率减低，从而减少了反硝化过程中所需可生物降解碳源数量，进而降低反硝化速率 6。1.2 生活污水脱氮工艺研究污水中的主要通过生物脱氮，亚硝化细菌将水中的氨氮氧化成为亚硝酸氮，硝化细菌通过硝化作用将亚硝酸氮转化为硝酸氮。反硝化
23、细菌将硝酸盐氮和亚硝酸盐氮还原为氮气。1.2.1 A/O 和 A2/O 工艺A/O 是缺氧/好氧的的缩写，是较经典脱氮的工艺，它的第一阶段在缺氧的环境下进行，反硝化作用时直接将污水中的有机物作为碳源，污水在缺氧段将淀粉、纤维、碳水化合物和其他悬浮污染物和可溶性有机物水解为有机酸，当进入好氧阶段，可以提高废水生物的效率性，在足够的氧气的条件下，硝化作用将氨氮氧化为硝酸盐氮，通过回流返回到缺氧反应池中，在低氧的情况下，进行反硝化作用，释放出氮气，实现生活污水的脱氮处理。A/O 工艺虽然能够脱氮，但是效率不高，若要提高效率，必须加大内循环比。内循环液来自曝气池，含有一定的 DO，使缺氧阶段难以保持理
24、想的缺氧状态，影响反硝化效果。A 2/O 是 A/O 工艺的改进，它在缺氧池增加了一道厌氧工艺，使得污水在厌氧缺氧好氧交替运行，得到较高的处理效率。可是该工艺反应池容积较河北联合大学硕士学位论文- 4 -大，污泥回流量高，消耗的能量多，费用偏高，适合于大中型城市污水厂。1.2.2 SBR 工艺SBR 工艺中的脱氮的硝化反应阶段和反硝化反应阶段在同一反应器内，通过改变不同的时间段，控制进水浓度，曝气量，污水中溶解氧浓度等，实现反应器内的硝化反硝化。若运行效果好，氮的去除率可以达到百分之九十，对比其他的处理工艺，减少了污水反应所需要的反应池，简化了处理过程。更重要的是，SBR 对污水质量和流量的变
25、化不敏感，能够适应较大范围的变化，不容易引起污泥的膨胀，使其影响处理效果。1.2.3 短程硝化反硝化短程硝化反硝化是一种新型脱氮理论，该理论认为氨转化为亚硝酸盐和硝酸盐是两种独立可以分开反应的。短程硝化反硝化是利用硝酸菌和亚硝酸菌在动力学特性上存在的固有差异，当硝化反应进行到 NO2-N 阶段，会产生大量的 NO2-N，随着NO2-N 的不断增多，增加到一定量时可以直接发生反硝化反应。可以通过调节温度、pH 值、氨浓度、DO、氮负荷、有害物质和泥龄来实现短程生物脱氮。SHARON 工艺和 OLAND 工艺是短程硝化用于实际应用的例子。1997 年，荷兰Mulder 提出 SHARON 工艺，在
26、高温 32左右，硝酸菌的最小停留时间大于亚硝酸菌，可以控制系统的水力停留时间在硝酸菌和亚硝酸菌最小停留时间之内，亚硝酸菌被选择出来，所以积累了 HNO2 的量，该工艺需要在高温环境下，所以只对温度较高的废水脱氮有重要作用。OLAND 工艺关键是控制溶解氧来实现 HNO2 的积累。1.2.4 同步硝化反硝化技术同步硝化反硝化不仅在同一个反应其中同时存在好氧与缺氧环境，还需要硝化和反硝化反应同时进行。反应器内硝化细菌和反硝化细菌是同时存在的，所以只要控制好条件，同时硝化反硝化是可以反应的。好氧情况下虽然会抑制反硝化过程，不代表有氧存在抑制反硝化细菌的生长。反应器若能控制溶解氧的含量，就可以使反应器内好氧和缺氧环境同一存在，满足细菌硝化反硝化同时进行的要求。1.2.5 生物固定化脱氮技术将微生物固定在载体上，形成多层生物膜，相当于小型的生物反应器。有研究
