论文总字数：21778字

摘 要

在各种不同的污水处理工艺中，移动床生物膜反应器作为最近几十年发展起来的一门技术，凭借着自身所拥有的优点，备受世界研究者们的关注。MBBR汲取而且结合了传统活性污泥法和生物接触氧化法两种工艺的优点。由于近年来污水中含氮磷等有机物的过量排放，导致水体富营养化现象日益加剧。因此，污水脱氮除磷问题也成为了水污染控制环节中的重点。

本文主要以工业废水为研究处理对象，采用一套自行设计的MBBR污水处理系统，主要进行COD、TN和TP去除率的试验研究。通过控制改变载体、填充率和HRT等对MBBR处理污水效果有影响的因素，研究在不同条件下MBBR对污水中COD、TN和TP的去除效果，从而选择优化出反应器的最佳运行条件，并且为MBBR的实际生产应用提供有实际意义的参考。

在COD进水浓度为900mg/L,总氮进水浓度为40mg/L,总磷进水浓度为10mg/L的情况下，研究考察MBBR反应器的污水处理能力。试验结果表明：（1）在常温下，随着反应器内载体数量的增加，系统对各种污染物的去除效果也随之增强，在填充率为15%时为最佳条件，此时COD、TN和TP的去除率分别达到了95.91%、84.48%和95.2%。（2）研究水力停留时间的影响，结果为反应器的处理能力也随着水力停留时间的增加而不断增强，当水力停留时间达到12h时的去除效果最好，此时COD去除率高达90.83％，而TN和TP的去除率也达到82.55％和95.8％。

关键词：移动床生物膜反应器；脱氮除磷；工业废水；影响因素

ABSTRACT

In various sewage treatment process,Moving bed biofilm reactor developed in recent decades as a technology.MBBR much of the world researchers' attention by virtue of their own advantages . MBBR draw and combines the advantages of conventional activated sludge process and biological contact oxidation process. In recent years, excessive emissions of the organic matter containing nitrogen and phosphorus in sewage, leading to the increasing phenomenon of eutrophication.

In this paper, industrial wastewater is research objects.Using a self-designed MBBR sewage treatment system, mainly for experimental research the removal rate of COD, TN and TP. We research the removal efficiency of COD, TN and TP in MBBR under different conditions by changing the influential factors of MBBR sewage treatment effect, such as vector, fill rate and HRT. In order to select the best operating conditions to optimize the reactor and provide a meaningful reference for the practical application of MBBR.

We study the sewage treatment capacity of MBBR reactor in the case of influent COD concentration of 900mg / L, TN influent concentration of 40mg / L, TP influent concentration of 10mg / L. The results showed that:(1) At room temperature, with the increasing number of carrier in the reactor, system to removal of various pollutants also increases. The optimum conditions is the filling rate of 15%. At this time, removal rate of COD, TN and TP reached 95.91%, 84.48% and 95.2%. (2)Study on HRT, results show that the reactor processing capacity growing with increasing of HRT. The removal efficiency of COD、TN and TP were 90.83％ , 82.55％and 95.8％ when the HRT was twelve hours .

Key Words: MBBR , Nitrogen and Phosphorus removal , Industrial Waste-water , Factors of Influence

目录

摘要 I

ABSTRACT II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2 污水处理技术 1

1.2.1 活性污泥法 1

1.2.2生物膜法 2

1.3 移动床生物膜反应器(MBBR) 2

1.3.1 简介 2

1.3.2 原理 3

1.3.3 特点 3

1.4 载体填料 4

1.4.1 载体的特点 4

1.4.2 载体的种类 4

1.4.3 载体的发展 4

1.4.3 载体的选择 5

1.5 MBBR国内外的研究状况及其发展趋势 5

1.6课题研究意义、主要内容 6

第二章 试验材料与方法 8

2.1 试验材料 8

2.1.1 试验用水 8

2.1.2 试验装置 8

2.1.4 实验试剂 8

2.1.5 主要仪器 9

2.2 水质分析方法 10

2.3各项水质标准曲线的绘制 10

2.3.1 总氮(TN)的测定 10

2.3.2总磷（TP）的测定 11

第三章 MBBR处理工业废水的效能研究 13

3.1 MBBR的接种与挂膜 13

3.2 试验结果及分析 13

3.2.1填料种类对MBBR运行效能的影响 13

3.2.2填充率对去除效果的影响 16

3.2.2 水力停留时间（HRT）对去除效果的影响 20

3.3 本章小结 24

第四章 结论与建议 25

4.1 结论 25

4.2 建议 25

致谢 26

文献引用 27

第一章 绪论

1.1 前言

众所周知，人类现在可利用的淡水资源总量仅仅约为全球总水量的2.53%，并且其中大部分淡水资源是以南北两极的固体冰川形式存在，而河流水、淡水湖泊水以及浅层地下水等易于被人们利用的淡水资源只占全部淡水的0.3%。固然中国水资源总量较多，在全球排第六位，然则人均据有量却仅有2240 m³，只达到全球人均的1/4水平。而且随着国内经济的发展， 没有充分考虑环境问题，导致了我大部分水体已被严重污染。

根据2014年《中国环境状况公报》^[1]指出，2014年，我国七大河流域以及其他诸河流的国控断面中，发现Ⅰ类水质断面上升1.0个百分点，占2.8%；Ⅱ类占36.9%，同比下降0.8个百分点；Ⅲ类占31.5%，同比下降0.7个百分点；Ⅳ类占15.0%，同比上升0.5个百分点；Ⅴ类与之前相比持平，分别占4.8%和9.0%。其中主要污染物为COD、TN和TP。其中过量的氮和磷会导致河流湖泊中藻类大量繁殖，消耗水中的溶解氧，水体变黑变臭，鱼虾死亡等严重后果。现如今，被公认的使河流富营养化的条件是：水中TN浓度大于等于0.2mg/L ，TP浓度大于等于 0.02mg/L。但国内污水厂排水执行的一级A标准中,TN排放限值为15mg/L,TP排放限值为0.5mg/L，远远大于上述富营养化条件，这表明需要对TN进行深度处理。

1.2 污水处理技术

现在污水处理技术发展迅速，但主要方法仍是化学法、物理法、生物法三种^[2]。其中生物法具有物理法和化学法所没有的一些优势，比如所需费用低廉，使用方法简单、微生物来源广泛、繁殖迅速，并且对环境适应力强等优点。所以生物法无论从经济还是技术上相较于其他两种方法都拥有无可比拟的优势。其中运作最多的生物法主要是活性污泥法和生物膜法两大类。

1.2.1 活性污泥法

活性污泥法从20世纪初于英国开创以来，经过多年的发展，技术已经成熟，已成为世界各国应用最为广泛的一种生物处理工艺。

原理：向反应池中连续曝气一段时间后，为微生物的生长繁殖提供氧气，其中好氧微生物生长繁殖会形成污泥状絮凝物，即活性污泥絮体。其中每个絮体内存活着以菌胶团为主的成千上万的活性微生物群，对污染物有着较强的吸附与生物降解能力^[3]。随着国内经济的迅猛发展，各种废水的排放量越来越多，出水水质和水量的不稳定性也愈来愈加剧，另外难降解的有机物种类和含量不断增加，从而暴露出了传统活性污泥法的一些不足之处，如：（1）负荷能力较差，运行不够稳定；（2）微生物繁殖过快，易产生污泥膨胀；（3）曝气池中的生物浓度低。因此，活性污泥法会被生物膜法逐渐代替。

1.2.2生物膜法

在自然环境中的细菌通常会在表面或界面上紧密地聚集，形成了生物膜。多细胞性的倾向使得许多细菌虽然能作为个体存活，但常常以多细胞群落方式生存^[4]。生物膜内包括四个主要的组合物，多糖，蛋白质（PN），类腐植酸物质和磷脂（PL）^[5]。生物膜为它的成员提供了许多好处，最重要的是保护环境压力和攻击。现在，生物膜在污水处理，原位污染控制和生态恢复等方面收到越来越多的关注^[6-7]。相较于活性污泥法，生物膜法具有许多优点，比如稳定性高、耐冲击负荷能力强、无污泥回流、无污泥膨胀、对污染物的去除率高、占地面积小等。但其缺陷也很明显，如生物滤池中的滤料易堵塞、需要周期性反复冲洗、固定填料下曝气设备更换较困难等^[8]。MBBR是生物膜法应用的最新工艺之一，采用了生物膜法的基本原则，加入了活性污泥法的优点和固定生物膜方法，并且克服了传统的活性污泥法的缺点。

1.3 移动床生物膜反应器(MBBR)

1.3.1 简介

MBBR作为生物膜法的一种新型污水处理工艺，是在最近30年才兴起的，具有许多优点，比如处理量大、处理时间短、占地面积小、无需回流污泥以及反复冲洗等^[9]、操作管理容易，同时适用于改造工程等^[10-12]。因为这些优点，MBBR在污水处理中已经成为一个热点技术。

1.3.2 原理

MBBR使用特殊设计的填料作为生物膜载体，通过向反应器中曝气，液体的补偿或者机械搅拌等手段可使重力接近水的填料在反应器中悬浮翻滚。填料作为生物膜载体，既保护了生物膜的生长繁殖，又增加了剪切作用，提高了氧的利用率。

当废水连续进入MBBR反应器中，填料上生长的生物膜就可以降解污染物，从而达到净化水的目的。这种特殊设计的填料由于曝气在水中悬浮翻滚，为微生物提供了气、液、固三相生长环境。此外，载体上的生物膜表面很容易吸收养分和溶解氧，使得好氧微生物生长繁殖迅速，并形成有氧层。同时，生物膜内部，即靠近填料的地方，好氧微生物的生长受到抑制，因为缺乏营养和溶解氧，因此形式了厌氧层。这样就使得每个填料上的生物膜内部形成一个微型生态圈，进一步增强处理效果^[13-16]。

1.3.3 特点

MBBR法是在结合了活性污泥法和生物膜法的优点的基础上发展起来的，同时也避免了这两种方法的缺点，从而成为了一种高效的处理技术。MBBR具有一些独特的特点：

（1）反应器中污泥浓度很高，可达到传统活性污泥法中的5-10倍，这是因为填料给生物膜提供了保护，生物膜中微生物生长繁殖不受打扰，因此微生物不仅量大，而且种类多，最高可达30-40g/L^[17]。

1. 与其他淹没式生物膜反应器相同，MBBR中可以生成生物膜，能适应反应器中的各种环境变化，生物膜使MBBR单位体积的效率更高，从而减少占地面积。

(3) MBBR作为一种连续处理污水的工艺，无需对载体进行连续冲洗，这与其他淹没式生物膜反应器不太相同，因为反应器中的曝气装置和连续进水使得反应器中填料一直在不断翻滚，无需额外的冲洗，减轻了工艺复杂性。

(4) MBBR工艺具有多样性，反应器可以有不同的形状，非常适合对现有的反应池进行改造。MBBR工艺也可以和A/O、A2/O、SBR等工艺联合进行，增强了MBBR的实用性。

MBBR工艺注重稳定性和方便性，可以最大限度地提高脱氮除磷效率，降低了使用成本。

1.4 载体填料

1.4.1 载体的特点

任何生物膜反应器成功的关键都在如何维持反应器内高比例的活性微生物。所以MBBR成功的核心是微生物的载体 ^[18]，有效生物膜净面积对MBBR工艺起着决定性作用。^[19]填料应具有以下特点^[20-22]：

(1)密度在0.95-0.98g/cm³之间，挂膜成功后，整体密度应该约等于1 g/cm³，载体可以悬浮于水中。

(2) 填料的比表面积一般很大，大约为500m²/m³以上，甚至可以高达20000 m²/m³。

(3) 填料多为改性成亲水性的材料。

(4) 填料的形状各不相同，但应易于挂膜。

1.4.2 载体的种类

载体主要分组为两大类：表面光滑非多孔质载体，比如Kaldnes类型，和多孔载体，比如 LINPOR和CAPTOR类型。非多孔载体通常是由聚乙烯或聚丙烯组成，并具有高度的耐久性和稳定性，这种载体被广泛地使用在废水处理厂和实验室中。然而，它们具有低比表面积的缺点（约500平方米/立方米），导致启动缓慢，并且由于表面光滑，生物膜易于脱离。与此相反，多孔载体由于出色的多孔结构可以从这些缺陷中脱颖而出，这不仅可以捕获并有效地拦截生物质和缩短它们的启动时间，同时通过提供一个大的表面积（5,000-35,000平方米/立方米LINPOR）促进生物膜积累，并通过提供庇护锚固点防止流体剪切力和碰撞破坏生物膜。然而，多孔载体由于低传质效率而受到许多质疑，Kjetil Rasmussen等^[23]人指出，在该膜系统中，薄的生物膜在地方性质量传递电阻有一个较小的区别（70lm或更小）生物膜簇局部传质系数为350lm并且逐渐下降，逐步接近零。因此，生物群难以传输深入多孔载体，这使得大部分表面积无用的。因此，它是非常值得开发的可以克服目前多孔质载体的低质量传递效率的新载体。

1.4.3 载体的发展

近年来，不同类型的载体已在MBBR工艺中用于废水处理，包括塑料载体（例如悬浮塑料生物载体，Kaldnes K1，K2，K3和K5，Kaldnes生物膜芯片 M ，等等。），聚氨酯泡沫，活性炭（颗粒状和粉状），天然存在的材料（例如砂，沸石，硅藻土，轻陶粒等），非织造载体，陶瓷载体，改性的载体（例如百康载体， 生物塑料为基础的移动床生物膜载体，聚乙烯醇凝胶载体，可生物降解的聚合物聚己内酯载体等）和木片。对于MBBR工艺最普遍使用的载体是塑料载体。实验室规模的MBBR工艺有50％（填充率）的Kaldnes 生物载体 K1被Aygun^[24]等运作用于合成废水处理。据报道，增加有机负荷率（6-96gCOD/m²d）引起的有机物的去除效率由95.1％下降至45.2％。Shore等人^[25]使用实验室规模的MBBRS工艺以BioPortz^TM公司的载体（高密度聚乙烯（HDPE）按50％的填充率二次处理已经处理过的污水。他们发现，通过MBBR系统，在35℃和40℃之间，合成废水和工业废水中90％以上的氨氮被消除。张等人^[26]使用具有60^o 倾斜角的悬浮聚乙烯（PE）生物载体（50％的工作体积分数）的中试规模MBBR工艺处理不同温度下（3.7-35.7℃）的氨氮和不同负载（0.031-0.0473g氨氮/m²d）的氨氮污染的原水，实现平均去除率为71.4％±26.9％。然而，塑料载体的MBBR系统由于其有限的反硝化能力，一般不会出现高T-N的去除率。此外，在MBBR曝气条件下，严格的厌氧区不能进行有效的磷的释放，这反过来又降低除磷效率。其他制约因素包括塑料载体生物膜的生长和系统性能的稳定需要很长的启动时间），以及从塑料载体生物膜容易脱离（Habouzit等人^[27]）。

作为一个有前途的替代载体，海绵已经吸引了越来越多的关注，因为它是低成本的材料，并且由于其高孔隙率，可以促进微生物在载体上快速稳定附着和生长（Ngo等人^[28]）。

1.4.3 载体的选择

载体的选择对MBBR脱氮具有重要意义。载体必须具有高的机械强度，高耐蚀的耐磨性，良好的悬浮性，大的比表面积，高的表面粗糙度，并容易为微生物附着等。聚乙烯，聚丙烯，聚氨酯泡沫，和陶粒被广泛用作MBBR载体处理废水。

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