新型MABR除磷脱氮技术的研究与应用

新型MABR除磷脱氮技术的研究与应用（科技部国际科技合作项目资助）StudyandApplicationofNitrogenandPhosphorusRemovalUsingNovelMABRTechnology（申请博士学位）一级学科：化学工程与技术学科专业：化学工程研究生：魏昕指导教师：李保安研究员天津大学化工学院二零一二年五月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要无泡曝气膜生物反应器（MABR）是利用气体分离膜作为微生物附着载体并为微生物膜提供氧气，利用微生物的生化特性去除水体中的COD、氨氮等污染物的一种新型污水处理技术。无泡曝气、氧气-底物异向传质和微生物膜分层结构是MABR系统昀突出的三个特点，也使得MABR技术具有许多传统生物反应器无可比拟的优点。本论文设计了新型FT-MABR反应器，能够避免水流短路现象的产生，使水流均匀分布且保持水流错流流过中空纤维膜。开展了长期运行实验和跟踪实验，研究水流流速、进水负荷以及C/N对FT-MABR去除COD、氨氮和总氮效果的影响。重点分析水流流速对反应器性能以及脱氮效果的影响。长期运行实验表明，水流流速的提高有利于FT-MABR的抗冲击负荷能力以及对氧气的利用率的提高。高水流流速下，FT-MABR具有优先去除氨氮的能力，脱氮过程倾向于以亚硝酸盐为中间产物的短程反硝化过程。因此，FT-MABR能够在较低C/N下实现高效脱氮。C/N分别为3、5和7时，总氮去除率分别达到50.7%、70.8%和85.6%。FT-MABR适合对低C/N废水进行处理。结合MABR技术、间歇式曝气操作和人工强化生物膜脱落技术，开发出具有强化除磷脱氮功能的新型SMABR技术，对其除磷脱氮效果和操作参数进行了研究，为生物膜过程实现除磷脱氮进行了有意义的探索。SMABR能够创造好氧硝化-厌氧反硝化、释磷/好氧吸磷三个阶段，实现单一反应器内的除磷脱氮。SMABR对COD、氨氮和总磷的去除率分别能达到90%、95%和65%以上。实验首次实现了单一MABR反应器内的强化除磷脱氮。本文还对MABR技术处理真实制药废水的工业化应用进行了研究。结合水解酸化前处理和活性炭吸附后处理工艺，设计建造以MABR工艺为主要处理过程的中试规模制药废水处理系统。开展260天的长期运行实验，对曝气压力、曝气方式、循环流速以及水质水量变化对MABR处理效能的影响进行了研究。MABR过程能够去除制药废水中超过90%的COD和98%的氨氮，单位体积负荷率分别达到1.348kgCOD/m3+d和48.2gNH-N/m34d，氧气利用率达到43.74%。MABR系统出水指标能够满足天津市污水排放标准。LC/ESI/MS结果表明，MABR对制药废水中多种高分子、难降解污染物均有良好的去除效果。关键词：无泡曝气膜生物反应器；促进传递；水流流速；短程反硝化；强化生物除磷脱氮；制药废水ABSTRACTThemembrane-aeratedbiofilmreactor(MABR)isapromisingtechnologyforwastewatertreatmentusinggaspermeablemembraneasacarrierofbiofilmandasupplierofoxygentoachievetheremovalofchemicaloxygendemand(COD),totalnitrogen(TN)andothercontaminants.ThethreecharacteristicsofMABRsystemis:nobubbleaeration,oxygen-varyheterogeneousmasstransfer,microbialhierarchicalstructure,whichisalsoadvantagesofMABR.ItisapparentthattheMABRhasseveraladvantagesoverconventionalbiofilmtechnology.TheFT-MABRwasdesignedtoovercomefeedflowshortcircuitingandachievefacilitatedmasstransfer.IntheFT-MABR,theflowvelocitywasuniformandtheflowdirectionwasalmostperpendicularwiththehollowfibermembranes.Theeffectsoffeedflowvelocity,loadingrateandCOD/TNratioonTNandCODremovalwereinvestigatedthroughalong-termstudy,aloadingratestudyandseveralbatchstudies.Nitrogenremovalmechanismwasmainlydiscussed.Withtheincreaseofflowvelocity,resistanceimpactloadcapabilityandoxygenutilizationefficiencyoftheFT-MABRwereenhanced.Meanwhile,ammoniumwasremovedpreferentiallycomparedwithCOD.Batchstudiesindicatedthat,theincreaseoffeedflowvelocitysignificantlystrengthenedtheaccumulationofnitriteandTNremovalintheFT-MABR.atthefeedflowvelocityof0.05m/s,whenCOD/Nratioswere3,5and7,theTNremovalefficiencyreachedto50.7%,72.8%and83.5%,respectively.TheFT-MABRisafeasibletechnologyforthetreatmentofwastewaterwithlowCOD/TNratio.Inthispaper,anovelenhancednitrogenandphosphorusremovaltechnology-SMABRwasdevelopedwiththecombiningtheMABRtechnologywithintermittentaerationoperationandartificialenhancedbiofilmshedding.Theeffectsofnitrogenandphosphorusremovalonoperatingparameterswerestudiedandexplored.SMABRisabletocreateaerobicnitrification,anaerobicdenitrification/releaseofphosphorusandaerobicabsorptionofphosphorusinthesamereactor.TheremovalefficiencyofCOD,TNandphosphorusinSMABRcouldreachto90%,95%and65%.ThisexperimentrealizedtheremovalofnitrogenandphosphorusinsingleMABRimplementationforthefirsttime.Apilot-scaleintegratedmembrane-aeratedbiofilmreactor(MABR)system,consistedofhydrolysis/acidificationpretreatment,MABRprocessandactivatedcarbonadsorptionpost-processing,wasdesignedtotreatthehigh-loadingmixedpharmaceuticalwastewater.AstudyofMABRprocesswasconductedtoinvestigatetheeffectofaerationcondition,circulationflowrateandwaterqualityonperformanceover260days.TheperformancesoftheseprocesseswereevaluatedbytheremovalefficiencyofCOD,BOD+,turbidity,NH54-NandTN.MABRprocesscouldeffectivelyremoveabove90%ofCODand98%ofammonia.ThecapacitiesperunitvolumeofMABRreachedto1348gCOD/m3+d,48.2gNH-N/m34d,andoxygenutilizationratewasupto43.74%.Afterpost-processing,theeffluentofintegratedtreatmentMABRsystemkeptstablewithCODbelow200mg/LandNH+4-Nbelow3mg/L.TheeffluentqualityofintegratedMABRsystemcouldmeetthewastewaterdischargestandard.TheresultsofLC/ESI/MSindicatedthattheintegratedMABRsystemcouldeffectivelyremovethecomplexandpersistentorganiccompounds.KEYWORDS：Membrane-aeratedbiofilmreactor(MABR);Facilitatedtransfer;Feedflowvelocity;Shortcutnitrogenremoval;Enhancedbiologicalphosphorusandnitrogenremoval;Pharmaceuticalwastewater目录第一章绪论..................................................................................................................11.1水污染治理现状..............................................................................................11.1.1我国水污染现状....................................................................................11.1.2传统的生物处理方法............................................................................21