地埋式MBR污水處理設備
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微生物作為人工濕地除污的主體和核心, 在物質的礦化、硝化、反硝化等過程中起到關鍵作用低溫微生物是極端微生物之一, 其所具有的*的生理功使其能適應環(huán)境, 因此, 研究這類微生物不僅具有重要的理論意義, 還在實際推廣應用中產(chǎn)生了日益明顯的經(jīng)濟效益和環(huán)境.國外對低溫微生物處理污水技術的研究起步較早, 主要是通過低溫微生物去除污水中的油烴類、氯酚類、表面活性劑、氮和磷等達到凈化水質的目的, 而且已經(jīng)提出其低溫適應性的分子機制及相關理論我國從20世紀90年代初開始針對低溫微生物資源(主要是南極及深海微生物)的初步收集、但低溫微生物在廢污水處理過程中, 由于水力停留時間過長, 致使人工濕地對污水處理量受到限制.而且, 由于直接投放菌體, 游離微生物進入實際污染環(huán)境中后, 其生存繁殖和降解能力易受外界因素干擾, 降解作用難以充分發(fā)揮, 還會造成大量菌體流失, 難以控制其長期的處理效果.

微生物固定化技術是20世紀60年代后期迅速發(fā)展起來的一種新型技術, 具有實驗速度快, 便于培養(yǎng)優(yōu)勢微生物種群, 微生物密度高、流失量少, 處理過程的穩(wěn)定性高, 對環(huán)境耐受力強(如pH、溫度、有毒物質等), 固液分離效果好, 處理過程便于控制等優(yōu)點, 因而在諸多廢水處理中體現(xiàn)出了非常大的優(yōu)勢, 并逐漸成為國內(nèi)外生物科學及相關學科研究的熱點.近年來, 很多學者采用竹炭、活性炭、棉纖維、疏水性聚氨酯泡沫等材料將微生物固定化后進行廢水處理, 均取得了很好的處理效果.生物炭作為一類新型環(huán)境功能材料近年來引起國內(nèi)外學者的廣泛關注, 它的孔隙結構可以為微生物提供棲息地, 使微生物能夠耐受外界不良環(huán)境.

曝氣生物濾池工藝原理曝氣生物濾池(BAF，Biological Aerated Filter)也叫淹沒式曝氣生物濾池。國外從20世紀初開始進行研究，于80年代末基本成型，后不斷改進，并已開發(fā)出多種形式。在開發(fā)過程中，充分借鑒了污水處理接觸氧化法和給水快濾池的設計思路，集曝氣、高濾速、截留懸浮物，定期反沖洗等特點于一體。

曝氣生物濾池工藝是普通生物濾池的一種變形形式，也可看成是生物接觸氧化法的一種特殊形式，其基本原理是：在濾池中裝填一定量粒徑較小的顆粒狀濾料，濾料表面附著生長生物膜，濾池內(nèi)部曝氣。污水流經(jīng)時，污染物、溶解氧及其它物質首先經(jīng)過液相擴散到生物膜表面及內(nèi)部，利用濾料上高濃度生物膜的強氧化降解能力對污水進行快速凈化，此為生物氧化降解過程；同時，因污水流經(jīng)時，濾料呈壓實狀態(tài)，利用濾料粒徑較小的特點及生物膜的生物絮凝作用，截留污水中的大量懸浮物，且保證脫落的生物膜不會隨水漂出，此為截留作用；運行一定時間后，因水頭損失的增加，需對濾池進行反沖洗，以釋放截留的懸浮物并更新生物膜，此為反沖洗過程。

曝氣生物濾池工藝作為一種新型生物處理技術，從誕生至今經(jīng)歷了一段快速發(fā)展的過程，最初僅用于污水的三級處理，后發(fā)展成直接用于二級處理，現(xiàn)在已經(jīng)應用到水體富營養(yǎng)化控制，中水回用和微污染水、高濃度廢水、城市生活污水處理等各個領域，其最大特點是集生物氧化和截留懸浮固體功能于一身，節(jié)省了后續(xù)二沉池，在保證處理效果的前提下使處理工藝簡化。

反硝化除磷是一種新型高效低能耗的生物脫氮除磷技術，其利用反硝化聚磷微生物(DNPAOs)在缺氧環(huán)境下以硝酸鹽作為最終電子受體，以 PHB 作為電子供體，通過“一碳兩用”途徑來實現(xiàn)同步反硝化和過量吸磷.反硝化除磷緩解了反硝化過程和生物除磷過程對有機碳源需求的矛盾，以及硝化菌和聚磷菌(phosphate accumulating organisms，PAOs)所需污泥齡迥異的矛盾，因此被視為一種可持續(xù)的污水處理技術.反硝化除磷與傳統(tǒng)生物除磷技術相比，可節(jié)省能源和資源，也正是這個原因，上述一系列工藝被譽為適合可持續(xù)發(fā)展的綠色除磷脫氮工藝.

A2/O工藝作為當今最常用的生物脫氮除磷工藝，已廣泛應用于國內(nèi)外大型污水處理廠，但是A2/O工藝的缺陷在于硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有機負荷、泥齡以及碳源需求上存在著矛盾和競爭，很難在單一系統(tǒng)中同時獲得氮、磷的高效去除.陳永志等研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)對A2/O系統(tǒng)的反硝化除磷有影響.試驗結合醛化纖維式組合填料的優(yōu)勢及對填料應用于生活污水脫氮除磷研究極少的現(xiàn)狀，提出了在A2/O工藝的厭氧池、缺氧池和好氧池中添加醛化纖維式組合填料的設想，將傳統(tǒng)活性污泥法與生物膜法相結合組成一套脫氮除磷的新系統(tǒng).添加生物填料于好氧段可使池內(nèi)的硝化細菌能夠附著在填料上從而增加了污泥齡，提高硝化效率;縮短好氧段的停留時間，而將更長的時間用于厭氧段和缺氧段的釋磷和吸磷作用，提高了除磷效率.于缺氧段可在載體環(huán)境下提高回流比，使反硝化聚磷菌富集，強化反硝化除磷現(xiàn)象，無需外加碳源，即可完成“超量”吸磷過程，適合低碳源污水的生化處理，使該系統(tǒng)能穩(wěn)定運行并更好的進行脫氮除磷.

曝氣生物濾池工藝（Biological Aerated Filter，簡稱BAF），是一種采用顆粒濾料固定生物膜的好氧或缺氧生物反應器，該工藝集生物接觸氧化與懸浮物濾床截留功能于一體，可有效去除水中的SS，COD，BOD，NH3-N，TN，TP，AOX（有害物質)及濁度、色度等，適用于市政污水、工業(yè)污水、再生回用水深度處理及給水污染水源的預處理等。由于BAF具有其他工藝無法比擬的諸多特點，近年來已在國內(nèi)外取得廣泛應用。

工藝特點
BAF屬第三代生物膜反應器，不僅具有生物膜工藝技術的優(yōu)勢，同時也起著有效的空間過濾作用，通過使用特殊的濾料和正確的配氣設計，BAF具有以下工藝特點：
采用氣水平行上向流，使得氣水進行*均分，防止了氣泡在濾料層中凝結和氣堵現(xiàn)象，氧的利用率高，能耗低。
與下向流過濾相反，上向流過濾維持在整個濾池高度上提供正壓條件，可以更好的避免形成溝流或短流，從而避免通過形成溝流來影響過濾工藝而形成的氣阱。
上向流形成了對工藝有好處的半柱推條件，即使采用高過濾速度和負荷，仍能保證BAF工藝的持久穩(wěn)定性和有效性。

采用氣水平行上向流，使空間過濾能被更好的運用，空氣能將固態(tài)物質帶人濾床深處，在濾池中能得到高負荷、均勻的固體物質，從而延長了反沖洗周期，減少清洗時間和清洗時用的氣水量。

濾料層對氣泡的切割作用使氣泡在濾池中的停留時間延長，提高了氧的利用率。由于濾池*的截污能力，使得BAF后面不需要再設二次沉淀池。
整套系統(tǒng)采用PLC控制，自動化程度高。

序批式活性污泥法(SBR)工藝由于具有生化反應推動力大, 脫氮除磷效果好, 耐沖擊負荷強, 工藝簡單, 運行方式靈活和防止污泥膨脹等優(yōu)點, 已成為污水生物脫氮的主流工藝之一.胞外聚合物(extracellular polymeric substance, EPS)是在一定環(huán)境條件下由微生物(主要是細菌), 分泌于體外的一些高分子聚合物.主要成分與微生物的胞內(nèi)成分相似, 是一些高分子物質, 如蛋白質(PN)、多糖(PS)和核酸(DNA)等聚合物. EPS普遍存在于活性污泥絮體內(nèi)部及表面, 具有重要的生理功能, 可將環(huán)境中的營養(yǎng)成分富集, 通過胞外酶降解成小分子后吸收到細胞內(nèi), 還可以抵御殺菌劑和有毒物質對細胞的危害.根據(jù)EPS空間位置不同, 分為緊密附著在細胞壁上的孢囊聚合物——緊密型EPS(TB-EPS)和以膠體和溶解狀態(tài)松散于液相主體中的黏性聚合物——松散型EPS(LB-EPS).

溫度對生物脫氮效果和EPS產(chǎn)量均有重要影響, 該方面研究總結為以下3個方面：① 單一研究溫度對生物脫氮效果的影響.汪志龍以合成廢水為研究對象, 以丙酸鈉作為單一碳源, 分別設置溫度為5、15、25、35℃的4組序批式反應器考察了溫度對單級好氧工藝生物脫氮除磷性能的影響. Guo等在5~30℃條件下, 研究了同時氮化和脫硝(SBR-SND)順序間歇反應器的性能. Hendrickx等采用UASB, 以實際生活污水為研究對象, 探究了10℃和20℃條件下氮的去除. ② 單一考察了溫度對EPS產(chǎn)量及組分的影響.

可樂廢水好氧污泥和可樂廢水厭氧污泥3種污泥的EPS產(chǎn)量. Song等研究了常溫(28℃)和低溫(10℃)條件下EPS產(chǎn)量對活性污泥脫水性能的研究. Gao等研究了在30、20和10℃條件下, EPS在膜污染中的作用. ③ 同步研究了溫度對生物脫氮效能及EPS的影響.EPS總含量及各組分均與溫度成負相關.在生物脫氮過程中, 活性污泥是實現(xiàn)氮去除的功能主體, EPS是活性污泥的重要組成部分.因此, 同步考察溫度對生物脫氮效能和EPS的影響, 可深入解析基于微生物EPS變化角度揭示生物脫氮本質.此外, 相關報道大多基于短期實驗獲得研究結果, 因此較難反映溫度對EPS變化長期影響規(guī)律, 難以獲得準確的EPS與生物脫氮相關性.

生物膜與活性污泥的培養(yǎng)和馴化
1、生物膜的培養(yǎng)
    生物膜的培養(yǎng)采用接種培養(yǎng)法，即采取污水處理廠曝氣池內(nèi)活性污泥與水樣混合液，由旋轉布水器連續(xù)由塔濾上部向塔內(nèi)噴灑的方法，大約經(jīng)15d左右，載體上就可出現(xiàn)透明生物膜，若無此條件，也可用生活污水由塔濾上部向塔內(nèi)連續(xù)噴灑，單相比之下時間較長，20℃大約30d左右。當生物膜成熟后，即沿水流方向，膜上細菌和微型動物組成的生態(tài)系統(tǒng)和對有機物降解能力達到平衡后，便可進行實驗應用。
BAF生物曝氣濾池，主要由顆粒生物填料床、曝氣系統(tǒng)、反沖洗系統(tǒng)三部分組成。
顆粒狀生物濾料（陶粒），表面粗糙，比表面積大，并滲入活性酶在濾料上附著生長高濃度的專性微生物膜，這些專性微生物以污水中的有機物作為氮源、碳源及能量來源而生長繁殖，通過其新陳代謝降解水中的污染物。

污水自上而下進入生物曝氣濾池，空氣從填料床下端進入，在濾料空隙間曲折上升，與污水及濾料上附著的生物膜充分接觸，在好氧條件下發(fā)生氣、液、固三相反應。由于生物膜附著在濾料上，不受泥齡限制，因而種類豐富，對于污染物的降解十分有利。污染物被吸附、攔截在濾料表面，作為降解菌的營養(yǎng)基質，加速降解菌形成生物膜，生物膜又進一步“俘獲”基質，將其同化、代謝、降解。在碳氧化／硝化合并處理時，靠近濾池進水口的濾層段內(nèi)有機污染濃度高，異養(yǎng)菌群占優(yōu)勢，大部分BOD5在此得以降解，濃度逐漸降低。
在濾池運行過程中，隨著生物膜的新陳代謝，脫落的生物膜及濾料上截留的雜質不斷增加，濾料中水頭損失增大，水位上升，到一定時期，需對濾料進行反沖洗。BAF生物曝氣濾池以其儲存在加氯消毒池中清澈的出水作為反沖用水，不另設反沖水池，反沖洗廢水通過排水管回流到一級處理設施。

CANON工藝具有脫氮途徑短、節(jié)省曝氣量、無需外加碳源、溫室氣體產(chǎn)量少等優(yōu)點, 成為了目前具前景的污水脫氮工藝.

CANON工藝適合處理高溫、高氨氮污水, 而生活污水是常溫、低氨氮水質.如何將CANON工藝推廣到市政污水處理廠中是長久以來的難點.目前, 國外CANON工藝的研究主要以高氨氮廢水處理為主, 國內(nèi)雖然有常溫低氨氮環(huán)境中運行CANON工藝的報道, 也僅局限于人工配水和短期運行, 實際污水處理廠中長期運行CANON工藝的研究極少.

常溫低氨氮環(huán)境中, CANON工藝的難點在于硝化細菌的抑制.如果硝化細菌過量增殖, 將會出現(xiàn)總氮去除率下降、出水總氮超標的現(xiàn)象.在常溫、低氨氮條件下, 只調(diào)節(jié)DO從而抑制NOB活性已被證明難以實現(xiàn).因此, 在工程應用中, 需要通過其他策略抑制硝化細菌的活性.有研究表明, 在CANON生物膜反應器中, NOB主要分布在生物膜的外層.對生物膜進行沖洗, 理論上洗脫生物膜表面的NOB。

活性生物濾池在進水時由于采用了較多的活性污泥回流，濾床中具有大量的活性微生物，濾池中就發(fā)生了較高的微生物的同化作用，也就是說活性生物濾池猶如高效的微生物合成器，進水中大量的有機物首先在此被活性污泥所吸附和氧化，并進行微生物的大量合成。但由于污水與活性污泥在此濾池中的停留時間較短，微生物對吸附在活性污泥上的有機物還未*氧化，故濾池出水尚需在曝氣池中進一步曝氣處理以達到良好的出水水質。也正是由于活性生物濾池的這種作用，使得后續(xù)曝氣池的負荷大為減輕且波動減小。

地埋式MBR污水處理設備與傳統(tǒng)脫氮工藝相比, 厭氧氨氧化工藝節(jié)省了62.5%曝氣量、脫氮途徑短、無需外加碳源、溫室氣體產(chǎn)量低, 成為目前具前景的污水脫氮工藝.
厭氧氨氧化菌適合處理高溫、高氨氮污水, 而城市生活污水是典型的低溫、低氨氮水質, 如何將厭氧氨氧化工藝應用于市政污水處理廠是長久以來的難點.在國外, 厭氧氨氧化工藝已成功應用于污水處理廠中, 以處理垃圾滲濾液、消化上清液、養(yǎng)殖業(yè)廢水等高氨氮廢水, 而市政污水處理廠厭氧氨氧化工藝的研究仍處于小試階段.國內(nèi), 厭氧氨氧化工藝主要局限于實驗室研究, 在實際污水處理廠中長期運行厭氧氨氧化工藝的報道鮮見.

常溫低氨氮環(huán)境中, 厭氧氨氧化工藝處理負荷低.通常認為, 常溫馴化可以使厭氧氨氧化菌逐步適應低溫環(huán)境.前人的研究在實驗室內(nèi)進行, 以人工配水為基質, 氨氮濃度為100~350 mg ·L-1, 運行溫度為18~25℃, 且馴化時間較短.而實際生活污水成分復雜, 亞硝化后的生活污水氨氮濃度為10~25 mg ·L-1, 水溫為10~24℃.因此, 在市政污水處理廠中, 研究長期常低溫馴化對厭氧氨氧化菌的影響有著重大的意義.