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本文以聚氨酯泡沫(Polyurethane Foam,PUF)材料为研究对象,比较了不同PUF载体填充率对COD(Chemical Oxygen Demand)、氨氮的处理效果及长期运行中存在的问题,建立PUF载体填充率的选择方法。通过对PUF载体表面修饰、表面接枝和直接发泡等方法,提高了生物膜在载体上的形成速度和运行稳定性。通过用微电极检测生物膜结构对硝酸根、铵根和溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)传递的影响,为PUF载体结构改进提供理论依据,并从流化的角度分析了填充率对于处理效果的影响及降解动力学参数。论文取得的主要研究结果如下所示:
(1)研究填充率对COD、氨氮处理效果的影响。填充率的变化改变了单位体积载体上的COD负荷和载体上的生物膜结构,从而影响了对氨氮的处理效果。20%、30%和40%的填充率对于COD的平均去除率为81%;而对于氨氮的处理效率,40%填充率最先表现出来,稳定的情况下可以达到95%,其次是30%填充率的反应器。当COD负荷在2～4kgCOD/(m3·d)时,载体上生物膜量和COD负荷成线性相关。但当COD负荷超过4kgCOD/(m3·d)时,由于形成致密的生物膜结构,产生对DO的竞争,导致氨氮的去除率迅速下降。焦磷酸测序(Pyrosequencing)的结果也说明COD负荷影响了载体上微生物菌群的结构。采用不改性PUF载体长期运行的结果表明,不改性载体上的生物膜容易同时脱落,而且脱落后需要较长时间重新成膜,严重影响了对氨氮的处理效果。
(2)通过表面修饰、表面接枝和添加阳离子的方法在降低表明接触角的同时,使载体表明变的粗糙,形成大量的微孔结构。丙烯酸乳液及聚氨酯乳液表明修饰后可以将接触角从90度左右降低到30～50度,载体上挂模量提高1.5～2.5倍。通过比较阳离子添加量、材料强度和表面接触角的变化,在配方中添加10%的是最合适的。载体改性后,挂膜时间缩短至5～6d,是不改性载体挂膜所需时间的六分之一,而且可以在连续运行过程中稳定的发挥处理效果。
(3)使用微电极分析了不同生物膜结构内DO硝酸根和铵根的传递过程,结果表明载体上生物膜的密度、厚度主要是影响了DO的传递,而硝酸根和铵根相对容易扩散进入到载体的内部。因此,通过改变载体的结构、控制单位载体上的COD负荷,强化DO在生物膜内的传质,为硝化细菌生长及发挥作用提供更多的空间,从而提高脱氮效率。
(4)通过批式实验比较了填充率、曝气量对COD、氨氮降解效果的影响,结果表明曝气量对于氨氮、葡萄糖的降解效果影响不明显,而填充率对降解过程影响较大,在25%时有最大的比降解速率,填充率主要是影响了载体在反应器内是否可以自由的移动。通过对降解过程的模拟,当反应器内悬浮微生物浓度为0～400mg/L时,PUF载体对氨氮及葡萄糖的降解呈零级反应,悬浮微生物的存在有利于COD和氨氮的降解。
(5)将上述改性后的PUF载体,按照25%的填充率在北京高碑店污水处理厂进行中试,在5个月的连续运行过程中,对氨氮的去除率为95～97%,最高氨氮去除率可达99%,改性PUF载体挂膜时间需要5～6d,即使在温度降低到12℃时,仍然可以保持脱氮效果。对总氮的平均去除率在55%左右,当进水碳源缺乏时影响总氮的去除效果。
本研究的意义在于通过比较不同填充率PUF载体在MBBR中的应用,得到填充率是影响处理效果的关键因素,并建立填充率选择的依据。开发了多种表面亲水化处理方法,对微生物在载体表面的成膜过程进行了分析。改性后提高了挂膜速度及处理稳定性,通过微电极对传质的分析为PUF载体结构开发及应用提供了理论依据。