硫自养反硝化动态膜生物反应器研究.pdf

摘要

摘要

单质硫驱动自养反硝化脱氮技术由于非碳源依赖、电子供体相对廉价易得、

污泥产量低等优势，在氮素污染物控制方面有着独特的工程实用价值。文献报

道称，硫自养反硝化是一种界面生物反应，单位反应器体积半阶动力学常数与

填料空间比表面积呈正相关，即采用小粒径硫颗粒才能实现高效脱氮。膜生物

反应器是在反应系统中有效持有此类小粒径颗粒的前提。传统的膜生物反应器

采用微滤/超滤等小孔径的膜，尽管具有较好的出水水质、较小的用地面积、极

佳的鲁棒性等优势，但膜成本高、膜污染严重是其不容忽视的两大问题。在此

基础上，动态膜生物反应器应运而生。因其采用尼龙滤网、不锈钢丝网等大孔

材料，故膜成本低且具有能耗小、易于清洗等优势，被认为是具有应用前景的

新兴生物反应器，可以替代传统微滤/超滤实现污染物质截留及生物降解。针对

上述调研背景，本研究考虑将硫自养反硝化脱氮与动态膜技术相结合，探索一

种高微粒持有量、高硝氮去除负荷、低运行成本的新工艺，研究动态膜成膜过

程中的影响因素，分析其运行特性及膜演化特征，并对比明晰动态膜的优势所

在，以期为硫自养反硝化动态膜生物反应器优化构建及稳定运行提供理论和技

术支持。

本课题探究了在恒流条件下，膜基材孔径、膜通量、硫投量以及硫粒径对

动态膜成膜过程的影响，包括跨膜压、过滤阻力、出水浊度和成膜时间的表现。

研究发现在25~150μm膜孔范围内，随着孔径减小，跨膜压及过滤阻力上升幅

度增大，且初始增长点前移，出水浊度更快降到5NTU以下，成膜时间越短。

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在100~300L/m·h膜通量范围内，膜通量增大使得跨膜压上升速度加快且初始

增长点前移，出水浊度下降更快，动态膜较早形成。在20~50g/L硫投量范围

内，随着投量增大，跨膜压和过滤阻力的上升幅度加大，出水浊度下降越快，

膜层更快形成。在中值粒径为51.8~211μm范围内，随着颗粒分布的减小，跨

膜压和过滤阻力呈现相同态势，均上升显著，出水浊度下降越快，使得动态膜

更易形成。

完成动态膜形成过程分析后，本课题接续探究了上述硫特性参数对反应器

脱氮效能的强化以及对过滤性能的影响，并解析了过程中发生的膜演化现象及

微生物表达特性。研究发现20~50g/L硫投量范围内（粒径一定），50g/L的可

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实现相对最高脱氮负荷，达2.9kgN/m·d，但同时硫投量的增加使得跨膜压和过

滤阻力增速加快，膜污染发生较快。硫中值粒径为51.8~211μm范围内（投量

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一定），51.8μm的可实现相对最高脱氮负荷，达2.6kgN/m·d，但小粒径硫磺

使得膜层内颗粒间隙变小，造成更高的跨膜压和更大的过滤阻力。动态膜层在

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反应推进中逐渐演化，由初期膜面硫含量6.00g/m，生物量6.95g/m分别增加

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到末期的132.49g/m和52.90g/m，膜面更加致密紧实。测序结果表明硫自养

反硝化动态膜生物反应器是高度驯化的体系，动态膜层上的菌属相对更加专一

集中，丰度占比更高。

对比解析动态膜和微滤膜在同一体系中的各方面表现，明确动态膜技术特

点及优势所在。本研究选用尼龙滤网和PVDF膜作为膜基材，发现两者硝氮去

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除能力无明显区别，稳定运行时期平均负荷均达2.4kgN/m·d。虽然动态膜出水

浊度（5NTU以下）高于微滤膜