基于生物膜反应器的光伏废水深度处理技术研究

基于生物膜反应器的光伏废水深度处理技术研究

钟凯执

身份证号码：441225199110104110

摘要：本研究通过系统分析生物膜反应器的工作原理和影响因素，设计并优化了适用于光伏废水处理的生物膜反应器系统。研究将从实验设计、性能评估和机理分析等方面入手探讨生物膜反应器在光伏废水深度处理方面的效果及其机理，为光伏废水处理技术的发展提供理论依据和技术支持。期望本研究能够为光伏行业的可持续发展提供新的思路和解决方案。

关键词：生物膜反应器；光伏废水；废水处理

1 引言

随着全球能源需求的不断增长和环境保护意识的提升，可再生能源得到了广泛的应用和发展，作为太阳能利用的重要组成部分，光伏产业近年来取得了显著的进步。然而，光伏生产过程中产生的废水问题也日益凸显，光伏废水中含有大量的有机和无机氮 [1]。由此观之，如何有效降低光伏废水中的总氮含量，成为当前亟待解决的环境问题。生物膜反应器是一种新兴的光伏废水深度处理技术，凭借高效的污染物去除能力和较低的运行成本而受到广泛关注，与传统的活性污泥法相比，生物膜反应器具有更高的生物量密度、更强的抗冲击负荷能力和更好的稳定性。本研究将探索生物膜反应器在光伏废水深度处理中的应用。

2 生物膜反应器在光伏废水深度处理中的应用原理

2.1 光伏废水特性分析

光伏生产过程中产生的废水成分复杂，含有多种有机物和无机物。总氮是主要的污染物之一，它通常以氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和有机氮的形式存在，这些形态的氮化合物不仅对水体生态系统造成严重威胁，还会导致水体富营养化。光伏废水中的总氮来源主要包括清洗剂、蚀刻液和其他化学添加剂。

2.2 生物膜反应器的工作机制

生物膜反应器在去除总氮的过程中主要依赖硝化和反硝化这两个生物化学过程。硝化过程是指在好氧条件下，氨氮被硝化细菌氧化成亚硝酸盐氮，再进一步氧化成硝酸盐氮，整个过程需要充足的氧气供应。反硝化过程则是指在缺氧条件下，硝酸盐氮被反硝化细菌还原成氮气并释放到大气中，这一过程需要有机碳源作为电子供体，通常通过添加外源碳源或利用废水中的有机物实现[2]。在生物膜反应器中，填料表面形成的生物膜为硝化菌和反硝化菌提供了良好的生长环境。硝化菌主要分布在生物膜的外层，因为这里氧气供应充足，反硝化菌则主要分布在缺氧的生物膜内层。这种空间分布有助于硝化和反硝化过程的协同进行，提高总氮的去除效率。

3 生物膜反应器在光伏废水处理中的应用实践

3.1 实验装置设计

为验证生物膜反应器在光伏废水处理中的应用效果，本研究设计并搭建了一套实验装置，该装置主要由生物膜反应器主体、曝气系统、循环泵和监测仪器组成。生物膜反应器主体采用圆柱形结构，直径为0.3米，高度为1.5米，有效容积为100升，反应器主体采用耐腐蚀的不锈钢材料制成以确保长期运行的稳定性。填料选择多孔陶瓷颗粒，粒径约为3毫米，比表面积大，有利于微生物的附着和生长，填料层高度为1.2米，占反应器总高度的80%，这样可以提供足够的生物膜附着面积。曝气系统采用微孔曝气盘并安装在反应器底部，通过空气压缩机提供持续的曝气,曝气量可根据实验需求进行调节[3]。循环泵用于将处理后的水重新引入反应器顶部，形成循环流动，促进废水与生物膜的充分接触。监测仪器包括pH计、溶解氧仪、温度传感器和流量计，作用是实时监测反应器内的运行参数。

不仅如此，为了提高生物膜反应器的处理效率，本研究还引入了一些辅助设备和技术。我们设置了格栅、沉淀池等预处理单元来去除废水中的大颗粒悬浮物和部分有机物，从而减轻生物膜反应器的处理负担。同时采用在线监测系统，实时监控进出水水质和反应器运行参数，这有助于及时调整操作条件，确保系统稳定运行。

3.2 操作条件设定

在实验过程中需要精确控制一系列关键参数，以确保生物膜反应器的高效运行。温度是影响微生物活性的重要因素，本研究将反应器内的温度控制在25±2℃，这是大多数硝化菌和反硝化菌的最佳生长温度范围。pH值对生物膜反应器的处理效果也有显著影响，为保证硝化和反硝化过程的顺利进行，我们将pH值维持在7.0-8.0之间。溶解氧水平是硝化过程的关键参数，通过调节曝气量，我们将溶解氧浓度控制在2-4 mg/L之间以提供充足的氧气供应。与硝化过程不同，反硝化过程需要缺氧条件，为此需要在反应器中设置一个缺氧区，该区域将溶解氧浓度控制在0.5 mg/L以下。本研究将进水流量设置为1 L/min以模拟实际光伏废水的处理负荷，进水总氮浓度设定为50-100 mg/L，这与实际光伏废水中的总氮浓度范围相符。为了确保生物膜的正常生长和代谢活动，反应器内的水力停留时间设定为12小时，以提供足够的时间让微生物降解污染物。

本研究还进行了多次实验以探讨不同参数对处理效果的影响。例如，通过改变曝气量来观察溶解氧水平对硝化和反硝化过程的影响，实验结果表明，当曝气量为1.5 L/min时溶解氧浓度维持在2.5 mg/L左右，硝化和反硝化过程最为稳定

且总氮去除率达到最高。本研究还测试了不同pH值下微生物的活性，结果表明pH值为7.5时微生物活性最强，处理效果最佳。这些实验结果为实际应用中操作条件的优化提供了科学依据。

3.3 性能评估指标

为了全面评估生物膜反应器在光伏废水处理中的效果，本研究定义了多个性能评估指标，包括进出水总氮浓度变化、去除率以及反硝化速率。进出水总氮浓度变化是最直接的评估指标，需定期取样和分析并记录进水和出水中的总氮浓度，随后计算总氮去除率。去除率反映了硝化和反硝化过程的效率，在分别得到进出水总氮浓度后便可计算去除率。反硝化速率是评估反硝化过程的重要参数，主要通过测量单位时间内硝酸盐氮的减少量来计算。

4 实验分析与结果

4.1 实验数据收集

在实验过程中，我们收集了多种数据以全面评估生物膜反应器在光伏废水处理中的效果。主要数据包括不同时间段的进出水总氮浓度，同时记录了反应器运行过程中的关键操作参数，如温度、pH值、溶解氧浓度和进水流量。所有数据均通过实验室标准方法进行测定以确保数据的准确性和可靠性。为了保证数据的代表性，实验共进行了6周的时间，每周采集一次样本，每次采样时从反应器的进水口和出水口分别取样并使用标准的化学分析方法测定各项水质参数。为进一步确保数据的准确性和可靠性，每个时间段的数据均进行了三次平行测定并取平均值作为最终结果。在此基础上本实验还对数据进行了质量控制，包括空白实验和标准样品的测定。

4.2 结果讨论

表1 实验结果

实验结果显示，生物膜反应器对光伏废水中总氮的去除效果显著。表1展示了不同时间段进出水总氮浓度的变化情况，同时计算出对应的去除率和反硝化速率。从表中可以看出，经过生物膜反应器处理后，出水总氮浓度显著降低，连续六周的去除率均达到了85%以上。在运行初期的总氮去除率更是高达90%，表明生物膜反应器在启动阶段具有较高的处理效率。

五.结束语

本文深入研究了生物膜反应器在光伏废水处理中的应用，为光伏行业废水处理技术的发展提供了新的理论依据和技术路径。研究表明，通过合理的设计与操作，生物膜反应器能够稳定高效地处理光伏废水。未来的研究可进一步探索生物膜反应器的长期运行稳定性、经济性及对其他污染物的去除效果，同时开发更高效的填料材料和优化运行参数以实现更加经济环保的废水处理方案。

参考文献

[1]张国庆.光伏太阳能电池生产废水处理技术研究进展[J].广州化工,2022,50(22):42-44+49.

[2]颜鲁薪,甄箫斐,雒苗,等.基于太阳能光伏光热的污水处理系统[J].中国沼气,2023,41(02):65-75.

[3]魏世勋,何成达,张淼.缺氧生物膜法处理光伏高硝态氮废水研究[J].广西师范大学学报（自然科学版）, 2022(002):040.