（环境工程专业论文）高密度沉淀池与baf组合工艺处理城市生活污水的研究.pdf

高密度沉淀池与b a f 组合工艺处理城i 仃生活污水的研究 曝气生物滤池处理效能呈现出不同的变化趋势。通过对b i o s t y r 曝气生物滤池在 不同参数下的稳定运行，研究了水力负荷、有机负荷、氨氮负荷和气水比对曝气 生物滤池处理性能的影响，得出了在本试验条件下的最佳运行参数：最佳水力负 荷范围为5 6 8 1m 3 m 2 h ；最佳有机负荷范围为2 2 3 3k ( m 3 d ) ；最佳氨氮负荷 范围为0 4 0 8k ( m 3 d ) ；最佳气水比为5 ：l 。 关键词：高密度沉淀池；曝气生物滤池；絮凝模型；脱氮除磷；p c r h 高密度沉淀池与b a f 组合工艺处理城市生活污水的研究 ac o m b i n e dp r o c e s so fm u l t i f l oa n db a ff o rt h et r e a t m e n t o fm u n i c i p a ls e w a g e a b s t r a c t i np r e s e n tr e s e a r c h ，t h ec o m b i n e dp r o c e s sc o n s i s t i n go ft h eh i g hd e n s i t yp r i m a r y l a m e l l a rs e t t l e r ( m u l t i f l o ) a n dt h eb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b i o s t y r ) ，w h i c h i sa p p l i e do nt h em u n i c i p a ls e w a g et r e a t m e n t ，i ss t u d i e di n t e n s i v e l y b yt h ed y n a m i c e x p e r i m e n t sb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm u n i c i p a ls e w a g e ，t h et r e a t m e n te f f i c i e n c y o fp h y s i c a l c h e m i c a l l yt r e a t m e n ti si n v e s t i g a t e d o nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t a l s t u d y , ap r a c t i c a lf l o c c u l a t i o nm o d e li sa c h i e v e d ，w h i c hp r o v i d e sw e l le x p l a n a t i o no n t h ep r i n c i p l e so ft h ec o m b i n e dp r o c e s sf o rn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l m o r e o v e r , t h es t u d yp r o v e st h a tt h ea p p l i c a t i o no ft h ec o m b i n e dp r o c e s si s a n e c o n o m i c a l ，p r a c t i c a la n de f f i c i e n tp r o c e s s t h i sc a s es t u d yd e m o n s t r a t e s t h e s u c c e s s f u lh a n d l i n go ft h ee n v i r o n m e n t a li s s u e sa r i s i n gf r o mt h ec o n s t r u c t i o no fa w w t pi nah i g h l yu r b a n i z e da r e a d u et oi t sd i r e c ti m p a c to nt h ew a t e rq u a l i t ya n dt h eo p e r a t i o nc o s to ft h e w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t , c o a g u l a n td o s i n gi st h em o s ti m p o r t a n tl i n ki nt h ec e p t w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s t h ea c c u r a t ec o a g u l a n td o s a g en o to n l yi m p r o v e st h e c o a g u l a t i o ne f f i c i e n c y , e n s u r i n gt h et r e a t e dw a t e rq u a l i t y , b u ta l s or e d u c e st h el o a do f f i l t e r sa n dd i s i n f e c t i o ne q u i p m e n t ，a n dc u t sd o w nt h eo v e r a l lo p e r a t i o nc o s t sf o rt h e s e w a g et r e a t m e n ts y s t e m t h e r e f o r e ，t h ee s t a b l i s h m e n to fa na c c u r a t em o d e lf o rt h e c o a g u l a n td o s i n g i st h ek e yf o r e n e r g y - s a v i n g ，e m i s s i o na b a t e m e n t , l o w e r i n g o p e r a t i o nc o s t sa n de n s u r i n gt h et r e a t m e n tq u a l i t yi ns e w a g et r e a t m e n tp l a n t s m u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o nm e t h o da n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka r ea p p l i e do n w o r k i n go u tt h em o d e lo ff l o c c u l a t i o nd o s a g e c o m p a r i n gt h et w or e s u l t i n gm o d e l s ， b o t hm u l t i p l en o n - l i n e a rr e g r e s s i o nm o d e l sa n dn e u r a ln e t w o r km o d e lc a na c h i e v e g o o dp r e d i c t i o ne f f e c t ，i nt h ec o n d i t i o nt h a te n o u g hh i s t o r i c a ld a t ai sa v a i l a b l e u s i n g i i i 高密度沉淀池与b a f 组合工艺处理城市生活污水的研究 ft e s tt oc h e c kt h em o d e lr e s u i t s ，t h em u l t i v a r i a t en o n l i n e a rm o d e li se f f e c t i v ei nt h e c o n f i d e n c el e v e lo fa = 0 1 w h i l et h en e u r a ln e t w o r km o d e ls e l e c t st h r e e l a y e rb p n e t w o r kw i t ha ni m p l i c i ta st h em o d e l ，a n dt h el o g s i ga n dt a n s i ga r es e l e c t e da s t h et r a n s f e rf u n c t i o nr e s p e c t i v e l y , r e a l i z e db ym a t l a bc a l c u l a t i o n c o m p a r i s o no ft h e f o r e c a s t i n gv a l u ef r o mt h em u l t i v a r i a t el i n e a rr e g r e s s i o nm o d e la n dt h er e a lv a l u e s h o w st h a tt h em e a nr e l a t i v ee r r o ri s10 7 h o w e v e r , a n dt h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o r o ft h eb pn e t w o r km o d e l sw i t ht r a n s f e rf u n c t i o nn n s l ga n dl o g s i gi s9 4 a n d 9 7 i tc a nb es e e nf r o mt h a tt h en e u r a ln e t w o r km o d e li sb e t t e rt h a nt h em u l t i p l e m u l t i v a r i a t en o n l i n e a rm o d e l so ns e e k i n gt h em o d e l s r e s e a r c ho nt h eb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b i o s t y r ) i nm a i d a os e w a g e t r e a t m e n tp l a n ti n v e s t i g a t e dt h ei m p a c to fo p e r a t i n gp a r a m e t e r so nn i t r i f i c a t i o n e f f i c i e n c ya n da n a l y z e dt h en i t r i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb a f t h em i c r o b i a l a c t i v i t y , c o n t e n ta n dc o m p o n e n t so ft h eb i o - f i l mi nt h eb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r sw e r e a n a l y z e d ，a n dt h em o r p h o l o g ya n d s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fb i o - f i l mw a s i n v e s t i g a t e db ym i c r o s c o p ea n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ep h o t o g r a p h s w i mt h e h e l po fm o l e c u l a re c o l o g yt e c h n i q u e s ，s u c ha sp c r , b yc o n s t r u c t i n g16 sr d n ag e n e l i b r a r yo ft h eb a c t e r i a li nt h ef i l t e rb i o - f i l ms u r f a c e ，t h eb a c t e r i ad i v e r s i t yo ft h e b i o f i l ma t t a c h e do nt h ef i l t e rm e d i ai nt h eb i o s t y r o fm a i d a op l a n tw a sa n a l y z e d s y s t e m a t i c a l l y , a n dt h ep u r i f i c a t i o nm e c h a n i s mw a sr e v e a l e df r o mm i c r o s c o p i cp o i n t o f v i e w k e y w o r d s ：h i g he f f i c i e n c ys e t t l e r ( m u l t i f l o ) ；b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b i o s t y r ) ；f l o c c u l a t i o nm o d e ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ；p c r 独创声明 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上作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ! 连! 垫遗直墓他孟蔓挂剔壹蛆的：奎拦豆窒2 或其他教育机构的学位或证书使 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学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校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，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字同期：年月日 肌 弘 秒 阳 字尹警节 燧 沁 高密度沉淀池与b a f 组合工艺处理城市生活污水的研究 1绪论 1 1 我国水资源概况 中国足一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿立方米，占全球 水资源的6 ，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2 2 0 0 立方米，仅为世界平均水平的1 4 、美国的1 5 ，在世界上名列1 2 1 位，是全球 1 3 个人均水资源最贫乏的国家之一。近二十年来，我国国民经济处在飞速发展 时期，国民生产总值逐年不断增长，但也带来一系列问题。由于工业的迅速发展， 人们没有足够重视环境保护的重要性，许多工业废水直接进入河流，导致许多水 体受到严重的污染，不但不能满足生活饮用的要求，而且己经影响到很多地区的 工业生产。 由于社会经济的发展人类对洁净水的需求量不断增加，合理利用现有水 源，保护现有水源不受污染治理生活和工业废水以及污水回用，不仅是我们面 临的问题而且是当今世界性问题。由于我国城市化进程的快速发展，城镇人口 急剧增加加上我国过去过多地把环境污染防治的重点放在工业废水污染防治 上城市生活污水的污染防治相对滞后。随着城市污水排放量增加，市政基础设 施建设又远落后于城市化发展致使城市生活污水成为水污染的一个重要来源。 因此解决城市生活污水处理问题乃是当务之急。 1 2 城市生活污水的来源和主要污染物 1 2 1 城市生活污水来源 生活污水是指人们在日常生活中，洗涤、冲洗厕所、沐浴等过程中产生的污 水。主要来自家庭、机关、商业与城市公用设施。污水中的污染物主要有动物油、 悬浮物、碳水化合物、蛋白质、表面活性剂、氮和磷的化合物、微生物和无机盐 等。污水中的有机污染物一般都比较容易被生物降解，b o d 。c o d 可达到0 5 0 6 ，可生化性能好。其水质水量明显具有昼夜周期性和季节周期性变化的特点。 而且由于我国生活区、商业区、办公区混杂，餐饮洗浴业遍布，生活污水排泄与 高密度沉淀池与b a f 组合工艺处理城市生活污水的研究 城市排渍共用下水道系统，居民楼、宾馆等生活污水预处理以小片为单位，没有 统筹规划，经过预处理或未经处理直接由城市下水道进入江河，因此我国城市生 活污水具有源多、而广、量大、杂、散、乱的特点。这是生活污染严重的原因， 也给现阶段我国城市生活污水防治带来了困难【。 1 2 2 城市生活污水污染物的分类 城市污水的来源决定了污水中的污染物类型多，成分复杂。每种污染物都有 其物理、化学与生化特性。所以可从多方面对水中的污染物进行分类。按照污染 物在水中的分布状态可分为：悬浮物质、胶体和超胶体、溶解性物质；按照污染 物的组成、形态和特征可以分为固体污染物、耗氧污染物、植物性营养污染物、 酸碱污染物、有毒污染物、油类污染物、生物污染物和感官性污染物；按照微生 物对污染物的降解特性可分为易生物降解物质、难生物降解物质和不可生物降解 物质。 1 3 城市生活污水的处理 1 3 1 城市生活污水的处理现状 1 9 世纪中期发达国家开始水污染防治工作，主要是逐步修建完善下水道系 统，实现污水的收集与集中排放。2 0 世纪初开始水处理工艺的研究及处理设施 的建设，2 0 世纪3 0 年代水污染防治工作形成一定规模。二战结束后经济的复苏 与工业的发展，促进了水处理事业的发展，技术上不断突破，在2 0 世纪6 0 7 0 年代达到高峰，水处理工艺趋于成熟。2 0 世纪5 0 年代，许多国家城市污水处理 率己达8 0 ，一些特大城市可达到9 0 1 0 0 2 6 。近些年，世界经济进一步发展 的同时，发展中国家水污染问题越显突出。据统计，拉丁美洲2 7 9 亿的城市人 口仅有4 1 的下水道普及率，1 0 的污水处理率；东南亚国家近1 9 亿人口集中 在1 0 个特大城市，而下水道普及率不及1 0 。 与西方发达国家相比较我国城市污水处理率相对较低，其主要原因是我国 的城市污水处理厂建设滞后。有关资料表明目前美国平均每l 万人就拥有1 座污 水处理厂，英国和德国每7 0 0 0 - - 8o o o a 拥有1 座污水处理厂，我国城镇人口中 2 高密度沉淀池与b a f 组合工艺处理城市生活污水的研究 平均每1 5 0 万人才拥有l 座污水处理厂。而且还存在污水处理厂建设有效投资利 用率及处理出水达标率低等诸多问题【6 1 。 1 3 2 城市生活污水的处理方法 城市生活污水处理通常采用物理、化学和生物处理法，将城市污水中所含各 种形态的污染物质加以分离去除或转化为无害和稳定的物质，从而使废水得到净 化的处理系统称为城市污水无害化处理系统在处理深度上可分为一、二、三级 处理。城市生活污水一级处理较为简单，且具有较大的局限性，一般只作为二级 处理的预处理，以减轻二级处理负荷，保证二级处理系统正常运行。目前，城市 生活污水二级处理系统通常有以下几种方法【7 1 。 ( 1 ) 活性污泥法 长期以来，城市生活污水多采用活性污泥法它是世界各国应用最广的一 种生物处理流程，具有处理能力高，出水水质好的优点。该方法主要由曝气池、 沉淀池、污泥回流和剩余污泥排放系统组成。废水和回流的活性污泥一起进入曝 气池形成混合液。曝气池是一个生物反应器通过曝气设备充入空气空气中的 氧溶入混合液，产生好氧代谢反应，且使混合液得到足够的搅拌而呈悬浮状态， 废水中的有机物、氧气同微生物能充分接触反应。随后混合液进入沉淀池，混合 液中的悬浮固体在沉淀池中沉下来和水分离流出沉淀池的就是净化水。 ( 2 ) 生物膜法 在污水生物处理的发展和应用中活性污泥和生物膜法一直占据主导地位。 生物膜法主要用于从废水中去除溶解性有机污染物主要特点是微生物附着在 介质“滤料”表面形成生物膜，污水同生物膜接触后，溶解的有机污染物被微生 物吸附转化为h 2 0 、c 0 2 、n h 3 和微生物细胞物质，污水得到净化，所需氧化一般 直接来自大气。生物膜法处理系统适用于处理中小规模的城市废水，采用的处理 构筑物有高负荷生物滤池和生物转盘，生物滤池在我国南方更为适用。随着新型 填料的开发和配套技术的不断完善，与活性污泥法平行发展起来的生物膜法处理 工艺在近年来得以快速发展。 ( 3 ) 氧化法 氧化法是目前广泛采用并极具发展潜力的城市生活污水预处理方法之一。根 高密度沉淀池与b a f 组合工艺处理城市生活污水的研究 据氧化剂的种类及反应器的类型，氧化法可分为化学氧化法、催化氧化法、( 催 化) 湿式氧化法，光催化氧化法、超临界氧化法等。化学氧化法虽然操作简单， 但由于其处理效果并非十分理想，而且由于其运行成本较高，因此，在城市生活 污水处理应用中使用并不很多。 1 3 3 目前城市生活污水的处理工艺存在的问题 归纳起来，目前在城市生活污水处理研究和应用领域，普遍存在的问题有： ( 1 ) 采用传统的活性污泥法，往往基建费、运行费高，能耗大，管理复杂，易出 现污泥膨胀现象；设备不能满足高效低耗的要求；( 2 ) 随着污水排放标准的不断 严格，对污水中氮、磷等营养物质的排放要求较高，传统的具有脱氮除磷功能的 水处理工艺多以活性污泥法为主，往往需要将多个厌氧和好氧反应池串联，形成 多级反应池，通过增加内循环来达到脱氮除磷的目的，这势必增加基建投资的费 用及能耗，并且使运行管理较为复杂；f 3 ) 在城市土地资源紧缺、环境要求高的 现实情况下，城市中心区域污水处理厂建设首的处理工艺选择问题。 1 4 城市生活污水化学强化一级处理 化学强化一级处理可以实现以较少的投入较大地提高有机物和其它污染物 的去除率。考虑经济与环保的要求，城市污水强化一级处理的适用情况主要有 【3 】：( 1 ) 对于低浓度的城市污水经过强化一级处理直接排放。我国许多中小城镇的 污水处理可采用此种方式，可以实现以较少的投资削减较大的污染负荷；( 2 ) 分 期建设的城市污水处理厂，采用近期内建设一级强化污水处理厂，经过强化一级 处理可以取得较好的经济与环境效益，远期续建完整的二级污水处理设施；( 3 ) 对于以二级生化处理为主的城市污水处理厂，通过强化一级处理去除难生物降解 有机物、重金属和无机盐，同时减轻二级处理的负荷，降低运行能耗。 目前研究较多的强化一级处理技术主要有水解工艺、预曝气强化一级处理 工艺、生物吸附絮凝工艺、化学絮凝工艺等。其中化学强化一级处理技术的研究 具有较长的历史 4 1 ，早在十九世纪后期，英美等国广泛采用化学沉淀方法处理城 市污水，但由于种种原因其被生物处理技术所取代。2 0 世纪8 0 年代，为进一步 提高污水中有机物和磷的去除效率，化学沉淀处理技术重新得到重视。 4 高密度沉淀池与b a f 组合工艺处理城市生活污水的研究 1 4 1 化学强化一级处理中絮凝剂的发展 化学强化一级处理技术的应用与絮凝剂的发展密切相关。早期采用无机絮 凝剂进行城市污水处理时，由于受絮凝剂生产技术与产品品质的影响，无机絮凝 剂的投加量较大，污泥产生量与处理成本较高，由此导致污水处理成本的较高； 投加无机絮凝剂对去除污水中溶解性有机物去除十分有限，当溶解性有机物含量 较高时，单独采用混凝沉淀工艺无法满足处理水达标的要求：此外城市污水处理 厂具有污水水质水量变化大的特点，混凝沉淀无机絮凝剂投药量不易控制。基于 以上原因，混凝沉淀技术在城市污水处理中的应用受到了一定的限制。近年来， 随着化工工业的迅速发展，新型、高效、廉价絮凝剂不断出现，并可根据水质选 配最佳的复合絮凝剂组分，达到优异的絮凝效果。 絮凝剂的发展表现在以下两个方面：1 ) 新型絮凝剂的开发利用；2 ) 絮凝 理论的研究。 1 ) 新型絮凝剂的开发利用 新型混凝剂的发展趋势是由低分子到高分子，从单一型到复合型。复合型 絮凝剂发展主要产生如下类型的絮凝剂嘲： 阴离子复合型 阳离子复合型 多种离子复合型 无机一矿物复合型 无机一有机复合型 2 ) 絮凝理论的研究 传统铝、铁盐絮凝剂的混凝作用机理经过2 0 世纪6 0 年代的激烈争论，在 统一认识上已有很大的进展。目前较一致认为，铝、铁盐对水中胶体颗粒产生 凝聚絮凝作用主要是其水解产生的羟基聚合物后发挥化学吸附电中和脱稳、吸 附架桥或粘附卷扫絮凝等综合作用的结果，或是在特定水质条件下以某种机理为 主。此外混凝效果不仅取决于作用絮凝剂的物化特性，而且与所处理水质特性( 如 浊度、碱度、p h 以及中各种无机或有机杂质等) 有关 7 , 8 1 。 无机高分子絮凝剂的凝聚形态主要涉及其铝、铁盐及其硅酸盐在水溶液中的 水解一沉淀过程一般，a l ( m ) 和f e ( 1 i i ) 在水溶液中生成各种水解羟基单核或 5 高密度沉淀池与b a f 组合工艺处理城市生活污水的研究 多核络离子( 聚合形态) ，基本反应通式为： x 拖抖一m e x ( o h ) ；3 ”y 卜型。拽q ( o 何) ? h 叫卜坦l 施( o 何) 3 ( 1 - 1 ) 式中，m e 代表a l ( ) 或f e ( i i i ) 形态。 水解聚合反应过程可分为3 个阶段：曲水解初始阶段，o h 与m e 3 + 首先迅 速络合生成单核羟基络离子，溶液p h 值下降；b 1 聚合阶段，水解聚合反应迅速 进行，在两相邻单体羟基络离子间架桥形成共享一对共同边的八面体结构的二聚 体，如图1 - 1 所示【9 】；c 1 凝胶一沉淀生成阶段，在一定碱化条件下，生成高聚形 态逐渐向凝胶一沉淀方向转变，聚合形态对o h 。吸收渐趋于饱和，生成局部沉淀 而导致p h 值迅速下降。最后全部转化成m e ( o h ) ，沉淀凝胶。因此，水解聚合反 应通式一般表达为【1 伽： 妯勿”+ y h 2 0 = m e ，( o h ) ( y 3 y 卜+ 归+ ( 1 2 ) 铝、铁水解除生成单核络离子外，如m e 3 + 、m e ( o h ) 2 + 、m e ( o h ) 2 + 、 m e ( o h ) 3 外，更多是生成多羟基聚合物m e 2 ( o h ) 2 4 + 、m e 3 ( o h ) 4 针、 m e s ( o h ) 2 0 4 + 、m e s ( o h ) 2 0 4 + 等直至转化成羟氧基水解聚合形态，如 m e x o ：( o h ) ( y 3 川”y p 等。其形态结构特征主要取决于铝、铁水解聚合动力学特征 及其制备条件【1 1 1 。 图1 - 1 a 1 2 ( o h ) 2 ( 皿0 ) 8 4 + 结构示意图 f i g 1 - 1s t r u c t u r a ld i a g r a mo f 【a 1 2 ( o h ) 2 ( h 2 0 ) 8 】4 + 6 高密度沉淀池与b a f 组合工艺处理城市生活污水的研究 1 4 2 化学强化一级处理中沉淀池技术的发展 水处理巾的沉淀是指在重力作用下悬浮固体从水中的分离过程。沉淀过程实 际上是固相在液相中的迁移运动过程【1 2 】。在现代水处理技术中，沉淀技术包含 了从简单的沉砂池、初沉池、生物处理后二次沉淀以及污泥的浓缩等过程。沉淀 池之所以被广泛采用，主要是由于其沉淀截留的污泥量大，而且构造简单，管理 方便以及运行成本较低等【13 1 。 沉淀池通常是污水处理流程中一个必不可少的重要环节【1 4 1 。在2 0 世纪6 0 年代以前沉淀单元主要采用平流式、竖流式和辐流式沉淀池，6 0 年代起各种澄 清池盛行一时，7 0 年代后斜板、斜管及“复合型”的沉淀池得到广泛应用【1 3 1 。 高密度沉淀池是由国外环保技术公司开发并投入工程应用的新型沉淀技术，具有 代表性的高密度沉淀池工艺主要是a c t i f o l 与d e n s d a g e 工艺，青岛麦岛污水处理 厂所采用的采用的高密度沉淀池技术即是最新改进型的m u l t i f l 0 3 0 0 高密度 沉淀池【15 1 。 1 5 曝气生物滤池在污水处理中的应用综述 曝气生物滤池( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r , b a f ) 工艺是8 0 年代末和9 0 年代 初兴起的污水处理新工艺，自8 0 年代在欧洲建成第一座污水处理厂后，己在欧、 美、日本等发达国家广为流行【2 l - 2 4 1 。 进入2 0 世纪9 0 年代后，曝气生物滤池掀起了研发的热潮，作为一种新型 生物处理技术，从诞生至今经历了一段快速发展的过程，最初仅用于污水的三级 处理，后发展成直接用于二级处理【2 5 1 ，现在已经应用到垃圾渗滤液处理【2 6 姗，水 体富营养化控, i j t 2 8 】，中水回用和微污染水 2 9 - 3 2 、工业废水 3 3 - 4 0 l 、城市生活污水 处理【4 1 掣】等各个领域，其最大特点是集生物氧化和截留悬浮固体功能于一身，节 省了后续二沉池【4 5 4 7 1 ，在保证处理效果的前提下使处理工艺简化。大连市马栏河 污水处理厂在我国率先应用了这种技术工艺。 7 高密度沉淀池与b a f 组合工艺处理城i l ，生活污水的研究 1 5 1 曝气生物滤池的工作原理 曝气生物滤池工艺是普通生物滤池的一种变形形式，也可看成是生物接触氧化 法的一种特殊形式，是集生物降解、固液分离于一体的污水处理设备。其基本原 理是【4 8 瑚】：滤池中装填一定量粒径较小的颗粒状滤料，滤料表面附着生长生物膜， 滤池内部曝气。污水流经滤料时，污染物、溶解氧及其它物质首先经过液相扩散到 生物膜表面，进而进入其及内部，利用滤料上高浓度生物膜的强氧化降解能力对污 水进行快速净化，此为生物氧化降解过程；同时，在污水流经滤料的过程中滤料呈 压实状态，利用滤料粒径较小的特点及生物膜的生物絮凝作用，截留污水中的大量 悬浮物，且保证脱落的生物膜不会随水漂出，此为截留作用；运行一定时间后，因 水头损失的增加。需对滤池进行反冲洗，以释放截留的悬浮物并更新生物膜，此为 反冲洗过程。 曝气生物滤池在运行中有时需要补充一定量的压缩空气，曝气的作用主要有 两个方面【5 1 】：一是供给生物氧化所需的氧；二是提供生物处理反应器内良好的 水流紊动程度，以利于污染物、微生物和氧的充分接触，保证传质效果，而且有 助于新老生物膜的更新换代，保证生物膜的高氧化能力。 曝气生物滤池的结构形式与普通快滤池类似，可分为配水系统、布气系统、 承托层、生物填料( 陶粒) 和水槽五个部分【5 2 】：配水系统位于滤池底部，在滤池反 冲洗时保证反冲洗水在整个滤池面积上均匀分布；布气系统主要有两个作用：一 是正常运行时曝气，二是进行气水反冲时布气。布气系统和配水系统相似，但气 体比重小且具有可压缩性，因此布气管的管径及开口大小均比布水管要小些，孔 间距也要短些；承托层主要是为了支撑生物填料，防止填料流失，同时还可以保 持反冲洗稳定进行【4 8 】；水槽的作用有两个，一是进水，二是反冲洗排水。它具 有一定底坡坡度，以利于水的排放。由于填料反冲洗时膨胀率可达1 0 2 0 ， 水槽的高度应距填料表面有1 1 5 m 的高度，以防止填料的流失。 1 5 2 曝气生物滤池的工艺特点 曝气生物滤池作为第三代膜法生物处理工艺，具有一系列相对突出的优点。 可以概括为以下几个方面【5 年蚓： ( 1 ) 通过使用小尺寸球形滤料，大大提高了滤床可供微生物生长的表面积， 8 高密度沉淀池与b a f 组合工艺处理城市生活污水的研究 提高了滤池单位体积内保持的生物量浓度；由于充足的曝气和较高水力负荷的不 断冲刷作用，滤料上生物膜可始终保持在较薄的范围，因而具有较高的生物活性 和对进水中污染物的适应性及降解能力； ( 2 ) 处理设施结构布置紧凑，将生物氧化降解和过滤截流两种处理功能在 一个单元中进行，一般不需要设置二沉池，节省占地面积； ( 3 ) 运行方式灵活多变，可根据处理要求及污水水质，选择合适的运行方 式，以实现不同的处理目标，具有较强的适应性和处理功能。 ( 4 ) 生物相复杂，在反应器的下部，异养微生物为优势菌，碳污染物主要 在这里被去除；而在池的上部，自养菌占优势，氨氮被硝化。除了上述的自身优 点以外，曝气生物滤池与其他生物处理方法相比还具有以下优点【5 7 5 9 】： ( 1 ) 较小的池容和占地面积 曝气生物滤池的b o d 5 容积负荷可达到5 - 6 k g ( m 3 d ) ，是传统活性污泥法 和接触氧化法的6 1 2 倍，所以它的池容和占地面积只有活性污泥法和接触氧化 法的1 5 1 1 0 左右，大大减少了占地面积和基建费用。 ( 2 ) 高质量的处理出水 在b o d 5 容积负荷为6 k g ( m 3 d o 时，其出水s s 和b o d 5 可保持在1 0 m g l 以下，c o d 可保持在6 0 m g 1 以下。 ( 3 ) 简化处理流程 由于曝气生物滤池对s s 的截留作用，使出水中的活性污泥很少，故不需设 置二沉池和污泥回流泵房，处理流程简化，占地面积进一步减少。 ( 4 ) 基建费用、运转费用节省 由于该技术流程短、池容小和占地少，使基建费用大大低于常规二级生物 处理。同时，颗粒填料使得充氧效率提高，可节省能源消耗。 ( 5 ) 管理简单 曝气生物滤池抗冲击负荷能力强，没有污泥膨胀问题，微生物也不会流失， 能保持池内较高的微生物浓度，因此日常运行管理简单，处理效果稳定。 ( 6 ) 设施可间断运行 由于大量的微生物生长在颗粒填料粗糙多孔的内部和表面，微生物不会流 失，即使长时间不运转也能保持其菌种，如长时间停止不用后再使用，其设施可 9 高密度沉淀池与b a f 组合工艺处理城市生活污水的研究 在几天内恢复正常运行。 ( 7 ) 处理设施采用全部模块化结构，便于进行后期的改扩建，可建成封闭 式厂房，减少臭味、噪声和对周围环境的影响，视觉景观好。 1 5 3 曝气生物滤池在污水处理中的应用及研究状况 1 5 3 1 曝气生物滤池在国内外污水处理中的应用状况 曝气生物滤池作为生物膜法的新型工艺，其思路始于2 0 世纪初，经过不断 的发展，至2 0 世纪8 0 年代中期形成为一种较为成熟的污水处理新工艺，并得到 广泛应用和推广【6 0 】。 自1 9 8 1 年世界上首座曝气生物滤池诞生在法国后，欧洲各国开始普遍采用 此项工艺。1 9 世纪8 0 年代美国和加拿大等美洲国家引进此技术，日本，韩国和 中国台湾也先后引进此技术【6 1 1 。1 9 9 8 年英国曼彻斯特污水处理厂的后续处理用 了b i o s t y r 技术，建成3 6 座生物滤池处理原活性污泥系统出水，进行脱氮， 该工程在运行期间9 5 以上的采样点b o d 5 和t s s 小于2 0 m g l ，n h s 小于5 m g l l 叫；此后，b i o s t y r 技术广泛在各地使用：法国塞纳中心c o l o m b e s 半地 埋式污水处理厂，处理能力2 5 0 0 0 0m 3 天；巴黎c e r g y 污水处理厂，处理能力 6 4 0 0 0 m 3 天；德国h e r f o d 污水处理厂，处理能力3 3 0 0 0 m 3 天；a l a n y a 污水处 理厂，处理能力2 9 0 0 0 m 3 天；法国a r m p h i t r i a 污水处理厂，处理能力1 3 7 5 0 m 3 天；法国马赛污水处理厂是全球最大的地埋式污水处理厂，处理能力1 8 6 5 0 0 0 m 3 天。表1 1 为国外近年来以曝气生物滤池工艺处理各类污水的应用实例。 1 0 高密度沉淀池与b a f 组合工艺处理城市生活污水的研究 表1 i 国外b a f 工艺应用实例 t a b l el - 1e x a m p l e sf o rb a fi nf o r e i g nc o n t r a r i e s 我国是在2 0 世纪7 0 年代开始研究曝气生物滤池工艺的，8 0 年代开始在工 程中推广应用，到目前为止，曝气生物滤池己在国内多个行业的水处理工程中得 以成功应用( 见表1 2 ) 。2 0 0 3 年，哈尔滨工业大学李玉华等人【6 3 】，采用气浮+ 曝气生物滤池工艺对哈尔滨某棉纺厂的生产车间排水进行处理。2 0 0 4 年，李善 评等人【5 9 1 ，将曝气生物滤池用在啤酒废水的处理中，取得良好的运行效果。2 0 0 6 年，肖文胜等人唧】，采用曝气生物滤池对浙江省某水厂微污染水源进行生物预 处理，在气水比为2 ：l ，滤速为6 m h ，水温2 4 - - - , 3 2 * ( 2 的运行条件下，其对水中 各污染物的平均去除率为：高锰酸盐指数2 4 1 ，氨氮8 1 7 ，亚硝酸盐氮7 9 9 ， 浊度4 9 o ，完全能达到生物预处理目的。2 0 0 7 年，易彪等人脚】，采用曝气生 物滤池处理城市生活污水，对c o d 、b o d 5 、s s 的去除率分别达到8 5 9 8 、 9 4 7 2 、9 5 7 2 ，出水指标优于城镇污水处理厂污染物排放标准 ( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 的一级b 标准。 高密度沉淀池与b a f 组合工艺处理城市生活污水的研究 大连市马栏河污水处理厂 广东新会市东郊污水处理厂 青岛啤酒( 徐州金波) 废水 辽河油田机械修造公司废水 上海东方种畜养猪场粪便污水 芜湖正宇备产品集团公司肠衣废水 三元乳品公司乳品废水 丰台桥梁厂生活污水+ 含油废水 北京东方国际文化交流中心中水回用 重庆铁路职工医院医院废水 5 2 0 6 0 3 0 2 0 0 2 5 60 1 2 0 1 5 7 0 1 5 0 l o o 1 5 1 5 3 2 曝气生物滤池在国内外污水处理中的研究状况 至2 0 世纪9 0 年代末，曝气生物滤池在世界各国的应用己经非常广泛，同 时，各国对曝气生物滤池的研究也更为系统化，例如通过自动控制和在线监测研 究混凝剂的加入对处理效果的影响，从而达到优化运行、节省运行费用的目的 6 7 , 6 8 】；通过工程规模的流态试验研究滤池的水力学特性1 6 9 】；模拟滤池水头损失的 发展变化 7 0 , 7 1 ；并通过水头损失考察生物膜的生长状况【7 2 】等。进入2 1 世纪，国 外对b a f 的研究的重点主要集中在填料对滤池处理效能的影响；底物类别对滤 池硝化功能的影响；工艺的最佳运行工况；负荷对滤池c o d 、n h 3 - n 去除率的 影响；滤池中微生物的空间分布特征，以及自养菌和异养菌的最佳生存空间等。 h i r a i 等人 7 3 】研究了多孔陶瓷、烧结方英石、烧结黑石和粒状烧结粘土4 种无机 填料的生物除氮效果，发现多空陶瓷和烧结黑石具有较高的空隙率和合适的孔 径，因此具有较强的除氮能力。c h a n g 等人【7 4 】以天然沸石和沙粒为填料，研究 b a f 对纺织废水的处理效果时发现，天然沸石具有更强的阳离子交换能力和更 大的比表面积。h u 等人【7 5 】研究了填料层高度对下向流b a f 处理效能的影响，研 究发现随填料层高度的增加，b a f 对有机物、氨氮和悬浮物的去除率较高；填 料层达到一定高度后，去除率变化不明显。l i 等人【7 6 】的研究发现，胶体态有机 物对b a f 硝化过程的抑制作用比同样浓度的溶解态有机物略大。x i e 等人 7 7 】研 究了水温对处理高氨氮河水的b a f 系统的影响。 1 2 o x o o)0)舢删舢舢姗瑚咖姗m捌 高密度沉淀池与b a f 组合工艺处理城市生活污水的研究 国内对曝气生物滤池的研究主要体现在以下方面：与其他工艺相结合进行 多种污水的处理；探讨生物膜内自莽菌与异养菌的相互作用而导致的生物相在滤 池内空间分布的不同；探索有机负荷和氨氮负荷对硝化活性的影响；研究不同的 碳源条件下反硝化的效果【7 8 】等。在国内的研究中，致力于机理的比较少见，但 也有一些学者从膜的角度，从滤料形态的角度，从流体力学和动力学的角度，从 生物化学的角度进行了一些探讨。随着国内中水回用工程的应用，曝气生物滤池 工艺得到大力推广，b a f 以其处理效果好、运行费用低、占地而积小、易于维 护等优势占有主导地位，适用于各种出水标准要求的b a f 工艺被研究开发，具 有同时除碳、脱氮、除磷功能的b a f 工艺成为研究热点，徐业明【7 9 】等研究了曝 气生物滤池去除有机物与反应常数及膜厚的关系，张树德等【8 0 】研究了曝气生物 滤池中总有机碳及氨氮的变化和对硝化作用的影响；王宏等【8 i 】通过曝气生物滤 池的启动与挂膜特性对比分析，证明有机物和氨氮的去除率是不同步的。凌霄等 【8 2 】分析了曝气生物滤池反冲洗关键因子的确定及机理，表明水反冲洗强度有显 著影响，气水反冲洗强度，气水同时反冲洗时间有次要影响，气预冲洗时间、水 反冲洗时间有较次影响。王春荣等【8 3 】研究了不同填料处理生活污水的经验模型。 东莞市柯达环保工程有限公司黄宇萍【驯站在设计者的视角阐述了曝气生物滤池 设计与施工的若干问题，从主要参数、池型选择、滤板滤科、滤头，土建等方面 讨论了u b a f 设计与施工过程应该注意的问题。邱立平等