（环境工程专业论文）生物—生态滤池处理城镇污水研究.pdf

摘要 摘要 生物一生态滤池( b a f ) 是一种针对中小城镇污水处理特点而发展起来的清洁 型污水处理工艺，该工艺主要由厌氧水解一高负荷生物滤池和蚯蚓生态滤池组合 而成。水解酸化池取代了传统的初沉池，有效地改善了污水的可生化性，在提高 污水处理效果的同时大幅度降低了污泥排放量，可基本实现污水和污泥的一次处 理：高负荷生物滤池在此基础上对c o d 进一步降解和对氨氮的部分去除；作为生 物一生态滤池的核心工艺，微生物一蚯蚓生态滤池( m e e f ) 在蚯蚓一微生物组成 的生态系统的协同作用下，对污水中含有的各种形态的污染物质进行有效的处理 和转化。 本研究分别作了冬、春、夏三个季度的中试试验，季冬季运行试验结果表明， 当进水c o d 。，4 5 0 m g l ，氨氮4 0 m g l 时，在水解酸化池停留时间为4 h ，高负荷 生物滤池水力负荷为1 8 4 m 3 m * d ，m e e f 水力负荷为5 0 i l l 确q 2 d 左右的条件下，b e f 系统出水c o d 。，7 5 m g l ，氨氮2 0 m g l ，出水指标达到国家污水综合排放二 级标准。春季试验结果表明，b e f 系统中，细颗粒沸石填料对氨氮的去除效果显 著，出水氨氮平均浓度在8 m g l 左右，系统对氨氮的平均去除率达到7 4 。 在夏季高温季节，b a f 系统采用了双层蚯蚓生态滤池( d m e e f ) ，双层蚯蚓生 态滤池改善了蚯蚓的生存环境，提高了蚯蚓的养殖密度，而且在原有的基础上再 次提高了水力负荷。当进水c 0 阢4 5 0 m g l ，氨氮3 5m g l 时，在水解酸化池停 留时间为5 h ，高负荷生物滤池水力负荷为1 5 o m 3 m d ，d m e e f 水力负荷为 7 o 1 3 m 2 d 左右的条件下，出水c o d 。，5 0 m g l ，氨氮6m g l ，达到国家污水 综合排放一级标准。 本研究结果表明：b e f 系统操作管理方便、耐冲击负荷，具有造价和运行费用 低廉、二次污染少等特点，是一种实用的污水处理的清洁技术。 关键词：水解酸化池高负荷生物滤池微生物一蚯蚓生物滤池城镇污水 生态系统 申请同济大学工学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t b i o l o g i c a l e c o l o g i c a lf i l e r ( b e f ) i s a l li n n o v a t i v ea n dc l e a n e rd o m e s t i c w a s t e w a t e rp r o c e s sa i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i co fm e d i u mo rs m a l ls c a l et o w n w a s t e w a t e r ，w k i c hi sc o m p o s e do fh y d r o l y t i ca c i d i f i c a t i o nr e a c t o r ( h a r ) ，h i g h r a t e t r i c k l i n g f i l e r 0 - i t f ) a n dm i c r o b i a l - e a r t h w o r me c o - f i l t e r ( m e e f ) a st h es u b s t i t u t i o no f p r i m a r ys e t t l i n gt a n k , h a rc a ni m p r o v et h eb i o d e g r a d a b i l i t yo fw a s t e w a t e r ；e n h a n c e t h et r e a t m e n to fw a s t e w a t e rw i t hm u c hr e d u c t i o no fs l u d g e ；a n dc a nt r e a tt h e w a s t e w a t e rs i m u l t a n e o u sw i t ht h es l u d g e h t fa st h ef o l l o w i n gr e a c t o ro fh a r d e g r a d e st h ec o d f u l 曲e ra n dl r e m o v e ss o m eo ft h en h 3 - n 抽t h ew a s t e w a t e r a sc o r e o ft h eb e fs y s t e mm 匝e fb e i n gac o m b i n a t i o no fe c o s y s t e mo fe a r t h w o r m sa n d m i c r o b i a lc o m m u n i t yc a nd e g r a d ea n dt r a n s f o r ma l lk i n d so fp o l l u t a n ti nt h e w a s t e w a t e r p i l o t s c a l ee x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u ti nw i n t e r , s p r i n ga n ds u m m e r e x p e r i m e n t i nw i n t e rs h o w st h a t ：姗1 e nc o d e ri ni n f l o wi sl e s st 1 1 a n4 5 0 m g l ，n h a nl e s st h a n 4 0 m # l 。h i 玎i i lh a ri s4 h h l ri nh t fi s 18 4 m 3 m z da n dh l ri nm e e fi s 5 0 m 3 m 2 d ，t h ec o d c ri sl e s st h a n7 5 m g l ，n h 3 一ni sl e s st h a n2 0 m g li nt h eb e f s y s t e m e x p e r i m e n ti ns p r i n gs h o w st h a t ：t h er e m o v a lr a t eo fs m a l l e r z e o l i t es t u f f i n gi s b e t t e rt h a nt h eb i g g e re s p e c i a l l yo nt h ea m m o n i aa n dt h ea m m o n i ac o n c e n t r a t i o no f o u t f l o wi sl e s st h a n8 o m g l 弛ea v e r a g er e m o v a lp e r c e n t a g eo ft h es y s t e mi s7 4 f o r a m m o n i a i ns u m m e ro ft h i sy e a r d o u b l el a y e rm e e f ( d m e e f ) w a sa d o p t e di n t ot h es t u d y m e e fc a l li m p r o v et h es u r v i v a le n v i r o n m e n to fe a r t h w o r m si n c r e a s et h ed e n s i t yo f e a r t h w o r m sa n de n h a n c et h eh l ra tt h es a m et i m e w h e nc o d c ri ni n f l o wi sl e s st h a n 4 5 0 m g l ，n h 3 n 】e s st h a n3 5 m g l ，h r t 迹h a ri s5 h ，h l r 纽h t fi s 1 5 0 m r n l d a n dh l ri i l 她e fi s7 0 m m 2 d ，t h ec o d bo fo u t f l o wi sl e s st h a n5 0 m # l ，n h 3 - ni s l e s st h a n6 m g li nt h eb e fs y s t e m e f f l u e n c eq u a l i t ym e e t st h ei n t e g r a t e dw a s t e w a t e r d i s c h a r g ef i r s tc l a s ss t a n d a r d t h ei n n o v a t i v ep r o c e s so fb e fp r o v i d e sm o r eb e n e f i tt ot h ee n v i r o n m e n ta tl o w c o s ta n de n e r g yc o n s u m p t i o n i tc a nb em a n a g e de a s i l ya n dr e s i s t si m p a c tl o a d s oi ti s u s e f u lt ot h ep r o t e c t i o no f w a t e re n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：m i c r o b i a l e a r t h w o r me c o f i l t e r ( m e e f ) ，d m e e e h y d r o l y t i ca c i d i f i c a t i o nr e a c t o r ( h a r ) ，t o w nw a s t e w a t e r , h i g h - r a t et r i c k l i n g - f i l e r ( h t f ) , e c o l o g i c a ls y s t e m 申请同济大学工学颀士学位论文 i i 【第一章城镇污水处理工艺的发展】 第一章城镇污水处理工艺的发展 第一节概述 我国是一个严重缺水的国家，虽然水资源总量共有2 8 万亿立方米，排在巴 西、前苏联、加拿大、美国和印度尼西亚之后，是世界第六位。但是中国人口众 多，人均占有水量仅有2 4 0 0 立方米，大约仅相当于世界人均水平的1 4 ，居世 界第1 0 9 位。我国已经被联合国列为世界1 3 个人均水资源贫乏国家之一，全国 6 6 8 座城市中有4 0 0 多座城市存在不同程度的缺水问题，其中1 3 6 座城市缺水严 重。有专家称：随着中国经济和社会的高速发展，水危机将愈来愈严重。 同时，我国水污染状况严重。据统计，2 0 0 0 年我国城市污水排放量已达3 3 2 亿立方米，其中，绝大部分污水未经有效处理而排入江河湖海。全国9 0 以上的 城市水域受到不同程度的污染，近5 0 的重点城镇的集中饮用水源不符合取水标 准。我国北方城市大部分受到资源型缺水的困扰，南方多水地区由于受到不同程 度的污染，已经呈现水质型缺水趋势，一些城市又面临”有水难用的困境。水资 源短缺和水污染严重已经成为城市可持续发展的重要制约因素。n 建设部2 0 0 0 年颁布的城市污水处理及污染防治技术政策要求：2 0 1 0 年全国设城市和建 制镇的污水平均处理率不低于5 0 ，设城市的污水处理率不低于6 0 ，重点城 市的污水处理率不低于7 0 。让1 同大城市相比，我国中小城镇的水污染状况更加不容乐观。中国是世界上 拥有小城镇最多的国家，据民政部统计，截止1 9 9 8 年年底，我国有4 3 7 个县级 市，1 6 8 9 个县，1 7 5 2 7 个建制镇，2 9 11 8 个乡集镇。另据国家统计局的资料，我 国农村人口9 2 亿，占全国总人口的7 5 ，建制镇人口达到1 7 亿，占全国城 镇总人口的4 5 9 4 。中小城镇排放的生活污水量约占全国总城镇生活污水量的 5 0 ，而小城镇生活污水处理率不到l 。因此，小城镇污水的直接排放不仅造 成小城镇本身的环境污染日趋严重，而且成为区域性水环境的重要污染源，加剧 了我国水资源严重缺乏的现状。 申请同济大学工学硕士学位论文 【第一章城镇污水处理工艺的发展】 1 城镇污水来源 第二节城镇污水来源和水质特征 城镇污水由于当地居民生活水平和工农业发展状况不同，污水来源也各不 相同。一般来讲，可以将污水分成具有代表性的几个组成部分： 生活污水 夺工业和公共设施污水 入渗水 对于中小城镇，还包括以农产品为原料的工业废水和禽畜粪便污水等。因 此可以看出，城镇污水的水量水质变化很大，具有不稳定性和不均匀性。图1 1 3 1 给出了某处理厂的污水量昼夜变化的情况。 处理厂进水( m v h ) 2 城镇污水水质特征 图1 1 丹麦某市污水厂进水情况 8 + 阕 由于城镇污水的来源和组分的比例不同，城镇污水水质也有很大的不同， 当污水来源主要以生活污水为主时，生活污水的污染负荷可以作为评价污水成分 巾请嗣济大学工学硕，l ：学位论文 2 i 第一牵城镇污水处理工艺的发艘】 的良好基础，表1 1 给出了典型生活污水的主要污染物组成成份，该成份的变化 一方面是由于排放物质量的变化，但主要原因是耗水量、渗入水量和渗漏水量的 变化。 表1 - 1 城镇生活污水的主要污染物( m g l ) “1 污水类型 水质参数 高浓度中等浓度低浓度超低浓度 c o d7 4 05 3 03 2 02 1 0 b o d 53 5 02 5 01 5 01 0 0 氨氮 5 0 3 01 8 1 2 总磷 2 31 6l o6 s s 4 5 03 0 0 1 9 0 1 2 0 3 城镇污水中有机污染物的来源和危害 城镇污水中有机污染物主要包括碳水化合物、蛋白质、氨基酸、酚、醇、 醛等类化学物质。生活污水和许多工业废水中含有大量耗氧有机物，如造纸、制 革、印染、酿造和食品、石油加工、焦化工业废水。由非点源的地表径流也带来 大量耗氧有机物。b 1 耗氧有机污染物被水体中的微生物分解，在分解的同时消耗水中溶解氧 ( d o ) 。当d o 浓度过低时，鱼类死亡和正常的水生生态系统受到破坏；当水体 中的d o 和n 0 3 - 以及n 0 2 一等氧化物质被耗尽时，便出现“黑臭”现象。 4 城镇污水中的氮和磷 4 1 城镇污水中氮的来源 城镇污水中氮的来源于生活污水、工业废水、非点源的农业污染物( 包括 肥料、农业、动物粪便等) 。污水中氮的存在形式有：有机氮( 氨基酸、蛋白质、 尿素、偶氮化合物、胺类化合物等) 和无机氮( n h 4 + - n 、n h 3 - n 、n 0 2 一- n 和 n 0 3 - - n ) 。硝酸盐和亚硝酸盐通常来自工业废水中，生活污水中一般较低。如 申请同济大学工学颈：i ：学位论文3 【第一章城镇污水处理工艺的发展】 4 2 城镇污水中磷的来源 城镇污水中磷的来源主要有：人类活动的排泄物及废弃物、工商企业、合 成洗涤剂和家用清洁剂、动物粪便和农业肥料等。污水中的磷可以分为以下组分： c 1 p = s p 0 4 + s p p + s 。r g p + ) p 式中 c 仃一总磷： s p 饵一可溶性无机正磷； s p p 可溶性无机聚磷； s 0 f g 厂可溶性有机磷： x 盼p _ 悬浮性有机磷； 4 3 城镇污水中氮和磷的危害 当污水中的氮和磷进入地表受纳水体时，可以对地表水环境产生如下危害： ( 1 ) 导致水体富营养化 富含磷酸盐和某些形式氮素的水在光照和其它环境条件适宜的情况下使藻 类过量生长，随后藻类死亡并伴随着异养微生物的代谢，于是水体中的溶解氧很 快被耗尽，造成水体质量恶化和水生态环境结构破坏，这就是所谓的水体富营养 化。水体富营养化不仅在经济上造成损失，而且对人类健康也有很大的危害。“1 一旦水体呈富营养化状态，水体的正常生态平衡就会被扰乱，生物种群量 会出现剧烈波动，某些生物种类明显减少，而另一些生物种类显著增加，导致水 生生物的稳定性和多样性降低，破坏了水体生态平衡。如1 ( 2 ) 消耗水中的氧气 含氨氮的污水排入水体后，在硝化细菌的作用下氧化生成亚硝酸盐和硝酸 盐，完全氧化i m g 氨氮约需4 6 r a g 溶解氧。这对水体质量的改善和保证，以及 鱼类的生存是十分不利的。髓 ( 3 ) 毒害作用 氨氮在水体中的毒性主要是由非离子氨( n h 3 ) 造成的，氨的毒性取决于水 体p h 值及总氮的浓度。对大部分鱼类而言，水体中游离氨对鱼的致死量为l m g l 。 亚硝酸盐会导致不满三个月的婴儿得变性血红蛋白症，食物和婴儿肠胃中 申请同济大学工学硕士学位论文 4 【第一章城镇污水处理工艺的发展】 的微生物可使硝酸盐转化为亚硝酸盐，从而导致这个年龄组的问题更为突出。此 外，硝酸盐在人体中会转化为亚硝酸胺，这是一种致变、致畸、致癌物质，对人 体有严重的潜在威胁。 第三节我国中小城镇污水处理工艺及发展 1 中小城镇污水处理工艺现状 工业废水的治理按照“谁污染、谁治理”的原则由企业负责，其治理资金 由企业解决。丽城市生活污水的治理应该属市政项目，责无旁贷的应该由政府承 担。但是，由于我国的大部分中小城镇经济不发达，相当大的一部分还处于相对 贫困的状态，加之建设一个生活污水处理厂所需资金量很大，地方财政根本无法 解决。如果靠国家拨款建设，现在国家需建设的项目很多虽然随着我国综合国 力的提高和环保意识的加强，我国每年投入环保的资金逐步增加，目前已达到 g d p 的2 o 左右，但这些钱绝大多数用于大城市的污水处理工程，一般中小城 镇很难争取到这项资金，即使争取到一部分，也是杯水车薪，不能从根本上解决 问题。 目前，我国中小城镇污水处理设施的情况不容乐观，以上海为例：d 上海市郊的现有小城镇是在原有的四个层次( 县城l o 个、老建制镇3 3 个、 乡镇1 7 7 个、村镇3 1 9 个) 的基础上发展起来的，现共有1 9 4 个小城镇( 排除按 上海市城市总体规划列为“新城 要求的县、区政府城镇) 。据1 9 9 7 年资料显示， 上海小城镇总人口平均只有2 万人左右，而小城镇镇区人口只有l 万人。 在抽样调查的5 9 个小城镇中，仅有4 个小城镇有处理站( 设施) ，9 0 以 上的城镇没有污水处理厂和小型污水处理装置，见图卜2 。可见，上海市郊小城 镇的生活污水基本上未经处理。 申请同济大学工学硕士学位论文 5 【第一章城镇污水处理1 = 艺的发展】 经处理 a 未经处理 9 3 图l _ 2 上海小城镇污水处理情况( 5 9 家) 从中小城镇的污水处理工艺来看，尚缺乏系统的研究，城市二级污水处理 工艺存在着投资大、运转费用高等闯题，这些闯题对于财政并不富裕的中小城镇 来讲是致命的，与城市污水处理相比，小城镇污水处理有以下特点： ( 1 ) 污水量小，一般在( o 5 l ) ( 3 o l0 4 ) m 3 d ，且各个城镇污水 排放规律也很不相同，导致水量波动很大。 ( 2 ) 由于各个中小城镇都有自身的特色产业，特色产业废水的大量排入， 导致各个城镇水质波动也很大，并存在复合污染物的问题。 ( 3 ) 城市污水处理厂的污水经过长距离管网输送的，有一定的预处理时间， 中小城镇污水不具备这一有利条件。 ( 4 ) 污水处理工艺应与中小城镇的财力和具体情况相适应，应该是低投入、 高效的处理工艺。 ( 5 ) 中小城镇污水处理产生的污泥出路也应有别于城市污水处理厂，应分 类别就近处置及资源化。 因此，针对小城镇污水水量小、水质复杂、波动性大等特征，并结合小城 镇所在地的具体情况，开展小城镇污水处理工艺的系统研究是当务之急。 2 中小城镇污水处理工艺的选择 污水( w a s t e w a t e r ) 是指排污单位排放的工业废水和生活污水的总称；生 活污水( d o m e s t i cs e w a g e ) 指居民在日常生活中排出的废水，包括卫生间排水， 厨房间排水等；中小城镇生活污水指中小城镇镇区居民日常生活中排放的生活污 水，包括：镇区商业和办公区、公共厕所、居住小区排放的污水。 申请列济大学1 = 学颐：i 二学位论文6 【第一章城镇污水处理工艺的发展】 由于各个城镇的特色产业不同，如果城镇污水以工业废水为主，生活污水 量较小时，该城镇污水水质完全取决于工业废水的水质，此时污水中c o d 。，较高， 氮和磷的含量低，比较难处理。当城镇污水以生活污水为主时，一般其水质 c o d 。， 3 0 0 ，s s 1 0 0 ，b o d 。 1 5 0 ，t p 5 ，p h = 6 5 - , 7 5 ，含有一定量的氮和磷，可 生化性好，水质水量波动也较大。一般中小城镇污水都以生活污水为主。 考虑到中小城镇居民收入普遍较低，照搬大城市的污水处理模式和工艺， 将会因造价和运行费用较高而使当地居民无力承担。又由于中小城镇缺少专业的 污水处理人员，对于操作和管理要求高的工艺也很难管好用好。因此，基于以上 考虑，中小城镇污水处理工艺应该遵循以下原则：“们“ ( 1 ) 污水处理量不大，一般在( o 5 xl o ) ( 3 o x1 0 4 ) m 3 d 之间： ( 2 ) 建设费用低，应该能满足中小城镇居民的承受能力； ( 3 ) 运行费用少、不用化学试剂、电耗低，向居民收取费用的数额是可 行的； ( 4 ) 产泥量低，少排或不排污泥； ( 5 ) 运行和管理较简单，利用当地技术和管理力量能够正常运行； ( 6 ) 节省占地面积，特别是不占用良田、好土； ( 7 ) 适应当地条件，如利用天然废塘、土地进行处置。 3 生物法处理中小城镇污水 普通活性污泥法 普通活性污泥法是目前最广泛应用的废水好氧生物处理技术，其基本的工艺 是污水经格栅和初次沉淀池预处理后，进入曝气池生化降解有机物，后经二 泥水分离和加药消毒后排放。此工艺般由预处理系统( 格栅、初次沉淀池) 、 池、二沉池、曝气系统、污泥回流系统以及污泥处理系统组成。普通活性污 工艺流程见图卜3 。 匝卜野乒纛亨芦水 ； 剩余污泥 图i - 3 普通活性污泥法 申请同济大学工学硕士学位论文7 【第一章城镇污水处理工艺的发展】 普通活性污泥法对生活污水具有很高的处理效果，b o d 。去除率可达9 0 以 上，适于处理对净化程度和稳定程度要求较高的污水。但由于其基建投资高，处 理成本高和运行管理复杂，在缺少专业技术人员的基础上不太适应我国小城镇污 水处理，而且还存在大量的剩余污泥处理和处置问题。 普通活性污泥法有以下几种：( 1 ) 标准活性污泥法；( 2 ) 分步曝气法；( 3 ) 吸附再生法；( 4 ) 延时曝气法：( 5 ) 合建式表面曝气池。 3 2 生物滤池 生物滤池的形式有以下几种： 夸普通生物滤池 夸高负荷生物滤池 夺厌氧生物滤池 夸活性生物滤池 ( 1 ) 普通生物滤池是以土壤自净原理为基础发展的人工生物处理系统。生 物滤池内设置固定的滤料，污水自上而下通过时不断与滤料接触，经过一段时间 后，污水中微生物就在滤料表面繁殖固定，逐渐形成生物膜。生物膜是多种微生 物组成的生态系统，其净化污水的原理是在废水流经其表面时，通过吸收有机污 染物作为营养源把污染物转化为新的微生物体，同时废水得以净化。 普通生物滤池一般用于处理中小型水量规模的城镇污水和有机工业废水。 工艺流程又可以分为：单级回流生物滤池法：交替式生物滤池法：两级生物滤池 法。其优点是：b o d 。的去除率较高，工艺运行稳定、易于管理和节省能源，并且 对氨氮有一定的硝化作用。主要缺点是：负荷低，占地面积大、滤料易堵塞。易 生池蝇、影响环境卫生并散发臭味。 ( 2 ) 高负荷生物滤池是生物滤池的第二代工艺，它与普通生物滤池的区别 是将滤料在滤池中分层叠加，所以把每层滤床作为独立单元时，可以看成是多段 滤床的串联。高负荷生物滤池是在解决、改进普通生物滤池在净化功能和运行中 存在的不足之处的基础上研发的。它是通过限制进水有机物浓度和采取处理出水 回流等技术措施大幅度提高其负荷率，使有机负荷比普通的生物滤池可提高6 8 倍，水力负荷可提高1 0 倍以上。高负荷生物滤池目前已广泛采用具有质轻、 高强、耐蚀、高表面积的和高孔隙率性能的新型塑料滤料，在保证一定的处理效 申请同济大学工学硕士学位论文 8 i 第一章城镇污水处理工艺的发展】 果的同时大大提高了系统的处理负荷能力。 该工艺主要优点是有机负荷大，占地面积小，较高的水力负荷能有效地防 止滤料堵塞并改善了滤池的卫生条件。主要缺点是b o d 。去除率低，一般为7 5 8 5 ，进水b o d ；有限制，需要增添回流设施，增加了运行能耗。 ( 3 ) 厌氧生物滤池与前述普通生物滤池、高负荷生物滤池的主要区别是， 它是一种装填滤料的厌氧生物反应器。厌氧微生物以生物膜的形态生长在滤料表 面，污水淹没地通过滤料，在微生物膜的吸附、代谢和滤料截留的共同作用下， 污水中的有机污染物得以分解与去除。厌氧生物滤池常用的滤料有碎石、卵石、 焦炭和各种形式的塑料滤料。对于以碎石和卵石等块状物质作为滤料的生物滤 池，滤料层厚度都不超过1 2 m ，因滤料的比表面积仅有4 0 - - 5 0 r m 3 ，空隙率为 5 0 - - - 6 0 ，形成的生物膜量较少或生物固体浓度不高，因而承受的有机负荷低， 运行中容易发生堵塞现象。对于以塑料作为滤料的滤池来讲，滤料层的厚度可以 达到5 m 以上，因其比表面积和孔隙率均较大，因此有机负荷可大为提高。 ( 4 ) 活性生物滤池就是将生物滤池与活性污泥曝气池串联在一起组合成的 生物膜一活性污泥工艺，工艺流程如图卜4 。活性生物滤池在进水时由于采用了 较多的活性污泥回流，滤床中具有大量的活性污泥微生物，滤池中就发生了较高 的微生物同化作用。活性生物滤池就好像是高效的微生物合成器，进水中大量的 有机物首先在此被活性污泥吸附和氧化，并进行微生物的大量合成，但由于污水 和活性污泥在此滤池中的停留时间较短，微生物对吸附在活性污泥上的有机物还 没有完全氧化。故滤池出水尚需在后续的曝气池中进一步曝气处理以达到良好的 出水水质，也正是由于活性污泥滤池的这种作用，使得后续曝气池的负荷大为减 轻且波动减小。 申请同济大学工学硕士学位论文 ；剩余污泥 图卜4 活性生物滤池工艺流程 9 【第一章城镇污水处理工艺的发展】 活性生物滤池的构造基本上同高负荷生物滤池，只是滤床的高度较低，一 般为5 m 左右，采用的滤料一般有水平安放的木板条，这些板条在滤床中交错排 列。此外还有采用蜂窝填料，其孔径不小于2 5 r a m 。 3 3a l l 法工艺 a b 法为两段活性污泥法，a 段为吸附段，b 段为生物氧化段。a 段具有很高 的有机负荷，在缺氧或兼性条件下工作；b 段在低负荷下工作，由于发生硝化和 反硝化，活性污泥的沉降效能好，出水s s 和b o o ；值较低。在运行过程中，两段 的活性污泥各自回流。这种方法不仅具有良好的污染物去除效果，而且具有强的 抗冲击负荷能力、很好的除氮脱磷效果和投资及运转费用低的特点。 这种工艺在国外处理城市污水方面得到广泛应用。由于我国城镇污水的水 质较之国外有很大的差异：如欧洲，其城镇污水进水的b o d 。浓度多在3 0 0 m g l 以上，而我国城市污水b o o 。值一般小于1 5 0 m g l 。进水有机物浓度的不同将对a 段的微生物相带来直接的影响，进而影响处理效果。a b 法一般不设初沉池，其 目的在于将排水管道中存在的大量微生物直接引入a 段曝气池，增加其中微生物 的数量和活力，提高其处理能力和运行稳定性。该法的缺点是产生大量的剩余污 泥需要处理。 斗孕意辜娅甓一排 i 剩余污泥 ；剩余污泥 图1 - 5a b 法工艺流程 3 4s b r 法工艺 s b r 在早在2 0 世纪初已开发，由于人工管理繁琐未予推广。此法集进水、 曝气、沉淀、出水在一座池子中完成。通常由四个或三个池子构成一组，轮流运 转，一池一池地间歇运行，故称序批式活性污泥法。 这种工艺的优点是工艺简单，由于只有一个反应池，不需二沉池、回流污 泥及设备，一般情况下不设调节他，多数情况下可省去初沉他，故节省土地和投 资，耐冲击负荷且运行方式灵活，可以从时间上安排曝气、缺氧和厌氧的不同状 申请同济大学工学硕士学位论文l o 【第一章城镇污水处理工艺昀发展】 态，实现脱氮除磷的目的。 s b r 工艺的主要缺点是：运行管理难度较大，曝气头易堵塞，维修困难等。 随着计算机和自控技术的发展，s b r 工艺也有了较大的提高，开发了许多新 的处理工艺，如c a s t 工艺、m s b r 工艺、u n i t a n e 工艺等。但由于其自动化水平 比较高，需要有一定技术水平的操作管理人员，因此，目前也不适合于我国大多 数中小城镇污水处理厂。 进水反应沉淀捧放 图i - 6s b r 法工艺流程 3 5 生物接触氧化法 生物接触氧化法也称淹没曝气式生物滤池，是一种介于活性污泥法和生物 滤池之间的一种生物膜法工艺。接触氧化池内设有填料，填料淹没在废水中，填 料上面长满生物膜。生物接触法中微生物所需的氧气通过人工曝气供给。生物膜 长到定厚度后，靠近填料表面的微生物由于缺氧而进入厌氧代谢，由于曝气而 形成的水力冲刷作用会造成生物膜的脱落，并促进新生物膜的生长，形成生物膜 的新陈代谢，脱落的生物膜将随出水水流流出。 生物接触氧化法的主要优点是：容积负荷比较高，抗冲击负荷能力强，不 需要污泥回流，没有污泥膨胀产生，运行管理简便，不产生滤池蝇等。 主要缺点是：布气、布水不易均匀：需要较多的填料和填料支撑，基建费 用较高，一般适合处理水量较小的场所。 3 6a a o 法工艺 a a o 法是英文a n e r o b i c - - a n o x i c - - o x i c 的第一个字母的简称，其工艺流 程图如图i - 7 。 申请同济大学工学硕士学位论文 【第一章城镇污水处理工艺的发展】 水 图1 - 7a a o 法工艺流程图 a a o 法工艺是在对污水处理深度要求和对生物处理污水机理充分认识的 基础上发展起来的一种新型工艺。其工艺流程是污水进入厌氧反应器，同步进入 的还有从二沉池中排出的含磷污泥，厌氧反应器的主要功能是释放磷，同时部分 水解有机物：废水经过厌氧反应器进入缺氧曝气池与回流的含有n 0 3 一一n 的混合 液一起进行脱氮反应，同时利用一部分的有机物；然后进入好氧曝气池，进行去 除b o d 。、硝化和吸收磷等反应，在工艺中不同环境下不同的微生物充分发挥各自 的作用，达到同时去除有机物、氮和磷的效果。 该工艺的主要优点是： ( 1 ) 运行稳定可靠，b o d 。去除率较高，有较丰富的运行管理经验。 ( 2 ) 本工艺厌氧、缺氧、好氧交替进行，不宜于丝状菌繁衍，无污泥膨 胀现象。 ( 3 ) 具有较好的抗冲击负荷能力，适用于中小城镇水质水量变化较大的 污水处理。 ( 4 ) 出水水质好，能深度脱氮、除磷。 本工艺也存在以下问题： ( 1 ) 运行管理操作难度较大。 ( 2 ) 工程占地面积较大。 ( 3 ) 产生污泥量较大。 3 7 氧化沟工艺 氧化沟( o x i d i z a t i o nd i t c h ) 是活性污泥的一种变形，其曝气池呈封闭的 沟渠形，污水和活性污泥混合液在沟渠内，通过曝气叶轮、转刷或射流曝气器等 申请同济大学工学硕士学位论文 1 2 泥一污余 。 -竺登 【第一章城镇污水处理工艺的发展】 充氧设备提供的动力作循环流动，氧化沟的流态从整体上是完全混合的，但在局 部由于其流速较大又具有推流的特征。如果设计和运行得当，可以使氧化沟的水 流搅动状态和溶解氧的分布有利于硝化和反硝化的功能，从而达到生物脱氮的目 的。 该工艺属于延时曝气法，一般不需要初次沉淀池，在较长的水力停留时间 下，悬浮性有机物和溶解性的有机物能得到较彻底的稳定，系统剩余污泥量少且 稳定程度高，因此不需要设污泥消化系统。由于采用延时曝气和脱氮的考虑，出 水水质好且稳定，b o d s 和s s 去除率在9 5 以上，总氮为7 0 一8 0 ，比较适合对 出水水质要求严格或需要脱氮的中小型污水处理厂。但本工艺的缺点是占地面积 大、基建投资和运行能耗较高。 目前国内占主导型的氧化沟有丹麦k r ”g e r 公司开发的t 型氧化沟和d e 型 氧化沟、荷兰d h v 公司开发的c a r r o u s e l 氧化沟以及美国e n i v i r e x 公司设计的 o r b a l 氧化沟。 生态法处理中小城镇污水 4 1 生态学的基本概念 早期的生态学定义只注重于动物、植物和其所处的环境之间的关系，而忽 视了人和自然之间的关系。但是随着人类活动强度的增大和活动范围的日益扩 大，人与自然协调发展的关系使得生态学家们不得不把对生态学的研究内容和任 务扩展到人类社会，渗透到人类的经济活动中。因此，生态学可定义为“钉：研 究生物生存条件、生物及其群体与环境相互作用的过程及其规律的科学，其目的 是指导人与生物圈( 即自然、资源及环境) 的协调发展。 生态学中比较强调系统的概念，生态系统研究是现代生态学研究的主流， 所谓生态系统就是生物群落与生存环境相互作用构成的功能整体，其边界小至动 物有机体内的微生物系统，大至大森林、整个生物圈。近年来，国内学者又把自 然生态系统进一步扩展为包括经济系统和社会系统的复合体。生态系统的基本组 成有：无机环境、生产者、消费者、分解者，其中生产者、消费者分解者是生物 群落的三大功能类群，如图1 - 8n n ： 申请同济大学工学硕士学位论文 1 3 【第一章城镇污水处理工艺的发展】 图卜8 生态系统的组成及结构 从生态系统学的观点看待环境保护的问题，就形成了所谓的环境生态观。 环境生态观告诫人们：在开发利用环境资源的时候，决不能只从主观愿望出发， 必须在遵循客观经济规律的同时也要遵循生态规律；在环境污染治理中，不但要 注重城市环境、工业环境，更要注重人类赖以生存的大自然环境，在工业生产过 程中要尽量以生态工艺，代替传统工艺。所谓生态工艺就是指无废料生产工艺。 这种工艺是利用生态系统的物质循环原理，建立闭路循环工艺，即把两个以上的 流程合成一个闭路体系，使一个过程生产的废料或副产品成为另一个过程的原 料。从而使废物减少到生态系统中的自净能力限度以内，如图1 - 9 所示。 能量+ 原材料二今 劳动力l 岭 能量+ 原材料二今 劳动力】 申请同济大学工学硕士学位论文 生产流程a 县 副产品a o 生产流程b 1 4 【第一章城镇污水处理工艺的发展1 图1 - 9 生态工艺物质循环示意图 把生态工艺的方法和原理应用于污水处理技术中就形成了生态法污水处理 工艺，目前在国内外应用比较广泛的生态法污水处理工艺主要有：稳定塘、土地 处理法和人工湿地。 4 2 稳定塘工艺 稳定塘( s t a b i l i z a t i o np o n d s ) 是一种利用天然净化能力处理污水的生物 处理构筑物，是一些经过人工改造，加设围堤和防渗层的池塘，其净化过程与自 然水体的自净过程相似。污水在塘内缓缓流动，较长时间的贮留，通过污水中成 活的微生物的代谢活动和包括水生植物在内的多种生物的综合作用，使有机污染 物降解，污水得到净化。其净化全过程包括好氧、兼氧和厌氧三种状态。 按照塘内微生物类型、供氧方式和功能等，可以将稳定塘分为：好氧塘，兼 性塘，厌氧塘，曝气塘和深度塘等。如果按稳定塘的出水方式划分，又可以分为： 连续出水塘，控制出水塘和完全存储塘“柚。 稳定塘工艺的主要优点是： ( 1 ) 基建和投资费用低，可以充分利用当地地形，建设周期短，易于施工。 ( 2 ) 运行管理简单，维护费用低，处理效果稳定，可有效的处理水中的病 原体和有机物，无需污泥处理设施。 ( 3 ) 可实现污水净化和资源化相结合，可将稳定塘出水用于农业灌溉，养 殖水生动、植物等，带来很好的经济效益。 该工艺的主要缺点是： ( 1 ) 占地面积大，该处理工艺需要占用大面积的水塘。 ( 2 ) 出水中含有相当数量的藻类，s s 较高。 ( 3 ) 设计运行不当有可能造成二次污染等。 4 3 土地处理 土地处理系统是乙种污水处理的生态工程技术，其原理是通过农田、林地、 苇地等土壤一植物系统的生物、化学、物理等固定与降解作用，对污水中的污染 物实现净化并对污水及氮、磷等资源加以利用。根据处理目标、处理对象的不同， 审诸同济大学t 拳砸十学衍诊它 1 5 【第一章城镇污水处理工艺的发股】 土地处理系统可分为快速渗滤、慢速渗滤、地表漫流、地下渗滤，湿地系统等5 种类型。废水土地处理系统一般由以下几部分组成：预处理设施：调节与储 存设施；输送、布水与控制系统；土地净化地块；净化出水的收集与利用 系统。 土地处理系统具有投资省、运行费用低、管理操作方便等优点，可以把污水 处理和农业灌溉结合起来，但同时也存在着很多缺点，如处理能力低、需要的土 地面积大、处理效果差、用于污水处理的土壤质地要求较高、土壤易发生退化等。 4 4 人工湿地 人工湿地可以说是土地处理中湿地处理系统的人工强化，自然湿地是利用现 有的低洼湿地和沼泽地来处理污水，基本上是一个不可控制的环境；而人工湿地 是人为创造的一个适宜于水生植物或湿生植物生长的，根据自然湿地模拟的人工 生态系统，其生态系统中的生物种类多种多样，并处于人为地控制之下，综合处 理废水的能力受到人工设计和控制。由于其在生态效应、景观效应、经济效应上 的突出优点，人工湿地系统在国内外城市污水处理中受到越来越多的重视 1 4 3 。 人工湿地利用生态系统中的物理、化学、生物的共同作用净化污水。它是在 一定长宽比及底面坡度的洼地中，由土壤和按一定坡度充填一定级别填科的床体 组成。废水可以在填料缝隙中流动，在床体的表面可以种植一些处理性能好、成 活率高、抗水性强、生长周期长及具有经济价值的水生植物，形成一个独特的动 植物生态环境，对废水进行处理。 湿地系统成熟后，填科表面和植物根系将由于大量微生物的生长而形成生物 膜。废水流经生物膜时，大量的s s 被填料和植物根系阻挡截留，有机污染物则 通过生物膜的吸收、同化及异化作用而被去除。湿地床系统中植物根系对氧的传 递释放，使其周围的环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧状态，保证了废水中的 氮、磷不仅能被植物和微生物作为营养成分而被直接吸收，而且还可以通过硝化、 反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用将其从废水中去除，最后湿地床填料的 定期更换或栽种植物的收割而使污染物最终从系统中去除“3 1 。 从工程设计的角度出发，按照系统布水方式的不同或水在系统中流动方式的 不同，一般可分为自由表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地 申请同济大学工学硕上学位论文 1 6 【第一章城镇污水处理工艺的发展】 和潮汐潜流人工湿地。 人工湿地优点：出水水质好，运行成本低，管理方便，抗有机负荷冲击能力 强，应用灵活等，适合我国广大农村、中小城镇和居民小区的污水处理。 该系统的主要缺点：占地面积较大，易滋生蚊蝇和疾病的传播，有不良气味 产生，受冬季低气温的影响明显，收割的种植物的处理问题等。 申请同济大学工学颂上学位论文 1 7 【第二章研究目的、内容和方案】 第二章研究目的、内容和方案 第一节研究目的 1 开发高效低耗的城市污水处理工艺 城市污水处理厂是城市水污染防治的骨干工程，建设城市污水处理厂是纳入 流域、区域水质管理规划并纳入社会经济发展规划的重要内容。为贯彻中华人 民共和国环境保护法和中华人民共和国水污染防治法，使全国水环境基本 上同国民经济的发展和人民生活水平的提高相适应，必须尽快扭转我国城市水环 境污染的局面。因此，污水处理设施的建设和运行是我国当前水污染控制的重点。 目前，国家已经要求城市污水集中处理率近期达到2 0 。我国城市污水处 理厂虽然现有3 0 0 多座，但据2 0 的要求还有较大的距离，因此需要建设大量 的污水处理厂。而目前我国城市尤其是中小城镇的建设资金远不能满足这方面的 需要，解决资金途径之一是采用新的处理工艺和技术，以降低工程造价和投资成 本；另外，为保证城市污水处理厂的有效运行，降低污水厂的运行费用也是十分 重要的内容，因而推广应用高效低能耗的处理技术和工艺正是当前城市污水处理 重点要解决的问题。 2 为上海市水环境质量改善提供技术支持 目前上海市污水处理的现状是：中心城区的污水通过合流一期、污水治理二 期等管道收集，输送到污水处理厂进行相应的处理。而郊区、尤其是乡镇的污水 大部分未进行收集和处理，成为上海市水环境的主要污染源。根据2 0 0 0 年上海 市污染源调查分析，上海市郊区污染源的特点是组团式分布，每一组团是一个乡 镇，镇与镇之间距离较远，将若干乡镇的污水收集集中处理在经济上不合算。郊 区的经济实力无法和中心城区相提并论，人均收入仅为城市居民的一半，完全照 搬中心城区的污水处理模式和工艺，将会因造价和运行费用过高丽使郊区居民无 力承担。郊区缺少污水处理的专业人员，对操作管理要求高的污水处理厂一般很 难管好用好。 申请同济大学工学硕士学位论文 1 8 【第二章研究目的、内容和方案】 因此，开发适用于郊区、造价和运行费用低、操作管理方便的小型污水处理 工艺，并将其标准化和设备化，以降低郊区污水处理的建设费用和运行成本，将 有利于大幅度提高上海郊区污水的处理率，加速上海城市水环境综合改善的步 伐。 本课题研究正是在此背景条件下，在已有的研究基础上，结合国内外小型污 水处理的发展趋势，研究开发适合于中小城镇的城市污水处理工艺，以生物一生 态滤池( b i o l o g i c a l - - e c o l o g i c a lf i l e r ，简称b e f ) 工艺处理城市污水，试验 场地位于上海市曲阳水质净化厂。 第二节研究内容 1 前期试验结