（环境工程专业论文）曝气生物滤池处理生活污水的试验研究.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 曝气生物滤池处理生活污水的试验研究 专业：环境工程 项士生：张连科 指导教师： 摘 王志远教授 要 曝气生物滤池是符合我国国情的简易高效低耗城市污水处理新工艺，近十几年来 发展迅速，将成为解决我国所面临的严峻的水环境污染和水资源短缺问题的主要技术途 径之一。本文对采用上流式曝气生物滤池处理模拟生活污水进行了试验研究和理论分 析。考察了该工艺的处理效果，并研究气水比、水力负荷、污染物容积负荷和滤料层高 度等因素对曝气生物滤池处理性能的影响。 曝气生物滤池采用“接种活性污泥再连续流培养”的挂膜启动方式所需时间较短， 大约经过2 4 天左右的时间即可挂膜成功，c o d 、氨氮去除率分别稳定在7 5 、6 0 左 右。 长期运行试验结果表明，曝气生物滤池对c o d 、氨氮及浊度等具有良好的去除效 果，平均去除率分别达到8 8 1 、6 0 1 和9 5 1 。 曝气生物滤池处理性能的影响因素主要有：气水比、水力负荷、污染物容积负荷 及滤料层高度等。其中气水比对c o d 的去除影响很小，而对氨氮的影响却较大，保持 气水比5 ：1 即可达到碳氧化和硝化的合并处理。在水力负荷对曝气生物滤池处理性能 的影响研究中发现，气水比为5 ：1 时，水力负荷在0 2 1 m 3 ( m 2 h ) - - 0 6 3 m 3 ( m 2 h ) 之间变 化，反应器对c o d 的去除率基本不受影响，但对氨氮的去除率影响较大，随着水力负 荷的升高氨氮的去除率呈明显的降低趋势。对于实验所采用的1 2 0 c m 填料高度上向流 曝气生物滤池，降解c o d 的最佳滤料层为0 - - 7 0 c m 段；氨氮去除的最佳滤料层为4 0 一1 0 0 c m 段；悬浮物在0 - - 4 0 e r a 处即可获得较高的去除率。 反冲洗是影响曝气生物滤池处理性能的主要因素之一。对曝气生物滤池的反冲洗 方式、反冲洗强度和反冲洗周期的研究表明，曝气生物滤池的反冲洗周期可以通过水 头损失和出水水质来确定，水力负荷对反冲洗周期的影响较大，随着水力负荷的增加， 反冲洗周期减小。采用先气洗再气一水联合反冲洗最后清水漂洗的反冲洗方式可以取得 良好的反冲洗效果，反冲洗参数为：反冲洗气量1 0 - - 1 2l ( m 2 s ) ，冲洗历时3 m i n ，气 一水联合反冲洗时反冲洗水量4 - - 5l ( m 2 s ) ，气量保持不变，反冲洗历时5 m i n ，最后 单独水漂洗强度1 0 - - 1 2l 他n 2 曲，历时1 0 - - 1 2 m i n 。 关键词：曝气生物滤池：气水比；水力负荷；反冲洗 西安建筑科技大学硕士论文 s t u d yo nt h ea e r a t e db i o l o g i c a lf i l t e rf o rm u n i c i p a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n t s p e c i a l t y ： e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g g r a d u a t e ： z h a n gl i a n k e s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gz h i y n a n a b s t r a c t t h ea e r a t e db i o l o g i c a lf i l t e r ( b a di sas i m p l e 、h i g h e f f i c i e n t 、l o w - c o n s u m p t i v ef o r m u n i c i p a ls e w a g et r e a t m e n tc o r r e s p o n dt ot h es i t u a t i o no f c h i n a ，d e v e l o p e dr a p i d l yi nl a s tt e n y e a r s ，w i l lb eo n eo ft h ei m p o r t a n tt e c h n i c a la p p r o a c h e st os o l v et h ew a t e rp o l l u t i o na n d s h o r t a g ep r o b l e m f a c e dc h i n a t l l i s p a p e rf o c u s e s o nt h e e x p e r i m e n t a ls t u d ya n d m e c h a n i s ma n a l y s i si nw h i c ht h eu p f l o wa e r a t e db i o l o g i c a lf i l t e rw a sa d o p t e do nt r e a t m e n t d o m e s t i cw a s t e w a t e r t h er e m o v a lp e r f o r m a n c ea n dg a s w a t e rr a t i o 、h y d r a u l i cl o a d i n g 、 p o l l u t a n t sv o l u m el o a d i n ga n dt h eh e i g h to f f i l t e re t ef a c t o r st oi n f l u e n c et h er e m o v a le f f e c to f p o l l u t a n t sw a ss t u d i e d i tt a k ea b o u t2 4 d a y st os u c c e e di nc u l t i v a t i n g b i o f i l mu s i n go ft h em e t h o do f c o n t i n u o u sf l o wf o l l o w i n gs e e d i n gw i t ha c t i v a t e ds l u d g e ，a n dt h er e m o v a lr a t i o so fc o d 、 n h 3 ng e t st o7 5 a n d6 0 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e m o v a lr a t eo f c o d 、n h 3 - na n dt u r b i d i t yi n b a fs y s t e mc o m e su pt o8 8 1 、6 0 1 a n d9 5 1 r e s p e c t i v e l y g a s w a t e rr a t i o 、h y d r a u l i c l o a d i n g 、p o l l u t a n t sv o l u m el o a d i n ga n dt h eh e i g h to ff i l t e re t cf a c t o r sw i l li n f l u e n c et h e r e m o v a lr a t ei nb a fs y s t e m t h eg a s - w a t e rr a t i oh a sn o te v i d e n te f f e c to nt h er e m o v a lo f c o d ，b u th a sm u c hg r e a t e re f f e c to nt h en h 3 _ n w h e ng a s w a t e rr a t i oa t5 ：1 ，t h eo b j e c to f c a r b o no x y g e na n dn i t r i f i c a t i o nc a l l b ea r r i v e d t h er e s u l to ns t u d y i n gt h eh y d r a u l i cl o a d i n g i n f l u e n c et h er e m o v a lr a t es h o wt h a tw h e ng a s w a t e rr a t i oa t5 ：1 ，h y d r a u l i cl o a d i n gf r o m o 2 1 m 3 ，“n 2 t 1 ) t o0 6 3 m 3 ( m 2 h ) , h y d r a u l i cl o a d i n gh a sn o te v i d e n te f f e c to rr e m o v a lo f c o d ，b u th a sa l le v i d e n te f f e c to nt h en h 3 - n w i t ht h eh y d r a u l i cl o a d i n gh i g h e r , t h er e m o v a l o f n h 3 - nh a sa ne v i d e n tl o w e r t ot h eb a fi nw h i c h1 2 0 c mh e i g h tf i l t e rb e di su s e d ，t h e o p t i m a lr e g i o n o fc o dr e m o v a li s0 - 7 0 c m ，t h e o p t i m a lr e g i o no fn h 3 - nr e m o v a li s 4 0 1 0 0 c m ，a t4 0 c mh e i g h t ，t h et u r b i d i t yw i l lb er e m o v e dm o s t l y b a c k w a s hi so n eo fa ni m p o r t a n tf a c t o ri n f l u e n c eb a f t h r o u g ht h es t u d yo fb a c k w a s h r e g i m e s 、b a c k w a s hi n t e n s i t ya n db a c k w a s hi n t e r v a l ，t h er e s u l ts h o wt h a tb a c k w a s hi n t e r v a lo f 兀 西安建筑科技大学硕士论文 b a fc a r lb ed e t e r m i n a t e db yh e a dl o s sa n de f f l u e n tq u a l i t y h y d r a u l i cl o a d i n gh a sm u c h g r e a t e re f f e c to nb a c k w a s hi n t e r v a l ，w i t ht h eh y d r a u l i cl o a d i n gh i g h e r , t h eb a c k w a s hi n t e r v a l w i l lb es h o r t e r t h eb a c k w a s hr e g i m e so fg a sc o m b i n e dw i t hw a t e rh a sag o o db a c k w a s h e f f e c t t h eb a c k w a s hp a r a m e t e r sa sf o l l o w s ：f i r s t , t h eb a c k w a s ha i r - f l o wi n t e n s i t yw a s1 0 1 2 l ( m 2 s ) ，t i m ew a s3m i n ；s e c o n d , m i x i n gb a c k w a s h ，a i r - f l o wi n t e n s i t yw a s1 0 1 2l ，( s ) ，w a t e r - f l o wi n t e n s i t yw a s4 - 5l ( m s ) ，t i m ew a s5m i n ；f i n a l l y , b a c k w a s hi n t e n s i t y w a s1 0 - - 1 2l ( m 2 s ) ，t i m ew a s1 0 1 2m i n k e yw o r d s ：b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b a f ) ；g a s - w a t e rr a t i o ；h y d r a u l i cl o a d i n g ；b a c k w a s h 1 声明 本人郑重声甓我所星交的论文是我个人在导师指导下进行豹研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，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，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使罱过的成果。与我一阍工作的同 志对本研究所做的所有贾献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：耀宫髦? 日期： 关予论文使用授权的说明 本人完全了锯西安建筑科技大学有关保留、使惩学使论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被套阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 f 保密酌论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：耀圣叫导师签名：之。乏逮目期： 注：请将诧页孵在论文蓠页。 西安建筑科技大学硕士论文 1绪论 1 1 研究背景 1 1 1 水环境污染和水资源短缺 水是生命之源，是人类赖以生存必不可少的最基本的物质条件，是地球上无可替 代的自然资源“。然而，随着城市化进程的加快，工业文明的迅猛发展，人口的持续增 长，人类社会正面临着严重的水危机，具体表现为严重的水环境污染和水资源短缺，这 已经成为影响和制约人类社会发展的主要桎梏。水环境污染和水资源短缺状况在发展中 国家尤为突出。以我国为例，改革开放以来，随着经济的发展，人口的增长，工农业生 产规模的扩大，生活污水和工业废水的排放量迅速增加。大量污水未经处理直接排入自 然水体，使我国的大部分江河湖水域遭受了严重的污染。根据2 0 0 4 年中国环境公报， 我国七大重点流域水系的4 1 2 个水质监测断面中，只有4 1 8 的断面达到或优于国家地 表水环境质量标准类，3 0 3 的断面为i v - - v 类水质，2 7 9 的断面属劣v 类水质， 主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类【2 3 j 。 水环境问题一方面是水环境污染，另一方面则是水资源短缺。我国社会经济的快 速发展使资源短缺的矛盾日益突出，其中水资源短缺表现的尤为明显，已经成为影响我 国经济发展和提高人民生活水平的制约因素。我国是世界上公认的1 3 个水资源匮乏的 国家之一，人均水资源占有量是世界人均水平的1 4 还要低，全国6 0 0 多个大中城市中， 3 0 0 多个城市缺水，1 0 8 个城市严重缺水，全国城市的日缺水量约为1 6 0 0 万吨【l j 。随着 经济的发展，人民生活水平的提高，我国水资源供需矛盾将进一步加剧。据预测i l j ，2 0 1 0 年全国总供水量为6 2 0 0 亿- - 6 5 0 0 亿吨，相应的总需水量将达7 3 0 0 亿吨，供需缺口近 1 0 0 0 亿吨。我国水资源面临如此严峻的形势，若在水资源开发利用上无大的突破，水 资源将难以支撑国民经济迅速发展的要求，水资源危机将成为所有资源问题中最为严重 的问题。 1 1 2 我国城市污水处理技术现状及发展方向 鉴于目前水环境污染和水资源短缺问题的严峻性，世界各国的水环境科学工作者普 遍认为，进行有效的污水处理是解决问题的有效途径。 近几年来，随着我国政府对环境保护事业的重视，其投资规模不断扩大，污水处理 厂建设速度明显加快。1 9 8 5 年以前，我国仅有3 8 座污水处理厂，其日处理规模为0 4 2 6 万吨，且一级处理和二级处理各占5 0 。到1 9 9 0 年底，我国已建成城市污水处 理厂8 0 多座，日处理污水能力为4 0 0 万吨。目前我国已有几百座污水处理厂，其中一 级污水处理厂占2 8 1 ，二级污水处理厂占7 1 9 ，设计日处理能力为5 4 0 万吨左右i z j 。 但是，随着我国社会经济的高速发展，城市化率的不断提高，城市的污水排放量也逐年 西安建筑科技大学硕士论文 增加。2 0 0 3 年，全国废水排放总量为4 6 0 0 亿吨，比上年增加4 7 。其中城镇生活污 水排放量2 4 7 6 亿吨，占废水排放总量的5 3 8 。城镇生活污水中化学需氧量排放量8 2 7 1 万吨，占化学需氧量排放总量的6 1 6 。废水中氨氮排放量1 2 9 7 万吨，其中生活污水 氨氮排放量8 9 3 万吨，占氨氮排放总量的6 8 9 。可是，2 0 0 3 年我国生活污水的处理 率仅为2 5 8 f 3 1 。大部分污水未经处理直接排入自然水体，导致地表水环境的严重恶化。 造成这种局面的主要原因是我国现阶段城市污水处理技术较高的资金需求与我国经济 发展水平较低之间的矛盾。现阶段，我国城市污水处理厂普遍采用的工艺为普通活性污 泥法、氧化沟法、s b r 法、a b 法等，尽管这些工艺在国外水污染控制中被证明是行之 有效的技术，但并不一定是最先进的技术，并不一定都完全适合我国的国情。例如，目 前国内大多采用国外引进的氧化沟、延时曝气的s b r 等工艺，延时曝气是一种低负荷 工艺，对于我国这样一个资源不足、人口众多的发展中国家，是否适合推广这种低负荷 的活性污泥工艺是值得推敲的问题。首先，低负荷曝气池的池容和设备是中、高负荷活 性污泥工艺的几倍，所以相应的投资要高数倍；其次，延时曝气对污泥采用好氧稳定的 方法，其能耗比中、高负荷活性污泥工艺高4 0 5 0 左右。能耗增加不仅带来了直接 运行费的增加，同时还要增加间接投资。从可持续发展角度讲，采用这种低负荷工艺是 不适合我国国情的h ”。 对于我国这样一个污染严重、资金短缺的国家，先进水处理工艺的衡量标准应该是 适合我国国情、高效、低耗和低成本的污水处理技术1 5 j 。各类效率高、投入低、可达到 一定治理深度的城市污水处理新技术，对经济尚不够发达而污染亟待治理的我国，在一 段时期内都将具有重要意义。曝气生物滤池工艺体现出处理负荷高、出水水质好、占地 面积省的特点f 6 1 ，是一种适合我国国情的高效、低能耗污水处理工艺，应加大在我匡i 城 市污水处理中的推广力度，使其发挥积极的作用。 1 2 研究目的及意义 近2 0 年以来，我国在保护水环境、控制水污染方面取得了很大进展，然而水污染 状况还未得到很好的控制，有些地区水污染仍在迅速发展，水污染控制的任务还很艰巨。 在我国，现有建成的污水处理厂，特别是城市污水处理厂基本上都是采用传统的活性污 泥法及其变形工艺，虽然这些工艺处理效果尚可甚至也比较好，但普遍存在占地面积大、 基建投资高等不足之处，同时能耗高、效能低，不能满足高效低能的要求。由于污水处 理主要是一项侧重于环境效益和社会效益的工程，在建设和实际运行过程中常常受到资 金的限制，使得治理技术与资金问题相联成为解决我国水污染问题的“瓶颈”。因此， 研究开发适合我国国情的简易、高效、低耗的污水处理新技术是解决我国耳前所面临的 水环境污染和水资源短缺问题的有效途径，将对我国国民经济和社会发展及环境保护具 有十分重要的意义，而且也必将有其巨大的应用范围和市场。曝气生物滤池工艺就是在 2 西安建筑科技大学硕士论文 此背景下研究开发出来的符合上述要求的一种污水处理新工艺。课题的研究将对曝气生 物的应用推广起到一定的促进作用。 1 3 研究内容及方法 1 3 1 研究内容 本课题研究是以单级曝气生物滤池处理模拟生活污水的连续运行试验为主要研究 载体，对曝气生物滤池的处理机理、运行特性及影响因子进行试验研究和理论探讨。详 细分析其处理过程中物理、化学和生物的共同作用的处理机理；对其长期运行进行连续 监测，研究其处理性能；对其影响因子：气水比、水力负荷、污染物容积负荷及填料层 高度作用规律进行研究；对曝气生物滤池反冲洗条件进行研究。 1 3 2 研究方法 在广泛调研、阅读大量国内外文献的基础上，合理设计试验方案，对曝气生物滤池 反应器进行长期运行的结果分析，得出其运行特性的试验结论。 西安建筑科技大学硕士蠢支 2 曝气生物滤池污水处理工艺 2 1曝气生物滤池的产生和发展 曝气生物滤池( b i o l o g i c a l a e r a t e df i l t e r b a f ) 属于生物处理的生物膜法范畴，该 技术最早由法国的c g e ( c o m p a g u i n eg e n e r e l ed e se a n x ) 所属的o t v o m n i u md e f r a i t e m e n t se t v a l o r i z a t i o n ) 公司开剔”。与其他生物膜方法不同，曝气生物滤池将生物氧 化过程与固液分离集于一体，在同一个单元反应器中完成碳源去除、固体过滤和硝化过 程，并且对池结构进行改造后增加了厌氧区的生物滤池还可以进行反硝化脱氮和除磷 瞵j 。曝气生物滤池在二十世纪8 0 年代中后期经历了一个快速发展时期，先后出现了 b i o c a r b o n e 、b i o s t y r 、b i o f o r 等工艺形式睁1 2 】。9 0 年代以来，曝气生物滤池技 术方法、工艺流程不断完善，在填料的选择、反冲洗技术的改进以及提高滤速等方面的 研究都取得了一定的进展。目前，在欧美、日本等地已有数千座大小各异的城市污水处 理厂采用了曝气生物滤池工艺【1 ”。全球范围内以曝气生物滤池作为处理主体工艺的污水 处理厂己超过1 0 0 座以上，主要分布在欧洲及北美地区。亚洲的韩国、中国台湾也有曝 气生物滤池的实际应用，我国内地的大连马栏河污水处理厂也引进了b i o f o r 形式的 曝气生物滤池工艺。这些曝气生物滤池被应用于处理工业废水、生活污水以及微污染水 源水的预处理中，均取得了良好的处理效果，在水处理事业中发挥着越来越重要的作用。 我国对曝气生物滤池的研究尚处于起步阶段，清华大学环境科学与工程系的王占 生所在的课题组，长期以来致力于活性生物滤池对饮用水微污染的研究【1 3 4 1 。研究结果 表明，陶粒活性滤料曝气生物滤池作为饮用水预处理工艺，对水中的c o d 、t o c 、浊 度、色度等都有一定的去除能力，尤其是对氨氮的去除效果非常理想，大部分氨氮去除 率可达到8 0 - - 9 0 。郑俊【7 】领导的课题组，在吸取国内外曝气生物滤池优点的基础上， 结合我国实际情况，在2 0 世纪9 0 年代中后期开发出了国内首座曝气生物滤池专利技术 一一上流式曝气生物滤池0 m a f ) 。其主要处理对象为水中的有机物、氨氮、总氮，该 技术已被广泛应用于城市市政污水、小区生活污水、啤酒废水、养猪厂粪便污水、肠衣 加工废水等的处理。 2 2 曝气生物滤池的应用情况及研究现状 2 2 1 曝气生物滤池的应用 曝气生物滤池是与我国和日本的接触氧化工艺几乎在同时期出现的污水处理方 法，是生物接触氧化技术与给水处理过滤技术有机结合的一种污水好氧处理工艺，即利 用污水处理生物接触氧化与滤池过滤的原理，生物净化与物理过滤相结合，无需设置二 沉池，通过定期反冲洗实现生物膜的脱落与截留悬浮固体的排除，可以保持生物接触氧 4 西安建筑科技大学硕士论文 化的高效性，同时又可以获得良好的出水水质。该技术最初应用于污水的深度处理( 三 级处理1 ，由于其良好的处理性能，应用范围不断扩大，如在污水的二级处理中，曝气 生物滤池体现出了处理负荷高，出水水质好，占地面积小等优点【l ”。我国的沈阳仙女河 污水处理厂采用了两段曝气生物滤池工艺，处理规模3 2 万吨d ，于2 0 0 4 年1 月试运行， 2 0 0 4 年3 月正式运行【1 7 l 。丹麦 1 8 1 的b o r g 污水处理厂采用曝气生物滤池工艺，在进水 c o d 、s s 和n h 3 - n 分别为1 8 7 m g l 、7 3 m g l 和1 8 m g 1 时出水分别达到4 6 m g l 、1 0 r a g 1 和l m g 1 。加拿大正在兴建4 1 万1 1 1 3 d 的城市污水处理设施，法国和德国已分别建成2 4 万m 3 d 和3 l 万m 3 ，d 的b a f 污水处理设施。我国大连市利用世界银行贷款，已修建成 1 2 万m 3 d 的马栏河城市污水处理厂，在北京等城市有5 个b a f 工程已完成或正在旋工 1 9 1 郑州污水处理厂回用水工程针对曝气生物滤池进行了中试研究，在n h 3 n 负荷为 o 9 9 k g ( m 3 d ) ，溶解氧2 m g l ，反冲洗周期1 0 天，反冲洗时间气、水各1 5 分钟，气冲 洗强度6 0 m 3 ( m 2 d ) ，水冲洗强度3 0m 3 ( m 2 d ) 的运行条件下，运行效果良好，氨氮、 s s 、c o d 的去除率分别达到9 6 1 、5 0 、3 5 ，曝气生物滤池出水氨氮可低于或接 近1 m g n ，满足地表水环境质量标准( g h z b l 1 9 9 9 ) i v 类水体标准，出水c o d 满足 再生水回用于景观水体的水质标准c j f i 9 5 - 2 0 0 0 ，出水t p 日平均0 1 8 m g l 满足地表 水四类水体的水质标准i l ”。 2 2 2 曝气生物滤池的研究现状 在有机物及s s 的去除方面，由于填料和生物膜的作用，曝气生物滤池的污泥龄 ( s r t ) 长，而相应的水力停留时间0 m t ) 短，因而有机物去除效率高，处理水量大。邱 立平等【2 们，利用二段曝气生物滤池处理生活污水的试验发现c o d 和s s 的去除率分别 达到9 0 和8 5 以上。r p u j o l 等1 2 3 1 通过滤速分别为6 5 m h 和1 3 m h 时的中试试验结 果表明，在平均负荷为5 4 k g ( m 3 d ) 的条件下，b o d 5 去除率可达8 0 以上，而且滤速 对b o d 5 的去除没有影响。这些研究结果充分表明，曝气生物滤池在有机废水的处理中 有很大的应用潜力。 硝化性能研究一直是曝气生物滤池技术的核心课题，很多学者也正在这方面进行 更加深入的研究。张志斌 2 4 1 采用两段曝气生物滤池处理城市污水的研究结果表明，在气 水比6 ：i ，滤速2 2 m h ，进水c o d 浓度为2 6 0 - - 6 0 0 m g 1 ，进水n h 3 - n 浓度为5 2 - - 9 0 r a g 1 的条件下，其c o d 、n h 3 - n 的去除率分别达到8 0 2 和9 7 8 。江萍【2 5 1 利用两级曝气 生物滤池处理城市污水的研究表明，c o d 的去除主要在c n 塔内进行，去除率达到7 0 左右，而n h 3 - n 的去除率只有2 0 左右。在n 塔出1 ：3n h a - n 则去除了8 0 ，因此 n i l 3 - n 去除主要在n 塔内进行。张显龙等 2 6 1 对上流式两段曝气生物滤池工艺的试验研 究表明，在水力停留时间为8 1 0 h ，容积负荷为3 5 4 5k g ( m 3 d ) ，c o d 、s s 和n h 3 - n 的平均去除率分别为8 7 5 、7 7 4 和6 7 1 ，c o d 最低可降至3 9 6 m g l ，s s 最低可 西安建筑科技大学硕士论文 降至2 1 7m g l ，n h 3 - n 最低可降至1 5 2m g 1 ，这些结果说明上流式两段曝气生物滤池 处理生活污水是可以得到令人满意的处理效果的，尤其n h 3 - n 的去除率大大超出预想 效果，比其他形式的曝气生物滤池去除率高的多。王春荣等【2 8 】通过温度对曝气生物滤池 反应器脱氮效果的影响试验，认为2 0 为温度临界点，当温度低于2 0 时，氨氮的去 除率较低，仅为进水的2 5 左右；而当温度高于2 0 。c 时，氨氮的去除率明显升高，达 到6 5 以上，并随着温度的进一步升高，氨氮去除率增加的较缓慢，随着温度的升高 出水硝态氮含量略有增加趋势，从2 5 3 0 m g n 1 ( 1 5 c ) 升高到6 9 7 0 m g n 1 ( 3 0 ) ， 而出水亚硝态氮浓度基本上稳定在0 3 o 7m g n 1 之间。这些研究结果表明，曝气生 物滤池的硝化性能还有待于做进一步的研究。 有关曝气生物滤池反硝化脱氮方面的研究也是一个热点领域。因为曝气生物滤池 属于生物膜法的范畴，而在生物膜系统中由于存在着厌氧区，可实现一定程度的反硝化 脱氮，脱氮效率的高低取决于底物条件、传质条件即反硝化细菌的代谢特点。在曝气生 物滤池系统中，反硝化以两种形式进行，即在滤池设置缺氧区或单独设置一个不曝气的 反硝化生物滤池，并根据底物供应情况决定是否投加碳源物质【8 l 。哈尔滨工业大学的王 春荣等口卅在曝气生物滤池的脱氮方面做了大量的研究。p c h u d o b a 3 0 】和k r g i l m o r e l 3 】 等也对曝气生物滤池的硝化反硝化脱氮进行了比较深入的研究。有关曝气生物滤池的反 硝化功能，在饮用水处理和污水的三级处理中将发挥巨大的作用。 曝气生物滤池对磷的去除主要是通过加入化学除磷剂，在通过反冲洗排除富磷污 泥，或是在一级强化过程中通过化学混凝除磷l 8 5 ”。单纯的通过生物除磷在曝气生物滤 池工艺中似乎还有很大难度，有资料表明【7j 采用曝气生物滤池处理生活污水时，磷的去 除率很低，出水磷浓度远远满足不了国家排放标准对磷浓度的要求。目前情况下采用与 化学除磷技术相结合的方式还是主要的选择方案。同步除磷的不足一直也是该工艺的最 大不足之处，以后的研究有望在这方面取得突破。 生物滤料作为曝气生物滤池的核心组成部分，影响着该工艺的处理效果和运行控 制，故选择合适的滤料对曝气生物滤池工艺的推广和应用意义非常大【7 1 。由于传统的接 触填料存在一定的缺陷，限制了曝气生物滤池在我国污水处理中的应用，因此选用一种 好的滤料非常重要。生物滤池的最初阶段，人们用的最多的生物滤料是砂石，而到近年 的曝气生物滤池发展过程中，无机类滤料逐渐从砂石发展到活性火山岩、沸石类、矿渣 以及陶瓷材料等，如b i o c a r b o n e 工艺中采用的滤料主要是砂石，b i o f o r 工艺中采用的 滤料主要为活性火山岩，而目前国内在曝气生物滤池中应用最广泛的滤料是性能与火山 岩类似的轻质生物陶粒。t d k e n t 等【3 2 l 认为，塑料滤料不适合于作曝气生物滤池滤料， 并对七种可能应用于曝气生物滤池的滤料进行了系统的试验分析，研究分析认为最适合 作曝气生物滤池的滤料是a r l i t a ，其次是页岩。英国，美国和印度等国已制定了曝气 生物滤池的相应标准，法国德利满公司对应用于曝气生物滤池的滤料也制定了相应的说 明书及测试规范，可见各国对曝气生物滤池的滤料都有严格的要求。在我国，对曝气生 物滤池滤料的研究一直在进行，并对多种滤料进行了试验，对页岩陶粒、球形轻质多孔 粉煤灰黏土陶粒、砂、褐煤、沸石、炉渣、麦饭石、焦炭等进行筛选，并与生物活性炭 进行了比较，认为陶粒、砂石、大同沸石和麦饭石优于其他几种材料。总之，填料的选 择应综合各种因素，即要考虑颗粒的堆积容重和表观密度，又要考虑其比表面积及总孔 容积，同时还要考虑微孔、过渡孔和大孔各自所占的比率，因细菌生长主要依赖大孔， 微孔过多对细菌生长并无作用。颗粒填料的选择当然还应该本着价格低廉和易于就地取 材的原则。目前应用较多的填料主要是以黏土和粉煤灰为主要原料的球形轻质生物陶粒 滤料和页岩陶粒。球形轻质多空生物陶粒外表呈灰黄色，表皮坚硬，内部为铅灰色，多 空质轻。陶粒表面较粗糙，不规则，有很多孔径较大的孔洞，相互之间不相通，由于这 种陶粒表面主要是一些开孔大于0 5 微米以上的孔洞，而细菌直径为0 5 1 0 微米， 这对于微生物附着生长是有利的。页岩陶粒也可作为曝气生物滤池的滤料，但实际运行 过程中，由于页岩陶粒跑料现象严重，同时由于形状不规则，所以运行一段时间后导致 料顶面高低不平，使气水在运行时通过不同部位时的阻力不均匀，大大减小了滤料的使 用率。同时在反冲洗时由于滤料层内阻力不均匀，导致冲洗不干净，所以工程中建议选 用球形轻质多孔生物陶粒滤料作为曝气生物滤池的滤料较合适。球形轻质多孔生物陶粒 与国外的a r l i t a 性能相仿。主要有以下特点：由于天然陶土或黏土、粉煤灰并添加 部分辅料加工而成，强度大，空隙率大。比表面积大，化学和物理稳定性好。与常规的 玻璃钢等规则滤料相比，具有生物附着性强、挂膜性能良好、水流流态好、反冲洗容易 进行、截污能力强等优点。形状规则，粒径可小可大，密度适宜，克服了不规则滤 料水流阻力大、易结球并引起滤池堵塞、反冲洗强度大、易冲刷破碎的缺点。 在制 作过程中采用陶土、黏土、粉煤灰为原料、加入适量的辅料，经球磨、成形、烧成、筛 分等工序加工而成；通过控制适当的配料和烧成工艺，可改变陶粒的密度，且使其表面 粗糙、多微孔、不结釉。以轻质圆形陶粒作接触填料，采用曝气生物滤池处理污水， 可以充分利用滤料的比表面，起到深度处理作用。采用球形轻质多孔生物陶粒作为曝气 生物滤池滤料的实际工程应用在我国已有数十个，从运行的实际效果来看，都能满足设 计要求。以上几种滤料都属于硬性材料，而软性填料的开发研究还未见报道。 另外，有关曝气生物滤池生物膜的处理机理以及反应动力学方面的研究报道还很少 见，随着研究工作的不断进行和深入，有望在这些方面对曝气生物滤池的理论有所突破。 2 3 曝气生物滤池的机理及特点 2 3 1 曝气生物滤池的原理 7 西安建筑科技大学硕士论文 曝气生物滤池的基本原理是在一级强化的基础上，以颗粒状填料及其吸附生长的生 物膜为主要处理介质，充分发挥生物代谢作用、生物絮凝作用、物理过滤作用及生物膜 和填料的物理吸附作用以及反应器内食物链的分级捕食作用，实现污染物在同一单元反 应器内得到去除 8 - 3 3 1 。曝气生物滤池借鉴了生物接触氧化反应器和深床过滤单元的设 计原理，省去了二次沉淀池设备，大大减少了占地面积m j 。 1 过滤及吸附阻截作用 曝气生物滤池的最大特点是使用了一种粒状填料，粗糙多孔的颗粒状填料具有很大 的比表面积，因此曝气生物滤池具有优良的过滤性能，污水在垂直方向上通过填料层时， 滤料呈压实状态，利用滤料粒径较小的特点，截留水中的大量悬浮物【3 5 】，这种吸附和阻 截所积累的有机颗粒增加了滤料表面的粗糙程度，从而加强了吸附阻截作用。与此同时， 微生物同样在滤料表面落户并大量繁殖形成生物膜，微生物新陈代谢作用中产生的粘性 物质如多糖类、酯类等起吸附架桥作用，与悬浮颗粒及胶体粒子粘结在一起，形成细小 絮体，通过接触絮凝作用而被去除。因此，有机物得以去除的第一步是吸附与阻截作用 共同完成地，是滤料与生物膜的联合作用。 2 生物代谢作用 在曝气生物滤池中，池底提供曝气，通过布水装置流到滤料表面的废水一部分被吸 附在滤料表面，成为呈膜状的附着水层，另一部分则以薄膜状流过滤料，成为流动水层。 滤料间隙的空气不断地向流动水层转移，使流动水层保持充足的溶解氧，废水中又含有 丰富的有机物，因此，流动水层具有使好氧微生物繁殖活动的良好条件，废水连续流动， 在滤料表面上即生成生物膜并逐渐成熟。在生物膜上栖息生长着大量的种类繁多的微生 物，成为生物膜法的工作主体。生物膜主要是由细菌组成的，1 9 生物膜有1 0 “个细菌， 其表面积1 2 0 0 盯。生物膜的菌种组成取决于污水中的污染物。曝气生物滤池中的生物 膜是在明显的好氧过程中形成的，除了异养菌外，其中还有大量的自养菌，如亚硝化菌、 硝化菌；除单细胞细菌外，生物膜中还生长着少量的丝状菌、酵母和个别的霉菌菌丝体。 生物膜中的微型动物大部分是单细胞的原生动物，如肉足虫、鞭毛虫、纤毛虫和吸管虫： 但在生物膜中还有构造比较复杂的后生动物，如轮虫、圆形蠕虫。 生物膜中的所有微生物都积极参与有机物的矿化作用。细菌是有机物主要的矿化微 生物。肉足虫吞食污泥颗粒，把一系列复杂的物质转化为简单的、方便其他种类微生物 食用的物质。纤毛虫和其他原生动物起着细菌发展调解者的作用，从而为矿化过程造就 有利条件，依靠往介质中分泌黏液，有助于细颗粒分散悬浮物的絮凝作用。污水在流过 载体表面的过程中，污水中的有机污染物被生物膜中的微生物吸附，并通过氧向生物膜 内部的扩散，在膜中发生生物氧化等作用，从而完成对有机污染物的分解。扩散过程在 生物膜动力学行为中是一个必须考虑的因素，污染物、溶解氧及各种必需营养物首先要 西安建筑科技大学硕士论文 经过液相扩散到生物膜表面，进而到生物膜内部，只有扩散到生物膜表面或内部的污染 物才能有机会被生物膜微生物所分解与转化，最终形成各种代谢产物。生物膜表层生长 的是好氧和兼氧微生物，其厚度约2 1 m ，在这里，有机污染物经微生物好氧代谢而降解， 终点产物是h ：0 、c o ：、n 1 3 等。由于氧在生物膜表层已耗尽，而在好氧层的深部由于扩散 作用制约了溶解氧的渗透往往形成厌氧区，使生物膜内层的微生物处于厌氧状态，在这 里，进行的是有机物的厌氧代谢，终点产物为有机酸、乙醇、醛和h ：s 等。由于微生物 的不断繁殖，生物膜逐渐增厚，超过一定厚度后吸附的有机物在传递到生物膜内层的微 生物以前，已被代谢掉。当厌氧层还不够厚时，它与好氧层保持着一种平衡稳定的关系， 好氧层能够保持良好的净化功能。当厌氧层逐渐加厚时，其内部微生物因得不到充分的 营养而进入内源代谢，这些代谢产物向外溢出时，必然要透过好氧层，从而破坏了好氧 层生态系统的稳定性。同时厌氧层气态代谢产物的不断溢出又减弱了生物膜在载体上的 固着力，促进了生物膜的脱落，失去其黏附在载体上的性能，脱落下来随水流出反应器， 载体表面再重新生长出新的生物膜。就是在这种微生物不断更新的过程中，污水中的有 机污染物得到去除，从而污水得到净化。生物膜的周期更新，是维持生物膜净化功能的 重要因素，生物膜的脱落速度与有机负荷、水力负荷有关。此外，在生物膜反应器中， 由于微生物被固着在载体上，因此与污水的水力停留时间没有直接关系，增殖速度慢的 微生物也能够生长繁殖，例如硝化细菌等；正因如此，生物膜上的微生物在种属上是多 种多样的，而且可以形成稳定的生态系统。 3 食物链的分级捕食作用 任何一种生物处理过程都存在着与处理工艺、有机物类型及环境条件密切相关的生 物类群系列，而生物膜法由于其独特的特征表现出丰富的生物相特征。生物膜中的种群 构成复杂多样，丝状真菌和丝状细菌的种类数量特别多，线虫类、轮虫类等后生动物也 较多的出现，甚至有光照的地方还会有藻类出现，这样丰富的微生物种群特征使得生物 膜内的食物链关系特别复杂，因而也使有机食料在这一食物链系统中得到迅速彻底的转 化。一般而言，构成生物膜的生物种类数量要比活性污泥系统的多得多，其食物链也比 活性污泥的长而复杂。在曝气生物滤池中，沿着水流方向自上而下有明显的食物链分级， 每一段的优势生物类群各不相同，基本上形成了有机物一细菌一原生动物的食物链，同 时加上其交叉所形成的网状食物链关系，使反应器系统的物质转化效率达到最高。另外， 随着有机物浓度的逐渐降低，水流尾段反应器区域的细菌可以进入内源呼吸阶段从而自 身氧化，大大降低了出水中的有机物浓度，达到处理的目的p 6 j 。 因此，曝气生物滤池处理污水的作用机理可以归结为吸附阻截、生物氧化和食物链 捕食这三个方面的共同作用。 2 3 2 曝气生物滤池的特点 9 西安建筑科技大学硕士论文 曝气生物滤池具有很多优点【”： ( 1 ) 同步发挥生物氧化作用、生物絮凝、吸附和物理截留作用，生物相复杂，处 理效率高。 ( 2 ) 采用气水平行上向流，使气、水进行较好的均匀分布，防止了气泡在滤料层 中的凝结，氧利用率高，能耗低。 ( 3 ) 与下向流过滤相反，上向流过滤持续在整个滤池高度上提供正压条件，可以 更好地避免沟流或短流。 ( 4 ) 采用气水平行上向流，使空间过滤能被更好地利用，空气能将固体物质带入 滤床深处，在滤池中能得到高负荷、均匀的固体物质，延长了反冲洗周期，减少清洗时 间和清洗时的用水、用气量。 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： ( 1 ) 较小的池容和占地面积曝气生物滤池的b o d 。容积负荷可达到5 6 姆 b o o 。( 1 1 1 3 d ) 。是常规活性污泥法或接触氧化法的6 1 2 倍，所以它的池容和占地面积 只有活性污泥法或接触氧化法的1 l o 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1 3 0 0 。容积负荷为6k g1 3 0 1 ) 。( m 3 d ) 时，其出水s s 和b o d 。可保持在1 0m g 1 以下，c o d 可保持在6 0m g 1 以下，远远低于国家污水综合 排放标准的一级标准。 ( 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