（市政工程专业论文）组合生物滤池处理生活污水特性研究.pdf

摘要 摘要 生物滤池自诞生以来，以其稳定的处理效能，优良的耐冲击负荷性能而被广 泛应用。其中曝气生物滤池高效的硝化性能是其最大优势，但是在广泛的工程实 践中，该工艺的反硝化性能却一直比较低下，究其原因是由于滤池中难以存在严 格的缺氧区和厌氧区以及碳源的供应不足。因此，本研究在吸取传统曝气生物滤 池运行机理的基础上，将单级生物滤池进行三级串联，实现了生物滤池好氧段和 缺氧段的分离，并在缺氧段引入原污水强化反硝化效果，为解决这一问题提供了 新的思路。本文采用组合生物滤池处理生活污水，主要研究了第一段好氧生物滤 池的启动特性，不同运行条件对系统及单级生物滤池去除污染物的影响。研究了 不同碳氮比条件下缺氧生物滤池的反硝化效果。试验结果表明： 第一段好氧生物滤池采用接种挂膜法启动所需时间较短，大约经过1 3 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 、4 5 左右。 组合生物滤池处理生活污水的试验表明，水力负荷在一定范围内变化时系统 对c o d 去除效果影响较小。水力负荷升高时，系统对氨氮的去除效果略微下降。 对于第一段好氧生物滤池而言，降解c o d 的最佳滤料层为滤池上部；氨氮去除的 最佳滤料层为滤池中下部。对第一级好氧柱进出水含氮化合物变化趋势分析表 明，在不同水力负荷下均有一定量的氮流失现象，该段反应器内发生了同步硝化 反硝化反应。 以原污水为反硝化碳源，考察在不同c o d n 0 3 - n 条件下第二级缺氧柱反硝 化效果。研究结果表明，当c o d n 0 3 - n 为4 9 7 ：1 时，缺氧柱对硝酸盐氮和亚 硝酸盐氮的去除效果较好。由于反硝化碳源不足或过量导致缺氧柱出水硝酸盐氮 剩余或c o d 较高。 关键词：组合生物滤池；生活污水；碳源；反硝化 a b s t r a c t a b s t r a c t b i o f i l t e rh a sb e e nw i d e l yu s e da l lo v e rt h ew o r l dd u et oi t ss t a b l et r e a t m e n t p e r f o r m a n c ea n de x c e l l e n ta b i l i t yt or e s i s ts h o c k1 0 a ds i n c ei tw a sb o r n e s p e c i a l l yf o r b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b a f ) ，w h i c hi s c h a r a c t e r i z e db yi t sh i 曲n i t r i f i c a t i o n e f f i c i e n c y ，b u ti t sd e n i t r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yi sr e l a t i v e l yl o wi nt h ea p p l i c a t i o no f e n g i n e e r i n gp r a c t i c eb e c a u s es t r i c ta n a e r o b i co ra n o x i ca r e ac a nh a r d l ye x i s ti nt h e f i l t e ra n dc a r b o ns o u r c ec o u l dn o tb es u p p l i e da d e q u a t e l y h e n c e ，i no r d e rt os o l v e t h i sp r o b l e m ，t h i ss t u d yc o m b i n e dt h r e es i n g l eu n i to fb i o f i l t e rp r o c e s sb a s e do nt h e t r a d i t i o n a lo p e r a t i o n a le x p e r i e n c eo fb a fa n dt h u sa c h i e v e dt h es e p a r a t i o no fo x i c a n da n o x i cs e c t o r s b e s i d e s ，r a ww a s t e w a t e rw a sa d d e dt oa n o x i cc o l u m nt oe n h a n c e d e n i t r i f i c a t i o np e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r ，ac o m b i n e db i o f i l t e rs y s t e mw a sa d o p t e dt o c a r r yo u tt h es t u d yo nd o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h i s r e s e a r c h m a i n l y i n v e s t i g a t e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t a r t u pi n t h ef i r s to x i ec o l u m n i n f l u e n c eo n r e m o v a le 伍c i e n c i e so fp o l l u t a n t su n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o n a lc o n d i t i o n sa n de f f e c to f d i f f e r e n tc a r b o nt on i t r o g e nr a t i o so nd e n i t r i f i c a t i o np e r f o r m a n c ei nt h ea n o x i c b i o f i l t e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ： s u c c e s s f u lb i o f i l mc u l t u r i n gc a nb ea c h i e v e di nt h ef i r s to x i cc o l u m na f t e ras h o r t t i m eo fa b o u t13d a y s c o r r e s p o n d i n gt oc o da n da m m o n i ar e m o v a le f j f i c i e n c i e so f 7 5 a n d4 5 r e s p e c t i v e l y w h e nh y d r a u l i cl o a d i n gv a r i e di nc e r t a i nr a n g e ，t h ew h o l es y s t e mh a sas m a l l i m p a c to nc o d r e m o v a le f f i c i e n c y a m m o n i ar e m o v a le f f i c i e n c yd e c r e a s e ds l i g h t l y 2 u sh y d r a u l i cl o a d i n gi n c r e a s e d t h eo p i t i m a lc o dr e m o v a lp e r f o r m a n c ec o u l db e o b t a i n e di nt h eu p p e rp a r to ft h ef i r s to x i cc o l u m nw h i l et h eb e s ta m m o n i ar e m o v a l e f ! f i c i e n c yw a sa c c o m p l i s h e di nt h em i d d l ea n dl o w e rp a r to ft h ef i r s to x i cc o l u m n t h r 0 u g ht h ea n a l y s i so fd i f f e r e n c e so fn i t r o g e n o u sc o m p o u n d sc o n c e n t r a t i o n sb e t w e e n i n f l u e n ta n de f j f l u e n ti nt h ef i r s to x i cc o l u m n , l o s so fn i t r o g e nt o o kp l a c ea td i f f e r e n t h y d r a u l i cl o a d i n g s i t c a nb ec o n f i r m e dt h a ts i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o no c c u r r e di nt h i sr e a c t o r i no u re x p e f i m e n t a lc o n d i t i o n t h es e c o n da n o x i cc o l u m np e r f o r m e dw e l lo n n i t r i t ea n dn i t r a t er e m o v a la tac o d n 0 3 - nr a t i oo f4 9 7w i t hh y d r a u l i cl o a d i n go f 0 6 m m 2 h o t h e r w i s e ，s c a r c i t yo fc a r b o ns o u r c ec a u s e dah i 曲r e s i d u a ln i t r a t e c o n c e n t r a t i o na n de x c e s so f c a r b o ns o u r c el e dt oah i 曲e m u e n tc o dc o n c e n t r a t i o n k e yw o r d s ：c o m b i n e db i o f i l t e r ；d o m e s t i cw a s t e w a t e r ；d e n i t r i f i c a t i o n ；c a r b o n n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 躲皿嗍业 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：扯导师签名：瀣盘日期兰坐 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 水环境污染及其治理 1 1 1 水环境污染与水资源短缺 水作为一种资源，以往人们往往是在水利水害上做文章，很少去研究它与经 济、社会发展的关系，以及对城市发展的影响，但进入2 0 世纪以来，随着社会 生产力的快速发展，水的需求急速增多，全球性的水荒在一百多个国家出现。我 国水资源总量虽约为2 7 0 0 0 亿m 3 ，居世界第六位，但按平均数来看，我国水资 源量不足2 4 0 0 m 3 ，仅为世界人均水平的1 4 ，排名第1 1 0 位。由于各地区处于不 同的水文带及受季风气候影响，降水在时间和空间分布上极不均衡，水资源与土 地、矿产资源分布和工农业用水结构不相适应【l 】。根据2 0 0 1 年3 月2 2 日“世界 水日”首发的中国可持续发展水资源战略研究报告集中所指，目前全国6 6 9 座城市中，有4 0 0 多座城市缺水，其中1 1 0 多座城市严重缺水。全国城市缺水量 达1 6 0 0 万i 一，全年因城市缺水影响产值2 0 0 0 亿人民币以上，影响城市人1 3 约 4 0 0 0 万人。由于缺水，我国2 0 世纪8 0 年代地表水年入海量仅相当5 0 年代的1 2 0 ； 城市地下水长期大量超采，造成大面积区域性的地下水位下降；河流稀释能力减 弱，水污染日趋严重；由于水资源短缺，部分地区工业与城市生活、农业生产及 生态环境争水矛盾突出，部分地区江河断流，地下水位持续下降，生态环境日益 恶化。近年来，城市缺水形势严峻，缺水性质从以工程型缺水为主向资源型缺水 和水质型缺水为主转变。城市缺水有从地区性问题演化为全国性问题的趋势，一 些城市由于缺水严重影响了城市的生活秩序，城市发展面临挑战。 缺水是中国的一个基本国情，应该想方设法节约用水。然而，浪费水的现象 却相当严重。我国的用水总量和美国相当，但g d p 仅为美国的1 8 。全国农业灌 溉水的利用系数平均约为0 4 5 ，而先进国家为o 7 甚至o 8 。1 9 9 7 年，全国工业 万元产值用水量1 3 6 m 3 ，是发达国家的5 - - 1 0 倍。工业用水的重复利用率据统计 为3 0 - 4 0 ，实际可能更低，而发达国家为7 5 - - 一8 5 。全国多数城市用水器 具和自来水管网的浪费损失率估计在2 0 以上。 在缺水的同实，大量的污水进入自然水体导致了严重的水环境污染。2 0 0 2 年，全国工业和城镇生活废水排放总量为4 3 9 5 亿吨，其中工业废水排放量2 0 7 2 亿吨，城镇生活污水排放量2 3 2 3 亿吨，比加0 1 年都有不同程度增加【2 1 。据2 0 0 3 年中国环境质量状况公报，主要水系中海河、辽河和淮河污染程度略有减轻，松 北京t 业大学工学硕j ：学位论文 花江、珠江污染加重，渤海和东海近岸海域水质有所改善，但污染仍重；“三湖 水质均为劣v 类，污染较重，主要污染指标为总氮和总磷，按富营养化评价分 析，太湖为轻度富营养，巢湖为中度富营养，滇池为重度富营养【”。水环境污染 的总体状况是地表水污染普遍，特别是流经城市的河段有机污染较重，湖泊富营 养化问题突出，地下水受到点状或面状污染，造成“水质型 缺水严重，加剧了 水资源的供需矛盾。 水环境的污染不仅降低了水体的使用功能，而且使水体中生态结构遭到破 坏，严重影响鱼的生存和渔业生产，也容易造成疾病蔓延、中毒，威胁到城乡居 民的饮水安全和人民群众的健康，对我国正在实施的可持续发展战略带来了严重 的负面影响。 1 1 2 水污染治理及污水资源化 随着我国社会和经济的高速发展，城市环境污染特别是水污染的问题日趋严 重，城镇生活污水的排放量逐年增加【4 】。目前，我国污水治理面临的形势是，水 污染严重、治理起步晚、基础差、要求高。根据国家污水排放预测和环境治理 2 0 1 0 年远景规划【5 】，我国在2 0 1 0 年污水排放总量约为7 6 3 亿m 3 ，需要处理4 5 ， 即为3 4 3 8 亿m 3 ，每日处理量达9 4 0 7 万一。而目前我国已建成的污水处理系统 日处理能力不到3 0 0 0 万m 3 ，还有大量污水必须在今后几年内治理达标。同时， 不少地方要求污水处理必须达到回用标准，实现污水处理资源化，这就在数量和 质量上提出了很高的要求。然而，资金和技术已经成为制约我国污水处理的两大 主要因素。统计资料表明，到2 0 1 0 年需要增加近7 0 0 0 万i 一的日处理能力p j ， 按照目前造价估算约需投资1 4 0 0 亿元。 为改善我国的水环境，保护水资源，在学习国外成功和先进经验的同时，应 汲取国内外的失败教训，结合我国的实际情况，研究开发简易、高效、节能并适 合于我国国情的污水处理技术、设备和工艺，在污水处理的同时实现污水的无害 化和资源化，实现水的良性循环和水资源的可持续利用。 城市污水资源化是将污水进行净化处理后，进行直接或间接的回用，使之成 为城市水资源的一个组成部分，这样既可防止水污染，又可保护和改善生态环境， 是缓减水危机的重要途径睁引。许多国家都把污水作为第二水源，并在一定范围 内建立了回用系统( 中水道系统) ，实行分质供水。污水回用主要用于以下几方面： 回用于工业：工厂水回用包括两方面，一是本厂回用，提高水的循环利用率； 另一方面是利用城市再生水代替新鲜水或自来水。主要的用途有：冷却系统的补 充水；直流冷却，包括水泵、压缩机和轴承的冷却等；洗涤水：杂用水，包括厂 区灌溉、消防与除尘。 回用于农业：城市污水中含氮、磷和有机质，可以提高农作物的产量，但由 2 第l 章绪论 于工业废水污染，污水中含有不少重金属和难降解的有机物质，对土壤、农作物 和地下水造成严重的污染。如果加强对工业污染源的控制，将城市污水经二级处 理后，回用于农业相当有利。 此外，再生水还可用做城市杂用水或回灌地下。 1 2 曝气生物滤池技术 1 2 1 曝气生物滤池的产生与发展 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 ，简称b a f ) 是继滴滤池、生物接 触氧化池之后的新一代生物膜法污水处理工艺，它的出现与具体的环境密切相 关。随着环境污染特别是水环境污染的日益加剧，世界各国对污水的排放标准限 制得越来越严格。传统的生物处理已不能再满足出水水质的要求，世界各国竟相 开发新的处理工艺，这样的背景为b a f 的发展提供了空间。曝气生物滤池的前 身是淹没式生物滤池。1 9 1 3 年1 9 该技术开始在美国l a w r e n c e 开始应用，初称淹 没式接触曝气池( s u b m e r g e dc o n t a c t a e r a t o r ，简称s c a ) ，池内填料一般采用焦炭 及过滤板等，为防止固体在滤池内堵塞，通入空气冲堵，并设置沉淀池【l 们。淹没 式生物滤池兼具普通生物膜法与活性污泥法的优点，通过人工曝气，一方面保持 了充足的溶解氧，另一方面利用气泡的扰动，有效地更新了生物膜，保持了生物 膜的活性。 随着处理负荷的增大，反应器中的生物浓度和活性也要相应增加，增加生物 浓度和活性的有效方法就是增加填料比表面积。粒径小的填料能够提高比表面 积，但采用小径填料，滤池容易堵塞。因而早期的浸没式生物滤池都围绕着填料 进行工艺改革，使反应器能维持高的生物浓度又不会产生堵塞。2 0 世纪7 0 年代 末出现一种新型的生物滤池，它被引入了反冲洗，通过反冲洗的方式更新生物膜 和清除截留的悬浮物：同时，填料粒径的减小，除增大比表面积和生物浓度外， 还提高了截留悬浮物的功能，从而使系统出水不再需利用沉淀进行固液分离，节 约了二沉池。可以说，具有截留悬浮物和利用反冲洗的方式更新生物膜、解决堵 塞问题是曝气生物滤池工艺成熟的标志【l 卜乃j 。 该工艺首先应用于污水的三级处理，通常被置于常规二级处理之后，后来由 于其处理负荷高、占地小、出水水质稳定等优点而直接发展为二级处理技术，以 后又逐渐被应用到一些工业废水的治理中【1 4 - 1 6 】。短短十几年时间，欧美等国家已 建造了近两百座以b a f 为主体工艺的城市污水处理厂，其发展势头和研究课题 越来越受到各国研究者和世界大型水务公司的关注。 3 北京t 业大学t 学硕f ：学位论文 1 2 2 曝气生物滤池的原理和工艺特点 曝气生物滤池对污染物质的去除是基于生长在粒状填料上的高浓度生物膜 发挥的生物氧化分解、过滤截留和絮凝网捕作用，所以曝气生物滤池拥有很强的 有机物、悬浮物去除能力，并且在进水水质适当的情况下拥有良好的硝化能力， 同时通过控制溶解氧等方式能实现一定程度的同步硝化反硝化。一般而论，曝气 生物滤池具有如下特点【r 陀1 j ： b a f 水力负荷高、容积负荷大、水力停留时间短、出水水质高。 ) b a f 占地面积小，基建投资省。b a f 反应时间短，具有同步去除b o d 5 及悬 浮物的功能，可以不设二次沉淀池。 菌群结构合理。传统的活性污泥法微生物的分布相对均匀，而在b a f 中沿 污水流程能形成不同的优势生物菌种，可使有机物降解、硝化反硝化能在同一 个池子中发生，简化了工艺流程。在距进水端较近的滤层中，污水中的有机物浓 度较高，各种异养菌占优势，主要是去除b o d 5 ；在距出水端较近的滤层中，污水 中的有机物浓度已较低，自养型的硝化菌占优势，可以进行氨氮的硝化反应。 在设置回流或单独设置反硝化段的情况下可以实现较好的脱氮效果。 耐冲击能力强。b a f 滤池的滤层内保持着高浓度的生物量，对水质、水量 及温度变化有较强的适应性，不像活性污泥法那么敏感。 1 2 3 曝气生物滤池的类型和工作原理 曝气生物滤池的工艺形式在进水方式、填料选择和使用功能上各有不同，可 分为上向流曝气生物滤池和下向流生物滤池；悬浮填料曝气生物滤池和淹没固定 填料曝气生物滤池：去碳曝气生物滤池、硝化生物滤池和反硝化生物滤池等。目 前在工程中使用的形式分为四大类【2 i 五6 】：即b i o c a r b o n e ，b i o f o r ，b i o s t y r 和 b i o p u r ，各自的构造特点如图1 - 1 ，图1 - 2 和图卜3 所示。其中b i o p u r 的形式 与b i o f o r 基本相同，只是b i o p u r 的填料根据不同水质采用波纹板、陶粒或石英 砂，以取得不同的处理效果。 ( d bio c a r b o n e b i o c a r b o n e 结构示意如图i - i 所示，其填料为密度比水大的球形填料，污 水从滤池上部流入，下向流流出滤池。在滤池中下部设曝气管进行曝气，气水处 于逆流，在反应器中，有机物被微生物氧化分解，n h 3 一n 被氧化成n 0 3 - - n 。另外， 由于在生物膜内部存在厌氧兼氧环境，在硝化的同时能实现部分反硝化。运行 中，滤池因截留了s s 和生物膜的生长，水头损失逐渐增加，达到设计值后，开 始反冲洗。一般采用气水联合反冲，底部设反冲洗气、水装置。 4 第1 章绪论 图l 一1b i o c a r b o n e 滤池示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fb i o c a r b o n e b i o s t y r b i o s t y r 采用密度小于水的填料，一般为聚苯乙烯小球，填料漂浮于水中。 其结构示意如图1 - 2 所示。 经预处理的污水( 主要是去除s s 以避免滤池频繁反冲洗) 与经过硝化后的滤 池出水按回流比混合后经进水管进入滤池底部，并向上首先流经填料层的缺氧 区。缺氧区内，一方面，反硝化细菌利用进水中的有机物作为碳源将滤池进水中 的n 0 3 - - n 转化为n 2 ，实现反硝化脱氮。另一方面，填料上的微生物利用进水中 的溶解氧和反硝化过程中生成的氧降解b o d ，同时s s ，也通过一系列复杂的物化 过程被填料及其上面的生物膜吸附并截留在滤床内。经过缺氧区处理的污水流经 填料层内的曝气管后即进入了好氧区，并与空气顺流向上流经填料层。水、气上 升过程中，该区填料上的微生物利用气泡中转移到水中的溶解氧进一步降解b o d ， 滤床继续去除s s ，污水中的n h 3 一n 被转化为n 0 3 - n ，发生硝化反应。 图1 - 2b i o s t r y 滤池示意图 北京下业大学工学硕i j 学位论文 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fb i o s t r y b i o f o r b i o f o r 结构示意如图1 - 3 所示。b i o f o r 和b i o s t y r 不同的是采用密度大于 水的填料。底部为气水混合室，上部从下至上为滤头、曝气管、垫层、填料。b i o f o r 运行时一般采用上向流方式，污水从底部进入气水混合室，经滤头配水后通过垫 层进入填料，在此进行b o d 、c o d 、氨氮、s s 的去除。反冲洗时，气、水同时进 入气水混合室，经滤头配水、气后进入填料层，反冲洗出水回流入初沉池，与原 污水合并处理。 图1 - 3b i o f o r 滤池示意图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i r g r a mo fb i o f o r 1 2 4 曝气生物滤池的应用与研究现状 b a f 技术最早由法国c g e ( c o m p a g u i n eg e n e g a l ed e se a n x ) 公司所属的o t v 公司( l o m n i u md ef r a it m e n t se td ev a l o r i s s a t i o n ) 开发的，1 9 8 7 年第一座 生产性b i o c a r b o n e 在日本的k a g ap a p e r 污水处理厂建成，处理水量2x1 0 4 m 3 d ， 在以后的近十年中，o t v 公司相继在法国、西班牙、加拿大、英国、丹麦等地建 设了多座采用b i o c a r b o n 技术的b a f 。b i o c a r b o n e 属早期曝气生物滤池，其缺点 是负荷仍不够高，且大量被截留的s s 集中在滤池上端几十厘米处，此处水头损 失占了整个滤池水头损失的绝大部分，滤池纳污率不高，容易堵塞，运行周期短， 因此从1 9 9 4 年以后，o t v 公司逐渐推广其新型b a f 形式一b i o s t y r ，但其也存在 结构复杂、自控要求高、曝气管易堵塞等问题。2 0 世纪9 0 年代初，德国的p h i l l i p m u l l e r 公司开发了b i o f o r ，由于工艺相对简单，在欧美、日本等地己有数百座大 小各异的污水处理厂采用了这种技术。在我国，通过引进德国m u l l e r 公司的两 级b i o f o r 工艺技术，大连市马栏河城市污水处理厂于2 0 0 1 年7 月投入运行，日 6 第1 章绪论 处理水量为1 2 万一，从投入运行近两年来的实际运行表明，其出水水质可达到 回用水标准。2 0 0 3 年1 2 月，广东新会投入运行我国第一座自主设计的b a f 城市 污水处理厂，日处理水量为4 万一，处理工艺采用中冶集团马鞍山钢铁设计研究 总院开发的水解( 酸化) 上向流曝气生物滤池( u b a f ) 专利技术。目前该工艺 被广泛用于工业废水、生活污水的有机物、s s 去除的二级生物处理，脱氮除磷 的三级处理以及微污染源水的预处理【2 m 8 】。自b a f 诞生至今，国内外尤其是欧洲 学者一直在对其进行研究和改进，主要的研究内容包括以下几个方面： b a f 性能的优劣很大程度上取决于填料的特性，填料的研究和开发在b a f 工 艺中至关重要。为此，英国、美国和印度等国己制定了曝气生物滤池所用滤料的 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。曝气生物滤池所 用填料，根据其采用原料的不同，可分为无机填料、有机高分子填料；根据填料 密度的不同，可分为上浮式填料和浸没式填料。无机填料一般为浸没式填料，有 机高分子填料一般为上浮式填料。常见的无机填料有陶粒、焦炭、石英砂、活性 炭、膨胀硅铝酸盐等，有机高分子填料有聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等。国外， r b e e c c a m o o r e 等研究了尺寸范围分别1 5 3 5 m m 和2 5 - - 4 5 m m 填料对b a f 处 理效果的影响，发现小颗粒填料( 1 5 3 5 m m ) 虽然有利于脱氮，但不适应高的水 力负荷；而大颗粒( 2 5 - - - 4 5 m m ) 填料虽然改善了滤池操作条件，减少了反冲洗的 次数，但不利于脱氮和s s 的去除。这为曝气生物滤池填料在尺寸要求上提供了 一定的依据【3 9 】。w o n - s e o k c h n a g 等以天然沸石和砂粒为填料研究b a f 对纺织废水 的处理效果发现：天然沸石对纺织废水的处理效果优于砂粒的处理效果，这是因 为天然沸石具有更强的阳离子交换能力和更大的比表面积m j 。研究表明填料的表 面结构、粒径、材质等物化特性影响填料的去除污染物的性能【3 3 1 。我国对曝气 生物滤池填料的研究以陶粒为最多，这是因为陶粒作为填料的一种，不仅价格低 廉易得，而且显示出的优良特性，特别适合我国的国情。早期的陶粒大多采用页 岩直接烧制、破碎、筛分而成，为不规则状。最近出现的球形轻质陶粒，采用粘 土为原材料，加入适当的膨胀剂，经高温烧制而成。球形轻质陶粒强度大、孔隙 率大、比表面积大、化学稳定性好，与玻璃钢、聚氯乙烯、聚丙烯、维纶等滤料 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，粒径可大可小，密度适宜，克服了不规则粒状滤料水 流阻力大，易引起氧化池堵塞，反冲洗强度大，易冲刷破碎的缺点。 目前有关b a f 运行参数的影响规律研究比较活跃，并在进水负荷对硝化效率 的影响、填料的选择、温度的影响等方面取得了许多有价值的结论。 容积负荷和温度是影响b a f 处理效能的重要因素m 。4 5 1 ，h d s t e n s e l 的研究 表明，出水水质与溶解性b o d ( s b o d ) 的容积负荷和处理时的温度密切相关，要使 出水总b o d 值小于3 0 m g l ，三个温度范围1 0 - - 1 2 、1 2 1 6 、大于1 6 7 北京t 业大学t 学硕l 学位论文 曼詈皇皇曼鼍! ! 詈詈詈喜暑皇曼暑詈詈鼍皇曼曼_ w _ 一- - 皇曼皇詈量量詈量皇 时分别对应的溶解性b o d 的容积负荷要不大于1 0 、1 2 、1 4 k g s b o d m 3 d ，而 s b o d 容积负荷小于0 6 k g s b o d m 3 d 时温度对处理效能的影响很小。c r o m p h o u t 利用上向流曝气生物滤池处理含氨的富营养化水源水【矧，在气水比1 ：1 ，滤速5 1 8 m h ，温度1 0 以上条件下，硝化效率可达1 0 0 ，随着温度的下降，硝化速率 降低。d i l l i o n 等人的研究结果表明，b o d 和s s 容积负荷与去除率之间呈线性关 系，当容积负荷升高时，b o d 和s s 的去除率有所下降，b o d 的去除率均大于9 0 ， b o d 的去除率大于s s 去除率。f f d z - p o l a n c o 等研究了曝气生物滤池中异养菌和 硝化菌的空间分布情况，发现进水c o d 低于2 0 0 m g l 时不影响硝化效能；当进水 c o d 2 0 0 m g l 时，硝化效能将下降；当c o d n h 4 十- n 4 时，生物膜内将出现不同 的功能分区，通过测定耗氧速率发现硝化细菌、亚硝化细菌及异养细菌在反应器 中的空间分布与c o d 浓度有关，呈明显的分区分布【4 n 。k r g il m o r e 等人的研究 表明，两级曝气生物滤池在冬季低温条件下可有效氧化降解容积负荷为 0 6 k g m 3 d 的氨氮，如果氨氮容积负荷超过该值，且有机负荷较高时滤池的硝 化性能将变差【4 引。国外的b a f 运行表明，进水s s 影响滤池的处理效能和运行周 期，进水悬浮物较多时，运行周期短，反冲洗频繁，因此要求进水s s 一般不超 过l o o m g l ，最好控制在6 0 m g l 以下，进水若需格栅处理，栅条间距应在2 - - - 6 m m 之间【4 9 】。 有关水力负荷对b a f 处理效能的影响的研究也较多，主要是考察水力负荷对 c o d 、s s 、氨氮、总氮的去除效果。a a n e t t e 的研究结果显示，在滤速l - 5 m h 的范围内，h r t 对处理效果没有大的影响，而c o d n 的比值对硝化和反硝化脱氮 有较大影响【5 0 j ；而p u j o l 认为提高滤速会对硝化有积极的促进作用【5 1 1 ，t s c h u i 等人也证实提高滤速会增加反应器的硝化t 5 2 1 ；马军、邱立平的研究表明，当 水力负荷为3 1 2 m 3 m 2 d 时，b a f 对有机物、浊度的处理效果较好，而当水力 负荷增至1 8 m 3 m 2 d 时，处理效果显著下降，硝化脱氮能力随水力负荷的增加 表现出明显的下降趋势，氨氮去除率仅为2 1 7 ，总氮几乎没有去除效果，水力 负荷的增加同时导致亚硝酸盐的积累。 曝气量与b a f 的处理效果与能耗密切相关，相关的研究都以去除有机物、硝 化和反硝化脱氮达到处理效果并尽可能减小曝气量为主，但不同形式的b a f 研究 结论有所不同。氨氮氧化所需的氧气量( 4 ，6 k 9 0 2 k g n h 3 一n ) 大于有机物氧化所需 的氧气量( 1 k 9 0 2 k g b o d ) ，因此氧气的供给量影响硝化反应的进行；氧传输速率 也是重要的影响因素，如果氧传输速率低，尽管溶解氧浓度很高也可能导致生物 膜中硝化菌可利用氧气不足【5 3 1 。同时曝气量也与滤层高度有关，f r a n c i s c o 等人 的研究显示，滤层高度较高时，可降低氧气的消耗量，说明滤层高度不足是导致 氧气过量消耗的重要因素p 4 j 。 b a f 对磷的去除主要是通过化学沉淀，反冲洗排除富磷污泥实现，或是在一 级强化过程中通过化学混凝除磷。p w w e s t e r m a n 等人对上向流b a f 的研究结果 8 第1 章绪论 显示，对t p 的去除率大致为2 6 ，要进一步提高除磷效果需通过化学沉淀或厌 氧好氧交替促进磷的过剩吸收1 5 5 】。g o n c a l v e s 等进行b a f 同步脱氮除磷的研究时 发现，进水方式对磷去除效果没有差异性影响【5 6 1 。也有曝气生物滤池可同步硝化 除磷的报道，相关研究表明除磷可达7 0 ，总磷可降至0 5 m g l 5 7 j 。a e s o y 等人 发现，利用曝气生物滤池反硝化脱氮时，如利用水解污泥或水解固体废物做外加 碳源，可同时去除比微生物生长需要量高3 倍的磷。p a k 等研究了利用两级生物 滤池在交替好氧、厌氧条件下运行对污水中氮磷的去除情况，发现影响除磷的因 素为c o d t p 值和h r t ，好氧过程中产生的硝酸盐和亚硝酸盐对磷的释放有一定 影响，而反冲洗过程损失的生物量对除磷也有影响【5 引。同步生物除磷脱氮效能较 低一直是曝气生物滤池的缺点之一，因此在这方面取得突破是研究的重要方向。 b a f 研究正处于理论研究逐渐深入、应用范围不断扩大的发展阶段。其中有 关曝气生物滤池在有机物和悬浮物去除、硝化和反硝化脱氮等方面取得了较好的 应用研究成果，新的应用尝试和工艺组合不断出现。b a f 属生物膜法工艺，生物 膜是其去除污染物的主体，因此有关生物膜厚度、生物膜活性、微生物分布特征 的研究一直是研究重点之一，目前有关曝气生物滤池生物膜的研究还处于前期探 索阶段，这些研究结果有助于了解曝气生物滤池的处理机理，对于提高b a f 的处 理效能有一定的指导意义。 1 2 5 传统曝气生物滤池存在的问题 传统曝气生物滤池存在的主要问题是： b a f 在污水深度处理及回用水处理中应用较多，但其直接用于城市污水的 二级处理研究较少。 生物脱氮效果不好。虽然有研究资料表明可以实现好氧反硝化脱氮，或者 可以利用微生物膜的微环境中存在的缺氧区、厌氧区来实现反硝化脱氮，但在曝 气生物滤池内不存在严格的厌氧和好氧的交替环境，因此难以保证其脱氮效果。 生活污水中碳氮比较低，碳源供应不足，所以曝气生物滤池处理生活污水 时其生物反硝化作用很弱。为使出水达到排放标准，多辅以甲醇为外加碳源以解 决氮的达标问题，但运行成本较高。 9 北京t 业大学工学硕l 学位论文 1 3 课题的提出、研究目的及意义 1 3 1 课题的提出 研究开发简易、高效、节能并适合于我国国情的污水处理技术和设备，是当 前城市污水处理领域的迫切任务之一。曝气生物滤池具有处理效率高、占地面积 小、基建及运行费用低、管理方便和抗冲击负荷能力强等特点，在城市污水处理 中有着广泛的应用前景。 对于单级曝气生物滤池而言，虽然有研究资料表明可以实现好氧反硝化脱 氮，或者可以利用微生物膜的微环境中存在的缺氧区、厌氧区来实现反硝化脱氮， 但是很难在滤池中存在严格的缺氧和厌氧环境。并且生活污水中碳氮比较低，碳 源供应不足，生物反硝化作用很弱。因此为了解决反硝化碳源供应不足并且形成 稳定的好氧区和缺氧区，对滤层厚度较小的单级生物滤池进行三级串联，并在缺 氧生物滤池中投加碳源以提高反硝化效率。 对于三级串联的设计，可以存在很多种组合。其中最后一级选择好氧生物滤 池，以除碳并减少氨氮，达到对整个系统出水的巩固作用。前两级存在两种情况： 好氧缺氧或缺氧好氧组合。对于缺氧好氧组合，要实现反硝化脱氮，需要对第 二级的好氧硝化出水进行回流至第一级的缺氧生物滤池内。虽然回流具有很多优 点，由于系统内循环作用增加能耗，而且考虑到回流对生物滤池多方面的影响以 及经济因素，故研究意义不大。因此，本课题选用了好氧缺氧好氧的生物滤池 ( o x i c a n o x i c o x i cb i o f i l t e r ) 组合工艺形式。 1 3 2 课题研究的目的与意义 本课题以生活污水作为试验用水，采用组合生物滤池工艺对其进行处理， 主要是去除污水中氮、有机物和微生物代谢产物等。组合生物滤池工艺可以在各 自的滤池中驯化出不同功能的优势种属，各负其责，可以提高生物滤池的处理效 能。因此对组合生物滤池工艺进行试验研究，强化厌氧脱氮功能，研究污水处理 和污水脱氮处理技术，为污水高效脱氮处理提供理论依据和支持，对改善我国现 有的水环境质量和改善水资源短缺问题具有很高的理论价值和现实意义。 1 3 3 课题的研究内容 本课题研究立足于试验研究与理论分析相结合，在广泛调研和查阅国内外文 献综述和工程实例的基础上，同时根据本课题的研究目的，确定本课题的主要研 究内容如下： l 、第一段好氧生物滤池挂膜启动研究。 1 0 第l 章绪论 2 、水力负荷对组合生物滤池去除污染物效能影响。 3 、第一段好氧生物滤池沿程高度对污染物去处效果的影响及滤柱内同步硝 化反硝化研究。 4 、缺氧生物滤池反硝化特性研究。 苎塞! 些茎三茎些! 耋堡呈兰 第2 章反应器与试验设计 2 1 试验模型的设计 本试验装置为o a o 组合生物滤池工艺。整套试验装置霄于北京市重点实验 室一北京工业大学水质科学与水环境恢复工程重点实验室内。试验模型的设计包 括滤柱的选择、填料的选择、运行方式等。 2 1 1 试验滤柱 为了便于观察滤柱内水流状态和微生物生长情况以及反冲洗时滤料的运动 状态，选用透明的有机玻璃柱作为实验滤柱。 实际试验中，o a o 组合生物滤池工艺采用了内径为1 4 0 m m 的有机玻璃柱。 按顺序分g 肺f 记为a 柱、b 柱、c 柱。对a 柱和c 柱进行曝气使之处于好氧状态， b 柱不曝气处于缺氧状态。 滤层厚度是曝气生物滤池的重要参数，对滤池效能的发挥影响很大，但是很 难通过相似定律确定出滤层厚度减少前后滤池效能的比例关系。因此，对于 0 0 组合生物滤池工艺，采用的有效滤层厚度单级为0 8 0 m ，其24 0 m ；同样 根据配水区高度和承托层厚度及滤柱配套管道的安装等，最后确定单级滤柱的高 度为1 铀，并且在承托层以上每隔2 0 0 m m 设置一个取样口a 柱和c 柱各5 个取 样口b 柱6 个取样口。试验流程图见图2 1 所示。 第2 章反应器与试验设计 图2 - 1 试验流程图 f i g 2 - 1p r o c e s sd i a g r a mo fp i l o te x p e r i m e n t 2 1 2 填料 火山岩生物滤料最早诞生在美国，其主要成份为硅、铝、钙、钠、镁、钛、 锰、铁、镍、钴和钼等几十种矿物质和微量元素，表观为不规则颗粒，颜色为红 黑褐色，多孔质轻，颗粒粒径可根据不同要求生产。高效挂膜轻质滤料在物理微 观结构方面表现为表面粗糙多微孔，这些特点特别适合于微生物在其表面生长、 繁殖，形成生物膜。火山岩滤料使曝气生物滤池不仅能处理市政污水，以及可生 化的有机工业废水、生活杂排水、微污染水源水等，也可在给水处理中取代陶粒、 石英砂、活性炭、无烟煤等用作过滤介质，同时还可对已经过污水处理厂二级处 理工艺后的尾水做深度处理，其处理出水达回用水标准后可作中水回用。 本试验选用的滤料为北京淇方天有限公司生产的火山岩滤料，其技术参数见 表2 1 所示。 表2 - 1 火山岩技术参数 性能指标单位检测结果性能指标单位检测结果 容重 k g m 3 7 4 0 比表面积 m 2 g 1 2 7 孔隙率4 6 抗压强度m p a 5 0 8 空隙率5 8抗剪切强度 m p a 3 9 6 含水率 o 9 1 o 摩擦损耗率 1 盐酸可溶性 1 2 溶出物不含对人体有害元素 外观类似球状物粒径3 5 m m 2 1 3 运行方式 本研究采用的进水水箱体积为15 0 l 并带有溢流装置，水箱还可起到初沉沉淀 和厌氧消化的作用，从而稳定试验的进水水质。同时原污水作为反硝化碳源也由