（市政工程专业论文）沸石滤料生物滤池在生活污水处理中的应用研究.pdf

摘要 摘要 本课题就目前城镇生活污水处理领域存在的问题，即常规污水处理工艺有时 很难使水质达到排放标准的问题，开发了沸石滤料生物滤池，进行了系统的试 验研究。大量的试验数据表明，该工艺具有微生物活性高，溶气效率高，反冲 周期长，去除率高，抗冲击负荷能力强，结构简单，操作方便等优点。 试验主要对沸石滤料生物滤池去除c o d 、氨氮、s s 等污染物的效果及其影 响因素进行研究。试验结果表明，氨氮硝化去除率稳定可以作为生物膜培养成 功的标志。气水比为1 ：l 即可使出水中溶解氧充足；水力负荷的提高使氨氮的 去除率明显下降，对c o d 。，影响则不大，最佳水力负荷为3 m h ，氨氮和c o d c r 的 去除率分别为6 3 和5 4 ；同一工况下，生物降解稳定时，氨氮和c o d 。，去除容 积负荷与其进水容积负荷呈线性相关，去除效果稳定；进水有机物浓度的变化 对n h 4 + 一n 的去除有一定的影响，高有机物浓度对n h 。+ 一n 去除有一定的抑制作用。 2 0 3 0 0 c 是该工艺运行的最佳温度，低温下可适当延长停留时间；微生物在滤 层不同高度处的分布呈现出不同的特点，滤层中下部以好氧异养菌为主，c o d 。， 的去除主要发生在这部分；滤层上部以硝化菌为主，n h 4 + 一n 的去除主要发生在 这部分。为保证去除率达到预定值，床层高度不应小于1 0 m 。 试验还对沸石生物滤池的反冲洗方式、反冲洗强度及反冲洗周期等工况进 行了研究。结果表明：反冲洗周期随着水力负荷的增大而延长，在水力负荷为 3 m h 时，反冲洗周期约为4 5 d 。采用气水联合反冲洗，最佳的反冲洗参数为： 先气洗，强度为8l s 1 1 1 2 ，时间3 m i n ；接着气水联合反冲洗，气强度为8l s m 2 ， 水强度为3l s m 2 ，时间3 m i n ：最后水漂洗，强度为5l s m 2 ，时间5 m i n 。滤 池生化恢复时间约为7 h 。 试验表明，该沸石生物滤池对铁、锰以及色度等均有一定的去除率，在常 温下，水力负荷为3 m h 时，去除率分别达到3 0 5 、2 3 3 和7 5 ，对磷的去 除则不明显。 在试验的基础上，本文还讨论了生物处理的动力学模式，提出了沸石滤料生 物滤池的动力学模型，描述了滤池内氨氮浓度变化同时间的关系，并对不同温 度下的k 值进行了估算。 摘要 i n s o ，。k t & 通过对该处理工艺的技术经济分析，结果表明：单位直接运行成本为0 1 4 2 元m 3 ，有较好的技术经济性。 关键词：沸石滤料生物滤池，生活污水，气水比，水力负荷，动力模式 a b s t r a c t a b s t r a c t t os e t t l et h ep r o b l e me x i s t i n gi nm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，ar e n o v a t e r e a c t o r - z e o l i t em e d i ab i o l o g i c a lf i l t e rw a sd e v e l o p e d ，a n dt h es y s t e m i ct r i a lw a s p r o c e s s e d 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 ti ta sak i n do fp r o c e s si nm 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 tw a sp r o v i d e dw i t ht h em e r i t ss u c ha sa c t i v em i c r o o r g a n i s m ， h i g he f f i c i e n c yf o rd i s s o l v i n gg a s ，l o n gc y c l eo fb a c h w a s h i n g ，e x c e l l e n tt r e a t i n ge f f e c t ， h i g hc a p a c i t yf o ra b s o r b i n gs h o c kl o a d s i m p l et e c h n o l o g yf l o wa n dm a n a g e m e n t t h em a i no b j e c t ss t u d i e dh e r ea r et h ed i s p o s a le f f i c i e n c i e so fc o d c r a m m o n i a n i t r o g e n ，s sa n do t h e rf a c t o r sw h i c hc a ni n f l u e n c et h ee f f i c i e n c y t h ee x p e r i m e n t r e a c h e dac o n c l u s i o nt h a t ：t h es u c c e s so fb i o f i l mc u l t i v a t i o nw a ss i g n e db yt h a t n i t r i f i c a t i o na t t a i n e ds t a b l es t a t e d ow a ss u f f i c i e n tu n d e rt h ec o n d i t i o no fg a s l i q u i d = 1 ：1 t h er e m o v a lr a t eo fc o d c rd i dn o tc h a n g em u c hw i t ht h ei n c r e a s eo fh y d r a u l i c l o a d ，b u tn h 4 + - nr e m o v a lr a t ed r o p p e dg r e a t l y t h eo p t i m a lh y d r a u l i cl o a dw a s3 m h a n dt h er e m o v er a t eo fa m m o n i an i t r o g e na n dc o d c rw e r e6 3 a n d5 4 u n d e rt h e s a m ec o n d i t i o n ，w h e nb i o d e g r a d a t i o nw a ss t a b l e ，t h er e m o v a ll o a d i n gr a t e so fn h 4 + - na n dc o d c rh a dal i n e a rc o r r e l a t i o nw i t ht h e i ro w nl o a d i n gr a t e s ，a n dt h er e m o v a l e f f i c i e n c yw a ss t a b l e t h ei n f l u e n c eo fc o d c fh a dr e l a t i o n s h i p sw i t ht h er e m o v a lo f n h 4 + - n h i g hc o n c e n t r a t i o no fc o d 口h a dd i s a d v a n t a g e o u se f f e c to nt h er e m o v a lo f n h 4 + - n 2 0 3 0 q cw a st h eo p t i m a lt e m p e r a t u r ef o rt h ep r o c e s s ，h r tc o u l db c e x t e n d e da tt h el o wt e m p e r a t u r e a l o n g s i d et h ed e p t ho ff i l t e rb e d ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fm i c r o o r g a n i s md i f f e re a c ho t h e r ：t h em a i nr e g i o no fc o d c rr e m o v a lw a st h el o w e r p a r to ft h ef i l t e rb e dw h i c hw a sf u l l o fh e t e r o t r o p h i cb a c t e r i u m ；s l i g h t l yd i f f e r i n g f r o mc o d c fr e m o v a l ，t h em a i nr e g i o no fn h 4 + - nr e m o v a lw a st h eu p p e rp a r to ft h e f i l t e rb e dw h i c hw a sf u l lo fn i t r o b a c t e r i u m t og u a r a n t e et h et r e a t m e n te f f e c t ，t h e m e d i ah e i g h ts h o u l d n tb el e s st h a n1 0m t h em e t h o d ，i n t e n s i t y ，a n dp e r i o do fb a c k w a s hw e r ea l ls t u d i e di ne x p e r i m e n t ， r e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h em e t h o do fu s i n ga i rs c o u r i n gf i r s t l y ，t h e na i r w a t e r b a c k w a s h i n g ，a n da d o p t i n gw a t e r w a s hf i n a l l yh a v em a n ya d v a n t a g e so v e r o t h e r m e t h o d s t h ec y c l ew a sa b o u t4 - 5 da tt h ec o n d i t i o nt h a tt h eh y d r a u l i cl o a dw a s3 m h b a c k w a s hp a r a m e t e r ss u m m a r i z e dw e r e ：a i rs c o u r i n gi n t e n s i t yi s8 l ( m 2 s ) ，d u r a t i o n a b s t r a c t i s3 m i n ；a i ri n t e n s i t y ，w a t e ri n t e n s i t ya n dd u r a t i o no fa i r w a t e rb a c k w a s h i n gi s 8 l ( m 2 s ) ，3l ( m 2 s ) a n d3m i nr e s p e c t i v e l y ，a tt h ee n do f t h ep r o c e s s ，s i n g l e w a t e r w a s h i n gi n t e n s i t yi s5l ( m 2 s ) ，d u r a t i o ni s5m i n t h er e c o v e r yt i m ew a s a b o u t 7 h t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa l s os h o w e dt h a tt h et e c h n o l o g yh a dc e r t a i ne f f e c to nt h e r e m o v a lo ff e m na n dt o n e t h er e m o v er a t e sw e r e3 0 5 ，2 3 3 a n d7 5 w h e nt h e h y d r a u l i cl o a dw a s3 m h t h er e m o v e r a t eo ft pw a sn o tv e r yg o o d ak i n e t i c sm o d e lo fm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tb yt h i sz e o l i t em e d i a b i o l o g i c a lf i l t e rw a se s t a b l i s h e d ，w h i c hd e s c r i b e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ec h a n g e o fa m m o n i an i t r o g e nc o n c e n t r a t i o na n dt i m ei nt h er e a c t o r ，a n dt h ef i g u r ek w a s t a l c u l a t e d 1 n 塑胞 & a n a l y z i n gt h ez e o l i t em e d i ab i o l o g i c a l f i l t e ri nt h ef i e l do ft e c h n o l o g ya n d e c o n o m y , i tc a nb ei n c l u d e dt h a tt h en e tc o s tf o rt r e a t m e n tw a s 0 1 4 2y u a n m 3 ，s oi t h a dg o o dt e c h n i ca n de c o n o m i ce f f e c t k e yw o r d s ：z e o l i t em e d i ab i o l o g i c a lf i l t e r , m u n i c i p a lw a s t e w a t e r , g a s l i q u i d ， h y d r a u l i cl o a d ，k i n e t i c sm o d e l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：阂磅皤 形年月，8e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在j 年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 硎6 年7 月( 骀 位论文作者签名：声司焉培 秒名年1 月j , 9 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担口 签名：词呜培 矿么年1 月1 罗日 第1 章绪论 第1 章绪论 自然界的水遵循着自己的规律和特性不断地进行着循环旅行，称为水的自然 循环。人类社会取用自然水，然后又排入自然水体，称为为水的社会循环。水 的自然循环和社会循环交织在一起，社会循环依赖于自然循环又影响着自然循 环。如果水的自然循环的平衡规律被社会循环所破坏，就会造成江川污染，河 床千涸的可怕局面，水生态遭到破坏，水环境日趋恶化，形成用水增加、污水 增加、水环境污染以置于可用水量减少的恶性循环，终将导致水资源的不可持 续利用，人类社会不能持续发展1 1 j 。 1 1 课题研究背景 我国是一个水资源缺乏的国家，多年平均年水资源总量为2 8 0 0 0 多亿m 3 ， 居世界第6 位。但我国人口众多，按1 9 9 8 年1 2 4 8 亿人口计算，人均占有水资 源量仅为2 2 5 1m 3 ，是世界人均水平的四分之一，在世界各国排名1 2 1 位，被列 为1 3 个贫水国家之一。到2 0 3 0 年我国人均水资源将降为1 7 6 0m 3 ，水资源紧缺 的形势将更加严峻。另外，我国的水资源在时空分布上也不均匀，更使一些地 区处于严峻的缺水状态。据调查分析，1 9 9 3 年统计的5 0 0 多座大中城市中有3 3 3 座城市缺水，其中4 9 座城市主要是由于当地缺乏水源所致，1 9 个城市是水源污 染所致。水资源短缺已成为制约我国经济和社会发展的主要因素1 2 j 。 另一方面，各种生活、生产废水对水环境所造成的污染却不断加重。根据 1 9 9 8 年国家环保局环境公报报告，1 9 9 8 年全国废水排放总量为3 9 5 亿t ，c o d 排放总量为1 4 9 9 万t ，分别比上年( 1 9 9 7 年) 下降了5 和1 4 7 ，生活污水 占废水排放总量的4 9 1 ，生活污水c o d 排放总量占c o d 排放总量的4 6 2 ， 均比上年有所增加。据2 0 0 1 年水利水文局统计信息，我国七大水系均存在不同 程度的污染。2 0 0 0 年我国长江、黄河、松辽、珠江、海河、淮河、太湖流域及 浙闽片、内陆片主要河道中，各类水质比例分别为i 类5 ，i i 类2 8 ，i i i 类2 9 ， n 类1 1 ，v 类1 1 4 、劣于v 类1 3 。其中，水质达到地面水环境i i 类标准 的河段，内陆片占9 0 ，长江、珠江、浙闽片占7 0 9 0 ，黄河、淮河、海河、 第1 章绪论 松辽、太湖流域不足5 0 。此外，湖泊、水库污染也很严重。1 9 9 8 年全国环境 质量报告指出，滇池富营养化问题突出，全湖水质均劣于v 类；巢湖水质也劣 于v 类；南四湖、太湖、洪泽湖、洞庭湖、镜泊湖等都存在不同程度的污染。 可见，我国整体范围内的水环境已经出现了危机，亟需治理。 为了阻止水资源污染对国民经济可持续发展所产生的负面作用，提高污水 处理效率和处理水平是关键之一。目前影响我国污水处理发展的众多因素中， 技术和资金是两大主要因素。我国地域广阔，地区间经济发展水平差异较大。 研究适合我国国情和地区发展水平，投资少，运行费用低，占地面积小，管理 方便，有利于污水回用的污水处理新技术是环境工程界共同关注的课题。 1 2 常用的生活污水处理工艺 1 2 1 生活污水处理研究和应用领域共同关注的问题 长期以来，生活污水的二级生物处理一般采用活性污泥法，包括普通活性污 泥法及其变形工艺、氧化沟工艺、延时曝气的s b r 法及其变形工艺以及a b 法 等工艺。这些污水处理工艺相对都比较成熟，但普遍存在着占地面积大、基建 投资高、工艺设备处理效能低、能耗高，运行费用高、管理不便等问题。对于 我国这样一个资源不足、人口众多的发展中国家，从可持续发展的角度来看， 并不适合中国的国情。由于污水处理侧重于环境效益和社会效益，因此在建设 和实际运行过程中常受到资金的限制，使得治理技术与资金问题成为我国水污 染治理的“瓶颈 。归纳起来，目前在生活污水处理研究和应用领域，普遍存在 的问题有： ( 1 ) 生活污水有机物浓度较低，采用传统的活性污泥法，往往处理效率较低， 容易产生污泥膨胀现象，工艺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污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连，形成多级反应池，通过增加内循环来达到脱 氮除磷的目的，这势必要增加基建投资的费用及能耗，并且使运行管理较为复 杂。 ( 3 ) 一些新型的高负荷生物滤池的开发，简化了生活污水的处理流程，在国 2厶 第1 章绪论 外应用广泛，但普遍存在着以增加能耗为代价来获得较高的处理效果的问题。 ( 4 ) 目前城市污水的处理多以集中处理为主，庞大的污水收集系统的投资远 远超过污水处理厂本身的投资。由于采用合流制，含有较多毒害成分的工业废 水严重影响污水的生物处理，因此建设大型的污水处理厂，集中处理工业废水 和生活污水，从污水再生回用的角度来说不一定是唯一可取的方案，可采取多 种方案。 因此，如何使生活污水处理工艺朝着低能耗、高效率、少剩余污泥产量、最 方便的操作管理，以及实现磷回收和再生水回用等可持续的方向发展，已成为 目前水处理技术研究和应用领域共同关注的问题。这就要求污水处理不应仅仅 满足单一的水质改善，同时也需要一并考虑污水及所含污染物的资源化和能源 化问题，且所采用的技术必须以低能耗和少资源损耗为自订提1 3 j 。 1 2 2 生物膜法在生活污水处理中的应用研究 在污水生物处理的发展和应用中，活性污泥法和生物膜法一直占据主导地 位。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。由于生物膜法具有处理效率高、 耐冲击负荷性能好、产泥量低、占地面积少、便于运行管理等优点，在处理中 等规模的低浓度城市污水方面较活性污泥法更具竞争力。迄今为止，属于生物 膜处理法的工艺有生物滤池，生物转盘，生物接触氧化设备和生物流化床等。 其中，曝气生物滤池便是受到重视和研究应用的污水处理新技术之一。它具有 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，在污水的有机物去除、硝化脱氮、反硝化脱氮等方面有着良好的功效， 应用范围不断扩大，由最初用于城市污水的高级处理，扩展到用作城市污水的 二级处理、工业废水的处理以及给水处理工艺的预处理。 1 3 曝气生物滤池的发展及其特点 曝气生物滤池是集中了活性污泥法、生物接触氧化法和生物滤池三种工艺的 优点而建立起来的一种新型处理工艺。它采用了一种新型的粒状填料，综合了 过滤、吸附和生物代谢等多种净化作用，具有占地小、出水水质好、流程简单、 3 第1 章绪论 对环境影响小等诸多优点。 1 3 1 曝气生物滤池技术发展历史 曝气生物滤池工艺思想来源于普通生物滤池技术。1 8 9 3 年，英国将污水在 粗滤料上喷洒进行净化试验取得了良好的净化效果，生物滤池开始问世【4 j 。2 0 世纪2 0 3 0 年代，开始建造了许多生物膜反应器系统，其主要形式就是生物滤池。 到了6 0 年代新型的有机合成填料开始大量生产，其比表面积和空隙率大大增加， 再加上环境保护对水质要求的进一步提高，生物膜反应器获得了新的发展。到 了7 0 年代，除了普通生物滤池外，生物转盘、淹没式生物滤池和生物流化技术 都得到了较多的研究和应用。近年来，生物膜反应器以其独特的优势更受广大 研究者和技术人员的关注，又涌现出大量新型的单一或复合式生物膜反应器， 如微孑l 膜生物反应器、气提式生物膜反应器、移动床生物膜反应器及复合式活 性污泥生物膜反应器等。 曝气生物滤池作为生物膜法的另一类型工艺，淹没式生物滤池是其发展的重 要的前身。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，一方面保证了充足的溶解氧，另一方面利用气泡的扰动，有效的更新了 生物膜，保持了生物膜的活性。随着对处理负荷要求的增大，必然要求增加反 应器中的生物浓度和活性，其中有效的方法就是增大填料的比表面积。对颗粒 填料而言，减小滤料的粒径能够提高比表面积，但随着粒径的减小，滤池容易 堵塞。因而早期的淹没式生物滤池都在围绕着滤料进行工艺改革。直到7 0 年代 末、8 0 年代初，一种新兴的生物滤池引入了反冲洗1 5 6 。7 引，通过反冲洗的方式 更新生物膜和清除截留的悬浮物；同时，滤料粒径进一步减小，除了增大比表面 积和生物浓度外，还具有了截留悬浮物的功能，从而使得系统出水不需再利用 沉淀进行固液分离，省去了二沉池。可以说，具有截留悬浮物的功能和利用反 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【9 l o 经过 集中研究，1 9 8 2 年，第一座生产性的曝气生物滤池b t o c a r b o n e 在法国的 s o i s s o n s 投入运行【1 0 j ，处理污水量为8 2 0 0 m 3 d ，出水s s 小于3 0 m 以b o d 5 小 于2 0 m 叽t k n 小于1 0 m g l 。 随着世界环境污染特别是水环境污染的加剧，世界各国对污水的排放标准限 制的越来越严格，从最初的去除c o d ，到现在普遍要求硝化、反硝化及磷的去 4 第1 章绪论 除，传统的生物处理已经不能满足对水处理出水水质的要求，世界各国竞相开 发新的污水处理工艺。在生物硝化过程中，活性污泥法受到了污泥龄的限制， 受冲击负荷的影响较大。在生物膜法中，因硝酸菌是固定生长在载体表面上的， 因而处理效果不受污泥龄的限制，而且有较强的抗冲击负荷能力。曝气生物滤 池在8 0 年代初是被用作深度处理的，通常被置于常规二级处理之后，经过曝气 生物滤池处理后，可得到很好的出水水质。氨氮可得到基本完全的硝化，出水 s s 在l o m g l 以下，c o d 、b o d 也得到进一步的处理，通常出水可达到回用水 的标准。后来的发展，使得曝气生物滤池直接用于初沉池之后，用作生物处理 主要单元，以后又逐渐被用于各种工业废水的处理中。 在生物滤池发展的总体历程中，从宏观方面看，在技术上主要围绕着提高处 理负荷和出水水质；经济上围绕着降低基建投资及日常运行费用；管理上则围 绕着简便、快捷、容易控制的方向发展；功能上逐步满足人们对出水水质的要 求，功能逐步完善。从微观方面看，在所有的生物滤池中，生物膜是工艺的核 心。技术上的提高也主要是围绕着不断提高单位载体上的生物膜量，增强生物 膜活性而展开的。伴随着这个目标，对滤料的性质，特别是其表面性质和粒径 的选择方面提出了越来越高的要求。与之相匹配，同时在工艺的具体运行方式 上也作了一系列的改进。这样，生物膜系统就以生物滤池为代表得到了很大的 发展f 1 1 】。 1 3 2 工艺原理 曝气生物滤池在开发过程中，充分借鉴了生物接触氧化反应器和深床过滤的 设计原理，集曝气、高滤速、截留悬浮物、定期反冲洗等特点于一体，可同步 实现硝化和反硝化，在去除有机物的同时达到脱氮的目的。 其工艺原理为：在滤池中装填一定数量粒径较小的粒状填料，滤料选择比表 面积较大的多孔材料，大量的微生物附着在填料表面生长，滤池内部设曝气系 统。污水流经时，滤料表面的生物膜利用曝气时溶入水中的氧，氧化污水中的 污染物，对污水进行快速净化，此为生物氧化降解过程；同时由于滤料粒径较 小的截污作用及生物絮凝作用，可截留污水中的大量悬浮物，且保证脱落的生 物膜不会随水浮出，此为截留作用。随着过滤的进行，滤料表面所产生的生物 量越来越多，截留的s s 也不断增加，水头损失增加，此时应进行反冲洗，恢复 5 第1 章绪论 处理能力。 1 3 3 基本形式 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， 即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三大类：即b i o c a r b o n e ，b i o f o r 和b i f s t r y ，各 自的构造特点如图1 1 ，1 2 和1 3 所示。三者的区别主要是水的流向和反冲洗方 式的不同，采用的滤料也有所不刚1 2 , 1 3 , 1 4 。 ( 1 ) b i o c a r b o n e 结构如图1 1 所示，b i o c a r b o n e 采用下向流的形式，污水从滤池上部流 入，下部流出，在滤池中部设曝气管进行曝气，生物降解主要发生在填料的上 部，下部起截留悬浮物和脱落的生物膜的作用。在运行过程中，因截留了大量 的s s 和生物膜的生长，水头损失逐渐增大，达到设计值后，进行反冲洗。它属 于早期的曝气生物滤池，具有操作简单，处理效率高，不受污泥龄限制等优点， 但是它的缺点是负荷不够高，被截留的s s 大量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多数，所以滤池纳污率不高，容易堵 塞，运行周期短。 ( 2 ) b i o f o r b i o f o r 是法国得利满公司在克服了b i o c a r b o n e 缺点的基础上开发出来 的。在滤池底部为气水混合室，混合室上部为长柄滤头、曝气管、垫层、滤料， 所用的滤料密度大于水，自然堆积淹没在水中。采用气水混合，污水从底部流 入，上向流流出滤池。截留在底部的s s 可在气泡的上升过程中被带入滤池中上 部，加大填料的纳污率，延长了反冲洗周期。 ( 3 ) b i f s t r y b i f s t r y 和b i o f o r 不同的是采用密度小于水的滤料，一般为聚苯乙烯小 球，运行时采用上向流，在滤池顶部设格网或滤板以阻止滤料流出，正常运行 时滤料呈压实状态，反冲时采用气水联合反冲，反冲水采用下向流以冲散被压 实的滤料小球，反冲出水从滤池底部流出。结构示意如图1 3 所示，研究表明， 轻质滤料在截留s s 、降解c o d 等方面要优于膨胀硅铝酸盐滤料，随着过滤的进 6 第1 章绪论 行，其水头损失的增长与b i o c a r b o n e 有所不同，其水头损失与运行时间成 正比，由于b i f s t r y 中没有形成表面堵塞层，因此其运行周期较b i o c a r b o n e 工艺要长。 曝气管 反冲气 图1 1b i o c a r b o n e 示意图 反冲出水 反冲进水 出水 厂一一1 出水七卜一 。 ，卜。一：、反冲出水 曝气管 反冲气 誓c 一：! ：； 巨o；oiio臻o疆o-o-cd-o-o 、。、一睡菇雹瑶 冈 雕囊藿藿 q 一 图1 2b i o f o r 示意图 7 反冲进水 进水 第1 章绪论 出水 曝气管 反冲气 图1 3b i o s t y r 示意图 反冲进水 反冲出水 进水 1 3 4 曝气生物滤池的特征 曝气生物滤池的主要特点有以下几方面： ( 1 ) 占地面积小，基建投资省，将s s 去除与生物降解结合在同一个反应 器内，不需设二沉池。 ( 2 ) 同步发挥生物氧化作用和物理截留作用，出水水质高。 ( 3 ) 氧的传输效率很高，曝气量小，供氧动力消耗低。 ( 4 ) 抗冲击负荷能力强，耐低温，并能耐受较高的负荷。 ( 5 ) 易挂膜，启动快。 ( 6 ) 充分借鉴了单元反应器原理，可采用模块化结构设计，为整个工艺的 紧凑化、设备化及扩建提供有利条件。 当然，它也存在一些问题，主要有几方面： ( 1 ) 对进水水质要求高。根据国外的运行经验，进水的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，这样就对曝气生物滤池前的预处理工艺提 出了较高的要求。 ( 2 ) 需要定期反冲洗，增加了系统的复杂性和操作的难度。 ( 3 ) 曝气生物滤池除磷的作用有限，因此一般需要采用化学除磷。 ( 4 ) 污泥稳定性稍差，进一步处理比较困难。 8 第1 章绪论 1 3 5 曝气生物滤池的滤料 在曝气生物滤池中，滤料的合理选择对整个工艺有着非常重要的影响。曝气 生物滤池的滤料作为曝气生物滤池的重要组成部分，其主要作用是：生物膜的载 体、截留阻挡悬浮物质。所以滤料对曝气生物滤池的处理效果有直接的影响， 不同类型的滤料还会影响到曝气生物滤池结构形式的选择和投资成本【1 5 1 。 目前用于曝气生物滤池滤料的种类较多、性能各异。不同的滤料，对整个曝 气生物滤池的处理工艺会产生比较大的影响。从生物膜的角度而言，会影响到 生物膜的附着情况及启动周期、生物膜上微生物的量及生物相，进而影响到处 理效果与出水水质：从工程应用角度分析，不同粒径、密度、粗糙度、材质的 滤料，会有不同形式的反应器，使用不同的曝气方式、反冲洗装置，这些又直 接影响工程造价、运行费用的大小及日常管理维护的难易等。用于曝气生物滤 池的一切滤料一般都应满足以下要求： 一 ( 1 ) 机械强度在生物处理过程中都存在着不同强度的水力剪切作用 以及滤料间的摩擦碰撞过程，这就要求选用的滤料有足够的机械强度。 ( 2 ) 大小及形状滤料提供的比表面积应尽可能的大，对固定微生物有 较好的保护作用，具有较好的传质特征，尽可能减少滤料间的碰撞几率，减少 反应器的运行能耗，减少堵塞及便于反冲洗。 ( 3 ) 生物、化学及热力学稳定性滤料应具有较好的稳定性，使得其在各 种环境中都能正常使用，不会轻易受外界影响而使性能发生变化。 ( 4 ) 亲疏水性及表面电性 微生物一般带负电荷，具有亲水性，因此载 体表面带有正电荷将有利于微生物附着生长，载体表面的亲水性也有利于微生 物的附着。 ( 5 ) 孔隙度及表面粗糙度增加滤料与微生物接触的有效面积，可以保 护固定微生物免受过强水力剪切作用，减缓由于滤料间的碰撞所造成的固定微 生物脱落速度，在某种程度上，有利于传质效率的提高。 ( 6 ) 密度滤料的密度在一定程度上会影响到曝气生物滤池的运行。 滤料的密度过大，会加大反冲洗的难度，使能耗增加。 ( 7 ) 价格 选用滤料时，在满足性能需要的基础上，应尽量选用价格 便宜的滤料。 经试验证明，上面所述的滤料特性对曝气生物滤池的运行有很大程度上的 9 第1 章绪论 影响，滤料的研究和开发是曝气生物滤池工艺改进中的重要一环。研究和开发 适合我国国情的滤料，对曝气生物滤池这一新工艺在我国的推广、应用具有十 分重要的意义。 1 4 沸石滤料的特性及其在水处理中的应用 1 4 1 沸石的结构及其化学物理特性 沸石是一种含水架状结构的多孔硅铝酸盐矿物质，是沸石族矿物的总称。 常见的主要矿物有钠沸石、钙沸石、方沸石、束沸石、浊沸石、毛沸石、斜发 沸石、丝光沸石等，它们含水量的多少随外界温度和湿度的变化而变化，其化 学通式可表示为：( n a ，k ) 。( c a ，s r ，b a ，m g ”) ，【。+ 2 ，s in ( 。+ 2 ，) 0 2 。】m h 2 0 。 其中，x 为碱金属离子个数，y 为碱土金属离子个数，n 为硅铝离子个数之和， m 表示水分子数。构成沸石骨架的最基本结构是硅氧( s i 0 4 ) 四面体和铝氧( a 1 0 4 ) 四面体。在这四面体中，中心是硅( 或铝) 原子，每个硅( 或铝) 原子的周围有4 个氧原子，各个硅氧四面体中由于一个氧原子的价电子没有得到中和，使得整 个铝氧四面体带有一负电荷，为保持电中性，附近必须有一个带正电荷的金属 阳离子( m 一) 来抵消。这些阳离子与铝硅酸盐结合相当弱，具有很大的流动性， 极易和周围水溶液中的阳离子发生交换作用，交换后的沸石结构不被破坏。沸 石的这种结构决定了它具有离子交换性和交换的选择性，而骨架s i 0 4 4 一被a 1 0 4 5 一同晶交换产生的剩余电荷使其具有催化性能【1 6 】。 沸石矿物的晶体结构具有以下特点： ( 1 ) 高效吸附性能由于硅( 铝) 氧四面体连接方式不同，在沸石结构中 便形成很多内表面很大的孔穴和孔道，可以吸附大量分子。 ( 2 ) 阳离子交换性能因为沸石格架中具有阳离子，这种结构决定了沸石 具有阳离子交换性能。其离子交换选择性顺序为： c s + r b + k + n h 4 + b a 2 + s r 2 + n a + c a 2 + f e 3 + a 1 3 + m 9 2 + l i + ，鉴于沸石基团对 n h 4 + 具有较强吸附势，故在水处理工程中可用于去除氨氮。由于沸石除氨氮作 用是离子交换作用，因此它具有生物方法所不具有的优越特性，外界环境的影 响因素要少些，尤其受温度影响不大。沸石吸附n h 4 + 饱和后，可进行再生重复 使用，这些都将使沸石除氮具有广泛的前景。 1 0 第1 章绪论 1 4 2 沸石滤料生物滤池 沸石滤料生物滤池以沸石作为生物载体来固定生物膜。由于固定生长技术 能使大量的生物体聚集在载体表面，通过生物膜对水中营养基质的高效吸附和 降解能力便可达到控制污染物的目的。 沸石经过一段时间的运行培养，形成生物沸石。生物沸石在培养生物膜的 初期，可以充分利用本身吸附、离子交换特性，对原水中的n h 3 n 最高去除率 可达9 5 ，到吸附、交换将近饱和时，已成熟的生物膜开始起作用，填补沸石 只靠吸附、离子交换去除n h 3 n 的不足。经长期运行测试，生物沸石始终保持 着较高的污染物去除效率。 1 4 3 沸石滤料生物滤池的应用现状 目前，国内外学者对沸石滤料生物滤池去除污染物做了一定的研究，并 对它在水处理中的应用条件等进行了生产性试验，在国外还建成了一定生产规 模的处理厂。 常州自来水公司第二水厂采用该工艺建成了一座4 万吨d 的深度处理构筑 物，用于饮用水脱氮，成功降低了出水中的氨氮含量，去除率在7 0 以上。 我国大同曾采用沸石生物滤池处理城市污水厂的出水，使之达到回用的目的。 沸石粒径1 7 5 - 2 2 5 m m ，滤层高度3 5 m ，滤速1 9 m h ，处理出水已可满足回 用水的水质要求。华南理工大学的张晓爽等人用沸石生物滤池处理石化厂炼油 废水，在进水氨氮浓度为2 0 - 5 0 m g l 时，通过沸石床，其去除率可达到9 9 ， 同时对c o d 、s s 、酚等污染物也有一定的去除效果【1 7 , 1 8 , 1 9 l 。 1 5 课题来源和研究内容 1 5 1 课题来源 本课题是小城镇科技发展重大项目( 2 0 0 3 b a 8 0 8 a 1 7 ) 中的一部分。研究 的目的是针对我国目前生活污水的水质水量特点，开发一项高效低耗的污水处 理设备和新的工艺，使之既能用于大型污水厂，又能用于小型污水厂。 第1 章绪论 1 5 2 研究目的 随着社会的发展与建设步伐的加快，污水中溶解性有机物，氨氮的浓度升 高，常规污水处理工艺有时很难使水质达到排放标准。为解决水质问题，国内 外出现了多种多样的污水深度处理技术。针对上述特点，研究与开发一项高效、 低耗的，占地少，运行稳定，管理方便的污水处理工艺，即沸石滤料生物滤池， 使得该工艺既可应用于大型污水处理厂，又可用于小型城镇污水厂的污水处理， 解决目前常规工艺无法使出水氨氮含量达标的问题，使水质得到保证。通过本 试验探索最佳的工艺技术路线，确定合理可行的工程设计及运行参数，为新工 艺的大规模应用提供经济可行的实施方案。 1 5 3 研究内容 ( 1 ) 沸石生物滤池挂膜的试验研究，包括不同挂膜启动方式对比、生物 膜各成熟阶段和效果对照，针对进水水质，通过试验确定滤池的高效启动方式o ( 2 ) 对沸石生物滤池去除有机物、氨氮等的能力及其去除机理进行探讨， 并对影响滤池工作性能的主要因素进行研究，包括水力负荷、有机负荷、氨氮 负荷、气水比、填料高度等，为生产运行提供参考。 ( 3 ) 研究适宜该滤池的反冲洗，包括反冲洗方式的选择、反冲洗强度的 确定、反冲洗后滤池性能的恢复、反冲洗周期的对照等。 ( 4 ) 推导出沸石生物滤池反应器的动力学模式，以优化、完善工艺设计 参数。 1 2 第2 章试验概况与试验内容 2 1 试验概况 2 1 1 试验水质 第2 章试验概况与试验内容 废水取自某市污水处理厂内初沉池的出水，再用3 0 一4 0 目的筛网过滤掉漂 浮的大块杂物，其水质情况见表2 1 。 表2 1 试验进水水质情况 c o d 。】【n h 3 n 】【t f e 】【m n l【t p 】【s s l【色度】 项目 p h m g l 1m g l - 1m g l 1r a g l 1n a g l 1m g l 1 度 最大值4 2 04 57 81 1 85 55 21 3 51 8 0 最小值 1 8 01 86 55 82 53 19 01 2 0 平均值3 2 0 3 2 7 2 9 o3 7 3 51 1 5 1 5 0 2 1 2 试验装置及工艺流程 图2 1 沸石滤料滤池流程图 出水 藩 0 心 蕊 藩 蕃 沸石采用缙云天然斜发沸石，其主要物理指标是：密度2 1 6 9 c m 3 ，粒径1 0 - 2 0 目( o 8 m m 一1 6 m m ) ，硬度3 4 度，含水率7 1 4 ，孔径3 5 4 0 埃，比表面 第2 章试验概况与试验内容 积2 3 0 - 3 2 0 m 2 倌。 该沸石生物滤池为5 0 0 m m 的圆柱体，总高约1 9 m ，其内装填有天然斜发 沸石。反应器中一t l , 有圆柱形溶气通道，内装填料，气、水在此充分混合。在 压力条件下，空气迅速溶在水中。试验期间溶解氧保持在4 5 m g l 以上。污水上 向流经沸石滤层时，经微生物的生物吸附、生物氧化及填料的过滤截留作用， 污水得到净化处理。 滤池运行一段时间后，滤池内截留了大量的s s ，生物膜也生长变厚，水头 损失增大，需对滤池进行反冲洗。反冲洗后滤池可重新投入运行。 2 2 试验方法 本试验在某市污水厂内进行，以水力负荷，气水比，填料高度为基本控制 参数，对该沸石生物滤池去除c o d 卵氨氮的规律和机理等以及抗冲击负荷性能 进行分析研究，