BAF与MBR组合工艺在城市污水深度处理中的实验研究毕业论文

1、摘摘 要要城市污水处理回用既可替代清洁水源、又减少了污水排放量，降低了城市排污负荷，有利于实现节能减排。baf（曝气生物滤池）工艺是适合我国国情的简易、高效、低耗的污水回用新技术。本文就 a/o 两段式 baf 与 mbr 组合工艺处理兰州市某污水厂二级处理出水进行实验研究，通过对低浓度、可生化性差的二级处理出水进行深度处理，可直接回用于工业。本文通过实验确定了最佳填料、进行了不同挂膜方式的对比实验、并采用 a/o 两段式 baf 及 a/o 两段式 baf 与 mbr 组合工艺对城市污水的处理进行了研究，实验结果表明：1.选择最佳填料实验采用火山岩、沸石和陶粒三种填料进行对比，用复合接种方式

2、进行挂膜，在进水 codcr 为 50-60 mg/l，水力负荷为 0.425m3/（hm2） ，水温1317，do 为 46mg/l，气水比为 3:1，hrt 为 2h 的条件下，挂膜稳定后陶粒效果最好，对 cod 和 nh3-n 的平均去除率高于火山岩和沸石，分别为 35% 、79%。2.以陶粒为填料进行了不同挂膜方式的对比实验，采用复合进水挂膜与二级处理出水挂膜进行对比，在进水 codcr 为 40-55 mg/l，水力负荷为 0.234m3/（hm2） ，水温1722，do 为 36mg/l，hrt 为 23h 的情况下，挂膜后期复合进水挂膜与二级处理出水挂膜 cod 和 nh3-n

3、的平均去除率分别为 18%、35%，95%、95%，直接用二级处理出水挂膜好于复合进水挂膜。3.a/o 两段式 baf 深度处理城市污水实验运行 25d 后， baf 对 cod 的去除率达2344%。系统运行稳定后，a/o 两段式 baf 总水力停留时间为 2、4、6h 时，氨氮去除率保持在 95%以上，并且在进水有机物含量低、水力停留时间长的条件下其对氨氮的去除率取决于进水氨氮的高低，而水力停留时间为 6h 时 codcr 的去除效果最好，为 34.26%。4.a/o 两段式 baf 与 mbr 组合工艺对二级处理出水进行深度处理的初步结果表明：该组合工艺对 codcr、nh3-n 平均去

4、除率分别为 55.7%、95%，出水 codcr、氨氮分别为 20.32、0.28mg/l 达到了国家地表水类标准 ，同时 a/o 两段式 baf 作为超滤的预处理有效减轻了膜污染。关键词：关键词：城市污水深度处理；baf 与 mbr 组合工艺；厌氧生物滤池；好氧生物滤池；mbrabstractmunicipal wastewater treatment and reuse can replace clean water, reduc the volume of sewage discharge and reduce urban sewage load,it is helpful to ach

5、ieve energy conservation. baf (biological aerated filter) technology is suitable for china easy, efficient and low consumption of sewage reuse with new technology. a combined proeess of a/o two-stage biologieal aerated fllter(baf) and membrane bioreactor(mbr) is used to treat secondary effluent of a

6、 lanzhou city wastewater treatment plant for reuse in this paper, in-advanced wastewater treatment of low concentration and poor biodegradability of the secondary treatment effluent can be directly reused for industrial .experiment to determine the best packing, different biofilm way of comparative

7、experiment,to use the a/o two-stage biologieal aerated fllter(baf) and the a/o two-stage biologieal aerated fllter(baf) and mbr combination processes of urban sewage processing, experimental the results showed that:1.select the best packing experiment use volcanic rocks, zeolite and ceramic fillers

8、were compared which used composite inoculated biofilm in the influent codcr was 5060mg/l, the hydraulic load was 0.425m3/(h.m2),water temperature was 1317c,do was 46mg/l,air to liquid ratio was 3:1, hydraulic retention time(hrt) was 2h, after the stability of the biofilm, ceramsite is best, its aver

9、age removal of cod and nh3-n is higher than volcanic rocks and zeolite, 35% and 79% respectively.2. different biofilm way of contrast experiment which used ceramsite for packing, comparing the effect of the composite water biofilm and the secondary treatment effluent biofilm, in the influent codcr w

10、as 4055mg/l, the hydraulic load was 0.234m3/(h.m2), water temperature was 1722, do was 3-6mg /l, hydraulic retention time(hrt) was 23h, composite water biofilm and secondary treatment effluent biofilm which their average removal of cod and nh3-n are18%、35%, 95%、95%, the direct use the secondary trea

11、tment effluent biofilm is better than composite water biofilm.3.after a/o two-stage baf advanced treatment of municipal wastewater experiment running 25 days, the removal rate of cod was 2344%.after system was stable,when the total hydraulic retention time of a/o two-stage baf was 2,4,6 h,its ammoni

12、a removal rate remained at more than 95% and its ammonia nitrogen removal rate depends on the level of influent ammonia nitrogen under the influent low organic matter content and long hydraulic retention time.when hydraulic retention time is 6h,the removal rate of cod is best, the removal rate of co

13、d is 34.26%.4.a combined proeess of a/o two-stage biologieal aerated fllter(baf) and membrane bioreactor(mbr) is used to treat secondary effluent, preliminary results show that: the combination of process on the average removal rate of cod, nh3-n is 55.7%, 95% respectivel, the effluent cod and ammon

14、ia concentration are 20.32,0.28 mg/l respectively,which reached “the surface water standard of three types of water”,while the a/o two-stage baf as ultrafiltration(uf) pretreatment effectively reduced the membrane fouling.key words: municipal wastewater treatment；combined process of baf and mbr； ana

15、erobic biofilter；aerobic biofilter；mbr；目目 录录1. 绪论 .11.1 研究背景 .11.1.1 水资源及水环境现状.11.1.2 城市污水回用的必要性.11.2 城市污水回用现状及回用技术 .11.2.1 国内外城市污水回用现状.21.2.2 城市污水回用技术.31.3 曝气生物滤池（baf）用于污水处理综述.41.3.1 曝气生物滤池（baf）的工作原理.41.3.2 曝气生物滤池（baf）的主要类型.51.3.3 曝气生物滤池（baf）的特征.61.3.4 曝气生物滤池（baf）在污水处理中的应用情况.71.4 膜生物反应器（mbr）用于污水处理综

16、述 .91.4.1 膜生物反应器的工作原理 .91.4.2 膜生物反应器（mbr）的类型.101.4.3 膜生物反应器（mbr）的特征.101.4.4 膜生物反应器（mbr）在污水处理中的应用情况.111.5 课题的提出及研究内容 .121.5.1 课题的提出.121.5.2 研究内容.122. 实验概况 .132.1 实验水质 .132.2 填料性能介绍 .132.3 实验装置 .152.3.1 选择最佳填料的实验装置.152.3.2 不同挂膜方式对比实验装置.152.3.3 a/o 两段式 baf 深度处理城市污水实验装置 .162.4 检测项目与分析方法 .173. 曝气生物滤池（baf

17、）填料选择及挂膜方式的研究 .183.1 选择最佳填料实验 .183.1.1 实验运行概况.183.1.2 挂膜启动阶段 codcr 去除效果对比.183.1.3 挂膜启动阶段氨氮去除效果对比.203.1.4 实验结论.213.2 不同挂膜方式对比实验 .213.2.1 实验运行概况.213.2.2 挂膜启动阶段 codcr 去除效果对比.223.2.3 挂膜启动阶段氨氮去除效果对比.243.2.4 1#、2#baf 氮的变化 .253.2.5 生物量与生物活性的测定.273.2.6 实验结论.313.3 本章小结 .324. a/o 两段式 baf 深度处理城市污水实验研究.334.1 a/

18、o 两段式 baf 的启动 .334.1.1 a/o 两段式 baf 实验装置的设计计算 .334.1.2 a/o 两段式 baf 的挂膜方式 .364.2 挂膜启动阶段 codcr去除效果 .384.2.1 厌氧 baf 挂膜启动阶段 codcr 去除效果.384.2.2 好氧 baf 挂膜启动阶段 codcr 去除效果.394.3 挂膜启动阶段氨氮去除效果 .404.3.1 厌氧 baf 挂膜启动阶段氨氮去除效果 .404.3.2 好氧 baf 挂膜启动阶段氨氮去除效果 .414.3.3 进水 codcr浓度对好氧 baf 氨氮去除效果的影响 .424.3.4 a/o 两段式 baf 中氮

19、的变化 .434.4 a/o 两段式 baf 中的微生物 .444.5 实验结论 .454.6 a/o 两段式 baf 最佳运行条件的确定hrt .464.6.1 水力停留时间对 codcr 去除效果.474.6.2 水力停留时间对氨氮去除效果.474.6.3 水力停留时间对浊度去除效果.484.7 本章小结 .495. a/o 两段式 baf 与 mbr 组合工艺深度处理城市污水实验研究.505.1 超滤膜性能参数的确定 .505.1.1 超滤膜性能基本参数.505.1.2 超滤膜通量的确定.515.2 a/o 两段式 baf-超滤（uf）组合工艺对 cod 的去除效果 .525.3 a/o

20、 两段式 baf-超滤（uf）组合工艺对氨氮的去除效果 .535.4 a/o 两段式 baf-超滤（uf）组合工艺对浊度的去除效果 .546. 结论及建议 .556.1 结论 .556.2 建议 .55致 谢 .57附录英文中文1.1. 绪论绪论1.11.1 研究背景研究背景1.1.11.1.1 水资源及水环境现状水资源及水环境现状 水资源是人类生产生活的最关键资源，可是如今，生态环境遭到严重破坏，水体污染严重，水资源的保护和水污染的治理成为现代社会最关注的问题。根据我国水利部最新的水资源公报(2008 年中国水资源公报):我国水资源已探明总量为 2.8 万亿 m3，地表水 2.7 万亿 m3

21、，地下水 0.83 万亿 m3，全国水库年末蓄水总量为 3083 亿 m3。虽然我国总水量很大，但人均占有量很少，约 2200m3/人，在世界范围内属于很低的水平，徘徊于中度缺水标准附近，加上我国对水污染的治理力度不是很大，导致了水资源的短缺1。中国是一个干旱缺水严重的国家，我国南北方城市都受到不同的缺水原因困扰，北方城市大多属于资源性缺水，南方城市则由于处理不力引起的水体污染，逐渐归为水质型缺水2。而城市缺水必然会导致城市经济发展的滞后，也会引起社会的不安定。到 20 世纪末，全国 600 多座城市中，已有 400 多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达 110 个，全国城市缺水

22、总量为 60 亿 m3。而我国每年约排放 365 亿m废水3，既浪费了资源，又污染了环境。据预测，我国工业用水总量将从 1999 年的370 亿 m增长到 2030 年的 660 亿 m。1.1.21.1.2 城市污水回用的必要性城市污水回用的必要性污水的回用即再生水是城市的第二水源。城市污水再生利用是提高水资源综合利用率，减轻水体污染的有效途径之一。再生水合理回用既能减少水环境污染，又可以缓解水资源紧缺的矛盾，是贯彻可持续发展的重要措施水资源短缺和水环境污染已成为制约我国经济和社会发展的重要因素。解决城市水污染和缺水问题的重要途径是城市污水回用。城市污水由于不受季节、气候等自然条件的影响，是

23、一个不容忽视的稳妥可靠的水资源。把妥善处理的城市污水合理回用于工业、农业和居民生活，不仅可以节省大量资金，节约大量清水，保护环境，节约水资源，而且减少了居民水费的支出，提高了居民的生活质量，对缓和水资源短缺状态具有重大的战略意义，其社会效益和环境效益更是不言而喻4。因此，城市污水经过处理达到国家有关规定的水质标准并可在一定范围内重复使用的非饮用水，其城市污水回用己经成为开辟城市新水源，解决城市水资源不足，实现社会可持续发展的一个重要途径。1.21.2 城市污水回用现状及回用技术城市污水回用现状及回用技术1.2.11.2.1 国内外城市污水回用现状国内外城市污水回用现状世界各国对污水的回用十分重

24、视，美国、加拿大、以色列等国已将污水广泛应用于中水回用、工农业灌溉、养殖业、市政绿化、生活洗涤、景观用水等方面。美国十分重视污水回用，早在 1949 年加利福尼亚州地区水污染控制机构颁布了允许使用中水作为农业灌溉用水，并在 1967 年、1978 年进行了两次修订，进一步完善了中水的使用规范5。1977 年美国水法规定，凡申请联邦城市污水治理项目补助者，必须同时提出结合进行污水回用的可行性研究报告，否则不予审批。弗罗里达州根据其城市用水几种特点，大规模地施行双管供水系统，以自来水 40%左右的价格将中水供给高尔夫球场、城市绿化、住宅区的中水道用水。以色列是世界上最干旱的国家之一，相对于其他中东

25、和北非国家正面临着水资源缺乏的环境问题。城市污水回用作为解决这一问题的策略之一以被广泛用于农业和城市灌溉。目前在以色列每年大概产生大约 5 亿 m3的废水，包括农业、工业和其他废水，其中 4.5 亿 m3的废水通过不同的污水处理技术被处理，3 亿 m3的经处理过的废水被作为中水回用于农田灌溉。据统计 2004 年以色列污水回用率已达到 84%，目前，以色列100的生活污水和 72的城市污水得到了回用。以色列之所以取得如此惊人的成绩，除大力发展高科技外，推行城市污水回用政策是一个非常重要的因素6。科威特也是一个干旱的国家，每年降雨量仅约 100mm。随着经济的发展与人口的增加，科威特愈来愈面临着

26、水资源短缺的危机。在这种环境下，城市污水作为重要的水资源经处理后被广泛应用在中水回用、农业灌溉、景观浇灌、地下水回灌、城市非饮用水等方面7。我国对城市污水处理与利用研究，早在 1958 年就开始列入国家科研课题，上世纪60 年代关于污水灌溉的研究已达到一定水平，上世纪 70 年代中期，进行了城市污水以回用为目的的污水深度处理小试，上世纪 80 年代初我国青岛、大连、太原、北京、天津、西安等缺水的大城市相继开展了污水回用于工业和民用的实验工程，并取得积极成果，不少公用建筑亦建设了中水回用装置8。目前，我国城市污水回用已经形成一定规模，在北方一些严重缺水城市，如北京、天津等城市，城市污水回用工程已

27、经相当普遍。北京在污水回用方面走在了全国的前列。北京高碑店污水处理厂的二级处理出水给华能热厂提供冷却水的水源，供应量为 4 万吨/d。同时该污水处理厂还为三河热电厂等工业企业供水。 城市污水回用目前已经成为北京的第二大水源。统计数字显示，2010 年回用水年用量已达 6.8 亿 m3，回用水已经广泛应用于工业制造、农业灌溉、城市绿化、河湖环境等领域。 北京市目前中水主要回用在电厂冷却水、城市公园绿化、湖泊和河流补充水、道路冲洗用水、建筑内冲厕用水、洗车用水等9。天津开发区污水回用目前在全国处于领先水平，主要是敢于创新和利用最先进的技术10。针对用户对水质的不同需要和污水处理厂出水水质的特点，进

28、行有针对性工艺设计，这样的中水回用系统运行稳定可靠，经济效益明显。天津开发区城市污水回用主要用户是森林公园、工业企业以及景观湖泊。1.2.21.2.2 城市污水回用技术城市污水回用技术结合中水水源，根据水处理的分类，污水回用处理工艺按处理机理不同可分为物理化学处理法、生物处理法、膜处理法、生物与物化法四大类11。(l)物理化学处理法物理化学处理法是以混凝沉淀(气浮)技术和活性炭吸附技术相结合的基本方式，主要用于处理优质杂排水。其中混凝/沉淀(澄清)/过滤/消毒是这类工艺中最具代表性工艺。其工艺成熟、出水水质稳定，能有效去除二级出水中尚存的胶体物质、部分重金属、有机污染物和细菌12。(2)生物处

29、理法污水中含有大量的有机物质和无机物质，污水的常规生物处理主要是去除污水中的可降解的有机物质，利用好氧微生物的吸附、氧化作用，降解污水中有机物。生物处理法包括好氧微生物、厌氧微生物和兼性微生物处理。中水处理中多采用好氧生物膜微生物处理技术。如生物接触氧化法13、活性污泥法14等。近年来逐渐发展起来一些新型的生物处理技术如曝气生物滤池等。(3)膜处理法膜处理法属于物理处理或物理化学处理方法，是指利用膜技术来处理水，污水经过粗滤后，再经膜过滤分离，使之符合一定的水质标准。膜按孔径大小可分为微滤(mf)、超滤(uf)、纳滤(nf)和反渗透膜(ro)。超滤(uf)作为近年来发展完善的一种新工艺，具有传

30、统深度处理工艺不可比拟的技术优势，目前在中水回用中应用较为广泛15。(4)生物与物化法生物与物化法是将生物处理法与物化法组合起来应用的一种处理方法，目前膜生物反应器是此方法中比较新的一种污水处理技术。可以同时去除水中胶体类杂质和溶解性杂质，是一种经济、高效的小范围污水处理新工艺。结合以上几种中水回用技术，目前常用的中水处理工艺归纳起来，主要包括以下几种类型:二级处理尾水消毒中水二级处理尾水过滤消毒中水a/o 处理出水微絮凝过滤氯消毒回用二级处理出水化学混凝沉淀或气浮过滤氯消毒回用二级处理出水生物接触氯化接触过滤氯消毒回用二级处理出水生物曝气滤池精密过滤氯消毒回用二级处理出水过滤超滤膜生化反应器

31、回用二级处理出水粗滤超滤膜回用二级处理出水预过滤超滤膜过滤反渗透回用1.31.3 曝气生物滤池（曝气生物滤池（baf）用于污水处理综述）用于污水处理综述1.3.11.3.1 曝气生物滤池（曝气生物滤池（baf）的工作原理）的工作原理图图 1.1 biocarbone 示意图示意图曝气生物滤池（biological aerated filter，简称 baf）属生物膜处理法中的一种，它是一种集生物降解、固液分离于一体的污水处理生物膜三相反应器。其处理污水的原理是反应器内填料上生长的生物膜中微生物氧化分解作用、填料及生物膜的吸附截留作用16，沿水流方向形成的食物链分级捕食作用，以及生物膜内部微环境

32、和厌氧段的反硝化作用17。20 世纪 80 年代末期，法国 otv 公司在废水处理领域首次开发出了biocarbone 工艺，如图 1.1 所示，它属于曝气生物滤池的最早形式。被处理的原污水从池上部进入池体，并通过由填料组成的滤层，在填料表面形成有微生物栖息形成的生物膜。在污水滤过滤层的同时，由池下部通过空气管向滤层进行曝气，空气由填料的间隙上升，与下流的污水相向接触，空气中的氧转移到污水中，向生物膜上的微生物提供充足的溶解氧和丰富的有机物。在微生物的新陈代谢作用下，有机污染物被降解，污水得到处理18。随着过滤的进行，填料表面新产生的生物量逐渐增多，截留的悬浮物(ss)和脱落的生物膜也不断增加

33、，水头损失开始缓慢增加。当固体物质积累达到一定程度时，滤层上部将形成表面堵塞层，导致水头损失迅速增加并达到极限水头损失。此时应立即进行反冲洗以去除滤床内过量的、尤其是老化脱落的生物膜及 ss，恢复滤池的处理能力。反冲洗通常采用气水联合反冲洗。反冲洗水多为处理储存的达标排放水，反冲空气来自底部单独的反冲气管。反冲时关闭底部进水和工艺空气，水气交替单独反冲，最后用水漂洗。反冲洗水通常自下而上，滤层受向上的水流作用而轻微膨胀并达到流化状态。在气水对填料的流体冲刷和填料间相互摩擦的双重作用下，老化的生物膜及被截留的 ss 与填料分离，被冲洗水冲出滤池。再生后的滤池进入下一周期的运行。1.3.21.3.

34、2 曝气生物滤池（曝气生物滤池（baf）的主要类型）的主要类型根据水流方向，曝气生物滤池可分为上向流和下向流两种，早期的曝气生物滤池多采用下向流，但由于下向流曝气生物滤池存在截污效率不高、易堵塞、运行周期短。因此现在多采用气水同向的上向流曝气生物滤池。气水同向使得布水布气更加均匀，在气水上升过程中把底部截流物带入曝气生物滤池的中上部，增加了滤池的截污能力，延长了工作周期。而且避免了下向流曝气生物滤池将截流的污染物主要集中在填料的上部，运行一段时间以后，会造成负水头现象，进而引起沟流现象。目前上向流曝气生物滤池主要有 biofor、biostyr、eolox、deepbed、biopur 等多种

35、形式19，目前世界范围内普遍采用的两种 baf 系统是 biostyr 工艺和 biofor 工艺。 （1）biostyr 工艺biostyr 工艺也是法国 otv 公司的注册工艺，是对其原有 biocarbone 的一个改进，由于采用了新型轻质悬浮填料bio-styrenetm(主要成分是聚苯乙烯，且比重小于 1)而得名。图 1.2 为 biostyr 工艺的示意图。在 biostyr 工艺中，污水从滤池底部进入，与空气同向上流经滤料，滤料顶端安装有一定数量滤头的滤板以防止滤料流失，滤板以上为反冲水储存区，靠重力流向下清洗滤料，曝气管依然位于滤料层中下部，将滤料层分为好氧区和缺氧区，可设回流

36、泵以进行反硝化20。 图图 1.2 biostry 示意图示意图 图图 1.3 biofor 示意图示意图（2）biofor 工艺biofor 工艺是 20 世纪 90 年代初，由德国 phillip muller 公司开发的另一种曝气生物滤池。它应用的滤料为比重大于 1 的沉没式轻质陶粒。biofor 工艺中主体反应池的结构和处理流程如图 1.3 所示。底部为气水混合室，之上为滤板和专用长柄滤头、承托层、滤料，曝气器位于承托层内，污水自下而上通过滤层，提供微生物新陈代谢所需的养分21。biofor 工艺与 biostyr 工艺有一些共同性，它们均为周期性运行，从开始过滤至反冲洗完毕为一完整周

37、期；水流方向相同，所处理水均为上向流，从滤池底部进入，经滤料层从上部流出。所不同的是 biofor 工艺因为采用了比重大于 1 的滤料，滤料层以上不需设滤板；曝气管安装在滤层以下的承托层中，从而避免了曝气孔的堵塞；反冲洗水流也是从滤池底部进入，与反冲洗空气一起通过滤头进入滤层。1.3.31.3.3 曝气生物滤池（曝气生物滤池（baf）的特征）的特征(l) 占地面积小，基建投资省。曝气生物滤池之后不设二沉池，可省去二沉池的占地和投资。曝气生物滤池水力负荷、容积负荷大大高于传统污水处理工艺，停留时间短，因此所需生物处理面积和体积都很小，节约了占地和投资，这对于寸土寸金的城市建设污水处理厂具有重要意

38、义。(2) 出水水质高。过滤、生物吸附与生物氧化作用净化废水，滤料表面为好氧环境，内部为厌氧、缺氧的微环境。存在好氧、厌氧和缺氧微生物，使得硝化、反硝化作用同时进行。因周期性的反冲洗，生物膜得以有效更新，表现为生物膜较薄，活性很高。高活性的生物膜可以有效去除 bod、cod、氨氮等，并吸附截留一些难降解的物质。(3) 氧的传输效率高，曝气量小，供氧动力消耗低。氧的利用效率可达 20%30%，曝气量明显低于一般生物处理法。其主要机理是：因滤料粒径很小，气泡在上升过程中，不断被切割成小气泡，加大了气液接触面积，提高了氧气的利用率；气泡在上升过程中，受到了滤料的阻力，延长了停留时间，同样有利氧气的传

39、质。(4) 易挂膜，启动快。曝气生物滤池在水温 1015时，23 周即可完成挂膜过程。曝气生物滤池在暂时不使用的情况下可关闭运行，此时滤料表面的生物膜并未死亡，而是以孢子的形式存在，一旦通水曝气，可在很短的时间内恢复正常。(5) 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 baf 中从上到下形成了不同的优势生物菌种，因此使得除 c、硝化、反硝化能在同一个池子中发生，简化了工艺流程。(6) 可间断运行。由于大量的微生物生长在粒状滤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，可在几天内恢复正常运行。曝气生物滤池也存在不足的地方2

40、2 23 24：(1) 虽然曝气生物滤池技术发展较快，但其反应机理与反应动力学的研究尚待深入，有关反应机理的理论体系还有待完善；(2) 曝气生物滤池生物法除磷效果较差，从目前的 baf 运行工艺看，完全用生物除磷是很难达到排放标准的，同时脱氮除磷会使系统变得更为复杂。如何深入研究其除磷机理，从而创造良好的厌氧好氧环境将有待进一步探索；(3) 曝气生物滤池要求进水 ss 低。由于 baf 滤料粒径小，若进水 ss 高，滤料纳污会较快地达到饱和，从而会频繁地反冲，导致反冲费用高。baf 工艺作为在我国刚刚起步的污水处理工艺，人们对它的研究很少，应用就更少了。由于没有成熟的运行参数，工程设计难以进行

41、，这恐怕是 baf 工艺向前迈进的最大障碍25。1.3.41.3.4 曝气生物滤池（曝气生物滤池（baf）在污水处理中的应用情况）在污水处理中的应用情况(1) 曝气生物滤池在国外污水处理中的研究应用曝气生物滤池作为生物膜法的一种新型工艺，思路始于 20 世纪初。经过不断的发展，直至 20 世纪 80 年代中期才形成一种较为成熟的污水处理新工艺，并得到应用和推广26。曝气生物滤池的前身是淹没式生物滤池。1913 年该技术开始在美国 lawrence应用，初称淹没式接触曝气池（submerged contactaeratot，sca） ，利用焦炭及灌木枝做填料，其后设置沉淀池。随后 sca 随着采

42、用填料及运行方式的不同而不断发展。直到 20 世纪 70 年代末、80 年代初，一种新型的生物滤池引入了反冲洗，通过反冲洗的方式更新生物膜和清除截留的悬浮物。同时，滤料粒径的减少具有了截留悬浮物的功能，使得系统出水不需要再利用沉淀池进行固液分离，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27。 随后，曝气生物滤池工艺在欧洲开始广泛应用，美国和加拿大等美洲国家在 1980年代引进此技术，日本，韩国和中国台湾也先后引进此技术28。比如英国利物浦北部的 water sandon dock 污水处理厂，法国塞纳中心 cofombes 半地

43、埋式污水处理厂，美国宾夕法尼亚州的 monessen 焦化废水处理厂29。日本荏原公司对 baf 设备的下部结构作了相应的改进，使得 baf 工艺应用于工业废水处理时能够适应不同的水质，防止设备堵塞。其改进获得了良好效果，且具备了一定的推广价值30。目前国外对曝气生物滤池的研究基本处于由中试向生产性转变的阶段，颇多注意实际生产中的经济成本、效益因素等。另外对曝气生物滤池工艺本身的特性及影响因素例如滤池内生物菌群分布特征，曝气量控制，滤料粒径尺寸等等也多有关注。曝气生物滤池在城市污水深度处理用于回用方面的研究国内外已有相关报道。在国外，s.kbavashi31在 1992 年就发表了曝气生物滤池

44、(baf)用于污水深度处理的研究结果，并将其和砂滤进行了对比，结果表明曝气生物滤池(baf)和砂滤在去除 ss 上没有明显区别，但在去除bod5、codcr方面曝气生物滤池(baf)处理效果明显高于砂滤。(2)曝气生物滤池在国内污水处理中的研究应用我国对曝气生物滤池的研究处于起步阶段，现有的曝气生物滤池工艺一般用在城市污水二级深化处理，污水深度处理与回用，微污染水治理以及工业污水处理及设备成套化应用中水处理工程32。2001 年 7 月，我国第一座以 baf 为主体工艺的污水处理厂大连马栏河污水处理厂正式投入运行。该厂采用二级 biofor 处理生活污水，运行效果良好，出水水质达到我国新颁布的

45、城市污水再生利用城市杂用水水质标准37。代晋国，宋乾武，张晓丹33等人研究了韩国产 epp 填料应用于曝气生物滤池(baf)处理二级出水的效果。其所采用原水为中国环境科学研究院家属楼生活污水经 a2/o 二级处理后的出水，从气水比和不同水力负荷两方面做了考察。研究表明，在相同的气水比 4:1 的情况下，水力负荷的加大，系统 codcr、nh+4-n 去除率均下降，ss 的去除率变化不大。周媛媛等人34做了曝气生物滤池-微絮凝过滤处理污染水源水的中试研究，着重考察 baf 和微絮凝过滤对污染物的综合处理效果。结果表明，当进水氨氮、cod、浊度和 tp 分别为 1525 mg/l、3040 mg/

46、l、715ntu 和 0.91.5 mg/l 时，工艺对氨氮、cod、浊度和 tp 的去除率分别为 89.0%、62.2%、90.1%和 64.8%，出水远优于直接的混凝沉淀过滤工艺，可用于印染工业生产。baf-微絮凝过滤组合工艺较企业现有处理工艺来说，运行费用大体相当，但各项出水指标远优于现有工艺，具有显著的优势。1.41.4 膜生物反应器（膜生物反应器（mbr）用于污水处理综述）用于污水处理综述1.4.11.4.1 膜生物反应器的工作原理膜生物反应器的工作原理膜生物反应器是利用膜组件进行固液分离，将截流的污泥回流至生物反应器中，透过水外排。膜组件是 mbr 中最主要的部分，它是把膜以某种形

47、式组装成一个基本单元，相当于传统生物处理系统中的二沉池35。在膜组件中，活性微生物与污水充分接触，不断氧化污水中的那部分能被其降解的有机物，而不能被微生物降解的有机物和无机物及活性污泥、悬浮物、各类胶体、大部分细菌则被截留，从而实现对污水处理净化的目的。目前，常见的膜组件有中空纤维式、管式、螺旋式和平板式几种。其特性如表 1.1 所示。表表 1.1各种膜组件特性各种膜组件特性中空纤维式毛细管式圆管式螺旋卷式平板式价格/(元m-3)40-50150-800400-1500250-800800-2500填充密度高中低中低清洗难易易中易压力降高中低中中可否高压操作可否较难可较难模形式限制有有无无无图

48、图 1.4 不同膜的分离范围不同膜的分离范围膜是具有选择性分离的功能材料。膜的孔径一般为微米级，依据其孔径的不同(或称为截留分子量)，可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜，常用于 mbr 工艺的膜有微滤膜(mf)和超滤膜(uf)。根据材料的不同，可分为无机膜和有机膜，无机膜只有微滤级别的膜，主要是陶瓷膜和金属膜。有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等。不同膜的分离范围如图 1.4 所示。1.4.21.4.2 膜生物反应器（膜生物反应器（mbr）的类型）的类型（1）分置式膜生物反应器，是指膜组件与生物反应器分开设置，在反应器中设有循环管路，靠加压泵加压

49、出水，加压泵从生物反应器抽水，压入膜组件中，膜的滤过水排出系统，浓缩液回流至生物反应器，也称交叉流式膜生物反应器36。其特点是：运行稳定可靠，操作管理容易，易于膜的清洗、更换及增设。但由于其在较高的交叉流速率、过膜压力和水通量的条件下操作，并且回流污泥，因此动力消耗大，系统运行费用高37。（2）一体式膜生物反应器，是将膜组件放置在生物反应器内部，曝气器设置于膜组件的正下方，利用曝气引起的气液向上的剪切力，来实现膜面的错流效果，也有采用在一体式膜组件附近进行叶轮搅拌和膜组件自身的旋转(如转盘式膜组件)，来实现膜面的错流效应。膜出水靠抽吸泵的抽吸而出水。与分置式相比，一体式最大特点是运行能耗低38

50、，但是在运行稳定性、操作管理方面和清洗更换上，不及分置式。（3）复合式膜生物反应器，在形式上也属于一体式膜生物反应器，所不同的是在生物反应器内加装填料，从而改变了膜生物反应器的某些性状，形成复合式膜生物反应器。复合式膜生物反应器运行稳定，在脱氮除磷方面具有优势。1.4.31.4.3 膜生物反应器（膜生物反应器（mbr）的特征）的特征mbr 工艺作为一种新型污水处理技术，尤其是应用于城市污水回用工程中，具有以下特点：（1）去除率高，出水稳定。由于 mbr 膜的截留作用，避免了微生物的流失，生物反应器内可保持高的污泥浓度，从而提高了体积负荷，降低了污泥负荷，具有极强的抗冲击能力。又由于膜的截留作用

51、，使 srt 延长，营造了有利于增殖缓慢的微生物生长，如硝化细菌生长的环境，可以提高系统的硝化能力，同时有利于提高难降解大分子有机物的处理效率和促使其彻底的分解。在运行过程中，较大的水力循环，导致了污水的均匀混合，因而使活性污泥有很好的分散性，大大提高了活性污泥的比表面积。mbr 系统中，活性污泥的高度分散，是提高水处理效果的又一原因39，这是普通生化法水处理技术形成较大的菌胶团所难以相比的。（2）处理负荷高，剩余污泥量少。由于 srt 很长，生物反应器又起到了“污泥硝化池”的作用，从而显著减少了污泥的产量，剩余污泥产量低，污泥处理费用低;mbr 曝气池的活性污泥不会随出水流失，在运行过程中，

52、活性污泥会因进入有机物浓度的变化而变化，并达到一种动态平衡，这使系统出水稳定，并有耐冲击负荷的特点。（3）操作方便，占地面积小。mbr 使微生物完全截留在生物反应器内，实现反应器的水力停留时间(hrt)和污泥停留时间(srt)完全分离，使设计简化，易于一体化，实现自动控制，运行控制较灵活40。并可省去二沉池、砂滤池，节省了占地面积和土建投资。（4）)mbr 的缺点是，膜表面容易形成附着层，使膜的通量显著下降，运作后容易产生膜污染，清洗较困难，更换费用较高。同时，由于国内膜的生产技术较西方先进国家仍有较大的差距，致使大量的膜和膜组件依赖于进口，如美国陶氏化学公司的filmtec 反渗透和纳滤膜元

53、件、荷兰 norit 公司的 xigatm 系列超滤膜和日本旭化成公司的 mi-crozatm 膜系列，使得处理成本较高。1.4.41.4.4 膜生物反应器（膜生物反应器（mbr）在污水处理中的应用情况）在污水处理中的应用情况(1) 膜生物反应器（mbr）在国外污水处理中的研究应用生物反应器（mbr）是一种将膜过滤技术与生物处理技术相结合的高效废水处理工艺。20 世纪 60 年代末，dorr-oliver 公司开发研制了世界上第一个商用 mbr41，用来处理船舶废水，之后陆续有学者对活性污泥和膜分离系统的结合工艺进行研究和报道42。70 年代初，thetford 公司推出了一种新型膜生物分离系

54、统 cycle-let 工艺，用于美国的污水回用项目。1989 年 yamamoto43首次将中空纤维膜组件直接放入活性污泥反应器中，取得了十分优异的处理效果，该工艺日后被称为浸没式 mbr。进入 21 世纪，随着污水处理厂排放标准的日益提高以及 mbr 造价和运行成本的不断降低，mbr 技术进入了全面应用的时代。截止 2005 年，mbr 的全球市值已经达到 2.17 亿美元。目前，全世界投入运行或在建的 mbr 工艺已超过 2500 套，已运行的规模最大的mbr 工程位于德国的 kaarst 市，处理量为 50000m3/d，在建规模最大的是美国brightwater 污水厂的 mbr 工

55、程，设计处理量 11.7 万 m3/d44。(2) 膜生物反应器（mbr）在国内污水处理中的研究应用我国对 mbr 技术的研究和报道始于 90 年代初，虽然起步较晚，但在国家的高度重视下，发展势头迅猛。1990 年，岑运华45在对日本水再生计划的总结报道中介绍了mbr 技术在日本的研究进展。随后在国家科技攻关项目基金的支持下，包括清华大学、中科院生态环境研究中心、哈尔滨工业大学、天津大学等在内的许多高校和研究所纷纷开展了 mbr 技术的研发工作，在扩展 mbr 的应用范围、优先 mbr 的处理效果和运行条件、膜污染的机理以及膜污染控制等方面均取得了显著的成绩。近年来，随着我国经济的日益发展以及

56、污水排放标准的日益严格，mbr 技术的应用也越来越广，涉及生活污水、石化污水、高浓度有机废水、食品废水、垃圾渗滤液等多个领域，2011年，mbr 技术被列入国家鼓励发展的重大环保局势装备目录46，标志着 mbr 技术已成为我国水处理技术的方向标。1.51.5 课题的提出及研究内容课题的提出及研究内容1.5.11.5.1 课题的提出课题的提出黄河兰州段是国家西部大开发的重点区域，废水深度处理和资源化是区域可持续发展的客观要求。而目前城市污水深度处理并回用是解决黄河兰州段水资源短缺和水污染问题一举两得的有效方法。虽然目前城市污水厂二级出水水质能达到城市污水排放标准，但远不能满足污水再生回用的水质标

57、准，所以当前的污水厂迫切需要升级改造现有的处理技术、工艺，即在二级处理基础上增加深度处理技术或工艺。探讨寻求高效、节能、安全的深度处理单元技术和工艺对再生水得以回用具有重大意义。水源为兰州市某污水厂二沉池出水，要求选择合理的污水深度处理工艺为反渗透预处理工艺，使出水达到反渗透进水标准。实验目的是对二沉池出水进行深度处理工艺，使出水达到优质回用水的要求，可直接应用在工业用水上。1.5.21.5.2 研究内容研究内容（1）滤料性能比较研究。在 baf 运行时，通过测量 cod、氨氮等水质指标，分析并研究火山岩、陶粒、沸石三种不同滤料的挂膜启动效果，选用适宜滤料进行下一步研究。（2）挂膜方式的比较研

58、究。在 baf 运行时，通过测量 cod、氨氮等水质指标，分析并研究当采用接种排泥挂膜时（1#滤柱用生活污水进行挂膜启动，2#滤柱用二沉池出水进行挂膜启动）的挂膜启动效果，选用较优的挂膜方式进行下一步研究。（3）曝气生物滤池挂膜启动研究。曝气生物滤池挂膜启动试验，对低有机物含量污水的挂膜时间、效果进行观察及记录。通过 cod、氨氮的去除率以及微生物镜检结果判断挂膜是否成功。（4）曝气生物滤池与膜生物反应器串联运行效果的研究。通过 cod、氨氮、总氮、总磷、no2-n、no3-n 的去除效果来确定曝气生物滤池与超滤（uf）串联运行处理二沉池出水后能否达到反渗透装置的进水要求。2.2. 实验概况实

59、验概况本章主要介绍了选择最佳填料的实验装置、不同挂膜方式对比的实验装置、a/o 两段式 baf 深度处理城市污水的实验装置。2.12.1 实验水质实验水质表表 2.1 校园生活污水校园生活污水指标氨氮(mg/l)cod(mg/l)t()phntu数值557020030010166.57.56070通过多次对七里河污水厂的原水水质的监测，得到其水质变化如下表所示：表表 2.2 二级处理出水二级处理出水指标氨氮(mg/l)cod(mg/l)t()phntu总磷（mg/l）数值1020406010206.57.51.53.50.10.82.22.2 填料性能介绍填料性能介绍 图图 2.1 火山岩火山

60、岩表表 2.3 火山岩化学成分火山岩化学成分化学成分sio2caomgofe2o3feoal2o3tio2k2ona2o含量/%53.828.362.469.081.1216.890.062.302.55火山岩填料是经过选矿、破碎、筛分、研磨等一系列工艺加工而成的粒状填料，其主要成分为硅、铝、钙、钠、镁、钛、锰、铁、镍、钴和钼等几十种矿物质和微量元素。火山岩填料表观为不规则颗粒，颜色为红黑褐色，多孔质轻。火山岩生物滤料表面粗糙，挂膜速度快，反冲洗时微生物膜不易脱落。火山岩是天然蜂窝多孔，是菌胶团是佳的生长环境，粗糙的火山岩表面增加了微生物与火山岩表面的有效接触面积，有利于微生物的接触挂膜和生长