（生态学专业论文）组合式污水处理工艺设计与运行研究.pdf

摘要 随着生活水平逐渐提高，小城镇和农村生活污水的排放大量增加。针对我国中小城 镇和农村污水排放比较分散且处理设施比较落后的特点，本课题提出了一种适宜于分散 型生活污水处理的新型工艺，并开发了一种组合式污水处理装置。该装置主要由6 个反 应箱组成，每个反应箱形成独立的反应单元，根据各反应箱内填料的不同实现功能分异， 实现污水的逐级净化。 本试验研究了系统运行过程中不同时期，装置对污水中s s 、c o d 、t n 、t p 的去 除情况，试验研究得出的主要结论如下： 系统运行5 0 天后，反应器内填料上基本完成生物挂膜过程，生物膜挂膜充分，水质 出水稳定； 系统在整个试验运行过程中，对s s 、c o d 、t n 、t p 的去除效率出现明显波动，其 中对s s 的去除效率在8 5 3 0 一9 5 5 0 之间；对c o d 的去除效率在5 5 o 7 2 0 之 间；对t n 的去除效率在7 1 5 0 9 6 6 0 之间；对t p 的去除效率在3 6 6 0 6 1 8 0 之间。 启动前期，污水处理效果良好。系统对s s 、c o d 、t n 均有较好的去除效果，对t p 的去除效率维持在6 0 左右；启动中期，c o d 和t n 的去除率变化明显，其中c o d 的去除率上升至7 0 以上，t n 的去除率上升至8 5 以上；启动后期，t p 的去除效 率明显下降。 试验研究表明：该工艺对生活污水处理效果良好，运行稳定。对s s 、c o d 、t n 、 t p 的平均去除率分别达到9 1 2 7 、6 6 0 、8 2 8 4 、5 1 7 4 。 本工艺基于传统的a o 工艺进行设计，并有效的将活性污泥法和生物膜法结合在 一起，在各级反应单元实现了由于其填料不同导致的功能分异，并实现污水的逐级净化， 具有运行费用低，投资省，占地面积小的优点，很适合于分散型的污水处理，是一种良 好的污水处理技术。 关键词：组合工艺脱氮除磷去除率 a bs t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gc o n d i t i o n , m o r ew a s t e w a t e re x p e l l e df r o ms m a l lt o w n s a n dv i l l a g e s ，w h e r et h es e w a g ei ss p r e a d i n gd i s t r i b u t e da n dt h ed i s p o s a lf a c i l i t i e sa r en o t e f f i c i e n t i no r d e rt om a k eas o l u t i o n , w h i c hi ss u i t a b l ef o rp u r i f y i n gt h es e w a g ef o r w a s t e w a t e rt r e a t m e n ti nt h er u r a lp l a c e s ，ac o m b i n e dd e v i c ew a sd e v e l o p e d ，t h ed e v i c ew a s m a d eu po fs i xi n d e p e n d e n tr e a c t i o nc o n t a i n e r s ，t h es y s t e ma c h i e v e dw a t e rp u r i f i c a t i o n g r a d u a l l yb ye a c hc o n t a i n e rf i l l i n gw i t hd i f f e r e n ts t u f f i n g t h ee x p e r i m e n tf o c u s e do nt h er e m o v a le f f i c i e n c i e so fs s ，c o d ，t n ，t pi nd i f f e r e n t p h a s e s t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ed e s c r i b e d a sf o l l o w s ： a f t e rs t a r t i n gf o r5 0d a y s ，t h eb i o f i l mh a db e e nf u l l yf o r m e do np a d d i n gs t u f f t h e d i s c h a r g e dw a t e rq u a l i t yi ss t a b l e t h er e m o v a le f f i c i e n c i e so fs s 、c o d 、t n 、t pf l u c t u a t e do b v i o u s l yi nt h ew h o l e o p e r a t i o np r o c e s s t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fs sv a r i e df r o m8 5 3 0 t o9 5 5 0 ；t h er e m o v a l e f f i c i e n c yo fc o d f l u c t u a t e df r o m5 5 o t o7 2 0 ：t h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft nc h a n g e d f r o m7 1 5 0 t o9 6 6 0 ：t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f t pf l u c t u a t e df r o m3 6 6 0 t o6 1 8 0 i i lt h ee a r l ys t a r t - u pp h a s e , t h ee f f e c to fw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti so b v i o u s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a ts s ，c o da n dt nc a nb er e m o v e de f f i c i e n t l y , t h er e m o v a l e f f i c i e n c yo ft pr e a c h e da b o u t6 0 i nt h em i d d l es t a r t - u pp h a s e ，t h er e m o v a le f f i c i e n c i e so f c o da n dt nc h a n g e dc l e a r l y , t h er e m o v a lr a t eo fc o dm o u n t e du pt o7 0 ，t h er e m o v a lr a t e o ft nw e n tu pt o8 5 i nt h ef i n a ls t a r t - u pp h a s e ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft pd e c l i n e d o b v i o u s l y t h ep r a c t i c es h o w e dt h a tt h ed e v i c ew a sf a v o r a b l et ot h et r e a t m e n to fs e w a g ed u et o l l i 曲r e m o v a le f f i c i e n c ya n ds t a b l eo p e r a t i o n t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e so fs s ，c o d ，t n a n d t pr e a c h e d9 1 2 7 ，6 6 o ，8 2 8 4 a n d5 1 7 4 r e s p e c t i v e l y t h ep r o c e s si sb a s e do nt h et r a d i t i o n a la ot e c h n i q u ea n di tm a k e sf u l lu s eo ft h e a d v a n t a g e so f b o t ha c t i v a t e ds l u d g ea n db i o f i l mp r o c e s s ，a c h i e v i n gt h ef u n c t i o n a ld i f f e r e n c e s r e s u l t i n gf r o mv a r i e t yo fs t u f f i n gt og r a d u a l l yp u r i f ys e w a g eb ys t a g e s t h i st e c h n i q u e r e q u i r e sm u c hl e s si n v e s t m e n t ，l o w e rn m n i n gc o s t ，a n dl e s sl a n du s e f u r t h e r m o r e ，i ti sa n e f f i c i e n ts e w a g ed i s p o s a lp r o c e s st h a ti ss u i t a b l ef o rb u i l d i n gd e c e n t r a l i z e dw a s t e w a t e r i l s y s t e m 1 e y w o r d s ：c o m b i n e dp r o c e s s ；p h o s p h o r u sr e m o v a l ：n i t r o g e nr e m o v a l ；r e m o v a le f f i c i e n c y i i i 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 论文作者签名：轰田 日期：2 0 0 眸0 6 月口日 学位论文使用授权说明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以允许采用影 印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文；在不以赢利为目的的前提下，学校可 以公开学位论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 作者签名：哉 指导教师签名 日期：0 8 年0 6 月奄日 日期：。b 年。明0 日 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 1 1 1 中小城镇水污染现状 随着城市化发展步伐加快和生活水平的逐渐提高，城市污水的排放量逐年增加，水 体污染呈现扩大趋势，其中有9 0 以上的城市水域污染严重，近5 0 的重点城镇水源 水质不合标准。大量的生活污水未经处理直接排入城市河道，导致约6 3 的城市河段受 到中度或严重污梨l2 1 。水污染正从东部向西部发展，从支流向干流延伸，从城市向农 村蔓延，从地表向地下渗透，从区域向流域扩散。水污染给我国工业、农业的发展造成 了巨大的经济损失，对人类饮用水的安全也造成了一定程度的威胁。 我国对污水回用举措的实施起步较晚，国外污水回用已有较长的历史，以色列的污 水回用率目前已经到达了8 0 以上；美国已经有3 5 0 多个城市用水属于污水处理后回 用；日本东京地区将三岛河污水处理厂处理过的污水用于国内的3 0 0 多家工厂。我国是 一个水资源短缺的国家，由于过分开采地下水、用水方式落后、水资源不合理利用造成 的巨大浪费以及水体的同益污染加重，更进一步的加深了我国的水资源危机。近年来， 农业受旱面积达到2 0 0 0 万h m 2 ，8 0 0 0 万农村人口饮水困难，缺水城市达到3 0 0 多个， 其中5 0 多个城市严重缺水3 “】。由于地域分布和时空分布的不平衡，我国北方广大地区 水资源仅占全国的8 1 0 ，缺水状况表现尤为突出，急需积极展开水污染治理工程， 实现污水回用来缓解当前的缺水状况。 1 1 2 中小城镇水污染处理面临的问题 中小城镇的污水来源主要是居民生活污水、家畜养殖污水以及工业污水。污水来源 比较分散，且污水水质存在比较大的差异，其中家畜养殖污水中有机物悬浮物浓度偏高， 氮磷含量也比较高。在全国1 7 0 0 0 多个建制镇中绝大多数没有污水处理设施，采取污水 直接排放到附近水体，对当地的水环境造成了严重污染，并随着城镇化建设进程的加快， 城镇用水量的逐渐增加，水污染的范围也在逐步扩大化【5 1 。 针对城镇污水的特点，急于需要可适用于中小城镇的污水处理工艺。由于受经济条 件的限制，中小城镇用于污水处理的资金相对缺乏，加之对污水的处理疏于管理，污水 处理技术相对城市比较落后，城镇的污水回用率很低。在中小城镇和农村由于没有充足 的管网系统，以及合理的管道设施，导致污水的排放比较分散，而且难以集中处理，迫 湖北大学硕士学位论文 切需要根据城镇和农村污水处理的实际需求来选择适合其水质特点和地区特性的高效 低能耗污水处理工艺。 1 2 中小城镇污水处理工艺研究进展 1 2 1 污水处理工艺概述 目前，常用污水处理方式有以物理处理、化学处理和生物处理。其中物理处理技术 如沉淀、过滤、气浮等；化学处理技术如中和、加药混凝、离子交换等；生物处理技术 如好氧生物氧化分解、厌氧生物发酵等。在实际污水处理过程中，经常将这些方法组合 使用，形成了各种不同的污水处理工艺，同时也达到更好的水质净化效果。城市污水处 理工艺主要采用生物活性污泥工艺。生物活性污泥有多种处理工艺，常用的二级生物处 理工艺方法有：普通曝气法、a b 法、a o 脱氮工艺、a o 除磷工艺、a 2 o 脱氮除磷工艺、 氧化沟工艺、s b r 等。随着各个工艺的不断发展和改进，目前较为典型城市污水处理工 艺有a 2 o 工艺、氧化沟工艺、s b r 工艺、a b 法、生物滤池、人工湿地、生态浮床、 生态塘等。 a 2 o 工艺 巴颠甫( b a r d e n p h o ) 工艺是b a r a r d 等在b a r a r d 脱氮工艺的基础上开发出来的。首 次将脱氮和除磷两种功能结合在一起，开创了生物脱氮除磷工艺的新时代嗍。如进一步 取消二级缺氧和好氧池，b a r d e n p h o 工艺则成为改进的p h o r e d o x 工艺，即a 2 o 工艺。 a 2 o 工艺是厌氧缺氧好氧系统。a 2 o 工艺是从b a r d e n p h o 生物脱氮工艺发展而来， 增加了前置厌氧段，使聚磷菌在厌氧条件下进行磷的释放。将脱氮、除磷和降解三个生 化过程巧妙的结合起来，在最后的好氧阶段为三个指标的处理提供了共同的反应条件， 能够用简单的流程，尽量少的构筑物完成复杂的处理过程，给工程实施创造了方便条件。 其工艺流程为： 出水 图卜1a 2 o _ t 艺流程 该工艺存在的主要问题有：脱氮除磷效率难以提高，系统内循环流量以及污泥的增 2 1 绪论 长受到一定的限制，对系统沉淀池要保持以一定的溶解氧浓度，并适当的降低污泥的停 留时间，防止产生厌氧状态和释放磷的现象发生，影响系统出水水质，另一方面也应该 避免由于溶解氧浓度过高，造成回流液对缺氧池的干扰【7 】。 随着a 2 o 脱氮除磷工艺的逐步完善，在普通a 2 o 工艺的基础上，相继出现了 u c t 工艺、改良型u c t 、倒置a 2 0 工艺等新型改良工艺。 氧化沟工艺 氧化沟工艺是污水在沟渠中做循环运动并通过曝气转刷或转盘进行曝气的一种活 性污泥工艺【2 2 1 。氧化沟主要有卡鲁塞尔( c a r r o u s s e l ) 型、奥贝尔( o r b a l ) 型、一体化 氧化沟、t 型和d e 型氧化沟5 种【引。氧化沟( o x i d a t i o nd i t c h ，o d ) 污水处理工艺于2 0 世纪5 0 年代始于荷兰，属于延时曝气活性污泥法。世界第一座氧化沟污水处理厂于1 9 5 4 年在荷兰建造。2 0 世纪6 0 年代以来，氧化沟技术在欧洲、北美、南非、大洋洲等地得 到迅速的推广和应用。我国自2 0 世纪8 0 年代以来从丹麦、美国等国家引进氧化沟工艺， 建成了大约4 0 多座不同种类的氧化沟污水处理厂。该技术既能用于生活污水的处理， 也能用于工业废水和城市污水的处理。氧化沟技术具有工艺流程简单，进水和出水装置 构筑物少；曝气设备和构造形式多样化，运用灵活；处理效果稳定，出水水质好；基建 投资省，运行费用低的优点。 原污水出水 图l - 2 氧化沟工艺流程 s b r 工艺 s b r 工艺( s e q u e n c i n gb a t c ha c t i v a t e ds l u d g er e a c t o rt e c h n o l o g y ) 即序批式活性污泥 处理系统，是2 0 世纪7 0 年代由美国n a t r ed a m e 大学的r i r v i n e 博士将老式的充排系统 改进并发展而成，并对其进行了系统深入的研究，于1 9 8 0 年在美国国家环保总局的资 助下，改建并投产了第一个s b r 工艺的污水处理厂【9 1 。 s b r 工艺，其核心处理设备是一个序批式间歇反应器，省去了许多构筑物，污水 处理在s b r 反应器中运行，通过时间控制来使s b r 反应器实现各阶段的操作目的，在 湖北大学硕十学位论文 流态上属于完全混合式，实现了时间上的推流，水中污染物质随着时间的推移逐步降解。 整个运行周期包括进水、反应、沉淀、出水以及闲置5 个基本工序。在设有曝气或搅拌 装置的s b r 反应器中进行，实现水质净化。 我国于2 0 世纪8 0 年代中期开始对s b r 工艺进行深入的研究和应用。该工艺具有 工艺简单，造价低，占地面积小；具有理想的推流式反应器的特性；运行方式灵活且对 进水水质有良好的适应性；系统易于维护管理的优点。我国于1 9 8 5 年由上海市政设计 院为上海吴淞肉联厂设计了我国第一个s b r 工艺污水处理站，设计处理量为2 4 0 0 t d ， 目前s b r 工艺在上海、广州、无锡、扬州、昆明等地已经广泛应用于污水处理工程中1 0 1 。 传统的s b r 工艺在工程应用上存在一定的局限性，根据不同的水质特点及出水要 求，在s b r 工艺基础之上发展起来的新型s b r 工艺有i c e a s 工艺、d a t - i a t 工艺、 c a s s ( c a s t ) i 艺、u n i t a n k 工艺等等。 a b 法 a b 法污水处理工艺是2 0 世纪7 0 年代由德国亚琛工业大学的b b o h n k e 教授在传 统的两段活性污泥法( 初沉池+ 活性污泥曝气池) 和高负荷活性污泥法的基础上提出的 一种新型的超高负荷活性污泥法，即吸附生物降解工艺【1 。该工艺不设初沉池，由a 段和b 段二级活性污泥系统串联组成，并分别有独立的污泥回流系统。其工艺流程如下 图l 一3 所示： 图l 3a b 法工艺流程图 a b 工艺利用系统工程的基本理论，省去了传统污水生物处理工艺中的初沉池，采 用了两段式处理工艺流程，根据微生物生长和繁殖的规律以及对有机质的代谢作用，使 a 段和b 段分别在两种不同的负荷条件下运行，a 、b 两段的污泥回流系统分开，具备 其各自独特的微生物群，可以有效的保证污水处理过程中生物相的稳定性。a b 工艺具 有抗冲击负荷能力强，特别适合处理水质水量变化波动大的污水，具有良好的脱氮除磷 效果，运行稳定性好，投资省，运行费用比较低的特剧坦】。目前，国内山东淄博污水厂、 4 1 绪论 青岛海泊河污水厂、上海松江污水厂、上海嘉定污水厂均采用此工型1 3 】。 生物滤池 生物滤池属于生物膜法的一种，生物膜法是污水处理领域最早和最广泛应用的工艺 之一，是一种以各种滤料或填料及其附着生长的生物膜为处理介质，充分发挥微生物代 谢作用、物理过滤作用、生物膜和填料( 滤料) 的物理吸附作用以及反应器内食物的多 级捕食作用，实现水体中污染物的去除【1 4 】。在生物滤池内，污水由于重力作用自上而下 地连续流经滤料，污水与生物膜充分接触，填料表面的微生物借助酶的作用，氧化分解 污水中的有机物，使污水得到净化。生物滤池中的填料类型很大程度上影响着污水的净 化效果。一般采用化学性质稳定，不易破碎，不易被微生物分解，且不抑制微生物生长， 并且适宜于微生物粘附以及生物膜形成的填料来填充生物滤池，可以达到理想的水质净 化效果。 生物滤池辅以送风系统，使污水经过好氧、厌氧两个不同的生物处理过程，在污水 有机物去除、硝化去氨、反硝化脱氮、除磷以及微污染水源的预处理过程中有良好净化 效果，其中有机物的去除率可以达到9 0 9 5 左右【l 弱，对氮磷也可以达到较高的去除 率。其构造简单，操作容易，运行费用较低，但由于微生物是附着在填料上生长，不能 随着环境的变化而改变反应器中的生物量，因此对污水浓度以及流量变化的适应性比较 差。对于季节和环境温度变化也会受到一定程度的影响。常用的生物滤池有普通生物滤 池、高负荷生物滤池以及塔式生物滤池。 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ) 湿地( w e t l a n d s ) 研究开始于2 0 世纪5 0 年代，1 9 5 3 年德国的m a xp l a n c k 研究所 首例采用人工湿地净化污水，研究发现芦苇能有效地去除无机和有机污染物( j o sa n d a r t h u r , 1 9 9 9 ) ，而人工湿地用于进行污水净化的研究始于2 0 世纪7 0 年代末，s e i d e l 和 k i c k u t h 合作并由k i c k u t h 于1 9 7 2 年提出根区法( t h er o o t z o n em e t h o d ) 理论【1 6 ，1 7 1 ， 该理论的提出掀起了人工湿地研究与应用热潮。8 0 年代人工湿地的处理系统在世界范围 内迅速发展。随着1 9 8 8 年在美国召开首届国际人工湿地处理污水大会的召开， c o n s t r u c t e dw e t l a n d 逐渐成为人工湿地的通用名词【1 引。 人工湿地是一种新型废水处理工艺，它是由人工建造和监督控制的，与沼泽地类似 的地面，它充分利用了基质微生物植物这个负荷生态系统的物理、化学和生物的三重 协同作用来实现对污水的净化作用。该处理系统结合了生物膜法和自然净化的特点，将 微生物和植物的净化能力结合在一起，具有“一高三低一不 的特点，即高效率、低投 湖北大学硕士学位论文 资、低运行费用、低维持技术、不用电的优尉1 9 】，在污水治理工程中具有很重要的现实 意义。世界上已有很多人工或天然湿地用于各类型污水的处理，如家畜与家禽粪水、尾 矿排水液、工业污水、农业废水、垃圾场渗滤液、城市暴雨径流、生活污水、富营养化 湖水等。 生态浮床 生态浮床是一种经过人工设计、构建并漂浮在水面上的人工生态系统。利用植物根 系和浮床基质的吸附作用，富集水体中的过剩的有机物质。由于植物发达的根系拥有巨 大的表面积，为水体中悬浮物和微生物提供了良好的固着载体。大量微生物在浮床植物 根系上生长繁殖，其中包括各种细菌、真菌和放线菌，以及各种原生动物和微型后生动 物，它们在植物的生长过程中，可以在植物根系表面形成活性生物膜，在水体污染物净 化中发挥了重要的作用。植物根系区的菌根真菌与植物体形成共生作用，具有其独特的 酶途径，可以降解不能被细菌单独转化的有机物。许多浮床植物在生长过程中都能分泌 克藻化学物质等，可以有效的抑制水体中浮游藻类的生长繁殖，与此同时生物浮床还能 够有效的遮蔽阳光，从而抑制浮游藻类的光合作用。浮床植物在光合作用的过程中通过 根系可以向水体中释放大量的氧气，提高水体中的溶解氧，起到促进污染物快速进化的 作用，并能在生长的过程中能释放出大量的分泌物，可以促进水体中有机物质的降解， 从而达到净化水质的效果，同时又可营造水上景观。 生物浮床其主要构建方式可以采用泡沫板和人工蛭石袋为载体，具有可移动、无动 力、无维护、使用寿命长等特点，而且利用水生植物净化受污染水体具有成本低、效果 好、简单易行的优。经研究表明，适宜于生物浮床栽培的水生植物主要有美人蕉、芦苇、 多花黑麦草、荻、水稻、香根草、牛筋草、香蒲、菖蒲、石菖蒲、水浮莲、海芋、凤眼 莲、土大黄、水芹菜、水蕹菜、旱伞草、灯心草等等。 生物浮床技术最早源自德国b e s t m a n 公司开发出第一个生物浮床，后来以日本 为代表的国家和地区相继成功的将生物浮床技术应用于水体的污染治理和生态修复【2 0 1 。 近年来，我国的生物浮床技术的研发和应用正处于快速发展时期，我国科研工作者 也积极开展的生物浮床的研究和应用工作，尝试在原位生态条件下，直接在受污染水体 中大面积的栽培各种挺水植物和沉水植物，以治理修复其水生生态系统，随着生物浮床 技术的示范工程的相继展开，生物浮床技术的可行性研究取得了不少的研究成果。 生态塘工艺 生态塘又名稳定塘( e c o - p o n d s ) 以太阳能为初始能源，通过在塘内种植水生作物， 6 1 绪论 并进行水产和水禽养殖，形成人工生态系统【2 l 】。污水进入生态塘后，有机污染物被细菌 和真菌降解，其降解产物利用太阳能进行新陈代谢过程，并通过实物链的作用从低营养 级向高营养级迁移转化。最终不仅去除了污水中的污染物，而且以水生作物、水产的形 式作为资源回收，从而获得可观的经济效益。生态塘处理技术在许多国家已经取得广泛 的使用。在美国已有1 1 0 0 0 多个塘系统，德国3 0 0 0 多个塘系统，法国2 0 0 0 多个塘系统。 在国外建成的塘处理系统大多为厌氧塘、好氧塘、兼性塘、净化( 熟化) 塘、水生植物 塘、储存塘等各种塘单元的不同组合【2 1 1 ，从而实现污水治理和经济效益的t 双赢”。 1 2 2 城市污水处理工艺适用性分析 a 2 o 工艺 a 2 o 工艺在系统上是最简单的同步脱氮除磷工艺。设有混合液回流和污泥回流系 统，污水在缺氧、厌氧、好氧交替运行的环境下，克服污泥膨胀。由于缺氧、厌氧、好 氧单元是三个独立单元，有利于不同微生物菌群的繁殖生长，因而该系统具有比较好的 脱氮除磷效果。 a 2 o 工艺具有工艺成熟、运行稳定；占地面积小、脱氮除磷效率高、出水水质好； 连续进水、出水、水头损失低等优点，但是其工艺复杂，反应器单元多，运行繁琐，成 本高是该工艺的主要缺点【2 3 】。由于脱氮和除磷对于外部环境条件的要求是相互矛盾的， 在脱氮过程中，要求有机负荷比较低，污泥龄较长；在除磷过程中，要求有机负荷高， 污泥龄较短，在污水处理过程中往往很难掌握脱氮、除磷过程与污泥龄的矛盾。该系统 设有污泥回流系统，在污泥回流的过程中，由于回流污泥中含有的大量硝酸盐回流至厌 氧单元会影响厌氧环境，从而对磷的去除产生不利影响。有研究表明【2 4 】：当系统存在明 显的磷的释放与吸收过程时，厌氧单元内硝酸盐的浓度应该小于o 5 m g l 。 为了克服传统a 2 o 工艺的不足，相继出现了多种改良型的a 2 o 工艺。 氧化沟工艺 氧化沟工艺属于延时曝气活性污泥法。因其构造简单，易于维护管理，在我国被广 泛使用。该工艺除了具有一般活性污泥法的优点外，还具有流程简单、操作灵活的特点， 被认为是出水水质稳定、运行稳定、基建投资费用和运转费用低的污水生物处理方法【2 5 1 。 由于氧化沟工艺属于延时曝气活性污泥法，在污水处理过程中污泥产量较少，其生物除 磷的效果一般。氧化沟工艺不需要混合液回流系统，具有完全混合和推流的特性，但该 工艺一般采用机械表面曝气，充氧动力效率比较低的情况下，污水的处理深度受到限制， 7 湖北大学硕士学位论文 且存在能耗较大，占地面积较大等不足。 s b r 工艺 s b r 工艺鉴于其独特的序批发式特点，有许多其他工艺无法比拟的特性，其优越 性在于：工艺流程简单、运转灵活、基建费用低、出水水质好、耐冲击负荷、污泥沉降 性能好等特点。s b r 工艺是城市污水处理的热点，但是该工艺也存在一些不足：在污水 处理的过程中，进水和排水的阀f - j 自动切换频繁，设备要求高；设备的闲置率高；污水 提升的水头损失大；对操作人员的技术要求也比较高。在目前的研究和实际运用中，s b r 工艺大多以基本运行方式进行设计与运行，当要求同时进行有机物、氮和磷的去除时， 基本运行方式难以达到满意的运行效果。 a b 法 a b 法由a 段和b 段二级活性污泥系统串联组成，并分别有独立的污泥回流系统。 其中a 段为高负荷段，效率很高且具有较强的缓冲能力；b 段与常规的活性污泥法相似， 负荷较低，起到出水把关的作用，处理稳定性好。a b 法对于处理高浓度的污水有很好 的适应性【2 6 1 ，通常在b o d 5 大于2 5 0 m g l 时，a b 法可以表现出明显的优势。但是a b 法污泥产量较大，其产泥量可以超出其他方法常规产泥量的3 0 ，且a 段污泥有机物 含量很高，给污泥的后续稳定化处理增加了一定的难度和投资费用2 7 2 引。此外，由于a 段去除了较多的b o d ，可能造成碳源不足，难以实现脱氮工艺。a b 法不适宜于处理低 浓度污水，会造成b 段运行困难，且难以发挥其优势。 a b 法工艺适宜于处理高浓度污水，该工艺在具有污泥消化等后续处理设备的大中 规模的城市污水处理厂，有明显的节能效果，但对于脱氮要求比较高的污水处理厂不适 宜于采用此工艺。 生物滤池 生物滤池内装填有供微生物附着生长的载体一填料，填料一般具有较大的比表面 积，使生物滤池单位体积内具有很高的微生物量，有利于提高系统的生物脱氮除磷效率。 生物滤池具有占地面积小的优点，但也存在其不足：在进水的悬浮物浓度较高时，一方 面容易堵塞生物滤池；另一方面会产生较大的水头损失，导致频繁的反冲洗，增加动力 消耗2 9 1 。一般为避免进水中的悬浮颗粒堵塞生物滤池，需要采用加药剂的形式去除固体 悬浮物，这样一方面增加了药剂成本，另一方面会产生大量化学污泥，加大了后续污泥 处理的难度。由于整个滤池的容量有限，其抗氨氮冲击负荷的能力比较低，而且当水质 水量波动时，出水水质波动较大。生物滤池其管理难度较大，由于其工程投资和运行成 1 绪论 本比较高。一般仅在用地面积严重不足时优先考虑【刈。 北京大兴种猪厂利用高速生物滤池处理养殖废水，其污水处理工艺流程为：沉淀池 _ 水解酸化- 回流池一高速生物滤池_ 氧化塘，经过一个多月的运行调试，生物滤池完 成挂膜，并正常运行。其最终滤池出水水质均达n - y 国家规定的畜禽养殖业污染物排放 标准【3 1 1 。 人工湿地 人工湿地提供了一个独特的动植物生态环境来实现污水的净化过程。其具有明显的 特点：能长期保持较高的水力负荷；具有相当的脱氮除磷能力，且对磷的去除作用比较 持久；对污水中的重金属及难降解的有机污染物有良好的去除效果；基建投资和运行费 用相对较低：运行操作简单；在净化污水的同时也能美化环境，形成良好的生态环境。 其不足之处在于：占地面积大，对恶劣气候条件抵御能力差，其净化能力易受植物的生 长成熟程度影响，其对有机物的去除效果较稳定，对氮、磷的去除效果容易受多种因素 的影响，与人工湿地结构、填料组分、植物种类及搭配、运行季节、进水水质特征以及 系统管理方法等因素密切相兴3 2 ，3 3 1 。 国外用湿地处理污水已有一定的历史，丹麦、英国等地建立很多大中型的人工湿地 污水处理场，美国现有土地和稳定塘处理系统2 0 0 0 0 多个，约为其城市污水处理厂的1 3 倍。在我国首例采用人工湿地处理污水的研究工作是1 9 8 7 年，由天津市环保研究所建 成的占地6k m 2 的处理规模1 4 0 0m 3 d 的芦苇湿地工程。1 9 9 0 年在深圳白泥坑建造了占 地面积为1 2 6k m 2 的处理规模310 0m 3 d 的人工湿地示范工程【3 4 3 5 1 。 生态浮床 自2 0 世纪7 0 年代，有些国家和地区研究在富营养化湖泊中放养凤眼莲和鲢鳙鱼等 鱼类以改善富营养化现象，取得了较好的效果。自1 9 9 3 年起，在人工模拟池中利用浮 床植物进行了生物浮床技术的可行性与有效性研究，其中人工模拟池的试验结果表明 1 3 6 1 ，通过浮床植物的生育周期( 3 4 个月) ，对受污染水体中t n 、t p 、b o d 、s s 等主 要水质指标的去除率一般在7 0 以上，最高的可达到9 0 ，最低的也超过了5 0 ；水 质可以从地表水劣v 类标准净化为i i i 类标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 。1 9 9 8 年之后，在无锡市 南端的五里湖，利用生态浮床技术直接展开治理富营养化湖泊的可行性与有效性研究 【3 7 1 ，在1 9 9 9 2 0 0 0 年期间在无锡市五里湖展开面积为3 6 0 0 1 1 1 2 的实验区，结果表明：试 验浮床栽培植物生长状态良好，其中旱伞草和美人蕉的生物量积累分别可达7 5 6 k g m 2 和5 2 2k m 2 。对水体中氮、磷的去除效果很好，水质净化效果显著。宋祥甫等【3 8 】人在 9 湖北大学硕十学位论文 我国较早的展开了生物浮床的研究与应用工作，自1 9 9 9 年以来陆续在杭州、上海、无 锡、北京等城市开展了生物浮床治理污染河道工程，为我国生物浮床技术研究及其应用 积累了较为丰富的经验。 近年来，国内开展生物浮床治理污染水体的研究与应用也逐渐增多，实践表明：生 物浮床技术是一种可以实现净化污染、修复生境、恢复生态、改善景观等多种功能的新 型生态环境技术，从其综合效果来看，是有效的、经济的以及符合可持续发展要求的技 术之一，在受污染水体的综合治理中具有良好的推广应用前景。生态浮床大多应用于较 大规模的湖泊富营养化的治理工程中，由于大多数适宜应用于浮床的水生植物经济价值 相对较低，加之容易过度繁殖和老化死亡，如果不及时采取相应措施，存在对水体的二 次污染的问题。 生态塘工艺 生态塘工艺具有无需进行污泥处理，基建费用远少于其他处理方法，能耗及运行费 用低，且管理方便等优点，可以利用荒地进行推广使用，是一种新型的生态污水处理系 统，在我国一些中小城镇已经被广泛应用。在胶州市城市污水处理利用的组合生态塘系 统，其中包括养鱼塘和养鸭塘，并取得了理想的运行效果。其工艺流程【3 9 1 为： 污水一格栅一沉砂池_ 斜板沉淀池一厌氧塘一多级兼性塘_ 最终净化 池( 养鱼塘、养鸭塘) 一农田灌溉_ 补充地下水。生态塘系统一方面实现了污水回 用，另一方面也有效的缓解了当地的水资源危机，采用生态塘工艺对该地区的污水进行 了综合治理，取得了良好的环境和经济效益。 生态塘不仅可以有效的去除b o d ，还可以有效去除氮磷营养元素及病原菌，还原 重金属及有毒有机物。它的主要缺点是：占地面积比较大；其污水处理效果容易受环境 条件的影响，需要有适宜的气温、日照及风力等条件，才可以达到较好的净化效果，在 低温条件下其净化效果将显著下降；其处理效率相对其他方法较低，而且可能产生臭味 及孳生蚊蝇，对周围环境有一定影响，故不宜在居民区附近建设生态塘【辄4 1 1 。 1 3 课题的提出以及研究内容 我国目前中小城镇众多，污水排放比较分散，且不易集中处理，受经济水平的限制， 污水处理设施比较少，污水处理难度较大，污水未经处理直接排放，造成水污染，而且 严重的阻碍了当地经济的发展，因此，对这些分散性的污水源进行处理势在必行。 本课题研究的主要内容包括： l o 1 绪论 进行一体化组合装置的启动及运行周期特点； 研究系统在运行周期内对生活污水的净化效果及对污染物的去除率变化情况； 对组合工艺进行经济性分析，并确定其适用性及范围。 湖北大学硕十学位论文 2 一体化组合式工艺设计 2 1 一体化组合式工艺的设计 2 1 1 一体化组合工艺的设计思路 由于污水中污染物的不同，污水处理工艺、方法以及路线也是不一样的。根据污水 中存在的污染物可以选择合适的处理方法【4 2 1 ，如下表所示： 表2 i 污水中污染物及其处理方法 污水中的污染物 处理方法( 单元操作或其组合) 的选择 悬浮物( s s ) 格栅、磨碎、筛网、筛滤、浮除、离心分离、混凝沉淀 可生物降解有机污活性污泥法( 悬浮生长型生物处理系统) 、生物膜法( 吲着生长型生物处理系统) 、 染物稳定塘处理系统、土地处理系统 难降解有机污染物物理一化学处理系统：活性炭吸附、臭氧( 强氧化剂) 氧化；土地处理系统 病原体消毒处理：加氯、臭氧、二氧化氯、紫外线、加溴，( 碘) 、辐射( 超声波一紫外 线一臭氧复合消毒) ：土地处理系统 氮( n )生物硝化与脱氮、氨吹脱解析、离子交换法、土地处理系统 磷( p )投加药剂( 铝盐、铁盐、石灰、复合盐) 、生物一化学法除磷、a 2 o 生物法除磷 脱氮、土地处理系统 重金属化学混凝沉淀、浮除法、离子浮除、离子交换法、电渗析、反渗透、活性炭吸 附、铁氧体法 溶解性无机固体离子交换法、反渗析、电渗析、蒸发 油隔油浮除、混凝过滤、粗粒化、过滤、电解一絮凝一浮除 热冷却池、冷却塔 酸、碱 中和、渗析分离、热力法回收 放射性污泥化学混凝沉淀、离子交换、蒸发、贮存 在选择污水处理技术时，需要综合考虑。一方面需要考虑该技术的去除效果以及污 水处理的投资经济成本，另一方面需要根据污水的特点选择适合的污水处理工艺，出于 这几个方面的综合考虑，本课题以中小城镇的污水处理为出发点，结合脱氮、除磷的工 艺原理及特点，提出了一种新型的污水处理组合装置。该组合工艺的设计思路主要包括 以下几个方面： 1 2 2 一体化组合式工艺设计 基于传统的a o 工艺进行设计 a o 工艺是a n o x r c o x i e ( 缺氧有氧) 或a n e r a b i c o x i c ( 厌氧好氧) 工艺的缩写。 传统的生物脱氮除磷工艺在缺氧单元前投加甲醇，以弥补有机碳源，满足反硝化过程的 需要。目前典型的a o 工艺是把缺氧单元提前到好氧单元前，利用进水中的有机物作为 碳源，故称之为前置反硝化流程。其a o 生物脱氮工艺流程如下图2 1 所示： 混合液i 口1 流 进水出水 图2 一la o 生物脱氮工艺流程 在a o 工艺中，包括两个回流系统，即混合液回流和污泥回流。混合液回流的作 用是把硝酸盐和亚硝酸盐转移至缺氧段，向缺氧反硝化池提供硝化氮，作为反硝化过程 的电子受体，达到脱氮目的。污泥回流的作用主要是向系统提供活性污泥微生物，以满 足系统对负荷的要求。在水温、d o 、碳氮比等参数满足a o 工艺的条件下，传统的a o 工艺的脱氮效率取决于污泥回流比和混合液回流比，要取得满意的脱氮率必须保证较大 的污泥及混合液回流比，一般混合液回流比为3 0 0 - 4 0 0 时，脱氮效率在8 0 左右l7 。 传统的a o 工艺，回流系统一方面增加了动力消耗及运行成本，如用泵回流则电耗较高； 另一方面回流系统的安装也给其他反应器及曝气管路布置等带来了的诸多不便。同济大 学的任洁、顾国维等对改良型a 2 o 工艺处理城市污水的试验研究，在a 2 o 工艺中取消 了混合液的回流。改良型a 2 o 工艺的中试研究表明【4 3 】：取消混合液回流是一种对a 2 o 的改良工艺，可以利用曝气池进行反硝化反应，以及利用微生物絮状体中蓄积有机碳的 反硝化过程，包括内源反硝化，以及活性污泥在前置端从原水中吸附蓄积的有机碳进行 的反硝化，可以达到较好的脱氮效果，同时对有机污染物的去除没有任何不利影响。采 用传统a o 工艺的常州市城北污水处理厂二期工程，以取消混合液回流的形式运行了一 年多，结果表明【4 4 1 ，取消内回流后有机物、n h 3 n 及t p 去除率明显上升，t n 去除率 略有下降，这与同济大学的任洁等人的试验结论基本一致，具有重要的工程意义。该工 艺实际上是将污泥回流和混合液回流合二为一，在流程上有所减化，使得生产运行和管 理更加直观，简单，但是由于污泥回流泵的电耗远远大于混合液回流泵的电耗，电耗相 湖北大学硕十学位论文 应的增大，不经济。 在本课题试验中，组合工艺取消了回流系统。由于微生物附着在填料上形成生物膜， 生物膜的脱落与增长可以自动保持平衡，在系统正常运行无需污泥回流；利用各反应箱 内填料的不同决定了系统不同反应单元的功能分异，实现污水的逐级净化。取消混合液 和污泥回流系统，可以使处理系统变得相对简单，降低基建费用和运行费用，降低系统 维护管理和运行控制的难度。所有的反应单元均不采用回流装置，使反应流程简单化， 同时也防止各反应单元的相互干扰，实现逐级净化。其工艺流程如下图2 2 所示： 进水叫王重量互卜臣至至亘 _ 叫堕童垂变塑互卜+ 夏至蛋垂亟丑叫歪耍至壹司( 亟堕p 出水 图2 - 2 工艺流程 将活性污泥法与生物膜法相结合 活性污泥法和生物膜法是污水生物处理的两大类方法。生物膜法是污水处理领域最 早和最广泛应用的工艺之一，是一种使微生物以各种滤料或填料为载体生长繁殖，并在 滤料或者填料上形成生物膜，以达到去除水体中有机物和氮磷的方法。具有反应迅速且 易于控制、污泥产量少、微生物不易流失等优点，有利于n h 3 - n 和难降解有机物的去 除。活性污泥法也是处理污水中被广泛使用的方法，但该工艺存在承受水力负荷冲击能 力有限、系统运行不稳定、污泥产量大、基建费用比较高以及占地面积比较大