（工业催化专业论文）一体式AO摇动床处理石化废水的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 废水生物处理方法以其反应条件比较温和，微生物来源广，对环境适应性强；不需 投加药剂，可以避免造成二次污染等优点成为废水处理方法中的重要分支。其中，摇动 床生物膜反应器是一种新型生物膜反应器，与传统的生物膜法相比，具有挂膜容易、去 除有机物能力强、启动时间短、节省占地、运行稳定、易于控制等特点。 本实验针对国内许多石油化工废水处理工艺中氨氮降解效果差的问题，采用新型 b i o f r i n g e 填料与a o 工艺相结合，设计一体化a 0 摇动床工艺。在实验过程中，通过 调节p h 值，控制溶解氧和反应温度在适宜的范围内，确定反应器回流比及水力停留时 间的最佳运行参数，考察碳氮比、进水负荷对c o d 、n h 3 一n 、t n 去除率的影响情况， 探索反应器去除污染物的机理并指出运行时的注意事项。 本实验通过一年多的小试，对石化废水中氨氮和总氮的去除取得了良好的效果，系 统在最佳运行参数条件下，即水力停留时间为2 0 8 小时，回流比为3 时，c o d 的去除率 可以达到9 0 以上，n h 。一n 的去除率可以达到9 5 以上，t n 的去除率可以达到7 0 以上； 系统的总氮去除率随碳氮比的增加而增大，说明了碳源对反硝化的重要影响，即碳源越 充足，反硝化进行的越充分；c o d 去除率受进水负荷影响较小，而氨氮和总氮去除率受 进水负荷影响较大，超过系统的去除负荷，将引起去除率的急剧下降；为达到良好的去 除效果，操作时应注意控制生物膜厚度，生物膜过厚，将使好氧填料的内部产生厌氧现 象，填料内部发黑应采用突然增大曝气或降低进水负荷的办法，使生物膜脱落。该反 应器具有动力消耗低，抗冲击能力强，操作稳定等特点，为进一步在石油化工废水处理 中的应用提供了实验依据。 关键词：一体式： 0 摇动床；b i o f r i n g e 填料；石化废水：g o d 苟钰娴：一体式a o 摇动床处理石化废水的研究 s t u d yo nt h et r e a t m e n to fp e t r o c h e m i c a lw a s t e w a t e ru s i n ga oi n t e g r a t i v e s w i m b e dp r o c e s s a b s t r a c t w a s t e w a t e rb i o l o g i c a lt r e a t m e n tp r o c e s si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e t h o d so w i n gt o i t sm i l dr e a c t i o nc o n d i t i o n s ，m a n yk i n d so fm i c r o o r g a n i s m s ，h i g he n v i r o n m e n t a la d a p t a t i o n a b i l i t y a n dn on e e d o f c h e m i c a l a g e n t s w i t h o u t s e c o n d a r yp o l l u t i o n c o m p a r e dt o c o n v e n t i o n a lb i o l o g i c a lt r e a t m e n ts y s t e m s ，s w i m m i n g - b e db i o f i l mr e a c t o r ( s b b r ) i sak i n d o f n o v e lb i o f i l mr e a c t o rw i t hm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g hc o dr e m o v a lr a t e s s h o r ts t a r t u 口 t i m e ，l e s sl a n da r e a ，s t a b l eo p e r a t i o n ，e a s yc o n t r o la n ds oo n i no u rs t u d y ，a na 0s w i m - b e db i o f i l mr e a c t o rw a sd e s i g n e d e db yc o m b i n i n g s w i m m i n g b e db i o f i h nr e a c t o rw i t ha 0t e c h n o l o g ya n dw a su s e dt oi r e a tp e t r o c h e m i c a l w a s t e w a t e rd u et ot h el o wr e m o v a lr a t e so fn h s - n 1 1 1 eo p t i m a lo p e r a t i n gp a r a m e t e r ss u c ha s r e c y c l er a t i o h r tw e r ed e t e r m i n e do nt h ec o n d i t i o no fs u i t a b l ep h d i s s o l v oo x y g e r l c o n c e n t r a t i o na n dr e a c t i o nt e m p e r a t u r e n l ee f f e c to fc nr a t i oa n di n f l u e n tl o a d i n gr a t e so n t h er e m o r a lo fc o d ，n h 3 na n dt nw a sa l s os t u d i e d a tt 1 1 es a m et i m e t h em e c h a n i s mo f r e m o v a lo f c o n t a m i n a n t sw a sd i s c u s s e da n dk e yd o i n t so f o p e r a t i o nw e r ep r o v i d e d m o r et h a no n e y e a rr u np e r i o ds h o w e dt h a tb e t t e rr e m o v a le f f e c to fn h 3 - na n dt ni n i r e a t i n gp e t r o c h e m i c a lw a s t e w a t e rw a so b t a i n e d a tt h eo p t i m a lp a r a m e t e r so f 2 0 8hf o rh r t a n d3 0f o rr e c y c l er a t i o t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o dw a so v e r9 0 a n da b o v e9 5 n h s - nr e m o v a le f f i c i e n c ya n d7 0 t nr e m o v a le f f i c i e n c yw e r ea c q u i r e d 1 1 1 ed e n i t d f y i n g e 艏c i e n c yi n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gc nr a t i oi nt h es y s t e m ，w h i c hm e a n tt h a to r g a n i cc a r b o n s o u r c eh a da ni m p o n a n ti n f l u e n c eo nd e n i t r i f i c a t i o na n dt h ed e n i t r i f y i n gr a t ew a sh i 幽诵m e n o u g hc a r b o nc o m p o u n d s t h ei n f l u e n tl o a d i n gh a dl i t t l ee f f e c to nr e m o v a lo fc o da n d m u c he f f e c to nr e m o v a lo fn h a - na n dt n t h er e m o v a le f f i c i e n c yd e c r e a s e dg r e a t l yw h e n i n f l u e n tl o a d i n go v e r l o a d e dt h em a x i m u mc a p a c i t y i tw a sa l s on e c e s s a r yt oc o n t r o lt h e b i o f i l mt h i c k n e s sa n dt oa v o i dt h eo c c u r r e n c eo f a n a e r o b i cp h e n o m e n ai n s i d et h eb i o f i l m t h e r e s u l t ss h o w e dt h er e a c t o re x h i b i t e ds o m ea d v a n t a g e ss u c ha sl o wp o w e rc o n s u m p t i o n s t r o n g s h o c kr e s i s t a n c ea n ds t a b l eo p e r a t i o n i tw o u l dp r o v i d ee x p e r i m e n t a lf o u n d a t i o nf o rf u t u r e a p p l i c a t i o no ft h i s os w i m - b e dt e c h n o l o g yi nt r e a t i n gp e t r o c h e m i c a lw r s t e w a t e r k e y w o r d s ：i n t e g r a t i v e ；a o s w i m b e d p r o c e s s ；b i o f r i n g ef i l l e r ；p e t r o c h e m i c a l w a s t e w a t e r ；c o d 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 巍 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 污水处理的生物膜法 好氧生物膜法又称固定膜法，是土壤自净过程的人工化。生物膜法和活性污泥法是 污水处理行业应用最为广泛的两种生物处理技术。生物膜法基本特征是在污水处理构筑 物内设置微生物生长聚集的载体( 即一般所称的填料) ，在充氧的条件下，微生物在填 料表面积聚附着形成生物膜。污水以一定的流速流过填料时，生物膜中的微生物吸收分 解水中的有机物，使污水得到净化，同时微生物也得到增殖，生物膜随之增厚。当生物 膜增长到一定厚度，向生物膜内部扩散的氧受到限制，其表面仍是好氧状态，而内层则 会呈缺氧甚至厌氧状态，并最终导致生物膜的脱落。随后，填料表面还会继续生长新的 生物膜，周而复始，使水得到净化。 1 1 1 生物膜的形成及特点 在净化构筑物中，填充着数量相当多的挂膜介质，当有机废水均匀地淋洒在介质表 层上时，便沿介质表面向下渗流，在充分供氧的条件下，接种的或原存在于废水中的有 机物，迅速进行降解有机物的生命活动，逐渐在介质表面形成黏液状的生长有极多微生 物的膜，即称之为生物膜。随着微生物的不断繁殖生长，以及废水中悬浮物和微生物的 不断沉积，使生物膜的厚度不断增加，其结果是使生物膜的结构发生变化。膜的表层和 废水接触，由于吸取营养和溶解氧比较容易，微生物生长繁殖的迅速，形成了由好氧微 生物和兼性微生物组成的好氧层( 卜2 m m ) 。在其内部和介质接触的部分，由于养料和溶 解氧的供应条件差，微生物生长繁殖受到限制，好氧微生物难以生活，兼性微生物转为 厌氧代谢方式，某些厌氧微生物恢复了活性，从而形成了由厌氧微生物和兼性微生物组 成的厌氧层。厌氧层是在生物膜达到一定厚度时才出现的，随着生物膜的增厚和外伸， 厌氧层也随着变厚”1 。 与活性污泥法相比，生物膜法有以下主要特点： ( 1 ) 活性污泥在污水中因无附着载体而随波逐流，漂浮翻动，不能形成稳定的生 物体系，一般不能生长增殖世代时间长的微生物。而生物膜法有填料作为载体，供生物 群栖息生长，因此可形成稳定的生态体系，在填料上可生长增殖速度慢、世代时间长的 高级生物，在科属上也比活性污泥法丰富得多，除细菌、原生动物外，还有比较多的真 菌、藻类、后生动物以及大型的脊椎生物等。 ( 2 ) 填料上生长的生物膜中，栖息着高次营养水平的生物，食物链较活性污泥的 长，剩余污泥量比活性污泥法要少2 0 以上。 苟钰娴：一体式a o 摇动床处理石化废水的研究 ( 3 ) 丝状菌的大量增殖，会引起活性污泥的膨胀，往往给操作管理与处理效果带 来严重的影响，但它却有较强的氧化能力。活性污泥法是极力避免它，而生物膜法可以 充分利用它，并且没有污泥膨胀问题。 ( 4 ) 生物膜法一般勿需污泥回流，运行中就不用象活性污泥那样频繁地调整回流 污泥量及溶解氧浓度。 ( 5 ) 生物膜法对进水负荷的变化及周围环境的变化都有更强的适应能力。 ( 6 ) 动力消耗、占地面积等较活性污泥法小。 ( 7 ) 繁殖速度慢、世代时间长的硝化细菌能够在生物膜上栖息、增殖，因此，生 物膜法能够脱氮。 ( 8 ) 由于和污水的接触面积大，因而生物膜法的容积负荷比活性污泥法要高得多。 ( 9 ) 填料表面被生物膜所布满，形成了生物膜的主体结构，有利于维护生物膜的 净化能力；还能够提高充氧能力和氧的利用率；有利于保持高浓度的生物量。3 。 1 1 2 生物膜净化废水的原理 污水的生物膜处理法是与活性污泥法并列的一种污水好氧生物处理技术。这种处理 方法的实质是使细菌和菌类一类的微生物和原生动物、后生动物类的微型动物附着在 滤料或某些载体上生长繁育，并在其上形成膜状生物污泥一生物膜。污水与生物膜接 触，污水中的有机污染物，作为营养物质，为生物膜上的微生物所摄取，污水得到净化， 微生物自身也得到繁衍增殖。生物膜是高度亲水的物质，在污水不断在其表面更新的条 件下，在其外侧总是存在着一层附着水层。生物膜又是微生物高度密集的物质，在膜的 表面和一定深度的内部生长繁殖着大量的各类微生物和微型动物，并形成有机污染物一 细菌一原生动物( 后生动物) 的食物链。生物膜在其形成与成熟后，由于微生物不断增 殖，生物膜的厚度不断增加，在增厚到一定程度后，在氧不能透入的里侧深部即将转变 为厌氧状态，形成厌氧性膜。这样，生物膜便由好氧和厌氧两层组成。好氧层的厚度一 般为2 删左右，有机物的降解主要是在好氧层内进行，有机物的降解机理如下图1 1 所 示。 图1 2 为生物膜结构及其工作示意图，从图中可以看出，由于生物作用“3 ，在其表 面有一层很薄的水层，称之为附着水层，附着水层内的有机物大多已被氧化，其浓度比 进水的有机物浓度低的多。因此，进入池内的废水尚在膜面流动时，由于浓度差的作用， 有机物会从废水中转移到附着水层中去，进而被生物膜所吸附。同时，空气中的氧溶入 废水后，继而进入生物膜。在此条件下，微生物对有机物进行氧化分解和同化合成，产 生的二氧化碳和其他代谢产物一部分深入附着水层，一部分析出到空气中去，如此循环 往复，使废水中的有机物不断减少，从而得到净化。 大连理1 大学硕士学位论文 污水中的有机物p 氧一一 微生物 滤 料 代懒 7 讯，懈氨) 肉瘌驰掰毪研能量 ( 抵二氧巍氨) 、内源甲璐磅2 留物 辞旎) 图l _ 1 有机物降解代谢机理 f i g 1 1m e t a b o l i z a b l e m e c h a n i s m o f o r g a n i cc o m p o u n d 厌氧层好氧层 一一 - _ 3 量 n h “ 。_ 一 h j s 4 亭 k b o d 。 生物膜附着 水层 流动 水层 图1 2 生物膜结构 f i g 1 2s t r u c t u r eo f b i o f i l m 在向生物膜细菌供氧的过程中，由于存在着气液膜阻抗，因而速率甚慢。所以随着 生物膜厚度的增大，废水中的氧将迅速的被表层的生物膜所耗尽，致使其深层因氧不足 而发生厌氧分解，积蓄了h 。s 、n h 。、有机酸等代谢产物。但当供氧充足时，厌氧层的厚 燮 黟 厶口 岁。、毪 萄钰娴：一体式a t o 摇动床处理石化废水的研究 度是有限的，此时产生的有机酸类能被异氧菌及时地氧化成c 0 。和h , 0 。而n 地和h 2 s 被 自氧菌氧化成n o ：、n 0 f * ns 0 4 2 - 等，仍然维持着生物膜的活性。若供氧不足，从总体上讲， 厌氧菌将起主导作用，不仅丧失好氧生物分解的功能，而且将使生物膜在下述作用下脱 落：( 1 ) 微生物本身的衰老、死亡、微生物的内源呼吸代谢活动；( 2 ) 内层生物膜的 厌氧代谢，产生c 0 ：、h ：s 、c h 、n h 3 等气体，使生物膜的粘附力减小；( 3 ) 不断增厚的 生物膜本身的重量；( 4 ) 曝气或水力冲刷剪切作用下，使生物膜的剥落力大于附着力， 最终膜成片脱落。由于在整个处理系统中，脱膜仅在局部填料区域发生，并且裸露的填 料上会出现生物膜新一轮生长，因此这类局部的脱落更新是正常的现象。 1 1 3 生物膜的微生物相 在废水生化处理中不管采用何种处理构筑物的形式及何种工艺流程，都是通过处理 系统中活性污泥或生物膜微生物的代谢活动，将废水中的有机物氧化分解为无机物，从 而得到净化的。处理后出水水质的好坏都同组成活性污泥或生物膜微生物的种类、数量 及其代谢活性有关。生物膜主要是由微生物及其胞外多聚物所组成，这些只有在光学显 微镜下才能观察到具体形态的微生物，形态迥异，种类繁多，但归纳起来主要有细菌、 真菌、藻类、原生动物和后生动物等。 ( 1 ) 细菌 细菌是微生物膜的主体，而其产生的胞外多聚物为生物膜结构的形成奠定了基础。 生物膜上细菌的种类取决于其生长速率和微生物膜所处的环境，诸如水中营养状况、附 着生长状况、细菌在生物膜中所处的位置和温度等环境条件。根据所需营养的不同，细 菌可分为无机营养型的自养菌和有机营养型的异养菌，其中异养菌是生物膜中的主要细 菌类型，能够从流经生物膜表面的水中获得足够的能量底物。生物膜中常出现的细菌种 类有。1 ：球衣菌、动胶菌、硫杆菌属、无色杆菌属、产碱菌属、甲单胞菌属、诺卡式菌 属、色杆菌属、八叠球菌属、埃希式大肠杆菌、副大肠杆菌属、亚硝化单胞菌属和硝化 杆菌属等。 ( 2 ) 真菌 真菌是具有明显细胞核而没有叶绿素的真核生物，大多数具有丝状形态，包括单细 胞的酵母菌和多细胞的霉菌。真菌可利用的有机物范围很广，特别是多碳类有机物。当 污水中有机物的成分变化、负荷增加、温度降低、p h 降低和溶解氧水平下降时，很容易 滋生丝状菌。生物膜中常出现丝状菌5 1 ：瘤胞属、灿烂微重真菌、红色桨酶、水镰刀酶、 皮状丝胞酶等。 ( 3 ) 藻类 藻类是含有光合色素的一类生物，在光照下能进行光合作用，利用无机的c 0 ：和氮、 磷盐来合成藻类( 有机物) ，与此同时释放的氧气可供异氧细菌氧化有机物之需。受阳 大连理工大学硕士学位论文 光照射下的生物膜中的主要成分，如在明渠和溪流的岩石上就经常发现有藻类，普通生 物滤池表层滤料的生物膜中及附着生长污水稳定塘的填料上吲亦有大量的藻类。尽管藻 类不是生物膜主要的微生物类群，但藻类却作为水生环境中生产者是受阳光照射下水体 中的生物膜微生物的主要构成部分。由于出现藻类的地方只限于生物膜反应器中表层很 小部分，因而对污水净化不起很大作用。生物膜中常出现的藻类有。1 ：小球藻属、绿球 藻属、席藻属、颤藻属、毛枝藻属和环丝属等。 ( 4 ) 原生动物 原生动物是动物中最低等的单细胞动物，在成熟的生物膜中它们不断捕食生物膜表 面的细菌，因而在保持生物膜细菌处于活性细菌状态方面起着积极作用。原生动物或者 以胞饮方式摄取有机物质，或者以嗜菌的方式吞噬细菌、藻类和其它粒子并消化作为它 们的营养物质。在诸如滴滤池的污水处理生物膜反应器中经常可以观察到原生动物捕食 并因此而影响生物膜累积和性能情况。从微观角度上讲，浮游的原生动物甚至通过再生 膜内运动产生紊动而影响到生物膜的深处的传质情况。生物膜经常出现的原生动物有。1 ： 鞭毛类，肉足类，纤毛类等。 ( 5 ) 后生动物 后生动物是由多个细胞组成的多细胞动物，属无脊椎型。生物膜中经常出现的有轮 虫类、线虫类、寡毛类和昆虫及其幼虫类。 轮虫前端有两个纤毛环，纤毛摆动时犹如流动的轮子。左右两个纤毛环相对方向拨 动，形成向中间的水流，游离细菌、有机物颗粒或污泥碎屑即随水流进入两纤毛毛环之 间的臼部进入体内，这也是一种沉渣取食的方式。轮虫在系统正常运行时期、有机物含 量较低、出水水质良好才会出现，故轮虫的存在说明处理效果较好。 线虫身体圆形，似打足气的轮胎，可吞噬细小的污泥絮粒，在膜生长较厚的生物膜 处理系统中常会大量出现。 综上所述可见，生物膜上的微生物相十分丰富，形成了由细菌、真菌和藻类、原生 动物和后生动物的复杂的生态体系，这些微生物的出现与是否占优势常与污水水质和生 物膜所处的环境条件相关。微生物膜上的生物相可以起到指示生物的作用，由此可以检 查、判断生物膜反应器的运转情况及污水处理效果。 1 2 生物膜反应器在水处理中的应用 1 2 1 生物膜反应器的发展沿革 生物膜反应器是污水生物处理主要技术之一它与活性污泥并列，即是古老的、又 是发展中的污水生物处理技术。 荀钰娴：一体式a o 摇动床处理石化废水的研究 在1 9 世纪末期的1 8 9 3 年，英国进行将污水在粗滤料上喷洒进行净化实验取得了良好的 净化效果，作为生物膜反应器的生物滤池开始问世，并从此开始用于污水处理的实践 睁7 1 。在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。与微生物处于悬浮生长状态的活性污泥法相比，虽然生物滤池具有生物量高和净 化效果较好等优点，但由于其水量负荷和b o d 负荷均较低、环境卫生条件也较差、处 理构筑物占地面积较大且有可能被脱落的生物膜堵塞等缺点，在4 0 ，5 0 年代生物滤池有 逐渐被活性污泥法取代的趋势。在此期间，作为生物膜反应器的生物滤池的填料主要是 碎石、卵石、炉渣和焦炭等实心拳状的无机天然滤料，一般具有比表面积小和空隙率低 等缺点。到了6 0 年代，新型的有机合成材料开始大量生产，广泛使用的有由聚乙烯、 聚苯乙烯和聚酰胺等制成的波纹板状、列管状和蜂窝状等有机人工合成填料，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( t r i c k l i n gf i l t e r s ，也称滴滤池) 外，生物转 盘( r b c ) 、淹没式生物滤 池( s u b m e r g e db i o f i l mr e a c t o r ) 和生物流化( f l u i d i s e db e d ) 技术都 得到了比较多的研究和应用。近年来，生物膜反应器以其独特的优势更受广大研究者和 工程师们的关注，又涌现出大量新型的单一和复合式生物膜反应器( h y b r i db i o r e a c t o r s ) ， 如微孔膜生物膜反应器( m e m b r a n eb i o f i l mr e a c t o r ) 、气提式生物膜反应器( a i r i r e s ) 、移 动床生物膜反应器( m o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r ) 、序批式生物膜反应器( s e q u e n c i n gb a t c h b i o f i l mr e a c t o r ) 、升流式厌氧污泥床一厌氧生物滤池( u a s b a f ) 及附着生长稳定塘 ( a t t a c h e d g r o w t hp o n d s ) ，等等。 由此可见，生物膜反应器发展迅速，由单一到复合，有好氧亦有厌氧，逐步形成了 一套较完整的污水生物处理工艺系列。 1 2 2 生物膜反应器的类型与技术现状 根据生物膜反应器内微生物附着生长载体的状态，生物膜反应器可以划分为固定床 和流动床两大类。在固定床附着生长载体固定不动，在反应器内的相对位置基本不变； 而在流动床中附着生长载体不固定，在反应器内处于连续流动的状态。下面对各生物膜 反应器及技术应用现状加以简要介绍： ( 1 ) 曝气生物滤池 曝气生物滤池是2 0 世纪8 0 年代末在欧美发展起来的一种新型的污水处理技术，它 是由滴滤池发展而来并借鉴了快滤池形式，在一个单元反应器内同时完成了生物氧化和 固液分离的功能。世界上首座曝气生物滤池子1 9 8 1 年诞生在法国，随着环境对出水水 质要求的提高，该技术在全世界城市污水处理中获得了广泛的推广应用。目前，在全球 已有数百座大小各异的污水处理厂采用了曝气生物滤池技术，并取得了良好的处理效 果。 大连理工大学硕士学位论文 曝气生物滤池是充分借鉴污水处理接触氧化法和给水快滤池的设计思路，将生物降 解与吸附过滤两种处理过程合并在同一单元反应器中“。以滤池中填装的粒状填料( 如 陶粒、焦炭、石英砂、活性炭等) 为载体，在滤池内部进行曝气，使滤料表面生长着大量 生物膜，当污水流经时，利用滤料上所附生物膜中高浓度的活性微生物强氧化分解作用 以及滤料粒径较小的特点，充分发挥微生物的生物代谢、生物絮凝、生物膜和填料的物 理吸附和截留以及反应器内沿水流方向食物链的分级捕食作用，实现污染物的高效清除 同时利用反应器内好氧、缺氧区域的存在，实现脱氮除磷的功能。j 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时，在气水比1 ：1 ，滤速5 1 8 m h ，温度l o 以 上条件下，硝化效率可达1 0 0 。英国水研究中心d i l i o n 等“”对b a f 的硝化能力研究结果表 明当氮容积负荷为0 6 3 k g m 3 d 时，氨氨去除率可达9 0 。r p u j o l 等。”通过对法国巴黎 a c h r e s h 处理厂的上向流曝气生物滤池两年的研究认为，在滤速4 6 m h ，6 8 m h ，8 l o m h 运行条件下，当n h ，一n 的容积负荷为1 5 k g m 3 d 时，曝气生物滤池氨氮去除率始终保 持在8 0 1 0 0 ，滤速的提高不仅不是影响反应器硝化速度的限制因素，反而会对硝化有 积极的促进作用。f f d z p o l a n c o “”等对淹没式曝气生物滤池硝化过程中异养菌和硝化菌 的空间分布情况进行研究时发现：当c o d ：n h 。一n 为4 ：l ，进水c o d 氐于2 0 0 m g l 时不影响硝 化效能：当进水c o d 高于2 0 0 m g l 时，硝化效能将无法达到1 0 0 ；尽管曝气生物滤池的氨 氮去除效能在实践中得到了检验，但有关进水负荷，有机物浓度以及硝化细菌分布特征 还需进一步探讨。 ( 2 ) 生物转盘 生物转盘亦称旋转生物接触器( r b c ) ，是由一系列平行的旋转圆盘、转动横轴、动 力及减速装置和氧化槽等部分组成。此工艺利用在池中转动的卧式圆盘上附着生长的生 物膜使废水得到生物净化处理。生物转盘由固定在同一横轴上的若干间距很近的圆盘组 成，圆盘的表面附着生长一层微生物膜，圆盘的作用与生物滤池中的滤料相似。圆盘约 有一半的面积浸在一个半圆形的，或矩形的水槽内，废水垂直于横轴流过水槽，圆盘连 续缓慢转动。当圆盘的一部分浸没于水中时，废水中的氰化物、硫化物、氨等被生物膜 吸收，当圆盘转出离开废水时，即与空气接触，生物膜直接从空气中吸收氧气，氰化物 等污染物质在好氧微生物的消化作用下被分解，如此循环往复，圆盘每转一周就完成了 一个吸附一吸氧一氧化分解的循环过程。圆盘上生物膜老化脱落后，随水流至盘后二次沉 淀池中沉淀排除。生物转盘在运行过程中，生物膜将逐渐增长其长度和厚度，但圆盘在 水中不停地转动，产生了恒定的剪切力，使生物膜不断脱落，因而生物膜厚度大体上不 变。脱落的生物膜具有较高的密度，易于在二沉池中沉淀下来。 生物转盘作为废水生物处理技术有如下特点：微生物浓度高，f m 值较低，使其运 行效率高并具有较强的抗冲击负荷的能力；污泥龄长，具有硝化和反硝化的功能：生物 苟钰娴：一体式a o 摇动床处理石化废水的研究 转盘对b 0 1 ) 高达1 0 0 0 0 m g l 以上的高浓度有机废水和1 0 m g l 以下的低浓度废水皆有良 好的处理效果；污泥产量少，且易于沉淀；因不需要曝气和污泥回流装置，因此动力消 耗低，无二次污染等问题。但生物转盘工艺很难调整其性能来适应进水特性或出水水质 标准的变化，另外由转盘转动所产生的传氧速率是有限的。李海芳等针对生物转盘污 水处理工艺，研究设计出能提高生物转盘处理效率的循环水轮的结构及一体化的安装工 艺形式，以非能源的方式提高了系统耐冲击负荷能力和去除效率，并通过示范工程进行 验证，充分肯定了该技术的高效性和实用性。 ( 3 ) 淹没式生物滤池 淹没式生物滤池亦称生物接触氧化法， 9 7 1 年在日本首创，在生物滤池内，经过充 氧的废水与长满生物膜的填料相接触，废水得以净化。在池内填料全部被废水所浸没。 淹没式生物滤池内向废水供氧有两种方式，一种为分流式，即使废水在单独的隔间内充 氧( 空气或纯氧) ，充氧后的废水然后进入淹没式生物滤池；另一种为直流式，即直接 在填料底部设曝气装置，向滤池中废水进行曝气。 填料材质、结构等影响到生物膜的性状和水力学特性，是决定生物接触氧化工艺处 理效果的关键因素。李晓晨等。o 分别选取了悬挂式填料和悬浮式填料各两种填料，分别 从c o d 与n h ，一n 的去除、充氧效率和出水浊度等方面对各种填料处理城市污水进行了比 较研究。实验结果表明，悬挂式填料具有挂膜快、处理效果稳定，受环境变化影响较小； 悬浮式填料受气水作用能够悬浮转动而具有较强的布水、布气功能：生物量的差异导致 悬浮式填料和悬挂式填料处理效果和充氧效率不同，悬浮式填料生物膜容易脱落导致系 统受负荷冲击时生物量流失而处理效果变差：软性填料生物膜容易板结成球，导致其处 理效果降低。肖习堂，许建华“o 对生物接触氧化法净化微污染原水的机理进行研究，结 果表明，生化池进水处填料层生物膜厚度为0 3 0 5 m m ，出水处填料层膜厚为0 1 0 3 r n m ，仅为污水处理中普通生物膜厚的i i 0 左右。当水中溶解氧控制在7 9 m g l 时， 填料上生物膜全是好气层，无厌氧层存在。生物接触氧化法净水过程是一个高度综合、 高度好氧的生物作用过程，包括生物膜吸附，生物絮凝，有机物的生物降解及氨氮的显著 硝化等作用，生物膜上的细菌主要是高好氧贫营养往微生物。 ( 4 ) 生物流化床 生物流化床是以粒径小于i m m 左右的砂、焦炭、活性炭之类的颗粒材料作为载体， 通过脉冲进水措施使污水由下向上流过。使载体呈流动状态或称之为“流化”状态，依 靠载体表面附着生长的生物膜，使污水得到净化。 美国、日本等国家的环境工程学家最早将这项工艺应用于污水的深度处理，随后研 究应用于二级处理。国内一些科研单位从七十年代年开始这项工作，采用纯氧和空气为 氧源。除好氧生物流化床外，还研究了厌氧一兼氧生物流化床，均获得较好的效果。按 人连理j _ = 大学硕士学位论文 照使载体流动的动力来源的不同，生物流化床一般可分为以液流为动力的流化床和以气 流为动力的三相流化床两大类。在两相流化床中，按照进入流化床的污水是否预先充氧 曝气，床体又可处于好氧状态和厌氧状态，前者主要用于处理污水中的有机污染物，而 后者则主要用于去除污水中的亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等。 近年来，生物流化床已经发展成为一种较有前景的污水生物处理工艺，这主要归因 于生物流化床是一种高效率处理工艺，由于载体细颗粒载体提供巨大的表面积，使单位 体积载体内保持较高的微生物量，污泥浓度可达1 0 4 0 m g l ，从而使负荷较普通的活性 污泥法提高i 0 2 0 倍；生物群体固定在填料上，能承受冲击负荷与毒物负荷，这一点 与生物滤池相同；生长的生物膜在流化床池内脱落很少，使此法能有可能省去二次沉淀 池；由于流化床混合液悬浮固体浓度达1 0 0 0 0 4 0 0 0 0 m g l ，污水在好氧硝化过程中可采 用纯氧时，氧的利用率超过9 0 ；流化床工艺效率高，占地少，是普通活性污泥法的5 左右，投资省。 流化床的典型流程有： 以纯氧为氧源的流化床工艺 污水与回流水在充氧设备中与氧混合，使水中的溶解氧提高至3 0 4 0 m g l 。充满溶 解氧的污水进入生物流化床进行生物反应。在流程中设有脱膜机脱除载体上的生物膜， 经脱膜后的载体返回流化床。 以压缩空气为氧源的生物流化床工艺 本工艺的特点是以压缩空气为氧源。氧在空气中的分压低，充气后的溶解氧含量低， 因而循环系数大，动力消耗多。 三相生物流化床 在三相流化床中，空气( 或纯氧) 一液( 污水) 一固( 带生物膜的载体) 在流化床中 进行生物学反应，不需要另外的充氧设备。由于空气的搅动，载体之间的摩擦比较强烈， 一些多余的生物膜在流化过程中脱落，故不需要特殊的脱膜装置。在三相流化床，由于 空气的搅动，有小部分载体可能从流化床中带出，故需回流载体。三相生物流化床的技 术关键之一是防止气泡在床内互相并合，形成许多巨大的鼓气，而影响充氧效率。 厌氧一兼氧生物流化床 在处理城市污水中，由于污水在管道中流动，形成表面复氧，常含有2 m g l 左右的 溶解氧，可首先经过厌氧一兼氧生物流化床处理，去除一部分b o d ，再进行好氧处理，这 种流程的优点是动力消耗少，剩余污泥量少。 ( 5 ) 厌氧生物膜膨胀床 厌氧生物膜膨胀床是为优化污水处理甲烷发酵工艺于1 9 7 4 年研究和开发出来的， 与生物流化床相似，它也是在多为圆柱形结构的床内填充细小的砂、砾石、无烟煤和塑 苟钰娴：一体式a o 摇动床处理石化废水的研究 料等固体颗粒作为微生物附着生长的载体，但污水从床底部流入时仅使填料层处于膨胀 而非流态化状态，即颗粒间仍保持互相接触。曾经有报道表明“，厌氧生物膜膨胀床处 理系统可用来处理多种不同类型的污水，包括生活污水、糖浆发酵污水、合成污水、牛 粪便污水和乳清污水等，对c 0 3 小于6 0 0 m g l 的低浓度污水的处理亦是非常有效的。 ( 6 ) 移动床生物膜反应器 移动床生物膜反应器( m o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r ，m b b r ) 是一种革新型生物膜反 应器，它能使微生物附着在载体上，漂浮的载体在反应器内随着混合液的回旋翻转作用 而自由移动，从而达到处理污水的目的。m b b r 不仅克服了活性污泥法占地大、会发生污 泥膨胀以及污泥流失等缺点，还解决了固定床生物膜法需定期反冲洗、清洗滤料和更换 曝气器等复杂操作问题，克服了流化床使载体流化的动力消耗过大的缺点。m b b r 的脱氮 除磷功能也十分突出。总之，它具有处理能力高，能耗低，不需要反冲洗，水头损失小， 不发生堵塞，出水水质稳定，耐冲击负荷能力强，结构紧凑，占地少，污泥回流，维护 管理简单的工艺特点“”。 由于m b b r 工艺具有很多的优点，国外已有许多专家、学者对这一工艺进行了深入的 研究，对有机物的去除及脱氮除磷的机理和影响因素有了较深入的认识”，在过去的1 0 年中，移动床生物膜技术在挪威得到了发展，现在有1 0 0 多个基于此技术的污水处理厂在 世界各地的1 7 个国家已经投入使用或在建造之中，它们主要用于市政污水或工业废水去 除有机物质及n h ：；- n 。迄今为止，国外已应用m b b r 进行处理生活污水、工业废水的小试、 中试及生产性实验研究，均取得了较好的效果。近年来，我国不少学者也进行了这方面 的研究，但用于生活污水处理的研究较多，在工业废水方面的应用研究较少，而且大多处 于试验性研究阶段，悬浮填料在我国污水处理工程中的应用实例还不多“”“1 。 ( 7 ) 复合式生物膜反应器 目前，污水的生物处理技术主要分为活性污泥法和生物膜法。活性污泥法处理技术 的典型构筑物代表为曝气沲，而生物膜法处理技术的典型构筑物代表为生物滤池和生物 转盘。从投资及运转各方面考虑，两种处理技术各有优劣。许多人致力于把二者结合，各 取所长，于是生物处理技术朝向“悬浮附着”的方向迈出了一步。复合式生物膜反应器 是近年来发展较快、引起研究者极大兴趣的复合处理工艺，这些反应器将单一操作的优 点复合在一起，使反应器的净化功能极大提高。其特点是在活性污泥曝气池中投加填料 作为微生物附着生长的载体，进而形成悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜，共同 承担去除污水中有机物的任务o ”。有代表性且进行深入研究或应用的复合式生物膜反 应器主要有复合式活性污泥一生物膜反应器删、序批式生物膜反应器“”、升流式厌氧 污泥床一厌氧生物滤池“2 3 及附着生长稳定塘“。 大连理工大学硕士学位论文 综上所述，生物膜反应器的类型众多，有的已多年应用于污水处理的生产实践，有的 则正处于研究阶段或将要应用于实际，还有的只是刚网0 于实验室内研究开发出来的新型工 艺有待于进一步总结研究，还应说明的是，上面所述的生物膜反应器尽管多有好氧与厌氧 之分，但即使在好氧生物膜反应器中，好氧与厌氧微生物总是共存的，尤其是对于生物膜 较厚的情况，溶解氧仅能通过扩散达到微生物膜的表层，深层的生物膜通常处于缺氧或厌 氧状态从而伴随发生着厌氧反应过程。 1 3 生物膜填料 1 3 1 填料的作用 填料在生物膜反应器中的作用有以下几点：它是微生物生长的载体，为微生物提供 栖息和繁殖的稳定环境，并尽可能保持较多的微生物量；它是反应器中生物膜与废水接 触的场所，且对水流有强烈性的紊动作用，使废水能够再分布：同时它对好氧反应器中 的空气泡有重复切割作用，使大气泡再度变成小气泡，增加气、液接触面，提高充氧能 力从而强化了微生物、有机物和溶解氧三者之间的传质；它可以截留废水中的一部分 悬浮物，减少反应器出水中的悬浮物浓度。 1 3 2 填料需具备的条件 对填料性能的要求是：比表面积大，固着的微生物量大：生物亲和性好，微生物挂 膜快，老化生物膜易脱落；稳定性高，抗酸碱，耐氧化，不易生物降解，不易老化；充 氧效率高；质轻、机械强度大，使用寿命长；安装维修方便，价格便宦。其中，充氧性 能是一个主要指标，直接关系着填料类型选择、处理效果、基建投资和能源消耗等，选择 合适的填料，能够缩短工艺的反应时间，提高运行效果及运行稳定性等。 1 3 3 生物填料的分类及特点 生物填料的种类及分类方法繁多，较常见的按填料安装方法分类，生物填料大致可 分为固定式、悬挂式、分散型和新型生物填料等几种类型。 ( 1 ) 固定式填料 固定式填料主要有蜂窝状和波纹板状等硬性填料。邬象牟“”介绍了一种由日本新光 尼龙股份有限公司在1 9 9 2 1 9 9 5 年开发和生产的网状蜂窝填料这种填料的特点是空隙 率大，污水在填料中三维流动，充填材料质轻，韧性强，长期使用不会变质，而且网状蜂窝 填料相互交融，具有长久的稳定性。在g o d 容积负荷为0 j 5 1 2 k g g o d m 3 d 的范围内， 往曝气池中装入外观容积为4 0 6 5 的网状蜂窝填料，能够取得良好且稳定的处理水质， 特别是能够降低处理水中的s s 浓度；当用于污水的深度三级处理时，b o b 容积负荷在 苟钰娴：一体式a o 摇动床处理石化废水的研究 0 1 5 k g m d 以下，原水b o d 为1 5 m g l ，处理水b o d 可以在3 m g l 以下。硬性蜂窝填料的 最大缺点是易堵塞。波纹板状填料则以英国的“f l o c o r ”填料和法国的“c l o i s o n y l e ” 填料为代表“”。这类填料具有孔径大、不易堵塞、流程长、处理效率较高、安装运输方 便等特点，但也存在水在波纹通道内流动不均，不利于生物膜更新等缺陷。 ( 2 ) 悬挂式填料 这类填料产生于2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，应用比较广泛，使用寿命长，价格 适中，非常具有市场竞争力，一般分为软性填料、半软性填料、组合填料和弹性填料等几 类。 软性填料 上海石油化工总厂环境保护研究所于2 0 世纪8 0 年代初期研制出软性纤维填料，应 用到上海石化总厂涤纶厂进行废水处理。当处理装置的容积负荷达3 2 8k g 一时，c o d 去除率可达到8 0 。正常负荷下使用1 2 年，c o d 去除率能达7 5 8 0 ，b o d 。去除率能 达8 0 9 0 “。这种填料