（市政工程专业论文）生物接触氧化填料性能试验研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 r 6 200 6 、6 生物接触氧化填料性能试验研究 摘要 本试验对生物接触氧化法中采用三种具有代表性填料处 理城市污水进行了对比研究，通过试验研究为生物接触氧化法 工艺中填料选用提供依据。试验结果表明，当城市污水中对 c o d 、n h 3 n 及s s 去除效果要求较高时，选用陶粒填料较好， 如果是对旧厂进行改造或是考虑经济问题，y d t 填料比陶粒 填料更具有优势。本文主要研究了以下几个内容： ( 1 ) 研究了在各利哕h 界环境条件相同的情况下，各反应器 的挂膜速度，结果表明，陶粒反应器的挂膜速度最快，y d t 反应器次之，炉渣反应器最慢。 ( 2 ) 探讨了不同水力负荷、不同气水比对c o d 、n h 3 n 及 s s 的去除效果。试验结果均表明，陶粒反应器的c o d 、n h ，一n 及s s 的去除效果均优于y d t 反应器与炉渣反应器，炉渣反应 器的去除效果较差。 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 探讨了生物接触氧化反应系统降解有机物的反应动力 学模式，并给出了各反应器的动力学参数和方程。 ( 4 ) 对各反应器的填料投资及运行管理费用进行了对比， 研究表明，陶粒反应器的填料投资及运行管理费用较高，运行 管理复杂，y d t 反应器与炉渣反应器的填料投资及运行费用 均比陶粒反应器低，运行管理相对容易。 关键词：城市污水，生物接触氧化，填料，动力学模式 太原理工大学硕士研究生学位论文 e x p e r i m e n ts t u d yo nc a r r i e r p e r f o r i a n c eo fb i o c o n i a c to x i d a o n a b s t r a c t i nt h e e x p e r i m e n t ，w h i c h t r e a t m u n i c i p a lw a s t e w a t e rb y b i o c o n t a c to x i d i t i o nm e t h o d ，t h eb a s i so f c a r r i e r s i n g l i n go u tw i l l b ep r o v i d e db ye x p e r i m e n t a ls t u d y i n gt h r e e r e p r e s e n t a t i v ek i n d s o fc a r r i e r e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tc e r a m i cg r a n u l a rw a s b e t t e r , w h e nt h er e q u i r e m e n to fr e m o v a lr a t eo fc o d ，n h 3 na n d s si n m u n i c i p a l w a s t e w a t e rw a s b e t t e r ；y d t c a r r i e rh a d a d v a n t a g eo v e rc e r a m i cg r a n u l a ri nc a s ew ec o n s i d e r e de x i s t i n g w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s r e b u i l d i n go re c o n o m i cf a c t o r t h e m a i nc o n t e n to ft h i sp a p e r w a sa sf o l l o w e d ： ( 1 ) t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h e dt h eb i o f i l mc u l t u r i n gr a t eo f e v e r y c o l u m n r e a c t o lt h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h e b i o f i l m c u l t u r i n gr a t eo fc e r a m i cg r a n u l a rc o l u m nr e a c t o rw a s r a p i dt h a n i i i 太原理： 大学硕士研究生学位论文 y d tc o l u m nr e a c t o r , s t o v es l u g b i o f i l mc u l t u r i n gr a t ew a st h e s l o w e s c ( 2 ) t h ee x p e r i m e n t u s e dc o l u m nr e a c t o r sr e m o v e c o d ， n h 3 。na n ds so fm u n i c i p a lw a s t e w a t e ri nv a r i a n t h y d r a u l i c l o a d i n g a n d g a s - w a t e r r a t i o t h er e s u l t ss h o w e dt h a t c e r a m i c g r a n u l a rc o l u m nr e a c t o r sr e m o v a lr a t eo fc o d ，n h 3 。na n ds s w e r eb e t t e rt h a ny d ta n ds t o v e s l u gc o l u m nr e a c t o r s r e m o v a l r a t e ，s t o v es l u gc o l u m nr e a c t o r sr e m o v a lr a t ew a sw o r s e ( 3 ) t h e k i n e t i c sm o d e lo fb i o c o n t a c to x i d a t i o nt od e c o m p o s e o r g a n i cm a t t e rw a sp r o b e di n t o ，a n dt h ek i n e t i c sp a r a m e t e ra n d k i n e t i c se q u a t i o nw e r eo b t a i n e d ( 4 ) t h ee x p e r i m e n tc a l c u l a t e dt h ei n v e s t m e n to fr e a c t o f sw i t h d i f f e r e n tc a r r i e ra n dt h e i rm a n a g e m e n tc o s t s t h er e s u l t s h o w e d t h a tt h ei n v e s t m e n to fc e r a m i c g r a n u l a rr e a c t o rw i t hc a r r i e ra n di t s m a n a g e m e n tc o s tw a st h e h i g h e s tc o m p a r ew i t hr e a c t o r sw i t h y d tc a r r i e ra n ds t o v e s l u g c a r r i e r k e yw o r d s ：m u n i c i p a l w a s t e w a t e r ，b i o c o n t a c to x i d a t i o n c a r r i e r , k i n e t i c sm o d e l i v 奎堕堡三查堂堡主婴塑生堂篁堡兰 文献综述 1 生物接触氧化法的研究进展 好氧废水生物处理技术从微生物在工艺过程中所处的状态可分为活 性污泥法和生物膜法两大类，生物接触氧化法作为一种常见的浸没型生 物膜法处理技术，已在国内外中小型污水处理厂得到了广泛的应用。生 物接触氧化法的技术实质之一是在反应器内充填填料，已经充氧的污水 浸没全部填料，并以一定的流速流经填料。广布于填料上的生物膜与污 水广泛接触，在膜上微生物新陈代谢功能作用下，去除水中有机物，使 污水得以净化。该法的另一技术实质在于采用鼓风曝气的方法向微生物 供氧，并起到搅拌和混合的作用。 生物接触氧化法是在生物滤池的基础上，从接触曝气法改良演化而 来的，早在十九世纪末韦林( w a r i n 曲，迪特( d i t t e 0 等人就试验研究了接触 氧化法处理污水，1 9 1 2 年克洛斯( c l o s s ) 在德国获得了专利。但是，发展 为正规的污水处理法，还是分别在德国、美国、日本等国的实际应用之 后。虽然形成了正规的生物接触氧化法污水处理技术，但是，当时在接 触填料、氧化池构造与设计、运行管理等方面存在着缺陷，限制了它的 进一步推广应用。二十世纪七十年代，日本的小岛贞南采用了所谓“管 式接触氧化法”净化方法，在填料和供氧方式上有了很大的改进，使得 接触氧化法获得新的生命力，开始迅速地发展起来f 2 】。随后，国外又不 断地研制与开发各种技术性能良好的接触填料和氧化池型式，逐渐扩大 了生物接触氧化法的应用范围，使之得到了较为迅速地发展。近儿十年 来，国外的生物接触氧化法不仅用于水体富营养化的治理，而且广泛用 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 于生活污水、杂排水、印染废水、染色废水、纤维加工废水和酿造等工 业废水的处理。国内，于1 9 7 5 年由北京环境保护科学研究所的郑元景 和邬扬善等人首先进行了生物接触氧化法处理城市污水的试验研究，取 得良好的效果。1 9 7 8 年生物接触氧化法就以它的高效而闻名全国，由于 其管理方便在工业废水处理中获得广泛应用，随着近年来新型填料不断 的开发应用，克服了传统填料的堵塞问题，新型填料具有比表面积大、 组装方便、成本较低等优点。新型填料的开发使用使生物接触氧化技术 在我国也广泛应用起来，逐渐应用在生活污水、纺织印染、粘胶纤维、 造纸、石油化工、食品加工与酿造等工业废水的处理中，近年来，生物 接触氧化法又被用作微污染水源水的生物预处理技术。研究表明生物接 触氧化技术是一种有发展前途的处理方法。 2 常规生物接触氧化法特点 1 ) 、采用分段办法来进一步提高净化能力 两级生物接触氧化法就是根据微生物生长大致分为两阶段的特点， 将有机物的降解也分为两个阶段。有机物被微生物氧化的过程，大致分 为二个阶段，首先是有机物被吸附在污泥上，或贮存在细胞内，进行微 生物的合成( 也有部分有机物被氧化) ，这个吸附合成的速度是很快的， 即微生物处于对数增长期。而当水中有机物浓度降低后，减慢了生物合 成的速度，这时生化过程以氧化为主，称为细菌生长衰减期。如果把接 触氧化池分为二段，第一段污水停留时间短，有机负荷高，微生物增殖 快，并在空气的搅动下，不断脱落，在接触沉淀池中被去除，因而减轻 了第二段的负荷。国外也有用曝气分段的办法来缩短曝气时间。 2 ) 、兼有活性污泥法的特点 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 生物接触氧化法是利用固着在填料上的生物膜，吸附和网捕水中有 机污染物，并加以氧化分解，使污水得以净化。由于填料完全浸没在水 中，固着在填料上的生物膜，浸没于整个空间，一端圆着，一端漂浮， 多数是发育良好的丝状菌胶团，并有大量丝状菌穿插其间，形成密集的 生物群体，增进了污水与微生物的接触表面积。再由于生物接触氧化法 要像活性污泥法那样，设置曝气装置，不断向水中曝气供氧。所以，生 物接触氧化法是一种兼有活性污泥法特点的生物膜法。 3 ) 、沉淀池采用加接触层来提高沉淀效率 生物接触氧化池后面的固液分离设施一般采用接触沉淀池，沉淀池 上部设置一层约o 5 m 的滤料层，氧化池出水中含有较高的剩余溶解氧， 在滤料上可繁殖了类似氧化池填料上的生物膜，起着生化反应，可进一 步改善出水水质。 4 ) 、体积负荷高、处理时间短 就生物接触氧化与活性污泥法来比较，活性污泥法体积负荷为 1 o k g b o d s m “d ，需要曝气时间为4 8 h ：而生物接触氧化法的体积负 荷为3 0 5 0 k g b o d s m 3 d ，一般只需o 5 1 5 h 。同样大小的设备体积， 处理能力提高了2 - 8 倍，使污水生物处理工艺，趋向高效和节省用地。 5 ) 、出水水质好而稳定 接触氧化与接触沉淀工艺有较好的出水水质，在城市污水处理中， 出水b o d 5 可达5 1 2 m g l r 悬浮物在2 0 m g l 左右，出水外观清澈透明， 另外，在进水浓度短期突变时，出水水质受影响很小，在毒物和p h 的 冲击下，生物膜受影响小，而且恢复快。 6 ) 、动力消耗低、污泥产量低 在生物接触氧化池中，充氧装置设在填料的下面，空气气泡上升穿 过填料层时被多次分割破碎，增加了气水接触面积，因此可增加氧的传 3 太原理：l ：大学硕士研究生学位论文 递效率，减少了空气用量，节省了动力消耗；此外，生物接触氧化法不 需要污泥回流，且污泥产量低，因此可省去污泥提升电耗，相应污泥处 理电耗也少。另外，如采用前述的二段法工艺，可使一部分有机污染物 在第一段中以合成污泥的形式，在第一接触沉淀池中排走，减少了氧的 消耗。 7 ) 、生物接触氧化法的缺点 、与活性污泥法相比，工艺构造要复杂些，增加了设计、越工的 工作量和难度。 、更换填料时工作量大。接触氧化池内装有大量填料，需要定期 更换。例如就优质的半软性填料而言，其使用寿命也只有5 年左右。更 换填料时不仅工作量大，而且操作环境也比较差。 3 生物接触氧化工艺处理污水的高效性 太原市殷家堡污水处理厂采用生物接触氧化工艺，其处理规模为 1 0 0 0 0 m 3 d ，据资料显示，该厂的接触氧化池的年平均进水浓度已从1 9 9 0 年的1 1 8 4 m g l 提高到1 9 9 7 年的1 8 6 9 m g l ，出水水质同样可达到活性 污泥法二级处理的水平，而气水比只及活性污泥法的一半不到，由此可 见，生物接触氧化法在城市污水处理中的高效性不容置疑。对太原市殷 家堡污水厂的运行情况进行了分析，接触氧化只需1 o 小时内可达到活 性污泥工艺8 0 小时的效果，功效提高6 7 倍，分析认为生物接触氧化 法的高效性要归功于三高一分和接触沉淀池的特点1 3 1 ： 1 ) 、氧化池内的高生物量、高生物活性和高传质速度。 生物接触氧化池中具有高的生物量，一般活性污泥法的污泥浓度为 2 3 9 l ，丽接触氧化法可达t o - 2 0 9 l ，因此大大提高了容积负荷。由于 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 生物量多，对浓度低的污水，也能有效地进行处理，而且由于填料表面 有利于硝化菌的生长，能适应污水中氨氮硝化的要求。 国内采用的生物接触氧化法的曝气设施都敷设在填料区的下方，不 仅供氧充足，而且对生物膜起- n t 搅动作用，加速了生物膜的更新，使 生物膜活性提高。 在生物接触氧化池中，由于空气的搅动，整个氧化池的污水在填料 孔隙之问流动，使生物膜和水流之间产生较大的相对速度，加快了细菌 表面介质更新，增强了传质效果，加快了生物代谢速度，缩短了处理时 间。 2 ) 、氧化池分为二段，第一段以耗能低、速度快的生物合成为主， 减轻了第二段的生物氧化负荷和对供氧的需求。 3 ) 、沉淀池增加接触层，不仅强化了悬浮物的分离效果，而且接触 层生物膜对水质也起到了进一步的生物氧化作用。 目前国内外对生物处理动力学的研究已基本证实了高的生物量与高 的生物处理速度并不完全成正比关系，生物处理的速度，在定条件下 与参与生物反应的生物量浓度有关，但只有在生物量具有较高的活性、 较高的传质速度的情况下，才能使生物处理的速度随生物浓度的增加而 增加。在活性污泥法中反应活性的主要参数是污泥龄，泥龄愈短，生物 活性愈高，反应的速度愈快。生物接触氧化法具备了高活性和高传质效 率条件，才使处理时间大大缩短了。 生物接触氧化反应器结构和填料的形式具备了满足微生物高效反应 的条件： 1 ) 、由于高比表面积或大空隙率填料的设置，提供了巨大的生物栖 息空间，使大量微生物得以附着生存。接触氧化法的优点是生物膜比较 稳定，易于保持和有利于生物量的提高。而活性污泥法要靠二沉池浓缩 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 和回流来提高污泥浓度，但浓度过高在二沉池会发生厌氧污泥变质上浮， 或发生污泥膨胀、流失，维持过高的生物量对活性污泥系统来讲，是有 一定的难度的。 2 1 、由于曝气时间缩短，曝气池面积可缩小到活性污泥法的1 8 ，则 曝气强度可增加7 倍，即使将曝气量减少1 2 ，曝气强度也将增加3 倍， 曝气强度的增加使空气，水流扰动剧烈，对生物膜表面冲刷加强，使 得老化生物膜易脱落，生物膜更新快，泥龄短，因而活性高。 3 ) 、由于曝气强度大，池内流体的强烈搅动，生物膜表面代谢物质 的流动和更新速度快，浓度梯度大，因而加快了传质速度。 4 ) 、生物接触氧化的填料具有高的比表面积和大的空隙率，由于填 料的设置，对气泡起到切割和阻挡作用，使气泡的停留时间和气液接触 的表面积增加，提高了氧的吸收能力，实测证明提高氧的吸收能力，可 减少接触氧化法的曝气量吼 4 生物接触氧化法的净化机理 生物接触氧化废水处理技术的关键是形成性能良好的生物膜。生物 膜是由微生物群体组成的粘性膜结构，污染水体中的微生物利用其中的 有机物在一定氧浓度下生长繁殖，最初固着生长在填料表面上的少量细 菌，其分泌粘性的胞外聚合物。随着细菌数量的增加，在填料表面形成 最初的胶质粘膜层，细菌在粘膜层内不断生长繁殖，形成新的膜层，并 且其它微生物也不断在膜中出现，并生长繁殖，新生的膜在与废水接触 的最外层不断向外增生，膜上生长的各种微生物相互之间组成一个稳定 生态系统a 生物膜的形成是废水流经载体表面的过程中，通过微生物向 载体表面的输送以结合固定化过程的途径实现的，生物膜的生长是通过 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 废水中有机营养物的吸附、传递及氧向生物膜内部的传递扩散等过程所 促进的生物膜中微生物对有机物质的氧化降解作用来维持的。 ( 1 ) 填料及生物膜的吸附阻留作用 生物接触氧化池中的填料具有一定的比表面积，污水中的有机物进 入反应器后很快被填料所阻留和吸附，这种吸附和阻留所积聚的有机颗 粒也增加了填料表面的粗糙程度，从而加强了吸附阻留作用。与此同时， 微生物也同样在填料表面附着并大量繁殖而形成生物膜，相应地增加了 生物吸附作用。因此，有机物得以去除的第一步骤是由吸附与阻留作用 完成，是填料与生物膜的联合作用。 ( 2 ) 生物膜的净化作用 性能良好的生物膜是生物接触氧化废水处理技术的关键，微生物主 要以生物膜的状态固着在填料上，按照c h a r a c k l i s ( 1 9 9 0 ) l 拘研究，生物膜 的形成和生长过程及生物膜的生长发展过程如图1 1 和图1 2 所示。 1 ) 、生物膜的形成和生长过程分别由以下几个过程组成。 水氛。乏 专 一 i 旨l l 曰 ，戴倦。，a ，i f 我体，b 水l 缸- ， d 8 坷，善g ooo 一 。，警i 晦，毫7 4 ，焉侮, d ， 圈1 - 1 生物膜的形成和生长过程 f i g 1 - 1f o r m a t i o na n dg r o w i n g p r o c e s so fb i o f i l m 理、化学和生物作用又解吸出来 变成了不可解吸的细胞。 a 、有机分子从水中向载体表面 运送，其中有些被吸附便形成了被微 生物改良的载体表面。 b 、水中一些浮游的微生物细胞 被传送到改良的载体表面，其中碰撞 到载体表面的细胞一部分在被表面吸 附了一段时间后因水力剪切或其它物 而另一部分则被表面吸附一定时间后 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 c 、不可解吸的细胞摄取并消耗水中的底物与营养物质，其数目增多； 与此同时，细胞可能产生大量的产物，有些将排出体外。这些产物中有 一些就是胞外多聚物，将生物膜紧紧地结合在一起，因此，微生物细胞 在消耗水中底物能量进行新陈代谢时便使得生物膜形成累积。 d 、进入水中，或者细胞在增殖时亦可以向水中释放出游离的细胞。 2 ) 、生物膜的生长发展过程e h 以下几个过程组成。 a 、生物膜处于初生阶段( 潜伏期) 。稀疏的微生物附着于载体填料 表面，逐步形成较薄的胶质粘合剂膜。此阶段生物膜的密度较低。 ( = z 工3 也 衄幽也芒古已叫l = ! ) ! ! ：l bc 圆圆圈 cf 图1 - 2 生物膜生长发展的六个阶段 f i g 1 2s i xs t a g e so fb i o f f l m g r o w i n g b 、微生物处于快速增长阶段 ( 生长期) 。此时由于生物膜的厚 度尚较薄，微生物的生长不受有 机营养物输送和氧传递的限制， 因而生物膜的厚度明显增加。 c 、随着生物膜厚度的增加， 氧的传递阻力也增加，致使生物 膜内部的好氧微生物开始死亡，兼氧微生物停止好氧代谢机理，转而进 入厌氧转化途径。此时内部适合于少量厌氧菌的生长，好氧菌的死亡导 致生物膜密度的降低。 d 、兼性和厌氧微生物开始适应新环境，以最大速度生长。在原来好 氧微生物生长、死亡的表面上，厌氧微生物加速生长，利用好氧微尘物 残体及由外层膜转移至内部的少量营养维持生命，消耗养料，膜密度的 下降速率减缓。 e 、好氧微生物、兼氧微生物和厌氧微生物的生长速度达到稳定阶段， 膜的密度达到稳定状态。 f 、稳定阶段一直延续到内层的营养贮备耗尽为止。生物膜结构的完 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 整性丧失，内部生物膜老化而发生大块生物膜的脱落。或者由于厌氧产 气在内层的积累把膜项脱而使其附着性能下降，膜层松动而脱落。生物 膜脱落的局部区域为新的生物膜的形成和生长提供了更新表面。 3 ) 、生物接触氧化工艺中生物膜的结构与物质代谢如图1 3 所示。 生物接触氧化法处理工艺中的生物膜便是通过上述周期性的生长一脱落 一生长而保持其稳定有效的对废水中有机物的氧化降解功能。 有机物 氧 二氧化碳 无机物 有机酸等 图1 - 3 生物接触氧化工艺中生物膜的结构与物质代谢 f i g 1 3b i o f i l ms t r u c t u r ea n dm e t a b o l i s mo fb i o - c o n t a c to x i d a t i o n ( 3 ) 食物链分级捕食作用 任何一种生物处理过程都存在着与处理工艺、有机物类型及环境条 件密切相关的生物种群系列，而生物膜法由于其独有的特征表现出丰富 的生物相特点。生物膜中的种群构成复杂多样，丝状真菌和丝状细菌的 种类数量特别多，线虫类、轮虫类等后生动物也较多出现，甚至有光照 的地方也会出现藻类，这种丰富的微生物种群特征使得生物膜内的食物 链关系特别复杂，因而也使有机物在这一食物链系统中得到迅速彻底的 转化a 一般而言，构成生物膜的生物种类的数量要比活性污泥多得多， 其食物链也比活性污泥的长而复杂。在生物接触氧化池中，沿水流方向 q 太原理工大学硕士研究生学位论文 有明显的食物链分级，每一段的优势生物种群各不相同，基本上形成了 有机物一细菌一原生动物一后生动物这一主食物链，同时加上其交叉所 形成的网状食物关系，使反应器系统的物质转化效率达到最高。另外， ： 随着有机物浓度的渐次降低，反应器下部区域的细菌类可以进入内源呼 吸阶段而自体氧化。这样就大大降低了出水中的有机物浓度，达到了去 除目的。 5 生物接触氧化法的控制要点 影响生物接触氧化法处理效果的主要因素有三大类：环境特征( 废 水中的p h 值、温度、溶解氧及水力流态等) 、所使用载体的性质( 载体 的种类、化学组成、表面亲水特性、表面粗糙度及表面带电特性等) 及 微生物本身的性质( 微生物的活性、浓度、种类及培养条件等) 。 ( 1 ) 环境特征 环境因素对废水生物处理的影响因素颇多。由于采用的处理工艺不 同、所处理的废水性质的不同、工艺设计参数的不同以及所需达到的处 理要求和目标的不同等，都将使微生物处于不同的环境条件中，从而影 响着处理效果。 1 ) 、酸碱度( p h 值) 一般来讲，微生物的生理活动与环境的酸碱度密切相关，只有在适 宜的酸碱度条件下，微生物才能进行正常的生理活动。每种微生物的生 长与繁殖都通常有一个最适p h 值范围，p h 值能影响微生物细胞上的电 荷性质。v i l l a r e r d e 等人研究认为不适的p h 值会使微生物失活，底物受 限制和游离氨受到抑制n 一般细菌、放线菌、藻类及原生动物的p h 值 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 适应范围为6 。8 。对硝化过程来说，当p h 值低于6 或高于9 6 时，硝化 反应将停止，硝化菌的最适p h 值为8 - 8 4 吼 经实践表明：生物接触氧化法对p h 值的适应性比较强。当污水的 d h 值为8 1 0 时，微生物仍有较强的适应能力，对处理效果没有多大影 响。p h 值为1 0 1 0 5 或5 - 6 时，对处理效果有一定影响。当受到高p h 冲击时( p h 1 1 ) ，微生物相不再适应，钟虫呈呆滞状态或消失，菌胶团 解体，呈松散模糊，游离菌、豆形虫、草履虫增多【6 】oc o d 和b o d 去 除率下降。但是，若此时及时采取措施将污水p h 调整至1 0 以下，则生 物相的恢复比活性污泥法快。一般只需3 0 天氧化池的工况即可恢复。 2 ) 、温度f r ) 在影响微生物生理活动的各项因素中，温度的作用非常重要。生化 处理温度以2 0 c 一3 0 c 最佳，1 5 。c 一3 5 c 可行，低于8 出水水质变差。在 污水脱氮工艺中，温度对硝化菌有强烈的抑制作用，1 2 ( 2 。1 4 。c 时易出现 亚硝酸赫积累【7 j 0 当温度低于5 c 时，硝化反应几乎停止，细胞处于休眠 状态。对于同时去除有机物和进行硝化反应的系统，温度低于1 5 c 时， 硝化速率迅速降低【8 】。另外，温度对生物接触氧化法的挂膜启动也是非 常重要的因素，在低于1 5 c 的水温时生长繁殖缓慢，难以形成生物膜， 尤其是当水温低于1 0 。c ，由于蛋白质合成的启动受阻，不能合成蛋白质， 微生物即不生长也不死亡，代谢极弱，处于休眠状态【9 l ，这样即使微生 物粘附到填料上，因为不能生长繁殖，也就不能形成生物膜。 3 ) 、溶解氧( d o ) d o 是影响废水生物处理工艺的一个重要因子。对于以去除有机物 为主的生化处理，一般建议反应器中的溶解氧不低于2 m g l 1 l ；d o 对硝 化作用也有很大的影响，一般建议硝化反应中出水d o 含量为 2 - 4 m g l 1 0 1 ，当d o 浓度低于0 5 0 7 m l 时氨的转化过程将受到抑制【1 1 】。 】 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 1 、有机负荷( 体积负荷) 氧化池的体积负荷是影响生物处理效果的又一个重要因子。有机负 荷增加会使c o d 去除率和硝化速率减少，一般认为，生物接触氧化池中 的体积负荷一般在3 - 5 k g b o d s m 3 填料d ，可满足处理水质c o d 达标 排放，但并不满足硝化反应要求，硝化反应只有在系统中的b o d 5 质量浓 度低于2 0 m g l 时，硝化作用才能有效地完成，同时系统的b o d 5 应维持 在0 0 6 0 1 k g b o d 5 ( k g m l s s d ) 较低的水平上【1 2 1 ，当有机物浓度较高时， 异养菌与硝化菌会竞争生物膜表面的空间和溶解氧，从而抑制硝化菌的 增殖，而异养菌数量会大大超过硝化菌，从而阻碍氨向硝化菌的传递， 硝化菌能利用的溶解氧也因为异养菌的利用而减少。 5 ) 、水力流态 对生物膜法处理工艺而言，不同的水流速度将产生不同的水力剪切 作用。而水力剪切力的强弱决定了生物膜反应器启动所需要的时间和运 行期间所固定的微生物数量1 1 3 】。k u g a p r a s a t h a m 等【1 4 l 认为，在基质浓度 不至于使微生物的生长受到限制的情况下，液相中流体扰动程度增加将 使生物膜的密度增加。t a m r e 等的实验表明，表观气速对微生物的固 定有很大影响，高气速会生成薄而致密的生物膜，但是高气速对提高 c o d 去除率没有多大影响。 6 ) 、水力停留时间 水力停留时间对能否生成完整的生物膜有着重要的作用，水力停留 时间也决定了生物膜反应器去除效果。h e i j n e n 等【1 6 1 认为，在其它条件恒 定的情况下，h r t 短则有机容积负荷大，当稀释率大于最大生长率时， 反应器内载体上能生成完整的生物膜。t i j h u i s 等【1 7 】的实验证明了这种观 点a 在醋酸盐c o d 负荷为2 5 k g ( m 3 d ) ，h r t 为4 h ，载体上几乎没有 完整的生物膜，而缩短水力停留时间为1 h ，相同操作时间内几乎所有的 1 2 奎璺碧王查堂堡主婴塑竺堂垡笙苎一 载体上都长有完整的生物膜，且较高的载体表面c o d 有机负荷更易生成 较厚的生物膜。但是h r t 无限制的缩短将会影响到去除效率，微生物对 有机物的转化过程同微生物机体的化学过程紧密地联系着。 ( 2 ) 载体的种类 填料是微生物赖以栖息的场所，影响微生物的生长、繁殖、脱落和 形态。填料不仅与去除效果有关，而且填料的选用还与氧化池工程造价、 运行费用密切相关，价格高昂的填料将增加工程投资【1 8 】。早期人们使用 棍棒、树枝、石块等天然填料；后来略加工制造了炉渣、沸石、焦炭； 而后又专门制造了塑料球、纤维球、玻璃钢蜂窝、波纹板以及防堵塞的 软性、半软性纤维填料：最近人们又开发出d 。c m 改良型软性纤维填料， 高分子聚合物和醛化维纶长丝等组成的s b - a 型组合填料及h z 型、h t z 型、h b y 型等软性、半软性组合填料。过去和现在应用的填料不下百十 种，各种填料各有优劣，可根据地区情况使用条件、价格等因素选用。 另外，载体种类以及载体浓度对反应器内生物膜的挂膜也很重要。 v o i c e 等【1 9 l 的研究表明，具有吸附能力的活性炭表面比不具有吸附能力的 活性炭表面更容易生成生物膜；蔡建安等【加1 的试验表明，焦炭的挂膜速 度大于石英砂；周平【2 l 】认为，相对于大粒径载体而言，小粒径载体之间 的相互摩擦小，比表面积大，因而更容易生成生物膜；w a g n e r 2 2 1 在用气 提式反应器处理难降解物质2 n s 时发现，在载体浓度很低的情况下，即 使生物膜厚度达2 9 5 t a n ，还是不能达到稳定的去除率，但是，载体浓度 为2 0 3 0 9 l 时，即使只有2 0 的载体上有7 5 a n 厚的生物膜，反应器依 然能达到稳定的9 8 的去除率，最高c o d 负荷可达5 8 k g ( m 3 d 1 。 不同的填料其使用寿命各不相同，不同填料对充氧性能有着显著的 查堕里三奎堂堕圭婴塑皇堂垡堡壅 影响，有的填料起着促进氧转移的作用，有的则起着阻碍氧转移的作用， y d t 填料具有将大气泡切割成小气泡，弹性丝可吸附众多的小气泡，延 长气水的接触时间，提高氧的利用率，而纤维软性填料对气水混合流体 的碰撞和切割作用很微弱，不足以将大气泡切割成小气泡，反而将小气 泡聚合成大气泡，因而使氧的转移速率下降，在相同的环境条件下，y d t 填料比纤维软填料的氧的利用率提高一倍以上【捌。 ( 3 ) 微生物的浓度与活性 在废水生物处理工艺中，微生物的浓度与活性都是影响生物处理出 水水质的非常重要的影响因子。微生物的浓度在工程上往往被用来表示 微生物数量的相对值，一般认为微生物浓度与微生物数量是成正比关系。 微生物活性对生物处理的净化作用影响颇大，生物膜活性除与水中基质 浓度、水温、p h 值等因素有关外，还与生物反应池内的流态、传质条件 等密切相关，填料类型、工程运行措施对微生物量和微生物的活性均有 影响，填料类型决定生物量的大小，工程运行方式对生物膜的生长产生 影响，并通过改变传质条件而影响生物膜的活性【州，微生物在填料表面 的附着、生长不仅与填料的物理和化学性质有关，还与填料的比表面积、 孔隙率、表面的孔径分布有关。填料表面孔洞的大小，除容纳微生物个 体之外，还必须留有供细胞与基质之间进行扩散和交换的空间1 2 5 1 。微生 物活性通常用微生物比增长率来加以描述，微生物活性高，其比增长率 越高，相应微生物的能量水平也高，加速有机底物的去除。微生物浓度 与处理效果无直接关系，微生物活性可反应处理效果的好坏。 6 生物接触氧化法中填料的应用 从生物接触氧化法的研究进展、特点、净化机理及各控制要点都可 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 得知，填料是影响生物接触氧化法处理效果的一个控制因子，生物接触 氧化法中填料的应用历史很古老，早在二十世纪初期就取得实践效果。 当时使用的填料是砂砾、枝条、木棒、木片、软木片等。形状不规则， 尺寸和空隙率不均匀，比重不适宜等，使得接触氧化法在好长一段时间 内未被广泛使用。直至七十年代初开发研究蜂窝填料，才使生物接触氧 化法得到了推广使用。因此，可以看出填料同生物接触氧化法的生命力 密切相关。 ( 1 ) 载体填料的要求 对于载体填科的一般要求是：有一定的生物膜附着力、比表面积大、 空隙率大、水流阻力小、强度大、化学和生物稳定性好，经久耐用、截 留悬浮物能力强、不溶出有害物质、不引起二次污染、与水的比重相差 不大，以免过分地增大氧化池荷重、货源充足、价格便宜、运输和施工 安装方便。对载体填料的这些要求大致可分为以下几点： 1 ) 、生物膜的附着力 影响生物膜附着性的因素有物理和物理化学两种因素。物理学因素 主要是载体填料的外观形状。物理化学因素有载体填料的表面显微构造、 表面电位、亲水性等。 、表面粗糙度 生物膜的形成和生长过程表明，载体材料的表面越粗糙，则越有利 于微生物在其表面的附着固定，粗糙度大，挂膜快；粗糙度小，挂膜慢： 材料表面粗糙度通过以下途径直接影响生物膜形成、发展及稳定过程， 主要表现为与光滑表面的载体材料相比，表面粗糙的载体材料可提供更 多的有效接触面积和微生物生长的附着表面积，填料的附着表面积越大， 可提供较大的生物栖息空间，使得大量的微生物得以附着生长，且粗糙 1 5 太原理： 大学硕士研究生学位论文 的表面，如空洞、缝隙等对已吸附的微生物具有保护伞的作用，使它们 免受水力扰动、剪切和冲刷的影响，减缓微生物失落速度，有利于传质 效率的提高1 2 6 】。 、表面的带电性质以及亲疏水性 根据物理化学中体系自由能晟小原则，亲水性微生物易于在亲水性 载体表面附着、固定、而疏水性载体有利于疏水性微生物在其表面的固 定。微生物在一定的p h 条件下，一般带有负电荷。不同填料载体表面 所带电性和电荷数并不相同，表面带有正电性有利于生物膜的形成，且 载体表面的 i _ f ! 电荷愈高，细菌越易附着于填料上，生物膜生长就愈快【2 w 。 2 ) 、填料的空隙率和比表面积 空隙率影响水的实际停留时间和生物膜量。空隙率愈高，氧化池的 阻力愈小，同时需要的填料少，降低造价，因此，从这种意义上来说， 载体填料的空隙率高，但空隙率高时机械强度和比表面积都比较小。哈 里穆斯的试验结果表明，比表面积是影响处理效能的首要因素。载体填 料的比表面大，不仅对溶解性基质，而且对悬浮质的去除效果良好。、但 是，比表面积大的填料带来的问题是使流经填料间的水流阻力增大，能 量消耗随之增加，同时易于堵塞填料。 3 1 、经济因素 影响填料成本的主要因素是材质、填料厚度、加工过程等。不言而 喻，材质价格低廉，厚度小，加工简单，则成本低。当然，经济条件必 须要同填料的生物膜附着性和水力学特性结合起来全面考虑。 ( 2 ) 载体填料的种类 1 1 、板状填料 板状载体填料是生物接触氧化法中较早采用的一种填料。以往板状 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 载体大多采用石棉水泥平板，这种填料的比表面积较小，表面光滑，附 着生物膜量和有机负荷较小，当处理较低浓度废水时，可以获得一定的 效果。随着有机合成工业的发展，现逐渐采用硬聚氯乙烯或聚丙烯塑料 为材质的波纹板填料，这样，增大了比表面积、强度和生物膜附着量， 提高了处理效果，且这是一种单波纹，结构简单，制作方便，不易堵塞 的填料。 2 ) 、网状填料 网状填料可克服一般固定床生物接触氧化法的缺点，如衰老的脱落 生物膜引起填料孔隙堵塞，生物膜瞬时脱落使水质变差，污水和生物膜 的接触效率较低等。网状填料从形式上分，网状填料有平面状和立体状； 从网眼大小分，有格网状和棉絮状。平面网状填料的特点是呈多孔网状， 水流通畅均匀，污水和生物膜的接触效率高；且生物膜更新快，活性高， 增大了反应速度；填料呈垂直等间距排列，生物膜剥离效果好，不引起 堵塞，不需要冲洗装置：填料可任意组合，装置规模可大可小，处理负 荷可高可低。立体网状填料是由不规则的表面和空隙规则地组合起来的， 具有较大有效比表面积，立体网状填料具有纵向和横向流，容易产生混 合搅拌，立体网状填料对悬浮物的附着和截留性能良好。 3 ) 、筒状填料 简状填料在氧化池中的位置或水平，或倾斜，不规则的分布使填料 内外均生长着生物膜，悬浮物的截留和去除率高，出水透视度良好。但 是填料间易堆积污泥，筒状填料的不规则分布，使彼此间空隙率不均匀， 使得生物和生物膜在氧化池中呈好氧兼氧态分布，可弱时去除b o d 和 氨氮，运行稳定。筒状填料由于形状不同，在确定氧化池有效容积或者 表面积时，必须首先考虑填料的形状与大小，然后才能决定单位容积中 的填充量，因为筒状填料是不规则的填充，空隙率不均匀，要在氧化池 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 中产生均匀的曝气，必须限定曝气方式。 舢、蜂窝管状填料 常用的蜂窝管状填料一般是由超薄型轻质玻璃钢或各种薄型塑料片 构成的，孔形有正六角形和偏六角形之分，孔径在2 0 1 0 0 m m 之间。安 装时直接堆叠在接触氧化池的布气系统上面，微生物直接生长于玻璃钢 或塑料管表面上。 蜂窝管状材料的优点是材料耗费少，且比表面积比最初使用的木棒、 木片的比表面积大。蜂窝填料的比表面积相当于生物滤池砾石填料的2 倍；蜂窝填料的空隙率大，材质一般用硬聚氯乙烯、聚丙烯或玻璃钢等 薄片做成的；材质轻，纵向强度大，使实际应用时堆积高度较大：蜂窝 管壁面光滑无死熊，衰老的生物膜易于脱落。 蜂窝填料的缺点是加工程序比较复杂，若选择的蜂窝孔径与b o d 负 荷不相适应时，生物膜的生长与脱落失去平衡，容易使填料堵塞；当采 用扩散曝气、射流或者表面曝气方式供氧时，在蜂窝管内难以达到均一 的流速。对接触效率和生物膜更新产生不良影响；蜂窝填料的缺点是表 面光滑、生物膜易脱落，在使用中常会遇到结团、布气布水不均匀、充 氧性能差等，且上述填料均需安装在辅助支架上，造成安装、更换诸多 不便，使工程投资和运行费用相对较高。 5 】、悬挂式填料 悬挂式填料包括软性填料、半软性填料、组合填料等多种形式填料， 纤维状填料的材质一般是尼龙、维纶、涤纶、腈纶等材质。 随着近年来生物接触氧化固定化载体的不断研发，为微生物提供了 巨大的栖息空间。首先8 0 年代初期以上海石油化工总厂环保所为代表的 科研单位，成功研制了软性填料。就当时的情况来看，可以说是填料的 一次革命，他几乎克服了蜂窝填料的所有不足之处。软性纤维填料的比 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 表面积远大于固定式填料，理论比表面积为1 2 0 0 - 2 5 0 0 m z m 3 ，孔隙率 9 0 ，挂膜速度快，不易堵塞，出水水质稳定，处理效果好，造价低， 组装方便。软性填料的缺点是填料使用一年以后，即出现纤维柬结团的 现象，随着时间的推移。结团现象逐渐严重，由于填料纤维束的结团， 大大降低了其实际应用比表面积，并在结团中心产生厌氧，从而严重影 响了其使用性能。使用两年后，其c o d 去除率只能维持在5 0 7 0 ， 使用寿命只有三年左右。且当布气不均匀时，纤维束不能象伞一样均匀 四面散开，而是随充氧方向倾斜，所以对充氧布气要求很高。黄长盾1 冽 研究了填料对充氧性能的影响表明软性填料对气水的碰撞和切割很微 弱，不足以把大气泡切割为小气泡，影响了氧的转移速率。 随着软性填料使用时间的延长，逐步暴露了其不足的_ 面。针对软 性填料的不足，北京纺织科学研究所研制开发出一种新型填料b s 型半 软性填料，并开始注重填料在生化处理过程中再行布气、布水能力的研 究。半软性填料的研制思想是利用填料单元较强的机械强度来克服结团 现象和对气泡的再切割作用，利用填料在水气流中的颤动来促进老化生 物膜的脱落，并通过对其形状的设计尽量增大理论比表面积。，半软性填 料在废水浓度高时，不结团，布气均匀，对气水混合流体可造成碰撞及 切割作用，具有较强的气泡切割性能和再行布水布气的能力、不易堵塞， 使用寿命较长。半软性填料虽然有良好的水力特性和其它种种优点，但 由于其比表面积小，导致实际运行过程中生物膜总量不足，表面光滑挂 膜难，生物膜易脱落，影响废水处理性能，在接触氧化池中使用时，c o d 的去除率可达6 0 - 7 5 ，不能达到软性填料最初使用性能。 在综合分析软性填料和半软性填料不足的基础上，同济大学环境工 程系和有关厂家，经研究推出t s f l 合式填料。最初研制成功了盾式填料。 盾式填料汲取了软性填料比表面大、易挂膜和半软性填料不结团、气泡 1 9 太原n _ - e 大学硕士研究生学位论文 切割性能好的优点，利用中间的半软性部件支撑外围的软性纤维束，使 之在废水中能充分展l 丌。同济大学的对比试验表明，盾式填料挂膜快， 生物总量大，不结团，处理性能优于软性填料和半软性填料。经鉴定后 很快在国内推广应用。实践证明，在正常的水力负荷条件下，使用盾式 填料，c o d 去除率可达7 0 一8 5 。组合填料的推广应用是继软性填料 之后的又一次突破性进展。为了能够更好的提高填料的使用性能