（市政工程专业论文）复合式厌氧反应器—纤维填料生物滤池中试研究.pdf

摘要 摘要 开发高效低耗的城市污水处理技术是解决我国中小城镇水污染的有效途 径。本文采用复合厌氧床一高负荷生物滤池联合工艺，通过对中试系统连续运 行的试验研究，考察了组合工艺应用于合流污水处理过程中污染物的去除效果， 分析了处理系统的工艺特性。并着重对复合厌氧床对污染物的去除机理、去除 效率、反应器运行过程中的影响因素及基制降解动力学模型进行了深入研究。 通过废水处理工艺调试、运行，研究得出：由于采用污泥床和滤床的有效 结合，复合厌氧床启动较快。在不同的进水水力条件( h r t = 3 9 1 2 h ) 和较低 的温度( 扣1 5 ) 条件下，对城市污水仍具有稳定的污染物去除效率，并能有 效的改善污水的可生化性，从而为后续的好氧生物处理创造良好的条件。但厌 氧工艺对污水中总氮、总磷去除效率及其有限，t n 去除率为7 左右，t p 去除 率1 3 左右。影响其处理效果的主要因素有温度、水力停留时间、进水浓度等。 进水浓度的提高有利于对c o d 的去除。结合经济条件及处理效果考虑，最优h r t 为5 4 h ，此时c o d 去除率为3 6 0 6 ，s s 去除率为8 6 9 4 。在处理低浓度城市 污水时复合厌氧床在流态上接近推流反应器模型，基制降解动力学常数k 2 - - - - 0 0 0 2 4l ( g v s s h ) 。研究发现，厌氧床内5 1 1 3 的被截留s s 水解为溶解性小分 子物质，污泥v s s s s 在o 鼬6 左右，同时实现了污泥的减量化与稳定化作用。 本试验采用纤维填料生物滤池作为厌氧的后处理研究，结果表明：生物滤 池最优水力负荷为1 3 2 1m 3 ( m 2 d ) ，此时出水平均c o d 。，为7 0 9 2 m g l ，b o d 为 2 3m g l ，氨氮为1 0 4 9 m g l ，达到国家城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 - - 2 0 0 2 ) 二级标准。生物滤池对氨氮的去除效果良好。研究发现低温对有机物 和悬浮物去除能力影响较小，但对硝化能力影响较大，使高负荷生物滤池对氨 氮的去除能力迅速下降。 该组合工艺结合厌氧和好氧，能对各种形态的污染物质进行有效的处理和 转化。与常规二级处理工艺相比，该工艺集污水和污泥处理于一体，是一种低 成本、低能耗、低操作管理要求的污水处理技术，适合南方中小城镇污水处理。 关键词：城市污水，现场试验，复合厌氧床，生物滤池，纤维填料， 污泥减量与稳定，动力学常数 a b s t r a c t a b s t r a c t i t i sa v a i l a b l ea p p r o a c ht od e v e l o pt h ee f f e c t i v ea n de c o n o m i cm 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 tt e c h n o l o g yf o rt h er e s o l v i n go fc u r r e n tw a t e rp o l l u t a n to ft h e t o w n si nc h i n a t h i sp a p e rs t u d yo nt h et r e a t m e n te f f i c i e n c ya n do p e r a t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c so fac o m b i n e dh y b r i da n a e r o b i ca n dh i g h - r a t et r i c k l i n gf i l t e r t e c h n o l o g yt h r o u g ht h ef u l l s c a l ep l a n tt e s t a n dt h e nt h et r e a t m e n tm e c h a n i s m ， r e m o v a le f f i c i e n c y , o p e r a t i o ni n f l u e n c ef a c t o r sa n dt h ek i n e t i cm o d e lo fo r g a n i c b i o d e g r a d a t i o no fh y b r i da n a e r o b i cr e a c t o r ( 1 i a r ) w e r ei n v e s t i g a t e da n da n a l y z e di n d e t a i l b a s e do nt h ed e b u g g i n ga n do p e r a t i o no ft h ea c t u a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p r o c e s s ，t h es t u d ys h o w st h a t ：h a rs u m m a r i z e dt h ea d v a n t a g e so fa fa n du a s b ， c a i lb es t a r t e du pq u i c k l y o nt h ec o n d i t i o no fh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m eo f3 9 。l2 ha n d t h et e m p e r a t u r eo f6 , - , 15 c ，h a rh a dap r o m i s i n gt r e a t m e n te f f i c i e n c y , a n dc a n i m p r o v e t h eb i o d e g r a d a b i l i t yo fw a s t e w a t e r , s oc o n d i t i o nw a sp r o v i d e df o r s u b s e q u e n ta e r o b i ct r e a t m e n t r e s u l t sa l s od e m o n s t r a t e dt h i st e c h n o l o g yc o u l dn o t e f f e c t i v e l yt na n dt p , t h er e m o v a le f f i c i e n c i e so ft na n dt p a r ef o u n d e dt ob e7 a n d13 t h em a i nf a c t o r so fe f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo fh a p , w e r et e m p e r a t u r e ， h r ta n ds t r e n g t ho fi n f l u e n t t h ei n c r e a s i n go fi n f l u e n ts t r e n g t hw a sp r o f i t a b l et ot h e c o dr e m o v a l c o m b i n e d 、i t l le c o n o m i c sa n de f f i c i e n c y , t h ec o n d i t i o ni sb e s tw h e n t h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r a 3w a s5 4 h , t h er e m o v a le f f i c i e n c i e so fc o d c fa n d s u s p e n d e ds o l i d sa r ef o u n d e dt ob e3 6 0 6 a n d8 6 9 4 f o rt h el o ws t r e n g t h w a s t e w a t e rt r e a t m e n t , h a p , i ss i m i l a rt op l u gf l o wr e a c t o r ak i n e t i cm o d e lo fo r g a n i c b i o d e g r a d a t i o no f l i a r w a se s t a b l i s h e d , w h i c hi sk 2 = 0 0 0 2 4 l ( g v s s h ) t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a t51 13 o ft h es sc a p t u r e di nh a rc a l lb eh y d r o l y z e di n t os o l u b l e c o l l o i d ，a n dv s s s so fs l u d g ei sa b o u t0 5 - 0 6 ，a l lt h i sr e a l i z e dt h ed e c r e a s ea n d s t a b i l i z a t i o no ft h es l u d g e n l ep o l i s h i n gp r o c e s sa f t e rh a ra l s os t u d i e di nt h et h e s i s b yu s i n gf i b r o u s p a c k e dt r i c k l i n g - f i l t e r ( r i d ，w h e nh y d r a u l i cl o a d i n gi s13 21m 3 ( m 2 。d ) ，t h ea v e r a g e n a b s t r a c t c o di nt h ee f f l u e n tw a ga b o u t7 0 9 2 m g l ，t h ea v e r a g eb o di nt h ee f f l u e n tw a sa b o u t 2 3 m g l ，t h ea v e r a g ea m m o n i a - n i t r o g e ni nt h ee f f l u e n tw a ga b o u t10 4 9 r a g l ；w h i c h c a nu pt on a t i o n a lp r i m a r ye m i s s i o ns t a n d a r do fw a s t e w a t e r ( g b18 918 - 2 0 0 2 ) n l et f u n i th a dg o o de f f i c i e n c yt oa m m o n i a - n i t r o g e nr e m o v a l 硼1 ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h er e m o v a le f f i c i e n c i e so fo r g a n i cs t r e n g t ha n ds u s p e n d e ds o l i d sw e r e h a r d l ya f f e c t e db yl o wt e m p e r a t u r e b u tt h ea m m o n i an i t r o g e nr e m o v a ld e c r e a s e d r a p i d l yw h e nw a t e rt e m p e r a t u r ed e c l i n e d m t e c h n o l o g yc o m b i n e da n a e r o b i ca n da e r o b i c ，w h i c hc 强d e g r a d ea n d t r a n s f o r ma l lk i n d so fp o l l u t a n t si nw a s t e w a t e r c o m p a r i n gw i t ht h es e c o n d a r y t r e a t m e n tp r o c e s s ，t h et e c h n o l o g yw h i c hc o m b i n e dh a ra n dt f , h a st h ec h a r a c t e r so f s e w a g ea n ds l u d g es y n c h r o n o u st r e a t m e n t , l o wc o s t ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o na n d s i m p l ym a n a g e m e n t i ti sa na t t r a c t i v ea l t e r n a t i v ef o rt h em u n i c i p a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n ti nt h et o w n so fs o u t hc h i n a k e yw o r d s ：m u n i c i p a ls e w a g e ，f u l l s c a l ep l a n tt e s t , h y b r i da n a e r o b i cr e a c t o r , t r i c k l i n g - f i l t e r , f i b r o u s p a c k e d ，s l u d g er e d u c t i o na n ds t a b i l i z a t i o n ， k i n e t i cc o n s t a n t s m 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。 签名： 旅专但 0 吩善年乡月 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：旅叩隹 0 澎6 年弓月l 弓日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在匆年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：松泛学位论文作者签名：亥节往 妒6 年月j 多e t 小，o6 年弓月l 专日 第1 章绪论 1 1 我国水污染治理现状 第1 章绪论 随着工业进程和城市化水平的不断提高，水资源的过度开发和污染物质的大 量排放，导致了全球水资源的严重缺乏和水环境的不断恶化。水污染问题成为当 今世界面临的主要环境问题之一。 我国淡水资源十分短缺，人均水资源占有量仅为0 2 4 万矗，只有世界人均 占有量的1 4 ，居世界第1 1 0 位，属世界十二个贫水国之一【l l 。而这些有限的水资 源正遭受着来自绝大多数未经处理的城市污水的污染。自1 9 9 7 年起，全国城市污 水排放量占废水排放总量的比例接近4 5 ，改变了我国水污染治理工作一直以工 业废水治理为主的状况，开始加强城市污水的综合治理工作。1 9 9 9 年我国城市污 水污染负荷首次超过了工业废水污染负荷，我国水污染控制重点已经从工业点源 污染为主的控制，逐步转变为以城市污水污染为主的控制。 据统计 2 1 ，2 0 0 4 年废水排放量为4 8 2 。4 亿吨，其中工业废水排放量为2 2 1 1 亿吨，生活污水排放量为2 6 1 3 亿吨。化学需氧量排放量为1 3 3 9 2 万吨，其中工 业排放量为5 0 9 7 万吨，生活排放量为8 2 9 5 万吨，超过了工业污水的排放量，成 为水污染的主要来源。大量废水未经处理就直接排入天然水体，造成了城市附近 水体的严重污染。在4 1 2 个水质监测断面中，4 1 8 的城市河段为i 至i i i 类水质， 3 0 3 的城市河段为至v 类水质，2 7 9 的城市河段为劣v 类水质。全国估计每 年水污染造成的经济损失约4 0 0 亿元。水环境的污染严重地影响了人民身体健康 和生活水平的提高，限制了工农业及城市的可持续发展。 随着我国经济发展速度的加快和城市化水平的提高，污水排放量也将持续增 加，但污水处理能力的增加却远远滞后。我国国家环境保护“九五”计划和2 0 1 0 年远景目标中提出，到2 0 0 0 年，城市环境保护需新增污水集中处理能力1 0 0 0 万讹，5 0 万人口城市都要建设污水处理厂【3 】。国家建设部、国家环保总局、科技 部2 0 0 0 年5 月发布的城市污水处理及污染防治技术政策中规定，到2 0 1 0 年， 全国设市城市和建制镇的污水平均处理率不低于5 0 ，设市城市的污水处理率不 低于6 0 ，重点城市污水处理率不低于7 0 1 4 1 。而我国目前的污水处理现状与这 第1 章绪论 一要求还有很大差距。因此，因地制宜地研究和开发经济适用、符合我国国情的 污水处理工艺，提高城市污水的处理率已成为当务之急。 1 2 城市污水来源及处理概况 1 2 1 城市污水的来源 在人们的生活和生产活动中，每天都在使用和接触着水。在此过程中，水因 受到人类活动的影响，水的物理性质与化学性质发生了变化，变成为污水。城市 污水主要来源于城市居民生活中产生的污水、各工业企业在生产制造过程中产生 的生产废水以及城市降雨和部分受污染的地表水这三方面。根据城市污水的来源 不同，城市污水可以分成三大类，即生活污水、工业废水、城市降水。 ( 1 ) 生活污水 生活污水是指人们在日常生活中洗涤、冲洗厕所、沐浴等过程中产生的污水。 污水中的污染物主要有动物油、悬浮物、碳水化合物、蛋白质、表面活性剂、氮 和磷的化合物、微生物和无机盐等。与工业废水相比，生活污水的水质一般较稳 定，浓度都较低，而且污水中的有机污染物一般都比较容易被生物降解，b o d c o d 比值可达n o 5 - 0 6 ，可生化性能比较好。 ( 2 ) 工业废水 工业废水指工业生产过程中排放的废水，它来自工厂的生产车间与厂矿。由 于各种工业生产的工艺、原材料、使用设备的用水条件等的不同，工业废水的性 质千差万别。工业废水排放量大，所含的污染物质种类多、组成复杂。总的来看， 悬浮物含量高；有一定的酸碱度：含有金属盐及多种有害成分，如油、酚、农药、 多环芳烃、染料等。与生活污水相比，工业废水水质水量差异大，通常具有浓度 大、毒性大等性质，难以通过一种通用技术或工艺来治理，往往要求其在排出前 在厂内处理到一定程度。一般情况下生物降解性比生活污水差。 ( 3 ) 城市降水 城市降水是指降水( 包括雨、雪) 冲刷地面后进入下水道的水。降水的数量完 全受气候的影响。降水的水质，除初期降水中带有地面污染物较多外，其余水质 污染较轻。 2 第1 章绪论 城市污水基本上是由这三部分组成，所以城市污水中的污染物是这三种污水 中污染物的集合。正是由于城市污水是一种混合水，各座城市之间的城市污水的 水质存在一定差异，主要受工业废水所占比例的影响，也受到城市规模、居民生 活习惯、气候条件及下水道系统形式的影响。 1 2 2 城市污水处理现状 城市污水处理是水环境污染控制的一个重要内容。发达国家的城市二级污水 处理厂相当普及，处理率可达9 0 或更高1 5 j 。由于经济的原因，发展中国家的城 市污水处理率较低，由此引起的城市水环境污染也较为严重。 我国城市污水厂普遍采用的工艺为普通活性污泥法、氧化沟法、a o 法、s b r ( 间歇式活性污泥法) 、a b 法等好氧工艺。这些都是成熟而有效的工艺，被全 世界广泛采用，为世界各国改善水体卫生情况起到了良好的作用。但是也存在流 程复杂、基建费和运行费偏高的缺点。按照规划，到2 0 1 0 年我国城市的污水处理 率要普遍达到6 0 0 , 4 【4 j ，这就需要建设大量的污水处理厂，而目前我国城市建设资 金远不能满足这方面的需求。污水处理的工艺形式很大程度上决定了污水处理场 的投资、运行费用1 6 j 。 据预测，到2 0 1 0 年我国城镇污水排放量将达到1 0 5 0 亿m j 。我国中小城镇排 放的生活污水量约占全国城镇总生活污水量的5 0 r 1 ，显然，我国小城镇污水集 中处理设施建设将呈现高速增长的态势。城镇污水由于当地居民生活水平和工农 业发展状况不同，污水来源也各不相同。我国小城镇经济发展水平较低，基础设 施薄弱，管理水平较低，如果照搬现有大中型污水处理厂的工艺技术路线和管理 模式，实施污水处理厂的建设将面临着许多困难。针对小城镇可持续发展目标、 污水水质水量特点及其技术经济要求，其处理工艺应体现“生态平衡”和“环境友 好”特色，具有以下特点：( 1 ) 处理工艺应具有较强的适应冲击负荷的能力，去除效 率高：( 2 ) 处理工艺简便易行、运行稳定、维护管理方便，利用当地技术和管理力 量能正常运行：( 3 ) 处理工艺应具有能方便地改变其处理流程的能力：( 4 ) 基建设资 和运行费用低、节省能耗，基本上不投加药剂或投加药剂量很少；( 5 ) 污泥产量少， 稳定程度高。 3 第1 章绪论 1 3 废水厌氧生物处理的研究概况 1 9 9 2 年在巴西里约热内卢召开的“联合国环境与发展大会”上达成了全球性 共识必须走可持续发展道路。废水生物处理是实现水污染防治和水资源可持 续利用的重要工程技术手段之一。相对于依靠消耗大量能量来改善水质的好氧生 物处理工艺来说，厌氧生物处理技术具有可以节约能耗并能够产生能源( 沼气) 以 及剩余生物污泥量少、可以处理高浓度废水和好氧条件下生物难降解有机物等特 点。可以说厌氧生物技术提供了一个经济的替代技术，并可以提供一个替代能源。 因此，废水的厌氧生物处理技术的发展始终是各国环境工程界关注研究的热点。 因而废水厌氧生物处理技术是适合我国国情的一种技术。 1 3 1 厌氧生物处理法的基本原理 厌氧生物处理污水过程中，微生物分解有机物的过程一般分为四个阶段【引。 ( 1 ) 水解 高分子有机物因相对分子质量巨大，不能透过细胞膜，因此不可能为细菌直 接利用。因此它们在第一阶段被细胞胞外酶分解为小分子。在这一过程，复杂的 颗粒物被转变为低分子量的溶解性化合物。这些小分子的水解产物能够溶解于水 并透过细胞膜为细菌所利用。 ( 2 ) 酸化过程 在这一阶段，上述水解化阶段产生的溶解性化合物被发酵细菌所吸收，经过 酸化被分泌成简单有机物，如挥发性脂肪酸、乙醇、乳酸和矿化物( 如c 0 2 、h 2 、 n h 3 、h 2 s ) 等。酸性发酵由很广的细菌种群进行，大部分种群是专性厌氧菌。但 是也有些是兼性的，并可以通过氧化途径代谢有机物。这对于厌氧处理污水是重 要的，因为如果不消耗掉水中溶解氧可能会对专性厌氧微生物( 如甲烷菌) 产生 毒性。 ( 3 ) 乙酸化过程 酸化的产物将被转化为供产生甲烷的最终产物：乙酸、氢气和二氧化碳。存 在于污水的7 0 的c o d 被转化为乙酸，其余的电子供体能力是由氢气提供。根 据原始有机物的氧化状态，乙酸的形成必然会伴随着二氧化碳或氢气的形成。 ( 4 ) 甲烷化过程 4 第1 章绪论 甲烷化一般是厌氧消化总过程中的限速阶段，虽然在较低温度下水解也可能 是限速阶段。从乙酸形成甲烷的过程是由乙酸利用菌和氢细菌分别通过氢还原二 氧化碳的反应产生甲烷，即乙酸型甲烷菌的反应： c h 3 c o o h 专c h 4 + c 0 2 ( 1 1 ) 嗜氢甲烷菌的反应： 4 h 2 + c 0 2 一c h 4 + 2 h 2 0 ( 1 2 ) 利用氢气和二氧化碳产生甲烷的细菌的生长速度快于利用乙酸的甲烷菌，因 此乙酸型甲烷菌是限速因素。 复杂化合物的厌氧降解可以用图来表述( 见图1 1 ) 。 硫酸盐还原硫酸盐还原： 图1 1 厌氧降解过程示意图 1 3 2 厌氧反应器工艺发展 在厌氧生物处理工艺发展的过程中，反应器是其发展最快的领域之二。随着 生物发酵工程中固定化技术的发展，人们认识到提高反应器中污泥浓度的重要性， 于是基于微生物固定化原理的高速厌氧反应器得以发展。 5 第1 章绪论 自2 0 世纪7 0 年代开发和应用适宜于高浓度有机废水处理的第二代厌氧处理 工艺和装置以来，其处理能力和处理效率大为提高。这类反应器的共同特点是将 污泥停留时间s r t 与水力停留时间h r t 分离，能够保持大量的活性微生物和足 够长的污泥龄。 ( 1 ) 厌氧生物滤池 6 0 年代未，j c y o n g 和p l m c c a r t y 基于微生物固定化原理首次发明了一种 高效厌氧反应器即厌氧生物滤池( 简称a f ) ，使污泥在反应器内的停留时间极大地 延长，增大了污泥龄，提高了处理效率，容积负荷由一般反应器的4 5 k g c o d m 3 d 一下提高到1 0 - q s k g c o d m 3 d ，大大拓展了厌氧生物处理技术在工业废水处理和 城市污水处理的应用范围【9 j 。装置示意图见图1 2 。 图1 2 上流式厌氧滤器 如图1 2 所示，污水从反应器底部进入厌氧滤池后向上流经滤料，与滤料表面 的生物膜充分接触，在生物膜的吸附、代谢和滤料截留的共同作用下，污水中的 有机污染物得以分解去除。厌氧生物过程中产生的沼气则由滤池顶部的集气罩收 集并引出池外，处理出水从池上部流出。 在厌氧生物滤池中，厌氧微生物大部分存在于生物膜中，少数以厌氧污泥的 形式存在于滤料的间隙中。生物滤池中的滤料为微生物附着生长提供了很大的表 面积，使滤池中可以维持很高的微生物浓度。 ( 2 ) 上流式厌氧污泥床 2 0 世纪7 0 年代未，l e t t i n g a 等人开发的上流式厌氧污泥床( 简称u a s b ) 高效 反应器，生物固体的颗粒化开辟了全新的生物固定化途径，使污泥与废水的混合 效率极大地提高，容积负荷高达2 0 , - , 3 0 k g c o d m 3 d 以上，在废水处理中得到了广 6 第1 章绪论 泛的应用【1 0 1 。u a s b 反应器中可以形成沉淀性能非常好的颗粒污泥，能够允许较 大的上流速度和很高的容积负荷。装置示意图见图1 3 。 器 图1 3 上流式厌氧污泥床( u a s b ) 如图1 3 所示，u a s b 的主体部分可分为两个区域，即反应区和气、液、固 三相分离区。在反应区下部，是由沉淀性能良好的污泥( 颗粒污泥或絮状污泥) 形成的厌氧污泥床。废水从厌氧污泥床底部进入反应器，与污泥层中的污泥进行 混合接触，微生物分解有机物，同时产生微小的沼气气泡不断地放出。水的上向 流和产生的大量气体上升，形成了良好的自然搅拌作用，使一部分污泥在反应区 的污泥床上方形成一个污泥浓度较小的悬浮污泥层。悬浮液进入分离区后，气体 首先进入三相分离区的集气室被分离，含有悬浮污泥的废水进入分离区的沉淀区。 由于气体已被分离，在沉淀区的扰动很小，污泥在此发生絮凝，在重力作用下沉 降。沉淀到斜壁上的污泥沿着斜壁返回反应区，使污泥床内积累起大量的污泥。 与污泥分离后的处理出水从沉淀区溢流堰上部溢出。 ( 3 ) 复合式厌氧反应器 但是以u a s b 为代表的第二代厌氧反应器，也存在一些缺陷( 例如：a f 反 应器的填料容易堵塞，u a s b 反应器的三相分离器和布水系统结构复杂等) ，使 其应用受到了一定的影响。 因此开发结构简单而运行稳定的高效厌氧反应器成为解决这一问题的关键。 1 9 8 4 年，加拿大的g u i o t 在a f 和u a s b 的基础上开发了上流式污泥床一过滤器 复合式厌氧反应器。它克服了u a s b 和a f 的缺陷，同时又将两者的优点相结合。 厌氧复合生物反应器既吸收了a f 反应器对微生物具有较高的截留能力的优点， 7 第1 章绪论 又保留了u a s b 反应器污泥床对高浓度有机废水的高效处理能力；同时避免了 u a s b 反应器复杂的三相分离器的设计，使得复合厌氧生物反应器集高效处理能 力和简单结构的优点于一体。 该反应器装置分为污泥床区、悬浮污泥层区、滤层区和出水区四个部分。该 工艺的运行机制是这样实现的：待处理污水经过进水管均匀布水后进入污泥床区， 经厌氧污泥作用后，大部分有机物质被转换，然后经悬浮层区进入滤层区，在滤 层区污泥被截留分离。在装置运行后期，在滤料表面上也会挂膜，所以部分有机 物也会经生物膜的生物处理而去除。经过滤层的污水水质已得到明显改善，最后 经出水区出水。a f 段的主要作用有三个：一是截留污泥，防止污泥流失，使反应 器中保持较高的生物量；二是代替三相分离器，起到气液固三相分离的作用；三 是a f 滤层中截留或附着生长的微生物菌群增加了反应器对有机物的降解能力。 该滤料改进了固液分离效果，增强了污泥的截留和沉降，提高了对废水中s s 浓 度的耐受能力。装置示意图见图1 4 。 、a ，、j 、，t ，、，、y ， 图1 4 复合式厌氧污泥床反应装置 1 3 3 城市污水厌氧处理可行性分析 城市生活污水和c o d 浓度在1 0 0 0 m g 几以下( b o d 5 _ 5 0 0 m g l ) 的有机废水 属低浓度有机废水。城市污水中所含有机物浓度低、污水温度变化大( 一般在 1 5 之间，有时甚至低于1 0 ) 。废水中除了溶解性有机物外，还有大量悬浮 性或胶体状有机物。厌氧法处理低浓度污水的一个主要限制性因素是厌氧处理过 程反应速率缓慢，生物增长量低，仅有少量的有机物被转化为新细胞；而废水中 低的有机物浓度更加剧了这一过程。针对这一特征，只要能维持反应器内很高的 8 岖 溉、 一 一 第1 章绪论 固体浓度，同时将出水悬浮固体浓度保持在最低标准下，就可以对低浓度污水进 行处理。 各国学者的研究成功地证实了厌氧处理工艺处理低浓度废水的可行性，大量 的研究和实际生产应用显示出厌氧处理工艺在高温和低温条件可成功运行，并可 在常温低温下运转良好【l l 】1 1 2 1 。 在19 9 7 年第8 届国际厌氧会议上有研究者将城市污水( 典型的低浓度有机废 水) 的厌氧处理列为厌氧技术发展的一个新领域【1 3 1 。厌氧生物专家g l e t t i n g a 教 授断言，厌氧生物处理技术如果有适合的后处理方法相配合，可以成为分散型生 活污水处理模式的核心手段，这一模式较传统的集中处理方法更具有生命力，尤 其适合发展中国家的情况。 1 3 4 国内外厌氧处理城市污水的应用 19 8 8 年，北京市环境保护科学研究所王凯军、刘玫【1 4 1 等对常温下采用u a s b 厌氧水解+ 好氧工艺处理生活污水进行了研究。结果证实在常温下( 1 2 一3 0 ) ， 该工艺处理城市污水是可行的。1 9 9 3 年，周琪等1 1 5 1 对u a s b 反应器处理生活污水 的启动、颗粒污泥的培养、水力混合特性及处理的机理进行了完整和深入的研究， 发现自接种启动厌氧反应器是可行的。钱易、王风芹【1 6 】在1 9 9 4 年对常温下采用 弹性立体填料的厌氧生物滤池处理生活污水的适应性、设计运行参数及环境因素 的影响进行了研究。 在生产性装置方面，荷兰已有用小型u a s b 反应器代替化粪池处理小区居民 生活污水的装置。巴西s a n p a u l o 设计了2 4 0 0 0 m 3 d 和14 5 0 0 m 3 d 的城市废水示范 处理厂。哥伦比亚于1 9 9 0 年在b u c a r a m a n g a 建立了大型u a s b 反应器与兼性氧 化塘串联处理生活污水的系统，其中u a s b 反应器容积为6 6 0 0 m 3 ，该u a s b 系 统的处理能力为相当于1 5 万人口的城镇污水，每日b o d 与c o d 处理能力分别 为4 5 9 0 k g 和1 3 4 0 0 k g 。在印度的k a n p u r 已建立了一座总容积为1 2 0 0 m 3 的u a s b 系统，日处理生活污水5 0 0 0 m 3 ，在进水温度2 0 3 0 ，水力停留时间为6 h 时， c o d 的去除率可达6 8 0 4 ，b o d 的去除率为6 9 - , 7 5 ，s s 的去除率为 6 8 - - 7 5 。另外还有几座大型u a s b 系统( 例如巴西m a n a u s 的7 2 0 0 m 3 、d i a d e m a 的1 5 0 0 m 3 等u a s b 反应器正在设计中) 【1 7 1 9 第l 章绪论 1 3 5 厌氧用于低浓度污水处理上的问题 ( 1 ) 能源回收与环境效益问题 对厌氧处理工艺，以往的研究比较注重追求能源的回收，要求甲烷菌有最合 适的生长条件、最大的产气量，以达到最大的能源回收效果。而这需要相当长的 反应时间，还需设置气体回收利用系统，造成基建费用大为增加。为维持甲烷菌 最适合生长条件，需要加温、保温，消耗一定的能源，这会抵消污水中回收的能 源，在经济上未必是合算的。所以，对于低浓度污水的处理，些学者指出，应 该更多的注意污水处理的环境效益，而产生甲烷以回收能源则是次要的，甚至可 以不考虑回收能源问题。 ( 2 ) 处理程度和经济效益问题 厌氧处理工艺的处理出水c o d 浓度往往较高，而且具有不良气味，难以达 到直接排放标准。而要求废水经一次处理就直接排放，则需要有足够的反应时间， 这样必然造成池容增大，虽然在运行管理费用上厌氧处理占有优势，但在基建投 资上将失去竞争力。为了弥补厌氧处理的这一缺陷，出现了厌氧一好氧联合处理工 艺。 4 厌氧后处理的研究状况 厌氧处理系统虽然具有剩余污泥少，成本低，能产生可利用的甲烷气等优点。 但是其处理过程不稳定，不易控制，反应器初次启动缓慢，特别是出水c o d 浓 度高，较难达到排放标准。故在厌氧生物处理系统后一般还需串联好氧处理系统， 运用这种串联系统使出水水质得到改善。 厌氧出水可供选择的后处理方法很多，可以采用生物或物化方法。为了经济 有效的去除c o d 、b o d 5 和n h 3 - n ，大多采用活性污泥法、生物膜法和氧化塘 1 2 1 。 1 4 1 生物膜法介绍 生物膜法是废水好氧生物处理法的一种。它作为与活性污泥法平行发展起来 的生物处理工艺，在许多情况下不仅能代替活性污泥法用于城市污水的二级生物 处理，而且还具有一些独特的优势，如运行稳定、耐冲击负荷、更为经济节能、 1 0 第1 章绪论 无污泥膨胀问题、具有一定的反硝化功能。对于生物膜系统，由于生物膜粘附在 载体上，泥龄足够维持n h ；- n 的硝化【1 8 1 。 1 4 2 生物膜法净化废水的机理 生物滤池的特征是细菌以生物膜的方式附着在固体表面上。生物膜是一个稠 密的细菌层，这些细菌能附着在固体介质上并形成固定的聚合体薄层，以使其不 被脱落。 在自然界，存在大量依靠有机物生活的微生物，它们有氧化分解有机物并转 化为无机物的巨大功能。生物膜法就是利用这一功能，并采取人工措施，创造有 利于微生物生长、繁殖的环境。面对有机物起分解作用的微生物主要是细菌，原 生动物只起辅助作用。生物膜法是使微生物群体附着于其他物体表面上呈膜状， 并让它和废水接触而使之净化的方法。废水长期流过固体滤料表面时，在其表面 就会形成生物膜，它实质上是粘附在滤料表面上的一层微生物群体。它是一个稠 密的细菌层，这些细菌能附着在固体介质上并形成固定的聚合体薄层，以使其不 被脱落。从洁净的无膜滤床逐渐形成长满生物膜的滤床，为驯化一挂膜阶段。 生物膜是高度亲水物质，因此在其外测表面总是有一层附着水层，其中的有 机物大多已被生物膜中的微生物摄取，其浓度要比废水( 流动水层) 中的有机物 浓度低得多。污水在固体介质表面流动时，有机物便从流动水质转移到附着水层 中去，并进一步被微生物摄取。同时，废水中的溶解氧也通过附着水层传递给生 物膜，供微生物呼吸用。生物膜在有充足氧的条件下，对有机物进行氧化分解， 将其转化为无机盐和c 0 2 ，然后向相反方向从生物膜经附着水层进入流动水层排 去，其中气态物质则经水层排入空气中。生物膜中的微生物也在这一代谢过程中 获得能量，合成原生质供自身生长、繁殖的需要。而在生物膜的内部，则由于缺 氧而形成厌氧和兼性微生物组成的厌氧层。随着生物膜的增厚，厌氧层也增厚， 附着于载体的能力减弱，生物膜在外部水流作用下开始脱落，并开始形成新的生 物膜。在处理系统的工作过程中，生物膜不断生长、脱落、更新，从而提高生物 膜的活性。生物膜的作用可用图1 5 来说明【1 9 j 。 第1 章绪论 1 4 3 生物滤池 滤 料 生物膜。 附看锍勘 层 i 帐： ：玎 、 ? 1 1 2 0 , 赔： 夕 富黝质 、 晚 ， ， 图1 5 生物膜的结构与工作原理图 生物膜法工艺在废水处理方面有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化设备和 生物流化床等工艺。 生物滤池是以土壤自净原理为依据，在污水灌溉的实践基础上，经较原始的 间歇砂滤池和接触滤池而发展起来的人工生物处理技术。高负荷生物滤池是生物 滤池的第二代工艺，它是在解决、改善普通生物滤池在净化功能和运行中存在的弊 端基础上开创的。它通过滤料上的生物膜对污水中污染物质的吸附、分解作用来 去除污水中的污染物。同活性污泥法相比，具有产泥量小，运行成本低的特点【2 0 1 。 按其工艺和净化功能可分为普通生物滤池、高负荷生物滤池和塔式生物滤池 三种类型。 ( 1 ) 普通生物滤池 普通生物滤池，又名滴滤池，是生物滤池早期出现的类型，即第一代的生物 滤池。但由于其负荷低，占地面积大，不适于处理水量较大的污水，且其滤料易 于堵塞，容易滋生滤池蝇等缺点，使其应用受到了限制。 ( 2 ) 高负荷生物滤池 高负荷生物滤池是生物滤池的第二代工艺，它是为了解决普通生物滤池在净 化功能和运行中存在的实际弊端而开发出来的。高负荷生物滤池大幅度提高了滤 池的负荷率。 高负荷生物滤池负荷较大，因此，它的池体较小，占地面积较少。但它的b o d 。 去除率比普通滤池低。其高负荷率是采取限制迸水b o d 5 值和在运行上处理水回 流等技术措施而达到的。进入滤池的b o d 5 值必须低于2 0 0 m g l ，否则用处理水 1 2 第1 章绪论 回流稀释。处理水回流的作用：均化与稳定水质；加大水力负荷；及时冲刷过厚 和老化的生物膜，加快生物膜更新，使生物膜经常保持较高的活性并抑制滤池蝇 的过度滋长；减轻散发的臭味等。在生物滤池中，污染物、溶解氧及其它物质首 先要经过液相扩散到生物膜表面，再进到生物膜内部，只有扩散到生物膜表面和 内部的污染物才能有机会被生物膜中的微生物分解和转化，最终形成各种代谢产 物。因此底物及溶解氧接触并扩散到生物膜，是保证生物膜发挥氧化作用的前提 条件。 该中试工艺厌氧后处理所采用的就是高负荷生物滤池。 ( 3 ) 塔式生物滤池 塔式生物滤池属于第三代生物滤池，一般高达8 - 2 4 m ，直径1 3 5 m ，径高比 介于1 ：亩1 ：8 左右，呈塔状，在平面上塔式生物滤池多呈圆形。 这三种生物滤池都是以自然通风法来给生物膜供氧。近年来，根据供氧方式 的不同，又发展出曝气生物滤池、厌氧生物滤池等新型生物滤池。 1 3 第2 章课题研究的背景、目的和主要内容 第2 章课题研究的背景、目的和主要内容 2 1 课题来源 本课题隶属国家高新技术研究发展8 6 3 计划专项“上海城市水环境质量改善 技术与综合示范项目”( 课题编号：2 0 0 3 a a 6 0 1 0 2 0 ) 。该项目围绕今后5 1 0 年 内必须解决的河流湖泊等受污染水体修复、城市水环境质量改善等重大问题，聚 焦本领域的国际前沿以及我国在水污染防治方面的现实需求和潜在需求，开发高 新技术含量高、投资低、管理简单和实用的小型污水处理工艺和成套设备，为上 海和全国城市化地区水环境质量改善提供经验和示范。 本课题研究是该示范工程研究的部分工作，研究包括复合式厌氧反应器和高 负荷生物滤池两部分。本课题示范工程建于上海市竹园第一污水处理厂内，对上 海城市合流污水进行试验研究。 2 2 研究背景和目的 工业废水的治理按照“谁污染、谁治理 的原则由企业负责，其治理资金由 企业解决。而城市生活污水的治理属市政项目，责无旁贷的应该由政府承担。但 是，由于我国的大部分中小城镇经济不发达，相当大的一部分还处于相对贫困的 状态，加之建设一个生活污水处理厂所需资金量很大，地方财政根本无法解决。 根据2 0 0 0 年上海市污染源调查分析，上海市郊区污染源的特点是组团式分 布，每一组团是一个乡镇，镇与镇之间距离较远，将若干乡镇的污水收集集中处 理在经济上不合算。郊区的经济实力无法和中心城区相提并论，人均收入仅为城 市居民的一半，完全照搬中心城区的污水处理模式和工艺，将会因造价和运行费 用过高而使郊区居民无力承担，郊区缺少污水处理的专业人员，对操作管理要求 高的污水处理厂一般很难管好用好。 解决资金途径之一是采用新的处理工艺和技术，以降低工程造价和投资成本； 另外，为保证城市污水处理厂的有效运行，降低污水厂的运行费用也是十分重要 1 4 第2 章课题研究的背景、目的和主要内容 的内容，因而推广应用高效低能耗的处理技