（应用化学专业论文）泡沫陶瓷填料在废水生物处理中的应用研究.pdf

摘要 摘要 当前，生物膜法水处理技术是一种常用的废水处理技术，在该技术中，微生物附着 在载体表面，当废水流经载体时，载体表面的微生物与废水中的污染物质发生接触氧化 反应，将污染物质分解为水、二氧化碳等物质，从而使废水得以净化。填料作为生物膜 的载体，在该技术中占核心地位。当前，曝气生物滤池用的填料主要局限于陶粒、活性 炭、碎石、矿渣等物质，这制约着曝气生物滤池水处理技术的进一步发展。 泡沫陶瓷是一种像泡沫状的多孔陶瓷，它是继普通多f l 陶瓷、蜂窝多孔陶瓷之后， 最近发展起来的第三代多孔陶瓷产品，因其复杂的三维网状结构和由表到里相互贯通的 微孔结构使其具有比表面积大、i l 隙率高，对流体的阻力损失小，过滤吸附性能良好等 特点。根据泡沫陶瓷以上特点，本文首次将其用作曝气生物滤池中的微生物载体，研究 其对微生物的挂膜性能以及对废水的处理性能。 本文研究了环形、柱形、弧形泡沫陶瓷填料在高浓度生活废水、低浓度生活废水和 微污染原水中的挂膜性能及对废水中污染物的去除性能，并与陶粒填料进行了对比。填 料挂膜实验结果表明，无论是泡沫陶瓷填料，还是陶粒，在三种废水体系中都具有良好 的挂膜性能，挂膜第六天，其对c o d ( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ) 与氨氮的去除率均接近 6 0 ，泡沫陶瓷填料的挂膜性能略优于陶粒填料。 填料动态模拟实验运行结果表明，对于环形泡沫陶瓷填料，在高浓度模拟生活废水 中，水流速率为0 7 5 m h 时，出水中的c o d c ，值、氨氮浓度浊度值为2 4 6 m g l 和4 5 l m l ， 平均去除率分别为8 9 9 和7 5 7 ；水流速率为2 0 m h 时，出水中的c o d c ，值和氨氮浓 度为3 6 s m e l l 和5 5 3 m g l ，平均去除率分别为8 4 7 1 16 8 6 ；水流速率为3 ，0 m h 时， 出水中的c o d c r 值和氨氮浓度为5 9 0 m g l 和6 2 7 r r i e d l ，平均去除率分别为7 9 6 和 6 3 4 。在低浓度模拟生活废水中，水流速率为1 0 m h 时，出水中的c o d m 。值、氨氮 浓度和浊度值为3 3 3 m g l 、0 0 7 m g l 和2 度，平均去除率分别为9 0 o 和9 8 6 和9 5 1 ； 水流速率为2 o m h 时，出水中的c o d m 。值、氨氮浓度和浊度值为3 9 5 m g l 、o 2 6 m g l 和3 度，平均去除率分别为8 8 1 、9 5 o 和9 3 1 ；水流速率为3 o m h 时，出水中的 c o d m n 值、氨氮浓度和浊度值为4 5 6 r r i g l 、0 3 4 m g l 和5 度，平均去除率分别为8 6 o 、 9 3 7 和8 8 5 。溶解氧则随填料层高度的上升而增大。 在模拟微污染原水体系中，对于柱形泡沫陶瓷填料，水流速率为1 0 m h 时，对体 系中c o d m 。、氨氮和悬浮性固体的去除率分别为7 3 - 4 、8 4 6 干1 39 2 4 ：水流速率为 2 o m h 时，对体系中c o d m n 、氨氮和悬浮性固体的去除率分别为7 0 5 、8 0 7 和8 9 2 ； 水流速率为3 0 m h 时，对体系中c o d m 。、氨氮和悬浮性固体的去除率分别为6 6 3 、 6 5 9 和8 4 0 。对于弧形泡沫陶瓷填料，当气水比为2 ：l 时，在水流速率为1 o m h 华南理工大学硕士学位论文 时，对体系中c o d m n 、氨氮和悬浮性固体的去除率分别为8 1 5 、9 5 8 和8 8 4 ；在 水流速率为2 0 m h 时，对体系中c o d m 。、氨氮和悬浮性固体的去除率分别为8 3 8 、 9 5 9 和9 0 1 ；在水流速率为3 0 m h 时，对体系中c o d m n 、氨氮和悬浮性固体的去除 率分别为8 i 5 、9 3 6 和8 2 0 。 本文将泡沫陶瓷填料在3 种废水体系中对污染物的去除性能与常用的陶粒填料进行 了对比，结果表明，泡沫陶瓷填料对污染物的去除性能要优于陶粒填料。以m o n o d 方 程为理论基础，推导出环形泡沫陶瓷和陶粒填料在相同条件的动力学方程，为泡沫陶瓷 填料在废水生物处理中的进一步研究提供了理论指导。 关键词：填料；泡沫陶瓷；曝气生物滤池；生物水处理 i i a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，b i o m e m b r a n c ew a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y i sp o p u l a r i nt h i st e c h n o l o g y , m i c r o b ea d h e r e si nt h ec a r r i e r , w h e nw a s t e w a t e rf l o w st h ec a r r i e r s ，c o n t a c to x i d a t i o nr e a c t i o n o c c u r sb e t w e e nt h em i c r o b eo nt h ec a r r i e r sa n dt h ec o n t a m i n a t i n gm a t e r i a li nt h ew a t e r , t h e n c o n t a m i n a t i n gm a t e r i a lh a sb e e nd e g r a d e da sh 2 0a n dc o z ，i nt h ee n dw a s t e w a t e rh a sb e e n p u r i f i e d a st h ec a r r i e ro fm i c r o b e ，s t u f f i n gi sv e r yi m p o r t a n tt ot h i st e c h n o l o g y a tp r e s e n t ， t h es t u f f i n gu s e di nb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e ri sm o s t l yr e s t r i c t e di nc e r a m i cg r a n u l e ，a c t i v e c a r b o n ，m a c a d a m ，s c o r i aa n ds oo n ，i tl i m i t e dt h ed e v e l o p m e n to fb i o l o g i c a ta e r a t e df i l t e r f o a mc e r a m i ci sal a c u n a r i sc e r a m i c ，i ti st h et h i r dg e n e r a t i o nl a c u n a r i sc e r a m i ca f t e r o r d i n a r yl a c u n a r i sc e r a m i ca n da l v e o l a t el a c u n a r i sc e r a m i c ，i th a sl a r g es p e c i f i cs u r f a c ea r e a , h i g hp o r o s i t y , l i t t l el o s so fr e s i s t a n c et of l u i d ，g o o dp e r f o r m a n c et of i l t r a t i o na n da d s o r p t i o n , b e c a u s eo fi t st h r e e d i m e n s i o n a lr e t i c u l a rs t r u c t u r ea n dc o n n e c t e dm i c r o p o r o u ss t r u c t u r ef r o m s u r f a c et oi n t e r i o r a c c o r d i n gt ot h e s ec h a r a c t e r i s t i c ，i nt h i sp a p e r , f o a mc e r a m i ch a sb e e n u s e da st h es t u f f i n gi nb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e rf i r s t l y , a n di t sp e r f o r m a n c et ot h ef o r m a t i o no f b i o m e m b r a n c ea n dt ot h et r e a t m e n to fw a s t e w a t e rh a sb e e nr e s e a r c h e d i nt h i s p a p e r , t h ep e r f o r m a n c eo fa n n u l a rc e r a m i ca n dc y l i n d r i c a lc e r a m i c t ot h e f o r m a t i o no fb i o m e m b r a n c ea n dt ot h et r e a t m e n to fw a s t e w a t e rh a sb e e nr e s e a r c h e d ，a n d c o m p a r e dt ot h ep e r f o r m a n c eo fc e r a m i cg r a n u l e t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t st ot h ef o r m a t i o n o fb i o m e m b r a n c ei n d i c a t e dt h a tf o a mc e r a m i ca n dc e r a m i cg r a n u l eh a v eg o o dp e r f o r m a n c et o t h ef o r m a t i o no fb i o m e m b r a n c e ，o nt h es i x t hd a y ，t h er e m o v a lr a t i ot oc o da n dn h 4 + a p p r o a c h e d6 0 ，t h ep e r f o r m a n c eo ff o a mc e r a m i ci sb e r e rt h a nc e r a m i cg r a n u l e t oa n n u l a rc e r a m i c ，i ns i m u l a t i n gs a n i t a r yw a s t e w a t e rw i t hh i g hc o n c e n t r a t i o n ，w h e nt h e f l o wv e l o c i t yw a so 7 5 m h ，t h er e s u l t so fd y n a m i ca n a l o g i e se x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tt h e c o d c f ( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ，a n a l y z e dw i t hk 2 c r 2 0 7 ) i nt h ew a t e ra f t e rt r e a t e dw a s 2 4 6 m g la n di t sr e m o v a lr a t i ow a s 8 9 9 t h ec o n c e n t r a t i o no fn h 4 + w a s4 51m g la n di t s r e m o v a lr a t i ow a s7 5 7 w h e nt h ef l o wv e l o c i t yw a s2 0 m h ，t h ec o d e ，i nt h ew a t e ra f t e r t r e a t e dw a s3 6 5 m g la n di t sr e m o v a lr a t i ow a s8 4 7 t h ec o n c e n t r a t i o no fn h a + w a s 5 5 3 m g la n di t sr e m o v a lr a t i ow a s6 8 6 w h e nt h ef l o wv e l o c i t yw a s3 0 m h ，t h ec o d e r i n t h ew a t e ra f t e rt r e a t e dw a s5 9 o m g la n di t sr e m o v a lr a t i ow a s7 9 6 t h ec o n c e n t r a t i o no f n h 4 + w a s6 2 7 m g la n di t sr e m o v a lr a t i ow a s6 3 4 i ns i m u l a t i n gs a n i t a r yw a s t e w a t e rw i t h l o wc o n c e n t r a t i o n ，w h e nh ef l o wv e l o c i t yw a s1 0 m h ，t h ec o d m n ( a n a l y z e d 诵t 1k m n 0 4 ) i n t h ew a t e ra f t e rt r e a t e dw a s3 3 3 m g la n di t sr e m o v a lr a t i ow a s9 0 o t h ec o n c e n t r a t i o no f 华南理工大学硕士学位论文 n h 4 + w a s0 0 7 m g la n di t sr e m o v a lr a t i ow a s9 8 6 t h ev a l u eo ft u r b i d i t yw a s2a n di t s r e m o v a lr a t i ow a s9 5 1 ：w h e nh ef l o wv e l o c i t yw a s2 0 m h t h ec o d m ni nt h ew a t e ra f t e r t r e a t e dw a s3 9 5m 叽a n di t sr e m o v a lr a t i ow a s8 8 1 ，t h ec o n c e n t r a t i o no f n i j 4 + w a so 2 6 m g la n di t sr e m o v a lr a t i ow a s9 5 o t h ev a l u eo f t u r b i d i t yw a s3a n di t sr e m o v a lr a t i ow a s 9 3 1 ；w h e nh ef l o wv e l o c i t yw a s3 0 m h ，t h ec o d m ni nt h ew a t e ra f t e rt r e a t e dw a s4 5 6 m g la n di t sr e m o v a lr a t i ow a s8 6 o ，t h ec o n c e n t r a t i o no fn h 4 + w a so 3 4m g la n di t s r e m o v a lr a t i ow a s9 3 7 t h ev a l u eo ft u r b i d i t yw a s5a n di t sr e m o v a lr a t i ow a s8 8 5 t h e c o n c e n t r a t i o no f d i s s o l v e do x y g e ni n c r e a s e dw i t ht h er a i s eo f p a c k i n gl a y e r i ns i m u l a t i n gm i c r o p o l l u t e dr e s o u r c ew a t e lt oc y l i n d r i c a lf o a mc e r a m i c ，w h e nt h ef l o w v e l o c i t yw a s1 0 m h ，t h er e m o v a lr a t i ot oc o d m n ，n h 4 + a n dt u r b i d i t yw a s7 3 4 、8 4 6 a n d 9 2 4 r e s p e c t i v e l y w h e nt h ef l o wv e l o c i t yw a s2 0 m h ，t h er e m o v a lr a t i ot oc o d m n ，n h 4 + a n dt u r b i d i t yw a s7 0 5 、8 0 7 a n d8 9 2 r e s p e c t i v e l y w h e nt h ef l o wv e l o c i t yw a s3 0 m h t h er e m o v a lr a t i ot oc o d m n ，n h 4 + a n dt u r b i d i t yw a s6 6 3 、6 5 9 a n d8 4 o r e s p e c t i v e l y a st oa r cf o a mc e r a m i c ，s p e c i f i cf l u xo fg a sa n dw a t e rw a s2 ：1 ，w h e nt h ew h e nt h ef l o w v e l o c i t yw a s1 0 m h ，t h er e m o v a lr a t i ot oc o d m n ，n h 4 + a n dt u r b i d i t yw a s81 5 、9 5 8 a n d 8 8 4 r e s p e c t i v e l y w h e nt h ef l o wv e l o c i t yw a s2 0 m h t h er e m o v a lr a t i ot oc o d m n n h 4 + a n dt u r b i d i t yw a s8 3 8 、9 5 9 a n d9 0 ，l r e s p e c t i v e l y w h e nt h ef l o wv e l o c i t yw a s3 0 m h t h er e m o v a lr a t i ot oc o d m n ，n h 4 + a n dt u r b i d i t yw a s8 1 5 、9 3 6 a n d8 2 0 r e s p e c t i v e l y i n t h i sp a p e r , t h r e ek i n d so ff o a mc e r a m i ch a sb e e n u s e dt ot r e a tw a s t e w a t e r , a n d c o m p a r e dt ot h ep e r f o r m a n c eo fc e r a m i cg r a n u l e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep e r f o r m a n c e o ff o a mc e r a m i ct ot r e a tw a s t e w a t e rw a sb e t t e rt h a nc e r a m i cg r a n u l e o nt h eb a s i so fm o n o d e q u a t i o n ，t h ed y n a m i cm o d e l so ff o a mc e r a m i ca n dc e r a m i cg r a n u l et ot r e a tw a s t e w a t e rh a v e b e e nd e d u c e d a n di tp r o v i d e dt h e o r yd i r e c t i o nf o rf o a n lc e r a m i ct ot r e a tw a s t e w a t e r k e yw o r d s ：s t u f f i n g ，f o a mc e r a m i c ，b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r , w a s t e w a t e rt r e a t m e n tw i t h b i o m e m b r a n c e 华南理工大学 学位论文原创性声明 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n d i ：i 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。 作者签名：参& 名巷我 日期：2 啊年舌月两日 学位论文版权使用授权书 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，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理【大学可以将本学位沦文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影目j 、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：季& 名心散 日期：勰弓年6 月孙日 导师签名：p 孕日期：泐5 年6 月加f i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 水污染的现状及治理情况 水，是生命之源，是人类生存和社会发展不可缺少的重要资源。 随着人口增长、经济发展和人们生活水平的提高，人类对水资源的需求量r 益增长。 据联合国统计u , 2 j ，2 0 世纪以来世界淡水资源的消费量增长了约6 倍，其中农业用水约 增加了约5 倍，1 业用水约增加了2 6 倍，城市家庭用水增加了1 8 倍。人类对水资源的 需求在不断增长，同时水资源却被严重的污染和浪费。2 0 0 3 年联合国世界水资源开发 报告中指出：现在全世界每年排放的污水达4 0 0 0 多亿吨，从而造成5 万多亿吨水体 被污染，致使目前全世界6 0 亿人口中约2 0 的人无法获得洁净饮水，每年有2 2 0 万人 死于与污染或恶劣卫生条件相关的疾病，到2 0 2 5 年世界上无法获得安全饮用水的人数 将增加到2 3 亿，到2 0 5 0 年年底，全世界9 0 亿总人口当中的大约7 0 亿将可能面临用水 短缺。而2 0 0 3 年世界环境目的主题则为“水2 0 亿人的生命之所系”。 在我国，水资源危机也日益严重。根据联合国在2 0 0 3 年“第三届水资源论坛大会” 召开之前发表的最新报告世界水资源开发报告表明，通过对全球1 8 0 个国家和 地区的水资源丰富状况做出排名，中国以平均每人每年拥有近2 2 6 0 立方米用水统计数 字排在第1 2 8 位。预测到2 0 3 0 年人口增至1 6 亿时，人均水资源量将降到1 7 6 0 m 3 。按 国际上一般承认的标准，人均水资源量少于1 7 0 0 m 3 为用水紧张的国家。资料表明1 3 j ， 按正常需要和不超采地下水，目前我国年缺水总量约为3 0 0 亿4 0 0 亿m 3 ，全国6 6 9 座 城市中有4 0 0 座供水不足，1 1 0 座严重缺水。水资源短缺已经成为中国尤其足北方地区 经济社会发展的严重制约因素。因此，我国未来水资源的形势是严峻的。 在水资源日益紧缺的情况下，我国有限的水资源却不断被污染。根据中国环境科学 研究院2 0 0 0 年对我国十大流域的水体水质现状及主要污染特征的分析结果表明| 4j ：全国 十大流域2 2 0 3 个监测断面中有4 3 1 超标，尤以辽河、黄河、淮河和海河超标最为严 重，而超标断面以超v 类为主，主要的超标因子为氨氮和高锰酸盐指数。尽管重金属、 氰化物、砷等超标断面相对较少，但其超标断面的污染程度均比较严重，均为超v 类。 根据中国2 0 0 1 年的水质评价结果【3 l ，在调查评价的1 2 1 万k m 河长中，类水河长占 1 4 2 ，v 类或劣v 类水河长仍占2 4 4 。 水资源的污染使得我国在环境治理方面的投资日益增多。根据资料表明，从1 9 8 1 至2 0 0 2 年，我国的环境污染治理投资总量在逐年增加，“六五”期间( 1 9 8 1 1 9 8 5 年) 为1 6 6 2 3 亿元，占g d p 比例为o 5 0 ；“七五”期间( 1 9 8 61 9 9 0 年) 为4 7 6 4 2 亿元， 华南理工大学硕十学位论文 占g d p 比例为o 6 9 ：“八五”期间( 1 9 9 1 1 9 9 5 年) 为1 3 0 6 5 7 亿元，占g d p 比例为 0 7 3 ；“九五”期间( 1 9 9 6 2 0 0 2 年) 为3 6 0 0 亿元，占g d p 的0 9 3 ；“十五”期间， 我国的环保投资总额将达7 0 0 0 多亿元。 综上所述，全球尤其是我国都将面临着水资源短缺的危机，而水资源的污染却日益 加剧。因此，通过对废水的处理，既可以缓解我国水资源紧缺的压力，同时对于减少环 境污染，保护自然环境方面都具有十分重要的意义。 1 2 生物膜法水处理技术的研究进展 1 2 1 生物膜法水处理技术 在自然界中，存在大量依靠有机物及其它营养物质进行生长、繁殖的微生物。在这 些微生物的生长过程中，它们不但能分解氧化有机物并将其转化为稳定的化合物，甚至 能将一些有毒物质作为其自身生长、繁殖的养料，通过一系列转化，使其无毒。生物处 理就是利用微生物氧化分解有机物这一性能，采取一定的人工措施，创造有利于微生物 生长、繁殖的环境，使微生物大量繁殖，以提高其氧化分解有机物效率的一种污水处理 方法。生物处理法分为好氧与厌氧两大类。好氧生物处理是在有氧的前提下进行的，而 厌氧法则是在无氧条件下进行的。由于好氧法处理效率高，使用比较广泛，多用于中等 浓度以下的城市污水和工业废水；厌氧处理的主要对象是中、高浓度的有机废水和污水 处理中产生的污泥p j 。 生物膜法水处理技术是一种好氧生物水处理技术。在该技术中，微生物附着在载体 表面上生长、繁殖，形成一层生物膜，当污水流经载体表面和生物膜接触的过程中，污 水中的有机污染物被微生物吸附、稳定、氧化分解，最终转化为水、二氧化碳、氨和微 生物细胞物质，污水得到净化。 最早的生物膜法水处理技术于1 8 9 3 年出现在英国，将污水在粗滤料上喷洒进行净 化并取得了良好的效果【6 l ，从此将该技术应用于污水处理的实践中在。在上世纪2 0 3 0 年代，开始建造了大量的生物膜反应系统，其主要形式就是生物滤池。与活性污泥法相 比，虽然生物滤池具有生物量高和净化效果较好的优点，但由于其水力负荷和b o d 负 荷均较低，处理构筑物较大且生物膜易于堵塞等缺点，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。到了6 0 年代，新型有机合成材料开始大量生产，广泛使用 的有由聚乙烯、聚苯乙烯和聚酰铵等制成的波纹板状、列管状、蜂窝状等有机人工合成 填料。由于该填料比表面积和孔隙率的增加，再加上环境保护对水质的要求的提高，生 物膜反应器得到了新的发展。到了7 0 年代，除了普通生物滤池外，生物转盘、淹没式 生物滤池、流化床等技术都得到了较多的研究和应用。近年来，生物膜反应器以其独特 第一章绪论 的优势受到越来越多研究者的关注，新型生物膜法反应器不断涌现。 1 2 2 生物膜法净化污水机理 污水长期与填料或某种载体接触，就会在其表面形成一层生物膜，并逐渐成熟。生 物膜是由细菌( 好养，兼性，厌氧) 、真菌、藻类、原生动物、后生动物以及一些肉眼 可见的蠕虫、昆虫的幼虫等组成。生物膜的构造见图1 1 。 生物膜附着在载体表面，是高度亲水的物质，在污水不断流动的条件下，其外侧附 着一层水层。由于生物膜是微生物高度密集的膜层，在其表面和一定深度的内部生长繁 殖着大量各种类型的微生物和微型动 物，形成了有机污染物细菌 附滞 斗原生动物( 后生动物) 的食物链。 厌好着动 当污水流经载体表面时，污水中有机污 氧氧水水 染物被生物膜中的微生物吸附，并通过 1 层 层 i 层l 层l 氧向生物膜内部扩散，在生物膜中发生 载勿i 空 氧化降解作用，从而完成对有机污染物 体刁b o i 二l污水 气 的分解，使污水得到净化。爿 fu 2 _ l _ 一l 生物膜表层生长的是好氧和兼氧 钥i = f 二 二二：h ，9 、c o z 微生物，其厚度约为2 r a m ，在该层， 爿l 卜十手n i l ， 有机污染物经好氧微生物代谢而降解， 爿卜十斗由，s 终点产物hi t 2 0 、c 0 2 和n h 3 等。由 ll 于氧在生物膜表层己耗尽，在好氧层深 图1 - 1 生物膜的构造 部由于扩散作用限制了溶解氧的渗透， f i g 1 1 t h es t r u c t u r eo f b i o m e m b r a n c e 往往形成厌氧区，使生物膜内层的微生 物处于厌氧状态，在这罩，进行的是微生物的厌氧代谢，终点产物为有机酸、乙醇、醛 和h 2 s 等”】。随着污水处理时间的延长，微生物不断生氏繁殖，生物膜厚度不断增大， 废水中的有机污染物及氧的传递阻力逐渐加大，而该处的生物膜因与载体的附着力的减 小及水力冲刷作用而脱落。老化的生物膜脱落后，载体表面又可重新吸附、生长、增厚， 直至新生物膜老化而重新脱落。从吸附，生长至生物膜的脱落，生物膜完成一个生长周 期。在正常情况下f 7 l ，整个反应器中各个部分的生物膜总是交替脱落的，故系统内活性 生物膜数量相对稳定，净化效果良好。当废水中的有机污染物浓度过高时，生物膜生长 过快，过后的生物膜易于老化、脱落，易造成堵塞，影响气水的正常分布，需采取相应 措施，将脱落的生物膜除去，以维持生物膜合适的厚度和良好的生物膜活性。 华南理_ 大学硕士学位论文 1 2 3 生物膜法水处理技术的类型与研究现状 与传统的活性污泥法相比较，生物膜法水处理技术不仅能代替活性污泥法用于城市 污水的二级处理，而且还具有一些独特的优点，如运行稳定、抗冲击负荷、更为经济节 能、无污泥膨胀问题、具有一定的硝化与反硝化功能、可实现封闭运转防止臭味等。正 是因为如此，自2 0 世纪7 0 年代以来，生物膜法水处理技术引起了广大研究者的兴趣， 主要类型有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化池和生物流化床等。 l 生物滤池 生物滤池是生物膜反应器的最初形式，1 8 9 3 年在英国试行将污水在粗滤料上喷洒进 行净化的试验，取得成功。1 9 0 0 年以后，这种方法得到公认，并命名为生物过滤法，其 构筑物则称为生物滤池，开始用于污水处理实践，并迅速在欧洲一些国家得到广泛的应 用。 在生物滤池处理污水的过程中，经过预处理的污水以滴状喷洒在滤池表面或以淹没 状流过滤料表面，经过一段时f n j 以后，在填料表面上形成一层生物膜，待生物膜成熟咀 后，栖息在生物膜上的微生物即摄取流经膜表面的有机物作为营养，从而使污水得到净 化。 2 生物转盘 生物转盘亦称旋转式生物接触器( r b c ) ，是由一系列平行的旋转圆盘、转动轴、 动力及减速装置和氧化槽等部分组成。当圆盘面积的4 0 5 0 浸没于污水时，盘片上的 生物膜吸附污水中的有机物，圆盘转动离开污水，生物膜上的固着水层从空气中吸附氧， 被吸附的有机物在微生物的作用下氧化分解，从而使污水得到净化，这种操作装置称为 好氧生物转盘。当圆盘面积全部浸没在污水中时，由于没有吸氧过程，圆盘盘片仅是微 生物的附着生长载体，这种操作装置称为厌氧生物转盘。 自1 9 5 4 年在联邦德国建造第一套半生产性生物转盘以来，目前在世界范围内已经 得到了广泛的应用。近几年来，对生物转盘的研究多为用于硝化于反硝化的研究，并取 得了较为理想的结果。m a r t i n 等( 1 9 9 7 ) 为改进处理生活污水和工业废水的实际生产规 模的三级生物转盘处理厂，将二次沉淀池污泥进行回流，对b o d 5 和s s 的去除率分别 提高约5 0 $ n4 0 。s u & o u y a n g 将生物转盘生物膜引入到厌氧缺氧好氧工艺( a 2 o ) 中，把较长生物固定停留时间( s r t ) 的生物膜和较短s r t 的悬浮生长污泥有效结合在 一起，用于去除城市污水中的有机碳、氮和磷，带来巨大的经济效益。 3 生物接触氧化池 生物接触氧化池又称为淹没生物滤池，于1 9 7 1 年在日本首创，近3 0 年来，该技术 在国内外得到了广泛的研究和应用，主要用于处理生活污水和某些工业有机废水。生物 接触氧化池内置填料，填料淹没在污水水流中，填料上长满生物膜。在废水与生物膜接 第一章绪论 触的过程中，水中的有机物被微生物吸附，氧化分解或者转化为新的生物膜，从填料上 脱落的生物膜随水流到二次沉淀池后被去除，废水得以净化。在接触氧化池中，微生物 所需要的氧气来自水中，而废水则自鼓入的空气中不断补充失去的溶解氧。空气多通过 设在池底的穿孔布气管进入水流，当气泡上升时向废水供应氧气，同时借以回流池水。 4 生物流化床 生物流化床用于污水处理领域始于上世纪7 0 年代初期，并率先再美国和日本进行 广泛的研究和应用。生物流化床，就是以砂或活性炭等颗粒状物质为载体填充于生物反 应器中，因载体附着生物膜而使其变轻，当污水以一定流速从下往上流动时，载体便处 于流化状态，载体随污水运行时，其表面上的生物膜以污水中的污染物为养料，循环运 行一段时间后，污水得以净化。根据载体流动的动力来源不同，生物流化床分为以液流 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，根据进入流化 床的污水是否预先充氧曝气又可分为厌氧状态和好氧状态，前者主要用于处理污水中的 有机污染物，而后者主要用于去除污水中的亚硝酸盐和硝酸盐。 资料表日月【8 1 ，生物流化床是生物膜水处理技术中效果最好，污染负荷最高的一种， 特别是三相流化床的设计，更达到了负荷高、效果好、占地面积小、投资省等多个重要 的经济技术指标。 5 曝气生物滤池 曝气生物滤池( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ，简称b a f ) 是2 0 世纪8 0 年代在普通生物 滤池的基础上，并借鉴给水滤池工艺开发的污水处理新工艺，最初用于污水的三级处理， 后发展成直接用于二级处理。世界上首座曝气生物滤池于1 9 8 1 年在法国投产【9 1 ，随后在 欧洲各国得到广泛应用。美国、加拿大等美洲国家在2 0 世纪8 0 年代术引进此工艺，f ： 本、韩因也先后引进此项技术。在我国，曝气生物滤池正处于推广阶段。大连市马栏河 污水处理厂是我国第一个采用曝气生物滤池工艺的城市污水处理厂，目前正处于试运行 阶段。另外，清华大学，哈尔滨工学大学、太原理工大学和中冶集团马鞍山钢铁设计研 究院等科研单位对曝气生物滤池也进行了许多研究工作。 曝气生物滤池是普通生物滤池的一种变形形式，可以看作是生物接触氧化法的一种 特殊形式，其最大的特点是集生物氧化与截留悬浮固体予一体，节省了后续二次沉淀池， 在保证处理效果的前提下使处理工艺简化。其工艺原理为：在滤池中装填一定量的粒状 填料，填料表面生长着生物膜，在滤池内部进行曝气，污水流经填料层时，利用填料上 高浓度生物膜量的强氧化降解能力对污水进行快速净化，此为生物氧化降解过程；同时， 因污水流经时填料层呈压实状态，利用粒状填料粒径较小的特点及生物膜的生物絮凝作 用，截留污水中的大量悬浮物，并保证脱落的生物膜不会被水带走，此为截留作用；运 行一定时间后，囚水头损失的增加，需要对滤池进行反冲洗，以释放截留的悬浮物并更 新生物膜，此为反冲洗过程。 目前世界上约有1 0 0 多座污水处理厂采用曝气生物滤池水处理技术 1 。该技术不仅 华南理工大学硕士学位论文 可以用于水体富营养化处理，而且广泛地用于生活污水、生活杂排水和食品加工、水果 蔬菜罐头、鱼肉制品、酿造和造纸等工业废水处理中。与其它生物处理方法相比，它具 有如下优点： ( 1 ) 占地面积小，基建投资省。曝气生物滤池的有机负荷比目前常规曝气池高5 倍 【5 】，从而大大减少了它的池容和占地面积，而且彻底取消了二沉淀池和回流至曝气池的 污泥回流系统。资料表明0 1 , 1 2 】，该工艺占地仅为常规处理的1 0 2 0 ，直接次性投资 比传统工艺少2 5 ，运行费用仅为常规工艺的8 0 ，而且可以全封闭运行，将臭气和噪 音对环境的污染减小到最小。 ( 2 ) 高质量的处理出水【1 3 】。在b o d 5 容积负荷为6 k g b o d 5 ( m 3 d ) 时【”，其出水s s 及b o d 5 可保持在1 0 m g l 以下，c o d c ，可保持在6 0 m g l 以下，远远低于国家污水综 合排放标准中的一级标准。 ( 3 ) 工艺流程短，氧的传输效率高i h 】，供氧动力消耗低，运行费用比常规处理低j 5 。 在b a f 中，氧的利用率可高达2 0 3 0 ，是普通活性污泥法的两倍。 ( 4 ) 抗冲击负荷能力强，没有污泥膨胀问题f l 引，微生物也不会流失，能保持池内较 高的微生物浓度，因此同常运行管理简单，处理效果稳定。受气候、水量、水质变化影 响小，同时该设备还能间断运行。 1 2 4 影响生物膜法水处理技术性能的主要因素 在生物膜法水处理技术中，废水中的有机污染物的降解主要是依靠微生物的氧化分 解作用。因此，凡影响微生物生长代谢活动的因素都会影响到废水的净化效果，如水温、 溶解氧、p h 值，填料的类型及特性、有机负荷和水力负荷及生物膜本身的性质。 l 温度 任何一种微生物都有一个最佳生长温度，在一定的温度范围内，大多数微生物的生 长活动都会随着温度的升高而增强，随着温度的下降而减弱。好氧微生物的适宜温度范 围是1 0 3 5 ，一般水温低于1 0 。c ，对废水的处理效果将产生不利影响，而温度升高 会使水中的饱和溶解氧浓度降低，氧的传递速率降低，温度高于微生物的生长温度，将 会导致微生物的死亡。 温度对生物水处理反应速率的影响可以用式( 1 1 ) 表示： r r = r 2 0 0 “”( 1 一1 ) 式中r t 、r 2 0 温度分别为t 和2 0 时的反应速率； 温度系数，对于生物滤池，范围为1 0 2 1 1 4 ，一般为1 0 3 。 2p h 值 微生物的生长、繁殖与p h 值有着密切的关系，对于好氧微生物来说，p h 值在6 5 8 5 之间较为适宜。微生物经驯化后对p h 值的适应范围可进一步提高。此外，p h 值还 第章绪论 会改变微生物表面电荷，从而影响它对营养物质的吸收。需要说明的一点是，微生物对 p h 值的波动十分敏感，即使在其生长p h 值范围内的p h 值的突然改变也会引起微生物 活性的明显下降，这是由于微生物对p h 值改变的适应比对温度改变的适应过程要慢得 多。所以应尽量避免废水p h 值的突然改变。 3 溶解氧 在废水好氧生物处理过程中，微生物以好氧菌为主，反应器从外部供给氧，使得体 系中有足够的溶解氧供微生物生长、繁殖所用。如果体系中溶解氧不足，好氧微生物得 不到氧，其正常的生长规律受到影响，甚至被破坏，从而影响生物膜的活性，进一步影 响其对废水的处理效果。 从活性污泥和生物膜的显微镜实验观察来看，若微生物群生氏正常，溶解氧应保持 一定的水平，一般以4 m g l 左右为宜| 5 】。而溶解氧的最低值，一般应不低于2 m g ( 0 2 ) 几，且这个低值亦只是发生在反应器的局部地带，如反应器的进口部位，有机污染物浓 度相对较高的地方。氧供应过多，反而会因代谢活动加强，营养供应不上而使微生物自 身产生氧化，促使生物膜老化。 4 水力负荷 水力负荷的大小直接关系到污水在反应器中与载体上生物膜的接触时间，微生物对 有机污染物的降解需要一定的接触反应时间作为保证。水力负荷越小，污水与生物膜接 触时间越长，处理效果越好。水力负荷的大小在控制生物膜厚度，改善传质方面也有一 定的作用。水力负荷的提高，其紊流剪切作用对膜厚的控制以及对传质的改善有利。但 水力负荷过大，水中的有机污染物还没有被完全去除就随水流出，同时，高水力负荷对 生物膜的冲刷作用加强，易造成生物膜的流失。所以不同的生物膜法处理技术都有适宜 的水力负荷。 5 载体的表面结构与性质 载体足微牛物生长与繁殖的场所，载体的选择不仅决定了生物膜量的大小和活性， 而且还影响着反应器中体系的动力学参数。因此，载体的选择对与生物膜法处理技术的 效果