（市政工程专业论文）城市污水生物强化处理短时曝气试验研究.pdf

摘要 针对我国大部分南方污水处理厂进水浓度远低于设计值，不仅降低处 理效率，而且浪费能耗的问题，我们在武汉市水质净化厂进行了城市污水生 物强化处理的短时曝气试验研究。 试验是生产性正交试验。在考察和分析了影响系统反应的各个因素之 后，确定了该厂的进水水泵台数和曝气池内活性污泥浓度两个试验的因子， 并分别确定了两个因子的三个水平。 在试验的前期准备工作阶段，课题组调查了武汉市水质净化厂的运行 现状，了解了该厂的水质特征并据此确定试验的取样时间，还通过进行污泥 排放及增长试验掌握了调控活性污泥系统的方法。 正交试验的九个周期的每个周期分为系统运行稳定和水质检测两个阶 段。水质检测阶段分别取进水浓度分别为低、中、高三个时段的曝气池的进 水和二沉池的出水进行检测，进水检测c o d 、b o d 、s s 、t n 和t p ，出水 分别检测c o d 、b o d 、s s 、氨氮和磷酸盐。试验分析采用c o d 去除率作 为评价指标，其余作为判断出水是否达标的指标。 试验确定武汉市水质净化厂的最佳工况点为进水水泵是3 台，活性污 泥浓度是1 6 0 0 m g l 。本文最后对该厂的运行提出建议并进行了分析。 关键词：生物强化短时曝气正交试验生产性试验 活性污泥浓度最佳工况点 a b s t r a c t i no r d e rt os o l y et h ep r o b l e mt h a tt h ei n l e tc o n c e n t r a t i o ni nm o s t l ys o u t h w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ti sb e l o wt h e0 u t l e tc o n c e n t r a t i o n ，w em a k eo u r b i o a u g m e n t i n g s h o r t t i m ea e r a t i o ne x p e r i m e n ti nw u h a nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p l a n t ( w w t p ) t h ee x p e r i m e n ti sf u l l s c a l e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t h a v e r e v i e w e da n d a n a l y z e de v e r yc o m p l i c a t i o nt h a t a f f e c t s y s t e mr e a c t i o n ，t h ea m o u n to fi n l e t p u m p a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g ei na e r a t i o nt a n kb e e nc o n f i r m e d a st w oe x p e r i m e n tc o m p l i c a t i o n s t h r e el e v e l so ft h e s et w oc o m p l i c a t i o n sh a v e b e e nc o n f i r m e d r e s p e c t i v e l y t o o a tt h es t a g eo fa r r a n g e d 。t a s kg r o u pi n v e s t i g a t e dp r e s e n tc o n d i t i o ni nw 聊， f o u n do u tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n t a i n i n a n t si nt h i sp l a n ta n dm a d eo u tt h e s a m p l i n gt i m e m o r e o v e r ，w eh o l d t h em e t h o dt h a ta d j u s ta n dc o n t r o lt h e a c t i v a t e d s l u d g es y s t e mb y m e a n so f m a k i n gs l u d g ed i s c h a r g e a n d g r o w e x p e r i m e n t e v e r yc y c l e o f o r t h o g o n a le x p e r i m e n t i s d i v i d e di n t ot w o p h a s e a s s t a b i l i z a t i o na n dc h e m i c a lt e s t i nt h ep h a s eo fc h e m i c a lt e s t ，i n l e to fa e r a t i o n t a n ka n dd i s c h a r g eo fs e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o nt a n kb e e nt e s t e da tt h et i m et h a t t h er a ww a t e rc o n c e n t r a t i o na r el o w ，m i d d l ea n dh i 曲n ei n l e tt e s t c o d ，b o d ，s s ，t na n dt p ，t h ed i s c h a r g et e s tc o d ，b o d ，s s ，a m m o n i an i t r o g e n a n dp h o s p h a t e e x p e r i m e n ta n a l y s i sa d o p tt h er e m o v a lp e r c e n t a g eo fc o d a s e v a l u a t i n gi n d i c a t o r ，o t h e r s t oe s t i m a t ew h e t h e rt h ed i s c h a r g er e a c hs t a n d a r d n e e x p e r i m e n te d u c et h a tt h eo p t i m a lw o r k i n gp o i n to fw w t p i s3p u m p s a n da c t i v a t e ds l u d g ec o n c e n t r a t i o ni s 6 0 0 m g l a d v i c eo nr u n n i n go f w n 甲 a l s ob e e np u tf o r w a r df i n a l l yi nt h i sp a p e r k e y w o r d s ： b i o a u g m e n t i n g ；s h o r t - t i m ea e r a t i o n ； o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ；f u l l - s c a l ee x p e r i m e n t ； a c t i v a t e ds l u d g ec o n c e n t r a t i o n ；o p t i m a lw o r k i n gp o i n t i l 武汉理工大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 武汉市水质净化厂概况 武汉市是湖北省政治、丈化、高科技中心，而东湖则是武汉市唯一的国 家级名胜风景区。但是自六十年代以来，湖区污染日益严重，到8 0 年代末， 已经成为了“富营养化”湖泊。1 9 8 9 年环保部门监测数据表明，沿湖1 1 8 家排污单位从1 1 个主要排污口，向东湖日排未经处理的城市污水约3 0 1 0 5 t ，其中东湖的子湖水果湖纳污量占全部入湖水量的5 6 2 。排入东湖的 城市污水成分复杂，主要污染物质为氮、磷、b o d 5 、s s 、酚等，其中氮、 磷是造成东湖富营养化的主要原因。 为了保护东湖，省市政府决定兴建武汉水质净化厂、二郎庙污水厂和龙 王嘴污水厂。武汉水质净化厂主要承担水果湖、武珞路、卓刀泉三地区 1 2 8 k m 2 的截污任务，服务人口2 6 3 万，在该地区内有工厂及其它单位9 2 家。排向东湖的生活污水和工业废水，经过二级处理后，尾闾水由明渠排入 长江。水质净化厂设计日截流进入东湖的污水5 1 0 4 m 3 ，其中生活污水占 7 5 ，工业废水占2 5 。该厂于1 9 9 0 年实现污水一级处理，1 9 9 3 年1 2 月 3 0 日正式投入二级运行。在1 9 9 0 年以前，水果湖水中b o d 5 、t p 、t n 、s s 逐年上升，实现污水截流后，污染物质上升趋势得到遏制，总量逐年下降， 水中溶解氧上升，使湖区水环境得到明显改善。 武汉市水质净化厂采用活性污泥法作为第二级处理单元，以传统曝气为 主，并可切换成阶段曝气及吸附再生曝气等运行方式。曝气池菇有1 6 组，4 组完全混合式单池串联而成为推流式曝气池，采用机械表面曝气机充氧。污 泥经浓缩后压滤脱水，产生的泥饼外运作为园林绿化用肥。武汉市水质净化 厂的工艺流程见下图1 - 1 ： 武汉理工大学顼士学位论文 城市污水 出水捧至长江 - t il 匝萄 i ! ji 目自l l_ t 一一一一? ：。：。：i r 干泥外运 上清涟回流1 - 一面函圃固圈一莲薹母 污水处理流程- _ - 污泥处理流程 图卜1 武汉市水质净化厂工艺流程示意图 武汉市水质净化厂是武汉市内最早建成的城市污水二级处理厂，其设计 的进水水质分别是b o d 5 为1 5 0 m g l ，s s 为2 0 0m g l ，但是实际进水水质 为： b o d s 平均值为6 0 m 【l ，s s 平均值为8 0m g l ，实际进水水质指标值 远远小于设计运行参数。若所有的曝气池全部运行，能耗太高且污泥负荷过 低，呈现“大马拖小车”的情形，这样不仅浪费了资金而且还会降低二级处 理的效果。 该厂在污水处理过程中需要消耗大量的能量( 主要为电能) ，其中第二 级处理单元曝气池和回流污泥泵房是用电大户，其次为污水提升泵房，大量 的能耗致使污水处理成本较高。尤其近年来电费价格不断上调，使污水处理 厂的运转费用进一步提高，导致该厂自运行以来经常因经费不足而难以正常 运转。进厂污水常常是仅经过初沉后就直接排放，出水达不到国家排放标准， 大量的基建投资不能充分发挥其环境效益，经济效益与社会效益。 1 2 国内外城市污水生物强化及短时曝气 处理技术的发展现状 一级强化技术能够弥补单纯的一级处理污染物去除率较低的缺陷，对于 已经建成的二级处理工艺，采用强化一级处理还可以减轻后续处理的负荷或 者扩大二级处理的能力。所以，近年来，一级处理强化技术的研究已经成为 2 武汉理工大学硕士学位论文 新的热点，引起了国内外水处理工程界的关注和重视。各种类型投资较低而 对污染物去除率较高的城市污水强化一级处理工艺应运而生。 国内外污水强化一级处理研究主要区分为物理化学方法、生物方法和改 善反应器性能的方法。物化法需投加大量的絮凝剂，存在成本比较高、污泥 产量较大的缺陷。生物强化的方法因为不必投加任何外部药剂，运行费用较 低，逐渐受到重视。 下面将对几种生物强化法的国内外研究进展分别加以评述。 1 2 1 生物化学( b c ) 法1 1 1 1 1 1 当代污水处理技术的重要发展趋势就是生物处理与化学处理的结合，二 者相互补充，以形成最合理的工艺流程。b c 法正是一种高负荷活性污泥和 化学助凝相结合的处理方法，其主要机理是将生物合成和化学助凝 ( b i o s y n t h e s i s c h e m i c a l - a i d e d f l o c c u l a t i o n ) 有机地结合在一起，故称b c 法。 b c 法最显著的特点是流程中投加化学絮凝剂( 常采用三氯化铁) ，其他则与 高负荷活性污泥法类似。其工艺流程如图1 2 所示： 图1 2b c 法工艺流程 b c 法中的高负荷活性污泥是指它的污泥负荷和容积负荷比常规活性污 泥法要高得多，其泥龄很短，曝气时间也很短。b c 法和普通活性污泥法的 b o d s 容积负荷分别为2 0 - - 2 5 k g b o d s ( m 3 d ) 和0 4 加9k g b o d s ( m 3 d ) ， 污泥负荷分别为0 6k gb o d s ( k g m l v s s d ) 和o 2 加4k gb o d 5 ( k g m l v s s d ) 。 传统的生物处理是利用微生物将污水中的有机污染物分解氧化，从而使 污水得到净化。为了氧化有机污染物并得到沉降性能良好的生物絮体，必须 武汉理工大学硕士学位论文 有足够的氧和较长的曝气时间，因此能耗和运行费用较高。而b c 法主要是 利用生物絮凝和化学絮凝双重作用将污水中非溶解性有机污染物从污水中 分离出来、并通过生物降解去除部分溶解性有机物。与传统的生物处理方法 相比b c 法重在分离，传统生物处理则重在氧化分解，所以b c 法能够缩短 曝气时间，大大节约能耗。 由于b c 法流程中存在铁循环，改善了污泥的沉降和脱水性能，产泥量 与传统活性污泥法相差不多。b c 法适宜用于处理我国南方低浓度的城市污 水。 b c 法具有曝气时间短、处理效果好等优点；由于在高负荷生物处理韵 同时，需增加投药设施，因此运行管理较为复杂。除此之外，b c 法的除磷 能力优于普通曝气法。适量投加化学絮凝剂一般不会影响活性污泥的活性， 由于改善了活性污泥的沉降性能，使得整个工艺的运行更加稳定。 1 2 2 预曝气强化一级处理工艺 预曝气强化一级处理工艺是在传统一级处理基础上的改进。在污水进 入沉淀池前进行顸曝气，提高生物活性，改善悬浮物的沉淀性能，促使悬 浮物互相碰撞絮凝，使比重接近于1 的微小颗粒，经絮凝后在沉淀池内去 除。预曝气构筑物可与曝气沉砂池合并，或在沉淀池前专设预曝气池，曝 气时间可取2 0 3 0 r a i n 。若仅对原水进行曝气即自然预曝气，可使沉淀池s s 去除率提高5 一8 ，b o d s 的去除率提高到2 5 一3 5 。若在预曝气池中投 加剩余活性污泥，即生物絮凝预曝气，则可使沉淀池s s 的去除率提高到8 0 左右，b o d 5 的去除率可以提高到3 5 4 5 。 该工艺可以起到强化一级处理的目的，与常规一级处理相比，自然预 曝气对s s 和b o d s 的去除率仅能提高5 左右，强化效果不太明显。生物 絮凝预曝气对s s 去除率比较高，但由于回流剩余污泥加大了进初沉池的s s 浓度，其出水s s 值与常规一级处理相比相差不大；生物絮凝预曝气对b o d 5 去除率可提高1 5 左右，效果明显。但该工艺仅适用于处理规模较大，可 以设置曝气沉砂池，且剩余污泥量足以连续排放的污水处理厂。进行预曝 气强化后，其一级处理出水仍然难以达到较高的排放标准，要使处理厂出 水达标，必须后续生物处理设施。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 化学一生物联合絮凝法【2 2 】 化学一生物联合絮凝法是在化学絮凝沉淀处理技术和生物絮凝吸附处 理技术集成研究的基础上提出的。 化学一生物联合絮凝沉淀强化一级处理工艺是以化学絮凝沉淀作用为 主、生物絮凝起重要辅助作用的工艺。该工艺由絮凝反应池、沉淀池、污泥 回流和空气混合系统构成。其工艺流程见图1 3 ： 投加药剂投加p a m 图1 3 化学一生物联合絮凝法工艺流程 如图所示，污水经过机械处理及提升后进入絮凝反应池，通过投加化学 药剂与空气混合实现化学一生物联合絮凝。形成沉降性能良好的污泥絮体和 磷酸盐化学沉淀物，然后在沉淀池完成固液分离。快速混合时间为l m i n 左 右( 采用机械或空气混合) ，絮凝反应池的停留时间按生物絮凝反应控制 ( 3 0 r a i n 左右) ，沉淀池的停留时间为1 5 h 左右，污泥回流比根据实际需要 在一定范围内调节。化学药剂投加量主要根据进水磷浓度及除磷要求确定， p a m 投加量为0 1 加5 m g l 。 在采用空气混合絮凝反应时，处理系统可以按3 种方式运行；化学絮凝 沉淀强化一级处理、化学一生物联合絮凝沉淀强化一级处理、生物絮凝沉淀 强化一级处理，以适用不同时期水质水量的变化。 化学一生物联合絮凝沉淀处理系统通过污泥回流和保持较高的反应池 污泥浓度，一方面提高了化学药剂的有效利用率，降低药剂消耗量，另一方 面。污泥回流可以加快絮状物的形成，促进沉淀池污泥层的迅速形成，增强 网捕过滤作用，并可明显改善分散性悬浮物和金属磷酸盐细微沉淀物的固液 分离和沉淀去除效果，加快絮凝沉淀物在沉淀池中的泥水分离。除此之外， 5 武汉理工大学顽士学位论文 污泥回流还可有效提高污泥的密度。所以该工艺具有处理效果稳定、药剂消 耗量小、污泥量少的优点。 通过化学絮凝沉淀作用、生物絮凝与不完全氧化作用，可以提高和保证 s s 、c o d 、b o d 、t p 的去除效果，c o d 、b o d 5 、s s 、t p 和t n 的去除率 一般为6 0 - 8 0 、6 0 。8 0 、8 0 9 0 、7 5 一9 0 和2 5 左右。 1 2 4 活化污泥法【1 2 l 【1 5 1 “絮凝吸附一沉淀一活化”的城市污水强化一级处理工艺( 即活化污泥 法) 是将微生物絮体引入一级处理，并控制适当的环境条件，使其既可以发 挥其生物吸附作用，又可以产生一定量的微生物絮凝物质，从而有效提高污 水一级处理效率的一种方法。 活化污泥法工艺流程图如图1 4 ： 图1 - 4 活化污泥法工艺流程图 在该工艺中，未经沉淀处理的原生活污水与回流污泥混合后进入反应器 ( 絮凝吸附池) ，二者在机械搅拌或空气搅拌作用下充分混合。经絮凝吸附 反应后，大量污染物质被絮凝吸附而进入污泥絮凝体，在沉淀池中实现固液 分离。沉淀池出水为该工艺的最终出水。为了恢复沉淀污泥的生物絮凝吸附 活性，将沉淀污泥流经污泥活化池，污泥在其中经短时间曝气活化，以降解 部分吸附的有机物，产生适量的微生物絮凝物质，改善污泥的沉降性能，同 时保持污泥处于好氧状态，避免混合液变黑、发臭。在活化池内发生的饱和 污泥恢复活性的反应称为活化反应或污泥再生反应，其能耗远远低于二级生 物氧化反应。活化池产生的具有生物絮凝吸附活性的污泥称为活化污泥。活 化后的污泥回流至絮凝吸附池。剩余污泥从沉淀池底部排出。 活化污泥法的污染物去除机理既有物理吸附、化学吸附和生物吸附作用， 6 武汉理工大学硕士学位论文 又有吸附架桥、沉淀网捕等絮凝作用和一定量的生物降解作用。污染物的去 除主要依靠活化污泥的絮凝和吸附作用。 试验结果发现，该工艺对s s 平均去除率为8 6 8 ：对c 0 3 平均去除率 6 8 9 ，其中溶解性化学需氧量( s c o d ) 平均去除率为4 1 、非溶解颗粒 性c o d ( p c o d ) 的去除率为7 6 5 ，由此可知c o d 的去除效果主要是通 过去除颗粒性非溶解性c o d 而实现；b o d 5 的平均去除率6 5 5 ；有机氮的 去除率在5 1 左右，但对氨氮基本没有去除率：对总磷平均去除率为2 5 左 右。 活化污泥法在初沉池的基础上增设的构筑物及设备较多，因此，不适宜 常规一级或二级污水厂的一级强化改造，仅适用于新建的污水厂。 1 2 5 短时直接曝气过滤法【1 8 1 短时高效曝气法可分为两种：一是高污泥负荷，短曝气时间，使微生物 维持在对数期增长，以b o d 高速去除为特征，但有机物去除率较低，约在 7 0 - - 8 0 之间；二是一般污泥负荷，短曝气时间，使微生物维持在衰减增 长期，一般去除率在8 0 9 0 之间。这两种方法都存在一些缺点：如有机 物去除不太充分、增值污泥量较大、产生的污泥处置困难、对水质水量变化 适应性差、n 和p 的去除率不高等。 污水直接过滤工艺对生活污水的处理效果不太好。过滤一般应用于给水 处理和污水的深度处理，对处理水的水质要求较高。 黄树辉、黄曼舒尝试着先用短时直接曝气对生活污水进行强化一级处 理，出水直接过滤，形成组合工艺，以处理生活污水。 在短时曝气过程中，污水中的微生物将以最快的速度吸收有机物。随着 曝气时间的增加，微生物吸收有机物的数量相应增加，从而使c o d e r 去除 率有所上升。经过曝气的污水流入滤池，滤料将截留水中悬浮物，并能吸附 部分溶解性有机物。试验过程中，曝气时间为2 h ，滤料采用d 0 5 m m 的炉 渣，组合工艺对c o d e r 的去除率能达到8 2 6 8 。 该工艺对n i - 1 3 n 的去除率随着曝气时间的增加而增加，当曝气时间为 2 h 时，其去除率高达7 6 0 7 ；当曝气时间达到一定值，t p 的去除率基本恒 定，去除率可达到9 0 以上。 7 武汉理工大学硕士学位论文 炉渣具有吸附污水中含磷化合物的能力，用组合工艺中同样条件的炉渣 直接过滤生活污水，实验测得总磷去除率能达到6 5 - - 7 2 。微生物在生长 过程中会吸收和絮凝了一部分磷，通过排除剩余污泥去除污水中的部分磷。 组合工艺利用生物和煤渣的的综合作用提高了t p 的去除效果。 该工艺构筑物容积较小、运行费用较低，可取得较好的处理效果。可在 经济不太发达、污水浓度较低的城市或地区用于处理污水。 1 3 课题的提出及研究方案 1 3 1 课题的提出 水是人类社会存在和发展最重要的资源。然而，随着我国经济、社会的 飞速发展，水污染问题日益凸显。包括水污染在内的诸多环境污染问题，已 经成为我国社会经济进一步发展的制约因素之一。 2 0 0 0 年7 月1 8 日建设部、国家环保总局、科技部共同发布的城市污 水处理及污染防治技术政策。1 要求：“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 ”。在2 0 0 1 年全国环境污染治理投资仅占本 年国内生产总值的1 1 5 ，要达到2 0 1 0 年水污染治理目标，治理资金缺口 约每年8 0 亿元。 另一方面，我国南方城市污水中的b o d 、c o d 值普遍低于已建成的城 市污水处理厂进水的设计值，见表1 - 1 呸3 3 4 o 造成南方城市污水处理厂实 际进水水质远小于设计值的原因是多方面的。具体来说有以下几个方面：1 、 排水管网内的地下水渗入或河塘、湖水的流入；2 、化粪池的不合理设置； 3 、随着居民生活水平提高，人均排水量大幅度增加；4 、城市排水体制问 题。 8 武汉理工大学硕士学位论文 表i - i南方若干城市污水处理厂实际运行水质现状 年实际运行平均值设计进水值 测定 污水处理厂名称 b o d 5 s s b o d 5 s s 年份 ( m g ，l )( r a g l ) ( r a g l ) f r o g l ) 武汉市水质净化厂 “l8 01 5 02 0 01 9 9 7 广州大坦沙污水厂7 51 0 02 0 02 5 01 9 9 4 珠海香州水质净化厂 5 442 1 51 0 01 5 01 9 9 4 珠海吉大水质净化厂 6 7 9 91 3 01 8 02 5 01 9 9 6 桂林北冲污水厂 3 46 11 5 02 0 01 9 9 7 桂林第四污水厂7 0 9 9 1 5 02 0 01 9 9 7 长沙第一污水厂6 0 41 6 5 1 1 5 0 2 0 01 9 9 6 昆明第一污水厂 6 4 0 15 5 1 31 8 02 0 01 9 9 5 对于这样的城市污水若采用二级处理，由于进水的有机物浓度较低，呈 现大马拉小车的情形，能耗和运行费用较高，降低了污水处理厂投资效益； 若采用常规一级处理，则因为初沉池对有机物的去除效率有限，出水浓度往 往过高，难以达到环境保护的目的。例如广州大坦沙污水厂从投产至今，进 水b o d ；浓度远低于设计值，不得不改变运行方式，沉砂池出水超越初沉池 至生化池，初沉池成了多余构筑物。武汉水质净化厂长期进水浓度偏低，有时 经过一级处理后，基本上可达标排放。由于工艺按设计水质设计，未设超越 初沉池的管道，曝气池采用表面曝气推流式曝气池。因此曝气池污泥负荷偏 低。充氧量过大。活性污泥生长不良，不仅给运行管理带来不便，而且运行 费用并未减少。 由此可以看出：一方面我国污水治理工作存在巨大的资金缺口，另一方 面大批已建成的南方污水处理厂由于进水水质偏低使得投入的资金得不到 应有的效益，造成大量的资金浪费。目前，国内的污水处理界致力于寻求新 的污水处理工艺来解决这个问题，而已建成的污水处理厂大多数是采用比较 成熟的普通活性污泥法，其工艺的改进得不到应有的重视。 9 武汉理工大学硕士学位论文 在城镇污水二级处理系统中，系统曝气的能耗最大，约占全系统总能耗 的5 0 ，因此降低曝气系统的能耗是全厂节能的关键。采用短时曝气就是 节约能耗的一种方法。本课题就是在武汉市水质净化厂进行城市污水生物强 化处理短时曝气的生产性试验，目的在于寻求武汉水质净化厂满负荷运行 时，1 6 只完全混合式曝气单池最佳的运行个数、曝气池中的污泥浓度和回 流污泥比等运行参数。 本课题是国内第一个短时曝气的生产性试验，在传统活性污泥法的基 础上加以改进，以降低能耗，开发适用于污水浓度偏低的南方城市污水处 理厂的短时曝气工艺。 1 3 2 研究内容及拟解决的关键问题 本项目采用生产性试验，拟采用的研究方法是正交试验，主要的研究 内容有： 1 、制定正交试验方案 根据武汉市水质净化厂的运行资料，确定正交试验的各个因子和各因子 的水平，列出正交试验表，确定正交试验的方案。 2 、掌握芷交试验各因子的调节方法 在试验准备阶段，通过每天取样了解污水处理厂的运行现状，尤其是 曝气池中的污泥浓度，找出曝气池中的污泥浓度与曝气池安装的浊度仪读数 之间的数量关系，便于后续试验的调控。进行排泥试验和污泥增长试验，掌 握控制污泥浓度的方法，为正式试验作准备。 3 、进行正交试验、得出试验结果 进行正交试验，在稳定期测定每一组试验处理效果，以正交试验的结 果为依据，进一步寻找最佳工况点，得出最佳运行条件。在最佳运行条件下， 满负荷运行半个月左右时间，考察其运行的稳定性。如果在最佳运行条件下 生物絮凝效果不太稳定，可投加适量的絮凝剂，以改善出水效果。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 第二章正交试验方案的确定 为了寻求最佳运行参数，以运行4 只单池为基本前提进行正交试验，4 只单池各自以完全混合的方式运行，每两组单池串联起来可起到推流式效果。 在试验的初期阶段，拟采用污泥浓度、进水流量、溶解氧作为正交试验的3 个基本因子，每个因子在试验中控制在3 个水平，初步拟订的运行参数见表 2 1 。 表2 - 1 正交试验参数设计表 因子水平1水平2水平3 a 污泥浓度( m g l 1 0 0 02 0 ( ) 03 0 0 0 b 水泵运行台数3 45 c 溶解氧( r a g l ) 1 01 6 2 2 为了判断参数是否具有可控制性以及参数水平是否合理，课题组首先对 试验的各个因子以及因子的水平分别进行了考察。 2 1溶解氧因素的考察与分析 2 1 1 控制溶解氧的重要性 活性污泥法是一种好氧生物处理方法，在处理过程中必须提供充足的溶 解氧，所以溶解氧是影响活性污泥法处理效果的一个重要的因素，这也是我 们准备把溶解氧作为考察因素的原因。 在曝气池中设置供氧设施，是为了保证池中活性污泥浓度远远高于天然 水体中微生物浓度时，微生物仍能在好氧条件下将污水中的有机物氧化分解， 转化成无机物，提高净化速率。 溶解氧水平的高低会直接影响到好氧微生物的代谢活性。为了在尽可能 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 小的曝气池中以最短的时间，净化更多的有机污染物。提高处理系统的效率， 必须向处理系统内提供足够的溶解氧。充氧时曝气池内产生的紊流还可使废 水与污泥充分混合，提高污染物质的传递速率。经处理后排放的出水中带有 一定的溶解氧，还具有后处理作用，使残存的有机物在天然水体中继续氧化 分解。 2 1 2 曝气池中溶解氧( ) 的变化 武汉市水质净化厂的单个曝气池虽然是完全混合式的运行方式，但几个 单池串联运行就组合成推流式曝气池。监测推流式曝气池中各点的溶解氧状 况，有助于调节控制整个处理系统的运行。图2 - 1 凹1 中示意的是各种因素对 曝气池内溶解氧的影响。 匕二坦埋 沿曝气池， ( 匐沿推流娴曝气池纵 长方向的d o 睡型轮廓图 c b ) 爿( , p b 负荷增加对d o 韵影响 ( c ) 基质负葡增札d l j 的影响 隧三逐秭 ( d ) 反应孽塑加x ( e ) 硝化作用对的影响 自q 影响 ”一。 逐匡d o 2 耋擎磊! ! i ：潍o 彩帏惫证) 充氧速率对赇影呐q 洱 荷单位，b k g b 。d s s 由。 。7。 图2 - l影响曝气池内溶解氧的各种因素示意 图2 1 中( a ) 为沿曝气池纵长方向溶解氧的轮廓图。由该图可知，曝气 池进水端因有机物浓度高，污泥耗氧量高，故池中溶解氧水平低；在曝气池 末端有机物浓度较低、耗氧量较低，故溶解氧回升。图( b ) 和( c ) 代表在 武汉理工大学硕士学位论文 水力负荷和有机负荷增加时对溶解氧沿程变化曲线的影响，可见溶解氧上升 点均向后推移。图( d ) 表示系统反应速率增加时，在曝气池前半部溶解氧 水平急速下降，后半部溶解氧快速回升。图( e ) 表示系统中硝化作用对曝气 池溶解氧的影响，此类曲线在延时曝气池中常见。图( f ) 表示不同的污泥负 荷对溶解氧的影响，可见污泥负荷越高，曝气池溶解氧水平越低。图( ) 表示充氧效率对溶解氧的影响，当k t 。= 6 时，整个曝气池呈缺氧状态，不能 进行硝化作用，而且会制约微生物的好氧降解。 2 1 3 溶解氧对活性污泥系统的影响凹， 就好氧微生物面言，环境溶解氧大于0 5 m g l 时，对其正常代谢活动即 已足够。活性污泥以絮体形式存在于曝气池中。经测定，直径为5 0 0 p r o 的活 性污泥絮粒，当周围的悬浮液溶解氧为2 0 m e d l 时，絮粒中，t h , 的溶解氧已降 至0 1 m g l ，已经处于微氧和缺氧的状况。因此，溶解氧过低必然会影响曝 气池进水端或絮粒内部细菌的代谢速率。 例如，美国亚特兰大的一个污水处理厂，日处理4 5 万吨城市污水，因充 氧装置损坏，曝气池在溶解氧低于l m g l 的条件下运行了9 个月，出水悬浮 固体( e s s ) 在4 0 一6 0 m g l 左右，出水b o d 也高于3 0 m g l 。当充氧设备修 复后，曝气池溶解氧在2 3 m l 左右，其他运行条件不变，e s s 即降至 1 5 - 3 0 m g l ，出水b o d 亦相应降至3 0 m g l 以下。 j e s t a r k e y 等在实验室中以人工合成废水试验了溶解氧对出水水质的 影响，发现溶解氧低而引起e s s 增加的原因是抑制了菌胶团细菌胞外多聚物 的产生，从而导致污泥解絮：其次当溶解氧低时，会使吞食游离细菌的微型 动物数量减少。 然而溶解氧过高，除了能耗增加外，曝气翼轮高速转动或强烈的空气搅 拌还会使絮粒打碎，并易使污泥老化，这些也会使e s s 增高而影响出水水质。 一般认为，曝气池出口处溶解氧控制在2 m g l 左右较为适宜，基本上可满足 污泥中绝大多数好氧微生物对溶解氧的需要。在普通推流式活性污泥法曝气 池中，沿曝气池纵长方向溶解氧水平是不同的：在进水端，由于废水中有机 污染物浓度高，污泥的负荷及耗氧量均相当高，故溶解氧水平低：在曝气池 末端。有机物大多被降解，有机物浓度和污泥耗氧量降低，故溶解氧水平上 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 升：因此当出水端溶解氧维持在2 m g l 时曝气池前端尚不足2 m g l 。采用多 点进水或渐减曝气方式可有效解决这个问题。其次，曝气池末端溶解氧为 2 m g l 的曝气池泥水混合液在进入二沉池后，溶解氧虽然有所下降，但在出 水和回流污泥中仍会保持较高的溶解氧浓度。 2 1 4 溶解氧的调节 在鼓风曝气系统中，可控制进气量的大小来调节溶解氧的高低。在表面 曝气系统中，改变翼轮的转速或它的浸没深度来调节溶解氧的高低，翼轮浸 没深度超过它的最佳值后，充氧能力减少，搅拌( 使泥水混合) 能力增加， 在培菌初期或污泥负荷过低时即可采用这种方式运行。 在曝气池溶解氧长期偏低时，可能有两种原因。其一是活性污泥负荷过 高，此时活性污泥的耗氧速率往往大于2 0 m 9 0 2 ( g m l s s h ) ，这时须增大曝气 池中活性污泥的浓度或增加曝气池的容积，适当降低污泥负荷；其二是供氧 设施功率过小或效率过低，这时应设法改善。由于氧的转移效率是气、液接 触表面及接触时间的函数，故喷气口应使释放的气泡粒径尽可能小。可采用 氧转移高的微孔曝气器等曝气头；有时还可加机械搅拌来打碎气泡，以增加 气体的转移效率。 2 1 5 溶解氧的观测结果与分析 从2 0 0 3 年5 月1 日到5 日，我们对水质净化厂的两组出水曝气池内( 也 可以认为是推流式的末端) 的溶解氧进行了2 4 小时的观测，观测期间污泥 浓度维持在1 6 0 0 m g l ，采用的数据是两组曝气池上安装的溶解氧记录仪的读 数。为确保溶解氧仪的准确，我们在读数之前都擦拭了仪器的探头，使它们 保持清洁。我们将两组曝气池分别编号为1 卿勰，分别对应厂里的8 号和 1 2 号曝气池，以便于描述。观测的结果见表2 2 1 和2 2 2 。 1 4 鲤 o苫譬高窝喜窨罱 蕊“t q一一“d“ 叮 皿 是 袋暑譬簧口 寸 兰“ “ “ “n 皿 i n 雹 窨 吕 吕8gg888888 营 - a 2 =翟譬=譬=璺曼 罱 薰 胬露 一 瓮0心 一一“一 一 r r r 甘 i 藿 豁豁皿 一 一一 n 叼 l n 88 窨 8窨宕8888 匣 宕8 _- 蕾 2 =翟譬= 篓 0 。小 爨罱；2蹬 高 兽昌 8 蕊 “ 一一 一 6d6o r t t n t 鲤 葛葛b皿 鼍 “ 一 一 n 一 窿 i n 888 88 宕 8888 垦 宕g _- - 蔷 宝 =2譬 =譬 ：2苎 0 。a 薰 o o 葛nn e , i 古ooo 血 n l 翟 葛8譬8兽露譬 i z i 一 “一一一一一 一 世 n 昌 8昌 ：兮 88888宕8 厘 。 _ 盔 a =譬譬=翔昱2兽曼 岛 lv琳职籁懈粤雾曝骄琏瓣 h 哼n 僻 议智掣扑i藩扑 3 0 m g l 时，表明悬浮物流失过多。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 活性污泥的性状与污水处理效果的关系 2 2 2 1 色嗅 良好新鲜的活性污泥略带有泥土味，一般呈黄褐色。在曝气池溶解氧不足 时。厌氧微生物会相应滋生，污泥色泽加深。当曝气池溶解氧过高或进水过 淡、负荷过低时，污泥中微生物可因缺乏营养而自身氧化，污泥色泽转淡。 2 2 2 2 二沉池观察与污泥性状 二沉池的液面状态与整个系统的能否运转正常有着密切关系。在巡视二 沉池时，应注意二沉池泥面的高低、上清液透明程度及漂泥的有无、漂泥泥 粒的大小等。 主要观察点有： ( 1 ) 上清液清澈透明运行正常，活性污泥性状良好。 ( 2 ) 上清液混浊负荷过高，污泥对有机物氧化分解不彻底。 ( 3 ) 污泥面上升s v i ( 污泥体积指数) 高、污泥膨胀，污泥沉降性能差。 ( 4 ) 污泥成层上浮污泥中毒，运行系统中进入有毒物质。 ( 5 ) 大块污泥上浮局部厌氧，导致该处污泥大块上浮。 ( 6 ) 细小污泥漂浮水温过高，d n f 碳氮比1 不适，氮源不足等原因引 起污泥解絮。 2 ，2 2 3 曝气池观察与污泥性状 在巡视曝气池时，应注意观察曝气池混合液的颜色、气味、活性污泥含 量、液面翻腾情况，曝气池中间若有成团气泡上升，即表示液面下曝气管道 或气孔有堵塞，应予以清除或更换：若液面翻腾不均匀，说明有死角，应特别 注意四角是否有积泥。此外，还应注意气泡的性状： ( 1 ) 泡沫量的多少 在污泥负荷适当，运行正常时，泡沫量较少，泡沫外观新鲜，起丝白色 泡沫。污泥负荷过高，水质变化时，泡沫量往往增多，如污泥龄过短或废水 中含多量洗涤剂时会出现大量泡沫。 ( 2 ) 泡沫的色泽 武汉理工大学硕士学位论文 泡沫呈白色，且泡沫量增多，说明水中洗涤剂量较多。 泡沫星茶色、灰色，表示污泥龄太长或污泥被打碎吸附在气泡上，这 时应增加排泥量。 ( 3 ) 泡沫的粘性 用手粘一些气泡，检查是否容易破碎。如负荷过高，有机物分解不完全 则气泡较粘，不易破碎。否则，有机物分解完全，气泡较散易破碎。 2 2 2 4 污泥沉降体积 污泥沉降体积，通常用s v 表示，正常情况s v 应在1 5 一3 0 范围内。 当二沉池污泥泥面偏高，又未见其它异常现象，这很可能是污泥增长速 率较高，排放剩余污泥量较小，污泥区中污泥量过大所致。 当发现污泥沉降界面不清的现象，多数情况下是由于污泥短期缺乏营养 或污泥中毒，造成部分解絮所致。 2 2 3 污泥浓度m i s s 与在线读数( n t u ) 的数量关系 在试验的过程中，课题组随时要关注曝气池的污泥浓度，并且要将曝气 池的污泥浓度控制在设定的范围，而用抽滤法测定污泥浓度动辄就需要几个 小时，等到测出污泥浓度时，曝气池内的污泥浓度早已改变，对试验己失去 指导意义。为了随时掌握曝气池中的污泥浓度的变化情况，就需要通过读取 曝气池上安装的浊度仪的在线读数( n t u ) 来换算污泥浓度瞬时值，并据此 来调控污泥浓度在试验要求的范围内。 该厂使用的浊度仪说明书指出，污泥浓度与浊度仪的在线读数之间的倍 数关系是2 5 倍。那是以一定粒径的s i 0 2 颗粒所形成的悬浮液通过试验数据 拟合得到的数值，对于污水处理厂内曝气池混合液而言，这个倍数关系不一 定适用。 为了了解武汉市水质净化厂的实际运行数据，获得曝气池在线读数 ( n t u ) 与实际污泥浓度( m l s s ) 之间的准确的数量关系，我们1 # 曝气池 进行了两个多月的测试，获得了接近5 0 组数据，结果如表2 3 所示： 表2 - 3i # 曝气池n t u 读数与s s 的关系 s sm l s s 日期 n t u m l s s f n t u日期n t uh s s n 叮n i ( r a g l )( m g l ) 4 41 7 6 3 5 01 5 1 51 1 6 45 81 3 3 8 5 0 1 4 1 00 9 4 9 4 41 7 7 0 5 01 5 1 51 1 6 95 91 6 9 5 2 51 6 1 81 0 4 8 4 ，41 7 8 3 5 01 4 7 01 2 1 35 1 01 1 2 4 7 59 7 51 1 5 4 4 ，1 41 5 6 2 5 01 5 0 01 0 4 25 1 52 8 1 4 7 52 0 8 51 - 3 5 0 4 1 91 7 2 8 0 01 6 9 21 0 2 15 1 61 9 3 9 7 51 7 2 41 1 2 5 4 1 91 7 1 9 7 51 6 9 51 0 1 55 1 72 3 0 7 1 8 8 41 2 2 5 4 1 91 8 0 & 5 01 8 1 40 9 9 75 1 81 6 2 4 0 01 5 4 31 0 5 2 4 2 01 8 6 9 2 51 8 2 4t ，0 2 55 1 81 4 6 1 5 01 1 8 91 2 2 9 4 2 02 0 1 2 2 51 8 6 81 盯7 75 2 02 0 2 6 7 51 7 6 81 1 4 6 4 2 21 8 0 9 5 01 6 6 71 0 8 55 2 01 8 9 5 0 01 7 2 71 0 9 7 4 2 22 0 0 1 5 01 6 3 21 2 2 65 2 11 3 1 3 5 01 0 5 21 2 4 9 4 2 21 9 9 3 0 01 6 9 01 1 7 95 2 53 2 3 2 2 51 9 5 01 6 5 8 * 4 2 42 7 4 5 2 51 9 2 71 4 2 55 2 61 5 1 6 1 0 6 81 4 1 9 4 2 53 2 4 7 0 02 0 2 5】5 8 2 5 2 81 7 7 9 5 01 3 7 31 2 9 6 4 2 72 3 8 6 2 52 0 5 81 1 5 95 2 91 1 1 5 0 06 9 61 6 0 2 + 4 2 82 8 3 9 5 02 1 9 51 2 9 46 1 2 9 醴7 57 2 84 0 7 8 1 2 82 4 8 0 7 52 0 6 01 2 0 46 31 5 4 5 2 59 4 31 6 3 9 4 2 91 6 0 6 2 51 6 1 90 9 9 26 61 6 4 9 2