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城市生活污水生物絮凝吸附工艺处理的实验研究 摘要 在活性污泥法处理废水过程中，有机污染物的去除率在很大程度上取决于 固液分离效果，而生物絮凝是影响固液分离的至关重要的因素；良好的生物絮 凝可提高活性污泥的沉降性能和脱水性能，从而不仅取得较好的出水水质而且 使后续污泥处理处置费用降低。因此，生物絮凝吸附工艺引起广泛的关注。本 研究通过小试和中试对生物絮凝吸附工艺处理生活污水进行了研究。 研究结果表明： 采用同步培驯法进行污泥的培养与驯化，一周后，污泥基本成熟，具有良 好的絮凝效果；气水比l o ：1 ，回流比3 0 ，活化时间2h ，絮凝时间3 0m i n ， 污泥龄6d 为生物絮凝吸附工艺的优化参数值。 中试反应器经过稳定运行，取得良好的絮凝效果，对c o d 、s s 的去除率较 好，对s c o d 、n h 3 n 和p 0 4 3 p 也有一定去除效果。生物絮凝吸附工艺随进水 水量的增大，污染物去除效果下降；且能承受一定的冲击负荷。 絮凝吸附阶段动力学模型的研究表明：絮凝吸附阶段主要以含碳有机污染 物为去除对象，系统分为9 种组分：易降解的溶解底物、惰性溶解有机物、惰 性溶解代谢产物、缓慢降解的非溶解底物、活性微生物、死亡微生物体、惰性 不溶代谢产物、惰性不溶有机物、溶解氧。各种组分通过5 个性质不同的作用 过程进行迁移相互转化：1 、微生物的生长和底物代谢；2 、不溶底物的水解：3 、 微生物的死亡；4 、死亡细胞水解：5 、捕集和吸附。用矩阵表达式对模型进行 表述，预测结果与实测结果较为接近。 关键词：生物絮凝生活污水固液分离污泥龄动力学模型 t h e e x p e r i m e n t a is t u d y o nd o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n t b y b i o n o s c u l a t i i l ga d s o r p t i o np r o c e s s a b s t r a c t i na c t i v a t e ds l u d g ep m c e s s ，t h er e m o v a lo f o 唱a n i cp o l l u t a n t s l o s t l yd e p e n d e d o ns o l i d ，l i q u i ds e p a r a t i o n ，t ow h i c hb i o n o c c u i a t i o ni sc r i t i c a i _ g o o db i o n o c c u i a t i o n c o n l d b u t e dt oi m p r o v es e t n i n ga t l dd e w a t e r i n gp r o p e r t i e so fa c t i v a t c ds l u d g e w i t l l w a s t e 、硼把rb e j n g 雠a t c db yb i o f l o c c t l 王a t 主o n ，n o t o n i yg o o de 儡u e n tq u a i i t yw a s o b t a i n e d ，b u ta l s os u b s c q u e n ts l u d g ed i s p o s a lc o s t sw e r er e d u c e d s ob i o n o c c u l a t i n g a d s o r p t i o np r o c e s s c a u s e de x t e n s i v e 拙n t i o n t h er e s e a r c h o fb i o n o c c u l a t i n 2 a d s o r p t i o np r o c e s so nw 勰t e w a t e r 廿c a n l l e n tw a si n v e s t i g a t e db ym i c r o s c a l ea 1 1 d s e m i - f u l l - s c a i ee x p e r i m e m s t h es t u d yr e s u l t ss h o w e dm a t 血es l u d g eo fb i o n o c c u l a t i o nm 姗d i naw e e k b y s i m u l t a i l e o u sc u l t i v a t i o n 姐dd o m e s t i c a t i o n t h e ng o o dn o c c u l a t i o nw a so b t a i n e d a n dt h eo p t i m u m p a r a m e t e r sw c r et h a ta i r w a t e r 枷o s ，f c c y d e 删o ，a e r a t j o nt i m e n o c c u l 砒i n gt i m ea n ds r t w c r e1 0 ： l ，3 0 ，2 h ，3 0 r n i n ，6 d ，r c s p e c t i v e l y 0 0 0 db i o f l o c c u l a t i 册w a so b t a i n e da n e rs t e a d y o p e r a t i o no fs e m i 削1 s c a l e e x p e r i m e n t t h er e m o v a le 伍c i e n c yo fc o d a r l ds c o dw e r ep r e f e r a b l e i ta l s oh a d s o n l cr e m o v a l e 珩c i e n c y t o s c o d 、n h 3 一na n dp 0 4 pa si n f l 嘞tq 啪t i t y i n c r e a s e d ，m er e m o v a lt oc o n 协m i n a t i o no fb i o n o c c u l a t i n ga d s o r p t i o n p r o c e s s d e c r c a s e d b i o n o c c u l a t i n ga d s o r p t i o np r o c e s sc o 山de i l d u r cl a s hl o a dt os o m ee x t e n t t h el ( i n e t i c sm o d e lo f b i o f l o c c u l a t i n ga d s o r p t i o np h a s ew e r ei n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t ss h o w e dm a to r g a 血cs u b 虬m c ec o 眦a i l l i n gc a r b o nw 豁t h em a i nr e m o v i n g o b j e c to fb i o n o c c u l a t i n ga d s o r p t i o np h a s e t h es y s t e mw a sd i v i d e dt on i n eg r o u p s t h e yw e r ee a s yb i o d e g r a d i n gd i s s o i v es u b s t a n c e ，i n e n i ad i s s o l v eo r g 蚰i s m ，i n e r t i a d i s s o l v e m e 协b 0 1 i z i n gp r o d u c t i o n ，s l o wb i o d e g r a d i n gu i l d i s s o l v es u b s t a n c e ，a l i v e m i c r o o 唱a n i s m ，d e a dm i c m o 唱a t l i s m ，i n e r t j au 1 1 d i s s 0 j v cm e t a b o i i z i n gp m d u c t j o n i n e r t i au n d i s s o l v e o 娼a n i s ma i l d d i s s o l v e o x y g e nr e s p e c t i v e l y t h c s eg r o u p s i n s y s t e mt r a i l s f o r m e de a c ho t l l e r 血r o u g hn v ed i f r c r e n tp r o c e s s e sw h i c hh a dd i f r e r e m c h a r a c t e r s ：】m j c r o b i a j g r o w t ha n dm c t a b o l i z a t i o n o fs u b s t a l l c e 2 u n d j s s o 】v e o r g a n i s mh y d r 0 i y z i n g 3 m i c m b i a ld e a h4 d e a dc e l l h y d r o l y z i n g 5 c o l l e c t i o n a n da d s o r p t i o n t h em o d e lw a ss t a t e dw i t hm a 踊x e x p 陀s s i o n t h cf o r e c a s t i n gr e s u l w a sc l o s et om e a s u r i n gr e s u l t k e y w o r d s ：b i o n o c c u l a t i o nd o m e s t i cw a s t e w a t e r s o i i d l i q u i ds e p a r a t i o n s l u d g er e t e n tt i m e k i n e t i c sm o d e i 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席：) 岛噍功唿f 扫 ) l i 修内a 2 委员： 爻技嗽放彳 尊缉上入q 盟 1 乒 一镍历 彤知名争钾 五饴 师 插图清单 图2 1 污水与活性污泥混合曝气后b o 如值的变化动态 图3 1 连续式实验工艺流程 图3 2 小试实验装置图 图3 3 中试实验装置图 图4 1 污泥浓度随培养时间变化益线 图4 2s v i 随培养时间变化曲线 图4 3 有机物浓度随培养时间变化曲线 图4 4 有机物去除率随培养时间变化曲线 图4 5s s 及其去除率随培养时间变化曲线 8 1 6 1 7 1 7 2 2 2 2 2 2 2 3 2 3 图4 6 不同的活化时间条件下c o d 去除率逐日变化曲线 图4 7 不同的活化时间条件下s c o d 去除率逐日变化曲线 图4 8 不同的活化时间条件下c o d s s 去除率逐日变化曲线 图4 。9 不同的活化时间条件下n h 3 一n 去除率逐日变化曲线 图4 1 0 不同的活化时间条件下p 0 4 3 p 去除率逐日变化曲线 圈4 1 l 不同的活化时间条件下s s 去除率逐日变化曲线 图4 1 2 不同絮凝时间条件下c o d 去除率逐日变化曲线 图4 1 3 不同絮凝时间条件下s c o d 去除率逐日变化曲线 图4 1 4 不同絮凝时间条件下c o d 。去除率逐日变化曲线 图4 1 5 不同絮凝时间条件下n h 3 剞去除率逐日变化曲线 图4 1 6 不同絮凝时间条件下p o ，p 去除率逐日变化凿线 图4 1 7 不同絮凝时间条件下s s 去除率逐日变化曲线 图4 1 8 不同的气水比条件下c o d 去除率的变化曲线 图4 一1 9 不同气水比条件下s c o d 去除率的变化曲线 图4 2 0 不同气水比条件下c o d 。去除率的变化曲线 图4 2 1 不同气水比条件下n h 3 n 去除率逐日变化曲线 图4 2 2 不同气水比条件下p 0 4 p 去除率逐日变化曲线 阉4 2 3 不同气水比条件下s s 去除率逐日变化曲线 图4 2 4 不同回流比条件下c o d 去除率逐日变化曲线 图4 2 5 不同回流比条件下s c o d 去除率逐日变化曲线 图4 2 6 不同回流比条件下c o d 。去除率逐f 变化曲线 阁4 2 7 不同刚流比条件下n h 3 n 去除率逐日变化曲线一 图4 2 8 不同回流比条件下p 0 4 - p 去除率逐日变化曲线 图4 2 9 不同回流比条件下s s 去除率逐日变化曲线 v 2 4 2 4 2 4 2 5 2 5 2 5 2 6 2 7 2 7 2 7 2 8 2 8 2 9 2 9 3 0 3 0 3 0 3 1 3 2 3 2 3 2 3 3 3 3 3 3 图4 3 0 不同污泥龄条件下c o d 去除率逐日变化曲线 图4 3l 不同污泥龄条件下s c o d 去除率逐日变化曲线 图4 3 2 在不同污泥龄条件下c o d 。去除率逐日变化曲线 圈4 3 3 不同污泥龄条件下n h 3 一n 去除率逐日变化曲线 图4 3 4 在不同污泥龄条件下p 0 4 - p 去除率逐日变化曲线 图4 3 5 在不同污泥龄条件下s s 去除率逐日变化曲线 图5 1 污泥浓度逐日变化曲线 图5 2 有机物去除率逐日变化曲线 图5 3 悬浮物浓度逐日变化曲线 图5 - 4 在不同进水水量条件下c o d 去除率逐日变化曲线 图5 5 在不同进水水量条件下s c o d 去除率逐日变化曲线 图5 6 在不同进水水量条件下c o d s s 去除率逐日变化曲线 图5 7 在不同进水水量条件下n h 3 - n 去除率逐日变化曲线 图5 8 在不同进水水量条件下p 0 4 。p 去除率逐日变化曲线 图5 9 在不同进水水量条件下s s 去除率逐日变化曲线 图5 1 0c o d ，污泥量与c o d 去除率的关系 图5 1 lc o d 污泥量与s s 去除率的关系 图5 1 2s c o d 污泥量与s c 0 d 去除率的关系 图6 1 絮凝吸附概念模型 图6 2 吸附时间对污泥吸附的影响 图6 3 生物絮凝吸附工艺流程 图6 4 传统衰减系数b h 测定结果 图6 5 出水实洞值与模拟值对比 v l 3 5 3 5 3 5 3 6 3 6 3 6 3 9 4 0 4 0 4 0 4 1 4 l 4 1 4 1 4 2 4 3 4 3 4 3 5 0 5 1 5 2 5 5 5 6 表格清单 表l - l 世界几大主要城市下水道普及率及污水处理率 表3 1 第一阶段连续式实验的进水水质 表3 2 第二阶段小试连续式实验的进水水质 表3 3c o d 的分类一 表3 4 主要实验设备、仪器、材料及其数量 表3 5 测试项目与分析方法一 表4 1 生物絮凝吸附工艺对比实验结果 一2 1 8 1 8 1 9 2 0 2 0 3 7 表5 1 冲击负荷对处理效果的影响4 4 表6 1 絮凝吸附阶段主要现象和动态行为4 9 表6 2 凝吸附阶段主要现象和动态行为5 3 表6 3 产率系数y h 的测定结果一5 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，沦文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些盍堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：勃，面王签字日期：u 帅霹6 月f 阳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒筵王些塞堂有关保留、使用学位论文的舰 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅或借阅。本人授权佥魍工些态堂可以将学位论文的全部或部分论文内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：彳电力曼 答字日期：砸年6 月f 乞同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 日吆月 7 6 、口 7 年 汾“ 、矿 名 期 签 蜀 师 字 导 签 第一章绪论 1 1 我国城市污水处理现状 我国城市污水处理事业起步于5 0 年代中期，进展缓慢，1 9 8 4 年以后才开始 有了较快发展，但仍远不能满足日益增长的污水排放量的需求。据监测表明， 我国由于水质污染严重而不能用于灌溉的河段约占2 2 3 ，4 5 的河段鱼虾绝 迹；全国大型淡水湖泊和城市湖泊、水库均达到中等污染的程度；同时赤潮发 生频率增加，泛滥范围扩大，海洋污染日趋严重【1 1 。 1 9 7 8 1 9 8 2 年，我国城市污水总量为4 0 9 5 5 0 7 6 1 0 7m 3 d ，城市污水处 理能力为5 7 l 6 5 9 1 0 5m 3 d ，城市污水处理率仅有1 4 ，年增城市污水处理 能力在o 1 l 0 8m j 以下。1 9 8 2 1 9 9 2 年，我国城市日处理能力年均增长3 o 1 0 5 一d ，1 9 9 2 年处理能力已达3 6 6 3 1 0 6m 3 d ，但污水处理率统计为4 5 。 1 9 9 3 1 9 9 4 年，我国城市污水日处理能力年增9 o 1 0 5m 3 ，但1 9 9 4 年城市污 水处理率仅为6 7 。至1 9 9 6 年处理能力仅为2 3 8 1 0 9m 3 d 。1 9 9 6 年金国共有 城市污水处理厂1 5 3 座，城市污水处理率仅为1 1 4 。1 9 9 7 年全国不同规模、 不同等级的城市污水厂3 0 7 座，城市污水处理率仅为1 3 4 1 2 ，3 t 4 1 。1 9 9 8 年和1 9 9 9 年4 6 个重点城市污水处理率分别为2 0 3 和2 4 7 ”l ，其他城市污水处理率更 低。 我国的城市污水处理状况与发达国家相比存在着明显的差距。美国城市污 水处理厂人口普及率1 9 8 0 年就达到了7 l ，约l 万入口就有一座城市污水处理 厂，并计划在2 0 0 0 年达到9 2 ；日本1 9 9 4 年全国城市下水道及污水处理普及 率达5 1 ，人口1 0 0 万以上的大城市普及率可达9 6 ；其他发达国家如英国、 瑞典、荷兰等，城市污水处理率也非常高，瑞典约5 万人有一座城市污水处理 厂，英国共有3 0 0 0 多座城市污水处理厂，荷兰有总去除能力为2 4 1 0 6 人口当 量的3 3 0 座城市污水处理厂；而我国1 3 亿人口，目前却只有一百多座城市污水 处理厂，约1 0 0 0 万人口拥有一座城市污水处理厂，城市污水处理率非常低下 ，5 ，6 1 。世界儿大主要城市下水道普及率及污水处理率见表l l 7 1 。 另外，我国小城镇排放的污水对水环境的污染也不容忽视。小城镇市政基 础设施标准普遍很低，配套性差，环保投入严重不足。城镇排水管道少，排水 体制多采用雨污合流制，污水无组织排放居多，一般没有一座正规的污水处理 厂，绝大部分城市污水未经任何处理就直接排入附近水体，造成严重污染。近 年来由于乡镇和私营企业不断发展，一些技术水平低、能耗物耗高、污染重的 项目由大中城市向小城镇转移，产生的工业废水未经处理就直接排入附近水体， 加重了小城镇水环境的污染和破坏p j 。 治理城市污水的根本措施是建设以生物处理为主体工艺的集中式二级城市 污水处理厂。这已为发达国家和发展中国家所共识。丽我国是一个发展中国家， 表1 1 世界几大主要城市下水道普及率及污水处理率 r a b k l 一ls e w e r c o v e r i n gr _ t i o sa n d w a s t e w a t e rt r e 8 t m e n tr 8 t i o so fm a j o rc i t i 鹳i t h ew o r 埘 名称北京布达佩斯尔尿伦敦巴黎莫斯科 下水道普及率( ) 6 87 39 51 0 01 0 01 0 0 人均下水道艮度 o 51 74 5 1o 5 9o 6 8 ( n l ，人) 污水处理率 2 23 91 0 01 0 01 0 09 9 5 ( ) ( 1 9 9 6 )( 1 9 8 5 )( 1 9 8 5 )( 1 9 8 5 )( 1 9 8 5 )( 1 9 8 5 ) 经济实力较薄弱，地区差异大，发展极不平衡。建设一次性投资大、运行费用 高的城市二级处理厂，对我国不少地区，特别是经济欠发达地区和中小城市是 极为困难的【。此外，中低浓度和超低浓度的城市污水在我国许多城市大量存 在。这种低浓度的废水只需一级或强化一级处理即可达标排放。而在我国已建 成的污水处理厂中，大多数为二级污水处理厂。用二级污水处理厂处理低浓度 城市污水，不仅不能发挥投资效益，而且还会因二级处理构筑物中细菌养料不 足，造成污水处理效果无法保证的问题。由于处理工艺末按设计水质运行，还 使得污水处理厂运行和管理圈难，而能耗和运行费用并未减少。实际上，我国 约有1 3 的已建成二级处理厂由于能耗大，运行费用高而不能正常运行，从而 限制了污水处理率的提高【l o ，1 。以座2 0 万人口的中小城市为例，每天排放生 活污水量为4 万吨，若兴建一座传统活性污泥法二级处理厂，其建设费用近亿 元，其中还不包括兴建和完善城市下水道设施费用：每年的运行电耗为3 8 4 万 度，仅电费就商达2 3 2 万元，再加上药剂费、人工费等，每年的运行费用高达 3 5 0 万左右。按照目前的经济水平，如此高昂的建设费用和运行费用是这些 中小城市所无法承受的。一般来说，城市污水级处理的基建费和运行费约为 二级处理的2 5 3 0 和3 5 0 ，而一级处理对b o d ( 生化需氧量) 和s s ( 悬 浮固体) 的去除率分别为2 0 4 0 和5 0 “o 。因而，在相同的投资情况下， 级处理污水量可达到二级处理的3 4 倍，s s 去除总量约为二级处理的2 3 倍， b o d 的去除总量约为_ 二级处理的1 5 倍【l ”。显然，从污染物总量控制的角度分 析，为达到同样的控制目标，建设级污水处理厂比建设二级处理厂更加经济。 鉴于此状，不少学者提出污水厂分期分批实施方案。即近期大力发展并普及投资 少、运行费用低、操作简单的一级处理或强化级处理，以较少的投资获得较 大的环境效益。以后当条件具备时，再实拖二级处理方案1 1 4 “，l ”l 。而对于已经 建成的二级处理生物处理厂，可以通过强化一级处理作为预处理，减少二级处 理的负荷，降低其能耗。这实施方案对我国这样经济尚不发达，环境污染较 严重的国家来说，具有十分重要的现实意义。因此，强化一级技术逐步受到国 内外学者的关注，成为新的研究热点。目前研究的强化一级处理工艺【1 3 ，1 4 1 7 ，1 8 】 主要有两种类型：化学絮凝强化一级处理工艺和生物絮凝强化一级处理工艺。 生物絮凝强化一级处理工艺由于不投加任何药剂，其产泥量比二级处理的产泥 量大，但比化学絮凝强化一级处理】：艺所产泥量小，而且只需进行少量的曝气 来恢复污泥活性，其运行费用较低，应用前景广阔。然而生物絮凝强化一级处 理工艺目前尚无应用工程实例，对其运行机理、影响因素和控制参数等都缺乏 系统和深入的研究。 1 2 生物絮凝吸附工艺的国内外发展现状 早在5 0 年代和7 0 年代就有研究提出了两种改进的活性污泥处理法：吸附 再生( 接触稳定) 法【1 9 】和a b ( 吸附生物降解) 法【2 0 1 。这两种方法都不设初沉池， 分别在吸附池和a 段完成悬浮物质和胶体物质的生物絮凝吸附过程，水力停留 时间般为3 0m i n 左右，负荷高，泥龄短。产泥量大。英美等国的絮凝澄清池 工艺【2 “，就是在幅流式二沉池中设置中心絮凝井，并加以机械搅拌，使生物絮 状体在固液分离之前先进行絮凝，约2 0m i n 完成9 2 的絮凝反应，提高了沉淀 效率，使二沉池的出水的s s 小于1 0m 扎，达到了三级处理水质标准。日本学 者【2 1 1 以生物絮凝与斜板沉淀池结合处理生活污水，m l s s ( 混合液悬浮固体浓 度) 1 0 0 0 也0 0 0m g ，l ，h r t 约为1h ，s s 去除率达到7 0 ，s c o d ( 溶解性c o d ) 去 除3 0 以上。韩国学者f 2 1 1 提出的f c s 系统即絮凝澄清稳定系统，作为 增强型一级处理工艺。絮凝池采用机械混合，h r t 为3 7m i n ；稳定池连续曝气， d 0 ( 溶解氧) 控制2m g l 左右，m l s s l o o 1 4 0 0m g l ，s r t 为3 天，h r t 为3 h ， 澄清池h r t 约为1 ，7h 。处理c o d7 3 1 4 3m g l 、s s7 9 1 1 8m l 的人工合成 污水，c o d 和s s 的去除率为7 l 左右污泥s v i ( 污泥容积指数) 在6 1 1 0 2m 垤 之间，沉淀性能良好。法国p u i o l 等【2 l l 研究发现，活性污泥吸附能力随着s v i 增加而显著提高，并受污泥曝气条件、温度和废水的组成的影响；丝状菌具有 较强的吸附能力。韩国k a n gy o n g t a e 等f 2 2 j 开展了絮凝吸附强化处理低浓度有 机废水的研究，结果表明，人工合成的原水( c o d = 7 3 1 4 3m g ，l ，s s = 7 9 “8 m 2 l ) 经处理后，c o d 和s s 的去除率分别为7 1 7 4 和7 0 7 l 。污泥 活化池h r t 约3h ，即可达到稳定的去除有机物。其内溶解氧的浓度变化( 2 4 5m “l ) 基本不影响有机物去除效果。该系统具有相当大的f ，m 范围，比传 统工艺更能有效的处理低有机物浓度污水和超负荷污水，虽然进水中有机负荷 波动大，但c o d 及s s 的去除率均稳定在7 0 左右。该系统还可有效控制丝状 菌污泥膨胀，增强污泥的沉降性能。英国有很多城市污水厂把二沉池的剩余污 泥回流初沉池，但其目的只是节省剩余污泥的浓缩装置。 受a b 法运行机理的启发，我国学者研究了城市污水的级半处理方法1 2 3 。 采用高负荷生物接触氧化工艺，在容积负荷l o 3 0k g c o d m 3 d ，h r t 为3 0 4 5 m i n 的运行条件下，处理模拟城市污水c o d 去除率6 0 8 0 ，污泥产率 o 5 5 7 3k g s s k g b o d 5 ( 去除) ，有机物去除可达1 7k g c o d m 3 d 。此外，我国 学者还提出了絮凝一沉淀系统，在幅流式二沉池中心进水口设置絮凝池，改 善活性污泥絮凝条件，可使沉淀池澄清能力提高3 0 左右。j ch u a i l g 等【2 4 】让回 流比为1 5 的沉淀池的污泥进入再生池进行3 0 m i n 的曝气，恢复活性的污泥回到 絮凝池，以提高絮凝吸附性能，其c o d 的去除率达到4 9 。清华大学蒋展鹏等2 6 j 提出了“絮凝吸附一沉淀一活化”城市污水强化一级处理工艺( 即活化污泥法) ， 当h r t 为1 0 5m i n ，进水c o d 。，和s s 分别为2 0 0 - 4 0 0m g ，l 和1 5 0 4 0 0m g 几时，在絮 凝池内污泥浓度为1 2g l ，搅拌速度为6 0r m i n ，污泥稳定时间为1h ，污泥稳定 时d o 浓度为2m l 的条件下c o d 。和s s 的去除率分别为6 0 8 0 和7 0 。该 工艺能受较大的冲击负荷，污泥产率较低且稳定性较好。在絮凝池中有机物主 要通过沉淀，絮凝和吸附三种途径去除。尤作亮等【2 7 j 用生物絮凝吸附法处理生 活污水，当絮凝池水力停留时间为o 5h ，沉淀时间为lb ，污泥回流比为3 0 时， c o d 、s c o d 、b o d 5 、s s 、有机氮和总磷的平均去除率分别达到6 8 9 、4 1 、 6 6 5 、8 6 8 、5 1 和2 4 2 。最近也有人提出采用化学混凝与生物絮凝吸附相 结合，以化学絮凝为主、生物絮凝吸附为辅，达到降低药剂耗量、减少污泥生 成量并降低污泥含水率，以节省处理成本的目的。在系统中，化学混凝和生物 絮凝作用可以相互取长补短，充分发挥各自的作用。一方面提高了化学药荆的 有效利用率生成的氢氧化铝或氢氧化铁回流到反应池中继续与磷酸盐生成沉 淀物，降低药荆消耗量：另方面，污泥回流可以加快絮状物形成和沉降，提高 了污泥浓度，增强了网捕过滤作用，使悬浮物和沉淀物得到更有效的去除。另 外，在采用空气混和絮凝反应的情况下，系统可按三种方式运干亍：化学混凝强化 工艺，生物絮凝吸附强化工艺，化学一生物联合絮凝吸附强化工艺。这样可以 适应不同时期水质水量的变化，提高运行的灵活性。因此，这种工艺在节省药 剂、减少污泥产量、提高处理系统的运行灵活性等方面有定的优势。 除了上述好氧生物絮凝吸附工艺外，国内外还研究提出了一些厌氧生物絮 凝吸附工艺。早在1 9 5 3 年，e n m a n e n s o n l 2 1 l 就获得了一项厌氧吸附工艺处理污 水的专利。后来s c j l r o e p f e r 和z j e m k e 发现厌氧污泥对有机物有快速吸附现象， 并在半个小时达到了吸附平衡。由此提出了厌氧吸附一污泥再生处理工艺，可 处理低温、低s s 的废水。r r i 腼等【2 8 j 以2l 的反应器利用厌氧污泥的吸附能 力间歇处理合成污水，污泥浓度t o 乙，水力停留时恤ll5m i n ，即可去除4 0 的有机物质。s h i m i z u 等1 2 9 1 以厌氧颗粒流化床生物反应器( a f p b ) 代替初沉池， 投加p a c l 0 0m g l 和一种弱阴离子高聚合物2m g ，l ，以形成污泥颗粒，h r t 为 2h ，对s s 和c o d 的去除率高达9 6 和9 5 。北京环境科学研究院p 叫以水解( 酸 化) 池代替传统的城市污水初沉池，2 5 4 小时的水力停留时间，在常温下c o d 去除率为4 0 左右，b o d 5 去除率为2 5 ，s s 的去除率达8 0 ；且系统抗冲击 能力较强，溶解性有机物比例显著增加，b o d 5 c o d 从进水的o 3 4 5 提高到 0 4 0 4 ，改善了后续的好氧生物处理条件。刘杏等【3 i 】针对我国南方城市污水浓度 普遍偏低大多数二级污水处理厂不能按设计水质运行，从而造成运行管理不 便和资源浪费的现状，提出了升流式厌氧污泥床一厌氧生物滤池复合厌氧强化 一级处理工艺( u a s b + a f ) ，并针对低浓度生活污水开展了强化一级处理试验 研究。实验表明，在常温下，当水力停留时间为4h 时，系统对低浓度生活污水 处理效果良好，对c o d 、b o d 和s s 的去除率分别为5 9 8 3 7 2 7 7 、6 6 0 6 7 7 4 3 和8 2 5 3 8 7 0 3 ，其处理效果和出水水质明显要比普通初沉池一级处 理的处理效果和出水水质好。 1 3 生物絮凝吸附工艺目前存在的问题 ( 1 1 生物絮凝的影响因素 从国内外的研究现状看，生物絮凝工艺的研究还处于初期阶段。目前仅对 污泥浓度、停留时间和反应器等部分影响因子进行了研究，对于曝气量、回流 比、活化时间、絮凝时间、污泥龄等重要影响因素尚未开展系统的实验研究。 ( 2 ) 生物絮凝工艺的实际应用 生物絮凝工艺研究的最终目的是将其运用到实际的污水处理工程中。但生 物絮凝工艺还处于实验室研究阶段。要尽快应用于实际工程，还有待于进一步 研究。 f 3 ) 生物絮凝工艺的数学模型 运用现代数学、生化知识和计算机技术，并结合实验数据，可以建立生物 絮凝的数学模型，为将来生物絮凝的工业化生产和自控运行提供科学的指导。 但由于生物絮凝机理尚无定论，因此，生物絮凝模型尚无法建立。 1 4 本课题的提出、研究目的、意义及内容 1 4 1 课题的提出 基于我国城市污水处理现状和存在的问题，研究、开发和应用占地小、基 建费用低、能耗低的污水处理工艺，是城市污水处理工艺发展的方向。一般来 说，城市污水一级处理的基建费和运行费约为二级处理的2 5 3 0 和3 0 5 0 ， 而一级处理对b o d 和s s 的去除率分别为2 0 4 0 和5 0 6 0 。因而，在相同的 投资情况下，一级处理污水量可达到二级处理的3 4 倍，s s 去除总量约为二级 处理的2 3 倍，b o d 的去除总量约为二级处理的1 5 倍。显然，从污染物总量 控制的角度分析，为达到同样的控制目标，建设一级污水处理厂比建设二级处 理厂更加经济。因此，在资金短缺的情况下，一般先建立一级处理厂，去除一 部分污染物，一定程度上缓解环境污染，以后可在一级处理的基础上完善成二 级处理。但以自然沉降为主体的一级处理处理污染物去除效率低，难以有效地 控制环境污染为了提高其去除率，必需强化一级处理。而对于已经建成的二 级处理生物处理厂，可以通过强化一级处理作为预处理，减二级处理的负荷， 降低其能耗。因此，一级强化技术逐步受到国内外学者的关注，成为新的研究 热点。生物絮凝沉淀技术是强化一级处理技术的种经济而有效的方法。生物 絮凝吸附工艺不必投加任何外部药剂，运行费用较低，生活污水与再生污泥进入 絮凝池，污水中的悬浮类和胶体类污染物质被吸附絮凝而进入微生物絮体，混 合液进入一沉池实现固液分离；沉淀污泥在再生池内短时曝气，产生微生物絮 凝物质，从而恢复微生物的生物吸附絮凝活性，再生后的污泥回流至絮凝池。 实验室研究成果表明，当污水的停留时间为o 5h ，沉淀时间为1 1 5h ，再生时 间为2 3h 时，c o d 和s s 去除率可达6 0 t 扛7 0 和7 0 一8 0 。 1 4 2 课题的研究目的和意义 本课题旨在研究影响生物絮凝、沉降性能的各种因素，优化生物絮凝沉淀 技术工艺参数，探讨生物絮凝技术去除有机物的机理，并选择并推求生物絮凝 吸附有机物降解的动力学模型，为生物絮凝沉淀工艺的设计和运行提供依据。 近年来，随着城市化程度的提高，我国城市生活污水排放量持续增长，城 市污水环境普遍受到严重污染，并呈恶化趋势。城市污水是城市水环境污染的 主要来源，解决城市污水污染的根本措施是建设集中城市污水处理厂。但常规 的队生物处理为主体工艺的二级城市污水处理厂需要大量的投资和高额运行费 用。我国经济能力有限，需要建设的污水厂数量很大国家负担很重。目前的 状况是污水厂建设进程缓慢，已建成的二级污水处理厂因资金问题有些也无法 正常运行。因此，城市污水一级处理强化技术的研究引起我国水处理工程界的 关注和重视若能用投资及运行费用较低的措施强化一级处理效果，用较少的 投资削减较大的污染负荷，将取得较好的投资环境效益。本项目在国内城市污 水一级处理强化技术研究的基础上，提出生物絮凝吸附工艺，这就使得中小城 市和欠发达地区在资金短缺的情况下，也能尽快兴建城市污水处理厂以较少 的投资削减较大量的污染负荷，这对我图这样经济尚不发达而环境污染又较严 重的国家，具有十分重要的现实意义。 1 4 3 课题的主要研究内容 本课题研究的主要内容有： 1 、在研究相关资料的基础上，对试验装置进行设计、安装、调试，培养驯 化活性污泥，启动实验装置。 2 、研究生物絮凝吸附工艺处理生活污水的各种影响因素，寻求生物絮凝沉 淀技术的优化参数，为中试的设计与运行提供依据。 3 、在小试基础t 进行生物絮凝吸附工艺的中试研究；研究生物絮凝吸附有 机物的去除机理，选择并建立生物絮凝吸附有机物的动力学模型。 2 1 前言 第二章生物絮凝吸附工艺概述 本章对生物絮凝吸附工艺的提出生物絮体形成和反应机理，影响生物絮 凝的主要因素，生物絮凝吸附工艺的优缺点及与其它工艺的比较，生物絮凝吸 附工艺去除污染物的机理进行了全面概述。 2 2 生物絮凝吸附工艺的提出 史密斯曾将含有溶解性和非溶解性混合有机物的污水和活性污泥道进行 曝气，发现污水的b o d 5 值沿曝气时间的降解工况呈图2 - 1 所示的状态p 珊。b o d 5 值在5 1 5m i n 内急剧下降，然后略行升起，随后又行缓慢下降，经过分析研 图2 l 污水与活性污泥混合曝气后b o d 5 值的变化动态 f i g 2 - lv i r i t i o n so f b o d 5 mm i 轴dh q u mo f w a g t ew a t e ra n d a c t i v a t e ds i u d 妒a n e ra e 糟t i o 究，对这种现象作了如下的解释。b o d 值的第一次急剧下降是活性较强的活性 污泥对污水中有机污染物吸附的结果，这现象称之为“初期吸附去除”，随后 略行升起是由于胞外水解酶将吸附的非溶解状态的有机物水解成为溶解性小分 子后，部分有机物又进入污水中使b o d 值上升。此时，活性污泥微生物进入营 养过剩的对数增殖期，能量水平很高，微生物处于分散状态，污水中存活着大 量的游离细菌，也进一步促使b o d 值上升，随着反应的持续进行，有机污染物 浓度下降，活性污泥微生物进入减速增殖期和内源呼吸期，b o d 值又行缓慢下 降。 生物絮凝吸附工艺就是以上述现象作为基础丽提出的。由絮凝动力学的分 析可知，如果在污水的一级处理中引入适当大粒径的絮状颗粒物，利用其巨大 的表面积对细微颗粒物质的絮凝吸附作用，能够提高絮体的沉降速度，减少污 水的沉淀时间。而絮体又通过接触凝聚的原理，吸附水中的溶解性物质和悬浮 固体，提高污染物的去除效果。二级生物处理能够成为城市污水的主要处理方 法，很大程度上是因为微生物能够产生一种胞外聚合物，在一定的条件f 使微 生物聚合起来成为粒度适当、沉降性能良好的生物絮体，吸附污水中的有机物 进行生物代谢，并易于从处理水中分离。另外，微生物在生命活动中产生的某 些高分子物质具有絮凝作用，即微生物絮凝物质，其作用量小且絮凝效果好。 但是，专门培养絮凝性微生物并提取微生物絮凝物质，目前在工业化生产上还 有一定的困难，而且费用较高。难以应用于城市污水处理。但如果将微生物絮 体引入一级处理，并控制适当的环境条件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，不必提取而直接发挥絮凝作用，从而有效的 提高污水一级处理的效率。因此，形成了生物絮凝吸附工艺f 2 邓3 1 。 2 3 生物絮体形成和反应机理 生物絮体主要是由微生物群落、丝状菌、有机颗粒、无机颗粒和胞外聚合 物组成”l 。颗粒形成絮体一般经历2 个过程：碰撞和粘附。颗粒的碰撞是由 颗粒的布朗运动和流体的剪切力作用产生的。布朗运动仅影响小颗粒( d 1 5 “mc o d 1u m ( c o d s s ) 胶体c o d中速滤纸滤液的o 0 3pm c o do 2u m c o d ( c o d c ) o 4 5u 滤膜截留部分 1 5umlum 溶解性c o do 4 5u 滤膜滤液部分c o d o 0 3u mc o d o 2um ( c o d s ) 非悬浮性c o d中速滤纸滤液部分c o d o 2 p m ( c o d i n s ) 连续式试验小试的进水水量为1 0l l l ，并保持不变；中试的设计处理水量 为3 6m 3 ，除在进行水力负荷单因子实验时水量变化外，都是在进水水量为2 m 的条件f 运行。 3 4 实验设备及测试项目与分析方法 整个实验过程所用的主要设备、仪器、材料及其数量如表3 4 所示。 本实验的测试项目与分析方法如表3 5 所示。 9 表3