（市政工程专业论文）陶粒滤料蚯蚓生态滤池的工艺性能研究.pdf

摘要 摘要 陶粒滤料蚯蚓生态滤池作为一种新型生物处理反应器，是在石英砂滤料蚯 蚓生态滤池的基础上研制成功的。它采用现代生态设计理念，在污水生物处理 反应器中创造性的引入蚯蚓等物种，延长和扩展了原有的微生物代谢链；并采 用陶粒作为滤池的滤料，通过人工强化生态系统富集与扩散、合成与分解、拮 抗与协同等多种自然调控作用，实现了污水与污泥的同步处理，从而赋予生物 处理系统以新的特点和功能。该论文根据试验结果，得出以下研究结论。 蚯蚓生态滤池设计之初采用的是复合滤床型式，但试验研究表明，蚯蚓生 态滤池起主要处理作用的是含有蚯蚓的第一层滤床。把蚯蚓生态滤池由复合滤 床改为单层滤床，不但未影响滤池的处理效果，反而使维护管理更方便。 在相同水力负荷条件下，陶粒滤料蚯蚓生态滤池对有机物的去除效果、氨 氮的去除效果、总氮和总磷的去除效果都高于石英砂滤料蚯蚓生态滤池。在水 力负荷为2 4 - - - 6 7 2m 3 m 2 d 时，陶粒滤池对c o d 的平均去除率为4 0 3 1 ，对 氨氮的平均去除率为3 9 4 7 ：而石英砂滤池对c o d 的平均去除率仅为2 8 5 2 ， 对氨氮的平均去除率只有2 3 1 8 。虽然陶粒滤池对污泥的截留效果比石英砂滤 池稍差，但对所截留污泥的稳定化和减量化效果却高于石英砂滤池，陶粒滤床 不易堵塞，基本实现了滤池的免冲洗。 试验采用化学除磷的方式来增强陶粒滤料蚯蚓生态滤池的除磷功能，通过 对两种除磷药剂氯化铁( f e c l 3 6 h 2 0 ) 和聚合氯化铝( p a c ) 的小试滤池研究 比较，选出了p a c 是最为合适的除磷药剂，在出水t p 含量满足城镇污水处理 厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 的一级b 标准的条件下，p a c 的药剂投加 量为7 0 m g l ，药剂费用为0 1 0 8 - 0 1 2 6 元m 3 污水。投加p a c 药剂化学除磷的小 试滤池对污水的处理效果，对污泥的稳定化和减量化效果都比未加药中试陶粒 滤池有所增强，化学除磷条件下的蚯蚓生理生态适应性较好。 陶粒滤料蚯蚓生态滤池组合处理工艺促进了中小城镇区域性生态环境和水 资源良性循环的可持续发展理念，适合我国中小城镇现有的经济和社会状况， 技术经济优势、社会及环境效益显著，具有良好的实际应用前景。 关键词：陶粒滤料单层滤床化学除磷蚯蚓适应性 a b s t r a c t a b s t r a c t a san e wt y p eo fb i o f i l t e r , t h ec e r a m i ce a r t h w o r me c o t y p i cf i l t e ri sd e v e l o p e d f r o mt h eq u a r t zs a n de a r t h w o r me c o t y p i cf i l t e r i ti sc r e a t i v ef o rt h ei n t r o d u c t i o no f e a r t h w o r mi n t ot h ec o n v e n t i o n a lb i o f i l t e re x t e n d i n ga n de x p a n d i n gt h eo r i g i n a l b i o l o g i c a lc h a i na c c o r d i n gt om o d e me c o l o g i c a ld e s i g nc o n c e p t i o n , a n du s i n g c e r a m i c s 懿t h ef i l t e rm e d i a t h i sp r o v i d e st h ec o n v e n t i o n a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t 谢t l lan o v e li d e ar e a l i z e dt h r o u g he n r i c h m e n ta n dd i f f u s i o n ，s y n t h e s i sa n d d e c o m p o s i t i o n ，a n t a g o n i s t i ce f f e c ta n ds y n e r g i s mi nt h ee n h a n c e da r t i f i c i a le c o l o g i c a l s y s t e m i ts h o u l db en o t e dt h a ts y n c h r o n o u st r e a t m e n to fs e w a g ea n ds l u d g ei s a c h i e v e di n t h i se c o l o g i c a ls y s t e m t h ef o l l o w i n g sa r et h ep r i n c i p a lc o n c l u s i o n s d r a w nf r o mt h er e s u l t so ft h e s es t u d y t h eo r i g i n a le a r t h w o r me c o t y p i cf i l t e rh a st w of i l t e rb e d s b u tt h er e s u l t so ft h e s t u d yd e m o n s t r a t et h a tt h ef i r s tb e dw h i c hh a sm a n ye a r t h w o r m sp l a y st h em o s t i m p o r t a n tp a r ti nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t i t i sm o r ec o n v e n i e n ta f t e rm a k i n g d o u b l e - d e c kf i l t e ri n t om o n o l a y e rf i l t e ri nm a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n t i td o e s n t a f f e c tt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n te f f i c i e n c yo ft h ef i l t e ry e t u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h es a m eh y d r a u l i cl o a d i n g ，t h er e m o v a le f f e c to fo r g a n i c s u b s t a n c e ，a m m o n i an i t r o g e n ，t o t a ln i t r o g e na n dt o t a lp h o s p h o r u so ft h ec e r a m i c e a r t h w o r me c o t y p i cf i l t e ra r es u p e r i o rt ot h eq u a r t zs a n de a r t h w o r me c o t y p i cf i l t e r w h e nt h eh y d r a u l i cl o a d i n gi si nt h er a n g eo f2 4 6 7 2 m m - d ，t h ea v e r a g er e m o v a l e f f i c i e n c yo fc o da n da m m o n i an i t r o g e no ft h ec e r a m i cf i l t e ri s4 0 31 a n d3 9 4 7 r e s p e c t i v e l y , w h i l et h ea v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d a n da m m o n i an i t r o g e no f t h eq u a r t zs a n df i l t e ri s2 8 5 2 a n d2 3 18 r e s p e c t i v e l y t h eb i o f i l ms l u d g e i n t e r c e p t e de f f e c to ft h ec e r a m i cf i l t e ri sl o w e rt h a nt h eq u a r t zs a n df i l t e r , b u tt h e s l u d g e ss t a b i l i z a t i o na n dr e d u c t i o no f t h ec e r a m i cf i l t e ri sb e t t e rt h a nt h eq u a r t zs a n d f i l t e r t h ec e r a m i cf i l t e ri sn o tb l o c k e de a s i l y , a n dd on o tn e e dt ob ef l u s h e d e s s e n t i a l l y t h ef u n c t i o no ft h ec e r a m i ce a r t h w o r me c o t y p i cf i l t e ri nd o i n ga w a yw i t h a b s t r a c t p h o s p h o r u si se n h a n c e db yc h e m i c a lm e t h o dd u r i n gt h ee x p e r i m e n t t h ec o m p a r i s o n b e t w e e nt h es t u d yo ft h et w o e x p e r i m e n t a l c e r a m i cf i l t e rw h i c hi s p u ti n t o f e c l 3 。6 h 2 0a n dp a cr e s p e c t l ys h o w st h a tt h ep a ci st h es u i t a b l ec h e m i c a lm e d i c i n e w h e nt h ed o s eo fp a ci s7 0 m g l ，t h et pc o n t e n to ft h ee f f l u e n tc a l lm e e tt h ef i r s tb s t a n d a r do ft h en a t i o n a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p l a n tp o l l u t a n td i s c h a r g e s t a n d a r d s ( g b18 918 2 0 0 2 ) a n dt h ee x p e n s e so fp a cm e d i c i n ei so 10 8 - 0 12 6yp e r t o nw a s t c w a t e r t h ee f f e c to fs e w a g et r e a t m e n ta n ds l u d g e ss t a b i l i z a t i o na n d r e d u c t i o no ft h ec e r a m i ce a r t h w o r me c o t y p i cf i l t e rw h i c hi sp u ti n t op a cc h e m i c a l m e d i c i n ei sb e t t e rt h a nb e f o r e t h ep h y s i o l o g i c a la d a p t a b i l i t yo fe a r t h w o r ms t i l l p e r f e c tu n d e r t h ec o n d i t i o no f d o i n ga w a yw i t hp h o s p h o r u sb yc h e m i c a lm e t h o d t h ec e r a m i ce a r t h w o r me c o t y p i cf i l t e rc o m b i n a t i o nw a s t e w a t e r e c o l o g i c a l t r e a t m e n tp r o c e s sp r o m o t e st h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tc o n c e p to fs m a l lt o w n s t e r r i t o r i a le c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dw a t e rr e s o u r c e sv i r t u o u sc y c l e s i ts u i t st h e c u r r e n te c o n o m i ca n ds o c i e t yc o n d i t i o n so fs m a l lt o w n si no u rc o u n t r y t h ep r o c e s s e m p l o y e di nt h i sr e s e a r c hc a ns i g n i f i c a n t l yc o m p e t ei ne c o n o m i ca n dt e c h n o l o g yw i t h c o n v e n t i o n a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n di t ss o c i a la n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i ti s e s s e n t i a l ，w h i c hp r o v i d ea ne x t e n s i v ea p p l i c a t i o nf o rs m a l lt o w n s w a s t e w a t e r t r e a t m e n ti no u r c o u n t r y k e yw o r d s ：c e r a m i cf i l t e rm e d i a ；m o n o l a y e rf i l t e rb e d ；d oa w a yw i t hp h o s p h o r u sb y c h e m i c a lm e t h o d ；p h y s i o l o g i c a la d a p t a b i l i t yo fe a r t h w o r m i i i 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。 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在多年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 钐止 m 哆年) 月ge l 桷日一塑 名 ； 始汨一 秘多一 作 年 姗仨 论 严一盈 学 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： 搠屠叫 年弓月6 日 第1 章绪论 1 1 背景分析 第1 章绪论 1 1 1 我国城镇水环境治理的严峻形势 为了进一步贯彻落实科学发展观以及树立“人水和谐”的理念，促进城镇 生态水环境建设，以改善我国的水环境和人居环境，已成为我国在二十一世纪 所面临的重要任务。但随着我国城镇化速度的不断加快，我国城镇的水环境却处 在了整体恶化的过程中。用一句话表达就是：局部的好转，整体的恶化。这也 是世界上所有发达国家处在这一个阶段所面临的同样问题。 虽然，“十五期间，我国在水环境治理方面取得了一定的进展，通过对产 业结构的调整，淘汰了一批高能耗、高污染的落后生产工艺和设备；加强了对 重点流域、区域、城市、海域水污染防治工作，加快了水污染治理进度。但由 于经济的快速增长，且增长方式粗放，废水中主要污染物排放总量仍有所增加， 水环境治理的形势依然十分严峻。 造成这种严峻形势的原因是非常多的，其中最主要的就是三大污染源都没 有得到有效的控制：第一，城镇生活污水的排放；第二，工业废水的排放：第 三，农业非点源污染。所以，我国政府也承认，在“十五”期间我国有两项指 标没有完成，一项是能耗，第二项就是污染的控制。到2 0 0 5 年底，全国还有2 7 8 个中小城市没有建成污水处理厂，至少有3 0 多个城市约5 0 多座污水处理厂运 行负荷率不足3 0 ，或者根本没有运行。 据统计n 1 ，2 0 0 5 年，全国废水排放总量5 2 4 5 亿吨，比上年增加8 7 。其 中工业废水排放量2 4 3 1 亿吨，比上年增加1 0 0 9 6 。城镇生活污水排放量2 8 1 4 亿吨，比上年增加7 7 。废水中化学需氧量排放量1 4 1 4 2 万吨，比上年增加 5 6 。废水中氨氮排放量1 4 9 8 万吨，比上年增加1 2 6 。工业废水排放达标率 和工业用水重复利用率分别为9 1 2 和7 5 1 ，比上年分别仅提高0 5 个百分点 和0 9 个百分点。而且中小城镇的生活污水处理率较低，大量污水未经处理就 直接排入天然水体，造成了城镇附近水体的严重污染。 第1 章绪论 根据国民经济和社会发展。十一五规划要求，国家建设部提出，到2 0 1 0 年，全国设市城市污水处理率不应低于7 0 ，缺水城市再生水利用率要达到2 0 以上。针对中小城镇污水处理设施严重匮乏的现状，开发新型的、适合中小城 镇应用的污水处理工艺就显的很有意义。 目前国家又实施了更严格的废水排放标准( 中华人民共和国国家标准 g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 城镇污水处理厂污染物排放标准) ，其中规定2 0 0 6 年1 月1 日起建设的污水处理厂处理出水总磷一级b 标准为l m g l 。这使得现有污水厂在 改造过程中，必须采用更先进的技术才能达到新的排放标准。显然，选择合理 的技术工艺也具有深刻的现实意义。 1 1 2 生态型污水处理技术的特色 根据中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，一 般认为其污水处理工艺应体现“生态平衡 、“环境友好”、“和谐发展 的 特色。生态型污水处理技术，正是基于这些优点，才受到环境保护工作者越来 越多的重视，其具体要求为： ( 1 ) 处理工艺应具有高效的处理效果，出水达到或优于国家的排放指标， 应充分考虑氮、磷等营养物质的去除效率；这对于保护水环境和污水的再生利 用有着重要意义； ( 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 ) 基建投资和运行费用低、节省能耗； ( 4 ) 污泥产量少，稳定程度高，二次污染少，污泥资源化利用率高。 1 2 蚯蚓生态技术的应用进展 1 2 1 有机垃圾的蚯蚓分解处理 有机垃圾的蚯蚓分解处理是近年来根据蚯蚓在自然生态系统中具有促进有 机物质分解转化的功能，而在垃圾发酵处理的基础上发展起来的一项主要针对 城市有机生活垃圾和农业有机垃圾的生物处理技术。它涉及到重建一个物质的 2 第1 章绪论 再循环过程，在这一过程中蚯蚓以其特殊的生态学功能，与环境中微生物的协 同作用而加速垃圾中有机物质的分解转化乜1 。蚯蚓在垃圾处理中的作用主要有以 下几方面： ( 1 ) 蚯蚓选择吞食垃圾中的有机物质，蚯蚓的砂囊和消化道具有研磨和破 碎有机物质的功能； ( 2 ) 垃圾中的有机物质通过消化道的作用后，以颗粒状结构排出体外，有 利于与垃圾中其他物质的分离； ( 3 ) 蚯蚓的活动改善了垃圾中的水气循环，同时也使得垃圾和其中的微生 物得以运动； ( 4 ) 蚯蚓本身通过同化和代谢作用使得垃圾中的有机物质逐步降解，并释 放出可为植物所利用的n 、p 、k 等。研究结果显示，蚯蚓组织中的氮每天以1 0 以上的比例更新； ( 5 ) 利用蚯蚓，我们可以非常方便地对整个垃圾处理过程及其产品进行毒 理监测。 蚯蚓处理城市生活垃圾的技术已经较为成熟，1 9 9 1 年法国在罗纳河畔的l a v o u l t e 市建起了世界上第一座利用蚯蚓处理城市生活垃圾的工厂( s o v a d e c ) 。但 蚯蚓分解处理有机垃圾也有一定的局限性，因为我们通常需要选用那些喜有机 质和能忍受较高温度的蚯蚓种类，以获得最好的处理效果。但即使是最耐热的 蚯蚓种类，温度也不能超过3 0 1 2 ，否则蚯蚓的生存将受到严重影响。另外，蚯 蚓的生存还需要一个较为潮湿的环境，理想的情况是其吸收压为 4 9 2 3 p a ( 2 7 p f ) 。 因此在利用蚯蚓处理垃圾时，应该从技术上考虑到避免不利于蚯蚓生长的 因素。通常蚯蚓分解处理的温度应控制在o c 3 0 c 之间，最好是2 5 2 9 ； 湿度p f 为2 7 ，最低不能超过3 4 。并应该避免环境缺氧情况的出现。 1 2 2 蚯蚓生物反应器的发展应用 蚯蚓生物反应器克服了蚯蚓分解处理有机垃圾所存在的问题，它是利用蚯 蚓对自然界有机废弃物高效处理的生态过程模拟装置，是世界著名蚯蚓专家和 土壤生态学家爱德华兹于2 0 世纪8 0 年代中期设计的。蚯蚓生物反应器主要有三 部分组成：反应器主体，加料部分和出料加工部分。蚯蚓在反应器中只是一种 第1 章绪论 活的加工机。蚯蚓生长所需的温度、湿度等条件均由电脑自动控制，使之保持 在最佳生存环境和较高的处理效率。 蚯蚓生物反应器的主要原理即是利用蚯蚓和微生物之间的相互作用，在蚯 蚓消化有机废弃物的同时，使有机废弃物在通过蚯蚓消化道时，被接种的工程 菌进一步分解，生产出的蚯蚓粪便为小而均匀的颗粒状固体，含有丰富的有益 微生物和酶类，适合用作生物肥料。此种生物肥料集营养、防病、刺激动植物 生长于一体，是生产有机食品的最佳肥料。实验证明，此种生物肥用于花卉上， 可显著延长花期，花更鲜艳；用于果蔬生产中，不仅提高了产量，而且可提高 品质，耐储藏。 利用蚯蚓生物反应器处理有机废弃物不仅成本较低，没有二次污染，而且 使有机废物再生增值，因此具有广泛的推广应用价值。蚯蚓生物反应器最初在 英国用于处理植物生产废弃物( q - 豆加工废弃物) 和动物粪便。进入9 0 年代以 来，英美科学家对蚯蚓生物反应器进行了较大改进，目前已有十多个国家引进 推广。2 0 0 0 年澳大利亚在悉尼奥运会上成功地用蚯蚓生物反应器处理有机垃圾， 极大地推进了蚯蚓在环保上的应用。 1 2 3 蚯蚓处理污泥 孙新利1 等利用蚯蚓处理污水厂剩余活性污泥，污泥经破碎、调p h 、掺加生 活垃圾和发酵等预处理后，用于养殖蚯蚓，经处理后蚓粪与原污泥相比，不但 降低了有害成份，而且改善了物理性能。 同济大学h 1 曾经在上海曲阳城市污水厂也进行过蚯蚓处理剩余污泥的生态 稳定中试研究，利用由蚯蚓和微生物共同组成的人工生态系统对污水处理厂剩 余污泥进行了为期半年的脱水和稳定处理，结果表明蚯蚓生态系统集浓缩、调 理、脱水、稳定、处置和综合利用等多种功能于一身：蚯蚓和微生物将污泥 作为生长营养源，对其进行分解和吸收；蚓粪是高效农肥和土壤改良剂；在 生态床中增殖的蚯蚓具有重要的饲料和药用价值。剩余污泥经蚯蚓污泥稳定床 处理后，可全部被生态系统吸收利用和转化，具有流程简单、管理方便、无二次 污染、造价和运行费用低廉、副产物具有经济利用价值等特点，为解决城市污水 厂污泥的最终处置问题提供了生态利用的新途径。 c e c c a n t i 和e l v i r ac 拍1 等人用蚯蚓堆肥来处理造纸厂污泥。蚯蚓堆肥就 4 第1 章绪论 是在有机堆肥中放养蚯蚓，在有机物和蚯蚓的共同作用下，有机物质变为富含 蚯蚓活动产生的腐殖质。蚯蚓每天可吞食自身重量几倍的废物。其中大部分废 物排放出来。蚯蚓堆肥的限制是温度不能超过3 5 。蚯蚓堆肥的关键是床层表 面增加较薄的有机物，一般来讲，每天加2 5 - 5 c m 已足够，蚯蚓喜欢新鲜食物， 于是蚯蚓钻到表层，即使下层床温升高，表层也不会过热。在此过程中蚯蚓集 翻堆、破碎和通气三种作用于一身。而蚯蚓堆肥处理污水厂污泥时，通常将污 水厂好氧污泥和厌氧污泥( 均脱水) 按1 ：1 混合，预处理1 5 天后，每立方米加 5 k g 蚯蚓，定期往表层加污泥，控制床高不超过8 0 c m 。新污泥层对蚯蚓来讲是新 鲜食物，蚯蚓不会逃跑。最后一层污泥加好后，经过8 - 1 0 个月，堆肥结束。在 旁边放一堆新鲜垃圾可将堆肥中的蚯蚓引出。l ：1 污泥经堆肥后体积减少6 0 ( 床 温2 8 3 0 ，引入蚯蚓一个月) ，这是因为水份挥发，易迁移的碳物质( 糖、蛋 白质、氨基酸和多糖) 转化为二氧化碳。然后与造纸厂污泥( 纤维素材料) 混 合，室外堆集2 0 - 3 0 天，此时得到的产物具有良好的机械强度、营养结构、化学 构成及适合农用的特性。 1 2 4 蚯蚓生物过滤器处理生活污水 生活污水的蚯蚓过滤处理是上世纪末在法国和智利发展起来的一项新型污 水生态处理技术。这项技术是根据蚯蚓具有提高土壤通气透水性能和促进有机 物的分解转化等生态功能而设计的，蚓种的选择是这项技术的关键因素之一。 利用常规的生物过滤器来处理有机污水是一种常用的污水处理方法。在这 一过程中，水的生物学净化与物理学过滤联系在一起，即污水首先通过水中微 生物好氧和厌氧发酵处理，使其中的有机污染物降解转化，然后再经过过滤处 理以达到水的净化的目的。蚯蚓的引入，生物过滤器中会发生更深刻的生物、 化学和物理的变化，蚯蚓具有增加过滤层通透性和清除未完全分解有机物沉淀 堵塞的功能，把蚯蚓引入到生物过滤器中以后，水的物理性过滤处理过程和有 机物质的分解处理过程得以分开进行，水在过滤器中的停留时间大幅缩短，而 有机物质则在过滤器的表层进行固态的好氧和厌氧发酵分解。由于这两个过程 的分离，大大降低了处理器所需要的体积和处理所需要的时间，从而极大地提 高了过滤器的处理效率，降低了成本。根据智利圣地亚哥大学生物物理实验室 和法国国家农业科学院土壤动物生态学实验室利用蚯蚓生物过滤器处理城市生 第1 章绪论 活污水的结果，其处理效率比常规的生物过滤器提高了1 0 倍以上。 1 3 蚯蚓生态滤池在我国的研究进展 1 3 1 蚯蚓生态滤池单工艺处理城镇污水 蚯蚓生态滤池是在蚯蚓生物过滤器的基础上研制成功的，世界上第一座用 于污水处理的蚯蚓生物过滤器于1 9 9 5 年由法国国家农业科学院土壤动物生态学 家m a r c e lb o u c h e 建立。随后，同济大学于1 9 9 7 年引进这项技术，在上海曲阳 水质净化厂进行了实际运行研究。1 9 9 8 年，同济大学中法先进科技合作项目“利 用蚯蚓生态系统处理污水技术研究 在上海曲阳水质净化厂进行了蚯蚓生态滤 池单独处理城镇污水试验，开辟了我国将蚯蚓应用于城镇污水处理的先河。最 早的工艺流程如下图1 1 所示。 叫粗、细格栅卜_ - 1 沉砂池卜_ 叫蚯蚓生态滤池卜_ 兰筝 图1 1 蚯蚓生态滤池单工艺处理城镇污水工艺流程 城镇污水经过格栅和沉砂池的初步物理处理后，直接进入蚯蚓生态滤池进 行最后的生物处理，其流程非常简单。同济大学在曲阳厂的试验结果也证明了 蚯蚓生态滤池处理城镇污水的优越性口1 。其有机物去除效率已与活性污泥法相 当，氨氮去除率已大幅度超过了活性污泥法。蚯蚓生态滤池的c o d c r 去除率高 达8 3 - - - 8 8 ，b o d 。去除率高达9 1 9 6 ，s s 去除率高达8 5 - - 一9 2 ，氨氮去除率也 达到5 5 一6 5 0 a 。表1 1 列出了生态滤池与曲阳厂活性污泥法工艺在处理效果 方面的比较。 表1 1 蚯蚓生态滤池和活性污泥法污水处理效率的比较 出水b o d 5 b o d 5 去除率出水s ss s 去除率出水氨氮氨氮去除率 项目 ( m g l ) ( ) ( m g l ) ( ) ( m g l ) ( ) 生态滤池 8 1 89 1 9 6l o 2 58 5 9 21 2 2 55 5 6 5 活性污泥法 1 0 3 0 9 0 9 52 0 3 08 0 9 02 4 4 5 l o 2 0 生态滤池在具有优异的b o d 5 和s s 去除功能的同时，由于蚯蚓和一些兼性 微生物在促进含氮有机物硝化反硝化过程起了重要作用，其除氮效果明显优于 6 第l 章绪论 活性污泥法，出水氨氮浓度为1 2 - - - 2 5 m g l ，氨氮去除率比普通活性污泥法高2 3 倍。出水c o d 、b o d 、s s 、氨氮浓度，均符合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 ) 的二级排放标准。尽管如此，直接使用蚯蚓生态滤池 处理城镇污水仍然有以下的局限性： ( 1 ) 城镇污水在收集过程中，在管道系统中停留了较长时间，使其部分 发生了厌氧反应，产生的毒性对蚯蚓的生长不利； ( 2 ) 蚯蚓生态滤池表面负荷最高约为2 0 m 3 m 2 d ，占地面积相对来说仍 然较大； ( 3 ) 进水中固体悬浮物质不能在蚯蚓滤床有效降解，易造成生态滤池堵 塞，平均2 个月就须对滤床清理一次。 1 3 2 厌氧水解一高负荷生物滤池和蚯蚓生态滤池组合处理工艺 针对我国中小城镇污水处理发展的现状，同济大学研究开发的“厌氧水解 一高负荷生物滤池和蚯蚓生态滤池组合工艺 应用于小城镇市政污水的处理， 在国家高技术研究发展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”的资助下，已经取得了较好的研究成果。其中蚯蚓生态滤池采用现代 生态设计理念，在污水生物处理反应器中引入蚯蚓等物种，延长和扩展了原有 的微生物代谢链，通过该人工强化生态系统的富集与扩散、合成与分解、拮抗 与协同等多种自然调控作用，在污水处理过程中同步实现污泥的减量化和稳定 化，从而赋予常规生物处理系统以新的特点和功能。由于具有高效节能的生态 特点，组合处理工艺在技术经济上具有“三低二少一高技术特色，即工程造 价低、运行费用低、管理要求低、占地面积少、二次污染少以及资源化程度高， 比较适用于我国中小城镇目前的社会经济发展水平和可持续发展要求。本课题 的研究即是对该组合工艺中蚯蚓生态滤池性能的后续研究。 其基本工艺流程如下： 进水出水 图1 2 试验工艺流程 2 0 0 5 年l o 月1 7 日 2 0 0 5 年1 0 月2 0 日，在推荐工艺参数的运行条件下， 第i 章绪论 上海市环境监测中心对本课题示范项目工艺处理系统的各项水质指标、处理水 量、处理系统电耗等项目进行了连续三天的监测。监测期间每天取样5 次，三 天共采集1 5 次样品，进行各项指标的水质化验。验收结果表明：( 1 ) 新型组合工 艺合理发挥了厌氧水解一高负荷生物滤池和蚯蚓生态滤池各单元的工艺优势， 对上海城市合流污水及其污泥进行了同步高效、节能的生态型处理，具有“生 态平衡 、“环境友好 、“和谐发展”的显著特色；( 2 ) 参照国家相关的标准及规 范，考核的1 1 项监测指标的日均值监测数据表明：除n h 。_ n 、t p 、t n 等指标达 到城市污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 二级排放标准外，其余 8 项监测指标均满足城市污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 一级 b 排放标准。主要污染物化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、悬浮物、总氮、 总磷的去除率分别为9 3 7 、8 7 3 、4 4 5 、9 1 1 、8 9 和2 9 1 ，中试装置 实际处理水量达到设计能力，总体运行稳定，出水达到设计考核指标要求；( 3 ) 处理系统实际电耗成本为0 1 6 删( 不包括一级提升和机械格栅的电耗量) ， 低于o 2 2 元m 3 的设计电耗成本。 水质测试结果如表1 2 所示： 表1 2 水质监测数据汇总表 日平均浓度值 总平 处理 监测 监测项目 效率 点位置 第一天第二天第三天 均值 ( ) c o d ( m g l ) 2 2 32 6 02 3 5 2 3 9 b o d 5 ( m g l ) 1 6 21 5 16 51 2 6 石油类( r a g l ) o 7 o 5o 2 0 5 动植物油( m g l ) 2 64 72 23 2 氨氮( m g l ) 2 5 22 1 52 6 92 4 5 悬浮物( m g l ) 7 41 1 68 09 0 进水 p h 值 7 1 8 - 7 2 8 7 0 6 - 7 2 87 1 0 一7 2 57 0 6 - 7 2 8 总磷( m g l ) 2 8 53 1 92 8 32 9 6 总氮( m g l ) 2 7 93 0 12 9 12 9 1 色度( 倍) 8 08 08 08 0 阴离子洗涤剂 1 7 11 7 31 2 31 5 6 ( m g l ) 出水c o d ( m g l ) 3 0 3 0 3 3 3 09 3 7 b o d s ( m g l ) 2 21 7 81 6 8 7 3 石油类( m g l ) o 1 o 1 o 1 0 19 0 0 第1 章绪论 动植物油( m g l ) o i0 1o 1 50 0k g f ) 、超轻陶粒( 200 50 0k g m 3 ) 、特 轻容重陶丰立( 0 2 1 3 总大肠菌群( 个l ) 3 由表5 2 8 和表5 2 9 的对比可知，蚯蚓生态滤池出水水质可基本满足城市 绿化的要求，滤池出水中带走的少量s s 含有部分蚓粪污泥，积累一定量可作为 肥料使用，因此若把陶粒滤池出水直接经加氯消毒后，用作城市绿化、郊区园 艺和农业灌溉，则不但解决了剩余污泥的处置问题，而且还实现了中水的重复 利用。对于农村或城镇郊区出现的非点源污染问题，利用蚯蚓生态滤池处理解 决将会更加便利，这些地区的污染源分散，污水量较小，不适合单独兴建污水 第5 章陶粒滤料蚯蚓生态滤池的工艺运行效果 处理厂，利用蚯蚓生态滤池组合处理工艺处理这种类型的污水，具有一定的优 势，处理出水不经沉淀直接用来灌溉农田，省却了污泥的处置也实现了出水的 回用。因此，蚯蚓生态滤池无论是在中小城镇的污水和污泥同步处理，还是在 农村污水分散式处理中都有重要的应用价值。 5 5 本章小结 ( 1 ) 各试验工况水力负荷条件下，陶粒滤料蚯蚓生态滤池对有机物的去 除效果和氨氮的去除效果都高于石英砂滤料蚯蚓生态滤池。陶粒滤池对c o d 的 平均去除率为4 0 3 1 ，出水c o d 平均浓度为4 1 0 8 m g l ，对b o d 。的平均去除率 5 4 3 4 ，出水b o d 平均浓度为1 4 5 2 m g l ；而石英砂滤池对c o d 的平均去除率 仅为2 8 5 2 ，出水c o d 平均浓度为4 9 0 5 m g l ，对b o d ；的平均去除率只有4 1 0 1 ，出水b o d 。平均浓度为1 8 7 6 m g l 。陶粒滤池对氨氮的平均去除率为3 9 4 7 ， 出水氨氮平均浓度为1 2 2 0 m g l ；而石英砂滤池对氨氮的平均去除率为2 3 1 8 ， 出水氨氮平均浓度为1 5 4 4 m g l 。两滤池在同一水力负荷范围内，有机物去除负 荷都随着进水有机负荷的升高而升高，两者呈线性正相关，但陶粒滤池的有机 负荷去除率比石英砂滤池高，而且相关性也较好，运行较稳定：两滤池对氨氮 负荷的去除也都随着进水氨氮负荷的升高而升高，但是去除氨氮负荷的线性相 关性并不明显，水力负荷的增大对有机物去除率影响不大，但对氨氮去除率影 响较大。 ( 2 ) 由于蚯蚓生态滤池本身的特点，它不具备厌氧、好氧交替的环境， 蚯蚓生态滤池对r n 、t p 的去除效果并不明显，去除率也相差不大。但各试验工 况条件下，陶粒滤池对t n 和t p 的去除率普遍高于石英砂滤池。陶粒滤池对1 n 的平均去除率为9 5 3 ，对t p 的平均去除率为3 0 6 0 ；而石英砂滤池对t n 的平均去除率为6 8 2 ，对t p 的平均去除率为2 2 6 9 。由于蚯蚓生态滤池生 物除磷的效果较差，考虑采用化学除磷的方式来增强陶粒滤池的除磷功能，本 试验后期即通过小试研究来验证陶粒滤池化学除磷的可行性。 ( 3 ) 陶粒滤池对污泥的截留效果不及石英砂滤池，但对污泥的稳定化效 果却优于石英砂滤池，两者出水的s s 含量都可基本满足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 ) 的一级b 标准。在这种情况下，出水的污泥稳定 化程度将是非常重要的，它将对污泥的最终处置产生深远的影响。在最低水力 6 l 第5 章陶粒滤料蚯蚓生态滤池的工艺运行效果 负荷为2 4 9 f f d 时，陶粒滤池出水的v s s s s 值明显低于石英砂滤池出水， 随着水力负荷的升高，其值有所增大，而且陶粒滤池出水的污泥稳定性始终高 于石英砂滤池出水，从污泥稳定化的角度看，陶粒比石英砂更适合作为蚯蚓生 态滤池的滤料。陶粒滤池依靠蚯蚓微生物的分解利用就能完成对所截留污泥的 减量，而石英砂滤池尚不能对污泥完全减量，截留在滤床中的过量污泥需定期 排出，因此，石英砂滤池需进行定期反冲洗，陶粒滤池则不需要反冲洗。 ( 4 ) 温度对蚯蚓生态滤池的影响较大，试验发现随着温度的降低，陶粒 滤料蚯蚓生态滤池的工艺效果也会降低，而在夏季高温条件下，陶粒滤池的运 行效果比较稳定。滤池滤池对污水中污染物的去除、对污泥的减量化效果和稳 定化效果，会随着温度的降低而降低。陶粒滤池的最佳蚯蚓有机负荷为3 2 g v s s k g 蚯蚓d ，在此负荷条件下的滤池对污泥减量化效果最好。在试验水质 条件下，陶粒滤池的最佳水力负荷为3 8m 3 m 2 d ，在此负荷条件下的滤池工艺 运行效果最稳定，陶粒滤池所能承受的极限最高水力负荷为8 o m g d 。 ( 5 ) 陶粒滤池处理出水和排出的蚓粪污泥都可实现资源化利用，城镇郊 区或农村应用的陶粒滤池处理出水，可用作城镇绿化、郊区园艺以及农业灌溉， 这样即省却了污泥的处置也实现了中水的回用。对于处理出水需要合流排出的 中小城镇，处理出水沉淀后获得的蚓粪污泥，可作为农用肥料和土壤改良剂使 用，从而实现了资源化利用。 ( 6 ) 鉴于蚯蚓生态技术受温度影响较大的特点，蚯蚓生态滤池在寒冷地 区( 气温5 ) 应用时，需在滤池外部增加保温防护措施，主要包括：在滤 池池壁设保温防护层( 如在滤池周边围设轻质聚氨酯泡沫板或硅酸铝纤维毯 等) ；增加滤层表面所铺设的弹性纤维填料厚度等措施。以此来维持蚯蚓生态 滤池较高的内部环境温度，保持蚯蚓生态滤池的优异处理效果。 第6 章陶粒滤料蚯蚓生态滤池化学除磷的小试研究 第6 章陶粒滤料蚯蚓生态滤池化学除磷的小试研究 污水除磷的方法主要包括化学除磷法和生物除磷法两种，化学除磷法是一 种应用较早和较广的除磷技术，其原理是投加的阳离子絮凝剂与污水中的p 0 , 争 形成不溶性化合物，同时由于污水中o h - 的存在，最终产生氢氧化物絮体，进而 通过固液分离从污水中脱除，达到除磷的目的，所采用的药剂主要有石灰、铁 盐、铝盐。此法具有管理方便、占地面积小、投资省、处理效率高等优点，因 此得到了广泛应用，尤其是在瑞典、瑞士、芬兰等国家应用较多。但与生物除 磷法相比，化学除磷产生的大量污泥很难处理，具有毒性，易造成二次污染啪】。 蚯蚓生态滤池系统的生物除磷效果不佳，但在处理污水的同时，能实现剩 余污泥的稳定和减量，具有污水与污泥同步处理的功能。由于化学除磷会产生 一定的化学污泥，若滤池内部缺乏疏通，则容易引起滤池的堵塞，而陶粒滤池 运行过程中证明滤床不易堵塞，因而考虑采用化学除磷的方式，来增强滤池系 统的除磷功能。本试验即采用小试研究的方法，来验证蚯蚓生态滤池化学除磷 的可行性，待小试研究成功以后，再进行中试应用。由于蚯蚓的存在和疏通， 沉淀在陶粒滤池中的化学污泥，可以顺利的透过滤床，不会引起滤池的堵塞， 并能够