（市政工程专业论文）生物接触氧化法填料性能的研究.pdf

北京建筑工程学院硕士学位论文 摘要 生物接触氧化法是有效的污水处理工艺，作为生物膜载体的填料的性能直接 影响到处理效果。 本研究从充氧性能、挂膜时间、挂膜量、生物相、污染物去除效果等方面对 六种填料进行了比较研究，为生物接触氧化工艺中填料的选用提供技术支持。 通过测定各种填料的充氧总传递系数乩值来比较其充氧能力。试验结果表 明：与不加填料时的充氧能力相比，5 号、6 号填料的k t a ( 2 0 c ) 值分别提高6 4 和7 7 ；l 、2 、3 、4 号填料的k 匕( 2 0 ) 值分别提高1 1 、2 1 、2 4 和4 4 。 在相同运行条件下，考察了各种填料的挂膜时间。结果表明：5 号、6 号填 料挂膜成熟时间最短仅为7 d ；l 、2 、3 、4 号填料挂膜时闻依次为ll d 、1 0 d 、8 d 和l l d 。 考察了各种填料的挂膜性能。结果表明：5 号、6 号填料挂膜量较大，分别 为9 7 0 9 5 r a g 膜儋填料和1 1 2 1 1 9 m g 膜儋填料；l 、。2 、3 和4 号填料挂膜量分 别为2 3 5 、8 6 0 、5 8 3 9 和6 8 3 5 8 m g g 填料。 观察各种填料的生物相发现：5 号、6 号填料柱内微生物种类及数量最多， 且球体填料内部出现了线虫、颤蚯蚓等少量兼氧和厌氧性微生物。 论文还探讨了各种填料在不同负荷下对污染物的去除率。6 号填料的去除效 果最好，h r | t 一= 4 7 h 时，c o d 、n h 4 - n 、t n 和t p 的平均去除率分别为9 4 o 、 9 2 6 、4 7 6 和4 4 2 ，去除率远高于其它几种填料。 最后，对5 号、6 号填料进行了h 删7 l l 的连续进水、间歇曝气探索性试 验，与前阶段连续曝气试验效果相比，t n 、t p 去除率有所提高。 研究认为，在充氧性能、挂膜时间、挂膜量、生物相、污染物去除效果等方 面，6 号填料要好于其它填料；连续进水、间歇曝气运行方式总体出水效果要好 于连续曝气运行方式。 关键词：生物接触氧化，填料，性能，运行 北京建筑工程学院硕士学位论文 a b s t r a c t b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o ni s 锄e f f e c t i v es e w a g et r e a t m e n tp r o c e s s a sab i o 丘l m c a r r i e rt h ef i l l e ri m p a c t so nt h et r e a t m e n to p e r a t i o nd i r e c t l y i nt h i sp r o g r a m ，ac o m p a r a t i v es t u d yo ns i xk i n d so ff i l l e rw a s p u r s u e df r o ma s p e c t s o fo x y g e nt r a n s f e r , b i o f i l mm a s s ，a n dr e m o v a le f f i c i e n c ya n ds oo n t h ec o m p a r i s o n r e s e a r c hp r o d d e dt e c h n o l o g ys u p p o r tf o rt h es e l e c t i o no ff i l l e ri nt h eb i o - c o n t a c t o x i d a t i o np r o c e s s t h r o u g ht h em e a s u r e m e n to fo x y g e nt r a n s f e rc o e f f i c i e n tk t ao ft h ef i l l e rt oc h e c k t h ei m p a c to no x y g e n a t i o nc a p a c i t y , i tw a ss h o w e dt h a tt h ek t av a l u e so fs i xk i n d so f f i l l e ri n c r e a s e d1 1 ，21 ，2 4 ，4 4 ，6 4 a n d7 7 r e s p e c t i v e l yc o m p a r e dt ot h ek t a w i t h o u tf i l l e r t h eb i o f i l mm a t u r et i m eo ft h es i xf i l l e r sw e r es t u d i e di nas a m eo p e r a t i o n c o n d i t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a t5 开a n d 酽f i l l e rh a dt h es h o r t e s tt i m et om a t u r e b i o f i l ma n dn e e d e do n l y7 d a y s ；b u tt 1 1 cm a t u r et i m e 矗) r1 群。2 弹，3 # a n d4f i l l e rw e r e 1 ld s ，10 d s ，8 d sa n d1l d sr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t so fb i o f i l mq u a n t i t ym e a s u r i n gs h o w e dt h a t9a n d 霹f i l l e rh a dt h e l a r g e s tf i l mq u a n t i t y , t h ea m o u n tw e r e9 7 0 9 5a n d l 121 19 m gb i o f i l m gf i l l e r r e s p e c t i v e l y , b i o f i l ma m o u n to f1 襻，? ，3 捍a n d 矿f i l l e rw e r e2 3 5 ，8 6 0 ，5 8 3 9a n d 6 8 3 5 8 m gb i o f i l m gf i l l e rr e s p e c t i v e l y b i o p h a s eo b s e r v a t i o no f d i f f e r e n tf i l l e r ss h o w e dt h a t5 开a n d 矿f i l l e rh a dt h e1 a r g e s t a m o u n ta n dt y p e so f m i c r o - o r g a n i s m s ，t h e r ew e r es o m ek i n d so fa n o x i ca n da n a e r o b i c m i c r o o r g a n i s m si nt h ec e n t e ro ft h es p h e r e t h er e m o v a lr a t e so fc o d ，n h 3 - n ，t na n dt pu n d e rd i f f e r e n tl o a d i n g sw e r e e x p l o r e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e6 畀f i l l e rh a dt h eb e s tr e m o v ee 伍c i e n c yi nt h e h r t = 4 7 hc o n d i t i o n sa n dc o d ，n h 3 - n ，t na n dt pa v e r a g er e m o v a lr a t e sw e r e 8 6 1 ，8 4 6 4 5 8 a n d4 2 8 r e s p e c t i v e l y , f i n a l l y e x p l o r a t o r ye x p e r i m e n t sw e r ep r o c e e d e dw i t l l5 开a n d6 开f i l l e r o nt h e c o n d i t i o n so f c o n t i n u ef l o wa n di n t e r m i t t e n ta e r a t i o n ( h r t = 4 7 h ) t h er e m o v a lr a t e s o ft na n dt pw e r eb e a e rt h a nt h a to ft h ec o n t i n u o u sa e r a t i o n t h es t u d yr e s u l t ss u 9 2 e s tt h a t6 拜f i l l e rw a sb e t t e rt h a nt h eo t h e rk i n d so ff i l l e ro n o x y g e n a t i o n ，r e m o v a lr a t ea n ds oo n ：t h eo v e r a l le f f e c to fc o n t i n u o u sf l o wa n d i n t e r m i t t e n ta e r a t i o nw a sb e t t e rt h a nt h a to fc o n t i n u o u sa e r a t i o n k e yw o r d s ：b i o c o n t a c to x i d a t i o n ，f i l l e r , p e r f o r m a n c e ，r u n n i n g 2 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立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，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 北京建筑工程学院硕士学位论文 1 1 水资源形势严峻 第1 章绪论 生命的产生与发展都与水有着密不可分的关系，水是生命体最基本的组成成 分。地球上全部生物体的含水量总和达到11 2 0 k m 3 ，差不多是地球上河流总水量 的1 2 1 1 。水也是生命得以维系的重要因子。由于水具有溶解特性，使其在生物体 的新陈代谢中起到了不可替代的输送载体作用。生物体通过水分把外界养分输送 到机体的各个功能部分，又通过水分把代谢产物排出机体，从而维持生物体内的 物质和能量交换，使生命得以维系和延续。可以说，没有水就没有地球生命，也 就无所谓人类和人类社会。 1 1 1 全球水资源概况 据联合国世界资源研究所的资料统计，当前全球水的总储量为1 3 8 6 x1 07 亿 m 3 ，其中海洋储存1 3 3 8 x 1 0 7 亿m 3 ，占总量的9 6 6 ，其它各种水体储量只占 3 4 ( 其中地表水和地下水各占5 0 左右) 在地球水体总量中，含盐量低于l g l 的淡水仅占2 5 即3 5 x 1 0 7 亿m 3 ，其余9 7 5 均为咸水。在淡水储量中，有 6 8 7 覆盖在两极地带和高山冰川中，有3 0 9 蓄积在地下含水层和永久冻土层 中；只有0 4 容纳在河流、湖沼、土壤之中f 引。全球各种水体的水储量见表1 1 。 全球多年平均降水量为1 1 3 0 m m ，陆地平均降水量为8 0 5 m m ，陆地的多年平 均河川径流量为4 6 8 万亿m 3 。其中稳定径流为1 4 万亿m 3 ，但有5 万亿m 3 流经 沙漠而无法利用，实际可利用的河川径流量为9 万亿m 3 ，占河川径流总量的1 9 。 但是，江河湖泊却在过度污染而使有限的淡水资源日趋减少，据统计，全世界每 年排向自然水体的工业废水达4 2 0 0 亿m 3 ，有3 5 以上的淡水资源受到不同程度 的污染，使可有效利用的水资源量日趋减少，部分地区水资源危机已十分突出闭。 上个世纪6 0 年代以来世界人口增加了1 倍，达6 1 亿。1 9 7 0 年人类的消费 增长了1 倍，随着人口的急增，人类需要淡水资源量急增。据统计，自上个世纪 以来，全世界淡水使用量增加了近8 倍，其中，农业用水增加了7 倍，城市生活 北京建筑工程学院硕士学位论文 用水增加了1 2 倍，工业用水增加了2 0 倍，且每年仍以5 左右的速度递增，即 每过1 5 年就要增长1 倍【3 】；人类的急增和大量的活动，不但需要大量的水资源 且还向水资源赖以涵养和蓄积的环境及水体本身排放大量的污染物，使水质不断 下降，造成水资源环境明显恶化。 1 - 1 全球各种水体的水储量 水的类型分布面积水储量占全球水比例毋垒璃蓖衣毖纠 ( x 1 0 4 l c m b，( x 1 0 4 k m 3 ) ， 海洋水 3 6 1 3 01 3 3 8 0 09 6 5 3 地下水 1 3 4 8 02 3 4 01 6 9 其中淡水1 0 5 30 7 63 0 0 6 土壤水 8 2 0 1 6 50 0 0 l o 0 5 冰川与永久积雪 1 6 2 2 7 52 4 0 6 4 l1 7 46 8 7 0 永久冻土底冰 2 l 3 0 j ：0 0 2 2o 8 5 湖泊水2 0 6 s 71 7 6 40 0 1 3 其中淡水 1 2 3 6 49 1 00 0 0 70 2 6 沼泽水 2 6 8 2 6i 1 4 70 o 0 0 80 0 3 河川水 1 4 8 8 00 2 1 20 o o o l 50 0 0 6 生物永5 l o 1 1 2o o o o l0 0 0 3 大气水5 l o o o1 2 9 0o 0 0 1 0 0 4 总计水量 5 1 0 0 01 3 8 5 9 8 4 6 1l o o 其中淡水1 4 8 8 03 5 0 2 9 2 l2 5 3 1 0 0 水污染导致本来就紧缺的水资源量大减，供需矛盾更加严重。水资源短缺已 成为全球性的问题，在亚洲有6 0 的地区缺水，在非洲连年干旱有8 5 的地区 缺水，缺水已直接威胁到了生存，美洲、欧洲出现了用水紧张的现象，现今全球 有8 0 多个国家正面临着水资源不足，俄罗斯、加拿大也受到威胁，1 6 的城市 人口缺水，约1 2 亿人严重缺少饮用水，在发展中国家约有l o 亿多人达不到安全 用水。据联合国的报告，1 9 3 0 年时人均水资源约2 3 5 x 1 0 4 m 3 ，1 9 9 7 年时仅为 7 8 0 0 m 3 ，到2 0 2 5 年只有5 5 0 0m 3 ，只相当于1 9 3 0 年的1 4 3 1 。 法国和西班牙最近表示，他们担心2 0 0 5 年的南欧干旱将卷土重来，再次导 2 北京建筑工程学院硕士学位论文 致致命的森林大火、大量粮食减产以及广泛实行水定额配给。 连续3 年的干旱让法国在2 0 0 5 年创造了历史最高记录的水资源短缺。因此， 在2 0 0 5 年强制实施全国水定额配给。2 0 0 5 年，法国部分地区的秋季降雨量仅为 全国平均水平的一半。如果水资源状况不发生改变，法国将在2 0 0 6 年夏天实施 更为苛刻的水配给。 根据西班牙环境部的最新数据显示，西班牙的水储量仅为总容量的4 5 ，水 力发电降至过去4 8 年的最低水平。西班牙已宣布采用新的水管理措施，包括在 炎热的东南地区建造新型海水脱盐工厂。 英国环境部已发出警告，英国南部整个冬季的低降雨势必导致“严重的干旱， 大范围的环境破坏和用水限制。” 水资源问题将成为2 1 世纪全球资源环境的首要问题。水危机已是全人类面 临的重大环境问题。随着水资源危机的加剧和水环境质量不断恶化，水资源短缺 已演变成世界备受关注的资源环境问题之一。如果说2 0 世纪是石油的世纪，2 l 世纪则将是水的世纪，水资源缺乏已严重制约了全球经济的发展。 1 1 2 中国水资源概况 据估算，我国地表径流量为2 7 1 1 5 x 1 0 1 2 m 3 ，地下径流量为1 0 0 9 x 1 0 1 1 m 3 ，冰 川融水量5 6 0 亿m 3 ，总计年均水资源总量为2 8 1 2 4 亿m 3 。其中河川径流量占9 6 ， 居世界第六位，少于巴西、原苏联、加拿大、美国和印尼，但天然水资源条件很 差，开发利用难度大。目前全国江河径流和地下水的利用量仅为4 6 0 0 亿m 3 ，占 年径流总量的1 6 。目前，据第五次人口普查结果，我国已达1 2 9 5 3 3 亿人口， 因此，人均水资源量仅为2 1 7 1 m 3 ，远低于世界平均水平，不足世界人均水资源 量的1 4 ，是美国的1 5 ，原苏联、印尼的1 3 ，加拿大的1 5 0 和日本的1 2 1 4 l 。 我国和水资源丰富国和国土面积或人口相当的国家相比较，水资源十分短缺，已 直接影响生产和生活，限制了社会经济的发展，见表l 一2 。 我国属典型缺水型国家。受地理环境和气候条件的影响，占国土总面积 6 3 5 的长江以北地区水资源相当紧张，地表水、地下水仅分别为全国总量的1 9 和3 2 2 ，其中，1 1 个省市区人均水资源低于联合国确定的1 7 5 0 m 3 的警戒线。 占国土总面积3 6 5 的长江以南地区地表水、地下水虽分别为全国总量的8 1 和 北京建筑工程学院硕士学位论文 6 7 7 ，但由于各行各业需求量逐年飚升，不少地方也出现资源性缺水。 表1 2 部分国家平均年径流量等对照表 区域平均年径流量人均淡水量人均径流量耕地亿h m 2学岔劳磁厨_ 静径 亿m 3 ( m 3 人1 ) ( m 3 人。)苏t ( m 锄i 美国 2 9 7 0 2 9 2 7 01 1 2 9 41 8 91 5 6 9 9 0 加拿大 3 1 2 2 0 1 0 5 l1 8 印尼 2 8 1 1 31 4 4 9 l 印度 1 7 8 0 01 9 5 72 6 2 51 6 51 0 8 1 5 巴西 5 1 9 1 23 2 2 4 3o 3 21 6 0 5 1 5 俄罗斯4 6 0 0 02 9 1 9 12 9 1 9 12 7 0 2 7 中国2 7 1 1 52 1 7 l2 0 9 3l 0 0 42 6 2 9 5 日本 5 4 2 34 3 5 0 世界 4 7 0 0 0 07 孓1 7 01 0 8 0 01 3 2 a 63 5 4 4 5 中国占世界， 5 6 4 8 ( 1 5 ) 2 5 0 5 1 7 x 4 2 0 4 ) 目前，我国江河湖泊等开发利用已近极限和枯竭，7 大水系中的辽河、淮河、 黄河地表水资源利用率分别达到了6 2 、6 0 和7 0 ，海河流域则为1 0 0 ，远 远超过国际上公认的4 0 开发比率的警戒线，各流域人均水资源量见表1 3 。现 阶段，地下水开采与日俱增。2 0 世纪7 0 年代，全国地下水每年开采量为5 7 2 亿 m 3 ，8 0 年代增至7 4 8 亿m 3 ，9 0 年代上升到1 9 5 8 亿m 3 。如今，在我国城市用水 量中，利用地下水比重超过3 0 的有4 0 0 多座，北方有的城市甚至达到8 0 。 国家水利部副部长胡四一介绍：近年来，全国正常年份缺水量将近4 0 0 亿 m 3 ，6 6 9 座城市中，有4 0 0 多座供水不足，缺水总量为6 0 亿m 3 ，严重缺水的1 1 0 座，在3 2 个百万人口以上的特大城市中，有3 0 座长期受到缺水困扰。尤其是遇 旱灾年份，全国水资源供求矛盾更加突出。去年立秋后，我国遭遇罕见高温和旱 灾，且持续时间长、范围广。许多地方湖库见底、河水断流、塘堰干涸、农田龟 裂，创下有记录以来历史同期极值，整个中华大地用水全面告急。 水利部统计，截止8 月中旬，全国有1 5 个省市区遭受不同程度的伏旱，作 物受旱面积高达1 3 亿亩，占到全国陆地总面积的9 3 ，占全国总人口1 3 9 的 1 8 0 3 万人和1 7 4 1 万头牲畜发生临时性饮水困难1 5 1 。 4 北京建筑工程学院硕士学位论文 综上所述，中国可用水资源量极其有限，水资源匮乏现象严重，如何有效 利用有限的水资源及开发新资源是中国目前亟待解决的首要任务。 表1 - 3中国各流域片人均、每公顷水资源比较 内外流域片流域片水资源总量占全国人占全国人均水每公劈 流区面积占x l o a m 3占全 口 耕地，量i ( m 3 承量 全国 国人。1 ) ( m 3 h m - 2 ) 内流区内陆河含额 3 5 5 1 3 0 3 94 6 2 1 5 8 6 2 9 02 2 0 5 0 尔齐斯河 黑龙江片 9 5 1 3 5 1 8 4 85 11 3 02 6 3 01 0 1 8 5 辽河片 3 65 7 6 72 i4 76 71 2 3 08 3 7 0 北 海滦河片 3 34 2 1 11 59 81 0 94 3 03 7 6 5 夕卜方黄河片8 37 4 3 62 68 21 2 79 1 25 7 3 0 区淮河片3 5 9 6 1 63 4l s 71 4 96 2 36 3 1 5 流 小计 2 s 24 0 5 4 2 1 4 44 3 55 8 29 3 86 810 长江流域片 1 9 09 6 1 3 43 4 23 4 82 4 02 7 6 03 9 3 0 0 区南珠江流域片6 i4 7 0 8 11 6 81 0 96 84 3 0 06 7 9 5 0 方浙闽诸河流域片 2 5 2 5 9 1 7 9 2 7 23 4 3 5 9 07 3 8 0 0 区 西南诸河流域片8 9 5 8 3 3 12 0 81 51 83 8 4 0 03 2 7 0 0 0 小计3 6 52 2 7 6 6 38 1 05 4 43 6 04 1 8 06 1 9 5 0 合计6 4 72 6 8 2 0 59 5 49 7 99 4 22 7 5 02 7 9 0 1 0 全国 l o o o2 8 1 2 4 41 0 0 ol o o ol o o o2 1 7 l2 8 0 5 0 1 2 水环境污染 1 2 1 全球水环境污染现状 目前，全球范围的水体污染已达到相当严重的程度。根据世界卫生组织 ( w h o ) 公布的资料，全世界每年排入自然水体的污水达到4 2 0 0 x 1 0 8 m 3 ，相当于 世界河川径流总量的1 2 ，几乎等于2 0 0 0 年全世界的用水量。 发达国家都存在不同程度的水污染的问题，发展中国家随着经济发展速度的 5 北京建筑工程学院硕士学位论文 逐步加快，水污染问题也越来越严重。 目前，世界地下水有一半受到污染。引起水污染有两大因素：一是工业生产 向江河排放大量的未经净化处理的污水；二是农用化学物质的大量使用，也造成 水质的严重污染【6 】。由于工业废水的肆意排放，导致8 0 以上的地表水、地下水 被污染【7 1 。水质的下降不仅严重威胁着人的身体健康和生命安全，反过来也影响 工农业生产和加剧水资源紧张状况。 长期以来人们一直认为自来水是安全卫生的。但是，因为水污染，如今的自 来水已不能算是安全卫生的了。一项调查显示，在全世界的自来水中，测出的化 学染物有2 2 2 1 种之多，其中有些被确认为致癌物或促癌物f 7 】。 1 2 2 中国水环境污染现状 据2 0 0 4 年全国环境统计公报，全国废水排放总量4 8 2 4 亿m 3 ，比上年增加 4 9 。其中工业废水排放量2 2 1 1 亿m ? ，占废水排放总量的4 5 8 ，比上年增加 4 1 ；城镇生活污水排放量2 6 1 3 亿m 3 ，占废水排放总量的5 4 2 ，比上年增加 5 5 。废水中化学需氧量排放量1 3 3 9 2 万m 3 ，比上年增加0 4 。其中工业废水 中化学需氧量排放量5 0 9 7 万m 3 ，占化学需氧量排放总量的3 8 1 ，比上年减少 o 4 ；城镇生活污水中化学需氧量排放量8 2 9 5 万m 3 ，占化学需氧量排放总量 的6 1 9 ，比上年增加0 9 。废水中氨氮排放量1 3 3 0 万m 3 ，比上年增加2 5 。 其中工业氨氮排放量4 2 2 万m 3 ，占氨氮排放量的3 1 7 ，比上年增加4 5 ；生 活氨氮排放量9 0 8 万m 3 ，占氨氮排放量的6 8 3 ，比上年增加1 7 t 引。 地表水体污染严重。据水利部2 0 0 5 年资料，全国日排污水已超过1 3 亿o ， 其中8 0 以上未经任何处理就直接排入水域，使江河湖海普遍受到污染，7 8 流经城市的河段已不适宜作为饮用水源，城市地下水的5 0 受到污染。据调查， 6 0 的人体疾病与饮用不清洁的水有关。经过对5 3 2 条河流的监测，有4 3 6 条河 流遭受了不同程度的污染。中国7 大河流经过的1 5 个主要大城市的河段中，有 1 3 个河段水质污染严重。对全国1 3 1 个主要湖泊和3 9 座大中型水库的调查，有 6 7 个湖泊，1 2 座水库已经处于富营养化水平，如1 9 9 9 年1 0 月太湖流域水环境 监测结果，对环太湖的2 7 条主要河流3 5 个断面监测，7 7 为污染水体，5 4 为 水质类、v 类，6 7 以上的水面富营养化。有的城市平均每天产生污水6 0 0 6 北京建筑工程学院硕士学位论文 万吨，拥有二级深化处理能力的约占1 0 ，然而近一半的处理能力却因管网未 能联结而不能正式运转，大量污水未经二级处理便排入江河湖海，污染了环境例。 地下水体污染严重。早在2 0 0 0 年环境保护部门对我国1 1 8 个城市地下水污 染监测资料的评价，污染较重的城市有7 6 个，占6 4 ，污染较轻的城市3 9 个， 占3 3 ，基本未受污染的城市只有3 个，不足3 。据统计分析，地下水污染的 特点一是“三氮”污染：二是硬度升高；三是酚、氰化物、砷、汞、铬、氟等有毒 有害物质污染。这类物质对人体健康有严重危害，它们不易分解，不易沉淀，易 被生物体富集转化成毒性更强的有机化合物，并在迁移循环过程中遍布水体、土 壤和作物，污染环境，危害生态 9 1 。 降水酸化正在成为新的污染源。我国是以煤为主要能源的国家，目前年产原 煤7 8 亿吨，其中含硫量在2 以上的煤约占1 6 ，且大部分煤在利用前不进行 加工处理，以含灰分、硫分多的原煤形式直接燃烧，燃烧设备净化能力普遍比较 低。全国性的酸雨普查工作表明，我国已有不少地区降落酸雨，并且有由北向南 逐渐增加的趋势。调查表明，以煤烟型为主的大气污染导致酸雨的覆盖面积约占 国土面积的3 0 ，呈明显的区域性特征。近年来，我国降水年平均p h 值低于 5 6 。据监测，酸雨地区城市地下水的p n 值也明显下降，如贵阳、常州、重庆等 城市，近年来p n 值年下降速率达0 0 3 5 - 0 0 4 5 ，因水质酸化，造成地下水总硬 度增加、重金属污染和有机物污染加剧i l o 】。 1 3 生物接触氧化法污水处理技术 生物接触氧化工艺作为一种常见的浸没型生物膜法处理技术开创于7 0 年 代初，至今已在国内外中小型污水处理厂得到了广泛的应用。生物接触氧化法 的技术实质是在反应器内充填填料，已经充氧的污水浸没全部填料，并以一定 的流速流经填料。广布于填料上的生物膜与污水广泛接触，在膜上微生物新陈 代谢功能作用下，去除水中有机物，使污水得以净化【l l 】。 1 3 1 生物接触氧化法的研究现状 生物接触氧化法是在生物滤池的基础上，从接触曝气法改良演化而来的，早 在十九世纪末韦林( b l a r i n g ) ，迪特( d i t t e r ) 等人就实验研究了接触氧化法处理污 7 北京建筑工程学院硕士学位论文 水，1 9 1 2 年克洛斯( c l o s s ) 在德国获得了专利。但是，发展为正规的污水处理法， 还是分别在德国、美国、日本等国的实际应用之后。虽然形成了正规的生物接触 氧化法污水处理技术，但是当时在接触填料、氧化池构造与设计、运行管理等方 面存在着缺陷，限制了它的进一步推广应用。二十世纪七十年代，日本的小岛贞 南采用了所谓“管式接触氧化法”净化方法，在填料和供氧方式上有了很大的改 进，使得接触氧化法获得新的生命力，开始迅速地发展起来【1 2 1 。 随后，国外又不断地研制与开发各种技术性能良好的接触填料和氧化池型 式。逐渐扩大了生物接触氧化法的应用范围，使之得到了较为迅速地发展。近几 十年来，国外的生物接触氧化法不仅用于水体富营养化的治理，而且广泛用于生 活污水、杂排水、印染废水、染色废水、纤维加工废水和酿造等工业废水的处理。 国内在1 9 7 5 年由北京环境保护科学研究所的郑元景和邬扬善等人首先进行 了生物接触氧化法处理城市污水的实验研究，取得良好的效果。1 9 7 8 年生物接 触氧化法就以它的高效而闻名全国，由于其管理方便在工业废水处理中获得广泛 应用，随着近年来新型填料不断的开发应用，克服了传统填料的堵塞问题，新型 填料具有比表面积大、组装方便、成本较低等优点。新型填料的开发使用使生物 接触氧化技术在我国也广泛应用起来，逐渐应用在生活污水、纺织印染、粘胶纤 维、造纸、石油化工、食品加工与酿造等工业废水的处理中，近年来，生物接触 氧化法又被用作微污染水源水的生物预处理技术。研究表明生物接触氧化技术是 一种有发展前途的处理方法。 1 3 2 生物接触氧化法的净化机理及特点 ( 1 ) 生物接触氧化法的净化机理 生物接触氧化法废水处理技术的核心是性能良好的生物膜。污水中的微生物 利用有机污染物，在一定浓度溶解氧下大量生长繁殖。起初固着生长在填料表面 上的只有少量细菌，随着细菌数量的快速增长，在填料表面会形成胶质粘膜层， 细菌在粘膜层内不断生长繁殖，形成新的膜层，并且其它微生物也相续不断在膜 中生长繁殖。新生的膜层与废水接触的最外层不断向外增生，逐步形成一个稳定 的生态系统，其作用过程主要包含以下几个方面： 填料及生物膜的吸附、阻留作用 8 北京建筑工程学院硕士学位论文 生物接触氧化池中的填料具有很大的比表面积，污水中的有机物进入有机玻 璃柱后会很快被填料所阻留、吸附，这种吸附和阻留作用所积聚的有机颗粒也增 加了填料表面的粗糙程度，从而又反过来加强了吸附、阻留作用。与此同时，微 生物同样也会在填料表面附着并大量繁殖进而形成生物膜，相应地增加了微生物 的吸附、降解作用。 生物膜的净化作用 微生物主要以生物膜的状态固着在填料上，按照c h a 均c k i i s ( 1 9 9 0 ) 的研裂1 3 1 ， 生物膜的形成和生长过程及生物膜的生长发展过程如图1 1 和图1 2 所示。 赫一 g 礴口夸石畚 彩勿彰黝r 豹彩缮黝 弘日一圈鑫触 钐物髭镌钐黝褒彰影钐黝 图i - i 生物膜的形成和生长过程 生物膜的形成和生长过程： a 、有机物分子从废水中首先向载体表面运送，其中有些被吸附并形成被微 生物改良的载体表面。 b 、水中一些浮游的微生物细胞被传送到改良的载体表面时，一部分在被表 面吸附了一段时间后又解吸出来，而另一部分则变成了不可解吸的细胞。 c 、不可解吸的细胞摄取并消耗水中的底物与营养物质，其数目不断增加； 同时，细胞产生的一些外多聚物与生物膜紧紧地结合在一起。因此，微生物细胞 在进行新陈代谢的同时使得微生物膜不断的形成、累积。 d 、进入水中或者细胞在增殖时亦可以向水中释放出游离的细胞。 单凰国 图1 - 2 生物膜生长发展的六个阶段 9 筚单牮 北京建筑工程学院硕士学位论文 注：纵潜伏期b 生长期c 适应期d 膜降减缓期e 稳定期老化期 生物膜的生长发展过程： a 、生物膜处于初生阶段( 潜伏期) 。稀疏的微生物在填料表面逐步形成较薄的 胶质粘合剂膜。 b 、微生物处于快速增长阶段( 生长期) 。此阶段微生物的生长不受有机营养 物输送和氧传递效果的限制，生物膜的厚度趋于明显增加。 c 、随着生物膜厚度的增加，氧的传递阻力增加，微生物膜内部溶解氧难于 到达的地方，好氧微生物开始死亡，兼氧性微生物停止好氧代谢转入厌氧转化途 径。此时，内部适合于少量厌氧菌的生长，好氧菌的死亡导致生物膜密度降低。 d 、兼性和厌氧微生物开始适应新环境，以最大速度生长。它们利用好氧微 生物残体及少量由外层膜转移至内部的营养物质维持生命，消耗养料，膜密度的 下降速率减缓。 e 、好氧微生物、兼氧微生物和厌氧微生物的生长、死亡速度达到稳定阶段， 膜的密度亦达到稳定状态。 f 、稳定阶段一直延续到内层的营养贮备耗尽为止。此刻生物膜结构的完整 性开始丧失，膜层松动脱落。生物膜脱落的区域为新生物膜的形成和生长提供更 新表面。 生物接触氧化工艺中生物膜的结构与物质代谢如图1 3 所示。 图l - 3 生物膜的结构与物质代谢 生物接触氧化法处理工艺中的生物膜便是通过上述周期性：生长一脱落一生 长，保持其稳定有效的对废水中有机物的降解去除功能。 食物链分级捕食作用 1 0 北京建筑工程学院硕士学位论文 任何一种生物处理方法都存在着与处理工艺、水质条件及外界环境密切相关 的生物种群，生物接触氧化法也表现出丰富的生物相特任。丝状菌、细菌特别多， 线虫类、轮虫类等后生动物也较多出现，有光照的地方甚至会出现藻类。丰富的 微生物种群使得生物膜内部的食物链关系极其复杂，因而也使得有机物在这一食 物链系统中得到迅速彻底的转化。一般而言，构成生物膜的微生物种类、数量要 比活性污泥多得多，其食物链也比活性污泥的长而且复杂的多。在生物接触氧化 池中，沿水流方向有着明显的食物链分级，每一段的优势生物种群各不相同，基 本上形成了有机物、细菌原生动物后生动物这一主食物链，同时加上其 交叉所形成的网状捕食关系，使反应器系统的物质转化效率达到最高。另外，随 着有机物浓度的渐次降低，反应器下部区域的细菌类微生物可以进入内源呼吸阶 段而自体氧化分解。这样就大大降低了出水中的有机物浓度，达到了去除的目的。 ( 2 ) 生物接触氧化工艺特点 生物接触氧化法的应用越来越多，工艺日渐成熟。随着研究层面的深入，其 优点亦明显表现出来f 1 4 】： b o d 容积负荷高，污泥生物量大，相对而言处理效率较高，而且对进水 冲击负荷的适应力强。 处理时间短，在处理水量相同的条件下，所需装置的设备较小、占地面积 小。 能够克服污泥膨胀问题。容易在活性污泥法中产生膨胀的菌种，在接触 氧化法中不仅不产生膨胀，而且能充分发挥其分解氧化能力强的优点。 可以间歇运转。生物膜对间歇运转有着较强的适应能力，长时间的停转， 再重新开始运行很快便能恢复正常。 维护管理方便，不需要回流污泥。 所产生的剩余污泥量少。 生物接触氧化工艺也同时存在着一些缺点： 生物膜的厚度随负荷的增高而增大，引起填料堵塞。故负荷不易过高， 同时要有防堵塞的冲洗措施。 大量产生后生动物，易造成生物膜瞬间大块脱落，影响出水水质。 填料及支架等往往会导致建设和维护费用增加 北京建筑工程学院硕士学位论文 1 3 3 生物接触氧化法的影响因素 生物接触氧化工艺受外界环境条件影响较大，主要影响条件包括酸碱度、温 度、溶解氧、有机负荷、水力流态及水力停留时间等六个方面。 ( 1 ) 温度 北极环境研究室的实验证明，常温条件下，随着污泥负荷的增加，b o d 去 除率的降低并不明显，而在低温条件下，随着污泥负荷的增加b o d 去除率迅速 降低。桥本奖的实验研究证明，温度对有机物的降解有很大影响，c o d 去除率5 时最低，1 5 c 时最高，3 0 ( 2 时稍低f 1 5 1 。 ( 2 ) 酸碱度 一般来讲，微生物的生理活动与环境的酸碱度密切相关，只有在适宜的酸碱 度条件下，微生物才能进行正常的生理活动。v i l l a r e r d e 等人研究们认为不适 的p n 值会使微生物失活，底物受限制和游离氨受到抑制。一般细菌、放线菌、 藻类及原生动物的p h 值适应范围为6 啦8 0 。许多学者认为p h 值范围在 7 肛8 o 【1 7 - 1 8 】，将会促进生物有机玻璃柱对氨氮的去除效能。 o ) 溶解氧 溶解氧是直接影响生物膜生长和出水效果的重要因素。在好氧处理工艺中溶 解氧是工艺控制的主要指标，其含量与微生物膜的数量、代谢能力、代谢过程、 有机物的去除动力和出水中有机物的浓度均有着密切关系。当溶解氧低于2 m g l 时，好氧微生物的生命活动受到抑制，对有机物和氨氮的氧化分解不能正常进行； 溶解氧浓度过大也会给生物膜的生长带来负面影响，尤其是对于待处理污水的污 染物浓度低且生化降解性差时，在大曝气量情况下，微生物极易在营养物不够时 消耗自身，难以在填料表面附着生长。而且过于增大曝气量会增加动力消耗，致 使处理费用上升。 ( 4 ) 有机负荷 一般认为低的有机负荷驯化出的生物膜处理能力较差，高的有机负荷使得生 物量增加，处理能力增强。有机玻璃柱填料上生物膜周围营养物质丰富，微生物 的生长繁殖快，微生物种群也更加多样化，从而更有利于底物降解。 g a n d r e o t t o l a 等人【1 9 1 的研究证明，虽然低温条件对于微生物反应属不利条件， 但经过逐步增加有机负荷微生物得到驯化，最终仍能够对高有机负荷生活污水进 1 2 北京建筑工程学院硕士学位论文 行生物去除。而当负荷超过一定范围后，随着进水有机负荷的提高，微生物的生 长代谢不再受进水有机底物控制，生物膜的增殖速率不再随进水负荷增加而增 力h 。 ( 5 ) 水力流态 对生物膜法处理工艺而言，不同的水流速度将产生不同的水力剪切作用。而 水力剪切力的强弱决定了生物膜有机玻璃柱启动所需要的时间和运行期间所固 定的微生物数量【2 0 】，k u g a p r a s a t h a m 等人叫认为，在基质浓度不至于使微生物的 生长受到限制的情况下，液相中流体扰动程度增加将使生物膜的密度增加。t a r a r e 等【冽的实验表明，气速对微生物的固定有很大影响，高气速会生成薄而致密的生 物膜，但是高气速对提高c o d 去除率没有多大影响。 旧水力停留时间 水力停留时间对生成完整的生物膜有着重要的作用，水力停留时间也决定了 生物膜有机玻璃柱的去除效果。h e i j n e n 等瞄1 认为，h r t 短则有机容积负荷大， 有机玻璃柱内载体上能生成完整的生物膜，t i j h u i s 等2 4 】实验证明在醋酸盐c o d 负荷为2 5 k g ( m 3 d ) ，h r t 为4 h 时，载体上几乎没有完整的生物膜。而缩短水力 停留时间为l h ，相同操作时间内几乎所有的载体上都长有完整的生物膜，即在 有机负荷较高的载体表面更易生成较厚的生物膜。但是，h r t 无限制的缩短将 会影响到去除效率。 1 3 4 生物接触氧化法中填料的应用 ( 1 ) 生物填料的分类 填料是微生物赖以栖息的场所，其种类及浓度对微生物的生长、繁殖、脱落 和形态起着极为重要的作用。v o i c e 等【2 5 】的研究表明，具有吸附能力的活性炭表 面比不具有吸附能力的活性炭表面更容易生成生物膜；蔡建安等【2 6 】的实验表明， 焦炭的挂膜速度大于石英砂；w a g n e = 】r 2 7 】在用气提式有机玻璃柱处理难降解物质 2 n s 时发现，在载体浓度很低的情况下，即使生物膜厚度达2 9 5 u m ，还是不能达 到稳定的去除率，但是，载体浓度为2 0 3 0 9 l 时，即使只有2 0 的载体上有7 5 u r n 厚的生物膜，有机玻璃柱依然能达到稳定的9 8 的去除率，最高c o d 负荷可达 5 8 k g ( m 3 d ) 。周平【2 8 1 认为，相对于大粒径载体而言，小粒径载体之间的相互摩擦 1 3 北京建筑i 程学院硕士学位论女 小，比表面积大，因而更容易生成生物膜。 早期人们使用棍棒、树枝、石块等天然填料；后来略加工制造了炉渣、沸石、 焦炭，而后又专fj 制造了塑料球、纤维球、玻璃锢蜂窝、波纹板以及防堵塞的软 性、半软性纤维填料。最近人们又开发出d c m 改良型软性纤维填料，高分子聚 合物和醛化维纶长诬等组成的s b a 型组合填料及h z 型、h t z 型、h b y 型等 软性、半软性组合填料。填料不仅与去除效果有关，而且填料的选用直接影响到 氧化池工程造价、运行费等，价格高昂的填料将增加工程投资口”。 按填料安装方法分类，生物填料人致町分为固定式、悬挂式、分散型和新型 生物填料等几种类型。 固定式填料主要有蜂窝状和波纹板状等硬性填料，见罔1 - 4 。常用的蜂窝状 填料一般是由超薄形轻质玻璃钢或各种薄形塑料片构成。安装时直接堆叠在接触 氧化池的布气系统上面，微生物直接生长于玻璃钢或塑料管壁上。这种填料的特 点是宅隙率大，污水在填料中三维流动，充填材料质轻韧性强，长期使用不会 变质，而且网状蜂窝填料相互交融，具有长久的稳定性，缺点是易堵塞。波纹板 状填料则以英圜的“f l o c o r 填科和法国的“c l o i s o n y l e 填料为代表口。其结构类 似j 蜂窝填料，这类填料具有孔径大、不易堵塞、流程长、处理效率较高、安装 运输方便等特点但也存在水在波纹通道内流动不均，不利于生物膜更新等缺陷。 ，i 西 ， a 蜂窝状填料b 波纹板状填料 图1 4 常见固定式填料 悬挂式填料产q 于2 0 世纪7 0 年代术8 0 年代初，应用比较广泛，使用寿命 k ，价格适中，非常具有i h