（化工过程机械专业论文）射流生物转盘反应器处理生活污水的研究.pdf

摘要 摘要 本文利用本研究室最新开发的射流生物转盘反应器，以广州市华南 理工大学北区生活污水作为处理对象，研究该反应器净化污水的性能、 作用原理和影响因素，同时对反应器降解生活污水的反应动力学问题进 行了初步探讨。 文中对小型生活污水处理技术的产生、发展，生物转盘的应用研究 状况，射流器在污水处理中的应用现状进行了详细的文献综述和评价， 分析论述了射流生物转盘反应器的原理和结构特点，进行了无曝气、曝 气和稳定运行三个阶段的试验研究。 通过对试验现象的观察和对试验数据的分析，探讨了污水流量、转 盘转速、气水比对净化效果的影响，发现当转盘转速为1 0 3 r m i n 时， c o d 。去除率、浊度去除率和t p 去除率均达到最大值，同时在综合考虑动 力消耗、生物膜的稳定性和处理效果三方面因素的基础上，得出本研究 用反应器合适的运行参数为：污水流量为1 5 0 2 0 0 l h ，转盘转速在 10 3 r m in 左右，气水比为1 5 3 0 。 稳定运行试验结果表明：生活污水经过射流生物转盘反应器处理 后，c o d 。，去除率可以达到8 0 以上，浊度去除率超过9 0 ，t p 去除率 超过4 0 。通过分析研究，得出影响射流生物转盘反应器处理效率的主 要因素包括：污水流量、转盘转速、空气流量、溶解氧等。 试验研究结果显示本研究用反应器结构合理，运行稳定，它无需电机 驱动构件，仅使用一台污水泵，通过射流曝气器的作用就可以同时实现射 流曝气、自吸污水及用射流推动转轮从而驱动生物转盘。该反应器把悬浮 生长型和固着生长型生物处理技术有机结合起来，联合处理污水，具有结 构简单、紧凑，处理效率高，充氧能力强，电耗低，操作方便，适应性强 等优点。 对反应器处理生活污水进行了动力学研究，探讨了c o d 。，的生物降 解反应动力学问题，确定在试验条件下，射流生物转盘反应器处理生 活污水属于二级生化反应。反应速度常数为k = 5 4 8 1 0 。3 h ，动力学方 程为= 器盖。 关键词射流；生物转盘；生活污水 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i s p a p e rw er e s e a r c h t h e p e r f o r m a n c eo fo u rn e wj e t a e r a t i o nr b c r e a c t o rt h r o u g ht r e a t i n gw i t ht h ed o m e s t i cw a s t e w a t e rw h i c hi sg o t t e nf r o mn o r t h p a r to fs c u t a n d w ea l s od i s c u s st h ed y n a m i c p r o b l e mi no u rd e s i g n i nt h i sp a p e rw eh a v ead e t a i l e dd i s c u s sf o c u so nt h eb i r t ha n dd e v e l o po f s m a l ls e w a g et r e a t m e n tf a c i l i t i e s ，t h ea p p l i c a t i o na n d s t u d yo fr b cr e a c t o r ，t h e a p p l i c a t i o no fj e ta e r a t i o ni nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t w ea n a l y z et h et h e o r ya n d t h es t r u c t u r eo ft h ej e ta e r a t i o nr b c r e a c t o r ，a n dw er e s e a r c ho u rd e s i g ni nt h e c o n d i t i o no fw i t h o u ta e r a t i o n ，w i t ha e r a t i o na n ds t a b l eo p e r a t i o n t h r o u g he x p e r i m e n t s ，w ed i s c u s st h ei n f l u e n c eo ft h ew a s t e w a t e rf l u x ， t h eb i o d i s cr o t a t i n gs p e e da n dt h eg a sw a t e rr a t i ot ot h ep e r f o r m a n c eo fo u r d e s i g n t h e r e s u l ti st h a tw h e nt h eb i o d i s ci s r o t a t i n g a tt h e s p e e d o f 1 0 3 r m i nw eh a v et h em a xr e m o v a lr a t eo fc o d e f ，t u r b i d i t y ，a n dt p w h e n w ec o n s i d e rt h ep o w e rc o n s u m p t i o n ，t h es t a b i l i z a t i o no ft h eb i o f i l ma n dt h e e f f i c i e n c y o fp r o c e s s i n g ，w ec o n c l u d e t h a tw h e nt h ew a s t ew a t e rf l u xi s 1 5 0 l ht o2 0 0 l h ，t h eb i o d i s cr o t a t i n gs p e e di sa b o u t1 0 3 r m i n ，a n dt h eg a s w a t e rr a t i oi s1 5t o3 0 ，o u rd e s i g nr e a c t o rw or k sb e s t i nt h ec o n d i t i o no fs t a b l er u n n i n go fo u rd e s i g n ，t h ec o d c rr e m o v a lr a t ei s a b o v e8 0 ，t h et u r b i d i t yr e m o v a lr a t ei sa b o v e9 0 ，a n dt h et pr e m o v a lr a t ei s a b o v e4 0 t h r o u g ha n a l y z i n gt h e s ee x p e r i m e n t sr e s u l t ，w ec o n c l u d et h a tt h e f a c t o r si n f l u e n t st h ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c yo fo u rd e s i g ni n c l u d i n gw a s t e w a t e r f l u x ，b i o d i s cr o t a t i n gs p e e d ，a i rf l u x ，a n de t c t h r o u g he x p e r i m e n t ，w eg e ts o m er e s u l t s t h es t r u c t u r eo ft h i sr e a c t o r i sr e a s o n a b l e t h er e a c t o rc a nw or kw i t h o u te l e c t r o m e t e r b yo n ep u m pa n d t h en e w j e ta e r a t i o n ，i tc a ng e ta i r ，w a s t e w a t e r ，a n dd r i v er b c r e a c t o ra tt h e s a m et i m e t h en e wr e a c t o rc a nm a k es u s p e n d e dg r o w t h a n da t t a c h e d g r o w t hw o r kt o g e t h e r i th a st h e c h a r a c t e ro fh i g he f f e c t i v ep r o c e s s ，e a s y o p e r a t i o n ，s m a l la r e a ，l o wc o s ta n dh i g ha d a p t a t i o n w ea l s od i s c u s st h ed y n a m i cp r o b l e mi no u rd e s i g n ，g e tt h ed y n a m i c s e q u a t i 。n ，i ti s s t = 嚣盖 k e y w o r d ：j e ta e r a t i o n ；r b c ：d o m e s t i cw a s t e w a t e r 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。除了文中特别加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：每，蛹 日期：拗红年占月日 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。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、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 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：蕾鹂 导师签名：但f 童卓 日期：汩眵年6 月占日 日期：砌妒年6 月乎日 第一章绪论 第一章绪论 水是人类维系生命的基本物质，是工农业生产和城市发展不可缺少 的重要资源。但是，随着工业化进程和城市化水平的不断提高，水资源 的过度开发和污染物质的大量排放，导致了全球水资源的严重缺乏和水 环境的不断恶化。水污染问题成为当今世界面临的主要环境问题之。 因此，在充分考虑我国城市建设过程中经济、社会等实际情况的前提下， 努力研究开发出适合我国国情的低成本高效率的污水处理技术已势在必 行。 1 1 我国城市污水处理概况 新中国成立五十多年来，我国在水污染防治方面虽然做了许多工作， 在一定程度上控制了我国水污染扩大趋势，但由于多年来城市基础设施 建设滞后于经济发展，随着我国社会和经济的高速发展，环境问题日益 突出，尤其是城市水环境的恶化加剧了水资源的短缺，影响着人民群众 的身心健康，已成为城市可持续发展的严重制约因素。 我国未来水资源形势严峻。我国可通过水循环更新的地表水和地下 水的多年平均水资源总量为2 8 万亿m 3 ，按1 9 9 7 年人口统计，我国人均 水资源量仅为2 2 2 0 m 3 ，仅列世界第l2 l 位。预测到2 0 3 0 年我国人口增至 1 6 亿时，人均水资源量将降到l7 6 0 m 3 。我国被联合国列为世界上水资源 严重紧缺的2 1 个国家之一。并且水资源时空分布不均，造成南多北少， 东多西少的局面。城市严重缺水制约了经济的发展，影响了人民的正常 生活t ：】。 我国水环境污染状况也相当严重。根据2 0 0 2 年中国环境质量状况 公报：全国工业和城镇生活污水排放总量为4 3 9 5 亿吨，比上年增加 1 5 。其中城镇生活污水排放量2 3 2 3 亿吨，比上年增加0 9 。污 水中化学需氧量( c o d ) 排放总量13 6 6 9 万吨，比上年减少2 7 。其 中城镇生活污水中c 0 1 ) 排放量7 8 2 9 万吨，比上年减少1 8 。根据 2 0 0 1 年中国环境质量状况公报：2 0 0 1 年，全国工业和城镇生活污水排 放总量为4 2 8 4 亿吨，比上年增加3 2 。其中城镇生活污水排放量 2 2 7 7 亿吨，比上年增加3 0 。污水中化学需氧量( c o d ) 排放总量 14 0 6 5 万吨，比上年减少2 7 。其中生活污水中c 0 d 排放量7 9 9 万吨， 比上年增加8 0 【4 】。根据2 0 0 2 年广东省环境状况公报：广东省污水排 华南理工大学工学硕士学位论文 放总量4 9 0 4 亿吨，比上年有所减少。其中城镇生活污水排放量3 4 4 2 亿吨，占总排放量的7 0 19 ；有毒污染物( 氰化物、砷、汞、铬、挥 发酚等) 排放量9 3 27 吨，较上年稍有增加；石油类排放量7 4 1 9 7 吨， 比上年减少1 9 6 5 。 随着城市人口的增加和居民生活水平的提高，城市供水量和污水排 放量也在不断增加，而城市污水处理率一直很低。水体污染给人们的生 产和生活带来了一系列的不便：传染疾病，危害人体健康。水源污染 使一些地区的肠道病、肝炎、伤寒等流行病的发病率逐年上升。影响 工农业生产，降低经济效益。破坏城市水源，加剧了城市用水的供需 矛盾，同时增加了自来水的治水成本1 6 。因此，对城市污水的处理是追在 眉睫的事情。 1 9 9 9 年，我国城市生活污水污染负荷首次超过了工业污水污染负荷， 我国水污染控制的重点已经从工业点控为主的控制，逐渐转变到以城市 生活污水为主的控制。为改善我国水污染现状，建设部、国家环保总局、 科技部2 0 0 0 年5 月发布的城市污水处理及污染防治技术政策规定： 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 ，重点城市的污水处理率不低于7 0 。目前， 全国仅有15 8 万多公里下水道，城市污水处理率尚不到3 6 ，远远满足 不了国务院和建设部对城市污水处理规划的要求。因此，急需发展，研 制更为经济，更为高效或更为普遍适用的城市生活污水处理技术。 1 2 城市生活污水的特点 生活污水是人们在日常生活中所使用过的，并被生活废料所污染的 水，包括厨房、洗涤室、浴室等排出的污水和厕所排出的含粪便污水等。 这类污水含有较多有机物，如蛋白质、脂肪和糖类，含有洗涤剂以及病 源微生物和寄生虫卵，需要进行二级处理后才能排入水体、灌溉农田或 再利用。 使用家庭生活设施所产生的污水是生活污水的主要来源l b 】。随着科学 技术的进步和生活方式的多样化，人们对水的需求呈多样化趋势，越来 越多的不同成份的日常消费品的大量使用，使生活污水的组成成份复杂 化，有些地区，生活污水中还容纳一定数量和浓度的工业污水，成份更 加复杂1 9 ”1 。与工业污水相比，生活污水中污染物的浓度较低。在我国的 南方地区，下水道污水因雨水稀释，浓度更低。b u t l e r 等( 1 9 9 5 ) 的研 究表明【g 】，不同生活设施对生活污水的质量和数量影响是不相同的。其中 厕所卫生污水对生活污水组成成份的影响程度最大，它的氨盐含量高， 2 第一章绪论 排放时间集中在晚上，占夜间排放量的6 0 9 0 ；厨房洗碗污水中正 磷酸盐比例高，排放高峰期出现在6 ：0 0 7 ：0 0 和1 8 ：0 0 2 2 ：0 0 。居 民的生活习惯和作息时问因地区、季节和民族习惯而异，而家庭生活设 施的使用情况与当地经济条件、居民生活水平、年龄结构和消费群体等 密切相关。 综合各方面的资料表明，实旋城市生活污水处理的难点主要是： 城市生活污水成份日益复杂，各污染成份浓度较低，波动性很大，难以 正确评估生活污水的污染负荷及其昼夜、季节性变化，因而影响了城市 生活污水处理方法的正确选择，影响了处理工艺与污染物去除方案的合 理设计、出水水质的准确估计以及污水处理设施的正常运转f 8 ，- 】；现有 生活污水处理工艺设计大多在实验室或中试结果基础上，根据经验进行 大规模应用工艺设计，而在实际操作与具体实践中受外界环境变化的影 响很大【1 0 ，；城市生活污水处理工艺与技术的选择，还受到当地社会、 经济发展水平的制约和地方保护主义或其他人文因素的抵制，常常不是 采用最佳的处理工艺与处理技术【8 ，9 1 ；当地自然与生态条件( 如气温、 降水、风向和土壤等) 对所选择的处理工艺与处理技术有负面影响，使 其不能发挥正常效力【l o l 。 1 3 小型生活污水处理设施的发展 1 3 1 小型生活污水处理设施的产生 由于城市建设发展迅速，而市政配套的投入及建设往往滞后，导致 大量城市边缘地带的居住区、别墅区等生活污水无法进入城市污水系 统，一些旅游区、风景区、工厂矿山、部队营房及一些工业有机污水也 未经处理直接排入水体。另一方面显示，由于城市产业结构的不断调整， 城市生活污水的比重相对提高，因此，城市污水处理厂建设的投入和速 度，以及传统化粪池处理的效果，无法满足开益增加的生活污水处理的 需要，在特定的前提下，小型生活污水处理设施就成为解决此类问题的 新思路。 小型污水处理设施的研究与应用已有3 0 多年的历史，国际水质协会 己举行了4 次专门会议，涵盖了小型污水处理设施的设计、技术、管理、 操作、费用、改造及其在发展中国家的应用等多个方面 1 2 。l 。美国确定同 处理水量在3 8 0 0 m3 d 以下的为小型污水处理设旌】。林宜狮指出，l 9 7 5 年美国处理能力小于3 7 8 5 m 3 d 的小型污水处理站占公有污水处理厂总数 的8 5 以上，服务人口达7 5 0 0 多万m 】。而洛杉矶污水厂提供的资料表明： 3 华南理工大学t 学硕士学位论文 美国现有污水处理厂2 0 0 0 0 多个，其中小规模的占了相当一部分，处理 量约占总污水量的1 5 【1 7 】。 1 9 9 5 年国际水质学会( i a w o ) 第三次学术讨论会提出：人口当量在 2 0 0 0 以下或流量为2 0 0 m3 d 以下的污水处理设施为小型污水处理设施。 在对小型污水处理设旋的研究中尤以针对生活污水处理的小型处理 设施的开发利用为重点。 2 0 世纪7 0 年代始，日本、美国、以及欧洲的许多国家开始对小型污 水处理设施进行研究，近年来日本的许多公司都在生产成套污水处理装 置，以适应生活污水的处理需要【1 7 m l 。中国的科研工作始于2 0 世纪8 0 年代末， 陆续也研发了一些适合我国国情的小型生活污水处理设施。1 9 9 1 年王福庆等 开发了“微型生活污水净化器”；1 9 9 5 年周金生研制出了“无动力高效生活污 水净化装置”；1 9 9 5 年邵伟清等研制出了a 2 0 装置；1 9 9 6 年南京绿色环境系 统工程公司设计推出了g w 自净式生活污水处理装置等等【1 9 一】。江苏宜兴等城 市一些厂家开始生产成套的小型生活污水处理设施，并成为当地支柱产 业之一。 小型生活污水处理设旌一般采用以生物处理方法为核心的处理工 艺，处理水量小的仅有3 5 m3 h ，大的可到2 0 0 0 5 0 0 0 m3 d 或更大1 1 5 ，：】。 据o d e g a a d 等人的统计表明，目前世界上有数以百万计的小型生活污水 处理设施在运行。 1 3 2 小型生活污水处理设施的特点 小型生活污水处理设施具有如下特点： 1 ) 入流水质、水量变化大，需要设置调节池减少冲击负荷的影响： 2 ) 操作简单，维护费用低； 3 ) 处理效果稳定，产泥量少，剩余污泥以回归自然的处理方法为宜； 4 ) 较易实现自动化运行； 5 ) 与环境协调性好，大多数情况下尾水能就近排放，可作为地面水 体的补充水源。 1 3 3 小型生活污水处理技术的发展 小型生活污水处理常采用以生物处理法为核心的处理工艺，包括化 粪池、稳定塘、污水的土地处理、活性污泥法、生物膜法等。 i 化粪池 化粪池处理污水已有1 0 0 多年的历史，经过化粪池处理能够降低悬 浮物含量的7 0 7 5 和b o d ；的3 0 3 5 ，但仍难以达到污水综合排 4 第一章绪论 放标准的要求，因此还要经集中污水处理厂处理达标后排放。这样就造 成重复建设投资，而且降低了污水处理厂的效率，现在许多城市规定新 建小区禁止使用化粪池。 无动力污水处理装置作为一种改良型化粪池，正在许多南方城市中推广 使用。该装置无需动力，运转灵活【2 3 】，但土建费用较高，运行过程中不能适 应水质、水量的波动，也难以保证出水水质，在日本己禁止使用。 i i 稳定塘 稳定塘是利用塘水中自然生长的微生物( 好氧、兼性及厌氧) 处理 污水，而由在塘中生长的藻类的光合作用和大气复氧作用向塘中供氧。 用稳定塘处理污水已有l o o 多年的历史，但直到二战后才得以广泛应用。 在欧美国家，稳定塘主要应用于小型污水处理，美国1 9 8 3 年稳定塘数目 就达7 0 0 0 座以上，其中9 0 建在人口少于5 0 0 0 的小城镇。i 9 8 6 年稳定 塘被列入我国“七五”攻关课题，稳定塘在我国迅速发展起来1 。 利用稳定塘处理污水具有投资省、工程简单、运行费用低、运行操 作简便等优点。但同时有占地面积大、净化效果不好、容易产生卫生问 题等缺点。 i i i 污水的土地处理 土地处理系统主要利用土壤中的大量微生物分解污水中的有机污染 物，同时也可利用污水及其中养分灌溉土地上种植的作物1 。土地处理 系统可分为慢速渗滤、快速渗滤、地表漫流、湿地、地下渗滤等形式， 经常同氧化塘结合在一起使用。我国在“七五”期间对污水土地处理进 行了深入的研究，并编写了污水土地使用手册。土地处理系统在我国的 应用有沈阳西部城市污水慢速渗滤土地处理系统、北京市昌平县污水快 速渗滤土地处理系统、天津城市污水湿地处理系统等f 2 6 1 。 人工湿地污水处理技术对小型污水处理具有独到的优越性，可充分 利用自然条件，结构简单，造价和运行费用仅为传统工艺的1 l o l 2 t z ，】。 我国从南向北分布着大量的自然湿地，将这些湿地经过适当的人工处理， 发展人工湿地技术，具有广阔的空问。 i v 活性污泥法 活性污泥法是利用悬浮生长的微生物絮体( 这种微生物絮体叫做活 性污泥) 在水中的凝聚、吸附、氧化、分解和沉淀等作用，去除污水中 的有机污染物的水处理过程”“。该法自19 1 4 年首次在英国曼彻斯特建立 实验厂以来，由于环保事业的不断发展，该法在实际生产中不断革新改 进，特别是近3 0 年来，随着对其生物反应和净化机理的广泛深入的研究， 5 华南理工大学工学硕士学位论文 以及该法在生产应用技术上的不断改进和完善，使其得到了迅速发展， 新技术不断涌现，并在工程中得以广泛应用，如完全混合法、渐减曝气 法、纯氧曝气法、深井曝气法、s b r 、氧化沟等。目前，活性污泥法已成 为城市污水、有机工业污水的有效处理方法和污水生物处理的主流方法 之1 2 9 1 。 由于小型污水处理厂的水量、水质变化较大，活性污泥法对冲击负 荷又特别敏感，因此规模太小的污水厂不宜采用活性污泥处理工艺。瑞 士东部地区的12 7 个小型污水处理厂中( 1 0 0 0 人口当量) ，只有8 个利 用了活性污泥工艺1 3 0 。挪威环境污染控制局1 9 8 7 年对现有的小型污水处 理厂调查后认为，活性污泥法经常会因冲击负荷引起污泥流失，运行难 以控制。因此建议采用生物膜法处理小型污水，如选用活性污泥法，需 要设置单独的污泥【圳。 氧化沟和s b r 作为活性污泥法的发展，对小型污水来说难以控制， 也很少应用。延时曝气工艺的水力停留时间长，处理成本高。由于经济 发展水平的限制，在我国也不宜推广使用。 v 生物膜法 生物膜法与活性污泥法是污水处理中并列的两个方法。该法是指使 微生物群体附着于其它物体表面呈膜状，并让它和被处理污水接触而使 污水得到净化的污水生物处理方法。生物膜法的主要设备有生物滤池、 生物转盘、生物流化床等。 生物滤池在小型污水处理中应用不是很多，在我国关于曝气生物滤 池、蚯蚓生物滤池 3 2 1 的研究很多，但实际工程应用较少。 生物转盘技术始于德国，在西方国家得到广泛应用。瑞士规模小于 1 0 0 0 人口的小型污水处理厂近5 0 采用了生物转盘技术，英格兰西北部 的2 9 个小型污水处理厂中，有2 1 个利用了生物转盘m 】。生物转盘在我 国已有应用，济南市南郊宾馆污水处理及回用工程利用了三级和四级转 盘并联，运转良好。 新型合成材料的出现，促进了以此作为填料的生物接触氧化技术的 发展。生物接触氧化技术是我国小型污水处理的主要工艺。东莞市珠江 花园小区污水治理工程、盐城市毓龙小区污水治理工程、山西省洛安矿 务局五阳煤矿工人新村生活污水治理工程以及北京西客站建筑中水工程 都利用了生物接触氧化技术【3 4 】。 v i 生物法的组合工艺 随着现代工业迅速发展，城市和工业污水排放量加大，水质水量的 6 第一章绪论 不稳定性日益加剧，污水中难降解有机物的种类和数量不断增加，普通 活性污泥法和生物膜法这些传统的生物处理法的不足日益暴露出来。为 适应污水处理发展的要求，人们不断改进传统的生物处理方法，已经开 发出许多新工艺，这些新工艺多是采用新型多单元组合工艺，旨在充分 利用各单元的功能，以适应同益复杂的水质，提高处理效果】。 为了在原有活性污泥工艺基础上，提高曝气池内生物量，增强污水 处理能力，克服污泥膨胀，提高运行稳定性，人们发明了在曝气池中投 加载体的方法，即在曝气池中投加各种能提供微生物附着生长表面的载 体，利用载体容易截留和附着生物量大的特点，使曝气池中同时存在附 着相和悬浮相生物，充分发挥两者的优越性，使之扬长避短，相互补充。 我们将这种反应器称为复合生物反应器( h y b r i db i o l o g i c a lr e a c t o f ) 。 这里，复合是指反应器中同时存在附着相和悬浮相生物。附着相和悬浮 相生物的污泥停留时间( s r t ) 是不同的，这对于同时去除有机物和硝化 非常有利。除了对硝化的积极影响外，还常发现可明显改善活性污泥沉 降性能。吴立波等人1 3 6 1 采用投加多孔悬浮载体所构成的复合反应器处理 生活污水，并与普通活性污泥法进行比较。试验表明复合反应器的c o d n h 。n 、t - n 处理效果都好于对照反应器，在试验负荷下，复合反应器污 泥的反硝化活性远远大于对照反应器。 澳大利亚专家将普通活性污泥法和s b r 法结合为一体，开发了 d a t i a t 新工艺，d a ti a t 是d e m a n da e l - o b ict a n k if 1 t e r m i t t er l ta e r o b ic t a n k 的缩写形式，是由一个连续曝气池串连一个间歇曝气池组成的耨工 艺。该工艺保持了s b r 法的优点，又改进了其不足之处。桑义敏等人1 采用d a t i a t 工艺处理生活污水，研究结果表明，进水c o d 。，浓度与c 0 1 ) 。 平均去除率近似于正比关系( 进水c o d 。，在1 0 0 7 0 0 m g l 时) ；c o d 。，去除 率随i a t 反应时间的延长而增加；d a t 连续曝气能有效防止进水污染出 水，提高系统去除效果，而且使d a t i a t 工艺具有处理高浓度有机工业 污水的潜力。 姜科军等 3 0 1 通过设计和生产规模测试，开发了一套一体化污水处 理和中水制备的专利装置，该装置采用射流曝气接触氧化工艺，无风 机噪音，减少了对周围环境的影响。经接触氧化之后，采用负荷能力 高的斜板沉淀和双层过滤池。滤池分为4 格，反冲洗时逐格进行，省 去了反洗水箱和水泵，简化了流程。氧化、沉淀、过滤3 个主要部分 组成一个整体。该装置具有紧凑高效、占地少、无风机噪音、管理方 便等优点。 陈新等j 对应用射流曝气压力反应器膜处理生活污水进行了试验 华南理工大学工学硕士学位论文 研究。该工艺综合了“高速射流曝气法”、“压力式反应器”和“微孔过 滤”三项技术，以提高反应器的容积负荷率、供氧动力效率和氧利用率。 通过对生活污水处理的试验研究表明，在h r t 为1 3 小时，反应器内压 力在0 2 m p a 以下，气水比为1 3 的情况下，膜生物反应器容积负荷达 到15 4 l k g c o d 。，m3 d 以上，c 0 1 ) 。，去除率达7 5 以上。 对生活污水的防治，国外主要是采用两种方式。一是建立大型集中 污水处理厂，另一是建立小型污水净化装置，进行就地处理，现以日本 情况为例作一分析1 4 0 - 4 3 1 。日本根据实际情况增设下水道设施，建立生活 污水处理厂，进行集中处理。日本的下水道普及率还不高，因为增加下 水道的铺设率需巨大的投资，并且单凭增设下水道在短时间内很难彻底 解决生活污水的处理问题。为此，日本政府要求在小区、中小型企事业 单位、家庭住宅安装生活污水净化装置，以改变原来只对粪便进行处理 而其他生活污水直接排放的处理方式。在日本推行的生活污水处理装置 大都是将厌氧处理、好氧处理、沉淀、消毒等工艺过程集中于一套装置 内进行。其中应用较广泛的是“石井式”生活污水处理装置。该装置采 用y a k u l t 填料作为生物膜载体，采用简单的机械装置均衡水量。其成本 低，出水水质好、污泥量少、结构紧凑、易于实施和维护。许多“石井 式”生活污水处理装置在日本各地成功运行着，出水的b o d 。达到1 m g l ， 远低于日本国家标准2 0 m g l 。但“石井式”净化装置也存在明显不足， 如污水的水力停留时间长，容积负荷低等。另外，非洲吉布提共和国独 户住宅的生活污水处理装置】、马来西亚的无动力s s 型及有动力s a t s 型、h i k l e e n 型生活污水处理装置】也说明了利用小型污水净化装置进 行生活污水处理的广泛性。 小型生活污水处理设施采用生物法处理生活污水，无论在实验室水 平还是在实际应用上均取得了一定的进展。但各种处理技术还存在着这 样或者是那样的不足，研究开发操作简单、占地面积小、低噪声、运行 费用低、适应性强的小型生活污水处理设施具有重大的现实意义。 1 4 生物转盘的应用研究状况 早在1 9 0 0 年，德国韦加德( w e i g a n d ) 便第一个提出用生物转盘处 理污水，但由于当时的技术和材质的原因，该项技术一直没有得到发展。 一直到2 0 世纪5 0 年代中期，研究工作才开始取得一些进展，并于1 9 5 4 年在原西德海尔布隆污水处理厂建成第一套半生产性的生物转盘反应 器。在生物转盘的理论研究和实用化方面，德国斯图加特工业大学的勃 别尔和哈特曼教授进行了大量的工作，为生物转盘的发展奠定了基础，。 8 第一章绪论 自6 0 年代起，生物转盘技术在欧、美、日等国得到了迅速的发展。 生物转盘适用范围十分广泛，现已在化纤、石化、印染、制革、造纸、 煤气等行业的工业污水处理以及医院污水、生活污水的处理中得到应用， 取得了较好的效果。从国内到国外，小规模工业污水到大规模城市污水， 从低浓度到高浓度有机污水，都有应用生物转盘获得成功的实例。 我国于1 9 7 2 年开始对生物转盘技术进行研究，并在工业污水和生活 污水的处理中得到应用，取得了较好的效果。 宁薇i 通过试验比较了厌氧生物塘、厌氧塘好氧塘、生物转盘一 好氧塘和生物转盘一化学混凝四种工艺组合方式处理漂染污水的可行 性。研究发现，对出水水质要求较高的漂染厂，可采用生物转盘一化学 混凝工艺。该工艺处理效果好，相对来说费用较高。污水在生物转盘停 留2 4 小时后，进入混凝池，用聚合铝做混凝剂，投药量1 5 0 m g l ，c o d 去除率9 1 2 ，色度去除率9 3 3 ，s s 去除率9 7 3 。 在墨西哥，r ，p i s l a s 4 8 】采用生物转盘反应器来处理玉米加工污水。 利用生物转盘在转动过程中周期性地与污水及空气接触，转盘上的生物 膜可以不断地吸附并降解污水中的有机废弃物，而转盘上的生物膜可被 周期性地刮落更新。处理时用自来水将污水按1 ：3 稀释，以使进水c o d 在6 4 0 0 m g l 左右，停留时间为2 5 天。经生物转盘反应器处理后的玉 米加工污水，无气味、略带棕色，再经活性炭处理后即可变为无色。此 外，对转盘上的生物膜进行成分分析后可知，它含有多种氨基酸，因此， 所形成的生物可作为动物饲料，这是r b c 的一个非常重要的经济价值。 郭养浩等 4 9 1 采用固化光合细菌的转盘式生物反应器处理味精污水， 结果表明在好氧( 微氧) 条件下，c o d 。，去除能力比厌氧条件下强；在无 曝气条件下，高浓度物料易导致厌氧发酵。其转盘直径为1 0 c m ，转盘的外 缘线速要小于0 5 2 m s ，最佳转速为8 0 r m i n 。采用预酸化一厌氧一好氧 串联工艺处理味精污水，系统运行稳定，c 0 1 ) 。，的去除率达9 2 以上，同 时可产具有应用价值的富含光合细菌的污泥。 张无敌等人1 5 0 用生物转盘处理食堂高浓度有机污水，研究了各盘片 上的微生物种类和数量，考察了转盘上微生物的分布。研究发现滞留期 长即有机负荷低，生物膜相对较薄：而滞留期短即有机负荷高，生物膜 相对较厚。用生物转盘处理食堂高浓度污水时c o d 、n h 。一n 和n o 。一n 的变 化完全符合理论规律。处理水质符合国家排放标准。用生物转盘处理食 堂高浓度污水是可行和成功的。 黄民生等人】对白腐真菌生物膜反应器处理染料生产废水进行了深 入的实验研究。染料生产废水具有c o d 高，色度高、盐度高和b c 低的 9 华南理t 大学t 学硕十学位论文 “三高一低”特点，属于极难生化的有机工业废水。其中c o d 。，一般在 3 5 0 0 4 0 0 0 m g l 之间，b o d 。在7 0 1 0 0 m g l 之问，色度达1 8 0 0 0 2 5 0 0 0 倍，氯离子含量在8 0 0 0 2 0 0 0 0 m g l 之间。研究利用了曝气生物滤池、 生物接触氧化池和生物转盘三种生物膜反应器进行。其中实验用聚氨酯 生物转盘反应器总容积为6 l ，有效容积为3 5 l ，聚氨酯泡沫塑料板2 2 片，平均直径1 4 m m ，总表面积约为2 0 0 0 c m2 。探讨了脱色、p h 、c o d 去除 与运行方式、反应器形式等因素之问的关系。结果表明，间歇式运行中， 3 种反应器对染料生产废水的主要脱色作用都发生在2 4 h 内，最终脱色率 和抗杂菌污染的能力均以组合填料生物接触氧化反应器最强，c o d 去除率 却以生物转盘反应器最高。 苏国先等【5 2 】也对生物转盘处理餐饮污水进行了研究，考察了处理效 率与转盘转速之间的关系。1 9 97 年，华南理工大学工业装备与控制工程 学院环保装备研究室研制出了生物转筒反应器，他们用生物转筒反应器 与普通的生物转盘反应器进行了对比试验，透过试验证明该反应器在处 理餐饮污水方面比传统的生物转盘具有更高的处理效率，在相同的运行 条件下，生物转简反应器对污水的3 0 9 。和c o d 。，去除率分别要比生物转盘 反应器高2 0 个百分点以上。 此外，陈鸣利对被动生物转盘进行了研究 5 3 1 。叶虹 s a l 进行了气动生 物转盘的设计，并研究了该反应器的特性。霍明昕等人【5 5 】进行了生物转 盘动力学分析并对数学模式进行了探讨。这些研究对生物转盘的应用起 到了积极的作用，对生物转盘技术的进一步发展奠定了基础。 实践发现，生物转盘具有以下优点“6 ”1 ：( 1 ) 微生物浓度高，如以 5 m g c m2 的生物膜量来考虑，折算成氧化槽内的混和液浓度，可高达 1 0 0 0 - - 2 0 0 0 0 m g l ：( 2 ) 生物相分级，这对微生物的生长繁殖和有机物的 降解非常有利；( 3 ) 具有硝化和反硝化的功能。这是由于其污泥龄长， 像硝化菌等世代时间长的微生物可以在转盘上繁殖：4 ) 适用范围广。生 物转盘对1 3 0 d 高达1 0 0 0 0m g l 以上的高浓度有机污水和1 0m g l 以下的 超低浓度污水都具有良好的处理效果：( 5 ) 由于生物转盘缓慢均匀地在 水中转动，水与盘片之间产生剪切力，可持续均匀地将过剩的生物膜除 去，因而可控制污泥的过度生长，盘片之间不会阻塞：( 6 ) 污泥产生量 少，且宜于沉淀；( 7 ) 不需要曝气和污泥回流装置，因此动力消耗低；( 8 ) 环境效果好，不产生滤池蝇，不散发臭味，不出现泡沫，也不产生噪声： ( 9 ) 不产生污泥膨胀和二次污染问题，便于维护和管理。其缺点：( 1 ) 占地虽比活性污泥法少，但仍然较大；( 2 ) 盘材昂贵、基建投资大；( 3 ) 处理含挥发有毒污水时，对大气污染严重：( 4 ) 运行不稳定、操作困难。 第一章绪论 1 5 射流器在污水处理中的应用 用生物法处理污水是一种高效节能、无副作用的技术，而其中较重 要的型式是好氧悬浮生长系统。曝气是好氧悬浮生长系统活性污泥法的 核心，它是指通过采用相应的设备和技术措施，使空气中的氧转移到混 合液中而被微生物利用的过程。曝气的主要作用为充氧、搅动和混合。 充氧的目的是向活性污泥微生物提供所需的溶解氧，以保障微生物代谢 过程的需氧量。通常曝气池出口的溶解氧浓度应控制在2 m g l 以上。混 合和搅动的目的是使曝气池中的污泥处于悬浮状态，从而增加污水与混 合液的充分接触，提高传质效率，保证曝气池的处理效果 4 6 1 。常用的曝 气设备有鼓风、表面曝气和射流三种型式。 射流是指从各种排泄口射出或靠机械推动流入周围另一流体域内 的一股运动流体 57 1 。射流器( 亦称射流泵、喷射泵、喷射器等) 内不 设运动部件，它结构简单，工作可靠，无泄漏，具有卷吸和掺混作用， 在工业生产中能够使工艺流程和设备大为简化，因此在国内外越来越广 泛地应用于多个技术领域1 5 8 1 。将射流器作为曝气设备用于处理污水， 最早是在1 9 4 7 年，由美国d o w 化学公司处理其含酚污水，采用压力供 气j 。2 0 世纪5 0 年代美国宾州大学k o u n t z 指出，当射流器的工作介 质是活性污泥混合液，在压力为0 1 7 0 2 l m p a 下循环流动时，溶解氧 速率是喷嘴的函数。随后在牛奶污水的活性污泥法处理中应用了射流曝 气系统【6 0 j 。 2 0 世纪6 0 年代末、7 0 年代初，联邦德国b a y e r 化学公司采用获得 专利的四个一组安装的射流器，以压力供气方式处理化工污水。联邦德 国威尔定根化工厂1 9 6 5 年开始用射流曝气进行污水生化处理试验，1 9 7 5 年正式投产，每天处理2 4 0 0 0 m 3 工业污水。日本九州的日明水厂在扩建工 程中采用了压力送风射流器，处理污水量为8 4 0 0 0 m3 d 。在夏季曝气池水 深l0 m 的条件下，充氧动力效率为1 8 2 o k 9 0 。k w h ，比平行运行的4 5 m 深的鼓风曝气( 扩散板) 略高一些 6 0 1 。 2 0 世纪8 0 年代，德国b a y e r 和h o e c h s t 两大化学公司完成了采用“高 塔射流曝气活性污泥法”处理化工污水的扩建工程，日处理污水量分 别为16 和1 0 万m 3 4 1 。它们采用获得专利的狭缝射流器和径向射流喷嘴 进行曝气。这两种压力供气式射流器结合高塔( 水深2 5 3 0 m ) 型反应器， 强化了氧的分布、溶解和利用，减轻了气泡并聚，提高了氧的利用率， 可使充氧动力效率达到3 8k g o 。k w h 。近年来，德国c 1 0 u s t h a l 工业 大学的v o g e l p o h 等人在类似化工上环流反应器中使用了中心部分进气， 华南理t 大学工学硕士学位论文 边缘部分为高速工作水流的射流器，在中试规模下处理啤酒和造纸生产 污水1 6 0 1 。1 9 9 9 年法国m o r c h a i n 等人用计算流体动力学方法模拟射流曝气 器在横向流的影响下的性能并获得满意结果【6 2 】。 国内用射流曝气处理污水的试验研究工作始于1 9 7 3 年，由湖北轻工 研究所和武汉建材学院等单位进行了射流器清水充氧试验研究工作。 1 9 7 5 年西安市污水处理厂在佳木斯自来水公司对地下水利用射流充氧除 铁除锰的启发下，提出了污水生物处理用射流充氧的办法来代替鼓风曝 气头和表曝的叶轮，设计和安装了一套处理能力为8 5 m3 d 的污水处理曝 气装置，经过试验于1 9 7 6 年取得成功。1 9 7 8 年开始，同济大学等单位从 城市及工业污水的处理工艺、活性污泥生物学特性等方面对射流曝气进 行了较为系统的研究，并在生产规模下将射流曝气用于处理屠宰污水和 丝绸印染污水j 。北京市政设计院研究所研究了所谓的“i i 型射流器” 的充氧性能，并在生物接触法中使用这种射流器来处理两种工业污水( 感 光胶片生产中的涂布污水和地毯染沙污水) ，规模为中试f 6 4 】。2 0 世纪8 0 年代末，同济大学李天璨等开发出具有转向锥体机构的射流器，在清水 充氧和实际应用中具有较高的充氧能力。他们还对射流器的传质和剪切 分散性能进行了理论分析和实验研究】。2 0 世纪9 0 年代末，清华大学孟 立新等开发出集曝气与搅拌于一体的新型射流器，其清水充氧能力达到 了日本同类产品的水平，并应用到s b r 工艺中【6 6 】。 射流器构造简单、运行可靠，尤其适合于中小型污水处理装置的曝 气。对射流曝气器的研究，主要集中在对射流器结构与充氧原理方面的 探讨，目前射流器形式多样，应用条件也不同，因此探讨各种射流器的 结构及充氧原理，比较它们的优缺点，发展更为理想的曝气射流器形式， 特别是针对已有射