（市政工程专业论文）利用城市污水厂污泥生产水处理填料研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 给水处理厂污泥和城市污水处理厂污泥是水处理过程中产生的固体废弃物， 数量巨大，成分复杂。为了保证处理厂的正常运行，防止产生二次污染，必须对 污泥进行处理处置传统的各种污泥处置方法不同程度地存在一定的局限。因此， 寻求经济有效的水处理厂污泥利用途径已成为目前备受关注的课题之一填科是 生物膜法的核心部分，其性能直接影响和制约着水处理工艺的处理效率。污泥陶 粒填料就是污水厂污泥及净水厂污泥资源化、固相烧制技术和生物膜工艺相结合 的产物。论文从污泥陶粒填料的配方设计、烧制工艺以及填料的物理学、生物学 特性方面对污泥陶粒填料进行了试验研究，得到以下结论： 通过混料设计试验、单因素试验及正交试验。获得了污泥陶粒填料的最佳 配方配比以及烧制工艺，成功地研制出以水处理污泥为原料的轻质多孔生物载体 填料。与普通陶粒填料相比，污泥陶粒填料表面粗糙度高、表面微孔有效孔容大， 从填料的物理性能指标上看污泥陶粒填料具有良好的水处理填料应具备的特性。 以三种污泥陶粒填料和普通陶粒填料等四种填料进行废水挂膜对比试验， 结果表明：污泥陶粒填科挂膜速度快且挂膜率高，比普通陶粒填料更利于微生物 附着和增殖其中以勰污泥陶粒填料挂膜效果为最好终期挂膜量的测定显示： 错污泥陶粒填料的终期挂膜量是普通陶粒填料的2 5 倍。因此，污泥陶粒填料是一 种理想的废水生物处理填科。 以三种污泥陶粒填料和普通陶粒填料等四种填料进行的废水处理适应性 对比试验结果表明：污泥陶粒填料在挂膜启动过程中对污染物的去除效果稳定， 挂膜成功后对c o d 、n h 3 n 和t p 均取得了较好的去除率，分别达到了8 5 、8 0 和6 0 。整个挂膜启动试验中，三种污泥陶粒填料对污染物的去除效果较普通陶 粒填料更好且更稳定，其中2 。污泥陶粒填料表现了较突出的污染物去除能力和水 处理性能 对污染物去除效果的分析表明：有机负荷、水力停留时间和温度对污染物 的去除效果均有显著影响，d o 在一定范围内影响显著。三种污泥陶粒填料表现出 了优于普通陶粒填料的污染物去除率和更稳定的去除效果，其中2 。污泥陶粒填料 表现最为突出 三种污泥陶粒填料的水处理适应性对比试验结果显示：本研究获得的2 。 污泥陶粒填料为一种良好的污水处理填料，其配比为：污水厂千污泥为4 0 、净 水厂干污泥为6 0 。 关键词：水处理污泥，污泥陶粒填科，生物膜载体，水处理适应性 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c i i a l a r g ea m o u n to fs l u d g eo fc o m p l e xc o m p o n e n t si sp r o d u c e di nt h ep i 0 c e $ so f d r i n k i n gw a t e ri r c a l m c n ta n dw a s t e w a t e l i z e a l 卫a c n t i nc a s eo f 纽ys e c o n d a r yp o l l u t i o n a n da n yb a de f f e c t0 1 1t h et r e a t i n ge f f i c i e n c y , t h es l u d g es h o u l db et r e a t e d 锄dd i s p o s e d p r o p e r l y t r a d i t i o n a lw a y so fs l u d g ei z e a t m e n t 锄dd i s p o s a la l lh a v ec e r t a i nd r a w b a c k s t h u ss e a r c h i n gf o r 缸e c o n o m i c a l 觚de t f e e t i v ew a yt oi u s ct h es l u d g eh a sr e c e n t l y b e c o m eo n eo ft h ei n c r e a s i n g l ye o r l e e m c di $ s u e $ i ne a v i r o n m m t a ls c i e n c e m e d i ai sa k e yf a c t o ri nt h ea t t a c h e d - g r o w l t lp i o s $ i t sp e r f o r m a n c es h o u l dh a v ed i r e c ti n f l u e n c e s o l lt h ee f f i c i e n c yo ft h ep i o 蟠s l u d g e - m a d e r a m i cl l a c d i a i sap r o d u c to ft h e c o m b i n a t i o no fs l u d g er e t l s a g e , p o t t e r yf i r i n gt e e l m i ea n db i o f t l mp l l o s $ t h i s d i s s e r t a t i o nc a r r i e do u tat h o r o u g hs t u d y0 1 1t h eo p t i m a lr a t i oo fl a wm a t e r i a l s , o p t i m a l p r o d u c i n gp r o c e s sa n dt h ep h y s i c a l 锄db i o l o g i c a le h a z a c t e r i s t i e so fs l u d g e - m a d e c e r a m i cm e d i a t h ec o l i c l u s i o n s 越a sf o l l o w s ： t h r o u g ham u l t i p a l - 删r a t i od e s i g ne x p e r i m e n t , as i n g l e r f a e t o re x p e r i m e n t 缸l da 1 1o r t h o g o n a le x e m p t , t h eo p t i m a lr a t i oo fl a wm a t e r i a l sa n dt h eo p t i m a l p r o d u c i n g p r o c e s s w a s o b t a i n e d a n e w t y p e o f p o r o u s l i g h t m e d i a m a d e o f s l u d g e f r o m w a t e l i z c a t l n 既tp l a n t sa l o n ew a ss u c c e s s f u l l yg a i n e di nt h e 朗正c o m p a r e dw i t h o r d i n a r yi 七b l t 8 l a i cm e d i a , t h i sm e d i ah a sac o a l - s e a s l l r f a t a n dal a r g e ra v a i l a b l ep o r e v o l u m e , w h i c ha n a b l e si t 幻b eco n s i d e r e da s 粗i d e a lm e d i af o rw a s t e w a t e t i r e a t m e n t t h r e et y p e so fs l u d g e - m a d ec 黜n i cm e d i aa l o n gw i t l lo r d i n a r yc e r a m i cm e d i a w a p p l i e di nb i o m a s sa t t a c h m e n te x p r i m e n t s 幻c o n d u c tp a r a l l e ls t u d i e s t h er e s u l t i n d i c a t e st h a ts l u d g e - m a d ec e r a m i cm e d i aa t e l a i e v c dab e t m , e f f i e i e l l e yt h a d lo r d i n a r y c e r a m i cm e d i aw i t hb o t hl a i g l a e rs p e e da n dl a r g e rb i o m a s s s l u d g e - m a d ec i 舶1 3 1 i cm e d i a i sm o l ep r e f e r a b l ef o rm i c r o o r g a n i s ma t t a e l m a e n ta n dr e p r o d u c t i o na m o n gw h i c ht h e b a t c hm a r k e d 勰n o 2h a s 曲幛b e s te t t i e i e n c y t h ed e t e r m i n a t i o no ff m a la t t a c h e d b i o m a s ss h o w st h a tt h eb i o m a s s0 1 1n o 2s l u d g e - m a d ec , a r a l n i cm e d i ai s2 5l i m e so ft h a t o no r d i n a r yi 搬 i l m i cm e d i a , w h i c hp r o v e st h a ts l u d g e - m a d ec l 奠 a l n i cm e d i ai si n d e e d 姐 i d e a lm e i d af o rw a s t e w a t e a - i z e a l l n e n t t h er e s u l t so fp a r a l l e lw a s t e w a t 舡- t r e a t i n ge x p e r i m e n t ss h o wt h a ts l u d g e - m a d e c e r a m i cm e d i ae n j o y s 趾e f f i c i e n c yo f8 5 。8 0 a l a d6 0 i nr e s p e c t i v e l yc o d ，n i - 1 3 一n a n dt pl r e a l l n m ld u r i n gt h ew h o l ep r o c e s s , a nt h r e ec a t e g o r i e so fs l u d g e - m a d e 重庆大学硕士学位论文 c e r a m i cm e d i as c cah i g h e ra n dm o f os t e a d ye f f i c i e n c yt h a no r d i n a r yc e r a m i cm e d i a n o 2s l u d g e m a d ec e r a m i cm e d i as t i l ls t a n d so u ta st h eb e s t ( 9t h es t u d yo nt h et r e a t m e n te f f i c i e n c yr e v e a l st h a to r g a n i cp o l l u t a n tl o a d ，h r t a n dt e m p e r a t u r es h o u l dh a v es i g n i f i c a n te f f e c t so nt h ei r e a t m e n te f f i c i e n c y , w h i l ed o c 越a l s oc a s tn o t a b l ee f f e c t sw h e ni si nc e r t a i nr a n g e a l lt h r e ec a t e g o r i e so f s l u d g e m a d ec e r a m i cm e d i as e eal a g h e ra n dm o r cs t e a d ye f f i c i e n c yt h a no r d i n a r y c a i l l i cm e d i ai nav a r i a b l es i t u a t i o n n o 2s l u d g e - m a d ec e r a m i cm e d i as t i l ld e l i v e r st h e b e s tp e r f o r m a n c ei na l lc a s e s t h ep a r a l l e ls t u d yo ft h r e ec a t e g o r i e so fs l u d g e m a d ec 咖i cm e d i ar e v e a l s t h a tn o 2s l u d g e - m a d ec e r a m i cm e d i ai sa ni d e a lm e i d af o rw a s t e w a t e ri r e a t m e n li ti s p r o d u c e dw i t har a t i oo f3t o2o fs l u d g ef r o md r i n k i n gw a t e rp l a n ta n ds l u d g ef r o m w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t k e y w o r d s ：s l u d g ef r o mw a t e rt r e a t m e n t , s l u d g e - m a d ec e r a m i cm e d i a , d i o f i l mc a r r i e r , w a s t e w a t e rt r e a t i n ga d a p t a b i l i t y i v 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注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我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。 学位论文作者躲嗣降磐字日期：叼年印月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重宏太堂有关保留、使用学位论文的 规定，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 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将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、汇编学位论文 保密() ，在年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打。”) 学位论文作者签名：膨号寸岔寸形色 导师签名： 弓驴彳 签字日期：伽刁年印月弘日 签字日期：功7 年，月知e t l 前言 i 前言 1 1 我国城市污水处理的发展 城市污水厂污泥是城市污水处理过程中产生的固体废弃物。废水处理工艺产 生的生物污泥约占处理水量的o 3 o 5 ( 含水率以9 7 计) ，数量增长迅速。 根据中国环境年鉴( 1 9 9 卜2 0 0 5 ) 统计，1 9 9 5 年全国有城市污水处理厂1 4 1 座， 污水处理量6 9 0 x 1 0 8 岔a ，污水处理率为1 9 6 9 ，含水率为8 0 的污泥产量为 6 9 0 x i 0 4t ，干污泥产量为1 3 8 x i 0 4t ；2 0 0 5 年全国有城市污水处理厂7 9 2 座，污水 处理量1 8 6 0 0 x 1 0 8m 3 a ，污水处理率为5 l 。7 ，含水率为8 0 的污泥产量为l 8 6 0 x i 0 4t ，干污泥产量为3 7 2 0 x 1 0 4t ，分别是1 9 9 5 年的5 6 倍、2 6 3 倍和2 7 倍。 1 9 9 1 2 0 0 5 年我国城市污泥产量概况见表1 1 。根据中国环境保护2 0 1 0 年远景目标 纲要，到2 0 1 0 年，所有城市的污水处理率不得低于6 0 ，直辖市、省会城市、计 划单列市和风景旅游城市的污水处理率不得低于7 0 。2 0 1 0 年全国城镇的污水处 理率应达到5 0 ，5 0 万人以上的城市及重点流域和水源保护区内的中小城市及村 镇都将建设污水处理厂根据有关预测，我国城市污水排放量在未来二十年还会 有较大增长，2 0 1 0 年污水排放量将达到4 4 0 x 1 0 8m 3 a ；2 0 2 0 年污水摊放量达到 5 3 6 x i 0 8m ，a 。预计到2 0 1 0 年污泥产量将是目前的2 倍，如此大量的城市污泥如 得不到妥善处置将对环境造成二次污染 由于我国污水处理界一直有“重水轻泥”倾向，且由于污泥处理的投资和运行费 用极大，可占整个污水厂投资及运行费用的2 5 4 0 懦，甚至高达6 0 ，已成为 城市污水处理厂所面临的沉重负担，大量没有经过无害化处理的污泥被弃置，造 成二次污染，严重影响了污染治理的实际成果，并给当地的生态环境带来了严重 的安全隐患。因此，城市污水厂污泥的处理处置已成为我国当前面对的重要环境 问题之一，妥善解决城市污水处理厂污泥的处理处置问题，是十分艰巨而紧迫的 任务，具有十分重要的意义 表1 1 1 9 9 1 - 2 0 0 5 年我国城市污水厂污泥产量概况 城市污水 污水年排放总量 污水处理量污水处理 污泥产量( i o t ) 年份 含水率为 处理厂，座 ( 1 0 。m 3 - a 1 )( 1 0 s m - a 1 ) 率， 干污泥 8 0 1 9 9 18 7 2 9 9 7 4 4 51 4 8 64 4 58 9 1 9 9 2 l o o3 0 1 85 2 21 7 2 95 2 21 0 4 4 1 9 9 3 l 3 1 1 36 2 32 0 0 26 ”1 2 4 6 1 9 9 41 3 9 3 0 3 05 1 81 7 1 05 1 81 0 3 6 重庆大学硕士学位论文 城市污水 污水年捧放总量污水处理量 污水处理 污泥产量( s o t ) 年份 含水率为 处理r f 照 ( 1 0 8 m 3 - a 。1 、 ( 1 0 s m 3 a 1 1 率， 干污泥 8 0 1 9 9 51 4 13 5 0 36 9 o1 9 6 96 9 01 3 8 1 9 9 6 3 0 9 3 5 2 88 3 32 3 6 28 3 31 6 6 6 1 9 9 73 0 7 3 5 1 4 9 0 82 5 8 4 争0 81 8 1 6 1 9 9 83 9 8 3 5 6 3 1 0 5 32 9 5 610 5 32 1 0 6 1 9 9 94 0 23 5 5 71 1 3 63 1 9 311 3 62 2 7 2 2 0 0 0 4 2 7 3 3 1 81 1 3 6 3 4 2 s 11 3 62 2 7 2 2 0 0 l4 5 2 3 2 8 6 1 1 9 73 6 4 311 9 72 3 9 a 2 0 0 25 3 73 3 7 61 3 4 93 9 9 7l3 4 92 6 9 8 2 0 0 36 1 23 4 9 21 4 8 04 2 3 9l4 8 02 9 6 o 2 0 0 57 9 2 3 6 0 o 1 8 6 05 1 718 6 03 7 2 0 1 2 生物膜载体填料的发展概况 污水生物处理的主要去除对象就是里溶解态和胶体态的有机污染物质，利用 微生物的新陈代谢作用使之转变成为稳定的无害化物质。按照污水处理生物反应 器中微生物的生长状态，污水处理可分为悬浮型生长工艺和附着型生长工艺。前 者以活性污泥法为代表，微生物在曝气池内以活性污泥的形式呈悬浮状态，而后 者则以生物膜法为代表，微生物以膜的形式固着在某种载体的表面上。活性污泥 法是目前应用最广泛的一种生物处理工艺，具有处理能力高、出水水质好等优点， 但传统的活性污泥法的基建与运行费用较高、能耗较大、管理也较复杂、容易发 生污泥膨胀和污泥上浮等问题。近二十年来，随着新型材料的开发和配套技术的 不断完善，与活性污泥法平行发展起来的生物膜工艺技术得以快速发展，这是因 为通过生物膜细胞固定技术相对于传统活性污泥法对比具有很多突出的特点和优 势，包括：具有对污水的水量和水质有较强的适应能力、污泥沉降性能良好、易 于管理维护、具有一定的脱氮功能、可以维持较高的污泥龄，生物相相当稳定。 在生物膜工艺中，微生物附着在载体表面生长而形成膜状，当污水流经载体 表面，与生物膜接触的过程中，污水中的有机物被微生物吸附、降解，最终转化 为h 2 0 、c 0 2 、n h 3 和微生物的细胞物质，污水从而得到净化【l j 生物膜反应器可 分为固定床和流动床两大类。常用的方法有：生物滤池、生物转盘、生物流化床、 生物接触氧化以及近年来应用的移动床生物膜法、复合生物膜法等。同时也有将 生物膜的优势引入悬浮生长污水处理系统形成各种复合工艺，发挥各自的优点。 生物膜工艺的演变过程实际上是个填料特性不断改进的过程，人们不断发 展生物膜填料技术，使生物膜法废水处理技术的优点不断得到发挥。 2 1 前言 1 2 1 早期的生物膜载体填料 早在1 9 世纪2 0 - 3 0 年代的英国，出现了以碎石、卵石为填料处理城市生活污 水的生物滤池。从1 9 世纪末开始，韦林( w a r i n g ) 、迪特( d i t t 盯) 等人先后以碎 石、炉渣为填料进行了生物接触氧化法的试验。随后德国的韦加德( w e i g a n d ) 以 烧结渣为填料发明了旋转生物接触器。2 0 世纪2 0 年代，在德国和美国先后出现以 栅网胶合板、碎石、卵石、焦炭、软木塞、木板和波形铝扳等为填料的生物接触 氧化法，但结果表明处理效果不理想：b o d 去除率最高仅为6 9 ，低的只有2 8 当时的生物膜法采用的填料以碎石为主，滤料表面积小、容易堵塞，而且滤池占 地面积大、卫生条件较差早期的生物膜法由于存在着诸多的先天缺陷，限制了 进一步推广应用。 在加至6 0 年代逐渐被活性污泥法所代替。但是经过长期实践，人们发现活 性污泥法存在不能适应冲击负荷、污泥容易发生膨胀等问题，并且处理构筑物占 地大，建设和运行费用昂贵，因此人们又开始对生物膜处理技术的再认识和研究。 1 9 5 1 年左右，美国学者应用物料平衡和一级反应动力学的原理建立了生物填料的 数学模型。这一理论的建立在6 0 年代推动了以塑料树脂为原料的合成填料生产 当时新型合成材料的大量生产为生物填料载体的研究带来了转机。许多新型的生 物膜反应器如塔式生物滤池、生物接触氧化池、流动床生物膜反应器、复合式生 物反应器和生物流化床等先后问世，也大大促进了各种填料的开发和应用。 7 0 年代初，日本的小岛贞男博士设计了一种蜂窝式塑料填料，并将使用该填 料的处理技术命名为“管式接触氧化法”蜂窝式塑料填料对填料的结构形式有了新 的突破，它的比表面积和孔隙率较大，重量轻，强度大，容易脱膜，并且对气泡 有切割作用。此后，国内外学者对于生物载体填料的研究和开发工作日益活跃。 人们发明了许多填料，像蜂窝状填料、悬浮填料、酶促填料等。这些填料各有特 点，在不同的反应器中应用也不同。 生物膜载体填料的演变是一个填料特性不断得到发展的过程，从开始的碎石 等天然填料发展到目前人工合成材料填料国内外水处理工作者通过不断开发应 用各种生物膜载体填料来充分发挥生物膜法的处理作用，各种新型填料在废水生 物膜处理工艺中将会得到更为广泛的应用 1 2 2 常用的生物膜载体填料 根据填料采用的原料的不同，可分为无机填料、有机高分子填料；常见的无 机填料有陶粒、焦炭、石英砂、活性炭、膨胀硅铝酸盐材料等，有机类填料采用 的高分子材料主要为聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等，高分子填料一般比水轻。 大多数无机填料机械强度相对较好，然而自身比重较大，不宜作流化态运行。而 3 重庆大学硕士学位论文 有机类填料在强度和比重方面则具有较为明显的优势。因此，在这种情况下大量 不同种类的有机类填料在生物膜处理技术得到越来越广泛的重视。 按材料分有硬性填料、软性以及弹性填料；按结构可分为固定式、悬挂式填 料和分散式填料1 2 1 。 固定式填料 固定式填料在生物膜技术发展的各阶段，得到较为广泛的应用。固定式填料 以蜂窝填料和球形填料为代表。在2 0 世纪5 0 年代，固定式填料在污水生物处理 中发挥着极其中重要的作用。 生物接触氧化池较多采用固定填料，经生产运行数据表明：其一，反应池中 有较高的生物浓度和生物活性，可有效去除废水中的有机污染物质，对b o d 的去 除率可达到8 5 - 9 0 ：其二，容积负荷相对于活性污泥法有所提高，处理时间缩 短，可减少反应器容积：其三，与活性污泥法相比较，其动力效率提高3 0 左右： 其四，克服了活性污泥法中污泥膨胀的缺点，污泥产量低等。 但是固定式填料比表面积小、生物膜量少，且表面光滑，生物膜易脱落，致 使这些填料在使用中常会遇到堵塞、结团、布气布水不均匀等现象。 悬挂式填辩 悬挂填料产生于上个世纪8 0 年代初期，目前广泛应用于水处理领域，并不断 得到改进和完善。悬挂式填料包括软性填料、半软性填料及组合填料。 1 ) 软性填料睁1 上个世纪8 0 年代初，上海石油化工总厂环境保护研究所在b i o c o m b 和硬性塑 料纤维填料的基础上，按照填料孔隙可变原理，研制成功了实用化的软性纤维填 料。在此之后，经过多年的改进和完善形成了一系列的软性纤维填料。软性填料 一般是用维纶长丝为原料，由中心绳和软性纤维柬组成。软性填料的主要优点是： 表面积大、挂膜速度快、生物膜的附着能力强，出水稳定；造价低等。但是软性 填料在使用一年以后，就会出现纤维束结团现象，导致其应用比表面积大大降低， 并会在结团中心呈现厌氧状态，影响传质，处理效果变差。 半软性填料【4 】 为了克服软性填料的不足之处，在2 0 世纪8 0 年代出现了以b s 型填料为代表 的半软性填料。半软性填料是由变性聚乙烯塑料制成的一种同时具备一定刚性和 柔性的立体状填料。它特有的结构和水力性能，能明显提高传质效率；半软性填 料对空气泡有重复切割作用，充氧效率得提高；耐腐蚀、耐老化、加工运输方便。 但它的不足在于比表面积较低，表面较光滑，微生物的附着能力相对较差。 3 ) 组合填料情，6 1 组合式填料是综合软性填料和半软性填料的优点基础上设计的一种新型填 料。组合式填料以盾式填料和弹性填料为代表。盾式纤维填料由纤维束和中心绳 所组成，而纤维柬由纤维及支架组成，支架用塑料制成，中留孔洞，可通水、气。 4 l 前言 中心绳中间嵌套塑料管，用以固定距离及支撑纤维束。由于在填料中央设计的半 软性部件支撑着外围的软性纤维束，其平面有如盾形，故称盾式填料，其比表面 积1 0 0 0 - 2 5 0 0 m 2 m 3 ，空隙率9 8 - - 9 9 。盾式填料具有如下特点：比表面积大于半 软性填科；水、气再分布能力强，氧的利用率高：易挂膜且不易堵塞。但由于其 纤维结构的改变，纤维束的完全展开，在曝气和水流作用下阻力会相应增大 y d t 弹性立体填料是1 9 9 1 年研制成功的。它利用密集的丝条进行挂膜和切割 气泡，比表面积大、生物膜大，且氧的转移速率、氧利用率、氧的总转移系数、 充氧能力以及充氧动力效率五项指标均比软性填料高出1 倍以上y d t 弹性立体 填料耐腐蚀、高温，使用寿命长，充氧性能好，有一定的柔韧性、刚性由于其 丝条状的特殊结构，微生物附着空间大，挂膜、脱膜容易，生物膜活性强。对水 中大、中型气泡有较好的切割性能，具有一定的重新布水、布气能力，生物池内 孔隙率高，耐高负荷冲击，处理效果显著，运行管理方便，不堵塞，不结团。水 流阻力小，但难以得到均一的流速。 分散式填料 分散式填料包括悬浮填料和堆积式填料，它们具有无须安装、维护管理方便 等优点 1 ) 悬浮填料 早在上世纪7 0 年代末8 0 年代初，为了提高曝气池内微生物的浓度，日本的 泽田霸树等人提出了基本流动粒状媒体生物处理法、流动式活性污泥法等，其净 化污水均达到较好的效果。但这些工艺由于填料的比重在1 5 0 9 c m 3 到2 5 0 9 锄3 之间，需要较大的动力消耗，才能使填料均匀悬浮于水中，并连续地剥离多余 的生物膜。因此，国内外大量地进行比重与水相近的悬浮填料的开发。德国u n 】d e 公司最早采用了一种大小为1 2 1 5 m m ，比重稍小于水的多孔泡沫塑料小方块作为 填料该填料在微生物附着后，比重略大于水通过曝气搅动，较易使其在水中 呈流化状态。针对去除含碳有机物、硝化以及同步反硝化等不同要求，开发出了 l i n p o r - c 、l i n p o r - c n 、u n p o r ! 曩- i 4 工艺研，经过多年的试验研究和运行， 已成为处理效果好、稳定运行的悬浮填料生物膜工艺与此同时，巴西的 d w a r t e h o w 在活性污泥曝气池中投加占总体积2 0 - 2 5 的多孔填料，以增大池体 内的生物重量，试验表明，在混合液的溶解氧达2 - 4 m g l 时，在填料内部还存在 同步反硝化，强化了脱氮效梨羽国内也积极开发悬浮填料，应用于各种活性污泥 处理工艺。悬浮填料具有如下的特点： 乱悬浮填料多采用聚乙烯、聚丙烯、聚氨醋等特制塑料或树脂制成，比重接 近于水。填料覆盖了生物膜后，在正常的曝气强度下，很容易在池体内呈现翻滚 流化状态。这不仅使污水与填料上的生物膜广泛接触，而且填料在流化过程中切 割分散气泡，使氧利用率得到了提高。因此，在达到一定污染物去除率情况下， 重庆大学硕士学位论文 污水在池内的停留时间更短，同时，即使有冲击负荷，也可以很快地恢复处理效 果。 b 悬浮填料的比表面积较大，附着在其表面和内部生长的微生物数量大、种 类多，曝气池污泥浓度较普通活性污泥浓度高5 - 1 0 倍。与此同时，在处理单元中 形成从细菌到原生动物到后生动物的生物链，使出水良好。 c 填料表面的微生物可以保持较高的泥龄，对世代时间较长的硝化菌来说十 分有利，这可强化对污水中氮的去除。同时，在一些特定情况下，高泥龄对微生 物适应难降解的物质，提高去除率也十分有利。 d 悬浮填料不结团、不堵塞。老化的生物膜受到气流和水流的冲刷，自动脱 落，随出水带走，保证了膜的活性，促进了新陈代谢。 e 直接投加，无需固定支架，投配、更新更方便，只需在曝气池出水处设置 栅网拦截。 北京桑德环保公司开发的s n p 无剩余污泥悬浮性生物填料是由纤维丝球体、 网络状外壳和通心多孔柱体组成。纤维丝球体是微生物摄取食物、氧气和排泄物 通道，通心多孔柱体为球内微生物与周围环境交流提供通道，其净化原理如图i i 。 该填料特殊的构造使得填料的每个单元同时具有好氧、兼氧和厌氧三种环境，具 有水解一好氧、a o 、a 2 ，0 等工艺的作用，而无需在不同构筑物分别采用不同方 式进行处理。另外，由于填料能在水、气的冲击下保持运动状态，于是填料上的 生物膜能得到及时的更新，微生物上的活性得以保持例。 好氧细菌原生、后生动物厌氧区有机物等 i 好氧区兼氧区厌氧区 图1 1s n p 悬浮型生物填料工作原理 f i g1 1w o r k i n g p r i n d p l e o f s n p f l o a t i n g p a c k i n g 田刚蝴于1 9 9 1 年发明了一种用于生物流化床处理废水的新型的悬浮填料。这 种填料以密度为0 9 5 - 1 0 5 9 c m 3 的非织造布( 聚丙烯无纺布) 为材料，按圆、正多边 6 1 前言 形片状或圆筒状，以热熔合法加固成型，并经过一定的表面处理可满足污水处理 对填料的要求。该填料具有低价格、低能耗、无需支架、安装维修方便的特点【1 2 ) 堆积式填料 我国开发的堆积式填料以陶粒为最多，这是因为陶粒不仅材料低廉易得，而 且其优良特性特别适合我国的国情。早期的陶粒大多采用粘土、页岩直接烧制、 破碎、筛分而成，为不规则状( 片状居多) 针对片状陶瓷处理微污染水源水时， 出现的水流阻力大、易堵塞、易破碎等缺陷，朱乐辉、朱衷榜1 1 2 】以天然陶土为主 要原料，加入适量的化工原料，在1 2 0 0 + - 2 0 烧制出一种理想的水处理滤料一轻质 球形陶粒该填料用于曝气滤池处理城市污水的试验表明：乱球轻质陶粒强度大、 孔隙率大、比表面积大、化学稳定性好，具有生物附着性强、挂膜性能良好、水 流流态好、反冲洗容易进行、截污能力强等优点：b 形状规则，粒径可大可小，密 度适宜，克服了不规则粒状滤料水流阻力大，易引起氧化池堵塞，反冲洗强度大， 易冲刷破碎的缺点：c 其加工过程完全不同于传统的片状陶粒滤料，通过控制适当 的配料和烧制工艺，改变了陶粒的密度，且使其表面不结釉、粗糙、多微孔。代 文双吲以粘土为主要原料，也生产出了轻质球形水处理滤料 龙腾锐等【l 哪研制的酶促填料是九五科技攻关研究开发成果，是水处理生物膜 法和微生物固定化技术相结合的产品这种填料是在制作生产过程中加入能够刺 激微生物生长的促进剂，使得微生物能够快速在填料表面生长。将酶促填料、陶 粒和高炉渣进行了小型动态对比试验研究n 研，结果表明：酶促填料具有挂膜迅速、 微生物生长快、附着生物量大等优点，而且填料有利于结构致密的菌胶团及絮凝 性能良好的微生物生长另外酶促生物填料【i 明在低温下可以比较迅速地启动缺氧 生物滤池，并能有效提高填料挂膜速度。 1 2 3 生物膜载体填料的功能作用 在废水的生物膜法处理工艺中，填料是该工艺的核心作为微生物的载体， 它影响着生物膜的生长、繁殖、脱落，对水处理构筑物的运行效果及能耗都有十 分重要的影响。微生物在填料上附着生长形成生物膜，生物膜在新陈代谢过程中 吸收废水中的物质，从而达到降解废水的目的。现在，填料不再局限于生物膜法 中，在改进活性污泥法中也有广泛的应用填料主要有以下几个作用： 填料为微生物提供栖息和繁殖的稳定环境填料的主要作用是为微生物提 供载体，其丰富的内表面为微生物提供附着的表面和内部空间，使反应器尽可能 保持较多的微生物量。一般来说，填料表面有效孔容越大，附着的微生物量越多， 可承受的有机负荷也相对较高。 填料是反应器中生物膜与废水接触的场所，而且对水流又强制性的紊动作 用，促使水流能够重新分布，从而使水流在反应器横截面上分布更为均匀。同时， 7 重庆大学硕士学位论文 水流在填料内部形成交叉流动和混合，为废水和生物体的接触创造了良好的水力 条件。填科对好氧反应器中的气泡有剪切作用，大大提高了氧传递效率，使水中 的溶解氧浓度有效提高，从而强化了微生物、有机物和溶解氧三者之间的传质。 填料对水中的悬浮物有一定的截留作用。填料对悬浮物的截留作用是通过 对污水中悬浮物的扩散拦截、表面沉淀、水动力、表面电性作用和吸附等诸多物 理化学作用以及生物膜的生物絮凝作用实现的。由于反应器中填料的存在会使出 水中悬浮物的浓度大大减少，且保证脱落的生物膜不会随水漂出。 填料提高了反应器内污泥浓度，使微生物保持较高的活性投加了填料的 反应器微生物总量较未投加的反应器为多，而且生物膜不断更新，微生物保持较 高的活性，对污染物的去除效果更好。 1 2 4 生物膜载体填料的特性要求 微生物在填料表面首先附着，随后在特定的环境下生长，最终发展成为具有 生物活性的生物膜。因此，微生物最初在填料表面的附着将直接影响着生物膜的 性能，影响生物膜反应器的启动运行周期。生物膜载体便成为反应器能否高效运 行的关键。 生物膜载体填料应具有以下的特点： 良好的物理性能。填料的物理性能包括机械强度、空间体积和形状、孔隙 率、表面粗糙度等。 在大多数生物膜反应过程中都存在着不同强度的永力剪切作用以及填科间的 磨擦碰撞过程，因此作为生物膜载体填料必须具有与所使用的生物方法相适应的 机械强度。如果生物膜载体本身不具有一定的机械强度，那么不仅在生物膜反应 器从启动至稳定运行期间，而且在反应器运行过程中势必会出现不同程度的破损 而丧失部分运行功能，生物量呈现无规律的变化从而导致出水水质不稳定。 填料的形状各不相同，通常的载体有球状、颗粒状、管状、圆柱状、平板状、 立方状和软性载体。外观尺寸差异也很大，大的有直径十几厘米的球状填料，小 的粒径只有几十i m a 的微型填料。一般而言，生物膜载体空间体积越小，其所具有 的比表面积越大。另外，填料的形状直接决定其比表面积的大小。选择生物膜载 体的形状应考虑以下几个方面的因素：填料提供的表面积尽可能大；对固定微生 物有较好的保护作用；具有较好的传质特性；尽可能减少填料闯的碰撞几率( 特 别是在悬浮生物膜反应器中) ；减少反应器的运行能耗；减少堵塞及便于反冲洗。 此外还需考虑到传质效率、能量损耗及操作运行的方便性。 生物载体的孔隙率和表面粗糙度可以增加填料与微生物接触的有效面积、可 以保护固定微生物免受过强水力剪切作用、减缓由于填料问的碰撞所造成的固定 s 1 前言 微生物失落速度，在某种程度上，也有利于传质效率的提高。因此，填料表面具 有一定的孔隙度及租糙度有利于生物膜反应器的成功运行。 生物、化学及热力学稳定性 生物膜填料载体必须具有较好的生物、化学及热力学稳定性，这样才能使得 填料本身不参与生物膜系统的生物化学反应生物膜在污染物降解过程中会产生 多种代谢产物，同时废水一般会呈酸性或碱性，甚至含有强氧化性物质，在废水、 生物膜与填料不断的接触过程中，或多或少的会对填料产生腐蚀作用，使填料老 化，缩短使用寿命，因此填料应具有相当的惰性“7 】填料本身也应该不可生物降 解的同时，生物膜载体填料对环境应在周围环境温度发生变化不发生变形或反 应。 亲疏水性及表面电性 在正常微生物生长环境下，其表面带有负电荷，改变填科使其带正电性，这 将缩小外围与载体间的斥力作用，有利于微生物的附着和固定。亲水性微生物易 于在亲水性填料表面附着、固定，而疏水性填料有利于疏水性微生物在其表面固 定填料表面的亲疏水性及电性可以通过对填料表面的改性完成，或直接在填料 加工过程中得到实现。 比重 填料的比重对于悬浮载体生物膜系统的运行是一个必须考虑的因素。填料比 重过大，造成填料悬浮困难或是能耗过高；填料比重过小，不易维持载体在反应 器中的一定流态。悬浮载体的比重一般控制在1 0 3 1 1 0 对生物膜活性的影响 作为生物膜载体，其本身必须对固定微生物无害、无抑制性作用，不能显著 影响固定微生物的生物活性 可再用性 从经济角度讲，生物膜载体应具有可再用性，这点在大规模工业过程中更具 有重要性。从工程角度讲，应避免选用一次性材料作为生物处理技术中的填料 价格 在选用生物膜载体时，应在填料的性能及价格间作出优化选择。 1 3 课题的研究背景 1 3 1 课题研究的背景 目前，大多数城市净水厂是从江河湖泊和水库等地表水源取水，原水经过絮 凝反应、沉淀、过滤和消毒等工艺，将水中的杂质去除，生产出符合生活饮用水 9 重庆大学硕士学位论文 标准的饮用水，但同时会产生大量的污泥和污水，自来水厂生产废水约占水厂总 净水量的4 一7 1 i s 。特别是近年来呈现如下特征埘： 净水厂的数量和供水能力不断增加，净水厂排出的污泥和污水也越来越多： 原水水质日益下降，原水中有机物和有毒物质的种类和含量骤增，净水厂 排出的污水和污泥的质量越来越差： 人口密度集中，城市不断膨胀，净水厂规模日趋增大，污水和污泥的集中 排放量也越来越大。 据统计例：2 0 世纪9 0 年代，上海市自来水公司所属的十多家水厂，每年排入 江河的污水约7 5 0 0 万o ，悬浮物约1 1 万吨，以c o d e r 计的好氧有机物约6 万吨。 因此随着对环境保护要求的日益提高，将净水厂污水和污泥将再也不能直接排回 水体进行稀释处理。作为目前环境公害之一的净水厂污水和污泥如何进行适当处 理，最终产物如何进行处置，成为当前水工业急需解决的重要课题之一。 与此同时，伴随我国城市经济的发展，人口的增加。水污染也日益严重。据 国家环保总局的2 0 0 5 年中国环境状况公报报道，全国工业和城镇生活废水排放总 量为5 2 4 5 亿吨，其中工业废水排放量2 4 3 1 亿吨，城镇生活污水排放量2 8 1 4 亿 吨。近几年我国各种废水及主要污染物的排放量处于逐渐增加的趋势。2 0 0 0 年 - - 2 0 0 5 年，我国废水排放总量增长了2 6 。为了改善水资源污染严重的状况，实 现经济的可持续发展，我国从“九五”起便加大了对水体污染的治理，流域水污染防 治项目得到了迅速启动，特别是城市污水处理设施。按照国家环境保护“十五”规划 提出加强治理城市水污染的要求，2 0 0 5 年城市生活污水集中处理率达到4 5 ，5 0 万人口以上的城市要达到6 0 。若城市污水污泥量按污水总处理量的 o 5 - 1 o 【甜, 2 2 1 ，我国每年产生的污泥量将高达2 亿吨以上【矧。随着污水处理量的不 断提高和处理程度的深化，