（流体机械及工程专业论文）三相流化床生物反应器处理废水性能研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 长期以来，城市生活污水的生物处理多采用活性污泥法。它是当前世界各国应用最 广的一种生物处理技术，具有处理能力高，出水水质好等优点，并能在反应器内形成稳 定的生态体系。 本文研究开发了一种新型的废水处理反应器，把气升式内环流反应器的结构特点与 活性污泥工艺相结合，充分利用活性污泥法处理废水的优点，同时对内环流反应器的内 筒进行了改进，成为新型的三相流化床生物反应器。 本文通过对人工合成废水的处理，考察了三相流化床生物反应器对污泥培养驯化的 效果，以及对碳、氮等污染物的处理效果和影响因素，并利用m o n o d 方程和h m d a n e 方程对底物降解过程进行了描述，主要内容有： ( 1 ) 建立了三相流化床生物反应器实验装置，并对污泥的培养驯化进行实验研究； ( 2 ) 采用正交实验方案，分别确定了影响反应器内c o d 和氮去除率的相关因素 以及最优实验参数，实现了反应器硝化和反硝化装置一体化的功能，并考察了不同的碳 源投加方式对去氮的影响： ( 3 ) 将三相流化床生物反应器与普通活性污泥及流化床生物膜反应器进行了实验 比较。结果表明，该反应器的c o d 和氨氮去除效率相对较高且去除效果更稳定； ( 4 ) 针对不同浓度负荷的废水，运用最常用的m o n o d 模式和h m d a n e 模式对废水 中有机物降解过程进行了动力学探讨。结果表明：模拟结果与本文实验结果吻合良好， 针对不同初始c o d 浓度的废水降解过程可以用m o n o d 方程或h m d a n e 方程来描述，从 而为废水处理的工业化做出一定指导作用。 基于对反应器长时间连续运行的实验研究，本文对这种新型反应器的运行参数和影 响因素进行了综合测试和分析，并确定了最优的运行方案，模拟了底物降解规律，为三 相流化床生物反应器的理论分析和实际应用奠定了基础。 关键词：活性污泥；内环流气升式反应器；三相流化床；反应动力学 三相流化床生物反应器处理废水性能研究 s t u d yo nt h r e e p h a s ef l u i d i z e db e db i o r e a c t o rb e h a v i o rf o r t h et r e a t m e n to fw a s t e w a t e r a b s t r a c t f o ra l o n gt i m e ，a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s sw h i c h h a sb e e nw i d e l ya d o p t e di nm u n i c i p a l s e w a g eb i o l o g i c a lt r e a t m e n ti st h eo n eo fm o s tw i d e l yu s e da l lo v e rt h ew o r l d i th a sm a n y a d v a n t a g e ss u c ha sh i g h e rr e m o v a le f f i c i e n c y ，g o o de f f l u e n tq u a l i t ya n ds t a b l ee c o l o g i c a l s y s t e mi nr e a c t o r sa n ds oo n 。 t h ep a p e rr e a s e a r c h e sa n dd e v e l o p san e w t y p eo fr e a c t o rt h a tc o m b i n e st h es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so fa i r l i f ti n t e r n a ll o o pr e a c t o rw i t ha c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s 。t h er e a c t o rn o t o n l yu t i l i z e sf u l l yt h ea d v a n t a g e so ft e c h n o l o g yo fa c t i v a t e ds l u d g ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，b u t a l s oi m p r o v e st h ei n n e rc y l i n d e ro ft h ei n t e r n a ll o o pr e a c t o r t i l i sn e w t y p eo fr e a c t o rn a m e d t k e ep h a s ef l u i d i z e db e d b i o r e a c t o r ( t p f b r ) i sb u i l ta n di n v e s t i g a t e d t h ep a p e rs t u d i e st h ee f f e c to fa c t i v a t e ds l u d g ec u l t u r ei nt p f b r b yu s i n gt h es y n t h e t i c w a s t e w a t e r i ta l s os t u d i e s t h et r e a t m e n te f f e c ta n di n f l u e n c i n gf a c t o r si nc a r b o na n dn i t r o g e n r e m o v a lr a t e 。i na d d i t i o n ，t h ek i n e t i c so fs u b s t r a t ed e g r a d a t i o ni sd e s c r i b e db yu t i l i z i n g m o n o da n dh a l d a n ee q u a t i o n s t h em a i nc o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee x p e r i m e n t a ls e t 一婶o f t p f b r i sb u i l t ，a n dt h ec u l t i v a t i o no f a c t i v a t e ds l u d g ei s i n v e s t i g a t e d 。 ( 2 ) ，n l eo p t i m a lo p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r so fr e m o v a lr a t e so fc o d a n dn i t r o g e na r ec o n f i r m e dw i t ho r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o d 。强ef u n c t i o no fs i m u l t a n e o u s n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o ni nt h er e a c t o ri sa c h i e v e d m e a n w h i l e ，t h ee f f e c to fd i f f e r e n t m e t h o d so fa d d i n gc a r b o ds o u r c eo nn i t r o g e nr e m o v a li si n v e s t i g a t e d ( 3 ) c o m p a r e dw i 氇a c t i v a t e ds l u d g er e a c t o ra n df l u i d i z e db e db i o - r e a c t o r , 即f b rs h o w s h i g h e ra n dm o r es t a b l er e m o v a le m c i e n c yo fc o d a n da m m o n i an i t r o g e n ( 4 ) k i n e t i c so ft h ec o dd e g r a d i n gp r o c e s si sa l s os u t d i e di nt h ep a p e rb yu s i n g t h e u s u a lm o n o dm o d e la n dh a l d e n em o d e l t h es i m u l a t i o nr e s u l t si si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h e r e s u l t so fe x p e r i m e n t ，w h i c hi n c i c a t e dt h a tt h ec o d d e g r a d i n gp r o c e s sw a sa c c o r d i n g 、i t l l m o n o dm o d e lo rh a l d a n em o d e l 。t h ec o d d e g r a d i n gp r o c e s sc a nb ed e s c r i b e db yu t i l i z i n g m o n o da n dh a l d a n ee q u a t i o n st om a k ec o n t r i b u t i o nt oi n d u s t r i a l i z a t i o no fw a s t e w a t e r t r e a t m e n t b a s e do nt h ec o n t i n u o u sr u n n i n go ft h ee x p e r i m e n tf o ral o n gt i m e ，t h ep a p e ra n a l y s e s t h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n d i n f l u e n c i n gf a c t o r so ft p f b r , d e t e r m i n e st h eo p t i m a ls c h e m e i i 大连理工大学硕士学位论文 a n ds i m u l a t e st h ep r o c e s so fs u b s t r a t ed e g r a d a t i o n t h ed i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e st h eb a s i sf o r t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft p f b r k e yw o r d s ：a c t i v a t e ds l u d g e ；i n t e r n a ll o o pa i r l i f tr e a c t o r ；t h r e ep h a s e f l u i d i z e db e d ；k i n e t i c s i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：呈塑! 盘垡盘皇堑堕鐾鱼主呈垒韭丛坌盘经宝 作者签名：查垒主至日期：盟年上月1 l 日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属予大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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、 编印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 引言 随着全球水资源的日渐匮乏，水资源的循环利用已经成为当前的热门研究课题之 一。废水生物处理技术可分成悬浮培养体( s u s p e n d e dc u l t u r e ) 及生物膜( f i x e df i l m ) 两 类。悬浮培养体法以活性污泥法为典型代表，它的特征是起水处理作用的细菌培养体呈 处于悬浮状态的絮体；生物膜法以滴滤池为代表，它的特征是起水处理作用细菌培养体 呈一层膜固定在填料的表面上，有的文献直接将生物膜称为固定膜，而为微生物膜提供 附着生长固定表面的材料称为填料( 或载体) 。 活性污泥工艺发展至今已有了近百年的历史，微生物学等学科的不断进展使得活性 污泥工艺也取得了长足的发展，衍生出了能够适应各种条件的活性污泥工艺流程，可以 满足对废水中碳、氮等有机物的去除要求。目前传统的污水处理工艺为了满足废水处理 的要求，需要分别设置各个处理单元，有时还需要进行污泥回流和污水循环，这势必要 增加基础建设及管道、设备的投资，同时也必然增加运行成本。因此，研究一体化的处 理工艺成为一种趋势。 在一体化处理工艺研究过程中，如何将处理工艺和生物反应器相结合是研究重点。 活性污泥法的运行成本低、有机物去除率高，是当前废水处理领域中应用最为广泛的技 术之一，我国现有8 0 以上的城市污水厂都采用活性污泥法处理污水；气升式内环流生 物反应器是一种新型高效的生物反应器，具有具有结构简单、剪切力低、供氧效率高、 有效界面接触面积大、运行能耗低等优点，与其它类型的反应器相比处理效果更好，废 水处理的成本更低，而且反应器的内外筒之间可以形成一定的厌氧区域，有利于反硝化 的进行，因此气升式内环流生物反应器在废水处理领域有着广阔的应用前景。气升式内 环流生物反应器同活性污泥法相结合，尝试对活性污泥工艺进行改进，可以充分利用活 性污泥法处理废水的优势，同时降低反应器的基础建设费用和运行成本，从而实现废水 处理工艺的一体化。 本文研究是在前期的气升式内环流生物反应器的流体动力学特性和气液传质动力 学特性研究的基础上，与活性污泥法相结合，并对该反应器进行改进，设计了多内筒三 相流化床生物反应器，并对人工合成废水进行处理，利用正交实验的方法，考察了反应 器对c o d 和氮的去除效果的影响因素，整个实验运行近1 5 0 天。实验数据整理和分析 的结果表明，同其他类型废水处理工艺( 如普通活性污泥法和流化床生物膜法) 相比， 无论是在c o d 去除上，还是在氨氮去除上，均优于上述两种方法，而且去除效果稳定。 本文还对底物降解动力学进行了研究，利用斜率截距法对动力学参数进行确定，对底 物降解过程进行模拟，得出了与实验数据吻合较好的底物降解动力学方程。 三相流化床生物反应器处理废水性能研究 本文的第一章为文献综述部分，介绍了活性污泥法污水处理技术及其工艺、生物反 应器和生倔反应动力学的基本原理及研究内容；第二章主要介绍了实验装置和流程，简 单地介绍了实验材料、实验仪器和试剂，详细地介绍了实验分析项目、测试方法和实验 步骤；第三章首先考察了污泥的培养驯化情况；采用反应器间歇运行的方式，考察并验 证了反应器性能的优越性：采用反应器连续运行的方式，考察了反应器去除c o d 和氮 的影响因素，并对实验结果进行整理分析得出了最大影响因素；第四章建立了利用简化 了的m o n o d 方程和h a l d a n e 方程对底物降解过程进行了模拟，得出了与实验结果吻合较 好的动力学方程。 限于作者的水平和经验，论文中难免存在疏漏和不妥之处，恳请批评指正。 大连理工大学硕士学位论文 1 文献综述 水是地球上一切生物赖以生存、人类生活和生产岿不可少的基本物质。它是宝贵的 自然资源，约占地球表层地壳( 5 千米) 的5 0 以上，覆盖地球表面积的7 0 8 。从古 至今，人们就已经认识到水瓷源的重要意义了。先秦时代，管子一书中的水地篇 曾写道“水者何也? 万物之本原，诸生之宗室也。万物莫不以生。明确地把水看 作世闻万物的根源，是各种生命的根蒂h 】。 自然界里的水受到各种复杂因素的影响，通常不是纯净的，会含有物理、化学和生 物的成分。人类的生活和生产等人为活动，会不可避免地排出污染物。这些污染物通过 不同的途径进入水体从而产生了污水囝。随着经济发展和城市化进程的加快，城市污水 排放量与日俱增，目前我国城市污水年排放量已经达到4 1 4 亿立方米【3 】，由此造成的环 辘污染闻题冒趋严重。近些年，随着大量未经处理或未经适当处理的含氮凌水摊放入江 河，在一定条件下可使水中的溶解氧耗尽，影响水生动植物的同时也促进了藻类繁殖， 造成了越来越严重的水体富营养化的问题。饮用水中含氮过高，会导致体内正常的血红 蛋白氧化成高铁血红蛋白，失去血红蛋白在体内的输氧的能力，可导致高铁血红蛋白血 症，甚至还能致癌，从而威胁人体健康。因此，许多圜家已经对废水排放或中水回用的 氮指标进行了调整，严格控制氮的排放量。 中国是水资源严重匮乏的国家之一，人均水资源持有量不足世界平均水平的1 4 ， 蔼旦东质污染日趋严重。因此，从多学科角度研究污水处理的阕题，是我蓦研究人员面 临的重要课题之一。水处理技术中最常见也是应用最广泛的就是活性污泥法。 。 活性污泥法 1 1 1 活性污泥法的基本概念 活性污泥法( a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ) ，是以活性污泥为主体的废水生物处理技术， 在人工充氧条件下培养驯化微生物群落，这种具有活性的微生物絮凝体被称为“活性污 泥 ，利用活性污泥髂吸附和生化氧化作用，以分解去除污水中溶解的和胶体的有机物 质，使废水得以净化1 4 。活性污泥生化反应使微生物得到繁衍增殖，活性污泥本身得到 增长，漂饿污泥通过沉淀与废水分离，澄清爱的废水作为处理后的出水排出系统。 三相流化床生物反应器处理废水性能研究 1 1 2 活性污泥的形态与组成 活性污泥一般呈黄褐色，或深灰色、灰黑色、灰白色等，其颜色与水质和运行状况 有关。当曝气池中供氧不足时活性污泥会呈黑色，供氧过量时活性污泥会呈囱色。良好 的活性污泥略具土壤的霉臭味，或几乎无臭味1 4 。 活性污泥固体由四个部分组成： ( 1 ) 栖息在活性污泥上有活性酶微生物群体； ( 2 ) 微生物内源代谢，自身氧化残留物，如细胞膜、细胞壁等，为难降解惰性有 机物质； ( 3 )由原废水带入的微生物难降解的惰性有机物质； ( 4 ) 活性污泥的无机组成部分，全部是由原废水挟入的，微生物体内存在的无机 盐类由予数量极少，可以忽略不计。 1 1 3 活性污泥正艺概述 自1 9 1 4 年由a r d e n 和l o c d e a 开创以来瑟】，活性污泥法经历了近百年的发展变革， 形成了以传统活性污泥法系统为基础的各种工艺。这种技术由于具有处理效果好、运行 成本低和管理方便等特点已成为废水处理的一项基本和主要的方法，得到了广泛的应用 【6 ，7 1 。目前，我国有8 0 以上的城市污水厂都采用活性污泥法处理污水【8 】。现在较常见的 活性污泥工艺有以下凡种： ( 1 ) 普通活性污泥法又称传统活性污泥法( c o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s s ) ，其工艺系统如图1 1 所示。原污水从曝气池首端进入池内，由二沉池回流 的回流污泥同步注入曝气池。污水与回流污泥的混合液在池内呈纵向混合的推流式流 动，在池末端流出池外进入二沉池，二沉池中处理后的污水与活性污泥分离，部分污泥 回流到曝气涟，部分诈为废弃污混排出系统。 空气 图1 1 普通活性污泥法工艺流程 f i g 1 1 f l o wc h a r to fc o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 阶段曝气活性污泥法又称逐步曝气活性污泥法( s t e p a e r a t i o na c t i v a t e d s l u d g ep r o c e s s ) ，其工艺流程如图1 2 所示。针对普通活性污泥法的b o d 负荷在池首 过高的缺点，阶段曝气活性污泥法采用多点进水，沿曝气池长分数点将废水注入，改善 了普通活性污泥法前段缺氧、后端氧过剩的缺点，提高了空气的利用率和曝气池对水量 和水质冲击负荷的抵抗能力。由于各个进水口的流量容易改变，运行上也有较大的灵活 性1 9 j 。经过实践证明，同等b o d 负荷条件下，阶段曝气法的容积负荷可明显增大，去 除等量的b o d 负荷，曝气池容积仅为普通活性污泥法的一半左右【l o l 。 进水 图1 2 阶段曝气活性污泥法工艺流程 f i g 1 2 f l o wc h a r to fs t e p a e r a t i o na c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ( 3 ) 吸附再生活性污泥法又称接触稳定法( c o n t a c ts t a b i l i z a t i o np r o c e s s ) ，是 根据活性污泥的“初期吸附去除作用”将普通活性污泥法作相应改变发展而来。当含有 溶解性和非溶解性有机污染物的废水和活性污泥一起曝气时，b o d 值在5 - 1 5 m i n 内急 剧下降，然后略微升高，随后又缓慢下降。b o d 值的第一次急剧下降是活性较强的活 性污泥对有机污染物吸附的结果，称为“初期吸附去除作用 ，随后的略微升高是由于 被吸附的非溶解状态的有机物经水解酶水解，转变为溶解性有机物后，部分扩散进入废 水中，使混合液的b o d 值升高。随着生化反应的进行，有机污染物浓度降低，活性污 泥微生物进入减速繁殖期和内源呼吸期，b o d 值缓慢下降。 图1 3 所示为这一工艺流程。污水与在再生池中充分再生，活性很强( 饥饿状态) 的活性污泥同步进入吸附池，并充分接触3 0 - - 6 0 m i n ( 吸附时间长短视废水的组成和性 质而不同，可通过曝气吸附实验确定) ，吸附去除水中有机物后，混合液进入二沉池进 行泥水分离，澄清水排放，污泥则从沉淀池底部排出，一部分作为废弃污泥排出系统， 另一部分回流至再生池，停留3 - - 6 小时，进行第二阶段的分解与合成代谢，即活性污 泥对所吸附的大量有机底物进行“消化 ，活性污泥微生物进入内源呼吸期，活性污泥 的活性得到恢复。 三相流化床生物反应器处理废水性能研究 图1 3 吸附再生活性污泥法工艺流稔 f i g 1 3 f l o wc h a r to fc o n t a c ts t a b i l i z a t i o np r o c e s s 与普通活性污泥法比较，吸附再生法具有以下特征： 优点：污水与活性污泥在吸附池内停留时间短，使吸附池的容积减小，再生池接纳 的是排除了剩余污泥的污泥，因此，再生池的容积也较小；经过再生的活性污泥处于饥 饿状态，因而吸附活性高；吸附和代谢分开进行，对冲击负荷的适应性较强，构筑物体 积小于普通活性污泥法：羁生池的污泥微生物处于内源呼吸期，丝状菌不适应这样的环 境，所以繁殖受到抑制，因而有利于防止污泥膨胀。 缺点：处理效果低于传统法，活性污泥对于溶解性有机物的吸附作用较小，不宜用 于处理溶解性有机物含量较多的污水，处理后的出水水质也较普通活性污泥法的差。 ( 4 ) 完全混合活性污泥法为了解决采用推流曝气池的普通活性污泥法中供氧不 均的问题，在阶段曝气的基础上，提出了完全混合活性污泥法( c o m p l e t e l ym i x e d a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ) 的工艺( 见图1 4 ) ，即更多地增加进水点，同时使回流污泥 与进水迅速混合，废水与回流污泥进入曝气池后，立即与池内原先存在的混合液充分混 合。根据曝气池与沉淀池合建或分建的不同分为两种类型。 进水 图l 。4 完全混含活性污泥法工艺流程 f i g 1 4 f l o wc h a r to fc o m p l e t e l ym i x e da c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 完全混合活性污泥法的特点如下： 进入曝气池的污水很快被池内已存在的混合液稀释、均化，因此，该工艺对冲 击负荷有较强的适廒能力，适用于处理工业壤水，特剐是高浓度的工业废水。 污水和活性污泥在曝气池中分布均匀，污泥负荷相同，微生物群体组成和数量 一致，即王况相同。因此，有可熊通过对污泥负荷的调控，将整个曝气池工况控制在最 佳点，使活性污泥的净化功能得到充分发挥，在处理效果相同的条件下，其有机负荷高 于推流式曝气池。 曝气池内需氧均匀，动力消耗低于推流式曝气池。 该法比较适合小型的污水处理厂。 为了要维持系统高速率的运行，使微生物处于对数生长期内，微生物对有机物 降解的推动力低，混合液中的基质即废水中的有机污染物往往未完全降解，导致其处理 的出永水质较差，般不如推流式曝气池。经实践应用发现，该工艺下丝状菌易过量生 长从而产生污泥膨胀，影响整个系统运行的稳定性。 ( 5 ) 延时曝气活性污泥法又称完全氧化活性污泥法( e x t e n d e da e r a t i o na c t i v a t e d s l u d g ep r o c e s s ) ，它的特点是污泥负荷特别低，曝气时间很长，一般多为2 4 h 以上。活 性污泥长期处于内源呼吸期，废弃污泥量少而且性质稳定，主要是一些难于生物降解的 微生物内源代谢残留物，勿需消化处理，易予处置，省却了污泥处理和处置的不少难题。 由于该法的曝气时间很长，曝气池容积需要很大，一般采用完全混合曝气池，除了 不设初沉池，工艺其余部分都与完全混合活性污泥法相溺。该法的缺点是占地面积大， 曝气量大，而且曝气时间长容易产生老化污泥而导致二沉池出水飘泥，影响出水水质， 主要适用于规模较小的废水处理厂。 ( 6 ) 高负荷活性污泥法又称短时曝气活性污泥法( h i g h 。r a t ea c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s s ) 或不完全处理活性污泥法。其主要特点是污泥负荷高，混合液污泥浓度低 ( 勉恣弘5 0 乱董5 0 0 撒班) ，微生物处于对数增殪期，泥龄短，水力停留时间短( 1 5 3 h ) ， 污泥回流比小，处理效果较低，一般b o d 的去除率不超过7 0 - 7 5 ，因此称为不完全 处理活性污泥法。 该工艺一般不设初沉池，在系统和曝气池的构造方面和普通活性污泥法相同。 ( 7 ) 投料活性污泥法活性污泥法的备种工艺在运行过程中，最关键之处在于维 持活性污泥的活性和凝聚性( 沉淀性能) 。而活性污泥的凝聚性极易受进水水质和外界 因素的影响，从而导致二沉池出水飘泥等异常现象。因此在曝气池中投加某些物质往往 熊起到很好的效果，这就是所谓的投料活性污泥法。 采用这种工艺通常期望达到如下目的： 三相流化床生物反应器处理废水性能研究 改善活性污泥法对b o d 、姆及n 、p 的去除能力，使出水水质更好； 使运行操作更蔺便、易行、稳定、可靠，防止污混膨胀或污滋上浮等观象出现； 降低能耗，节省遴行费用； 降低废弃污泥的产量，改善污混性质，改善其脱东缝辘，篱能污淀酌处置。 活性污泥系统中投料可以对活性污泥产生以下影响： 投加的物料能改变系统内生物相以及微生物的存在方式，例如投热载体介震就 使活性泻泥系统不仅有悬浮生长的活性污泥，而且还有附着生长的微生物。事富了系统 生物的多样性，充分发挥悬浮生长和附着生长微生物的各留净化特性f l l j ； 增加了系统孛的生物量； 延长了泥龄； 改善了系统斡净纯簏力； 改善了活性污泥的凝聚性( 沉淀性能) 减少了供氧，降低了能耗。 向系统中投加的物料可以归结为以下凡类： 多孑l 悬浮载体，如投加大量具有一定尺寸、孔隙率较大的多孔聚氨酯泡沫块作 为生物载体。剩用筛瓣将泡沫块截留在曝气池中。 投加絮凝剂及助凝剂。包括无机化学助凝剂、无机和有机高分子絮凝剂及微生 物絮凝荆三静。其中使用较多豹有三氯纯铁( f e c b ) 、硫酸铝( a 1 2 ( s 0 4 ) 3 ) 和石灰( c a o ) 。 近年来开发的微生物絮凝剂显示了其独特功能，与活性污泥系统组成具有特殊絮凝性能 的活性污泥系统。 投加各类细小的固体介藏，如粉末活性炭( p a c ) 、陶粒、黏土、粉煤灰、焦 炭等。 投藕特殊静从叁然界嚣选麴菌种或运用诱变及基因工程制备的生物制裁。 ( 8 ) 序批式活性污泥法 序批式活性污泥法( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o ra c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ) 满予阉教式 活性污泥法，在序批式反应器中，曝气池与沉淀池合二为一，即生化反应与泥水分离在 阕一反应池中进行，废水分批次进入反应漶，然后按顺痔进行曝气( 鼙生物降解反应 、 沉淀( 污水中韵有机污染物通过生物降解达到排放婺求后停此曝气沉淀一段时间) 、排 出上清液和待机( 闲置) 过程，完成一个运行操作周期。s b r 典型运行方式见图1 5 。 岬8 一 大连理工大学硕士学位论文 榫水盼段 犄帆盼段 图1 5s b r 典型运行方式 f i g 1 5t y p i c a lo p e r a t i o ns y s t e mo fs b r 早在1 9 1 4 年由a r d e m 和l o c k e t t 首次提出活性污泥法时采用的就是间歇操作，当 时称为充排式处理法( f i l la n dd r a w ) ，它具有工艺简单、运行稳定等优点【l2 1 。但由于 受到当时的监测与自动控制技术水平的限制，这种间歇式操作方式只适用于小规模的污 水处理。随着工业化的迅猛发展和城市化进程的加快，污水处理厂的规模逐渐趋予大型 化，连续流式活性污泥法( c o n t i n u o u sa c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ) 取代了间歇式处理方法。 近年来，随着监控与自动测试技术的飞速发展，特别是污水处理厂对自动化管理要求的 提高使序批式活性污泥法逐渐又引起了人们的广泛重视【1 3 以6 1 。 序批式活性污泥法工艺具有如下特点： 时间上具有理想的推流式反应器的特性。 活性污泥生化反应与底物浓度有关。底物浓度越低，生化反应速度越慢，在序批式 活性污泥法系统中，虽然底物浓度在反应器中空间变化是完全混合型的，但由于时间的 不可逆性，在时间序列上属于理想的推流状态，底物浓度从进水端的进水底物浓度沿反 应器长度逐渐减少至出水端处理后的出水底物浓度，可以保持最大的生化反应推动力。 构造简单，运转灵活、操作管理方便，投资成本低。 曝气、沉淀在同一池内，不需设置二次沉淀池和回流装置和调蓄池等设施，k e t c h u m 等人的统计结果表明采用s b r 工艺处理小城镇的污水要比普通活性污泥法节省基建投 资3 0 【1 7 】。在运行过程中，一个周期中各个阶段的运行时间、总停留时间、供气量等都 可按照迸水水质和出水要求而加以调节以保持良好的处理效果。 活性污泥性状好，污泥产率低，而且泥水分离效果好。 由于s b r 在进水初期有机物浓度高，污泥絮体内部的菌胶团细菌也能获得充足的 营养，因此有利于菌胶团细菌的生长，可抑制丝状菌生长防止污泥膨胀，污泥结构紧密， 凝聚沉降性能良好，s v l 只一般不低于1 0 0 4 1 。s b r 的运行周期中有一闲置期，污泥处 于内源呼吸阶段，在下一运行周期初始时，池内剩余溶解氧浓度较其他活性污泥系统要 低，因此具有较高的氧转移推动力，利用游离溶解氧作为最终电子受体的污泥产率也较 一9 一 三相流化床生物反应器处理废水性能研究 其他活性污泥系统低。此外在沉淀时几乎是在静止状态下沉降，没有进出水的干扰，可 以避免短流和异重流的影响，是一种理想的静态沉淀，固液分离效果好，容易获得澄清 的出水。剩余污泥的含水率低，为后续污泥的处置提供了良好的条件。 提供多样性的生境( h a b i t a t ) ，有脱氮除磷功能，有利于难降解有机物的生物降 解。 s b r 系统可通过采用限制曝气或半限制曝气运行方式实现缺氧好氧或厌氧缺氧 好氧的不同组合创造适宣的好氧、缺氧条件，从而得到较好的脱氮或脱氮除磷效果。 另外有些在好氧条件下难以降解的有机物却可以在厌氧条件下生物降解，s b r 工艺 可周期交替出现厌氧和好氧环境，有利于滩降解有机物的生物降解。 s b r 工艺是种不断发展的新型技术，其操作方法尚不够完善，运作管理经验还欠 成熟，还需要不断恐探索。从另一个方面来说，s b r _ 工艺有着相对广阔的前景。s b r 工艺近年来有很多不同的改进工艺，如：i c e a s ( 间歇循环延时曝气活性污泥法) 、c a s s ( 循环式活性污泥法) 、u n i t a n k ( 廊道交替池) 等【暇。在工艺改进上可见表1 1 表1 1 传统s b r 法与其他改进工艺特点比较 罾如，l 。lc h a r a c t e r i s t i cc o m p a r i s o no fc o n v e n t i o n a ls b rw i t ho t h e rp r o c e s s 注1 ) u n i t a n k 的布置比较紧凑，但是流程比其他的s b r 要复杂。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 生物膜反应器概述 生物膜法和活性污泥法，都是幂| j 用微生物( 主要是细菌) 的生命过程把废水中的有 机物转化成新的微生物细胞以及简单形式的无机物，从而去除有机物的方法。早在1 9 世纪末，人们基于土壤净化的污水的过滤圈的研究，提出了生物过滤法。但由予其容积 负荷| 美及去除率低，环境卫生差，逐渐被活性污泥法取代。直到2 0 世纪6 0 年代，随着 新型合成材料的大量生产以及环境保护对水质的要求进一步提高，生物膜法又获得了新 豹发展u 9 1 。霉前应用于污水处理的生物膜反应器工艺形式各异，从传统的生物滤池、生 物接触氧化塔和生物转盘到新型的生物流化床反应器、移动床生物膜反应器、序批式生 物膜反应器和垂直折流生物膜反应器等，均在工程实践中褥到不同程度的应用或处于小 试及中试的积极研究阶段 2 0 - 2 引。 1 。2 1 传统生物膜反应器 ( 1 ) 生物滤池生物滤池是生物膜反应器的最初形式，1 8 9 3 年英国的科贝特 ( c o r b e t t ) 创建了世界上第一个具有喷嘴布水装置的洒滴滤池，经过一段时间的使用后， 迅速地在欧洲一些国家得到了广泛的应用渊。随着其研究的不断深入和实际运行经验的 不断积累，生物滤池已由原来的低负荷普通生物滤池逐步发展成为高负荷生物滤池和塔 式生物滤洮。生物滤洼的一般结构如图1 6 所示。 普通生物滤池由池体、滤料、布水装置和排水系统四部分组成。它一般以碎石、焦 炭和炉渣为滤料，分为工作层和承托层两层填充，布水系统多为喷嘴喷洒布水。 图1 6 生物滤池的一般结构 f i g 1 6 s t r u c t u r eo fb i o f i l t e r 三相流化床生物反应器处理废水性能研究 高负荷生物滤池是生物滤池的第二代工艺，它是解决、改善普通生物滤池在净化功 能和运行中存在的实际弊端的基础上而开始的。它大幅度地提高了滤池的负荷率，其 b o d 容积负荷率高于普通生物滤池6 8 倍，水力负荷则高达l o 倍【2 5 】。 塔式生物滤池属于第三代生物滤池，是一种高池深、高负荷率运行的生物滤池。塔 式生物滤池相当于多个普通滤池的串联运行，且由于塔身高，增加了通风流量，因此可 以提高处理效率。塔式生物滤池使用的填料多为各种材质的波纹板、蜂窝和管式填料， 如图1 7 所示。塔式生物滤池与普通生物滤池相比，具有处理能力强、占地面积小等优 点，在国内外应用较多。 一厂、厂、厂、厂、， ( a ) ( a ) 浚缎状：( b ) 管坟：国蜂窝状 图1 7 几种填料的断面形状 f i g 1 7s h a p eo f f i l l e r s 曝气生物滤池( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ，b a f ) 是2 0 世纪8 0 年代开发的新型粒状 填料之后兴起的污水处理新工艺，其最大特点是集生物氧化和截留悬浮固体于一体，节 省了后续二沉池，有去除s s ，c o d ，b o d ，硝化、脱氮及除磷的作用。 曝气生物滤池作为一种全新的污水生物处理技术，将污水生物处理与深层过滤集于 一身，充分体现了现代水处理工艺向复合、集成化发展的趋势，近年来己经成为国内外 的研究热点。自2 0 世纪9 0 年代以来，各种不同形式的曝气生物滤池的不断推出，许多 己经成功地应用于水处理，取得了很好的应用效果。在欧美和日本已经有上百座b a f 处理设施投入运行【2 6 。它是以小粒径颗粒填料( 如石英砂、陶粒及合成塑料等) 作为过 滤主体的池型反应器，可以同步发挥生物氧化和物理截留及吸附作用，具有处理效率高、 出水水质好和负荷高等优点。 大连理工大学硕士学位论文 英国p a c l ( i n 昏o n 污水厂【2 7 1 用b a f 处理含工业废水的生活污水，c o d ，b o d ，s s 的去 除率分别达到8 0 ，9 1 3 ，7 8 。李汝琪刚利用b a f 进行生活污水处理试验时发现 b o d ，c o d 和船的平均去除率分别为9 5 3 ，9 2 6 和9 6 。7 ，同步硝化率可达9 1 5 。 一1 - i l 3 i 却 l 污水箱2 转子流量计3 气体转子流量计4 空压机 5 上向流滤柱6 水箱7 出水口8 进水口9 反冲洗排 图1 8 曝气生物滤池装置简图 f i g 1 8 d e v i c es k e t c ho fb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r 雷国元 2 9 1 等以球形陶粒为曝气生物滤池的生物载体，进行城市污水处理的半工业试 验，考察了滤速、气水比、冲击负荷、反冲洗等因素对曝气生物滤池工作性能的影响。 结果表明：在装置规模为1 2 m 3 d ，水温为2 0 - 2 3 5 c ，滤速为6 0 9 8 2 1 m h ，碳化柱和硝 化柱气水比分别为l ：l 和2 ：l ，进水c o d 为1 2 0 3 3 8m e c l ，n h 4 + - n 为3 0 0 - 5 3 6m g l 的 条件下，出水达到生活杂用水的标准；冲击负荷和反冲洗对滤池出水水质没有显著的影 响。 b a f 还可用作微污染水源水的预处理工艺。女1 m e l l n 等人【3 0 l 在研究经过0 3 氧化处理 的水源水时发现，整套工艺对腐殖酸和色度有较高的去除效果，0 3 过程产生的大部分醛 类经b a f 处理后可降至1 “g l ，羧酸类可去除8 3 8 6 。 由于曝气生物滤池能够节省土地资源，降低污水处理工程造价和运行费用。在我国 人均资源相对匾乏的国家，将具有重大意义，也将产生重大的社会效益、经济效益和环 境效益。 虽然曝气生物滤池技术发展较快，但其反应机理与反应动力学的研究尚待深入，有 关反应机理的理论体系还有待完善。随着现代生物检测技术和纳米测量技术的发展，有 关曝气生物滤池处理机理的研究将有望取得突破，特别是对生物膜生长和生物膜活性的 三楣漉化寐生物反应器处理废水性能研究 研究将成为较新的前沿性课题。丽采用适合的预处理技术与曝气生物滤池技术的整合， 将为今后模块化组合与爆气生物滤池技术的大规模应用打下坚实的基础。在新材料方 面，通过改性处理的新型吸附型填料，可以大大强化曝气生物滤池对某媸难降解污染物 的去除能力，从而在污水的高级处理和给水处理中发挥更大的作用。 ( 2 ) 生物接触氧化塔生物接触氧化也称淹没式生物滤池或浸没式曝气法。2 0 世纪初，德霹的克洛疑( c l o o s ) 、贝奇( b a c h ) 和美国的布斯韦尔( b u s w c l l ) 等人试 验研究了接触曝气法。2 0 世纪7 0 年代，在日本研究者的改进下，提高了处理效果。近 2 0 年来，该技术在豳内外郝得到了广泛的研究和应用，主要用于处理生活污水和某些工 业有机废水。 生物接触氧化是在池内填充一定密度的填料，污水浸没全部填料并与填料上的生物 膜密切接触，在微生物新陈代谢功能的 乍用下，溶解的有机物撂以去除，污水得以净化 【3 i 1 。生物接触氧化装置构成如图1 9 所示，主要是由池体、填料床、曝气装置和进出水 装置等组成。 生物接触氧化塔内的生物膜活性般高予生物滤池。此外，由于曝气的搅拌作用增 加了传质效果，使生物接触氧化塔比活性污泥法和生物滤池的处理效攀明显提高。生物 接触氧化塔剩余污泥量相对较小，运行控制和维护管理简便，近年来越来越多地得到工 程应用。 雷1 9 生物接触氧化法装警构成 f i g 。1 9t h ec o m p o s i t i o no fb i o 吣o n