（市政工程专业论文）曝气生物滤池处理生活污水的应用研究.pdf

摘要 摘要 集中式的城市卫生系统可以通过庞大的排水管网系统，将污水输送到城市 污水厂进行集中处理。但是分散的城市小区、农村村落、度假村、酒店等，无 法把污水收集后送往污水厂处理，而且公共市政工程设施也暂时无法将排水管 网铺设到这些区域。为此，通过对现有的曝气生物滤池工艺( b a f ) 的部分改进， 研制出沸石填料的曝气生物滤池，以生活污水作为处理对象进行中试试验研究， 对工艺的启动、影响因素作用规律、工艺运行方式等进行试验分析，并在m o n o d 公式的基础上，推导出本工艺氨氮去除的动力学模型，以此来指导其将来的工 程设计。 反应器连续运行的试验结果表明：经过沉淀或气浮法去除大部分悬浮物之 后，本工艺对生活污水有良好的去除效果，与其他类型曝气生物滤池相比，具 有更好的脱氮性能，能在较宽的有机污染物负荷范围内运行，其出水水质指标 可以达到污水综合排放标准和生活杂用水水质标准。采用压力溶气后，设备的 溶气效果好，气水比1 ：1 时，溶解氧为4 7 1 m g l ；工艺启动速度较快，水温 在2 0 以上时，采用自然挂膜法大约需要1 8 2 l 天，可以使用亚硝酸盐氮或 氨氮去除率稳定做指标来判断启动是否成功；生物沸石对氨氮有很好的去除效 果；反应器闲置后重新启动，恢复速度快，并能保证去除效果。 因此，该处理设备具有处理效果较好，溶气效率高，对水质变化适应性强， 出水稳定；占地少，能耗小，经济节约；设备简单，操作简便，易于管理，不 散发异味等特点，在分散式污染处理中的应用前景极为广阔。 关键词：沸石填料；曝气生物滤池；分散式污水处理；c o d c # ；氨氮 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ec e n t r a l i z e dd o m e s t i cw a s t e w a t e rs y s t e m , t h es e w a g ep i p ei n t ot h ec i t y s e w a g ef a c t o r yf o rc e n t r a l i z e dp r o c e s st h r o u g ht h eh u g em u n i c i p a lp i p en e t w o r k s y s t e m b u ti ti si m p o s s i b l et oc o l l e c td e c e n t r a l i z e dd o m e s t i cw a s t e w a t e rt o g e t h e r , s u c ha si nd i s p e r s e st h ec i t yp l o t , t h ec o u n t r y s i d ev i l l a g e ，t h ec o u n t r yc l u b ，t h eh o t e l a n ds oo n , t ot h en e a r b ys e w a g ef a c t o r y a sar e s u l to ft h i s ，t h ep r e s s u r ea e r a t i o nb i o f i l t e rw a sd e s i g n e dt h r o u g hm a k i n g s o m ei m p r o v e m e n t st ob i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b a r ) t h ep i l o t - s c a l ee x p e r i m e n to n t h et r e a t m e n to fp o l l u t e ds o u r c ew a t e rs h o w st h a tt h i st e c h n i q u ep r o c e s sh a sv e r y g o o de l i m i n a t i o ne f f i c i e n c yi nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tw h e n t h em a j o r i t yo ft u r b i d i f i e s a r er e m o v e db ym e a n so fd i s s o l v ea i rf l o a t a t i o na n dt h ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o no f c o d e r , b o d 5 ，a n dn h 3 - na c h i e v et h ef i r s tg r a d ed i s c h a r g es t a n d a r do fi n t e g r a t e d w a s t e w a t e rd i s c h a r g es t a n d a r d a n di th a sh i g ha i r - d i s s o l v i n ge f f i c i e n c y w h e nt h e v o l u m er a t eo ft h ea i ra n dw a t e ri sl ，t h ed e n s i t yo fd i s s o l v e n to x y g e n o ) i nt h e o u t l e tw a t e rc a nr e a c h4 7 1 m g la n di nt h i sc o n d i t i o n ，d ow o u l dn o tb eal i m i t0 1 1 n i t r a t i o n t h i st e c h n i q u es t a r t su pq u i c k l y w h e nt h ew a t e rt e m p e r a t u r ei sa b o v e2 0 ，t h et i m eo ft h en a t u r a lb i o m e m b r a n ei sa b o u t18 - , 21d a y s ，t h er e l a t i v es t a b l ea n d l l i g ha m m o n i a - n i t r o g e ne l i m i n a t er a t et a k e n 嬲ap a r a m e t e ri n d i c a t i n gw h e t h e rt h e b i o m e m b r a n ei ss u c c e s s f u l t h eb i o l o g i c a lz e o l i t eh a sq u i t eg o o de l i m i n a t i o ne f f e c t t h i se q u i p m e n tc o u l db ea l s or e s t a r t e dv e r yq u i c k l ya n dt h ee l i m i n a t i o np e r f o r m a n c e i ss t i l lq u i t eg o o d t h e r e f o r e ，t h es e l f - d e s i g n e d t h ep r e s s u r ea e r a t i o nb i o f i l t e rf e a t u r e st h e a d v a n t a g e so fh i g ha i rd i s s o l v i n ge f f i c i e n c y ，s t r o n g e rr e s i s t a n c ef o ri m p a c t i o no f a m m o n i an i t r o g e n ，h i 曲t r e a t m e n te f f i c i e n c y , s i m p l es t r u c t u r e ，a n de a s yo p e r a t i o n t h i st e c h n i q u eh a sa g o o df u t u r ef o ra p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：b a f ；b i o l o g i c a lz e o l i t e ；p r e s s u r ea e r a t i o n ；d e c e n t r a l i z e dd o m e s t i c w a s t e w a t e r ；c o d e r , a m m o n i a - n i t r o g e n 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。 学位论文作者签名：张滢 沙9 年晓月彳日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 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，均己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：张遗 心年。月形日 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 污水处理与回用 第1 章绪论 在全球可持续发展战略的影响下，人们开始反思过去一直倡导的污水集中 处理的概念和处理办法。集中式污水处理系统是市政工程中的标准处理系统， 也是绝大多数城市的选择，用于收集和处理大流量污、废水。然而，回首过去 一个世纪的污水处理历程，我们发现污水集中处理的办法还是有其局限性的， 集中的污水处理以巨大的能量损失为代价，换来的仍然是岌岌可危的环境污染 问题、水资源短缺问题和饮用水安全问题。i l 】 污水的集中式处理，是建立在庞大的集中式管网收集系统以及大型污水处 理厂之上的。它把各种城市生活污水，经预处理的工业废水和城市融雪、降水 等混合废水通过城市排水管网收集，集中输往污水处理厂，采用适宜的措施进 行处理，达标后再排入自然水系。目前，还会在此基础上再进行深度处理，然 后将其回用于城市生活的各个方面，其中包括市政、绿化、消防、景观等。总 的来说，这是一种系统化、规模化的污水处理模式，其最主要的特征是：统一 收集、统一输送、统一处理。 污水分散处理的概念是在上个世纪末才开始受到人们的注意和研究，现在 全世界众多水处理科学家都正在积极倡导这一处理思想，就地处理、就地回用， 实现水平衡和水循环。这一处理模式适用于各旅馆型独立经济单位、用户或者 中小型独立住宅区，尤其在居住区范围内的生活小区污水就地收集、处理和回 收再用，比集中处理更为经济可行。目前，分散式污水处理技术( d e c e n t r a l i z e d s a n i t a t i o na n dr e u s e ，d e s a r ) 已经为国内外生活污水处理的一种新理念【2 】。它 的处理核心目标例是： l 、保护公共卫生，防止环境恶化或污染； 2 、通过就地处理以及回用来降低处理费用； 3 、尽量采用粗放型工艺，非专业人员经过简单培训亦可以维护管理。 第l 章绪论 简而言之，就是要做到经济、简易、可靠，能耗低，满足环境可持续发展 的要求。 对居住比较分散的中小城镇、广大农村及偏远地区来说，由于受到地理条 件和经济因素制约，不宜于进行生活污水的集中处理，此时可以因地制宜地选 择和发展分散式污水处理技术和就地处理技术。分散式污水处理技术作为一种 新型的、经济环保的污水处理技术，既能做到一次性的投入低，又能保证今后 的日常管理成本低，还可以做到处理效果稳定并且良好，能够达标排放。 我国是一个水资源紧缺的国家，国家历来对水资源的有效利用十分重视， 实行开源节流，以节流为主的水资源政策，并大力推进城镇污水资源化，努力 提高循环用水率，将单纯的水污染控制转变为全方位的水环境的可持续发展。 城镇污水再生利用即是解决城镇缺水的一个有效途径，同时也是削减水污染物 排放总量的主要措施之一。目前，进行污水再生利用已是当前缓解水资源危机 措施的第一选择。 再生水用于城市生活的对象一般限于两方面：市政用水，即浇洒、绿化、 景观、消防、补充河湖等用水，杂用水，即冲洗汽车、建筑施工以及公共建筑 和居民住宅的冲洗厕所用水。 4 1 1 1 2 我国现状 我国是一个水资源紧缺的国家，是世界1 3 个贫水国之一，尽管我国年平均 水资源总量为2 8 1 万亿立方米，但是人均水平仅是世界人均水平的四分之一， 同时水资源在时空上分布不均，使得部分地区处于严峻缺水状况。因此，国家 历来对水资源的有效利用十分重视，实行开源节流，以节流为主的水资源政策， 并大力推进城镇污水资源化，以减轻江河、湖泊污染，保护水资源不受破坏。 根据研究表明，人类使用过的下水，其污染杂质只占o 1 ，绝大部分是可再用 的清水。将其进行适当处理后，是可以回用于绿化、浇洒、景观、洗车、冲洗 厕所等方面。p 6 j 在我国，有9 亿人口居住在农村，大部分的农村仍然比较落后，北方及中、 西部平原地区农村居民大多以村落形式聚居，规模大小不一，一般可以达到数 百户至上千户人家，形成一个一个自然村落。在南方及东南部平原地区农村村 落规模相对要小一些，几十户至上百户人家，形成自然村落。但是随着农村经 2 第1 章绪论 济的发展，尤其像东、南沿海发达地区农村，由于发展工业的需要，农村村落 的土地资源在不断地优化整合，住户向乡镇社区集中，因此乡镇、小城镇的人 口也在不断扩大，有的可以达到数千户规模。 据统计，目前我国拥有各种规模和性质的中小城镇接近4 8 0 0 0 多个，其中 建制镇2 0 0 0 0 多个。随着全面建设小康社会，我国的小城镇建设将得到很快发 展。来自建设部的统计数字显示，到2 0 0 6 年底，中国城镇入口已从改革开放之 初的1 7 亿人达到5 7 7 亿人，城镇化水平也从不到1 8 增长到近4 4 。据预测， 到2 0 1 0 年，全国设市城市将达到1 2 0 0 个左右，建制镇达到2 5 万3 万个。随 着乡镇企业的迅速发展和村镇人口的不断集中，排污量成倍增长。据统计，2 0 0 0 年，中小城镇污水排放量为4 8 0 亿吨。虽然单个中小城镇的污水量无法与大城 市相比，但其排放总量相当可观。1 7 1 可是，占了全国总面积近9 0 的广大农村和小城镇的污水处理问题长期未 得到解决，绝大多数城镇没有系统的污水处理设施，建有一些污水收集或处理 设施的仅占1 0 。这大部分的污水是不经过任何处理，而直接排放到水体中去， 于是农村河流普遍遭到污染，已经成为区域性水环境的重要污染源。更严重的 是地表水的污染还威胁到地下水，甚至有的浅层地下水已经遭到污染，不能取 用，这些都造成我国农村、小城镇的周边环境和各大流域水环境质量逐年下降。 2 0 0 0 年，七大水系干流中，只有5 7 7 的断面达到或优于国家地表水环境质量 标准i 类。各大淡水湖泊和城市湖泊均受到不同程度的污染，一些湖泊呈富营 养化状态。沿海河口地区和城市附近海域污染严重，赤潮发生频次增加，面积 扩大。由于污水出路未解决，还会带来传染病，如霍乱、疟疾等，引发公共卫 生安全隐患。 s l 这类农村、小城镇的人口与大中城市相比较少，经济基础总体薄弱，区域 功能分区分散，排污量不均衡并且排污量也比较小，一般的建制镇的排污量在 5 0 0 0 m 3 d 以下。显而易见，在这些农村、小城镇是难以实施集中式的处理。这 些较为分散的农村、小城镇，无法污水收集后输往就近的污水厂去处理，因此， 各地污水单独就近处理比集中建设大型污水处理厂更现实可行。 同时，在大中城市，随着我国城市建设的飞速发展和人民物质生活水平的 不断提高，我国现在的居住区已经不仅仅是单一的建筑物，而是引入了住区的 新概念。住区不仅仅指的是一般意义下的居民住宅区，还包括了大型商业中心、 购物中心、学校等由一种或多种功能构成的相对独立的区域。因此，针对小区 3 第1 章绪论 污水的治理将会是今后水污染控制领域中的一项十分重要的内容。此外，还有 一批富人为追求空气质量，正在向大城市远郊迁移，建立乡村别墅、新型住宅 小区，城郊各大娱乐宾馆、旅游度假村、风景旅游点也在不断的兴建和开发。 这些新建地区，大都远离城市中心，没有相应的公共市政工程配套设施，而现 阶段也不可能为这些地区专门铺设排水管网来收集他们的污水，所以需要建造 独立的污水处理系统。以上这两种情况的污水是属于生活污水范畴的，其特点 是水量一般不太大，但水质、水量变化较大，同时还需要考虑到土地昂贵、对 环境要求较高( 如气味、噪声等) 诸如此类的因素。因此，此类污水处理具有 以下特点： l 、工艺设计时，要减少污水处理对周围环境可能产生的负面影响。 2 、构筑物要少，易于安装、布置。 3 、经济合理地利用污水资源，处理后的污水尽量能够回用。 1 1 3 分散式污水处理技术 污水分散处理技术在2 0 世纪就已经进行了多种形式的技术研究与应用，其 中最有代表性的就是普通的物理分离技术，它主要包括砂滤系统和膜过滤系统。 在砂滤系统中，既有快速砂滤池和双层、多层滤料滤池，也有慢速砂滤池， 砂滤层由粗卵石和砂层组成，其处理效能取决于介质的性能、温度和负荷率( 滤 速) 。普通砂滤池或其他滤料滤池与生物膜工艺结合，构成曝气生物滤池( b a f ) 。 b a y 工艺，是2 0 世纪8 0 年代末和9 0 年代初在欧美兴起的一种新型污水处理 工艺，首先用作三级处理，后发展成直接用于二级处理。该工艺的处理负荷高， b o d 的容积负荷可以达到5 6 0 k g ( m 3 d ) ，广泛地用于生活污水、生活杂 排水和食品加工、酿造和造纸等工业废水处理中，目前世界上已有1 0 0 多座污 水处理厂使用了这项技术，最大规模达几十万吨每天。随着研究的深入，b a f 已经从单一的工艺逐渐发展为系列综合工艺，有除去s s 、c o d 、b o d 以及硝 化、脱氮、除磷、去除a o x ( 有害物质) 的作用。 该工艺的主要特点是： 1 、一次性投资比传统方法低1 4 ； 2 、占地面积为常规工艺的1 1 0 - - - 1 5 ，运行费低l 5 ； 3 、进水要求悬浮物5 0 - - - , 6 0 m g l ，最好与一级强化处理相结合，如采用水 4 第l 章绪论 解酸化池； 4 、填料多为页岩陶粒，直径5 m m ，层高1 5 2 m 。 以聚苯乙烯珠粒为滤料的曝气生物滤池，称为b i o s t y r 工艺，以陶粒为滤料 的曝气生物滤池，称为b i o f o r 工艺。 这种生物过滤技术充分地利用了滤池中滤料的拦截作用和滤料上附着生物 膜的降解作用，将初沉池出水中未能去除的大多数物质能够有效的加以去除并 减少堵塞的可能性，有的学者还通过改变进出水的方向和滤池进出水过水断面 的大小研制成功了上向流变速生物滤池，采用该滤池对于处理生物处理二沉池 出水处理水水质可以达到国家颁布的回用水水质标准。此外，滤池的滤料对于 处理效果的好坏影响很大，目前比较新的滤料有酶促陶粒滤料，它利用多孔陶 粒的微孔增加了生物的附着量，同时酶的催化作用也加强了处理的效果。p 1 3 l 膜分离处理技术，是利用隔膜使水同微粒分离的方法，在2 0 世纪6 0 年代 开始应用于水处理领域。 膜技术由于具有高效节能的优点，已被广泛应用于水处理的各个领域。现 在应用较多的有微滤、超滤、反渗透、纳滤等。微滤可以去除沉淀不能去除的 包括细菌、病毒在内的悬浮物，还可以除磷；超滤己被用于去除腐质酸等大分 子；反渗透己被用于降低矿化度和去除总溶解性固体；纳滤介于反渗透和超滤 之间，可以直接去除一切病菌、细菌和寄生虫，同时大幅度地降低溶解性有机 物。低压大水量使得纳滤的运行费用大大减少。采用膜分离技术作为污水理单 元时需要解决的主要问题就是如何防止膜污染。 膜分离技术中的膜组件与生物反应器相结合之后形成了新型高效的污水处 理技术膜生物反应器( m b r ) 。其优点是用膜组件代替生物处理后通常用 的二沉池，既可在不必污泥回流的条件下，保持生物反应器内较高的混合液悬 浮固体浓度和较长的细胞平均时间，又可使生物反应器出水质量很高，甚至可 达到回用的水质要求。不过，尽管出水水质较高，但是众所周知的是由于膜的 污垢阻塞原因，过膜的水力阻力增加，从而增加了为了维持过膜渗透通量而增 加的运行费用和用于化学清洗的药剂费用，而且这些化学药剂将随浓缩液进入 水体，产生附带的环境危害。1 1 4 1 5 】 1 1 4 污水分散式处理的小型化净化装置 5 第l 章绪论 小型污水处理装置因其“小，相对而言工艺放大较容易，有利于最新处 理技术的应用。只有尽快研制出真正高效、低耗、造价及运营费用低廉的污水 处理设备，而不是在现有产品基础上的简单重复，为市场提供更好的全新的产 品，才能适应我国中小城镇和农村建设的需要【l q 。 基于上述国内现状和处理特点的要求，因此要求分散式的污水处理系统的 安装、操作与维护必须简单，运行稳定可靠，不需要专业人员管理。这就需要 我们设计出工业流水线来生产成品式小型污水处理设备。当前，发展集预处理、 二级处理与深度处理于一体的小型污水净化装置，已经成为国内外污水分散处 理技术发展的一种趋势。 1 2 曝气生物滤池工艺 曝气生物滤池是基于生物滤池工艺酌原理研制出来的，属于生物过滤技术， 是用物理截滤和生物膜法生化降解双重作用来将污染物加以去除的。 1 2 1 生物膜法工艺原理 生物膜具有较大的表面积，能够大量吸附废水中的有机物，而且具有很强 的氧化能力。在有机物被分解的同时，微生物的机体则在不断增长和繁殖，也 就是增加了生物膜的数量。由于生物膜上微生物的老化死亡，生物膜将会从滤 料表面脱落下来，然后随着废水流出池外。 由于生物膜的吸附作用，在它的表面往往附着一层薄薄的水层，水中的有 机物被生物膜所氧化，其浓度要比滤池进水中有机物的浓度低得多，因此当废 水在滤料表面流动时，有机物就会从运动着废水中转移到附着在生物膜表面的 水中去，并迸一步被生物膜所吸附。同时，空气中的氧也将经过废水而进入生 物膜。生物膜上的微生物在氧的参与、作用下对有机物进行分解和机体新陈代 谢，产生了包括二氧化碳等无机物，它们又沿着相反的方向，即从生物膜经过 附着水排到流动着的废水及空气中去。生物滤池中废水的净化过程是很复杂的， 它包括废水中复杂的传质过程，氧的扩散和吸收，有机物的分解和微生物的新 陈代谢等各种过程。在这些过程的综合作用下，废水中有机物的含量大大减少， 因此得到了净化。 6 第1 章绪论 当生物膜较厚，废水中有机物浓度较大时，空气中的氧将很快地被表层的 生物膜所消耗，靠近滤料的一层生物膜因得不到充足的氧的供应而使厌氧微生 物发展起来，并且产生有机酸、氨和硫化氢等厌氧分解的产物，它们有的很不 稳定，有的带有臭味，将影响出水的水质。 1 7 - i s 1 2 2 改进 生物滤池或其他曝气生物滤池技术存在以下不足： 进水需提升的扬程高度取决于生物滤池内的压力损失和生物滤池的设计结 构。由于下向流会导致过滤堵塞阻力增加太快，为了克服这个问题，因而采用 上向流方式，即水流和空气同时从滤池下部进入，滤料处于半悬浮状态。但由 于水、气同向流出，充氧效果受到限制，常常需要鼓入很大的空气量，致使上 向流速增大，滤层厚度增大，滤层厚度一般为2 5 3 o m ，进入生物滤床的污水 需提升较高的高度，一般而言，污水的总输送扬程高度在7 l o r e t l 9 1 。 在保证处理效果的条件下，本工艺主要进行了两个方面的改进。 1 2 2 1 压力溶气 为提高溶气效率，减少鼓入空气流量，减少上向流的流速，从而减少滤层 厚度和滤池高度，降低能耗，节约能量。因此，在滤罐中间增加了一个气、水 混合通道，通道内放有特殊溶气填料。溶气填料可以增加水流的紊流程度，同 时气和水易在填料表面形成气、液两层膜，原水和空气不断经过填料表面，加 速了气、液界面的更新，增大气、水接触面积，气、水在此充分混合，有利于 提高空气溶解效率。因此，本反应器采用较低的气水比也能满足工艺处理对溶 解氧的要求。 试验结果也表明，当气水比为o 8 ：l 时，出水中溶解氧平均浓度为3 9 5 m g l ； 气水比为1 ：1 时，出水溶解氧平均浓度为4 7 l i n g l ；气水比为2 ：l 时，出水 中溶解氧平均浓度为6 2 m g l 。这说明，与一般生物滤池或曝气生物滤池相比， 本反应器采用的压力溶气方式是可以明显提高溶气效率，即使较低的气水比也 能满足微生物生化反应对溶解氧的要求。 1 2 2 2 滤料的选择 滤池中滤料的主要作用，一是截留非溶解性物质，去除s s ，另一方面是为 7 第l 章绪论 微生物提供附着生长的表面积，形成生物膜，去除溶解性的c o d 。因此，载体 滤料的选择是影响工艺处理效能的关键。而且，滤料的费用在基建投资及运行 费用中占有比较大的比重，所以滤料的选择将关系到工艺是否合理可行。一般 来说，滤料的选择主要考虑到以下几个因烈2 0 】： 1 、机械强度； 2 、比表面积； 3 、孔隙率； 4 、生化稳定性； 5 、价格低廉，便于就地取材。 常用的滤料主要有焦炭、石英砂、轻质陶粒、沸石以及有机高分子颗粒等。 沸石是一种含水架状结构的多孔硅铝酸盐矿物质，是沸石族矿物的总称， 主要见于岩浆岩( 特别是基性火山岩) 的裂缝或杏仁体中，与方解石、石髓、 石英等共生。在外力地质作用中，沸石矿物分布很广，特别多见于有火山碎屑 形成的沉积岩中。在我国，天然沸石己在2 4 个省、自治区发现了近4 0 0 处的矿 厂，产量丰副2 1 1 。 沸石具有良好的吸附及离子交换性能，其比表面积大，对微生物无任何毒 害，表面粗糙，易于附着微生物。通过使大量的微生物聚集在沸石载体表面形 成生物沸石，由生物膜和沸石同时对水中的营养基质进行降解利用。此外，沸 石与生物膜还可以相互起到协同作用。一方面，在沸石通过离子交换作用不断 吸附水中的n 瞰+ 离子的同时，其表面的生物膜在不断降解水中的有机污染物， 并且降解沸石所吸附的n h 4 + 离子，从而使沸石得到再生，提高了反应器的硝化 效能；另一方面由于沸石的吸附特性，使得生物膜上的各种微生物生活在一个 极为有利的环境中，从而提高了微生物的活性和处理污染物的效果。 与普通生物反应器相化，生物沸石反应器有明显的优点【2 2 1 ： 耐冲击负荷。天然沸石具有较大的孔隙率和比表面积，因而具有较大的 微生物附着表面，特别是沸石对n h 3 - n 有较强的选择性离子交换能力，在沸石 表面有生物膜时仍具有交换能力，故以沸石为滤料的反应器具有较强的抗冲击 负荷能力。正常运行时，对的去除通过滤料表面生物膜的生物硝化作用来完成， 当有冲击负荷时，被沸石所交换的k + 、n a + 和c a 2 + 等离子从沸石中释放出来， 冲击负荷停止后，n h 3 - n 从沸石中释放出来进行生物硝化。由于沸石对n i - 1 4 + 离子的吸附交换特性，可以起到缓冲的作用，使生物膜不受水质突然变化的影 8 第l 章绪论 响，从而能保证出水水质。 脱氮效果好。与其他常用滤料相比，沸石与生物膜的协同作用使得沸石 对氨氮具有更好的去除效果。 在低温时，仍具有较好的处理效果。在低温情况下，微生物活性降低， 生物处理效果较差，但由于沸石的离子交换作用受温度影响较小，所以生物沸 石在低温时还能保持较高的去除效果。 出水水质较好。沸石的特殊结构，使它在交换吸附水中n h 4 + 离子同时， 还能吸附水中的一部分有机物质以及重金属离子等离子，因而出水水质更佳。 投资费用较低。与其他填料相比，沸石的视比重相对比较小，因而在反 冲洗时所需的反冲洗强度也比较小，可以节省反冲洗用水。另外，沸石的价格 也较目前普遍采用的陶粒滤料便宜，大约只占后者的1 4 - 1 6 ，因而可以有效 降低成本，节省初期投入的费用。 有研究结果表q jr 2 3 - 2 4 ，滤料粒径为2 - 4 r a m 时，反应器的硝化性能比滤料 粒径为4 - - - 8 m m 和5 6 - - - 1 1 2 m m 的大粒径滤料要好很多，当沸石滤料粒径为2 3 m m 时，其硝化性能与粒径为4 - - 5 r a m 沸石滤料相比，可以提高4 0 - - - 6 0 0 o ， 并且不会引起水头损失的增加，减少滤池体积4 0 * , 0 6 0 。 1 2 3 工艺的应用 以沸石为滤料的曝气生物滤池已经在微污染水源水处理、生活污水脱氮处 理等方面进行了广泛深入的研究。相关研究结果见表1 2 。 表1 2 相关试验研究成果2 5 2 q 进水有机物浓度 项目 滤料去除率( ) ( r a g l ) c o d 平均值7 8 9 2 1 8 处理微污染水源水( 中试)沸石( o 8 1 6 r a m ) 氨氮平均值3 1 3 7 0 c o d c r 18 0 4 2 0 5 4 生活污水脱氮处理研究( 中试)沸石( o 8 1 6 r a m ) 氨氮18 - - - 4 5 6 2 6 c o d 7 3 1 0 4 5 2 处理低温微污染原水( 中试)沸石( o 8 1 6 r a m ) 氨氮3 2 5 3 9 36 5 9 第1 章绪论 1 3 课题研究目的及内容 1 3 1 研究目的 本课题根据分散式污水处理的特点，考虑出水需要达到污水回用的要求， 对现有的曝气生物滤池工艺进行改进后设计中试试验。通过研究本工艺在不同 工况下，对生活污水中c o d 、氨氮、s s 等污染物的处理效能，分析沸石滤床 的生物相特征，探索出工艺的最佳工艺技术路线和运行参数，总结工艺设计以 及运行经验，探索数学模型，丰富处理理论，以促进该工艺在分散式污水处理 中的应用发展，为设备的工程应用提供技术支持。 1 3 2 研究内容 本试验，以沸石填料的曝气生物滤池处理生活污水的连续运行试验为研究 载体，针对目前若干运行特征、处理效能、影响因子作用规律进行试验研究、 理论探讨和系统的分析，力求阐明其处理机理和运行特性以及各种影响因子的 作用规律。具体研究内容如下： l 、通过全面调查收集有关生物滤池的研究设计施工信息，进行试验设计并 最终研制出新型的曝气生物滤池装置； 2 、初期调试运行后，在不同水量、不同水质条件下，对该新型曝气生物滤 池水中c o d c ，、n h 4 - n 、s s 等主要水质指标的去除效果进行分析研究，并最终 得出反应器对水量水质的适应范围；研究在不同水力负荷、不同气水比条件下 去除各种污染物的情况；研究温度、p h 值对沸石去除污染物的影响；不同运行 方式的处理效能对比研究，推导出反应器处理污染物的动力学模型；工艺启动、 重启动、反冲洗等的研究。 3 、试验曝气生物滤池影响去除主要水质指标的因素，并建立曝气生物滤池 的多因素数学分析模型进行理论分析研究； 4 、对处理过程中的物理、化学和微生物生态学方面的分析研究。 1 0 第2 章试验装置与方法 第2 章试验装置与方法 2 1 试验装置与材料 2 11 试验装置 试验主体设备为生物反应滤罐，为了使设备制造简单、安装方便，主体采 用钢制材料，工艺流程示意图如图2l 所示。 多尔沉砂池 图21 曝气生物游池工艺流程图 滤罐的总高度约为1 9 0 m ，直径5 0 0 m m ，中心为直径l o o m m 的溶气管道， 内装溶气填料，滤池底部为配水配气系统，设有1 2 个穿孔和4 个曝气头。采用 缙云天然斜发沸石为填料。根据前期研究成果m 1 “，确定合适的沸石粒径，其 中下层沸石填料粒径3 s m r n ，高约1 0 0 m m 。上层沸石粒径16 23 r a m ，高约 9 0 0 m m ，空隙率4 0 滤料层总高约为l 血。 第2 章试验装置与方法 反应器的实物图如图2 2 所示。 囤22 曝气生物滤罐实物图 中试试验所需设备见表2i 。 表2 1 试验设备一览表 序号 工程设备( 材料) 名称 规格数量 自制雌气生物滤池反应器 l 台 气体流量计 d n l 0 l z b - 1 0 1 个 液体流量计d n 4 0 ，1 6 0 l m 1 6 0 0l 血1 a 潜概 f l = l s m q = i5 l 3 台 空压机 0 t m p a ，01 1 1 s i n 3 m i a i 台 永管、阀门及三通等若干 碱压阀 d n 8 ，p = i5 k e , e m l 电缆线 若干 本试验装置2 4 1 t 连续运行，原水经放置在初沉池出水末端处的潜水泵，进 入曝气生物滤罐，进水水量由安装在水泵出水管处的阀门和滤罐进水端的液体 流量计调节。空压机出气管上安有减压阀和气体流量计，气量通过流量计控制， 气压通过减压阀控制。出水经滤罐顶部的溢流堰溢流出水。 启动时采用连续进水的自然挂膜培养法，待生物膜生长成熟后，逐渐增大 水量，提高水力负荷，降低水力停留时间，研究在不同运行条件下的去豫效能， 改变气水比重启动等。 2 12 试验材料 第2 章试验装置与方法 试验中使用的沸石滤料由浙江缙云神石矿业有限公司生产，其主要物理指 标如下：密度2 1 6 9 c m 3 ，硬度3 - - 4 度，含水率7 1 4 ，孔径3 5 - - 4 0 埃， 比表面积2 3 0 3 2 0 m 2 g ，热稳定性7 5 0 c 。主要化学成份见表2 2 。 表2 2 天然斜发沸石的主要化学成份 化学成份( ) 样 沸石 品含量 烧失 s i 0 2t i 0 2a i ：0 3f e 2 0 3 m n 0m g oc a ok 2 0n a 2 0h 2 0 量 l6 5 6 9 2 l0 1 31 0 9 9o 9 60 0 4o 1 32 9 80 9 22 2 26 4 51 3 8 3 27 0 6 9 5 8o 1 41 2 2 00 8 70 0 70 1 32 5 91 1 32 5 91 1 9 3 7 1 6 9 5 0 o 1 4 1 1 0 5 0 8 0 0 0 8 o 1 32 5 91 1 32 9 51 1 0 0 2 2 试验方法 2 2 1 试验期间的进水水质 试验装置放置在青浦第二污水厂初沉池后，试验原水为初沉池的出水，试 验期间的原水水质情况见表2 3 。 表2 3 试验期间进水水质情况 水温c o d c ,氨氮 s s 时间 p h ( ) ( r a g l )( r a g l )( m g l ) 0 6 1 l2 5 4 1 8 23 6 3 1 4 9 81 5 o 3 2 71 1 5 3 7 8 6 4 - - 8 2 0 6 1 21 8 7 1 5 24 7 5 1 3 5 8 2 0 0 - - 3 4 6 1 3 7 8 5 86 5 8 6 0 7 0 11 5 8 1 1 42 5 6 9 9 51 9 4 3 2 71 2 6 7 8 36 3 7 7 0 7 0 31 3 8 1 7 72 1 6 - - 1 0 8 01 7 2 3 1 lo1 9 7 3 5 96 7 8 2 0 7 0 41 8 0 2 i 62 4 4 6 2 01 6 7 3 1 61 2 5 4 1 86 2 7 8 0 7 0 52 1 9 2 5 3 2 3 5 7 5 0 1 2 3 6 7 51 5 2 3 8 16 9 8 4 0 7 0 62 3 4 2 8 72 0 9 6 5 62 3 3 3 5 52 1 1 3 9 96 o 8 1 由上表可知，0 7 年1 月之前的进水c o d 、s s 浓度均较高，可生化性较差， 0 7 年3 月之后，在进水端增加了预处理工艺，因此，之后的进水c o d 、s s 浓 1 3 第2 章试验装置与方法 度降低。此外，原水的水质情况随季节变化影响不大。 2 2 2 反冲洗 为避免曝气生物滤池运行时产生填料堵塞、池底积泥等问题，本工艺反冲 洗采用气、水联合反冲，反冲洗参数为：气1 6 0 0 l h ，水8 0 0 l h ，冲洗时间为 1 5 - - 3 0 m i n 。 2 3 分析项目与检测方法 每日上午8 点取样一次进行分析，试验中定期检测的项目包括：c o d c r 、 b o d 5 、s s 、氨氮、硝态氮、亚硝态氮、总氮、总磷、温度、p h 、溶解氧，其 检测方法见表2 4 。 表2 4 水质检测项目及方法 检测指标测定方、法【3 1 】 c o d c ，重铬酸钾法 b o d 5 稀释接种法 s s重量法 氨氮 纳氏试剂光度法 幸硝态氮紫外分光光度法 幸亚硝态氮 n - ( 1 萘基) 乙二胺光度法 搴总氮 过硫酸钾氧化紫外分光光度法 幸总磷钼锑抗分光光度法 温度 温度计法 溶解氧 溶解氧仪 i c l 。铬酸钾指示剂滴定法 p h 玻璃电极法 除木号的项目为根据试验需要不定期检测分析外，其他项目每天至少取样分 析1 次。 1 4 第3 章曝气生物滤池工艺启动 第3 章曝气生物滤池工艺启动 本工艺处理生活污水的原理在于反应器内填料上所附着的生物膜中微生物 的氧化分解作用和填料、生物膜的吸附阻留作用。因此，生物膜的培养与形成 是反应器能否正常运行的关键。 在生物反应器内，微生物附着在载体表面，形成一层生物膜。生化处理过 程中，液相中溶解的有机物和氧气从液相进入生物膜，被生物膜上的细胞分解， 污水中的有机物不断地被吸附到生物膜上，生物膜上的微生物对这些有机物分 解，并不断地进行新陈代谢，从而达到连续处理污水的目的。因此，在生物膜 法处理技术正式运行前往往有一段漫长的启动期，只有在填料上附着的生物膜 成熟之后，反应器才具有污染物去除能力。挂膜时间的长短直接影响到工艺投 入使用的进度，生物膜的生长状况会影响工艺的处理效能，所以，反应器的挂 膜启动是生物处理的关键技术之一【3 2 3 3 1 。 本章考察了曝气生物滤池工艺的启动和重启动方式，寻求一种历时短、生 物膜活性好、适合以沸石为填料的曝气生物滤池的启动方式，通过分析挂膜过 程中各水质指标的去除变化情况与生物膜生长之间的相互关系，对判断生物膜 成熟的指标进行探讨，寻求判断生物膜成熟的快速、简便、合理的方式，以期 为今后的工程应用提供参考。 3 1 挂膜启动 “挂膜是指微生物在反应器中的富集过程以及其在填料表面的附着增殖 过程，即填料表面稳态生长的生物膜的形成过程。曝气生物滤池的启动与一般 生物膜法的启动方法大致相同，在实际生产试运行阶段，是需要将曝气生物滤 池快速启动起来，并使其处理能力达到设计水平。生物膜法常用的启动方法有 以下三种【3 4 】： 一是人工接种，投加活性污泥进行接种，然后进行间歇或者连续培养；二 是自然挂膜，在设计流速或逐渐增加流速进行连续流培养；三是先间歇培养， 然后再进行负荷逐渐增大的连续流进水。 1 5 第3 章曝气生物滤池工艺启动 有研究表明，采用不同的挂膜方式，在滤池挂膜时间、生物膜生长状况方 面都会存在一定的差异，不过，在达到稳态运行时的处理效能却基本一致1 3 5 。 在本试验中采用连续进水的自然挂膜方式，先在低负荷情况下进行培养， 再逐渐增加流量。试验进行到中期时，设备停机一个半月需要重启动，考虑到 当时水温的因素，而采用了人工接种挂膜法，接种污泥为青浦第二污水厂氧化 沟的活性污泥。 3 1 1 原理 固定在载体上微生物形成生物膜的过程是一个动态过程，微生物受吸附、 生长、脱落的影响。其形成过程为：悬浮于液相中的微生物附着在光载体上， 逐渐在光载体的局部区域形成薄的生物膜，最后形成一层将载体完全包裹的成 熟生物膜，最终完成了微生物的固定化。 影响微生物固定化的因素有很多，例如：水力停留时间、有机容积负荷、 载体性质、水力条件、载体表面物理化学特性等。其中，水力停留时间对能否 生成完整的生物膜有着重要的作用。此外，有研究表明，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【3 6 1 。 本试验所采用的沸石填料，表面粗糙多孔，有很强的吸附性能。自然挂膜 初期水力负荷较低，弱的水力剪切力作用是有利于微生物在填料表面固定的， 适当地曝气，不但提供了微生物生长所需的氧气，同时可以维持反应器中的污 水处于混合状态，保持适当的水流扰动。 3 1 。2 自然挂膜 本试验的自然挂膜至2 0 0 6 年1 0 月2 5 日开始，先以小流量1 6 0 l h ( 水力 停留时间7 0 5 r a i n ) ，气水比2 ：1 ，开始运行一段时间，然后逐渐增加进水流 量至设计流量。当污水中c o d c r 和氨氮的去除效果基本稳定，工艺挂膜成熟， 前后共历时2 8 天。 前1 9 d 水温均在2 0 以上，平均水温为2 2 7 ，第2 0 - , 3 0 d 平均水温为1 8 8 ，基本满足微生物生长的适宜温度。工艺启动期间的水温变化具体情况见图 3 1 ，挂膜及稳定运行期间进出水水质情况见表3 1 。 1 6 第3 章曝气生物滤池工艺启动