（市政工程专业论文）OAO生物滤池组合工艺深度处理生活污水的研究.pdf

摘要 随着城市化和工业化程度的不断提高，我国的水资源面临着严重短缺和严重 污染的双重挑战。污水深度处理回用是缓解我国水资源紧张和受污染状况的重要 途径之一。开展污水深度处理，使污水成为稳定的再生水资源，不但解决了水体 污染问题，而且可以缓解水资源危机。近年来，在污水深度处理工艺的理论与实 践研究中，生物滤池以其集生物膜有机物降解能力和滤料的物理截留效能于一体 的优势和高效、低耗的特点，逐步成为城市污水深度处理的主导工艺。 本课题针对城市二级处理出水水质特点，对生物滤池的启动挂膜、基质去除 的运行特性尤其是脱氮的特性进行了研究。实验考察了单级b a f 去除有机物和脱 氮的特性，并且对生物滤池进行了组合，研究了o ，a ，o 生物滤池组合工艺深度处 理生活污水的情况。 对于单级曝气生物滤池，结果表明，b a f 对c o d c r 、n i 王4 十n 具有较好的去除 效果，出水水质稳定。通过对b a f 沿程去除效果对比发现，有机物和氨氮沿滤层 的变化规律是相同的，即有机物和n h 4 + n 同时得到去除，但b a f 对有机底物的 去除主要集中在进水方向的o 9 0 c m 滤层上，对氨氮的去除效果则主要集中在进水 方向的2 5 1 2 0 c m 滤层上。反应器内的溶解氧浓度基本控制在2 4m 以，在反应器 内发生了反硝化反应。但是，由于反硝化细菌受溶解氧浓度的限制，以及碳源不 足的问题，总氮的去除量和去除率还不是很高。 对于o o 生物滤池组合工艺，可以在各自的滤池中驯化出不同功能的优势 种属，各负其责，可以提高生化处理效率。在对第二级缺氧滤池外加碳源的情况 下，整个系统氨氮和总氮的去除效果很好，总氮的去除率可以达到5 0 以上，最 高可达8 5 5 。在此基础上，停止外加碳源，改为引入一部分原水。在第一级好 氧硝化出水与引入原水比例为4 ：1 的情况下运行稳定后，脱氦性能有所降低。而 第三级好氧生物滤池巩固了出水的水质。 对o o 生物滤池组合工艺滤层厚度方向上的去除特性进行了研究，结果表 明，对第一级曝气生物滤池，在1 0 5 0 c m 滤层上已形成稳定的硝化状态，是氨氮 去除的主要区域：而对有机污染物( c 0 d c r ) 的去除作用主要发生在进水方向滤层 厚度为3 0 一5 0 c m 的范围内。对第二级缺氧滤池，进水方向3 0 c m 滤层内较高的反硝 化率，分析认为是生物膜和填料间的活性污泥絮状颗粒共同起作用。 应用o ，a 0 生物滤池工艺对污水进行深度处理，具有去除效率高、降低能耗、 处理装置结构紧凑等优点，改善了单级生物滤池易气堵和短流、处理效果不高的 状况，是一种能够产生一定环境效益和经济效益的污水深度处理技术。 关键词0 ，a o 生物滤池组合工艺：单级曝气生物滤池；深度处理 a b s t r a c t w i mr a p i dd e v e l o p m c n to fu r b 姐c o i l s t r u c t l o n 肌dl n d u s 仃1 a l i z a t l o nmr e c c l l t y e a r s ，a b s e n c eo fw 栅r e s o l l r c e 托dw a t e rp o l l u t i o nh a v eb e c o m et w om a j o r p r o b l e m s a d v a i l c c dw a s t c w a t c r 虹e a 缸n c i l tw a s 也ei m p o r t a 呲w a yt ol i g h t e nt l l o s e p r o b l 锄s t of i n d ah i g l le 伍c i c ya n dl o wi n v e s t i n e mt e c l l n 0 1 0 9 yu s e df o r a d v a n c e dw 勰t e w a t e r 订e a 衄e mi so f g a ti m p o r t a n c en o to n l yt ob o o s tw a t e rr e u s e d i n d u s t 叮b u ta l s ot oh e l pw a t c r 敷耐r o 衄e n tr e c o v e r y h 1 也ep r o c e s s e so fa l l w 硝t e w a t e rr e 璐e dt e c h n o l o 百髓，t h eb i o f i l t e rh 越b e 吼t a k i n gt h e1 e a d ，而t 1 1 a d v a n t a g e s o fs 仃d n go x i d a t i v ed c c o m p o s i t i o no fb i o 丘l m ，d i r e c t硫e r c e p t i o n c a p a b i l i t yo ff i l t 咖gl a y e r 姐d l es u p 积。哪o fh i g he m c i e n c ya n dl o wc o s t c o n s 唧p d o n b a s e do nt h ec h a r a c t e r so f b i o b 西c a lw 踮t e w a t e r 虹e a 乜n e n t i o w w t ) e m u e n t a l l dm eo p e r 撕o nm e c h a 血s l so fb a f t l l ep e r f o m a l l c e so fs i n g l eb a fh a db e e n s t i l d i e da n do p t i m i z c d 吐1 0 r o u g h l yi n c l u d i n gm es t a n u po fb a f t h ec h a r a c t e r so f n i t r o g c i lr c m 0 v a l ，a d v a n c e do 玛a i l i cs u b 啦a t e sr e m o v a lo f b a fm 1 1 1 l i n g ，e t c b a fi s e 任i c i e n tt or 锄o v a lc o d c r 缸dn h 4 + n ，孤dw i ms t e a d ye m u e mq u a l 蛆 c o m p a r i s o no f t h ee 髓c t so f s u b s 廿砒er e m o v a lw i t hd i 彘m n td 印也o f f i l t e r i n gl a y e r ， m er e s m t si i l d i c a t em a tm u c ho fo r g a i l i cc a r b o nw i l lb ed e g r a d e da tt h eo - 9 0 c m f o r 印a r to fb a fa 1 1 da 衄o n i u mo x i d i z e da t2 5 1 2 0 c m t h ev a r i a t i o no fo r g a n i c c a r b o na l o n g 丘l t c r i n g1 a y e ri ss a m e 嬲a r m o i l i u m ，a n d h y d 珊l i ci i i l p a c tl o a da 疵c t s l i t t l eo nm m 矗c a t i o n ，b u tm u c hm o r eo no 唱a i l i s md e 蓼a d a t i o n f o ro x i c - a 丑o x i c o x i cb i o f i n e 埽，t l l er e a c t o r si n c l u d e3c o l 啪s ，t h ef i r s ta n ei s a n 跏b i c 五l t e r a n dn e x to n ei sa na i 慨i c 壬i l t e r a n dt h el a s to n ei sa l s oa na e r o b i c f i h 既a e r o b i cf i l t e r sa r em a i l l l yt o1 1 i 伍t i o nf o ra 衄o m an j 廿o g e nr e m o v a l ，a 1 1 dt l l e a n o x i co n ei st od 印i n t i o nf o rn i 仃o g r e m o v a l t h er e a c t o r 彻s 址，0 u tf o ro n e ”她 a n dm ee m c i 钮c yo fn i t r i 丘c a t i o na n dd e n 缸f i c a t i o n 盯ev e r y g o o d a 【衄n i a n i 仃o g e nd e c r e 船eu p w a r d s8 5p e r c e n ta n d 也e 丘r s tf i n e rd e d i c a t ef o r8 0p e r c e n t ； t b t “m 曲g e nr e m o v a lh a p l p e e di nm e3 0 c mm e d i u m1 a y e rf o n o w i n gm ew a t e r n o wi nt l l ea i l o x i cf i n e r ，a i l d 也ee 肺c ti sg o o d t o t a ln i t r o g d e c r e 髂eu p w a r d s5 0 p e r c e m ，e v 饥8 5 5p e r c e n t & 喀e do nt t l i ss t a t i o n ，s t o p p i n gm ea d d i 矗v ec a r b o ns o u r c e ， l e a dm r o u g hp a r t i a lr a ww a t e la tt l l er a t eo ft w oi 1 1 ta ：k e sr e m a i n s4t o l ，t o t a l 工l i g e nr 锄o v a ld e c r e a s e d t os o i r md e 掣a d e f o ro x i c a n o x i c - o x i cb i o f i l t e r s ，c o 瑚【p 撕s o nt l l ee f r e c t so fs u b s 仃a t er e m o v a l w i md i 旋r e n td 印t l lo f f i l t e r i n g1 a y e ri nm ef i r s tf i n 钆t h er e s l l l t si n d i c a t et l l a tm u c h o fo r g a n i cc “b o n 丽nb ed e 盯a d e da t 也e3 0 一5 0 c mf o r e p a no fb a fa n da m m o n i 吼 o x i d i z e da t1 0 一5 0 c m f o rt h es e c o n df i l t e r t b t a ln i 订o g e na n dn 0 3 - nr e m o v a l m a m yh a p p 锄e di nt l l e 如s t3 0 c mo f 丘h e r i n g1 a y e r ，觚dt h i sp h c n o m e n o nw a s i n t e i p r e t e d 讲t l lt l l e 踮t i o nb e t w e e l lb i o f i l m 埘t ht h ea c t i v a t e ds l u d g e 锄o n gf i l t e r m a t e r i a l t h ep m c e s so fo x i c - a n o x i c - o x i cb i o f i l t e r sf o ra d v a l l c e dw 踮t e w a t e rt r e a 衄e n t 锄e n d sm ed i s a d v a i l t a g eo fs i 王l g l cb a fw l l i c hw a s 矗e q 嘲t l yj a m m e db ya j ra n d s h o r tc i r c u i to fw a s t e w a t 既a n dt h ep r o c e s sw i l lb e c o m ea ni n m o n a n tw a yf o r a d 矿a n c e dw a s 咖a t e rt r e a n n e n t k e y w o r do x i c a n o x i c - o x i cb i o 最l t e r s ； s i r 培l eb a f ：a d v a n c e dw a s t e w a t e r t r e a t m e n t i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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了谢意。 关于论文使用授权的说明 碴盘趋 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的觌定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 阻导师签名： 第1 章绪论 随着社会的不断发展，全球城市化和工业化程度不断提高，导致人类对水的 需求量越来越大，水的供需矛盾也日益增加，并且水环境也在不断恶化。目前， 严重的水污染和水资源短缺状况已经影响到人类的生存和进一步的发展，成为亟 待解决的全球性问题。 1 1 课题背景 地球上总的水体积大约为1 4 亿l d n 3 ，其中只有2 5 是淡水，或者说只有o3 5 亿h n 3 的淡水。而能被人类所利用的水资源主要是湖泊、河流、土壤湿气和埋藏 相对较浅的地下水盆地。这些水资源中可用的部分仅有2 0 万亿k m 。- 不足淡水 总量的1 ，仅为地球上水资源总量的00 1 【i j 。 由于淡水供应的有限和人口的不断增长，人均可用水量一直在下降，按全球 范围计算，1 9 5 0 到2 0 0 0 年，人均可利用水量从1 6 8 万m 3 降至6 8 0 0 m 3 。但这种 按全球平均的计算结果不能确切地反映全球状况。目前世界4 0 以上的人口生活 在水资源短缺的河流流域。随着人口的日益增长，预计在下一个十年内水短缺问 题将会大大增加，到2 0 2 5 年，世界人口的一半将会受到影响。占全球用水量2 0 的地下水源的耗竭和污染也成为淡水生态系统所面临的日益严峻问题，因为地下 水蓄水层与地表水源经常是相互连接的。 我国水资源不足，是世界上1 3 个贫水国之一，人均水资源量是世界平均水 平的1 4 。据水利部门统计，1 9 9 9 年全国现有的6 0 0 多个城市中就有约4 0 0 个城 市缺水，日缺水量近1 8 0 0 万立方米，其中特别严重的就有1 0 0 多个口】。目前， 我国河流水体污染严重，北方河流有水皆污，南方河流频频出现看着河流无水喝 的污染告急，流经城市的河段普遍受到了严重污染。2 0 0 5 年3 月，水利部公布 中国7 0 以上的水体已经遭到污染。据2 0 0 4 年中国环境状况公报，全国近岸 域共监测2 4 6 个站位，类、劣v 类海水占3 5 0 ，比上年上升5 个百分点。由 于近岸海域的富营养化，全国赤潮的发生次数及赤潮面积均出现上升趋势，2 0 0 3 年全海域共发生赤潮1 1 9 次，累计面积约1 4 5 5 0 k m 2 i ”。2 0 0 4 年底，全国建制市 污水排放总量大约为3 5 6 亿立方米，而污水处理率仅为4 5 6 7 ，6 6 1 个城市中还 有2 9 7 个城市没有污水处理厂，全国有一半以上的城市和绝大多数建制镇污水没 有经过有效处理，直接排入江河湖海，这不仅使地面水污染严重，而且还涉及地 下水资源”j 。2 0 0 5 年4 月全国环境质量显示，七大水系总体水质保持稳定，i i 类水体占4 5 1 - v 类水体占2 2 9 劣v 类水体占3 2 0 长江、珠江水 系水质电好，黄河水系属中度污染，与上月相比水质有所改善，海河、淮河、辽 河与上月相同，均为重度污染，太湖、滇池和巢湖均为劣v 类水质，主要污染指 河与上月相同，均为重度污染，太湖、滇池和巢湖均为劣v 类水质，主要污染指 北京工业大学工学硕士学位论文 标是总氮和总磷。2 0 0 6 年3 月，全国主要水系8 2 个重点断面水质自动监测站八 项指标( 水温、p h 、浊度、溶解氧、电导率、高锰酸盐指数、氨氮和总有机碳) 的监测结果表明：i 类水质的断面为4 6 个，占5 6 8 ；类水质的断面为1 0 个，占1 2 3 ：v 类水质的断面为7 个，占8 7 ：劣v 类水质的断面为1 8 个， 占2 2 2 。 综上所述，我国的水资源面临着严重短缺和严重污染的双重挑战。要想缓解 我国水资源紧张和受污染的状况，污水回用可以说是重要途径之一。开展污水深 度处理，使污水成为稳定的再生水资源实现污水资源化，不但解决了水体污染问 题，而且可以缓解水资源危机。因此，如何对污水进行深度处理，有效地控制和 扭转我国水资源继续恶化的局面，改善水环境质量，保护有限的水资源环境，是 摆在我们面前一个非常紧迫的任务。 1 2 污水深度处理常用技术 污水深度处理的目的是进一步降低水中的有机物、悬浮物和有毒有害物质， 以达到可以被重新利用的目的。目前，我国城市污水深度处理或三级处理已在应 用的工艺有：混凝、沉淀、过滤等常规工艺，微絮凝过滤法以及生物接触氧化后 纤维球过滤、生物活性炭过滤等方法。国外深度处理方法很多，主要有混凝澄清 过滤法、活性炭吸附过滤法、超滤膜法、半透膜法、微絮凝过滤法、接触氧化过 滤法、生物快滤池法、流动床生物氧化消化法、离子交换、反渗透、臭氧氧化、 氯吹脱、折点加氯等工艺。 ( 1 ) 成熟的传统污水深度处理工艺 混凝沉淀可以去除一定的悬浮物、有机物、氮和磷。过滤可以进一步去除细 小的悬浮物固体，使出水浊度大幅度降低。大连春柳污水处理厂是我国第一个污 水处理回用示范工程，是在大连市春柳污水处理厂基础上增加三级处理工艺。其 处理工艺流程如图1 1 所示。 该工程于1 9 9 2 年正式投产，对二级处理后出水进行深度处理，出水水质稳定， 满足了附近工厂的需水要求。 二级水 图l - l 传统污水深度处理工艺 f i g 1 - it i l e 饥l d i t i o n a lp m c e s sf o ra d v a i i c e dw a s t e 眦t e r 帆砷m e n t 此法在国外亦有广泛应用。在日本东京。部分污水处理厂的二级出水经过砂 第l 霉绪论 滤池和消毒处理后，回用于摩天大楼冲厕和干涸小河的复苏：名古屋的辰巳水厂 把附近4 座污水处理厂二级处理水进行混凝沉淀、砂滤与氯化三级处理，然后供 给工业使用；美国加利福尼亚州运用混凝沉淀+ 过滤+ 消毒工艺，将处理后的再生 水供给菜田灌溉使用。但是，该处理工艺亦有其缺点，流程较长，需投药，运行 费用较高，出水水质在感官性状及细菌学指标上难以满足绿化用水水质要求p j 。 ( 2 ) 生物膜过滤 生物膜过滤技术是一种将常规过滤与生物膜氧化技术结合在一起的新型过 滤工艺 6 】，在污水回用领域的应用越来越广泛。它是给水净化、污水处理、污水 深度净化技术发展过程中的产物，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，将二沉池出水中未能去除的大多数物质有效地加以去 除，它既能起到物理筛滤二级处理水中悬浮颗粒的滤池本来的任务，又能氧化分 解二级水中的溶解性有机物质并有一定硝化作用，它是普通快滤池和高负荷生物 滤池的结合，是物理截滤和生物氧化的结合。采用该型滤池处理二沉池出水，处 理后的出水水质优于普通快滤池的出水水质，运行良好的生物膜滤池，其水质可 以达到b o d 5 4 8 m 叽、s s 5 n l g ，l ，可用于工业冷却、生活及市政杂用。如日本 落合污水厂运用生物膜过滤法，用处理后的再生水复活河溪，取得了良好的社会 和环境效益。 r - r 1 二级水一生物膜过滤池卜一 出水 i 。一i 一 图1 2 生物膜过滤污水深度处理技术 f i g 1 2 t h eb i o f i l t e r p r o c e s s f o r a d v a n c e d w a s t e w a t e r 廿e a n i l e n t ( 3 ) 膜技术 在最近的几十年里，膜技术在污水深度处理中的应用也越来越广泛。其中用 微滤膜或超滤膜代替混凝、沉淀和过滤等传统工艺流程的优点是不需要使用药 剂，一步处理即可获得较好的浊度、色度和细菌的去除效果。膜分离技术作为高 科技领域中一门新的科学，在解决当今全世界水源危机中可发挥它的突出作用。 近年来由于膜材料和膜制造技术的发展，以及其与污水处理工艺结合方法的改 进，此技术正在迅速地发展。日本9 0 年代水处理计划中将此项技术列为重点内容， 现己取得了令人瞩目的进展。在污水深度处理、污水回用、生产高质量用水，以 及高浓度粪尿处理及污水脱色方面，在高浓度有机污水处理和厌氧处理中应用膜 分离截留厌氧污泥，提高出水水质等方面，很多国家都进行着大量试验，并取得 了可喜的成果1 7 j 。 膜分离技术是一种通过截留作用去除各种污染物的净水技术，其主要原理是 通过特殊的半透膜对水中杂质进行机械筛分【踟。因此出水水质仅仅依据膜孔径的 大小，而与原水水质和运行条件无关。该技术的优点是对水质有较强的调节能力， 去除污染物范围广，不需投加药剂，设备运行可靠，易于自动控制。 现在应用较多的膜处理技术有微滤、纳滤、超滤、渗析、反渗透、电渗析、 气体分离等。据资料显示，小规模处理厂( q 万m 3 d ) 采用膜处理技术的单位体 积水处理费用均和传统处理工艺相当或更便宜。随着膜科技的发展，采用膜处理 技术的污水厂，其总投资和运行费用还将会继续下降。本文以超滤膜为例说明其 在污水再生方面的应用。 目前超滤膜分离技术用于污水处理之中是环境工程中一项开发性的高科技。 超滤膜在一定压差作用下，能去除二级处理水中直径较大高分子化合物、胶体、 浊度形成物、细菌等物质。超滤膜污染后，为恢复其过水能力，需用化学法进行 清理再生。该法可去除浊度、b o d 、c o d c r 、大肠杆菌【9 】其工艺流程如l 一3 所示。 二级水 图l 3 膜分离技术污水深度处理流程图 f i g 1 3t h em e m b r a n et e c l l f l o l o g yf o ra d v a n c e dw a s t e w a t e rt 咒釉e n t 采用膜分离技术当然可咀满足水质要求，国内现已形成膜技术的热潮，膜技 术将是2 l 世纪主要的水处理技术。但采用膜技术在现实维护上需要水力反冲之 外，还需药剂清洗，管理麻烦，膜的寿命短，能耗和水通量方面距离实际生产还 有一定的差距。 ( 土地处理系统 土地处理技术是一种生物处理方法，是因地制宜的经济、节能、简易和有效 的实用处理技术( a p p r o p r i a t et e c h n o l o g i e s ) 。它包括慢速渗滤系统、快速渗滤系统 土壤渗滤、地表漫流系统和地下渗滤系统等。土地渗滤也叫土地含水层处理，它 使水源水通过堤岸过滤或沙丘渗透，其净化机理是，污水在包气带及潜水层流动 时，借助于发生在土壤和浅部含水层中的物理、化学和生物作用，使污染物通过 吸附、微生物降解、沉淀及其它化学反应去除，最终达到污水净化的目的。这些 过程延迟了某些化学物质进入地下水的速率，使一些污染物质降解为无毒无害的 组分，一些物质则被植物所吸收，从而使污染物浓度得以降低。 人工湿地( c o n s 咖c t e dw c u 她d s ，c w s ) 是模拟自然湿地的人工生态系统，它 是一种由人工建造和监督控制的、类似沼泽地的地面，美国的h a n u n e r 博士将其 概念归纳为“根据自然湿地的功能、特点，由人工建造并控制运行的湿地的总称”。 人工湿地主要由人工基质( 填料) 和水生植物组成，目前对人工湿地的处理机理 已经取得了基本一致的认识，利用系统中基质、水生植物、微生物的物理、化学、 生物的三重协同作用，通过基质过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生 第l 章绪论 物分解来实现对污水的高效净化。按照工程设计和水体流态的差异，人工湿地污 水处理系统可以分为表面流湿地，水平潜流湿地和垂直流湿地三种主要类型，各 类型在运行、控制等方面的诸多特征存在着一定的差异。 土地处理系统具有不影响地面景观、基建及运行管理费用低、出水水质好、 受外界影响小等特点，特别适合于分散居住地区和城镇地区污水的处理，但其也 有水力负荷低、占地面积大的缺点 1 。 ( 5 ) 臭氧氧化，活性炭吸附工艺 臭氧氧化法的应用十分广泛，它在杀菌、消毒、脱色、除臭、氧化难降解有 机物与改善絮凝效果等方面有明显的优势。由于臭氧不残留或产生二次污染物， 所以在食品、制药、供水等行业已得到广泛应用。臭氧对于脱除染料废水、印染 废水和造纸废水的色度有很好的效果，能将发色基团大分子降解成小分子，最后 有效去除【1 1 1 。 生物活性炭法( b a c ) 是在活性炭吸附技术的基础上发展起来的一种水处理 技术。生物活性炭法是将活性炭作为生物膜载体，利用活性炭的吸附作用和生物 膜的降解作用，去除水中的污染物的一种新方法。与纯粹的活性炭吸附法相比， 其使用周期可大大延长。生物活性炭的优点在于先吸附后降解的独特作用机理， 使污染物停留时间与水力停留时间异值，在同等水力停留时间条件下，其污染物 停留时间长，因而处理效果好。另外难生物降解有机物往往不能直接被微生物吸 入氧化分解，需经过细菌胞外酶的作用水解后方被微生物利用，生物活性炭法恰 好适应了这一特点【i ”。 ( 6 ) 脱氮除磷新技术 深度处理工艺的另一部分是脱氮除磷技术和膜生物反应器等新技术。随着对 再生水水质要求的越来越严格，氮化合物成为衡量污水回用处理性能的重要指 标。现阶段人们已研制出一系列的高效脱氮除磷技术，其中生物法是目前常用的 方法。在污水处理生物反应完成碳的氧化后，在一定条件下达到硝化阶段，使氨 氮氧化为亚硝酸盐和硝酸盐。然后，含有硝酸盐的出水通过回流等形式，在缺氧 条件下实现反硝化脱氮。比如s l a r o n 工艺、o ia n d 工艺和a n 蝴m o x 厌氧氨 氧化工艺等，国内外已有学者对这些新型深度处理工艺进行了综述。 一般说来，在深度处理中，一种技术不仅仅只有一种处理目标的效果，如混 凝沉淀不仅可以进一步去除悬浮固体和浊度，也可以达到去除有机物和磷化合物 的效果。因此，要根据实际情况选用合适的深度处理技术及其组合工艺流程，达 到处理效果好、经济合理的目标。目前，随着处理技术不断的研究与发展，提出 了多种技术可靠、经济合理的组合工艺流程，如混凝沉淀过滤( 西安市北石桥污 水净化厂回用工程) 、曝气生物滤池一混凝沉淀过滤消毒工艺( 太原化工厂回用工 程) 、混凝絮凝一过滤一氯消毒一曝气生物滤池工艺( 美国加利福尼亚州的w e s tb 嬲i n 北京工业大学工学硕士学位论文 w a t e rd i s r i c t 回用工程) 、混凝生化过滤一消毒工艺( 美国伯利恒田e t l l l e h e m ) 炼钢公 司回用工程) 、沉淀气浮过滤消毒- 超滤工艺( 北京二七机车厂回用工程) 、过滤- 反渗透工艺( 新加坡裕廊岛污水回用项目) 等【1 3 ，1 ”。组合工艺不仅可以提高工艺的 处理效果，也可以针对不同性质的污水进行处理，以达到高净化目的。 1 _ 3 生物膜滤池的研究进展 1 3 1 生物滤池的发展 生物滤池是历史上第一个用于城市废水和工业废水处理的生物处理法，它是 以土壤自净原理为基础而发展起来的。它起源于1 8 8 9 年美国马萨诸塞州l a m e n c e 试验站，初次采用砾石进行了介质试验【l ”。之后，从1 9 世纪9 0 年代末到2 0 世纪初， 英国也开展了研究并得到了发展。其实，早在1 8 2 9 年，伦敦自来水技师詹姆颠嘶 普生首先成功地使用慢滤池( s l o ws 锄df i l t e r s ) 来处理只经过自然沉淀的地表水， 此后慢滤池在欧美逐渐被推广利用。慢滤池可以说是最早的生物滤池，是在机械 筛滤、生物吸附降解、沉淀、静电吸附等物理化学和生物化学作用下完成的净水 过程。1 8 7 0 年，世界上第一座普通重力敞开式快滤池( r 印i d 掣a v 时f i l t e r ) 产生。与 慢滤池相比，快滤池的滤速增加了几倍，但其生物作用变得十分微弱。近几十年 来，对快滤池的生物作用强化而形成的生物快滤池技术得到了很快的发展和广泛 的应用【1 6 1 ，主要用于给水净化和污水的深度处理。 图l - 4 生物膜过滤池的发展历程 f 嘻1 - 4 也ed e v e l o p m e n tc o u r s eo f b i o f l l i e r 另一方面，1 8 9 3 年在英国试行将污水在粗滤料上喷洒进行净化的试验，取得 了良好的效果，这就是滴滤池，即普通生物滤池，是严格意义上的第一代生物滤 池，多用于污水的二级处理。而曝气生物滤池( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ，b a f ) 则是 由滴滤池发展而来的，但它借鉴了快滤池的形式，从而在一个构筑物内同时完成 生物氧化和固液分离的功能，最初用于污水的三级处理，后发展成直接用于二级 处理。自世界上第一座曝气生物滤池1 9 8 1 年在法国建成后，该技术已在欧美和日 本等发达国家广为流行，在全世界获得了广泛应用 【7 】，目前世界上已有数百座污 水处理厂采用了这项技术。现在曝气生物滤池的形式多种多样，如b i o c 鲇强o n 、 b i o f o r 固、b i o s t y 、b i o p u r ? 、c o l o x 由、d e e d b e d l m 、b i o s m 置d i 等，应用 范围也逐渐扩大，不仅用于污水的二级处理，也被用于污水的除磷和硝化、反硝 化甚至微污染水的预处理f l ”。该技术不仅可用于水体富营养化处理，而且可广泛 地用于城市污水、小区生活污水、生活杂排水和食品加工废水、酿造和造纸等高 浓度废水的处理。 随着污水深度处理技术的发展和对再生水水质要求的提高，生物膜滤池应运 而生了。它有别于饮用水处理中的生物快滤池和污水处理中的曝气生物滤池。这 种滤池从结构形式上讲与曝气生物滤池接近，但是它更强调了过滤的概念；而从 功能上来讲，很像饮用水处理中的生物快滤池，但是强化了生物作用 1 ”。 目前，生物滤池的类型比较多根据生物滤池运行是否需要氧气来分，可分 为厌氧生物滤池和好氧生物滤池。厌氧生物滤池主要针对高浓度废水的处理，而 好氧生物滤池主要针对中、低浓度污水的处理。根据好氧生物滤池的池型结构、 供氧方式、填料及运行方式的不同，又可分为普通生物滤池、高负荷生物滤池、 塔式生物滤池以及曝气生物滤池等。生物滤池经历了从低负荷到高负荷，突破了 滤层的传统高度的几个发展阶段，开拓了应用领域。 厌氧生物滤池( a f ) 是世界上最早使用的污水生物处理构筑物之一。l8 91 年， s c o 啦j m o n c r i e f f 在英格兰建成了第一座使用石质填料的滤池，该池下部为一空容 积区，上部是滤层，污水自下而上通过滤层。这座装置实际上可以称作a f 的首 次应用实例。厌氧微生物部分附着生长在填料上，形成厌氧生物膜，部分微生物 在填料空隙间处于悬浮状态。污水流过淹没的填料，在生物膜吸附作用、微生物 代谢作用和填料截留作用下，污水中的污染物被去除，并产生甲烷气体。其后由 于双层沉淀池的开发，a f 在应用上一直没有得到应有的重视。直到本世纪6 0 年 代末期，美国的y o l l l l g 和m c c a n y 【2 2 】基于微生物固定化原理首次发明了一种高效 厌氧反应器即厌氧滤器( a n 踮r o b i cf i l t e r ，简称a f ) ，使污泥在反应器内的停留时 间( s r t ) 极大地延长，容积负荷由一般反应器的4 5 k g c o d ，m 3 - d 以下提高到1 0 1 5 k g c o d c “m 3 d 。此后，a f 被作为厌氧生物膜法的代表性工艺之一而受到人们关 注。8 0 年代初以来，a f 在美国、加拿大等国已被广泛用于处理各种不同类型的 废水【2 ，最大的a f 容积达1 2 5 0 0 m 3 ，多数在中温条件3 0 一3 8 下运行，有机负荷 o 1 5 k g c o d c r ( m 3 d ) 不等，常采用的有机负荷为4 8 k g c o d c “( m 3 - d ) ，c o d c r 去除 率在6 0 9 5 的范围内变动。a f 的构造简单，能耗小，运行管理方便，适用范 围很广，可用于处理各种不同类型、不同浓度的有机废水。目前应用最广的是上 向流厌氧生物滤池，近几十年来逐渐出现了一些变型，如：厌氧生物滤池两级串 联工艺、两级循环工艺、厌氧污泥床滤层反应器、变速厌氧缺氧生物滤池 北京工业大学工学硕士学位论文 等【2 1 1 。 目前，生物滤池的广泛应用表明它是一种有发展前景的处理工艺【2 2 。3 1 。 1 3 2 生物滤池组合工艺形式 随着该技术进行水处理研究的发展，形成了除碳【b a f ( c ) 、除碳硝化 b a f ( c 伽 、硝化 b a f ( n ) 、反硝化 b f ( d n ) 】等多种功能的生物滤池单体，并将 这些能实现不同功能的单体相互组合，形成一系列污水处理工艺。目前，对生物 滤池的研究多以生活污水、微污染水源水、工业废水、城市污水处理厂二级出水 为研究对象，采用生物滤池组合工艺，研究其处理效果以指导实际生产。 对于两级生物滤池，其工艺形式大致有四种典型形式。 工艺形式一见图l 一5 ，该工艺是两级生物滤池最早的工艺形式。第一级( 段) d c 池以去除污水中碳化有机物为主，其最终出水中的有机物浓度已处于较低水平。 第二级( 段) n 曝气生物滤池主要对污水中的氨氮进行硝化，同时因气水比的不同， 可以发生短程硝化反硝化、同步硝化反硝化。该工艺适用于大水量、运行稳定要 求高的生活污水处理，但是该工艺反硝化效果值得深入研究。 进7 k 瓢西) f 面丽飞丽丁 一出水 图i 一5 两级生物滤池工艺形式一 f i g 1 - 5o n ef o 】衄o f t w o - s t a g eb i o f i l t c r 工艺形式二见图l 一6 ，该工艺将硝化和反硝化分别在两个滤池( 一级好氧，二 级厌氧) 中进行，该工艺操作方便，运行可靠。根据原水水质情况选择预沉或水 解预处理，出水进入一级b a f 滤池，在滤池中实现有机物的去除，同时发生硝 化反应。一级b a f 滤池的出水进入二级b f ( d n ) 滤池前必须外加碳源( 醋酸酯、 乙醇、甲醇等有机物) ，因为经过其出水中的有机物一般不能满足二级进行反硝 化所需的碳源。外加碳源的量必须严格控制，如果外加碳源量过少，反硝化不彻 底。t n 排放不能达标 如果外加碳源过多，出水c o d c r 又可能超标【2 4 1 。 出水 图l - 6 两级生物滤地工艺形式二 f 唔l 石o n ef o r mo f t w o a g eb i o m 溉 工艺形式三见图l 一7 ，该工艺将硝化反硝化分别在两个不同的滤池中进行， 仍具有单池前置脱n 的许多优点，同时操作比单池前置脱n 稳定可靠。预沉池 可以改为投加除磷剂的混沉池，以实现除磷的目的。但是该工艺进水s s 浓度不 宜过大，否则将出现排泥的问题。同时考虑除磷的话，要保证生物滤池生化反应 所需的p 营养源 2 2 ，2 5 1 。 一一 进水 可拐r 百f ( 西可卜 瓦骚砂出水 r 图l 一7 两级生物滤池工艺形式三 f 追1 - 7o n ef o r 【o f 脚o - s 妞g e b i o j 乱蛾 工艺形式四见图l 一8 ，该工艺与常规两级生物滤池的最大不同在于一般除c 在硝化池，而此工艺除c 与反硝化同处一池，硝化池只是作为除c 的可靠保证。 在该工艺中硝化池和反硝化池均需进行曝气。该工艺一方面有利于发挥滤料表面 生物膜的氧化降解作用，另一方面有利于提高整个生物滤池贮存污泥能力，延长 反冲周期。反硝化作用主要利用b f ( d 池中氧气的分布在末端实现反硝化。 b a f ( n ) 池中微生物量大，生物活性高，传质速度快，从而在体现出容积负荷高、 停留时间短的同时，又可使滤池在较低的污泥负荷下运行。进而获得了优良的处 理效果，保证了出水稳定。该工艺具有多种净化功能，除了用于有机物的去除外， 还能够去除总磷和总氮【2 5 】。 出水 反冲洗水 图l 一8 两级生物滤池工艺形式四 f i g ，1 - 8o n ef b 肌o f 押o - s t a g eb i o f i l t e f 三级生物滤池法工艺形式见图1 9 ，是在两级生物滤池法的基础上增加第三 级反硝化滤池，同时可以在第二级滤池的出水中投加铁盐或铝盐进行化学除磷， 所以第三级滤池也称为d n 或d n p 生物滤池。在工程设计中，根据需要d n 生 物滤池也可前置。三级生物滤池在国外应用较多，而在国内未见报道。其实，为 了达到脱氦的目的，在我国的污水处理中采用d n + c n 生物滤池组合形式完全 能够满足要求，没必要采取国外的三级生物滤池组合工艺。 反冲洗水 进 出水 图1 9 三级生物滤池工艺形式 f l g 1 - 9o n ef o 拙o f i r e e s t a g eb i o f i n e r 总的来说，以上滤池间的组合各有其适用条件，不能一概而论。一般当只需 去除污水中的有机物或只需去除污水中的氨氮为目的时，可以采用一级法：当需 对污水中的氨氮进行硝化时，可在一级法的基础上增加一级n 生物滤池而成为 两级法。当需进行反硝化脱氮时，也可在一级法的基础上前置一级d n 反硝化生 物滤池，形成d n + c ，n 两级法；而对污水中的总氮和总磷也有要求时，可在增 加一级d n + p 生物滤池而成为三级法。在实际工程应用中，应综合考虑处理方案， 以确定最经济有效的流程。无论上述哪一种组合方法，均可在滤池进口端投加除 磷药荆来进行化学除磷，除磷药剂宣选用铝盐和铁盐【2 ”。 1 3 3 生物滤池组合工艺污水处理的效果 对水中有机物的去除主要依靠生物膜的作用而将其截留，因而必须保证水中 有机物与生物膜的适当接触。有研究者在二级曝气生物滤池处理生活污水的实验 中得出，c o d c r 和s s 平均去除率分别为8 8 6 3 和8 5 4 4 2 6 】。h 锄o d a m f 等【2 7 】 研究发现，当水力负荷为o 0 4 0 6 8 m 3 m 2 d 时，b o d 的去除率在9 0 以上。诸多 研究表明，c o d c r 的去除率在8 0 以上，分析其原因是，滤料平均比表面积较 大，可以在较短的时间内将有机物从污水中吸附截留下来，另外，滤料巨大的比 表面积为微生物的生长提供了载体，丰富的有机物量，保证了有机物在反应器内 的快速降解【2 8 1 。并且，在进水有机物波动较大的情况下，具有较强的抗冲击负荷 能力，出水c o d c r 较稳定。 生物滤池组合工艺具有良好的硝化性能。d h a b e y s i n 曲e 等【2 9 】对澳大利亚水 产业废水利用两级b a f 进行处理，硝化效率达到9 5 以上。r c a n z i a n i 等【3 0 】人 利用碳化( 反硝化) 一硝化的两段曝气生物滤池对城市污水脱氮，指出有机负荷是硝 化段的主要影响因素。而k r g i l m o r e 等对碳化氨氧化两段曝气生物滤池也 作了具体的研究，却指出硝化段氨氮负荷小于o 6 k g m 3 d 时，硝化效率可达9 0 以上，与水力负荷关系不大。m f r d s a 等【3 2 l 利用合成污水在两级b a f 中培养生 物膜1 0 天后发现膜量为1 7 2 p m 3 ，氨去除负荷为2 9 m 3 h ，去除率为9 4 。用 此生物膜系统处理含5 0 玑高盐度废水，停留时间1 5 h ，氨去除率可达到4 8 。 l o v e n g p 剐在两级曝气生物滤池处理城市污水的研究中发现，若要氨氮去除率 大于9 0 ，在冬季( 1 2 士1 6 ) 时，其负荷须小于o 6 k m 3 d ：在夏季( 2 0 1 士3 3 ) 时，其负荷须小于0 8k g ，m3 d 。王宝贞等 3 4 对两段曝气生物滤池处理生活污水进 行了研究，两段b a f 处理生活污水出水稳定，均能达到c o d c 压3 0 m g l 、 n h