（环境工程专业论文）高速公路服务区污水生物接触氧化处理技术研究.pdf

a b s t r a c t i nv i e wo ft h ep r o b l e m st h a tal o to fd i f f i c u l t i e sa r ef o u n d e di no p e r a t i n gt h e w a s t e w a t e rt r e a t m e n te q u i p m e n t so fs e r v i c ea r e ai ne x p r e s sh i g h w a yw h e nt h er e a l q u a n t i t i e sa r em u c hl o w e rt h a nt h ed e s i g n e do n e s ，af e a s i b i l i t yt e s ti sd o n et of i n da e c o n o m i c a lm o d ew h e nt h eb i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o np r o c e s s0 3 c o ) i su s e di n t h es e r v i c ea r e ao f e x p r e s sh i g h w a y t h ec o n c l u s i o n sa r ea c h i e v e da sf o l l o w s ： ( 1 ) w h e nt h e r e a l q u a n t i t i e sa r em u c hl o w e rt h a nt h ed e s i g n e do n e s ，t h e b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o nr e a c t o r si ns e r v i c ea r e ao fe x p r e s sh i g h w a ye a r lb e w e l lo p e r a t e db yt h ec o n t r o lo f w a t e rl e v e la n dt h et i m e ( 2 ) a st ot h eo r g a n i cw a s l e w a t e rw h i c hi ss i m i l a rw i t hd o m e s t i cs e w a g e ，w h e n t h er e a c t o ri s o p e r a t e di nc o n t i n u o u si n f l u e n ta n da e r a t i o nm o d e ，t h er e m o v a l e f f i c i e n c yo fc o d a n da m m o n i an i t r o g e ni sl o w e r e dw i t l lt h er e d u c t i o no fl i r ta n d t h ei n c r e a s eo f o r g a n i cl o a d t h ee c o n o m i c a lm o d ei sh r t = 1 0 h ( q = 1 0 7 l d ，n v = 1 1 2 k g c o d m 3 + d ) ，t h ev a l u eo f c o d i s6 6 m g l ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f c o di s8 5 8 ， t h ev a l u eo fa m m o n i an i t r o g e ni s5 4 m g l ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fa r r m a o n i a n i t r o g e ni s7 4 3 ( 3 ) a st ot h eo r g a n i cw a s t e w a t e rw h i c hi ss i m i l a r 稍md o m e s t i cs e w a g e ，w h e n t h eo r g a n i cl o a di so 8 0k g c o d m 3 d ( h r ti s1 4h o u r s ) ，a n dt h er e a c t o ri so p e r a t e d3 t i m e sa d a y , t h ee c o n o m i c a lm o d ei st h a tt h ea e r a t i o ni sp r o v i d e d9t i m e sad a ya n d 1 h o u rp e rt i m e ( 9 h dt o t a l l y ) ，t h ev a l u eo fc o di s6 7 m g l ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f c o di s8 1 1 ，t h ev a l u eo f a m m o n i a n i t r o g e ni s2 1 m g l ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f a m m o n i an i t r o g e ni s8 9 2 ( 4 ) a st ot h eo r g a n i cw a s t e w a t e rw h i c hi ss i m i l a rw i t hd o m e s t i cs e w a g e ，w h e n t h eo r g a n i cl o a di so 8 0k g c o d m 3 d o m ti s1 4h o u r s ) ，a n dt h er e a c t o ri so p e r a t e d6 t i m e sad a y , t h ee c o n o m i c a lm o d ei st h a tt h ea e r a t i o ni sp r o v i d e d1 5t i m e sad a ya n d l h o u r p e rt i m e ( 1 5 h dt o t a l l y ) ，t h ev a l u eo f c o d i s7 1 m g l ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f c o d i s 8 0 1 ，t h e v a l u e o f a m m o n i a n i t r o g e n i s l 6 m f l ，t h er e m o v a l e f f i c i e n c y o f a m m o n i a n i t r o g e ni s9 1 7 ( 5 ) u n d e rt h es a i l ew a s t e w a t e rq u a n t i t ya n do r g a n i cl o a d ，t h er e m o v a le f f i c i e n c y o ft w or e a c t o r sc o n n e c t e di ns e r i e si sh i g h e rt h e nt h o s ec o n n e c t e di np a r a l l e l u n d e r t h es a m eo r g a n i cl o a da n dh r t , t h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft w or e a c t o r sc o n n e c t e di n s e r i e si sh i g h e rt h e nas i n g l eo n e ( 6 ) b a s e do nt h em o n o de q u a t i o n ，ad y n a m i c sm o d e lo fb i o l o g i 【c a lc o n t a c t o x i d a t i o n i sa c h i e v e d ：u ：! ! ：! 兰f 曼! = ! ! ：望2 2 8 2 1 + s k e y w o r d s ：s e r v i c ea r e ao f e x p r e s sh i g h w a y ；w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ； b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o n ；e c o n o m i c a lm o d e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 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。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名 梅蛹 、 论文知识产权权属声明 0 石年月日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该沦文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 蝴 导师签名 专办f 扔 、 i o 簿6r6 日 d 年月日 第一章绪论 1 1 高速公路服务区污水处理技术现状 1 1 1 高速公路服务区污水特点 1 1 1 1 高速公路服务区污水水质特点 高速公路服务区设施包括办公楼、宿舍、宾馆、餐厅、浴室、洗车场、车辆 维修站等，因此高速公路服务区污水一般由生活污水和洗车场、车辆维修站等排 放的污水组成。因洗车、车辆维修所排放的污水量相对较小，故高速公路服务区 污水以服务区常住工作人员和过往旅客产生的生活污水为主，其污水水质( 见表 1 1 ) 与典型生活污水水质( 见表1 2 ) 较接近。高速公路服务区洗车废水所含污 染物以泥沙颗粒物、石油类为主，车辆维修废水则以石油类为主【1 1 。表1 3 是典 型洗车废水水质。 表卜1高速公路服务区污水水质情况“ s sc o d b o d 5氨氮 石油类动植物油 测点名称 p h ( m g l ) ( r a g l )c r a g l )( m g l )c r a g l )c r a g l ) 沪杭路枫泾7 4 7 88 6 0 1 4 2 01 6 2 0 - 6 6 0 0 5 1 6 - 9 8 13 7 2 4 7 8 4 2 - 9 5 服务区南区 _ 1 2 2 02 8 7 07 8 84 0 46 9 沪杭路枫泾8 1 8 37 8 o - 2 8 2 01 4 1 o 3 8 1 06 5 7 1 1 6 o1 0 8 0 1 2 6 02 4 9 6 服务区北区 1 5 1 0 2 3 3 08 1 91 1 9 06 o 汕汾路潮州5 0 o 一1 1 5 o2 4 0 0 - 4 6 0 02 1 _ 4 82 3 5 3 3 5 服务区东区7 4 0 3 2 9 83 3 2 8 3 汕汾路潮州8 4 0 1 3 8 02 3 5 0 5 2 4 02 o 5 01 3 4 2 6 7 服务区西区1 l o 03 7 6 03 22 0 5 锡澄路堰桥 3 3 1 o1 2 1 0 0 5 0 9 0 服务区西区 锡澄路堰桥服 1 7 0 0 9 3 7 03 8 9 0 务区东区 成雅路石象湖 7 91 0 9 01 9 5 o 1 2 4 0 服务区a 区 成雅路石象湖 8 _ 35 7 8 01 0 1 02 8 1 o 服务区b 区 s sc o db o d 5 氨氮石油类动植物油 测点名称 p h ( m g l )( m g 甩) ( r a g l )( m g l )( m g ，l ) ( m v l ) 石安路西兆通7 3 7 75 8 0 _ 2 6 2 o 4 1 7 0 - 5 4 601 i 6 0 - 3 0 3 07 4 3 。7 7 94 0 - 7 2 服务区7 61 4 0 04 7 6 0 2 2 4 07 6 56 2 石安路磁县7 5 8 01 0 o 一9 0 0 9 8 o 1 3 9 o1 6 8 - 4 2 15 5 7 5 8 91 7 4 3 服务区784 6 01 2 40 2 8 55 6 33 0 漯驻路徐庄7 0 7 53 1 1 0 2 0 0 0 0 5 7 7 0 一1 8 1 0 02 4 0 0 8 5 0 03 3 8 3 5 45 - 3 1 3 8 服务区西区737 6 8 0 9 9 3 34 4 8 83 4 6 9 2 漯驻路徐庄7 2 7 33 7 1 0 5 ：2 3 0 1 0 3 0 0 - 2 0 3 0 04 8 0 0 9 2 0 06 2 2 - 6 5 34 8 1 6 2 服务区东区7 34 2 5 0 1 4 1 0 06 4 0 06 4 11 2 9 表1 - 2 典型的生活污水水质【3 】 浓度( r a g l ) 序号水质指标 高中常低 1 总固体( t s ) 1 2 0 0 7 2 0 3 5 0 2 溶解性总固体 8 5 0 5 0 0 2 5 0 3 悬浮物( s s )3 5 02 2 01 0 0 4 可沉降物 2 01 05 5 生化需氧量( b o d 5 ) 4 0 0 2 0 0 1 0 0 6 化学需氧量( c o d )1 0 0 04 0 0 2 5 0 7 总有机碳( t o c )2 9 01 6 0 8 0 8 总氮( n )8 54 02 0 9 总磷( p )1 58 4 1 0 油脂1 5 01 0 05 0 表1 - 3 洗车废水水质( 单位：m g l ) 咖 污染物范围 平均值 s s 4 5 7 6 5 05 3 2 7 c o d 4 8 3 2 01 7 5 石油类3 5 7 9 62 8 4 2 1 1 1 2 高速公路服务区污水水量特点 从山东、河北、山西、辽宁、江苏、河南、陕西、广东、四川、湖北等省市 的调查情况来看，目前我国高速公路服务区设置的各种污水处理设施，其设计处 理量从1 2 0 m 3 d 到4 8 0 m 3 d 不等，其中以1 2 0 m 3 d 居多。而实际通车运行后发现， 服务区的实际污水量仅有6 1 l o r e 3 d ，实际污水量仅占到设计处理量的5 0 9 2 2 ，其中近7 0 的实际污水量不足设计处理量的2 5 。表1 - 4 列出了部分高 速公路服务区污水设计处理量与实际污水量的对比情况。 表卜4 高速公路服务区污水设计处理量与实际污水量的对比情况表。1 设计处理量 实际污水量实际污水量与 公路名称服务区名称 ( m 3 d )( m d )设计处理量比值 黄栗野服务区( 一侧)2 4 02 08 3 3 仙人山服务区( 一侧)1 2 01 0 08 3 3 3 沪宁高速公路窦庄服务区( 侧)1 2 03 02 5 o o ( 江苏段) 芳茂山服务区( 一侧) 3 6 0 3 08 3 3 梅村服务区( 一侧) 3 6 01 0 0 2 7 7 8 阳澄湖服务区( 一侧) 1 2 01 0 0 8 3 3 3 兴城服务区( 一侧)4 8 08 01 6 6 7 凌海服务区( 一侧)1 2 06 ，55 4 2 沈山高速公路 绥中服务区( 一侧)1 2 065 o o 万家服务区( 一侧)1 2 086 6 7 汕汾高速公路潮州服务区1 2 01 1 0 5 99 2 1 6 湘未高速公路大浦服务区1 2 01 08 3 3 漯驻高速公路徐庄服务区1 2 02 01 6 6 7 以上数据是在高速公路通车一、两年后监测得到的，当时交通量普遍较小， 在高速公路营运通车后，随着交通量的逐年增加，服务区污水量也会逐年的增大。 另外，高速公路服务区常住工作人员较少，主要是来往车辆停靠会产生污水，而 车辆的来往具有很大的随机性，因此，发生的水量也具有较大的波动性，水量每 时、每天、每月甚至每季都有可能不同。水量不稳定是高速公路服务区污水的突 出特点。 1 1 2 高速公路服务区污水现有处理方式 我国各省、市、自治区交通厅( 局) 按照建设项目环境保护“同时设计、同 时施工、同时投入使用”的要求，在各高速公路服务区都不同程度地投资建设了 污水处理设施，污水处理方式主要有两种：早期建设的高速公路多采用化粪池进 行处理，九十年代后期建设的高速公路多采用地埋式一体化污水处理设施。 ( 1 ) 化粪池 北方大部分地区如山西、陕西、四川、辽宁等省份多采用普通化粪池作为服 务区污水处理设施，其中四川省部分地区采用沼气化粪池处理技术。化粪池处理 效果不理想，出水水质较差，一般仅能达到污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 三级标准。 ( 2 ) 一体化污水处理设施 一体化污水处理设旌的工艺流程一般为： 污水一隔栅一调节池一生物处理一沉淀池一消毒池一排放 其中生物处理以接触氧化法居多。一体化污水处理设施在产品设计合理、运 行正常的情况下，出水一般都能达到污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 一 级标准。 除以上两种主要方式外，高速公路服务区还有采用活性污泥法、s b r 法、 生物氧化塘法等其它方式处理污水。 1 2 问题的提出 高速公路一般远离城市，其服务区污水无法直接排入市政下水管网。虽然高 速公路服务区的污水排放量不是很大，但如果不加处理任意排放，亦会造成地表 水体和地下水体的水质污染，甚至会危害到人体健康，所以需要设置单独的污水 处理设施，污水处理达标后排放。其中，洗车、车辆维修排放的污水数量较少， 一般经隔油沉淀池处理后排放或与生活污水混合进入后续处理设旅。 目前我国高速公路服务区污水处理存在问题是：部分早期建设的高速公路服 务区污水采用化粪池处理出水不能实现达标排放；而后期建设的高速公路当服务 区实际污水量远小于污水处理设施设计处理量时，因采用单一的液位控制运行模 式，导致生物处理效果差，设备甚至处于闲置状态。 如何找到一种适用于高速公路服务区的经济高效的污水处理技术，是业内人 士长期奋斗的目标。 4 1 3 本文主要研究内容 本文针对高速公路服务区现有污水处理技术存在的问题，对以下内容进行研 究： ( 1 ) 生物接触氧化处理技术在高速公路服务区污水处理中应用的可行性； ( 2 ) 通过试验，对生物接触氧化处理技术在高速公路服务区污水处理中应 用的经济适用模式进行研究。 第二章生物接触氧化处理技术 2 1 生物接触氧化处理技术概述 生物接触氧化法( b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o np r o c e s s ，b o c ) 是一种浸没型 生物膜法，污水与填料上的生物膜相接触，在生物膜上的微生物作用下，污水得 以净化。 生物接触氧化处理技术的实质之一是池内充填填料，已经充氧的污水浸没全 部填料，并以一定的流速流经填料。在填料上布满生物膜，污水与生物膜广泛接 触，在生物膜上微生物的新陈代谢功能的作用下，去除污水中有机污染物，污水 得到净化，因此，生物接触氧化处理技术，又称为“淹没式生物滤池”。 生物接触氧化处理技术的另一项技术实质是采用与曝气池相同的曝气方法， 向微生物提供其所需要的氧，并起到搅拌与混合作用，这样，这种技术又相当于 在曝气池内填充供微生物栖息的填料，因此，又称为“接触曝气法”【4 】。 生物接触氧化处理装置运行时填料全部浸没在污水中，利用机械装置向水体 充氧。生物膜绝大部分附着在固体填料上，少量悬浮于水中，其浓度小于 3 0 0 m g l 。由于吸附作用，生物膜表面上附着一层滞流薄水层，空气中氧通过滞 流层进入生物膜，有氧条件下，污水层内有机物不断被膜中微生物吸附、氧化分 解。滞流水层内有机物浓度远低于流动层，在传质推动力作用下，流动层内有机 物不断向附着层转移，使流动水层在整体流动中逐步得到净化，达到污水处理目 的。在此期间，生物膜的增长、新陈代谢过程与溶氧值关系密切，生物膜厚度随 着微生物浓度增加而不断加厚，当滞流层中溶解氧被膜表层微生物耗尽时，膜内 层就会滋生出大量厌氧微生物，造成内层微生物群不断死亡、解体，降低了生物 膜与填料表面的粘附力，同时厌氧微生物发酵产生的h ：s 、n i t 3 气体及膜内大量 噬膜微型动物，也会影响生物膜在填料表面的附着，使过厚的生物膜在本身重力 及污水流动力作用下脱落。 接触氧化工艺是一种高效能的生物处理技术，常用于处理既含有溶解性有机 物又含有粒状有机物的污水。它将生物滤池和活性污泥法有机结合在一起，同时 兼有两者的优点，从水中微生物的附着场所及生存方式来看，类似于生物滤池， 从反应器流体力学特性及曝气方式来看，它又与活性污泥法相似。有关的实验研 究及实际工程表明【6 】，相同条件下，氧化池比表面积为1 3 0 1 6 0 0m 2 m 3 ，生物 6 滤池比表面积是4 0 1 2 0 m 2 m 3 ，生物转盘比表面积是1 2 0 1 8 0 m 2 m 3 。接触氧 化法的体积负荷可达3 1 0k n g b o d jm 3 d ，是普通活性污泥法的3 5 倍，c o d 去除率是传统生物法的2 3 倍。 2 1 1 主要特征 据上所述，生物接触氧化是一种介于活性污泥法与生物滤池两者之问的生物 处理技术，也可以说是具有活性污泥法特点的生物膜法，其在工艺、功能以及运 行等方面具有下列主要特征1 5 l ： ( 1 ) 在工艺方面的特征： 本工艺使用多种形式的填料，由于曝气，在池内形成液、固、气三相共存 体系，有利于氧的转移，溶解氧充沛，适于微生物存活增值。在生物膜上微生物 是丰富的，除细菌和多种种属原生动物和后生动物外，还能够生长氧化能力较强 的球衣菌属的丝状菌，而无活性污泥膨胀之虑。在生物膜上能够形成稳定的生态 系统与食物链。 填料表面全为生物膜所布满，形成了生物膜的主体结构，由于丝状菌的大 量滋生，有可能形成一个呈立体结构的密集的生物网，污水在其中通过，起到类 似“过滤”的作用，能够有效地提高净化效果。 由于进行曝气，生物膜表面不断地接受曝气吹脱，这样有利于保持生物膜 的活性，抑制厌氧菌的增值，也宜于提高氧的利用率，因此，能够保持较高浓度 的活性生物量。正因为如此，生物接触氧化处理技术能够接受较高的有机负荷率， 处理效果较高，有利于缩小池容，减少占地面积。 ( 2 ) 在运行方面的特征： 对冲击负荷有较强的适应能力，在间歇运行条件下，仍能够保持良好的处 理效果。 操作简单、运行方便、易于维护管理，无需污泥回流，不产生污泥膨胀现 象，也不产生滤池蝇。 污泥生成量少，污泥颗粒较大，易于沉淀。 ( 3 ) 在功能方面的特征： 生物接触氧化处理技术具有多重净化功能，除有效地去除有机污染物外，还 能够用以脱氮，因此，可以作为三级处理技术。 生物接触氧化处理技术的主要缺点是：如设计和运行不当，填料可能堵塞， 严重时影响处理水质。此外，布水、曝气不易均匀，可能在局部部位出现死角。 2 1 2 工艺流程 生物接触氧化处理技术的工艺流程，一般可分为：一段( 级) 处理流程、二 段( 级) 处理流程和多段( 级) 处理流程。 ( 1 ) 一段( 级) 处理流程 原污水 匦匹臣 l 处理水 l 一一一一一l 一一一一j 一一一一一一l 一污掘 在一段接触氧化池内吉值应高于2 1 ，微生物增值不受污水中营养物质的含 在二段接触氧化池内吉值一般为o 5 左右，微生物增值处于衰减增值期或 竺堡! 0 i i ；i ! i ；i ；i i l i ； ! i i i i 一一一一一 i ；! ；j _ j ! ! ! ；i i j ! ! ! 呈苎 l 一 一一j 一一一一一一一一一一一一一一一l 一一一一一。一一一0 谜 、 图2 - 3 生物接触氧化处理技术多段( 级) 处理流程 多段( 级) 处理流程如图2 3 所示，是由连续串联的3 座或3 座以上的接触 氧化池组成的系统。本系统从总体上来看，其流态应按推流式考虑，但每一座接 触氧化池的流态又属完全混合。 由于设置了多段接触氧化池，在各池间明显的形成有机污染物的浓度差，这 样在每池内生长繁殖的微生物，在生理功能方面，适应于流至该池污水的水质条 件，这样有利于提高处理效率，能够取得非常稳定的处理水。 经过适当运行，这种处理流程除去除有机污染物外，还具有硝化、脱氮功能。 2 1 3 工艺组成 典型的生物接触氧化处理工艺由接触氧化池( 接触氧化床或生物反应器) 、 生物填料( 载体) 、布水系统和曝气系统四部分组成，以下仅对接触氧化池及生 物填料做一简单介绍。 2 ，1 3 ，1 接触氧化池 目前，接触氧化池在池体形式上，按曝气装置的位置，分为分流式与直流式； 按水流循环方式，分为填料内循环与外循环式。 国外多采用分流式。分流式接触氧化池，就是使污水在单独的隔间内进行充 氧，在这里进行激烈的曝气和氧的转移过程，充氧后污水又缓慢地流经填充填料 的另一隔间，与填料和生物膜充分接触，这种外循环方式使污水多次反复地通过 充氧与接触两个过程，溶解氧是充足的，营养条件良好，再加上安静的环境，非 常有利于微生物的生长繁殖。但是，这种装置在填料间水流缓慢，冲刷力小，生 物膜更新缓慢，而且逐渐增厚易于形成厌氧层，可能产生堵塞现象，在b o d 负 荷率高的情况下不宜采用。 分流式接触氧化池池根据曝气装置的位置又分为中心曝气型与单坝0 曝气型 两种。 中心曝气型接触氧化池，池中心为曝气区，其周围外侧为填充填料的接触氧 化区，处理水在其最外侧的间隙上升，从池顶部溢流排走。 9 单侧曝气型接触氧化池，填料设在池的一侧，另一侧为曝气区，原污水首先 进入曝气区，经曝气充氧后，由上而下流经填料，污水反复在填料区和曝气区循 环往复，处理水则沿设于曝气区外侧的间隙上升进入沉淀池。 国内一般多采用直流式的接触氧化池，这种形式接触氧化池的特点是直接在 填料底部曝气，在填料上产生上向流，生物膜受到气流的冲击、搅动，加速脱落、 更新，使生物膜经常保持较高的活性，而且能够避免堵塞现象的产生。此外，上 升气流不断地与填料撞击，使气泡反复切割，粒径减小，增加了气泡与污水的接 触面积，提高了氧的转移率。 2 1 3 2 生物填料 生物接触氧化处理技术的核心部分为生物填料，它是生物膜的载体，污水净 化过程就是附着于填料之上以及悬浮于填料之间的微生物的新陈代谢过程。填料 的特性对生物膜的性状、氧的利用率和水力分布条件等起重要作用，是直接影响 生物接触氧化工艺处理效果的关键因素【卜9 1 。同时，它的费用在接触氧化系统的 建设费用中占的比重较大，所以选定适宜的填料是具有经济和技术意义的。 对填料的要求有下列各项： 在水力特性方面，比表面积大、空隙率高、水流通畅、良好、阻力小、流 速均一。 在生物膜附着性方面，应当有一定的生物膜附着性，就此有物理和物理化 学方面的影响因素，在物理方面的因索主要是填料的外观形状，应当是形状规则、 尺寸均一，表面粗糙度较大等。 生物膜附着性还与微生物和填料表面的静电作用有关，微生物多带负电，填 料表面电位越高，附着性也越强；此外，微生物为亲水的极性物质，因此，在亲 水性填料上易于附着生物膜。 化学与生物稳定性较强，经久耐用，不溶出有害物质。不导致产生二次污 染。 在经济方面要考虑货源、价格，也要考虑便于运输与安装等。 生物填料可按形状分为蜂窝状、束状、筒状、列管状、波纹状、板状、网状、 盾状、圆环辐射状、不规则颗粒状以及球状等多重类型。按性状可分为硬性、半 软性、软性等。按材质则有塑料、玻璃钢、纤维等。 1 0 2 2 生物接触氧化处理技术的国内外研究状况 2 2 1生物接触氧化处理技术的发展历史 生物接触氧化法的概念最早于1 9 世纪末由w a r i n g 等人提出。1 9 1 2 年，c l o s s 在德国取得了专利登记。同期，美国h a y e s 等在污水处理的活性污泥曝气池中采 用石棉板、塑料板及水泥板等作为微生物生长载体，取得了良好的净化效果。2 0 世纪5 0 年代初，接触氧化技术被广泛应用于小型污水处理厂中。美国有6 0 多个 污水处理厂使用该技术处理市政污水，仅n e wj e r s e y 就有3 7 套生物接触氧化反 应器系统投入生产。与其它传统水处理技术相比，虽然接触氧化法具有生物量高 和净化效果较好等优点，但由于氧化池在操作时存在布水布气不易均匀、环境卫 生条件也较差，生产费用高且填料可能被脱落生物膜堵塞等缺点，到5 0 年代后 期，接触氧化法有逐渐被活性污泥法取代的趋势1 1 0 j 。 本世纪7 0 年代初期，随着新型有机合成材料的研发，聚酞胺、聚乙烯和聚 苯乙烯等材料被广泛用于制造填料，加上环境保护对水质要求的进一步提高，促 成了接触氧化法的新发展。日本学者小岛贞男从河流自净现象中得到启发，他发 现河床的砾石表面生长的一层生物膜，对水体中的污染物有明显的净化作用，经 试验研究，首先提出了“管式接触氧化”构想，开发出轻质蜂窝填料，其比表面 积和空隙率大量增加，并在对氧化池充氧方式进行改良的基础上，成功地将接触 氧化法应用于饮用水源水的预处理中。试验研究和实际工程应用表明，在饮用水 源水的预处理中，接触氧化法要优越于混凝、沉淀、过滤和氯化消毒等传统水处 理工艺，它不仅能有效地去除源水中的氨氮、亚硝酸盐和微量有机污染物，特别 对由于氯化消毒工艺产生的致癌物三卤甲烷的前驱物有很好的去除作用，减轻了 后续工艺负担，该技术和传统工艺联用，可极大降低饮用水氯化的致突变活性， 提高饮用水的质量。 近2 0 余年来，接触氧化技术在国内外都得到了广泛而深入的研究与应用， 研究领域涉及新型反应器的研制与开发、填料选材、氧传递机理，微生物选育和 挂膜等多方面。随着工艺技术的逐渐成熟，应用领域也更加广泛，用于处理生活 污水、城市污水、微污染源水、某些工业有机污水如石油化工、农药、印染、轻 工造纸、食品加工、发酵酿造、制药等行业排放污水，甚至像苯酚、丙酮等一些 难降解的有毒污水。 2 2 2 生物接触氧化处理技术的研究及应用 2 2 2 1 新型反应器的开发及应用 近年来涌现出许多新型的单一或复合式反应器，如上流式填充床生物反应 器、曝气生物滤池、复合填料反应器等，下面仅对曝气生物滤池、生物流化床和 复合生物反应器做一简单介绍。 曝气生物滤池 曝气生物滤池( b i o l o g i c a l a e r a t e d f i l l e r ) ，简称b a f ，是一种新型好氧生物 处理设备。它与传统生物接触氧化池有较大的类似，采用固定床形式，只是填料 尺寸更小，采用新型粒状填料，具有体积小、处理效率高、出水水质好等优点。 c l a p p 0 1 1 对活性污泥池( a c t i v a t e ds l u d g e ，a s ) 与曝气生物滤池( b i o l o g i c a l a e r a t e d f i l l e r ，b a f ) 两种反应器进行了比较研究，发现a s 反应器对石油工业污水中的 挥发性有机物去除率及解吸速度较高，而b a f 反应器对污水中有机污染物的生 物降解能力则更强些。图2 - 4 即是一种气水上向并流的曝气生物滤池示意图。气 水并流向上，增大了气水接触面积，有利于氧的转移。曝气滤池中的颗粒状填料， 一方面提供微生物生长的场所，另一方面可以截留污水中的s s 和产生的剩余污 泥。曝气点以下的滤层起到了过滤的作用，进一步截留水中悬浮物和脱落的生物 膜，完成固液分离的过程。当滤池运行到一定时期，随着生物量和滤料中截留杂 质的增加，滤料中水头损失增大，水位上升，需对滤料进行反冲洗。反冲洗污水 通过排水管回流到一级处理设施。当进水浓度过高时，需进行稀释，降低有机物 浓度。 图2 - 4 曝气生物滤池结构图 生物流化床 生物流化床是以无机或有机颗粒材料为生物载体，以空气曝气为动力，使填 料处于悬浮流化状态，使反应器中的气固液三相剧烈混合，水中有机污染物得到 降解净化，老化的生物膜自行脱落的装置。作为生物载体的流化介质颗粒，应具 有较高的比表面积和较小的粒径，一般粒径为0 6 - - 1 0i t a n ，其比表面只是般 生物滤池的5 0 倍以上。因此，流化床能维持较高的微生物浓度，可比般的活 性污泥法高1 0 n 2 0 倍，污水底物降解速度快，停留时间短，污水负荷高，占地 小，基建投资较低。但流化床反应器存在动力消耗大，操作管理难，流化速度难 以控制，放大设计难等缺点。目前国内数十家单位在进行生物流化床的研究( 包 括好气性的和厌气性的) ，所采用的床型也有多种，有水力流化和气力流化，有 直接供氧和射流吸气等充氧方式。采用纯氧气源的流化床，其b o d 负荷可达到 3 0 k m 3 d 左右；以空气作气源的，b o d 负荷也达到l o k m 3 d 左右【1 2 】。 复合生物反应器 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 r ) ，是在曝气池( 塔) 中投加载 体供微生物附着生长，反应器内存在着附着生长型( 固定化微生物) 和悬浮生长 型微生物( 游离微生物) ，能充分发挥两相( 固定相和悬浮相) 微生物的各有长 处，使两者扬长避短，相互补充，提高了反应器中生物的浓度，改善了污泥的沉 降性能，克服污泥膨胀现象，提高曝气池的硝化能力，从而大大提高水处理能力 和运行的稳定性。 此外，据有关文献报道，w a k e l i n 1 3 j 设计了一种新型的堰槽式生物反应器 ( w e i rt a n kr e a c t o r ) ，用于快餐店的排污水处理，这种独特结构的反应器对降解 动植物油脂特别有效，实验结果表明，当反应器平均有机负荷为5 k g c o d m 3 - d 时，总油脂去除率高达8 4 9 6 以上。h a m o d a l l 叼在新型复合填料反应器中采 用固定化陶粒填料对城市污水进行处理，实验结果表明，当进水浓度b o d s = 1 4 6 r a g l ，c o d = 1 5 8 ，2 m g l 时，控制水力停留时间 玎i t = 8 h ，有效体积负荷o 3 2 - - 1 2 l h ，实验测得处理后出水水质为b o d 5 = 7 5 r a g l ，c o d = 8 9 6 r a g l 。陈元 彩1 5 1 采用絮凝，厌氧酸化生物接触氧化一体化反应器对造纸制浆含氯漂白污水 进行处理，研究了反应器结构特性和处理效率等一些相关参数，其结论是当h r t = 1 5 h 时，反应器c o d 去除率达8 3 9 ，毒性去除率9 2 ，可有效降解污水中 木素及有毒的氯化木素。 2 2 2 2 填料的开发与应用 填料可按其放置方式的不同，分为固定式、悬挂式和分散式： 固定式填料 固定式填料以蜂窝状及波纹板状填料为代表，多用玻璃钢、各种薄形塑料片 构成。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着塑料工业的发展，以蜂窝填料为代表的硬性填料 在接触氧化池中逐渐被采用。这种填料具有一系列的特征，其中主要是比表面积 大，从1 3 3 m 2 m 3 到3 6 0m 2 m 3 ( 根据内切圆直径而定) ；空隙率高，达9 7 9 8 ；质轻但强度高，堆积高度可达4 5 m ；管壁光滑无死角，衰老生物膜易于脱 落等。但在长期的使用过程中，蜂窝填料逐渐暴露出许多弊端：当选定的蜂窝孔 径与b o d 负荷率不相适应，生物膜的生长与脱落失去平衡，填料易于堵塞；当 采用的曝气方式不适宜时，蜂窝管内的流速难于均一；填料表面光滑，不易挂膜； 水和气在填料内横向不能流通，造成布气布水不均。 我国采用的波纹板状填料，是以英国的“f l o c o r ”填料为基础，用硬聚氯乙 烯平板和波纹板相隔粘接而成，其规格和主要性能列举于表2 一l 中。这种填料的 特点，主要是孔径大，不易堵塞；结构简单，便于运输、安装，可单片保存，现 场粘合：质轻高强，防腐性能好。其主要缺点仍是难以得到均一的流质。 表2 1波纹扳塑料填料规格和性能 材比表面积空隙率重量梯形断面孔规格 型号 质 ( m 2 m 3 )( )( k g m 3 )径( n )( m i n ) 硬 立波i 型1 1 3 9 65 05 0 x 1 0 01 6 0 0 x 8 0 0 x 5 0 聚 立波i l 型 氯1 5 0 9 3 6 04 0 x 8 5 1 6 0 0 x 8 0 0 x 4 0 ，乙 立波一型 烯 1 9 8 9 07 03 0 x 6 51 6 0 0 x 8 0 3 0 新近有陶土直接烧结生产的陶瓷蜂窝填料，孔形为六角形，孔径在2 0 1 0 0 m m 之间。由于比表面积小、生物膜量小、表面光滑、生物膜易脱落、填料横向 不流通，造成布气不均匀，易堵塞以至无法正常运转，且造价较高，近年来此类 填料已逐渐被淘汰。 悬挂式填料 悬挂式填料包括软性、半软性、组合式填料及弹性立体填料等。 2 0 世纪8 0 年代开始出现的软性填料，即软性纤维状填料，是我国自行开发 的填料。这种填料一般是用尼龙、维纶、涤纶、晴纶等化纤编结成束并用中心绳 连结而成，理论比表面积较大( 14 0 0 24 0 0m 2 m 3 ) 、空隙率 9 0 ，挂膜快、 1 4 空隙可变，而且出水稳定，处理效果较好，c o d 和b o d 5 去除率达8 0 以上。 软性填料克服了蜂窝填料的不足，其间的空隙可以随着水和气的流动而变化，避 免了堵塞现象；组成这种填料的纤维丝具有很大的比表面积，相对容易挂膜。此 外，还具有重量轻、高强，物理、化学性能稳定，加工方便、造价低，运输方便、 组装容易等特点。因此，在当时看来具有很高的推广价值并得到了广泛应用。但 软性填料在长时间使用或进水浓度高、水中悬浮物较大时，易出现结团现象，降 低了填料的实际使用面积，并且在结团区的中心易形成较大的厌氧区，影响了处 理效果。同时，该填料易发生断丝、中心绳断裂等情况，因此这种填料的使用寿 命较短，一般为l 2 年。 2 0 世纪8 0 年代由北京纺织科学研究院开发的半软性填料【l6 】( 见图2 5 ) 由 填料单片、塑料套管和中心绳三部分组成，所有组成部分均采用耐酸、耐碱、耐 老化性能较好的低密度聚乙烯为原料。经熔融注塑成由中心孔向外放射的形状， 针刺状的圆形单片是半软性填料的主体，由中心绳依次穿过各单片的中心孔，单 片间嵌套塑料管以固定片距串连成所需长度。半软性填料具有特殊的结构和水力 性能，孔隙率大( 大于9 6 ) ，流阻小，并且当水流通过填料层时可产生明显的 湍流流态，提高水与生物膜的接触效率，增大了去除污染物的能力。该填料有一 定的刚性及柔性，具有较强的气泡切割性能和再行布水布气的能力、挂膜脱膜效 果较好、不堵塞；c o d 及b o d 去除率在7 0 8 0 ，使用寿命较软性填料长。 对于鼓风曝气中的大气泡供气而言，它具有多层次、反复切割气泡的作用，从而 提高了氧的转移率。具有传质效率高、节能、不易堵塞、耐腐蚀，耐老化等特点。 但其理论比表面积较小( 8 7 9 3m 2 m 3 ) 、生物膜总量不足影响污水处理效果， 且造价偏高。 图2 - 5 半软性填科 组合式填料的填料单元中间是一个尺寸较小的半软性填料，周边连接软化纤 维束。这类填料大多是在中心环的结构和纤维束的数量上有所不同，主要有组合 式双环填料和组合式多孔环填料等。 组合式双环填料( 见图2 6 ) 以塑料环作为骨架，中间是一个尺寸比较小的 半软性填料，外围连接软化的纤维束，维纶丝紧绷在塑料环上。在污水中丝束分 散均匀，易挂膜、脱膜，对污水浓度变化适应性好。 组合式多孔环填料( 见图2 7 ) 的塑料环片四周均匀布置了4 0 个方孔，方孔 有8 束维纶醛化丝均布在四周，呈放射状。纤维束丝串通8 个方型孔，非常牢固。 图2 - 6 组合式双环填科图2 7 组合式多孔环埂科 组合式填料是鉴于软性、半软性存在的缺点并吸取软性填料比表面积大、易 挂膜和半软性填料气泡切割性能好、不结团、不堵塞等优点而设计的新型填料。 其比表面积达10 0 0 25 0 0m 2 m 3 ，空隙率9 8 9 9 ，具有挂膜快、生物总 量大、不结团等优点。污水处理能力优于软性、半软性填料，在正常水力负荷条 件下c o d 去除率7 0 8 5 ，b o d 5 去除率达8 0 9 0 ，与之类似的还 有灯笼式( 或龙式) 和y d t 弹性立体填料。 弹性立体填料( 见图2 - 8 ) 由高分子聚合物，并加以抗氧剂、亲水剂、稳定 剂、吸附剂等添加剂，经特殊拉丝制成。弹性丝表面带有细小毛刺，用以增加比 表面积。安装时，将6 0 0 l0 0 0 条丝条穿插扣压在两片塑料圆环片中间，使丝 条呈均匀辐射状展开，按不同片距串制成悬挂式填料。该填料采用全塑材质，比 软性填料寿命长，曝气时每根丝不断颤动，因此填料空隙可变，不结团、不堵塞， 生物膜易于更新。目前较多应用在难降解有机物处理过程中的水解酸化段，提高 废水的可生化性。 图2 - 8 弹性立体填料 1 6 分散式填料 分散式填料包括悬浮式、堆积式填料，种类繁多，特点是无需固定和悬挂， 只需将之放置于处理装置之中，使用方便，更换简