（环境科学与工程专业论文）baf强化二级出水处理效能的中试研究.pdf

中国图书分类号： x172 学校代码：10213 国际图书分类号： 606 密级：公开 工学硕士学位论文 baf 强化二级出水处理效能的中试研究 硕 士 研 究 生 ： 冯丽丽 导 师： 杨基先 教授 副 导 师： 马 放 教授 申 请 学 位： 工学硕士 学 科： 环境科学与工程 所 在 单 位： 市政环境工程学院 答 辩 日 期： 2010 年 6 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 classified index：x172 u.d.c.: 606 dissertation for the master degree in engineering pilot-scale study of treatment efficiecny of baf in the augmentation treatment of secondary effluent candidate： feng lili supervisor： assistant supervisor： prof. yang jixian prof. ma fang academic degree applied for： master of engineering speciality： environmental science and engineering affiliation： school of municipal and environmental engineering date of defence： june, 2010 degree-conferring-institution： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - i - 摘 要 随着城市化脚步进程的加快，国家为加强对城镇污水处理厂建设和运行的 管理，提高了污水排放标准，污水厂不得不在原有基础上进行升级改造。 曝 气生物滤池作为一种成熟的生物膜技术，在城市污水升级改造中有较好的应 用前景。 本文研究了 baf 工艺在污水厂二级出水中的应用。首先针对污水厂二级出 水中污染物特征，筛选、驯化出 10 株菌进行单菌株净水效能实验，对比考察 了不同菌株对污水 cod 及总氮的去除效果；优选出 q1、q5、l4、zw 四株 菌株进行复配试验，确定 q1 与 zw 按照菌量比 1：1 复配，作为接种菌剂投 加到反应器中，用于 baf 的启动。 在太平污水厂建立中试研究模型，摸索曝气生物滤池在实际应用中的运行 参数。分别采用自然挂膜和人工投菌的启动方式，研究不同启动方法的启动 时间及处理效果。确定采用人工投菌法，经过 9 天启动成功。研究了反应器 沿程高度各污染物去除情况，确定滤池有效高度在 1.5m-1.8m 之间。通过调控 不同的运行参数，探索不同的水力负荷及气水比对反应器去除效率的影响， 指出在水力负荷为 1.25 m3/m2 h、进水流量为 22.12 l/h、停留时间为 0.54h、 气水比控制在 10：1 左右的条件下，出水处理效果最好。确定了曝气生物滤 池反冲洗参数，冲洗周期 18d，气洗 3min，强度为 8-10 l/(m2 s)，气水联合冲 洗 3min，水洗强度为 2-3 l/(m2 s)，最后水漂洗 5min。通过摸索能够处理二级 出水的 baf 反应器运行参数，为反应器的设计提供依据，为 baf 工艺的工程 应用提供试验依据。 生物膜是 baf 的核心。本文探讨了 baf 生物膜形成机理，微生物通过载 体与自身的相互作用，固定在填料上，通过特殊的基质扩散方式，导致微生 物分级分层现象。本文研究了 baf 系统生物群落结构多样及活性，分析系统 内细菌群落结构随时间的演替规律，指出投加工程菌能够与水中土著微生物 共同形成优势菌群；探索了不同滤池位置处生物群落多样性变化及演替规 律，为曝气生物滤池的设计及稳定高效运行提供微生物方面的依据。 关键词：关键词：曝气生物滤池；生物强化；处理效果；群落演替 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - ii - abstract severe quality standards has been published which forced sewage treatment plants to upgrade. biological aerated filter is a reactor having double functions， including biofilm and activated sludge，which has better application prospect in secondary treatment of urban sewage. treatment of secondary effluent from a wastewater treatment plant by biological aerated filter was discussed in this paper. ten bacterial strains obtained from the wastewater by separating and domesticating were used to treatment wastewater experimental of single strain; the removal efficiency of cod and total nitrogen were studied to obtain the dominant bacteria: q1、q5、l4、zw which were then used in composite stabilizer test. study result showed that the suitable start-up conditions were q1:zw as the percentage of 1:1. pilot scale text model was established in taiping wastewater treatment plant to grope the practical running parameters of baf. experiments on start-up forms demonstrated that the way of artifical adding bacteria was better tha natrual enrichment both on start-up time and on the subsequent treatment effect. the biological aerated filter was successfully started up within 9 days. the suggested conditions for wastewater treatment by baf were: heights1.5m-1.8m, hydraulic loading1.25 m3/m2 h, water flow 22.12 l/h , hrt 0.54h,gas-water ratio10：1 under which the effect was the best. during the process, a simple and periodic backwash was used to regenerate the used baf, with gas rate 8-10 l/(m2 s),water rate 2-3 l/(m2 s) and back washing time 11min.the capability of regenerated baf was recovered almost completely after reprocess. the mechanism of biofilm forming were investigated and it was found that interception and adsorption closely lined with biofilm forming. also diversity and activity of microbial community of baf were examined and the succession rule of indigenous microorganisms was analyzed; how microbial community structure changed along different heights were discussed. these studies have not only developed the theory of biological aerated filter in some extent, but also will provide a foundation for the application of baf to water deep treatment. 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iii - keywords ： biological aerated filter, bioaugmentation, treatment efficient, community succession 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - 目 录 摘摘 要要 . i abstract . ii 第第 1 章章 绪绪 论论 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.1.1 我国水资源现状 . 1 1.1.2 我国水污染现状 . 1 1.2 曝气生物滤池工艺简介 . 2 1.2.1 曝气生物滤池工艺原理 . 2 1.2.2 曝气生物滤池滤料 . 2 1.2.3 曝气生物滤池工艺特点 . 4 1.3 曝气生物滤池工艺研究现状 . 4 1.3.1 曝气生物滤池在微污染水源中处理中的应用 . 5 1.3.2 曝气生物滤池在城市污水处理中的应用 . 5 1.3.3 曝气生物滤池处理工业废水处理中的应用 . 6 1.3.4 曝气生物滤池在污水深度处理中的应用 . 7 1.3.5 曝气生物滤池在脱氮除磷方面的应用 . 8 1.4 本课题研究目的及主要内容 . 10 1.4.1 课题来源 . 10 1.4.2 本课题研究的目的和意义 . 10 1.4.3 研究的主要内容 . 12 1.4.4 试验方案 . 13 第第 2 章章 试验装置、材料及方法试验装置、材料及方法 . 14 2.1 实验装置与设计 . 14 2.1.1 菌种筛选试验装置 . 14 2.1.2 baf 现场实验装置 . 14 2.2 实验材料 . 16 2.2.1 陶粒 . 16 2.2.2 试验用水 . 17 2.2.3 试验菌种 . 17 2.2.4 试验用培养基 . 17 哈尔滨工业大学工硕士学位论文 - v - 2.2.5 试验装置 . 17 2.3 实验分析方法 . 18 2.3.1 水质指标检测方法 . 18 2.3.2 菌株净水效能试验 . 18 2.3.3 微生物非培养技术试验方法 . 19 第第 3 章章 固定化菌种的筛选及菌剂构建固定化菌种的筛选及菌剂构建 . 21 3.1 引言 . 21 3.2 固定化菌种筛选 . 21 3.2.1 固定化菌种分离 . 21 3.2.2 功能菌株筛选 . 23 3.3 固定化菌剂构建 . 25 3.3.1 菌剂构建方案 . 25 3.3.2 双菌株的复配 . 25 3.3.3 多菌株复配 . 27 3.3.4 复配比例 . 28 3.3.5 工程菌剂构建 . 30 3.4 本章小结 . 30 第第 4 章章 baf 工艺参数优化及处理效果工艺参数优化及处理效果 . 31 4.1 曝气生物滤池启动研究 . 31 4.1.1 自然富集培养启动 . 31 4.1.2 人工投菌启动 . 33 4.1.3 两种启动方式的比较 . 34 4.2 滤池高度的确定 . 35 4.2.1 cod 沿高度变化规律 . 35 4.2.2 氨氮沿高度变化规律 . 36 4.2.3 总氮沿高度变化规律 . 37 4.2.4 总磷沿高度变化规律 . 39 4.2.5 有效高度的确定 . 40 4.3 水力负荷对 baf 运行效果的影响. 40 4.3.1 水力负荷对 cod 去除率的影响 . 41 4.3.2 水力负荷对氨氮去除率的影响 . 42 4.3.3 水力负荷对总氮去除率的影响 . 43 4.3.4 水力负荷对总磷去除率的影响 . 44 4.3.5 最适宜水力负荷 . 44 哈尔滨工业大学工硕士学位论文 - vi - 4.4 气水比对 baf 运行效果的影响. 45 4.4.1 气水比对 cod 去除率的影响 . 45 4.4.2 气水比对氨氮去除率的影响 . 46 4.4.3 气水比对总氮去除率的影响 . 47 4.4.4 气水比对总磷去除率的影响 . 47 4.4.5 最佳气水比的确定 . 48 4.5 反冲洗对 baf 去除效果的影响. 49 4.5.1 运行周期的确定 . 49 4.5.2 反冲洗形式的确定 . 49 4.5.3 反冲洗条件的确定 . 50 4.6 太平污水厂升级改造方案 . 50 4.7 本章小结 . 51 第第 5 章章 baf 生物膜特性生物膜特性 . 53 5.1 生物膜形成机理 . 53 5.2 baf 生物膜中生物相构成. 54 5.2.1 baf 反应器内生物膜组成及特性. 54 5.2.2 反应器内生物膜中微型动物组成及特点 . 55 5.2.3 baf 反应器内生物相特点. 57 5.3 细菌多样性变化分析 . 57 5.3.1 pcr-dgge 技术 . 57 5.3.2 不同时期生物膜上细菌多样性变化 . 58 5.3.3 不同填料高度生物膜上细菌多样性变化 . 60 5.3.4 细菌群落结构相似性分析 . 60 5.4 本章小结 . 62 结结 论论 . 63 参考文献参考文献 . 65 攻读学位期间发表的学术论文攻读学位期间发表的学术论文 . 70 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 . error! bookmark not defined. 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 . error! bookmark not defined. 致致 谢谢 . 71 哈尔滨工业大学工硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪 论 1.1 研究背景 1.1.1 我国水资源现状 水资源是地球能为人类和其他生物生存繁衍提供基本物质基础的自然水 体，是人类、资源、环境大系统地结合点，是基础性的自然资源和战略性的经 济资源。我国水资源总量为 28124.4 亿 m3，居世界第六位，但人均占有量仅 有 2300 m3 ， ，仅为世界人均的四分之一，被列为世界上最缺水的 13 个国家之 一1。 我国从 20 世纪 70 年代开始闹水荒以来，水荒由局部逐渐蔓延至全国，形 势越来越严重。目前全国 600 个城市中有 400 个城市缺水，其中严重缺水的城 市达到 100 多个，而北京、天津等大城市目前的供水已经到了最严峻时刻。同 时，由于我国人口基数大，人口数量不断增长，专家预测，到 2030 年，我国 人均水资源占有量将降低到 17001800 m3，随着人们生活水平的提高，对水 质水量要求的提高，我国缺水问题将日益突出2。 我国水资源空间分布不均匀3，北方地区，占国土面积的 62.2%，水资源 仅占全国水量的 20.11%，而南方地区仅占国土面积的 7.8%，南方地区的流域 水资源却占全国水量的 80%。尤其是黄淮海流域，耕地面积占全国耕地面积 39.7%，而水量仅为全国水量的 8.05。水资源分布的不平衡性，使本来就短缺 的淡水资源雪上加霜。 我国不但水资源短缺，而且水资源利用率较低，水量浪费量大。我国绝大 部分地区采用传统的大水漫灌方式，灌溉用水的有效利用率仅为 40%-50%， 城市生活用水浪费严重，如洗车、维护草坪，而自来水管道老化漏失造成的水 资源浪费，约占全部供水量的 10%。工业用水同样效率较低，尤其是谁的重 复利用和再生利用程度较低。 1.1.2 我国水污染现状 今年来，随着工业废水和城镇生活污水排放等原因，我国主要水系遭受不 同程度的污染。2008 年，全国废水排放总量为 572.0 亿吨，工业废水为 241.9 亿吨，而城市生活污水排放量为 330.1 亿吨3。七大水系水质总体为中度污 染，长江及较大支流的水质，一般属于类，有的断面已属于类；湖泊(水 库)富营养化问题突出，2003 年，淮河、海河、辽河、太湖、巢湖、滇池，其 主要水污染物排放总量居高不下。太湖、巢湖、滇池均为劣五类水质，总氮和 总磷等有机物污染严重。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 目前，我国污水治理面临的形势是：污水处理技术相对落后，资金短缺， 投资力度不够，管理水平偏低。我国污水事业始于 1921 年，到改革开放的近 三十年取得了迅速的发展，但仍然滞后你高兴于城市发展的需求。我国污水处 理技术在吸收消化外国技术的同时，形成了使用于我国污水水质的独特的技 术，但现阶段我国采用的污水技术，与同期国际水平相比，还存在着一定的差 距，从而影响我国污水处理技术在污水厂投标中的竞争力。据统计，我国 2010 年增加 6722 万吨的污水，约需 1344 亿元的环保资金投入，运行费用需 171.7 亿元，存在着严重资金不足现象。目前我国污水处理厂操作人员的技术 素质及管理水平不能适应当前的污水处理工艺，致使即使已经建成了污水厂， 也不能够正常运行，严重浪费了资源。我国提出，2010 年要求设市城市污水 处理率不低于 60%，建制镇污水处理率不低于 50%的目标。因此如何高效、 简易、低能高效运行污水处理厂，是我国当前污水治理领域的一项重要任务。 1.2 曝气生物滤池工艺简介 1.2.1 曝气生物滤池工艺原理 曝气生物滤池4 (baf，biological aerated filter)，前身是淹没式生物滤 池。baf 是在二十世纪八十年代后期，基于污水处理接触氧化法和给水快滤 的思路，开发出集生物降解、吸附过滤悬浮物、定期反冲洗等特点与一身的污 水处理新工艺。 baf 工艺原理为：滤池中装填有粒径较小的粒状填料，通过滤池低端的 曝气作用，使填料载体表面附着生长微生物，当污水流经时，污染物、溶解氧 等经过经过液相扩散到生物膜表面及内部，通过微生物的强氧化降解能力、小 粒径滤料的物理吸附及截留作用、生物膜的生物絮凝作用，实现污水的快速净 化。经过一段时间的运行，微生物不断增值，生物膜厚度增加，老化的生物膜 脱落，被截留后导致水头损失的增加，对滤池进行定期的反冲洗，释放截留的 悬浮物及老化的生物膜，保障生物膜活性。同时生物膜具有一定的厚度，在内 部形成厌氧微环境，随着生物膜脱落，厌氧微环境被破坏，再伴随着微生物的 增值，再次形成厌氧微环境，厌氧好氧环境交替，能够较好的实现系统地脱氮 除磷功能。 1.2.2 曝气生物滤池滤料 曝气生物滤池技术的核心是过滤介质滤料。滤料作为承载微生物的载 体，在微生物的生长、繁殖和死亡脱落的整个过程中起着重要的作用5 、6。填 料表面的理化性质主要包括：载体的材质、比表面积、粒径、表面粗糙度、载 体的密度、堆积密度、孔隙率、强度、表面电位和亲水性等。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - （1）滤料材质。填料材质对水处理效果的影响非常重要。根据采用原料 材质的不同，可分为无机填料、有机高分子填料。无机填料一般为沉没式填 料，有机高分子填料一般为上浮式填料。常见的无机填料有陶粒、焦炭、石英 砂、活性炭、膨胀硅铝酸等，有机高分子填料有聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯 等。 （2）填料粒径。填料粒径对曝气生物滤池的处理效能和运行周期都有重 要影响。填料粒径较大，则过水性能较高，反冲洗周期长，节约运行成本，但 粒径过大，系统生物量较小，处理效率较低；粒径过小，生物量较大，处理效 率高，但增加了反冲洗的负担；因此根据进水水质特点和处理要求进行优化选 择，确定最佳滤料粒径范围，实现对污染物的高效快速截留。 （3）填料表面粗糙度。粗糙、多孔的填料增加了细菌与填料间的有效接 触面积，比表面积形成的孔洞、裂缝等对已附着的细菌起到屏蔽保护，使其免 受过强水力剪切的冲刷作用，为微生物提供理想的生长、繁殖地。 （4）填料密度。生物滤池填料的密度大小关系到生物滤池反冲洗强度的 大小，密度越大可能造成悬浮困难，反冲洗强度越大，则需要的能量消耗越 大；而填料密度越小，用于反冲洗所消耗的能量也随之减小，但是在反冲洗时 容易跑料且不易控制反冲洗强度。 （5）滤层高度。由于异养微生物和自养微生物对空间、溶解氧和有机碳 源的竞争，它们在滤层中产生了沿高度的特定空间分布。滤池进水端生长着大 量异氧菌，而在滤池另一端硝化细菌占优势。一定的填料高度为曝气生物滤池 的高负荷运行和抗冲击负荷能力提供了条件。 （6）填料的机械强度。曝气生物滤池需要定期进行反冲洗，清除截留的 污染物以及过多的生物量，以防止滤池堵塞和保持生物膜的活性。反冲洗过程 中水力剪切作用较强、载体之间摩擦碰撞激烈，填料须具有一定的机械强度， 以避免在滤池运行过程中磨损严重而不能满足滤池要求，频繁更换填料会造成 运行费用升高。 （7）填料的稳定性。稳定性包括化学及生物稳定性。在曝气生物滤池 中，填料处于气液两相流的环境中，水中各种化学成分可能对填料产生腐蚀作 用，附着在填料上的生物膜在代谢过程中也会产生各种代谢产物，其中部分代 谢产物可能会产生腐蚀作用，同时填料也会对微生物有害和抑制作用，不造成 二次污染。因此，填料应具有较高的惰性，抗化学腐蚀。 （8）填料性价比。填料价格影响工程投资和运行费用，如有一些廉价的 天然材料可用作填料可节省投资，但填料密度和和流化速率等性能不适于反冲 洗，可能增加能耗，从而影响运行费用，现已开发的一些合成填料性能较好， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 但可能成本价格较高。因此，选用填料时要同时考虑其性能和价格，兼顾两 者，优化选择。 因此一般应当具有良好的物理性能以及足够的化学和生物稳定性。选择挂 膜性能良好，截污能力强，水流流态好，水头损失小，过滤周期长，滤水水质 好，反冲洗强度小；选择粒径、密度、比重适中，比表面积大，颗粒均匀孔隙 率高，活性中心多，生物亲和性好，抗酸碱氧化不易老化，使用寿命长，质 轻，机械强度大，耐磨擦、抗冲击、耐腐蚀，安装维修方便，原料廉价易得的 的曝气生物滤池填料。 1.2.3 曝气生物滤池工艺特点 （1）总体投资省，包括机械设备、自控电气系统、土建和征地费7； （2）处理出水质量好，可达到中水水质标准或生活杂用水水质标准； （3）对处理氨氮有很好的效果，对处理难生化有机物有较好的效果。对 氨氮的处理出水0.5mg/l，对 ss 的处理出水5mg/l。 （4）同时发挥生物氧化与生物吸附作用，其后不设二次沉淀池。 （5）baf 同时发挥生物膜与生物絮体的作用。 （6）占地面积小，通常为常规处理工艺占地面积的 1/5-1/10 ，厂区布置 紧凑，美观； （7）抗冲击能力强，受气候、水量和水质变化影响小，启动快,特别适合 于寒冷天气地区，并可间歇运行； （8）过滤速度高，处理负荷大大高于常规处理工艺； （9）工艺流程短，氧的传输效率高，供氧动力消耗低，处理单位污水的 电耗低，运行费用是一般工艺的 1/2； （10）可建成封闭式厂房，减少臭气、噪声对周围环境的影响，视觉感官 效果好； （11）运行管理方便，便于维护； （12）全部模块化结构，便于进行后期的改扩建。 1.3 曝气生物滤池工艺研究现状 曝气生物滤池工艺是在微污染水源水处理中过滤的基础上，借鉴污水生物 接触氧化处理工艺的思想而产生的一种污水处理新工艺8。世界上首座曝气生 物滤池于 1981 年在法国投产，随后在欧洲各国得到广泛应用。美国和加拿大 等美洲国家在 20 世纪 80 年代末引进此工艺，日本、韩国和中国也先后引进了 此项技术，目前曝气生物滤池为主体技术的水处理厂超过 100 座9。在中国内 地，曝气生物滤池正处于推广阶段。大连市马栏河污水处理厂是我国第一个采 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 用曝气生物滤池工艺的城市污水处理厂（由东北市政院设计） ，广东新会东郊 污水处理厂采用了水解曝气生物滤池污水处理工艺 10（由中冶马院设 计） 。另外，我国一部分废水的处理也采用了此项技术。国内许多科研设计单 位对曝气生物滤池也进行了试验。随着曝气生物滤池在世界范围内不断推广和 普及，很多学者在其结构形式、功能、启动和滤料等方面进行了详细的研究， 取得了很多成果。 1.3.1 曝气生物滤池在微污染水源中处理中的应用 给水处理中的 baf 形式同用于污水处理的曝气生物滤池大同小异。滤料 上附着的微生物以贫营养菌为主，这些贫营养菌具有较大的比表面积，对其可 利用的基质有较强的亲和性，一方面能够大量的吸附有机物污染物，实现机械 截留作用；同时能够利用吸附的营养物质，实现污染物的降解1112。对达到 对 baf 预处理工艺除可以直接去除源水中的污染物外，对后继的常规给水处 理工艺也产生非常有利的影响。baf 预处理消耗了源水中大部分可生物降解 的有机物，必然减少给水管网中细菌滋生的可能性，提高了饮用水的生物稳定 性；baf 预处理工艺降低了源水中的有机物和氨氮的含量，可以减少消毒过 程中氯气的投量，降低了消毒过程中消毒副产物的产生量，提高饮用水的安全 性13。 清华大学有学者14研究表明，利