（环境工程专业论文）陶粒炉渣双层填料生物滤池处理生活污水的试验研究.pdf

陶粒炉渣双层填料生物滤池处理生活污水的试验研究 a b s t r a c t b a ft r e a t m e n to fu r b a ns e w a g ei sf a v o r a b l e i ti s s i m p l ei ns t r u d u r e , e a s y o p e r a t i o n , l o wo p e r a t i n gc o s t s a f t e rn e a r l y1 0y e a r sd e v e l o p i n gr a p i d l y , t e c h n o l o g y m a t u r e s b a fw i l lb e c o m eo n eo f t h em a i ns o l u t i o n sw h i c hi st h em o s ti m p o r t a n tw a y t os o l y et h es e r i o u sw a t e rp o l l u t i o na n dw a t e rs h o n a g em e a n s t h ep a p e l f o c u so i lt h e t r e a t m e n te f f e c tw h i c hc e r a m i c s l a gd o u b l ef i l l e rb a ft r e a t m e n to f d o m e s t i cs e w a g e t r e a t r a e n t e x p e r i m e n t ss h o wt h ee 疵c to ft h et r e a t m e n tp r o c e s s a n dt os t u d yt h e t e m p e r a t u r e , g a s - w a t e rr a t i o h r to nb i n l o g i c a la e r a t e df i l t e rf o rp e r f o r m a n c e c e r a m i c s l a gd o u b l ef i l l e rb a fu s e di nt h en a t u r a lm e m b r a n e , f o rar e l a t i v e l y s h o r tt i m e , 2 4d a y sa f t e rt h es u c c e s s f u l f i l mh a n g i n g c o da n da m m o n i an i t r o g e n r e m o v a lr a t ew e r es t a b l ea 7 5 ，6 0 6 6 l o n g - r u nr e s u l t ss h o w ：f i i t e rf o rc o d ， a m i n o n i aa n do t h e rs sh a sg o o dr e m o v a le 】! f i c i e n c y , t h ea v e r a g er e m o v a lr a t er e a c h e d 8 3 5 6 9 a n d9 0 r e s p e c t i v e l y c e r a m i c s l a gd o u b l ef i l l e rb a fp e r f o r m a n c eo f t h em a j o ri n f l u e n c i n gf a c t o r s ：t e m p e r a t u r e , g a s - w a t e rr a t i o , 腻g a s - w a t e rr a t i oo f c o da n da m m o n i an i t r o g e ng r e a t e ri m p a c t ，g a sw a t e rr a t i o2 ：l 。f i l t e r sc a na c h i e v e c a r b o no x i d a t i o na n dn i t r i f i c a t i o na tt h es a m et i m eh a n d l e t ot h e 唧t h eg a s - w a t e l r a t i oo f2 ：l ，加玎6 h 2 4 hb e t w e e nc h a n g e sr e a c t o rt ol ：1 5u n a & c t e d 。b u tt h e r e m o v a lo fa m m o n i ag r e a t e ri m p a c t w i t ht h ei n c r e a s e dh r ta m m o n i ar e m o v a ii s s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s i n g b a c k w a s hi so n eo ft h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c t e dc e r a m i c s l a gd o u b l ef i l l e r b 怂p r o c e s s i n gp e r f o r m a n c e t h r o t l g ht h ef i l t e rb a c k w a s h i n g , t h eb a c k w a s hs t r e n g t h a n db a c k w a s hc y c l eo fr e s e a r c h , t h er e s u l t ss h o w e d ：f i l t e rb a c k w a s hc y c l e sa n dt h e t 忙a dl o s st h r o u g ht h ew a t e rt od e t e l t n i n ew a t e rq u a l i t y h l 盯o fb a c k w a s h i n gc y c l eo f l a r g e r , w i t ht h e 脚i n c r e a s eb a c k w a s h i n gc y c l ei n c r e a s e s b a c k w a s ht h ef o l l o w i n g m a n n e r ：f i r s t , g a sc l e a n i n ga n dt h e na i r - w a t e rb a c k - w a s h i n gj o i n t , t h ef i n a lr i n s i n g w a t e r i tm a d eag o o db a c k w a s he f f e c t b a c k w a s hp a r a m e t e r s ：b a c k w a s hg a s5 l ( m 2 s ) w a s h i n gl a s t e d5m i n u t e s , a i r - w a t e rb a c k w a s h i n gj o i n t ，t h eb a c k w a s hw a t e r2 l ( m z s ) ， v o l u m er e m a i n e du n c h a n g e d b a c k w a s hi a s t e d5m i n u t e s , t h ei n t c n s i t yo f w a t e rr i m i n g 2 l ( m 曲，1 5 m i ns u s t a i n e dt i m e k e yw o r d s ：b i o l o g i c a ls e w a g e ；b a f ；c e r a m c ；s l a g sr e m o v a l ； 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：缈 日期：御年6 月b 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 锲麴 孑禳 日期：沙7 年f 月侈日 日期： 尹僻g 月侈日 硕士学位论文 i 1 我国水资源污染现状 第1 章绪论 1 1 1 水资源短缺和水环境污染 人类在早期对水资源的开发利用，主要是在农业、航运、水产养殖和水能 利用方面，而用于工业和城市生活的水量很少。然而随着世界人口的高速增长 以及工农业生产的发展，世界用水量逐年增长。水资源的不合理利用、用水的 浪费、和水资源被严重污染等问题也越发明显。所谓水资源，归纳为：在广义 是指逐年可以得到恢复更新的、可为人们使用的那一部分淡水量【l l 。这种恢复 更新可称之为水循环，整个循环可分解为水分蒸发、水汽输送、凝结降水、水 分下渗和径流5 个环节，如图1 1 所示。 图1 1自然界水循环 全球的水资源是有限的，进入2 0 世纪，世界人口增加了两倍，而人类用水 增加了5 倍，世界上许多国家正面临水资源危机：1 2 亿人用水短缺。3 0 亿人缺乏 用水卫生设施。水资源危机带来的生态系统恶化和生物多样性破坏严重的威胁 到人类生存，阻碍了世界的可持续发展和世界和平。 但与此同时，研究也表明，地球的水资源储量和循环量是足够全球人口使 用的，水资源危机原因何在呢? 主要是下述方面： 陶粒炉渣双层填料生物滤池处理生活污水的试验研究 ( 1 ) 淡水在地球上的分布极不平均，而且受到气候变化的影响。特别是一 些地区季节性缺水很严重。 ( 2 ) 城市与工业区集中发展。目前世界上城市居民约占世界人口的4 1 6 ， 而城市占地面积只占地球土地总面积的o 3 。因此集中用水量很大，超过当地 水资源的供水能力。 ( 3 ) 最令人痛心的是水体的污染。在这里，水体指在环境学领域中的河流、 湖泊、沼泽、水库、地下水，海洋、以及水中的悬浮物、溶解物质、底泥和水 生生物等完整的生态系统或完整的综合自然体。水体污染主要指水污染，同时 还包括底泥和水生生物体污染，即排如入水体的污染物使该物质在水体中的含 量超过了水体的本底含量和水体的自净能力，从而破坏水体。 ( 4 ) 全球的城市生活用水和工业用水都存在大量浪费，实际取水量大大超 过所需水量。另外，由于盲目开采地下水，使蓄水层受到破坏，底下水量锐减 的情况也很严重。 1 1 2 我国城市生活污水污染及处理现状 就目前我国水资源而言，平均总量为2 8 万亿立方米，居世界第6 位，但人均占 有水量仅2 4 0 0 m 3 1 e ，为世界人均水资源占有量的1 4 ，仅列世界第1t 0 位1 2 1 。目前在 中国6 6 6 座城市中，有3 3 3 座城市缺水，其中严重缺水1 0 8 座，日缺水量达1 6 0 0 万吨， 因缺水造成的年工业经济损失达2 3 0 0 多亿元。中国已被联合国列为1 3 个水资源贫 乏国家之一。因此可供选择的水源短缺及其水质恶化给从事水处理工作者提出了 严峻的挑战。 我国日常生活用水和生产用水主要来自于地下水和地面水，其中地面水分布较 为广泛，来源丰富且利用较为方便、经济，加之近几年地下水的过量使用，水位 急剧下降等因素，各种地面水源( 如江河，湖泊和水库等) 已成为人们用水的主 要来源。随着我国经济的发展，人口的增加以及人们生活水平的不断提高，人们 对淡水资源的需求和消耗不断增多，相应的城市污水和工业废水的排放量也在不 断增多。由于污水处理设施的滞后和各点源污染控制不够得力等因素，许多生产 废水和生活污水未达排放标准就直接排入水体，对地面水源造成了极大的危害， 使我国淡水资源正面临两大问题；水环境污染和水资源短缺。一。随着地面水环境 的恶化，许多水厂的水源也受到污染。国家地面水环境质量标准( g b 3 8 3 8 8 8 ) 要求，集中式生活饮用水水源应达n n 、i i i 类水质。而据环保部门检测，全国9 0 以上的城市水域受到严重污染，约5 0 是重点城市的水源。与此同时，我国境内的 主要河流、湖泊均己经受到不同程度的污染，如松花江、辽河、海河、淮河、太 湖、滇池等等，黄河除了污染严重外，还出现了长时间的断流情况。七大水系在 2 硕士学位论文 i | 量| 鲁e 詈皇曼曼量量曼! 詈量曼目曼罾曼! 曼曼曼曼曼曼量蔓詈曼昌e 曼曼量自量蔓曼詈曼曼量曼量詈詈曼曹蔓曼_ 2 3 年，4 0 9 吟- 监测断面中，i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为3 7 7 、3 2 0 和3 0 3 ，总体水质与上一年基本持平。各水系干流水质好于支流， 干流1 1 8 个断面中，i 类水质占5 2 5 、一v 类占3 、劣v 类占9 3 。主要 污染指标为氨氮、生化需氧量、高锰酸盐指数等。在七大水系的1 2 2 个省界断面中， i 一类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为：3 4 4 、2 9 5 和3 6 i 。淮 河和海河水系的省界断面水质较差。“三湖”水质均为劣v 类，污染较重。主要污 染指标为总氮和总磷。按富营养化评价分析，太湖为轻度富营养，巢湖为中度富 营养，滇池为重度富营养，与上年持平 随着我国对环保事业的重视，城市生活污水的处理比率不断提高，但是截至 2 0 0 5 年底，处理率仍不到3 0 。现阶段，我国城市污水处理厂普遍采用的工艺是普 通活性污泥法、氧化沟法、s b r 法、a b 法等，尽管这些工艺在国外水污染控制中 被证实是行之有效的技术，但并不一定是最先进的技术。例如，目前国内大多采 用从国外引进的氧化沟、延时曝气的s b r 等工艺，延时曝气是一种低负荷工艺，对 于我国这样一个资源不足、人口众多的发展中国家，是否适合推广这种低负荷的 活性污泥工艺值得研究。首先，低负荷曝气池的池容和设备是中、高负荷活性污 泥工艺的好几倍；其次，延时曝气对污泥采用好氧稳定的方法，其能耗比中、高 负荷活性污泥工艺高4 0 - 5 0 。能耗增加带来了直接运行费的增加，同时增加了 间接投资，浪费较大。 2 0 0 1 年9 月颁布实施新的生活饮用水水质卫生规范，其中生活饮用水水质常 规检验项目3 4 项，非常规检验项目6 2 项，比原来的g b 5 7 4 9 8 5 标准还要严格，特别 是在浊度和有机物方面限制更严 5 1 。同其他国家( 组织) 所制定的标准类似，新增项 目主要涉及到一些有毒重金属离子的去除和有机物的去除，而目前传统的常规水 处理工艺对这一部分污染物的去除效果很不理想，需要重点研究。从全球来看， 生活污水的排放量居各类污水的首位，是水处理过程中关注的重点，城市居民日 常生活中产生的污水包括居民家庭、宾馆饭店、机关单位、学校、商场等设施由 于居民日常活动排放的污水，如洗菜、做饭、淋浴、冲厕等。这类污水的水质特 点是往往含有较高的有机物，如淀粉、蛋白质、油脂等，以及氮、磷等无机物， 此外，还含有病原微生物和较多的悬浮物。 1 1 3 城市生活污水中的主要污染物性质 ( 1 ) 有机污染物：污水中的有机污染物可分为天然有机物 o m ) 和人工合成有 机物( s o c ) 。天然有机物是动植物在自然循环过程中经腐烂分解所产生的物质；人 工合成的有机物大多为有毒有害污染物。有机物在水中的存在使颗粒稳定，增加 混凝剂用量和活性炭吸附器的负荷。一些有毒有害的污染物不仅难于降解，而且 陶粒炉渣双层填料生物滤池处理生活污水的试验研究 具有生物富集性、三致( 致癌、致畸、致突变) 作用，对公众健康危害很大。另外， 水体中的可溶性有机物容易与饮用水净化过程中的各种氧化剂和消毒剂反应。最 为常见的是与液氯反应，形成三卤甲烷( t h m s ) 、卤代乙酸( h a a s ) 以及其它的卤代 消毒副产物，其中大部分已证明可以使试验的动物引起癌症。其原因主要是原水 中的腐殖酸、富里酸等三卤甲烷的先质( p r e c u r s o r ) 可在净水氯化过程中形成三卤甲 烷州 但) 氮：氮在水中以有机氮、氨、亚硝酸盐和硝酸盐形式存在，用金属盐作为 混凝剂对氨氮的去除率很低。到目前为止，还没有看到过饮用水中氨氮对人体健 康直接造成危害的报道，但由于氨是自养菌繁殖的直接供体，在处理厂和配水系 统中，氨氮浓度达到0 2 5 m g l ，就足以使硝化菌生长，而由硝化菌和氨释放出来 的有机物会造成嗅味问题“。氨形成氯胺除嗅味也要消耗大量的氯，降低消毒 效率，而且，大量的氯气与饮用水中氨氮反应会散发出令人厌恶的嗅味。硝酸盐 和亚硝酸盐浓度高的饮用水可能对人体造成两种危害：亚酸盐的积累取代了血红 细胞中氧的位置，最终导致窒息；高浓度的硝酸盐摄入引起中毒，即产生致癌的 亚硝氨。 ( 3 ) 铁、锰：含铁、锰较高的饮用水中会产生红褐色以至出现沉淀物，会使被 洗涤的衣物着色，并有异昧；另外，含铁、锰过高的水容易使铁、锰细菌大量繁 殖，堵塞、腐蚀管道。 ( 4 ) 无机悬浮物：无机悬浮物，可以吸附水体中的有毒物质，形成危害更大的 复合污染物，并对水体中植物和鱼类等生物产生污染。 ( 5 ) 病原体：病原体，病原体污染水体后会造成大面积的疾病传播。它在水体 中的存活时间较长。 1 2 研究的内容和意义 1 。2 。1 试验研究内容 ( 1 ) 研究陶粒炉渣双层填料生物膜挂膜的最佳参数。 ( 2 ) 主要试验研究：采用陶粒一炉渣双层填料曝气生物滤池处理城市污水中 c o d c 。和n h 3 - n 的去除效果。 ( 3 ) 研究气水比、p i - i 值、氨氮负荷、水力停留时间等参数对陶粒炉渣双层 曝气生物滤池处理效果的影响。 ( 4 ) 研究反冲洗强度和反冲洗时间对陶粒一炉渣双层填料曝气生物滤池工作性 能恢复的影响。 ( 5 ) 解决单层炉渣填料生物滤池处理效果不稳定以及n h 3 - n 处理效率低的问 4 硕士学位论文 题。 1 2 2 试验目的和意义 曝气生物滤池处理城市居民生活污水比较理想。它构造简单，操作容易，污 水流过填料层，在池内停留的时间一般比较短，污水中的有毒物质对生物膜的破 坏相对较小。当负荷低时，出水水质可以高度硝化，污泥量少，运行费用低。曝 气生物滤池经过几十年的发展，衍生出不少种类，但是填料的选择始终是曝气生 物滤池的核心内容，填料选择是否适当直接影响到污水的出水水质。我们知道， 生活污水中污染物成分复杂，单一填料的处理能力再强，只能对出水水质的个别 指标做出贡献，而对其它污染物不能做到理想化的处理。这是由填料的自身性质 决定的，所以本试验以取得高质量出水水质为目的，针对单一填料的缺点，着重 研究双层填料的处理效果及最佳运行参数。炉渣填料生物滤池处理有机污染物效 果稳定，其缺点是对于污水中氨氮的去除率不够理想。粘土陶粒填料的比表面积 大，表面粗糙、孔隙率大，不仅具有耐冲耐磨、有较高的n h 3 - n 去除率的特点， 而且陶粒载体上的生物膜对低温的适应性优于活性碳和炉渣等填料。将两者结合， 能充分利用两者去处有机物和氨氮方面的互补作用，提高抗氨氮冲击负荷的能力。 而且我国陶粒的储量十分丰富，来源广、价格便宜，符合我国国情。又因为目前 对炉渣和陶粒的组合填料方式研究并不彻底，有进一步研究价值，特别是以组合 填料方式处理城市污水，更可以得出有益的结论，为今后可能的工程应用提供理 论依据和数据参考因此课题选用陶粒一炉渣作为双层填料构建生物滤池处理污 水。 陶粒炉渣双层填料生物滤池处理生活污水的试验研究 第2 章曝气生物滤池处理工艺 2 1 曝气生物滤池的产生和发展 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 rb a f ) 属于生物处理的生物膜法范畴，与 其他生物膜方法不同，曝气生物滤池将生物氧化过程与固液分离集于一体，在同 一个单元反应器中完成碳源去除、固体过滤和硝化过程，并且对池结构进行改造 后增加了厌氧区的生物滤池还可以进行反硝化脱氮和除磷“”。曝气生物滤池在二 十世纪8 0 年代中后期经历了一个快速发展时期，先后出现了b i o c a r b o n e ， b i o s t y l lb i o f o r 等工艺形式“”】。9 0 年代以来，曝气生物滤池技术方法、工艺 流程不断完善，在填料的选择、反冲洗技术的改进以及提高滤速等方面的研究都 取得了一定的进展。目前，在欧美、日本等地已有数千座大小各异的城市污水处 理厂采用了曝气生物滤池工艺。全球范围内以曝气生物滤池作为处理主体工艺的 污水处理厂己超过1 0 0 座以上，主要分布在欧洲及北美地区。亚洲的韩国、中国 台湾也有曝气生物滤池的实际应用，我国内地的大连马栏河污水处理厂也引进了 b i o f o r 形式的曝气生物滤池工艺。这些曝气生物滤池被应用于处理工业废水、生 活污水以及微污染水源水的预处理中，均取得了良好的处理效果，在水处理事业 中发挥着越来越重要的作用。 我国对曝气生物滤池的研究尚处于起步阶段，但是也取得了重大进展，各项 研究结果表明，陶粒活性滤料曝气生物滤池处理城市生活污水，对水中的c o d c r , t o c 、浊度、色度等都有一定的去除能力，尤其是对氨氮的去除效果非常理想， 大部分氨氮去除率可达到8 0 9 0 。郑俊领导的课题组，在吸取国内外曝气生物 滤池优点的基础上，结合我国实际情况，在2 0 世纪9 0 年代中后期开发出了国内 首座曝气生物滤池专利技术上流式曝气生物滤池( v a a f ) 。其主要处理对象为 水中的有机物、氨氮、总氮，该技术已被广泛应用于城市市政污水、小区生活污 水、啤酒废水、养猪厂粪便污水、肠衣加工废水等的处理。 2 2 曝气生物滤池的应用情况及研究现状 2 2 1 曝气生物滤池的应用 曝气生物滤池是与我国和日本的接触氧化工艺几乎在同一时期出现的污水处 理方法，是生物接触氧化技术与给水处理过滤技术有机结合的一种污水好氧处理 工艺，即利用污水处理生物接触氧化与滤池过滤的原理，生物净化与物理过滤相 结合，无需设置二沉池，通过定期反冲洗实现生物膜的脱落与截留悬浮固体的排 6 硕士学位论文 _ ii 鼍量曼詈鼍曼皇皇| 置_ 赊，可以保持生物接触氧化的高效性，同时又可以获得良好的出水水质。该技术 最初应用于污水的深度处理( 三级处理) ，由于其良好的处理性能，应用范围不断扩 大，如在污水的二级处理中，曝气生物滤池体现出了处理负荷高，出水水质好， 占地面积小等优点“”。我国的沈阳仙女河污水处理厂采甩了两段曝气生物滤池工 艺，处理规模3 2 万吨，d ，于2 0 0 4 年1 月试运行，2 0 0 4 年3 月正式运行。丹麦的 b o r g 污水处理厂采用曝气生物滤池工艺，在进水c o d ，s s 和n h 3 - n 分别为1 8 7 m g l ， 7 3 m g l 和1 8 m g l 时出水分别达到4 6 m g l ，l o m e , 1 和l m g l t 埽l 。加拿大正在兴建4 l 万m 3 d 的城市污水处理设施，法国和德国己分别建成2 4 万m 3 ，d 和3 1 万一d 的 b a f 污水处理设施。我国大连市利用世界银行贷款，己修建成1 2 万m 3 d 的马栏 河城市污水处理厂，在北京等城市有5 个b a f 工程已完成或正在施工。郑州污水 处理厂回用水工程针对曝气生物滤池进行了中试研究，在n h 3 - n 负荷为o 9 9 k g ( m 3 d ) ，溶解氧2 r a g 1 ，反冲洗周期1 0 天，反冲洗时间气、水各1 5 分钟，气冲洗 强度6 0 m 3 ，( m 2 ，d ) ，水冲洗强度3 0 m 3 ( m 2 d ) 的运行条件下，运行效果良好，氨氮、 s s ，c o 阢的去除率分别达到9 6 1 ，5 0 0 , 6 ，3 5 ，曝气生物滤池出水氨氮可低于或接 近l m g l ，满足地表水环境质量标准( g i - i z b l 1 9 9 9 ) i v 类水体标准，出水c o d , ， 满足再生水回用于景观水体的水质标准c j t 9 5 2 0 0 0 ，出水t p 日平均o 1 8 m g l 满足地表水四类水体的水质标准n ”。 2 2 2 曝气生物滤池的研究现状 2 2 2 1 曝气生物滤池对污染物的去除率的研究 在有机物及s s 的去除方面，由于填料和生物膜的作用，曝气生物滤池的污泥 龄( s r t ) 长，而相应的水力停留时间( r m t ) 短，因而有机物去除效率高，处理水量 大。邱立平等利用二段曝气生物滤池处理生活污水的试验发现c o d c r 和s s 的去 除率分别达到9 0 和8 5 以上。r p u j o l t 2 1 1 等通过滤速分别为6 5 m h 和1 3 m h 时的 中试试验结果表明，在平均负荷为5 4 k g ( m 3 d ) 的条件下，b o d 5 去除率可达8 0 以上，而且滤速对b o d 5 的去除没有影响。这些研究结果充分表明，曝气生物滤池 在有机废水的处理中有很大的应用潜力。 处理生活污水是可以得到令人满意的处理效果的，尤其n h 3 - n 的去除率大大 超出预想效果，比其他形式的曝气生物滤池去除率高的多。王春荣嘲通过温度对 曝气生物滤池反应器脱氮效果的影响试验，认为2 0 为温度临界点，当温度低于 2 0 时，氨氮的去除率较低，仅为进水的2 5 左右。而当温度高于2 0 时，氨氮 的去除率明显升高，达到6 5 以上，并随着温度的进一步升高，氨氮去除率增加 的较缓慢，随着温度的升高出水硝态氮含量略有增加趋势，从2 5 3 0 m g n l ( 1 5 0 ) 升高到6 9 7 0 m g n l ( 3 0 0 c ) ，而出水亚硝态氮浓度基本上稳定在0 3 o 7 m g n t 7 陶粒炉清双层填料生物滤池处理生活污水的试验研究 之间。这些研究结果表明，曝气生物滤池的硝化性能还有待于傲进一步的研究。 有关曝气生物滤池反硝化脱氮方面的研究也是一个热点领域。因为曝气生物滤池 属于生物膜法的范畴，而在生物膜系统中由于存在着厌氧区，可实现一定程度的 反硝化脱氮，脱氮效率的高低取决于底物条件、传质条件即反硝化细菌的代谢特 点。在曝气生物滤池系统中，反硝化以两种形式进行，即在滤池设置缺氧区或单 独设置一个不曝气的反硝化生物滤池，并根据底物供应情况决定是否投加碳源物 质。哈尔滨工业大学的王春荣等嘲在曝气生物滤池的脱氮处理方面做了大量的研 究。p c h u d o b a 和k 1 lg i l m o r e 。1 等也对曝气生物滤池的硝化反硝化脱氮进行了 比较深入的研究。有关曝气生物滤池的反硝化功能。在饮用水处理和污水的三级 处理中将发挥巨大的作用。 曝气生物滤池对磷的去除主要是通过加入化学除磷剂，在通过反冲洗排除富 磷污泥，或是在一级强化过程中通过化学混凝除磷嘲。单纯的通过生物除磷在曝 气生物滤池工艺中似乎还有很大难度，有资料表明采用曝气生物滤池处理生活污 水时，磷的去除率很低，出水磷浓度远远满足不了国家排放标准对磷浓度的要求。 目前情况下采用与化学除磷技术相结合的方式还是主要的选择方案。同步除磷的 不足一直也是该工艺的最大不足之处，以后的研究有望在这方面取得突破。 2 2 2 2 对滤池滤料的研究 生物滤料作为曝气生物滤池的核心组成部分，影响着该工艺的处理效果和运 行控制，故选择合适的滤料对曝气生物滤池工艺的推广和应用意义非常。由于传 统的接触填料存在一定的缺陷，限制了曝气生物滤池在我国污水处理中的应用， 因此选用一种好的滤料非常重要。生物滤池的最初阶段，人们用的最多的生物滤 料是砂石，而到近年的曝气生物滤池发展过程中，无机类滤料逐渐从砂石发震到 活性火山岩、沸石类、矿渣以及陶瓷材料等，b i o c a r b o n e 工艺中采用的滤料主 要是砂石，b i o f o r 工艺中采用的滤料主要为活性火山岩，而目前国内在曝气生物 滤池中应用最广泛的滤料是性能与火山岩类似的轻质生物陶粒。英国，美国和印 度等国已制定了曝气生物滤池的相应标准，法国德利满公司对应用于曝气生物滤 池的滤料也制定了相应的说明书及测试规范，可见各国对曝气生物滤池的滤料都 有严格的要求。在我国，对曝气生物滤池滤料的研究一直在进行，并对多种滤料 进行了试验，对页岩陶粒、球形轻质多孔粉煤灰薪土陶粒、砂、褐煤、沸石、炉 渣、焦炭等进行筛选，并与生物活性炭进行了比较，认为陶粒、砂石、大同沸石 和炉渣优于其他几种材料，见表2 1 。总之，填料的选择应综合各种因素，即要考 虑颗粒的堆积容重和表观密度，又要考虑其比表面积及总孔容积，同时还要考虑 微孔、过渡孔和大孔各自所占的比率，因细菌生长主要依赖大孔，微孔过多对细 菌生长并无作用。目前应用较多的填料主要是以赫土和粉煤灰为主要原料的球形 3 硕士学位论文 量蔓皇| 皇曹舅舅詈詈曼皇置罡e 詈量曼皇皇! 曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼e 葛詈詈曼曼曼曼鼍皇目皇曼詈詈曼曼詈量量目! 詈曼l i l 轻质生物陶粒滤料和页岩陶粒。工程中建议选用球形轻质多孔生物陶粒滤料作为 曝气生物滤池的滤料较合适。球形轻质多孔生物陶粒与国外的a r l i t a 性能相仿。主 要有以下特点：由于天然陶土或豁土、粉煤灰并添加部分辅料加工而成，强度大， 空隙率大。比表面积大，化学和物理稳定性好。与常规的玻璃钢等规则滤料相比， 具有生物附着性强、挂膜性能良好、水流流态好、反冲洗容易进行、截污能力强 等优点。形状规则，粒径可小可大，密度适宜，克服了不规则滤料水流阻力大、 易结球并引起滤池堵塞、反冲洗强度大、易冲刷破碎的缺点。在制作过程中采 用陶土、豁土、粉煤灰为原料、加入适量的辅料，经球磨、成形、烧成、筛分等 工序加工而成；通过控制适当的配料和烧成工艺，可改变陶粒的密度，且使其表 面粗糙、多微孔、不结釉。以轻质圆形陶粒作接触填料，采用曝气生物滤池处 理污水，可以充分利用滤料的比表面，起到深度处理作用。采用球形轻质多孔生 物陶粒作为曝气生物滤池滤料的实际工程应用在我国已有数十个，从运行的实际 效果来看，都能满足设计要求。 另外，有关曝气生物滤池生物膜的处理机理以及反应动力学方面的研究报道 还很少见，随着研究工作的不断进行和深入，有望在这些方面对曝气生物滤池的 理论有所突破。 表2 1 几种填料的物理特性比较 鱼整兰垫竖菱亘墼地纽篁塾堡堡幽 墼墼查重丝型 活性碳太原9 6 00 93 4 5 页岩陶粒 粘土颗粒 砂予 沸石 炉渣 麦板石 焦炭 北京 马鞍山 北京 山西 太原 蕲县 北京 0 1 0 3 o 3 9 0 0 1 6 5 o 0 2 6 9 o 0 4 8 8 o 0 0 8 4 0 0 6 3 0 9 7 6 8 7 5 1 3 9 3 8 3 0 9 7 5 1 3 7 5 5 8 7 2 3 曝气生物滤池的原理和特点 2 3 1 曝气生物滤池的原理 曝气生物滤池的基本原理是在一级强化的基础上，以颗粒状填料及其吸附生 长的生物膜为主要处理介质，充分发挥生物代谢作用、生物絮凝作用、物理过滤 作用及生物膜和填料的物理吸附作用以及反应器内食物链的分级捕食作用，实现 9 鳄眇铂虬鼹 3 4 0 o o o l 陶粒炉渣双层填料生物滤池处理生活污水的试验研究 污染物在同一单元反应器内得到去除。曝气生物滤池借鉴了生物接触氧化反应 器和滤床过滤单元的设计原理，省去了二次沉淀池设备，大大减少了占地面积曙8 1 。 ( 1 ) 过滤及吸附阻截作用。 曝气生物滤池的最大特点是使用了一种粒状填料，粗糙多孔的颗粒状填料具 有很大的比表面积，因此曝气生物滤池具有优良的过滤性能，污水在垂直方向上 通过填料层时，滤料呈压实状态，利用滤料粒径较小的特点，截留水中的大量悬 浮物嘲，这种吸附和阻截所积累的有机颗粒增加了滤料表面的粗糙程度，从而加 强了吸附阻截作用。与此同时，微生物同样在滤料表面落户并大量繁殖形成生物 膜，微生物新陈代谢作用中产生的粘性物质如多糖类、酯类等起吸附架桥作用， 与悬浮颗粒及胶体粒子粘结在一起，形成细小絮体，通过接触絮凝作用而被去除。 因此，有机物得以去除的第一步是吸附与阻截作用共同完成地，是滤料与生物膜 的联合作用。 ( 2 ) 生物代谢作用 在曝气生物滤池中，池底提供曝气，通过布水装置流到滤料表面的废水一部 分被吸附在滤料表面，成为呈膜状的附着水层，另一部分则以薄膜状流过滤料， 成为流动水层。滤料间隙的空气不断地向流动水层转移，使流动水层保持充足的 溶解氧，废水中又含有丰富的有机物，因此，流动水层具有使好氧微生物繁殖活 动的良好条件，废水连续流动，在滤料表面上即生成生物膜并逐渐成熟。在生物 膜上栖息生长着大量的种类繁多的微生物，成为生物膜法的工作主体。生物膜主 要是由细菌组成的，l g 生物膜有1 0 1 2 个细菌，其表面积1 2 0 0m 2 。生物膜的菌种 组成取决于污水中的污染物。曝气生物滤池中的生物膜是在明显的好氧过程中形 成的，除了异养菌外，其中还有大量的自养菌，如亚硝化菌、硝化菌；除单细胞细 菌外，生物膜中还生长着少量的丝状菌、酵母和个别的霉菌菌丝体。生物膜中的 微型动物大部分是单细胞的原生动物，如肉足虫、鞭毛虫、纤毛虫和吸管虫；但在 生物膜中还有构造比较复杂的后生动物，如轮虫、圆形蠕虫。生物膜中的所有微 生物都积极参与有机物的矿化作用。细菌是有机物主要的矿化微生物。肉足虫吞 食污泥颗粒，把一系列复杂的物质转化为简单的、方便其他种类微生物食用的物 质。纤毛虫和其他原生动物起着细菌发展调解者的作用，从而为矿化过程造就有 利条件，依靠往介质中分泌豁液，有助于细颗粒分散悬浮物的絮凝作用。污水在 流过载体表面的过程中，污水中的有机污染物被生物膜中的微生物吸附，并通过 氧向生物膜内部的扩散，在膜中发生生物氧化等作用，从而完成对有机污染物的 分解。扩散过程在生物膜动力学行为中是一个必须考虑的因素，污染物、溶解氧 及各种必需营养物首先要经过液相扩散到生物膜表面，进而到生物膜内部，只有 扩散到生物膜表面或内部的污染物才能有机会被生物膜微生物所分解与转化，最 终形成各种代谢产物。生物膜表层生长的是好氧和兼氧微生物，其厚度约2 m m ， 1 0 硕士学位论文 在这里，有机污染物经微生物好氧代谢而降解，终点产物是h 2 0 ，c 0 2 ， n h 3 等。由 于氧在生物膜表层已耗尽，而在好氧层的深部由于扩散作用制约了溶解氧的渗透 往往形成厌氧区，使生物膜内层的微生物处于厌氧状态，在这里，进行的是有机 物的厌氧代谢，终点产物为有机酸、乙醇、醛和h 2 s 等。由于微生物的不断繁殖， 生物膜逐渐增厚，超过一定厚度后吸附的有机物在传递到生物膜内层的微生物以 前，已被代谢掉。当厌氧层还不够厚时，它与好氧层保持着一种平衡稳定的关系， 好氧层能够保持良好的净化功能。当厌氧层逐渐加厚时，其内部微生物因得不到 充分的营养而进入内源代谢，这些代谢产物向外溢出时，必然要透过好氧层，从 而破坏了好氧层生态系统的稳定性。同时厌氧层气态代谢产物的不断溢出又减弱 了生物膜在载体上的固着力，促进了生物膜的脱落，失去其豁附在载体上的性能， 脱落下来随水流出反应器，载体表面再重新生长出新的生物膜。就是在这种微生 物不断更新的过程中，污水中的有机污染物得到去除，从而污水得到净化。生物 膜的周期更新，是维持生物膜净化功能的重要因素，生物膜的脱落速度与有机负 荷、水力负荷有关。此外，在生物膜反应器中，由于微生物被固着在载体上，因 此与污水的水力停留时间没有直接关系，增殖速度慢的微生物也能够生长繁殖； 例如硝化细菌等。正因如此，生物膜上的微生物在种属上是多种多样的，而且可 以形成稳定的生态系统。 ( 3 ) 食物链的分级捕食作用 任何一种生物处理过程都存在着与处理工艺、有机物类型及环境条件密切相 关的生物类群系列，而生物膜法由于其独特的特征表现出丰富的生物相特征。生 物膜中的种群构成复杂多样，丝状真菌和丝状细菌的种类数量特别多，线虫类： 轮虫类等后生动物也较多的出现，甚至有光照的地方还会有藻类出现，这样丰富 的微生物种群特征使得生物膜内的食物链关系特别复杂，因而也使有机食料在这 一食物链系统中得到迅速彻底的转化。一般而言，构成生物膜的生物种类数量要 比活性污泥系统的多得多，其食物链也比活性污泥的长而复杂。在曝气生物滤池 中，沿着水流方向自上而下有明显的食物链分级，每一段的优势生物类群各不相 同，基本上形成了有机物一细菌一原生动物的食物链，同时加上其交叉所形成的 网状食物链关系，使反应器系统的物质转化效率达到最高。另外，随着有机物浓 度的逐渐降低，水流尾段反应器区域的细菌可以进入内源呼吸阶段从而自身氧化， 大大降低了出水中的有机物浓度，达到处理的目的。因此，曝气生物滤池处理污 水盼作用机理可以归结为吸附阻截、生物氧化和食物链捕食这三个方面的共同作 用。 陶粒炉渣双层填料生物滤池处理生活污水的试验研究 2 3 2 曝气生物滤池的特点 曝气生物滤池具有很多优点： ( 1 ) 同步发挥生物氧化作用、生物絮凝、吸附和物理截留作用，生物相复杂， 处理效率高。 ( 2 ) 采用气水平行上向流，使气、水进行较好的均匀分布，防止了气泡在滤料 层中的凝结，氧利用率高，能耗低。 ( 3 ) 与下向流过滤相反，上向流过滤持续在整个滤池高度上提供正压条件，可 以更好地避免沟流或短流。 ( 4 ) 采用气水平行上向流，使空间过滤能被更好地利用，空气能将固体物质带 入滤床深处，在滤池中能得到高负荷、均匀的固体物质，延长了反冲洗周期，减 少清洗时间和清洗时的用水、用气量。 除了上述的自身优点以外，曝气生物滤池与其他生物处理方法相比还具有以 下优点： ( 1 ) 较小的池容和占地面积曝气生物滤池的b o d 5 。容积负荷可达到5 6 k g b o d 5 ( m 3 d ) ，是常规活性污泥法或接触氧化法的6 1 2 倍，所以它的池容和占地面 积，只有活性污泥法或接触氧化法的1 1 0 左右，大大减少了占地面积和基建费用。 ( 2 ) 高质量的处理出水在b o d 5 容积负荷为6k gb o d 5 ，( m 3 d ) 时，其出水s s 和b o d 5 可保持在1 0m g 1 以下，c o d o 可保持在6 0m g n 以下，远远低于国家污 水综合排放标准的一级标准。 ( 3 ) 简化处理流程由于曝气生物滤池对s s 的截留作用，使出水中的活性污泥 很少，故不需设置二沉池和污泥回流泵房，处理流程简化，占地面积进一步减少。 ( 4 ) 基建费用、运转费用节省由于该技术流程短、池容小和占地少，使基建费 用大大低于常规二级生物处理。同时，颗粒填料使得充氧效率提高，可节省能源 消耗。 ( 5 ) 管理简单曝气生物滤池抗冲击负荷能力强，没有污泥膨胀问题，微生物也 不会流失，能保持池内较高的微生物浓度，因此日常运行管理简单，处理效果稳 定。 ( 6 ) 设施可间断运行由于大量微生物生长在颗粒填料粗糙多孔的内部和表面， 微生物不会流失，即使长时问不运转也能保持其菌种，如长时间停止不用后再使 用，其设施可在几天内恢复正常运行。 ( 7 ) 处理设施采用全部模块化结构，便于进行后期的改扩建，可建成封闭式厂 房，减少臭味、噪声和对周围环境的影响，视觉景观好。 1 2 硕士学位论文 2 3 3 生物膜降解有机物的动力学模型 生物膜法水处理工艺根据运行状况可分为稳态和非稳态生物膜运行方式。稳 态生物膜是指随着时间的变化，生物膜没有净增长或净死亡的现象。而非稳态生 物膜正好相反。基于这两种情况，近几年来，在了解与模拟生物膜动力学方面人 们做了大量的研究工作，分别提出了稳态生物膜模型和非稳态生物膜模型。 2 3 3 1 稳态生物膜模型1 1 稳态生物膜模型的提出 所谓稳态生物膜，就是单位表面积的新细胞生长率等于生物膜的生物量衰减 率，即生物膜的增长和死亡达到动态平衡，不随时间变化的状态。但这种状态是 一种假象状态。在实际水处理过程中，从宏观的角度上看，水中基质浓度在一定 的时间内是不变的，或者变化很小。即使有变化，可以设法采取一些措施来减缓 这种变化，因此从这个观点上看现存的生物处理工艺，基本上属于稳定运行状况 近几十年来，在研究生物膜动力学方面，人们做了大量工作通过对微生物 降解基质过程、传质过程和分子扩散过程的理论化假设，研究者得出了一些微分 方程组，在这些模型中都假设生物膜是均质的细菌层。其中，稳态生物膜模型是 目前研究较多并能合理解释生物膜反应器内微生物生长和基质利用过程的数学模 型。 在生物膜反应器内，影响微生物对基质的去除过程的因素主要有：基质传质过 程，分子扩散以及生物膜降解动力学。此外，基质维持生物膜生长的能力也是一 个重要因素，因为通过利用基质会产生新的生物膜，但生物膜的老化脱落又会使 生物膜量减少，这都会对生物膜降解过程产生影响。显而易知，在生物膜反应器 中，如果基质浓度高，生物膜量会较多，这是由于微生物能以较快的速度获取能 量并部分转化为微生物量：相反，如果基质浓度低，微生物的获能速度降低事实 上，基质浓度足够低时，微生物的获能速度会小于耗能速度。所以，寻找基质利 用与生物膜量之间的相互关系是动力学过程研究的基本条件。 稳态生物膜模型最早由r i t t m a n n 与m e c a r t y 等人提出，之后经过不