（环境科学专业论文）一体化AltmgtOltngt工艺处理小城镇污水的实验研究.pdf

a b s t r a c t a sd o m e s t i cw a s t e w a t e ri st h em a i nc o m p o n e n to f t o w n s h i ps e w a g e i nv i e wo f t h i sc h a r a c t e r i s t i c ，t h eo u t l e tf r o mt h ep r i m a r ys e t t l i n gt a n ki nd o n gq uw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n to fs h a n g h a ii ss e l e c t e da st h et a r g e tw h i c hi ss i m i l a rt ot h eq u a l 畸o f t o w n s h i pw a s t e w a t e r a n dt h ew a s t o w a t e ri st r e a t e db yt h ei n t e g r a t e da m o np r o c e s s i nt h i sp a p e r t h i sp a p e ri sm a i n l yc o m p o s e do f t h ef o l l o w i n gt h r e ep a r t s ： 1 1 1 1 es t u d yo nc o n t i n u o u sa e r a t i o ni n t e g r a t e da m o np r o c e s su s e st h ep i l o t r e a c t o r , w h i c hi s2 3m e t e r sd e e pa n dh a st h ed i a m e t e ro f1 4m e t e r s 1 1 1 ee f f e c to n t h er e a c t o rt r e a t m e n tr a t ei ss t u d i e db yt h ed i s s o l v eo x y g e nc o n c e n t r a t i o ni na e r o b i c z o n ei nt h er e a c t o r , t h ep e r f o r a t e dp i p es p a r g e ro p e r a t i n gd e p t h , a n dr e a c t o rh r t 1 1 1 ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w st h a t ： ( 1 ) t h ed ov a l u ei nt h ea e r o b i cz o n ei st h ek e yp a r a m e t e ro ft h ep r o c e s s o p e r a t i o na n dc o n t r o l ，w h i c hn o to n l yi n f l u e n c e sk i n d so f m i c r o b ea c t i v i t i e s ，b u ta l s o t h ev a l i dv o l u m eo fa n a e r o b i c a n o x i cz o n e t h et e s ts h o w st h a tm a i n t a i n i n gt h ed o v a l u ei nt h ea e r o b i cz o n ei nt h er a n g eo 5 1 0m g li st h es u i t a b l ec h o i c ei no r d e rt o a t t a i nb e t t e rr e m o v a lr a t eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa n dm a i n t a i nt h ee x i s t e n c eo f a n a e r o b i c a n o x i cz o n e ( 2 ) i n c r e a s i n gt h eo p e r a t i n gd e p t ho fp e r f o r a t e dp i p es p a r g e r , a n di tc a n i n c r e a s et h ev o l u m eo fa e r o b i cz o n ec o r r e s p o n d i n g l y c o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r i n g t h er e m o v a le f f i c i e n to fa m m o n i a , t o t a ln i t r o g e na n dt o t a lp h o s p h o r u s ，t h eo p t i m a l o p e r a t i n gd e p t ho f p e r f o r a t e dp i p es p a r g e ri s1 5m e t e r s ( 3 ) 1 1 l ci n t e g r a t e dr e a c t o rh a sg o o dr e m o v a le f f i c i e n to f o r g a n i c s u i t r o g e na n d p h o s p h o r u sw h e nt h er e a c t i o nz o n eh r t i s8h w h e nt h eh r to f r e a e t i o nz o n ei s a b o v e81 1 t h e r ei sn oo b v i o u si n c r e a c eo f r e m o v a le f f e c to nt h er e a c t o rp o l l u t a n t s 2 、t h ep r i m a r yt e s ts t u d yo fi n t e r m i t t e n ta e r o b i ca m o np r o c e s su s e st h ea m o n r e a c t o rw h i c hi s1m e t e r sh i i g ha n dh a st h ed i a m e t e ro f0 4m e t e r s 1 1 心e 髓c to f w o r k i n gc o n d i t i o nt h a ti st i m ep e r i o dw i t h2 ha e r a t i o na n d2hn o n - a e m t i o no nt h e p o l l u t a n t sr e m o v a le f f i c i e n ti ss t u d i e d 1 1 1 et e s ts h o w st h a tt h ei d e a lr e m o v a lr a t eo f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u si sn o ta t t a i n e d n ea v e r a g er e m o v a lr a t eo f c o d c r 、n h 3 一n 、 t na n dt pa r er e s p e t i v e l y7 5 7 、1 4 9 、1 2 4 a n d3 9 2 n 伦f u r t h e rt e s ti s n e c e s s a r yf o rt h eo p t i m a lw o r k i n gp a r a m e t e r s 3 、o n t h e b a s e o f s u m m a r i z i n g p r e d e c e s s o r s s t u d yr e s u l t s ，a n e w t y p eo f j e t f l o w a e r a t i o ni n t e g r a t e da m o nr e a c t o ri sd e s i g n e d i th a st h ed i a m e t e ro f 2 6m e t e r s ，a n d 6 6m e t e r sh j 【g h t h ec f d t e c h n o l o g yi su s e dt on u m e r i c a l l ys i m u l a t et h ef l o ws t a t ei n t h er e a c t o r t h er e s u l t ss h o wt h a tc f d t e c h n o l o g yc a nb eu s e dt og u i d et h eo p t i m a l d e s i g no f r e a c t o r k e yw o r d s ：t o w n s h i p - s e w a g e ，i n t e g r a t e dr e a c t o r , a m o n p r o f e s s ，r e m o v a lo f n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s ，c f dt e c h n o l o g y i n 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：巷燕b g 年；月1 7 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，均已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：专亳b b 。3 年月 第1 章前言 第1 章前言 1 1 小城镇水污染问题概述 小城镇发展是推进农村城镇化的重要方面，在我国现代化进程中具有重要 的战略意义。然而，我国目前小城镇的发展面i 临诸多瓶颈问题，尤为突出的是 小城镇生态环境质量正在迅速持续恶化。我国小城镇污水处理率低、排放量大、 收集和处理设施不完善，对水体、土地等自然环境造成严重污染，威胁水源安 全和身体健康，因此，加强小城镇污水处理是新农村建设的一项重要内容，也 是改善当前农村人居环境迫切需要解决的问题，具有重要的现实意义。 1 1 1 小城镇污水造成的严重污染 按我国对城市规模的划分，所谓小城市是指市区和近郊区人口不足2 0 万人 的城市。实际上大多数县级市和县城的人口均在l o 万以下，一般为5 万1 0 万人，3 万5 万人的县级市和县城也不在少数。从城市概念上来看，建制镇亦 属“城市”范畴，建制镇的人口规模从5 0 0 0 3 0 0 0 0 人不等，这部分小城市的 数量更是数以万计【l 】。 至1 9 9 9 年5 月，我国共有建制镇1 9 2 1 6 个，有近6 0 0 0 个小城镇的人口超 过2 万，全国平均每个小城镇镇区人口为1 6 3 万人，县级城镇人口的基本规模 为3 m o 万人；2 0 0 3 年底，全国共有小城镇4 2 6 2 0 个，其中建制镇2 0 2 2 6 个，集 镇2 2 3 9 4 个；预计到2 0 1 0 年，全国建制镇约2 5 0 0 0 3 0 0 0 0 个，全国城镇人口达 6 8 亿左右，城市化水平约为4 5 ，其中小城镇人口所占比例达6 5 左右。从 发展眼光看，今后我国的大部分人口将生活在中小城镇。 小城镇污水主要指县城以下镇、村、户等所排出污水。我国现在城市污水 处理率在4 6 左右，主要指的是6 6 1 个大中小城市，而县城的污水处理率也就 在1 1 左右，到乡镇一级不超过1 。但是，县、镇、村的水量占全国总排水 量的5 0 ，其污水处理问题却长期被忽略，造成严重的环境污染。 由于我国的中小城镇普遍存在城区规模小，收集设施不完善，生活污水排 放量小，工业废水排放分散的特点，小城镇基本上没有污水集中处理设施；近 第1 章前言 郊或乡村新开发的居民小区、旅游风景点、度假村等分散的人群聚居地，排放 的污水基本上也没有处理。近几年我国城市化进程加快，尤其是中小城镇的迅 速崛起，污水排放量大面广。中小城镇排放的生活污水量约占全国总城镇生活 污水量的5 0 ，但小城镇生活污水处理率不到1 。由于相应的污水处理设施 跟不上发展的需要，致使大量污水未得到有效处理就直接排入水体。以我国第 一大河长江为例，据有关监测资料，沿江城镇的江段已形成较严重的岸边污染 带，仅长江千流岸边水域污染带已达5 6 5k m 。水体污染不仅表现在有机物超标， 而且近几年水体中氮、磷含量急剧增加，富营养化加剧。 随着人民生活水平的提高，农村地区用水量也随之加大，使得生活污水的 排放量也随之骤增。农村生活污水由于氮磷含量较高，是导致河流和湖泊富营 养化的主要因素之一。农村生活源和农业面源占我国太湖主要污染物氨氮排放 总量的7 7 ，占总磷排放的6 6 。陈能汪、张珞平【2 l 等人通过对福建省九龙江 流域汇水点定点监测分析，发现农村生活污水总氮、氨氮、总磷等各项水质指 标浓度均很高，其浓度变化基本反映了居民的生活方式及作息规律；农村生活 污水污染人均年排放量为：总氮1 5 6 2k g a ，总磷0 1 5 3k g a 。经济发达，人口 集中的沿江两岸地区的氮、磷排放负荷较大。由于污水处理设施建设的滞后， 大量没有经过处理的生活污水直接排入农村的小河道，最终进入湖泊等受纳水 体。因此，为了实现对面源污染的有效控制，遏制水环境富营养化趋势，对农 村生活污水进行收集处理已迫在眉睫。 1 1 2 小城镇污水的主要特点 一般小城镇废水主要由居民生活污水和乡镇企业排放污水组成，污染物质 主要有s s 、c o d 、b o d 、总氮、总磷、动植物油和大肠菌群。污水水质和水量 因地区生活习惯、经济发展水平及设施完善程度的不同而存在一定差异。就一 般水平而言，一般b o d 为1 0 0 1 5 0m g l ，c o d 为2 5 0 3 0 0m g l ，s s 为2 0 0 m g l 左右。小城镇污水具有以下特点： ( 1 ) 污水混合排放，生活污水比重大。受城市建设、环境管理、资金投入 等方面因素的影响，小城镇工业、生活污水混合排放，且排放废水以生活污水 为主，污水水质因地区生活习惯、经济发展水平及设施完善程度的不同而存在 一定差异。 2 第1 章前言 ( 2 ) 污水水量小，水质水量变化幅度大，水质成分复杂。由于小城镇人口 较少、排放的污水量也较小，从而水量波动较大，污水处理规模小。污水受区 域的产业结构影响较大，在市场经济的影响下，一定时期内某种行业或是产品 社会需求量大时，则该产业发展较快，该种废水量就会增加，反之则该种污染 物排放消失，以上种种都造成了小城镇污水排放的成分复杂，水质波动较大的 特点。 ( 3 ) 污水处理率较低，管理闲难。由于经济发展水平偏低，经济承受能力 弱，可供选择的适用技术范围小，而且污水处理规模小，从而工程建设费及运 输费提高，后期运行维护缺乏有效的管理。 1 2 小城镇污水处理工艺的选择 目前，我国中小城镇绝大数污水处理厂所采用的都是低负荷的活性污泥工 艺。这些工艺普遍都有建设费用大、运行费用高、反应时间长、占地面积大的 缺点。许多污水厂建成后因为缺乏经费而不能正常运行 3 1 。 中小城镇污水处理工艺应克服以上不足，在选择工艺时，还要同时考虑废 水处理设施所产生的环境污染、生态影响以及资源和能源的消耗水平。我国城 镇迫切需要经济、高效、节能、技术先进可靠的污水处理工艺和技术。 1 2 1 小城镇污水处理工艺应满足的条件 污水处理工艺选择是依据进水水质、水量状况及受纳水体环境容量或者排 放标准，确定应该去除污染物的项目与数量，从而选择合适的污水处理工艺。 一般说来小城镇污水处理工艺应满足以下条件【4 】： ( 1 ) 处理工艺应具有较强的适应冲击负荷的能力，去除效率高。 ( 2 ) 处理工艺简便易行、运行稳定、维护管理方便，利用当地技术和管理 力量能正常运行。 ( 3 ) 处理工艺应具有能方便改变处理流程的能力。 ( 4 ) 基建投资和运行费用低、节省能耗，基本上不投加药剂或投加药剂量 很少。 ( 5 ) 污泥产量少。 第1 章前言 1 2 2 几种小城镇污水处理工艺 1 2 2 1a o 工艺 a 0 1 5 卅( a n o x i c o x i c ) 工艺于2 0 世纪8 0 年代初开发，主要特点是将反硝 化段设置在系统的前端，因此又称为前置反硝化生物脱氮工艺，是目前较为广 泛使用的一种脱氮工艺。 在反硝化反应器中，反硝化菌以原废水中的有机碳为碳源，以曝气池中充 分硝化的回流液为电子受体，进行反硝化脱氮，不需外加碳源，且反硝化产生 的碱度可以补偿硝化反应所消耗碱度的5 0 左右。同时废水在好氧池中可进行 b o d 的进一步降解和硝化作用。 1 2 2 2a 2 o 工艺 a 2 o t t - s j i 艺是a n a e r o b i c a n o x i c o x i c 的简称，该工艺是在a o 工艺的基 础上增设了一个厌氧( a n a e r o b i c ) 池，具有脱氮除磷功能，如图1 1 所示。 ! 龄礁麟一j 图1 ia 2 o 工艺流程 废水先进入厌氧区，使得部分c o d 在此降解，且聚磷菌释放体内多聚磷酸 盐，产生的能量吸收进水有机碳源作为贮能物质储存在体内。厌氧出水进入缺 氧池，利用好氧池回流的硝酸盐和厌氧池出水中的有机碳源进行反硝化，最后 进入好氧段氧化降解有机物和硝化反应，一部分混合液回流进入缺氧区反硝化， 另一部分出水进入二沉池，沉淀分离污泥后出水，污泥回流到厌氧段。 a 2 o 工艺的主要特点为：厌氧、缺氧、好氧三种不同种类的微生物有 机配合，具有较高的c o d 和氨氮去除率；废水首先进入厌氧段，能够降解 部分难降解有机物，改善废水的可生化性，为反硝化提供合适碳源，脱氮效果 好于单级的a o 工艺；厌氧、缺氧、好氧交替运行，减少污泥膨胀的可能 性；反硝化不需外加碳源，硝化消耗碱度由缺氧过程提供，保证碱度平衡； 4 第1 章前言 工艺操作稳定，对水质水量具有很好的抗冲击能力；工艺具有较好的除 磷能力。 k o j im i s h i m a 等在a 2 0 工艺的好氧区加入悬浮填料，以增强好氧区硝化功 能，使好氧区所需的容积减小一半，在水温1 5 。c 以下，硝化效率达到9 3 【9 】。 1 2 2 3s b r 工艺 s b r 法0 0 - 1 3 1 ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 又称序批式活性污泥法或间歇式 活性污泥法，是1 9 1 4 年英国学者a r d e m 和l o c k c t t 发明活性污泥法之时，首先 采用的水处理工艺。s b r 工艺的过程是按时序来运行的，一个操作过程分五个 阶段：进水、反应( 曝气) 、沉淀、出水、闲置，不需设置专门的二沉池和污泥 回流系统，反应操作都在同一个池中完成，随着时间顺序进行反应。 随着自动控制技术的发展，s b r 反应器可以交替进行进水、缺氧搅拌、厌 氧搅拌、曝气、沉淀、出水阶段，从而提供了硝化反硝化的可能性，提高了脱 氮除磷能力。s b r 工艺特点有：工艺简单，投资和运行费用低，原则上s b r 的主体工艺设备，只有一个间歇反应器，不需二沉池和污泥回流系统；污泥 活性强，抑止污泥膨胀，改善污泥沉降性能；对水量、水质变化的适应性强， 有机物去除率高；控制灵活，脱氮除磷效果好。 1 2 2 4 人工湿地系统 人工湿地系统是模拟自然湿地的人工生态系统，类似自然沼泽地，它由人 工建造、监督和控制1 1 4 1 ，是一种人为将石、砂、土壤、煤渣等一种或几种介质 按一定比例构成基质，并有选择地植入植物的污水处理生态系统。通过自然生 态系统物理、化学和生物三重协同作用实现对污水的净化【1 5 6 1 。 与传统污水生化处理工艺相比，人工湿地具有净化效果好、去除氮磷能力 强、工艺设备简单、运转维护管理方便、能耗低、系统配置可塑性强、对负荷 变化适应性强、工程基建和运行费用低、出水具有一定的生物安全性、生态环 境效益显著、可实现废水的资源化等特点，越来越多地得到人们的关注 1 7 - 2 3 1 。 5 第1 章前言 1 3 一体化污水处理工艺 1 3 1 一体化污水处理工艺的概念 现代污水处理技术发展的总趋势是在保证出水水质的前提下，尽可能地缩 短和简化工艺流程，趋向于一体化设计【2 4 】。 污水处理一体化工艺是针对传统污水处理方法通常由多个单元操作组成的 复杂工艺流程的弊端而提出和发展起来的。它将传统生物处理工艺的反应、沉 淀和污泥回流集中于一个反应器中完成，减少占地面积，提高了反应器耐受水 质和水量冲击的能力，并可根据要求实现脱氮除磷。早期的一体化工艺是把曝 气、沉淀单元进行合建或者把曝气、沉淀工序作时间顺序上的调配。随着污水 脱氮除磷的要求，一体化工艺发展到将厌氧缺氧、好氧结合起来，通过在反应 器空间上形成厌氧、缺氧、好氧环境，或者使反应器在时间上形成厌氧、缺氧、 好氧状态，组合成一体化a o 工艺。 根据污水在反应器中的时间和空间分布以及反应类型，一体化工艺可以分 为两类【2 5 】： 第一类是将反应、沉淀等工序按时间顺序进行调配，对污水进行序批式处 理。典型的工艺类型有s b r 、循环式活性污泥法c a s t 和u n i t a n k 、三沟式氧 化沟等。 第二类是指通过反应器内空间的分区优化完成反应、沉淀等过程，典型的 工艺有m s b r 、一体化氧化沟、一体化o c o 技术、厌氧一缺氧一好氧一体化 等。 1 3 2 几种一体化污水处理工艺 1 3 2 1 厌氧好氧一体化污水处理工艺 周琪【2 6 1 等研究了厌氧一好氧一体化污水净化器，反应器内筒为上流式厌氧 污泥床，外筒为好氧接触氧化池( 内填有弹性立体填料) 和沉淀池。污水被提 升进入上流式厌氧污泥床( u a s b ) ，有机物厌氧发酵分解，出水进入好氧接触 池，进一步水解有机物后进入沉淀池泥水分离。沉淀的污泥则送入厌氧污泥床 中，同初沉污泥一并厌氧消化稳定。厌氧段产生一定量的沼气，可作为燃料利 6 第1 章前言 用。装置的处理效果良好，s s 和n h 3 - n 去除率较高。 刘旭东等f 27 】研究了缺氧一好氧一体式曝气生物滤池，该滤池将缺氧段和曝 气生物滤池( b a f ) 的好氧段有机地结合起来，利用缺氧段中反硝化菌的反硝化 作用实现脱氮，利用好氧段中好氧菌对有机污染物质的高效去除作用实现对有 机污染物的去除，滤池后不设沉淀工序，反应池通常采用悬浮有机填料。实际 运行时，将出水部分回流至反应池，实现反硝化脱氮。该生物滤池具有负荷高、 出水水质好、占地省等优点。 向仁军1 2 s j 研究了一种一体化好氧厌氧生物除磷脱氮工艺。反应器分为两层 简体结构，内筒为厌氧区，外筒为好氧区和沉淀区。污水首先进入内层的厌氧 区，反应后自流入好氧区，好氧氧化硝化后顺势流入同层的沉淀区泥水分离， 再利用回流污泥和厌氧区混合液比重不同的特性，在沉淀区底部设有污泥回流 通道和厌氧区相通，达到污泥自动回流的目的。试验表明：一体化厌氧好氧生 物除磷脱氮工艺装置实现了污泥的无泵自动回流，可比常规工艺节能1 5 左右。 蒋展鹏【2 9 】等根据缺氧好氧工艺原理设计了升流式一体化a o 生物膜反应 器。反应器下部为缺氧区，上部为好氧区，采用生物膜法使生活污水以升流方 式流经两个反应区，达到去除有机物和脱氮的目的。试验结果表明：当缺氧区 h r t 为5h 、好氧区h r t 为3h 时对c o d 的去除率 8 0 ( 大部分接近9 0 ) ，对s s 去除率 9 5 ，维持反应器内适宜的碱度可获得良好而稳定的脱氮效果，剩余污 泥少，无需频繁排泥。 1 3 2 2 一体化厌氧一缺氧一好氧装置 m r d 葶和j v r t o v 百c k 闭j 研究了一种厌氧一缺氧一好氧复合反应器，该反应 器为圆柱形塔，污水从底部进入，顶部出水，由下往上依次为厌氧区、缺氧区 和好氧区。厌氧部分充满了微生物颗粒，类似于上流式厌氧污泥床反应器。污 水以较高速度上流，进水中的复杂有机物转化成易降解的化合物。厌氧处理后 的污水向上进入到缺氧区，缺氧区和好氧区填充有塑料环支持生物膜的附着， 在缺氧区进行反硝化，其碳源可以由厌氧区水解产生的v f a 提供。经过缺氧处 理的污水上流进入好氧区进行硝化，后通过回流引入缺氧区反硝化脱氮。复合 塔适合处理含有复杂有机物的工业废水，当制药废水c o d = 2 0 0m g l ，b o d 。= 2 0 m g l ，t k n = 8 0m g l ，n t t 3 - n = 7 0m g l ，n o x - n 1m g l ，p 0 4 3 。- p = 5m g l 时， 出水可达c o d 一 1 0 0 m g l ，b o d 5 5 m g l ，n h 3 - n 一 1 0 m g l ，n o x - n ， 1 0 m g l 。 7 第1 章前言 这种一体化技术占地少，投资管理运行费用较少，能脱氮除磷，也适合处理生 活污水。 丹麦p u r i t e ka s 公司经过多年的研究与实践，推出了一体化o c o 工艺。 o c o 工艺的主要特点是【3 2 】其生物反应步骤在一个圆形反应器中完成。原水经 过预处理后与回流污泥混合，并在反应器的内圆中进行厌氧反应，回流污泥释 磷，后进入缺氧反硝化，最后进入好氧区进行氧化、硝化和吸磷。这种一体化 方法可以节省项目占地和减少基建费用，利用了活性污泥法流体运动阻力小， 污泥与污水混合良好等优点，使厌氧菌和好氧菌在缺氧区和好氧区之间不断循 环以实现脱氮，并最大限度地降低污水的b o d 。 1 3 2 3 一体化氧化沟 一体化氧化沟又称合建式氧化沟( c o m b i n e do x i d a t i o nd i t c h ) ，集曝气、沉淀、 泥水分离和污泥回流功能为一体，无需建造单独的二沉池。一体化氧化沟最早 由p 嬲v e e r 教授于1 9 5 4 年在荷兰v o o r s c h o t 研制成功，开发后迅速得到发展，并 在实际生产中得到应用。据1 9 8 7 年统计，在美国已有9 2 座合建式氧化沟，较有 代表性的是联合工业公司( u m m di n d u s t r i e si n e ) 的船式沉淀器( b o a t ) ，a r m e o 环境企业公司的b m t s 系统，e i m c o 公司的c a r r o u s e l 渠内分离器，湖滨( l a k e s i d e ) 设备公司的边墙分离器以及l i g h t n i n 公司的导管式曝气内渠和边渠沉淀分离器 【3 3 1 。 其工艺的主要特点是【3 4 】：工艺流程短，不设初沉池和单独的二沉池，建 造及运行费用低，管理简便；污泥自动回流，剩余污泥量少且性质稳定； 处理效果稳定可靠，硝化脱氮作用明显并有一定的除磷效果；固液分离效率 比一般二沉池高，能使整个系统在较大的流量和浓度范围内稳定运行。 1 3 2 4 一体化活性污泥u n i t a n k 工艺 一体化活性污泥法又称交替生物池，是比利时史格斯清水公司开发的专利， 取名为u n i t a n k 。它是由三个矩形池组成，三个池水力相连通，每个池中均 设有供氧设备，在外边两侧矩形池，设有固定出水堰及剩余污泥排放口，该池 既可作曝气池，又可作沉淀池，中间一只矩形池只作曝气池。进入系统的污水， 通过进水闸控制可分时序分别进入三只矩形池中任意一只池【3 5 】。 u n i t a n k 工艺无需二次沉淀池、污泥刮泥设备、污泥回流系统，简单、 8 第1 章前言 可靠的工艺过程仅需很少的机械设备，且容易实现自动控制。据报道，在前几 年，广东珠江啤酒厂采用了该项技术，建成投产后效果良好。我国澳门地区， 两座城市污水厂( 凼仔污水厂、路环污水厂) 均采用该项技术。 1 3 2 5 一体化膜生物反应器 一体式膜生物反应器( s u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a e t o r ，简称s m b r ) 是膜分 离技术与污水生物处理技术结合而成的新型污水处理工艺。该工艺是将膜组件 内置于生物反应器，将膜分离设备取代二沉池进行泥水分离，并且剩余污泥少， 具有技术、管理、投资和占地等方面的综合优势。膜分离可使微生物完全截留 在生物反应器内，实现反应器水力停留时间和污泥停留时间完全分离，使运行 控制更加灵活稳定；有利于增殖缓慢的微生物如硝化细菌的截留和生长系统硝 化效率的提高；易于实现自动控制，操作管理方便【3 6 1 。 y a m a m o t ok 等【轫研究直接将中空纤维膜放置于活性污泥反应器内部( 避免 回流) 的一体式膜反应器。小试试验表明：在体积负荷为1 5k g m 3 c o d ，间歇 抽吸压力为1 3k p a 的条件下稳定运行1 3 0 天，c o d 去除率可达9 5 以上，氨氮去 除率为6 0 。几乎无剩余污泥排出，而且不需要循环泵。 刘锐等【3 8 l 研究了一体式好氧中空纤维膜一生物反应器处理生活污水用于回 用，中试试验结果表明：此工艺在技术和经济上都是可行的。在不人为排泥的 条件下，该系统连续运行1 1 0 多天没有洗膜。而且系统出水稳定优质，c o d 3 0 m g ， l ，n h 3 - n 4 - - 6 时，可认为碳源充足。 ( 2 ) 溶解氧 反硝化菌是兼性菌，能进行有氧呼吸和无氧呼吸，但当废水中同时存在分 子态氧和硝酸盐时优先进行有氧呼吸，反硝化菌降解含碳有机物抑止了硝酸盐 的还原，而且分子态氧的存在阻抑硝酸盐还原酶的形成，对反硝化不利。因此 为了保证反硝化过程的顺利进行，必须保证严格的缺氧状态。一般在悬浮污泥 反硝化系统中，缺氧段溶解氧控制在0 5m g 以下，在膜法反硝化系统中，由于生 物膜对氧的传质阻力较大，可以容许较大的溶解氧浓度。 ( 3 ) 温度 反硝化最合适的温度为2 0 3 5 ，低于1 5 反硝化速率明显下降。研究表 明，温度对反硝化反应的影响与反硝化设备的类型及硝酸盐负荷有关。温度对 生物流化床的影响比生物转盘和悬浮活性污泥要小的多。硝酸盐负荷率高，温 度的影响也高；反之，则温度的影响也低。 ( 4 ) p h 值 反硝化过程最适宜的p h 值范围为6 5 7 5 ，不适宜的p h 值将会影响反硝化菌 的生长速率和反硝化酶的活性。反硝化反应会产生碱度，平衡硝化过程消耗的 碱度，这有助于p n 值保持在所需范围内。 1 4 2 生物除磷基本原理和影响因素 废水中的磷主要来自生活污水中的含磷有机物、合成洗涤剂、工业废液、 化肥农药和动物的排泄物，其中常见的磷的形态有磷酸盐( h 2 p 0 4 。、h p 0 4 3 - 、 p 0 4 3 ) 、聚磷酸盐和有机磷。一般在好氧生物处理过程中( 例如活性污泥法) ， 有机物的降解伴随着微生物菌体的合成，其中形成的生物体含磷量占干重的 2 3 ，通过剩余污泥的排放可获得1 0 3 0 的除磷效果。 1 ) 生物除磷基本原理 污水除磷技术的发展源于生物超量吸磷现象的发现。污水生物除磷就是利 用活性污泥的超量磷吸收现象，在厌氧、好氧状态转换过程中完成微生物的过 第1 章前言 量吸磷，使剩余污泥的含磷量达到3 7 ，再通过剩余污泥的排放完成除磷目的。 厌氧条件下( 一般d o 0 2m g l ) ，聚磷菌将体内积聚的聚磷分解，并利用 污水中的易降解有机物( 主要是挥发性脂肪酸v f a ) 合成聚b 羟丁酸( p h b ) 贮存于体内。好氧条件下，聚磷菌将体内的p h b 进行好氧分解，并利用该反应产 生的能量，过量地从水中摄磷，以聚磷的形式积聚于体内。好氧吸磷量大于厌 氧释磷量，通过排放污泥即可除磷。 2 ) 影响因素 在厌氧状态下放磷越多，合成的p h b 越多，则在好氧状态下合成的聚磷量越 多，除磷的效果也就越好。合成p h b 的量和碳源的性质密切相关，乙酸等低级脂 肪酸易被聚磷菌吸收转化为p h b 。硝酸盐对厌氧放磷不利，它有助于反硝化菌的 增长，从而和聚磷菌争夺碳源，抑制其生长和放磷。温度对放磷也有重要的影 响。当温度从1 0 。c 上升到3 0 时，放磷速度可提高5 倍。 1 5 课题研究目的和主要内容 1 5 1 研究目的和意义 随着我国小城镇的迅猛发展，建成面积的不断扩大，乡镇企业的快速扩张， 人口不断密集，加剧了小城镇的环境污染问题。小城镇的污水排放量不断增加， 但绝大多数没有有效的处理设施，往往随意地排入周围的水系之中，这不仅造 成小城镇本身的环境污染日益严重，而且成为区域性水环境的重要污染源，导 致相当一部分小城镇周围水系丧失了降解污染的能力，甚至出现不同程度的水 体黑臭现象。据统计，全国鱼虾绝迹的河长约达2 4 0 0 公里，湖泊( 面积在l 平 方公里以上者) 数量在3 0 年间减少了5 4 3 个，并且部分的湖泊富营养化严重， 每年由于水生态环境系统破坏，造成淡水鱼损失达8 万吨。大量未经处理的废 水排放，亦造成地表和地下水源的污染。 小城镇污水的排放是导致水源水体受到污染的主要原因，必须从系统工程 的角度解决小城镇的水环境污染问题。一般而言，小城镇规模小，经济基础差， 资金缺乏，技术水平低，管理落后，适合大中城市的污染控制方法难以运用， 必须寻求适合其特点的解决方案。本课题根据小城镇发展的固有特点，因地制 宜地应用a 。o n 工艺处理小城镇污水，研究反应器对污染物的去除效果，摸索 1 4 第1 章前言 其在运行中的规律，以期更好的指导实际应用。 1 5 2 课题来源 课题来源于国家科技支撑计划项目( 2 0 0 6 b a j 0 4 a 0 0 ) 。 1 5 3 主要研究内容 本论文主要进行了以下内容研究： ( 1 ) 连续曝气a m o n 工艺试验研究，采用直径1 4 n l ，水深2 3 m 的a m o 。 反应器，分别考察了好氧区溶解氧、穿孔曝气管工作水深、反应区水力停留时 间等工艺参数对反应器处理效果的影响。 ( 2 ) 间歇曝气a 。o 。工艺初步试验研究，采用直径0 4m ，高lm 的反应 器，考察了曝气2l 卜停曝2h 时间周期工况对污水的处理效果。 ( 3 ) 设计新型射流曝气一体化a 。0 。反应器，并应用c f d 软件f l u e n t 对反应器内的流态进行了优化设计研究。 第2 章实验材料和方法 2 1a 。o 。工艺简介 第2 章实验材料和方法 污水生物处理通常分为厌氧处理和好氧处理两大类，a 。o 。工艺中a 代表 厌氧或缺氧处理，o 代表好氧处理，m 、n 分别代表厌氧处理和好氧处理的量或 程度。反应器可以灵活组合a o ，a 可以在。之前，也可以在o 之后，也可以 多段a 、o 交替。通过改变运行条件可以灵活地控制反应的“程度”【柏】。a m o 。 一体化反应器机理及水力运作形式如图2 1 所示。 图2 1a 。o n 一体化反应器机理及水力运作图 反应过程：a 。o 。一体化反应器中间为进水管及进气管，双双垂直下喷。在 下部的曝气区内，下喷的水与气不仅相互之间进行剧烈的接触与传质，而且带 动曝气区的污泥混合液作充分的对流紊动，菌胶团在气、水的强烈的冲击下， 不断破碎、分裂、更新与扩大传质表面，获取新的氧源和有机营养，进行有效 的生物降解。反应器内喷射器下部连接套筒，下喷的气和水一部分从套筒中间 的分流器间隙溢出，带动并搅拌反应区的混合液，作好氧反应( 0 n 区域) ；另 1 6 第2 章实验材料和方法 外一部分气和水继续下行，其中的氧气在此过程中耗尽，由套筒底部流出，带 动并搅拌周围的混合液作厌氧、缺氧反应( a 。区域) 。套筒外上流的部分水量 通过狭缩的上升通道，脱气后溢入导流区，再向下运动进入沉淀区。在沉淀区 内进行泥水分离，比重较大的活性污泥沿着导流板下滑，并不断沉淀浓缩，最 后通过回流缝再度进入反应区，实现污泥的回流；与此同时，澄清出水由反应 池表面的集水系统收集后，流出反应器。 2 2 试验水质情况 本论文的试验在上海市东区水质净化厂进行，试验所用进水取自该厂初沉 池出水。该厂水质与小城镇污水水质相类似，进水以生活污水为主，含有一些 染料厂、印染厂等工业企业的工业废水。进水水质随时间有一定程度的波动。 试验期间进水水质详细情况见表2 1 。 表2 1 进水水质情况 水质指标范围 c o d c r 1 5 0 2 8 0m g l t n4 0 6 0m g l n h l - n3 0 5 0m g l t p 2 5 m g l 。“。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。一”一” p h 7 8 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ o _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ o _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ 一 2 3 试验分析项目及测试方法 试验水质分析采用国家环保总局编写的水和废水监测分析方法一书中 规定的标准方法进行分析测定。分析测定的项目包括c o d c r 、t n 、n h 3 - n 、 n 0 2 。- n 、n 0 3 。- n 、t p 、m l s s 、d o 、水温、p h 等。具体分析项目和方法见表 2 2 。 1 7 第2 章实验材料和方法 表2 2 分析项目和方法一览表【4 1 】 试验中每天取样分析进出水中的c o d c r 、t n 、n i - 1 3 - n 、n 0 2 - n 、n 0 3 - n 、 t p 、p h ，以考察反应器每天的处理效率，并间歇取好氧区、厌缺氧区混合液， 分析混合液的m l s s 和过滤后的t n 、n h 3 - n 、n 0 2 。- n 、n 0 3 - n 、t p 。 1 8 第3 章连续曝气a 。o 。工艺试验研究 第3 章连续曝气a 。o 。工艺试验研究 由于射流曝气器在反应器规模较小时充氧效果受边界条件影响较大并且不 宜加工，因此，在第3 章和第4 章的实验中，对反应器的曝气方式做了些变化， 连续曝气a 。o 。反应器采用穿孔管曝气，间歇曝气a 。o 。反应器中采用微孔曝气 头曝气，通过实验研究来考察传统鼓风曝气方式下a 。0 。反应器内部结构的合 理性以及对污染物的去除效果。 本章通过使反应器在空间上形成厌缺氧区和好氧区，来研究a 。o n 工艺对 污水的处理效果。 3 1 试验装置介绍 连续曝气a 。0 。试验装置实物照片见图3 1 ，反应器直径1 4m ，水深2 3m ， 曝气方式采用穿孔曝气管曝气，反应器的空气管接东区污水处理厂的空气管， 整个装置为5m n l 钢板卷焊而成。 图3 1 连续曝气a 。o n 反应器照片 1 9 第3 章连续曝气a 。o n 工艺试验研究 采用穿孔管曝气的a 。o 。机理及水力运作图见图3 2 。 砖式弘 图3 2 穿孔曝气方式a 。o n 反应器机理及水力运作形式示意图 连续曝气a m o n 工艺原理：进入反应器的污水首先在非曝气区与回流污泥 进行混合，利用有机碳源进行反硝化脱氮，同时，聚磷菌利用进水中的易降解 有机物，在细胞内合成贮能物质( 如p h b 等) 。经厌缺氧反应后，废水与回流 污泥的混合液同时上行进入好氧区，在好氧区进行有机物降解和硝化反应，并 且聚磷菌利用厌氧阶段合成的胞内能量物质超量吸收污水中的磷，储存在细胞 体内。反应后出水通过好氧区的导流孔进入导流区向下运动，最后进入沉淀区 进行泥水分离，上清液经出流堰出流，沉淀后的污泥进入沉淀区沉淀压缩。剩 余污泥通过反应器底部的排泥管定期排放。 3 2 试验活性污泥培养 试验取上海市东区水质净化厂曝气池污泥作为接种污泥，开始少量连续进 水，运行一周后正常进水，连续运行1 5d 后，反应器中出水c o d c ，基本小于 6 0m g l ( 城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 一级b 标准) ，认 为污泥培养结束。进入正式试验阶段。 连续曝气a m o 。试验主要考察了三个影响因素对污水处理效果的影响：溶 2 0 第3 章连续曝气a m o n 工艺试验研究 解氧、穿孔管工作水深、水力停留时间。试验分三个阶段进行，第