（环境科学与工程专业论文）序批式移动床生物膜反应器处理生活污水的实验研究.pdf

序批式移动床生物膜反应器处理生活污水的实验研究 a bs t r a c t b a s e do nt h el a t e s tr e s e a r c h e so nt h eb i o l o g i c a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a l ，am o v i n gb e ds e q u e n c i n gb a t c hb i o n l mr e a c t o r ( m b s b b r ) s y s t e mw a s e x p l o r e di nt h i sp a p e r t h es l u d g et r a i n i n gp r o c e s sa n dt h es t a r t u po fm b s b b r w e r ee x p l o r e d a n a l y z i n gi n n u e n c ef a c t o r so nt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l a n do p t i m i z i n go p e r a t i n gp a r a m e t e r sw e r es t u d i e d d e t a i l e ds t u d yo ft h es y s t e mo n t h er e m o v a lo fp o l l u t a n t sw e r ec a r r i e do u t t h em e c h a n i s m so f s i m u l t a n e o u s n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o na n ds i m u l t a n e o u sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l i nm b s b b rs y s t e mw e r ea l s os t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep a o sa n dd e n i t r i f y i n gp a o si nh y b r i d s l u d g ea r ef o r m e da n da c c u m u l a t e dr a p i d l yw h e nt h et r a n s f e ro fo 玛a n i cs u b s t r a t e si s i m p r o v e db yi n c r e a s i n gt h ec o dl o a d i n ga n da u g m e n t i n gt h es h e a rf o r c ei nt h e m b s b b rs y s t e mo p e r a t e di nt h ep e r i o d so fa n a e t o b i c a e r o b i c a n o x i c a tt h ee n do f t h ec u l t i v a t i n g ，10 0 o fn h 4 + ni sa l m o s t l yr e m o v e d ，a n dt h ea v e r a g er e m o v a lo f t pa n dc o di so v e r9 0 a n d8 5 ，r e s p e c t i v e l y ；t h es u s p e n d e da c t i v a t e ds l u d g ei n t h em b s b b rs y s t e ms h o w sg o o ds e t t l i n ga b i l i t y ( t h es l u d g ev b l u m e t r i ci n d e x ( s v i ) a n dt h em i x e dl i q u i ds u s p e n d e ds 0 1 i d ( m l s s ) a r e6 0 om g ga n d3 0 0 0 一4 2 0 0m g l ， r e s p e c t i v e l y ) t h ea t t a c h e db i o n l mi nm b s b b rs y s t e me x i s ta tav e r yd e n s ea n d i r r e g u l a rs t r u c t u r e ， a n di t sc o l o ri sb r o w ny e u o w c o c c u s ，b a c i l l u s ， a sw e l la s p r o t o z o a n ，m e t a z o a nw e r eo b s e r v e di nt h ea t t a c h e db i o f i l mb ym i c r o s c o p e ，a n dt h e y a ns h o wg o o da c t i v i t y b ya d j u s t i n gc o dl o a d i n ga n dp e r i o do ft h ed i f k r e n td u r a t i o n ，t h eo p t i m u m o p e r a t i o nc o n d i t i o n sw e r ed e t e r m i n e da sa n a e r o b i cr e a c t i o n15 0m i n ( d o 0 2m g l ) ， a e r o b i cr e a c t i o n21om i n ( d o1 5 2 0m g l ) ，a n o x i cr e a c t i o n9 0 m i n ( d o 0 5m g l ) ， s e t t l i n g3 0 m i n ，t e m p e r a t u r e2 0 - 2 5 ，p h6 5 - 8 r e s u l t so f c o n t i n u o u ss t a b l e6 - m o n t h o p e r a t i o ns h o wt h a tt h em b s b b rs y s t e mh a sh i g hr e m o v a le m c i e n c yf o rt n ，t p a n dc o d w “hn h 4 + 一n2 5 - 5 0m g l ，t n2 6 7 - 5 4 9m g l ，t p8 15m g la n dc o d 2 0 0 4 0 0m g li nt h ei n f l u e n t ，t h er e m o v a lr a t e so fn h 4 + - n ，t n ，t pa n dc o da r e n e a r l yr e a c h9 9 8 ，9 0 7 ，9 5 8 ，9 5 ，r e s p e c t i v e l y a p p r o p r i a t ec o m m is s i o n i n ga n ds l u d g et r a i n i n gw a yisap r e c o n d i t i o nf o rt h e s u c c e s s f u lo p e r a t i o no fm b s b b r a sar e s u l to ft h es e q u e n c i n gb a t c ho p e r a t i o na n d t h ee x i s t e n c eo ft r a n s f e rg r a d i e n to fo x y g e na n do r g a n i cc a r b o ns u b s t r a t e ，d i f 诧r e n t m i c r o o r g a n i s mv a r i e n t i e sw e r ee n r i c h e di nt h es y s t e m t h em i c r o o r g a n i s mv a r i e t i e s i o fs u s p e n d e da c t i v a t e ds l u d g ea n da t t a c h e db i o 行l mi nt h es y s t e mf o r mam o r es t a b l e e c o s y s t e m ，w h i c hc o u l dr a p i d l ya c c o m m o d a t et o e n v i r o n m e n t t h ed e n i t r i f y i n g p a 0 sw e r ea c c u m u l a t e da n de n r i c h e di nt h eh y b r i ds l u d g e ，c o e x i s t i n gw i t hn i t r i f i e r s u n d e ra p p r o p r i a t eo p e r a t i o n a lc o n d i t i o n s w h a ti sm o r ei m p o r t a n t ，t h ed e n i t r i f y i n g p a o st a k eu pa n ds t o r ep h o s p h a t eu s i n gn i t r a t ea se l e c t r o na c c e p t o r ，t h e nt h eo r g a n l c c a r b o ns u b s t r a t ei su s e ds i m u l t a n e o u s l yf 0 rb o t hp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a l t h i si sv e r yi m p o r t a n tf o rs a v i n go r g a n i cc a r b o na n do x y g e n s l u d g ep r o d u c t i o na l s o r e d u c e si nt h er e a c t o r t h ed e c o n t a m i n a t i o ne f f e c to fm b s b b rp r o c e s si sh i g ha n d s t a b l e i nl i n ew i t hr e q u i r e m e n t so fc h i n a sn a t i o n a lc o n d i t i o n s ，t h em a r k e tp r o s p e c t s o fm b s b b ra r ev e r yb r o a d k e yw o r d s ： d o m e s t i c s e w a g e ； m b s b b r ； s i m u l t a n e o u sp h o s p h o r u sa n d n i t r o g e nr e m o v a l ； d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s a c c u m u i a t i n g o r g a n i s m s ； s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n i v 序批式移动床生物膜反戍器处理生活污水的实验研究 插图索引 图2 1 生物脱氮示意图1 5 图2 2 a 全程硝化反硝化生物脱氮途径一1 9 图2 2 b 短程硝化反硝化生物脱氮途径1 9 图3 1 两种s b b r 比较示意图3 4 图3 2 实验装置示意图3 5 图3 3m b s b b r 工艺流程图3 8 图4 1m b s b b r 实验工艺启动时间内进水和出水的c o d 值4 5 图4 2m b s b b r 实验工艺启动时间内c o d 的去除率4 5 图4 3m b s b b r 实验工艺启动时间内进水和出水的n h 4 + n 浓度4 6 图4 4m b s b b r 实验工艺启动时间内n h 4 + n 的去除率4 6 图4 5m b s b b r 实验工艺启动时间内进水和出水的t p 浓度4 6 图4 6m b s b b r 实验工艺启动时间内t 的去除率4 7 图5 1 厌氧阶段水质变化5 2 图5 2 好氧阶段水质变化5 3 图5 3 缺氧阶段水质变化一5 4 图5 4 工艺启动过程中c o d 和氮磷的去除率5 7 图5 5 a 工艺启动3 0 天一个周期中c o d 的变化5 7 图5 5 b 工艺启动3 0 天一个周期中总磷、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的变化 ! ；7 图6 1 一个周期内t p 和c o d 的变化6 0 图6 2 一个周期内氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的变化6 0 图6 3m b s b b r 生物膜中s n d 的传质过程6 2 图6 4 进水c o d 浓度对c o d 去除率的影响6 3 v u 硕卜学位论文 附表索引 表1 1 工业废水的主要来源一2 表1 2 全国近年废水及主要污染物排放量5 表2 1 生物脱氮过程中各项生化反应特性一1 8 表2 22 0 时硝化反应速率常数2 2 表2 32 0 时反硝化反应速率常数一2 4 表3 1 培养阶段人工配水的组成一3 5 表3 2 水质检测分析方法“4 0 表4 1 培养阶段反应器的运行参数4 3 表5 1 初始工艺处理效果一5 l 表5 2 优化工艺处理效果5 5 表5 3 优化工艺运行方式重新启动过程进水和出水水质5 6 表6 1 不同进水c o d 浓度下n h 4 + n 去除效果6 4 表6 2 不同进水c o d 浓度下t p 去除效果6 4 v i i i 湖南大学 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。 ni 口 作者签名： 爻走 日期：z 一一占年岁月幺日 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。本人授权湖南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“v ”) 作者签名： 导师签名： 日期：驴呀年户月乒日 日期：p 馏年j 月平日 良昊膨 。九彬 硕上学位论文 第1 章绪论 多年来我国经济高速发展，人民生活水平不断提高，与此同时环境却遭到了 极大的污染和破坏。其中水环境的污染就触目惊心，特别是近几年来的几次大型 水污染事件给人们的生产和生活造成了极大的伤害，引起了人们的普遍关注。我 国是一个缺水的国家，缺水的原因很多，水污染更是雪上加霜。目前工业废水污 染已有所控制，但生活污水排放量越来越大，逐步成为最大的水污染问题。在大 城市已有一定程度的集中污水处理设施，而大多数中小城镇则基本没有污水处理 设施，大量的污水未经处理便直接排入水体，造成了当地的水环境污染。并且城 市污水处理厂基本上采用二级处理，以去除有机物和悬浮物为主要目的，处理氮、 磷等无机营养物质的效果不佳，结果处理后的出水依然能造成水体富营养化。可 想而知，我国污水处理任务十分繁重，还需兴建和改造大批的污水处理设施来处 理生活污水。序批式生物膜反应器( s e q u e n c i n gb a t c hb i o n l mr e a c t o r ，s b b r ) 是近几年兴起的一种污水处理工艺，它集中了序批式反应器和生物膜法的优点， 具有良好的同步脱氮除磷和去除有机物的效果。s b b r 工艺简单，基建、运行费 用低，推广到城市污水处理中，必将产生良好的环境效益和社会效益。序批式 移动床生物膜反应器( m o v i n gb e ds e q u e n c i n gb a t c hb i o f i l mr e a c t o r ，m b s b b r ) 是s b b r 的一个新类型，在具有以上优点的同时，比之更加灵活，不易堵塞，几 乎可以不用反冲洗，对s b r 改造升级更方便。因此，对m b s b b r 在处理生活污 水的研究中的应用，启动和运行过程，以及作用机理的研究对水污染的治理具有 重要意义。 1 1 污水的来源 人类生活和生产要从大自然水体中取用大量的水，水在自然界周而复始的循 环。水经过利用以后、便产生生活污水和工业废水，污水最终要排入天然水体中。 污水是生活污水、工业废水、被污染的降水和流入排水管渠的其他污染水的 总称。 g b8 9 7 8 8 8 污水综合排放标准中对污水的定义为：“指在生产与生活活 动中排放的水的总称。排水两指在生产过程中直接用于工艺生产的水的排放量， 不包括间接冷却水、厂区锅炉、电站排水【1 1 。 水质污染是指人为造成河流、湖泊、海洋等自然状态的水，在水的物理、化 学、生物等方面发生变化，使水的利用受到防碍的现象。为了确保人类生存可持 续发展，人类在利用水资源的同时，还必须有效地防治水体的污染。 污水的性质及危害，取决于污水的来源。在实际生活中，污水一般来源于生 序批式移动床生物膜反戍器处理生活污水的实验研究 活污水、工业废水和雨水三种。 ( 1 ) 生活污水 生活污水指由家庭、学校、机关等排放的污水，如厨房污水、粪便污水、洗 涤污水等的总称( 也叫城市下水) 。 生活污水中，有机污染物约占7 0 、无机污染物约占3 0 ，同时含有大量 的病菌和细菌，具有消耗环境氧量与传播疾病的危害，生活污水一般夏季量多， 冬季量少。 ( 2 ) 工业废水 工业废水指工业生产中排放出来的水。工业废水成分复杂，涉及面广，因素 多，性质各异。工业废水的性质及危害人类的程度主要取决于工业类别、原料品 种、工艺过程等诸多因素。 工业废水是人们关注的焦点，也是环境污染治理中的重点工作。常见的工业 废水及其来源见表1 1 。 表1 1 工业废水的主要来源 废水种类废水的主要来源 重金属废水 放射性废水 含铬废水 含氰废水 含油废水 含酚废水 硝基苯类废水 有机废水 含砷废水 酸性废水 碱性废水 采矿、冶炼、金属处理、电镀、电池、特种玻璃及化工等工业 铀、钍、镭矿的开采加工、核动力站运转、医院同为素实验室等 采矿冶炼、电镀、制革、颜料、催化剂等工业 电镀、提取金银、选矿、煤气洗涤、焦化、金属清洗、有机玻璃等 炼油、机械厂、选矿厂及食品厂等 焦化、炼油、化工、煤气、染料、木材防腐、塑料、合成树脂等 染料工业、炸药生产等 化工、酿造、食品、造纸等 制药、农药、化工、化肥、采矿、冶炼、涂料、玻璃等 化工、矿山、金属酸洗、电镀、钢铁等 造纸、印染、化纤、制革、化工、炼油等 ( 3 ) 降水 降水包括降雨和降雪。降水时，雨和雪大面积地冲刷地面，将地面上的各种 污染物淋洗后进入水道或水体，造成河流、湖泊等水源的污染。 对于采用合流制排放污水系统的老城市，雨水对污水处理系统造成较大的水 里冲击负荷。我国大多数地区6 9 月份为降雨期，雨季来临常常山洪暴发，沟 堵河涨，造成灾害。 降雨对受纳水体的污染很大，其中固体悬浮物、有机物、重金属和污泥直接 污染地面水源。 2 硕i j 学位论文 本文的研究对象主要是生活污水，实验中用模拟生活污水代替。 1 2 我国水污染现状 目前我国水环境存在的主要问题之一就是水污染，水污染是指污染物进入水 体，引起水质恶化，使水的使用价值降低的现象。水污染现象一般表现为：水中 污染物的数量超过了水体自净能力；污染物数量达到破坏水的原有用途的程度； 污染物含量超过了水中该物质的本底值，影响了水的用途。水污染程度的衡量一 般可根据水中某种污染物浓度的高低和各种用水水质标准进行评价与分类【2 1 。我 国水体污染主要来源于超标排放的工业废水和大量未经处理直接进入水体的城 市生活污水。 我国水资源总储量平均每年达2 8 0 0 0 亿m 3 ，但人口众多，因而人均水资源 拥有量仅为2 3 4 0 m 3 a ，为世界平均值的1 4 。并且水资源时空分布也不均，南多 北少，东多西少1 3 j 。在水资源有限的情况下，我国水环境污染状况却相当严重。 中国的水环境和水质量的问题是与工业化、城市化进程相伴随的。建国初期， 工业基础相当薄弱，城市化水平低，水环境和水质量处于良好状态：5 0 至7 0 年 代末，工业建设规模展开，尤其是重工业迅速发展，局部水环境污染问题开始显 露；8 0 至9 0 年代初期，随着人口的增加、经济高速发展、工业化步伐的加快， 特别是乡镇企业的迅猛发展及城市化进程的加快，使水环境恶化的趋势加剧，由 局部性水污染发展到流域性污染：9 0 年代中后期，国家虽然加强了水污染防治 工作，使流域性水污染急剧恶化的趋势有所减缓，但从总体上看，中国水污染问 题仍然十分严重1 4 】。 1 2 1 地表水污染 近年来，随着大量工业、生活污水被直接排放进江河湖海，许多水体严重富 营养化，藻类泛滥成灾。在粗放型模式的操作下，我国水资源没有得到有效地保 护和再生，缺乏对废污水处理和排放的有效控制，致使水资源被过度消耗和污染 p j 。“北方河干，南方河污，水污染带来的不良后果不亚于洪水带来的灾难【6 】。 中国发展研究院的一项调查显示，长江沿岸3 9 4 个主要排放口中，半数以上 未达标。仅重庆市就约有7 0 的沿江工厂随意排放未经处理的污水。目前长江 干流已有6 0 的水体受到不同程度污染。长江岸边已形成许多污染带，在干流 2 1 个城市中，重庆、岳阳、武汉、南京、镇江、上海等6 个城市累计形成近6 0 0 公里的污染带，污染带长度占长江干流污染带总长度的7 3 f 7 1 。 黄河流域同样遍布着污染企业。如在甘肃段有6 5 2 2 的城市生活污水未经 处理就直接排入黄河。在宁夏地区，每年的3 亿吨废水中近半为工业废水，其中 5 0 都是不加处理就排入黄河，宁夏引黄灌区所有排水沟枯季水质污染指数均超 过国家标准五级以上，专家认为这样的污水根本不能浇灌农田。 序批式移动床生物膜反应器处理生活污水的实验研究 养育着我国近1 6 人口的淮河，也是我国投入治理资金最多的河流，然而污 染还是越来越严重。目前淮河流域约6 0 的水质为劣五类，地下水也受到严重 污染，影响着1 3 亿居民的生活。从淮河发源地河南桐柏县到江苏洪泽湖和淮河 入海口，周边居民经常为饮用水发愁，甚至洪泽湖的渔民也不得不从微薄的收入 中挤出钱来买矿泉水喝。十几年前，淮河支流沙颍河的水可以直接饮用，而现在 那里的水已经又黑又臭。在安徽蚌埠某些地区，水要加盐或者糖才能勉强喝下去。 淮河污染的回报是，淮河流域的g d p i o 年间增加了一倍。 i 在珠江流域调查的7 9 个水源地中，合格率只有6 9 5 。监测表明，珠江口 近6 0 0 0 平方公里水域水体中的重金属、无机氮、石油类物质几乎10 0 超标， 伶仃洋绝大部分海域水质综合污染指数达到重污染水平，近岸海域无机氮超过四 类海水水质标准，营养盐比例严重失衡。专家认为，珠江有变成第二条黄河的危 险。由于珠江水质变臭，城市沿江的房价已由炙手可热沦为乏人问津。 目前我国七大江河水系及太湖、滇池和巢湖中，达到或者优于地面水环境质 量三类标准的河段只有3 6 9 ，劣五类水质达到3 7 7 。大淡水湖泊和城市湖泊 均为中度污染，7 5 的湖泊富营养化加剧。 2 0 0 6 年，全国地表水总体水质属中度污染。在国家环境监测网( 简称国控 网) 实际监测的7 4 5 个地表水监测断面中( 其中，河流断面5 9 3 个，湖库点位 1 5 2 个) ，i i 类，、v 类，劣v 类水质的断面比例分别为4 0 、3 2 和2 8 。 国控网七大水系的l9 7 条河流4 0 8 个监测断面中，i i 类，、v 类和劣v 类 水质的断面比例分别为4 6 、2 8 和2 6 。其中，珠江、长江水质良好，松花江、 黄河、淮河为中度污染，辽河、海河为重度污染。2 7 个国控重点湖( 库) 中， 满足i i 类水质的湖( 库) 2 个( 占7 ) ，i i i 类水质的湖( 库) 6 个( 占2 2 ) ， 类水质的湖( 库) 1 个( 占4 ) ，v 类水质的湖( 库) 5 个( 占l9 ) ，劣v 类水质的湖( 库) 13 个( 占4 8 ) 。其中，巢湖水质为v 类，太湖和滇池为劣 v 类。主要污染指标为总氮和总磷。在对1 0 1 0 4 k m 的河段开展的水资源质量 评价结果表明，水质在类以上的污染河长占5 4 ，全国有1 2 以上的河段受到 污染，湖泊约有7 5 以上的水域，近岸海域约有5 3 以上受到显著污染【引。有的 水源既不能灌溉，更不能用于生活饮用。一些河段严重污染使其难以利用，造成 水资源浪费，更加剧了水资源的短缺状况。 1 2 2 地下水污染 由于大量未经处理的废污水通过河流或渗坑渗入地下水；垃圾、废渣中的污 染物质通过降雨渗入地下水；郊区、农村大量化肥和农药的使用以及使用污水灌 溉；环境地质的影响及地下水的过量开采，致使地下水遭受污染。 我国目前5 0 的城市地下水不同程度受到污染，半数以上的城市污水处理 厂非正常运转，得不到安全饮用水的人口比例达1 4 ，也说是说我国至少有近2 4 硕十学位论文 亿城市居民没有安全的水可喝，由污染造成的缺水城市和地区日益增多。 2 0 0 6 年中国环境状况公报显示，我国地下水遭到了严重的污染，目前 城市地区内4 5 地下水含水层己受到污染，地下水质在不断地恶化。在开展浅 层地下水水质监测的1 2 5 个城市中，与2 0 0 5 年相比，主要监测点地下水水质呈 恶化趋势的城市有2 1 个，主要分布在东北、西北、华东、中南等地区；水质基 本稳定的城市有9 5 个，全国各地均有分布；水质呈好转趋势的城市9 个，呈零 星分布。在开展深层地下水水质监测的7 5 个城市中，与2 0 0 5 年相比，主要监测 点地下水水质呈恶化趋势的城市1 2 个，主要分布在东部沿海地区；水质基本稳 定的城市5 8 个，全国各地均有分布；水质呈好转趋势的城市5 个，呈零星分布 【8 ，9 】 o 由于城区地下水含水层的大量超采，而受污染的地下水含水层的重新净化既 是一个很缓慢的过程，又是很费钱的过程，所以这个趋势特别令人担心。严重的 水污染使城市本已十分紧张的水资源短缺状况更为严峻，既影响城市居民的身体 健康与正常的生产和生活活动，又制约了城市工业的进一步发展。 1 2 3 全国废水排放情况 据2 0 0 6 年中国环境状况公报，全国废水排放总量为5 3 7 o 亿t ，其中城 市生活污水排放量2 9 7 5 亿t ，占污水排放总量的5 5 4 【引。全国近年来的废水及 主要污染物的排放情况见表1 2 。 表1 2 全国近年废水及主要污染物排放量 我国水污染现象普遍存在，污染范围广，污染事故频，经济损失大，治理任 务重。虽然引起了国家和社会的高度重视和普遍关注，但形势依然严峻。随着经 济的发展，城市人口越来越多，城市生活污水治理的重要性越来越突出，而目前 我国的城市生活污水处理率还偏低，许多中小城市还没有污水处理设施。为了有 效控制水污染和实现污水资源化，我国政府加大了城市污水处理基础设施建设的 投资力度，并对城市污水处理率提出了明确的要求：到2 0 1 0 年，全国设市城市 序批式移动床生物膜反应器处理生活污水的实验研究 和县城所在的建制镇均应规划建设污水集中处理设施，所有设市的城市，污水处 理率不低于6 0 。直辖市、省会城市、计划单列市和风景旅游城市，污水处理 率不低于7 0 【2 j 。因此，还需要在水污染防治方面投入大量的人力物力，在兴建 水处理设施的同时还要研究和开发更合理更有效的新技术和新工艺。 1 3 生活污水的处理 1 3 1 我国生活污水处理现状 我国污水处理面临着水污染严重，污水治理起步晚、基础差、要求高的形势。 近些年，城市污水处理的建设有了很大发展，截至2 0 0 5 年6 月底，全国6 6 1 个 设市城市建有污水处理厂7 0 8 座，处理能力为4 9 1 2 万m 3 d ，是2 0 0 0 年的两倍 多，全年城市污水处理量1 6 2 8 亿m 了，比2 0 0 0 年增加了4 3 ，城市污水处理率 达4 5 7 。但绝大多数城市的污水处理能力满足不了实际需要，全国还有2 9 7 个 城市没有建成污水处理厂，其中，地级以上城市6 3 个，包括人口5 0 万以上的大 城市8 个，位于重点流域、区域“十五规划范围内的城市5 4 个。全国5 万多 个城镇，3 7 0 多万个村庄，9 亿多人口居住地尚无污水处理设施【3 】。 与国际相比，我国城市污水处理率较低，其主要原因是我国的城市污水处理 厂建设滞后。据资料介绍，美国现在平均每l 万人就拥有1 座污水处理厂，英国 和德国每7 0 0 0 8 0 0 0 人拥有l 座污水处理厂。而我国城镇人口中，平均每l5 0 万人才拥有1 座污水处理厂。据建设部通报的全国污水处理情况，目前已建成的 污水处理厂，除正在调试运行的外，尚有不能正常运行的，其原因主要有：第， 对污水处理组织管理不力，致使有的污水处理厂已建成半年甚至近一年仍未运 行。第二，一些已建成污水处理厂的城市仍未开征污水处理费，或收费标准和征 缴率低，污水处理设施运行经费难以保障。第三，污水收集管网建设滞后，污水 处理厂运行负荷率低，甚至难以运行。第四，地方配套资金不落实，影响污水处 理厂调试运行。另外，还有部分城市污水处理厂设计规模偏大，过度超前，造成 设施能力部分闲置不能充分发挥效益。 1 3 2 城市污水处理工艺和技术 污水处理的主要方法有物理、化学、物理化学和生物方法。这些方法可以单 一使用，也可以针对不同的污水水质组合使用。污水生物处理法是1 9 世纪末出 现的污水治理技术，现今已成为世界各国处理污水的主要手段。我国现阶段的城 市污水处理主要以生物法为主，物理法和化学法起辅助作用。 目前，城市污水处理主要采用生物活性污泥法。生物活性污泥法有多种处理 工艺，城市二级污水处理厂常用的工艺方法有：普通曝气法、a b 法( 二段曝气 法) 、a o 除磷工艺、a o 脱氮工艺、a 2 o 除磷脱氮工艺、氧化沟工艺、s b r 6 硕j ：学位论文 工艺等【l0 1 。按照构筑物的组成形式，运行性能以及运行操作方式的不同，已有 的生物除磷脱氮工艺可分成a o 系列、氧化沟系列和序批式反应器( s b r ) 系 列等。随着各个系列不断地发展和改进，形成了目前的较典型的工艺，如a o 工艺、u c t 工艺、改良u c t 工艺、v i p 工艺、a 2 o 工艺、改良a 2 o 、倒置a 2 o 工艺、o r b e l 氧化沟工艺、c a r r o u s e l 2 2 0 0 0 氧化沟工艺、i c e a s 工艺、c a s t 工艺、百乐克工艺等。我国城市污水处理广泛使用的水污染治理技术有传统活性 污泥法，延时曝气活性污泥法，s b r ，a b ，u n i t a n k 和氧化沟工艺，a o 和 a 2 0 等】。这些工艺被证明是行之有效的水污染控制技术。下面就几个应用比 较广泛的处理工艺加以阐述和讨论。 ( 1 ) 传统活性污泥法 传统活性污泥法已经有近9 0 年的历史，其主要处理构筑物是曝气池和沉淀 池。污水中的有机物在曝气池内停留一段时间后，绝大部分被曝气池中的微生物 吸附，随即氧化分解成无机物。在沉淀池中，呈絮状的微生物絮体( 活性污泥) 下沉，而上部的清液溢流排放。为了保持曝气池中污泥的浓度，沉淀后的部分活 性污泥又回流到曝气池中。该工艺的特点是有机物去除率高、污泥负荷高、池容 积小、电耗省、运行费用低。此法稳定可靠，已经积累了丰富的设计和管理经验， 但普通曝气法占地多，建设投资大，仅能满足b o d 5 、c o d 和s s 三项出水指标， 且该工艺容易产生污泥膨胀现象，除磷和脱氮效果差。 ( 2 ) s b r 法 间歇式活性污泥法又被命名为序列间歇式反应器法( s e q u e n c i n gb a t c h r e a c t o r ) 或序列间歇式( 序批式) 活性污泥法，简称s b r 法。它是一种按间歇 曝气方式运行的活性污泥处理技术，采用时间分割的操作方式替代空间分割的操 作方式，非稳定生化反应替代稳态生化反应，静置理想沉淀替代传统的动态沉淀。 它的主要特征是运行的有序和间歇操作，s b r 技术的核心是s b r 反应池，该池 集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池，无污泥回流系统。该工艺具有以 下优点：第一，理想的推流过程使生化反应推动力增大，污水在理想的静止状态 下沉淀，需要的时间短、效率高，运行效果稳定，出水水质好；第二，耐冲击负 荷，池内有滞留的处理水，对污水有稀释、缓冲作用，有效抵抗水量和有机污 物的冲击；第三，反应池内存在d o ，b o d 浓度梯度，有效控制活性污泥膨胀； 第四，s b r 法系统本身也适合于组合式构造方法，利于污水厂的扩建和改造； 第五，实现好氧、缺氧、厌氧状态的交替，具有良好的脱氮除磷效果；第六，工 艺流程简单、占地面积小、造价低。存在的缺点是：对自动控制技术和连续在线 分析仪表要求高，操作复杂，难于管理。该方法适用于水量、水质排放均匀的工 业废水。 ( 3 ) 氧化沟法 7 、 序批式移动床生物膜反应器处理生活污水的实验研究 氧化沟( o x i d a t i o nd i t c h ) 又名氧化渠，因其构筑物成封闭的沟渠而得名。 氧化沟法是活性污泥法的一种变形，属于低负荷、延时曝气活性污泥法。废水和 活性污泥的混合液在环状的曝气渠道中不断地循环流动，因此又被称为“循环曝 气池 。氧化沟法具有处理工艺及构筑物简单、无初沉池和污泥消化池( 一体式 氧化沟还可以取消二沉池和污泥回流系统) 、有机物去除率较高、脱氮、除磷( 沟 前增设厌氧池) 、综合指标较优、泥龄长、剩余污泥少且容易脱水、处理效果稳 定等优点，但存在负荷低、占地大、电耗大、运转费用偏高的缺点，适用于中小 规模的低负荷污水处理厂。 氧化沟工艺在2 0 世纪5 0 年代始于荷兰，现广泛应用于世界各地。早期的氧 化沟占地面积大，仅用于小型污水处理厂，随着对氧化沟工艺的深入认识和不断 改进，氧化沟工艺正以基建费用低、运行管理简单、处理效果好、耐冲击负荷大、 可除磷脱氮等优点，逐渐向大中型污水处理厂发展。目前，应用到城市污水处理 的氧化沟系列主要有卡鲁塞尔( c a r r o u s e l ) 型、奥贝尔( o r b e l ) 型、双沟( d 型) 、三沟( t 型) 氧化沟。奥贝尔( o r b e l ) 氧化沟是氧化沟类型中的重要形 式，此法起初是由南非的休斯曼构想，南非国家水研究所研究和发展的。该技术 转让给美国的e n v i r e x 公司后得到不断改进及推广。随着高性能曝气转刷和转碟 的开发应用，奥贝尔( o r b e l ) 型氧化沟的应用更加广泛，一度成为我国城市污 水处理的首选工艺。例如北京燕山石化总公司引进美国技术，建成了日处理能力 6 1 0 4 t 的奥贝尔氧化沟污水处理厂，用于处理石化废水及生活污水，几年的运 行实践表明，该工艺处理效果很好。青岛市莱西污水处理厂也采用了奥贝尔氧化 沟工艺，从几年来的运行情况来看，处理效果也很好。 ( 4 ) a b 法 a b 法是吸附生物降解法( a b s o r p t i o nb i o d e g r a d a t i o n ) 的简称。该工艺不 设初沉池，由污泥负荷较高的a 段和污泥负荷较低的b 段串联组成，并分别有 独立的污泥回流系统。该工艺从2 0 世纪8 0 年代开始应用于生产实践，具有一些 独特的特点。但该法存在污泥量大、构筑物及设备较多、建设投资和处理成本高、 运行管理复杂的缺点。 ( 5 ) u n i t a n k 法 此工艺是以活性污泥法为基础的一种新工艺( 由比利时史格斯公司开发) 。 本工艺的特点是将曝气和沉淀组成一体的新工艺，不是形式上的合并，而是工艺 上的创新，是将池子分成若干格，首末两端交替曝气和沉淀。它周期性变更进水、 出水方向，可省去污泥回流系统，并且布置紧凑，用地省，连续运转，省电耗， 结构设计简单经济，但该方法不具备脱氮除磷功能。 ( 6 ) a o 工艺 a o 工艺是a n o x i c o x i c ( 缺氧有氧) 或a n e r a b i c o x i c ( 厌氧好氧) 工艺 8 硕上学位论文 的缩写，是为污水生物除磷脱氮而开发的污水处理技术。a o 法是在传统活性污 泥法基础上发展起来的一种缺氧一好氧生物法处理工艺。该工艺中好氧池和缺氧 池形成硝化一反硝化系统，具有明显的脱氮作用，但需要进行严格的控制，管理 水平的要求比较高。 在生物脱氮过程中，由于反硝化菌是异养性细菌，要有充足的碳源作为生命 活动的能源，完成反硝化过程。而污水经过好氧硝化反应后，水中的有机物浓度 已经很低，不能满足反硝化的需要。因此，传统的生物除磷脱氮工艺在缺氧单元 前投加甲醇，以弥补有机碳源。目前典型的a o 工艺是把缺氧单元提前到好氧 单元前，利用进水中的有机物作为碳源，称之为前置反硝化流程，通过混合液回 流把硝酸盐和亚硝酸盐带入缺氧单元。a o 工艺是目前国内外采用比较广泛的一 种脱氮工艺，国内已有多座污水处理厂采用此工艺，在设计、施工及运行方面已 积累了许多经验。青岛市李村河污水处理厂就是采用了a o 工艺，其日处理能 力为8 10 4 t d ，处理的废水中工业废水占7 0 以上。a o 工艺具有以下特点： 1 ) 工艺成熟、流程简单、运行稳定；2 ) 前置反硝化，脱氮效率较高，出水水质 好；3 ) 连续进水、出水，水头损失低，自控系统简单，运行操作简便；4 ) 生物 池设计灵活，占地面积较小，充氧效率高；5 ) 微孔鼓风曝气，能耗省；6 ) 污泥 回流需用泵提升；7 ) 抗冲击负荷的能力不如s b r 工艺及氧化沟工艺；8 ) a o 工 艺设备数量多，维护管理要求较高，对操作管理人员的专业素质要求较高。， ( 7 ) a 2 o 法 a 2 o 法即厌氧缺氧好氧工艺，它把除磷、脱氮和降解有机物3 个生化过程 巧妙地结合起来。为了达到同时除磷脱氮的目的，在a o 工艺基础上形成了a 2 o 工艺。a 2 o 工艺就是在a o 脱氮工艺的缺氧池前增设了一厌氧区，淀池的回流 污泥和进水首先进入厌氧区进行磷的厌氧释放，然后再进入缺氧区。污染物在好 氧区被氧化降解，去除c o d 和b o d ，同时在硝化菌作用下，有机氮转化的氨氮 继而转化为亚硝酸氮和硝酸氮，含有硝酸氮的大量混合液回流到缺氧区进行反硝 化脱氮。磷在厌氧区释放，在好氧区吸收，达到除磷目的。目前，青岛市团岛污 水处理厂采用了a 2 o 工艺进行污水处理。a 2 o 工艺除具有a o 工艺的基本特 点外，还可以同时除磷，处理深度大于a o 工艺，但a 2 o 工艺前期投资大，除 磷效果不稳定，该工艺由于污泥回流，污泥处理工作量大，节能差，且工艺条件 比较复杂。 ( 8 ) 百乐克( b i o l a k ) 工艺 百乐克( b i o l a k ) 污水处理系统( 又称悬挂链曝气工艺) 是一种高