（环境科学与工程专业论文）强化絮凝——流动床生物氧化工艺处理城市污水的研究.pdf

摘 要 了化学药剂费用、加药系统和絮凝反应装置，但是基建费用和运行费用得到一 定程度的降低。整体石来该1 艺把污水处理厂的经济指标降至较低的水平，为 改善我国中小城镇的水污染状况提供了有效途径。 综上所述，强化絮凝一流动床生物氧化 l 艺具有运行稳定、调整灵活、操 作简便、投资费用低等特点。通过本课题的研究，既对絮凝的机理提供参考， 也具有耳程实践和现实意义。 关键词:生活污水; 化学絮凝; 生物絮凝; 强化絮凝一流动床生物氧化工艺 a b s tr a c t abstract i n r e c e n t y e a r s , t h e p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l o f w a t e r p o l l u t i o n b e c o m e s t h e u r g e n t p r o b l e m t o res o l v e i n c h i n a . a s a n e c o n o m i c a l w a s t e w a t e r t r e a t m e n t p r o c e s s f o r s m a l l - s c a l e t o w n s , t h e c o mb i n e d p r o c e s s o f e n h a n c e d fl o c c u l a t i o n a n d m o v i n g b e d b i o f i l m re a c t o r c o v e r s a d v a n t a g e s o f t h e t w o p r o c e s s e s . b e n c h - s c a l e e x p e r i m e n t s w e r e c a r r i e d o u t t o t h e t y p i c a l s e w a g e i n o r d e r t o s e l e c t p r o p e r c h e mi c a l a g e n t s a n d r e a c t i o n c o n d i t i o n s . s e v e r a l i n o r g a n i c p o l y me r fl o c c u la n t s , s u c h a s p a c , p f s , p a f c s , a n d o r g a n i c p o l y me r fl o c c u l a t i n g a g e n t , s u c h a s p a m, w e r e s t u d i e d . t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e e n h a n c e d rem o v a l r a t e s o f c o d , t u r b i d i t y , t p a re 4 5 - 6 0 %. a b o v e 8 0 % a n d a b o u t 7 5 % r e s p e c t i v e l y . a s t h e c o a g u l a n t a i d , p a m e n h a n c e d t h e r e mo v a l e f f i c i e n c y r e m a r k a b l y a n d t h e i m p r o v e d s e d i m e n t a t io n c h a r a c t e r a l s o . t h e s e d i m e n t a t i o n r e m a i n t i m e w a s r e d u c e d t o 2 / 3 w it h t h e a i d fl o c c u l a t i n g o f p a m. r e s e a r c h o n s e w a g e s l u d g e s h o w e d t h a t b i o l o g i c a l s l u d g e h a d a h i g h r e m o v a l e ff i c i e n c y o f c o d a n d t u r b i d i t y a s t h e r e fl u e n c e r a t e w a s 2 025 %. c o m p a r i n g c h e m i c a l fl o c c u l a t i o n , b i o l o g i c a l fl o c c u l a t i o n , a n d c h e m i c a l / b i o l o g i c a l - c o m b i n e d fl o c c u l a t i o n , t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t b i o l o g i c a l fl o c c u l a t i o n w a s o u t s t a n d i n g a n d t o o k u p t h e ma i n r o le i n c h e mi c a l l b i o l o g i c a l c o m b i n e d fl o c c u l a t i n g p r o c e s s . t h e e s s e n t i a l o f b i o l o g i c a l fl o c c u l a t i n g w a s t h e mi c r o o r g a n i s m c e l l s a n d m e t a b o l i t e s a s t h e fl o c c u l a t i n g a g e n t s t o a d s o r b c o n t a m i n a t i o n s . t h e r e w as p h o s p h o rus re l e a s e d u r i n g t h e p r o c e s s a n d t h e h i g h c o n c e n tr a t i o n o f p h o s p h o rus w as t h e ma i n r e a s o n p r o b a b l y . z e t a v a l u e o f fl o c c u l a n t i n d i ff e r e n t p h c o n d i t i o n c o u l d b e a u s e f u l i n d i re c t f a c t o r t o fl o c c u l a t i o n e f f i c i e n c y a n d e x p l a i n t h e fl o c c u l a t i o n me c h a n i s m i n s o m e d e g ree . r e s u l t s s h o w e d t h a t tr e a t m e n t e f f i c i e n c y w a s a ff e c t e d b y t h e c a t e g o r y a n d d o s a g e o f fl o c c u l a t i o n a n d t h e m a i n m e c h a n i s m w a s i n fl u e n c e d a l s o . b a s e d o n t h e r e s u l t s , a d s o r p t i o n - e l e c t r o n n e u t r a l i z a t i o n a n d fl o c c u l a t i n g b r i d g e w e r e t h e m a i n a c t i o n u n d e r t h e l o w d o s a g e o f fl o c c u l a t i n g a g e n t ; s w e e p i n g b e c o m e s t o t h e k e y r o l e w i t h a n d t h e fl o c c u l a t i n g a g e n t h y d r o l y s i s s s t re n g t h e n b e c a u s e o f t h e i n c r e a s i n g do s e s . t h e g r a n u l a r i t y a n a l y s i s r e s u l t s s h o w e d t h a t c h e mi c a l fl o c c u l a t i o n h a d而o r i t y ab s tr a c t t o fl o c c u l a t e s i z e . t h e r a n g e f r o m 1 u m t o 3 0 0 u m h a d t h e p r i o r i t y t o r e mo v e b y fl o c c u l a t i o n a n d t h e c o n f i g u r a t i o n w i t h i n t h i s r a n g e w a s m a c r o mo l e c u l e o r s u p e r - c o l l o i d . i t w a s d i f f i c u l t t o r e m o v a l t h o s e c o n ta mi n a t i o n s b y b i o l o g i c a l t r e a t m e n t o r p h y s i c s s e d i m e n t a t i o n . t h e d e g r a d e d c a p a b i l i t y o f w a s t e w a t e r w a s s t r e n g t h e n e d b y p r e l i m i n a ry c h e m i c a l t rea t me n t . e c o n o mi c a l e f f i c i e n c y a n a l y s i s s h o w e d t h e t e c h n o l o g i c a l f e a s i b i l i t y a n d t h e lo w i n v e s t m e n t s o f t h e p r o c e s s a r e s i g n i f i c a n t . f l o c c u l a t i n g a g e n t c o s t w a s a b o u t 0 .0 6 - 0 . 0 8 y u a n / t o n w a t e r . t h e c o s t s o f t h e c a p i t a l i n v e s t me n t , e n e r g y a n d ma i n t e n a n c e w e r e r e d u c e d t o l o w e r l e v e l . i t p r o v i d e d a g o o d c h o i c e f o r c o n t rol l i n g t o w n w a t e r p o l lu t i o n . o n t h e w h o l e , t h e c o mb i n e d p roc e s s o f e n h a n c e d fl o c c u l a t i o n a n d mo v i n g b e d b i o f i l m re a c t o r i s a g o o d m e t h o d f o r s m a l l s c a l e wwt p w i t h m a n y a d v a n t a g e s s u c h a s s t e a d y e ff i c i e n c y , fl e x i b l e o p e r a t i o n , l o w i n v e s t m e n t o f e q u i p me n t , e t c . i t c a n a c h i e v e b e t t e r e c o n o mi c a n d e n v i r o n m e n t al b e n e f i t s , h a s t h e f e a s i b i l it y o f p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n o f p r o j e c t s , a n d d e v e l o p s a n e w a p p roa c h f o r t h e s m a l l s c a l e wwt p . t h e r e f o r e , i t s s i g n i f i c a n t t h a t t h i s r e s e a r c h p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r fl o c c u l a t i o n p r a c t i c al a p p l i c a t i o n . ke y w o r d s : w a s t e w a t e r ; c h e m i c a l f l o c c u l a n t s ; mi c r o b i al f l o c c u l a n t s ; e n h a n c e d f l o c c u l a t i o n a n d mo v i n g b e d b i o f i l m r e a c t o r p r o c e s s 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木和电子版本; 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:在不以赢利为日的的前提 卜 ， 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 : 龟 受红 1 0 0 5 年 3月z 0 日 经 指 导 教 师 同 意 ， 本 学 位 论 文 属 于 保 乡 本授权书。 年解密后适用 指导教师签名:学位论文作者签名: 年 / 月日 年月日 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 卜 ， 进行 研究一 r 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 7 -q v r 年 3 : /a 全 红 月 )口 日 第 1章 概述 第 1 章 概述 我国小城镇水污染状况及工艺选择原到 1 . 1我国小城镇水污染状况 随着我国城市化进程的加快，小城镇大批涌现。据估计到 2 0 1 5 年城镇人口 将达到 5 . 6 亿人，城镇污水排放量也将随之成倍增长，到 2 0 1 0 年污水排放总量 将达到 1 0 5 0 亿m 3 1 1 。 然而，由于 我国小 城镇污水处理设施基本处于空白 ，导致 水环境不断恶化，这加重了水资源的缺乏。水资源短缺和水环境污染已成为制 约我国当前小城镇社会、经济和生态环境可持续发展的重要因素，小城镇的水 环境治理己 经成为圣待解决的问 题 2 1 以上海郊区及周边城镇为例，上海市郊 目前共有 1 9 6个建制镇，8个乡( 其 中祟明县有 9个镇和 5 个乡) ，约有 8 0 % 以上的河道 ( 湖泊)水质达不到功能区 标准，5 0 % 以上的河道水质属于劣 v 类水质，很多水体出现富营养化或超富营养 化现象。上海市郊乡镇排放的生活污水，目 前大多就近排入当地河网汇入黄浦 江， 最后进入长江口;人、畜粪便除少量用作农肥外， 大部分送入市郊的河流。 据初步估算，上 海市郊小城镇生活污水和粪便的 污染负 荷约为: b o d 5 1 6 0 t / d , s s 1 4 0 t /d , n 3 0 t /d , p 8 t /d 3 1。 如 果 计 入 市 郊 乡 镇 工 业、 禽 畜 饲 养 场 等 排 放的 负荷，那么情况更为严重。如此大量的污染负荷是上海市郊河网和湖泊水质恶 化的主要污染源。随着上海市区水污染状况己基本得到控制，市郊小城镇产生 的生活污水对水环境的影响将日益突出，如果这一状况不能得到及时有效的控 制，市郊的河网和黄浦江水质将难以得到进一步改善，特别是上海全市的主要 水源一黄浦江大桥取水口的水质也会受到影响。 城市的城郊结合部或乡村集镇地域广，市镇之间相对分散，污水收集和集 中处理难度很大，绝大部分小城镇的工业废水、禽畜养殖废水及生活污水几乎 没有经过任何处理就直接排放，这是导致周围水体水质急剧恶化的根本原因。 随着城镇化的发展和人民生活水平的提高，市区人口逐渐向城镇及周边小区扩 散，今后我国大部分的生活污水将来 自小城镇及小区。可见，有效地处理小城 镇污水、保护水环境是许多城镇无法回避的课题。 随着对城市污水处理工艺研究的不断深入，大中型污水处理工艺已相当成 熟，并且有大量成功的设计经验和工程实例可供借鉴。但是，由于小城镇与城 第 1章 概述 第 1 章 概述 我国小城镇水污染状况及工艺选择原到 1 . 1我国小城镇水污染状况 随着我国城市化进程的加快，小城镇大批涌现。据估计到 2 0 1 5 年城镇人口 将达到 5 . 6 亿人，城镇污水排放量也将随之成倍增长，到 2 0 1 0 年污水排放总量 将达到 1 0 5 0 亿m 3 1 1 。 然而，由于 我国小 城镇污水处理设施基本处于空白 ，导致 水环境不断恶化，这加重了水资源的缺乏。水资源短缺和水环境污染已成为制 约我国当前小城镇社会、经济和生态环境可持续发展的重要因素，小城镇的水 环境治理己 经成为圣待解决的问 题 2 1 以上海郊区及周边城镇为例，上海市郊 目前共有 1 9 6个建制镇，8个乡( 其 中祟明县有 9个镇和 5 个乡) ，约有 8 0 % 以上的河道 ( 湖泊)水质达不到功能区 标准，5 0 % 以上的河道水质属于劣 v 类水质，很多水体出现富营养化或超富营养 化现象。上海市郊乡镇排放的生活污水，目 前大多就近排入当地河网汇入黄浦 江， 最后进入长江口;人、畜粪便除少量用作农肥外， 大部分送入市郊的河流。 据初步估算，上 海市郊小城镇生活污水和粪便的 污染负 荷约为: b o d 5 1 6 0 t / d , s s 1 4 0 t /d , n 3 0 t /d , p 8 t /d 3 1。 如 果 计 入 市 郊 乡 镇 工 业、 禽 畜 饲 养 场 等 排 放的 负荷，那么情况更为严重。如此大量的污染负荷是上海市郊河网和湖泊水质恶 化的主要污染源。随着上海市区水污染状况己基本得到控制，市郊小城镇产生 的生活污水对水环境的影响将日益突出，如果这一状况不能得到及时有效的控 制，市郊的河网和黄浦江水质将难以得到进一步改善，特别是上海全市的主要 水源一黄浦江大桥取水口的水质也会受到影响。 城市的城郊结合部或乡村集镇地域广，市镇之间相对分散，污水收集和集 中处理难度很大，绝大部分小城镇的工业废水、禽畜养殖废水及生活污水几乎 没有经过任何处理就直接排放，这是导致周围水体水质急剧恶化的根本原因。 随着城镇化的发展和人民生活水平的提高，市区人口逐渐向城镇及周边小区扩 散，今后我国大部分的生活污水将来 自小城镇及小区。可见，有效地处理小城 镇污水、保护水环境是许多城镇无法回避的课题。 随着对城市污水处理工艺研究的不断深入，大中型污水处理工艺已相当成 熟，并且有大量成功的设计经验和工程实例可供借鉴。但是，由于小城镇与城 第 .章概述 市的各方面条件不同，决定了适用于大中型污水处理厂的工艺不1 +r 照搬到城镇 污水处理工程中来。因为我国目前城市污水普遍采用二级生化处理工艺，该工 艺处理效果好， 但投资大 ( 1 0 0 0 - 1 5 0 0 元/ m 3 ) 、 运行费用高 ( 1 . 0 -1 . 5 儿/ 护) 、 建设周期长 、 占 地面积大。 以建设处理能力为 1 0 万m 3 / d 的城市 污水处理) 一 为 例， 约需 1 . 0 -1 . 5 亿元，占 地9 -1 0 公顷，加上污水管网的投资与建设， 总投资接 近或超过2 亿元， 并且2 - 3 年后才能正常运行 1 4 1 。 如 此高的费用与我国 小城镇 总体经济水平不相匹配，在我国的城镇中，特别是绝大多数小城镇，其政府财 政并不富裕，人民收入总体水平不高，污水集中处理将会给地方政府和人民增 加一定的负担。因此，开发简洁、实用、高效率、低投入的小城镇污水处理新 技术势在必行， 这也直接关系到我国经济与社会可持续发展战略的实现1 5 1 1 . 1 . 2小城镇污水处理工艺选择原则 小城镇污水处理与城市污水处理相比，具有如下特点: 小城镇的经济实力弱于中心城区，在选择和研究小城镇污水处理工艺或技 术时，应首先考虑经济实用性。 小城镇人员 技术水平相对较弱，在研究与开发小城镇污水处理技术时， 应 重视管理的方便性和技术的简单适用性。 小城镇污水的水量小，波动大，污染物的负荷变化较大，这就要求污水处 理装置需有较强的抗冲击能力; 某些小城镇位于城市重要饮用水源的上游，依照就近排入水体的原则，经 过处理的污水将排入河道，为防止水体富营养化而加剧城市供水紧张，并且从 长远眼光看来，必须对小城镇污水处理厂出水的氮、磷指标严格控制。这就要 求污水处理工艺具有较强的脱氮除磷功能。 郊区和小城镇的面积大，居民点或企业相对分散，因此污水处理工艺应因 地制宜，灵活采用集中处理方式、分散处理方式或者两种方式相结合。 综上，高效简洁、管理方便、建设费用和运行费用低、占地面积小、运行 灵活等特点是研究和开发小城镇污水处理工艺时应遵循的基本原则。 第 1 章概述 2国内外小城镇污水处理工艺研究进展 1 . 2 . 1现有小城镇污水处理技术比 较分析 国内外对小城镇污水处理工艺的研究已有 十 多年，开发了多种处理工艺。 但是，不同工艺具有不同的 适用条件， 各具特点。根据高效简洁、 管理方 便、 建设费用和运行费用低、占地面积小、运行灵活的工艺选择原则，本文对小城 镇 污水处 理的常 用工艺进行了比 较， 见表 1 . 1 0 表 1 . 1几种小城镇污水处理1 _ 艺比较 2 处理效果 占地投资成本运 行 费用 低 操作要求 低 运行稳定性 有机物 n h . - n 大低差 ( 受温度限制)稳定塘较好稍差 生 物 转 盘 一 较 好 较好差中中中低一般 人 工 湿 地 较好较好一般大低低低差 ( 受温度限制) 好好好小高高 自 动 化 高差 受 设 备 限 制 ) 厂 氧 化 沟 好好较好中中低中较好 障 a 料 移 动 床 好好一般小中低低好 化学强化 累凝工艺 一 般无好小低低中好 化学/ 生物 组 合 工 艺 好好好小中较低较 低好 传 统 活 性 污泥系统 好好 * 大局 fn 高较好 * 根据具体工艺而定。 由表 1 . 1可见，传统活性污泥法处理效果较好，运行稳定，并且工程经验 丰富。但是这一方法投资成本、运行费用、操作要求都比较高，并且占地面积 大，这与小城镇较低的整体经济水平不相符合。s b r 工艺整体性能较优，然而由 于国产设备和控制系统的质量问题，容易发生故障，而进 口设备费用过高，其 应用受到一定限制。稳定塘、人工湿地作为生态处理技术，可以利用当地有利 地形，运行费用少、操作要求低，特别适合于土地资源充裕的干旱地区。但是 这两种工艺具有相同的弱点，即运行稳定性受到气候等多方面的限制，并且运 行不佳时将对周围环境造成较大影响，该风险限制了其应用范围。悬浮填料移 动床结合了生物膜法和传统活性污泥法的特点，具有高效的污染物去除能力， 但由于受到生物除磷功能的限制，对磷的去除率不高，这也是前面几种单纯生 第 1章 概述 物处理工艺的缺陷所在c相比之 下，化学强化絮凝工艺以及化学/ 生物组合工艺 的除磷效果很好。化学强化絮凝工艺可以在短时间内削减污染负荷，基建费用 低，适合于小城镇污水处理厂的条件，但其缺陷在于对 n h , - - ti和大部分溶解性 b o d .5几乎没有去除效果，只能作为过渡性措施，如果要满足环境保护的长远目 标，需增加二级生物处理设施。在化学处理_ l 艺荃础上发展为的化学/ 生物组合 1 : 艺，运行灵活，应用范围广，对n h 4 - - n 和 t p的去除率高，符合小城镇可持续 发展的要求。 通过以上比较可见，不同的处理工艺各具特点，适用范围各不相同。依据 前述小城镇污水处理工艺的选择原则，并结合各种工艺当前的研究状况，相对 而言，认为悬浮填料移动床、化学强化絮凝工艺和化学/ 生物组合工艺整体性能 评价结果较好，而且受气候、地形以及设备技术水平的限制小，在我国小城镇 污水处理领域中具有较好的应用前景。 1 . 2 . 2化学弧化架凝工艺、悬浮填料移动床以及化学/ 生物组合工艺 的研究与应用 1 . 2 . 2 . 1 化学强化絮凝工艺 ( c e p t ) 化学强化絮凝工艺是在一级处理工艺的基础上添加化学药剂，以达到强化 去除污染物的 目的。该工艺可在短期内以较少的投资和运行费用，实现大幅度 削减污染负荷的目标。化学强化絮凝工艺特别适合于水污染状况急需治理但资 金有限的情况，从而化学强化絮凝工艺可以作为小城镇污水处理工艺的较好选 择。 瑞典、挪威、芬兰等北欧国家的中小城镇污水处理厂大部分采用化学处理， 以较低的投资和运行费用达到或接近二级处理效果，尤其是磷的去除率明显超 过生化处理 ( 达 9 0 % 以上) 。例如，挪威现有三分之二的城镇污水采用化学强化 絮凝处理，其中最大污水处理厂 ( o s l o w e s t )处理能力为4 0 万m 3 / d , c o d 和总 磷去除 率分别 超过7 0 % 和9 0 % 1 b ja 因为化学处理工艺可以 根据水量和水质的变化， 确定化学絮凝剂的最佳投 加量，以保证排放水质的达标，所以该工艺不仅适用于小型污水处理厂，也广 泛应用于大型污水处理厂。美国、加拿大、墨西哥等城市也有采用化学强化絮 凝工艺或结合生化工艺处 理城市污水的实例门 ， 如美国圣地亚哥 和洛杉矶污水处 第 1章概述 理厂连续运行 5 年，s s 、总磷、重金属去除率一直保持在8 5 % 以上，b o d 去除率 为5 1 % - 5 6 % ，而基建费用却只有传统二级生化处理厂的 3 0 % -4 0 % 。其他一些污 水厂通过采用c e p t与生化法结合，不仅大幅度提高了s s , b o d 及磷的去除率， 同时也显著降低了 运行费用 1 8 1 香港是研究和利用 c e p t 法处理城市污水的典型城市。根据香港环境署研究 报告，利用 c e p t 技术可使污水 s s 、总磷去除率提高到 8 5 % 以上，b o d去除率很 容易达到 5 0 % 以上，可节省投资 4 0 % -5 0 % 。因此，香港昂船洲污水处理厂一期 工 程采用f e c l ; 强化絮凝i艺， 处理量为3 5 0 万m 3 / d ， 并在此基础上加建了生化 处 理设施 ( 二期) 1 9 1 另外， c e p t法在台 湾也 有较多的研究和应用，目 前我国 内 地也对此工艺研究较多，并且己 有工程应用实例。如，设计流量为1 7 0 万耐 / 天的上海 竹园第一污水厂就采用了 化学絮凝工艺 1 1 0 1 。 另据 报道， 三峡库区也己 有工程应用实例。 1 . 2 . 2 . 2 悬浮载体生物氧化工艺( m b b r ) 悬浮载体生物氧化工艺是活性污泥法与生物膜法的结合。悬浮载体生物膜 法又称悬浮填料移动床工艺，是在 2 0世纪 9 0年代初开发和应用的，它吸收了 传统流化床和生物接触氧化法两者的优点，是悬浮生长的活性污泥法和附着生 长的生物膜法相结合的一种工艺 1 1 1 , 1 2 1 。其核心部分就是将比重接近水的 悬浮填 料直接投加到曝气池中，作为微生物的附着载体，依靠曝气池内的曝气和水流 的提升作用处于流化状态。悬浮填料作为 “ 移动的生物膜” ，在提高污泥浓度的 同时，改善了 传质条件，从而具有高效低耗、占 地少的特点。 现阶段我国 小城 镇经济快速发展，用地随之 日趋紧张，将m b b r 工艺应用于小城镇污水处理中， 其优势得到体现。 由于m b b r工艺具有优越的处理性能，国外已有许多专家、学者对这一工艺 进行了深入的研究，对有机物的去除及脱氮除磷的机理和影响因素有了较深入 的认识。 在过去的 1 0 年中， 移动床生物膜技术在挪威得到了发展， 现在已有 1 0 0 多个基于此技术的污水处理厂在 1 7 个国家投入使用或在建造之中，它们主要用 于市政污水或工业废水以去除有机物质及n h 4 - n ， 均取得了较好的效果。 近年来， 我国不少学者也进行了这方面的研究，用于生活污水处理的研究较多，并开始 应用于工程实践。 另据资 料表明，悬 浮填料还可用于化工、 制药、印 染、 制革、 造纸等行业的污水处理1 1 3 - 1 6 1 ，效果良 好。天津大港油田石化公司的炼油废水回 第 1章概述 用深度处 理工程成功地应用了m b b r 工艺， 处理规模为8 0 0 0 m 3 / d 1 7 1 。 我国 现在对 m b b r工艺应用于小城镇污水处理厂的研究和应用不多，但是已经少 f 展了这方面 的研究课题，有望在较低的投资及运行成本的前提下，获得较好的处理效果。 1 . 2 . 2 . 3化学/ 生物组合工艺 化学/ 生物组合 1 艺结合了化学絮凝工艺和生物处理 _i 艺的优势，因具有运 行稳定、调节灵活、处理效果优越等特点，在国内外得到了深入研究，并形成 了成熟的技术得到广泛应用。 0 d e g a a r d h . 和op v s e t h a . f . s k r 1 1 8 曾 对挪威的3 5 6 个小型污水处理厂 ( 规模 2 0 0 0 人口当量) 做过运行状况和处理效果的调查。 结 果显示，9 9个污水处理厂采用化学处理工艺，5 6个采用生化处理工艺，2 0 1 个 为化学/ 生物组合工艺，化学处理工艺和化学/ 生物组合工艺占了绝大多数。针 对污水处理厂出水水质报告的统计结果显示，三大类处理工艺中，化学/ 生物组 合工艺显示出最好的处理效果和运行稳定性。并且，该类工艺运行相当灵活， 药剂投加方式通常有四种:预沉淀:首先进行化学絮凝反应、初次沉淀，然 后进行生物处理;同步沉淀:药剂直接加入生物处理池中，生物池出水进入 二次沉淀池进行沉淀:联合沉淀:药剂加入生物处理池出水中，出水经过单 独的絮凝反应后，进入二沉池:后沉淀:此方式为三级处理，在二级生物处 理后设絮凝反应池以及后沉淀池。灵活的运行方式为不同的处理要求提供了多 种选择。 实验研究和工程实践表明，生物处理工艺与化学方法相结合，适用于要求 深度处理的小型污水处理厂，符合 日趋严格的排放标准。挪威在这方面做了很 多研究， 其中 悬浮填料生物接触氧化法/ 化学沉淀法是结合 较好的一类工艺 1 9 悬浮填料生物氧化工艺大大缩短了氧化、分解污染物的时间，化学沉淀则保证 了稳定的除磷效果。在 s t e i n s h o l t 污水处理厂 3 年的运行中，采用投加聚乙烯 填料 与 使 用a l 絮 凝 剂 进 行 化 学 沉 淀 相 结 合的 工艺 ， 在 进 水c o d , 3 8 0 - 6 2 0 m g / l ( 几率8 0 ) 的 情况下， 绝大多数时 间内出 水 c o d ,-, 低于5 0 m g / l , b o d 小于2 5 m g / l ; 总磷的 去除率大于9 7 % ，出水小于0 . 3 7 m g / l ;出 水平均s s 为1 3 m g / l ， 与活性污 泥法/ 化学沉淀法( 出水平均值: s s 2 4 m g / l , t p 1 . 2 0 m g / l ) 相比， 效果好了 许多1 2 0 1 另外，针对化学絮凝药剂会增加处理成本、增加剩余污泥量的问题，国内 开展了以降低絮凝剂投加量为目 的的研究。郑 兴灿12 1 1 、夏四 清等人12 2 1 利用回流 污泥的生物絮凝作用，进行了大量的实验研究。结果表明，利用生物和化学的 第 1 章概述 协同絮凝作用，在同样的絮凝剂加药量条件 卜 ，使得化学/ 生物组合工艺对污染 指标的去除效率比单纯的化学混凝工艺的去除效率提高了2 0 % 以上， 为降低絮凝 剂的投加量做了有意义的探索。 2 . 3讨论 一些的研究和实践表明，悬浮填料移动床、化学强化絮凝工艺和化学/ 生物 组合工艺等三种工艺处理效果显著，运行稳定，调节灵活，操作维护简便，在 实际工程中得到越来越多的应用。这三种工艺在小城镇污水处理领域中各具优 势，可以适用于不同处理规模的场合。对于原水磷含量不高的小城镇污水厂可 以选用悬浮填料移动床工艺，而化学絮凝工艺适用于污染治理紧迫但经费不充 裕的小城镇，待资金充足后补建生物处理系统，形成化学/ 生物组合工艺。总的 看来，化学/ 生物组合工艺最有竞争力，运行灵活稳定，处理费用适宜，适用范 围广，符合水环境保护的长远发展趋势。在众多的化学/ 生物组合工艺中，化学 强化絮凝一悬浮载体生物膜工艺是具有突出应用潜力的一类7 : 艺。 第 1章 概述 3混凝机理 1 . 3 . 1 胶休表面化学 生活污水中含有多种杂质，包括各种无机物、有机物及生物体等。城市污 水中的大多数污染物都是以颖粒形态存在，从混凝的角度而言，依据颗粒大小 可将污水中的污染物质分为溶解态、胶体态、超胶体态和悬浮态，其分布范围 及性质下表 1 . 2 0 表 】 .2城市污水中污染物的性质 颗粒直径 p m)1 0 0 0 颖粒分类 溶解态胶体态 大分子胶 体态 超胶体 态 悬浮态 所占比例 ( %) 3 1 . 2一1 3 7 2 53 2 预 处 理 难 易 程 度 一 处 理沉淀易沉淀 可 生 化 性 能! 惰 性 直 接 生 化 可生化降解 生化降解缓慢惰性不可降解 生物化学氧化速率 常 数( d - ， 以1 0 为 底 的指数) 0 .3 90 .2 20 .0 9 0 . 0 8 粗大的悬浮物不需经过混凝处理即可通 过 自然沉淀从水中去除。混凝的对象主要是 胶体以及接近胶体的细小悬浮物。胶体的形 成与其巨大的表面面积有关。粒子越细小， 单位体积的比表面面积愈大。巨大的比表面 积赋予其巨大的表面能，表面能可吸附水中 离子或极性分子，形成胶体双电层结构。根 据顾义一 查普曼 ( d o u g - c h a p m a n ) 理论， 被胶 核 ( 固体部分)表面吸附的离子称 “ 电位形 成离子” ，与它电荷符号相反的离子称 “ 反离 子” 。由于胶核和离子在水中均作布朗运动， 反离子便扩散于水中 ( 见图 1 . 1 ) 0 胶体总电 位0 0 及x 处的0均 无法测定， 而且从混凝角度而言，这些电位也无关紧要， 附 层 表 面 骨动 面 i z e t a 电位x 图 1 . 1胶体双电层结构和电位 唯有滑移面上电 位即屯 电 位是研究胶体 稳定性 及凝聚的重要特性 2 3 1 第 i章 概述 1 . 3 . 2 胶体稳定性 所谓 “ 稳定性” ，是指胶粒在水中长期保持悬浮分散状态而不聚集下沉的特 性。稳定性分为动力稳定性和凝聚稳定性两种。 1 . 3 . 3混报机理 水处理中的混凝现象十分复杂。混凝剂种类不同，作用机理不同。同一种 混凝剂，在不同的条件 卜 作用机理也不同;同时影响混凝效果的因素众多。 虽然对混凝作用做了许多研究，提出各种各样的理论、机理、模型，但到 目前为止仍然存在若干问题尚待解决。现在多数人认为混凝作用机理是凝聚和 絮凝两种作用过程。凝聚过程是胶体颗粒脱稳并形成细小凝聚体的过程:而絮 凝过程是所形成的 细小凝聚体在絮凝剂的 桥联下， 生成大体积絮凝物的过程( 2 4 1 可以认为凝聚作用是颗粒由小变大的量变过程;而絮凝作用是量变过程达到一 定程度时的质变过程。 絮凝作用是由 若干个凝聚作用组成的， 是凝聚作用的 结 果;而凝聚作用是絮凝作用的原因。 胶体颗粒的混凝机理主要有以下四种:压缩双电层作用;吸附一 电中和作 用;吸附一架桥作用;网捕作用。以下 对这四种混凝机理分别加以讨论。 1 3 3 )压缩双电 层作用 d l v o 理论是利用胶体颗粒间的吸引能和排斥能的相互作用而产生的相互 作用能，来解释胶体的稳定性和产生絮凝沉淀的原因。 据d l v o理论， 要使胶体粒子碰撞凝聚， 必须降低或消除排斥势能峰e , m e 向 水中 投入混凝剂后， 增加了水中 反离子浓度， 使得胶体扩散层压缩， 屯 电 位降 低， 排斥势能 就随 之降 低。 恰好将 排斥势能峰 e m 。降至为零时的 混凝剂浓度为 “ 临界浓度” ， 此时的动电位屯 为临界电 位。不言 而喻，当屯 电 位达到临界电位 时，胶体就失去稳定性，称 “ 胶体脱稳” 。实际应用中，只要胶粒开始发生明显 凝聚时， 此时的屯 电 位就可称为临界电 位认 ， 无需深究 排斥峰是否为零。 当 混凝剂量继续 增加， 胶粒乌电 位降至零时 ( 即佘0 ) ， 胶粒间 排斥势能消 失， 此点称 “ 等电点” 。 按 d l v o理论，在等电点状态下， 胶粒最容易发生凝聚。 当混凝剂达到临界浓度时，胶粒并未达到等电点状态，实际上，水的混凝也无 需达到等电点状态。 根据 d l v o理论，压缩双电层不仅与混凝剂量有关，还与混凝剂中金属离 第 1章概述 子 的价数有关。离子价数越高， 所需 混凝剂 越少，比如 a 1 3 十 、 f e 3 十 比c a l 十 、n a 压缩双电层更有效，因而所需铝盐和铁盐的剂量就远少于钙盐和钠盐。 1 3 . 3 . 2 吸附 一 电中 和作 用 吸附 一电中和作用是指胶体颗粒的 c电 位降低到 足以克服能量障碍而产生 絮凝沉淀的过程。胶体颗粒表面的电荷被中和时，胶体颗粒间的距离缩小，在 范德华引力作用 下 ，胶体颗粒问的相互作用能处于第一最小能量值，结果形成 稳定的絮凝体。 无论投加的高分子物质是否带电或所带电荷符号与胶体电荷符号是否相 同，水中的胶粒均可以被吸附在高分子物质上。众多研究者认为，高分子物质 对胶体粒子的吸附驱动力有氢键、共价键、极性基、静电引力及范德华引力等 等。究竟何种力起主要作用，则视高分子物质本身结构和胶体特性而决定。 “ 吸附 一电中 和” 和 “ 压 缩双电层， ，虽然都可使胶体屯 电 位降 低， 但两者 作用性质并不同。区别在于2 5 1 .压缩双电层是通过提高 溶液中反离子浓度， 使胶体扩散层厚度减小， 导致屯 电位降低， 并非反离子被吸附 在胶核表面， 故胶 核表面总电位0 0 保持不变，而且不可能使胶体电 荷改 变符号，因为 这是静电作 用;“ 吸附一电中和”则是异号电荷聚合离子或高分子直接吸附在胶核表面，故 总电 位 0 。 变化甚至改变符号。 “ 压 缩双电 层” 通常由简单离子( 如n a + , c a t + , a 1 3 + 等) 起作 用; “ 吸附中和” 通常由 高分子或聚合离子 起作用。 1 3 3 3 吸附 一架桥作用 高分子物质对胶体的强烈吸附，还起到在胶粒与胶粒之间架桥联接作用。 拉曼 ( l a m e r )等认为， 当高分子链的 一 端吸附了某一胶粒以后，另一端又吸 附另一胶粒，形成 “ 胶粒一高分子一胶粒”的絮凝体。 当高分子物质过多时，将产生胶体保护作用。胶体保护可以理解为:当胶 粒表面被高分子全部覆盖以后，两胶粒接近时，或者由于 “ 胶粒一胶粒”之间 所吸附的高分子受到压缩变形而具有排斥势能，或者由于带电高分子的相互排 斥， 使胶粒不能凝聚。 拉曼等人 根据吸附原理， 提出 胶粒表 面覆盖率为1 / 2 时絮 凝效果最好2 3 1 。 在实际水处理中， 胶粒表面覆盖率无法测定， 故高 分子混凝剂 投加量通常由实验决定。 第 1章 概述 1 3 3 . 4 沉析物网 捕作用 当铝1 $ 或铁盐投加量较多时，高价金属离子经水解缩聚可形成大量的氢氧 化物固体从水中析出。这些氢氧化物一般都是聚合体，l ir 以网捕、卷带水中的 细小胶粒形成絮凝物。这种作用基本上是一种机械作用。水中胶体杂质少时， 所需混凝剂量很大:相反，所需混凝剂较少。 1 3 3 . 5 特殊混凝作用 除了以_ l 对胶体和悬浮物的混凝外，实践表明水中的某些浴解性杂质也可 采用混凝方法去除。化学混凝除了强化去除污水中的胶体和悬浮物质外，很重 要的作用就是去除污水中的磷。 化学絮凝过程中 总磷的去除 途径如下12 6 1 . 化学 沉淀反应， 铁盐和铝盐经 常作为沉淀剂，就沉淀而言，其行为特点是一样的。沉淀过程的本质是最大量 的金属离子以磷酸盐的形式沉淀。氢氧化物沉淀的生成作为形成磷酸盐沉淀反 应的副反应是