（环境科学专业论文）曝气生物滤池沿程污染物降解特性研究.pdf

a b s l l r c t a b s t r a c t b i o k i g i c a ia e r a t e df i l t e r a f ) h a sb e e nw i d e l yu s e d i nm u n i c i p a l 啪s t e w a l e rl r e a l m e l r ta n d w a s t c w 栅a d v a n c e d 岫t r a e n ti nt h ec o u n t r y c o m p a r e dw i t ha c t i v a t e ds l u d g ep i 渊s ，b a fh a s a d v a n t a g e ss u c ha sh i g h e rl o a d t l i g s m a l l e ra mo c c u p a t i o n , l o w e ri n f r a s m l e t l l r ei n v e s t m e n t , b e t t e ro x y g e n u t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y , b e t t e rw a r 9 1 q u a l 姆a n dn os l u d g eb u l k i n g , 咖h o w e v e r , t h es t u d y c h a r a c t e r i s t i c s o fp o l l u t a n td e g r a d a t i o na l o n g1 3 a fi sr e l a t i v e l yl i t t l e as m a l ls c a l eb a fm o d e li su s e di ns i m u l a t e d s e w a g el l e a l m e r l ti nt h i sp a p e r t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o l l u t a n td e g r a d a t i o na l o n gb a fi ss t u d i e d , a n dt h e c l r n a m i em o d e lo f b a f i nr e m o v i n gt h eo r g a n i s mi so b t a i n e d t h em a i nr e s u l t sa 坤s u m m a i t e , da sl b l l o w s ： 1 w h e nt h eh y d r a u l i el o a d i n gi s3 o m ，( n r 。1 1 ) ，t h ee f f l u e n te o n c e n l r a f i o no f c o di sl e s st h a n3 0 m g l ， a n dt h er e m o v a lr a t eo fc o di sa b o u t9 0 ；t h ee f f l u e n tc o n c e n l a a f i o l lo f n i - 1 4 + - ni sl e c h s $ t h a n8 m g l ，a n d t h er e m o v a lr a t eo f n i - j 4 + - ni sm o 坤t h a n8 0 w h e nt h eh y d r a u l i cl o a d i n gqg o m 3 ( m 2 1 1 ) ，t h er e m o v a lo f c o di sm a i n l yc o m p l e t e di nt h el a e i g h to f 0 i 1 i l t , a n dt h en i t r i f i c a t i o no f n i - 1 4 + - ni sm a i n l yc o m p l e t e di n t h eh e i g h to f0 7 2 5 m ；w h e nq9 o m 3 ( m 2 t a ) 。h e t e r o t r o p h i eb a c t e r i ao c c u p yt h em a j o r i t yo ff i l t e rs p a c e ， w h i l et h er e m o v a lr a t eo f n h 4 + - ni sl o w e r 2 w h e nt h eo r e 测cl o a d i n g8 r a d l l 鑫l l yi n c r e a s e sf r o m3 $ k g c o d ( m c 1 ) t o1 1 7 k g c o d ( n ，d ) ，t h e r e m o v a lr a t eo f c o df a l l sd o w ng e n t l l ya n di sa b o v e8 8 ：w h i l et h ea b i l i t yo f n i t r i f i c a t i o ni sl i m i t e db yt h e l o a d i n g , t h er e m o v a lr a t eo fn h 4 + - nd e c r e a s e sf r o m9 2 5 t o7 5 3 t h er e m o v a lo fc o di sm a i n l y c p l e t e x li nt h er m i g h to f0 - - 1 5 m ；a n dt h er e m o v a lo fn l - h 7 - ni sm a i n l yc o m p l e t e di nt h eh e i g h to f 0 7 2 5 m 3 w h e nt h ea m m o n i an i t r o g e nl o a d i n gg r a d _ i l a l l yi n c r e a s e sf r o mo 7 8k 酏一d ) t ol 0 8k g ( m 。d ) ，t h e r e m o v a lr a t eo fn h 4 - ns i g n i f i c a n t l ys h o w e dd o w n w a r dt r e n d , d e c r e a s i n gr a p i d l yf r o m8 9 4 t o6 4 8 a n dt h er e m o v a lo f n i - 1 4 - na l o n gb a fi sa l s oi m p a c t e ds i g n i f i c a n t l y r 4 md y n a m i cm o d e lo f c o dd e g r a d a t i o na l o n gb a fi s s = 岛e x p ( - 鲁h ) ，a n di nt h i sp a 晦t h e g v a l u eo f p m - a m e t e r s ：k = 2 0 6 4 ，i f 0 6 9 5 k e yw o r d s ：b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r , m u n i c i p a lw a s t e w a t e r , p o l l u t a n td e 野删o na l o n gb a f , d y n a m i c m o d e l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 鸳奄 日期：刎i f f 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：婚师签名：l b 堑l 日 期：硼，- f i 东南大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 近几十年来，随着现代工业和城市建设的发展。我国城市的环境污染特别是水污染问题日趋严 重，同时水资源问题也日趋紧张。我国是一个人均水资源占有量匮乏的国家，仅为世界人均值的1 4 ， 而且时空分布不均，开发利用难度大，许多地区和城市严重缺水。2 0 0 6 年，全国年排污量约为5 3 7 亿立方米，城市污水集中处理率为4 4 1 ，县城污水集中处理率为9 9 8 ，仍有大量污水未经有效 处理就排入江河湖海，使我国的水污染情况十分严重，并进一步加剧了水资源的短缺水污染严重 和水资源短缺已经成为严重制约我国社会经济持续发展、危害生态环境、影响人民生活和身体健康 的突出问题，迫切需要加以解决l i j 目前在我国水污染治理领域，现有建成运行的污水处理厂，特别是城市污水处理厂，基本上都 是采用传统活性污泥法及其变形工艺、氧化沟工艺、a b 工艺、s b r 工艺等。虽然这些工艺处理效 果尚可甚至也比较好，但普遍也存在着占地面积大，基建投瓷高、处理负荷低、能耗高，不能满足 高效低能的要求。随着新型滤料的开发和配套技术的不断完普，与活性污泥法平行发展起来的生物 膜工艺技术得以快速发展，既独立又几乎已经结合到污水处理的各种其他工艺中。这是由于生物膜 法具有诸多优点，处理效率高，耐冲击负荷，占地面积少，无污泥膨胀问题，可以维持较高的污泥 龄，生物相相对丰富稳定，具有较高的微生物量，对毒性物质和冲击负荷具有较强的适应性，可以 实现封闭式运转，解决臭味问题等。 由于污水处理主要是一项侧重于环境效益和社会效益的工程，在建设和实际运行过程中常常受 到资金的限制，使得治理技术与资金问题相连成为解决我国水污染的“瓶颈”。因此，开发经济有效 的污水处理新工艺、新设备，研究一种适合我国国情的污水处理新工艺，从而降低污水处理的投资 和运行费用、节省用地、管理方便、出水水质好、能达到城市一般回用水质标准，将对我国国民经 济和社会发展及环境保护具有十分重要的意义，而且也必将有其巨大的应用范围和市场。曝气生物 滤池污水处理新工艺就是在此背景下研究开发出来的符合上述要求的一种污水处理的生物膜法新技 术 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 r ，简称b a f ) ，不仅能在一定程度上克服传统污水处理 工艺占地面积大、基建投资高、处理系统复杂、运行管理难度大、处理效能低等不足，还具有出水 水质好、应用范围广、处理工艺模块化和自动化集成潜力大的优点1 2 j 驯因此，对曝气生物滤池研究 和应用发展现状进行总结，并进行深入的理论探讨和工艺研究，使之快速国产化对于提高我国水处 理事业的污水处理和资源化回用水平，促进我国水环境污染和水资源紧张状况的根本好转都有着重 要的现实意义。 1 2 曝气生物滤池污水处理技术 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 r ，简称b a f ) 是在普通生物滤池的基础上，并借鉴给水 滤池工艺而开发的污水处理新工艺。作为一种新型生物处理技术，最初用于污水的三级处理，后发 展成直接用于二级处理，现在已经应用到水体富营养化控制，中水回用和微污染水、高浓度废水、 城市生活污水处理等各个领域，其最大特点是集生物氧化和截留悬浮固体功能于一身，节省了后续 二沉池，在保证处理效果的前提下使处理工艺简化。 第一章绪论 1 2 1 曝气生物滤池工艺的发展和应用 1 2 1 1 曝气生物滤池工艺的发展过程 曝气生物滤池最早出现于2 0 世纪初期，其发展可以追溯到早期的淹没石片滤池以及后来在德国 出现的e m s c h e r 滤池。现代意义上的曝气生物滤池在二十世纪7 0 年代末8 0 年代初出现于欧洲大 陆。该技术最早由法国c g e 公司所属的o t v 公司开发。b a f 的最初形式为o t v 公司于2 0 世纪 年代末期开发出的b i o c a r b o n e 工艺，该工艺以密度大于水的膨胀板岩作为生物滤料，水流上进 下出，气水逆向，该工艺主要用于对城市污水有机物的降解和氨氮的去除。从2 0 世纪8 0 年代末期 到9 0 年代初期，曝气生物滤池的研究经历了一个快速发展时期，出现了比较有代表性的b i o s t y r 、 b i o f o r 、b 1 0 p u r 和d l e p b e d 等反应器和工艺形式。 b i o s t y r 工艺是o t v 公司研发的有回流的脱氮工艺，水流下进上出，气水同向。从 b i o c a r b o n e 工艺到b l o 绷工艺的运用是一个逐步发展的过程，该技术的关键是采用了一种特 殊的滤料( 密度为o 8 9 c m 3 左右的有机滤料) 。该技术的研究开发使污水处理技术满足了污水排放水 质标准提高的要求 b i o f o r 工艺是法国的d e g r e m o n t 公司开发的，该工艺结构上与b i o c a r b o n e 工艺类似，生 物滤料同样为密度大于水的材料，水气流向与b i o s t y r 工艺相同，水流下进上出，气水同向，在 滤床内进行b o d 、c o d 、氨氮、s s 的去除。 自世界上首座曝气生物滤池于1 9 8 1 年在法国巴黎的s o i s s o n s 污水处理厂投产以来，曝气生物滤 池工艺已经在欧洲各国得到了广泛应用。美国和加拿大等美洲国家在2 0 世纪年代末引进此工艺， 亚洲的日本、韩国也先后引进了此项技术。特别是在最近几年，曝气生物滤池技术又有了长足的进 步，一些国外著名环保公司都将其做为拳头产品加以应用，如：d e g r e m o n t ( 法国) to t v ( 法国) ， m u l 口( 德国) ，e m i c o ( 美国) ，p u r a c ，k r u g 呱丹麦) 等，其应用区域已经遍及全世界【4 j p j 。在我国，该 项技术的应用也得到了发展，如：大连市利用世界银行贷款为我国引进了第一座曝气生物滤池 ( b i o f o r 形式) ，建设日处理能力为1 2 万m 3 i ) d 马栏河城市污水处理厂嘲；广东南海污水处理厂 采用的是b i o s t y r 工艺；沈阳仙女河污水处理厂采用的是上流式两段曝气生物滤池嘲；辽河油田机 械修造总公司污水处理厂采用了向上流曝气生物滤池工艺同时，在我国工业废水的处理中也应用 了此项技术。此外，从2 0 世纪9 0 年代起，国内曝气生物滤池的中水回用技术及微污染源水的曝气 生物滤池预处理技术开始进入生产性试验研究阶段【7 j 嗍。 2 0 世纪9 0 年代初，我国就已开始对曝气生物滤池工艺进行试验研究和开发，清华大学、北京 环境保护科学研究院、原中冶集团马鞍山钢铁设计研究总院环境工程公司等是我国研究开发该技术 较早的单位，上海市政设计研究院也研究开发了一种称为b i o s m e d i 的曝气生物滤池，并已将曝气 生物滤池成功地应用于多个大、中、小型污水处理工程1 1 i g l 。随着实际工程的应用运行，曝气生物滤 池技术越来越受到我国水处理界各方的关注，曝气生物滤池工艺在水处理事业中发挥着越来越重要 的作用。 1 2 1 2 曝气生物滤池工艺的应用 2 0 世纪9 0 年代以来。有关曝气生物滤池的技术方法、工艺流程不断完善，在滤料的选择、反 冲洗技术的改进以及提高滤速研究等方面取得了一定的进展，并且曝气生物滤池从单一的工艺逐渐 发展成系列综合工艺，使其具有去除s s 、c o d 、b o d 、硝化、脱氮除磷、除去a o x ( 有害物质) 的作用【”。 按滤料分有悬浮滤料曝气生物滤池和沉没滤料曝气生物滤池，按功能分有去碳曝气生物滤池、 硝化曝气生物滤池、反硝化曝气生物滤池、水源水预处理曝气生物滤池和组合曝气生物滤池等。目 前在工程中应用到的曝气生物滤池的形式主要有以下几大类型1 0 1 “】： 2 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) b i o e u m o n e ：结构示意如图1 1 ，污水从滤池t 部流入，下向流流出滤池。在滤池中下部设 曝气管( 般距底部2 5 4 0 c r a 处) 迸行曝气，曝气池上部起生物降解作用，下部主要起截留s s 及瞪落 的生物膜的作用。运行中，因截留了s s 及生物膜的生长，水头损失逐渐增加，达到设计值后，开始反冲 洗。般采用气水联合反冲。底部设有反冲洗气、水装置。b i o c a r b o n e 属早期曝气生物滤池，其缺 点是负荷仍不够高，且大量被截留的s s 集中在滤池上端几十厘米处，此处水头损失占了整个滤池 水头损失的绝大多数，滤池纳污率不高，容易堵塞，运行周期短。 ( 2 ) b i o s t y r ：结构示意如图1 1 由法国o t v 公司开发，是对原有b i o c a r b o n e 的个 改进，其滤科是密度小于水的球形有机颗粒，一般为聚苯乙烯小球。运行时采用上向流，在滤池顶 都设格网或滤板以阻止滤料流出，正常运行时滤料呈压实状态，反冲时采用气水联合反冲，反冲水 采用下向流以冲散被压实的滤料小球，反冲出水从滤池底部流出。b i o s t y r 工艺在欧美应用较为普 遍，而且许多集中在处理厂用地紧张、出水水质要求高的地方。对于已实现有机碳降解、硝化的处 理厂，该工艺可在外加有机碳源的情况下，完成反硝化【l 珥；也可对只进行有机碳降解的二级处理厂 进行升级，达到脱氮的水平。在具备一级强化处理的条件下，该工艺能完全胜任工业废水、市政污 水的二级处理。此外，与化学混凝沉淀结合，还能有效除磷。从功能上讲，在去除废水中b o d 、s s 以及硝化、脱氮等方面，该工艺已经系列化，通过具体工艺形式的改变( 是否设置回流、改变工艺 空气管在滤池内的高度以及曝气量等) ，b i o s t y r 即可单独实现去除s s 和降解b o d 、完成硝化和 反硝化的功能。 出水 图1 - i b i o c a r b o n e 结构示意图图1 - 2 b i o s t y r 结构示意图 ( 3 ) b i o f o r ：结构示意如图1 - 3 ，由啪o r t t 公司开发，是目前应用最广泛的种形式。底部为 气水棍合室。上部为长柄滤头、曝气管、垫层和滤料层。所用滤料密度大于水，自然堆积。b i o f o r 运行 时叫l 殳采用上向流，污水从底部进入气水混合室，经长柄滤头配水后通过垫层进入滤料。反冲洗时，气、 水同时进入气水混合室，经长柄滤头配水、气后进入滤 料，反冲洗出水回流至初沉池，与原污水合并处理。 b i o f o r 采用上向流( 气水同向) 的主要原因有：同向 流可促使布气、布水均匀；若采用下向流，则截留的s s 主要集中在滤料e 部，运行时间长，滤池内会出现负 水头现象，进而引起沟流，采用上向流可避免这一点： 采用上向流，截留在底部的s s 可在气泡的e 升过程中被 图1 - 3b i o f o r 结构示意图带入滤池中上部，提高滤料层的纳污率，延长反冲洗周期。 ( 4 ) b i o p u r ：由瑞士研发的种新型曝气生物滤池，其构造与b i o f o r 基本相同。其滤料采用规 整波纹扳和颗粒载体，并可根据污水类型和进、出水指标结合不同的滤料类型组合成不同的工艺。b 1 0 p u r 工艺可以处理城市污水和工业废水，也可以用于废水的深度处理( 硝化、脱氦、除磷) 。 目前已开发出的b a f 反应器的主要工艺参数如表1 1 所示。 3 第一章绪论 以辽河油田机械修造总厂生活污水和厂区部分工业废水的处理工程为例1 2 j ，介绍曝气生物滤池 除碳工艺的具体工艺流程。见图1 - 4 。 该工程的处理规模为1 5 0 0 m 3 d ，其中生活污水9 0 0 m 3 d ，工业废水6 0 0 m 3 d 。废水中主要污染物 为c o d ，b o d 5 、s s 及石油类，根据盘锦市环境检测站对该公司的综合污水连续取样分析，其设计 进水水质如下：c o d = 3 0 0 5 0 0 m g l ，b o d y = 1 5 0 2 5 0 m g l 。s s - - 7 0 2 0 0 m g l ，石油为6 0 8 0 m 叽， p h 值为7 5 8 2 。按照当地环保部门要求，污水处理的出水执行辽宁省污水与废气排放标准 ( d b 2 1 - 6 0 - 8 9 ) 二级标准，即c o d 1 0 0 m g l ，b o d s o m g l ，s s 1 5 m g l ，油类 3 0 9堆积孔隙率 4 2 表2 2 构筑物和主要设备一览表 序号 名称规格与型号备注 l进水籍巾0 9 6 x l 2 ( m ) 2 1 3 试验水质 一级b a f 二级b p 清水池 空压机 自吸泵 玻璃转子流量计 玻璃转子流量计 溶解氧仪 由0 1 5 3 0 ( m ) 巾0 1 5 2 5 ( m ) 0 3 0 3 0 4 5 ( m ) o = o 0 2 5 而僦n ，n = 0 3 2 k w p i l j 2 5 0 b ，( p 3 2 l h ，n = 2 5 0 w l z 2 0 。流量范围2 5 2 5 0l i l z b - i o 流量范圉0 1 1 皿，h 便携式溶氧测试仪o x i 3 3 0 i 转速7 0 0 r m i n 转速2 8 0 0 r 加i n 水流量计 气流量计 试验中以人工合成的模拟生活污水作为处理对象，模拟生活污水中以葡萄糖为主要碳源，以碳 酸氢铵为氮源。由于微生物生长需要不同的微量元素，所以配水时投加了适量的铁，镁、钙和其它 微量元素，以保证反应器的挂膜和正常运行在本试验中，由于在模拟生活污水中加入了n a h c o , 来调节p h 值，所以p h 值保持在6 5 7 5 之间，对反应器并无不良影响模拟生活污水水质情况见 表2 3 ，各药品用量见表2 4 。 表2 3 试验水质 2b o t k ( m g l ) 1 1 5 3 2 56p h 3氨氮( 妪几) 1 8 5 07碱度( c a c o 日g l ) 6 2 7 。5 1 6 0 2 5 0 4 t n ( m g l l ) 2 0 5 5 表2 4 模拟生活污水所含成分 单位：m g l r 飞萄糖 1 9 0 5 4 05磷酸二氢钾 2 5 2淀粉42506无水氯化钙 6 0 3 碳酸氢铵 1 1 5 2 6 0 7 硫酸亚铁( f e s o , 7 h ，o ) 1 0 4碳酸氢钠2 0 0 2 8 0 8 硫酸美( m g s 0 7 1 1 2 0 ) 5 0 1 4 2 3 4 5 6 7 b 9 东南大学硕士学位论文 2 1 4 分析监测项目和方法 表2 5 分析监测项目与方法嗍 2 2 试验研究目标和内容 2 。2 。1 研究目标 本课题研究曝气生物滤池处理生活污水的工艺特性，重点探讨曝气生物滤池沿程污染物降解规 律，并对曝气生物滤池工艺的设计参数、运行参数提出合理建议 2 2 2 研究内容 ( 1 ) 考察不同的水力负荷、有机负荷、氮氯负荷对污染物去除效果的影响； ( 2 ) 曝气生物滤池沿程污染物降解规律的研究； ( 3 ) 曝气生物滤池沿程污染物降解动力学模型的研究。 1 5 第三章曝气生物滤池工艺特性试验研究 第三章曝气生物滤池工艺特性试验研究 3 1 系统挂膜启动 3 1 2 挂膜方法 与其他生物膜法处理技术一样，曝气生物滤池的启动也需要同步进行微生物在反应器内的富集 过程和在滤料表面的附着增殖过程：即滤料表面稳态生长的生物膜的形成过程，也称为“挂膜”i d j 。 曝气