（环境科学专业论文）自充氧多层生物接触氧化工艺研究.pdf

大连交通大学丁学硕士学位论文 a b s t r a c t a m o n gm a n yr e s e a r c ho fs e w a g et r e a t m e n tp r o c e s s 谢t 1 1l o w e rc o s t ，t h ed r o pa e r a t i o ni s d r a w i n gd u et oi t ss i m p l ed e v i c e sa n dl o w e rt r e a t m e n tc o s t t h es e l f - a e r a t e dm u l t i l a y e r b i o c o n t a c to x i d a t i o np r o c e s st e s t e dh e r e i ni su s e dt ot r e a tm i d 1 0 wc o n c e n t r a t i o ns e w a g e b y t h ed r o pa e r a t i o no x y g e n a t i o nc o m b a t i n g 谢t l lb i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o n ，e f f l u e n tr e c y c l i n g b u i l d u pt oi n c r e a s ed i s s o l v e do x y g e nc o n t e n ta n dm a k ed r o pa e r a t i o ni na p p l i c a t i o no fm o r e w a t e rq u a l i t y t h et e s to ns e l f - o x i d a t i o nc o n t a c tf i l t e ri n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e dt os i m u l a t e s e w a g et r e a t m e n ta n dt h em a i nc o n t e n t so fr e s e a r c h ：t od i s c u s st h ei n f l u e n c e s0 nt h et r e a t m e n t e f f e c tb yc o m p a r i n g 、i t ht h et w ow a t e rd i s t r i b u t i n gd e v i c e s ；t od i s c u s st h ei n f l u e n c e0 1 1t h e t r e a t m e n te f f e c tu n d e ri n t e r m i t t e n ta n dc o n t i n u o u so p e r a t i o ns e p a r a t e l y ；t od e t e r m i n ew h i c h f i l l e ri sc o n d i t i o n e di na p p l i c a t i o no fd r o pa e r a t i o np r o c e s s ，c o m b i n e df i l l e ra n de l a s t i cs o l i d f i l l e r ；t od e t e r m i n et h er e c y c l i n gf l o w si n f l u e n c e so nt h et r e a t m e n te f f e c t b a s e do nt h ea b o v e ， t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： f i l m sg r o ws l o w l yi nf i l t e ri nn a t u r a lm e t h o da tt h eb e g i n n i n go fb i o f i l mc u l t u r i n g ，a n d s l u d g ed e p o s i ti sn o te a s ys oi tc a nb ea p p l i e di nt h ep r o c e s so fd r o pa e r a t i o n ；i n c r e a s i n gt h e n u m b e r so fh o l e so nw a t e rd i s t r i b u t i n gd e v i c e sw i l li m p r o v et h ed i s t r i b u t i n gu n i f o r m i t ya n d d i s s o l v e do x i d a t i o ne f f e c t ：t h er e c y c l i n gf l o wi n c r e a s ew i l lb e n e f i td i s s o l v e d o x i d a t i o n i n c r e a s et oi m p r o v et h et r e a t m e n te f f e c t b u ti tw i l lh a v ea nd i f f e r e n tt r e a t m e n te f f e c to nc o d ， n h 3 - ni nc o n t i n u eo p e r a t i o n i tw i l ln o ti m p r o v et h et r e a t m e n te f f e c to nc o dg r e a t l yw h e n r e c y c l i n gf l o wi sa t3 0 0 l ho rg r e a t e r ，b u ti tc a ng r e a t l yi m p r o v et h et r e a t m e n to nn h 3 一n ；t h e t r e a t m e n te f f e c ti nc o n t i n u eo p e r a t i o ni sb e t t e rt h a nt h a ti ni n t e r m i t t e n to p e r a t i o n t h ef l i e ri s f i l l e dw i t hc o m b i n e df i l l e r st e s t e da n do p e r a t e sc o n t i n u a l l y ，w i t hr e c y c l i n gf l o wa t4 0 0 l l la n d h i 己t8 h t h ec o n c e n t r a t i o no fc o da n dn h 3 - ni ne f f l u e n tm e e tt h ed i s c h a r g es t a n d a r d ，b u t t h ec o n c e n t r a t i o no fn h 3 - ni sh i g h e ri ni n t e r m i t t e n to p e r a t i o n ；t h ef i l l e r st ob es e l e c t e di n a p p l i c a t i o ni nt h ed r o pa e r a t i o np r o c e s sn e e dt oh a v el a r g e rs p e c i f i cs u r f a c ea r e a t h em o s t i m p o r t a n ti st oh a v eb i o f i l m sd i s t r i b u t e di nf i l t e ru n i f o r m l y t h i sw i l lb e n e f i tt h em a s st r a n s f e r p r o c e s so fo x y g e n ，p o l l u t a n t sa n db i o f i l m s k e yw o r d s ：c o n t a c to x i d a t i o n ，s e w a g e , d r o pa e r a t i o n ，s e l f - a e r a t i o n l i 绪论 绪论 近几十年来，随着全球生产规模的急剧扩大和人口的迅速增加，人类从自然界获取 的资源远远超过了自然界的再生能力，同时排入环境的废弃物也超过了环境容量，出现 了全球性的资源耗竭和严重的环境污染与破坏问题。水是人类生存和发展不可替代的资 源，是经济和社会可持续发展的基础，已成为世界关注的战略问题之一。联合国预计， 到2 0 2 5 年，全世界淡水需求量将增加4 0 ，并警告到2 0 2 5 年世界将有近一半人口生活 在缺水地区。因此，水危机正严重制约人类的可持续发展。 我国水资源总量2 8 万亿m 3 ，居世界第4 位，占世界水资源总量的7 。但我国人 均水资源量仅2 3 0 0 m 3 ，只有世界平均水平的l 4 ，属于水资源紧缺的国家。随着我国经 济的迅速发展，人口的增加，人民生活水平的逐步提高，工业化和城市化步伐的加快， 用水量急剧增加，污水排放量也相应增加，加剧了淡水资源的短缺和水环境的污染。 我国本来就是一个缺水国家，全国6 0 0 多个城市目前大约有一半的城市缺水，而水污染 使缺水环境形势显得更为严峻。据国家环保总局统计，2 0 0 6 年全国污水排放总量为5 3 7 亿吨，化学需氧量排放量为1 4 2 8 2 万吨，主要污染物排放总量明显超过环境容量，水环 境恶化趋势十分严峻。2 0 0 6 年在国家环境监测网( 简称国控网) 实际监测的7 4 5 个地 表水监测断面中有2 8 为劣v 类水质。主要污染指标为高锰酸盐指数、氨氮和石油类等， 基本丧失了使用功能。重点流域4 0 以上的断面水质没有达到治理规划的要求i l j 。流经 城市的河段普遍受到污染，已经丧失了直接使用功能，造成一些地区严重的水质性缺水， 使水资源短缺的矛盾日益加剧。 我国有1 3 亿人口，是世界上人口最多的国家。众多的人口也给水资源环境带来了很 大压力。我国生活污水排放量及主要污染物排放量均高于工业污水，所以提高生活污水 处理率可大大缓解我国水体环境的污染，而现阶段提高生活污水处理率的重点地区应为 小城镇及农村。另外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 。特别是小城镇建设的污水处理厂必须经济、高效、节能和简便易 行，不能照抄照搬现有城市污水处理厂的工艺设计，因地制宜和经济适用非常重要，不 宜追求过大过全。经济即减少总投资；高效即出水在去除有机污染物质同时还能部分地 脱氮除磷，防止水体的富营养化；节能即尽量采用经济节能型设备和减少处理设施的数 量，从而减少运行费用，以克服我国许多城市建得起污水厂，但运行不起的弊端；简便 即对操作运行人员的水平要求不高，以适应小城镇污水处理厂运行人员的特点，同时减 少运行人员的数量，这也在一定程度上减少了运行费用。因此，开展经济有效的污水处 大连交通大学工学硕士学位论文 理新工艺、新设备的研究与开发，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。 2 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 生活污水低成本运行工艺研究进展 适宜小城镇、农村等分散生活污水的处理工艺要求建设及运行成本底，管理方便， 近年来已有很多研究，主要集中在以下几个方面。 ( 1 ) 应用厌氧生物法处理生活污水 图1 1 生活污水净化沼气池 f i g 1 1 d o m e s t i cs e w a g ep u r i f i c a t i o nb i o g a st a n k l j 球 厌氧生物法处理生活污水其实应用已久，其最初形式就是化粪池，由于其处理效率 低而一直没有在生活污水处理中得到广泛应用。但随着近年来对污水处理低成本运行的 要求而得到了广泛研究。在早期有些城市在传统化粪池的基础上研制开发出地埋式无动 力生活污水处理装置，作为生活污水处理的一种替代方法，其工艺的改进仅仅是延长污 水在池内的停留时间【2 1 。生活污水净化沼气池是在化粪池和沼气池的基础上发展起来的， 解决了化粪池处理效果差、沉积污泥多、沼气池沼气回收率低的弊端。江苏省在如皋、 靖江等地进行试点并推广生活污水净化沼气池获得了一定成效i j j 。 ( 2 ) 厌氧与好氧结合的生物法处理工艺 虽然厌氧处理工艺运行成本低，但其出水水质较差，尤其是氨氮去除率一般都较低。 而好氧生物法对氨氮的去除有一定优势，所以也有很多研究利用厌氧与好氧工艺各自的 优点，采用厌氧与好氧相结合的工艺处理生活污水。王松林等利用由二级厌氧、微曝气 低耗氧工艺构成的低动力处理系统处理生活污水，取得了两级厌氧处理后的有机物去除 率大于7 0 ，出水达到国家污水综合排放标准，吨水电耗费用仅为o 1 5 元的处理结果， 并发现后续好氧处理在前二级厌氧处理高效去除有机物的基础上，主要对n h 3 - n 进行 了降解，才使各项水质指标完全达到排放要求【4 】。王宗华利用厌氧、好氧生物反应器对 大连交通大学工学硕士学位论文 校园生活污水进行处理，在厌氧区与好氧区体积比为5 ：l ，水力停留时间( h r t ) 为6 h 的 条件下，出水c o d c ，去除率达到9 1 3 ，浊度去除率达到9 4 6 t 5 1 。 ( 3 ) 脉冲曝气 在小城镇污水处理中，处理后出水可以进行农业灌溉，此时的排放对氨氮要求适当 放宽，出水水质执行农田灌溉水质排入标准，因此不需要经太长的曝气时间，就能达到 各项预计指标，此时就突出脉冲曝气工艺的节能优越性。孙铁军以折流板厌氧、好氧一 体化反应器为研究对象，探讨脉冲曝气工艺对比连续曝气工艺的优越性，并寻求该工艺 的适宜脉冲曝气时间，实现稳定运行并节能的目的。在选定的适宜脉冲曝气条件下出水 水质优于国家农灌水水质标准整体能耗降低2 0 1 6 1 。 ( 4 ) 人工湿地 湿地床净水拘 小坶生悫塘 刍 图1 2 荣成人工湿地污水处理系统处理流程 f i g 1 2s c h e ma t i cd i a g r a mo fr o n gc h e n gc o n s t r u c t e dw e tl a n ds y s t e m 人工湿地具有净化效率高，工艺设备简单，运转维护管理方便，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等特剧刀。人工湿地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，特别适合小城市生活污水处理1 8 j 。湿地 处理系统是将污水投放到土壤经常处于水饱和状态而且生长有芦苇、香蒲等耐水植物的 沼泽地上，污水沿一定方向流动，在流动的过程中，在耐水植物和土壤联合作用下，污 水得到净化的一种土地处理系统。荣成污水处理厂采用芦苇湿地处理，对其1 9 9 9 2 0 0 4 年的监测数据表明s s 、c o d 和b o d 的去除效果较好【9 】。 ( 5 ) 跌水曝气 跌水曝气是利用提升泵的剩余扬程，使污水从高处多级跌落而自然复氧，以满足好氧 生物反应器对溶解氧的需求，采用这种充氧方式可降低能耗和运行费用。 邓荣森等就重庆市某污水工程项目设计实例展开分析，结合国内外跌水曝气系统在 实际工程上的运用，探讨在目前国情下，引入跌水曝气系统的可行性，并从环境保护和 污水处理厂修建投资的经济性两个方面介绍跌水曝气系统特点，以及在氧化沟和其他污 水处理工艺上的运用等，最后得出，跌水曝气系统可以作为一种独立的曝气方式设计使 4 第一章文献综述 用，是适合中国中小型城镇水环境控制的污水处理改进技术：采用跌水曝气系统，可以使 污水处理厂的运行费用得到降低，减少运行成本；可以很好的适应丘陵山区的地形特点， 进行因地制宣的设计，减少工程造价和人为对环境的破坏【1 0 】。 图1 3 跌水曝气接触氧化工艺示意图 f i g 1 3d r o pa e r a t i o nc o n t a c to x i d a t i o np r o c e s s 姜湘山利用跌水曝气改进型填料( 滤料) 排水系统处理屠宰废水，均取得了良好的效 果【l l 】。吴磊等采用厌氧跌水充氧接触氧化人工湿地组合工艺进行了工程规模的试验研 究【1 2 】，吉祝美等也利用跌水曝气接触氧化在低温条件下对厌氧处理后的出水进行处理。 其在实验中测定各生物反应池不同深度的溶解氧浓度，均能保持在4 5 m g l 以上，足以 满足微生物对溶解氧的要求，说明采用跌水曝气的充氧方式是可行的，大气的复氧作用 不可忽视【1 3 】。詹旭等应用五级跌水充氧生物接触氧化法对农村污水进行了小试试验，仅 取得初步效果。当进水流量为2 5 0 l h ，单级h r t 为4 h 时，对c o d c r 、氨氮、总氮、 总磷的去除率分别为2 6 5 8 、4 9 5 、8 8 7 、6 6 4 ，在水流量为5 0 0 l h 的去除效果 为2 3 6 1 、3 4 1 、5 3 5 、5 0 5 1 1 4 1 。肖唐俊等采用跌水曝气生物膜法进行生活污水 处理试验研究。试验结果表明：水力停留时间为3 6 h 时，进水c o d c r 、氨氮、浑浊度 分别在1 0 3 1 6 2 m g l 、7 8 1 11 6 5 7 m g l 、3 6 6 6 n t u 范围变化时，相应平均去除率分别 为6 4 7 9 、1 4 2 、8 4 8 1 系统出水d o 平均为3 9 m g l 【i 川。 1 2 生物膜法 生活污水处理工艺的主体部分是生物处理，就是利用微生物分解氧化有机物的这一 功能，并采取一定的人工措施，创造有利于微生物的生长、繁殖的环境，使微生物大量 增殖，以提高其分解氧化有机物效率的一种污水处理方法。生物处理法分为好氧和厌氧 两大类。好氧生物处理的前提是必须要在有氧的情况下进行，而厌氧生物处理则须保证 5 大连交通大学t 学硕十学位论文 无氧环境。由于好氧生物处理效率高，使用比较广泛，多用于处理中等浓度以下的生活 污水和工业废水；厌氧处理对象主要是中、高浓度有机废水和污水处理中所产生的污泥。 按照污水好氧生物处理反应器中微生物的生长状态，好氧生物处理还可划分为悬浮 生长工艺和附着生长工艺，前者以活性污泥为代表，包括氧化沟、s b r 等变形工艺，微 生物在曝气池内以呈悬浮状态的活性污泥的形式存在；而后者则以生物膜法为代表，包 括生物滤池、接触氧化、生物转盘等微生物以膜状固着在某种载体的表面上。 从生活污水处理工程的技术经济方面考虑，好氧生物处理的活性污泥及其变形法适 用于城市生活污水的集中处理，在大中城市的污水处理厂应用较多，而生物膜工艺由于 其设备简单管理方便多在小规模分散处理工程中使用。 1 2 1 生物膜工艺原理 在生物膜净化污水工程中，关键是要培养好氧生物膜。生物膜是由细菌、真菌、原 生动物、后生动物以及一些肉眼可见的蠕虫、昆虫的幼虫等组成。微生物细胞几乎能在 水环境中的任何适宜的载体表面牢固的附着，并在其上生长繁殖，由细胞内向细胞外伸 展的胞外多聚物使微生物细胞形成纤维状的结构，便被称之为生物膜。生物膜通常具有 孔状结构，并具有很强的吸附能力。 生物膜附着在载体的表面，是高度亲水的物质，在污水不断流动的条件下，在其外 侧总是存在着一层附着水层。生物膜又是微生物高度密集的物质，在膜的表面上和定 深度的内部生长繁殖大量的各种类型的微生物和微型动物，并形成有机污染物细菌 原生动物( 后生动物) 的食物链。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、溶解氧及各种必须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 ，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，其内层微生物因得不到充分的营养而进入内源代谢， 6 第一章文献综述 这些代谢产物向外逸出时，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逸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，失去其粘附在载体上的性能，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。生物膜净化作用见图1 4 和生物膜的结构见图1 5 1 1 6 1 图i 4 生物膜净化流程图 f i g 1 4d e p u r a t i v ep r o c e s so fb i o f i l m 图1 5 生物膜结构 f i g 1 5c o n f i g u r a t i o no fb i o l o g i c a lf i l m 1 2 2 生物膜工艺特征 ( 1 ) 微生物相方面的特征 1 ) 参与净化反应的微生物的多样化生物膜法的各种处理工艺，都具有适宜于 微生物生长栖息、繁殖的稳定环境。生物膜一般都是固着在滤料、载体或填料上的，其 污泥龄较长，因此在生物膜上可以生长世代时间较长的微生物，如硝化菌等。在生物膜 上还可能大量出现丝状菌，而且不会产生污泥膨胀。线虫类、轮虫类、寡毛类等微型动 7 上一 大连交通大学t 学硕士学位论文 物出现的频率较高。 2 ) 微生物量多，处理能力大，净化功能显著提高由于微生物附着生长并使生物 膜具有较低的含水率，单位反应器内的生物量可高达活性污泥法的5 2 0 倍，因而生物 膜反应器具有较高的处理能力。 3 ) 在每层( 段) 都自然形成自己独特的优势微生物生物膜法都分段处理，在 每段都生长繁育与进入本段污水水质相适应的微生物，并自然地成为优势菌种，这种现 象对有机污染物的降解是非常有利的。 4 ) 生物的食物链长在生物膜上生长繁育的生物中，动物性营养者所占比例较 大，微型动物的存活率也较高，在生物膜上能够生息高层次营养水平的生物，在生物膜 上形成的生物链要长于活性污泥法，产生的生物污泥量也少于活性污泥法。 ( 2 ) 处理工艺方面的特征 1 ) 对水量、水质变动有较强的适应性生物膜法中的各种工艺，对流入水水质、水 量的变动都具有较强的适应性，这以被多数运行的处理工程所证实，即使中间停止一段 时间进水，对生物膜的净化功能也不会带来明显的障碍，系统能够很快地得到恢复。在 低水温条件下也能保持一定的净化功能。由于生物膜生物相的多样性，在低水温条件下， 生物膜仍能够保持较为良好的净化功能，温度变化对它的影响较小。 2 ) 易于固液分离从生物膜脱落下来的生物污泥，所含动物成分较多，密度较大， 易于固液分离，即使大量增殖丝状菌，也没有产生污泥膨胀之虑。 3 ) 能够处理低浓度污水活性污泥法处理系统，如进水b o d 在5 0 - - 6 0 m g l 以下， 絮体由于营养物质不足而形成恶化，处理水水质低下；但是，生物膜法处理系统对有机 物浓度低的污水，也能够取得较好的处理效果，可使进水b o d 为2 0 m g l 的污水降至出 水b o d 为5 1 0 m g l 。 4 ) 动力费用低生物滤池法中的生物滤池、生物转盘等工艺，都是节省能源的，其 动力费用都较低，使去除单位重量的b o d 的耗电量较少。 5 ) 生物膜反应其具有较高的生物量，不需要污泥回流，易于运行管理，无污泥膨胀 问题【1 7 1 。 1 2 3 生物膜工艺影响因素 1 ) 营养平衡 微生物是废水生物处理的主要承担者，微生物良好的新陈代谢需要均衡的营养作保 障。废水中微生物的基本元素是c 、n 、p ，由于微生物氧化分解的物质不同造成其增殖 速度也不同，所需要的营养元素量与污水的成分也有关系。一般而言，污水的b o d 5 ：n ：p 8 第一章文献综述 的比值为1 0 0 ：5 ：1 ，营养比较均衡适宜【1 8 , 1 9 。当废水中的氮、磷不能满足微生物生长的需 要时，需向反应器内投加氮和磷等营养物质。补充氮源，可以投加尿素和硫酸铵等；补 充磷源，可以投加过磷酸钙和磷酸。 2 ) 有机负荷 负荷是描述进水量或进水底物浓度的参数，是生物膜工艺处理效率的重要指标。负 荷率与水力停留时间和进水有机物浓度密切相关。对于一定的进水底物浓度而言，负荷 率越低，则停留时间越长，从而反应器出水的有机物浓度就越低；反之则越高，即有机 物的去除率下降1 2 0 1 。 水力停留时间( h r t ) 是指待处理的污水在反应器内的平均停留时间，即污水与反应 器内微生物的平均反应、作用时间。对一定的反应器容积和进水浓度，延长水力停留时 间，则出水浓度降低，污染物去除率提高。但在实际的应用中，水力停留时间不可能无 限制的延长，因此水力停留时间是一个很重要的参数。根据m o n o d 公式，缩短h r t ， 则负荷增大，基质浓度提高，微生物的比生长速率提高，挂膜时间缩短，h e i j n e n 等人 的试验结果也与这一结论相符【2 l 】。但h r t 也不能过于缩短，挂膜需要一个相对稳定的 环境和一定的时间。 3 ) 温度 微生物的生理活动与周围的温度有着密切的关系。温度适宜，能够促进、强化微生 物的生理活动，温度不适宜，能够减弱甚至破坏微生物的生理活动，还可能导致微生物 的形态和生理特性的改变，甚至可能使微生物死亡。一般来讲，生物处理的最佳温度范 围为2 0 3 0 c ，此时生物酶的催化能力最强，微生物的生理活动旺盛。温度高有利于传 质，但不利于氧的溶解。当水温低于1 3 。c 时，生物处理效果开始加速下降，当水温低于 4 时，几乎没有处理效果。一般将温度的最高和最低的极限值控制在3 5 和1 0 。以 硝化反应为例，当温度在5 3 5 之间由低至高逐渐变化时，随着温度的升高硝化反应的 速率加快；而当温度低于5 。c 时，硝化反应几乎停止【2 2 2 3 1 。可见，温度对生化反应的影 响相当明显。 4 ) p h 值 环境中的p h 值对微生物的生理活动影响很大，主要作用在于：影响代谢过程中酶 的活性；引起细胞膜电荷的变化，从而影响了微生物对营养物质的吸收；改变生长环境 中营养物质的可给性以及有害物质的毒性。每种微生物都有其最适p h 值和一定的p h 范围。大多数细菌、藻类和原生动物的最适p h 值范围为6 5 7 5 ，当p h 值在4 l o 之间 也可以生长；放线菌一般在微碱性即p h 值在7 5 8 之间最适合；酵母菌、霉菌则适合 9 大连交通大学工学硕士学位论文 于p h 值范围为5 “的酸性环境，但生存范围在p h 值为1 5 1 0 之间。有些细菌甚至可 在强酸性或强碱性环境中生活。 5 ) 溶解氧( d o ) 生物接触氧化法是一种好氧生物膜法，反应器内的微生物以好氧微生物为主，有机 污染物的氧化降解也是好氧反应，因此在反应器内必须保证一定的溶解氧浓度。一般生 物接触氧化反应器内的溶解氧浓度应该大于2 m g l e 2 4 1 。溶解氧过低，会改变系统的生态 环境，诱发丝状菌的大量繁殖【2 5 】；溶解氧过高，增加能耗，经济上不适宜。 6 ) 有毒有害物质 大多数的外源性化学物质都对微生物的生理活动产生影响甚至毒害作用，进而影响 废水的处理效果。有毒物质对微生物的毒害作用主要表现在使微生物细胞的正常结构遭 到破坏以及体内的酶变性并失去活性。污水生物处理中常见的有毒有害物质有：a 重金 属离子，如铅、镉、铬、砷等；b 有机物，如苯、酚、甲基橙等；c 无机物，如硫化物、 氰化物等【。 7 ) 水力条件及曝气强度 对生物膜法而言，反应器内的污水要有一定的紊动程度，这样微生物、氧气、污水 才能更好地进行三相传质【2 6 1 。在微生物载体的结合体所能承受的水流紊动程度范围内， 随着紊动程度的增加生物膜的厚度随之增加。要想产生较大的紊流，有两种方法，加大 进水流速和曝气强度。水流速度加快将会增强水力剪切力，而水力剪切力的强弱与生物 膜反应器的挂膜启动时间及挂膜后生物膜中微生物的数量有关【2 7 1 。因此，如何选择和控 制好水力条件是生物膜法处理工艺的一个重要问题。 8 ) 生物膜的活性 生物接触氧化工艺中有机污染物的去除是靠微生物氧化降解来完成的，因此反应器 内生物膜的活性对废水处理效果起到关键的作用。生物膜的活性就是其对有机物氧化分 解的能力，是生物膜中所有微生物共同作用的总和。微生物的活性高，去除有机物的速 率快。温度、p h 值、溶解氧、有毒有害物质等环境因素对生物膜活性都有一定的影响。 1 2 4 生物膜工艺形式 ( 1 ) 滴滤池 生物滤池是以土壤自净原理为依据，在污水灌溉的实践基础上，经较原始的间歇砂 滤池和接触滤池而发展起来的人工生物处理技术。 1 0 第一章文献综述 18 9 3 年在英国试行将污水在粗滤料上喷洒进行净化的试验，取得成功。19 0 0 年以 后，这种工艺得到公认，命名微生物过滤法，处理构筑物则称为生物滤池，开始用于污 水处理实践，并迅速地在欧洲一些国家得到应用。 污水长时间以滴状喷洒在块状滤料层的表面上，在污水流经的表面上就会形成生物 膜，待生物膜成熟后，栖息在生物膜上的微生物即摄取流经污水中的有机物作为营养， 从而使污水得到净化。 滴滤池在中国虽也称生物滤池，但两者实际上是有区别的。滴滤池用的是粗填料， 常见的是7 5 - 1 2 5 m m 的碎石，碎石之间有很大的空隙，当废水洒布在填料上的时候，废 水从填料上的生物膜上滴流而下，当池外空气温度高于池内空气温度时，空气则自下而 上流过空隙，反之则空气自上而下流过空隙，以保持生物需氧化状态【1 7 1 。生物滴滤池生 物膜结构示意图见图1 5 。 生物滤池根据其负荷与结构形式包括普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤 池。滴滤池作为一个最具典型的生物膜方法，不但在废水处理中广泛应用，而且还应用 到挥发性有机废气的处理中【2 8 3 0 】。 ( 2 ) 生物转盘1 9 6 4 年联邦德国斯图加特工业大学勃别尔和哈特曼教授发表了题为 生物转盘的设计、计算与性能的科研报告，从而奠定了生物转盘发展的基础，现己 得到广泛应用。我国从7 0 年代初开始引进生物转盘技术，对其展开了广泛的科学研究， 不仅在生活污水和城市废水方面得到了应用，而且在化纤、石化、印染、制革、造纸、 煤气发生站等行业的工业废水处理领域也得到了应用，并取得了良好的效果【3 1 3 3 1 。 流 乞 t 、：o 孑茏f， 1 - 、l l 、 她鼍 a 专畏 p 瀛 。冀以 h 0 2 断面 图1 6 生物转盘净化反应过程与物质传递示意图 f i g 1 6r b cp u r i f i c a t i o np r o c e s sa n ds u b s t a n c e 仃a i l s f e rs c h e m a t i cd i a g r a m 物膜 物腹 屡 大连交通大学t 学硕士学位论文 生物转盘是由盘片、接触反应槽、转轴及驱动装置所组成，盘片串联成组，中心贯 以转轴，转轴的两端安设在半圆形接触反应槽的支座上。转盘上附着生长生物膜，盘片 有4 0 - 5 0 浸没在槽内的污水中，由电机、变速器和传动装置驱动转盘以较低的线速度 在槽内转动，并交替地和空气与污水相接触。转盘转动离开污水与空气接触，生物膜上 的固着水层从空气中吸收氧，固着水层中的氧是过饱和的，并将其传递到生物膜和污水 中，使槽内污水的溶解氧含量达到一定的浓度。在转盘上附着的生物膜与污水以及空气 之间，除有机物( c o d 、b o d ) 与0 2 外，还进行着其他物质，如c 0 2 、n h 3 等的传递。 生物转盘结构示意图见图1 6 。 生物转盘的工艺特征主要有，微生物浓度高、生物链长、可耐冲击负荷；不曝气、 污泥不回流，因此动力消耗低这是本法最突出的特征之一，每去除1 k g b o d 的耗电量约 为o 7 k w h ；污泥产量少，约为活性污泥处理系统的1 2 左右，且污泥易于沉淀。正常运 转的生物转盘不产生滤池蝇和泡沫，且噪音低。 ( 3 ) 接触氧化 接触氧化法概念最早于1 9 世纪末由w a x i n g 等人提出。1 9 1 2 年，c l o s s 在德国取得 了专利登记1 3 4 j ，限于当时的技术水平，没有适当的填料，使其未能得到广泛应用。以后 许多国家的专家对该技术进行了试验研究，直至2 0 世纪7 0 年代初，由于合成塑料工业 的发展，日本的小岛贞男设计了蜂窝式填料，才使生物接触氧化法有了新的发展，使该 技术得到了较为广泛的研究与应用。 空气一 原水_ i 一 一 。l b 芒 t 。 互 填料床 泄 v v 。扩v v v 气f 曝气装置 图1 7 典型生物接触氧化法模拟装置示意图 f i g 1 7s i m u l a t e de x p e r i m e n t a ls e t - u po ft y p i c a lc o n t a c to x i d a t i o np r o c e s s 1 2 第一章文献综述 我国是在1 9 7 5 年山北京市环保研究所、北京： 业人学等单伉= j | = 始彦种处理方法试 验研究的。郑元景等人将第一座生物接触氧化工艺试验r 土接置川于处理城市污水，在处 理效果、动力消耗、经济效益和管理维护等方面都明显优丁活陛污泥法。随后l 余勺。的 人量实践，到氧化池结构、填料的品种和安装方式、供气装胃的种类和布置形式等方面 不断优化。尤其是近年来随着台戚塑料工业的发展，新型埂料乖断问世，克假了传统填 料易堵塞、向水巾。l 不均匀的缺点，使得生物接触氧化技术存我幽得到了广泛的应用。 日f | ，生物接触氧化l 艺除生活污水和城市污水外，还在石油化工、农药、印染、纺织、 造纸等工业废水处理方面墩得，良好的处理效果。因此，生物接触氧化工艺深受污水处 理工程领域人们的重视，是种经济实用的废水处 # 方法。 生物接触氧化法也叫淹没式生物滤池法是在池内设有人工曝气装置，提供微生物所 需要的氧，起到搅拌与混合作用，污水流经池内填料与生物膜接触，在微生物新陈代谢 作用下使污染物上除。图17 为接触瓴化t 艺不意图。生物接触氧化是一种介于活性污 泥法，生物滤池两者之间的生物处理技术，兼具两者优点。托牛活污水处理方面，刘忠 伟应用两段接触氧化法处理生活污水，两段停留时叫均为l 时c o d 、b o d 、s s 的平均 上除苹分别达到9 45 、9 32 、9 17 。除在废水处理中应用外，天津大学季民采用生 物接触氧化法埘引滦水进行川象藻试验”，和华南理工大学黄瑞敏采用生物接触氧化法 肘殊汀微污染源水进行脱氢除氨中试研究p “。接触氧化工艺h 时也足在分散式e 活污水 处理艺巾应用最多的。土建龙等刈北京市分散式污水再生利用设旌的涧查中，近2 3 的处理设施聚用该工艺m 。 125 生物膜法的新工艺形式 人们不断地对传统的生物膜法进行优化，衍生出多种新型反应器。 曝7l 生物滤池 斟l8 b a f 结构| 萼i f i g l8b a fp r o c e s s 大连交通大学t 学硕士学位论文 曝气生物滤池( b i o l o g i c a l a e r a t e d f i l l e r ) 简称b a f ，是2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代 初在普通生物滤池基础上，并借鉴给水滤池工艺而开发的污水处理新工艺，最初用于污 水的三级处理，后发展成直接用于二级处理。曝气生物滤池是普通生物滤池的一种变形 形式，也可看成是生物接触氧化法的一种特殊形式，即在生物反应器内装填高比表面积 的颗粒填料，以提供微生物膜生长的载体，并根据污水流向不同分为下向流或上向流， 污水由上向下或由下向上流过滤料层，在滤料层下部鼓风曝气，使空气和污水逆向或同 向接触，使污水中的有机物与填料表面生物膜通过生化反应得到稳定，填料同时起到物 理过滤的作用。图1 8 就是一种气水向上并流的b a f 反应器。曝气生物滤池在生活污水、 印染废水、去除氨氮等方面均有应用【3 7 3 9 。 2 ) 生物流化床 生物流化床是以无机或有机颗粒材料为生物载体，以空气曝气为动力，使填料处于 悬浮流化状态，使反应器中的气固液三相剧烈混合，水中有机污染物得到降解净化，老 化的生物膜自行脱落的装置。作为生物载体的流化介质颗粒，应具有较高的比表面积和 较小的粒径，一般粒径为0 的1 0 m m ，其比表面只是一般生物滤池的5 0 倍以上。因此， 流化床能维持较高的微生物浓度，可比一般的活性污泥法高1 0 2 0 倍，废水底物降解速 度快，停留时间短，废水负荷高，占地小，基建投资较低。但流化床反应器存在动力消 耗大，操作管理难，流化速度难以控制，放大设计难等缺点。 3 ) 复合生物反应器( h y b r i db i o l o g i c a lr e a c t o r ) ， 是在曝气池( 塔) 中投加载体供微生物附着生长，反应器内存在着附着生长型( 固定化 微生物) 和悬浮生长型微生物( 游离微生物) ，能充分发挥两相( 固定相和悬浮相) 微生物的 各有长处，使两者扬长避短，相互补充，提高了反应器中生物的浓度，改善了污泥的沉 降性能。克服污泥膨胀现象，提高曝气池的硝化能力，从而大大提高水处理能力和运行 的稳定性。 4 ) 移动床生物膜反应器( m b b r ) m b b r 是19 8 8 年挪威k a l d n e sm i j e c p t e k n o g i 公司与s i n t e f 研究机构联合开发， 是为解决固定床反应器定期反冲洗、流化床需使载体流化、淹没式生物滤池堵塞需清洗 滤料和更换曝气器的复杂操作而发展起来的。它模拟了大自然生态系统中水体的自净功 能。具有耐冲击负荷、泥龄长、剩余污泥少、高效性和运转灵活性等优点1 4 0 l 。m b b r 污水处理工艺适合应用于中、小型生活污水和工业有机废水处理。特别是一体化或地埋 式污水处理装置。在我国有很好的应用前景。天津大学研究了m b b r 在污水处理中的 应用，将好氧m b b r 处理生活污水、厌氧复合床移动膜反应器处理高浓度有机废水、 厌氧好氧m b b r 处理食品废水，取得了良好效果1 4 。 1 4 第一章文献综述 1 2 6 生物膜工艺复氧原理及主要形式 生物膜工艺的一个基本要素就是溶解氧。复氧是生物膜工艺的一个重要的工艺过 程，因为好氧微生物对有机底物的氧化以及各项生理活动都需要氧，因此在生物膜处理 的污水中必须保持一定的溶解氧浓度，来保证生物膜表面好氧微生物的正常代谢功能。 没有充足的溶解氧，好氧微生物就不能发挥氧化分解作用。溶解氧多少限制了生物膜工 艺的处理能力。因此，因地制宜，寻求复氧工艺的最佳形式及操作参数，使得既保证溶 解氧需求，又尽可能地降低能耗，是很值得研究的。 ( 1 ) 氧传递原理 氧由气相转入液相的机理常用双膜理论来解释。双膜理论的基本观点是认为在气液 界面上存在着两层膜，即气膜和液膜并以以下三个假定为基础：1 - 在气一水交界面的两 侧各有一层固定的膜；2 氧的传递过程是稳定的，即通过气膜的通量与通过水膜的通量 是相等的；3 在交界面上，气与水立即达到平衡状态。这两层膜使气体从一相进入另一 相时产生了阻力，当气体分子从气相向液相传递时，若气体的溶解度低，则阻力主要来 自液膜。在废水生物处理的系统中，氧是难溶气体，它的传递速率可用下式表达： a c o 西= 匕( 巳一c o ) ，也包括两膜中之一的阻力作用或两膜共同的阻力作用，是单 位体积液体所具有的液气界面面积的函数。k ，。的大小表征了曝气设备性能的好坏。 同时作为废水处理的操作参数，废水水质对k ，。也有影响。c 。和e 分别为液相氧的饱 和浓度和实际浓度，它们的差值表征了氧传递推动力的大d d 4 2 1 。 ( 2 ) 生物膜法中常见的复氧形式 1 ) 鼓风曝气由鼓风机提供经净化的空气，通过管道系统送入生物池底部的专用 曝气器。这种曝气方式有曝气器和风机两个基本构件。曝气器按开孑l ：y l 径可分为：穿孔 管曝气方式和微孔曝气方式。穿孔管曝气方式的孔眼设于管道两侧，与垂线呈4 5 。交错 排列，孔眼直径为3 m m ，同侧间距2 0 0 m m ，异侧间距1 0 m m 。微孔曝气方式和穿孔管 曝气方式、射流曝气方式、机械曝气方式相比，有低能耗，氧利用率高，搅拌力强等特 点【4 3 】。 2 )机机械曝气则是利用安装在水面上、下的叶轮高速转动，剧烈的搅拌水面，产 生水跃，使液面与空气接触的表面不断更新，使空气中的氧不断转移到混合液中去，故 常称表面曝气。机械曝气可以分为两类，一类为表面曝气器，另一类是淹没的叶轮曝气 器。表面曝气器比较简单，为常用类型，它直接从空气中吸入氧气，包括一个装置在水 面附近的搅拌叶轮，由叶轮的旋转而吸入空气。当叶轮的周边速度为4 6 m s 时，称为低