（环境科学专业论文）蛭石在生活污水处理工艺中的应用研究.pdf

蛭石在生活污水处理工艺中的应用研究 第一部分文献综述 随着人类生产方式与生活方式的发展变化，以及人们环境意识的淡薄，青山碧水的自然 在人迹频繁到达的城乡之地现在已经难以见到了。原因就在于工业生产废气的大量排放，使 蓝天遭受了污染；废水的大量排放，农药与化肥的大量使用，酸雨的不期降临，以及生活污 水与垃圾的随意入注河流湖泊，使江河湖水受到了严重污染，形成了清浊同流的景象。 1 我国水资源与水环境基本状况 1 1 我国水资源量 中国多年平均降水总量约6 1 9 万亿m 3 ，平均年降水深为6 4 8 m m ，低于全球和亚洲年降 水深。全国降水量地区分布极不均匀，东南多，西北少山区多于平原，降水量的分布趋势 是由东南向西北递减。 全国多年平均平均年径流总量2 8 万亿m 3 ，约占全球年径流总量的5 1 ，居世界第六 位，均约2 6 0 0 m 3 ，只相当于世界人均占有量的l ，4 ，美国人均的1 5 ，日本水资源只有中国 的1 ，6 ，但中国人均水量却只有日本的3 4 。耕地占有径流量也只有2 6 3 8 5m a hm 2 ，低于世 界平均水平。因此，就人均和单位耕地面积径流量而言，中国水资源并不丰富。属世界缺水 国之一。 1 2 我国水环境基本状况 根据国家环保部门的监测，2 0 0 1 年度七太水系监测的7 5 2 个重点端面中，i 类水 质占2 9 5 ，类占1 7 7 ，v 类和劣v 类水质占5 2 8 。其中，七大水系干流1 5 4 个国控 断面中，i 类水质断面占5 0 6 ，1 v 类占2 6 0 ，v 类和劣v 类水质占2 3 4 。2 0 0 1 年 度七大水系污染由重到轻的顺序依次是：海河、辽河、淮河、黄河、松花江、长江和珠江。 主要湖泊富营养化问题依然突出。2 0 0 1 年太湖和滇池外海均属中度富营养化状态巢湖属 轻度富营养化状态 2 1 。 据粗略估计，全国有7 7 0 0 万人饮用高氟水，3 0 0 0 万人饮用高硝酸盐水，全国7 9 的人 饮用受污染水，7 亿人饮用犬肠杆菌超标水，1 7 亿人饮用被有机物污染的水，o 1 4 亿人饮 用严重污染水引。根据2 0 0 1 年中国环境质量状况公报显示：全国废水总排放量为4 2 8 4 亿 m 3 ， 匕上年增加3 2 。其中工业废水排放量2 2 7 7 亿t ，比上年增加3 5 ；城镇生活污水排 放量2 2 7 7 亿t ，比上年增加3 o 。废水中化学需氧量( c o d ) 排放量1 4 0 6 5 万t ，比上年 减少2 7 。其中工业废水中c o d 排放景6 0 7 5 万t ，比上年减少1 3 8 ；生活污水中c o d 排放最7 7 9 万t ，比上年增加8 0 i “。 由于废水的水质日益复杂水量也大，传统的给水处理和废水处理技术已难以适应保护 环境的需要。其中的一个问题是随着近年来洗涤剂、化肥、农药等的普遍使用，含氨、磷等 无机营养物质的废水的排放，对环境的影响也为人们所注意，最突出的是水体，特别是封闭 2 蛭石在生活污水处理工艺中的应用研究 式水体的富营养化，过量藻类的繁殖使水质大大恶化，甚至使湖泊退化，在此情况下，污水 除磷脱氮技术被列入“七五”、“八五”、和“九五”国家及省市重大科技攻关项目，国内中 国市政工程华北设计研究院、华东师范大学、天津大学等几十家单位先后开展了污水除磷脱 氮技术的研究、开发和工程应用h 1 。 2 污水处理中氮去除的必要性 2 1 氮与水体富营养化 水体富营养化是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、 河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他生物迅速繁殖，水体溶解氧含量下降，水质变化， 鱼类及其他生物大量死亡的现象1 5 1 。 2 2 水体中的氮及其危害性 氮以有机氮和无机氮两种形态存在于水体中。前者有蛋白质、多肽、氨基酸和尿素等， 它们来源于生活污水、农业废弃物( 植物秸秆、牲畜粪便等) 和某些工业废水( 如羊毛加工、 制革、印染、食品加工等) 。这些有机氮经微生物分解后将转化为无机氮。水中的无机氨指 氨氮、亚硝态氮和硝态氮。它们一部分是由有机氮经微生物分解转化后形成的，还有一部分 是来自施用氮肥的农田排水和地表径流。以及某些工业废水( 如冶金工业的炼焦车间、化肥 厂) 6 j 。 通常以总氮来表示污水中的各种氮的总量。对于城市污水，经过二级处理后，除部分作 为微生物合成细胞的氮源以外，大部分转化为氨氮。 过多的氮化合物进入天然水体将恶化水体质量，影响渔业发展和危害人体健康，氮污染 主要危害为： ( 1 ) 氨氮主要消耗水体的溶解氧。氨氮随污水排入水体后，可在硝化细菌作用下被氧 化为硝酸盐，氧化每毫克的氨氮为硝态氮，要消耗水中的溶解氧4 7 5 m g 。因此，污水处理 厂如果仅处理到氨化的程度有时是不够的。 ( 2 ) 氨氮会与氯作用生成氯胺，并被氧化为氮。当以含有较高浓度氨氮的水体作为水 源，或对含氨氮最较高的污水厂出水进行消毒时，要增加氯消耗量。 ( 3 ) 氮化合物对人和生物有毒害作用。氨氮会影响鱼鳃的氧传递，浓度较高时甚至使 鱼类死亡。硝酸盐和亚硝酸盐有可能转化为亚硝胺，而亚硝胺是致癌、致突变和致畸物质， 对人体有潜在的威胁。 ( 4 ) 加速水体的富营养化过程。水体富营养后，藻类的迅速繁殖将降低水的质量，主 要表现为进行水处理时，由于滤池易被堵塞，缩短了冲洗周期，增加水处理费用：影响水上 运动：由于藻类的代谢，使水具有色和气味，影响感官；蓝绿藻产生的毒物危害鱼和家畜； 由于藻类的腐烂引起溶解氧的大量消耗1 7 “。 蛭石在生活污水处理工艺中的应用研究 3 城市污水氮去除研究现状 3 。1 生物法脱氨 3 1 1 传统生物法脱氮 3 , 1 1 1 传统生物法脱氮基本原理 废水中的含氮化合物在微生物的作用下。相继产生下列各项反应0 1 ：有机氮在氨化菌 的作用下分解转化为氨氮；氨氨通过硝化菌的作用转化为硝酸氮；硝酸氮再通过反硝化菌的 作用还原成气态氮，从水中逸出。 ( 1 ) 脱氨基作用 废水中的有机氮化合物在微生物的作用f - ，分解产生氨的过程称为脱氨基作用如： + h o h r c h ( n h 2 ) c o o h ，r c h ( o h ) c o o h + n h 3 ( 2 ) 硝化反应 在好氧条件下，将n h 4 + 转化为n 0 2 。和n 0 3 一的过程称为硝化反应此作用是由亚硝酸菌 和硝酸菌两种化能自养型微生物共同完成的其反应总方程式为： n h 4 + + 2 0 z ! 竺竺n 0 3 一十2 h + + h z o 硝化细菌生长率低，对环境条件变化较为敏感温度、溶解氧、污泥龄、ph 值、有机 负荷都对它产生影响。 ( 3 ) 反硝化反应 在无氧或缺氧条件下，反硝化菌将n0 i 和no3 还原成n 2 的过程，称为反硝化反应， 如： 反硝化细菌 6 n 0 3 + 5 c h 3 0 h 卜5 c 0 2 + 3 n 2 + 7 h 2 0 斗6 0 h 在反硝化反应中，最大的问题就是污水中可用于反硝化的有机碳的多少及其可生化程度 当b o d 5 t k n 3 5 时，可以认为碳源充足。 3 1 1 2 传统生物法脱氮除磷工艺 3 1 1 2 1 活性污泥法 传统生物脱氮途径一般包括硝化和反硝化两个阶段。硝化和反硝化反应分别由硝化菌和 反硝化菌作用完成，硝化反应发生在好氧条件下，反硝化反应发生在缺氧或厌氧条件下。由 此而发展起来的生物脱氮工艺大多将缺氧区与好氧区分开，形成分级硝化反硝化工艺以便 硝化与反硝化能够独立地进行【1 ”。1 9 3 2 年，w u h r m a n n 利用内源反硝化建立了后置反硝化工 艺( p o s t - d e n i t r i f i c a t i o n ) ，l u d z a c k 和e l l i n g e r 于1 9 6 2 年提出了前置反硝化工艺 4 蛭石在生活污水处理工艺中的应用研究 ( p r e d e n i t r i f i c a t i o n ) u 2 ，。b a m ”d 在l u d z a c k - e t t i n g e r 工艺的基础上提出了一种改进型，后来 被称为a o - 艺。该工艺将缺氧反硝化池和好氧消化池完全分开，即保留了l u d z a c k e l t i n g e r t 艺前置反硝化的优点，又克服了其混合不充分的弊端，脱氮效率大为上升。为进一步提高 脱氮效率，b a m a r d 将此工艺与w u h r m a n n 工艺相结台形成所谓b a m a r d 工艺” 该工艺认 为二二级缺氧池可以把a o 工艺剩余的硝酸盐进一步反硝化，其后连接一短时曝气池，将反 硝化形成的n 2 吹脱。同时，b a m a r d 在研究缺氧、好氧交替进行的脱氮工艺时发现废水中的 磷也得以高效率的去除i l m 。于是，为了加强b a m a r d 工艺的除磷效果，在前端加一厌氧区即 形成所谓的b a r d e n p h o p h o r e d o x 工艺l 】“，首次将脱氮与除磷2 种功能结合于一个系统。在 此工艺基础上取消第二级缺氧、好氧池，即成为改进的p h o r e d o x 工艺【1 4 】( 叉称a 2 0 工艺) ， 这样可以避免由于二级缺氧池内可能会出现的释磷以及由于缺乏吸磷的能量而导致出水中 溶解性磷增加。以后又出现了各种改进工艺如u c t 、改良u c t 、3 b h ”6 1 、a a a 工艺等， 这些都是典型的传统硝化反硝化工艺。随着除磷研究在微生物学领域的深化，w a n n e r 在1 9 9 2 年率先开发出第一个以厌氧污泥中p h b ( 聚b 羟基丁酸) 为反硝化碳源的工艺，取得了良好的 氮磷去除效果【1 ”。之后k u b a 等人提出一种具有硝化和反硝化除磷两套污泥回流系统的 d e p h a n o x 除磷脱氮工艺。小试研究结果表明，此工艺与常规脱氪除磷工艺相比，当脱氮 率和除磷率分别达到9 0 和1 0 0 时，c o d 需求、耗氧量和污泥产量分别减少5 0 、3 0 和 5 0 “1 ”。j o h n f i l l o s 等人口0 1 采取简单的分段进水活性污泥法，在曝气池的进水点关闭鼓风 机，形成缺氧环境，不用回流混合液达到了较好的脱氮效果。c o e n 等人对现有污水厂进行 脱氮改造口“，采用2 个缺氧区、分段进水和内循环等工艺相结合，使生物反应器达到满意 的脱氮处理效果 s b r 法作为一种较早的污水活性污泥处理系统，随着自动化技术的提高加上其自身的 许多独到之处而愈发受到重视。其可以通过限制曝气或半限制曝气等运行方式在时间上实现 缺氧好氧的组合，并对每部分的时间比例作合适的控制，以达到脱氦的目的瞄1 。近年 来，国内也对s b r 法脱氮除磷控制条件进行了大量的研究。高景峰等以d o 、o r p 、p h 为 参数研究了s b r 法的脱氮过程口“。有的以o h 和o r p 为模糊控制参数，以其变化规律来反 映反硝化进行情况【2 4 】。 在污水处理厂脱氮的控制方面，w o u t e r s w a s i a k 等人研究出用氧化还原电位实时控 制生物脱氮的新方法这种方法利用氧化- 还原电位控制鼓风机的开与关，以保证反应器内的 氧按要求去除碳和氮 3 1 122 生物膜法 生物膜法脱氮系统自7 0 年代才发展，目前，大多数处于小试、中试及半生产性实验阶 段e 生物滤池、生物转盘、生物流化床等常用的生物膜法处理构筑物均可设计使其具有去除 含碳有机物和硝化反硝化功能【2 2 】。学者对此进行了。泛的研究与探讨，a j o m r u s t e n 等开 发了一种能在低温下有效脱氮的浮动床生物膜反应器，该反应器能在卜1 8 范围内有效地 5 蛭石在生活污水处理工艺中的应用研究 去除氮【2 6 】。 3 1 2 生物法脱氮新理论及工艺 随着研究的深入，生物脱氮技术传统理论的认识。近年来的许多研究表明：硝化反应不 仅由自养菌完成，某些异养菌也可以进行硝化作用；反硝化不只在厌氧条件下进行某些细 菌也可在好氧条件下进行反硝化；而且，许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌f 如 t h i o s p h a e m p a n t o t r o p h a 菌) ，并能把n h 4 + 氧化成n 0 2 一后直接进行反硝化反应。生物脱氮技 术在概念和工艺上的新发展主要有：短程( 或简捷) 硝化反硝化( s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n ) 、同时硝化反硝化( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o n - d i n i t r i f i c a t i o n - s n d ) 和厌氧氨氧化 ( a n a e r o b i c a m m o n i u m o x i d a t i o n - a n a m m o x ) ，以及好氧反氨化工艺( a e r o b i c d e a m m o n i f l c a t i o n ) 【2 7 】。 3 1 2 1 短程硝化反硝化( s h o r t c u t n i t r i f i c a t i o nd e n t t r i f i c a t i o n ) 短程硝化反硝化就是将硝化过程控制在h n 0 2 阶段而终止，随后进行反硝化。短程硝化 反硝化与全程硝化反硝化比较如图la 、b 。 n 1 4 l n 0 2 一一一n 0 3 一一n 0 2 一一一n 2 硝化阶段反硝化阶段 图1a 全程硝化反硝化生物脱氯途径 n h ， n 0 2 图1b 短程硝化反硝化生物脱氮途径 早在1 9 7 5 年，v o e 协等【2 8 】就进行了经n 0 2 途径处理高浓度氨氮废水的研究，发现了硝 化过程中n 0 2 积累的现象，并首次提出了短程硝化反硝化生物脱氮的概念。1 9 8 6 年 s u t h e r s o n 等”经小试研究证实了经n 0 2 一途径进行生物脱氮的可行性，同时，t u r k 和 m a v i n i c 3 0 对推流式前置反硝化活性污泥脱氨系统也进行了经n 0 2 - 途径生物脱氮的研究并 取得了成功。耿艳楼、钱易等p ”( 1 9 9 2 ) 研究了焦化废水的短程硝化反硝化，并获得了较高的 氮去除率。周少奇，方汗平在研究高氨氮垃圾填埋场渗滤水的同时硝化反硝化过程中发现， 确实有部分氨氦的去除是通过了短程硝化反硝化途径p 2 3 3 1 。 显然，与全程硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有如下的优点口7 1 ：( 1 ) 硝化阶段可减 少2 5 左右的需氧量，降低了能耗；( 2 ) 反硝化阶段可减少4 0 左右的有机碳源，降低了运 行费阁；( 3 ) 反应时间缩短，反应嚣容积可减小3 0 4 0 左右；( 4 ) 具有较高的反硝化速率 ( n 0 2 一的反硝化速率通常比n 0 3 一的高6 3 左右；( 5 ) 污泥产量降低( 硝化过程可少产污泥 3 3 3 5 左右，反硝化过程中可少产污泥5 5 左右) ；( 6 ) 减少了投碱量等。 虽然短程硝化反硝化具有许多优点，但到目前为止，经n 0 2 一途径实现生物脱氮成功应 用的报道还不多见。这主要是因为影响n 0 2 积累的控制因素比较复杂，并且硝化菌能够迅 6 蛭石在生活污水处理工艺中的应用研究 速地将n 0 2 一转化为no3 一，所以要将n h 4 + 的氧化成功地控制在亚硝酸盐阶段并非易事。目 前比较有代表性的工艺为s h a r o n 工艺。s h a r o n 工艺( s i n g l er e a c t o rf o rh i g ha c t i v i l y a m m o n i a r e m o v a l o v e r _ n 赫曲是由荷兰d e l i t 技术大学丁1 9 9 7 年开发的【3 4 1 。h e l l i n g a t 3 5 l 等人 认为s h a r o n 工艺可适用于处理高氨氮废水( 氦氨浓度大于0 , 5g ，l ) 。在实验中还发现在温 度高y - 2 5 。c 时，硝化菌受到了竞争，这导致了硝化过程控制在弧硝化阶段，n 0 2 一成为硝化 过程的终产物。 s h a r o n 工艺在这方面的成功之处在于【3 6 1 ：巧妙地应用了硝化菌( n i t r o b a c t e r ) 和亚硝化 菌州i t r o s o m o n a s ) 具有不同的生长速率，即在较高温度( 4 0 ) 下硝化菌的生长速率明显低于 亚硝化菌的生长速率，因此，在完全混合反应器中通过控制温度和停留时间，可以将硝化菌 从反应器中“冲洗”出去，使反应器中亚硝化菌占绝对优势，从而使氨氧化控制在亚硝化阶 段。 3 1 2 2 同时硝化- 反硝化( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o n d l n l t r i f i e a t i o n - s n d ) 传统生物脱氦理论认为硝化与反硝化反应是不能同时发生的，而近年来的一些新发现 却突破了这一认识，使得同时硝化反硝化成为可能。在这方面最早提供科学确证的是k m l t ”】 和m e i b e r g ! ”肄人，他们证实氮可以在有氧环境下直接去除。另外在实践中，有人证实高负 荷的处理厂在运行时硝化和反硝化能在有氧环境下同时发生( i s a h 项目报告书，1 9 9 3 ， 1 9 9 4 ) 。好氧反硝化菌和异养硝化菌等的发现以及好氧反硝化、异养硝化、自养反硝化等概 念的提出，也奠定了s n d 生物脱氮新技术的理论基础。 正因为反硝化作用也可以在有氧环境中发生人们提出了一种新的思路使硝化和反 硝化在同一个反应器里进行。p a t u r e a u ! ”确用这个思路，以s g l y 2 ( - - 种从上升流缺氧过滤 器中分离出的反硝化微生物，能在有氧环境下进行反硝化作用，但不具有硝化作用) 和自养 硝化菌混合培养，对含氮废水进行了研究，在实验室中将硝化和反硝化控制在个反应器中。 g u p t a 等h o ( 1 9 9 4 ) r 研究tr b c 反应器中的s n d 现象，证实了t h i o s p h a e n a p a n t o t r o p h a 细菌具 有好氧反硝化的功能，并指出s n d 是最经济的脱氮方法，结果表明，在氮负荷为9 3 6gn m 2 d 、h r t = 2d 的条件下，tn 去除率可达9 0 以上。w a t a n a b e l 4 h 等( 1 9 9 5 研究了在单 一r b c 中实现s n d 的两种方式：一种为通过降低气相中氧分压控制氧的传递速率如当c n = 6 、氧分压为1 0 k p a 时，可获得大于9 0 的脱氦效率；另一种为采用部分浸没式和完全 浸没式相结合的r b c 反应器，研究了有机物类型、进水c n 比等因素对s n d 效率的影响。 y o o h 1 4 2 等( 1 9 9 9 ) 研究了间歇式曝气反应器中的s n d 现象，并确定了关键的控制参数。 m c m v a n l o o s d r e c h t 等删( 2 0 0 0 ) 研究了气升式悬浮生物膜反应器中经n 0 2 途径的s n d ，认 为通过适当的过程控制和d o 浓度控制迫使n 以稳定的方式经n 0 2 途径而得以去除是可行 的，并冈此可节省c o d 的供给量。z h a o h w 等州1 ( 1 9 9 9 ) 在两段间歇曝气完全混合反应器 ( i a c m ) 对s n d 的控制因素做了小试研究，结果表明氧化还原电位( o r p ) 可用作s n d 的实 时控制参数。 7 蛭石在生活污水处理工艺中的应用研究 在国内，对s n d 的研究也日趋活跃。高廷耀等( 1 9 9 8 ) 对几种不同的生物脱氮工艺中 的s n d 现象进行了试验分析研究表明影响s n d 的因素有d o 浓度、污泥絮体结构及污 泥有机负荷等。孟怡、徐亚同等”6 1 ( 1 9 9 9 ) 采用内置填料的反应器处理含氮制药废水，研究了 s n d 在制药废水中的应用，结果表明。在适宜的条件下n h 3 - n 及t n 的去除率分别高达 9 0 和7 0 。总之，对于s n d 生物法脱氨的认识与应用还有待进一步的研究与开发。目前， s n d 生物法脱氮已经成为国内外研究的热点，国内的清华犬学、同济大学、华南理工大学、 华东师范大学及西北建筑科技大学等都在进行这方面的研究。 由于实现s n d 的控制因素多且复杂，各种因素之间又相互关联，要将s n d 生物脱氮技 术成功应用于实践还有一段距离。目前s n d 脱氮技术还存在着一些迫切需要解决的问题 1 4 7 1 ：方面，对s n d 的脱氮机理还有待进一步的认识与了解；另一方面。对s n d 的控制 因素，象如何获得合适的微生物絮体结构、确定d o 及o r p 的最佳范围、絮体内部的d o 及碳源的传质等都是急需研究和解决的问题，这对于指导s n d 生物脱氮技术应用于实践有 重要的意义；其三，需要解决微环境理论中双氧区模型的缺陷造成的问题，即有机碳源的问 题；其四，要注意s n d 脱氮过程中有可能逸出如n o 、n 2 0 等有害中间气态产物造成的二 次污染问题h ”。 3 1 2 , 3 厌氧氨氧化( an m m 0 x ) 早在1 9 7 7 年b r o d a 4 8 】的一篇论文中提到一种化能自养细菌具有以n 0 2 作为电子受体把 氨氮氧化成氮气的潜在能力。 m u l d e r 0 9 瞎人发现，在脱氮流化床反应器的出水中氨氮也可以在缺氧条件下消失，氨 去除速率最大可达到04 k g n m 3 d ，而且氨的转化总是和n 0 3 的消耗同时发生，并伴随有气 体产生，因此可假定反应器内存在如下反应： 5 n h 4 + + 3 n 0 3 一一4 n 2 + 9 h 2 0 阵2 h + ( g = 2 9 7 k j m o l n h 4 + ) 这个反应可以从连续流实验中氮素和氧化还原反应平衡关系来进行证明，可以看出，氧 化反应需5 m o l n 1 4 + 和3 m o l n 0 3 ，同时产生4 m o l n 2 。 不久，v a n d e g r a a f t 5 0 1 等人用1 5 n f h + 和1 4 n 0 3 - 进行试验，进一步证实厌氧氨氧化是一个 微生物反应，反应的终产物是氮气，认为氨在厌氧条件下氧化不可能是已知的氨氧化菌的活 性，即它是一个耘的微生物反应。试验结果还表明，n 0 2 也可以作为电子受体，进行如下 反应： n 1 - 1 4 + + n 0 2 一- - n 2 + 2 h 2 0f g = 3 5 8 k j m o l n h 4 + ) 。 1 9 9 0 年，荷兰d e l f t 技术大学k l u y v e r 生物技术实验室开发出a n a m m o x 工艺 ( a n a e r o b i c a m m o n i u m o x i d a t i o n ) 。该工艺在厌氧条件下以亚硝酸作为电子受体由自养菌直 接将氨转化为n ：，因而不必额外投加有机底物。当该工艺与其前置的硝化工艺联用时，则 可将硝化过程控制在亚硝化阶段，只需将部分氨氧化为亚硝酸盐，从而可减少硝化阶段的供 养量和反硝化阶段的碳源量【5 l 】。 8 蛭石在生活污水处理工艺中的应用研究 实现a n a m m o x 的先决条件是在同一反应器中同时存在氢和n c h 一，且反应器处于无 氧状态。产生n 0 2 一的有效途径有二：一是在限制反应器的供氧，以利于n 0 2 一的形成抑制 n o ，。的生成；二是限制反应器中反硝化所需的电子供体( 如硫化物或有机物等) 的数量， 以限制反硝化的发生。以上措施在废水处理厂中易于实现，由此可促进a n a m m o x 微生物 的充分繁殖。此外，废水中高浓度的氢与限制供氧相结合，可有效地获得氨和n 0 2 一在反应 器中同时存在的条件。对采用生物转盘处理含氨浓度为2 0 04 0 0 m g l 垃圾渗滤液的 a n a m m o x 研究表明，氮的去除率可达7 0 9 0 p “。 近几年，对应用a n a m m o x 工艺去除污泥消化上清夜中氨的可行性进行了研究。研究 表明，a n a m m o x 微生物对消化池上清液具有良好适应性口。消化池上清液的p h 和温度 分别为7 o 8 5 和3 0 3 7 ，均在a n a m m o x 微生物的最优生长条件范围内。采用实验 室规模的生物流化床反应器( 2 l ) 处理消化池上清液的研究表明，反应器的氦负荷由0 4 6 蚝t n ( 盯d ) 增加到约2 6k gt n ( 时d ) 时，氮的转化率由0 0 5t n ( k gs s - d ) 提高到 o 2 6k g 下n ，( k gs s d ) ，消化池上清液中氨和n 0 2 的去除率分别达到8 8 u9 9 5 3 3 4 s t r o u s 等人采用2 0 个不同形式流化床反应器对合成基质的研究表n j 5 3 经两年多的运 行，反应器系统对n h 4 + 一n 转化率由0 , 4k g ( m 3 d ) 增加到约3 , 0 k g ( m 3 d ) ，亚硝酸盐和氨的 平均去除率分别达9 9 5 和8 4 6 ，流化床中生物量的最大比活性为2 5 n m o l n i - 1 4 + ( m i n - m gf t ) 。同时发现，反应过程可否顺利进行，与反应器中是否同时存在亚硝酸和氨密切相关，其 反应的主要产物为n 2 0 ，同时亚硝酸盐约有1 2 转化为硝酸盐。检测到氢、亚硝酸盐和所 产生的硝酸盐量的比例为t ：1 3 2 ：0 2 2 。 荷兰d e l f t 大学k l u y v e r 生物技术学院采用s h a n r o n - - a n a m m o x 工艺处理污泥消 化池上清液的研究表明，在不控制s h a n r o n 反应器p h 、进水 i n 负荷为o 8 k g ( m 3 d ) 的条 件下，上清液中的氨被转化为n 0 2 一，所产生的n 0 3 一仅占总硝态氮的1 1 ，所产生的氨和 n 0 2 一混合液适于a n a n m o x 工艺的脱氮处理口”。所产生的l l 的n 0 3 + 是因反应器中生物 膜的过度生长造成的，这种现象在大型处理厂的实际应用中将因其高的容积与表面积比而得 到有效遏制。s h a r o n 反应器的出水作为a n a m m o x 流化床反应器的进水。在a n a m m o x 反应器中，因n 0 2 一浓度有限而被彻底去除，氨的总去除率达到8 3 。目前，有关联用_ t 艺 的优化及实际应用尚待进一步研究。胡宝兰p 4 j 等以上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 作为厌 氧氨氧化( a n a m m o x ) 反应器，将硝化反应器和a 0 0 m l l l o x 反应器组合在一起构成新型生物脱 氨系统，以硝化反应器的出水作为l t n a m m o x 反应器的进水，同时补充相应数量的n h 。+ 一n 。 整个系统的总氮容积去除率可达1 5 7 7k g l - i d 。该新型生物脱氮系统能同时去除n i - h + 一 n 和n o x n ，并且对高浓度的n h 4 + 一n 去除具有较大的潜力。 研究表明，反应器的形式不仅与废水处理效果，而且与微生物生长有密切的联系，其中 具有强的生物体截留能力( 利于慢速生长微生物在反应器中停留时间) 的反应器已成为低能 耗、高效率反应器研究道贺应用的发展方向。s b r 作为满足此要求的废水处理新工艺，而 9 蛭石在生活污水处理工艺中的应用研究 得到广泛关注【”1 。 3 2 物化法 3 2 1 空气吹脱法 该法是在碱性介质条件下鼓入空气使n h + 4 转化为n h 3 释放出来当投加石灰至p h 1 1 ， 气水比为3 0 0 0 ：1 时，经逆流塔吹脱率可达9 0 以上适合于高氨氮废水的预处理，脱氮 率高，操作灵活，占地小，但n h 3 - n 仅从溶解状态转化为气态，并没有彻底除去当温度降 低时，脱氮率急剧下降，同时也受吹脱装置大小及长径比例、气液接触效率的影响时间长 久，装置及管道易产生c a c 0 3 沉淀该法需不断鼓气、加碱，出水需再加酸调低p h 因此， 处理费用比较高i “i 。 3 2 2 折点加氯法 含n h 4 + 水折点加氯产生n h 2 c 1 、n h c b ，n h 2 c i 飞i i q c l 2 n 2 + 3 h c i ，n 2 逸入大气，使反应 源源不断向右进行。加氯比例：m c l 2 与m n h 3 - n 之比为8 ：l l o ：1 当氨氮浓度小于2 0 m g l 时，脱氮率大于9 0 。p h 影响较大。p h 高时产生n 0 3 一，低时产生n c l 3 ，将消耗氯，通常 控制p h 在6 8 此法用于废水的深度处理，脱氮率高，设备投资少，反应迅速完全，并有 消毒作用，但液氯安全使用和贮存要求高，对p h 要求也很高，产生的水需加碱中和，因此 处理成本高糊。 3 2 3 天然沸石离子交换法 沸石是一种对氨离子有很强选择性的硅铝酸，一般作为离子交换树脂用于去除氨氮的为 斜发石，其对离子的选择顺序依次为：c a + r b + n h 4 4 - k n a + l i + b a 2 + c a 2 + m 9 2 + 。 此法具有投资省、工艺简单、操作较为方便的优，但对于高浓度的氨氮废水，会使树脂 再生频繁而成操作困难，且再生液仍为高浓度氨氯废水，需再理1 5 7 l 。常用的离子交换系统 有三种类型：( 1 ) 固定床；( 2 ) 混合床；( 3 ) 移动床。 3 2 4 絮凝沉淀法 此法可去除氨氮、重金属及某些大分子有机物，常与其它处理技术组合，既适用于反渗 透、活性炭吸附等深度处理的预处理，也可用于生化处理的预处理或深度处理絮凝剂常用 f e c l 3 、a 1 2 ( s 0 4 ) 3 和阴阳非离子型聚合物此法对氨氩的去除率很高，可达9 0 以上，但费 用比吹脱法高，产生的污泥对环境造成二次污染但当其用于脱氨预处理时，也可采用p o r t 3 。 类物质，污泥可作肥料使用，故有很大的灵活性，但药剂费用比较贵。已用该法处理垃圾渗 滤液( n h 4 + - n 浓度为1 5 0 0 9 l ) ，去除率为9 6 1 ”1 。 1 0 蛭石在生活污水处理工艺中的应用研究 4 非金属矿物材料在水处理中的应用研究现状 4 1 沸石在水处理方面的应用 4 1 1 软化硬水 沸石的离子交换能力大，可作为软化硬水的预处理。改型后的沸石，其交换能力达2 8 0 3 4 0 m o l m 3 ，因此可作为离子交换剂可用于硬水的软化处理。 4 1 2 降低氟含量 刘文质等【5 4 人应用2 0 4 0 目斜发沸石制作了除氟吸附过滤器，在氟病区进行试验，处 理后不仅含氟量降低了，而且浊度、铁、汞、总硬度都得到了一定程度的改善。 4 1 3 去除放射性废水中的锶和铯跏 离子交换技术的最早应用之一是用来去除和纯化放射性同位素锶和铯。与有机离子交换 树脂相比，天然沸石更具有优越性，如能够抵抗有电离辐射作用引起的降解，溶解度降低等。 4 1 4 除去和回收水中的重金属离子 天然沸石对不同重金属离子具有高的选择性，因而被用于去除废水中的重金属，如镉、 铜、锌等。国内外的学者对沸石处理重金属离子的可行性，及选择性吸附规律，吸附的动力 学过程等等方面都作了研究。 s e m r n e n s l 6 0 1 等研究表明：c l i n o p t i l o l i t e 沸石对钡和铅具有高选择性，而对铜、镉、锌等 的选择性相对低得多。他们还发现，沸石的交换容量与其处理方法有关。 a i e l l o t 6 1 1 等人研究了利用c h a b a z i t e 沸石从合成金属废水中去除铁和镁的可能。结果表 明：去除铁的机理为离子交换和氧化作用，而去除镁的机理为离子交换和吸附。 湖北鄂州太和丝光沸石经盐酸或碱( n a o h ) 溶液活化后制成的沸石吸附剂，处理p b 2 + 质 量浓度为2 0 7 m g l ，p h - 2 的废水，以l o g ，l 的用量，常温吸附1 2 0 r a i n 。对p b 2 + 吸附率达 9 9 1 0 。饱和后的吸附剂可用n a c i 溶液洗脱再生【6 2 】。 甘肃白银斜发沸石活化后，制成粒度范围为0 5 2 5 m m 滤料，控制滤速为6 s m h ， 在简单跌水曝气条件下，使1 2 o m g l 的含铁废水中的铁离子降至饮用水标准0 3 m g l 以下 【6 3 】。 将山东胶州沸石破碎过4 0 目筛，以1 ：5 0 0 重量比处理浓度为3 0 0 m g l 的含铬废水， 铬去除率达9 9 以上。 用山西临县紫金山富钾碱性岩合成的1 3 x 型沸石处理浓度为3 0 m g l 的含c 矿废水，可 使水质达国家污水综合排放标准，吸附性能优于活性炭和改性粘土【6 5 】。 4 1 5 消除废水中的氨氮和磷 利用天然沸石去除城市废水或工业废水中的氨氮，在国内外获得了较为广泛的研究，其 蛭石在生活污水处理工艺中的应用研究 反应原理为： z 。m + + n h d + - z n h 4 + + m + 式中：z 一为沸石，m + 为沸石中的金属离子。 其交换容量取决于沸石矿中沸石含量，反应温度及溶液的p h 值。一般交换容量随温度 的升高而增大，随交换溶液的p h 值的增加而加大。但因碱性溶液对沸石吸附不利，因此， 以p h 9 0 ) ，c o d c ，去除率虽只达 到7 0 8 0 ，但可以海泡石吸附作为预处理手段，以减轻后续处理的负担，也可望通过对 海泡石改性或以海泡石为主要成分研制高效的复合吸附剂，丽使c o d c r 去除率得到提高作 为一种低廉的吸附剂，海泡石具有较好的工业实用价值和开发应用价值。金胜明【蚓等对海 泡石的表面酸法处理进行了研究，考察了酸度、温度、投加量及酸介质种类对海泡石表面性 质的影响，并测定了处理后海泡石对m n 2 + 等1 0 种金属离子的吸附能力。 陈天虎唧1 等研究了利用膨胀珍珠岩作为滤料进行上升流过滤，结果表明出水浊度在9 h 内符合饮用水标准( 浊度 0 0 5 ) ，1 0 0 目与2 0 目之间差异极显著 ( t = o 0 0 4 3 ( 0 0 1 ) 。结果表明c o d c r 去除率随着粒径变小而有所增加，但相邻粒径之间去 除率差别不显著，由此表明，蛭石填料是造成出水c o d c r 变化的主要因素。造成这种现象 的原因是粒径小的蛭石流化性能好，随着粒径的增加，蛭石吸水后密度增加，流化性能就越 2 0 蛭石在生活污水处理工艺中的应用研究 差。而总体去除率相差不大，可能是蛭石挂膜不理想，虽然蛭石具有比表面积大、耐磨和层 状结构微生物容易附着等特点化学稳定性也好，但对蛭石与活性污泥之间的相互作用还有 带于进一步研究。 l234567bel ol l1 21 31 4 运行时间，d 图4 不同粒径时出水c o d 变化 在氨氮去除方面，测得氨氮进出水如图5 所示，实验结果分析表明，氨氮去除率均值之 间 0 0 目与4 0 6 0 目差异极显著( t - - 0 0 0 1 0 0 0 1 ) ，4 0 6 0 与2 0 目之间差异显著( t ；0 0 1 6 3 o 0 5 ) 。而且随着蛭石粒径的增加，系统对氨氮的去除有所下降。分析原因，是因为填料 颗粒粒径越小，比表面积越大。越有利于吸附，交换容量相对较大，且粒度越细，氨氨的去 除速率越快，而这些性能对硝化细菌的生长是非常有利的。理论研究还表明，在蛭石投加摄 相同的情况下，平衡时间与蛭石的粒度有关，颗粒越细，达到吸附平衡的时间越短，吸附速 率越快，其原因是吸附速率由孔隙扩散速率决定，而细颗粒的孔隙扩散速度较快，所以总的 吸附速率也较快9 。另一方面，也由于大粒径的蛭石填料不能充分与污水混合，表面不能 形成低b o d n h 4 + 的环境，因此硝化菌没有其表面充分生长，在经过驯化之后，不能有效富 集硝化菌。 l234567891 0l l1 21 31 4 运行时间，d 圉5 不同粒径时出水氨氨变化 由于工作量的关系，本实验只选择了三种粒径的蛭石进行挂膜试验，对于粒径更小的蛭 石颗粒是否具有更好的效果没有进一步考查；而且也只监测了出水中的c o d c ，和n h 4 + 的变 化，没有设计试验研究造成这些差异的数量相系。 2 l m 啪m 帅如 。 趟蛏口o u 蛎站弘趵坫0 o 巡鞋聪城 蛭石在生活污水处理工艺中的应用研究 皇! ! 墨! 曼皇置詈笪曼鼍詈! 鼍皇曼曼! 詈皇置皇鼍! 皇! 鼍皇皇量皇量詈曼皇! 皇皇曹量| e ! 曼皇鼍兰皇詈詈墨一i 鼻詈昌 2 2 蛭石s b r 系统与常规s b r 系统对污染物的去除比较 2 2 1c o d c ，去除率的对比比较 2 2 1 1 系统运行c o d c ，去除率变化情况 在试验过程中，进水c o d c r 的浓度在3 0 0 m g b - 4 5 0 m g l 之间变化，系统运行稳定后， 从十月上旬开始连续监测出水有机物变化，其中在十一月八号，即系统稳定运行将近一个月 后，温度骤然下降十几度，生物反应系统也受到了极大冲击，此后阶段一直处于低温运行阶 段，系统运行过程中测得进出水c o d c , 如图6 所示。 实验结果表明，温度变化之前两系统对有机物去除率高且出水水质较为稳定，蛭石一s b r 系统出水c o d c r 的浓度稳定在4 0 m g b - 0 6 0 m g l 之闻，平均去除率达8 5 以上。而s b r 系 统的出水c o d e r 稍高，但去除率仍可达到8 0 ，维持在5 0 m g l 8 0 m g l 之间，平均去除率 蛭石s b r 系统高出5 左右。当温度发生突然变化后，系统最初几个周期山水c o d e r 急剧 上升。出水水质差。但几个运行周期过后，反应器开始稳定运行。此后的阶段s b r 系统c o d c r 平均去除率为7 0 ，下降1 0 ，而蛭石- s b r 系统约f 降5 左右。整个试验期间，蛭石s b r 系统出水c o d c r 稳定，在温度发生突然变化时，也相对的更易适应；而s b r 系统稳定性相 对较弱，对冲击负荷敏感。 图6 蛭石- s b r 和s b r 系统出水c o d e ，的变化 2 2 1 2 每一周期c o d c ，变化情况 每一运行周期中，通过不同时间取样分析( o 5 h ，l h ，1 5 h ，2 h ，2 5 h ，3 h ，3 5 h ，4 h ) ， 得出典型的系统每一餍期c o d c , 的变化曲线，如图7 所示。试验结果表明，两系统对c o d c 。 都有较高的去除率，在c o d c r 去除方面，两系统的性能都较好。开始阶段，c o d 。出现较大 的去除，约5 0 。这是由于活性污泥对进水有机物的吸附，这一阶段两系统对有机物的去除 很接近这是由于蛭石对有机物的吸附性能差。c o d c , 在开始阶段出现较大下降，随后进入 缓慢降解过程两系统中c o d o 有着相同的变化规律，但蛭石系统去除率高于未加蛭石系统， 特别是在i - 2 5 小时之间，约高5 。这可能是蛭石在曝气状态下混合流动有助于保证良好的 蛭石在生活污水处理工艺中的应用研究 传质状态，相应地在c o d c ，去除上要优丁- 没有投加蛭石的系统。 ? 一 d 晷 0o 511 52 25 3 3 5 4 腥气时间h 图7c o d c r 随曝气时间变化曲线 2 2 2 氨氮去除率的对比比较 2 2 2 1 系统运行氨氮去除率变化情况 系统运行稳定后，从十月上旬开始连续监测出水氨氮变化，其中在十月八号后系统进 入低温运行阶段，系统运行过程中测得氨氨出水如图8 所示。在试验过程中，进水氨氮浓度 在3 0 7 6 m g l 5 5 8 9 m g l 之间变化，出水则变化较大。 实验结果表明在系统运行前段时间，氢氯去除率较高，对照组平均去除率在6 0 7 0 之间，蛭石s b r 系统平均去除率在8 0 8 5 之间，比对照组高出将近1 0 2 0 ，有明显 差别；当系统运行温度下降，出水氨氮浓度大幅上升，s b r 系统氨氪去除率下降到3 0 4 0 ， 而蛭石一s b r 系统氨氮去除率下降到6 0 7 0 ，比s b r 系统商出3 0 。与对照组相比，蛭石 - s b r 表现出对氨氮的高去除率，这说明了蛭石填料系统的硝化性能有明显提高。蛭石s b r 圈8s 隙系统和蛭石一s 昧系统出水氯氯变化 对氨氮的转化性能是由于蛭石填料的理化特性所产生的效果。蛭石是层状结构的粘土矿物材 料，比表面积大因而蛭石本身具备优良生物载体的物理特性。在硝化反应器中+ 蛭石填料 能快速地吸附污水中的氨氪，吸附饱和而失活的蛭石可由硝化细菌将n i - h + - n 氧化为n 0 3 - n 而再生。通过这种吸附再生循环，硝化细菌得以在蛭石表面富集生长，形成类似于生物活 栅喜|咖啪毛暑m。 蛭石在生活污水处理工艺中的应用研究 性炭的生物蛭石，大大提高了系统的硝化性