（环境工程专业论文）sbbrsbf高效污水生物处理的中试研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 污水处理技术研究发展的基本思路表现在：提高污水处理效率和出水质量， 处理装置小型化和多功能化，运行管理简单化，降低处理成本。本研究根据活性 污泥法和生物膜法的发展状况和趋势，提出一个新型的污水处理工艺：序批式生 物膜反应器一污泥床过滤( s 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 - s l u d g eb e df i l t e r ， s b b r - s b f ) 。这个工艺的基本思想主要表现在：采用s b b r 作为主体生物反应器， 实现生物膜法和活性污泥法的有机结合；采用序批式运行方式，实现可控制非稳 态系统来处理多变的污水；采用污泥过滤的方式来完成泥水分离，提高出水质量。 进行不同污泥浓度、不同自然沉降时问和不同滤速范围的污泥过滤试验，研 究发现：在本试验条件下，污泥过滤去除悬浮物最好的技术参数为：自然沉降时 间1 0 分钟，过滤速度1 1 4 m d ，循环过滤时间2 0 分钟。此时出水悬浮物的浓度可 以降到1 5 m g l 以下。 改变s b b r - s b f 运行方式，在曝气前加一缺氧阶段，与不改变s b b r s b f 运行 方式的对比试验研究发现：出水c o d 浓度范围由改变运行方式前的8 8 5 1 2 8 o m g l 降到5 7 4 9 1 1 m g l ，c o d 去除率由8 5 2 8 8 9 提高到8 9 5 9 2 4 ；c o d 容积负荷由0 6 6 0 9 9 k g c o d m 3 d 提高到0 7 0 1 1 7 k g c o d m 3 d 。 改变运行方式前后，出水s s 浓度均可以降到1 5 m g l 以下，去除率在9 5 左右， 因此不同容积负荷对反应器最终出水s s 浓度影响不大。 s b b r - s b f 系统提高了处理系统的稳定性和出水水质，提高了生化反应推动力， 有较好的应用前景。 关键词污泥床过滤；生物膜；序批式反应器；小型多功能化 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a i np o i n to fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y l i e si n i m p r o v i n ge f f i c i e n c y o fw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n de f f l u e n tw a t e rq u a l i t y , m i n i a t u r i z a t i o na n dm u l t i f u n c t i o no fd e v i c e ，s i m p l i f i c a t i o no fo p e r a t i o n a lg u i d a n c ea n d r e d u c i n gc o s to f t r e a t m e n t b a s e do nd e v e l o p i n gs t a t u sa n dt r e n do f a c t i v a t e ds l u d g ea n d b i o f i l mp r o c e s s ，an e ww a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s so fs e q u e n c i n gb a t c hb i o f i l m r e a c t o r - s l u d g eb e df i l t e r ( s b b r - s b f ) i ss u g g e s t e d t h em a i np o i n to ft h i sp r o c e s si s u s i n gs b b ra sb i o l o g i c a lr e a c t o rc o m b i n e dw i t hb i o f i l ma n da c t i v a t e ds l u d g e ， s e q u e n c i n gb a t c ho p e r a t i o n t ot r e a tv a r i o u sw a s t e w a t e rw i t hc o n t r o l l e du n s t e a d ys y s t e m a n ds l u d g ef i l t r a t i o nt of u l f i l ls l u d g e - w a t e rs e p a r a t i o na n di m p r o v ee f f l u e n tw a t e r q u a l i t y e x p e r i m e n t sa n ds t u d i e so fs l u d g ef i l t r a t i o nw i t hv a r i o u ss l u d g ec o n c e n t r a t i o n s ， v a r i o u ss e t t l i n gt i m ea n dv a r i o u sf i l 仃a t i o nr a t e ss h o wt h a tu n d e rt h es i t u a t i o no ft h e s e e x p e r i m e n t st h eb e s tt e c h n i q u ep a r a m e t e r so fs l u d g ef i l t r a t i o na r et h a ts u s p e n d e ds o l i d o fe f f l u e n tc o u l df a l lt o1 5 m g la n db e l o wu n d e rt h ec o n d i t i o no fs e r l i n gt i m e1 0 m i n ， f i l t r a t i o nr a t e1 1 4 m da n df i l t r a t i o nt i m e2 0 m i n i nc o m p a r i s o nw i t ht h eu n c h a n g e dm o d eo fo p e r a t i o n ，t h ec h a n g e dm o d eo f o p e r a t i o nw h i c hi sa d d e dt oa na n o x i as t a g ei nf r o n to fa e r a t i o ni n d i c a t e st h a tt h er a n g eo f c o dc o n c e n t r a t i o nf a l l sf r o m8 8 5 1 2 8 0 m g lt o 5 7 4 8 8 7 m g l a n dt h ec o d r e m o v a lr a t ei n c r e a s e sf r o m8 5 2 8 8 9 t o8 9 5 9 2 4 t h ec u b a g el o a d s i n c r e a s e sf r o m0 6 6 0 9 9 k g c o d m 3 dt o0 7 0 1 1 7 k g c o d m 3 d t h es s c o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e st o1 5 m g la n db e l o w , t h es sr e m o v a lr a t ei sa r o u n d9 5 t h e i n f l u e n c eo f c u b a g el o a d st os sc o n c e n t r a t i o ni sv e r yl o w t h es b b r s b fs y s t e ma san o v e lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s ss h o w st h a tt h e s t a b i l i t yo ft h et r e a t m e n ts y s t e mi si n c r e a s e d ，t h ei m p e t u so fb i o - c h e m i c a lr e a c t i o ni s i m p r o v e da n dt h e r e f o r et h eb e t t e ra p p l i c a t i o nf u t u r ei sp r o v i d e d k e yw o r d ss l u d g eb e df i l t r a t i o n ；b i o l o g i cm e m b r a n e ；s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ； m i n i a t u r i z a t i o na n dm u l t i f u n c t i o n i l 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 活性污泥法的发展 1 1 1 概述 活性污泥法是以活性污泥为主体的污水生物处理技术。传统活性污泥法越来 越不能适应现代的需要，但经过长期的研究、开发和实际应用，一大批新型活性 污泥法的出现，使活性污泥法仍然是世界上使用最多的污水处理方式卜。】。 活性污泥法的优势表现在于： ( 1 ) 活性污泥法是一个较为成熟的、具有长期管理经验、易于掌握的污水处理 方式。 ( 2 ) 活性污泥分散在混合液中，对底物、氧的扩散阻力小。 ( 3 ) 易于工艺调整，有较成熟的污水脱氮除磷工艺。 ( 4 ) 颗粒性污泥的出现，使得活性污泥法具有了生物膜法的某些优势特征。 ( 5 ) 无需填料，减少了这种方法的投资和维护。当需要时，也可采用投料式活 性污泥法运行。 ( 6 ) 清理、翻修简单、迅速。 活性污泥的不足之处表现在于： ( 1 ) 活性污泥浓度不宜太高，使容积负荷率较低，占地面积大。 ( 2 ) 抗冲击负荷能力相对较差。因为污泥浓度较低，微生物又不像生物膜那样 具有一定的保护层，容易受到损害而降低活性。 ( 3 ) 容易产生活性污泥膨胀，影响出水水质。 ( 4 ) 剩余污泥量较高，增加了污泥处置费用。 ( 5 ) 运行不当，易产生生物泡沫【4 】。 ( 6 ) 存在臭气问题。 ( 7 ) 运行费用相对较高。 1 1 2 几种新型活性污泥工艺 活性污泥法的工艺类型很多，过去多以活性污泥为生物处理的主体，最近较 青岛理工大学工学硕士学位论文 为成功的是在活性污泥反应器中添加生物载体来改善处理效果。八十年代以后， s b r 又受到重视，也成为当今热门的技术。 ( 1 ) 序批式活性污泥法 序批式活性污泥法( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ，简称s b r ) 起源于二十世纪2 0 年代的冲( f i l l ) 排( d r a w ) 式活性污泥反应器。七十年代初，由美国i r v i n e 教授发 起，直到八十年代后进行了大量的研究和讨论。现今已成为污水处理领域里最为 热点的工艺之一【5 刀。s b r 的工艺流程如图卜1 所示。 图图目斟u 避术反瘴 沉淀 蓬木罐l 圈卜ls b r 工艺流程图 s b r 工艺具有以下优点嗍： 工艺流程简单，节省基建与运行费用。 s b r 污水处理的主体设备只有一个序批式间歇反应器( s b r ) 。与普通的活性污 泥法相比，它不需要另设二沉池，污泥回流及污泥回流设备，多数情况下可以省 去初沉池。对于污水人工生物处理的各种方法，像s b r 法这样的简易工艺绝无仅 有。k e t c h u m 等人的统计结果表明，采用s b r 法处理小城镇污水时，要比普通活性 污泥法节省投资3 0 以上。此外，采用如此简洁的s b r 法工艺的污水处理系统， 还具有布置紧凑，占地面积省等优点。 理想的推流过程使生化反应推动力大，处理效率高。 s b r 反应器中的底物浓度和微生物浓度是随反应的时间变化的，而且反应过程 是不连续的，因此其运行是典型的非稳态过程。在其连续曝气的反应阶段，也属 非稳定状态。在曝气反应阶段，虽然反应器的混合液处于完全混合的状态，但其 污染物的浓度是随时间逐步减小的，与连续流活性污泥法中的污染物变化规律不 同，在整个运行期间，反应过程又是非连续的。反应器中的活性污泥处于一种交 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 替的吸附、吸收及生物降解和活化的不断变化过程。 具有较高的脱氮除磷效果。 由于s b r 法在运行时间上可以灵活控制，因此可以通过不同的控制手段达到 不同的净化目的。复杂的脱氮除磷过程可以在s b r 的单一反应器内的一个运行周 期内完成。具体操作过程如下：进水阶段搅拌( 在厌氧状态下释放磷) 反应 阶段( 好氧状态下降解有机物、硝化和吸收磷) 沉淀排水排泥阶段( 通过排 泥除磷、利用沉淀过程中的缺氧条件进行反硝化脱氮) 闲置阶段( 再生污泥， 准备进入下一个运行周期) 。 具有较好的污泥沉降性能。 在传统活性污泥法的运行过程中，污泥膨胀是经常发生的很棘手的问题。因 为污泥膨胀的原因9 0 都是由于丝状菌的过度生长造成的。目前，己经得到公认， 按照发生污泥膨胀的难易程度按以下顺序排列：间歇式、传统推流式、阶段曝气 式和完全混合式。 耐冲击负荷，处理有毒和高浓度有机废水的能力强。 理论分析表明，完全混合式曝气池比推流式曝气池具有更强的耐冲击负荷和 抗有毒物质的能力。而s b r 的同一周期内具有的完全混合的特性使之具有较强的 耐冲击负荷的能力。同时，s b r 反应器内较高的m l s s 浓度也可使其具有良好的 抗冲击负荷的能力。 s b r 的不足之处表现在： 悬浮活性污泥反应器中不易生长一些比增长速度慢的微生物( 如硝化菌， c o n s o r t i u m 等) 。这表现在硝化菌的生长会受到污泥停留时间的限制。有研究发现， 由于s b r 中难以维持比增长速度慢的c o n s o r t i u m ，使得采用s b r 处理含氰废水时 效果极差，而生物膜中能生长具有降解含氰废水的c o n s o r t i u m ，并有较好的处理 效果p 1 0 1 。 当废水中营养成份极低时，序批式活性污泥反应器中活性污泥就不能有效 地生长，甚至受到破坏【1 ”。 由于最后出水采用沉淀使泥水分离，这就使得一些不易沉降但实际上对污 青岛理工大学工学硕士学位论文 水有较大降解能力的微生物被排出而得不到繁殖 m 。 污泥膨胀( 尤其是非丝状菌膨胀) 、污泥解体、老化都会大大影响沉淀分离 效果，出水水质变差。 需设置专用的滗水器。 ( 2 ) l i n p o r 工艺 l i n p o r 工艺是一种传统活性污泥法的改进型污水处理方法。它通过在传统工 艺曝气池中投加一定数量的多孔泡沫塑料颗粒作为活性生物量的载体材料而实现 的。该工艺由德国l i n d e 公司的m o r p e r 博士8 0 年代初提出的【1 3 j 。l i n p o r 工艺的 流程如图l _ 2 所示。 韧沉浊l i n p o r 反废器= 抗池 图l - 2l i n p o r 工艺流程图 l i n p o r 工艺的优点； 增加了反应器内的生物量，增强了系统运行的稳定性及其对冲击负荷的抵 御能力。 可以根据处理目的和要求的不同，采用l i n p o r ct 艺主要用于除碳， l i n p o r n 工艺主要用于除碳和氮，l i n p o r - n 主要用于除氮。 减少污泥流失，污泥膨胀的问题。 l i n p o r 工艺的不足： 新投加的载体材料要求非常严格，取材不易。 为防止泡沫塑料载体随处理水流失，需在曝气池出水区一端设置一道专门 设计的穿孔不锈钢格栅。同时为防止格栅孔的堵塞问题，通常要求在出水区的格 栅处进行曝气。而对于窄长形的曝气池，则需用气提泵将部分载体从曝气池尾部 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 回送至前端。 1 2 生物膜法的发展 1 2 1 概述 污水的生物膜法是依靠生长和附着在滤料或某种载体上的生物膜( 生物污泥) 来净化污水的方法。实际上，只要以生物膜起主要作用的污水处理方法均应属于 生物膜法。 生物膜法具有以下优点【1 和1 6 】： 生物相多样化。生物膜是圊着生长的，具有形态稳定的生态条件，宜于生 长增殖。能够栖息增殖速度慢，世代时间长的细菌及较高级的细菌，如硝化菌。 还可能生长大量的丝状菌，其具有相当强的氧化能力，又没有污泥膨胀之虞。还 能出现较多的真菌、藻类、后生动物以及大型的无脊椎生物等。这使得沉淀污泥 的沉降陛较好，固液易分离，使出水水质能得到改善。 剩余污泥产量小。在生物膜中，栖息着高级营养水平的生物，食物链长， 产生较少的生物污泥。 生物量高，具有较高的处理效率。生物膜具有较少的含水量，单位体积内 的生物量高，具有较大的处理能力，抗冲击负荷的能力强。 能处理低浓度的污水。活性污泥处理系统，如进水b o d 值长期低于5 0 6 0 m g l 以下时，活性污泥产生恶化，净化能力降低，影响出水水质。而生物膜则 具有适应性并有好的处理效果。 无需污泥回流。生物膜法不需污泥回流，不需要经常调整污泥量和污泥排 除量，减少了一条工艺线路，易于维护管理。 工艺过程较稳定。抗有机负荷和水力负荷波动的能力强，易于恢复运行。 但生物膜法和活性污泥法相比，也有一些缺点【1 “1 6 】： 需要较多的填科及其支撑、流化结构。在某种程度上，增加了基本建设投 资，而且维护管理相对复杂。 为了维持一定的水力负荷( 脱膜、流化等) ，往往采用处理水回流的方式， 青岛理工大学工学硕士学位论文 增加了一套回流系统，也增加了能耗。 出水虽然带有较大的、含动物成分较多的、易沉降的悬浮固体，但同时也 带出许多非常细小的生物碎片，这些碎片由于缺乏类似活性污泥的生物絮凝能力， 故出水较浑浊。 生物膜存在氧和底物传质阻力问题。 存在填料层的堵塞问题。 1 2 2 几种新型生物膜工艺 生物膜法包括生物滤池，生物转盘、生物流化床等，最近较被人们接受的、 并认为很有前途的当属曝气生物滤池。而序批式生物膜反应器正是当今可控制非 稳态技术s b r 的革新工艺。 ( 1 ) 曝气生物滤池 曝气生物滤池( b i o l o g i c a la e r a t i o nf i l t e r ，简称b a f ) 技术最早是由美国的 l a w r e n c e 于1 9 1 3 年提出的。当时称为“淹没式接触曝气池”( s u b m e r g e dc o n t a c t a e r a t o r ，简称s c a ) 。在1 9 2 5 1 9 2 8 年，在德国进行了大量试验研究。二十世纪 2 0 年代，s c a 成功应用于加拿大的2 2 0 0 m 3 d 的城市污水厂。随着7 0 年代生物填料 的改进发展，出现了高比表面积和不易损蚀的各种滤料，曝气生物滤池更加受到 重视。8 0 年代开始至今，随着环境对出水水质要求的提高，欧美、日本等国家的 很多污水处理厂都采用了该技术，大都取得了优于二级处理的出水效果旧。 典型的曝气生物滤池工艺流程如图卜3 所示。滤池内装有粗糙多孔的粒状填 料，填料表面生长有生物膜，池底提供曝气，污水在流过滤床时，污染物首先被 过滤和吸附，进而被好氧氧化，定期利用处理出水进行反冲洗，排除增殖的活性 污泥。 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 图卜3 典型b a f 流程图 曝气生物滤池与传统活性污泥比较有如下优点【m 1 9 1 ： 微生物量大，粗糙多孔的粒状填料为微生物提供了更佳的生长环境，易挂 膜。高浓度微生物量使b a f 的容积负荷增大，进而减少了池容和占地面积，使投 资大大降低。 粒状填料可使充氧效率大大提高。由于污水、生物膜和填料与空气对流碰 撞、粉碎，增加了充氧效率。 可节省二沉池。由于粒状填料的过滤和吸附作用，其处理水能达n - - 沉池 出水的要求，因此可省去二沉池，以降低投资。 由于高生物浓度和丰富的生物相，以及生物相分层等原因，使b a f 能在关 闭后快速恢复；有同时硝化和反硝化的作用，能降解低浓度污水，出水水质好。 减少了污水厂的臭气，没有污泥膨胀问题，也无需污泥回流。 容易扩建改造。因为b a f 不牵涉到与别的构筑物的衔接和匹配问题，只需 单独增容以实现规模的扩大。 同任何一种污水处理工艺一样，曝气生物滤池同样也不可避免存在一些缺点 【1 8 1 9 1 ： 对高负荷进水敏感。高负荷进水，尤其是高浓度悬浮固体会造成固体物质 的集聚和大量生物体的生长，这会引起床内过早堵塞。一些污水厂发现，高负荷 进水时，就必须增加反冲洗的频率，而连续过度的反冲洗会明显降低系统处理能 力。为减少高负荷带来的影响，一些b a f 系统往往采用加强初沉池的方法来解决， 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 如增加初沉池的化学沉淀过程。有些系统则在b a f 前增加一个高负荷活性污泥生 物反应系统。 细格栅的使用，增加了维护工作。为阻止曝气头及床体的堵塞，进水往往 要设置很细的格栅( 2 6 舢) 。这不但增加了一套设备，还需要清理、维护。 需要大量反冲洗水量。一般b a f 的普遍运行周期为2 4 2 8 小时，总的反冲 洗水量要达到进水流量的2 0 左右。而这些流量需要容积来贮存，并回到进口处， 这显然降低了系统的有效处理能力。 高能量消耗。由于b a f 系统需要较高的供气压力，更高的进水压力和反冲 洗系统，使得能量消耗较大。通过对比污水处理厂的运行情况，b a f 处理系统往往 比传统活性污泥法的能耗高4 0 以上。 泡沫较严重。据调查，b a f 的泡沫现象比一般污水处理系统要严重。 脱氮除磷会使系统变得更为复杂。活性污泥系统可分开设置厌氧、缺氧、 好氧池，甚至在单池内采用分隔的方法，只需进行内循环回流就能实现生物脱氮 除磷。而现建成的b a f 系统大都是分开的，b a f 来完成硝化和反硝化，而磷的去除 则大部分采用化学法。虽然在丹麦已出现在同池内利用回流、反冲洗水的方法来 完成硝化和反硝化，但系统仍然较复杂。 ( 2 ) 序批式生物膜反应器 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 f i l mr e a c t o r ，简称s b b r ) 最早 由6 0 n z a l e s 和w i l d e r e r 的试验方法在1 9 9 0 年而引出的。s b b r 应属德国学者 w i l d e r e r 于1 9 9 2 年正式提出【2 0 】。这之后，序批式生物膜反应器在世界各地展开了 研究和应用。国内这方面的研究非常少。哈尔滨建筑大学在早期就从事过这方面 的尝试 2 1 - - 2 2 】，近来国外对s b b r 的研究方兴未艾，但国内对此方向涉及较少。 序批式生物膜反应器( s b b r ) 遵循序批式反应器( s b r ) 的操作方法，反应器内装 有不同的填料，以提供降解污水的生物膜载体。 s b b r 一般可分为三类【2 3 】： 固定填料式s b b r 。反应器内装有陶粒、塑料或其他固定性生物载体。其原 理如图卜4a ) 所示。 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 流动填料式s b b r 。反应器内装有粒状可流化的生物载体( 如活性炭等) 。其 原理如图卜4b ) 所示。 固定膜( m e m b r a n e ) 式s b b r 。在反应器内装有一个可透过性膜，这种膜既可 以成为生物膜( b i o f i l m ) 的附着体，又能完成充氧功能。其原理如图卜4c ) 所示。 a ) 固定填料式 b ) 流动填料式c ) 固定膜式 图l _ 4 s b b r 原理图 s b b r 除具有一般生物膜法的优点以外，还具有其自身的优势，这可表现在以 下几个方面【1 1 1 2 2 3 】： 由于采用序批式运行，反应器可以通过改变迸水、反应方式和时间等操作 来适应污水水量、水质的变化。 相对连续流的生物膜法，序批式生物膜反应器内的生物膜的浓度和性质分 布均匀，具有更好的抗冲击负荷变化能力。 具有过滤功能的固定填料s b b r 可以省去二沉池，用过滤时间来代替沉淀时 间。 采用膜( m e m b r a n e ) 法的s b b r 属于无气泡氧化生物反应器。这使那些由于曝 气吹脱的而没有降解的挥发性有机物得到有效去除。 同样，s b b r 也存在一些不足之处 1 1 1 2 】： 运行相对复杂，需要较好的管理水平。 采用固定填料并完成过滤出水的s b b r ，虽然省去了二沉池，却由于有堵塞 问题而增加了反冲洗。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 膜( m e m b r a n e ) 法s b b r 的膜材料质量要求高，现还达不到大容积敷设的水平， 使得这种反应器还不能大规模生产性应用。另外，这种膜也容易受到损坏和污染 的影响。 1 3 课题的提出及目前国内外现状 1 3 1 课题研究的思路 ( 1 ) 活性污泥法与生物膜法的结合 从污水处理的发展历史来看，活性污泥法和生物膜法几乎是平分秋色，各有 特点。但传统的活性污泥法和生物膜法已然不适应当今污水处理高效、节能的特 点，各自工艺的改进、变型成为现代污水处理技术发展的主要推动力，而两者进 行结合的构想和研究也愈来愈受到重视。活性污泥法与生物膜法相结合的方式， 往往称之为双生物体组分生物处理工艺【1 3 】。它们的结合可以从以下几个方面考虑： 还存在很多传统活性污泥法和生物膜法的污水处理设施，它们的改造需要 合适的途径，而活性污泥与生物膜相结合的工艺增加了改造方法的可行性和灵活 性。 虽然，生物膜法常具有较大的容积负荷率，但污泥负荷率却与活性污泥法 相当。事实上，性能良好的活性污泥的有机物降解能力并不亚于生物膜，只是因 为运行操作不易维护和控制，容易遭到破坏( 如污泥膨胀) 。而生物膜虽然使反应 器内生物量高、生物相丰富，但存在传质阻力大的缺点。把游离开放( o p e n i r l g ) 的活 性污泥和固着生长的生物膜结合起来具有一定优势踟。 填料的发展，使活性污泥和生物膜结合的可选择性大大增加。各种填料的 选择，可使反应器内悬浮生物体与生物膜呈现数量、主体性质的不同，增强了适 应性。 接触氧化法、浮动填料活性污泥法( 除l i n p o r 以外，还有英国的c a p t o r 系统， 日本的r i n g l a c e 系统以及投加活性炭的活性污泥法等) 2 5 1 、气提式循环反应器、移 动床等均属于活性污泥法与生物膜法相结合的实用工艺。 ( 2 ) 可控制非稳态工艺和技术 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 生活污水和工业废水常常随时间和空间呈现出水质、水量的变化，通常称为 非稳态行为( u n s t e a d y s t a t eb e h a v i o r ) 。而处理后的出水希望是一个稳定的、符 合要求的值。一般的生物滤池、氧化塘、完全混合工艺等在处理非稳态污水时均 很难获得满意效果。这些工艺系统就称为不可控制非稳态系统( u n c o n t r o l l e d u n s t e a d y s t a t es y s t e m s ) 。可控制非稳态技术( c o n t r o ll e du n s t e a d y s t a t e t e c h n o l o g y ) 则是利用工艺本身的非稳态过程，以适应污水的水质、水量变化，并 控制处理过程来达到出水标准。稳态工艺( s t e a d y s t a t ep r o c e s s ) 往往表现为不 可控制。最简单的例子：完全混合工艺的设计参数往往是按最不利条件设计的， 而实际运行时却达不到设计负荷，这使得处理过程在能量浪费的情况下进行却无 法控制。而可控制非稳态工艺往往可以通过调整反应时间和周期操作来控制【2 0 1 。 最普通、最成熟的可控制非稳态技术则是序批式反应器( s b r ) 。其周期性操作 ( p e r i o d i c a l l yo p e r a t i o n ) 、充排式的运行使工艺具有很强的可控制能力。 s b r 的发展是活性污泥法改进为可控制非稳态技术的结果；而s b b r 贝o 是生物膜 法改进为可控制非稳态技术的结果。可见，可控制非稳态技术( 序批或周期操作) 已成为活性污泥法和生物膜法发展的共同途径之一。 ( 3 ) 利用污泥浓缩层过滤代替重力沉降法来实现泥水分离 污水处理的效果不但取决于反应的过程，还受到后续泥水分离的很大影响。 在常规的污水处理工艺( 如普通活性污泥法、a b 法、氧化沟等) 中固液分离主要 是用自然沉降法，这种方式的分离效率受污泥颗粒特性、污泥膨胀等因素的影响， 为了使出水中悬浮物浓度比较低，往往必须通过延长自然沉降时间来实现闭。由 于目前的污水处理工艺中，出水悬浮物浓度受到多种因素的影响，常常导致出水 悬浮物浓度波动很大、浓度偏高，从而影响了处理效果，再加上水中悬浮物会产 生很多危害，需要提出一种新型高效的固液分离方式利用污泥浓缩层进行过 滤，来降低出水污染物浓度特别是悬浮物的浓度。 ( 4 ) 污水处理系统多功能化 污水处理系统( 尤其是小型污水处理系统) 的多功能化是当今污水处理发展的 最重要方面之一。 青岛理工大学工学硕士学位论文 紧密 c 、n 污水处理系统多功能化可这样表述：一方面，污水处理的过程或功能集中、 结合在一起而不分开设置；另一方面，一个单元能完成多项水质目标( 如去除 、p 等) 。 污水处理系统多功能化的思想主要基于污水处理的高效、节能。其优点在于： 共用池壁，减少了分开设置所需的更多材料。 减少了污水、污泥等的运输距离，节约了管道材料、阀门，有时还能省去 提升设施。 占地面积小。 相互衔接好，各功能相互作用时反应时间短，减少了滞后时间。 有利于自动控制。 有利用工艺的设备化。 同一单元实现脱氮除磷。 然而，把众多功能集于一体，也存在许多不足之处： 对设计、生产的要求高。相互衔接和合理的参数是多功能化工艺的关键。 对运行、管理的要求高。相对分开设置，多功能化系统是多项技术集中， 其某项过程的失效就可能导致整体安全性的剧烈下降甚至失败。而且多功能化系 统内部构造复杂，带来检修、维护的困难。 污水处理系统多功能化设计的思想贯穿着当今众多的优秀处理工艺。 1 3 2 课题的提出 序批式生物膜反应器一污泥床过滤( s 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 s l u d g eb e df i l t e r ，简称s b b r s b f ) 系统用于污水处理研究开发的基本思想主 要表现在以下几个方面： 采用s b b r 作为主体生物反应器，实现生物膜法和活性污泥法的有机结合。 采用序批式运行方式，实现可控制非稳态系统来处理多变的污水。 取消重力沉降泥水分离方式，利用污泥过滤进行泥水分离，提高出水质量。 构想一个全新的工艺运行方式，实现污水处理系统多功能化。 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 3 3 目前国内外相关研究现状 国内哈尔滨工业大学的彭永臻、王淑莹、王亚宜等b 7 】人把生物膜引入s b r 反应 器，即将活性污泥法、生物膜法结合起来，从而提出了一种新的污水处理技术一 序批式反应器生物过滤系统，其工艺流程：进水、反应、沉淀、过滤出水。该 方法与s b r 相比减少了排水这个工序，并且省去了滗水器，但是容易产生堵塞问题， 并且需要定期进行反冲洗增加了操作中的难度。试验后发现：加入弹性立体填料 后，活性污泥大部分以生物膜形式附着在载体上，有利于有机物的降解；系统对 好氧性的有机污染物和悬浮固体的去除率较高；省去t s b r 中的滗水器，但需要控 制滤速，并定期反冲洗。 e 1 本群马大学的许燕青、黑田正和等口8 1 人在s b r 中引入一种新型的固液分离方 式污泥床过滤。试验后发现：在s b r 中投加一种载体，当曝气结束后经过一段 时间自然沉降可以形成污泥浓缩层，然后利用污泥浓缩层进行循环过滤，悬浮物 浓度可以在很短的时间内大幅度降低。 青岛理工大学水资源技术研究室对人工配水进行了污泥过滤的相关试验研 究，试验后发现嘲：在沉降时间和过滤时间之和一定的条件下，保证1 0 分钟以上 的自然沉降时间，则时间分配对出水悬浮物浓度的影响并不大；在过滤时间相同 情况下，无论m l s s 浓度为多少，过滤速度在1 2 m d 以下时，出水悬浮物的浓度随过 滤速度的增大而逐渐减小，过滤速度在1 2 m d 以上时，出水悬浮物的浓度随过滤速 度的增大而增大。 1 4 研究目的和内容 1 4 1 研究目的 本试验主要研究探讨s b b r s b f 系统利用污泥浓缩层进行污泥过滤方面的规 律，确定在本试验条件下，污泥过滤去除悬浮物的最佳技术参数，并构想一个全 新的工艺运行方式，即在曝气前加一缺氧阶段，实现系统小型多功能化。其创新 点主要是实现生物膜法和活性污泥法的有机结合的同时，利用污泥浓缩层进行污 泥过滤，高效去除有机物和s s ，达到污水净化的目的。通过中试研究的进行，可 青岛理工大学工学硕士学位论文 以明确沉降时间对出水悬浮物浓度的影响；过滤速度和过滤时间对出水悬浮物浓 度的影响；污泥浓缩层厚度与过滤时间的关系；改变运行方式，实现系统小型多 功能化后，系统对污水处理效果等，为以后的生产性研究及其推广奠定基础，具 有重要的实际意义。 1 4 2 研究内容 本试验研究主要分为两大部分： ( 1 ) 研究探讨s b b r - s b f 系统利用污泥浓缩层进行污泥过滤方面的规律，确定在 本试验条件下，污泥过滤去除悬浮物的最佳技术参数，研究的主要内容有以下几 方面： 同一活性污泥浓度和过滤速度下，沉降时问和过滤时间与出水悬浮物浓度 的关系： 同一活性污泥浓度和沉降时间下，过滤速度和过滤时间与出水悬浮物浓度 的关系； 污泥浓缩层厚度与过滤时间的关系。 ( 2 ) 构想一个全新的工艺运行方式，即在曝气前加一缺氧阶段，实现系统小型 多功能化，探讨系统对污水的处理效果，研究的主要内容有以下几个方面： 污泥浓缩层对污水直接过滤时，c o d 的去除率及变化情况； 改变运行方式，即在曝气前加一缺氧阶段，c o d 与s s 的去除情况； 改变运行方式后，c o d 与d o 随反应时间的变化情况。 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 1 试验装置 第2 章试验装置和方法 本试验工艺装置见图2 - 1 ，其主体设备由有机玻璃制成，便于观察反应器( 曝 气池) 内部载体运动、载体挂膜和流动状态等。主要参数尺寸为：长9 0 0 r a m ，宽 5 0 0 r a m ，高8 0 0 r a m ，底部集水区高2 0 0 n n ，有效容积为0 3 5 m 3 ，总容积为0 3 6 m 3 。 整个试验装置包括污水池、进水泵、曝气泵、循环泵、排水电磁阀等。 试验所用工艺流程为：污水由进水泵提升至反应器，通过曝气机给反应器供 气，满足微生物活动的氧气，大部分有机物在反应器中去除掉，在短暂静沉后， 利用污泥浓缩层进行循环过滤，上清液由排水电磁阀排出。整套系统采用全自动 方式运行。 1 污水池2 进水泵3 曝气机4 曝气管5 循环泵6 电磁排水阀7 p h 计 8 溶解氧仪9 反应器( 曝气池) 1 0 液位计1 1 自动控制系统 图2 - 1 试验工艺装置图 2 2 试验污水水质、原料及测试方法 2 2 1 试验污水水源水质 本试验所采用的污水为青岛可口可乐公司污水处理站均衡池的生产废水。青 岛可口可乐公司是一家生产饮料为主的公司，其主要产品有可口可乐、雪碧、芬 青岛理工大学工学硕士学位论文 达、果粒橙、酷儿、青柠等等2 0 多个品种。 青岛可口可乐的废水主要来源于冲瓶、冲罐、地面清扫等生产工序所排放的 生产废水和工厂内的食堂、澡堂、厕所等所排放的生活污水，废水中主要含有多 糖、蔗糖、有机酸、废料等污染物。污水处理站采用的处理工艺为： 污水c = 集水井= 弧形格栅c = 均衡池= u a s b 反应池 c = 好氧曝气池c = 二沉池c = 清水池e = 回用或外排 生产废水和生活污水通过污水管道进入集水井，经泵提升至弧形格栅去除细 小的悬浮物和漂浮物后进入均衡池调节水质、水量，均衡池的水经泵提升至u a s b 反应池进行厌氧消化处理，去除大部分的有机物，u a s b 出水进入好氧曝气池，通 过鼓风机供气供给微生物氧气，进一步去除有机物，好氧曝气池出水进入二沉池， 二沉池出水达标外排。 本试验所采用的污水为青岛可口可乐公司污水处理站均衡池的污水。青岛可 口可乐公司2 0 0 6 年所测的均衡池的污水水质数据如表2 - 1 。 表2 1 青岛可口可乐公司2 0 0 6 年污水水质指标 l 水温t ( )c o d c r ( m g l )b o d 5 ( m g l )总氮( m g l )p h 值 1 8 2 65 7 0 1 2 0 02 1 0 8 0 02 0 4 54 3 2 6 9 0 2 2 2 试验原料 选择合适的载体，形成稳定的污泥浓缩层，是本研究的前提条件，因而载体 层对污泥浓缩层的承托作用是至关重要的。反应器处于曝气阶段时，载体处于悬 浮状态；停止曝气后，载体又能很快的沉到反应器的底部，形成稳定的载体层， 进而形成稳定的污泥层。另外，载体层的空隙率较小为易，以防大的污泥颗粒穿 过载体层。 青岛理工大学水资源技术研究室对多种载体进行了的载体试验研究，试验后 发现【2 9 】：采用磁铁矿砂、石英砂作填料，由于砂的密度较大，在曝气过程中很难 悬浮，都是下沉的，而且砂作为载体不易形成较厚的生物膜；采用多孔旋转球型 悬浮填料、斜管蜂窝填料以及立体弹性填料，过滤时发现载体层挡不住污泥，污 泥颗粒可以直接穿过载体层，使污泥浓缩层遭到破坏，无法形成稳定的污泥浓缩 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 层；采用活性炭作填料，时间长了活性炭的吸附性能下降，穿过载体层的污泥不 断增多，使污泥层受到破坏；采用陶粒作填料，随着过滤时间的加长，陶粒逐渐 被堵塞，需要进行反冲洗，而且填料内部易发生厌氧、粘结现象，很难界定污泥 层的过滤效果；采用塑料管状颗粒作填料，即使塑料管状颗粒填料全部挂膜而且 沉降性较好的话，由于该载体颗粒的粒径比较大且为管状，空隙率也比较大，过 滤时污泥会穿过载体层，也难以形成稳定的污泥层；采用过滤海绵作填料，十二 天左右的时候，生物膜载体在停止曝气后就先于污泥迅速沉到反应器的底部，当 利用污泥浓缩层进行循环过滤时，能够形成比较稳定的污泥层。 本试验选用深圳群力生产的5 0 p p i 过滤海绵为载体，将过滤海绵制成 l o m m x l o m m x l o m m 左右的小方块放入反应器中，载体形状见图2 2 。 幽2 2 过滤海绵载体 该载体性能优良，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 密度小，易于流化；孔隙率和比表面积大，能固定较多的生物量；机械强 度高，传质阻力小，耐磨性和抗生物降解性好。 ( 2 ) 反应器中微生物菌群丰富，生态结构稳定；表面生物膜不易脱落，可承受 较高的水力负荷，载体内部附着大量微生物，增加了生物膜再生菌种，可实现微 生物的自动再生更迭。 ( 3 ) 价格便宜。 ( 4 ) 不溶于水，密度较小，在水中能悬浮，但挂膜后的载体比重比水大，在曝 气结束后，能够迅速下沉到底部。 ( 5 ) 投加方便，可直接投加，无需任何支架。 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 2 3 水质的测试方法 ( 1 ) 水质化学需氧量( c o d c ，) 采用重铬酸盐法( g b l l 9 1 4 8 9 ) n g t 3 0 j 。 ( 2 ) 五日生化需氧量( b o d 5 ) 采用稀释与接种法( g b 7 4 8 8 8 7 ) 测定 3 0 1 。 ( 3 ) 污泥沉降比【3 0 】。 ( 4 ) 污泥沉降指数s v i 3 0 i 。 ( 5 ) 混合液悬浮固体( m l s s ) 采用重量法测定【3 0 l 。 ( 6 ) 浊度采用w g z - 2 0 0 型光电浊度仪测定。 ( 7 ) p h 值采用p h 试纸和p h 计测定【3 0 】。 ( 8 ) 溶解氧( d 0 ) 采用溶解氧测定仪【3 0 1 。 ( 9 ) 氨氮采用纳氏试剂分光光度法( g b 7 4 7 8 8 7 ) 测定。 ( 1 0 ) 总磷( t p ) 采用过硫酸钾消解一铝锑抗分光光度法测定【3 0 1 。 ( 11 ) 总有机碳t o c 和总氮t n 采用岛津公司t o c - - v 测试仪配有t n 测试仪 测定。 ( 1 2 ) 悬浮物( s s ) 浓度采用滤膜法测定 3 0 l 。 2 3 试验准备 2 3 1 化学需氧量( 0 0 d ) 的测定 化学需氧量( c o d ) ，是指在一定条件下，用强氧化剂处理水样时所消耗氧化剂 的量，单位为m g l 。c o d 值反映水中受还原性物质污染的程度，是评价水质好坏 和污水治理效果的重要指标。 重铬酸钾法测定c o d 的原理是：在水样中加入一定量的重铬酸钾溶液，并在强 酸介质中以银盐作催化剂，经沸腾回流后，以试亚铁灵为指示剂，用硫酸亚铁铵 溶液滴定过量的重铬酸钾，根据用量算出水样中还原性物质消耗氧的量。 c o d 的测试要求十分严格，稍有不慎将直接影响测定结果的准确性，应注意以 下几点： ( 1 ) 标准溶液浓度的选择