（环境工程专业论文）一体式悬浮填料滤池固液分离新技术研究.pdf

摘要 摘要 针对二次沉淀池自身存在的一些问题与不足，如占地面积大、易造成不合 理的动力消耗、易发生飘泥现象等，本文提出了采用悬浮填料滤池对活性污泥 混合液进行固液分离的新技术，取代传统活性污泥法工艺中二沉池。 一体式悬浮填料滤池固液分离新技术的中小试研究均在上海安亭国际汽车 城污水处理厂中试试验基地进行。中试试验主要研究了悬浮填料滤池工作周期 的影响因素，包括表面负荷、曝气池混合液浓度、冲洗效果、回流比、s v i 等； 小试试验装置是针对中试试验滤池在构造方面的不足而设计，小试试验主要研 究了构造优化后的悬浮填料滤池的固液分离效果、运行周期、冲洗方式及运行 机理等。 论文通过对悬浮填料滤池工作周期影响因素的中试试验研究，认为表面负 荷是滤池工作周期的决定性因素，其他因素对周期也有较大影响，在本试验条 件下，建议运行表面负荷低于3 0 m 3 m 2 h ，回流比在1 5 0 左右，s v i 控制在 1 2 0 m l g 以下。 根据对小试试验的观察与研究，确定了构造优化后滤池的主要功能分区： 清水区、附着污泥区、絮凝区( 悬浮污泥层区) 、污泥溢流区、进水整流填料区、 泥斗区。论文探讨了各功能区的作用，及悬浮污泥层和附着污泥区存在的负荷 条件等。试验证明，本试验条件下，表面负荷低于3 0m 3 m 2 h 时，构造优化后 悬浮填料滤池的工作周期可以稳定在一周以上。 论文还对小试滤池两部分填料区域进行了冲洗研究，由于两者功能不同， 对底部填料区采用定期高冲沈强度短时间冲洗即可，小试试验期间采用曝气强 度1 0 o m 3 m 2 h ，冲洗5 m i r a 上部填料区的冲洗研究结果表明，问歇冲洗方式同 连续曝气方式相比，节省曝气能耗，冲洗效果好。 研究表明，悬浮填料滤池具有以下特点：a ) 滤池池型构造灵活，便于与生 摘要 化反应池相结合组成一体式工艺，可以节约占地面积，减少系统动力消耗；b ) 滤 池固液分离效果好，在较高的进水表面负荷( 3 0m 3 m 2 h ) 下仍能保持较低的出 水s s 值和浊度；c ) 滤池运行过程中不会发生飘泥现象，出水水质稳定；d ) 滤 池需要定期进行冲洗，以恢复固液分离功能，采用曝气冲洗方式，操作简单， 冲洗效果好。 关键词：一体式悬浮填料滤池二沉池 固液分离表面负荷 a b s t r a c t a b s t r a c t a i m i n ga tt h es h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a ls e c o n d a r ys e t t l e m e n tt a n k ，s u c ha s m o r ea r e an e e d e d ，h i g h e re n e r g yc o n s u m p t i o na n df l o a t i n gs l u d g ep r o b l e m ，an e w s o l i d l i q u i ds e p a r a t i o nt e c h n o l o g y ，w h i c hu s e sas u s p e n d e dm e d i af i l t e rb e dt os e p a r a t ea c t i v a t e d s l u d g ea n dw a t e r , i sp r o p o s e dt or e p l a c et h es e c o n d a r ys e t t l e m e n tt a n ko f t h ea c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s s e s t h ep i l o t - s c a l ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dt h em i n i a t u r ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o nt h en e w i n t e g r a t i v ep r o c e s so fs u s p e n d e dm e d i af i l t e rt e c h n o l o g yw e r ec a r r i e do u t i na n t i n gw a s t ew a t e rt r e a t m e n tp l a n t 。 i n c l u d i n gt h es u r f a c eo v e r f l o wr a t e ，t h ec o n c e n t r a t i o no ft h em i x t u r ei n t h e a e r a t i o nb a s i n ，t h eb a c k w a s h i n ge f f e c t ，t h er e f l u xr a t i oa n dt h es v i ，t h ei m p a c to nt h e s t a b l ew o r k i n gs p a no ft h es u s p e n d e dm e d i af i l t e rt a n kw a ss t u d i e do nt h ep i l o t - s c a l e e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h i tw a sa i m e da tt h e d i s a d v a n t a g e o ft h e p i l o t - s c a l e e x p e r i m e n t a ls y s t e mt od e s i g nt h em i n i a t u r ee x p e r i m e n t a ls y s t e m ，a n dt h ee f f e c to f t h es o l i d l i q u i ds e p a r a t i o n ，t h es t a b l ew o r k i n gs p a n ，t h eb a c k w a s h i n gm e t h o da n dt h e o p e r a t i o nm e c h a n i s mo ft h en e w l yd e s i g nw a ss t u d i e d b yt h et h ep i l o t - s c a l ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h ed i f f e r e n ti m p a c t so nt h es t a b l e w o r k i n gs p a no f t h ef i l t e r , t h es u r f a c eo v e r f l o wr a t ew a sr e g a r d e da st h ed e t e r m i n a n t o n e ，a n do t h e rf a c t o r sc o u l da l s oi n f l u e n ct h es t a b l ew o r k i n gs p a n u n d e rt h i s e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，t h es u r f a c eo v e r f l o wr a t es h o u l db eb e l o wa t3 0 m 3 r n h ，t h e r e f u xr a t i os h o u l db ea p p r o x i m a t e l ya t15 0 a n dt h es v is h o u l db el e s st h a n 12 0 m l g b a s e do nt h eo b s e r v a t i o na n dt h er e s e a r c ho nt h em i n i a t u r ee x p e r i m e n t a ls y s t e m ， s i xm a i nr e g i o nw i t hd i f f e r e n tf u n c t i o nw e r ea s c e r t a i n e d ，w h i c hw e r ec l a r i f y i n gr e g i o n ， a t t a c h e ds l u d g er e g i o n ，s u s p e n d e ds l u d g er e g i o n ，s l u d g eo v e r f a l lr e g i o n ，i n f l u e n t a b s t r a c t c o m m u t a t er e g i o na n ds l u d g ec u pr e g i o n i tw a sp r o v e dt h a tw h e nt h es u r f a c e o v e r f l o w sr a t ew a sb e l o w3 0m 5 m 2 h t h es t a b l ew o r k i n gs p a no ft h en e w l yd e s i g n e d f i l t e rt a n kc o u l db em o r et h a no n ew e e k i tw a sa l s os t u d i e do nt h eb a c k w a s h i n go ft h et w o r e g i o n sw i t hs u s p e n d e dm e d i a b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n tf u n c t i o no ft h et w or e g i o n s ，t w od i f f e r e n tw a s h i n gm e t h o d s w e r ea s c e r t a i n e d f o rt h eb o t t o ms u s p e n d e dm e d i ar e g i o n ，h i g hw a s h i n gi n t e n s i t ya n d s h o r tw a s h i n gt i m ew a sn e e d e d ，a n d ，t h ea e r a t i o nw a s h i n gi n t e n s i t yw a s10 0 m 3 m 2 h a n dt h ew a s h i n gt i m ew a sc o n t r o l l e da t5 m i n t h ei nt h ee x p e r i m e n t c o m p a r e dw i t h c o n t i n u o u sa e r a t i o nw a s h i n g ，t h ei n t e r m i t t e n ta e r a t i o nw a s h i n gf o rt h et o ps u s p e n d e d m e d i ar e g i o nc o u l dg e tb e t t e re f f e c ta n dl e s sp o w e rc o n s u m p t i o n i tw a sa s c e r t a i n e dt h a tt h es u s p e n d e dm e d i af i l t e rh a ds o m ec h a r a c t e r i s t i c s f o l l o w e d ：幻f l e x i b l ee x t e r i o rc o n f i g u r a t i o no fm a d ei t e a s yt oc o m b i n ew i t h r e c t a n g u l a ro rq u a d r a t er e a c t o r sa n df o r ma ni n t e g r a t i v ep r o c e s s ；i tn e e d e dl e s sl a n d r e s o u r c ea nl e s se n e r g yc o n s u m p t i o nc o m p a r e d ；b ) b e t t e rs o l i d l i q u i ds e p a r a t i o no f s u s p e n d e dm e d i af i l t e rs e c u r e di t t oa c q u i r ee f f l u e n tw i t hl o w e rs sa n dt u r b i d i t y u n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g hs u r f a c eo v e r f l o wr a t e ( 3 0m 3 m 2 h ) ；c ) f l o a t i n gs l u d g e p r o b l e m sw e r en e v e rf o u n di nt h er u n n i n go fs u s p e n d e dm e d i af i l t e r , w h i c h g u a r a n t e e dt h es t a b i l i z a t i o no fe f f l u e n tw a t e rq u a l i t y ；d ) t h es u s p e n d e dm e d i af i l t e r h a dt oc a r r yo u tb a c k w a s h i n gp r o c e s sa f t e rap e r i o dt or e c o v e ri t sw o r kc a p a c i t y t h e a e r a t i o nw a s h i n gw a sp r o p o s e dt og e tab e t t e rr e c o v e r y ，w h i c hc o u l db eo p e r a t e d e a s i l y k e y w o r d s ：i n t e g r a t i v ep r o c e s s s u s p e n d e dm e d i af i l t e r b e d s e c o n d a r y s e t t l e m e n tt a n k s o l i d l i q u i ds e p a r a t i o n s u r f a c eo v e r f l o wr a t e 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本和 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；在不以赢利为目的的前提下，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：初1 衫 汐唧年弓月z 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 屋叩手 学位论文作者签名： 勃t 艳 年月日 潮 年多月，2 ，日 1 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，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。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：初叶艳 纠年弓月1 2 1 日 第1 章概述 1 1 研究背景 第1 章概述 以活性污泥法为代表的传统好氧生物处理工艺长期以来在生活污水以及工 业废水处理中得到了广泛的应用。一直以来，业界都习惯把现有污水生物处理 系统中二次沉淀池( 二沉池) 看作是活性污泥法工艺的必需而且重要的组成， 是处理后出水水质的把关构筑物。伴随着活性污泥法工艺九十多年的发展演化， 二沉池的设计和运行也得到了长足的发展。但是污水处理系统中传统意义上的 二沉池仍然存在着一些客观上的不足，近年来，随着水处理新技术的不断发展 和进步，这些不足之处显得更加突出。 目前传统活性污泥法中的二沉池存在的问题与不足之处主要有： 1 ) 占地面积大。活性污泥法工艺二沉池的固液分离对象是来自生物反应池的 活性污泥混合液。由于活性污泥自身具有质轻、易被出水水流带走，并容易产 生异重流现象的特点，因此二沉池的设计表面负荷一般控制在初次沉淀池表面 负荷的一半左右，一般来说，辐流式和竖流式二沉池的设计表面负荷约0 6 o 8 m 3 m 2 h ，占用了大量的土地面积l l 】。目前我国城市污水处理率低，污水处理 厂建设严重滞后，究其原因，主要是污水处理厂占地面积庞大、运行费用昂贵。 其中常规二级污水处理占地最大的是曝气池和二沉池，曝气池和二沉池的造价 约占污水处理厂造价的1 3 ，而电费( 主要是曝气池) 和设备折旧费约占总费用 的6 0 1 2 1 。如果能削减这两个处理单元的占地面积，甚至取消二沉池，整个污水 处理厂的占地面积将大大缩小。 2 ) 易造成系统不合理的动力消耗。二沉池独立于生化反应池之外，并且相 对于生化反应池属于低水位。生化反应后的混合液首先损耗自身的势能和动能 进入二沉池，污泥在二沉池内浓缩后由污泥回流泵抽回至生化反应池前段或其 他位置，污泥由低水位打到高水位的过程中消耗了大量的动能转化为势能，而 且回流路程一般较长，导致了沿程各种水头损失较大。以青岛李村河污水处理 厂回流泵能耗为例，混合液回流泵所需扬程为3 m ，而污泥回流泵所需扬程为 6 m 1 3 j 。由此可见，固液分离技术如果能够与生物反应池合建，不仅可以简化工 第1 章概述 艺流程，使运行管理更为方便，同时整个活性污泥法处理统环节的减少、流程 的缩短，占地面积的缩小，还可以节省一部分不必要的动力消耗。 3 ) 易发生飘泥现象。现有活性污泥法工艺中二沉池的设计不仅具有固液分 离作用，同时还有实现污泥浓缩的作用。为了满足二沉池这两方面功能需求， 污水在二沉池中的水力停留时间约为1 1 5h ，污泥区的储泥时间约为2h 。然 而，污水水力停留时间和污泥浓缩时间增长的同时也增加了污泥中反硝化产生 氮气的可能性 4 1 。有关研究认为，当污泥中n 0 3 n 的浓度超过6 - - 8 m g l 时， 其内部就比较容易发生反硝化反应，导致二沉池飘泥现象的发生。飘泥现象的 发生对于污水处理后的出水水质有很大影响，不但增加了出水中的悬浮物含量， 同时出水中c o d 、b o d 、t n 、t p 、浊度等多种指标的含量也会相应增加，飘泥 现象发生严重时可能造成大量污泥的流失，致使系统运行不稳定1 5 q j 。 国内外的研究者在改进二次沉淀池的运行效果、提高二沉池的沉淀浓缩效 能、防止发生飘泥现象等方面进行了很多理论上和技术上的研究和探索。近年 来一些固液分离新技术已经逐步地发展起来，它们从不同方面来弥补传统活性 污泥法工艺中二沉池的不足，取消或者取代二沉池。这些新技术的发展为更好 地解决二次沉淀池存在的一些问题与不足创造了技术基础，也开辟了活性污泥 法处理污水的新途径。 1 2 污水处理工艺中的泥水固液分离技术 泥水固液分离技术是实现污水处理并最终达标排放的重要手段之一，在污 水处理系统中得到广泛使用。目前污水处理工艺中的泥水固液分离技术主要有 以下几类：重力式固液分离、气浮、机械式固液分离、过滤式固液分离和膜式 固液分离。其中，一部分技术被应用于生物氧化反应后悬浮固体的去除以获得 低悬浮固体浓度的出水，一部分技术被应用于对污水处理过程中产生的污泥的 进行处理的过程中，还有一些技术直接与污水处理相结合结合发展成为污水生 物处理一体化新技术。 1 2 1 重力式固液分离 重力式固液分离技术是现有传统污水处理工艺中的重要技术之一。重力式 2 第1 章概述 固液分离是一种物理过程，主要是指在重力的作用下，污水中比重大于1 0 的悬 浮物质可经沉淀去除，该技术简单易行，效果比较好。沉淀的类型可以根据污 水中悬浮物的性质及浓度分为以下四种：自由沉淀、絮凝沉淀、成层沉淀、压 缩沉淀瞵j 。自由沉淀，是当污水中悬浮物浓度不高时，在沉淀过程中，颗粒之 间互不影响和碰撞，呈单颗粒状态，各自独立完成沉淀过程。有代表性的例子 是悬浮物较低的污水在初次沉淀池中的沉淀过程。絮凝沉淀，是当悬浮物浓 度约为5 0 - - 一5 0 0 m g l 时，在沉淀过程中，颗粒与颗粒之间可能互相碰撞并产生 絮凝作用，使颗粒的粒径与质量逐渐加大，沉淀速度不断加快。有代表性的例 子是经过化学混凝的废水在沉淀池中的沉淀。成层沉淀，是当悬浮物浓度大 于5 0 0 m g l 时，在沉淀过程中，相邻颗粒之间互相妨碍、干扰，沉速大的颗粒 也无法超越沉速小的颗粒，各自保持相对位置不变，并在聚合力的作用下，颗 粒群结合成一个整体向下沉淀、与澄清水之间形成清晰的液一固界面，沉淀显 示为界面下沉。有代表性的例子是二沉池和一体化氧化沟各自下部的沉淀过程 及浓缩池开始阶段。压缩沉淀，是下沉的继续，颗粒间相互支撑，上层颗粒 在重力作用下，挤出下层颗粒的间隙水，使得污泥得到浓缩。有代表性的例子 是活性污泥在二沉池的污泥斗中及在污泥浓缩池中的浓缩过程。活性污泥在二 沉池及浓缩池的沉淀与浓缩过程中，实际上都顺次存在着第一、第二、第三、 第四类型的沉淀过程，只是产生各类沉淀的时间长短不同而己。 1 2 2 气浮 气浮法是固液分离或液液分离的一种技术，其分离的基本原理是通过某种 方法产生大量的微气泡，使其与废水中密度接近于水的固体或液体污染物微粒 吸附，形成密度小于水的气浮体，在浮力的作用下，上浮至水面形成浮渣，然 后进行固液或液液分离。气浮法用于从废水中去除比重小于1 0 的悬浮物、油类 和脂肪，并用于污泥的浓缩p j 。 根据产生微气泡方法的不同，常用的气浮方法可以分为以下几种：电解气 浮法、散气气浮法和溶气气浮法等。电解气浮法是在直流电的作用下，用不 溶性阳极和阴极直接电解废水，正负两极产生的氢和氧的微气泡，将废水中呈 颗粒状的污染物带至水面以进行固液分离的一种技术。电解法产生的气泡尺寸 远小于溶气法和散气法。电解气浮法除用于固液分离外，还有降低b o d 、氧化、 第1 章概述 脱色和杀菌作用，对废水负荷变化适应性强，生成污泥量少，占地少，不产生 噪声。散气气浮法有扩散板曝气气浮法和叶轮气浮法两种。其中，扩散板曝 气气浮法是将压缩空气通过具有微细孔隙的扩散装置或微孔管，使空气以微小 气泡的形式进入水中，进行气浮。该方法简单易行，但空气扩散装置的微孔易 于堵塞，气泡较大，气浮效果不高；叶轮气浮法通过叶轮在电机的驱动下高速 旋转和搅动作用，从空气管吸入空气，并将空气粉碎成细小的气泡，然后进行 气浮。该气浮设备适用于处理水量不大，而污染物质浓度高的废水。溶气气 浮法，根据气泡析出时操作压力的不同，分为加压溶气气浮和真空气浮两种。 前者空气在加压条件下溶入水中，而在常压下析出，是国内外最常用的气浮法； 后者是空气在常压或加压条件下溶入水中，而在负压条件下析出，对气浮池的 构造要求复杂，运行维护也有一定困难。 1 2 - 3 机械式固液分离 机械式固液分离技术l lu j ，是采用机械外力完成泥水的固液分离，通常用 于污水经过二沉池和污泥浓缩池后产生的污泥进一步实现脱水。机械式固液分 离方法有真空吸滤法、压滤法和离心法等。其基本原理都是以过滤介质两面的 压力差作为推动力，使污泥水分被强制通过过滤介质，形成滤液，而固体颗粒 被截留在介质上，形成滤饼。造成压力差推动力的方法有4 种：依靠污泥本 身厚度的静压力( 如干化厂脱水) ；在过滤介质的一面造成负压( 如真空吸滤 脱水) ；加压污泥把水分压过介质( 如压滤脱水) ；造成离心力( 如离心脱 水) 。用于机械式固液分离法的机械主要包括真空过滤机、板框压滤机、带式压 滤机和离心机等。脱水之前污泥的含水率为9 6 左右，脱水之后含水率可以降 到6 0 - 8 0 。 1 2 4 过滤式固液分离 过滤式固液分离是通过滤料层截留水中的悬浮固体杂质，从而使水获得澄 清的工艺过程。过滤机理包括以下几方面1 2 3 】：截留，大的颗粒难以通过滤 料的小孔被直接去除，小的颗粒撞到滤料正面被截留；沉降，颗粒直接沉降 到滤料上；撞击，颗粒偏离水流流线而撞击到滤料上；拦截，当颗粒随水 流流线迁移时碰到滤料而被去除；吸附，颗粒受到滤料的某种物化作用，被 4 第l 章概述 吸附到滤料表面；凝聚，未被截留的颗粒碰到已被截留的颗粒表面时，凝聚 在上面，同时被去除。 用于截留悬浮固体的过滤材料也称为过滤介质。根据固体颗粒的大小，水 处理中采用结构不同的过滤介质，从而把过滤分为粗滤、微滤、超滤和粒状材 料过滤等4 个主要类型。粗滤以筛网或类似的带孔眼材料为过滤介质，截留 的颗粒粒径约在l o o l m a 以上。微滤所截留的颗粒粒径约为l o 1 p m 。微滤 所用的介质有筛网、多空材料和形成在支撑结构上的滤饼等三类。较大的颗粒 用网孔为1 5 6 5 p m 的筛网，微滤机的筛网即属于这一类。较细的颗粒则用厚壁 的多孔材料，瓷棒滤芯属于这一类。动态膜过滤现象1 7 堪j 贝0 属于滤饼形成的微滤 作用。滤饼是在过滤时由水中原有固体颗粒或人为地添加的固体颗粒聚集在支 撑结构( 例如筛网) 上所形成的一层饼状物。由于这层滤饼的孔隙很小，所以 能截留很小的固体颗粒。超滤用合成的滤膜为过滤介质，主要用来截留 l l o o n m 的物质。粒状材料过滤是给水处理中最常用的过滤形式，是用滤料 所构成的滤层( 也称滤床) 来截留水中从数十微米大小到胶体级的微粒。慢滤 池和快滤池是粒状材料过滤的代表构筑物。 1 2 5 膜式固液分离 膜式固液分离技术主要利用膜的高截留率来实现泥水的固液分离，是2 1 世 纪水处理领域的关键技术【i4 1 。膜分离可以完成其他过滤所不能完成的任务，可 以去除更细小的杂质，可以去除溶解态的有机物和无机物，甚至是盐。用膜生 物反应器取代传统的二沉池进行固液分离是目前该反应器应用的最普遍的一种 形式。按截留分子量来分，膜种类有：微滤膜、超滤膜和反渗透膜等。其中， 常应用于膜生物反应器废水处理工艺中的是微滤膜和超滤膜。反渗透膜由于需 要很高的过滤压力，动力消耗高，一般仅用于处理出水需脱盐的情况。按材质 来分膜种类有：有机膜( 如聚砜膜、聚丙烯腈膜等) 和无机膜( 如陶瓷膜等) 。 有机膜制造成本相对便宜，应用相对广泛，但在运行过程中易污染，寿命短。 而无机膜可以弥补有机膜的不足，抗污染能力强，寿命长，能在恶劣的环境下 使用，但在目前制造成本较高，使其广泛应用受到了限制。此外，膜组件从构 型上可分为平板式、管式、中空纤维式、螺旋式、毛细管式等。在分置式的膜 生物反应器工艺中，平板式、管式等应用较多；在一体式膜生物反应器工艺中， 多采用中空纤维式、平板式等。 第1 章概述 1 3 污水生物处理固液分离一体化工艺的现状和发展 传统城市污水生物处理工艺在运行方式上都包括进水、曝气、沉淀和排水 这四道工序。近年来，污水生物处理工艺有了长足的发展，其总的趋势是缩短、 简化工艺流程，并倾向于一体化设计【1 5 , 1 6 。污水处理工艺一体化的需求是针对传 统污水生物处理法通常由多个单元操作组成的复杂工艺流程的弊端而提出来 的。 所谓一体化可以分两方面来理解：一是指曝气反应和沉淀分离操作按时间 或空间顺序进行调配的活性污泥工艺；另一方面也可指曝气反应和沉淀分离单 元构筑物合建的活性污泥工艺( 特殊的也指多个工艺合建) 。 近年来一些一体化生物处理新技术已经逐步地发展起来，它们从不同方面 来弥补传统工艺的不足，取消或者取代二次沉淀池以克服传统二沉池存在的诸 多缺点。这些技术主要有：膜生物反应器、一体化氧化沟技术、生物转盘与二 沉池组合工艺、机械搅拌流化床、曝气生物滤池和其他一些深层过滤技术( 包 括双层、多层滤料技术、以陶粒、纤维球、纤维束等为代表的新型滤料组合过 滤技术) 等。 1 3 1 膜生物反应器 膜生物反应器( b i o m a s ss e p a r a t i o nm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，简称m b r ) 是利 用具有适当化学性质和物理结构的聚合物膜固定和回收酶、微生物或动植物细 胞等各类生物催化剂，使反应连续进行的一种将生物反应器与膜分离技术相结 合的组合工艺。膜分离生物反应器是目前应用最为广泛的一种膜生物反应器类 型，按膜组件的放置方式可分为一体式和分置式膜生物反应器。此类型的膜生 物反应器在废水处理领域的应用研究始于2 0 世纪6 0 年代的美国。在2 0 世纪7 0 年代后期大规模好氧膜生物反应器首先在北美应用，8 0 年代早期日本开始应用 该技术。南非也在同时期发展了厌氧膜生物反应器，9 0 年代中期欧洲开始应用 膜生物反应器，而我国对该技术的应用与发展是在9 0 年代木期才开始的。大量 资料显示，膜生物反应器在美国、法国、英国、德国、日本等多个国家已有许 多成功的实例，其主要应用对象为生活污水处理与回用【1 7 - 19 1 、粪便污水处理【2 0 1 、 有机工业废水处理1 2 1 盈l 等。 膜生物反应器的突出特点【2 3 】是：取消二沉池，利用膜组件进行泥水固液 6 第1 章概述 分离，分离效能高，出水水质好，并可以直接回用；反应器内活性污泥浓度 高，污泥中存在反应的特效菌，提高了生化反应速率；微生物完全被截留在生 物反应器内，可以实现水力停留时间和污泥龄的完全分离，操作管理易实现自 动控制；有利于硝化菌的截留与生长，提高了系统的硝化效率；延长了难 生物降解有机物的水力停留时间，将能够降解难生物降解有机物的微生物有效 的滞留在生物反应器内，大大提高了难生物降解有机物的去除率；由于膜生 物反应器一般都在高容积负荷、低污泥负荷下运行，剩余污泥量少，降低了污 泥处理费用；反应器占地面积小，运行灵活稳定，应用范围广。然而，膜污 染问题以及目前高昂的投资费用都成为膜生物反应器得以进一步推广应用的主 要障碍。d a v i s 等【2 4 j 对不同规模的膜生物反应器和传统活性污泥水处理厂进行了 经济分析和比较，结果表明：目前膜生物反应器应用于污水处理流量比较小时 较为经济，而对于污水处理量较大的大型污水处理厂采用常规工艺更为合理。 今后随着材料科学技术的发展，膜材料和膜组件的价格将会不断降低，有望解 决膜生物反应器投资费用高这一问题。 1 3 2 一体化氧化沟 一体化氧化沟【2 5 西1 ( i n t e g r a t e do x i d a t i o nd i t c h ) 又称合建式氧化沟，是2 0 世 纪末发展起来的一种污水处理新技术。广义上认为，一体化氧化沟是指不单独 设置二沉池和污泥回流设备的氧化沟。在此意义上的一体化氧化沟包括了早期 间歇运行的p a s v e e r 氧化沟，带侧支渠的氧化沟和7 0 年代在丹麦发展起来的p i 型氧化沟，如v r 型氧化沟、双沟( d 型) 或三沟( t 型) 交替式氧化沟。狭义的一 体化氧化沟是指充分利用氧化沟较大的容积与水面，在不影响氧化沟正常运行 的情况下，通过改进氧化沟部分区域的结构或在沟内设置一定的装置，使泥水 分离过程在沟内完成的氧化沟。 从2 0 世纪6 0 年代开始，氧化沟作为一种经济可行的污水二次处理工艺曾 被用于小型社区【2 7 】。2 0 世纪6 0 、7 0 年代，所谓的传统氧化沟遍及欧洲( 尤其是 北欧) 、美国、澳大利亚、加拿大和南非。除了早期的p a s v e e r 氧化沟之外，新 型的氧化沟和曝气设备得到了发展，如o r b a l 、c a r r o u s e l 、t o t a lb a r r i e r 氧化沟和 喷射曝气沟【2 引。随着第二代氧化沟包括d 型、d e 型、t 型c a r r o u s e l 氧化沟工 艺的发展，第一个一体化氧化沟在美国建成，该一体化氧化沟将澄清池直接置 7 第1 章概述 于氧化沟内，省却了污泥回流系统【2 9 】。同传统生物处理工艺系统相比，这种内 置澄清池式一体化氧化沟由于省掉了独立的二沉池和污泥回流系统及管路，被 认为是低成本工艺p 引。 据1 9 8 7 年统计【3 3 1 ，在美国已有9 2 座合建式氧化沟，较有代表性的是联合工 业公司( u n i t e di n d u s t r i e si n c ) 的船式沉淀器( b o a t ) ，a r m c o 环境企业公司的 b m t s 系统，e i m c o 公司的c a r r o u s e l 渠内分离器，湖滨( l a k e s i d e ) 设备公司 的边墙分离器以及l i g h t n i n 公司的导管式曝气内渠和边渠沉淀分离器，此外是 e n v i r e x 公司的竖直式氧化沟。 我国自2 0 世纪8 0 年代起，也相继采用氧化沟技术处理城市污水，如邯郸 市东污水处理厂、桂林市东污水处理厂、珠海市香洲水质净化厂等城市污水处 理厂都采用此工艺。建成投入运行后，均取得了良好的处理效果，出水b o d 5 一般为1 0 m g l 左右，被普遍认为是一种工艺流程简单、运行管理方便、处理效 果稳定且具有较强竞争力的二级处理工艺。但是我国对氧化沟技术的研究不够 成熟，对许多国际上常用的氧化沟工艺如奥贝尔、三槽式、船形等，尚缺乏系 统的研究与总结，也缺乏实际操作、运行、控制经验。中科院研究开发了一种 新的一体化氧化沟工艺“r e l n e 氧化沟( t o d ) ，工艺中混合液在纵向断 面上循环取代了传统氧化沟工艺在水平面的循环1 3 4 】。图1 1 所示为t r i r e m e 氧 化沟的工艺流程图。小试试验装置由树脂玻璃制成，包括一个单一的流动渠道、 k e s n e r 型曝气转刷和一个新型的一体化澄清池。单一的流动渠道被一块隔板分 成了上下两格。与传统的水平循环式氧化沟不同的是，t r i r e m e 氧化沟在曝气转 刷转动时形成了从顶部至底部的竖向循环。因此导致在不同的区域形成了项部 好氧区、底部缺氧厌氧区。 图1 1 小试装置示意图：( 1 ) 进水( 2 ) 曝气转刷( 3 ) t r i r e m e 氧化沟( 4 ) 澄清池( 5 ) 出 水堰( 6 ) 出水( 7 ) 项部氧化沟( 8 ) 回流污泥( 9 ) 混合液( 1 0 ) 底部氧化沟( 1 1 ) 隔板 8 第1 章概述 同传统内置澄清池式氧化沟相比，t r i r e m e 氧化沟不仅可以节省高达5 0 的占地面积和节约4 0 的能量消耗，而且具有可以取消设置独立二沉池、污泥 回流系统及节省管线布设的优点1 3 引。 一体化氧化沟技术不仅具有早期氧化沟技术的基本特征，同时又由于能够 将曝气净化与固液分离合为一体而独具特色。一体化氧化沟的主要特点为： 构筑物和设备少，工艺流程短，勿需设置独立的初沉池、二沉池和污泥消化池。 不勿需设置污泥回流泵站，污泥可实现无泵自动回流，操作管理简便容易。 处理效果好，运行稳定可靠。产生的剩余污泥量少，污泥状态稳定，不需 消化。建造快、设备事故率低、运行管理方便。对泥水的固液分离效果优 于普通的二沉池，能承受较大的冲击负荷，可使整个系统能够在较大的流量范 围内稳定运行。 1 - 3 3 曝气生物滤池 现代曝气生物滤池【3 6 1 _ b a f ( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ) 是在生物接触氧化工 艺的基础上引入给水处理中过滤的思想而产生的一种好氧废水处理工艺，其特 点是在一级强化处理的基础上将生物氧化与过滤结合在一起，滤池后部不设沉 淀池，通过冲洗再生实现滤池的周期运行。 曝气生物滤池是2 0 世纪8 0 年代末在欧美发展起来的一种新型污水处理技 术，它的最大特点是使用了一种新型粒状填料，污水在垂直方向上通过填料层， 粗糙多孔的粒状填料具有很大的比表面积，它具有优良的过滤作用，因此被称 作滤池。填料表面生长有生物膜，池底提供曝气。该反应器属固定床的生物膜 反应器。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，它 定期的利用处理出水进行冲洗排除增殖的活性污泥。 与其它生物固定膜方法不同，曝气生物滤池将生物氧化过程与固液分离集 于一体，使碳源去除、固体过滤和硝化过程在同一个单元反应器中完成，池体 结构经改进后增加了厌氧区的曝气生物滤池还可以进行反硝化脱氮及除磷。 现代曝气生物滤池虽然只有一、二十年的发展历史，但该工艺却起源于2 0 世纪初，经历了漫长发展后，直至2 0 世纪7 0 年代初，才出现曝气生物滤池的 雏形，并具备其一般特征：反应器后面不设沉淀池，通过反冲洗进行再生运行f 37 1 。 而真正导致现代曝气生物滤池诞生的是其工艺思想的确立，将s s 去除与污染物 9 第1 章概述 的降解结合在同反应器内，克服了传统活性污泥中污泥沉淀时间长、二沉池面 积较大以及容易发生污泥膨胀等问题。 2 0 世纪7 0 年代中期以后，随着生物膜机理、动力学等方面的进展，生物载 体材料的完善，现代的曝气生物滤池具备了发展的条件，水处理工作者在接触 氧化法、生物滤池的基础上，引入了饮用水处理中过滤的思想，并展开了早期 的实验研究，功能上涉及s s 的去除、b o d 降解等方面的探索1 3 8 1 。经过集中研 究，1 9 8 2 年第一座生产性的曝气生物滤池b l o c a r b o n e 在法国的s o i s s o n s 投 入运行1 3 列，处理污水量为8 2 0 0 m 3 d ，出水s s 小于3 0 m g l ，b o d 5 小于2 0 m g l ， t k n 小于1 0 m g l 。 2 0 世纪9 0 年代中前期，曝气生物滤池主要用于中低浓度的污水处理，而与 其它工艺结合较少，2 0 世纪9 0 年代中后期，曝气生物滤池己经逐步与其它工艺 结合处理各种各样的污水，其中涉及造纸废水、饲料废水等工业废水 4 0 , 4 1 1 。比如 巴西就将曝气生物滤池与u a s b 结合起来，成功的处理了养猪厂废水1 4 2 , 4 3 】。 作为一种全新的污水生物处理技术，曝气生物滤池近年来已经成为国内外 的研究热点。自9 0 年代以来，各种不同形式的曝气生物滤池不断推出，许多已 经成功地应用于水处理实际，取得了很好的应用效果。目前，国内外已经有很 多相关的报道m 舶】。b i o s t y r 工艺是现代b a f 技术中的代表之一，具有处理负荷 高、出水水质优、占地省等特点，而且功能完善，一定程度上体现了生物膜法 好氧处理的本质1 4 。 与传统活性污泥法相比，b a f 有如下特点：具有更高的生物浓度和更高 的有机负荷，生化池占地面积小，仅为常规二级生物处理的1 1 0 - - 1 4 ，节省基 建投资；出水水质好，可满足回用要求；氧传递效率高，曝气量小，供氧 动力消耗低；抗冲击负荷能力强，受气候、水量和水质变化影响小；不需 二沉池和污泥回流；无污泥膨胀问题；采用模块化结构，便于后期改建、 扩建；可建成封闭式厂房，减少臭气、噪声和对周围环境的影响。 b a f 也有其不足之处：因b a f 选用填料的粒径较小，仅为3 - 8 m m ，因 此进水的s s 要有所控制，一般不超过1 0 0 m g l ，否则易使滤池发生堵塞，从而 导致频繁的反冲沈，增加运行费用与管理的不便；水头损失大，单级水头损 失约为1 2 m ，在大规模应用中将导致污水总提升高度和能耗的增加；由于 b a f 滤料截留的大量s s 需要排出，可能导致比常规处理更多的剩余污泥的产生， 其中大部分s s 中可以生化降解的，但是过滤后期来不及降解就被反冲掉而成为 1 0 第1 章概述 剩余污泥，因此造成b a f 剩余污泥的稳定性较差。 1 3 4 生物转盘与二沉池组合工艺 生物转盘与沉淀池相结合的生物转盘技术有以下两种【4 8 j ：一种是与作为二 沉池的平流式沉淀池相组合的生物转盘，其基本原理是在平流式沉淀池池深的 中部设置隔板，使得整个池子分为上、下两部分，生物转盘设在上部，污水从 上部进入，池下部为一个平流式沉淀池，处理水从下部排出。进水口和出水口 在池子同一侧，另一侧设一污泥斗。另一种是生物转盘同时与初次沉淀池和二 沉池组合在统一的构筑物内。生物转盘设置在两座沉淀池的上部，初次沉淀池 和二沉池并排于底部，中间隔以隔墙，但这种设备只适用于小型生活污水处理 站。 该工艺的提出，既节省了污水厂用地又提高了二级处理工艺的效率。 1 3 5 生物搅拌流化床 机械搅拌流化床1 4 9 1 ，又称悬浮粒子生物膜处理工艺。池型多为圆形构造， 池内分为反应室与固液分离室两部分，池中央为反应室，池外环为分离室。池 中央接近于底部安装有叶片搅动器，使内部载体呈流化悬浮状态。充填的载体 为粒径o 1 0 4 m m 之间的砂、焦炭或活性炭，粒径小于一般的载体。采用一般 的空气扩散装置充氧。本工艺具有如下特征：降解速率高，反应室单位容积 载体的比表面积较大，可达8 0 0 0 , 9 0 0 0 m 2 m 3 ；用机械搅动的方式使载体流化、 悬浮，反应可保持均一性，生物膜与污水接触的效率较高；( 虿) m l v s s 值比较固 定，勿需通过运行加以调整。 1 4