（环境工程专业论文）化学生物絮凝悬浮填料床工艺处理城市污水自控优化研究.pdf

摘要 摘要 本论文围绕化学生物絮凝悬浮填料组合工艺展开，为提高工艺系统运行的 稳定性，降低运行成本，优化工艺的运行条件。对组合工艺进行了自动控制系 统的构建，并在运行中考察了自动控制系统的稳定性和组合工艺的运行效果。 组合工艺的自动控制系统是建立在工艺的现场手动控制优化基础上的。自动 控制系统采用p c + p l c 总线控制结构，其基本组成为： ( 1 ) 采用控制性能优越的s e m e n ss 7 3 0 0p l c 控制器作为控制系统的中央 控制单元，用于控制现场各类信号输出输入，信号的a ，d 转换，实现数据的处 理和信号的管理等功能。控制系统程序通过s i m a t i cs t e p 7 软件平台输入p i _ , c 控制器，实现对系统的程序控制。 ( 2 ) 选用各种在线检测仪器和输出执行设备，为自动控制系统提供及时可 靠的在线运行参数，保证控制量的精确输出。 ( 3 ) 自动控制系统利用s i m a t i cw i n c c 组态软件，在p c 上位机上开发 人机交互界面( h m i ) ，建立了上位机中央控制室远程监控平台。上位机通过 p r o f i b u s d p 通信线实现与p l c 信号交换。 控制系统的对组合工艺进行分系统控制，将其分为化学生物絮凝工艺自动控 制系统和悬浮填料床自动控制系统。 ( 1 ) 化学生物絮凝工艺控制系统分为三部分控n - 基于总磷在线浓度的前 馈反馈自动加药控制系统，廊道曝气反馈控制系统和反应池污泥浓度反馈控制 系统。 ( 2 ) 悬浮填料床自动控制系统采用悬浮填料床曝气d o 和n h 3 n 串级控制。 通过自动控制系统运行试验表明，控制系统本身有很好的稳定性和较快的响 应性，能对工艺进水条件的变化做出合理迅速的响应，从而保证了化学生物絮 凝悬浮填料床组合工艺高效稳定的运行。 关键词：化学生物絮凝，悬浮填料床，自动控制，p l c ，h m i ，前馈反馈 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rw a sb a s e du p o nt h es t u d i e so nt h ec h e m i c a la n db i o l o g i c a l f l o c c u l a t i o n s u s p e n d e dp a c k e db e dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s t h eo b j e c t so ft h e p a p e rw e r et oo p t i m i z et h eo p e r a t i o no ft h ec o m b i n e dp r o c e s s ，r e a l i z et h es t a b l e o p e r a t i o no ft h ep r o c e s sa n dc u td o w nt h eo p e r a t i o nc o s t i no r d e rt om e e tt h e s e o b j e c t s ，t h ep i l o te x p e r i m e n tw a sf o c u so nt h eb u i l d i n gu po ft h ea u t o c o n t r o ls y s t e m t h r o u g ht h eo p e r a t i o no ft h ep r o c e s su n d e rt h ea u t o c o n t r o ls y s t e m ，t h es t a b i l i t ya n d t h ee f f i c i e n c yo ft h ep r o c e s sw e r ea n a l y z e d t h es t r u c t u r eo ft h ea u t o c o n t r o ls y s t e mw a sb a s e du p o nt h eo p t i m i z a t i o no ft h e p r o c e s s ，w h i c hw a so p e r a t e du n d e rt h em a n u a lc o n t r o lc o n d i t i o n s t h eb a s i cs t r u c t u r e f o r m a t i o no ft h ea u t o c o n t r o ls y s t e mw a sap c + p l cp r o f i b u ss y s t e m i tw a sc o n s i s t e d b yt h et h r e ep a n sb e l o w ( 1 ) t h ec e n t r a l c o n t r o lu n i tw a sm a d eu po fs e m e n ss 7 3 0 0p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ) ，w h o s ef u n c t i o nw a st oe x p o r ta n di m p o r ts i g n a l s o fa l lt y p e s ，r e a l i z et h ea dt r a n s f o r m a t i o no fs i g n a l s ，c a l c u l a t et h ed a t aa n dt h e m a n a g e m e n to ft h es i g n a l t h ep r o g r a mo ft h ep l cw a si n p u t t e dt h r o u g ht h e p l a t f o r me s t a b l i s h e db ys i m a t i c s t e p 7s o f t w a r et or e a l i z et h ep r o g r a mc o n t r o lo f t h ep r o c e s s ( 2 ) s o m et y p e so fo n - l i n ep r o c e s sa n a l y z e r s ，s u c ha st p ，d o ，n h 3 n ，m l s s w e r es e l e c t e di nt h ea u t o c o n t r o ls y s t e ma n du s e dt oe n s u r et h eo n l i n ed a t ac a nb e i n p u ti n t i m ea n dt h ea d j u s t m e n tc a n b ep r e c i s e l yo u t p u t ( 3 ) t h ea u t o c o n t r o ls y s t e mh a db u i l tu pt h eh m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) o na i n d u s t r i a l c o m p u t e r t h e h m lw a s d e v e l o p e db y t h es i m a t i cw i n c c c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e a n ds i g n a l se x c h a n g eb e t w e e nt h ep l ca n dh m lw a s r e a l i z e db yap r o f i b u s d pc o m m u n i c a t i o nw i r e t h ea u t o c o n t r o ls y s t e mo ft h ep r o c e s sw a sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：t h ec h e m i c a l a n db i o l o g i c a lf l o c c u l a t i o np r o c e s sc o n t r o ls y s t e ma n ds u s p e n d e dc a r d e rb e d p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m n a b s t r a c t ( 1 舯ec h e m i c a la n db i o l o g i c a lf l o c c u l a t i o np r o c e s sc o n t r o ls y s t e mw a sm a d e u po ft h r e ep a r t s ：l h ef e e d f o r w a r d f e e d b a c ka u t oc o n t r o ls y s t e mo ff l o c c u l a n td o s a g e b a s e do nt p ；t h ef e e d b a c ka u t oa e r a t i o ns y s t e mo nt h ec o n v e y e rw a yi nt h ea e r a t i o n f l o c c u l a t i o nt a n ka n dt h ef e e d b a c km l s sc o n t r o ls y s t e m ( 2 ) t h es u s p e n d e de a r l i e rb e dp r o c e s sc o n t r o ls y s t e mr e a l i z e di t sf u n c t i o n t h r o u g ht h ei ns e r i a lc o n t r o lb a s e do nt h ep a r a m e t e rd oa n dn h 3 n t h e p i l o tr e s e a r c hp r o v e dt h a tt h ea u t o c o n t r o ls y s t e mh a d ag o o ds t a b i l i t ya n dc a n r e s p o n s et i m e l yi na c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo ft h ei n f l u e n tc o n d i t i o n s t h u st h ea u t o c o n t r o ls y s t e ms u c c e s s f u l l yg u a r a n t e e dh i g he f f i c i e n c ya n ds t e a d yo p e r a t i o no ft h e c h e m i c a la n db i o l o g i c a lf l o c c u l a t i o n - s u s p e n d e dp a c k e db e d p r o c e s s k e yw o r d s ：c h e m i c a la n db i o l o g i c a lf l o c c u l a t i o n ，s u s p e n d e dc a r r i e rb e d ，a u t o c o n t r o l ，p l c ，h m i ，f e e d f o r w a r d f e e d b a c k 1 1 1 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：会松 z , , o g 年只l 孓e t 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在歹年解密后适用 本授权书。 舯狮签名：哆砺学位论文作者签名：甜厶 矽p6 年弓具乃e l 础弓只l 箩e t 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：奔兹 沙d 占年弓月f f 日 第1 章绪论 第1 章绪论 随着国民经济的不断发展和城市规模的不断扩张，城市污水排放量也不断 增加。1 9 9 9 年城市生活污水首次超过工业污水排放量，占到全国污水排放总量 的5 2 9 。同时预计城市生活污水排放量以年均5 的速度递增。2 0 0 4 年，全国 污水排放总量大约为3 5 6 亿立方米，城市污水处理率为4 5 6 t 1 1 ，有一半以上的 污水未经处理直接排放。同时城市污水处理设施仍然不足，全国6 6 1 个城市中 还有近一半的城市没有集中污水处理设施，管网收集系统建设滞后。大量城市 污水排入城市水体，造成城市水环境不断受到污染，严重影响到了城市水资源 的利用，限制了城市未来的高速发展。从国内外环境保护的实例看，解决城市 水体污染的根本途径和措施就是建设集中式城市污水处理厂。因此，把工业和 生活污水集中然后送污水处理厂治理后，使之达到国家和地方排放标准已成为 改善城市水环境迫在眉睫的需要。 1 1 强化一级处理工艺的概况 一级处理是污水处理的基本方法，在城市污水处理中。一级处理一般采用 自然沉淀的形式，污染物去除率较低。近年来，发展中国家由于其环境污染的 加剧和环保投资的不足对单位投资去除污染负荷较高的一级处理采取了多种 强化措施【2 4 1 ，以提高其去除能力。而发达国家的很多城市污水处理厂为了减轻 二级处理负荷或扩大二级处理能力，也多方寻求强化一级处理的工艺。并取得 了明显的效果【5 卅。 在我国由于经济尚不发达，所以城市发展同期的污水处理率较低。而现阶 段我国已建成的城市污水处理厂以二级生物处理为主，由于二级生物处理工艺 能耗和运行费用较高，相当数量的污水处理厂不能正常运行，实际处理能力远 1 第1 章绪论 低于设计能力，并且我国中小城镇多，分布面广，污水排放量大，投入资金有 限。所以，在目前兴建或拟建的污水处理厂中，往往来用先建一级处理，以后 再逐步完善二级处理的策略用。先建设一级或强化一级污水处理厂，以较低费用 最大限度削减污染物的总量，在相对短时间内使水体污染状况得到初步的有效 控制，待条件允许时再续建二级处理设施【8 1 。 在城市污水处理工艺中，以沉淀为主的一级处理对有机物的去除率较低， 悬浮固体去除率一般为4 0 6 0 ，b o d 5 去除率仅为2 0 3 0 ，c o d 去除率为 5 0 左右。因此，仅采用一级处理【9 1 ，难以有效地控制水环境污染。为了提高一 级处理对污染物质的去除率，需进行强化。 从我国已建成的二级生物处理厂来看，由于第二级生物处理单元能耗大， 运行费用高，使很多二级处理厂长期处于停运转或半运转状态，所投入的资金 未能充分发挥其环境效益。因此，考虑经济与环保的要求，城市污水强化一级 处理得到了广泛的研究和试验【1 0 】，其适用情况主要有： ( 1 ) 对于低浓度的城市污水经过强化一级处理直接达标排放。我国许多中 小城镇的污水处理此种方式，可以较少的投资削减较大量的污染负荷。 ( 2 ) 近期内先建强化一级工艺理厂，经过处理取得较好的投资环境效益， 持有条件时再建完整的二级处理工艺。 ( 3 ) 对于以二级生物处理为主的城市污水处理厂，通过强化一级处理，去 除难于用生化处理去除的有机物、重金属和无机盐，同时减轻二级处理的负荷， 降低能耗。 所以，近年来，围绕一级处理工艺，结合具体进水水质和处理出水要求， 通过一级处理工艺强化，进一步提高污染物的去除，实现高效低耗已经受到广 泛关注。特别是污水絮凝强化一级工艺由于其良好的有机物去除能力和高效的 除磷效果，成了污水处理专业的热点。 第1 章绪论 1 1 1 污水絮凝强化一级工艺原理 根据研究，污水中只有2 5 3 0 的有机物是真正溶解性的【1 1 d 2 1 ，需要通过生 物氧化来去除。污水中的大多数污染物是以颗粒或胶体的状态存在。或者在处 理过程中被转化成为固体或胶体状态，所以处理的重点放在颗粒性污染物的去 除。传统污水一级处理是利用重力来去除大颗粒的可沉淀悬浮物。由于只依赖 于重力，简单沉淀对于去除污水中的微小颗粒不够有效。在普通的初沉池中要 沉淀小于5 0 p r o 的有机颗粒物质几乎不可能【1 3 】。要强化这些颗粒的沉淀，必须采 用物理、化学或生物的作用来使它们聚集变大。强化一级处理的目的就是集中 在提高初级处理的固液分离效果，通过生物和化学手段增强悬浮颗粒的沉降性 能，使部分胶体脱稳共同沉降，并且通过系列物化反应使污水中的一些溶解污 染物得到去处。 一、污水中的污染物质的颗粒分布 污水中的污染物质是由一系列无机和有机成分组成，这些成分的尺寸在于 0 0 0 1bm 1 0 0bm 之间【1 4 】。城市污水中污染物颗粒直径的分布随污水性质的不 同变化较大，它又受到用水习惯和排水管网的性质等各方面的影响。 城市污水中根据颗粒尺寸的大小粗略地将污染物质分为溶解态、胶体态、 超胶体态和悬浮态，表1 1 为城市污水有机污染物的颗粒分布的一些数据。不同 尺寸的物质在水中表现出不同的性质，如沉淀速率、传质速率、扩散速率和生 化反应速率等。而这些速率往往又是各种污水处理工艺处理效率的决定性因素。 研究表明胶体颗粒降解得比超胶体要快，颗粒态有机物会阻碍溶解态有机物的 去除和硝化反应。颗粒有机物的存在会影响生物膜的厚度、介质有效表面以及 溶解氧的扩散。一般来说，颗粒态物质必须首先要经过水解成为溶解态的物质 才能穿过细胞膜进入细胞内部得以生物降解；有研究表明在生物降解过程中颗 第1 章绪论 粒物的细胞外水解通常都是速率限制因素。 表1 1 城市污水中有机污染物的性质 颗粒尺寸um 大分子胶超胶 颗粒分类 溶解态胶体态悬浮态 体态体态 所占比例 3 1 2 1 1 82 53 2 预处理的难易可以预处 程度理 容易沉淀可沉降 惰 直接 可生化性能 可以生化生化较慢可沉降 性生化 生物化学氧化 速率常数d - i ( 以1 0 为底的 o 3 9o 2 2o 0 90 0 8 指数) 从以上的分析中得到的一个重要结论是：较小的有机物比较大的有机物生 物降解的速率快。也就是说在污水处理处理过程中，能够同时减少非扩散性颗 粒物的数量和尺寸的一级处理不仅能够减小生物处理过程的负荷，同时可以增 加生物处理过程的速率。 因此，减少非扩散性颗粒物的数量和尺寸的一级处理不仅能够减少生物处 理的负荷，同时可以增加生物处理过程的速率。 二、强化一级中污染物的去除 强化一级处理工艺中污染物的去除可以通过生物絮凝或者化学絮凝作用来 实现。初级沉淀他中没有去除的小于0 1 m m 的细小污染物颗粒，它们处于稳定 的悬浮状态。这种稳定的悬浮污染物可以通过利用低分子量的金属盐( 如硫酸 铝) 、高分子聚合物( 如聚合硫酸铝或聚合氯化铝) ，或某些微生物絮凝剂来脱稳 沉淀，强化污水中固液分离效果。利用有效的混凝剂、合适的混合条件形成沉 降性能良好的絮体，小于0 1i im 的颗粒可以从污水中被脱稳、混凝而去除。通 常使用的混凝剂同时还会引起磷的沉降，这也是强化一级处理的主要目的之一。 第1 章绪论 城市污水中废水中的磷主要来源于洗涤剂、粪便和磷化等工业废水，其形态 有正磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷，其中以正磷酸盐和聚磷酸盐占绝大多数，它可以 在有机磷和无机磷、可溶性磷和不溶性磷之间相互转换，但价态不会发生变化。 所有的污水除磷方法都包含两个必要的过程【1 5 1 6 1 ，首先将溶解性磷( 磷酸盐) 物质转化为不溶解性悬浮( 颗粒) 状态，然后通过固液分离将磷从污水中去除。 强化一级中通过对污水中投加混凝剂，混凝剂中金属离子使水中的磷酸根 离子生成难溶性盐，形成絮体后与水分离，从而除去污水中所含的磷【1 7 1 。同时 混凝剂絮凝剂在新形成的络合物的表面上对溶解性的磷选择性吸附，以及细小 胶体物质的絮凝共沉淀作用等一系列协同作用下实现达到污水中磷处理的高去 除率1 1 8 1 。 1 1 2 一级强化工艺的目的 一级强化用来实现以下目的：( 1 ) 提高一级处理工艺的s s 或b o d 去除效 果。( 2 ) 对于水量超过设计负荷的情况，在不增加基建投资的条件下，提高处 i _ ， 理负荷。( 3 ) 去除污水中的致病性微生物，利于出水加氯或紫外消毒。 ( 4 ) 提高二级生化处理工艺除磷效果。 1 1 3 一级强化的工艺形式 目前，强化一级处理工艺主要技术形式有化学强化一级( c e p t ) ，活化污 泥生物絮凝吸附强化一级和化学生物絮凝强化一级。 一、化学强化一级( c e 门) 化学强化一级是在一级处理的基础上，投加化学药剂使微小的悬浮固体、 胶体颗粒脱稳，聚集形成较大的颗粒，并由于絮凝作用加快悬浮物的沉降，从 而提高污水的处理能力。化学强化一级的主要优势是它能够在较短的水力停留 第1 章绪论 时间条件下，得到较好的污染物去除效果，同时有高效率的磷去除效果，并且 污泥在处理处置过程中不会重新释放磷而造成二次污染。目前，化学强化一级 工艺已经在污水处理厂得到。 1 9 8 5 年美国加里福尼亚四大污水处理厂，为了解决污水处理厂超负荷效果 差的问题，利用c e p t 法取得了很好的效果，s s 去除率达了8 5 ，b o d 去除率 达5 5 ，磷去除率大于8 5 1 1 9 1 。1 9 9 7 年香港建立了处理规模为4 0 m 3 s 的化学一 级强化污水处理厂，在运行之前进行的小试研究中显示，既使在较小的加药量 ( f e c l 31 0 m g l ，高分子聚合物0 1 5m g l ) ，s s 的去除效率从7 1 提高到9 1 ，b o d 的去除效率从4 2 提高到8 0 ，另外，加药后颗粒沉降速度加快，处 理水量也随之提高运行结果为一级运行的构筑物个数从最初的5 4 个减少到3 8 个，污水的处理能力得到极大提高【2 叭。同济大学熊剑英等人以铁盐为絮凝剂， 对上海合流制城市污水进行了化学强化一级处理的试验研究，取得了良好的效 果，在铁盐投加量为2 0 m g l 条件下，c o d c r 、b o d 5 、t p 、s s 的去除率分别达 到4 8 、6 2 、8 0 和7 0 1 2 。 1 化学强化一级药剂的研究 c e p t 早期的药剂主要是明矾、硫酸铝、硫酸亚铁、三氯化铁等简单的伽 或f e 盐【2 列，要取得良好的去除效果，药剂投加量较大。现在化学强化一级工艺 的发展方向主要为高效化学药剂的开发，在加入低剂量的无机混凝剂和少量的 高分子聚合物絮凝剂就能达到很好的污染物去除效果。研究表明：王东海等采 用无机絮凝剂处理低浓度生活污水，当p a c 投加量为3 0 5 0 m g l 时，c o d 去除 率达7 0 以上，在进水有机负荷较低时，单设该工艺即可使出水达n - - 级排放 标准。同时还能取得极佳的t p 去除效果，一般可达9 0 以上，并且受温度影响 小【2 3 1 。周世辉等对几种较常用的絮凝剂进行了单质和复合处理时的对比试验研 究，结果发现有机絮凝剂与无机絮凝剂复配使用时处理效果为最好，不但可以 第1 章绪论 降低药剂投加量和运行成本，还可以提高絮凝效果【2 4 1 。任洁等研究了铁盐、铝 盐同有机高分子絮凝剂复配使用处理上海合流制城市污水的效果，结果表明， 即使在冬季水温较低时，在f e c l 31 0 m g l ，高分子聚合物p a m0 1 5m g l 的投 药量下，c o d c r 、b o d 5 、t p 、s s 的去除率分别达到4 5 、4 3 、8 2 和5 4 i 矧。 张冰如等通过投加同济大学环境科学与工程学院研制的t j f 型絮凝剂，该药剂 含量为m 2 0 3 含量为1 0 的聚合氯化铝( p a c ) 和0 2 的阳离子聚合物复配。 在加药量6 0 m g l 的情况下对上海1 2 座污水厂和三条合流污水输送干线污水进 行试验，其中s s 去除率平均在8 5 ，b o d 去除率平均在7 0 ，t p 去除率达 7 7 1 2 6 1 。杨旭等p a m 改性制成的s w 1 0 1 阳离子絮凝剂与p a c 复配使用，可使 污水c o d 去除率提高到6 0 以上【2 刀。宫世国等研制的一种含阴、阳离子的复合 型天然高分子絮凝剂a s d i i ，用于处理城市生活污水，s s 去除率高达9 0 ， c o d c ，和b o d 5 去除率在7 0 左右，处理效果优于对比的氧化沟法，且运行成 本较低1 2 8 1 。 随着对活性污泥吸附性能的研究，微生物代谢过程中产生的一些高分子絮 凝物质，如普鲁兰【2 9 3 0 1 、甲壳糖【3 1 】等微生物絮凝剂也开始应用于c e p t 工艺。 总结起来新型絮凝剂主要是、f e 盐的聚合物和一些高分子絮凝剂或微生物絮 凝剂复配，形成絮凝效果优良的化学药剂，实现对污水一级处理效果的高效强 化。 2 化学强化一级设备的研究 化学强化一级的设备主要包括化学药剂的配制和投加设备、混合设备和反 应设备。 ( 1 ) 化学药絮混凝剂的配制和投加设备 化学药剂投加到要处理的水中，可以用干投法和湿投法。干投法就是将固 体药剂粉碎成粉末后定量的投加，由于干投法可能会造成药剂不能均匀混合所 第1 章绪论 以这种方法现在使用较少。目前常用的湿投法是将化学药剂先溶解，再配制成 一定浓度的溶液后定量投加。因此，它包括溶解配制置设备和投加设备。 1 ) 化学药剂的溶解和配置制设备：化学药剂在溶解池中进行溶解，溶解池 应有搅拌装置，通过搅拌加速药剂的溶解。搅拌的方式主要有机械搅拌、压缩 空气搅拌和水泵搅拌等。药剂溶解完全后将浓药液送入溶解池，用清水稀释到 一定的浓度备用。 2 ) 化学药剂溶解的投加设备；药剂投加到原水中必须有计量和定量设备， 并能随时调节投加量。计量投加设备可以用转子流量计、电磁流量计等。药剂 投入原水中的方式，可采用在泵前靠重力投加、水射器投加或直接用剂量泵投 加等方式。 ( 2 ) 混合设备 常用的混合方式是水泵混合、隔板混合和机械混合。 1 ) 水泵混合；利用提升水泵进行混合是一种常用的方式。药剂在水泵的吸 水管上或吸水喇叭口处投入，利用水泵叶轮的高速转动达到快速和剧烈混合的 目的。水泵混合效果好，不需要另建混合设备，但如果化学药剂有腐蚀时，对 水泵叶轮有一定的腐蚀作用。另外，当水泵到处理构筑物的管线很长时，可能 会在长距离的管道中过早的形成絮凝体并被打碎，不利于以后的处理。 2 ) 隔板混合；在混合池内设有数块隔板，水流通过隔板孔道时间产生剧烈 的收缩和扩散，形成涡流，使药剂与原水充分混合。隔板混合效果较好，但在 流量变化较大时混合效果不稳定。 3 ) 机械混合；用电动机带动桨板或螺旋桨进行强烈搅拌是一种有效的混合 方法。机械搅拌的强度可以调节，比较机动。但是该方法增加了维修和保养工 作和动力消耗。 ( 3 ) 反应设备 第1 章绪论 化学强化一级的反应设备主要有水力搅拌和机械搅拌两类。常用有隔板反 应池和机械搅拌反应池。 1 ) 隔板反应池；它是利用水流断面上流速分布不均匀所造成的速度梯度， 促进颗粒相互碰撞进行絮凝。为避免结成的絮凝体被打碎，隔板中流速应逐渐 减少。隔板式反应池构造简单，管理方便，效果较好，但反应时间较长，容积 较大，主要适用于处理水量较大的处理厂，因为水量过小时，隔板间距过狭， 难于施工和维修。 2 ) 机械反应池；机械搅拌池转动轴可以垂直也可是水平的，机械桨板的总 面积为过流截面积的1 0 2 0 ，搅拌电机转速应顺水流方向逐渐降低，反应时间 大约2 0 一3 0 分钟。 3 化学强化一级剩余污泥的研究 利用化学强化一级处理污水时会产生含有大量絮凝剂成分的化学污泥，化 学污泥的含水率很高，呈凝胶状，质轻并且蓬松，如果不改变物理性质，它将 保持半流化状态【3 2 1 。其组成粒子为水中悬浮固体经物理聚散、化学凝聚、生化 繁衍吸附或三者共存的方式胶结凝聚而成。其结构松散，形状不规则，比表面 积与空隙率较高，具有分形结构，外观上具有类似绒毛的分支和网状结构。 化学污泥成分除了包含原污水中的胶态和悬浮态污染物外，还含有一定量 的絮凝剂成分，而且污泥的产量将明显增大。通过工艺计量学做的初步估算， 在初沉池投加化学药剂，初沉池污泥量将增加5 0 1 0 0 ，在二沉池投加则全厂污 泥将增加1 0 2 5 1 3 3 】。同时化学污泥中含有的药剂中的金属离子对环境的影响也 不容忽视，以盐产生的化学污泥为例，铝含量非常高，给水厂的污泥固体中 含铝量为1 5 4 0 i 州，污水处理产生的污泥含量要低一些。污泥中的大量铝 因转移和积累会对环境造成很大的影响，其生物效应主要体现在【3 5 】：对水生生 物的毒害效应、对植物体的毒性效应、对人体的毒性和对生物处理过程中微生 第1 章绪论 物的毒性。 总之，虽然c e p t 工艺随着高效药剂的开发和应用，在相同处理效果的条件 下使得药剂投加量有极大减少，并且除磷的效率一般都可以稳定在7 5 8 5 i 矧， 能达到0 5 m g l l 的出水标准。但是由于其工艺产泥量较大，同时剩余污泥中含有 大量的铝盐或铁盐使污泥处理难以处理【3 7 1 ，限制了该工艺的发展。 二、生物污泥絮凝强化一级 生物污泥絮凝强化一级主要是利用生物污泥的絮凝吸附性能，去除水中重 金属离子和有害难降解有机质1 3 8 删。由于微生物对有害物质的敏感性，也有人 利用失活污泥的吸附性能来完成强化一级过程1 4 。目前有关生物吸附的研究主 要是研究生物污泥对单种溶解态的有机物和金属离子的吸附作用【4 2 1 。由于生物 污泥不同于一般的吸附剂，它的组成复杂，又具有生物活性，因而，生物吸附 作用既包括生物污泥对溶解性物质的吸附和吸收作用，也包括微细颗粒物质在 污泥表面的吸着作用，以及被污泥絮体包裹的作用1 4 引。 现在生物污泥絮凝强化一级研究中的典型工艺是再生曝气活性污泥法，该 工艺是在原有初沉池的基础上增设絮凝吸附池和曝气再生池，通过回流活性污 泥。通过活性污泥的吸附作用来提高沉淀池对污水中非溶解性有机污染物的去 除。其去除机理既有物理吸附、化学吸附和生物吸附作用，又有吸附架桥、沉 淀网捕等絮凝作用，同时还进行着一定量的生物降解。它不仅能去除粒径大于 1 0 l am 的颗粒，而且通过絮凝还能去除自然沉淀难以分离的粒径为0 1 1 0 1 tm 的 部分颗粒。 蒋展鹏等对污泥絮凝研究表明，当絮凝吸附池污泥浓度为1 2 9 l ，h r t 为 3 0 m i n ，沉淀池沉淀时间为1 h ，曝气再生池曝气2 h 时，c o d 和s s 去除率分别 可达6 0 7 0 和7 0 9 0 f 4 4 1 。与常规一级处理工艺相比其处理效果提高显著。 清华大学师绍琪等采用生物絮凝强化一级处理技术，对清华大学学生宿舍区生 第1 章绪论 活污水进行了处理研究，结果表明，c o d o 、溶解性c o d o 、b o d 5 、t p 、s s 、 有机氮的去除率分别达到6 9 、4 1 、6 7 、2 4 、8 7 和5 1 ，但对氨氮基 本没有去除【4 5 1 。尤作亮等利用污泥的絮凝吸附作用，采用回流污泥絮凝吸附沉 淀曝气再生工艺进行小试研究，改善城市生活污水的一级处理效率。试验结果 表明，c o d 去除率达到6 8 9 ，s c o d ( 溶解性c o d ) 去除率为4 1 ，b o d 5 去除率高达8 6 8 ，有机氮和总磷去除率分别为5 1 和2 4 2 ，对氨氮基本没有 去除效果，去除率只有4 2 i 矧。 从工艺流程和设计参数看，该强化工艺实质就是生物吸附再生法，只是反 应池的水力停留时间稍短，属高负荷吸附再生法。当进水中有机污染负荷不高 时( b o d s 弋 8 0 m g l ) ，采用该工艺替代初沉池，不必投加任何药剂，即可使出水 达到二级排放标准。但工艺中仍然需要曝气设备与污泥回流设备，致使能耗较 高，且其剩余污泥量较大；另外，当远期污水中有机物浓度有所提高时，为使 出厂水质达标，仍需后续生物处理工艺。 三、化学生物絮凝强化一级 化学生物絮凝工艺是近年来提出的一种强化一级新工艺。它是将生物污泥 絮凝和化学混凝处理系统相互组合，采用空气完成搅拌及絮凝反应。利用外加 的化学絮凝沉淀剂和污水中的天然生物絮凝剂，可达到经济有效的高程度去除 磷酸盐与s s 、中等程度地去除c o d 、b o d 5 的目的【4 7 1 。此工艺将化学絮凝强化 处理与生物絮凝强化处理相结合，以化学强化絮凝沉淀为主、生物絮凝沉淀作 用为辅，可以取长补短，达到处理效果稳定可靠、明显降低药剂消耗量、减少 污泥产生量、降低处理成本的目的。在采用空气混合絮凝反应的情况下，处理 系统可按三种方式运行( 如图1 1 ) ：化学强化一级处理、化学生物絮凝沉淀强 化一级处理、生物絮凝沉淀强化一级处理，以适应不同时期水质水量的变化， 提高运行灵活性。该工艺目前处于中试研究阶段，以上海市合流城市污水为主 第1 章绪论 要研究对象展开。 黄天寅等以上海合流制污水原水，研究了在相同絮凝剂p a c 投加量条件下， 比较了化学生物絮凝工艺和单纯的化学强化一级工艺对污染物情况。结果表明： 前者污染物去除率要普遍高于后者。在优化的运行条件下，化学生絮凝工艺 c o d c ，、t p 和s s 的去除率分别为7 0 、6 2 8 和8 8 。并且试验通过对8 个模 拟系统的耗氧实验证明了化学生物絮凝处理工艺中生物作用的存在，从理论上解 释了工艺高效的原因1 4 引。汪波等在中试条件下，以化学生物絮凝工艺的三种不 同的运行方式：纯化学、纯生物、化学生物絮凝进行对比研究，以不同条件下 絮凝池混合液耗氧速率为参数，也分析和证实了化学生物絮凝工艺中的生物作 用【4 9 1 。王峰等则通过p c r d g g e 等分子生物学技术分析了化学生絮凝污泥中的 微生物种群结构，得出反应池的污泥中含有大量的活性微生物，进一步证实了 化学生物絮凝工艺中的微生物絮凝作用【5 0 l 。通过以上研究得出，化学生物絮凝 强化一级处理工艺是通过化学和生物絮凝作用相结合对污染物进行去除，所以 在相同工艺条件下化学生物絮凝工艺对污染物的去除效率要比普通化学强化一 级高。 同济大学的夏四清等采用化学生物絮凝工艺处理上海污水一期工程( 竹园 污水系统) 竹园第一污水处理厂污水的中试试验研究结果表明：在絮凝池内混 1 2 第1 章绪论 合液浓度为2 0 0 0 m g l 左右，h r t = 3 5 m i n ，p a c 加入量为7 0 m g l ，p a m 为 0 5 m g l 时，c o d c r 、t p 、s s 去除率为7 0 、7 4 、8 8 ，比化学絮凝工艺分 别高出了1 2 、1 2 、3 ；污泥产量为4 k g d 1 5 1 。5 3 】，相对与化学絮凝工艺减少 了1 0 1 5 。通过对工艺的中试研究试验得出化学生物絮凝工艺的优化工艺条件， 并且在相同条件下较化学强化一级对污染物有更好的处理效果，显著降低了剩 余污泥的产量，污泥产量较化学强化一级处理工艺少1 0 1 5 。污泥的脱水性能 和沉降性能也较好，对污泥的重金属测试发现重金属含量未超过农用标准。 总之，化学生物絮凝工艺是结合了化学絮凝和生物絮凝两大工艺优势组合 而成强化一级新工艺，它的主要特点是： ( 1 ) 改变简单化学强化一级的机械搅拌方式，而采用曝气搅拌。 ( 2 ) 工艺设有污泥回流。 曝气搅拌方式，能够使化学药剂和污水更快速均匀的混合，并且能形成稳 定、沉降性能更好的矾花。并且通过曝气强度的渐减调节，能使得已经形成的 矾花不易破碎，改善了传统机械搅拌方式中搅拌桨使矾花破碎的问题。 同时在空气混合絮凝反应情况下，增加污泥回流和生物絮凝作用可以明显 改善絮凝反应条件，这是因为混合絮凝反应的效果取决于g 、c 、t 值( g ：速度 梯度，c ：反应池悬浮颗粒( 污泥) 浓度，t ：絮凝反应时间) 。在化学生物絮凝沉淀 运行方式中，反应池污泥浓度维持在2 0 0 0 4 0 0 0 m g l ，是无回流化学絮凝沉淀的 5 2 0 倍，使混合和絮凝反应得到了有效保证。同时由于污泥的回流作用使得工 艺运行出水稳定，有较好的抗冲击性能。经过以上试验证实化学生物絮凝相对 于其他絮凝强化一级处理工艺有更好的强化效果。是一种非常有研究价值和前 景的强化一级污水处理新工艺。 第1 章绪论 四、总结 强化一级处理是在普通一级处理的基础上，通过增加较少的投资，能较大 程度地提高污染物的去除率，降低了去除单位重量污染物的费用。是一种高效 而低投入的新型技术，有着较高的实用价值和良好的应用前景。它是适应于环 境状况急待改善而经济尚欠发达地区的一种新型实用技术，有较好的环境效益。 既可以单独用于城市污水的一级处理，又可以用于现有二级污水处理厂的强化： 改造。 其中强化絮凝工艺由于其良好的抗冲击性能，不受温度影响和高效率的除 磷等优势成为受到广泛的关注。在众多絮凝工艺中，化学生物絮凝工艺又以其 高效的强化效果，稳定的出水和能减少剩余污泥的产量成为近年来污水强化一 级处理工艺的研究重点。 但是，由于工艺本身污水停留时间较短等条件的限制，它不能对有机氮和 氨氮进行有效的去除。为了提高出水质以适应同益严格的出水水质要求，同时 又要保证污水处理成本的降低，就需要在强化一级工艺后接高效的脱氮处理工 艺。而悬浮填料生物反应器就是近年来广泛研究的一种高效脱氮处理工艺。 1 2 悬浮填料生物反应器处理工艺研究的进展 悬浮填料生物反应器是近几年国内外研究的一种新的附着生长型生物膜反 应器【5 4 5 5 】它是以比重接近水的悬浮填料直接投入到曝气池中作为微生物的活动 载体，微生物在悬浮填料上挂膜。依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用使填 料在水中充分流化，保持微生物得到充分的溶解氧和良好的传质条件。通过悬 浮填料上的微生物膜对污水中的污染物进行代谢去除。 国内8 0 年代也曾开展了悬浮填料生物接触氧化法处理城市污水的研究，但 第1 章绪论 当时采用的是活性炭、石英砂、无烟煤等填料【5 6 1 ，其填料比重在1 5 2 5 9 c m 3 之 间，需要较大的动力消耗才能使填料流化。同济大学经过多年研究，开发了新 型实用专利产品悬浮填料，使悬浮填料生物反应器各项性能有很大提蒯5 刀。 同济大学夏四清等采用投加新型填料的悬浮填料反应器对上海石油化工股 份公司水质净化厂石化废水进行处理。该石化废水原生化反应的水力停留时间 长达2 3 h 以上，且不能保证氨氮出水达到国家排放标准，而采用新工艺后，当 填料投加率为5 0 时，水力停留时间在6 - 1 2 h 条件下，中试进水水质在b o d 。 9 7 2 3 5 m g l 、c o d c ，2 0 3 6 7 8 m g l 、n h 。一n1 7 3 1 m g l 时，出水b o d 5 1 5 m g l ，c o d 。， 1 0 0 m g l ，n h 。- n 15 m g l 。即能保证b o d 。、c o d 伢、s s 等主要污染物达到排放标准，而 且使氨氮也能达标。试验研究中由于悬浮填料在反应器中充分流化翻动，具有 很好的紊流和传质条件，使生物膜生长不厚。由于较薄的生物膜结构使膜反应 中d 0 传质效率很高，生物膜处于好氧状态，创造了非常有利于硝化菌群生长的 环境。通过对填料上的微生物镜检发现其中生物相十分丰富且数量较多，活性 很高，具有很高的硝化率【5 8 5 9 1 。王学江等在悬浮填料生物膜a o 法处理石化废 水的试验研究中，当进水n h 。一n 在2 0 3 5 m g l 时，出水氨氮不超过3 m g l ，去除 率达到9 1 9 7 【鲫。进一步验证了悬浮填料生物反应器高效的硝化脱氮效果。 悬浮填料生物膜反应器与多数其它附着生长型工艺比较，主要优点是：操 作简便，有良好的通气性、过水性。存在碰撞和切割气泡等作用，可以强化微 生物、污染质和溶解氧的传质，提高氧的利用效率，因此传质效率高。避免了 反应器内液体的短流，填料不和微生物及其它固体物质结团，对曝气、布水没 有特殊要求。该反应器最大优势就是高效的生物硝化氨氮去除能力。由于现研 究阶段悬浮填料反应器主要在好氧条件下运行，所以目前运行条件下尚未有反 硝化功能。 第1 章绪论 1 3 化学生物絮凝悬浮填料床组合工艺概述 由第一节分析可知，化学生物絮凝工艺在处理城市污水方面能对c o d c ，、 s s 、t p 等污染物进行有效的去除，但是由于污水在整个处理系统中停留时间较 短( 3 0 m i n ) ，所以对氨氮的去除效果较差。而悬浮填料反应器对氨氮有很好的去 除效果。因此为了结合利用两种工艺的各自优势，以夏四清教授为组长的“化 学生物絮凝技术与设备 8 6 3 课题组将化学生物絮凝工艺和悬浮填料反应器进行 整合，提出了化学生物絮凝悬浮填料床组合工艺。课题组在该工艺的前期试验 表明，其对c o d 、s s 、t p 和氨氮去除效果很好1 6 。在此基础上，为了进一步 提高工艺的处理效率、降低运行和管理成本，课题组