（环境工程专业论文）城市污水厂污水回用技术的研究.pdf

摘要 随着现代工业和城市经济建设的不断发展，我国城市的环境污染特别是水 污染现状相当严重，受到严重的有机污染和氮、磷污染，富营养化问题突出， 进一步加剧水资源的短缺问题，而城市污水回用是缓解水资源短缺的重要途径。 本课题在借鉴发达国家成功经验、完善政策法规体系的基础上，开展经济有效 的污水处理新工艺、新设备的研究与开发，研究一种适合我国国情的污水回用 处理新工艺，这将对我国国民经济和社会发展及环境保护具有十分重要意义， 也将促进具有巨大潜力的中国城市污水回用市场健康快速发展。 本课题以阂行水质净化厂二沉池出水作为试验的原水，以e p s 曝气生 物滤池为主要的深度处理技术，加常规的混凝沉淀过滤处理技术，对回用水处 理工艺进行了系统的研究，内容如下： ( 1 ) 研究和优化e p s 曝气生物滤池工艺的运行参数及其反冲洗条件，考察 曝气生物滤池工艺在再生水处理工艺中的应用效果和可行性。 ( 2 ) 对砂滤池和纤维滤池分别进行了优化试验，同时对纤维滤池和砂滤池 作了一定的比较。 ( 3 ) 研究了e p s 曝气生物滤池+ 过滤( 分别进行了砂滤池过滤和纤维过滤 试验) 、曝气生物滤池+ 混凝沉淀这两工艺的出水水质，探讨了其作为回用工艺 的可行性。 关键词：e p s 曝气生物滤池、混凝沉淀过滤、砂滤池和纤维滤池 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h em o d e m i n d u s t r ya n dt h eu r b a ne c o n o m yc o n s t r u c t i o nu n c e a s i n g d e v e l o p m e n t , o u rc o u n t r yc i t ye n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n i ss p e c i a l l yt h ew a t e rp o l l u t i o n p r e s e n ts i t u a t i o nq u i t es e r i o u s ，r e c e i v e st h es e r i o u so r g a n i cp o l l u t i o na n dt h en i t r o g e n ， t h ep h o s p h o r u sp o l l u t i o n ，t h ee u t r o p h i c a t i o nq u e s t i o ni sp r o m i n e n t ，f u r t h e ri n t e n s i f i e s t h ew a t e rr e s o u r c e ss h o r tq u e s t i o n , b u tt h ec i t ys e w a g es a l e sc o m m i s s i o na l l e v i a t e s t h ew a t e rr e s o u r c e ss h o r ti m p o r t a n tw a y t h i st o p i ca tt h em o d e ld e v e l o p e dc o u n t r ys u c c e s se x p e r i e n c e ，i n t h e c o n s u m m a t i o np o l i c yl a w sa n dr e g u l a t i o n ss y s t e mf o u n d a t i o n , t h ed e v e l o p m e n t e c o n o m ye f f e c t i v es e w a g et r e a t m e n tn e wc r a f t , t h en e we q u i p m e n tr e s e a r c ha n dt h e d e v e l o p m e n t ，s t u d i e so n ek i n dt os u i to u rc o u n t r yn a t i o n a le o n d i t i o nt h es e w a g es a l e s c o m m i s s i o nt op r o c e s st h en e wc r a f t , t h i sw i l lh a v et h ee x t r e m e l yv i t a ls i g n i f i c a n c et o o u rc o u n t r yn a t i o n a le c o n o m yn a t i o n a le c o n o m ya n dt h es o c i a ld e v e l o p m e n ta n dt h e e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，a l s ow i l lp r o m o t et oh a v et h eh u g ep o t e n t i a lt h ec h i n e s e c i t ys e w a g es a l e sc o m m i s s i o nm a r k e th e a l t hf a s td e v e l o p m e n t t h i st o p i ct w os i n k s t h ep o n dw a t e rl e a k a g eb yt h em i n h a n gw a t e rq u a l i t yp u r i f i c a t i o nf a c t o r yt ot a k e e x p e r i m e n t a lt h eo r i g i n a lw a t e r , t a k et h ee p sa e r a t i o nb i o f i l t e ra st h em a i nd e p t h p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , a d d sc o n v e n t i o n a lt h ec o a g u l a t i o np r e c i p i t a t i o nt of i l t e rt h e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , h a sc o n d u c t e dt h es y s t e mr e s e a r c ha sf o l l o w st o t h es a l e s c o m m i s s i o nw a t e rt e c h n o l o g y , t h ec o n t e n t ： ( 1 ) s t u d i e sa n do p t i m i z e st h ee p s a e r a t i o nb i o f i l t e rc r a f tt h em o v e m e n tp a r a m e t e r a n di t st h ec o u n t e r - f l u s h i n gc o n d i t i o n , t h ei n s p e c t i o na e r a t i o nb i o f i l t e rc r a f ti nt h e r e g e n e r a t i o nw a t e rt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o ne f f e c ta n dt h ef e a s i b i l i t y ( 2 ) h a sc a r r i e do nt h eo p t i m i z e de x p e r i m e n ts e p a r a t e l yt ot h eg r a n u l a t e ds u b s t a n c e f i l t e rt a n ka n dt h et e x t i l ef i b e rf i l t e rt a n la tt h es a m et i m eh a sm a d et h ec e r t a i n c o m p a r i s o nt ot h et e x t i l ef i b e rf i l t e rt a n ka n d t h eg r a n u l a t e ds u b s t a n c ef i l t e rt a n k ( 3 ) s t u d i e dt h ee p sa e r a t i o nb i o f i l t e r + t of i l t e r ( c a r r i e so ng r a n u l a t e ds u b s t a n c e f i l t e rt a n kt of i l t e r s e p a r a t e l y 、析t l lt e x t i l ef i b e rf i l t e r se x p e r i m e n t ) ，t h ea e r a t i o n b i o f i l t e r + c o a g u l a t i o np r e c i p i t a t e st h e s et w oc r a l 凰w a t e rl e a k a g ew a t e rq u a l i t y , d i s c u s s e di tt ot a k et h es a l e sc o m m i s s i o nc r a f tt h ef e a s i b i l i t y k e yw o r d ：t h ee p sa e r a t i o nb i o f i l t e r , t h ec o a g u l a t i o np r e c i p i t a t i o nf i l t e r s ，t h e g r a n u l a t e ds u b s t a n c ef i l t e rt a n ka n dt h et e x t i l ef i b e rf i l t e rt a n k 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：唔狐易 6 年3 月g 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在支年解密后适用 本授权书。 指剥币虢机溅 学位论文作者虢馐弘够 j 嘞弓月1 冒日乃卢年3 月倍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，均己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： 年月日 第一章概况 1 1 水资源概述 第一章概况 我国的水资源形式非常严峻。虽然我国的水资源总量非常丰富，年径流量 2 7 1 1 0 1 2 m 3 ，居世界第六位，但是由于人口众多，人均占有量仅2 2 6 0 m 2 ，约为 世界平均的1 4 ，是世界缺水国家之一。同时，我国迅速发展的工业化、城市化， 也不可避免地加快了水资源的污染速度。由2 0 0 4 年度中国环境公报得知h 1 ，2 0 0 4 年废水排放量为4 8 2 4 亿吨，其中工业废水排放量为2 2 1 1 亿吨，生活污水排 放量为2 6 1 3 亿吨，其中绝大部分未经有效处理即排入江河湖海，造成水体严 重污染，符合地面水i 、i i 类标准的源水越来越少，许多水体的水质仅相当于 i 、类水体标准，甚至更差，城市可利用的水量减少，形成所谓“水质型缺 水 。水质型缺水是继水量型缺水之后为人们所关注的又一个热点话题。在七 大水系的4 1 2 个水质监测断面中，i 一- - i i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比 例分别为：4 1 8 、3 0 3 和2 7 9 。2 0 0 4 年监测的2 7 个重点湖库中，i i 类 水质的湖库2 个，类水质的湖库5 个，类水质的湖库4 个，v 类水质湖库6 个，劣v 类水质湖库l o 个。其中“三湖”( 太湖、巢湖、滇池) 水质因总氮和 总磷浓度高而均为劣v 类。 由此可见，水资源的污染和短缺已经严重阻碍了我国的经济发展和人们生 活的水平提高。由于有限水源的竞争，以及传统的用水和解决水污染的方法， 出现了新的经济学和费用问题，寻求新的管水战略已十分必要。所谓新的管水 战略应是：加强用水管理，提高用水效率，向节水型经济的战略转移，即大力 发展节水型农业、工业和节水型城市。节水型城市既要满足节水的要求，又要 解决水资源短缺的问题。一般来讲，它可以采用三种方式：通过改进技术降低 水的消耗和污水排放量，从水资源充沛的地区调水引入水资源匮乏地区。其中 城市污水回用比开发建设新水源更具现实意义，因为在水资源严重短缺的同时， 大量的城市污水不经利用排入水体，既浪费了大量的宝贵资源，又恶化了水体。 实践也表明，城市污水厂的污水回用是是缓解城市水资源紧缺的一个有效途径， 不仅可以大大改善社会环境，改善生活环境，改善投资环境，推动工业生产的 第章概况 发展及城市建设，而且缓解水资源和经济之间的矛盾，促进了国家经济的发展乜1 【嬲【4 】 1 2 国内外的污水回用概况 1 2 1 国外污水回用进展 国际上，日本、南非、以色列、美国、澳大利亚、俄罗斯等国早已开展污 水经处理后回用的工作嘲旧娜嘲扫町m 3 。以色列在污水回用技术和应用方面一 直处于世界领先地位，其1 0 0 的生活污水和7 2 的城市污水已经回用，它是世 界上回用水比例最大的国家之一。美国的城市二级污水处理厂已得到1 0 0 普及， 为污水回用创造了有利条件，城镇污水回用已进入大规模生产应用阶段，尤其 是在气候干旱的中西部地区。洛杉矾、加利福尼亚和佛罗里达都有大规模的中 水工程，佛罗里达州采用了中水和饮用水两套配水系统，是美国唯一完全实现 污水循环的大城市，不向周围河湖排放任何污水。日本早在2 0 世纪6 0 年代， 在沿海和西南一些缺水城市，如东京、名古屋、川崎、福冈等地即开始考虑将 城市污水处理厂的出水经过进一步处理后回用于工业、生活或生活杂用( 以冲 洗卫生设备为主) 、较大的工业回用水项目有东京江东地区工业水道、名古屋工 业水道、川崎市工业水道。目前，日本直接回用水的城市污水处理厂出水已经 成为城市一种稳定、可靠的水源，并制定了相应的水质标准。其中以生活杂用 水占的比重最大，直接回用于农业灌溉的污水占的比重较小，绝大部分是污水 处理厂出水排入地面水体经稀释缓冲后被间接回用。总体来说，发达国家和地 区以及严重缺水国家对污水的回用已经达到了一个很高的程度。上述事实说明 城市污水回用的可行性， 表1 - 1 国外城市污水回用情况具体见下表卜l 。 国外城市污水回用情况5 1 6 1 7 1 。9 0 1 1 加利福尼亚蒙特利 澳大利亚的 农地点墨西哥城以色列的丹地区 地区 维吉尼亚( 计划中) 业 水量2 0 0 0 页釜| 年 4 5 m 3 s3 0 0 0 万m 3 年 亚利桑那州的 澳大利亚的e r a r i n g 电 澳大利亚p o r t 地点新加坡的n e w 用水 工p a l ov e r d e 电站站k e m b l a 铁厂 2 第一章概况 业约为2 5 0 ，0 0 0取代原1 0 0 万3 年的3 5 ，0 0 0m 天( 计 水量4 5 。0 0 0m y 天 蔷 夭 城镇供水系统划) 佛罗里达州的圣彼加利福尼亚州的加利福尼亚州的南阿拉伯联合酋长国的 地点 得堡i r v i n e 大农场海岸 a b ud h a b i 第一期； 水量 8 0 0 0 0m 3 天 5 7 0 0 0t | 夭约2 0 0 ，0 0 0m s 天 6 0 。0 0 0m 天 城 阿拉伯联合酋长国澳大利亚的罗斯山脉澳大利亚的澳大利亚的m a w s o n 湖 镇 地点 的沙迦地区h o m e b u s h 海岸区 一期能供给1 0 0 0 0 座房 水量 约1 0 0 ，0 0 0m 3 天7 0 0 0 蠢| 夭 屋用水 加利福尼亚州的洛 加利福尼亚州的德克萨斯州的e i 地点 纳米比亚的温得和克 杉矾 o r m l g e 县 p a s o 补给地下水水量年 补 水量扩建后计划产水量为 给 平均为盆地流入总3 8 0 0 0 m v 天2 1 ，o o o m v 天 水 2 0 0 ，o o o 天 源 水量的1 6 地点美国弗吉尼亚州的u p p e ro c c a q u t m美国丹佛市的饮用回用水示范设施 现在1 0 0 ，0 0 0 m 3 天，计划要进一步扩展到 水量3 8 0 0 m 3 天 2 0 0 。0 0 0 m 3 天 1 2 2 国内污水回用进展 中国城市污水利用研究，早在1 9 5 8 年就列入国家研究课题，6 0 年代着重于 污水灌溉，7 0 年代中期进行了城市污水回用的深度处理试验，8 0 年代初大连、 青岛、太原等缺水城市相继开展了污水回用于工业和民用的研究与实践，有些 城市修建了家用试点工程并取得了成功，不少公共建筑亦建设了污水回用装置n 6 1 【1 7 】 o 目前，北京市政府在 2 0 0 8 年奥运会申办报告中的承诺，北京市2 0 0 8 年 城市污水处理率达到9 0 以上，污水回用率达到5 0 。污水回用包括绿化、河 湖环境、市政杂用和农业灌溉用水等。高碑店污水处理厂处理水资源化再利用 工程是北京目前最大的城市再生水回用项目，现已经建成投入运行，主要将通 过排污单位收取污水处理费收回投资、维持污水厂日常运行并获取利润n 甜。 第一章概况 天津从“七五”开始，以纪庄子污水处理厂为依托，开展了污水回用的科 研与生产相结合的工作，建成了城市污水资源化试验基地，进行了“纪庄子 污水处理厂二级出水回用可行行 、生物脱氮除磷技术“、一二级出水开发循环 利用自然净化技术 及“二级出水回用于工业的成套技术 等系统的科学研究， 1 9 8 9 年在纪庄子污水厂内建成了1 5 0 0 m 3 d 的回用示范工程，采用二级出水经纤 维球滤料直接过滤的处理工业，深度净化水除了供厂内污泥脱水车间、园林绿 地、综合楼卫生冲洗厕所外，还供给厂外机制煤球厂杂用水。天津市9 3 年投产 运行的4 0 万m 3 d 东郊污水处理厂，场内设有4 0 0 0 m 3 d 三级污水回用厂，采用 快滤技术，出水作为厂内杂用水，正常运行至今。目前，作为国家计委污水回 用五大国家级示范工程之一的纪庄子污水处理厂中水回用工程，同时也是天津 市政府重点工程的梅江生态小区配套中水回用工程，已投产使用，一期规模为 5 m 3 d ，其中2 m 3 d 作为居民家中冲厕杂用、小区花园等绿地、景观用水及市区 道路2 1 国家环保局、天津大学等单位在对天津纪庄子污水处理厂二级出水进行深 度处理的基础上，经动水挂片、动态模拟、沉积、电化学等试验基础上，结合 国家冷却水水质标准，提出了冷却回用水水质指标建议值，如表卜2 表1 - 2 冷却回用水水质建议值 水质指标建议值 ii i p h 值 6 9 浑浊度( m g l ) 5l o2 0 电导率( u s c m ) 3 0 0 1 0 0 01 5 0 0 总硬度( r a g l ) 2 0 03 5 0 总碱度( r a g l ) 1 5 0 3 5 0 c a ( m g l ) 3 6 c i ( m g l ) 4 3 0 0 ( 对不锈钢1 0 0 ) 总磷( m g l ) l34 c o d ( m g l ) 4 06 0 氨氮( m g l ) l3 细菌总数( 个m 1 )冬季5 1 0 3 。夏季l 1 0 3 4 第一章概况 我国的污水回用示范工程基本情况见表卜3 1 幻渊m 1 “5 1 。 表1 - 3 国内工业回用的示范工程情况 城市处理厂水量( 万m 3 d )用途 春柳河 8 工业区回用 大连开发区回用 7 市政，工业冷却 马拦河 1 2 市政杂用 北郊污水处理厂( 一级) 4 0 ，( 二级) 1 0市政杂用 长春 西郊污水处理厂( 一期) 5 ，( 二期) 1 0第一汽车厂 邯郸邯郸市污水厂1 0市政杂用 太原杨家堡处理厂 0 2 市政杂用 天津纪庄子污水厂 o 2 市政杂用 北京高碑店 3 0 冷却、市政杂用 1 3 国内外回用水处理技术 本课题的主要研究对象为城市污水处理厂出水，由调研资料所得，现阶段 城市污水虽经过城市污水处理净化后，水质达到了排放标准，但与污水回用标 准相比较，其溶解性固体含量、有机物、营养元素等污染物浓度仍然相对偏高， 使得城市污水处理厂的污水回用受到了一定的限制，需要进一步的深度处理才 能满足回用水质的要求。对收集的多个实例工程工艺进行了研究分析，发现当 以污水处理厂二级处理出水作为回用水水源时，一般选用物理法、物化法、生 化处理或相结合的深度处理工艺，常用的工艺有生物法一物理法串联工艺、生 物法物化法一物理法串联工艺、生物法一物化法串联工艺、物化法一物理法 串联工艺等。这些组合串联工艺处理效果好，出水能达到较高的水质要求“蚰n 蚰汹1 z t 】 o 过滤法是传统的污水回用净化方法之一，但过滤法处理效果差，滤料清洗 复杂。目前，过滤法主要用于生化、物化处理后的深度处理，进一步提高处理 水质，不适合单独作为净化处理工艺。 在污水回用中采用的物化法主要有混凝沉淀、混凝气浮、消毒等。在物化 法中，混凝沉淀具有装置简单，运行方便、处理效果较好的优点，可以作为污 5 第一章概况 水回用的优选工艺。 生物法是污水回用处理的主要方法之一，包括活性污泥法、生物膜法及先 进的膜一生物法，可以根据实际需要，采用不同的生物处理工艺，以达到处理 要求。该法具有净化效果好、运行费用较低等优点，但占用空间较大，运行要 求较高，适合于大水量、集约化管理的装置硷习。 。 活性污泥法及其改进的工艺是污水回用领域中最典型的生物法工艺，可 以在去除水中的有机物质，同步去除n h 4 - n 、p ，但是由于它不能承受过高的水力 负荷和污泥需回流，而且要克服诸如污泥膨胀，池容大，占地多，运行效率低， 水质水量变化是难以适应，启动缓慢的问题，所以该方法在实际应用中常受到 多种的条件的限制。 另外，在污水回用处理工艺中经常使用的是生物膜法，即接触氧化处理工 艺。包括生物填料、生物转盘、生物滤池等。其中处于前沿的是处理生活污水 的曝气生物滤池，集曝气、过滤于一身的工艺装置，是一种省地节能的污水处 理方法，在城市污水处理和工业废水处理的实际应用中表现了良好的实用性冽 乜盯瞵嘲。对于普通滤池，由于没有截留胶体和悬浮污染物的能力，同样对这类 污染物难以去除，而且悬浮污染物的存在还会影响对溶解性底物去除的效果啪 四1 ；同时在运行过程会发生布水不均匀、死角、脱落生物膜处理等问题，且水 力负荷限制滤池处理能力，因此占地面积较大。相比之下，曝气生物滤池既可 以用于初级处理，又可以作为污水的深度脱磷除氮处理，无需设沉淀池的情况 下保证出水稳定。国外大量的应用实例证明了它是一个新型高效、紧凑、适应 性强、出水水质好，管理自动化和可以模块化使用，在中水回用领域必将有着 广泛的应用和研究潜力啪3 uc 3 2 。 6 第二章试验内容概况 第二章试验内容概况 2 1 研究的目的和意义 2 1 1 立题依据和目的 鉴于目前全球水资源的匮乏和人们日益对水资源的重视，国内外都在研究 提高处理后的水质，回供给工业和城市杂用水的方法，并寻求更高级的处理方 法以减少新鲜水的紧张，缓和供水量，同时保护水污染。把经过处理的污水作 为一种新的水资源，加以再利用，已受到重视和关注。 目前，我国大量城市污水处理厂在进行新建和改建，城市污水排放标准和 处理效率在不断提高，这为城市污水回用创造了前所未有的机遇，导致了各城 市污水厂的污水回用领域日益兴起，其中唐山污水处理厂是正在建设污水回用 的污水处理厂之一。 对于污水回用处理技术，已有研究报道，在处理技术、工艺流程、管理体 制等各方面的改革上都取得了一定的进展，而且在某些回用领域已经有一定的 使用基础。为了达到经济、高效、适用的目的，必须针对设计的进水水质及出 水要求进行系统、仔细、深入的研究，根据现场水质情况通过试验得出推荐工 艺的优化设计参数。试验结果同时将为今后的运行过程提供优化运行参数。 2 1 2国内外现状、水平和发展趋势，经济建设的要求 美国干旱的西部地区的前任环保局地方执行官f e l i c i am a r c u s 曾经说过 妲：“水的回用是管理我们的水资源的关键因素。通过水的保护和回用，我们可 以满足环境的需求，而且可以得到可持续发展及成功的经济。供水的任务是为 了提供满足消费者的需求和保护环境的可靠的服务。力加利福尼亚水资源部的首 席执行官( c e o ) t o mh a n n i g a nu “则把回用水描述成满足加州未来水需求的“最 闪亮的明星 。由此可见，污水回用是开源节流、减轻水体污染、改善生态环境、 解决城市缺水的有效途径之一，而该回用技术的研究已成为新的热点，引起了 7 第二章试验内容概况 国内外水处理工程界的关注和重视。 本课题拟采用曝气生物滤池、混凝沉淀和过滤的组合工艺来处理污水处理 厂的污水，预计在氨氮浓度较高的情况下，可达到现行的回用水设计排放标准， 这样可以节省投资和运行费用。 2 1 3 曝气生物滤池处理工艺 2 1 3 1 概述 曝气生物滤池( b i o l o g i c a l a e r a t e df i l t e r ) 嘲简称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的基础上，并借鉴给水滤池工艺而丌发 的一项污水处理新工艺，最初用于污水的三级处理，后发展成直接用于二级处 理。曝气生物滤池是通过填装有颗粒介质填料和填料上生长的生物共同作用的 污水处理设旌。污水流过滤床，颗粒填料中生长的微生物利用曝气空气进行生 化反应和物理作用，同时可以去除水中的溶解性有机物、含氮化合物。并且在 水流穿过滤层的颗粒滤料后，水中的悬浮物也被截留或吸附，达到去除的目的。 因此，曝气生物滤池的出水不需要经过二沉池沉淀而可以直接排放或消毒后直 接回用心刀。川。图2 - i 是典型的两种流态的曝气生物滤池结构图。 黪仁一 一广。号手2 _ 1 l 9 fl ；一出水j p 掣水 空气怒凌遴凌茏墨薹l 堂查： - l = 二二= = 二：二堂壅 下向流 上向流 图2 - 1 曝气生物滤池示意图 随着研究的不断深入和实际工程的应用运行，曝气生物滤池从单一的工艺 逐渐发展成综合工艺，具有去除s s 、c o d 、b o d 、a o x ( 有害物质) 、硝化、脱氮 除磷等功能，最大优点是集生物氧化和截留悬浮固体于一体，节省后续二次沉 淀池，在保证处理效果的前提下使处理工艺简单化。同时，曝气生物滤池的紧 8 第二章试验内容概况 凑，高效率，可自动化控制的特点，可以在一些现有的工艺基础上很容易的改造 或扩建，在现有的建筑中水处理站占地面积受限制的情况下则明显地体现了优 势。相同的处理效果下，曝气生物滤池占地面积是活性污泥法的三分之一，是 普通滤池的二十分之一嘲。滤池内部的微生物在各自优势的条件下生长，处于各 自的高反应效率条件，因此可以使得滤池的有机物去除，氨氮去除处于高效状 态。水力停留时间和负荷率都优于其他处理工艺汹卅。因此，曝气生物滤池 的应用已越来越受到国内外水处理界的各方关注。 2 1 3 2 原理 硝化 好氧反应在生物滤池中就是生物种群的变化，其实质是特定生物的自然选 择。污水进入生化处理系统后有机氮通过细菌的分解和水解转化成氨，即为氨 化作用。在供氧充足及其他条件合适的情况下，污水中氨氮的氧化由硝化细菌 完成，包括两个步骤，如下： 含氮有机物氮化微生物 n h 4 n i 4 + 3 2 0 2 亚硝化菌、0 2 一+ h 2 0 + 2 h + 6 6 5 千卡 n 心一+ 2 0 ：硝化菌n 0 3 1 7 5 千卡 。， 影响硝化反应的最主要因素如下： ( 1 ) 溶解氧 对于曝气生物滤池反应器来说，起净化作用的主要是专性好氧微生物及兼 性微生物。一般说来，与异养菌相比，硝化菌对低溶解氧更为敏感。反应器中 溶解氧不足，轻则好氧微生物的活性受到影响，新陈代谢能力降低，重则微生 物的生长规律遭到破坏，好氧微生物受到抑制而死亡；若反应器中溶解氧过足， 一方面不经济造成能耗白白浪费，处理不经济，另一方面会导致微生物活性过 度增强，在营养供给不足的情况下，生物膜自身会发生氧化分解汹剐。 ( 2 ) 温度 温度对硝化细菌的生长和硝化速率有较大的影响，其对硝化影响与对异养 好氧微生物的影响相似，大多数硝化细菌适合的生长温度在2 5 3 0 之间。 h u l t m a n ( 1 9 7 1 ) 提出硝化细菌的生长速率l i 。和温度的关系如下汹1 ： 9 第二章试验内容概况 u - = ( 1 f ) z o “t 。鳓 ，正1 经验认为温度每升高1 0 摄氏度，生物反应增加一倍。但是最近的研究发现， 曝气生物滤池在2 0 ( 2 和3 0 分别运行，w a l s o 得出平均q 。值是1 1 6 1 ，与0 = 1 0 1 5 相近，表明温度对曝气生物滤池的有机物去除作用很小汹1 。低负荷时 ( 2 o k g t b o d m 3 d ) 出水几乎不受温度的影响m ，出水的t b o d 1 5 m g i 可以保证。 温度的影响往往还与负荷率，滤料的大小，碳化还是硝化反应，b o d n 比相 关联n 引。大粒径的滤料的硝化反应受温度的影响要比小粒径明显n 甜。虽然硝化 反应受温度影响较大，温度低于i o c 难以进行，但o s l o 处理厂数据证明一旦运 行开始，温度低于6 c 去除负荷可以达到0 3 k g n m 3 d 。 ( 3 ) p h 值 p h 对硝化细菌的生长和硝化速率有较大的影响。h u l t m a n ( 1 9 7 1 ) 汹1 提出硝 化细菌的生长速率u 、和p h 的关系如下： p 。= ( i l 。) l 1 + 0 0 4 ( 1 0 瑚 蚺一1 ) 】 不同的微生物其适宜的p h 值是不同的，一般认为亚硝化菌最佳p h 范围为 8 o 、8 4 ，在这一p h 范围内硝化速率最大。 ( 4 ) 碱度 在硝化过程中需要一定量的碱度，如果污水中碱度不足， p h 值下降，从而抑制硝化细菌的生长，减缓硝化过程的速度， 顺利进行必须要使污水中的碱度大于硝化所需要的碱度。 ( 5 ) 进水水质 原水水质中应含有保证微生物生长所必须的有机物质。 亚硝化菌、硝化菌产生抑制作用和毒害作用。 ( 6 ) 有机负荷 硝化反应将导致 所以硝化反应要 一些工业废水对 有机负荷是影响硝化效果的重要因素。由于有机物的异氧菌生长率高于硝 化菌，故当有机负荷高时，异氧菌比例增加，异养茵和硝化菌竞争生物膜表面 空间和溶解氧，硝化菌量相对减少，削弱了硝化能力。 曝气生物滤池的去除率和有机负荷的关系可以用类似于m o n o d 方程的等式 来描述捌 b a ，c o d _ , c o d2 r i 衣 其中， 1 0 第二章试验内容概况 h 啪是有机去除率( gc o d m z d ) k 是最大有机去除率( gc o d m 2 d ) 氏锄是有机负荷( gc o d m d ) k 是h 棚，= 1 2 r 。( gc o d m 2 d ) 时的有机负荷。 氧化 ， 氧化作用是利用生长在滤料表面的微生物在好氧的环境下，利用水中的可 生物降解的污染物作为底物，合成代谢成为微生物自身物质，达到生物去除污 染物的目的。好氧是生物新陈代谢的必要条件。 除磷 在好氧的条件下，微生物新陈代谢过程会使污水中的相应的碳污染物和磷， 氮污染物浓度下降。一般生物合成需要的c ：n ：p 的比例是1 0 0 ：5 ：l 。此外，聚 磷菌等微生物还具有吸附作用，可以去除一部分磷的污染。 除杂 除杂作用是依靠生物滤池反应器的滤料具有的强大的比表面积和滤料的物 理化学功能截留和吸附溶液中的悬浮性杂质和大分子污染物。 2 2 研究内容和指标要求 2 2 1 研究内容 本课题的研究目的是开发城市污水处理厂污水回用处理技术，以e p s 曝气 生物滤池除氮工艺为基础，采用闵行水质净化厂二沉池出水，以唐山污水厂的 工程建设为背景，以验证和优化其运行参数、积累运行管理经验为主要目的， 对曝气生物滤池除氮及其混凝沉淀、过滤( 砂滤池、纤维滤池) 的组合工艺进 行系统性研究。主要研究内容如下： ( 1 ) e p s 曝气生物滤池工艺参数的优化 主要是配合设计考察水力停留时间、进水负荷、回流比、出水稳定性等工 艺参数对处理效果的影响，重点探讨其对氨氮、有机物( c o d e r 、b o d ) 和浊度等 回用指标的去除效果，优选出运行参数，为实际工程设计提供可信的依据。 ( 2 ) 过滤技术的研究：对曝气生物滤池出水分别用砂滤池、纤维滤池进行 过滤，测定滤速和浊度的关系；对此两种滤池的出水水质进行比较和评价。 第二章试验内容概况 ( 3 ) 混凝加药系统的研究 对二沉池出水、曝气生物滤池出水进行混凝小试实验，研究有机物、浊度 等去除效果，筛选出性能优良、价格合理的混凝药剂及其投加量，确定混凝沉 淀的运行参数。 ( 4 ) 组合回用工艺的研究：根据地表水环境标准( 主要是、类) 和各种 再生水水质指标，评价曝气生物滤池和混凝沉淀过滤、曝气生物滤池和过滤这 两组合回用工艺的处理性能，找到切实可行且经济合理的城市污水处理厂出水 再生利用的处理技术，优选出最佳的总体工艺方案和实施方案。 2 2 2 指标要求 2 2 2 1 试验对象 根据不同原污水的特点选择试验原污水，原污水水质的差异可能导致截然 不同的结论，这也是为什么同一种工艺在两个运用场合会产生不同的处理效果 一样。第一步确定试验源水，根据闵行污水排放口近年的数据及未来预计，闵 行污水处理厂的水质在近年内不会有大的改变，因此，本课题选择了以上海闵 行水质净化厂的二期二沉池出水为试验对象，其水质情况见表2 一l ： 1 2 第二章试验内容概况 表2 - 1 闵行水质净化厂二沉池出水的水质情况与景观回用水质标准的对比 指标温度( )氨氮 c 0 d c rb o ds s 浊度 p h 溶解氧 ( r a g l )( r a g l )( m g l )( r a g l ) ( n t u ) ( r a g l ) 二沉池出水1 5 3 8 1 5 3 52 0 5 05 1 52 0 5 05 2 06 8 7 6 1 5 3 o 娱乐性景观 5656 8 7 62 o 回用 循环冷却补 1 06 01 05 6 0 9 0 充水回用 冲厕杂用水1 0l o56 0 9 0 刚用 从表2 - 1 中可以看出，相对于回用水水质标准来说，闵行水质净化厂二沉 池出水水质存在的主要问题为氨氮浓度高。由此可见，试验的主要目标是去除 氨氮，同时得进一步降低有机物和浊度，使得出水能用于各种回用场合中。 2 2 2 2 出水水质 本课题的研究目的是力求研究和开发出能同时满足城镇杂用水、工业用水、 环境用水等所要求的城市污水厂回用技术。针对目前存在着不同用途的回用水 水质( 农业回用、工业再生水、生活杂用水、景观环境用水等) 均有着相应的 水质标准的情况，因此，在本课题中，需制定预期达到的再生水水质指标。在 各种水质标准中，地表水环境质量标准( 主要是、v 类) 的卡要水质标准低 于各种回用水水质标准，因此，为了达到本课题的研究目的，本课题预期达到 的回用水主要水质指标设定依据为：地表水环境质量标准( 主要是、v 类) 。 1 3 第二章试验内容概况 2 3 试验装置的设计及运行 2 3 1 工艺流程图 冲洗出求 i i 三物主磊；i滤池反冲洗进水l 一一 e p s 曝气生物滤池 滤池( 砂滤池、纤维滤池) 图2 2 曝气生物滤池和滤池组合工艺流程示意图 ，j p _ ； 二沉池出水 反 流t 计 曝气生物滤池进水 e p s 曝气生物滤池 图2 3 曝气生物滤池和混凝沉淀组合工艺流程示意图 1 4 出水 二 第一= 章试验内容概况 232 各部分功效 进水泵：抽取二沉池出水至e p s 曝气生物滤池 e p s 曝气生物滤池：对二沉池出水进行生化处理，里装有1 - 2r r m 粒径的e p s 发泡粒子，填料膨胀高度1 5v 2 m ； = o h ”9 鼍基 幽￥ 5 # 8 仔 一c = = r 2 i a 一- 再： ： 一 一 一j 7 7 一? 7 j 7 77 圈24 曝气生物滤池装置示意图 砂滤池：对出水进行过滤，内装有06 - 12 r a m 粒径，滤料高度12 m 纤维滤池：对出水进行过滤，内装有纤维填料膨化丙纶丝，5 0 微米填料压 缩高度l2 m ，反冲洗膨胀高度1 6 m 。 混凝沉淀池：对出水进行混凝沉淀处理。 试验中采用的设备与材料如表所示： 一01；r_； 第一章试验内容概况 图2 - 5 曝气生物滤池装置实物图 表22 高效生物滤池硝化脱氟试验模型表 模型名称鼢模型尺寸( 米)材质数量备注 生物滤池茸陋02 8 m h = 33 m 其中滤料高度i5 m ，膨睦高 ( 昭；a 蝌)度ll m ，空气室高度07 m 出水槽高度06 m有机 4 h 生物滤池赢径02 8 s ，h | 3o m 其中滤料高度h = 20 m 进赤玻璃 售谗曲辩扣 匡高度0 5 m 出水槽高度05 m 出水池 04 r e x 04 m , h = o7 米 1 只 第二章试验内容概况 出水池0 6 m x o 6 m 。h = i 5 米 p v c 1 只 储泥池0 3 m o 3 m 。h = o 8 米p v c2 只 表2 - 3高效生物滤池硝化脱氮试验模型设备表 编号设备名称 姑 规格及型号数量备注 生物滤池进水泵d b z q = 2 8 m 3 h h = 8 m 3 台2 用1 备 生物滤池出水回流泵 d b z q = 2 8 m 3 hh = 8 m 2 台 反冲洗泵d b z q = 2 8 m hh - 8 ml 台 转子流量计 l z b l 50 = 4 0 0 4 0 0 01 h r2 只 适用于气体 纤维滤池反冲洗流量计 0 = 5 0 0 5 0 0 01 h r1 只 适用于液体 曝气和反冲洗空气暂时考虑厂内系统风 表2 - 4 高效生物滤池硝化脱氮试验模型材料表 编号名称规格数景备注 生物滤池进水泵 d b zq = 2 8 m a hh ：8 m 3 台2 用l 备 生物滤池出水回流泵d b z0 = 2 8 m 3 hh = 8 m2 台 反冲洗泵 d b zq = 2 8 m 3 hh = 8 m 1 台 转子流量计l z b l 5q = 4 0 0 “4 0 0 01 h r2 只适用于气体 纤维滤池反冲洗流量计q ：5 0 0 5 0 0 01 h r1 只适用于液体 表2 - 5 滤池过滤验模型表 模型名称构筑物模型尺寸( 米)材质数量 v = o 2 m 3 ( 反应池) + o 3 3 ( 澄清池) 反应澄清池p v c1 只 = o 4 0 5 1 ( 深) + o 6 0 5 1 ( 深) 滤池直径0 1 5 m ，h = 3 3 m ，其中滤料高度h = 1 2 m 有机玻璃 2 只 出水池0 4 m x o 4 m ，h = o 7 米p v c2 只 储泥池 0 4 m x o 4 m ，h = o 8 米 p v c2 只 表2 - 6 滤池试验模型设备表 编号设备名称 规格及型号 数量备注 滤池进水泵 d b z0 = 2 8 m 3 hh = 8 m4 台 3 用1 备 反冲洗泵 d b zq ：2 、8 m 3 hh = 8 m2 台 1 7 第二章试验内容概况 转子流量计 l z b i50 = 4 0 0 4 0 0 01 h r2 只适用丁气体 反冲洗流量计l z b l 5q ：1 5 0 1 5 0 01 h r 2 只适用于液体 加药计量泵 q = 2 l o l hh = 8 m ( 6 ) 消毒计量泵 曝气和反冲洗空气暂时考虑厂内系统风。 2 3 3 运行流程 本课题采用的是生化一物化的工艺流程。二沉池污水先由提升泵进入曝气 生物反应柱，在这里通过滤料上生长的微生物的代谢合成功能，氧化和硝化功 能同时进行，可以同步去除污染物中的磷和氮，以及其他污染物。本试验采用 回流比是o 1 5 0 ，具体回流比在各个试验阶段作详细介绍。 曝气滤池采用排气脉冲，反