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天然沸石填料曝气生物滤池脱氮性能和生物再生研究 摘要 本文以自配生活污水为实验用水，研究了有机负荷、水力负荷、气水比 以及填料高度对b a f 去除c o d 、氨氮、总氮的影响，并在沸石吸附饱和后对 其进行生物再生。结果表明：在有机负荷低于6 4 k gc o d m 一d 一，水力负荷l 2 m h ，气水比2 ：l 3 ：1 下，c o d 去除率在6 7 9 3 ，氨氮去除率在5 2 8 6 ，总氮去除率在3 2 6 7 。 在单因素实验基础上，选取有机负荷、水力负荷、气水比三个参数作为分 析因素进行正交实验。正交实验的结果表明：各因素对氨氮去除率影响大小依 次为：水力负荷 气水比 有机负荷，各因素对总氮去除率影响大小依次为： 水力负荷 有机负荷 气水比。 在微生物作用下，饱和沸石9 7 1 1 再生了3 2 7 3 ，比解析速率提高了1 8 5 7 。 二级滤池中沸石再生速度只有一级滤池的6 6 2 7 。将两个生物滤池并联可以提高 沸石再生速度3 0 以上。 关键词；曝气生物滤池有机负荷水力负荷气水比 生物再生 s t u d y o nt h ep e r f o r m a n c eo fd e n i t r i f i c a t i o ni nt h e z e o l i t eb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e ra n d b i o r e g e n e r a t i o no fz e o l i t e a b s t r a e t t h ei n f l u e n c eo fo r g a n i cl o a d i n g ，h y d r a u l i cl o a d i n g ，t h er a t i oo fg a sa n dw a t e r a n dt h eh e i g h to ff i l l i n gt or e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d ，a m m o n i cn i t r o g e na n dt o t a l n i t r o g e nh a sb e e ns t u d i e di nb a fb yu s i n gt h es e l f - c o n f e c t e dw a s t e w a t e r z e o l i t e b i o r e g e n e r a t i o nh a sb e e na l s os t u d i e d t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w t h a tt h er e m o v a l e f f i c i e n c yo f c o d ，n h 3 - n a n dt ni s6 7 - 9 3 ，5 2 8 6 a n d3 2 , - 6 7 u n d e rt h eo r g a n i c l o a d i n go f 6 4 k g c o d n l - 3 d t t h eh y d r a u l i cl o a d i n go f1 2 m 3 n r 2 h - 1a n dt h ea i ra n dw a t e r r a t i oo f 2 3 ：1b yb a f b a s e do ns i n g l e f a c t o re x p e r i m e n t ，t h r e ep a r a m e t e r s ，t h eo r g a n i cl o a d i n g ，t h e h y d r a u l i cl o a d i n ga n dt h er a t i oo fg a s a n dw a t e r ，h a v eb e e nc h o s e nt oo r t h o g o n a l t e s t s t h eo r t h o g o n mt e s t ss h o w e dt h a tt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ef a c t o r so nn h 3 n r e m o v a li sc h a r a c t e r i z e da sf o l l o w s ：t h eh y d r a u l i cl o a d i n g t h eo r g a n i cl o a d i n g t h er a t i oo fg a sa n dw a t e ra n dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ef a c t o r so nt nr e m o v a li s c h a r a c t e r i z e da sf o l l o w s ：t h eo r g a n i cl o a d i n g t h eh y d r a u l i cl o a d i n g t h er a t i oo f g a sa n dw a t e r t h er a t eo fz e o l i t eb i o r e g e n e r a t er e a c h e d3 2 7 3 i n9 7h o u r s i tw a s18 5 7 h i g h e rt h a nt h ed e s o r p t i o nr a t e t h er a t eo fb i o r e g e n e r a t i o ni nt h es e c o n d f i l t e r i s o n l y6 6 2 7 o ft h e r a t ei nt h ef i r s tf i l t e r u s i n gt w os t a g eb a fc a ni n c r e a s et h e b i o r e g e n e r a t i o nr a t eo v e r3 0 k e yw o r d s ：b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ；h y d r a u l i cl o a d i n g ；o r g a n i cl o a d i n g ；t h er a t i o o fg a sa n dw a t e r ；b i o r e g e n e r a t i o n 插图清单 图2 1 实验装置图1 0 图3 1 曝气生物滤池挂膜情况1 3 图4 1 有机负荷对b a f 除碳性能的影响1 6 图4 2 有机负荷对b a f 去除氨氮性能的影响1 7 图4 3 有机负荷对b a f 去除t n 性能的影响1 8 图4 - 4 水力负荷对b a f 除碳性能的影响 1 9 图4 5 水力负荷对b a f 去除氨氮性能的影响2 0 图4 - 6 水力负荷对b a f 去除t n 性能的影响2 l 图4 7 气水比对b a f 除碳性能的影响2 2 图4 8 气水比对b a f 去除氨氮性能的影响 2 3 图4 9 气水比对b a f 去除t n 性能的影响 2 3 图4 1 0 填料高度对b a f 性能的影响2 5 图4 1 1 沿滤料高度微生物情况2 6 图4 1 2c o d 平均去除率的极差分析2 8 图4 1 3n h 3 n 平均去除率的极差分析2 9 图4 1 4t n 平均去除率的极差分析3 0 图5 1 沸石吸附氨氮等温线3 3 图5 2 吸附出水氨氮浓度随时间变化3 6 图5 3 沸石吸附动力学曲线3 7 图5 - 4 解析出水氨氮浓度随时间变化 3 9 图5 5 解析氨氮动力学曲线 4 0 图5 - 6 沸石解析速度 4 1 图5 7 再生出水各形态氮随时间变化曲线 4 2 图5 8 沸石生物再生速度 4 3 图5 - 9 二级滤池再生出水各形态氮随时间变化曲线4 4 图5 - 1 0 二级生物滤池沸石再生速度 4 5 图5 1 l 氨氮随填料高度变化 4 6 图5 1 2 硝态氮+ 亚硝态氮随填料高度变化4 7 图5 1 3 总氮随填料高度变化 4 8 表格清单 表3 - 1 曝气生物滤池挂膜情况1 3 表4 1 正交实验b ( 3 3 ) 表头设计1 6 表4 2 有机负荷对b a f 除碳性能的影响1 6 表4 3 有机负荷对b a f 去除氨氮性能的影响1 7 表4 4 有机负荷对b a f 去除t n 性能的影响“1 8 表4 5 水力负荷对b a f 除碳性能的影响1 9 表4 6 水力负荷对b a f 去除氨氮性能的影响2 0 表4 7 水力负荷对b a f 去除t n 性能的影响2 1 表4 8 气水比对b a f 除碳性能的影响2 l 表4 - 9 气水比对b a f 去除氨氮性能的影响2 2 表4 - 1 0 气水比对b a f 去除t n 性能的影响 oe oom 2 3 表4 1 1 填料高度对b a f 性能的影响2 4 表4 1 2 正交实验表2 7 表4 1 3n h 3 n 平均去除率的方差分析2 9 表4 1 4t n 平均去除率的方差分析3 0 表5 1 沸石吸附氨氮等温线3 3 表5 2 吸附出水氨氮浓度随时间变化3 5 表5 3 解析出水氨氮浓度随时间变化3 8 表5 - 4 解析沸石吸附氨氮 4 0 表5 5 再生出水各形态氮4 1 表5 - 6 再生沸石吸附氨氮4 3 表5 7 二级滤池沸石再生出水各形态氮随时间变化4 4 表5 _ 8 二级滤池沸石再生速度4 5 表5 - 9 各填料高度氨氮时间变化 4 6 表5 1 0 各填料高度硝态氮+ 亚硝态氮随时间变化 4 7 表5 1 1 各填料高度总氮随时问变化4 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰弓过的研究成果， 也不包含为获得金b b 工些本堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材科。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：冬z 扣签字日期：0 7 年f 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥目里王些盔芏有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒a b 二e 些鑫 壹! 一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签轹寺诳 签g z e t l l i l ：一年s 只 e t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 一名：锄职 签字日期：刀年歹月7 ，日 电话： 邮编： 致谢 在硕士研究生学习即将结束之际，我怀着非常感激的心情对老师、同学、 朋友和亲人致以深深的谢意。 论文的完成首先要感谢导师彭书传教授、崔康平副教授的悉心指导，在论 文选题、实验、撰写过程中都倾注了两位导师的大量心血。两位导师严谨的科 学态度，渊博的学识和高尚的科研道德使我受益匪浅。感谢两位导师在思想、 学习、工作、生活各方面给予本人的莫大关心和帮助。 感谢陈艳、施晶俊、童晓庆、汪嘉源、许朋、章雪等同学在实验中给予的 帮助和启发，院实验室李云霞、熊传兰和梅万芳等老师在实验方面提供了硬件 设施支持，在此一并表示衷心感谢。 感谢父母给予我物质、精神上的支持，他们的激励永远是我拼搏进取的动 力。 最后，还要感谢硕士研究生学习期间传道受业的老师、携手共进的同学以 及关心支持我的所有人。有了你们作坚强后盾，我的人生道路必将走的更加稳 健和塌实。 作者：李冰 2 0 0 7 年5 月2 0 日 第一章绪论 1 1中国水污染与水处理技术发展现状 1 1 1中国水资源与水污染现状 中国是个贫水国，多年平均地表水资源总量为2 8 1 2 4 4 亿m 3 ，地下水资源 总量为8 2 8 7 7 亿i l l 3 ，居世界第6 位。但人均占有水资源量仅2 3 0 0 m ，占世界 人均水资源量的l 4 ，居世界第1 2 1 位，被联合国定为1 3 个贫水国之一。亩 均水资源量为1 7 7 0 m 3 ，为世界亩均水量的3 4 。中国人口占世界的2 2 ，但 可再生淡水资源量只占世界的8 t l j 。 我国不仅水资源短缺，而且污染严重。2 0 0 4 年全国污水排放总量为6 9 3 亿 吨( 不包括火电直流冷却水排放量和矿坑排水量) ，其中工业污水占2 3 ，第三 产业和城镇居民生活污水占1 3 射。根据2 0 0 5 年水质监测资料，采用国家地 表水环境质量标准( ( 3 8 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 对全国河流、湖泊、水库的水质状况进行了 评价。全国4 8 个重点湖泊的1 5 2 1 0 3 k m 2 水面评价结果显示：全年水质达到i m 类标准的湖泊有1 7 个，部分水体受到污染的有1 9 个，水体水质均为劣v 类 的有1 2 个。主要超标项目是总磷、总氮、高锰酸盐指数、化学需氧量和氨氮。 营养化评价4 7 个湖泊，除云南的泸沽湖处于贫营养状态外，有1 4 个湖泊处于 中营养状态，3 2 个湖泊处于富营养状态。全国全年评价河长1 4 0 4 9 6 6 k i n ，其 中，i m 类水河长占总评价河长的6 0 9 ，v 类水河长占1 7 8 ，劣v 类水河长占2 1 3 。污染以耗氧有机物为主。主要超标项目是氨氮、高锰酸盐 指数、化学需氧量，五日生化需氧量和挥发酚等pj 。 近几年，我国水污染事故频频发生。自2 0 0 5 年松花江水污染事故到2 0 0 6 年1 0 月，我国共发生1 3 0 多起与水有关的污染事故。严重的有松花江苯系水污 染事件、珠江北江镉水污染事件、重庆市垫江苯系物泄漏事件、长江黄石西塞 山段发生污染事件等等。有些是操作失误造成污染物质大量泄漏引起的急性污 染事件，也有企业偷排废水造成的恶性水污染事件。 对水体中各形态氮的控制逐渐成为水污染控制的主体。2 0 0 5 年8 月2 9 日， 洱海流域保护治理规划( 2 0 0 3 2 0 2 0 ) 开始实施，该规划体现了新的湖 泊治理战略，避免生态破坏的事后治理。其强调“五个转移”：一是将保护治理 的目标由水质改善转移为水质和生态质量的综合提高；二是将总量控制指标由 化学需氧量转移为总磷、总氮；三是将污染控制重点对象由工业污染源转移为 生活和农村农田污染源：四是将污染控制范围由湖泊周围转移为全流域；五是 将污染控制措施由单一的污染治理工程转移为工程的、技术的、生态的，法制 的、管理的综合措施。 l - 1 2 污水深度处理技术 污水深度处理方法很多，有物理化学法、生物法以及物化、生化等联合处 理法。 1 1 2 1 物理化学法 ( 1 ) 吸附法 吸附( a d s o r p t i o n ) 作用是两个不可混合的物质相( 固体、液体或气体) 之 间的界面性质，在这种两相界面上一相的组分得到浓缩，或者两相互相吸附形 成界面薄膜。吸附过程分为物理吸附( p h y s i s o r p t i o n ) 和化学吸附 ( c h e m i s o r p t i o n ) 。一切固体物质表面都有吸附作用。但实际上，只有多孔物质 或者磨的很细的物质，由于具有很大的表面积，才有明显的吸附作用，被称为 吸附剂水处理中常用的吸附剂有沸石、蒙脱土、活性炭、硅胶等【4 1 。 ( 2 ) 膜分离技术 膜分离技术是2 0 世纪6 0 年代之后才迅速发展和工业应用的一门新型的高 分离、浓缩、提纯及净化技术p 】。膜技术的优点有：可以脱色，减少生成三氯 甲烷( t h m ) 的前驱物，几乎可以完全脱除s s ( s u s p e n d e ds o l i d s ，悬浮固体 物质) 、一般的细菌、病毒、大肠杆菌等，出水水质优良。且装置占用空间少， 可与其他设备灵活组合。在污水深度处理、回用中，微滤( m f ) 、超滤( u f ) 可以代替常规的沉淀、过滤、吸附、除菌等预处理，纳滤( n f ) 、反渗透( r o ) 可以进行水的软化和脱盐。在中水回用中，目前使用最多的是以m f 、u f 与活 性污泥组成的膜生物反应器【6 j 。 ( 3 ) 溶剂萃取分离法 萃取是利用溶质在两种互不相溶( 或部分相溶) 的液相之间分配的不同来 实现液体混合物分离的。按萃取机理可分为物理萃取和化学萃取i _ 7 1 。常用的萃 取剂可分为三类：中性配合萃取剂如t b p ，酸性配合萃取剂或鳌合萃取剂如有 机弱酸，离子缔合萃取剂如盐或铵盐。 ( 4 ) 氧化还原处理法 氧化还原处理是将水中溶解性物质( 包括无机物和有机物) ，通过化学反应 过程将其氧化或还原，转化为无害或毒性不大的新物质，或者转化成容易从水 中分离排除的形态( 气体或固体) ，从而达到处理的目的【引。常用的有空气氧化 法、臭氧氧化法、氯化氧化法、过氧化氢氧化法、f e n t o n 试剂氧化法等等，近 年来人们把紫外光( u v ) 、氧气、f e n t o n 试剂等联合使用，强化各体系的优点， 弥补不足，如h 2 0 2 + u v 体系、h 2 0 2 + f e ”u v 体系、h 2 0 2 + f e 2 + + 0 2 、h 2 0 2 + u v + 0 2 及h 2 0 2 + f e ”+ u v + 0 2 等，使得氧化还原法有了更广泛的应用。 ( 5 ) 光催化氧化法 光催化技术指的是光化学和催化荆两者的结合。1 9 7 6 年j o h nh 等报道了 在紫外光照射下，发现在t i 0 2 悬浊液中，浓度约为5 0 p g l d 的联苯氯化物经过 半小时的光照反应，即可全部脱氯，且中间产物没有联苯。这一研究很快被应 用于环境治理领域，被认为是光催化技术在消除环境污染物方面的首创性研究 工作。光催化氧化法具有有害物质分解彻底、可以在常温常压下操作、不需要 大量消耗光以外的其他物质等优点，但尚不能用于大量和迅速处理。光催化氧 化法作为一种新的环境净化技术正在受到广泛的关注。 此外，化学法还有湿式氧化技术、超临界水氧化技术等等。 1 1 2 2生物法 废水生物处理法是1 9 世纪末出现的，主要是利用微生物的生命活动过程， 对废水中的污染物进行转移和转化作用，从而使废水得到净化的处理方法。根 据微生物在反应器内的生长形式可以分为悬浮生长法( s u s p e n d e dg r o w t h ) 和附 着生长法( a t t a c h e dg r o w t h ) 。悬浮生长法以活性污泥为典型代表，附着生长法 传统上称为生物膜法1 9 】。 ( 1 ) 活性污泥法 活性污泥法是利用悬浮生长的微生物絮体处理污水的一类好氧生物处理方 法，是在废水的自净作用原理下发展而来的。常用的有传统活性污泥法、氧化 沟、吸附生物降解工艺( a b 法) 、序批式活性污泥法( s b r 法) 等等 1 0 l 。 活性污泥法是最早开始使用的生物处理系统。1 9 1 2 年英国的克拉克( c l a r k ) 和盏奇( g a g e ) 发现对污水长时间曝气会产生污泥。继而阿尔顿( a r d e n ) 和 洛开脱( l o c k e t t ) 对这种污泥进行研究并命名为活性污泥。1 9 1 6 年英国曼彻斯 特市建成了世界上第一座活性污泥水处理厂。此后，活性污泥法迅速发展。 活性污泥法的发展和演变主要是从曝气和水流方式的演变开始的。从传统 的推流式全程曝气反应器，发展出渐减曝气、完全混合法、浅层曝气、深层曝 气，延时曝气、纯氧曝气、氧化沟等等。随着活性污泥法理论研究的深入，开 始出现新的工艺。2 0 世纪7 0 年代，德国亚深工业大学的b o e h n k e 教授开发了吸 附生物降解法( a d s o r p t i o nb i o d e r a t i o n ，简称a b 法) 、1 9 8 4 年美国国家环保局 通过了技术评价s b r 工艺等【l “。 活性污泥法的是废水生物处理技术中历史最长、工业化实践最多、操作运 转经验最丰富的技术，主要优点是相对合理的费用得到优良的出水水质。 ( 2 ) 生物膜法 生物膜法是利用“填料”作为微生物附着的介质，在介质表面形成生物膜处 理污水。原理与土地处理的过程相同。常用的有生物滤池、生物转盘、生物接 触氧化法等等1 1 2 l 。曝气生物滤池是生物膜法的种。 1 8 9 3 年，英国将污水在粗滤料上喷洒进行净化试验取得了良好的净化效 果，生物膜反应器的最初形态生物滤池( t r i c k l i n gf i l t e r s ，也称滴滤池) 开始问世。 在2 0 世纪2 0 3 0 年代，生物膜反应器系统开始应用，其主要形式是生物 滤池。到了6 0 年代，随着新型的有机合成材料的大量生产和广泛使用，生物膜 反应器获得了新的发展。到了7 0 年代，生物反应器的形式得到开发，出现了生 物转盘( r b c ) 、淹没式生物滤池( s u b m e r g e db i o f i l mr e a c t o r ) 和生物流化床 ( f l u i d i s e d b e d ) 等技术。近年来，又出现了大量新型的复合式生物膜反应器， 如微孔膜生物反应器( m e m b r a n eb i o f i l mr e a c t o r ) 、提气式生物膜反应器 ( a i r 1 i f t s ) 、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 ) 、附着生 长稳定塘( a t t a c h e d g r o w t hp o n d s ) 等等 1 3 1 。 生物膜法的特点：a 微生物相多样化，能存活世代周期较长的微生物，如 硝化细菌，使得除碳、脱氮等可以同时实现；b 微生物量多，净化能力大，具 有良好的抗冲击能力，可以适应水量、水质的较大变化；c 污泥沉降性能好， 易于圃液分离，剩余污泥量少，降低了污泥处理和处置费用；e 易于管理，减 少了污泥膨胀问题。 1 2 曝气生物滤池在污水处理中的应用 1 2 1曝气生物滤池的产生和发展现状 曝气生物滤池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2 0 世纪8 0 年代欧美开发 的一种新型污水处理技术。最早由法国c g e ( c o m p a g u i n eg e n e r e l ed e se a n x ) 公司所属的o t v ( l o m n i u md ef r a i t e m e n t se td ev a l o r i s a t i o n ) 公司开发l i ”。 自8 0 年代末欧洲建成第一座曝气生物滤池污水处理厂后，曝气生物滤池技 术得到了极大的发展和广泛的应用。目前曝气生物滤池已在欧美和日本等发达 国家广为流行，世界上已有数百座污水厂采用了这种技术，法国的d e g r e m o n t ， 英国的o t v 、p w t ，德国的m u l e t ，美国的e m i c o 等国外著名环保公司都将其作 为拳头产品，其应用区域己遍布全世界【i “。 1 2 2曝气生物滤池的工作原理和工艺特点 曝气生物滤池借鉴了生物接触氧化反应器和深床过滤器的设计原理。以颗 粒状填料及其附着生长的生物膜为主要处理介质，充分发挥生物代谢作用、物 理过滤作用、生物膜和填料的物理吸附作用以及反应器内食物链的分级捕食作 用，实现污染物在同一反应器内去除 t 6 1 。 b a f 反应器为周期运行，从开始过滤到反冲洗完毕为一个完整的周期。具 体过程如下：水从滤池顶部( 或底部) 进入，在滤池底部进行曝气，气水处于 逆流( 或顺流) 。在反应器中，有机物被微生物氧化分解，n h 3 n 被氧化成n 0 2 。- n 、 n 0 3 - n ，另外由于在生物膜的内部存在厌氧缺氧微环境，在硝化的同时实现 部分反硝化【1 7 j 。随着反应器的运行，生物膜过厚造成压损增加、处理效率下降， 需要反冲洗。反冲洗液从底部进入，和气流一起磨擦、冲刷填料，使老化的、 过厚的生物膜脱落，随水流出。控制反冲的周期和强度可以调节生物膜的厚度 和活性l l ” 关于b a f 同步硝化反硝化的机理尚无定论，目前国内外比较一致认同的理 论有： ( 1 ) 微环境理论。微生物体积极小，个体所处的环境也很微小的，将微生 物所处的微小环境称为微环境。微环境直接决定微生物个体的活动状态。微生 物的代谢活动和相互闻的作用，使得微环境是可变的【i9 】；宏观环境的变化往往 导致微环境的急剧变化和不均匀分布，从而影响微生物群体的活动状态，并在 某种程度上出现所谓的表里不一的现象【2 0 1 。在b a f 中表现为氧传递和硝态氮 传递不均匀，曝气状态下生物膜内存在部分厌氧缺氧微环境，使得曝气状态 下出现部分反硝化，也就是所谓的同步硝化反硝化现象【2 。 ( 2 ) 好氧反硝化菌理论。近年来，微生物研究有了新发现，即许多异氧菌 也能完成有机氮和无机氮( 氨氮) 的硝化过程，而且在许多生态系统中，还比 自养菌占优势 2 2 , 2 3 l ；异养硝化菌同时也是好氧反硝化菌，能在好氧条件下把氨 氮直接转化成气态最终产物；另外，还发现一些其他细菌也能耗氧反硝化，如 生丝微菌属( h y p h o m i c r o b i u m x ) 【2 4 l 。 ( 3 ) 中间产物理论。关于硝化作用的生物化学机理，目前已初步搞清楚是 按以下途径进行： n h 3 _ h 2 n 一0 h _ n 2 一n 2 0 ( h n o ) _ n o - n 0 2 。一n 0 3 因此好氧硝化或好氧反硝化产生了中间产物n 2 0 作为气体逸出，构成了好 氧条件下一部分总氮的损失【2 5 1 。 与传统的生物法相比，曝气生物滤池具有下列特点： ( 1 ) 容积机负荷高。b a f 中采用的粗糙多孔粒状填料和外加曝气为微生物 提供了更佳的生长环境，易于挂膜和稳定运行，在单位体积内微生物量可达l o 1 5 9 l 一，远远大于活性污泥和普通生物滤池中的微生物量。高浓度的微生物量 使得b a f 具有很高的容积负荷【2 “。 ( 2 ) 占地面积小。容积负荷高使得反应器尺寸小，且在b a f 反应器中，处 理效果与填料高度成正相关，因此增加填料高度比扩大反应器底面积更有利于 改善处理效果。 ( 3 ) t 艺简单，基建费用低。反应器本身具有过滤能力，可省去二沉池， 进而降低基建费用；产泥率低，污泥处理和处置费用低。 ( 4 ) 菌群结构合理。在b a f 中基本上是推流，随着填料高度增加形成了不 同的优势生物菌种。因此使得除c 、硝化反硝能在同一个系统中进行，简化了 工艺流程 ( 5 ) 耐冲击性能强。b a f 滤池对有机负荷、水力负荷、温度的变化均有很 强的抗冲击能力。 1 2 _ 3曝气生物滤池的研究现状 国内外学者对曝气生物滤池性能的影响因素、去除污染物质机理、填料和 运行方式、与其他污水处理方式联合处理难生化降解废水等方面都进行了广泛 的研究 关于工况影响和污染物去除机理的研究有很多。邱立平、马军等人通过模 型试验考察了曝气生物滤池脱氮过程中亚硝酸盐积累现象以及影响因素，认为 反冲洗过程是最主要的影响因素，而曝气生物滤池的结构特征和运行方式是其 能够出现亚硝酸盐积累，并进行短程硝化反硝化脱氮的主要原因1 2 ；通过小试 研究了曝气生物滤池实现短程硝化反硝化的效能和机理，认为反应器的硝化反 硝化脱氮能力受h r t ( 水力停留时间) 的影响明显，且反应器的过滤周期与h r t 呈明显的线性关系1 2 8 。王春荣、王宝贞等人对两段曝气生物滤池进行了实际生 活污水同步硝化反硝化的试验研究，测得生物膜的比硝化速率为1 4 5 8 m g n h 3 - n m l s s g 1 h ，并认为当气水比较低时，主要进行短程的同步硝化反硝化 1 2 9 1 ；进行了经验模型的研究，从实际运行、设计的角度出发，总结出一套主要 针对s c o d 进出水浓度随反应器填料高度的变化情况的简单的经验模型 3 0 l ；对 曝气生物滤池中存在的自养硝化反硝化进行了研究，结果表明在限制供氧和无 有机碳源时，生物膜内发生了以a n a m m o x 菌为主的自养反硝化作用【3 1 1 。吴为中、 王占生 3 2 , 3 3 l 将淹没式曝气生物陶粒滤池与采用y d t 弹性立体填料的中心导流 筒曝气生物接触氧化法、直接微孔曝气生物接触氧化法相比较，认为颗粒状填 料有利于控制生物膜厚度和活性，淹没式曝气生物滤池充氧和处理效率最高。 徐亚明、吴浩汀等人对气水比、回流比和冲击负荷对曝气生物滤池前置反硝化 工艺的影响进行了研究，建立了曝气生物滤池去除有机物与反应常数及膜厚的 关系模型，从理论上推导出了b a f 最佳膜厚的理论范围，研究认为水力负荷 2 3 9 m h “时，n h 3 - n 和t n 都可以取得理想的去除效果 3 4 , 3 5 l 。a l a n d y e r 研究 认为d o ( d i s s o l v e do x y g e n ，水中溶解氧量) 浓度是控制亚硝酸转化成硝酸的 主要因素，氨氮氧化成亚硝酸需d o o 3 m g l 一，氧化成硝酸需要d 0 1 1 m g l “【如】。 m i c h a u d 研究认为废水中存在低浓度有机物对氨氮去除具有有利影响，可能是 有机物改善了填料表面张力。促进了填料对氨氮的吸附1 3 ”。f r a n c i s c o 等研究认 为对于双层填料曝气生物滤池，下流式比上流式处理效果略好 3 8 l ；使用陶粒填 料，填料高度0 8 m 可以达到很好的c o d 去除效果口。 关于反冲洗的研究有：钟华文等研究认为反冲周期的长短主要与水力负荷、 进水有机负荷有关，也受反冲强度和时间的影响；水力、有机负荷大，滤池中 产生的污泥量就多，反冲的周期就短 4 0 1 。雷国元、吴克明等人经研究提出分段 冲洗方法，可节省约反冲的能耗【4 。张杰，陈秀荣等人研究认为脉冲反冲洗具 有远大于气水连续反冲洗的效能，并最后优化组合了反冲方式和滤池池型，即 脉冲反冲方式与扩展流曝气生物滤池组合”。 填料是b a f 研究的热点之一。江萍、胡九成对国产轻质球型陶粒的理化性 能及应用于曝气生物滤池( b a f ) 处理生活污水的效果进行了系统研究。结果 表明，国产轻质球型陶粒固着微生物量大、挂膜快、寿命长、充氧能力强，与 国外b a f 滤料性能差异不大【4 3 】。肖文胜对上流式曝气生物滤池中使用不规则形 状页岩和球形粘土陶作填料处理效果进行比较，认为两者效果相差不大1 4 ”。赵 昕研究表明，采用f p u f s 载体固定b 3 5 0 m 微生物的固定化曝气生物滤池反应系 统，可以在盐度大于0 5 ，c ：n ：p = 1 0 0 ：2 5 8 ：0 0 4 4 ，有机物浓度较低的条 件下，有效地处理含石油类为主要有机污染物的采油废水1 4 ”。r e b e c c a 采用泡 沫状黏土作为填料【4 6 1 、w e i m i nx i e 采用4 r a m 聚丙乙烯泡沫小球作为浮动填料1 4 7 1 处理生活污水，均取得了很好的处理效果。 关于b a f 应用方面的研究有：v i r g i n i a 利用曝气生物滤池去除水中锰【4 引， m a r i e c a r o l i n e 利用曝气生物滤池去除水中甲苯1 4 9 1 ，w o m s e o k 利用沸石填料曝 气生物滤池处理纺织废水【5 们，都取得了很好的处理效果。a n d r e w 用曝气生物滤 池和芦苇滤床处理渔业废水，并将两者进行生态比较，认为芦苇滤床系统总体 排放c 0 2 污染比较t j 、t s l 】。余光辉利用b a f 停止运行后无须引进接种污泥，可再 次快速启动的特点，采用序批式运行方式，可以广泛应用于旅游区和环保敏感 区分散的居民点、宾馆、餐饮等方面生活污水处理1 52 1 。汪晓军用臭氧将染料氧 化后，大大提高了可生化性，再与b a f 连用可处理染料废水【5 3 】。武江津将曝气 生物滤池和生物活性炭工艺联合，对炼油厂二级处理出水进行深度处理，出水 可以作为循环冷却水补水【5 4 1 。钟华文处理含有高浓度的酚的炼油厂汽提废水， 培育出具有很强的酚降解能力的菌种，系统的酚降解率超过9 0 【5 5 1 。 1 2 4 曝气生物滤池存在的主要问题 虽然应用曝气生物滤池技术进行有机物去除、含氮污染物去除、微污染水 源水预处理、工业废水处理等方面的研究进展较快，但脱氮除磷的机理和反应 动力学的研究尚待深入，有关反应器处理机理的理论体系还不完善。对生物膜 的特点及其快速启动的方式、生物氧化功能和过滤功能之间的相互关系、反冲 洗过程中生物膜的脱落规律等还需要进一步的研究。曝气生物滤池的关键 滤料的研究更是热门，通过采用改性处理的新型吸附型填料可以大大强化曝气 生物滤池对某些难降解污染物的去除能力，从而在污水的深度处理和给水处理 中发挥更大的作用。 1 3 沸石矿物介绍 沸石是一族架状构造的含水铝硅酸盐矿物，主要含n a 和c a 及少数的s r 、 b a 、k 、m g 等金属离子，一般化学式为；a m b p 0 2 p n h 2 0 ，结构式可用a x q ( a 1 0 2 ) x ( s i 0 2 ) y n h 2 0 表示，其中：a 为c a 、n a 、k 、b a 、s r 等阳离子，b 为a l 和s i ，q 为阳离子电价，m 为阳离子数，n 为水分子数，x 为a l 原子数， y 为s i 原子数，y x 通常l 5 在之间，( x 十y ) 是单位晶胞中四面体的个数【5 6 l 。 1 3 1沸石矿资源与分布 形成沸石族矿物的先决条件必须有富含足够水分的碱和碱土金属的硅酸盐 等矿物质。从世界范围看，沸石岩一般产在厚层沉积和同生的火山作用的较年 轻的( 主要是新生代，其次为中生代) 造山带，集中分布在环太平洋地区和古 地中海地区t 5 7 1 。 我国有极为丰富的沸石资源，全国2 1 个省、市、自治区分布了1 2 0 多个沸 石矿床。浙江缙云的沸石矿储量具全国第一。品位也最高【5 ”。 1 3 2 沸石物理化学性质 沸石具有优越的吸附、离子交换、催化和稳定性能。 ( 1 ) 吸附性能 多孔物质或磨得很细的物质，由于具有很大的表面积，表现出明显的吸附 作用，被称为吸附剂。沸石与其它吸附剂相比，具有下列特点：a 当沸石架构 中的水被去除后，形成内表面很大的孔穴，可习惯并储存大量的分子，因此具 有很大的吸附量：b 沸石孔穴、孔道大小均匀、固定，和普通分子的大小相当， 因此具有选择吸附、筛分分子性能；c 沸石对h ：o 、n h 3 、h 2 s 、c 0 2 等极性分 子具有很高的亲和力，具有高效吸附性能。 因此，环境保护方面利用沸石吸附特性去除空气中铈、镓、氮氧化物以及 水中氨氮、有机物等【5 9 。6 2 1 。 ( 2 ) 离子交换性能 沸石的离子交换性能具有很高的选择性。以斜发沸石为例，其选择交换顺 序为： c s + r b + k + n h 4 + b a 2 + s r 2 + n a + c a 2 + f e 3 + a 1 3 + m 9 2 + l i + f 6 3 】 沸石对多种重金属都有很高的离子交换性能，可以用来处理被重金属污染 的水体。尤其是沸石对n h 4 + 良好的选择性，使其在环境污染控制中具有很好的 前景。利用改良过的含有沸石的肥料实现氮的缓慢释放【“l ，提高化学肥料利用 率，减轻农业产生的氨氮污染；直接利用沸石对氨氮的高效选择吸附性能，在 有各种干扰离子的废水中吸附去除氨氮t 6 5 6 6 】。 ( 3 ) 催化性能 沸石具有良好的催化性能，是有效的催化剂和催化剂载体。沸石催化的许 多反应属于正碳离子型经过正碳离子中间体发生反应，包括裂解、异构化、 烷基化、歧化、水合和脱水等反应，主要应用于石油化工领域。 将沸石作为载体，负载上具有催化性的金属( 周期表上中族金属，稀土金 属) ，可以显示出更好的催化活性。如光催化中利用沸石作载体负载t i 0 2 制备 的光催化剂1 6 7 j 。 ( 4 ) 稳定性能 沸石的稳定性能非常优越。仅盐酸浓度达到1 0 m o l l 。1 时，晶格才开始破坏； 丝光沸石加热到7 5 0 c 持续1 2 h ，大部分仍保持原样，斜发沸石加热到6 5 0 持 续1 2 h ，结构不变f 韶】。因此沸石可以在高温、强酸的废水、废气中使用。 沸石的物理化学性能使其具有广阔的应用前景。 1 3 3 沸石在水处理中的应用以及应用中的主要问题 沸石在水处理中的应用十分广泛。可以直接利用沸石吸附和离子交换性能， 去除饮用水中氟、有机污染物质、印染废水脱色、去除放射性物质、脱氮、除 磷、去除水中重金属离子等等，也可作为s b r 系统【6 9 1 、生物滤床1 7 们、滴滤池【7 1 1 、 曝气生物滤池1 7 2 l 、人工湿地系统【7 3 1 等水处理系统的填料和生物膜载体，在城市 污水处理系统中，添加沸石粉末可以有效改善活性污泥的沉降性能以及硝化效 果l 】，吸附抗菌药物废水 7 5 l ，还可作为具有光催化活性的材料如t i 0 2 的负载体 当吸附和离子交换达到饱和后，沸石就需要再生了。沸石再生的方法有物 理、化学和生物法，物理和化学再生方法再生效果好、速度快，但成本高，不 适合大规模的工程实用；生物法成本低，但再生时间长，也不利于应用。因此， 沸石再生成为沸石应用的主要难题。 1 4 本课题研究的内容和意义 1 4 1 研究内容 本课题主要研究天然沸石填料曝气生物滤池的脱氮性能和沸石的生物再 生 ( 1 ) 启动b a f ，研究b a f 快速启动的方案。 ( 2 ) 研究有机负荷、水力负荷、气水比、填料高度等单因素对b a f 性能 影响；运用正交实验，检验各因素对b a f 性能影响大小，并确定最佳操作工况。 ( 3 ) 填料沸石达到氨氮吸附饱和后，利用生物再生，并讨论解析和生物再 生对沸石再生的影响。 1 4 2研究意义 研究b a f 挂膜，提供b a f 快速启动方案；研究各单因素作用和多因素共 同作用对天然沸石填料曝气生物滤池性能的影响，为以后工程实用提供参考： 在沸石再生部分，通过解析再生与生物再生比较研究，讨论微生物作用对沸石 再生的影响，提供比较可行的沸石生物再生方案。 第二章试验设备、材料与方法 2 1 试验设备 实验装置为二级上流式曝气生物滤池。空气和污水均由滤池底部进入，从 顶部流出。实验用反应器采用d n 6 0 m m 有机玻璃柱制作，二级反应装置，柱高 2 m ，一级生物滤池内装1 4m 高的沸石填料，二级生物滤池内装1 6 m 高的沸 石填料，填料层每2 0 0 m m 设一取样口。实验装置如图2 1 所示。 1 配水箱2 一级生物滤池3 二级生物滤池4 蠕动泵5 气体流藿计6 - 空压机 图2 1 实验装置图 2 2 试验材料 试验填料沸石选用宣城斜发沸石，沸石含量达8 0 ，主要杂质为蒙脱石、 伊犁石和石英。填料沸石粒径4 6 m m 、堆积密度1 0 9 4 k g l 、孔隙率5 3 9 。 b a f 的填料主要是为微生物提供附着场所，因此需要有一定的机械强度、 较高的孔隙率、抗化学和微生物侵蚀、对微生物没有毒害和抑制作用。天然沸 石不仅满足上述要求，还具有良好的n h 4 + 离子选择吸附性能，使得b a f 具有抗 氨氮冲击的性能；沸石的微孔结构适合微生物生长繁殖，是一种优良的微生物 载体；另外，沸石价格便宜，可大幅度降低填料的成本