（环境工程专业论文）小城镇污水处理工程曝气生物滤池调试运行技术研究.pdf

重庆大学硕十学位论文中文摘要 摘要 我国上一个水资源贫乏的国家，人均水资源量只有世界人均占有量的四分之 一，而且随着我国人口的增加，经济的发展和城镇化进程的加快，我国水资源形 势将更为严峻。 近年来，国家花费了大量的物力和财力来治理三峡库区周边城镇的生活污水， 但由于工艺和经济原因，很多城镇污水处理厂运行不正常，污水处理厂的运行和 维护成为阻碍污水治理发展的主要问题。本论文根据小城镇生活污水的水质水量 特征，选择某小城镇生活污水处理工程曝气生物滤池工艺进行调试和运行。本论 文讨论了曝气生物滤池工艺有机物降解、脱氮、除磷的机理，在调试运过程中通 过不断改变曝气生物滤池的参数，研究影响曝气生物滤池运行各种影响因素，寻 求曝气生物滤池运行控制因子的最优值。 试验过程中，具体对水力负荷、容积负荷、进水温度、p h 值、气水比、反冲 洗、回流比等参数进行了调试。试验结果如下： 气水比为4 ：1 ，进水温度2 5 2 8 ，水力负荷在o 1 7 珈8 5 m 3 m 2 h 范围变动， c o d 容积负荷在0 3 1 0k m 3 d 范围变动，随着水力负荷、容积负荷增加，c o d 、 n h 3 n 的去除率有所降低。 气水比为4 ：1 ，在1 2 2 7 范围内，随着水温的升高，c o d 的去除率明显升 高。温度低于1 5 时，滤池硝化速度急剧下降。 采用两级滤池同时曝气4 5 m i n 、同时停曝1 5 m i n 的间歇曝气方式，实现好氧厌 氧交替运行，强化了生物除磷。 气水比为4 ：l ，进水温度为2 5 2 7 ，水力负荷为o 8 5 m 3 m 2 h ，水力停留时间 为5 9 小时，进水p h 值为7 o 左右，c o d 平均去除率为7 5 8 ，s s 平均去除率 为8 4 7 ，n h 3 - n 平均去除率为6 4 6 ，t n 平均去除率为4 5 3 ，t p 平均去除率 为4 3 9 ；t p 出水浓度稍有超标，c o d 、s s 、n h 3 n 和t n 出水浓度全部达标。 关键词：曝气生物滤池，小城镇，生活污水，有机物的去除，脱氮除磷 a b s t r a c t t h ew a t e rr e s 叫r c e sa r eq u i t es c a r c ei nc h i n aa n dt h ep e rc a p i t aq u o t ai so i l l ye q u a l t ot h eo n eq u a i t e ro fm ew o r l da v e r a g e 。 w i mm ep o p u l a t i o ni n c r e a s e ， e c o n o m y d e v e l o p m e n ta i l dr a p i du r b 枷z a t i o n ， t h es i t u a t i o no fw a t e rr e s o u r c es h o r t a g ew i l l b e c o m em o r es e r i o u si nt h ec o m i n gy e a r s 。 o v e rt h ep a s ty e a r ， a1 a r g e锄o u n to fi n v e s t m e n th a sb e e ns p e n to nm e c o n s t m c t i o no fw a s t e w a t e r 仃e a t l n e n tp l a l l t sf o rd e a l i n gw i t l lt l l em u n i c i p a lw a s t e w a t e r g e n e r a t e db yt h ec i t i e sa l o n gm et 1 1 r e eg o r g e sr e s e o i r 。 h o w e v e r ，m a n yt h e s e 仃e a t i i l e n tp l a i l t sa r en o ti na d e q u a t eo p e r a t i o nd u et ot e c h n i c a la n de c o n o m i cr e a s o n s 。 a p p a r a r e n t l y ， t h eh i g he x p e n s e so nt h eo p e r a t i o n 锄dm a i n t e n a n c eo fm e 臼e a t m e m p l a n t sh a v eb e c o m em eh i n i i r a n c eo fm u i l i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti nt h r e eg o r g e s r e 百o n ， e v e l lt h e 、) l j r h 0 1 ec o u n t w 。t h r o u 曲o n s i t ei n v e s t i g a t i o na n dm o n i t o n gt o u i l d e r s t a n dt h el i f eo fs m a nt o w n sw a t e rq u a l i t ya n dq u a n t i t yo f e 用u e n tc h a r a c t 嘶s t i c s ， t h i sp a p e rc h o o s eas m a l lt o w ns e w a g et r e a t m e n tw o r k so fb i o l o 西c a la e r a t e d 丘1 t e r p r o c e s sd e b u g 百n g 锄dm 衄i n g 。t l l i sp 印e rd i s c u s s e sm eb i 0 1 0 百c a l a e r a t e df i l t e r p r o c e s s o r g a n i cm a t t e rd e 铲a d a t i o n 、d 觚t r i f i c a t i o n ， p h o s p h o m sr 锄o v a lm e c h a n i s mo f t r a n s p o r ti nt h ed e b u g 百n gp r o c e s sb yc h a n 百n gt h ep a r a m e t e r so fb a f t os t u d yt h e i m p a c to fb i o l o 百c a la e r a t e df i l t e rt om n av a r i e t yo fi n n u e n c i n gf - a c t o r s ，b a ff o rt h e o p t i m a lv a l u e so fo p e r a t i o n a lc o m r o lf a c t o r 。 d 嘶n g t h ee x p 嘶m e n t ，il a u n c h e dd e b u g g i n go f h y d r a u l i cl o a d i n g ， v o l u m e t r i c l o a d i n g ， w a t e rt e m p e r a t u r e ， p h ，g a s w a t e rr a t i o ， b a c i 州a s h ，t h er e n u xr a t i oa j l d o t l l c rp a r 锄e t e r s 。 t e s tr e s u l t sa r ea sf 0 1 1 0 w s ： m e nt h eg a s w a t e rr a t i oi s4 ：1 ，w a t e rt 锄p e r a t u r e2 5 2 8 ，c h a n g e si nh y d r a u l i c 1 0 a d i n gi nt h er a i l g eo fo 17 - 1 0 2 m 3 m 2 ha n di n c o dv o l 啪e t r i cl o a d i n go fo 3 - 1 o k g c o d m 3 d ，t l l er 锄o v a lr a t eo f c o d ，n h 3 - nw i l ld e c r e a s e 。 w h e nt h eg a s w a t e rr a t i oi s4 ：1 ，i nt h ec o n t e x to f1 2 2 7 ，w i mt h ei n c r e a s eo f w a t e rt e m p e r a t u r e ，c o dr e m o v a le 衔c i e n c yw i l lb ei n c r e a s e ds i 鲥f i c a l l t l y 。w h e nm e t e m p e r a t u r ei sb e l o wl5 ，i l i t r i f i c a t i o nr a t ew i l lp l u m m e t 。 w h e i lu s i n gt w of i l t e r sa tt h es 锄et i m ea e r a t i o n4 5m i n u t e s w h i l es t o p p i n g a e r a t i o n15m i n u t e so fi n t e n i l i t t e n ta e r a t i o nm o d e ， m i st e s ta c h i e v e dt h ea i l a e m b i c a l t e n l a t i n ga e m b i c1 1 l n n i n g ，e i l h a l l c e db i o l o 西c a lp h o s p h o m s r e m o v a l 。 w h e i lt h eg a s w a t e rr a t i oi s4 ：l ，w a t e rt e m p e r a t u r ei s2 5 2 7 ，m eh y d r a u l i c 重庆大学硕士学位论文英文摘要 1 0 a d i n go f o 8 5 m 3 m 2 h ，h y d r a u l i cr e t 肌t i o nt i m eo f 5 9h o u r s ，t l l ei n n u e n tp hv a l u eo f a b o u t7 0 ， t h ea v 盯a g ec o dr e m o v a lr a t ei s7 5 8 ，t h ea v e r a g es sr e m o v a lr a t ei s 8 4 7 ，m ea v e r a g en h 3 二nr e i n o v a lr a t ei s6 4 6 ，t h ea v e r a g et nr 锄o v a l i s4 5 3 ， t l l ea v e r a g et pr e m o v a lr a t ei s4 3 9 。t h ec o n c e n t r a t i o no ft pi ne m u e n te x c e e d sm e 锄i s s i o ns t a n d a r da1 i t t l e ，廿1 ec o n c e l l 仃a t i o no fc o d ，s s ，n h 3 - na n dt ni ne 用u e n ti s a l l1 0 w e rt h a i lm ea c m e v e de m i s s i o ns t a n d a j d s 。 k e y w o r d s ：b i 0 1 0 沓c a la e r a t e df i l t e r ，s m a l l t o w n s ，d o m e s t i cs e w a g e ，r e i l l o v a lo fo r g a l l i c m 撒e r ，n i t r o g e np h o s p h o m s i i i 学位论文独创性声明 文 研究 ，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：孑地毒签字日期：舻7 ，二7 导师签名桫善跟 签字日期： 扣7 丸7 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文伞支数据库出版章程( 以。， 下简称“章程，) ，愿意将本人的至红学位论文d 堕i 叁! 塑兰翌! 曼兰竖兰萝峻j ! 耋他矛f 寸毫 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n ) 在中国博士学位论文全文数舻，f 矿；刁咖啊乞 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l ( i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：墨兰：竺查!导师签名：乏吆 知夕 月7 日 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书! 豳装订在提交的学位论文最后一页。 重庆人学硕十学位论文 l 绪论 1绪论 1 1 水资源与水环境现状 1 1 1 水资源概况 水是生命之源，是地球上不可替代的自然资源之一。地球表面约有7 1 的面 积为水所覆盖，其余约占地球表面2 9 的陆地也有水的存在。地球总水量为 1 3 8 6 1 0 1 0 亿m 3 ，其中淡水储量为3 5 1 0 8 亿m 3 ，占总储量的2 5 3 。由于开发 困难或技术经济的限制，到目前为止，海水、深层地下水、冰雪固态淡水等还很 少被直接利用。比较容易开发利用的、与人类生活生产关系最为密切的湖泊、河 流和浅层地下淡水资源，只占淡水总储量的o 3 4 ，为1 0 4 6 1 0 6 亿m 3 ，还不到全 球水总储量的万分之一。 我国是一个严重缺水的国家，时空分布也极不均匀。2 0 0 8 年中国水资源总量 2 7 1 2 7 亿立方米，人均水资源2 0 4 8 立方米，仅为世界人均水量的1 4 。全年平均降 水量6 5 9 毫米，大型水库蓄水总量1 9 6 2 亿立方米，总用水量5 8 4 0 亿立方米 1 。全 国6 0 0 多个城市中就有3 0 0 多个城市缺水，日缺水量为1 6 0 0 万m 3 ，影响国民产 值达2 0 0 亿元以上。 1 1 2 我国地表水质量现状 根据国家环保部发布的2 0 0 8 年中国水环境状况，全国地表水污染依然严 重。七大水系水质总体为中度污染，浙闽区河流水质为轻度污染，西北诸河水质 为优，西南诸河水质良好，湖泊( 水库) 富营养化问题突出。长江、黄河、珠江、 松花江、淮河、海河和辽河七大水系水质总体与上年持平。2 0 0 条河流4 0 9 个断面 中，i i i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为5 5 0 、2 4 2 和2 0 8 。 其中，珠江、长江水质总体良好，松花江为轻度污染，黄河、淮河、辽河为中度 污染，海河为重度污染。2 8 个国控重点湖( 库) 中，满足i i 类水质的4 个，占1 4 3 ； i i i 类的2 个，占7 1 ；类的6 个，占2 1 4 ；v 类的5 个，占1 7 9 ；劣v 类 的1 1 个，占3 9 3 。主要污染指标为总氮和总磷。在监测营养状态的2 6 个湖( 库) 中，重度富营养的1 个，占3 8 ；中度富营养的5 个，占1 9 2 ；轻度富营养的 6 个，占2 3 0 。2 0 0 8 年，全国废水排放总量为5 7 2 o 亿吨，比上年增加2 7 ；化 学需氧量排放量为1 3 2 0 7 万吨，比上年下降4 4 ；氨氮排放量为1 2 7 0 万吨，比 上年下降4 o 。 1 1 3 我国小城镇污水处理现状 根据建设部2 0 0 6 年城市、县城和村镇建设统计公报，截至2 0 0 6 年底，全 国设市城市6 5 6 个，城市城区人口约3 4 1 亿人；县城1 6 3 5 个，城区人口1 1 0 亿 重庆人学硕十学位论文 l 绪论 人( 1 5 8 6 个县城的统计值) ：而乡镇共3 5 7 6 4 个，其中建制镇1 9 3 6 9 个，乡1 6 3 9 5 个，乡镇总人口8 8 9 亿( 建制镇建成区1 4 亿人) 。全国6 5 6 个设市城市已建成 污水处理厂8 1 4 座，处理能力为2 0 1 亿吨年，污水处理率达5 7 ( 其中1 3 5 个城 市的污水处理率已达到或接近7 0 ) 。县城已建污水处理厂处理能力为7 9 5 亿吨 年，污水处理率为1 3 5 6 。但小城镇的污水处理工程则还处于起步阶段，小城镇 污水处理率不足1 ，而农村的处理率则几乎为零。小城镇及农村污水处理己成为 当前水环境保护工作中的重点和难点。 从以上统计资料可见，随着改革丌放的不断深入，小城镇建成区的总人口数 已经超过了县城的人口数。随着小城镇经济社会发展水平的不断提高和城镇人口 规模的快速集聚，城镇污水产生量与日俱增，而由于受建设资金投入不足限制， 目前我国小城镇污水处理设施建设严重滞后于城镇经济社会发展要求，污水肆意 排放现象普遍，水环境污染问题突出，给城镇居民生活、生产环境和身体健康造 成了一定影响。据2 0 0 8 年中国污水处理行业投资评价报告初步预计，2 0 0 7 年 全国污水排放总量为5 8 0 亿吨，小城镇中建制镇建成区的污水量已经占污水总量 的8 4 5 。城镇污水已成为我国区域性水污染的主要原因之一，对水资源构成严重 威胁，但目前国内己建的污水处理工程大多集中在城市或县城，故小城镇污水治 理将是国家继大中城市污水治理后的一个新的战略目标。根据建设部、国家环保 总局、科技部2 0 0 0 年5 月颁布的城市污水处理及防治技术政策规定，到2 0 l o 年，全国建制镇的污水处理率不低于5 0 1 3 】。 目前，我国小城镇污水处理设施建设在工艺技术路线选择上，大多仍采用与 大中城市和县城污水处理类似的传统工艺技术，如活性污泥法、生物膜法等处理 工艺，而针对小城镇社会经济发展状况与管理水平、污水水量水质特点、地形地 势条件等具体情况的经济适用型处理工艺的技术开发和应用仍然较为滞后【4 j 。小城 镇污水处理采用传统处理工艺，一方面导致工程投资较大、运行费用较高，加剧 了其原本就严重不足的财政资金状况；另一方面，小城镇管理水平难以达到传统 处理工艺对设施运行与维护管理的要求，不利于污水处理设施的正常运行和处理 效益的充分发挥。因此，探索适合小城镇污水处理工艺势在必行。 1 2 小城镇污水处理的特点、意义 1 2 1 小城镇污水排放和处理特点 近年来，我国小城镇发展速度很快，小城镇规模进一步扩大，污水产生量迅 速提高。目前我国小城镇污水处理设施建设严重滞后于城镇经济社会发展要求， 污水肆意排放现象普遍，水环境污染问题突出，给城镇居民生活、生产环境和身 体健康造成了一定影响。随着我国社会主义新农村建设的推进，乡镇经济的迅速 2 重庆大学硕十学位论文 l 绪论 发展，城镇化水平的不断提高，广大城镇居民生活条件的明显改善，城镇生活污 水排放量将不断增加，预计到2 0 1 0 年，中国城镇生活污水排放量约2 7 0 亿m 3 ，占 我国生活污水量的8 0 以上1 5 j 。 与城市污水相比，小城镇污水排放有以下特点： 城镇生活污水主要来源于城镇居民厨房用水、洗涤用水、冲地用水和卫生 洁具排水，其有机物浓度和氮、磷等营养物质浓度较城市生活污水高，可生化性 较高； 城镇生活污水一般呈间歇排放，日变化系数大( 一般在3 o 一5 o 之间) ，水量 波动较大； 小城镇规划区周围一般都有一定的工业企业，多数乡镇没有建设专门的工 业废水集中处理设施，场镇工业废水均统一排入场镇生活污水处理厂一并处理， 导致小城镇污水水质有一定的波动。 小城镇与大城市相比，人口少，建成区面积小，加之上述污水水质的差异， 小城镇污水处理存在以下特点： 污水处理能力较小，一般在0 0 5 1 0 4 1 o 1 0 4 m 3 d ； 污水管网输送距离较短，调解缓冲空间较小； 小城镇污水处理工艺应与中小城镇的财力和具体情况相适应，应是低投入、 高效率的处理工艺。 运行成本要严格控制，控制处理工艺要便于操作和管理。 当前，我国城市污水处理常用处理工艺，如改良氧化沟、s b r 法、a b 法、 o 、生物转盘法等，虽然都能取得良好的效果，但也存在一些难以克服的缺点， 主要体现在以下几个方面： 运行费用高。污水处理厂一般动力消耗较大，每年的运行费用约占基建投 资的1 0 2 0 ，单位污水处理成本较高，中小城镇是难以承受。 操作复杂，难以管理。如活污污泥较多，出现污泥膨胀的问题，一量发生， 需停止运行，会造成恶劣影响。小城镇污水处理工程一般规模较小，缺乏专职的 管理人员，工作人员的专业技能和管理水平也相对较低，正确地操作复杂工艺存 在很大的困难。 传统的污水处理方法可有效去除c o d 和s s ，但对氮、磷等营养物质的去 除效率较低。 1 2 2 小城镇污水处理的重要性 水环境污染严重，城镇污水治理刻不容缓。水污染加剧了水资源短缺，直接 威胁着饮用水的安全和人民的身体健康，影响工农业生产和农作物安全，与洪灾、 旱灾相比，受污染的水通过多种方式作用于人体和环境，其影响范围大、历时长， 重庆大学硕十学位论文 l 绪论 但其表现却相对轻缓，使人失去警觉，因而其危害更为严重。 保护三峡库区水环境的需要。三峡库区建成以后，将形成水面面积达1 0 0 0 l 【r i l 2 的，蓄水量近4 0 0 亿m 3 的巨大水库。因为三峡蓄水后，库区水流速度减缓，流水 滞留时间长，水体的稀释、混合能力下降，若水体内有未经处理的污染物，则必 将使水库水质恶化。三峡建坝后，水库比降变小，流速变小，将会导致复氧能力 减小，库区接纳b o d 5 污染负荷能力下降，水环境容量会降低。而扩散能力的降 低，又会增加库区沿江城镇江段污染带的污染物浓度。三峡水库建成后，正常蓄 水位1 7 5 m 时，总库容为3 9 3 亿m 3 ，库容系数为8 9 ，属于调节性能小的不完全 年调节水库，从地形地貌上看，三峡水库属典型的河道型水库，成为半封闭水体， 容易发生富营养化。因此三峡库区及影响区污水处理站的建设十分重要和必要， 目前库区城镇特别是二期淹没城镇( 1 3 5 m 水位以下) 多在积极筹建城镇污水处理 站。 生态环境建设的需要。水环境污染控制与治理是生态环境的重要的组成部分， 而生态环境是人类生存和发展的基本条件，是经济和社会发展的基础。保护和建 设好生态环境，实现可持续发展，是我国现代化建设必须始终坚持的一项基本方 针。党中央、国务院从1 9 9 8 年开始正式实施具有长期指导作用的全国生态环境 建设规划，并纳入国民经济和社会发展计划，要求各省、自治区、直辖市因地 制定本地区的生态环境建设规划。党中央、国务院正式拉开了西部大开发的序幕， 重庆地处长江上游、三峡库区，是国家确定的全国生态环境建设的重点地区之一， 在西部大开发中占有举足轻重的地位，因而做好重庆市的生态环境建设工作。 1 3 研究课题的提出 1 3 1 课题提出的背景 随着我国经济的迅速发展，人口的增加，工业化和城镇化步伐的加快，用水 量急剧增加，污水排放量也相应增加，加剧了淡水资源的短缺和水环境的污染。 城镇化进程的加速发展亦加重了城市负荷，带来了一系列生态环境问题，威胁着 城市的发展和人民群众的生活健康。其中，城镇大量污水不经处理直接排入水体 所造成的水环境质量恶化问题，已引起了全社会的普遍关注。为了加强城镇污水 治理，保护水环境，国家加大了投资力度，1 9 9 8 年分两批下达的城镇污水治理项 目达1 1 7 项，投资约3 0 0 亿元；1 9 9 9 年又下达近百亿国家债券基金，支持城市污 水处理厂建设。为使污水处理厂建成后正常运行，使投资取得充分的效益，应及 时对己经建成的污水处理厂进行调试运行，使污水处理厂达到设计要求出水指标 达到设计要求、运行经济合理、管理科学合理，使污水厂快速高效地投入到生产 中去。污水厂建成后，要发挥改善环境的效益，就要使污水厂及时正常生产运行， 4 重庆人学硕十学位论文l 绪论 对污水厂进行调试运行，使设备正常运行，出水指标达到设计出水标准，发挥污 水处理厂改善水质、净化水环境的作用。 1 3 2 研究课题的目的及意义 随着我国社会经济的发展，可持续发展战略思想的深化，环境污染问题，尤 其是水环境的污染问题日益突出。基于我国的现实国情，如何在经济上可承受的 前提下改善污水处理厂的出水水质，己成为我国环保领域有待解决的重要课题。 我国水质氮磷的富营养化污染十分严重，而国家对氮磷的排放标准也日益严 格。一个设计及运行合理的曝气生物滤池不仅对有机污染物有着很好的去处效果， 其对氮磷的脱除效果也是十分显著的。铜梁县某小城镇污水处理工程刚刚建成不 久，不但要解决c o d 、b o d 5 、s s 去除的问题，而且还要考虑氮磷去除效果的问 题，因此，本课题的目的就在于： 对铜梁县某小城镇污水处理工程曝气生物滤池运行方式进行调试，通过调 整运行参数和运行周期，找出科学合理的运行方式使污水厂c o d 、s s 、氮、磷等 指标稳定达标。 在污水厂出水水质达标的前提下，根据实验数据进一步优化运行方式，降 低小城镇污水厂的处理成本。 通过调试运行，对小城镇污水处理厂实行科学管理。 当前，曝气生物滤池在我国小城镇生活污水处理的应用尚处于探索阶段，另 一方面，国外水质与我国水质有较大差别，因此难以借鉴国外的成熟经验。针对 上述问题，结合铜梁县某小城镇污水处理工程实际状况，开展了大量的现场试验 研究，根据不同的进水负荷来优化工艺控制参数，为今后长期运行摸索和积累一 套较为成功的经验，即在出水水质达标的基础上降低生产能耗，进一步强化处理 效果，提高氨氮去除率，从而为曝气生物滤池处理城镇生活污水提供科学的参考 依据和理论基础。 综上所述，本调试运行试验的意义就在于： 铜梁县某小城镇污水处理工程于2 0 0 8 年7 月投产，所采用的主体工艺为曝 气生物滤池。本调试运行试验将为污水处理厂的生产运行提供科学合理的技术参 数，使其出水水质达到城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 3 ) 一 级b 标准，同时使运行费用比较低。 本试验的研究成果还将为周边地区乃至三峡库区同类污水处理厂的生产运 行提供可靠的参考数据，具有一定的借鉴意义。 本试验在改善污水处理厂出水水质的同时也必将对三峡水库水体的水质保 护具有较为长远的意义。 5 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 3 - 3 课题研究的主要内容 通过挂膜试验，研究生物膜培养与驯化过程及周期。 考察水力负荷、容积负荷、水温、气水比等对有机物和n 、p 去除效果的影 响，研究曝气生物滤池运用于小城镇生活污水处理的最佳运行工况。 考察不同曝气方式下的除磷效果，研究曝气生物滤池的除磷途径。 考察硝化液回流对脱氮效果的影响，研究曝气生物滤池同步硝化反硝化脱 氮的可行性。 考察出水水质变化，研究曝气生物滤池反冲洗周期。 6 重庆大学硕十学位论文2 曝气生物滤池1 ：艺原理及研究现状 2 曝气生物滤池工艺原理及研究现状 2 1 曝气生物滤池的发展历程、工艺原理与工艺特点 2 1 1 曝气生物滤池的发展历程 曝气生物滤池( b a f ) 也叫淹没式曝气生物滤池，是在普通生物滤池、高负 荷生物滤池、生物滤塔、生物接触氧化法等生物膜法的基础上发展而来的，被称 为第三代生物滤池【6 。j 。世界上首座曝气生物滤池于1 9 8 1 年在法国投产，随后在欧 洲各国得到广泛应用。美国和加拿大等美洲国家在2 0 世纪8 0 年代末引进此工艺， 日本、韩国和中国也先后引进了此项技术博川j 。世界上较大的环保公司如法国得利 满公司、德国菲力普穆勒公司、法国v e o l i a 公司均把它作为拳头产品在全世界 推广。在中国内地，曝气生物滤池j 下处于推广阶段。大连市马栏河污水处理厂是 我国第一个采用曝气生物滤池工艺的城市污水处理厂( 由东北市政院设计) i i o 】。 广东新会东郊污水处理厂采用了水解一曝气生物滤池污水处理工艺，首次应用于 国内生活污水处理工程中并获得成功。青岛啤酒( 徐州金波) 有限公司再用了水 解酸化+ 曝气生物滤池处理工艺处理废水中的难降解有机物，从运行上看，选用的 工艺是满足要求的。国内许多科研设计单位对曝气生物滤池也进行了试验。随着 曝气生物滤池在世界范围内不断推广和普及，很多学者在其结构形式、功能、启 动和滤料等方面进行了详细的研究，取得了很多成果。今后，有关曝气生物滤池 方面的研究将成为前沿课题。在应用研究方面，由于曝气生物滤池具有良好的硝 化反硝化能力，在污水的三级脱氮处理、微污染水和源水的预处理中将得到更广 泛地应用。采用合适的预处理技术与曝气生物滤池组成新型一体化反应器，将为 今后模块化组合应用曝气生物滤池处理污水打下重要的基础，特别是在低浓度污 水的深度处理方面将发挥作用。 2 1 2 曝气生物滤池的工艺原理 曝气生物滤池在开发过程中，充分借鉴了污水处理接触氧化法和给水快滤池 的设计思路【l 卜汜】，即需曝气、高过滤速度、截留悬浮物、需定期反冲洗等特点。 其工艺原理为，在滤池中装填一定量粒径较小的粒状滤料，滤料表面生长着高活 性的生物膜，滤池内部曝气。污水流经时，利用滤料的高比表面积带来的高浓度 生物膜的氧化降解能力对污水进行快速净化，此为生物氧化降解过程；同时，污 水流经时，滤料呈压实状态，利用滤料粒径较小的特点及生物膜的生物絮凝作用， 截留污水中的悬浮物，且保证脱落的生物膜不会随水漂出，此为截留作用；运行 一定时间后，因水头损失的增加，需对滤池进行反冲洗，以释放截留的悬浮物以 及更新生物膜，此为反冲洗过程。总而言之，当污水由上而下或由下而上流过滤 7 重庆人学硕士学位论文 2 曝气生物滤池f t 艺原理及研究现状 料层，滤料层下部鼓风曝气提供生化反应所需的氧气，在填料表面附着生长的微 生物的作用下，污水中的有机污染物得到净化，同时填料起到物理过滤作用。 2 1 3 曝气生物滤池的工艺特点 曝气生物滤池与其他生物处理工艺相比较具有如下优点： 较小的池容积和占地面积，曝气生物滤池的b o d 5 容积负荷可达到 5 6 k g b o d 5 ( m 3 d ) ，是常规活性污泥法或接触氧化法的6 1 2 倍。 高质量的出水水质。在b o d 5 容积负荷为6 k g b o d 5 ( m 3 d ) 时，其出水s s 和 b o d 5 可保持在1 0 m l ，c o d 可保持在6 0 m l 以下【 】。 处理工艺流程短。由于曝气生物滤池的物理截留作用，故不需设置二沉池 和污泥回流泵房，处理流程简化，使占地面积进一步减小。 基建费用、运行费用省。由于该技术流程短、池容积和占地面积小，使基 建费用大大降低，同时粒状填料使得充氧效率提高，供氧动力消耗下降，单位污 水处理电耗低，运行费用较常规方法处理低l 5 左右。 易于操作管理。曝气生物滤池抗冲击负荷能力强，耐低温，无污泥膨胀之 虞，可以避免微生物流失，保持较高的微生物量，因此日常运行管理简单，处理 效果稳定。 处理设施可间歇启动运行，由于大量的微生物附着生长在粗糙多孔的粒状 填料内部和表面，可以保持一定的微生物活性，因此有利于系统的恢复启动。 易挂膜，启动快。曝气生物滤池在水温1 0 1 5 时，2 3 周即可完成挂膜过 程。 曝气生物滤池采用模块化结构，便于扩大生产规模的改、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。 曝气生物滤池虽然经历了接近一个世纪的发展，但还有很多方面有待于进一 步完善，其不足主要有以下几个方面【1 4 _ 7 】： 曝气生物滤池的进水s s 不能过高。如果进水s s 较高，会使滤池在短时间 内达到设计的水头损失，发生堵塞，这样就必然导致频繁的反冲洗，增加了运行费 用与管理的不便。 采用曝气生物滤池，其过滤水头损失大，故污水提升所需泵机的扬程高。 采用曝气生物滤池工艺，在反冲洗操作过程中短时间内水力负荷较大，反 冲洗出水直接回流到初沉池，初沉池会受到较大水力冲击负荷的影响。 曝气生物滤池同步生物除磷的效果不好，一般多采用化学法进行，如水中 含磷量较高，需要增加相应的预处理措施。 对有关曝气生物滤池的运行特性和处理效能等方面的研究结果还存在着一 定程度的偏差和分歧。 重庆入学硕士学位论文2 曝气生物滤池t 艺原理及研究现状 2 2 曝气生物滤池处理生活污水调试运行中涉及的理论原理及影 响因素 2 2 1 生物脱氮原理及影响因素 未经处理的城镇污水中，氮元素主要包含有机氮( 蛋白质、氨基酸等) 、氨态氮 州h 3 、n h 4 十) 、含氮无机盐( n 0 3 。制、n 0 2 。- n ) ，一般以有机氮为主。污水生物处理 过程中氮的转化包括氨化、硝化和反硝化以及部分生物同化作用1 8 。9 1 。 氨化反应：有机化合物，在氨化菌的作用下，分解、转化为氨态氮。这里的 含氮有机物一般指动植物和微生物残体及它们的排泄物、代谢物中所含的有机氮 化合物，主要以蛋白质和氨基酸形式。氨基酸在氨化菌的作用下，有机氮化合物 分解、转化为氨态氮陟2 ，其反应式为： r c h n h 2 c o o h 十0 2 ，r c 0 0 h + c 0 2 + n h 3 氨化作用无论在好氧条件还是厌氧条件，酸性、中性还是碱性环境中都能进 行，只是作用的微生物种类不同、作用的强弱不一。但当环境中存在一定浓度的 酚或木质素一蛋白质复合物( 类似腐殖质的物质) 时，会阻滞氨化作用的进行。 硝化作用：氨氮氧化成硝酸盐反应是由两组自养型好氧微生物通过两个过程 来完成的。第一步由亚硝酸菌将氨氮m h 3 、n h 4 + ) 转化为亚硝酸盐( n 0 2 一) 。第二步 再由硝酸菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐( n 0 3 ) 。因此，硝化的速率将直接影响脱氮的 效果。 反应过程方程式如下： 在硝化细菌的作用下，氨态氮进一步分解氧化。首先是在亚硝酸菌的作用下， 将氨氮转化为亚硝酸盐氮( n 0 2 。) ，反应式为： 2 n h 4 + + 30 2 幽她喧2 n 0 2 + 2 h 2 0 + 4 h + 随后，亚硝酸氮在硝酸菌的作用下，进一步转化为硝酸氮，其反应式为： 2 n 0 2 + 3 0 2 熊壁直2 n 0 3 。 生物硝化过程中的主要影响因素： 温度：硝化反应适宜温度是2 0 0 0 ，1 5 以下时，硝化速度明显下降，5 时基本停止。 溶解氧：硝化是好氧过程，l g 氮完成硝化反应需氧4 5 7 9 ，一般建议曝气池d o 不得低于l m l 。 p h ：在硝化反应过程中要消耗碱，每氧化l g 氨氮需耗7 1 4g ( c a c 0 3 计) 。硝化 菌对p h 值的变化十分敏感，为了保持适宜的p h 值，应当在废水中保持足够的碱 度。亚硝酸菌和硝酸菌的适宜p h 值为7 o 一7 8 和7 7 8 ，l 。生物脱氮过程中 的硝化段，通常把运行的p h 值控制在7 2 8 0 。 有机物含量硝化菌是自养型细菌，有机基质浓度并不是它的增殖限制因素。 9 重庆大学硕士学位论文 2 曝气生物滤池工艺原理及研究现状 若b o d s 值过高，将使增殖速度较高的异养型细菌迅速增殖，从而使硝化菌不能 成为优势菌种。 平均停留时间( s r t ) ：一般s r t 应为硝化菌最小世代时间的2 倍以上，即安全 系数应大于2 。硝化菌的最小世代时间在适宜温度条件下为3 天，因此 s r t 值为6 天。 c n 比：影响生物硝化速率和过程的重要因素。 反硝化：在缺氧( 不存在分子态溶解氧) 条件下，将n 0 2 一n 和n 0 3 - n 还原成 气态氮( n 2 ) 或n 2 0 、n o 。参与这一生化反应的微生物是反硝化菌。反硝化菌属兼 性菌，在自然环境中几乎无处不在，在污水处理系统中许多常见微生物都是反硝 化菌。生物反硝化过程可以如下表示： n 0 2 。+ 3 h ( 电子供给体有机物) _ o 5 n 2 + h 2 0 + o h n 0 3 。+ 5 h ( 电子供给体有机物) _ 0 5 n 2 + 2 h 2 0 + o h 。 反硝化过程中n 0 2 和n 0 3 。的转化，是通过反硝化细菌的同化作用( 合成代谢) 和异 化作用( 分解代谢) 来完成。同化作用是n 0 2 。和n 0 3 。被还原转化为n h 3 n ，用以新 微生物细胞合成，氮成为细胞质的成分【2 2 之3 1 。异化作用是n 0 2 。和n 0 3 。被还原为 n o 、n 2 0 和n 2 等气态物，主要是n 2 。异化作用去除的氮约占总去除量的7 0 一 7 5 。硝酸盐的反硝化过程如下式： n 0 3 。一n 0 2 一n o _ n 2 0 _ n 2 生物反硝化环境影响因素： 温度：温度对反硝化速率的影响与反硝化设备的类型( 微生物悬浮生长型和附 着生长型) 及硝酸盐负荷有关。反硝化反应的最适宜温度是2 0 4 0 ，低于1 5 c 时反硝化反应速率降低。 p h ：反硝化过程最适宜的p h 值为7 o 一7 5 ，不适宜的p h 值影响反硝化增 殖和酶的活性。当p h 值低于6 o 高于8 o 时，反硝化反应受到强烈抑制。 溶解氧：生物反硝化反应需要保持严格的缺氧条件。溶解氧对反硝化过程有 抑制作用。这主要是因为氧会与硝酸盐竞争电子供体，同时分子态氧也会抑制硝 酸盐还原酶的合成及其活性。 碳源有机物：反硝化反应是由异养型微生物完成的生化反应，它们在溶解氧 浓度极低的条件下利用硝酸盐中的氧作为电子受体，有机物作碳源及电子供体。 c n 比：一般认为，b o d 5 l 州大于3 5 时，可以认为碳源是充足的。 同化作用：在污水处理过程中，一部分的氮素( 有机氮和氨氮) 被微生物摄取 转化为细胞组织。按细胞干重计算，为生物细胞中氮含量约为1 2 5 。这部分存在 于生物细胞内的氮可在二沉池中以剩余污泥的形式排出。 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 曝气生物滤池t 艺原理及研究现状 2 2 2 生物除磷原理及影响因素 对废水生物除磷过程中的除磷机理曾有两种不同机理：一是生物诱导化学沉 淀作用，一是生物过量聚磷作用，现一般用生物法来除磷。生物除磷是利用活性 污泥中聚磷菌一类的微生物，超量地从污水中摄取磷，将磷以聚合形态贮在菌体 内，形成高磷污泥，通过排出剩余污泥到系统外，达到从污水中除磷的效果【4 彩】。 聚磷菌是好氧菌，通常在好氧条件下正常生长，生物除磷的机理可简述为： 聚磷菌的释磷并进行p h b 合成( 即厌氧、释磷) 含聚磷菌的回流污泥和污水一起进入厌氧状态，此时污水中有机物在厌氧发 酵产酸菌的作用下转化为甲酸、乙酸、丙酸等低分子脂肪酸( v f a ) ，而活性污泥中 的聚磷菌在厌氧的不利状态下，将体内积聚的聚磷酸分解，分解产生的能量部分 供聚磷菌生存，另一部分能量供聚磷菌主动吸收乙酸、丙酸等转化( 合成) 为有机储 备物质p h b ( 聚合羟基d 一丁酸) 的形态储藏于体内。此时表现为聚磷菌的释磷，即 磷酸盐由微生物体内向污水中的转移。 聚磷菌对磷的过剩摄取( 即好氧、吸磷进入) 进入好氧状态后，聚磷菌将储藏于体内的p h b ( 聚合羟基b 丁酸) 进行好氧分 解并释出大量能量，一部分能量供聚磷菌增殖，另一部分能量供其主动吸收污水 中的磷酸盐，以聚磷酸的形式积聚于体内，这就是好氧吸磷，即“磷的过剩摄取”。 厌氧和好氧交替的生物处理系统除磷本质 活性污泥中包含过量吸收磷的聚磷菌，也就是从污水中要去除的含磷物质。 回流污泥和污水一起又进入厌氧状态，厌氧释磷，并将转化( 合成) 的p h b 储藏于 聚磷菌体内，混合液进入好氧状态后，超量地从污水中摄取磷，将磷以聚合磷酸 盐的形态贮在菌体内，形成高磷污泥，通过排出剩余污泥，获得良好的除磷效果。 可见，在厌氧状态下释放磷愈多，合成的p h b 愈多，则在好氧状态下聚磷菌增殖 愈多，合成的聚磷酸盐量愈多，除磷效果也愈好。合成p h b 的量和碳源的性质密 切相关，乙酸、丙酸等低分子脂肪酸( v e a ) 易被聚磷菌吸收转化为p h b ，因此在厌 氧区加入好氧池硝化器的上清液可提高释磷速率。硝酸盐对厌氧释磷不利，它有 助于反硝化菌的增长，和聚磷菌争夺碳源，抑制聚磷菌生长和释磷口引。 生物除磷的影响因素： 出水s s ：二级处理出水的s s 浓度以及它们的含磷量对生物除磷工艺的运行 效果有相当大的影响。 用于除磷的有效有机物：出水磷浓度的高低主要取决于系统中除磷细菌所需 要的发酵基质的可获得量与必须去除的磷量的比值。贮磷微生物所消耗的给定数 量的发酵产物，将产生一定数量的新微生物细胞，这些微生物细胞的