（环境工程专业论文）拔风溅水充氧生物滤池处理农村生活污水的开发研究.pdf

摘要 针对太湖流域农村生活污水现状，按照国家高新发展计划( 8 6 3 ) 项目子课题一农村生活污水处 理技术及示范性工程专题要求，开发了适用于农村的小型生活污水装置一拔风溅水充氧生物滤池。 该装置完全埋于地下，整套装置的能耗设备仅为台小型提升水泵，大幅度削减了能耗，运行费用 低廉，适合在农村地区推广应用。装置完全覆土后，表面可基本恢复原有土地利用状况，不占用土 地资源，开发了拔风管的通风方式和溅水盘的充氧方式解决了装置埋地后对生物滤池自然通风的限 制。 本文研究了拔风溅水充氧生物滤池去除污染物的效果和优化j ：艺参数，并通过模型和小试深入 研究了拔风管自然强制通风和溅水式的充氧方式。研究结果如下： 拔风溅水充氧生物滤池出水水质较好，试验期间c o d 、氨氮、总氮和总磷平均出水浓度分别为 5 3 8m g l 、3 2m g 几、9 9m e c l 平0 4 6 m g l 。 生物滤池段的优化c o d 负荷和氨氮负荷分别为6 5 9 c o d m 3 h 和4 9 n t - l + 埘m 。- h ，优化水力负荷 范嗣在o 2 m h 剑o 6 m h 之间，装置优化同流比为3 。当流量为3 0 0 m l 时，通过同流方式的改变装 置脱氮效率提高了1 5 。 建立了拔风式自然强制通风通风量模型年拔风管离度模型，得山了生物滤池拔风管的理论高度 为3 6 2 m 。 溅水盘小试得出在4 0 e m 的高度的情况下，达到较高充氧效果的最佳溅水盘的组合形式为：两 条溅水盘2 ，开有l e m 宽缝，板缝比为3 ：l ，相对距离为3 0 c m 。 结果表明：拔风溅水充氧能够满足生物滤池段的氧气需求，拔风溅水充氧生物滤池有良好的出 水水质和较经济的运行费用，适合用于农村生活污水处理。 关键词：农村生活污水生物滤池地埋式低能耗拔风充氧溅水充氧 a b s t r a c t i no r d e rt oc x m t r o lr u r a ld o m e s t i cw a s t e w a t e r p o l l u t i o na r o u n dt a il a k ed r a i n a g ea r e a , i nt e r m so f 。t h e s u b j e c ta b o u tt e c h n o l o g ya n dd e m o n s t r a t i v ee n g i n e e n n gf o rr u r a ld o m e s t i c w a s t e w a t c rt r e a t m e n to f n a t i o n a lh i g h - t e ed e v e l o p m e n tp r o g r a r r u n e ( 8 6 3p r o g r a m m e ) ，as m a l l - s c a l ed e v i c ef o rr u r a ld o m e s t i c w a s t e w a t e rt r e a t m e n tw a si n v e n t e d , w h i c hw a sn a t u r a l e n f o r c i n gv e n t i l a t i o na n dw a t e rs p a r e r i n g b i o f i l t e r ( n s b f ) i ti sc h a r a c t e r i s t i co fh i g hp r o c e s s i n ge f f i c i e n c y , s m a l ls p a c eo c c u p y i n ga n dl o wp o w e r c o n s u m p t i o n i nt h i sp a p e rt h er e m o v a le t i i c i e n e ya b o u tc o n t a m i n a t i o no fn s b fi ss t u d i e da n dt h eb e s td e s i g na n d o p e r a t i o np a r a m e t e ri so p t i m i z e di nd e t a i l t h e nm a t h e m a t i cm o d e la b o u tn a t u r a lv e n t i l a t i o ne n f o r c e db y p i p ei se s t a b l i s h e d f i n a l l yal a b o r a t o r y s c a l ee x p e r i m e n ta b o u ta e r a t i o ne f f i c i e n c yo f w a t e rs p a t t e d n gp a n i sa l s os t u d i e dt h er e s u l t sa r es u l t i i n a r i z e da sf o l l o w s ： d u r i n g t h ee x p e r i m e n tp e r i o dn s b fh a v eg o o de f f l u e n tq u a l i t y t h ea v e r a g ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o no f c o d , n h 3 - n ，t na n dt pi sr e s p e c t i v e l y5 3 8m g l 、5 6m g l 、11 ，2m g la n do 4 6 m g l i nt h eb i o f i l t e rs e g m e n tt h eb e s tt r e a t m e n te f f i c i e n c yo fc o da n dn h 3 - ni sa t t a i n e dw h e nt h ec o d l o a di s6 5 9 c o d m 1 l t h en h ) - nl o a di s4 9 n h 3 - n m 3 ka n dt h eh y d r a u l i cl o a di sb e t w e g l l0 2r r g ha n d 0 6 m t l w h e nt h ec i r c u m f l u e n c er a t i oi s3 t h et nr e m o v a le f f i c i e n c yo f n s b fi s7 0 t h e w a yt h a te f f l u e n t c i r c u m f i n e n c e dt ot h et o po f b i o f i l t e rc a l li m p r o v ed e n i t r i f i c 撕o i le f f i c i e n c yo f n s b ew h e nt h ei n f l u e n ti s 3 0 0 m l ，d e n i l r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo ft h i sm e t h o di n c r e a s e s 1 5 c o m p a r e dt o t h a te f f l u e n t u s t c k c u r n f l u e n c e dt oa n a e r o b i cs e g m e n t m a t h e m a t i cm o d e la b o u tn a t u r a lv e n t i l a t i o ne n f o r c e db yp i p eh e i g h to fv e n t i l a t i o np i p ea r eb o t h e s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt om o d e l t h et h e o r e t i c a lh e i g h to f v e n t i l a t i o np i p ei s3 6 2 m ， h l 1 eb e i g h to f4 0 e mal a b o r a t o r y - s c a l ee x p e r i m e n ta b o u ta e r a t i o ne f f i c i e n c yo fw a t e r s p a t t e r i n gp a n s h o w st h eb e s tc o m b i n a t i o no f s p a t t e r m gp a ni st w op i e c e so f s p a t t e r i n gp a n2 ( t h eg a pw i d t ho l lt h ep a ni s l e m , t h ew i d t hr a t i ob e t w e e nb a t t e na n dg a pi s3 ：1a n dt h ec o m p a r a t i v ed i s t a n c eb e t w e e ni s3 0 e r a 、 t b er e s u l t ss h o w st h a t ：a e r a t e db yv e n t i l a t i o np i p ea n ds p a t t e r i n gp a nc a nm e e tw i t ht h e o x y g e n d e m a n do fb i o f i l t e r n s b fh a v ef a v o u r a b l ee f f l u e n tq u a l i t ya n dc a no p e r a t ei nl o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n w h i c hi ss u i t a b l ef o rr u r a ld o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta r o u n dt a il a k ed r a i n a g ea r e a k e 3 1 c o r d s ：r u r a ld o m e s t i cw a s t e w a t e r ，b i o l o g i c a lf i l t e r ，u n d e r g r o u n d ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , v e n t i l a t i o np i p e ，w a t e rs p a t t e r i n g i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。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。 研究生签名：监日期：坤 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：担导师签名：二避日期 毛易 第一章前言 1 1 研究背景 第一章前言 太湖古称震泽，又名五湖，为我国第三大淡水湖，湖面2 0 0 0 多平方公里，有大小岛屿4 8 个， 峰7 2 座。太湖是一个天然的巨大水库，平均水深1 8 9 米，在水位2 9 9 米时的库容为4 4 2 3 亿立方 米，在水位4 6 5 米时的库容约8 3 亿立方米。 太潮流域是我国著名的水网地区，境内河道纵横交错。河道总长1 2 万公里，每平方公里河道平 均长度3 2 公里，与广人平原区构成网络状，称为”江南水网”，是太湖流域自古以来的水利基础。 近年来，随着人们生活水平的提高和经济的快速发展，太湖流域特别是太湖和周围河网区水体 污染日益严重。而相应的环境保护和治理措施滞后，造成入湖主要河道和湖区的水质污染加剧，特 别是水体的富营养化，已成为太湖水环境的主要阀题。太湖水质的恶化，严重破坏了湖区的生态环 境，给秽个地区的发展带来极其不利的影响。 2 0 世纪8 0 年代以来，太湖水体营养状态上升了2 个等级。由8 0 年代初期以中营养冲富营养为士 上升5 1 1 j 9 0 年代中期以富营养为主。1 9 9 5 年太湖全湖的t n 和t p 已分别达剑富营养化发生浓度的1 7 5 和 66 倍，具备了全湖发生重富营养化的营养盐条件。据统计，1 9 8 7 年，入湖t p 仅为1 3 2 6 ，6 9 t ，t n 为 2 6 0 2 0 t ；而5 i 1 j 2 0 0 2 年。则分别达剑1 8 9 0 t t 1 4 4 6 0 0 t 。尤其是大浦口水域近四年总氮总磷浓度上升速度 更是急剧增加( 如图1 一1 ) 。此外，太湖湖心藻类叶绿素v a 含量呈上升趋势，2 0 0 4 年均值超过或接近 2 0 陷几，而且藻类水华已经由梅梁湾向湖心、东太湖扩展，太湖水污染和富营养化十分严重口】。 图i 11 9 9 6 - 2 0 0 5 太湖湖心、梅梁湾和大浦口水域t n 及口年均变化 2 0 0 5 年中国环境监测报告表明太湖水体总体为劣v 类，太湖湖体高锰酸盐指数雨i 总磷年均值分 别达剑i 类、类水质标准，但由于总氮污染严重，湖体水质仍为劣v 类。湖体营养状态指数为6 2 ， 处于中度富营养状态。与上年相比，湖体水质无明显变化。在2 1 个国控监测点位中，无i 类水 质，v 类和劣v 类水质的点位分别d i 3 3 币1 6 7 。主要污染指标为t n 。五里湖、梅梁湖污染明显重 于湖心i x _ 和东部沿岸区。 环测河流、太湖环湖河流为中度污染，与上年相比，环湖河流总体水质好转，主要污染指标为 n a + 4 n 、石油类和b o d ，。8 9 个地表水国控监测断面中，i i 类水质断面占l ，m 类占1 6 ，i v 类 占2 8 ，v 类f i1 7 ，劣v 类占3 8 。 东南大学硕士学位论文 圈1 22 0 0 5 年环湖河流水质类别比例分布图1 - 3 环湖河流水质年际比较 1 2 课题提出 1 2 1 农村生活污水对太湖水体的污染 近年来，随着经济的发展和人们环保意识的增强，太湖水体富营养化问题已经引起人们足够的 重视，我国已经投巨资在环太湖流域兴建了几十座污水处理厂。白1 9 9 8 年“聚焦太湖”零点行动以 来，环太湖区域点源污染基本得剑控制。太湖全流域内污染企业和城市生活污水处理的达标排放等 各项点源污水治理措施虽然取得了一定的效果，但太湖水体水质并没有明显地改善，主要原因是农 业面源污染尚未得到有效控制。其中农村生活污水的污染占有很大比例。 表1 1 反映了太湖地区主要污染源在排污总量中的比例，从表中看出，在太湖水体污染中，从 全流域t n 排放负荷来看，生活污水占2 5 ；从t p 排放负荷来看，生活污水占6 0 ；而c o d c ，排 放负荷也占到4 2 。 表11 太湖地区土要污染源在排污总量中的比例( ) 唧 据金相灿等【4 】研究表明，来自于点源的入湖t p 约占7 0 ，而t n 的入湖量，来自于点源的仅占 约4 1 ，面源入湖龟超过点源，主要来自于农业生产和农村生活，见表1 2 。 表1 2 太湖地区营养盐污染物排放情况( ) 而且，随着城市生活污水设施的进一步完善，_ 1 j 业和企业的达标排放以及农村居比生活水平的 进一步提高，农村生活污水的处理已经达剑迫在眉睫的地步，如果环太湖流域的农村生活污水不能 得到进一步的遏制，太湖的离营养化水平就不能得到控制。 2 第一章前言 1 2 2 环太湖流域农村生产生活和污水排放特点 1 2 2 1 生产生活特点 既分散又集中的居住方式。分散是指村落布局上总体的分散，不同的村落之间相隔一定的 距离。集中是指村落内住户居住相对较为集中，表现为居民生活建筑的连续布置，而且集中居住农 居沿河曼带状分布，规模在2 0 2 0 0 户之间。 农村生活水平和收入较低。不同于城市生活水平，农村居民经济来源单一，一般依靠农作 物的耕作作为经济来源，而且农业的耕作受季节的影响较大，收入不稳定。这就要求农村生活污水 处理装置在低成本一f 运行。 用地较为紧张。由于人口高度稠密，平均每人仅占有十地1 6 8 亩，土地利用率达到很高程 度，聚殖指数达到4 8 6 ，耕地、吲地平i l 精养鱼池等集约型农业刖地约占5 5 ，耕地复种指数为2 1 0 。 湖荡众多，河网密布，水域面积达1 0 3 0 万亩，占土地总面积1 8 9 ，且以湖荡水体为主。由于本区 社会经济发展水平较高、城镇密集、工商业发达，非农业用地比重达到1 0 8 。而且，随着小城镇 建没的推广，环太湖流域农村建设更会有新一轮的蓬勃发展，这必然会给本已紧张的t 地资源增加 更重的负担。 1 2 2 2 污水排放特点 不同于城市生活水平和生活条件，农村生活、居住分散，生活和周罔自然环境息息相关，生活 水平不高，因此农村生活污水具有与城市污水不同的特点。 由于生活习惯的限制，农村用水一般早现多元化，一般以河水、井水和自来水三者结合使 用，自来水为饮_ i j 水源，河水、井水用丁农物洗涤、冲刷地面、饲养家禽等。 农村人群所排类便火部分还田，作为农作物的有机肥料。还有少部分由于没有卫生洁具或合 理的集水系统，任意流出居住区。根据高良敏等问卷调查统计的结果9 j ，由化粪池( 缸) 收集作为农肥 入田的比例为7 66 ；粪便宜接排入临近的河流的比例为1 0 4 ：粪便及污水经由管道入统一的小 区内的化粪池的比例仅为5 2 ；采埘混合排放( 排入河流、农田莆i 化粪池) 的占1 o ；其他方式i 与 6 8 。因此，农村生活污水主要是洗涤、沐浴等用水，水质浓度较低。而当居民区有较多化粪池污 水时，水质浓度较高。因此，水质浓度相对城市污水变化较火。东南大学环境工程系国家高新技术 发展计划( 8 6 3 ) “太湖水污染控制与水体修复技术及：r 程示范”重人专项的子课题“河网区农业面 源污染控制成套技术及一r ：程示范”( 2 0 0 2 a a 6 0 1 0 1 2 1 a ) 课题纲( 以一r 简称课题纽) 州调查结果表明： 水质方面，l e l 居住区农户的污水c o d e r 日平均可达7 8 0 1 3 4 9 m g l ，两新居住区平均在3 5 0 4 5 0 m g l 之间，旧居住区有机物浓度是新居住区的2 4 倍，这与旧居住区居民_ h j 水反复使用有关。在 n 、p 浓度上，新l r 居住区相差不大，t k n 浓度最高为7 0 8 0m g l ，平均为3 6m g l 。t p 最大为 4 5 6 5 m g l 之间，平均为2 8m g l 。污水b o d c o d 约为0 5 ，适于生物处理。而部分污水氮碳比 失调，不利丁生物脱氮。 农村生活污水的排放为不均匀排放，瞬时变化较大，日变化系数通常在3 0 5 0 之间，在某 些变化较大的情形下更可能达到1 0 0 以上。而且农村生活污水水晕冈地区性经济稃度的著异而有着 较人的不同。课题组嘲的水质调查结果表明：水量方面，通过调查和定点实测示范区代表性自然村 农户用水及排水情况，发现新居住区农户生活水平较高，有卫生沾具的住户可达6 0 以上，平均每 户用水埕可达1 0 , - - 1 4 吨月，而旧居住区农户基本无卫生洁具，平均每户用水量仅3 0 吨月。生活 污水摊放量，新居住区在8 0 升人日左右，旧居住区在3 0 4 0 升从日之间，新j r 居位区人均污水 排放避相差一倍以上。 由于没有合理的规划，农村生活污水的排放呈现多种渠道。农村生活污水主要有以下儿种排 出渠道：排入附近河流的比例i 4 1 8 ：其次有3 3 8 排入。f 水道( 简易) ，最终还是流向河流或者渗 入土壤；1 4 4 随意泼洒；4 3 排入农田；其他为5 7 ”j 。 3 东南大学硕_ 上学位论文 1 2 3 国内外农村生活污水处理现状 农村生活污水处理应充分考虑当地自然、经济、社会条件，因地制宜地采用投资省能耗低，维 护管理方便处理效果好的工艺。目前国内外针对农村生活污水控制已有较多研究，而且很多已经 得到广泛应用。 1 2 31 人丁湿地系统处理技术 人工湿地是一种由人工建造和监督的与沼泽类似的地面，它利用自然湿地生态系统中物理、化 学、生化反应协同作用来处理污水。入【湿地可分为表面流湿地、潜流湿地、立式流湿地【7 l 。人工 湿地作为自然湿地处理系统人为强化技术具有水质净化效果好、能源消耗低和运行管理方便等优点。 孙弧兵等嗍人利刚自动增氧型港流人一l 湿地处理模拟农村生活污水，c o d 、n w 4 - n 、t p 的最 高去除负荷分别为2 2 6 8 k g d 1 h m 。、4 4 4k gd - l h m - z 、1 0 4k g f f l h m 。，相应的去除效率分别为8 9 4 、 8 89 希f9 0 2 ，可见有较高的去除效果，且抗冲击负荷能力比较强。 然而人 湿地处理污水尚有以下缺点亟需克服：需要较大面积之十地；污水处理速度缓慢： 处理效率受环境气候、植物生命周期的影响；高浓度废水无法有效处理；擎生蚊虫；进水 口设置不当或操作不规范可能产生臭味【9 j 。 1 2 3 ，2 污水土地处理技术 污水土地处理系统是在人工控制的条件下，将污水投配在十地上，通过土壤植物系统，进行一 系列物理、化学、物理化学和生物化学的净化过程，使污水得到净化的一种污水处理： 艺。 污水土地处理系统与其它污水生物处理技术相比具有投资省、节能、运行费刖低等优点，并且， 污水在被处理的同时作为一种资源被加以利用。 何江涛等的试验表明”人对污水快速渗滤土地处理系统进行了适当改进，其水力负荷得到大量 提高。试验结果表明：各污染组分仍可得到较好的去除，c o d 羊b o d 5 去除率分别为7 0 9 0 和 7 0 8 0 ；t n 和n 出+ - n 的去除率分别为7 0 9 5 和o 9 5 。 污水十地处理系统的不足之处在于占地面积相对较大，影响农村地区生产生活对土地的利用。 当土质的空隙率较低，进水中的颗粒性污染物就会堵塞土地基质，影响处理系统的表现性能。由于 土地处理系统和地下水、以及周同水系相连通，当进水中含有火量的重金属等对人体有害的物质， 土地处理系统不能有效地处理就会污染水体，从而会对人们的生活造成危害。 1 2 3 3 生物生态组合技术 生物生态组台技术是指应用生物技术与生态技术相结合的整体：r 艺处理生活污水的技术。生物 处理先去除污水中部分的c o d 、n 、p 等营养性有机物，减轻随后生态技术的处理负荷，从而达到 更好地处理生活污水的目的。东南大学环境r 程系负责国家高新技术发展计划( 8 6 3 ) “太湖水污染 控制与水体修复技术及工程示范”重火专项的子课题“河网区农业面源污染控制成套技术及工程示 范”( 2 0 0 2 a a 6 0 1 0 1 2 1 a ) 开发的生物生态技术“水解池+ 滴滤池+ 人：l 湿地”和“厌氧池+ 跌水接触氧 化+ 人 ：湿地”已经在宜兴市火浦镇示范运行。该项技术具有抗冲击负荷强，水质净化效泉好等特点， 而且管理、操作、流程简单的优点，整个流程动力消耗低，造价和运行费h = 低廉。 潘羽忠等实验删表明采用厌氧+ 多级跌水充氧接触氧化+ 复合型人1 二湿地的组合丁艺处理农 村生活污水是完全可行的。在c o d mn h 4 + - n 、t n 、t p 的负荷分别为0 3 7 k g c o d c d 、1 6 1g n h 4 - n d 、1 7 4g t n d 、47g t p d 、时，去除率分别在6 0 、8 0 、7 0 、7 0 以上。 生物生态组合技术的主要缺点包括：占有较大的1 十- 地面积：冬季低温条件影响工艺的处理效果， 其至出现冰冻现象导致t 艺不能止常的运行；生物处理部分由于承担较人的负荷，夏季高温时会产 生较为强烈的异味，影响周围的卫生条什。 1 2 3 4 蚯蚓生态滤池 4 第一章前言 该技术利用在滤床中建立的人工生态系统，对所处理城镇污水中台有各种形态的污染物质通过 蚯蚓和其他微生物的协同作用进行处理和转化“。 生态滤池处理系统集初沉池，曝气池、二沉池、污泥回流设施以及供氧设施等于体，大幅度 简化了污水处理流程；运行管理简单方便，并能承受较强的冲击负荷；处理系统基本不外排剩余污 泥，其污泥产率大幅低于普通活性污泥法。 杨健等中试研究表明【l “：其处理城镇污水的c o d c ，去除率达3 8 8 ，b o d 5 去除率这9 1 9 6 ，s s 去除率达8 5 9 2 ，有机物去除效果与普通活性污泥法相当。生态滤池的除氮效果明显 优于普通活性污泥法，氨氮去除率达5 5 6 5 。其出水浓度为0 1 2 m g l ，可满足国家排放标准 的要求。 但由于蚯蚓的生活习性受温度影响明显，低于或高于一定温度会冬眠或夏眠，故在蚯蚓冬眠或 夏眠时处理效果不够理想j i 。由于滤池内填料为能够为蚯蚓提供栖息生长的场所，当蚯蚓在滤池内 的分布不均匀时，滤池的填科易发生堵塞。 1 2 4 拔风溅水充氧生物滤池技术提出 综上所述，现行的农村生活污水处理工艺虽然都具有较好的污水处理效果，但是由于其都具有 t 地面积较人和处理效果受环境冈素影响较人等不利因素，不适合太湖流域农村生活污水的处理。 因此为了有效控制太湖水体污染状况，开发经济高效农村生活污水处理7 i i 艺势在必行。 针对农村地区居住分散又集中的生活特点，提出了小型化污水处理工艺处理农村生活污水，小 型化处理工艺具有机动性能强的特点，适于农村生活污水处理。 针对太湖污染状况和农村生活污水量水质的特点，工艺中重点采用去除有机物和脱氮的工艺， 其中并没有考虑除磷的原冈在于：i ) 不论是生物除磷法还是化学除磷法，由于其较为复杂的处理过 程和控制条件都不适合应阁在小型化污水处理装置中，而且在小型化：c 艺中添加除磷工艺会增加投 资建设费削。i i ) 示范区农村周边有大量的人工生态渠，其具有较好的除磷效果，污水直接排入生 态渠能够达到除磷目的i 因此提出了a o 的污水处理一i i 艺。 针对环太湖农村地区七地资源相对较为紧张和的问题，提出了小型化污水处理u t 艺一体化设计 和地埋式的布置方式，装置完全埋于地下，覆土后地面可以正常进行农业耕作，基本不占用土地资 源。装置埋地后，污水可以完全自流进入装置，而且在冬季低温条件下，地埋式的设置可以起到保 温作用。 针对环太湖农村地区经济收入相对城市较低污水处理设施需要低成本运行的问题，提出了好氧 段采j ；j 臼然通风的生物滤池技术，处理部分完全没有动力消耗，仅出水需要一台提升水泵。针对地 埋式的设置方式和传统自然通风相互矛盾的问题，提出了拔风管式的通风方式和溅水盘式的充氧方 式。 综合以上设置和技术特点，本研究按照国家高新技术发展计划( 8 6 3 ) “太湖水污染控制与水体 修复技术及工程示范”重大专项的子课题“河网区农业面源污染控制成套技术及工程示范” ( 2 0 0 2 a a 6 0 t 0 1 2 1 a ) 要求提出了处理农村生活污水新型的前瞻性技术一拔风溅水充氧生物滤池技 术，开发了拔风溅水充氧生物滤池污水处理装置。 5 第二章生物滤池的理论依据和工作原理 第二章生物滤池的理论依据和工作原理 2 1 传统生物脱氮的原理及影响因素 污水中存在着有机氮、氨氮、硝态氮等形式的氮，而其中以氨氮和有机氮为主要形式。在生物 处理过程中，有机氮被异养微生物氧化分解即通过氨化作_ j 转化为成氨氮，而后经硝化过程转化 变为n 0 2 - n 和n 0 3 一- n ，最后通过反梢化作用使硝态氮转化成氮气，排出体系，同时部分转化为细 菌细胞的一部分，以剩余污泥的形式排出。在一般污水处理设施中氨化反应速度很快，故生物脱氮 的关键在于硝化和反硝化。 2 1 1 氨化作用 氦化作_ 【 j 是指细菌消耗溶解性含氮有机物时，溶解性有机氮转化为氨氮的过枰，也称为矿化作 用。参与氨化作用的细菌成为氮化细菌。在自然界中，它们的种类很多，主要有好氧性的荧光假单 胞菡和灵杆菌，兼性的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌等。 在好氧条件f ，主要有两种降解方式，一种是氧化酶催化f 的氧化脱氨。例如氨基酸生成酮酸 和氨： c h 3 c h ( n h 3 ) c o o h _ c h 3 c ( n h 2 ) c o o htc h 3 c o c o o h + n i l 3 另一是某些好氧茁，在水解酶的催化作用卜能水解脱氮反应。例如屎素能被许多细茁水解产生 氨，分解尿素的细菌有尿八联球菌和尿素芽孢杆菌等，它们是好氧菌，其反应式如下： ( n h 2 ) 2 c o + 2 h 2 0 2 n h 3 + c o z + h 2 0 在厌氧条件或缺氧的条件下，厌氧微生物和兼性厌氧微生物对有机氮化合物进行还原脱氨、水 解脱氨和脱水脱氨三种途径的氨化反应。 r c h ( n h 2 o 日盟芝j r c 日2 c o o h + n h 3 c h 3 c h ( n h 2 ) c o o h 与c h 3 c h ( o h ) c o o h + n h 3 c h 2 ( o h ) c h ( n h 2 ) c d o 日= 丛c 也c o c o o h + n i t 3 2 1 2 硝化作用 硝化作埘是指将氨氮氧化为_ 弧硝酸氮和稍态氮的生物化学反应，这个过程由弧硝酸菌和硝酸菌 共同完成。弧硝化菌有亚硝酸单胞菌属、弧硝酸螺杆菌属利亚硝酸球菌属。硝酸曲有硝化杆菌属、 硝化球菌属。亚硝酸茁和梢化菌统称为硝化菌。 由于硝化菌是专性好氧细菌，所以发生硝化反应时细菌分别从氧化n h ，和n 0 2 的过程中获得能 蜒，而从如c 0 3 2 。、h c o 一、c 0 2 等无机碳化台物获得碳源。若细胞的组成为c 5 h 7 n 0 2 ，则硝化菌合 成的化学计量关系可表示为： 亚硝化反应方程式： 5 5 n h ：+ 7 6 0 2 + 1 0 9 h c o ；- - - ) c 5 h 7 n 0 2 + 5 4 n 0 ；+ 5 7 日。2 d + 1 0 4 h 2 c q 硝化反应方程式 6 东南大学碗士学位论文 4 0 0 n o ；+ 4 日2 c 0 3 + ：h ；+ 1 9 5 0 2 + h c o ；_ c 5 h 7 n 0 2 + 4 0 0 n o ；+ 3 h 2 0 硝化反应总反应方程式为： m - i ；+ 1 8 3 0 2 + 1 9 8 h c 0 ；呻o 0 2 g h 7 n 0 2 十o 9 8 n 0 2 + 1 0 4 h 2 d + 1 8 8 h 2 c d 3 2 1 3 硝化反应影响因素 温度 在生物硝化系统中，硝化细菌对温度的变化非常敏感，在4 4 5 c 的范围内，硝化细菌能进行 正常的生理代谢活动。亚硝化萄最佳生长温度为3 5 ，硝化细菌的最佳生长温度为3 5 4 2 c ，温度 不但影响硝化鼬的比增长速率，还影响硝化菡的活性。硝化菌的比增长速率和温度的关系递从 a r r h e n i u s 方程，温度每升高l o ，比增长速率增加一倍。 当废水温度低于1 5 c 时，硝化速率会明显下降，当温度低于1 0 c 时己启动的硝化系统可以勉强 维持，当温度低丁4 时，硝化细菌的生命活动儿乎停r 。相对| 丁弧硝化曲，温度对硝化细菌的抑 制更为强烈，一般在低温条件( 1 2 1 4 ) 。卜会出现皿硝酸盐的积累。 p h 值 硝化细菌对p h 值变化非常敏感，w h e a t o ne la 1 1 4 1 提山弧硝酸细卣的最佳p h 范围在6 9 之间，在 这一最佳p h 值条件卜，硝化速度，硝化韵最火的比值速度可选最人值。在一般的生物处理。 艺中， 硝化反应中p h 的适宜范围比单纯的亚硝化菡和硝化菌要宽一些。而在硝化过程中会产生大量的的质 子( h + ) ，为了使反应能顺利进行，需要大蹙的碱中和，其理论上火约为每氧化l g 的n i t 3 - n 需要碱度 5 5 7 9 ( 以n a c 0 3 计) 。 溶解氧 氧是硝化反应过程中的电子受体，反应器内溶解氧高低，必将影响硝化反应得进程。n i t ，的生 物氧化需要大量的氧，大约每去除l g 的n h 3 - n 需要4 2 9 0 2 ；在活性污泥法系统中，大多数学者认 为溶解氧应该控制在1 5 2 0 m g a 内，低于0 5 m g l 则硝化作_ | j 趋丁二停止。在d o 2 0 m g t , ，溶 解氧浓度对硝化过程影响可不予考虑。但d o 浓度不宜太高，因为溶解氧过高能够导致有机物分解 过快，从而使微生物缺乏营养，活性污泥易于老化，结构松散。此外溶解氧过高在强制曝气的生 物处理j 艺中会过量消耗能晕，在经济上也是不适宜的。 生物周体平均停留时间( 污泥龄) 在活性污泥系统中，为了使硝化菌群能够在连续流反应器系统存活，微生物在反应器内的停留 时间( 钆) w 必须大于自养型硝化菌最小的世代时间( e c ) m i l l 。，否则硝化菌的流失率将人于净增率， 将使硝化菌从系统中流失张尽。一般对( 0 c ) 。的取值，至少应为硝化凿最小世代时间的2 倍以上， 即安全系数应火于2 。在生物膜法中，由丁二微生物附着在填料表面，并不存在污泥龄即微生物在反 应器的停留时间小于硝化菌最小世代时间的问题。因此，生物周体平均停留时间对生物膜法不产生 影响。 重金属及有毒物质 对硝化菌有抑制作用的除了重金属外，对硝化反应产生抑制作用的物质还有：高浓度氨氮、高 浓度硝酸盐有机物及络合阳离子等。 2 1 4 反硝化作用 反硝化作用是指在厌氧或缺氧( d o 8 mg l ) ，m l s s 较低的怙况下，经过5h 曝气，总氮去除率冈进水碳氮比不同而异，进水 cod 越高，好氧反硝化现象越明显。总氮之除率随进水c o d 的提高而增加，表明碳源对反硝化 的重要性1 2 “。 微生物絮体颗粒的大小 根据“微环境理论”，由丁二氧的传递受到了限制，在微生物絮体的内部形成了一定范嗣的缺氧 区域。这样，在絮体的外匍，氧能传递到的区域发生硝化反应的同时，在絮体内部的缺氧区域发生 了反硝化反应。而反硝化的区域人小直接决定了反硝化反应的进行聪度。由此，人们推测微生物絮 9 第二章生物滤池的理论依据和工作棘理 体颗粒的大小能直接影响反硝化的进行程度口。k l a n g d u e np o c h a n a 等口4 1 研究了s b r 系统中影响同 步硝化反硝化的因素，认为微生物絮体粒径大小为一重要控制因素，并认为较大粒径的微生物絮体 有利于同步硝化反硝化的进行。 溶解氧的影响 溶解氧的浓度与同步反硝化的关系是复杂的，而且溶解氧浓度的控制是相当重要的，实践过程 中应该根据水质状况及条仲的不同，具体情况具体分析。 不同的d o 质量浓度对同步硝化反硝化工艺脱氮效果有显著的影响，在0 5 m g l 4 0 m g l 的 d o 质量浓度试验范围内，总氮去除效果随着d o 质量浓度提高从6 6 降低到3 6 2 5 1o h e l m e r 等口6 卸 在低d o 条件一f ( 1 m g l ) 利用生物转盘处理垃圾渗滤液时发现有6 0 的总氮去除率。即使在很大程度 上破坏了生物膜中存在的缺氧区，污泥仍然具有较强的产氮气能力。 2 3 生物滤池工作原理及其影响因素 2 3 1 生物膜法的一般原理 和活性污泥法一样，生物膜法也是污水生物处理的一种重要方法。这种生物处理法的实质是使 细曲和曲类一类的微生物平原生动物、后生动物类的微生物附着在天然或人j ：载体上形成了膜状 的微生物群体即生物膜并在载体上进行生k 繁殖。当污水流经生物膜表面时，污水所携带的有机污 染物作为生物膜上微生物的营养物质被其利用。在此过程中，污水水质得到净化，同时微生物自身 也得剑增殖。 生物膜的形成 污水通过滤池时，滤科截留了污水中的悬浮物质，并把污水中的胶体物质吸附在自己的表面上， 其中的有机物使微生物很快繁殖起来，这些微生物又进一步吸附污水中呈悬浮、胶体和溶解状态的 物质，填料表面逐渐形成了一层生物膜。生物膜主要由氆胶团和大量的真菌丝组成，其中还有许多 原生动物和较高等动物生缝。 生物膜中的微生物 生物膜中的微生物与活性污泥大致相同，但又有其特点。在生物膜法中，仍然是以菌胶团为主， 但是丝状菌还占有很人的比例，因为它净化有机物的能力强，而且又由丁它使生物膜形成了立体结 构，密度疏松，增大了比表面积，则线虫类、轮 虫类以及寡毛虫类的微型动物出现的频率较高。 在有日光照射的条件下还有可能出现藻类，在生 物滤池的表面，还会出现滤池蝇这样的昆虫类动 物。所以，比较与活性污泥法的微生物，在生物 膜上生陆的微生物类型广。泛、种类繁多，食物链 也较为复杂，而且在一般情况下，在不同水质或 者同一进水水质不同段的情况f ，会形成与之相 对应的微生物种群，产生优势菌种，有利于微生 物在自己有利的条件一f 完成新陈代谢和充分发 挥降解有机污染物的能力。 生物膜之除有机污染物的过程 由幽2 - 2 可以看山，滤料表面的生物膜可以 分成厌氧层和好氧层，好氧层的厚度一般在2 r m n 一, u o 图2 2 生物膜去除有机物过程示意图 左右。在妤氧层表面附着一层水层，这是由丁i 生物膜是亲水物质，能够吸附流经的水分而造成的。 因为附着水直接与微生物接触，其中_ 人多数有机物由于微生物的新陈代谢而降解，所以有机物浓度 很低。住附着水外部的是流动水层，即是进入滤料内部的待处理污水，有机物浓度较高。生物膜去 1 0 东南大学硕士学位论文 除有机物的过程包括：有机物从流动水中通过扩散作用转移到附着水中，同时氧也通过流动水、附 着水进入生物膜的好氧层；生物膜的有机物进行好氧分解；代谢产物如二氧化碳和水等无机物沿相 反方向排至流动水层及空气中；内部厌氧层的厌氧菌利用死亡的好氧菌及部分有机物进行新陈代谢； 代谢产物如有机酸等转移日好氧层或流动水层中。好氧和厌氧生物膜之问存在一定的平衡关系，维 持着生物膜的上e 常净化水质的功能，当内部的厌氧层逐步增厚到一定的程度后，厌氧微生物的新陈 代谢就会破坏这种平衡而影响外部好氧微生物的正常功能，而内部过链且穿过生物膜的气体会减弱 生物膜和填料的同着力，形成的老化生物膜就会脱落，而新的生物膜也开始形成。就是住这种新老 更新的情况下维持附着体上生物量的平衡，有效地达到净化水质的目的。 目前利用生物膜法进行污水处理的生物反应器有生物滤池、生物转盘和生物接触氧化。 2 3 2 生物滤池的工作原理 十九世纪末，德国人在研究土壤净化 污水过滤田的基础上，创造了生物过滤法。 1 8 9 3 年英国试行将污水在粗滤料上喷涌 进行净化水质的试验，并取得了良好的去 除效果，1 9 0 0 年以后，这种r 艺得到公认， 命名为生物过滤法，处理构筑物称之为生 物滤池，开始用于污水处理实践，并迅速 在欧洲一些国家得到广泛的应用田j 。2 0 世 纪6 0 7 0 年代，由于新型填料的研制成 功，使得生物过滤法得到了充分的发展。 这一技术在农业循环用水和养殖业用水处 理方面得到了很好的应用 2 9 - 3 3 l ，在城市污 水的处理方面也得到了广泛的应用。在这 种反应器中，微生物生k 在滤池中的填料 上面，所以可以达到很高的微生物浓度， 图2 - 3 普通生物滤池的基本构造 因此它的水力负荷和抗冲击负荷能力都很强，可以很好地适应那种负荷不稳定、变化比较人的废水 的处理。而且，这种反应器还有结构简单，安装快捷，控制容易，运行成本低等优点p 4 j 。不但在生 活污水中处理中得到广泛的应用，近年来已有滴滤池在 二业废水处理中的应用报道1 3 3 6 1 如图2 - 3 所示，传统的滴滤池一般有五个部分组成( 1 ) 介质滤料层( 2 ) 滴滤池支撑结构( 3 ) 布水系统( 4 ) 集水系统( 5 ) 通风系统。 已经过预处理的待处理污水经过滴滤池的布水系统均匀地布洒在滤池上部，污水在滤料表面一 般认为以具有弥散作用的活塞流方式流动。此时，溶解性有机物通过扩散进入到载体表面上的生物 膜内，且作为碳源的能源被异养菌所利用。胶体状和颗粒状有机物也能扩散到生物膜内，首先通过 吸附和截留被去除，然后这些物质在胞外酶的作用下水解成可溶性的有机物而被生物膜内的异养苗 所代谢。n h 4 + n 也会扩散到生物膜内，在那里部分n h 4 + n 用于异养菌进行微生物合成，剩余的 部分由生物滤池中下层的硝化细菌氧化成稍态氮。有机物的去除和硝化作刚会产生大精的微生物使 得生物膜厚度增加。当膜层增厚时，污水中底物在穿透到生物膜内部前已经被利用，膜层内部细菌 进入内源呼吸状态并丧失其粘附在载体表面的能力，在就流动冲刷过程中生物膜将脱落进