（环境工程专业论文）新型生物滤池滤料的开发及其应用.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 新型生物滤池滤料的开发及其应用 专业：环境工程 硕士生：孙莹 指导教师：彭党聪教授 俩要 生物过滤具有截留悬浮物和降解溶解态有机物的多重功效，是污水处理技术 的发展方向之一。然而由于对其核心滤料缺乏相应的开发研究，在一定程度 上限制了生物过滤技术在我国的发展应用。本课题在已有膨胀珍珠岩滤料实验室 规模研究开发的基础上，采用工业焙烧炉进行了小批量生产性试验，并将其应用 于污水深度处理和低浓度生活污水直接处理中，主要结论如下： ( 1 ) 原材料的粒径、预热温度、膨胀温度、焙烧时间( 由炉体的倾斜高度及 振动频率决定) 等是影响产品( 滤料) 性能的重要因素。开发的产品表面粗糙多 孔，是适合微生物附着生长的优良载体。 ( 2 ) 以生活污水二级处理出水为对象进行过滤试验，在进水平均浊度为 1 5 n t u ，平均滤速为1 6 1 m h 的运行条件下，滤池出水浊度始终保持在5 n t u 左 右。在通水倍数高达9 0 0 倍的整个过滤过程中，滤柱未出现堵塞现象。试验表明， 膨胀珍珠岩滤料具有良好的除浊能力。 ( 3 ) 在低温条件下直接过滤系统对低浓度生活污水有一定的处理效果。当水 力停留时间为1 h 时，t c o d 平均去除率为4 8 6 9 ，s c o d 平均去除率为3 3 。但 系统抗冲击负荷能力较差，且需要较长的时间才能达到稳定状态。 ( 4 ) 采用循环过滤系统由于增加了溶解氧的供应，系统的处理效果显著提高。 在回流比为5 时，系统的t c o d 平均去除率大于6 0 。试验表明在较低温度下 循环过滤系统对祥峪沟村低浓度生活污水的处理十分有效，并且系统很快就能达 到稳定运行。 关键词：膨胀珍珠岩滤料生物过滤 西安建筑科技大学硕士论文 d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f an e wp o r o u sm e d i a u s e di nb i o f i l t e r s p e c i a l t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g a u t h o r ： s u n y i n g a d v i s o r ：p r o f p e n gd a n g c o n g a b s t r a c t b i o l o g i c a lf i l t r a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hc o m b i n e sb o t hb i o l o g i c a lt r e a t m e n ta n d s o l i d sr e m o v a li no n er e a c t o rh a sb e e no n eo ft h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n so f w a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y h o w e v e r , i t sd e v e l o p m e n ti sl i m i t e di no u rc o u n t r y d u et ot h es h o r t a g eo f t h ef i l t e rm e d i ar e s e a r c h i nt h i ss t u d y , ap o r o u sf i l t e rm e d i ac a l l e de x p a n d e d - p e r l i t ew a sp r o d u c e d ，w h i c h w a sc h e a pa n dr i c hi nc h i n a t h e n ，t h ea p p l i c a t i o no ft h ee x p a n d e d p e d i t em e d i aw a s r e s e a r c h e d t h em a i nc o n c l u s i o n sw e r eg a i n e da sf o l l o w s ： ( 1 ) r o a s t i n gi st h em o s ti m p o r t a n ts t e pa n dt h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h eq u a l i t yo f t h e c a r r i e ra r er o a s t i n gt e m p e r a t u r ea n dd u r a t i o n l o w e rd e n s i t yc a r r i e rw i t 1c o a r s ea n d p o r o u ss u r f a c ec a nb ed e v e l o p e du n d e rt h ec o n d i t i o no f p r o p e rt e m p e r a t u r ea n d t i m e ( 2 ) ap e r l i t ef i l t e rw a su s e dt ot r e a tt h es e c o n d a r ye f f l u e n t t h et i l t e rp r o d u c e da 1 1 e f f l u e n tw i 血a l la v e r a g et u r b i d i t yo f5n t ua th i g hf i l t e rv e l o c i t yf 1 6 1 r r a h ) t h e r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tp e r l i t em e d i ah a v eag o o dt u r b i d i t yr e m o v a lc a p a c i t y ( 3 ) t h eb i o l o g i c a lf i l t e rw a sf o u n dt ob ef e a s i b l ef o rt h el o w e rc o n c e n t r a t i o n d o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n t i tc a nr e m o v et h es u s p e n d e ds o l i d sa tt h et i m eo f b i o d e g r a d i n go r g a n i cm a t t e r s t h ee x p e r i m e n t ss h o w e dt h a t t h er e c y c l i n gf i l t e r p e r f o r m e db e t t e ru n d e rs h o c kl o a d i n gc o n d i t i o n st h a nt h eu n r e c y c l i n gf i l t e r a n dt h e r e c y c l i n gf i l t e r , e v e nl o w e rs y s t e mo ft e m p e r a t u r ea t t a i n e ds t a b i l i t yv e r yq u i c k l y , a n d m a i n t a i n e dah i g h e rt c o d r e m o v a le f t i c i e n c i e so f7 0 k e y w o r d s ：e x p a n d e d - p e d i t e f i l t e rm e d i a b i o l o g i c a lf i l t r a t i o n j i 声明 y9 7 0 6 3 8 本人郑重声明我所呈交的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，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：孑l 】、盘日期：巾z 5 j 6 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 f 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：粕、望 导师签名京弓毫历；2 r 百期：曲彳r 形 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士论文 1 绪论 水是生命之源，人类的生存和发展都离不开水，水也是维持自然生态平衡的 主要物质基础之一。随着经济建设的快速发展与人口的急剧增加，人类对水资源 的需求也在不断增加，水资源危机日益加剧。与此同时，水资源的污染问题也越 来越严重，水资源短缺与污染之间形成种恶性循环，给社会经济的发展带来了 极大的危害，已对人类的生存构成威胁。 1 1 我国水资源与水污染控制现状 1 1 1 我国水资源及其污染现状 我国多年平均水资源总量约为2 8 1 2 4 1 0 ”m 3 ，占世界径流总量的6 ，其中 河川径流量为2 7 1 1 5 1 0 ”m 3 ，少于巴西、俄罗斯、加拿大、美国和印尼，居世界 第六位。新中国成立5 0 年来，我国用水量从1 9 4 9 年的1 0 0 0 多亿立方米增加到 1 9 9 7 年的5 5 6 6 亿立方米。人均综合用水量从不足2 0 0m 3 增加到约4 3 0m 3 。目前 6 0 0 多个中等以上城市中，不同程度缺水的就达4 0 0 多个，其中3 2 个百万以上 人1 2 1 的大城市中有3 0 个长期受缺水的困扰。我国水资源除了人均占有量较少之 外，时空分布也极不平衡。在空间分布上呈东南多，西北少的趋势；在时间分布 上，由于受到季候风的影响，降雨量与径流量年内变化大，年际变化不稳定，东 西南北方各异。 我国传统的社会经济发展模式以“高投入、高消耗、高污染”为特点，导致我 国环境质量整体恶化，其中水环境恶化更为严重。有限的水资源正遭受着来自绝 大多数未经处理的城市污水的污染。据统计，2 0 0 4 年全国污水排放总量为4 8 2 4 亿吨，比上年增加4 9 。其中工业废水排放量2 2 1 1 亿吨，占污水排放总量的 4 5 8 ，城镇生活污水排放量2 6 1 3 亿吨，占废水排放总量的5 4 2 。污水中化 学需氧量排放量1 3 3 9 2 万吨。其中工业废水中化学需氧量排放量5 0 9 7 万吨，城 镇生活污水中化学需氧量排放量8 2 9 5 万吨。从1 9 9 9 年起生活污水就已超过工 业污水成为影响水体的主要污染源。 由于大量污水未经处理就直接排入天然水体，造成了我国江河水域普遍受到 不同程度的污染，除部分内陆河流及大型水库外，污染呈加重趋势。2 0 0 0 年全 国七大重点流域污染程度从重到轻依次为辽河、海河、淮河、黄河、松花江、珠 江、长江。七大重点流域的干流中有5 7 7 的断面满足i i i 类水质要求，2 1 6 的 西安建筑科技大学硕士论文 断面为类水质，6 9 的断面属v 类水，1 3 8 的断而属劣v 类水质。另据水利 部门对全国1 0 万千米河流的调查，被污染河流己占半数。其中有4 万千米河流 不符合渔业水质标准，2 4 0 0 千米河流鱼虾绝迹。我国湖泊普遍受到氮、磷等营 养物的污染，富营养化问题已成为我国湖泊的主要环境和生态问题之一。我国四 大海区沿岸近海海域水质恶化日趋明显，其中渤海、东海污染较重，南海较轻。 重点河口、海湾、港口、大中城市附近海域污染较为严重。据估计，我国每年因 水污染所造成的经济损失达4 0 0 亿元。水环境的污染，已严重地影响了人民的身 体健康和生活水平的提高，限制了工农业及城市的可持续发展。 1 1 2 我国污水处理的发展和现状 水污染严重和水资源短缺已经成为严重制约我国社会经济持续发展、危害生 态环境、影响人民生活和身体健康的突出问题，迫切需要加以解决。近几年我国 污水处理厂建设不断加速，污水处理能力逐年提高，到2 0 0 4 年末，我国共有城市 污水处理厂6 3 7 座，形成污水处理能力4 2 5 5 万吨日，比2 0 0 0 年增加污水处理厂2 3 6 座，新增污水处理能力2 4 4 7 万吨日。然而由于资金相对短缺，污水处理设旋的 建设速度滞后于人口的增加和经济发展的增长速度，我国目前的城市污水处理率 仍较低。 早在2 0 0 0 年5 月国家建设部、国家环保总局、科技部发布的城市污水处理 及污染防治技术政策中己规定，至l j 2 0 1 0 年，全国设市城市和建制镇的污水平均 处理率不低于5 0 ，设市城市的污水处理率不低于6 0 ，重点城市污水处理率不 低于7 0 【2 j 。据报道，2 0 0 4 年我国城市污水处理率为4 5 6 ，其中城市生活污水 处理率仅为3 2 3 。截止至i j 2 0 0 5 年6 月底，全国6 6 1 座设市城市中还有2 9 7 座城市没 有建成污水处理厂；其中地级以上城市6 3 座；5 0 万人口以上的大城市8 座；位于 重点流域、区域“十五”规划范围内的城市5 4 座。可见我国目前的污水处理状况与 预定的要求还有一定的差距。因此，兴建污水处理厂，提高城市污水的处理率己 成为当务之急。 在我国水污染治理领域，现有建成运行的污水处理厂( 站) ，特别是城市污 水处理厂，基本上都是采用传统活性污泥法及其变形工艺如氧化沟工艺、s b r 工 艺、a b 工艺。但是这些工艺都存在着工程投资高、占地面积大、能耗大及运行 费用高、管理复杂等缺点。 此外，中低浓度和超低浓度的城市污水在我国很多城市中大量存在，用活性 污泥法二级污水处理厂来处理低浓度城市污水，不仅不能充分地发挥投资效益， 而且还会因为活性污泥系统中微生物所需营养不足，造成处理效果无法保证的问 题口j 。由于处理工艺不能按设计水质运行，使得污水处理厂运行和管理困难，而 西安建筑科技大学硕士论文 能耗和运行费用并未减少。实际上，我国约有1 3 的己建二级污水处理厂由于能 耗大、运行费高而不能正常运行，从而限制了污水处理率的提高。与此同时，我 国不少经济欠发达地区和中小城市由于资金短缺，无力修建污水处理厂，难以对 水环境污染进行控制。因此，研究适合我国国情的污水处理工艺，从而降低污水 处理的投资和运行费用、节省用地、管理方便、处理效果好，能达到城市一般回 用水质标准，将对我国国民经济、社会发展及环境保护具有十分重要的意义。 随着新型滤料的开发和配套技术的不断完善，与活性污泥法平行发展起来的 生物膜工艺，以其占地面积少、便于运行管理、抗冲击负荷、更为经济节能、无 污泥膨胀问题、具有一定的硝化与反硝化功能、可实现封闭运行防止臭味等诸多 的优点，越来越受到广大研究者和工程o n f 的关注。于是属于生物膜法的各种工 艺如生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法得到了较多的研究与工程应用。在这 其中又以生物过滤技术的发展应用最为突出。 1 2 生物过滤技术 1 2 1 生物过滤技术的发展沿革 从1 9 世纪8 0 年代初应用于污水处理实际工程的第一座生物滤池在w a l e s 投入 运行，并取得了良好的净化效果，到如今生物接触氧化池，曝气生物滤池的广泛 应用，生物过滤技术经历了漫长的发展过程( 图1 1 ) 。 生物滤池 l ! 生物接触氧化池】 l 曝气生物滤池 图1 1 生物过滤技术发展历程 最初的生物过滤工艺是生物滴滤池和塔式生物滤池，在2 0 世纪2 0 3 0 年代得 到大规模应用。其净化机理是利用附着在填料上的微生物对有机物的生物氧化、 吸附作用来净化污水。此时应用的填料主要是比表面积小孔隙率低的碎石，卵石， 炉渣和焦碳等实心拳状无机天然材料。但是由于普通生物滤池和塔式生物滤池在 西安建筑科技大学硕士论文 运行中生长在滤料表面的微生物膜增厚后不能很好地脱落更新，使得微生物膜表 面的活性变差，所以长时问运行后处理效率会有所下降。此外，由于滴滤池和塔 式生物滤池均采用自然通风供氧，供氧量和供氧效果不佳，且受限条件也多，所 以对处理效果产生较大影响。生物滤池较低的水力负荷和b o d 负荷，运行时较 差的环境卫生条件，加之活性污泥法因其经济性和运行的可靠性开始普及，使得 在4 0 5 0 年代生物滤池一度有被活性污泥法取代的趋势。 为了克服上述问题，人们一方面将注意力放在滤料的改进上，另一方面又不 断寻求更好的系统供氧模式。到了2 0 世纪6 0 年代，新型有机合成材料开始大量生 产，使得具有较大比表面积，较高孔隙率的人工合成填料如由聚乙烯，聚苯乙烯 和聚酰胺等制成的波纹板状，列管状和蜂窝状填料得到广泛使用，由此生物滤池 得到新的发展【4 】。7 0 年代时，生物接触氧化池得到较多的研究和应用。生物接触 氧化池，就是在池内充填一定密度的填料，污水浸没全部填料并与填料上的生物 膜广泛接触，在微生物新陈代谢功能的作用下，污水中的有机物得以去除，污水 得以净化。系统供氧方式可以是污水预先充氧曝气再流经填料，也可以是在池内 设有人工曝气装置。生物接触氧化池的主要特征是采用浸没在水中高孔隙率、大 比表面积的填料，在其表面为微生物附着生长的好氧生物膜。因其表面积大，可 附着的生物量大，同时因其孔隙率大，基质的进入和代谢产物的移出，以及生物 膜自身更新脱落均较为通畅，使得生物膜能保持高的活性和较高的生化反应速 率。但是由于生物接触氧化池孔隙率较高，填料的截污能力较差，致使出水中含 有大量的悬浮物，影响出水水质。因此一般的生物接触氧化池之后都要设置沉淀 池以截留出水中的悬浮物。 在2 0 世纪8 0 年代末至9 0 年代初，法 d e g r e m o n t 公司结合其v 形滤池的专利 技术，成功开发了具有人工强制供氧，并具有过滤功能的曝气生物滤池技术。自 8 0 年代在欧洲建成第一座曝气生物滤池污水处理厂后，曝气生物滤池已在欧美和 日本等发达国家广为流行，目前世界上已有数千座大大小小的污水处理厂采用了 这种技术。 曝气生物滤池就是在生物反应器内装填高比表面积的颗粒填料，以提供微生 物膜生长的载体。污水由上向下或由下向上流过滤料层，在滤料层下部鼓风曝气， 污水中的有机物在填料表面生物膜的生化作用下得到降解，填料同时起到物理过 滤作用。其最大特点是集生物氧化和截留悬浮固体于一体，节省了后续二次沉淀 池，在保证处理效果的前提下使处理工艺简化。 综上所述可以看出，现今的生物过滤技术是在普通生物滤池的基础上，充分 借鉴了给水快滤池工艺技术开发而来，不仅具有对有机物较高的处理效率，还对 悬浮颗粒物具有同步去除的功能。 西安建筑科技大学硕士论文 1 2 2 生物过滤技术的理论基础 由于生物过滤技术充分借鉴了生物滤池和给水快滤池的特点，因此其净化污 水的原理既包括生物膜相关理论又包括过滤的有关机理。 1 2 2 1 生物膜的基本原理【5 j ( 1 ) 生物膜的形成及特点 在生物膜反应器中，填充着数量相当多的挂膜介质，当有机废水均匀地淋洒 在介质表面上时，便沿介质表面向下渗流，在充分供氧的条件下，接种的或原存 在于废水中的微生物就在介质表面增殖。这些微生物吸附废水中的有机物，迅速 进行降解有机物的生命活动，逐渐在介质表面形成粘液状的生长有极多微生物的 膜，即称之为生物膜。 随着微生物的不断繁殖增长，以及废水中悬浮物和微生物的不断沉积，使生 物膜的厚度不断增加，其结果是使生物膜的结构发生变化。膜的表面和废水接触， 由于吸取营养和溶解氧比较容易，微生物生长繁殖迅速，形成了由好氧微生物和 兼性微生物组成的好氧层( 1 2 m m ) 。在其内部和介质接触的部分，由于营养料和 溶解氧的供应条件差，微生物生长繁殖受到限制，好氧微生物难以生活，兼性微 生物转化为厌氧代谢方式，某些厌氧微生物恢复了活性，从而形成了由厌氧微生 物和兼性微生物组成的厌氧层。厌氧层是在生物膜达到一定厚度时才出现的，随 着生物膜的增厚和外伸，厌氧层也随着变厚。 在负荷低的生物膜反应器内，由于有机物氧化分解比较完全，生物膜增长较 慢，好氧层和厌氧层的界限并不明显。但在高负荷的生物膜反应器内，生物膜增 长迅速，好氧层和厌氧层的分界比较明显。 在处理过程中，生物膜总是在不断地增长、更新、脱落。造成生物膜不断脱 落的原因有：水力冲刷、由于膜增厚造成重量的增大、原生动物的松动、厌氧层 和介质的粘结力较弱等。其中以水力冲刷最为重要。从处理要求看，生物膜的更 新脱落是完全必要的。生物膜是由细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物以及 一些肉眼可见的蠕虫、昆虫的幼虫组成。生物膜是生物处理的基础，必须保持足 够的数量。一般认为，生物膜厚度介于1 - 2 m m 时较为理想。生物膜太厚，会影 响通风，甚至造成堵塞。厌氧层一旦产生，会使处理水质下降，而且厌氧代谢产 物会恶化环境卫生。 ( 2 ) 生物膜中的物质迁移 西安建筑科技大学硕士论文 厌氧层好氧层 b o d 0 2 生物膜 附着 水层 图1 2 生物膜结构示意图 从图1 2 可以看出，由于生物膜的吸附作用，在其表面有一层很薄的水层， 称之为附着水层。附着水层内的有机物大多已被氧化，其浓度比滤池进水的有机 物浓度低得多。因此，进入池内的废水沿膜面流动时，由于浓度差的作用，有机 物会从废水中转移到附着水层中去，进而被生物膜所吸附。同时，空气中的氧溶 于废水中，继而进入生物膜。在此条件下，微生物对有机物进行氧化分解和同化 合成，产生的二氧化碳和其它代谢产物一部分溶入附着水层，一部分析出到空气 中去，如此循环往复，使废水中的有机物不断减少，从而得到净化。 在向生物膜细菌供氧的过程中，由于存在着气一液膜阻抗，因而速度甚慢。 所以，随着生物膜的厚度的增大，废水中的氧迅速地被表层的生物膜所耗尽，致 使其深层因氧不足而发生厌氧分解，积蓄了硫化氢、氨气、有机酸等代谢产物。 但供氧充足时，厌氧层的厚度是有限度的，此时产生的有机酸类能被厌氧菌及时 地被氧化成c 0 2 和h 2 0 ，而n h 3 和h 2 s 被自养菌氧化成n 0 2 ，n 0 3 - 和s 0 4 。等， 仍然维持着生物膜的活性。若供氧不足，从总体上讲，厌氧菌将起主导作用，不 仅丧失好氧生物分解的功能，而且将使生物膜发生非正常的脱落。 ( 3 ) 生物膜净化污水的原理 生物膜呈蓬松的絮状结构，微孔多，表面积大，具有很强的吸附能力。生物 膜微生物以吸附和沉积于膜上的有机物为营养料。增殖的生物膜脱落后进入废 水，在二次沉淀池中被截留下来，成为污泥。如果有机物负荷比较高，生物膜对 吸附的有机物来不及氧化分解时，能形成不稳定的污泥，这类污泥需要进行再处 理，其处理水的硝酸盐洲0 3 ) 形态的氮含量可在2 m g l 左右，b o d 5 去除率为 6 0 ，9 0 。若负荷低，废水经过处理后，b o d 5 可以降到2 5 m g l 以下，硝酸盐( n 0 3 - ) 1卅爿纠爿1叫爿 滤料 西安建筑科技大学硕士论文 形态的氮含量在1o m g l 以上。 ( 4 ) 生物膜的生态优势1 6 j 生物膜的生态优势主要表现在以下几个方面： 由于胞外聚合物具有很强的吸附能力，可以从流动的水中不断摄取营养 物质，同时胞外聚合物也为胞外酶提供了吸附表面，酶和“食物”在固体界面上由 于吸附而浓缩，从而提高酶促反应的速度，使得在污水有机物不断去除的同时， 微生物得以生长繁殖。 可以抵抗短时间的毒物及p h 冲击，对脱水也有一定抗性。在一些生物 膜法工艺中，由于胞外聚合物对水有高的亲合力，一定时间内停进污水，不会使 生物膜干化而遭到破坏。生长于生物膜基质中的微生物比分散状态生活时对有毒 物质的抗性增强，其机理并不是基质阻碍了有害物质向生物膜内扩散，尽管生物 膜内有降解有毒物质的酶存在，并确实具有阻碍作用。研究认为，真正的原因是 包埋于生物膜中的细胞的生理特性有所变化，生理特性不同，对很多有害物质的 敏感性也不同，同一种微生物，生活在生物膜中比悬浮状态忍受有毒物质的浓度 可高出5 0 5 0 0 倍1 7 】。例如用生物膜反应器处理有毒的酚类废水比活性污泥法更 有效【8 j 。而生物膜对有害物质的抗性对环境保护尤其重要。 生物膜重要的特点之一是形成微生物群体 9 1 。因为微生物在胶体基质的 某一位置停留时间较长，可形成较稳定的生态，这种营养关系使食物链延长，生 物相更加多样化，种类多样的微生物聚集在一起就形成微生物群体。微生物群体 中的生物相和环境相对应，所处的空间位置以及和污染物接触的先后顺序决定了 生物膜的微生物组成，从而形成不同的生态区。例如，在好氧环境中，氧通过扩 散作用供给微生物，当生物膜厚度达到5 0 1 5 0 “r n 时，生物膜基质就会对氧的扩 散有阻碍，生物膜开始分层，表面为好氧层，内层为厌氧环境。 在处理污染物时，利用的就是微生物群体而不是个别菌种。在微生物群体中， 各种微生物之间关系十分复杂，存在着共生、互生、寄生和拮抗的关系，然而作 为群体却有自己的规律。有机物去除动力学正是基于这种规律，如一些难以降解 的物质如纤维素、几丁质等可以被微生物群体以一定的顺序彻底分解利用。 1 2 2 2 过滤过程中颗粒物去除的相关机理 现代过滤理论研究认为，在过滤过程中悬浮颗粒的去除，主要是由颗粒与滤 料之间以及颗粒与颗粒之间的吸附( 粘附) 作用而被去除的。这就涉及到两个方面 的问题：一是被水流挟带颗粒如何与滤料表面接近，这就涉及颗粒脱离水流流线， 向滤料表面靠近的颗粒迁移机理。第二是当悬浮颗粒与滤料表面接触时，依靠哪 些力的作用使得它们粘附在滤料表面上，这就涉及到颗粒的粘附机理 1 0 【1 1 】。 ( 1 ) 颗粒的迁移机理 在过滤过程中，滤层空隙中的水流一般属层流状态。滤层中被水挟带的悬浮 西安建筑科技大学硕士论文 颗粒将沿着水流流线运动。它之所以脱离流线而向滤料表面迁移，一般认为是由 拦截、沉淀、惯性、扩散和水动力学等作用引起的。图1 - 3 为上述几种迁移机理 的示意图。 l 二搽爨、乡 t 社橇作弼 厂骱 b 玩靛埤甩 带m 口幔挂锋罔 节 9 柬琦力学谗慝 d 扩数作碍 图1 3 悬浮颗粒去除机理示意图 a 拦截作用 如图1 3 ( a ) 所示，颗粒尺寸较大时，处于流线中的颗粒由于尺寸大小大于滤 料间的空隙尺寸，颗粒直接碰到滤料表面而被拦截。1 9 7 0 年，t e h o b a n o g l o u s 和 e l i a s s e n 的研究表明，拦截作用是污水深度过滤中对水中s s 的去除的最主要作 用。 b 沉淀作用 1 9 0 4 年h a z e n 提出在滤层的空隙中，颗粒物主要受重力作用。如图1 3 ( m 所 示，滤料的作用类似一个无数底盘或假底盘的沉淀池，在滤层中的每一个空隙空 间均起着一个微型沉淀池的作用，滤料则提供了巨大的沉淀面积，同时，优势的 水力条件为颗粒的沉降创造了有利条件。 对于上向流过滤，颗粒受重力沉降的方向与进水水流方向相反，并且二级出 水中的污泥絮体比重较小，使得颗粒的沉淀作用大大减弱，这与传统的下向流过 滤大为不同，对于颗粒的去除十分不利。但目前的研究表明，尚不能排除一部分 比重较大、体积较小的颗粒在穿过滤层的同时，由于受到了复杂的水力条件的影 西安建筑科技大学硕士论文 响，内部流态的变化而使惯性作用减弱，从而重力沉降占据优势而在滤料表面沉 积下来。 c 惯性作用 如图1 - 3 ( c ) 所示，水中悬浮颗粒如果比重大于水，由于它的惯性作用，在流 体以曲线绕过滤料时，颗粒开始对流体产生相对运动，穿过流线而到达滤料表面。 一般认为，在水的过滤过程中，由于密度差较小，而且水的粘性较大，因而惯性 作用较弱，去除率不明显。 d 扩散作用 图1 3 ( d ) 表示了颗粒在水中由于受到扩散作用而被输送至滤料表面的情况。 细微的悬浮颗粒物由于受到周围水分子热运动的影响而表现为随机运动，从而使 有的颗粒扩散至滤料表面。扩散作用主要取决于水的温度和颗粒尺寸大小。一般 认为扩散只对粒径小于1 岬的微粒才有意义。 e 水动力作用 如图1 3 ( e ) 所示，在低雷诺数的水力作用下，水流在滤料空隙内的流动是层 流，具有速度梯度，存在剪力场。悬浮颗粒在剪力场中发生旋转，从而受到种 侧向力而横跨流线运动至滤料表面。 图1 _ 3 详细解释了几种去除作用的发生机理。而在实际状况中，水中的不同 悬浮颗粒的去除机理则是由流层内的流态、滤料的粒径、颗粒的大小与性质等多 种因素综合作用的结果，只是在不同的时刻、不同的颗粒可能某些机理占有优势 而起主导作用。 ( 2 ) 颗粒的粘附机理 过滤去除的主要对象是水中的各类颗粒物。给水过滤中这些颗粒物质主要由 各类无机颗粒组成，而在污水处理过程中，这些颗粒物质主要由各类无机小颗粒 物和曝气池中的活性污泥絮体碎片组成。这些絮体主要由有机物构成，基本的物 理或化学性质与给水过滤去除的无机颗粒有着较大的不同，因而在颗粒的粘附机 理也就与给水无机颗粒的粘附有所不同。 粘附作用是一种物理化学作用，它主要取决于滤料和水中颗粒物的表面物理 化学性质。一旦颗粒与滤料或颗粒之间发生接触或凝聚在一起，各种物理或化学 吸附作用就会发生，从而使其聚集附着在一起。在传统给水过滤理论中，认为悬 浮颗粒的粘附机理主要包括物理吸附与化学吸附两种。物理吸附包括静电引力、 范德华力及各类电动效应，化学吸附包括分子键力和化学分子反应。这些吸附反 应在污水深度过滤的过程中也是普遍存在的。当水中的悬浮颗粒运动至滤料表面 附近时，也将受到各种吸附作用力。在这些力的共同作用下，悬浮颗粒将被粘附 在滤料表面或者粘附在已被吸附在滤料表面的颗粒上，从而将悬浮颗粒去除。只 西安建筑科技大学硕士论文 是在污水深度处理过滤的过程中，由于进水的水质与传统给水原水水质的不同而 使粘附效果产生了较大的不同。 此外，在污水深度处理中，污水二级出水中广泛存在着的污泥絮体对在过滤 过程中颗粒物的去除相当有利。因为这些絮体颗粒物内部存在着大量的微生物， 这部分微生物中仍有相当一部分具有活性，这使得絮体内部发生着各种复杂的生 化反应。这些生化反应的发生产生了各种物质的变化与传递现象，使得滤层内的 空隙体积不断发生着变化。同时，由于絮体颗粒结构较松散，絮体个体又具有较 大的比表面积，使它们不但具有化学吸附力，同时也具有吸附架桥作用，对颗粒 的捕捉能力较强，使颗粒的迁移过程得到大大的加强。 1 2 3 生物过滤技术的核心滤料的研究发展现状 生物过滤技术充分借鉴了接触氧化法污水处理技术和给水快滤池的特点，集 生物降解与悬浮物截留的特点于一体。一方面，滤料作为微生物的载体，影响着 生物膜的生长、繁殖、脱落和形态及空间结构；另一方面，滤料作为去除悬浮物 的介质，其过滤性能又影响到生物过滤对悬浮物的去除效果。此外，由于生物滤 料在生物滤池的建设投资中占有相当大的比重，所以滤料的价格又关系到生物滤 池技术的经济合理性。因此滤料在生物过滤技术中处于核心地位。 1 2 3 1 滤料的种类 生物滤料根据其采用原料的不同，可分为无机滤料、有机高分子料：根据滤 料密度的不同，可分为上浮式滤料和沉没式滤料。无机滤料一般为沉没式滤料， 有机高分子滤料一般为上浮式滤料【l ” 1 3 1 。 ( 1 ) 无机类滤料 无机类滤料主要由无机材料组成，它们在生物滤池的发展过程中的各个阶段 均起到了不可估量的作用。在生物滤池的最初阶段，人们用得最多的生物滤料是 砂石。在近年的曝气生物滤池发展过程中，无机类滤料逐渐从砂石发展到活性火 山岩、沸石类、矿渣以及陶瓷材料等，如b i o c a r b o n e 2 2 艺中采用的滤料主要 为砂石，b i o f o r 工艺中采用的滤料主要为活性火山岩，而目前国内在曝气生物 滤池中使用最广泛的滤料是性能与活性火山岩类似的轻质生物陶粒。 k e n t 1 4 1 等人对可能应用于曝气生物滤池的七种无机滤料进行了系统的试验 研究，试验结果见表1 1 。通过对滤料生物附着能力、反冲洗时滤料的流态、磨 损程度、脆度等方面的分析，认为最适合作曝气生物滤池的滤料是a r l i t a ( 膨胀 球形粘土) 。 我国对曝气生物滤池填料的研究以陶粒为最多，这是因为陶粒作为填料的一 种，不仅材料低廉易得，而且显示出的优良特性，特别适合我国的国情。早期的 西安建筑科技大学硕士论文 陶粒大多采用页岩直接烧制、破碎、筛分而成，为不规则状( 片状居多) 。但在实 际运行中，由于页岩陶粒跑料较严重，同时由于形状不规则，运行一段时间后料 顶面高低不平，使气或水在运行时通过不同部位时的阻力不均匀，大大减小了滤 料的使用率。同时在反冲洗时由于滤料层内阻力不均匀，导致冲洗不干净。最近 出现的球形轻质陶粒，采用粘土( 主要成分为偏铝硅酸盐) 为原材料，加入适当化 工原料作为膨胀剂，经高温烧制而成【l 副“。 表1 1七种可能应用于曝气生物滤池滤料的特性 滤料种类 s t a r l i g h t m o l o c h i t e e f g e y t a g o l d e sn e w e sa r t i t a 尺寸( m m ) 2 6 3 4 1 8 52 5 - - 4 72 6 4 3 2 1 - 3 92 6 5 4 1 3 5 “2 密度 1 3 4 0 2 6 0 01 7 2 01 9 4 01 9 0 01 6 8 01 5 5 0 ( k g m 3 ) 内部孔隙率 ( m 3 m 3 ) o 0 6o o l0 1 5o 0 600 80 1 8o 0 5 比表面积 ( m 2 c m 3 ) 2 1 60 91 1 83 8 9o 8 30 4 73 9 8 试验流化速度 2 8 1 4 08 89 26 0 8 06 4 - 9 67 2 8 0 ( r n h ) ( 8 。c ) 理论流化速度 4 21 6 09 71 1 09 38 41 0 4 ( m h ) ( 8 ) 外部孔隙率 o 3 90 40 4o 3 50 3 40 3 6o 3 脆度( 蛳 4 53 51 46 56 52 25 5 磨损率( ) 4 5 21 165 52 - 3281 5 酸可溶率( ) 0 1 50o1o 7 50 3 50 81 4 沉淀速度 6 1 - 8 91 0 0 2 9 78 8 - 1 7 19 5 2 3 98 0 - 1 7 28 7 1 4 11 3 2 2 2 5 ( m m s ) ( 2 2 )( 2 0 。c )( 2 0 c ) f 1 9 ) ( 1 9 、( 2 4 )( 1 9 。c ) ( 2 ) 有机类滤料 在生物滤池中通常采用的有机滤料主要是由采用玻璃钢、聚氯乙烯、聚丙烯、 维尼纶等制造的蜂窝管状、束状、波纹状、圆形辐射状、盾状、网状、筒状、规 则粒状与不规则粒状滤料等。而在曝气生物滤池中使用最多的有机类滤料是密度 小于水的粒状或短管状聚合物滤料，选用的工艺主要是滤料层为悬浮状的 b r o s t y r 和郑俊等开发的悬浮滤料接触氧化生物滤池专利技术。随着聚合物加 工技术的不断进步，具有不同功能的聚合物滤料不断出现，这些滤料在强度、密 西安建筑科技大学硕士论文 度等方面具有较为明显的特点。 1 2 3 2 滤料的选择原则m j 对于应用于生物过滤工艺中的滤料应具备以下四个方面的基本要求，即生物 滤料的物理特性、物理化学特性、水力学特性及其经济性。 ( 1 ) 生物滤料的物理特性 外观形状生物滤料表面必须粗糙，以利于挂膜。因为表面粗糙度一方 面是能否很快形成初期生物膜的主要原因，另一方面在反冲洗时又可减少生物膜 的脱落程度。表面粗糙度大，初期挂膜快；表面粗糙度小，初期挂膜慢，同时反 冲洗时微生物膜容易脱落。此外滤料表面必须多孔。滤料表面丰富的孔洞为菌胶 团提供最佳的生长条件。 机械强度在生物滤池的运行过程中，存在着不同强度的水力剪切作用 以及滤料之间的滚动摩擦过程，所以生物滤料必须具有可以满足在不同强度的水 力剪切作用以及滤料之间摩擦碰撞过程中破损率低的机械强度要求。如果生物滤 料本身不具有一定的机械强度，那么在运行过程中势必引起不同程度的破损而丧 失其功能，使滤池内的生物量呈现不规律变化，其直接后果会导致出水水质扰动， 布水布气短路。 密度滤料密度过大，造成在反冲洗时滤料悬浮困难或使反冲洗时能耗 增加；密度过小，又不易于滤料在反应器中的运行工况，且易引起跑料，因此滤 料密度需在一定范围之内。 ( 2 ) 生物滤料的物理化学特性 生物稳定性生物膜在新陈代谢过程中会产生各种各样的代谢产物，这 些产物有些会对滤料产生腐蚀作用，所以滤料必须具有较好的生物化学稳定性。 滤料必须具备抗腐蚀性强；具有惰性，不参与生物膜的生物化学反应；本身是不 可生物降解的。 化学稳定性微生物生存的介质是由各种化学成分组成的，所以滤料置 于这样的介质中时，必须对环境所发生的化学反应表现为最大的惰性，并具有抗 环境的化学腐蚀能力。 表面电性和亲水性根据物理化学中体系自由能最小原则，亲水性微生 物易于在亲水性滤料表面附着、固定，而疏水性滤料有利于疏水性微生物在其表 面固定。微生物一般带有负电荷，而且亲水，因此滤料表面应带有正电荷将有利 于微生物固着生长，载体表面的亲水性同样有利于微生物的附着，使附着的生物 膜数量尽可能地多。 对生物膜活性的影响作为生物膜载体，其本身必须对所固定的微生物 无害、无抑制性作用，不能影响微生物的活性。 ( 3 ) 水力学特性 西安建筑科技大学硕士论文 空隙率空隙率影响污水在生物滤池中的实际停留时间和生物膜量。空 隙率越高，生物滤池阻力越小，同时需用滤料也少，降低造价。但空隙率高时滤 料的比表面积较小，粒径较大，影响单位体积滤料的生物膜量。 比表面积滤料一般应选用比表面积大、开孔孔隙率高的多孔惰性载体， 这种载体有利于微生物的接触挂膜和生长，保持较多的微生物量；有利于微生物 代谢过程中所需氧气和营养物质以及代谢产生的废物的传质过程。 在曝气生物滤池运行过程中，影响处理效能的主要因素是载体滤料的比表面 积。若载体滤料比表面积大，则不仅对溶解性底物，而且对悬浮物质的去除效果 较好；但是，若载体滤料比表面积大，带来的问题是流经滤料层时的水流阻力增 大，能耗随之增加，易堵塞滤料层。为了防止堵塞，就需提高反冲洗强度，这样 便使滤料上的微生物膜受到冲刷，特别是原生动物、后生动物，使微生物的食物 链变短，产生的剩余污泥量就大，所以在工程中要选择适宜比表面积的生物滤料。 滤料形状与水的流态滤料的形状尺寸除了同空隙率和比表面积密切相 关以外，也是影响滤料之间水的流态的重要因素，一般用雷诺数r e 表示： r e ：d 旦：一p o d h 式中：0 为水的流速，c m s ；d 为水力半径，c m ；v 为水的动力黏滞性系数，c m 2 s ； p 为水的密度，c m 3 ；斗为水的黏度，g ( c m s ) 。 r e 小于2 0 0 0 为层流，大于2 0 0 0 为紊流。滤料间紊流越大，则污水与微生物 膜接触效率越高，生物膜更新则越快，生物膜的活性也越好，增大了系统去除有 机污染物的能力。但为了提高r e ，就必须增大水的流速，从而增大能量消耗。 水力半径d 相当于滤料空隙率与比表面积之比。若比表面积小，则r e 增大，单位 生物膜表面积的净化效率就高。若从这一点考虑，选用比表面积小的滤料是有利 的。影响滤料层中的水流阻力的因素主要是滤料的空隙率、比表面积和形状尺寸。 若空隙率大、比表面积大、形状尺寸均一，则水流阻力小；反之亦然。从节省能 耗来看，滤料问的水流阻力越小越好；而从布水均匀性来看，阻力越大，滤料内 流速分布比较均匀。 ( 4 ) 滤料的经济性 由于生物滤料在整个曝气生物滤池的造价中占有较大的比例，所以在选用生 物滤料时，除了要重视其物理特性、物理化学特性、水力学特性外，其价格因素 也是必须考虑的。影响滤料成本的主要因素是材质、滤料形状和加工工艺过程。 对于整块烧结后再粉碎、筛选的不规则滤料，如页岩陶粒等，其价格比较低廉： 而对于先成型后烧结的规则滤料，如球形生物陶粒等，则价格相对较高。所以在 工程设计中选择滤料时，必须在滤料的性能及价格间做出优化的选择，设计时做 西安建筑科技大学硕士论文 到在满足设计要求和不影响出水水质的前提下，选用价格相对低廉的滤料。 1 2 3 3 滤料的制造方法 ( 1 ) 无机生物填料的制造方法 早期的废水处理中所用的无机填料一般是从自然界直接取得的，而且由于当 时的加工制造水平低下，往往对它们不进行再加工就直接拿来用在生物滤池中。 由于碎石、卵石、木板等堆积在反应池内的空隙大小不均匀，在处理过程中容易 被脱落的生物膜堵塞，因此当时用这种填料处理废水的效果并不太好。后来在废 水处理工艺中所用的一些无机生物填料，如活性炭、焦炭、陶粒等，它们是自然 界的某些无机物锻烧而成的产物。 在污水处理反应池内用的比较多的是活性炭，它既能用做生物滤池的滤料也 可以用作流化床内载体填料。活性炭是用含碳为主的物质，如煤、木屑、果壳等 作原料，经高温炭化和活化制得的疏水性吸附剂。活性炭在制造过程中，挥发性 有机物去除后，晶格问形成的空隙形成许多形状和大小不同的细孔。这些细孔壁 的总表面积( 即比表面积) 一般达5 0 0 m 2 g - - 1 7 0 0 m 2 g ，这就是活性炭吸附能力 强、吸附容量大的主要原因。 废水处理中较多用的另一种无机生物填料是陶粒。生物陶粒的基础原料是粘 土，由于天然的粘土性能并不能满足烧制陶粒所需的原料成分，因此有许多学者 采用改进原料配方的方法来调节原料中的成分，使烧成的陶粒满足水处理工艺的 要求。成一知l l8 】等人采用山东济南地区的黏质粘土为骨料，再加入粉煤灰作为掺 合料，还加入煤粉作为发泡剂和微生物生长促进剂。整个加工工艺程序如图1 4 。 图1 4 生物陶粒生