（环境工程专业论文）曝气生物滤池深度净化有机废水技术的研究.pdf

东华大学硕士学位论文曝气生物滤池深度净化有机废水技术的研究 摘要 f 水资源的污染和短缺使得废水的深度处理及回用已是一个必然的趋势。曝 气生物滤池工艺作为生物接触氧化工艺与给水过滤有机结合的一项新技术，特 别是近十几年来该技术的快速发展，将成为今后人们控制水污染和解决污水回 用问题的重要手段之一。y 本文采用升流式曝气生物滤池( u b a f ) 工艺，以陶粒作为载体，进行有 机废水深度处理的小试，并结合有关文献资料，取得结果如下： l 、无论空塔或填料塔，随着进气量的增大，氧的转移速率都有显著的提高： 而且在同样充气量条件下，由于填料的切割、阻力以及内部众多孔隙使得填料 塔的氧传递速率是空塔的3 倍左右。 2 、u b a f 接种挂膜过程表明：h r t 为l 2 h 、气水比不低于3 、水温保持 在2 0 c 以上，经过2 周生物膜即可成熟，n h 4 + - n 和c o d 。去除率分别达到8 0 和2 5 左右。 3 、研究表明：气水比、水力负荷、h r t 、温度、p h 等是影响污染物去除 效率的重要因素弋当气水比为3 、水力负荷在0 5 2 矗，( m 2 h ) 左右、h r t 为l h 、 温度在2 2 。c 2 8 、p h 控制在7 8 6 之间，u b a f 对污染物的去除效率达到 最佳。n h 4 + 一n 、c o d e , 、s s 的去除率分别达到9 0 、5 0 和8 0 p a 上，“出水 值分别低于1 2 m g l 、5 0m g l 和1 0m g l ，满足生活杂用水回用水质标准。厂 4 、u b a f 对各污染物的去除沿滤层高度呈现出不同的特点：有机物c o d 。 的去除，主要发生在滤层的前半部分( 即距进水端5 0 e r a 段) ：和c o d 。沿程去 除情况稍有不同，n h 4 一n 的主要去除率在2 5 c m 7 5 c m 段。 5 、水力负荷在o 5 2 m 3 ( m 2 h ) 内变倦，u b a f 对各污染物沿程去除率的分布 有影响，但对污染物总的去除率影响不大 慨明反应器具有良好的耐水力负荷 冲击能力。y j 6 、有机物浓度变化对污染物去除的影响。 ，、上在进水水力负荷一定的条件下，反应器出水c o d 。浓度随着反应器进水 c o d 。浓度增大而增大，但两者并非呈直线关系，而是呈半u 形曲线关系。 反应器对c o d 。的去除效率，随底物浓度的增加先增高后降低，而且高 有机物浓度对氨氮的去除有明显的抑制作用。研究表明：当控制进水c o d o 浓 东华大学硕士学位论文曝气生物滤池深度净化有机废水技术的研究 度 2 5 c 以后，曲线的变化较为平缓，说明此时温度 对氨氮去除量影响不是很大，且在温度 2 5 c 时，氨氮去除量始终保持在一个较 好的去除水平上。而水温在5 1 0 ( 2 这样的低温条件下，由于硝化细菌的繁殖速 率较低，氨氮硝化率大约为2 0 3 0 时的一半。 尽管温度越高，n h 4 + 一n 去除效果越好，但在低温下，反应器对n h 4 + 一 n 仍有较好的去除效率，其原因在于。“”1 ： a ) 化能自养硝化菌中，亚硝酸杆菌( n i t r o s o m o n a s ) 和亚硝酸球菌( n i t r o s o c o l = u s ) 均适 合在2 , 4 0 0 范围内生长，硝酸杆菌( n i t r o t m a n ) 也适合在5 , - - 4 0 c 范围内生长，因此 对温度有一定的适应性。 b ) c a 莫诺德公式“：岂一堂一可见，在温度下降时，尽管硝化细菌对氨氮的最大 k s + s 基质降解速率随温度下降而减小，即公式中。减小，但其饱和系数足。也随温 度下降而下降。因此，硝化细菌对n h 4 + 一n 的亲合能力得到加强，硝化细菌对 基质利用速率能保持一定水平。同时硝化细菌自身氧化分解速率随温度降低而变 小，表明能在较低水温条件下利用较小的能量进行生长和繁殖。 4 2 3 2 温度对c o d 。去除的影响 图4 1 2 和图4 1 3 是曝气生物滤池对c o d c ，去除效果受温度影响的情况。 东华大学硕士学位论文曝气生物滤池深度净化有机废水技术的研究 图4 1 2 温度对c o d c r 去除的影响 1 0 0 垂 嚣 营：4 。0 o 图4 1 3 温度对c o d c ，平均去除效果的影响 述 錾 粕 岔 u 由图4 - 1 2 和图4 1 3 可见： 当水温在5 1 0 c z 间时，进水c o d c ，浓度为9 0 8 1 0 1 m g l ，出水c o d e - , 浓 度为5 9 8 - , 7 0 6 m g l ，去除率为2 6 6 - - , 3 5 2 ，平均为3 1 2 ；当水温上升到1 0 - - - 2 0 c z n 时，进水c o d c r 浓度为9 2 4 1 0 1 m g l ，出水c o d c r 浓度为4 5 8 , - - 6 8 9 m g l ， 去除率为3 1 8 5 0 6 ，平均为4 1 4 ；当水温增至2 0 - - 3 0 ( 2 之间时，进水c o d c r 浓度为8 8 5 1 0 0 m g l ，出水c o d c ，浓度为4 0 9 , - - 5 0 4 m g l ，去除率为4 7 5 5 7 1 ， 平均为5 2 6 。 可见水温对c o d c ，的去除效率也有较大的影响，其去除效率随着水温的升 高而增大。当水温在1 0 一3 0 c 之间升高时，异养菌的新陈代谢速率也不断提高， c o d c ，去除总量几乎也是随温度的升高而直线上升，说明在此温度段水温对 c o d c r 去除量也有较大的影响。而水温在5 1 0 ( 2 条件下，由于异养菌的繁殖速率 较低，c o d c ，去除率要比1 0 3 0 c 条件低1 0 2 0 左右。 一1，誉yu8u 东华大学硕士学位论文 曝气生物滤池深度净化有机废水技术的研究 4 2 3 3 小结 综上可知，水温也是反应器重要的控制参数。试验表明： 1 ) 在水温 2 5 c 时，反应器对c o d c ，和n h 4 + 一n 的去除率分别稳定在5 2 和 9 0 以i z ，出水c o d c ，和n f h + 一n 的值分别低于4 6 m g l 和1 2 m g l ，均达到生 活杂用水回用标准。 2 ) 当水温 2 5 c 时，反应器对c o d c r 和n h 4 + - n 的去除率分别稳定在5 2 和 9 0 以i - _ ，出水c o d c ，和n h 4 + 一n 的值分别低于4 6 m g l 和1 2 m g l ，均达到杂 用水回用标准。 当水温 1 0 c 时，反应器对c o d c r 和n i - h + 一n 的去除率仅为3 1 2 和4 8 7 ， 出水c o d c r 和n h 4 + 一n 的值分别达到6 6 m g , l 和6 3 m g l 。 可见，水温高时，反应器对污染物的去除效率高、反之，则去除效率低。当 水温较低时，可以通过降低水力负荷，延长反应器水力停留时间来加以解决。 4 ) p h 控制在7 0 - - 8 6 之间，曝气生物滤池对水中n - h + 一n 、c o d a 的去除 率最高。如n i - h + 一n 去除率在8 2 9 - - 9 3 1 之间、c o d c r 去除率在4 8 3 5 4 1 之间。 总之，当气水比为3 、水力负荷在0 5 2m 3 ( m 2 h ) 左右、h r t 为l h 、温度在 2 2 c 2 8 ( 2 、p h 控制在7 o 8 6 之间，曝气生物滤池对污染物的去除效率达到最 佳。n h 4 + 一n 、c o d c 。s s 的去除率分别达到9 0 、5 0 和8 0 以上，出水值分 别低于1 2 m g l 、5 0m g l 和1 0m g l ，满足生活杂用水回用水质标准。 东华大学硕士学位论文曝气生物滤池深度净化有机废水技术的研究 第五章曝气生物滤池的工作性能与滤层高度的关系 曝气生物滤池填料层上微生物的种类和数量沿着滤层深处由于水质的不同 而发生变化，从而影响着反应器填料层不同高度处的工作性能。通过研究曝气 生物滤池中污染物的沿程去除情况，这对于确定适宜的滤池填料高度，降低工 艺成本具有重要意义。 5 1 污染物沿滤床深度去除效果 5 1 1 有机物沿滤床深度去除效果 1 、由于生化反应速率与有机物浓度相关，而滤床不同深度处由于微生物的 数量、种类不同导致滤床不同深度处的有机物浓度不同，自下而上递减；因此， 各层滤床有机物去除率也不同。 由于污水流过滤柱，污染物浓度的下降率，即单位滤床高度去除污染物的 数量( 以浓度计) 与该污染物的浓度成正比，因此有o “5 9 】： 积分得 出 y c t o d h s ：p 一 瓯 式中 ：d s 为污染物浓度梯度，m ( l m ) d h ( 5 - 1 ) ( 5 2 ) 瓯为滤池进水污染物浓度，m g ，l ： s 为上渗废水中污染物浓度，m g l ； 日为离滤池底部进水的高度，m ； 其中足是反映滤池处理效率的系数：足= 足鼠“( 雪 ” ( 5 3 ) 式中d为滤池进水流量，m 3 d ； a为滤床截面积，m 2 ； k 为与进水水质、滤速有关的系数： m 为与进水水质有关的系数； n 为与滤池特性、滤速有关的系数。 东华大学硕士学位论文鼹气生物滤池深度净化有机废水技末的研究 因此有：s ：p 州( 舻( 5 4 ) s o 对于无回流滤池有：心n ( ) 慨“了 与 即： - n ( ) ，日= 啦”( ” 。6 因此，c o d 。的去除效果与填料高度的关系可通过式( 5 - 6 ) 较精确的表示。 由式( 5 6 ) 进一步可得出滤床不同深度处废水中有机物浓度之间的关系式( 5 7 ) ： b ( ，卜乩( ：h ：( 5 - 7 ， 表5 1有机物沿滤层高度的去除情况 滤层高度( e r a ) 2 55 07 51 0 0 h r t ( m i n ) 1 4 72 9 44 4 15 8 8 出水c o d c r ( m g l ) 7 6 86 2 o5 1 04 5 2 c o d o 去除率( ) 2 1 53 6 64 7 95 3 8 注：气水比3 、水力负荷0 5m ( m 2 _ h ) 、p h 6 6 - 8 2 、温度2 2 7 4 0 1 、进水c o d c t 9 7 8 m 叽 据层探厦【j 图5 - 1 滤床不同深度c o d c , 的变化曲线 由表5 i 和图5 1 可见：曝气生物滤池对有机污染物( c o d 。) 的去除作用 主要发生在进水端以后5 0 e m 范围内，在这段滤层内，反应器对有机物的去除 率为3 6 6 ，占总去除率的6 8 。因为在该区域内由于污水中有机物浓度高， 溶解氧充足，占有绝对优势的好氧异养菌繁殖速率高、新陈代谢作用旺盛，生 物膜量较多，对污染物的生物降解作用非常快，再加上该段是s s 的主要截获 东华大学硕士学位论文 曝气生物滤池深度净化有机废水技术的研究 区，s s 的截获也提高了c o d 。的去除率；而在后5 0 c m 滤层内，对有机物的去 除率仅占总去除率的3 2 。因为随着污水进入滤料深层，污水中可生物降解的 有机物质逐渐减少，异养菌因营养缺乏而减少，底物浓度成为反应速率的限制 因素。而同时由于微生物的生长和繁殖同环境因素息息相关，随着有机物浓 度的降低，微生物也从低级趋向高级，种类逐渐增多，生物膜量从多到少。所 以当滤床各层的进水水质互不相同，各层生物膜的微生物就不相同，处理污水 的功能也随之不同。当有机物浓度继续降低，在供氧充分及碱度充足的情况下， 硝化菌成为优势菌种。 由图5 1 还可以看出，各层滤床有机物去除率不同，有机物的去除率沿池 深方向呈指数下降，这与式( 5 7 ) 得出的结论吻合。这是因为生化反应速率与有 机物浓度相关，而滤床不同深度处的有机物浓度不同，自下而上呈指数递减的 结果。 5 1 2n h 。+ _ n 沿滤床深度去除效果 表5 2 和图5 2 是n h 4 + 一n 沿滤层高度的去除情况 表n i l + _ n 沿滤床深度的去除情况 滤层高度( e m l 2 55 07 51 0 0 h r t ( m i n ) 1 4 72 9 44 4 15 8 8 出水r , u a ：一n ( m 舻0 1 0 97 o o2 1 2o 8 8 n i l 4 + 一n 去除率( ) 1 5 54 5 78 3 69 3 2 注：气水比3 、水力负荷0 5 m 3 ，( m 2 - h ) 、p h 6 6 , - - 8 2 、温度2 2 7 3 0 1 、进水n l - h + 一n 1 2 9 i l l g 几 图5 2 滤床不同深度n h 4 + 一n 的变化曲线 由表5 - 2 和图5 - 2 可见： n h 4 + 一n 去除率与c o d 。去除率呈负相关关系。 氨氮在滤层前2 5 e m 内的去除率仅为1 5 5 ( 占总去除率的1 7 ) ，这是 东华大学硕士学位论文曝气生物滤池深度净化有机废水技术的研究 因为在进水端前2 5 c m 内由于有机物浓度比较高，造成碳化异养菌优势的生长 环境代谢，这样异养菌就会首先利用水中的氧，在营养物质较为丰富的条件下 大量繁殖，同时由于生物膜的增厚也阻碍了氧向生物膜的传递，而硝化菌是一 种严格的好氧细菌，当水中溶解氧不足或氧透过膜到达硝化菌表面的传递速度 下降时，硝化菌吸取水中溶解氧的能力比异养菌要差“”】，这些都限制了硝化 菌的生长繁殖，从而使得生物膜中硝化自养菌浓度偏小，硝化反应受到影响， 从而对氨氮的去除有明显的抑制作用，表现为滤池对氨氮具有较低的去除率。 在滤层2 5 e r a 7 5 c m 段，对n h 。+ 一n 去除率达到8 3 6 ( 占总去除率的 9 0 ) ，成为氨氮去除的主要区域。这是因为在该段区域内，有机物的浓度较低， 在水中的氧较充分条件下，自养硝化菌和异养菌发生竞争时，硝化菌占优势， 硝化菌的生长、繁殖速度加快，代谢能力增强，从而在该段硝化菌成为优势菌 种，表现为滤层对氨氮具有很高的去除率。 在滤层的后2 5 e m 内，对n h 4 + 一n 去除率增长仅为9 6 。这是因为硝化 细菌有较强的硝化能力，世代时间长，一旦形成稳定的硝化状态后，进入滤池 中的氨氮会在短时间内能被硝化细菌吸附、分解和氧化。因为在滤层2 5 e m - 7 5 e m 段已形成稳定的硝化状态，所以在后2 5 c m 段，氨氮去除率增加有限。 5 2 水力负荷对曝气生物滤池沿程去除污染物的影晌 水力负荷的大小直接影响着反应池占地面积、工程基建投资，水力负荷小、 工程设施越大，投资费用也越大；反之，投资费用越小。在水力负荷较小时， 曝气生物滤池对水中污染物的去除基本集中在滤层的前半部分( 进水端) ，滤层 的后半部分( 出水端) 的去除能力并未发挥出来，因此加大水力负荷，有利于 充分利用滤池的去除能力。 5 2 1 沿程对有机物去除效果的影响 曝气生物滤池沿程对有机物的去除规律受水力负荷的影响见表5 3 和图5 - 3 。 东华大学硕士学位论文曝气生物滤池深度净化有机废水技术的研究 表5 3 水力负荷对有机物处理效果的影响 水力负荷( m 3 ，m 2 h ) o 2 5o 5 进水有机物平均浓度( r a g l ) 1 0 0 29 7 8 滤层高度( c m l 2 55 07 51 0 02 55 07 51 0 0 h r t ( m i n ) 2 9 45 8 88 8 21 1 7 61 4 72 9 44 4 15 8 8 出水c o d c ，( r a g l ) 7 5 95 8 84 9 54 5 17 6 86 2 o5 1 04 5 2 c o d c ，去除率( ) 2 4 34 1 35 0 65 5 o2 0 33 4 74 7 25 3 8 注：气水比3 、p h6 6 8 5 、温度2 2 4 2 9 8 善 糌 髅 舶 占 8 02 5 5 07 51 0 0 滤床深度( ) 图5 3 曝气生物滤池沿床层对c o d c ，的去除 由表5 3 和图5 3 可见： 当水力负荷为o 2 5 m 3 ( m 2 h ) 时，在滤床深度1 2 处( 即距进水端5 0 c m 处) ， 下半部对有机物的去除率达到4 1 3 ( 占总去除率的7 5 ) ，上半部对有机物的 去除率为1 3 7 ( 占总去除率的2 5 ) 。 当水力负荷为0 5 m 3 ( m 2 h ) 时，曝气生物滤池对有机物的去除沿床层的分 布有所变化，在滤床深度l 2 处( 即距进水端5 0 e m 处) ，下半部对有机物的去 除率下降到3 6 6 ( 占总去除率的6 8 ) ，上半部对有机物的去除率则上升到 1 7 2 ( 占总去除率的3 2 ) 。 综上可知：水力负荷对曝气生物滤池沿程去除率的分布有一定的影响，但 总的去除率影响不大，这是因为：在低水力负荷条件下，水中可被微生物利用 的有机物沿水流方向不断被微生物分解、吸收和利用，到达上半部后，由于水 中营养物质大部分在下半部分被分解氧化，水中营养不足，满足不了微生物对 营养的要求，从而不能形成对有机物有较强降解能力的菌胶团：当水力负荷提 高后，在单位时间内进入曝气生物滤池内的有机物量增加，停留时间缩短，水 东华大学硕士学位论文曝气生物滤池深度净化有机废水技术的研究 中更多的营养物质就能到达上半部分，使上半部分的微生物能在定程度上增 殖，这样曝气生物滤池内的生物量增加，利用率提高。因此，尽管水力负荷提 高，停留时间缩短，但在一定的水力负荷范围内，对有机物的去除效果并没有 受到很大的影响，体现出曝气生物滤池具有较好的耐冲击负荷能力。 5 2 2 对氨氮去除效果的影响 曝气生物滤池沿程对氨氮的去除规律受水力负荷的影响见表5 - 4 和图5 - 4 。 表5 4 水力负荷对氨氮处理效果的影响 水力负荷( m 3 ，m 2 h ) o 2 50 5 进水氨氮平均浓度( r a g l ) 1 3 11 2 9 滤层高度( e r a ) 2 55 07 51 0 02 55 07 51 0 0 h r t ( m i n ) 2 9 45 8 88 8 21 1 7 61 4 72 9 44 4 15 8 8 出水s n 4 + 一n ( m e l ) 1 0 86 6 21 8 50 7 l1 0 97 0 02 1 20 8 8 n h 4 + 一n 去除率( ) 1 7 54 9 58 5 99 4 61 5 54 5 78 3 6 9 3 2 注：气水比3 、p h6 6 8 5 、温度2 2 4 - - , 2 9 8 1 0 0 g 7 5 褂 赣5 0 王 羞2 5 o 2 55 07 5 滤床深度( c m ) 1 0 0 图5 - 4 曝气生物滤池沿床层对n h l + 一n 的去除 由表5 - 4 和图5 - 4 可见：水力负荷在一定的范围内对n h 4 + 一n 的去除率没 有什么影响，沿程分布也没有多大的变化。这是因为硝化细菌有较强的硝化能 力，世代时间长，一旦形成稳定的硝化状态后，进入曝气生物滤池中的n h 4 + 一 n 在短时间内能被硝化细菌吸附、分解和氧化，因此曝气生物滤池仅以去除水 中n h 4 + - n 为主要目标时，水力负荷还可以进步增大。 东华大学硕士学位论文 曝气生物滤池深度净化有机废水技术的研究 5 2 3 对浊度去除效果的影晌 曝气生物滤池沿程对浊度的去除规律受水力负荷的影响见表5 - 5 和图5 - 5 。 表5 5 水力负荷对浊度处理效果的影响 水力负荷( m 3 m 2 h ) 0 2 50 5 进水浊度平均值( n t u ) 5 55 7 滤层高度( c m ) 2 55 07 51 0 02 55 07 51 0 0 h r t ( m i n ) 2 9 45 8 88 8 21 1 7 61 4 72 9 44 4 15 8 8 出水浊度( n t u ) 3 1 42 0 61 5 o1 0 93 5 62 3 21 3 11 0 0 浊度去除率( ) 4 36 2 57 2 78 0 13 7 55 9 - 37 7 08 2 4 注：气水比3 、p h 6 6 - 8 5 、温度2 2 4 2 9 8 9 0 7 5 窑6 0 甜 鬟