（环境工程专业论文）曝气生物滤池深度处理城市污水的优化试验研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 曝气生物滤池深度处理城市污水的优化试验研究 摘要 近年来，国家加强了对污水厂改造的投入力度，但有些污水厂的出水 仍然未达到城镇污水处理厂污染物排放标准f g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 的- - 级a 标准。根据这一情况，开发一种处理效果明显的深度处理污水技术就尤为 重要。曝气生物滤池是近年来新开发的一种污水生物处理技术，它是集生 物降解、固液分离于一体的污水处理设备，具有占地面积小、不需要二沉 池、处理效果好、出水水质稳定等特点。 本试验对太原某污水厂的出水进行研究，重点考察曝气生物滤池( 缺 氧段和好氧段) 在水力停留时问、回流比、气水比、碳氮比和滤料高度这 几个影响因素下去除效果的变化。试验采用闷曝法进行挂膜，在闷曝1 5 天 后挂膜成功，缺氧段对c o d c r 的去除率稳定达到3 0 ，好氧反应器对氨氮 的去除率稳定达到8 0 。 试验结果表明，曝气生物滤池深度处理城市生活污水效果明显： 水力停留时间为4 小时对有机物c o d c r 、氨氮和总氮的去除都为最高， 分别为：7 7 5 3 、9 8 3 2 、7 6 4 1 6 。 回流比为1 ：1 时对有机物c o d c r 、氨氮和总氮的去除率都为最高，分 别为：7 4 7 5 、9 4 4 、6 9 1 5 。 气水比为3 ：1 时对有机物c o d c r 、氨氮和总氮的去除率都为最高，分别 太原理工大学硕士研究生学位论文 为：8 0 。2 6 、9 6 7 9 、7 3 1 0 。 c n - 4 + 一n 比为1 0 时，对有机物c o d c r 去除率最高，达到8 0 2 6 ； 吣+ 一n 比为6 时对氨氮的去除率最高，达到9 6 7 9 ；+ 一n 比为8 时对总氮的去除率为最高，达到6 4 2 3 。 无论是缺氧段还是在好氧段，滤料高度为5 0 c m 时，对有机物c o d c r 和氨氮的去除率都已经接近各自总的去除率。 化学除磷时，在相同的情况下，p a c 药剂投加量比( 伽) ，小，而且对 磷的去除率还高，效果更好，污水的p h 值的变化也较小，由6 7 变到了7 2 。 曝气生物滤池深度处理城市污水时，反冲洗周期为1 5 d 左右，曝气生 物滤池反冲洗强度设定为：气松动时间l - 一3 m i n ，强度l o 1 2 l ( m s ) ；气一 水联合反冲洗时间在3 m i n 以内，气冲洗强度范围均为7 - s l ( m s ) ，水冲洗 强度范围均为3 4 l ( m 2 s ) ；水漂洗时间5 - - 8 m i n ，强度为3 4 l ( m s ) 。 用曝气生物滤池深度处理城市污水能使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 2 ) 1 拘- - 级a 标准，即：c o d c r 5 0 m g l ， n h 3 一n 5 m g l ，总氮 1 5 m g l ，总磷 o 5 m g l 。并且该工艺经济合理、技 术可行。 关键词：城市污水，曝气生物滤池，深度处理，硝化反硝化，化学除磷 太原理王大学硬硬究生学缎论文 e x p e r l m e n 置气乞s r u d yo no p w m u mm u n l c 薹眦 纨s 髓璐艇rt r e 蔗h 涯e n t 至nb 薹o l o g 重c a la 量r a t e d f i m r a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ec o u n t r i e st os t r e n g t h e ni n v e s t m e n ti nw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n tt r a n s f o r m a t i o n ，s o m ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n te f f l u e n td o e s n o tm e e tu r b a ns e w a g et r e a t m e n tp l a n te m i s s i o ns t a n d a r d s ( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) a s t a n d a r d u n d e rt h i ss i t u a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to fag o o dd e p t ho ft r e a t m e n to f s e w a g et r e a t m e n tt e c h n o l o g yi sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r i nr e c e n t y e a r s ，n e wd e v e l o p m e n t o fa b i o l o g i c a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g y , i tc a ns e tb i o d e g r a d a b l es o l i d l i q u i ds e p a r a t i o ni no n eo f t h es e w a g e t r e a t m e n te q u i p m e n t ，h a sas m a l lf o o t p r i n t ，n os e c o n d a r ys e t t l i n gt a n k ，g o o d e f f e c t ，w a t e rq u a l i t ya n ds t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c s t e s tt h ee f f l u e n to faw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ti nt a i y u a n ，i n s p e c t e dt h e t w ob i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( a n o x i ca n da e r o b i cs e g m e n t ) i nt h eh y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m e ，t h er e f l u xr a t i o ，g a sa n dw a t e r , c a r b o na n dn i t r o g e nt h a nt h e h e i g h to ft h ef i l t e rf a c t o r sa f f e c t i n gr e m o v a lo ft h ee f f e c tt h ec h a n g e t h e t e s t t h es t u f f ye x p o s u r em e t h o db i o f i l ms t u 鸯e x p o s u r e1 5d a y sa f t e rt h eb i o f i l m a n o x i cc o d c rr e m o v a lr a t er e a c h e d3 0p e r c e n t ，t h ea e r o b i cr e a c t o ra m m o n i a r e m o v a lr a t er e a c h e d8 0 。 t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c to fb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e rd e p t ht r e a t m e n t o fm u n i c i p a ls e w a g e ： t h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m eo f4h o u r so nt h er e m o v a lo fo r g a n i cm a t t e r c o d c r , a m m o n i aa n dt o t a ln i t r o g e na r ch i g h e s t ，a r ea sf o l l o w s ：7 7 5 3 ，9 8 3 2 ， 7 6 4 16 i 工i 太原理工大学硕士研究生擎鬣论文 o r g a n i cc o d c r , a m m o n i an i t r o g e na n d t o t a ln i t r o g e nr e m o v a lr e f l u xr a t i o o f1 ：1f o rt h eh i g h e s t ，a l ea sf o l l o w s ：7 4 7 5 ，9 4 | 4 ，6 9 1 5 g a s - w a t e rr a t i oo f3 ：1o r g a n i cc o d c r , a m m o n i aa n dt o t a ln i t r o g e nr e m o v a l r a t ew a st h eh i g h e s t ，a r ea sf o l l o w s ：8 0 。2 6 ，9 6 7 9 ，7 3 1 0 。 c n h 4 + 一nr a t i oo f1 0 ，t h eo r g a n i cr e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d c rt h e h i g h e s t ，r e a c h i n g8 0 2 6 ；c n h 4 - t - - nr a t i o6 ：0 0o fa m m o n i an i t r o g e nr e m o v a l r a t eo f9 6 7 9 ；c n h 4t - - nr a t i o8 ：0 0t o t a ln i t r o g e nr e m o v a li st h eh i g h e s t ， r e a c h i n g6 4 2 3 a n o x i co ra e r o b i cs e g m e n t ，f i l t e rh e i g h to f5 0 c mc o d c ra n da m m o n i a n i t r o g e nr e m o v a lr a t eo fo r g a n i cm a t t e rh a v eb e e nc l o s et ot h e i rt o t a lr e m o v a l r a t e 。 c h e m i c a l p h o s p h o r u sr e m o v a l ，i nt h es a m ec i r c u m s t a n c e s ，t h ep a c p h a r m a c e u t i c a ld o s a g ec o m p a r e dt os m a l la n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ，t h eb e t t e r , t h ee f f l u e n tp hv a l u e sc h a n g eal i t t l ec h a n g ef r o m6 7t o7 2 b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r t ot r e a tm u n i c i p a ls e w a g eb a c k w a s hc y c l es e t a b o u t1 5 db a fb a c k w a s hs t r e n g t ha sf o l l o w s ：g a sl o o s et i m e1 。3 r a i ns t r e n g t h o fl o 1 2 l ( m 2 s ) ；g a s j o i n tb a c k w a s ht i m ei nl e s st h a n3 m i n ，g a sf l u s h i n g i n t e n s i t yr a n g ea r e7 8 l ( m 2 s ) ，w a t e rf l u s h i n gi n t e n s i t yr a n g ea l e3 4 l ( m 2 。s ) ；w a t e rr i n s et i m e o f5 8 m i n ，t h ei n t e n s i t yo f 一4 l ( 1 n 2 s ) 。 u s i n gas t a n d a r dat w o s t a g eb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e rd e p t ht r e a t m e n to f m u n i c i p a ls e w a g em a k et h ew a t e rq u a l i t yu pt ot h e ”u r b a ns e w a g et r e a t m e n t p l a n te m i s s i o ns t a n d a r d s ( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) a ，n a m e l y ：o fc o d c r 5 0 m g l ， n h 3 - n 5 m g l ，t n 1 5 m g l ，t o t a lp h o s p h o r u s 0 5 m g l ，a n dt h ep r o c e s s i se c o n o m i c a l l yr e a s o n a b l ea n dt e c h n i c a l l yf e a s i b l e 。 k e yw o r d s ：u r b a ns e w a g e ，b i o l o g i c a la e r a t e d f i l t e r ( b a f ) ，a d v a n c e d t r e a t m e n t ，n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n ，c h e m i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 符号说明 论文中出现的主要符号及其对应中英文含义列于下表中，以供参阅。其它符号在论 文中的出现处均有说明。 符号对应表 t h ec o r r e s p o n d i n gm e a n i n go ft h es i g n s 1符号中文含义英文含义备注 2 n h 3 - n氨氮 a m m o n i a c a l n i t r o g e n 也写作n h 4 + - n 3 n 0 3 - n 硝氮 n i t r a t e - n i t r o g e n也写作n 0 3 - - n 4 n 0 2 一n 亚硝氮 n i t r i t e - n i t r o g e n 也写作n 0 2 - n 5c 0 1 d化学需氧量c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d 也写作c o d c ， 6d d 溶解氧 d i s s o l v e do x y g e n 单位：m g l 7肼 总氮 t o t a ln i t r o g e n 8丁 温度( 水温) t e m p e r a t u r e 单位： 9h 解 水力停留时间 h y d r a u l i cr e m a i n t i m e 单位：h 1 0 p hp h 值 无量纲 1 1彳 缺氧滤池 t h eh y p o x i af i l t e r 1 20好氧滤池t h ea e r o b i cf i l t e r i x 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 1 课题的提出的背景及意义 。 1 研究背景 第一章绪论 水资源是所有生物赖以生存的前提，也是人们生活生产所不可缺少的。麓不断更新 供人类直接利用麓天然淡水包括陆遗上筋地表水( 如潺流、湖漓、水库等) 和地下水的浅 层部分h j 。虽然逑球上的水资源丰富，总储存量有1 3 8 6 x 1 0 撼立方米，海洋等咸水资源 就占了总储存量的9 7 4 7 ，丽人类能直接测用的淡水资源就很缺乏，包括河流水、湖 泊淡水和浅层地下水只占总储存量的0 2 6 1 2 1 。水资源已经成为制约人类发展的因素之 o 我国是个水资源匮乏的国家，目前，水资源形势严峻，一方面，我国多年平均水资 源总量为2 8 万亿立方米，入均水资源不足2 5 0 0 m 3 ，人均水资源只为世界人均占有量 的溺分之一，仪排在世界第1 1 0 ，属于1 3 个严重贫水国家之唑另一方面是，我国水 环境污染较为严重，而且空间分布不均匀，尤其是华北地区渊。隧着入瑟的增加，经济 的快速增长，社会的发展，我国对水资源的需求越来越大，丽我国入均可利用的水资源 却严重不足，因此污水处理得到很大重视。 我国的污水处理技术在近几年得到快速发展，住房和城乡建设部的有关数据显示【5 l ， 我国城镇污水处理技术快速发展，在十年内污水处理量翻番，中国成为世界上唯一一个 实现在十年内污水处理量翻一倍的国家。同时，我国污水厂的建设也大幅度增加。但同 发达国家相比，我国的城市污水处理存在很多不足，无论从污水处理厂的觏模、数量、 处理效果还是机城化、自动化等方面都有较大差距删。调查显示h 3 ：我圈城镇污水处理 厂近三分之一的运行负荷低于7 0 ，有些污水厂还不足3 0 。随着城镇污水处理厂污 染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 的一级a 标准的确立，有些老污水厂在设计时没有考虑 n 、p 的去除问题，或者仅仅采用了一级强化处理，没有后续的生物处理技术，而且传 统的污水处理工艺流程复杂繁琐，管理也很复杂，出水水质没有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 2 ) 的一级a 标准，所以研究一套工艺简单，耗能低，管 理简便并姥很好的深度处理城市污水是一些出水不达标污水厂需要解决的关键，并且这 太原理工大学硕士研究生学位论文 一处理工艺有很大的市场前景。 曝气生物滤池是2 0 世纪8 0 年代末兴起的一种新型的生物膜工艺，并在9 0 年代得 到大力发展。它将接触氧化工艺和过滤工艺结合在一起，用于去除水中有机物，硝化反 硝化脱氮【8 - 1 0 】，具有处理效果好、占地面积小、抗冲击力强等特点。曝气生物滤池以颗 粒填料及其附着在生物膜上的生物为主要介质，发挥生物代谢、物理过滤、填料的吸附 实现污染物在反应器内去除。曝气生物滤池不仅可以单独作为二级处理工艺来处理污 水，也可以作为后续的深度处理工艺来运行，具有很好的发展前景 1 1 - 1 3 i 。 1 1 2 研究意义 随着社会的发展，人们的环保意识也提高了，近年来我国污水处理事业飞速发展。 污水的“资源化”利用成为今后发展的必然趋势，国家制定了更严格的污水排放标准， 即城镇污水处理厂污染物排放标准f g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 的一级a 标准。 污水处理是水处理技术在实践中的应用之一，它以满足水体自净为前提和目标。近 几年由于氮磷等污染物的大量排放而引起的水体富营养化事件频繁发生，成为国内外关 注的问题之一。解决这一问题的关键就是严格控制氮磷的排放，对污染源进行治理，严 格要求污水处理厂排放的水质达到城镇污水处理厂污染物排放标准f g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 的一级a 标准，从而降低处理后的出水中的氮磷含量。 已建成的城市污水厂和部分仅仅采用一级强化处理的污水厂，面临着提升改造、强 化脱氮除磷的问题，使其处理后的水质在有机物c o d 氨氮n h 4 + - n 、总氮和总磷均 能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 2 ) 的一级a 标准。传统的生物 脱氮工艺流程繁琐、设备庞大，基建费用高，耗能较高且管理复杂，开发一项工艺简单、 操作方便、耗能低且有很强的脱氮除磷的工艺是十分必要的。曝气生物滤池相比而言， 节省投资，设备简便，既有刖o 工艺的优点，能更好的进行硝化反硝化脱氮又有曝气生 物滤池的优点，不需排泥，省去二沉池等优点，经济又可行。这样从污染物源头抓起， 对污水处理厂进行提升改造即能对水污染进行了治理，又解决了水污染和水资源短缺的 问题，确实落实了科学发展观与循环经济相结合，实现了城市污水资源化，具有重要的 经济效益、环境效益和社会效益。 污水处理厂的提升改造和强化脱氮除磷，实现对污水的深度处理，严格执行城镇 污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 1 狗- - 级a 的排放标准，具有深远的现实意 义： 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 污水处理厂的污水达标排放，氮磷的排放量减少，是解决水体富营养化的关 键。 ( 2 ) 经过污水处理厂处理达标的污水可以再次利用，回用到工厂或者作为农业灌 溉，提高水的资源化利用，做到“优质优用，低质低用”。 ( 3 ) 水的资源化利用与科学发展观和循环经济相结合，提高了综合经济效益，促 进了可持续发展。 1 2 研究目的及内容 1 2 1 研究目的 进入2 1 世纪后，我国的城市污水排放量与日俱增，城市的水资源紧张也成倍增长。 根据我国当前的发展规划，实现经济的减量化、循环化和资源化原则，把小区的生活污 水集中起来，运用先进的水处理工艺，变废为宝，对污水进行无害化、有效化的处理， 这样可以缓解水资源短缺、供应不足的问题，对解决水资源匮乏问题有很重要的意义。 如前所说，一些老的污水厂设计时没有对n 、p 的去除有严格要求，随着城镇污水 处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 的- - 级a 标准的提出，这些污水厂的出水不达 标，需要深度处理。本试验研究一套曝气生物滤池，既有o 工艺的优点又有曝气生物 滤池的优点，使其出水能够符合城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 的 一级a 标准( c o d c r 5 0 m g l ，n h 3 - n 5 m g l ，总氮 1 5 m g l ，总磷 o 5 m g l ) 。 1 2 2 研究内容 本课题曝气生物滤池深度处理城市污水的优化试验研究重点研究对排放不达标 的污水进行深度处理的问题，研究内容如下： 1 、研究曝气生物滤池成功挂膜的条件； 2 、研究水力停留时间、回流比、气水比、碳氮比和滤料高度对曝气生物滤池深度 处理城市污水的影响，优化水力停留时间、回流比、气水比、碳氮比和滤料高度使其达 到强化脱氮除磷的效果： 3 、研究反冲洗强度及方法，优化反冲洗方法、强度及反冲洗对系统去除效果的影 响，最大程度的恢复其处理能力； 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 、对比了p a c 和氢氧化钙化学除磷的最佳投加量和p h 值的变化。 4 太原理王大学颂磷究生学位论文 第二章文献综述 男一旱义陬琢迎 2 。1 城市污水处理厂概述 2 。1 1 污水处理厂的现状 近年来，国家政府相继出台有关城镇污水处理设施建设的文件，有力推动了 污水处理事业的发展。如今，我国建成的污水厂9 3 7 座，设计处理能力6 3 6 0 万t d ， 其中生活污水占7 9 8 。江苏为建成污水处理厂最多的省份，有1 5 4 座，其次是山 东和广东，分别为1 0 4 座和8 4 座。“十一五”期间，我省已经建成污水处理厂6 l 座，设计规模为1 8 8 7 9 万枷，实际笼理规模1 1 7 。3 8 万稍，总投资约为4 0 1 9 亿元， c o o c r 毒l j 躐量约为9 。4 3 万吨年，s s 舞l 减量约为1 0 ，3 7 万g 瓣年，n h 3 n 削减量约为 0 8 万吨年，t e n 减量约为0 1 3 万吨年。 2 。2 污水处理厂存在的问题。 近几年，国家对污永排放标准有了更严格的要求，2 0 0 2 年以前缀多已经建成 的污水厂设计时没有考虑辫标准中对氮磷的去除效果，工艺上的缺陷和冬季低湿 的影响，有时达不到现在的污水排放标准，需要提升改造和强化处理。 2 。1 2 1a a o r 艺存在的问题 a a o i 艺的特点是将除磷脱氮和降解有机物三个生化过程巧妙地结合来， 在厌氧和缺氧段为除磷和脱氮提供各自不同的反应条件，在最后的好氧段为三个 指标翡处理提供了共目的反应条件，这就麓够魇简单的流程，尽量少酌构筑物完 成复杂的处理过程，给工程实施创造方便的条件。 该工艺在正常的运行情况下，出水氨氮浓度可以达到国家一级a 排放标准， 出水总磷浓度可以达到国家一级b 排放标准，但总氮的去除较难，且该工艺很难 取得最佳的同步脱氮除磷效果，其原因是：该流程回流污泥全部进入厌氧段，为 使系统维持在较低的污泥负荷下运行，以确保硝化过程的完成，则要求采用较大 的圈流比( 一般为6 0 8 0 ，最低也在4 0 以上) ，这样系统的硝化作用才能良好， 由于回流污泥也将大量的硝酸盐带入厌氧池，丽磷必须在混合液中存在有快速生 5 太原理：i j 大学硕士研究生学位论文 物降解性有机物及在厌氧状态下，才能被聚磷菌释放出来。但当厌氧段存在大量 硝酸盐时，反硝化菌会以有机物为碳源进行反硝化，等脱氮完全后才开始磷的厌 氧释放，这使得厌氧段进行磷的厌氧释放的有效容积大为减少，从而使得除磷效 果较差，而脱氮效果较好。反之，如果好氧段硝化作用不好，则随回流污泥进入 厌氧段的硝酸盐减少，改善了厌氧段的厌氧环境，使磷能充分地厌氧释放，所以 除磷效果较好，但由于硝化不完全，故脱氮效果不佳。所以a a o i 艺在脱氮除 磷方面不能同时取得最佳的效果。另外，a a o _ t _ 艺造成厌氧段和缺氧段溶解氧 浓度升高，而导致该工艺脱氮除磷效果下降。 2 1 2 2 氧化沟工艺存在的问题 氧化沟也是污水处理厂中常见的处理工艺，氧化沟的脱氮除磷效率较高，抗 冲击力也较强，而且便于自动化操作，但在实际的运行中，要达到城镇污水处 理厂污染物排放标准f g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 的- - 级a 标准仍然存在一些问题： 一、污泥膨胀问题 当污水中氮磷含量不平衡时，氧化沟的污泥负荷会升高，造成溶解氧不足， 容易造成污泥膨胀，若水温较低，微生物代谢减缓，体内储存大量高粘性多糖物 质，污泥与水的附着性大大增强，更容易形成污泥膨胀。 二、泡沫问题 如果泥龄偏长，污泥老化，也很容易造成泡沫。 三、流速不均造成的污泥沉积问题 氧化沟中的混合液以一定的流速在沟内循环流动，氧化沟中的曝气设备一般 为曝气转刷和曝气转盘，这两种曝气设备相较于氧化沟的深度而言，只能对水面 进行曝气，这样造成上部流速快，下部流速慢，导致沟底污泥大量堆积，降低了 处理效果，影响出水水质。 以上这些问题都会对脱氮除磷效果产生影响，使出水达不到城镇污水处理 厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 的- 级a 标准，需要提升改造来加强脱氮除 磷，使出水水质达标。 2 1 2 3 低温水的处理 低于1 5 的污水就认为是低温水，在北方的冬天，气温较低，而污水处理厂 大多建在室外，因此低温水的处理一直是一个出水水质不达标的问题。污水处理 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 厂一般都采用生物的处理方法，微生物为这种方法的核心，而温度的变化对微生 物的生长有很大影响，季节性的气温变化对污水厂有很大的冲击作用。活性污泥 的吸附性能、沉降性能、微生物增殖和种类都会受气温的影响，水温较低，微生 物的活性会降低，生长发育减缓或者停止，进而新陈代谢的能力也会降低，对污 水的处理效果就会变差。低温会使微生物分泌高粘度的物质，导致污泥颗粒细， 比重降低，不易形成絮状，污泥的s v i 会较高【1 4 1 。 一、低温对脱氮的影响 参与脱氮的细菌大多属于中温菌，硝化细菌在3 5 4 2 活性很高，而反硝化 细菌则在2 5 3 5 。c 活性较高，亚硝化细菌在3 5 最适宜生长。在低温的环境下， 这些参与脱氮的细菌的活性就会下降，硝化反硝化能力受到抑制。试验研究，硝 化能力在1 5 一下就会明显降低，当温度低于4 。c 就会丧失硝化能力【1 5 。1 7 】。温度 的升高有利于脱氮处理 二、低温对除磷的影响 虽然聚磷菌是耐冷低温菌，但温度对有机物的水解会有影响，从而间接对磷 的去除产生影响，低温会使聚磷菌生长速度降低，吸磷和释磷速率也会降低。此 外，低温会对反硝化有影响，过高的硝态氮会加剧脱氮除磷的矛盾 1 8 - z o j 。 2 1 3 污水处理厂的改造 随着城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 1 拘- - 级a 标准的提 出，处理后的出水水质要求不断提高，提升改造和强化脱氮除磷的目标迫在眉睫。 大多数已建成的污水处理厂的工艺都存在一些缺陷或者设计时没有考虑现在的 排放标准，并且水温低时处理效果不佳一直是出水水质不达标的关键所在。对已 建成和将要建成的污水处理厂的出水水质提高要求，就必须要强化脱氮除磷，对 污水进行深度处理。选择一种合适的后续深度处理工艺对污水处理厂的续建有很 大帮助。污水厂的后续改造，是对出水进行进一步的处理，优化其系统的去除率， 深度降解有机污染物、氮磷污染物等，对污水厂后续改造的工艺要适宜。污水厂 的改造要注意一下几点： 一、对已建成的污水厂的二级处理设施进行改造，强化脱氮除磷的效果，使 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 2 ) 1 构i - - 级a 标准。 二、对已建成的污水厂在二级处理后，增加深度处理工艺，比如增加曝气生 7 太原理：i ，：大学硕士研究生学位论文 物滤池对氮磷进行进一步的去除，采用物理方法进一步去除s s 和运用化学除磷技 术。 三、新建的污水厂可以选择m b r 、曝气生物滤池等出水水质好的工艺，这 些工艺占地面积小，污泥浓度高且泥龄较长，都有比较稳定和优质的出水。 2 2 曝气生物滤池的净化机理 2 2 1 曝气生物滤池的开发与发展 2 2 1 1 曝气生物滤池的兴起 曝气生物滤池是2 0 世纪5 0 年代末在欧美兴起的一种新型污水处理工艺，与其 他生物膜处理工艺不同，曝气生物滤池将接触氧化与固液分离过程集于一体，在 同一个反应器中完成有机物的去除、固体的截留和硝化过程，若对反应器进行改 造，增加缺氧区可进行硝化反硝化过程1 2 1 2 3 1 。该工艺最初应用在三级处理，对污 水进行深度处理，慢慢技术工艺成熟后直接用于二级处理【2 4 1 ，包括处理生活污水、 工业废水等 2 5 - 3 4 1 ，而且在给水处理中对微污染水的预处理也有很好的效果【3 5 l 。在 对曝气生物滤池运用于污水的二级处理时，还研究了池形结构、去除污染物的能 力极其影响因素、去除机理和数学模型等方面 3 6 - 3 9 】。根据我国国情，曝气生物滤 池技术常常用于污水回用中处理有机物浓度低，可生化性较差的二级出水。因为 活性污泥法对微生物生长不利，而曝气生物滤池中微生物附着在滤料上，不易流 失，有利于微生物的繁殖生长，不仅可以去除有机物还能去除氨氮。国内外的研 究学者还对曝气生物滤池改进成两段式、三段式在污水处理中的性能进行探索 1 4 0 4 3 1 。 2 2 1 2 曝气生物滤池的发展 曝气生物滤池在2 0 世纪后期迎来一个快速发展的阶段，出现了三种比较有代 表性新型的工艺，b i o f o r 、b i o s t y r 和b i o c a r b o n e 。 b i o o 娘b o n e 工艺采用的滤料密度比水大，污水从反应器项部迸水，底部 出水，而气水处于逆流状态，从底部流出的水大部分直接流走，小部分留下用作 反冲洗【4 4 | 。在大多数情况下，单个b i o c a r b o n e 工艺很难达到同步硝化反硝化 效果，需要两段或者改进后的工艺才能达到比较好的效果。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 b i o s t y r i 艺是法国o t v 公司对b l o q 姝b o n e 工艺的改进，这种工艺采用 的滤料密度比水密度小，从底部进水，顶部出水，出水部分回流到底部，在反应 器的中断位置进行曝气，实现了在同一反应器中存在不同环境的的曝气生物滤 池，因为存在好氧区和缺氧区，在一个反应器中实现了硝化反硝化的目的。与原 先的b i o c a r b o n e 工艺相比，b i o s t y r 工艺反冲洗时无需反冲洗泵，依靠重力 流，不易堵塞，而且可在同一个反应器中实现氮的去除等优点。 b i o f o r i 艺是d e g r e m o n t 公司开发出来的，它与b i o s t y r 工艺的不同之处 就是b i o f o r 工艺的滤料密度比水大，在结构、运行方式以及功能上与b i o s t y r 工艺基本相同。 随着曝气生物滤池工艺技术的成熟，从单一的工艺逐步发展成了综合性的处 理工艺，对s s 、有机物、氮污染物都有很好的去除能力，最大的特点就是曝气生 物滤池把生物接触氧化和滤料的截留集为一体，节省t - 沉池，保证了处理工艺 的简化；而且曝气生物滤池有机负荷高，水力停留时间短，抗冲击能力强，所需 的建设费用较低，投资少，出水水质稳定且效果明显。目前，g a 8 0 年代欧洲建成 第一座生物曝气滤池到现在全球范围内超过1 0 0 座以上，曝气生物滤池已经在欧 美和日本等发达国家广为流行，近年来韩国、中国也建设了很多曝气生物滤池的 污水处理厂，对城市污水、生活杂用水、食品加工废水、酿造、造纸等高浓度废 水进行处理，还对一些微污染水源水进行预处理等。曝气生物滤池在水处理事业 中发挥着重要作用。 近年来，还对曝气生物滤池中的滤料进行了大量的研究。滤料不仅可以截留 污水中的s s 和悬浮的有机物质，而且是微生物生长的场所。滤料的性质直接影响 曝气生物滤池的处理能力，滤料的价值也是曝气生物滤池投资费用中的一部分， 选择一款价格低廉、性能优良的滤料对曝气生物滤池比较重要。经过多年研究， s h e n g b i n gh e 4 5 】等人对沸石和粘土陶粒作为滤料进行了研究，两种滤料在温度 2 0 2 5 。c 、水力负荷2 - 3 m 3 ( m 2 h ) 的条件下，沸石和粘土陶粒对有机物的去除率 分别为9 3 、8 2 ，同时沸石滤料有利于硝化细菌的附着繁殖。曾中正 4 6 1 等人也 做了类似试验，发现在相同条件下粉煤灰加气颗粒和沸石颗粒的挂膜速度相差不 多，粉煤灰加气颗粒对有机物去除率较高，而沸石颗粒对氨氮的去除率较高。 y i n g j i es h e n t 4 7 】等人采用改性中空聚乙烯纤维作为滤料进行试验研究，在气水比 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 为1 0 ：1 ，水力停留时间为9 d , 时，对有机物和氨氮的去除率为8 3 、9 6 。y a n z h e n y u1 4 8 等人分别用以粮食废渣和陶粒作为滤料进行试验研究，在氨氮符合增加的 情况下，粮食废渣和陶粒颗粒对氨氮的去除率分别为8 4 、8 0 ，认为粮食废渣 在氨氮硝化的过程中为系统提供了碱度。m o o r e 4 9 j 等人发现滤料表面的举h 糙度对 曝气生物滤池挂膜期间对有机物的去除没有影响。w e i m i nx i e 5 0 】等人发现b o d 负荷低于0 7k g ( m 3 d ) 时，出水b o d 浓度低于1 0 m g , l 。t d k e n t 5 1 】等人做了滤料 颗粒粒径对硝化效果的影响，发现粒径较小对硝化脱氮的能力有好处，但反冲洗 周期变短。 2 2 1 3 曝气生物滤池的研究进展 曝气生物滤池经过多年的发展，按工艺的类型差异，可以分为四类 5 2 - 5 7 】： 第一类采用向下流，池子的上部进行生物氧化，中部设置曝气管，下部进行 截留s s 。这种类型的曝气生物滤池主要目的是去除有机物和s s ，流速一般不是 很快。 第二类采用向上流或者向下流，主要目的截留s s 、氧化有机物和硝化作用。 在反应器底部曝气，在一个反应器内进行碳氧化、硝化和截留，流速一般。 第三类采用向上流，把去除s s 有机物、硝化反硝化为一体，流速较低。在反 应器中部曝气，首先在反应器底部截留s s ，并利用出水回流中的硝态氮和进水污 水的碳氮比进行反硝化，在污水进入中部以后，由于充氧，反应器的上半部成为 好氧区，对有机物和氨氮的硝化提供场所。 第四类也叫三段式曝气生物滤池，流速较高，将设置三个反应器。把去除s s 、 硝化、反硝化功能分别设置在三个反应器中独立完成。第一反应器主要进行有机 物和s s 的截留，第二反应器进行硝化，第三反应器进行反硝化。把功能分开，在 不同的反应器中不同环境因素下培养不同的菌种，各自优化生长，避免异养菌与 自养茵的竞争，不同生物菌在各自最优的生存环境中生长，更有利于曝气生物滤 池的去除效果，达到最优1 5 8 - 5 9 】。 按曝气生物滤池的处理流程中所处的位置分类，可分为三类【印l ： 第一类曝气生物滤池设置在初沉池后，主要用在新建的污水厂中，根据水质 要求，对污水进行碳化、硝化和反硝化，如果磷任超标，考虑化学除磷。 第二类曝气生物滤池设置在活性污泥或者二级生物处理后，对水质进一步降 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 低s s 并充分硝化。主要用于水厂的改造，对污水经过原有处理工艺处理后没有达 标的污水厂的改造合适。 第三类曝气生物滤池和原有活性污泥工艺或者二级生物处理并行运行，主要 针对污水厂的扩建，对原处理容量的增加，以减小原有处理设施的压力。 2 2 2 曝气生物滤池的净化机理 2 2 2 1 曝气生物滤池的原理 曝气生物滤池在一级强化处理的基础上，利用颗粒填充物作为滤料和生长在 其上的微生物作为处理介质，污水流经滤料，经过生物膜上高浓度的活性微生物 和颗粒状的滤料，在微生物生长代谢、絮凝作用和滤料的截留和物理吸附作用的 共同作用下，对污水进行处理。沿污水流经的方向食物链进行分级捕食，实现在 一个反应器内存在好氧、缺氧区，进行硝化反硝化高效去除氨氮和有机物的过程。 首先培养微生物在滤料表面附着生长，污水流经生物膜时，有机物被生物膜 上的微生物吸附，氧向膜内进行传递扩张同时在生物膜中发生氧化作用，从而处 理有机污染物。在曝气生物滤池中，污染物、溶解氧和微生物所需的营养物质经 过液相扩散生物膜表面，进而进入生物膜内部，这样不但给微生物提供了生长繁 殖所需要的营养，并且附着在生物膜表面和进入内部的污染物被微生物分解氧 化，最终生成各种代谢物，达到去除的目的。生物膜的外层，尤其曝气充足，容 易形成好氧性微生物，膜的内部深处，由于氧的扩散减弱，容易形成缺氧或者兼 性厌氧层，这里生长的细菌处于内源呼吸状态，吸附滤料的能力较低，容易脱落。 有时，由于曝气不充分，使厌氧层较厚，会有大量硫酸氢、氨和有机酸等物质形 成，但若曝气充足，厌氧层会压缩到某一限度，这样形成的有机酸在异养菌的作 用下去除，形成水和二氧化碳。生物曝气滤池正常工作的前提就是保证生物膜的 正常生长代谢和好氧层的活性。 曝气生物滤池的运行受到一些因素的影响，如水温、溶解氧浓度、p h 值、 水力负荷等。 ( 1 ) 水温 曝气生物滤池去除污染物的机理主要依靠的是生长在滤料上的微生物，而 温度是影响微生物生长代谢的主要因素之一，所以温度也会影响曝气生物滤池的 处理效果。大多数的微生物的新陈代谢都是随着温度的升高而加强，随温度的降 太原理： 大学硕士研究生学位论文 低而减弱，水温太低就会影响微生物的活性。如硝化细菌，在2 5 - - 3 5 之间最 适合生长繁殖，2 3 以上硝化细菌的活性最好，对氨氮的去除效果也是最高的。 所以在夏天，曝气生物滤池的处理效果就比冬天要好一些，主要就是因为温度对 微生物活性的影响。 ( 2 ) 溶解氧浓度 微生物的生长繁殖离不开溶解氧，尤其对好氧细菌来说。溶解氧的大小影 响着生物膜的量、微生物的新陈代谢能力、有机物的去除动力和处理效果。对好 氧细菌来说，溶解氧浓度小于2 m g l 时，其活性受到限制，对有机物和氨氮的分 解就不能正常进行。溶解氧浓度也是曝气生物滤池正常运行的因素之一。曝气量 充足时，好氧微生物的活性最佳，氧化分解能力也最佳，从而出水有机物浓度就 较小，而且充足的曝气量带动气流的上升，对生物膜的剪切力就加大，有利于老 化的生物膜的脱落，防止过厚的生物膜堵塞滤料，影响物质的传递效率和去除能 力。但并不是曝气量越大越好，当曝气量过大时就会造成负面影响，特别是对可 生活性较差和污染物浓度较低的污水，在较大的曝气量的环境中，微生物容易营 养不良而消耗自身的营养物质，造成生物膜的脱落。 ( 3 ) p h 值 微生物的生长繁殖与p h 值的大小也有关系，p i 值既不能太大又不能太小。 对于好氧微生物最佳的进水p h 值为6 5 8 5 之间，如硝化反应是个耗碱过程，p h 值在7 0 一- , 8 5 最佳，超出这个范围，硝化细菌的活性就会明显下降，影响氨氮的 去除效果。 ( 4 ) 水力负荷 水力负荷主要影响生物膜上的微生物和污染物的接触时间和对生物膜的冲 刷程度，微生物氧化分解污染物需要一定的时间。