（环境工程专业论文）曝气生物滤池—超滤bafuf组合工艺处理二级出水试验研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导老师： 曝气生物滤池一超滤( b a f u f ) 组合工艺处理二级出水试验研究 环境工程 马迎霞 刘转年 摘要 ( 签名) ( 签名) 曝气生物滤池是2 0 世纪8 0 年代末在普通生物滤池的基础上，借鉴给水滤池而开发 的污水处理新工艺。至今已在欧美、日本等发达国家广为流行，目前世界上已有许多污 水处理厂采用了这种技术。超滤技术一般作为污水二级生化处理后的深度处理技术，主 要应用于去除生化处理过程中所不能去除的部分微细颗粒，超滤技术的利用，避免了传 统深度处理技术的絮凝、沉淀和过滤工艺单元繁琐、处理效果波动大和运行费用高的缺 陷。 将曝气生物滤池技术与超滤技术有机结合起来，充分发挥二者的协同作用，不仅能 有效去除二级出水中的c o d mn h 3 - n 、s s ，而且对二级出水中的色度和浊度也有很高 的去除率，最终能得到稳定、高质量的回用水。 采用曝气生物滤池对污水处理厂二级出水进行试验研究，深入分析不同的水力负 荷、有机负荷、氨氮负荷及滤层高度下，曝气生物滤池去除污染物的效果，试验结果表 明：水力负荷变化对曝气生物滤池去除污染物的影响大于有机负荷变化的影响：滤池对 不同污染物的去除存在各自的最佳滤层高度。 采用上流式曝气生物滤池与超滤组合工艺对西安市邓家村污水处理厂二级出水进 行深度处理，分析该组合工艺对二级出水中c o d 盯、n h 3 - n 浓度、色度、浊度的去除效 果。结果表明：组合工艺对c o d 。，、n h 3 - n 浓度、色度和浊度总的平均去除率分别达到 6 0 ，9 2 ，5 0 和9 9 ，处理效果良好。同时，曝气生物滤池工艺作为超滤预处理有 效降低了膜污染。 将曝气生物滤池一超滤膜组合工艺出水指标与城市污水再生利用水质指标进行对 比得出：组合工艺出水完全能满足城市污水再生利用城市杂用水、景观环境用水及城市 工业用水的苒生水质指标标准，出水水质良好，可以作为城市绿化、车辆冲洗、娱乐性 环境景观用水的再生水源。 关键词：曝气生物滤池；超滤；二级出水 研究类型：应用研究 s u b j e c t：e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o ns e c o n d a r ye f f l u e n tt r e a t m e n t b yb a f u fc o m b i n e dp r o c e s s 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 n a m e：m ay i n g - x i a i n s t r u c t o r ：l i uz h u a n - n i a n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b a f ) i sa n e ws e w a g et r e a t m e n tt e c h n o l o g yd e v e l o p e df r o mt h e g e n e r a lb i o f i l t e ra tt h ee n do f1 9 8 0 s u n t i ln o wi t h a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ne u r o p e ， a m e r i c a , j a p a na n do t h e rd e v e l o p e dc o u n t r i e s al a r g en u m b e ro fs e w a g et r e a t m e n tp l a n t s h a v eu s e dt h i st e c h n o l o g yi nt h ew o r l d u l t r a f i l t r a t i o ni si ng e n e r a la st h ed e p t ho fb i o l o g i c a l a d v a n c e dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya f t e rt h es e c o n d a r ys e w a g et r e a t m e n t ，a n di ti sm a i n l yu s e d t or e m o v et h ef i n ep a r t i c l e st h a tc a nn o tb er e m o v e db ys e c o n d a r ys e w a g et r e a t m e n t b yu s e o fu l t r a - f i l t r a t i o nt e c h n o l o g yt h ed e f i e c t sc a nb ea v o i do nf l o c c u l a t i o n ，s e d i m e n t a t i o n ，t e d i o u s f i l t r a t i o nu n i t s ，b i gf l u c t u a n tr e m o v a le f f e c ta n dh i g hc o s tr u n n i n go ft h et r a d i t i o n a la d v a n c e d t r e a t m e n tt e c h n o l o g y i nt h i sw o r kb a fa n du l t r a f i l t r a t i o nt e c h n o l o g ya r ec o m b i n e do r g a n i c l yt op l a yf u l l yt h e s y n e r g i s t i ce f f e c t t h ec o m b i n e dp r o c e s sc a n n o to n l ye f f e c t i v e l yr e m o v ec o d c f ，n h 3 - n ，s s ， b u ta l s oc o l o r i t ya n dt u r b i d i t yr e m o v a lr a t ea r ea l s oh i 曲f r o ms e c o n d a r ye f f l u e n t ，l t i m a t e l ya s t a b l e ，h i g h q u a l i t yr e u s ew a t e r c a l lb er e c e i v e d e x p e r i m e n t s o nu s i n gb a fp r o c e s st ot r e a ts e c o n d a r ye f f l u e n tf r o mw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n ta r ec a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h ei m p a c to fh y d r a u l i cl o a d i n gc h a n g i n go n p o l l u t a n t sr e m o v a li sg r e a t e rt h a nt h ei m p a c to fo r g a n i cl o a d i n gc h a n g i n g t h e r ea l et h e o p t i m a lf i l t e rh e i g h tf o rd i f f e r e n tp o l l u t a n t si nb a e ac o m b i n e dp r o c e s so fu p f l o wb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e ra n du l t r a f i l t r a t i o n ( b a f u f ) i s u s e dt ot r e a ts e c o n d a r ye f f l u e n to fx i a nd e n g ji a c u nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tf o rr e u s ei n t h i sp a p e r t h er e m o v a lr a t e so fc o d c r ，n h 3 一nc o n c e n t r a t i o n ，c o l o ra n dt u r b i d i t yf r o m s e c o n d a r ye f f l u e n ta r ea n a l y z e db yu s i n gb a f - u fc o m b i n e dp r o c e s st h er e s u l t ss h o wt h e t o t a la v e r a g er e m o v a lr a t e so fc o d e r , n h 3 - nc o n c e n t r a t i o n ，c o l o ra n dt u r b i d i t yb yc o m b i n e d p r o c e s sr e a c h e s6 0 ，9 2 ，5 0 a n d9 9 ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tb a f u f ：竺：e 。d ：r o c f e s s c a r lr e m o v e p 0 i l u t a n t s 舶m 舭s e c 。n d 哪e 们u e n te 腩c t i v e l y a s 誓粤n n ? o f u fm e m b r 觚ep r o c e s s ，b a fp r o c e s s c 赳1r e d u c et h em e m b r 觚ei 二l i ： s l g n i l i c a n t l y 一 。兰甜玎u 咖、概钉q 删时i n d i c a t o r s f r o mb a f u f c 。m b i n e d p r o c e s sa r ec o m p a r e dw i t h 兰：竺：s e w c a g e 唰e rr e c y c l i n g w a t e rq u a l i t ys t a n d a r d s n l er e s u l t si n d i c a t e d t h l ee ；二 咖叩8 1 1 ：c ? m n e d p r o c e s sc a l lc o m p e l e t l ym e e tt h eu r b 觚s e w a g ew a t e rr ei：urban 龋。m i s c e l l a 。r l e o u s ，1 a n d s c a p e 锄“n d 州a l u s ew a t e r r e c y c l i n g q u a l i t ys t a n d a r d s ，a n p d l 盖 ：1 u e n t s c 觚b eu s e da sr e n e w a b l ew a t e rs o u r c e s o fu r b a i lg r e e n i n gc i t i e s ，v e h i c l e w a s h i n g 。, t e ne r t a i n m e n t ，e n v i r o n m e n t a l l a n d s c a p e k e yw 。r d s ：b a f u f c 。m b i n e dp r o c e s s s e c 。n d a l ye f n u e n t t h e s i s 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：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 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 眺1 章朋 | 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题冉撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 指删懈：纠劲耳 口7 年谚月日 1 绪论 1 1 研究背景 1 绪论 1 1 1 水资源及水环境现状 我国是一个水资源严重短缺的国家。首先，我国水资源总量为2 8 1 2 1 0 1 3 m 3 d ，占 全世界水资源总量的6 ，但人均水资源量为2 2 3 8 6 m 3 ，仅相当于世界人均占有量的1 4 ， 是世界人均水资源极少的1 3 个贫水国之一l l j 。其次，随着人1 2 1 的增长和经济的发展，淡 水资源的需求量不断增加：同时，由于人为的不合理地利用，使本来短缺的淡水资源日 益紧张。据统计，我国用水年总需求量约6 0 0 0 亿m 3 ，而供水总量5 5 6 6 亿m 3 ，其中城市和 工业用水1 3 0 0 亿m 3 ，总缺水量3 6 0 亿m 3 。据专家预测，我国n 2 0 l o 年缺水量将达11 4 0 亿 m 3 ，2 0 3 0 年缺水量将达2 3 0 0 亿m 3 ，2 0 5 0 年缺水量将达3 7 1 0 亿m 3 ，全年因城市缺水影响 产值2 0 0 0 亿人民币以上，影响城市人口约4 0 0 0 万人【2 j 。据统计，全国6 6 9 个城市中，4 0 0 多个城市常年供水不足，其中有11 0 个城市严重缺水，日缺水量1 6 0 0 万m 3 r 3 j 。 一方面水资源严重短缺，另一方面随着城市的扩张，经济的发展，水环境污染状况 愈来愈严重。2 0 0 4 年7 大水系的4 1 2 个水质监测断面中，i i 类、v 类和劣v 类水 质的断面比例分别为：4 1 8 、3 0 3 和2 7 9 。主要污染指标为氨氮( n h 3 n ) 、五同 生化需氧量( b o d 5 ) 、高锰酸盐指数和石油类。2 0 0 4 年废水排放量为4 8 2 4 亿t ，其中工 业废水排放量为2 2 1 14 l t ，生活污水排放量为2 6 1 3 亿t ；化学需氧量( c o d 。，) 排放量为 1 3 3 9 2 万t ，其中工业排放量为5 0 9 7 万t ，生活排放量为8 2 9 5 万t ；氨氮( n h 3 - n ) 排放量 为1 3 3 0 万t ，其中工业排放量为4 2 2 万t ，生活排放量为9 0 8 万t 【4 】。全国7 大重点流域地表 水有机物污染普遍，特别是流经城市的河段有机污染较重，主要湖泊富营养化问题突出， 多数城市的地下水受到了一定程度的污染【5 】。水污染造成了很多的城市水质型缺水或水 量型缺水。 1 1 2 中水回用的必要性 中水因其水质及其设施介于上水道和下水道之间而得名，是指将人们在生活和生产 中使用过的水，经集流再生处理后，回用充当地面清洁、浇花、洗车、空调冷却、冲洗 便器、消防、景观等不与人体直接接触的杂用水。将污水处理为中水并加以利用的过程 就是中水回用【6 】，它具有以下三个特点：第一，中水回用能减轻污水治理工程的投资规 模、处理负荷，对实施中水回用者有利。另外，它还能促进区域水资源的有效利用。第 二，中水回用不得影响卫生方面，在利用时不得有嗅觉和视觉上的不快感，对管道、卫 西安科技大学硕士学位论丈 生设备等不能产生腐蚀和堵塞等影响，并要求有稳定、可靠的水处理技术，同时，要建 立相应的考核指标，便于监督、管理和监测，在维持必要的水质条件下，处理成本要求 经济、合理等。第三，中水的水质必须符合一定的水质标准1 7 j 。 城市污水再生利用城 市杂用水水质( g b t 1 8 9 2 0 2 0 0 2 ) 、城市污水再生利用景观环境用水水质 ( g b t 1 8 9 2 1 2 0 0 2 ) 已于2 0 0 3 年5 月1 日起正式实施。 水资源短缺和水环境污染己成为制约我国经济和社会发展的重要因素。解决城市水 污染和缺水问题的重要途径是中水回用。中水由于不受季节、气候等自然条件的影响， 是一个不容忽视的稳妥可靠的水资源。把妥善处理的中水合理回用于工业、农业和居民 生活，不仅可以节省大量资金，节约大量清水，保护环境，节约水资源，而且减少了居 民水费的支出，提高了居民的生活质量，对缓和水资源短缺状态具有重大的战略意义， 其社会效益和环境效益更是不言而唰引。 因此，中水这一城市污水经过处理达到国家有关规定的水质标准并可在一定范围内 重复使用的非饮用水，其再生回用已经成为开辟城市新水源，解决城市水资源不足，实 现社会可持续发展的一个重要途径。 1 2 中水回用现状及回用技术 1 2 1 国内外中水回用现状 世界各国对中水的回用十分重视，美国、加拿大、以色列等国已将中水广泛应用于 工农业灌溉、养殖业、市政绿化、生活洗涤、景观用水等方面。 美国十分重视污水回用，早在1 9 4 9 年加利福尼亚州地区水污染控制机构颁布了允许 使用中水作为农业灌溉用水，并在1 9 6 7 年、1 9 7 8 年进行了两次修订，进一步完善了中水 的使用规范【9 1 。1 9 7 7 年美国水法规定，凡申请联邦城市污水治理项目补助者，必须 同时提出结合进行污水回用的可行性研究报告，否则不予审批。在美国各州中，加利福 尼亚有关污水回用的立法与管理体制是最完备的，该州法规定：“将采取一切可能步骤 鼓励发展污水回用设施，以满足本州同益增长的用水需要 。并指示州政府，拨款资助 污水回用项目。该州的水质控制法还规定，当有中水可以利用时，禁止使用自来水 进行绿地浇灌。弗罗里达州根据其城市用水几种特点，大规模地施行双管供水系统，以 自来水4 0 左右的价格将中水供给高尔夫球场、城市绿化、住宅区的中水道用水。而德 克萨斯州，根据自己用水的传统和水文地质特点，采取“间接回用 模式，大规模进行 中水的地下回灌。 以色列是世界上最干旱的国家之一，相对于其他中东和北非国家f 面临着水资源缺 乏的环境问题。中水回用作为解决这一问题的策略之一以被广泛用于农业和城市灌溉。 目前在以色列每年大概产生大约5 亿m 3 的废水，包括农业、工业和其他废水，其中4 5 亿 2 1 绪论 m 3 的废水通过不同的污水处理技术被处理，3 t l m 3 的经处理过的废水被作为中水回用于 农田灌溉。据统计2 0 0 4 年以色列再生水回用率已达到8 4 ，预计至i j 2 0 1 0 年用于农业灌溉 的中水回用率将达到9 7 。以色列之所以取得如此惊人的成绩，除大力发展高科技外， 推行中水回用政策是一个非常重要的因素【lo 】。 在加拿大，中水主要应用在农业灌溉、高尔夫球场和城市景观用水。尤其在加拿大 西部地区已建立了较完善的中水灌溉系统。目前在加拿大北部地区也正考虑建立中水系 统，以减轻该地区水资源的压力【l 。 科威特也是一个干旱的国家，每年降雨量仅约l o o m m 。随着经济的发展与人口的增 加，科威特愈来愈面临着水资源短缺的危机。在这种环境下，中水作为重要的水资源被 广泛应用在农业灌溉、景观浇灌、地下水回灌、城市非饮用水等方面【l2 1 。 我国对城市污水处理与利用研究，早在1 9 5 8 年就开始列入国家科研课题，上世纪6 0 年代关于污水灌溉的研究已达到一定水平，上世纪7 0 年代中期，进行了城市污水以回用 为目的的污水深度处理小试，上世纪8 0 年代初我国青岛、大连、太原、北京、天津、西 安等缺水的大城市相继开展了中水回用于工业和民用的实验工程，并取得积极成果，不 少公用建筑亦建设了中水回用装型”j 。在“十五”计划初步安排中，国家要求对城市污 水处理量的1 0 作进一步的处理后回用，建设中水道。北京政府提出翌j 2 0 1 0 年中水使用 率要超过5 0 l1 4 1 。 北京在中水回用方面走在了全国的前列。全国最大的污水处理厂一高碑店污水处理 厂，在1 0 1 0 4 m 3 d 中水示范项目积累经验基础上，2 0 0 1 年完成了3 o 1 0 5 i n 3 d 规模的集中 中水处理和供应系统。酒仙桥污水处理厂和方庄污水处理厂也相继建设了中水设施。整 个北京市，已经建设配套的单位宾馆、机关污水处理和中水回用设施，主要污水处理厂 建设了以污水处理厂为中心的中水集中回用系统，目前正在加紧建设小区中水回用系 统。北京市目前中水主要回用在电厂冷却水、城市公园绿化、湖泊和河流补充水、道路 冲洗用水、建筑内冲厕用水、洗车用水等【l5 1 。 青岛市海泊河污水处理厂中水回用工程于1 9 9 9 年2 月投入运行【1 6 1 。该回用工程每年 可为城市提供1 4 6 0 x 1 0 4 m 3 回用水用于工业、市政绿化、冲洗等使用，为青岛市污水资源 化开辟了新的道路，由中水代替自来水，不仅可以每年为城市创造7 2 5 6 万元的收益，还 可为城市提供增 j 口4 8 亿元工业产值的供水条件。 天津开发区中水回用目前在全国处于领先水平，主要是敢于创新和利用最先进的技 术【l 。针对用户对水质的不同需要和污水处理厂出水水质的特点，进行有针对性工艺设 计，这样的中水回用系统运行稳定可靠，经济效益明显。天津开发区中水主要用户是森 林公园、工业企业以及景观湖泊。 1 2 2 中水回用技术 3 西安科技大学硕士学位论文 结合中水水源，根据水处理的分类，中水处理工艺按处理机理不同可分为物理化学 处理法、生物处理法、膜处理法、生物与物化法四大类i l 引。 ( 1 ) 物理化学处理法 物理化学处理法是以混凝沉淀( 气浮) 技术和活性炭吸附技术相结合的基本方式， 主要用于处理优质杂排水。其中混凝沉淀( 澄清) 过滤消毒是这类工艺中最具代表 性工艺。其工艺成熟、出水水质稳定，能有效去除二级出水中尚存的胶体物质、部分重 金属、有机污染物和细刮1 9 】。 ( 2 ) 生物处理法 污水中含有大量的有机物质和无机物质，污水的常规生物处理主要是去除污水中的 可降解的有机物质，利用好氧微生物的吸附、氧化作用，降解污水中有机物。生物处理 法包括好氧微生物、厌氧微生物和兼性微生物处理。中水处理中多采用好氧生物膜微生 物处理技术。如生物接触氧化法【2 0 1 、活性污泥法【2 1 2 3 1 等。近年来逐渐发展起来一些新型 的生物处理技术如曝气生物滤池等。 ( 3 ) 膜处理法 膜处理法属于物理处理或物理化学处理方法，是指利用膜技术来处理水，污水经过 粗滤后，再经膜过滤分离，使之符合一定的水质标准。膜按孔径大小可分为微滤( m f ) 、 超滤( u f ) 、纳滤( n f ) 和反渗透膜( r o ) 。超滤( u f ) 作为近年来发展完善的一种 新工艺，具有传统深度处理工艺不可比拟的技术优势，目前在中水回用中应用较为广泛 【2 4 j o ( 4 ) 生物与物化法 生物与物化法是将生物处理法与物化法组合起来应用的一种处理方法，目前膜生物 反应器是此方法中比较新的一种污水处理技术。可以同时去除水中胶体类杂质和溶解性 杂质，是一种经济、高效的小范围污水处理新工艺。 结合以上几种中水回用技术，目前常用的中水处理工艺归纳起来，主要包括以下几 种类型： 二级处理尾水一消毒一中水 二级处理尾水一过滤一消毒一中水 a o 处理出水一微絮凝过滤一氯消毒一回用 二级处理出水一化学混凝沉淀或气浮一过滤一氯消毒一回用 二级处理出水一生物接触氯化一接触过滤一氯消毒一回用 二级处理出水一生物曝气滤池一精密过滤一氯消毒一回用 二级处理出水一过滤一超滤膜生化反应器一回用 二级处理出水一粗滤一超滤膜一回用 。 二级处理出水一预过滤一超滤膜过滤一反渗透一回用 4 1 绪论 1 3 曝气生物滤池技术 1 3 1 曝气生物滤池( b a f ) 的工艺原理 曝气生物滤池( b a f ) 工艺属于生物处理法，是2 0 世纪8 0 年代末在普通生物滤池的 基础上，借鉴给水滤池而开发的污水处理新工艺。它以3 8 m m 的颗粒填料作为微生物膜 生长的载体，滤料层下部鼓风曝气，使空气与污水逆向或同向接触，当废水在垂直方向 上通过填料层时，填料上附着生长的生物膜利用水中的溶解氧对污染物进行氧化分解， 同时填料对废水中的悬浮物进行过滤截留，以去除废水中的污染物，从而达到处理废水 的目的【2 5 1 。在曝气生物滤池工艺中填料的选择对b a f 的设计和运行起关键的作用，同时 决定出水水质是否满足要求1 2 6 1 。在曝气生物滤池后部不设二沉池，通过反冲洗可以再实 现滤池的周期运行。 1 3 2 曝气生物滤池( b a f ) 的结构类型 根据水流方向，曝气生物滤池可分为上向流和下向流两种，早期的曝气生物滤池多 采用下向流，但由于下向流曝气生物滤池存在截污效率不高、易堵塞、运行周期短。因 此现在多采用气水同向的上向流曝气生物滤池。气水同向使得布水布气更加均匀，在气 水上升过程中把底部截流物带入曝气生物滤池的中上部，增加了滤池的截污能力，延长 了工作周期。而且避免了下向流曝气生物滤池将截流的污染物主要集中在填料的上部， 运行一段时间以后，会造成负水头现象，进而引起沟流现象。目前上向流曝气生物滤池 主要有b i o f o r 、b i o s t y r 、c o l o x 、d e e p b e d 、b i o p u r 等多种形式【2 7 乏9 】，按工程中使用的形 式曝气生物滤池可以分为四大类：即b i o c a r b o n e 、b i o f o r 、b i o s t y r 、b i o p u r ，其中b i o f o r 应用最为广泛1 3 0 j 。 ( 1 ) b i o f o r 生物滤池 b i o f o r 生物滤池的结构图如图1 1 所示。底部为气水混合室，之上依次为长柄滤头、 曝气管、垫层、滤料。目前一般采用上向流b i o f o r 生物滤池，所用滤料密度大于水，自 然堆积淹没在水中。污水从底部进入气水混合室，经长柄滤头配水后，通过垫层进入滤 层，在此进行c o d 。，、b o d 5 、n h 3 n 、s s 的去除。由于气水同向，截留在底部的s s 可 在气泡上升的过程中被带入滤池的中上部，从而增大了滤池的纳污能力，减少了反冲洗 频率。 5 西安科技大学硕士学位论文 曝气j 反冲气1 反冲出水 反冲水 进水 ( 2 ) b i o s t y r 生物滤池 b i o s t y r 生物滤池采用密度小于水的滤料，一般为聚苯乙烯小球。运行采用上向流， 在滤池的顶部设格网或滤板以阻止滤料流出，正常运行时滤料呈压实状态，反冲洗时采 用气水联合反冲洗，反冲洗采用下向流以冲散被压实的滤料小球，反冲洗出水从滤池底 部流出，b i o s t y f f _ 生物滤池与b i o f o r 生物滤池最主要的区别在于b i o s t y r 生物滤池是将曝气 管设于滤床中，人为地将滤床分为缺氧区和好氧区，并设有回流泵将出水回流至进水端。 按照曝气位置的不同可以控制硝化和反硝化反应进行的程度。b i o s t y r 生物滤池结构图如 图1 2 所示。 ( 3 ) b i o c a r b o n e 生物滤池 采用下向流，污水从滤池顶部流入，向下流出滤池，在滤池中下部进行曝气，气水 处于逆流，滤池上部主要起生物降解的作用，下部主要起截留s s 和脱落生物膜的作用。 b i o c a r b o n e 生物滤池结构图如图1 3 所示。在滤池内部由于生物膜内存在兼氧厌氧的环 境，在进行硝化的同时可实现部分的反硝化。随着滤池的运行，水头损失会越来越大， 当达到设计值时，需要进行反冲洗。 出水 出水 图1 2b i o s t y r 示意图图1 3b i o c a r b o n e 示意图 霞冲止掣 b 水 1 3 3 曝气生物滤池( b a f ) 的特征 ( 1 ) 池容较小，节省占地面积。曝气生物滤池工艺的b o d 5 容积负荷可达到 6 1 绪论 5 , - 6 k g ( m 3 d ) ，是常规活性污泥法的6 - - 1 2 倍，因此它的池容和占地面积只有活性污泥法 的1 1 0 左右，大大节省了占地面积和土建费用。 ( 2 ) 高质量的处理出水。z e b o d 5 容积负荷为6 k g ( m 3 d ) 时，其出水s s 和b o d 5 可保 持在1 0 m g l 以下，c o d 盯在6 0 m g l 以下。 ( 3 ) 运行费用低。供气能耗在所有好氧生物处理的运行费用中占了相当的比例， 曝气生物滤池工艺氧的传输利用效率很高，曝气量小，供氧动力消耗低。 ( 4 ) 抗冲击负荷能力强，耐低温。运行经验表明，曝气生物滤池可在正常负荷2 3 倍的短期冲击负荷下运行，而其出水水质变化很小。 ( 5 ) 易挂膜，启动快，设施可间断运行。实践证明滤料表面的生物膜在停止运行 后再次启动很快。 ( 6 ) 处理流程简单。由于曝气生物滤池对s s 的生物截留作用，使出水中的活性污 泥很少，故不需要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少。 ( 7 ) 曝气生物滤池采用模块化结构，便于后期改造、扩建。 1 3 4 曝气生物滤池在中水回用中的应用研究 曝气生物滤池在城市污水深度处理用于回用方面的研究国内外已有相关报道。在国 外，s k u r i b a v a s h i 3j 在1 9 9 2 年就发表了曝气生物滤池( b a f ) 用于污水深度处理的研究 结果，并将其和砂滤进行了对比，结果表明曝气生物滤池( b a f ) 和砂滤在去除s s 上没 有明显区别，但在去除b o d s 、c o d 。，方面曝气生物滤池( b a f ) 处理效果明显高于砂滤。 d h a b e y s i n g h e t 3 2 j 应用两个交替曝气的生物滤池对水产养殖业废水进行处理，发现有很 好的硝化、反硝化效果并且发现在交替周期为4 小时，对磷有4 0 的去除率，处理后的 水继续回用于养殖用水。在国内，清华大学对上向流曝气生物滤池深度处理城市污水的 工艺特性进行了研究，结果表明：上向流曝气生物滤池用于城市污水的深度处理有着良 好的处理效果，处理后的污水在c o d 。，、b o d 5 、s s 、n h 3 - n 和浊度上完全达到污水综 合排放的一级标准和生活杂用水水质标准【3 引。哈尔滨工业大学也对上流式曝气生物滤池 处理污水厂二级出水后回用于景观用水进行了研究，取得了预期的效果【3 4 1 。 近些年曝气生物滤池与其它水处理工艺结合组成多种组合工艺，在不同污染类型废 水的深度处理回用领域中应用研究愈来愈广泛。盛力等【3 5 】对曝气生物滤池( b a f ) 一混 凝沉淀工艺用于污水处理厂二级出水进行研究表明：曝气生物滤池( b a f ) 一高效混凝 沉淀组合工艺能稳定、有效地净化污水处理厂二级处理出水水质。该工艺对有机物 ( c o d 。，) 平均去除率为4 1 ；对n h 3 - n 去除效果非常好，平均去除率可达到9 2 3 5 ； 对悬浮物有稳定的去除效果，平均去除率为8 9 8 2 ；对t p 的平均去除率为4 2 7 4 ： 其出水满足回用水标准要求。武江津等【3 6 j 采用曝气生物滤池一生物活性碳工艺对炼油厂 二级出水进行深度处理，结果表明曝气生物滤池( b a f ) 和生物活性碳( b a c ) 滤速分 7 西安科技大学硕士学位论文 别低于4 2 4 m h 和1 4 1 m h 时，出水c o d 。，质量浓度平均值为5 0 m g l ，总平均去除率达 7 0 ，n h 3 - n 的去除率大于6 5 ，浊度去除率平均为4 8 8 9 ，平均出水浊度为4 4 6 n t u 。 其出水满足作为循环冷却水补充水的要求。宋国华1 37 j 利用曝气生物滤池( b a f ) 与膜生 物反应器( m b r ) 结合深度处理石化废水，表明该结合工艺对石油化工废水中浊度、 c o d 。，、石油类的处理效率分别为9 8 , - - 9 9 、8 6 9 6 、8 0 9 5 ，同时得出两者结 合在抗冲击、出水水质和运行成本上相对较好，有着较好的应用范围和发展前景。谢春 生等1 3 8 】采用曝气生物滤池一纳滤工艺对印染废水进行再生回用处理研究，结果表明，曝 气生物滤池对原水具有较好的处理效果，在水力负荷为1 0 2 m 3 m 2 h 时，c o d 。，的去除 率为3 1 4 ，纳滤系统的脱盐率平均为9 6 1 。该组合工艺的出水水质可满足设计的回 用水质要求，处理效果较为稳定。 1 4 超滤技术 超滤技术一般作为污水二级生化处理后的深度处理机技术，主要应用于去除生化处 理过程中所不能去除的部分微细颗粒，通过超滤技术的利用，避免了传统深度处理技术 的絮凝、沉淀和过滤工艺单元繁琐，处理效果波动大和运行费用高的缺陷，超滤系统作 为以后续处理单元，具备自动化程度高、处理效果稳定、出水水质可靠等优点。 1 4 1 超滤的基本原理 超滤是溶液在静压差的推动力作用下进行的液相分离过程，它的分离机理主要是靠 物理的筛分作用3 9 1 。以静压力为推动力的作用下，原料液中溶剂和小溶质粒子从料液侧 透过膜到低压侧，一般称为滤出液或者透过液，而大粒子组分被膜所阻拦。超滤对水中 的微粒、胶体、细菌、热源和各种有机物有较好的去除效果，但几乎不能截留无机离子。 其操作静压差一般为0 1 o 5 m p a ，膜通常为非对称膜，膜孔径为0 0 0 1 - 4 ) 1 l x m ，截留分子 量从1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 ，膜表面有效截留厚度较小( 0 1 1 0 1 x m ) 。 1 4 2 超滤膜组件类型 膜组件是用一定面积膜以某些形式组装成的器件。s t r a t h m a n 在论及膜科学技术的 最新发展时，对膜组件的评论是：各种膜组件的结构在过去几年中逐步有所改进，而且 生产成本明显下降，但是全新概念膜组件的开发非常少【4 0 1 。目前膜组件的形式主要有板 框式、卷式、管式、中空纤维及毛细管式【4 。 ( 1 ) 板框式膜组件 板框式膜组件的膜填充密度较低。膜、多孔膜支撑材料以及形成料液流道的空间和 两个端重叠压紧在一起，料液由料液空间引入膜面。这种组件最大的特点是可拆开清沈， 可用在污染较严重的体系。但缺点是结构复杂、不能反冲洗。 8 1 绪论 ( 2 ) 卷式膜组件 卷式膜组件类似卷起的板式系统，填充密度高，结构紧凑，单位体积膜面积适中， 是超滤和纳滤最常用的组件形式。近年开发的宽流道和可反冲洗的卷式组件已可用于超 滤膜。该膜组件的特点是清洗相对困难，对进水水质要求比较高。 ( 3 ) 中空纤维膜组件 中空纤维膜组件的单位膜面积最大，是价格最便宜的一种膜组件，可分为外压式和 内压式。内压式组件的分离层在纤维的内表面，使用时料液从组件的一端进入，在中空 纤维的内腔流动，在压力的作用下，一部分溶剂和小分子物质透过膜成为产水，另一部 分溶剂和大分子物质沿内腔流向组件的另一端，成为浓水。外压式与内压式相似，但纤 维的分离层在外表面，料液从组件的进水端进入中心布水管，并把料液均匀的分配开来， 浓缩液从组件的侧口排出，透过液在纤维内腔流向另一端。中空纤维膜组件可以用加压 水或空气进行反冲洗，清洗相对方便。早期的中空纤维膜组件纤维直径较细，主要用于 反渗透( r o ) 和气体膜分离。近年来开发了一些直径较大的中空纤维膜，主要用于微 滤( m f ) 和超滤( u f ) 。 ( 4 ) 管式膜组件 管式膜组件的膜管直径为1 0 - 2 0 m m ，有支撑管，可有多种结构形式。管式组件的 流体力学条件好，可大范围地调节料液的流速，能有效地控制浓差极化和结垢。该膜组 件的特点是容易机械清洗，进水中可有高总悬浮物。但其缺点是投资和运行费用高，单 位体积内膜的比表面积较低。 ( 5 ) 毛细管膜组件 毛细管膜组件的结构类似于管式组件，膜管直径为0 5 1 5 m m ，不用支撑管，料液 通过毛细管中心而滤出液沿毛细管壁下降，因此一般不耐压，但毛细管膜组件的投资费 用低；膜的填充密度比管式膜组件高，单位体积内膜的比表面积较大：传质阻力较大， 系统的操作压力受到局限，而且系统对操作出现的错误比较敏感。较小的毛细管内径容 易堵塞。因此在采用毛细管膜组件时料液要经过有效的预处理。 1 4 3 超滤膜技术特征 ( 1 ) 超滤膜过滤方式 超滤膜过滤方式可分为两种模式：死端过滤和错流过滤。死端过滤类似于砂滤，料 液垂直流过膜面，被截留的物质都沉积在膜的表面，溶剂及小分子物质透过膜。由于被 截留的物质在膜面不断积累，膜的过滤总阻力持续增大，随着过滤的进行，膜的渗透 率逐渐降低，滤饼层阻力也随着增加。需要对膜组件进行定期的清洗。死端过滤结构如 图1 4 所示。 9 幽i4 e 端过滤 采用错流过滤时，料液分成两端，料液主体沿膜面流动，透过渡垂直透过膜，高速 流动的料液能将沉积在膜面的物质带走，从而减慢过滤阻力的增长速度。防止了颗粒在 膜表面的沉积所以膜的渗透下降只是在运行之后小过饭快达到平衡。在这种情况下， 泥饼层厚度也达到平衡。另外，错流过滤所产生的流体剪切力和惯性举力能促进膜表面 被截留物质向流体主体的反向蓬动，从而提高过滤速度。其结构如图】5 所示。 需；= i ；i 互= b 揪 y 匕! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! j 。 o 母o o o o o 0 0 8 0 0 母立撑物 透过涟 幽l5 错流过滤 在两种过滤方式中，死端过滤回收率高，而膜污染严重；错流过滤尽管能减少污染， 但回收率太低。闩前在工业应用中经常采用错流过滤方式h ”。 ( 2 ) 超滤膜材料 膜材料可分为有机膜( 聚合物) 和无机膜两类。有机膜种类较多，包括聚酰胺类、 聚砜类、聚烯烃类等。无机膜相对种类较少，目前有陶瓷、沸石无机膜，但价格昂贵。 作为膜材料的要求是具有良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性，耐酸、碱、微生物侵 蚀、耐氧化性能。表1 1 列出了几种常用超滤膜的材料及优缺点。 表1 1 常用超滤膜材料及优缺点 1 绪论 1 4 4 超滤技术在中水回用中的应用研究 在国外，超滤膜技术在污水回用领域内的研究应用已十分普遍。我国对超滤技术的 研究过去大多集中在给水的深度处理。近年来有关超滤技术作为污水再生回用工艺的研 究逐渐成为热点。有研究表明，4 5 l 将超滤膜技术用于城市污水的深度处理，可以完全去 除污水中的细菌和大肠杆菌，有效地清除水中的s s ，并在一定程度上降低b o d 5 、c o d 卅 总氮和总磷等污染物浓度，获得稳定优异的中水水质。 近年来，超滤及其与其他水处理工艺组成多种组合工艺在不同类型废水深度处理中 的应用亦成为发展趋势。刘彬等【倒人采用超滤分离膜对油田污水进行深度处理研究，结 果表明超滤出水能达到特低渗透油田回注水水质标准；高嵩等【4 7 人】研究将抽吸式p v d f 中空纤维超滤用于钢铁污水厂二级出水的处理，结果表明p v d f 超滤膜可以有效去除水 中的浊度、细菌、胶体和有机颗粒，同时还具有较高的耐污能力，可以保持较长的生产 周期。杨晓华【4 8 】等采用活性炭吸附与超滤法对城市污水处理厂二级出水进行了深度处理 试验研究，结果表明超滤对水中浊度的去除率在9 5 以上，出水浊度在0 5 n t u 以下。对 有机物也有一定的去除效果。杨琦等【4 9 】采用超滤反渗透处理二级城市生活污水出水，结 果表明超滤反渗透处理后出水的c o d mt p 、t n 处理效率分别为9 0 、9 5 、9 5 以上。 出水完全满足城市污水再生利用景观环境用水水质标准可以回用于景观用水。胡保 安等1 5 0 j 人采用膜生物反应器( m b r ) 和超滤( u f ) 对某石化企业二沉池出水进行了深 度处理研究，结果表明：超滤( u f ) 系统出水浊度平均为o 1 8 n t u ，c o d 。，平均浓度为 2 2 1 m g l ，出水水质较高，系统抗冲击负荷能力强。 1 5 课题的提出 随着城市水资源短缺与水污染问题r 趋严重，城市中水回用作为解决这两大问题的 重要措施已受到越来越多的关注。目前采用的中水回用工艺如混凝沉淀( 澄清) 过滤 消毒、活性污泥法等工艺，在城市污水处理厂二级出水、住宅小区中水回用、建筑小区 中水回用等方面的应用都比较成熟，也取得了一定的效果，但普遍存在出水水质普遍较 低的缺陷，远远没有满足国家对中水回用的要求。因此本课题考虑采用一种新型的好氧 生物处理工艺( 曝气生物滤池) 结合膜处理法( 超滤技术) 对城市污水处理厂二级出水 进行试验研究。利用曝气生物滤池对二级出水中有机污染物及氨氮等的高去除率，超滤 膜对水中有机物的进一步去除及对浊度、病毒及微小的悬浮固体等的较好去除，组成联 合工艺，合理发挥二者的协同作用，最终达到对不同分子有机污染物的去除，得到高质 量的中水水质。 西安科技大学硕士学位论文 1 6 课题研究的目的、意义及内容 1 6 1 研究目的、意义 由于城市中水回用在我国的发展历