（环境工程专业论文）曝气生物滤池填料除污性能及运行特性的研究.pdf

中文摘要 摘要 本试验采用了两种不同的填料陶粒和瓷粒，以生活污水为处理对象，对曝气 生物滤池b i o f o r ( b i o l o g i c a lf i l t r a t i o no x i d i z a t i o nr e a c t o r ) 进行了试验，对两种填料去 除污染物的性能进行了比较，对不同高度的填料对污染物的去除效果进行了分析，以及 对反应器中出现的同步硝化反硝化现象作出了解释。主要研究结果如下： l 、将瓷粒作为曝气生物滤池填料处理生活污水的试验结果表明，瓷粒作为填料可 以有效地去除生活污水中的c o d e r 、n h 3 n 和s s ，其去除率分别达到8 0 、9 0 和8 0 以上，出水浓度分别为2 8 9 m g l 、o 9 4 m g l 和3 1 5 m g l ，对污染物的去除效果与陶粒 填料相当。 2 ，采用生活污水直接进行曝气生物滤池的启动，2 到3 周可完成挂膜过程，出水 c o d c ，和n h 3 n 去除率均达到7 0 以上，反应器运行稳定。 3 、当进水c o d e ，在7 5 3 9 1 8 4 8 m g l 之间波动、气水比为3 ：l 、在2 0 c m 填料高 度处、h r t 在5 1 2 h 范围内变化时，出水c o d c ，均在4 0 m g l 以下，填料层高度的继 续增加对c o d c ，的去除影响不大。在滤池出口处，c o d c ，去除率变化趋于平稳，故在曝 气量、温度、反冲洗等因素不受限制的条件下，适当加大水力负荷( 滤速) 对于硝化或 反硝化的曝气生物滤池是有利的。 4 、曝气生物滤池具有很好的硝化作用。进水n h 3 - n 浓度平均值在2 5 m g l 左右， 瓷粒和陶粒填料对n h 3 一n 的去除率均在9 0 以上，硝化作用的最佳床层高度为2 0 c m 。 随着高度的增加，n h 3 n 的去除率也略微增加，当床层高度超过8 0 c m 后，n h 3 - n 去除 率几乎保持不变。 5 、在填料层高o 1 2 0 c m 范围内，s s 的去除率随填料层高度的增加而增加，其中 最初的4 0 e m 厚填料层对s s 的去除最为显著，陶粒的去除率达7 5 7 ，出水s s 为 2 3 6 7 m g l 。瓷粒的去除率达到5 5 7 ，出水s s 为5 2 9 4 m g l ，陶粒对s s 的去除率高于 瓷粒。继续增加填料层高度，则s s 去除率增加缓慢。 6 、当进水流量为1 5 l h 、曝气量为4 5 l h 时，陶粒填料溶解氧浓度的最高点出现 在填料层厚度为6 0 e r a 处，而瓷粒溶解氧浓度的最高点则出现在8 0 e r a 处，在溶解氧浓 度最高点之前溶解氧浓度随填料层高度逐渐上升。 7 、通过对反应器不同取样口处n h 3 - n 、n 0 3 一- n 和n 0 2 - - n 的分析来对曝气生物 滤池内的硝化反硝化特性进行研究，并对硝化过程中出现的氮转化现象做出分析。大量 氮流失是因为供氧受限时，生物膜内部存在厌氧区为厌氧氨氧化菌提供了生存环境，反 应器内发生了自养反硝化作用。 8 、试验发现，曝气生物滤池中生物膜的形态、颜色和厚度以及微生物种群结构沿 水流方向变化明显，生物膜分布不均匀。 江南大学硬土学位论文 礤气生勃簿癌填辩豫污强能爱逞 亍鸯静构磷究 关键词：曝气生物滤池，生活污水，载体填料，处理效果，域料层高度，溉硝酸 盐积累，硝化反硝f t ，自养反硝化 i l a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i se x p e r i m e n t ，t w od i f f e r e n tc a r r i e rm e d i a ，c e r a m s i t ea n dp o r c e l a i n ，w e r eu s e dt o t r e a td o m e s t i cw a s t e w a t e ri n b i o l o g i c a lf i l t r a t i o no x i d i z a t i o nr e a c t o r ( b i o f o r ) b y c o m p a r i n gt h er e m o v a le f f e c tw i t ht h et w od i f f e r e n tc a r r i e rm e d i a ，a n a l y z i n gt h er e m o v a l e f f e c ta td i f f e r e n tb e dm a t e r i a lh e i g h ta n de x p l a i n i n gt h ep h e n o m e n o no fs i m u l t a n e o u s n i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o ni nt h er e a c t o r ，t h em a i nr e s u l t sw e r ec o n d u c t e da sb e l o w ： 1 、b yu s i n gc e r a m s i t ea sc a r r i e rm e d i at ot r c a td o m e s t i cw a s t e w a t e ri nt h eb 1 0 f o r t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tc e r a m s i t ec o u l db eu s e da sc a r r i e rm e d i at or e m o v ec o d c r , n h l na n ds si nt h ew a s t e w a t e re f f e c t i v e l y t h er e m o v a le f 甄e i e n e yo fc o d c r , n h 3 - na n d s sw a s8 0 、9 0 a n d8 0 r e s p e c t i v e l y , a n dt h ee f n u e n tc o n c e n t r a t i o no fc o d e r , n h 3 一n a n ds sw a s2 8 9 m g l 、o 9 4 m g la n d31 5 m g l r e s p e c t i v e l y , w h i c hw a sc o m p a r a b l et ot h e r e m o v a le f f e c tw h e nu s i n gp o r c e l a i na sc a r r i e r m e d i a 2 、d o m e s t i cw a s t e w a t e rw a sa d o p t e dt os t a r tt h eb i o f o r t h ep r o c e s so ff o r m i n g b i o f i l mw a sc o m p l e t e di n2 3w e e k s ，w h e nc o d c ra n dn h 3 一nr e m o v a le f f i c i e n c yi ne f f i u e n t r e a c h e d7 0 a n dt h er e a c t o rr u ns t a b l e l y 3 、w h e nc o d e ，i ni n f l u e n tw a s7 5 3 9 - 1 8 4 8 m g l ，t h er a t i oo f g a st ol i q u i dw a s3 ：1a n d h l 汀w a s5 - 1 2 ha tt h eb e dm a t e r i a lh e i g h to f2 0 c m ，t h ec o d c ri ne m u e n tw a sa l w a y su n d e r 4 0 m g la n df u r t h e ri n c r e a s eo fb e dm a t e d a lh e i g h th a sa l m o s tn oe f f e c to nt h er e m o v a lo f c o d c f a tt h ee x i to ft h er e a c t o r , c o d c rr e m o v a le f ! f i c i e n c yw a ss t a b l e s oi tw a sc o n c l u d e d t h a t a p p r o p r i a t e l yi n c r e a s i n gh y d r a u l i cl o a d i n g w a sb e n e f i c i a lt ot h eb i o f o rf o r n i t r i f i c a t i o no rd e n i t r i f i c a t i o nw i 血o u tl i m i t i n gt h ef a c t o r ss u c ha sa e r a t i o nd e m a n d 、 t e m p e r a t u r ea n db a c k w a s h i n g 4 、b i o f o rh a dg o o df u n c t i o no f n i t r i f i c a t i o n w h e nt h ea v e r a g en h r nc o n t e n t r a t i o n i ni n f l u e n tw a sa b o u t2 5 m g l ，t h en i - 1 3 - nr e m o v a le f f i c i e n c yw i t hp o r c e l a i no rc e r a m s i t ea s c a r r i e rm e d i aw a sb o t ha b o v e9 0 t h cb e s tb e dh e i g h tf o rn i t r i f i c a t i o nw a s2 0 c m w i t ht h e i n c r e a s i n go ft h eb e dh e i g h t ，n h 3 - nr e m o v a le f f i c i e n c ya l s or a i s e ds l i g h t l y w h e nt h eb e d h e i g h tw a sm o r et h a n8 0 c m ，n h 3 一nr e m o v a le f f i c i e n c ya l m o s tu n c h a n g e d 5 、w h e nt h eb e dm a t e r i a lh e i g h tw a sw i t h i n0 1 2 0 c m t h er e m o v a le f n c i e n c yo f s sw a s e n h a n c e dw i t ht h ei n c r e a s eo fb e dm a t e r i a lh e i g h t t h eb e s tr e m o v a le m c i e n c yo fs s o c c u r r e dw h e nt h eb e dm a t e r i a lh e i g h tw a s4 0 c mi n i t i a l l y , w h e nt h es sr e m o v a le f f i c i e n c y w a s7 5 7 a n ds si ne f f i u e n tw a s2 3 6 7 m g lw i t ht h ec a r r i e rm e d i ao fp o r c e l a i n i ft h e c a r r i e rm e d i aw a sc e r a m s i t e t h es sr e m o v a lr a t ea r r i v e da t5 5 7 a n ds si ne m u e n tw a s 5 2 9 4 m g lc o r r e s p o n d i n g l y i nc o n t r a s t ，p o r c e l a i nw a sb e t t e rt h a nc e r a m s i t ef o rs sr e m o v a l t h es sr e m o r a le m c i e n c yr i s e ss l o w l yw i t ht h ef u r t h e ri n c r e a s eo fb e dm a t e r i a lh e i g h t 6 、w h e nt h ei n f l u e n tw a s1 5 l l la n da e r a t i o nd e m a n dw a s4 5 l h t h eh i g h e s td i s s o l v e d o x y g e nc o n c e n t r a t i o no c c u r r e da tt h eb e dm a t e r i a lh e i g h to f6 0 c mw i t ht h ec a r r i e rm e d i ao f p o r c e l a i na n d8 0 c mw i t ht h ec a r r i e rm e d i ao fc e r a m s i t e b e f o r et h eh i g h e s tp o i n t ，d i s s o l v e d o x y g e nc o n c e n t r a t i o ng o e su pw i t ht h ei n c r e a s eo fb e dh e i g h t i i i 江南大学硕士学位论文 曝气生物鹰池填料除污性能盈运行特性的研究 7 、i tw a sc a r r i e do u tt os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i co fn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o ni n b i o f o rb ya n a l y z i n gn h 3 - n 、n 0 3 一n 和n 0 2 一- na td i f f e r e n tb e dh e i g h t a tt h es a m e t i m e n i t r o g e nt r a n s f o i t i ii nt h ep r o c e s so fn i t r i f i c a t i o nw a sa l s oa n a l y z e d w h e ns u p p l i e d o x y g e nd e m a n dw a sl i m i t e d ，ag r e a ta m o u n to fn i t r o g e nl o s sw a sd u et ot h ea u t o t r o p h i c d e n i t r i f i c a t i o ni nt h er e a c t o r ，w h e r ea n a e r o b i cd i s t r i c ti nt h ei n n e ro fb i o f i l ms u p p l i e ds u r v i v a l e n v i r o m e n tf o ra n a e r o b i ca t o m o n i ao x i d i z a t i o nb a c t e r i a 8 、ag r a d u a lv a r i a t i o no fb i o f i l mm o r p h o u s c o l o u r , t h i c k n e s sa n dt h ed o m i n a n t m i c r o o r g a n i s ms p e c i e sa l o n gt h ew a t e rf l o ww a so b s e r v e da l o n gt h eb i o f i l mi nb a e i tw a s a l s of o u n dt h a tt h ed i s t r i b u t i o nw a sn o n u n i f o t mi nt h eb i o f i l m k e y w o r d s ：b i n l o g i e a la e r a t e df i l t e r d o m e s t i cs e w a g e ，c a r r i e rm e d i a ，t r e a t m e n te f f e c t b e dm a t e r i a lh e i g h t ，a c c u m u l a t i o no fn i t r i t e ，s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n - d e n i t r i f i e a t i o nr a u t o t r o p h i cd e n i t r i f i c a t i o n 独创性声绢 本人声明所呈交的学位论文是本人在婚师指导下谶行的研究工 髂及取褥瓣研巍成果。尽我所繁，滁了文中特澍擞璐糠注窥致遴酶遮 方终，谂文孛不寇含箕链人已经发表或蒺霉过豹疆究成聚，也不镪含 本人为获褥江露大学或其它教露枫橡的学位壤证书面使腊过的誊| 料。 与貔一同工作的同志对本研究所做的任何赞献均融在论文中律了明 确的说明并表示谢镦 签名：盘瞧譬期；洳g 年善嚣列篷 荚子论文攘用授蔽的说明 零学健论文榫者党金了掰泼南犬学有关保留、使用学位论文的灏 定：江毒大学有权嚣窳劳鑫国家窍关帮门或祝撵送交论文懿菱窜徉霖 磁盘，允许论文被尝阅和借阴，可l ：将学位论文的全部绒部分内容编 入寿关数据库送行獠索，可淤采蠲影印、缩牮或据臻等笺掰手段保存、 汇编学位论文，并嚣零人电子义档的内容帮纸质论文酌内容褶一致。 保密熬学位论文农解密嚣毽遵守惩怒宠。 i 坼k e t 鬻抛石年；舟知e l 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 我国水资源匮乏，但水资源浪费却很严重；工业废水排放量大，然而工业用水重 复利用率低。近年来，尽管我国在水污染防治方面做了很多工作，但水污染的发展趋势 仍未得到有效控制，许多江、河、湖泊、水库的水质仍在下降。2 0 0 4 年全国污水排放 总量为6 9 3 亿吨，其中工业废水占2 3 ，第三产业和城镇居民生活污水占1 3 ，污水处理 厂7 0 9 个，污水处理率仅为1 5 左右，况且这些污水处理厂并未完全运转，有近一半污 水未经处理直接排出；全国居住了9 亿多人口的小城镇、村庄有多数没有污水处理设施， 由此导致了严重的水环境污染。日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能，进一步 加剧了水资源短缺的矛盾，对我国正在实施的可持续发展战略带来了严重的负面影响， 而且还严重地威胁到城乡居民的饮水安全和人民群众的健康。2 0 0 5 年1 1 月发生的松花 江水污染事件再次给人类敲响了警钟。水资源短缺和水环境污染及水资源浪费造成的水 危机已经构成我国社会、经济发展的重要制约因素，在某些地区，甚至对人民基本生存 条件造成极大威胁。 随着水环境污染、水体富营养化、节水问题的尖锐化以及公共环境意识的增强， 越来越多的国家和地区制定了更严格的排放标准。我国正在执行的城镇污水处理厂污 染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 就对n 、p 等污染物的去除提出了较高的要求。而现 有城市污水处理中的活性污泥法难以达到该要求。为此，必须建立新的污水厂或对现有 污水厂进行改造，便之具有脱n 除p 的功能。同时，我国的污水处理厂多数建在城市 的郊区。城区中心大量的废水输送到郊区的污水处理厂，费用很高，其投资占水处理总 投资的8 0 ，同时，建在城区的污水厂的土地使用及传统的污水处理厂不可避免地要产 生异味和噪音等诸多客观问题，这就使得水处理技术人员必须寻找新的污水处理技术来 解决这些问题。若能采用处理效率高、占地面积小、能耗低的污水处理技术来实现城区 污水就地处理与回用，意义十分重大。 实践表明：曝气生物滤池工艺是最为经济有效的解决这些问题的处理方法之一【i l ， 它能够克服传统活性污泥法的一些缺点，如：占地面积大、基建投资高、处理负荷低、 经常出现污泥膨胀、启动慢、不能对冲击负荷做出快速反应等现象，因此，对这种高效 率、低能耗且占地面积小的污水处理技术曝气生物滤池其工艺性能的研究与试验具 有十分重要的意义。 曝气生物滤池( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ，以下简称b a f ) 是在生物接触氧化工艺的 基础上结合饮用水处理中普通快滤池的思想而产生的一种新型的好氧废水处理工艺，7 0 年代末8 0 年代初出现于欧洲，其突出特点是在一级强化处理的基础上将生物氧化与过滤 结合在一起，滤池后部一般不设沉淀池，通过反冲洗恢复滤池的周期运行。由于其良好 的性能，应用范围不断扩大，在经历了8 0 年代中后期的较大发展后，到9 0 年代初已基 江南大学硕士学位论文 曝气生物滤他填料除污性能及运行特性的研究 本成熟。9 0 年代以后，b a f 的发展方兴未艾，工艺形式不断推陈出新f 引。目前在欧、美 和日本等国家己广泛应用这种工艺来处理城市污水、小区生活污水、生活杂排水和食品 加工废水及酿造等有机废水，国内外对曝气生物滤池工艺的结构形式、除污功能、运行 启动及填料介质等进行了日趋深入的研究，也取得了良好的进展，但就总体而言，b a f 在国内的应用尚处于起步阶段。因而，如何根据该工艺的特点，分析研究其适合国内废 水特点、技术水平及处理要求的工艺运行方式，并提出合理的工艺设计方法和运行控制 条件，对于工艺优化和促进应用很有必要p 】。曝气生物滤池技术在污水处理领域的推广和 应用将会产生较大的经济效益和社会效益，也将掀开了城市污水处理工艺的新篇章。 1 2 曝气生物滤池工艺简介 1 2 1 曝气生物滤池工艺原理 b a f 工艺类型和操作方式有多种，各具特点，但其工艺原理基本一致。曝气生物 滤池处理污水的原理是反应器内填料表面所附生物膜中微生物氧化分解作用，填料及生 物膜的吸附阻留作用和沿水流方向形成的食物链分级捕食作用以及生物膜内部微环境 和厌氧段的反硝化作用j 。 曝气生物滤池借鉴了生物接触氧化反应器和深床过滤器的设计原理，省却了二次 沉淀设备。b a f 反应器为周期运行，从丌始过滤到反冲洗完毕为一个完整的周期。预处 理的污水从滤池底部或顶部进入，并在底部进行曝气。污水流经填料层时，有一部分污 水、污染物和细菌附着在填料表面上，微生物便在填料表面大量繁殖，不久，形成一层 充满微生物的粘膜，称为生物膜。 随着过滤的进行，由于填料表面新产生的生物量越来越多，截留的s s 不断增加， 在开始阶段水头损失增加缓慢，当固体物质积累达到一定程度，会在滤层形成堵塞，并 且阻止气泡的释放，将会导致水头损失很快达到极限，此时应立即进行反冲洗再生，以 去除滤床内过量的生物膜及s s ，恢复处理能力。反冲洗采用气水联合反冲，在气水对 填料的流体冲刷和填料间的相互摩擦下，老化的生物膜和被截留的s s 与填料分离，冲 洗下来的生物膜及s s 在漂洗中被冲出滤池，反冲洗污泥回流至预处理部分。 曝气生物滤池中生物膜的培养与形成是该反应器能否正常运行的关键。生物膜形 成的关键是微生物在载体表面的固定。微生物向载体表面的输送有主动运输和被动运输 两种方式，主动运输起着主导的作用。微生物转移到载体表面后，首先形成的是可逆附 着，可逆附着实际上是一个附着与脱析的双向动态过程；不可逆附着是微生物在可逆附 着过程中分泌的粘性代谢产物将载体表面牢牢地粘封住。使得附着过程成为不可逆，不 可逆附着是微生物膜群落的基础。污水中的有机物被生物膜上的微生物氧化分解， n h ，- n 被氧化成n 0 3 n 。在反应器内部存在着不同的好氧、缺氧区域，可同步实现硝化 和反硝化，在去除有机物的同时达到脱氮的目的。 2 第一章绪论 1 2 2 曝气生物滤池结构构造 1 2 2 1 滤池池体 滤池池体的主要作用是容纳处理水、围挡填料、承托填料和曝气装置的重量。曝 气生物滤池的形状有圆形、正方形和矩形三种，工程中常见的结构形式有钢制设备和钢 筋混凝土结构等。 1 2 2 2 承托层 承托层主要是为了支撑填料，防止填料流失和堵塞滤头，同时还可以保持反冲洗 稳定进行。承托层常用的材质为卵石或赤铁矿。为保证承托层的稳定，并对配水的均匀 性起充分作用，要求所用的材质具有良好的机械强度和化学稳定性，形状应尽量接近圆 形，工程中一般选用鹅卵石作为承托层。 1 2 2 3 布水系统 布水系统主要包括滤池下部的配水室和滤板上的配水滤头。对于上向流滤池，配 水室的主要作用是使某一短时段内进入滤池的污水能在配水室内混和均匀，并通过配水 滤头均匀流过填料层。该布水系统除作为滤池正常运行时布水用之外，也作为定期对滤 池进行反冲洗时布水用。 1 2 2 4 布气系统 曝气生物滤池内的布气系统包括正常运行时曝气所需的曝气系统和进行气水联合 反冲洗时的供气系统两部分。保持曝气生物滤池中足够的溶解氧是维持曝气生物滤池内 生物高活性、对有机物和氨氮高去除率的必备条件，因此选择合适的充氧方式对曝气生 物滤池的稳定运行十分重要。曝气生物滤池一般采用鼓风曝气形式，最简单的曝气装置 可采用穿孔管现在国内外曝气生物滤池常用生物滤池专用曝气器作为滤池的空气扩散 装置。 l 225 反冲洗系统 一般采用气水联合反冲洗。曝气生物滤池的反冲洗是通过测定运行时间、填料层 阻力损失、水质参数等指标来完成的，实际工程中可以由在线检测仪表将检测数据反馈 给p l c ( 可编程序控制器) ，并由p l c 系统来自动控制和操作。 1 2 2 6 出水系统 曝气生物滤池的出水系统有采用周边出水，也有采用单侧堰出水。在大、中型污 水处理工程中，为了工艺布置方便，采用单侧堰出水较多。 扛南大学硕十学位论文 曝气生物滤地填料除污性能及运行特性的研究 除以上几个部分以外，对于城镇污水处理厂，由于污水处理规模较大，一般有若 干组滤池模块拼装而成，而且在运行中还要根据需要进行若干组滤池之间的切换，为提 高滤池的处理能力和对污染物的去除效果，所以必须有p l c 控制系统来自动完成对滤 池的运行控制，需要设置必需的自控系统。自控系统曝气生物滤池既要完成对有机污染 物的降解功能，也要完成对污水中各种颗粒、胶体污染物以及老化脱落的微生物膜的截 留功能，同时还要完成实现滤池的反冲洗，这两种方式交替运行。 1 2 3 曝气生物滤池工艺类型 曝气生物滤池的形式在进水方式、填料选择和使用功能上各有所不同，分别可分 为上向流曝气生物滤池和下向流曝气生物滤池；悬浮填料曝气生物滤池和沉没填料曝气 生物滤池；去碳曝气生物滤池、硝化曝气生物滤池、反硝化生物滤池、水源水预处理曝 气生物滤池和组合曝气生物滤池等等1 4 1 。目前工程中曝气生物滤池的使用形式可以分为 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 和b i o p u r ，其各自构造特点如图1 3 所示，b i o p u r 的形式与b i o f o r 的形式基本相同，只是b i o p u r 的填料是根据不 同水质采用波纹板、陶粒或砂，以取得不同的处理效果。图1 1 是b i o c a r b o n e 、 b i o f o r 和b i o s t y r 的结构示意图。根据水流方向其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，如b i o c a r b o n e 【5 1 。由于下向流曝气生物滤池的纳 污效率不高、易堵塞、运行周期短，因此现在多采用上向流方式( 即采用气水同向流) ， 使布水、布气更加均匀。同时，在水气上升过程中可把底部截留的s s 带入滤池中上部， 增加了滤池的纳污能力，延长了工作周期，因而升流式b a f 具有比降流式更广的适用 性1 3 j 。目前，上向流曝气生物滤池有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 r m 、b i o p u r 等多种形式l o 7 j ，其中b i o f o r 应用更为广泛，其中以轻质陶粒为填料的b i o f o r 应用 最为广泛【8 】。本论文的试验装置采用的就是上向流的b i o f o r 。并且，其中一个反应器 的填料就选用了轻质陶粒。 ( 1 ) b 1 0 c a r b o n e 掰 高进q ，p 止1 一仁= 拳= 。畸赢 醇科 正常进气 反冲遵气 ( 3 ) b i o s t y r 图l 一1b i o c a r b o n e 、b i o f o r 和b i o s t y r 的结构示意图 f i g1 一is c h e m a t i cd i a g r a mf o rs t r u c t u r eo fb i o c a r b o n e ，b i o f o ra n db i o s t y r 4 第一章绪论 1 2 4 曝气生物滤池工艺流程 由于b a f 中丰富的生物相及其类似于快滤池对进水s s 的良好截留功能，因而具 有良好而稳定的处理效果。与传统生物处理工艺相比，其实现不同处理要求的工艺流程 较为简单，主要由预处理( 沉淀或水解) 和b a f 两部分组成【”。单个曝气生物滤池可 完成碳化、硝化、反硝化、除磷等功能，与其他工艺组合可进行一般城市污水或工业废 水的二级或三级处理。表1 1 是采用曝气生物滤池处理污水的典型流程。 表1 - 1 曝气生物滤池处理污水的典型流程 t a b l e1 - 1t y p i c a lp r o c e s so f w a s t e w a t e rt r e a t m e n to f b a f 功能典型流程 碳化 碳化+ 硝化 碳化+ 硝化+ 反硝化 碳化+ 硝化+ 反硝化 化学沉淀+ 曝气生物滤池碳化 化学沉淀+ 曝气生物滤池碳化硝化 化学沉淀+ 曝气生物滤池碳化硝化+ 反硝化 活性污泥+ 曝气生物滤池硝化+ 反硝化 由于各功能的实现对填料粒径大小和滤层厚度、负荷、曝气等参数的要求不尽相 同，以前一般认为不宜把各种功能放在同一个曝气生物滤池中完成。但现在研究者对在 一个曝气生物滤池中完成碳化+ 硝化、硝化+ 反硝化、硝化+ 生物除磷、硝化+ 化学除磷 和反硝化+ 生物除磷等组合功能进行了尝试和探讨，均取得了一定的研究成果【9 】。 b a f c n - i - 艺流程，具有去碳和硝化的功能。原废水经沉淀或水解预处理后，进入b a f 并借助于b a f 中生长在填料表面并保持在好氧条件下的生物膜的作用，实现有机物的 去除和氨氮的硝化。当对废水的氨氮排放有要求时可采用此工艺。b a f d n 段除具有反 硝化脱氮能力外，还具有明显的去碳功能，b a f d n 和b a f c n 均需曝气，由于曝气 作用，在b a f d n 的底部实现碳的去除，同时利用该池填料层中d o 底部多上部少的分 布规律，在其上部实现反硝化。 1 2 5 曝气生物滤池优缺点比较 通过与其它生物处理技术的比较，不难看出曝气生物滤池具有以下显著的优点i h2 1 ： l 、较小的池容和占地：占地面积只是常规二级生物处理的1 1 0 w 1 5 ，这一点对于 沿海城市，或土地较昂贵的开发区或经济发达的地区具有重要意义。而对于一些厂区用 地紧张的情况，也可找到解决的办法。 2 、高质量的出水：b a f 的处理出水不但可以满足环保排放标准，同时，可被用于 水的回用。我国目前水资源紧缺，经b a f 处理并消毒后的出水，可用于一般用途的水 回用，冷却杂用水等。 3 、简化流程：b a f 省去了二沉池和污泥回流设施。 江南大学硕士学位论文曝气生物滤池填料除污忭能及运行特性的研究 4 、基建费用和运转费用低：b a f 的基建费用和运转费用大大低于传统常规二级处 理技术的费用。 5 、微机自动化控制：b a f 实现了微机自控，不仅包括设备的运转自动化控制，而 且可实现运转数据的时时显示，有存贮、报表打印等功能。 6 、可靠性高；b a f 抗冲击负荷能力强，无污泥膨胀问题，一段时间不运转( 几天 或几个月) ，微生物不会流失，几天内即可恢复到正常处理水平。 虽然，曝气生物滤池与其它生物处理技术的比较有许多优点，但是，在对进水水 质的要求、处理水的提升高度以及反冲洗的操作等几方面还存在着一些不足之处，具体 如下： 1 、曝气生物滤池对进水的s s 要求较高，为使之在较短的水力停留时间内处理较 高的有机负荷并具有截留s s 的功能，采用的填料粒径一般都比较小。如果进水的s s 较高，会使滤池在很短的时间内达到设计的水头损失而发生堵塞，这样就必然导致频繁 的反冲洗，带来了运行费用增加与管理不便等问题。根据国外的运行经验，进水的s s 一般不超过1 0 0m g 1 ，最好控制在6 0m g l 以下。这样就对曝气生物滤池的前处理工艺 提出了较高的要求。 2 、采用曝气生物滤池，水头损失较大，水的总提升高度大，曝气生物滤池虽具有 截留s s ，代替二沉池的功能，但同时伴随着其水头损失较大的问题。一般来说，水头 损失根据具体情况，每一级为1 2 m ，这样就在整体上加大了水的总提升高度。 3 、采用曝气生物滤池工艺，在反冲洗操作中，短时间内水力负荷较大，反冲出水 直接回流入初沉池会对初沉池造成较大的冲击负荷。因此该工艺省去了二沉池，但需增 设污泥缓冲池，反冲出水一般先流入污泥缓冲池，而后缓慢回流入初沉池，以减轻对初 沉池的冲击负荷。此外，因设计或运行管理不当还会造成填料随水流失等问题 1 0 o 1 3 影响曝气生物滤池处理工艺的关键要素 1 3 1 填料 填料是曝气生物滤池的关键部分，对曝气生物滤池的功效有直接的影响，同时也 影响到曝气生物滤池的结构形式和成本【9 1 。目前，常用的b a f 填料主要有石英砂、轻 质陶粒及塑料颗粒等。根掘运行方式的不同，b a f 所使用的填料也有所不同例。降流式 b a f ( 如b i o c a r b o n n e ) 一般使用大比重颗粒填料( 如石英砂) ；而升流式( 如b i o f o r 和b i o s t y r 等) 则采用轻质填料，其中b i o f o r 采用轻质陶粒填料，b i o s t y r 则使 用比重小于水的聚苯乙烯球形颗粒，石英砂比重大，机械强度好，一但粒度小，其比表面 积及空隙率均较小，因而其填料层中的生物量较少、填料层的阻力较大，因此其运行负 荷不宜过高，且对进水中的s s 有严格的要求。与此相反，轻质陶粒填料和聚苯乙烯球 形颗粒填料的粒度、比表面积及空隙率均较大，其生物量亦大，运行时负荷高，水头损 失较小。国外的实际运行表明，b i o f o r 和b i o s t y r 在处理能力和处理效果上明显优 于b i o c a r b o n e 。k e n t 等对7 种常用的b a f 填料的研究表明：由膨胀页岩加工生产 6 第一章绪论 的陶粒填料是最适于b a f 的生物填料。 填料的粒径主要与b a f 的功能和运行方式有关。不同粒径填料对b a f 处理效果影 响的研究表明，小粒径填料有利于提高处理效果和脱氮，但不适应高水力负荷，容易堵 塞，运行周期较短，填料不易清洗，所需反冲洗水量较大；大颗粒填料可克服上述问题， 但其脱氮效能和对s s 的去除能力有所下降l 。目前，根据b a f 的处理功能，所采用的 填料粒径普遍为2 o 6 0 r a m 。k e n t 等人也做了类似试验，结果表明，填料粒径为2 4 m m 时，曝气生物滤池的硝化功能比填料粒径为4 8 m m 和5 6 1 1 2 m m 时的要好得 多。目前，曝气生物滤池普遍采用的填料粒径为3 6 m m ，滤层厚度为3 4 m 【l “”】 1 3 2 负荷 负荷是b a f 工艺设计的关键参数，一般采用水力负荷【m 3 ( m 2 h ) ( 或滤速) 】和有 机容积负荷 k g ( m 3 d ) 】进行设计。早期的降流式b a f ( b i o c a r b o n n e ) 一般采用较 低的负荷，而b i o f o r 和b i o s t y r 等升流式b a f 则采用较高的负荷。负荷的高低不 仅与b a f 的工艺形式有关，也与所需达到的处理目标有关。与传统生物处理方法一样， b a f 的容积负荷与处理出水有机物浓度呈线性关系，即f v = k s e 。因而，对于不同的 处理目标和要求，容积负荷的取值是不同的。国内外的研究表明，水力负荷( q ) 对s s 和b o d ；的影响并不明显【”1 4 i ，因而在其它因素( 如温度、气水比、反冲洗强度等) 确 定的条件下，应尽可能加大q 值，以提高b a f 的处理能力。但q 对硝化和反硝化的影 响，目前尚存在不同的研究结果。国外的采用升流式b a f 的研究表明，提高q 有利于 加速传质过程，对硝化作用影响不大，而且在其它条件不受制约的情况下，脱氮效果随 q 的提高而提高【l3 】；但国内采用降流式b a f 的研究则表明，水力负荷对氮的去除有较 大的影响，随q 的提高，硝化和脱氮效果明显下降【l ”。，以上表明，q 对b a f 硝化和脱 氮的影响与其运行方式有关，对此有待深入研究。表1 2 列出了目前b a f 实现不同处 理目标的典型负荷取值。 表1 - 2b a f 实现不同处理目标的典型负荷取值口i t a b l e1 - 2t y p i c a ll o a d i n gv a l u e sf o rd i f f e r e n tt r e a t m e n ta i m si nb a f ：x 分别为b o d 5 ( 碳化) ，n h ，- n ( 硝化) ，n 0 3 - n ( 反硝化) 1 3 3 反冲洗 反冲洗是维持b a f 功能所不可缺少的重要环节。目前，气水联合反冲洗是b a f 普 7 江南大学硕士学位论文 曝气生物滤池填料除污性能及运行特性的研究 遍采用的反冲洗方式，即：气单独反冲洗一气水联合反冲洗一水反冲洗( 清洗) 。其中 气和水的反冲洗强度的控制极为重要。反冲洗过程中，以使填料层有轻微的膨胀( 一般 将膨胀率控制在8 1 0 ) 为原则，实现气水对填料的良好冲刷作用及填料间的相互 摩擦，并在最短的时间内完成反冲洗过程，并保持生物膜厚度在3 0 0 4 0 0 岫。不同形 式、不同填料的曝气生物滤池，其反冲洗强度、历时、周期各不相同，用水量和用气量 也存在较大差异。表1 3 列出了一些曝气生物滤池反冲洗参数。 表1 - 3 曝气生物滤池反冲洗参数【9 】 t a b l e1 - 3b a c k w a s h i n gp a r a m e t e r so f b a f 1 3 4 气水比 由于b a f 采用连续鼓泡曝气，其氧气主要以界面转移方式传输，气泡中的氧气与 生物膜表面接触而被微生物直接利用 1 5 1 同时，b a f 使用小粒径的填料，其比表面积 大，气泡在填料孑l 隙内滞留时间长且与生物膜有良好而充分的接触，具有比传统工艺高 得多的氧利用率，因而采用较低的气水比( r ) 即可获得良好的处理效果。对研究数据 的统计表明，b a f 中去除单位重量的有机物( 以t b o d 表示) 所需的氧为o ，4 2 o 8 k 9 0 2 k gt b o d ，平均为0 5 lk 9 0 2 k gt b o d ，低于传统活性污泥法的1 o 1 2k 9 0 2 k g t b o d 。气水比的大小与进水水质、曝气生物滤池功能和形式、填料粒径大小和滤层厚 度等因素有关，一般来说，用于硝化功能的曝气生物滤池应采用较高的气水比，而仅用 于碳化的曝气生物滤池的气水比可适当降低。应用b i o s t y r 进行硝化的研究表明，去 除l k g n h 3 - n 所需的供气量为7 0 m r - 目前，一般采用的气水比为( 3 l o ) ：1 。对资料 及实际工程运行的结果的分析表明，其适宜的气水比为( 3 7 ) ：l 。有研究表明，当气 水比由7 ：1 增至1 0 ：1 时，升流式b a f 对n h 3 n 的去除率仅增加了4 2 ，但曝气能 耗大大增加f 1 6 1 。 第一章绪论 1 4 曝气生物滤池填料的研究进展 填料作为曝气生物滤池的核心组成部分，影响着曝气生物滤池的发展。曝气生物 滤池发展过程中依次出现的几种不同的形式采用的填料均各不相同( 见1 3 1 ) 。事实上， b a f 性能的优劣很大程度上取决于填料的特性，填料的研究和开发在b a f 工艺中至关 重要，为此，英国、美国和印度等国己制定了曝气生物滤池所用填料的相应标准，法国 德利满公司对应用于曝气生物滤池的填料也制定了相应的说明书及测试规范，可见各国 对曝气生物滤池的填料都有严格的要求。 曝气生物滤池所用填料，根据其采用原料的不同，可分为无机填料、有机高分