（环境工程专业论文）水解—曝气生物滤池处理生活污水脱氮技术研究.pdf

水解一曝气生物滤池处理生活污水脱氮技术研究 东南大学 硕士研究生：陈鸣指导老师：吴浩汀教授 摘要 我国城镇生活污水处理一般采用二级生物处理工艺，目前普遍采用的是普通活性污泥法，但其 建设和运行费用较高，占地面积大。本研究采用水解一曝气生物滤池工艺对生活污水进行处理。小 试规模，通过对进出水的c o d ，氨氮和总氮等水质指标的监测，对该工艺去除有机物和脱氮的理论 及主要影响因素进行讨论，并推导了曝气生物滤池的动力学关系。 试验主要研究结论如下： 1 上向流曝气生物滤池处理城镇生活污水建议的水力负荷为2 o m 3 n 2 h ，此时水力停留时间 为0 7 5 h ，c o d ，氨氮和总氮的去除率分别为8 3 1 、7 5 9 和3 7 3 ，出水浓度分别为3 0 5 m g l 、 7 8 m g 几和2 1 2 m g 几。 2 上向流曝气生物滤池处理城镇生活污水存在明显的同步硝化反硝化反应，通过同步硝化反硝 化去除的氨氮约占总去除量的2 5 0 a 。 3 水解池对c o d 的去除率较高，可达到5 0 左右；水解池水力停留时间、回流比及曝气生物 滤池的硝化程度均影响工艺的t n 的处理效果，要提高t n 的去除率，应综合考虑这些影响因素。 系统除t p 效果不佳，去除率仅为3 0 。 4 采用水解一曝气生物滤池工艺，将曝气生物滤池的出水回流至水解池进行反硝化，当曝气生 物滤池流量为0 0 5 4 m 3 h ，回流比为3 0 0 时，总氮的去除率可达到8 0 以上，出水 i n 浓度为 6 s m g l ，远小于无回流时的出水t n 浓度。 5 采用水解一曝气生物滤池用于城镇生活污水处理，出水水质远远优于城镇污水处理厂污染物 排放一级标准b 标准( g b l 8 9 1 8 - - 2 0 0 2 ) ，为了能达到一级标准a 标准，建议采用两级曝气生物滤 池，将除碳和脱氮除磷功能分开。 6 本试验中曝气生物滤池的动力学公式为：以= s o e “”。 关键词：曝气生物滤池城镇污水水解酸化脱氮除磷 s t u d yo nt h en i t r o g e nr e m o 、，a l i nt h et r e a t m e n to fs a n i t a r yw a s t e ，a t e r b yh y d r o l y s i s b i o l o g i c a la e r a t e df i i j e r s o u t h e a s tu n i v e r s i t y n a m eo f g r a d u a t e ：c h e nm i n g s u p e r v i s o r ：w uh a o - t i n g a b s t r a c t t h eu s u a lt y p eo fm u n i c i p a lw a s t o w a t e rt r e a t m e n ti sa c t i v es l u d g et r e a t m e n t b u tt h eo u t p l a y so f c o n s t r u c t i o na n dr u n n i n ga r eh u g o , a n dt h er e s u l to fn ，pr e m o v a li su n s a t i s f a c t o r y t h et r e a t m e n to f h y d r o l y s i s - a c i d - - b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e ri nm u n i c i p a lw a s t e w a t e ri sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r w i t ha s m a l ls c a l et e s t , a n a l y z i n gt h ew a t e rq u a l i t yi n d e x e si nt h ei n f l u e n ta n de f f l u e n t , t h et h e o r ya n dm a i n a f f e c t i n g f a c t o r s o f p o l l u t a n t sr e m o v a l a r e d i s c u s s e d t h e k i n e t i cr e l a t i o n o f t h e b i o l o g i c a l a e r a t e d f i l t e r i s o b t a i n e d t h e m a i nr e s u l t sa r es u m m a r i z e da 8f o l l o w s ： 1 t h ep r o p o s e dh y d r a u l i cl o a d i n go ft h eu p - f l o wb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e ri nt r e a t i n gm u n i c i p a l w a s t e w a t e ri s2 0 m j m z 。h ，t h ec o r r e s p o n d i n gh r ti s0 7 5 h , u n d e rt h i sh y d r a u l i cl o a d i n g ，t h er e m o v a lr a t e o f c o d ，n h 4 十- h la n dt na r er e s p e c t i v e l ya b o v e8 3 1 、7 5 9 a n d3 7 3 t h ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o n c o u l db er e s p e c t i v e l yc o n t r o l l e db e l o w3 0 5 m g l , 7 s m g la n d3 1 2 m g l 2 t h es i m u l t a n e o n sn 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 nr a t eo ft h eu pf l o wb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e ri s a b o u t2 5 3 t h er a t eo fc o dr e m o v i n gc a nr e a c h5 0 b yh y d r o l y s i sa n dh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m eo f h y d r o l y s i sp o n d ，r e c y c l i n gr a t i o ，n i t r i f i c a t i o no fb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e rc a na f f e c tt h ee f f i c i e n c yo f d e n i t r o g e n a t i o n e f f i c i e n c yo f d e p h o s p h o t i z a t i o nh a s b e e nk e p ta tal o wl e v e l 4 u s i n gt h ep r o c e s so f h y d r o l y s i s - a c i d - - - b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e ra n dt h o u g hr e c y c l i n gt h ee f f l u e n t t ot h eh y d r o l y s i sp o n dt ou n d e r g o i n gd e n i w i f l c a t i o n ，w h e nt h eq u a n t i t yi s0 0 5 4m 3 ha n dt h er e c y c l i n g r a t i oi s3 0 0 ，t h er e m o v a lr a t eo ft nc a nr e a c h8 0 ，t h ec o r r e s p o n d i n ge f f l u e n tt ni sb e l l o w6 5 m g l ， f a rl o wt h a nw h e nt h e mi sn or e c y l i n gt ot h eh y d r o l y s i sp o n d 5 u s i n gt h ep r o c e s so fh y d r o l y s i s - a c i d - - b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e rt ot r e a tm u n i c i p a lw a s t e w a t e r , a b e t t e re f f l u e n ti sg a i n e dt h a nt h ed i s c h a r g es t a n d a r do f p o l l u t a n t sf o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ( g b l 8 9 1 8 - - 2 0 0 2 ，t h ef a s ts t a n d a r d , bs t a n d a r d ) ，i no r d e rt om e e tt h ef i r s ts t a n d a r d ( as t a n d a r d ) ，t w o s t a g e so f t h eb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e ri sp r o p o s e d 6 ，t h e k i n e t i c f o r m u l a t e o f t h e b i o l o g i c a l a e r a t e d f i l t e r i s ：s e = s o e - 6 6 “ k e yw o r d s ：b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r , m u n i c i p a lw a s t e w a t e r , h y d r o l y s i s - a c i d ，t h er e m o v a lo f p h o s p h a t ea n d n i t r o g e n 东南大学学位论文独创性声明 本人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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 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作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：醋：当日期：m 6 、址古 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：盔= 亟导师签名：拯 日期：加f 纯么 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 水是人类社会经济发展的基础自然资源，也是人们生存、生活不可替代的生命源泉。 我国的淡水资源虽然较丰富，地表水资源总量位居世界第六位，但由于人口众多，人 均水资源占有量远低于世界平均水平，占第1 1 0 位，还不到世界人均值的l “，中国被列为 世界人均水资源缺乏的1 3 个国家之一。加上水资源分布不均和受到严重污染，水资源不足 的状况还会加剧。近2 0 年来，随着人口的增长和经济社会的发展、城市化进程的加快，城 市用水迅速上升，水资源污染问题日益严重，水资源缺乏和不合理利用问题日益突出。据 有关资料显示，2 0 0 4 年全国废水排放量为4 8 2 a 亿吨，其中工业废水排放量为2 2 1 1 亿吨， 生活污水排放量为2 6 1 3 亿吨【l l 。全国9 0 以上的城市水域和6 5 的饮用水源受到不同程 度的污染。全国约2 3 的城市缺水，水污染造成的经济损失约为g n p 的1 5 3 。水环 境恶化及水资源短缺问题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，必须采取各种有效措施，使有限的水资源得到合理的开 发和利用，以保障社会的可持续发展【2 】。 1 2 城镇生活污水的生物处理技术 活性污泥法是当今世界范围内应用最为广泛的一种生物处理工艺。随着该工艺在生产 实践中的应用和不断改进，特别是近几十年来在对其生物反应和净化机理进行广泛深入研 究的基础上，活性污泥法得到了很大的发展，形成了氧化沟、a b 法、s b r 法和a o 法等 派生工艺，这些工艺都具有处理效率高、出水水质好等优点，但同时也存在工程投资高、 占地面积大、能耗大及运行费用高、管理也较复杂等缺点，而且在运行中易出现污泥膨胀 和污泥上浮等问题。 , 9 , 2 0 世纪6 0 7 0 年代，氧化沟和s b r 筝r 艺发展迅速，近年来成为我国城市污水处理厂 主导性的工艺。目前我国城市污水处理厂普遍采用的工艺为普通活性污泥法、氧化沟法、 s b r 法、a b 法等，这与美国、德国等发达国家所采用的技术与工艺几乎处在同一水平上。 氧化沟工艺兼有完全混合式和推流式的特点，在控制适宜的条件下，使溶解氧浓度在沟内 同时形成好氧区和缺氧区，从而使得这一技术具有净化深度高、耐冲击负荷和脱氮除磷( 沟 前增设厌氧池) 效果好的特点，但是氧化沟采用的停留时间长达1 0 4 0 h ，有机负荷很低， 实质上相当于延时曝气法的活性污泥系统【3 】，占地面积大，电耗大，运转费用较高，适用于 东南大学硕士学位论文 中小规模的低负荷污水处理厂；s b r z 艺运行方式灵活，运行费用比传统活性污泥法低，但 其容积利用率小、设备闲置率高、自动化控制要求高、无法解决大型污水处理项目连续进 出水的处理要求1 4 l 。实际上，国外采用的大多是低负荷工艺，其池容和设备规模是中、高负 荷活性污泥工艺的几倍，相应的投资也要高数倍，国外采用的延时曝气系统是以能耗的方 式取得污泥的稳定，延时曝气系统能耗比中、高负荷活性污泥系统要高4 0 5 0 ，同时 能耗的增加也带来了直接运行费及间接投资的增加嘲；a b 法采用吸附和传统活性污泥法的 两次生化处理，工艺单元构成复杂，污泥不稳定，建设投资和处理成本高。 传统活性污泥法及其变形工艺，虽然处理效果比较好，但普遍存在着基建投资高、处 理负荷低、运行启动慢、同时工艺设备处理效能低、能耗高，不能满足高效低耗的要求。 在我国目前经济财力有限的情况下，只有应用新的生物技术处理城市污水，才能在提高处理 效果的同时，减少建设投资，降低运行费用，使我国的城市污水处理走向经济，简便易行的 高科技良性发展轨道，进而开辟城市污水资源化利用的新途径，推动水污染治理工作的进 展，这对我国地表水环境质量的改善、经济的可持续发展以及人民生活质量的提高都具有深 远的意义。 生物膜法是与活性污泥法平行发展起来的生物处理工艺，是一大类生物处理法的统称 在生物膜法中，微生物附着在载体表面生长而形成膜状，当污水流经载体表面和生物膜接 触的过程中，污水中的有机污染物即被微生物吸附、稳定，最终转化为h 2 0 ，c 0 1 ，n i - 1 3 和微生物细胞物质，污水得到净化。在许多情况下，生物膜法不仅能代替活性污泥法用于 城市污水的二级生物处理，而且还具有一些独特的优点，如运行稳定、抗冲击负荷、更为 经济节能、无污泥膨胀问题以及具有一定的硝化与反硝化功能嗍。 2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初新开发的曝气生物滤池和一级强化工艺是具有发展潜力 的商效城市污水处理工艺。曝气生物滤池是生物接触氧化技术与给水处理过滤技术有机结 合的一种污水好氧处理工艺 7 1 。自上世纪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，目前世界上已有数百座污水处 理厂采用了该技术。曝气生物滤池已经从单一工艺逐渐发展成为系列组合工艺，具有去除 s s ，c o d ，b o d ，a o x ( 有害物质) 和脱氮除磷等作用【“。该技术最初应用于污水的深 度处理，由于其良好的处理性能，应用范围不断扩大。目前，曝气生物滤池不仅可用于水 体富营养化处理，而且已广泛地被用于城市污水、小区生活污水、生活杂排水和食品加工 废水、酿造和造纸等高浓度废水的处理。曝气生物滤池的最大优点是集生物净化和物理过 滤于一体，无需设置二沉池，通过定期反冲洗实现生物膜的脱落与截流悬浮固体的排除， 可以保持生物接触氧化的高效性，同时又可以获得良好的出水水质，在保证处理效果的前 提下使处理工艺流程得到衙化。此外，曝气生物滤池工艺具有容积负荷高、水力负荷大、 水力停留时间短、所需基建投资少、能耗及运行成本低，出水水质好等特点”。 2 第一章绪论 随着我国城市化进程的加快以及中、小城市的发展，城镇水污染日趋严重，中，小城 市污水处理技术及城镇污水再利用技术将成为重点支持的项目“九五”期间，我国城市污 水处理工艺技术研究重点为中小城市简易、高效污水处理实用的成套技术，解决人工处理 能耗高，自然处理占地大等问题。2 0 0 2 年度重点支持的技术创新被列为项目首位的是“经 济、高效的中、小城市污水处理技术的新技术、新材料和新产品，如：低能耗厌氧处理技 术、曝气生物滤池、装配式的反应器等。”因此开展经济、高效、低能耗可装配式污水生物 处理技术与装置的理论和实用意义的研究是十分重要的。 1 3 课题研究的目的和意义 污水处理是一项侧重于环境效益和社会效益的工程，在建设和实际运行过程中常常受 到资金的限制，使得处理技术与资金问题相连成为解决我国水污染的“瓶颈”。因此，从当 前的国情出发，开展经济有效的污水处理新工艺、新设备的研究与开发，研究一种适合我 国国情的污水处理新工艺，从而降低污水处理的投资和运行费用、节省用地、操作管理简 单、出水水质好、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 ) ，对我国国民 经济和社会发展及环境保护具有十分重要的意义，而且也必将有其广阔的应用范围和市场。 本研究选择水解一曝气生物滤池组合工艺，与其它常规生活污水除磷脱氮工艺相比， 水解一曝气生物滤池组合工艺具有以下主要优势： ( 1 ) 水解工艺能去除废水中大量的有机物和悬浮物，使与之组合的曝气生物滤池工艺 有机负荷减小，好氧污泥产量也相应降低，整个工艺的反应容积得以减小； ( 2 ) 对污水进行预处理，可以明显改善废水的可生化性。使废水更顺利地经历好氧生 物处理过程： ( 3 ) 水解酸化对生物剩余污泥具有4 0 以上的消解作用，使污泥减量化，同时污泥也 得到了稳定，降低污泥处置的费用； ( 4 ) 曝气生物滤池好氧硝化出水回流进水解池可以缓冲水解池可能发生的冲击负荷的 影响，同时具有良好的反硝化作用； 总之，曝气生物滤池作为近年来发展较快的生物膜法技术，具有硝化功能高效、处理 效果优异、占地面积小、投资省、能耗低等突出优点，尤其适用于人i e i 密集、土地资源紧 缺的城镇污水处理，虽然已有一些工程在应用，但是对其的设计还停留在经验的基础上。 因此，开展水解一曝气生物滤池工艺对城镇生活污水处理的研究具有重要的现实意义，能 够为工程设计提供可靠的实验依据和设计参数。 3 东南大学硕士学位论文 第二章水解一曝气生物滤池工作原理及工艺特点 2 1 水解酸化原理及其应用 水解酸化法是厌氧法的一种初级工艺，近年来作为难降解有机物好氧处理的预处理工 艺以及作为反硝化脱氦、缺氧释磷阶段都取得了良好的效果，并由于操作管理易于控制而 得到普遍应用。 由伯力特等人提出的厌氧消化三阶段理论是当前较为公认的理论模式：第一阶段，在 水解与发酵细菌作用下，使碳水化合物，蛋白质和脂肪水解发酵转化成单糖、氨基酸、脂 肪酸、甘油及二氧化碳、氢等；第二阶段，在产氢产乙酸菌的作用下，把第一阶段的产物 转化成氢，二氧化碳和乙酸；第三阶段，通过两组生理上不同的产甲烷茵的作用，一组把 氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组是对乙酸脱羧产生甲烷。从原理上讲，水解酸化是厌氧 消化过程的第一、二两个阶段。 水解酸化工艺是基于产甲烷菌与水解产酸菌生长速度不同，将厌氧处理控制在反应时 间较短的水解酸化阶段，即在大量水解细菌、产酸菌作用下将不溶性有机物水解为溶解性 有机物，将难生物降解的大分子物质转化为易生物降解的小分子物质的过程。在水解反应 器中，起主要作用的是兼性微生物，它们在自然界中的数量较多，繁殖速度较快，因此水 解池可在较短的停留时间( 1 玎i ：i 勉5 h ) 的条件下，获得较高的悬浮物去除率。 水解酸化处理技术是在厌氧处理技术的基础上派生出来的一种工艺1 1 2 , 1 3 1 。在国内外有 广泛的应用，生活污水、啤酒生产废水及含难降解有机物的废水如印染废水、焦化废水、 制药废水、电泳废水等工业废水的预处理多采用水解酸化工艺。 水解酸化具有反硝化的作用。在缺氧条件下，反硝化细菌能利用n 0 3 一中的氧作为电 子受体，有机物作为碳源及电子供体，同时将n 0 3 一中的氮转化为n 2 而加以去除l “。 2 n o ，一+ 5 h ，j 墅型塑生n ，+ 4 h ，o + 2 0 h 一 大多数研究者认为，当反硝化过程中有充足的有机碳源存在，同时n 0 3 一的浓度高于 o 1 m g l 时，反硝化速率与n 0 3 一的浓度成零级动力学反应，即此时的反硝化速率与n 0 3 一 的浓度高低无关，而只与反硝化菌的数量有关。同时，反硝化菌属兼性厌氧菌，在缺氧条 件下进行，与在好氧条件下进行的生化反应速率相比，反硝化生长速率较小，反应速度较 慢。 本试验采用上流式污泥床水解酸化工艺，采用前置反硝化脱氮流程，硝态氮由硝化混 合液回流提供，同时可以充分利用污水中的有机碳源。 4 第二章水解一曝气生物滤池工作原理及工艺特点 2 1 1 水解酸化过程的影响因素1 1 5 l ( 1 ) 污水的性质 基质的种类 处理污水中基质不同，其水解的难易程度也不同：如多糖、蛋白质和脂肪在相同的操 作条件下，水解速率依次减小；而同类有机物中，分子量大的比分子量小的难水解；就分 子结构而言，直链结构比支链结构易水解，支链结构比环状结构易水解，单环化合物比杂 环化合物易水解i 。 颗粒有机物的粒径 污染物的粒径对水解速率的影响也很大。大粒径的颗粒，单位重量的比表面积小，水 解速率也较小。所以，对于颗粒态有机物浓度高的废水或污泥，在进入水解反应器之前可 以用机械破碎，减小污染物粒径，从而加快水解反应的进行。 ( 2 ) 水力停留时间 水力停留时间是控制反应器运行的重要参数，对于单纯以水解为目的的反应器，提高 水力停留时问，使污染物质与水解微生物接触的时间加长，溶出c o d 的浓度就越高，即 水解效率也越高。但是对于城市污水而言，水解反应可以在很短时间内完成，其后，即使 延长水力停留时间，去除效果改善不大。 ( 3 ) p h 值 水解酸化与一般生物反应系统一样，p a 值对其水解产物的种类和含量、水解速率和生 物增长率等均有影响。由于水解( 酸化) 后有好氧生物处理，不存在丙酸抑制的问题，故硼 值的适应范围较广，在3 5 l o 0 范围内均能正常反应，最佳范围为5 5 6 5 。 ( 4 ) 温度 水解酸化过程对温度的要求不象厌氧消化那样严格，通常在常温下也能取得较好的处 理效果，即使在最低水温1 3 c 时仍可稳定运行。若采用污泥床反应器，由于水解池中保持 有大量活性污泥，大生物量易消除低温造成的影响，而且水解污泥形成的污泥层，对有机 物进行吸附截流，反应时间比较充足，致使温度对c o d ，b o d 和s s 的去除率影响较小。 2 1 2 水解酸化法作为城镇生活污水脱氮预处理的优点 ( 1 ) 水解阶段可大幅度的去除水中悬浮物和有机物，降低后续生物处理负荷。在 珏玎 为2 5h 的条件下，c o d 去除率达2 5 以上，悬浮物的去除率达8 0 左右。 ( 2 ) 水解酸化作为城镇污水生物脱氮工艺的预处理工艺可以有效提高脱氮效率，并可 以为硝化段补充一定量的碳源，为城镇污水的高效低耗脱氮处理提供了一条新思路。 ( 3 ) 水解酸化工艺的产泥量低，并已高度矿化，易于处理，同时其后续的好氧处理 5 东南大学硕士学位论文 所产生的剩余污泥必要时可回流至水解段，增加水解段的污泥浓度同时可以减少系统的污 泥处理量。 ( 4 ) 将厌氧控制在水解酸化阶段时，不仅可为好氧工艺提供优良的进水水质( 即提高 废水的可生化性) 条件，从而可提高好氧处理的效果，而且可利用产酸菌种类多、生长快 及对环境条件适应性强的特点，以利于运行条件的控制和缩小处理设施的容积。 ( 5 ) 水解酸化过程具有工艺操作管理简单、处理负荷高，处理效果稳定等特点。不 需要封闭的池子，不需搅拌和三相分离器，降低了造价，易于维护。 2 2 曝气生物滤池原理及研究现状 2 2 1 曝气生物滤池工艺概述 曝气生物滤池( b a f ，b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ) 也叫淹没式曝气生物滤池。国外从 2 0 世纪初开始进行研究，于8 0 年代末基本成型，后不断改进，并已开发出多种形式。 在开发过程中，充分借鉴了污水处理接触氧化法和给水快滤池的设计思路，集曝气、高 滤速，截留悬浮物，定期反冲洗等特点于一体。目前工程中曝气生物滤池的使用形式可 以分为以下四大类： ( 1 ) b i o c a r b o n e 的构造特点如图2 1 ，污水从滤池上部流入，下向流流出滤池。 在滤池中下部设曝气管( - - 般距底都2 5 卅e m 处) 进行曝气。曝气池上部起生物降解 作用，下部主要起截留s s 及脱落的生物膜的作用。运行中，因截留了s s 及生物膜的生 长，水头损失逐渐增加，达到设计值后，开始反冲洗。一般采用气水联合反冲，底部设 有反冲洗气、水装置。 圈 反冲出永 反坤进水 出永 反坤进永 出水 反坤出水 图2 1b i o c a r b o n e 结构示意图图2 - 2b i o s t y r 结构示意图 ( 2 ) b i o s t y r 的结构示意图见图2 - 2 。由法国o t v 公司开发的b i o s t y r 工艺采用密 度小于水的滤料，一般为聚苯乙烯小球。运行时采用上向流，在滤池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，反冲时采用气水联合反冲，反冲水采用下向流以 6 第二章水解一曝气生物滤池工作原理及工艺特点 冲散被压实的滤料小球，反冲出水从滤池底部流出 b i o s t y r 工艺在欧美应用较为普遍，而且许多集中在处理厂用地紧张、出水水质要求 高的地方。对于已实现有机碳降解、硝化的处理厂，该工艺可在外加有机碳源的情况下，完 成反硝化l l7 1 ；也可对只进行有机碳降解的二级处理厂进行升级，达到脱氮的水平。在具备 一级强化处理的条件下，该工艺能完全胜任工业废水、市政污水的二级处理。此外，与化学 混凝沉淀结合，还能有效除磷。从功能上讲，在去除废水中b o d 、s s 以及硝化、脱氮等方 面，该工艺已经系列化，通过具体工艺形式的改变( 是否设置回流、改变工艺空气管在滤池 内的高度以及曝气量等) ，b i o s t y r 即可单独实现去除s s 和降解b o d 、完成硝化和反硝化 的功能。表2 1 记录了b i o s t y r 在丹麦的几个运行实例。 表2 1 丹麦b i o s t y r 的运行实例【1 8 j 污水处理厂 n y b o r g h o b r o f r e d e r i k s h a v n 处理目的硝化一反硝化硝化一反硝化 硝化b i o s t r y - - 反硝化 城市污水城市污水城市污水 污水性质 ( 舍5 0 z 业废水)( 含4 0 工业废水)( 古2 0 t 业废水) 流量( m 3 d ) 1 3 0 0 09 l o ol o l o o 滤速( m h ) 1 12 21 c o d 负荷( k g m 3 , d ) 2 42 22 3 滤池面积( n 1 2 )5 0 41 6 8 4 4 1 好氧区、缺氧区高度( m )1 5 ，1 o2 4 ，o 62 1 ，o 9 回流比( )3 0 0 1 0 02 0 0 反硝化碳源甲醇乙醇一甲醇 甲醇 n h ，- n 1 8o 3 50 9 n 0 2 一n 0 3 一 4 6 3 9 出水水质t n6 56 3 4 - ( r a g l ) t p0 8o 0 6 - c o d 7 ( 1 3 0 d s ) 3 85 8 5 s s1 175 9 注：所有处理厂的预处理中均投加f e c l 3 用于除磷。 ( 3 ) b i o f o r 结构特点如图2 - 3 所示。底部为气水混合室，之上为长柄滤头、曝气管、垫层、 滤料层。所用滤料密度大于水，自然堆积。b i o f o r 运行时一般采用上向流，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料。反冲洗时，气、水同时进入气水混合室，经长柄滤 头配水、气后进入滤料，反冲洗出水回流至初沉池，与原污水合并处理。 7 东南大学硕士学位论文 载 垫 曝 反 出永 反冲出水 反坤进永 进水 图2 3b i o f o r 结构示意图 b i o f o r 采用上向流( 气水同向流) 的主要原因有：同向流可促使布气、布水均匀；若采用下 向流，则截留的s s 主要集中在填料的上部。运行时间一长，滤池内会出现负水头现象，进而引起沟 流，采用上向流可避免这一点；采用上向流，截留在底部的s s 可在气泡的上升过程中被带入滤池中 上部，提高填料层的纳污率，延长了反冲洗的间隔时间。 ( 4 ) b i o p o r 是由瑞士研发的一种新型曝气生物滤池，其填料采用规整波纹板和颗粒载体，并 可根据污水类型和进、出水指标结合不同的填料类型组合成不同的工艺。b i o p u r 工艺可以处理城 市污水和工业废水，也可以用于废水的深度处理( 硝化、脱氮、除磷) 。b i o p u k 工艺的运行参数见 表2 2 。 表2 2b i o p u r 工艺的运行参数【1 q 参数指标参数指标 b o d 处理负荷 2 1 0 k g m 。d运行操作 可自控 停留时间0 5 1 0 h 对周围环境影响 噪声小、臭味小 气水比2 3 ：l ( 城市污水)维修管理简单 除磷脱氮强施工质量简单 反应器体积是活性污泥工艺的1 ，2 0水质适应性水质变化适应性强 出水水质稳定性高污泥量3 s k g m 本试验以上向流曝气生物滤池工艺处理城镇生活污水，以下本文中的曝气生物滤池均指上向流 曝气生物滤池。 ， 2 2 2 曝气生物滤池的基本原理 曝气生物滤池的工艺类型和操作方式各具特点，但其基本原理是一致的。曝气生物滤池的基本 缀理为：在滤池中装填一定量粒径较小的颗粒状滤料，滤料表面附着生长生物膜，滤池内部曝气。 污水流经时，污染物、溶解氧及其它物质首先经过液相扩散到生物膜表面及内部，利用滤料上高浓 度生物膜的强氧化降解能力对污水进行快速净化，此为生物氧化降解过程；同时，因污水流经时， 滤料呈压实状态，利用滤料粒径较小的特点及生物膜的生物絮凝作用，截留污水中的大量悬浮物， 且保证脱落的生物膜不会随水漂出，此为截留作用；运行一定时间后，因水头损失的增加，需对滤 池进行反冲洗，以释放截留的悬浮物并更新生物膜，此为反冲洗过程。一般说来，曝气生物滤池具 有以下特征；( 1 ) 用颗粒状滤料作为生物载体，如陶粒、焦炭，活性炭等；( 2 ) 高水力负荷、高容 积负荷及高的生物膜活性；( 3 ) 具有生物氧化降解和截留s s 的双重功能，生物处理单元之后无需设 8 第二章水解一曝气生物滤池工作原理及工艺特点 置二次沉淀池；( 4 ) 需要定时反冲洗，清洗滤池中截留的s s ，同时更新生物膜”。 ( 1 ) 孽气生物滤池对有机物的去除 曝气生物滤池是一种膜法生物处理工艺，微生物附着在滤料表面，污水在流经滤料表面过程中， 通过有机营养物质的吸附、氧向生物膜内部的扩散以及生物膜中所发生的生物氧化等作用，对污染 物质进行氧化分解，使污水得以净化。 生物膜的吸附作用主要是由于在生物膜的表面附着着一层薄薄的水层，水中的有机物被生物膜 所氧化，当废水在滤料表面流动时，有机物就会从运动着的废水中转移到附着在生物膜表面的水中 去，被生物膜所吸附。空气中的氧也将经过废水而进入生物膜。生物膜上的微生物在氧的参与作用 下对有机物进行分解和机体的新陈代谢，产生了包括二氧化碳等无机物，它们又沿着相反的方向， 即从生物膜经过附着水层排到流动着的废水及空气中去。曝气生物滤池中废水的净化过程是一个复 杂的过程，它包括废水中复杂的传质过程、氧的扩散与吸收、有机物的分解和微生物的新陈代谢等 各种过程。 ( 2 ) 曝气生物滤池对氮的去除 污水处理中氮的转化通常包括同化作用、硝化作用、反硝化作用以及最近提出的同步硝化反硝 化作用瞄l 。 同化作用同化作用指的是用于合成微生物机体所消耗的氮量。虽然微生物的内源呼吸和 溶菌作用会使一部分细胞中的氮又以有机氮和氨氮的形式回到污水中，但仍存在于微生物细胞及内 源呼吸残留物中的氮最终以剩余污泥的形式得以从污水中去除。 硝化作用硝化作用是利用化能自养微生物将氨氮氧化成硝酸盐的一种生化反应过程。硝 化作用由两类化能白养细菌参与，亚硝酸菌( n i t r o s o m o n a s ) 首先将氨氮氧化成亚硝酸盐( n 0 2 一) ， 硝化菌( n i t r o b a t e r ) 再将亚硝酸盐氧化成稳定状态的硝酸盐( n 0 3 一) 。这两项反应均需在有氧的条 件下进行。通常以c 0 3 、i i c 0 3 一和c 0 2 为碳源。 亚硝化反应：n h 。+ + 1 5 0 ，里堕目堕寸n o ，一+ 2 h + + h ，o 硝化反应： n o ，一4 - o 。5 0 ，旦! ! ! l n o ，一 硝化总反应：n h 4 + + 2 0 2 堕墼bn o ，一4 - 2 h + + h 2 0 研究表明，硝化反应速率主要取决于氨氮转化为距硝酸氮的反应速率。在生理浓度下，t , a - h + 睾t 化为n 0 2 一产生能量为2 4 2 8 3 5 1 7 k j t o o l ，所产生的能量亚硝酸菌可以利用5 1 4 ；n 0 2 一氧化 为n 0 3 一产生的能量仅为6 4 5 8 7 5k i m o l ，硝酸菌的能量利用率为5 1 0 。 反硝化作用反硝化作用是指污水中的硝酸盐，在缺氧条件下，被微生物还原为氮气的生 化反应过程。参与这一生化反应的微生物是反硝化细菌，这是一类大量存在于活性污泥中的兼性异 养菌。在有分子态溶解氧存在的条件下，反硝化菌利用分子氧作为最终电子受体，氧化分解有机物； 在无分子态溶解氧存在，但有n 0 3 一和n 0 2 一的条件下，反硝化菌利用n 0 3 一和n 0 2 一中的氮作为能量 代谢的最终电子受体，氧作为受氢体生成h 0 2 和o h 一碱度，而有机物作为碳源及电子供体提供能量 并得到氧化稳定。由此可见，反硝化作用的效率取决于污水中溶解氧的含量。 同步硝化反硝化作用传统生物脱氮理论认为硝化与反硝化反应是不能同时发生的，而近 年来提出的s n d ( s i m u l t a n e o u sn i u i f i c a t i o n - d e n i t r i f i c a t i o n ) 生物脱氮机理却突破了这一认识。目前 对s n d 生物脱氮的机理可以从生物学和物理学两方面加以解释口”。 生物学方面，好氧反硝化菌和异养硝化菌等的发现，打破了传统理论认为硝化反应只能由自养 9 东南大学硕士学位论文 菌完成和反硝化反应只能在厌氧条件下进行的认识。对于好氧反硝化、低溶解氧下的硝化、异养硝 化、自养反硝化等现象，近年来生物学上的发现和进展已经可以给出令人满意的答案。许多好氧反 硝化菌如t h i o s p h a e r a p a n t o t r o p h a ，p s e u d o m o n a ss p p ，a l c a l i g e n e s f a e c a l i s 等同时也是异养硝化菌，并 因此能够直接地把n i - h + 转化为最终气态产物而逸出；从物理学角度解释s n d 的微环境理论是目前 已被普遍接受的观点微环境理论研究活性污泥和生物膜的微环境中各种物质( 如溶解氧、有机物 等) 传递的变化，各类微生物的代谢活动及其相互作用，从而导致微环境的物理、化学和生物条件 或状态的改变。该理论认为：由于氧扩散的限制，在微生物絮体内产生溶解氧梯度，微生物絮体的 外表面d o 较高，以好氧菌、硝化菌为主；深入絮体内部，氧传递受阻及外部氧的大量消耗，产生 缺氧微区，反硝化菌占优势；正是由于微生物絮体内缺氧微环境的存在，导致了s n d 的发生。由于 缺氧微环境的形成有赖于系统中d o 的浓度以及微生物的絮体结构特征，因此，控制系统中的溶解 氧浓度及微生物的絮体结构或生物膜的厚度对能否进行s n d 及其发生的程度至关重要。 ( 3 ) 曝气生物滤池对磷的去除 一些现代生物除磷机理的观点认为：在厌氧条件下，除磷菌处于压抑状态而分解体内的多聚磷 酸盐产生能量，并释放出磷酸盐以维持除磷菌的代谢，同时将胞外有机酸摄入胞内并合成聚b 一羟 基丁酸p i - i b ；合成p i - i b 的能量来自聚磷酸盐分解过程中产生的三磷酸腺苷a t p ；在好氧条件下， 除磷菌利用分解胞内p h b 产生的a t p 将废水中的磷酸盐过量摄取到胞内，并转变成聚磷酸盐。由 于厌氧、好氧的交替，除磷菌可利用胞内和胞外的能量进行分解代谢和合成代谢，因而在与其他微 生物的竞争中占优势，可以在系统中大量增殖，形成一种稳定的高效除磷污泥体系。 据报道，曝气生物滤池对总磷的去除效率在3 5 4 0 ( 6 1 ，采用曝气生物滤池处理污水时，其磷 的去除效率很低，出水磷浓度远远满足不了国家排放标准对磷浓度的要求，也就是说其生物除磷效 果较差 2 2 3 曝气生物滤池的影响因素 曝气生物滤池是一种生物膜反应器，影响其处理效果的因素有水力负荷及有机负荷、滤料特性、 溶解氧、温度、进水底物浓度和有毒物质等。 ( 1 ) 水力负荷及有机负荷 水力负荷即单位面积所承受的污水量。水力负荷的大小直接影响直接影响曝气生物滤池的挣化 效果。在有机负荷不变的情况下，水力负荷太小，滤池中老化和过厚的生物膜不能被冲刷出去，堵 塞滤料，形成污水的阻塞和沟流，进而导致滤料不能被完全润湿和利用，滤池的性能下降；当水力 负荷增大到对滤料完全润湿和利用时，水力负荷的改变对滤池的性能影响不大，但水力负荷太大， 停留时间短，滤池的净化效果差。 有机负荷即单位体积的滤料所承受的b o d 或c o d 值，单位k g ( m 3 d ) 。对于同时进行有机物 去除和硝化的曝气生物滤池，有机负荷对滤池的净化效率有重要的影响。为了达到处理目的，有机 负荷不能超过生物膜的分解能力。同时，有机负荷对滤池硝化反应的影响很大。有机负荷太大，异 养菌和自养菌竞争底物和溶解氧，硝化菌的生长受到抑制，硝化反应不完全，滤池氨氮的去除效果 不理想。 水力负荷( 和) 和有机负荷( r ) 之间是相关的： 1 0 第二章水解一曝气生物滤池工作原理及工艺特点 口，= 等 ( 1 ) 式中：g ，曝气生物滤池水力负荷，m d ： q 曝气生物滤池进水流量，m 3 d ； 彳豫气生物滤池横截面面积，m 2 。 = 等= 鲁= 百s o 孙 矿朋日“ 式中：滤池有机负荷，k g c o d ( o d ) 或k g b o d ( m 3 d ) ； 岛滤池进水有机物浓度，蚓m 3 ； 乎一滤料高度，m 。 从式( 2 ) 可以看出，岛和h 不变的情况下，和增加，随之增加。 ( 2 ) 滤料特性 滤料对曝气生物滤池处理效果的影响主要反映在滤料的表面性质，包括滤料的比表面积的大小、 表面亲水性、表面电荷、表面粗糙度、滤料的密度、堆积密度、孔隙率、强度等。因此，滤料的选 择不仅决定了可供生物膜生长的比表面积的大小和生物膜量的大小，而且还影响着滤池中的水动力 学状态。在正常的生长环境下，微生物表面带有负电荷，如果滤料表面带正电荷，将使微生物在滤 料表面附着，固定过程更易进行。滤料表面的粗糙度有利于细菌在其表面附着、固定，粗糙的表面 增加了细菌与滤料间的有效接触面积，比表面积形成的孔洞、裂缝等对已附着的细菌起到屏蔽保护， 使其免受水力剪切的冲刷作用。 ( 3 ) 溶解氧 微生物对有机物的分解和使氨氮转化为硝酸盐氮的过程中均需要氧的参与，氧对好氧微生物有 两个作用：在呼吸中氧作为最终电子受体；某些醇类和不饱和脂肪酸的生物合成中需要氧， 并且只有溶解氧才能被利用口4 ) 。 在硝化阶段，由于硝化反应必须在好氧条件下运行，因此溶解氧应维持在( 2 3 ) m g ：- 为宜。 当其低于( o 5 0 7 ) m g ：l 时，硝化反应将受到抑制。研究表明较低的溶解氧浓度将影响硝化菌的 生物代谢。 溶解氧对