（环境工程专业论文）火电厂工业废水回用的研究.pdf

华北电力人学i ：程硕十学何论文摘要 摘要 本文从火电厂工业废水回用的角度出发，运用物理化学、微生物学、污水处理 等知识，通过理论与实际的有机结合，对工业废水回用于冷却水补充水的方法作了 比较全面的论述。作者通过实验反应器一微絮凝直接过滤滤柱和生物过滤反应器， 探索了优化处理火电厂工业废水的可行性和实用性方案，提出了运用微絮凝直接过 滤一生物滤池的方法，并结合电厂实例，通过实验证明此工艺在技术上是可行的。 此外，还提出了适合火电厂回用工业废水的工艺流程。 关键词：工业废水回用，冷却水的补充水，微絮凝直接过滤，生物滤池，生物膜 a b s t r a c t f r o mt h ev i e wo fr e u s i n gi n d u s t r i a lw a s t e w a t e ri np o w e rp l a n t ，am e t h o dt h a tt r e a t s i n d u s t r i a lw a s t e w a t e rt om a k ei tr e u s e da sc o m p l e m e n t a r yw a t e ri nr e c y c l i n gc 0 0 1 i n g w a t e rs y s t e mi sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r f u r t h e m o r e ，t h em e t h o dc o m b i n e st h e o r i e sw i t h p r a c t i c e ，a n du s e sk n o w l e d g eo fp h y s i c a lc h e m i s t r y ，m i c r o b i o l o g y ，w a s t e w a t e r t r e a t m e n t a n ds oo n f e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t y o ft h i sm e t h o da r es t u d i e db yas e r i e so f e x p e r i m e n t s s ot h ep r o c e s so fm i c r o f l o c c u l e n t ，d i r e c tf i l t r a t i o na n db i o l o g i c a lf i l t r a t i o n w a so b t a i n e d ，a n dp r o v e dt ob ef e a s i b l ew h e na p p l i e dt ot h ep o w e rp l a n t d uz u k u n ( e n v i r o n m e n t a le n 酉n e e r i n 曲 d i r e c t e db yp r o f z h a n gs h e n g h a n k e yw o r d s ：r e u s i n gi n d u s t r i a lw a s t e w a t e r ，c o m p l e m e n t a r yw a t e ri nc o o l i n gw a t e r s y s t e m ，m i c r o n o c c u l e n td i r e c tf i l t r a t i o n ，b i o l o g i c a lf i l t r a t i o n ，b i o f i l m 华北电力人学i ：程硕十学何论文摘要 摘要 本文从火电厂工业废水回用的角度出发，运用物理化学、微生物学、污水处理 等知识，通过理论与实际的有机结合，对工业废水回用于冷却水补充水的方法作了 比较全面的论述。作者通过实验反应器一微絮凝直接过滤滤柱和生物过滤反应器， 探索了优化处理火电厂工业废水的可行性和实用性方案，提出了运用微絮凝直接过 滤一生物滤池的方法，并结合电厂实例，通过实验证明此工艺在技术上是可行的。 此外，还提出了适合火电厂回用工业废水的工艺流程。 关键词：工业废水回用，冷却水的补充水，微絮凝直接过滤，生物滤池，生物膜 a b s t r a c t f r o mt h ev i e wo fr e u s i n gi n d u s t r i a lw a s t e w a t e ri np o w e rp l a n t ，am e t h o dt h a tt r e a t s i n d u s t r i a lw a s t e w a t e rt om a k ei tr e u s e da sc o m p l e m e n t a 巧w a t e ri nr e c y c l i n gc 0 0 1 i n g w a t e rs y s t e mi sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r f u r t h e m o r e ，t h em e t h o dc o m b i n e st h e o r i e sw i t h p r a c t i c e ，a n du s e sk n o w l e d g eo fp h y s i c a lc h e m i s t r y ，m i c r o b i o l o g y ，w a s t e w a t e rt r e a t m e n t a n ds oo n f e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t yo ft h i sm e t h o da r es t u d i e db yas e r i e s o f e x p e r i m e n t s s ot h ep r o c e s so fm i c r o f l o c c u l e n t ，d i r e c tf i l t r a t i o na n db i o l o g i c a lf i l t r a t i o n w a so b t a i n e d ，a n dp r o v e dt ob ef e a s i b l ew h e na p p l i e dt ot h ep o w e rp l a n t d uz u k u n ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gs h e n g h a n k e yw o r d s ：r e u s i n gi n d u s t r i a lw a s t e w a t e r c o m p l e m e n t a r yw a t e ri nc o o l i n gw a t e r s y s t e m ，m i c r o n o c c u l e n td i r e c tf i l t r a t i o n ，b i o l o g i c a lf i l t r a t i o n ，b i o f i l m 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文火电厂工业废水回用的研究，是本 人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他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。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 华北电力人学 ：程硕十学位论文 第一章概述 水是一种极为重要的宝贵资源，是地球上生命繁衍和人类生产生活不能缺少和 替代的物质，也是制约经济和社会发展的主要因素之一。随着工业的迅速发展和城 市人口的不断增加，人类对水资源的需求也在急剧增长，这对我国这样一个水资源 相对缺乏的国家来说，问题更为突出。随着中国经济的发展，工农业用水量持续增 长，环境污染日益加剧，一些水源的水质不断恶化，水资源短缺和水污染问题已成 为制约中国缺水地区发展的主要因素。燃煤电厂是耗水大户，年排工业废水约占工 业企业排放量的1 0 。水资源的短缺制约着电力工业的发展，以水定电、靠水发电 的情况不仅在缺水地区十分普遍，即使在水资源相对丰富的地区也时有发生。同时， 缴纳水资源费、排污费的要求和标准同渐增高，发电企业成本压力陡增，客观上也 要求电厂加强节水工作。 为了缓解水资源短缺矛盾，国家发布了工业企业用水定额标准，其中取水定 额第l 部分：火力发电( g b t1 8 9 1 6 1 2 0 0 2 ) 规定“单机容量小于3 0 0 m w 的循环 冷却机组和直流冷却机组的取水定额指标分别小于4 ，8 0 m 3 m w h 和l r 2 0 m 3 m w h ； 单机容量大于等于3 0 0 m w 的循环冷却机组和直流冷却机组的取水定额指标分别小 于3 8 4 m 3 m 、舻h 和0 7 2 m 3 m w h 。”因此，进行燃煤电厂的废水回收处理利用，减 少新鲜水用量，提高水的重复利用率，实现节约用水，已经成为火力发电厂生存和 发展的重要课题。 1 1 我国工业用水现状 水除了用于日常生活之外，还是工业中重要的原材料，传质与传热的载体，润 滑剂，清洗剂和输送物料的载体，工业用水问题几乎涉及所有工业部门，牵涉工业 生产的各个方面。在目前我国的城市用水中，工业用水占城市总用水量的7 0 一8 0 。 因此，节约工业用水成为合理利用水资源的一种途径。在不同的工业内部，由于生 产工艺的不同会导致用水量和废水水质的差异，故在节约用水的同时，还要综合考 虑用水各部门的特点。 在工业用水中，冷却水用水量占工业用水量很大一部分，约为8 0 左右。工业 冷却水容易富营养化，造成工业废水中化学需氧量增大。所以合理利用冷却废水是 减少水体污染的有效方法。 1 ，2 火力发电厂的用水 电能是易于远距离输送、使用方便、无污染的能源形式。电力生产是社会经济 发展的基础，也是实现工业无废生产的能源保证。因此电力生产的发展速度总是超 华北电力人学l ：程硕+ 学侮论文 前于其它部门。目前，从世界的电力构成来看，大多数国家仍是以火电为主，特别 是以煤为燃料的火力发电占据电力生产主力的地位。煤炭作为能源，用于发电，也 是它最有效、最方便的利用形式。 电能虽然是清洁能源，但电力生产本身却对环境有严重的污染，如大型火电厂 排出的烟气中含有烟尘、二氧化硫、碳氢化合物等以及重金属污染物，污染大气并 形成酸雨。电厂排出大量的煤灰、煤渣，占用土地、污染环境。火电厂中用水量大。 排出的废水污染水体 1 2 1 发电厂的各项用水 火力发电中的用水主要有锅炉用水、冷却用水、工艺用水和生活饮用水。现对 其介绍如下： 火电厂中用水量最大的是冷却水，用量约占电厂总用水量的9 0 。其中汽轮机 凝汽器的冷却水用量最大，采用直流供水时，其用水量占火电厂总用水量的6 0 以 上；采用循环供水时，其用水量可达总用水量的7 0 。火电厂实施节水计划时， 首先考虑采取循环方式，如果想使循环水系统的平均排污率降低到l ，则循环水 的浓缩倍率应达到2 2 倍。除了凝汽器外，冷油器、空气冷却器、空调设备等消耗 的冷却水量也很可观。由于这部分水在用于冷却水后水质基本不变，其水温对整个 冷却水系统来说影响不大，因此，用过的冷却水一般经冷却塔降温后循环使用在冷 却塔冷却过程中因蒸发、雾沫飞溅、渗漏等原因水量有所损失冷却水在循环使用时， 由于盐份积累，需要排出一定量的污水、补充清水。 锅炉用水是直接供给锅炉生产蒸汽用的，包括回用的冷凝水和补充水，一般火 电厂的锅炉补充水是用离子交换装置纯化的，它在循环供水电厂中占总水量的3 ， 其中自用水率约为2 0 。 工艺用水主要用于冲洗设备、窒息热灰、水力冲运煤灰等方面。 火电厂的生活用水含有厂区生活用水，生活区用水及绿化等公用设施用水，这 项水量可达到循环供水火电厂的5 ，其中人的饮用、沐浴、洗涤等用水为这部分 水量的1 5 左右，即为总用水量的o 7 5 左右。 近年来，火电部门虽然采取了提高重复利用率等措施降低其耗水量，但目前仍 占工业用水量的l 4 左右。以建设1 0 0 0 m w 厂为例，如采用直流供水方式，用水量 约4 0 m 3 s ，采用循环供水方式，用水最为1 0m 3 s 。先进国家火电厂每百万千瓦的 水耗量为o 7 ，0 9 m 3 s ，而我国目前的平均水耗量则高达1 5 1 6 4 m 3 s ，两者之间差距 很大。火力发电厂的用水量远大于一般工业水量，约占全部工业用水的l 5 1 4 因 此，在电力生产中开发和应用节水工艺对于整个工业的无废化具有重要意义。 1 2 2 电厂中用水质量的重要性 华北电力人学厂挫硕+ 学位论文 发电系统中水质的优劣是影响发电设备( 锅炉、汽轮机、发电机等) 和冷却设备 ( 冷却塔等) 的安全，经济运行的重要因素之一。因此在回用。电厂废水的同时一定 要保证系统中有良好的水质。由于水质不好引起的危害如下： 1 ) 设备的结垢。如果进入锅炉或其它热交换器的水质不良，则经过一段时间的 运行之后，在与水接触的受热表面上，会生成一些固体附着物，这种现象称为结垢 因为金属的导热性比水垢高几百倍，而这些水垢又极易在热负荷很高的锅炉管中生 成，所以结垢对锅炉( 或热交换器) 的危害性很大。它可以使结垢部位的金属管壁温 度过高，引起金属强度下降，这样在管内压力的作用下，就会发生爆管等严重事故。 结垢不仅危害安全运行，而且还会大大降低发电厂的经济性。 2 ) 设备的腐蚀。发电厂热力设备的金属常和水接触，若水质不良，则会引起金 属腐蚀。热力发电厂的给水管道、各种加热器、锅炉省煤器、水冷壁、过热器和汽 轮凝汽器等，都会因为水质不良而腐蚀。腐蚀不仅要缩短设备本身的使用期限，造 成经济损失，而且金属腐蚀产物转入水中，使给水中杂质增多，从而加剧在高热负 荷受热表面上的结垢，结成的垢又会加速锅炉炉管腐蚀。此种恶性循环，会迅速导 致爆管事件。 3 ) 过热器和汽轮机积盐。水质不良会导致蒸汽品质不良，蒸汽带出的杂质会在 过热器和汽轮机内沉积，称为积盐。过热器内积盐会引起金属管壁过热甚至爆管。 汽轮机内积盐会降低汽轮机的效率和出力，特别是高参数、大容量机组，它的高压 级蒸汽通道截面积很小，少量的积盐也会大大增加蒸汽流通的阻力，使汽轮机的出 力下降。当汽轮机积盐严重时，还会导致推力轴承负荷增大，隔板弯曲，造成事故 停机。 1 3 火力发电厂的废水 火力发电厂既是一个用水大户，又是一个排放废水的大户。一般火力发电厂 排出的废水有：工业废水，生活废水，含油废水，含煤废水( 包括煤场的雨水排水， 灰尘抑制水，输煤设备的冲洗水等) ，循环冷却水系统的排污废水，灰渣系统废水 和厂区的地表水等。工业废水包括锅炉酸洗排放废水( 酸洗废液、锅炉烟气侧冲洗 废水和锅炉空气预热器的冲洗废水等) 和停炉保护排放废水、主厂房排放废水、净 水站排放废水、化学水处理酸碱排放废水，烟气脱硫废水等。 由于火电厂是连续生产，许多废水是随生产过程连续排放，例如冲渣废水有时 是每同数次周期性的排放。生活污水和油污水数量不大，但对水体的表观影响大。 锅炉化学清洗的废渣每年每个火电厂只排放2 8 次，但是所含污染物质量大，难以 实现达标排放。 在火电厂的外排废水中，约有半数以上对环境无显著影响，例如，循环冷却的 华北电力人学i ：稗硕十学侮论文 凝汽器冷却水，为控制其浓缩程度应进行必要的排污，这部分水的含盐量比取自水 体的原水高1 2 倍，有的含有1 2 m g l 的聚羧酸豁或磷酸盐。还有些排水是未被充 分复用的各种冷却水，由于分散在各种设备上使用，收集困难，目前复用率多在6 0 左右。 1 4 火电厂废水处理概况 在治理火电厂废水的时候，首先是尽量安排排出水的水质和水温循序利用【4 】， 使外排废水尽可能减少，对于必须外排的水则尽量使之达到标准排放。7 0 年代国外 曾兴起过零排放( z e r 0d i s c h a r g e ) 的研究，这就是把火电厂无法再利用的废水蒸干 或用作其它方法脱水，使水中残渣变成固体废弃物掩埋，而将水充分回收。这样的 处理的优点是在不污染电厂周围环境的同时，能最大限度的使用日趋紧张的水资 源，减少电厂的总用产量，从而可有效的缓解水资源短缺的问题，提高电厂周围的 环境质量，但是这种方法耗资巨大，对一些国家来说是难以实现的。 要使火电厂废水零排放真正实现，一方面要求系统设计考虑得当，另一方面要 求认真，正确的管理。废水零排放的成功设计主要表现在：对冷却塔排污水进行串 级使用或处理后再使用：对灰渣系统排污水进行处理再用或处置：对系统的高浓度 废水最终处置。 火电厂循环冷却水量很大，约占总水量的9 0 。冷却塔的排污水量也很大，其 数值取决于循环水的浓缩倍率。因此，能否对冷却塔排污水进行串级使用或处理后 再使用对废水零排放的实现起着极为重要的作用。冷却塔排污水串级使用主要包 括：作为灰渣系统补给水、烟气脱硫装置用水、煤处理系统用水用于灰尘抑制或者 其他使用低质水的场合。冷却塔排污水的处理一般采用电渗析、反渗透、蒸汽压缩 蒸发等脱盐装置，脱盐后的水可以作为除盐设备的补给水或冷却塔的补充水。此外， 也可以对冷却塔补充水进行软化处理，如山东邹县电厂三期循环水处理对地下水采 用弱酸( 型树脂离子交换) 处理：或采用高效水质稳定剂，以提高浓缩倍率，减少 冷却塔的排污量，为零排放创造条件。 如果灰的综合利用彻底，或采用干储灰，或干灰调湿碾压灰场处置飞灰，则不 存在灰水的回收利用问题。而狄水回收利用应用较为广泛的湿式输灰系统主要分为 两种类型：狄水在灰场内澄清分离，澄清水一部分蒸发、渗漏损失了，另一部分回 收利用。灰水在电厂内浓缩池澄清分离，澄清水经调节p h 值后再循环利用。 输送炉底灰( 大渣) 主要有两种方法：一种是压力水冲洗的方法，在脱水罐或 一个池中进行灰水分离，国内大多电厂采用此类系统；另一种机械方法，将整体脱 水与连续排水相结合，典型设备是浸入式刮板捞灰机。水经澄清、调节p h 值后再 循环利用。 4 华，j 匕电力人学7 i ：挫硕+ 学位论文 高( 含盐量) 浓度废水的最终处置一般通过蒸发途径。其他高浓度水可以通过 特殊的处理技术加以处理，如高浓度锅炉酸洗废液可以通过炉内焚烧处理( 如柠檬 酸酸沈废液被送往煤场) ，也可以使用化学氧化剂将其氧化后再作进一步处理或去 蒸发池最终处置。 目前，火电厂工业废水多排至集中处理站进行p h 调整、氧化、絮凝和澄清处理 后送输灰系统；含油、含煤废水经隔油、沉淀、混凝、气浮、机械过滤后使污水得 到净化，然后回收重复利用；生活污水一般经预处理( 一级处理) 、生物处理( 多 用好氧法处理，因生活污水b o d 浓度一般不是很高，适于用好氧法) 后回收利用， 例送至除灰系统。 现代化的热电站为节约用水、保护环境，努力实现无废水排放的目标。无废水 排放系统可以有不同方案，如民主德国专家报道，在电厂建立若干用水回路，首先 是设置热灰沉降池，构成冲灰用水回路，并将原先中和后排放的化学酸碱废水作为 该回路的补充水，而不再进行中和处理，这样可以节省大量的烧碱和硫酸。但是水 力冲渣用水回路技术上比较复杂，因为循环水很快被从煤灰中浸出的钙、钾、钠、 铝、硅、钒、砷等元素所饱和，沉析后堵塞管道。为此管道必须定期用酸水冲洗， 而冲洗排放前还要经过中和，产生泥渣。 1 5 小结 近年来，随着电力工业的稳步发展，火力发电厂废水治理工作已取得了一定进 展。如加强了对废水系统的管理，对新工程都考虑了建立污水处理设施，对老厂的 用水系统也进行改造来选择合理的处理系统。 目前，在火电厂的节水计划中，除了循环使用冷却水之外，废水( 污水) 回用已经 得到了充分重视。废水回用是环境保护、水污染防治的主要途径，它同目前倡导的 “清洁生产一、“源头削减和“废物减最化”( w a s t em i n i m i z a t i o n ) 等环境保护战略 措施是不可分割的。对电厂来说，采用废水回收措施可使其获得经济效益，对社会 来说，是环境效益的增加，这两种效益的间接效益和长远效益是难以估量的。 华北电力人学l ：稃硕+ 学位论文 第二章过滤的机理及发展 过滤通常是在混凝沉淀之后，用来去除化学絮凝不能去除的微细颗粒和胶体物 质，提高了悬浮固体、浊度、b o d ， c o d 等的去除率，因而减少消毒费用：它还可 克服生物和化学处理过程中通常的不规则性，使出水水质稳定。通过过滤还可使污 水中含有的物质保持在较低浓度，从而提高污水处理的可靠性。 2 1 过滤机理 水中的悬浮颗粒能够粘附于滤料颗粒表面上，涉及两个问题。首先，被水流挟 带的颗粒如何与滤料表面接近或接触，这就涉及颗粒脱离水流流线而向滤料颗粒表 面靠近的迁移机理；第二，当颗粒与滤料表面接近或接触时，依靠哪些力的作用使 得它们粘附于滤料表面上，这就涉及粘附机理。 2 1 1 颗粒迁移 在过滤过程中，滤层孔隙中的水流一般属于层流状态，被水流携带的颗粒将随 着水流流线运动。它之所以会脱离流线而与滤料表面接近，完全是一种物理力学作 用。一般认为由以下几种作用引起：拦截、沉淀、惯性、扩散和水动力学等。图2 1 为上述几种迁移机理的示意图。颗粒尺寸较大时，处于流线中的颗粒会直接碰到滤 料表面产生拦截作用；颗粒沉速较大时会在重力作用下脱离流线产生沉淀作用；颗 粒具有较大惯性时也可以脱离流线与滤料表面接触( 惯性作用) ；颗粒较小、布朗运 动较剧烈时会扩散至滤料表面( 扩散作用) ；在滤料表面附近存在速度梯度，非球体 颗粒由于速度梯度作用下，会产生转动而脱离流线与颗粒表面接触( 水动力作用) 。 拦簟 沉淀 惯性 扩敦水动力 图2 1 颗粒迁徙机理示意图 对于上述迁移机理，目自玎只能定性捕述，其相对作用大小尚无定量估算。虽 6 华北电力人学j i ：程硕+ 学位论文 然也有某些数学模式，但还不能解决实际问题。可能几种机理同时存在，也可能只 有几种机理起作用。例如，进入滤池的凝聚颗粒尺寸一般较大，扩散作用几乎无足 轻重这些迁移机理所受影响因素较复杂，如滤料尺寸、形状、滤速、水温、水中颗 粒尺寸、形状和密度等。 2 1 2 颗粒粘附 粘附作用是一种物理化学作用。当水中颗粒迁移到滤料表面上时，则在范德华 引力和静电力相互作用下，以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力下，被粘附于 滤料表面上，或粘附在滤料表面上原先粘附的颗粒上。此外，絮凝颗粒的架桥作用 也会存在。粘附过程与澄清池中的泥渣所引起的粘附作用基本类似，不同的是滤料 为固定介质，排列紧密，效果更好因此，粘附作用主要决定于滤料和水中颗粒的表 面物理化学性质。未经脱稳的悬浮颖粒，过滤效果很差，这就是证明基于这一概念， 过滤效果主要决定于颗粒表面性质而无须增大颗粒尺寸。相反，如果悬浮颗粒尺寸 过大而形成机械筛滤作用反而会引起表面滤料空隙很快堵塞。不过，在整个过滤过 程中，特别是过滤后期，由于滤层中空隙尺寸逐渐减小，表层滤料的筛滤作用也不 能完全排除，但这种现象在快滤池中并不希望发生。 粘附力的来源，其相对数值及作用范围，至今仍是个有待研究的问题。 2 2 微絮凝直接过滤 2 2 1 微絮凝直接过滤法的产生 一般使用的滤池是截留悬浮物( 过滤操作) 和排出截留物( 清洗操作) 的一种间歇 操作过程。因此，滤池除了去除悬浮物为其主要目的外，还必须具有在滤层中储存 悬浮物的功能。 在滤池对悬浮物的去除能力达到必要水平以上的条件下，如何抑制过滤阻力增 加的速度，如何有效的利用滤层的孔隙，是值得研究的课题。这不但要改进水流方 向和滤料的组成，而且也要从原水调制方面进行研究。 在沉淀处理中【1 0 】，为了加大悬浮物絮凝体的沉降速度，要求尽可能地增大其粒 径。但在过滤处理中，并不需要很大的絮凝体粒径。为使全体滤层都能有效地起截 留作用，要使絮凝体通过滤料的缝隙，达到适当的深度，所以絮凝体粒径小一些更 好。一般小粒径絮凝体的比重大，所以在同样容积的空间内可以截留更多的悬浮物。 微絮凝过滤法便是在这种思想指导下产生出来的。它就是把刚从快速搅拌池罩 出来的，只生成细小絮凝体的凝聚水直接送入滤池进行处理的方法。 一般在微絮凝法的事例中，为了进一步提高滤池的有效截流能力，采用多层滤 池。与此同时，为了保证悬浮物的去除效果，还使用高分子凝聚剂。 7 华北电力人学l ：程硕十学位论文 2 2 2 微絮凝过滤法的特点 微絮凝过滤法的特点有【l o 】： 1 ) 当处理悬浮物浓度高的原水时，一般多在过滤f ； 对原水进行沉淀处理。然而 储存能力大的微絮凝池可直接处理浊度较高的原水，而不必进行沉淀处理。这样就 省去了沉淀池。因此，微絮凝过滤法可以说是一种经济的过滤法。 2 ) 为生成过滤所需要的细小絮凝体而投入的药量，与沉淀处理时为获得大粒径 絮凝体的投药量相比较的话，前者只有后者的一半，单微絮凝法常常除了投加普通 凝聚剂之外，还需投加高分子絮凝剂。 3 ) 到目前为止，还没有研究出用仪器来确定凝聚沉淀处理的最佳投药量的方法 其投药里需用凝聚试验来确定。但对微絮凝过滤法，则比较容易实现投药量的仪器 控制。 4 ) 前已述及，流进滤池的絮凝体颗粒小，絮凝体占有的空间小，并且絮凝体被 分散并截留于整个滤层中，所以即使提高滤速，过滤阻力的增加仍然较慢，不过在 高滤速下，能使过滤水水质保持稳定的主要原因在于滤料的组成和使用高分子絮凝 剂的结果。 2 3 生物过滤法及其净化机理 生物过滤法是在污水处理领域中【i l l ，作为一种有机性的好氧处理技术而发展起 来的，其历史比活性污泥法还要早2 0 年( 1 9 0 0 ) 左右。活性污泥法是以在曝气池内成 流动状态的絮凝体作为净化微生物的载体，并通过被吸附、浓缩在絮凝体表面上的 微生物来分解有机物的与此相反，生物过滤法则是使净化微生物附着在固定的载体 ( 滤料) 上，污水从上部向下散布，在其流经滤料表面的过程中，通过有机营养物的 吸附、氧向生物膜内部的扩散以及生物氧化等作用，对污染物质进行分解。 微生物是为了把介质( 水) 中处于溶解或悬浮状态的营养物质成为易于摄取的形 态而分泌体外酶( 脱氢酶和氧化酶) 的。这种酶具有密集在固体表面以防止被介质 稀释而使效力降低的性质( 例外者也有) 。生物过滤法能够有效地利用这一特征，在 有限的容积内，提供尽可能大的表面积，因而具有使大量微生物增殖的特征。i f 是 因为净化微生物被固定在固体表面上，从而使生物过滤法具有对原污水水质、水量 的变动有较强的适应性能；不需要进行在活性污泥法中所必须从事的那种繁琐的污 泥管理等优点。 2 3 1 净化机理 将有机性污水连续地向由大到小适宜的滤料所充填的滤层散布时，只要增加营 养物质和氧的供给都很充足，那么，净化微生物就会在滤料表面上以凝胶状迸行增 华北电力人学j l ：程硕+ 学位论文 殖，污水在向下流经滤料表面的过程中，其中呈胶体状念的有机物则被生物膜所吸 附，并为微生物分解而去除。 图2 2 所示，是在滤料表面生长的生物膜、污水层以及与其相接触的空气的状 态如果污水的负荷适宜，而且氧供给充分，就会形成以好氧性微生物为主体的微生 物层，有机物在微生物的作用下，被分解为微生物的最后代谢产物c 0 2 和水。从大 气供给的氧，在到达微生物细胞之前，要克服气液界膜等各种阻力，进展速度很慢， 因此在好氧性层的深部必然要形成厌氧层。在这里，由于厌氧菌的作用，硫化氢、 酚和有机酸等物质在这里被积累。但是如果供养充分，而且厌氧层的厚度不超过某 一限度，则在这里形成的有机酸在异氧菌的作用下，转化为二氧化碳和水，而氨、 硫化氢等在自氧菌的作用下，被氧化为亚硝酸、硝酸、硫酸等稳定的物质，使整个 滤池保持活性。但是，如果供养不足，则滤池全部都由厌氧菌所控制，结果滤池不 仅失去好氧分解功能，而且生物膜也将脱落。 生物膜形成的过程经历出生、成熟、衰退等阶段。 当有足够数量的有机营养物、矿物盐和溶解氧时，微生物在填料上表面繁殖， 稀疏的细菌附着于表面，逐渐形成薄的胶质粘膜。此时，膜的密度较低随着细菌生 长繁殖的加速，膜层不断加厚，膜的密度迅速增加。 滤 图2 2 生物滤池净化污水模式 当膜增长到一定厚度后，水中的营养物和氧不能扩散通到膜内层，因而生物膜 的表面为好气层，内层由于缺氧，形成厌气层。此时，内层好气菌开始死亡，兼性 微生物停止好气呼吸作用，开始进行厌气呼吸好气菌的死亡，菌体溶解所提供的养 9 华北电力人学l ：程硕十学位论文 料为尚存的微生物所吸收，导致膜密度降低，这些尚存微生物的代谢产物由于扩散 而漏入水中，或被表层的微生物所吸收掉，又使细菌继续减少。直到兼性和厌气微 生物开始适应新环境时，在原来好气菌死亡的表面上，厌气菌丌始生长，膜密度下 降速度减缓。当好气菌死亡速度、兼气菌和厌气菌生长速度达到稳定阶段，膜密度 稳定。 在厌气层内，好气菌死亡和自溶，成为兼性菌和厌气菌的养料。至内层的养料 耗尽时，附粉于填料表面的厌气菌大量死亡和溶解，随后，当生物膜的内层不能支 撑表面的微生物群体时，生物膜瓦解，大块脱落。 生物膜脱落而露出的更新表面，又逐渐形成新的生物膜。 活性污泥法和生物滤池法的区别仅仅在于净化微生物固着的载体不同而已，它 们的净化机理在本质上是没有差别的，因此两者的生物相具有一定的相似性。组成 生物相的主要微物是自养和异养的好氧、厌氧和兼性菌、原生动物类、真菌类、轮 虫类、线虫类及寡毛类。但严格来说，生物过滤法的生物环境与活性污泥法的生物 环境不同，所以藻类、大型生物比较多见，而且生物的种属数目也多。微生物沿池 深方向上的种属和数目的不同，也是生物滤池的一个特征( 参照表2 1 至表2 3 ) 。 表2 一l 生物滤池及活性污泥上占优势的原生动物 生物滤池活性污泥 徽盘益虫( o p e r c u l a r i am i c r o d i s c u m ) 媳状独缩虫( c a r c h e s i u m 有肋循纤虫( a s p i d i s c ac o s t a t a ) p o l y p i n u m ) 沟钟虫( v | 0 r t i c e l l ac o n v a l l r i a 沟钟虫( v b r t i c e l l ac o n v a l l a r i a ) 小口钟虫( 、b r t i c e l l am i c r o s t o m a ) 钩刺斜管虫( c h i l o d o n e l l au n c i n a t a ) 卑怯管叶虫( t r a c h e l o p h y l l u mp u s i l l u m ) 集盖虫( o p e r c u l a r i ac o a r c t a t a ) 集盖虫( o p e r c u i a r i ac o a r c t a t a ) 彩盖虫( o p e r c u l a r i ap h r y g a n e a e ) 白钟虫( v b n i c e l l aa l b s ) 条纹钟虫( v 6 n i c e l l as t r i a t a ) ，变异 媳状独缩虫( c a r c h e s i u mp o l y p i n u m ) 八钟虫( v o r t i c e l l ao c t a v a ) 多污游仆虫( e u p l o t e sm o e b i u s i ) 有肋循纤虫( a s p i d i s c ac o s t a t a ) 珍珠映毛虫f c i n e t o c h i l u m 法帽钟虫( v b r t i c e l l af r o m e n t e l i ) m a r g a r i t a c e u m ) i o 华j 匕电力人学j i ：程硕士学位论文 表2 2 纤毛虫主要组成的比较 生物数( 个毫升)组成比( ) 生物名 活性污泥生物膜活性污泥生物膜生物膜 钟虫属( v b r t i c e l l a ) 1 8 3 4 39 5 0 84 7 17 69 3 独缩虫属 ( c a r c h e s i u m ) 2 3 94 9 3 2 50 63 9 5 等枝虫属 1 7 53 5 7 5 8o 42 8 68 7 1 ( e p i s t ) r ) r l i s ) 3 52 9 5 2 5 o 1 2 3 6 盖虫属 ( o p e r c u l a r i a ) 搪纤虫属 1 4 7 2 82 0 03 7 80 61 2 ( a s p i d i s c a ) 斜管虫属 ( c h i l o d o n e l l a ) 8 3 02 5 0 漫游虫属 2 6 2 23 5 09 50 6o 4 ( l i o n o t i l s ) 2 7 25 0 斜叶虫属 ( l o x o p h y l l u m ) 豆形虫属 ( c o l p i d i m n ) 瞬目虫属 1 6 9 91 5 04 40 11 9 ( ( g l a u c o m a ) 其它纤毛虫 表2 3 生物滤池中细菌的深度分布( 每克干燥生物膜上的个数x 1 0 3 ) 滤池深 细菌种类 表面3 0 厘米6 0 厘米9 0 厘米 n 0 3 还原菌 9 6 41 7 4 9 61 5 2 5 蛋白质h 2 s 生成菌 6 6 63 6 2 8 i5 5 2 21 4 4 5 白阮分解菌 l1 7 69 3 31 4 3 51 3 1 3 硫酸还原菌 2 8 5 42 7 25 2 83 6 l 硫细菌 6 66 3 21 1 3 01 4 4 5 氨氧化菌 4 0 1 2 0 5 1 3 9 4 2 3 3 6 硝化菌 491 43 3 l 华北电力人学，l ：程硕+ 学位论文 此外，在活性污泥法中，污泥龄是由污泥负荷条件所决定的，因而增殖速度慢 的微生物被流送出系统外。但在生物滤池中，由于微生物被固定在滤料上，因此与 污水的停留时间无关，增殖速度慢的微生物也能够生长繁殖。正因为如此，与活性 污泥法相比，生物膜上的微生物在种属上是多种多样的，而且形成稳定的生念系统。 众污涎 餐性污泥 交 蒙 脱落的污泥 生物嵌 图2 3 活性污泥法与生物过滤法生物相组成的比较 从图2 3 中也容易看到这一事实。如同图2 3 所示，如果生息着高级营养水平 的生物，则食物链就要变长。在从低级营养水平生物食物链中，有机物分解的产物 降低( 生物的营养级数越高，生活能量的消耗量也越大) ，所以高级营养水平生物越 1 2 华北电力人学i ：样硕十学位论文 多，污泥的生成量也必然会减少。一般认为，生物过滤法的剩余污泥量比活性污泥 法少。 在生物滤池内，由于附着于生物膜上的微生物对有机物加以分解，其中的一部 分被微生物摄取并用于增殖，而生物膜逐渐加厚的同时被剥离，脱落下来，随处理 水流出。因此，在生物滤池后必须设二次沉淀池。为了使生物滤池在正常状态下运 行，发挥正常的净化功能，就必须对b o d 负荷和布水负荷加以控制，使生物膜的 生长速度和脱落速度保持动态平衡，也就是说，必须防止由于生物膜生长过快而阻 塞和由于布水量太大而使生物膜机械脱落。 2 3 2b o d 的去除及影响因素 生物滤池是将微生物固定在滤料上，使污水在沿着生物膜表面流下的过程中， b o d 得以降解、去除的一种处理技术。它在以微生物为净化媒介的这一点上与活性 污泥法相同，因此，在去除b o d 的各个方面，两者在本质上是没有差异的。但是， 两者在构筑物的构造、处理方法方面是不同的，因而在滤池内部形成的生物环境也 和活性污泥法有所不同，影响b o d 去除的因素及其影响程度也必然是不同的。 2 3 2 1 接触( 停留) 时间 在生物滤池内，微生物去除b o d 的过程与活性污泥法相同，也是服从于一级反 应式。因此，如以t 表示污水在生物滤池内的接触时间，以k 表示b o d 去除常数， 则b o d 去除的一般公式为： l e k = e 粕 。 ( 2 1 ) 式中l o 一滤池流入污水的b o d 浓度； l 广滤池流出水的b o d 浓度。 污水与滤料表面的接触时间是与滤池深度、水量及滤料的形状有关，而且豪兰 ( h o w l a n d ) ，布拉德古德( b l o o d 9 0 0 d ) ，辛科佛( ( s i n k o f d 等通过实验各自提出了经验 公式。 根据经验公式可以知道滤池的净化效果能够通过加大池深而提高，但是无论池 深加大到什么程度，也不可能把净化效果提高到1 0 0 。在生物滤池内，供氧一般 是靠由滤池内外温度差而形成的空气自然对流而进行的。然而，滤池深度应以1 5 2 米为限。 2 3 2 2 处理水的水温 在生物滤池内，有机物的降解反应是由微生物的新陈代谢作用所产尘的，因 此，其净化效果对水温的变动是敏感的。但是，温度对生物滤池净化功能的影响程 度，比其它生物氧化法，如活性污泥法为小。这是因为生物滤池净化功能是由某些 因素互相问保持动态平衡状态所决定的缘故。豪兰( h o w l a n d ) 使用施罗布菲尔 华北电力人学l ：程硕十! 学位论文 ( s c h r o e p f e r ) 的试验数据，得出滤池在0 4 0 温度范围内的净化效果为：b o d 去除 率在4 5 9 0 之间，并随着温度的升高而增加。 2 3 2 3 处理水的回流 传统生物滤池的净化效果虽然是优异的，但却有布水负荷低，处理设备庞大等 缺点为了克服这种缺点，人们进行了关于处理水回流的研究，使过去用一般传统生 物滤池不能处理的高浓度污水也能在高负荷条件下得到处理。通过采取处理水回流 措施。有可能取得下列各项效果： 1 ) 将布水的休止时间减少到最小限度，保持滤池生物的活力； 2 ) 由于连续布水，使滤料表面增厚的生物膜不断的被冲刷下来，从而能够将厌氧 层控制在最小限度； 3 ) 由于稀释降低了污水的浓度，改善了处理水的水质，使滤池的净化功能保持在 一定水平； 4 ) 由于回流，使污水经常保持新鲜状态，抑制臭味的散发； 5 ) 能够预先向流入污水中接种滤池生物； 6 ) 能够增进滤池下层的净化功能； 7 ) 能够抑制滤池蝇的发生。 此外，处理水的回流的一个共同效果是对流入污水的水量、水质以及浓度的变 化具有均化和缓和的作用，并使滤池的运行灵活多样。 2 3 2 4 氧的供给( 滤池的通风) 为了使生物滤池能够发挥其正常的净化功能，向滤池内部供给充分的氧是一个 必要条件。从滤池表面到某一深度的范围内是在滤池表面的扩散作用下，能够得到 必要的氧量，但在该深度以下的部位就必须依靠空气流通的作用了。这种空气流通 是通过池内外温度差所产生的自然对流现象进行的。为了促进这一作用，通常在滤 池四周建造围墙，以提高烟道效果。如果滤池的直径很大，其内部温度几乎与水温 相等。在冬季，池内温度高于外部气温，空气从池底向上流动，而夏季与此相反。 在夏季，有时一日内昼夜温差大，夜间向上流，白昼则向下流动。风力有助于空气 流通，因此，在池壁的底布设通风孔时，必须考虑风向。 向滤池供给的氧，由流过滤池的污水传递给生物膜。在运行正常的生物滤池中， 氧从流入的污水向生物膜的转移速度，可近似地用下列公式表示 m = 仇j i l 彳( c i c 2 ) ( 2 2 ) 式中m 一氧的转移速度( 毫克0 2 秒) ； d 广氧通过生物膜的扩散速度( 厘米2 秒) ； l 卜生物膜的厚度( 厘米) ： a 一表面积( 厘米2 ) ； 1 4 华北电力人学i ：样硕十学位论文 c i ，c 2 一分别为生物膜层内点l 及点2 处的氧浓度( 毫克0 2 厘米3 ) 。 2 3 2 5 滤料 在传统生物滤池和高负荷生物滤池中使用最普遍的滤料是碎石。生物膜固着在 滤料的表面，而生物膜是净化功能的基础，因此，滤料的表面应当粗糙，易于生物 附着，而且单位体积内所具有的表面积越大越好。此外，还必须选定不受风化、不 因自重而破碎、不被污水腐蚀的耐久性滤料。 滤料的尺寸越小越好，但如果过小，会产生由于污泥在滤料间隙沉积而出现的 堵塞的现象。因此，必须选择大小合适的滤料。滤料应具备如下条件： 1 ) 单位体积的表面积大，空隙率高，能够使生物膜充分增长； 2 ) 流入水与生物膜的接触面积大，从空气向生物膜的氧转移充分； 3 ) 空气不受阻力而自由流动，并具有能够正常地向生物膜供氧的空闻； 4 ) 从生物学观点看，滤料应是惰性物质，对生物增殖无抑制作用，而且在物理、 化学方面是稳定的； 5 ) 质轻、高强； 6 ) 滤料价格低廉。 2 3 3 生物过滤法的特征 2 。3 3 1 生物种类的多样性 活性污泥中，更代时间长的生物，容易随处理水流出而不能在污泥中存活，但 是在生物膜中，与废水的停留时间没有关系，增长速度相当慢的生物f 如硝化菌、水 虹酬等) 也可能存活。此外，微小的后生动物中有的对搅拌强度有较强的敏感性，而 在生物膜中很少有这样的搅拌冲击。由于这些理由，生物膜中的生物种类比活性污 泥的多，从而构成比较稳定的生态系统。为此生物膜法对于环境条件的变动和冲击 负荷的适应能力较强。 2 3 3 2 产生的污泥量 和活性污泥相比，在生物膜中出现比较大型的生物，生长繁殖，因而食物链也 比活性污泥的长。在一般情况下，为o 5 左右。生物膜中存在着大量的轮虫类、吸 管虫类、线性虫等，他们都摄氏细菌和原生动物。这些富营养水平的生物对于食物 的摄取率比原生动物低得