（环境工程专业论文）火电厂工业废水回用的研究——以渭河电厂为例.pdf

摘要 火电厂工业废水回用的研究 一以渭河电厂为例 摘要：奉文从火电厂+ 工业废水回用的角度出发，运用物理化学、微生物学、污 水处h 等知u ，通过理沦与实际的有机结合，对工业废水凹用于冷却水补充水 的方法作了比较全面的论述。作者通过自行设计的实验反应器微絮凝直接过 滤滤朴删! l 物过滤反应器，探索了优化处理火电j ：业废水的可行性和实用性 力案，提出厂运用微絮凝直接过滤一，上物滤池的方法，并结合渭河电厂的实 例，城过实验证明此工艺在技术上足可行的。基于实验结果，求出 l ! c k e nje l d o r 生物滤池模式中常数n 和k ，为实际的工程设计提供了参考依据。 l 比外，还提u j 了适合火电厂刚j h 工、世废水的工艺流程。 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，e ( ：k e n f e l d e r 生物滤池模式 r e s e a r c ho nr 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 一a ne x a m p i eo fw e i h ep o w e rp l a n t a b s t r a c t f r o mt l l ev i e wo fr e 璐i n gi n d u s t r i a lw t e w a t e ri np o 、e rp l 柚t ，a m e t h o dt h a tt r e a t si n d i l s t r i a lw 硒t e w a t e rt om a k ei tr c u s e da sc o m p l e m e m a r yw a t e ri n r e c y c l i n gc o o l i n gw a t e rs y s t e mi sd i s c u s s e di nm i sp a p c r f l l r m e n o r e ，t l l em 酏0 d c o m b i n e st h e o r i e s、 ，i m p r a c t i c e ， a n di l s e s k w l e d g e o fp h y s i c o - c h e m i s t r y ， m i c r o b i o l o g y ，啪s t ew a t e r 廿e 砒m e n tm l ds oo n f 船s i b i l i t y 髓dp r a c t i c a l i t yo ft l l i s m e t h o da r cs t u d i e db y4s e r i e so fe x p e r i m e n t s s om ep r o c e s so fm i c r o f l o c c l i i e n t d i r e c t6 1 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 nw a so b t a i n e d ，a n dp r o v e dt ob ef e 聃i b l ew h c n a p p l i e dt ow e i h ep o w e rp l a r l e t b a s e do ne x p e r h n e m a ld a t a ，c o n s t a i l t sna n dk u sc | d i ne c k e n f c l d e rb i o l o g i c a lf i l t r a t i o nm o d e lw e r ed e d u c e d ，w h i c ho f f e rf c f e 咖c ef o r a c t u a le n g i n e e r i n gd e s i g n b e s i d e s ，t e c i l i l i c 乒ln o wc h a nt l i a ta d 印t st o 订e a t i n g 姐d r e u s i n gw a s t e w a t e ri np o w e rp l 锄ti sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：r c u s i r l gm d u s t r i a lw 嬲t e 、v a t e r ，c o m p l e m e n t a r y 、v 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 0 n o c c u i e n td i r e c tf i l t r 砒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 ，e c k e n f c i d e r b i o l o g i c a ln l t r a t i o nm o d e l 延囊理蔗大学颈奎学位论文 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棚 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 市入网的不断增加，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 桐对缺乏的国家来说，问题更为突出。据1 9 9 2 年6 月份统计l ，我国4 6 7 个城市中 有3 0 0 多个城市缺水，5 0 多个城市严重缺水，嚣供水能力仅能保证黯峰期冒用水量 纳6 5 一7 0 。与此同时，水资源的污染同益严重。据统计，目前全国融有8 0 以 。t 的江潮湖泊累l9 0 以上的城市水源受到了不同程度的污染，7 0 以上的城乡屠民 生活用水不符合饮用水的卫生标准。根据1 9 9 3 年调查，在全国7 0 0 余条河流中，约 9 。9 万公里的涎长中，魏类以上受污染河流的长度煮碡。5 8 万公里，其中严重污染河流 的长度( 超过五类) 占1 0 ；湖泊水库水质富营养化的占2 6 。东部、中部地区大 中城市下游的水体9 0 以上均受到不同程度的污染1 2 。 1 - l 我国工业用水现状 水除了用于日常生活之外，还是工业中重簧的原材料f 3 】，传质与传热的载体，润 潴刹，清洗荆帮输送物料的载体，王业用水问题几乎涉及所肖王业部门，牵涉工妲 _ ! 产的各个方面。在围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，节约互渡用水成为合理利用水资源的一种途径。在不阏的工业内部，出于生 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 虑用水各部门韵特点。 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 冷却水容易富营养纯，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。 工业部门的节约用水应着重提高王业用水的重复利用率，降低工避产品单位产 量或产值的取水量，从而提高工业用水的利用水平。我国城市王业用水重复利用率 1 9 8 9 年为4 5 ，相当予美国7 0 年代初的水平，虽然1 9 9 3 年达到5 0 ，徨还远未达 到发达国家般利用水平i 表l 。l 列出国外工业用水的重复利用率。 第l 凝 渭河电厂王戴废水圆用的研究 不同国家水的重复利用率，表1 1 国家年度水的重复利用率 l9 7 0 4 5 美国 l9 857 5 19 7l 5 3 7 原苏联 l9 8 0 7 5 8 0 l9 7 36 2 圉本 l9 7 9 7 3 。1 l9 8 27 3 8 1 2 火力发电厂的用水 电能是易予远距离输送、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，也是实现工监无废生产的能源保证。因此电力生产的发展速度总是超 自 f 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。美国1 9 8 l 。年有近6 亿吨煤消耗子火力发电厂中【耵， 占据煤产量的绝大部分，发电量占全国总发电量的5 3 。相比之下，我国用予发电 的煤不到总产量的四分之一。 电能虽然是清洁能源，僵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。 一、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j 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 第2 页 鹾安理工犬学颈士学位论文 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1 ，则循环水的浓 缡倍率应达到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，用遥的冷却水一般经冷却塔降温后循环利用。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， 辔于盐份积累，需要撵出一定羹的污水、孙充满水。 锅炉用水是直接供飨锅炉生产蒸汽用的，包括回用的冷凝水和补充水，其中含 有制取离纯的锅j 妒补充承时所消耗豹自髑水，一般火电厂钓锅炉补充水燕用离子变 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 锅炉 补充水可利用净化螽的电厂废水。因废水的盐份不同，利用量约为废水量的2 5 3 5 左右。 工艺用水主要用于i 串洗设备、窒息热灰、承力冲运煤灰等方蔼。 火电厂的生活用水食有厂区生活用水，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。 根据报道，1 9 8 0 年火电用水占全国工业用水量的3 4 6 。近年来，火电都门虽 然采取了提高黧复利用率等措施使其耗水量几乎未见增长，但目前仍占工业用水量 的l ，4 左右。以建设l o o o m w 厂为例”，如采用直流供水方式，用水量约4 0 一，s ，采 用循环供水方式，用水量为1 o m 3 ，s 。先避国家火电厂每蠢万千瓦的水耗量为0 7 o 。9 m 3 ，s ，而我国蠲前的平均水耗量则高达l ，5 1 “m 3 s ，两者之间差距很大。火力发电 厂的粥水量远大于一般王业水薰1 6 ，例如1 9 s 4 年京津酱冀全部工业用水量为1 4 5 8 亿m 3 ，电力工业为6 7 7 亿m 3 ，由于采用了汽轮机凝片器循环冷却水和工业水重复 利用等节水措施，使电力工业中水的总重复利用率达8 5 4 ，颠鲜水的取水臻量( 即 耗水量) 仅9 8 9 亿m 3 ，占全部工业用水的新鲜水( 4 4 4 亿o ) 的2 2 3 。但是由于电力 工业产品单一，电价常年不变，按万元产值计算的新鲜承量达2 5 7 6 一，是一般工业 平均值的1 4 倍，是正业总单位产值取水董的5 7 8 倍。由此可见在电力生产中开 发和应用节水工艺对予整个工业的无废化具有重要意义。 二、电厂中用水质量的重要性 发电系统中水质量的优劣是影响发电设备( 锅炉、汽轮机、等) 和冷却设备( 冷 繁，页 灌湃电j 工业废水蹲用辨研究 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韵永质不良，刘经过一段对闻的 运行之后，在与水接触的受热衷面上，会生成一些鼹体跗着物，这种现象称 为结垢。医为金属的导热性比水垢离几百倍，而这些水垢又极易在热负菇很 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 氐发电厂静经济住。 2 ) 设备的腐蚀。发电厂热力设备的金属常和承接触，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， 从而加剧在商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。 1 3 火力发电厂的废水 一般火力发电厂排出豹废农有：锅炉给求真占j 替出的含盐废水，循环冷却水系统 的摊污废球，设备洗j 袋踱承，水力冲- 荻废水，生活污水和厂区豹邈表水等我强火 力发电厂排出的废水，特别是冲灰( 渣) 废水量较大，1 9 9 0 年冲灰( 涤) 水量已达7 3 7 3 3 已达万吨删，废水排放量赢达1 1 0 9 8 8 万吨，治理费用达5 9 7 7 3 万元由此可见，火 力发电厂既是一个用水大户【仅冲灰( 渣) 水1 9 9 0 年就用去1 1 2 0 9 3 一万吨，又是一 个稀放废水的大户。 由予火电厂是连缕生产，许多废水是随生产过程连续撵放，例如冲渣废水有对 是每曰数次周期性的摊放。生活污水稀油污水数量不大，但对水体的表观影响大， 目前已有进行处理。锅炉化学清洗的废渣每年每个火电厂只排敦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 凝汽器冷却水即是，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 第4 页 西安理工大学硕士学位论文 自水体的原水高1 2 倍，有的含有1 2 m g ，l 的聚羧酸盐或磷酸盐。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。我国在8 0 年代末期的火电厂排放的废水情况如表1 2 。 由表1 2 可看出，由于重视了节水与环境保护，按照装机容量计算的外排废水量 在一年之内降低了1 0 5 2 ，取得显著效果【”。 8 0 年代后期火电厂排水情况袭1 2 年度装机容量排出废水量冲灰渣废水量酸碱废水 按容量计算废水 ( g w ) ( 亿m 3 )( 亿m 3 )( 亿m 3 ) ( 万t g w ) 1 9 8 86 0 7 31 1 7 7 76 2 4 26 2 4 4 1 9 3 9 1 9 8 96 9 3 61 2 0 3 26 7 4 3o 2 6 0 1 7 3 5 1 4 火电厂废水处理概况 在治理火电厂废水的时候卧l ，首先是尽量安排排出水的水质和水温循序利用， 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 水量，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。 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给水站废水作为该 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。同时停止 向水体排放高盐份的废水，沉降池上层清滚的p h 值也可降低1 个单位，设备洗涤水、 厂区地表水和生活污水处理后补充循环冷却水系统的水量损失。循环冷却水系统的 排污废水脱盐后与净化后的其它废水作为锅炉补充水，循环冷却水在冷却塔经过剧 烈淋溅后，溶解氧浓度提高到4 毫克升，温度约为2 7 ，适合于常年养鱼养鱼后 水中会氮量增加，可用于农田灌溉，也可用于工业生产前苏联学者认为，建立水 第5 页 滑河电厂工业废水回用的研究 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漫出的钙、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。 日本九州电力公司与电源开发公司共同进行了专门燃用进口煤的松浦火电厂的 建设，它们制订了与水质有关的环保规定值，见表1 3 。 与水质有关的环保规定值 表1 ，3 项目法规值环保规定值措施 氢离子浓度 5 0 9 06 5 8 5 排 0 h ) 水化学需氧量最大1 5 m 叽，平均 一般排水处理装 1 6 0 m g l 处( c o d )1 0 m g ，l 置， 理悬浮物量( s s )最大1 5 m g ，l 平均排脱水处理装 2 0 0m g ，l 排 l o m g ，l 置， 水 抽出物质中标油分离槽 5 m g ，l1 m g 几 准乙烷含量 灰氢离子浓度 5 o 9 o6 5 9 0 处0 h ) 理悬浮物量最大2 0 m g ，l ，平均沉淀处理 2 0 0 m g l 排 ( s s )l o m g ，l 水 透明度 4 0 度 1 5 小结 近年来，随蓍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，对新工程一般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。此外节约用水，降低用水量对火 电厂也很重要。 目前，在火电厂的节水计划中，除了循环使用冷却水之外，还有一种比较容易 实旄的合理利用水资源的另一种重要途径一废水( 污水) 回用。 第6 页 西安理工丈学曛士学位绝交 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”、 “源头削减”和“废物减量化”( w 如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。 第7 页 渭河电厂工业废水回用构研究 第二章过滤的机理及发展 过滤通常加在混凝沉淀之后，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【1 2 j ，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，这就涉及颡粒脱离水流流线丽向滤料颗粒 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。 ( 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，完全是一种物理一力学 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) 。 对于上述迁移机理，目前只能定性描述，其相对作用大小尚无定量估算。虽然也有 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，也可能只有儿种 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晌因素较复杂，如滤料尺寸、形状、滤速、水温、水中颗粒尺 寸、形状和密度等。 第8 荑 西安理工大学硬士学位论文 拦截沉淀 惯性扩教水动力 图2 1 颗粒迂徙机理示意图 ( 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。未经脱稳的悬浮颗粒，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 一、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 第9 页 渭河电厂工业废水回用的研究 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l ”j ，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里 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。 二、微絮凝过滤法的特点 微絮凝过滤法的特点有3 】： 1 ) 当处理悬浮物浓度高的原水时，一般多在过滤前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，徽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。 其投药量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 分散并截留子整个滤层中，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1 习1 “，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旱2 0 年( 1 9 0 0 ) 左右。活性污泥法是以在曝气池 第1 0 页 西安理工大学磺士学位论文 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 的裁体( 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。正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。 一、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进行增 殖，污水在向下流经滤料表面的过程中，其中里胶体状态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 o ：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、 氨和有机酸等物质在这里被积累但是如果供养充分，而且茨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、 硫化氢等在自氟菌的作用下，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。 第1 1 页 渭河电厂工业废水曰用的研究 滤 生物膜空气 1r 有扭剧 c o ，+ 水 一c o ， 口a 0 2 j 二- ，一 亏有机营养物 1 1 a 口 r 淞o a 。c 0 2 、n 0 3 n 0 2 i h ，s 1 r n h 3 l i n 。 圈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 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 丽漏入水中，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，厌气菌开始生长，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，成为兼性藤和厌气菌的养料。至内层的养料 耗尽时，附着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 生物膜脱落而鳝出的更新表面，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 生物相的主要微生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、线虫类及寡毛类等【“。但严格来说，生物过滤法的生物环境与活性污泥法 第1 2 页 西安理工大学焉士学位论文 的生物环境不同，所以藻类、大型生物比较多见，而且生物的种属数日也多徽生 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 表2 3 ) 。 生物滤池中细菌的深度分布穗瞬干燥生物膜e 自 激l 旷)表2 1 滤池深 细菌种类 表面3 0 厘米6 0 厘米9 0 厘米 n o ，还原菌 9 6 41 7 4 9 6 l5 2 5 蛋白质h ：s 生成菌 6 6 63 6 2 b l 5 5 2 2 1 4 4 5 白朊分解菌 1 17 6 9 3 3 1 4 3 5 l3 13 硫酸还原菌 2 8 5 42 7 2 5 2 8 3 6 1 硫细菌 6 66 3 2 1 1 3 0 i4 4 5 氮氧化菌 4 0l2 0 5 13 9 4 2 3 3 6 4 9 1 4 33 l 硝化菌 纤毛虫主要组成的比较表2 2 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 0 一c e i l a ) 1 8 3 4 39 5 0 84 7 17 69 3 独缩虫属( c a r c h i u m ) 2 3 94 9 3 2 50 63 9 5 等枝虫属( e p i s t y y l s ) 1 7 53 5 7 5 80 42 8 68 7 1 3 52 9 5 2 5o 12 3 6 盏虫属( o p e r l a r i a 耱纤虫属( a 3 p i d j s 咖 1 4 7 2 82 0 0 3 7 8 0 6 1 2 斜管虫属( ch i | o d o n e a ) 8 3 02 5 09 50 60 4 漫游虫属( l i o n o t u s ) 2 6 2 23 5 0 2 7 25 0 斜叶虫属( l o x o p h y u u m ) 豆形虫属( c o l p i d i 啪) 瞬目虫属( g l 跏c o m a ) 1 6 9 9l s 04 4o 11 9 其它纤毛虫 第1 3 页 滑河屯厂工业废水回用的研究 生物滤池及活性污泥上占优势的原生动物表2 3 生物滤池 活性污泥 微盘藏虫( o p e r c u l a r i am i c r o d i s c u m ) 有肋楣纤虫( as p i d i s c ac o s t a t a ) 螅状独缩虫( c a r c h e s i u mp o i y p i n u m )沟钟虫( v o r t j c e i l ac o n v a l l r i a ) 沟钟虫( v or t i c e i l ac o n v a l l a r j a )小口钟虫( v or t i c e l i 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 i l u mp u s 川u m ) 集盖虫( o p e r c u i a f i ac o a r c t a t a ) 集盖虫( o p e r c u l a r ac o a r c t a t a ) 彩盖虫( o p e r c u l a f i ap h r y g a n e a e )白钟虫( v or t i c e l l aa i b a ) 条纹钟虫( v o f t i c e l i as t f i 毗a ) ，变异螅状独缩虫( c a r c h e s i u mp o i 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 ) 有肋檐纤虫( a s p i d i s c ac o s t a t a )法帽钟虫( v o r t i c e i l af r o m e n t e l i ) 珍珠映毛虫( c i n e t o c h i i u mm a r g “h c e u m ) 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，而且形成稳定的生态系统。 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。 第1 4 页 西安理工大学冁士学位论文 剩余污泥 活性污泥 脱落的污泥 生物腆 图2 3 活性污泥法与生物过滤法生物相组成的比较 第1 5 页 流八污水 锅河电厂工业废承回用的研究 二、b 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。 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阃，以k 表示b o d 去除常数， 则b o d 去除的一般公式为： r 兰三一：e 一“ 工。 式中k 一滤池流入污水的b o d 浓度； k 一滤池流出水的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 o w l 强d ) ，布拉德古德( b l o o d g o o d ) ，辛科佛( s i n k o 国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l o o 。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 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生的，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 互相间保持动态平衡状态所决定的缘故。豪兰凹o w l a n d ) 使用施罗布菲尔( s c h r o e p f e r ) 的试验数据，推导出对2 0 时k i 值的温度校正公式，并由此得出 第1 6 页 西安理工大学磺士学位论文 rd 生= l o 一抽”石荫 三o 6 ：1 0 3 5 7 。 当k ( 2 0 ) = 0 3 ，d = 6 英尺，q = 5 百万加仑日时，根据上式计算滤池在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。 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r 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。 关于污水在生物滤池内的停留时间t ，有不少研究者作过探讨，并提出一系列 的经验公式，现将其整理如下： 1 ) 舒尔策公式( 1 9 5 7 年) n ，= 3 2 意 式中：t 。一接触时问( 秒) ： d 一滤池深度( 米) ； q 一布水负荷( 米v 米2 日) 。 第l ，页 渭河电厂工业废水回用的研究 豪兰公式( 1 9 5 7 年) 斜面 ，旬崩4 “矿d ( c 争2 ” 式中v 一流体的运动粘滞性系数( 米2 ，秒) ： g 一重力加速度( 米，秒2 ) ； a 。一滤料的比表面积( 米2 ，米3 滤料) 。 3 ) 辛科弗( s i l l l ( o 厅) 公式( 1 9 5 9 年) 磁球体 4 肋善c 钞3 4 ) 麦克德莫特( m cd e 册o t t ) 公式( 1 9 5 7 年) 灶s 拳 5 ) 埃肯费尔德公式( 1 9 6 3 年) 忙s 等 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 = 譬4 ( c 一c 2 ) 第1 b 页 西安理工大学硬士学位论文 式中m 一氧的转移速度( 毫克0 ：，秒) ； d 。一氧通过生物膜的扩散速度( 厘米2 秒) ： h 一生物膜的厚度( 厘米) ； a 一表面积( 厘米2 ) ； c 、c ：一分别为生物膜层内点l 及点2 处的氧浓度( 毫克o 厘米3 ) 。 另一方面，生物膜中微生物的耗氧速度用下列公式表示 m = k a h 式中m 一耗氧速度( 毫克0 2 ，秒) ： k 一微生物的氧利用速度( 毫克o ：，厘米3 秒) ： 一比重( 毫克，厘米3 ) 。 在正常状态下，m 与m 相等，因此下式成立 拿一( c 。一c ：) ：k ，训 厅z ：生坠二刍2 定w 氧的最大透过深度，也就是好氧层的最大深度是在c ：= 0 时出现，因此下列公 式成立： h z ：里 世w 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。生物膜同蔫在 滤料的表面，而生物膜是净化功能的基础，因此，滤料的表面应当租糙，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； 第1 9 页 渭河电厂工业废水回用的研究 3 1 空气不受阻力丽自由流动，并具有能够正常地向生物膜供氧的空间； 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。 三、生物过滤法的特征 根据资料可知生物过滤法的特征有： l 、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( 如硝化菌、 水蚯蚓等) 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 、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，如营养水平较高的生物生 长繁殖，因而食物链也比活性污泥的长。在一般情况下，细菌中原生动物的产率多 为0 5 左右。生物膜中存在着大量的轮虫类、吸管虫类、线虫类等，它们都摄食细菌 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多，因而， 寓营养水平的生物越多，产生的污泥量也越多，正是这些原因，生物膜法产生的污 泥量比活性污泥法少得多，而且去除b o d 的3 0 叫o 形成为脱落污泥。 3 、节省能源 活性污泥法在曝气方面要有很大的动力，而生物膜处理所需的氧可来自大气 而且几乎不需要动力。 1 2 4 生物活性炭滤池 众所周知，活性炭具有去除水中色度、嗅味的能力，它还能吸附水中的有机物 第2 0 页 西安理工大学硕士学位论文 质。活性炭对废水中绝大部分的有机物，例如酚、苯、石油及其产品、杀虫剂、洗 涤剂、合成染料、胺类化合物以及许多人工合成有机物都有去除效果，其中有些有 机物是难于用生物法处理或其它氧化法去除的，但易被活性炭所吸附。 一、活性炭吸附机理 活性炭等吸附剂的吸附方式，主要以如