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硕l 论文生物活性炭滤池处理城镇污水处理厂尾水的研究 摘要 我国城镇污水处理厂尾水具有c n 低，n 、p 含量高的特点，对其进行深度脱氮除 磷具有一定的难度。本文采用以同步硝化反硝化、短程硝化反硝化等新型脱氮技术为基 础的生物活性炭滤池( b a c f ) 工艺，强化b a c f 工艺的脱氮效果。 在对比不同颗粒尺寸填料的b a c f 工艺除污效果试验中，得出在相同试验条件下， 小颗粒尺寸填料( 直径为( p 1 5 m m ，长度为2 - 4 m m 柱状颗粒活性炭) b a c f 和大颗粒尺寸 填料( 直径为们i m ，长度为4 1 0 m m 柱状颗粒活性炭) b a c f 在挂膜启动和稳定运行 前期均具有高效的去除c o d 、n h 4 + - n 能力，但小颗粒尺寸填料b a c f 更具有优势。但 在长期稳定运行中，大颗粒尺寸填料的b a c f 除污效果更稳定。稳定运行后期，小颗粒 尺寸填料b a c f 出现滤料板结现象，并且出水水质变差。为保证工艺系统运行稳定，减 少反冲洗周期和反冲洗动力，降低能耗，后续试验采用大颗粒尺寸活性炭填料。 采用b a c f 同步硝化反硝化工艺处理模拟城镇污水厂尾水试验中，得出系统最佳运 行工况为：t ：2 5 + 1 ；气水比为4 ；d o ：2 5 3 5 m g l ；水力负荷：9 m 3 ( m 2 d ) ；p h 值：7 5 8 0 ，填料高度为7 0 c m ，此时出水c o d 、n h 4 + - n 、t n 浓度分别为1 0 3 m g l 、 1 0 m g l 、1 6 6 m g l ，去除率分别为8 6 7 、9 2 9 、3 6 2 。出水c o d 、n m + - n 浓度均 满足设计出水水质标准，但t n 不满足设计出水水质要求。b a c f 同步硝化反硝化工艺 脱氮能力有限。 采用基于短程硝化反硝化脱氮理论的前置反硝化b a c f 工艺处理模拟城镇污水厂 尾水试验中，通过对工艺影响因素分析，确定出系统在处理模拟城镇污水处理厂尾水时 最佳运行工况为：气水比：2 ；p h ：7 5 + 0 2 ；温度：2 5 + 1 ；回流比：2 0 0 ；水力负荷： 1 1 3 m 3 ( m 2 d ) ，此条件下工艺平均出水c o d 、n h 4 + _ n 、t n 浓度分别为：1 0 7 m g l 、 1 2 m g l 、1 0 6 m g l ，平均去除率分别为：8 8 2 、9 2 5 、7 1 2 。该工艺出水中c o d 、 n h 4 + - n 、t n 均达到设计出水水质标准，但此条件下该工艺平均出水t p 浓度为1 3 m g l ， 去除率为4 5 6 ，不能满足设计出水水质标准，应考虑后续混凝沉淀除磷强化系统除磷 效果。 关键词：城镇污水处理厂尾水，生物活性炭滤池，同步硝化反硝化，短程硝化反硝化， 前置反硝化 a b s t r a e t硕上论文 a b s t r a c t t 1 1 et a i l w a t e rf r o mu r b a ns e w a g et r e a t m e n tp l a n th a sl o wl e v e lo fc n a n dh a sh i g h c o n t e n to fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s i th a ss o m ed i f f i c u l t i e si nr e m o v i n gn i t r o g e na n d p h o s p h o r u s i nt h i sp a p e lb i o l o g i c a la c t i v a t e dc a r b o nf i l t e r ( b a c f ) w a sc o m b i n e d 谢l s i m u l t a n e o u 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 n ( s n d ) t e c h n o l o g y , a n ds h o r t c u t 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 nt e c h n o l o g y , i no r d e rt os t r e n g t h e nt h ee f f e c to fn i t r o g e nr e m o v a l t h ec o m p a r a t i v es t u d yo fb a c fw i t hd i f f e r e n tp a r t i c l es i z ef i l l e rs h o w e dt h a t i n t h es a m ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，d u r i n gt h eb i o f i l mf o r m a t i o na n de a r l yt i m eo fs t a - b l eo p e r a t i o n , t h eb a c fb o t h 诵ms m a l l ( d i a m e t e r ：91 5 m m ，l e n g t h ：2 - - 4 m m , c o l u m - n a tg r a n u l a ra c t i v a t e dc a r b o n ) a n db i g ( d i a m e t e r ：q 4 m m ，l e n g t h ：4 - 10 m m ，c o l u m n a r g r a n u l a ra c t i v a t e dc a r b o n ) p a r t i c l es i z ef i l l e rh a dh i g h l ye f f i c i e n td e c o n t a m i n a t i o nc a p a - b i l i t y , b u tt h eb a c fw i t l ls m a l l e rp a r t i c l es i z ef i l l e rh a da d v a n t a g ei nr e m o v i n g c o n t a m i n a n t st h a nt h eb a c fw i mb i g g e rp a r t i c l es i z ef i l l e r b u td u r i n gt h el o n g t e r m s t a b l eo p e r a t i o n , t h eb a c fw i t l lb i g g e rp a r t i c l es i z ef i l l e rh a dm o r es t a b l et r e a t m e n t e f f e c t t h ef i l t e ro fb a c f 谢t hs m a l l e rp a r t i c l es i z ef i l l e rh a da p p e a r e dt h a t ，t h ep h e n - o m e n o no fc o m p a c t i o n ，a n dt h eq u a l i t yo fe f f l u e n tb e c a m ew o r s e i no r d e rt oe n s u r e t h es t a b l eo p e t a t i o no ft e c h n o l o g ys y s t e m ，r e d u c i n gb a c k w a s h i n ga n db a c k w a s h i n gc y c l ep o w e r , a n dr e d u c i n gt h ee n e r g yc o n s u m t i o n ，t h ef o l l o w - u pe x p e r i m e n tw o u l du s e t h eb i g g e rp a t i c l es i z ea c t i v a t e dc a r b o na s t h ef i l l e ro fb a c f n ee x p e r i m e n to fb a c fs i m u l t a n e o u 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 np r o c e s sd e a l i n g 埘mt h es i m u l a t i o nw a s t e w a t e ro ft h et a i l w a t e rf r o mu r b a ns e w a g et r e a t m e n tp l a n t ，s h o w e d t h a t ，t h eb e s to p e r a t i n gc o n d i t i o nw a s ：t ：2 5 士1 ；t h er a t i oo fg a st ow a t e r ：4 ；d o ： 2 5 - 3 5 r a g l ；h y d r a u l i cl o a d i n g ：9 m 3 ( m z d ) ；p h ：7 5 - 8 0 ；h e i g h to fp a c k i n g ：7 0 c m u n d e r t h i se x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h ee f f l u e n to fb a c fw a sc o d ：10 3 m g l ，n h 4 十- n ：1 0 m g l ，t n ：1 6 6 m g l ，r e m o v a le f f c i e n c yw a s8 6 7 ，9 2 9 ，3 6 2 t h ec o n c e n t r a t i o no f c o d ，n i - - l i + - ni ne f f l u e n th a dm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，b u tt nh a d nt b a c f s i m u l t a n e o u 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 np r o c e s si nt h i se x p e r i m e n th a ds o m ec e r t a i n l i m i t a t i o n s t h e e x p e r i m e n t o fp r e d e n i t r i f i c a t i o nb a c fw h i c hw a sb a s e do ns h o r t c u t 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 nt e c h n o l o g y , d e a l i n gw i t hs i m u l a t i o nw a s t e w a t e ro ft h et a i l w a t e r f r o mu r b a ns e w a g et r e a t m e n tp l a n t ，s h o w e dt h a t ，t h eb e s to p e r a t i n gc o n d i t i o nw a s ：t ：2 5 士1 ； p h ：7 5 士0 2 ；t h er a t i oo fg a st ow a t e ：2 ；r e f l u xr a t i o ：2 0 0 ；h y d r a u l i cl o a d i n g ：11t 3 m 3 ( m 2 d ) u n d e rt h i se x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h ee f f l u e n to f p r o c e s sw a sc o d ：10 7 m g l ，n h 4 + - n ：1 2 h m g ，l ，t n ：1 0 6 m g l ，r e m o v a le f f e i e n c yw a s8 8 2 ，9 2 5 ，7 1 2 t h e c 。n c e n t r a t i o n 。f c o d ，n h 4 + - n ，t ni ne f f l u e n th a sm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s b u tt pc o n c e n t r a t i o n i n e t f l u e n tw a s1 3m g l ，r e m 。v a le f f c i e n c y w a s4 5 6 ，w h i c hh a d tm e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s t h ec o a g u l a t i o nt c c h n o l 。g ys h o u l d b ei n t r o d u c e dt oe n h a n c ep h o s p h o m s r e m o v a l k e y w o r d s ：t a i l w a t e rf r o mu r b a ns e w a g et r e a t m e n tp l a n t , b a c es i m u l t a n e o u sn i t r i j f i c a t i 。n a n dd e n i t r i f i c a t i o n ，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 c a t i o n ，p r e d e n i t r i f i c a t i o n i i i 声明尸i ! 日 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：知知年占月沙日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：山拍年6 月加日 硕上论文 生物活性炭滤池处理城镇污水处理厂尾水的研究 1 绪论 1 1 我国水资源短缺与水体污染现状。 水是生命之源，是世界上最宝贵的自然资源之一。当今十大环境问题中，水资源危 机就是其中之一，己成为困扰全球的普遍问题。在我国，水资源总量大约为2 8 万亿立 方米，居世界第六位。但是，由于我国人口众多，人均水占有量只有世界平均水平的四 分之一，是世界上最为缺水的国家之一。 我国水体严重污染现象进一步加剧了水资源短缺的现状，造成了大批的“水质型缺 水”的地方。据2 0 0 6 年中国环境状况公报显示【l 】，目前我国七大重点流域水系、主 要湖泊、近岸海域及部分地区的地下水均受到不同程度的污染。河流以有机污染为主， 主要污染物是氨氮( n h 4 + - n ) 、生化需氧量( b o d ) 、高锰酸盐指数和挥发酚等，2 0 0 6 年国控网地表水检测了七大水系的1 9 7 条河流的4 0 8 个断面，显示i i i i 类水质断面占 4 6 ，、v 类占2 8 ，劣v 类占2 6 ；湖泊以富营养化为特征，主要污染指标为总磷( t p ) 、 总氮( m 、化学需氧量( c o d ) 和高锰酸盐指数等，在几大湖泊中，7 5 以上的湖泊富 营养化，尤以太湖、巢湖和滇池污染最为严重；近岸海域主要污染指标为无机氮、活性 磷酸盐和重金属；地下水污染类型主要有，地下淡水资源的过量开采，导致沿海地区海 水入侵，地表污( 废) 水的排放和农耕污染以及垃圾渗滤液、石油化工产品对地下水污 染等。 面对水资源短缺和污染的严峻形势，如何从长期困扰我国社会经济发展状况中，寻 求水资源可持续发展之路，已是当前亟待解决的重要课题。 1 2 我国城镇污水排放与处理现状 1 9 9 9 年我国城市污水污染负荷首次超过了工业废水污染负荷，我国水污染的控制已 经从工业点源为主的控制，逐步转变为以城市污水污染为主的控制。 近年来，我国正处于城市化和工业化高速发展时期，随着工农业生产的不断发展、 小城镇( 市) 建设规模的进一步扩大，人口快速增长，污染源进一步增加，其中的点源 和面源的污水排放量大幅度增加。考虑现状污水量、污水增量和建制镇污水量，据估计， 到2 0 1 0 年增加污水量3 0 0 亿l n 3 ，城镇污水排放总量为1 0 5 0 亿m 3 a 。 据2 0 1 0 政府工作报告指出，2 0 0 9 年底我国城镇污水处理率已达到7 3 。但我 国现有的污水处理厂主要去除目标为有机污染物和悬浮颗粒物，对氮、磷的去除率仍然 比较低。这就使得许多未经治理或未通过有效控制和治理的污水直接或间接排入河道， 导致河流中存在大量的有机污染物和含氮、磷的营养盐类物质，大大超过了河道的环境 1 绪论 硕士论文 容量，使河流水污染日趋严重。由于水环境的连通性，受污染的河流水流入其他河流、 湖泊中，引起流域内整体水环境的污染和富营养化。 1 3 城镇污水处理厂尾水深度处理与回用意义 随着我国水资源的短缺现象的日益严峻以及水环境的污染加剧，对城镇污水的治理 越来越受到重视。城镇污水处理厂二级出水即污水厂尾水对环境的二次污染问题也逐渐 引起人们的广泛重视，开展对其深度处理与回用也逐渐成为人们关注的焦点。开展城镇 污水处理厂尾水深度处理与回用，一方面可以减轻环境污染负荷，另一方面可以为城镇 开辟新的水源，有利于有效地解决我国水资源匮乏问题，实现水资源可持续发展。 1 3 1 减轻环境负荷 经城市管网收集的城镇污水，经传统二级处理后，虽然大部分悬浮固体和有机物被 去除，但还残留有难生物降解有机物、氮和磷的化合物、不可沉淀的固体颗粒、致病微 生物及无机盐等污染物质。由于尾水排放量大，排入水体的污染物总量还是比较客观的。 对于水环境要求更为严格的地区，比如太湖、长江流域，流域内城市的污水厂的尾 水排放入湖泊或江里，不但要达到一定的水质标准外，还要达到废水排放总量控制目标 要求。这就使得众多污水处理厂尾水被迫排入城市内河，利用市内河网的水环境容量来 消纳。但是市内河网水流速度滞缓，且水环境容量有限，使得整体水体自净能力差。污 水容易在其中积存回荡，造成了恶劣的环境污染，使得沿岸群众怨声载道。 针对城市污水处理厂尾水的环境污染问题，对其开展深度处理，对减轻环境的负荷 具有重要意义，已成为城市水环境治理面临的重要课题之一。 1 3 2 开辟新水源 为解决我国水资源匮乏问题，开发新的水源途径有很多【2 】，除了大型远距离引水工 程进行跨流域调水外，还可以开展污水回用、海水淡化、雨水收集、极地托冰等来来弥 补淡水资源的不足。结合我国国情，在这些途径中，跨流域调水具有工程量浩大，投资 大的缺点，而且水体沿途污染逐渐会加重；海水淡化只处于起步阶段，且制成淡水造价 昂贵；雨水收集在干旱地区正在普及，但城市采用的较少；极地托冰基本实现不了。 城市污水回用与传统的水资源相比，具有水源水质、水量稳定可靠，处理技术成熟， 投资运行费用低的优点，而且污水作为城市水源水，取水较近，易于收集、处理，不受 人为因素和客观环境因素的影响等。城市污水再生回用，逐渐成为城市开发新水源的首 选方案。积极开展污水资源化的研究，提高污水回用率，可以有效地实现城市水资源的 可持续利用例。 2 硕1 ：论文生物活性炭滤池处理城镇污水处理j 尾水的研究 1 4 城镇污水处理厂尾水深度处理技术 目前典型的污水深度处理技术有问题如下： ( 1 ) 混凝沉淀技术 混凝沉淀技术是污水深度处理常用的技术。主要去除对象是城市二级出水中胶体和 微小悬浮状态的有机和无机污染物，降低出水色度和浊度。此外，混凝沉淀还可以去除 污水中的某些溶解性物质，如砷、汞等，和导致水体富营养化的氮、磷等。目前，主要 采用无机和有机高分子混凝剂，如：聚合硫酸铁、聚合氯化铝、二元或三元金属盐的复 合物、聚丙烯酰胺及其衍生物等。可视废水情况选用其中的一种或两种。影响混凝过程 的其它因素如混凝剂的加量、混凝剂的加入方式、混凝反应时间等可通过试验来确定。 但单独使用混凝沉淀技术进行污水深度处理，增加了水处理药剂费用，导致制水成 本提高。此外在混凝沉淀过程中产生的沉淀物如何处置不造成环境污染成为另一难题。 ( 2 ) m b r 技术 膜生物反应器是把生物处理与膜分离相结合的一种工艺组合。膜生物反应器中维持 了高浓度的微生物量，提高了生物负荷；另外，由于膜具有高效分离的特点，出水水质 较好，可以直接达到回用水所需水质要求。膜技术能否推广，关键在于能否减少运行成 本和解决膜污染等问题。 ( 3 ) 固定化高效菌种应用技术 几年来在固定化酶技术基础上发展起来的固定化微生物处理污水技术成为国内外 研究热门。固定化微生物技术是采用物理或化学的方法，将微生物限位于有限的微处理 单元，以保持菌种高效性和较高的微生物浓度。具有反应快、微生物流失少、克服传统 泥水分离困难等优点。但高效菌种的分离、提纯、扩大培养以及固定化过程等技术较为 繁琐，成为该技术推广的瓶颈问题。 ( 4 ) 活性炭吸附技术 活性炭吸附技术在处理微污染水源水和污水深度处理方面，是国内外公认的较为成 熟和有效的方法。活性炭具有巨大的比表面积和发达的孔隙，是一种良好的吸附剂，它 对c o d 、b o d 、色度、总三卤甲烷都有良好的吸附效果。但是活性炭使用寿命长短， 吸附饱和后再生手段成为该技术难题。 ( 5 ) 膜分离技术 膜分离是在2 0 世纪初出现，2 0 世纪6 0 年代后迅速崛起的- 1 7 分离新技术。膜分离 技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技 术，半透膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔，根据孔径大小可以分为：微滤膜( m f ) 、 超滤膜( u f ) 、纳滤膜( n f ) 、反渗透膜( r o ) 等。它与传统过滤的不同在于，膜可以 在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。 3 l 绪论 硕j ：论文 分离膜因其独特的结构和性能，在环境保护和水资源再生方面异军突起，在环境工程， 特别是废水处理和中水回用方面有着广泛的应用前景。但是膜处理技术对进水水质要求 较为严格，一般城市尾水需经过繁琐的预处理才能满足进水要求。 ( 6 ) 臭氧氧化技术 臭氧是一种强氧化剂，在给水处理中有着很长的历史。最初用来作为消毒剂、控制 色度或嗅味，现在主要用来去除水中有机物。由于受投加量的限制，臭氧一般不能将水 中有机物全部无机化，但可将大分子有机物氧化分解成分子较小的中间产物。经臭氧预 处理的水再经氯化消毒，水中“三致”物质可能低于未预处理的水，也可能更高，其效果 视水质而定，这是因为臭氧氧化可能产生副产物，如醛、酮、醇、过氧化物氯化会产生 三卤甲烷( t h m s ) 1 4 l 。 ( 7 ) 曝气生物滤池 曝气生物滤池以颗粒状填料及其附着生长的生物膜为主要处理介质，充分发挥生物 代谢作用、物理过滤作用、生物膜和填料的物理吸附作用，从而实现了污染物在同一单 元反应器内去除，省却了二次沉淀设备。 曝气生物滤池技术作为2 0 世纪8 0 年代兴起的一种新型水处理技术，与传统的生物 处理技术相比具有占地小、处理效果好、抗冲积负荷能力强、流程简单、能耗低等优点。 曝气生物滤池在世界各地有几百座曝气生物滤池处理设施，主要作用领域包括城市污水 处理、工业废水处理以及中水处理等1 5 j 。 作为一种崭新的水处理工艺一曝气生物滤池正处在推广之中。根据目前的研究 和应用情况，今后仍有好多问题有待研究：生物膜的特点及其快速启动的方式；生 物氧化功能和过滤功能之间的相互关系；进一步拓宽曝气生物滤池的应用范围，研 究其在水深度处理、微污染源水处理、难降解有机物处理、低温污水的硝化、低温 微污染水处理问题中如何与其他工艺相结合。 ( 8 ) 生物活性炭技术 生物活性炭( b i o l o g i c a la c t i v a t e dc a r b o n ，b a c ) 槲；t 6 】是以粒状活性炭为载体，通过 富集或人工固定化微生物，在活性炭表面形成生物膜。由于活性炭具有极强的吸附 性能，能够迅速吸附水中有机物，这样可以为生长在其表面的生物膜提供充足的养 分。在有丰富的溶解氧的情况下，微生物以有机物为养料生存和繁殖。同时微生物 的降解作用可以有效地解决了活性炭易吸附饱和问题，延长了活性炭的使用寿命。 1 5 生物活性炭滤池 生物活性炭滤池( b i o l o g i c a la c t i v a t e dc a r b o nf i l t e r , b a c f ) 剧：物活性炭技术在实 际应用中的主要工艺形式，充分结合了生物活性炭技术与曝气生物滤池的优点，是 一种水力负荷大、出水水质好的生物膜法处理工艺，并能有效去除水中有机物、嗅 4 硕j ：论文生物活性炭滤池处理城镇污水处理厂尾水的研究 味、氨氮等，提高水的化学和微生物安全性，同时利用微生物对活性炭表面吸附物 质的降解作用，延长了活性炭使用寿命。因具有独特的水处理优势，目前生物活性 炭滤池( b a c f ) 已广泛应用于水处理方面，特别在微污染水源水处理和污水深度处 理及回用方面具有较高的研究价值，成为国内外学者研究的热点。 1 5 1 生物活性炭滤池工艺理论基础 1 5 1 1 活性炭的吸附作用 在生物活性炭滤池( b a c f ) 工艺中，活性炭是微生物的主要载体，而其在水处 理过程中，其本身的吸附性能对污染物的去除也能发挥较大作用。活性炭主要成分 为碳，还含有少量的氧、氢、硫等元素，以及水分、灰分。它具有良好的吸附性能 和稳定的化学性质，可以耐强酸，强碱，能经受水浸、高温、高压作用。 活性炭微孔发达，具有巨大的比表面积，一般为7 0 0 1 6 0 0 m 2 g 。活性炭吸附效 果与溶质分子极性、分子量大小、分子空间结构等有关。活性炭对不同的物质分子 具有选择吸附性1 7 j 。一般活性炭对溶解性有机物吸附有效范围为：分子大小在 l o o - l o o o a 之间，分子量4 0 0 以下的低分子量的溶解性有机物。对于极性高的低分 子化合物及腐殖质等高分子化合物难于吸附。有机物如果分子大小相同，则芳香族 化合物较脂肪族化合物易于吸附，支链化合物比直链化合物易于吸附。 活性炭吸附水中溶质分子是一个复杂的过程，是几种力综合作用的结果，包括 离子吸引力、范德华力、化学杂和力等。 1 5 1 2 微生物降解作用 m a r k 等瞵j 对生物活性炭滤池( b a c f ) 系统中载体活性炭进行了研究，结果表 明b a c f 运行稳定，出水水质好，有机物的去除主要依靠生物降解作用。但是生物 降解只能发生在被吸附的物质上【9 1 ，因此生物降解由吸附作用的可逆性来决定【1 0 】。 当活性炭吸附不溶性物质时，该物质不能被生物降解【l 。活性炭上生物膜的形成是 由于炭粒表面的不均匀性、保护胶体和化学键的结合等综合作用【1 2 】，粘液性物质的 存在，使得活性炭上生物膜逐渐成熟稳定，保证了b a c f 具有稳定和高效的去除率。 1 5 1 3 微生物降解与活性炭吸附的协同除污机理 目前对生物活性炭滤池的除污机理还没有统一公认的解释，国内外学者主要有两种 机理来解释它的除污机理： 其一：浓度梯度解释。进入水体的污染物首先通过活性炭和微生物的吸附作用被固 定在b a c f 中，活性炭吸附的有机物遍布在其表面和内部的大、过渡孔、微孔中。由于 微生物主要集中在炭粒的外表面及附近的大孔中，而不能进入微孔。细菌能直接将炭粒 表面和大孔中吸附的有机物降解掉，从而使得炭粒表面的有机物浓度降低，造成炭粒内 存在由内向外的浓度梯度。有机物就会从炭粒微孔、过渡孔向活性炭表面扩散，可逆吸 l 绪论硕上论文 附的有机物因此被解析下来而被微生物利用，最终使得池体有机浓度降低。此外由于滤 池中生物降解作用，活性炭得以再生。 其二：更多被承认和研究的生物降解机理是胞外酶作用。p e r r o t t ir o d i n a n 1 3 j 针对活 性炭生物滤池再生现象提出炭粒内吸附物质与胞外酶反应产生脱附的假说，认为细菌虽 然不能进入微孔，但细胞分泌的胞外酶和因细胞解体而释放出的酶类( 1 n m 大小) ，能直 接进入到活性炭的过渡孔和微孔中去，与孔隙内吸附的有机物作用，使其从原吸附位上 解脱下来，并被活性炭表面上的细菌所分解，构成了吸附和降解的协同作用。此外，很 多研究者认为解吸作用是生物降解的必要条件，不能解吸则不能被生物降解【m 1 4 】。 1 5 2 生物活性炭滤池工艺的应用 1 5 2 1 饮用水处理 随着水体污染的日趋严重，不少地区的饮用水中出现了有害物质超标现象，安全、 优质的供水水质要求日趋强烈。目前，欧洲应用( 生物活性炭滤池) b a c f 技术的水厂 已发展到7 0 个以上，我国上海的杨树浦【1 5 】水厂和南市水厂于2 0 0 2 年l o 月开始也采用 b a c f 技术处理原水，出厂水质各项指标均达到国际先进水平。国内外不少学者研究了 应用b a c f 技术与其他技术相结合处理污染原水的方法，均表明对微染原水的处理也非 常有效。 1 5 2 2 工业废水处理 随着工业的发展，工业废水的排放量越来越大，成分也越来越复杂。生物活性炭技 术因其独特的优势，在废水处理领域发挥着越来越重要的作用，尤其是当把b a c f 技术 与其他工艺相结合时，还可以处理难度较高的工业废水。 如采用“酸化预处理+ 生化处理+ 絮凝过滤+ b a c f ”的组合工艺流程处理印染废水，出 水基本可达到生产回用水水质指标的要求。国内已有多家生产企业采用此工艺，运行结 果表明，b a c f 工艺用于生化后续处理，可保证出水色度、异味及有机好氧物的稳定达 标，具有良好的应用前景。 1 5 2 3 生活污水深度处理与回用 在生活污水回用处理工程中，选取生物活性炭滤池和臭氧氧化消毒联用工艺作为深 度处理工艺，对污水厂二级生化处理后尾水进行深度处理，取得了良好的运行效果。该 工艺具有技术、经济优势，操作管理简单，运行可靠等优点。通过活性炭和微生物的协 同作用，达到对可生物降解和难于生物降解有机物的高效除污效果，保证了出水色度和 异味的消除，同时延长活性炭的使用寿命。处理后出水满足生活杂用水和小区景观补充 水、绿化用水水质要求，既有效减轻了污水排放对城市水体环境的污染影响，又节约了 大量的城市自来水。 在对生活污水深度处理实例中，a l e x a n d e r 等【1 6 】的研究结果表明，微生物活动对活 6 硕1 l ：论文 生物活性炭滤池处理城镇污水处理，尾水的研究 性炭起到了生物再生作用，其比例达到2 0 - - - - 2 4 ，活性炭的存在也减轻了水中有害物 质对微生物的影响。因此b a c f 对于生活污水中的非离子合成表面活性剂( n i s s ) 的去 除非常有效。 1 6 生物活性炭滤池工艺在城镇污水处理厂尾水处理中的研究价值 传统的城镇污水处理厂生物二级处理技术对氮、磷去除能力低，尾水中氮、磷含量 较高，直接排放自然水体或回用于城市景观水体补水、工业冷却水、工业生产用水或市 政杂用水时将造成以下危害： ( 1 ) 导致自然水体富营养化，降低了水的质量，降低水体的透明度，增加浊度；破 坏了水体生态平衡； ( 2 ) 回用水中的氮、磷可导致输水管道、用水设备繁殖生物垢、霉菌以及藻类等微 生物，形成生物群体、粘土、金属氧化物等混合的污泥状粘性物质，附着在输水管道和 热交换器表面上，造成阻塞或者影响输水和热交换的效率；氨氮对铜质材料有腐蚀性， 若用含一定浓度氨氮的回用水作为冷却循环水时，会损害冷却设备。 因此，为了保护水环境，以及利用城镇污水厂尾水污水作为第二水源时，严格控制 出水氮、磷含量是极其必要的。随着微生物脱氮技术的发展，针对低c n 废水的脱氮技 术正逐渐成熟，新型脱氮技术主要有同步硝化反硝化( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n d d e n i i t r i f i c a t i o n ，s n d ) 、短程硝化反硝化( 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 c a t i o n ) 、厌氧氨氧 化( a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n , a n a m m o x ) 等。 若能将生物脱氮新技术与在污水深度处理方面具有优势的生物活性炭滤池( b a c f ) 工艺两者结合起来，实现城镇污水处理厂尾水深度处理，在满足出水中有机物、氨氮、 嗅味、色度、难降解有机物深度去除的同时，又能实现对t n 的进一步去除，那么该技 术在城镇污水厂尾水的深度处理中将具有广阔的应用前景。 本课题拟采用生物活性炭滤池技术与生物脱氮新技术相结合，进行城镇污水厂尾水 深度处理的可行性探索研究，为实现该技术在实际工程中的应用提供一定的技术支持。 7 2 课题内容及试验技术方案硕士论文 2 课题内容及试验技术方案 2 1 课题来源 本课题来源于国家水体污染控制与治理科技重大专项湖泊富营养化治理与控制技 术及工程示范主题的子课题太湖富营养化控制与治理技术及工程示范项目。 2 2 课题意义 保护太湖水环境的关键是从源头将进入太湖的污染物截留，重点控制入湖河流尤其 是污染严重港口及其他入湖河流排入湖区的污染物总量。目前传统的城镇污水处理厂对 n 、p 污染去除效果有限，面对水体富营养化日趋严重的现状，污水处理厂尾水若不经 处理直接排入河道、湖泊等，将加剧水体氮、磷污染程度，威胁饮用水安全。另外，开 展尾水深度处理，对其进行资源化利用，为城市开辟第二水源，可以缓解城市生活与经 济发展日趋严重的用水压力。 因此开展城镇污水处理厂尾水进行深度处理，对保护太湖流域水环境，实现水资源 可持续发展和地区经济发展具有重要意义。 2 3 课题目标任务 2 3 1 出水标准 本试验对城镇污水厂尾水进行深度处理，处理后出水应满足国家城镇污水处理厂 污染物排放标准g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) ) 一级a 标准，和江苏省出台的太湖地区城镇污水处 理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值。 2 3 2 试验设计进出水水质指标 试验用水采用实验室模拟城镇污水处理厂生物二级处理出水，实验室配水主要成 分：淀粉、葡萄糖、牛肉膏、蛋白胨、氯化铵、磷酸二氢钾、硫酸镁、硫酸亚铁、硫酸 锰等。 根据出水水质标准，本试验设计进、出水水质指标见表2 1 。 表2 1 试验设计进、出水水质主要指标 8 单位：m g 几 硕1 ：论文 生物活性炭滤池处理城镇污水处理厂尾水的研究 2 4 试验内容及技术线路 2 4 1 试验内容 针对我国城镇污水处理厂尾水中可生物降解性有机物含量低，氮、磷浓度高的特点， 探索深度除氮、除磷工艺成为城镇污水厂尾水处理技术的关键。在生物脱氮除磷系统中， 碳源主要消耗于异养菌正常代谢、反硝化菌的反硝化作用、聚磷菌的厌氧释磷作用等方 面。这样采用生物脱氮除磷技术就不可避免地产生释磷作用和反硝化作用对有限的碳源 竞争问题，而一般聚磷菌在对碳源的竞争中是处于劣势。鉴于此，本试验着重探索出具 有良好生物脱氮效果的污水深度处理工艺，然后在此基础上考察该工艺对磷的去除效 果，若不满足除磷目标要求，可考虑增添后续混凝沉淀法化学除磷工序。 本课题拟采用以脱氮新技术为基础的生物活性炭滤池工艺对城镇污水厂尾水进行 深度处理，试验主要内容如下： ( 1 ) 确定较为合理的活性炭填料颗粒尺寸 通过对比不同颗粒尺寸填料的b a c f 在挂膜启动过程和长期稳定运行中的优劣，确 定具有较为合理的颗粒尺寸活性炭作为长期稳定运行的b a c f 填料，以保证稳定、高效 的工艺运行效果； ( 2 ) b a c f 同步硝化反硝化工艺除污效果及影响因素分析 首先采用b a c f 同步硝化反硝化工艺，通过控制工艺运行参数，实现单一滤体对 c o d 、n h 4 + - n 、t n 的最佳去除效果。同时考察不同影响因素对同步硝化反硝化作用的 影响： ( 3 ) 前置反硝化b a c f 工艺除污效果及影响因素分析 若b a c f 同步硝化反硝化工艺出水c o d 、n r h + - n 、t n 不能满足设计出水水质要求 时，调整工艺形式，采用以短程硝化反硝化脱氮理论为基础的前置反硝化b a c f 工艺对 模拟废水进行深度处理。探索前置反硝化b a c f 工艺中短程硝化反硝化作用实现的手 段，并考察各影响因素对该工艺运行效果的影响，从而确定出最佳运行工况； ( 4 ) 生物活性炭滤池除磷效果的研究 考察在满足去除有机物和脱氮效果要求时的b a c f 工艺系统对t p 的去除情况，是 否达到本课题设计出水水质标准，是否需辅助化学除磷。 2 4 2 试验技术线路 本试验采用的技术线路见图2 1 。 9 2 课题内容及试验技术方案硕十论文 b a c f 工艺对城镇污水厂尾水深度处理 l ii l 大颗粒尺寸填料b a c f 小颗粒尺寸填料b a c f 对比出较优的颗粒尺寸 i b a c f 同步硝化反硝化丁艺 否 r 是 前置反硝化b a c f 工艺 r 满足出水c o d 、n h 4 + - n 、t n 水质要求 r否 考察工艺除磷情况i 化 。学 是 除 磷 满足设计出水水质 i 。7 。4 。47 。7 。7 “ i 2 5 试验分析方法及主要设备 图2 1 试验技术线路 2 5 1 测试项目与分析方法 试验中所需测试的项目与分析方法见表2 2 。 1 0 表2 2 试验指标与分析方法 硕 ：论文生物活性炭滤池处理城镇污水处理厂尾水的研究 2 5 2 主要设备 试验中主要使用的设备见表2 3 。 表2 3 试验主要设备一览表 设备名称 生产厂家 v i s 7 2 2 0 可见分光光度计 d h g 9 2 4 0 a 型电热恒温鼓风干燥箱 b t 0 1 1 0 0 恒流泵 b h - 2 型光学显微镜 电子天平 溶氧测定仪 l p - 4 0 曝气泵 7 5 6 p c 型紫外可见分光光度计 h z q f 10 0 全温振荡培养箱 y - x q s g 4 1 2 8 0 电热手提压力蒸汽消毒器 l z b 1 0 玻璃转子流量计 7 3 1 2 犁电动搅拌机 北京瑞利分析仪器公司 上海精宏试验设备有限公司 保定兰格恒流泵有限公司 o l y m p u s 北京赛多利斯仪器系统有限公司 y s l 日生集团 上海光谱仪器有限公司 太仓市华美生化仪器厂 上海医用核子仪器厂 振兴流量仪器厂 上海标本模型厂 3 不间颗粒尺寸填料生物活性炭滤池工艺对比研究 硕士论文 3 不同颗粒尺寸填料生物活性炭滤池工艺对比试验 3 1 试验目的 填料作为微生物的载体，是生物活性炭滤池( 以下简称b a c f ) 的核心组件。填料 的类型、颗粒尺寸、密度、填料高度对b a c f 除污效能有重要影响。其中填料颗粒尺寸 关系着滤池孔隙率大小，填料比表面大小，滤池中生物量以及池体的截污能力，对滤池 处理效能和运行周期具有重要影响。 一般来说，填料颗粒尺寸越小，比表面越大，滤池的孑l 隙率越小。小颗粒尺寸的填 料具有大的比表面积，能够为微生物生存提供更大空间，有利于保持池体中足够量的微 生物，增强滤池的除污能力。另外小颗粒尺寸填料反应器的孔隙率较小，有利于增强滤 池的过滤功能，截污效果好。 但另一方面，小颗粒尺寸填料由于比表面积较大，滤池的孔隙率小，使得流经载体 的水流阻力也越大，这样就导致反应器越易堵塞。国内外不少学者研究表明，颗粒尺寸 越大，滤层的含污能力就越大，填料颗粒尺寸也是影响滤池运行周期的重要参数。其中 r e b e c c a 、m o o r e 等【l9 】人以s t a r l i g h tc 为填料研究了填料颗粒尺寸和反应器的运行周期， 表明填料颗粒尺寸越大，反应器孔隙率加大，滤池越不容易堵塞，且大颗粒易与水分离， 可加快反冲洗过程，并减少填料损失，滤池运行周期较长。 可见，填料颗粒尺寸对b a c f 的处理效能和运行周期都有重要影响，大小颗粒尺寸 的填料在水处理中具有各自的优缺点，应该根据滤池实际进水水质和处理要求进行优化 选择。本节内容主要考察不同活性炭颗粒尺寸大小对b a c f 运行效能的影响，从而选出 最佳颗粒尺寸的颗粒活性炭为后续试验做好准备。 3 2 试验装置与材料 3 2 1b a c f 工艺装置 本试验b a c f 工艺共分为进水系统、布气系统、气水混合室、承托层和填料层、反 冲洗系统六个部分。滤池为有机玻璃制成，其滤池主体直径9 c m ，高8 5 c m ，底部为气 水混合室，高8 c m ；