（环境工程专业论文）硅藻精土复合生物反应器处理生活污水特性研究.pdf

摘要 硅藻精土复合生物反应器处理生活污水特性研究 东南大学能源与环境学院 硕士研究生：管蓓导师：吴浩汀教授 摘要 硅藻精土复合生物反应器是将复配硅藻精土作为生物载体投加到生化处理系统中，达到生物强 化作用。本课题将复配硅藻精土投加到a 2 o - i - 艺的曝气池中，研究了有机负荷、泥龄、混合液回流 比和硅藻精土的投加量等工艺参数对去除效果的影响，并进行了技术经济分析。此外，与a 2 o 工艺 进行了对比。 主要研究结论如下： 1 当有机负荷由0 4 5k g c o d ( m 3 - d ) 增加至00 7 5 k g c o d ( m 3 - d ) ，对t n 和t p 的去除影响较大， 对c o d 和n h 3 - n 的去除影响较小，建议有机负荷选择在0 6 0 k g c o d ( m 3 d ) 左右，此时出水各项指 标均可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 ) 一级a 标。 2 随着泥龄的增加，c o d 、n h 3 - n 和t n 的去除率都有不同程度的升高，t p 的去除率有所下 降。为使出水各项指标达到一级a 标，建议泥龄选择在1 2 1 5 d 为宜。 3 混合液回流比对c o d 、n h 3 - n 和t p 的去除率影响不大，t n 的去除率随混合液回流比的增 加有较大幅度的提高。在本试验条件下，混合液回流比为1 0 0 ，出水各项指标均可达到一级a 标。 4 硅藻精土的投加对a 2 o 工艺具有生物强化作用，出水水质随硅藻精土投加量的增加而提高， 投加量为3 5 m g l 时，可以达到一级a 标。 5 该工艺对已建成的a 2 o 城市污水处理厂的提级改造可节省建设费用和用地面积，改造周期 短，增加的运行费用约为0 1 3 0 1 5 元吨废水，在经济上是可行的。 关键词：硅藻精土，除磷脱氮，强化生物处理，生活污水 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 eb i o l o g i c a lr e f i n e dd i a t o m i t er e a c t o ri sa l le n h a n c e db i o t r e a t m e n tt e c h n o l o g yw h i c hp u t st h e r e f i n e dd i a t o m i t et ot h eb i o c h e m i c a ls y s t e ma st h em i c r o o r g a n i s mc a r r i e r t h er e f i n e dd i a t o m i t ei sp u ti n t o t h ea e r a t i o nb a s i no fa 2 op r o c e s s ，t h ei n f l u e n c e so fo r g a n i cl o a d i n g ，s l u d g ea g e ，r e c y c l er a t i oa n dd o s a g e o fc o m p o s i t er e f i n e dd i a t o m i t ea r es t u d i e da n dt h et e c h n o - e c o n o m i ci n d i c a t o r sa r ea n a l y z e d i na d d i t i o n ， t h er e m o v a le m c i e n c yo ft h eb i o l o g i c a lr e f i n e dd i a t o m i t er e a c t o ri sc o m p a r e dw i t ht h ea op r o c e s s t h em a i nr e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 w h e nt h eo r g a n i cl o a d i n gi n c r e a s e sf r o mo 4 5 k g c o d ( m 3 - d ) t oo 7 5 k g c o d ( m 3 d ) ，t h er e m o v a l r a t eo f 耵、ia n dt pa r ei m p a c t e ds i g n i f i c a n t l y , w h i l et h er e m o v a lr a t eo fc o da n dn h 3 - no n l yh a v el i t t l e i n f l u e n c e w h e nt h eo r g a n i cl o a d i n gi s0 6 0 k g c o d ( m 3 d ) ，a m o n gt h o s ep a r a m e t e r , c o d ，n h 3 - n ，t na n d t pm e tt h ec l a s si ( a ) s t a n d a r dl i m i t so fp o l l u t a n td i s c h a r g es t a n d a r do ft o w ns e w a g ep l a n t ( g b l8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 2 w h e nt h es l u d g ea g eg r a d u a l l yi n c r e a s e sf r o m8 dt o15 d ，t h er e m o v a lr a t eo fc o dn h 3 - na n dt n s h o wu p w a r dt r e n da n dt h er e m o v a lr a t eo ft ps h o wd o w n w a r dt 1 e n d w h e nt h es l u d g ea g ei sf r o m12 dt 0 15 d ，t h ee m u e n tc o u l dm e tt h ec l a s si ( a ) s t a n d a r dl i m i t s 3 r e c y c l er a t i oh a s1 i t t l ei n f l u e n c eo nt h er e m o v a lr a t eo fc o d n h 3 - na n dt p , b u tt h er e m o v a lr a t eo f t ni n c r e a s e sr a p i d l ya st h er e c y c l er a t i oi n c r e a s e sf r o m10 0 t o2 5 0 i nt h i se x p e r i m e n t , w h e nt h e r e c y c l er a t i oi s10 0 ，t h ee f f l u e n tc o u l dm e tt h ec l a s si ( a ) s t a n d a r dl i m i t s 4 p u tt h er e f i n e dd i a t o m i t ei n t ot h ea z l op r o c e s sc a ne n h a n c et h ee f f e c to fb i o t r e a t m e n t t h eq u a l i t yo f t h ee 们u e n ti si m p r o v e dw i t ht h ed o s a g ei n c r e a s e s b a s eo nt h es m a l l s c a l ep i l o ts t u d i e s i ti si n d i c a t e dt h a t w h e nt h ed o s a g eo fc o m p o s i t er e f m e dd i a t o m i t ei s3 5 m g l ，t h ee f f l u e n tc o u l dm e tt h ec l a s si ( a ) s t a n d a r d l i m i t s 5 t h i sp r o c e s sc a ns a v ec o n s t r u c t i o ni n v e s t m e n ta n dl a n da r e aa n ds h o r t e nt h ec o n s t r u c t i o np e r i o d t h ei n c r e a s ei nt h ec o s to f o p e r a t i o ni s0 1 3 - 0 1 5p e rm s t h ep r o c e s si se c o n o m i c a l l yf e a s i b l e k e yw o r d s ：r e f i n e dd i a t o m i t e ，p h o s p h o r u sa n dn i 仃o g e nr e m o v a l ，e n h a n c e db i o t r e a t m e n t , l i v i n gw a s t e w a t e r 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：蝴 日期：莎h 方1 2 毋 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：短导师签盔翘 日期：j 册仁j8 研究生签名：笆盖l 导师签盔幽 日期：j 册仁j 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 江苏省是我国经济发展最快的地区之一，也是工业化、城市化程度较高的地区之一。随着经济 的发展、城市的扩大及人口的增长，水资源供需矛盾日益突出，河网水质的保障面临的压力越来越 大，水体生态环境也有日益恶化的趋势。作为我国第三大淡水湖泊的太湖，按现行的国家地面水环 境质量标准，在2 0 世纪6 0 年代属i i i 类水体；7 0 年代至i i 类：8 0 年代初平均为i i 类；8 0 年代末全面进入i 类，局部和v 类；9 0 年代中期平均已类，1 3 湖区为v 类。近几十年来，伴 随太湖地区工农业生产迅猛发展，城市化水平的提高，太湖水质平均每十年左右下降一个级别，近 十年下降速度明显加快，其中富营养化已经成为太湖水环境的主要问题。 2 0 0 7 年夏季蓝藻的大规模暴发，致使无锡市供水水源遭到严重的威胁，城市水污染引起了各级 领导和各类媒体的高度重视以及广大人民群众的极大关注，已开始影响广大人民的正常生活和身体 健康，水污染的治理也显得更加重要与紧迫。为改善太湖水质，江苏省环境保护厅和江苏省质量技 术监督局子2 0 0 7 年7 月8 日联合发布了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( 江苏省地方标准d b 3 2 ) ，2 0 0 7 年6 月1 1 日无锡市委市政府颁布了关于举全市之力开展 治理太湖保护水源“6 6 9 9 ”行动的决定，决定要求到2 0 1 0 年，无锡市所有城镇污水处理设施建设 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 ) 的一级a 标准，再生水利用率达到3 0 。 2 0 0 8 年4 月2 日，国务院常务会议对太湖流域水环境综合治理总体方案进行了审议，并于2 0 0 8 年5 月获国务院批复，该方案提出太湖流域要制定更加严格的污水处理排放标准和工业企业排污标 准，太湖水环境治理的近期目标是：到2 0 1 2 年，太湖湖泊富营养化趋势得到遏制，湖体水质由劣v 类提高到v 类，东部沿岸区域水质由v 类提高到i v 类，主要饮用水水源地及其输水骨干河道水质 基本达到i i i 类，河网水( 环境) 功能区水质有所改善。远期目标是：到2 0 2 0 年，太湖湖泊富营养 化程度有所改善，达到轻度至中度富营养，湖体水质基本达到i v 类，部分水域达到i i i 类。 江苏省在贯彻落实国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知( 国发 2 0 0 7 1 5 号) 精神， 进一步加大节能减排工作力度的同时，正以铁腕手段治理太湖，“十一五”期间，为削减排入水体的 污染物量，新建、扩改建城镇污水处理厂的尾水排放执行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，对尚未达到一级a 标准的污水处理厂，抓紧组织科研攻关，开展 工程技术改造，尽快达到一级a 标准。2 0 0 7 年，江苏省政府与沿太湖的苏州、无锡、常州、镇江、 南京等5 市市政府签订新一轮太湖水污染治理责任状，要求到2 0 0 8 年底，太湖地区所有城镇污水处 理厂必须通过“提标”改造，全面完成太湖流域1 6 9 座城镇污水处理厂的除磷脱氮“提标”改造任 务，使太湖地区污水处理厂尾水排放全面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 ) 一级a 标准，再次削减排污总量。 因此开发经济、高效、节能的除磷脱氮技术已成为研究热点，不仅有利于太湖流域水质的改善 及城镇污水处理技术水平的提高，而且积累的大量经验和成果，可以为今后全国范围内的污水处理 厂改造和新厂建设提供借鉴，具有广阔的应用前景和显著的示范效应。 1 2 城镇污水处理厂提标技术概况 1 2 1 城镇污水处理厂运行过程中存在的问题 现太湖地区所建的城镇污水处理厂大多采用具有除磷脱氮功能的二级生化处理工艺，主要包括： 东南大学硕士学位论文 a 2 o 、氧化沟、s b r 及其改进工艺，其出水水质一般可以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 ) 的一级b 标准，相对于稳定达到一级a 标，其存在的主要问题有： ( 1 ) 冬季低温条件下生物脱氮受影响，使t n 不能稳定达标。生物脱氮主要是由硝化过程和反 硝化过程两部分组成，温度对这两个过程的影响都非常大，其中硝化细菌对温度尤为敏感。温度每 升高1 0 ，硝化速率就增长1 倍；在较高的温度( 3 0 - - 一3 5 c ) 下速率恒定；在3 5 4 0 范围内，增 长速率开始迅速递减至0 。系统在温度低于1 5 时，硝化速率开始迅速降低，低于5 c 时几乎为0 【1 1 ； 当温度低于1 0 或高于3 0 时，反硝化速率下降【引。由此可见，冬季低温条件下硝化、反硝化速率 的降低必然会导致n h 3 - n 和t n 去除效果的变差。 ( 2 ) 有机碳源不足。由于聚磷菌释磷和反硝化都需要有机碳源，而城市污水中易降解的有机物 质含量又较少，很难同时满足释磷和反硝化的要求，在不投加碳源的情况下，只能优先考虑脱氮或 除磷，从而影响了处理效果。 ( 3 ) 泥龄问题。硝化细菌的最大比增殖速度较小，因而繁殖速度很慢，世代时间长，故硝化需 要较长的泥龄，一般为1 0 - 一1 5 天。而除磷是通过高磷污泥的排放实现的，泥龄越长排放的污泥量和 污泥的含磷量就越低，除磷效果越差，有研究表明当泥龄为3 0 d 、1 7 d 和5 d 时，磷的去除率分别为 4 0 、5 0 和8 7 b 1 。因此，泥龄的矛盾影响了整体的处理效果。 ( 4 ) 出水s s 浓度较高。s s 仅通过在二沉池中的沉淀作用，很难达到1 0 m g l 以下。由于生化 处理后的出水中构成s s 的主要成分是微生物( 活性污泥碎片、生物膜残屑) 及其分泌物和代谢产 物，为带负电荷的亲水胶体，其表面存在的极性集团吸附了大量的极性分子，并且外围包覆了一层 水层，使其难于沉降。s s 指标与出水的b o d 5 、c o d 和t p 等指标都有关系，s s 浓度的升高，对整 体出水水质都会带来影响。 针对上述这些问题所提出的提标改造技术主要是从强化生物处理、增加后续深度处理工艺和人 工湿地处理技术三大方面进行的。在具体的应用上，则需要针对各个城镇污水处理厂的具体情况选 择适当的提标升级技术。 1 2 2 强化生物处理技术 污水处理厂出水标准的提高应该首先对现有处理设施进行挖掘，采取尽量少的工程措施，通过 强化现有工艺，特别是生物处理部分的作用，可以在一定程度上缓解太湖流域提标改造的经济压力。 强化生物处理技术是太湖流域提标改造的最重要的技术支撑之一，主要是从提高微生物浓度、优化 微生物生存和反应条件两个方面进行，此外，在提高微生物活性方面也有一些研究和应用。 1 2 2 1 提高微生物浓度的处理技术 l 、采用复合生物处理工艺 所谓复合式生物处理工艺，即在传统活性污泥法基础上，在不增加原有曝气池容积和不变动 其他处理单元的前提下，通过在曝气池中投加某种填料作为微生物附着生长载体，把系统内微生物 的生长从悬浮生长变成悬浮生长和附着生长相结合，以提高反应器内微生物的浓度和不同种群微生 物的分布比例，形成生物膜和活性污泥复合式工艺，这种方法可以大幅度提高曝气池内的生物量， 降低污泥负荷，使系统的硝化能力增强，在提高工艺系统处理能力的前提下使技术改造费用较少。 投加较多的微生物载体主要包括塑料填料、粉末活性炭( 即p a c t 工艺) 和硅藻精土。 ( 1 ) 移动床生物膜反应器( m b b r ) 及其改良工艺 移动床生物膜反应器工艺简单，是介于固定填料生物接触氧化法和生物流化床之间的一项新工 艺。填料在池中自由浮动，它们的表面长满生物膜，在随水流动的互相碰撞过程中可以使老化的生 物膜脱落，加快生物膜不断更新，使微生物的活性始终保持良好状态，同时，由于附着态微生物不 参与污泥分离和回流过程，实现了水力停留时间与固体停留时间的分离，延长了泥龄，而且二沉池 2 第一章绪论 和污泥回流系统可以不做任何改动。这种形式结合了悬浮生长的活性污泥法与附着生长的生物膜法 的优点，克服了接触氧化法填料易堵塞、生物膜过厚易结团的缺点，避免了软性纤维填料互相缠结 等问题，同时也解决了生物流化床三相分离困难、动力消耗高的问题。在生活污水处理的研究与应 用方面，德国的m o r p e r 博士最早提出了一种悬浮填料处理系统c l m v o r 工艺) ，即把硬币大小、密 度稍小于水的多孔聚氨酯泡沫塑料块以1 0 2 0 的投加率投加到曝气滤池中，根据不同的处理功能 与对象，以不同的处理方式运行1 4 j 。其核心技术是l i n p o r 载体，这是一种微孔泡沫塑料立方体， 它的孔隙度、比表面积、颗粒尺寸、密度、均匀度、吸湿度以及机械、化学、生物稳定性都有严格 要求，能在生化池中随水流动而又不会流失，能附着生物膜又能自动脱落，互相碰撞时不会破碎， 在污水中长期浸泡不变形。此外它还有一个特性，就是可以同时形成好氧和缺氧微环境，它的外层 生物膜处于好氧状态，内层生物膜处于缺氧状态，可同时发生硝化反硝化反应，具有一定的脱氮功 能1 5 j 。大连春柳河污水处理厂改造后( 规模由6 1 0 4 m 3 d 增加到8 1 0 4 m 3 d ) 即采用l i n p o r 工 艺，现已投产且出水达标。铁岭市污水处理厂也采用该工艺。 安能国际集团的h y b a s t mt 艺和b a s 工艺【6 】i j 7 】有机结合了m b b r 工艺与传统活性污泥法的 优点，在现有污水处理厂生物池的前段增加占地较少的m b b r 段后，不仅可改善现有污水处理厂的 出水稳定性，降低污泥产量，还可地增加现有污水处理厂的处理能力和改善出水水质。美国一家污 水处理厂成功地使用了h y b a s t m 工艺进行改造，使原本只能达到一定硝化功能的活性污泥法污水 厂的处理能力提高了5 0 并达到脱氮除磷的目标，美国科罗拉多州b r o o m f i e l d 污水处理厂使用 h y b a s t m 工艺进行改造也取得了比较好的效果。 ( 2 ) 粉末活性炭工艺( p a c t 工艺) p a c t ( p o w d e r e da c t i v a t e dc a r b o nt r e a t m e n tp r o c e s s ) i 艺是向曝气池投加粉末活性炭( p a c ) ，将活 性炭吸附和生物氧化结合起来的一种活性污泥工艺。粉末活性炭投加曝气池后能强化活性污泥法的 净化功能，更有助于去除有机物，保证出水水质，主要表现在：改善絮凝体的沉降性能，提高系统 抗冲击负荷能力，增强不可降解有机物和重金属等无机物的去除效果，提高系统总的去除率，并有 脱氮作用，另外由于活性炭的存在，还改善了剩余污泥的脱水性能1 8 j 。但是该工艺对磷的去除效果 较差。 p a c 可以直接投入曝气池，并在二沉池中与废水分离后返回系统。该工艺是将活性炭吸附和生 物氧化结合起来的一种活性污泥工艺。粉末活性炭的巨大表面积和吸附作用将有机物和溶解氧浓缩 在粉末活性炭的表面和周围，为微生物的代谢活动营造了良好的微环境，加快了有机物的降解过程。 在通常情况下不易被生物降解的有机物被活性炭吸附后，增长了与微生物接触时间，在传统的活性 污泥法中接触时间即为系统的水力停留时间，而在粉末活性炭活性污泥法中，一旦被吸附，其接触 时间就相当于系统的泥龄，接触时间长，必然提供了更多的生物降解机会 9 1 ，即使仍有少量不能被 生物降解的物质，由于已被吸附，同样提高了对污水的净化效果。p a c 对微生物的吸附，使得微生 物泥龄大大延长【1 0 1 ，而且粉末活性炭强化生物处理系统中的微生物数量和种类要求比传统生物处理 系统中的微生物数量和种类多。此外，很多研究表明活性污泥系统中残留的有机物有很大一部分并 非原废水中存在的物质，而是生物代谢过程中形成的，成为代谢终产物( m e p ) 。在粉末活性炭强化 生物处理系统中，被吸附的m e p 有2 0 3 0 也可以通过生物降解去除【l l 】。 ( 3 ) 硅藻精土一活性污泥法 硅藻土在采用静电分离技术精选的过程中，使硅藻表面带有不平衡电位，当投放到污水中后与 带电胶体颗粒电位中和，使胶体颗粒的电位减小，打破原来形成的平衡电场，减弱胶体颗粒间的斥 力，促使水中的胶体污染物聚拢，由于其巨大的比表面积和表面吸附性能，使脱稳胶体极易被吸附 到硅藻精土上，且附着了污染物的硅藻精土颗粒间相互吸引能力大，可快速形成粒度和密度较大的 絮体，且絮体的稳定性好。 硅藻精土还可以作为微生物生长的载体投加到好氧池中，有利于硝化细菌等世代时间较长的细 3 东南大学硕士学位论文 菌的生长，从而有利于对氨氮和总氮的去除，硅藻精土将污染物质吸附到表面，延长了微生物与污 染物的接触时间，提高了处理效果。所以在水处理方面，利用硅藻土优越的吸附性能、中和性能、 絮凝性能、沉淀性能以及与微生物的协同作用，可以有效去除污水中的s s 、有机物、氮磷、重金属 等污染物。 2 、提高固液分离效率 通过提高污水处理系统中固液分离效率，从而提高系统中污泥浓度和微生物的量，进而在不增 加池容的情况下，提高系统的处理效率。目前研究和应用较多的是膜生物反应器( m e m b r a n e b i o l o g i c a lr e a c t o r ，简称m b r ) 。 m b r 技术是膜分离技术与生物技术有机结合的新型水处理技术。它通过膜的分离技术，大大强 化了生物反应器的功能。 m b r 是在外加压力的作用下，使膜的两端产生压力，反应器内的液体以一定的流速沿着具有一 定孔径的膜面上流动，混合液中的无机离子、低分子量物质透过膜表面，大分子物质、胶体颗粒及 细菌微生物等被截留下来，在活性污泥的作用下使可以降解的物质生化有机降解。难以降解的大分 子有机物，由于膜的截留作用使其长时间停留在生物反应器内，最大限度地实现固液分离。m b r 中 活性污泥浓度大大提高，水停留时间f l i r t ) 和污泥停留时间( s r t ) 可以完全分离，使设计简化，易 于一体化，实现自动控制，运行控制较灵洲埋】。当m b r 中活性污泥的浓度增加到一定浓度时，可 将其定期排至污泥贮存槽，以便进一步处理。随着运行时间的延长，膜孔的堵塞是不可避免的，因 此需进行定期的化学清洗和自清洗。 采用m b r 技术通过膜的截留作用，可将硝化、反硝化菌群完全截留在系统内，防止微生物的流 失，为硝化、反硝化反应创造一个相对稳定、适宜的环境条件和庞大、完整的微生物体系，从而能 够有效的消减低温等不利环境条件所带来的负面影响，保证了总体脱氮效果的稳定。有研究结果表 明，利用a o m b r 工艺在低温下( 水温在5 1 2 ) 缺氧段有反硝化较好效果【l3 1 。m b r 工艺技术 能够灵活的调整微生物数量等工艺参数，在不同的条件下，可采用不同的最优工艺参数，保证系统 始终稳定、高效运行。另外，由于m b r 中膜的孔径比较小，可以有效地截留出水中的s s 。m b r 的缺点是，膜表面容易形成附着层，使膜的通量显著下降，运作后容易产生膜污染，清洗较困难， 更换费用较耐1 4 j 。 1 2 1 2 优化微生物生存及反应环境 对于微生物的生存和反应环境可以进行人为控制优化的主要措施包括为反硝化菌及厌氧菌释磷 提供足够的碳源，提供适宜的溶解氧浓度，延长反应时间，适当延长泥龄等。通过采用生物膜一活 性污泥复合式生物反应器及膜生物反应器都可以在不增加池容和回流比的情况下达到延长反应时间 和泥龄的效果。在提供充足、优质、经济的有机碳源方面，国内外都做了大量的研究。 由于反硝化脱氮和聚磷菌释磷过程中都需要有机碳源，因此碳源一直是生物除磷脱氮工艺的控 制因素，现有研究表明多种有机物都可以作为生化反应所需的外加碳源，通常将污水中的c o d 分 成可溶性易生物降解有机物、可溶性不易生物降解有机物、颗粒性易生物降解有机物、颗粒性不易 生物降解有机物四种不同的组分。不同的有机物被微生物利用的程度、代谢产物均不相同，对反应 过程产生的影响也不同，以反硝化为例，研究表明，碳源不同，反硝化速率相差很远。目前生物系 统中常利用的碳源分为外部碳源和内部碳源。 外部碳源包括低分子有机物和纤维素类物质。极易被微生物利用且细胞产率较低的低分子有机 物如甲醇、乙醇、乙酸等通常作为污水除磷脱氮工艺中的首选；对于纤维素类物质，并非所有该类 物质都可以作为污水处理中的碳源，并且每种物质的适用条件和使用方法有很大差别，必须对其进 行筛选，并深入研究其应用条件，目前应用的较少。 内部碳源是指污水处理系统本身的碳源，它包括污水中的有机碳和对污泥产物的利用。污水中 4 第一章绪论 的有机碳源是比较理想也是最为经济的碳源，目前对其利用的方式主要包括两种：改变进水方式和 增加水解酸化工艺。一般而言以生活污水为主的城市污水中可利用的易生物降解有机物仅1 0 1 5 ，而慢速可生物降解有机物高达4 0 - 5 0 ，要获得较高的除磷脱氮效率，必须考虑充分利用 易生物降解的有机成分。改变进水方式可以采用避免沉砂池的曝气运行方式、超越初沉池或对a 2 o 工艺进行多点进水等措施。在废水处理中，厌氧水解酸化的主要作用是改进废水的可生化性，提高 污水的b o d s c o d ，为废水的有效处理创造良好条件，并可以减少后续好氧处理系统的污泥量和需 氧量，有利于整个污水处理系统的稳定、有效和低耗运行。污泥产物是指从原污水分离出来的颗粒 态慢速降解有机物( 初沉污泥、消化污泥) 以及活性污泥微生物的死亡或破裂，一般可以通过水解 酸化、消化酸化和超声波释放出来，污泥水解和超声波热解是目前研究最热的两种方法。 超声波是指频率从2 0 k h z 到i o m h z 这个波段范围内的声波，不同波段的超声波对污泥产生不 同的作用。低频超声波( 2 0 k h z - 1 0 0 k h z ) 尤其适合处理污泥( 以下提到的超声波都是指低频超声波， 并简称超声波) 。污泥在超声波作用下不断被压缩和膨胀，内部产生气穴泡，且不断成长并最终共振 “内爆”，内爆产生超高温( 5 0 0 0 c ) 、高压( 5 0 0 b a r ) 【1 5 j ，同时产生的强力水喷射流形成巨大的水 力剪切力，破坏污泥絮体结构和污泥中微生物细胞壁，使细胞质和酶从细胞中溶出，使污泥的物理、 化学和生物性质发生不同程度的改变。 1 2 1 3 提高微生物活性的处理技术 ( 1 ) 投加生物菌剂 向传统的生物处理系统中引入具有特定功能的微生物，如硝化菌和反硝化菌，这种方法通常能 在较短的时间内取得较好的效果，但是随着时间的延长，投加的菌种可能会逐渐退化，并不能在原 生物处理系统中占优势，导致去除率的下降，若连续投加会大大增加运行费用，因此在城镇污水处 理中应用的比较少。 ( 2 ) 低强度超声波强化 当超声波的声强较低时，对细胞产生的破坏很小，并能有效促进可逆渗透，从而加强细胞内外 物质运输，减少次生代谢产物的积累对微生物的抑制作用，促进代谢产物的合成，增强微生物的活 性、加速生化反应速率。超声波可以有效增加微生物的活性，改善生物处理污水的净化效果。尤其 在北方地区，当冬季气温较低时，采用超声辐射来刺激微生物活性将会取得较好的处理效果。超声 波强化技术可以与各种生物处理系统进行组合且不需要额外的土建设施。对于传统的生物处理工艺， 仅需要在污泥回流管路上增加一个超声波辐射处理器即可。尽管已有大量研究证实利用低强度超声 波强化污水生物处理在理论上是可行的，但有关研究尚处于起步阶段，该技术还有许多问题有待于 进一步研究。 ( 3 ) 污泥曝气再生强化 该技术的理论基础是：为了使曝气池内混合液保持一定的污泥浓度，回流污泥的浓度必须高于 混合液浓度的3 5 倍，这样，活性污泥就需要在二沉池底部滞留一段时间以进行浓缩，在浓缩和回 流过程中微生物一直处于缺氧状态，使其代谢功能和活性受到一定的抑制。在这种状态下的活性污 泥回流到曝气池，其降解功能需要经过较长一段时间的恢复，其活性必须经过再生后才能得到发挥。 而且如果回流污泥和污水混合在一起，回流污泥的再生过程必然受到干扰，而得不到充分的再生。 针对这种情况，设置一污泥再生池，与吸附再生的区别在于回流污泥不是与原水直接混合，而是在 再生池中直接进行曝气，使污泥处于一种好氧并且饥饿的状态，这种状态的污泥进入曝气池与污水 接触后，其吸附、絮凝、降解及沉淀等性能能够得到充分发挥，无疑会加快活性污泥的反应进程， 提高反应效果。 5 东南大学硕士学位论文 1 2 。3 深度处理技术 国内污水处理厂提标升级技术目前采用的较多的深度处理工艺有：在处理设旌后增加曝气生物 滤池和快滤池等。 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 ，简称b a f ) 是在普通生物滤池的基础上，并借鉴给水 滤池工艺而开发的污水处理新工艺，集生物氧化和截留悬浮固体功能于一身。曝气生物滤池可以进 一步去除二级生物处理出水中的c o d 、氨氮、总氮、s s ，从而保证了出水能够全面、稳定地达到一 级a 标。 b a f 通常由粒状的填料床组成，微生物附着在载体表面形成生物膜，在滤池内部进行曝气。污 水在流经载体表面过程中，水中的有机污染物以及氨氮等无机污染物被载体上吸附生物膜中微生物 吸附进而氧化分解。同时由于随着流速方向的营养物质的减少而呈现出不同的生物相，使得曝气生 物滤池的生物相相当丰富、食物链比一般的工艺要长且复杂。随着生物膜厚度的增加，溶解氧和有 机营养物向生物膜内部的扩散、渗透受到阻碍，生物膜呈现分层状态，使得反应器内同时存在着不 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，此外，还 有专门的反硝化滤池。随着过滤的进行，由于截留的s s 不断增加以及填料表面新产生的生物量越 来越多，会导致水头损失的增加，当达到极限水头损失时就需要进行反冲洗再生，以去除滤床内过 量的生物膜及s s ，恢复处理能力。 在原有污水处理系统基础上，增加新的深度处理工艺，对出水水质的提高有一定的保证，但是 其投资较大，增加了运行费用，对运行管理的要求也较高，适于规模较大并且有一定经济、技术水 平的污水处理厂。 1 2 4 人工湿地处理技术 人工湿地是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种污水处理技术，主要由基质、植物和微生物组成， 通过沉淀、吸附、过滤、离子交换、植物吸收和微生物转化等一系列复杂的物理、化学和生物作用 实现对污水中s s 、有机物和氮磷等污染物的去除。 人工湿地的基质又称为填料，是人工湿地的载体，它不仅为微生物的生长提供稳定的吸附表面， 对水生植物起到一定的固定作用，而且能够通过沉淀、过滤和吸附等作用直接去除有机物。人工湿 地的基质可以由一种材料组成，也可以由多种材料组合而成，如有单一的碎石、砾石、煤渣等矿物 材料，也有由不同比例的砂、土组成的混合物。 植物在人工湿地污水净化中起着十分重要的作用。除了稳定床体表面、提高过滤效率、保温防 冻、为微生物的生长提供更多的吸附位点等物理作用外，植物根系能直接吸附和降解污水中的有机 物和氮、磷等营养物质，根系分泌物可促进氮、磷的转化，从而有利于被微生物利用。同时，植物 可将由光合作用产生的约9 0 的氧气输送至根部 1 6 1 ，从而提高湿地内部的溶解氧水平，进而间接提 高净化效果。水生植物需要根据污水的性质及当地的气候、地理条件来进行选择，国内外常用的植 物种类有芦苇、香蒲、灯心草、凤眼莲、水芹、黑麦草和水葱等。 人工湿地的基质和微生物是净化污水的“主力军”，其数量在一定程度上可以反应人工湿地净化 污水的能力。人工湿地基质床内存在明显的好氧、缺氧和厌氧区。在植物的根区，好氧微生物占决 定的优势，而在根区附近则既存在好氧微生物的活动也有兼性厌氧微生物的活动，远离根区的区域， 厌氧微生物比较活跃。人工湿地中的微生物主要去除污水中的有机物和氮。 根据布水方式或污水在系统中流动方式的不同，可将人工湿地划分为自由表面流人工湿地、水 平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地和潮汐流人工湿地。其中水平潜流人工湿地是目前国际上研究 和应用较多的一种湿地系统。该系统中污水从湿地一端水平流过基质床，水面低于基质床约为5 6 第一章绪论 1 0 c m ，水平潜流人工湿地具有水力负荷大、对氮磷、s s 去除效果好等优点。此外，由于污水在湿地 表层以下流动，因而其保温性能好，受气候影响小，卫生条件较好。 人工湿地作为一种生态节能型的水处理方式，具有投资少、能耗低、运行成本低、易于管理、 环境负效应小等优点，但是人工湿地往往需要较大的占地面积，不适用于土地紧张的地区使用。 1 3 课题研究的目的与意义 通过对上述各项提标改造工艺的分析与比较，本课题提出在a 2 o 生化处理工艺中投加硅藻精土 的强化生物处理技术，利用硅藻精土水处理剂对t p 优异的去除作用，增加系统生物污泥量，使原 有生物除磷脱氮系统，不需要增加新的深度处理工艺或化学除磷工艺就可以在保证脱氮效果的同时， 对磷也能达到较好的去除效果，减少了化学污泥的产生，同时减少了提标改造所需的投资费用、运 行费用和运行管理的难度。 硅藻精土复合生物反应器可以提高污水中c o d ，b o d 5 ，s s ，氮，磷和色度各项指标的去除效 果。该项技术属于江苏省太湖流域城镇污水处理厂除磷脱氮提标改造技术攻关示范科研课题中 深度处理技术的研究。课题研究目的是使已建的a 2 o 城镇污水处理厂使用较低的成本，可在较短的 时间内达到提标改造，实现达标排放的目的。课题研究为完善该工艺的设计和运行提供理论依据， 推进该项技术在新建及改扩建污水处理厂项目中的应用，具有一定的理论意义和使用价值。 7 东南大学硕士学位论文 第二章硅藻精土生物处理技术理论基础 2 1 生物脱氮除磷的基本原理 2 1 1 生物脱氮的基本原理 城市污水中氮的存在形式以有机氮和氨氮为主，亚硝酸盐和硝酸盐形态的氮为数很少，甚至没 有，有机氮可以通过生物转化成氨氮和其它的无机氮。 污水生物处理过程中氮的转化包括氨化、同化、硝化和反硝化作用。污水中的有机氮可以通过 细菌对蛋白质的分解和对尿素的水解转化成氨，即氨化作用。根据处理工艺和负荷的不同，一部分 物质会出现自溶或自身氧化，使得用于同化作用的这部分氨通过这一途经返回液相，剩余的氨则用 于净生长并以剩余污泥的形式排放。在供氧充足及其它条件合适的情况下，氨通过硝化作用被氧化 成亚硝酸盐和硝酸盐，硝酸盐氮在缺氧条件下通过反硝化作用转化成对人体无害的氮气。 2 1 1 1 氨化作用 污水中的有机氮主要以蛋白质和氨基酸的形式存在。氨基酸是羧酸分子中羟基分子上的氢原子 被氨基取代后的生成物，蛋白质是氨基酸通过肽键结合的高分子化合物。蛋白质可以作为微生物的 基质，在蛋白质水解酶的催化作用下，水解为氨基酸，氨基酸在脱氨基酶的作用下产生脱氨基作用， 脱氨基后的氨基酸进入三羧酸循环，参加各种合成和分解代谢。因此，污水中的蛋白质和氨基酸在 生物稳定化过程中通过氨化作用转化为氨氮。以氨基酸为例，反应式如下： r c h n h 2 c o o h + 0 2 r c o o h + c 0 2 小m 3 ( 好氧生物过程) r c h n h 2 c o o h + h 2 斗r c h 2 c o o h + n h 3 ( 厌氧生物过程) 很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮衍生物，其中分解能力强并释放出n h 3 的微 生物称为氨化微生物，种类繁多【l7 1 。 2 1 - 1 2 同化作用 在生物处理过程中，污水中的一大部分氮被同化成细胞的组成部分。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，另一部分仍存在于微生物细胞及 内源呼吸残留物中的氮在二沉池以剩余污泥的形式得以从污水中去除。由微生物同化作用去除的氮 量为活性生物固体产量的1 2 5 ，而异养菌产率系数通常不大于0 6 5 ，因此，同化作用氮的去除与 b o d 去除的最大比值为0 0 8 1 ，但由于泥龄的作用，同化作用去除的氨氮与进水b o d 的比例仅2 5 i l 引，绝大多数氨氮需要通过硝化、反硝化作用去除。 2 1 1 3 硝化作用 通常认为硝化过程由两个过程构成：氨氮氧化成亚硝酸态氮以及亚硝态氮继续氧化生成硝酸氮。 以上两个过程是由两类性质不同的好氧自养菌完成的，分别是亚硝化菌和硝化菌。这两类细菌都为 专性好氧的化能自养菌、革兰氏阴性，都是利用c 0 2 、h c 0 3 - 和c 0 3 厶等无机碳化合物作为碳源，通 过与n h 3 、n h 4 + 、n 0 2 。的氧化反应来获得能量，不同的是亚硝化菌通过氧化氨获得能量，而硝化菌 只能通过氧化亚硝酸盐获得能量。 第一步是亚硝化反应，由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸盐，反应式如下： n h 4 + + 3 2 0 厂n 0 2 + 2 h + + 量 2 0 卜卜能量 第二步是硝化反应，由硝化菌将亚硝酸盐进一步氧化成硝酸盐，反应式如下： n 0 2 + 1 2 0 2 n 0 3 + 能量 硝化反应的总反应式为： 8 第二章硅藻精土生物处理技术理论基础 n h 4 + + 2 0 2 n 0 3 + 2 旷+ h 2 0 卜卜能量 上述反应中释放的能量可供合成细胞物质和用于生命活动。 影响生物硝化作用的因素主要包括以下几个方面： ( 1 ) 温度 硝化反应的最适宜温度为3 0 - 3 5 ，温度不但影响硝化细菌的比增长速率，而且影响硝化细菌 的活性。在3 3 5 的范围内，硝化反应速率随温度的升高而加快，当温度小于5 c 时，硝化菌的生 命活动几乎停止；同时在去除c o d 和硝化的反应体系中，温度小于1 5 时，硝化反应速度会降低。 低温对硝化菌的抑制作用更为强烈，因此在低温1 2 1 4 时常出现亚硝酸盐的积累i l 9 1 。 ( 2 ) p h 大量研究表明，亚硝酸菌和硝酸菌的适宜p h 值分别为7 8 5 和6 0 - 7 5 ，当p n 低于6 0 或者 高于9 6 时硝化反应停止，硝化过程会消耗废水中的碱度而使水中p h 值下降，但反硝化会产生一定 的碱度，可补充因硝化作用而消耗的碱度。 ( 3 ) 溶解氧 硝化反应过程中d o 越高，n h 4 + - n 的硝化速度就会越快，但d o 大于2 m g l 后其增长趋势减缓， 因此，d o 非越高越好。因为好氧段d o 过高，则溶解氧会随污泥回流和混合液回流带缺氧段，从 而影响缺氧段n 0 3 - n 的反硝化。所以好氧段的d o 应为2 m g l 左右，太高太低都不利。 ( 3 ) 污泥负荷 在生活污水中，含碳有机物浓度远高于含氮污染物浓度，异养菌的产率也超过自养菌的产率， 因此，自养菌通常只占总生物量的一小部分，为了维持硝化菌数量，好氧池有机物浓度不宜过高， 污泥负荷率n s 应控制在0 1 5 k g b o d s ( k g m l s s d ) 2 - f 【1 8 1 ，否则异养菌的数量会大大超过硝化菌，使 硝化反应受抑制，此外系统的泥龄必须大于硝化菌生长的世代时间。 ( 4 ) 泥龄 为了使硝化菌能在连续流的系统中生存下来，系统地s r t 必须大于自养型硝化菌的比生长速率， 由硝化反应动力学可知，脱氮工艺的污泥龄主要由亚硝酸菌的世代期控制，因此污泥龄应根据亚硝 酸菌的世代期来确定。一般泥龄控制在3 5 d 以上，最高可达1 0 d 1 5 d ，较长的泥龄可增加微生物 的硝化能力，并可