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兰州大学硕士学位论文粉煤灰加气砼颗粒应用于曝气生物滤池试验 摘要 随着人口增长及工业化进程的加快，水资源短缺、水污染问题日渐突出。这 就要求对现有的水资源进行保护，对污水进行达标处理后再排放，减少对自然水 体及其它生物的危害。国外发达国家已在水污染治理方面取得明显效果，但水污 染问题引起我国的重视是在2 0 世纪8 0 、9 0 年代。我国的水污染治理技术发展较 晚，所用技术相比发达国家成本高、效率低。曝气生物滤池工艺是现今国际上应 用比较广泛并效果较好的工艺。由于其具有占地面积小、运行成本低、有机负荷 高、处理效果好及不会产生异味气体等优点，因此可以将其建于污水排放口周围 的市区内，相比其它工艺既节省了从城区向城郊的污水输送管网有降低了能耗， 并且此工艺适合中国的经济发展现状。所以，曝气生物滤池在我国有很好的发展 前景。 本文是围绕着粉煤灰加气砼颗粒能否作为曝气生物滤池滤料而展开试验的， 主要包括挂膜对比试验和优化试验。粉煤灰加气砼颗粒具有表面粗糙多孔、表观 密度小和比表面积大等特点，而且其价格低廉、来源广泛。研究方法首先将粉煤 灰加气砼颗粒与沸石颗粒填充于事先制作好的曝气生物滤池中进行挂膜对比试 验；之后在不同水力负荷、气水比、有机负荷条件下运行滤池，分析水力负荷、 气水比、有机负荷对曝气生物滤池去除效率的影响并得出粉煤灰加气砼颗粒曝气 生物滤池的最佳运行条件；再依次研究最佳运行条件下污染物去除率与滤料层高 度的关系，最后分析讨论了反冲洗效果对运行的影响。 粉煤灰加气砼颗粒与沸石颗粒填充曝气生物滤池挂膜对比试验结果显示：粉 煤灰加气砼颗粒曝气生物滤池与沸石颗粒曝气生物滤池的挂膜时间相同。对 c o d 的去除率，粉煤灰加气砼颗粒和沸石颗粒最终稳定在5 5 、6 0 左右。在 n h 3 n 去除方面，沸石颗粒一直保持7 0 左右，粉煤灰加气砼颗粒最高点的处 理率为6 0 。 粉煤灰加气砼颗粒曝气生物滤池优化运行试验中检测结果得出，水力负荷、 气水比及有机负荷对污染物的去除率影响均呈现先升后降的趋势，以c o d 去除 率作为参照，水力负荷、气水比及有机负荷的最佳取值范围为：3 0 7 2m 3 r a 2 d 、 2 ：1 左右、1 3 7 k g c o d m 3 d 。在以上条件下，c o d 平均去除率为7 4 2 ，出 水浓度均在6 0 m g l 以下，出水中n h 3n 平均浓度为1 0 m g l ，满足污水排放 兰州大学硕士学位论文 粉煤灰加气砼颗粒应用于曝气生物滤池试验 g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 一级a 标准。、 粉煤灰加气砼颗粒曝气生物滤池效能与滤料层高度关系试验表明，c o d 、 n h 3 n 的去除主要集中在0 - - 4 0 c m 段。c o d 在0 - - 1 0 c m 段去除更明显，n h 3 n 的去除在1 0 - - - 4 0 c m 段更明显。 研究得出结论：粉煤灰加气砼颗粒可以作为曝气生物滤池处理污水的滤料应 用。 关键词：曝气生物滤池粉煤灰加气砼颗粒 沸石挂膜 去除率 兰州大学硕 ：学位论文 粉煤灰加气砼颗粒应用于曝气生物滤池试验 a b s t r a c t w i t hp o p u l a t i o ng r o w t ha n dt h ea c c e l e r a t i o no ft h ei n d u s t r i a l i z a t i o np r o c e s s ，s h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e s ，w a t e rp o l l u t i o ni n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t t h i sr e q u i r e st h a tt h ee x i s t i n gw a t e rr e s o u r c e sp r o t e c t i o n ，t od i s c h a r g et h es e w a g et r e a t m e n ta g a i na f t e rd i s c h a r g e ，r e d u c t i o no fn a t u r a lw a t e ra n do t h e rb i o l o g i c a lh a z a r d s p o l l u t i o nc o n t r o li nd e v e l o p e dc o u n t r i e sh a sa c h i e v e dr e m a r k a b l er e s u l t s ，b u tw a t e rp o l l u t i o ni st h ec a u s eo fc h i n a si m p o r t a n c ei nt h e2 0 t hc e n t u r y ，1 9 8 0 sa n d1 9 9 0 s c h i n a sw a t e rp o l l u t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tl a t e r , t h e t e c h n i q u e su s e db yd e v e l o p e dc o u n t r i e sc o m p a r e dt o t h eh i 9 1 1c o s ta n dl o we f f i c i e n c y t h i sp a p e ru s e db yt h eb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e rt e c h n o l o g yi sn o wa b r o a d e ra p p l i c a t i o no ft h ei n t e r n a t i o n a lc o m m u n i t ya n dt h eb e t t e r - p e r f o r m i n gt e e h n o l o g y b e c a u s eo fi t ss m a l lf o o t p r i n t ，l o wo p e r a t i n gc o s t ，h i 【g ho r g a n i cl o a d ， t h ee f f e c tw i l ln o ts m e l lg o o da n dt h ea d v a n t a g e so fg a s ，c o u l db eb u i l ti nt h e s e w a g eo u t f a l la r o u n dt h eu r b a na r e a ，o t h e rt h a ns a v i n gt e c h n o l o g yf r o mt h e c i t yt ot h es u b u r b so ft h es e w a g et r a n s p o r tp i p e l i n en e t w o r ka n de n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n dt h a tt h ep r o c e s sf o rc h i n a se c o n o m i cd e v e l o p m e n ts t a t u s t h e r e f o r e ，t h eb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e ri nc h i n ah a v eg o o dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t a e r a t e dc o n c r e t ef l ya s hp a r t i c l e sa n dz e o l i t eg r a n u l e sf i l l e db i o l o g i c a la e r a t e df i l t e rp e g g e dt of i l mc o m p a r i s o nt e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t ：f l ya s ha n dg a sp a r t i c l e sb i o l o g i c a la e r a t e dc o n c r e t ea n dz e o l i t ef i l t e rp a r t i c l e sl i n k e dt ot h e b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e rf i l mt h es a m et i m e t h er e m o v a lo fc o d ，a e r a t e d c o n c r e t ep a r t i c l e so ff l ya s hp a r t i c l e sa n dt h ez e o l i t ee v e n t u a l l ys t a b i l i z ea t5 5 p e r c e n t ，a r o u n d6 0 t h er e m o v a lo fn i - 1 3 一n ，z e o l i t ep a r t i c l e sh a sb e e na r o u n d 7 0p e r c e n t ，f l ya s hp a r t i c l e sc o n c r e t ef i l l i n gt h eh i g h e s tr a t eo ft r e a t m e n tt oo n l y6 0p e r c e n t a e r a t e dc o n c r e t ef l ya s hp a r t i c l e sb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e ro p t i m a lo p e r a t i o no ft h et e s tr e s u l t so b t a i n e d ，h y d r a u l i cl o a d i n g , g a sa n dw a t e rt h a nt h eo r g a n i cp o l l u t a n t1 0 a do i lt h ei m p a c to ft h er e m o v a lr a t es h o w e daf i r s ta n dt h e nd o w n w a r dt r e n d ，t oc o di na d d i t i o nt oe f f i c i e n c ya sar e f e r e n c e ，h y d r a u l i cl o a d i 兰州大学硕士学位论文 粉煤灰加气砼颗粒应用于曝气生物滤池试验 n 岛g a s ，w a t e ra n do r g a n i cl o a d t h a nt h eb e s tr a n g e ：3 0 7 2m 3 m 2 d ，2 ：1 a r o u n d ， 1 3 7 k g c o d m 3 - d i nt h ea b o v ec o n d i t i o n s ，c o d r e m o v a lr a t ef o ra na v e r a g e o f7 4 2 p e r c e n t ，t h ew a t e rc o n c e n t r a t i o ni nt h e6 0m g lb e l o wt h ew a t e rn h 3 一n a v e r a g ec o n c e n t r a t i o no f1 0 m 叽t om e e td i s c h a r g eg b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2a l e v e ls t a n d a r d s a e r a t e dc o n c r e t ef l ya s hp a r t i c l e sb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e rp e r f o r m a n c ea n dah i g hd e g r e eo fm e d i a r e l a t i o n st e s t ，c o d ，n i - 1 3 一nr e m o v a lm a i n l yc o n c e n t r a t e di np a r a g r a p h0 - - 4 0 c m c o dr e m o v a l0 1 0 c mi nt h er e m o v a lo ft h em o r o o b v i o u s ，n h 3 一ni nt h er e m o v a lo f1 0 - 4 0 c mo ft h em o r eo b v i o u s t h i ss t u d ys h o w e dt h a tt h ef l ya s hp a r t i c l e sc a nb eu s e da sa e r a t e dc o h e r e t cb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e rt r e a t m e n to ft h em e d i a 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 f l ya s hc o n c r e t ef i l l i n g z e o l i t e s t a r t u p r e m o v i n gr a t e i v - 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果9 学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：羔! 垦支 墨 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使甩学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密骺应遵守此瓶定。 论文作者签名：逍喜师签名。：缉日期；塑出 兰州大学硕士学位论文粉煤灰加气砼颗粒应用于曝气生物滤池试验 1 1 研究背景及意义 1 1 1 我国水环境污染现状 第1 章绪论 我国的水资源总量约为2 8 1 2 4 万m 3 ，位居世界第六，但是人均占有水资源量 比较少，仅为2 3 4 0 m 3 ，为世界人均占有水量的四分之一，而且水资源时空分布不 均1 1 1 水资源的短缺成为阻碍许多地区发展的主要因素。与此同时，随着我国城 市化进程的加快、人口的增加及工农业生产规模的扩大，生活污水和工业废水的 排放量逐渐增大，而水处理工程在我国起步晚、基础差加上在这方面的投入资金 短缺，这些原因导致我国的污水处理水平总体较低，大量未经处理或处理未达标 的污水排放到各大江河湖泊中，造成了严重的水体污染。根据国家环保总局发布 的( 2 0 0 5 年环境公报i 幻，2 0 0 5 年我国七大江河水系的4 1 1 个水质监测断面中，i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为：4 1 、3 2 、2 7 ，其中辽河、淮 河、黄河、松花江水质较差，海河污染严重。2 8 个国家控制重点湖( 库) 中，满 足i i 类水质的湖( 库) 2 个，占7 1i l l 类水质的湖( 库) 6 个，占2 1 ；i v 类水 质的湖( 库) 3 个，占1 1 ；v 类水质的湖( 库) 5 个，占1 8 ；劣v 类水质湖( 库) 1 2 个，占4 3 。其中，太湖、滇池、巢湖的水质均为劣v 类，主要污染指标为总 氮和总磷。2 0 0 5 年全国c o d 排放总量仅比2 0 0 0 年减少2 1 3 ，没有完成“十五 削 减1 0 的控制目标；2 0 0 6 年全国c o d 排放量增长1 2 ，没有实现年初确定的单位 国内生产总值主要污染物排放总量减少2 的目标。环境污染和生态破坏已经造 成巨大经济损失，严重危害人民群众健康安全。 近几年，我国水污染事故频频发生自2 0 0 5 年松花江水污染事故至u 2 0 0 6 年1 0 月，我国共发生1 3 0 多起与水有关的污染事故。严重的有松花江苯系水污染事件、 珠江北江锡水污染事件、重庆市垫江苯系物泄漏事件、长江黄石西塞山段污染事 件等等。其中有的是操作失误造成污染物质大量泄漏引起的急性污染事件，也有 企业偷排废水造成的恶性水污染事件。2 0 0 7 年5 月2 9 f i ，一场突如其来的饮用水 危机席卷了江苏无锡，罪魁祸首是太湖蓝藻。造成无锡全城自来水污染，生活用 兰州大学硕仁学位论文粉煤灰加气砼颗粒应用千曝气生物滤池试验 水和饮用水严重短缺，超市、商店里的桶装水被抢购一空。随后，滇池、巢湖蓝 藻也相继暴发，经济高增长的中国进入“水污染密集暴发阶段”。有关专家调查研 究得出，化工企业的排污是造成8 0 水体富营养化的主因。 当前，我国污水中的主要污染物排放量已经明显超过环境承载能力，加上污 染负荷短期内难以得到较大幅度的削减，环境污染的形势十分严峻，未来1 5 年 里我国人口将继续增加，经济总量将再翻两番，城市化程度将继续不断提高，水 资源利用、消耗量必然持续增长，工业水污染防治、城镇水污染防治、农业和农 村水污染防治的形势严峻。要控制并改变这种局面就必须大力开发适合我国国情 的新型、高效、经济的污水处理技术，特别是能有效处理水中有机物和氨氮。 1 1 2 污水处理技术 根据处理对象的不同，污水处理技术分为物理处理法、化学处理法和生物处 理法3 “一1 。城市污水中的污染物大部分为有机污染物，因此生物处理是城市污 水处理的有效方法。按照生物处理工艺中微生物生长状态的不同，污水生物处理 技术分为悬浮生长工艺和附着生长工艺，前者是以活性污泥法为代表，微生物主 要以活性污泥的状态存在的，而后者是以生物膜法为代表，微生物是固着在某种 载体表面而存在的t 6 1 我国现有建成运行的污水处理厂，特别是城市污水处理厂，基本上均采用传 统活性污泥法及其变形工艺，即氧化沟、a b 法、s b r 法等工艺，虽然这些工艺 满足污水处理的基本要求甚至也能达到较好的效果，但是其普遍存在占地面积 大、基建投资高、处理负荷低、运行启动慢、经常出现污泥膨胀、抗冲击负荷能 力差等缺点，使其工艺设备处理效率低、能耗高，达不到高效低能的效果，不适 应中国的污水处理现状。虽然近几十年来，各种污水处理新技术不断涌现，但由 于污水处理工程是一项侧重于环境效益和社会效益的工程，在建设和运行过程中 常常受到资金的限制，污染治理技术的选择和资金问题的解决之间的矛盾成为限 制我国水污染控制工程发展的“瓶颈，因此，研究与开发一种适合我国国情的 污水处理新工艺势在必行。新工艺的开发与应用，应具有降低污水处理的投资和 运行费用、节省用地、管理方便、处理效率高、抗冲击负荷能力强、产生二次污 染少等特点。 兰州大学硕士学位论文粉煤灰加气砼颗粒应用于曝气生物滤池试验 生物膜法处理技术与活性污泥法处理技术在微生物作用机理方面是相同的， 不同的是微生物在工艺中所处的形态有所差异。在生物膜法中，微生物附着在载 体表面生长而形成膜状，在污水流经载体表面与生物膜接触过程中，污水中的有 机物即被微生物吸附、降解，使污水得到净化。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，而且还有其独特的优点，如运行 稳定、抗冲击负荷、更为经济节能、无污泥膨胀问题、可实现封闭运转防止臭味 等。正是由于上述优点，生物膜法必然成为我国解决目前在水污染治理过程中遇 到的“瓶颈”问题的主要污水处理技术因此，近年来国内外研究者和工作人员对 此做出了大量的研究和工程实践：并取得了丰硕的成果，研究开发出了曝气生物 滤池这种生物膜法污水处理新工艺，曝气生物滤池是最能体现生物膜法所有优点 的污水处理新工艺。表1 1 为德国p h i l i p pm u l l e r 公司对两种污水处理工艺处理 效果的比较。表1 2 为该公司对两种污水处理工艺占地、投资费和运行费比较。 表1 - 1不同工艺处理出水水质的比较7 1 竺竺盛( 墨蛊盏! 釜! 传统活性污泥法 1 57 5 511 0 全b i o f o r +1060 2 1 1 0 表1 - 2 不同工艺占地及投资、运行费比较( 以相对值表示) 7 1 曝气生物滤池的核心部分是滤料，它是生物膜的载体，污水的净化是靠附着 在滤料表面和悬浮于滤料间的微生物的共同作用实现的，滤料的特性对生物膜的 生长状态、氧利用率和水力分布条件等起到重要作用，它是曝气生物滤池工艺作 用的关键因素。现今国内应用最广泛的滤料为球形轻质陶粒，选择最优滤料以及 研究新型的高效滤料是曝气生物滤池发展的一个重要研究内容。 1 1 3 国内外粉煤灰利用状况 多年以来，粉煤灰作为燃煤电厂的主要污染源，严重影响了电厂周围及堆放 兰州大学硕士学位论文粉煤灰加气砼颗粒应用于曝气生物滤池试验 区周围居民的日常生活。早在1 9 1 4 年，美国的a n o n 首次发现粉煤灰中的氧化物具 有火山灰特性。此后前苏联、英国、美国、荷兰、日本等发达国家相继开始对粉 煤灰的物理、化学特性、实践应用等课题进行了研究和开发。欧美发达国家粉煤 灰的综合利用率基本达到5 0 以上，个别国家达到9 0 以上。 目前，对粉煤灰的综合利用研究主要有三个方向，一是以粉煤灰为原料做建 筑材料；二是以粉煤灰作为肥料、农药；三是以粉煤灰为原料做吸附材料、絮凝 剂等。具体利用如下所述： ( 1 ) 粉煤灰在建筑材料中的应用，其理论基础主要在于粉煤灰潜在的火山灰活 性，s i 0 2 和a 1 2 0 3 成分越多，粉煤灰活性越高。玻璃体含量越高，其活性也越高。 其在建筑领域的综合利用主要有以下几个特点：应用范围广泛，1 9 9 6 年粉煤灰综 合利用数据统计表明，在3 卟粉煤灰利用专利中有将近6 5 的是建材方面的专利 技术；利用量大；利用程度不断提高；具有节约能源和降低成本的效果。 制作混凝土嘛鲫，用粉煤灰作为混凝土的部分原料替代品，可以改善混凝土 的部分特性，如硬化水平、强度、干燥收缩度等。因此，大坝、地基、地下结构、 预制构件等大体积混凝土工程中均可加入粉煤灰，其掺量可达3 0 。 生产加气混凝土，粉煤灰加气混凝土是用粉煤灰( 占6 0 以上) 、水泥、石灰、 石膏等为原料，经铝粉发泡等工艺制成的一种多孔新型建筑材料。它的容重在 5 0 0 k g m 3 以下，具有质轻、保温、隔热等功能。 制砖工业，粉煤灰可以替代部分粘土制作粉煤灰烧结砖。由于粉煤灰中含有 一定量的未燃尽的碳分，采用内燃烧结砖工艺可以节省煤的用量。掺入粉煤灰制 砖，具有质轻、隔热、不易风裂的特点。 筑路和工程回填，粉煤灰容重轻，碾压最佳含水范围大，有一定水硬性，用 于筑路和工程回填，可以减轻自重，降低沉降量，缩短施工周期和降低工程造价。 制作水泥 1 0 1 p 粉煤灰制作水泥有两种方法，一是代替粘土原料，配制生料； 二是粉煤灰与熟料一起混磨，做水泥混合材。掺入粉煤灰后，能显著降低水泥的 水化热，是制作大坝水泥的优良品种。 ( 2 ) 粉煤灰作为肥料、农药，利用粉煤灰改良土壤、覆土造田等，可以促进种 植业的发展，以便达到提高农作物产量、绿化生态环境、培植优良饲草等目的。 粉煤灰作农业肥料，粉煤灰中s i 0 。含量高达5 0 - 6 0 ，利用粉煤灰可生产 兰州火学硕i ：学位论文粉煤灰加气砼颗粒应用于曝气生物滤池试验 硅肥施于水稻、玉米、小麦等各种喜硅作物及蔬菜。施用硅肥不仅能使作物增产 而且能改善作物的品质。粉煤灰硅肥的研制与开发，在保护环境、减少污染的同 时，对发展无毒、无污染的绿色食品和保障食物的安全性也具有重要的意义。 粉煤灰作农药和农药载体，土壤施用粉煤灰后，可使土壤增加2 的铁、促进 植物对土壤中铁的吸收，可有效防止水稻出现稻瘟病、小麦出现麦锈病，能防止 蚕豆、油菜“花而不实 和大白菜烂心等。另外，粉煤灰具有密度低、流动性 好、不结块、不吸潮、多微孔、高比表面积和强吸附性能，能均匀吸附、储存原 药的功能，使药效稳定，因而常被用作农药填料或农药载体1 。 ( 3 ) 粉煤灰作为吸附材料，粉煤灰中含有多孔玻璃体、多孔碳粒，因而它的比 表面积较大。同时，它具有一定的活性基团，使其具有较强的吸附能力，可应用 于环保方面。 粉煤灰用于废水处理，粉煤灰处理废水的作用机理主要有三种：吸附作用( 物 理吸附和化学吸附) 、凝聚作用和沉淀作用。国内外研究发现，粉煤灰可有效去 除富营养型湖泊表层水和间隙水中的磷酸酶，粉煤灰制成的絮凝剂、高分子筛和 过虑介质等对造纸、电镀i 印染、中草药等行业产生的废水( 含氟、酚、铁、油、 铬、铜) 具有一定的净化作用，还可利用不同p h 值的粉煤灰处理酸性和碱性废水。 粉煤灰( 褐煤) 因含有较多的碱性物质，是一种优良的低浓度s o 。烟气脱硫吸附 剂，本身还可吸附大气颗粒物；用c a ( 0 h ) ：来改性粉煤灰而制得的吸附剂比表面 积比原来增大许多倍，可用来吸附s 0 2 。现在使用这种改性粉煤灰来脱硫的成熟 工艺有美国的a d v a c a t e 和日本的l i l a ct 1 2 1 。 粉煤灰是我国当前排放量较大的工业废渣之一，2 0 0 2 年我国粉煤灰年排放量 为1 6 亿tn 3 1 4 1 随着新、扩建电厂不断增加，预计到2 0 1 0 年粉煤灰排放量将达到 3 1 ：z , t 。而我国粉煤灰5 0 排入灰厂堆存，1 0 直接注入江河湖泊，综合利用率为 3 0 - 4 5 ，与西方发达国家相比利用率较低。因此，粉煤灰的处理和利用成为 我国人们关注的重点，将粉煤灰“变废为宝力是粉煤灰处理和实现资源化再利用 的主要途径。 1 1 4 研究意义 由于污水处理是一项侧重于环境效益和社会效益的城市基础建设工程，因此 兰髑丈学磺士学位论文粉煤灰加气砼颗粒威并l 于曝气生物滤i l 蔹试验 运行资金投入短缺成为限制我国污水处理工程发展的“瓶颈 。这一问题在一些 小城镇尤其是中小型污水排放源的永污染控制上表现尤为突出，并随着我匿城市 化水平的提高和社会经济的发展而更加尖锐。目前，有相当一部分已建成的污水 处理设施运行效果达不到设计要求或运行费用过高而难以承受使得设备时开时 停。因此歼发适合我豳国情豹简易、高效、低耗的污水处理新技术是解决我黧面 临的水环境污染和水资源短缺问题的有效途径。鉴于曝气生物滤池工艺特点符合 中小点水污染源污染控制的技术和经济要求。因此，具有重要的研究价值和紧追 的现实意义。 目前我国粉煤灰综合利用技术中粉煤灰建材制品占粉煤灰利用总量的3 5 左右。而粉煤灰加气硷在粉煤灰建材制品中占有很大比例，其中随着生产王艺和 控制技术的发震，粉煤灰加气砼砌块生产工艺与骞动化设备逐渐完善，粉煤灰加 气砼的生产规模及应用量逐渐增大，产生的粉煤灰加气砼废料与建筑废弃的粉煤 灰加气砼砌块逐渐增多，它们中部分被二次利用子其他建筑用途，丽大部分都被 遗弃，占用大量的土地。因此，解决粉煤灰加气砼凌料及其建筑废弃物的瓷源化 再利用是粉煤灰综合利用技术中产生的新问题。 曝气生物滤池的核心是滤料，滤料的价格和效能直接决定了曝气生物滤池的 制作成本和运行效率目前，用于曝气生物滤池豹滤料主要分为有机滤料j l 餮无机 滤料，但普遍存在应用效果和投资及运行成本相矛盾的问题。因此，将粉煤灰加 气砼应用于曝气生物滤池处理污水技术中，利用粉煤灰加气硷的生产废料及其建 筑废弃物制作滤料，既降低了曝气生物滤池的制作成本，而且还为粉煤灰加气硷 废弃物的资源化再利用提供一个新途径。 1 。2 曝气生物滤池 1 2 1 国内外曝气生物滤池的研究发展现状 曝气生物滤池简称b a f 是2 0 世纪8 0 - 9 0 年代在普通生物滤池的基础上，借 鉴给水滤池工艺原理而开发的污水处理新工艺，其在欧洲、北美等国应用广泛。 曝气生物滤浊起初用搀污水三级处理，后发展隽赢接用于二级处理。由予它是生 物接触氧化技术与给水处理过滤技术有机结合的种污水好氧处理工艺，即利用 兰州大学硕士学位论文粉煤灰加气砼颗粒应用于曝气生物滤池试验 污水处理生物接触氧化与滤池过滤的原理，使生物净化与滤池过滤相结合，因此 无需设置二沉池，通过定期反冲洗实现生物膜的脱膜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。曝气生物滤池 具有出处理负荷高、出水水质好、占地面积小等优点。 9 0 年代初，曝气生物滤池在世界上得到了较快的发展，在法国、英国、奥 地利和澳大利亚等国已有成熟的技术和设备，采用曝气生物滤池工艺的污水处理 厂处理规模最大可达到几十万m 3 d ，同时其已经发展成为具有脱氮除磷功能的 污水处理技术。以曝气生物滤池为基础的污水处理工艺具有多种组合形式，按照 污水处理要求的不同，可将曝气生物滤池组合工艺分为以下几类：以去除碳源性 有机污染物为主的工艺、去除碳源性有机污染物硝化组合工艺、去除碳源性有 机物污染硝化反硝化组合工艺和去除碳源性有机污染物除磷脱氮组合工艺。自 8 0 年代在欧洲建成第一座污水处理厂后，曝气生物滤池已在欧、美和日本等发 达国家广为流行，现今世界上已有几百座污水处理厂应用了此技术。不仅用于水 体富营养化的控制，而且广泛应用于生活污水、杂排水和食品加工、水果蔬菜罐 头、鱼肉制品、酿造和造纸等工业废水处理中。目前，人们对曝气生物滤池技术 的研究主要从有机物去除、硝化去氨、反硝化脱氮、除磷及滤料类型等方面着手 并取得很大成就。 在有机物的去除方面，由于曝气生物滤池的生物量高，其处理效率高即水力 停留时间短且抗冲击负荷能力强，所以将其应用于一些炼油及高浓度有机废水的 处理过程中进行研究。钟华文u 5 1 等对曝气生物滤池处理石化公司的气提废水进 行试验，在废水中c o d ( 3 0 0 - - 1 0 0 0 m g l ) 和酚( 1 0 0 - - 一1 6 0 r a g l ) 情况下，当水力停 留时间为2 o h 时，处理后出水的酚和c o d 平均浓度分别为8 5m g l 和1 4 0m g l ， 平均降解率分别大于9 0 和7 0 ，完全消除对污水处理厂的冲击。刘艳娟1 们等 利用陶粒与海绵铁的混合滤料曝气生物滤池对豆制品废水进行处理试验，滤池对 废水中的有机物和色度去除均在4 0 以上。朱乐辉1 7 1 采用曝气生物滤池( b i o f o r ) 工艺处理江铃集团汽车涂装废水取得了良好的效果，系统出水达到污水综合排 放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 一级排放标准。从1 9 9 0 年到1 9 9 7 年，加拿大的k a n t a n d j e f f 等人运用曝气生物滤池技术对多种类型的制浆造纸废水进行了系统而深入的研 究n 舳，研究表明对于机械浆废水，在负荷为2 7 k g b o d 5 ( m 3 - d ) 时，b o d 的去除 兰娴大学醺士学位论文粉煤灰加气砼颗被戚髑于曝气生物滤泡试验 率为7 9 。当负荷高达8 9 k g c o d ( m 3 - 由时，c o d 的去除率仍可达至1 j 5 2 。对硫 酸盐法制浆废水的试验中，在平均负荷为3 。4 k g b o d s ( m 3 - 由时，b o d 的平均去除 率达至m j t 8 2 。崔康平n 9 1 等用上流式曝气生物滤池处理炼油厂外排污水，在有 机负荷( c o d ) 为4 3 9 k g m 3 - d 、水力负荷为3 m 3 r n 2 h 、气水比为3 ：l 下，c o d 、n h 3 n 的去除率达到8 王9 、7 3 2 。刘建广等对某卷烟厂污水处理厂的曝气生物滤洼 工艺处理效果调查得出，在进水c o d 2 0 0 - - - 9 0 0 m g l 、n h 3 - n 1 5 3 5m g l 、水温 1 5 - 2 5 、c o d c ，容积负荷 6 4 k g m 3 d 的运行条件下，b a f 出水c o d c , 7 6 m g l ， 在c o 运行容积负荷4 。0 k g m 3 d 的运行条件下，b a f t 蔓水c o d e r 5 0 m g l 、 n h 3 n 4 m g l 。这些研究结果充分表明，曝气生物滤池在有机废水的处理中有很 大的应用潜力。 ， 稍化性能研究是曝气生物滤池技术的核心课题，很多学者也正在这方藤进行 更加深入的研究。叶惠隆啪1 等对贝壳填料曝气生物滤池的脱氮性能进行了研究， 结果表明贝壳粗糙的表恧及其含有的大量碳酸钙，可作为生物膜的载体及硝化反 应的碱度来源。对于氨氮 i o c 的条件下，当进水 氨氮 5 m g l 时b a f x 寸氨氮的去除率为7 0 9 0 。田文华凇等研究了滤料粒径 对曝气生物滤池硝化性能的影响，得出小粒径滤料有利于曝气生物滤池硝化作 用，其中比表面积是影响作用的主要因素。张树德滋1 等研究了下向流曝气生物 滤池中有机炭与氨氮随滤层的变化规律，得出在& 蛹 段t o c 豹去除率占滤池总 去除率的7 2 3 - 1 0 0 ；n h 3 n 的去除率占滤池总去除率的9 1 8 - 1 0 0 。碳 化与硝优作用并存予b a f 中，硝纯作用随滤层加深丽加强，水质和b 蹴料的结 构特点是影响碳化与硝化作用的主要因素。蔡云龙泓1 等测定生化环、沸石、生 化石和碎石4 种滤料的去除氨氮效果，单位体积滤料去氨氮效果以沸石最佳 f 4 1 9 m g ( h 王羽，单位质量滤料去除氨氮效果生化环最强【5 2 9 m g ( h l 【酚】。程小文晒 等研究得出温度变化对氨氧化菌活性的影响比对亚硝酸氧化藏活性的影响大，温 兰州大学硕士学位论文粉煤灰加气砼颗粒应用于曝气生物滤池试验 度升高会引起硝化滤池中部出现较高浓度的亚硝酸氮积累。以上研究情况表明， 对于去除氨氮的研究现主要还处于影响条件方面的研究，对于机理方面的研究还 很少。 关于曝气生物滤池反硝化脱氮方面的研究也成为现今曝气生物滤池研究的 热点，随着水处理行业的发展及全球环境条件的恶化，在氨氮去除方面人们不再 仅限于去除水中的氨态氮，还要将水中各形式的氮尽可能的去除掉，这样整个污 水处理系统的反硝化作用成为了关键所在。在曝气生物滤池反应器中或多或少的 存在着厌氧区域，因此曝气生物滤池本身就存在着硝化反硝化的过程。将厌氧和 好氧曝气生物滤池组合形成一个一体硝化反硝化系统对氨氮的完全去除效果更 好。王春荣哳1 等应用两段曝气生物滤池研究硝化反硝化特性，得出第二段滤池 有明显的同步硝化反硝化过程。王春荣研1 等还发现无有机碳源时反应器内发生 自养反硝化过程。p c h u d o b a l a o 和i c r g i l m o r d 等也对曝气生物滤池的硝化反硝化 脱氮进行了比较深入的研究。有关曝气生物滤池的反硝化功能，在饮用水处理和 污水的三级处理中将发挥巨大的作用。 近来水体富营养化的增强，使人们对排入水体的污水中氮磷含量的多少更加 重视，研究者们开始探索曝气生物滤池的除磷效能。生物除磷嘲1 主要是在厌氧 条件下，积磷菌受到压抑释放出磷酸盐，吸收、降解有机物并转化成p h b 储存起 来，当变成好氧条件，积磷茵就分解p h b 并释放能量，降解有机物并吸收磷，形 成含磷的活性污泥，然后随水排出系统。曝气生物滤池系统中并不存在厌氧好氧 交替的环境，所以单独通过曝气生物滤池进行除磷很难实现，现今主要通过附加 措施进行除磷，除磷方法有三种：化学法；生物法；吸附法2 蚰。化学除磷是曝气 生物滤池系统比较有效的辅助措施。 另外，有关曝气生物滤池的污染物去除机理以及反应动力学方面的研究也有 报道但不是很多，随着研究工作的不断进行和深入，有望在这些方面对曝气生物 滤池的理论上有所突破。 1 2 2 曝气生物滤池工艺原理、构造及类型 1 2 2 1i 艺原理及特点 曝气生物滤池可用于去除污水中的有机物质，也可以通过硝化反硝化作用去 兰州大学硕士学位论文粉煤灰加气砼颗粒应用于曝气生物滤池试验 除污水中的氨氮。它属于生物膜法的一种，即在反应器内装填颗粒状滤料，滤池 下部装有布水和布气装置，颗粒滤料均选择比表面积大、表面粗糙的物质，利于 微生物附着生长，进而形成生物膜。污水流经滤料时，滤料表面的生物膜利用曝 气作用溶入水中的氧，发生生物氧化作用，降解水中的污染物，同时由于滤料间 孔隙微小其对不溶物产生截留作用加上生物膜的生物絮凝作用，可迸一步去除水 中的悬浮物。曝气生物滤池的突出特点是将生物氧化和过滤结合在一起，滤池工 艺之后不必再设沉淀池，通过反冲洗过程来释放截留的悬浮物及老化脱落的生物 膜，实现滤池的周期运行。 曝气生物滤池的一个完整运行周期是从开始运行到反冲洗完毕，其具体过程 如下： 经一级处理的污水进入滤池中，滤池中微生物氧化有机物将其转化为稳定物 质，将n h 3 n 转化为n o i n 和n 0 3 。n ，由于滤池中存在厌氧兼氧环境，还可 以实现反硝化将n 0 2 - n 和n 0 3 n 转化为n 2 排出系统。 随着系统的运行，滤料表面新产生的生物量越来越多，截留的s s 也不断增 加，在起初阶段水头损失缓慢增加，当滤料孔隙间固体物质积累到一定程度，滤 池进水端表面将被堵塞，并阻止了气泡的释放，导致水头损失迅速增大，此时应 进行反冲洗，以去除滤床内积累的生物膜及s s ，恢复处理能力。 反冲洗一般采用气水联合反冲洗，反冲洗水采用的是处理后的达标水，反冲 洗空气来自底部的反冲气管。反冲洗时滤床有轻微的膨胀，在气水对滤料的流体 冲刷和滤料间相互碰撞摩擦的作用下，老化的生物膜和被截留的s s 与滤料分离， 冲洗下来的生物膜和s s 在漂洗中被冲出滤池，反冲洗污水回流至预处理部分。 结合以上工艺原理及运行过程，曝气生物滤池与其它生物处理方法相比有以 下特点： ( 1 ) 较小的池容和占地面积曝气生物滤池的b o d 5 容积负荷可达到5 6 k g b o d s ( m 3 d ) ，是常规活性污泥法或接触氧化法的6 1 2 倍，所以，它的池容和 占地面积只有活性污泥法或接触氧化法的1 1 0 左右，大大节省了占地面积和大 量的土建费用。 ( 2 ) 高质量的处理出水在b o d 5 容积负荷为6 k gb o d 型t ( m 3 d ) 时，其出水 s s 和b o d 5 可保持在1 0 m g l 以下，c o d 。，可保持在6 0 m e g l 以下，远远低于国 兰州大学硕士学位论文粉煤灰加气砼颗粒应用于曝气生物滤池试验 家污水综合排放标准之一级标准。 ( 3 ) 简化处理流程由于曝气生物滤池对s s 的生物截流作用，使出水中的活 性污泥很少，故不需设置二沉池和污泥回流泵房，处理流程简化，使占地面积进 一步减少。 ( 4 ) 基建、运转费用节省由于该技术流程短、池容小和占地省，使基建费用 大大低于常规二级生物处理。同时，粒状滤料使其充氧效率提高，可节省能源消 耗。 ( 5 ) 管理简单曝气生物滤池抗冲击负荷能力很强，没有污泥膨胀问题，微生 物也不会流失，能保持池内较高的微生物浓度，因此日常运行管理简单，处理效 果稳定。 ( 6 )设备可间断运行由于大量微生物生长在粒状滤料粗糙多孔的内部和表 面，微生物不易流失，即使长时间不运行也能保持其菌种。 1 2 2 2 曝气生物滤池构造 曝气生物滤池主体是由滤池池体、承托层、布水布气系统、反冲洗系统构成。 ( 1 ) 滤池池体滤池池体是容纳被处理水量和围挡滤料的，池体有圆形、正方 形和矩形三种。结构形式有钢结构和钢筋混凝土结构等； ( 2 ) 承托层承托层的作用主要是支撑滤料，防止滤料流失，同时还可以保持 反冲洗稳定进行。促进布水布气均匀，常用材质是卵石或破碎的石块、重质矿石。 为保证承托层的稳定，并对配水的均匀性充分起作用，要求材料具有良好的机械 强度和化学稳定性，形状应尽量接近圆形；承托层接触配水及配气系统的部分应 选粒径较大的颗粒，其粒径至少应比孔径大4 倍以上，由下而上粒径渐次减小， 接触滤料部分的颗粒粒径应比滤料大1 倍。 ( 3 ) 布水系统布水系统包括曝气生物滤池的进水配水系统、反冲配水和出水 收集系统。进水配水系统包括配水室和滤板上的配水滤头，对于上向流滤池，配 水室的主要作用是使每段时间内进入滤池的污水在配水室内混合均匀，并通过配 水滤头均匀进入滤料层。该布水系统除了作为滤池正常运行时布水用之外，也作 为反冲配水系统用。对于下向流滤池，该布水系统主要用于滤池的反冲配水系统 和处理出水收集系统。 ( 4 ) 布气系统曝气生物滤池布气系统包括正常运行时曝气所需的布气系统和 兰州大学硕士学位论文 粉煤灰加气砼颗粒应用于曝气生物滤池试验 进行气水联合反冲洗时的供气系统两部分，曝气生物滤池最简单的曝气装置为 穿孔管。穿孔管属大中气泡型，氧利用率低，其优点是不易堵塞，造价低。实际 应用中有充氧曝气同反冲洗曝气共用同一套布气管的形式，因为充氧曝气用气量 比反冲洗时用气量小，因此配气不易均匀。共用一套布气管虽能减少制作成本， 但运行时不能同时满足两者的需要，影响曝气生物滤池的稳定运行。实践证明， 最好将两者分开，单独设立一套曝气用穿孔管，以保持稳定运