（环境工程专业论文）自回流生物转盘与人工湿地组合技术处理农村生活污水.pdf

摘要 自回流生物转盘与人工湿地组合技术处理农村生活污水 东南大学 硕士研究生：张承芳导师：吕锡武教授李先宁副教授 摘要 太湖是我国第三大淡水湖。近十多年来，流域内经济迅速发展，但是在资源、环境方面也付出 了巨大的代价。主要表现在太湖的富营养化，尤其是太湖流域内的面源污染仍比较突出，且区域内 氮、磷污染严重，故水污染控制、污水处理和污染水体的生物修复已迫在眉睫。本研究课题属于8 6 3 项目的农村生活污水处理技术及示范性工程专题，要求结合农村的实际情况，为治理太湖流域内的 农村生活污水提供行之有效的先进处理工艺及技术，并在试验运行的基础上，获得最佳的运行条件， 为后续的治理工作提供实践经验。 基于此，设计了自回流生物转盘与人工湿地组合技术处理农村生活污水，并在实际的运行过程 中得出以下结论： 1 生物转盘的处理效果受到容积负荷、水力负荷、回流比等方面的影响，且在c o d 容积负荷为 0 9 3 k g c o d m 3 d ，氨氮容积负荷o 6 1 k g n h 4 + n ，m d 时，水力负荷为3 2 4 m 3 m 2 d ，回流比为 1 0 0 时，生物转盘获得最佳的处理效果。 2 转盘分三级，分级现象明显，对于有机物总量的去除每级分别为2 1 、1 2 和9 。对于硝化， 每级所完成的去除率为4 7 、2 5 和1 7 。 3 通过荧光原位杂交( f i s h ) 技术对生物转盘内生物晕测定发现，细菌数量处于1 0 2 c e l l s ，g 生物膜 水平，沿转盘分级方向呈现逐渐减少的分布规律。亚硝酸菌数量较硝酸菌数量多，生物转盘硝化效 果好。 4 通过对生物转盘硝化潜力和前置脱氮池反硝化潜力的测定进行分析，发现转盘第一级硝化潜 力大，脱氮池底部反硝化潜力大 5 水生植物滤床是将植物净化和物理过滤方式相结合的一种新型无基质型人工湿地，对c o d 、 t n ，t p 去除效果分别为3 1 、3 9 、6 4 。滤床除氮的主要机制在于微生物的作用，滤床除磷的主 要机制是介质的吸附沉淀作用。通过石膏强化，除磷效果有大幅增加。 关键词：太湖流域农村生活污水生物转盘水生植物滤床硝化反硝化 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t a i h uw o n eo ft h e t l l 崩b i gl a k e si n o u rc o u n t r y i nr e c e n ty e a r s ，b yt h ed e v e l o p m e m to f e c o n o m i c t h ee u t r o p h i cd e g r e eo fl a k et a l h uh a sd e s c e n d e d , s p e c i a l l yt h en o n - p o i n tp o l l u t i o ni nl a k e 1 葡h ua r e ah a sb e e nt h em o s ti m p o r l a n to n ef o rt h ep o l l u t i o nc o n t r i b u t i o nw i t ht h es e r i o u sp o l l u t i o no f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s s ot h ed i s p o s i t i o n 、p o l l u t i o nc o n t r o l 、e c o l o g i c a ! r e s t o r a t i o no fw a t e r c i r c u m s t a n c ei nl a k et a i h ua r e ah a sb e c o m et h em o s ti m p e r a t i v et h i n gt h a tw i l lb ed o n e 删sf i i l l c a l e e x p e r i m e n t a ls t u d yb e l o n g st ot h es u b j e c ta b o u tt e c h n o l o g ya n dd e m o n s t r a t i v ee n g i n e e r i n gf o rr u r a l d o m e s t i cw a 蹦鲫a t e rt r e a t m e n tw h i c hi so n ep a r to ft h e8 6 3t a s k s c o m b i n e dw i t ht h er u r a lf a c t c o m p l e x i o n , t h ea d v a n c e dt r e a t m e n tp r o g r e s sa n dt e c h n o l o g yw h i c hc a nt r e a tr u r a ld o m e s t i cs e w a g ei nl a k e t a i h ua r e ae f f e c t i v e l yw i l lb ep r o v i d e d w j t i it h ee x p e r i m e n t a ld a t a , t h eo p t i m a l r u n n i n gc o n d i t i o n s a r c o b t a i n e dw h i c hc 锄p r o v i d et h ee x p e r i e n c e sf o rc o n t i n u e dt r e a t m e n tt a s k s b a s e do nt h e s ea e r o b i cr o t a t i n gb i o l o g i c a lc o m a c t o r ( r b c ) a n da q u a t i cp l a n tf i l t e rb e d 似p f a ) c o m b i n e dp r o c e s s e sf o rt r e a t i n gr u r a ld o m e s t i cw a s t e w a t e ra r ed e s i g n e d t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a nb e a r r i v e da td u r i n gt h ep r a c t i c e ： 1 t h el o a d so fp r o c e s s h y d r a u l i cl o a da n dc i r c u m f l u e n c er a t i oi n f l u e n c et h et r e a t m e n te f r e c to f r b c , t h eb e s tt r e a t m e n te f f e c t 啪b eo b t a i n e da t t h e f o l l o w i n gl e v e l ：c o dc u b a g el o a dw a s o 9 3 k g c o d m 3 吐n h = nc u b a g ei o a d o 6 1 k g c o d m 3 吐h y d r a u l i cl o a di s3 2 4 m 3 m 2 吐c i r c u m f l u e n c e r a t i oi s1 0 0 t h er b cc a ng a i ng o o dd i s p n s a le f f e c t 2 t h ec o dr e m o v a lr i t i oo ft h e3 t dc l a s sb i o l o g i c a lr o t a t i n gc o n t a c t o rw e r e2 1 ，1 2 和9 。1 1 地 n i - h + - nl b m o v e lf i f i ow a s 4 7 、2 5 和1 7 。 3 u s i n gf l u o r e s c e n c ei ns i t uh y b r i d i z a t i o n ( f i s h ) ，i ti sf o u n dt h a tt h em i c r o o r g a n i s m si n s i d er b c i sa t1 0 “l i s gb i o f i l ml e v e ia n dt h e3 t dc l a s sb i o l o g i c a lr o t a t i n gc o n t a c t o r d i s t r i b u t i o nc a s e sw h i c h r e d u c e d n 忙n i t r o s o m o n a s e sa r el e s st h a nn i t r o b a c t e r sw i t h i nt l ew h o l er b c 1 1 1 ee f f e c to f n i t r a t i o ni ni m c h a sap o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t ht h ea m o u n t so f n i t r i i n gb a c t e x i a s 4 b yt h ed y n a m i c se v a l u a t i o no f n 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 o t e n t i a lf o rb i o m e m b r a n ei nt h e r b c ，i ti sf o u n dt h a tt h em a x i m u mn i t r i f i c a t i o np o t e n t i a li si ns e c o n dt u r a p l a t e m a x i m u md e n i t f i f i c a t i o n p o t e n t i a l o f t h ed e n i t r i f i c a t i o nc o n t u c t o ri si nt h eb o t t o m 5 a q u a t i cp l a n tf i l t e rb e d 似p f b ) i s an e wt y p eo f t e c h n i q u ec o m b i n i n gp l a n tp u r i f i c a t i o na n d p h y s i c a lf i l t r a t i o nf o rc o n s t r u c t e dw e t l a n d sw i t h o u ta n ys u b s t r a t et h a ta p p l i e dm a i n l yt op u r i f i c a t i o no f h y p e r - e u t r o p h i cs u r f a c ew a t e r t h er e m o v a lo f c o d 、t na n dt pw a s3 1 、3 9 ，6 4 r e s p e c t i v e l y t h em a i n m e c h a n i s mo f n i t r o g e ni nf i l t e rb e di st h ea c t i o no f m i c r o o r g a n i s m s 髓em a l nm e c h a n i s mo f p h o s p h o r u s i x m o v a li st h ea d s o r p t i o na n ds e d i m e n t a t i o n w h i l et h ep h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c yw i l li n c r e a s eb yt h e r e a c t i o no f c a w i t hp h o s p h a t ei nw a s t e w a t e r k e yw o r d s ：i a t k et a i h ua r e am r a ld o m e s t i cw a s t e w a t e ra e r o b i cr o t a t i n gb i o l o g i c a lc o n t a c t o r a q u a t i cp l a n tf i l t e rb e d n i t r a t i o nd e n i t r i f l c a t i o n 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：氆秘e t 期：2 望：垒= 7 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：必导师签名：边丛 日期：加石中厂 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 引言 第一章绪论 太湖是我国第三大淡水湖，地处长江三角洲的南缘，流域面积3 6 5 0 0 k m 2 ，辖苏、浙、皖、沪三 省一市。近十多年来，流域内经济迅速发展，但是在资源、环境方面也付出了巨大的代价。带了的 负面影响之一就是生态破坏加剧和环境质量下降，尤其是水资源短缺和水质污染给太湖流域水环境 带来了沉重的负担【l 】。根据2 0 0 5 年发布的最新环境公报显示：2 0 0 4 年太湖湖体高锰酸盐指数达类 水质要求，总磷达类水质要求，但由于总氮污染突出，湖体水质仍属劣v 类。在监测的2 1 个点位 中，属类、v 类和劣v 类水质的点位比例分别为1 9 o 、2 3 9 和5 7 1 ，无i i 类水体。主 要污染指标为总氮。全湖平均营养状态指数为6 1 4 ，处于中度富营养状态。与上年相比，从点位水 质类别比例分析，太湖水质有所改善，劣v 类点位所占比例比去年减少1 4 3 个百分点。从富营养化 程度分析，湖体营养状态指数有所上升【2 l 。可见，水污染控制、污水处理和污染水体的生物修复己 迫在眉睫。 随着太湖周边农村地区经济的飞速发展，农村生活污水已经取代工业废水成为水体污染的主要 来源。农村生活污水引起的面源污染问题也日益严重。农村生活污水是村镇居民的生活活动所产生 的，其数量、成分、污染物浓度与居民的生活习惯、生活水平、水资源的享有状况有关。生活污水 的排放不均匀，有时是随意的，瞬间变化大。农村生活污水由厨房洗菜洗碗污水、洗衣污水、洗浴 污水、冲洗卫生间粪便污水等组成。其中主要的污染物是洗涤剂。但其趋势是应用量随经济发展而 逐步增长【3 】。和人们相像的不同，农村生活污水对周边的环境产生了极大的影响。对太湖富营养化 的成因分析表明，造成水体富营养化的污染源主要来自生活污水和农田的氮、磷流失，工业废水对 t n 、t p 的贡献率仅占l o 1 6 ，而根据南京地理与湖泊所的推算，洗衣废水占生活污水的2 1 6 c 4 】。所以应将污水汇集到处理设施处，尽量避免生活污水直接进入天然水体造成污染p o j 。农村污 水分散，量小，远离群居和大水体，含有较高的人畜粪尿成份，氮、磷含量特别是磷含量较高，水环 境容量小，管理水平低。我国农村地区大多财政收入不富裕，人均收入不高，技术水平相对落后，因 此应充分考虑当地自然、经济、社会条件。对农村污水处理工程方程方案应要求工艺简单，净化效 果有保证，不仅要消减有机物还要进行脱氮除磷，运行维护简便。因地制宜地采用投资省能耗低，维 护管理方便处理效果好的工艺【“。 1 1 2 课题来源 本课题是国家“十五”重大科技专项( 8 6 3 卜一太湖水污染控制与水体修复技术与示范工程的第二 子课题“河网区面源污染控制成套技术( 2 0 0 2 a a 6 0 1 0 1 2 ) ”中，由东南大学承担的专题“农村生活污 水处理技术及示范工程( 试区i ) ，的研究成果。 子课题“河网区面源污染控制成套技术( 2 0 0 2 a a 6 0 1 0 1 2 ) ”对农村生活污水处理提出了具体要求， 即通过试验研究和示范工程，开发出在太湖流域农村地区具有广泛推广应用价值的生活污水处理实 用技术。具体的技术经济考核指标为，t n 去除率大于7 0 ，t p 去除率大于；吨水建设投资集 中型不超过1 3 0 0 元( 不包括污水收集系统) 。分散型不超过1 0 0 0 元( 不包括污水收集系统) 吨水直接 运行成本集中型低于0 6 元，分散型低于0 3 元。 东南大学硕士学位论文 1 1 3 试验区生活污水的特点 试验区位于宜兴市东部的大浦镇，区内以农民集中居住为主，有零星散居。示范区内水网密布， 区域内共有大小河道4 0 多条，河网密度为3 3 k i n k i n 2 ，属典型河网区。生活污水主要是洗涤、沐浴 和部分卫生沽具排水，氮、磷等营养物含量较高，一般不含有毒物质，污水中还含有的合成洗涤剂 以及细菌、病毒、寄生虫卵等。农村生活污水的排放为不均匀排放，瞬时变化较大，日变化系数一 般在3 o 5 0 之间，同时农村生活污水还具有早、中、晚不同时段相对集中排放等特点。 课题组采取定点监测、资料收集与专人问卷调查的方法，调查了示范区农民的用水及排水现状 及特征、地理和地貌特征( 地形图锲i 绘) 、初期地表径流污染状况等。经过系统的统计和分析，归纳 总结出示范区内农村生活污水具有以下特征： 1 水质水量差异明显 水量方面通过调查和定点实测示范区代表性自然村农户用水及排水情况，发现新居住区农户 生活水平较高，有卫生洁具的住户可达6 0 以上，平均每户用水量可达1 0 - - 1 4 t 月，而旧居住区农户 基本无卫生洁具，平均每户用水量仅3 5 t 月。生活污水排放量，新居住区在s o l 人d 左右，旧居 住区在3 0 4 0u 人d 之间，新旧居住区人均污水排放量相差一倍以上。 水质方面，旧居住区农户的污水c o d c r 日平均可达7 8 0 1 3 4 9 m g l ，而新居住区平均在3 5 0 4 5 0m g l 之间，旧居住区有机物浓度是新居住区的2 4 倍，这与旧居住区居民用水反复使用有关。 在氮、磷浓度上，新旧居住区相差不大t k n 浓度最高为7 0 8 0 m g l ，平均为3 6 m g l ，t p 最大在 4 5 6 5 m g l 之问，平均在2 s m g a 。污水b o d c o d 约为0 5 ，适合采用生物处理，部分污水碳氮 比失调，不利于生物脱氮。 2 污水排放和收集特征 所有生活污水均未处理。 生活污水就近排入河流的约占4 1 8 ；先排入下水道，然后入河的约占3 3 8 ；洒在空地的约占 1 4 4 。农村生活污水和村落地表径流中氮、磷对水体污染的贡献率分别为2 9 和3 4 ，为水环境 污染的主要污染源。 示范区内地势平坦，地下水及河流水位较高，基本无法进行污水自流收集。 l 1 4 农村生活污水处理技术的研究现状 1 城镇生活污水净化沼气池技术 城镇生活污水净化沼气池技术是在农村户用沼气池的基础上以处理低浓度城镇生活污水的沼气 技术。其主要工艺为两级厌氧消化、多级兼性厌氧消化和过滤系统。该系统按照城镇居民人均池容 o 6 1 0 立方米修建，池容产气率o 0 6 立方米立方米天，造价6 0 0 8 0 0y r 9 3 z 方米。该技术的特点 是投资分散、占地少、运行成本低l s l ，但不能脱氮除磷。 2 生态厕所 所谓生态厕所是以减少水消耗为特点，以废物能转变为有用的资源、对环境不造成污染为特征， 是无臭、安全，卫生的厕所。美国国家环保局早在2 0 世纪8 0 年代就支持建立了一批带有堆肥功能 的厕所。瑞士最近开展了生态厕所的研究，包括新型厕所对尿液分别收集和控制的研究、用尿液生 产制造农业用肥料的研究等。瑞典近年研究开发了一种非混合型马桶或称分离式厕所，即将尿液单 独流入一贮罐，贮存半年以后，残留物分解后用作农肥，粪便作堆肥处理。该种装置已有3 0 0 0 余套 在该国应用。我国已有上千年历史的与堆肥相结合的厕所是早期、原始的生态卫生厕所。近年其他 一些类型的生态厕所也正在全国各地发展并应用起来1 9 。 3 人工复合生态床污水处理技术 人工复合生态床污水处理技术被认为是控制面源污染的一种费用低廉、实用有效的方法，主要 原因可归纳为：一是植物的生长改变了生态床的流态，如生长的植物根系和植物茎杆对水流的阻碍 2 第章绪论 作用( 表面流床体) 有利于均匀布水，延长了系统实际的水力停留时间；二是植物的根系和残枝败叶为 水中微生物的生长提供了栖息场所，裉系会创造有利于各种微生物生长的微环境，植物根茎的延伸 会在植物根系附近形成有利硝化作用的好氧微区，同时在远离根系的厌氧区里含有大量可利用的碳 源，这又提供了反硝化条件；三是植物生长对各种营养物尤其是硝酸盐氮具有吸收作用【l o l 。 4 人工生态绿地处理系统 人工生态绿地处理系统，是人工湿地系统之一。它利用模块中基质、植物、微生物之间的相互 作用，通过自然系统中的物理、化学和生物三者协同作用，达到对污水的净化处理。种植在上面的 花草都是些根系发达的植物，喜湿、吸收能力强，其扎根在人工沙层中，通过发达的根系把一些含 氨磷的化合物，泥浆等吸收掉，从而达到生活污水的达标排放【1 l j 。 5 墩性填料淹没式生物膜法s b r 脱氮除磷技术 我国目前在排水系统比较集中的大城市。活性污泥法已经作为一种应用广泛的污水处理方法。 但对中小城镇而言，由于其分布较广而分散，又占有相当大的比重；人口较少，排放出的生活污水 水质、水量波动性大，经济力量比较薄弱，污水处理专业人员较缺，因此其污水处理应做到建造费 用低、运行费少，处理设施应力求运行管理简单、维护方便。 根据中小城镇污水特性及脱氮除磷工艺的优化，选择软性填料淹没式生物膜s b r i 去较适用于小 流量废水的处理，其抗冲击负荷能力强，运行管理简单，有较好的脱氮除磷能力【1 2 1 。 6 农村水网地区的水生植物塘脱氮除磷技术 天然净化系统生物稳定塘系统具有低能耗、高净化率、出水水质在很多方面由于活性污泥法、 操作简单的优点。在农村水网地区小规模废水处理可采用这种经济、节能、高效的处理技术，塘中 的水生植物不仅具有较高的生长率、能够快速分解和吸收水中的氮、磷等营养物质，而且植株漂浮 水面，易移出水体，即可作为家禽的饲料，又可沤制绿肥，带来经济效应。 1 2 自回流生物转盘与人工湿地组合技术的提出 1 2 1 传统生物转盘的性能研究 1 2 1 1 传统生物转盘的开创与发展 生物转盘是于6 0 年代在原联邦德国所开创的一种污水生物处理技术。原联邦德国索图加特工业 大学p o p e l 教授和h a r t m a n 教授对生物转盘技术的实用化进行了大量的实验研究和理论讨论工作， 并于1 9 6 4 年发表了题为生物转盘的设计、计算与性能的论文，就此奠定了生物转盘技术发展的 基础( 1 4 1 。 生物转盘初期用于处理生活污水处理，后推广到城市污水和有机性工业废水的处理。我国从7 0 年代初开始引进生物转盘技术，对其展开了广泛的科学研究工作。此技术不仅应用于城市污水的处 理方面，而且在化纤、石化、印染、制革、造纸、煤气等行业的工业废水处理领域也得到了应用。 我国部分地区应用此法：如北京丰台车站车皮洗涤废水；石家庄3 5 1 4 厂浸皮洗皮污水；抚顺市东风塑 料厂含酚污水；北京市结核医院生活污水；保定皮张厂浸皮洗皮污水均采用此法进行处理，而并取得了 良好的效果。为了更好的了解传统生物转盘处理工业废水的运行情况，特将国内部分生物转盘处理 工业废水的运行数据列于下表。 3 东南大学硕士学位论文 表1 1国内部分生物转盘处理工业废水的运行数据 进水b o d 5出水b o d 5水力负荷b o d 负荷c o d 负荷停留时间 水温 废水类型 ( m g l 1 ) ( m g l 1 ) ( m - 3 m - 2d - 1 ) ( k g m - 3 d 。)( k g m - 3 f 1 ) ( h ) ( ) 含酚废水 酚5 0 2 5 00 0 72 2 82 61 0 5 印染废水 1 0 0 2 8 01 2 8 9 60 0 0 2 41 0 3 2 3 21 2 4 3 90 6 1 3 1 0 酚醛废水 6 0 01 0 0o 0 3 l1 5 71 7 8 3 o2 4 酚氰废水 4 2 21 4 5o 17 1 51 1 72 o 丙烯氰废水 8 41 50 0 7 51 8 晴纶废水 3 0 0 3 1 5 6 0 7 9 o 1 51 93 0 氯丁废水 2 3 02 5o 1 63 2 63 8 12 o1 5 2 0 制革废水 2 5 0 2 8 06 0o 1 0l 22 2 造纸废水1 0 0 4 8 01 1 3 60 0 5 0 0 83 02 0 3 0 煤气洗涤水 1 3 0 7 6 51 5 7 90 0 5 51 2 22 6 42 9 5 2 0 1 2 1 2 生物转盘的工作原理 当转盘运转时，污水中原有的( 或接种的) 微生物附着在盘片的表面，待数天后，盘面上将长出一 层生物膜。因为各盘片泡于氧化槽的污水中，污水中的有机物被生物膜吸附，当盘片转动过程中它 夹带着污水薄膜离开液面后，污水沿着生物膜表面向下滴流，空气中的氧气通过吸收、混合、扩散、 渗透等作用，不断溶解到水膜中。同时，微生物从水膜吸收溶解氧，又对有机物进行氧化分解，排 出生物氧化的代谢产物。随着生物转盘连续转动，盘上生物膜也就不停地、交替地和水、空气接触， 使吸附一吸收、溶解氧一分解氧化的过程不断进行，使氧化槽污水中有机物浓度降低和溶解氧含量 增加，于是污水得到净化。 1 2 1 3 生物转盘的特征1 1 4 l ( 1 ) 微生物浓度高，通过对生物转盘内的生物量的分析发现，细菌数量处于1 0 1 2 c e i l s 值生物膜水平， 这也是生物转盘高效率的主要原因。 ( 2 ) 生物相分级作用，在每级转盘上生长着适应流入该级污水性质的生物相，这种现象对微生物的 生长繁育，有机物的降解非常有利。根据显微镜的观察可得三级转盘的微生物相有大量的球状 菌胶团、草履虫、肾形虫、小球菌、盖纤虫、线虫、跳扭头虫等微生物。 ( 3 ) 污泥龄长，在转盘上能繁殖世代时间长的微生物，如硝化曲等，因此转盘具有良好的硝化作用。 ( 4 ) 对b o d 值达1 0 0 0 0 m g l 以上的超高浓度有机污水和1 0 m g l 以下的超低浓度污水都可以采用 生物转盘进行处理并能取得良好的效果。 ( 5 ) 无需污泥回流，不需要调节生物污泥量，不存在污泥膨胀之虞，不产生滤池蝇，不出现泡沫， 不存在二次污染的现象。 ( 6 ) 生物转盘的流态，从一个生物转盘单元来看是完全混合型的，在转盘不断转动的情况下，接触 氧化槽内的污水能够得到良好的混合，但多级生物转盘又应作为推流式反应器。因此流态应视 为“完全混合一推流”来考虑。 4 第一章绪论 1 2 2 自回流生物转盘性能研究 1 2 2 1 自回流生物转盘的创新1 6 1 本试验所用的为自回流生物转盘，是一种新型的污水处理生物转盘，盘片由多孔球形悬浮填料、 回流水管、盘片框架、转轴、网罩组成，在盘片框架的圆心处设有转轴，盘片框架为圆柱状，在盘 片框架的外周围上设有回流水管，多孔球形填料位于盘片框架内。多孔球形填料材质为聚乙烯。球 形填料分内外双层球体，外部为中空渔网状球体，比表面积大，盘片整体比表面积比传统的生物转 盘盘片提高，生物膜易附着，生物奄大，处理效率高。在保证一定的转盘面积负荷、水力负荷和容 积负荷的同时，能显著降低转盘的占地面积，转盘填料组合方式灵活，拆卸方便，易于维护 通过新型填料及其充填率调整，可以大大提高微生物量和接触面积。在转动的过程中球形填料 不断切割水膜更有利于氧气的传递。生物膜逐渐增厚并老化时，除受水流与盘片之间产生的剪切力 外，在转动的过程中填料之间互相撞击，使得生物膜更容易脱落，不断更新。转盘分三级，其生物 相分级现象明显，更有利于微生物的生长繁殖以及降解污染物。本工艺通过转盘转动过程的提升作 用，将第三级生物转盘末端的处理水用p v c 提升管提升，并回流到脱氮池实现脱氮功能，改变了传 统生物转盘不能自动回流脱氮的问题。 1 2 2 2 转盘填料 转盘的有效表面积是影响处理效率的重要因素，填料作为生物膜的载体是决定处理效果的关键 因素。 本试验所选取的球形悬浮填料一一又称多孔球形悬浮填料，是对国内处理污水、生物膜法处理 技术采用的多种填料中开发的最新系列产品。在污水的生化处理中具有全立体结构，比表面积大， 直接投放，无须固定，易挂膜，不堵塞。该填料由聚已烯材料注塑而成，分内外双层球体，外部为 中空鱼网状球体。主要起生物膜载体的作用，同时兼有截留悬浮物的作用，具有生物附着力强、比 表面积大、孔隙率高、化学和生物稳定性好、经久耐用、不溶出有害物、不引起二次污染、防紫外 线、抗老化、亲水性能强等特点，在使用过程中，微生物易生成、易更换、耐酸碱、抗老化、不受 水流影响、使用寿命长，剩余污泥少，安装方便。 球形悬浮填料产品技术参数如下： 东南大学硕士学位论文 表1 2填料的技术参数 规格数量比表面积 连续脆化 材料单个 型号内芯耐酸碱性 耐热温度 孔隙率 比重重量 ( m )( 个m 3 )( m ：m a )( ) ( )( ) ( g c f l l 3 )( g ) m l i o o s翌1 0 0蛇皮丝1 0 0 07 0 0 稳定8 0 9 0一l o9 60 ，9 22 3 q t l 一8 0 s 9 8 0蛇皮丝2 0 0 08 0 0 稳定8 0 - 9 01 09 6o 9 21 3 1 2 3 人工湿地的应用 生态工程水质净化技术作为一项可持续发展的水质改善技术，受到极大关注。湿地由于其低开 发和维持费用、低能耗，高稳定性等优点，被酱遍认为是一种前景光明的水质净化技术。常见的人 工湿地是由土壤和按一定坡度充填定级别的填料( 如砾石等) 混合组成的填料床，废水在填料床 床体的表面或缝隙中流动，并在床体的表面种植具有处理性能好、成活率高的水生植物，形成一个 独特的动植物生态环境，对污水进行处理。潜流型人工湿地以及表面流人工湿地是目前广为采用的 技术，但表面流人工湿地处理效果较差，潜流式人工湿地则存在水力负荷低，易堵塞，造价偏高等 缺点。 采用水生植物滤床是日本特有的研究经验0 7 - 9 1 ，水生植物滤床是一种在床体中不充填砾石或其 他任何滤料的新型人工湿地，其净化原理是在水生植物槽中种植多种食用或观赏型水生植物，通过 植物过滤、微生物降解、水生植物吸收及清除底泥来去除水体中的有机物及营养物。它的特点在于 首先通过选择茎秆和根系发达的水生植物高效地将水中的悬浮性污染物通过过滤作用去除，然后由 微生物对形成的污泥沉积物( 底泥) 中的有机物、氮磷营养物等通过微生物降解作用去除同时通 过植物的吸收作用去除水中及底泥中部分氮磷营养物，形成了一个由水生植物、水生动物及微生物 构成的高效生态净化系统，实现了物理过滤和生物处理相结合的处理方式。具有处理能力大，效率 高的特点，同时还可以生产出具有很高经济价值的水生蔬菜，并可通过生物堆肥发酵技术将具有高 有机物含量的底泥转化成高效有机肥，以达到资源的可循环利用。 1 2 4 自回流生物转盘与人工湿地组合技术 随着农村生活生产方式的改变，农村生活源成为太湖最重要的污染源之一。针对农村生活污水 具有排水量少，有机物浓度相对偏低，日变化系数大，间歇排放且不易收集等特点，试验结合农村 实际情况采用自回流生物转盘与人工湿地组合技术。它是一种新的尝试，通过生物转盘完成有机物 的降解、硝化及脱氮作用，然后水生植物进一步去除氮磷等污染物质，使得工艺能达到良好的处理 效果，为治理太湖流域的农村生活污水提供行之有效的处理技术和实践经验。 6 东南大学硕士学位论文 第二章脱氦除磷原理 2 1 生物脱氮基本原理及影响因素 2 1 1 生物脱氮基本原理 在硝化处理中关注的细菌属通常都是自养菌一一亚硝化单胞杆菌属( n i t r o s o m o m a s ) 和硝化菌属 ( n i t r o b a c t e r ) ，这两种菌属可分别将氨氮氧化为亚硝酸盐，然后再将亚硝酸盐氧化为硝酸盐，其它可 将氨氧化为亚硝酸盐而获得能量的自养菌属( 以亚硝化为前缀) 为亚硝化球菌属，亚硝化螺菌属， 亚硝化叶菌属和n i t r o s o r o b r i o 。在2 0 世纪9 0 年代，又鉴别出更多能够氧化氨的自养细菌【2 0 】。 a 、氨化反应 有机氮化合物在氮化细菌的作用下分解，转化为氨态氮，这一过程称为“氨化反应”。以氨基酸为 例，其反应式为： r c h n h 2 c o o h + 0 2 氨化菌r c o o h + c 0 2 扑m 3 b 、硝化反应 在硝化细菌的作用下，氨态氮进一步分解、氧化，就此分两个阶段进行。首先，在亚硝化细菌的作 用下，使氨( n h 4 + ) 转化为亚硝酸氮，反应式为： n h ：- + 3 0 2 垩型堕n o + 2 h 2 0 + 2 h + _ $ f ( $ f = 2 7 8 4 2 k d 亚硝酸氮在硝酸菌的作用下，进一步转化为硝酸氮，其反应式为 n o - + 丢。：堕盟n o - 哪( 婀2 2 7 1 0 3 硝化反应总反应式为： n h + + 2 0 2 一n o + h 2 0 + 2 h + 一$ f ( $ f = 3 5 1 k j ) c 、反硝化反应 反硝化反应是指硝酸氮( n o 3 4 叼和亚硝酸氮州o - 2 4 d 在反硝化菌的作用下，被还原为气态氮( n 2 ) 的过程。反硝化反应速率在污水中b o d ，f n 值 3 5 时较高，而当p h 值控制在6 5 7 5 时，反硝化 速率最高；反硝化反应易在厌氧、好氧交替的环境条件下进行，d o 应控制在0 s m g l 以下，温度控 制在2 0 4 0 c 之间。 当反硝化过程中有充足的有机碳源存在，且n o 3 - n 的浓度高于0 1 m g l 时，反硝化速率与n o r n 的浓度成零级动力学反应关系，即此时的反硝化速率与n o 3 - n 的浓度高低无关，而只与反硝化菌的 数量有关。 研究表明，反硝化过程中存在三种不同的反应速率阶段，在第一阶段反硝化菌利用挥发性脂肪 酸和醇类等易被降解的厌氧发酵产物作为碳源，因而反应速率较快，通常在反应的最初5 l s m i n 内 为反应速率最快的第一阶段。第二阶段的反应速率较第一阶段慢，这是因为在此阶段中易降解的碳 源已在第一阶段被消耗，因而此反应阶段反应只能利用颗粒状和复杂的可缓慢降解的有机物作为碳 源。在第三阶段由于外加碳源的耗尽，反硝化菌只能通过细胞物质的自身氧化即内源代谢产物作为 碳源进行反硝化反应，此时反硝化速率更低j 。 7 第二章脱氮除磷原理 2 1 2 生物脱氮影响因素 ( 1 ) 水温：对于硝化过程来说，有诸多影响因素，其中温度是影响其效果的较为重要的一个1 2 2 1 。 生物硝化反应可以在4 4 5 的范围内进行，一般认为硝化适宜的温度是2 0 3 0 ，诬硝酸菌的最 佳生长温度是3 5 c 左右，硝酸菌的最佳生长温度是3 5 4 2 。温度对硝化菌的影响效果可用式表示： = # 0 0 “q ，式中，i t - - - - 温度2 0 ( 2 及t 时硝化菌的比增长速率；冉一一温度系数。t 一一温度， 。硝化菌的温度系数为：对于亚硝酸菌为1 1 1 3 ，对于硝酸菌为1 0 7 ，从式中可以推算出当t 2 0 时， t 。而当t 2 0 时，p 6 m g l ，可见满足硝化反应所需的条件。 ( 4 ) 抑制作用：会对硝化反应产生抑制作用的物质有：重金属、氰化物、有毒有机物以及高浓度 的氨氮和硝态氮。过高浓度的亚硝酸盐、重金属、氨、硫酸盐等都会对反硝化作用产生抑制。表现 在以下几个方面：直接杀死微生物使细胞壁变性或分裂；使酶失活；化学结构与代谢物质类似的有 机物“竞争”酶的活性中一f i , 与酶结合，抑制中间产物的形成，使酶的催化速度降低 2 3 1 ( 5 ) 水流剪切力：在转盘转动的过程中，作用于生物膜上的水流剪切力对生物膜的冲刷作用使生 物膜脱落，在一定程度上起着更新生物膜的作用。水力剪切力直接决定了生物膜的厚度与生物膜量 研究表明，水力剪切力是影响生物膜厚度以及生物膜量的主要原因之一洲 2 2 除磷基本原理 2 2 1 生物除磷的基本原理及影响因素 生物除磷，是利用聚磷菌等能过量地从外部环境摄取磷的微生物，将磷以聚合物的形态贮藏在菌 体内。形成富磷污泥，排出系统外，达到除磷的目的。聚磷菌具有在好氧条件下，过剩摄取h 3 p 0 4 ，在厌 氧条件下释放出h 3 p 0 4 的功能。 a 、聚磷菌磷的过剩摄取 在好氧条件下，聚磷菌营有氧呼吸，不断地氧化体内储存的有机底物，同时外部环境也从其体内摄 8 东南大学硕士学位论文 取有机底物。由于氧化分解，又不断的放出能量，能量为a d p 所获得，并结合h 3 p 0 4 而合成a t p ( z 磷酸腺苷) 。即： a d p + h 3 p 0 4 + 能量- - a t p + h 2 0 h 3 i 0 4 除- 4 , 部分是聚磷菌分解其体内聚磷酸盐而取得的外，大部分是聚磷菌从外部环境中摄入的。 摄入的h 3 1 0 4 一部分用于合成a t p , 另一部分则用于合成聚磷酸盐。 b 、聚磷菌磷的释放 在厌氧的条件下，聚磷菌体内的a t p 进行水解，放出h 3 p 0 4 和能量，形成a d p ，即： a t p + h 2 0 一a d p + h 3 p o l 4 + 能量 生物除磷的影响因素： ( 1 ) p u 值：生物脱磷的适宜p h 值大致是6 0 8 0 ，p h 值小于6 5 会显著影响除磷效率，p h 的上升会引起吸磷量的少量增加，p h 的降低会引起释磷最的增加。 ( 2 ) 水温：有资料认为，因为除磷菌是嗜冷细菌，所以除磷效率在一定范围内随温度增加而降 低，朱还兰等人在s b r 反应器中得出在1 7 3 7 c 的范围内，温度每增加1 0 c ，放磷速度增加一倍 左右。一般说来，在5 3 0 c 的范围内都能收到良好的处磷效果。 ( 3 ) b o d ，和有机物性质：一般认为，进水中b o d s t p 要大于1 5 才能保证聚磷菌有足够的基 质，一般应在2 0 3 0 ，从而获得良好的除磷效果瞄j 。 ( 4 ) 有毒物质等因素对除磷也有影响 2 2 2 化学除磷的基本原理 化学除磷的基本原理是通过投加化学药剂形成不溶性磷酸盐沉淀物，然后通过固液分离除磷。 可用于化学除磷的金属盐通常有钙盐、铝盐和铁盐。 在荷兰，传统的污水处理厂能去除4 0 的磷，污水中其余的磷通常靠投加钙、铁和铝盐来去除， 最终出水中的磷小于l m g l 【2 6 】。美国的a n n a r b o r 污水处理厂将原来的传统活性污泥法改造为a ， 0 工艺。改造后，大多数时间仍需投加三氯化铁才能达到n p d e s 要求的年平均出水磷浓度o 6 m g l 的标准口”。c l a r k 等采用缺氧滤池+ 曝气生物滤池处理生活污水，对磷的去除率为3 5 3 ，为提高除磷 率，投加二价铁。在芬兰，v a l v e 等人的研究表明，即使在冬季，采用改进u c t 工艺，当硫酸哑铁的 投加量为5 m g l ( 以f c 计) 时出水中的磷浓度可达到o 5 m g l ，投加量为9 1 时可达到0 3 m g l ”1 本 试验所采用的除磷为石膏除磷法，采用宜兴当地的废弃石膏模具，反应原理为： c a ：+ 能形成的磷酸盐沉淀有：8 一磷酸三钙c a 3 ( p 0 4 h 、羟基磷酸钙c a s ( o h ) ( p 0 4 ) 3 、磷酸二钙 c a h p 0 4 。采用石灰沉淀法时，正磷酸盐在有o h 一存在的条件下，与c a 2 + 反应生成羟基磷酸钙沉淀， 反应如下： 3 h p 0 4 2 + 5 c a 2 + + 4 0 h 二_ - 屺a 5 ( o h x p 0 4 ) 3l + 3 h 2 0 9 第三章研究内容、试验装置及方法 第三章研究内容、试验装置及方法 3 1 试验场地及试验装置 3 1 1 试验工艺流程 图3 - 1 工艺流程示意图 污水首先经调节池调节水质和水量，然后用泵提升入脱氮池，与第三级生物转盘回流液混合， 利用进水中的有机物和硝态氮进行反硝化反应。脱氮池出水自