（市政工程专业论文）曝气生物滤池在污水回用中的应用研究.pdf

摘要 摘要 本文对曝气生物滤池深度处理城市污水厂二级出水用于回用目的的性能 进行了研究，主要内容包括： ( 1 ) 曝气生物滤池填料的优选。通过对陶粒、石英砂、沸石及焦碳四种填 料的性能进行对比，结果表明，陶粒在挂膜稳定性和去除污染物能力方面优于 其它三种填料。 ( 2 ) 曝气生物滤池挂膜方式的优选。通过对直接以正常工作滤速启动、直 接通入要处理的水逐步提高滤速启动以及污泥接种三种方式进行对比，结果表 明，直接以正常工作滤速启动具有挂膜速度快、培养出的生物膜性能好的优点， 是一种适合曝气生物滤池深度处理的启动方式。 ( 3 ) 曝气生物滤池处理性能的分析。主要对曝气生物滤池处理c o d 、浊度、 n h 。一n 、s s 的性能及其影响因素进行了研究，结果表明：采用粒径大小为2 4 m m 的陶粒为曝气生物滤池的滤料，在填料高度2 m ，进水水力负荷1 6 m 3 ( m 2 h ) 时，上向流曝气生物滤池处理后的出水可以达到景观环境用水水质标准； 在填料高度2 3 m ，水力负荷6 4 m 3 ( m 2 h ) 时，下向流曝气生物滤池处理后出 水可以达到生活杂用水水质标准： ( 4 ) 曝气生物滤池的反冲洗。对曝气生物滤池的反冲洗方式、反冲洗强度 及反冲洗周期进行了研究。结果表明，采用先气洗，再气一水联合反冲洗，最 后水漂洗的方式反冲洗效果好，反冲洗周期与进水水质、滤池的流向、水力负 荷等因素有关。反冲洗参数为：单独气冲的强度为1 0 1 2 l ( m 2 s ) ，历时3 m i n ； 气一水联合冲洗时，气冲的强度为1 0 1 2 l ( 疗s ) ，水冲强度为7l ( m 2 s ) 左右，历时为6 m i n ：用水漂洗时的强度为9l ( m 2 s ) 左右，历时5 m i n 。 关键词曝气生物滤池；污水回用：深度处理；二级出水 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，a p p l i c a t i o no fb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b a f ) i n s e c o n d a r ye f f l u e n t a d v a n c e dt r e a t m e n tf o rr e u s ea n dr e c l 锄a t i o ni s s t u d i e d i t m a i n l yi n c l u d e sa s p e c t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) m e d i as e l e c t c o m p a r i n gt h ep e r f o r m a n c eo fb i o f i l mg r o w t ha n d p 0 1 l u t a n t sr e m o v a lo fc e r a m i c s ，q u a r t z i t e ，z e 0 1 i t ea n dc o k e ，r e s u l t ss h o w t h a tc e r a m i c si sb e t t e rt h a no t h e r s ( 2 ) s t a r t u pm a n n e rs e l e c t c o m p a r i n gt h ep e r f o r m a n c eo fd i r e c t l y p a s s i n gt h ep r o c e s sw a t e rw it hw o r k i n gf l o r a t e ，d i r e c t l yp a s s i n gt h e p r o c e s sw a t e rw i t hg r a d u a l l yi n c r e a s i n gf l o wr a t e ， a n du s i n ga c t i v a t e d s l u d g ea ss e e d ， r e s u l t ss h o wt h a ts t a r t u pm a n n e ro fd i r e c t l yp a s s i n g t h ep r o c e s sw a t e rw i t hw o r k i n gf l o wr a t eisb e t t e rt h a no t h e r s ，a n dv e r y s u it a b l ef o rw a s t e w a t e ra d v a n c e dt r e a t m e n t w h i c hh a ss h o r t e rs t a r t u d t i m e ， b e t t e rb i o f i l mg r o w t hs t a t e ( 3 ) t r e a t m e n tc a p a c i t ya n a l y s i s t h ep e r f o r m a n c eo fb a fi nc o d ， t u r b i d i t y ，n h 3 n ，s sr e m o v a la n di t si n f l u e n c ef a c t o r sa r ea 1 1s t u d i e d ， r e s u lt ss h o t h e s e ：c e r a m i c ss i z ei s2 4 姗，w h e n 皿e d i ah e i g h ti s 2 m ，u n d e rt h eh y d r a u li cl o a d i n go f1 8 m 3 ( m 2 h ) ，t h et r e a t m e n te f f l u e n t f o ru p f l o wb a fc a nm e e ts c e n i cw a t e rq u a l i t ys t a n d a r d ；w h e n 珊e d i ah e i g h t i s 2 3 m ， u n d e rt h eh y d r a u l i c l o a d i n g o f 6 4 m 3 ( i n 。h ) ，t h e t r e a t m e n t e f f l u e n tf o rd o w n f l o wb a fc a nm e e tm i s c e l l a n e o u sd o m e s t i cw a t e rq u a l i t y st a n d a r d 。 ( 4 ) b a c k w a s h t h em e t h o d ，i n t e n s i t y ，a n dp e r i o do fb a c k w a s ha r ea ll d i s c u s s e d ，r e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o do ff i r s t l ya i rs c o u r i n g ， t h e n a i r w a t e rb a c k w a s h ， f i n a l l yw a t e r 。w a s hh a sm a n ya d v a n t a g e so v e ro t h e r m e t h o d s b a c k w a s hp e r i o di sr e l a t i v et ow a t e rq u a l i t y ， i n l e tm a n n e ra n d h y d r a u l i cl o a d i n g ， e t c b a c k w a s hp a r a m e t e r sa r es u 咖a r i z e da st h e s e ： s i n g l ea i rs c o u r i n gi n t e n s i t yi sl o 1 2 l ( m 2 s ) ，l a s tt i m ei s3 珊i n ：t h e n a i ri n t e n s i t y ，w a t e ri n t e n s i t ya n dl a s t t i m ef o ra i r w a t e rb a c k w a s hi s l o 严1 2 l ( m 2 s ) ， 7l ( m 2 s ) a n d6 m i nr e s p e c t i v e l y ：f i n a l l yw a t e r w a s h i n t e n s i t y i s9l ( m 2 s ) ，1 a s tt i m ei s5 m i n k e y w o r d sb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ；w a s t e w a t e rr e u s e ；a d v a n c e dt r e a t m e n t ；s e c o n d a r y e 册u e n t 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 1 1 1 水资源及水环境状况 我国是一个水资源短缺的国家。首先，我国的水资源并不丰富，是世界1 3 个贫水国之一，年均降水量只有6 3 0 m m ，低于全球陆地面积年均降水量( 8 8 0 m m ) ， 虽年均水资源总量为2 8 1 万亿m 3 ，居世界第六位，但按1 9 9 8 年1 2 4 8 亿人口 计算，人均占有水资源量仅为2 2 5 1 m 3 ，是世界人均水平的四分之一，居世界1 4 9 个国家的第1 1 0 位。其次，水资源在时空上分布的不均匀，更使一些地区处于 严峻的缺水状态，华北地区显得尤为突出。随着我国经济的发展和城市化进程 的加快，城市缺水问题日益突出。据资料统计，目前全国6 6 9 个城市中，4 0 0 个城 市常年供水不足，其中1 1 0 个城市严重缺水，日缺水量达1 6 0 0 万m 3 ，年缺水量6 0 亿m 3 。由于缺水，每年都将影响工业产值2 0 0 0 多亿元，水资源短缺已成为制 约我国经济发展的重要因素。 一方面水资源严重短缺，另一方面水环境污染状况却相当严重。根据1 9 9 8 年中国环境状况公报，全国废水排放总量为3 9 5 亿t ，c o d 排放总量为1 4 9 9 万t ， 分别比上年( 1 9 9 7 年) 下降了5 和1 4 7 。生活污水占废水排放总量的4 9 1 ， 生活污水c o d 排放量占c o d 排放总量的4 6 2 ，均比上年有所增加。我国主要水 系长江、黄河、松花江、珠江、辽河、海河、淮河太湖、巢湖以及滇池的断面 监测结果表明，3 6 9 的河段达到优于地面水环境质量i i i 级标准，其中i 类水质 占8 5 ，i i 类水质占2 1 7 ，i i i 类水质占6 7 ：6 3 1 河段的水质为i v 、v 或劣 v 类，失去了作为饮用水源的功能，其中i v 类水质河段占1 8 3 ，v 类水质7 1 ， 劣v 类水质占3 7 7 。而最新的统计资料表明，2 0 0 0 年全国工业和城市生活废水 排放总量为4 1 5 亿t ，其中工业废水排放量1 9 4 亿t ，城市生活污水排放量2 2 l 亿t ，废水中化学需氧量( c o d ) 排放总量1 4 4 5 万t ，其中工业废水中c o d 排放 量7 0 5 万t ，生活污水中c o d 排放量7 4 0 万t “3 。我国城市污水集中处理率不高， 北京工业大学工学硕士学位论文 近6 0 的污水未经处理就直接排放，导致全国近1 2 的河流遭受污染。未来几年 内，国家将投入巨资提高污水处理率，到2 0 0 5 年，我国城市污水处理率将达到 4 5 ，重点城市达到6 0 。即使这样，仍然有大量的污水进入水体，水体污染不可避 免。3 。因此，水资源供需矛盾仍将加剧，解决我国城市缺水问题迫在眉睫。 1 1 2 城市污水回用的必要性 解决缺水的主要途径有节水和开辟新水源两种。一方面要提高人们的节水 意识，采用各种节水措施；另一方面就是寻找新的可利用水源。在开辟新水源 方面，由于地下水的过量开采，地面沉降现象屡屡发生，因此绝大多数地区的 地下水不仅不能再开采，而且还要进行回灌。地表水由于受到普遍的污染，能 利用的也越来越少。 城市污水是宝贵的淡水资源，污水厂二级出水经过适当处理后可以回用于 工业冷却水、绿化、市政景观等方面，在技术上也是可行的。城市供水中 5 0 一8 0 是工业用水，工业用水中8 0 是冷却用水，其对水质的要求不高，而水量很 大，考虑循环使用之外，补充用水量就占工业总取水量的3 0 以上。市政用水如 浇洒、绿化、景观、消防、补充河湖用水，杂用水如冲洗汽车、建筑施工、冲 洗厕所用水等在水质上要求也不高，总水量亦占城市总取水量的7 一l o 。因此， 在对人体健康无影响的前提下，将污水回用于上述各方面可以节约大量的新鲜 用水，经济、社会效益显著。因此，城市污水回用为我们提供了一个开辟水资 源的新途径。 城市污水回用与开发其它水源相比具有以下优势：( 1 ) 城市污水回用具有就 近可得、易于收集处理、水量大且稳定可靠等优点。城市供水量的8 0 变为城市 污水排入管网中，收集起来再生处理后7 0 可以安全回用，二者合计起来，即城 市供水量的半以上可以变为再生水，返回到城市水质要求较低的用户上，相 应增加了城市一半供水量，可见对缺水城市来说，这种水源是一笔宝贵的财富。 我国城市污水排放量已经达到4 1 4 亿t ，目前已经建设设施4 0 0 余座，城市污水 处理率达到3 0 ，二级处理率达到1 5 ，根据“十五”计划纲要要求，2 0 0 5 年城 市污水集中处理率达到4 5 ，这就给城市污水的回用创造了基本条件，凡是污水 处理厂都可以将污水再次适当处理后回用。( 2 ) 经济上的优势：比远距离引水 便宜，其基建投资只相当于从3 0 公里外引水。我国水资源分布不均衡，对于西 第1 章绪论 北部贫水的城市，如果从东南部水资源丰富的地区引水，引水距离至少为上百 公里，甚至达到上千公里，工程是十分浩大的。比海水淡化经济。城市污水 所含杂质少于o 1 ，而且可用深度处理方法加以去除，而海水则含有3 5 的 溶解盐和大量有机物，其杂质含量为污水二级处理出水的3 5 倍以上，处理费用 相对要高的多“1 。 综上所述，城市污水回用是解决城市缺水的有效途径，它既是种开源的 新途径，又是种规模大、效益高的节水措施。此外，城市污水的回用还减少 了污水的排放总量，在一定程度上缓解水体污染问题，可以起到维系良好的水 环境，实现水资源可持续利用的重要作用“3 。因此，在我国缺水城市大力开展污 水回用有其必要性和紧迫性。 1 2 城市污水回用概述 1 2 1 城市污水回用现状 城市污水回用在国内外很普遍。“。在国外，南非的温得霍克市和美国堪萨 斯州的查纽特等将城市污水经处理后直接用作生活饮用水源“”，美国伯利恒钢 厂几十年来一直利用城市污水回用作工业用水，日本名古屋市的污水经混凝、 沉淀、过滤后供给1 2 个工厂再用。在国内，北京高碑店污水厂处理量的一半回 用，主要用于工业冷却、景观河道、城市绿化和公园用水及城市环境喷洒道路用 水等。华能北京热电厂使用高碑店污水厂出水作冷却水，用水量为2 万4 万m 3 d ，运行情况良好。太钢利用太原市北郊污水厂的二级出水用作补充冷却水也 是成功的例子。1 。此外，青岛市海泊河污水处理厂将二级出水经深度处理后回用 于工业冷却、电厂冲灰、市区景观和生活杂用等方面。，石家庄市桥西污水处理 厂的二级出水经深度处理回用于景观用水都取得良好的社会和经济效益“3 ( 处 理流程见图卜1 ) 。 1 2 2 城市污水回用工艺 1 2 2 1 传统处理工艺 “二级出水一砂滤一消毒”是最简单的传统处理工艺。二级出水经过砂滤、 北京工业大学工学硕士学位论文 消毒后回用，主要用于对水质要求不高的地方，如补充河湖、农业用水等。该 工艺只能达到进一步去除水中微细颗粒物和杀灭细菌的目的“”3 。 “二级出水一混凝、沉淀( 澄清) 一过滤一消毒”是目前采用最多的传统 处理工艺，主要是在“二级出水一砂滤一消毒”工艺的基础上增加了混凝沉淀 处理单元，来达到迸一步去除二级生化处理厂未能去除的胶体物质、部分重金 属和有机污染物的目的。有资料表明，该工艺可去除浊度7 3 8 8 ，s s6 0 7 0 9 6 ， 色度4 0 6 0 ，b o d s3 1 7 7 ，c o d2 5 4 0 ，总磷2 9 9 0 。该工艺的优点是对 含有重金属的污水处理效果较好，缺点是对氨氮去除效果较差“1 。 二级处 理出水 图卜l 石家庄市桥西污水处理厂深度处理工艺 f i g u r e1 一la d v a n c e dt r e a t m e n tp r o c e s s o fq i a o x i1 m pi ns h i j i a z h u a n gc i t y 1 2 2 2 臭氧氧化、活性炭吸附或膜分离为主体的组合工艺 除了传统处理工艺外，由于近年来各种新技术如臭氧氧化、活性炭吸附、 膜分离等在污水回用中的广泛采用，出现了以膜分离为主或以活性炭、滤膜分 离为主体的各种组合处理工艺”3 ( 见表卜1 ) 。 臭氧氧化在污水回用处理中应用非常广泛。它不但可以利用其强氧化作用 杀灭细菌和病毒，还能氧化分解水中的各种杂质，包括显色有机物( 如有机酸、 有机染料等) ，因而能有效地去除水中的色、臭、味，且脱色效果优于氯和活性 炭。臭氧氧化作用可以使芳香族化合物全部或部分消失，不饱和脂肪酸减少或 消失，可以明显提高污水的可生化降解性。同时，臭氧还可以降低e 电位，提 高混凝和过滤的去除率“。 活性炭吸附在污水回用中也得到了广泛应用。活性炭能去除水中大多数的 4 第1 章绪论 有机物和某些无机物，包括可能有毒的痕量金属，活性炭还可以有效吸附单宁、 木质素、醚、蛋白质类物质、氯代烃、有机磷和氨基甲酸脂类杀虫剂，还能吸 附苯醚、正硝基氯苯、萘、乙烯、二甲苯酚、d d t 及许多脂类和芳烃化合物，但 该工艺对于氯消毒产生的t h m s 去除能力较低，仅达2 3 6 0 。在对活性炭利用 中，除传统的吸附柱外，目前采用较多的有与生物滤池相结合的g a c 滤池和活 性炭粉系统( p a c ) 。采用活性炭吸附的主要缺点是价格昂贵，再生比较困难“1 。 膜技术由于具有高效、节能的优点，已被广泛应用于污水回用领域。现在 应用得较多的有微滤、超滤、反渗透、纳滤等。微滤可以去除沉淀不能去除的 包括细菌、病毒在内的悬浮物，还可以除磷。超滤己被用于去除腐质酸等大分 子，反渗透已被用于降低矿化度和去除总溶解性固体。纳滤介于反渗透和超滤 之间，可以直接去除一切病菌，细菌和寄生虫，同时大幅度地降低溶解性有机 物，低压大水量使得纳滤的运行费用大大减少。采用膜分离技术作为污水回用 处理单元时，需要解决的主要问题就是如何防止膜污染，这就要求污水在进入 膜分离处理单元前必须经过预处理，在预处理工艺中将污水中微细颗粒和胶体 物质去除，并将大分子有机物转化为固相，采用的工艺有混凝沉淀、过滤、活 性炭吸附等。此外，膜处理工艺与其它工艺相比在价格上也要昂贵的多0 3 。 表卜l 臭氧氧化、活性炭吸附或膜分离为主体的组合工艺 t a b l e1 1p r o c e s s e sm a d eu po fo z o n eo x i d a t i o n ， 序号工艺流程 二级出水一混凝一沉淀一过滤一活性炭吸附一消毒 二级出水一混凝一沉淀一过滤一膜分离一消毒 二级出水一臭氧一超滤( 微滤) 一消毒 二级出水一活性炭吸附一超滤( 微滤) 一消毒 二级出水一混凝、沉淀、过滤膜分离一活性炭吸附一消毒 1 2 2 3 其它处理工艺 近年来各国学者通过研究，还开发出了一些其它污水回用处理工艺，如生 物过滤技术、湿地系统、土地处理系统等。 生物过滤技术充分地利用了滤池中滤料的拦截作用和滤料上附着生物膜的 降解作用，将二沉池出水中未能去除的大多数物质能够有效的加以去除并减少 堵塞的可能性，有的学者还通过改变进出水的方向和滤池进出水过水断面的大 北京工业大学工学硕士学位论文 小研制成功了上向流变速生物滤池，采用该滤池对于处理生物处理二沉池出水， 处理水水质可以达到国家颁布的回用水水质标准“。滤池的滤料对于处理效果 的好坏影响很大，目前比较新的滤料有酶促陶粒滤料，它利用多孔陶粒的微孔 增加了生物的附着量，同时酶的催化作用也加强了处理的效果“1 。 湿地系统利用植物根系的吸收和微生物的作用，并经过多层过滤，达到降 解污染、净化水质的目的。在美国和加拿大的很多地方，湿地系统用于以污水 回用为目标的后续处理工艺，其出水水质良好，可达到回用水水质要求。我国 在这方面也进行了研究，近期中科院水生生物研究所推出了一项复合垂直流构 建湿地水处理工艺，属国际新工艺。该系统净化功能强，不仅能有效去除污水 中悬浮物、有机污染物、氮、磷以及重金属等，而且对细菌、藻毒素、外源生物 活性物质和环境激素类物质等也有比较理想的去除效果。该系统长年运行比较 稳定，建设运转费用较低并且与景观建设相结合，具有净化美化环境的效果。 复合垂直流构建湿地水处理工艺由于高效、除污范围广、投入低、易管理等优 点，具有广阔的应用前景一，。 土地渗滤也叫土地含水层处理，它使水源水通过堤岸过滤或沙丘渗透以利 用土壤中生长的大量微生物对水中污染物进行降解去除以净化水质的方法。它 是近二十年才发展起来的。由于污染物经过地下土层和地下包气带产生一系列 的物理、化学和生物作用，许多微生物和化学物质通过各种反应被去除，这些 过程延迟了某些化学物质进入地下水的速率，使一些污染物质降解为无毒无害 的组分，一些物质则被植物所吸收，从而使污染物浓度得以降低。土地渗滤使 用寿命很长，费用相当低。该法投资省，处理效果好，尤其是对有机氯化物和 氨氮，但它有占地大不易管理的缺点”。 1 2 3 开发污水回用新工艺的意义 在我国，污水回用目前采用较多的依然是传统处理工艺，这种工艺技术成 熟、对胶体类杂质的去除率高，出水可满足大多数情况下用户的要求。但这种 工艺存在以下缺点：处理流程长、基建投资大：药耗高、运行费用高； 对有机物、氨氮的去除能力不强。随着更严格污水回用水质标准的出台，该工 艺越来越满足不了用户的要求。而采用活性炭吸附、膜分离等处理工艺时，也 同样面临着处理流程长、运行费用高、维护困难等问题。因此，在我国污水回 第l 章绪论 用大力开展的今天，迫切需要研究开发出适合我国国情的污水回用新工艺。该 工艺必须具备高效、价廉、流程短、易普及等特点。只有这样，才能推动我国 污水回用事业的发展，从根本上缓解我国水资源紧缺的状况。 1 3 曝气生物滤池技术 1 3 1 曝气生物滤池简介 根据我国国情，价廉实用的生物处理技术在污水回用中依然是首选工艺。 由于二级出水的有机物浓度较低，可生化性较差，采用生物膜法深度处理是适 宜的。因为活性污泥工艺对微生物的生长不利，而在生物膜法中，微生物固着 生长在填料上，生物流失量小，有利于微生物的培养“”。该法不但能将有机物去 除，还能同时去除氨氮。 曝气生物滤池( b a f ，b i o l o g i c a la e r a t e df 儿t e r ) 是将生物接触氧化法 与给水过滤相结合的种好氧生物膜法废水处理工艺，属于生物过滤技术，它 主要是利用滤料的拦截和滤料上生物膜的生物降解双重作用来将污染物加以去 除。按照进水方式的不同，可以将曝气生物滤池分为上向流和下向流两种形式， 目前的主要代表有b i o c a r b o n e 、b i o f o r 和b 1 0 s t y e 等“1 。与其它工艺相比， 曝气生物滤池具有以下优点：占地面积小，基建投资省；出水水质高； 氧的传输效率很高，曝气量小，供氧动力消耗低；抗冲击负荷能力强，耐低 温；易挂膜，启动快；曝气生物滤池采用模块化结构，便于后期改建、扩 建。但曝气生物滤池的缺点是对进水水质要求较高，由于其采用的滤料较小， 若进水的s s 较高，会使滤池在很短的时间内达到设计的水头损失，滤池反冲洗 的次数就要增加，因而增加了运行费用与管理的不便“。 由于曝气生物滤池具有良好的处理性能，因而在污水的二级、三级处理中 得到广泛的应用，包括生活污水、城市污水及工业废水的处理“6 “”1 。此 外，曝气生物滤池在给水处理中微污染水的预处理中也有着良好的处理性能。 曝气生物滤池在污水二级处理方面的研究很多，涵盖了池型构造、污染物去除 能力及其影响因素、去除机理、数学模型等各个方面。2 3 3 “o “”。近年来，为 了强化曝气生物滤池的碳化、硝化、反硝化处理功能，国内外学者还对二段、 北京工业大学工学硕士学位论文 三段式曝气生物滤池在污水处理中的性能进行了研究“”。 1 3 2 曝气生物滤池在污水回用中应用的研究 从曝气生物滤池的特点可以看出，将其用于城市污水回用方面具有许多别 的处理工艺所无法比拟的优势：由于城市污水在经过二级处理后悬浮物已经 降到了一个较低的水平( 2 0 3 0 m g l ) ，因此不必担心悬浮物对滤池产生堵塞的 问题，可以充分发挥曝气生物滤池处理出水水质高、抗冲击负荷能力强等优点； 曝气生物滤池具有占地面积小，基建投资省的特点，为新建或已建污水处理 厂增设回用工艺解决了资金短缺问题，有利于污水回用的开展：曝气生物滤 池的模块化结构设计，便于后期回用工程的改建、扩建；曝气生物滤池耐低 温、易挂膜，启动快的特点使其具有很强的地域适应性，适合在全国各地推广。 因此，对其应用于污水厂二级出水深度处理回用的技术可行性，以及处理性能 等其它相关问题进行研究具有极高的经济和社会价值。 曝气生物滤池在城市污水深度处理用于回用方面的研究国内外已有相关报 道。在国外，s k u r i b a v a s h i 在1 9 9 2 年发表了b a f 用于污水深度处理的研究结 果，并将其和砂滤进行了对比。结果表明，b a f 和砂滤在去除s s 上没有明显区 别，但在去除b o d 、c o d 方面，b a f 处理效果明显高于砂滤“。在国内，天滓大 学对生物过滤( 实际上是下向流曝气生物滤池) 处理纪庄子污水处理厂二级出水 后回用进行了研究，结果表明，该工艺处理出水效果良好，特别是其对有机物、 色度能够达到较高的去除效果，而且该工艺经济可行。近年来，在对曝气生 物滤池处理功能不断拓展的同时，在城市污水深度处理方面的研究再次成为研 究的热点。清华大学对升流式曝气生物滤池深度处理城市污水的工艺特性进行 了研究，结果表明，u b a f 用于城市污水的深度处理有着良好的处理效果，处理 后的污水在c o d 、b o d 。、s s 、n h 。n 和浊度上完全达到污水综合排放的一级标准 和生活杂用水水质标准m 1 。哈尔滨工业大学也对升流式曝气生物滤池处理污水 厂二级出水后回用于景观用水进行了研究，取得了预期的效果。“。但同时也要 看到，我国在曝气生物滤池技术方面研究开展得还不够深入全面，由于实验条 件的不同，研究的结果也各有差异，因此有进一步研究的必要。本课题就是希 望通过现场试验的方式，对曝气生物滤池深度处理城市污水的性能及其它相关 方面进行研究，并用来指导生产实践。 第1 章绪论 1 4 课题来源及研究内容 1 4 1 课题来源 本课题是城市污水回用生物膜过滤技术设备研制开发项目中的部分， 该项目的研究内容是以b 市城市污水处理厂二级出水为回用水源，进行以生物 膜过滤为主体的技术工艺路线研究，寻求最佳的污水回用途径及相应工艺参数， 为b 市及类似的城市污水回用提供科学的理论依据和实施技术。 1 4 2 研究内容 本实验采用“二级出水一曝气生物滤池一消毒”作为污水回用的深度处理 工艺，根据试验具体情况，消毒单元未列入本试验研究内容中。因此，本试验 研究的重点是曝气生物滤池的处理性能及与工程实际密切相关的其它一些内 容。主要包括以下五方面： 1 对曝气生物滤池应用于城市污水回用中的技术可行性进行研究，并对回用的 途径进行探讨。 2 对四种常规滤料：陶粒、石英砂、沸石、焦碳的性能进行比较，优选出适合 曝气生物滤池深度处理的滤料。 3 通过对三种不同挂膜方式的对比，寻求适用于曝气生物滤池深度处理的挂膜 方式。 4 对曝气生物滤池去除有机物、氨氮等的能力及其去除机理进行探讨，并寻求 曝气生物滤池的最佳运行和设计参数。 5 对曝气生物滤池的反冲洗方式、反冲洗强度、反冲洗周期等进行探讨。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章试验装置与分析方法 2 1 试验概况 本课题的研究采用现场试验的方式，规模为中试。试验地点为b 市某污水处 理厂。该厂位于b 市区西北部原生物氧化塘旧址，占地1 3 0 亩，服务面积2 8 0 0 公顷，服务人口2 4 万，采用生物除磷脱氮( a 2 o ) 工艺，日处理规模为8 万吨。原 水中生活污水占4 0 左右，工业污水占6 0 左右。 整个研究过程分六个阶段：第一阶段( 2 0 0 1 5 1 0 2 0 0 1 8 2 0 ) 调研与文件 检索；第二阶段( 2 0 0 1 9 1 0 2 0 0 2 2 2 0 ) 试验装置的设计、加工、安装和调试； 第三阶段( 2 0 0 2 3 4 2 0 0 2 4 2 3 ) 曝气生物滤池填料的优选；第四阶段 ( 2 0 0 2 5 2 1 2 0 0 2 6 1 7 ) 曝气生物滤池挂膜方式的对比：第五阶段 ( 2 0 0 2 6 1 8 2 0 0 2 9 3 ) 曝气生物滤池处理性能及其影响因素的分析研究：第六 阶段( 2 0 0 2 9 1 8 2 0 0 3 5 1 0 ) 实验资料分析与论文撰写。 2 2 试验装置 本试验采用曝气生物滤池处理系统，试验装置流程图见图2 一l 。整套装置安 装于污泥回流泵房内。原水用水泵从污水厂二级出水排放管内直接抽取后打入污 泥回流泵房的屋顶水箱内，后自流入泵房内的各滤柱中，屋顶水箱设溢流管以保 证恒定的过滤水头。滤柱共4 个，尺寸大小相同，内径2 8 2 m ，柱高3 8 0 0 m ，在 滤柱上自底部每间隔3 0 c m 处设置一个直径为2 哪的取样口，自下而上依次为1 6 号。该系统可通过控制进出水阀门来改变其运行方式( 上向流或下向流) 。当为 上向流时，采用穿孔板配水，穿孔管配气，水、气在2 0 0 舢高附混合室内进行 混合后进入滤柱；当为下向流时，污水直接从滤池顶部流入，进气和下向流相同。 两种方式处理后的出水都进入贮水箱内。曝气和反冲洗所用空气由空压机提供， 反冲洗水则由反冲洗水泵从贮水箱内提供。 第2 章试验装置与分析方法 2 3 分析方法与仪器 2 3 1 分析方法 水温 p h 值 浊度 c o d n h 。一n d o b o d s s t p 2 3 2 分析仪器 温度计法 玻璃电极法 浊度测定仪法 仪器测定法 纳氏试剂比色法 电化学探头法 稀释与接种法 重量法 钼酸铵分光光度法 普通温度计 p h s 一3 c 型精密p h 计 s z d 一1 型散射光台式浊度仪 h a c h c o d 测定仪 u v 一7 5 4 型分光光度计 l r h 一2 5 0 a 生化培养箱 y s i 溶解氧测定仪 h g 8 5 一i 型电热恒温干燥箱 s a r t o r i o u s 电子天平 2 4 试验装置流程图 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 疆柚上 j式曝辩衄普赭聃 宙宣 ，黑焉。一 j d l m 目， * k j * * m ￥$ * * 第3 章曝气生物滤池填料的优选 3 1 引言 第3 章曝气生物滤池填料的优选 填料是曝气生物滤池的重要组成部分。首先，填料作为微生物的载体，影 响着微生物的生长、繁殖、脱落和形态。其次，填料起到吸附、截留污水中悬 浮物的作用。再次，填料起到切割、阻挡气泡的作用，可以增加气泡的停留时 间和气、液接触表面积，加快氧的转移速率，提高传质效果，从而减少曝气量， 节约能源，减少设备体积。因此，填料对曝气生物滤池的运行效果及能耗都有 十分重要的影响。同时，在建设曝气生物滤池处理系统时，购置填料的费用在 该系统总投资中又占有较大的比重o “。因而在保证生物滤池出水符合回用水质 标准的前提下，要尽量就地取材，选用价格低廉的填料，以降低建设费用。 3 2 国内外填料研究概况 国内外在填料的选用方面做了许多工作，涉及到填料的各个方面，如粒径 大小、比重、材质等。在国外，r e b e c c am o o r e 等在实验中采用了一种名为 “s t a r t l i g h tc ”的填料，通过对1 5 3 5 唧，2 5 4 5 嘞两种粒径范围填料 的处理性能进行对比，研究了粒径大小对曝气生物滤池处理性能的影响，结果 表明，采用较小填料时滤池的运行周期比采用较大填料时要小，而采用较大填 料时滤池更容易反冲洗，并能减少填料的流失，这有利于提高滤池的可操作性 “。a l l a n tm a n n 等则研究了悬浮( f l o a t i n g ) 填料与沉没( s u n k e n ) 填料对曝气生 物滤池处理性能的影响，并发现在高滤速和受到冲击负荷的情况下悬浮填料的 性能比沉没填料的要好“。在国内，清华大学在对微污染水源水进行预处理研 究时，通过对不同惰性填料的处理性能进行比较，发现页岩陶粒、砂子、大同 沸石和麦饭石优于其它填料，并认为页岩陶粒是较理想的填料“。天津大学在 对纪庄子二级出水回用进行研究时，通过对陶粒、石英砂、无烟煤三种填料性 能进行对比，也发现陶粒作为生物填料具有很大的优越性。目前，在陶粒填 北京工业大学工学硕士学位论文 出了酶促陶粒、球形轻质陶粒等新型填料，酶促陶粒主要是利用酶的催化作用来 加强处理效果”3 ，球形轻质陶粒则具有表面粗糙、密度适中、强度高、耐摩擦等 优点“。此外，田文华等人开发出了一种沸石滤料，采用该滤料的曝气生物滤池 对c o d 、n h 。一n 具有很好的去除性能“。软性填料方面，张万友等人在研究好氧生 物膜过滤装置时，开发了一种新型软性填料，该填料具有比表面积大、空隙率高、 生物膜附着性好、截污能力强、经久耐用等优点“。但上述这些新型填料都属于 专利产品，价格很贵，不能在全国范围内大量推广使用。 3 3 试验目的 本试验的目的就是通过对四种常规填料性能进行对比，优选出适合于曝气生 物滤池深度处理城市污水的填料。 对滤料进行优选的原则是：( 1 ) 挂膜速度快；( 2 ) 挂膜稳定；( 3 ) 对有机物 ( c o d ) 、浊度等污染物去除效果好。 3 4 试验条件 3 4 1 试验材料 本试验采用的四种填料分别是陶粒、石英砂、沸石、焦碳，物理性质见表3 1 。 四种填料的规格相同，粒径大小为2 6 m ，都购自b 市耐火材料厂。四种填料分 别装填于l 、2 、3 、4 号滤池中，装填高度为2 m 。采用卵石做垫层，高度为4 0 c m 。 表3 1 填料性质 t a b l e3 1m e d i ap r o p e r t y 名称松散容重( g 几)空隙率( )名称松散容重( g 几) i 空隙率( ) 陶粒 6 2 84 5沸石 1 3 5 7 l4 5 石英砂 1 4 2 54 5焦碳 5 0 0l5 8 第3 章曝气生物滤池填料的优选 3 4 2 试验水质 本试验时的水质见表3 2 ，t p 采用抽测的方式，其它项目为每天测定1 次。 表3 2 试验水质 t a b l e3 2w a t e rq u a li t y 序号项目数值 1水温1 2 0 1 8 5 ，平均1 6 o 2p h 值7 5 0 8 5 0 ，平均7 7 4 3浊度4 o 1 8 o n t u ，平均9 5 n t u 4c o d 5 3 1 1 8 m g l ，平均8 3 7 m g l 5t p小于o 5 m g l 3 5 试验结果分析与讨论 3 5 1 挂膜过程 对四个滤池的启动都采用自然挂膜的方式。3 月6 日开始挂膜，首先采用下 向流进水方式，水流量2 5 0 l h ( 滤速4 m h ) ，气水比为2 ：l ，3 月2 9 日上午测定 水样后改为上向流进水方式，水流量2 5 0 l h ，气水比为l ：l ，到4 月6 目滤池 挂膜结束。在挂膜初期，由于担心滤池的堵塞，平均两天进行一次轻度的反冲 洗。 3 5 2 挂膜情况分析 陶粒滤池挂膜期间c o d 去除情况如图3 1 ，在滤池运行到第2 0 天时，c o d 的去除率达到3 0 1 ，平稳持续了3 天。篼2 4 天在改变进水方式和气水比后， c o d 的去除率剧增到4 0 以上，并稳定了下来，由此判断，陶粒滤池挂膜完成。 造成滤池处理效果提高的原因：一是改变了进水方式，滤层下部分填料得到充 分利用：二是填料上的生物膜生长良好，对有机物的去除效果已经表现出来。 石英砂、沸石和焦碳滤池的挂膜情况如图3 2 、3 3 、3 4 所示。由于石英 砂表面显得较为光滑，生物膜生长较困难，在滤池反冲洗时生物膜容易脱落， 宏观表现为在挂膜期间对c o d 的去除率不能稳步增加，起落性比较大。和石英 砂情况一样，沸石和焦碳滤池在挂膜期间受反冲洗的影响也很大，出现了c o d 去除率大起大落的情况。 北京工业大学工学硕士学位论文 但在滤池改变进水方式后，平均去除率却高于陶粒滤池。石英砂、沸石和焦碳滤 池依次为5 3 9 、4 3 2 、4 4 4 ，而陶粒滤池为4 1 4 。原因可能是反冲洗虽对 填料上生长的生物膜冲刷比较大，但也同时提高了滤池的纳污截污能力。挂膜后 期，没有对滤池进行反冲洗，滤池的处理性能将会趋于稳定。从图中也可以看出， 挂膜后期石英砂、沸石和焦碳滤池对c o d 的去除率在逐步回落，最后维持在一个 较稳定的水平。 通过对挂膜过程进行分析发现，陶粒填料在挂膜时虽遭受频繁反冲洗，仍能 较快地挂膜，并且在生物膜稳定性方面比其它三种填料要好。另外，挂膜期间对 滤池频繁的反冲洗不利于挂膜的完成，滤池的挂膜需要一个较稳定的外部条件。 6 0 o 鐾4 0 o 啪 量2 0 0 0 o 3 83 一ll3 一1 4 3 1 73 2 0 3 2 33 2 6 3 2 94 14 4 日期 图3 1 陶粒滤池挂膜期间c o d 去除情况 f i g u r e 3 一lc o dr e m o v a lf o rc e r 锄i c sf i l t e rd u r i n gs t a r t u p 8 0 0 9 6 槲6 0 0 赣4 00 o 2 0 0 0 0 3 83 一1 13 1 43 一1 73 2 0 3 2 33 2 63 2 94 一l4 - 4 日期 图3 2 石英砂滤池挂膜期间c o d 去除情况 f i g u r e3 2 c o dr e m o v a lf o rq u a r t z i t ef i l t e rd u r i n gs t a r t u p 第3 章曝气生物滤池填料的优选 3 6 0 0 0 0 9 6 3 83 一l13 1 43 一1 73 2 03 2 33 2 63 2 94 14 4 日期 图3 3 沸石滤池挂膜期间c o d 去除情况 f i “r e3 3c o dr e m o v a lf o rz e o l i t ef i l t e rd u r i n gs t a r t u p 6 0 0 o 0 3 83 1 13 一1 43 1 73 2 03 2 33 2 63 2 94 一l4 4 日期 图3 4 焦碳滤池挂膜期问c o d 去除情况 f i g u r e3 4c o dr e m o v a lf o rc o k ef i l t e rd u r i n gs t a r t u p 6 0 0 0 0 4 i 稿 4 3 2 4 t4 陶粒石英砂沸石焦碳 滤池 图3 5 进水方式改变后各滤池对c 0 d 的去除情况 f i g u r e3 5c o dr e m o v a lr a t ef o rf i l t e r sa f t e ri n l e tm a n n e ra h e r a t i o n 5 3 各滤池处理效果对比 在进水流量为2 5 0 l h ，气水比为3 ：1 时，对各滤池在浊度、c o d 去除情况 1 7 帆 吣 加 糌篮咐o o u 吣 嘶 蚰 料餐玳o o u 帆 傩 柏 姗逝水岛o u 北京工业大学工学硕士学位论文 方面进行对比，具体情况如下： 3 5 3 1 浊度去除情况 从图3 6 可以看出，陶粒滤池对浊度的去除能力要略好于其它滤池。陶粒、 石英砂、沸石与焦碳滤池对浊度的平均去除率分别为为8 1 9 、7 5 4 、7 7 3 、 7 3 9 ( 见图3 7 ) 。 褂 凿 粕 剖 题 褂 篮 柏 蜊 爆 陶粒 - 沸石 - _ 石英砂 * - 焦碳 4 94 一1 04 1 14 一l24 13 4 一1 44 154 1 64 17 日期 图3 6 各滤池对浊度的去除情况 f i g u r e3 6t u r b i d i t yr e m o v a lf o rf i l t e r s f l o w2 5 0 l h ， a i r w a t e r