（环境工程专业论文）人工景观水体组合滤料曝气生物滤池水质净化技术研究.pdf

摘要 摘要 2 0 1 0 年世博会将在上海召开，世博园区优美的生态水体景观将成为体现“生 态世博、科技世博”的重要载体。然而，人工景观水体流动性差，水质易受污染， 尤其在世博会召开期间的藻类高发季节，水体水质的维护将成为急需解决的一 大难题。本课题针对传统景观水体水质控制技术脱氮除磷效果不佳的弊端，进 行了活性炭- 沸石组合滤料曝气生物滤池工艺的试验研究，为世博园区水景观的 牛态维护提供技术支持，也为国内其他人工景观水体的水质净化提供参考。 本课题对上海市大气干湿沉降外源污染对人工景观水体的影响进行了研 究，监测了绿地、水体旁、马路边、工地及高空5 个不同地点l - 7 月份的降尘 通量及有机物、营养盐氮及营养盐磷的沉降通量，根据监测结果和理论推导， 估算大气干湿沉降对人工景观水体富营养化的影响，并进行了模拟验证。 课题采用组合滤料曝气生物滤池对入学校园内的景观水体进行处理研究， 通过活性炭沸石组合滤料与活性炭、沸石滤料曝气生物滤池对不同污染程度的 景观水体的处理效能的对比研究，结果表明活性炭沸石组合滤料同时具备活性 炭对有机物及沸石对氨氮的高效去除性能，且有较强的抗氨氮冲击负荷能力； 针对组合滤料b a f 深度除磷脱氮效果欠佳的特点进行优化，分别进行了微絮凝 强化除磷和强化反硝化试验研究。研究结果表明：当气水比l ：l ，滤速2 m h ， 停留时间为4 0 m i n ，氯化铝投加系数为2 3 时，组合滤料强化除磷b a f t 艺对 c o d c ，、氨氮、总氮、总磷、叶绿素a 去除率分别为4 3 2 、7 3 1 、1 8 4 、 8 7 8 、7 7 6 ，除总氮外，出水达到l v 类水体要求；二级组合滤料曝气生物滤 池在投加碳源后，出水总氮能稳定降至1 8 m g l 以下，达到v 类水体要求。 课题进行了曝气生物滤池工艺的生物降解机理及动力学研究。探讨了反应 器内生物量及生物活性的影响因素，验证了异养菌、亚硝化细菌及硝化细菌与 c o d 、氨氮去除的良好相关性。通过对实验数据分析，建立一套只与进、出水 - 自机物浓度和反应器特性相关的有机物降解动力学关系式，得m 三种不同填料 b a f 的动力学常数，解释了三种填料b a f 玄除有机物效能的差别，并为实际工 程运行提供设计依据和参考。 关键词：人工景观水体，大气干湿沉降，组合滤料，曝气生物滤池，水质净化 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e2 010w o r l de x p ow i l lb eh e l di ns h a n g h a i t h eb e a u t i f u lw a t e re c o l o g i c a l l a n d s c a p ew i l ib eav i r t u a ip a r tt or e a l i z et h e “e c o e x p o ，s c i e n t i f i ce x p o ”h o w e v e r ， t h ea r t i f i c i a ll a n d s c a p ew a t e rw i t hl o wf l u i d i t yi sp r o n et ob ep o l l u t e d ，e s p e c i a l l y d u r i n gt h ee x p ow h e nt h ea l g a eo u t b r e a k s t h e r e f o r et h em a i n t e n a n c eo fg o o d q u a l i t yo ft h ew a t e ri sb e c o m i n ga nu r g e n tp r o b l e m a i m i n ga tt h ed i s a d v a n t a g eo f p o o rn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a le f f e c tb yt h et r a d i t i o n a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g y o fs c e n i cw a t e r ，t h ep a p e rs t u d i e do na c t i v a t e dc a r b o na n dz e o li t ec o n b i n e dp a c k i n g s b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b a f ) t h er e s u l to ft h es t u d yc a nb et h et e c h n i c a ls u p p o r t f o r t h ea r t i f i c i a l l a n d s c a p ew a t e r m a i n t e n a n c ei nt h ew o r l de x p op a r ka n da r e f e r e n c ef o rt h ew a t e rp u r i f i c a t i o no fo t h e ra r t i f i c i a ll a n d s c a p ew a t e r t h i ss t u d yc o n d u c t e dt h er e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c eo fs h a n g h a ia t m o s p h e r i cd r y a n dw e td e p o s i t i o np o l l u t i o nt ot h ea r t i f i c i a ll a n d s c a p ew a t e r ，m e a s u r e dt h ef a l l i n g d u s tf l u xa n dt h ed e p o s i t i o nf l u xo ft h eo r g a n i cm a t t e r ，t h en u t r i e n ts a l tn i t r o g e na n d t h en u t r i e n ts a l tp h o s p h o r u sn e a r b yt h eg r e e n b e l t ，t h ew a t e r ，t h es t r e e t ，t h ew o r ks i t e a n dt h eu p p e ra i r5d i f f e r e n tp l a c e sd u r i n gj a n u r yt oj u l y a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e d r e s u l ta n dt h et h e o r yd e d u c i n g ，t h ep a p e re s t i m a t e dt h ei n f l u e n c eo fa t m o s p h e r i cd r y a n dw e td e p o s i t i o nt ot h ee u t r o p h i c a t i o no ft h ea r t i f i c i a ll a n d s c a p ew a t e r ，a n dc a r r i e d o nt h es i m u l a t i o nc o n f i r m a t i o n t h i sp a p e rs t u d i e do na c t i v a t e dc a r b o na n dz e o l i t ec o n b i n e dp a c k i n g sb a f t e c h n i q u ei nt r e a t m e n to ft h el a n d s c a p ew a t e ro nu n i v e r s i t yc a m p u s m e a n w h i l et h e c o m p a r a t i v es t u d yo fb a fw i t hc o m b i n e dp a c k i n g s ，b a fo fa c t i v a t e dc a r b o na n d b a fo fz e o li t ei nt r e a t m e n to fl a n d s c a p ew a t e ri n d if f e r e n tp o ll u t i o nd e g r e es h o w e d t h a tc o m b i n e dp a c k i n gh a v eb o t ht h eh i g ho r g a ni cr e m o v a le f f e c to ft h ec a r b o na n d n h 4 + na n da l s ot h ea b i l i t yt oa g a i n s ts h o c kl o a d i n go fn h 4 + n t oi m p r o v et h e e f f e c to ft h er e m o v a lo ft pa n dt ni nt h ec o m b i n e dp a c k i n g sb a fp r o c e s s ，t h ep a p e r h a sc a r r i e do nt h em i c r o - f l o c c u l a t i o nf o rpe n h a n c e dr e m o v a la n dt h es t r e n g t h e n e d d e n i t r i f i c a t i o ne x p e r i m e n t a ls t u d y t h er e s u l t so fm i c r o f l o c c u l a t i o nt r i a l ss h o w e d i i a b s t r a c t w h e ng a s w a t e rr a t i ow a s1 ：1 ，f i l t r a t i o nr a t ew a s2 m h ，t h er e s i d e n c et i m ew a s4 0 m i n ， t h ed o s i n gc o e f f i c i e n to fa l u m i n i u mc h l o r i d ew a s2 3 ，t h ee f f e c t so fc o d c r , n h 4 + - n ， t n ，t pr e m o v a l sw e r et h e4 3 2 ，7 3 1 ，18 4 ，8 7 8 ，7 7 6 b yt h ee n h a n c e d p h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e s sb a fw i t hc o m b i n e dp a c k i n g s e x c e p tf o rt h et n ，t h e e f f i u e n tr e a c h e dt h ei vs t a n d a r d a f t e ra d d i n gc a r b o ns o u r c e t h et no ft h ee f f l u e n t f r o mt w o - s t a g eb a fw i t hc o m b i n e dp a c k i n gd e c r e a s e dt o1 8 m g l ，a c h i e v i n gt h ev w a t e rs t a n d a r d t h ep a p e rs t u d i e do nt h ea e r a t i o nb i o d e g r a d a t i o nm e c h a n i s ma n dd y n a m i c so f b a f , d i s c u s s e dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o ro ft h eb i o m a s sa n dt h eb i o a v t i v i t y ，t h er e l a t i o n s b e t w e e nt h ed o m i n a n tb a c t e r i aa n dp o l l u t a n tr e m o v e b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a ， t h es t u d yb u i l tak i n e t i c sm o d e lo fo r g a n i cd e g r a d a t i o nw h i c hw a so n l yr e l a t e dt ot h e o r g a n i cc o n c e n t r a t i o no fe f f l u e n ta n dh e i g h to ft h er e a c t o lc o n c l u d i n gt h ek i n e t i c s c o n s t a n t so ft h r e eb a fw i t hd i f f e r e n tp a c k i n g s t h em o d e la l s oe x p l a i n e dt h e d i f f e r e n c ei no r g a n i cr e m o v a le f f e c to ft h r e eb a fw i t hd i f f e r e n tp a c k i n g sw h i c h o f f e r e dt h ed e s i g nb a s i sa n dr e f e r e n c ef o rp r a c t i c a le n g i n e e r i n ga n do p e r a t i o n k e yw o r d ：a r t i f i c i a ll a n d s c a p ew a t e r ，a t m o s p h e r i cd r ya n dw e td e p o s i t i o n ，c o m b i n e d p a c k i n g so fa c t i v a t e dc a r b o na n dz e o l i t e ，b a f ，w a t e rp u r i f i c a t i o n 1 1 1 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 年月日 一签畸珈谚 ) 年月k 日 易a 勿 昂 葺羔衍!戥阴 文甜一 论妙 一兰 剿 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签嘶碎，吻 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 人工景观水体富营养化问题 景观水体大致可分为四类：天然湖泊、各种景观用河道、城市公园及中心 绿地内的人工湖泊以及住宅区内与房地产开发相配套的人工水景，本课题主要 以公园、绿地内人工湖泊与住宅小区内的人工景观水体为研究对象，其特点为 水域面积相对较小，水体流动性较差，且易被污染，富营养化现象严重。 水体富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 的提出，与湖泊营养分型和演变的研究有关。 w e b e r ( 1 9 0 7 ) 和n a u n a n n ( 1 9 1 9 ) 先后提出了贫营养( o l i g o t r o p h i c ) 和富营养 ( e u t r o p h i c ) 湖泊的概念i lj 。通常，富营养水体具有较高的氮、磷营养物质浓度 和很高的生物生产力水平，富营养水体通常都表现出高浓度的浮游藻类，特别 是在夏天高温季节，浮游藻类的大量繁殖，由于占优势的浮游藻类的颜色不同， 所以水面往往呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等，这种现象在江、河、湖泊中 称为“水华”，在海洋中则称为“赤潮”。人工景观水体的富营养化是水体衰老的一 种现象，指水流缓慢、更新期长的景观水体因氮、磷等植物营养元素丰富，水 体生物生产能力提i 苛，在合适的温度和光照条件下，某些特征性藻类( 蓝藻、 绿凛等) 异常增殖、水质恶化的过程【2 ，3 1 。 1 1 1 人工景观水体富营养化发生机理 藻类是水体富营养化的指示性生物，温度和光照是影响藻类生长、繁殖的 主要环境条件，前者影响细胞内酶的活性，后者提供细胞代谢所需的能量i 4 】。水 体流态也会影响藻类繁殖，富营养化容易发生在水流比较缓慢、水深较浅、相 对封闭的水域【4 5 j 。 藻类需要的营养物质包括碳、氮、磷和微量元素1 6 】。藻类对微量元素的需求 很小，一般自然水体中的微量元素足够维持藻类生长，藻类的碳源是溶于水中 或有机物分解产生的c 0 2 ，由于水中c 0 2 处于碳酸盐缓冲平衡体系中，被消耗 后随即由空气补充，碳源对藻类的生长不具有控制性【6 】。因此，氮和磷是水体富 营养化的关键因素。氮是藻类生长的重要营养盐，在水体中以有机氮、氨氮、 第1 章绪论 硝态氮和亚硝态氮四种形式存在，藻类利用各种形式氮的优先顺序为氨氮 有机 氮 硝酸盐氮 亚硝酸盐氮【7 1 。另外，多数蓝藻具有i 古l 氮能力，能够将大气中的氮 转化为有机氮1 3 , 6 】。l i e b i g 最小定律认为植物的生长依赖于存在量最少的关键营 养物质，在藻类生长的j 种主要营养物质中，仅有磷无法从大气中获得，因此 多数情况下磷是水体的限制性营养物质，磷的含量控制着藻类生长和水体生产 j t j l 4 , 6 。j o n e sjr 等【8 】对不同湖泊的监测研究表明，水体叶绿素浓度与t p 浓度存 在较好的线性相关关系，l g 叶绿素= 1 0 9 + 1 4 6 1 9 t p ，r = 0 9 5 。 人工景观水体中氮、磷的来源分为外源性和内源性，前者包括流入水体的 含氮、磷的生活污水、大气降尘、地表径流以及水体中生物的固氮作用等，后 者指底泥中原有氮、磷的释放，底泥是水体底部长期积存韵沉积物，在一定条 件下底泥中的污染物会向上覆水体释放，氮在微生物的分解作用下溶出，好氧 时以硝态氮溶出，厌氧时以氨氮溶出为主，磷仅在厌氧状态下以磷酸盐形式溶 山【9 ，i o u uo 另外，人工景观水体一般为静止或流动性差的封闭缓流水体，面积和深度 都不大，水环境容量小，水体自净能力低，很容易因外界污染的注入而接纳过 多的氮、磷营养物质，而长期沉积在底泥中的氮、磷等营养盐的释放又加重了 水体富营养化的程度，在温度和光照适宜时极易引发藻类疯长和水体富营养化 现象。 1 1 2 水体富营养化的危害 富营养化己成为我国水体污染的重大问题之一，已对某些水体的水资源利 用产生了严重影响，具体危害主要表现在以下方面i l i j ： ( 1 ) 水质恶化水体中蓝藻和绿藻大量繁殖，浮游植物个体数剧增；水体 中悬浮物数量( 细菌等) 增加；产生有异味的有机物质。 ( 2 ) 深层溶解氧降低当水体中中深层溶解氧为零时，底部沉积物附近形 成还原状态，会引起一系列严重的后果，如：有机物降解不完全，产生甲烷气 体，硝酸盐还原，发生脱氮反应，硫酸盐还原形成h 2 s 气体，底泥中铁、锰溶 出，在底泥附近形成f e 2 s 3 ，底质中的磷溶出等，从而影响水体水质。 ( 3 ) 水华现象的发生富营养化水体在光照、温度适宜的条件下发牛的藻 类暴发的现象称为“水华”。在富营养化比较严重的水体中，会频发“水华”。以铜 2 第1 章绪论 绿微囊藻为主的“水华”，犹如在水面上流动的绿漆，腐败分解后，发出恶臭，严 重地破坏了该湖的水功能以及周围的环境。 ( 4 ) 水体景观价值降低甚至丧失水体一旦发生富营养化，藻类将大量繁 殖，使水体透明度下降，水体浑浊，臭味弥漫，风景大煞，水体的旅游观光价 值大减。公园景观水体作为公园中一道亮丽的风景，是其必不可少的重要组成 部分，也是对游人产生吸引力的源泉之一。公园水体如果发生富营养化，水体 颜色变黑变绿，气味变臭，游客对它只能“可望而不可及”。 1 2 人工景观水体非点源污染研究现状 造成人工景观富营养化的外源污染源类型很多，大致可分为点源和非点源 二大类到1 2j 。点源污染包括工业废水、城镇生活污水、固体废物处置场等，由 于点源污染来源的特殊性，通常不作为一般景观水体的主要污染源考虑。非点 源污染是指在降雨径流的淋溶和冲刷作用下，大气、地面和土壤中的污染物进 入江河、湖泊、水库和海洋等水体而造成的水环境污染。其特点是：由于没有 固定的污染源，往往具有随机性、潜在性、复杂性和隐蔽性，冈此不易得到有 效控制。据美国、口本等国报道，即使点源污染得到全而控制，江河的水质达 标率仍仅为6 5 ，湖泊仅为4 2 。美国非点源污染量占污染总量的2 3 。我国水 环境也存在着严重的非点源污染问题。在太湖、滇池等重要湖泊，非点源污染已 成为水质恶化的重要原因之一一【1 6 j 。人工景观水体非点源污染类型及其研究现 状如下： ( 1 ) 雨水径流污染：雨水在降落过程中混合了空气中的尘埃和污染物，在 路面、屋顶、场地、绿地、沟坡等地方的淋溶及流淌冲刷过程中融合了各种污 染物质，是景观水体重要的污染源之一。 在非点源污染研究中，雨水径流污染无疑为一个热点，国内外对雨水径流 污染的研究主要包括：雨量与径流水质、径流污染负荷估算、雨水径流模型研 究等。 同济大学的李田等【1 7 , 1 8 】对上海市城区非渗透性地表径流进行了为期3 年的 采样调查，结果表明上海城区地表径流中c o d 、b o d 5 和s s 质量浓度中值或者 均值均大大超过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 ) 三级标准： 营养类污染物情况稍好。与国外相关研究结果相比，b o d 5 与n h 3 n 浓度之高更 第1 章绪论 是突出，说明人口高度密集的上海市中心城区地面污染状况严重：研究还估算 了单位面积径流年污染负荷。2 0 世纪9 0 年代后，非点源污染模型加强3 s ( g i s 、 g p s 、r s ) 技术在其定量负荷计算、管理和规划中的应用研究i l 引，在对过去城 市径流非点源污染模型多年应用经验进行总结的基础上，不断地完善和提高己 建立的模型，推出新的模型2 0 】。 ( 2 ) 大气干湿沉降：大气中的污染物可通过降雨、固体沉降或漂移直接排 入景脱水体。大气沉降的营养盐可分为颗粒形式和可溶形式，溶解态通常占优 势。 当前的大气环境监测中，仅监测大气降尘通量，对降尘污染物组成研究较 少【2 1 1 ，尤其是对降尘中有机成份及营养盐含量的研究则更少。 从降尘量来看，在过去的1 9 9 8 2 0 0 7 这1 0 年中，上海市的降尘污染有较为 明显的改善 2 2 , 2 3 】。从全市来看，由1 9 9 8 年的1 5 5 t k m 2 m 下降到2 0 0 7 年的低于 8 t k m 2 m ，约减少了5 0 。另外，林国珍掣2 4 】研究在湖北、陕西、河北、上海、 北京等处共采集九个离地表2 0 米处的电网绝缘子表面沉积的大气降尘样品，对 其水溶性部分首先用有机溶剂进行有机物的分离萃取，并用重量差减法分别计 算出样品中可溶物含量及有机物在可溶物中所占百分比。 ( 3 ) 引水污染物：由于水量蒸发等引起的水量耗损，需要对水体定期补水， 不同补水将会带来不同程度的污染。 引水污染根据引水水源( 一般景观水的水源为自来水、河水、再生水及地 下水) 的1 i 同而存在较大差别，通常以河水和再生水为补水会带来较大的污染， 而自来水可认为无污染物进入。 引水污染已成为景观水体富营养化的主要原因之一。以上海为例，上海地 处长江下游，上游大量富营养物质积聚在这一地区，水源中所含的氮、磷、碳 和钾等元素偏高，加上酸雨和降尘，景观水的水源质量先天不足。 ( 4 ) 其他污染：如周边绿化的枯枝落叶引入的污染源公园景观水体的护岸 栽植有多种园林植物，包括落叶乔木，以及水生植物，因此水体中不可避免地 有人量植物落叶凋落于水体，腐烂产生有机污染物，并造成底泥淤积f 2 5 】，f 2 6 】。 此类污染研究主要集中在植物的枯枝落叶及水生植物生物量在湖内的自然 腐烂分解带来的氮、磷营养元素的释放量，生物沉积的速率以及由此引起的营 养元素沉积速率等。 清华大学李睿华等【2 7 】研究了河岸美人蕉和香根草的生长繁育及其腐烂规 4 第1 章绪论 律。对美人蕉和香根草河岸带中美人蕉和香根草的生物量、地下和地上生物量 及固定的氮、磷量，及经过1 3 0 d 浸泡腐烂实验后重量、全磷、全氮含量进行了 测定。李文朝等【2 8 】以东太湖挺水植物、浮叶植物、沉水植物优势种的茎叶为实 验材料，并引入原位底泥中的微生物，在室内开展了为期l 周年的水生植物生物质 腐烂分解实验，对总重量以及碳、氮、磷的消减过程特征进行了分析研究。 由上可知，造成人工景观水体富营养化的各类非点源污染中，国内外对雨 水径流污染的研究已经较为系统、成熟，对植物腐烂带来的氮磷营养元素的释 放也进行了相应的研究，而作为景观水体重要的非点源污染之一的大气降尘污 染，对其相应的研究则相对较少，大气降尘对景观水体的影响仅从定性的角度 进行评价，而缺乏实际调研数据的支撑和科学合理的估算。 1 3 人工景观水体水质控制技术现状及发展 1 3 1 目前常用的水体水质控制技术 由于人工景观水体一般都属于有机低污染水体，因此其处理技术在某些方 面与湖泊处理技术相似。对于低污染景观水体的治理丁艺分为以下三类：第一 类为物理方法，如底泥疏浚、换水稀释方法等：第二类为化学方法，如投加除 藻剂、沉磷剂等：第j 类为生物处理方法，常见的生物处理方法包括种植水生 植物、渗滤、滤池、生物流化床和生物接触氧化等生物处理技术。 传统的水体水质控制技术，不仅能耗高，操作管理要求严格，而且在处理 过程中所产生的臭气、污泥与噪声等问题极易给环境带来二次污染。人工景观 水体规划、设计的初衷在于美化环境，提升城市整体形象。因此，在水体水质 控制技术的选择上，污染控制与景观效应兼备的生态化水质控制技术成为当今 景观水体水质控制技术的主流。 ( 1 ) 充氧曝气技术 充氧曝气技术就是根据水体受到污染后缺氧的特点，通过人工方法实现水 域曝气，让富氧水与贫氧水进行交换，使整个水体由死水变为富含氧气的流动 水，以恢复和增强好氧微生物的活力，使水体中的污染物质得以净化，从而改 善水体的水质1 2 9 】。 2 0 0 0 年1 30 | ，在上海浦东新区利用多功能水质净化船，对河床断面为9 6 m 2 ， 第l 章绪论 长达3 k m 的张家浜河段进行大面积、大幅度的地毯式河道曝气复氧，处理水体 总容量约2 3 3 3 1 0 4 m 3 。曝气4 5 天后基本消除了张家浜河道的黑臭，水体中溶 解氧浓度达到7 m g l ，水体中c o d c ，、b o d 5 、n h 3 n 、t p 浓度分别维持在2 5 m g l ， 7 m g l ，l m g l ，0 1 m g l 左右，水体主要水质指标基本达到地表水环境质量 标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) i v 类水质标准。 ( 2 ) 人工湿地技术 人工湿地系统利用微生物、植物、滤料之问一系列物理、化学以及生物过 程达到水质净化的目的，具有能耗低、效率高；耐冲击负荷能力强：运行维护 简便；脱氮、除磷功能兼备并且生态景观效益明显等特点。其去除污染物的机 理包括：有机物去除：需氧过程、兼气性分解和缺氧作用；脱氮：植物吸 收和生物转化过程；除磷：沉淀、微生物固化作用：重金属去除：沉淀和 吸附作用。 上海梦清同人工湿地水质净化示范工程是一个成功的典型3 1 】，其净化源水 为苏州河水，工艺流程如图1 1 所示。 瓤 河 图1 1 上海梦清园牛态净化系统工艺流程 该示范t 程白2 0 0 4 年7 月起试运行，整个系统对c o d c ，、b o d 5 、n h 3 n 、 t p 的去除率分别达到2 5 ，2 3 ，7 4 ，4 3 ，水体中的污染物质得到有效去 除，出水c o d c r 达到地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) i v 类标准，b o d 5 接近i v 类标准，t p 达到v 类水质标准，n h 3 n 接近v 类标准。 ( 3 ) 传统曝气生物滤池技术 曝气生物滤池最大的特点是集生物氧化和截留悬浮固体于一体，节省了后 续二次沉淀池和污泥回流，在保证处理效果的前提下使处理工艺得以简化。陆 洪宇【3 2 】等人运用以悬浮滤料为滤料的曝气生物滤池对苏州拙政同内花同景观水 体进行处理研究。研究表明：该技术能够有效地去除景观水中的c o d ，氨氮、 浊度，对c o d 去除率为4 0 - 6 0 ，n h 3 - n 去除率高达9 0 左右，出水浊度低于 5 n t u ，同时对水体中的t n 也有一定的去除效果，平均去除率约2 0 左右。 6 第1 章绪论 1 3 2 水体水质控制技术发展趋势 充氧曝气、人工湿地、传统曝气生物滤池等生态化处理工艺，因其对有机 物及氨氮的高去除效果，且在处理过程中，产生的二次污染少，适用于景观水 体的水质控制。目前，景观水体富营养化严重，而水中氮磷污染物是影响水体 富营养化的关键因素之一。充氧曝气、人工湿地及传统曝气生物滤池等目前常 用的水质控制工艺深度脱氮除磷效果极为有限。因此，在这些技术成熟的生态 化处理工艺上进行改革与创新，形成具有良好脱氮除磷效果，运行更为稳定的 高效、生态化的新型景观水体水质控制技术已成为研究热点及发展趋势。 1 4 曝气生物滤池技术研究现状与存在问题 1 4 1 曝气生物滤池发展、原理与特点 最早的曝气生物滤池出现于2 0 世纪初期，其发展可以追溯到早期淹没式滤 池以及后来在德国出现的e m s c h e r 滤池。现代意义的曝气生物滤池在二十世 纪7 0 年代末、8 0 年代初出现于欧洲大陆，主要应用于沉淀后污水碳氧化和脱氮 除磷、二级出水后的三级处理，以及对工业废水的处理上。9 0 年代以来有关曝 气生物滤池的技术方法、工艺流程不断完善，在滤料选择、反冲洗技术的改进 以及提高滤速研究等方面取得了一定的进展，其应用领域大为拓宽【3 引。 曝气生物滤池是介于活性污泥法和生物滤池的一种水处理技术。其工艺原 理为，在滤池中装填一定量粒径较小的粒状滤料，滤料表面生长着生物膜，滤 池内部曝气，污水流经时，利用滤料上高浓度生物膜量的强氧化降解能力对污 水进行快速净化，此为生物氧化降解过程：同时，因污水流经时，滤料呈压实 状态，利用滤料粒径较小的特点及牛物膜的牛物絮凝作用，截留污水中的悬浮 物，且保证脱落的生物膜不会随水流山，此为截留作用；运行一定时i n j 后，凶 水头损欠的增加，需对滤池进行反冲洗，以释放截留的悬浮物并更新生物膜， 此为反冲洗过程1 3 4 , 3 5 】。 曝气生滤池具有以下特点：粒状滤料作为生物载体，载体孔隙率大，比 表面积大，生物量丰富；能同步发挥生物氧化和物理截留作用；氧转移和 利用效率高；处理效率较高，出水水质好；运行过程中通过反冲洗去除滤 第l 章绪论 层中截留的污染物和脱落的生物膜，不需要二沉池；充分借鉴了单元反应器 原理，采用模块化结构设计，为整个工艺的紧凑化、设备化及改扩建提供了有 利条件；反应器沿水流方向呈明显的空间梯度特征。 1 4 2 曝气生物滤池研究现状 1 4 2 1 曝气生物滤池滤料研究 颗粒滤料是决定曝气生物滤池净化效能的最主要因素之一，颗粒滤料不仅 是过滤的截留介质和纳污载体，还是重要的生物载体，因此滤料的性能对曝气 生物净化效能、运行特性及基建费用有着十分重要的影响。目前，曝气生物滤 池滤料研究主要集中在以下两方面： ( 1 ) 滤料类型对曝气生物滤池的影响研究 曝气生物滤池所用滤料，根据其采用原料的不同，可分为无机滤料、有机 高分子滤料。常见的无机滤料有陶粒、焦炭、石英砂、活性炭、膨胀硅铝酸盐 等，有机高分子滤料有聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等。不同的滤料特性对生 物膜的性状、氧的利用率和水力分布条件都起着重要的影响。 目前国内外学者对滤料类型对曝气生物滤池的影响效果的研究较多。在国 外，k e n t 和w i l l i a m s 等人i 如1 依据b e w a ( t h eb r i t i s he f f l u e n ta n dw a t e ra s s o c i a t i o n ) 标准，对常见的7 种可用作曝气生物滤池的滤料进行了系统试验分析，认为 a r l i t a ( 膨胀球形粘土) 最适合作为曝气生物滤池的滤料。w o n s e c kc h a n g 等【37 】以 天然沸石和砂粒为填料研究b a f 对纺织废水的处理效果发现：天然沸石对纺织 废水的处理效果优于砂粒的处理效果。这是因为天然沸石具有更强的阳离子交 换能力和更大的比表面积。在国内，对以陶粒为曝气生物滤池滤料的研究较多。 江萍等1 3 8 】对轻质球型陶粒b a f 工艺处理生活污水的研究结果表明：国产轻质球 型陶粒固着微生物量人，挂膜快，寿命长，充氧能力强，b o d 去除率达9 0 ， 氨氮去除率8 0 。由于沸石价格低廉，贮量丰富，且具有表面粗糙，比表面积 大，孔隙率高等优点，最近以沸石为曝气生物滤池填料的研究也有少量报道。 如田文华等1 3 9 l 用沸石b a f 处理生活污水的中试结果表明：当水力负荷为2 2 m h 时，对c o d 、氨氮和浊度的去除率分别可达7 3 9 ，8 8 4 ，9 6 2 。 ( 2 ) 滤料的物理特性对曝气生物滤池处理效果的影响研究 8 第l 章绪论 滤料粒径的对滤池处理效果和运行周期都有重要的影响。k e n t 等【4 u j 人研究 了曝气牛物滤池去除n h 3 n 试验表明，滤料粒径为2 4 m m 比4 - - 一8 m m 、5 6 1 1 2 r a m 在硝化功能方面表现更佳。田文华等【4 1 】研究滤料粒径对曝气生物滤池的 影响表明，对于粒径分别为2 3 m m 和4 5 m m 的沸石滤料的硝化功能进行试 验，存硝化滤池中选用2 - - 3 r a m 的沸石滤料比较适宜，既不影响运行周期，又 能提高硝化功能。m o o r e l 掣4 2 】人以s t a r l i g h tc 为滤料研究了粒径与反应器运行 周期之间的关系，结果表明滤料粒径越大，运行周期越长，且大粒径滤料易与 水分离，可加快反冲洗过程。 1 4 2 2 曝气生物滤池脱氮研究 p c h u d o b a 和r p t l j o 4 3 通过采用三阶段曝气生物滤池对预处理后的市政污水 进行处理，三阶段曝气生物滤池在功能上划分为去除有机物、硝化反应、反硝 化反应，总停留时间为3 小时，上升流速分别为6 3 m h ，6 3 m h ，1 2 5 m h ，结 果表明c o d 去除率在9 0 以上，总氮浓度由4 6 m i g l 降至6 5 m g 几。在韩国电 子r t 业废水处理中，利用两级牛物滤池进行硝化反硝化脱氮，好氧水力停留时 间为1 3 6 h ，厌氧水力停留时间为0 8 4 h ，硝化率达9 9 5 ，总氮玄除率达剑 9 0 7 1 4 4 j 。有关曝气对硝化速率的影响研究发现，采用不同的曝气方式和曝气量 对氨氧化过程的影响小于亚硝酸盐氧化过程，而在有机物存在时，间歇曝气和 低曝气量可使反应器具有一定程度同步硝化反硝化能力。邱立平等人1 45 | 在曝气 生物滤池运行过程中出现了明显的亚硝酸盐积累现象，而出水和在反应器内不 同部位取样分析均未发现n 0 3 n 的相应增加，与此同时t n 去除率却能达到 6 0 ，认为是由于反应器内发生了短程硝化反硝化而其原因是由于填料为异养 菌、自养莴和反硝化细菌分别占据不同生态位、形成合理的微环境体系提供了 有效的载体，较低的曝气量和定期反冲洗又使得竞争能力较弱的n 0 2 n 氧化细 菌不能在反应器内形成优势群体而被自然淘汰，因而氨氧化产生的n 0 2 n 可直 接被反硝化去除。p u z n a v a l 4 6 j 等研究了低曝气一体化硝化反硝化曝气生物滤池的 处理效能，通过调整曝气量，将反应器内的溶解氧控制在0 5 3 m g l ，从而实现 了同步硝化反硝化。 9 第1 章绪论 1 4 2 3 曝气生物滤池除磷研究 t c l a r k 等人1 47 j 在曝气生物中投加硫酸亚铁除p ，实验结果表明硫酸亚铁的 投加量按照f e ：p 质量比1 2 5 ：l 时即可获得良好的去除效果，p 去除率大致在 7 5 9 7 之间，同时，硫酸距铁的投加对曝气生物滤池的长期运行并没有显著的 影响。采用直接投加化学除磷剂除磷的德国k l o n 污水处理厂除磷效率达到7 0 以上，处理出水的总磷小于o 5 m g 几t 4 引。另外，由于在生物膜系统中可以通过交 替进行的厌氧好氧过程实现磷的释放和吸收，因此曝气生物滤池也可在脱氮过 程中实现除磷。p a k 等1 4 引利用两座曝气生物滤池交替进行厌氧好氧运行取得一 定的同步脱氮除磷效果，p a k 认为影响牛物除磷的辛要因素为c o d t p 和水力停 留时间，而好氧过程产生的硝态氮及反冲洗强度都会对除磷产生一定的影响。 1 4 2 4 曝气生物滤池生物膜研究 生物膜是附着在固体表面的微生物体的层状聚集。生物膜占生物总量的 9 9 9 9 9 。目前，关于生物膜对水中微生物营养基质的去除机理已进行了广 泛的探讨，建立了一些数学模型，如稳态生物膜模型和非稳态生物膜模型。有 关生物膜结构特征、生物活性、生物种群构成、污染物负荷、传质效率、扩散 效率、水力条件、处理效率与反应器微生物特征相关性的研究近年来比较活跃， f d z p o l a n c o 等【5 0 】探讨了工艺参数变化与生物膜生长及硝化菌活性的关系：生物 膜生长速度与滤池的高度、氨氮的浓度及充氧有关，硝化菌的活性主要受氨氮 浓度和温度的影响。f d z p o l a n c 等1 5 l 】还研究了硝化曝气生物滤池中异养菌和硝化 菌的空间分布清况，发现当c o d 5 小h 3 n 4 时，牛物膜内将出现不同的功能分 区；通过测定耗氧速率发现硝化细菌、亚硝化细菌及异养细菌在反应器中的空 间分布与c o d 5 浓度有关，呈明显的分区分布。s v i l l a v e r d e 等f 5 2 】研究了曝气生 物滤池的p h 值对硝化菌硝化活性的影响。通过采用分子生物学技术、扫描隧道 显微镜技术等检测手段，提高了生物检测的灵敏性和准确性，使得生物膜的研 究j 下得以广泛而深入地进行，成为一个较前沿的领域。 1 4 2 5 反应动力学研究 生物膜反应器系统的动力学研究己进行得比较深入，在m o n o d 公式的基础 l o 第l 章绪论 上建立了一系y 0 生物膜反应动力学模型，如比较著名的反应一扩散理论、我国 学者刘雨等提出的表面反应理论等等，但是直接针对曝气生物滤池的动力学研 究报道还很少。h a m o d a 】通过对曝气生物滤池处理合成碳水化合物废水的研 究，提出了一种理论模型，他认为底物利用速率是底物浓度的双曲线函数，固 体停留时间是水力停留时间、有机物负荷等的函数。m a n n ”】等则推导出了以 c o d c ，的进出浓度及反应器高度为参数因子的经验模型，在试验中对模型进行了 应用研究，并在预测试验中取得了满意的结果。目前许多学者认为好氧生物膜 过滤反应器的总反应级数为一级，但在具体的处理理论和数学模型形式上还有 许多分歧。同时由于运行条件及处理对象、处理日的的不同，许多经验模型缺 乏普遍性，理论模型又过于复杂而实际指导意义差，所以进一步对曝气生物滤 池的反应动力学进行深入探讨是研究曝气生物滤池处理机理的主要工作之一。 1 4 3 人工景观水体应用曝气生物滤池技术存在的问题 曝气生物滤池处理技术作为一项新兴的给水处理技术，正处在不断发展和 完善的过程当中。虽然国内对其进行了广泛的研究，但是，由于各种原因，真 正投入使用的曝气生物滤池在国内并不多见，该工艺还存在许多关键性的技术 需要进行进一步的深入探讨。人工景观水体富营养化严重，水中氮磷污染物是 水质控制的关键要素之一，其水质净化技术应具有良好脱氮除磷效果，且运行 稳定、高效、生态化。凶此，为实现曝气生物滤池技术在处理人工景观水体上 的应用，应进一步研究以下相关问题： ( 1 ) 开发新型滤料，优化曝气生物滤池滤料，提高b a f 对景观水体的处理 效能和抗冲击负荷能力。 ( 2 ) 研究投加化学药剂除磷与b a f 脱氮联合工艺来i 苛效去除人工景脱水体 中的总磷。 ( 3 ) 研究快速有效反冲洗方式