（环境工程专业论文）曝气生物滤池处理城市纳污河道废水的运行特性及生物学研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 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 究作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。 论支作者签名：垫垫 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向图家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅：本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：岳寤、 导师签名：三坌!日期：盆盛。 ：；， 山东大学硕士学位论文 摘要 本文选择污染严重、具有典型流域内污染代表性的济南市小清河支流全福 河( 上游称窑头大沟) 作为研究示范区域，采用以上流式曝气生物滤池、( b a f ) 废水处理工艺为主，并集成化学除磷技术，以实际纳污河道废水为处理对象，以 达到净化水质和污水回用的目的，并对曝气生物滤池的运行特性及主要影响因 素、微生物生态学特征、底物去除动力学以及b a f 后置化学除磷技术进行了试 验研究和理论探讨。 b a f 挂膜启动试验结果表明，b a f 去除有机污染物挂膜较迅速，挂膜启动 约1 5 天后，有机物去除率能稳定在7 5 以上；b a f 硝化细菌的挂膜有明显的滞 后现象，大约在挂膜启动3 0 天左右时，反应器才逐渐具有一定的硝化能力。 曝气生物滤池运行特性试验表明，水力负荷、气水比和填料高度对b a f 处 理效果有较大影响。对于c o d 和n h 3 - n 的去除，当气水比为3 ：l ，水力负荷 为1 2m 3 ( m 2 h ) 时，二者均能达到最佳去除效果。出水c o d 在5 0 m g l 以下，去 除率可以达到8 0 以上；出水n h 3 - n 浓度在1 0 m g l 以下，去除率可以达到8 0 以上；大部分c o d 在靠近进水端填料层内得到去除，而硝化作用主要集中在b a f 的出水端附近。b a f 对悬浮物( s s ) 有较高且稳定的去除能力，且受水力负荷、 气水比的影响较小，出水浊度能稳定在5n t u 以下。b a f 具有较强的再启动恢 、复能力；在低温条件下，b a f 去除n h 3 - n 的效果受到影响，但出水c o d 仍可 达标，悬浮物的去除受影响不大，即使在较低温度下，出水浊度仍可在1 0n t u 以下，除浊效果较好。 b a f 微生物学研究表明，曝气生物滤池的活性生物量受营养基质浓度的影 响较大，在有机物浓度较高的进水端生物量丰富，而出水端附近的生物量较少。 生物膜活性与生物量不完全成正相关，由于生物膜中存在营养基质扩散的限制， 尽管生物量增加，但生物膜活性有时反而会降低。进水端附近大约4 0 c m 厚的填 料内，生物量和生物活性较高，大部分的有机物在这一段得到去除；随着水流向 出水端流动，生物量和生物活性总体呈降低趋势，但硝化细菌逐渐大量生长，这 对于n h 3 - n 的硝化有着重要的意义。 山乐大学燎学位论文 i i l l 1 i i i 置鼍 + 本研究在m o n o d 公式黔基确上，并假设b a f 为总体近似推流、局部完全混 会的生物反应器，推导了b a f 底物去除动力学模型，并根据试验结果确定了模 型常数。结果表明，曝气生物滤池对底物的去除动力学模型可描述为一级反应。 本试验中，在进水水质和滤料一定的情况下，模型常数k 仅为水力负荷v 的函 数。动力学模型揭示了曝气生物滤池处理纳污河水的机理，对于工程设计和处理 效果预测均具有指导意义。 试验采磊后置化学混凝法除磷，混凝剂筛选试验表骧，聚合硫酸铁( 阡s ) 是理想的化学除磷混凝荆。当p f s 投加量为3 5m g l 时，总磷和磷酸盐的去除率 分别达到8 6 和9 1 以上，出水总磷浓度可降低到0 3 8m g m ，磷酸盐浓度可以 在0 2 0m g c 以下。应用p f s 在去除污水中总磷的同时，对b a f 出水的c o d 和 浊度都有不同程度的降低，c o d 可由约8 0m g l 降低到4 4m g m ，浊度可豳3 5 n t u 降低到大约1 1n t u ，毒水水覆得到进一步改善。 关键词：曝气生物滤池；运行特性；生物活性；胞外多聚物；动力学模型；化 学除磷 2 出东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，i no r d e rt oo v e r c o m es o m es h o r t c o m i n g so ft r e a t m e n to fc o n t a m i n a t e d r i v e r ，t h er e p r e s e n t a t i v ex i a o q i n gr i v e r ，w h i c hi sb a d l yc o n t a m i n a t e di nj i n a nc i t y ， c h i n a , w a sc h o s e na st h ep a r a d i g m a t i cr e s e a r c ha r e a 。ab i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b a f ) r e a c t o rc o m b i n e dw i t ht h ec h e m i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a lt e c h n i q u ew a se m p l o y e dt o t r e a tt h ec o n t a m i n a t e dr i v e rw a t e ra i m i n ga tw a s t e w a t e rp u r i f i c a t i o na n dr e c y c l e t h eo p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ee f f e c to fo p e r a t i o n a lf a c t o r s ，m i c r o b i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，t r e a t m e n tk i n e t i cm o d e la n dp o s t p o s i t i v e c h e m i c a lp h o s p h o r u s r e m o v a lt e c h n i q u ew e r es t u d i e di nd e t a i l c o n t i n u o u ss t a r t u pa n dm i c r o b i a ld o m e s t i c a t i o ne x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e d t h a tt h eb a fs y s t e mh a da ne x c e l l e n tp e r f o r m a n c ef o r s t a r t a n dm i c r o b i a l d o m e s t i c a t i o n 。t h es y s t e mn e e d e da b o u t15d a y st oa c h i e v et h es t a b i li z e do r g a n i c r e m o v a le f f i c i e n c ya b o v e7 5 ，w h i l et h en i t r i f i c a t i o na b i l i t yb e g a nt od oi t sw o r k a f t e r3 0d a y ss i n c et h es t a r t u p i tw a sd e m o n s t r a t e dt h a th y d r a u l i cl o a d i n g ，t h er a t i oo fg a sa n dw a t e ra n dm e d i a d e p t hh a dg r e a te f f e c to np o l l u t a n tr e m o v a le f f i c i e n c y f o r t h er e m o v a lo fo r g a n i c s u b s t a n c e sa n da m m o n i a ，u n d e rh y d r a u l i cl o a d i n go f1 2m 3 ( m 2 h ) a n dr a t i oo fg a s a n dw a t e ro f3 ：1 ，h i g h e s tr e m o v a le f f i c i e n c yo fc o da n dn h 3 - nw e r ea c h i e v e d t h e c o da n dn h a - nc o n c e n t r a t i o ni ne f f l u e n ti su n d e r5 0m g la n d 10 m g 咒， r e s p e c t i v e l y , a n dt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d a n dn h 3 - nc o u l db ea b o v e8 0 b o t h b a fh a ds t e a d yr e m o v a la b i l i t yf o rs u s p e n d e ds o l i d s ( s s ) ，w h i c hw a sl e s si n f l u e n c e d b yt h eh y d r a u l i cl o a d i n ga n d r a t i oo f g a sa n dw a t e r ，a n dt h et u r b i d i t yo f e f f l u e n ti sl e s s t h a n5n t u b a fs y s t e mh a de x c e l l e n tr e c o v e r a b i l i t ya f t e rap e r i o do fi n t e r m i s s i o n a tl o wt e m p e r a t u r e ，t h en h 3 - nr e m o v a lw a si n f l u e n c e d ，b u tt h ec o dc o u l ds t i l l f u l f i l lt h es e tr e m o v a lg o a l 。t h er e m o v a lo fs u s p e n d e ds o l i dr e c e i v e dl i t t l ei n f l u e n c e a n dt h et u r b i d i t yo fe f f l u e n tr e m a i n e dv e r yl o w m i c r o b i o l o g i c a ls t u d yr e v e a l e dt h a ta c t i v eb i o m a s si nb a fw a sg r e a t l ya f f e c t e d b yt h ec o n c e n t r a t i o no fs u b s t r a t e m o r eb i o m a s sw a so b t a i n e dn e a rt h ei n l e tw h e r et h e j f i j 东大学硕士学位论文 c o n c e n t r a t i o no fo r g a n i cs u b s t a n c e si sh i g ht h a nt h a tn e a rt h eo u t l e tw i t hl e s so r g a n i c s u b s t a n c e s m i c r o b i a la c t i v i t ya n db i o m a s sh a sn op o s i t i v ec o r r e l a t i o n o w i n gt ot h e l i m i to fs u b s t r a t ed i f f u s i o n ，t h em i c r o b i a la c t i v i t ym a yd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f b i o m a s s m o s to r g a n i cs u b s t a n c e sw e r er e m o v e di nt h eb o t t o m4 0 c mo ft h eb i o f i l t e r n e a rt h ei n l e t ，w h e r em i c r o b i a la c t i v i t ya n db i o m a s sw a sc o m p a r a t i v e l yh i g h m i c r o b i a la c t i v i t ya n db i o m a s sd e c r e a s ew i t ht h ef l o wi ng e n e r a l ，b u tn i t r i f i c a t i o n b a c t e r i ab e g a nt oa c c u m u l a t eb yp l a y i n ga ni n c r e a s i n g l ys i g n i f i c a n tr o l ei nt h e n i t r i f i c a t i o no f n h 3 - n k i n e t i cm o d e lo fo r g a n i c sr e m o v a lb a s e do np l u gf l o wa n dm o n o dm o d e lw a s e s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r , a n dt h em o d e lc o e f f i c i e n t sw e r ed e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h e r e s u l t so fe x p e r i m e n t t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ek i n e t i cm o d e lc o u l db ed e s c r i b e d a sf i r s to r d e rr e a c t i o n i nt h i sr e s e a r c h ，a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n f l u e n ta n dm e d i a w e r es p e c i f i c ，t h ec o e f f i c i e n tki st h ef u n c t i o no fh y d r a u l i cl o a d i n g t h ek i n e t i cm o d e l r e v e a l e dt h et r e a t m e n tm e c h a n i s mo fb a f , a n dw a si n s t r u c t i v ef o re n g i n e e r i n gd e s i g n a n dp r e d i c t i o no f t r e a t m e n te f f i c i e n c y p o s t p o s i t i v ec o a g u l a t i n gp h o s p h o r u sr e m o v a lt e c h n o l o g yw a su s e dt or e m o v e e x c e s s i v ep h o s p h o r u s p o l y m e r i cf e r r i cs u l p h a t e ( p f s ) i st h ei d e a lc o a g u l a n t ，a n d w h e nt h ed o s a g eo fp f sw a s3 5m g l ，t h er e m o v a le f f i c i e n c i e so ft o t a lp h o s p h o r u s ( t p ) a n dp h o s p h a t ew e r e8 6 a n d91 ，r e s p e c t i v e l y t h ec o n c e n t r a t i o no ft pa n d p h o s p h a t ei ne f f l u e n tw e r e0 3 8m g la n d0 2 0m e t e ，r e s p e c t i v e l y a tt h es a m et i m e o fp h o s p h o r u sr e m o v a l ，t h ec o da n ds sc o u l db ef u r t h e rr e m o v e d ，a n dt h ec o d c o n c e n t r a t i o na n dt u r b i d i t yi ne f f l u e n tw e r ea sl e s sa s4 4 m g la n d1 1n t u r e s p e c t i v e l y k e y w 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 ；o p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s ；m i c r o b i a la c t i v i t y ； e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ；k i n e t i cm o d e l ；c h e m i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l 4 山东大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 研究背景 水是维持生命活动的最重要的物质之一，是人类最重要的自然资源。随着 人类社会的不断发展，水资源消耗量不断增加，人类社会的可持续发展面临着水 危机的严峻挑战，迫使人类必须重视水资源的保护与利用。目前，我国的水危机 主要表现为严重的水环境污染和水资源短缺，二者已经成为了影响和制约我国社 会经济发展的主要瓶颈。 改革开放以来，我国工业化和城市化进程明显加快，城市人口不断增加， 城市生活污水和工业废水的排放量迅速增加，大量污水未经处理就直接排放到自 然水体中，导致河流、湖泊等自然水体受到严重污染。目前，我国大部分江河湖 水域都受到了严重的污染。 ： 在2 0 0 6 年中国环境质量状况公告中，国家环保总局局长周生贤指出： “当前水污染问题相当严重，大部分地区都有随时爆发环境污染事件的可能。” 2 0 0 6 年，全国地表水水质总体属中度污染。在国家环境监测网实际监测的7 4 5 个地表水监测断面中( 其中，河流断面5 9 3 个，湖库点位1 5 2 个) ，i - - 1 1 1 类，、 v 类和劣v 类水质的断面比例分别为4 0 、3 2 和2 8 。我国地表水污染类型主 要为有机污染和氨氮污染。2 0 0 6 年我国污水排放量达到了5 3 7 亿m 3 ，其中工业 废水排放量为2 3 9 5 亿m 3 ，生活污水排放量为2 9 7 5 亿m 3 ，c o d 排放总量为1 4 2 8 2 万吨，n h 3 - n 排放总量为1 4 1 3 万吨。七大水系监测的9 8 个国控省界断面中， i i 类，、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为4 3 、3 1 和2 6 ，除个别 水系支流和部分内陆河流外，总体呈中度污染，各水系城市及其附近河段污染较 严重，特别是工业较发达城镇附近水域的污染状况尤为严峻【1 1 。 水环境问题的另一个方面是由于人类用水量的增加所导致的水资源短缺。 我国是一个水资源相对贫乏的国家。我国多年平均水资源总量为2 8 万亿m 3 ， 居世界第六位，占世界水资源总量的7 ，但人均水资源占有量相对较少，为 2 3 0 0 m 3 ，仅为世界平均水平的四分之一。除人均水资源占有量较少之外，我国 水资源时空分布极不均匀 2 】，水资源分布和生产力布局之间不平衡 3 1 。水资源的 匮乏和分布不均衡使许多城市的供水严重不足，目前已有超过3 0 0 个城市缺水， 山东大学石员十学位论文 其中较严重的缺水城市有5 0 个。随着我国经济的快速发展，人民生活水平的不 断提高，生活和工业用水量进一步增加，城市缺水问题将会是一个长期困扰我国 社会可持续发展的社会性难题。 日益严峻的水危机引起了全社会的广泛关注，促使人 f l j 力l l 强水资源管理， 节约用水，也对人们减少污染以缓解这一危机提出了更高的要求。当前解决水资 源危机的途径主要有两个：一是采取节水措施，提高人们节水意识；再就是寻找 新的可利用的水源【4 1 。但目前，各城市对地下水和地表水的利用已趋于饱和，寻 找新的地下水和地表水也不可能或需要付出较高的成本，因此，因地制宜发展污 水处理和再生技术，提高污水再生利用率，对缓解当前水危机有重要意义，也成 为当今世界各国解决缺水问题的共识1 5 ，引。， 与发达国家相比，我国污水再生利用尚处于起步阶段，污水处理率相对较 低，平均仅为4 0 左右，而发达国家污水处理率平均为7 5 - - 8 5 【7 j 。城市用水 量中的较大部分，如市政用水中的浇洒、绿化、景观、消防用水，杂用水中的冲 洗汽车、建筑施工、冲洗厕所用水等在水质上要求不高，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水，经济、社会效益显著。 因此，开发研制高效、经济、稳定的废水处理和资源化技术，不仅可以缓解当前 自然水体污染严重的境况，还可以有效地利用水资源，减轻水资源供应紧张的压 力，必将带来良好的环境效益、社会效益和经济效益。 城市河道是城市宝贵的淡水资源库，随着城市化水平不断提高和工业化的 发展，城市河道污染状况日益严重。城市河道废水在城市再生水回收利用中有着 较大的应用潜力。大量未经处理的城市污水直接排放到河流中，一方面污染了环 境，影响了城市景观，另一方面也造成了城市水资源的浪费。 目前，污水厂二级出水或小区污水经过适当处理后回用于工业冷却水、绿 化、市政景观等对水质要求不高的供水领域得到了广泛的研究，并取得了成功应 用引。但对纳污河道废水开展综合治理和回收利用还未见报道。城市污水中的 工业废水大部分经预处理后通过市政管网进入城市污水处理厂，所以城市河道废 水主要为未经处理而直接排入的生活污水，这部分水水量大而且性质稳定，经适 当处理后可回用，为我们提供了一个开辟新水源、缓解城市水危机的新途径。与 生活污水的再生利用一样，纳污河道废水的综合治理和再生利用与开发其它新水 6 山东大学硕士学位论文 源相比有着巨大的优势：首先，与远距离调水相比，纳污河道废水回用的基建投 资少，省去了动辄几百公里、上千公里输水干线的浩大工程；其次，与海水淡化 相比，纳污河道废水回用处理方法相对简单，可因地制宜，不必局限于沿海地区； 另外，纳污河道综合治理和再生回用可美化城市生态环境，提升城市形象。 由此可见，城市纳污河道废水的综合治理和再生利用是解决城市缺水的有 效途径，它具有规模大、效益高的特点。此外，纳污河道废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【9 】o 1 2 曝气生物滤池技术概况 1 2 1 曝气生物滤池发展的背景和特点 就目前废水处理技术来说，废水的生物处理方法是最经济有效的污水处理 方法。根据微生物的生长状态，生物法水处理技术可分为活性污泥法和生物膜法 两大类。活性污泥法是一种历史悠久的污水处理方法，是目前世界上仍然占有优 势地位的水处理方法。但活性污泥法也存在一些自身的缺点：占地面积大，污泥 龄短，耐冲击负荷能力差，污泥膨胀严重等【1 0 】。 生物膜法水处理技术是利用附着生长在载体表面的微生物去除水中污染物 的废水处理技术，包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物流化床等。2 0 世纪6 0 年代后，伴随着新型滤料的产生，生物膜法技术获得了较大的发展。生 物膜法具有活性污泥法不具备的独特优点，如占地面积小，基建投资省，耐冲击 负荷强，无污泥膨胀问题等。因此，自上世纪7 0 年代以来，生物膜法水处理技 术逐渐成为广大水处理研究人员和工程技术人员的关注热点之一【1 1 1 ，得到了较多 的研究和应用，并不断有改进的工艺形式问世。 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 i l t e r ) 是2 0 世纪8 0 年代末9 0 年 代初在普通生物滤池的基础上，借鉴给水滤池工艺而开发的污水处理新工艺，最 初用于污水的三级处理，后发展成直接用于污水的二级处理。自2 0 世纪8 0 年代 在欧洲建成第一座曝气生物滤池污水处理系统后，曝气生物滤池技术已在欧美和 日本等发达国家得到广泛应用，目前世界上已有数千座大大小小的污水处理厂采 用了这种技术，广泛用于城市污水、小区生活污水、牛活杂用水和食品、酿造、 造纸等高浓度废水的处理，同时也广泛用于中水处理。 7 山乐大学姣士掌位论文 随着研究的深入，曝气生物滤池技术逐渐成熟，已发展成了系列综合工艺， 具有去除s s 、c o d 、b o d 5 、氨氮等的 乍用，其最大特点是集生物处理和普通滤 池过滤于体，省去了二沉池，在保证处理效果的前提下简化了处理工艺【1 2 ，13 1 。 此外，曝气生物滤池技术与其他生物处理工艺相比，具有如下优点： ( 1 ) 较小的池容积和较高的容积负荷。曝气生物滤池b o d 5 容积负荷可达 至l5 6 k g b o d ( m 3 d ) ，是常规活性污泥法或接触氧化法的6 1 2 倍。 ( 2 较高的出水水质。在b o d s 容积负荷高达6k g b o d 5 ( m 3 国时，其出 水s s 和b o d 5 可在1 0 m g l 以下，c o d 可在6 0 m g l 以下【1 4 , 1 5 。 ( 3 ) 处理工艺流程短。曝气生物滤池具有物理截留作用，故不需设透二沉 池和污泥回流泵房，处理流程的简化使占地面积进一步减小。 ( 4 ) 基建费用、运行费用省。由于该技术流程短、池容积和占地面积小， 使基建费灞大大降低；同时，粒状填料使得充氧效率提高，供氧动力消耗下降， 单位污水处理电耗低，运行费用较常规方法处理低1 5 左右。 ( 5 ) 易于操作管理。曝气生物滤池抗冲击负荷能力强，耐低温，无污泥膨 胀，可以避免微生物流失，保持较高的微生物量。因此，日常运行管理简单，处 理效果稳定。 ( 6 ) 处理设施可间歇启动运行。由于大量的微生物附着生长在粗糙多孔的 粒状填料内部和表面，可以保持一定瓣微生物活性。因此，有利于系统的恢复癌 动。 一 一 ( 7 ) 易挂膜，启动快。曝气生物滤池在水温1 0 1 5 时，2 3 周即可完成 挂膜过程。 ( 8 ) 曝气生物滤沲采用模块化结构，有利于污水厂进行扩大生产规模的改 扩建。 “ ( 9 ) 可建成封闭式厂房，减少臭气、噪声和对周围环境豹影响。 以上诸多优点使b a f 的研究成为热点，并不断有成熟的b a f 处理工艺投 产应用。 1 2 2 曝气生物滤池的工作原理 曝气生物滤池处理污水的原理是反应器内填料上生长的生物膜中微生物氧 化分解作用、填料及生物膜的吸附截留作用和沿水流方向形成的食物链分级捕食 8 山东大学硕士学位论文 作用以及生物膜内部微环境和厌氧段的反硝化作用。 首先是微生物附着在填料表面上，污水在流经载体表面过程中，通过有机 营养物的吸附，溶解氧向生物膜内部的扩散以及膜中所发生的生物氧化作用，对 污染物进行分解。在生物滤池中，污染物、溶解氧及各种必需的营养物质首先要 经过液相扩散到生物膜表面，进而到生物膜内部，不但维持了生物膜上生物群的 生长，而且扩散到生物膜表面或内部的污染物也有机会被生物膜生物所分解与转 化，最终形成各种代谢产物( c 0 2 、水等) 。 曝气生物滤池的过滤作用表现为填料本身就具有机械截留作用和吸附作 用，进水中的颗粒粒径较大的悬浮状物质被截留，经过培养后滤料上生长有大量 。 微生物，微生物新陈代谢作用产生的粘性物质如多糖类、酯类等起吸附架桥作用， 与悬浮颗粒及胶体粒子粘结在一起，形成细小絮体，通过接触絮凝作用而被去除 【1 6 】：因此，生物滤池通过过滤作用就能去除部分污染物，与一般的生物接触氧 化反应器仅靠微生物作用去除污染物相比，更具有优越性。 。 由于生物膜生长，固着在比表面积较大的滤料表面上，这就使得池中容纳 着大量微生物，从而在体现出容积负荷高、停留时间短的特点的同时，又能保证 滤池在较低的污泥负荷下运行，为进一步降解污水中的有机污染物提供了可靠的 保证，进而获得了优良的处理效果，保证了出水的稳定性。： 1 2 3b a f 主要的工艺形式 曝气生物滤池的结构与普通快滤池基本相同，但是曝气生物滤池增加了曝 气系统。根据水流方向不同，曝气生物滤池可分为下向流和上向流两种，早期的 曝气生物滤池多采用下向流，如b i o c a r b o n 1 7 】。上向流曝气生物滤池工艺应 用最为广泛有b i o f o r ，以及其改进形式b i o s t y r 埔】。 ( 一) b l o c a r b o n ， b i o c a r b o n 结构如图1 1 所示。滤料采用密度比水大的球形陶粒( 或其 它填料) ，污水从滤池顶部流入，从底部流出，在滤池底部进行曝气。在滤池中， 有机物被氧化分解，氨氮( n h 3 - n ) 被氧化成n 0 3 - n ，由于在生物膜内部存在着 厌氧兼氧环境，所以在硝化的同时能实现部分反硝化，但是，一般情况下，单 级b i o c a r b o n 滤池中不能同时达到较高的硝化反硝化处理效果。 9 出东大学硕士学位论文 图1 - 1b i o c a r b o n 示意图 滤池运行段时间后，由于填料表面产生的生物量及截留的悬浮物( s s ) 不断增加，在滤料上层形成堵塞，阻止气泡释放，水头损失迅速增加而达到极限， 此时要立帮进行反冲洗，去除滤池内过量的s s 及生物膜，恢复反瘟器处理能力。 ( 二) b i o f o r 下向流曝气生物滤池缺点较多，如纳污效率较低、易堵塞：运行周期短等， 因此，目前多采用上向流方式( 即采用气水同向流) ，使布水、布气更加均匀。 采用上向流，在水气上升过程中可把底部截留的s s 带入滤池中上部，增加了滤 池的纳污能力，延长了工作周期。 1 0 处理淝永 反凇毡术 冲避求 水 图1 - 2 b i o f o r 示意图 上向流曝气生物滤池处理系统的代表b i o f o rt 艺是由法国得利满 山东大学硕士学位论文 ( d e g r e m o n t ) 水处理公司开发出来的，结构如图1 2 所示。系统采用底部进水， 上部出水的工作方式，底部是气水混合室，其上是充当布水装置的长柄滤头、曝 气管、垫层和滤料。b i o f o r 采用密度大于水的滤料，自然堆积。 b i o f o r 中水头损失增长与b i o c a r b o n 不同，其水头损失增长与运行时 间成正相关。由于b i o f o r 中不会形成表面堵塞层，所以其运行周期要比 b i o c a r b o n 的运行周期长一些。 ( 三) b 1 0 s t y r 、b i o s t y r 是由法国o t v 公司开发的一种新型曝气生物滤池处理技术。与 b i o f o r 不同的是，b i o s t y r 采用采用相对密度小于1 的球形有机颗粒作为滤 料，且在滤池的中间曝气。其结构如图l 一3 所示。 出水 出水 图1 - 3b i o s t y r 示意图 b i o s t y r 的特点主要有： ( 1 ) 进水管位于滤池底部( 同时可作反冲洗配水管) ； ( 2 ) 两条空气管，一条位于中间用作曝气管；另一条位于底部用作反冲洗 曝气管。底部的空气管也可以用作曝气管，此时把中间空气管关闭，就成 了b i o f o r 工艺： ( 3 ) 3 3 5 米的滤料层，采用相对密度小于1 的球形有机颗粒作为滤料； ( 4 ) 滤池底部有混凝土滤板，防止滤料流失。 污水与经好氧段的出水按一定的回流比混合后进入滤池底部，在滤池中间 出衷大学磺士学位论文 i i i 蔫 i i i i i i i i i i i i i i 黼i i i i i i i 麓黼葺宣i i 置i i 黼麓i i i i i i i 黼黼皇i i 进行曝气，根据反硝化程度的不同将滤池分为不同体积的好氧段和缺氧段。在缺 氧区内，反硝化菌利用水中的有机物作为碳源，将滤池中的n 0 3 - n 转化为n 2 ， 实现反硝化。同时，部分s s 被截留在缺氧段内，减轻了好氧段的污染物负荷。 在好氧段内，微生物在降解有机物同时，硝化菌将n h 3 - n 转化为n 0 3 - n 。所戳， b i o s t y r 工艺可以在去除s s 和c o d 的同时，实现硝化、反硝化脱氮功能。 重3 曝气生物滤池应用和研究瑗状 截止到圈前，曝气生物滤池已经在国内外得到了广泛的应用，如1 9 9 6 年投 入运行的美国宾夕法尼亚矧的m o n e s s e n 焦化废水处理厂。英国p a c k i n g t o n 污水 处理厂也是利用的曝气生物滤池技术处理含工业废水的生活污水。 我国的b a f 研究比国外起步要晚，但近年来也有了长是的进步。大连市马 拦河污水处理厂是我国第一个采用b a f 处理工艺的污水处理厂【1 9 】，它采用两级 b i o f o r 工艺处理生活污水，瞄处理水量为1 2 万m 3 d ，进水c o d ：4 8 0 瓣g 怒， b o d 5 ：2 1 6 m g l ，n h 3 - n ：4 0 m g l 。运行结果表明，该工艺处理效果良好，出 水水囊能够达到我匿的城市污水再生利焉一城市杂用水水质标准。2 0 0 4 年 投入运行的沈阳仙女河污水处理厂的二级处理采用两级曝气生物滤池工艺【2 0 1 ， 一级生物滤池( c n 池) 主要作雳是去除有机物和反硝化，二级生物滤池( n 池) 主要作用是硝化，该污水厂进水水质为c o d 3 8 5 m g l ，n h 3 - n ：4 8 m e e t , ，出 水c o d 在7 0 挑班以下，出水黼3 划在lm e j l 以下，完全能够达到辽宁省城 市二级污水处理厂出水水质的要求。 近年来，清华大学、哈尔滨王业大学等科研机构对b a f 进行了较多的研究。 刘建广、张晓健等【2 1 】采用以瓷珠为填料的单级曝气生物滤池处理高氨氮含量的 源承，试验结果表明，当高锰酸盐指数在5 。3 7 。4 之闻，迸水n h s - n 曝气生物滤池的微生物学研究测定b a f 不同高度处生物膜的生物 量和生物活性，考察二者的沿程分布情况及相互的关系；测定不同高度填料内生 物膜胞外多聚物( e p s ) 的含量和细胞相对疏水性，得出e p s 对生物活性及细胞 相对疏水性的影响。 ( 3 ) 后置化学除磷技术研究在筛选高效混凝出林药剂的基础上，对b a f 出水进行后置强化混凝除磷技术的研究，研究混凝剂投加量对混凝效果的影响， 在确保c o d 和s s 的去除效果和较低的残留混凝剂的同时，提高对磷的去除效 果，使混凝后出水的总磷浓度在1m g l 以下。 ( 4 ) 曝气生物滤池污水处理动力学研究在合适的水力负荷下，通过测定 进出水的溶解性c o d ，在已有的研究成果基础上，提出基于溶解性c o d 降解的 动力学数学模型，并通过试验确定其模型系数。 1 6 山东大学硕士学位论文 第二章b a f 处理效果试验研究 b a f 在城市纳污河道综合治理中得到应用的关键是其对纳污河水的处理效 果，对b a f 处理效果的研究也是进行进一步深入研究和优化b a f 污水处理工艺 的前提条件。 本章的研究目的是研究上向流。b a f 处理城市纳污河道废水的运行特性，处 理对象是经过初步沉淀的城市纳污河道废水，目标是去除有机物、n h 3 - n 和s s 等污染物，以达到城市污水再生利用景观环境用水水质标准 ( g b t 18 9 2 1 2 0 0 2 ) 和城市污水再生利用城市杂用水水质标准 ( g b t 1 8 9 2 0 2 0 0 2 ) 中的回用水水质标准。 为达到上述目的，本研究以沸石为填料，采用单级b a f ，以实际纳污河水 为对象进行了试验。b a f 采用气水同向流的b i o f o r 工艺形式。 本章的研究内容： ( 1 ) b a f 挂膜与启动过程研究； ( 2 ) b a f 对各污染物的去除效果及主要影响因素研究； ( 3 ) b a f 中断再启动的适应性； ( 4 ) 冬季低温对b a f 处理效能的影响。 2 1 试验装置与测试方法 2 1 1 试验装置与工艺流程 b a f 反应器由有机玻璃柱加工而成，如图2 1 所示。反应器高2 4 0 0m m ， 外径2 0 0m m ，内径1 8 0m m ，总容积0 0 7 5 3 6m 3 ，中间由法兰连接。底部设进水 和反冲洗水配水缓冲区，高2 5 0m m ，内设曝气管，同时兼作反冲洗布气管。承 托板以上有按级配装填的直径为1 0 m m 3 0m m 的卵石，装填高度为1 0 0m m 。承 托层以上装填天然沸石填料，沸石填料由河北省围场县北方沸石厂生产，粒径为 3 m m 5 m m ，堆积密度为o 8 3 9 c m 3 ，装填高度为1 3 0 0m m ，装填前用去离子水反 复冲洗干净。 承托层以上每隔2 5 0m m 在两侧分设取水口和取填料口，目的是在不同填料 高度处取水样和生物填料，取生物填料前先将反应器放空，用实验室取样勺取样。 出衷大学硕士学位论文 取样口设置在填料深度从上往下依次为2 5c m ，5 0 c m ，7 5c m ，1 0 0c m ，1 2 5c m ， l5 0c m 处，编号扶下往上依次为l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 。 试验装置安装在济南市纳污河流一窑头大沟河边的临时实验室内，图2 2 为反应器真实照片。 2 1 2 试验仪器与设备 1 ) 高位水箱：d = 0 8m ，h = 0 5m ，v = 0 4 0m 3 ： 2 ) 反冲洗水箱：v = 0 ，6 0m 3 ； 3 ) 反冲洗水泵：q = 2 0m 3 h ，h = 3 5 m ； 4 ) 液体流量计，气体流量计，空压机等。 5 ) c o d 恒湓加热器( l a o y r n gl y 4 0 5 0 型，青岛) ； 6 ) 紫外可见光分光光度仪( u v - 7 5 4 型，上海) ； 7 ) 浊度仪( h a c h2 1 0 0 p 型，美国) ； 8 ) 电热式蒸汽消毒器( s h e n y iy x q g 0 2 型，上海) ； 9 ) p h 计( l i n d a p h s 一2 5 型，上海) 一 迸水 水箱 生物取样口 h w 流量训j 拶 弋 坦 承藏瑟 “： ll 赴吧 il nj 反i 申洗水箱水泵气泵 图2 一l曝气生物滤池试验装置示意圈 山东大学硕士学位论文 图2 2 曝气生物滤池试验装置照片 2 1 3 试验水质 试验进水为济南市区窑头大沟的纳污河水，由自吸水泵打入高位水箱，初 步沉淀后，依靠重力进入曝气生物滤池。进水主要水质指标见表2 1 。 表2 - 1 进水水质指标 2 1 4 试验方法 滤池运行期间的反冲洗采用脉冲式气水联合反冲洗( 气冲洗强度1 0 l ( m 2 s ) ，水冲洗强度1 0l ( m 2 - s ) ) ，先气洗，再用气水联合冲洗，最后单独用水 反冲洗。反冲洗水为b a f 出水，以避免引入与b a f 内微生物相异的生物种群。 取水样进行水质指标分析在两次反冲洗周期的中间时间段进行，试验不同的 水力负荷、气水比，研究b a f 去除主要污染物的效果及影响因素。测定的水质 指标主要有c o d 、浊度、n h 3 - n 、n 0 2 - n 和n 0 3 - n 等。水质指标采用国家标准 方法测定【3 8 】。 1 9 山东大学硕士学位论文 1 2 1 5 测定方法 水质监测分析方法采用标准方法。 1 ) c o d ：重铬酸钾氧化法： 2 ) s c o d ：过0 4 5 p m 的膜后用重铬酸钾氧化法测定； 3 ) n h 3 - n ：纳氏试剂分光光度法； 4 ) s s ：，重量法； 5 ) t n ：过硫酸钾氧化紫外分光