（农业生物环境与能源工程专业论文）生物滤池串联工艺处理西洋河淀粉废水的研究.pdf

摘要 洋河水库是秦皇岛及北戴河地区的主要饮水水源地。近年来，水华现象频繁发生，其主 要污染源为农民加工淀粉产生的大量废水。为了减少大量污染物进入洋河水库，本文采用生物 滤池串联工艺对西洋河淀粉废水的处理进行研究。 主要研究废水排放高峰期和冬季极低温度下( o 5 1 5 ) ，该工艺对各种污染物的去除 效果，各污染物随废水流向的降解规律、生物膜特性分析等，并对该工艺处理西洋河淀粉 废水的影响因素及机理进行探讨。 研究结果表明：淀粉废水排放高峰期温度对系统去除c o d b 、氨氮、总氮有较大影响， 而对各种形态磷的去除效果影响不大。冬季极低温度f ，系统对各污染物的去除率为1 5 4 0 之 间。2 、4 号池曝气运行时，c o d c 。、氨氮、总氮、总磷主要在前三个生物滤池中去除，而正 磷酸盐主要在后两个生物滤池中去除；2 、4 号池不曝气时，c o d 。的降解主要是在前三个 生物滤池中完成，氨氪、可溶性总磷和正磷酸盐浓度在后两个生物滤池中下降趋势明显； 前三个滤池中心表层红砖块填料上的生物膜均以类似于活性污泥菌胶团的形式存在，后两 个滤池中心表层填料上的生物膜多为绿色丝状粘膜，由大量丝状菌和部分藻类组成。 关键词：生物滤池，西洋河，淀粉废水，富营养化 l i a b s t r a c t y a n d er e s e r v o i ri st h em a i ns o u r c eo fd r i n k i n gw a t e rf o rq i n h u a n g d a oc i t ya n db e i d a i h ed i s t r i c t h o w e v e r a l g a lb l o o m sf r e q u e n t l yo c c u r r e di nr e c e n ty e a r s t h ep o l l u t i o ns o b r c eo f i sm a i n l yf r o mt h e s w e e tp o t a t os t a r c hw a s t e w a t e rp r o d u c e db yf a r m e r s h lo r d e rt or e d u c ev a r i o u so f p o l l u t a n t sf l o w i n g i n t oy a n d er e s e r v o i r , t h et r e a t m e n to fs t a r c hw a s t e w a t e ri nx i y a n gr i v e rw i t hb i n - f i l t e r si ns e r i e s s y s t e mw a ss t u d i e di nt h i sa r t i c l e i tw a sm a i n l ys t u d i e dt h a tt h er e m o v a le f f e c t so nv a r i o u so f p o l l u t a n t sw i t ht h i ss y s t e mi nf a s t i g i a m o f w a s t e w a t e ra n di nt e r r i b l yl o wt e m p e r a t u r e ( 0 5 1 5 ) o f t h ew i n t e r ；n ”d e c o m p o s i n gr u l e so f v a r i o u so f p o l l u t a n t sw i t ht h ef l o w i n go f w a t e r ；t h ea n a l y s i so f b i o f i l m sc h a r a c t e r se t c m o r e o v e r , t h e i n f l u e n c ef a c t o r sa n dm e c h a n i s mo ft h et r e a t m e n to ft h es t a r c hw a s t e w a t e rw a sd i s c u s s e di nt h i s a r t i e l e t h es t u d yr e s u l t sw a sa sf o l l o w st h a ti nf a s t i g i b n lo fs t a r c hw a s t e w a t e rt h et e m p e r a t u r eh a dp l a y e d a ni m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h er e m o v a lr a t e so fc o d , na m m o n i an i t r o g e na n dt o t a ln i t r o g e n ，b u th a d i n f l u e n c e dl e s so r lt h er e m o v a lr a t e so fv a r i o u so fp h o s p h o r u s ；h lt e r r i b l yl o wt e m p e r a t u r eo ft h e w i n t e r , t h er e m o v a le f f e c t so fv a r i o u so fp o l l u t a n t sw e r er e l a t i v e l yn o tv e r yg o o d ，b u tt h es y s t e ma l l t h es a l t l ec o u l dr e m o v es o m ep o l l u t a n t si nt h ew a s t e w a t e r ；w h e nn 0 2a n dn 0 4b i n - f i l t e r sw e r e a e r a t e d ，t h er e m o v a l so fc o d a m m o n i an i t r o g e na n dt o t a ln i t r o g e n , t o t a lp h o s p h o r u sw e r e a c c o m p l i s h e di nt h en o l ，n 0 2 ，a n dn 0 3b i n - f i l t e r s ，b u tt h er e m o v a lo fp h o s p h a t ew a sa c c o m p l i s h e d i nt h en 0 4a n dn 0 5b i o - f i l t e r s w h e nn 0 2a n dn 0 4b i n f i l t e r sw e r en o ta c m t a d t h er e m o v a l so f c o d ，w e r ea c c o m p l i s h e di nt h en o l ，n 0 2 ，a n dn 0 3b i o - f i r e r s ，b u tt h ec o n c e n t r a t i o no fa m m o n i a n i t r o g e n ，t o t a ld i s s o l v e dp h o s p h o r u s ，p h o s p h a t ew e r ed e c l i n e do b v i o u s l yi nt h en 0 4a n dn 0 5 b i n - f i l t e r s ；b i o f i l m so nt h ec e n t r a ls u r f a c el a y e ro ff i l l i n g si nt h en o l ，n 0 2 ，a n dn 0 3b i o f i l t e r sw e f e e x i s t e da sa c t i v es i n d g ec l u m p ，a n db i o - f i l m so nt h ec e n t r a ls u r f a c el a y e ro f f i l l i n g si nt h en 0 4a n d n 0 5b i o f i l t e r sw e r em a i n l yg r e e nf i l a m e n t o um e m b r a n e ，w h i c hw e r ec o m p o s e do ff i l a m e n t o u b a c t e r i aa n da l g a e k e yw o r d s ：h i e - f i l t e r ，x i y a n gr i v e r ，s t a r c hw a s t e w a t e r ，e u t r o p h i c i i i 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得中国农业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： 小匆龟 时间：2 0 0 6 年6 月1 8 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 研究生签名：j i = 习笙 时间：2 0 0 6 年6 月1 8 日 导师签名：犁缸呻量如 时间：2 。6 年6 月1 8 日 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 全球水环境的污染现状 第一章绪论 水是人民生活和社会发展最重要的、必需的基本资源之一，是关系到人类生存和和社 会发展的基本物质条件，是一种有限的、不可缺少的、无可替代的特殊宝贵资源。随着 全球经济的迅速发展、人口的快速增长和人们物质生活水平的日益提高，世界各地对水资 源的需求日益增长，水资源短缺现象日益普遍。而另一方面，水污染状况也日益加剧。在 广大农村地区，不合理的使用化肥，农药等农用化学物质对地表水的影响日趋严重，大量 的含有各种各样的有毒有害物质的工业废水、生活污水未经处理或只经简单处理便排入天 然水体；农田径流，大气沉降等非点源污染也都直接或间接的造成了受纳水体，由其是饮 用水源的污染，由此引起世界上很多水体的富营养化现象。 我国是一个水资源贫乏的国家，水资源总量为2 8 1 0 ”n 1 3 ，人均水资源总量为2 3 4 0 m 3 ， 仅为世界平均水平的1 4 。按照1 9 9 7 年联合国可持续发展委员会全面评估世界淡水资源 报告提出的标准，我国有1 4 地区属于严重缺水地区，1 1 0 地区人均水量低于基本生存线。 近2 0 年来，由于经济的持续快速发展和城市化进程的加快，城市缺水问题尤为突出，缺 水范围不断扩大，缺水程度e l 趋严重【2 】。一方面我国的水资源严重短缺，另一方面，我国 也面l 临世界上许多国家共同面临的水环境污染问题及湖泊、水库的富营养化问题。 1 1 1 国外湖泊、水库的富营养化现状 纵观全球几乎所有的湖泊河流等水体都由于受到不同程度的污染，湖泊、水库的富营 养化问题已经成为世界上水环境污染的最重要的环境问题。据调查显示。亚太地区5 4 湖 泊处于富营养化状态，1 9 9 4 年的资料就已经显示山欧洲、非洲、北美洲和南美洲的湖泊和 水库呈现富营养化的比例是5 3 、2 8 、4 8 和4 1 口】。欧洲接受统计的9 6 个湖泊中8 0 受到不同程度的富营养化物质的污染，美国、加拿大的五大湖有两个湖以属于富营养化湖 泊，同样日本最大的湖泊一一琵琶湖也面临着水质恶化问题，白1 9 8 3 年9 月2 1 日第一次 发生“水华”后几乎每年出现“水华” 4 1 。 从富营养化的发展趋势看，各国水体的富营养化问题一度都比较严重，但经过各国多 年的治理，已经有所改善。但富营养化问题的解决也非一期一夕之事，对富营养化的治理 措施在短时间内还看不到明显效果；有些治理措施虽然目前看成效显著，但治理效果的稳 定性仍有待时间的检验；有些治理措施还停留在理论层面。从更长期来看，随着世界经济 1 的快速发展和人口数量的增长，水体富营养化问题在未来仍会继续对人类提出挑战。 1 1 2 我国湖泊、水库的富营养化现状 我国水体富营养化问题十分严峻，近海海域和内陆湖泊都有标志富营养化的赤潮、绿 潮、水华等现象出现，其中，富营养化问题最突出的就是三大湖：滇池、巢湖和太湖”j 。 1 9 8 4 年全国调查的3 4 个湖泊中，富营养化湖泊占2 6 5 ，1 9 8 8 年达到6 1 5 ，1 9 9 3 年，1 3 1 个受监测的湖泊水库中，8 9 个湖泊水库受到不同程度的污染，占调查数量的6 8 ； 有6 7 个湖泊水库达到富营养化程度，占5 0 以上；超过v 类水质的严重污染的湖泊水库 有2 8 个，占调查总数的2 1 以上。1 9 9 6 年2 6 个国控湖泊水库中总体处于富营养化的高 达8 5 【6j 。2 0 0 2 年国家环保总局发布的水环境公报显示，2 0 0 2 年七大水系7 4 1 个重点监 测断面中，仅有2 9 1 的断面满足i i 类水质要求，3 0 的断面属于i v i v 类水质，4 0 9 的断面属劣v 类水质。十座受监测的大型水库中，达类水质标准的也只有三座。监测结 果表明，氮磷污染是我国现阶段湖泊水库污染的主要形式。中国环境科学院金相灿研究员 在香山科学会议学术研讨会上指出中国城市湖泊水体已经处于严重富营养化状态；大部分 中型湖泊也进入富营养化状态，部分已经达到重富营养化；五大淡水湖也具备了富营养化 发生的条件，太湖和巢湖已经进入富营养化状态。可见，我国现在面临的水体富营养化问 题可以概括为淡水湖库富营养化覆盖面积，。，富营养化程度商，水体的生态结构和生态环 境被破坏，不同程度上影响了城镇居民的引水安全，造成了水资源短缺，制约了当地经济 的快速发展【4 j 。 1 2 洋河水库水源水质概况 1 2 1 洋河水库流域概况 洋河水库位于河北省抚弓2 县城北l o k m 处，始建于1 9 5 9 年1 0 月，1 9 6 1 年建成并投入 使用，集水面积7 5 5 k m 2 ，总库容3 ，5 3 亿m 3 ，兴利库容1 3 9 亿r i i 3 ，是一座以城市供水为主， 兼有防洪、灌溉、养殖、发电等功能的大型水库【7 l 。多年来，洋河水库一直是秦皇岛及北 戴河地区的主要供水水源地。西洋河上游的桃林口水库通过西洋河和洋河水库将水运送到 秦皇岛及北戴河区，每年输送水量0 6 亿m 3 ，向周边农业灌溉供水o 7 n 1 3 左右【”。水库上 游有燕河营镇、台营镇、大新寨镇3 个大镇，人口约为1 0 万。 洋河是秦皇岛市境内最大的一条入海河流，其上游分东洋河与西洋河两支”。洋河河 长1 0 0 k m ，流域面积1 1 1 0 k m 2 。东支发源于青龙县界下，流经抚宁县境内的峪门口、大新 寨、马王村后折入洋河水库流，全长3 5 k m 。流域面积3 0 6 k m 2 ，流域内多为深山区，地势陡 峭，河道平均坡降为1 1 o 左右；西支发源于卢龙县境内北部的冯家沟，流经年家洼、燕窝 庄、寓贵庄等汇入洋河水库，流域内海拔高度约在1 0 0 m 以下，河谷开阔，地势平缓，河 道坡降在3 6 o 左右，分别汇入洋河水库。水库的地理坐标为n 3 9 。5 8 ，4 5 ”4 0 0 0 ，5 9 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 ”，e 1 1 9 。0 0 ，0 9 ”1 1 9 。5 9 ，5 9 ”，流域控制面积为7 5 5 k m 2 ，流域内属温带季风性气 候，气候温和，四季分明，多年平均降雨量为7 5 0 m m ，多年平均径流量为1 8 6 x1 0 8 i l l 3 ， 水库正常蓄水位5 7 0 m ( 库容为1 4 5 亿m 3 ) ，死水位为4 4 3 m ，设计洪水位为6 2 4 m 。流 域径流主要靠降雨补给，流域内多年平均降雨量为7 5 0 m m ，多年平均径流量为1 8 6 亿m 4 1 。 秦皇岛市是我国对外开放的北方沿海大港之一，随着城市规模的扩大，城市需水量急 增，供需矛盾相当突出，严重影响秦皇岛市的生存与发展。为此，政府决定引青龙河水济 秦皇岛市。引青济秦工程是从青龙河桃林口小坝引水经西吴庄隧道入西洋河，经洋河水库 调节后再通过管道输送到市内各水厂。引青济秦工程使洋河水库由原来的防洪，农业灌溉 工程提高到城市集中供水功能，对水质保护提出了更高要求1 9 j 。因此，洋河水库及其上游 区域的水质优劣与国计民生息息相关。洋河水库也是向北戴河供水的一个特殊水源地。北 戴河海滨是我国的避暑胜地，每年夏季来这里办公旅游的中外宾客以百万计，倘若水质出 现问题带来的政治影响和经济损失必将十分巨大。太湖流域由于部分水体富营养化极端严 重，湖水恶臭，致使无锡等城市旅游人数骤减，就是一例。秦皇岛市作为对外开放的沿海 城市设有宏大的经济技术开发区，如果供水水质得不到可靠保证，其经济损失也将是不可 估量的 1 0 1 。 图卜1 夏季水库表层的水华 1 2 2 洋河水库污染现状及其危害 十几年来，随着洋河水库上游及周边地区人口的不断增加，周边村社城镇化脚步的不 断加快以及流域内农牧业等的不断发展，流域内人均排污量以及各种农牧业污染物的排放 量也不断增加，另外，由于缺少植被覆盖，上游及水库周边水土流失现象也比较严重，大 量泥沙以及农药、化肥、牲畜粪便、垃圾等随水流进入库区致使水库水质不断恶化。1 9 9 2 年8 月2 2 日，由于洋河水库水位低、气温高，而发生了“水华”，浮游植物大量繁殖形成 3 中国农业大学硕七学位论文 第一章绪论 优势种群，一度引起水质恶化，自来水呈“六六粉”味，历时1 0 余天，给秦皇岛市的工 农业生产、居民生活及旅游业带来了十分不利的影响。2 0 0 0 年藻类爆发。已引起了有关部 门的高度重视”“。水库富营养化引起藻类爆发性繁殖，形成水华，产生有毒有害物质，藻 类死亡后尸体降解消耗水中大量溶解氧，恶化水体环境，对水生生物生长极为不利，还会 产生令人不快的味道，同时具有城市供水功能的水库还会引起供水能力下降，其水质对人 体健康构成潜在威胁【i ”。图1 - 1 为2 0 0 3 年7 月所拍摄的游船在行驶过程中激起的葱绿色 的“蓝绿藻浪花”。 1 9 8 5 年水库“水华”现象并不十分明显，主要集中在暑期末的部分水域；而在1 9 9 0 年“水华”现象已经覆盖7 月底9 月初的大部分水域；到1 9 9 9 年水体则呈现出“中一富 营养化”，“水华”现象主要是出现在7 月中旬到9 月中旬的所有水域m l 。据我们的监测数 据资料，2 0 0 4 年水体富营养化程度一度加深，“水华”现象出现在7 月初到1 0 月初的几乎 所有水域【”。显然，洋河水库水体由于营养盐不断富集，水华爆发周期不断缩短，覆盖面 积连年扩张，富营养化现象也日趋明显。 通过2 0 0 3 年1 0 月引水口表层水营养盐监测数据可以充分说明水体的富营养化程度， 具体数据如表1 1 所示。 表卜1 引水口表层水水质监测 将这些数据与我国地表水水质标准比较，可以看出洋河水库水质已经从建成初期的i i 类水质恶化成一v 类水质。近年来，由于水库来水量逐渐减少，泥沙沉积现象日趋严重， 水质不断恶化，致使水库水生生态环境遭到严重破坏，水生景观受到影响、水生生物大量 死亡，已经严重威胁到秦皇岛市居民和北戴河中央暑期办公的供水安全【4 l 。目前，洋河水 库水体内几乎没有大型水生植物存在，属“藻型浊水富营养化”状态，主要污染因子为化 学需氧量、总磷和非离子氨。 在发生“水华”的藻类中有许多能产生毒素，如丝状鱼腥藻、囊丝藻、颤藻和微囊藻 等。这些蓝绿藻所产生的毒素根据毒性作用的不同可分为三类，即多肽肝毒素、生物硷类 神经毒素及脂多糖内毒素【1 ”。其中肝毒素根据其化学结构又分为微囊藻肝毒素 ( m i c r o c y s t i n m c ) 和节球藻毒素( n o d u l a r i n ) 。毒素通常大部分存在于藻细胞内，当细胞 破裂或衰老时，毒素释放于水中。已经有证明表明蓝绿藻中的微囊藻、颤藻、鱼腥藻、念 珠藻、囊丝藻等都能产生m c ，其在全世界地面水中广泛存在且与人类关系最为密切【l ”。 沟塘水中以m c 为代表的藻类毒素是趋肝致肝炎和肝癌的促癌剂。m c 与乙型肝炎和 黄曲霉毒素3 个环境危险因素结合，可能是我国肝癌高发的原因之一f ”】。 洋河水库对秦皇岛市和北戴河地区以及周边地区经济的可持续发展及社会的稳定发 挥着举足轻重的作t h j 。鉴于洋河水库在这一地区的重要位置，水利部投资启动了“利用生 4 孛嚣农簸丈学磺：学位论文 第一章缝论 态方法治理洋河水麾污染水体的承澈研究”项目。 。2 3 洋海永库污染溅状嚣 洋河水库富营养化产生的原因主要有以下儿点： ( 1 ) 洋河水库营养盐来源以外源为主，内源为辅。外源指农田径流、秋季农民打粉废 水( 面源) 、点源带入；内源主要是指水库底泥营养盐释放。其中，淀粉废水营养物质污 染负荷比例最大，尤其是磷，其污染负荷比达到了6 3 1 【】“。根据a g p 实验结果，p 是水 库富营养化的限制因子。现阶段通过河流输入的t p 占入库总量的8 8 以上，其中汛期t n 和t p 入库量占各河入库量的8 0 以上，尤其以暴雨径流更为显著，加之此时是全年水温 最高季节，最适宜藻类大量繁殖，从而出现了水库富营养化现象。 ( 2 ) 洋河水库流域上游秋末冬初，农民打粉排污水对洋河水质有着严重的影响。淀粉 废水大多就地排放，漫地而流。打粉季节洋河水库库心和西洋河口总磷超过i i 类地面水水 质标准6 倍，而总磷是洋河水库富营葬化问题的限制性因子。 ( 3 ) 库区有益鱼种的过度捕捞j 。 洋河水库上游的西洋河流域属温带季风性气候，气候温和，四季分明，以及其地形、 土壤、气候等条件均适合耐干旱、易管理、产量高的白薯生长。西洋河流域上游的卢龙县 是我国著名的甘薯之乡，据当地有关部门介绍，每年当地甘薯总产量在6 亿多公斤左右。 因此，当地利用甘薯加工淀粉及其农副产品也颇有相当的规模。由于缺乏科学的管理，当 地淀粉加工工艺基本仍旧处于各家各户作坊式的生产。每年9 一l o 月甘薯收获后，农民在 田间、地头利用简陋粉碎设备“各自为战”，将甘薯加工成淀粉。“一台粉碎机、一个沉淀 池、一口井”就构成了简单的“淀粉加工工厂” 4 1 。淀粉基本加工漉程如图卜2 所示。 l 区习悃 每年1 1 月份左右是当地淀粉加工的高峰期，大量未经任何处理的淀粉废水在2 0 天左 右的短期内从各家各户的沉淀池中无序的排入西洋河，造成了河道附近一片酸气熏天的景 象。 当地白薯制浆工艺过程中，每公斤新鲜甘薯约需5 公斤新鲜水制成悬浊液，制粉过程 中每1 0 0 公斤鲜甘薯还会产生约有2 1 公斤的有机废水。如果按当地提供的产量一按每年 生产6 亿公斤甘薯计算，每年11 月份左右将有3 0 0 多万吨未经过任何处理的淀粉加工废 水经各支流沟渠汇入西洋河进入水库。当地淀粉沉淀内上清夜池以及沉淀4 小时后排放水 5 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 污染浓度见表卜2 【”。 表1 2 淀粉加工废水水质分析 坐：!竺：! ! ! ! ! ： 竺：! 竺 排放前( m g l ) 4 2 7 1 2 7 74 67 9 95 3 6 82 1 0 0 捧放废水( m g l ) 2 68 92 3 03 8 7 5 64 4 2 72 0 0 0 表1 - 32 0 0 3 2 0 0 4 年富贵庄淀粉废水入库情况 如此离浓度污染物鹃排救是磷洋河流域一个主要豹污染源，通过2 0 0 3 豹监测数据可 稚，鼹洋河的淀粉发永的基产生爨、总蠡、总磷、c o d e r 蟊撵艘量变证如蘸1 3 匿t - 6 所示。2 0 0 3 年与2 0 0 4 年富贵庄淀粉废水入库情况统计如寝1 。3 所示。 4 0 3 s 3 0 j 22 5 u 删2 0 胡 乱1 5 霹 牛l o 丑 5 o 3 5 0 0 3 0 0 0 147 1 0i 3l s搪2 22 52 83 l3 43 7 黼卜3 西洋河溅粉废水的日发生黛变化 14 7l 1 31 6 1 92 22 52 83 l3 43 7 图1 4 西洋河淀粉废水中总氮的日排敞量变化 6 撇 姗 渤 跚 垂； 。 彗)|删辎垂壬菹舔婚 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 盆 卫 v 姐 稻 鞋 皿 岱 增 1471 01 31 61 92 22 52 83 l3 43 7 图1 - 5 西洋河淀粉废水中总磷的日排放量变化围 14 ，1 01 31 61 92 22 52 83 l3 43 7 图1 _ 6 西洋河淀粉废水中c o d 。，的日排放量变化图 每年都有这样大量的淀粉废水排入洋河水库，成为洋河水库的主要污染源。2 0 0 3 年这 一时期内同时监测了洋河水库水质情况，如表1 4 所示。并且通过淀粉废水排放期总氮、 总磷排入量计算出淀粉废水排放时期水库水体中总氮、总磷的平均理论增加值如表1 4 所 示。比较淀粉废水排放期0 3 年1 0 月、1 2 月与无淀粉废水排放时期水库水质氮磷污染物浓 度，可以看出，淀粉废水排放时期水库氮磷浓度增幅不是很大，由此可以得出淀粉废水中 大量的污染物沉积。 表卜4 水库水质统计结果 2 0 0 3 8 2 0 0 3 1 0 2 0 0 3 1 2 2 0 0 4 - 0 2 理论增加浓度 03 0 02 0 0 0 9 02 0 0 2 3 0 5 0 09 0 l0 0 2 6 5 2 9 0 3 1 5 30 l 06 0 00 5 00 7 0 0 3 0 0 9 0 1 0 0 1 2 00 9 0 0 5 7 喜|啪瑚湖枷湖枷啪。 2 o 8 6 4 2 o 彗v删挺枯。蓉o 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 由表1 - 4 可以看出，淀粉废水集中排放时期污染物昂大浓度为地表水v 类水质标准的 2 0 3 0 倍，在淀粉废水排放尾期污染物浓度基本能达到地表水水质标准的类标准。由此 可得出，淀粉废水的排入是造成洋河水库富营养化的主要来源，同时可以根据上表得出淀 粉废水中总氮、总磷的沉降率高达5 9 、8 0 ，也就是说总氮、总磷的沉降量为2 3 4 9 0 k g d 、 9 7 3 k g d t ”。 1 3 本课题的提出 根据所查到的资料，前人研究了各种工艺方法对淀粉废水进行处理，都取得了不错的 效果，但大多数仅是对淀粉废水中c o d 。、t s s 去除的研究。只有很少的人进行了淀粉废水 中氨氮、总氮、硝态氮( 李明臣，1 9 9 5 、p e t e rs b u r g o o n ，r o b e r th k a d l e ca n dm i k e h e n d e r s o n 1 9 9 9 ) 或淀粉废水中有毒物质氰化物( b k r a j b h a n d a r i ，a ea n n a c h h a t r e ，2 0 0 4 ) 去除的研究。 然而，西洋河淀粉废水每年大量产生的时期是在1 0 月中旬以后，地处我国北方地区， 此时己进入秋季，气温、水温都开始逐渐降低，并且水质变化波动大，含有大量的有机物， 氮和磷，c o d 。，、t n 、t p 最高日排放量可达1 0 8 8 6 4 k g 、3 3 0 0 k g 和9 0 0 k g 【”。为了减少大 量n 、p 进入洋河水库加剧水库的富营养化，必须要对淀粉废水中n 、p 的去除进行研究， 寻找一种既能在秋冬季温度不高时处理淀粉废水，又能有效去除废水中c o d 。n 、p 的 工艺方法。 针对洋河水库上游西洋河淀粉废水排放量大，废水中有机物和氮、磷含量商，水质水 量变化大的特点，考虑将生物滤池技术、接触氧化技术、 o 工艺方法和厌氧折流板反应 器( a b r ) 的优点集中于一体，设计了一种生物滤池串联工艺对西洋河淀粉废水进行处理。 为了更好更可靠的工程设计，保证处理效果，通过中间规模试验提供必要的设计参数，并 对工艺特点与处理效果以及影响脱氮除磷的基本因素进行分析比较，是项十分重要的前 期研究工作。本研究构成了此项试验研究工作的部分内容。 1 4 研究内容与目的 本文重点考察西洋河淀粉废水排放高峰时期和冬季极低温度条件下，该工艺对淀粉废 水中的有机污染物( c o d 。，) 、氨氮、总氮、总磷、可溶性总磷、正磷酸盐的去除效果。研 究这一工艺在处理西洋河淀粉废水实际应用中的运行参数、各污染物随废水的降解规律、 生物膜特性分析等，并对生物滤池串联工艺处理西洋河淀粉废水的影响因素及去除各种污 染物的机理进行探讨。目的是通过对工艺特点与处理效果以及影响脱氮除磷的基本因素进 行分析比较，为实际规模淀粉废水处理工艺设计提供必要的设计参数，保证淀粉废水的处 理效果，从而减少大量污染物进入洋河水库，减缓其水体的富营养化。 8 第二章淀粉废水处理工艺的设计 2 1 淀粉废水处理工艺 淀粉是食品、医药、化工、造纸、纺织等工业部门的主要原料。淀粉属多羟基天然高 分子化合物，“泛地存在于植物的根、茎和果实中。淀粉生产的主要原料作物有甘薯类和 玉米。 淀粉废水是一种常见的高浓度有机废水，由淀粉废水引起的水环境污染被许多国家认 为是一个很严重的问题【l8 ”】。这种废水通常含有大量有机物，c o d 。，能达到2 5 k g m 3 【2 ”，也 含有大量氮、磷物质，总氮、总磷能分别达到o 8 2 k g m 3 、0 1 7 k g ，m 3 斟。对于淀粉废永的 处理，前人研究了各种工艺方法，都取得了不错的效果。国内主要是研究采用物理化学、 生化方法及通过淀粉废水的资源化利用( 如从淀粉废水中提取植酸钙，肌醇，利用淀粉废水 培养单细胞蛋白等方法) 来达到处理目的；国外主要是研究采用生化处理方法，或者在淀 粉废水中接种真菌、根霉菌、曲霉菌属等的方法达到既净化淀粉废水又生产单细胞蛋白的 目的。此外，还有人工湿地处理系统等1 。 2 1 1 物理化学处理方法 物理化学的处理方法主要是指絮凝沉淀处理。絮凝是水处理的一个重要方法，用以去 除水中细小的悬浮物和胶体污染物质。絮凝沉淀是通过加入絮凝剂( 有时还需要加入助凝 剂) ，降低胶体溶液的稳定性，使之凝聚沉淀，然后分离净化的方法。用絮凝沉淀法处理 废水效果的好坏主要是取决于絮凝剂的性能，所以絮凝剂是这种处理方法的关键。常用的 絮凝剂可分为有机絮凝剂、无机絮凝剂、复合絮凝剂和微生物絮凝剂四类口”。絮凝工艺对 高分子有机物有着良好的去除能力，但淀粉的絮凝效果却缺乏足够可供参考的数据弘“。 化学絮凝法研究表明1 2 3 ，当p h = 8 ，p f s 投加量5 m g l ，改性聚丙烯酰胺的投加量为 0 5 m g l 时。沉淀3 0 r a i n 后，c o d 。，的去除率达到8 8 。 生物絮凝剂法口4 1 研究表明，利用从土壤中分离培养出的a 9 菌的粘性絮凝，其效果明 显好于目前常用的聚铝，聚丙烯酰胺，且微生物絮凝剂无毒，无二次污染，产生的沉淀物 可作为动物饲料综合利用。 李明臣等 2 ”1 9 9 5 年研究了采用d s z ( i 、 k 废渣) 、p a m 、活性炭处理玉米淀粉废水的效 果，结果表明：1 采用化学絮凝、活性炭吸附的流程处理淀粉废水的方法是可行的。优点是 基建投资少，工艺简单，操作容易，能耗低，对气温变化适应性强。2 在实验室条件下， 废水c o d s s 、氨氮各项指标去除率高，处理效果显著。3 采用的d s z 为工业废渣，解决 了d s n 的综合利用。4 处理后的絮凝物脱水后可掺与煤中做燃料，无二次污染问题。 岑超平口6 】对木薯淀粉黄浆水，先用石灰乳中和，再用进1 2 1 高分子絮凝剂n o p 、a n 絮 9 中国农业大学硕士学位论文 第二章淀粉废水娃理工艺的设计 凝，有很好的净化效果，c o d 去除率为6 0 0 9 9 3 ，总圃形物去除率为4 5 0 6 6 8 。 絮凝后可生化处理达标排放，且药剂总耗费小于0 3 元m 3 ，这在商浓度有机废水治理工程 中是完全可以接受的。絮凝下沉物容易脱水分离，便于回收和综合利用。 张美华等口3 】在1 9 9 6 年时通过试验研究探讨了淀粉废水聚铁絮凝处理中的主要影响因 素，即聚铁用量、搅拌强度、搅拌时间、搅拌方式及沉降时间对絮凝的影响，优选出了处 理这种废水的最佳絮凝擦作条件为：聚铁用量为0 2 m g 1 ，快速( 1 8 0 r m i n ) 搅拌1 0 s ，慢 速( 1 8 0 r m i n ) 搅拌3 0 s ，沉降9 0 m i n 。并且可以使c o d 。，由3 8 4 2 m g 1 降至1 6 4 8 8 m g l ，低 于国标g b 8 9 7 8 8 8 中二级排放标准( c o d 。2 0 0 m 【g ，1 ) ，c o d 。，去除率达9 5 7 。 杨丽娟等1 2 ”用石灰、p a m 、活性炭等化学方法进行试验研究并将结果应用于某淀粉厂， 得到该方法处理淀粉废水的一些特点：基建投资少、工艺简单、操作容易、能耗低，对气 温的变化适应性强，且出水水质达到排放标准；絮凝物经压滤脱水后掺在煤中作燃料，无 二次污染问题。处理每立方米废水的药剂费在o 2 0 o 3 5 元m 3 以下，经济可行。 乔应池等1 2 列在1 9 9 8 年研究了以f e n t o n 试剂的氧化、絮凝作用处理淀粉厂有机废水， 并借鉴小试摸索的条件，在实际中进行了处理量为1 t 的中试模拟，结果表明采用这种方 法处理十八里河淀粉厂的废水是可行的，效果明显，废水处理后可以达到排放标准。 莫日根等【2 埘对高浓度的有机淀粉废水，通过采用物化絮凝和吸附柱吸附等措施后，废 水c o d 去除率为5 4 6 5 。这对最终的处理出水达标，起了决定性作用。处理后废水 再经过后续工段的生化处理即可达标排放。 李媚等”叫在2 0 0 1 年用混凝法处理木薯淀粉废水，研究了混凝剂的种类、投加量、沉 降p h 值及沉淀时间对木薯淀粉废水c o d 。，去除率的影响，在选定的试验条件下，用聚合硫 酸铁( p f s ) 作混凝剂，木薯淀粉废水c o d 。，去除率达8 8 以上。 王乃芝等p 1 】介绍了用d s z ( 工业废渣) 、p a m 、活性炭等化学处理方法，进行静态、 动态处理淀粉废水的试验研究。所用的d s z 为工业废渣，解决了d s z 的综合利用问题，达 到以废治废的目的；絮凝物经压滤脱水后掺在煤中作燃料，无二次污染问题；该方法经济 合理，试验结果在某市淀粉厂实施，取得了较好的效果。 2 1 2 生化处理方法 生化处理方法是利用微生物的新陈代谢功能，使废水中呈溶解和胶体状态的有机污染 物被降解并转化成无害物质，使废水得以净化的方法，一般包括好氧处理方法，厌氧处理 方法以及好氧、厌氧串联的处理方法。 淀粉废水常用的好氧方法有接触氧化法，生物氧化塘法和活性污泥法。氧化塘净化废 水是利用藻菌互生体系来完成的。进入氧化塘的有机污染物，是依赖细菌进行氧化分解的， 氧化分解有机物的产物叉可作为藻类生长繁殖的营养。藻类进行光合作用放出氧，又供好 氧微生物氧化有机物，所以两者互为利用，形成了藻菌互生体系”1 。活性污泥法是在充氧 曝气供氧条件下，以废水中有机污染物质作为底物，对活性污泥进行连续或间歇培养，并 将有机污染物质无机化的过程。其处理废水效率高，效果好，处理后水的水质良好，因此 使用广泛，并成为处理废水的主要方法或唯一方法p 2 】。 1 0 中国农业大学硕士学位论文第二章淀粉废水处理工艺的设计 常用的厌氧处理方法包括厌氧滤池，升流式厌氧污泥床、e g s b 工艺、厌氧折流板反 应器等。升流式厌氧污泥床反应器是把厌氧活性污泥中的反应槽和沉淀槽合二为一，简单 处理装置的一种方法。它与接触氧化，厌氧生物滤池，折流板反应器等相比，u a s b 具有 运行费用低，投资省，效果好，耐冲击负荷，适应p h 值和温度变化结构简单及便于操 作等优点。目前，淀粉废水的处理也有的采用这种处理方法。但u a s b 反应器与其它厌氧 处理设备一样。其不足之处是不能去除废水中的氮和磷【3 ”。 李燕等【3 4 1 在1 9 9 6 年研究了采用上流式厌氧污泥床( u a s b ) 技术处理淀粉废水，试 验结果表明，当淀粉废水的c o d 。，浓度为4 0 0 0 8 0 0 0m e , 1 时，处理效率可达9 0 以上。 a n n a c h h a t r e 2 0 0 0 年，a n n a e h h a t r eap e ta l t 3 6 1 于2 0 0 1 年研究了采用厌氧法中的u a s b 工艺处理淀粉废水的研究。 e g s b 反应器是在u a s b 反应器的基础上的改进型。它与u a s b 反应器相比具有如下五个 显著特点： ( 1 ) e g s b 反应器耐冲击负荷能力强，由其是在低温条件下，对低浓度有机废水的处理。 ( 2 ) e g s b 反应器内维持很高的水流上升流速。可采用较大的高径比( 1 5 4 0 ) ，细高型 的反应器构造，有效的减少占地面积。 ( 3 ) e g s b 的颗粒污泥床呈膨胀状态，颗粒污泥性能良好。 ( 4 ) e g s b 对布水系统要求较为宽松，但对三相分离器要求较为严格。高水力负荷使反应 器搅拌强度非常大，保证了颗粒污泥与废水的充分接触，强化了传质，有效的解决了u a s b 常见的短流，死角和堵塞问题。但是高水力负荷和生物气浮力搅拌的共同作用，容易发生 污泥流失。因此，三相分离器的设计成为e g s b 高效稳定运行的关键。 ( 5 ) e g s b 反应器采用处理水回流技术，对于低温和低负荷有机废水，回流可增加反应器 的水力负荷，保证了处理效果口”。 g e o r g er ，e ta l ”“1 9 9 9 年比较e g s b 工艺与u a s b 工艺处理淀粉废水的优缺点。 与厌氧法相比，好氧法有很多缺点，例如，它需要充氧，动力消耗大，无能量回收； 微生物所需营养多，污泥量大，适合处理低浓度的有机污水。由于淀粉废水有机物含量即 c o d 。，太高，所以单纯的好氧方法在淀粉废水处理中应用较少。好氧，厌氧相串联的厌氧一 好氧工艺，两段水解一接触氧化工艺，生物膜活性污泥串联工艺等方法应用越来越多。 李清泉等【3 8 1 在2 0 0 1 年研究了采用两段水解一接触氧化工艺处理高浓度玉米淀粉废 水，效果较好，c o d b o d s 的总平均去除率分别达到9 8 o 和9 9 4 ；并且当进水c o d 。，突 然降低或增大时，出水c o d 。仍然很稳定，说明该工艺具有较强的抗负荷冲击能力。 苏宏等口9 】在2 0 0 1 年研究了用加压s b r 法处理淀粉工业废水，进水c o d 。，浓度为3 5 0 0 4 2 0 0 m g 1 ，h r t 为8 1 2 h ，f v 为4 8 k g c o d m 3d ，c o d 。，去除率达到9 4 9 6 7 ，出水 c o d 。， i o * c 、进水氨氮为2 4 m g l 、水力负荷在4 l o m 3 ( m 2 h ) 时，水力负荷不是硝化效率 的限制因子，水力负荷的提高反而促进了硝化速率的提高，整个过程中氨氮的去除率为8 0 一1 0 0 且较稳定，这是因为高水力负荷促经了基质和生物量的均匀分布，使液体和生 物量之间的物料传递得到强化同时滤料也发生一定程度的膨胀，进一步强化了物料传递， 因而提高了硝化效率【b ”，但此试验表明，当水温很低时水力负荷的提高会大大降低氨氮的 去除效率。因而，可见工况i 条件下，系统对氨氮去除效率降低主要可能是因为低温条件 下曝气生物滤池中的生物膜活性很低而难以有效的去除污染物所致。 中国农业大学硕士学位论文 第三章生物滤池串联工艺处理西洋河淀粉废水的试验研究 3 6 3 有机物浓度对氨氮去除效果的影响 1 0 0 8 0 琶 6 0 糌 凿 4 0 稍 蛹 2 。埔 0 圈3 17 有机物浓度对氨氟的去除效果影响 图3 - 1 7 为生物滤池串联系统中进水有机物浓度从9 8 2 m g l 变化到1 2 3 5 4 m g l ，而氨氮 浓度变化范围不大时，系统对氨氮的去除受进水有机物浓度的影响。 从图3 1 7 可以看出，随着进水有机物浓度的升高，系统对氨氮的去除率，在有机物 浓度低于8 4 3 5 t n g l 时影响不大，氨氮去除率呈上升趋势。随着有机物浓度的进一步增加， 系统对氨氮的去除率开始明显呈现下降趋势，当进水有机物浓度达到1 2 3 5 4 m g l 时，系统 对氨氮的去除率下降到5 7 o ，随后有机物浓度虽然出现了下降趋势，但系统对氨氮的去除 率仍然继续下降，而不能恢复到较高的水平，直至有机物浓度下降为4 6 0 0 m g l 时，氨氨 去除率才由最小值2 4 2 逐渐上升，并保持在5 0 左右。由此可见，有机物浓度对氨氮的去 除有明显的抑制作用。这主要是因为氨氮的去除主要是在曝气生物滤池中靠硝化细菌的作 用转化成硝酸盐完成的。当曝气生物滤池中氨氮和有机物同时存在时，自养菌和异养菌会 同时争夺水中的氧，在水中有机物浓