（环境工程专业论文）瓷粒和陶粒填料曝气生物滤池运行特性的研究.pdf

苏州科技学院硕士学位论文摘要 摘要 本试验采用了两种不同的填料陶粒和瓷粒，以生活污水为处理对象，对 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 ) 进行了试验，对两种填料的曝 气生物滤池的启动挂膜及运行特性进行研究，主要研究结果如下： ( 1 ) 瓷粒b a f 和陶粒b a f 所需的启动挂膜时间差异较大，由于闷曝7 d ，因此， 瓷粒b a f 启动所需的时间为3 7 d ，陶粒b a f 启动所需的时间为1 7 d 。 ( 2 ) 在进水水温为1 8 - - 2 8 c ，气水比为3 ：1 的条件下，控制进水c o d 。，浓度为 3 0 0 m g l ，缩短h r t 将降低瓷粒曝气生物滤池反应器的处理效能，对陶粒影响不大。 缩短h r t 与污染物的去除并不呈简单的线性关系。瓷粒和陶粒填料曝气生物滤池 的最佳水力停留时间均为l o h 。 ( 3 ) 在进水水温为2 7 3 3 ，h r t 为1 2 h ，气水比为3 ：1 的条件下，改变进水 c 0 耽，浓度为4 0 0 m g l 、3 0 0 m g l 、2 0 0 m g l 、l o o m g l ，随着进水有机物浓度的逐渐 降低，c o d 。的去除率有所降低，并未对氨氮的去除造成影响，具有良好的氨氮去 除能力。 ( 4 ) 在进水水温为1 2 2 2 ，h r t 为5 h 的条件下，控制进水c o d 。，浓度为 3 0 0 m g l ，气水比由3 ：1 升高为5 ：1 后降低为1 ：l ，当气水比为5 ：1 时，瓷粒和陶 粒对c o d 。，和氨氮的去除效能最佳。气水比增加会导致s s 去除率的下降，当气水比 为1 ：1 时，瓷粒和陶粒反应器对s s 和总氮的去除效能最佳，此条件下陶粒曝气生 物滤池对c o o o ，、氨氮也能达到较好的去除。总体看来，陶粒对污染物的去除效能 要略高于瓷粒。 ( 5 ) 在气水比3 ：1 ，水力停留时间为5 h ，进水有机浓度为3 0 0 m g l 的条件下降 解c o d 。，的最佳填料层高度在2 0 一- 8 0 c m 处，硝化氨氮的最佳填料层高度在4 0 - - - l o o c m 处，对于s s 的去除，主要集中在填料层高度2 0 c m 处，随着填料层的增加去 除效果有所增加但趋势缓慢。 ( 6 ) 曝气生物滤池具有良好的硝化特性，两种填料对氨氮的去除效率均较高。 曝气生物滤池反应器内并没有发生亚硝酸盐积累现象。在总氮的去除方面，运行 条件的改变对总氮的去除影响不大，总氮去除效能不佳，由于未控制反硝化条件， 若存在反硝化，则认为反应器内存在同步硝化反硝化，同步硝化反硝化脱氮的效 果不是很好。关于曝气生物滤池的脱氮性能及影响因素尚需进一步研究。 ( 7 ) 在h r t5 h ，气水比5 ：1 ，水温1 6 - 1 9 ，c o d 。，浓度为2 8 0 5 9 3 1 9 2 2 m g l ， 氨氮浓度为2 1 9 9 - - - 2 9 2 2 m g l ，s s 浓度8 6 - - 1 2 1 m g l 的条件下，对比了两种填料 的除污效能，两种填料对污染物都有较好的去除效果，其中陶粒对于氨氮的去除 i 苏州科技学院硕+ 学位论文摘要 效能最佳，均达到9 5 以上，对c o d 。，和s s 的去除率也达到8 0 以上。瓷粒作为填 料对污染物也有较高的去除效能，但总体处理效能较之陶粒略差。 关键词：曝气生物滤池，生活污水，填料，启动，运行特性，水力停留时间，进 水有机物浓度，气水比，填料层高度 l i m a s t e rd i s s e r t a t i o no fu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fs u z h o ua b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i se x p e r i m e n t ，t w od i f f e r e n tc a r r i e rm e d i a , p o r c e l a i na n de e r a m s i t e ，w e r eu s e dt o t r e a td o m e s t i cw a s t e w a t e ri nb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b a f ) c o m p a r i n gt h es t a r t - u p a n dt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c 、 ，i t l lt h et w od i f f e r e n tc a r r i e rm e d i a , 1 1 坨m a i nr e s u l t s w e r ec o n d u c t e da sb e l o w ： ( 1 ) t h et i m en e e d e df o rt h es t a r t - u pa n db i o f i l mf o r m a t i o no ft h et w ob a f sw e r e d i f f e r e n t , b e c a u s eo fs t u f f ya e r a t i o n ，f o rb a f 谢n lp o r c e l a i nc a r r i e r , 3 7d a y sw e r e n e e d e d b u tf o rb a fw i t hc e r a m s i t ec a r r i e r , 17d a y sw e r en e e d e d ( 2 ) w h e nt h ei n f l u e n tw a t e rt e m p e r a t u r ew a s1 8 2 8 c ，t h eg a st ol i q u i dr a t i ow a s3 ：1 ， t h ei n r u e n tc o d e rc o n c e n t r a t i o nw a s3 0 0 m g l ，c u t t i n gd o w nh r t ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f p o r c e l a i nb a f c o u l db er e d u c e d b u tt h e r ew a sn oi n f u e n c eo nc e r a m s i t eb a eb u tt h e r e l a t i o nw a sn o tal i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ea n dr e m o v a l e f f i c i e n c y f o rt h ep o r c e l a i nb a fa n dc e r a m s i t eb a f ，t h eb e s th r t w a slo h ( 3 ) w h e nt h ei n f l u e n tw a t e rt e m p e r a t u r ew a s2 7 一- 3 3 c ，h r tw 鹳1 2 h ，t h eg a st ol i q u i d r a t i ow a s3 ：1 ，c h a n g i n gt h ei n f l u e n tc o d c rw a s4 0 0 m # l 、3 0 0 m e 班、2 0 0 m g l 、l o o m g l ， w i t ht h ei n f l u e n to r g a n i cl o a d i n gd e c r e a s e d ，t h er e m o v a le f f i c e n c yo fc o d c rw a s r e d u c e dg r a d u a l l y t h e r ew a sn oi n f l u e n c eo nt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fn i - 1 4 + - n ，t l 豫 r e m o v a le f f i c i e n c yo f n h 4 + - nw a sw e l l ( 4 ) w h e nt h ei n f l u e n tw a t e rt e m p e r a t u r ew a s1 2 2 2 ，h r tw a s5 h ，t h ei n f l u e n tc o d 。 c o n c e n t r a t i o nw a s3 0 0 m g m ，t h eg a st ol i q u i dr a t i or o s e dt o5 ：1f r o m3 ：1 ，t h e nd e c r e a s e dt o1 ：1 w h e nt h eg a st ol i q u i dr a t i ow a s5 ：1 ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d c ra n dn i - h + - nw e r e t h eb e s ti nt h ep o r c e l a i nb a fa n dc e r a m s i t eb a f w h e nt h eg a st ow a t e rw a s1 ：1 t h e r e m o v a le f f i c i e n c yo fs sa n dt nw e r et h eb e s t ，o nt h i sc o n d i t i o n ，懿w e l la st h er e m o v a l e f f i c i e n c yo fc o d c ra n dn h 4 + - nw e r eb e t t e ri nt h ec e r a m s i t eb a f g e n e r a l l ys p e a k i n g ， 1 1 1 ec e r a m s i t e 嬲c a r r i e rm e d i a ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o n t a m i n a t i o nw a sh i g h e rt h a n p o r c e l a i nb a f ( 5 ) w h e nt h eg a st ol i q u i dr a t i ow a s3 ：1 ，h r tw a s5 h ，t h ei n f l u e n tc o d c r c o n c e n t r a t i o nw a s 3 0 0 m g l ，t h eb e s tr e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d c ro c c u r r e dw h e nt h eb e dm a t e r i a lh e i g h t w a s2 0 c m - - - ，8 0 c m t h eb e s tr e m o v a le f f i c i e n c yo fn h 4 + no c c u r r e dw h e nt h eb e d m a t e r i a lh e i g h tw a s4 0 c m 10 0 c m n l eb e s tr e m o v a le f f i c i e n c yo fs so c c u r r e dw h e n t h eb e dm a t e r i a lh e i g h tw a s2 0 e m t h es sr e m o v a le f f i c i e n c yr i s e ss l o w l yw i t ht h e f u r t h e ri n c r e a s eo fb e dm a t e r i a lh e i g h t ( 6 ) b a fh a dg o o df u n c t i o no fn i t r i f i c a t i o n 1 1 1 en h 4 + - nr e m o v a le f f i c i e n c yw i t h 1 1 1 m a s t e rd i s s e r t a t i o no fu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fs u z h o u a b s t r a c t p o r c e l a i no r c e r a m s i t ea sc a r r i e rm e d i aw a sb o t hw e l l t h e r ew a sn on i t r i t e a c c u m u l a t i o ni nb 觚c h a n g i n go p e r a t i n gc o n d i t i o n ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft nw a s n om a r k e db yc l e a rc h a n g ea n dw a sm i s a d v e n t u r e b e c a u s eo fn o tc o n t r o l l i n gf o rt h e f a c t o r so fd e n i t r i f i c a t i o n ，i fe x i s t i n gd e n i t r i f i c a t i o n ，t h e nc o n s i d e r i n gt h e r ew a s s i m u l t a n e o u sn 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 ni nb a eb u tt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft n w a sw o r s eb ym e a n so fs i m u l t a n e o u sn 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 nr e a c t i o n s ot h e 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 na n di n f l u e n c i n gf a c t o r si nb a fn e e dt ob ef u r t h e r s t u d i e d ( 7 ) w h e nt h ec o d c rc o n c e n t r a t i o ni ni n f l u e n tw a s2 8 0 5 9 3 19 2 2 m g l ，t h en i 函+ - n c o n c e n t r a t i o ni ni n f l u e n tw a s21 9 9 - 2 9 2 2 m g l ，t h es sc o n c e n t r a t i o ni ni n f l u e n tw a s 8 6 - - 1 2 1 m g l ，t h ew a t e rt e m p e r a t u r ei s1 6 - 1 9 。c ，t h er a t i oo fg a st ol i q u i dr a t i ow a s5 ：1 a n dh r tw a s5 h c o m p a r e dt h ec o n t a m i n a n tr e m o v a lp e r f o r m a n c eo ft w oc a r r i e rm e d i a s ， t h er e m o v a le 伍c e n c i e sa l lw e r eg o o d 1 1 1 en h 4 + 二nr e m o v a le 硒c i e n c yw a st h eb e s ta n d w a su pt o9 5 ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d c ra n ds sa l lw e r eu pt o8 0 u s e d p o r c e l a i na sc a r r i e rm e d i a c o u l da l s og e th i g h e rr e m o v a le f f i c i e n c y , b u ta saw h o l et h e r e m o v a le 街c i e n c yo fp o r c e l a i ne x h i b i t e dal i t t l ed e c r e a s e 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 , d o m e s t i cs e w a g e ，c a r r i e rm e d i a ，s t a r t u p ， o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c ，h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，i n f l u e n to r g a n i cl o a d i n g ，g a st o l i q u i dr a t i o ，b e dm a t e r i a lh e i g h t i v 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 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 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：塑灿灿日期：磁年j ，_ 月上互日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文 的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于 收集、保存、使用学位论文的规定，即：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，并提供目录检索与阅览服 务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意 学校在不以赢利为目的的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全 部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 指导教师签名： 日期：趟蔓年上月二l 日 日期：坦旦年l 也日 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 1 1 1 水资源的短缺和水环境的污染 水是生命活动中最为重要的物质之一，是人类文明不断发展的基础条件，和谐的 水环境和丰裕的水资源是人类社会可持续发展的基本前提。但进入2 0 世纪以来，随 着社会生产力的快速发展，水的需求急速增多，全球性的水荒在百多个国家出现。 我国水资源总量虽约为2 7 0 0 0 亿m 3 ，居世界第六位，但按平均数来看，我国水资源 量不足2 4 0 0 m 3 ，仅为世界人均水平的1 4 ，排名第1 1 0 位。 由于缺水，我国2 0 世纪8 0 年代地表水年入海量仅相当5 0 年代的1 2 0 ；城市地 下水长期大量超采，造成大面积区域性的地下水位下降；河流稀释能力减弱，水污染 日趋严重；由于水资源短缺，部分地区工业与城市生活、农业生产及生态环境争水矛 盾突出，部分地区江河断流，地下水位持续下降，生态环境日益恶化。近年来，城市 缺水形势严峻，缺水性质从以工程型缺水为主向资源型缺水和水质型缺水为主转变。 城市缺水有从地区性问题演化为全国性问题的趋势，一些城市由于缺水严重影响了城 市的生活秩序，城市发展面临挑战。 近百年来城市化、工业化和农业集约化的高速发展、人口爆炸增长，给全球资源、 环境都带来了巨大的压力。人类自身发展不仅消耗巨量水资源，而且还向环境中排放 大量的污染物，造成水环境的明显恶化，使全球可利用的淡水资源日益减少，供需矛 盾加剧，而全球气候变化又使水资源利用产生了一系列新问题啦! 。在我国，随着现代 工业和城市建设的发展，城市的环境污染特别是水污染问题日趋严重；同时，我国是 一个人均水资源占有量匮乏的国家，目前水资源的短缺和水环境的污染已经成为严重 制约我国社会经济持续发展、危害生态环境、影响人民生活和身体健康的突出问题， 迫切需要解决。 建设节水型社会是解决我国水资源短缺问题最根本、最有效的战略举措，有利于 加强水资源统一管理，提高水资源利用效率和效益，进一步增强可持续发展能力；有 利于保护水生态与水环境，保障供水安全。因此，要彻底治理水环境污染、改善水环 境质量状况，必须大力研究发展新型高效经济的污水处理技术，特别是能有效地应用 于小型分散点源污染源治理的简易、高效、低耗的污水处理技术，提高污水处理排放 率，从源头上控制污染物的排放总量。 总之，鉴于我国现阶段的经济技术发展水平和污水处理及污水资源化回用现状， 研究开发一些高效率、低能耗、占地省、投资低、运行管理方便的污水处理技术是我 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 国水环境保护和水资源利用事业的当务之急。 1 1 2 水体中氮素对水环境的危害 1 1 2 1 水体中氦素的来源 水体中的氮素主要有以下来源：大气干湿氮沉降、农田土壤流失、降雨径流、点 源及其他面源污染以及水体内部沉积物释出等。另外大气中的氮也可以通过蓝绿藻和 某些细菌的生物固氮作用进入地面水体。氮素直接进入水体的方式可参见表1 1 。 表1 。1 氮素直接进入水体的方式脚 t a b l e1 1t h ew a y so fn h 4 + - ne n t e ra q u a t i cs y s t e md i r e c t l y 水体中的氮主要以有机氮和无机氮的形式存在。有机氮主要包括蛋白质、多肽、 氨基酸和尿素等。水中的无机氮指氨氮、亚硝态氮和硝态氮，这三种无机氮统称为氮 化合物。含氮废水来源很多，如生活污水，农业灌溉废水，食品加工业废水，制肥厂、 冶金废水，炼油厂的某些废水及制药废水等是主要的氮污染源h 1 。 工业废水：制肥、制革、印染、食品加工业等产生的工业废水含相当量的有机 氮，而冶金工业的炼焦废水、化肥厂排放的废水等则是无机氮的来源。 城市生活污水：采用常规处理工艺的污水处理厂( 包括生活污水和工业水) ，其 排放水都含有相当数量的氮。这是因为有机物被微生物氧化分解产生的氨氮、硝酸盐、 硫酸盐和磷酸盐，除构成微生物细胞的组分外，其余部分都随出水排入河道，成为藻 类合适的生长营养物。这是城市经过常规二级处理但城市河道依然出现水质富营养化 和黑臭的重要原因之一。 面源性农业污染物：肥料和农药从农田中流失，通过雨水冲淋、农业排水和地 表径流带入河道和水体，成为直接的营养源。农业生产中使用的有机肥料和植物秸杆、 2 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 牲畜产生的粪便等废弃物是水体中有机氮的主要来源之一。施入农f 开的氮肥只有一部 分被作物吸收，未被农作物吸收的氮肥超过5 0 ，有的甚至超过8 0 。 另外，有机肥料也可能经微生物分解，成为可溶性无机盐，然后进入地下水或江 河湖泊，成为水体无机氮污染的来源。 1 1 2 2 氮素对水环境的危害 ( 1 ) 刺激地表水中植物和藻类的过度生长1 植物和藻类的生长离不开营养物质。在自然水体中，它们的生长通常受氮( n ) 和磷( p ) 的限制。由于水生植物所需的n p 为4 - 1 0 ( 质量比) ，而寡营养型湖泊的 n p 大于l o ，因此磷的限制作用更大。但是如果城市生活污水排入水体中，由于污水 的n p 为3 ，湖泊的n p 降低，氮和磷的限制作用发生逆转。 氮素随污水持续进入水体，可引起水体富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) ，造成水生 植物和藻类过度生长，由此衍生一系列不良后果： 水生植物和藻类大量繁殖，覆盖水面，影响景观。“赤潮 使海面呈现红色， 使人感到一片萧条。 藻类密度过高，阻塞鱼鳃和贝类水孔，影响呼吸作用。 藻类产生毒素，如c y a u l a xc a t e n e ll a 产生石房蛤毒素( 剧烈的神经毒素) ， 可引起鱼、贝中毒。 藻类产生气味物质，使水体散发异常气味，如土腥味、霉腐味、鱼腥味等。 如果以富营养化水体为水源，藻体可堵塞滤池而影响水厂生产；所含的毒素和 气味物质则影响饮用水的质量。 ( 2 ) 增加给水处理的困难口1 被氮素严重污染的水体，会给水的净化处理带来许多困难，进而严重影响饮用 水水质。 由于水体的富营养化，大量藻类和水生微生物的孳生繁殖使滤池堵塞，破坏其 正常运行。而且，微生物还会穿透滤池在配水系统中繁殖，造成配水系统水流不畅或 阻塞。 藻类分泌出的有机物会妨碍絮凝作用，导致出水混浊，并影响加氯消毒过程。 藻类分泌出的有机物经分解生成难以降解的腐殖质，即为“三卤甲烷前驱物 ( t h m 的前驱物) ，如用氯消毒即生成具有致癌、致畸和致突变作用的总三卤甲烷 ( t t h m ) ，使水质更加恶化，不宜饮用。 水体底部沉积物的厌氧发酵，会使水中f e 2 + 、m n 2 + 浓度因还原作用而增加，同时 发酵产生的甲烷等气体，也会干扰水的处理过程。 在水厂加氯消毒时，水体中少量氨会使加氯量成倍增加，此外，脱色、除臭、 3 苏州科技学院硕+ 学位论文第一章绪论 除味的化学药剂投加量亦会增加。 ( 3 ) 消耗水体中的氧气 藻类大量过度繁殖，死亡后藻类有机体被异样微生物分解，消耗水中的大量溶解 氧，使水中溶解氧的含量急剧下降。同时，由于水面被藻类覆盖，使阳光难以透射水 体深层，而且阳光在穿射过程中被藻类吸收而衰减，所以深层水体的光合作用明显受 到限制而减弱，影响大气的复氧作用，使水中缺氧，甚至造成厌氧状态。此外，还原 态氮排入水体会因硝化作用而耗去水体中的大量的氧，l m o l n h 。氧化成1 m 0 1 n 0 3 一需消 耗2 m o l0 2 。如在普通曝气池二级处理出水中，氮需氧量将占需氧量的较大比例，如果 受纳水体对流扩散能力不强，将耗尽水体中的溶解氧。 一般城市污水经二级处理后，含氮化合物主要以氨氮形式存在于污水中，含氮 的污水排入水体后，在硝化细菌的作用下氧化成亚硝酸盐和硝酸盐，完全氧化l m g l 氨氮约需4 6 m g l 的溶解氧。在典型的二级处理出水中含2 0 - - 一4 0 m g l 氨氮，需氧量 为9 0 1 8 0 m g l ，这对水体质量的改善和保证，以及鱼类的生存是十分不利的，这些 因素将导致鱼类等水生生物因缺氧而窒息死亡，亦使水体因处于厌氧状态而产生h ：s 等臭气。 ( 4 ) 硝酸盐的公共卫生问题嘲 在正常的健康人体中硝酸盐和亚硝酸盐都很快被肠胃吸收。被吸收的亚硝酸盐能 与人体中的血红蛋白起反应形成高铁变性血红蛋白。对于成年人，可以通过还原系统 ，( 如辅酶( n a d h ) 变性血红蛋白酶) 的作用消除毒害作用，但不满三个月的婴儿以及年 幼的动物这种酶系统发育尚不完全，在这种情况下变性蛋白增加可导致一种特殊的临 床病症状变性血红蛋白症。食物和婴儿胃中的微生物可使硝酸盐转变为亚硝酸 盐，从而使这个问题更为突出。此外，硝酸盐和亚硝酸盐有可能转化为亚硝胺，而亚 硝胺是致癌、转突变和致畸物质，对人体有潜在威胁。 ( 5 ) 富营养化使水体功能退化 水体富营养化是因为水体中含有丰富的溶解性营养盐类( 主要是氮、磷) ，在光照 等适宜的条件下藻类迅速繁殖，引起异养微生物代谢旺盛，耗尽水中溶解氧，使水质 变坏，破坏水生态平衡，加速了水体的“富营养化 。 ( 6 ) 消耗氯气 当含有高浓度氨氮的水体作为给水水源，由于水体中氨要消耗氯生成氯氨，所以 必须消耗多余氯气才能保证消毒后的余氯，水中含有l m g l 的氨氮消毒时就要多加 7 - - 一l o m g l 的氯。 1 1 3 问题的提出 由上述材料可以看出，水体中氮的来源是广泛的，危害是巨大的，而我国水环 4 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 境中氮、磷污染又很严重。我国是一个人均水资源占有量匮乏的国家，仅为世界人均 值的四分之一，而且时空分布不均，开发利用难度大，许多地区和城市严重缺水。我 国水资源匮乏，但水资源浪费却很严重；工业废水排放量大，然而工业用水重复利用 率低。近年来，尽管我国在水污染防治方面做了很多工作，但水污染的发展趋势仍未 得到有效控制，据统计，我国的江河湖泊和水库已经受污染的近8 5 ，而我国城市污 水集中处理仅为2 5 左右，大量污水未经处理或未经有效处理即进行排放，其结果不 仅污染了环境特别是水环境，而且加剧了水资源的短缺。2 0 0 4 年全国污水排放总量 为6 9 3 亿吨，其中工业废水占2 3 ，第三产业和城镇居民生活污水占1 3 ，污水处理 厂7 0 9 个，污水处理率仅为15 左右，况且这些污水处理厂并未完全运转，有近一半 污水未经处理直接排出；全国居住了9 亿多人口的小城镇、村庄有多数没有污水处理 设施，由此导致了严重的水环境污染。 2 0 0 1 - 2 0 0 6 年废水排放及处理情况盯1 见表1 2 。 表1 22 0 0 1 - 2 0 0 6 年废水排放及处理情况 t a b l e1 22 1 2 0 0 6y e a r sw a s t e w a t e rd i s c h a r g ea n dp r o c e s s i n gs i t u a t i o n 根据国家环保总局公布的“2 0 0 5 年中国环境状况”嗍，我国七大水系的4 1 1 个地 5 苏州科技学院硕十学位论文第一幸绪论 表水监测断面中，i 一i i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为4 1 、3 2 和 2 7 。其中，珠江、长江水质较好，辽河、淮河、黄河、松花江水质较差，海河污染 严重。主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类。七大水系的 1 0 0 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3 6 、 4 0 和2 4 。海河和淮河水系的省界断面污染较重。 2 0 0 5 年，全国废水排放总量为5 2 4 5 亿吨( 其中，工业废水排放量为2 4 3 1 亿吨， 生活污水排放量为2 8 1 4 亿吨) ；化学需氧量排放量为1 4 1 4 2 万吨( 其中，工业排放 量为5 5 4 8 万吨，生活排放量为8 5 9 4 万吨) ；氨氮排放量为1 4 9 8 万吨( 其中，工业 排放量为5 2 5 万吨，生活排放量为9 7 3 万吨) 。同比全国近年废水及主要污染物排 放量，2 0 0 5 年，全国工业废水排放达标率为9 1 2 ，比上年提高0 5 个百分点。其 中，重点企业工业废水排放达标率为9 2 8 ，比上年提高o 9 个百分点；非重点企 业工业废水排放达标率为8 0 6 ，与上年持平。 2 0 0 5 年1 1 月1 3 日，中石油吉林石化分公司双苯厂发生爆炸事故，约1 0 0 吨苯、 硝基苯和苯胺进入松花江，形成近百公里的污染带沿松花江下泄并进入黑龙江，导致 了严重的松花江水污染事件，对沿江居民的生产生活产生了影响，引起国际国内的广 泛关注。2 0 0 7 年夏季在太湖发生了严重的蓝藻水华，造成了整个无锡市民的饮水困 难，在国内外产生了巨大的影响。造成太湖水华如此严重的根本原因是太湖周边工农 业废水和居民生活污水的不达标排放，导致湖水中氮、磷营养盐浓度的升高。日趋严 重的水污染不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧了水资源短缺的矛盾，对我国正 在实施的可持续发展战略带来了严重的负面影响，而且还严重地威胁到城乡居民的饮 水安全和人民群众的健康。频繁发生的水污染事件再次给人类敲响了警钟。水资源短 缺和水环境污染及水资源浪费造成的水危机已经构成我国社会、经济发展的重要制约 因素，在某些地区，甚至对人民基本生存条件造成极大威胁。 因此，有必要寻找一种基建投资少、运行费用低、占地少、管理方便，并且适 合我国国情的污水处理革新技术。 1 2 曝气生物滤池工艺的研究与应用现状 1 2 1 曝气生物滤池在国外污水处理中的研究及应用状况 曝气生物滤池( b a f ) 属于生物膜法工艺，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，才逐渐成熟，并得到应用和推广。淹没式生物滤池是曝气生物 滤池发展的重要前身，1 9 1 3 年该技术开始在美国l a w r e n c e 应用，初称作淹没式接触 曝气池( s u b m e r g e dc o n t a c ta e r a t o r , s c a ) ，19 2 5 19 5 8 年在德国有1o 余座生产性s c a 被 应用，但其后必须设置沉淀池。为防止固体在填料内阻塞，人们在池内通入空气冲堵， 6 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 当时利用焦炭及灌木枝做填料，后来改用木板条以减小生物膜的聚集。1 9 2 7 年美国 得克萨斯州建立了第一座生产性s c a ，采用灌木及过滤板作为填料，池内有空气扩 散装置，该系统的设计流量为1 8 0 0 m 3 d 呻12 0 世纪3 0 年代，德国开发了类似滤池， 内填粗炉渣。此后，s c a 随着采用新的填料及运行方式而不断得到发展，直到2 0 世 纪7 0 年代末8 0 年代初。一种新型的生物滤池引入了反冲洗，通过反冲洗的方式更新 生物膜和消除截留的悬浮物。同时，滤料粒径进一步减小，除了增大比表面积和生物 浓度外，还具有了截留悬浮物的功能，从而使得系统出水不需要再利用沉淀池进行固 液分离，节约了二沉池。 目前世界范围内已有几百座b a f 设施，曝气生物滤池在欧洲、北美及日本等国 和地区广泛应用，英国利物浦北部的w a t e rs a n d o nd o c k 污水处理厂，选用生物滤池 作为新建的第二处理水厂的处理工艺；位于法国塞纳中心的哥伦布污水处理厂，其根 据季节和水量的不同，灵活的将各构筑物组合，满足不同时期水力负荷的变化，其中 包括两套旱季处理系统，和一套雨季处理系统。随着研究的深入，曝气生物滤池已从 功能和运行方式较单一的工艺型式发展成具有不同处理功能和多种运行方式的系列 综合性工艺。如2 0 世纪9 0 年代以来，法国o t v 公司通过研究，使用密度比水轻的 聚苯乙烯小球状滤料( b i o s t y r e n e ) ，开发了具有脱氮功能的b i o s t y rb a f 工艺，应用该 工艺的污水处理厂亦已超过百座；法国d e g r e m o n t 水务公司开发了b i o f o rb a f 工艺， 该工艺使用特制的、有7 种不同类型的膨胀硅铝酸盐颗粒( b i o l i t e ) 作为滤料，采用 升流式、水、气同向运行方式，根据废水水质及处理要求，将这些填料组合使用，可 同时实现对有机物、s s 和氮、磷的去除n 引。由于曝气生物滤池中存在厌氧和兼性微 生物，使得反硝化得以进行。p u j o l 1 研究认为，反硝化最好采用外加碳源的办法，在最佳 滤速为1 0 1 5 m h 时，脱氮能力可达到1 0 0 。p u j o l 等嬲比较了前置反硝化和后置反硝 化的优劣，认为反硝化过程应采用上向流的进水方式进行。c h e n 等n 列研究生物过滤反 应器与活性污泥反应器以及流化床的反硝化特性时，发现在不同水力条件下，反应器内 微生物种群会发生一定的变化，但优势种群杆菌属基本稳定。同部位占据优势生 态位提供了条件。p u z a v a n 4 1 等在曝气生物滤池一体化硝化反硝化方面取碍了一定进展， 他们通过调整曝气量将反应器内的溶解氧浓度控制在o 5 3 m g l ，从而控制溶解氧不 扩散到生物膜内部，实现同步硝化反硝化。中试结果表明，通过实时曝气，即使将曝气量 降低5 0 ，也可达到同样的处理效果。显然，曝气生物滤池的硝化，反硝化能力已经得到 了很好的实践验证，对去除污水中氨氮的技术发展具有一定的推动作用。 此外，在工业废水处理中，曝气生物滤池也得到了广泛应用，如在纺织废水、屠 宰废水、纸浆造纸废水、以及猪粪废水的处理。目前，曝气生物滤池工艺技术已成功 应用于城市污水处理、生活污水处理、工业废水处理和中水回用工程等，同时在污染 水源水的给水处理系统中也有应用。 7 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 曝气生物滤池在国内污水处理中的研究及应用状况 我国是在2 0 世纪7 0 年代开始研究曝气生物滤池工艺的，8 0 年代开始在工程中推 广应用，到目前为止，曝气生物滤池己在国内多个行业的水处理工程中得以成功应用。 大连马栏河城市污水处理厂通过引进德国公司的工艺技术，采用两级工艺，日处理水 量为万。从投运几年来的实际运行结果表明，其出水水质己达到回用水水质标准，成 为我国城市污水处理领域采用曝气生物滤池技术的成功典范。 2 0 0 1 年，郑俊等人列采用上向流曝气生物滤池进行了生活污水处理的实验研究。 刘建广n 町也采用曝气生物滤池进行了印染废水的处理研究。目前，国内在工业废水方 面应用曝气生物滤池的实例还有哈尔滨工业大学李玉华n 7 1 等人，采用气浮十曝气生物 滤池工艺对哈尔滨某棉纺厂的生产车间排水进行处理，处理后出水达到国家污水综 合排放标准的二级标准。张恒建n 等人，采用曝气生物滤池二氧化氯消毒工艺对徐 州市城郊某中型综合医院的医疗废水进行处理，并取得满意效果。王憬刚等人，采用 曝气生物滤池同气浮工艺联用处理山东省淄博市临淄石化工业区的电厂废水，并对废 水进行回用，取得了良好效果。总的来说，国内对曝气生物滤池的研究主要集中在与 其他工艺相结合进行多种污水的处理。随着中国社会的发展和经济的提高，人们对污 水处理的要求也将日益提高，更高的污水水质排放标准也将逐步出台，曝气生物滤池 工艺更可以发挥其独特的优点，对其研究也将更深入一步。 随着国内中水回用工程的应用，曝气生物滤池工艺得到大力推广，尤其在以城市 生活污水为中水水源的中水回用工程中，以其处理效果好、运行费用低、占地面积小、 易于维护等优势占有主导地位，适用于各种出水标准要求的b a f 工艺被研究开发， 具有同时除碳、脱氮、除磷功能的工艺成为研究热点，尤其在硝化、反硝化的研究上 更加活跃，主要体现在以下方面探讨生物膜内自养菌与异养菌的相互作用而导致的生 物相在滤池内空间分布的不同，摸索有机物浓度和氨氮负荷对硝化活性的影啊，研究 不同的碳源用于反硝化的效果等。另外，曝气生物滤池独特的空间梯度分布特征及运 行特点使其具备了一定的短程硝化反硝化能力，曝气生物滤池采用粒状颗粒作为过滤 和生物氧化的介质和载体，在整体上和每一单元填料表面所附着生物膜中都存在着基 质和溶解氧的浓度梯度分布，这为各种不同生态类型的微生物在生物膜内不同部位占 据优势生态位提供了条件1 。 1 2 3 曝气生物滤池存在的问题 作为一种高效、低成本的污水处理新技术，曝气生物滤池在我国的应用还刚刚起步， 随着社会的发展和水资源的紧缺，对污水处理后的水质要求必将日益提高，更高的污水 排放水质标准和污水回用水源标准也将会逐步出台，这为曝气生物滤池技术在已有的 8 苏州科技学院硕十学位论文第一章绪论 污水处理厂作深度处理，或在新建的污水处理厂中应用创造了条件。如何通过对曝气 生物滤池运行特征、处理效能等方面的深入研究以及对曝气生物滤池与其他工艺组合 的优化研究，将拓宽曝气生物滤池的应用范围，对曝气生物滤池在我国污水处理中的进 一步推广应用有积极的促进作用。曝气生物滤池还存在以下不足啪1 ： ( 1 ) 曝气生物滤池工艺的系统性研究还不是很深入，尽管曝气生物滤池的工艺不断 进步，但其处理效能也只是各有所长，有关曝气生物滤池运行方式对处理效能影响的认 识还不统一，究竟是上向流曝气生物滤池对氨氮和悬浮物的去除好于下向流，还是下向 流好于上向流还存在争论，如何将各种工艺形式相互融合，从而发挥其最大去污效能有 待进一步研究。 ( 2 ) 通常情况下，为了延长滤池的运行周期，减少反冲洗频率以降低能耗，曝气生物 滤池处理污水时需对进水进行预处理。因此，高性能、低价位、截污能力强的填料将 在其推广应用中起到重要作用，研究填料对污染物去除的影响，寻求改善填料性能的工 艺和方法篇0 定适于我国国情曝气生物滤池的填料标准将是下一步研究重点。此问题 解决不好，会制约曝气生物滤池除污性能的发挥。 ( 3 ) 曝气生物滤池生物法除磷效果较差，从目前的b a f 运行工艺看，完全用生物除 磷是很难达到排放标准的，同时脱氮除磷会使系统变得更为复杂。如何深入研究其除 磷机理，从而创造良好的厌氧好氧环境将有待进一步探索。 ( 4 ) 目前，曝气生物滤池生物空间梯度特征以及底物去除动力学规律还很不完善，尤 其是有关曝气生物滤池生物膜的生长，生物膜的组成，生物膜的活性，微生物生态学特 征等方面需进行针对性研究。 ( 5 ) 由于曝气生物滤池工艺本身固有的结构特点，在直接处理污废水时需采用物化 法或化学氧化法进行预处理，操作复杂、成本高。能否在同一复合床式曝气生物滤池 内完成多种污染物的高效去除将是下一步研究应用的重点。另外，如何将曝气生物滤 池与合适的预处理技术有机结合或者采用多级曝气生物滤池联合的形式，从而进一步 发挥曝气生物滤池本身高效去污能力，将在城市废水的深度处理回用方面发挥作用。 1 3 课题研究的目的和意义