（环境工程专业论文）城镇污水高效复合式生物处理反应器试验研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 复合式生物处理反应器作为一种新型污水处理技术，具有占地面积小、污水 处理负荷高及操作灵活简单等特点。本研究以城镇污水为研究对象，进行了以聚 丙烯悬浮填料作为生物膜载体的复合式生物处理反应器现场试验研究工作，考察 了反应器的低温启动过程，以及在低温( 1 8 以下) 、常温( 1 8 以上) 、高负 荷条件下复合式生物处理反应器系统对污染物的去除效果，同时为解决系统除磷 效率问题，进行了化学强化复合式生物处理反应器除磷功能的研究。 研究结果表明，( 1 ) 复合式生物处理反应器在低温条件下可以实现快速启动； 复合式生物处理反应器具有较强的适应环境条件变化的能力，反应温度在1 0 o 3 0 o 范围内，在有机物去除方面，系统c o d 去除效率可以保持在8 0 以上；在脱 氮方面，溶解氧是影响系统硝化功能的重要因素，保证系统正常硝化的d o 临界浓 度为3 0 m v d l ，在h r t 为9 4 h 、s r t 为1 2 d 工况条件下系统氨氮去除率高达9 8 ；在 除磷方面，理论水力停留时间是影响生物除磷的重要因素，在h r t 为1 3 3 h 、4 5 h 工况条件下，系统t p 去除率分别为7 5 、4 0 左右。( 2 ) 辅助化学除磷方法可以强 化复合式生物处理反应器的除磷功能，混凝剂投加量越大系统除磷能力越强，试 验条件下三氯化铁混凝剂( 以f e ”计) 投加量为5 m # l 、6 m # l 、8 m g ，l ( 1 i 、i ) 、 1 5 m # l 时，反应器对t p 的平均去除率分别为5 5 、7 1 、7 5 、8 2 、8 5 ；不同 加药方式( 混凝剂与进水混合或直接投加于曝气区中) 对磷的去除效果影响不大； 投加三氯化铁除磷效率优于聚合硫酸铁，其t p 的平均去除率分别为7 9 、6 6 ：三 氯化铁辅助化学除磷对整个系统的c o d 、氨氮的去除没有明显影响。( 3 ) 在分析 神经网络和复合式生物处理反应器工艺各自特点的基础上，建立了具有8 个输入层 节点、4 个输出层节点以及包含两层隐含层的b p 神经网络，并确定了各隐含层的节 点数、网络的权值和阈值。模型的验证结果表明，该神经网络模型具有良好的泛 化能力，可以较好的对工艺去除污染物的效果进行预测，为工艺推广和进一步研 究打下基础。 关键词城镇污水；污水处理；复合式生物反应器；脱氮；除磷；数学模型 童璺矍三銮兰三主雪圭：堡鎏吝 a b s t r a c t h y b r i db i o l o g i c a lr e a c t o ro - m r ) a san c wp r o c e 8 $ t ot r e a tw f l l s t e w l l t e rh a ss u c h a d v a n t a g e s 勰l e s sl a n dp o s s e s s i o n , h i 【g hp r o c e s s i n ge a p a c i t y 勰w e l l 鹧s i m p l e r e g u l a t i o n e x p e r i m e n t sa n dr e s e a r c h e sw a sc a r r i e do u to np r o c e s s i n go ft o w ns e w a g e b yh b ru s i n g 鲫印锄d e df i l l e ro fp o l y p r o p y l e n eb a l l s 嬲b i o f i l mc l l l t i e l , t oi n v e s t i g a t e s t a r t - u pp r o c e s sa tl o w - t e m p e r a t u r ea n dt h ep o l l u t a n tr e m o v a le f f i c i e n c ya t l o w m n p e r a t u r e ( b e l o w1 8 ) ，砒n o r m a lt e m p e r a t u r e ( 1 8 ca n da b o v e ) ，u n d e rc o n d i t i o n so f h i g hl o a d i n g a tt h e 蛐et i m e i no l d 盯t os o v l et h ep r o b l e mo fp h o s p h o r u sr e m o v a l e f f i c i e n c y , t h er e s e a r e l aw 硒c a r r i e do u to l ls t 陀吧：t b e n i 丑gc h e m i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l c a l m i t yo f t t b r r e s e a r e l as h o w e dt h a t ：( 1 ) i - m rc o u l ds t a r tl 币a tl o wt e m p e r a t u r e q u i c k l y 1 t b rh a d s t r o n gi l d a 删o nc a p a b i l i t y t h et e m p e r a t u r ew a s1 0 5 3 0 3 t h ea v e r a g ec o d r e m o v a lr a t ew a sa b o v e8 0 d ow a sf i l li m p o r t a n tf a c t o rt on i l r i t i c a t i o nf u n c t i o n , a n d s u i t a b l ed ot h r e s h o l do f 嘲c t o l rw a f t3 o m g 【, t h ea m m o n i ar e m o v a lr a t ew a s9 8 t r a d e rh r t9 4 h s r t1 2 d h r ti nt h e o r yw a s 锄i m p o r t a n tf a c t o rt ob i o l o g i c a l p h o s p h o r u sr e m o v a l w h e nh r t w a s1 3 3 h , t pr e m o v a lr a t ew 雒7 5 ：a n dw h e nh r t w a s4 5 kt pr e m o v a lr a t ew a s4 0 ( z ) a s s i s t i a gc h e m i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a lm e t h o d c o u l de n h a n c ep h o s p h o r u sl - m o v a if u n c t i o no fh b r d o s a g ew a sg r e a t e r ，a n dt h et p r e m o v a lc a p a c i t yw a ss t r o n g e r w h e nf e c l 3 ( m e a s u r e dw i t hf d o s a g ew o s5 m g 1 ， 6 吼，8 m e e t ( i l l ，i ) ，1 5 m 班，t pr e m o v a lr a t ew a s5 5 7 1 ，7 5 ，8 2 ，8 5 d i f f e r e n td o s i n gw a y s ( c o a g u l a n tm i x e dw i t ht h ei n f l u e n t0 1 i n v e s t e di n t ob i o c h e m i c a l r e a c t i o n ) h a d1 1 0s i g n i f i c a n td i f f e r e n c eo np h o s p h o r u sr e m o v a lc a p a b i l i t y t h ee f f e c to f p h o s p h o r u sr e m o v a la d d i n gf e r r i ce l a l o r i d ew a sb e t t e rt h a na d d i n gp f s a f t e ra d d i n g f e r r i cc h l o r i d e0 1 p f s ，t pr e m o v a lr a t ew a s7 9 ，6 6 a s s i s t i n gc h e m i c a lp h o s p h o r u s l 切a l o v a lo f a d d i n gf e r r i ce l a l o r i d eh a dn os i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ee n t i r es y s t e mo f c o d a n da m m o n i ar e m o v a l ( 3 ) o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gn e l l i l ln e t w o r k sa n dh b rt h e i r o w i ic h a r a c t e r i s t i c s ，b pn e u r a ln e t w o r ko fe i g h ti n p u tl a y e r 埘) d 嚣，f o u ro u t p u tl a y e r n o d e si n c l u d i n gt w oh i d d e ni 唧w a se s t a b l i s h e da n dt h eh i d d e n 岍n o d e sa n dt h e n e t w o r kw e i g h t s & t h r e s h o l d sw a si d e n t i f i e d v a l i d a t i o n so ft l a em o d e ls h o w e dt h a tt h e n e u r a ln e t w o r km o d e lh a dag o o dg e n e r a l i z a t i o n i tc o u l db eu s e dt of o r e c a s tt h ee f f e c t o f p o l l u t a n t s 北m o w l l ，p r o m o t et h et e e l a n o l o g ya n di a yt h ef o u n d a t i o nf o rf u r t h e rs t u d y 曼璺罂王銮主三主璺圭：堡鲨苫 k e yw o r d ：t o w ns e w a g e ；啊s 把啊旧l e ft r e m m e n t ；h y b r i db i o l o g i c a lr e a c t o r ；, p h o s p h o r u s m m o v a l ；n i t r o g e nr e m o v a l ；m a t h e m a t i c a lm o d e l l i l 1 1 常规污水处理技术 第1 章绪论 1 1 1 概述 为了控制水体污染，科研工作者们对污水处理进行了深入的研究，开发出了 众多的处理方法，目前国内外存在的污水处理方法中，最主要的是以活性污泥法 和生物膜法为代表的生物处理方法。活性污泥法由于具有出水水质好、处理能力 强等优点获得了广泛的应用，在我国现有的二级城市污水处理厂中，绝大多数采 用活性污泥法；生物膜法由于具有反应效率高，占地省，抗冲击能力强，无污泥 膨胀等优点，在中小型污水处理设施中应用最广。 1 1 2 活性污泥法的几种主要处理工艺 1 1 2 1 传统活性污泥法 传统活性污泥法是活性污泥法最早的运行方式。如图1 - l 所示，废水和回流污 泥在曝气池首端一并进入，水流呈推流型。有机物被活性污泥微生物吸附后。在 沿池长方向的曝气过程逐步稳定转化。混合液在池内经过一定时间的逗留后，废 水中的有机物得以降解，b o d s 的去除率一般可达9 0 及以上，出水水质较好。 传统活性污泥法运行中所存在的主要问题是： ( 1 ) 曝气池混合液中的有机负荷池首高，池尾低，相应地，池首的需氧速率 必然较高，而池尾则较低。由于受供氧速率的限制，传统活性污泥法系统的污泥 承受负荷，f m 比不宜过高，否则，池中将出现严重缺氧。 图l i 传统活性污泥法 f i g 1 - 1 c o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 由于沿曝气池长的需氧速率由大到小变化，而沿池长的供氧速率是不变 的，这样，曝气池的后半部就出现供氧速率大于需氧速率的状况。在废水处理厂 的运行中，曝气池的供氧是能耗的主要部分，占总运行能耗的7 0 左右。因而， 传统活性污泥法在节约能耗方面不尽如人意。 ( 3 ) 由于废水进入曝气池后仅与活性污泥混合，而不能立即和池中整个原有 的混合液充分混合稀释，故对进水波动( 如有机物或有毒物质浓度突然升高) 的 调节缓冲余地较小，易使活性污泥微生物的正常生理活动遭到冲击，甚至破坏， 系统运行易受水质波动的影响，出水水质因而不稳定。 1 1 2 2 完全混合活性污泥法 为克服传统活性污泥法的弊端，发展起来了完全混合式活性污泥法，在该工 艺中，污水与回流污泥进入曝气池后，立即与池内混合液充分混合，可以认为池 内混合液是经处理而未经泥水分离的处理水。这种方法可以适应生产中存在的废 水水质波动大的情况，使水质的波动在尽可能短的时间内得到均化，尽快消除生 物降解过程的不利因素。以这种方式运行的曝气池池型分矩形池和圆形池两种形 式，其中圆形池在工程上应用较多。该工艺主要特点如下： ( 1 ) 进入曝气池的污水很快被池内的混合液所稀释、均化，原污水在水质、 水量方面的变化对活性污泥的影响将降到最小的程度，正因为如此，这种工艺具 有较强的耐冲击负荷能力，适用于处理工业废水，特别是污染物质浓度较高的工 业废水。 ( 2 ) 污水在曝气池内均匀混合，池内各个部位水质相同，f m 值相等，微生 物群体的组成数量几乎一致，各部分有机底物降解速率相同。因此，有可能通过 对f m 值的调整，将整个曝气池的工况控制在最佳状态，此时的工作点处在微生 物增殖曲线上，活性污泥的净化功能得以发挥。在处理效果相同的条件下，其有 机负荷高于推流式活性污泥法。 ( 3 ) 完全混合式活性污泥法的另一个特点是池内需氧均匀，因此其动力消耗 低于推流式活性污泥法。 ( 4 ) 完全混合式活性污泥系统的主要缺点是活性污泥较易产生膨胀现象。 1 1 2 3 a b 工艺 a b 工艺( a d s o r p t i o nb i o d e g r a d a t i o n ) 是吸附生物降解工艺的简称，是在 常规活性污泥法和两段式活性污泥法基础上发展起来的一种新型污水处理工艺。 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 该技术是原联邦德国亚琛大学于2 0 世纪7 0 年代中期发明的。由于其具有有机负 荷高、节能、对水质变化适应能力强、处理效果好等优点，于8 0 年代初开始应用 于工程实践【l 】。 a b 工艺的工作原理主要是充分利用微生物种群的特性，为其创造适宜的环 境，使不同的生物群在不同的环境条件下得到良好的繁殖、生长，通过生物化学 作用净化污水。a b 工艺在流程上分a ，b 两段处理系统，两段分别设有各自的曝 气池、沉淀池以及污泥回流系统。 a b 工艺不设初沉池，由a 段絮凝吸附段和b 段生物氧化段串联而 成。a 段停留时间短，一般为2 0 3 0 m i n ；有机负荷高，可达3 5 k g b o d s ( k g m l s s d ) ，约为常规活性污泥法的1 0 2 0 倍，对有机物的去除率可 达5 0 7 0 ；泥龄较短，一般为0 3 o 5 d 。a 段的微生物以细菌和大肠杆菌为主， 其世代时间很短，约为2 0 m i n ，繁殖速度很高，相当于每天7 2 个世代，并且这些 细菌比较活跃、更新快、适应环境能力刮2 】。 a 段可通过控制曝气池内溶解氧，以好氧或兼氧方式运行。溶解氧含量为o 2 o 7 m g l 。a 段去除有机物以絮凝吸附为主，因此污泥絮体粗大，污泥浓度一般为 2 0 0 0 3 0 0 0 m g l ，沉降性能好，污泥指数约为5 0 左右，产泥量大，占污泥总量的 7 5 8 0 ，比初沉池高3 0 ，剩余污泥有机物浓度高、产气量大、容易脱水、能够 浓缩到含固率6 8 。 b 段微生物由菌胶团、原生动物以及后生动物等组成，污泥呈细絮状结构，与 常规活性污泥法基本相似。由于在a 段己去除了大部分有机物，因此b 段污泥负 荷较低，一般为o 1 5 o 3 0 k g b o d s ( k g m l s s d ) ，对有机物的去除率为3 0 4 0 。 b 段停留时间约为2 6 h ，泥龄1 5 2 0 d ，污泥指数低、产泥量少( 占污泥总量的 1 5 2 0 ) ，运行稳定。由于a 段对进水的稀释调节作用，使b 段具有良好的硝化 环境，硝化能力要比单级活性污泥法高5 0 。 a b 工艺具有一定的特色，对b o d 、c o d 、s s 、氮、磷等的去除率，一般均 高于传统活性污泥法，且可节省基建投资约2 0 、节省能耗1 5 左右。其突出的 优点是a 段有机负荷高，抗冲击能力强，对p h 值和有毒物质具有很大的缓冲作 用，特别适用于处理浓度较高、水质水量变化较大的污水【3 】。其主要弱点为产泥 量较大，给污泥处置增加了难度，而且a b 工艺不具有深度脱氮除磷功能。 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 2 4 氧化沟工艺 氧化沟( o x i d a t i o nd i t c h ) 是一种活性污泥法变型工艺，其曝气池呈封闭的沟 渠形，污水和活性污泥混合液在其中循环流动，因此被称为“氧化沟”，又称“环 形曝气池”。其有机负荷一般低于o 1 0k g b o d s ( k g m l s s d ) ，属于延时曝气活性污 泥法，因此其出水水质好，而且运行可靠、稳定。 氧化沟通常采用延时曝气，其池体结构采用环形沟渠形式，混合液在氧化沟 曝气器的推动下作水平流动( 平均流速大于o 3 m s ) ，污泥负荷和污泥龄的选取要 考虑污水硝化和污泥稳定化两个因素，一般污泥龄为1 0 3 0 d ，污泥负荷在o 0 5 0 1 0k g b o d s ( k g m l s s d ) 之间”】。 虽然氧化沟属于活性污泥法的变形，但在其发展过程中也形成了许多氧化沟 独有的特点。废水和活性污泥混合液在环状的曝气渠道中不断循环流动，其特殊 的循环流态，使氧化沟工艺既具有完全混合式又具有推流式的特征。氧化沟一般 在延时曝气条件下使用，污水和污泥停留时间长，固体总量较多，因而对进水水 质的冲击有一定的缓冲作用。同时，氧化沟内循环量是进水流量的几十倍甚至上 百倍，使其具有较大的稀释能力，可以减小水质水量波动和有毒有害物质对系统 的冲击。所以，氧化沟具有很强的耐冲击负荷能力，适合处理高浓度有机废水 6 - 7 。 氧化沟的曝气按点交替运行，存在着不同的生物环境，可发挥不同微生物的 生物特征。氧化沟的构造形式、水流流动状态和溶解氧的分布有利于活性污泥的 生物絮凝，并且可进行硝化、反硝化反应，达到生物脱氮的目的；由于泥龄较长， 污泥在氧化沟内有一定的好氧稳定性，无须进行污泥消化处理，但氧化沟的能耗 较高。 氧化沟具有处理流程简单、操作灵活、适应性强、处理效率稳定和操作管理 方便等优点，自1 9 5 4 年在荷兰v o o r s h o p e n 第一次投入使用至今，发展迅速。据报 道，从1 9 6 2 年以来，美国共建设5 5 8 座氧化沟工艺污水处理厂、英国共兴建3 0 0 多座氧化沟工艺污水处理厂，目前，在国内主导类型的氧化沟有丹麦开发的t 型 氧化沟和d e 型氧化沟、荷兰d t t v 公司开发的c a r r o u s e l 氧化沟及美国e n i v i r e x 公司设计的o r b a l 氧化沟1 1 1 。 1 1 2 5s b r 工艺 s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ) 工艺即序批式活性污 泥法。s b r 工艺以其独特的优点，近年来在世界各地得到迅速发展，人们对它的 4 青岛理工大学工学硕土学位论文 研究逐渐增多。在2 0 世纪8 0 年代，国外对其研究进入了工业化生产研究阶段。 2 0 世纪8 0 年代末我国的一些科研单位及大专院校也对其展开了研究，并开始在实 际工程中应用。 原则上，可以把间歇式活性污泥法作为普通活性污泥法的一种变形，一种新 的运行方式。如果说，连续推流式活性污泥法是空间上的推流，间歇式活性污泥 法则是时间上的推流。连续流工艺中污水先进入反应池，然后进入沉淀池泥水分 离，而间歇式活性污泥法s b r 则是通过在时间上的交替运行来实现这一过程的， 它只设一个池子，将曝气池和二沉池的功能集中在该池子上，兼行水质水量调节、 微生物降解有机物和固液分离等功能嗍。 s b rq - 艺独特的运行方式，使其有不同于其它水处理工艺的优缺点： 优点： ( 1 ) 在大多数的情况下( 包括工业废水处理) ，无需设置调节池； ( 2 ) 可以抑制丝状菌的生长，s v i 值较低，污泥易于沉淀，一般不易发生污 泥膨胀现象 9 1 ； ( 3 ) 通过调节运行方式，在单一的反应器内能够除磷脱氮【州； ( 4 ) 运行管理得当，处理出水水质优于连续式； ( 5 ) 工艺简单，可以省去二沉池和污泥回流系统，运转费用低； ( 6 ) 抗冲击负荷能力强。 缺点： ( 1 ) 运行管理难度较大，对于多个s b r 反应器，进水和捧水的阀门切换频繁； ( 2 ) 工程投资比氧化沟略高； ( 3 ) 无法解决大型污水处理工程连续进水、连续出水的处理要求； ( 4 ) 设备的闲置率较高； 随着计算机和自控技术的发展，s b r 工艺也得到了很快的发展，开发出了许 多新的处理工艺，如c a s s 工艺、i c e a s 工艺、u n i t a n k 工艺、m s b r 工艺、 d a t - i a t 工艺、i d e a 工艺、p a c s b r 工艺等【1 1 1 。 1 1 2 6 a 2 o 工艺 a 2 o 工艺系“厌氧，缺氧，好氧”污水处理工艺，是2 0 世纪8 0 年代发展起来的 新工艺。其工艺利用生物法脱氮除磷，可以获得优质出水，其工作机理由两部分 组成。 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 其一是生物除磷，生物除磷主要由一类统称为聚磷菌的微生物来完成，该类 微生物属异养型细菌，现已报道的包括：不动杆菌属，气单胞菌属，假单胞菌属 和棒杆菌属等。在厌氧条件下，聚磷菌把细胞中的聚磷水解为正磷酸盐( p 0 4 3 - p ) 释放到细胞外，并从中获取能量，利用污水中易降解有机物，如挥发性脂肪酸f a ) 合成贮能物质聚d - 羟基丁酸( p l i b ) 等贮于胞内；在好氧条件下，聚磷菌以游离氧为 电子受体氧化胞内贮存的p h b ，利用该反应产生的能量，过量地从污水中摄取磷 酸盐合成高能物质a t p ，其中一部分又转化为聚磷，作为能量贮于胞内。好氧吸 磷量大于厌氧释磷量，故通过剩余污泥排除可实现高效除磷的目的。好氧条件下， 细胞内p h b 含量随时问呈指数关系减小；厌氧条件下则呈线性关系增加，且p h b 的增加与胞内聚磷的减少呈线性关系。在一定条件下，聚磷菌厌氧有效释磷越彻 底，其吸磷动力就越强，在好氧条件下的吸磷量也就越大【协1 4 1 。 其二是生物脱氮，生物脱氮由硝化和反硝化两个反应过程组成。废水中的有 机氮通过氨化作用转化为氨氮，与废水中原有的氨氮，在供氧充足及其它适宜条 件下，通过硝化作用被氧化成亚硝酸盐和硝酸盐，同时一部分氨氮被同化作用合 成新细胞，由于生物物质的自溶或自身氧化，其中一部分用于同化的氨氮又返回 液相，剩余部分用于净生长并以剩余污泥形式排放。硝化作用产生的硝态氮在无 游离态分子氧存在的条件下，可通过反硝化作用转化为对人体无害的分子态氮气， 从而达到脱氮目的。 因此，污水生物脱氮主要有两条途径：一部分转化为n 2 、n x o v 等气体形态逸 入大气；另一部分通过同化作用合成细胞或被微生物吸附，随剩余污泥排放。但 是，通过同化作用去除氮的量受微生物净生长量所制约，而净生长量又依赖于废 水中有机物含量和处理系统的运行条件。因为微生物细胞中氮含量约占1 2 5 ( 干 重) ，即使考虑生物吸附等因素，由剩余污泥排放引起的脱氮量仅占进水总氮的 3 0 左右。因此，通过剩余污泥排放途径难以达到显著的脱氮效果，把各种形态的 氮转化为气体形态，并排入大气是目前生物脱氮的主要途径 a 2 o 工艺生物处理系统的优缺点如下： 优点： ( 1 ) a 2 o 工艺运行效果稳定、可靠，b o d 5 去除率一般可达9 0 ，有较丰富 的运行管理经验； ( 2 ) 鼓风机根据曝气池溶解氧自动控制，可节省运行电费； 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 具有较好的抗冲击负荷能力，适用于中小城市水质水量变化较大的污水 处理； ( 4 ) 出水水质好，能深度脱氮、除磷。 缺点： ( 1 ) 运行操作难度较大； ( 2 ) 工程占地面积较大； ( 3 ) 污泥产量较大。 另外，a 2 o 工艺为适应不同条件下的水质水量，其还有一些变形工艺，如e a s c 工艺、j l st 艺、u c t 工艺、v i p 工艺、j h b 工艺、倒置a 2 o 工艺等。 1 1 3 生物膜法中的几种处理工艺 1 1 3 1 生物滤池 好氧生物膜生物滤池反应器是由小型的生活污水处理工艺发展而来的，其工 艺和构筑物都很简单，且运行稳定易于管理。在有一定容积的水池中，固定放置 填料，污水自上而下的经过填料，废水中的有机污染物质在填料表面分布，微生 物就利用填料表面的有机物质在填料表面繁殖，逐渐形成生物膜，在生物膜的形 成过程中，有大量的有机物污染物被利用和降解，而在生物膜形成以后，生物膜 的继续生长和原有生物膜的代谢也需要消耗大量的有机物质。 填料表面的生物膜不断生长，在表层不断有生物附着或有机胶体等的吸附， 当膜的厚度达到一定程度，污水中的有机物质就难以传递到里层，甚至氧都不能 传递到里层，内层生物处在既缺氧又缺少营养物质的状态，因而进行内源代谢， 细胞很容易老化，其附着力逐渐减弱。在生物膜自身重力作用下，或者在水流冲 刷作用下，生物膜脱落，形成污泥。在脱落的位置，新的生物膜又随之形成。 填料是生物滤池中很重要的环节。首先是填料的表面积，包括填料的数量和 填料的比表面积。表面积的大小决定了生物膜面积的大小，同时也决定了生物膜 生物量的大小。因此，便成了决定生物滤池净化效果的最关键的因素。填料表面 特性将影响生物膜的生长以及生物膜的厚度。一般而言，填料颗粒越小，表面积 越大，但小的填料颗粒之间的空隙较小，对填料内部的通风和过水有一定的影响， 所以填料还有一个性能指标是空隙度。当比表面积和空隙度两个指标都比较大时， 对生物膜生长和净化效率的提高才是比较理想的。所以，一些带有大量孔隙的颗 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 粒填料会获得较好的效果，但是填料的坚硬度和易碎性等也是要考虑的因素。 生物滤池填料和生物膜都不是浸没在水中，其通气主要靠通风作用，生物膜 必须与空气接触，因此，进入生物滤池的水必须经过一定的预处理。如果进水中 含有较多的颗粒物，颗粒物进到生物滤池中后会覆盖生物膜，或者堵塞填料空隙。 原污水中含有较多的油脂，特别是轻质的矿物油时，油脂对生物膜具有封闭作用， 使生物膜不能获得氧和有机营养物质。因此，污水在进入生物滤池前进行预处理， 去除大部分颗粒物和悬浮物，同时除去较多的浮油，对于改善生物滤池的净化作 用，保持生物膜的正常生长都是很重要的。根据以上分析，生物滤池的工艺过程 主要应包括初沉池和预处理单位、生物滤池主体单元、二次沉淀池和回流单元。 1 1 3 2 生物转盘 生物转盘始创于2 0 世纪6 0 年代，我国在7 0 年代开始研究，并在化工等行业 的工业污水处理中使用这项技术( 王宝贞等，1 9 9 0 ) ，特别是在一些污水排放量不 大的工业企业。生物转盘的净化原理与生物滤池相似，但改变了水与生物膜的相 对运动状态，并将填料改成了人工材料生物转盘盘片。在生物滤池中，生物 膜处在静止状态，水流动经过生物膜，而生物转盘则借助机械力，使附着生长于 生物转盘上的生物膜处于运动状态，而水处于相对静止或半静止状态( 仅有流进 流出的单向运动) 。生物转盘是在一个转动轴上以一定的距离空隙固定大量的与轴 呈垂直关系的刚性薄片。大量的薄片固定在转轴上，形成很大的比表面积。生物 转盘盘片有大约4 5 的面积浸没在污水中。正常运行时，生物转盘以一定的低速 度转动，使生物膜交替的与污水和空气接触，与污水接触时，从污水中吸附有机 物质，当生物膜进入空气中时，便从空气中获得氧化有机物所需的氧气。在盘片 上生长的生物膜的厚度与所处理的污水的浓度和污水的性质有关。当污水中有机 物浓度较高时，传质的厚度较大，因此，在高浓度污水中生长的生物膜较厚，但 厚度会与平均污水的状况自动调节，生物膜的脱落与生长与前面生物滤池中的情 形有相同之处，但是，由于生物转盘上的生物膜是在运动状态下的，具有线速度， 生物转盘盘片上的任意一点的生物膜，都是在作圆周运动，运动时具有离心力， 当运动达到一定速度时，生物膜会在离心力的作用下而脱落。 生物转盘有时可以灵活的应用。如某活性污泥法处理系统的处理效果不能满 足出水要求时，可直接在活性污泥曝气池内增加生物转盘，使之形成一个活性污 泥与生物膜法的联合系统，即达到提高处理效果的目的，又不需要增加占地面积 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 等，对原有设施不需要作很大的改动，有利于管理。 1 1 3 3 生物接触氧化工艺 生物接触氧化工艺与生物转盘、生物滤池相似，都有填料和固定的生物膜， 但该法又与活性污泥法相似，反应器内有部分悬浮的絮体污泥，还有与活性污泥 一样的曝气系统。填料和生物膜都淹没于水中，依靠曝气时空气的搅拌使污水和 生物膜充分接触。接触氧化工艺所使用的填料比表面积特别大，因此生物膜生物 量特别大，生物量可达到活性污泥法生物量的3 5 倍。软性填料、硬性填料以及 软性与硬性两种结合的组合填料都是生物接触氧化工艺的可用填料类型，在使用 中各自具有优缺点。生物膜在填料上生长到一定的厚度时，会与生物转盘上的生 物膜一样。由于有机营养和氧的传递更加困难，使生物膜内层生物老化，并在空 气搅拌和水力冲刷下脱落，脱落处再生长新的生物膜，形成生物膜的新陈代谢。 脱落的生物膜排出反应器，与活性污泥法类似，生物接触氧化工艺理论上无需污 泥回流，但实际也可采用污泥回流系统，以保持曝气反应池内有足够的污泥，同 时可以稀释反应器内的高浓度污水，提高和稳定处理效果。 接触氧化工艺生物膜上微生物种类非常丰富，除一般生物膜上的细菌外，还 有大量的丝状菌以及原生动物和后生动物，形成一个复杂的食物链和生态系统。 由于生物量大，对污水水质的变化具有较强的适应能力。当所处理的污水有机物 浓度很高时，反应器内的f m ( 营养与生物量比值) 仍然可以保持在一定的水平， 既可以保持其相对稳定的处理效果，又可以控制其较低的污泥产量。生物接触氧 化反应器中不仅生物量高，而且由于其曝气的强力搅拌与冲刷作用，生物膜更换 迅速保持着填料表面的低龄生物膜，使生物膜的活性更高，传质条件更好，代谢 更迅速。生物膜上较多的丝状菌使生物膜更具有立体结构，扩大了与水中有机物 接触的机会。 为了适应不同的污水的情况，生物接触氧化工艺被改进成多种形式，如二段 接触氧化工艺，即将曝气系统分为前后独立的两个部分，并在中间设置一个中间 沉淀池，前后两部分的水质差异很大，因此，可以培养出生物相差异很大的生物 膜，达到更深化的处理效果。有的改进是将曝气系统分隔成几个独立的区，采用 推流式，使污水从一个区推流顺序进入后面的区中，各区的生物膜将适应进入各 区的污水性质和负荷量，且在各个不同的区内可以采用不同的工艺参数，对运行 过程进行控制。也有采用平行生物接触氧化系统的工程实例，平行系统可采用交 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 替布水或独立布水，可根据实际需要进行调控。 1 1 3 4 生物流化床工艺 在生物膜法的几种处理工艺中，生物膜和污水都是处于一静一动的相对运动 状态，而生物流化床则使生物膜和污水都处在运动之中，从工程措施来看，相当 于强化了生物膜与污染物的作用。与活性污泥法相比较，对生物与污水的相对运 动状态而言是相似的，但生物流化床中的生物已不再是悬浮的絮状体污泥，而是 形成了活性较高的生物膜，这是因为生物流化床中含有活性污泥法所没有的填料。 生物流化床中采用的小颗粒填料为相对密度大于l 的惰性材料，如砂粒、焦炭、 陶粒、活性炭等，在水流的运动下使填料颗粒处在一种运动状态，经过充氧和不 断的注入含有较丰富有机物的废水，填料表面就将生长一层微生物膜，这就形成 了生物流化床，或称生物流化床反应器。在一个流化床反应器内，使气、液、固 三相同时形成流化床，则称为三相生物流化床。 生物流化床是生物膜处理方法中效果最好、污染负荷最高的一种，特别是三 相生物流化床的设计，更达到了负荷高、效果好、占地面积小、投资省等多个重 要的经济技术指标。 1 1 4 活性污泥法和生物膜法存在的主要问题 随着现代工业的迅速发展，人们生产和使用有机物的种类和数量不断增加， 所需处理的有机废水量日益剧增，水质也越来越复杂，活性污泥法的不足日益暴 露出来，如：曝气池中生物浓度低；耐水质水量冲击负荷能力较差，运行不够稳 定；易产生污泥膨胀；污泥产量大；占地面积大等。 以生物接触氧化工艺为代表的生物膜法与活性污泥法相比，具有反应效率高， 占地省，抗冲击，无污泥膨胀等优点，但出水水质较差，且固定式载体的易堵塞、 易结团，需定期更换，常常导致处理系统的无法长期正常运转。 1 2 复合式生物处理反应器的研究进展 1 2 1 复合式生物处理反应嚣的特点 针对活性污泥法和生物膜法的不足，人们将研究的重点转移到复合式生物处 理反应器的研究上来。复合式生物处理系统就是将生物膜反应系统和活性污泥系 统结合起来。一般情况下，复合式生物处理系统大都保持了原有工艺的主体构造， l o 青岛理工大学工学硕士学位论文 但是由于填料的加入，使污水处理的机理和效能都大为改变。在这个系统中，微 生物生存的基础环境由原来的气、液两相转变成气、液、固三相，这种转变为微 生物创造了更丰富的存在形式，形成一个更为复杂的复合式生态系统。对于处理 中等有机浓度的生活污水而言，当反应器内营养充足，气、液、固三相共存时， 微生物以生物膜和活性污泥两种形式构成新的生态系统，且在纵横两个方向上相 互关联。在纵向上，微生物构成了一个由细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动 物等多个营养级别组成的复杂生态系统，其中每一个营养级生物的数量都受到环 境和其他营养级的制约，最终达到动态平衡。在横向上，沿着液体到载体的方向， 构成了一个悬浮好氧型，附着好氧型，附着兼氧型，附着厌氧型的多种不同运动 能力、呼吸类型、营养类型的微生物系统。应用系统论的观点可以知道，系统的 结构越为复杂，系统的稳定性越强，系统适应环境的能力也越强。同时由于系统 自身结构上的特点，使复合系统具有一定的除磷脱氮的能力1 ”】。 1 2 2 复合式生物处理系统在国外的研究进展 复合式生物处理系统的研究在国外已有近2 0 年的历史。根据载体填料的种类、 大小、以及填料与曝气池结合的方式，可以分为以下三种：( 1 ) 浸没填料系统； ( 2 ) 生物转盘与曝气池相结合的系统；( 3 ) 多孔悬浮载体系统。 1 2 2 1 浸没填料系统 浸没填料系统包括带回流的接触氧化法和固定活性污泥法等。早在1 9 7 6 年 k a t o 等人就首先报道了将立式塑料网格安装在曝气池中的。固定活性污泥法工 艺”，其主要优点是能防止污泥膨胀，减少对污泥回流的要求。f a d i g c b m 亦曾 在传统活性污泥法的曝气池中安装立式塑料网格以构成复合生物处理系统。发现 在曝气池中的填料体积比从0 变到1 0 0 时，b o d 5 的去除率从7 2 5 0 上升至 9 7 5 0 0 , 4 ，同时曝气池中污泥的沉降性能得到了极大的改善【1 6 】。 在过去的1 5 年里，学者们进行了大量的研究，出现了一系列的新型浸没填料。 这些填料按其形态划分大致可分为三种：( 1 ) 由塑料加工成特殊形状而具有较高 的比表面积( 约8 0 2 3 0 m 2 m 3 ) 和空隙率的组合填料1 1 7 1 ；( 2 ) 包括聚乙烯板状填 料、错流式波纹板塑料填料和毛面陶瓷瓦等在内的板状固体填料【1 s - 2 0 ；( 3 ) 以软 性填料为代表的合成纤维填料等1 2 ”。研究表明，在曝气池中投加浸没填料，可以 在不增加曝气池容积的情况下，缩短水力停留时间，提高进水负荷，并同时强化 青岛理工大学工学硕士学位论文 系统的脱氮能力1 2 2 1 。因而向曝气池中投加浸没式填料可以大规模的提升现有污水 处理厂的处理能力。 目前发展较成熟，并且在工程上应用较成功的浸没填料系统是r i n g l a c e 系 统。该系统由日本工程与贸易公司开发，使用一种称为r i n g l a c e 的塑料纤维填 料。填料被固定在铝制的笼子里垂直的置于曝气池中，受曝气冲力的影响而浮动 和摇摆，因而污泥不会矿化和沉积 2 2 1 。德国的g e i s e b u l l a c h 污水处理厂通过对三种 不同填料的对比试验发现，在曝气池中投加r i n g l a c e 填料后系统运行情况良好。 曝气池中的m l s s 从5 9 l 增加至s g l ，其中附着于填料的生物量为3 5 l l g l 。s v i 从2 0 0 m l g 降至6 0 m l g 。污泥负荷为0 5 k g ( k g m l s s d ) 。在温度高于1 2 c ，d o 大于 2 m g l 的稳定状态下发生硝化作用，氨氮的去除率达到9 3 ，b o d 和c o d 的去除率 也增加t 3 0 5 0 【捌。 浸没填料系统的主要优点有：能获得较高的生物量和较好的出水水质，反应 器耐冲击负荷能力强，污泥产量低，沉降性能好，运行稳定。但存在以下问题： 高负荷下易产生污泥堵塞现象，污泥大量脱落后会影响出水水质，填料的运行周 期较短等。 1 2 2 2 生物转盘和曝气池相结合的系统 生物转盘和曝气池相结合的工艺主要是指那种在曝气池的液相主体中引入生 物转盘的工艺。这种工艺最早可追溯至l j l 9 7 5 年。为了减轻有机负荷和提高二级处 理厂的处理效率，美国费城建成了第一套生物转盘和曝气池结合的系统。在东京， 为了改造现有二级处理厂，提高其脱氮能力，人们将生物转盘添加到现有曝气池 中的第三级( 好氧区) ，以提高系统的反硝化能力。n e u 把四个部分浸没的生物转 盘和活性污泥系统结合起来，以提升现有生物转盘处理厂的处理能力洲。 j a u - l a n gs u 和c h a i o - f u e io u y a 赡在传统的a 2 o 工艺的基础上进行改良，发展 了称为 t n c l p 的复合工艺。该工艺包括厌氧区、缺氧区和好氧区三段，在厌氧区 和缺氧区各设一套完全浸没式生物转盘，在好氧区设两套生物转盘，转盘的浸没 率为4 0 。他们认为州c 旷工艺为泥龄较长的硝化菌、反硝化菌和泥龄较短的活 性污泥共存于一个适宜的环境提供了条件，解决了在同一个系统中同时除磷和脱 氮的矛盾。试验表明：与传统的a 2 o t 艺相比，。t n c u t 艺可在较短的污泥龄下 获得较高的氮磷去除率 2 4 1 。 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 2 2 3 多孔悬浮载体系统 多孔悬浮载体是近年来在市政污水和工业废水的处理中获得广泛研究的一项 新技术，由于在反应器中悬浮的载体上可附着生长生物膜，好氧反应器中的生物 浓度得到提高，并且因为悬浮载体上的生物膜污泥龄较长，使得系统在提高碳的 去除能力的同时也强化了氮的去除。悬浮载体的形状一般为立体块状或粒状，形 状规则，空隙率大，比表面积几百到几千不等。多采用聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯 等特制塑料或树脂制成，比重接近于水，在正常的曝气强度下极易达到全池流化 翻动。悬浮载体可以直接投加，无需固定支架，只需在曝气池出水口处设置栅网 拦截，靠曝气水流将其回流至池前端。悬浮载体在运行中不结团，不堵塞，老化 的生物膜靠水力冲刷、曝气搅动自动脱落。 目前较成熟的一类悬浮载体系统是德国l 矾d e 公司的 l i n p o rp r o c e s s ”和 英w s i m o n - h a r t l e y 公司开发的c a p t o r 系统。l i n p o r p r o c e s s i 艺把硬币大小、 比重稍小于水的多孔聚氨酯泡沫塑料块作为填料投加在曝气池中，投加率一般为 1 5 3 0 ，可极大的提高曝气池中的生物浓度。典型的 l i n p o r p r o c e s s ”中固定 微生物浓度可达1 0 l 微g m 3 ，最高n - j i