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中文摘要 我国淡水资源缺乏，随着我国城市建设和工业的发展，城市用水量和排水量 不断增长，造成水资源日益不足。 c a s s ( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ) i 艺是s b r _ i 艺的一种改进。具有占地 面积小、工艺流程简单、运行方式灵活、易于程控、对水质水量变化适应性强、 能同时脱氮除磷等优点。 膜生物反应器( m b r ) 是膜分离技术与活性污泥系统相结合，用膜组件来 代替活性污泥法中的二沉池，该技术以新型、高效的优势广泛应用于污水处理和 回用中。 本课题的提出是在以往研究的基础上，将c a s s 与m b r 工艺结合起来，根 据不同的排放要求实现灵活的应用，以最大限度发挥两种处理工艺各自的优势，使 污水处理和再生水处理水质指标得到可靠保证。当出水无回用要求时，处理设施 可按照c a s s 工艺运行，出水水质要求满足污水综合排放标准中的一级标准和部 分低杂用水水质标准。当出水需要回用时，处理设施可按照m b r 工艺运行，出水 水质要求满足各种回用水质标准的要求。 本实验分三个阶段进行：第一阶段系统按照c a s s 工艺运行，浊度、c o d 、 氨氮、t n 的平均去除率分别为9 7 4 7 、8 7 5 7 、9 8 7 8 、8 6 6 8 ：第二阶段 切换到m b r 工艺运行，浊度、c o d 、氨氮、t n 的平均去除率分别为9 8 0 8 、 9 2 7 6 、9 6 9 7 、6 9 9 5 ；第三阶段再次切换到c a s s 工艺运行，浊度、c o d 、 氨氮、t n 的平均去除率分别为9 6 8 7 、9 7 6 7 、9 8 8 、8 8 6 4 。 实验运行期间，c a s s 与m b r 处理工艺不仅有稳定的出水效果，而且能有 效地抵御各种冲击负荷。 本实验运行的三个阶段，成功实现了c a s s 与m b r 的自由切换，出水分别 达到了一级排放标准及其中水回用标准，为工程实践提供了又一可行的思路。 本实验运行过程中也有一些不足之处，如污泥沉降性能相对较差，穿孔管传 氧效率不高，膜污染等问题还需要进一步实验研究。 关键词：c a s s 工艺m b r 工艺切换污染物去除效果工程实践 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n d u s t r ya n do u rc i t y ，t h ea b s e n c eo f w a t e rr e s o u r c eh a s b e c o m eas e r i o u sp r o b l e mw eh a v et of a c e 。皿1 ea m o u n to fw a t e rt h a tw eh a v eu s e d a n d d i s c h a r g e di si n c r e a s i n ge v e r y d a y c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g es y s t e mi sak i n do fi m p r o v e m e n to ns b r i th a st h e m e r i t so f s i m p l ep r o c e s s ，s m a l la r e a ，e a s yc o n t r o l ，f l e x i b l eo p e r a t i o n ，e a s yt oa d a p t t h ew a t e rq u a n t i t a t i v ea n dw a t e rq u a l i t y ，r e m o v a lo f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s s i m u l t a n e o u se r e b yr e p l a c i n gas e c o n d a r yc l a r i f i e rb yam e m b r a n es e p a r a t i o nu n i ti na na c t i v a t e d s l u d g ep r o c e s s ，m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) t e c h n o l o g i e sh a v ee m e r g e da so n eo ft h e i n n o v a t i v ea n d p r o m i s i n gs o l u t i o n sf o rt h e 。c o m p l e t er e t e n t i o no fs l u d g e t h ee x p e r i m e n tw h i c hi si nt h ef o u n d a t i o no ff o r m e r l ys t u d i e dc o m b i n e sc a s s a n dm b r t o g e t h e r i tc a l le x e r tt h ea d v a n t a g eo fe a c ho t h e rb yt h eg r e a t e s te x t e n t a c c o r d i n gt od i f f e r e n te f f l u e n ts t a n d a r da n dn l a k et h ee f f l u e n tq u a l i t ya s s u r a b l e w h e n t h ee f f l u e n th a sn or e q u e s to f r e c l a m a t i o na n dr e u s e ，i tr u n sa sc a s s ，t h ee f f l u e n t r e a c ht h ed e m a n dq u a l i t yo fi n t e g r a t e dw a s t e w a t e rd i s c h a r g es t a n d a r d ( g b18 918 - - 2 0 0 2 ，g r a d e1 ) a n ds o m el o w w a t e rq u a l i t ys t a n d a r df o rm i s c e l l a n e o u sw a t e r c o n s u m p t i o n w h e nt h ee f f l u e n th a st h er e q u e s to fr e c l a m a t i o na n dr e u s e ，i tr b n sa s m b r ，t h ee f f l u e n tr e a c ht h ed e m a n dq u a l i t yo f w a s t e w a t e rr e c l a m a t i o na n d r e u s e ( g b t 1 8 9 2 0 2 0 0 2 ，g b t 1 8 9 2 1 2 0 0 2 ) t h i se x p e r i m e n ti sd i v i d e di n t ot h r e es t a g e st oc a r r yo n ：t h ef i r s ts t a g er u n s a c c o r d i n g t ot h ec a s s ，t h ea v e r a g er e m o v a lp e r c e n tf o rt u r b i d i t y ，c o d ，n h 3 - na n d t ni s9 7 4 7 ，8 7 5 7 ，9 8 7 8 ，8 6 6 8 r e s p e c t i v e l y ；t h es e c o n ds t a g er u n s a c c o r d i n gt ot h em b r ，t h ea v e r a g er e m o v a lp e r c e n tf o rt u r b i d i t y ，c o d ，n h 3 - na n d t ni s9 8 0 8 ，9 2 7 6 ，9 6 9 7 ，6 9 9 5 r e s p e c t i v e l y ；t h et h i r ds t a g er u n sa c c o r d i n g t ot h ec a s sa g a i n ，t h ea v e r a g er e m o v a l p e r c e n tf o rt u r b i d i t y ，c o d ，n h 3 - na n dt n i s9 6 8 7 ，9 7 6 7 ，9 8 8 ，8 8 6 4 r e s p e c t i v e l y i th a sb e e nf o u n dt h a tt h ec a s sa n dm b rp r o c e s sc a nr e m a i ns a t i s f a c t o r y e f f l u e n ta n dh a v eag o o da d a p t a b i l i t yt os e v e r a ls h o c kl o a d i n gd u r i n gt h er u n n i n g p e r i o d n l i se x p e r i m e n tr e a l i z e st h es w i t c ho ft h ec a s sa n dm b rf r e e l ya n dt h e e f f l u e n tr e a c ht h ed e m a n do fi n t e g r a t e dw a s t e w a t e rd i s c h a r g es t a n d a r d ( g b18 918 - - 2 0 0 2 ，g r a d e1 ) a n dt h es t a n d a r do f ( g b h 1 8 9 2 0 2 0 0 2 ，g b t 1 8 9 2 1 2 0 0 2 ) ，i t e n g i n e e r i n gp r a c t i c e w a s t e w a t e rr e c l a m a t i o na n dr e u s e o f f e r sa n o t h e rf e a s i b l e w a yf o rt h e i ta l s oh a ss o m es h o r t a g es u c ha st h er e l a t i v ew o i s es e d i m e n t a t i o np e r f o r m a n c e o fa c t i v a t e ds l u d g e ，t h eo x y g e nu t i l i z a t i o ne m c i e n e yo fp e r f o r a t e dt u b ei s c o m p a r a t i v e l yl o w e ra n dm e m b r a n ef o u l i n gn e e df u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：c y c l i c a c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ，m e m b r a n eb i o r e a c t o r , s w i t c h ， p o l l u t a n tr e m o v a lp e r f o r m a n c e ，e n g i n e e r i n gp r a c t i c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗苤堂或其他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。 学位论文作者签名：剀珊怎 签字日期： 纱 年2 月歹f 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 别确舀 签字r 期：例年f z 月弓f 同 导师躲本友李 签字同期：杉年7 月弓r 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 水是生命之源，人类的生存和发展都离不开水，水也是维持生态平衡的主要 物质基础之一。随着经济建设的快速发展与人口的急剧增长，人类对水资源的需 求也在不断增加，水资源危机日益加剧，与此同时，水资源的污染问题也越来越 严重，水资源短缺与污染之间形成一种恶性循环，给社会经济的发展带来了极大 的危害，已对人类的生存构成了威胁。 1 1 水资源现状 水资源主要是指与人类社会和生态环境保护密切相关而又能不断更新的淡 水( 地表水和地下水) ，其补给来源主要为大气降水。地球上水的总量为 1 3 8 6 1 0 1 7 m 3 ，其中约9 6 5 4 不能直接用于生活生产，与人类生活息息相关的淡 水量仅为0 0 4 7 1 0 m 3 ，占总水量的0 3 4 n 1 。 我国的水资源拥有量也不容乐观，现有水资源总量平均每年达2 。8 x 1 0 1 2 m 3 ， 但人均淡水资源量则不足2 2 0 0 m 3 a ，仅相当于世界人均的1 4 ，居世界第8 8 位。虽 然我国水资源总量居世界第6 位，但只拥有世界淡水量的7 ，是水资源短缺的国 家，为世界1 2 个贫水国家之一拉1 。水资源不足且分布不均是中国的基本国情。我 国水资源短缺的矛盾对经济和社会生产、生活都产生严重的负面影响。 水资源短缺的同时，水污染问题也日益突出。近2 0 年来，虽然我国污水的处 理率在不断提高，但我国污水的年排放量仍在大幅度增加。据2 0 0 3 年中国环境状 况公报口1 ，全国工业和城镇生活污水排放总量为4 6 0 亿吨，比上年增加4 7 。其 中工业废水排放量2 1 2 4 亿吨，比上年增加2 5 ；城镇生活污水排放量2 4 7 6 亿吨， 比上年增加6 6 。水环境污染呈现出从支流向干流延伸、从城市向农村蔓延；从 地表向地下渗透、从陆地向海洋发展的趋势。 严重的水污染不仅造成了我国非常大的直接和间接经济损失，制约了我国国 民经济的可持续发展，而且危害了环境的生态平衡，威胁到人民生活健康，甚至 破坏了人民基本生活和生存条件。进入2 1 世纪以来，虽然随着我国环境治理力度 的不断加大，水质恶化的势头有所缓和。但从总体上来看，水质恶化的趋势没有 得到根本遏制。在空间上，将由大陆向海洋，从城市到农村扩展，如果不采取有 力的措施，一些城市、地区或流域甚至全国可能发生水质危机。可以说，水质危 天津大学硕士学位论文第一章绪论 机的危害远远超过水量危机，必须引起高度重视。 由此可见，我国未来水资源形势非常严峻，解决好水资源的可持续开发利用 问题势在必行。2 1 世纪是经济高速发展的时代，如果我国的水资源得不到可持续 发展，那么经济建设的可持续性发展将受到严重制约，我国也就无法走可持续发 展的道路。因此，水资源安全问题已成为我国的一个战略性问题。 1 2 传统活性污泥法 在当前污水处理技术领域中，活性污泥法是应用最为广泛的技术之一。在 1 9 1 4 年英国的曼彻斯特市，由a r d e n 和l o e k e t t h 3 二人开创了用活性污泥法处理 污水，距今已有九十多年的历史。在这期间，随着工程应用的日益拓展，它在技 术上得到不断的改进和完善，特别是近三十多年来，世界上有很多科技人员，对 活性污泥法处理污水进行了广泛深入的研究。如对活性污泥法净化污水机理、活 性污泥法新型工艺流程、活性污泥中的微生物及微型动物、活性污泥膨胀现象等 的研究都取得了不少成果。克服了以前人们在污水生物处理系统的设计和运行 中，因采用经验或半经验方法造成的盲目性，使活性污泥法的工程设计更加科学 合理，同时能够较好地预测和指导系统的运行管理。但直到现在活性污泥法还有 很多方面需要进一步研究和完善。 传统活性污泥法对有机物和悬浮物有很高的处理效率，但存在下述缺陷： ( 1 ) 不能适应水质的变化，当进水水质发生变化时，对活性污泥有较大的影 响； ( 2 ) 进水浓度尤其是抑制物质浓度不能太高，不适应冲击负荷，对某些工业 废水不适应； ( 3 ) 需氧量分布不均，使所提供的空气不能充分利用。在曝气池前段，生化 反应剧烈，需氧量大，而后段生化反应平缓，需氧量相对减少，为了维持前段有 足够的溶解氧，后段将大为超过需要，造成处理费增高； ( 4 ) 排放的剩余污泥也在池内完成了再生过程，消耗动力； ( 5 ) 所用曝气池相当庞大，占地较多。 1 3 序批式活性污泥处理系统 针对传统活性污泥法系统存在的问题，国内外环保专家针对上述问题进行了 不懈的探索，在供氧方式、运转条件、反应器形式等方面进行了革新，开发了多 种组合工艺，使活性污泥法朝着高效、节能的方面发展。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 序批式活性污泥法( s b r 工艺，s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 是从早期的充排 式反应器( f i l l - - d r a wr e a c t o r ) 发展而来的，但是由于当时的自动控制技术和设备 还比较落后，使其逐渐被连续式活性污泥法所代替。 为了解决连续式活性污泥法( c o n t i n u o u sa c t i v a t e ds l u d g er e a c t o r ，简称c a s ) 所固有的一些问题，2 0 世纪7 0 年代初，美国n o t r ed a m e 大学的i r v i n e 哺1 教授首 先发起，对序批式活性污泥法重新进行了研究和评价，并于1 9 7 9 年发表了一篇 采用s b r 工艺进行污水处理的论著。其后日本、澳大利亚等国都对该工艺进行 了应用研究。随着研究的不断深入，人们对该工艺的机理和优越性有了全新的认 识。此后又出现了不易堵塞的曝气器和浮动式出水堰( 滗水器、撇水器) ，监控技 术的自动化程度也大幅度提高，使s b r 工艺的优势得到了充分发挥，并迅速应 用于工程实践。 1 3 1 序批式活性污泥法基本原理 序批式活性污泥法的核心是其反应池，该池集水质均化、初次沉淀、生物降 解、二次沉淀等功能于一体，整个工艺简洁，运行操作可通过自动控制装置完成， 管理简单，投资较省。序批式活性污泥法中“序批式”包括两层含义：一是运行 操作在空间上按序列、间歇的方式运行，由于污水大都是连续或半连续排放，处 理系统中至少需要2 个或多个反应器交替运行，因此，从总体上污水是按顺序依 次进入每个反应器，而各反应器相互协调作为一个有机的整体完成污水净化功 能，但对每一个反应器则是间歇进水和间歇排水；二是每个反应器的运行操作分 阶段、按时间顺序进行，典型s b r 工艺的一个完整运行周期由五个阶段组成， 即进水阶段、反应阶段、沉淀阶段、排水阶段和闲置阶段，从第一次进水开始到 第二次进水开始称为一个工作周期。反应池完成一个循环之后进入下一个循环。 采用这种工艺的污水处理厂一般都设有两个或三个反应池，各自完成自己的循 环，以轮流进水的方式接受来自城市污水管网连续不断的污水。 进水阶段是反应池在短时间内接纳需要处理的污水，同时起到调节和均质的 作用，此阶段可曝气或不曝气。反应阶段是停止进水后的生化反应过程，根据需 要可以在好氧或缺氧条件下进行，也可在两种条件下交替进行，但一般以好氧为 主。沉淀阶段停止曝气，进行泥水分离，经过一定时间的沉淀，进入排水阶段， 利用排水装置将上清液排出反应器。排水结束到第二次进水的时间间隔为闲置阶 段，这一阶段曝气或不曝气均可，此时通常不进水，而是通过内源呼吸作用使微 生物的代谢速度和吸附能力得到恢复，为下一个运行周期创造良好的初始条件。 在每一个运行周期内，各阶段的运行参数都可以根据污水水质和出水指标进行调 整，并且可根据实际情况省去其中的某一阶段( 如闲置阶段) ，还可以把反应期和 天津大学硕士学位论文第一章绪论 进水期合并，或在进水阶段同时曝气等，系统的运行方式十分灵活。 亡 1 3 2 工艺特点 s b r 工艺适合当前好氧生化处理工艺的发展趋势，属简易、高效、低耗的污 水处理工艺。与连续式活性污泥法比较，s b r 工艺具有以下特点： ( 1 ) 结构简单，运转灵活，操作管理方便； ( 2 ) 投资省，运行费用低，k e t c h t m 等人统计结果表明采用s b r 工艺处理小城 镇污水，要比用普通活性污泥法节省基建投资3 0 ： ( 3 ) 可抑制丝状菌生长，不易发生污泥膨胀，污泥指数( s v i ) 较低，剩余污泥 性质稳定，利于浓缩和脱水； ( 4 ) 系统通过好氧厌氧交替运行，能够在去除有机污染物的同时达到较好的 脱氮除磷效果； ( 5 ) 系统处理构筑物少，布置紧凑，节省占地。 另一方面，s b r 比连续式更容易驯化出优势菌种，微生物处于营养物、溶氧 等周期性变化的环境中有利于絮状污泥生长而抑制丝状污泥生长，使活性污泥中 快速生长的兼性菌占优势，更容易控制污泥膨胀。同时，s b r 反应器中i 蝌a 的 含量比普通的活性污泥高3 4 倍。而r n a 决定了细菌的增殖速度，因此，s b r 反应器污泥活性高，沉降性能好。由于s b r 工艺具有以上的优点，因而成为污 水处理的最佳选择工艺之一，尤其在处理有机废水方面。 由于具有以上诸多优点，s b r 近年来在我国得到了较广泛的应用。但它也有 不足之处，如在实际工作中，废水排放规律与s b r 间歇进水的要求存在不匹配 闯题，特别是水量较大时，需多套反应池并联运行，增加了控制系统的复杂性。 因此，连续进水间断排水的改进型间歇式活性污泥法在s b r 技术的基础上得到 了发展。 1 4c a s s 工艺的现状及其不足 c a s s 工艺( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ) 是近年来国际公认的处理生活污 水及工业废水的先进工艺，是s b r 工艺的一种变型h 1 。1 9 6 9 年g o r o n s z y 教授从 连续进水间歇运行的氧化沟工艺入手从事可变容积活性污泥法的研究和开发工 作，并于1 9 7 5 年将连续进水间歇运行的工艺方法应用于矩形鼓风曝气池，1 9 7 8 年 又利用活性污泥基质积累再生理论，根据基质去除与污泥负荷的实验结果以及污 泥活性组成和污泥呼吸速率之间的关系饵1 将生物选择器与s b r 工艺有机结合，成 功地开发出c a s s 工艺，1 9 8 4 年和1 9 8 9 年分别在美国和加拿大取得循环式活性 天津大学硕士学位论文第一章绪论 污泥法工艺( c a s s ) 的专利。1 9 8 6 年美国国家环保局正式宣布c a s s 工艺为革新 代用技术。该工艺已广泛应用于欧美许多国家的城市污水和各种工业废水的处 理。随着自动化水平的不断提高，对c a s s 的研究将日益深化、不断完善。由于 其具有投资少、运行管理方便、可分期建设等特点，适合中国国情，近年来，在国 内已得到推广应用。 1 4 1c a s s 工艺的构成 典型的c a s s 反应器由生物选择区、预反应区和好氧区三部分构成。 生物选择区是设置在c a s s 前端的小容积区域，容积约为反应器总容积的 1 0 ，水力停留时间为0 5 1 o h ，通常在厌氧或兼氧条件下运行，也可在好氧条件 下运行。该区是按照活性污泥种群组成动力学旧3 的规律而设置的，其工艺过程遵 循活性污泥的积累再生理论n 训。进入反应器的污水和从主反应器内回流的活性污 泥( 由主反应区向选择区回流的污泥量一般以每天将主反应器中的污泥全部循环 1 次为依据而确定其回流比，一般回流量约为日平均流量的2 0 ) 在此混合接触， 形成一局部的高污泥负荷预反应阶段，在此阶段微生物能通过酶的快速转移机理 迅速吸附污水中大部分可溶性有机物，经历一个高负荷的基质快速积累过程，对 难降解的有机物起到较好的水解作用；可对进水水质、水量、p h 和有毒有害物 质起到较好的缓冲作用，同时对丝状菌的生长起到抑制作用，有效防止污泥膨胀。 更为重要的是，有利于形成适合于微生物生长的颗粒状絮凝性细菌，这种颗粒污 泥是主反应区反硝化的菌相来源。生物选择区o i 冲一般控制在- - 5 0 - - 一2 0 0 m v 左 右，可使污泥中的磷在厌氧条件下得到有效的释放。由于回流污泥中存在少量硝 态氮( 约2 - - - 1 0 m g l ) ，生物选择器中还会发生反硝化作用，反硝化量可达整个系 统反硝化量的2 0 u 。 预反应区一般在缺氧条件下运行，能辅助生物选择区实施对进水水质水量 变化的缓冲作用，还可进行前置生物脱氮，同时难降解大分子物质可发生水解作 用，这对提高有机物的去除率具有一定的促进作用。 主反应区是去除营养物质的主要场所，通常控制氧化还原电位o r p 在 l o o m v 15 0 m v ，溶解氧d o 在o 2 5 m g l n 船。使主反应区内溶液处于好氧状态， 活性污泥内部基本处于缺氧状态，使主反应区同时发生硝化、反硝化作用和磷的 吸收。在c a s s 池子的末端设有潜水泵，污泥通过此潜水泵不断地从主曝气区抽 送至选择器中( 使活性污泥和进水相互接触以利用污泥的酶转移机理快速吸附吸 收溶解性有机物) ，为保持池子中有一个合适的污泥浓度，需根据产生的污泥量 排出相应的剩余污泥，排除剩余污泥一般在沉淀阶段结束后进行。所设置的剩余 污泥泵在沉淀阶段结束后将工艺过程中产生的剩余污泥排出系统。在池子的末端 天津大学硕士学位论文第一章绪论 设有由电机驱动的可升降的撇水堰，以排出处理出水，撇水装置及其它操作过程 如溶解氧和排泥等均实行中央自动控制。 在可变容积和充水和排水( s b r 法) 系统中进行生物脱氮( 硝化和反硝化) 已 有多年历史，大量运行结果表明：同s b r 一样，c a s s 工艺具有卓越的硝化反硝 化能力，随着除氮要求的不断提高，c a s s 工艺将得到日益广泛的应用。其原理为 通过每一循环的四个阶段人为地造成厌氧、缺氧、好氧的生物环境。不仅能去除 一般有机物和悬浮固体，而且还能去除营养物质氮和磷，处理效果取决于泥龄、 供氧情况和一个循环中曝气和非曝气时段的比例。c a s s 系统中硝化反硝化过程 不需要单独设置一个缺氧运行阶段以进行反硝化，生物除磷效果达到8 0 9 0 左 右，如需进一步提高除磷效果，可采用加大循环周期，加大非曝气时间占整个循 环时间的比例。 1 4 2c a s s 工艺运行及特点 目前，由于国外c a s s 技术的拥有厂家对其技术进行保密，所以有关c a s s i 艺的资料十分有限，大多数的设计参数均是半经验数据。一般情况下，c a s s 反应 器的污泥负荷为0 1 0 2 k g b o d s ( k g m l s s m ，污泥龄为1 5 3 0 d ，最大设计水深 为5 - - 6 m ，m l s s 为3 5 0 0 - - - 4 0 0 0 m g l ，反应区的充水比为3 0 - - 4 0 ，最大上清液 滗除速率为3 0 m r n m i n ，固液分离时间6 0 m i n ，设计s v i 为1 4 0 m g l ，典型的单池循 环周期为4 h n 加( 进水、曝气2 h ，沉淀l h ，滗水、排泥l h ) ，滗水器( 旋转式) 的堰口负 荷为2 0 - 3 0l ( m s ) 处理城市污水时，生物选择器、兼氧区和主反应区的容积比 一般为1 ：2 ：1 7 n 4 1 ，具体可根据水质和小试情况加以确定。 c a s s 工艺运行过程包括充水一曝气、沉淀( 泥水分离) 、滗水和闲置等4 个 阶段并组成其运行的一个周期。每个基本过程的时间对处理效果的影响都是很重 要的，g o r o n s z y 教授认为n 引合理的时间分配为：曝气时间占总循环时间的 5 0 6 0 ，沉淀时间占3 0 ，滗水和闲置时间分别不超过1 0 和5 ，但是在实 际应用中必须根据原水水质由实验来确定最佳值，通常总循环时间可设置为 4 - 1 2 h 。对于城市污水来说，在正常流量条件下典型的操作循环为4 h ，包括2 h 曝气、1 h 沉淀、l h 滗水和闲置。如果进水流量增加使系统进入高峰循环阶段， 则整个操作循环时间减少。对工业废水处理来说，比较常见的是采用6 h 和8 h 循 环。c a s s 工艺的循环操作过程，具体运行过程为： ( 1 ) 充水一曝气阶段。边进水边曝气，同时将主反应器区的污泥回流至生物选 择器，污泥回流比约为2 0 。在此阶段，曝气系统向反应池内供氧，一方面满足 好氧微生物对氧的需要，另一方面有利于活性污泥与有机物的混合和接触，从而 使有机污染物被微生物氧化分解。同时，污水中的n h 3 - n 也通过微生物的硝化 天津大学硕士学位论文第一章绪论 作用转化为n o 。- n 。 ( 2 ) 沉淀阶段。停止曝气后，微生物继续利用水中剩余的溶解氧进行氧化分 解。随着反应池溶解氧的进一步降低，微生物有好氧状态向缺氧状态转化，并发 生一定的反硝化作用。与此同时，活性污泥几乎在静止沉淀的条件下进行分离， 活性污泥沉至池底，下一周期继续发挥作用，处理后的水位于污泥层的上部。当 混合液的污泥浓度3 5 0 0 m g l - - 5 0 0 0 m g l 时，沉淀后污泥可达1 5 0 0 0 m g l 左右。 ( 3 ) 滗水阶段。沉淀阶段完成后，置于反应器末端的滗水器在程序控制下开 始工作，自上而下逐层排出上清液。滗水时由浮球式水位监测仪自动控制滗水器 的升降，排水结束后滗水器自动复位。与此同时，反应池污泥层内因为溶解氧很 低仍会发生反硝化作用。 ( 4 ) 闲置阶段。实际滗水时间往往比设计时间短，其剩余时间用于反应器内污 泥的闲置以恢复污泥的吸附能力。c a s s 工艺的运行就是上述4 个阶段依次进行 并不断循环重复的过程。 与传统的活性污泥处理工艺相比，c a s s 工艺具有以下5 个方面的特征。 ( 1 ) 建设费用低，由于省去了初次沉淀池、二次沉淀池及污泥回流设备及刮泥 系统，活性污泥始终保持在一个反应器中完成生物反应和泥水分离过程，为生物 选择器而设置的污泥回流系统回流比仅为2 0 ：建设费用可节省2 0 - - 3 0 。工艺 流程简洁，污水厂主要构筑物为集水池、沉沙池、c a s s 曝气池、污泥浓缩池，布 局紧凑，占地面积可减少3 5 ； ( 2 ) 运行费用省，由于曝气是周期性的，池内溶解氧的浓度也是变化的，沉淀 阶段和排水阶段溶解氧降低，重新开始曝气时，氧浓度梯度大，传递效率高，节能 效果显著，运行费用节省1 0 2 5 ； ( 3 ) 有机物去除率高，出水水质好，不仅能有效去处污水中有机碳源污染物， 而且具有良好的脱氮除磷效果。根据生物选择原理而设置的生物选择器，能使进 水中大量溶解性基质通过快速酶去除机理得以吸附和吸收，而且有利于磷的释放 和反硝化作用，抑制丝状菌的大量繁殖，增强系统运行的稳定性； ( 4 ) 对水量、水质的适应性较强，反应器可变容积运行而且还可通过调节曝气 循环过程、调整曝气时间和强度来适应进水负荷的变化n 明； ( 5 ) 根据生物反应动力学原理“副，使废水在反应器各区间呈现整体推流而在 各区内为完全混合的复杂流态，不仅保证了稳定的处理效果，而且提高了容积利 用率； ( 6 ) 增加了预反应区和污泥回流，引人生物选择器机理和空间上创造厌好氧 回流措施，不但使反应池具有更高的抗冲击负荷能力( 短时间内可抗3 0 的冲击 负荷) 和适应能力，而且通过培养具有特色的颗粒状污泥，与时间上和空间上厌 天津大学硕士学位论文第一章绪论 缺好氧条件配合，有利于在菌相上创造更好的生物脱氮除磷条件； ( 7 ) 管理简单，运行可靠，不易发生污泥膨胀，污水处理厂设备种类和数量较 少，控制系统简单，运行安全可靠； ( 8 ) 污泥产量低，性质稳定，便于进一步处理与处置。 1 4 3c a s s 工艺主要技术特征 ( 1 ) 同时具有完全混合式和推流式反应器的特点 由c a s s 反应器中污染物的降解过程可知，污水一进入反应池，就被几十倍 甚至几百倍的混合液所稀释，使各点的混合液浓度几乎相同，在空间上看，是一 种完全混合式反应器；而在运行中，c a s s 反应池通常按曝气、沉淀、排水和闲 置四个阶段根据时间依次进行。由于时间的不可逆行，不存在返混现象，所以 c a s s 系统又是一种推流式反应器。 ( 2 ) 运行过程的非稳态性 c a s s 工艺在反应阶段，基质浓度随时间由高到低变化，微生物经历了对数 生长期、减速生长期和衰减期，其降解有机物的速率也相应地由零级反应向一级 反应过渡；而每个工作周期内排水开始时c a s s 池内液位最高，排水结束时，液 位最低，液位的变化幅度取决于排水比，而排水比与处理废水的浓度、排放标准 及生物降解的难易程度等有关。反应池混合液的体积和基质浓度均是变化的，基 质的降解是非稳态运行的。 ( 3 ) 溶解氧周期性变化，浓度梯度高 c a s s 在反应阶段是曝气的，微生物处于好氧状态，在沉淀和排水阶段不曝 气，微生物处于缺氧甚至厌氧状态。因此，反应池中溶解氧是周期性变化的，氧 浓度梯度大、转移效率高，这对于提高脱氮除磷效率、防止污泥膨胀及节约能耗 都是有利的。实践证明，对同样的曝气设备而言，c a s s 工艺与传统活性污泥法 相比有较高的氧利用率。 1 4 4 经济评价 工程实际应用表明，c a s s 工艺日处理水量最小则几百立方米，大则几十万立 方米，只要设计合理，与其他方法相比具有一定的经济优势n 。该工艺比常规活性 污泥法节省占地面积2 0 - 3 5 ，节省建设费用1 0 - 2 5 ，节省运转费用1 0 2 5 ，总投资比传统活性污泥法节省2 0 - - 3 0 ，二级处理的投资，可达到三级处 理的出水水质。目前，该工艺的配套滗水设备及自控系统已经完善。当需采用多 种工艺串联使用时，如在c a s s 工艺后有其他处理工艺时，通常要增加中间水池和 提升设备，将影响整体的经济优势，此时，要进行详细的技术经济比较，以确定采 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 用c a s s i 艺还是其他好氧处理工艺。由于c a s s i 艺的曝气是间断的，利于氧的 转移，曝气时间还可根据水质、水量变化灵活调整，均为降低运行成本创造了条 件。总体而言，c a s s i 艺的运行费用比传统活性污泥法要低。表1 1 列出了不同 工艺处理规模为6 万人口当量的城市污水时的各种费用等数据的比较。 表1 1 不同工艺处理城市污水厂的费用比较( 相对数据) 工艺类型土建费设备费总投资年运行费占地面积 传统活性污泥 1 0 01 0 0 1 0 01 0 01 0 0 深并曝气 1 1 11 2 41 1 61 9 l9 8 生物曝气滤池1 0 01 6 71 2 52 1 65 9 c a s s ( 微孔曝气) 8 07 47 81 3 3 6 4 1 4 5 存在的问题n 町 1 缺乏科学的设计依据 c a s s 工艺尚处于发展阶段，目前其仅在中、小型城市污水处理厂和某些工业 废水处理站上得到了应用，由于缺少完善科学的理论依据以及对其脱氮除磷的机 理还有待深入了解，故在工程设计时大多依靠经验数据。如何通过大量的基础研 究和多方面的交流合作来获得统一的理论指导和成熟的设计方法是广大水处理 工作者共同努力的方向。 2 关键部件的质量不过关 c a s s 工艺的关键部件如潜水搅拌器、曝气器、滗水器、自控仪表( 溶解氧控 制器、o r p 控制器等在线控制仪器) 等，国内虽已有定型产品，价格也仅为国外同 类产品的5 0 甚至2 0 ，但其质量、可靠程度均不如国外的产品。以微孔曝气器 为例，国内常用的球冠形微孔曝气器的氧转移效率最高不超过1 8 ，而进口超微 孔膜式曝气管的氧转移效率为3 2 ，而且还具备防堵塞和自清洗功能。与其他 s b r 工艺一样，c a s s i 艺更多地依靠设备、仪表、仪器来实现各种功能，上述关 键部件的可靠程度是设计人员首先考虑的问题，这一点已在国内几家采用c a s s 工艺成功运行的污水处理厂得到确认。毫无疑问，国内环保产品在技术水平、质 量等多个环节上还有很长的路要走。 3 控制问题 由于目前国内对c a s s 工艺的反应过程数据了解不够，所以对c a s s i 艺采用 的控制方式大多是严格的时间控制，而这种依赖于经验数据的控制方式并不能适 应水量、水质的变化。各种在线控制仪表只是起到了监测作用，管理员根据监测 数据再对c a s s i 艺的各个阶段进行调整( 主要是时间上的调整) 。很明显，这种基 于时间的自控方式并不能体现出自动化控制的特点，无法保证出水水质，而且对 天津大学硕士学位论文第一章绪论 操作管理人员的素质要求也很高。 c a s s 运行过程的控制一般由可编程序控制器( p l c ) 来进行，主要根据进 水量、d o 、进水水质( c o d 、p h 等) 、出水水质等进行实时控制，自动调整各部 件的运行状况以达到最佳的效果及最经济的运转。目前，该技术在国内应用的技 术关键主要是进一步完善工艺设计方法及研究其设计的有关参数，同时提高自动 控制装置的可靠性及运行和操作管理人员的素质，使其更加符合国内废水处理的 实际情况。 4 c a s s 工艺的选择 目前，国内有些设计人员在进行工程设计时存在着追求“热门工艺”、赶“时 髦工艺”的倾向。实践证明，c a s s 工艺特别适用于有脱氮除磷要求、污水中可生 化性的有机物含量较高、污水厂( 站) 用地紧张的场合。同时应该看到，处于发展 阶段的c a s s 工艺在基础理论和控制模式上还有待进一步完善，对于有机物浓度 较低的南方城市污水采用c a s s 工艺很难达到预期的处理效果。另外c a s s 工艺在 国内大型污水处理厂的应用还缺少成功的经验。c a s s 工艺及其他任何工艺都不 是万能的，设计者在选用污水处理工艺时应本着科学、谨慎的态度，结合本地区的 实际情况进行全方位的技术、经济分析。 1 5 膜生物反应器在中水回用中的应用 近年来，随着社会经济的高速发展和人民生活水平的提高，人们对水环境质 量的要求越来越高。传统的生物处理工艺出水难以满足越来越严格的污水排放标 准的要求。另一方面，经济的发展所带来的水资源的日益短缺也迫切要求开发合 适的污水资源化技术，以缓解水资源的供需矛盾。因此，各种新型、改良型的高 效污水处理技术应运而生，其中的膜分离技术，特别是膜生物反应器组合工艺在 污水处理中的应用格外引人注目。膜生物反应器( m b r ) 是膜技术和污水生物 处理技术有机结合产生的污水处理新工艺，其产生和发展是这两类知识应用和发 展的必然结果。膜技术和生物处理技术的学科交叉、组合，开辟了污水处理技术 研究和应用的新领域。 1 5 1 膜生物反应器的历史 膜分离与生物处理工艺结合的膜生物反应器研究迄今已逾3 0 年。1 9 6 9 年， 美国的s m i t h n 9 1 首次报道了本国的d o r r - o l i v c r 公司把活性污泥法和超滤工艺结合 处理城市污水的方法。该工艺最引人瞩目的是用膜分离技术取代常规的活性污泥 天津大学硕士学位论文第一章绪论 二沉池，用膜分离技术作为处理单元中富集生物的手段，而不是采用常规的回流 循环来增加曝气池中微生物的浓度。它是用一个外部循环的板框式组件来实现膜 过滤的。在生活污水的处理中，获得了极佳的处理效果。b o d 1 2 时的控制指标，括号内数值为水温1 2 c 时的控制指标。 2 3 4 城市污水再生水利用标准 污水再生利用是指城市污水或生活污水经过处理后，达到规定的水质标准， 可在一定范围内重复使用的非饮用水，其水质介于上水( 饮用水) 与下水( 生活 污水) 之间。中水虽不能饮用，但它可以用于一些对水质要求不高的场合。由城 市污水净化后的再生水可以有多种用途，概括归纳为：工业用水( 包括冷却用水、 工艺用水、锅炉用水、其它工业用水) 、农业灌溉用水、生活杂用水( 包括建筑中 水1 、地下回注用水、景观河道用水。 为贯彻我国水污染防治和水资源开发方针，提高水利用率，做好城市节约用 水工作，合理利用水资源，实现城市污水资源化，减轻污水对环境的污染，促进 天津大学硕士学位论文 第二章实验装置及分析方法 城市建设和经济建设可持续发展，中华人民共和国建设部组织编制了城市污水 再生利用标准。城市污水再生利用目前拟分为五部分：城市污水再生利 用分类、 城市污水再生利用城市杂用水水质、城市污水再生利用景 观环境用水水质、城市污水再生利用补充水源水质、城市污水再生利 用工业用水水质。 本试验参照的相关再生水标准说明如下： 序 道路清扫、车辆建筑 号 项目冲厕 城市绿化 消防冲洗施工 1 p h 6 0 9 0 2 色度 3 0 3 嗅 无不快感觉 4 浊度n t u 51 0 l o52 0