（环境科学与工程专业论文）超轻污泥陶粒曝气生物滤池深度处理工业废水的研究及应用.pdf

山东大学硕士毕业论文 目录 摘要4 a b s t r a c t ，! ； 第一章引言7 1 1 本研究的目的和意义7 1 2 文献综述9 1 2 1 污泥的处理与处置9 1 2 1 1 污泥的来源及危害9 1 2 1 2 污泥处理与处置的原则l o 1 2 1 3 污泥的处理和处置方法1 1 1 卫生填埋1 l 2 焚烧1 2 3 土地利用1 4 4 污泥制活性炭1 5 1 2 1 4 污泥的其他资源化技术1 5 1 2 2 陶粒的研究及应用。1 9 1 2 2 1 陶粒的定义与分类1 9 1 2 2 2 陶粒的制备1 9 1 2 2 3 陶粒的应用2 0 1 2 3 曝气生物滤池的研究及应用2 1 1 2 3 1 曝气生物滤池工艺的发展2 1 1 2 3 2 曝气生物滤池的基本类型2 3 1 2 3 3 曝气生物滤池中生物滤料的选择2 5 1 3 本研究的主要内容和创新之处2 8 第二章实验材料与方法2 9 2 1 超轻污泥陶粒的制备2 9 2 1 1 原材料的预处理2 9 2 1 2 超轻污泥陶粒的烧制流程2 9 2 1 3 超轻污泥陶粒的性能测试3 0 山东大学硕士毕业论文 2 2 曝气生物滤池的启动与运行3 0 2 2 1 曝气生物滤池的设计3 0 2 2 2 曝气生物滤池的挂膜与运行31 2 2 3 水质测定3 2 第三章超轻污泥陶粒的烧制3 3 3 1 超轻污泥陶粒的物理性质3 3 3 2 超轻污泥陶粒的微观结构分析( s e m ) 3 4 3 3 超轻污泥陶粒的重金属析出浓度测试分析( i c p a e s ) 3 5 3 4 本章小结3 6 第四章曝气生物滤池深度处理大豆蛋白生产废水3 9 4 1 填料高度对处理效果的影响3 9 4 3 水力停留时间对处理效果的影响一4 2 4 4 气水比对处理效果的影响4 4 4 5 本章小结4 6 第五章曝气生物滤池深度处理制药废水4 7 5 1 曝气生物滤池深度处理制药废水的小试研究4 7 5 1 1 制药废水与生活污水比例的影响4 7 5 1 2 填料高度的影响4 9 5 1 3 水力停留时间的影响5 1 5 1 4 气水比的影响5 2 5 1 5 小试研究小结5 4 5 2 曝气生物滤池深度处理制药废水的中试研究5 4 5 2 1 制药废水与生活污水的比例一：5 4 5 2 2 填料高度的影响5 6 5 2 3 水力停留时间的影响5 7 5 2 4 气水比的影响5 9 5 2 5 小结6 0 第六章总结6 3 参考文献6 5 2 山东大学硕士毕业论文 致谢7 5 攻读硕士学位期间发表的论文7 6 山东大学硕士毕业论文 摘要 本研究以济南城市污水处理厂脱水污泥和淄博粘土为原料烧制超轻污泥陶 粒，将所制超轻污泥陶粒用作曝气生物滤池的滤料，并将此曝气生物滤池用于工 业废水的深度处理。首先，利用污泥和粘土烧制超轻污泥陶粒，并对所制陶粒进 行相关物理和化学性质的分析，包括堆积密度、颗粒密度以及吸水率的测定，微 观结构分析( 表面和截面的微观结构) ，有毒重金属浸出浓度测试等。其次，以 所制陶粒作为曝气生物滤池的滤料，并将此曝气生物滤池用于大豆蛋白废水和制 药废水的深度处理，并通过实验研究确定最佳运行条件。所得结论如下： 1 、以济南城市污水处理厂脱水污泥和淄博粘土为原料，能够烧制出性能良好的 超轻污泥陶粒，所制陶粒的堆积密度为3 3 0 8 0 k g m 3 ，颗粒密度为8 6 5 3 0 k g m 3 ， 吸水率为5 3 0 ，符合国家对超轻陶粒的分类标准。s e m 分析结果显示：所制陶 粒的表面比较粗糙，且存在较多孔隙；内部孔隙较多且孔径较大。通过有毒重金 属析出浓度测试表明：陶粒的重金属析出浓度低于国家规定的上限要求，不会对 环境造成二次污染。 2 、以所制陶粒作为曝气生物滤池的滤料，并将此曝气生物滤池用于大豆蛋白废 水的深度处理，通过研究确定的最佳工艺条件为：填料高度8 0 c m ，水力停留时 间4 h ，气水比5 ：1 ，经处理后的出水完全符合国家污水排放标准的要求 ( c o d _ 1 0 0 m g l ，氨氮1 5 r a g l ) 。 3 、将设计的曝气生物滤池用于制药废水的深度处理，研究过程中，为提高制药 废水的可生化性，在原废水中加入了部分生活污水。通过研究确定的最佳工艺条 件为：制药废水的比例为8 0 ，填料高度为8 0 c m ，水力停留时间为6 h ，气水比 为5 ：1 ，在此条件下，出水完全符合国家规定的污水排放标准。此外，中试研究 结果表明，虽然最佳工艺条件与小试研究存在一定的差异，但出水仍然能达到国 家规定的污水排放标准。 4 、所有研究结果表明：所制超轻污泥陶粒是一种良好的生物滤料。 关键词：超轻；陶粒；曝气生物滤池；深度处理 4 山东大学硕士毕业论文 a b s t r a c t d e h y d r a t e ds e w a g es l u d g e ( d s s ) a n dc l a yu s e da sr a wm a t e r i a l sf o rp r e p a r a t i o n o fn o v e lm e d i a u l t r a l i g h t w e i g h ts l u d g ec e r a m i c s ( u l s c ) a n du l s ce m p l o y e di na n u p f l o wl a b - s c a l eb i o l o g i c a la e r o b i cf i l t e r ( b a f ) w e r ei n v e s t i g a t e df o r i n d u s t r i a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n t f i r s t l y ，u l s cw a sp r e p a r e df r o md s s ( j n - s l u d g e ) a n dc l a y ( z i b o c l a y ) ，w h i c hw e r eo b t a i n e df r o mj i n a nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ta n dz i b oc i t y r e s p e c t i v e l y t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fu l s cw e r et e s t e d ，i n c l u d i n gb u l kd e n s i t y ， g r a i nd e n s i t y ，w a t e ra b s o r p t i o n ，m i c r o s t r u c t u r ep r o p e r t i e sa n dt o x i cm e t a ll e a c h i n g p r o p e r t i e s s e c o n d l y ，u l s cu t i l i z e da sf i l l e ro fb a fw a ss t u d i e df o rs o yp r o t e i n w a s t e w a t e ra n dp h a r m a c e u t i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，a n dt h eo p t i m u mc o n d i t i o n s w e r ed e t e r m i n e db yn a t i o n a ld i s c h a r g es t a n d a r d s ，i n v e s t m e n ta n dr u n n i n gc o s t t h e c o n c l u s i o n sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) u l s cp r e p a r e df r o mj n - s l u d g ea n dz i b o - c l a yv e r i f i e dt ob ef e a s i b l ea c c o r d i n gt o t h ep r o p e r t i e s t h eb u l kd e n s i t y ，g r a i nd e n s i t ya n dw a t e ra b s o r p t i o nw e r e3 3 0 8 0k g m 3 ，8 6 5 3 0k gm - 3a n d5 3 0w t r e s p e c t i v e l y , w h i c hr e a c h e dt h en a t i o n a ls t a n d a r do f u l t r a l i g h t w e i g h tc e r a m i c s t h em i c r o s t m c t u r ea n a l y s i ss h o w e dt h a tu l s cw a sr o u g h i nt h es u r f a c ea n dp o r o u s ，a n dt h et o x i cm e t a ll e a c h i n gt e s tr e v e a l e dt h a ta l lt h en i n e m e t a lc o n t e n t si n1 i x i v i u mw e r em u c hl o w e rt h a nt h el i m i t so ft h en a t i o n a ls t a n d a r d s ， t h e r e f o r e ，u l s cw o u l dn o tl e a dt os e c o n d a r yp o l l u t i o n ( 2 ) u l s cu t i l i z e da sf i l l e ro fb a fw a sa p p l i e di ns o yp r o t e i na d v a n c e dw a s t e w a t e r t r e a t m e n t t h eo p t i m u mo p e r a t i o n a lc o n d i t i o n sw e r em e d i ah e i g h to f8 0c m ，h y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m e ( h r t ) o f4ha n da i r l i q u i dr a t i o ( 刖l ) w a s5 ：1 u n d e rt h i sc o n d i t i o n ， t h ef i n a le f f l u e n tr e a c h e dt h e r e q u i r e m e n t o fn a t i o n a l d i s c h a r g e s t a n d a r d s ( c o d e r s l 0 0m gl ，n h 4 + - n _ 2 5 m p a ) 。 1 2 2 2 陶粒的制备 目前，制备陶粒的原料中，粘土占了将近5 0 ，其次是页岩占3 3 ，为符 合固体废弃物再利用、节约减排、保护环境，符合经济社会的可持续发展、建立 资源节约型社会的要求，我国一些经济发达城市从保护生态环境出发，己禁止开 山采石、挖河取砂，部分省市政府的文件规定生产企业可免费使用未经加工的工 业固体废弃物。这就为利用固体废物制造陶粒技术的发展提供了有利的契机，而 且大多数固体废弃物通过一定的配料均可以生产出陶粒，因此，利用各种固体废 弃物生产陶粒对发展循环经济，实施可持续发展战略，保护环境具有重大的意义， 且具有广阔的市场前景。 近年来，越来越多的固体废物被用作陶粒烧结的添加剂，包括粉煤灰、煤矸 石、污泥、赤泥等，所制陶粒包括粉煤灰陶粒、煤矸石陶粒、污泥陶粒、赤泥陶 粒等。其中，污泥陶粒越来越受到专家、学者以及企业的重视，以污泥为添加剂 1 9 山东大学硕士毕业论文 制备轻质陶粒，不仅能够消耗大量的污泥，而且能够将固体废物污泥转化成有用 的物质，达到了污泥处理处置减量化、无害化、资源化的目的，真正实现了变废 为宝。 污泥中的主要化学成分为s i 0 2 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 等，还含有一定的重金属盐和 高分子物质。经适当工艺可烧制出性能良好的污泥陶粒，同时将重金属禁锢其中， 实现了污泥的无害化、减量化和资源化。添加污泥烧制陶粒最早是由n a k o u z i 等 7 6 1 提出的，是以污泥为原料，掺加适量辅料，经过成球、焙烧而成的。m u n 等f 7 刀 直接将脱水污泥与粘土经过挤压、成球，烧成的陶粒轻集料密度为0 6 1 o g c m 3 ，但磨损率较高，达到了1 8 2 - - 2 0 2 m o n t e i r o 等烧制污泥粘土砖瓦， 湿污泥的掺加量不足1 0 蔡昌凤等【8 伽烧制的污泥陶粒采用的是有机物含量较 高的聚酯废水生化污泥，污泥掺加比在2 2 - - 4 0 之间，吸水率高达6 8 9 5 8 0 0 1 c r c h e e s e m a n 7 9 】等利用污泥和伦敦本地粘土在管式电阻炉中生产陶 粒，所得产品平均堆积密度为1 3 5 0 0 0 k g m 3 。王兴润等【8 1 1 烧制的污泥陶粒干污泥 占5 0 ，还要另加入添加剂a 和b 许国仁等【8 2 】烧制的污泥陶粒也添a n - j 2 种 添加剂，成功用于曝气生物滤池。 1 2 2 3 陶粒的应用 在陶粒发明和生产之初，它主要用于建材领域，由于技术的不断发展和人们 对陶粒性能的认识更加深入，陶粒的应用早已超过建材这一传统范围，不断扩大 它的应用新领域。目前，陶粒已经广泛用途用于建筑、环保、园艺、冶金、化工、 石油、农业等行业，其中，尤以陶粒在污水处理中的应用最为引人注目。将陶粒 用于污水处理中，不仅能够将污泥变废为宝，而且能够达到以废治废的目的，处 理污泥的同时降低了污水处理的投资成本。 陶粒填料在水处理方面的应用主要分为两类，包括用作过滤材料和作为生物 生长的载体。作为过滤材料，陶粒由于具有吸水不吸油的特点，已广泛应用于油 田污水的处理。作为生物膜载体，陶粒具有比表面积大、机械强度高、微生物亲 和力强等优点，已经在生物膜法污水处理工艺中得到广泛应用。陶粒填料在水处 理领域无论是好氧、兼氧还是厌氧处理中，陶粒填料都发挥着极其重要的作用。 它在生物膜法工艺中的作用主要包括：( 1 ) 作为微生物生长和繁殖的载体，为微 山东大学硕士毕业论文生物提供稳定的生长环境；( 2 ) 作为生物膜与污水接触的场所，同时能对水流有强制性的紊动剪切力，有利于污水的再分布；( 3 ) 能够有效地截留污水中的部分悬浮物质，降低出水浊度和减少出水中悬浮物的浓度。微生物在载体表面附着固定过程可以看作为载体表面与微生物表面间的相互作用，大量研究表明，微生物在载体表面附着固定一方面取决于微生物表面的特性，另一方面依赖于所有载体的表面物理化学特性。从理论上讲，微生物在载体表面的附着、固定过程包括以下步骤：液相中的悬浮微生物想载体表面运送一可逆附着一不可逆附着一固定微生物增长并形成生物膜。由此可见，微生物载体对于微生物膜在载体表面形成起到非常关键的作用，直接影响了生物膜在载体表面的成败以及生物膜的密度，因此选择合适的陶粒滤料至关重要。1 2 3 曝气生物滤池的研究及应用曝气生物滤池( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ，b a f ) ，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，并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，后发展成为直接用于二级处理【8 3 埘】。曝气生物滤池的应用范围比较广泛，主要用于水深度处理、微污染源水处理、难降解有机物处理、低温污水的硝化、低温微污染水处理等，其最大的特点是集生物氧化和截留悬浮物于一体，节省了后续的二次沉淀池，在保证处理效果的前提下使处理工艺简化。此外，曝气生物滤池工艺有机物容积负荷高，水力负荷大，水力停留时间短，所需基建投资少，能耗及运行成本低，同时该工艺出水水质高i 婚8 7 1 。1 2 3 1 曝气生物滤池工艺的发展曝气生物滤池属于生物处理的生物膜法范畴。该技术最早由法国c g e 公司所属的o t v 公司开发。b a f 的最初形式为o t v 公司于2 0 世纪8 0 年代末期开发出的b i o c a r b o n e 工艺i 鹃】，该工艺以密度大于水的膨胀板岩作为生物填料，水流上进下出，气水逆向，该工艺主要用于对城市污水有机物的降解和氨氮的去除。随着污水排放水质标准的提高和该技术的研究发展，o t v 公司研发出了有回流的脱氮工艺- - b i o s t y r 工艺，水流下进上出，气水同向。从b i o c a r b o n e2 l 山东大学硕上毕业论文 工艺到b i o s t y r 工艺的运用是一个逐步发展的过程，该技术的关键是采用了一 种特殊的填料( 密度为o 8 9 c m 3 左右的有机填料) ，相比而言b i o s t y r 工艺有 如下优点：( 1 ) 采用重力流反冲洗无需反冲泵，节省了动力；( 2 ) 滤头布置在滤 池顶部，与处理后的水接触，不易堵塞，便于更换；( 3 ) 填料层分成缺氧区和好 氧区，使硝化、反硝化在同一池内完成。 2 0 世纪8 0 年代末期9 0 年代初，法国的d e g r e m o n t 公司也开发出了b i o s t y r 工艺【8 9 1 。该工艺结构上与b i o c a r b o n e 工艺类似，生物填料同样为密度大于 水的材料，水气流向与b i o s t y r 工艺相同，水流下进上出，气水同向，在滤床 内进行b o d 、c o d 、n h 3 n 、s s 的去除。 目前，在欧美、日本等地已有数千座大小各异的城市污水处理厂采用了b a f 、 b i o s t y r 或b i o f o r 技术1 9 0 1 。在国内，清华大学环境科学与工程学院王占生所 在的课题组，长期以来致力于活性生物滤池对饮用水微污染的研究。该课题组采 用生物陶粒接触氧化法先后在北京水源六厂( 通惠河水) 、北京团城湖水( 为北 京田村山水厂水源) 、北京城子水厂( 官厅水库水) 、邯郸自来水公司( 滏阳河水) 、 大同册水库( 大同矿务局自来水厂水源) 、蚌埠自来水公司( 淮河水源水) 、绍兴 自来水公司( 青甸湖水) 、深圳莲塘水厂( 深圳水库水) 、平顶山电厂进行了给水 生物预处理研究。研究结果表明，陶粒活性曝气生物滤池作为饮用水预处理工艺， 对水中的c o d 、t o c 、浊度、色度、b d o c 等都有一定的去除效果，尤其是对 氨氮的去除效果非常理想，大部分氨氮去除率可达到8 0 - 9 0 。由于水中氨氮 含量高将导致消毒时加氯量的上升，消毒副产品的增多，而目前的水厂的常规处 理工艺对氨氮的去除效果不是很理想，因此活性生物滤池对氨氮的去除有重要的 现实意义。 原中冶集团马鞍山钢铁设计院研究总院郑俊领导的课题组，在西区国外曝气 生物滤池优点的基础上，结合我国的实际情况，在2 0 实际9 0 年代中后期开发出 了国内首座曝气生物滤池专利技术一上向流曝气生物滤池( u p f l o wb i o l o g i c a l a e r a t e df i l t e r ，u b a f ) 。其主要处理对象为污水中的有机物、氨氮、总氮，该技 术已被广泛应用于城市市政污水、小区生活污水、啤酒废水、养猪场粪便污水、 肠衣加工废水等的处理。在开发出u b a f 技术的同时，郑俊等还开发出了专门 用于u b a f 的单孔膜空气扩散器、专用滤头等专利产品。 山东大学硕士毕业论文从法国o t v 公司在2 0 世纪8 0 年代末期开发出首座b a f 至今的十多年的时间里，在科研人员和工程技术人员的共同努力下，b a f 技术取得了长足的发展，工艺更趋于成熟，功能更加完善。b a f 是一种运行可靠，自动化程度高，出水水质好，抗冲击能力强和节约能耗的新一代污水处理革新新工艺。在滤池中主要实现有机物的降解、硝化反硝化，如与其他物化方法结合可实现除磷目的。它既可用于污水的二级处理，也可用于污水的深度处理，同时还可以用于饮用水的微污染处理等。1 2 3 2 曝气生物滤池的基本类型一、b i o c a r b o n e 生物滤池b i o c a r b o n e 生物滤池的滤料为密度比水大的膨胀板岩或球形陶粒，结构类似于普通快滤池。经处理的污水从滤池顶部流入，向下流出滤池，在滤池中下部进行曝气，气水处于逆流。在反应器中，有机物被微生物氧化分解，n h 3 - n被氧化成n 0 3 刊，另外由于在生物膜内部存在厌氧兼氧环境，在硝化的同时能实现部分反硝化。在系统无脱氮要求的情况下，经处理后从滤池底部的出水口可直接排出系统，其中一部分可留作反冲洗之用。如果有脱氮要求，出水需进入下一级后置反硝化滤池，或回流至前端的前置反硝化滤池，同时需外加碳源供反硝化菌用。一般情况下，在单个b i o c a i 也o n e 滤池中不能同时取得理想的硝似反硝化效果【9 l 】。随着滤池中的生物反应过程的进行，填料表面新产生的生物量越来越多，同时滤层中截留的s s 不断增加，在开始阶段水头损失增加缓慢，当固体物质积累达到一定程度时，在滤层上部形成堵塞层，阻止气泡的释放和水的向下过滤，导致水头损失迅速上升，很快达到极限水头损失，此时应立即对滤料层进行反冲洗，以去除滤床内过量的生物膜及s s ，恢复处理能力【9 2 】。该生物滤池的反冲洗采用气水联合反冲洗。反冲洗水为经处理后的达标水，反冲洗水从滤池底部进入而从上部流出，反冲洗空气来自底部单独的反冲洗气管，反冲洗时关闭底部进水和工艺空气，水气交替单独反冲，最后用水漂洗。在反冲洗过程中，滤层有轻微的膨胀，在气、水对滤料的水力冲刷和滤料间的相互摩擦下，老化的生物膜与被截留的s s 与填料分离，随反冲洗排水一起被排出滤 山东大学硕士毕业论文 池，并被回流至预处理部分进行分离。 国内多家科研单位对此类型的曝气生物滤池进行了研究，如清华大学和哈尔 滨工业大学等均采用该类型的生物滤池进行了处理污水实验。 二、b i o s t y r 生物滤池 b i o s t y r 生物滤池是法国o t v 公司对其原有b i o c a r b o n e 的一个改进， 其滤料为相对密度小于1 的球形有机颗粒，漂浮在水中。经预处理的污水与经硝 化的滤池出水按一定回流比混合后进入滤池底部。曝气在滤池中间进行，根据反 硝化程度的不同将滤池分为不同体积的好氧和缺氧部分。在缺氧区，一方面反硝 化菌利用进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 【9 3 】；另一方面，滤料上的微生物利用金水中的溶解氧和反硝化产生的氧降解 b o d 。与此同时，一部分s s 被截留在滤床内，这样便减轻了好氧段的固体负荷。 经过缺氧段处理的污水进入好氧段，在好氧段微生物利用从气泡转移到水中的溶 解氧进一步降解b o d ，硝化菌将n h 3 - n 氧化为n 0 3 - n ，滤床继续截留在缺氧段 没有被去除的s s 。流出滤层的水经上部滤头排出，滤池出水除按回流比与原水 混合进行反硝化及用作反冲洗外，其余均排出处理系统。 如果在b i o s t y r 中，仅进行单独硝化或反硝化，至需将曝气管的位置设置 在滤池底部即可。b i o s t y r 中随着过滤的进行，水头损失增长与b i o c a r b o n e 有所不同，其水头损失增长与运行时间成正相关。当水头损失达到极限水头损失 时，应及时进入反冲洗以恢复滤池处理能力，由于b i o s t y r 中没有形成堵塞层， 使得b i o s t y r 工艺比b i o c 触m o n e 工艺运行时间相对要长。其反冲洗水为储 存在滤池上部出水区的达标排放水，自上而下进行反冲。其反冲过程基本类似于 b i o c a r b o n e 工艺。 相比而言b i o s t y r 工艺有如下优点：( 1 ) 重力流反冲洗无需反冲泵，节省 了动力；( 2 ) 滤头布置在滤池顶部，与处理后水接触不易堵塞，同时滤头可从滤 板上部直接拆卸，便于更换；( 3 ) 硝化、反硝化可在同一池内完成。 三、b i o f o r 生物滤池 b i o f o r 生物滤池是由法国d e g r e m o n t 公司开发出来的，底部为气水混合室， 之上为滤板和专用长柄滤头、承托层、滤料，曝气器位于承托层内，提供微生物 新陈代谢所需要的氧分【9 4 1 。b i o f o r 与b i o s t y r 相比不同的采用密度大于水的 山东大学硕士毕业论文 滤料，自然堆积，滤板和专用长柄滤头在滤料层下部，以支撑滤料的重量；而 b i o s t y r 中的滤板和滤头在滤料层顶部，以抵抗滤料层的浮力。b i o f o r 其余 的结构运行方式、功能等方面与b i o s t y r 基本相同。 以上为曝气生物滤池主要的三种形式，在世界范围内都有应用，其中 b i o c a r b o n e 为早期形式，目前大多采用b i o s t y r 和b i o f o r 工艺均有应用， 而以b i o f o r 工艺为主，另外还有与b i o f o r 工艺类似的u b a f 工艺。 1 2 3 3 曝气生物滤池中生物滤料的选择 微生物膜是指所有通过一定媒介附着、固定的生物活性或物质。在微生物膜 附着、固定过程中都需要某种媒介来承担或完成固定，这种媒介就被称为微生物 膜载体。由于曝气生物滤池充分借鉴了接触氧化法污水处理技术和给水砂滤池的 特点，集生物降解和悬浮物截留的特点于一体，所以在曝气生物滤池处理工艺中， 微生物膜载体也被称作生物滤料，生物滤料在该工艺中处于核心地位。 生物滤料作为曝气生物滤池的核心组成部分，影响着该工艺的处理效果和运 行控制，故选择合适的滤料对曝气生物滤池工艺的推广和应用意义非常大 9 5 - 9 6 】。 由于制作和加工的原因，国内目前采用的接触填料主要有玻璃钢或塑料蜂窝填 料、立体波状填料、软性纤维填料、半软性填料以及不规则粒状滤料( 砂、碎石、 矿渣、焦炭、无烟煤、不规则页岩) 、规则滤料等。玻璃钢或塑料填料表面光滑， 生物膜附着力差，易老化，且在实际使用中往往容易产生不同程度的堵塞；软性 填料中的水流流态不理想，易被微生物膜黏结在一起，产生结球现象，使其有效 表面积大为减小，进而在结球的内部产生厌氧现象，影响处理效果；不规则粒状 填料水流阻力大，易引起滤池堵塞。正是由于这些传统的接触滤料存在一定的缺 陷，限制了曝气生物滤池在污水处理中的应用，因此选择一种经济有效的滤料至 关重要。 对于曝气生物滤池而言，其生物滤料应具备以下基本要求：有较好的生物膜 附着力，同时具有较大的比表面积；孔隙率大，截污能力强；水流流态良好，有 利于发挥传质效应；阻力小，强度大，化学和生物稳定性好，经久耐用；形状规 则，尺寸均一，使之在滤料间形成均一的流速；货源充足，价格便宜，运输和安 装施工方便。上述基本要求归纳起来为四个方面，即生物滤料的物理特性、物理 山东大学硕士毕业论文 化学特性、水力学特性及其经济性。 一、生物滤料的物理特性 生物滤料的物理特性主要指滤料的外观形状和强度要求。 ( 1 ) 外观形状为了提高滤料的水力学特性，一般要求生物滤料具有较规 则的形状，以球形为佳。过去国内生物滤池所用的滤料均为不规则状，如碎石、 矿渣、焦炭、无烟煤等，不规则滤料的水流阻力大，易堵塞，布水布气不易均匀， 因而限制了生物滤池在国内污水处理中的应用。同时，生物滤料表面必须粗糙， 以利于挂膜。因为表面粗糙度一方面是能否很快形成初期生物膜的主要原因，另 一方面在反冲洗时又可减少生物膜的脱落程度。表面粗糙度大，初期挂膜快；表 面粗糙度小，初期挂膜慢，同时反冲洗时生物膜容易脱落【9 7 1 。 ( 2 ) 多孔性滤料表面的多孔性为菌胶团提供最佳的生长条件。 ( 3 ) 机械强度在曝气生物滤池的运行过程中，存在着不同强度的水里剪 切力作用以及滤料之间的滚动摩擦过程，所以生物滤料必须具有可以满足在不同 强度的水里剪切作用以及滤料之间摩擦碰撞过程中破损率低的机械强度要求。如 果生物滤料本身不具有一定的机械强度，那么在运行过程中势必引起不同程度的 破损而丧失其功能，使滤池内的生物量呈现不规律变化，其直接后果会导致出水 水质扰动，布水布气短路【9 引。 ( 4 ) 密度滤料密度过大，造成在反冲洗时滤料悬浮困难或使反冲洗时能 耗增加：密度过小，又不易于滤料在反应器中的运行工况，且易引起跑料，因此 滤料密度需在一定范围之内。 二、生物滤料的物理化学特性 ( 1 ) 生物稳定性生物膜在新陈代谢过程中会产生各种各样的代谢产物， 这些产物有些会对滤料产生腐蚀作用，所以滤料必须具有较好的生物化学稳定 性。滤料必须具有抗腐蚀性强；具有惰性，不参与生物膜的生物化学反应；本身 是不可生物降解的。 ( 2 ) 化学稳定性微生物生存的介质是由各种化学成分组成的，所以滤料 置于这样的介质中时，必须对环境中所发生的化学反应表现为最大的惰性，并具 有抗环境的化学腐蚀能力。 ( 3 ) 表面电性和亲水性根据物理化学中体系自由能最小原则，亲水性微 山东大学硕士毕业论文生物易于在亲水性滤料表面附着、固定，而疏水性滤料有利于疏水性微生物在其表面固定。微生物一般带负电荷，而且亲水，因此滤料表面应带有正电荷将有利于微生物的附着生长，载体表面的亲水性同样有利于微生物的附着，使附着的生物膜数量尽可能的多【9 9 1 。( 4 ) 对生物膜活性的影响作为生物膜的载体，其本身必须对所固定的微生物无害、无抑制性作用，不能影响微生物的活性。三、水力学特性( 1 ) 空隙率空隙率影响污水在生物滤池中的实际停留时间和生物膜量。空隙率越高，生物滤池阻力越小，同时需用滤料也少，降低造价。但空隙率高时滤料的比表面积小，粒径较大，影响单位体积滤料的生物膜量。( 2 ) 比表面积滤料一般应选用比表面积大、开孔孔隙率高的多孔惰性载体，这种载体有利于微生物的接触挂膜和生长，保持较多的微生物量；有利于微生物代谢过程中所需氧气和营养物质以及代谢产生的废物的传质过程【1 0 0 】。在曝气生物滤池运行过程中，影响处理效能的主要因素是载体滤料的比表面积。若载体滤料的比表面积大，则不仅对溶解性底物，而且对悬浮物质的去除效果较好；但是，若载体滤料比表面积大，带来的问题是流经滤料层时的水流阻力增大，能耗随之增加，易堵塞滤料层【1 0 1 1 。为了防止堵塞，就需提高反冲洗强度，这昂便使滤料上的生物膜收到冲刷，特别是原生动物、后生生物，使微生物的食物链变短，产生的剩余污泥量就大，所以在工程中要选择适宜比表面积的生物滤料。( 3 ) 滤料形状与水的流态滤料的形状尺寸除了同空隙率和比表面积密切相关外，也是影响滤料间水的流态的重要因素。影响滤料层中的水流阻力的因素主要是滤料的空隙率、比表面积和形状尺寸。若空隙率大、比表面积大、形状尺寸均，则水流阻力小；反之亦然。从节省能耗来看，滤料间的水流阻力越小越好；而从布水均匀性来看，阻力越大，滤料内流速分布比较均匀。四、滤料的经济性由于生物滤料在整个曝气生物滤池的造价中占较大的比例，所以在选用生物滤料时，除了要重视其物理特性、物理化学特性、水力学特性外，其价格因素也 山东大学硕士毕业论文是必须考虑的。影响滤料成本的主要是材质、滤料形状和加工工艺过程。对于整块烧结后再粉碎、筛选的不规则滤料，如页岩陶粒等，其价格比较低廉；而对于先成型后烧结的规则滤料，如球形陶粒等，则价格相对较高。所以在工程设计中选择滤料时，必须在滤料的性能及价格间做出优化的选择，设计时做到在满足设计要求和不影响出水水质的前提下，选用价格相对低廉的滤料1 0 2 1 。1 3 本研究的主要内容和创新之处结合本课题组前期对超轻污泥陶粒的研究成果，本研究主要包括以下几个方面：( 1 ) 以济南城市污水处理厂脱水污泥和淄博粘土为原料，烧制超轻污泥陶粒，并对所制陶粒进行相关物理和化学性能的测定，主要包括：颗粒密度、堆积密度、吸水率的测定，微观结构分析以及有毒重金属浸出浓度测试。并结合相关性质，分析所制陶粒作为滤料的可能性。( 2 ) 自行设计曝气生物滤池，并将所制超轻污泥陶粒用作该滤池的滤料，同时将填好滤料的曝气生物滤池用于两种典型工业废水的深度处理。( 3 ) 将设计的曝气生物滤池用于可生化性较好的大豆蛋白加工废水的深度处理，根据国家污水排放标准，并以降低污水处理的投资和运行成本为原则，确定曝气生物滤池深度处理该废水的最佳运行条件和效果。( 4 ) 将设计的曝气生物滤池用于可生化性较差的制药废水的深度处理，同样根据国家污水排放标准，以降低污水处理的投资和运行成本为原则，确定曝气生物滤池深度处理该废水的最佳运行条件。此外，对曝气生物滤池深度处理该废水进行中试研究，并对小试研究与中试研究进行相关比较，以此作为该废水深度处理工程设计的依据。本研究的创新之处主要体现在以下几个方面：( 1 ) 以自行烧制的超轻污泥陶粒为曝气生物滤池的滤料；( 2 ) 以自行设计的反应器作为曝气生物滤池的反应器；( 3 ) 以实际工业废水作为处理对象；( 4 ) 采用特定的方法提高曝气生物滤池的处理效果。 山东大学硕士毕业论文第二章实验材料与方法2 1 超轻污泥陶粒的制备2 1 1 原材料的预处理本研究所用污泥取自济南市某污水处理厂，粘土则取自淄博某山区制砖厂。两种原料分别在1 0 4 。c 的电热恒温鼓风干燥箱中恒温干燥4 h 。干燥好的样品用电磁制样粉碎机粉碎后用1 0 0 目筛( 颗粒直径5 0 1 5 4 m m ) 进行筛分，随后放置于聚乙烯塑料瓶中密封储存。污泥和粘土的化学成分如表2 1 所示【7 0 】。表2 - 1 污泥和粘土的化学组成( 百分比含量)t a b l e2 - 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no fs l u d g ea n dc l a y ( w e i g h tp e r c e n t a g e )脱水污泥2 4 9 01 3 1 09 7 22 1 3 52 1 11 0 4 49 0 85 6 23 6 8粘土6 4 3 61 9 5 86 7 l0 8 72 3 22 1 83 9 82 1 2 超轻污泥陶粒的烧制流程超轻污泥陶粒的烧制流程分三步进行：第一步：生陶粒的制备。将污泥和粘土按质量比2 ：8 进行配比，配好的原料放置于d z 2 0 型成球机内同时加入约7 w t 的水作为粘结剂滚至1 5 - - 2 h 成球状用筛孔直径5 m m 和6 m m 的砂筛筛分，收集直径为5 - - - 6m m 的生陶粒放置于2 5 的通风橱内停留2 4 小时进行干燥处理。第二步：预热处理。将干燥后的生陶粒放入马弗炉内预热，预热温度4 0 0 c ，预热时间2 0 m i n 。第三步：烧结处理。将预热后的陶粒迅速转入高温管式电阻炉内烧结，烧结温度1 1 5 0 ，烧结时间l o m i n 。放置于通风橱内冷却至室温。高温管式电阻炉 山东大学硕士毕业论文 ( s k q 2 ，中国龙口制造) 的炉体长1 5 0 c m ，内径8 c m ，烧结区域长6 0 c m ，烧 结时陶粒将置于烧结区域。 第四步：冷却处理。将烧结后的陶粒放置于通风橱内冷却至室温( 2 2 ) 。 2 1 3 超轻污泥陶粒的性能测试 1 物理性就测试：啵水翠、堆积密度以及颗税鬻度测试万法参见 g b t 1 7 4 3 1 1 1 9 9 8 ，颗粒密度由阿基米德原理求得： 堆积密度= 丙襄蒜姆所3 颗粒密度= 两翼糯堙册3 ，办吸水率=旦垦三鉴!塑生三至塑弓i挈善挈霍委言；三毒毫盂妄焉等。 膨胀收缩率= 垄丝垂型譬冀筹筹篙囊甏鬈产。 2 微观结构分析( s e m ) ：对超轻污泥陶粒的表面和切面进行喷金处理后采 用日本日立公司s - 5 2 0 型扫描电子显微镜分别放大2 0 0 倍和1 0 0 0 倍进行微观结 构分析。 3 重金属浸出含量测试( i c p - a e s ) - 采用i r i si n t r e p i di ix s p 电感耦合等离 子体发射光谱仪对污泥和所制陶粒进行九种常见的重金属( c u 、z n 、c d 、p b 、 h g 、c r 、b a 、n i 和a s ) 的浸出含量测试，标准参见g b 5 0 8 5 3 2 0 0 7 。 2 2 曝气生物滤池的启动与运行 2 2 1 曝气生物滤池的设计 本研究所用反应器为自行设计的曝气生物滤池，装置结构图如图2 1 所示。 反应器由有机玻璃制成，分为三部分：上部圆柱型反应器，下部污泥斗以及支撑 铁架。上部圆柱型反应器内径2 0 c m ，高1 9 m ，从下往上依次设有缓冲布水区、 承托层、滤料层以及缓冲出水区。缓冲布水区高1 0 c m ，主要起缓冲布水作用； 山东大学硕士毕业论文承托层高2 0 c m ，由鹅卵石填充而成，以保证布水和布气均匀，承托层下端设有曝气盘，通过曝气盘向反应器中输送氧气；滤料层高1 2 0 c m ，由超轻污泥陶粒填充而成，从底端至顶端每隔2 0 c m 设有一个取样口，用于污水的取样测量；缓冲出水区高3 5 c m ，用于防止滤料被冲出反应器以及缓冲出水，缓冲出水区上端设有出水口。反应器下端设有污泥斗，高2 0 c m ，倾斜角度6 0 度，用于收集污水过程中产生的少量污泥和悬浮物。整个反应器通过法兰固定在支撑铁架上，以便平稳地放置于地面。污水通过污泥斗下端进入口，经蠕动泵输送至反应器中，依次流经缓冲布水区、承托层、滤料层以及缓冲出水区，最终，经处理后的出水由上端出水口排出反应器，出水收集于储水罐中，用于反应器的反冲洗，实现了出水再利用。2 2 2 曝气生物滤池的挂膜与运行本研究采用接种挂膜法启动曝气生物滤池，首先，将接种污泥倒入反应器中，所用污泥取自企业和济南城市污水处理厂的0 工艺曝气池，闷曝三天后进行连续进水，挂膜初期必须严格控制有机负荷和水力负荷。其次，反应器在较低负荷下持续运行1 5 2 0 天后，出水水质达到稳定，各种污染物的去除效果趋于稳定，此时可以断定挂膜成功。挂膜成功后，反应器开始正常运行，通过改变操作条件研究反应器对废水的处理效果，包括填料高度、水力停留时间和气水比等，每次更改操作条件后，通过三天的时间进行稳定，之后进行相关水质测定。最终，通过研究各个因素对出水效果的影响确定最佳操作条件。 山东大学硕士毕业论文 2 2 3 水质测定 f o e dp u m p 图2 - 1 曝气生物滤池反应器( 尺寸：m m ) f i g u r e2 - 1t h er e a c t o ro fb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r 在整个研究过程中，每两天进行一次反冲洗，