（环境工程专业论文）imbbr和baf工艺处理低浓度市政污水和半合成灰水的研究.pdf

摘要 摘要 针对“半集中式处理系统”新型供排水理念，本文将一体化悬浮填料生物 处理工艺( i m b b 鼬和曝气生物滤池装置( b a f ) 作为半集中式系统灰水处理工 艺，分别围绕两种工艺对低浓度城市生活污水的处理效果、工艺参数等展开研 究，并选出较优的工况。在此基础上，通过往生活污水中加入灰水的重要成分 l a s 配制成半合成灰水，研究两种工艺处理半合成灰水的效果以及表面活性剂 对灰水的处理效果的影响。最后，将两种工艺用于灰水处理的技术、经济可行 性进行对比。成果总结如下： 研究表明，对于低c o d c r 、较高n h 3 - n 的城市生活污水，要达到城市杂用 水水质标准，i m b b r 宣采用的工艺参数为h r t 为3 4 h ，溶解氧为4 m g l 左 右，固液分离的工作周期不超过1 0 天；b a f 宜采用的工艺参数为表面负荷率 为3 1 3 8 m 3 m 2 h ，滤池的工作周期为1 天。对于半合成灰水，两种工艺在优 化的工况下对灰水中c o d 、n h 3 - n 、l a s 、s s 、浊度均有较好的去除效果，且 出水可以达到回用水标准。 将i m b b r 工艺和b a f 工艺应用于半集中式污水处理系统灰水处理中，两 者最优工艺参数分别为：i m b b r 的h r t 为4 h ，b a f 表面负荷率为3 8 甜( m 2 h ) 。 模拟计算了半集中式处理系统灰水处理规模为3 0 0 0 m 3 d 的投资和运行费用， i m b b r 工艺和b a ft 艺处理灰水的投资费分别为1 5 3 9f r ，( m 3 d - 1 ) 和1 4 7 2 元 ( i n 3 d - 1 ) 、运行费分别为o 5 8 7 元- t f f m 3 和0 6 1 8 元m 3 ，均有投资费用和运行费用 低、投资回收期短的特点。 综合技术、经济分析得出，i m b b r 工艺和b a f 工艺均适合于半集中式污 水处理灰水处理技术。i m b b r 具有周期长、出水水质好，反冲只需气冲，操作 管理简单等特点；而b a f 具有负荷率高、占地面积小，出水水质好，但反冲频 繁，操作要求高等特点，可针对具体情况选择两种不同的半集中处理系统灰水 处理工艺技术方案。 关键词：半集中式处理系统，灰水，i m b b r ，b a f ，l a s a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h en e wc o n c e p to f “s e m i - c e n t r a l i z e dt r e a t m e n ts y s t e m , i nt h i s s t u d y , i m b b r ( i n t e g r a t e dm o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r ) a n db a f 0 3 i o l o g i e a l a e r a t e df i l t e r ) w e r eu s e da sg r e y w a t e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g yi nt h es y s t e m , a n df i r s t l y e x p e r i m e n t sw d t ed e s i g n e dt oi n v e s t i g a t et h er e m o v a le f f i e i e n e ya n dt h e o p t i m i z a t i o no fp r o c e s sp a r a m e t e r sw h e nt r e a t i n gt h em u n i c i p a lw a s t e w a t e ro fl o w c o d c ra n dh i g hn i - 1 3 - n ；s e c o n d l y , p i l o te x p e r i m e n t sw e r ef u l f i l l e dt oo b s e r v et h e f e a s i b i l i t yo fm a i ne o m t a m i n a n t sr e m o v a le f f i c i e n c i e so fi m b b ra n db a fw h e n 订e a t i n gt h es e m i a r t i f i c i a lg r e y w a t e rb ya d d i n gl a st ot h em u n i c i p a lw a s t e w a t e r ； f i n a l l y , t h et e c h n i c a la n de c o n o m i c a le v a l u a t i o no ft w ot e c h n o l o i g i e sw e r ef i n i s h e d w h e n t r e a t i n gg r e y w a t e r i ti ss h o w e dt h a t , t om e e tt h eu r b a nr e u s e dw a t e rs t a n d a r d , w h e n t r e a t i n gl o w s t r e n g t hm u n i c i p a lw a s t e w a t e r , t h es u i t a b l ep a r a m e t e r so fi m b b ra r c - h r t = 3 抽， d oi s4 m g l , t h eb a c k w a s h i n gc y c l eo fs u s p e n d e dc a r r i e rs e p a r a t i n gi sl o d ；a n dt h e s u i t a b l ep a r a m e t e r so fb a f f i r e ；s p e c i f i cs u r f a c , el o a d i n gr a t ei s3 1 3 8 m 3 m 2 1 1 , d o i sa b o u t4 m g l ，b a e k w a s h i n gc y c l eo fb a fi s2 4 hw i t h o u ta n yp r e t r e a t m e n to f i n f l u e n t ，u n d e rt h eo p t i m a ls i t u a t i o n , b o t ht w ot e e l m o l o g i e sh a dg o o dr e m o v a l e f f i c i e n c y o f c o d 、n h 3 - n 、l a s 、s s 、t u r b i d i t y o f s e m i a r t i f i c i a lg r e y w a t e r , a n d t h e q u a l i t yo f t h ee f f l u e n tc a l ln e x tt ot h eu r b a nr e u s e dw a t e rs t a n d a r d t h e ni no r d e rt oc a l c u l a t et h ei n v e s t m e n ta n do p e r a t i o nc o s t sf o r i b b ra n d b a f , t h et w ot e c l m o l o g i e sw c l ea p p l i e di nt h eg r e y w a t e rl r e a t m e n ti n s e m i - c e n t r a l i z e ds y s t e mu n d e rt h e i ro p t i m a ls i t u a t i o n s ，a n dt h ei n f l u e n ti s3 0 0 0 m v d t h ei n v e s t m e n tf o rl h et w ot e e h t l o l o g i e sw 黜1 5 3 9y u a n ( m 3 d 4 ) a n d1 4 7 2 y u a n ( m 3 d 1 ) r e s p e c t i v e l y , a n dt h eo p e r a t i o nc o s tw e 0 5 8 7y 1 1 a 1 1 l l l 3 和0 6 18 y l l a n m sr e s p e e t i v l y r e s u l t ss h o w e dt h a ti v i b b ra n db a fb o t hh a dl o wc o s t sa n d s h o r tr e c y c l et i m e f i n a l l y , i tw a sc o n c l u d e dt h a ti m b b ra n db a fw e f eb o t hs u i t a b l ef o rt h e g r e y w a t e rl a - e a l m e n ti ns e m i c e n t r a l i z e ds y s t e mt e e h n i e a l l ya n de c o n o m i c a l l y i m b b rh a sl o n gc y c l e s ，g o o de f f l u e n tq u a l i t y , a n dj u s t l e e d ss i m p l eo p e r a t i o na n d a b s t r a c t m a n a g e m e n t ；a n db a f h a sh i g hs u r f a c el o a d s ，l o wo c c u p a t i o n , g o o de f f l u e n tq u a l i t y , b u tn e e d sf r e q u e n tb a c k w a s h k e yw o r d s ：s e m i - c e n t r a l i z e dt r e a t m e n ts y s t e m ，g r e y w a t e r ，i m b b r ，b a f ，l a s m 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：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，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检 索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有 关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部 内容用于学术活动。 学位论文作者签名：锨私 伊8 年月4 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：孩靓 p 。g 年1 月“日 第1 章概述 第1 章概述 1 1 传统集中式污水处理系统和分散式污水处理系统 传统的集中式排污和处理系统自1 9 世纪4 0 年代用于英国后，在世界各国的 污染物处理领域就一直占据着统治地位“1 ，但是随着排水体制以及处理系统的 发展，集中式处理系统的弊端日益明显，如排污管道建设和维护费用巨大，排 水管道容易发生渗漏造成土壤和地下水污染；各种污水和雨水混合收集导致污 染物种类复杂，且污染物质的成分和浓度波动很大，使得污水处理的工艺难以 选择、除污效率低；集中式污水处理的运行和维护费用高，污水中的营养成分 由于稀释无法得到有效回收；污泥需要处理和处置；不适合于农村和低密度社 区。 近年来，小型分散式污水处理设施已经在世界各地尤其是城镇小区和村镇 地区得到大量应用，对防治环境污染起到了一定的作用。现有的小型分散式污 水处理系统虽然具有供排水管网和基础设施简单、投资少、运行和维护成本较 低等优势，但是其处理设施的运行状况欠佳，处理出水的水质难以达到安全回 用等要求，且只适合低密度地区，同样具有很大的局限性。 开发新一代污水排放和资源化处理系统、实现可持续性水资源利用十分必 要。近年来，分散式分质排放及资源化处理系统逐渐成为城镇化地区和农村污 染防治领域的研究与应用的热点。 1 2 新型分质排放及资源化处理系统 1 2 1 分散式分质排放及资源化处理系统 1 2 1 1 定义及特点 针对传统排水体制的弊端，立足于污水的资源化，国外学者先后提出了污 水分质排放及资源化的新型理念。新的分类方法将生活污水按其来源主要分为： 第1 章概述 灰水、黑水。灰水是指粪便水以外的生活污水，包括洗浴水、厨房水等洗涤水 闭；而黑水是指粪便水。灰水比混合水更容易处理，从环境和卫生的角度来说 是无害的。处理灰水的主要目的是去除b o d 5 以及水中的病原体和微生物【3 1 ， 以便回用。而黑水几乎含有生活污水中所有的氮磷等营养物质，污染程度高。 分散式分质排放及资源化处理系统是指在污染物产生点附近对废水废物进 行分类收集处理，再进一步对出水和生物固体加以回收利用，以实现资源利用 最大化。它的主要组成要素包括：废水分类收集、处理、出水的回用及排放、 生物固体的处理和资源化利用。根据具体类型，这些要素有所区别。 1 2 1 2 作用与功能 ( 1 ) 改变了传统的末端治理模式，从源头上控制，对废水进行分类收集、 处理和回用，实现了水资源的循环。 ( 2 ) 污水分质处理，降低了处理难度。 ( 3 ) 无需大量排水管网，可节约大量管道及维修费用，为低密度社区和 村镇地区提供了合适且有经济效益的解决方案。 ( 4 ) 在废水产生点附近进行废水废物处理便于资源回收利用。大规模的 集中式处理产生大量的出水，限制了回用的可能性，出水一般都直接排放至河 流海洋。 1 2 1 3 种类 国内外分散式分质排放及资源化处理系统的研究与发展较成功的主要有以 下几种 4 1 ： ( 1 ) 生态卫生系统( e c o l o g i c a ls a n i t a r ys y s t e m ，e c o s a n ) 生态卫生系统( e c 0 s a n ) 是以物质流闭合循环系统为核心的分散式废水 管理系统理念，该系统以家庭为基本控制点从源头上进行污染物分类收集，以 各种水处理回收利用技术为基本手段处理粪便以外的污水，通过水和营养物闭 合循环实现水和营养物质的回收利用，从而达到可持续发展的目的。为了在国 际范围内推广生态卫生理念，促进改善水的可持续性和发展中国家的卫生项目， 德国技术合作公司( g t z ) 予2 0 0 1 年5 月正式启动了e c o s a n 的研究和发展 项目【5 】。在遍及亚、非、中东、欧洲和拉丁美洲的国家都发展和实施了中试项 目，以发展、检验、改进e c o s a n 技术t 组织方案和回用理念。 2 第1 章概述 ( 2 ) 中国农村地区以沼气池为中心的卫生系统 我国利用沼气发酵装置解决农村单家庭用户能源短缺问题已有悠久历史， 自2 0 0 0 年以来农村地区大力发展沼气卫生系统，它不仅解决了农村能源短缺和 农业产量等问题，还将资源利用、环境保护等问题结合起来的新型生态模式。 其核心是以沼气池为核心，利用人畜粪便通过沼气发酵产生的生物质能源做燃 料和照明，或利用沼液及沼渣养鱼、喂猪、种菜、种果，通过多层次利用人畜 的排泄物，将农、林、牧、副、渔有机地结合在一起，以达到能源、生态、经 济效益的统一。 ，。 但此类分散式分质排放及资源化处理系统的处理规模只限于农村或低密度 社区，这成为限制其在城镇地区发展的瓶颈。 1 2 2 半集中式处理系统 1 2 2 1 定义 所谓半集中式处理系统，是指在城市的一定区域或中小城镇建立水的循环 利用和固体废物综合处理的系统，实现水的分质供应与排放、污水处理和回用、 固体废物处理和资源化综合利用，即在一定区域内实现“能源消耗、污染排放、 废物资源化利用”的最优化。半集中式处理系统理念为本研究项目首次提出， 包括两方面的含义：首先，它是一个相对的概念，其规模介于分散式( 服务于 单个构筑物的独立处理单元) 和传统的集中式处理系统( 基于末端治理的大型 集中处理系统) 之间，服务人口当量从几千人到十几万人不等。其次，半集中 式处理系统的技术整合程度高。完善的半集中式处理系统由不同处理单元组合 而成，对污水处理和污水回用、固体废物的资源化利用、能量回收等多种技术 进行组合，并达到系统整体优化。 1 2 2 2 半集中式污水处理系统的作用及特点 半集中式污水处理系统的工艺流程见图1 2 1 。该系统主要围绕三个循环： 水、能量和营养物质的循环。该系统中的物质流和特点阐述如下。 从源头控制进行分质排放，灰水与黑水分离开来，甚于和雨水一起通过水 净化设施用于回用、灌溉农田或者地下水回灌，形成闭合循环；而尿液和粪便 不再是废物，通过分类收集与厨余垃圾一起通过发酵或堆肥处理用作农肥，形 3 第1 章概述 成闭合营养物质循环；而发酵产生的沼气则可通过沼气利用系统加以回收利用 形成闭合能量循环。 图1 2 1 半集中式污水处理系统的典型工艺流程图 通过这三个循环，实现了污染物排放的最少化，营养物质资源化利用的最 大化，能源消耗的最低化。 1 2 2 3 半集中式污水处理系统的优点 半集中式污水处理系统是将生态与经济有机结合的崭新模式，是符合可持 续发展的要求的新型环保理念，具有以下特点： ( 1 ) 规模介于分散式和集中式处理系统之间，具有集成化的供给和排污系 统，技术整合程度高，更具适应性和灵活性； ( 2 ) 利用了物质流的闭合循环，实现污染最小化，节约和保护自然资源， 具有可持续性； ( 3 ) 运行安全可靠，管理方便，成本较低，具有良好的经济效益。 1 2 2 4 半集中式污水处理系统在中国的应用前景 我国是世界上2 1 个最缺水的国家之一，人均淡水资源只有世界人均占有量 的i 4 ，而水资源短缺和水环境污染随着我国经济的发展日益严重，要解决我 国的水危机，必须改变传统的集中式污水处理理念，建立以健康的水循环圈、 营养物质循环圈为核心的可持续发展新型理念，而半集中式污水处理系统通过 分质排水，分类收集处理，实现水、营养物质、能量循环使用，达到污染排放 最小化，资源利用最大化，大大节约水资源，正是符合了这样的理念，从生态、 社会、技术、经济的层面上来说在我国都具有广阔的应用前景。 4 第1 章概述 1 3 灰水水量、水质的特点及处理技术 1 3 1 灰水水量水质的特点 饮用水和厨房需要的优质用水只占居民总用水量的5 左右 6 1 ，灰水最多可 占整个生活污水量的7 5 。可见处理后的灰水是一个相对稳定的再生水源。 灰水因与黑水分离开来，其中含有的s s 、有机物、氮磷等比混合污水低【堋， 比混合污水更容易处理。如表1 3 1 将各水质进行了比较，灰水中包括厨房水。 灰水中b o d ：n ：p 比值为1 8 6 ：1 4 ：1 ，营养元素比例与微生物对营养物质的要求 b o d ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：1 较为接近【l o 】，可生化性值为0 4 ，易生物降解。 表1 3 1 上海市某小区灰水、厨房废水、黑水水质 灰水厨房废水黑水 范围平均值范围平均值范围平均值 p h ( m g f l ) 5 7 _ 6 66 31 1 8 _ 35 46 7 8 97 8 t s s ( m g l ) 3 3 5 2 6 5 68 1 l3 2 5 2 2 5 81 1 0 07 2 6 1 9 3 61 3 0 0 v s s ( m g l ) 3 2 5 1 41 8 32 1 3 6 02 5 91 9 一1 7 0 23 6 6 c o d ( m g j i ) 2 0 2 6 3 94 3 21 8 3 1 7 7 67 9 24 3 2 3 8 5 61 2 1 3 t n ( m g l ) 5 7 2 4 91 3 7l l _ 3 1 9 6 94 3 51 9 3 1 9 6 91 1 6 7 t p ( m g l ) 0 4 0 2 9 31 1 81 0 2 1 0 1 23 6 35 7 0 5 4 21 8 8 n h 3 - n ( m g l ) o 8 6 5 6 53 2 8o 7 3 6 2 16 ，2 34 2 1 一1 7 4 31 1 3 1 l a s ( m g l ) 1 0 6 一1 5 4 95 2 20 3 0 1 6 9 03 3 4 b o d s ( m g l ) 8 7 - 2 7 11 8 68 8 8 5 83 7 01 7 0 1 2 4 94 5 8 总细菌( 个 1 4 1 0 s1 1 1 0 93 x 1 0 9 l ) 1 5 x l o l ?3 5 x 1 0 1 2- 2 8 x 1 0 1 0 注： ：灰水包括厨房废水。 1 3 2 灰水处理技术及回用 灰水的处理主要有物理化学处理，生物处理以及生态处理三大类。 5 第1 章概述 物理化学处理主要为化学混凝以及膜处理，通过化学混凝的方法虽然可以 有效的去除灰水中的污染物质，但是并没有达到污染物质的消减，只是污染物 质的转移，产生大量的化学污泥难于处置；用膜处理灰水的出水水质较差己见 报道，并且存在膜污染的问题。此外膜试验表明单纯的物理处理不能有效的去 除污水中所有的大肠杆菌。 生物处理技术有s b r 1 1 - 1 2 、膜生物反应器【1 3 “】、u a s b i s 】、净化槽【1 6 1 、曝 气生物滤池0 7 - 1 8 等。由于灰水中的污染物质浓度较低，同时大量的表面活性剂的 存在使活性污泥法不能在其处理中取得理想的效果，近年来，国内研究灰水或 低浓度生活污水的生物处理工艺多集中于悬浮填料床生物处理和曝气生物滤 池，两种工艺均有占地面积小，投资运行费低，出水水质高，能用于深度处理 等特点。灰水的生态处理技术主要是土地处理系统，主要利用土地渗滤、氧化 塘、人工湿地等自然净化系统【1 虬1 】对污水进行就地处理，具有处理效果稳定、 投资少、管理简单等优点。但因其占地面积大，难以适合城市污水处理需要。 由于灰水水量大，水源稳定，可回用于农业、家庭非饮用水使用、娱乐、 园艺i 地下水回灌、工业等。 1 。4 一体化悬浮填料生物处理技术研究进展 悬浮填料床生物处理工艺( m b b r ) ，是近年来颇受重视的一种新型生物膜反 应器。是为了解决固定床需要定期反冲洗，流化床需使载体流化，生物滤池阻 塞需清洗滤料、更换曝气器的复杂操作而发展起来的 2 2 - 2 6 1 。通过直接向生物处 理池投加密度和水相近的粒状或球状填料，培养出足够数量的微生物发挥除污 染功能。这种生物膜工艺无需填料支架，在水流和空气的冲刷下填料处于流动 状态，生物膜的生长和脱落速度快，没有填料的堵塞和反冲洗的问题，是悬浮 生长的活性污泥法和附着生长的生物膜法相结合的一种生物处理工艺。该工艺 建造简单，操作方便，可单独使用，也可和其他工艺组合，不仅适合于分散式 小区污水处理，也适合半集中式处理规模，如日处理水量达到几万吨，具有广 阔的应用前景。 6 第1 章概述 1 4 1 悬浮填料的作用及形式 填料是m b b r 生物膜的支撑和载体，其密度接近于水，挂膜后可悬浮于水中， 只需很小的推动力就能实现流化，克服了石英砂、无烟煤、颗粒活性碳等填料 流化消耗动力大的问题。近年来，国内外已经开发了多种不同材质、形状的悬 浮填料。 由英国s i m o n - h a r t l c y 公司和美国a s h b r o o k - s i m o n - h a r t l e y 公司联合开发的 c a p t o r 聚氨酯泡沫方块，尺寸为2 5 r a m x 2 5 r a m x1 2 r a m ，孔径约为8 5 0 m ，载 体投加比为1 5 7 5 ，为生物附着提供了很大的表面积，一般为l ，0 0 0 5 , 0 0 0 m 2 m 3 。其生物量浓度可以达到7 9 9 m l s s l 2 7 _ 2 8 】；由挪威k m t 公司开发 的k m t 聚乙烯圆柱状塑料载体，其直径为1 0 m m ，高度为1 0 m m ，密度为o 9 2 o 9 6 9 c m 3 ，载体投加率可以达到7 0 ，其比表面积可达3 5 0 m 2 m 3 ，生物量浓度 可达蛩- - 4 9 m l s s l t 2 ”o j ；中国国家电力建设研究所与韩国s a mk w a n g 公司 合作研制的粒径1 0 m m 左右的多孔橡胶胶粒，比表面积可达4 ，5 0 0 m 2 m 3 ，反应 器内部保持较高的微生物量，m l s s 可达2 0 ，0 0 0 m g l ，由于运行时填料间相互 碰撞，使得载体表面生物膜较薄，其生物活性相对较高【3 l 】；课题组开发的大粒径悬 浮填料，填料形状为球形和圆柱形，尺寸为中2 5 m m 、m 5 0 m m 和m1 0 0 m m ，其 比表面积为1 0 0 3 0 0 m 2 m 3 ，最佳投配率为5 0 【3 2 】，传质效率高。目前，已在 饮用水源预处理和废水处理中有所应用p 。 悬浮填料的投加方式非常灵活，在池内几乎没有水头损失，无需反冲洗， 维护简单，投配率根据所处理水的水质或工艺而定。且悬浮填料的有效比表面 积是常规固定式填料的数倍，附着生物量大且微生物的活性高，因而能够在较 短的时间内将污染物去除。悬浮填料的挂膜速度较快。金冬霞采用非织造布开 发出的悬浮填料6 天就可以全部挂膜，表面有一层薄薄的黄色生物膜。课题组 试验表明，经过3 4 周生物膜培养成熟州。 1 4 2 悬浮填料生物处理工艺研究应用进展 ( 1 ) m b b r 处理生活污水 g a n d r e o t t o l a 对比了m b b r 和活性污泥工艺处理市政污水的差异性，发现两 者具有相近的除污染效率，但m b b r 没有污泥膨胀和流失的现象圈。很多厂矿 企业将生活污水中与冲洗水混合排放，导致生活污水中有机物浓度较低，不适 7 第1 章概述 合用普通的活性污泥法处理，马建勇等【3 6 】通过小试试验研究了i v i b b r 处理低浓 度生活污水时启动和运行的性能和特点，当投配比为2 5 时，处理c o d 质量浓度 在1 0 0 m g l 左右的生活污水，水力停留时间为1 9 h ，气水比仅为4 ：1 ，能耗与普通活 性污泥法相当，c o d 去除率可达8 5 ，出水b o d 质量浓度一般都小于5 m p l 。 朱文亭等【3 7 j 提出了循环m b b r i 艺。他对传统m b b r 的运行方式和池型结构进 行了改造，当进水c o d 为2 0 0 7 0 0 m g l ，气水比为1 0 ：1 ，h r t 为4 h 时，c o d 平均 去除率8 8 8 。且反应器内的流态接近完全混合，同时也控制了生物膜厚度，使 微生物始终处于生长旺盛的阶段，进而加快有机物的降解速率。季民等【3 8 】在试 验的基础上为长春某公司设计、建造了一套以m b b r - - 级串联为主体工艺的地埋 式污水处理装置( 处理水量为1 0m 3 m ) ，其原水为车间生活污水和经预处理后的 工业废水，在进水c o d = 8 0 3 0 0m g m 、水力停留时间为2 4h 的条件下出水 c o d 浓度可降至3 0 6 0 m g l ，m b b r 非常适合于建造成一体化或地埋式污水处 理装置。 m r o d g e r s 3 9 等组装了一个新的垂直m b b r 用来处理城市污水。此系统中 包括有高比表面积的塑料介质，填料可反复在空气与废水间循环移动，这种运 动为去除废水中的有机物提供了足够的氧，溶解氧在流体中的质量浓度达到了 1 5 5 m g l ，能耗为0 0 9 o 2 5 k w h m 3 ，以c o d 计为0 4 2 1 9 k w h k g 。这种 新系统能有效的减少反应器容积，能耗低而且建造简单，操作容易。 ( 2 ) m b b r 处理工业污水 b j o mr u s t e n 等【4 0 】利用m b b r 处理化学工业废水。在b o d 负荷为 5 3 烈m 2 d ) 时，能有效去除可降解的b o d 部分，去除率为6 0 8 0 ；b o d 负荷为1 0 2 0 ( 矗d ) ，去除率 9 0 。再经过活性污泥工艺单元处理后，最 后的出水b o d 为3 4 m p j l 。m b b r 与活性污泥法组合，可以对化工废水进行完 全的处理。 王学江等【4 1 】利用m b b r 处理石化废水，采用了新型的悬浮填料，具有比表 面积大，易挂膜，可有效切割气泡，且对氧的利用率有较大提高。在水力停留 时间( 玎) 大于6 h 、反应器填料投加率为5 0 的情况下，出水c o d 、n h 3 - n 、 s s 和浊度等均达到国家排放标准。此反映器具有较强的抗负荷冲击力，并且出 水水质稳定。城市垃圾渗沥液中含有对抗生物处理的化合物，而且氨浓度高、 色度高，m x l o u l d d o u 等【4 2 】采用i v i b b r 序批工艺处理这种废水，载体使用聚 亚胺酯和颗粒活性炭，对污染物同时具有物理、化学和生物降解作用，可脱除 第1 章概述 含氮化合物，同时能有效去除有机物、色度和浊度。 ( 4 ) i v l b b r 的脱氮除磷 徐云侠等【4 3 】通过对m b b r 和a o 工艺处理模拟生活污水的对比研究，得 出：m b b r 工艺去除有机物和脱氮效果均优于a o 工艺，由于m b b r 的生物活性 高，在生物膜内发生了同时硝化反硝化，当进水c o d 和n h 3 - n 浓度分别为1 0 0 0 m g l 和2 5 m g l 、h r t 为8 h 时，l v l b b r 的c o d 和t n 去除率分别高达9 2 和 9 4 ，而a o 工艺分别为7 8 和8 2 。挪威f r e v a r 污水厂由常规二级处理进 一步改造为具有脱氮功能的中试研究表明，i o 。c 的硝化负荷率达到了1 9 0 9 t k n m 3 d ，即使每年有3 个月水温只有4 5 ，但是t n 的去除率仍达到了7 0 以 上。另一个污水处理厂增加m b b r 作为后反硝化池，设计反硝化负荷率为1 2 9 n 0 3 - n m 2 聃d ( 1 0 ) ，一年多运行结果表明，总出水的t n 不超过1 0 m g l t 4 4 】。 g p a s t o r e l l im s 在一个可调的中型工厂利用以聚乙烯为载体的m b b r 进行生活 污水脱氮研究，在没有外加碳源的情况下，即使在很低的c o d 负荷下，脱n 0 3 - n 速率大于o 3 9 ( m z d ) 。 h o d e g a a r d 研究表明：在影响硝化速率的四个主要因素温度、易生物降解 的有机负荷、d o 及n h 3 - n 中，有机负荷是关键因素，应该尽可能低，当有机 负荷b o d 超过4g ( m 2 d ) ，需要很高的溶氧浓度( 6m g l ) 才能使硝化反应发 生；当氨的浓度很低( 3 m e , l ) 时，才会限制硝化作用；更重要的是溶解氧的影 响，即使它的浓度相当高也可能影响硝化速率。试验中当溶氧的浓度大于2 3 m e , l 硝化作用才开始进行，而且硝化率和溶氧的浓度接近线性关系，直到溶氧 浓度超过1 0m g l t “j 。 d o 、有机物、和温度是反硝化过程的重要影响因素，当d o 为0 3 m g l 时， 反硝化速率比最大速率约减少6 5 。一般来讲溶解氧应控制在o 5 m g l 以下 4 7 1 。 王学江等研究了d o 对m b b r 同步硝化反硝化生物脱氮的影响，研究表明，生 物膜内d o 质量浓度梯度是造成好氧和缺氧区实现同步硝化和反硝化的关键， 当d o 为2 m g l 、水力停留时间为8 h 、悬浮填料填充率为5 0 时，m b b r 可通 过同步硝化反硝化实现9 0 以上的脱氮效果，大大提高生物脱氮的效率嘲。 m b b r 装置的反硝化能力很大程度上依赖于基质浓度 4 9 j ，理论上讲反硝化 1 9 n 0 3 - n 需要2 8 6 9 c o d ，为了维持较高的反硝化速率，实际的c o d n 0 3 - n 比 例应为扣5 【5 0 】。i v i b b r 在低温时，也可以取得较高的脱氮效率，表现出稳定的 性能。g ：a n d r c o t t o l a 实际应用研究表明，在n h 3 - n 负荷为0 9 9 n h 3 - n ( m 2 d ) ， 9 第1 章概述 温度小于8 c 时，总氮的去除率仍为7 2 t 5 “。 m b b r 以厌氧好氧的序批式方式运行时，可以起到除磷的作用。厌氧阶 段进水的c o d 应尽可能的被吸收，进水有机物中易为除磷菌所吸收的低分子有 机物浓度越高，越有利于磷的去处，厌氧阶段的释磷越充分，好氧阶段的磷的 去除速率约大。h h e l n e s s 和h o d e g a r d s 2 羊j - - 个中等规模的序批式m b b r 处 理生活污水，研究有机碳、磷和氮的去除。结果表明，当在有氧相中观察到硝 讹，同时有反硝化和磷吸收，在循环的缺氧相中完成了有机碳的吸收和磷的释 放，只需要外加碳源，就能稳定的生物除磷。此系统被证明是灵活可靠的，适 合在城市污水处理厂中应用，出水水质符合欧盟关于氮磷限制排放标准。 1 4 3 一体化悬浮填料床生物处理技术研究进展 传统的活性污泥法处理工艺采用二沉池作为固液分离段，占地面积大，易 发生浮泥现象等问题，一些生物处理新技术逐步发展起来，如膜生物反应器【5 3 】， 一体化氧化沟技术 s 4 , s s 】，机械搅拌流化床和其他一些深层次过滤技术 5 6 , 5 7 等， 分别从不同方面来弥补二次沉淀池的缺陷。从国内外研究现状看，现有的一体 化处理工艺或技术在小型污水处理领域具有投资和运行费用省等优势，当处理 规模扩大时，尚有待进一步技术攻关。开发新的处理工艺十分必要。悬浮填料 床生物处理工艺能够适应不同的处理规模，代表了新的发展方向。 国内对悬浮填料床生物处理工艺的研究从9 0 年代中期开展，目前，已有同 济大学、清华大学等单位开展研究。同济大学在该领域已经进行了十余年的研 究。从1 9 9 4 年开始，课题组针对悬浮填料床生物反应器的关键一填料和工艺 技术进行攻关，1 9 9 6 年新型悬浮填料开发成功，先后取得一系列知识产权。该 填料呈球形和圆柱形，主要尺寸有巾2 5 m m 、由5 0 m m 、和由l o o m m 等。填料的 比重接近于水、比表面积为1 0 0 4 5 0 m 2 m 3 ；填料投加后传质效率可提高一倍 左右：能耗小，安装和运行管理方便。 一系列中试研究表明，课题组开发的填料和工艺技术可以在市政污水脱氮 除磷、工业废水处理和污水再生等领域广泛应用。 上海石化公司水质净化厂采用悬浮填料床生物处理工艺除氮，研究表明， 尽管中试系统悬浮填料床生物处理工序的水力停留时间( h r t ) 远小于公司生 产性应用装置，但是在不同水温环境下均达到了很高的氨氮去除效率，出水可 1 0 第1 章概述 以完全达到排放标准。课题组对重污染河流采用悬浮填料床生物吸附耦合快速 化学混凝工艺处理，总h r t 不到2 h ，c o d 和悬浮物( s s ) 可以去除7 5 以上， 还具有一定的除氨氮功能；德国巴斯夫上海公司的染料废水采用以悬浮载体生 物处理为主的组合工艺处理，工程规模为1 0 0 0 m x d ，出水各项指标均达到国家 排放标准，优于德国同行的处理设施。 课题组在中国石油大港石化公司采用悬浮填料床生物氧化、臭氧部分氧化 生物活性炭技术深度处理炼油厂废水，工程应用的规模达到8 0 0 0 m 3 d ，再生水 达到了工业用新鲜水的水质标准，基本实现了厂区污水的零排放的目标，项目 成果被评为“2 0 0 3 年度中国石油天然气集团公司科技创新二等奖”。 课题组在该领域的持续深入研究为近两年来进一步开发一体化悬浮填料生 物处理工艺和取消二沉池的研究奠定了技术基础。 。 一体化悬浮填料床生物处理工艺通过在悬浮填料床生物处理池的末端设置 一定厚度和形状的悬浮填料，固液分离以过滤方式取代重力沉淀，不仅可以提 高固液分离效率，而且可以节省二沉池，在同一个推流式处理构筑物内实现除 污染和固液分离等多种功能。2 0 0 4 年开始课题组就悬浮填料对活性污泥混合液 的固液分离研究表明1 5 6 - 4 9 1 ：悬浮填料床固液分离功能强，可以在传统二沉池表 面负荷2 5 3 0 倍的条件下仍具有较低的出水s s 和出水浊度，且出水的水质稳 定，不发生飘泥现象。此外，与固定滤床相比，悬浮填料因具有良好的流化性 能，在气流水流的推动下，不断翻滚、冲撞、摩擦，有利于在短时间内达到良 好的冲洗效果，悬浮床内截留的污泥不易结团，不会造成阻塞；冲洗只需简单 的气冲即可，冲洗效果好。2 0 0 6 年，课题组开发了一体化流化床生物膜反应器 ( r m b b r ) ，并进行了中试试验，生物段以单纯的m b b r 生物膜法运行，主要去 除有机污染物和n h 3 - n ，兼有去除t n 和t p 的功能，后续固液分离区用于拦截 和去除水中盼悬浮状污染物和脱落的生物膜。实验结果表明：i m b b r 系统在 h r t 为3 - 4 5 h , 填料投配率为5 0 6 0 ，m b b r 对c o d 和n h 3 - n 具有良好的 去除效果，并且对t n 和t p 也有一定的去除效果；对于c o d 浓度为1 1 4 2 2 9 m g l 、n h a - n 浓度为1 7 3 2 1 2m g l 的低c o d 、高n h 3 - n 浓度的城市污 水处理后基本能达到城市杂用水水质标准。 第1 章概述 1 5 曝气生物滤池的研究进展 1 5 。1 曝气生物滤池的工艺特点及原理 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 ) 是2 0 世纪8 0 年代末和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，世界上首座建在巴黎的s o i s o n s 的曝气生物滤池投产运行以来1 6 “，随后在欧 洲各国得到广泛应用。b a f 最初只用作污水的三级处理，后发展成直接用于二 级处理的废水处理工艺。目前世界上已有1 0 0 多座污水处理厂应用了这项技术。 不仅用于水体富营养化处理，而且广泛地用于生活污水、生活杂排水和食品加 工、水果蔬菜罐头、鱼肉制品、酿造和造纸等工业废水处理中 6 2 , 6 3 】。并且用于 源水预处理以及电厂炼油生产废水处理，出水可以回用6 5 】。 曝气生物滤池是普通生物滤池的一种变形形式，也可以看成是生物接触氧 化法的一种特殊形式，即在生物反应器内装填高比表面积的颗粒填料，以提供 微生物生长的载体，并根据进出水流向不同分为下向流和上向流，污水由上而 下或由下而上流过滤料层，滤料层下部鼓风曝气提供生化反应所需的氧气，在 填料表面附着生长的微生物的作用下，污水中的有机污染物季导到净化，同时填 料起到物理过滤作用【6 7 ，。 传统活性污泥法如氧化沟、a b 法、s b r 法、a o 法等工艺都具有处理效 率高、出水水质好等优点，但也存在工程投资高、占地面积大、能耗大及运行 费用高、管理较复杂等缺点，且在运行中易出现污泥膨胀和污泥上浮等问题， 而曝气生物滤池集生物净化和物理过滤于一体，不需设置二沉池，在保证处理 效果的前提下使处理工艺流程得到简化。此外，曝气生物滤池工艺具有容积负 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， 出水水质好等特点 6 9 , 7 0 j 。 曝气生物滤池与其他生物处理工艺相比具有如下有优点： ( 1 ) 较小的池容积和占地面积，曝气生物滤池的b o d 容积负荷可达至u s - - 6 k g b o d ( 对d ) ，是常规活性污泥法或接触氧化法的6 1 2 倍。 ( 2 ) 高质量的出水水质，在b o d 容积负荷为6 1 0 k g b o d ( m 3 d ) 时，b o d 的去 除率一般在9 0 以上，c o d 、n h 3 - n 去除率可达s o p a _ k t 7 1 , 7 2 。 ( 3 ) 处理流程短。由于曝气生物滤池的物理截流作用，不需设置二沉池和污 第1 章概述 泥回流泵房，处理流程简化，使占地面积进一步减小。 ( 4 ) 基建费用、运行费用省。由于该技术流程短、池容积和占地面积小，使 基建费用大大低于常规二级生物处理，同时，由于充氧率高，供氧动力消耗低， 可节约能源能耗。 ( 5 ) 管理简单。