（环境工程专业论文）二级曝气生物滤池脱氮研究.pdf

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的研究工作所取得 的研究成果。除了文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本声明的法律后果完全由本人承担。 作者签名：焘丛 日期：少，f 年r 月膨日 学位论文授权使用声明 本人完全了解北京工商大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间学位论文所涉及的知识产权属于北京工商大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借阅；学校 可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 学位论文电子舨同意提交后，可于 口当年口一年e l z 年后在学校图书馆 网站上发布，供校内师生浏览。 作者签名：趣导师签名：5 寸踢日期：知，年明，日 摘要 本课题采用曝气生物滤池工艺处理城市污水厂二级出水，以球形轻质陶粒滤料作 为生物载体，通过试验，对曝气生物滤池工艺进行了系统的研究。结果表明： 以陶粒为滤料，影响曝气生物滤池工作性能的主要因素有：气水比、水力负荷、 有机负荷和填料层高度等。对于填料层总高度为1 5m 的上向流式曝气生物滤池，降 解c o d 的最佳填料层高度在从底部起至8 0c m 处；n h 3 - n 去除的最佳床层高度在距 低部8 0 1 2 0c m 处；由于进水的有机物浓度较低，反应器的反冲洗周期较长，两周反 冲洗一次可保证出水水质。在水力负荷为l m h ，气水比为3 ：1 的条件下，曝气生物 滤池去除c o d 和n h 3 - n 的效果良好。通过对滤池沿程污染物的测定，底部以碳化细 菌为主，接近中部位置硝化细菌占优势。 通过对滤料表面的生物膜进行电镜扫描可知，滤料表面附着的生物膜，含有杆菌、 球菌、丝状菌等菌种，滤柱底部生物膜较厚，其上部的则较薄，硝酸菌是微生物中的 优势菌种。滤料表面微生物量和微生物活性明显呈梯形分布，从进水端到出水端，分 别呈逐渐下降的趋势。曝气生物滤池对污染物的去除主要集中在滤柱下部及中部部 分，这种现象同滤料表面微生物量和微生物活性的沿程分布趋势是相一致的。 短程硝化滤池中，在设定温度为3 0 ，控制d o 的浓度为2 4m g l 的条件下， 挂膜完成后n 0 2 - - n 实现了很好的积累，且n 0 2 - - n 的浓度随滤层高度的增加而增大。 通过不同p h 值对n 0 2 - - n 累积的影响得出，p h 应值保持在8 0 8 5 之间。通过接种 挂膜法对反硝化生物滤池进行挂膜的速度较快。稳定运行期间碳源不足会造成脱氮不 完全，引起n 0 2 - n 的积累，其次，n o 和p h 也会对其产生影响。短程硝化反硝化滤 池联合运行后，n h 3 - n 的去除效果很好，保持在9 0 以上。在无外加碳源的情况下， 出水中t n 浓度较高，其存在形态以n 0 2 - n 为主。在添加了外碳源乙酸钠之后，t n 的去除效果立即达到了8 0 以上。在此实验中，投加的c n 比为3 ：1 ，c o d 的出水 浓度在1 5m g l 一下，表明投加比实际可行。 通过本实验的方法对二级出水低浓度污水进行处理，可有效的降低污水的中的 n h 3 - n 含量并且通过短程硝化反硝化作用脱除水中的氮物质，并达到了污水再生利 用工程设计规范g b 5 0 3 3 5 2 0 0 2 中的电厂循环冷去系统补充水标准中对氮的要求。 关键词：曝气生物滤池：生物膜：脱氮：短程硝化反硝化 a b s t r a c t t h i sr e s e a r c hf o c u s e so nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h et w o s t a g eb i o l o g i c a la e r a t e d f i l t e rf o r s e c o n d a r y e f f l u e n tf r o m m u n i c i p a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n t w i t h s p h e r i c a l l i g h t w e i g h tc e r a m i cf i l t e r a sb i o m a s sc a r r i e r , t h r o u h gt h ee x p e r i m e n t s ，f o rb i o l o g i c a l a e r a t e df i l t e r sp r o c e s so nas y s t e m a t i cs t u d y t h er e s u l t ss h o wt h a t ： b yc e r a m s i t ef o rf i l t e rm a t e r i a l ，i n f l u e n tb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r so ft h ew o r k i n g p e r f o r m a n c eo ft h em a i nf a c t o r sw h i c hh a v e ：g a s w a t e rr a t i o ，h y d r a u l i cl o a d i n g ，o r g a n i c l o a d i n ga n dp a c k i n gh e i g h ta n ds oo n f o rp a c k i n gl a y e rt o t a lh e i g h to f1 5m t ou p l o a d b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r s ，t h eb e s tp a c k i n gh e i g h to fd e g r a d a t i o nc o d u n t i l8 0c mf r o mt h e b o t t o m ，t h eb e s tb e dh e i g h to fa m m o n i an i t r o g e nr e m o w a li nt h ep l a c ef r o ml o w e rp a r to f 8 0 12 0c m ；d u et ot h el o wo r g a n i cc o n t e n ti nt h ew a t e r , t h er e a c t o rb a c k w a s h i n gc y c l ei s l o n g ，t w ow e e k sf o rab a c k w a s ha n dt h ee f f l u e n tw a t e rq u a l i t yc a nb eg u a r a n t e e d i nt h e h y d r a u l i cl o a d i n gf o rlm h ，3 ：1r a t i oo fa i rt ow a t e rc o n d i t i o n s ，t h ee f f e c to fr e m o v ec o d a n da m m o n i an i t r o g e nb yb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r si sg o o d b a s e do nt h ed e t e r m i n a t i o n a l o n gt h ew a yo ft h ef i l t e r , t h em a i nb a c t e r i ai sc a r b o n i z a t i o nb a c t e r i at at h eb o t t o n ，c l o s et o t h ec e n t r a lp o s i t i o no fn i t r i f y i n gb a c t e r i aa r ed o m i n a n t t h r o u g hs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) t ot h es u r f a c eb i o f i l mo ft h ef i l t e r m a t e r i a l ，f i l t e ra t t a c h e dt ot h eb i o f i l ms u r f a c ec o n t a i n sb a c i l l u s ，s t a p h y l o c o c c u s ， f i l a m e n t o u sf u n g i e t c t h eb i o f i l mi st h i c h e ra tt h eb o t t o mf i l t e rc o l u m nt h a na tt h eu p p e r , n i t r o b a c t e r i a li st h e a d v a n t a g e o fm i c r o b i a ls t r a i n s m i c r o b i a lb i o m a s sa n d m i c r o o r g a n i s ma c t i v i t yo nt h ef i l t e rm a t e r i a ls u r f a c ei nt r a p e z o i d a ld i s t r i b u t i o n ，at r e n do f d e c r e a s eg r a d u a lf r o mt h ei n l e tt oo u t l e tr e s p e c t i v e l y b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r sr e m o v a lo f p o l l u t a n t sm a i n l yc o n c e n t r a t e di nt h el o w e ra n dm i d d l ep a r t o ff i l t e rc o l u m n t h i s p h e n o m e n o ni sc o n s i s t e n tw i t ht h ed i s t r i b u t i o nm i c r o b i a lb i o m a s sa n dm i c r o o r g a n i s m a c t i v i t yo nt h ef i l t e rm a t e r i a ls u r f a c e i nt h es h o r t c u tn i t r i f i c a t i o nf i l t e r , i ns e t t i n gt e m p e r a t u r ef o r3 0 * c a n dc o n t r o lt h e c o n c e n t r a t i o no fd o2 - 4m g l ，n 0 2 - - na c h i e v e da tah i g ha c c u m u l a t i o na f t e rc o m p l e t i o n o fb i o l o g i c a lf i l mg r o w i n gm a t u r e ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fn 0 2 - ni n c r e a s ew i t ht h ef i l t e r l a y e rh e i g h t d i f f e r e n tv a l u e so fp hc a ne f f e c tt h en 0 2 - n sa c c u m u l a t i o n ，t h er e s u l t ss h o w t h a tp hs h o u l db ek e p tb e t w e e nt h e8 0a n d8 5 l i n k e dt om e m b r a n eb yi n o c u l a t i o nf o r d e n i t r i f i c a t i o n b i o l o g i c a l f i l t e r h a n g i n g m e m b r a n ei s f a s t e r d u r i n g t h es t a b l e o p e r a t i o n ，c a r b o ns o u r c es h o r t a g ec a nc a u s ed e n i t r i f i c a t i o nn o tc o m p l e t e l y , t h er e s u l tm a k e s i i n 0 2 - na c c u m u l a t i o n ，s e c o n d l y , n oa n dp ha l s oc a na f f e c ti t s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f y i n g f i l t e rc o m b i n e da f t e rt h eo p e r a t i o n ，r e m o v a lo fn h 3 - nk e e pi nm o r et h a n 9 0 i nt h ec a s eo fa d s c i t i t i o u sc a r b o ns o u r c es i t u a t i o n h i g h e rc o n c e n t r a t i o no ft h ee f f i u e n t t n ，i t se x i s t e n c ef o r mw i t hn 0 2 - np r i m a r i l y t h es d d i t i o no fe x t e r n a lc a r b o n s o u r c e ，s o d i u ma c e t a t ea f t e r , t nr e m o v a le f f i c i e n c yo fi m m e d i a t e l yr e a c h e dm o r et h a n 8 0 i nt l l i se x p e r i m e n t ，t h ea d d i t i o no ft h ec nr a t i oo f3 ：1 e m u e n tc o dc o n c e n t r a t i o no f 15m g lb i t ，s h o wd o s i n gm o r et h a np r a c t i c a l b yt h em e t h o do ft h i se x p e r i m e n tt h el o wc o n c e n t r a t i o no fs e c o n d a r ye f f l u e n to f s e w a g et r e a t m e n t ，c a i le f f e c t i v e l yr e d u c et h ef o r mn h 3 一ns e w a g ec o n t e n ta n dt h r o u g ht h e s h o r t 。c u tn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f y i n gr o l ec a nr e m o v a ln i t r o g e ns u b s t a n c e si nt h ew a t e r , a n d r e a c h e dt h e g b 5 0 3 3 5 2 0 0 2o f t h ep o w e rp l a n tc i r c u l a t i o nc o l dw a t e rs u p p l e m e n tt os y s t e mi nt h es t a n d a r df o rn i t r o g e n r e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：b i o l o g i c a la e r a t e d f i l t e r , b i o f i l m ，n i t r o g e nr e m o v a l ，s h o n c u t 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 n i i i 目录 第一章前言1 1 1引言1 1 2 生物膜法水处理技术1 1 2 1 生物膜的发展1 1 2 2 生物膜的净化机理2 1 3 新型生物膜法曝气生物滤池3 1 3 1 曝气生物滤池工艺3 1 3 2 滤料的选择6 1 4 本课题的来源及提出9 1 5 本课题研究的主要内容及目标1 0 1 5 1 本课题研究的主要内容1 0 1 5 2 本课题预计达到的目10 1 5 3 技术路线1 1 第二章实验设计及方法1 2 2 1 实验装置及设计进水各参数1 2 2 2 滤料性能及参数1 3 2 2 1 滤料化学成分1 3 2 2 2 陶粒产品物理性能1 4 2 3 监测项目及分析方法1 4 2 3 1 监测项目1 4 2 3 2 分析方法1 4 第三章曝气生物滤池全程脱氮研究1 8 3 1 曝气生物滤池的启动研究1 8 3 1 1 活性污泥的驯化1 8 3 1 2b a f 的挂膜18 3 1 3b a f 启动性能研究1 8 3 。1 4 滤料生物膜显微镜观察1 9 3 2 稳定期的影响因素研究2 1 3 2 1 温度2 1 3 2 2d o 的沿程变化2 2 3 2 3 o r p 和p h 的沿程变化图2 2 3 2 4 反冲洗对b a f 工作性能的影响2 3 3 2 5 气水比对b a f 工作性能的影响2 4 i v 3 2 6 污染物去除率的沿程变化2 5 3 3 污染物去除效果研究2 6 3 3 1 c o d 去除效果2 6 3 3 2n h 3 - n 去除效果2 7 3 3 3 t n 去除效果一2 7 3 3 4 n 0 2 - n 累积2 8 3 4 本章小结一2 9 第四章曝气生物滤池硝化过程中生物膜特性研究3 0 4 1 曝气生物滤池的启动3 0 4 1 1 污泥驯化3 0 4 1 2 滤料挂膜3 0 4 2 启动期间污染物去除效果3 0 4 2 1 c o d 去除效果31 4 2 2 氨氮去除效果31 4 3 曝气生物滤池内生物膜特征分析3 2 4 3 1 生物膜电镜扫描3 2 4 3 2 b a f 中沿程滤料表面微生物量3 4 4 3 3 b a f 中沿程滤料表面微生物活性3 5 4 4 本章小结一3 8 第五章曝气生物滤池短程硝化研究3 9 5 1 低温下曝气生物滤池的启动3 9 5 1 1 活性污泥的培养3 9 5 1 2 滤料挂膜3 9 5 2 实验结果及分析3 9 5 2 1 滤料挂膜图3 9 5 2 2 沿程d o 浓度4 0 5 2 3 c o d 的去除4 0 5 2 4n h 3 - n 的去除4 1 5 3 中温下曝气生物滤池的启动4 1 5 3 1 c o d 去除效果一4 2 5 3 2n h 3 n 去除效果4 2 5 3 3 挂膜期间n 0 2 - - n 的累积4 3 5 4 p h 值对短程硝化的影响4 5 5 5 本章小结4 6 v 第六章反硝化生物滤池深度脱氮研究4 7 6 1 实验装置及工艺流程图4 7 6 2 实验材料及方法4 8 6 3 反应器的挂膜与启动4 8 6 3 1 反应器的挂膜4 8 6 3 2 反应器的启动5 0 6 3 3 反应器的稳定运行5 2 6 4 反硝化生物滤池的脱氮效果5 3 6 4 1 碳源浓度对反硝化脱氮的影响5 4 6 4 2 d o 和p h 对反硝化滤池的影响5 5 6 5 本章小结：5 7 第七章二级曝气生物滤池深度脱氮研究5 8 7 1 实验装置及设计进水各参数5 8 7 2 实验结果及分析5 9 7 2 1 c o d 去除效果5 9 7 2 2n h 3 n 去除效果6 0 7 2 3 t n 去除效果6 0 7 3 本章小结：6 1 第八章结论与研究展望6 2 8 1 结j 沧6 2 8 2 研究展望6 3 参考文献6 4 在学期间发表的学术论文与研究成果6 7 致谢6 8 v i 李燕飞：二级曝气生物滤池脱氮研究 1 1 引言 第一章前言 在当今社会，水环境的富营养化问题越来越突出，目前污水厂二级出水往往由于 n h 3 - n 值偏高，无法达到回用水的水质要求，是回用水处理中的限制因子。如果能够提 高污水处理中的硝化效果，势必会使出水中氨氮量降低，以满足更多用回用水的要求。 生物膜反应器是污水生物处理主要技术之一，它与活性污泥法并列，既是古老的、又 是发展中的污水生物处理技术【l 】。其方法是通过人工强化技术将生物膜引入到污水处 理反应器中，正常运行时对n h 3 - n 的去除通过滤料表面生物膜的作用来完成。 。、 1 2 生物膜法水处理技术 生物膜法是污水土地处理的人工强化法，微生物附着在载体上繁育，并形成膜状 生物污泥。按照污水处理生物反应器中微生物的生长状态，污水生物处理还可划分为 悬浮生长工艺和附着生长工艺，前者是活性污泥法为代表，微生物在曝气池内以活性 污泥的形式呈悬浮状态，而后者则以生物膜法为代表，微生物以膜状固着在某种载体 上。活性污泥法是当今全球范围内应用最广泛的一种生物处理工艺，具有处理能力高、 出水水质好等优点，但传统活性污泥法的基建与运行费用较高、能耗较大、管理也较 复杂、易出现污泥膨胀和污泥上浮等问题，对n 、p 等营养物质去除效果有限，因而 近2 0 多年来研究者们在对活性污泥法本身改造的同时，又致力于寻找活性污泥法的 代替工艺或革新于代用处理技术。生物膜法作为与活性污泥法平行发展起来的生物处 理工艺，在许多情况下不仅能形成代替活性污泥法用于城市污水的二级生物处理，而 且还具有一些独特的优点，如运行稳定、抗冲击负荷、更为经济节能、无污泥膨胀问 题、具有一定的硝化和反硝化功能、可实现封闭运转防止臭味等i z j 。正因如此，自7 0 年代以来，生物膜工艺再次引起广大研究者和工程师们的注意和兴趣。 1 2 1 生物膜的发展 1 8 9 3 年英国将污水在粗滤料上喷洒进行净化试验取得了良好的净化效果，作为 生物膜法的生物滤池开始问世，1 9 0 0 年公认命名为生物滤池法并从此开始用于污水 处理的实践。在2 0 世纪2 0 3 0 年代，开始建造了许多生物膜法系统，其主要形式就 是普通生物滤池，其水量负荷为1 4m h ，b o d 容积负荷较低。普通生物滤池有机物 去除效率高达9 5 ，但占地面积大而且易堵。在此期间，作为生物滤池的填料主要是 碎石、卵石、炉渣和焦炭等实心的无机性天然滤料，而一般具有比表面积小和空隙率 低等缺点【3 】。 李燕飞：二级曝气生物滤池脱氮研究 为了克服普通生物滤池上述缺点，研究者们作了两方面的改进1 4 ：一是选用粒径 大、空隙率大、防堵塞的载体填料；二是增加回流水措施，以加大进水量，增加冲刷 能力，从而产生高负荷生物滤池。加大流水量使进水b o d 小于2 0 0m g l ，其水量负 荷为5 4 0m h ( 为普通生物滤池的1 0 倍) ，b o d 负荷0 5 2 5k g b o d 5 m 3 ，有机物去 除效率达到8 5 9 0 ，从而使占地面积减小而且不会堵塞。2 0 世纪5 0 年代，受化 学工业填料塔启发，在上述基础上，为了进一步缩小占地面积，产生了塔式生物滤池， 高8 - 2 4m ，h ( l ) = 6 8m ，其占地面积小、通风供氧能力大【5 。 虽然生物滤池与微生物处于悬浮生长状态的活性污泥法相比，具有生物量高和净 化效果好等优点，但由于其水量负荷和b o d 负荷较低、环境条件较差、处理构件物 占地面积较大而且有可能被脱落的生物膜堵塞等却缺点，在2 0 世纪5 0 年代生物滤池 有逐渐被活性污泥法去点的趋势。到了2 0 世纪6 0 年代，新兴的有机合成材料开始大 量生产，广泛使用的有由聚乙烯、聚苯乙烯和聚酰胺等制成的波纹板状、列管状和蜂 窝状等有机人工合成填料，其比表面积和空隙率大大增加。再加上环境保护对水质 要求的进一步提高，生物膜法获得了新的发展。到了2 0 世纪7 0 年代，除了生物滤池 ( t r i c k l i n gf i l t e r s ，也称滴滤池) 外，生物转盘( r b c ) 、淹没式生物滤池( s u b m e r g e d b i o f i l mr e a c t o r ) 和生物流化床( f l u i d i s e db e d ) 技术都得到了比较多的研究和应用。 近年来，生物膜法以其独特的优势更受广大研究者和工程师们的关注，又涌现出大量 新型的生物膜反应器，如气提式生物膜反应器( a i rl i f t s ) 、移动床生物膜反应器( m o v i n g b e db i o f i l mr e a c t o r ) 、序批式生物膜反应器( s e q u e n c i n gb a t c hb i o f i l mr e a c t o r ) 、升流式厌 氧污泥床厌氧生物滤池( t a s b a f ) 及附着生长稳定塘( a t t a c h e d g r o w np o n d s ) 掣刚。 1 2 2 生物膜的净化机理 在生物膜系统中，生物膜，生物膜内外和水层之间存在着多种物质传递过程。 d o 、各种有机营养物质和无机营养物质溶解于流动水中，通过液相附着水层然后扩 散到生物膜表面，进而转移到生物膜内部。d o 供微生物进行呼吸作用，微生物的代 谢活动降解污染物，形成各种各样的最终代谢产物。在这一过程中，微生物不断繁殖 成长，维持生物膜的活性，污水则逐步被净化【7 j 。具体来说，污染水体中的含碳化合 物( c o d ) 通过溶质扩散，进入到生物膜中的好氧层，被异养型的脱碳细菌所利用，降 解成为c 0 2 ，从水层逸出进入空气中。含氮化合物( n h 3 - n ) 等污染物质首先由溶质扩 散作用进入好氧层，由存在于该层中的自养型硝化菌氧化为n 0 3 - - n 和n 0 2 - - n ，然后 进入生物膜内部的厌氧层和缺氧层，发生反硝化反应后，生成n 2 逸出水层( 如图1 1 所示) 【8 j 。经过一段时间的繁殖生长，在稳定的状况下，由于水力的上向剪切作用、 曝气的扰动、微生物繁殖和底物分布的不均匀性等因素，小块微生物和少量微生物会 脱落，生物膜因此进行逐步的更新。另外生物膜的繁殖到达了一定状态后，厌氧菌生 2 李燕飞：二级曝气生物滤池脱氮研究 存所需要的营养物质被耗尽，附着在滤料表面的厌氧微生物死亡，会造成生物膜大块 的脱落。脱落后很快会有新的微生物在裸露出的滤料表面上生长繁殖，逐渐形成新的 生物膜。在老生物膜脱落和新生物膜的生长过程中，生物膜系统保持了稳定的代谢活 性和良好的处理效果 9 1 。 图1 1 生物膜净化的机理 1 3 新型生物膜法一曝气生物滤池 曝气生物滤池工艺( b i o l o g i e a la e r a t e df i l t e r ，简称b a f ) ，是上世纪5 0 年代欧美 国家先兴起的一种新型污水处理工艺，它将悬浮物过滤工艺和接触氧化工艺结合来去 除水中的有机物，也可以通过硝化反硝化作用达到脱氮的目的【1 0 1 。与活性污泥工艺相 比，b a f 具有处理效果好、处理能力强、不需二沉池等较突出的优点；与普通生物 滤池相比，b a f 占地面积小且不易堵塞；与接触氧化法相比，b a f 生物膜薄且活性 高；与生物流化床相比，b a f 动力消耗低，运转操作较简单，不需生物膜与载体颗 粒系统和载体颗粒循环系统。目前，在全球范围内以b a f 为主体技术的污水处理厂 已超过1 0 0 座，被广泛用于工业废水、生活污水的有机物污染和s s 的去除的二级生 物处理，脱氮除磷的三级处理以及微污染源水的处理。目前，我国对该技术的研究尚 处于起步阶段，b a f 工艺所具建设和运行费用低、能耗低、出水水质好、占地面积 小等优点，己越来越受水处理界的重视【l 。 1 3 1 曝气生物滤池工艺 1 3 1 1曝气生物滤池的发展背景 b a f 是生物膜法的又一工艺类型，其思路始于2 0 世纪初，经过不断地发展，到 2 0 世纪8 0 年代中期己形成一种较为成熟的污水处理技术并推广应用。淹没式生物滤 池是b a f 发展的前身【l 引。1 9 1 3 年美国l a w r e n e e 开始应用该技术，初称淹没式接触 曝气池( s u b m e r g e d e r a t o r ，s c a ) ，1 9 2 5 1 9 2 8 年在德国有1 0 座生产性s c a 的应用，其 3 李燕飞：二级曝气生物滤池脱氮研究 后需设置沉淀池。为防止固体在填料内堵塞，通入空气冲堵，之前利用焦炭及灌木作 为填料，后改用木板条以减少生物膜的聚集。1 9 2 7 年第一座生产性的s c a 建立在美 国得克萨斯州，采用过滤板及灌木作为填料，池内设有空气扩散装置。此后，s c a 随着采用新的运行方式及填料而得到不断的发展【1 3 】。 b a f 的出现还与具体的环境有密切的关系。随着环境污染特别是水环境的严重 污染，世界各国对污水排放的标准限制得越来越严格。传统的生物法处理不能满足出 水水质的要求，于是世界各国竞相开发新的处理工艺。传统活性污泥法受污泥龄的限 制，受冲击负荷的影响大；而在生物膜法中，菌生长在载体表面，因而处理效果不受 污泥龄的限制，且有较大的冲击负荷能力。b a f 在8 0 年代用作深度处理，通常被置 于常规二级处理之后，经过b a f 之后可得到很好的出水水质，氨氮可得到教完全的 硝化，出水s s 可达1 0m g l 以下，c o d 、b o d 也得到了进一步的处理，通常可达到 回用的标准l l4 | 。后来的发展，使得b a f 直接置于初沉池之后，用作生物处理的主要 工序，以后又逐渐被应用到一些工业废水中。 1 3 1 2 曝气生物滤池的类型及其工作原理 b a f 的工艺形式在填料选择、进水方式和使用功能上各有不同，可分为上向流 b a f 和下向流b a f ，悬浮填料b a f 和淹没固定填料b a f ，去碳b a f 、硝化b a f 和 反硝化生物滤池等。目前在工程中使用的形式可分为四大类：即b i o c a r b o n e ， b i o s t y r ，b i o f o r 和b i o p u r ，其中b i o p u r 与b i o f o r 的形式基本相同，只是 b i o p u r 的填料根据不同水质采用波纹板、石英砂或陶粒，以取得不同的处理效果。 ( 1 ) b i o c a r b o n e b i o c a r b o n e 结构示意图如图1 2 所示，装填密度大于水的球形填料，污水从 滤池上部进入，下向流流出滤池。在滤池下部设曝气管进行曝气，气水处于逆流状态， 在反应器中，微生物氧化分解有机物，n h 3 - n 被氧化成n 0 3 - - n 。由于在生物膜内部 存在厌氧兼氧环境，在发生硝化反应的同时能实现部分反硝化。运行中，滤池因截留 了s s 及生物膜的生长，水头损失会逐渐增加，达到设计值后，便需要反冲洗。一般 采用气水联合反冲洗，底部设反冲洗气、水装置。【l 5 j 4 李燕飞：二级曝气生物滤池脱氮研究 进水 图1 2b i o c a r b o n e 示意图 ( 2 ) b i o s t y r b i o s t y r 采用密度小于水的填料，一般为聚苯乙烯小球，填料漂浮于水中。其 结构示意图如图1 3 所示【l 。经预处理过的污水与经过硝化后的滤池出水按一定的回 流比混合后经进水管进入滤池底部，并向上首先流经填料层的缺氧区。缺氧区内，一 方面，反硝化细菌利用进水中的有机物作为碳源将滤池进水中的n 0 3 - - n 转化为n 2 ， 实现反硝化脱氮。另一方面，填料上的微生物利用进水中的d o 和反硝化过程中生成 的氧降解b o d ，同时s s 也通过一系列复杂的物理化学过程被填料及其上面的生物膜 吸附并截留在滤床内。经过缺氧处理的污水经过填料层内的曝气管后即进入了好氧 区，并与空气顺流向上流经填料层。水、气上升过程中，该区填料上的微生物利用气 泡中转移到水中的d o 进一步降解b o d ，滤床继续去除s s ，污水中的n h 3 - n 被转化 为n 0 3 - - n ，发生硝化反应。 反 图1 3b i o s t y r 示意图 5 水 李燕飞：二级曝气生物滤池脱氮研究 ( 3 ) b i o f o r 反冲 水 图1 4b i o f o r 不意图 b i o f o r 结构示意图如图1 4 所示1 7 】。b i o s t y r 和b i o f o r 不同的是采用密度 大于水的填料。上部从上至下依次为填料、垫层、曝气管、滤头，底部为气水混合室。 b i o f o r 运行时一般采用上向流进水方式，污水从底部进入气水混合室，经滤头配水 后通过垫层进入填料，在此进行c o d 、b o d 、氨氮、s s 的去除。在反冲洗时，气、 水同时进入气水混合室，经滤头配水、气后进入填料层，反冲洗出水回流入初沉池， 与原污水合并处理。 1 3 1 3 曝气生物滤池在实际应用中主要存在以下问题 ( 1 ) b a f 的水头损失较大，由于停留时间较短，消化不充分，产泥量较大，且 含有较多的脱落生物膜碎片，污泥稳定性稍差，进一步处理较困难。 ( 2 ) b a f 对进水的s s 要求较高，根据国外的运行经验，进水的s s 一般不超过 1 0 0m g l ，最好控制在6 0m g l 以下。这样就对b a f 的前预处理工艺提出了较高的 要求。 ( 3 ) b a f 生物除磷的作用有限，因此一般需要采用化学方法协同除磷。 ( 4 ) 对于需要进行脱氮的污水，如果单独采b a f 工艺，在进水碳源充足的情况 下，可选择上向流的b i o s t y r 和b i o f o r 工艺前置脱氮，这样既可以缩短流程，同 时又可节省投资；但如果进水碳源不足，那么就需要将硝化反硝化单独进行，考虑后 置脱氮，其最为不理想的一面是需要外加碳源，增加了运行成本；另一个问题是如何 确定投加适量的碳源，这需要稳定的进水浓度。【l8 】同时，出水需要进行曝气用于去除 过量的碳，使得运行管理较为复杂，能耗也有所增加。 1 3 2 滤料的选择 从曝气生物滤池处理污水的发展状况来看，填料的选择很重要。国内外一般采用 的填料形状有束状、蜂窝管状、波纹状、盾状、圆形辐射状、筒状、网状、不规则粒 6 李燕乜：二级曝气生物滤池脱氮研究 状与规则粒状等，所用的材质出粒状滤料外，基本上采用聚苯乙烯、玻璃钢、聚丙烯、 维尼纶等。由于价格及制作加工的原因，国内目前采用的填料主要有塑料蜂窝或玻璃 钢、软性纤维填料、半软性填料、立体波状填料以及不规则粒状滤料( 碎石、砂、矿 渣、无烟煤、焦炭) 等【l9 1 。塑料或玻璃钢填料表面光滑，生物膜附着在表面的能力较 差，易老化，且在实际应用中填料往往容易产生不同程度的堵塞；软性填料中的水流 流态不是很理想，易被生物膜黏结在一起，产生结球现象，使得其有效表面积大大减 小，而且在结球的内部产生厌氧现象，影响处理的效果。不规则粒状滤料水流阻力大， 很容易引起滤池的堵塞。 t d k e n t 等人认为滤料对曝气生物滤池的一次性投资、正常操作和运行成本 的影响很大，指出塑料滤料不适宜作为做曝气生物滤池的滤料，并对7 种可能应用 于曝气生物滤池的滤料进行了系统的实验分析，其结果表明( 见表1 ) ，最适合作为 曝气生物滤池滤料的是a r l i t a ，其次是老的页岩【2 引。美国、英国和印度等国家已经制 定了曝气生物滤池的相应标准，法国德利满公司对应用于曝气生物滤池的滤料也制定 了相应的说明书及测试规范，可见各国对曝气生物滤池的滤料都有严格要求。 表i i 各种滤料的特性总结 滤料名称 a r l i t ae se f g s t a r l i g h tl y t a g m o l o c h i t e 说明 膨胀球形粘 棱状页岩膨胀耐火泡沫柱状粉状燃 棱状煅烧 土 ( a n g u l a r 粘土粘土料灰岩 ( e x p a n d e ds h a l e )( e x p a n d e( f o a m e d