（环境工程专业论文）炉渣—沸石双层填料生物滤池处理城市污水的试验研究.pdf

硕士学位论文 摘要 在我国，水资源短缺的情况日趋严重，对大量城市污水的处理及再利用是缓 解用水矛盾的重要途径。相比于其它处理工艺，曝气生物滤池有着构造简单，操 作容易，处理效率高，运行费用低等优点。本文对采用炉渣一沸石双层填料曝气 生物滤池处理城市污水进行了试验研究，主要内容包括填料的选择、滤池的挂膜 启动、滤池在不同水力停留时间下处理城市污水的性能及气水比对处理效果的影 响。同时，讨论并确定了对炉渣一沸石双层填料曝气生物滤池进行反冲洗的最优 参数。 试验结果表明： ( 1 ) 炉渣一沸石双层填料曝气生物滤池可以对城市污水中的c o d o 和n h 3 一n 同时保持较高的去除率。试验滤池在最优运行参数下，出水平均c o d o 1 2 5 m g l ，平均n h 3 - n i l m g l 。 ( 2 ) 炉渣和沸石均具有大的孔隙率，利于生物滤池曝气，也保证了脱落的生 物膜顺利随水流出滤池；颗粒表面粗糙，有利于微生物“挂膜”，完全适合作微 生物的附着场所；同时，它们在污水中的化学和生物稳定性好，有一定的机械强 度，满足曝气生物滤池填料的要求； ( 3 ) 炉渣一沸石双层填料曝气生物滤池以上向流方式挂膜和运行，自然挂膜 是有效并且快速的双层填料生物滤池启动方式，逐渐增大气水比是最适宜的挂膜 工艺，水温在1 5 2 0 时，当气水比由0 5 ：1 逐渐增大n 1 2 5 ：1 ，挂膜只需2 4 天， c o d c f 和n h 3 - n 去除率分别稳定在6 0 左右，生物膜完全成熟。 ( 4 ) 炉渣一沸石双层填料曝气生物滤池表现出较好的处理性能，耐受污染冲 击负荷的能力较强，滤池出水的c o d o 和n h 3 n 值分别稳定在8 0 和7 0 左右。 最适宜的滤池运行工艺参数：气水比2 ：1 ，水力停留时间1 2 h ，反冲周期6 天，经 反冲洗并稳定1 2 d 时后，滤池对c o d o 和n h 3 n 去除率方可恢复到7 0 以上。 ( 5 ) 与单一炉渣填料的生物滤池的处理效果相比，本试验的双层填料曝气生 物滤池显著提高了出水水质，尤其提高了滤池对n h 3 n 的处理效果：滤池对c o d a 的去除率平均提高了1 0 ，对n h 3 n 的去除率平均提高了将近3 0 。运行结束后， 两段填料均未出现明显损耗，表明两种填料的耐用性较好。 关键词：城市污水：躁气生物滤池：炉渣：沸石：去除率 炉渣沸石双层填料生物滤池处理城市污水的试验研究 a b s t r a c t t h es h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e si sv e r yg r i mi nm o d e mc h i n a i ti st h em o s t i m p o r t a n tw a yt h a tt h em u n i c i p a lw a s t e w a t e rs h o u l db er e c y c l e dt or e d u c et h e c o n t r a d i c t i o no f u s i n gw a t e lc o m p a r i n gw i t h t h eo t h e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g y , b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r0 3 a f ) h a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，h a n d m a n i p u l a t i o n ，h i g hp r o c e s s i n ge f f i c i e n c y , l o wo p e r a t i o nc o s ta n ds oo n t h ep a p e r f o c u so nt h ec o a ls l a g - z e o l i t ed o u b l el a y e rm e d i u mb a ff o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e r i t i n c l u d e ss t a r t - u po ft h ef i l t e ru n d e rc o n d i t i o no fn a t u r a lt e m p e r a t u r e ，a n dp e r f o r m a n c e o ft h ef i l t e rt r e a t i n gm u n i c i p a ls e w a g eu n d e rs o m eh y d r a u l i cl o a da n dt h ee f f e c t so f t h ep a r a m e t e r s ：t h er a t i oo fa i ra n dw a t e rc o r r e l a t e dt ot h ef i l t e r ( 1 ) c o a ls l a g z e o l i t ed o u b l el a y e rm e d i u mb a f c o u l dk e e pt h er e m o v a lr a t eo f c o d o ，n h 3 - ni ns t a y i n gah i g hs t a g e i ni n t a k ew a t e r ，t h ea v e r a g ec o t e n to fc o do 1 2 5 m e l ，n i - 1 3 一n 1 l m g l u n d e r t h e b e s t p a r a m e t e r s ( 2 ) c o a ls l a ga n da r t i f i c i a lz e o l i t eh a v eb i gv o i d a g e 1 1 1 ef a c t o ri nf a v o ro f f o r m i n gb i o f i l ma n da e r a t e 。t h e yh a v eg o o dc h e m i c a la n db i o l o g i c a ls t a b i l i t y , m e c h a n i c a s t r e n g t h 田l em a f c ho fc o a ls l a g - a r t i f i c i a lz e o l i t ei sf i r s tc h o i c e ( 3 ) t h ee x p e r i m e n tc a r r yo u ts t y l eo fu p w a r df l o wa n da e r a t i o nc o n s t a n t l yu n d e r 2 0 1 1 i eg a sw a t e rr a t i os h o u l db ei n c r e a s e df r o m1 2t o1 2 5 1 a f t e r2 4d a y s ，t h e r e m o v a lr a t eo fn h 3 - na r r i v e da ta b o u t6 0 t h ef o r m i n gb i o f i l mf i n i s h e d ( 4 ) t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e ：t h eg a sw a t e ro f2 1a n dh r t o f1 2h o u r si st h eb e s t s i t u a t i o n t h er e m o v a lr a t eo fc o d o ，n h 3 一ni sa v e r a g e da t8 0 ，7 0 r e s p e c t i v e l y t h e t e m p e r a t u r ei sai m p o r t a n tf a c t o rt oi n f l u e n c er e s u l ta n dt h ea p p r o p r i a t ed a t ai s2 0 c o dc t ，n i - 1 3 一n ，s sc o u l db er e m o v e dv e r yw e l lu n d e rt h i st e m p e r a t u r e t h e e x p e r i m e n ti sv e r yh a r dt or e m o v ep h o s p h o r t h eb e s tb a c k w a s hc y d ei s6h o u r sa n d u s ea i rw a t e rb a c k w a s h i n g t h et r e a t m e n te f f i c i e n c yc o u l dc o m eb a c kt o7 0 a f t e r1 2 h o u r sb e h i n dt h eb a c k w a s h ( 5 ) t h er e m o v a lr a t eo fd o u b l e - l a y e rm e d i u mb a f i sb e t t e r t h er e m o v a lr a t eo f c o doa n dn h 3 - na r ei m p r o v e dt o1 0 a n d3 0 r e s p e c t i v e l yc o m p a r i n gw i t h m o n o l a y e rb a f k e yw o r d s ：m u n i c i p a lw a s t e w a t e r ；b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ；c o a ls l a g ；z e o l i t e ， r e m o v a lr a t e 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：柳年月i b 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校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，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 。 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 物铭 刁该 日期：纠年 日期：焖年 6 月侈日 6 月b 日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 我国水资源和水环境现状 根据水利部门的预测，到2 0 3 0 年我国人口增至1 6 亿时，入均水资源将降低 到1 7 6 0 m 3 ，总缺水量将达到4 0 0 。5 0 0 亿m 3 , 已经达到了世界公认的缺水警戒线。 从地区分布情况来看，我国水资源总量的8 1 集中分布于长江及其以南地区，其 中4 0 以上又集中于西南五省区，就人均占有淡水资源而言，南方最高地区和北 方最低地区相差数十倍，西部比东部甚至高出五六百倍，这些地区水资源短缺的 现状将在一个相当长的时间成为难以解决的问题【”。 随着人类社会的不断发展，城市规模的不断扩大，城市的用水量和排水量都 在不断增加，加剧了用水的紧张和水质的污染，环境问题日益突出，由此造成的 水危机已经成为社会经济发展的重要制约因素。 改革开放以来，我国城市化也进入了快速发展时期，城市数量由1 9 7 8 年的 1 9 3 个增加到2 0 0 1 年的6 6 4 个，城镇人口由1 7 2 4 5 万人增加到4 8 0 6 4 万人。自 上世纪9 0 年代以来，我国城市化速度进一步加快，目前城市化水平达到3 7 左 右。城市数量与规模的速度增加与扩张，带来了严重的城市生活污水和垃圾污染 问题。近1 0 年来，我国城市生活污水排放量每年以5 的速度递增，在1 9 9 9 年 首次超过工业污水排放量，2 0 0 1 年城市生活污水排放量2 2 1 亿吨，占全国污水 排放总量的5 3 2 。与此同时，我国城市生活污水处理设施严重滞后和不足【刁。 据统计：目前全国年排污量为3 5 0 亿m 3 ，但城市污水集中处理率仅为1 5 ， 全国超过8 0 的城市污水未经任何有效的收集处理就直接排放到附近的水体，使 得原本具有泄洪和美化景观作用的河渠变成了天然污水渠。特别是在全国2 2 0 0 座县城与1 9 2 0 0 个建制镇中，污水排放量约占污水总排放量的一半以上，但这些 中小城市的污水处理能力都明显低于全国平均水平。 照此发展下去，我国城市的水环境将会继续恶化，并会进一步加剧水资源的 短缺。即使在我国水资源比较丰富的南方地区，由于水体污染，水质型缺水也处 于相当严峻的地步。而且随着现代工业的发展及人口城市化的加速，城镇污水量 将越来越大，水环境污染也会日益加重。 1 2 我国城市污水处理现状 我国污水处理事业的历史始于1 9 2 1 年，到改革开放的近二十年来取得了迅 速的发展，但仍然滞后于城市发展的需要。据统计，到2 0 0 0 年底，我国已建设 城市污水处理厂4 2 7 座，其中二级处理厂2 8 2 座。这些污水处理厂的建设，极大 炉渣一沸石双层填料生物滤池处理城市污水的试验研究 地提高了城市污水的处理水平，但处理量的增长仍远远滞后于污水排放量的增 长，两者之间的差距还有进一步拉大的趋势。即使按1 9 9 8 年的资料，我国城市 污水的处理率也仅为1 5 8 ，西方发达国家如美国早在1 9 8 0 年就己达到了7 0 。 1 3 曝气生物滤池在城市污水处理中的应用 1 3 1 曝气生物滤池处理城市污水的现状 曝气生物滤池( b i o l o g i c a la e r a t e dr a t e r ) 简称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。自上世纪8 0 年代在欧洲建成第一座曝气生物滤池污水处 理厂后，曝气生物滤池广为流行。该技术不仅可以用于水体富营养化处理，而且 可广泛地被用于城市污水、小区生活污水、生活杂排水和食品加工废水、酿造和 造纸等高浓度废水的处理。随着研究的深入，曝气生物滤池从单一的工艺逐渐发 展成系列综合工艺，具有去除s s ，c o d ，b o d ，硝化、脱氮除磷、去除有害 物质的作用。 曝气生物滤池的最大特点是集中生物氧化和截留悬浮固体于一体，节省了后 续二次沉淀池，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 工艺具有机物容积负荷高、水力负荷大、水力停留时间短、所需基建投资少、能 耗及运行成本低及保证较高出水水质的特点。 曝气生物滤池是普通生物滤池的一种变形，也可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，以提供微生物膜生 长的载体，并根据污水流向不同分为上向流或下向流，污水由上向下或由下向上 流过填料层，在填料层下部鼓风曝气，使空气与污水逆向或同向接触，使污水中 的有机与填料表面生物膜通过生化反应得到稳定，填料同时起到物理过滤作用。 曝气生物滤池除上述的自身优点外，与其他生物处理方法相比，还具有以下 几个优点： 1 较小的池容和占地面积 曝气生物滤池b o d 5 ：容积负荷可达到5 6 k g b o d 5 ( m 3 d ) ，是常规活性污泥 法或接触氧化法的6 - 1 2 倍，所以它的池容和占地面积只有活性污泥法的1 1 0 左 右，大大节省了占地面积和大量的土建费用。 2 较高的出水水质 在b o d s 容积负荷为6 k g b o d s ( m 3 m 时，其出水s s 和b o o s 可保持在1 0 m g l 以下，c o d o 可保持在6 0 m g l 以下，远低于国家污水综合排放标准中的一 级排放标准。 3 简化处理流程 2 硕士学位论文 - - _ _ _ _ _ e - - - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - - - l 自_ _ - _ - _ j - _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ - _ - - _ _ _ - _ - - - _ _ m i i i 由于曝气生物滤池对s s 的生物截留作用，使出水中的活性污泥很少，不需 设置二沉池和污泥回流泵房，使处理流程简化，使占地面积进一步减少。 4 基建费用、运转费用节省 由于该技术流程短、池体容积小、占地省，使基建费用大大低于常规二级生 物处理。同时，粒状填料使得充氧效率提高，可节省能源消耗。 5 管理简单 曝气生物滤池抗冲击负荷能力强，一般没有污泥膨胀问题，微生物也不会流 失，能保持池内较高的微生物浓度。因此，日常运行管理简单，处理效果较稳定。 6 设施可间断运行 由于大量的微生物生长在粒状填料粗糙多孔的内部和表面，微生物不会流 失，即使长时间不运转也能保持其菌种。若长时间停止不用后再次使用，其设施 可在几天内恢复正常运行。 1 3 1 1 国内应用情况 9 0 年代初我国开始对曝气生物滤池工艺开始进行试验研究与开发，一些研 究单位和设计院已将曝气生物滤池成功地应用于多个大、中、小型工程。随着实 际工程的应用与运行，曝气生物滤池的特殊优点越来越受到我国水处理界的关 注。目前我国b a f 技术的研究与部分应用见表1 1 。在国内比较有代表性的是马 栏河污水处理厂工程，它应用两极曝气生物滤池工艺。出水水质达到了城市污 水再生利用城市杂用水水质标准，表1 2 为其进出水水质。 袭1 1我国b a f 部分应用实例 t a b l 1s o m ec a s e so fb a fi nc h i n a 表1 2马栏河污水处理厂进出水水质 t a b l 2o u t l e tw a t e rq u a ii t yi ns e w a g ed i s p o s a ip i a n t i l al a n h e 项且c o d ( m g m )b o o ( m g s s ( r a g l )n i - 1 3 - n p h 进水2 5 3 1 2 0 - 1 8 01 8 0 2 8 02 0 嵋07 4 0 6 出水 3 379 2 7 2 1 3 1 2 国外应用情况 淹没式接触曝气滤池( s c a ) 是曝气生物滤池的前身，1 9 2 5 1 9 2 8 年初次应用 3 炉渣一沸石双层填料生物滤池处理城市污水的试验研究 于美国的l a w r e n c e ，后于德国建成1 0 座s c a 池。日本于1 9 7 1 年开始使用。1 9 2 7 年在美国得克萨斯州的j a c k s o n v i l l 兴建了第一座淹没接触氧化池，采用灌木、 树枝条及本板作为填料，池内设置空气扩散装置。设计流量1 8 0 0 m 3 d ，水力停留 时间为1 h 。 3 0 年代，在美国得克萨斯州w a c o 开发了海斯型淹没式生物接触滤池( h a y s s u b m e r g e db i o l o g i c a lc o n t a c tf i l t e r ，h a y ss b c f ) 。反应器有机负荷为 6 0 9 b o d j ( m s d ) ，水力停留时间为1 5 2 5 h ，b o d 5 去除率达9 0 。后来，加拿 大也引进h 8 y ss b c f 。 至7 0 年代，l y m l op r e c e s s 公司创造了一种新型曝气生物滤池装置，向当 代b a f 更接近一步。它既可升流运行，也可设计成降流形式，具有反冲洗系统， 采用分层的小空隙的、不同颗粒粒径的介质( 填料) ，可免除最终沉淀池。 1 9 7 6 - 1 9 8 0 年，具有细小颗粒填料及反冲洗装置的曝气生物滤池得到了迅速发展， 它从淹没式接触曝气生物滤池演变、改进而来，在填料选用、布水通水方式、滤 速、负荷及填料冲洗等方面都经过了改进，其工艺技术更趋完美、成熟，不仅适 宜于城市废水的处理，也适合于各类工业废水的处理。 8 0 年代，各国竞相开发各种类型的曝气生物滤池，用以处理原废水及经沉 淀的废水，不仅能去除含碳有机物，而且也能进行硝化与反硝化，并且加强了对 s s 的去除，从而可省去最终沉淀池。9 0 年代，经改良后的曝气生物滤池的有机 负荷l o k g c o d ( m 3 d ) 。池内生物固体停留时间长，浓度高，因此需要定时反冲 洗以去除聚积在池内的固体，确保生物固体的健康生长。法国o t v 公司的研究中 心曾开发了单项介质降流式b i o c a r b o n eb a f 。1 9 8 2 年，第一台队f 在巴黎 s o i s s o n s 废水处理厂投入运行，处理最大流量达2 4 l o w d 。以后有1 0 0 余 b i o c a r b o n eb a f 在世界各地应用，其中欧洲国家应用最多。 不久前o t v g w p ( k r u g e r ，丹麦) 公司开发的b i o s t r y 型b a f ，为一种升流 式b a f ，滤池内填料为聚苯乙烯圆体，密度比水轻，名为b i o s t y r e n e 填料。后 来o t v - k r u g e r 公司又开发出一种多介质填料的曝气生物滤池b 2 b a f 。它基于 b i o s t r y 型b a f ，于滤池底部铺设直径4 0 m m 粗颗粒介质，向上颗粒粒径逐渐减小， 到顶部时为1 4 m m 。这种布设的介质结构改善了填料的过滤性能，充分发挥了 不同粒径介质的不同功能，提高了整个过滤层的截污能力，为微生物扩大栖息空 间提供了适宜的条件，使滤池内布水更加均匀，生物量的分布也更加合理，滤池 增添了灵活性，而且能节省运行管理费用。b i o s t r y 型b a f 与b 2 b a f 一样，两 者都能在同一反应器内进行硝化和反硝化反应。法国另一家著名的水务公司d 6 g r e m o n t 也开发了升流式b a f ，为b i o f o r 系列，采用特殊制造的膨胀硅铝酸盐 填料b i o l i t e ，可按进水水质及出水要求进行组合以去除b o d s 、c o d 。、s s 和进 行硝化、反硝化和除磷。 4 硕士学位论文 总之，近年来国内外滤池出现了许多新形式，如v 型滤池，d 型滤池，无 阀滤池等，填料也从单一砂滤池增加到纤维柬滤池，彗星填料、烧结陶粒、塑料 颗粒等；用于污水再生工艺的新过滤池型如滤布滤池、a q u 删rv 型滤池、b i o f o r 生物滤池、连续膜过滤、a r i a 系统和d a 超高d 型滤池等，代表了滤池的发展 方向。 1 3 2 曝气生物滤池的构造 根据污水在滤池运行中过滤方向的不同，曝气生物滤池可分为上向流和下向 流滤池，除污水在滤池中的流向不同外，上向流和下向流滤池的池型构造基本相 同。早期曝气生物滤池的应用形式大多为下向流，但实践证明，上向流曝气生物 滤池比下向流滤池的优点更多，所以近年来，国内外实际工程中绝大多数都采用 上向流曝气生物滤池结构。本文以上向流曝气生物滤池为例简要介绍典型曝气生 物滤池的结构。曝气生物滤池的经典结构图见图1 1 。 曝气生物滤池从结构上共分成三个区域，即缓冲配水区、承脱层及填料层、 出水区及出水槽。 图1 1 曝气生物滤池经典结构图 f i l l 1c l a s s l cs t r u c t u r ep i c t u r eo fb a f 缓冲配水区的作用是使污水均匀流过滤池，待处理的污水在向上流过填料层 时，经填料上附着生长的微生物膜净化处理后，经过出水区和出水槽由管道排出。 在待处理污水进入滤池起，由鼓风机鼓风并通过管道向池内供给微生物膜代谢所 需的空气( 氧源) ，生长在填料上的微生物膜从污水中吸取可溶性有机污染物作为 其生理活动所需的营养物质，在代谢过程中将有机污染物分解，使废水得到净化。 在滤池反冲洗时，较轻的填料有可能被水流带至出水口处，并在斜板沉淀区沉降 而回流至滤池内，以保证淀池内的微生物浓度。斜扳沉淀器的倾斜角度是根据实 际运行经验而设定的，以保证脱落的微生物膜在运行或反冲洗时能随水流被带到 5 炉渣一沸石双层填料生物滤池处理城市污水的试验研究 池外，而填料则不会被带到池外。当运行到一定程度时，由于填料上增厚微生物 膜的脱落，出水中会带有部分脱落的微生物膜，使出水水质变差，此时必须关闭 进水管阀门，启动反冲洗水泵，利用储备在清水池中的处理出水对滤池进行反冲 洗。反冲洗采用气、水联合反冲洗。为保证布水、布气均匀，在填料支撑板上均 匀布置有曝气生物滤池专用的配水、配气滤头。 1 3 3 曝气生物滤池运行效果的影响因素 影响曝气生物滤池运行效果的关键因素是生物的挂膜，而影响生物菌群正常 生长的因素便是影响挂膜的直接因素。而影响生物菌群生长最主要的影响因素有： 水温、p h 值、水力负荷、溶解氧。 1 3 3 1 水温 水温是影响微生物生长和生物代谢活性的主要影响因素，大多数的微生物的 新陈代谢活动会随着温度的升高而增强，随着温度的下降而减弱，水温越小，活 性越小。在温度较高的夏季，生物处理效果最好；而在温度较低的冬季，生物膜 的活性受到抑制，处理效果受到影响。硝化细菌的繁殖速度较碳化菌低几个数量 级，在低温条件下繁殖速度更低，适宜硝化菌的温度在2 5 - 3 5 之间。当温度处 于1 0 2 3 时，氨氮的硝化速率几乎随温度的升高呈直线上升，5 1 0 ( 2 时氨氮的 硝化速率大约为2 0 一3 0 时的一半，2 3 以上时氨氮的去除效果最佳。在实际运 行中，温度变化对有机物去除效果较大，但1 0 以上水温对氨氮的去除率影响 不大，原因在于：有机物的去除主要依靠以有机物为基质的异氧菌分解，其代谢 速率随温度相应增高，而生物膜中主要的微生物硝化菌生长的温度范围较宽，生 物膜也相对稳定。 1 3 3 2p h 值 环境条件对生物处理的影响是重要的，有时甚至是决定性的。其中p h 值是 重要的环境条件之一。对好氧微生物来说，进水的p h 值在6 5 8 5 之间较为适宜。 硝化反应是一个耗碱过程，其适宜的p h 值范围7 0 8 5 ，超出其适宜范围，硝化 菌的活性会急剧下降，降低氨氮的去除效果。 1 3 3 3 水力停留时间 水力停留时间的大小直接影响着滤池的净化效果，其大小直接关系到城市污 水在生物滤池中与填料上生物膜的接触时间。从水力停留时间来考虑，微生物对 基质的降解需要一定的接触反应时间作保证。水与填料接触的时间越长，处理效 果愈好，反之亦然。 水力停留时间常和水力负荷的大小联系在一起考虑。水力负荷的提高，其水 6 硕士学位论文 流的剪切作用对膜厚度的控制以及传质的改善有利，但水力负荷应控制在一定的 范围之内，以免造成水与填料上生物膜接触的时间过短，或因水力冲刷作用过强， 造成生物膜的脱落，反而降低了生物处理的净化效果。而且，过高的有机物浓度 会使生长速率较高的异氧菌迅速繁殖，生长速度较异氧菌低得多的硝化菌则受到 抑制，硝化速率降低，影响了氨氮的去除率。 1 3 3 4 溶解氧 溶解氧是影响生物膜生长和出水效果的重要因素。在好氧处理工艺中需氧量 是工艺控制的主要指标，生物膜的数量、微生物的代谢能力和代谢过程，有机物 的去除动力学和出水中有机物的浓度均与氧的供给密切相关。当溶解氧低于 2 m g l 时，好氧微生物生命活动受到抑制，对有机物和氨氮的氧化分解不能正常 进行，曝气生物滤池的曝气除了充氧、传质作用外，还可以通过对水体的搅动达 到生物膜的脱落和更新，保持生物活性。因此控制曝气量的大小尤为重要，曝气 量大，滤池中的溶解氧多，提高好氧微生物的活性和生物膜内氧化分解有机物的 速率，从而出水的c o d c , 较低。此外，曝气量增大后气流上升产生的剪切力有 助于老化生物膜的脱落，防止生物膜过厚，且防止堵塞，能提高滤池中的传质速 率，有利于废水在滤池中的扩散。但是过大的曝气量也会对生物膜的生长产生负 面影响，特别是对于待处理的污水的污染物浓度低且生化降解性差时，在大曝气 量情况下，微生物极易在营养物不够时消耗自身，难以在填料表面附着生长。而 且过于增大曝气量增加动力消耗，处理费用上升。 1 3 4 曝气生物滤池的填料选择 1 3 4 1 曝气生物滤池的填料的种类 国外有些专家认为填料对曝气生物滤池的一次性投资、运行成本和正常操作 影响很大，提出塑料填料不适合用作曝气生物滤池的填料，并对几种可能应用于 曝气生物滤池的填料进行了系统的试验分析。研究分析认为最适合作曝气生物滤 池填料的是a r l i t a ，即膨胀球形粘+ ( e x p a n d e ds p h c r i c a ld a y ) ，其次是老的页岩。 目前国内外采用的填料形状有蜂窝管状、束状、波纹状、圆形辐射状、盾状、 网状、筒状、规则粒状，不规则粒状等；所用的材质除粒状外，有玻璃钢、聚氯 乙烯、聚夷烯、维尼纶等。由于制作加工和价格等原因，国内目前所采用的填料 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、不 规则粒状填料( 如砂、碎石、矿渣、焦炭、无烟煤等) 。 目前国内厂家投入市场的生物滤池填料见图1 2 。 7 炉渣一沸石双层填料生物滤池处理城市污水的试验研究 ( a ) 南方环保工程设备有限公司生产的多型填料 ( b )b s t - b r 半软性填料一无锡本色环保科技有限公司 ( c ) 球型悬浮填料一无锡本色环保科技有限公司 ( d ) 组合式双环填料一广州鑫冉环保净化设备有限公司 图1 2 国内生产的部分填料 f i g 1 2 s o m ep a c k f il ii nc h i n a 8 硕士学位论文 1 3 4 2 双层曝气生物滤池填料选择 曝气生物滤池( b a f ) 填料选择得当、正确，就可以达到反应器高效运行。 b a f 性能的优劣很大程度上取决于填料的性能和特性。颗粒生物膜填料的选择 应遵循以下原则【3 4 1 。 ( 1 ) 机械强度 一般讲，生物膜反应器从启动至运行稳定需要较长时间，如果生物膜载体本 身不具有足够的机械强度，那么在反应器运行过程中势必引起不同程度的破损而 丧失其功能，这将使得生物膜反应器中所持有的生物量呈不规律变化。因此，正 确选择生物膜载体的第一步是确定其机械强度是否可以满足所用生物膜反应器 的需要。 ( 2 ) 物理形态 在生物膜载体选择时，物理形态方面常考虑以下几个方面的因素：载体所提 供的表面积尽可能大，对固定微生物有较好的保护作用，具有较好的传质特性， 尽可能减少碰撞机率等。 ( 3 ) 空隙度及表面租糙度 生物膜载体表面的孔隙度及表面粗糙度通过以下途径直接影响生物膜形成、 发展及稳定过程；增加了载体与微生物接触的有效面积；可以保护固定微生物免 受过强水力剪切作用；减慢由于载体间的碰撞所造成的固定微生物失落速度；在 某种程度上，有利于传质效率的提高。因此，生物膜载体表面具有一定的孔隙度 及粗糙度有利于生物膜反应器的成功运行。 ( 4 ) 密度 密度大时，反冲洗时需要大的水力强度才能使填料冲洗干净，恢复其处理效 能；密度过小，反冲洗水力强度要小，否则会将填料冲出滤池，减少填料量，也 影响其处理效能。因此合适的颗粒松密度既有利于反冲洗，又不至于被水流冲走。 ( 5 ) 可再生性 从经济角度讲，生物膜载体应具有可再用性，这一点在大规模工程中比较经 济并受到欢迎。因为从工程角度讲，一般应避免选用一次性材料作为生物处理技 术中的载体。 ( 6 ) 价格 在选用生物膜载体时，价格因素也是工程需要考虑的因素之一在载体的性 能及价格间做出优化选择，在不影响设计或处理目标的条件下，一般选用廉价的、 货源广的载体，以减少处理中的投资。 除此外，双层填料的组合还应考虑两者之间不能发生反应或互相干扰，轻质 填料应布置在上方，充分发挥填料各自特点。 通过以上内容分析，本课题选取炉渣沸石双层填料。 9 炉渣一沸石双层填料生物滤池处理城市污水的试验研究 炉渣是煤炭燃烧后形成的含有大量硅、镁、钙、铝、铁的多孔融熔氧化物。 炉渣孔隙搴约6 0 ，含有约3 0 的类似活性炭的未燃尽残炭，可起到物理或化 学吸附作用；炉渣还含有f e 2 0 3 、a 1 2 0 3 等碱性氧化物，溶入污水中能起到絮凝 作用【5 6 1 。炉渣处理污水无需再生，成本低廉，但其组分及结构性波动较大，处 理出水水质不稳定，n i - 1 3 n 的去除率较低。 沸石是一族骨架状结构的多孔性含水硅铝酸盐矿物的总称，它包括三十多种 含沸石水的钙、钠以及钡、钾的铝硅酸盐矿物。常见的主要矿物有钠沸石、钙沸 石、方沸石、浊沸石、毛沸石、斜发沸石、丝光沸石等，它们含水量的多少随外 界温度和湿度的变化而变化。其化学通式1 7 可表示为：i m 2 ( i ) m o t ) 】 a 1 2 0 3 n s i 0 2 m i - 1 2 0 ，式中m ( i ) 和m ( i i ) 分别为一价和二价金属( 通常为钠、钾、钙、银、 钡等) ，n 为沸石的硅铝比，一般n = 2 1 0 ( 含烷基铵离子的沸石硅铝比可达2 0 以 上) ，m = 0 9 ，为水分子数。构成沸石骨架的最基本结构是硅氧( s i 0 4 ) 四面体和铝 氧( 越0 4 ) 四面体。在这种四面体中，中心是硅( 或铝) 原子，每个硅( 或铝) 原子的周 围有4 个氧原子，各个硅氧四面体通过处于四面体顶点的氧原子互相连接起来， 形成所谓的巨大分子。 对沸石进行微生物培养，一般2 以周即可实现其生物膜功能旧。沸石生物膜 是一种催化生物膜，它可以改进沸石的水处理特性，使生物、沸石共同起作用。 天然沸石交换容量受沸石粒径，水中k + 、n a + 、c a 2 + 、m 9 2 + 含量影响较大， 受温度影响较小，可弥补低温水生物作用去除氨氮困难的缺陷。沸石可逆地吸附 水中 n - h 3 - n ，这是沸石的重要性能之一，也是沸石进行改性，催化活化的基础。吸附 水中n h 3 一n 饱和后可用n a c i 再生。试验时，进水氨氮浓度小于1 0m g l ，去除 率达3 0 4 0 ；进水氨氮浓度大于1 0 m g l ，去除率可达4 0 以上。它与常规处 理工艺结合，能高效去除水中氨氮、亚硝酸盐氮、有机物、嗅和味、改善色度、 m n 等。弥补了生物滤池处理水中有机物处于弱势的不足，是一种很好的生物滤 池处理方法。 沸石在建材石油、医药、渔业、环境保护、水的净化等领域的应用相当广泛， 主要作为吸附剂、催化剂、干燥剂、分子筛等。沸石作为填料的研究还在起步阶 段，沸石作为填料有如下特点：( 1 ) 沸石孔隙度高。具有空旷的骨架结构，晶穴 体积约为总体积的4 0 5 0 ，独特的晶体结构使其具有大量均匀的微孔，孔径 大多在l n m 以下；( 2 ) 沸石具有很大的比表面积( 4 0 0 8 0 0 m 2 g 沸石) ，仅次于活 性炭；( 3 ) 沸石是一种惰性无机填料，具有耐酸、耐碱、热稳定等性能； ( 4 ) 沸石的表面粗糙，易于挂膜，受温度影响小；( 5 ) 沸石颗粒具有过滤吸附作用。 沸石吸附的污染物，能被沸石表面的生物膜生物氧化，起到生物再生的作用，且 易于反冲洗；( 6 ) 沸石作为一种天然廉价的无机矿物，在我国贮量极为丰富， 来源很广。 硕士学位论文 在生物沸石反应器中，沸石上生长的硝化细菌能将吸附在沸石上的n h 3 n 转 化为硝态氮，实现氮的动态生物再生，因而沸石生物反应器能够具有较高的 n h 3 n 去除率1 “。 炉渣和沸石颗粒( 见图1 3 ) 表面粗糙，在污水中的化学、生物稳定性好， 机械强度也较好，非常适合作为微生物生长附着载体。本试验以炉渣作为主要填 料，出水末段以少量入造沸石作为辅助填料，发挥两种物料的互补性，以解决单 层炉渣填料生物滤池处理效果不稳定以及n h 3 n 处理效率低的问题，为炉渣以废 治废的应用提供了试验可行性依据。 本课题拟采用炉渣为主，沸石为辅的双层填料曝气生物滤池对城市污水进行 实验室处理试验，人造沸石由天津大茂化学试剂厂生产，平均粒径l c m 。处理的 反应机理主要是生物滤膜的生物降解作用。 ( 沸石)( 炉渣) 围1 3 试验用炉渣和沸石填料 f i9 1 3c o a ls l a ga n dz e o li r eir lt h ee x p e r ；鹏n t 1 3 5 曝气生物滤池降解有机物的动力学模型 曝气生物滤池工艺属于生物膜法。生物膜法水处理工艺根据运行状况可分为 稳态和非稳态生物膜运行方式。稳态生物膜是指随着时间的变化，生物膜没有净 增长或净死亡的现象。而非稳态生物膜正好相反。基于这两种情况，近几年来， 在了解与模拟生物膜动力学方面人们做了大量的研究工作，分别提出了稳态生物 膜模型和非稳态生物膜模型。 1 3 5 1 稳态生物膜模型 1 稳态生物膜模型的提出” 所谓稳态生物膜，就是单位表面积的新细胞生长率等于生物膜的生物量衰 减率，即生物膜的增长和死亡达到动态平衡，不遂时问变化的状态。但这种状态 是一种假象状态。在实际水处理过程中，从宏观韵角度上看，水中基质浓度在一 定的时间内是不变的，或者变化很小。即使有变化，可以设法采取一些措施来减 1 1 炉渣一沸石双层填料生物滤池处理城市污水的试验研究 缓这种变化，因此从这个观点上看现存的生物处理工艺，基本上属于稳定运行状 况。 近几十年来，在研究生物膜动力学方面，人们作了大量工作。通过对微生物 降解基质过程、传质过程和分子扩散过程的理论化假设，研究者得出了些微分 方程组，在这些模型中都假设生物膜是均质的细菌层。其中，稳态生物膜模型是 目前研究较多并能合理解释生物膜反应器内微生物生长和基质利用过程的数学 模型。 在生物膜反应器内，影响微生物对基质的去除过程的因素主要有：基质传质 过程、分子扩散以及生物膜降解动力学。此外，基质维持生物膜生长的能力也是 一个重要因素，因为通过利用基质会产生新的生物膜，但生物膜的老化脱落又会 使生物膜量减少，这都会对生物膜降解过程产生影响。显而易知，在生物膜反应 器中，如果基质浓度高，生物膜量会较多，这是由于微生物能以较快的速度获取 能量并部分转化为微生物量：相反，如果基质浓度低，微生物的获能速度降低 事实上，基质浓度足够低时，微生物的获能速度会小于耗能速度。所以，寻找基 质利用与生物膜量之间的相互关系是动力学过程研究的基本条件。 稳态生物膜模型最早由r i t t m a n n 与m c c a t t y 等人提出，之后经过不断的发 展与充实，稳态生物膜的概念己得到普遍承认和证实。但他们所提出的模型没有 区别底物降解快慢、没有考虑捕食生物以及生物膜与水流主体间的生物质相互作 用。一般在稳态生物膜模型中，需要解决下面三个问题： ( 1 ) 形成一个稳态生物膜的最小主体溶液基质浓度是多少； ( 2 ) 形成一个稳态厚生物膜的最小基质浓度是多少； ( 3 ) 在上述两个极限浓度范围之间，基质通过稳态生物膜的通量如何计算。 在引入模型微分方程组以前，必需明确薄生物膜和厚生物膜的概念。 2 稳态生物膜模型的建立 稳态生物膜模型将微生物对基质的利用与生物膜的生长结合起来。在模型 中，基质利用速率和生物膜量可通过主体溶液中基质浓度与有关的基本参数计算 出来。 ( 1 ) 基质利用速率方程 几点假设： 1 ) 生物膜为理想生物膜，即生物膜具有一致的生物密度和一致的生物膜厚 度； 2 ) 反应器内部的生物降解主要由载体上生物膜所致； 3 ) 除一种基质( 这里称之为限速基质) 外，其他的营养物质都能保证微生物的 正常生长需要； 4 ) 动力学参数在溶液中与在生物膜内一致； 硕士学位论文 5 ) 生物膜内基质浓度仅沿z 方向变化。 生物膜内任一点处基质利用遵循m o n o d 关系： 兰。一堕墨 ( 1 1 ) d t + s d 式中s ，一膜内任一点处的基质浓度( 札4 ) ； x f 一生物密度( 儿。) ： l ( s 一饱和常数( m l a ) ： k 一最大比基质利用速率( t 一) t 一时间0 ) 。 m o n o d 方程揭示了微生物增长特性与限制性底物浓度间的定量关系。在生物 膜反应器中，当应用m o n o d 方程时，必须考虑到扩散以及质量传递阻力对整个增 长速率的限制作用。在这里，传质阻力来自于两方面，即生物膜内的传质阻力和 基质从液相到生物膜表面的传质阻力，分别通过以下方程式来表示： 生物膜内传质的唯一途径分子扩散可以用f i c k 第二定律表示： 舀。d ，孚 ( 1 加 印j 加，旁 ( 1 卫) 式中d 广生物膜内基质的分子扩散系数( l 下1 ) 于是，生物膜内任一点处的总a s ，a t 可由式( 1 1 ) 和( 1 2 ) 相加而得。 假设基质浓度是稳态的( 即舔，i # t - 0 ) ，则得到生物膜内关于基质浓度的常微分 方程( 1 3 ) 。，鲁丽k t d ，s f ( 1 s ) ，矿。画了两 u 。7 方程( 1 3 ) 是非线性的，没有唯一解。尽管不能从方程( 1 3 ) 求出关于s ，的关 系式，r i t t m a n n 和m c c a r t y 等人从一般的m o n o d 关系式中，提出了基质向生物 膜传质的通量j 的一般解法m