（市政工程专业论文）折流曝气生物滤池处理城市污水的特性及其除磷脱氮效能研究.pdf

中文摘要 摘要 曝气生物滤池( b a f ) 是近年来受到广泛关注的污水处理技术，具有占地省，处 理效率高的特点，同时存在运行过程容易堵塞，除磷效果不好等问题。折流曝气 生物滤池( b b a f ) 是针对这些问题开发的一种新型曝气生物滤池。本文主要研究了 b b a f 试验模型( b b a f 反应器) 的水力混合特性，以及运行条件对去除城市污水 中有机物、悬浮物及其除磷脱氮的性能的影响：开发了适于b b a f 反应器的曝气 过滤式化学除磷方法，并对其除磷机理进行了研究；通过分析各单池生物量、生 物活性、微生物分布，探讨了b b a f 反应器中的生物膜特征。 水力学混合特性试验表明，b b a f 反应器的单池中的水力混合特性趋于全混 流，而整池在水平方向则表现为推流态，是一种局部全混流和整体平推流的复合 流态。经理论分析，该流态有利于保证反应器的容积利用率。单池的水力混合模 型为： fe c 。= 号e x p 一罟 r 一。一_ ，丢 r ( 1 一) 丢 ， l 卸( 1 z ) 告 整池的水力混合模型为： 驯= 而耖7 州争o b b a f 处理城市污水的运行试验表明，b b a f 反应器运行稳定，进水水质发生 较大变化时，出水c o d 、b o d 5 、s s 仍然保持稳定，说明了b b a f 反应器抗冲 击负荷能力较强；水力负荷在一定范围内变化时对b b a f a 反应器去除c o d 、 b o d ；的去除率影响较小，水力负荷升高时，滤池对总磷、氨氮和总氮的去除效果 明显下降，过大的水力负荷会导致出水s s 增加，适当的水力负荷为1 7 4 m 3 ( m 2 d ) ； c o d 容积负荷增加会导致出水c o d 、s s 升高，但对c o d 、s s 去除率的影响不大； 在水力负荷为1 7 4 m 3 ( m 2 d ) 时，b b a f 反应器较适宜的厌氧好氧容积比v a v o 为1 ：3 到1 ：6 ，对c o d 、b o d 5 、氨氮去除的适宜气水比为1 0 ：1 ；填装沸石的b b a f 反应器去除氨氮的能力要明显大于填装酶促生物填料，当使用小粒径填料较多时， 对总磷、总氮的去除效果略有提高，但可显著提高氨氮去除率。 b b a f 反应器中c o d 、s s 沿流程长度呈逐渐降低，第1 单池对c o d 、s s 的 重庆大学博士学位论文 去除作用很大，去除的c o d 约占总c o d 去除率的近5 0 ，第1 单池出水s s 可 降到6 0 m l 左右：有机物和氨氮沿流程长度的变化为：o 3 2 m 滤层为有机物降 解区，滤层高度大于3 2 m 后主要为硝化去除氨氮及反硝化脱氮；推导得出的b b a f 反应器的有机物去除动力学模型为：5 = e x p ( 等日) ，该模型对流程长度与有 够f o 机物去除效果的分析结果与上述试验结论比较吻合；t p 沿流程长度呈逐渐降低， 溶解性磷沿流程长度的下降不明显，说明b b a f 反应器对磷的去除主要是通过填 料截留颗粒性磷实现，生物同化作用只能去除一小部分溶解性磷；s s 沿流程分布 说明，b b a f 反应器整个滤层的纳污能力较强，不易堵塞，运行周期可长达7 8 d ， 反冲洗采用气水联合冲洗，可根据实际需要采用分段反冲洗，反冲洗的耗水量为 处理水量的1 5 以下。 曝气过滤式化学除磷是根据b b a f 反应器的运行特征，研究开发的一种新的 化学除磷方法。本方法使用多孔富铁填料( p i r m ) 进行化学除磷，过滤柱试验研究 表明，水力负荷及曝气过程对该填料除磷有重要影响，气水联合冲洗是对p i r m 填 料进行除磷性能恢复的有效方法，当水力负荷不大于7 2m 3 ( m 2 d ) ，滤层厚度在 0 4 m 以上可使出水总磷小于l m g l ；b b a f 反应器的生物一化学除磷试验表明， 滤池对总磷去除率可达到7 8 9 2 9 ，出水总磷在0 3 2 o 8 8m e t e 之间。通过对 曝气过滤式化学除磷机理的探讨认为，孔富铁填料( p i r m ) 除磷主要是p i r m 填料 因微电解、生物或自然氧化、水合产生的水合铁离子，并与污水中与溶解性磷反 应生成以碱式磷酸铁为主的沉淀物。经对该沉淀物的物理性状、红外光谱分析， 验证了上述除磷机理是正确的。 由于b b a f 反应器通过隔板折流加长了流程，且各单池所处理的水质不同， 因此反应器各单池的生物量、生物活性的时空分布具有一定特点和规律；不同单 池形成了不同的优势菌群，可实现处理功能的协调配合，有利于反应器的稳定运 行和处理效能的提高。 关键词：城市污水，折流曝气生物滤池，曝气过滤式化学除磷，生物膜特征 i i 英文摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r sb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b a f ) i san e ww a s t e w a t e r 订e a t m e n t t e c h n o l o g yt h a th a sb e e nr e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sf o ri t sa d v a n t a g e so fl e s s l a n du s ea n dh i g ht r e a t m e n te f f i c i e n c y h o w e v e r , i ti ss t i l lw i t hs o m ep r o b l e m ss u c ha s e a s i l yb e i n gb l o c k e dm a dl o wp h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c yi no p e r a t i o n t os o l v e t h e s ep r o b l e m s ，an e wk i n do fb a f , n a m e l yb a f f l e db a f ( b b a f ) ，w a sd e v e l o p e da n d s t u d i e di nt h i sp a p e r , w h i c hi n c l u d e s ：t h eh y d r o d y n a m i cb e h a v i o ro fb b a fr e a c t o r ；t h e e f f e c to f o p e r a t i o n a lc o n d i t i o n so nr e m o v a le f f l c i e n c i e so f o r g a n i cp o l l u t a n t s ，s u s p e n d e d s o l i d sa sw e l la sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ，d e v e l o p m e n to fak i n do fc h e m i c a lm e t h o d a p p r o p r i a t et ob b a f r e a c t o ru s i n ga e r a t e df i l t r a t i o nt oe n h a n c ep h o s p h o r u sr e m o v a la n d t h ec o r r e s p o n d i n gm e c h a n i s m ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb i o f i l mb yi n v e s t i g a t i o ni n t o t h eb i o m a s s ，b i o f i l ma c t i v i t ya n d m i c r o o r g a n i s m d i s t r i b u t i o ni ne a c hb b a f c o m p a r t m e n t h y d r o d y n a m i cb e h a v i o ro nb b a fp r o v e dt ob er e l a t i v e l yc o m p l i c a t e df l o w c o n t h i n e db yc o m p l e t e l ym i x e df l o wi ne a c hs t a g ew h i l ep l u gf l o wf o rt h ew h o l er e a c t o r a l o n gt h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o n w i t hat h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h eh y d r o d y n a m i cb e h a v i o r o fb b a fi sh e l p f u lt of u l lu s eo fv o l u m e h y d r o d y n a m i cb e h a v i o rm o d e lo ft h ee a c h s t a g ef i l t e ri sa sf o l l o w i n g ： e c 。= 号“p 一号 r c 一 ，丢 r q 一 ，丢 e ( t ) 。o 。 2 0 0m g l 时，硝化效能将下降；当c o d n h 。n 4 时，生物膜内将出现不同的功能分区，通过 测定耗氧速率发现硝化细菌、亚硝化细菌及异养细菌在反应器中的空间分布与c o d 浓度有关，呈明显的分区分布【9 3 】。k r g il m o r e 等人的研究表明，两极曝气生物滤 池在冬季低温条件下可有效氧化降解容积负荷为0 6 k g m 3 d 的氨氮，如果氨氮容 积负荷超过该值，且有机负荷较高时滤池的硝化性能将变差 9 。国外的b a f 运行 表明，进水s s 影响滤池的处理效能和运行周期，进水悬浮物较多时，运行周期短， 反冲洗频繁，因此要求进水s s 一般不超过l o o m g l ，最好控制在6 0m g l 以下， 进水若需格栅处理，栅条间距应在2 6 i l i l 之间m j 。 有关水力负荷对b a f 处理效能的影响的研究也较多，主要是考察水力负荷对 c o d 、s s 、氨氮、总氮的去除效果。a a n e t t e 的研究结果显示，在滤速l 5 m h 的 范围内，h r t 对处理效果没有大的影响，而c o d n 的比值对硝化和反硝化脱氮有较 大影响【9 6 】；而p u j o l 认为提高滤速会对硝化有积极的促进作用1 9 ”，t s c h u i 等人也 证实提高滤速会增加反应器的硝化能力【9 8 l ；马军、邱立平的研究表明，当水力负 荷为3 1 2 m 3 秆d 时，b a f 对有机物、浊度的处理效果较好，而当水力负荷增至 1 8m 3 m d 时，处理效果显著下降，硝化脱氮能力随水力负荷的增加表现出明显 的下降趋势，氮氮去除率仅为2 1 7 ，总氮几乎没有去除效果，水力负荷的增加 同时导致亚硝酸盐的积累。 曝气量与b a f 的处理效果与能耗密切相关，相关的研究都以去除有机物、硝 化和反硝化脱氮达到处理效果并尽可能减小曝气量为主，但不同形式的b a f 研究 结论有所不同。氨氮氧化所需的氧气量( 4 6k g0 。k gn h 。一n ) 大于有机物氧化所 需的氧气量( ik g o 。k g b o d ) ，因此氧气的供给量影响硝化反应的进行；氧传输 速率也是重要的影响因素，如果氧传输速率低，尽管溶解氧浓度很高也可能导致 生物膜中硝化菌可利用氧气不足【加。同时曝气量也与滤层高度有关，f r a n c i s c o 等人的研究显示，滤层高度较高时，可降低氧气的消耗量，说明滤层高度不足是 导致氧气过量消耗的重要因素【l j 。 重庆大学博士学位论文 b a f 对磷的去除主要是通过化学沉淀，反冲洗排除富磷污泥实现，或是在一级 强化过程中通过化学混凝除磷。p w w e s t e r m a n 等人对上向流b a f 的研究结果显示， 对t p 的去除率大致为2 6 ，要进一步提高除磷效果需通过化学沉淀或厌氧好氧交 替促进磷的过剩吸收1 1 0 2 1 。g o n c a l v e s 等进行b a f 同步脱氮除磷的研究时发现，进水 方式对磷去除效果没有差异性影响【l ”】。也有曝气生物滤池可同步硝化除磷的报 道，相关研究表明除磷可达7 0 ，总磷可降至0 5 m g l1 1 0 4 1 。a e s o y 等人发现，利用 曝气生物滤池反硝化脱氮时，如利用水解污泥或水解固体废物做外加碳源，可同 时去除比微生物生长需要量高3 倍的磷 9 6 l 。p a k 等研究了利用两级生物滤池在交替 好氧、厌氧条件下运行对污水中氮磷的去除情况，发现影响除磷的因素为c o d t p 值和h r t ，好氧过程中产生的硝酸盐和亚硝酸盐对磷的释放有一定影响，而反冲洗 过程损失的生物量对除磷也有影响 】”】。同步生物除磷脱氮效能较低一直是曝气生 物滤池的缺点之一，因此在这方面取得突破是研究的重要方向。 b a f 研究正处于理论研究逐渐深入、应用范围不断扩大的发展阶段。其中有关 曝气生物滤池在有机物和悬浮物去除、硝化和反硝化脱氮等方面取得了较好的应 用研究成果，新的应用尝试和工艺组合不断出现f j ；b a f 属生物膜法工艺，生物 膜是其去除污染物的主体，因此有关生物膜厚度、生物膜活性、微生物分布特征 的研究一直是研究重点之一，目前有关曝气生物滤池生物膜的研究还处于前期探 索阶段，这些研究结果有助于了解曝气生物滤池的处理机理，对于提高b a f 的处 理效能有一定的指导意义。 我国对曝气生物滤池的研究处于起步阶段。清华大学、哈尔滨工业大学等多 所科研院校对曝气生物滤池处理生活污水、啤酒废水的处理效能和处理机理进行 了初步研究，上海市政设计研究院也研究开发了b i o s m e d i 曝气生物滤池。重庆大 学城环学院承担的国家“十五”科技攻关子专题“城镇污水高效低耗曝气生物滤 池技术研究”，采用新型催化填料、新池型，研究开发了两种新型曝气生物滤池， 初步研究结果表明对s s 、c o d 、氮、磷都有较好的去除效果。 1 3 5 传统曝气生物滤池存在的问题 传统曝气生物滤池虽然具有占地面积省，处理效率高的特点，但同时存在以 下问题： 传统曝气生物滤池对进水的悬浮物( s s ) 要求较高，进水s s 较多时容易堵 塞，运行周期短，反冲洗频繁。为达到在较短的水力停留时间内处理较高的有机 负荷并具有截留s s 的功能，曝气生物滤池采用的填料粒径一般都比较小。如果进 水的s s 较高，会使滤池在很短时间内达到设计的水头损失发生堵塞，这样就必然导 致频繁的反冲洗，增加了运行费用与管理不便。根据国外的运行经验，进水的s s 一 般不超过l o o m g l ，最好控制在6 0m g l 以下。这样就对曝气生物滤池前的处理工 1 2 艺提出了较高的要求。 生物除磷效果不好，多采用化学法除磷。一般研究认为，在曝气生物滤池 内不存在厌氧和好氧的交替环境，在滤池中只是微生物自身生长需要少量的磷， 所以生物除磷作用很弱，为使出水达到排放标准，多辅以化学除磷以解决磷的达 标问题。 b a f 的污染物去除机理尚不十分明确，生物膜特性，如生物膜的生长、生 物膜的活性以及微生物种群分布可能与污染物去除效能之间存在一定的关系，因 此需要对其进行研究，对于合理设置功能区位置及长度，对提高反应器去除有机 物和氮磷效果有重要的指导作用，以便充分发挥其处理能力。 2 课题研究的目的、内容和方法 2 课题的提出、研究目的、意义及方法 2 1 课题的提出 城市污水处理技术、设备是城市污水处理工程的主体和主要承担者，对城市 污水处理工程的成败起着关键作用。研究开发简易、高效、节能并适合于我国国 情的污水处理技术、设备和工艺，是当前城市污水处理领域的迫切任务之一。曝 气生物滤池具有处理效率高、占地面积小、基建及运行费用低、管理方便和抗冲 击负荷能力强等特点，在城市污水处理中有着广泛的应用前景。但传统的曝气生物 滤池也存在对进水s s 要求较高、容易堵塞以及除磷效率不高等问题，这些缺点直 接制约了曝气生物滤池在污水处理领域中的广泛应用，因此需要对其进行改进。 国家“十五”科技攻关项目子专题“城镇污水高效低耗曝气生物滤池技术研究”( 编 号：2 0 0 1 b a 6 0 4 a 0 1 0 3 0 2 ) 是针对以上不足，研究开发适于我国国情的生物滤池 工艺与设备，使其具有高效、低耗、投资省、易管理的特点，便于推广使用。折 流曝气生物滤池( b a f f i e db i o l o g i c a la e r a t e df i l e r , b b a f ) 是该子专题研究开发的新 型曝气生物滤池之一。 2 2 课题研究目的与意义 折流曝气生物滤池是一种新型的生物滤池，需要对反应器的水力混合特性进 行研究，了解折流曝气生物滤池内物料的停留时间分布情况和特性，从而建立符 合实际情况的数学模型，以供反应器设计、放大及工程实践参考；对影响折流曝 气生物滤池处理效能的因素及其作用规律进行研究，探讨其反应动力学和运行规 律，为工艺优化提供理论依据；研究折流曝气生物滤池中生物膜特性以便合理设 置功能区位置及长度，提高反应器去除有机物和氮磷效果；传统的曝气生物滤池 生物除磷效率低，处理效果不稳定，研究开发适于折流曝气生物滤池的化学除磷 方法以保证出水水质。 2 3 课题研究的内容 根据课题研究的目的，确定了以下研究内容： 一、折流曝气生物滤池水力混合特性研究； 二、折流曝气生物滤池处理效能及其影响因素研究 三、多孔富铁填料除磷效能及其机理研究； 四、折流曝气生物滤池生物膜特性研究 重庆大学博士学位论文 2 ，4 研究方法 是一种新型生物滤池，论文研究以设计加工的折流曝气生物滤池( b b a f 反应 器) 为研究对象，采用城市污水进行现场试验，通过对比不同工况的运行结果， 系统分析影响折流曝气生物滤池处理效能的影响因素，进而总结其作用规律，并 通过水力学特性、生物膜特性及反应动力学的研究进行理论分析，探讨折流曝气 生物滤池去除污染物的规律及机理。 2 5 试验地点、污水水质与试验设备 2 5 1 试验地点 为使研究结果更接近实际、以城市污水为处理对象进行了现场试验，试验地 点在重庆渝北区城南污水处理厂。试验用水为该厂初沉池出水，由水泵从计量堰输 送到实验室高位水箱，然后进入反应器。 2 5 2 试验用水水质 试验污水水质见表2 1 表2 1 试验用污水水质 t a b l e 2 1 w a t e r q u a l i t yo f m u n i c i p a ls e w a g e 水质指标变化范围 水质指标变化范围 c o d ( m g l ) 2 0 6 6 2 7 硝态氮f m g l ) o 1 5 b o d 5 ( m g l ) 9 0 7 2 4 3 s s ( m g l ) 1 0 1 1 9 9 氨氮( m g l ) 4 9 4 5 5 2 总磷( m g l ) 4 1 5 西，9 4 总氮( m g e l ) 5 0 0 - 8 0 7 p h 6 ，7 7 9 2 5 3 填料类型及其密度 试验用填料类型及其密度如表2 2 所示。 表2 2 填料类型及其物理性质 t a b i e2 2c h a r a c t e r i s t i g so f m e d i ai nb a f f l e db a f 填料类型酶促填料斜发沸石多孔富铁填料 密度( g c m 3 ) l _ 5 62 1 62 4 8 2 5 4 试验装置 一、b b a f a 试验装置 试验初期使用的试验装置b b a f a 如图2 1 所示，该折流曝气生物滤池采用 1 6 2 课题研究的目的、内容和方法 p v c 板材加工而成，由8 个单滤池组成。整池长、宽、高分别为1 8 0 0 m r n 、6 0 0 m m 、 1 6 0 0 m m ；单滤池长、宽、高分别为1 8 0 r m n 、5 8 0 m m 、1 4 4 0 m m ，每个单滤池中填 料层高度为7 0 0 m r a 。该反应器采用重庆大学开发的酶促生物填料。各单池中水流 方向和填料粒径见表2 3 。 表2 3b b a f a 单池中填料的物理性质和水流方向 t a b l e 2 3w a t e rf l o wd i r e c t i o na n ds i z eo f m e d i ai ne a c hs t a g ef i l t e r so f b b a f - a 单池序号 12345678 填料粒径( r a m ) 1 5 2 08 - 1 5 8 1 58 1 58 1 5 8 1 5 8 1 5 5 8 水流方向 向上向下向上向下向上向下向上向下 反冲洗水泵 图2 1b b a f a 试验装置示意图 f i g2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f p i l o t - s c a l eb b a f - a 二、b b a f - b 试验装置 经过第一阶段的试验，发现图2 1 所示的折流曝气生物滤池存在一些不足和问 题： 反应器的反冲洗水排出系统设计不合理。排水口位置过高、管径偏小及反 冲洗出水中生物膜的堵塞导致反冲洗出水排除困难，反冲洗操作难度较大： 因各单池水头损失的逐级积累，前端单池水位较高，保护层高度设计不够， 导致滤池运行过程出水水质尚也时不得不进行反冲洗； 重庆大学博士学位论文 未在两单池底部连通处设计集泥区，不能及时排除滤池内脱落沉积在底部 的生物膜污泥，导致在底部取样时水质发黑，分析结果与其它点无可比性。 未在单池滤层中部设置取样点，进行流程长度影响分析时可能结果不够、 准确。 因此，在2 0 0 3 年1 2 月，在明a f 以反应器的基础上，又重新设计制作了船a f b 反应器。该反应器由高度逐级递减的隔板分成7 个单池组成，尽可能避免水头损 失逐级积累；单池底部设置了集泥斗及排泥管以利于脱落生物膜的排除；通过增 加单池滤层厚度在不降低滤层总高度的情况下减少了一个单池；并增设了进水斗 和滤层中部的取样口。改进型折流曝气生物滤池b b a f b 整池长、宽、高分别为 1 5 2 8 m m 、5 8 0 m m 、1 8 4 0 m m ；单池长、宽、高分别为2 0 0 m m 、5 8 0 m m 、1 5 0 0 r n m ， 每个单池中填料层高度为8 0 0 m m 。第二阶段试验主要利用b b a f b 反应器进行， 在试验过程中，填料类型和填料粒径有变化，以考察填料特性对曝气生物滤池处 理性能的影响，将在试验部分具体说明。 图2 2b b a 卜b 反应器照片 f i g p i c t u r eo f p i l o tb b a f b 2 课题研究的目的、内容和方法 图2 3b b a f b 试验装置示意图 f i g2 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo f p i l o t - s c a l eb b a f - b b b a f a 反应器在这一阶段的运行过程中，也发现了该反应器在设计方面的一 些不足： 2 5 5 试验仪器及分析方法 分析测试主要按国家环保局编写的水和废水监测分析方法一书中规定的 标准方法进行分析测试加7 1 ，部分采用进口的先进分析仪器测定。具体的分析项目、 方法和所用仪器设备见表1 。 表2 4 主要的试验仪器及分析方法 t a b l e 2 4m a i na n a l y t i c a la p p a r a t u sa n dm e l h o c i s 分析项目测定方法仪器、设备和型号 t c o d 重铬酸钾比色法 h a c hc o dr e a c t o r 、 h a c hd r ，2 0 1 0 s c o d重铬酸钾比色法 b o d 5 稀释培养法 x m t - 15 2 c 生化恒温培养箱 d t - 1 0 0 电光分析天平、 s s过滤称重法 c s l 0 i 2 d 干燥箱 1 9 重庆大学博士学位论文 氨氮纳氏试剂分光光度法7 2 1 可见分光光度仪 硝态氮铬变酸法d r 4 0 0 0 u v 分光光度仪 距硝态氮n 一( 1 - 萘基) 乙二胺分光光度法7 2 1 可见分光光度仪 总氮 过硫酸钾氧化分光光度法d r 4 0 0 0 u v 分光光度仪 总磷过硫酸钾氧化一钼酸盐分光光度法7 2 1 可见分光光度仪 溶解性磷过硫酸钾氧化一铝酸盐分光光度法7 2 1 可见分光光度仪 溶解氧仪器直读法 y s im o d e l5 2 溶解氧仪 生物量可挥发灰分重量法 s x 4 1 0 箱式电阻炉、d t - 1 0 0 电光分析天平 生物相显微镜观察、摄像 m o t i c 生物显微镜 2 0 3 b b a f 反应器的水力混合特性研究 3 b b a f 反应器的水力混合特性研究 反应器的污水处理效能与反应器的构型及物料在反应器内的流动与混合状况有极大 关系 i 0 8 。反应器的流体力学特征、气速、液速的大小影响着传质性能、生物膜的附着生 长，而且影响反应器处理效率与反应器的容积利用率。本章通过b b a f 反应器水力混合特 性研究，分析了该反应器中物料的流动与混合状况，可为反应动力学模型的建立提供依 据1 0 9 1 ，并为反应器的合理设计、工程实践提供参考。 3 1 反应器流动模型 3 1 1 理想流态模型 全混流和平推流两种流态是两种极端的理想流型。在全混流中，由于受强烈的搅拌 作用，物料粒子之间存在最大程度的返混，先后进入反应器的物料质点之间立刻充分混 合，使反应器内各处浓度完全均匀，且出口浓度与器内浓度完全一样，物料质点在反应 器内的停留时间有长有短。而平推流中，在与流体流动方向垂直的截面上各质点的流速 完全相同，没有轴向混合与扩散，流体在反应器内的停留时间也完全相同。平推流模型 中物料的速度分布完全是齐头并进的，物料在反应器内的停留时间是管长的函数。 流动模型建立的基础是测定反应器内物料的停留时间分布，普遍使用的方法是通过 示踪剂来跟踪物料在系统内停留时间的示踪应答法。根据示踪剂加入的方式不同，分为 脉冲信号法和阶梯信号法，然后在浓度函数的基础上求得停留时间的液龄分布函数e ( t 1 。 e ( t ) 的含义为：在同时进入反应器的n 个流体粒子中，其中停留时间在介于t 和t + d t 之间的流体粒子所占的分率d n n 定义为e ( t ) d t 们。 根据e ( t ) 的性质，有： e ( t ) = 0( t o z ，舌 e ( t ) = 0 则临界时间点 ( 3 一1 2 ) ( 3 1 3 ) 而临界时间点t c 值可由电导率峰点对应时刻近似得到，因此可以根据( 3 1 3 ) 式得到 不同运行状况下的全混流所占比例f l 。 t ( m i n ) 图3 4 试验i 单池停留时间分布函数 f i g 3 4r e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o nd e n s i t yf u n c t i o no f t h ef r i s ts t a g ef i l t e ri nt r a i lo n e 岵旦q 1 一 ， 0 一 一 0 f 一一 o 一；，茜 l 刚( 1 一z ) 吾 而b b a f 反应器各单池之间的隔板阻止了相互之间的返混，可使b b a f 反应器整池的 水力混合特性接近于平推流，即在水平方向为推流态。气水比越大、整池的模型参数r l 越大，越接近于平推流，整池的水力混合模型为： 删= 可( 扩e ”咭么 b b a f 反应器单池的水力混合特陛趋于全混流，而整池在水平方向则表现为推流态， 是一种局部全混流和整体平推流的复合流态。经理论分析，该流态有利于保证反应器的 容积利用率，提高处理效能，是一种极佳的流态形式。 4 折流曝气生物滤池对有机物的去除效能 4 折流曝气生物滤池对有机物的去除效能 有机物和悬浮固体( s s ) 是城市污水中的主要污染物，s s 中也以有机物为主， 有杌物进入水体，若条件适宜，微生物将增殖，从而消耗水中溶解氧，使水体缺 氧造成“黑臭”现象，恶化水质。因此，人们很早就认识到有机物对环境生态的 危害，从而把有机物和悬浮固体( s s ) 的去除作为污水处理的主要目标。本章主要探 讨折流曝气生物滤池( b b a f ) 对城市污水中有机物和s s 的处理效能，考察运行条 件对去除效果的影响，并建立与之相符合的有机物降解动力学模型。 4 1 b b a f 反应器的挂膜启动 为使b b a f 反应器快速启动，挂膜启动采用接种活性污泥后连续培养的方法 ”。其挂膜原理是：接种污泥被加入反应器后，少量污泥截留附着在载体表面，这 些囿着态微生物将摄取废水中的营养物，进行降解代谢有机物的生命活动，并在载 体表面生长、繁殖，逐渐形成一层薄的胶质粘膜。随着微生物不断摄取营养物质而 增长，从载体表面向外扩展，并分裂为新细胞，逐步覆盖先前已形成的膜层，进而形 成成熟的生物膜。 整个试验研究过程先后设计加工了两个折流曝气生物滤池模型：b b a f a 和 b b a f b ，后者为前者的改进型。b b a f - a 反应器见第2 章图2 1 - - 2 3 ，第1 、2 单 池设置为厌氧水解区，不进行曝气，其后的六个单池均为好氧区。b b a f a 的挂膜 启动过程为：投加种泥一闷曝一连续流培养。2 0 0 3 年6 月2 4 日向b b a f a 反应器 中投加约i o l 活性污泥后，闷曝培养2 d 后，开始小流量进水，水力负荷为 3 7 m 3 i ( m 2 ，d ) ，随后逐渐加大至7 4 m 3 ( m 2 - d ) ，气水比6 ：l 。为加快挂膜，7 月4 日 又投加约i o l 活性污泥。7 月6 日水量增加至1 2 3 m 3 ( m 2 d ) ，气水比增加至l o ：1 。 挂膜期间的检测指标为c o d ，当有机污染物的去除率稳定在7 0 以上时，则可认为 挂膜启动基本完成。启动阶段的进出水有机物及有机物的去除率见图4 - i 。 图4 1 显示，启动初期的c o d 去除率较低，仅为2 9 4 ，随后缓慢上升，7 , 91 2 日有机物的去除率上升到了7 2 8 ，以后的几天c o d 的去除率直稳定在7 0 左右， 可认为挂膜启动基本完成，从开始投加活性污泥到挂膜启动完成历时1 8 d 。 重庆大学博士学位论文 图4 1 折流式曝气生物滤池挂膜期间对c o d 的去除效果 f i g 4 1c o dr e m o v a lp e r f o r m a n c ed u r i n gs t a r t - u po f b b a f s 惜 笾 蓉 8 4 2b b a f 反应器去除有机物和s s 的运行结果 4 2 1b b a f 反应器去除c o d 的运行结果 b b a f - a 反应器于2 0 0 3 年7 月1 2 日基本完成挂膜启动，运行稳定后对c o d 的 去除结果见图4 2 。试验期间水力负荷、气水比有调整和变化，水力负荷变化范围 为1 2 4 3 4 7m 3 ( m 2 d ) ，气水比在6 ：】到1 2 ：l 之间，但大部分运行数据是在比较 后得出的较好运行工况下取得的，即水力负荷为1 7 4m 3 ( m 2 d ) ，气水比为1 0 ：1 。 从2 0 0 3 年7 月1 5 日b b a f a 反应器运行开始到9 月2 4 日，监测分析了处理 c o d 的效能。虽然该反应器对c o d 有较高的去除率，平均去除率达到7 9 4 左右， 但出水经常超过6 0 m g l 。对b b a f a 反应器进行分层取样，对沿流程长度的9 个 取样点多次取样分析表明，b b a f a 反应器出水c o d 经常高于出水管前端的第7 单 池，即污水流出第7 单池时水质已较好，但流过第8 单池后c o d 反而升高。分析 数据后对反应器进行了检查，判断出造成反应器末端出水水质恶化的原因可能是 各单池与反应器池壁间密封不好有侧漏，导致第6 单池部分出水短流到反应器的 出口。2 0 0 3 年1 0 月中旬对反应器进行了堵漏检修，随后的运行结果表明，反应器 出水水质稳定，c o d 平均去除率提高到了8 9 8 ，出水c o d 一般低于6 0 m g l 。 砷如加m o 喜螂枷姗咖啪瑚m m 驰。 吣_【卜竹o= 一on _ 卜on _ i 卜n o_【_【卜o o t 。期日 o o 卜n oq o 一n o竹o o o_【o卜o卜n o n o 4 折流曝气生物滤池对有机物的去除效能 图4 2b b a f - a 对c o d 的去除效果 f i g 4 2c o dr e m o v a lp e r f o r m a n c ei nb b a f - ad u r i n go p e r a t i o n 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 妻 5 0 瓣 4 0 赣 3 0 2 0 1 0 0 在b b a f - a 反应器运行过程中，发现了该反应器在设计方面存在一些不足( 见 第2 章试验装置部分) ，因此，在2 0 0 3 年1 2 月，在b b a f - a 反应器的基础上，又 重新设计制作了b b a f - b 反应器，完成流态试验之后，进行挂膜启动，2 0 0 4 年2 月 3 日反应器启动基本完成；b b a f b 的挂膜启动方式与b b a f a 相同，且启动阶段的 c o d 去除情况与b b a f a 基本相似。随后进行了b b a f b 反应器去除污染物的运行效 能试验，2 0 0 4 年2 月8 曰开始监测进出水s s 、c o d 、b o d 5 及其沿程变化情况。 图4 3 为b b a f b 反应器在运行条件以水力负荷1 7 4m 3 ( m 2 d ) ，气水比1 0 ：l 为主的去除c o d 试验结果。 22尝兽2葛罱高岩g宕8 n“n n n nnnnnn n 苫苫苫言苫苫 苫苫苫苫吝苫苫 日期 图4 3b b a f b 对c o d 的去除效果 f i g 4 3c o dr e m o v a lp e r f o r m a n c ei nb b a f - bd u r i n go p e r a t i o n 7 堇 啪 喜| 枷 蚕| 瑚 伽 。 一oe一凸ou n n n o 寸。岍州n卑寸。仍ino寸on l _ n o 寸oono苫o n o 叶on i _ 1 0 寸oo o 云苫 h o l 0 苫 n o l 0 苫 0 z n l n o o l n n on 1 n n oo o n n on o n n o 5n0褥nlleo弱 o n ；n o i l l 竹oo 1 l on o ；竹。 寸n ，西o n o n l _ 西o n o l _ o 西。竹。卜n o n o寸州o n o r o n o o l _ o 竹oo o n o 1 o o o州卜o n o n n 卜9 n o啦卜o n o 一掌一碍篮书 似加矗；柏加仲o j 曼 啪 喜| 枷垂| | 耄 僦 。 一1，oe一凸ou 重庆大学博士学位论文 由图4 3 试验结果可知，b b a f b 反应器出水水质稳定，进水c o d 的平均值为 5 0 6 6 m g l ，出水c o d 平均值为4 6 7 m g l ，平均去除率为9 0 9 。 从两个反应器的处理效果都可看出，因季节变化、降雨影响，进水水质发生 较大变化时，出水的c o d 仍然保持稳定，去除率也都保持在8 5 以上，说明了折流 式曝气生物滤池抗冲击负荷能力较强。 4 2 2b b a f 处理b o d 。的效能 的去除效果 i nb b a fd u r i n go p e r a t i o n 由图4 4 可看出b o d 5 的去除效果及其规律，b b a f 反应器对b o d 5 具有稳定、 良好的去除效果，其出水水质受进水b o d 5 变化的影响很小。进水b o d 5 的平均值 为1 3 9 5m # l ，出水b o d s 的平均值为9 9m g l ，平均去除率为9 0 3 。 4 2 3 b b a f 处理s s 的效能 图4 5b b a f a 对悬浮物的去除效果 f i g 4 5 s sr e m o v a lp e r f o r m a n c ei nb b a fd u r i n g o p e r a t i o n s一褂篷带 竹加竹o；|戮m雠器。oo。 (1，6e百oo n o n o 寸onnno，苫n = oooo一。 寸n西o竹o n 西。孵o【0oo竹。 畏。再晶 卜一o竹o o l - o 竹o nl_o竹。卜o田。孵。 舌o孵o 9 z h o n on州卜o竹。 一暴一褂篮硝 5阳；加。 喜| m m伽伽伽o ( 6 e ) s 面【1 n o 9 0 o l _ n on o o n o 1 o o l 竹on o o oo q 8 n o葛oonon q 西o n on 西o n ol _ o 西o n o no竹。期寸吖ono日 卜ono d l _ o _ e on o n o o l _ o n o卜o o n odoo竹。吕onoo n 卜o n o曲“卜ono廿吖卜o 一o 4 折流曝气生物滤池对有机物的去除效能 试验期间，b b a f a 反应器在运行条件以水力负荷1 7 41 1 1 3 ( m 2 - d 1 ，气水比1 0 ：l 为主，进水s s 在9 2 2 1 9 m g l 之间，平均进水s s 为1 4 9 5m g l ，平均出水s s 为7m g l ， 平均s s 去除率为9 5 。可见，折流式曝气生物滤池流程较长对s s 的去除效果很好， 且处理效果稳定，当进水s s 有一定波动时仍可保证出水水质。 4 3 运行条件对b b a f 反应器去除有机物、悬浮物效能的影响 4 3 1 厌氧好氧容积比对去除有机物效能的影响 研究开发处理效率高、运行费用低、管理方便的污水处理技术是我国城市污 水处理技术研究的重要方向。2 0 世纪8 0 年代出现的水解酸化一好氧生物处理工艺 ( a o ) ，将厌氧和好氧有机地结合起来，从而将污水的厌氧一好氧生物处理引入 了新阶段。厌氧生物处理具有能耗低，有机负荷高的特点，污水经厌氧水解后， 其可生化性显著提高。因此，后续的好氧生物处理可获得较高的c o d 去除率，可 降低运行过程能耗。 b b a f 反应器采用a o 一体式处理工艺，是在反应器前端设置厌氧水解区。水 解酸化过程可通过b o d 5 c o d 比值进行判断。表4 1 是在水力负荷为17 4 m 3 ( m 2 d ) 的条件下考察了水解酸化时间对b o d 5 c o d 值及对有机物处理效果的影响，运行 时的气水比与好氧区容积呈正相关，三个厌氧好氧区容积比v a o 为1 ：7 、2 ：6 、 3 ：5 对应的气水比分别为1 2 ：1 、1 0 ：l 、8 ：l 。 表4 1 厌氧好氧区容积比与b b a f - a 反应器去除有机物的效能 t a b l e 4 1t h ee f f e c to f v a v oo nr e m o v a le f f i c i e n c yo f o r g a n i ci nb b a f - a 水解酸进水厌氧出水 滤池出水总去除率 一。 水质指标 化时间( m g l )( m g l )( m g l ) ( ) c o d3 6 5 2 8 94 78 7 1 l ：71 2 5 hb o d ；1 5 7】3 0 1 2 9 2 4 b o d s ，c o d0 4 30 4 5 0 2 5 c o d3 5 51 8 94 08 8 7 2 ：62 5 0 hb o d s1 5 68 7 8 29 4 7 b o d 。c o d0 4 40 4 6 0 2 l c o d2 6 21 5 55 18 0 5 3 ：53 7 5 hb o d ；1 0 87 61 18 9 8 b o d s c o d0 。4 l 0 4 90 2 l 由表4 1 中可知，污水流经厌氧水解区，有机物经厌氧和兼氧微生物分解及 3 9 重庆大学博士学位论文 填料表面吸附截留，部分有机物被去除，有机负荷降低；b b a f a 反应器进水 b o d s c o d 比值在0 4 1 0 4 3 之间，流过厌氧水解区后的b o d