（市政工程专业论文）混合填料生物反应器的处理特性研究.pdf

摘要 为推进城镇小规模污水处理事业发展，寻找简单、高效、节能、投资省、占地面积 小、运行管理方便、灵活和多功能的污水生物处理技术，研制高效的生物反应器尤为重 要。本研究通过改善填料的结构，优选多种填料混合组成，提高新型填料的各项性能， 从而提高生物反应器的处理性能。 依据对混合填料生物反应器的生物生长、水流分布、物质迁移及沉淀分离等特点的 分析，针对反应器进行了理论与试验研究，得出以下主要结论： ( 1 ) 投加填料可以明显提高反应器对浊度的去除效果和氧转移速率。无曝气时反应器 对浊度的去除率为8 2 ，曝气时反应器对浊度的去除率为4 1 7 5 。同等试验条件下， 与无填料反应器相比，沉淀效率在无曝气时可提高2 1 倍，曝气时可提高1 4 倍。投加 填料时，反应器的氧转移效率可提高3 9 6 3 。 ( 2 ) 混合填料生物反应器的驯化挂膜速度快，从接种驯化开始到生物膜成熟，仅需 要7 天左右的时间。在h r t = l h 时，反应器内丝状菌和细菌多，原生动物较少，有大量 轮虫、线虫等后生动物。实验表明：在高负荷下，反应器内生物膜仍然挂膜均匀，生物 相良好。 ( 3 ) 混合填料生物反应器对污水中有机物的去除速度快，去除效率高。试验测定的 平均污泥浓度为1 0 4 9 l 。h r t 为1 h 条件下，有机物容积负荷为1 1 1 3 k g c o d m 3 d ， 污泥负荷为1 0 7 k g c o d k g m l s s d ，c o d e r 去除率可达到9 0 以上，出水c o d e r 小 于5 0 m g l ，达到城镇污水处理厂一级a 类排放标准。试验表明：混合填料生物反应器 为高效生物反应器。 ( 4 ) 随着水力停留时间的延长，混合填料生物反应器对氨氮和总氮的去除效果也相应 增加。当停留时问为4 h 时，出水氨氮浓度达4 2 7 m g l ，低于污水排放一级标准。当停 留时间为l h 时，出水总氮浓度达到2 8m g l 。试验结果表明：混合填料生物反应器对氨 氮和总氮的去除率较高。 ( 5 ) 混合填料生物反应器抗冲击负荷能力强，对温度、p h 值和d o 值的适应性较强， 在温度低于1 0 。c 、p h 值低于5 和d o 值低于0 9 m g l 时仍具有较好的处理效果。可适 用于北方寒冷地区和水量、水质变化大的有机工业废水和城镇污水处理 ( 6 ) 进行有机物降解反应动力学分析研究，根据试验结果，根据m n o d o 方程式，推 导了反应器的有机物降解反应动力学模型，即u = 旦生磊铲，回归显著性系数 为r = 0 9 7 7 。 关键词：污水处理、混合填料、生物反应器、反应动力学 a b s t r a c t p r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fs m a l lt o w n s ，l o o k i n gf o rs i m p l e ，e f f i c i e n t ，e n e r g ys a v i n g ， l o wi n v e s t m e n t ，c o v e ra l la r e ao fa na r e as m a l lb i o l o g i c a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g yi sv e r y i m p o r t a n t ，i tw i l ln e e dt od e v e l o pe f f e c t i v eb i o l o g i c a lr e a c t o r b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o n m e t h o di sp r o v i d e df o rt h ec o r eo fm i c r o b e sg r o wp a c k i n g ，t h i sr e s e a r c ht h r o u g hi m p r o v i n g t h es t r u c t u r eo ff i l l e r , i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h en e wt y p ef i l l e r , t h u s d e v e l o p e dah i g h - q u a l i t yh i g hp a c k i n g b a s i n g o n b i o l o g i c a lg r o w t h ，w a t e rd i s t r i b u t i o n ，m a s s t r a n s f e ra n d s e p a r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fp r e c i p i t a t i o ni nar e a c t o ro fb i o - c o n t a c tm i x e df i l l e r c a r r yo nat h e o r e t i c a l a n de x p e r i m e n t a ls t u d y , a n df o u n do u tt h ef o l l o w i n gm a j o rc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) a d d i n gf i l l e r , t h eb i o r e a c t o rc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h er e m o v a lo ft u r b i d i t ya n d b i o l o g i c a lo x y g e nt r a n s f e re f f i c i e n c y i nt h eb i o r e a c t o r , t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo ft u r b i d i t yi n t h ew a t e rw a s4 1 7 5 u n d e rt h es a m ee x p e r i m e n tc o n d i t i o n s ，c o m p a r e dw i t ht h eb i o r e a c t o r w i t h o u tf i l l e r , w i t h o u ta e r a t i o nt h eb i o r e a c t o rc a nr a i s et h ep r e c i p i t a t i o ne f f i c i e n c y2 1 t i m e s ， w i t ha e r a t i o ni tc a nr a i s e1 4t i m e s a d d i n gf i l l e r , m i x e df i l t e rb i o m e m b r a n c er e a c t o rc a n i n c r e a s e3 9 6 3 o f b i o l o g i c a lo x y g e nt r a n s f e re f f i c i e n c y ( 2 ) t h eb i o r e a c t o rc a nm a k em i c r o o r g a n i s mt ob ed o m e s t i c a t e df a s t f o r7d a y s ，t h e i n o c u l a t i o ns u c c e e d e d w h e nh r t = l h ，i nt h er e a c t i o n ，t h e r ew e r eal a r g en u m b e ro f f i l a m e n t o u s ，b a c t e r i a , r o t i f e r s ，n e m a t o d e sa n do t h e rm e t a z o a n s ，b u tl i t t l ep r o t o z o a t h e s e e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tu n d e rh i 【g hb u r d e no fc o d ，t h eb i o r e a c t o rs t i l la c h i e v e di n o c u l a t i o n s u c c e s s ( 3 ) t h eb i o r e a c t o rh a de f f i c i e n tr e m o v a lo fo r g a n i cm a t t e ri ns e w a g ei nas h o r tt i m e i n t h i se x p e r i m e n tid e t e r m i n e dt h a tt h ea v e r a g es l u d g ec o n c e n t r a t i o ni slo 4 9 l w h e nh r ti s l h ，o r g a n i cv o l u m eb u r d e ni s l1 1 3 k g c o d m 3 d ，a n ds l u d g eb u r d e ni s1 0 7 k g c o d k g m l s s 。d ， a n dt n er e m o v a lr a t eo fc o d c rc o u l dr e a c h9 0 ，a n da tl a s ti nt h ew a t e rt h ec o n c e n t r a t i o no f c o d c ri sl e s st h a n5 0 m g l t h ew a t e rq u a l i t yr e a c h e dt om u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p l a n t1a c l a s so fe m i s s i o ns t a n d a r d s t h e s ee x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h eb i o r e a c t o rf i l l e d w i t hc o m p o s i t ef i l l e rc o m p o s i t ef i l l e rw a sh i g h l ye f f i c i e n t ( 4 ) t h el o n g e rt i m eo fr e a c t i o nw a st a k e n ，t h em o r ea m m o n i aa n dt o t a ln i t r o g e nw e r e r e m o v e df r o mt h ep o l l u t e dw a t e ri nt h er e a c t o r w h e nh r tw a s4 h ，t h ec o n c e n t r a t i o no f a m m o n i aw a s4 2 7 m g l ，b e a e rt h a nt h es e w a g ed i s c h a r g es t a n d a r d s w h e nh r tw a slh ，t h e c o n c e n t r a t i o no ft o t a ln i t r o g e nw a s2 8m e r e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc o m p a r e dw i t ho t h e r b i o l o g i c a lt r e a t m e n tr e a c t o r , t h ec o m p o s i t ef i l l e r s b i o r e a c t o rh a dh i g h e rr e m o v a lr a t eo f i i i a m m o n i aa n dn i t r o g e n ( 5 ) t h eb i o r e a c t o rh a ds t r o n ga d a p t i v ev a l u ei nt e m p e r a t u r e ，p ha n dd o a ta t e m p e r a t u r el o w e rt h a n10 ，v a l u eo fp hl e s st h a n5 ，v a l u e so fd o l e s st h a n0 9 m g l ，i ts t i l l h a dam a n i f e s tt r e a t m e n te f f e c t e s p e c i a l l y , i tw a sa p p l i c a b l et oc o l dn o r t h e r nr e g i o n sa n d w a t e rq u a n t i t y , w a t e rq u a l i t yi nl a r g er a n g e ，t a k i n go r g a n i ci n d u s t r i a lw a s t ea n du r b a n s e w a g ef o ri n s t a n c e ( 6 ) t h r o u g ha n a l y s i so fk i n e t i c so fo r g a n i cd e g r a d a t i o n ，a c c o r d i n gt ot e s t r e s u l t sa n d m n o d oe q u a t i o n ，t h ek i n e t i cm o d e lo fo r g a n i cd e g r a d a t i o ni nt h ec o n ef i l l e rb i o - b e dr e a c t o ri s f o l l 。w i l l g ：u ：坐堕掣t h ec 。e f f i 谳e nr e g r e s s i o nr w a so 9 7 7 6 0 0 6 + s 。 k e y w o r d ：w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，c o m p o s i t ef i l l e r s ，b i o l o g i c a lr e a c t o r , r e a c t i o n k i n e t i c s i v 长安大学硕士学位论文 第一章绪论帚一早珀y 匕 1 1 水资源利用现状 历来被认为资源丰富的我国，水资源问题不容乐观，人口占世界的2 2 ，而淡水量 仅占世界的8 ，人均占有量为2 4 0 0 k m 3 。目前1 3 3 亿h m 2 耕地中，尚有0 5 5 亿h m 2 为 无灌溉条件的干旱地，有0 9 3 亿h m 2 草场缺水，全国每年有2 亿h m 2 农田受旱灾威胁， 农村8 0 0 0 万人和。6 0 0 0 万只家禽饮水困难。农业缺水量达3 0 0 0 亿m 3 。我国主要河流黄 河自8 0 年代以来，几乎年年出现断流，且断流流域不断延长，范围不断扩大，断流频 数、历时不断增加，给工农业造成巨大损失，平均每年损失为2 0 0 亿元，同时断流也给 沿黄居民的生活造成很大影响。 近年来，我国水体污染日益严重，全国每年排放污水高达3 6 0 亿吨，除7 0 的工业 废水和不到1 0 的生活污水经处理排放外，其余污水未经处理直接排入江河湖海，致使 水质严重恶化，污水中化学需氧量、重金属、砷、氰化物、挥发酚等都呈上升趋势，全 国9 5 万公里河川，有1 9 万公里受到污染，0 5 万公里受到严重污染，清江变浊，浊水 变臭，鱼虾绝迹，令人触目惊心。松花江、淮河、海河和辽河水系污染严重，8 6 城市 河流受到了不同程度的污染。水体污染造成巨大的经济损失。 水价偏低导致用户对水的价格不敏感，节水观念淡薄，造成用水过程中大量浪费。 在我国，大部分地区的农业采用大水漫灌的方式，水的有效利用率仅为4 0 5 0 ，工业 用水重复利用率只有3 0 左右，损耗量高出发达国家两倍。同时由于低水价导致人们对 水资源稀缺性缺乏足够认识，对水资源保护认识也存在不足，以致在浪费水资源同时， 还不断向水中大量排放污染物。 1 2 研究背景 如何保证生产生活用水和污水的社会循环有效进行是水体环境保护和水治理工程 技术的主要任务。污水是一个重要的资源，通过利用新技术和设备变废为宝，既治理了 水污染，又节约了水资源，提高了水的重复利用率，污水处理已经成为一个值得研究的 重要课题。现代的污水处理工艺的基本单元，包括物理方法、化学方法、物理化学方法 和生物方法。其中生物处理法是废水处理中应用时间最长、使用范围最广和比较经济有 效的方法，因此污水处理主要以生物处理为主。近年来，各国针对水环境污染和水资源 短缺开展了大量的研究工作，各种新型、改良型的高效污水处理与回用技术应运而生， 其中膜生物反应器以其独特的优点，在世界范围受到普遍关注。 第一章绪论 根据国家建设部、科技部、国家环保总局的要求，2 0 1 0 年的城市和城镇污水处理率 一般不少于5 0 ，重点城市污水处理不少于7 0 。但是现在，实际的污水处理低于5 0 。 因此在未来几年内，特别是农村生活污水处理任务和中小城镇污水处理工程的任务更加 困难。随着经济的发展和国家政策的支持，规模较小的城镇迅速增长。推进中小城镇的 发展，寻找简单、高效、节能、低投资、占地面积小的生物处理技术已经非常重要，这 就需要研制高效的生物反应器。 生物膜法具有效率高，性能优良，耐冲击；体积小，占地小，运行和管理方便，污 泥产量少，不存在污泥膨胀的问题；活性污泥可维持高泥龄、生物膜上的微生物种类繁 多，存活周期长，生物相丰富，具有较高的稳定性，对有毒化学物质具有较强的抗冲击 载荷；生产可实现封闭式操作【l 】。从总体发展来看，开发新的生物膜反应器具有有效的 理论基础和实践经验。 生物接触氧化法反应器是一种介于活性污泥法与生物滤池两者之间的生物处理技 术，具有活性污泥法特点的生物膜法，它兼有两者的优点，克服7 - - 者的缺点【8 】，深受 污水处理技术人员的重视。但是生物接触氧化法所用的填料存在诸多优点的同时也存在 以下缺点：( 1 ) 填料间的生物膜易出现堵塞现象，沉淀分离功能差，容积负荷率低，出 水水质较差，出水含有细小的生物碎片，故出水较浑浊；( 2 ) 生物反应器内水流搅动充分， 形成紊流，生物膜易受到冲刷，微生物难栖居，反应器内生物量不稳定且结构不够丰富； ( 3 ) 布水、曝气不均匀，流速分布大，附着生物膜不均匀，溶气效率低，在反应器内局部 溶气易出现死角，造成局部厌氧；( 4 ) 填料造价高，需要大量的填料及支承物，基建投 资相对增加，安装复杂等不足【l 】。 1 3 生物膜法及生物接触氧化法概述 污水的生物膜处理法是与活性污泥法并列的一种污水好氧生物处理技术，是一种固 定膜法，是土壤自净过程的人工化和强化。这种处理法的实质是细菌粘连形成菌胶团， 菌胶团进一步絮凝成活性污泥絮体，菌胶团扩展相互连接成生物膜，生物膜附着在填料 上。随着水体的流动，污水和生物膜不断接触，水中的有机污染物作为营养物质被生物 膜上的微生物所摄取，污水得到净化，微生物自身也得到繁衍增殖。 生物膜法工艺出现于1 9 世纪末至2 0 世纪初。当时主要是以岩石作为载体的生物滤 池为代表，2 0 世纪6 0 7 0 年代，塑料载体的出现为代替岩石填料，发展生物生物滤塔、 生物转盘以代替生物滤池创造条件，2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初，一系列新型的生物 滤池、生物滤塔、生物转盘被相继开发出来。在生活污水处理中，生物膜法的应用工艺 2 长安大学硕士学位论文 主要有接触氧化法、生物转盘法和生物流化床等。现在水处理工程师们可以对生物膜处 理系统有较广泛的选择余地。生物膜法现在也广泛应用于城市生活污水和工业废水的二 级生物处理1 2 。 生物膜法是利用附着生长于某些固体物表面的微生物( 即生物膜) 进行有机污水处 理的方法。在生物反应器中，充斥着大量的挂膜介质( 填料) ，当有机污水沿介质表面 向下渗流，在充分的供氧条件下，接种的微生物在介质表面增值。这些微生物吸附污水 中的有机物，并在介质表面形成粘稠状的具有众多微生物的膜，称为生物膜。生物膜是 由高度密集的好氧菌、厌氧菌、兼性菌、真菌、原生动物以及藻类等组成的生态系统， 其附着的固体介质称为滤料或载体。 生物膜自滤料向外可分为庆厌氧层、好氧层、附着水层、流动水层。生物膜法的原 理是，由于生物膜的吸附作用，在膜的表面有一层很薄的水层，称为附着水层。沿着附 着水层深入，有机物逐渐被氧化，其有机物浓度逐渐降低。因此，由于浓度差的作用， 废水沿膜面流动时，有机物会从废水转移到附着水层中，逐渐被生物膜吸附。同时，水 中的溶解氧也进入生物膜。膜中微生物进行氧化分解和同化作用，生成二氧化碳和其他 代谢产物，如此循环，使废水中的有机物不断减少，从而得到净化。 生物接触氧化法又称淹没式生物滤池，属于生物膜法的一种，池内填充惰性填料， 已经预先充氧曝气的污水浸没并流经全部填料，污水中的有机物与填料上的生物膜广泛 接触，在微生物新陈代谢的作用下，污水中的有机物得以去除，污水得以净化。生物接 触氧化法是一种具有活性污泥法特点的生物膜法，兼有生物膜法和活性污泥法的优点 【4 】【5 】【6 1 。 生物接触氧化法净化废水的基本原理与一般生物膜法相同，就是以生物膜吸附废 水中的有机物，在有氧的条件下，有机物由微生物氧化分解，废水得到净化。生物接触 氧化池内的生物膜由菌胶团、丝状菌、真菌、原生动物和后生动物组成。在活性污泥法 中，丝状茵常常是影响正常生物净化作用的因素；而在生物接触氧化池中，丝状菌在填 料空隙间呈立体结构，大大增加了生物相与废水的接触表面，同时因为丝状菌对多数有 机物具有较强的氧化能力，对水质负荷变化有较大的适应性，所以是提高净化能力的有 力因素【47 1 。 1 4 生物接触氧化反应器特征 综合来看，生物接触氧化反应器具有如下特征【3 】【4 】： 第一章绪论 1 4 1 生物相特征 ( 1 ) 微生物菌群结构合理菌群种类多样化和菌群数量多。由于生物膜内的微生物菌 群不必如活性污泥那样承受剧烈的搅拌冲击，相对而来，生物膜内的菌群聚居的为环境 较安干扰较小，生物膜固着在填料上，平均停留时间长，因此在生物膜上能够生长世代 时间较长、比增殖速度很小的微生物。 ( 2 ) 牛物的食物链长生物膜内的微生物中，既有微生物菌群，主要以有机底物和营 养物为食；也存在大量的微型动物如原生动物、后生动物、微型动物，主要以微生物为 食，为动物营养。动物性营养类这些微生物形成复杂而稳定的复合生态系统。因此，生 物膜上形成的食物链要长于活性污泥过程，产生的生物量也少于活性污泥过程。 ( 3 ) 微生物可存活世代时间较长在生物膜处理法中，生物污泥的生物固体停留时间 与污水的停留时间无关，使得硝化菌和亚硝化菌等世代时问较长的微生物得以繁衍增 值，生物固体停留时问( s i 江) 非常长，硝化菌和亚硝化菌适宜繁殖，所以生物膜处理法 的各项处理工艺都有一定的硝化功能【3 】。 ( 4 ) 每段都形成自己的优势种属生物膜处理法多为分段运行，生物膜反应器有利于 发挥各种微生物的生存优势，提高去除能力。 1 4 2 工艺特点 ( 1 ) 接触氧化池内的填料的比表面积大。在单位容积的生物固体量方面，生物接触氧 化反应器高于活性污泥法曝气池及生物滤池，生物接触氧化反应器具有较高的容积负 荷，m l s s 量大，相对说效率较高。 ( 2 ) 运行管理方便，动力消耗少。生物膜不随水体流失，因此不需要污泥回流，不产 生污泥膨胀问题，易于维护管理。 ( 3 ) 对环境条件适应能力强。反应器对水质水量的骤变有较强的适应能力，在超负荷 运行条件下，仍能够保持较好的处理效果。生物膜对环境的强适应能力还表现为对低水 温和低浓度废水的适应性，较活性污泥处理过程可耐受的水温更低，更适于在寒冷地区 或季节应用。而且生物膜结构良好，更适合应用于废水的深度处理【7 1 。 ( 4 ) 剩余污泥量少，污泥沉降性好。易于固液分离。由生物膜上脱落下来的生物污泥， 所含动物成分较多，密度较大，而且污泥颗粒个体较大，沉降性能良好易于固液分离。 在活性污泥工程中，易发生污泥膨胀问题而使固液分离困难，而生物接触氧化反应器中 微生物附着生长，即使丝状菌大量生长，也不会导致污泥膨胀，相反还可利用丝状菌较 强的分解氧化能力，提高处理效果。 4 长安大学硕士学位论文 ( 5 ) 处理效能稳定、良好。由于生物接触氧化反应器具有较高的生物量，不需要污泥 回流，易于维护和管理。而且，生物膜终微生态结构丰富、微生物活性较强，各种菌群 之问存在着竞争、互生的平衡关系，具有多种污染物质转化和降解途径，故生物接触氧 化反应器具有处理效能稳定、处理效果良好的特征。 ( 6 ) 易于接种驯化，在较长时间停运生物反应器后，若再次运转生物反应器，可以很 快的恢复菌群，生成新的生物膜。 生物接触氧化法是一种具有活性污泥法特点的生物膜法，兼有生物膜法和活性污泥 法的优点，但仍以生物膜除污染过程为主。 1 5 影响生物接触氧化处理效果的因素 影响生物膜去除底物过程的因素包括三方面：其一是废( 污) 水水质特性；其二是 生物膜自身特性；其三是生物膜处理过程的特性参数。生物接触氧化法中微生物生活在 一定的环境中，因而与微生物生活环境关系极为密切。环境条件的改变必然影响到微生 物的活性，进而影响生物膜去除底物的效率。在各种影响因素中，最主要的有：进水的 底物浓度、进水营养物质结构、水力停留时间、底物负荷、水力负荷、溶解氧含量、p h 值和温度的作用等【矧。 在进水水质和自身生物膜特性稳定下，生物膜处理过程的特性参数便是影响生物接 触氧化法处理效果的因素。其影响因素有：水温、进水底物浓度、水力停留时间h r t 、 溶解氧d o 、p h 值和填料。 ( 1 ) 水温 温度是重要的环境因素，对生物膜反应器的影响是多方面的。温度降低，微生物活 性以及生化反应速率都下降；温度上升，活性以及生化反应速率随之提高。生物膜处理 过程较活性污泥处理过程更能承受低水温的影响，生物膜系统在5 。c 时仍能保持一定的 除污效能，而活性污泥在水温低于1 0 时，微生物活性急剧减弱，净化效能大幅下降。 生化处理温度以2 0 一3 0 最佳。另外温度对反应器的启动也很重要，在低于1 5 的水 温时微生物生长繁殖缓慢，难以形成生物膜3 7 1 。 ( 2 ) 进水底物浓度 污水流量及其有机物的含量就是影响反应器性能的重要因素之一。稳定的生物膜系 统中，短时底物浓度升高会增加传质推动力，促进生物膜生长，菌群活性高；底物浓度 降低时，生物膜内的传质推动力下降，底物多在生物膜的表面得到降解，生物膜厚度稳 定。 第一章绪论 进水底物浓度不稳定的变化会导致微生物生长繁殖和降解能力的改变，会影响到反 应器的处理效率。 ( 3 ) 水力停留时间h r t 水力停留时间h r t 直接影响着生物接触氧化的处理效果，同时也决定了建设和投 资规模。生化处理需要一定时间保证，停留时间越长，水处理效果越好，经济投资高； 停留时间越短，处理效果差，但是经济投资低，选择停留时间要兼顾经济型和高效性。 停留时间还影响反应器内水体流态，改变生物膜内部传质作用和生物膜活性。停留时间 短，能够增强生物膜的活性，提高传质效率，但停留时间过短，水体与生物膜接触时间 过短，水力冲刷作用大，易造成生物膜的流失，因此要选择合适的水力停留时间2 8 1 。 ( 4 ) 溶解氧d o 溶解氧值是生物接触氧化工艺的重要控制参数。在实际运行中，进水溶解氧高，生 物降解速度快；溶解氧不足时，生物降解速度慢，生物膜的生长受到抑制，这使膜恶化 变质，出水水质下降。但是溶解氧量大，同样动力消耗也大，运行费用也会随之提高。 选择合理的溶解氧值标准，既要保证水处理效果的稳定性，同时兼顾经济的合理性。在 生物膜处理过程中，d o 不仅与除污过程相关而且由于生物膜内d o 传质阻力较活性污 泥强，故两者除污效能相同时，生物膜系统要求的d o 水平要高于活性污泥系鲥3 1 。 ( 5 ) p h p h 值是重要的环境因素，与微生物的生长、繁殖等生命活动有着重要关系。p h 值 的限制主要是针对存在消耗或释放碱度的处理过程而言。在传统生物脱氮过程中，硝化 反应所消耗的碱度多于反硝化过程产生的碱度。适宜微生物生长繁殖的p h 值范围：p h 值在4 1 0 之间，适宜一般细菌、放线菌、藻类和原生动物的生长；p h 值低于4 5 ，适 宜真菌的生长。 在p h = 6 5 8 5 时，放线菌、藻类、原生动物和后生动物最适宜生长繁殖，因此对 于好氧膜，p h 控制在6 0 9 0 较好。只有在最适p h 值范围，接触氧化反应器才能更有 效的运行。 ( 6 ) 填料 填料是微生物赖以栖息的场所，影响微生物的生长、繁殖、脱落和形态。填料、料 不仅与去除效果有关，而且与氧化池的工程造价、运行费用等密切相关】。填料是生物 接触氧化法的主体，应具备的条件有：水力特征方面，要求质量轻、强度高、比表面积 大、空隙率高、阻力小；生物膜附着方面，要求填料外观形状规则、尺寸统一、表面粗 6 长安大学硕士学位论文 糙度大；填料生物和化学稳定性强、不产生二次污染2 1 1 。 1 6 生物接触氧化法填料的分类与应用及研究进展 1 6 1 填料在生物接触氧化反应器中的作用 填料在生物膜反应器中的作用主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 容纳附着微生物。 ( 2 ) 填料是反应器中生物膜与废水接触的场所【9 1 。 ( 3 ) 对水中的悬浮物有一定的截留作用。 由于以上原因，因此填料的性能直接影响水处理工艺的处理效率，是生物膜反应器 中最重要的组成。 1 6 2 生物接触氧化反应器中填料的选择依据 微生物在生物处理实际工程中应用效果的优劣，与所用的填料特性有密切的联系。 不同的填料具有不同的特性，适用于不同的场合。若选用填料不合理，则不仅生物处理 效果达不到既定目标，甚至可使整个生物处理过程失败。因而合理选用填料并将其合理 应用是至关重要的。在选择填料的时候，根据工艺条件主要考虑以下几个方面【3 】【4 】【5 】： ( 1 ) 足够的机械强度 在污水的处理过程中，要对污水进行不同程度的搅动，会强烈的水力剪切作用。因 此，填料的材质必须要有足够高的机械强度以抵抗强烈的水力剪切作用。要具有一定的 机械强度，不然在操作过程中，一定程度的伤害会引起功能损失，这使得生物反应器中的 微生物不断变幻，导致出水水质变化【5 】o ( 2 ) 稳定性 污水中污染物的去除过程是物化和生物反应相结合的复杂过程，这就要求填料本身 不参与其中的任何反应，并具有一定的稳定性，包括热力学稳定性、化学稳定性和生物 稳定性。要求填料要有一定的热力学稳定性，不因周同温度的变化而改变自身的性能； 填料必须是化学惰性的，不参与周围环境的化学反应，不参与微生物的生物反应，能够 抵抗微生物的腐蚀以及具有不可降解性。 ( 3 ) 良好的物理性状 物理性状包括填料的比表面积和空隙率等。 填料的比表面积是影响生物接触氧化法效率的重要因素。填料的比表面积越大，微 生物与填料表面接触的几率就会增大，填料表面所能附着和固定的微生物数量也随之增 7 第一章绪论 多。填料的比表面积大小与填料的形态、表面粗糙度和空隙率都密切相关3 1 。填料具有 一定的空隙率在一定程度上会提高传质效率，有利于生物膜的形成和改善废水的处理效 果【4 1 。 ( 4 ) l l 重 载体的比重对于悬浮载体生物膜系统的运行是一个必须考虑的因素。载体比重过 大，造成载体悬浮困难或能耗过高；比重过小，难以维持载体在反应器中的一定的流态。 为了防止填料的堵塞，工艺要求附着有生物膜的填料在曝气条件下能随水流一起运动， 所以要求其比重与水接近。 ( 5 ) 造价成本和使用寿命 在选用填料时，填料的性价比是一个很重要的因素。填料在使用后，是很难恢复原 状的，而频繁的维修，还会造成更大的经济负担，所以要特别重视使用寿命的问题。另 外还要考虑填料的可再生循环利用性2 8 1 。 从经济学的角度，可重复性在大型工业中有重要意义。从工程学的角度来看，应该 避免选用耗材的污水处理的载体。同时也要考虑价格因素。在性能和价格，应采取优化 选择。 1 6 3 生物接触氧化反应器中常用填料- 陛能参数 目前国内常用的填料有：整体型、悬浮型和悬挂型，其技术性能见表1 1 。 表1 1 常用填料技术性能 名励 整体型悬浮型悬挂型 项目 立体蜂窝柱状内置式悬浮填料半软性填料弹性立体填 网状直管料 l l 3 揪( m 2 m 3 ) 5 0 一l l o7 4 1 0 02 7 86 5 0 7 0 0 8 0 1 2 0 1 1 6 1 3 3 孔隙率( ) 9 5 9 99 9 9 89 0 9 7 内置纤维束1 2 束 9 6 成品重量( k g m 3 ) 2 04 5 3 87 6 个4 0 9 个纤维柬 3 6 “7 k g m2 7 - - 4 9 9 k g m 挂膜重_ 一1 1 。m 3 ) 1 9 0 3 1 6重最1 眦o g 个 4 8 5 2 9 片 填充率( ) 3 0 - - 4 05 0 7 06 0 8 0堆积数量1 0 0 0 个1 0 0 1 0 0 m 3 产品直径1 0 0 填料容积负正常负荷 4 4 3 4 51 5 2 o2 3 2 2 5 荷 k g c o d 冲击负荷 5 74 一石35 ( m 3 d ) 】 安装条件整体整体悬浮悬浮吊装吊装 8 长安大学硕士学位论文 第二章试验研究内容及方法 2 1 试验目的 生物接触氧化法的核心是为微生物提供繁殖生长的填料，本研究通过改善填料的结 构，以提高新型填料的各项性能，从而研制开发一种优质高性能填料。 本研究不仅注重填料比表面积的研究，还特别侧重强化以下功能：( 1 ) 缩短生物膜 培养驯化周期的能力；( 2 ) 具有沉降截留能力，提高生物浓度，降低污泥负荷；( 3 ) 延长 气饱的停留时间和气液的接触时间，提高氧的转移率。( 4 ) 从强化传质效率的角度出发， 创造良好的传质扩散条件，从而大幅度提高处理效率和有机底物的利用率，减少反应装 置的体积。 按照上述思路和要求，选择了结构为镶嵌兰炭和自然材料的无毒固体管锥形的混合 填料，该反应器称之为混合填料生物反应器( m i x e df i l t e rb i o m e m b r a n c er e a c t o r ) 。 2 2 试验研究内容 1 、混合填料生物反应器特性研究 ( 1 ) 混合填料生物反应器构造形式分析； ( 2 ) 混合填料生物反应器沉淀截留性能分析； ( 3 ) 混合填料生物反应器氧转移速率影响实验研究。 2 、混合填料生物反应器的启动、运行及处理特性研究 ( 1 ) 混合填料生物反应器启动挂膜过程的运行条件和特性研究； ( 2 ) 混合填料生物反应器的基本运行参数、有机底物降解规律研究，得出工艺的最佳 运行条件； 3 、混合填料生物反应器对有机物去除的影响因素研究 ( 1 ) 温度对有机物去除效果的影响研究； ( 2 ) p h 值对有机物去除效果的影响研究； ( 3 ) d o 值对有机物去除效果的影响研究。 4 、混合填料生物反应器生化反应动力学模型 2 3 课题研究技术路线 本试验所采用的研究技术路线如图2 1 所示。 9 第二章试验研究内容及方法 j 收集资料并查阅文献，分析并研究生物 接触氧化法存在的问题及发展趋势。 图2 1 技术路线图 2 4 试验装置与分析方法 2 4 1 实验原料 ( 1 ) 填料选取依据 主体填料：生物接触氧化法中，流态是影响生物处理效果的重要因素，同时填料形 状是影响流态的重要因素。理论研究证明球形是最理想的形状，因管状填料在流态上接 近于球状填料【9 】【l o 】，且球形填料生产制作成本高，而管状填料结构简单，加工容易。因 此实际应用中常用管状填料代替球状填料【1 1 】 兰炭选择：兰炭具有高比表面积和空隙，吸附和附着微生物性能良好。 朽木选择：不饱和生物炭是利用木炭的多孔径结构，通过对其进行物理改性使其孔 径均匀，给细菌、微生物、原生动物和后生动物的栖息、生存创造了良好的生态环境， 组成完整的生物链群，生息繁衍、循环不止，从而消化分解水中的有机物质，使水质澄 l o 长安大学硕士学位论文 清，与活性炭的吸附机理完全不同。朽木与微生物有良好的相容性。朽木表面光滑的膜 有利于微生物进入朽木的毛细孔，形成优势菌群，大大提高净化污水的能力。这种填 料的大比表面积，给生物栖息提供了巨大空间，使大量的微生物得以附着，可以维持很 高的生物量。 废铁屑选择：加入铁屑后，利用铁屑和兰炭的微电解原理来强化生物膜的生物处理 方法，可以提高废水可生化性和污泥沉降性能。同时还对污水有预处理的作用：为微生 物生长提供电子并氧化降解有机物，促进絮凝沉淀，加强处理效果。 沸石选择：在水处理领域，沸石具有特殊的离子交换和较好的吸附性能，能有效的 聚集水中污染物，对氨氮和磷有很好的去除效果。 ( 2 ) 填料性能参数 兰炭，固定碳 8 2 ，挥发份 4 ，灰份 6 ，硫 0 3 ，水份 1 0 ，孔隙率4 5 。 粒度：1 3 2 5 m m ，选用2 0 m m 为佳。煤样随着粒径的减小，其比表面积和空隙极限容积 增大。比表面积数值增加也有显著的增加。 沸石，长度为2 , - , 4 c m 。沸石的空隙率为0 4 0 ，热重分析失重8 7 ( 4 0 0 。c ) ，格架密 度1 8 5 9 e m 3 ，含水沸石密度2 2 5 9 c m 3 ，热稳定。陛 7 0 0 c 。 废铁屑和朽木，长度为2 , - , 4 c m ，直径 1 2 0 ( 2 时的控制指标，括号内数值为水温 1 2 0 ( 2 时的控制 指标。 1 4 长安大学硕士学位论文 第三章混合填料特性和应用基础试验研究与分析 3 1 混合填料堆积平均角度统计分析 在本试验中，采用和实验用反应器相同的容器对管锥形填料平均角度进行测定，将 混合填料随意散落摆放至反应器中，测量填料的角度。每次试验放置6 次，同时测量角 度，取平均值作为填料角度的测定结果，共进行8 次试验【3 4 1 。 经测量计算，反应器内填料的平均角度为3 3 0 ，实际测量结果见表3 1 。 表3 1 反应器内填料的平均角度实际测量结果 次数123 4 5678平均 角度( 度) 4 3 3 03 5 0 82 3 3 52 2 2 11 4 4 04 2 2 73 9 1 34 2 6 03 3 3 2 混合填料的沉淀截留性能试验 悬浮物的沉淀截留性能试验的目的是为了验证混合填料对污水中悬浮状污染物的 截留去除能力。 3 2 1 性能测定试验方法 试验装置和试验流程见图2 2 、2 3 。 将混合填料加入反应器中，试验处理原水用蠕动泵加入反应器中，通过测定反应器 进、出水浊度的变化来研究混合填料对浊度的去除效果。 浊度( 又称浑浊度) 表现水中悬浮物对管线透过时所发生的阻碍程度，以度为单位， 是天然水和饮用水的一项重要指标。是测定水质好坏的一个重要标志，它既反映水的表 观质量，又反映水的内在质量。悬浮固体( s s ) 或叫悬浮物。把水样用滤纸过滤后，被 滤纸截留的滤渣，放置在1 0 5 11 0 烘箱中烘干至恒重，所得重量称为悬浮固体。本 试验水样的污染物主要是污水中的微细颗粒，因此，水的浊度与水中悬浮物具有相关性 1 1 3 1 1 4 1 ，测定水的浊度变化就能间接反映水中悬浮物的变化规律。 试验分为在反应器内添加填料和不加填料两种情况下分别进行了有曝气和无曝气 两种对比试验，以测定添加填料对反应器浊度去除的影响【2 4 】。 反应器的沉淀截留性能试验的试验条件为：反应器中的进水流量为l1 4 m l m i n ，污 水在反应器内的停留时间为2 h 。反应器内温度t = 1 5 - 2 0 ，p h = 6 2 - - 7 7 。 d o = 3 0 4 0 m g l 。 3 2 2 试验结果分析 在反应器不曝气时试验结果见表3 2 和图3 1 。 第三章混合填料特性和应用基础试验研究与分析 表3 2 无曝气时混合填料生物反应器的沉淀截留试验结果 取样时间( r a i n ) 051 53 04 5 6 09 0 1 2 0 反应器出水浊度( n t u ) 2 1 7 41 6 11 9 7 22 6 8 42 1 1 22 6 2 92 0 3 51 8 4 3 去除率( ) 8 3 8 7 48 4 6 7 98 3 5 7 9 58 4 1 8 5 6 对比试验出水浊度( n t u ) 7 4 27 77 8 17 77 3 47 7 27 3 37 9 1 去除率( ) 4 1 83 9 33 93 9 54 3 23 9 74 0 53 8 2 图3 1 混合填料生物反应器对污水中浊度的去除试验图 从表3 2 和图3 1 中可以看出，有填料反应器对浊度的平均去除率为8 2 ，无填料 反应器平均去除率为4 0 ，去除率提高了2 倍。试验结果表明，投加填料可以明显提高 反应器对浊度的去除效果。 有曝气时，加填料的反应器的试验结