（环境工程专业论文）曝气生物滤池在中水工程中的应用及虚拟设备研究.pdf

摘要 摘要 曝气生物滤池是符合我国国情的简易高效低耗的城市污水处理新工艺，近 十几年来发展迅速，将成为解决我国所面临的严峻的水环境污染和水资源短缺 问题的主要技术途径之一。本文对采用上流式曝气生物滤池的一个中水项目进 行了研究。具体内容如下： l 、考察了该工艺的处理效果，并研究水力负荷等因素对曝气生物滤池处理 性能的影响。曝气生物滤池采用自然挂膜的启动方式所需时间较短，大约经过 1 5 天左右的时间即可挂膜成功，c o d 、氨氮去除率分别稳定在8 0 、6 0 左右。 2 、根据假设条件，建立曝气生物滤池的经验模型和多基质模型。 3 、基于模型把虚拟仪器与水处理工艺相结合，利用虚拟仪器开发环境 l a b v i e w 开发了曝气生物滤池虚拟设备。 4 、以调试过程中的数据进行动态和静态模拟计算，对实测数据与模拟数据 进行了比较分析，并根据虚拟设备对出水的总氮进行了预测，对参数灵敏性也 进行了模拟分析。 5 、模拟分析结果与实验测量值的对比表明：仿真结果与实测数据吻合较好， 在一定条件下，系统状态对参数的变化表现出一定的敏感性。本文的工作表明 l a b v i e w 用于环境工程领域具有广阔的应用前景。 关健词：曝气生物滤池；中水：虚拟设备；l a b v i e w ； a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea e r a t db i o l o g i c a lf i t e r ( b a f ) i sa s i m p l e ，h i g h - e f f i c i e n t ，l o w c o n s u m p t i v e f o rm u n i c i p a ls e w a g et r e a t m e n tc o r r e s p o n dt ot h es i t u a t i o no fc h i n a ，d e v e l o p e d r a p i d l yi nl a s tt e ny e a r s ，w i l lb eo n eo ft h ei m p o r t a n tt e c h n i c a la p p r o a c h e st os o l v et h e w a t e rp o l l u t i o na n ds h o r t a g ep r o b l e mf a c e dc h i n a t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e e x p e r i m e n t a ls t u d ya n dm e c h a n i s ma n a l y s i si nw h i c ht h eu p f l o wa e r a t e db i o l o g i c a l f i l t e rw a sa d o p t e do n o n er e c l a i m e dw a t e rp r o j e c t t h em a i nc o n t e n ti sf o l l o w s 1 t h er e m o v a lp e r f o r m a n c ea n dh y d r a u l i cl o a d i n gf a c t o r st oi n f l u e n c et h e r e m o v a le f f e c to fp o l l u t a n t sw a ss t u d i e d i tt a k ea b o u t15d a y st os u c c e e di n c u l t i v a t i n gb i o f i l m ，a n dt h er e m o v a lr a t i o so fc o d 、n h 3 - ng e t st o8 0 a n d6 0 2 a c o r d d i n gt ot h ea s s u m e dc o n d i t i o n ，e m p i r i c a lm o d e la n db i o f i l mm u l t i p l e - s u b s t r a t es i m p l i f i e dm o d e lw a se s t a b l i s h e d 3 b a s e do nt h et w om o d e l st h ep a p e rt r i e dt oc o m b i n et h ev i r t u a li n s t r u m e n t w i t hw a t e rt r e a t m e n tt e c h n i q u e ，t h es i m u l a t i o ns y s t e mf o rb i o l o g i c a la e r a t e d f i l t e r ( b a f ) w a sd e v e l o p e db yu s i n gv i r t u a li n s t r u m e n td e v e l o p m e n t s o f t w a r e l a b v i e w 4 t h et o t a ln i t r o g e nc o n t e n to ft h et r e a t e dw a t e rw a sp r e d i c t e da n dt h e s i m u l a t i o na n dm e a s u r e m e n td a t ew e r ec o m p a r e dd u r i n gt h es t e a d y s t a t ea n dd y n a m i c s i m u l a t i o nb yu s i n gt h es i m u l a t i o ns y s t e ma c o r d i n gt ot h ec h e c k i n gd a t e a tt h es a m e t i m e ，p a r a m e t r i cs e n s i t i v i t yo fr e a c t o rw a ss i m u l a t e da n da n a l y s e d 5 c o m p a r i s o nb e t w e e ns i m u l a t i o na n dm e a s u r e m e n td a t as h o w s t h a ts i m u l a t i o n r e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n t a ld a t a ，t h ep a r a m e t r i cs e n s i t i v i t yo f b a fw a sd e s p i r e dw i t h i nt h ed e f i n i t ec o n d i t i o n t h es t u d yd e s c r i b e di nt h ep a p e r s h o w e dt h a tl a b v i e ww a so n eo fa l l r i g h tt o o l sf o rs i m u l a t i o na n dh a daw i d e f o r e g r o u n di ne n v i r o n m e n te n g i n e e r i n gf i e l d k e yw o r d s ：b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ；r e c l a i m e dw a t e r ；v i r t u a li n s t r u m e n t ； l a b v i e w ： i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特另t l d l ：i 以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：苦i 朔两签字日期：渤缉i & 月l g 日 学位论文作者签名( 手写) ：眵l 叼昨签字日期：渤：缉i & 月l 苔日 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 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、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本 学位论文作者签名：专研产 导师签名： 学位论文作者签名：眵惭伊 导师签名： 签字日期：抛绛明i 略签字日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 由于世界人口增长和社会经济的发展，人类的用水量剧增，原有的清洁水 资源受到人类活动的污染，使地球上水资源利用日趋紧缺。我国是一个缺水大 国，根据水利部 2 1 世纪中国水供求分析，2 0 1 0 年我国工业、农业、生活及 生态环境总需水量在中等干旱年为69 8 8 亿m 3 ，供水总量66 7 0 亿m 3 ，缺水3 1 8 亿。这表明，2 0 1 0 年后我国将开始进入严重的缺水期【l 】。而我国也同样面临水 资源短缺的现实。我国是世界上水资源最缺乏的国家之一，目前人均年占有水 资源2 7 0 0 m 3 仅相当于世界平均水平的1 4 ，我国的城市缺水现象更为严重，在 3 0 0 多个大中城市中有1 8 0 个城市缺水，其中5 0 多个城市严重缺水。 由于水资源的不足，我国城市工业每年损失达数千亿元。实施中水回用可 将治理与开发并举，是一种立足本地水资源，解决水资源短缺的现实可行的有 效措施。中水利用是污水资源化的一个重要方面，由于有明显的社会效益和经 济效益，已受到各方面的重视，特别是一些严重缺水的国家和地区。经测算， 烹饪、饮用水仅占生活用水的5 左右，而2 0 3 0 不同人体直接接触的杂用水 并无过高水质要求。专家指出，目前城镇供水量的8 0 转化为污水，如经再生 处理，7 0 可成为能二次安全回用的中水【2 1 ，相当于增加5 0 的城市供水量，因 此中水被称为第二水源。中水利用不仅可获得一部分水资源，还体现“优质优用、 低质低用”的用水原则。 近2 0 年来，计算机技术的迅速普及促进了测试测量和自动化仪器系统的革 新，其中最显著的一点就是虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ) 概念的出现与发 展【3 】。据专家预测：在未来的十几年内，我国约有5 0 的仪器将为虚拟仪器【4 1 。 仿真是当求解的实际问题有一定的复杂性时，先对该问题建立研究对象或过程 的数学模型，并以模型为基础对问题进行分析的过程【5 】。基于模型的虚拟仪器即 可用于新工艺的开发、探讨新运行策略的可行性；又能节省人力财力、提高科 研效率和过程控制效果。污水处理的仿真不仅能够为污水处理更好地实现自动 化提供理论基础，而且还能应用于污水处理厂的设计、改造和运行优化。这样 可以避免在建设或改造时的盲目性，节约资金和时间，且可以方便地制订出污 第一章绪论 水处理厂的优化运行方案达到提高出水水质、降低能耗等目的。这对于我国缺 少资金和能源的现状，尤其具有现实意义。 1 2 中水回用技术 1 2 1 中水系统的分类 在生产、生活中并非所有用水或用水场所都需要优质水，有些用水只需满 足一定的水质需要即可。生产、生活用水中约有4 0 的水是与人们紧密接触的， 如饮用、烹饪、洗浴等，这些方面对水质要求很高，必须用清洁水；还有多达6 0 的水是用在工业、农业灌溉、环卫和绿化等方面，这部分对水质要求不高，可 用中水代替。 所谓中水是相对于上水( 自来水) 和下水( 污水) 而言的，是指生活污水 经一定深度处理后，达到规定的水质标准，可在一定范围内重复使用的，可回 用于冲洗、喷洒、绿化、冷却等范围内的非饮用利6 1 。 根据服务范围的大小，中水系统大体可分为以下三种类型【7 】： 建筑中水系统：是在大型建筑物或建筑群中建立的中水系统。 建筑中水回用是国内外中水回用的最初形式，以单位建筑物自成系统的方 式进行处理及回用，即将建筑物产生的废水处理后回用于本单位厕所冲洗、洗 车和绿化等( 见图2 1 ) 。这种建筑物单独循环使用系统管理方便、责权分明， 容易调动积极性，在中水回用系统发展初期发展迅速。 图1 1 建筑中水系统图 ( 2 ) 区域中水系统：是在建筑小区或学校、机关单位、工业企业内建立的 中水系统，也可由几个小区、单位联合建设。 2o 第一章绪论 根据各方水源组成和回用要求选择处理工艺，布置中水处理设施。这种中 水系统范围较大，水源和用水较易达到水量平衡，处理规模相对较大，具有一 定规模效应，单位投资较省。 ( 3 ) 城市中水系统，我国又叫做污水回用系统：是在整个城市规划区内建 立的污水回用系统。 城市污水处理厂出水水质好且水量大，是重要的可利用再生水资源。在城 市规划中，根据污水处理厂建设需要布置回用系统，污水处理需要增加回用设 施，并根据回用单位和农业灌溉的需要布置回用管渠，一次性投资较大，但容 易产生规模效益，集中建设便于管理，从长远来说是污水再生回用的主要形式 和发展方向。 图2 1 区域中水系统图 3 第一章绪论 图1 3 城市中水系统图 1 2 2 国内外中水技术发展动态 伴随着水的供需矛盾和水环境日趋恶化等现象的出现，世界上不少城市把 污水处理回用作为开发新水源的途径之一，中水开发和回用技术近期得到了迅 速发展，在世界许多国家都得到了广泛的应用。这些国家均以本国度、区域的 特点确定出适合其国情国力的中水回用技术，使中水回用技术越来越臻于完善。 根据不同的回用目的，污水具有不同的回用方式，常见的有农田灌溉、工业用 水、城市非饮用水( 浇灌，冲厕，环境修复) 、非直接饮用性的回用等。 国外对城市污水回用的研究较早，实施规模大，取得了良好的环境与经济 效益，如日本、美国、南非、以色列等国家都是世界上研究污水再生利用较早 的国家。迄今为止，只有美国科罗拉多州的丹佛市( w i l l i a mcl a u e r ，s t e p h e ne r o g e r s ，2 0 0 3 ) 和南非的温德霍克市建成的污水厂出水直接作为城市饮用水的补 充水源。这种方式只是对严重缺水的地方有必要，更多的城市是用作生活杂用 水和工业冷却水。 ( 1 ) 美国【8 】 9 1 1 0 1 i h 美国是世界上采用污水再生利用最早国家之一。美国环保局( u s e p a ) 非 常重视污水回用的系统性研究和技术规范化工作；1 9 9 2 年美国环保局( u s e p a ) 4 第一章绪论 会同有关部f - j 铝, j 定了污水回用指南( g u i d e l i n e sf o rw a t e rr e u s e ) ，对污水回 用系统、技术、用途、水质标准等作了具体规定。目前美国已有1 8 个州就污水 回用情况制定了有关法规，包含有完整的指导方针或设计标准。为了最大限度 的利用有限的水资源，美国加州的法律甚至规定：如果有可获得的回用水时， 不能用饮用水浇洒灌溉。 上一个世纪末期，美国在水领域的总体战略目标发生了调整，由单纯的水 污染控制转变为全方位的水环境可持续发展( w a t e rp o l l u t i o nc o n t r o l w a t e r s h e d s ) 。“w a t e r s h e d s ”的含义是：由可划分的水系、排放系统、以及接收水 体所界定的地区或范围，可权且称之为“水区”。“水区 提出的背景是基于美 国经济和社会的可持续发展。 美国利用回收水始于1 9 2 6 年，到1 9 7 1 年己有3 5 8 家工厂利用处理后的城 市污水，回收量为5 1 亿m 3 。8 0 年代开始有近3 0 家工厂连续使用处理后的城市 污水，年用量约3 亿m 3 。美国加州的奥兰治从1 9 8 0 年起将回收水作为人工回灌 的水源，每天回灌1 9 亿i t l 3 的二级处理水。得克萨斯州埃尔帕索的弗雷得赫维 回收站1 9 8 6 年把6 0 0 多万m 3 达到饮用水标准的回收水引入地下水库，平均每 天处理3 8 万m 3 。美国加利福尼亚州每年利用净化污水2 7 亿m 3 ，相当1 0 0 万 人口一年的用水量，净化污水主要用于灌溉、浇灌公园花木。 佛罗里达州的圣彼得堡，是美国唯一完全实现污水循环的大城市，它利用 了自己产生的全部污水，不向周围河湖排放任何污水，这个城市有两套配水系 统，一套系统输送新鲜淡水供饮用和家庭用水，另一套系统输送中水用于灌溉 公园、绿地、草坪以及清洗车辆等其它用水标准较低的地方。 美国污水回用最典型的城市是洛杉矶，当地水资源贫乏，历来依靠外调水 以满足不断增长的用水需求，由于昂贵的建设费用与环境压力，扩建新水源异 常困难，污水回用成为弥补水资源供需缺口的重要方法。 ( 2 ) 以色y d t l 2 j 以色列是东地中海国家，大部分为干早和半干旱地带，人口6 0 0 多万，水 资源总量1 9 6 9 亿m 3 ，人均水资源占有量3 0 0 m 3 左右。大多数地区每年有8 个 月需进行农业灌溉，在较干旱的地区，甚至在冬季也需要进行灌溉。1 9 9 0 年， 全国取水量己达1 8 1 9 亿m 3 ，由于开采量过大，导致地下水水位下降和水质恶 化。为了解决水资源与用水需求之间的矛盾，采取了污水回用措施。 早在2 0 世纪6 0 年代，以色列便把污水回用列为一项国家政策。在回用方 5 第一章绪论 式上包括小型社区的就地回用、中等规模城镇和大城市污水的区域级回用工程。 同时以色列在全国范围内采取合适的工业布局，从而使得污水处理后的出水在 处理成本比较低廉的前提下，能很容易达到各种回用水的水质标准。 自1 9 4 8 年以色列建国以来，水资源的丌发和消耗迅速增长，目f j 所利用的 水量己超过水资源容量的9 5 ，年用水量达2 0 亿m 3 。实际上以色列已无常规的 淡水资源可供开发，水的需求只能采取增加人工降雨、废水回用、处理含盐水 及海水淡化等措施予以解决。在总量2 9 亿m 3 的废水中已有2 亿m 3 得以处理回 用于非食用作物的灌溉( 8 5 用于棉花灌溉) 。1 9 8 0 年，废污水再利用的水量占 全国需水量的4 ，2 0 0 0 年能满足全国总需水量的1 6 。到2 1 世纪，达恩区污 水再用工程完成后，城市污水的重复利用率将提高到8 0 。 ( 3 ) 日本【1 3 】 f 1 本于1 9 6 2 年开始回用净化后的城市污水，开创了中水回用的先河。经 过3 0 多年的研究发展，同本的污水回用技术已达世界领先水平，日本人称为“中 水道 。在日本，再生污水主要用于居民区、商业区及学校杂用，包括回用于 厕所冲洗、绿化浇灌、景观用水。 9 0 年代初，日本在全国范围内对污水回用的可行性进行了深入研究，在严 重缺水地区大力推广污水回用技术。在1 9 9 1 年日本的“造水计划”中，明确将 污水回用技术作为最主要的研究内容加以资助，开发了很多污水深度处理工艺， 在新型脱氮除磷技术、膜分离技术、膜生物反应器技术等方面取得了很大进展， 建立起以赖沪内海地区为首的许多“水再生工厂 。日本的污水回用对象主要 有两个：一是河道景观用水，二是工业用水。 ( 4 ) 我国的情况 与发达国家和地区相比，我国中水利用起步相对较晚，我国无论在水资源 再利用的规划上还是再生水处理技术研究方面都存在较大差距。我国的污水回 用事业大致可以分为三个阶段，1 9 8 5 前的“六五”期间是起步阶段，1 9 8 6 - - 2 0 0 0 年的“七五”“八五九五”，这十五年时间是技术储备、示范工程引导阶段， 2 0 0 1 年以“十五纲要明确提出污水回用为标志，国家进入到全面启动的阶段。 我国对城市污水再生利用的研究，虽然早在1 9 5 8 年就开始列入国家科研 课题，但由于资金有限、规模小，加之对中水回用带来的效益缺乏足够的认识， 发展缓慢。6 0 年代开始起步，在北方的一些缺水地区进行引污灌溉，关于污水 灌溉的研究已达到一定水平。7 0 年代中期进行了以回用为目的的城市污水深度 6 第一章绪论 处理小试，分别在大连、青岛开展试验性探索。大连的小试于1 9 8 3 年通过了 建设部的鉴定，认为是国内首次提出有关城市污水再生利用的有用成果，青岛 也于1 9 8 4 年顺利完成了中试研究，填补了国内在该领域的空白【j 4 】。8 0 年代， 针对我国北方城市在经济发展中急需解决的缺水问题，开始城市污水资源化研 究。这期间是技术储备，示范工程引导阶段，研究开发了适用于部分缺水城市 的污水回用成套技术、水质指标及回用途径，并相继在青岛、大连、太原、北 京、天津、西安等大城市开展了污水回用于工业、民用的实验研究，其中有些 城市已建设了回用试点工程并取得了良好的效果。但是，由于受管理体制及工 程资金的限制，全国污水回用工程建设很少，污水回用没有得到大范围的推广。 2 0 0 0 年以后，随着城市水资源供需矛盾的日益尖锐，中水回用进入全面启动阶 段。目前，已建成的规模较大的污水再生回用工程高碑店污水处理厂【1 5 】， 每年节约清洁水1 1 0 8 m 3 。 2 0 0 0 年的大旱，给人们敲响了警钟，中国的水资源问题非常严重，寻找替 代水源被提到日程。以全国城市供水节水会议为契机，以“十五 纲要为标志， 污水回用被正式写入文件，表明全国开始全面启动污水回用，要大张旗鼓把污 水变成城市第二水源。全国污水回用率如果平均达到2 0 ( 南水北调的要求， 到2 0 3 0 年要达到3 0 ) ，“十五 末期年回用量可达4 0 亿立方米，是正常年份 年缺水6 0 亿立方米的6 7 。即通过污水回用，可解决全国城市缺水量的一多半， 回用规模回用潜力之大，足可以缓解一大批缺水城市的供水紧张。 1 2 3 中水处理工艺 为了把污水处理成符合生活杂用水水质标准的中水，一般要预处理、 主工艺、后处理三个阶段【1 6 1 。处理过程中产生的污泥和栅渣也需妥善处置。典 型的处理流程如下图： 翌竺兰 = = = = = = 吲圭三兰1 = = = = 二剖里兰兰_ l ( 1 ) 预处理阶段 前处理的目的是沉砂、除渣、隔油和调节水量。沉砂是从污水中分出密度 大于1 的沉降物，常用的装置有沉砂池。若污水中含有一定的无机物，当其进 入到处理构筑物后，可能会在流速缓慢的地方沉下来，也会随污泥进入到污泥 处理系统，并破坏管道和设备，此时应设沉砂池。 7 第一章绪论 除渣是去除粒径大于特定栅缝或筛孔的悬浮固体，常用的装置有格栅、水 力筛、毛发聚集器等；原水为洗浴( 涤) 排水的中水系统，污水泵吸水管上应 设置毛发聚集器，当原水为杂排水和生活污水时可设置粗细两道格栅，水质为 优质杂排水时可只设置一道细格栅。 隔油是指去除密度小于1 的漂浮物，常用的设备有隔油池、刮渣机等，当 原水中包括含油废水( 如厨房排水) 时，应加设隔油池。 调节水量主要依靠调节池，调节池宜设置防止沉淀的措施，如预曝气( 空 气搅拌兼有预氧化的作用) 、水泵定时搅拌等，为防止水质腐败，还可进行预氧 化；调节功能的优劣直接影响小型制备中水装置的效果。 ( 2 ) 主工艺 主工艺由混凝、沉淀、生物处理等单元技术中的一种或几种组合而成。主 工艺将随水源水质的不同而变化。当原水为优质杂排水时，水质较好，由于污 水中溶解性有机物含量相对不高，因此主要在于去除悬浮性杂质和少量溶解性 有机物，一般采用物理物理化学方法处理即可达到要求。当原水以生活污 水为主时，有机污染物较多，除了要去除悬浮杂质外，重点还要解决溶解的和 胶体的有机污染物，一般需要进行生物处理或生物处理与物化处理相结合的处 理流程。中水回用系统中应用较多的工艺有生物转盘( r b c ) 、生物接触氧化法 ( b o c ) 以及近期发展快速的曝气生物滤池( b a f ) 、膜生物反应器( m b r ) 、 周期循环延时曝气( c a s s ) 、土壤渗滤法( s a t ) 等【1 7 】。 i 、曝气生物滤池( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ，b a f ) 曝气生物滤池( b a f ) 工艺是2 0 世纪8 0 年代末在普通生物滤池的基础上， 借鉴给水滤池而开发的污水处理新工艺。它以3 8m l t l 的颗粒填料作为微生物膜 生长的载体，滤料层下部鼓风曝气，使空气与污水逆向或同向接触，污水中的 有机物在填料表面生物膜上进行吸附降解，填料还起到物理过滤作用。滤料表 面为好氧环境，内部为厌氧、缺氧的微环境，因此在厌氧、缺氧、好氧微生物 的作用下，硝化、反硝化作用同时进行。运行一段时间后，滤池需进行反冲洗， 反冲洗时既要冲掉滤料表面截留的s s 及多余的生物膜，又要保留新鲜生物膜， 以保持其快速降解有机物的高效性。 i i 、膜生物反应器( m e m b r a l l eb i o - - r e a c t o r ，m b r ) 膜生物反应器( m b r ) 是生物处理与膜分离技术相结合的高效污水处理新 工艺，在中水回用中得到越来越广泛的应用。由于膜生物反应器具有处理效率 8 第一章绪论 高、出水水质稳定、流程简化、装置紧凑、设备制造易产业化等特点，在污水 回用中表现出显著的优势。 、周期循环延时曝气( c y c l i ca c t i v es l u d g es y s t e m ，c a s s ) 周期循环延时曝气( c a s s ) 工艺是在s b r 基础上发展起来的，即在s b r 的进水端增加了一个生物选择器，实现了连续进水、间歇排水。设置生物选择 器，可以有效地抑制丝状菌的生长和繁殖，克服了污泥膨胀，使系统的运行稳 定性提高。c a s s 工艺对污染物质的降解是一个时间上向前推进的过程，集反应、 沉淀、排水于一体，是一个好氧一缺氧一厌氧交替运行的过程，具有一定的脱 氮除磷效果。与传统的活性污泥法相比，c a s s 工艺具有建设费用低，运行费用 省，有机物去除率高，出水水质好，管理简单，运行可靠，污泥产量低，性质 稳定等优点。 、土壤渗滤法( s o i l - - a q u i f e rt r e a t m e n t ，s a t ) 土壤渗滤法( s a t ) 是利用生态学原理与环境工程技术，将经过前处理的污 水投入到具有一定构造、良好扩散性能的土层中，在毛管浸润和土壤渗滤作用 下，利用土壤的物理、化学和生物净化功能，使生活污水中有机物、氮、磷等 物质得以转化利用，从而实现污水的再生与循环利用，以实现中水回用的目的。 v 、生物接触氧化法( b i o - - c o n t a c to x i d a t i o n ，b c o ) 生物接触氧化法( b c o ) 也叫浸没式生物膜法，是中水工程中应用最为广 泛的生物处理工艺。它在反应器内设置填料，经过充氧的废水与长满生物膜的 填料相接触，在生物膜的作用下，废水得到净化。 ( 3 ) 后处理 后处理以消毒处理为主，经前处理和主工艺处理后，水中细菌量大大减少， 但细菌的绝对值仍可观，仍存在病原菌的可能，必须进行消毒，以满足回用水 标准所规定的细菌学指标，保证用水安全，所以消毒是中水制备工艺中的重要 环节。常用的消毒剂有漂白粉、液氯、氯胺、次氯酸钠、二氧化氯、臭氧和紫 外线等，同时还有臭氧一氯、臭氧一氯胺等结合的方法及超滤、t i 0 2 光催化氧 化法等。 中水制备不宜选用液氯作为消毒剂，因为使用液氯有可能发生渗漏，后果 不堪设想。当选用漂白粉、漂粉精为消毒剂时应通过投配装置投加。次氯酸钠、 二氧化氯或臭氧为消毒剂时均应使用各自的发生器。当以优质杂排水为水源时， 消毒工艺也可以安排在调节池后、主工艺前，同样可以获得很好的灭菌效果i l 引。 9 第一章绪论 常用消毒方法的比较见下表： 表l - l 消毒方法比较 项目液氯 臭氧 二氧化氯紫外线加热 卤素( b r 2 ，1 2 ) 接触时间 1 0 2 05 l o1 0 2 0短1 0 2 01 0 3 0 m i n 使用荆量 1 01 02 5 ( m l ) 效率 有效有效有效有效 有效 有效 对细菌 对病毒 部分有效部分有效部分有效部分有效有效部分有效 便宜， 可除色、臭，杀菌效果 优点现场溶解氧好，无味， 快速，无化学 简单 同氯，对眼睛影 有后续消毒药剂响小 增加，无毒定型产品 对某些芽孢、病 无后续作用、 加热慢， 缺点毒无效，有残 比氯贵无后维修管理要无大规模使 能耗高，慢，比氯贵 续作用求较高用，对浊度要 毒，产生臭味价格高 求高 日渐广泛，与 中水及小水实验室及小规 用途常用氯结合生产 量工程 模应用较多 家庭消毒游泳池 高质水 1 2 曝气生物滤池 1 2 1 发展背景及应用现状 曝气生物滤池( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r , 简称b a f ) ，它属于固定生物膜反应 器( f i x e d - - f i l mr e a c t o r ) 的一种。国外研究者对于这类反应器的研究由来已久， 至今已有近1 6 0 年的历史。早在1 8 9 2 年w a r i n g 等人就尝试过在填充床内进行强 制曝气的试验【l9 1 ，其处理污水的原理与曝气生物滤池非常相似，后来由于生物 膜反应器在应用中易堵塞，填料性能不理想，环境卫生条件差，而且同期活性 污泥法飞速发展，导致生物膜工艺在各国的应用一度受到冷落。直到2 0 世纪中 期，研究者们在大量试验基础上，逐渐认识到生物膜法与活性污泥法各有千秋， 先后开发出塔式生物滤池、高负荷生物滤池、生物转盘、接触氧化、曝气流化 床等多种工艺。短短十几年时间，欧美等国家己建造了近两百座以曝气生物滤 池为主体工艺的市政污水处理厂，其发展势头和研究课题越来越受到各国研究 者和世界大型工程公司的关注。 曝气生物滤池技术最早由法国c g e 公司所属的o t v 公司开发【2 0 1 。目前在 l o 第一章绪论 欧美、日本等地已有数百座污水处理厂采用了该项技术。特别是在最近几年， 曝气生物滤池技术又有了长足的进步，一些国外著名环保公司都将其做为拳头 产品加以应用，其应用区域已经遍及全世界。 1 2 2 曝气生物滤池的原理和特点 曝气生物滤池借鉴了生物接触氧化反应器和深床过滤的设计原理，省去了 二次沉淀设备。反应器内存在着不同的好氧、缺氧区域。可同步实现硝化和反 硝化，在去除有机物的同时达到脱氮的目的【2 l 】。曝气生物滤池的基本原理是在 一级强化的基础上，以颗粒状填料及其附着生长的生物膜为主要处理介质，充 分发挥生物代谢作用、物理过滤作用、生物膜和填料的物理吸附作用以及反应 器内食物链的分级捕食作用，实现污染物在同一单元反应器内的去除。 曝气生物滤池的主要特点为：( 1 ) 采用小粒径颗粒填料作为过滤主体的池 型反应器。( 2 ) 同步发挥生物氧化作用和物理截留作用。( 3 ) 氧转移和利用效 率高。( 4 ) 具有较高的处理效率，出水水质好，能耐受较高负荷。( 5 ) 运行过程中 通过反冲洗去除滤层中截留的污染物和脱落的生物膜，不需要二沉池。( 6 ) 充分 借鉴了单元反应器原理，采用模块化结构设计，为整个工艺的紧凑化、设备化及改 扩建提供了有利条件。( 7 ) 反应器沿水流方向呈明显的空间梯度特征。 1 2 3 常规曝气生物滤池的分类 b a f 根据水流方向可分为上向流和下向流两种。下向流b a f ( 如 b i o c a r b o n e ) 纳污效率不高，运行周期短，现已被上向流b a f 逐渐取代。上 向流b a f 有b i o s t y r 、b i o f o r 等多种形式。国内则以b i o f o r 工艺为主， 下面分别对其进行介绍【2 2 】。 ( 1 ) b i o c a r b o n e 工艺 2 0 世纪8 0 年代末期，法国o t v 公司在废水处理领域首次开发出了 b i o c a r b o n e 工艺，它属于曝气生物滤池的最早形式。b i o c a r b o n e 工艺在 一个池内同时实现生物膜的生物处理技术和过滤澄清的物理处理技术，适用于 市政污水和工业废水的处理，对于去除c o d 、硝化、反硝化都有较好的效果。 该滤池的滤料采用比重大于1 的球型陶粒污水从滤池上部进入，向下流经滤 料，正常曝气管道位于滤料层中下部在运行过程中，由于滤料层截留了s s 及 生物膜的生长，水头损失逐渐增加，当达到设计值后，开始进行反冲洗，该滤 第一章绪论 池一般采用气水联合反冲，底部设反冲洗气、水装置。 b i o c a r b o n e 工艺属早期曝气生物滤池，其缺点是负荷不够高，且大量被 截留的s s 集中在滤池上端几十厘米处，此处水头损失占了整个滤池水头损失的 绝大部分。同时纳污能力不强，容易堵塞，运行周期短。 ( 2 ) b i o s t y r 工艺 b i o s t y r 工艺也是法国o t v 公司的注册工艺，是对其原有b i o c a r b o n e 的一个改进，由于采用了新型轻质悬浮填料b i o s t y r e n e ( 主要成分是聚 苯乙烯，且比重小于1 ) 而得名，填料漂浮在水中。污水从滤池底部进人，与空 气同向上流经滤料，滤料顶端安装有一定数量滤头的滤板以防止滤料流失，滤 板以上为反冲水储存区，靠重力流向下清洗滤料，曝气管依然位于滤料层中下 部，将滤料层分为好氧区和缺氧区，可设回流泵以进行反硝化。该滤池具有占 地小、滤料易得、处理效果好等特点，但结构较复杂、自控要求高。 相比而言，b i o s t y r 工艺有以下优点：( 1 ) 滤头布置在滤池顶部，与处理 后水接触不易堵塞，同时滤头可从滤板上部直接拆卸，便于更换：( 2 ) 重力流 反冲洗无需反冲泵，节省了动力；( 3 ) 硝化、反硝化可在同一池内完成。 ( 3 ) b i o f o r 工艺 b i o f o r 工艺是法国s u e z 一里昂水务下属的d e g r e m o n t 公司的一项专 利技术，并在此基础上研发了d e n s a d e g + b i o f o r 的污水处理工艺。b i o f o r 工艺应用的滤料为比重大于l 的沉没式轻质陶粒，水流方向与b i o s t y r 相同， 污水从滤池底部进人流经滤料从上部流出。不同的是滤料层以上不需设滤板， 曝气管安装在滤层以下的承托层中，避免了曝气孔的堵塞，反冲洗水流也是从 滤池底部进入，与反冲洗空气一起通过滤头进入滤层。 自从1 9 9 4 年欧洲建成第一座生产性b i o f o r 污水处理厂以来，b i o f o r 工 艺迅速在各国得到广泛应用。我国多座采用曝气生物滤池工艺的市政污水处理 厂( 大连马栏河污水处理厂、广东新会东郊污水处理厂、沈阳仙女河污水处理 厂等) 均采用了这种工艺，这种工艺相对简单，且滤料已国产化。 1 2 4 应用研究前景 曝气生物滤池是一种发展较快的新型生物处理技术，具有占地面积小、出水 水质高、投资省、运行灵活方便、易于管理、抗冲击能力强等特点，可用于受污 染水源水预处理、污水的二级和三级处理等。曝气生物滤池技术将污水生物处 1 2 第一章绪论 理与深层过滤集于一身，充分体现了现代水处理工艺的特点。作为一种高效、低 成本的污水处理新技术，曝气生物滤池在我国的应用还刚刚起步，随着社会的 发展和水资源的紧缺，对污水处理后的水质要求必将只益提高，更高的污水排 放水质标准和污水回用水源标准也将会逐步出台，这为曝气生物滤池技术在已 有的污水处理厂作深度处理，或在新建的污水处理厂中应用创造了条件。 应用曝气生物滤池技术进行有机物去除、硝化反硝化、微污染水源水预处 理等方面的研究进展较快，但生物膜处理机理、除磷和反应动力学的研究尚待深 入，有关反应器处理机理的理论体系还不完善。如何通过对曝气生物滤池运行特 征、处理效能等方面的深入研究以及对曝气生物滤池与其他工艺组合的优化研 究，将拓宽曝气生物滤池的应用范围，对曝气生物滤池在我国污水处理中的进 一步推广应用有积极的促进作用1 2 3 1 。 目前，在应用b a f 处理城市生活污水中c o d 、n h 3 n 等方面的研究比较 多，对生化反应机理与反应动力学的研究虽有一些，但尚待深入，有关理论体 系还有待完善。今后应该积极追踪国外b a f 技术发展动向，加强对于优质填料 的开发研究，对组合填料的处理效果进行进一步研究；在池体结构和运行方法 上积极研究，扬长避短，研究适合b a f 的前后处理单元，以利模块化组合；加 强b a f 对城市污水深度处理及回用处理的研究，强化b a f 对某些难降解污染物 的去除能力；采用合适的预处理技术与曝气生物滤池组成新型一体化反应器，将 为今后模块化组合大规模应用曝气生物滤池处理污水打下重要的基础。通过采 用改性处理的新型吸附型填料，可以大大强化曝气生物滤池对某些难降解污染物 的去除能力，从而在污水的高级处理和给水处理中发挥更大的作用【2 4 】。 1 3 虚拟仪器l a b v i e w 概述 1 3 1l a b v i e w 简介f 2 ”7 l l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验室虚 拟仪器工程平台) 是美国n l 公司( n a t i o n a li n s t r u m e n tc o m p a n y ，简称n i 公司) 推出的一种基于g 语言( g r a p h i c sl a n g u a g e ，图形化编程语言) 的虚拟仪器软 件开发工具。1 9 8 3 年，美国n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司一个致力于开发用于控制 仪器的b a s i c 程序的团队，注意到了工程师和科学工作者的这种需要，他们从 此全力投入一套新的用于开发仪器软件程序的专门工具，这套软件就是后来的 l a b v i e w 。经过十多年这套软件功能不断完善，从1 9 8 6 年的l a b v i e w i 0 版发 1 3 第一章绪论 展到2 0 0 2 年的l a b v i e w6 1 版，以及2 0 0 8 年的最新的l a b v i e w8 6 版。 1 9 8 6 年美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，简称n i ) 推出了图形化的 虚拟仪器编程环境l a b v i e w ，标志着虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ，简称v i ) 概念的成型。所谓虚拟仪器，就是用户在通用计算机平台上，根据需求定义和 设计仪器的测试功能，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台自 己设计的测试仪器。 虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式。 虚拟仪器不是一种具体的仪器，而是一种设计思想，在测试系统和仪器设计中 尽量用软件代替硬件，充分利用计算机来实现和扩展传统测试系统与仪器的功 能。虚拟仪器突破了传统仪器以硬件为主体的模式，实际上使用者是在操作具 有测试软件的电子计算机进行测量，犹如操作一台虚设的电子仪器。 1 3 2 虚拟仪器的应用 虚拟仪器的产生被认为是仪器、仪表工业划时代的里程碑。在近十多年时 间罩，虚拟仪器的销售额占有世界仪器仪表市场的1 0 左右，充分显示了虚拟 仪器强大的生命力。经过十几年的发展，虚拟仪器己经被广大用户认可，在发 达国家己经同趋成熟，广泛应用于众多工业领域，并且进入大学课堂和实验室， 在世界财富5 0 0 强中有超过9 0 的制造型企业应用到l a b v i e w1 3 0 】。 目前虚拟仪器广泛应用于工业自动化和控制系统、图像的采集和分析处理、 系统仿真、运动控制、远程监控、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故 障诊断、电子工程、电力工程及教学科研等诸多领域。l a b v i e w 在测试、工业 自动化、和数据分析领域起着重要作用。例如，在n a s a ( 美国国家航空和宇宙 航行局) 的喷气推进实验室，科学家使用l a b v i e w 来分析和显示火星探险旅行 者号自行装置的工程数据，包括自行装置的位置、温度和电池剩余电量，并总 体监测旅行者号的全面可用状态【4 】。 在水处理领域，国内外也有了一些虚拟仪器技术应用的报道。余颖，乔俊 飞等利用l a b v i e w 平台初步构建活性污泥法污水处理过程仿真模型3 2 】。蔡建安， j a m e sa s m i t h 在l a b v i e w 平台上开发的活性污泥法污水处理虚拟设备，以 反应动力学为基础构造基本模块，并通过程序内连线来实现工艺流程及组合的 改变1 3 3 j 。胡九如等在l a b v i e w 的编程平台上，基于m b r 脱c 、脱n 模型、溶解 氧浓度和膜面流速计算模型，对a i l r + m b r 工艺处理焦化废水的实验经行动态 模拟，结果表明模拟值与实验实测数据能较好地吻合【3 剞。 1 4 第二章课题来源及研究内容 第二章课题来源及研究内容 2 1 课题来源 景德镇市烟草专卖局( 景德镇烟草公司) 组建成立于1 9 8 5 年1 月1 日，统 一对全市烟草市场实行专卖管理和经营全