（环境工程专业论文）生物造粒流化床技术处理城市污水试验研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 生物造粒流化床技术处理城市污水试验研究 专业：环境工程 硕士生：占天刚 导师：王晓昌教授 摘要 生物造粒流化床是将传统的生物流化床技术与现代混凝造粒技术有机结合起来的 一种新型高效的污水处理技术。该工艺利用造粒流化床高效固液分离技术处理城市污 水，通过混凝造粒强化一级处理，在高效去除污水中悬浮及胶体态污染物的同时，通 过控制混凝条件、及混合液中的溶解氧等参数来营造良好的生物处理环境，实现高效 去除溶解性有机物( c o d 、b o d ) 、并达到高效脱氮除磷的目的。试验结果表明：在 p a c 投药量为3 0 , - - 4 0 m g l 、p a m 投药量为3 - 5 m g l 、搅拌转速为1 8 r r a i n 、处理进水量 为1 5 0 l h 时，生物造粒流化床对城市污水中c o d 、s s 、b o d 、浊度、色度、氨氮、 总氮、总磷均有较好的去除效果，平均去除率分别达至q8 9 、9 8 6 、8 7 5 、9 3 o 、 9 5 6 、6 7 6 、5 8 ，1 、9 5 ，出水水质达到或优于目前城市污水二级处理标准。在 造粒流化床内部，c o d 、b o d 、氨氮、总氮、总磷的浓度沿水流方向递减，而n o ；一n 、 n o j n 浓度沿水流方向递增，生物造粒流化床出水中残余的有机物分子量分布在 5 0 0 1 0 0 0 d a 之间，说明物化和生化同时发挥作用。生物造粒流化床脱氮除磷机理 可以用微环境等理论来解释，而除磷机理主要是化学除磷。通过动力学研究，表明 生物造粒流化床去除有机物的过程符合一级反应关系；从混合液的流态上看，是完全 混合流和一个推移流相串连，其中完全混合流部分的停留时间约为9 5 分钟，推移流部 分的停留时间约为7 4 5 分钟。 关键词：混凝造粒生物流化床城市污水处理 论文类型：应用基础 国家自然科学基金重点资助项目( 5 0 1 3 8 0 2 0 ) a s t u d y o nt h et r e a t m e n to fd o m e s t i cw a s t e w a t e r b yb i o l o g i c a lp e l l e t f l u i d i z e db e d s p e c i a l t y ：e n v i r o m n e n t a le n g i n e e r i n g m a s t e r ：z h a n t i a n g a n g t u t o r ：p r o f e s s o r w a n gx i a o c h a n g a b s t r a c t b i o l o g i c a lp e l l e tf l u i d i z e db e d i san e wa n de f f i c i e n tw a s t e w a t e r p r o c e s sw h i c hc o m b i n e s t r a d i t i o n a lb i o l o g i c a lf l u i d i z e db e d t e c h n i q u ew i 出p e l l e tc o a g u l m i o nt e c h n i q u ep e r f e c t l y t h i s p r o c e s s r e m o v e s o r g a n i cs u b s t a n c e s ，p h o s p h o r u s a n d n i t r o g e n a tt h es a m et i m e i na m i c r o e n v i r o n m e n to fn i t r i f i c a t i o ns i m u l t a n e o u sw i t hd e n i t r i f i c a t i o nb yc o n t r o l l i n gs o m et r i a l p a r a m e t e r s 刀砖e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h er e a c t o rc g nr e m o v ec o d 、s s 、b o d 、 t u r b i d i t y 、c o l o r 、n h 3 - n 、t na n dr i pe f f e c t i v e l y w h e nt h e 【p a c = 4 0 m g l ，【p a m i = 5 m g l ， s t i r r e dp a d d l er o t a t i o ns p e e d = 1 8 r m i n ，w a t e ri n t a k e = 1 5 0 l h ，t h ea v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c yi s 8 9 、9 8 6 、8 7 5 、9 3 o 、9 5 6 、6 7 6 、5 8 1 a n d9 5 r e s p e c t i v e l y t h ew a t e r q u a l i t yo ft h ee f f l u e n tr e a c h e st h es e c o n d a r ye f f l u e n ts t a n d a r do rb e t t e rt h a nt h a t t h e c o n c e n t r a t i o no fc o d 、b o d 、n h 3 二n 、 i na n dt pd e c r e a s ew h i l en o ；一na n dn o ：n i n c r e a s ea l o n gt h eh e i g h to ft h er e a c t i o nc o l u m n 硒es t u d yo nt h ed i s t r i b u t i o no f o r g a n i c s u b s t a n c e ss h o w st h a tt h em o l e c u l a rw e j 【曲td i s t r i b u t i o no fo r g a n i cs u b s t a n c e si nt h ee f f l u e n t m a i n l y d i s t r i b u t e s i n t h er a n g eo f 5 0 0 1 0 0 0 d a i ts h o w s t h a t i t a f f e c t e d b yc h e m i c a l 、p h y s i c a l a n dm i c r o b i a lf a c t st o g e t h e r t h em e c h a n i s mo fd e n i t r i f i c a f i o na n d d e p h o s p h o r y l a t i o nm a y b e e x p l a i n e db y t h et h e o r yo f m i c r o e n v i r o n m e n ta n dc e r t a i nc h e m i c a lr e a c t i o n s 1 1 1 en n e f i c s t u d y o bt h er e m o v a lo fo r g a n i cs u b s t a n c e sb yt h er e a c t o rs h o w st h a tt h ec o u r s ea c c o r d sw i t ht h e f i r s to r d e rr e a c t i o n ，f r o mt h ef l u i d i t yo fm i x e df l o w , i tc a r lb er e g a r d e da sa c o m p l e t em i x i n g f l o wi ns e r i e sw i t ha p l u gf l o w a n dt h ef o r m e r sr e t e n t i o n p e r i o di s9 5 r a i n sa n dt h el a t t e r si s 7 45 m i n s k e y w o r d s ：c o a g u l a t i o n 、p e l l e t 、b i o l o g i c a lf l u i d i z e db e d 、d o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p a p e rt y p e ：f u n d a m e n t a ls t u d y f o r e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加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，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：够缪氏0吼删r ，6 l 、7 j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 做作者繇e 发对- 币签 注：请将此页附在论文首页。 期：卿牛6 、l 西安建筑科技大学颁士学位论文 1 1 课题的研究背景 1绪论 水是人类和其它一切生物赖以生存的必不可少的重要物质基础。地球上的生物起源 于水，生物体的能量代谢和物质循环离不开水，现代文明的发展和进步同样离不开水。 可以说，水和整个地球结下了不解之缘。 随着工农业的发展，人类对水资源的需求量与日俱增，但是地球上的水资源总量是 有限的，地球上全部水资源量约1 3 8 6 亿k m 3 ，其中9 7 形成了海洋，占有水量约1 3 3 8 亿k m 3 ，海洋水含盐量较高，大约3 5 9 l ，不能被人类直接利用；陆地上水资源总量大约 有o 4 8 亿k m 3 ，可是并不全是淡水，淡水量仅有0 3 5 亿k m 3 ，而且有0 2 5 亿k n 3 分布于 冰川、多年积雪、两极和永冻土层中，现有技术难以利用。便于人类利用的水只有0 1 亿k m 3 ，只占淡水总量1 4 。1 ，可以说，资源性缺水是世界性问题。 另一方面，水环境恶化愈演愈烈，大量的水体被污染。据报道，全世界约有4 0 0 0 亿m 3 的污水排入江河湖泊，污染了全球径流总量的2 1 4 以上，其中美国1 8 0 万k m 的 河流中有1 6 5 万k m 己受污染，印度7 0 地表水受到了污染。在我国，1 9 9 6 年所统计的 1 3 1 条河中，遭严重污染的有2 6 条、重度污染1 6 条、中度污染2 8 条”1 ，截至2 0 0 0 年， 我国河水水质优于i 类的占5 8 7 ，比上年减少3 7 ，2 4 个受评价的湖泊中，水质优于 1 i i 类的9 个，受污染的4 个，受到严重污染的儿个“1 。水体污染严重使得我国可利用水 资源更加紧张。 长期以来，我国许多地区和行业采用传统的“高投入、高消耗、高污染”的经济发 展模式，使许多原本不缺水的地区由于水资源受到污染，水质不符合标准，造成“有水 不能用”的污染性缺水5 1 。 近年来，我国已开始重视水资源的合理调配，在进行包括南水北调等大规模水资源 调配工程的同时，强调节水，并从政策上制定了一系列解决行业间争水矛盾的措施，人 们对水的问题越来越关注，认识到2 1 世纪不是能源危机，而是“水的危机”“1 。但是大 规模调水并不能完全解决问题，因为水资源不足的根本原因有两点，一是水资源本身缺 乏、二是污染严重。因此，在解决水资源短缺问题时，人们自然将目标转向了城市污水 处理及再生回用，一方面减少污染、一方面回收水资源。2 0 世纪8 0 年代以来，不少城 市开展了污水回用的试验研究，国家“七五”、“八五”期间完成的重大科技攻关项目“城 市污水资源化研究”，针对我国北方部分城市在经济发展中急需解决的缺水问题，研究开 西安建筑科技大学硕士学位论文 发出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，完成了规划方法 及政策法规等基础性工作，在北京、天津、秦皇岛、大连、太原、泰安、青岛、邯郸、 大同、沈阳、威海、大庆、深圳等十余个城市重点开展污水回用事业“。 我国西部，尤其是处于黄河上游流域的西北地区水资源极其贫乏“1 。随着各行业用 水需求量的增加，大部分地区的城乡生活和工业用水以及农业用水不得不依靠开采地下 水，该地区地下水的开采量已占到可开采量的9 0 以上，局部地区已大幅度超过可开采 量，造成大面积地下水位降低，加剧了地面沉降，地裂缝等环境地质问题的发生。”1 。而 地表水源本来就极度贫乏，开采潜力已近枯竭，水资源不足的问题严重制约了该地区的 发展。所以研究适合我国西部地区城市污水处理及其再生利用技术很有必要，本研究就 是在西安建筑科技大学承担的国家自然科学基金重点项e l ( 5 0 1 3 8 0 2 0 ) “西部干旱 地区水资源再生利用研究”的范围内进行的。 1 2 课题的来源 本课题为国家自然科学基金重点项目( 5 0 1 3 8 0 2 0 ) “西部干旱地区水资源再生利用研 究”的子课题：“城市污水处理及其再生利用技术”的部分内容。 1 3 课题研究的目的和内容 ( i ) 研究思路及目的 城市污水处理已有多种工艺，常规的二级处理是首先进行一级处理( 主要是沉淀等 物理分离方式) 去除悬浮性颗粒，然后再进行生化处理去除溶解性有机物，最后进行 沉淀分离。在目前水资源紧张的情况下，如果要将污水处理回用，则需要对城市污水 厂的出水进行继续处理，即采取一级、生物处理、再加上深度处理，北石桥污水厂就 是如此。 不难看出，要达到处理及回用目的，这种串联处理工艺流程长、操作运行复杂、造 成污水处理费用高，往往由于处理成本过高而难于在工程中采用。 本课题组长期以来研究城市污水处理技术，以前的成果已经表明，城市污水中的污 染物有7 0 是以颗粒或胶体形式存在，加上我们研究造粒流化床高效固液分离技术所取 得技术成果，因此主张采用强化一级处理单元来提高污水处理效果。在此基础上，本研 究突破传统的思路“一级、二级单元串联”，试图将造粒流化床高效固液分离技术与生物 处理技术结合，提出了生物造粒流化床工艺，该工艺能够将常规的一级( 物理) 处理、 二级( 生化) 处理强化在一个处理单元中进行，达到处理和分离高效化。 l ! ! i 安建筑科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 研究内容 结合活性污泥法处理原理和造粒流化床技术，开发生物造粒流化床试验装置。 研究生物造粒流化床工艺的处理效果。 探讨生物造粒流化床工艺的作用机理。 建立生物造粒流化床工艺的反应模型。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 1 基础理论 2 生物造粒流化床工艺理论依据 生物造粒流化床工艺是一种将传统的生物流化床技术和混凝造粒技术有机结合起来 的全新、高效的污水处理工艺，本节讨论其理论基础。 2 1 1 传统的混凝理论 混凝是指水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程，通过加入药剂使悬浮颗粒及胶 体脱稳、凝聚形成较大颗粒后与水分离。因此混凝技术是水处理工艺中去除悬浮污染物 的重要途径，常用工艺有混凝气浮或混凝沉淀。 对于污染物颗粒，根据s t o k e s 定律，颗粒在液体中分离速度为： p , 2 u 。嵩( 瑰一聩) g “” ( 2 1 ) 式中，“液体的粘滞度 卜颗粒的半径 岛i 颗粒的密度 户遗液体的密度 从式中可以看出：在保持液体粘度不变的情况下，颗粒的沉速与以下两个因素有关： ( 1 ) 颗粒的粒径。粒径越大颗粒的沉速越大。 ( 2 ) 颗粒与流体的密度差。对水处理而言，由于在一定条件下，水的粘度可以认为是 常数，故密度差只与颗粒的密度有关，颗粒的密度越大沉速就越快。 传统的混凝理论旨在增大颗粒的粒径，混凝过程通常包括三个步骤：混凝剂的水解、 杂质颗粒脱稳、颗粒间相互碰撞凝聚。由胶体化学知识知道，胶体粒子具有双电层结构， 胶粒中心是由数百至数千个分散相固体分子组成的胶核，在胶核的表面，有层带同号 电荷的离子，称为电位离子层，电位离子层构成了双电层的内层。电位离子所带的电荷 称为胶体粒子的表面电荷，而胶体粒子就整体而言是呈电中性的，为了平衡电位离子所 带的表面电荷，液相- - n 必然存在众多电荷数与表面电荷相等而电性相反的离子，称为 反离子，反离子层构成了双电层的外层。d l v o 理论是胶体混凝研究较为成熟的理论，根 据这一理论，投加混凝剂后的混凝过程对水中粒子起到三种作用：电性中和、吸附架桥、 西安建筑科技大学硕士学位论文 卷扫。常用的混凝剂有铝盐和铁盐等阳离子型混凝剂，它们多数情况下是发生电性中和 与吸附架桥作用，而且絮凝体一般比较密实。另外，还有非离子型和阴离子型高分子混 凝剂，它们只能起吸附架桥作用，常常作为助凝剂。当铝盐、铁盐混凝剂投加适度时形 成氢氧化物沉淀，即发生卷扫作用“。 2 1 2 絮体的形成模型 1 9 6 3 年，v o l d 通过计算机模拟了絮体的形成过程，得到了一个以中心核为基础，周 围由初始粒子组成的絮体模式，见图2 1 ，即v o d 弹射絮凝模型( b a l l i s t i c a g g r e g a t i o n ) “”。模拟是在假设初始粒子和既成絮体始终为球型颗粒，而且初始粒子与 己形成的絮体互相随机碰撞的条件下进行的。该模型揭开了絮体构造与密度关系研究的 序幕。在这之后，s u t h e r l a n d 认为v o l d 模型未能体现絮体的真实形成过程，认为在絮 凝过程中存在以下三种碰撞：1 ) 初始粒子与初始粒子的碰撞；2 ) 初始粒子与既成低倍 絮体的碰撞；3 ) 低倍絮体之间的碰撞。在这三种碰撞的假设前提下，于1 9 6 6 年通过计 算机模拟得出了另外一种模型，即s u t h e r l a n d 集团絮凝( c l u s t e ra g g r e g a t i o n ) 模型， 见图2 2 “。由于v o l d 模型是建立在水中脱稳颗粒( 初始粒子) 随机逐一附着在既成絮 体这一假定基础上，忽略了实际絮凝过程中不同成长倍数的既成絮体间的絮凝过程，因 而依据该模型所形成的絮体结构就比s u t h e r l a n d 模型结构或实际絮体结构更为密实，密 度也就更大“。无论是v o l d 模型还是s u t h e r l a n d 模型都是在粒子与絮体或粒子与粒子 随机碰撞的假设下建立的，这种随机碰撞也是导致絮体松散结构的原因“。 图2 1 v o l d 模型图2 2s u t h e r l a n d 模型 西安建筑科技大学硕士学位论又 t a m b o 等认为，一个既成絮凝体是由水中不同尺度的较小絮凝体随机碰撞合并而成， 丹保等拟合出絮体密度与粒径大小之间的数学关系式：p e 2 a ( d 1 ) “ 其中：p 。絮体有效密度( g c m 3 ) ；a 一关n n 数( g c m 3 ) ；k 关系系数 “1 无量纲絮体直径。 在正常的搅拌强度下，t a m b o 提出k 值的范围是1 o 1 5 ，而且搅拌强度的改变不改变 最终絮体的密度函数形式，仅改变絮体粒径的大小；高分子助凝剂的投加对絮凝体密度 函数形式没有大的影响，其作用仅仅增加了絮体的结合强度，使其能成长为较大的絮体； 随着粒径的增大，絮体颗粒的密度迅速降低，密度与粒径成反比关系。t a m b o 等人指出， 在相同的化学反应条件下，絮体颗粒的最大成长粒径受搅拌强度的制约。 2 2 造粒理论 按照常规的混凝理论，絮体在成长过程中，随着絮体粒径的增大，絮体有效密度会 逐渐降低。王晓昌“通过应用上向流造粒流化床工艺对人工配制的粘土悬浊液和粘土一 木质素高浊度色度水进行实验发现，粘土团粒的有效密度( 团粒的密度与水的密度之差) 可达1 0 0 3 0 0 m g c m 3 ，粘土一木质素团粒的有效密度可达到2 0 1 0 0 m g e m 3 ，同时发现团粒 的密度与团粒的粒径无关。王晓昌通过实验研究，提出o n e b y o n e 形成机理，这个机理 可以很好的解释这种密实团粒的形成过程“。 2 2 1 絮体分步成长模型 传统的絮凝过程是随机絮凝的过程，絮体在成长的过程中不可避免地要带进空隙水， 随着絮体直径的增大，絮体的密度急剧降低。丹保、王晓昌通过大量的研究提出了丹保一 王模型，该模型认为，在理想情况下絮体是一步一步成长的。下面分析絮体分步成长的 数学模型，如图2 3 。 初 一 始纫 粒絮 子 体 o = 令 = 令 二 级 絮 钵 一 级 絮 体 图2 3 絮体成长模型 西安建筑科技大学硕士学位论文 第一步是初始粒子结合成第一水平的絮体，设初始粒子的有效密度为p 。，第一水平 的絮体空隙率为毛，有效密度为反，则有a = p o ( 1 一s ，) 。因为毛0 ，所以卜毛( 1 - 即p l p ，也就是晓，第一水平絮体的有效密度小于初始颗粒的有效密度。同理，第二 水平絮体的有效密度为户：= p 。( 1 一占：) = p 。( 1 一q ) ( 1 - - s ：) p l ，即第二水平絮体的密度小 于第一水平絮体的密度。这样，第1 3 水平絮体的有效密度 p 。= p h ( 1 一占。) = p o ( 1 一占1 ) ( 1 一f 2 ) ( 卜毛) 岛一即第i 3 水平絮体的有效密度小于 第n l 水平絮体的密度。在由较低级絮体向较高级絮体成长过程中都会相应地带入部 分空隙水，絮体的粒径会越来越大，絮体的密度会越来越来小“2 0 , 2 17 。从有效密度公式 可以看出，当初始粒子的有效密度p 。确定后，絮体有效密度的影响因素有两个，其一是 形成絮体的级数n ，其二是絮体在每一步形成过程中的空隙率。如果我们能够使絮体 形成过程中的级数n 较低，并且使每一步的空隙率最小，封b 么就可以提高絮体的有效 密度，形成密实絮体。前者为逐一附着理论( o n e b y o n ea t t a c h ) ，后者为絮凝体脱水收 缩模式( 称作r e s t r u c t u r i n g 模式) 。 2 2 2 逐一附着理论( o n e b y o r ea t t a c h ) 由絮体成长模型知，混凝絮体中的含水率p 。= 岛一。( 卜s 。) = p 。( 1 一占。) ( 1 一s ：) ( 卜 s 。) ( 1 一s 。) ，如果式中的值都相同则以= p o ( 1 一) ”，即颗粒的有效密度按( 1 一占) 的 幂次降低，随着成长级数的增大，颗粒的有效密度急剧减小，要得到密实的絮体颗粒， 即必须限制颗粒的成长级数。在这种情况下，初始粒子依次逐个的附着到既成颗粒上， 如图2 4 ( a ) 就像垒球一样，而不是简单的堆积( 如图2 4 ( b ) ) “，絮体的有效密度 不随絮体粒径增大而减小。这样就能保证絮体颗粒始终按照一级水平成长而不会带入更 高一级空隙率，从而保证得到最大密度的球形絮体颗粒( 团粒) ，如图25 。 id = ( 1 + 2 压溅 d = 3 d o ( a ) 晟紧密结合( b ) 最松结合 图2 4 颗粒结合方式示意图 西安建筑科技大学硕士学位论文 原始 2 2 3 絮凝体脱水收缩模式 图2 5 直接方式 絮凝体脱水收缩模式也称作r e s t r u c t u r i n g 模式。由于絮体多级成长的过程中会带入 很多的空隙水，要形成密实的絮体颗粒就必须减小每一级的空隙率。通过有机高分子絮 凝剂的吸附架桥作用提高絮凝体的抗剪切强度，再通过长时间高强度机械搅拌可以将絮 凝体中的高次空隙水挤压出去，只保留初始粒子之间那部分不可排除掉的空隙率，这样 絮体总的空隙率就会降低、体积减小、密度降低，如图2 8 。 一竺舔 2 2 4 造粒流化床的应用 图2 6 絮凝体脱水收缩模式 ( 1 ) 造粒流化床用于分离活性污泥。2 3 本课题组成功地将造粒流化床工艺应用于活性污泥的固液分离。研究表明，造粒流 西安建筑科技大学硕士学位论文 化床中活性污泥形成密实的团粒，污泥的含水率低于经普通浓缩池浓缩后的污泥含水率。 污泥团粒具有似球形颗粒形态的外形。污泥团粒的粒径在l 3 m m 之问，其密度一粒径关 系满足t a m b o 絮体密度一粒径公式。污泥团粒的有效密度为( 1 5 2 8 5 5 ) 1 0 1 9 c m 3 ， 污泥团粒含固率高。该装置的出水水质( s s 浓度) 优于二沉池出水，药剂用量上，使用 量总体低于常规处理工艺。 ( 2 ) 造粒流化床处理热电厂冲灰废水” 本课题组利用造粒流化床工艺处理热电厂冲灰废水取得了满意的效果。试验表明， 该工艺处理效率高，效果好。停留时间短( 1 0 m i n 以内) ，投药量少；分离污泥含水率低， 在存泥区停留l h 以上，污泥的含水率就降到8 5 以下；设备操作灵活性强，能满足不同 处理的需要，抗冲击负荷能力强。 ( 3 ) 造粒流化床处理高浊度色度水” 应用造粒流化床工艺试验处理高浊度色度废水，采用直径l o c m 、高度1 4 5 e m 的有 机玻璃柱和同样尺寸的分离柱，控制上升流速为1 8 r n h 、挡板转速为3 6 转r a i n ，相应的 速度梯度为3 0 s 。实验发现当色度在1 0 0 - q o o o c u ( c o l o r u n i t ) 范围内，色度浊度比不 大于1 的情况下，上向流造粒流化床工艺都可以很好的去除原水中色度和浊度物质，能 够形成有效密度为o 0 2 - - 0 2 9 c m 3 的颗粒污泥，剩余污泥通过滤网后的含水率低于9 0 ， 因此污泥可以不经过浓缩而直接脱水。所以对于自然界中的高浊度水( 一般为i o o c u 左 右) 都可以用此种工艺进行有效的处理。 ( 4 ) 造粒流化床工艺处理洗煤废水” 应用造粒流化床工艺处理洗煤废水的实验表明，针对不同的水质条件，通过改变 p a c 、p a m 的投量以及上升流速u 和搅拌转速n 的值，对该工艺操作条件进行优化。在实 验条件下p ( p a m ) = li m g l ，缈= 3 8 r m i n ，u , = t 8 6 c m m i n 时，p a c 的适宜投量为1 7 8 3 o o m g l ；在p ( p a c ) = 2 6 m g l ，国= 3 8 r m i n ，u , = 1 8 6 c m m i n 时，p a m 的适宜投量为 1 1 0 2 9 0m g l ；在p ( p a m ) = 1 1 m g l ，p ( p a c ) = 2 6m g l ，0 9 = 3 8 r m i n 时，上升 流速u , = 5 0 c m m i n 为宜；在p ( p a m ) = l _ l m g l ，p ( p a c ) = 2 6m g ，e = 2 2 c m m i n 时， 适宜的转速值为4 0 8 0 r m i n 。试验结果表明，该工艺与传统工艺相比，水处理表面负 荷提高5 1 0 倍，悬浮物去除率高达9 9 ，该工艺对实现废水的再生回用、充分利用水 资源具有重要的意义。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 3 生物造粒流化床工艺的生物学原理 生物造粒流化床工艺通过控制有关实验参数，在流化床反应柱里形成密实的球状颗 粒污泥，而颗粒污泥中含有微生物，随着造粒过程进行，在颗粒污泥的表面会营造好氧 环境、在颗粒物泥内部会营造缺氧或厌氧( 即同时硝化和反硝化) 的微环境，以达到同 步去除有机物( c o d ) 、s s 、脱氮、除磷的目的。 所以生物造粒流化床工艺的生物学基础仍然是活性污泥法，是在活性污泥法工艺及 其改进工艺的基础上，通过造粒理论对传统工艺的改进，旨在提高泥水分离的效果，并 提高生物量、增加生物相。 1 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 1 试验研究对象 3 实验设计 试验研究对象为西安市北石桥污水净化中心曝气撇脂沉砂池出水，装置连续运行， 接种污泥取自北石桥污水净化中心氧化沟。活性污泥经连续培养后开始测样。实验分为 两部分：第一部分为杯罐实验，确定药剂种类和加药量，在北石桥污水净化中心实验室 完成；第二部分为动态实验，在北石桥污水净化中心细格栅车间进行。 3 2 试验流程及装置 3 2 1 实验流程 图3 1 为本实验流程图。原水通过提升泵进入原水箱，原水箱中充氧曝气，同时在 吸水管上设射流器以提高溶解氧浓度，通过离心泵加压污水进入生物造粒流化床反应柱。 p a c 从泵后约f i o c m 处加入，经管道混合器混合后进入反应柱：p a m 从反应柱底部下端约 2 0 c m 处加入。 原水 空气 3 2 2 试验装置 ( 1 ) 杯罐实验装置 p a m 图3 ，1生物造粒流化床实验流程图 出水 l 生物造粒流化床 l 西安建筑科技大学硕士学位论文 杯罐实验在实验室的六联搅拌机上进行。 ( 2 ) 动态实验装置 实验装置如图3 2 所示。核心是左边反应柱( i i k , 2 流化床) ，为了试验观察，在右边 设分离柱，两柱通过连接管相连。柱子材料为有机玻璃，总高2 5 0 0 m m ，直径2 0 0 r a m ，底部 采用倒锥形，锥高l o o m m ，进水管直径3 2 r a m 。分离柱的上部为出水堰，堰高3 0 0 a m ，直 径3 0 0 n _ 】r 【l ，与出水堰相连的出水管直径5 0 r a m 。 图3 2 试验装置示意图 i 反应柱2 分离柱3 连接柱4 搅拌电机5 搅拌轴 6 原水水箱7 离心水泵8 水射器9 管道混合器 3 3 混凝剂选择及投加量确定 根据以前研究造粒流化床技术的结果，合适的药剂一般有p a c 、p a m ，本实验通过杯 罐小试进行了验证并确定加药量。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 投加p a c 效果及投药量 p a c 投量；出杯罐实验确定。杯罐实验所赐原水取自北石桥污水净化中心绍格襁车 间污水取样机，该水样为2 4 小时时均样。首先向原水中投加混凝剂，然后测定上清的 c o d 以确定最佳投药量。实验用装置为d c 一6 型智能型六联搅拌机。杯罐实验的操作条 件是：快搅l m i n ，转速为1 2 0 转分钟；慢搅1 5 r a i n ，转速为4 5 转分钟：静沉3 0 r a i n 。 所用的混凝剂为聚合氯化铝( p a c ) ，其中a l 的含量为3 0 。 1 0 0 乏8 0 砉6 0 话4 0 骂2 0 0 51 01 52 02 53 03 54 0 4 55 0 p a c 投药量( m g l ) 图3 3 最佳投药量的确定 试验结果如图3 3 ，由图可知p a c 的最佳投药量为3 0 4 0 m g l ，考虑到动态实验水 质的波动取较大的投药量4 0 m g l 折合a l 为6 3 5m g l 。 ( 2 ) p a c 及p a m 联台效果及投药量 p a m 投量：在确定了p a c 投量后，根据本课题组以前研究的结果。，合适的p a l d 投 量为3 5 m g l ，分别取三个污水样，每个水样为2l ，先向水样中投加4 0m g l 的p a c ， 操作条件与( 1 ) 相同。再分别向三个水样中投加3m g l 、4m g l 、5m 职。的p a m ，操 作条件为慢速搅拌1 0 分钟，转速3 0 转分。观察三个水样中絮体的沉降性能发现，p a m 投量为3 m g l 的水样中絮体的沉降性能较其它两个差，p a m 投量为4 m g l 和5 m g l 的 水样中絮体的沉降性能没有明显差别。同样考虑到水质波动的因素，选用较大的投药量 5 m g l 。 3 4 动态试验控制参数 ( 1 ) 处理水量 动态试验装置设计规模采用q ：1 5 0 l h 。 ( 2 ) 搅拌强度 根据本课题组前期实验结果及现场观察生物造粒流化床内颗粒的流化状态和颗粒的 1 3 西安建筑科技大学硕士学位论文 粒径分布规律，确定搅拌浆转速为n = 1 8 r m i n 。 ( 3 ) 药剂投加方式 p a c 和p a m 均采用可调注射计量泵( m e t e r i n gp u m ps y s t e mp u l s a f e e d e r ) 投加。 3 5 指标测定方法 监测的水质指标主要有：浊度，p h 值、水温、悬浮固体s s 、c o d 、1 3 0 d s 、总磷t p 、总 氮1 n 、氨氮、n 0 3 - 一n 、n 0 2 f n 、溶解氧d o 。 ( 1 ) 水温温度计直接测量； ( 2 ) 口h 值p h 计直接测定： ( 3 ) 悬浮固体采用重量法“”； ( 4 ) 氨氮采用纳氏试剂比色法。”( g b 7 9 7 4 8 7 ) ； ( 5 ) 硝态氮采用7 2 3 0 分光光度法：取进水l io o m l 分别加入0 1 0 m l 氨基磺 酸铵，反应5 分钟后加入0 2 0 m l 麝香草酚、2 o o m l h ：s o 。一a g 。s o ，。 反应5 分钟后加入8 0 0 i 】l l 蒸馏水，再加入9 0 0m l 浓n h 。一h 。0 。 显色反映3 0 分钟后，在波长为4 1 5 r i m 处通过7 2 3 0 分光光度计 进行测定o ； ( 8 ) 溶解氧采用便携式溶解氧测定仪直接测定； ( 7 ) 总磷采用钼酸铵分光光度法”7 3 ( g b l l 8 9 3 - - 8 9 ) ； ( 8 ) 总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法”1 ( g b l l 8 9 4 8 9 ) ( 9 ) 亚硝态氮采用乙二胺二乙酸盐分光光度法。“( g b 7 9 7 3 - - 8 7 ) ： ( 1 0 ) 分子量分布采用高效液相色谱法( h p l c ) ； ( 1 1 ) 化学需氧量采用重铬酸钾法( c o d 。) 。7 1 ( g b l l 9 1 4 8 9 ) ； ( 1 2 ) 五日生化需氧量采用密封瓶试验法。； ( 1 3 ) 浊度采用透光式浊度仪直接测量； ( 1 4 ) 生物相采用北石桥污水净化中心实验室的显微摄像系统。 3 6 实验分析仪器 ( 1 ) 分光光度法所采用的仪器为日本岛津公司的u v 2 0 0 0 ： ( 2 ) 高效液相色谱分析中使用的仪器为日本岛津公司产l c 一9 a 高效液相色谱仪，色谱 柱为日立w 5 2 0 型，配用u v 检测器； ( 3 ) 便携式溶解氧测定仪： 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 4 ) b o d 。恒温培养箱，b o d 培养瓶； ( 5 ) 高压消解锅： ( 6 ) 分析天平； ( 7 ) 电炉； ( 8 ) 滓腾真空泵； ( 9 ) 透光式浊度计： ( 1 0 ) 玻璃仪器真空抽滤装置、比色管等 ( 1 i ) 普通数码相机。 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 实验结果与实验数据分析 本次实验的大部分数据是在5 l i 月份监测的，最高水温为2 3 。c ，最低水温为1 0 ，平均水温为1 8 4 。c 。水温较高故本次实验暂不考虑温度对实验结果的影响。 4 1 g o d 的去除 7 0 0 6 0 0 拿5 0 0 警4 0 0 苫3 0 0 82 0 0 1 0 0 o 6 0 5 0 34 0 誉3 0 一 鲁2 0 u 1 0 0 监测次数 图4 i 进水c o d 的变化 l6i it 62 1 2 63 13 64 l4 6 5 l5 66 l6 67 1 监测次数 图4 2 出c o d 的变化 由图可见，进水c o d6 4 6 2 4 m g l ，平均3 0 8 m g l ：出水c o d l 1 8 5 1 6m g l ，平 均3 0 5 m g l ，平均去除率为8 9 。出水c o d 虽然随进水c o d 的增大有所增大，但相对较 稳定且保持在较低的水平，平均出水水质优于国家污水综合排放二级标准。 说明生物造粒流化床具有在高进水负荷下出水稳定的特点。一方面，绝大部分不溶 态的c o d 由于混凝作用进入污泥；另方面，一部分溶解态的c o d 被球形颗粒所吸附， 西安建筑科技大学硕士学位论文 最终被微生物氧化分解。 4 2b o d 的去除 2 0 0 31 5 0 黑i 0 0 o 星5 0 o l2345678 监测次数 图4 3 进水b o d 的变化 2 0 3 1 5 羔1 0 8 5 o 1234567 8 监测次数 图4 4 出水b o d 的变化 进水b o d 最高为1 7 4 m g l ，最低为3 6 m g l ，平均1 3 8 6 m g l ；出水b o d 最高为 1 6 6 m g l ，最低为8 2 m g l ，平均1 5 1 m g l ，平均去除率为8 7 5 。 说明生物造粒流化床中具有生物降解溶解性有机物的能力，而且效果较好，优于北 石桥氧化沟工艺处理能力。 4 3 8 s 的去除 8 0 0 3 6 0 0 誉4 0 0 一 器2 0 0 0 l35 79l l1 31 51 71 9 监测次数 图4 5 进水s s 的变化 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 0 8 6 =4 2 o 135791 11 31 51 71 9 2 1 2 3 2 52 72 9 3 13 3 3 5 监测次数 图4 6 出水s s 的变化 进水s s 为8 0 9 0 0 m g l ，平均4 0 7 1 m g l ；出水s s 为o 8 m g l ，平均2 4 m g l ，其 中有1 2 次未检出，占检测次数的1 9 ，平均去除率为9 9 2 。 效果很好有两方面贡献：一、混凝作用使浮固体颗粒而进入污泥被除去；二、由于 生物造粒流化床内形成的高浓度团粒体悬浮层与杂质颗粒的碰撞、摩擦从而将杂质颗粒 截留。 4 4 t p 的去除 1 2 1 0 38 害6 一 昌4 2 o o 4 o 0 ，3 普0 2 一 昌0 1 0 59 1 31 72 12 52 93 33 7 监测次数 图4 7 进水t p 的变化 1591 31 72 1 2 52 93 33 7 监测次数 图4 8 出水t p 的变化 1 8 西安建筑科技大学硕士学位论文 由图可见，进水t p 最高为9 8 9 m g l ，最低为1 1 8 m g l ，平均4 5 2 m g l ；出水t p 最高为0 2 9 m g l ，最低为0 0 2 m g l ，平均0 。1 7 m g l ，磷的去除率高达9 5 。 这种效果解决了长期以来城市污水厂出水磷不能达标的问题( 排放标准要求 t p o 5 m g 1 ) 。主要是由于p a c 中金属4 p 除磷的缘故。混凝剂中4 驴对磷的去除，形 成低溶解性的金属羟基络合物的化学沉淀过程；还有一部分磷可能被聚磷菌所摄取。这 些机理不是相互独立的而是当混凝剂( 如三价铝盐) 加入污水中后同时发生的以至使磷 达到很高的去除率。 4 5 浊度的去除 6 0 0 ，5 0 0 己4 0 0 弓3 0 0 鏊2 0 0 1 0 0 0 ；： 器 则0 5 0 l471 01 31 61 92 22 52 83 13 43 74 04 34 64 95 25 55 86 16 46 77 0 监测次数 图4 9 进水浊度的变化 l471 81 31 61 92 22 52 83 l3 43 74 04 34 64 95 25 55 86 l6 46 77 0 监测次数 图4 1 0 出水浊度的变化 进水浊度为8 0 5 3 3 n t u ，平均1 7 0 9 n t u ；出水浊度为1 5 4 2 4 7 n t u ，平均 9 1 3 n t u 。浊度的平均去除率为9 3 o 。主要是混凝作用去除，还有一部分被颗粒污泥 絮体所吸附。 1 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! = e ! ! ! ! ! ! ! ! f ! = ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! 1 4 6 色度的去除 埘 。 蜊 蛆 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 0 趟 一 划 蝴 1471 0 1 3 1 6 1 92 22 52 83 l3 43 74 04 34 64 95 25 55 86 l6 46 77 07 3 监测次数 图4 1 1 进水色度的变化 1591 31 72 12 5 2 93 3 3 74 14 54 95 35 7 6 16 5 6 97 3 监测次数 图4 1 2 出水色度的变化 结果可见，进水色度4 1 4 3 2 6 3 度，平均度1 2 3 7 度：出水色度11 6 7 8 度，平均 4 8 3 度。色度的平均去除率为9 5 6