（环境工程专业论文）小型气提式接触氧化法分散处理生活污水及再生利用研究.pdf

摘要 摘要 我国现阶段正处于高速工业化和城市化的特殊时期，城市水资源短缺和水环 境污染等造成城市供水需求矛盾日益加大，将会成为未来城市可持续发展的制约 因素。当城市无法从本区域找到合适水源，且又无法从别的区域调水时，将城市 生活污水的再生作为城市的第二水源也就成为了必然选择。 本论文主要研究工作与结论： 针对生活污水的水量、水质特点及排放特征，对比分析各种污水处理方法的 优缺点，选用小型气提式生物接触氧化法为主的工艺流程作为分散处理生活污水 及再生利用的有效方法。通过小型气提式接触氧化处理校园生活污水处理的研 究，确定装置的合适运行工况，分析了系统的稳定性、抗冲击负荷能力及运行费 用，为今后实际工程提供设计及运行参数。 试验研究表明，小型气提式接触氧化处理分散生活污水时，在气水比为1 6 ，8 ： l ，水力负荷为4 ，8 m 3 ( i n 3 d ) 时，对c o d 和n h 3 - n 平均去除率分别为8 0 1 和 5 8 ，出水c o d 、n h 3 - n 、t n 、s s 、p h 、浊度、色度等指标均达到城市杂用 水水质标准，满足城市再生水要求，独特的气提装置和蜂窝填料的联用，提高 了装置的抗冲击负荷能力和生物处理系统的稳定性，确保出水水质。同时，其一 体化集成、系列化设计，旎工方便，运行费低，简化了传统接触氧化工艺，地埋 式安装，不涉及占地和拆迁问题，对原有环境布局影响小，符合生态化理念。 为提高装置的使用价值，在工艺基础上增加化学除磷设施，选用a 1 c 1 3 作为 絮凝剂，研究表明：除磷沉淀池的停留时间为2 5 3 0 m i n 时最佳，进水t p 的浓 度为2 4 m g l 时，投加a i c l 3 t p 质量比为8 6 ，进水的t p 浓度为6 m g l 时， 投加a 1 c 1 3 t p 质量比上升到1 3 1 ，出水t p 浓度均小于0 5 m g l 。 在试验基础上，以中山陵景区紫金山庄别墅区生活污水再生工程为实例，通 过对该工程的工艺设计、运行管理以及技术经济比较，论述了小型气提式接触 氧化处理分散生活污水及再生利用的可行性，为将来的小型生活污水处理及再生 工程提供了一定指导意义和参考价值。 关键词：气提式接触氧化、分散处理、生活污水、化学除磷、再生利用 a b s t f a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i di n d u s t r i a l i z a t i o na n du r b a n i z a t i o no f o u rc o u n t r y , t h em o r es e r i o u s s h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c ea n dt h ed e t e r i o r a t i n gw a t e rp o l l u t i o nh a v ea g g r a v a t e dt h e c o n t r a d i c t i o no fd e m a n da n ds u p p l yf o rw a t e rs u p p l y , w h i c hw i l lb et h ek e yf a c t o r l i m i t i n g t h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r e i fs u i t a b l ew a t e rs o u r c ei nt h e e s t a b l i s h i n gr e g i o n o rw a t e rd i v e r s i o nf r o mo t h e ra r e a si s u n a v a i l a b l e ，t h e r e g e n e r a t i o na n dr e u s eo f d o m e s t i cw a s t e w a t e rw i l lb et h ei n e v h a b l ec h o i c e t h er e s e a r c hw o r k sa n dc o n c l u s i o n so f t h ep a p e r ： w es e l e c tt h es m a l la i r l i f tb i o c o n t a c to x i d a t i o na st h ep r i m a r yt e c h n i c a lp r o c e s s t ot r e a ts a n i t a r ys e w a g ea n dr e g e n e r a t i o nu s ed e c e n t r a l i z e d l y , a st 1 1 ec o n s i d e r a t i o no f t h eq u a n t i t y ，t h e q u a l i t ya n dt h ed i s c h a r g i n gc h a r a c t e r so ft h es a n i t a r ys e w a g e t h e a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e dt h r o u g he x p e r i m e n t ，a n dt h eo p e r a t i o n s t a b i l i t y ，a n t i i m p a c tl o a d sa n d c o s to ft h ep r o c e s sw e r ea l s oa n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d e d e s i g n i n ga n dr u n n i n gp a r a m e t e r sf o rp r a c t i c a lp r o j e c t si nt h ef u t u r e t h ee x p e r i m e n ts h o w e d ：8 0 1 c o da n d5 8 n h 3 - nc a nb er e m o v e db ya i r l i f t b i o - c o n t a c to x i d a t i o ns y s t e mu n d e rt h ec o n d i t i o n so fa i r w a t e rr a t i o no f1 6 8a n dt h e h y d r a u l i cl o a d i n go f4 8 m 3 ( m 3 d ) i nt h ee f f l u e n t ，c o d ，n h 3 - n ，t n ，s s ，p hv a l u e ， t u r b i d i t ya n dc h r o m a t i c i t ym e t t h ew a t e rq u a l i t ys t a n d a r df o ru r b a nm i s c e l l a n e o u s w a t e rc o n s u m p t i o n ( g b t18 9 2 0 - 2 0 0 2 ) t h eu n i q u ed e s i g no fa i r l i f ta n dm e d i a e n h a n c e dt h ea n t i i m p a c t l o a d i n gc a p a b i l i t ya n dt h es t a b i l i t yo ft h eb i o l o g i c a l t r e a t m e n t s y s t e m ，m o r e o v e r , t h ei n t e g r a t i o n a n ds e r i a l i z a t i o n d e s i g nb r o u g h t c o n v e n i e n tc o n s t r u c t i o n ，l o wo p e r a t i o nc o s ta n ds i m p l i f i e dt h et r a d i t i o n a lc o n t a c t o x i d a t i o np r o c e s s t h et m d e r g r o u n di n s t a l l a t i o n ，a c c o r d i n gw i t ht h e e c o l o g i c a l c o n c e p t ，w a sn o ti n v o l v e d 埘ml a n do c c u p y i n ga n dh o u s er e m o v i n g ，t h u sh a dl i t t l e e f f e c to nt h ee n v i r o n m e n ti a y o u t t oi m p r o v et h ev a l u eo ft h i se q u i p m e n t ，a 1 c 1 3w a sc h o s et oe n h a n c ec h e m i c a l p h o s p h o r u sr e m o v a l t h eh r to fs e d i m e n t a t i o nt a n kw a s2 5 - 3 0 m i n t h er e s u l t i n d i c a t e d ：w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no ft pi ni n f l u e n tw e r e2 - - 4 m g la n d6 m g l ，t h e a 1 c 1 3 t pr a t i o nw e r ea b o u t8 6a n d1 2r e s p e c t i v e l y , a n dt h ee o n c e n t r a t i o no ft pi n e f f l u e n tw a sl e s st h a no 5 m g l b a s e do nt h ed e s i g n ，o p e r a t i o na n dt e c h n i c a le c o n o m i cc o m p a r i s o no f t h e 2 a b s 廿a c t d o m e s t i cw a s t e w a t e rr e g e n e r a t i o na n dr e u s ep r o j e c to fz i j i nv i l l a g ei nd r s u n y a t s e n sm a u s o l e u m ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e c e n t r a l i z e dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tb y a i r l i f tb i n c o n t a c to x i d a t i o nw a s a n a l y z e d ，w h i c hw o u l db ei n s t r u c t i v et ot h ef u r t h e r s t u d yo nt h er e g e n e r a t i o na n d r e u s eo fs m a l ls c a l ed o m e s t i cw a s t e w a t e r k e yw o r d s ：a i d i f f b i o c o n t a c to x i d a t i o n , d e c e n t r a l i z e dt r e a t m e n t ，d o m e s t i c w a s t e w a t e r , c h e m i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l ，r e g e n e r a t i o na n dr e u s e 3 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位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。与我一同工 作的同事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 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：主聋垫 砷年3 月彳 日 ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布l 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：驾鱼叁 一御年；月砑 日 ( 注：手写亲笔签名) 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 1 1 1 城市水资源危机 第一章绪论 水资源是人类活动和生产不可或缺的自然资源，同时也是可再生资源。近年 来，随着人口的急剧增长，生活水平的提高，工业的迅速发展和城市化进程的加 快，世界上多数国家和地区都面临着水资源危机的巨大压力。 全球淡水资源共有3 5 x 1 0 1 6m 3 ，仅占全球总储水量的2 5 3 ，而淡水资源中 与生活密不可分仅仅占全球淡水资源的o 3 ，占全球总水量的十万分之七，即 全球每年真正有效利用的淡水资源每年约1 o x l o “m 3 。中国是一个水资源短缺的 国家，水资源总量为2 8 1 0 1 2 m 3 ，占全球淡水资源的6 ，名列世界第四位。但 是，我国的人均水资源量只有2 3 1 0 3m 3 ，仅为世界平均水平的1 4 ，居世界第 1 0 9 位，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。 在水资源严重短缺的情况下，我国的水环境污染状况却相当严重。据2 0 0 5 年统计 2 ，七大水系中，珠江、长江水质较好，辽河、淮河、黄河、松花江水质 较差，海河污染严重；淮河、海河、辽河、太湖、巢湖、滇池、南水北调( 东线) 、 三峡库区及其上游等重点治理流域的4 5 3 个水质考核断面达标率为6 0 。根据对 1 1 0 个环保重点城市的3 6 0 个集中式饮用水源地的监测结果统计，水源地水质达 标率为8 0 。主要城市和平原地区的地下水水质状况相对稳定，但局部地区有继 续恶化的趋势，地下水污染存在加重趋势的城市有2 1 个( 主要分布在西北、东北 和东南地区) ，污染趋势减轻的城市1 4 个( 主要分布在华北和西北地区) 。 当前，北方地区“水源性缺水”尤为严重，为获得水源，国家花巨资实施 了工程浩大的“南水北调”工程解决北方城市水源危机。相对北方地区，南方地 区大量污水排入水体，造成了巨大的环境问题，并由此引发了“水质型缺水”。我 国现阶段正处于高速工业化和城市化的特殊时期，高速工业化每年g d p 增长要在 8 ，高速城市化每年有1 5 0 0 万农民要进城，每年相当于在中国建一个纽约市【3 1 。 这两个高速将要持续3 0 年，用水供需矛盾如果得不到有效地解决，将会成为制 河海大学硕士学位论文 约这两个高速发展的主要因素。1 9 4 9 2 0 0 2 年，全国总用水量增加了4 0 0 0 多亿 i t l 3 ，大约每1 0 年增加1 0 0 0 亿m 3 ，年平均增加约1 0 0 亿m 3 。1 9 8 0 年以后，全国 总用水量的增长幅度略有下降，但年平均增长量仍有6 2 亿m 3 左右，另外，全国 的用水结构也发生了变化，农业用水比例逐步下降，而工业、城镇生活用水比例 则有所增3 h 1 4 。据预测，2 0 1 0 年，全国总供水量为6 2 0 0 6 5 0 0 亿m 3 ，相应的总 需水量将达7 3 0 0 亿m 3 ，供需缺口近1 0 0 0 亿m 3 ，2 0 3 0 年全国总需水量将达1 0 0 0 0 亿m 3 ，全国将缺水4 0 0 0 4 5 0 0 亿m 3 ，到2 0 5 0 年全国将缺水6 0 0 0 7 0 0 0 亿m 3 【5 1 。 同时，我国每年的工业废水和城镇生活污水排放总量已达到6 3 1 亿m 3 ，生活污 水按每年5 的速率递增，已超过工业废水排放量，占总污水排放的1 2 左右州。 而且我国现在污水处理的能力远远达不到实际需处理的能力，每年有大量没有处 理的污水直接排入江河，造成区域水质恶化现象。高速发展中出现的城市水资源 的供需矛盾现状，迫使我们不得不思考有限的城市水资源如何合理安全地利用， 城市水环境应该是一个整体，污水在理念上不能单单看成是运输污染物的载体， 也应当成一种宝贵的淡水资源。 事实上，城市供水中只有不到3 0 用于与人体直接接触( 其中生活饮用部分 仅为3 5 ) ，其它7 0 以上都可以用再生水代替用于质量标准不太高的场所【”。 国内外大量实践表明，这一部分要求不高的用水完全可以把城市二级处理出水或 被污染的水体作为水源，无需占用没有被污染的清洁水资源。 城市污水作为城市第二水源有其合理性和必然性。其合理性表现在，城市污 水资源化过程是水自然再生过程的模拟和强化，是水社会循环的心脏，更是联结 水的社会循环和自然循环的纽带。其作为淡水水源必然性表现在，城市用水的严 重紧缺和水资源可持续性的必然要求，当城市无法从本区域找到合适水源，且又 无法从别的区域调水时，用生活污水作为淡水水源不但具有不受气候影响、水源 可靠、保证率高等优点，而且可以合理有效地利用本区域内的优质污水。 1 1 2 城市生活污水处理及再生利用中的问题 城市生活污水处理及再生利用包括污水的收集，处理，储存，再回用到用户， 我国城市污水再生是从2 0 世纪7 0 年代开始探索以回用为目得的城市污水深度处 理技术。北京高碑店污水厂建成了中国最大的污水再生利用工程，其回用规模为 第一章绪论 3 0 万m 3 d m j ，天津、长春、大连、深圳等城市也都相继建有污水再生利用设施。 这种集中式的污水再生利用方式从一定程度上缓解了城市水资源的危机，但同时 也不可避免的发现了些问题有待改进。 由于缺乏足够的再生水用户，设计规模预测过大以及再生水输配管网覆盖率 偏低，大多数集中污水处理厂的实际生产、销售量远低于设计能力。而且再生水 需水量冬季低、夏季高，集中污水处理厂面临着用水高峰期的供水可靠性问题。 另外，集中生产的再生水从处理厂到用户，需建设再生水配水管网和多个中途提 升泵站，再生水在管网系统中至少需要三次输送，浪费了大量基建和运行维护费 用，这部分投资会成为巨大的经济负担，甚至超过处理费用，且长距离输水过程 还不可避免的会产生大量渗漏造成经济损失，长距离供水可能造成二次污染影响 再生水水质。 因此，在污水资源化进程中，生活污水处理及再生利用具体到某个地方应结 合当地的经济发展、城市建设、人民生活水平等城市发展状况，不能仅仅绝限于 集中式污水处理及再生利用的模式，应因地制宜、因水制宜、因用制宜地选择部 分优质生活污水分散处理及再生利用，其是污水处理再生利用的重要组成部分， 是对污水集中处理再生利用的必要补充。总之，采用生活污水分散处理及再生利 用系统和集中污水处理再生利用系统相协调发展方式是既可以解决水资源危机 问题，又可以减轻自来水厂生产大量高标准自来水负担，同时也可以减轻污水排 放对环境造成的污染。这种开源节流式水的健康循环具有社会和环境双重效益， 是解决当前水资源危机和改善城市水环境的必由之路。 1 2 再生水国内外利用现状 1 2 1 国外利用现状 美国是世界上最早采用污水再生利用的国家之一。自1 9 2 0 年在亚利桑那州 修建第一个分质供水系统用于浇灌绿地、冲厕、洗车和冷却水等建筑以来，美国 的城市污水再生利用已经从试验研究阶段进入生产应用阶段，再生水作为一种合 法的替代水源，正在得到越来越多的广泛使用，成为城市水资源的重要组成部分， 城市再生水利用设施的数量和规模随之迅速增长。产业化的污水再生利用设施建 河海大学硕士学位论文 设全面开展则是自2 0 世纪8 0 年代末期【9 】。目前全美回用城市污水量已达到 9 3 7 x 1 0 8 m 3 a ( 约2 5 7 x 1 0 4 m 3 d ) ，佛罗里达州圣彼得堡的城市污水通过净化进入 双管布水系统，再生水得价格为自来水的4 0 ，丹佛市更是将污水处理成饮用水 注入城市供水管网f i 。】。美国分散式再生利用水主要分布于水资源短缺，地下水严 重超采的西南部和中南部的加利福利亚、亚利桑那、得克萨斯和弗罗里达等州【l ”。 日本是个面积窄小的岛国，没有大江大湖作为跨流域调水之用。1 9 5 1 年最 早规划污水及再生利用，是从附近的污水处理厂供给东京造纸厂的工业用水实验 工程。日本污水再生利用真正的尝试始于1 9 6 4 年东京奥运会之年，1 9 7 8 年左右 受节能政策调整和城市水荒的影响，从中央到地方制定了再生水利用的指导计 划，1 9 8 0 年开始以东京为首的再生水利用设施迅速发展。到1 9 9 6 年，全国约有 2 1 0 0 个建筑安装了在线循环系统，回用量达3 2 4 x 1 0 5 m 3 d ，接近日本生活用水量 的0 8 e 1 2 1 。再生水利用形式分两类：一是闭路水循环系统，即一个单栋的建筑 物污水处理后回用于该建筑物，主要用作厕所冲洗，如较大的办公楼或者公寓大 厦都有就地污水处理设备。二是区域水循环系统，这种系统往往由数个建筑生活 污水集中处理后，再分配给这个范围内的建筑物使用。 在一些城市如东京和福冈，由于当地的供水设旋、排水总管、泵站和污水处 理设施有限，随着城市的迅速增长，不能满足供水需求、污水量和处理要求的增 加。对此，东京和福冈规定：新建建筑，其面积3 0 x 1 0 4 f l i t 2 以上，或可回用自来 水量1 0 0m 3 d 以上，都必须建造污水再生利用设施【1 ”。目前东京建设杂用水利 用数量占全国的4 4 ，福冈地区占1 9 。在日本，分散的再生污水利用设施对 水资源充分利用和经济的繁荣做出了重要的作用。 以色利是一个严重缺水的国家，早在2 0 世纪6 0 年代，以色利便把污水再生 利用作为一项国家政策。在再生利用方式上包括小型社区就地处理利用、中等规 模城镇和大城市的污水区域级再生利用工程。2 0 0 0 年以色利的污水回用率为 6 5 ，预计到2 0 1 0 年将达到9 0 【1 4 】；澳大利亚的再生水利用相对较晚，在1 9 9 4 年悉尼建立一套建筑中水回用系统为1 7 0 0 0 户居民服务，回用于冲厕所、浇灌花 园以及洗车等旧；前苏联莫斯科东南区设有专用工业用水系统，有3 6 家工厂使 用处理后的城市污水，每日污水回用量达到5 5 x 1 0 5 m 3 d ；南非不但工业使用再 生水，而在约翰内斯堡市，自来水中8 5 加入的是城市再生水 1 “。 4 第一章绪论 1 2 , 2 国内发展状况 与发达国家相比，我国这种小型生活污水分散处理及再生利用设施起步相对 较晚，1 9 8 5 年北京市环境保护科学研究所建立了第一套示范工程。1 9 9 6 年全国 将近有1 8 0 多套这种处理设施，但是在当时由于种种原因，设施并没有运行，如 深圳市2 9 套只有2 套运行；北京1 2 0 套保持运行的仅有6 0 套。这些分散的污水 处理再生利用装置主要运用在大学、宾馆、服务区等。1 9 9 9 年落成全国首座环 保住宅小区北京房山区北潞春小区，每天将6 4 0 m 3 d 生活污水收集起来处理后， 用来浇绿地、洗车、冲洗道路以及消防被用水【l7 1 。目前，北京己建成3 0 0 余座分 散式生活污水处理设旌，总设计处理能力5 1 0 a m 3 d 。 上世纪9 0 年代，我国在集成化小型污水处理装置的开发、研制和应用方面也 开始了一些有益的实践，如1 9 9 1 年王福庆等开发了“微型生活污水净化器”，1 9 9 5 年邵伟清等研制的a 2 o 装置，朱根华等开发的生活污水厌氧处理装置，将厌氧滤 池和兼性滤池相结合用于生活小区混合生活污水的处理，处理出水可以达到一级 排放标准 1 叭。目前，国内小型污水处理和再生利用装置，其工艺主要采用接触氧 化法、改进型活性污泥法等，这类技术和装置的应用约占市场的9 0 以上，其次为 近年发展起来的s b r 及改进的s b r 和膜生物反应器( m b r ) 等方法【l9 j 。 如何充分利用城市生活污水，实现城市区域的良性水循环己经提上日程。小 型污水装置分散处理生活污水及再生工程是城市水的健康循环的重要组成部分， 不仅可为城市建设和经济发展提供安全可靠且能满足各类不同需要的新水源，同 时也大大地降低污水排放量，消减了污染负荷量，但是其在工艺设计、运行和管 理方面还有待进一步完善。 1 3 研究目标和研究内容 1 3 1 研究日标 目前，我国工业化和城市化的高速发展，刺激了城市用水需求量，增加了生 活污水的排放。但是某些地区市政污水处理滞后于城市的发展，短期内无法建设 完整的市政污水处理体系，甚至即使有完整的污水管网收集体系，但由于污水厂 河海大学硕士学位论文 建造较早，规模和工艺跟不上现行出水要求。另外，在众多城市的边缘地区以及 旅游景区出现了新的住宅、宾馆、学校、医院、兵营、高速公路服务区、休闲娱 乐场所等，这些地方地理位置没有市政管网，或者在短期内还无法建设完整的市 政系统，例如：兵营、高速公路服务区等的生活污水无法接入市政污水管网，这 类生活污水一般都就近排入地面水体，污染了周围环境，特别是旅游景点，地面 水体水质恶化，与周围环境极不协调。水质恶化的同时，人们对需水量却在日益 增长，很多地方已经实施污水资源化的策略，但是研究的和运用的大多数是集中 式污水处理和再生利用，这种污水再生方式在实际操作、运行、实施时碰到了解 决不了的难题。在这种背景下，生活污水分散处理排放或者生活污水分散再生利 用的出现是对集中式污水处理及再生利用的有效补充。 本研究采用自行设计的小型气提式生物接触氧化工艺处理生活污水，使其出 水达到国家建设部颁布的城市生活污水再生利用城市杂用水水质标准 ( g b t 1 8 9 2 0 - - 2 0 0 2 ) 、城市生活污水再生利用城市景观用水水质标准 ( g b t 1 8 9 2 1 - - 2 0 0 2 ) 中部分使用要求和城镇污水处理厂污染物排放标准( g b 1 8 9 2 1 - - 2 0 0 2 ) 一级- b 标准( p 指标除外) 为目标。通过试验研究确定该小型装 置合适的工艺运行参数和运行效能，简要探讨装置对污染物去除的机理，结合实 际运行出现的问题，对装置本身设计和实际运行工艺组合提出改进建议，指导中 山陵景区实际运用，使其具有大范围推广可能。解决该装置本身自身不能除磷的 现状，结合除磷试验，争取使用小型气提式接触氧化为主体工艺时，出水可达到 城镇污水处理厂污染物排放标准一级a 标准。 1 3 2 主要研究内容 ( 1 ) 针对生活污水的水量、水质特点及排放特征，对比分析各种污水处理 方法的优缺点，选用小型气提式接触氧化法为主的工艺流程作为分散处理生活污 水及再生利用的有效方法。 ( 2 ) 通过小型气提式接触氧化处理校园生活污水处理的研究，确定装置的 合适运行工况，为今后实际工程提供设计和运行参数。 ( 3 ) 结合试验结果、分析处理效能，提出装置改进方案，对装置设计进一 步优化。 6 第一章绪论 ( 4 ) 探讨该装置使用时用药剂解决除磷问题，为装置今后更加广泛使用、 工艺设计提供理论依据和技术支持。 ( 5 ) 结合中山陵实际工程，提出实际运行管理方案，并通过技术经济验证 工艺的可行性。 河海大学硕士学位论文 1 4 研究技术路线 小型气提式接触氧化法分散处理生活污水及再生利用研究 课题背景lj 国内外状况 研究目标与内容 气提式接触氧化装置 中试研究 反 应 器 启 动 与 挂 膜 最 佳 工 况 的 确 定 生 物 相 的 观 察 稳 定 还 行 抗 冲 击 负 荷 测 试 结果分析 装置改进建议 化学除p 小试 研究 絮 凝 剂 投 加 且 里 确 定 絮 凝 沉 淀 时 间 投 机 前 后 p h 值 变 化 针对该工艺提 出使用方案 中山陵紫金小区 实际工程运用 实际操作性分析 结论与展望 分散处理的再生水 利用技术探讨 可 行 性 研 究 用 途 及 使 用 方 式 目 刖 的 问 题 及 措 施 工 艺 技 术 分 析 第二章生活污水分散处理论与方法 第二章生活污水分散处理理论与方法 2 1 生活污水的来源及特征 生活污水主要来自建筑小区、单个家庭、办公楼、服务区、宾馆、医院等日 常生活所用过的，并为生活肥料和人们排泄物所污染的水，包括厨房洗涤、沐浴、 洗衣和冲洗厕所用水等。生活污水中含有大量的微生物糖类、各种氨基酸，挥发 性及非挥发性有机酸等有机物，污水悬浮物中，以蛋白质、碳水化合物和脂肪为 主。生活污水的排放特征如下： ( 1 ) 种类多、分布广 生活污水污染源由于不同的生产性质，规划上有时不尽合理，分布十分广泛。 既有分布于城市闹市区，也有分布于山前、平原、江、河、湖边或远离城区的旅 游开发区，后者不但没有配套的建筑污水处理系统，有的甚至没有配套的自来水 供水系统，生产的生活污水直接排入周围河流和湖泊，因此构成了一个点状无序 的污染体系，对周围环境造成威胁。 ( 2 ) 水质、水量变化大 生活污水水量一般不大，水量、水质随着人的社会行为变化，高峰期集中排 放不均匀，瞬时变化较大，水质波动大。其规律为：早、中、晚用水高峰时排水 大，周末和节假日排水量明显高于平时，特别是宾馆和服务区生活污水，有时高 峰和低峰期的排水量能够相差1 0 倍以上【2 0 】。 ( 3 ) 污水可生化性好 生活污水b o d 5 c o d 的值一般在0 4 ，最高为0 7 ，4 具有很高的生化性，故 处理时一般选用生物处理的方法【2 l 】。 2 2 污水处理方法概述 2 2 1 物理法 污水处理的物理法是用机械的方法去除污水中悬浮物杂质，其处理对象主要 是悬浮物和部分胶体，因此又称污水的固液分离处理。一般方法包括：筛除、沉 河海大学硕士学位论文 淀、气浮、过滤和膜分离等。主要单元和处理构筑物有格栅、筛网、各种沉淀 池、气浮池、过滤池、及兴起的膜设备等。 2 2 2 化学法 污水的化学处理是根据废水中污染物特性，利用化学作用、物化作用、电化 学作用等方法去除水中污染物的过程。常用处理方法包括混凝、吸附、催化氧化、 电解等。其特点是：( 1 ) 不需曝气，电耗低；( 2 ) 有机污染去除较稳定，且对磷、 重金属、细菌和病毒等处理率较高；( 3 ) 基建投资和运行费用低，在有较大污染 负荷的前提下，仍能取得较好的投资效益。 2 2 3 生物法 污水的生物处理是利用微生物新陈代谢作用处理污水中溶解或胶体状有机 污染物的一种水处理方法。生物法分为好氧和厌氧生物处理，一般好氧生物处理 应用在生活污水和有机物浓度不高的工业废水处理中；厌氧法应用在工业废水和 污泥处理上。根据微生物在水中所处状态，又可分为活性污泥法和生物膜法，经 过上百年的发展，污水生物处理形式已经发展有多种式样： ( 1 ) 活性污泥法：包括传统活性污泥法、a b 法、a o 、a 2 o 、氧化沟工艺、 s b r 工艺及其变种、新近开发的m b r 工艺等。 ( 2 ) 生物膜法：普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池、曝气生 物滤池、生物转盘、生物流化床及生物接触氧化等。 ( 3 ) 自然处理：稳定塘法、土地处理系统。 ( 4 ) 厌氧处理：厌氧接触法、u a s b 、a b r 、i e c 等。 2 3 污水生物接触氧化法 2 3 1 生物接触氧化法的起源 生物接触氧化法的概念最早于1 9 世纪末由w a r i n g 等人提出，b a c h 将生物 滤池浸沉没水中，从底部曝气，处理焦化厂的含酚废水。1 9 1 2 年c l o s s 在德国 第二章生活污水分散处理论与方法 取得了专利登记。同期，美国也有人在活性污泥曝气池中，增设石棉水泥板充当 填料，供微生物附着生长。但当时由于材料工业、管理方式等技术滞后，填料选 材、曝气充氧方式、反应池构造与设计及运行管理等方面都受到一定程度的限制， 处理效果不甚理想，使得该技术的发展一度受到冷遇。从2 0 世纪6 0 年代起，日 本人阴川等人根据膨胀状态的活性污泥，其生物活性仍很正常这一现象，考虑将 活性污泥加以固定，因此又注意到接触氧化法( f a s f i x e d a c t i v a t e d s l u d g e ) 2 2 23 1 。6 0 年代末，小岛真男用蜂窝填料充填的接触氧化槽处理已被污 染的多摩川河水，在东京都玉川自来水厂进行了中间试验，取得了非常良好的效 果 2 4 】。7 0 年代初，随着新型合成材料工业化的迅速发展，以及轻质蜂窝填料的 研制成功，日本率先提出“管式接触氧化”的构想，并对传统供氧方式进行了改 进，使废水处理效果大幅度提高，从而使接触氧化法的发展走出低谷，并发展出 多种形式。 生物接触氧化法是在生物滤池的基础上，通过接触曝气形式改良而演变出的 一种生物膜处理技术。它具有生物膜法的基本特征，典型的工艺由氧化池、填料、 布水装置和曝气系统四部分组成，运行时填料全部浸没在污水中，利用机械装置 向水体充氧，生物膜绝大部分附着在固体填料上，少量悬浮于水中，它将生物滤 池和活性污泥法有机结合在一起，同时兼备两者的优点。从水中微生物的附着场 所及生存方式来看，类似于生物滤池：从反应器流体力学特性及曝气方式来看， 它又与活性污泥法相似。 2 3 2 生物接触氧化法的原理与特征 生物接触氧化法处理污水。主要依靠反应器内的填料及生物膜首先对有机物 的吸附和阻留作用，然后再在微生物作用下降解 2 ”。填料具有巨大的比表面积， 污水中有机物进入反应器后很快被填料吸附和阻留，这种吸附和阻留所积聚的有 机颗粒增加了填料表面的粗糙程度，加强了吸附阻留作用。与此同时，微生物同 样在填料表面落户并大量繁殖形成生物膜，相应地也增加了生物吸附作用。由于 吸附作用，生物膜表面上附着一层滞流薄水层，氧通过滞流层进入生物膜，有氧 条件下，污水层内有机物不断被膜中微生物吸附、氧化、分解。滞流水层内有机 物浓度极大地低于流动层，在传质推动力作用下，流动层内有机物不断向附着层 河海大学硕士学位论文 转移，使流动水层在整体流动中逐步得到净化，达到处理污水目的。在此期间， 生物膜的增长、新陈代谢过程与溶氧值关系密切，生物膜厚度随着微生物浓度增 殖而不断加厚，当滞流水层中溶解氧被膜表层微生物耗尽时，膜内层就会滋生出 大量厌氧微生物，经过一段时间后，厌氧菌的数量上亦开始下降，加上代谢气体 ( h 2 s ，n h 3 ) 的逸出，使生物膜出现许多空隙，附着力减弱，过厚的生物膜在 本身重力及废水流动力作用下脱落，最后大块脱落【2 6 j 。在脱落的填料表面，生物 膜又重新生长。事实上，新陈代谢过程在生物接触氧化反应器中生物膜发展的每 一阶段都是同时存在，这样就使其去除有机物能力保持在一个较高水平上。接触 氧化处理污染物作用机理图如下 有$ 附 着 水 承 一 最1 + 香 物f 赢物膜i 污水 图2 - 1 接触氧化处理污染物机理 2 3 3 影l i 龟生物接触氧化工艺的主要因素 生物接触氧化工艺水质净化效果取决于生物膜生物量及其活性，从已有实际 运行结果看，影响其效果的主要环境因素有水质、水温、p h 值、d o 值、h r t 、 气水比、布水布气方式、填料类型和结构等。 ( 1 ) 水温 水温是影响微生物生长和生命代谢的主要因素，水温越低，活性越小。硝化 菌生长繁殖适宜温度为2 5 3 5 之间，5 l o 之间是2 0 3 0 之间的一半， 2 3 。c 以上是氨氮去除效果最佳，温度对有机物去除效果影响较大。 第二章生活污水分散处理论与方法 ( 2 ) 气水比 生物接触氧化工艺布气一般有二个方面的作用：一是提供微生物所需要的 氧；二是提高池内水流紊动程度，促使污染物和生物膜充分接触，保证去除效果 最佳。因此，溶解氧浓度是生物接触氧化工艺中一个重要的控制参数。 ( 3 ) 水力停留时问 一般说，随着水力停留时间增长，c o d 和b o d 5 去除效果会提高，但c o d 和b o d 5 容积负荷则减小。故在实际运用时，综合考虑经济成本和运行效果，选 择合适的水力停留时间。 ( 4 ) 填料选取 填料是生物接触氧化工艺的核心之一，是微生物赖以生存的场所，其性能直 接影响处理效果和投资费用。一般接触氧化池的填料填充率为3 0 7 0 ，填料 过多会影响氧的传递速率。 2 3 4 填料种类及其特征 填料是生物膜的载体，是接触氧化处理工艺核心部位，直接影响接触氧化工 艺过程效率、能耗、稳定性及可靠性。根据填料在接触氧化池的安装方式可分固 定式填料、悬挂式填料和混合式填料。 ( 1 ) 固定式填料 固定式填料以蜂窝状和波纹板状为代表，材质多为玻璃钢、聚丙烯和硬聚 氯乙烯构成。多为六边形，孔径在2 0 1 0 0 m m 之间。此类填料比表面积和孔隙 率都较高，质轻强度高且几何尺寸稳定，力学性能好，价格便宜。但是填料易堵 塞，布气容易不均，生物膜易脱落。 ( 2 ) 悬挂式填料 悬挂式填料包括软性、半软型及组合填料。软性填料理论比表面积在1 4 0 0 2 4 0 0 m 2 i n 3 ，空隙率大于7 0 ，安装容易，挂膜快，造价低口7 1 。但经实际应用 发现易结团，中心部位变为厌氧状态，减小了填料比表面积，降低了处理效果； 中心易发生断丝、中心断绳等情况，使用寿命短。半软性填料具有较好的气泡切 割性能和布水布气能力、挂膜效果好、不堵塞，使用寿命长，但是理论比表面积 小、生物膜总量不足，影响出水效果，且造价较高。组合填料是在软性和半软性 河海大学硕士学位论文 基础上研制的，具有比表面积大、易挂膜、不结团、切割气泡性能好等优点。广 泛用于丝绸印染、毛纺印染等行业。 ( 3 ) 分散式填料 分散式填料包括堆积式、悬浮式填料，种类繁多。特点无需固定悬挂，只 需将放置于处理装置之中，使用方便，更换简单。但分散式填料也有自己的缺陷， 由于碰撞、摩擦和冲刷等原因，填料比表面积只有全部的6 0 ，甚至更低，降低 了使用效能，且价格过高，使用过程中流失都制约了其应用。 今后，随着废水生物处理工艺的不断改进和更新，必将会有更加可靠的填料 出现。 2 3 5 生物接触氧化法应用研究进展及展望 国内在生物接触氧化方面研究起步较晚，1 9 7 5 年由北京市环保研究所、北 京工业大学等单位牵头开始对生物接触氧化法的试验研究，当时的主攻方向是城 市废水的c o d ，b o d 5 降解及纺织印染的脱色等问题【2 8 1 。后来，上海大学环境工 程系陈玉莉成功地将生物接触氧化法用于高浓度含合成洗涤剂废水的处理过程 中【2 9 1 。孙哲等人通过在对现有曝气器装置分析的基础上，采用微孔橡胶膜片代替 硬质塑料，研究开发的c m d 圆盘型弹性微孔膜曝气器，具有氧利用率高，动力效 率高，压力损失小，不腐蚀，不堵塞，曝气量可以调节等优点f 3 。】。 随着对接触氧化原理研究的不断深入和工艺技术的逐渐成熟，其应用领域 也更加广泛，不仅用于处理生活污水、城市污水、微污染源水，而且运用于某些 工业有机废水如石油化工、农药、印染、轻工造纸、食品加工、发酵酿造、制药 等行业排放废水，甚至像苯酚、丙酮等一些难降解的有毒废水。可以看出，生物 接触氧化法的应用领域很广，但作为生活污水处理正在向高效、高难度、低成本 多功能等方向拓宽。总体上在运行方式、反应器、流程安排、生物技术上还有待 研究，相比国外，我国研究起步较晚，理论研究还很薄弱。 ( 1 ) 继续深层次地研究接触氧化中污染物降解机理、氧的扩散机理、微生 物增长和新陈代谢规律。对反应器流体力学、停留时间分布、氧传质特性对水处 理效果影响等方面进行研究。 ( 2 ) 运用已有的理论成果和技术手段，优化气水比，p h 值等工艺参数，觌 第二章生活污水分散处理论与方法 范设计参数，提高生物反应效率，缩短停留时间，减少污泥产量，减小反应器体 积。 ( 3 ) 伴随材料技术的发展和检测手段的提高，开发和研制高比表面积，水 阻力小、不堵塞、易挂膜、比重轻、强度大、价格低廉、不结团、化学生物性稳 定等性能优越的填料，微生物密集型填料和固定化微生物型填料将是以后研究的 热点。 本文认为应用生物接触氧化法处理分散生活污水到最后的再生利用，重点 在改善出水水质的前提下做好前期预处理，以及在处理过程中做好强化传质，提 高生物反应效能，减少污泥量，缩短水力停留时间，减小处理构筑物体积，有效 地改善管理方式，节约占地，降低基建与运行管理费用等。 2 4 分散处理工艺选择 2 4 1 工艺特点 污水处理的方法较多，按照不同分类标准可有不同工艺流程。分散污水处理 与集中污水处理采用的工艺形式基本相同，是利用复杂的生物和物理过程，以各 种池体、水泵等机械作为一个整体进行处理。与集中处理不同的是，分散性污水 处理方式更着重于小型和集成装置。分散污水处理再生利用工程设计时要考虑周 边的地理条件、周边环境、和社会状况，尽量合理利用当地地形，一般不设初沉 池，可直接利用建筑物的化粪池进行初处理，调节池及后续生物处理的工艺可采 用地埋式安装，化粪池出水通过格栅流入调节池，污水通过重力自流流入生物处 理池处理，经沉淀、消毒到最终再生利用。此类生活污水污染源排水量不大，可 生化性好，但水量波动大。因此，根据原水的水量、水质特征和再生利用的目标， 选择生活污水分散处理及再生利用系统工艺时一般参照以下原则： ( 1 ) 占地面积少，尽量地埋式设计，布局灵活，不影响