（环境科学专业论文）跌水曝气推流式生物接触氧化工艺的研究.pdf

大连交通大学1 = 学硕士学位论文 a b s t r a c t t r a d i t i o n a la e r o b i cb 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 yn e e dc o n s u m eh u g ee n e r g y ，w h i l e w a t e r - d r o p p i n ga e r a t i o nu t i l i z e sp o t e n t i a le x c h a n g et or e a l i z ea e r a t i o n c o m p a r e d 、析t hb u b b l e a e r a t i o na n dp a d d l e w h e e la e r a t i o n , w a t e r - d r o p p i n ga e r a t i o np o s s e s s e ss e v e r a la d v a n t a g e ss u c h 硒s i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t ，l e s se n e r g yc o n s u m p t i o n ，w h i c hh a sb e e nu s e di ne l i m i n a t i n g m a n g a n e s ei ng r o u n d w a t e r i nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，w a t e r - d r o p p i n ga e r a t i o nc a na d a p tt h e t e r r a i ni nh i l l ya n dm o u n t a i na r e a , r e d u c et h ep r o j e c ta n do p e r a t i o nc o s t ，s oi ti sw o r t h s t u d y i n ga sam e t h o do fa e r a t i o n b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o ni sat y p i c a la e r o b i cb i o l o g i c a lm e t h o d ，w h i c hb e l o n g st oa k i n do fb i o f i l mp r o c e s sa n dh a sb e e nw i d e l yu s e di nm u n i c i p a lw a s t e w a t e ra n di n d u s t r i a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h i sp a p e rs t u d i e so nt h ee f f e c to fw a t e r - d r o p p i n ga e r a t i o nf a c t o r sa n d t h ep l u g f l o wb i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o ni no r d e rt of i n do u tt h ei m p a c tt od o m e s t i cs e w a g e a n dp o l l u t e dr i v e r o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r sw h e t h e rt h ep r o c e s sc a nw o r ki st h ed o c o n c e n t r a t i o n t h ed oc o n c e n t r a t i o ni nw a t e ri sac r i t i c a li n d e x ，w h i c hi sac o n d i t i o no f m a i n t a i n i n g t h e e c o l o g i c a l b a l a n c ea n dd e c o m p o s i n g o r g a n i cc o m p o u n d s t h r o u g h o p t i m i z i n gw a t e r - d r o p p i n gh e i g h t ，d e c r e a s i n gt a n kd e p t h a n di n c r e a s i n g r e f l u x ，d o c o n c e n t r a t i o ni se n h a n c e d t h er e s u l ts h o w s ：u n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，t h eo p t i m a l w a t e r - d r o p p i n gh e i g h ti s1 0 m ；r a t i o n a lf l o w i n gl o a di s 0 14 l m 。sa n dw i t ht e m p e r a t u r e e n h a n c i n g ，t h ee f f e c to fa e r a t i o ni m p r o v e s e x p e r i m e n t a lw a t e rs i m u l a t e sd a l i a nm a l a nr i v e ri ns u m m e ra n dt h eq u a l i t yo fr a ww a t e r i sa sf o l l o w s ：c o d e rl6 0 m g l ，n h 3 - n16 m g l t h ee x p e r i m e n ts h o w s ：r a t i o n a lr a t i oo f r e f l u xi s3 ：1 t h er e m o v a lo fc o d c ra n dn h 3 一ni n c r e a s e sa l o n gt h er e a c t o ra n dt h ep o l l u t a n t s d e c r e a s e ss i g n i f i c a n t l yi nt h ef o r m e rp a r t t h ec o d c rc o n c e n t r a t i o no fe f f l u e n ti sl o w e rt h a n 6 0 m g la n dt o c i sa b o u tb e t w e e n2 0 m g la n d3 0 m g l t h er e m o v a lr a t eo fb o t hi sa b o u t 6 0 ；t h en h 3 - nc o n c e n t r a t i o no fe f f l u e n ti sa r o u n d10 m g la n dt h er e m o v a li sa b o v e3 0 ； t h et ni sa r o u n d12 m g la n dt h er e m o v a lr a t ei sn e a r l y2 0 i nt h ee x p e r i m e n t ，c o m b i n e d f i l l e ri sr e p l a c e db ye l a s t i cf i l l e ra n dt h ei n v e s t i g a t i o ns h o w st h a tt h ep o l l u t a n tr e m o v a lr a t ei s a l m o s tt h es a m e i no r d e rt oi n v e s t i g a t i n gt h es t a b i l i t yo ft h er e a c t o r ，t h eh i g h e ri n f l u e n tc o n c e n t r a t i o ni st o e n h a n c et h ev o l u m el o a d t h er e s u l ts h o w st h a ts h o r t t i m ei m p a c th a sn o to b v i o u se f f e c tt o p o l l u t a n tr e m o v a lr a t e p r o l o n g i n g t h et i m e o fi m p a c lt h en e e d e dr e c o v e r e dt i m e c o r r e s p o n d i n g l yp r o l o n g s ，s ol o n g t i m ei m p a c td o e sh a r mt oo p e r a t i o n s i m u l a t e dr a i no f q u a d r u p l ei n f l u e n tf l o ws c o u r sf o r2 ha n dt h er e m o v a lr a t eo fc o d e r a n dn h 3 - nd o e s n t c h a n g eo b v i o u s l y 摘要 t h es t u d yo ft h er e s u l ts h o w st h a tw a t e r - d r o p p i n ga e r a t i o na n dp l u g - f l o wb i o l o g i c a l c o n t a c to x i d a t i o np r o c e s si ss u i t a b l ef o rd o m e s t i cs e w a g et r e a t m e n ti nc o m b i n e dd r a i n a g e d i t c ho rp o l l u t e dr i v e rc h a n n e l t h eh i g h e rp o l l u t a n tr e m o v a lr a t ed i s p l a y st h a tt h ec o m b i n e d p r o c e s si sap r o m i s i n gp r o c e s s k 呵w o r d s ：w a t e r - d r o p p i n ga e r a t i o n ；p l u g - f l o w ；b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o n ；d o 绪论 绪论 随着世界人口的增长和经济的发展，环境和资源所遭受的破坏日益严重，给人类的 生存和社会经济的可持续发展带来了严重的威胁。据2 0 0 6 年环境公报，全国化学需氧 量排放1 4 2 8 2 万吨，比2 0 0 5 年增长1 0 ；2 0 0 7 年上半年，全国化学需氧量排放6 9 1 3 万吨，与2 0 0 6 年同期( 6 8 9 6 万吨) 相比增长0 2 4 。 2 0 0 6 年，全国地表水总体水质属中度污染，在国家环境监测网监测的7 4 5 个地表水 监测断面中，i - h i 类，、v 类，劣v 类水质的断面比例分别为4 0 、3 2 和2 8 。 七大水系中，珠江、长江水质良好，松花江、黄河、淮河为中度污染，辽河、海河为重 度污染。巢湖为v 类水质，太湖、滇池为劣v 类水质。根据监测结果统计，中国局部海 域污染严重，近岸海域一、二类海水比例仅为6 7 7 ，三类海水为8 0 ，四类、劣四类 海水为2 4 3 ，上升o 4 个百分点，渤海、东海近岸海域分别为轻度和中度污染。 2 0 0 5 年，全国废水排放总量5 2 4 5 亿吨，其中工业废水排放量2 4 3 1 亿吨，城镇生 活污水排放量2 8 1 4 亿吨。废水中化学需氧量排放1 4 1 4 2 万吨，废水中氨氮排放量1 4 9 8 万吨，城市污水处理率仅有5 1 9 9 ：2 8 个国控重点湖( 库) 中，满足i i 类水质的湖( 库) 2 个，占7 ；i i i 类水质的湖( 库) 6 个，占2 1 ；i v 类水质的湖( 库) 3 个，占1 1 ； v 类水质的湖( 库) 5 个，占1 8 ；劣v 类水质的湖( 库) 1 2 个，占4 3 。其中，太湖、 滇池和巢湖水质均为劣v 类。 综上，随着人民生活水平的提高和城市化的日益加快，污水排放量持续增长，大量 的污水进入自然水体导致了严重的水环境污染，使已经十分严重的水资源短缺状况更加 严峻，污染问题已经开始威胁中国国民经济的可持续发展。据联合国预计，到2 0 2 5 年， 全世界淡水需求量将增加4 0 ，并警告到2 0 2 5 年世界将有近一半人口生活在缺水地区。 因此，如何有效地解决水污染问题，降低对环境的污染，已经成为当今社会关注的热点。 就我国而言，水污染的治理重点已经开始从工业点源为主的控制治理，逐步转变为 以城市生活污水为主的控制治理，城市生活污水主要采用建污水处理厂集中处理，但在 我国的中小城市由于资金和技术上的原因，不可能大量兴建投资大，运行费用高的传统 污水处理厂，因此开发适合我国国情的新型中小城镇污水处理工艺成为一项新的研究课 题。城镇中合流制排水沟渠或河道是污水排放的主要路径，选择适当的工艺对排水沟渠 或河道加以利用使其能够对污水进行有效的处理，可以降低工程造价和运行成本，解决 中小城镇污水处理的难题，是一种值得探讨的污水处理方式。 大连交通大学t 学硕十学位论文 第一章生物接触氧化工艺 生物接触氧化法( b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o np r o c e s s ，b c o ) 是在生物滤池的基础 上发展起来的，是生物膜法的一种。在生物接触氧化池内填充惰性填料，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，在微生物的新陈代谢作用下 污染物得到去除。 生物接触氧化法是一种典型的好氧生物膜法污水处理技术，因此在填料表面形成性 能良好的生物膜是生物接触氧化法的关键。生物膜是细菌、藻类、原生动物、后生动物 等生物附着在填料上生长繁育，并在其上形成膜状生物污泥。在污水与填料的接触过程 中，污水中的微生物向填料表面输送，在一定条件下、经过一定的时间，通过结合固定 化的途径形成生物膜；污水与生物膜接触后，污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，同时向生物膜内部传递扩散并被氧化降解i i 】。在生物接触氧化池 中，废水中有机物的去除是通过填料和生物膜的吸附截留、微生物氧化降解和食物链转 移作用完成的。 1 1 生物降解过程作用 根据c h a r a c k l i s 的研究，生物膜的积累形成是一系列物理、化学和生物过程的综合 作用的结果1 2 j ，即： l 、污水中的有机分子向附着有生物膜的填料表面输送： 2 、污水中一些浮游型微生物细胞在向填料表面传输的过程中，一部分细胞吸附到 了填料的表面上，其中的一部分细胞由于水力剪切或者是物理、化学和生物作用又被解 吸出来，而剩下的细胞则被填料表面吸附一段时间后变成了不可解吸的细胞； 3 、不可解吸的细胞摄取污水中的营养物质，进行利用和氧化分解，同时细胞自身 新陈代谢，排出体外的一部分物质就是胞外多聚物，它将生物膜紧密地结合在一起。正 是微生物细胞摄取污水中的有机物进行新陈代谢使得生物膜不断地积累形成。 生物接触氧化工艺中生物膜的结构和物质代谢如图1 1 所示，c a p d e v i l l e 等人进行 了大量的实验研列3 1 ，他们认为生物膜的生长发展过程由6 个阶段组成： 潜伏期：生物膜处于生长阶段，不可逆吸附的微生物固着于填料表面，较薄的胶 质粘合剂膜在填料表面形成，此时的生物膜较疏散。 动力学增长期：由于潜伏期的生物膜较稀疏，微生物的有机物营养供给大于需求， 因此微生物在填料表面迅速增长，生物膜开始增厚，水中的有机污染物浓度下降，溶解 氧也被大量地消耗。 2 第一章生物接触氧化工艺 线性增长期：随着生物膜在填料表面不断地增加，在生物膜增长曲线上出现了线 形增长阶段，据实验表明，非活性生物膜量占很大比例。 减速增长期：随着生物膜的增厚，营养物质和氧的传递阻力增加，生物膜内部好 氧微生物开始死亡，兼性好氧微生物停止新陈代谢，转而进入厌氧期，生物膜厚度降低。 稳定期：兼性好氧和厌氧微生物逐渐适应环境的变化，开始迅速生长。利用好氧 微生物的残体以及传输过来的营养物质维持自身新陈代谢，在已死亡的微生物表面迅速 生长，生物膜的厚度降低减缓。 脱落期：随着生物膜的增厚，内部生物膜老化而发生大块脱落。同时厌氧产气有 可能将生物膜顶托而使得生物膜的附着性下降，膜层松动而脱落，生物膜脱落的区域为 新的生物膜的形成和生长提供了表面。 图1 1 生物膜结构 f i g 1 1c o n f i g u r a t i o no fb i o l o g i c a lf i l m 微生物氧化污染物是以生物酶为催化剂，在反应器内完成生物化学反应。成熟后的 生物膜对污染物的降解是通过污染物、溶解氧、分解代谢产物以及各种必要的营养元素 以水为媒介，在生物膜内外扩散、传质等过程实现的。在生物膜内外、生物膜与水层之间 进行着多种物质的传递过程，空气中的氧溶解于流动的水层中，从那里通过附着水层传 递给生物膜，供微生物用于呼吸；污水中的有机物由流动水层传递给附着水层，然后进 入生物膜，并通过微生物的代谢活动被降解，使污水在流动过程中逐步得到净化；微生 物的代谢产物则通过附着水层进入流动水层，并随其排走，而c 0 2 及厌氧层分解产物如 h 2 s 、n h 3 以及c h 4 等气态代谢产物则从水层逸出进入大气。 大连交通大学工学硕十学位论文 1 2 生物膜的生物相 在应用中，生物接触氧化法的净化效果主要取决于生物膜量与膜的活性。生物膜反 应器为微生物的繁衍、增殖及生长栖息创造了安稳的环境，在生物膜上除大量细菌生长 外，还可能出现大量的丝状菌。在生物膜上生长繁育的微生物，类型广泛、种类繁多。 食物链长且较为复杂。生物接触氧化池内的生物膜的微生物群落有：生物膜生物、生物 膜面生物及扫除生物。废水中的大分子有机物被生物膜中的生物膜生物( 菌胶团) 和生 物膜面生物( 固着型纤毛虫、游泳型纤毛虫及微型后生动物) 吸附，分解为小分子有机 物。同时溶解性有机物和经水解的小分子有机物被微生物吸附进入体内并氧化分解，用 于构建微生物自身的细胞。上层生物膜的代谢产物流向下层，被下层生物膜吸收，进一 步被分解为c 0 2 和h 2 0 。老化的生物膜和游离细菌被扫除生物( 轮虫、线虫等) 吞噬， 废水得以净化 4 1 。这就形成了一个食物链有机污染物_ 细菌_ 原生动物 _ 后生动物，再加上其它错综复杂的捕食关系，使污水净化效率得以提高。 1 3 生物接触氧化工艺的基本形式 生物接触氧化法的技术实质就是在氧化池内设有人工曝气装置，向池内供氧并起到 搅拌和混作用。它的典型工艺由池体、填料、曝气装置、进出水装置组成，根据进水与 布气形式的不同，生物接触氧化工艺主要有四种池型i5 1 ，如图1 2 所示。 b e t 泓 生 v v m e vvv - y - - 气装置 ( a ) 底部进水、底部进气式 ( a ) w a t e ra n da i ri n f l u e n tf r o mb o t t o m 4 理水 ( b ) 侧部进气、上部进水式 ( b ) a i ri n f l u e n tf r o ms i d ea n dw a t e ri n f l u e n t f r o mu p p e r 第一章生物接触氰化 ：艺 ( c ) 射流曝气式( d ) 表面曝气式 ( c ) j e ta e r a t i o n ( d ) s u r f a c ea e r a t i o n 图1 2 典型的生物接触氧化池示意图 f i g 1 2t y p i c a ls e t - u po fb i o - c o n t a c to x i d a t i o nt a n k 1 4 生物接触氧化工艺中的填料 生物接触氧化工艺的发展在很大程度上取决于填料的发展。填料的材质、强度、密 度、比表面积大小、布水布气性能和造价等因素直接影响到了污水处理的效率、工程投 资以及运行的可行性及稳定性。 1 4 1 软性填料 软性填料的基本结构是在一根软性中心绳索上系扎软性纤维束，再用金属框架等将 中心绳上下端固定浸没于水中1 6 j 。软性填料的材质来源广泛，棉纶、涤纶、晴纶、维纶 等纤维都可以用作软性填料。特别是醛化维纶纤维，价格便宜，具有良好的耐腐蚀性。 软性填料受到水流和气泡的冲动，处于飘动状态，因此软性填料的空隙具有可变性，从 而避免了堵塞现象；纤维丝的数量很多，从而具有较大的理论比表面积，挂膜相对容易； 软性填料加工方便，造价低廉，在当时具有很大的推广价值并得到了广泛应用。 软性填料虽有上述优点，但是在长时间使用后就会出现纤维束结团的现象，随着时 间的推移，结团现象将越来越严重。填料纤维束的结团大大降低了实际使用的比表面积， 并在结团中心部位产生较大的厌氧区，影响其使用性能。特别是当废水化学需氧量高或 水中悬浮物较大时，易发生断丝、中心绳断裂等情况，影响使用寿命。 大连交通大学t 学硕+ ：学位论文 1 4 2 半软性填料 半软性填料是相对于软性填料而言的，其研制的指导思想是利用填料单元的机械强 度来克服结团现象并增强对气泡的再切割作用，利用填料在水气流中的颤动促进老化生 物膜的脱落，并通过对其形状的设计尽量增大理论比表面积。半软性填料由填料单片、 塑料套管和中心绳三部分组成，各组成部分均采用耐酸、耐碱、耐老化性能较好的低密 度聚乙烯为原料。 半软性填料有着特殊的结构和水力性能，空隙率大( 大于9 6 ) ，水流阻力小，水 流通过填料层的时候可以产生明显的湍流流态，使水与生物膜的接触机会大大增加，增 强了去除污染物的能力。半软性填料刚性柔性并存，具有较强的气泡切割性能和再次布 水布气的能力，对于鼓风曝气中的大气泡而言，它具有多层次、反复切割气泡的作用， 从而提高了氧转移率。该填料具有传质效率高、挂膜脱膜效果较好、不易堵塞、节能、 耐腐蚀、耐老化、使用寿命长等特点；不足在于与软性填料相比，其比表面积相对较小， 表面光滑，微生物附着性能相对较差，生物膜总量不足。 1 4 3 组合式填料 组合式填料是鉴于软性、半软性填料存在的缺点并吸取软性纤维填料中醛化维纶纤 维的耐酸碱、耐老化、耐生物降解的化学性能和比表面积大、重量轻、生物膜附着性能 好等物理特征和半软性填料不结团、气水再分布能力强、氧传质效率高等优点而设计的 填料。组合填料集中了软性及半软性填料的结构特点，填料单元中央是一个尺寸较小的 半软性填料，外围连接软性纤维束，其平面有如盾形，故又称盾式填料。 组合式双环填料以塑料环作为骨架，中间为尺寸比较小的半软性填料，外围连接软 化的纤维束，维纶丝紧绷在塑料环上，在污水中纤维束分散均匀，易挂膜，对污水浓度 变化适应好。组合式多孔环填料的塑料环片四周有4 0 个方孔，方孔有八束维纶醛化丝均 匀分布在四周，呈放射状，纤维束丝串通8 个方形孔，非常牢固。盾式组合式填料的比 表面积为1 0 0 0 2 5 0 0 m 2 m 3 ，空隙率9 8 - - - 9 9 ，具有挂膜快，生物总量大，不结团等优 点。 1 4 4 弹性立体填料 弹性立体填料由聚烯烃塑料加以抗氧化剂、亲水剂、稳定剂、吸附剂等添加剂，经 特殊拉丝制成，弹性丝表面带有细小毛刺，用以增加比表面积。弹性立体填料主要包括 y d t 型弹性立体填料( 简称y d t 填料) 、t a 型弹性波形填料( 简称t a 填料) 、p w t 型立体网 状填料( 简称p w t 填料) 。 6 第一章生物接触氧化_ l 艺 y d r 填料单体是通过中心绳的绞台将填料丝压却固着于绳内，睁成的辐射状立体构 造，填料丝具弹性、带波纹及微毛刺。t a 填料甲体由若干填料片通过中心绳和套管拴 接而成。每个填料片由中心环压崮填料丝而成辐射状分枷填料丝具弹性，呈波形。p w t 填料单体由若干填料片通过拴接绳和套管拎接而成，每个填料片譬立体嘲状结构， i 1 横 筋、横丝构成网形，n l 竖始均匀连接成立体结构。 弹性体填料构思独特，利用密集的丝条进行挂膜和切割气泡，比表面积大，生物 膜罱多，且氧的转移速率、氧的利用率、氧的总转移系数、充氧能力及充氧动山效j 簪五 项指标均比软性填料和组合式填料高m 倍以e ，使用过程小不堵塞，使用寿命长。但 也存在着中心部分易厌氧，挂膜速度慢的缺点【7 1 。 a ) 软性填料b ) 半软性埙料 c ) 组音式填料 目13 常h 填料 d ) 弹性矗体填料 大连交通大学工学硕士学位论文 1 5 影响生物接触氧化工艺处理效果的主要因素 对生物接触氧化工艺而言，有机物好氧氧化的实质都是微生物降解利用有机物的过 程。由于不同类型的废水水质不同，所采取的具体工艺流程、设计参数、运行管理和排 放的要求也不尽相同，因此这一过程无疑受到内在与外在因素的影响。 1 5 1 溶解氧 生物接触氧化法是一种好氧生物膜法，反应器内的微生物以好氧微生物为主，有机 污染物的氧化降解也以好氧反应为主，因此在反应器内必须保证一定的溶解氧浓度。一 般生物接触氧化反应器内的溶解氧浓度应该大于z 0 m g l t 引。溶解氧过低，会改变系统 的微生态环境，溶解氧过高，增加能耗，经济上不适宜1 9 1 。 1 5 2 温度 微生物的生理活动与周围的温度有着密切的关系。好氧生物处理的最佳温度范围为 2 0 - 3 0 ，当水温低于1 0 时，生物处理效果开始加速下降。例如，随着温度的升高硝 化反应的速率加快；而当温度低于1 5 ( 2 时，硝化反应速率迅速下降，当温度低于5 。c 时 几乎停止【1 0 , 1 1 】。可见，温度对生化反应的影响相当明显。另外，温度对填料的挂膜过程 也起到至关重要的作用，温度过低，微生物的生物酶活性弱，代谢活动缓慢，生长繁殖 慢，不利于挂膜。 1 5 3 水力条件 对生物膜法工艺而言，反应器内的污水要有一定的紊动程度，这样微生物、氧气、 污水才能更好地进行三相传劂1 2 j 。在微生物载体的结合体所能承受的水流紊动程度范 围内，随着紊动程度的增加传质效果随之增加。因此，如何选择和控制好水力条件是生 物膜法处理工艺的一个重要问题。 1 5 4 氮磷平衡 微生物是污水生物处理的主要承担者，微生物良好的新陈代谢需要均衡的营养作保 障。污水中微生物的基本元素是c 、n 、p ，由于微生物氧化分解的物质不同造成其增殖 速度也不同，所需要的营养元素量与污水的成分也有一定关系。一般而言，污水中的 b o d 5 ：n ：p 为1 0 0 ：5 ：1 时，营养比较均衡适刮1 3 , 1 4 j 。当废水中的氮、磷不能满足微生物生 长的需要时，需向反应器内投加氮和磷等营养物质。补充氮源，可以投加尿素和硫酸铵 等；补充磷源，可以投加过磷酸钙和磷酸等。 8 第一章生物接触氧化工艺 1 5 5 容积负荷和停留时间 负荷是描述进水量或进水底物浓度的参数，是生物接触氧化工艺处理效率的重要指 标。水力停留时间( h r t ) 是指待处理的污水在反应器内的平均停留时间，即污水与反 应器内微生物的平均生化反应时间。容积负荷与水力停留时间和进水有机物浓度密切相 关。对于一定的进水底物浓度而言，容积负荷率越大，则停留时间越长，反应器出水的 有机物浓度就越低；反之则越高，即有机物的去除率下斛1 5 , 1 6 】。 1 5 6p h 值 环境中的p h 值对微生物的生理活动影响很大，主要作用在于：影响代谢过程中酶 的活性，引起细胞膜电荷的变化，进而影响微生物对营养物质的吸收。在污水处理中， p h 值一般维持在6 5 8 5 范围内1 1 7 1 实践表明，生物接触氧化法有一定的耐p h 变化能 力，当p h 为8 5 1 0 时，微生物显示出较强的适应能力，对处理效果影响不大；当p h ll 或p h 6 5 时，微生物生长受到抑制，对处理效果有一定的影响。 1 6 多段式生物接触氧化工艺 我国在2 0 世纪7 0 年代开始对生物接触氧化工艺进行研究，由北京环境保护科学研 究所的郑元景等人将第一座生物接触氧化工艺试验性装置用于处理城市污水，在处理效 果、动力消耗、经济效益和管理维护等方面都明显优于活性污泥法i l 引。 二段生物接触氧化法( 二段法) 将传统的生物接触氧化池分为二段：第一段充分利用 微生物处于对数增长期的吸附特性，以低能耗、高负荷、快速生物吸附和合成为主，能 够去除污水中7 0 8 0 的有机物，称为吸附合成阶段：第二段在低负荷下利用微生物的 氧化分解作用，对污水中残留的有机物进行氧化分解，以进一步改善出水水质，称为氧 化分解阶段。 将生物接触氧化池分段，可充分发挥同类微生物种群间的协同作用，克服不同微生 物种群间的拮抗作用，故使处理效率大大提副”】。由于废水生物处理中的优势微生物菌 群是因一定的限制因素而变化的，故根据不同的限制条件可利用不同的微生物群体，实 现不同的处理目标，这就是分段处理的基本原理。通常在第一段以高或超高负荷运行， 大幅度削减污染物的负荷，第二段以较低的负荷运行，保证良好的出水水质。氧化池的 流态基本上属于完全混合型，因此可以提高生化效率，缩短生物氧化时间，适应原水水 质的变化，使处理水水质趋于稳定1 2 0 。 有研究表明，当原水及出水b o d 值确定的情况下，采用一段处理工艺所需要的接 触反应时间大于二段处理工艺所需要的总接触时间。对于城市污水处理，宜采用二段处 理工艺，第一段接触氧化池接触反应时间约占总时间的2 3 左右，第二段则占1 3 左右。 9 大连交通大学工学硕十学位论文 安徽省环境保护科学研究院的张伟对多级串联式生物接触氧化池作了优化设计，提 出了不同看法，通过系统优化，确定串联各级的最佳停留时间。他认为废水基质降解的 过程，在一定范围内遵循一级反应，在总停留时间不变的条件下，各反应器的接触反应 时间相等时，系统达到最优状态；串联级数越多，系统处理效果越好，但考虑其他因素， 二、三级较为经济合理1 2 。 1 7 生物接触氧化工艺的特点和应用 生物接触氧化法具有如下特点： l 、生物接触氧化法以填料作为载体，由于填料比表面积大，为微生物提供了巨大 的栖息空间，使大量的微生物得以附着生长，池内单位容积的生物固体量较高，一般可 达1 0 2 0 l ，并且能够形成稳定的生态体系，有利于一些生长较慢的微生物如硝化细菌 等自养菌的不断积累。 2 、氧的利用率高，填料对气泡起到切割、阻挡和吸附的作用，使气泡的停留时间 和气液接触表面积增加，加快氧的转移速率，提高了传质效果和对氧的吸收能力，减少 曝气量。 3 、由于生物接触氧化池内生物固体量多并具有较高的容积负荷，故对水质水量的 骤变有较强的适应能力。同时可以充分利用丝状菌的强氧化能力，不存在污泥膨胀问题， 剩余污泥量少，运行管理简侧2 2 j 。 鉴于以上特点生物接触氧化工艺在我国取得了比较广泛的应用。早在1 9 7 7 年，北 京市环境保护研究所便将这一工艺用于城市污水处理试验，取得了良好的效果。8 0 年代 初某设计院与市政部门协作，建成了以生物接触氧化为主体的处理工艺，规模为 1 0 0 0 0 m 3 d ，多年来该厂设备运行稳定，效果良好。 聂村污水处理厂的一级处理构筑物于1 9 8 7 年投入运行，二级处理构筑物于1 9 9 0 年 投入运行，担负着京广铁路以东、平原路以西、安漳路以南、南中环以北区域的城市污 水处理任务，服务面积为1 7 k m 2 。该工程生物处理段采用二段生物接触氧化法，以炉渣 为填料，出水c o d e r 1 0 0 m g l ，达到城镇污水一级排放标准1 2 引。 生物触氧化与厌氧技术相结合处理缫丝、啤酒等中高浓度的有机废水，有良好的处 理效果。以某啤酒厂废水为例，其原水指标如表1 1 所示，采用工艺路线图1 4 所示， 处理后的水质达到国家规定的排放标准。 1 0 第一章生物接触氧化工艺 表1 1 某啤酒厂废水的原水指标 t a b l e1 1t h ec h a r a c t e r so f b e e rw a s t e w a t e r 图1 4 某啤酒废水处理工艺流程 f i g 1 4t h ef l o wc h a r to f b e e rw a s t e w a t e rt r e a t m e n t 在我国纺织行业比较集中的地区，比较普遍的采用生物接触氧化处理技术处理印染 废水和纺织废水。例如：广州市新塘镇新图印染厂是一家棉布印染、整理企业，染色所 用的染料主要是硫化染料，上染率不高，废水中残留染料多，颜色深，所用浆料为p v a ， 生化性差。采用以生物接触氧化为主体的处理工艺如图1 5 ，c o d c r 去除率在8 0 以上， 再通过混凝沉淀，色度和c o d c r 又有大幅度降低，基本能保证出水水质达标。 图1 5 某印染废水处理工艺流程 f i g 1 5t h ef l o wc h a r to fd y e i n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n t 传统的给水处理工艺己不适应当前微污染源水处理的要求，有必要对微污染源水进 行安全有效的处理，保证饮用水水质，开发新型、高效的水处理工艺势在必行。2 0 世纪 7 0 年代以来，各种微污染源水处理方法在许多国家和地区得到推广和应用，其中生物 预处理工艺因其对氨氮和有机物等污染物的去除效果良好而倍受瞩目，生物接触氧化法 大连交通大学t 学硕士学位论文 是生物预处理工艺中一种有代表性、研究较深入和应用较多的类型。东深供水局采用生 物接触氧化工艺对供应香港和深圳特区的饮用源水进行预处理，工程于1 9 9 8 年1 月5 日开 工建设，1 9 9 8 年1 2 月1 日投入运行，多年来水质净化效果明显，大大改善源水水质和后 续水库的水生态环境。上海惠南水厂采用生物接触氧化法的日处n 1 2 万m 3 的源水生物 预处理工程于1 9 9 9 年8 月投产运行，水质处理效果良好1 2 4 1 。 生物接触氧化工艺在我国还用于在石油化工、农药、石化、造纸含酚废水、腈纶废 水和乳品加工废水等方面，均取得了良好的处理效果【2 5 。2 9 1 。 1 8 生物接触氧化工艺发展方向 1 、开展接触氧化技术基础理论研究，继续从各角度深入研究污水中有机物生物降 解机理、氧扩散机理、生物膜微生物的增长及能量代谢规律。 2 、生物反应器朝着节能和自动化控制方向发展，对反应器数学模型的研究，包括 动力学模型、基质降解模型的建立及修正、模型在工业上放大及应用；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研究。 3 、在现有研究成果的基础上，对工艺流程形式及运行条件最优化，使其整体技术 日趋完善，包括开发综合能耗降低措施和技术。 4 、和其他新型污水处理技术的组合以及运行方式的最优化研究，设计规范及气水 比、污水p h 值、溶氧值等工艺参数的优化。 5 、开发与研制出具有高比表面积、高空隙率、水阻力小、不堵塞、易挂膜、比重 轻、强度大、价格低廉、化学生物性稳定等性能优越的新型填料，也是今后生物接触氧 化技术的重要研究方向之一。 本章小结 本章对生物接触氧化工艺对污染物去除机理进行了分析；概述了生物接触氧化工艺 的基本形式；阐明了生物接触氧化工艺的主要影响因素；介绍了填料的发展状况和生物 接触氧化法的发展历史及现状，并对生物接触氧化技术的特点和应用进行了客观的阐 述。 1 2 第二章传质理论概述 第二章传质理论概述 2 1 气一液传质的基本理论 无论是在反应器中、生物体系中还是在研究试验中，化学反应的发生都包含了传质 过程。在多相反应体系中，反应物质需要从某一相运动到另一相内，或者运动到两相的 界面才能发生反应。在水处理工艺中，气液传质的实质是气相转入液相的传质过程。 经典模型均将气液传质过程假定为简单的理想状况，而实际情况要复杂得多【3 0 】，研 究表明，水体紊动等因素对水气界面复氧及水体中溶解氧浓度的分布有很大影响。气液 界面性质包括许多与界面有关的热力学性质，如：气液平衡性质、界面自由能等，对于 溶液，还包括界面吸附以及与此有关的界面扰动、界面上的定向等重要性质1 3 l l 。 2 1 1 亨利定律 在恒定的温度和压强下，气液两相经长期充分接触后，可以达到平衡状态，吸收速 率与解吸速率相等，即溶质在气液体两相中的组分不再发生变化。这时溶质在液体表面 上的分压p c 与可溶解气体在溶液中的浓度c ，具有一定的函数关系1 3 2 1 。一定量的吸收剂 达到吸收平衡时所能溶解吸收质的量被称为平衡溶解度，平衡溶解度是吸收过程的极 限。在相同条件下，平衡分压因被吸收气体不同而差异极大，要想得到一定浓度的溶液， 易溶的气体所需要的分压比较低，如果是难溶气体，所需分压则比较高。此外，气体的 溶解度与温度有关，一般说来温度下降气体的溶解度增高。 对于非理想溶液，当总压不高时，在恒定温度下，稀溶液上方溶质的平衡压力与它 在溶质中的摩尔分数成正比，这就是著名的亨利定律，其表达式为： p c = h x ( 2 1 ) 式中r 溶质气体的平衡分压，p a h 亨利系数，p a x 溶质在溶液中的摩尔分数，m o l l 2 1 2 单膜理论 水体与大气之间总是有一个分界面，分界面以下为水体，分界面以上为气体。假定 气体沿水表面流进，水汽蒸发进入气流之中，在气液两相的交界面处，流速应接近于零。 这相当于两相的界面是一个固定表面，而在该表面附近6 的厚度内，可假定是一层静止 的膜1 3 3 j 。界面处水汽浓度为c i ，膜边界处水汽的浓度为c b ，由于膜是静止的，膜内只 能依靠分子扩散来传递物质，这层膜内所存在的浓度差( c b c i ) 即传质阻力。这就是 大连交通大学下学硕十学位论文 n e m s t 提出的膜的概念。因为膜很薄，膜内浓度变化可以视为线性的，膜边界处的浓度 c b 是不变的，称为主体浓度，主体浓度也就是实际能够测量出来的浓度。 如图2 1 所示的液体主体内，浓度是均匀的，不存在传质问题，所以不存在传质所 受的阻力问题。在膜内，由于有浓度差，按照欧姆定律，电流的大小与电势差成正比， 与电阻成反比。电流相当于传质通量，浓度差相当于电势差，膜的厚度反映了阻力大小。 图2 1单膜理论示意图 f i g 2 1 s c h e m m i cm a po f t h es i n g l ef i l mt h e o 巧 2 1 3 双膜理论 用来解释气体向液体内传递的双膜理论是l e w i s 和w h i t m a n 在1 9 2 4 年提出的1 3 4 1 。 双膜理论的基本观点是认为在气液界面上存在着两层膜，即气膜和液膜。这两层膜使气 体在从一相进入另一相时产生了阻力，当气体分子从气相向液相传递时，若气体的溶解 度低，则阻力主要来自液膜1 3 。 在水处理工艺中，气体和液体可分别用氧气和水作为例子。氧气在气相内的分压为 p b ，在界面处的分压为p i ，在界面的气相一侧有一层厚度为6 9 的气膜。界面处氧气的 浓度为c i ，相应于p b 的氧气浓度为c 。在界面的另- n 存在一层厚度为6 l 的水膜。水 膜内氧气的主体浓度为c b ，相应的氧气压力为p ( c b = hp ) 。因为膜很薄，膜内浓度及 压力的变化都按直线关系表示。 1 4 第二章传质理论概述 f 1 - _ - i 气主体；一 图2 2 双膜理论示意图 f i g 2 2 s c h e m a t i cm a po f t h ed o u b l ef i l mt h e o r y 双膜理论以以下三个假定为基础： 在气一水交界面的两侧各有一层固定的膜； 氧的传递过程是稳定的，即通过气膜的通量与通过水膜的通量是相等的； 在交界面上，气与水立即达到平衡状态。 由气膜一侧来表示氧的通量n o 为 n o = k g ( p b p i ) ( 2 2 ) 式中k 。推动力( p b p ；) 与通量n o 的比例常数，即气膜的传质系数。 在水膜内，氧的通量仍然为n o ，但水膜的参数可表示为 n o = k l ( c ，一c b ) ( 2 3 ) 式中k 。水膜内的比例常数，即水膜的传质系数。 根据亨利定律，c 月= h p 月，代入式( 2 1 ) 并根据假定与式( 2 2 ) 相比较，可 改写为 k 。( 等卜( c i - c b ) 泣4 ) 由上式解得 c ：(25)i h c b + k _ l ：c * = ( 2 5 ) h k l + k i 将c i 代入式( 2 4 ) ，故在水膜内为 n o - k l ( c * - c b ) = ( c l c 。古 ( 2 6 ) 式中 大连交通大学1 = 学硕+ 学位论文 屯= 丽k g k l ( 2 7 ) k ，为总传质系数。 由式( 2 7 ) 取倒数得 土：竺生笠：旦+ 上( 2 8 ) 一= 一= 一+ 一 t j k k g k k g k 式( 2 6 ) 中，1 k 。代表总阻力；u k 。及1 吒分别代表气膜及水膜的阻力，即总阻