（环境工程专业论文）河床式曝气生物滤池对污水厂尾水的试验研究.pdf

摘要 摘要 本文基于曝气生物滤池原理，构建河床式曝气生物滤池深度处理城市污水 厂尾水，使出水i 旦l 用于城市河道景观水体。主要研究：( 1 ) 对河床式曝气生物滤 池处理性能及其影响因素进行研究，分析滤池中脱氮机理，并对滤池中生物膜 特性进行分析；( 2 ) 确定河床式曝气生物滤池的主要结构及主要设计参数，对经 济效益进行分析。 1 河床式曝气生物滤池处理性能及特性研究表明： 常温1 5 - 3 0 、最大滤速0 7 0 8 m h 、气水比3 ：l ：低温4 - i o4 c 、最大滤速 01 8 m h 、气水比5 ：l 时尾水处理后达到景观再生水水质要求；采用下部填充高 度4 0 c m 沸石，上部采用填充高度4 0 c m 沸石与蛭石完全混合填料的a 柱去除 效果好于填充高度8 0 c m 沸石与蛭石按1 ：l 完全混合的b 柱。 水温1 5 左右、进水氨氮浓度1 1 1 6 1 3 9 5 m g l 条件下，a 、b 两柱亚硝态 氮所占的比例均达到了5 0 以上，反应器内部实现了稳定的短程硝化过程； 低温条件下对反应器内生物膜特性研究发现，沿水流方向微生物活性存在 差异且这种差异与生物量有关，即生物量数量大则其活性也越大； ( 2 ) 河床式曝气生物滤池推荐的主要设计参数为： 常温下1 5 3 0 最大滤速为o 7 0 8 m h ，气水比3 ：l ，反冲洗周期为5 天： 低温下4 1 0 最大滤速为0 1 8 m h ，气水比5 ：l ，反冲洗周期为1 2 天； 采用先气冲再气一水联合反冲洗，最后水漂洗的反冲洗方式对滤池进行反 冲洗，反冲气量为1 2 1 3 l m 2 s ，冲洗历时取为3 m i n 。水冲强度为2 - 3 l m l s 左 右，冲洗历时6 r a i n ，水漂洗强度为2 - 3 l m 2 s ，历时3 m i n 。 河床式曝气生物滤池技术在污水深度处理中，具有明显的技术优势和成本 优势，运用此技术对城市污水厂二级出水进行再生并回用于河道景观值得广泛 推广。 关键词：河床式曝气生物滤池尾水滤速气水比低温设计参数 摘要 a b s t r a c t b a s e do nt h et h e o r yo fb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b a f ) ，t h i ss t u d yb u i l tr i v e r b e d b a fi na d v a n c e dt r e a t i n gt h ee f f l u e n to fc i t ys e w a g ed i s p o s a lp l a n tt oar e u s e s t a n d a r do f l a n d s c a p ew a t e rb o d y i tp u t so u tt h ec o n t e n t si n c l u d i n g ：( 1 ) s t u d yo nt h e t r e a t m e n tc a p a b i l i t ya n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r s ，a n a l y s et h em e c h a n i s mo fn i t r o g e n r e m o v a lb ys i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o na sw e l l 雒t h ec h a r a c t e r i s t i c o fb i o l o g i c a lf i l mp r o c e s s e si nr i v e r b e db a f ；( 2 ) d e t e r m i n et h ep r i m a r ys t r u c t u r e s a n dd e s i g np a r a m e t e r so ft h er i v e r b e db a f f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e re v a l u a t e dt h e c o r r e s p o n d i n ge c o n o m i cb e n e f i t s 1 s t u d yo nt h ep e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i co f r i v e r b e db a fs u g g e s t e d ： w h e nt h et e m p e r a t u r ei s1 5 3 0 ( 2 ，t h em a x m i u mh y d r a u l i cl o a d i n gr a t eo f 0 7 0 8 m 3 m 2 h ，t h er a t i oo fg a st ow a t e ri s 3 ：1a n dt h el o wt e m p e r a t u r ei s4 - 1 0 ，u n d e rt h em a x i m u mh y d r a u l i cl o a d i n gr a t eo fo 1 8 m 3 m 2 h ，t h er a t i oo fg a st o w a t e ri s5 ：i ，t h et a i lw a t e rt r e a t m e n tc a nm e e tt h es c e n i cw a t e rq u a l i t ys t a n d a r d t h er e m o v a le f f e c t so fac o l u m nf i l l e dw i t hz e o l i t eo f4 0 c m h e i g h ta b o v eb o t t o m a n dv e r m i c u l i t ea n dz e o l i t em i x i n gi np a c k e dc o l u m no f4 0c m h e i g h ta tt h et o po f t h ec o l u m nw a sb e a e rt h a nt h ebc o l u m nw h i c hp a c k e do f8 0c m h e i g h t ，m i x i n gi n v e r m i c u l i t ea n dz e o l i t em i x t u r ew i t hr a t i oo flt 0i w h e nt h ew a t e rt e m p e r a t u r ei sa b o u t1 5 t 2 ，t h en h 3 - ni n f l u e n tv a r i e sb e t w e e n 1 1 1 6a n d1 3 9 5 m e 1 t h er a t i o o f n i t r i t en i t r o g e no f aa n d br e a c t o r s i s o v e r5 0 i n t a i lw a t e r t r e a t m e n t ， b o t haa n dbc o l t i r u n sa c h i e v es h o r t c u t n i t r i f i c a t i o n d e n i t r i t i c a t i o n s t u d yo nb i o l o g i c a lf i l mc h a r a c t e r i s t i ci nr e a c t o ri n d i c a t e dt h a tt h ed i f f e r e n c eo f m i c r o o r g a n i s ma c t i v i t i e s r e l a t e st om i c r o o r g a n i s mq u a n t i t i e sa l o n gt h ef l o w i n g d i r e c t i o n i no t h e rw o r d s ，t h em o r em i c r o b eb i o m a s s ，t h es t r o n g e rt h ea c t i v i t i e s 2 m a j o rd e s i g np a r a m e t e r sa r ea sf o l l o w s ： u n d e r t h e n o r m a l t e m p e r a t u r e ( 5 - 3 0 x 2 ) ，t h e h y d r a u l i c l o a d i n gr a t e o f o 7 0 8 m h ， t h er a t i oo f g a st ow a t e ri s3 ：1 ，t h ec y c l eo f b a c k w a s hi s5 d u n d e rt h el o wt e m p e r a t u r e ( 4 - 1 0 * c ) ，t h eh y d r a u l i cl o a d i n gi s0 1 8 m 3 m 2 h ，t h e 河海大学硕士学位论文 r a t i o o f g a s t o w a t e r i s5 ：1 ，t h e t a i l w a t e r r e s i d e n c e t i m e i s3 h t h ec y c l e o f b a c k w a s h i s1 2 d r e s u l t sa d d r e s s e dt h a tt h em e t h o di sa i r - w a t e rb a c k w a s h ，f i r s t l ya i rs c o u t i n g , t h e na i r - w a t e rb a c k w a s h , f i n a l l yw a t e r - w a s hh a sm a n ya d v a n t a g e so v e ro t h e r m e t h o d s b a c k w a s hp a r a m e t e r sa r es u m m a r i z e da s ：s i n g l ea i rs c o u r i n gi n t e n s i t yi s 1 0 1 3 l m 2 s ，l a s tt i m ei s3 m i n ；t h e na i r - w a t e rb a c k w a s h ，a i ri s1 0 1 3 l m 2 s ，w a t e ri s 2 3 l m 2 s ，l a s tt i m ei s6 m i n ；f i n a l l yw a t e r - w a s hi m e n s i t yi s2 - 3 l m 2 s ，l a s tt i m ei s 3 r a i n i nc o n c l u s i o n ，t h er i v e r b e db a fs h o w e ds i g n i f i c a n tp r e d o m i n a n c eo fb o t h t e c h n i q u ea n dc o s ti na d v a n c i n gt r e a t i n gt h ee f f l u e n to fc i t ys e w a g ed i s p o s a lp l a n t a p p l i c a t i o no ft h i st e c h n i q u ei sw o r t h yo fw i d e l ye x t e n s i o ni nt h ep r o c e s so f a d v a n c e dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tf o ru r b a nl a n d s c a p ew a t e rb o d y k e y w o r d ：r i v e r b e db a f ；t a i lw a t e r ；f i l t r a t i o nr a t e ；a e r a t i o ni n t e n s i t y ；l o w t e m p e r a t u r e ；d e s i g np a r a m e t e r 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) ：刍：塞幽l卅年z 月l 韬 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( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：幽! 叁睦。加7 年f 月饥扫 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 ( 1 ) 河流污染状况 美国、日本、英国、法国、德国等世界工业发达国家比较重视环保事业， 自6 0 年代初，开始大力进行污水、废水的处理，投入了大量财力，在控制水污 染方面取得了较大的成就。上述国家虽没有从根本上解决水环境污染的问题， 但水源水质总体趋势向好的方面发展。日本的水环境污染及其控制情况是工业 发达国家的典型代表。 日本始于6 0 年代推行水污染防治对策，但随着经济的高速发展，各河流流 域内人口、产业化集中，工业废水与生活污水排放量的增加而下水道设施建设 不完善，水环境质量并没有得到改善，其污染状况进一步扩大。公共水域的污 染明显，特别是大都市流过的河水水质恶化。到8 0 年代中期，随着环境标准的 进一步修订及公害对策基本法的强制实施，水环境污染状况才逐步得到改善。 据1 9 9 5 年日本公共水域水环境质量调查结果，以b o d 5 、c o d e r 有机污染代表 性水质指标评价，3 1 4 9 个水域( 河流2 4 3 3 条、湖泊1 3 0 个、海域5 8 9 处) ，合 格率为7 5 2 ，但仍有2 48 为不合格。其中，湖泊、内海湾等封闭性水体以 及流经城市的中小河流达标率低【l 】o 韩国也是世界上污染最为严重的地区之一。在推行人口都市化集中( 9 0 年 代都市化率达8 0 ) 与大规模产业化的过程，强调以开发为主的经济增长政策， 狭小的国土以及区域土地利用率高，导致了较为严重的环境污染问题。据韩国 水质检测网水质污染状况调查结果，以b o d ，水质指标作为评价基准，韩国四 大水系河流水质有机污染呈加重趋势，1 9 9 4 年干流属于i 类水质的河流仅占 2 7 1 ( l m g l ) ，而属于i 类水质标准的占6 2 5 ( 6 m g l ) ，支流河段水质 低于v 类水质基准( 1 0 r a g l ) 的达2 7 7 t 1 1 。 我国是一个水资源十分短缺的国家，按1 9 9 7 年人口统计，我国人均水资源 量为2 2 2 0 m 3 ，仅占世界平均水平的四分之一，因而被联合国列为世界1 3 个人 均水资源贫乏国家之一，而且时空分布不均，开发利用难度大，许多地区和城 市严重缺水f 2 i 。 河海大学硕士学位论文 除水资源短缺外，我国的水污染问题也日趋严峻。我国的江河湖泊和水库 已经受污染的近8 5 ，许多江、河、湖泊、水库的水质仍在下降，传统的污染 物未能控制住，富营养化和有毒化学物质的污染却相继增j i l l 2 j 。据最新2 0 0 5 年 中国环境公报表明p 1 ：七大水系的4 1 1 个地表水监测断面中，i m 类、 v 类和劣v 类水质的断面比例分别为4 1 、3 2 和2 7 。其中，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。主要污染指标 为氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类。 七大水系中，长江水系总体水质良好。1 0 4 个地表水国控监测断面中，i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为7 6 、1 3 和l l ，主要污染 指标为石油类、氨氮和五日生化需氧量。黄河水系属中度污染。4 4 个地表水国 控监测断面中，i i i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为3 4 、4 1 和2 5 。主要污染指标为石油类、氨氮和五日生化需氧量。珠江水系总体水质 良好。3 3 个地表水国控监测断面中，i i i i 类、和劣v 类水质的断面比例分 别为7 6 、1 8 和6 ，无v 类水质断面，主要污染指标为石油类、五日生化需 氧量和氨氮。松花江水系属轻度污染，4 2 个地表水国控监测断面中，i i i i 类、 v 类和劣v 类水质的断面比例分别为2 4 、5 7 和1 9 ，主要污染指标为 高锰酸盐指数、石油类和氨氮。 2 0 0 5 年中国环境状况公报显示【3 | ，2 0 0 5 年，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 水 质的湖( 库) 3 个，占l l ：v 类水质的湖( 库) 5 个，占1 8 ；劣v 类水质 湖( g o - ) 1 2 个，占4 3 。其中，太湖、滇池和巢湖水质均为劣v 类。主要污染 指标为总氮和总磷。 2 0 0 5 年太湖湖体高锰酸盐指数和总磷年均值分别达n i i i 类、类水质标 准，但由于总氮污染严重，湖体水质仍为劣v 类。湖体营养状态指数为6 2 ，处 于中度富营养状态。2 0 0 5 年滇池草海处于重度富营养状态，外海处于中度富营 养状态。湖体1 0 个国控监测点位监测结果表明，草海水质为劣v 类，外海水质 为v 类，草海污染程度明显重于外海。与上年相比，湖体水质无明显变化。 监测统计的5 个城市内湖中，昆明湖( 北京) 和玄武湖( 南京) 为v 类水 质，西湖( 杭州) 、东湖( 武汉) 和大明湖( 济南) 为劣v 类水质，主要污染指 2 第一章绪论 标是总氮和总磷；昆明湖和西湖处于轻度富营养状态，玄武湖、东湖和大明湖 处于中度富营养状态。与上年相比，西湖水质由v 类变为劣v 类，水质下降； 昆明湖、玄武湖、大明湖和东湖水质无明显变化。， 城市地面水污染普遍严重。在统计的1 3 6 条流经城市的河流中，符合地面 水i i 类水质标准的有1 8 条( 占1 3 2 ) ，1 1 1 类有1 3 条( 占9 6 ) ，i v 类有3 7 条( 占2 7 2 ) ，v 类有1 7 条( 占1 2 5 ) ，属于超v 类水质有5 l 条( 占3 7 5 ) ， 类水质以下的河流所占比例达7 7 2 。影响城市河流水质的主要污染物指标 是石油类、挥发氛、氨氮、生化需氧量和高锰酸盐指数等【”l 。 ( 2 ) 城市河流污染原因 我国城市河流污染原因是多方面的，但主要是人类主观因素的影响。长期 以来，我国经济增长方式粗放，企业单纯追求经济效益忽视环境效益和生态 效益。工业发展中，水消耗量大、利用率低。同时，在传统的计划经济体制下， 粗放型的经济增长方式，使企业生产经营缺乏节能降耗的动力。企业技术改造 往往以扩大再生产为目的，生产工艺落后，更新换代速度慢。 城市河流污染另一个重要原因，是国家政策导向的偏差。长期以来，国民 经济和社会发展注重经济增长速度、主要产品产量、城镇居民收入增长等指标， 没有把资源消耗和环境代价纳入经济核算体系。迄今为止，城市环境基础设施 建设仍作为“非生产性福利事业”。城市污水处理、垃圾处理由政府包揽，使政 府不堪重负，以至于拿不出钱搞环境基础设施建设，甚至建成污染处理设施也 因经费来源问题没解决而难以正常运转。 区域经济发展和区域环境容量不相适应，也是造成城市河流污染的重要原 因。以往在确定地区产业发展方向、地区生产力布局时，往往忽视区域环境容 量。我国主要江河出现的严重流域性水污染，在很大程度上与流域产业结构和 布局不合理有直接关系。 此外，城市生活污水逐年增加，污水处理设施建设严重滞后也造成我国城 市河流污染日趋严重的主要原因。长期以来，我国城市建设不恰当地把基础设 施建设的载体地位降低为工业的一般附属物地位，基础设施的发展与人口、资 源、环境和工业建设不协调，导致基础设施长期超负荷承载。特别是城市环境 保护基础设施，仅仅在近几年才开始兴建，同时全国绝大多数城市的污水处理 河海大学硕士学位论文 能力远远满足不了实际需要，污水处理技术落后，污水处理率低，处理模式单 一。目前，我国城市生活污水处理率只有1 0 左右，根据国民经济和社会发展 2 0 1 0 年远景规划，到2 0 1 0 年，城市生活污水处理率要达到5 0 ，按照这一要 求，大量城市生活污水有待处理；在污水处理技术方面，应用最多的是活性污 泥法及其改进工艺，普遍存在的问题是工艺流程复杂，占地短积大，基建费用 和运行维护费用高，不少城市污水处理厂有钱建得起，却无钱维持正常运行； 在处理模式方面，往往采用的是收集后集中处理，加大处理的成本与难度。因 此，结合我国国情，研究开发经济、节能和高效的废水处理技术，推行集中处 理与分散处理并行的处理模式，是解决我国水环境污染问题的重要途径 6 - 8 i 。 ( 3 ) 水环境治理成果 由于国家及社会对环境保护的重视，我国环境保护工作取得了很大进展。 随着一些“十五”国家重大科技专项的验收，其取得的部分成果已经开始在我 国水污染控制中发挥重要作用，产生了重要的社会影响和技术带动作用。例如， 太湖示范区内水质得到明显改善，水生生态系统功能得到初步恢复，带动了无 锡市五里湖周边的经济发展；武汉城市水环境质量改善课题的实施，催生了武 汉汉阳新区的建设和发展，促进了武汉以水为核心的城市建设新思路和规划的 形成。在城市水环境质量改善方面，武汉、苏州等1 1 个典型城市开展了城市水 环境质量改善技术研究和综合示范，将城市水环境作为一个整体提出了城市水 环境质量改善新理念，已形成适合不同城市特色的城市水环境质量改善技术与 管理方案p l 。同时“十五”期间重点流域、区域、城市和海域污染防治工作进 一步加强，污染治理工程建设进度加快。2 0 0 5 年，淮河、海河、辽河、太湖、 巢湖化学需氧量削减目标完成率分别为1 0 0 、6 1 、6 5 、7 6 、9 5 ，太湖、 巢湖和滇池流域基本完成总磷削减任务。按照国务院关于淮河、海河、辽河、 太湖、巢湖、滇池、南水北调( 东线) 、三峡库区及其上游水污染防治“十五” 计划要求的4 5 3 个水质监测考核断面中，2 7 0 个断面达标，占6 0 。以高锰酸 盐指数考核，淮河、海河、辽河、南水北调( 东线) 、三峡库区及其上游水质监 测断面达标率分别为8 4 、5 7 、5 0 0 , 4 、4 5 和7 3 。以高锰酸盐指数和总磷 考核，太湖、巢湖和滇池水质监测断面达标率分别为3 6 、5 0 * o 和5 0 1 3 1 。 4 第一章绪论 1 1 2 研究意义 由我国水资源的状况可以看出，一方面，我国水资源非常有限，另一方面， 每天排放的大量废水在污染水体，造成水资源的污染性短缺，但城市污水集中 处理率低，8 0 的污水未经有效处理就排入江河湖海，使我国的水污染情况十 分严重，并进一步加剧了水资源的短缺可以说水污染严重和水资源的短缺己 经成为严重制约我国社会经济持续发展、危害生态环境、影响人民生活和身体 健康的突出问题，迫切需要加以解决。但是，在我国水污染治理领域，现有建 成运行的污水处理厂，特别是城市污水处理厂，基本上都是采用传统活性污泥 法及其变形工艺，如氧化沟工艺、a b 法工艺、s b r 法等工艺，虽然这些工艺 处理效果尚可甚至也比较好，但普遍也存在着占地面积大、基建投资高，处理 负荷低、运行启动慢、经常出现污泥膨胀、不能承受冲击负荷等不足之处，同 时工艺设备处理效能低、能耗高，不能满足高效低能的要求。由于污水处理主 要是一项侧重于环境效益和社会效益的工程，在建设和实际运行过程中常常受 到资金的限制。因此。研究一种适合我国国情的污水回用新工艺，将对我国国 民经济和社会发展及环境保护具有十分重要的意义，而且也必将有其巨大的应 用范围和市场。河床式曝气生物滤池工艺就是在此背景下设计研究出来的符合 上述要求的一种污水回用生物处理技术。将其应用于污水的深度处理，则是改 变我国目前污水回用方面面临的由于资金不足、技术水平低下所导致的污水回 用率低的有效途径。同时所得结论和相关参数对于废水处理中的应用和废水回 用技术的研发具有一定的借鉴意义。 1 2 污水厂尾水回用概述 我国幅员辽阔，各地的气候也有很大的差异，而且各地区水源水质、生活 习惯的不同必然导致城市污水水质的不同。因而，各城市所建的污水处理厂的 二级处理工艺也不同，各地区的城市污水处理厂处理后的出水水质上存在着较 大的差异。表1 1 列出了一般二级污水处理厂平均出水水质 9 1 。 由表1 1 、1 2 可以看出，二级出水的有机物浓度较低，可生化性较差，一般二 级污水处理厂出水的主要水质指标都达到了国家规定的城镇污水处理厂污染物 排放标准，将城市污水处理厂的二级出水经深度处理作为回用水，在水质上是 有保证的。目前，我国己建成城市污水处理厂4 0 0 余座。如果城市污水回用率 扣海大学硕士学位论文 达3 0 ，即年回用量可达6 0 亿m 3 ，与我国正常年份缺水量相当，能基本解决 我国城市目前的缺水问题，而且减少了对受纳水体的污染，是一条能有效解决 我国城市缺水问题的重要途径。 表1 1 一般二级污水处理厂平均出水水质 表1 2 城i 订污水二级出水基本控制项目最高允许排放浓度( 口均值) 单位m g l 【”i 1 2 1 城市污水回用现状 ( 1 ) 国内城市污水回用现状 我国最早实施的城镇污水再生回用示范工程是在“八五”期间。大连市春 柳污水处理厂将其二级出水进行深度处理后，用于煤气厂替代新鲜水和红星化 6 第章绪论 工厂做工艺用水，该污水回用示范工程于1 9 9 2 年运行，以厌氧一好氧活性污泥 法进行二级处理，以水力澄清池和普通快滤池进行深度净化使城市污水再生， 再生水量为1 1 0 4 m 3 d ，开发了城市第二水源【i l j ；此后北京、天津等大城市也 相建立了回用示范工程。例如，北京高碑店污水处理厂日处理5 0 万1 1 1 3 污水， 其中3 0 万m 3 用于农田灌溉，2 0 万m 3 回用于工业，主要提供给通州东方化工 厂和华能高碑店热电厂作冷却水；北京市方庄小区规模4 x1 0 4 m 3 d 的方庄污水 厂，将2 x1 0 4 m a d 的三级出水回供方庄小区住宅作中水和方庄热电站作冷却水。 天津纪庄子污水处理厂采用a o 工艺进行污水的除磷脱氮，建成了处理能力为 2 1 0 3 1 1 1 3 d 的示范工程，将5 0 的再生水用于污泥脱水机房冲洗滤布，其余用 作冲洗厕所、- 煤厂及污水厂的杂用水；上海松江污水处理厂将二级处理出水约 lx1 0 4 m 3 d 回供给松江造纸厂作浸泡纸浆用水。“十五”期间一些城市建成了一 系列的再生水用于景观水体的示范工程，包括天津、泰安、西安、合肥和石家 庄等城市。天津市补充生态居住区的景观水体工程将大约2 万m 3 的再生水补充 到人工湖中；石家庄桥西再生水厂将再生水用于民心河和沿河公园；合肥市再 生水回用工程一期规模i o 万3 m 3 d 。主要用于包河、银河、雨花塘、黑池坝补 充水；西安市北石桥污水再生利用工程，为西安丰庆公园提供景观用水及绿化 喷灌用水湖中换水一次就可节约3 0 m 3 自来水【1 2 1 。 ( 2 ) 国外城市污水回用现状 美国是较早开始污水再生回用的国家之一。美国的亚利桑那州大峡谷国家 公园早在1 9 2 6 年就将处理过的污水回用于冲厕所、草地喷水、冷却水、锅炉给 水；1 9 6 0 年科罗拉多州修建了一套污水回用系统。提供高尔夫球场、公园、高 速公路等的景观用水；马里兰州巴尔的摩市伯利恒钢铁厂自1 9 7 6 年回用水即 作为工业冷却水及部分工艺用水，用水量最高达7 6 万m 3 d ：亚利桑那州帕洛 弗迪核电站污水回约翰内斯堡回用污水作冷却水，水量达1 2 1 7 x 1 0 8 m s a ；2 0 世纪7 0 年代初美国开始大规模回用污水，到1 9 8 0 年已有3 5 7 座城市回用污水， 再生回用工程5 8 6 项，年污水回用总量约为9 f 3 7 亿i n 3 ，其中6 2 用于农业灌 溉，3 1 5 用于工业。5 用于地下回灌，1 5 用于娱乐、渔业等 1 3 l 。 日木早在2 0 世纪6 0 年代就开始尝试污水回用，日本再生水主要回用于工 业，其次为环境用水。例如名古屋市自1 9 6 6 年起就将污水处理厂的出水进一步 河海大学硕士学位论文 处理后送到1 2 家工厂使用，规模为2 ，0 2 万m 3 d ；福冈地区从1 9 8 0 年就开始将 污水处理厂深度处理后用于绿化和冲洗，到1 9 9 5 年回用量已达4 5 0 0 m 3 d ；目 前，东京三岛河污水处理厂将再生水供给3 4 0 家工厂使用，主要用于冷却和清 洗，规模为ll 万m 3 d ：。自1 9 8 5 - 1 9 9 6 年日本将污水再生后排放在城市河流中， 复活了1 5 0 余条小河，取得了“清源复活”、修复与保护水资源的效果，收到了 良好的社会效益和环境效益f 1 4 1 。 以色列在再生水回用方面非常具有特色。其解决水资源短缺的主要对策是 农业节水和城市污水深度处理与有效利用。到1 9 8 7 年，以色列已有2 1 0 项污水 回用工程，7 2 的城市污水已经回用，年污水回用量达2 6 亿m 3 ，占总用水量 i 6 ，处理后4 2 的再生水用于农业灌溉，3 0 用于地下水回灌，其余用于工业 和市政等。该国建有1 2 7 座再生水水库，其中地表再生水水库1 2 3 座，再生水 水库与其他水库联合调控统一使用i ”i 。 i 2 3 城市污水回用工艺 污水回用内容广泛，工艺方法较为复杂。近年来，国内外专家在污水回用 深度处理技术领域形成了套较为成熟的理论，成功研制出一系列的实用技术 和专用处理设备。按照其处理方法可概况为物理法、化学氧化法、联用技术。 ( 1 ) 物理法 1 吸附技术。目前用于水处理的吸附剂有活性炭、硅藻土、二氧化硅、活 性氧化铝、沸石及离子交换树脂等，其中活性炭吸附是用得最多的吸附剂。它 的作用机理是通过物理吸附为主以及部分生物降解1 1 印。吸附作用主要在极大的 内表面上进行，它可从水中吸附极大部分的有机物质，是其他水处理单元工艺 难以取代的。而且，活性炭对溶解度小，亲水性差，对极性弱的有机物如苯类、 酚类化合物，石油及其产品等具有较强的吸附能力。对生化法和其他化学法难 以去除的有机物如形成色度和臭味的物质、消毒副产物、亚甲基蓝表面活性剂、 除草剂、杀虫剂、农药、合成洗涤剂、合成染料、胺类物质及其他人工合成有 机物也有好的去除效果。此外，活性炭还特别适用于去除废水中微生物难以降 解的或用一般氧化法难以氧化的溶解性有机物，对某些重金属化合物也有较强 吸附能力【1 7 1 。 由于活性炭吸附技术能有效地去除水中的有机物，因此被广泛采用在水的 第一章绪论 深度处理中。活性炭对水质、水温及水量的变化有较强的适应能力，且装置占 地小，易于自动控制。但是，活性炭其吸附性能受其自身吸附特性和吸附容量 的限制，不能保证对所有的有机化合物有稳定的和长久的去除效果，加上活性 炭价格比较贵，吸附法将污染物从液相转移到了固相，这样就要考虑到吸附剂 的再生和处置问题，从而增加了投资，给水处理的操作管理带来不便1 1 8 1 。 2 膜分离技术。膜分离是新兴的分离、浓缩、提纯、净化技术，它采用高 分子薄膜作介质，以附加能量为推动力，对双组分或多组分溶液进行表面过滤 分离的一种处理方法，可有效去除水中的臭味、色度、其他有机物和微生物。 膜技术具有良好的调节水质的能力，去除的污染物范围广，从颗粒杂质到离子、 细菌和病毒，运行时不需要加药剂，运转可靠，设备紧凑，容易实现自动控制。 膜技术按滤膜孔径的不同有微滤、超滤、纳滤和反渗透。从膜滤法水处理 的适用范围看，反渗透和纳滤为脱盐工艺，超滤和微滤则属于过滤工艺。纳滤 膜用于小分子量( 3 0 0 - - 1 0 0 0 ) 范围内的有机物质的去除，比如水中的钙镁离子、 消毒副产物、农药、表面活性剂等。反渗透膜可去除更小的无机离子和有机物 等，但它离工业生产仍有较大距离。超滤膜和微滤膜可去除腐植酸等大分子量 的有机物如病毒、天然有机物可用超滤膜去除，浊度和细菌可用微滤膜去除【1 9 】。 超滤膜和微滤膜在我国发展己有三十几年，但是由于国内组件品种单一，通量 和截留率、综合性能较低等缺陷，从而限制了在水处理应用中的发展f 2 0 i 。 ( 2 ) 化学氧化法 1 高锰酸钾酸钾氧化法。高锰酸钾是无机强氧化剂，具有极强的灭菌能力， 近年来国内对其助凝效能、除污染效能进行了试验研究。结果表明f 2 l l ，高锰酸 钾能显著控制氯化消毒副产物，使水中有机物数量、浓度都有显著降低，水的 致突变活性由阳性转为阴性或接近阴性。高锰酸钾预氧化可控制氯酚的生成， 并有一定的色、臭、味去除效果，对烯烃、醛、酮类化合物也有较好的去除能 力。在酸性和碱性条件下，高锰酸钾对低分子质量、低沸点类有机污染物有良 好的去除效果，但对高分子质量、高沸点有机污染物去除效果很差。另外，经 高锰酸钾氧化后的产物中，有些是碱基置换突变物前驱物，它们不易被后续工 艺去除，当氯气投量高时，前驱物转化为致突变物，反而会增加出水的致突变 性。 9 河海大学硕士学位论文 2 臭氧氧化。臭氧具有很强的氧化性，在消毒的同时可去除大量的有机物。 它能破坏及影响到生物细胞中的物质交换，达到改变污染物性质的目的，因- 向 是一种很好的杀菌剂、脱色剂，并能使大分子有机物分解成小分子有机物。有 研究表明【2 2 1 ，在低剂量下，臭氧对消毒剂副产物前体的氧化降低了总的有机卤 化物，并能有效地防止溴化物转化为溴酸盐。尽管臭氧凭借其较强的氧化能力 可以破坏一些有机物的结构，达到消除一些有机污染物的危害，但也有部分有 机物是不易被氧化的，如对d d t 、环氧七氯、狄氏剂和氯丹等是无效的。而且 臭氧氧化过程中如果剂量不足也可能产生一些中间污染物，这样可能会引起出 水致突变性的提高，所以在应用中要考虑到臭氧氧化的产物对待处理水的水质 影响。臭氧氧化还会导致水中可生物降解物质的增多，容易引起细菌繁殖，使 水的生物稳定性下降。 ( 3 ) 联用技术 是使物理、化学、生物的净化作用有机地组合起来，采用优势互补，充分 发挥各处理手段的长处，以期达到有机物的最佳去除效果，联用技术是污染治 理过程中最常用的方法，其效率高，过程稳定，成本也相对较低【2 ”。 1 曝气生物滤池。曝气生物滤池( b a f ，b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ) 是一种构造 新颖的废水生物处理技术，是将生物接触氧化法与给水过滤相结合的一种好氧 生物膜法废水处理工艺，属于生物过滤技术，它主要是利用滤料的拦截和滤料 上生物膜的生物降解双重作用来将污染物加以去除，是普通生物滤池的一种变 形形式。 曝气生物滤池用于城市污水回用具有许多其它处理工艺无法比拟的优势： ( 1 ) 由于城市污水在经过二级处理后悬浮物已经降到了一个比较低的水平 ( 2 0 3 0 r a g l ) ，因此不必担心悬浮物对滤池产生堵塞，可以充分发挥曝气生物 滤池处理出水水质高、抗冲击负荷能力强等优点：( 2 ) 曝气生物滤池具有占地面 积小、基建投资省的特点，有利于污水回用工程的开展；( 3 ) 曝气生物滤池具有 耐低温、易挂膜、启动快的特点，具有很强的地域适应性，适合在全国各地推 广 曝气生物滤池在城市污水深度处理回用方面的研究国内外已有相关报道。 在国外s k u r i b a v a s h i 在1 9 9 2 年发表了b a f 用于污水深度处理的研究结果，并 i o 第一章绪论 将其和砂滤进行了对比。结果表明，b a f 和砂滤在去除s s 上没有明显区别， 但在去除b o d 、c o d 方面b a f 处理效果明显高于砂滤【2 引。d ha b e y s i n g h e 应 用两个交替曝气的生物滤池对水产养殖业废水进行处理，发现有很好的硝化、 反硝化效果并且发现在交替周期为4 小时，对磷有4 0 的去除率，处理后的水 继续回用于养殖用水【2 5 1 。在国内，清华大学对升流式曝气生物滤池深度处理城 市污水的工艺特性进行了研究，结果表明，u b a f 用于城市污水的深度处理有 着良好的处理效果，处理后的污水在c o d 、b o d 5 、s s 、n l - 1 3 n 和浊度上完全 达到污水综合排放的一级标准和生活杂用水水质标准1 2 6 1 。天津大学用下向流曝 气生物滤池处理纪庄子污水处理厂二级出水后回用迸行了研究，结果表明，该 工艺处理出水效果良好，特别是其对有机物色度能够达到较高的去除效果，而 且该工艺经济可行。哈尔滨工业大学也对升流式曝气生物滤池处理污水厂二级 出水后回用于景观用水进行了研究，取得了预期的效果1 2 7 j 。 2 生物活性炭法。生物活性炭法( b a c ) 是在活性炭吸附技术的基础上发展起 来的一种水处理技术。生物活性炭法是将活性炭作为生物膜载体，利用活性炭 的吸附作用和生物膜的降解作用，去除水中的污染物的一种新方法。与纯粹的 活性炭吸附法相比，其使用周期可大大延长。生物活性炭的优点在于先吸附后 降解的独特作用机理，使污染物停留时间与水力停留时间异值，在同等水力停 留时间条件下，其污染物停留时问长，因而处理效果好。另外难生物降解有机 物往往不能直接被微生物吸入氧化分解，需经过细菌胞外酶的作用水解后方被 微生物利用，生物活性炭法恰好适应了这一特点1 2 引。 3 膜生物反应器。膜生物反应器( m b r ) 是膜组件与生物反应器相结合的 一种污水处理新工艺。m b r 以超滤膜组件或微滤膜组件代替活性污泥法工艺中 的二沉池，以膜分离过程代替重力沉降过程。不论固体颗粒的沉降性能如何， 均可以完成固液分离过程，并可以避免因生物体流失而造成的系统失效。由于 膜能很好地截留来自生物反应器混合液中的微生物絮体、相对分子质量较大的 有机物及其它固体，并使之重新回到生物反应器内，这就使反应器内的活性污 泥浓度得以大大提高，从而有效地提高有机物的去除率，膜滤后的出水水质很 好，系统所排放剩余污泥很少。但是m b r 通常采用的有机或无机膜价格较昂 贵，致使投资偏高，膜污染不易控制【2 纠。 河海大学硕士学位论文 1 3 曝气生物滤池技术概况 1 3 1 曝气生物滤池简介 曝气生物滤池是普通生物滤池的一种变形形式，是将生物接触氧化法与给 水过滤相结合的一种好氧生物膜法废水处理工艺，集曝气、物理截留、吸附与 过滤、生物絮凝与氧化分解、定期反冲洗等特点于一体，在一定程度上克服了 普通生物滤池供氧不匀和不足、容易堵塞等缺点。其工作原理为：在滤池中装 填一定高度粒径较小的滤料，微生物附着生长在滤料表面上形成生物膜，在滤 池内部进行曝气以保证微生物的正常耗氧需要，污水在垂直方向上流经填料层 时，利用填料高比表面积的特点以及生物膜的牛物絮凝作用对污染物进行吸附 与过滤，进而利用附着在填料上的高浓度生物膜的氧化降解作用对污水进行快 速净化。随着曝气生物滤池的运行，填料表面新产生的生物量越来越多，截留 的s s 不断增加，当固体物质积累达到一定程度时，堵塞滤层表面，阻止气泡的 释放，导致水头损失达到极限，此时需对滤池进行反冲洗，以释放截留的悬浮 物并更新生物膜 3 0 - 3 2 1 。 b a f 最大特点是集生物氧化和截留悬浮固体于一体，节省了后续二次沉淀 池，实现污染物在同一单元反应器内去除，在保证处理效果的前提下使处理工 艺简化，一般来说，其具有以下特征：( 1 ) 高水力负荷、高容积负荷及高生物浓 度，占地面积小。( 2 ) 工艺简单，基建费用低。( 3 ) 区别于普通生物滤池和生物滤 塔，受外界条件影响小。( 4 ) 定期进行反冲洗，滤池保持通畅，生物膜活性强f 3 3 。习。 曝气生物滤池的缺点是对进水水质要求较高，由于其采用的滤料较小若进 水的s s 较高，会使滤池在很短的时间内达到设计的水头损失，滤池反冲洗的次 数就要增加，因而增加了运行费用与管理的不便【3 4 】。 由于曝气生物滤池具有良好的处理性能，因而在污水的二级、三级处理中 得到广泛的应用，包括生活污水、城市污水及工业废水的处理。此外，曝气生 物滤池在给水处理中微污染水的预处理中也有着良好的处理性能【3 争3 9 1 。 1 3 2 曝气生物滤池填料研究进展 ( 1 ) 填料的作用 填料是曝气生物滤池的核心组成部分，对曝气生物滤池的运行效果、结构 形式及投资运行成本都有直接的影响。在曝气生物滤池中，填料的作用主要有 第一章绪论 以下几个方面：( 1 ) 填料作为微生物的载体，使得微生物生存环境由传统废水生 物处理中气、液两相转变为气、液、周三相，这种转变影响微生物的生长、繁 殖、脱落和种群分布，为微生物创造了更为丰富的存在形式。从量的角度看， 滤池内微生物种类和数量都大大增加：从质的角度看，