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城市污水化学生物絮凝工艺研究 摘要 在城市污水处理工艺中，生物絮凝强化一级处理具有对s s 、c o d 和b o d 去除效 率高的特点，而化学絮凝强化一级处理具有除磷效果好的优点。本论文重点研究将 以上两种结合起来，产生一种混凝剂用量小、污泥产量少、处理成本低的污水强化 一级处理实用工艺化学生物絮凝工艺，并考察其应用于大型污水处理厂的可行 性。由于大型污水处理厂采用化学生物絮凝工艺在国内还没有现成的工程可以借鉴， 为了达到经济、高效、适用的目的，本研究对设计的进水水质及出水要求进行系统、 仔细、深入的研究，根据现场水质情况通过试验得出污水处理工艺的合理设计参数。 在保证出水质量的前提下，优化加药量、改善操作条件，为以后工程运行过程提供 优化运行参数。 研究结果表明，竹园第一污水处理厂污水以化学生物絮凝法强化一级处理方式 运行时，在进水c o d 、t p 等主要污染指标浓度较低的冬季时，聚合氯化铝液体投加 量为7 0 8 0 m g l ( 折算a l 。0 。：7 7 8 8 m g l ) 即可使出水c o d 、t p 和s s 等主要污 染指标达标排放。 本文还研究了化学生物絮凝工艺的除磷作用与化学药剂投加量的关系。由于进 水总磷随时间波动，药剂投加量手动控制不仅工作量大，而且存在时间上的滞后问 题。化学生物絮凝工艺控制系统利用进水总磷浓度作为前馈控制参数，计算药剂投 加量；利用出水总磷浓度作为控制目标，根据对出水总磷浓度的判断，对药剂投加 量进行微调，较好地完成了药剂投加量的控制问题，同时保证了出水总磷浓度稳定 达标排放。 通过本文的系统研究表明，化学生物絮凝工艺适合于我国有机物浓度不高，而 总磷浓度较高的城市污水，对经济尚不发达而环境污染又较严重的城市具有十分重 要的现实意义。 关键词：化学生物絮凝，污水处理，除磷，自动控制 城市污水化学生物絮凝工艺研究 a b s t r a c t a m o n gt h e u r b a nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g i e s ，t h ep r i m a r 多e n h a n c e d t r e a t m e n t 、析t hb i o l o g i c a lf l o c c u l a t i o nh a st h em e r i t so fh i g he f f i c i e n tr e m o v a lo fs s ， c o da n db o da n dt h es a m et r e a t m e n tw i t hc h e m i c a lf l o c c u l a t i o nh a st h em e r i t so f e f f i c i e n tr e m o v a lo ft h ep h o s p h o r u s t h ek e ys t u d yp o i n to ft h i sp a p e ri st h r o u g h i n t e g r a t i o no ft h ea b o v et w ot e c h n o l o g i e st op r o d u c eap r i m a r ye n h a n c e da n dp r a c t i c a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y t h ec h e m i - b i of l o c c u l a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hw i l lu s e l e s sf l o c c u l a t i o n ，p r o d u c el e s ss l u d g ea n dr e q u i r e sl o w e rt r e a t m e n tc o s t s t h i sp a p e ra l s o s t u d i e st h ef e a s i b i l i t yo ft h i st e c h n o l o g yt ob e u s e di nt h el a r g e - s c a l ew a s t e w a t e r t r e a t m e n tw o r k s b e c a u s et h e r ei sn os u c he x i s t i n gp r o j e c t si nc h i n af r o mw h i c ha l a r g e - s c a l ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tw o r k st ou s ec h e m i - b i of l o c c u l a t i o nt e c h n o l o g yc a n d r a we x p e r i e n c e s ，a n da l s oi no r d e rt oa c h i e v ee c o n o m i c a l ，h i g he f f i c i e n ta n da p p l i c a b l e t a r g e t s ，t h i sp a p e rh a sc o n d u c t e das y s t e m a t i c ，d e t a i l e da n dd e e ps t u d yo ft h ed e s i g n e d i n c o m i n gw a t e rq u a l i t ya n dt h ee f f l u e n tr e q u i r e m e n t s ，a n do b t a i n st h er a t i o n a ld e s i g n p a r a m e t e r sf o rt h et r e a t m e n tt e c h n o l o g yt h r o u g ht e s t so ft h es i t ew a t e rq u a l i t y o nt h e p r e m i s eo fg u a r a n t e eo ft h eq u a l i t yo ft h ee f f l u e n t s ，o p t i m i z a t i o no fc h e m i c a ld o s a g e s ， i m p r o v e m e n to fo p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n dp a r a m e t e r sf o rt h ef u t u r eo p t i m i z e do p e r a t i o n a r er e c o m m e n d e d t h ef i n d i n g so ft h es t u d ys h o w st h a tw h e nz h u y u a nn o 1w a s t e w a t e rt r e a t m e n t w o r k si s o p e r a t e du n d e rt h ep r i m a r ye n h a n c e dt r e a t m e n tp r o c e s sw i t h c h e m i b i o f l o c c u l a t i o nt e c h n o l o g ya n di nw i n t e rw h e nt h ei n c o m i n gw a t e rw i t hl o w e rd e n s i t yo ft h e m a i np o l l u t a n t ss u c ha sc o d ，t pa n ds oo n ，t h em a i np o l l u t a n t ss u c ha sc o d ，t pa n ds s o ft h ee f f l u e n t sc a nm e e tt h ed i s c h a r g es t a n d a r d sb yf e e d i n g7 0 - 8 0 m g l ( e q u i v a l e n tt o a 1 2 0 3 ：7 7 8 8 m g l ) o ft h ep o l y - a l u m i n u mc h l o r i d e ( p a c ) s o l u t i o n t h i sp a p e rh a sa l s os t u d i e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep h o s p h o r u sr e m o v a lb yt h e e h e m i - b i of l o c c u l a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ec h e m i c a ld o s e s b e c a u s et h et o t a lp h o s p h o r u s i nt h ei n c o m i n gw a t e rv a r i e s 、析t i lt h et i m e h a n d c o n t r o lo ft h ec h e m i c a ld o s a g en o to n l y r e q u i r e sal o to fw o r kb u ta l s oh a sp r o b l e m so fl a g g i n gb e h i n dt h et i m e t h ec h e m i b i o f l o c c u l a t i o np r o c e s sc o n t r o ls y s t e mu s e st h ed e n s i t i e so ft h et o t a lp h o s p h o r u si nt h e i n c o m i n gw a t e ra st h ep r e - f e e d i n gc o n t r o lp a r a m e t e r st oc a l c u l a t et h ec h e m i c a ld o s e s r e q u i r e d w i t l lt h et o t a lp h o s p h o r u sd e n s i t yo ft h ee f f l u e n t sa st h ec o n t r o lt a r g e t ，a n d a c c o r d i n gt ot h ej u d g m e n to ft o t a lp h o s p h o r u sd e n s i t yo ft h ee f f l u e n t s ，t h ec o n t r o ls y s t e m 3 城市污水化学生物絮凝工艺研究 w i l lm a k em i n o ra d j u s t m e n t st ot h ec h e m i c a ld o s e sr e q u i r e d i nt h i sw a yt h ep r o b l e m so f c o n t r o l l i n gt h ec h e m i c a ld o s e si sw e l ls o l v e da n dt h ed i s c h a r g es t a n d a r d sf o rt h et o t a l p h o s p h o r u sd e n s i t yo f t h ee f f l u e n t si ss t e a d i l ym e t t h r o u g hs y s t e m a t i cs t u d y , t h i sa r t i c l e s h o w st h a tt h ec h e m i b i of l o c c u l a t i o n t e c h n o l o g yi ss u i t a b l ef o rc h i n a su r b a nw a s t e w a t e rw i t hl o w e rd e n s i t yo fo r g a n i cm a t t e r s b u th i g h e rd e n s i t yo ft h et o t a lp h o s p h o r u s t h et e c h n o l o g yh a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et o t h el e s se c o n o m i c a l l yd e v e l o p e dc i t i e sw i t hs e r i o u se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n k e yw o r d s ：c h e m i b i of l o e c u l a t i o n ，w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，p h o s p h o r u sr e m o v a l ， a u t o m a t i cc o n t r o l 4 城市污水化学生物絮凝工艺研究 i 士= 1明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没 有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原 创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：7 分劭虱 妒7 年( y 月弘日 城市污水化学生物絮凝工艺研究 第一章前言 1 1 我国城市污水处理概况 城市污水处理是水环境污染控制的一个重要内容，发达国家的城市污水处理厂 相当普及，目前污水处理率可达9 0 或更高；而发展中国家由于经济和综合实力的 原因，其城市污水处理率较低，由此引起的城市水环境污染也较严重。 我国近十年来经济发展较快，城市化率不断提高，污水排放量持续增加，而城 市污水处理能力未及时跟上，城市水环境受污染程度已相当严重，如何在我国目前 城市污水处理水平还相对较低的情况下提高城市污水的处理率，已成为当务之急。 我国的城市污水处理厂以二级生物处理为主，一级处理较少，特别是近年建成 的城市污水处理厂大多数是二级生物处理。据统计，我国目前一级污水处理厂约占 总数的2 0 5 、总处理能力的1 7 ；二级处理厂约占总数的7 9 5 、总处理能力 的8 3 。我国城镇量多，分布面广，污水排放量大，污水处理资金缺乏，相当数量 的污水处理厂由于能耗大，运行费用高，并没有投入正常运行和发挥功效，实际污 水处理能力远低于设计能力，污水处理任务十分艰巨。因而，在这些城市增建污水 处理厂时应考虑采取分批建设措施，即在近期先主要发展和逐步普及一级污水处理 厂，经过一级强化工艺处理后，以较少的投资实现较大量污染负荷的削减，待到条 件成熟后再投资建设二级处理工艺。这对我国这样经济尚不发达而环境污染又较严 重的国家，具有十分重要的现实意义。其他的发展中国家或发达国家的历史经验已 证明类似分期建设思路是切实可行的。 1 2 上海市城市污染源和排水设施现状 根据上海市水环境污染源调查研究报告，2 0 0 0 年全市有各类污染源5 5 9 7 9 个，污水排放量为5 0 4 万m 3 d ( 不含地下水渗入量和自备水源中用于冷却水的部分) ， 产生c o d 。，为1 7 0 t d ，n h 。一n 为1 2 3 t d 。生活污水、工业废水、初期雨是污染的重 点，黄浦江水系这三部分c o d 。，占水系排放总量的7 8 。全市有2 2 2 0 0 个污染源每 天产生的2 2 2 万m 3 污水通过污水外排管道外排或纳入污水处理厂，其余3 3 7 7 9 个污 染源直接排入河道或通过市政管道排入内陆水体，其污水量为2 8 2m 3 d 。各污染源 排入水体的比例见表卜l 。 从表l l 中可以看出，排入水体的各类污染源中，工业污染源的污水量最大， 其次是居民生活污染源、企事业生产污染源、禽畜污染源。 城市污水化学生物絮凝工艺研究 表1 1全市污染源总量和排入水体量 污、废水排放量 c o d c rn h 3 一n 污染源类型污染源个数 总量比例 ( t d )( t d ) ( 万m 3 d ) ( ) 总数 4 6 4 92 0 4 5 73 7 5 6 52 6 7 5 工业污染源 直排 3 4 7 7 1 4 2 8 56 9 8 32 3 5 6 92 0 4 1 水体 企事业生 总数 4 1 0 8 41 3 6 3 25 6 7 2 13 7 0 5 直排 活污染源 2 2 4 2 06 3 9 74 6 9 3 2 6 4 2 61 7 9 5 水体 居民生活 总数 6 7 4 2 1 5 9 8 9 4 7 9 6 7 4 7 9 6 直排 污染源 4 3 8 47 1 8 84 4 9 6 2 1 5 6 42 1 5 6 水体 总数 3 5 0 43 3 42 8 1 4 01 1 6 1 禽畜污染源 直排 3 4 9 83 3 49 9 9 3 2 8 1 4 01 1 6 l 水体 总数 5 5 9 7 95 0 4 1 2 1 7 0 4 1 11 2 3 3 8 合计 直排 3 3 7 7 92 8 2 0 45 5 9 5 9 9 6 9 97 1 5 3 水体 根据党中央提出的“以上海浦东开发、开放为龙头，进一步开放长江沿岸城市， 尽快把上海建成国际经济、金融、贸易中心之一，带动长江三角洲和整个长江流域 经济新飞跃”的要求，到2 0 2 0 年，上海将初步建成国际经济、金融、贸易中心之一， 基本确立上海国际经济中心城市的地位，基本建成上海国际航运中心，发挥上海国 际国内两个扇面辐射转换的纽带作用，进一步促进长江三角洲和长江经济带的共同 发展。与之相对应，加强上海的城市污水处理、改善上海的城市水环境状况显得尤 为重要。 从二十世纪八十年代中期以来，市政府对环境项目投入了巨额资金，竹园第一 污水处理厂工程就是在这个大背景下开工建造的，竹园第一污水处理厂尾水的受纳 水体是长江口，考虑到长江源远流长，水量充沛，水流运动强烈，水动力强劲，泥 沙丰富，具有较强的净化能力这一有利条件，竹园第一污水处理厂以去除悬浮和胶 体状污染物及磷为主，污水的处理程度要求介于一级处理和二级处理之间。目前上 海市在污水治理方面基本形成了集中处理与分散处理并存的格局，其已建成的污水 治理设施有：石洞口污水系统、竹园污水系统、白龙港污水系统、奉贤污水外排系 统、星火工业区污水外排系统、南汇区污水外排系统等6 个污水外排系统及3 0 座城 市污水处理厂，污水处理设施利用率5 9 。上海市污水处理设施情况如表l 一2 所 示。 城市污水化学生物絮凝工艺研究 表1 2 上海市污水处理设施一览表 序号系统名称现有水量( 万m 3 d )处理规模( 7 m 3 d ) 1 石洞口污水系统( 两干线) 1 74 0 2 竹园污水系统( 合流一期) 1 2 71 7 0 3 白龙港污水系统( 污水二期) 8 01 7 0 4 奉贤污水外排系统 1l o 5 星火工业区污水外排系统 21 0 6 南汇区污水外排系统 11 5 7 中小型污水处理厂 7 39 3 8合计 3 0 15 0 8 注：表中现有水量、处理规模均包括地下水渗入量。 1 3 竹园第一污水处理厂工艺简介 竹园第一污水处理厂工程是上海市合流污水治理一期工程的续建项目，其服务 对象为普陀、长宁、静安、闸北以及部分宝山、黄浦、虹口、杨浦、浦东外高桥等 地区的生活污水和合流污水。竹园第一污水处理厂位于浦东外高桥地区的合流污水 治理一期工程排放口高位井附近的预留厂址用地范围之内。工程占地约3 3 7 9 公顷。 工程设计规模为1 7 0 万m 3 d ，雨天时合流污水量为4 9 3 2 m 3 s 。污水经处理后排入长 江。 工程设计进水水质如下： b o d 5 1 2 0m g 1 c o d 。， 2 5 0m g 1 s s 1 5 0m g 1 n h 。一n 3 0m g 1 t p4m g 1 工程要求的出水水质指标如下： c o d 。，1 5 0m g 1 b o d 5 6 0m g 1 s s4 0m g 1 n h 。一n3 0m g 1 t p1m g 1 城市污水化学生物絮凝工艺研究 根据设计进、出水水质，设计院采用的污水处理工艺为化学生物絮凝强化一 级处理工艺。该工艺由化学生物絮凝池和沉淀池构成，理论上分析该工艺具有生物 絮凝强化一级处理对s s 、c o d 和b o d 去除效率高的特点，同时结合了单纯化学絮凝 强化一级处理除磷效果好的优点，使两者有机地结合起来，扬长避短，优势互补， 达到处理效果稳定可靠。设计思想是通过两者的优势组合，产生一种混凝剂用量低， 污泥产量少，处理成本低的污水强化一级处理实用工艺。 1 4 竹园第一污水处理厂工艺研究 1 4 1 研究目的和意义 城市污水是城市水环境污染的主要来源之一，解决城市污水污染的根本措施 是建设集中式城市污水处理厂，对于以自然沉淀为主体的一级处理工艺来说，污 染物去除率较低，难以有效地控制水环境污染，必须通过强化处理来提高其处理 能力；二级处理设施虽然污染物去除率高，但由于资金、能源等限制条件，在短 时间内很难普及和运行，也希望能够通过强化一级处理来减轻二级处理负荷，降 低能耗，所以强化一级处理技术的研究已成为新的热点，引起了国内外水处理工 程界的关注和重视。强化一级处理符合上海市污水处理的“总体规划、分期实施、 滚动推进 的基本原则，一般发展中国家都采用先建设一级处理或强化一级处理 以后再逐步完善二级处理的策略。 竹园第一污水处理厂处理规模1 7 0 1 0 4 m 3 d ，采用化学生物絮凝强化一级处理 工艺，预计在氨氮浓度不高的情况下，根据竹园排放口的水质，应能达到设计的 排放标准，这样可以节省投资和运行费用。设计思想是希望将生物絮凝强化一级 处理对s s 、c o d 和b o d 去除效率高的特点与化学絮凝强化一级处理除磷效果好的 优点结合起来，产生一种混凝剂用量小，污泥产量少，处理成本低的污水强化一 级处理实用工艺。但是，对如此规模的污水处理厂在国内还没有现成的工程可以 借鉴，为了达到经济、高效、适用的目的，必须针对设计的进水水质及出水要求 进行系统、仔细、深入的研究，根据现场水质情况通过试验得出污水处理工艺的 合理设计参数。在保证出水质量的前提下，优化加药量、改善操作条件，为以后 工程运行提出参考，因此试验结果还将为今后的运行过程提供优化运行参数。 城市污水化学生物絮凝工艺研究 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 试验源水选择与混凝剂筛选。 ( 2 ) 设计建造竹园污水处理工艺中试研究装置，规模约5 0 m 3 d ，连续进水、 连续出水，运行灵活，工艺参数可调。该套装置工艺选择与设计院提供的“化学 生物絮凝沉淀工艺”的方案一致，可进行化学混凝、生物絮凝、化学生物絮凝一 级强化处理研究。 ( 3 ) 在合流一期污水预处理厂，用上述中试研究装置模拟设计院提供的“化 学生物絮凝沉淀工艺 工艺参数进行连续流试验，以验证推荐方案的可行性，同 时为空气搅拌絮凝工艺寻找理论依据和技术设计条件。 ( 4 ) 在验证工艺过程完成后，进行竹园污水处理厂运行操作过程中可能遇到 的操作工艺优化研究，为以后运行管理提供优化运行参数，研究过程中主要考察 各种工况的除磷效果，主要包括： a 化学强化一级处理研究。研究加药种类、加药量、高分子絮凝剂投加量对 c o d c r 、b o d 。、s s 、t p 、n h 。一n 的去除率的影响。 b 进行化学生物絮凝强化一级处理研究：研究加药量、加药点、曝气搅拌强 度等对污水出水指标去除率的影响。 ( 5 ) 进行后续生物脱氮试验研究，为今后保证出水氨氮浓度达到排放标准提 供工艺参考。 ( 6 ) 提供经济合理、技术可行、稳定可靠、运行费用合理的竹园第一污水处 理厂污水优化工艺参数，同时为污水处理厂今后的运行提供优化运行参数。 城市污水化学生物絮凝工艺研究 第二章竹园第一污水处理厂工艺研究中试概况 2 1 城市污水强化一级处理分类 强化一级处理就是利用一定的物理的、化学的或生物的方法使污水中的呈悬浮 或胶体状态的污染物质颗粒发生凝聚和絮凝，改善污染物质的可沉降性能，提高沉 淀分离效果和去除能力，从而改善出水水质的一种处理工艺。在一级处理的基础上， 通过增加较少的投资，实现强化一级处理，就能较大程度地提高污染物的去除率， 削减总污染负荷，降低去除单位重量污染物的费用。 强化一级处理按照产生絮凝的方法可分为：化学混凝强化一级处理、生物絮凝 吸附强化一级处理、化学生物絮凝强化一级处理。 2 1 1 化学混凝强化一级处理 化学混凝强化一级处理与混凝剂的发展密切相关。在城市污水一级处理的化学 强化技术研究中，向污水中投加混凝剂、助凝剂使污水中的微细颗粒和胶体污染物 发生凝聚和絮凝，提高一沉池去除率。早在十九世纪末二十世纪初，在美国等国家 已广泛采用化学处理，但由于城市污水水量大，投加混凝剂运行费用较高，随着生 物处理技术的发展，逐渐较少采用。近年来，由于新型、高效、廉价药剂的不断推 出以及除磷的需要，化学强化处理作为二级处理的预沉或后沉以及单纯的化学强化 方法开始受到普遍重视。药剂的种类主要有无机混凝剂、有机高分子絮凝剂和微生 物絮凝剂，分述如下： 2 1 1 1 无机混凝剂 在城市污水一级处理的化学强化技术研究中，采用的无机混凝剂主要有铝盐、 铁盐、铝铁盐聚合物、石灰等。 早在6 0 、7 0 年代，就开始了无机混凝剂强化一级处理的研究。以色列城市污水 污染物浓度较高，为减轻后续处理的负担，进行了混凝强化处理研究。以石灰和三 氯化铁为混凝剂，b o d 去除率为5 3 ，s b o d ( 溶解性b o d ) 去除率为1 4 ，c o d 去除 率为6 8 ，s c o d ( 溶解性c o d ) 去除率为3 2 ，浊度去除率达到9 9 。 埃及f h e i g o h a r y 等( 1 9 9 1 ) 采用硫酸铝、氯化铁和石灰三种混凝剂处理城 市污水，投加量分别为2 5 0 m g l ，2 0 0 m g l 和8 0 0m g l ，浊度去除率约为6 0 ，c o d 去除率约为8 0 。对磷的去除效果也很好，英国的m p g a m b r i l l 等( 1 9 9 2 ) 采用石 灰处理热带地区的城市污水，石灰投加量为7 2 0m g 1 ，水力停留时间8 8 h ，对浊度、 s s 和总磷均有较好的去除效果，但出水p h 偏高达1 1 5 左右。 城市污水化学生物絮凝工艺研究 我国台湾的c h e nc h i u y a n g ( 1 9 9 3 ) 研究了污水排海的一级处理强化技术。投加 硫酸铝和聚合氯化铝各3 0m g 1 ，沉淀1 h ，s s 和b o d 的去除率分别为7 0 和6 0 ， 比强化处理前的4 5 和2 5 各提高了2 5 和3 5 个百分点。 由以上研究结果不难看出，以化学混凝沉淀作用为主的单纯化学强化一级处理 对s s 、c o d 、b o d 。的去除以去除悬浮状非溶性物质为主，提高悬浮物和胶体状物质 的去除效率，强化效果明显，对除磷要求较高时，该工艺的投药量将提高。但无机 絮凝剂的投加量一般较多，运行费用较高，产污泥量较大。 2 1 1 2 有机高分子絮凝剂 在化学强化一级处理中，新型有机高分子絮凝剂具有絮凝快、用量少等优点， 其主要种类有合成高分子絮凝剂如聚丙烯酰胺( p a m ) 和天然高分子絮凝剂如壳聚糖 等。由于有机高分子絮凝剂价格较高，为了减少药剂投加量，充分发挥不同药剂间 的协同作用，往往与无机混凝剂复配使用。 日本的s u z u k i 等以一种弱阴离子高聚物l 2m g 1 ，与1 0 1 5m g 1 ( 以a l ：0 。 计) 的p a c 复配，采用颗粒流化床强化城市污水的一级处理，可以去除b o d 7 9 ， c o d7 4 ，s b o d1 0 ，使后续生物处理的水力停留时间减少1 h 。 杨旭等以p a m 改性性制成的s w 一1 0 1 阳离子絮凝剂与p a c 复配使用，可使废水 c o d 去除率提高到6 0 左右，宫世国等研制的一种含阴、阳离子的复合型天然高分 子絮凝剂a s 卜i i ，用于处理城市生活污水，c o d 和b o d 。去除率7 0 左右，s s 去除 率高达9 0 。处理效果优于对比的氧化沟，而运行费用较高，产污泥量较大。 美国洛杉矶市的h y p e r i o n 污水处理厂，采用一种阴离子高聚物0 1 5m g 1 ，与 1 0m g 1 的氯化铁复配处理城市污水，连续运行6 年，s s 和b o d 的一级处理去除率 稳定在8 3 和5 1 左右，同时对磷和重金属的去除效果也很好，而其基建费运行费 却只有二级处理厂的3 0 左右。 2 1 1 3 微生物絮凝剂 微生物絮凝剂是由微生物产生的具有高效絮凝作用的天然高分子物质，其化学 本质主要是微生物代谢产生的各种多聚糖类、蛋白质或多肽。由于微生物絮凝剂絮 凝效果好、投加量少、适用面广、无二次污染、絮体易于分离等优点而备受关注。 微生物絮凝剂在废水脱色、油水分离、污泥脱水、畜牧场废水处理、瓦厂废水 处理等方面已有所应用，效果显著。但在城市污水处理中的应用尚未见报道，其原 因在于目前微生物絮凝剂的研究尚处于实验室阶段，生产成本很高，无法适应城市 污水处理的要求。 城市污水化学生物絮凝工艺研究 2 1 1 4 其它絮凝剂 在城市污水的强化一级处理中，还有一些因地制宜、以废治废或利用其他作用 的强化处理技术。我国哈尔滨市马加沟，采用当地电厂的废物粉煤灰处理城市污水， 能够去除c o d3 0 4 0 ，色度9 0 9 8 ，重金属3 0 8 0 。其基建投资约 为二级污水处理厂的1 3 ，运行费用约为1 5 。此外，还有以粘土、膨胀土、沸石、 泥炭、松树皮、木屑、磁化处理等强化处理的研究，均取得了较好的处理效果，但 也存在一定的应用局限性。 2 1 2 生物絮凝吸附强化一级处理 生物絮凝吸附强化一级处理由一个停留时间较短的曝气池及沉淀池组成，系统 中进水中的可沉固体可以得到活化，具有良好的絮凝吸附作用和沉降性，同时可使 部分溶解性有机物得到降解。生物膜法和悬浮污泥法都可实现该系统，这种系统对 c o d 、s s 、b o d 5 去除效果显著，但对磷的去除效果有限。 利用微生物的絮凝吸附作用强化一级处理，与二级生物处理的本质区别在于二 级生物处理主要利用生物的氧化作用，将有机物矿化；而生物强化一级处理则主要 利用微生物的絮凝吸附作用快速去除污染物质，同时伴有少量的生物氧化。 二级生物处理也利用生物絮凝作用。在曝气池中形成絮体，并在二沉池中实现 固液分离。为了维持絮体悬浮和满足供氧的要求，曝气池中水流的速度梯度g 一般 在1 0 0 - - 一2 0 0 s 以左右，而絮凝反应的最佳g 值应在1 0 1 0 0 s 。过度强烈地混合，使 得生物絮体的破碎过程远强于絮体的形成过程，难于沉降的细碎颗粒数目增加，固 液分离效果不好。因而，二级处理的过程对于絮凝条件来说并不是最合适的。 由絮凝动力学可知，n 个直径为d 的颗粒的沉降去除半衰期t i t 2 ，t l 2 与成反比， 即与d 3 成反比。在颗粒沉淀开始时，如果有较大直径的颗粒存在，必然使t l 2 大为 减少，也就是使总的颗粒下降速度显著加快。因而，在原污水中引入颗粒直径较大 的生物絮体，能够提高悬浮颗粒的去除效率，起到强化一级处理的效果，给水中的 澄清池运用的是同一原理。 生物絮体不仅具有一般大颗粒的强化沉淀效果，还有生物絮体吸附作用。其去 除机理既有污染物质的物理吸附、化学吸附和生物吸附作用，又有吸附架桥、沉淀 物网捕等絮凝作用，相互作用复杂。迄今为止，己提出了多种机理解释，其中广为 城市污水化学生物絮凝工艺研究 接受的是聚合物架桥理论。一般认为，对重金属离子的去除以物化吸附作用为主， 对悬浮物的去除以生物絮凝作用为主，絮凝作用的主要物质是胞外聚合物( e c p ) ， 不同微生物表面间细微成分和结构的差别也可以导致絮凝，大量微生物形成的絮体 又可以通过接触絮凝等作用去除水中的污染物质。二价阳离子在絮凝吸附过程中起 着重要的架桥作用。 2 1 2 1 好氧生物絮凝吸附 活性污泥对废水的净化是通过二个阶段一吸附阶段和氧化阶段完成的，吸附阶 段能在1 0 3 0 分钟内去除7 0 9 0 的有机质，其去除机理是絮凝和吸附。据此， 分别于5 0 年代和7 0 年代提出了两种改进的活性污泥处理法：吸附再生法和a b 法。 这两个方法分别在吸附池和a 段完成悬浮物质和胶体物质的生物絮凝吸附过程，水 力停留时间一般为3 0 分钟左右，负荷高，泥龄短，产泥量大。 受a b 法运行机理的启发，同济大学研究了城市污水的一级半处理方法。采用 高负荷生物接触氧化工艺，在容积负荷1 0 3 0 k g c o d m 3 d ，h r t 为3 0 - - - 4 5 m i n 的 运行条件下，处理模拟城市污水，c o d 去除率6 0 8 0 ，污泥产率0 5 5 - - 0 7 3 k g s s k g b o d 5 ( 去除每千克b o d s ) 。 2 1 2 2 厌氧生物絮凝吸附 r r i f f a t 等采用厌氧吸附反应器间歇处理合成污水，m l s s1 0 9 l ，h r t1 5 m i n ， 即可去除4 0 的有机物质。s h i m i z u 等以厌氧颗粒流化床生物反应器( a f p b ) 代替 初沉池，投加p a cl o m g 1 ( 以a 1 2 0 3 计) 和一种弱阴离子高聚物2 m g l ，以形成污 泥颗粒。h r t 为2 h ，对s s 和c o d 的去除率高达9 6 和9 3 。 生物絮凝强化一级处理与普通一级沉淀处理的区别在于，在悬浮颗粒的沉淀过 程中，如果有较大粒径的颗粒存在，可以使总的颗粒下降速度，显著加快。生物絮 凝吸附强化一级处理是在原污水中引入颗粒直径较大的活化污泥絮体，不仅有一般 大颗粒对悬浮固体的强化沉淀效果，更有生物絮凝吸附作用。它的实质就是直接利 用微生物细胞及其代谢产物作为吸附剂，通过对污染物的物理吸附、吸收作用、以 及吸附架桥、电性中和及沉淀物网捕等絮凝作用，把污水中较小的颗粒物质转化为 生物絮体的组成部分，并通过絮体沉降作用而快速去除。与普通一级处理相比，它 城市污水化学生物絮凝工艺研究 对污染物的去除虽然也以沉淀作用为主，但也伴随发生生物代谢作用；由于生物絮 凝吸附和生物代谢作用的存在，对与悬浮物有关的或容易与悬浮物结合的污染物的 去除率较高，对以溶解状态的有机物也有一定的去除作用；虽然它的产泥量较大， 但生物絮凝不象化学强化工艺，它在处理过程中不加任何药剂，没有引入新的污泥 形成物质，因而其产泥量比化学强化处理产泥量少，同时生物絮凝吸附工艺产生的 污泥有机质含量高，易于厌氧消化、农用价值也较大；虽然基建费用和运行费用都 有所提高，但去处单位污染物质的总费用较低。 2 1 3 化学生物絮凝强化一级处理 化学生物絮凝强化一级处理是利用化学混凝和生物絮凝联合作用强化沉淀的 污水处理工艺。生物强化一级处理由一个停留时间较短( 3 0 分钟左右) 的曝气池和 沉淀池构成。在此系统中，进水中的可沉固体可以得到活化，具有絮凝吸附作用和 沉降性。而以化学混凝作用为主的单纯化学强化一级处理，以去除颗粒状和胶体状 物质为主，对溶解性的c o d 和b o d 5 的去除率不高，但对磷的去除效果很好。 根据化学混凝强化一级处理及生物絮凝强化一级处理的特点，它们各有特色， 如果将两者有机结合起来，从理论上分析，可以得到加药量少、污泥产量少、运行 成本低、处理效果好的化学生物絮凝强化一级处理工艺。 2 2 竹园第一污水处理厂工艺研究装置设计 2 2 1 试验室小试研究 提取合流一期污水预处理厂污水为试验源水，通过实验室烧杯试验进行混凝 剂筛选、投加量处理效果试验，研究方法和装置如图2 - 1 、图2 - 2 和图2 3 ： 巳囹 臣翌翌r 臣里r 1 里翌翌囝 图2 - 1 混凝试验示意图 城m ，i m 生# 絮* 工2 研r 臣婴翌翌堕 ，l 一 臣9 匣翌一l 型 图2 2 混凝剂适用种类及投加量确定 厅t 1j 一、 j j ， 图23 试验室实验装置 222 中试装置的设计 通过在合流一期污水预处理厂进行5 0 m 3 d 规模的巾试连续流试验，模拟设训 工艺参数进行研究，以检验化学生物絮凝强化一级处理上艺对竹回污水的处理效 果：在验证工艺结束后，进行各种工况的试验研究，包括化学混凝及生物絮凝的 协同作用的各种运行参数，如加药量的多少埘去除率的影响等，为以后污水处理 厂的正常运行提供合理的运行参数，确保该工艺能在设计进水水质条件下达刮设 计出水要求排放。5 0 m d 规模试验装置流程如图2 4 ： 具体研究路线如f 图2 。45 0 m 3 ，d 规模试验装置流程 城$ * m m # 凝i = ”究 存合流一期污水预处理厂建造的5 0 m 3 d 规模连续流试验装霄，进行中试第一 阶段试验，以便以实际污水进行连续流试验分析，在水力和模型上更接近于实阱、 情况，减少相似性误差，以验证设计方案的可行性，在验证结束后，进行再种i 况的优化参数研究。 5 0 m 3 d 规模的试验装冠的设计参数主要参照原工程设计参数h 时可进行灵活 调整，进水取自合流一期预处理j 的沉砂池，经提升、计量后进入污水处理试验装 置，窄气搅拌快速混合池昂大停留时间6 0 s ，采用空气作为快速混合的动力，池底 部布置带3 z r m l 却气孔的穿孔管，空气搅拌絮凝池最大停留时问3 5 m i n ，采用微孔曝 气管曝气，分= 段推流回转式布簧，阶梯式速度梯度变化，每段u r 独自调节曝气量 以政变速度梯度，且可单独计量，曝气采用三叶式小型回转鼓风机，絮凝反应池与 沉淀池间采用穿孔配水墙，沉淀池设计水力停留时间l5 h ，采用= 角堰出水，多斗 重力排泥。后续生物腹脱氨系统采用高比面积球型填料，设计水力停留时间1 2 h ， 后续沉淀池分离脱落的老化生物膜。 试验用药剂为无机混凝女0 或有机高分了絮凝剂，首先h j 溶药箱配置成一定的浓 度后，采用美国m i l t o n r o y 计量泵定量加曲加药点可移动，一般无机混凝剂投 加点在混台池，高分子絮凝剂投加点在反应池的第三个廊道的首端。 污泥回流聚用污泥潜水泉或气提方式，剩余污# e 计量采用彝秘法，每天固定时 间排泥( 一般每灭排泥一二次) ，化学污泥或化学生物系统剩余污泥排至特制的， 带液位标尺的血积为10 m 2 的污泥计量箱内，在计量排放容积后，搅拌均匀，取样 1 0 0 m l 测定m l s s 浓度及m l v s s 浓度，该工况系统稳定后，再进行污泥脱水性能 分析。图2 ，5 至图2 _ 8 为5 0 h i 。d 规模试验装簧运行照片。 图2 55 0 m 3 d 规模试验装置图2 - 6空气搅拌混合池 鞫|酒蛰e誊幽嘲谢蔼 月 、 ，二中蜓笮裂需嫦“黏嚣躺 # m i m “# 物絮凝i 艺n 究 解 图2 7化学生物絮凝反应池图2 - 8 平流式沉淀池 23 研究方法和技术关键 231 研究方法 首先进行实验室试验研究，根据不同源污水的特点选择试验源污水，源污水水 质的荠异可能导致截然小的结论这也足为什么同一种l 岂在两个运用场台会产 生币同的处理效果一样。第一步确定试验源水，根据竹【_ i j 污水排放n 近年的数据及 未来预计竹嗣污水处理厂的水质在近年内小会有大的改变，因此，中试试骑装置 放在合流一期预处砰厂内。 在合流一期预处理厂的试验现场，首先按照原工程设训方案的1 艺参数进行化 学生物絮凝强化一纽处理研究，模拟该j 二艺舶投药量、曝气强度，任验证阶段拟采 用1 2 0 m g l 及逐渐递减的加药节，i n 时投加o5 p p m 的p a m 作为助凝剂，反应池采 用逐级降低曝气强度方式，分三级不同的反应速度梯度，实现搅拌及生物供氰作用， 回流污泥币进行曝气再生，回流比采用2 0 5 0 ，以验证竹园第污水处理厂设计 1 二艺的可行性，在此过程l l 测试指标主要有c o d 、b o d 5 、n h m ns s ，t p 、p l l 、 m l s s 、m i n s s 、溶解磷、污泥比阻等。 在完成初步验证工作之后，进行各种工况的优化研究具体可分以下几种情况： 1 ) 单纯化学混凝的优化研究：在此过程r f ，以化学混凝为主，加药量以t p 含量 与药剂中a l 的摩尔比值t jt p 去除车的关系作为评价指标，此叫反应器中 曝气以搅拌作川为土，生物作j 月为辅：任污染指标的去除疗m 】重点考核上艺 对丁p 及c o d 的去除效果，考察小阿化学药剂及不h 投药芷条件f 的运行 城市污水化学生物絮凝工艺研究 效果，化学药剂主要研究目前使用普遍且效果较好的聚合氯化铝等。 2 ) 单纯生物处理的优化研究：此优化阶段主要研究不加化