微污染水中的环保船的设计毕业论文.docx

微污染水中的环保船的设计毕业论文目录第一章 概述11.1设计概况11.2 设计依据11.3本课题的研究目的与意义1第二章 微污染水的性质，危害以及污染原因32.1 微污染水的性质与危害32.2水源污染的原因32.3微污染水源水处理技术的研究进展42.3.1常规给水处理工艺42.3.2强化改进常规处理工艺42.3.3深度处理技术52.4其他深度处理技术62.5 各种深度处理技术分析72.6 预处理技术72.7本课题国内外研究现状与展望92.7.1 本课题国内外的研究现状92.7.2 沸石和陶粒特点122 .7 .3 展望12第三章 处理工艺的选择以及计算143.1生物转盘的运行工艺143.2在处理微污染水中的应用153.3生物转盘处理废水的影响因素163.3.1生物转盘的盘片163.3.2生物转盘的有机负荷163.3.3转盘的分级163.3.4生物转盘的生物膜特性163.4生物转盘的改进措施173.5转盘总面积的计算183.6 转盘盘片总数（m）的计算183.7 每组转盘的盘片数（m1）的计算183.8 每组转盘转动轴有效长度（L）的计算193.9 每个氧化槽的有效容积V的计算19第四章 太阳能电池板的确定与计算224.1基本原理224.2 基本组成224.3布置考虑原则244.4电力推进系统参数的选择244.4.1光伏阵列的额定功率以及发电量的估算244.4.2负载（电机）功率的确定254.4.3 蓄电池种类和容积的选择26第五章 船体的主要参数设计285.1船体材料的确定以及相关参数285.2船体的重要尺寸285.3船的排水量和吃水深度的计算285.4船体质量的计算285.5.1本设计环保船主要可以实现如下功能：305.5.2本设计环保船主要特点如下：30结论与展望31致谢32参考文献33附录34附录一34附录二37查表清单：表3-1生物转盘处理生活污水中试研究与应用实例15表4-1太阳能板布置优化思路24表4-2环保船工作6h计算结果27表4-3环保船工作8h计算结果27查图清单：图3-1单轴单级和多级转盘进水方式28图3-2漂浮垃圾机的设备32图4-1单晶硅太阳能电池的组成34图4-2功率传递图3649第一章 概述1.1设计概况 随着我国工业化的快速发展,城市化规模的持续扩大,人们在日常生产，生活过程中排放出的污染物，对水源水质的污染已经愈演愈剧,水中的有机污染物不断增多，源水受污染的程度越来越严重。上世纪60年代以来,不少地区饮用水水源水质日益恶化，出现水质性缺水的严重局面。同时,随着水质分析技术的逐渐进步,水源和饮用水中能够测得的微量污染物质的种类也不断增加。微污染饮用水给人们的生产和生活带来极其严重的危害。针对源水中出现的微污染问题,70年代以后,人们就开始着手对微污染水质的净化新技术进行了大量的研究,并且已经有很多技术在实际生产中应用,取得了较好的效果。 发达国家的微污染水处理的中心问题是去除可固化有机碳和氨氮为主的微污染物以获得饮用水的生物稳定性。我国的微污染水源，其污染物浓度比发达国家微污染物的浓度高得多，就我国近几年有关污染水处理研究的水质来看，CODMn平均为10mg/L左右，氮氧平均为3.3mg/L左右。1.2 设计依据本次设计主要依据国家现行的设计规范和标准，以及基础资料，主要有以下几项1.2.1污水综合排放标准（GB8978-1996）；1.2.2室外排水设计规范（GB50014-2006）1.2.3生活饮用水标准（GB5749-2006）1.2.4城市污水处理厂污水、污泥排放标准（CJ3025-93）；1.2.5给水排水工程结构设计规范（GB500692002）；1.2.6建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）；1.2.7工业企业设计卫生标准（GBZ1-2002）；1.2.8城镇污水处理厂附属建筑和附属设备设计标准（CJJ31-89）；1.2.9地面水环境质量标准（GB3838-2002）；1.3本课题的研究目的与意义 当前. 水源污染不断加剧，常规处理工艺不但去除水中的溶解性有机物效率低,而且,氯化过程本身还导致了水中对身体健康危害更大的有机卤化物的形成。随着人们生活质量的不断提高和水源污染的不断加剧，人们对饮用水水质的要求将更加严格，相应的供水水质标准也将不断提高。目前的给水处理工艺己难以满足这样的出水水质要求，给水处理工艺面临者技术和经济的挑战，强化常规处理工艺及各种深度处理技术虽对饮用水的水质有一定的净化作用但并不能完全解决水质污染问题，并且各种方法均存在一定的利弊或受适用条件的限制.存在着这样或那样的局限性，或对水体中各类有机物的去除具有明显的选择性和针对性，或存在若处理成本较高，运行操作困难的问题，物理化学预处理方法确实可以大大减轻后续传统工艺处理污染物的负荷，提高整体工艺对污染物的去除率，但该方法也有它的局限性，近几十年來，微污染水源水的生物处理工艺的应用研究己越来越受到人们的关注，实践证明生物预处理技术是一种经济有效且毒理学安全的水处理技术. 水源水的生物处理技术在欧洲研究较多且有工程应用，尤以法国研究的最早，国内的生物预处理研究还在起步阶段，在国内，生物预处理的研究主要集中在生物接触氧化法，采用弹性立体填料和生物陶粒两方面，并均已取得了一定的成果。从应用情况来看，由于弹性填料比表面积相对较小，所停停留时间长，因此接触氧化池所需体积较大，工程费用较高。另外，生物接触氧化池还存在排泥相对较困难，填料上结泥，影响处理效果等问题。以陶粒为栽体的曝气生物滤池，相对于弹性填料，陶粒的比表面积较弹性填料大，不仅材料低廉易得，且处理效果较好，因此，曝气生物滤池技术处理微污染水源水前景十分广阔.填料作为曝气生物滤池的核心部分，对处理效果起着关键的作用，且在整个工艺的投资费用中，填料就占了相当大的比例。因此，寻求一种高效、实用、经济的曝气生物滤池填料具有十分重要的现实意义。沸石孔隙率高，比表面积大（400800M2/g）表面粗糙，热稳定性好，对极性分子和细菌有富集作用.是一种比较理想的廉价生物载体和吸附剂陶粒的比表面枳大，表面粗糙，孔隙率大,不仅具有射冲耐磨的特点，而且陶粒软体上的生物膜对低温的适应性优于活性碳和沸石将沸石和陶粒两种填料组合作为曝气生物滤池的载体处理微污染水源水，能充分利用二者在去除有机物和氨氮方面的互补作用，提高抗氨氮冲击负荷的能力而且我国沸石、陶粒的贮量十分丰富，来源广，价格便宜，具有明显的经济效益和社会效益， 符合我国的国情，具有很大的应用潜力。 第二章 微污染水的性质，危害以及污染原因2.1 微污染水的性质与危害1. 有机物：水源水中存在的有机物种类繁多，危害极大。据世界卫生组织统计：世界上的疾病，80% 以上与水有关；在每年死亡的1800万个儿童中，50%的死因与饮用水水质不良有关 。在世界各国的水体中己经监测到2221种有机化合物，饮用水中765种，其中117种被认为或被怀疑为致癌物。水中有机物的存在，不仅增加了给水处理的困难，而且对公众的健康有较大的危害，其问题主要表现如下：（1）水中的有机物对胶体具有保护作用，提高了胶体的稳定性，为保证出水水质，需要投加过量的混凝剂和加氯，增加水处理成本。(2 )不少有机污染物对人体有急性或慢性、直接或间接的毒害作用，其中包括致癌、致畸、致突变作用。许多国家水质检测报告证实：受污染的原水经水厂加氯消毒后，出厂水中氯仿等三卤甲烷类可疑致癌物含量常达原水中含量的三四十倍之多，其原因主要是原水中的腐殖酸、富里酸等三卤甲烷，1976年，美国国家的癌症研究所（U.S.NCI）发表了对大鼠和小鼠连续喂饲高剂量的氯仿会诱发肝癌或肾上皮出现癌细胞的实验报告。国内外的一些回顾性流行病学调查研究，发现饮用水水质情况与人类的肝癌，食道癌和胃癌等发病率成正相关（3）出水中的有机物为配水管网中的细菌提供了生长所需的营养物质，使管壁上形成生物膜，水中细菌总数增加，并增加管壁能耗。 2,氮：水源水中的氮以有机氮、氨氮、亚硝酸盐形式存在。地表水中氨氮来源于工业废水、生活污水及农田土壤中的铵离子。到目前为止，还没有看到过饮用水中的氨氮对人体健康直接造成危害的报道，但由于氨是自养菌繁殖的电子供体，在处理厂和配水系统中，氨氮的浓度达到0.25mg/L就足以使硝化菌生长，而由于硝化菌和氨释放出来的有机物会造成嗅味问题，氨形成氯胺也要消耗大量的氯，降低消毒效率，而且，大量的氯气与饮用水中的氨氮反应会散发出令人厌恶的嗅和味。硝酸盐和亚硝酸盐浓度高的饮用水可能会对人体造成两种危害，既诱发正铁血红脘症和产生致癌的亚硝氨，这两种危害都是亚硝酸盐的直接造成的。 3.铁，锰：含铁、锰较高的饮用水中会产生红褐色的沉淀物，会使洗涤的衣物着色，并有金属味。另外，含铁、锰过高的水容易使铁、锰细菌大量繁殖，堵塞、腐蚀管道。2.2水源污染的原因 造成水体污染的原因主要有一下几个：城市工业废水：化肥农药等化学品及其他工业产品在生产、使用过程中，由于成产，使用过程中，由于成产废水排入水体，或者在使用中的残留物、分解物通过各种途径进入水体。 城市生活污水：未经处理的生活污水排入天然水体，污水中的大量碳水化合物和各种氮、磷、硫等各种营养元素，会造成水体中的溶解氧的大量的消耗，促进水体富营养化，在厌氧菌的作用下还易产生恶臭，同时污水中的病原菌和病毒还可能通过水的媒介而使疾病蔓延。 大气降水：废气粉尘排入大气，通过降水最后进入水体，其中酸雨是大气污染引起的水体污染的重要因素。 垃圾渗滤液：城市工业垃圾与生活垃圾的露天堆放，降水时垃圾中的无机与有机毒物随雨水流入城市附近的地表水体，给水体造成污染。 水体运输、娱乐和废水处置对水体的直接污染。 化学品运输事故或其他事故都会造成水体的污染2.3微污染水源水处理技术的研究进展2.3.1常规给水处理工艺 目前，国内外大多数水厂普遍采用常规处理工艺主要是混凝、沉淀、过滤、消毒工艺流程，该工艺流程主要是针对水源水中的悬浮物、胶体、杂质和细菌，但是对于受污染水源水，常规的工艺对水中的有机物和氨氮的去除能力比较低。根据实验表明，传统工艺大约只能去除水源水中的有机物的20%30%，而且由于溶解性有机物的存在不利于破坏胶体的稳定性，使浊度的处理效果也明显下降，使地表水的氨氮问题的处理不能有效解决。2.3.2强化改进常规处理工艺 强化常规工艺是指在加药、混凝、沉淀、过滤、消毒工艺的传统工艺流程中，对其中任一工艺环节的强化或优从，从而进一步提高水中有机污染物，包括低分子溶解性有机物的净化效果，降低三卤甲烷的出水浓度。主要改进包括：采用新型混凝剂、改变投药方式和条件；改进絮凝工艺；采用高效的斜管与斜板沉淀、气浮工艺以强化沉淀效果；采用新型的过滤材料和过滤技术。强化混凝技术：主要是指改善混凝条件，提高常规处理对有机物去 除率。常采用的方法有（1）加大混凝剂的投加量，使水中胶体脱稳，水中胶体在絮体的吸附作用下从水中沉降去除；（2）另投絮凝剂，增强吸附、架桥作用，使有机物易被絮体吸附下沉而去除，如投加助凝剂聚丙烯酰胺（PAM）等；（3）投加新型水处理药剂，通过氧化、混凝的综合作用，能有效地去除水中的有机物，如珠海市自来水公司研制的高效脱色除臭剂等：哈尔滨工业大学环境工程学院开发成功的高铁酸盐贷合药剂和高锰酸盐复合药剂，强化沉淀技术 实测资料表明：水的浊度与有机物关系十分密切，将水的浊皮降低至0.5NTU以下，有机物可能减少8 0%。 强化沉淀常规工艺即是采用高效的斜管与斜板沉淀、气浮工艺强化沉淀效果降低出水浊度，从而达到减少有机物的目的。我国近年给水处理技术中引进的高密度澄清池，以回流活性泥渣强化絮凝核心，增大进水絮体的有效浓度，改变沉淀分离流变特性，在沉淀区中部形成高浓度悬浮絮凝层，并辅加小间距斜板沉淀设备，大锚度降低沉淀池出水浓度，提高对有机物的净化效果.强化过滤技术强化过滤技术是在不预加氯的悄况下，在滤料农面上培养繁殆微生物，利用微生物的生理活动，去除水中的有机物. 强化过滤技术既能去浊.又能降解有机物、氨氮、亚硝酸盐氮生物强化过滤处理微污染水，国内外己有相当多的研究。近年来，因内外在生物滤池不同类型的滤料的开发利用方面幵展了大量的研究，并成功的幵发了各种改性滤料. 如国内利用天然活性软体如天然或合成沸石、陶粒等多孔活性滤料代替石英砂滤料，或将不问特点的滤料组合作为生物滤池的填料进行了研究.。改进消毒工艺 消毒工艺与THMS关系密切，许多水厂通过改变原有加氯点和降低加氯量以降低出水中的THMS的浓度，也有许多水厂己经或正在尝试使用新型消毒剂，报道较多的是臭氧、二氧化氯，也有使用氯胺或高锰酸钾的报道，对于地表水源水中的氨氮问题，大多数水厂采用折点氧化以控制出厂水中的氨氮，2.3.3深度处理技术 深度处理技术通常是指在常规处理工艺以后，采用适当的处理方法将常规处理工艺不能有效去除的污染物或消毒副产物的前体物加以去除，提高和保证饮用水质，目前应用较广泛的深度处理技术有：活性炭吸附、臭氧氧化、臭氧活性炭、生物活性炭、膜技术等活性炭吸附技术 活性炭吸附技术处理微污染水，是国内外公认的较为成熟和有效的方法.活性炭具有巨大的比表面积和发达的孔隙是一种良好的吸附剂，它对BOD、COD、色度、TTHM (总三卤甲烷都有良好的吸附效果，然而活性炭吸附具有明通的选择性，其最佳吸附范围是活性炭微孔直径和有机物分子直径之比为1.73.0，因此，有相当多的有机物将不能被活性炭吸附去除， 臭氧氧化技术 臭氧是一种强氧化剂，在给水处理中有着很长的历史，最初用来作为消毒剂、控制色度或嗅味，现在主要用来去除水中有机物。由于受投加量的限制，臭氧一般不能将水中机物全部无机化,但可将大分子有机物氧化分解成分子较小的中间产物，经臭氧预处理的水再经氯化消毒，水中“三致”物质可能低于未预处理的水，也可能更高，其效果视水质而定，这是因为臭氧氧化可能产生副产物 如：醛、酮、醇、过氧化物氯化会产生三卤甲烷（THMS）生物活性炭技术 生物活性炭技术能有效的去除饮用水中的有机物。生物活性炭技术是利用生长在活性炭上的微生物的生物氧化作用，从而达到去除污染物的目的，最早应用生物活性炭技术的是德国恭尼黑市水厂，目前该技术在欧洲己得到普遇应用，生物活性炭处理微污染水与单独采用活性炭吸附技术相比，生物活性炭技术不仅可以提高水中溶解性奋机物的去除效率，延长活性炭的再生周期，减少运行费用：而且水中氨氮可以被微生物转化为硝酸盐，从而减少了后氯化的投氯，降低三卤甲烷的生成，现除徳国外，法国、荷兰、瑞士、前苏联等国家有许多水厂也已采用生物活性炭作为饮用水处理的生产工艺膜分离技术 膜分离技术是一项新兴的高效分离技术.它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，不需投加药剂，物质不发生相变，分离系数大，在常溫下进行，装置简单，操作方便等特点，在水处理界得到越來越广泛的应用. 近年来，美田环保署（EP）推荐膜法为水处理最佳工艺之一，日本则把膜技术作为2 1 世纪的基盘技术，现有的膜技术中，反渗透（RO)、超滤(UF)、微滤(MF)、纳滤（NF）均能有效地去除水中的臭味、色度、有机物及微生物，但是，膜法对进水水质要求高.膜需要定期消洗，存在经营费用和运转费用高的问題2.4其他深度处理技术 除上述的深度水处理方法外，一些其它方法也被用于微污染饮用水的深度处理，如利用紫外光和臭氧结合的方法可以除去饮用水中的三氯甲烷，利用臭氧和过氧化氢混合物去除饮用水中的微污染物，包括苯化物、2-甲基异丁醇、四氯乙烯等；利用超声波技术可以较快的降解复杂水体中的多种有机物然而这些方法还处于研究阶段。2.5 各种深度处理技术分析各种不同的深度处理技水均有其局限性，如活性炭对有机物的吸附存在明显的选择性，对优先控制污染物名单中绝大多数的极性较强的有机物，特别是危害较大的卤代烃的吸附效果不够理想。另外，活性炭价格较贵，影响广其在水处理中的推广，活性炭和臭氧联用技术，臭氧在破坏一些有机物结构的同时也可能产生一些带污染性质的中间产物. 研究结果表明，微污染水源水经臭氧一活性炭吸附深度处理,氧化后的出水水质仍具有致突变性，也有部分有机物是难氧化的，生物活性炭是一种有效的水处理方法. 然而生长在细小活性炭颗粒I：的微生物会在水力冲刷作用下脱落，流入最后的氯化处理，由于生物膜上微生物为长期固定培养，它们对各种不利环境有较强的适应性，从而对消毒有更大的抗性氯化消毒往往难以杀死这些微生物，使出水水质安全性降低另外，活性炭价格昂贵.妨碍了该技术的推广。而膜分离技术不仅基逑投资和运转费用高；而且膜易堵塞提高了水平的预处理和定期的化学淸洗，存在浓缩物处理问题。2.6 预处理技术由于深度饮用水处理技术均存在一定的局限性，于是人们着手考虑采用一些新方法来弥补它们的不足，饮用水预处理技术正是在这样的条件下发展起来的，预处理技术通常是指在常规处理工艺之前，采用适当的物理、化学、或生物的处理方法，将水中的污染物进行初级去除，同时可以使常规处理更好地发挥作用，减轻常规处理和深度处理的负担，改善和提高饮水水质， 物理化学预处理 物理化学预处理包括化学氧化预处理和吸附预处理，化学预氧化技术是指向原水中加入强氧化剂，利用强氧化剂的氧化能力. 去除水中的有机污染物.提高混凝沉淀效率，常用的氧化剂有氯气、臭氧和高锰酸钾等，吸附预处理技术是指利用物质强大的吸附性能或交换作用或改善混凝沉淀效果来去除水中污染物的技术，主要有粉末活性炭吸附和粘土吸附，同济大学的研究表明：当粉末活性炭的投加量为20mg/L时,可使常规处理工艺的COD去除率增加20.8%39.69% 有报道表明.沸石是良好的吸附剂，对水中的有机物有良好的吸附效果，目前还在研究阶段。物理化学预处理确实可以大大减轻后续传统工艺处理污染物的负荷，提高整体工艺对污染物的去除率，但该方法也冇它的局限性，如预臭氧氧化会产生一些氧化副产物，其中有些物质具有致突变性及致癌性：预氧化导致水中卤代有机物含量增加，而且这些物质在后续处理工艺中难以有效地去除；高锰酸钾预氧化处理会增加水中无机物的含量，如控制不当还会使出水的色度及浊度有所增高.粉末活性炭参与混凝沉淀，残留于污泥中， 目前还没有很好的回收再生利用方法，所以运行费用高，难以推广应用，在我国这样一个经济尚不发达的国家使用，也存在一定的困难；粘土类吸附剂虽然货源充足，价格便宜，但大录粘土投入混凝剂中，势必増加沉淀池的排泥景，给生产运行带来一定的困难， 生物预处理技术众所周知，生物氧化技术用于污水处理己有近百年的历史.但被移植到微污染水源的给水处理的时间并不长，生物预处理技术是水源水处理技术领域取得的一个重人进展。给水处理工艺中的生物作用现象最初出现在慢滤池与河床边土壤渗滤净水系统。由于慢滤池很快被快滤池替代，这一现象未被充分认识。后来在活性炭深度处理过程中再次发现生物作用现象，生物氧化技术在给水处理中的应用才被重新认识，并逐渐深入研究. 可以说，水源水的生物处理技术是借鉴了污水生物处理的成果，并通过十多年的不断研究与实践取得的。水源水生物处理的目的是去除那些传统处理方法不能有效去除的污染物，如可生化降解的有机物、人工合成的有机物和氨氮、亚硝酸盐氮、铁和锰等。生物预处理去除有机物和氨氮的反应方程式如下：有机污染物氧化反应（有机物CXHYOZ表示）4CXHYOZ+（4X+Y+Z）O2-4XCO2+2YH20氨氮氧化方程式：2NH4+3O2-2NO2-+4H+2H202NO2-+O2-2NO3- 受污染水源水的生物预处理技术在欧洲研究较多且有工程应用，尤以法国研究为最早，而国内生物预处理的研究主要集中在生物接触氧化法，采用弹性立体填料和生物陶粒两方面，并已取得了一定的成果微污染水源水的生物处理研究表明：生物预处理技术能有效去除原水中可生物降解的有机物、氨氮、铁、锰等污染物，增加整个工艺出水的安全性。张东等的研究表明：在原水浊度为50200NTU、氨氮为110mg/L水温为830摄氏度时，氨氮的去除率为60%80%时，YTD弹性立体填料生物接触氧化工艺对CODMN的去除率为0.5%25%而且较高浊度(200800NTU) 不会明显影响生化池对氨氮和CODMN的去除：张金萍采用生物沸石流化床处理微污染原水中的有机物，试验表明该工艺对有机物有较好的去除效果：于鑫等利用颗粒活性炭为生化池填料，对原水进行预处理研究结果表明：在水力停留时间（HRT）为1218min,气水比(2.02.5):1.回流比(34):1的条件下.CODCr、NH4+-N、NO2-N、浊度、色度的去除率分别为41.32%、100%、97%100%、68.8%、30%50%。同济大学采用生物转盘处理黄埔江原水的实验研究表明：生物转盘对氨氮的平均去除率大于80%，色度的去除率近20%，酚的去除率超过80%，油的去除率为30%60%，色度去除率超过齐兵强等研究发现生物陶粒膨胀床对微污染水的处理良好效果，另外，水处理研究者对微生物去除污染物的机理及影响因素等也进行了较深入的研究。如同济大学研究探讨了生物接触氧化预处理微污染水源水所需的气水比，提出了气水比的计算公式和有关系数的取值范围，并分析了影响气水比的主要因素，梅翔等对不同填料生物接触氧化工艺处理微污染水效果进行了对比试验，而且还对其运行工况的调节进行了探讨。清华大学研究了生物预处理对微污染饮用水原水中Zeta电位的影响此外，刘辉等还对全流程生物氧化处理微污染原水进行了研究,于勇等采用生物预处理组合工艺对微污染水进行了处理研究。90年代起，国内生物预处理技术开始进入生产试验和实际工程的应用。许建华应用生物接触氧化工艺，于1996年建成我国第一座处理量为4000吨每天的生物预处理池，投产至今，运行稳定，后续净水过程节约矾30%50%、液氯80%85%，上海惠南水厂于1999年增设了生物接触氧化预处理工艺，经过半年多的生产运行，生化池的处理效果稳定。还有如宁波梅林水厂斜管沉淀池改生物接触氧化池工程，合肥四水厂平流式沉淀池改生物接触氧化池工程等，都取得了较好的效果。从小试中试到生产性试验及实际工程的应用结果表明：微污染水源水的生物预处理经济有效且毒理学安全 对减轻后续处理工艺的负担，减少水中“三致”物质有明显作用，并且其运行费用低，具有明显的经济效益和社会效益，对于饮用水源污染日益严宽，传统净水工艺难以满足要求的今天有者特别重要的意义，从目前国内外的研究和工程实践来看，生物预处理大多釆用生物膜方法。其工艺形式主要有生物接触氧化池、曝气生物滤池、生物转盘、生物流化床等。其中，曝气生物滤池由于具有占地面积小、污染物的去除能力强、使用范囤广、投资省、运行灵活、易于管理、抗冲击能力强等特点而成为一种发展很快的新型生物处理技术，也是符合我国国情的水处理技术，具有很大的应用潜力。2.7本课题国内外研究现状与展望2.7.1 本课题国内外的研究现状 曝气生物滤池BAF)也叫淹没式曝气生物滤池(SBAF)是80年代末在欧美发展起来的一种新型水处理技术。世界上首座曝气生物滤池于1981年在法国投产，由于曝气生物滤池的诸多优点，随后在欧洲各国得到了广泛的应用，目前全球范围内以曝气生物滤池为主体技术的水处理厂己超过100座以上，主要分布在欧洲和北美洲地区、亚洲的韩国，我国台湾、大连也有曝气生物滤池的实际应用，该技术被广泛应用于工业废水、生活污水、医药废水、城市污水等污水有机物、SS的二级处理，脱氮除磷的三级处理以及微污染水源水的顸处理 曝气生物滤池在生物膜、反应动力学、填料的开发与改良以及微污染水处理方面的研究现状如下：生物膜生物膜是附右在固体表面的微生物体的层状聚集。生物膜占生物总里的99%99.9 %前，微污染水源水的生物预处理技术均采用生物膜法，水处理研究工作者关于生物膜对微污染水中的微生物营养基质的去除机理已进行了广泛的探讨和建立了一些数学模型，如稳态生物膜模型和非稳态生物膜模型，有关生物膜结构特征、生物活性、生物种群构成、污染物负荷、传质效率、扩散效率、水力条件、处理效率与反应器微生物特征相关性的研究近年来比较活跃。相关研究员探讨了工艺参数变化与生物膜生长及硝化菌活性的关系：物膜生长速度与滤池的高度、氨氮的浓度及充氧有关，硝化菌的活性主要受氨氮浓度和溫度的影响。相关研究人员还研究了硝化曝气生物滤池异养菌和硝化菌的空间分布淸况，发现当CODCr/NH4+时，生物膜内将出现不同的功能分区：通过测定耗氧速率发现硝化细菌、亚硝化细菌及异养细菌在反应器中的空间分布与CODCr浓度有关，呈明显的分区分布研究员还研究了曝气生物滤池的PH值对硝化菌硝化活性的影响。丘立平等对曝气生物滤池的短程硝化反硝化机理的研究结果表明：曝气生物滤池的结构特征和运行方式能够进行短程硝化反硝化。从研究了滤速与硝化菌活性的关系，发现硝化菌活性分布与滤速有关.通过采用分子生物学技术、扫描隧道显微镜技术了等检测手段，提商了生物检测的灵敏性和准确性，使得生物膜的研究正得以广泛而深入地进行，成为一个较前沿的领域。但与曝气生物滤池莨接相关的研究报道尚很少见。 反应动力学： 生物膜反应器系统的动力学研究己进行得比较深入，在此Monod公式的基础上建立了一系列生物膜反应动力学模型，如比较著名的反应-扩散理论、我国学者刘雨等提出的表面反应理论等等，但是直接针对曝气生物滤池的动力学研究报道还很少。Hamoda如通过对曝气生物滤池处理合成碳水化合物废水的研究，提出了种理论模型，他认为底物利用速率是底物浓度的双曲线函数，固体停留时间是水力停留时间、有机物负荷等的函数，此等则推导出了以溶解性的进出浓度及反应器浓度为参数因子的经验模型，在试验中对模型进行了应用研究.并在预测试验中取得了满意的结果，目前许多学者认为好氧生物膜过滤反应器的总反应级数为一级，但在具体的处理理论和数学模型形式上还有许多分歧。同时由于运行条件及处理对象、处理目的的不同，许多经验模型缺乏普遍性，理论模型又过于复杂而实际指导意义差，所以进一步对曝气生物滤池的反应动力学进行深入探讨是研究曝气生物滤池处理机理的主要工作之一。填料：填料作为曝气生物滤池的核心组成部分，影响着曝气生物滤池的发展。曝气生物滤池发展过程中生物填料的物理特征、化学稳定性、有无生物毒害、吸附、特征、粒径、材质、孔隙率等对微生物的吸附生长和反应器效能有着重要的影响。曝气生物滤池所用填料，根据其采用填料的不同，可分为无机填料、有机高分子填料：根据填料密度的不同，可分为上浮式填料和沉没式填料无机填料一般为沉没式填料，有机高分子填料一般为上浮式填料，常见的无机填枓有陶粒、焦炭、石英砂、活性炭、膨胀硅铝酸盐等，有机高分子填料有聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等。目前在曝气生物滤池中采用的多为颗粒状硬性填料填料的粒径对处理效果也有很大的影响，粒径较小可以提高处理效率 但同时也会缩短运行周期，增加反冲洗次数和强度。国外等有些研究员研究了尺寸范围分別为1.53.5 mm和2.54.5 mm的填料对曝气生物滤池处理效果的影响，发现小颗粒（1.53.5mm）填料虽然有利于脱氮，但不适应高的水力负荷：而大颗粒2.54.5mm填料虽然改善了滤池操作条件，减少了反冲洗的次数，但不利于脱氮和SS的去除，这为曝气生物滤池填料在尺寸要求上提供了一定的依据。田文华等分别采用粒径为23mm1和45mm的沸石滤枓在直径为0.2m中的BAF进行了试验，结果表明，前一种滤料对氨氮的去除率比后一种滤料的高，20时两者的硝化速率常数分别为16.8mg/(L.h)和10.3 mg/(L.h),前者比后者高63.1%同一条件下前一种滤料比后一种滤料硝化强度大39.7%试验分析认为在硝化滤池中选择粒径为23mm沸石滤料比较适宜，既不影响运行周期，又提高了硝化性能，从而减小了滤池的体积，降低了工程投资。软体材料对BAF的去除效果影响较大，Allant等研究结果表明：上浮式填料比沉没式填料对SS、有机物的去除率高，而且更耐有机负荷和水力负荷冲击。国外研究员等以天然沸石和砂粒为填料研究BAF对纺织废水的处理效果发现：天然沸石对纺织废水的处理效果优于砂粒的处理效果.这是因为天然沸石具有更强的阳离子交换能力和更大的比表面积，我国对曝气生物滤池填料的研究以陶粒为最多，江萍等对轻质球型陶粒工艺处理生活污水的研究结果表明：国产轻质球型陶粒固着微生物量大，挂膜快，寿命长，充氧能力强，BOD去除率达90% ，NH4+-N去除率80%，BOD负荷610Kg(BOD/M3.d),适宜作BAF的载体。周云等在周家渡水厂进行的生物陶粒技术研究表明：BAF预处理工艺对原水浊度、铁、锰、氨氮、亚硝酸盐、COD和可同化有机碳（AOC）的去除率分别为40.9%、53.1%、36.6%/39.9%、40.1%、15.4%和54%，提高了出水水质和生物稳定性。由于沸石价格低廉，贮量非富，且沸石具有表面粗糙，比表面积大，孔隙率高，耐酸、耐碱、热稳定等性能特点，最近以沸石为曝气生物滤池填料的研究也有少量的报道.最近以沸石为曝气生物滤池填料的研究也有少使报道如田文华等用沸石BAF处理生活污水的中试结果表明：当水力负荷为2.2m/h时对COD、氨氮和浊度的去除率分别可达73.9%、88.49%、96.2 %。曝气生物滤池在微污染水处理方面的国内外研究现状曝气生物滤池技术作为20世纪80年代兴起的一种新型水处理技术，虽在生活污水、啤酒废水的处理效能及机理方面有了一定的研究，然而在微污染水处理方面的研究尚在起步阶段，曝气生物滤池工艺用于微污染水的处理，以除去水中过多的SS、有机物和营养性物质，减轻后续水处理工艺的负担，提高供水水质Cromphout在处理富营养化水源水时应用曝气生物滤池进行硝化，取得了很高的氨去率.Mitsurn将BAF用于饮用水预处理中，对有机物和氨氮的去除效率进行了研究。国内BAF用于微污染水的处理开始于清华大学，清华大学环境工程系把污水回用中的生物陶粒技术引入到给水生物预处理中，对生物陶粒技术处理微污染水中污染物的去除效果、影响因素，工艺参数的优化、氨氮的硝化模式等进行了较深入的研究，并取得了较大进展。如刘文君等将生物陶粒滤池用于微污染水中氨氮去除的生产性研究表明：氨氮的去除效果可达90%以上。黄晓东等采用生物陶粒技术对受污染的珠江水源水进行了试验研究，取得了较好的效果。桑军强等研究发现：生物陶粒反应器受低温的影响，氨氮和COD的去除率在低温条件下都有明显的下降，但仍有一定的去除率。目前的BAF工艺主要以生物陶粒为填料，而以活性炭、沸石等其他材料为填料的研究也有相关报道，如张云霞等采用生物活性炭滤池处理微污染水的结果表明：滤池对各项污染物指标均有较好的去除效果，COD、氨氮、浊度和UV254的去除率分別为23.9%,75.35%,29.4%和20.3%；李德生等采用沸石BAF处理微污染水的研究发现:沸石作为BAF的填料具有与生物陶粒BAF和活性炭BAF同样的处理效果，而沸石价格比活性炭和陶粒低廉. 以沸石、及沸石陶粒为填料的BAF技术应用潜力很大。2.7.2 沸石和陶粒特点沸石是一族架状结构的多孔性含水硅铝酸盐矿物的总称，它包括三十多种含沸石水的钙、钠以及钡、钾的铝硅酸盐矿物。常见的主要矿物有钠沸石、钙沸石、方沸石、束沸石、浊沸石、毛沸石、斜发沸石、丝光沸石等，它们含水量的多少随外界温度和湿度的变化而变化. 其化学通式可表示为：（Na，K）x（Ca，Sr，Ba，Mg）y【Alx+2ySin（x+2y）O2n】mH2O。 其电X 为碱金属离子个数，y为碱土金属离子个数，n表示硅铝离子个数之和，m表示水分子数。构成沸石骨架的最基本结构是硅氧（SiO4）四面体和铝氧（AlO4）四面体。在这种四面体中，中心是硅（或铝原子，每个硅（或铝原于的周围有4 个氧原于，各个硅氧四面体通过处于四面体顶点的氧原于互相连接起来，形成所谓的巨大分子。沸石在建村、石油、医药、渔业、环境保护、水的净化等领域的应用相当广泛，主要作为吸附剂、催化剂、干燥剂、分子筛等。 沸石作为填料的研究还在起步阶段， 沸石作为填料有如下特点：沸石孔隙度高。具有空旷的骨架结构晶穴体枳约为总体枳的（40%-80%）独特的晶体结构使其具有大量均匀的微孔，孔径大多在1nm以下。沸石具有很大的比表面积400800M2/g沸石广仅次于活性炭. 沸石是一种堕性无机填料，具有耐酸、耐碱、热稳定等性能。沸石的表面粗糙，易于挂膜，沸石颗粒具有过滤吸附作用. 沸石吸附的污染物.能被沸石表面的生物膜生物氧化，起到生物再生的作用，且易于反冲洗，沸石作为一种天然廉价的无机矿物. 在我国贮量：极为丰富，来源很广。陶粒具有比表面积大，表面粗糙，孔隙率大，耐冲耐磨等特点。陶粒用作曝气生物滤池填料的研究结果表明：陶粒表面的固着微生物量大，挂膜快，寿命长，充氧能力强等优点. 陶粒载体曝气生物滤池处理微污染水，其COD、氨氮的去除率较高，且受低温条件下的影响较小。2 .7 .3 展望曝气生物滤池处理技术作为一项新兴的给水处理技术，正处在不断发展和完善的过程当中。虽然国内对其进行了广泛的研究，但是，由于各种原因，真正投入使用的曝气生物滤池在国内尚未见到报道，只是在上海、徐州等几家水厂进行了生产性的试验. 该工艺还存在许多关键性的技术需要进行进一步的深入探讨，特别是对于该工艺长期运行的稳定性、低温条件下的工艺特性等问题尚缺乏切实深入的研究，作为给水处理整体工艺的一部分，如何把曝气生物滤池同其他工艺过程协调统一，最大限度的发挥其作用，也是值得进行深入细致研究的课题，我国应加大对曝气生物滤池的应用研究和开发力度，力争早日实现曝气生物滤池的生产性运行，提高饮用水的水质，近年来国内外一些专家学者均对曝气生物滤池进行更为深入的研究，内容涉及到生物膜载体的开发和改良、微生物在载体表面的固定机理和技术、生物膜增长与对有机物的去除等，因而使得对生物膜反应器的研究进一步向纵深发展。随着对生物膜有关特征的认识和基础理论研究的逐步深入，已有的实际应用工艺将日臻完善。今后对曝气生物滤池的研究趋向于对以下相关问题的深入探讨1）生物膜的特点及快速启动方式：2)生物衰化功能与过滤功能之间的相互关系：3)反冲洗过程中生物膜脱落的规律；4 )进一步拓宽曝气生物滤池的应用范围，研究其在水的深度处理、微污染水的处理中的应用以及与其他工艺组合的处理效果.第三章 处理工艺的选择以及计算本设计的环保船处理微污染水的主要工艺是采用悬挂生物膜的方法来处理微污染水，主要的形式是采用生物转盘法。生物转盘(Rotating Biological Contactor,简称RBC)是一种生物膜法废水处理技术,开创于20世纪五六十年代1,是目前处理污水最有效的手段之一。传统的生物转盘主要由盘片、接触反应槽、转轴及驱动装置所组成。转盘浸入或部分浸入充满废水的接触反应槽内,在驱动装置的驱动下,转轴带动转盘一起以一定的线速度不停地转动,转盘交替地与废水和空气接触,经过一段时间的转动后,盘片上将附着一层生物膜。在转入废水中时,生物膜吸附废水中的有机污染物,并吸收生物膜外水膜中的溶解氧,分解有机物,微生物在这一过程中以有机物为营养进行自身繁殖;转盘转出废水时,空气不断地溶解到水膜中去,增加其溶解氧 。生物膜交替地与废水和空气接触,变成一个连续的吸氧、吸附、氧化分解过程。过去的研究主要集中在生物转盘的运行过程和工艺参数的研究上。近年来,专家们对生物转盘的生物膜本身进行深入的研究,进一步探索生物膜的形成、生长和衰老过程的规律;对生物膜的立体结构建立了新概念;对生物膜上的生物相也摆脱了过去那种单纯的侧重于描述生物种属的研究方式,而开始从生态学方面去认识生物膜,使生物相能够和生物膜的净化功能密切结合。同时开始对生物膜去除底物的机理和反应动力学方面进行探讨,初步探明底物的去除是通过:从液相向液界膜传递;透过液界向生物膜内部扩散;生物膜内部的微生物代谢反应等3个过程完成的。这些都将使生物转盘技术在污水处理领域的应用更加广泛、有效。3.1生物转盘的运行工艺为降低生物转盘的动力消耗,节省工程投资和提高处理设备的效率,近年来生物转盘有了一些新发展。主要有空气驱动的生物转盘,与曝气池合建的生物转盘,与沉淀池合建的生物转盘,藻类转盘和生物接触转盘等。(1)空气驱动的生物转盘是在盘片外缘周围设空气罩,在转盘下侧设曝气管,管上装有扩散器,空气从扩散器吹向空气罩,产生浮力,使转盘转动。主要应用于城市污水的二级处理和消化处理。(2)与曝气池合建的生物转盘是在活性污泥法曝气池中设生物转盘,以提高原有设备的处理效果和处理能力。(3)与沉淀池合建的生物转盘是把平流沉淀池做成两层,上层设置生物转盘,下层是沉淀区。生物转盘用于初沉池可起生物处理作用,用于二沉池可进一步改善出水水质。(4)藻类转盘是利用盘片间的藻类在光合作用的同时放出氧气,供好氧菌使用,而微生物代谢放出的CO2成为藻类的主要碳源,从而达到对污水的净化。(5)生物接触转盘是在盘片之间加入填料,从而大大增加转盘的表面积。它结合了生物接触氧化和生物转盘的优点。3.2在处理微污染水中的应用在微污染水中中含有大量可生物降解的有机物及可供生物生长繁殖的碳、氮、磷、钾等营养物质,故采用生物转盘处理能够得到良好的处理效果。表l列举了一些生物转盘用于生活污水方面的中试研究及工程应用实例。从表中可知,生物转盘是一种高效的废水处理反应器,在水力停留时间小于2.5 h的情况下,对生活污水的处理效率平均能达到90%左右,但另一方面,在工程应用中生物转盘处理量不大,因此在大水量城市污水处理方面还需进一步的研究3。表3-1生物转盘处理生活污水中试研究与应用实例处理工艺转盘参数HRT/h处理量/（m3/d）进水CODCr/(mg/L)CODCr去除率/%材料级数浸没百分比%转速（r/min）RBCPS24052.51.15235081RBCPE34020.171500133.2-17888RBC421150018777RBCWCBJ28218076网状RBC湿帘5041.148130463.591.4注:ER环氧树脂;PE聚乙烯;PEHI高密度聚乙烯;PE LD低密度聚乙烯;PG普列克斯玻璃;PM聚丙烯酸酯;PMM聚甲基丙烯酸酯;PP聚丙烯;PS聚苯乙烯;PU聚氨酯;PVC聚氯乙烯;TCE三氯乙烯;WCBJ系列材料污水中含有过剩氮和磷时,对农作物会产生危害,若直接排入水体还会使水体产生富营养化现象。生物脱氮除磷包含缺氧与好氧2个环境。用于氨氮废水的处理工艺纷繁复杂,其微生物的生长方式主要可分为悬浮生长及附着生长2种。美国和日本等国,近年来对生物转盘的运用已扩大到污水的脱氮工艺中4。Weng5、Torpey6等采用多级生物转盘系统对合成废水及城市污水中的碳、氮去除进行了研究,碳氮比对系统处理效果的影响也已见报道7。开始,生物转盘脱氮工艺中反硝化过程靠缺氧部分完成,其可前置或后置,若前置,则不需外加碳源8;若后置,反硝化过程需外加碳源9。随着研究的深入,研究者发现硝化、反硝化过程可在同一反应器内同时完成,Watanabe10,Gupta11等采用单级和多级生物转盘进行了这类研究3。另外,生物转盘与其他生物方法结合,能产生较好处理效果。如A/O系统后接生物转盘工艺处理高氨氮的石化厂废水时,当碳氮比为3.8,对氨氮有良好的去除效果,氨氮去除率达94.7%12。3.3生物转盘处理废水的影响因素3.3.1生物转盘的盘片盘片是生物转盘的主要构成部分,它与生物转盘的处理效率直接相关。盘片的有效面积及表面粗糙度是影响生物转盘处理效果的重要因素13,14。盘片材料比表面积越大,其上生长的微生物就越多;盘片材料表面越粗糙,越容易附着生物膜,而且生物膜厚度也越大;盘片材料越轻,能耗越少,运行费用越低。Apilanez等15研究了玻璃颗粒、硅藻土、砂、不锈钢、聚氯乙烯以及活性炭等6种转盘表面材料对生物膜生长的影响。结果发现,转盘在4-8 r/min的转速以及40%的浸没情况下,表面粗糙度最高的活性炭是最有利于生物膜形成及生长的转盘材料。因此,盘片材料有效面积越大、表面粗糙度越高、质量越小,系统处理效果的性价比就会越高。3.3.2生物转盘的有机负荷生物转盘的有机负荷相当于生物滤池的表面有机负荷(SOL),废水中的易生物降解有机物的去除速率通常随SOL的增加而增加,但其增加的速率是逐渐下降的。结果是随SOL的增加而有机物的去除率反而下降。转盘的有机负荷承受能力受单个轴的供氧能力所限,研究表明当SOL值超过32 g/(m2d)时,将会造成有害生物体贝式硫细菌属的过分生长。转盘系统中的有机负荷影响硝化反应。若废水的COD值低于20 mg/L时,硝化细菌在生物膜内成为优势菌。3.3.3转盘的分级研究表明,转盘的分级可以改进其整体运行情况。第1级的SOL高于整个系统的SOL值。但是工艺的出水水质取决于最后一级的SOL。在利用生物转盘去除废水中的氨氮时,分级是特别有效的。在链的上游部分分级,能够产生一个很高的SOL值,结果有机物被迅速去除,降低了后级中的SOL值,使得硝化细菌可在链的后面几个级中稳定地生长。但是分级也有不利之处,它会影响生物膜对有机污染物的去除能力。在具备脱氮功能的转盘中,第1级生物膜主要生长活性较高的异养菌,后面的级中硝化菌逐渐增加,尽管硝化能力被强化,有机物的去