（模式识别与智能系统专业论文）曝气生物滤池深度处理二沉池出水中试试验研究.pdf

摘要 摘要 当前全球正面临着水危机，中国的水资源短缺状况严重。解决水资源短缺的 矛盾，不仅要合理安排水资源的分配利用，注重节流，还需要另开新源通过 有效的污水回用技术，循环利用水资源 北京某污水处理厂为了合理利用水资源、节约用水，拟将现有出水( 1 0 6 m 3 d ) 进行深度处理，出水送至某厂作为中水水源，以弥补工业新水水源的不足。本论 文以该厂二沉池出水为对象进行中试试验研究，采用串联式两段曝气生物滤池进 行污水处理。通过改变反应器的运行方式对b a f 深度处理的净化效能进行研究， 试验比较不同滤料曝气生物滤池的挂膜启动情况，寻找反应器的最佳工况，为工 程改造实践提供参考和设计依据。 采用陶粒和火山岩两种滤料进行比较，用复合接种方式进行挂膜。启动阶段 进水c o d 为2 5 0 4 - 5 8 7 m g l ，进水n h 3 n 为0 6 4 , - , 2 9 2 m g l ，滤速为l m h ， 气水比为4 ：1 ，c o d 平均去除率达3 0 以上，n h 3 - n 平均去除率达5 5 以上。 试验结果表明，低有机物含量情况下，可以直接采用原水进行挂膜，但进水水质 对装置处理效果有较大影响，进水c o d 、n h 3 - n 不宜过低：选择合适的填料和 曝气量是b a f 运行效果的关键因素。 试验设备改造后选用陶粒作为填料，进行串联式两级曝气生物滤池深度处理 二沉池出水试验研究。以气水比和水力负荷两个主要控制条件来观察设备处理效 果。设定气水比为2 ，滤池过滤速度为1 、2 、3 和4m h 时，出水氨氮基本保持 在o 3 m g l 以下，平均值为0 2 1 m g l 。证明低有机物含量进水、较大曝气量条件 下，曝气生物滤池装置具有较强的抗冲击负荷能力，其对氨氮的去除率取决于进 水氨氮值的高低。在不同滤速下，系统出水的c o d 去除稳定，保持在较高水平， 显示出良好的抗冲击性。水力停留时间长有利于c o d 的去除。 研究了相同水力负荷下，不同气水比对曝气生物滤池处理效果的影响。固定 滤速为3 m h ，选择气水比为2 ：1 ，1 ：1 和不曝气三种工况。发现气水比对氨氮 的去除有明显影响，稍高的气水比2 ：1 即可保持氨氮的良好去除效果，稳定出 水值于0 2 m g l 以下。气水比降低，即使水中溶解氧含量足够高，氨氮去除效果 也会迅速下降。气水比对c o d 的去除影响不大。c o d 的去除主要依靠于0 1 段。 尤其在低有机物浓度进水条件下，一级反应柱降解了绝大部分的有机物，二级反 应柱很难去除剩余c o d 。 关键词：曝气生物滤池；深度处理；水力负荷：气水比 一i 一 a b s t r a c t a b s t r a c t 砀ew h o l ew o r l di sf a c i n gw a t e rr i s kn o w , a n dc h i n ai sa l s om e e t i n gt h es e r i o u s s c a r c i t yo fw a t e rr e s o u r c e t or e s o l v et h i sp r o b l e m ，w en e e dt od om o r et h a n r e a s o n b l er e s o u r c ed i s t r i b u t i o n ，b u ta l s of i n d i n gn e wr e s o u r c eb ye f f e c t i v ew a s t w a t e r t r e a t m e n t , s ow ec a nu s et h ew a t e rc i r c u l y aw a s t e w a t e rp l a n ti nb e i j i n gp l a n t i n gt ot r e a tt h e i rs e c o n d a r yw a t e rd e e p l y ，a n d t r a n s f e rt h et r e a t e dw a t e rt oa n o t h e rf a c t o r y , w h oi sl a c k i n go fw a t e rf o rm a n u f a c t r i n g 劢es t u d yi sw o r k i n go nt h i sa d v a n c e dt r e a t m e n tb yb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r a c o n t i n o u st w os t a g eo fb i l o l g i c a la e r a t e df i l t e rw a su s e d b yc h a n g i n gt h ef i l t e rr a t e a n da i r w a t e rr a t i o ，t h ed i f f e r e n tt r e a t m e n te f f e c t sw e r es t u d i e d ，w h i c hw e r ev e r y i m p o r t a n tt of u t u r ea l t e r a t i o no ft h ep l a n t i nt h es t a r t u _ po fb i l o l g i c a la e r a t e df i l t e rp a r t 。c e r a r n s i t ea n dv o l c a n i cr o c kw e r e u s e da sf i l t e rm a t e r i a l st oi n c u b a t eb i o f i l mi nac o m p o u n di n o c u l a t i o nw a y t h ec o d o ft h ei n f l o wv a r i o u sf r o m2 5 0 4t o5 8 7 m g l w h i l et h ev a r i a t i o no fn h 3 - ni s o 6 和2 9 2 m g l t h ef i l t e r i n gr a t ei sl r n ha n dt h ea i r - w a t e rr a i t oi s4 ：1 n l ea v e r a g e r e m o v a lp e r c e n t so fc o da n dn h 3 - na r e3 0 a n d5 5 ，s e p a r a t e l y t h ee x p e r i m e n t d e m o n s t r a t e st h es t a r t u po fb a fi nt h i ss i t u a t i o ni sc a p a b l e ；c o da n dn h 3 - no ft h e i n f l o ws h o u l d n tb et o ol o w ；a p p r o p r i a t ef i l t e rm a t e r a la n da i rq u a n t i t ya r ek e yf a c t o r s f o rb 陋r u n n i n g i nt h ec o n t i n o u st w os t a g ep a r t 。c e r a m s i t ew a sc h o s e na sf i l t e rm a t e d a l f i l t e r r a t ea n da i r w a t e rr a t i ow e r et h et w ok e yf a c t o r st oc o n t r o lt h ee x p e r i m e n t t h ea w r a t i ow a ss e tt o2 ，a n df i l t e rr a t ew e r e1 , 2 ，3 ，4 m hs e p a r a t e l y t h eo u to fn h 3 - nw e r e b a s i c a l l yu n d e ro 3 m g l ，a n dt h ea v e r a g ei so 2 1 m g l i ts h o w st h a tt h eb a fh a sa s h o c kr e s i s t a n ti nal o wc o n t e n to fo r g a n i cm a a e r ，h i g ha wr a t i os i t u a t i o n t h e r e m o v a lp r o p o r t i o nd e p a n d so nt h ei n f l o wn h 3 - nc o n t e n t a n du n d e rd i f f e r e n tf i l t e r r a t e ，t h er e m o v a lo fc o di ss t a b l e ，w h i c hi sa w a y sg o o da n dh a sas h o c kr e s i s t a n t a b i l i t v i ti sa l s of o u n dt h a tal o n gh r ti sg o o df o rr e m o v ec o d t h er e m o v a lo f t u r b i d i t yb e h a v e ss i m i l a r , t h er e m o v ee f f e c tg o e sb a da st h ef i t e r r a t i og o e sh i g h a tt h es a m ef i l e rr a t i o ，t h ev a r i o u st r e a t m e n te f f e c t su n d e rt h ed i f f e r e n ta i r w a t e r r a t i ow e r ea l s os t u d i e di nt h i sp a p e r s e tt h ef i l e rr a t i oa t3 m h c h a n g et 1 1 ea wt o2 ：1 ， 1 ：1a n dz e r o i ti sd e m o n s t r a t e st h a ta wr a t i oh a sas i g n i f i c a n ti n f l u e n c et ot h e r e m o v a lo fn h 3 - n as l i g h t l yh i g ha wr a t i oc a u s eag o o dr e m o v ee f f e c t ，s ot h eo u t l e t o fn h 3 - na r ea l lu n d e r0 2 m g l w i t h o u ta i r , e v e nt h ed oi nw a t e ri sh i g h ，t h e r e m o v a lo fn h 3 - nd r o p so b v i o u s l y b u tt h ei n f l u e n c eo nc o dr e m o v a lw a sn o tt h a t o b v i o u s n l er e m o v a lw a sm a i n l yi no ls t a g e e s p e c i a l l yu n d e ral o wc o n t e n to f o r g a n i cm a t t e rs i t u a t i o n ，t h ef i r s ts t a g eu s ea l m o s ta uo ft h eo r g a n i cm a r e r ，t h e r e m o v a lo fc o di ns e c o n ds t a g ei sb a s i c a l l yi m p o s s i b l e 一i i i 北京工业大学工学硕士学位论文 k e yw o r d s ：b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r , a d v a n c e d t r e a t m e n t ，f i l t e rr a t e ， a i r w a t e rr a t i o i v 独创性声明 本人声明所呈交的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j 论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 量塞王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志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。 签名： 关于论文使用授权的说明 日期：型颦么 本人完全了解j e 塞王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 始哔名：握1 鼢泣丛 一3 一 第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 全球水资源和水环境现状 据水文地理学家的估算，地球上的水资源总量约为1 3 8 亿立方公里，其中海 水1 3 4 5 亿立方公里，淡水只占2 5 ，且其中绝大部分为极地冰雪冰川和地下水， 适宜人类享用的仅为0 0 1 当前全球正面临着水危机。2 0 世纪5 0 年代以后，全球人口急剧增长，工业 发展迅速。一方面，人类对水资源的需求以惊人的速度扩大；另一方面，日益严 重的水污染蚕食大量可供消费的水资源。据2 0 0 3 年世界水论坛提供的联合国水 资源世界评估报告显示，全世界每天约有2 0 0 吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每 升废水会污染8 升淡水；所有流经亚洲城市的河流均被污染；美国4 0 的水资源 流域被加工食品废料、金属、肥料和杀虫剂污染；欧洲5 5 条河流中仅有5 条水 质差强人意n 1 。 1 1 2 中国水资源和水环境现状 中国的水资源同样不容乐观。中国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总 量为2 8 0 0 0 亿立方米，占全球水资源的6 ，但人均只有2 2 0 0 立方米，仅为世界 平均水平的1 4 ，是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之一。到2 0 世纪末，全 国6 0 0 多座城市中，已有4 0 0 多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水 城市达1 1 0 个，全国城市缺水总量为6 0 亿立方米。在全球气候变化和大规模经 济开发双重因素交织作用下，中国水资源情势正在发生新的变化。 据水利部部长陈雷介绍，水资源评价最新成果显示，1 9 8 0 2 0 0 0 年水文系列 与1 9 5 6 1 9 7 9 年水文系列相比，中国黄河、淮河、海河和辽河4 个流域降水量平 均减少6 ，地表水资源量减少1 7 ，海河流域地表水资源量更是减少了4 1 ， 北少南多的水资源格局进一步加剧。现状全国缺水量达4 0 0 亿立方米，近三分之 二的城市存在不同程度的缺水，全国现状农村饮水不安全人口仍有2 0 3 亿人，受 水量及水质不安全影响的城镇人口近1 亿。 与此同时，长期形成的高投入、高消耗、高污染、低产出、低效益的状况仍 北京丁业大学工学硕士学位论文 未根本改变。中国单方水g d p 产出仅为世界平均水平的三分之一，2 0 0 7 年全国 废污水排放量7 5 0 亿立方米，水功能区达标率仅为4 1 6 。1 2 解决水资源短缺的矛盾，不仅要合理安排水资源的分配利用，注重节流，还 需要另开新源通过有效的污水回用技术，循环利用水资源。 1 2 曝气生物滤池用于污水处理综述 1 2 1 曝气生物滤池的工作原理 曝气生物滤池( b i o l o g i c a l a e r a t e df i l t e r ，简称b a f ) 属生物膜处理法中的一 种，它是一种集生物降解、固液分离于一体的污水处理生物膜三相反应器。其处 理污水的原理是反应器内填料上生长的生物膜中微生物氧化分解作用、填料及生 物膜的吸附截留作用【3 1 ，沿水流方向形成的食物链分级捕食作用，以及生物膜内 部微环境和厌氧段的反硝化作用【4 ，5 1 。2 0 世纪8 0 年代末期，法国o t v 公司在废水 处理领域首次开发出了b i o c a r b o n e 工艺【6 】，如图1 1 所示，它属于曝气生物 滤池的最早形式。 迸水 冲进水 水 图1 - 1b i o c a r b o n e 示意图【7 】 f i g u r e1 - 1b i o c a r b o n ep r o c e s s p r i n c e p l e 被处理的原污水从池上部进入池体，并通过由填料组成的滤层，在填料表面 形成有微生物栖息形成的生物膜。在污水滤过滤层的同时，由池下部通过空气管 向滤层进行曝气，空气由填料的间隙上升，与下流的污水相向接触，空气中的氧 转移到污水中，向生物膜上的微生物提供充足的溶解氧和丰富的有机物。在微生 物的新陈代谢作用下，有机污染物被降解，污水得到处理悼j 。 随着过滤的进行，填料表面新产生的生物量逐渐增多，截留的悬浮物( s s ) 和 脱落的生物膜也不断增加，水头损失开始缓慢增加。当固体物质积累达到一定程 一2 一 第1 章绪论 度时，滤层上部将形成表面堵塞层，导致水头损失迅速增加并达到极限水头损失。 此时应立即进行反冲洗以去除滤床内过量的、尤其是老化脱落的生物膜及s s ， 恢复滤池的处理能力。 反冲洗通常采用气水联合反冲洗。反冲洗水多为处理储存的达标排放水，反 冲空气来自底部单独的反冲气管。反冲时关闭底部进水和工艺空气，水气交替单 独反冲，最后用水漂洗。反冲洗水通常自下而上，滤层受向上的水流作用而轻微 膨胀并达到流化状态。在气水对填料的流体冲刷和填料间相互摩擦的双重作用 下，老化的生物膜及被截留的s s 与填料分离，被冲洗水冲出滤池。再生后的滤池 进入下一周期的运行。 曝气生物滤池因为其自身所特有的结构特点，能够充分发挥生物代谢作用、 物理过滤作用、生物膜和填料的物理吸附作用，以及反应器内食物链的分级捕食 作用，故此具有占地少、氧传质效率高、产泥量小、抗负荷能力强、出水水质好 等众多优点【9 】。所以该工艺自2 0 世纪7 0 年代末开始在欧洲工程中应用以来，在 8 0 年代末取得了很大进展，并逐渐开始流行。 1 2 2 曝气生物滤池的主要类型 1 2 2 1b i o s t y r 工艺 目前世界范围内普遍采用的两种b a f 系统是b i o s t y r 工艺和b i o f o r 工艺。 b i o s t y r 工艺也是法国o t v 公司的注册工艺，是对其原有b i o c a r b o n e 的一个 改进，由于采用了新型轻质悬浮填料b i o s t z d 呵蹦( 主要成分是聚苯乙 烯，且比重小于1 ) 而得名【1 0 1 。图1 2 为b i o s t y r 工艺的示意图。 反冲洗 图1 - 2b i o s t y r 示意图 f i g u r e1 - 2b i o s t y rp r o c e s s - p r i n c e p l e 北京工业大学工学硕士学位论文 在b i o s t y r 工艺中，污水从滤池底部进入，与空气同向上流经滤料，滤料顶 端安装有一定数量滤头的滤板以防止滤料流失，滤板以上为反冲水储存区，靠重 力流向下清洗滤料，曝气管依然位于滤料层中下部，将滤料层分为好氧区和缺氧 区，可设回流泵以进行反硝化【l 。 1 2 2 2b i o f o r 工艺 b i o f o r 工艺是2 0 世纪9 0 年代初，由德国p h i l l i pm u l l e r 公司开发的另 一种曝气生物滤池。它应用的滤料为比重大于1 的沉没式轻质陶粒。b i o f o r 工艺 中主体反应池的结构和处理流程如图1 3 所示。底部为气水混合室，之上为滤板 和专用长柄滤头、承托层、滤料，曝气器位于承托层内，污水自下而上通过滤层， 提供微生物新陈代谢所需的养分【1 2 1 。 反 图1 - 3b i o f o r 示意图 f i g u r e1 - 3b i o f o r p r o e e s s - p r i n c e p l e b i o f o r 工艺与b i o s t y r 工艺有一些共同性，它们均为周期性运行，从开始过 滤至反冲洗完毕为一完整周期；水流方向相同，所处理水均为上向流，从滤池底 部进入，经滤料层从上部流出。所不同的是b i o f o r 工艺因为采用了比重大于1 的 滤料，滤料层以上不需设滤板；曝气管安装在滤层以下的承托层中，从而避免了 曝气孔的堵塞；反冲洗水流也是从滤池底部进入，与反冲洗空气一起通过滤头进 入滤层。自从1 9 9 4 年欧洲建成第一座生产性b i o f o r 污水处理厂以来，这种b a f 迅速在各国得到广泛应用。我国多座采用曝气生物滤池工艺的市政污水处理厂 ( 大连马栏河污水处理厂、广东新会东郊污水处理厂、沈阳仙女河污水处理厂等) 均采用了这种工艺。这种工艺相对简单，且滤料已国产化i n 。 1 2 2 3 其他工艺类型 在这两种常用的曝气生物滤池工艺之外，还有其他一些曝气生物滤池类型。 比如o t v 公司的b 2 a 工艺，它属于b i o c a r b o n e 和b i o s t y r 的联合工艺，保 一4 一 第l 章绪论 证了c o d 及t n 的去除率，可以满足较高的出水要求。瑞士v at a t e c hw a b a g w i n t e r t h u r ( 原苏尔寿环境技术部) 开发的b i o p u r 工艺，采用规整波纹板、陶 粒、石英砂等不同填料。由规整波纹板组成的b i o p u r 生物滤层，采用污水下向 流、进气上向流的气水相向流模式，这种模式和填料的特殊构造使其具有高密度 的生物膜和高氧气利用率。上海市政工程设计研究院新开发的b i o s m c d i 生物滤 池( 专利号z 1o o21 6 7 4 6 8 ) 用于原水预处理也取得了明显效果。b i o s m e d i 工艺 一种淹没式上向流生物滤池，穿孔管布气，气水同向。其滤料为轻质悬浮球形颗 粒滤料，滤料上部采用多孔滤板抵挡滤料的浮力及运行时的阻力。并采用独特的 反冲洗形式，在滤池下部及侧边设置反冲洗气囊，利用滤池下部的气囊池壁组成 泥斗，结合反冲洗气囊及排泥的双重功能。r 7 ，1 3 6 1 。 1 2 3 曝气生物滤池在污水中的应用情况 1 2 3 1 曝气生物滤池在国外污水处理中的研究应用 曝气生物滤池作为生物膜法的一种新型工艺，其思路始于2 0 世纪初。经过 不断的发展，直至2 0 世纪8 0 年代中期才形成一种较为成熟的污水处理新工艺， 并得到应用和推广【1 1 7 1 。曝气生物滤池的前身是淹没式生物滤池。1 9 1 3 年该技术 开始在美国l a w r e n c e 应用，初称淹没式接触曝气池( s u b m e r g e dc o n t a c ta e r a t o t ， s c a ) ，利用焦炭及灌木枝做填料，其后设置沉淀池。随后s c a 随着采用填料及 运行方式的不同而不断发展。直到2 0 世纪7 0 年代末、8 0 年代初，一种新型的生 物滤池引入了反冲洗，通过反冲洗的方式更新生物膜和清除截留的悬浮物。同时， 滤料粒径的减少具有了截留悬浮物的功能，使得系统出水不需要再利用沉淀池进 行固液分离，节约了二沉池。可以说，具有截留悬浮物和利用反冲洗的方式更新 生物膜，解决堵塞问题是曝气生物滤池工艺成熟的标志 1 8 j 。 随后，曝气生物滤池工艺在欧洲开始广泛应用，美国和加拿大等美洲国家在 1 9 8 0 年代引进此技术，日本，韩国和中国台湾也先后引进此技术【l 圳。比如英国 利物浦北部的w a t e rs a n d o nd o c k 污水处理厂，法国塞纳中心c o f o m b e s 半地埋式 污水处理厂，美国宾夕法尼亚州的m o n e s s e n 焦化废水处理厂l l 引。日本荏原公司 对b a f 设备的下部结构作了相应的改进，使得b a f 工艺应用于工业废水处理时 能够适应不同的水质，防止设备堵塞。其改进获得了良好效果，且具备了一定的 推广价值1 2 0 。韩国的电子工业废水处理中，曝气生物滤池的硝化效率达9 9 15 ， 加上后续的厌氧生物滤池，总氮去除率达9 0 1 7 1 2 。 目前国外对曝气生物滤池的研究基本处于由中试向生产性转变的阶段，颇多 注意实际生产中的经济成本、效益因素等。另外对曝气生物滤池工艺本身的特性 北京工业大学工学硕士学位论文 及影响因素例如滤池内生物菌群分布特征，曝气量控制，滤料粒径尺寸等等 也多有关注。h a n s e n 等人【2 2 】总结了丹麦f r e d e r i k s h a v n 污水处理厂并行的活性污 泥、曝气生物滤池两套处理设备的十年运行经验，比较了这两种处理方法的经济 效益和处理效果。运行发现b a f 的运行费用较活性污泥法为高，但是硝化更彻 底，在暴雨期可以通过简单的操作使整个处理器适用于迅速增加的水处理量。 r o t h e r 等人【2 3 】研究了单级、两级曝气生物滤池同样使用预反硝化硝化工艺流程 下处理市政污水的不同效果。试验表明，当水样经过预处理降低了c n 比时，两 级b a f 的处理效果明显优于单级b a f 。但其余情况下，单级b a f 因为反冲洗频 率低，处理效果稳定且优于两级b a f 。h o n g d u c k 等人1 2 4 j 研究了四级b a f 在低 c n 比污水中的脱氮效果。该系统在h r t 为3 h 时氨氮去除率达9 5 ，在低 t c o d t k n 时反硝化效果良好。试验证明，吸附、硝化、反硝化、净化这样的 四级b a f 系统在脱氮方面处理效果优秀。 1 2 3 2 曝气生物滤池在国内污水处理中的研究应用 我国对曝气生物滤池的研究处于起步阶段，现有的曝气生物滤池工艺一般用 在城市污水二级深化处理，污水深度处理与回用，微污染水治理以及工业污水处 理及设备成套化应用中水处理工程【2 5 ，2 6 1 。 2 0 0 1 年7 月，我国第一座以b a f 为主体工艺的污水处理厂大连马栏河 污水处理厂正式投入运行。该厂采用二级b i o f o r 处理生活污水，运行效果良好， 出水水质达到我国新颁布的城市污水再生利用一城市杂用水水质标准i z 7 。 代晋国，宋乾武，张晓丹【2 8 】等人研究了韩国产e p p 填料应用于曝气生物滤 池( b a f ) 处理二级出水的效果。其所采用原水为中国环境科学研究院家属楼生活 污水经a 2 o 二级处理后的出水，从气水比和不同水力负荷两方面做了考察。研 究表明，在相同的气水比4 ：1 的情况下，水力负荷的加大，系统c o d c ，、n 矿4 n 去除率均下降，s s 的去除率变化不大。 陈碉，齐春对，闫立娟等人【2 9 】进行了升流式曝气生物滤池( u b a f ) 深度处理 垃圾渗沥液二级生化出水的试验研究。经过添加陶粒层和活性炭层的单级b a f 处理，c o d 、n h 4 + - n 、s s 和色度的去除率可分别达到7 0 、8 5 、8 7 一9 4 和 8 0 。处理后水质达到水污染物排放标准，可达标排放。 程晓虎，程晓玲，刘明坤等人【3 0 】做了b a f 再生水的研究。内蒙东胜蒙泰电 厂以东胜污水处理厂二级出水为原水，经两级曝气生物滤池过滤消毒处理后出 水作为该厂循环冷却水的补充水。污水流入一级b a f 进行大部分有机物降解和 部分硝化作用，流入二级b a f 主要进行硝化处理。工程实践表明，出水c o d c ，和 n h 3 - n 分别约为5 0m g l 和3m g l ，c o d c r 平均去除率达到6 4 2 ，n h 3 - n 的平 一6 一 第l 章绪论 均去除率达到9 3 5 ，效果良好，达到循环冷却水补充水的水质要求。 周嫒媛等人【3 l 】做了曝气生物滤池。微絮凝过滤处理污染水源水的中试研究， 着重考察b a f 和微絮凝过滤对污染物的综合处理效果。结果表明，当进水氨氮、 c o d 、浊度和t p 分别为1 5 2 5m g l 、3 0 - - - 4 0m g l 、7 一1 5 n t u 和0 9 - - 1 5m g l 时，工艺对氨氮、c o d 、浊度和t p 的去除率分别为8 9 0 、6 2 2 、9 0 1 和6 4 8 ， 出水远优于直接的混凝沉淀过滤工艺，可用于印染工业生产。b a f 微絮凝过滤组 合工艺较企业现有处理工艺来说，运行费用大体相当，但各项出水指标远优于现 有工艺，具有显著的优势。 1 3 研究目的和研究内容 1 3 1 研究目的 北京市某污水处理厂为了合理利用水资源、节约用水，拟将现有出水 ( 1 0 6 m 3 d ) 进行深度处理，出水送至某厂作为中水水源，以弥补工业新水水源的 不足。在研究并分析了水厂出水水质后，拟采用“曝气生物滤池 工艺进行深度 处理。该厂二级处理达到了很好的效果，出水有机物含量很低。在此背景下进行 试验；采用串联式两段曝气生物滤池进行污水处理。通过改变反应器的运行方式 对b a f 深度处理的净化效能进行研究，试验比较不同滤料曝气生物滤池的挂膜启 动情况，寻找反应器的最佳工况，达到提高处理效果和降低运行成本的目的。为 工程改造实践提供参考和设计依据。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 考察不同滤速下石英砂滤料作用对水样的处理效果，结合经济效益等因 素确定最佳滤速。 ( 2 ) 通过对比分析砂滤前后水质变化、比较反冲洗滤层后砂滤出水水质变化， 确定该种水质条件下反冲洗周期、水量等的最佳反冲洗策略。 ( 3 ) 考察不同载体( 陶粒、火山岩) 情况下，曝气生物滤池深度处理的净化效 能。 ( 4 ) 对曝气生物滤池的反冲洗进行长期考察，分析反冲洗前后运行参数及生 物量活性的变化，确立曝气生物滤池的最佳反冲洗策略。 ( 5 ) 考察b a f 内生物相的特点和变化规律，分析b a f 系统长期稳定、高效 运行的原因。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 6 ) 对b a f 中发生的脱氮性能进行系统研究，分析工艺运行条件、环境影响 因子对脱氮效果的影响。 一8 一 第2 章试验概况 第2 章试验概况 本课题通过改变试验条件深入探讨了曝气生物滤池工艺处理污水的影响因 素和机理特性，试验处理对象是北京市某污水厂处理二沉池出水，为了方便引入 实际的二沉池出水并保证进水流畅以及进水水质，采取在该污水厂实地进行试 验。 2 1 试验装置与流程 2 1 1 试验装置 试验主体装置采用四根中2 2 0 m m ，高约为3 m 的有机玻璃滤柱。砂滤柱内填 直径1 - 2 r a m 的石英砂，石英砂高1 2 5 m 。装置照片见图2 - 1 。 图2 - 1 试验装置照片 f i g u r e 2 - 1p h o t o g r a p ho f t h e b a fe x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 困试验由两个关联部分组成，两个b a f 柱因前后期试验内容变化而填装不 同滤料，陶粒柱内填直径2 - 4 r a m 的粘土陶粒，填装高度2 1 m ；火山岩柱内填直 i i ! 二些：鐾! ：垩： 径3 - 5 r a m 火山岩，火山岩高为2l m 。试验处理污水量约为2m 3 ，d 。滤料如图2 - 2 所示。 21 2 试验流程设计 图2 - 2 滤料照片 曲陶粒滤料b ) 火山岩滤料 f i g u r e2 - 2 p h o t o g r a p ho f t h e f i l t e r m a t e r i a l 曲c e r a m s i t e b ) v o l c a n i cr o c k 2l2 1 单级曝气生物滤池工艺 单级b a f 的设置主要是为了考察试验水质条件下不同滤料的处理效果。本 试验所要处理的水质较好，水中有机物含量低，能否有效挂膜、何种滤料更适合 启动挂膜是一个研究重点。在单级b a f 试验中，将进行挂膜记录、研究况并比 较陶粒、火山岩两种滤料的挂膜效果。另一方面，单级b a f 的操作适于寻找设 备最佳工况，研究装置处理效果的影响因素。 2122 连续两段流曝气生物滤池工艺 结合b a f 装置组合灵活的运行特点，选用适合的填料进行组合工艺试验， 尝试在不同反应器培养优化菌种，使异养菌和自养菌能够生长在各自的适合环 境，以达到更好的脱氮效果。综合研究两段式曝气生物滤池对二级出水的深度净 化效果。 2 13 设备运行及流程说明 2 131 单级曝气生物滤池运行阶段 本试验采取同一套设各进行两部分试验，前后两部分管路有所不同。第一部 分做陶粒、火山岩两种不同滤料的挂膜启动及处理效果比较，既一组并行的b a f 第2 章试验概况 单级处理试验( 装置流程图见图2 2 ) 。二沉池出水经泵提升后进入砂滤柱，下向 过滤后进入臭氧接触柱( 未接通臭氧发生装置，可视作中间水箱) 。其出水由于重 力作用进入中间水箱，用泵提升分别送入两个平行处理单元，既陶粒滤柱和火山 岩滤柱。进入两滤柱之前由阀门控制进水流量大小。经两滤柱处理之后的水分别 进入水箱并排放。空压机同时给两个滤柱送气，曝气头位于配水区上方，压缩空 气经曝气扩散器进入反应器。反冲洗用气走另外管道和流量计进入两反应器。本 阶段的流程图如图2 3 所示。 出水 1 水泵2 砂滤柱3 臭氧接触柱4 中间水箱5 火山岩b a f 柱6 陶粒b a f 柱7 空气压缩机 8 出水水箱9 反冲泵1 0 空气流量计1 1 阀门 图2 3 单级b a f 并联流程示意图 f i g u r e2 - 3s c h e m a t i co fs i n g l eb a fe x p e r i m e n t a ls y s t e r m 2 1 3 2 两段式曝气生物滤池运行阶段 试验第二部分为串联式两级曝气生物滤池试验。在第一部分试验完成之后， 对装置管路等进行了改造。出于安全等因素考虑，前期试验所有水软管改为p v c 硬管，气管仍采用软管。电路控制均接入配电箱，电线暗装，所有用电设备均有 接地线。工艺流程由原来的“砂滤一曝气生物滤池”改为“两段曝气生物滤池一 砂滤”。填料方面根据第一部分试验结果选择，由于陶粒滤料的去除效果较火山 岩稳定，因此曝气生物滤池全部改用陶粒。同时考虑到后续试验的需要，装置间 设置了跨越管，能满足几种不同的工况需求。改造后的流程示意图见图2 4 。 北京工业大学t 学硕士学位论文 出永 1 流量计2 取样口3 水泵4 阀门5 砂滤池6 臭氧接触柱7 水箱8 - 9 b a f 柱1 0 空压机 1 1 气体阀1 2 气体流量计1 3 臭氧发生器1 4 2 0 阀门 图2 4 两段b a f 串联流程示意图 f i g u r e2 - 4s c h e m a t i co ft h ec o n t i n o u s - f l o wt w os t a g eb a fe x p e r i m e n t a ls y s t e r m 在本试验中，关闭阀门4 、1 7 、1 9 、2 0 ，开启阀门1 4 、1 5 、1 6 、1 8 ，试验流 程为进水一两段b a f 处理一出水；关闭阀门4 、1 8 、1 9 ，开启阀门1 4 1 7 ，2 0 ， 试验流程为进水一两段b a f 处理一砂滤一臭氧( 可加) 一出水；关闭阀门1 4 、 1 7 、2 0 ，开启阀门4 、1 5 、1 6 、1 8 、1 9 ，试验流程为进水一砂滤一两段b a f 处 理一出水。以阀门的开关来试现不同工艺流程设置，方便易行。 本试验中流程为进水一两段b a f 处理一出水。二沉池出水经泵提升后从0 1 段滤柱底部进入，采用上向流出水，进入中间水箱。水箱出水经二次加压进入 0 2 段滤柱底部，经过上向流过滤，从砂滤柱顶部流入。在重力作用下经砂滤柱 过滤，流入臭氧接触柱，并最终出水。两段曝气生物滤柱的进水流量大小均可由 阀门调节。曝气系统与第一部分试验相同，空压机可向两个滤柱分别曝气。因本 试验空间有限，没有足够空间储存处理后的出水，故试验反冲水采用了该水厂小 型中水回用系统所生产的中水，反冲水可由单独铺设的管道分别进入两曝气生物 滤柱和砂滤柱进行反冲洗。 2 2 试验方法 2 2 1 试验水质 本试验为现场试验，所采用的原水即为水厂二沉池出水，水质随水厂的运行 处理有一定的变化。全部试验过程未做水质调整，具有一定的生产实际意义。平 均水质情况如表2 1 所示。 一1 2 第2 章试验概况 表2 - 1 试验原水水质 c r a g l ) t a b l e2 - 1t h em a i nq u a l i t yp a r a m e t e r so f t h ew a s t e w a t e ru s e di nt h ee x p e r i m e n t 2 2 2 试验分析方法 本试验中，c o d 、d o 、p h 、浊度采用快速测定仪测定，其余项目按国家环 保局水与废水监测分析方法进行测定。具体方法见表2 2 。 表2 2 水质分析方法 t a b l e2 - 2a n a l y t i c a lm e t h o d sf o rw a s t e w a t e rq u a l i t y 2 2 3 微生物试验 通过显微镜监测各个工况下的活性污泥，观察微生物物相，可以为分析活性 北京工业大学工学硕士学位论文 污泥状态、研究处理机理以及提高处理效果提供有效的参考依据。 2 3 试验主要内容 ( 1 ) 曝气生物滤池挂膜启动研究。进行单级曝气生物滤池挂膜启动试验，对 低有机物含量污水的挂膜时间、效果进行观察及记录。通过c o d 、氨氮的去除 率以及微生物镜检结果判断挂膜是否成功。 ( 2 ) 滤料性能比较研究。在单级b a f 运行时，通过测量c o d 、氨氮等水质 指标，分析并研究火山岩、陶粒两种不同滤料的挂膜启动效果。选用适宜滤料进 行下一步研究。 ( 3 ) 连续两段流曝气生物滤池净化效能研究。分析反应器对污水中的有机 物、氮类物质、s s 和磷的去除情况。 ( 4 ) 工况运行研究。考察曝气量、气水比、滤速等各运行条件对两段曝气生 物滤池去除效果的影响，寻找本工艺运行的最佳工况。 第3 章曝气生物滤池处理机理 第3 章曝气生物滤池处理机理 污水生物处理法是现代水处理技术中的一个重要方面。一般来讲，污水生物 处理技术都是以生化反应器为主要功能单元的多种单元过程，一个生物处理反应 系统就是一个由反应器内部多种不同生态类型的微生物种群构成的有机生态系 统。运用生物处理法即采取人工技术措施，创造有利与微生物生长繁殖的良好环 境，培养微生物，加速微生物的新陈代谢和群增值速度，使得生物反应系统内各 种微生物群体互相竞争、互相协调，和使污水中的有机物得到降解和去除。 生物膜处理法是与一种与活性污泥法并列的污水好氧生物处理技术。这种方 法通过在滤料或某些载体上培养一系列细菌、原生动物、后生动物等微生物，使 其形成附着在滤料或载体上的生物膜。污水在反应器流动的过程中与生物膜接 触，污水中的有机污染物作为生物膜上微生物的营养物质被吸收，故而得到净化。 微生物自身则可以获得维持生存的养料，进行生长繁殖。 微生物的生命活动情况是生物膜处理法的关键，通过人工控制，提供适宜微 生物成长的环境是保证生物处理过程有效进行的基本前提。本章将探讨生物膜的 构造及生物膜处理机理，为试验的开展和分析提供理论基础和参考。 3 1 生物膜的构成 污水与滤料或某种载体流动接触，在经过一段时间后，后者的表面将会为一 种膜状污泥生物膜所覆盖。随着进水的持续，生物膜将沿水流的方向分布， 其上有细菌及各种微生物组成的生态系统达到稳定和平衡，生物膜对有机物的降 解也趋于稳定，这一过程就是生物膜逐渐成熟的过程。图3 1 所示为滤料上附着 的生物膜结构示意副8 3 2 3 3 。 生物膜是高度亲水物质，在污水不断在其表面更新的条件下，其外侧总是存 在着一层附着水层。生物膜则是微生物高度密集的物质，其上生长着大量的、各 种类型的微生物和微型动物。与活性污泥法不同的是，生物膜法中生物膜附着在 滤料上不动，污水单向流动经过生物膜。在这一流动过程中，污水中的有机和无 机杂质逐级被其所接触到的生物膜吸附，这就导致滤池内不同高度( 不同层次) 的 生物膜所得到的营养( 有机物的组分和浓度) 不同，也就使得不同高度的微生物种 群和数量不同。在整个生物滤池中，越靠近进水端，营养物质浓度越高。这一部 分的微生物几乎全部是细菌，含有少数鞭毛虫。生物滤池的中间段，废水中除了 北京工业大学工学硕士学位论文 营养物质之外，还有进水端微生物的代谢产物。这一部分微生物的种类与进水端 相比有所增多，包括有菌胶团、浮游球衣菌、鞭毛虫、变形虫、豆形虫、肾形虫 等。出水端有机物浓度是最低的。这一部分的低分子有机物较少，微生物种类更 多，除了菌胶团、浮游球衣菌之外，还会生长以钟虫为主的固着型纤毛虫和少数 游泳型纤毛虫p 4 j 。 另外，在生物膜生长及成熟之后，微生物不断繁殖，生物膜就