（环境工程专业论文）生物接触氧化工艺处理高速公路沿线设施污水试验研究.pdf

摘要 针对我国高速公路沿线设施污水处理存在的问题 根据高速公路沿线设施污 水水量及水质特点 采用生物接触氧化工艺对高速公路沿线设施污水进行了试验 研究 以期对高速公路污水处理提供技术支持 切实解决高速公路沿线水污染控 制中存在的问题 在试验过程中 从水力停留时间 进水成分 进水方式 技术 经济和反应器对氮营养物质的去除等方面考察了生物接触氧化工艺的去除效率 和运行情况 并分析了试验条件下生物接触氧化工艺的反应动力学模型 由试验结果可得出以下结论 1 反应器采用猪鬃毛制成的弹性立体填料 驯化挂膜速度快 生物相丰富 生物量大 2 在连续进水 连续曝气情况下 h r t 分别为4 h 6 h 1 0 h 1 4 h 1 6 h 2 0 h 试验表明 在h r t 为6 h 时 反 应器对c o d 和氨氮的去除率分别可达8 0 和4 5 以上 出水c o d 和氨氮平均 值分别小于l o o m g l 和1 2 1 m g l 出水水质可达到 污水综合排放标准 g b 8 9 7 8 1 9 9 6 中的一级标准 3 在处理水量一定的情况下 采用两种不同 间歇运行方式 即日进水3 次 间歇曝气分别为3 次 6 次 9 次 1 2 次 2 4 次 每次1 h 和日进水6 次 间歇曝气分别为9 次 1 2 次 1 5 次 1 8 次 2 4 次 每次l h 试验表明日进水3 次 问歇曝气时间累计6 h 时 出水c o d 平均浓度 为7 2 m g l 氨氮为6 5 m g l t n 为1 6 3 m g l 日进水6 次 间歇曝气时间累计 1 2 h 时 出水c o d 平均浓度为7 8 m g l 氨氮为6 4 m g l t n 为1 6 0 m g l 出 水水质均可达到 污水综合排放标准 g b 8 9 7 8 1 9 9 6 中的一级标准 4 依 据试验数据 得出生物接触氧化工艺的有机物降解动力学模型为 u 篙考 端 相关系数r 为 9 5 7 5 试验获得的动力学模型曲线与 试验实测结果在出水浓度较低的情况下拟合较好 5 由技术经济分析可知 由 于处理规模较小 生物接触氧化工艺的单位污水处理量投资为4 2 3 8 元 处理每 3 水的运行成本约为0 8 l 元 募键词 高速公路 污水处理 生物接触氧化 动力学模型 技术经济分析 a b s t r a c t i nv i e wo ft h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o b l e m sf r o me x p r e s s w a ya f f i l i a t e d f a c i l i t i e si no u rc o u n t r y ab c o b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o n p r o c e s sw a st e s t e di n t r e a t m e n to ft h ep e c u l i a rw i t ht h ee x p e c t a t i o no fp r o v i d i n gat e c h n i c a ls u p p o r tt ot h e e n g i n e e r s d u r i n gt h ee x p e r i m e n t a lp e r i o d t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o c e s sw a s s t u d i e df r o mt h ea s p e c to fh r t h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e i n f l u e n tc o n s t i t u e n t s i n f l u e n tm o d e t e c h n i c a le c o n o m ya n dt h ed e g r a d a t i o nr a t eo fc o da n dn i t r o g e n n u t r i m e n t e t c t h ed y n a m i c sm o d e lo f t h eb c op r o c e s sd e a l i n gw i t ht h es e w a g ew a s a n a l y z e di nc o n d i t i o no f t h et e s t t h r o u g ht h er e s u l t so ft h et e s tw ec o u l dc o n c l u d ea sf o l l o w s 1 t h er e a c t o r f i l l e dw i t hf i l l e r m a d eb yh o gh a i r p o s s e s s e daf a s tv e l o c i t yo f b i o f i l md o m e s t i c a t i o n ar a p i ds h a p eu pp e r i o da n de x c e s sb i o m a s s 2 w h e nt h er e a c t o rw a so p e r a t e di nt h e m o d eo f c o n t i n u o u si n f l u e n ta n dc o n t i n u o u sa e r a t i o n w i t ht h eh r to f 4 h 6 h 1 0 h 1 4 h 1 6 ha n d2 0 hr e s p e c t i v e l y t h er e m o v m e n to fc o da n da m m o n i an i t r o g e na t h r t 6 hw a sg r e a t e rt h a n8 0 a n d4 5 t h ec o da n da m m o n i an i t r o g e no f e f f l u e n tw e r el e s st h a n1 0 0 m g la n d1 2 1 m g lr e s p e c t i v e l y w h i c hc a l la c h i e v et h e f n s tc l a s so f i n t e g r a t e dw a s t e w a t e rd i s c h a r g es t a n d a r d g b 8 9 7 8 1 9 9 6 3 u n d e r t h ec o n s t a n ti n f l u e n t t h er e a c t o rw a so p e r a t e di nt h o s et w oi n t e r m i t t e n tm o d e so f3 t i m e si n f l u e n ta n d3 6 9 1 2 2 4t i m e sa e r a t i o nad a y o n c ea nh o u r a n d6t i m e s i n f l u e n ta n d9 1 2 1 5 1 8 2 4t i m e sa e r a t i o nad a y o n c ea nh o u r w h e nt h ei n f l u e n t w a sc h a r a c t e r i z e db y3t i m e sad a y 6h o u r so fc u m u l a t i v eb a r i cr e t e n t i o nt i m e t h e e f f l u e n t v a l u e so f c o d a m m o n i a n i t r o g e na n dt nw e r e7 2m g c l 6 5m g la n d1 6 3 m g lr e s p e c t i v e l y a n dt h a tb y6t i m e sad a y 1 2h o u r so fc u m u l a t i v eb a r i cr e t e n t i o n t i m e t h ee f f l u e n tv a l u e so f c o d a m m o n i an i g o g e na n dt nw e r e7 8r a g c t 6 4 m g l a n d1 6 0 m g lr e s p e c t i v e l y t h ee f f l u e n t sf o rb o t lo ft h et w oo p e r a t i n gm o d e l sc a n a c h i e v e t h e f i r s t c l a s so f i n t e g r a t e d w a s t e w a t e r d i s c h a r g es t a n d a r d g b 8 9 7 8 1 9 9 6 4 b a s e do nt h et e s tr e s u l t s t h ed y n a m i c sm o d e lo f t h eb c o r e a c t o rw a sp r o p o s e da s u 巢警 黑 w i t h c r r e l a t i nc o e 伍d e n tr b e i n g0 9 5 7 5 t h ec u i v e f 4 9 5 s 一4 6 2 7 t h ed y n a m i c sm o d e li sw e l lf i t t e dw i t ht h et e s tr e c o r d 5 t h ec o s t e f f e c t i v e n e s s a n a l y s i ss h o w st h a tt h ei n v e s t m e n tf o rt r e a t i n gp e rc u b i ct h a ts e w a g ew i t ht h eb c o i s 4 2 3 8y u a n a n dt h ec o s to f t h es e w a g et r e a t m e n tw a so 8 1y u a n m 3 k e y w o r d s e x p r e s s w a y w a s t e w a t e rt r e a t m e n t b i o l o g i c a lc o n t a c t o x i d a t i o n d y n a m i c sm o d e l c o s t e f f e c t i v e n e s sa n a l y s i s 论文独创性声明 本人声明 本人所呈交的学位论文是在导师的指导下 独立进行 研究工作所取得的成果 除论文中已经注明引用的内容外 对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 论文知识产权权属声明 e 年6 月6 日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产权归 属学校 学校享有以任何方式发表 复制 公开阅览 借阅以及申请 专利等权利 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时 署名单位仍然为长安大学 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 导师签名 7砖 俐j 乏荔 灞 o 年 月g 日 d 年 日6e l 孙 一 第1 章绪论 1 1 我国高速公路现状 1 1 1 我国高速公路建设状况 改革开放以后 我国国民经济持续高速发展 公路运输需求强劲增长 公路 基础设施建设开始发生历史性转变 公路建设得到中央和地方各级政府的重视 公路建设的重要性逐步为全社会所认识 在统一规划的基础上 开始了有计划的 全国公路基础设施建设 8 0 年代初和8 0 年代末国家干线公路网和国道主干线系 统规划先后制定并实施 使公路建设有了明确的总体目标和阶段目标 截至2 0 0 4 年底我国公路总里程达1 8 5 6 万k m 详见图l l l 所示 我国公路建设在继续扩 大总体规模的同时 重点加强了质量水平的提高 高速公路及其他高等级公路的 迅速发展改变了我国公路事业的落后面貌 1 9 8 8 年 我国第一条高速公路 上海至嘉定高速公路 1 8 5 k i n 建成通车 此后 又相继建成了全长3 7 5 公里的 沈大高速公路和1 4 3 k m 的京津塘高速公路 进入9 0 年代 在国道主干线总体规 划的指导下 我国高速公路建设步伐加快 每年建成的高速公路由几十公里上升 到一千公里以上 l 截止2 0 0 4 年底 我国高速公路总里程已达3 4 2 8 8 k m 不包 括台湾 比2 0 0 3 年增加4 5 4 3 k m 详见图1 1 2 所示 1 2 继续保持世界第二位 美国是世界上拥有高速公路最多的国家 拥有8 9 万k m 的高速公路 连接了 所有5 万人以上的城市 可以说我国用了短短十多年的时间 完成了发达国家 4 0 年走过的历程 有力地促进了我国国民经济的发展 至2 0 0 4 年底 我国公路 旅客周转量已达8 7 4 8 4 亿人 k m 公路货物周转量已达7 8 4 0 9 亿t k m l 2 高 速公路及其它高等级公路的建设 改善了我国公路的技术等级结构 改变了我国 公路事业的落后面貌 缩短了我国同发达国家之间的差距 有效地拉动内需 刺 激了高速公路附近地区的经济繁荣和发展 在高速公路建设突飞猛进的同时 高速公路附属服务设施也在不断建设和发 展 高速公路附属服务设施主要包括高速公路服务区 收费站 管理所 养护工 区等 一般以服务区规模为最大 服务区一般相距5 0 6 0 k m 设置一处 其功能 主要是为过往车辆和驾驶人员提供餐饮 购物 休息 娱乐 通讯 加油 维修 等服务 它直接向司乘人员提供生活服务和工作方便 是高速公路与人联系的纽 带 对吸引人们行驶高速公路具有显著作用 另外 建筑及周围环境有特色的服 务区也是高速公路的一处景点 起到点缀作用 图 i 1 我国历年公路通车里程图 2 3 l 1 1 2 我国公路环保工作发展状况 高等级公路的建成无疑为中国社会经济的发展起到了很大的促进作用 但同 时也对环境产生了一定的负面影响 从可持续发展的角度出发 我们必须对其产 生的负面影响予以消除 保护环境 我国交通环境保护工作开始于1 9 7 3 年 是最早开展环境保护工作的行业之 一 但在1 9 8 7 年以前 交通部主要抓的是港口和航运的环境保护工作 从1 9 8 7 年交通部发布 交通建设项目环境保护管理办法 试行 开始 公路建设项目 的环境影响评价工作正式启动 以1 9 8 7 年和1 9 8 8 年开展陕西西 安 l 临 潼 高速公路 湖北宜 昌 黄 石 高速公路 贵州贵 阳 黄 果树 高等级公 路和广东深 圳 汕 头 高速公路等项目环境影响评价为标志 公路交通环保 工作步入了快车道 十多年来 环境影响评价工作对促进公路建设与环境协调发 展均起到了非常重要的作用 可以说 公路交通环保工作虽起步较晚 但发展较 快和较好 5 除 中华人民共和国公路法 外 交通部在1 9 9 0 年就发布了 交通建设项 目环境保护管理办法 等规章 并制定了 公路建设项目环境影响评价规范 公路环境保护设计规范 公路绿化规范 等一批技术规范 为保证公路环境 保护工作的落实提供了技术保障 公路环境保护的具体行为包括公路建设项目在前期工作阶段的环境影响评 价 环境保护设计 施工期的环保设旌施工及环保监理和项目建成后的环境保护 设旌竣工验收等 公路环境保护的对象除包括公路沿线水 气 声环境外 还包 括生态保环境护 社会经济文化价值等诸多内容 其保护对象是公路沿线的环境 质量 水土资源 生态环境以及生物多样性 沿线居民的生活质量和人文景观价 值 公路建设对水环境的影响主要包括 公路施工期施工营地生活区污水的排放 及桥涵施工时现场作业产生的泥沙 废渣 作业机械和设备的废油排放等对水体 造成的污染 公路建成投入营运后 其沿线附属区排放一定量的污水 如生活污 水 洗车污水 加油站的地面冲洗水的排放对沿线水体造成的污染 以及车辆尾 气 车辆部件磨损 车辆燃油泄漏 路面磨损 运输物洒落 大气降尘等路面沉 积物在降雨时被路面径流挟带进入水体造成的污染 公路旌工期对水环境的影响 是暂时性的 随着施工过程的结束污染源也将消失 且采取适当的管理措施可得 到有效的控制 因此主要对营运期间公路沿线设施排放的污水进行控制 在不能 排入市镇下水管网时 要求对其进行处理后达标排放 对于路面径流污染及其污 染程度 国内至今研究甚少 长安大学对公路路面径的流污染特性作过一些试验 研究 6 o 一般来说 路面径流不会对水体和土壤造成大面积污染 但当公路距水 源保护地 生活饮用水源和水产养殖水体较近时 应考虑路面径流对水环境的污 染 路面雨水不能直接排入这些水体 必要时可设置沉淀池进行沉淀处理后排放 或利用天然洼地 池塘 湿地等收集处理路面径流 1 1 3 我国高速公路沿线设施污水处理现状 高速公路沿线设施主要包括服务区 收费站 管理所 加油站 养护工区等 服务区一般设有餐饮 住宿 加油 洗车 维修 公厕等服务设施 为司乘人员 提供休息 餐饮 维修 加油等服务 因此高速公路服务区污水一般由粪便污水 餐饮洗涤废水j 洗车废水和加油站清洗废水等组成 因洗车及加油站清洗所排放 的污水量相对较小 以服务区常住工作人员和过往旅客产生的生活污水为主要组 成 收费站 管理所污水则以工作人员产生的生活污水为主 由于高速公路一般 远离城市 其污水无法直接排入市镇下水管网 需要设置单独的小型污水处理系 统进行处理后达标排放 我国早期建设的高速公路大多采用化粪池作为污水处理方式 九十年代后期 建设的高速公路则大多安装了小型污水处理设备 经过调查发现目前我国高速公 路沿线设施污水处理存在以下问题 1 部分早期建设的高速公路没有设置污水处理装置或只设置传统的化粪 池进行污水处理 化粪池处理效果很不理想 环保设施验收监测结果表明出水不 能完全达标 如沈大高速公路 目前正在改扩建 的部分附属区没有设置污水处 理设施 污水直接排放对所在地区的地下水造成了污染1 1 沈四高速公路铁岭北 服务区和开原服务区采用化粪池处理后排放 其c o d b o d 5 监测值超标较严重 其中铁岭北服务区c o d 监测值为1 5 2 4 2 8 m g l b o d 5 监测值为4 8 o 1 3 7 m g l 开原服务区c o d 监测值为7 6 2 1 0 m g l b o d 5 监测值为2 9 1 1 2 0 m g l 2 污水处理设备的设计及选择存在一定的不确定性 据一些设计人员反 映由于难以确定高速公路沿线设施实际用水量 污水处理设备不好选型 且生物 处理设备对运行管理要求较高 实际使用时往往由于缺乏专业人员管理 维护导 致处理效果较差 4 3 部分管理人员反映污水处理设施运行费用较高 主要是耗电量大 电 费高 据沈山高速公路一服务区经理介绍 该服务区安装的污水处理设备年用 电费达1 0 万余元 1 2 研究背景及研究目的 意义 1 2 1 研究背景 水是自然界中宝贵的资源 然而全球性的水荒问题已经日益严重地摆在全人 类面前 据专家预测 城市缺水在2 1 世纪将成为一个世界性的问题 甚至提出 水的危机很可能将与7 0 年代的能源问题一样 成为2 1 世纪初世界大部分地区面 临的最严峻的自然资源问题 1 9 9 7 年联合国召开了 可持续发展大会 大会以 对世界淡水资源的全面评估 为题 己向全人类发出严重的警告 联合国开发 计划署预计 非洲将为水而战 到2 0 2 8 年 非洲严重缺水人口达5 0 以上 可 能爆发的战争地区将是多国共享的湖泊及河流流域 我国是水资源大国 年均水资源总量2 8 1 0 0 亿立方米 居世界第4 位 但同 时我国也是一个严重缺水的国家 人均水量为2 2 3 1 立方米 仅为世界人均水平 7 0 0 0 立方米 a 的1 3 居世界第8 8 位 1 9 9 8 年 按国际通用标准 人均拥 有水资源量小于2 0 0 0 立方米为轻度缺水地区 小于1 0 0 0 立方米为重度缺水地区 从长期趋势看 我国总体上属于严重缺水的国家 另外 我国水资源在时间和地 区分布上很不平衡 南方多北方少 北方大部分地区人均水资源非常低 在北方 特别是西部干旱半干旱地区全年的降水量主要集中在7 月 8 月 9 月三个月 这使可利用的水尤其显得不足1 7 另一方面 我国水体污染情况严峻 目前我国 日排放污水近1 7 亿t 其中8 0 以上未经任何处理即直接排入水体 使江河湖 库及近海域普遍受到污染 城镇和工业区及其附近地区的地下水也普遍遭受污 染 对水资源的不合理开发利用 对人类的经济 社会 生活和健康产生了多方 面的不利影响 1 2 2 研究目的和意义 我国近3 5 万公里的高速公路 纵横连接各大城市 分布面很广 其产生的 问题也较多 因此 本文拟针对我国高速公路沿线设施污水处理中存在的问题 根据高速公路沿线设施污水水量及水质特点 对高速公路沿线设施污水进行试验 研究 以期为高速公路污水处理提供技术支持 切实解决高速公路沿线水污染控 制中存在的问题 为设计和管理人员提供 定的技术 管理方面的参考 近几十年来 我国高速公路的修建为沿线地区的经济带来了迅速发展 高速 公路沿线设施随车流量的增加新扩建了不少污水处理设备 对缓解公路沿线日益 严重的水污染问题起到了重要作用 但是在这些污水处理设施的建设运行过程 中 存在着一些不容忽视的问题 如果这些问题得不到很好地解决 建成的污水 处理设施不但不能充分发挥作用 反而会降低其投资效益 造成大量能源和资金 的浪费 因此 结合水质 水量现状 研究一种适合高速公路沿线设施污水的处 理工艺 是一件对我国高速公路水污染治理有意义的事情 1 3 研究方法及内容 1 3 1 研究方法 本文拟参考赵琴等人对我国部分有代表性的高速公路沿线设施的污水处理 状调查情况 根据其总结的目前我国高速公路沿线设旌污水水量 排放情况 处 理方法 污水处理设施使用情况 处理后出水达标情况等 以及其分析研究的目 前高速公路沿线设旖污水处理方法的优缺点 适用性 处理效果等 采用生物接 触氧化工艺对我国高速公路沿线设施污水进行试验研究 希望通过研究 对待建 和已建高速公路沿线设施污水处理设施的改扩建工程提供技术支持 切实解决高 速公路沿线水污染控制中存在的问题 从而取得良好的环境效益和社会效益 1 3 2 研究内容 本文研究内容主要包括以下几个方面 1 研究生物接触氧化工艺对高速公路沿线设施污水的处理效果 得出该 工艺的最佳运行条件 2 研究水力停留时间 容积负荷等因素对系统去除效果的影响 3 研究生物接触氧化工艺间歇运行对有机物和氮营养物的去除效果 找 出较为理想的运行工况 4 研究生物接触氧化设备中生物膜特性 5 研究生物接触氧化设备的生物降解动力学 6 对生物接触氧化工艺进行技术经济分析 第2 章生物接触氧化工艺在污水处理中的研究进展 2 1生物接触氧化工艺综述 2 1 1生物接触氧化工艺原理及形式 生物接触氧化工艺属于投加载体的复合生物反应器中的浸没填料系统 是在 生物滤池的基础上 从接触曝气法改良演化而来的 又称 浸没式生物滤池法 和 接触曝气法 从生物膜固定和污水流动来说 相似于生物滤池法 从污水 充满曝气池和采用人工曝气来看 它又相似于活性污泥法 所以生物接触氧化工 艺的特点介于生物滤池法和活性污泥法之间1 8 载 阿机酸 b o d 0 运嗣 0 1 l j 空气 1 c o 厌氯层好氧层 水 图2 一卜1生物膜净化机理图 生物接触氧化工艺在运行初期 少量的细菌附着于填料表面 由于细菌的繁 殖逐渐形成很薄的生物膜 在溶解氧和底物都充足的条件下 微生物的繁殖十分 迅速 生物膜逐渐增厚 逐渐成熟 详见图2 1 1 溶解氧和污水中的有机物凭 借扩散作用 为微生物所利用 但当生物膜达到一定厚度时 氧己经无法向生物 膜内层扩散 好氧茵死亡 而兼性细菌 厌氧菌在内层开始繁殖 形成厌氧层 经过一段时间后在数量上开始下降 加上代谢气体产物的逸出 使内层生物膜大 块脱落 在生物膜已脱落的填料表面上 新的生物膜又重新发展起来 在接触氧 化池内 由于填料表面积较大 所以生物膜发展的每一个阶段都是同时存在的 使去除有机物的能力稳定在一定的水平上 生物膜在池内呈立体结构 对保持稳 定的处理能力有利 9 1 生物接触氧化工艺的中心处理构筑物是接触氧化池 接触氧化池主要由池 体 填料 布水装置和曝气系统四部分组成 根据水流状态的不同 接触氧化池 可分为分流式 池内循环式 和直流式两种 所谓分流式 即废水充氧与生物膜接 触是在不同的格内进行 废水充氧后在池内进行单向和双向循环 适用于b o d 负荷较小的三级处理 国外废水处理工程中较常采用 直流式就是直接在填料底 部进行鼓风充氧 国内废水处理工程中多采用直流式 2 1 2 生物接触氧化工艺特点 生物接触氧化工艺作为一种成熟的污水处理工艺 经过国内外几代人的研究 与大量工程实践证明其有以下优点 9 1 体积负荷高 处理时间短 节约占地面积 处理污水时 在b o d 5 去除率大致相同的情况下 生物接触氧化工艺的b o d 5 体积负荷比活性污泥法可高5 倍 最高达3 6 k g b o d 5 m 3 d 而所需处理时 间却只有活性污泥法的1 5 由于缩短了处理时间 同样大小体积的设备 处理 能力可提高几倍 使污水处理工艺向高效和节约用地的方向发展 2 生物活性高 国内采用的生物接触氧化池中 绝大多数的曝气管设在填料下 不仅供氧充 分 而且对生物膜起到了搅动作用 加速了生物膜的更新 使生物膜活性提高 另外 曝气会形成水的紊流 使固定在填料上的生物膜可以连续 均匀地与污水 相接触 加上空气搅动 增强了传质效果 提高了生物代谢速度 3 有较高的微生物浓度 一般活性污泥法的污泥浓度为2 3 9 l 微生物在池中处于悬浮状态 而接 触氧化池中绝大多数微生物附着在填料上 单位体积内水中和填料上的微生物浓 度可达1 0 2 0e e l 由于微生物浓度高 有利于提高容积负荷 4 污泥产量低 不需污泥回流 与活性污泥法相比 接触氧化法的体积负荷高 污泥产量较低 主要是由于 氧化池内溶解氧高 微生物的内源呼吸进行得较充分 合成物质被进一步氧化 氧化池内的微生物食物链比较完全和稳定 生物膜中的厌氧层将部分生物膜分 解 溶化 转化成甲烷和有机酸 这些都是减少污泥量的因素 生物接触氧化工 艺由于微生物附着在填料上形成生物膜 生物膜的脱落和增长可以自动保持平 衡 所以不需要污泥回流 给管理带来方便 5 耐冲击负荷能力强 出水水质好而稳定 在进水短期内突然变化时 出水水质受的影响很小 在毒物和p h 值的冲击 下 生物膜受影响小 而且恢复快 6 动力消耗低 由于接触氧化池内有填料存在 能够起到切割气泡 增加紊动作用 增大了 氧的传递系数 并且由于没有污泥回流 使电耗下降 因此采用生物接触氧化工 艺处理污水 较普通活性污泥法一般能节省动力3 0 7 挂膜方便 可以间歇运行 生物接触氧化工艺处理生活污水时不需专门培养菌种 连续运转4 5 天生 物膜就可成熟 对含菌种少的工业废水 挂膜时接入菌种 运行十多天生物膜就 可成熟 当停电或发生事故不能供气时 只要将氧化池中的水放完即可 附着填 料上的微生物可以从空气中获得氧气而维持生命较长时间 8 不存在污泥膨胀问题 在活性污泥法中容易产生膨胀的菌种 如丝状菌 在接触氧化法中附着在填 料上 不但不产生污泥膨胀 而且能充分发挥其分解 氧化能力高的优点 提高 废水的净化效果 当然 任何一种事物在其具有某种优点的同时 又不可避免的会出现其不利 的一面 生物接触氧化工艺也不例外 其缺点如下 9 1 当采用蜂窝填料或其他不规则填料 如碎石等 时 若负荷过高 则 生物膜较厚 脱落的生物膜会堵塞填料 2 若生物膜瞬时大块脱落 则易影响出水水质 3 组合状的填料有时会影响曝气与搅拌 影响传质 4 如需要较多的填料和支撑结构 有时会引起较高的基建投资 2 1 3 生物接触氧化工艺的生物相特征 生物接触氧化工艺之所以具有良好的污水处理效果 主要是其生物膜内大量 的活性微生物及其表现出来的不同于别的污水处理工艺的生物相特征 1 0 l 1 生物多样化生物膜反应器为微生物的繁衍 增殖和生长栖息创造了 9 安稳的环境 生物膜中除大量细菌外 还会出现大量真菌 原生动物 后生动物 微型动物和藻类 形成复杂而稳定的复合生态系统 2 食物链长在生物膜中可以形成细菌一真菌一原生动物一后生动物一 微型动物的长食物链 尤其是生物膜上能够栖息营养级高 体型大的生物 他们 能够吞食营养低级别的微生物 使反应器中的污泥量降低 3 能存活世代周期长的微生物由于在生物膜反应器中的微生物呈固着 态 生物固体停留时间 s r t 可以非常长 因此 在生物膜上能生存世代周期长 增殖速度较慢的微生物 4 有利于培养优势微生物种属在生物膜反应器运行过程中的每一段 包 括空间上的分段和时间上的分段 均能繁衍与该段水质和环境条件相适应的微生 物 因此 生物膜反应器有利于发挥各种微生物的生存优势 提高去除能力 2 2 生物接触氧化工艺的填料 2 2 1填料在生物膜反应器中的作用 填料在生物膜反应器中的作用主要表现在以下几个方面 l 1 容纳附着微生物填料是微生物生长的载体 为微生物提供栖息和繁 殖的稳定环境 其丰富的表面积为微生物提供附着的表面和内部空间 使反应器 内尽可能保持较多的生物量 一般来说 填料比表面积越大 附着的微生物量越 多 可承受的有机负荷也相对较高 2 填料是反应器中生物膜与废水接触的场所填料对水流有强制性的紊 动作用 使水流能够重新分布 改变其流动方向 可使水流在反应器横截面上分 布更为均匀 同时 水流在填料内部形成交叉流动混合 为废水和生物体的接触 创造了良好的水力条件 并且 填料对好氧反应器中的气泡有重复切割和阻挡作 用 提高氧的利用效率 并且强化了微生物 有机体和溶解氧三者之间的传质过 程 3 对水中的悬浮物有一定的截留作用由于反应器中填料的存在 使出 水中悬浮物的浓度大大减少 填料对出水中悬浮物的截留作用是通过对污水中悬 浮物的拦截 沉淀 惯性 扩散 水动力等诸多因素来实现的 由于填料在反应器中的这些作用 所以在废水生物膜法处理工艺中 其性能 1 0 直接影响和制约着水处理工艺的处理效率 是生物膜反应器中最重要的组成部 分 2 2 2 生物接触氧化工艺对填料的要求 生物反应器高效稳定运行的首要条件是在反应器中积累了大量的活性生物 质 填料是微生物的载体 是生物接触氧化处理工艺的核心部位 填料的选择首 先决定了生物处理反应器内可供生物膜生长的比表面积的大小和生物膜量的大 小 在一定的水力负荷和曝气强度下 又决定了反应器内传质条件和氧的利用率 从而对工艺运行效果影响很大 性能良好的填料应具有以下特点 1 1 l 1 必须具有良好的生物固着性能 这是首要的 填料表面粗糙度的大 小是使生物膜生成与固着的重要因素之一 粗糙度越大 生物膜越容易形成并固 着 生物膜主要是由作为亲水粒子的微生物组成 因此 填料表面应是亲水的 填料表面的静电作用也是生物膜形成与固着的因素 一般情况下 微生物带有 负电 对此 填料表面以带有正点为宜 且电位越高越好 2 填料的比表面积也是重要因素之一 一般来说 大的比表面积是有利 的 但比表面积越大 反应器越易堵塞 流经填料内的水流阻力也越大 因此 比表面积不是越大越好 以适度为宜 3 充填填料后池内的水力特性 水流要通畅 与生物膜接触良好 充分 而且不存在滞水区和死水区 4 在大多数生物接触氧化反应器中都存在着不同强度的水力剪切作用及 填料之间的摩擦碰撞过程 特别是在气提式生物反应器 搅拌床和三相流化床中 这些作用更为明显 因此作为生物膜填料必须具有与所使用生物技术相应的机械 强度 如果生物膜填料本身不具有一定的机械强度 那末在其运行过程中势必引 起不同程度的破损 这将使得生物膜反应器中所持有的生物量呈不规律变化 导 致出水水质的波动 5 生物膜填料必须具有较好的生物 化学及热力学稳定性 这样才能使 得填料本身不参与系统内生物化学反应 生物膜在代谢过程中会产生各种各样的 代谢产物 这些代谢产物有些会对填料产生腐蚀作用 在实际应用中 填料应具 有惰性 不参与生物膜的生物化学反应 同时填料本身是不可生物降解的 填料 还必须对环境中所发生的化学反应表现出最大的惰性 并具有抗环境的化学腐蚀 能力 同时 生物膜填料应对周围温度变化产生惰性 在温度变化时不发生反应 和变形 另外 填料还要比重适中 截留悬浮物质能力强 不溶出有害物质 不引起 二次污染 货源充足 价格便宜 运输和安装施工方便等 2 2 3 生物接触氧化工艺填料的种类及特点 目前 国内常用的污水处理填料大体可分为硬性填料 软性半软性填料 组 合式填料和粒状填料等 其具体工程中常用的有 玻璃钢或塑料蜂窝填科 软性 纤维填料 半软性纤维填料 盾状填料 弹性立体填料 立式波纹填料和内置式 悬浮填料等 以上填料各有优缺点 其性能比较见表2 2 1 表2 2 1常用填料性能比较 1 2 义 比表面积空隙率布气 挂膜 加工条件 运输 安装 堵塞 m 2 m 3 布水 玻璃钢蜂 1 0 0 2 0 09 8 9 9较差较易半机械化易损耗简单较易 窝填料 塑料蜂窝 1 0 0 2 0 09 8 9 9 较差较易半机械化易损耗简单较易 填料 软性纤维 1 4 0 0 9 0 较差易手工方便简单易结球 填料 2 4 0 0 1 0 0 0 盾状填科 9 8 9 9 较好 易手工 方便简单 不易 2 5 0 0 半软性纤 s 7 9 39 7 好较易机械化方便简单不易 维填料 立式波纹 1 0 0 2 0 09 0 9 6 较差 较易 半机械化易损耗简单较不易 填料 弹性立体 5 0 1 0 0 9 0好易机械化方便简单不易 填料 从上表我们可以看到 不同的填料具有不同的特点 在具体的实际应用中我 们要根据污水性质 达标要求 地区特点等多方面的因素综合考虑所要选择的填 料种类 即选择不同处理方式的生物接触氧化工艺 表2 2 2 给出了选择不同填 料的生物接触氧化工艺 不同处理效果的对比数据 表2 2 2 填充半软性填料与软性填料的接触氧化装置处理效果对比 1 2 格标 c o db o d d o 填料 项目 c c r a g l m g l m e l 原废水 2 0 0 5 0 09 0 1 7 0 半软性填料 去除率5 9 8 0 8 5 9 0 5 4 7 4 处理水8 0 1 0 01 0 3 0 d 型软性 原废水2 0 0 5 0 09 0 1 7 0 去除率 4 5 6 3 7 0 8 0 4 6 6 5 纤维填料 处理水 1 l o 1 3 63 7 5 0 2 3 生物接触氧化工艺国内外研究现状 生物膜法创立于1 9 0 0 年 比活性污泥法还早近2 0 年 而在生物膜法中又以 淹没式的生物接触氧化法 c o r 最具有特点 生物接触氧化法反应器是生物滤 池和曝气池的综合体 具有介于生物滤池和活性污泥法两者之问的特征 也可以 说是具有活性污泥法特点的生物膜法 它兼有两者的优点 克服了二者的缺点 生物接触氧化法是在接触滤池和生物滤池的基础上发展起来的 它始于十九 世纪末 1 8 9 1 年和1 9 0 1 年由韦林 w a r i n g 和迪特 d i t t e r 等作过试验研究 1 9 1 2 年克洛斯 c l o s s 在德国注册专利 最早应用于实际工程是在德国巴哈 b a c h 和美国布斯维尔 b u s w e u 1 日本学者小岛贞男从河流自净现象中 得到启发 他发现河床的砾石表面生长的一层生物膜 对水体中的污染物有明显 的净化作用 经试验研究开发出 管式接触氧化 反应器 1 4 l5 1 1 9 9 9 年邬扬善 发表文章 提出 生物接触氧化法处理城市污水只需一小时左右 并从理论和 实践进行了分析 大庆油田化工总厂谢晓丽采用a a o 生物接触氧化 法处理 含氰废水 l6 同济大学肖羽堂 许建华采用生物接触氧化 混凝法处理水中致突 变污染物 17 中国矿业大学邵武 李中和采用接触氧化 膜分离进行中水回用 1 8 同济大学梅翔 高廷耀对y d t t a 及p w t 3 种填料的生物接触氧化法处理效果 进行了初步比较试验 1 9 广东省江门市环保局郑展飞采用c o r 处理制革废水1 2 0 2 0 0 0 年苏州科技学院杨铨大 沈耀良采用软性填料序批式c o r 处理中小城镇生 活污水脱n 除p 工艺试验 2 l 大连水产学院高光智 陈辅利进行了污水处理溪 流式生物接触氧化法研究瞄1 河北理工学院刘贯一采用超滤膜作载体的c o r 处 理生活污水 试验表明 h r t 为3 h c o d b o d 5 s s n h 3 n 去除率分别可 达8 3 9 2 9 4 和6 0 2 3 j 同济大学毕学军 高廷耀采用在活性污泥好氧段 投放高硬度聚乙烯悬浮小球作载体 以强化系统的硝化功能 提高系统的脱n 除p 效率 2 5 1 同济大学曹微寰 周琪采用c o r 处理难降解的糖精酯化废水 2 6 2 0 0 1 年广东省水利水电科学研究所赖翼峰对c o r 反应内水流的混掺特性进行了 分析研究 1 同济大学许建华进行了弹性填料c o r 处理挂膜试验研究 提出水 温高 有利于挂膜 水温低于1 5 自然挂膜困难 在挂膜期间 采用较小的 曝气强度和气水比有利于挂膜 2 9 3 0 1 2 0 0 2 年同济大学陈洪斌采用悬浮填料 c o r 处理炼油废水 获得了良好的处理效果 3 1 9 8 8 年 h d s e l e n s e l 等学者对生物曝气滤池进行了分析研究和评价 3 2 1 9 9 0 年j c o n d r e n 等对生物曝气滤池进行技术评价 3 3 f 3 4 1 9 8 9 年m eh a m o d a 对曝气淹没式固定膜生物反应器进行了动力学分析 3 6 1 9 9 2 年j c r o m p h o u t 采用上流式生物膜反应器处理高浓度含氮废水 3 7 1 1 9 9 3 年r e g o n c a l v e s 等学者 采用淹没式生物反应器进行了生物脱氮除磷研究 3 8 m t s h u i 用曝气生物滤池作 为三级硝化反应器 3 9 1 9 9 4 年r p u j o l 等学者提出生物滤池是一种灵活而可靠的 生物反应器1 4 0 1 9 9 8 年a a e s l y 等学者用固定生物膜反应器 对不同碳源有机 物进行了反硝化试验研究f 4 j a m a n n 等学者对悬浮和固定介质填料生物曝气滤 池的硝化特性进行了比较试验研究 4 2 r e c o n c a l v e s 等学者采用u a s b 淹没式 曝气滤池处理生活污水h 3 1 4 4 4 5 4 6 2 0 0 0 年s w i j e y e k o o n 等学者采用固定床生物 曝气填料研究了生物硝化活性对二级出水的影响 4 7 1 r p u j o l 等学者研究两级生 物滤池对总脱氮除磷的影响 4 8 1 4 9 5 0 1 近年来 生物接触氧化工艺以其优越的处理效果 更是得到了水处理科技人 员的大力推举 广泛应用于小城镇污水 生活小区污水以及高速公路沿线设施的 污水处理等 但迄今为止 国内外很少有对生物接触氧化工艺采用间歇运行的处 理方式 本文将在下述内容中对该种运行方式处理高速公路沿线设施污水做一简 单研究 以期为具体工程提供参考 1 4 第3 章生物接触氧化工艺试验研究 3 1 试验装置与方法 3 1 1 试验用水 由于高速公路沿线设施实际的水量 水质波动较大 难以保持稳定运行 根 据赵琴等人调查的公路沿线设施污水具有典型生活污水性质 因此本实验用水采 用人工配制模拟公路沿线设施污水 主要水质指标为c o d 4 0 0 6 0 0 m g l b o b 2 0 0 3 0 0 m g l s s 2 2 0m g l 氨氮 2 5 m g l t n 4 0m g l p h 值为6 5 7 5 3 1 2 实验装置与工艺流程 本试验采用的处理工艺流程是 进水 生物接触氧化工艺 出水 具体实验装置与工艺流程见图3 一卜1 图3 1 1实验装置与工艺流程图 反应器由厚0 5 c m 的有机玻璃加工制作而成 总长度5 4 c m 分成四格 宽 1 3 e m 高2 2 c m 接触氧化区总有效容积4 4 6 l 反应器共分三个区 第一格为水 解酸化区 第二 三格为接触氧化区 挂有由毛刷制成的填料 第四格为沉淀 区 设出水堰 试验进水由计量蠕动泵精确提供 曝气采用空气泵在曝气区内 设多个砂芯曝气头均匀供给 3 1 3 分析项目与分析方法 本试验采用连续动态试验方法 首先进行挂膜启动 待挂膜成熟 运行稳定 后 进入试验研究 进水在每次进水之前配制 试验正常运行过程中对一体式装 置进水 出水水质进行不定期监测 检测项目与测定方法如下1 5 l 1 化学需氧量 c o d 重铬酸钾标准法 2 五日生化需氧量 b o d 稀释接种法 3 悬浮固体 s s 重量法 4 氨氮 纳氏试剂光度法 5 总氮 t n 过硫酸钾氧化 紫外分光光度法 6 溶解氧 d 0 y s l 5 5 5 0 型溶解氧测定仪 7 o h 精密p h 试纸 精密度0 1 8 m l v s s 混和液 干热衡重法 5 2 1 9 水温 水银温度计 3 1 4 试验方法 试验于4 月1 4 日开始挂膜 经过8 天的驯化可观察到填料上的生物膜颜色 由开始的白色渐渐转变成黄褐色 当c o d 去除率保持恒定 镜检发现生物膜上生 长了大量的原生及后生动物 认为填料挂膜成功1 5 3 开始连续进水 本试验共分三个阶段 第一阶段是进水成分比较单一 进水中只有碳源 的 情况下 连续进水连续曝气以确定该试验的运行效果 分别做了h r t 为1 4 1 0 6 和4 h 时生物接触氧化工艺对污水的处理效果 第二阶段是改变进水成分 进 水中加入氮 磷成分 连续进水连续曝气 分别将水力停留时间设置为2 0 1 6 1 4 1 0 6 和4 h 以考察生物接触氧化设备的最佳运行工况 第三阶段是由第二 阶段确定的日处理水量恒定的情况下 分别做不同曝气