河道底泥制成陶粒填料处理微污染原水毕业论文正文.doc

河道底泥制成陶粒填料处理微污染原水浙江工业大学 市政工程系 给水排水工程2010届 龚灵潇指导教师： 李军 韦甦摘要：以河道底泥制成陶粒为填料，采用序批式生物膜法对真实河道微污染原水进行处理。试验结果表明，系统启动速度快，1周后CODMn和NH3-N的去除率达32.1%和91.3%；运行稳定后，在进水CODMn为3.28-5.68mg/L，NH3-N为0.85-6.20mg/L时，出水CODMn为2.40-4.00mg/L，NH3-N为0.11-0.80mg/L，均达到地表水环境质量标准（GB3838-2002）中所规定的类水质。SBBR工艺单室交替进水、曝气的运行方式，陶粒的过滤、截留作用，有利于曝气量和浊度的降低。表面相对粗糙、比表面积大、成本低的这种陶粒填料被证明处理微污染原水具有可行性。关键词：微污染原水；陶粒；SBBR； 氨氮；生物处理The ceramsite filling made from river sediment used to treat the micro-polluted raw waterAbstract Sequencing batch biofilm reactor packed with ceramsite which be made from river sediment is used to treat real micro-polluted river water. Test results indicate that system start rapidly, permanganate index and ammonia nitrogen removal rate of 32.1% and 91.3% a week later; after operating steady, the influent permanganate index of 3.28-5.68mg/L, ammonia nitrogen of 0.85 to 6.20mg/L, the effluent permanganate index of 2.40 to 4.00mg/L, ammonia nitrogen of 0.11 to 0.80mg/L, both of them reach the quality of standard class of surface water environmental quality standard (GB3838-2002). Owning to the operation mode which enter water and aerate alternately and fill with ceramsite to enhance the function of filtration and interception, aeration volume and turbidity are both reduced. This ceramsite with characteristics of relatively rough surface, large specific surface area and low cost is feasible to treat micro-polluted raw water.Keywords micro-polluted raw water; ceramsite; SBBR; ammonia nitrogen. biological treatment目 录1绪论11.1微污染原水的定义11.2我国水体污染的现状11.3我国水体污染的来源11.3.1氨氮污染的来源21.3.2有机物污染的来源31.4水体污染的危害31.5微污染原水处理的必要性41.6原水污染物的去除方式51.6.1氨氮的去除方式51.6.2微污染原水去除有机物的方式61.7微污染原水处理的研究现状71.8微污染原水常见生物预处理工艺81.8.1生物接触氧化81.8.2曝气生物滤池91.8.3生物流化床111.9本试验研究的主要内容及方法112.填料的选择122.1填料选择原则132.2填料的分类132.2.1污水生物处理领域132.2.2微污染原水处理领域132.3陶粒与SBBR142.3.1SBBR工艺的填料类型142.3.2SBBR工艺与陶粒填料的结合152.4传统陶粒填料概述152.4.1特性及分类152.4.2常见陶粒152.4.3处理效果162.4.4存在问题172.5试验陶粒172.5.1改性目的172.5.2加工工艺172.5.3物理特性202.5.4化学成分213试验装置的建立与研究的启动233.1筹备233.2处理工艺选择233.2.1工艺简介233.2.2特点分析233.2.3选择理由243.3试验启动253.3.1试验装置253.3.2试验水质263.2.3分析测试方法273.2.4运行参数283.2.5反冲洗313.2.6接种污泥314试验结果324.1清水试验324.1.1工况一324.1.2工况二334.1.3清水试验结论344.2正式运行354.2.1第一阶段354.2.2第二阶段374.2.3第三阶段404.2.4第四阶段424.2.5第五阶段444.2.6第六阶段474.2.7各阶段对比505机理分析525.1氨氮的去除525.1.1溶解氧525.1.2温度525.1.3 pH525.1.4原水浓度525.1.5泥龄535.1.6有机氮的影响535.1.7气水比535.1.8填料吸附535.2高锰酸盐指数的去除535.2.1填料吸附535.2.2水力循环545.2.3气水比545.2.4原水浓度545.2.5温度545.3浊度的去除545.3.1填料的吸附545.3.2 处理负荷545.3.3排泥555.3.4水力循环555.3.5原水浊度555.3.6进水方式556建议566.1总氮的去除566.2磷的去除577结论58参考文献591绪论1.1微污染原水的定义水体微污染主要是指天然有机化合物和人工合成有机污染物质，也包括过量生长的浮游生物及其代谢物（如藻类、藻毒素），对水体造成的轻微污染1。一些无机污染物质，如氨氮、亚硝酸盐、磷化合物也是水体微污染的主要因素。对于微污染原水的界定，由于目前没有出台统一的行业标准，尚无明确数值上下限。但通常微污染水源的地面水环境质量标准在级或者以下，有些水体水质中含有较高的天然色度和有机质，但并未受到人为的污染，这类水源也可以归入微污染水体。1.2我国水体污染的现状进入21世纪，我国仍然处于水资源短缺的阶段，作为重要的原水来源，全国地表水污染依然严重。根据国家环保部公布的2008中国环境现状报告，七大水系水质总体为中度污染，浙闽区河流水质为轻度污染，西北诸河水质为优，西南诸河水质良好，湖泊（水库）富营养化问题突出。其中，长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河七大水系总体水质与上年持平。200条河流409个断面中，一类至三类、四类至五类和劣五类水质的断面比例分别为55.0%、24.2%和20.8%。珠江、长江总体水质良好，松花江为轻度污染，黄河、淮河、辽河为中度污染，海河为重度污染。在监测营养状态的26个湖泊及水库中，呈富营养状态的占46.2%2。由此引发我们对饮用水水源质量的担忧。饮水安全直接影响到人类的健康甚至生命，是涉及国计民生的重大问题。我国城乡饮水安全总体态势不容乐观。根据2005年上半年水利部、卫生部和发改委的联合评估，目前我国约有3.2亿农村人口饮水不安全，饮用水水源地水功能不达标率达35.6，其中河道不达标率44，湖泊不达标率77，水库不达标率23，全国1073个城镇地表水饮用水水源地有25的水质不达标3。1.3我国水体污染的来源造成水体污染的污染源一般如下：城市工业废水：工业废水是天然水体最主要的污染源之一，有机物含量高，含多种有毒有害成分，难于降解。农业生产用水：农业用水中含有大量有机物，特别是氮、磷的含量较高，由于在实际生长中覆盖面积较大，通过雨水冲刷、灌溉水渗透等途径往往会形成面源污染，较难控制污染物的排放。城市生活污水：城市生活污水含有大量的碳水化合物和氮、磷、硫等元素的有机物，在进入天然水体后，会造成水中溶解氧的大量消耗并促进水体的富营养化，在厌氧细菌作用下易产生恶臭物质，同时还可能造成病原菌的病毒通过水的媒介而使疾病蔓延。垃圾渗滤液：城市工业垃圾与生活垃圾的露天堆放也是地表水体的污染源之一。降水流经垃圾时携带其中的无机与有机毒物形成垃圾渗滤液，最终进入城市附近的地表水体，引起水体的污染。其中，沿河道岸边堆放的生活垃圾中的大量有机污染物和细菌极易进入河道。大气降水：由于空气污染严重，在降水过程中将一些有害物质携带到水体中，也成为水体污染源之一。大气降水一方面是降水淋洗和冲刷地表各种污染物而形成的一种面源污染，另一方面也是地面第二污染源4。1.3.1氨氮污染的来源水体中氨氮污染的来源通常有以下三类：工业废水的排放工业废水主要是化肥、化工、冶金、石油工业、油漆颜料、煤气和炼焦等生产废水的超标排放，这类水的特点是有机氮、氨氮含量较高，工业氨氮排放量占30%。生活污水的排放城市生活污水中的氮主要来源于人的排泄物，据估计，一人一年排泄出的氮含量为2.5-4.5kg(如尿素水解产生的氨)。此外，例如禽畜屠杀场排放废水含氨量也很高，还有地面径流及雨水含氨量也很可观。这些排水进入城市污水处理厂后，目前传统的净水工艺对氨氮的去除不理想或者不稳定，这是城市污水经过常规二级处理但城市河道依然出现水质富营养化和黑臭的重要原因之一。因此城市污水处理厂也成为氨氮的一处污染源。农业面源污染农业氮肥流失和农田径流中植物性营养物进入水体，是导致水体富营养化的广阔面源。氮肥不能完全被植物所吸收，特别是稻田超量施肥，但植物的吸收不到10%，其余流失于河道、湖泊和近海，成为富营养化的暗流。养殖业没有污染防治措施，大量含氮有机物的排泄物流入水体也是重点污染源。经农业面源排放量初步估计，农村污染总氮、总磷富营养化负荷占60%左右5。1.3.2有机物污染的来源微污染原水中的有机污染物大致有天然有机物（NOM）和人工合成的有机物（SOC）。天然有机物主要来自动植物在自然循环过程中经腐烂分解所产生的物质，包括腐殖质、微生物分泌物、溶解的动物组织及动物的废弃物等，地表水中的天然有机物主要是腐殖质，为无定形的褐色或黑色的酸性、亲水、高分散物质，主要通过动植物残体在化学合成以及生物降解作用下而形成。人工合成有机物目前已超过10万种，这其中有相当一部分通过人类活动进入水体，例如工业废水和生活污水的排放，农业上使用的化肥、除草剂和杀虫剂的流失等。这些有害化学物质往往吸附在悬浮颗粒物上和底泥中，成为不可移动的一部分。有毒有机物一般难于被水中微生物降解，但却易为生物所吸收，通过生物的食物链逐渐富集到生物体内，从而对人体健康造成危害。1.4水体污染的危害地表水中的天然有机物主要是腐殖质，它是多种消毒副产物（DBPs）的前体，是导致饮用水致突变活性增加的主要原因。而人工合成有机物相对于天然有机物更难于降解，在环境中有一定的残留水平，具有生物富集性、“三致”作用和毒性，对公众的健康危害更大。若不对有机污染物进行预处理，对于传统给水厂的净水工艺和出水水质也会产生相当大的影响6：增加制水成本；溶解性有机物不能被有效去除；氯消毒后，致突变物质含量增加；出厂水生物稳定性难以保证；减小管网使用寿命，增加输水能耗。氮是自然界广泛存在的基本元素之一，人类及大部分动植物的生存都离不开它。而在原水中，氮也作为有机或无机化合物形式存在，N，P含量过多会导致水体富营养化等使水质恶化的严重结果7。具体可表现为：大量藻类死亡时会耗去水中的氧，而一些藻类的蛋白质毒素可富集在水产生物体内，并通过食物链使人中毒。氨氮对鱼类和其他水生物有较大的毒性，排放废水中的氨氮和有机氮会消耗受纳水体中的溶解氧，氨氮对某些金属有腐蚀作用，对给水投氯消毒会有不利的影响，使加氯量成倍增加，从而增加给水处理的成本，并造成出水水质下降，后续的脱色、除臭、除味成本，滤池反冲洗的次数亦有可能增加。NO2-N和NO3-N对人体健康有害，NO2-N与胺作用生成的亚硝胺有致癌、致畸作用。研究表明水中NO2-N超过1mg/L时，即会使水生生物的血液结合氧的能力下降，超过3mg/L时，可在24-96h内使金鱼、鳊鱼死亡；饮用水中NO2-N含量超过10mg/L时可引起婴儿铁血红蛋白症，亚硝酸可使血红素中的Fe2+成为Fe3+而失去结合氧能力8。1.5微污染原水处理的必要性根据地球水储量与分布可知，人类可利用的淡水资源仅为0.1108m3，只是地球上水的很少一部分。而就我国来讲，人均水资源拥有量为2300km3，仅相当于世界人均占有量的1/4，因此我国已处于严重的缺水边缘9。而不少年均降雨量丰富的地区也由于环境污染，发展为水质型缺水，有的城市饮用水水源污染严重，甚至威胁到了居民生活饮用水的安全。进入21世纪后，随着经济的发展，人民的生活水平逐渐提高，也对生活品质有了更高的追求，就饮用水标准而言，1985年发布的生活饮用水卫生标准（GB574985）已不能满足保障人民群众健康的需要。为此，卫生部和国家标准化管理委员会对原有标准进行了修订，联合发布新的强制性国家标准即生活饮用水卫生标准（GB57492006），一些指标都有所提高，如浊度1NTU，CODMn3mg/L，氨氮500kg/m3），超轻陶粒（200500kg/m3），特轻容重陶粒（200kg/m3）41。按用途可分为建筑陶粒，花卉陶粒，滤料陶粒和工业陶粒等，如下图所示： 图2-1 建筑陶粒 图2-2 花卉陶粒 图2-3 滤料陶粒 图2-4 工业陶粒2.4.2常见陶粒粉煤灰陶粒 以固体废弃物为主要原料，加入一定量的胶结料和水，经加工成球，烧结烧胀或自然养护而成，粒径在5mm以上的轻粗集料。黏土陶粒 以黏土、亚黏土等为主要原料，经加工制粒，烧胀而成的，粒径在5mm以上的轻粗集料。页岩陶粒 以黏土质页岩、板岩等经破碎、筛分，或粉磨后成球，烧胀而成的粒径在5mm以上的轻粗集料为页岩陶粒。页岩陶粒按工艺方法分为：经破碎、筛分、烧胀而成的普通型页岩陶粒；经粉磨、成球、烧胀而成的圆球形页岩陶粒。垃圾陶粒是将城市生活垃圾处理后，经造粒、焙烧生产出烧结陶粒。或将垃圾烧渣加入水泥造粒，自然养护，生产出免烧垃圾陶粒。煤矸石陶粒 是将符合烧胀要求的煤矸石经破碎、预热、烧胀、冷却、分级、包装而生产制成。生物污泥陶粒 以生物污泥为主要原材料，采用烘干、磨碎、成球、烧结等步骤加工而成。2.4.3处理效果对有机物的去除：采用生物陶粒作为填料对有机物有一定的去除能力，胡江泳，方振东，王占生42对低温低浊微污染水源水进行生物净化技术研究，在进水COD为10-30mg/L，OC为3-8 mg/L，水温6.5本研究采用的河道底泥制成陶粒将借鉴高强陶粒的特性，提高比强度。该陶粒委托浙江某陶粒生产企业进行加工。其原料取自河道底泥和少量印染底泥，同时添加一些外加剂如铁粉，米糠（可以用此调节陶粒的表观颜色）。生产按以下步骤依次进行：将原材料置于堆场进行自然晒干（主要为降低生产成本），将水分控制在1%左右，当天气状况不佳或者风干时间不够时，在含水率降至10%以下后，采取人工烘干。原料通过传送装置经过电子配料秤，利用后者进行自动配料，所需原料的多少将根据所制陶粒的粒径、密度、孔隙率等特性进行设定。配定后的原料进入柱磨机进行研磨以细化，减小后续烧制的不均匀性，提高烧制效率。细化的原料进入预加水搅拌机进行加工前的预搅拌，陶粒加工工艺中加水量对烧制时水分的蒸发、残留量起着至关重要的作用，以水蒸气形式后在陶粒结构内部会形成小孔洞，进而影响出窑陶粒的孔隙率、密度等物理性状。为保证精确投加，采用计算机程序自动控制配水。本研究需要的改性陶粒具备粒径较为均匀、轮廓近似圆形的特点，因此需要在烧制前对原料进行成球处理。配水后的颗粒进入成球系统具体来说是成球盘和雾化喷水系统。成球盘主要控制陶粒的粒径大小，而雾化喷水系统则是二次配水，控制每颗生陶粒的含水率进而使烧制时内部水分蒸发更均匀。成球后原料颗粒进入预热窑进行预热，蒸发一部分水分。该窑的长度为24米，直径2.5米。经过预热后，生料进入焙烧窑开始烧制。焙烧窑分为预热段、高温焙烧段、出料段三部分。本改性陶粒要求具备较高的沉水性能，因此必须有足够高的温度将生料烧熟，烧制时控制温度在1170左右，达到最佳的效果和经济性间的平衡。而在焙烧窑中还添加一定的米糠作为外加剂，米糠的主要化学成分为碳、氢，在烧制时，与氧反应生成大量水蒸气和CO2，这两种气体会使生料内部发生膨胀，达到内部多孔的结构。同时比较传统添加剂，如煤会燃烧产生SO2有害气体，米糠具备很好的环保特性。根据米糠是否完全燃烧，陶粒的颜色有红褐色和黑色两种，本陶粒呈红褐色，为完全燃烧。在焙烧阶段结束后，陶粒加工的主体工艺完成，出料进入冷却段。冷却方式有多种，如自然冷却，水冷却等。冷却后，经过包装就成为成品，如烧制时级配区间取得较大，若要求某一粒径的陶粒，可采用机械或人工方法进行筛分。 图2-5 前往陶粒生产厂家参观 图2-6 根据所需粒径对陶粒进行筛选 图2-7 风干 图2-8 研磨细化 图2-9 高温烧制 图2-10 成品装袋2.5.3物理特性本研究采用的改性陶粒呈红褐色，外轮廓为圆形或椭圆形，表面粗糙多孔隙，如图2-11：图2-11 河道底泥制成陶粒通过敲击，打碎陶粒，观察其内部结构呈灰色，孔隙发达，如图2-12图2-12 颗粒内部结构通过物理检测，得到该陶粒的物理性质，如表3-2所示表3-2 陶粒的物理性质粒径（mm）堆积密度（g/cm3）颗粒密度（g/cm3）孔隙率（）4-50.8-1.051.33-1.7530-402.5.4化学成分主要化学成分为SiO2、Al2O3和熔剂，熔剂包括CaO、MgO、Fe2O3、FeO、K2O、Na2O等。此外在烧制过程中还有少量烧失量，其数量取决于原料淤泥、底泥中碳、硫等元素的含量。2.5.5陶粒填料用于微污染原水处理的可行性分析原水的污染程度较小，使整个反应器的有机负荷变得较低，同时也在SBBR反应器中设置反冲洗装置，因此无需担心污染物较多造成的反应器流道堵塞。这为级配较小的填料的使用提供了可能。试验使用的河道底泥制成陶粒表面较为粗糙，比表面积较大，作为SBBR工艺中的生物膜载体，较适合挂膜，为微生物的粘附生长提供了理想的环境。较为圆滑的外轮廓能减小水流的剪切力，使附着于之上的生物膜受破坏可能性下降。同时在一定曝气强度下，驯化生长形成的生物膜也具有较高的强度。较为均匀的粒径使布水、布气的均匀性也得到了保证。反应器与粒径之比也适中，避免了边壁效应的产生。适中的孔隙度既保证了填料的密度大于所处介质，使之具有良好的沉水性能，满足稳定运行及反冲洗的要求，同时也具有不错的吸附过滤性能。较高的比强度使该陶粒具备耐磨、耐蚀、耐挤压能特性，满足了生物处理周期长的要求。3试验装置的建立与研究的启动3.1筹备考虑实际操作性与样品代表性，选择合适的微污染原水取水点，结合处理的水量，购置必要的取水工具。根据水质情况，选择合适工艺，设定处理目标，设计反应器并完成加工。采购辅助设备如：水泵、气泵、转自流量计、电磁阀、时控开关、液位继电器、曝气头、水箱等。阅读大量中外文献，确定填料-生物陶粒的特性，选择合适的物理参数，联系制造商对陶粒进行加工改性。3.2处理工艺选择3.2.1工艺简介本研究反应装置采用序批式膜反应器（Sequencing Biofilm Batch Reactor，简称SBBR）。它是序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor，简称 SBR）与生物膜法的结合，即在SBR的基础上，在反应器中引入可附着生长生物的填料代替活性污泥，是