A-O生物接觸氧化工藝處理城市污水試驗(yàn)研究_圖文

1、A/O生物接觸氧化工藝處理城市污水試驗(yàn)研究 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文(學(xué)術(shù)學(xué)位學(xué)生姓名:陽琪琪指導(dǎo)教師:何強(qiáng)教授梁建軍博士專業(yè):市政工程學(xué)科門類:工學(xué)重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院二O一三年五月Study on Treatment of Municipal Sewage by A/O Biological ContactOxidation Process A Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theMasters Degree of EngineeringByY

2、ang QiqiSupervisor by Prof. He QiangDr. Liang JianjunSpecialty: Municipal EngineeringCollege of Urban Construction &Environmental Engineering of Chongqing University, Chongqing, ChinaMay 2013中文摘要摘要傳統(tǒng)生物接觸氧化工藝具有有機(jī)物去除效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行管理簡便等優(yōu)點(diǎn),但傳統(tǒng)工藝池體結(jié)構(gòu)單一、填料易板結(jié)、脫氮除磷能力低等問題限制了其發(fā)展應(yīng)用。本研究在借鑒缺氧/好氧(A/O生物脫氮除磷方法的基礎(chǔ)

3、上,采用懸浮活性生物填料,結(jié)合傳統(tǒng)活性污泥法與生物膜法的優(yōu)點(diǎn),開發(fā)了新型A/O生物接觸氧化反應(yīng)器,以達(dá)到高效低耗、投資省、易管理以及脫氮除磷的目的。該反應(yīng)器設(shè)計(jì)處理能力為4m3/d,以大渡口污水廠進(jìn)水為對象,研究其在不同水力負(fù)荷、回流比、氣水比以及溫度條件下對各項(xiàng)污染物指標(biāo)的去除效能,優(yōu)化運(yùn)行工況參數(shù),同時(shí)檢測缺氧池和好氧池內(nèi)附著及懸浮微生物的活性及種群特性,從生物學(xué)角度分析研究反應(yīng)器的特點(diǎn)和功能,以期推動該工藝的發(fā)展應(yīng)用。反應(yīng)器采用接種污泥法掛膜,15d后啟動成功,COD和NH4+-N去除率分別達(dá)到85%和90%以上,此時(shí)缺氧池(A段填料附著較厚墨黑色生物膜,鏡檢可見大面積菌膠團(tuán)、絲狀菌以及

4、少數(shù)鐘蟲、輪蟲等,填料MLSS為2300 mg/L,懸浮MLSS為400 mg/L;好氧池(O段填料上生物膜呈棕褐色,厚度約1mm,鏡檢可見大量鐘蟲、變形蟲、輪蟲、線蟲及絲狀菌等,微生物種群豐富,填料MLSS 為2600 mg/L,懸浮MLSS為600 mg/L。電鏡掃描結(jié)果顯示缺氧池和好氧池填料掛膜情況均較好,微生物與鏡檢結(jié)果吻合。水力負(fù)荷、氣水比、回流比、溫度等影響因素分析表明:水力負(fù)荷4m3/(m3·d,氣水比7:1,回流比100%,溫度2030為反應(yīng)器的較優(yōu)運(yùn)行工況,在該組合優(yōu)化工況下,系統(tǒng)對COD、NH4+-N、TN、TP、SS的平均去除率分別為85.9%,95.2%, 5

5、3.7%,77.4%,80.0%,出水水質(zhì)良好,穩(wěn)定達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002一級B排放標(biāo)準(zhǔn)。在運(yùn)行期間,系統(tǒng)曾遭到工業(yè)廢水的沖擊, 1周可恢復(fù)正常,系統(tǒng)具有較好的抗沖擊能力和恢復(fù)能力。微生物特性研究表明:缺氧池和好氧池內(nèi)微生物均以生物膜為主要存在形式,生物膜的活性大于懸浮微生物的活性,且好氧池微生物活性高于缺氧池。缺氧池生物膜和懸浮微生物的COD降解速率分別為141.6 (mg·g -1/h和58.8 (mg·g 1/h, NO3-N降解速率分別為29.6 (mg·g -1/h和11.4 (mg·g -1/h,說明生物膜

6、具有較好的反硝化能力。好氧池生物膜和懸浮微生物的比耗氧速率(SOUR測定值分別為27.22 mgO2/VSS·h和16.05 mgO2/VSS·h,可見生物膜上微生物代謝速度快,有機(jī)物降解能力強(qiáng)。DGGE分析可知,與接種污泥相比,缺氧池和好氧池中不同部位以及生物膜不同時(shí)期,細(xì)菌的種類和優(yōu)勢菌群均發(fā)生顯著變化,說明系統(tǒng)對接種污泥以及進(jìn)水(生活污水中的不同微生物進(jìn)行馴化,使得適應(yīng)該環(huán)境的微生物不斷富集,進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定的處理效能。其中缺氧池生物膜和泥斗底泥中的微生物對缺氧池的反硝化和厭氧釋磷作用具有較大貢獻(xiàn);而好氧池在生物膜、懸浮污泥和泥斗底泥三者的協(xié)同作用下,表現(xiàn)出較高的有機(jī)物降

7、解能力和硝化能力。關(guān)鍵詞:A/O生物接觸氧化,生物膜,回流比,氣水比,脫氮除磷ABSTRACTThe traditional bio-contact oxidation technique has the advantages of high organic removal ratio, high adaptability, easy operation and control. But its application is limited by its rigid sink structure, tendency of membrane to harden, low capability i

8、n nitrogen and phosphorus removal. In this research we developed A/O bio-contact oxidation reactor based on the classic Anoxic/ Aerobic nitrogen and phosphorus removal, by using innovative suspended packing bioreactor incorporating traditional activated sludge and bio-film method. This more manageab

9、le improvement increased the efficiency, nitrogen/ phosphorus removal, reduced the energy consumption and investment.The designed capacity of A/O bio-contact oxidation reactor is 4 m3/d. This research analyzed the inflow of Dadukou wastewater treatment plant, focusing on the removal efficiency of ev

10、ery measure under various hydraulic loadings, reflux ratios, gas-water ratios and temperatures, exploring optimized parameter in operation, analyzing microbial activity in suspended packing of both anoxic and aerobic tank in order to further study the feature and function of this reactor and promote

11、 the development and application of this technology.This reactor started up with granular sludge inoculation. Successfully started-up in 15 days, the reactor had the removal ratio more than 85% in COD and 90% in ammonium separately. At this time the anoxic zone (A zone was attached with ash black bi

12、ofilm, massive anaerobion, amphimicrobe and some metazoans were observed under microscope, with packing MLSS of 2300 mg/L, and suspended MLSS of 400 mg/L; The aerobic zone (O zone was attached with a 1 mm sepia biofilm, abundant metazoans such as vorticella and rotifer were observed under microscope

13、, with packing MLSS of 2600 mg/L, and suspended MLSS of 600 mg/L. Under electron microscope both A and O zone had good sludge inoculation which was matched with microscope results.After the univariate analysis of hydraulic loading, gas-water ratio, reflux ratio and temperature which can affect the w

14、astewater treatment efficiency, the result showed that with hydraulic loading of 4m3/(m3·d, temperature of 20 to 30 , gas/water ratio of 7:1, reflux ratio of 100%, the reactor had a more optimized operating condition. Under this condition, the average removal ratio of COD, NH4+-N, TN, TP and SS

15、 are 85.9%,95.2%, 53.7%, 77.4%, 80.0% separately. The outflow quality was steady and reached level I B standard of Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant(GB18918-2002. During the operation, the system encountered the industrial wastewater and operated normally afte

16、r a week. This indicates that this system has good impact resistance and recovery capability.Microbiological characteristic analysis revealed that the majority of microorganisms in A zone and O zone were existed as biofilms. Biofilm was more microbial activated than suspended microorganisms, and O z

17、one was more microbial activated than A zone. In A zone, the COD degradation rate was 141.6 (mg·g -1/h and 58.8 (mg·g -1/h in biofilm and suspended microorganism separately, NO3-N decay rate was 29.6 (mg·g-1/h and 11.4 (mg·g-1/h separately. In O zone, the specific oxygen uptake r

18、ate (SOUR in biofilm and suspended suspended microorganism was 27.22 mgO2/VSS·h and 16.05 mgO2/VSS·h separately. From DGGE analysis, in different areas of anoxic tank and different time periods of biofilm, there were significant changes in bacterial species and dominant bacterial community

19、 in comparison with inoculated sludge. Biofilm and bottom sludge in anoxic tank had larger contribution to the denitrification and anaerobic phosphorus release; and the aerobic tank showed higher organics degradation and nitrification ability under the function of biofilm, suspended sludge and botto

20、m sludge.Keywords: A/O Bio-Contact Oxidation, Biofilm, Reflux Ratio,Gas Water Ratio, Denitrification and Phosphorus Removal目錄中文摘要. I 英文摘要. III 1 緒論. (11.1 生物接觸氧化工藝發(fā)展歷程 (11.2 生物接觸氧化工藝特點(diǎn) (21.3 生物接觸氧化工藝國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 (21.3.1 生物接觸氧化工藝技術(shù)的研究現(xiàn)狀 (31.3.2 生物接觸氧化工藝脫氮除磷的研究現(xiàn)狀 (41.3.3 生物接觸氧化工藝設(shè)備材料的研究現(xiàn)狀 (51.4 國內(nèi)生物接觸氧化工藝應(yīng)

21、用現(xiàn)狀調(diào)查及分析 (101.4.1 國內(nèi)生物接觸氧化工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀 (101.4.2 國內(nèi)生物接觸氧化工藝的調(diào)查分析 (121.5 生物接觸氧化工藝應(yīng)用中存在的問題 (131.6 研究目的及內(nèi)容 (141.6.1 研究目的 (141.6.2 研究內(nèi)容 (141.6.3 課題來源 (142 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與啟動 (152.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì) (152.1.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)思路 (152.1.2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)參數(shù) (152.1.3 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)及尺寸 (172.1.4 填料及附屬設(shè)備 (182.1.5 試驗(yàn)流程 (192.2 試驗(yàn)運(yùn)行條件 (202.2.1 試驗(yàn)場地及進(jìn)水水質(zhì) (202.2.2 試驗(yàn)分

22、析項(xiàng)目及方法 (212.3 試驗(yàn)裝置啟動 (222.3.1 掛膜啟動方式 (222.3.2 掛膜啟動結(jié)果討論 (232.4 本章小結(jié) (263 A/O生物接觸氧化工藝運(yùn)行效能分析 (273.1 水力負(fù)荷對反應(yīng)器運(yùn)行效能的影響 (273.1.1 水力負(fù)荷對COD去除率的影響 (273.1.2 水力負(fù)荷對NH4+-N去除率的影響 (283.1.3 水力負(fù)荷對TN去除率的影響 (293.1.4 水力負(fù)荷對TP去除率的影響 (303.1.5 水力負(fù)荷對SS去除率的影響 (303.2 回流比對反應(yīng)器運(yùn)行效能的影響 (313.2.1 回流比對COD去除率的影響 (313.2.2 回流比對NH4+-N去除率

23、的影響 (323.2.3 回流比對TN去除率的影響 (333.2.4 回流比對TP去除率的影響 (343.2.5 回流比對SS去除率的影響 (353.3 氣水比對反應(yīng)器運(yùn)行效能的影響 (363.3.1 氣水比對COD去除率的影響 (363.3.2 氣水比對NH4+-N去除率的影響 (373.3.3 氣水比對TN去除率的影響 (383.3.4 氣水比對TP去除率的影響 (393.3.5 氣水比對SS去除率的影響 (393.4 溫度對反應(yīng)器運(yùn)行效能的影響 (403.4.1 溫度對COD去除率的影響 (413.4.2 溫度對NH4+-N去除率的影響 (423.4.3 溫度對TN去除率的影響 (423

24、.4.4 溫度對TP去除率的影響 (433.4.5 溫度對SS去除率的影響 (443.5 組合優(yōu)化工況下反應(yīng)器運(yùn)行效能分析 (453.5.1 反應(yīng)器去除COD的運(yùn)行效果 (453.5.2 反應(yīng)器去除NH4+-N的運(yùn)行效果 (453.5.3 反應(yīng)器去除TN的運(yùn)行效果 (463.5.4 反應(yīng)器去除TP的運(yùn)行效果 (473.5.5 反應(yīng)器去除SS的運(yùn)行效果 (483.6 本章小結(jié) (494 A/O生物接觸氧化反應(yīng)器中微生物特性研究 (514.1 微生物特性參數(shù)及分析方法 (514.1.1 生物膜量及揮發(fā)性生物膜量 (514.1.2 懸浮污泥濃度 (524.1.3 比耗氧速率 (524.1.4 COD

25、降解速率和硝氮降解速率 (534.1.5 微生物種群結(jié)構(gòu)研究 (534.2 缺氧池生物膜和懸浮微生物特性研究結(jié)果 (544.2.1 生物量特性研究結(jié)果 (544.2.2 生物活性特性研究結(jié)果 (564.2.3 微生物種群特性研究結(jié)果 (574.3 好氧池生物膜和懸浮微生物特性研究結(jié)果 (624.3.1 生物量特性研究結(jié)果 (624.3.2 生物活性特性研究結(jié)果 (634.3.3 微生物種群特性研究結(jié)果 (644.4 本章小結(jié) (675 結(jié)論和建議 (695.1 結(jié)論 (695.2 建議 (70致謝 (71參考文獻(xiàn) (73附錄 (771 緒論1.1 生物接觸氧化工藝發(fā)展歷程生物接觸氧化法(Bio

26、logical contact oxidation,簡稱BCO屬于好氧生物膜法的一種,是在生物濾池基礎(chǔ)上,通過接觸曝氣方式改良、演變而來,因此又稱為“浸沒式濾池法”、“接觸曝氣法”和“淹沒式生物膜法”等。該工藝將生物濾池和活性污泥法有機(jī)結(jié)合起來,同時(shí)兼顧兩者優(yōu)點(diǎn),是一種高效能的生物處理技術(shù)。其技術(shù)實(shí)質(zhì)是在池內(nèi)充填填料,污水以一定的流速流經(jīng)填料,并向池內(nèi)供氧。在填料上布滿生物膜,污水與生物膜充分接觸,生物膜上的微生物通過新陳代謝作用,將污水中的有機(jī)物去除,使污水得到進(jìn)化。典型的工藝由氧化池(床或生物反應(yīng)器、填料(載體、布水裝置和曝氣系統(tǒng)四部分組成1。19世紀(jì)末韋林(Waring、迪特(Ditte

27、r等人首先提出生物接觸氧化法的概念,并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究,1912年克洛斯(Closs獲得德國專利登記2。之后德國的貝奇(Bach和美國的布斯維爾(Buswell最先將生物接觸氧化法運(yùn)用到工程實(shí)踐中3,分別建立了埃姆興(Emscher和阿爾巴納(Albana污水處理廠。20世紀(jì)20年代,美國和德國將“接觸曝氣法”列為了正規(guī)的污水處理方法,到50年代初,該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于小型污水處理廠中,在美國有60多個城市污水廠使用該技術(shù)進(jìn)行市政污水處理。但由于受到當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制,填料性能較差,易脫落堵塞、池內(nèi)布水布?xì)獠痪鶆?無法實(shí)現(xiàn)較好的處理效果,該方法在50年代后期有被活性污泥法取代的趨勢。直到20世

28、紀(jì)70年代,發(fā)達(dá)國家由于水源污染加劇,采用管式生物接觸氧化進(jìn)行受污染水源的好氧處理在日本取得突破性成功,管式蜂窩接觸氧化法逐漸應(yīng)用于日本的水源水預(yù)處理和污廢水的二級、三級處理,隨后接觸氧化法列入日本小型廢水處理首先推薦處理工藝,并頒布了構(gòu)造準(zhǔn)則,將接觸氧化法規(guī)范化和系列化。20世紀(jì)80年代初,接觸氧化技術(shù)在歐美、日本等國又一次流行,并進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究,內(nèi)容更加全面深入,各國對接觸氧化技術(shù)的研究和應(yīng)用又達(dá)到了一個新水平,接觸氧化技術(shù)聯(lián)合活性污泥法去除N、P的應(yīng)用研究也取得了較大的成果。到20世紀(jì)90年代,應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓寬,除了用于生活污水和工業(yè)廢水的處理外,還應(yīng)用于微污染源水的預(yù)處理。我國在7

29、0年代也對生物接觸氧化技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用研究,并取得了一定的研究成果。20世紀(jì)80年代中期以來,接觸氧化技術(shù)結(jié)合厭氧處理已成為國內(nèi)高濃度難降解有機(jī)廢水處理的最佳工藝。1.2 生物接觸氧化工藝特點(diǎn)生物接觸氧化工藝兼具活性污泥法與生物膜法的優(yōu)點(diǎn)4,其在城市污水的處理中有著以下特點(diǎn):生物量大,生物膜活性高生物接觸氧化法是利用固著在填料上的生物膜,吸附和網(wǎng)捕水中的有機(jī)污染物,并加以氧化分解,使污水得到凈化。由于填料具有較高的比表面積,因此可附著的生物量大,一般接觸氧化池中單位體積內(nèi)水中和填料上的微生物濃度可達(dá)1020g/L,是活性污泥法的污泥濃度的510倍;同時(shí)由于填料孔隙率大,營養(yǎng)物、氧的供應(yīng)、代謝產(chǎn)物

30、的進(jìn)出等較為通暢,增強(qiáng)了傳質(zhì)效果,提高生物代謝速度,加之曝氣形成水流紊動,對生物膜起到擾動作用,加快了生物膜的更新脫落,使得生物膜能保持高的活性和較高的生化反應(yīng)速率。處理時(shí)間短,處理效能高一般研究表明,活性污泥法體積負(fù)荷(以BOD5計(jì)通常為1.0kg/( m3·d,需要曝氣時(shí)間為48h;而接觸氧化法填料上微生物濃度高,填料的體積負(fù)荷可達(dá)3.05.0kg/( m3·d,曝氣時(shí)間一般只需要0.51.5h,大大縮短了處理時(shí)間,因此同樣體積的設(shè)備,可有效提高污水處理能力,使得污水處理工藝向高效和節(jié)省占地的方向發(fā)展。動力消耗低接觸氧化池內(nèi)由于填料的存在,能夠起到切割氣泡、增加紊動作用

31、的效果,增大了氧的傳遞系數(shù),同時(shí)沒有污泥回流,電耗下降,因此較普通活性污泥法可節(jié)省30%的動力?？箾_擊負(fù)荷能力好,出水水質(zhì)穩(wěn)定生物接觸氧化法對沖擊負(fù)荷有較強(qiáng)的適應(yīng)能力,在間隙運(yùn)行條件下,仍能保持良好的處理效果;在進(jìn)水濃度短期突變時(shí),出水水質(zhì)可保持穩(wěn)定;在有毒物質(zhì)和PH值變化的沖擊下,生物膜受影響小,恢復(fù)速度也很快。接觸氧化和接觸沉淀池工藝應(yīng)用于城市污水處理中,出水BOD5可達(dá)到512mg/L,SS在20mg/L左右,經(jīng)處理,出水完全可以回用工業(yè)。1.3 生物接觸氧化工藝國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近20余年來,生物接觸氧化技術(shù)在國內(nèi)外都得到了廣泛而深入的研究與應(yīng)用,研究領(lǐng)域涉及新型反應(yīng)器開發(fā)及工藝改良、脫氮

32、除磷深度處理的研究、填料選材開發(fā)、氧傳遞機(jī)理及新型曝氣設(shè)備研發(fā)、微生物選育和掛膜等多方面5,6。隨著工藝技術(shù)的逐漸成熟,應(yīng)用領(lǐng)域也更加廣泛,除了用于生活污水處理外,還被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)廢水以及一些微污染源水的處理。1.3.1 生物接觸氧化工藝技術(shù)的研究現(xiàn)狀生物接觸氧化技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展成為一種技術(shù)成熟、效果良好的水處理技術(shù)。但隨著人們生活水平的提高,污水中各種有機(jī)物及N、P等含量日漸增加,僅靠傳統(tǒng)的接觸氧化技術(shù)處理污水,已無法適應(yīng)越來越高的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和人們的需求。因此,為進(jìn)一步強(qiáng)化工藝的處理效能,生物接觸氧化技術(shù)也在原來的基礎(chǔ)上有了新的發(fā)展,工藝不斷創(chuàng)新,應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。如結(jié)合了SBR法和生物接觸氧

33、化法的膜法SBR(BSBR、結(jié)合了活性污泥法和生物接觸氧化法的復(fù)合式接觸氧化法以及利用排水溝渠的溝渠式接觸氧化法等7。膜法SBR(BSBR膜法SBR(sequence batch reactor是將SBR法與接觸氧化法相結(jié)合的一種新型生物膜法處理工藝,常應(yīng)用于高濃度有機(jī)廢水的處理。研究表明,在皮革廢水處理中,運(yùn)行周期比SBR法短,CODcr去除率高,降解速度快,投產(chǎn)期短,啟動快,投資少,能耗低,既適合皮革廢水,也可推廣于其他廢水8。該方法在屠宰廢水處理試驗(yàn)中采用也取得了良好的效果,出水達(dá)到了國家規(guī)定的二級處理標(biāo)準(zhǔn)9。采用彈性立體填料生物膜SBR工藝,處理印染廢水也取得了良好效果。生產(chǎn)裝置的啟動

34、時(shí)間是活性污泥SBR法的一半,沖擊負(fù)荷的承受能力明顯優(yōu)于普通SBR池,膜法SBR在3個運(yùn)行周期后恢復(fù)原有處理能力,而普通SBR池污泥上浮后,經(jīng)1周培養(yǎng)后才恢復(fù)處理能力。膜法SBR還具有更高的脫氮除磷能力?？傊し⊿BR具有工藝簡單,效率較高,投資和占地小,承受沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),值得推廣應(yīng)用。尤其在含高色度的印染廢水處理中,經(jīng)厭氧-兼氧-好氧交替運(yùn)行,脫色效果明顯,不經(jīng)加藥色度即可達(dá)標(biāo)。根據(jù)小試,膜法SBR工藝還適合皮革、醫(yī)藥、造紙等含難降解有機(jī)物的高濃度有機(jī)廢水處理。由于膜法SBR具備生物膜法和SBR法的雙重特點(diǎn),使它具有更廣泛的適應(yīng)性。復(fù)合式接觸氧化法將活性污泥法與接觸氧化法相結(jié)合,形成

35、復(fù)合式生物反應(yīng)器。復(fù)合系統(tǒng)可以由活性污泥法曝氣池中投加填料,或由接觸氧化法的二沉池污泥回流來形成復(fù)合生物反應(yīng)器。由于活性污泥法中填料的介入,或者是接觸氧化法中有污泥的回流,兩種方式均為微生物提供了更加有利的生存環(huán)境,附著和懸浮生長的微生物協(xié)作完成對污染物的降解過程,其中附著生長微生物占多數(shù),兩相之間的可轉(zhuǎn)化性增強(qiáng)了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機(jī)制,使復(fù)合系統(tǒng)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性,系統(tǒng)的復(fù)雜生態(tài)結(jié)構(gòu)使其具備了較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。通過生長在生物膜中豐富的微生物種群的降解作用,可以有效去除有機(jī)物和氮。在反應(yīng)器內(nèi)沿著水流到載體的方向,構(gòu)成一個懸浮好氧型、附著好氧型、附著兼氧型和附著厭氧型的多種不同活動能力、呼吸類

36、型、營養(yǎng)類型的微生物系統(tǒng)。微生物之間形成了互相聯(lián)系、互相制約的動態(tài)平衡體系。對污染物的去除由多種微生物協(xié)作完成。在反應(yīng)器內(nèi)特定的微環(huán)境中會形成特定的優(yōu)勢菌種,從而增強(qiáng)了反應(yīng)器的處理能力和適應(yīng)性。由于厭氧和缺氧微環(huán)境的存在,系統(tǒng)內(nèi)存在同步硝化現(xiàn)象,聚磷菌的厭氧釋磷和好氧攝磷過程也同時(shí)存在,因此復(fù)合系統(tǒng)在去除有機(jī)物的同時(shí)兼具脫氮除磷功效10。溝渠式接觸氧化法溝渠式(也有稱溪流式接觸氧化法,利用排水溝和排放渠道設(shè)置填料,由大氣表面復(fù)氧,省略了接觸氧化池和曝氣供氧設(shè)備,可對污水進(jìn)行有效的處理,該法在某些有條件的地方有它的實(shí)用價(jià)值11。1.3.2 生物接觸氧化工藝脫氮除磷的研究現(xiàn)狀隨著世界各國對富營養(yǎng)化

37、現(xiàn)象的關(guān)注,對N、P去除的日益重視,對采用接觸氧化技術(shù)去除N、P的應(yīng)用研究取得了較大的成果,研究表明,接觸氧化法與活性污泥法的直接聯(lián)合對N、P的去除有著較好的效果。接觸氧化法與活性污泥法直接聯(lián)合,在曝氣池中投加懸浮載體或設(shè)置固定載體,形成復(fù)合反應(yīng)器,可使反應(yīng)器的污泥濃度增加,反應(yīng)器的總污染物處理能力提高。當(dāng)負(fù)荷較低時(shí),反應(yīng)器內(nèi)兩種污泥(生物膜污泥和活性污泥活性相近。當(dāng)負(fù)荷提高時(shí),污泥總好氧活性提高,但由于年齡降低,懸浮相污泥中硝化菌流失,硝化活性降低;而復(fù)合反應(yīng)器懸浮載體上形成污泥齡較長的小環(huán)境,附著相污泥中硝化菌能夠良好生長,硝化活性提高。復(fù)合反應(yīng)器多孔載體內(nèi)部既有懸浮相污泥又有附著相污泥,

38、污泥濃度相對較高,因此更易形成厭氧或缺氧環(huán)境,使得污泥具有良好的反硝化活性12。在某染料廠的酞菁蘭生產(chǎn)廢水中采用有污泥回流的A/O二段接觸氧化法(一段為固定填料,二段為懸浮填料,污泥由二沉池中回流到懸浮填料的反應(yīng)器中,即在第二段中,既有生物膜法也有活性污泥法的復(fù)合生物反應(yīng)器,對氨氮和COD cr進(jìn)行了有效的處理13。在對煤氣廢水處理的對比試驗(yàn)中,分別采用了活性污泥法與半軟性填料的接觸氧化法各自組成的A/O系統(tǒng),其結(jié)果表明接觸氧化系統(tǒng)比活性污泥系統(tǒng)的總水力停留時(shí)間短,污染物去除率高。這是由于接觸氧化系統(tǒng)的硝化菌和反硝化菌分別被填料固定在好氧池和厭氧池中,處于各自的穩(wěn)定生長狀態(tài),分別形成了優(yōu)勢菌種

39、;而活性污泥法由于系統(tǒng)單一,硝化菌和反硝化菌交替處于被抑制狀態(tài),無法良好發(fā)揮作用。相比而言,接觸氧化法更適合世代時(shí)間較長的硝化菌生長,在脫氮方面可以作為優(yōu)先選用工藝。除脫氮以外,接觸氧化技術(shù)在除磷方面的研究也取得了較大的進(jìn)展。2001年,李軍等人對軟性填料載體的接觸氧化法,進(jìn)行了序批法除磷和脫氮試驗(yàn),研究也證明了生物接觸氧化法具有較好的除磷效果,且COD cr負(fù)荷愈高,除磷速度愈快。研究表明,該工藝還可同時(shí)去除56%的總氮,由于NO-X可影響磷的釋放,其在缺氧段仍能繼續(xù)進(jìn)行生物吸磷,只是吸磷速度較好氧狀態(tài)時(shí)明顯降低,僅為其1/6。由此可見,若在該工藝加上缺氧段并控制合適的C/N ,可望實(shí)現(xiàn)同步

40、脫氮除磷 14。基于接觸氧化法和活性污泥相結(jié)合的除磷脫氮原理,通過工藝改良,可將硝化菌和反硝化菌分別放置在好氧和缺氧的裝置內(nèi),讓含氮液體在好氧和缺氧之間循環(huán),使硝化菌和反硝化菌分別在各自的最佳環(huán)境中充分發(fā)揮作用,同時(shí)除磷菌在厭氧和好氧之間循環(huán)以完成磷的釋放和超量吸收,達(dá)到有效去除氮磷和有機(jī)物的目的。有研究表明,生物膜與活性污泥結(jié)合工藝將常規(guī)生物脫氮除磷工藝中存在的相互影響和制約的因素分解,能夠同時(shí)有效地從污水中去除氮、磷和有機(jī)物。氨氮去除率達(dá)99%以上,總氮、總磷和COD 的去除分別達(dá)到85%、95%和95%。當(dāng)厭氧段與好氧段污泥量比為1 1時(shí),硝化和除磷效率可同時(shí)達(dá)到最大15。1.3.3 生

41、物接觸氧化工藝設(shè)備材料的研究現(xiàn)狀 新型填料的研究和開發(fā)填料是生物膜賴以棲息的場所,是生物膜的載體,對反應(yīng)池中生物固體量、氧利用率、水流條件和廢水與生物的接觸情況等起著重要的作用,是影響生物接觸氧化工藝處理效果的重要因素。按安裝方法,生物填料大致可分為固定式、懸掛式和分散式等幾種類型。1固定式填料固定式填料主要有蜂窩填料和波紋板狀填料等,見圖1.1。蜂窩填料空隙率大,充填材料質(zhì)輕.韌性強(qiáng),長期使用不會變質(zhì),穩(wěn)定性好,但比表面積小,生物膜量少,且表面光滑,生物膜易脫落,容易堵塞。波紋板填料以法國的“CLoisonyLe”填料和英國的“FLocor”填科為代表16。這類填料結(jié)構(gòu)類似于蜂 窩填料,孔徑

42、較大、不易堵塞,流程長、處理效率高,且安裝運(yùn)輸方便,但也存在通道內(nèi)水流不均、充氧性能差、生物膜生長代謝緩慢等缺陷。2懸掛式填料懸掛式填料開發(fā)于20世紀(jì)7080年代,常見的懸掛式填料有軟性填料、半軟性填料、組合填料和彈性填料等幾類。a. 軟性填料的主要代表是軟性纖維填料。其基本構(gòu)造是在一根中心繩上扎系軟性纖維束,其空隙可變性有效地減少了堵塞現(xiàn)象的發(fā)生,較好地克服了蜂窩填料的弊端,并且擁有數(shù)量眾多的纖維絲,理論比表面積大可達(dá)2470m 2/m 3,但安裝圖1.1 常見固定式填料 Fig. 1.1 Several fixed filler時(shí)需將中心繩固定在輔助支架上,增加池體內(nèi)部結(jié)構(gòu),并且纖維束容易

43、結(jié)團(tuán),且易發(fā)生斷絲、中心繩斷裂等情況,影響其使用壽命(使用壽命一般為12 年,特別是處理高濃度有機(jī)廢水時(shí),纏結(jié)在一起的纖維中心很容易厭氧,大大縮短了使用時(shí)間。常見的軟性填料見圖1.2。b. 半軟性填料的出現(xiàn)主要是為了彌補(bǔ)硬性填料的易堵和軟性填料的纏結(jié)和斷絲兩方面不足,見圖1.3。半軟性填料的理論比表面積比軟性填料小得多,表面光滑,微生物附著性能相對較差,造價(jià)亦比軟性填料高,但其使用壽命比較長。 圖1.2 軟性填料圖1.3 半軟性填料Fig.1.2 Soft filler Fig.1.3 Semi-soft filterc. 組合填料中的代表是盾式組合填料,見圖1.4,這種填料既利用了軟性纖維填

44、料中醛化維綸纖維具有耐酸堿、耐老化、耐生物降解的化學(xué)性能和比表面積大、重量輕、生物膜附著性能好等物理特征,又發(fā)揮了半軟性填料的不結(jié)團(tuán)、氣水再分布能力強(qiáng)、氧傳質(zhì)效率高的優(yōu)點(diǎn)17,18。d. 彈性填料比半軟性填料更富剛?cè)岵⒓?其第 1 代結(jié)構(gòu)呈瓶刷狀(見下圖1.5;其第2 代呈片狀,且剖面呈X形燕尾狀,彈性絲隨中心扣周邊放射,該填料具有更大的空隙率、更高的氣泡切割能力;可提高氧利用率,是一種節(jié)能型的彈性立體填料。 圖1.4 組合填料圖1.5 彈性立體填料Fig.1.4 Combined packing Fig.1.5 Elastic packings2分散式填料分散式填料又稱懸浮型填料,主要是針對

45、上述填料等在使用中常遇到堵塞、結(jié)團(tuán)、布?xì)獠妓痪鶆虻葐栴}而開發(fā)的,主要有環(huán)狀懸浮填料、柱狀填料、球形填料、組合懸浮填料以及聚氨酯懸浮填料等幾類。懸浮填料比重接近于水,直接投加,無需固定支架,可隨曝氣攪拌懸浮于水中并實(shí)現(xiàn)全池均勻流化,能耗較低19。目前,研究者們正在研發(fā)特殊木料、丙綸無紡布等不同材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、大小、形狀的這類填料應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域20-23。英國SIMONHARTLEY公司的CAPTOR填料24以及德國LINDE公司的LINPOR填料25,在工程上都已獲得成功應(yīng)用。a. 環(huán)狀懸浮填料因其外觀為環(huán)狀或半環(huán)狀而得名,目前市場上的主流環(huán)狀填料主要由聚烯烴類材質(zhì)制成。具有比表面積利用率高、

46、氣液分布性能好、分散效率高、操作彈性大等優(yōu)點(diǎn),其典型制品如圖 1.6 所示。 圖1.6 環(huán)狀懸浮填料Fig.1.6 Ring suspended fillerb. 柱狀懸浮填料以聚丙烯、聚乙烯以及再生塑料等為原料制成,柱體外表面可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)為平面、凹凸面、波紋狀、帶小刺的面(圖 1.7。具有外形美觀、掛膜容易、良好的通氣性和過水性、填料內(nèi)部不易堵塞或結(jié)團(tuán)等優(yōu)點(diǎn)。填料上生物膜更新速度快,生物活性高。c. 多面空心球外觀呈球形, 在球中部沿整個周長有一條加固環(huán),在環(huán)的上、下部各有一定數(shù)量的球瓣(一般為12 個,沿中心軸呈放射形布置(圖1.8。多面空心球具有葉片大、比表面積大、氣液分布均勻等優(yōu)

47、點(diǎn)。 圖1.7 柱狀懸浮填料圖1.8 球型懸浮填料Fig.1.7 Columnar suspended filler Fig.1.8 Ball suspended fillerd. 組合懸浮填料,又稱多孔旋轉(zhuǎn)球型填料(圖1.9,是目前國內(nèi)污水處理生物膜法新開發(fā)出的一種填料產(chǎn)品,由聚丙烯材料注塑而成,分內(nèi)外雙層球體,外部為中空漁網(wǎng)狀球體,內(nèi)部為旋轉(zhuǎn)性球體,主要起生物膜載體的作用,同時(shí)兼有截留懸浮物的作用,具有、比表面積大、生物附著力強(qiáng)、掛膜快、生物膜易脫落、不受水流影響等優(yōu)點(diǎn)。 圖1.9 組合懸浮填料Fig.1.9 Combination of suspended packinge. 聚氨酯生物

48、填料(圖1.10是由高分子合成親水性聚氨酯材料經(jīng)過氧氣、氫氣雙重爆炸而成,孔徑27mm ,相互貫通,同時(shí)還具有切割氣泡能力強(qiáng), 空間體積利用率大、無死區(qū)等特點(diǎn)。部分研究發(fā)現(xiàn),該填料可在單個生物載體的外表面實(shí)現(xiàn)亞硝化反應(yīng),內(nèi)部實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽的反硝化。目前主要應(yīng)用于高濃度有機(jī)廢水、煉油廢水、日用化工廢水、醫(yī)藥廢水及城鎮(zhèn)生活污水的脫氮除磷等。懸浮填料安裝靈活,同時(shí)具有充氧性能好,掛膜快,掛膜量多,生物膜更新性能好,壽命長等優(yōu)點(diǎn),已越來越被廣泛應(yīng)用,但其造價(jià)較其他填料較貴。填料作為微生物生長的載體,其結(jié)構(gòu)性能和表面性質(zhì)的優(yōu)劣直接影響了生物膜的形成和生長,進(jìn)而控制反應(yīng)器的處理效果,因此新型填料的開發(fā)是生物

49、接觸氧化工藝得以進(jìn)一步推廣應(yīng)用需要攻克的難題之一。 新型曝氣設(shè)備對生物接觸氧化他的供氣是通過曝氣充氧設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的,曝氣充氧設(shè)備的性能不僅影響污水生物處理的效果,而且關(guān)系到處理設(shè)施的投資、電耗和運(yùn)行費(fèi)用。因此,近年來由于能源日趨緊張,對曝氣充氧設(shè)備的改進(jìn)與研制成為人們關(guān)心的問題。在新型優(yōu)質(zhì)填料開發(fā)研制的同時(shí),國內(nèi)外研究者也致力于開發(fā)高效低耗、防圖1.10 聚氨酯懸浮填料 Fig.1.10 Pu suspended filler堵塞、造價(jià)低廉的曝氣充氧設(shè)備。水處理中常用到的曝氣設(shè)備可分為表面曝氣設(shè)備、鼓風(fēng)曝氣設(shè)備、水下曝氣設(shè)備、純氧曝氣設(shè)備和深井曝氣設(shè)備等幾類。其中表面曝氣設(shè)備的原理是通過曝氣機(jī)在

50、水體表面旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生水躍,把大量水滴和片狀水體拋向空中,水與空氣充分接觸,使氧氣很快融入水體。充氧的同時(shí),在曝氣機(jī)轉(zhuǎn)動的推流作用下,將池底層含氧量少的水體升向上環(huán)流,不斷充養(yǎng)。鼓風(fēng)曝氣設(shè)備的原理是使用具有一定風(fēng)量和壓力的曝氣風(fēng)機(jī)利用連接輸送管道,將空氣通過擴(kuò)散曝氣器強(qiáng)制加入液體中,使池內(nèi)液體與空氣充分接觸。水下曝氣設(shè)備是在水體底層或中層沖入空氣,與水體充分混合,完成氧的氣相到液相轉(zhuǎn)移,并具有攪拌的作用。純氧曝氣設(shè)備則是利用純氧代替空氣進(jìn)行曝氣。生物接觸氧化技術(shù)中常用到的是鼓風(fēng)曝氣設(shè)備和水下曝氣設(shè)備。目前常用的鼓風(fēng)曝氣設(shè)備有穿孔管、曝氣頭子、散流曝氣器和微孔曝氣器等設(shè)備26(圖1.11。 圖1.1

51、1 幾種常見的曝氣設(shè)備Fig. 1.11 Several common aeration equipment1穿孔管曝氣方式簡單易行,孔眼直徑為46mm,孔口速度為5l0m/s,采用大阻力系統(tǒng),布?xì)獗容^均勻,安裝方便,投資省;該方式屬于大中氣泡型,氧利用率不高,一般為67%,且孔口易于堵塞。2曝氣頭子是國外首先開發(fā)的曝氣器,由聚丙烯制成,運(yùn)行阻力小,對氣泡具有兩次切割作用,因而氣水混合作用好,氧利用率較高,且結(jié)構(gòu)簡單,不產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象。但所產(chǎn)生氣泡較大,一次投資較高。3散流曝氣器國內(nèi)近年研制的一種新型曝氣器,這種曝氣器布?xì)饩鶆?流態(tài)好,具有較高的氧利用率及動力效率,且構(gòu)造簡單,安裝方便,耐腐蝕,

52、目前在我國生物接觸氧化領(lǐng)域運(yùn)用廣泛。4微孔曝氣器是國內(nèi)單位在參考國外同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上最新開發(fā)和廣為應(yīng)用的一種新型曝氣器,這種曝氣器大大地提高了氧氣利用率,進(jìn)一步降低了能耗,但由于材料以及加工制造的原因,微孔曝氣器的價(jià)格較高,尚未在接觸氧化工藝中得到普及。近年來,國內(nèi)一些單位在微孔曝氣的薄壁原理、狹縫氣孔原理和可變孔原理的基礎(chǔ)上,又相繼開發(fā)了可變孔曝氣軟管、螺旋孔曝氣軟管等新型曝氣設(shè)備,克服了曝氣不均勻的問題,同時(shí)也避免了空氣不到之處的填料的局部堵塞,產(chǎn)品價(jià)格也低于其他微孔曝氣器。水下曝氣器則是另一種曝氣設(shè)備,可直接放置于填料下,省去了布?xì)夤苈?避免了風(fēng)機(jī)的噪聲污染,但其在維修上不如鼓風(fēng)曝氣方便

53、。隨著新型曝氣設(shè)備的研發(fā),氧傳質(zhì)機(jī)理及效率的研究27也成為了接觸氧化技術(shù)的熱點(diǎn),引導(dǎo)著眾多學(xué)者對接觸氧化技術(shù)基礎(chǔ)理論進(jìn)行研究,不斷從各個角度深入研究污水中有機(jī)物的生物降解機(jī)理、氧擴(kuò)散機(jī)理以及生物膜上微生物生長和能量代謝的規(guī)律等。對于生物接觸氧化技術(shù)的研究由宏觀到微觀都在不斷地推陳出新。1.4 國內(nèi)生物接觸氧化工藝應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)查及分析生物接觸氧化技術(shù)作為一個已經(jīng)發(fā)展成熟的廢水處理技術(shù),在廢水處理的領(lǐng)域中應(yīng)用愈加廣泛,除了用于生活污水處理外,更多的是應(yīng)用在工業(yè)廢水的處理中,諸如石油化工、制藥、化纖、棉紡印染、輕工造紙、皮革、養(yǎng)殖、肉類加工、食品加工、發(fā)酵釀造等工業(yè)廢水處理中。在處理水質(zhì)方面,不僅用于

54、一般的進(jìn)水水質(zhì),對高濃度廢水也有著較好的處理效果。此外,生物接觸氧化法已成功應(yīng)用在大規(guī)模微污染水源水的預(yù)處理中,規(guī)模均在萬噸級以上,為接觸氧化法處理大規(guī)模城市廢水的工程實(shí)施提供了經(jīng)驗(yàn)。同時(shí),接觸氧化法在中水回用處理工藝中也已作為主選工藝,在中小型生活污水處理中被大量采用。1.4.1 國內(nèi)生物接觸氧化工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀為進(jìn)一步了解生物接觸氧化工藝應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向,以及填料的基本性能和使用情況,課題組在廣泛查閱收集資料的基礎(chǔ)上,選擇了江蘇、浙江、四川、內(nèi)蒙古等地5座采用生物接觸氧化工藝的典型污水處理廠(站(圖1.12-1.16進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研,其中既有生活污水處理也有工業(yè)廢水處理,調(diào)研內(nèi)容包括污水處理

55、廠(站的設(shè)計(jì)參數(shù)、工藝選擇、運(yùn)行管理以及現(xiàn)狀問題等方面。通過現(xiàn)場考察,得到了填料應(yīng)用及生物接觸氧化工藝的一手資料,為裝置設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供了更加可靠的參考數(shù)據(jù)。 圖1.12 海門縣濱海污水處理廠圖1.13 中國礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)污水處理站Fig. 1.12 Haimen County Coastal wastewater Fig. 1.13 Wastewater treatment station in South treatment plant Lake Campus of China Ming University 圖1.14 浙江紹興昌峰紡織印染污水處理站圖1.15 雙流白沙污水處理廠Fig.

56、 1.14 Textile printing and dyeing wastewater Fig.1.15 Shuangliu White Sands wastewater treatment station treatment plant 圖1.16 內(nèi)蒙古石藥集團(tuán)中潤制藥有限公司生產(chǎn)廢水處理廠工藝流程圖Fig.1.16 Process flow diagram of wastewater treatment plant in Inner Mongolia調(diào)研污水廠具體情況如表1.1所示。表1.1 調(diào)研情況總結(jié)Table.1.1 Research Summary調(diào)研水廠填料類型現(xiàn)狀問題原因分

57、析濱海污水處理廠彈性立體填料填料暴曬老化、部分上浮、處理效果不明顯工作人員處理不當(dāng)中國礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)污水處理站顆粒柱狀懸浮填料填料上生長蝸牛、堵塞嚴(yán)重、影響出水水質(zhì)原因不明昌峰紡織印染污水處理站水解酸化池:組合填料填料板結(jié)、處理效果不明顯進(jìn)水COD濃度過高好氧池:爐渣填料填料流失、處理效果不明顯與曝氣強(qiáng)度有關(guān)雙流縣白沙鎮(zhèn)生活污水處理站彈性填料應(yīng)用情況良好中潤制藥有限公司生產(chǎn)廢水處理廠球狀懸浮填料填料投加量大、成本高水量大、運(yùn)費(fèi)高、現(xiàn)場組裝1.4.2 國內(nèi)生物接觸氧化工藝的調(diào)查分析目前國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的生物膜法主要是曝氣生物濾池和生物流化床等,生物接觸氧化工藝應(yīng)用不多。但在工藝的選擇上,生物接觸氧化工藝由于具有投資省、負(fù)荷高等優(yōu)點(diǎn),在一些小城鎮(zhèn)和區(qū)縣地區(qū)也多有應(yīng)用,即可作為主體處理構(gòu)筑物,也可作為預(yù)處理單元,與其他工藝配套使用。生物接觸氧化工藝對低濃度生活污水和高濃度工業(yè)廢水都適用,對于工業(yè)廢水,通常在前段設(shè)計(jì)水解酸化池,以降低廢水的可生化性。工程上通常采用