硅基复合滤料AO生物滤池对生活污水的脱氮机理研究

Y 川川- 舢8 8 3 唧56 5Study on nitrogen removal of municipal wastewater in AO biofilter with silicon-based composite media processLiu ZhenliangUnder the Su pervision ofProf妇翰nzhenA Thesis Submitted to the University of Jinan In Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of Master of EngineeringUniversityofJinanJinan，Shandong，PRChinaMay 25，i原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指引下，独立 进行研究所获得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不涉及 任何其她个人或集体已经刊登或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承当。论文作者签名：毛陋 日期：五驰u二驾，L有关学位论文使用授权的声明本人完全理解济南大学有关保存、使用学位论文的规定，批准学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，容许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的所有或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其她复制手段保 存论文和汇编本学位论文。口公开口保密(年，解密后应遵守此规定)论文作者签名a鼾导师签名：l济南大学研究生学位论文目录摘要VABSTRACTVll第一章绪论l11课题研究提出的背景112论文选题的目的和意义313课题创新点414课题研究方案5141技术路线5142研究目的5143重要研究内容5第二章国内外研究动态721生活污水解决技术7211老式活性污泥法工艺8222新型活性污泥法工艺1l22曝气生物滤池1323生物滤料15231沸石的改性研究16232沸石滤料脱氮1724生物滤池脱氮18第三章实验设计2131实验材料及工艺流程2l311实验装置及流程21312原水水质2332实验措施23321挂膜方式23322实验操作措施24323实验分析措施24，镕石睾基复合滤料Ao生物滤池对生活污水的脱氮机理研究II第四章硅基复合滤料制备及其性能测试25 41硅基复合滤料制各25411原料25412制备过程2642硅基复合滤料性能测试分析27421外观观测27422物理性能27423微观表征29424 XRD实验研究30425硅基复合滤料SEM-EDS分析3l43静态吸附实验3l431静态吸附曲线研究31432静态进水氨氮浓度变化研究34433硅基复合滤料的解吸研究3544本章小结36第五章硅基复合滤料AO生物滤池挂膜研究39 51硅基复合滤料0生物滤池挂膜方式3952挂膜期间系统COD的变化状况3953挂膜期间系统氨氮的变化状况4l54挂膜期间系统总氮的变化状况4255挂膜期间系统硝酸盐氮的变化状况4456生物相分析4657本章小结49第六章硅基复合滤料AO生物滤池解决生活污水脱氮研究5l 61硅基复合滤料AO生物滤池最优运营工况研究 5162硅基复合滤料AO生物滤池对污染物的清除研究54621最优工况下氨氮清除研究54622最优一r：况下总氮清除研究55623最优工况卜硝酸盐氮变化研究56济南大学硕L-学位论文624最优工况下COD清除研究57625最优工况下总磷清除研究5863硅基复合滤料AO生物滤池脱氮分析59631硅基复合滤料AO生物滤池工艺脱氮理论59632硅基复合滤料AO生物滤池工艺脱氮影响因素分析6664本章小结69第七章结论与建议7171结论7172建议72参照文献75道谢81附录83济南大学硕上学位论文摘要实验以天然沸石为原料，添加活化剂和粘合剂研制硅基复合滤料，并对其进行物 化性能表征，对比天然斜发沸石发现，硅基复合滤料在孔隙率、比表面积以及破碎率 和磨损率等性能上均有了较大的改善，硅基复合滤料各项指标均符合国家轻集料及 其实验措施(GBT174311998)原则，可以作为良好的生物滤池滤料使用。实验对硅基复合滤料的吸附性能和解吸性能进行了研究，成果表白滤料的氨氮吸 附性能较好，硅基复合滤料对氨氮的静态吸附容量高达1499048mgg，而天然斜发沸石的氨氮吸附容量仅为348272 mgg。硅基复合滤料对氨氮的静态吸附作用是物理吸附和化学吸附两种作用协同完毕的。解吸实验发现该滤料的平均解析容量可达 221236mgL，阐明硅基复合滤料不仅性能优越并且有较强的再生能力和抗冲击能力。 系统挂膜历时43天，好氧柱挂膜周期要比缺氧柱短，好氧柱挂膜约27天，而缺 氧柱挂膜需43天。系统挂膜后期好氧柱出水硝酸盐氮浓度高达8mgL，缺氧柱出水 硝酸盐氮浓度仅为2mgL，系统各段滤柱内滤料表面、断面均被一层厚厚的微生物膜所覆盖，在生物膜内生物种类丰富，构造完整，存在大量原后生动物。 实验以气水比、水力停留时间和系统刚流比为控制参数，通过正交实验拟定硅基复合滤料AO生物滤池运营工艺的最优运营工况为C3A282，即当系统气水比为2：1， 水力停留时间控制在15h，好氧柱回流比为3：1时，硅基复合滤料AO生物滤池工艺 对污水的脱氮效果最佳。在此工况下，系统出水总氮浓度平均约为1695mgL，清除 率高达7578；氨氮出水浓度不不小于5mgL，氨氮的清除率平均约9128； COD出 水浓度可降至1230mgL左右，系统对污水COD的清除率高达9390，系统出水各 项指标均符合国家城乡污水排放一级原则；系统稳定运营期间，考察了回流比、水力停留时间和气水比对系统脱氮作用的影 响。实验发现氨氮的清除重要受水力停留时间和好氧柱气水比的影响，随着系统气水 比和水力停留时问的增长，系统氨氮的清除率不断增长，而系统回流比对氨氮的清除 影响很小；回流比、水力停留时间和户e水比三种因素对总氮的清除影响都很大，随着 系统回流比和水力停留时间的增长，系统总氮的清除旱现出稳步的增长趋势，随着好 氧滤池气水比的增长，系统总氮的清除率呈现出先增长后减少的趋势。碎基复合滤料AO生物滤池对牛活污水的脱氮机理研究实验根据硅基复合滤料AO生物滤池工艺最优运营工况下对污水的脱氮实验结 果，分段分滤池对污水脱氮机理进行了研究分析。成果表白硅基复合滤料AO生物 滤池工艺的脱氮是多种微生物协同降解的作用下联合硅基复合滤料的离子互换性能 和吸附作用共同完毕的。缺氧柱内既发生着老式的反硝化脱氮作用，又有新型的厌氧I氨氧化脱氮作用，好氧柱重要发生硝化细菌的脱氨作用。核心词：硅基复合滤料；污水脱氮；硝化反硝化；厌氧氨氧化；AO生物滤池济南大学硕+学位论文ABSTRACTCompared to the natural elinopilolite，the silicon-based zeolite media made by naturalclinopilolite and adhesive has improved in porosity，and the surface area,rate and wealrateParameters of silicon-based zeolite media are line with the national media standard(GBT 1 743 11 998)，and the silicon-based zeolite media is a good USe as media in biological filtersThe research on the adsorption and desorption performance of silicon-based zeolitemedia finds that they are improved a lot and its static adsorption capacity of ammonia Can be up to 1 499048mgg，while that of natural clinoptilolite is only 348272mggThe high static ammonia adsorption capacity of silicon-based zeolite media is physical adsorptionand chemical adsorption the result of joint actionThe experiment about desorptionperformance of siliconbased zeolite finds that its desorption capacity of ammonia Can be up to 221236mgL，which indicates it is not only superior in performance but also strong in regeneration ability and impact resistanceThe whole system start-up lasts 43 days，and the aerobic biofilm is easier and faster inthe cultivation and breeding of microorganism，which is provided by that start-up of aerobic biofilter only takes 27 days while that of anoxic biofilter will not be successful until43 daysAt the end of start-up，the effluent nitrate nitrogen concentration of aerobic biological filter Can be up tO about 8mgL while that of anoxic biofilter is only 2mgL or so， and in two biofilers both the surface and interior of media are completely covered、析tll a thick transparent layer of biofilm rich in species，which plays an important role in thedegradation of pollutantsConditions of the operation are studied using threefactor(gas-water ratio，hydraulic retention time and aerobic biofilter return system reflux ratio)and therelevel orthogonal design method as guided by removal rateThe optimized conditions are established as follows：gaswater ratio 2：1，hydraulic retention time(HRT)15h，aerobic biofilter return system reflux ratio 3：1Under these conditions，The effluent quality of AO biofilters process is relative stable and excellent，and total nitrogen concentration，ammoniaVIl硅苯复合滤料AO乍物滤池对乍活污水的脱氮机理研究concentration and COD concentration are 1 695mgL，234mgL and 1 230mgL， respectively，while the removal efficiencies of total nitrogen，ammonia and COD are up to 7578，9 128and 9390The result shows that the effluent quality meets I-class criteria specifed in the Discharge standard of pollutants for municipal wastewater treatment plant(GB 1 89 1 8-)This paper investigates the removal effect of nitrogen of AO biofilters process at different gaswater ratios，HRT，and aerobic biofilter return system reflux ratiosThe results show that for the municipal wastewater,the ability of ammonia removal changes、析th gaswater ratio and hydraulic retention time(HRT)while return system reflux ratiohas no effect on ammonia removal；and the ability of ammonia removal is affected mainly by gas-water ratio and hydraulic retention time(HRT)All these three factors have great influence on total nitrogen removalWith the increase of return system reflux ratio and HRT，total nitrogen removal rate rises steadily，while it presents the trend of first increase then decrease、析tIl the increase of gas-water ratioThe paper analyzes principle of ammonia removal in different biofilters of AObiofilters with silicon-based zeolite media based on the results under the optimized conditionsAll the researches and analyses reveal that hi曲nitrogen removal of AO biofilters process is the consequence of the interaction between biodegradation of many kinds of microorganisms and ion exchange property and adsorption of siliconbased zeolitemediaThe results show that both traditional denitrification and anaerobic ammoniumoxidation(ANAMMOX)occur in anoxic biofilter,and nitrobacteria plays an important rolein the traditional autotrophic nitrification for ammonia removal in aerobic biofilterKey Words：siliconbased composite media；nitrogen removal；nitrification denitrification；ananunox；AO bioflilter济南大学硕E学位论文第一章绪论 11课题研究提出的背景国家环保部在5月31日发布的全国环境记录公报【1】中显示， 年，中国地表水污染仍然较重，七大水系总体为轻度污染，湖泊富营养化问题突 出，近岸海域总体为轻度污染。，全国废水排放总量为5892亿吨，比上 年增长3O；化学需氧量排放量为12775万吨，比上年下降33；氨氮排放量 为1226万吨，比上年下降35。污水中的污染物指标比去年有所减少，但是氮 污染仍然是国内污水解决中需要面对的难题。淡水环境中全国地表水氮污染仍然较重。七大水系总体为轻度污染，浙闽区 河流为轻度污染，西北诸河为轻度污染，西南诸河水质良好，湖泊(水库)富营 养化问题突出。在国内七大水系当中，松花江、淮河为轻度污染，黄河、辽河为 中度污染，海河为重度污染。在国内26个国控重点湖泊(水库)中，满足II类水 质的1个，占39；I类的5个，占192；类的6个，占231；V类的5 个，占192；劣V类的9个，占346。重要污染指标为总氮和总磷。营养状态 为重度富营养的1个，占38：中度富营养的2个，占7796；轻度富营养的8 个，占308；其她均为中营养，占577。表11 重点湖库水质类别Table 11 Water quality of key lake术三湖是指太湖、滇池和巢湖。；硅基复合滤料加生物滤池对生活污水的脱氦机理研究i 表12 全国废水和氨氮排放量年际变化Table 12 Interannual varimions of ammonia in wastewater of 废水中氨氮排放量为1226万吨，比上年减少35。其中，工业氨氮排 放量29-3万吨，占氨氮排放量的239，比上年增长56；生活氨氮排放量953万 吨，占氨氦排放量的761，比上年减少51。从国内环境年度报告可以看 出，国内虽然在环保工作同期相比有所进展，但环保任务仍然艰巨，水体污染情 况仍旧严重，国家颁布的城乡污水解决厂排放原则(GBl8918)21对于水体 中重要污染物氮磷的控制提出了更严格的规定，如表13。GBl8918表13基本控制项目最高容许排放浓度(日均值)单位mgLTable 13 The maximum allowable emission concentration(day average)in basic control parameter一级原则序号基本控制项目一奶原则三级原则 A原则B原则l化学需氧量(COD)506010012092生化需氧量(BOD)1020306093悬浮物(SS)102030504动植物油l35205石油类135156阴离f表面活化刺O5l257总氮(以N计)15208氨氮(以N计)5(8)8(15125(30)总磷(以12月31口前建设的115359P计)l，l 1日起建设的O5135lO色度(稀释倍数)3030405011pH6912粪大肠卤群(个L)103104104注：F列状况F按清除率指标执行：当进水COD犬f 350mgL时，清除率应大y-60；BOD大干160mgL时，清除率应不小于50。括号外数值为水温12。C时的控制指标，括号内数值为水温耋12C时的控制指标。济南大学硕卜学位论文山东为国内经济发展人口大省，最新水质监测数据【31表白：山东省重要都市虽然 重点供水水源地水质改善较大，但是河流水质污染仍很严重，监测河段无一达到一类 原则。山东省水文水资源勘测局对山东省17个重要都市河流水67个河段的检测成果 显示，没有一种河段水质可以达到一类原则，而二类水质监测河段也仅有4个，三类 水质监测河段有6个，四类水质监测河段有8个，五类水质监测河段有7个，劣五类 水质监测河段高达42个。检测河段重要污染物为氮磷有机物及化学需氧量的超标。近年来发生在国内各地的以水体营养化为主的水花水质灾害更是备受人们关注。 水体富营养化影响水体的水质，阻碍了水中植物的光合伙用，导致溶解氧的过饱和状 态，影响水下生物的生存和繁殖。溶解氧的过饱和以及水中溶解氧少，都对水生动物 有害，导致鱼类大量死亡。世界上诸多国家已经爆发了以水体富营养化为主体的水华水质灾害。国内的太湖吲以及国内最南端的高原淡水“妈妈湖异龙湖【5l等均已 产生了严重的水体富营养化现象。而引起水体富营养化的罪魁祸首重要是水体中过多 的氮磷元素的超负荷积累。因此在污水解决中对于水体中氮磷的清除越来越备受人民 关注。按照国家国民经济和社会发展第十一种五年规划纲要提出了“十一五期间， 将有3000多亿资金投向污水解决设施建设。单位国内生产总值能耗规定减少20左 右，重要污染物排放总量减少10的约束性指标。加强国内对河流水体氮源污染的有 效控制，实现国家经济与环境的可持续发展，实现人与自然，人与环境的协调发展， 贯彻贯彻科学发展观。本课题就是在此背景下提出的。12论文选题的目的和意义针对上文提到的一系列的问题和国家近年来对污水排放提出的新的严格的规定， 人们在氮污染的问题上进行了不懈的探讨研究和实践工作。目前解决污染河水中的脱 氮问题重要采用生物法【6。111。而生物滤池法作为一种生物解决措施正越来越备受人们 关注。曝气生物滤池【12d 71是自80年代的发展起来的一种污水解决措施，该措施占地 面积小，节省了后续二次沉淀池，基建投资少，解决效果好。许多国内外工程实例117珊J 表白曝气生物滤工艺的占地面积相对于老式的活性污泥法AO工艺可节省67，基 建投资也一次性减少10，在保证解决效果的状况下，运营实际管理费用相比老式j 艺节省20，是我固老式活性污泥法工艺的抱负替代品。生物滤池的生物降解性能的硅幂复合滤料AO生物滚池对隹活污水的脱氮机理研究优劣很大限度上取决于滤料的特性，滤料的研究和开发在BAF工艺中至关重要。目 前，净水工艺广泛采用的过滤介质活性炭价格昂贵，再生困难，吸附氨氮效果不抱负， 因此开发出一种适于生物滤池特点的经济高效滤料，将关系到生物滤池这种先进工艺 的应用推广，而沸石在国内储量大，是一种便宜的非金属矿物，清除废水中的氨氮效 率高、工艺简朴、易再生，失效后的沸石可用浓盐水逆流再生反复使用，解决成本低， 因而开发沸石作为生物滤池的滤料是一条高效、经济的途径。天然沸石【2l】是一簇架状构造的、多孔含水的碱或碱士金属铝硅酸盐矿物，其构造 基本是硅(铝)氧四周体，沸石内部构造呈空穴或笼状，这些笼或环在三度空间以不同 方式连接组合，又形成了沸石的一维、二维、三维孔道体系。这一特殊的构造使得沸 石具有良好的离子互换的吸附性能。天然沸石虽然性能优越，但由于其天然性，仍然 存在诸多问题。天然沸石的孔道易被其他杂质阻塞，互相连通性差，处在互换位上的 互换离子不统一，其结合性有强有弱，导致其互换能力较差等。因此有必要对天然沸 石进行改性实验。本实验在天然斜发沸石的基本上，通添加改性活化剂对沸石进行构造上的改性 22-24】，研发一种新型硅基复合滤料，使得该滤料的内部构造更加疏松，孔隙率和比表 面积更大，从而提高其滤料自身的离子互换性能和吸附能力，强化生物滤池的脱氮作 用。实验将好氧生物滤池与缺氧生物滤池相结合，采用新型硅基复合滤料对生活污水 的脱氮效果进行了分析研究。本实验方案不仅节省了后续沉淀池(二沉池)，缩短了 系统的启动时间，减少了基建投资，并且污泥产率低，抗冲击负荷能力强，有效的减 少了污泥膨胀等问题的产生，并将新型滤料的离子互换性能和吸附能力同缺氧好氧生 物滤池相结合，在污水脱氮解决中获得了令人满意的成果，具有良好的社会应用前景。I3课题创新点实验以天然斜发沸石为原料，通过活化、球磨、筛选、添加成孔剂和粘合剂、搅 拌、成型、养护等一系列工序制取硅摹复合滤料，研究了硅基复合滤料对于氨氮的吸 附效果，并通过质量浓度与吸附黾的朗格缪尔曲线(Langmuir)和Freundlich曲线， 分析了硅基沸石滤料对氨氮的清除机理。实验以硅摹复合滤料为填料，采用AO生物滤池工艺对生活污水脱氮进行了研 究分析，根据实验成果对AO生物滤池各反映器的脱氮机理进行了探讨分析，并对硅济南大学硕上学位论文基复合滤料的离子互换和吸附性能在污水脱氮中的作用进行了研究。14课题研究方案141技术路线(1)实验以缺氧生物滤池和好氧生物滤池为模型，以硅基复合滤料为填料，采 用各段进出水的COD浓度、氨氮浓度、总氮浓度、总磷浓度以及色度浊度等指标表 征系统出水水质状况，考察不同反映器污水的脱氮解决状况。(2)实验以气水比、回流比、水力停留时间(HRT)为因素，采用三因素三水平的正交实验措施拟定实验运营的最优条件，以各段滤池污染物的清除状况作为指 标，分析好氧生物滤池气水比、系统回流比及溶解氧条件变化对系统脱氮效果的影响。 (3)实验以最优运营工况下硅基复合滤料AO生物滤池工艺对污水污染物的去 除数据作为根据，计算分析各段滤池在污水脱氮中所起的作用，并探讨分析系统高效脱氮的机理。142研究目的实验一方面研发一种硅基复合滤料，并通过静态实验和动态实验表征滤料的可行 性：另一方面通过控制影响系统脱氮效果的三个影响因子，实现不同影响因子间的正交试 验，拟定出硅基复合滤料AO生物滤池工艺对生活污水脱氮的最佳运营工况条件；再 次通过实验解释证明硅基复合滤料的优越性，为硅基复合滤料的实际应用提供实验依 据；最后根据最优运营工况下硅基复合滤料AO生物滤池工艺对生活污水的脱氮情 况，分析各段滤池在污水脱氮中的作用，并根据实验成果对系统脱氮机理进行探讨分 析。143重要研究内容实验研究内容涉及硅基复合滤料的制备及其性能测试、硅基复合滤料A0生物滤 池=艺的挂膜研究和稳定运营研究。挂膜期间分析研究缺氧滤池与好氧滤池挂膜过程 中系统脱氮以及其她污染物的清除变化状况，考察分析缺氧滤池挂膜与好氧滤池挂膜 的不同点；稳定运营期间，通过控制系统广毛水比、系统口1流比和水力停留时间来拟定5-辞基复合滤料AO生物滤池对乍活污水的脱氮机理研究系统稳定运营时期对生活污水脱氮的最佳运营条件，以最佳运营条件下系统的脱氮效 果探讨分析系统各段反映器在污水脱氮过程中所起的作用以及系统各段的脱氮机理。济南大学硕上学位论文第二章国内外研究动态 21生活污水解决技术随着国内经济的迅速发展，人们生活水平的不断提高，人们对生活质量的规定也 越来越高，而水资源作为人们生命活动中不可缺少的一种元素，它的质量越来越引起 人们的关注。，全国废水排放总量为5892亿吨，比上年增长3O；废水中 氨氮排放量为1226万吨。其中，生活氨氮排放量953万吨，占氨氮排放量的761。 由此可以看出，目前在国内污水当中，生活污水占了相称一大部分，而污染水体中的 氮磷富营养化问题显得尤为重要，如何从生活污水源头去控制水体中氮磷的含量对于 控制解决国内水体富营养化问题有着重要的意义。目前我们对于都市污水中氮磷的去 除重要采用物理、化学和生物解决法，将污水中的多种污染物加以分解转化为无毒无 害的物质，从而使污水得到净化的过程。物理解决法【6I是一种通过吸附、沉淀及过滤等物理作用分离、刚收废水中不溶解 的呈悬浮状态的污染物(涉及油膜和油珠)，以实现系统对污水中污染物的清除，可 分为重力分离法、离心分离法和筛滤截留法等。以热互换原理为基本的解决法也属于 物理解决法。化学解决法通过化学反映和传质作用来分离、清除废水中呈溶解、胶体 状态的污染物或将其转化为无害物质的废水解决法。在化学解决法中，以投加药剂产生化学反映为基本的解决单元是：混凝、中和、 氧化还原等；而以传质作用为基本的解决单元则有：萃取、汽提、吹脱、吸附、离子 互换以及电渗析和反渗入等。生物解决法通过微生物的代谢作用，使废水中呈溶液、胶体以及微细悬浮状态的 有机污染物，转化为稳定、无害的物质的废水解决法。生物接触氧化是一种新型的生 物解决法，用生物接触氧化工艺在生物反映池内充填填料，已经充氧的污水浸没所有 填料，并以一定的流速流经填料。在填料上布满生物膜，污水与生物膜广泛接触，在 生物膜上微生物的新陈代谢的作用下，污水中有机污染物得到清除，污水得到净化。 最后，解决过的废水排入生物接触氧化解决系统与生活污水混合后进行解决，氯消毒 后达标排放。生物接触氧化法是一种介于活性污泥法与生物滤池之间的生物膜法工 艺，其特点是在池内设立填料，池底曝气对污水进行充氧，并使池体内污水处f流动 状态，以保证污水同浸没在污水中的填料充足接触，避免生物接触氧化池中存在污水7硅基复合滤料O生物滤池对生活污水的脱氮机理研究与填料接触不均的缺陷。生物接触氧化具有污水解决时间短、解决构筑物体积小，占 地面积小、出水水质稳定，容积负荷高，耐冲击负荷能力强、不会发生污泥膨胀等优 点，但此种解决措施生物膜不能人工脱落，只能依托其自身自行脱落，剩余污泥不易 排走，滞留在滤料之间容易引起水质恶化，堵塞反映器，影响污水解决效果。面对水体污染的不断扩大，工业经济发展带来的水污染问题，一次次爆发的水体 富营养化水质灾害越来越引起社会的关注，研究人员在借鉴引进国际先进的脱氮除磷 技术基本上，不断研发新的工艺加强了对水体氮磷含量的控制。目前国内各大污水厂 对于氮磷的控制解决重要是采用运营稳定，管理简朴，经济有效地生化解决，如老式 活性污泥法工艺、新型活性污泥工艺及曝气生物滤池法等工艺。211老式活性污泥法工艺活性污泥法是以活性污泥为主体的污水生物解决技术，具体为向生活污水中注入 空气进行鼓风曝气，每天保存沉淀物，并及时更换污水。从而使污水中形成一层黄褐 色的絮体，这种絮体就是活性污泥，它由一群微生物构成，微生物对污水进行生化处 理，而污泥絮体易于沉淀与水分离，从而达到水体净化。图21活性污泥法的基本流程系统(老式活性污泥法系统)Fig21 Traditional activated sludge system1经预解决后的污水；2活性污泥反映器一曝气池；3从曝气池流出的混合液：4二次沉淀池；5解决水；6污泥井；7回流污泥系统；8剩余污泥；9来自空压机站的空气；lO曝气系统与空气扩散装置活性污泥系统在正式运营fif，一方面要在曝气池内以污水作为培养基对活性污泥进 行培养和驯化。污水通过初沉池或水解酸化池后，转化为预解决后的水，从曝气池一端进入，与 此同步，二次沉淀池的污泥部分口l流至曝气池，作为接种污泥，跟经预解决后的污水济南大学硕卜学位论文混合在一起。此外，从空压机站送来的空气通过干管和支管的管道系统和铺设在曝气 池底部的空气扩散装置，以细小气泡的形式进入曝气池污水里，其作用除向污水系统 补充所需的氧气外，还通过气流作用使曝气池内的活性污泥、污水处在剧烈搅拌接触 混合的状态，从而使曝气池的活性污泥净水过程得以进行。通过活性污泥净化作用后 的混合液由曝气池的另一端流出进入二次沉淀池，在池内进行固液分离，活性污泥通 过沉淀与污水分离，澄清后的污水作为解决水排出系统。老式的活性污泥系统对污水中有机物及SS、浊度的清除效率都很高，像再生曝 气活性污泥系统其BOD5的清除率可高达90以上；完全混合式活性污泥系统对于污 水的BOD5清除也可高达90以上，解决水的BOD5值可以控制在20mgL如下。随 着社会经济的高速发展，世界各地都爆发了以氮磷元素污染为主的水体富营养化问 题，国内也提高了对污水水质排放原则，自上世纪90年代初国内颁布的城乡污水 解决厂污染物排放原则(GBl8918)加强了对污水中氮磷指标含量的控制。老式 的活性污泥工艺已经不能满足国标对氮、磷的清除规定，于是浮现了以活性污泥 法为基本的AO工艺和A2O工艺以及与之有关的改良工艺。(1)AO工艺图22Ao：艺流程Fig22 AO processAO25】工艺中，好氧池内进行含碳有机物及含氮有机物的氧化及氨化硝化反映， 产生的N03-N随系统四1流进入缺氧池。系统运营时，污水进入缺氧池，同步从好氧 池出来的混合液回流至缺氧池，在缺氧池内活性污泥运用白好氧池回流过来的内源代 谢物质作为碳源，对好氧池内氨氮硝化反映产生N03-N进行反硝化脱氮作用，AO 工艺对污水解决效果好，出水水质稳定，但是AO工艺不能达到完全脱氮，由于好氧 池内总流量的一部分没有回流至缺氧池而是作为出水直接排出系统，这样整个系统的 脱氮效率，就大大牵制于系统的回流比，系统回流比大，系统的脱氮效率就高，但是 增大回流比势必会使缺氧池容积增大，大大的增大了I：艺的占地面积和基建费用，这辞基复合滤料AO乍物滤池对生活污水的脱氮机理研究些问题限制了AO工艺在实际中的应用和推广。 (2)Bardenpho工艺图23 Bardenpho工艺(改善AO工艺)Fig 23 Bardenpho process为了克服AO工艺的不完全脱氮的缺陷，Bardenpho工艺126-271诞生了，如图23 所示，该工艺特别适合于低负荷污水厂的生物脱氮除磷，工艺中回流污泥与原污水或 经预解决的污水在厌氧池内完全混合。跟AO工艺不同的是，从好氧池中出来的末被 回流的水又进一步进行了彻底硝化反硝化反映，这就一方面使得回流污泥中不再具有 硝酸盐和亚硝酸盐，另一方面对污水中的总氮进行了彻底清除，大大提高了总氮的去 除效率。(3)A2O工艺及其改良工艺 1980年Rabinowitz和Marais281在对Phoredox工艺的研究中，提出了三阶段的Phoredox工艺，即老式的A2O工艺，如图24所示。图24老式中的A2o工艺Fig24 Traditional A2O process污水一方面进入厌氧池与回流污泥混合，在兼性厌氧发酵菌的作用下，部分易生物 降解有机物被转化为小分子的挥发性脂肪酸(VFA)，聚磷菌吸取这螳小分子有机物合 成聚B一羟基丁酸盐(PHB)并储存在细胞内，同步将细胞内的聚磷水解成正磷酸盐， 释放到水中，释放的能量可供专性好氧的聚磷菌在厌氧的厌氧环境中生存；随后随污 水进入缺氧池，反硝化菌运用污水中的有机物和回流混合液中的硝酸盐进行反硝化， 町同步去碳脱氮；当污水进入好氧池时有机物浓度已经很低，聚磷菌只能依托分解体济南大学研究生学伊论文内存储的PHB来获得能量供自身生长繁殖，同步超量吸取水中的溶解性磷以聚磷酸 盐的形式储存在体内，通过沉淀将含磷高的污泥从水中分离出来，达到除磷的效果。 由于在好氧池中有机物浓度很低，十分有助于自养型硝化菌的生长繁殖。好氧池混合 液在二次沉淀池中进行泥水分离，上清液排放，沉淀污泥一部分回流至厌氧池，一部 分作为剩余污泥作后续解决。此工艺具有较好的除磷效果，但它的脱氮能力是通过回 流比来保证的，为了达到有较高的总氮清除率，就必须要有较高的混合液回流比来保 证。国内对A2o工艺早已进行了诸多研究，这些工艺用于解决焦化废水、煤气废水。 大同煤矿集团公司研究员张跃、蒋煜、王瑞平等人【291与中国环境科学院北京松博环境 工程技术有限公司合伙，对其厂原系统进行改造，采用A=O工艺技术解决焦化废水 获得了良好的效果。A2O工艺的长处是工艺流程简朴，厌氧、缺氧、好氧交替运营，可以达到同步 清除有机物、脱氮、除磷的目的，同步可以克制丝状菌生长，基本不存在污泥膨胀问 题。A2o工艺的总水力停留时间少于其他同类工艺，并且不需外加碳源，缺氧、厌 氧段只进行缓速搅拌，运营费用低。缺陷是除磷效果受到污泥龄、回流污泥中的溶解 氧和N03-N的限制，不也许十分抱负；同步由于脱氮效果取决于混合液回流比， A2O工艺的混合液回流比不适宜太高(200)，脱氮效果不能满足较高规定。随着A2O工艺的发展，又产生了可以彻底排除在磷释放池内硝酸盐和亚硝酸盐 的干扰的UCTMUCTVIP工掣30l以及后来的JHB(Johannesburg约翰内斯堡)工艺 等，这些工艺在脱氮除磷七获得了很大的进展，但是这些工艺普遍解决单元多，系统管理复杂，且不能实现同步脱氮和除磷作用。222新型活性污泥法工艺(1)氧化沟工艺 氧化沟工艺又称循环曝气池，是于50年代由荷兰的巴斯维尔(Pasveer)所开发的一种污水解决技术，属于活性污泥法的一种变形。近年来国内在氧化沟工艺的研究 和推广方面也获得了很大的进展。据不完全记录，目前国内已有10余座大型氧化沟 污水解决厂在运营，其中邯郸f了东污水厂解决能力一期为66000m3d；昆明市第一污 水厂解决能力为55000m3h；桂林市东区污水厂解决能力为40000m3d；金山水质净硅基夏合滤料AO生物滤池对生活污水的脱氮杉L理研究化总厂的三槽式氧化沟解决能力已经达到138800m3d。这都是由氧化沟自身工艺特点 所决定的，氧化沟法由于具有较长的水力停留时间，较低的有机负荷和较长的污泥龄。 因此相比老式活性污泥法，可以省略调节池，初沉池，污泥消化池，有的还可以省略 二沉池。氧化沟能保证较好的解决效果，这重要是由于巧妙结合了推流和完全混合的 特点，有助于克服短流和提高缓冲能力，一般在氧化沟曝气区上游安排入流，在入流 点的再上游点安排出流，氧化沟具有明显的溶解氧浓度梯度，特别合用于硝化一反硝 化生物解决工艺，因此氧化沟工艺在脱氮除磷方面获得了一定的效果。对于氧化沟系 统的脱氮作用，重要是运用沟内溶解氧分布的不均匀性，通过合理的设计，使沟中产生交替循环的好氧区和缺氧区，从而达到脱氮的目的。其最大的长处是在不外加碳源 的状况下在同一沟中实既有机物和总氮的清除，因此是非常经济的。但在同一沟中好 氧区与缺氧区各自的体积和溶解氧浓度很难精确地加以控制，因此对氮的清除效果是 有限的，而对除磷几乎不起作用。此外，在单沟式氧化沟中，微生物在好氧一缺氧一 好氧短暂的常常性的环境变化中使硝化菌和反硝化菌群并非总是处在最佳的生长代 谢环境中，由此也影响单位体积构筑物的解决能力。尽管氧化沟工艺具有较好的出水 水质，并且抗冲击负荷能力也较强，除磷脱氮效率高、易于自动化控制等，但是，在 实际的运营过程中，仍存在一系列的问题。(2)SBR工艺及其改良工艺SBR是序列间歇式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process)的简称，是一种按间歇曝气方式来运营的活性污泥污水解决技术，又称序批 式活性污泥法。1985年，上海市政设计院为上海吴淞肉联厂设计投产了国内第一座 SBR污水解决站，设计解决水量为2400td，近几年的实际运营实践表白了良好的处 理效果。与老式污水解决工艺不同，SBR技术采用时间分割的操作方式替代空间分割 的操作方式，非稳定生化反映替代稳态生化反映，静置抱负沉淀替代老式的动态沉淀。 它的重要特性是工艺系统构成简朴，无需污泥日1流设备，不设二次沉淀池，曝气池容 积也不不小于持续式，建设费用和运营费用都比较低，SBR技术的核心是SBR反映池， 该池集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池。此外该系统叮用于污水脱氮除磷。 通过调节曝气时间和间歇时间，可以使系统污水在反映器中处在交替好氧、缺氧和厌 氧状态，为工艺脱氮除磷发明了条件。同步这种环境条件的变化也叮以有效克制丝状 菌的生长，减少污泥膨胀问题。尽管SBR工艺有诸多长处，但足其自身反映变化频济南大学硕七学位论文繁，管理维护复杂，对系统自动化规定较高，并且当水量较大时会暴露出容积率运用 率较低的问题。此后改良型SBR工艺(ICEAC工艺)在SBR工艺基本上增设了预反 应区，不仅强化提高了系统对于污水中氮磷物质的清除并且有效提高了系统的运营稳 定性。北京航天城污水解决厂采用改良型SBRCASS工艺于1 998年建成并调试运营， 近期排放污水量为7200m3h，远期为14400m3h，在进水水质为CODcr= 70mL80mgL，BODs=30m刚卜35mgL，pH=6875的状况下，系统出水常常保 持在CODc，=20mgL如下，BODs=7mgL左右，SVI=80mLg-IOOmLg，SV=18。20pH=6875，优于国家排放原则【311。(3)曝气生物滤池 曝气生物滤池简称BAF，是80年代末，欧美发达国家研究人员在一般生物滤池的基本上借鉴给水滤池工艺开发的一种新型生物膜法污水解决工艺。曝气生物滤池 法，也叫生物接触氧化，就是在反映器中填加惰性填料，已经充氧的污水浸没并流经 所有惰性填料，污水中的有机物与填料上的生物膜充足接触，在微生物新陈代谢作用 下，有机污染物质被清除本研究将采用生物滤池工艺对生活污水进行解决，该工艺集 生物氧化与截留悬浮固体于一体，同步具有清除SS、COD、BOD、硝化、脱氮除磷 等作用。此外该工艺无需后续沉淀池(二沉池)，基建投资低，管理费用少，运营能耗 低，不仅能满足国家对于水体基本污染物的清除原则，并且经合适改造的曝气生物滤 池还具有对污水的脱氮除磷的功能，因此这种技术目前被广泛的应用于多种废水的处 理之中，如都市生活污水、纺织废水和多种印染废水以及重度的石油废水等，均获得 了良好的解决效果【32。351。下文将从生物滤料、沸石在水解决中的应用以及生物滤池脱 氮三个方面综述生物滤池中滤料的应用现状及特点，分析综述目前国内外生物滤池滤 料的发展及其优缺陷，着重论述目前沸石作为生物滤料在水解决中的应用，以期对后 续生物滤池脱氮除磷工艺的研究提供参照。22曝气生物滤池曝气生物滤池也叫沉没式曝气生物滤池【364，是一种生物膜法污水解决技术。该 工艺从20世纪初开始进行研究，充足借鉴了污水生物接触氧化法和给水快滤池的设 计思路，集曝气、高滤速、截留悬浮物和降解有机物定期反冲洗于一体。最初用于污 水三级解决，后来发展成直接用于二级解决。其基本原理为：在滤池中装填一定量的硅基复合滤料AO生物滤池对生活污水的脱氮机理研究高比表面积、小粒径的颗粒填料，以提供微生物生长所需要的载体，生物膜在滤料表 面生长，滤池内部曝气，并根据污水流向不同分为下向流和上向流，污水由上向下或 者自下而上流经滤料层时，污水中有机物与填料表面的生物膜相接触，运用滤料上高 浓度生物膜量的氧化降解能力对污水进行迅速净化，即生物降解过程；同步，水流经 过时滤料呈压实状态，运用滤料粒径较小的特点及生物膜的生物絮凝作用，截留水中 的大量悬浮物，且保证脱落生物膜不会随水飘出，即截留作用；生物滤池就是通过生 物降解过程和物理截留两过程对生活污水进行净化作用的。1981年世界上首座曝气生物滤池在法国投产使用，随后曝气生物滤池在欧洲各国 得到广泛应用。20世纪80年代末，美国和加拿大等美洲国家也引进此工艺，日本、 韩国和中国台湾等也先后引进了此项技术【42l。1992年建成的法国Cergy污水解决厂 和1997年建成的土耳其Alanya污水解决厂均采用了