氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器處理生活污水的試驗研究-畢業(yè)論文

氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器處理生活污水的試驗研究——畢業(yè)論文碩士研究生學(xué)位論文新疆大學(xué)論文題目(中文)：氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器處理生活污水的試驗研究論文題目(外文)：ExperimentalStudyonDomesticSewageTreatmentbyanInternal-loopAir-liftBioreactor研究生姓名：學(xué)科、專業(yè)：環(huán)境科學(xué)研究方向：環(huán)境管理導(dǎo)師姓名職稱：論文答辯日期：2010年5月學(xué)位授予日期：年月日摘要氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器是以傳統(tǒng)生物流化床為基礎(chǔ)的一種新型好氧生物處理工藝，該反應(yīng)器吸取了化工操作中的流態(tài)紊動技術(shù)，具有污泥負(fù)荷高，抗沖擊負(fù)荷能力強，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面小等特點。本文對氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的工作原理進(jìn)行了闡述，總結(jié)了氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其在污水處理行業(yè)中的應(yīng)用。試驗采用氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器處理生活污水，利用正交實驗確定反應(yīng)器的最優(yōu)參數(shù)，研究了反應(yīng)器對COD、NH4+-N、SS、TN、TP等主要污染物的去除效果，并對反應(yīng)器的抗沖擊負(fù)荷能力以及活性污泥特性進(jìn)行了研究。試驗研究結(jié)果表明：1、通過正交實驗得出氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器最佳運行參數(shù)為HRT10h，QL0.55m3/h，SRT5d，該工況下氣提反應(yīng)器出水COD、NH4+-N和SS的去除率分別為90.17%、91.45%和91.85%2、試驗過程中，COD進(jìn)水濃度最小值為229.71mg/L，最大值為595.69mg/L，平均濃度值為375.71mg/L。氣提反應(yīng)器COD去除率維持在64.24-94.43%，平均去除率為81.24%。COD出水濃度穩(wěn)定，保持在33.16-96.17mg/L之間，平均出水濃度為63.24mg/L。污泥負(fù)荷平均為1.05kgCOD/（kgMLSS·d），高于一般好氧生物處理工藝。3、氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器對SS的去除率維持在87.72-93.35%之間，平均去除率為89.87%。由正交實驗結(jié)果可知，影響氣提反應(yīng)器出水SS濃度的主次順序為SRT＞QL＞HRT，即泥齡是主要影響因素，其次是曝氣量，影響最小的是水力停留時間。4、氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的脫氮除磷能力高于一般生物處理工藝。反應(yīng)器TN、TP進(jìn)水幅度分別為58.03-73.54mg/L與5.34-19.19mg/L，平均TN去除率達(dá)55.61%，高于一般生物處理工藝的20%-40%，平均TP去除率為57.72%，高于一般生物處理工藝的15%-20%。5、試驗通過人為添加蔗糖的方法考察氣提反應(yīng)器抗水質(zhì)沖擊負(fù)荷能力，結(jié)果表明，在氣提反應(yīng)器COD平均進(jìn)水濃度為707.56mg/L的情況下，出水COD濃度保持在77.28-128.65mg/L，平均出水濃度為93.92mg/L，COD去除率保持在84.95-89.66%，平均去除率為86.11%?？梢?，即使進(jìn)水COD濃度出現(xiàn)較大幅度的增加，氣提反應(yīng)器對COD依然保持著較高的去除率。6、氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器SV與SVI平均值分別為15%、93，試驗還發(fā)現(xiàn)，SV曲線與SVI曲線有相似的變化趨勢，隨著時間的推移愈加明顯，表明氣提反應(yīng)器活性污泥的穩(wěn)定也得到加強。關(guān)鍵詞：氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器；生活污水；正交實驗；污泥特性AbstractInternal-loopair-liftbioreactorisanewaerobicbiotreatmentreactorbasedontraditionalbio-fluidizedbed,whichabsorbeddisorderlyfluidizationfromchemicalmanipulationwiththecharacterofhighsludgeload,stronganti-shockloadingcapabilityandcompactstructure.Thispapersummarizedtheoperationalprincipleoftheinternal-loopair-liftbioreactoranditsprogressathomeandabroad.Experimentappliedinternal-loopair-liftbioreactortreatingdomesticsewage,andtheresultsrevealedtheoptimalconditionbytheorthogonalmethod.WealsoanalyzedtheremovalefficienciesofCOD、NH4+-N、SS、TNandTPandstudiedtheanti-shockloadingcapabilityandsludgecharacteristicsoftheinternal-loopair-liftbioreactor.Theresultsofexperimentshowedthat:1.Theorthogonalexperimentalresultsrevealedtheoptimalconditions:theHRTwas10h,theQLwas0.55m3/handtheSRTwas5d.TheresultofexperimentunderthoseconditionsshowsthattheaverageremovalrateofCOD,NH4+-NandSSwere90.17%,91.45%and91.85%respectivelywhichisqualifiedonthesecondclassbyDischargestandardofpollutantsformunicipalwastewatertreatmentplant(GB18918-2002).2.ThemaximumandminimuminfluentconcentrationofCODwere229.71mg/Land595.69mg/Lwiththeaverageof375.71mg/L.TheCODremovalratewasbetween64.24%and94.43%withtheaverageof81.24%andtheCODeffluentconcentrationwasbetween33.16mg/Land96.17mg/Lwiththeaverageof63.24mg/L.Resultsshowedthattheinternal-loopair-liftbioreactorhastheaveragesludgeloadof1.05kgCOD/(kgMLSS·d),whichishigherthanthetraditionalbiotreatmentreactor.3.TheSSremovalratewasbetween87.72%and93.35%withtheaverageof89.87%.ItrevealedbyorthogonalexperimentalresultsthatthesequenceoftheeffectoftheparameterstoSSremovalratewasSRT>QL>HRT,thatistosaytheSRTwasthedominantparameter,QLwassecondaryandHRTaffectedleast.4.Theinternal-loopair-liftbioreactorhadhighercapabilityofnitrogenandphosphorusremovalthanthetraditionalbiotreatmentbioreactor.TheTNinfluentconcentrationwasbetween58.03mg/Land73.54mg/Lwiththeaverageremovalrateof55.61%whichwashigherthanthetraditionalbiotreatmentbioreactor(20%-40%).TheTPinfluentconcentrationwasbetween5.34mg/Land19.19mg/Lwiththeaverageremovalrateof57.72%whichwasalsohigherthanthetraditionalbiotreatmentbioreactor(15%-20%).5.Anti-shockloadingcapabilitywasstudiedbyaddingsucrose,andtheresultrevealedthattheCODeffluentconcentrationwasbetween77.28mg/Land128.65mg/LwhiletheaverageCODinfluentconcentrationwas707.56mg/L,andtheCODremovalratewasbetween84.85%and89.66%withtheaverageof86.11%.Theresultalsoshowedthattheinternal-loopair-liftbioreactorremainedhighCODremovalrateinspiteoftheincreaseoftheCODinfluentconcentration.6.TheaverageofSVandSVIwere15%and93respectively.TheexperimentalresultrevealedthattheSVcurveandtheSVIcurvehadthesimilartrend,andwiththetimegoing,thisphenomenonwasmoreobviouswhichindicatedthatthestabilityofactivatedsludgewasenhanced.Keywords：internal-loopair-liftbioreactor;domesticsewage;orthogonalexperiment;sludgecharacteristics目錄摘要 IAbstract III第一章緒論 11.1研究背景 1我國水資源及其利用現(xiàn)狀 1我國水污染狀況 3污水好氧生物處理新技術(shù) 51.2課題研究的目的 91.3課題來源及研究內(nèi)容 9第二章氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器污水處理技術(shù)與理論 112.1氣提反應(yīng)器的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 112.2氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器污水處理原理 142.3氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器特性 14載體比表面積大 15容積負(fù)荷與污泥負(fù)荷高 15耐沖擊負(fù)荷能力強 16結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小 16第三章試驗材料與方法 173.1試驗裝置與工藝流程 17試驗裝置 17工藝流程 183.2試驗材料 18載體 18試驗菌種及污水來源 20試驗設(shè)備與儀器 203.3檢測項目與分析方法 203.4試驗過程設(shè)計 21最佳參數(shù)的選擇 22抗沖擊負(fù)荷試驗 22活性污泥特性研究 22第四章試驗運行過程與數(shù)據(jù)分析 234.1氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的啟動與掛膜 234.2正交實驗因素及水平的選定 244.3最佳運行參數(shù)的選擇 284.4氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器對COD的去除效果 314.5氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器對SS的去除效果 324.6氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的脫氮除磷性能研究 33氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的脫氮性能 33氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的除磷性能 374.7氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器抗沖擊負(fù)荷分析 40抗水力沖擊負(fù)荷 40抗水質(zhì)沖擊負(fù)荷 41氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的二次啟動 43第五章氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器活性污泥特性分析 455.1活性污泥的外觀結(jié)構(gòu)和微生物種群的多樣性分析 455.2活性污泥的MLSS、SV及SVI 505.3活性污泥比耗氧呼吸速率SOUR 53第六章結(jié)論與建議 566.1結(jié)論 566.2建議 57參考文獻(xiàn) 59攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 63致謝 64學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明 65學(xué)位論文知識產(chǎn)權(quán)權(quán)屬聲明 65第一章緒論1.1研究背景我國水資源及其利用現(xiàn)狀水是地球上分布最廣的物質(zhì)，是人類最寶貴的自然資源，是地球上一切生命賴以生存不可缺少的基本物質(zhì)，也是人類生產(chǎn)和生活以及社會可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。從廣義水資源言，全球水資源總量約為13.86×108km3，分別以固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)形式分布在地球表面和大氣圈、巖石圈和生物圈中，覆蓋地球表面積70%以上。其中，約97.5%的水是海水，南極和北極冰封層占水量約不足2%，但都是淡水，全球淡水量約0.35×108km3，僅占全球水量的2.5%，而地表水的一半存在于深度高于800m的地下蓄水層，存在于江河與湖泊的淡水和淺層地表水大約為300×104km3僅占地球總水量的0.2%[1我國是世界上13個貧水國之一，我國淡水人均資源只有2350m3/a，為世界人均量的1/4，居世界第88位。我國不僅水資源短缺，且時空分布不均，開發(fā)利用的難度大。長江以北，中國2/5的人口中，人均淡水資源只有700m我國617個城市中，有300個城市缺水，50多個城市嚴(yán)重缺水，有180個城市平均日缺水1200×104m3。有些城市嚴(yán)重缺水，不僅工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水得不到保證，連居民生活用水也不得不采取限時、限量的供應(yīng)。水資源的短缺已嚴(yán)重制約了我國某些城市的工業(yè)發(fā)展，制約了我國國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展。例如大連市每年因缺水而減少的工業(yè)產(chǎn)值在10億元以上。我國國民生產(chǎn)總值因缺水每年減少1200億元[據(jù)統(tǒng)計我國目前水資源缺口為400×108m3，僅四川一個省就缺水81×108m3。據(jù)預(yù)測到2030年我國總?cè)丝趯⑦_(dá)到16億，屆時居民需水量將增加到1340×108m3，工業(yè)用水將增加6650×10我國本來就十分短缺的淡水資源，又面臨著非常嚴(yán)重的浪費現(xiàn)象。在2000年我國的年取水量就達(dá)6000×108目前我國農(nóng)業(yè)用水的利用率僅40%-50%，不少地區(qū)的種植業(yè)采用大水漫灌，用水定額高達(dá)10555m3/（hm2·a），水的浪費驚人。例如，西北地區(qū)缺水用水定額高達(dá)16500m3/（hm2·a），最高甚至達(dá)32500m3/（hm2·a）；東北地區(qū)達(dá)12000m3/（hm2·a），而采用噴灌技術(shù)，耗水量只有3000-3150m3/（hm2·a），滴灌耗水量僅為2042m3/（hm2·a）[4]。我國農(nóng)業(yè)用水量十分可觀，約占全國總用水量的73%，由于大多采用漫灌的方式，致使水電損失率達(dá)60%左右。我國城市用水量也很大，居民家庭用水無節(jié)制，據(jù)統(tǒng)計，我國平均每人每天用水量達(dá)100-400L。我國工業(yè)用水，重復(fù)利用率低，僅20-40%，單位產(chǎn)品用水定額高于發(fā)達(dá)國家的10倍以上。先進(jìn)國家的工業(yè)水重復(fù)利用率為70-80%，甚至到達(dá)90%。我國的海水資源的利用率也很低，只有85水是人類賴以生存的基本資源，必須得到有效的保護(hù)。我國政府目前已十分重視提高水利用率的問題，為此制定了《新水法》并從2002年10月1日開始執(zhí)行。《新水法》明確規(guī)定，對用水實行有償使用和超定額累進(jìn)加價的制度，以前直接從江河湖泊取水的用水單位享受到是“免費午餐”，今后這種現(xiàn)象將不復(fù)存在。按照《新水法》規(guī)定，直接從江河湖泊或者地下取用水資源的單位和個人，應(yīng)按規(guī)定向水行政主管部門或者流域管理機構(gòu)申請領(lǐng)用取水許可證，并繳納水資源費?！缎滤ā返膶嵤槲覈⒑侠淼挠盟畽C制創(chuàng)造了條件。今后，國家將根據(jù)“取之于水，用之于水”的原則，從水資源費、超計劃加價水費等收費中提取一定比例的資金，用于工業(yè)節(jié)水關(guān)鍵技術(shù)的推廣和技術(shù)改造等。為了緩解我國北方地區(qū)嚴(yán)重缺水情況，國家已經(jīng)投資了5000億人民幣實施“南水北調(diào)”的水利工程。其中東線工程投資的650億人民幣中，有260億人民幣是用于污水處理工程?？梢娢覈块T不僅關(guān)注缺水問題，而且對污水的治理和再利用也十分重視。我國水污染狀況我國長期以來的低用水率，不僅浪費了大量有限的水資源，同時也造成了有限水資源的嚴(yán)重污染，使我國優(yōu)質(zhì)水資源日趨短缺和銳減，嚴(yán)重影響了人民生活的質(zhì)量和身體健康。我國的七大水系長江、黃河、珠江、淮河、松花江、海河、遼河，其中遼河的污染最為嚴(yán)重，由于遼河沿岸重工業(yè)城市多，加上水資源的短缺，遼河的污染還在加重。長江的流域面積達(dá)108×104km3，年徑流量為1×1012t，但每年沿岸向它排放的污水多達(dá)200×108t，長江的干流形成了長達(dá)800km的污染帶，排放的污水還在以2%-3%的速度逐年增快。據(jù)測定，長江的污染物有酚類和氰化物1800×104t，重金屬（砷、汞、鉻、鎘、鉛）1630×104t，石油類污染物近萬噸?；春樱磕昱湃氲奈鬯_(dá)21×10調(diào)查表明，全國七大水系和110個重點河段，其水源符合地面水環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)一類和二類標(biāo)準(zhǔn)的僅占32%，三類的占29%，四類和五類的占39%，全國有近1.7億人的飲用水受到不同程度的污染。經(jīng)對全國532條河流的檢測表明，其中432條河流受到污染，污染率占82%。對全國37個主要湖泊檢測的結(jié)果表明，每天排入的污水量為600×104我國的海域污染也很嚴(yán)重。渤海、黃海、東海、南海四大海域主要受到無機氮、磷酸鹽、高錳酸鹽和石油類產(chǎn)品的污染，而且無機氮、磷的指數(shù)還在呈逐年增加的趨勢。我國僅沿海工廠和城市直接排入海中的污水每年就高達(dá)86×108t，其中主要的有害物質(zhì)就高達(dá)146×104t。海洋幾乎成了人們的大垃圾場。如渤海，每年向渤海排入的各種廢水達(dá)28×108t，1995年污染超標(biāo)面積就已達(dá)4.3×104總的來說，目前我國的水體污染中氮、磷已逐年上升為主要污染物?，F(xiàn)有1/3的水不適宜魚類等水生物的生存。據(jù)統(tǒng)計1997年我國的廢水總量就達(dá)416×108t，工業(yè)廢水就達(dá)227×108t，工業(yè)廢水的處理率為18.9%，達(dá)標(biāo)率為54.4%。我國的生活廢水的處理率只有20%，也就是說全國約有1/3的工業(yè)廢水和4/5的生活污水未經(jīng)處理就直接排入了江、河、湖和海，從而使水環(huán)境遭受到了嚴(yán)重的污染，致使許多地方守著江河沒水喝，致使一些海域成為無生物的海洋荒漠。改革開放以來，我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟迅速發(fā)展，其污水不僅分散且污水濃度高，處理效率低，其污水量約占全國廢水排放量的8.5%，而達(dá)標(biāo)率僅為14.8%。一定程度上加劇了水體的污染。我國農(nóng)業(yè)灌溉污水中有70%-80%的污水未達(dá)到農(nóng)業(yè)灌溉水質(zhì)的要求就直接進(jìn)行灌溉，這也是我國水體污染帶一大要素。嚴(yán)重的水污染不僅造成了我國相當(dāng)可觀的直接經(jīng)濟損失和間接經(jīng)濟損失，嚴(yán)重制約了我國國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，而且危害了環(huán)境的生態(tài)平衡，造成對人民生活健康的威脅，甚至是對人民基本生活、生存條件的破壞。我們只有一個地球，地球的資源和環(huán)境遭破壞以后，往往沒有十幾年、幾十年，甚至上百年的時間是很難恢復(fù)的，有的甚至是永遠(yuǎn)也無法恢復(fù)的。因此我們在發(fā)展經(jīng)濟的同時也應(yīng)該保護(hù)我們賴以生存的水資源。針對我國水資源短缺和水污染嚴(yán)重的現(xiàn)狀，我國政府已制定了新的“污水排放收費新法規(guī)”，并已于2003年7月1日起正式執(zhí)行?！拔鬯欧攀召M新法規(guī)”的執(zhí)行，一些污水嚴(yán)重超標(biāo)排放的企業(yè)將受到制約。任何一個企業(yè)如果想犧牲環(huán)境和資源作為代價來換取自身經(jīng)濟上的暫時發(fā)展，都將會受到嚴(yán)厲的懲罰；未來企業(yè)的競爭重要一點就在于是否破壞環(huán)境。從企業(yè)自身的存在和長遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)來看，任何企業(yè)對環(huán)境問題的疏忽大意必將給企業(yè)的經(jīng)營和發(fā)展甚至生存帶來致命打擊。污水好氧生物處理新技術(shù)廢水生物處理是利用自然界中廣泛存在的大量依靠有機物生活的微生物氧化降解廢水中污染物的方法。根據(jù)參與廢水處理中微生物代謝的類型，廢水的生物處理技術(shù)可分為好氧生物處理和厭氧生物處理兩大類[5]。其中，在好氧生物處理工藝中，需要提供足夠的空氣以滿足好氧微生物有足夠的氧來完成有機物的降解和硝化任務(wù)，而厭氧生物處理過程中，因參與有機物降解的微生物進(jìn)行無氧呼吸而應(yīng)嚴(yán)格控制污水中氧的含量。由于好氧生物處理效率高、適應(yīng)廣，因而成為一種主導(dǎo)的污水生物處理技術(shù)，廣泛的應(yīng)用于多種有機廢水的處理。廢水的好氧生物處理，根據(jù)微生物在廢水中所處的狀態(tài)或存在的形式，又可分為懸浮生長型和附著生長型兩大類。其中活性污泥法是典型的懸浮生長型，而生物膜法則是目前典型的附著生長型。目前，隨著污水生物處理技術(shù)的不斷發(fā)展和對污水處理要求的日益提高，在對傳統(tǒng)好氧生物處理工藝不斷開展研究的基礎(chǔ)上，環(huán)保工作者提出了多種具有不同功能和滿足特定處理要求的新型好氧生物處理技術(shù)。.1氧化溝氧化溝（Oxidationditch）又名氧化渠，因其構(gòu)筑物呈封閉的溝渠形而得名，實際上它是活性污泥法的一種變型。世界上第一座氧化溝污水處理廠于1954年在荷蘭Voorshoper市建成，是服務(wù)人口僅360人的小規(guī)模的間歇運行的氧化溝，曝氣、沉淀和污泥的穩(wěn)定過程都在一個構(gòu)筑物內(nèi)完成。自上世紀(jì)60年代以來，特別是近20年來，氧化溝技術(shù)不斷發(fā)展與改進(jìn)，從最初小規(guī)模間歇運行發(fā)展到目前可大規(guī)模，連續(xù)運行并有更高處理能力的不同類型的氧化溝。氧化溝在污水處理方面應(yīng)用越來越廣泛的一個重要原因是氧化技術(shù)和設(shè)備都有了突破性的進(jìn)展。這主要表現(xiàn)在3個方面：一是概念方面的突破，突破了氧化溝是屬于延時活性污泥法的概念；二是對氧化溝水力學(xué)和構(gòu)筑物的研究有了重大進(jìn)展；三是研究開發(fā)了各類氧化溝的全套設(shè)備，保證了各類氧化溝的高校運行。目前在普通氧化溝工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了多種類型氧化溝新工藝，如奧貝爾（Orbal）型氧化溝、卡魯塞爾（Carrousel）式氧化溝，交替工作型氧化溝、一體化氧化溝等。.2AB兩段活性污泥法AB法系吸附生物降解法（AdsorptionBio-degradation）的簡稱，是聯(lián)邦德國亞琛大學(xué)B.Bohnke教授于20世紀(jì)70年代開發(fā)的一種兩段活性污泥新工藝。AB兩段活性污泥法是將活性污泥系統(tǒng)分為兩個階段，即A段和B段。它的工作原理充分利用了微生物的特性，為其創(chuàng)造適宜的環(huán)境，使不同的生物種群都得到良好增殖，通過生化作用來處理污水。污水進(jìn)入污水處理廠，經(jīng)格柵和沉砂池去除污水中粗大漂浮物和砂子，然后進(jìn)入A段曝氣池。污水經(jīng)A段曝氣池后的中間沉淀池泥水分離后，再進(jìn)入B段曝氣池。污水經(jīng)過B段曝氣池進(jìn)入二沉池，固液分離后排出，二沉池沉淀物你部分回流至B段曝氣池，剩余污泥排至污泥處理系統(tǒng)。與傳統(tǒng)活性污泥法相比，AB法的主要特點是一般不設(shè)初沉池，處理效率高，出水水質(zhì)好，A段污泥負(fù)荷高，抗沖擊負(fù)荷能力強。AB法的弱點是產(chǎn)泥量較高，給污泥處置和出路增加了難度。.3序批式活性污泥法序批式活性污泥法（SequencingBatchActivatedSludgeProcess）是活性污泥法的一種。在序批式反應(yīng)器（SequencingBatchReactor，簡稱SBR）中完成進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、潷水和閑置等工序。與其他活性污泥法相比，SBR法處理構(gòu)筑物少，處理工藝流程大大簡化。SBR法是活性污泥法的先驅(qū)。早在1916年Arden和Lockett首次提出的活性污泥法的操作方式就是間歇式的，當(dāng)時稱為充水-排水處理法。但由于受到當(dāng)時的自動控制技術(shù)水平和監(jiān)測水平的限制，這種間歇式操作方式只適用小規(guī)模的污水處理，使其未能得到發(fā)展和應(yīng)用。近年來，隨著監(jiān)控與測試技術(shù)的飛速發(fā)展，大量新設(shè)備被研制出來，如電動閥、氣動閥、電磁閥、水位計、泥位計、自動計時器，特別是計算機自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用，使監(jiān)控手段更趨于自動化，由此也給序批式活性污泥法帶來了新的活力。20世紀(jì)70年代初，美國的Natredame大學(xué)Irvine教授對SBR進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。繼Irvine之后，澳大利亞、日本等國也都進(jìn)行了研究，隨著SBR工藝在工程中的應(yīng)用，其技術(shù)也得到長足的進(jìn)步和發(fā)展，目前已在普通SBR工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展出多種SBR變形的新工藝，如CAST、CASS、DAT-IAT、UNITANK等。.4好氧生物流化床依靠流體的流動作用使固體顆粒懸浮在流體中隨流體一起流動的過程稱為流態(tài)化。流態(tài)化技術(shù)開發(fā)于20世紀(jì)30年代，隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，流態(tài)化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于冶金和化工的多種過程，并取得了良好的效果。在20世紀(jì)80年代，污水生物處理領(lǐng)域?qū)⑦@一技術(shù)引入，并使其成為污水好氧生物處理中的一種工藝。好氧生物流化床以砂粒、活性炭、焦炭等一類較小的惰性顆粒為載體，污水和空氣以一定的流速從下向上流動，使載體處于流花狀態(tài)。當(dāng)污水通過附著生長有生物膜的載體時，污水中的基質(zhì)在同均勻分散的生物膜相接觸而得到降解去除。生物流化床內(nèi)附著有生物膜的載體能夠均勻分布在床內(nèi)，同上升水流接觸條件良好，兼具活性污泥法，具有接觸所形成的高效率和生物膜發(fā)能承受負(fù)荷沖擊的雙重優(yōu)點。在流態(tài)化運行過程中，附著生長在載體上的微生物能夠充分混合，強化了微生物、污水、氧氣間的三相傳質(zhì)過程，加上氣、液、固定剪切作用，加速了生物膜的更新代謝，控制了生物膜的厚度，提高了微生物的活性，因此好氧生物流化床具有良好的處理效果。.5曝氣生物濾池曝氣生物濾池（BiologicalAeratedFilter簡稱BAF）是20世紀(jì)80年代末90年代初在普通生物濾池的基礎(chǔ)上，借鑒給水濾池工藝而開發(fā)出的污水處理新工藝，最初用于污水的三級處理，后發(fā)展為直接用于二級處理。自80年代在歐洲建成第一座曝氣生物濾池污水處理廠后，曝氣生物濾池已在歐美和日本等發(fā)達(dá)國家廣為流行，目前全世界已有數(shù)百座大大小小的污水處理廠采用了這種技術(shù)。盡管曝氣生物濾池的類型以及運行方式多種多樣，各有特點，但其基本原理都是以過濾為主體的賞花處理工藝，通常由配水系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、填料、出水、反沖洗水收集系統(tǒng)以及自控系統(tǒng)等組成。曝氣生物濾池實質(zhì)是一種生物膜法，在曝氣池中填充生物填料，利用填料表面附著生長的生物膜來降解水中的污染物。由于所選填料的自身特點，填料表面很容易附著生物膜。生物膜表面生長著眾多種屬和數(shù)量的微生物，既有好氧菌，也有兼氧菌和厭氧菌，所以曝氣生物濾池對污水中的各種有機物都有一個很好的去除作用，同時對氨氮也有很高的去除效果。同步生物脫氮除磷效能較低一直是曝氣生物濾池的缺點之一，因此在這方面取得突破是今后研究的重要方向。1.2課題研究的目的國內(nèi)現(xiàn)行生活污水處理工藝主要為活性污泥法，而傳統(tǒng)活性污泥法的缺陷日益暴露出來：(1)耐水質(zhì)、水量沖擊負(fù)荷能力差，運行不夠穩(wěn)定；(2)易產(chǎn)生污泥膨脹；(3)污泥產(chǎn)量大；(4)基建和運行費用高，占地面積大等。為適應(yīng)污水處理發(fā)展的要求，國內(nèi)外學(xué)者不斷地改進(jìn)傳統(tǒng)活性污泥法，開發(fā)了許多新型污水處理工藝。氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器就是在好氧生物流化床的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種新型污水處理工藝，其設(shè)計旨在改進(jìn)傳統(tǒng)活性污泥的不足。本課題采用氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器處理生活污水，豐富了國內(nèi)氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的研究，課題研究的目的在于：1、保證生活污水處理效果的同時更有效的提高氣提反應(yīng)器的三相分離效果，強化出水SS達(dá)標(biāo)排放；2、通過試驗數(shù)據(jù)對自行設(shè)計的氣提反應(yīng)器的各種運行參數(shù)進(jìn)行試驗驗證及優(yōu)化，以確定最佳工況條件，為工程設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)；3、研究氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的除磷脫氮效果。1.3課題來源及研究內(nèi)容本課題由新疆維吾爾自治區(qū)重點試驗室綠洲生態(tài)試驗室開放課題《螺旋流氣提反應(yīng)器設(shè)計》（040079）以及新疆大學(xué)“國家大學(xué)生創(chuàng)新性試驗計劃”項目《螺旋流三相分離器強化氣提反應(yīng)器效能試驗研究》（081075508）資助。課題研究的主要內(nèi)容包括：1、氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器機理研究；2、氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的控制因素研究(HRT、污泥齡、DO、有機負(fù)荷、填料體積、曝氣量等)；3、氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的生物脫氮除磷機理研究；4、氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的活性污泥相、載體微生物相研究。

第二章氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器污水處理技術(shù)與理論2.1氣提反應(yīng)器的發(fā)展及研究現(xiàn)狀氣提反應(yīng)器應(yīng)用于污水處理的研究已有20多年的歷史[6]，它是將傳統(tǒng)活性污泥法與生物膜法相結(jié)合并引入化工流態(tài)技術(shù)的一種污水生物處理裝置。而氣提反應(yīng)器是由好氧生物流化床發(fā)展而來的一種新型污水處理工藝，依據(jù)反應(yīng)器內(nèi)流體循環(huán)的方式不同可將其分為氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器和氣提式外循環(huán)反應(yīng)器，如圖所示。其中氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器因升流區(qū)和降流區(qū)組合在一起而結(jié)構(gòu)更緊湊，占地面積更小，因此，氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器越來越引起人們的廣泛興趣。圖2-1氣提反應(yīng)器類型Fig2-1typesofail-liftbioreactor氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器以好氧生物流化床為基礎(chǔ)，吸取了化工操作中的流態(tài)紊動技術(shù)，成為了一種新型好氧生物處理反應(yīng)器，它與傳統(tǒng)好氧生物流化床不同之處在于反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)部分被分成了升流區(qū)和降流區(qū)，當(dāng)在升流區(qū)進(jìn)行曝氣充氧時，由于升流區(qū)和降流區(qū)的密度差，使得廢水、載體及氣泡在升流區(qū)和降流區(qū)之間循環(huán)流動，整個反應(yīng)器內(nèi)載體受到的剪切與摩擦力基本均勻一致，因此不會出現(xiàn)傳統(tǒng)好氧生物流化床內(nèi)因生物膜增厚、載體變輕而在床內(nèi)分層的現(xiàn)象，同時由于床內(nèi)水力摩擦、剪切較為劇烈，故過厚的生物膜會自行脫落，從而達(dá)到控制膜厚的目的。氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器在國外已廣泛應(yīng)用于生化過程(發(fā)酵、酶反應(yīng))、化學(xué)工業(yè)、環(huán)境工程、冶金及煤的液化和加工等領(lǐng)域。國外科技工作者較為注重氣提反應(yīng)器的機理研究，運用各種數(shù)學(xué)模型來解釋氣提反應(yīng)器的氣液固三相傳質(zhì)特性以及反應(yīng)器的流體動力學(xué)性質(zhì)。L.Tijhuis和B.Hijman[7]運用層次建模方法來研究氣提反應(yīng)器升流區(qū)和降流區(qū)氣液界面的傳質(zhì)特性，模型考慮到氣固兩相在反應(yīng)器內(nèi)垂直擴散作用，相關(guān)參數(shù)采用的是平均速度和有效擴散；A.Laszuk[8]研究出一種適用于氣提反應(yīng)器的擴散模型，用以解釋反應(yīng)器氣液及液固兩相之間的傳質(zhì)特性，該模型還可以用于解釋氣相中的活性物質(zhì)（氧氣）分別在氣相和液相中的擴散作用。具體到環(huán)境工程領(lǐng)域，斯洛伐克的M.Jurascik和M.Hucik等[9]在容積為40L的氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器中進(jìn)行試驗，用以研究反應(yīng)器中的存在的微生物對整個反應(yīng)器的循環(huán)速率及氣含率的影響，對于氣液兩相，作者分別采用了氣體模型和液體模型，并將該試驗數(shù)據(jù)和氣液兩相的氣提反應(yīng)器數(shù)據(jù)做比較，研究表明：在特定的試驗條件下，氣提反應(yīng)器中微生物的存在對整個反應(yīng)器的循環(huán)速率可以忽略不計，但是，提高微生物濃度將導(dǎo)致反應(yīng)器的氣含率下降；韓國的Jeong-SookKim等[10]在氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器中添加了特定菌種糞產(chǎn)堿菌，用來強化反應(yīng)器的生物脫氮效率，研究表明，相比傳統(tǒng)的活性污泥法，氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器具有更高生物脫氮能力，同時還能有效抑制溫室氣體N2O的排放；美國俄亥俄大學(xué)的FengwuBai和DarinRidgway等[11]研究了氣提反應(yīng)器氧氣的傳遞，研究表明，當(dāng)液體粘度從1.38×10-3PaS增加到3.43×10-3PaS時，相應(yīng)的氧傳遞系數(shù)將下降20%；日本的ToshiakiKimura和NobuhikoYoshikawa等[12]在氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器中添加光催化劑二氧化鈦，研究在不同的紫外強度下反應(yīng)器對非離子型表面活性劑SanonicSS-90的去除效果，結(jié)果表明，SanonicSS-90的去除效果只與光催化劑的表面積大小和照射的紫外強度有關(guān)，而與SanonicSS-90的初始濃度無關(guān)；西班牙的LorenaCarvallo等[13]通過測定氣提反應(yīng)器的耗氧速率OUR來研究反應(yīng)器的硝化過程，結(jié)果表明，反應(yīng)器的最大氨氧化速率為0.079gNH4+gVSS-d-,氨氮的抑制濃度為3300mg/L，最大硝化速率為0.082gNO2-gVSS-d-。在國內(nèi)，氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的應(yīng)用研究日益廣泛，已從冷模試驗擴展到實際反應(yīng)物系的研究，物料性質(zhì)(如液體粘度、固體顆粒的性質(zhì)等)對氣提式反應(yīng)器性能的影響及反應(yīng)器設(shè)計放大已顯得日益重要。劉建飛[14]分別運用容積為50L的氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器處理青霉素厭氧出水和啤酒廢水的厭氧出水，研究表明，用氣提反應(yīng)器處理青霉素厭氧出水時容積負(fù)荷可達(dá)5.0kgCOD/（m3·d），COD去除率為80.1%，處理啤酒廢水厭氧出水時的容積負(fù)荷為6.7kgCOD/（m3·d），COD去除率為88.7%；欒金義[15]通過實驗結(jié)果表明，HRT、DO為影響好氧生物流化床處理污水的顯著因子；叢威等[16]在容積為6L的氣提反應(yīng)器中進(jìn)行固定化酶載體顆粒對反應(yīng)器混合時間與循環(huán)時間的影響研究，發(fā)現(xiàn)液體混合時間與循環(huán)時間隨通氣量的增加而減少，顆粒粒度與固含量對循環(huán)時間影響較小，對混合時間影響較大，高通氣量時，固含量幾乎不影響循環(huán)時間。在反應(yīng)器尺寸方面，劉永強等[17]研究了高徑比對外環(huán)流氣升式反應(yīng)器性能的影響，結(jié)果類似于文獻(xiàn)，也存在一個最佳的高徑比12.5。較多研究結(jié)果表明氣升式環(huán)流反應(yīng)器的最佳高徑比在10-14左右。在反應(yīng)器氣體分布器方面，劉永強等比較了2mm、4mm單孔噴嘴與1mm十孔分布器對氣含率與傳質(zhì)的影響，認(rèn)為從液體體積傳質(zhì)系數(shù)來看，多孔分布器優(yōu)于單孔噴嘴。在氣提反應(yīng)器填料方面，四川大學(xué)的方佩珍等[18]以及北京科技大學(xué)的王慧麗等[19]分別采用低密度多孔顆粒載體和磁鐵礦樹脂復(fù)合材料載體進(jìn)行過研究。國內(nèi)科研工作者除將氣提反應(yīng)器應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域外，還將其應(yīng)用于冶金、發(fā)酵等工藝。如趙兵等[20]設(shè)計的氣升式吸附塔在煤金團聚(CGA)工藝中的應(yīng)用。經(jīng)過試驗室小試、間歇擴大試驗、連續(xù)流動試驗表明：氣升式吸附塔完全可用于CGA工藝提金，其放大性能良好，達(dá)到日處理30-50t金礦石；李穩(wěn)宏等[21]將外環(huán)流氣升式反應(yīng)器用于蘇云金桿菌的發(fā)酵，選擇合適的反應(yīng)條件不僅能耗低，操作方便，控溫精度高，且比普通的機械攪拌發(fā)酵罐發(fā)酵周期縮短9h，發(fā)酵水平提高35%。2.2氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器污水處理原理氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器又稱內(nèi)循環(huán)三相生物流化床是近十年來發(fā)展起來的一種新型好氧流化床反應(yīng)器，反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)分成升流區(qū)和降流區(qū)，由于升降區(qū)的密度差，廢水在升降流區(qū)之間循環(huán)流動，反應(yīng)器內(nèi)載體受到的剪切與摩擦力基本均勻一致，不會出現(xiàn)因生物膜增厚、載體變輕而在床內(nèi)分層的現(xiàn)象，同時床內(nèi)水力摩擦、剪切較為劇烈，故過厚的生物膜會自行脫落，從而達(dá)到控制膜厚的目的。迄今為止，國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于生化過程(發(fā)酵、酶反應(yīng))、化學(xué)工業(yè)、環(huán)境工程、冶金及煤的液化和加工。國內(nèi)外學(xué)者對氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器進(jìn)行了大量的試驗研究，使這項技術(shù)日趨成熟。本文利用內(nèi)循環(huán)三相生物流化床裝置，對生活污水進(jìn)行了試驗研究，取得了令人滿意的結(jié)果。氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器處理污水的基本原理是：在反應(yīng)器內(nèi)投加生物載體，污水和空氣從底部進(jìn)入中心提升管，在升流區(qū)底部設(shè)有曝氣裝置，通入壓縮空氣，被提升的氣（空氣）、液（污水）、固（生物載體）三相進(jìn)行強烈攪動接觸，并上升到頂部，通過下降區(qū)回到底部，含有微小氣泡的污水與載體混合物則流入降流區(qū)，由于水中氣體的外溢其密度變大，升流區(qū)與降流區(qū)混合液的密度差是內(nèi)外筒循環(huán)流化的動力。載體處于循環(huán)流化狀態(tài)，大大加快了微生物和廢水之間的相對運動，強化了傳質(zhì)作用，同時又可有效地控制生物膜的厚度，使其保持較高的生物活性[22-23]。2.3氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器特性氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器在生物、化工、冶金等行業(yè)應(yīng)用較多，但在環(huán)境領(lǐng)域的大型工業(yè)裝置目前采用的還比較少，尚有巨大的開發(fā)潛力。由于氣提反應(yīng)器污水的進(jìn)水方向與壓縮空氣的進(jìn)入方向是一致的，這樣反應(yīng)不會產(chǎn)生紊流現(xiàn)象，在降流區(qū)接近于推流式，而升流區(qū)接近于完全混合式，整個反應(yīng)器可以模擬為一個推流式和一個完全混合式的串聯(lián)；反應(yīng)器內(nèi)投加量填料，使得氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器具備了活性污泥法與生物膜法的雙重特點。載體比表面積大由于采用了小粒徑固體或高強度中空材料作為載體并且載體呈流化狀態(tài)，提供了巨大的表面積，因此氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的比表面積比一般生物膜法大得多，幾種生物膜法比表面積見表2-1[24][25]。比表面積大是生物流化床具有高負(fù)荷、高去除率的根本原因。表2-1幾種生物膜法的比表面積Tab.2-1SurfaceAreaofseveralbiofilmmethods處理工藝比表面積（m2/m3）普通生物濾池40-120生物轉(zhuǎn)盤120-180塔式生物濾池80-160接觸氧化130-1600氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器1000-3000容積負(fù)荷與污泥負(fù)荷高氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器具有很高的容積負(fù)荷α和污泥負(fù)荷β值，由表2-2可以看出氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的容積負(fù)荷α值是普通活性污泥法的13倍以上，階段曝氣池的10倍以上，生物濾池的38倍以上[26]，因此在相同進(jìn)水濃度下，采用生物流化床處理污水，可以使反應(yīng)裝置的容積大量減小，從而顯著地降低占地面積及工程投資。表2-2不同處理工藝的α，β值比較Tab.2-2thecompareofαandβindifferentunits工藝名稱α(kgBOD/m3?d)β(kgBOD/kgVSS?d)普通活性污泥法0.264-0.7200.216-0.456階段曝氣法0.360-1.2720.192-0.360生物濾池0.090-0.360--氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器3.635-9.1920.204-4.320耐沖擊負(fù)荷能力強氣提反應(yīng)器的降流區(qū)接近于推流式，升流區(qū)接近于完全混合式，整個反應(yīng)器可以模擬為一個推流式和一個完全混合式的串聯(lián)；而反應(yīng)器內(nèi)投加量填料，使得氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器具備了活性污泥法與生物膜法的雙重特點[27]。載體與混合污泥的流化狀態(tài)提高了有機物和氧氣的傳質(zhì)效果并保持流化床內(nèi)良好的混臺流態(tài)，使污水一旦進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)，就能很快得到混合、稀釋，從而對負(fù)荷突然變化的影響起到緩沖作用，這是普通活性污泥法和生物膜法所不及之處。結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器升流區(qū)和降流區(qū)之間的密度差，使得廢水、載體及氣泡在升流區(qū)和降流區(qū)之間循環(huán)流動，整個反應(yīng)器內(nèi)載體受到的剪切與摩擦力基本均勻一致，因此不會出現(xiàn)生物膜增厚的現(xiàn)象，從而達(dá)到控制膜厚的目的，而無須另外設(shè)置專門的脫膜設(shè)備；另外，氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器無需污泥回流，降低了污水處理的運行成本，而立式的一體化設(shè)計又節(jié)省了因二沉池建設(shè)所需要的基建費用和土地資源[28]。

第三章試驗材料與方法3.1試驗裝置與工藝流程試驗裝置氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器為不銹鋼制，反應(yīng)區(qū)有效容積為60L，脫氣沉淀區(qū)有效容積為25L，反應(yīng)器各部位尺寸如圖所示。圖3-1氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖Fig.3-1theschematicdiagramofspiralflowinternal-loopair-liftbioreactor工藝流程氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的工藝流程圖如圖所示。試驗用原水經(jīng)恒流泵提升后進(jìn)入反應(yīng)器底部，其流量通過轉(zhuǎn)子流量計觀測；反應(yīng)器的曝氣量由空氣泵提供，空氣流量由氣體轉(zhuǎn)子流量計觀測；在升流區(qū)進(jìn)行曝氣充氧時，空氣，污水，載體在高壓空氣的推動下被提升，由于升流區(qū)和降流區(qū)的密度差和高壓氣體的推動作用，使得氣、液、固三相在升流區(qū)和降流區(qū)之間循環(huán)流動，加快了微生物和污水之間的相對運動，強化了傳質(zhì)作用。升流區(qū)的載體在三相分離器外擋板及導(dǎo)流板的作用下，在降流區(qū)沉淀至反應(yīng)器底部。圖3-2氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器試驗裝置圖Fig.3-2theschematicdiagramofexperimentalset-up3.2試驗材料載體填料是氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的核心，是微生物得以生長的載體。因此，對填料的要求應(yīng)注意以下幾個方面：（1）生物膜生成、固著性能良好，有利于微生物的附著生長；（2）比表面積較大，可以附著較大的生物量；（3）其構(gòu)型應(yīng)利于形成氣相、液相的高湍流程度，以保證氣液相、固液相和氣固相之間的傳質(zhì)，這是提高氣提反應(yīng)器處理效率的重要保證；（4）化學(xué)及生物學(xué)的穩(wěn)定性強，不溶出有毒有害物質(zhì)，無有害成分，不影響生物轉(zhuǎn)化過程；（5）形狀規(guī)范、尺寸均一，布?xì)?、布水均勻，避免形成堵塞，影響氣、液、固之間的傳質(zhì)過程；（6）重量輕，比重與水接近，不使水中構(gòu)筑物承擔(dān)過大的荷載，具有一定的強度，堅固耐用；（7）價格便宜，供應(yīng)充分，易于購買，便于安裝和運輸[29]。本試驗所用載體為大連生源水處理設(shè)備發(fā)展有限公司生產(chǎn)的BM-2型號生源生物膜載體，規(guī)格為直徑10mm、高10mm的懸浮填料，該填料為中空圓柱體，內(nèi)部有十字撐面，如圖所示，材質(zhì)為再生資源材料，親水性材料和生物酶促進(jìn)劑配方，比表面積為1200m2/m3，密度為(1.05-1.15)×103kg/m3，該填料的生物膜厚度較?。?0-300μm），催化活性高，傳質(zhì)、傳氧效率高。圖3-3BM-2填料照片F(xiàn)ig.3-3thepictureoffillerBM-2試驗菌種及污水來源試驗菌種為烏魯木齊市虹橋污水處理廠A段沉淀池活性污泥；試驗用原水取自新疆大學(xué)學(xué)生生活區(qū)16號公寓樓旁的下水匯水干管，主要匯水區(qū)包括食堂、學(xué)生宿舍樓、試驗樓、教師生活區(qū)及其他片區(qū)，水質(zhì)為典型生活污水。表3-1原水水質(zhì)Tab.3-1Scenicwaterquality項目COD(mg/L)NH4+-N(mg/L)TN(mg/L)TP(mg/L)SS(mg/L)數(shù)值229.71-595.6927.21-77.7458.03-73.545.34-19.19193-412試驗設(shè)備與儀器試驗設(shè)備與儀器如表3-2所示：表3-2試驗設(shè)備與儀器一覽表Tab.3-2thelistoftestequipmentandapparatus儀器名稱型號規(guī)格數(shù)量廠家潛水泵SP-7800Q=3000L/Hr，H=3.5m，P=75W1深圳市興日升實業(yè)有限公司多通道恒流泵BT100-2Q=2×(0.3-5000)mL/h，壓力≥2.5kg/cm21上海滬西分析儀器廠有限公司電磁式空氣泵ACO-004Q=75L/min，壓力=28KPa，P=58W1廣東日生集團有限公司轉(zhuǎn)子流量計(水)LZB-41.6-16L1上海榮華儀表廠轉(zhuǎn)子流量計(氣)LZB-10250-2500L1上海榮華儀表廠3.3檢測項目與分析方法試驗部分是本課題的主體，對氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的控制因素進(jìn)行調(diào)整，通過試驗分析并及時校合，實時觀察相應(yīng)階段的污泥相、生物相形態(tài)變化，以便更深入的對其進(jìn)行研究。本試驗的分析項目主要包括COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TP、TN、SS、DO、SV、MLSS、SOUR等指標(biāo)，各指標(biāo)的分析方法詳見表3-3。表3-3分析方法匯總表Tab.3-3theanalyticalmethodsformeasurementsintheexperiments序號項目方法1COD重鉻酸鉀法2NH4+-N納氏試劑分光光度法3NO2--NN-（1-萘基）-乙二胺光度法4NO3--N紫外分光光度法5TN過硫酸鉀消解法6TP過硫酸鉀消解—鉬銻抗分光光度法7SS重量法8SV量筒法9MLSS重量法10SOUR溶解氧電極法11DOHANNA便攜式溶氧儀試驗分析項目所需儀器如表3-4所示。表3-4試驗分析所需儀器匯總表Tab.3-4thelistoftestanalyseapparatus儀器名稱型號廠家備注電子天秤AL204MettlerToledo便攜式溶氧儀HI98186HANNA鼓風(fēng)干燥箱DHG-9140A上海一恒科技有限公司手提式壓力蒸汽消毒器GMSX-280北京市永光明醫(yī)療儀器廠雙光束紫外可見光光度計760CRT上海棱光技術(shù)有限公司配電腦，P4，windows98磁力攪拌器DF101S天津天巴儀器廠3.4試驗過程設(shè)計為了更科學(xué)有效地進(jìn)行試驗，有必要做好試驗安排，明確試驗內(nèi)容。正交實驗部分分為9個階段，每個階段歷時14d，共126d?；钚晕勰嗟娘@微鏡觀察分別在氣提反應(yīng)器的培菌啟動階段和穩(wěn)定運行階段各進(jìn)行一次。試驗過程中的水質(zhì)指標(biāo)COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN、TP等為每兩天測一次，SS、MLSS、SV、SVI以及SOUR為每個正交實驗階段測兩次。最佳參數(shù)的選擇試驗原水處理目標(biāo)參照2002年12月24日國家環(huán)境保護(hù)總局和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合發(fā)布，2003年7月1日正式實施的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）中規(guī)定的二級標(biāo)準(zhǔn)，在這一標(biāo)準(zhǔn)中CODcr的最高允許排放濃度為100mg/L，NH4+-N的最高允許排放濃度為25mg/L，SS的最高允許排放濃度為30mg/L。本試驗中，將利用正交實驗方法來確定滿足以上標(biāo)準(zhǔn)的氣提反應(yīng)器處理生活污水的最佳參數(shù)組合?？箾_擊負(fù)荷試驗氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的降流區(qū)接近于推流式，升流區(qū)接近于完全混合式，整個反應(yīng)器可以模擬為一個推流式和一個完全混合式的串聯(lián)；而反應(yīng)器內(nèi)投加量填料，使得氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器具備了活性污泥法與生物膜法的雙重特點。載體與混合污泥的流化狀態(tài)提高了有機物和氧氣的傳質(zhì)效果并保持流化床內(nèi)良好的混臺流態(tài)，使污水一旦進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)，就能很快得到混合、稀釋，因此，氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器具有很好的抗沖擊負(fù)荷能力，為了對其進(jìn)行驗證，本試驗將對氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器抗水量、水質(zhì)沖擊負(fù)荷進(jìn)行研究，并探討了反應(yīng)器的二次啟動問題?；钚晕勰嗵匦匝芯课鬯锾幚碇械奈勰嘀饕晌⑸飿?gòu)成，而微生物又是污水生物處理的關(guān)鍵，因此有必要對氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的污泥部分進(jìn)行相關(guān)研究，本文將考察活性污泥的外觀結(jié)構(gòu)和微生物種群的多樣性，并通過監(jiān)測污泥的SV、MLSS和比耗氧速率SOUR來分析氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的污泥特性。

第四章試驗運行過程與數(shù)據(jù)分析4.1氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的啟動與掛膜所有的新投產(chǎn)污水處理工藝都需要經(jīng)歷一個微生物的培菌過程，使新投產(chǎn)的污水生化處理系統(tǒng)從無到有，培育適合該污水想適合的菌種。污水生化處理系統(tǒng)的培菌通常分為兩種，即接種培菌和自培菌[30]。（1）接種培菌概要性的講，接種培菌就是將相近的污水處理廠的活性污泥或脫水后的污泥運到準(zhǔn)備啟動的污水處理現(xiàn)場，在經(jīng)過一系列培菌步驟完成對整個污水生化處理系統(tǒng)的啟動。接種培菌在新投產(chǎn)的污水生化處理系統(tǒng)中比較常用，主要是因為培菌耗時較短，有利于整個污水處理系統(tǒng)的盡快啟動。為此，對能量的消耗就比較少，因為過度的延長培菌時間會消耗掉過多的資源，特別是電能方面。而其缺點主要表現(xiàn)在軍中的適應(yīng)性方面，因為接種過來的菌種對新的污水是不適應(yīng)的，為此培菌過后的一段時間內(nèi)仍有菌種會不斷的優(yōu)化。在這種優(yōu)化的過程的，由于形成優(yōu)勢菌種需要時間，對去除率和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面存在一定的影響。（2）自培菌自培菌的過程是先讓待處理污水進(jìn)入生化處理系統(tǒng)，同時需控制好進(jìn)入系統(tǒng)的污水濃度和進(jìn)水量，一般進(jìn)水濃度控制在正常值的20%，然后開始進(jìn)行悶曝階段。由于自培菌階段微生物啟動的基礎(chǔ)很差，啟動初期需要投加大量的甲醇、蔗糖等易降解的碳?xì)浠衔铮暂^接種培菌的耗時來說會更長，這是在培菌啟動階段需要注意到地方，其培菌開始到進(jìn)水正常運行的耗時需要有計劃性的準(zhǔn)備。自培菌的優(yōu)點是針對性強，因為自培菌是在污水的特定成分條件下培養(yǎng)微生物，因此自培菌的微生物對污水的有機降解效率要高于接種污泥的去除效率。本試驗采用接種培菌法，活性污泥取自烏魯木齊市虹橋污水處理廠A段沉淀池。氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器中生物膜的培養(yǎng)和形成是反應(yīng)器能否正常運行的關(guān)鍵。試驗伊始向反應(yīng)器中投加6L經(jīng)沉淀后的活性污泥菌種以及6L填料，再向反應(yīng)器中加入生活污水至反應(yīng)區(qū)與脫氣沉淀區(qū)交界處(約60L)，在此采用2.0m3/h的空氣量進(jìn)行悶曝10d，此時填料大部分處于懸浮狀態(tài)，填料掛膜后沉淀，載體上的生物膜呈淺黃色且透明但厚度不均勻，當(dāng)曝氣量為0.41m3/h時填料從三相分離器開孔溢出。之后采用0.6m3/h的曝氣量，加水至滿繼續(xù)悶曝3d后改用以6L4.2正交實驗因素及水平的選定正交實驗設(shè)計是研究多因素多水平的一種試驗設(shè)計方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表的點進(jìn)行試驗，這些有代表的點具備了均勻分散，齊整可比的特點，正交實驗設(shè)計是一種高效率、快速、經(jīng)濟的試驗設(shè)計方法。做正交實驗首先要選定試驗所用因素及因素水平，影響氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器運行效果的因素很多，如填料體積、曝氣量、水力停留時間、泥齡、COD負(fù)荷等。（1）填料體積氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的微生物量主要取決于兩個因素：一是懸浮的活性微生物量，而是載體生物膜中生長的微生物量。填料載體的多少就是影響載體中物膜量的重要因素，載體上生長的微生物數(shù)量不受反應(yīng)器排泥的影響，填料體積是氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器可控制的因素之一。因填料掛膜期間，微生物的生長需要時間，這使得填料體積因素不適合被納入正交實驗，所以在氣提反應(yīng)器成功啟動以后，就進(jìn)行填料體積的單因素分析[31]。試驗過程中考察的固定因素為水力停留時間HRT=10h，曝氣量QA=0.6m3/h，污泥齡=5d；控制因素填料體積分別為6L、12L、15L圖4-1不同填料體積下系統(tǒng)COD的去除效果Fig.4-1theefficiencyofCODremovalunderdifferentfillervolume圖中橫坐標(biāo)為反應(yīng)器系統(tǒng)運行的時間，主縱坐標(biāo)為試驗進(jìn)出水COD的濃度，次縱坐標(biāo)為COD去除率。試驗分三個階段，向反應(yīng)器投加的填料分別為6L、12L和15L，從圖中可以看出，隨著填料體積的增加，系統(tǒng)對COD的去除效率有所增高。第一階段進(jìn)水COD濃度變化不大，平均濃度為243.5mg/L，出水COD濃度保持在90-119mg/L，平均值為101.0mg/L，COD平均去除率為58.1%。第二、三階段進(jìn)水COD濃度平均值分別為340.4mg/L和428.5mg/L，出水COD濃度分別為85.8mg/L和65.3mg/L，去除率分別為73.3%和83.3%。從試驗結(jié)果可以看出，氣提反應(yīng)器整體上保持著較高的COD去除率，填料體積的增加有利于系統(tǒng)中COD的去除，但第二階段和第三階段中COD的去除率變化范圍較小，且其出水COD濃度都符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）二級標(biāo)準(zhǔn)。因此本試驗中，填料體積選取12L。（2）曝氣量氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器是一種好氧生物處理發(fā)，有機物的降解以及微生物有機體的合成都需要氧的參與。沒有充足的溶解氧，好氧微生物就不能生存，更不能發(fā)揮氧化分解作用。同時，氣提反應(yīng)器作為一種改進(jìn)的好氧流化床處理工藝，還必須得使懸浮活性污泥、載體、污水以及氧充分接觸，因此，混合、攪拌作用也是不可缺少的。通過曝氣可實現(xiàn)充氧和混合這兩個目的[32]。本試驗中，氣提反應(yīng)器的曝氣方式采用的穿孔曝氣。由反應(yīng)器的清水測試階段可知，當(dāng)曝氣量QL為0.41m3/h時，反應(yīng)器內(nèi)的載體填料從三相分離器開孔溢出；另外，在反應(yīng)器填料體積的單因素試驗中，測得反應(yīng)器出水DO均值高達(dá)5.0mg/L，表明0.6m3/h的曝氣量過高。據(jù)此，我們選取曝氣量的三個水平值分別為0.35m3/h、0.45（3）水力停留時間水力停留時間（hydraulicresidencetime，簡稱HRT），顧名思義就是污水在曝氣池的停留時間，在污水生物處理工藝中，當(dāng)曝氣區(qū)容積一定時，水力停留時間HRT和進(jìn)水流量Q呈線性對應(yīng)關(guān)系，二者關(guān)系如下：HRT=（4-1）式中：V—氣提反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)容積，L；Q—進(jìn)水流量，L/h。在實際操作過程中，通過調(diào)節(jié)恒流泵的轉(zhuǎn)速來改變進(jìn)水流量Q，從而達(dá)到控制水力停留時間HRT的目的。通?；钚晕勰嘞到y(tǒng)的水力停留時間，對城市污水來講，為4-6h[33]。本試驗，進(jìn)水流量Q我們選取的三個水平值分別為6L/h、10L/h、15L/h，氣提反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)容積為60L，由此可以得出對應(yīng)的水力停留時間HRT三個水平值分別為10h、6h、4h。（4）COD污泥負(fù)荷COD污泥負(fù)荷N即單位活性污泥在單位時間內(nèi)去除的有機物的量。為了更形象的解釋COD污泥負(fù)荷，有點教科書將其稱之為食微比F/M，其中把F值比做食物，把M值比做微生物。M值即MLSS，是活性污泥濃度的意思，就是活性污泥存在的數(shù)量；F值指微生物的食物，也就是微生物待分解的有機物。COD污泥負(fù)荷N的計算方法如下：（4-2）式中：Q—進(jìn)水流量，L/h；S—進(jìn)水有機物COD濃度，mg/L；X—反應(yīng)器污泥濃度MLSS，mg/L；V—氣提反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)容積，L。由于本試驗中，進(jìn)水原水為未經(jīng)任何處理的生活污水，COD濃度不易控制，因此正交實驗中將不考慮COD污泥負(fù)荷N，而是在后續(xù)的氣提反應(yīng)器抗沖擊負(fù)荷試驗中對其進(jìn)行研究。（5）泥齡活性污泥法最初使用的控制參數(shù)是曝氣池污水水力停留時間和單位池容積單位時間的處理量（即容積負(fù)荷），它們反映不出生化過程的內(nèi)在聯(lián)系。為了更好的從微生物學(xué)方面考慮污水的有機物代謝過程，改用污泥負(fù)荷F/M作為活性污泥法的控制參數(shù)。污泥負(fù)荷F/M即單位活性污泥在單位時間內(nèi)去除的有機物的量。污泥負(fù)荷將曝氣區(qū)微生物的量與有機物的去除率直接聯(lián)系起來，客服了單純經(jīng)驗數(shù)據(jù)的片面性，多年來在工程設(shè)計中一直廣泛采用。但作為控制參數(shù)，在實際運轉(zhuǎn)中需要測定分析的項目多，周期長，難以準(zhǔn)確達(dá)到控制的目的，故國內(nèi)外環(huán)保工作者又提出以泥齡法作為設(shè)計和控制參數(shù)的新方法[34]。所謂泥齡是指曝氣池中工作的活性污泥總量與每日排放的剩余污泥的比值，在穩(wěn)定運行時，剩余污泥量就是新增長點活性量。因此，污泥齡SRT也是新增長的活性污泥在曝氣池中的平均停留時間，或者理解為活性污泥總量增長一倍所需要的時間。因為泥齡是一個比值，所以，需要考慮活性污泥總量和排泥量的關(guān)系?；钚晕勰酀舛葲Q定了活性污泥總量的可變性，而活性污泥的外排量又決定了泥齡的可控性。下面就本試驗?zāi)帻g的計算公式加以說明：（4-3）式中：SRT—泥齡，d；V—反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)體積，L；X—反應(yīng)器污泥濃度MLSS，mg/L；q—日排泥量，以活性污泥量計，mg；qe—反應(yīng)器出水每天帶走的活性污泥量，mg。一般來說，泥齡短時活性污泥具有較高的活性，其體內(nèi)的含磷水平也較高，這是縮短泥齡可提高除磷效率的原因之一。若系統(tǒng)的負(fù)荷不變，縮短泥齡可增加污泥的排放量。若系統(tǒng)的泥齡過長，則會使污泥的活性降低，污泥的含磷量下降，使得去除單位重量的磷需消耗的碳源增加。此外，由于泥齡過長，污泥將趨于老化，可通過自身的氧化而是體內(nèi)的磷釋放回水中；同時剩余污泥量減少也導(dǎo)致了除磷量的降低。較長的泥齡還會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)糖原累積非聚磷微生物的增長而使系統(tǒng)的除磷效率大幅降低。因此，本試驗中，泥齡的最大值選取為14d，另外兩個水平值分別為5d和2d。泥齡的最小值取2d的理由有二：一是雖然理論上硝化細(xì)菌的世代周期為3天左右，但這僅為理論值，實際在3天左右都可以發(fā)生硝化反應(yīng)。二是因為我們的反應(yīng)器投加了填料，附著在填料上的部分微生物在低泥齡的情況下也完全可以完成硝化任務(wù)[35]。綜上所述，本文選取水力停留時間HRT、曝氣量QL以及泥齡SRT三個因素做正交實驗分析，各因素及所選取的水平值如下表所示：表4-1正交實驗參數(shù)及其水平值Tab.4-1Parametersandlevelsoftheorthogonalmethod參數(shù)水平水力停留時間HRT（h）曝氣量QL（m3/h）泥齡SRT（d）水平1100.3514水平260.455水平340.5524.3最佳運行參數(shù)的選擇本試驗選取影響氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器處理污水效率的3個指標(biāo)進(jìn)行分析，COD去除率用以描述反應(yīng)器對有機物的降解，反應(yīng)器的硝化能力用NH4+-N去除率來衡量，三相分離器的分離效果用SS去除率加以評價，并采用正交表L9（33）安排試驗，結(jié)果如表4-2所示。對于評價正交實驗結(jié)果的指標(biāo)，我們選取出水水質(zhì)COD、NH4+-N和SS的去除率，并將其做等權(quán)重考慮，取三者之和為評價正交實驗結(jié)果的綜合指標(biāo)。表4-2正交實驗結(jié)果Tab.4-2Resultsoftheorthogonalmethod試驗號HRT（h）QL（m3/h）SRT（d）COD去除率（%）NH4+-N去除率（%）SS去除率（%）綜合指標(biāo)11(10)1(0.35)1(14)74.5765.3489.03228.9421(10)2(0.45)2(5)80.7483.4590.25254.4431(10)3(0.55)3(2)89.5390.4391.77271.7342(6)1(0.35)2(5)81.5769.8692.48243.9152(6)2(0.45)3(2)75.6879.5787.72242.9762(6)3(0.55)1(14)86.8686.2985