摘 要

生物滤池作为一种突破传统的新型污水处理工艺，越来越得到业内人士的广泛关注和认可，并不断经过改良衍生出多种类型的生物滤池。其中曝气生物滤池和反硝化生物滤池已有了广泛的实际应用，其将污水生物处理过程与悬浮物去除过程结合在一起，非常适合作为污水二级处理后的深度处理工艺。污水厂二级处理出水中仍含有相对较高含量的氮元素，排放水体后易引起水体富营养化。故本次研究以污水厂二沉池出水为对象，探究曝气生物滤池和后一级反硝化生物滤池的脱氮效率。本实验中通过调整2组曝气生物滤池的曝气先后顺序，探究曝气顺序是否对滤池的脱氮效率造成影响；通过投加不同的碳源，探究碳源类型对后一级反硝化滤池脱氮效率的影响。结果表明，曝气顺序调整对曝气生物滤池脱氮效率无显著影响，曝气生物滤池溶解氧过高，反硝化过程被抑制，脱氮效率不佳，出水未达到一级A排放标准；后一级反硝化生物滤池投加碳源后脱氮效果显著高于未投加碳源时，对本实验装置，投加葡萄糖作为外加碳源的脱氮效果比投加乙酸钠更佳，出水可达到一级A排放标准。

关键词：生物滤池；脱氮；曝气顺序；碳源

Abstract

As an ancient and promising sewage treatment process, biofilter has received more and more attention and recognition from people in this field, and it has been continuously modified to produce various new types of biological filter. The aerated biological filter and the denitrification biological filter have been widely used in practical applications. Since the biological filter combine the merits of sewage biological treatment with simultaneous suspended solids removal, they are very suitable for advanced treatment of effluent from secondary sedimentation tanks in a conventional wastewater treatment plant. The effluent from the secondary sedimentation tanks still contains a rather high content of nutrients mainly including nitrogen and phosphorus. Once the effluent is discharged directly to a nearby receiving waterbody, following eutrophication of the receiving waterbody is likely to occur. Therefore, in this study, the effluent from the secondary sedimentation tank of the wastewater treatment plant was studied to investigate the denitrification efficiency of the aerated biological filter and the denitrification biological filter. By changing the aeration sequence of aerated biological filters, the effect of aeration sequence change on denitrification efficiency of the filter was explored; by adding different carbon sources, the denitrification efficiency of the following denitrification filter was explored. The results show that the adjustment of aeration sequence has no significant effect on denitrification efficiency of the aerated biological filter. Due to the high dissolved oxygen in the aerated biological filter, the denitrification process is inhibited, and the denitrification efficiency is not satisfying. The effluent does not meet the discharge standards of first class A. After the denitrification biological filter was added with carbon sources, the denitrification effect was significantly higher than that with non-addition. For the present conditions, the glucose is superior to sodium acetate as an external carbon source for enhancing denitrification performance. The effluent from the enhanced denitrification biological filter can meet the discharge standards of first class A.

Key Words：biological filter；denitrification；aeration order；carbon source

目录

第一章 文献综述 1

1.1 我国水资源现状及存在的问题 1

1.2 水体富营养化的危害 1

1.3 生物滤池研究进展 1

1.4 本研究的目的及意义 1

第二章 曝气顺序调整对曝气生物滤池脱氮效率的影响 1

2.1 实验设计与分析方法 1

2.2 出水理化参数分析 1

2.3 曝气顺序调整对各种氮素去除效率的影响 1

第三章 外加碳源类型对反硝化生物滤池脱氮效率的影响 1

3.1 实验设计与分析方法 1

3.2 出水理化参数分析 1

3.3 外加碳源类型对各种氮素去除效率的影响 1

第四章 结论 1

4.1 曝气生物滤池脱氮效率分析 1

4.2 反硝化生物滤池脱氮效率分析 1

参考文献 1

致谢 1

第一章 文献综述

1.1 我国水资源现状及存在的问题

水是人类赖以生存、不可或缺的重要物质。虽然地球水资源极其丰富，但绝大部分以海洋、冰川、积雪的形式存在，真正可为人类所利用的淡水资源非常有限，仅占全部水资源的1%^[1]。水与土壤、大气、生物共同构成了人类生活的环境，互相协调制约以达到地球环境的稳定。一旦水环境发生改变或者破坏，必然会引起其他环境失稳，从而导致整个人类赖以生存的空间发生变化。

我国的基本水情是：人多水少，水资源时空分布不均，水资源与生产力布局不匹配^[2]。并且存在以下的特点：（1）水资源总量大但人均占有量不足，仅达到世界平均水平的1/4，世界排名仅为121位；（2）受我国气候条件影响，降水量在地域上分布不均衡，且时间上也出现夏季较春季、冬季多的现象；（3）由于分布不均造成我国西北地区长年干旱，引发诸多生态问题。而在水资源利用方面，全国用水量的70%用于农业灌溉，工业用水量也远远高于欧美发达国家。

水是一个国家建设发展所不可或缺的重要资源，自改革开放以来，依靠着丰富的水资源，我国社会经济得到了迅猛发展，但是在各种工业高科技飞速进步的同时，水资源缺乏保护、水体受到污染的问题也越来越严重。水体污染会影响农业生产甚至危害到人体健康，更会给工业生产和市政建设造成了直接经济损失^[3]。现在，水污染已成为我国社会经济发展的重要制约因素，加强对工业及城市污水的处理，使水资源得以净化再生并重复利用是当务之急。

1.2 水体富营养化的危害

水体富营养化,是指大量含有氮、磷等营养性元素的物质经废水排入水体后，使水体内藻类在短时间内大量繁殖，影响水体内其他生物的正常生命活动，从而造成水环境失稳，生态环境遭到破坏的现象。水体内一旦发生富营养化，如水华、赤潮等，水体内微生物量骤增，导致水中溶解氧被大量消耗，水体内其他生物因缺少足够的氧气而死亡。同时缺氧环境使厌氧菌大量繁殖，因水生生物的死亡而引发的异味、病毒等还会危害到人们的健康^[4-6]。

近年来，我国水体富营养化问题越来越严重，许多大型的河流、湖泊甚至城市内景观水体都受到水体富营养化的危害，并因此影响到人们的正常生活，如2007年5月江苏无锡太湖爆发严重蓝藻，导致市区水源严重破坏，居民饮用水严重短缺；2014年8月武汉南湖整个湖面几乎被蓝藻覆盖，散发出腥臭味影响附近居民生活。究其原因，大部分水体富营养化现象是由于生活污水或工业废水未经完全处理，未达到排放标准就排入水体，引起水体中氮元素及磷元素的严重超标，使藻类大量繁殖，破坏水资源环境。因此，污水中氮素的有效去除是污水处理过程中极其重要的一个环节，也是水体保护工作的核心。

1.3 生物滤池研究进展

生物滤池是在生物膜反应器的基础上发展而来，经过长时间的应用与改良，工艺越来越成熟。近年来，针对生物滤池在各种实际运用条件下的不同需求，生物滤池不断得到改进，产生了许多新型生物滤池，如曝气生物滤池（BAF）、反硝化滤池（DNBF）以及厌氧生物滤池（AF）等。我国也逐渐将生物滤池应用到城市污水处理、工业废水处理等中。三种生物滤池内均填充有滤料，通过接种使滤料上附着微生物形成生物膜，并以此作为介质通过微生物的生化作用及滤料的物理作用对污水进行处理。不同功能的生物滤池内生物膜上的优势微生物种类也有所不同，曝气生物滤池内主要为在好氧条件下生存的硝化细菌，反硝化滤池内则为缺氧条件下生存的反硝化菌，厌氧生物滤池内为厌氧微生物。在结构上，三种生物滤池的结构也因功能不同有所差异，BAF需设置有独立的曝气系统以供给微生物呼吸，而DNBF需保证缺氧环境，故无需设置曝气系统供氧，AF因为环境条件要求严格，结构上与BAF、DNAF相差较大^[7]。

曝气生物滤池是一种在生物滤池、生物接触氧化工艺基础上，开发出的好氧生物膜法污水处理工艺^[8]。在同一反应器内可同时发生生物降解及絮凝过滤的作用使其能比传统生物膜法更有效地去除污水中的有机物质、悬浮固体和有害物质等^[9]。曝气生物滤池的设计采用了接触氧化法及滤池吸附过滤的思路，巧妙地将两种处理工艺结合在一起，节省了装置的占地空间。滤池内填充的滤料通常有陶粒、石英砂等。通过前期的活性污泥接种，以及后期的鼓风曝气，滤池内微生物大量繁殖形成致密的生物膜附着在滤料颗粒上。生物膜上的微生物可摄取污水中有机物质为生命活动提供能量，使污水中的有机物质得到降解的同时也使自身得到生长和更新。同时较小的滤料粒径也可发挥物理吸附及截留的作用，实现污染物在滤池内的高效去除^[10]。

现在我国主要的污水处理方法有化学法、物理法和生物法。物理法为一级处理，主要去除污水中的悬浮物质；化学法和生物法均可作为二级处理的方法，包括投加化学药剂和活性污泥及其衍生工艺^[11]。城市污水处理主要通过机械处理、生化处理、污泥处理三种方式进行，污水经过机械处理和生化处理后有机物和悬浮固体去除率可达到90%~98%^[12]。但是这种处理出水经过二沉池沉淀后，水中仍有一定量的氮、磷元素没有得到去除，如果直接排入水体，将对水体造成一定污染，容易引发水体富营养化, 导致水体中微生物大量繁殖从而出现水华、赤潮等现象。曝气生物滤池通过滤料上附着的生物膜降解污水中的溶解性有机物以及滤池自身的过滤作用，可达到去除水体中过量的氮、磷等营养物质的目的；并且曝气生物滤池占地面积小、建设投资费用少、运行操作维护简单且抗冲击负荷能力强，现在许多生活污水及工业废水处理工艺中均能看到曝气生物滤池的身影^[13]。

传统的脱氮处理工艺一般包含两个主要处理区域，即好氧区和缺氧区，通过不同区域内不同种类微生物发生的生化反应达到去除氮素的目的。根据曝气生物滤池的作用效果不同，可将其分为硝化曝气生物滤池、反硝化曝气生物滤池，两种滤池分别利用硝化细菌和反硝化细菌，在好氧和缺氧的条件下分别进行硝化反应和反硝化反应。大量实践经验表明，将这两种曝气生物滤池组合在一起可提高氮素去除效果，且反硝化滤池位置不同时氮素去除效率也有一定的差别^{[8, 14]}。大量文献以及工程实践表明，对曝气生物滤池间歇性的供给氧气，可使滤池内形成好氧、厌氧交替的环境，促进硝化反应和反硝化反应的进行，以此方式处理污水处理厂二沉池出水可有效去除氮、磷等营养物质，比传统方法的处理效果更加显著^[15]。

在曝气生物滤池的基础上改进而来的反硝化生物滤池过去多与传统污水处理工艺结合，用于对污水进行二级处理。近年来，为了满足人们对出水水质的高要求，欧美等发达国家开始将其引入中水回用系统中。实际工程中，反硝化滤池已逐渐开始应用于对二级处理出水进行深度脱氮的工艺中，尤其是当对出水水质中营养性物质的去除有较高的要求时。与传统处理工艺相比，反硝化滤池运行管理更为方便，且投资建设费用和运行能耗都相对降低。反硝化滤池又可分为前置反硝化和后置反硝化，前置反硝化即反硝化滤池设置在曝气生物滤池之前，故系统内硝酸盐需要回流，建设投资及运行能耗费用都相对较大；后置反硝化即反硝化滤池设置在曝气生物滤池之后，硝酸盐无需回流，能耗较低且总氮去除效率更高，但往往由于水中有机物已被大量消耗，需要额外投加碳源。选择合适的碳源以及合适的投加量是控制反硝化速率的关键。投加过多的碳源会直接影响出水中的有机物含量，但投加过少又难以保证反硝化效果。所以对反硝化滤池外加碳源的研究是该工艺亟待解决的核心问题。

1.4 本研究的目的及意义

本文基于国内外先例，通过设置间歇曝气滤池和反硝化滤池，对曝气工况和反硝化碳源投加进行调整，探究生物滤池脱氮的主要途径及优化策略。探究的主要内容如下：

1. 通过改变两组曝气生物滤池的曝气顺序来改变滤池内反硝化段的进行先后：先曝气后停曝为反硝化段后置，先停曝后曝气则为反硝化段前置，以此来探讨曝气顺序的调整是否影响间歇曝气陶粒滤池对污水厂二沉池出水中各种氮素的去除效率，及曝气生物滤池潜在的脱氮途径和机理。
2. 在曝气生物滤池后增加一级反硝化滤池，进一步去除前段出水中可能存在的氮、磷等营养性元素。通过补充不同的外加碳源，探究投加碳源的类型对反硝化滤池去除污水中氮素效率的影响。
3. 总结曝气生物滤池和反硝化滤池脱氮效率的影响因素，对污水处理厂二级出水中残余氮素的深度处理提出有效合理的解决方案。

第二章 曝气顺序调整对曝气生物滤池脱氮效率的影响

2.1 实验设计与分析方法

实验中将自行模拟配制污水厂二沉池出水。模拟的二沉池出水中各氮素指标含量参考武汉某污水处理厂二沉池出水实测值及《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准进行配制，具体配置方案见表2.1。

表2.1 模拟二沉池出水配置方案

实验构建了2组相同的曝气垂直流滤池A、B（规格：L×W×H=48cm×48cm×60cm），滤池内部填充相同规格的多孔陶粒，深度为45cm；出水口设置在滤池侧面底部。滤池底部设有集水管；集水管内设有微孔曝气管，曝气管通过塑料软管与鼓风机相连（图2.1）。

图2.1 曝气垂直流滤池A（右一）、B（右二）

为探讨曝气顺序的调整对滤池脱氮效率的影响，对2组垂直流滤池进行间歇曝气处理。均保持每天6小时的总运行时间，间歇1.5小时进行曝气，总曝气时间为3小时。具体运行工况如下：

A池：曝气1.5小时，停曝1.5小时，曝气1.5小时，停曝1.5小时；

B池：停曝1.5小时，曝气1.5小时，停曝1.5小时，曝气1.5小时。

在此工作条件下运行测量4天后，交换A、B两滤池的工况，继续运行测量3天。

选取垂直流滤池进水和滤池底部出水作为水质取样位点。进水的取样频率为每天1次，每次取样固定在上午9:00-9:30进行；两组滤池出水的取样频率均为每天1次，每次取样固定在下午4:00-4:30进行。交换两组滤池运行工况前需间隔2天，使装置进行试运行，待运行稳定后再进行后续实验。

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