摘 要

本研究主要探究了提高曝气生物滤池处理城市污水厂二沉池出水脱碳除磷效率的两种改进措施，第一种是：改变间歇曝气周期中曝气段时长以及调整间歇周期循环次数，探究其对单级垂直流生物滤池脱碳除磷效率的影响，并探讨了不同间歇曝气周期运行过程中脱碳除磷效率随时间的变化规律。第二种改进措施为：构造一组由垂直流生物滤池和水平折流式滤池构成的组合滤池。前池采用间歇曝气运行模式，后池采用非曝气厌氧运行模式，并在此基础上，探究补充加入乙酸钠或者葡萄糖为碳源时对后池除磷效率的影响。所得结果对于将曝气滤池运用于污水深度处理技术脱碳除磷具有重要的指导意义。

研究结果表明：延长曝气段时长，滤池脱碳除磷效率上升，但过长的曝气时间反而会导致效率下降；增加间歇曝气次数对滤池去除COD_Mn效率无影响，但滤池除磷效率表现出明显差异。当采用工况为曝气2h/停曝1h/曝气2h/停曝1h的间歇曝气运行方式时，该垂直流生物滤池有最佳的脱碳除磷效率。组合生物滤池的除磷效率明显优于单级滤池，并且通过补充投加碳源的方式，可以进一步促进磷的去除。乙酸钠为刺激该水平折流式生物滤池生物过量摄磷的最佳补充碳源。

关键词：曝气生物滤池；间歇曝气周期；组合生物滤池； 碳源；脱碳；除磷

Abstract

This study mainly explored two improvements to increase the efficiency of decarbonization and dephosphorization with biological aerated filter, which was used in the treatment of effluent from secondary sedimentation tank in a municipal wastewater treatment plant. The first improvement was to change the duration of aeration time or the number of repeated aeration times in an intermittent aeration cycle, and further to explore their effect on decarbonization and dephosphorization performance in a single-stage vertical flow biological filter. The change law of removal efficiency with time was also explored at the same time. The second improvement was to construct a set of combined filters consisting of a vertical flow filter and a baffled horizontal flow one. The former was operated under intermittent aeration mode, while the latter run under anaerobic conditions. Based on this, the effect of adding sodium acetate or glucose as a carbon source on phosphorus removal in the rear pool was explored. The findings obtained are of great significance for decarbonization and dephosphorization of advanced wastewater treatment via aerated filter.

Results indicated that the efficiency of dephosphorization in the filter pool increased as prolonging the length of the aeration period. However, the long aeration period would result in a decrease in efficiency. The increase of intermittent aeration number had no significant effect on COD_Mn removal, but there was an apparent difference in phosphorus removal efficiency. When the operation conditions (2h aeration/1h non-aeration/2h aeration/1h non-aeration ) were adopted, the vertical flow biological filter had the best efficiency of decarbonization and dephosphorization. The phosphorus removal efficiency of combined biofilters was significantly higher than that of a single-stage filter. Phosphorus removal efficiency can be further promoted by supplementing carbon source. Sodium acetate was the best supplementary carbon source for stimulating bioabsorption of phosphorus in this horizontal bioreactor.

Key Words：biological aerated filter；intermittent aeration cycle；combined biofilter； carbon source；COD removal；phosphorus removal

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.1.1我国水资源现状 1

1.1.2污水深度处理 1

1.1.3曝气生物滤池工艺 2

1.2研究内容、目标及技术路线 3

1.2.1研究内容 3

1.2.2研究目标 3

1.2.3研究技术路线 3

第2章 实验材料与分析方法 5

2.1实验材料 5

2.2 取样与检测 5

2.3 数据分析 6

第3章 生物滤池滤料吸附磷的静态试验 7

3.1 实验材料及方法 7

3.2 实验结论 7

第4章 间歇曝气周期对滤池脱碳除磷效率的影响 8

4.1 实验设计 8

4.2 间歇曝气周期对COD_Mn去除效率的影响 10

4.3间歇曝气周期对磷的去除效率的影响 11

第5章 滤池脱碳除磷效率随时间的变化规律 13

5.1 实验设计 13

5.2 间歇曝气周期中溶解氧浓度的变化 13

5.3 间歇曝气周期中出COD_Mn去除效率的变化 14

5.4 间歇曝气周期中出磷的去除效率的变化 15

第6章 外加碳源对反硝化生物滤池脱碳除磷效率的影响 17

6.1 实验设计 17

6.2 外加碳源对磷的去除效率的影响 19

第7章 组合滤池脱碳除磷效率的探究 23

7.1 实验设计 23

7.2 组合滤池脱碳效率的探究 23

7.3 组合滤池除磷效率的探究 24

第8章 结论与建议 26

致 谢 30

第1章 绪论

1.1研究背景

水是人类赖以生存的资源之一，但是随着社会的发展与工业的进步，人类对自然资源的开发与利用导致水资源的消耗急剧增加。而水资源短缺也已经成为了被世界关注的话题。水环境污染也成了亟待解决刻不容缓的问题。水资源短缺有两种类型，第一种是资源性短缺，即部分地区因自然条件不足而造成的缺水；第二种即为水质性缺水，是指大量排放的污水污染水资源环境而导致的缺水。

1.1.1我国水资源现状

中国属于人均贫水国家，在中国很多地区都受到水资源短缺的困扰。如何解决水资源短缺现状也成了现在亟待解决的问题。特别是针对于水质性缺水，其带来的危害的直接表现是水环境的污染与恶化。一方面会导致可利用水资源的总量不断减少，一方面增加了水处理工艺的复杂性和成本。

根据2008年中国环境公报显示^[1]，目前全国地表水的污染状况整体上较为严重。水质监测的主要污染指标包括高锰酸盐指数、总氮、氨氮和总磷。结果显示，长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河七大水系均为轻度污染。湖泊和水库富营养化问题也日益突出。对于我国204条河流和409个地表水国控监测断面中，Ⅰ～Ⅲ类占59.9%，Ⅳ～Ⅴ类占23.7%，劣Ⅴ类水质比例为16.4%。并且随着时间发展，水体污染状况愈发令人担忧^[2]。

其实，我国对水环境污染的治理十分重视，近些年来，国家不仅加大了对黑臭水体与重污染水源的整治力度，并且积极对城市污水处理厂进行提标改造，增加深度处理工艺。一方面是为了扼制水资源环境被污染恶化的趋势，另一方面是使现有水资源被重复循环利用达到可持续性发展的目的。

1.1.2污水深度处理

为了响应节能减排的号召，我国水处理技术现已进入深度处理研究阶段。即将已经通过传统物理、化学、生物法处理后的城市生活污水或工业废水，再次强化脱碳、脱氮、除磷并去除悬浮物，使其出水指标降低至可以循环重复利用的标准。污水深度处理技术是近些年来在全国节水会议上提倡的缓解水资源短缺的解决措施。在国民经济和社会发展第十个五年计划纲要中，“污水处理回用”第一次被明确写入纲要，纲要中强调了将建设一批污水处理回用技术工程^[3]，这具有一定的社会效益与环境效益。

目前，污水中的大部分污染因子可以通过二级污水厂处理来削减。但对于自净能力较弱或者已经被污染的水体而言，污水厂二级出水中 N、P 浓度较高而且排放量大的特点导致污水厂出水仍然会是一种负担。所以二级污水厂对于污水的处理并不能根治受纳水体污染问题，这只能治标，不能治本。就我国目前的水环境现状而言，受纳水体的富营养化问题的罪魁祸首之一就是污水厂的二级出水^[4]。

1.1.3曝气生物滤池工艺

曝气生物滤池是一种介于活性污泥法和生物膜法之间的水处理工艺，可用于污水处理厂二级处理后的三级处理工艺，进一步去除污废水中有机物、悬浮固体、氮及磷。并且因为其占地面积小，无需复杂的人工操作，不会发生污泥膨胀而被广泛使用。

由于曝气生物滤池中填充了填料，使其比表面积增高，池内生物相丰富、污泥龄长，而同时填料的物理吸附、微生物的生长代谢过程使得有机物和去除率相当高。国内外一些研究表明，在适当进水条件下稳定运行的曝气生物滤池对COD和SS的去除效率可达以上80%~90%以上^[5]。

在传统的运行方式下，曝气生物滤池内溶解氧浓度基本维持在一个稳定的水平，不存在生物除磷所必需的厌氧好氧交替环境，因而除磷效果并不好，对总磷的去除效率为仅为35%~40%，无法满足污水深度处理的要求。因此，有研究提出向曝气生物滤池中加入化学除磷剂增强磷的絮凝沉淀，再通过反冲洗阶段从系统中排出含有高浓度磷的污泥来达到除磷目的。有研究表明，同步硝化除磷曝气生物滤池除磷效率远远高于普通生物滤池，可达70%，出水总磷可降至0.5mg/L以下^[6]。

近些年来，国内外一些研究致力于在生物滤池的原有基础上增加一些改良工艺或运行模式，进而提高了其除磷效率，主要形式有：序批式进水；间歇曝气；周期性改变水流方向和曝气对象；前置厌氧反应池的曝气生物滤池系统^[7]。

Shanableh^[8] 等在研究了曝气段时间对一组由两座生物滤池串联组成并周期性改变进水方向的间歇曝气生物滤池的影响，发现曝气好氧段的时长对生物滤池中有机物、磷和氮的去除和转化有着重要影响。

郑俊等^[9]在四种不同的厌氧 /好氧交替曝气时间的条件下，考察了两级生物滤池对总磷的去除效果， 试验结果表明 ：交替曝气时间为12h时除磷效果最好 ，平均去除率为达80.18%，平均出水 TP为 0.94 mg/L，达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918— 2002)的一级B的排放标准。其中，停曝厌氧时间为9h，曝气好氧时间为6h时，除磷率最高可达 87.65%。

曾云龙等^[10]设置单个生物滤池，在间歇曝气、连续进水方式下，探究该工艺的在不同运行周期以及反冲洗条件下的生物除磷性。结果表明，运行周期为6h时，生物滤池除磷性能最佳，曝气阶段出水磷去除负荷可达 0. 059 g·( L·d) ^-1。

Qi Zhang^[11]等研究了在间歇曝气条件下，生物滤池中溶解氧以及生物群体的变化。提出间歇曝气策略对滤池中不同高度的溶解氧含量影响很大，导致了间歇曝气生物滤池中生物群落的变化，用于解释其对COD、氨氮、硝态氮的降解机理。^[12-19]

1.2研究内容、目标及技术路线

1.2.1研究内容

1)改变曝气段与停曝段的先后顺序，探究间歇曝气生物滤池在不同工况下用于处理城市污水二沉池出水降解COD、除磷效率的对比研究，并确定该运行工况下的最佳间歇顺序；

2）改变间歇曝气周期中好氧段时长以及间歇曝气反复次数，探究在不同运行工况下，滤池用于处理城市污水二沉池出水降解COD、除磷效率的对比研究，并确定该运行工况下的最佳间歇曝气周期；

3）运用好氧-厌氧组合生物滤池探究厌氧反硝化滤池添加碳源前后处理城市污水二沉池出水除磷效率与运行机制的分析。

1.2.2研究目标

1）本实验设置两座序批式进水、间歇曝气模式的生物滤池，通过控制曝气生物滤池的间歇时间与次序，设置四组不同的曝气/停曝时间比和次序，来探讨间歇曝气周期对生物滤池处理城市污水二沉池出水，降解COD、除磷的效率和机理。分析在该运行工况下的最佳间歇曝气周期。

2）另外单设一组好氧-厌氧组合生物滤池，采用序批式进水，通过控制两座组合滤池中，前池曝气，后池不曝气的部分曝气的模式，并且后期向后池添加不同碳源增强反硝化过程，探讨在反硝化状态下的生物滤池对各种污染物的降解能力。

1.2.3研究技术路线

1）构建三座条件基本相同的单级生物滤池。取武汉市某污水厂二沉池出水作为参照标准，配置人工模拟的生活污水作为滤池处理水。同时，利用水厂活性污泥进行接种挂膜，待生物膜生长，且运行稳定后，设定统一的运行周期，设置四组不同的曝气/停曝周期。通过监测进出水的COD、氨氮、硝态氮、总氮、无机磷和总磷等指标，对比探究在不同间歇曝气周期条件下生物滤池降解各种污染物的效率。

2）构建一组由好氧生物滤池和厌氧生物滤池组成的组合装置。保持前池曝气呈间歇曝气好氧/缺氧状态，后池不曝气呈厌氧状态，并补充碳源。通过监测进出水的COD、氨氮、硝态氮、总氮、无机磷和总磷等指标，分析好氧-厌氧生物滤池的降解污染物的效率和机制。

下图1.1为本实验的技术研究路线：

图1.1 技术研究路线

第2章 实验材料与分析方法

2.1实验材料

（1）生物滤池反应器

垂直流间歇曝气生物滤池A、B、C池的构建方式和参数见第4章。

厌氧水平折流式生物滤池D池的具体构建方式和参数见第6章。

（2）实验用水

拟采用人工模拟的污水处理厂二级处理工艺出水。为增强各项指标的准确性，取武汉市某污水厂二沉池出水作为水样，在实验室测定水样高锰酸盐指数（COD_Mn）、总氮（TN）、氨氮（NH₄ -N）、硝酸盐氮（NO₃^--N）、亚硝酸盐氮（NO₂^--N）、总磷（TP）、无机磷（IP）多项指标作为参照标准，并在此基础上参照《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B标准配置人工模拟的污水作为滤池处理水。具体模拟污水的营养液配置见下表2.1，每日按照标准配饰120L模拟污水，并将人工模拟配制的生活污水通过水泵均匀地引入三座单级滤池，3组滤池每座进水40L，水力负荷控制在0.2m³/(m²﹒d)。

表2.1 模拟污水和营养液的配置表

2.2 取样与检测

（1）取样

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