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高效自流式家庭生活污水净化槽的研究 ＊ 王 然 王 昶 杜晓雪 李桂菊 贾青竹 天津科技大学环境科学与工程系, 天津 300222 酒井裕司 东京大学化学系统工程系, 日本国东京 113-8656 摘要 介绍一种高效自流式家庭生活污水处理净化槽, 使用平推流二段厌氧和全混流好氧一体化技术, 减少厌氧区的 返混, 提高抗冲击性能, 同时还使用具有固液分离作用和生物膜吸附作用、生物降解作用的滤床技术, 进一步提高过程 的抗冲击能力和生物降解能力, 使出水水质提高 。净化槽各区之间液体依靠静压差形成自流, 能耗低。 实验表明, 滤 床填料挂膜后的启动十分便利, 冲厕污水在各区中具有较好的去除效果 , 出水 CODCr86. 9; BOD597. 4; 浊度去除率97. 7。 关键词 生活污水 净化槽 生物滤床 厌氧 ＊天津市农委 2006年重大项目 0604140 0 引言 随着开放改革, 大部分新建城乡都采用水冲洗厕 所, 改变了家庭生活环境 [ 1] 。但是约占我国人口 70的农村人口其生活污水几乎未加处理 [ 2] , 即使按 照国家“十五”规划的要求, 直至 2005 年城市污水集 中处理率也只达到 45。因此, 我国每天未经处理 直接排放到水体的生物耗氧量 BOD5 负荷量超过 4. 64 万 t ,必然会引起水体不同程度的污染 , 甚至会 影响人们生活用水的供给 。分散式小型高效生活污 水净化槽, 可进行生活污水即厨房用水 、洗澡用水以 及冲厕用水一体化连续处理 [ 3- 9] ,适用于新农村的建 设,也是保护我国自然水体的净化 [ 10- 13] 。 本研究针对家庭生活用水的特点, 开发抗冲击性 好、 固液分离的联合厌氧 、 好氧生物处理工艺的小型 一体化生活污水净化槽, 使用 KCl 溶液示踪剂调查厌 氧和好氧区的流体流动状态, 确定高浓度区平推流和 低浓度区全混流模式对生活污水生物降解的有效性。 通过实际生活污水的实验 ,初步地调查净化槽启动过 程中各区中生物降解的特点和能力 ,为实际净化槽的 设计和推广应用提供基础理论数据 。 1 材料与方法 1. 1 实验装置 净化槽 [ 14-15] 实验装置如图 1, 是由有机玻璃制作 而成的 ,主要由一级厌氧区 、 二级厌氧区、好氧区、沉 淀区、消毒区以及气泵等所构成, 进入到净化槽的污 水将靠各区之间的势能差 ,形成自然流动。实验装置 为实际运行时净化槽体积的 1 67,其实验流量相当于 实际 5 人家庭 1天 1t 用水量。 图 1 生活污水一体化净化槽装置图 1. 2 流体流动特性的测定 净化槽中流体流动特性对抗冲击性具有很大的 影响, 生活污水进入净化槽后, 一旦受流体返混或短 路影响 ,就会进入后续降解区, 对出口水质产生较大 的波动。为了调查净化槽两段厌氧一段好氧的抗冲 击性能力, 分别使用红墨水和 KCl 溶液示踪剂调查其 流体流动特性。 红墨水示踪实验是将净化槽内加满自来水,调好 一定浓度的红墨水溶液经磁力循环泵以流速为 0. 301 L min抽到净化槽的进口处, 连续观察红墨水在 槽中各部位的流动状态, 定时拍照以便比较分析。同 样选用0. 015 mol L浓度的 KCl 溶液以0. 30 L min的速 度连续进样 ,分别在不同时刻测定已设定好的 4个点 的电导率, 取样点分别为一级厌氧出口 , 二级厌氧出 口,好氧区底部以及净化槽的出口。 1. 3 挂膜和启动实验方法 为了增加填料表面积、强度以及耐腐蚀性, 本实 验选用了 2种不同规格的多孔波纹板, 1 种是波纹较 细的, 单位体积表面积为70 m 2 m3 , 用作为厌氧滤床 填料 ,所占体积分别为一级厌氧和二级厌氧槽体积的 40和 60 ,另 1 种是波纹较粗的, 单位体积表面积 为40 m 2 m3 ,用作为好氧滤床填料, 占好氧槽体积的 21 环 境 工 程 2007年 10 月第 25卷第 5 期 50。填料挂膜之前 ,经表面活性剂全面清洗, 去除 油垢交叉叠合捆扎一体分别进行厌氧和好氧挂膜 。 厌氧挂膜采用置于校园生活区化粪池出来的厌 氧井中,不定期搅拌水体并跟踪观察。好氧挂膜实验 用污水取自天津某大学生活区生活污水 , 其水质见 表1 。 好氧挂膜阶段将污水在容器内闷曝2 d ,然后每 天间歇进约容器体积 1 3的新鲜污水 ,溶解氧平均控 制在3. 60 mg L 。 表 1 学生生活区生活污水主要水质参数 CODCr mgL - 1 BOD5 mgL - 1 浊度 NTU pH 水温 ℃ NH 4- N mgL- 1 336 . 95228. 95144. 437. 3418 . 5123. 58 厌氧挂膜和好氧挂膜完成后, 各自填料放入相应 装满生活污水的净化槽内进行启动。第一阶段厌氧 区不进污水,处于浸渍状态,而好氧区连续曝气,溶解 氧控制在5. 0 mg L, 水温在 20～ 25℃左右, 每天定时 更换好氧槽体积 1 3的新鲜污水 ,4 d过后取样测定各 区液体中 BOD5、 CODCr以及浊度, 取样分别为一级厌 氧出口 ,二级厌氧出口 , 好氧区底部以及净化槽的出 口,各指标均采用标准方法测定 [ 16] 。第一阶段启动 的适应期完成后 ,进入初步运行阶段, 以连续的方式 流入污水 ,其速度为15 L d,曝气量保持不变, 连续5 d 进水后取样测定 ,方法同第一阶段 。 2 结果与分析 2. 1 流体流动特性分析 通过红墨水示踪实验 ,由12 min时的分布情况可 知,红墨水与下部的清澈自来水有明显的分界面, 说 明厌氧区没有返混, 流体按照平推流方式缓慢向前流 动。由于红墨水染料的浓度差引起的扩散效应,在分 界面附近形成了较小的颜色差 。115 min时的流动状 态也同样反映出一级厌氧区和二级厌氧区红墨水颜 色变化的类似性 ,即使存在扩散作用, 但纵向上仍然 没有返混现象。好氧区由于气体的湍动 ,液体进行激 烈的混合, 所以颜色明显减弱, 反映了好氧区的全混 流特性。 图2 为KCl 溶液示踪实验中电导率随时间变化 的结果,一级厌氧和二级厌氧的电导率经时变化曲线 极为相似, 当到达某一时刻后电导率快速增加 ,而好 氧区的电导率经很长时间才会缓慢增加 ,反映出全混 流的特性, 从浓度高低来说 ,进口处的高浓度区是靠 平推流形式向前推进流到后续区域 ,充分体现了有较 强地抗冲击性能力。 图 2 不同测定点电导率的经时变化 2. 2 挂膜和启动结果 由于厌氧污泥的亲水性很差,使得填料表面挂膜 缓慢 ,2周后厌氧膜在填料表面逐渐扩大 ,4 周后布满 了质地均匀 、 不易剥落的黑色厌氧膜 。相比之下好氧 挂膜相对容易,1 周后填料表面就附着了大量的絮状 棕褐色膜,2 周后好氧生物膜生长情况良好, 但这种 膜没有厌氧膜稠密均匀, 生长与脱落趋于动态平衡, 而受曝气量 、 污水浓度等影响较大。 净化槽内各区测定参数如表 2所示, 由于厌氧区 没有污水注入, 厌氧菌充分发挥其功效 , 经4 d后 CODCr和 BOD5都有了显著降低 , 同时浊度也有了很 大减少,污水得到了有效的降解。其中二级厌氧的各 指标比一级要小 ,这是由于滤床填料所占体积含量不 同,使得二级厌氧区的单位体积微生物含量要高于一 级厌氧区。好氧区在连续曝气的条件下 ,由于填料上 的生物膜以及污泥中部分好氧微生物的作用 ,即使在 每天更换 1 3 新鲜污水的第4 d后 ,CODCr和 BOD5也 都有了大幅度的降低 。此时沉淀区悬浮物沉淀于底 部,上部的水质更好。在这一稳定条件下 ,启动第二 阶段, 采用连续进水 , 考察槽内生物降解的相对稳定 性和去除率 ,此时原水主要水质参数见表 2, 一级和 二级厌氧区的 CODCr和 BOD5依次降低, 但去除率并 不高 ,表明厌氧降解速度并不快,主要由水解 、 厌氧发 酵使污染物得到了降解, 其中一部分分解为可溶性 的、 分子量更小的可溶性污染物, 有利于后续进一步 的生物降解 。由于滤床的作用 ,一级厌氧出口的浊度 比原水浊度有了明显的降低, 去除率可达 72,这充 分说明滤床的物理过滤作用以及生物膜吸附作用 ,使 颗粒悬浮物得到了有效分离。二级厌氧后的污水再 经好氧区的进一步降解, 出水质量明显提高, 其中 CODCr和 BOD5分别 60 mg L和20 mg L, 达到国家排 放水一级标准, 去除率也分别达到由二级厌氧出口的 54. 5 提高到 94. 1,同时 CODCr、BOD5和浊度去除 率也分别达到 86. 9、 97. 4 和 97. 7。 22 环 境 工 程 2007年 10 月第 25卷第 5 期 表 2 2个不同启动阶段净化槽各区中 CODCr、 BOD5、浊度及去除率 测定参数 第一阶段第二阶段 测定值去除率 测定值去除率 原水 一级 厌氧 二级 厌氧 好氧 出水 CODCr mgL - 1 351252 BOD5 mgL- 1253231 浊度 NTU178157 CODCr mgL - 1 12664. 118725. 8 BOD5 mgL- 16972. 717126. 0 浊度 NTU7259. 64472. 0 CODCr mgL- 110270. 911554. 4 BOD5 mgL- 15976. 710554. 5 浊度 NTU6563. 52782. 8 CODCr mgL - 1 4188. 34183. 7 BOD5 mgL- 17. 597. 013 . 694. 1 浊度 NTU15. 391. 413 . 391. 5 CODCr mgL - 1 2393. 43386. 9 BOD5 mgL- 14. 098. 46. 197. 4 浊度 NTU5. 896. 73. 597. 7 3 讨论 3. 1 家庭生活污水的特点 家庭生活污水是指冲厕、厨房、洗澡以及洗涤后 的污水 ,有别于城市生活污水, 在进入城市地下污水 管之前 ,大多数冲厕污水进入化粪池, 在厌氧条件下 发生水解 ,然后与其它生活污水一道进入地下管网, 在厌氧条件下进一步发生生物降解 , 到达污水厂时, 真正的家庭生活污水已经经过很长时间的厌氧生物 降解 ,原有的颗粒悬浮物 、 BOD5负荷量都已得到不同 程度的降低, 而且各方污水汇集形成了连续流动状 态,所以家庭生活污水更具有固体颗粒物多 、 脉冲非 连续模式 ,早中晚用水量大,高峰期的冲击系数 某时 间段的污水量与平均污水量比值 可高达 5 的特 点 [ 17] , 因此在净化槽设计和开发过程中, 为了直接处 理实现达标 ,在技术上要实现抗冲击性 , 同时还要有 效抑制难以降解的颗粒悬浮物进入到后续阶段,确保 高浓度污水不进入低浓度区。 3. 2 净化槽的技术工艺 针对家庭生活污水的特点 ,净化槽使用了平推流 厌氧生物反应器和全混流好氧生物反应器一体化技 术,通过流体流动特性实验证明, 采用两步厌氧一步 好氧, 先厌氧后好氧 , 利用平推流流动模式抑制高浓 度污水流入低浓度区 ,有利于高浓度污染物的生物降 解,提高抗冲击性能力。可生化降解的污染物在厌氧 区发生水解 ,BOD5的去除率在 60左右 ,CODCr的去 除率在 70左右 。部分降解的污水进入到全混流生 物反应器后与其中的水混合, 在好氧菌的作用下进一 步降解。由于好氧区 BOD5的浓度已降得很低 ,好氧 量将会减少 ,气泵能耗将会减少, 同时污泥量也相对 减少 ,操作稳定 。 同时还利用生物膜滤床技术,实验中在厌氧区和 好氧区增加一定量的滤床 ,抑制冲厕水中的颗粒物流 入低浓度区 ,使得浊度得到明显的降低 , 一级厌氧到 二级厌氧浊度去除率只上升了 10, 但一级厌氧的 出口浊度却高达72. 0 NTU,充分地说明生物膜滤床技 术的必要性 ,经好氧区的进一步降解, 一些可溶性的 污染物得到了有效的去除 ,出水的浊度可达3. 5 NTU, 水质十分清澈。厌氧两区不同容积比例滤床的设计, 是因为一级厌氧区需要给过滤得到的大分子颗粒物 以存储 、 待分解的空间 , 另外经一级厌氧降解后得到 的小分子有机污染物 ,可以经二级厌氧区更大容积密 度微生物的进一步吸附、降解,CODCr、 BOD5去除率均 提高 28. 5,有效的提高了抗冲击能力 ; 再经过好氧 滤床上好氧微生物的吸附 、降解, 使得 CODCr由厌氧 后的115 mg L大幅度降至41 mg L,BOD5从105 mg L降 至13. 5 mg L。 同在设备的空间上, 将厌氧区、好氧区、 沉淀区以 及消毒区连为一体 ,两区共用一壁, 区与区之间污水 以各区势能差, 形成自流运行方式, 不需要外加动力。 从流体流动特性实验中还可以看出 ,沉淀区是一个相 对平稳的平推流流动过程 ,从启动第二阶段的实验数 据中也可以看到, BOD5去除率从好氧阶段的 94. 1 经沉淀 后提 升到 97. 4, 浊度 从 91. 5提 高到 97. 7, 说明沉淀区不受好氧槽全混流的影响 。这也 有利于沉淀分离 。由于采用溢流方式,消毒槽的水不 会逆流到沉淀区 ,确保好氧区和沉淀区微生物不受杀 菌剂影响。沉淀区与好氧区底部相通,在沉淀区一侧 采用倾斜方式使沉淀区沉淀下来的污泥能在大于安 息角的斜面上自动滑向好氧区 , 保持好氧区的生 物量 。 由于以上这些技术的综合应用 ,使得这种净化槽 进行污水处理过程的能耗小, 处理效率高 。这种净化 槽采用埋地式, 既可保温 、 除臭 ,地面上还可作为其他 用地 ,不影响用户环境的美观 ,适用于广大农村地区、 23 环 境 工 程 2007年 10 月第 25卷第 5 期 别墅区、 旅游景区、 部队营区等 。 4 结论 1 一级和二级厌氧区液体流动近似于平推流, 而好氧区液体受曝气气泡的强烈搅动表现出全混流 特性, 厌氧区抑制了高浓度污水进入低浓度区 ,具有 较好的抗冲击能力, 好氧区在一个相对平稳的浓度下 进行生物降解, 有利于出水的相对稳定 。 2 滤床技术不仅弥补了生物降解区单位体积生 物量的不足 ,加快了生物降解速度, 而且还起到了固 液分离作用和生物膜吸附作用 ,进一步提高了过程的 抗冲击能力。 3 利用液体的静压差, 自流式运行, 能耗低, 属 于节能型的生物反应器。 4 滤床填料挂膜后,启动便利, 冲厕新鲜生活污 水在各区中都具有较好的降解特性 ,出口水质达到国 家排水 BOD5和 CODCr的一级标准 ,BOD5和浊度去除 率达到95以上 。 参考文献 [ 1] 杨岳平, 徐新华, 刘传富. 废水处理工程及实例分析. 北京 化学 工业出版社, 2003 59 -64. 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According to the experimental results acetic acid could not be effectively removed by UV , H2O2, O3, respectively, while UV H2O2, O3 H2O2, UV O3, UV H2O2 O3combinaiton process could achieve quite good results. The sequence for acetic acid removal efficiencies by these advanced oxidation processes could be orderly expressed as O3 H2O2UV O3UV H2O2UV H2O2 O3. Utilizing the studiesonO3and H2O2 s consistency in reactor, it was found that it isOH that plays an underlying role and gained corresponding feasible pH for combination processes. The byproduct-H2O2in system had big contribution to degradation efficiency. Keywords ozone, ultraviolet UV, advanced oxidation processes AOPsand acetic acid EXPERIMENTONTHETREATMENTOFWASTEWATERWITHHIGHAMMONIA CONCENTRATION IN SINGLE -STAGE ANOXIC AEROBIC HYBRID SUBMERGED MEMBRANE BIOREACTORWan Xing Liao Zhimin Wan Jinbao 10 Abstract The removal rates of CODCr, ammonia and total nitrogen TN were studied at low DO concentration in single -stage anoxic aerobic hybrid submergedmembrane bioreactor treating wastewater with high ammonia concentration. The experimental results showed that the CODCrand ammonia average removal rate reach 94. 4 and 92. 8, respectively . Because of the low influent CODCr TN ratio2. 01 , the TN average removal rate was only 69. 4, while TN removal rate could be increased by 17. 7with the nitrite accumulation ratio increasing from 60. 5～ 67. 1 to 83. 5～ 86. 4. Moreover, simultaneous nitrification and denitrification SND via nitrite at low DO level could be realized. Keywords anoxic aerobic, hybrid submerged membrane bioreactor HSMBR , wastewater with high ammonia concentration and SND via nitrite PILOTSCALERESEARCHONTREATMENTOFANTIBIOTICWASTEWATERWITH MEMBRANCE BIOREACTORSun Jingmin Han Meiqing Ren Liren 14 Abstract Systemic study on membrance bioreactor process is done to treat antibiotic wastewater in pilot scale. The results show that when the volume loading rate of MBR is 6～ 9 kg m3d, the removal rates of CODCr, NH4-N and TN are up to 90, 85 and 60. The effluent quality meets the second-order of “Sewage Comprehensive Discharge Standard” GB8978 -96. Keywords antibiotic wastewater, membrance bioreactor, volume loading, biological nitrogen removal and pilot scale research APPLICATION OF POROUS POLYMER CARRIERS IN NEW INTEGRATED BIOLOGICAL FLUIDIZED BED REACTOR TREATING HIGH STRENGTH ORGANIC WASTEWATER Xiao Hong Yang Ping Peng Hong 17 Abstract Using new integrated biological fluidized bed reactor to treat the high strength organic wastewater and the porous polymer carriers were added into the anaerobic and aerobic zone of the reactor respectively. The system s CODCrremoval effect and the characteristics of biofilm s ation on carriers during the operating stages were mainly studied and the NH3-N removal effect was simply investigated. The experimental resultsindicated that during the steady operating period, when the average CODCrconcentration in the influent was 3 601. 8 mg L, the average CODCrconcentration in the effluent was 384. 0 mg L, the average volumetric organic load rate VOLwas 2. 54 kg m3d , the average CODCr removal rate reached 90. 6. The bioparticles SEM showed that biofilm s ationon carrierswas fairly good in both the anaerobic and aerobic zones, the bioparticles sphericity was good. NH3-N removal experiment showed that operating by the mode of nitrification-denitrification, when NH3-N concentration in the influent was 280. 3～ 350. 7 mg L, the NH3-N removal rate of the systemwas68. 5～ 91. 7, the average value was 81. 0. Keywords porous polymer carrier, integrated biological fluidized bed, CODCrand NH3-N STUDY ON COMPACT HOUSEHOLD SEWAGE PURIFYING -TANK WITH NATURAL FLOWING PROCESSWang Ran Wang Chang Du Xiaoxue et al 21 Abstract A compact household sewage purifying -tank with natural flowing processwas presented. The integrated technology of combination of two plug -flow anaerobic zones and one aerobic zone was used to control the back-mixing of the fluid in the anaerobic zone, and improve the perance of the resilience to impact. The technology of the bio -filter with the solid -liquid separation, the bio -sorption and the biological degradation was simultaneously used to advance the capacity of the resistance to impact and the bio -degradation, to raise the effluent quality. The sewage flows naturally off the several zones in the tank without applied energy . It was found that the startup of the tank was not only fast, the efficiency for degradation of the pollutantwas also high, after the bio -membrane ed on the surface of the packing material. CODCrand BOD5 were less than 60 mg L and 20 mg L, the removal rates of the CODCr, BOD5and turbidity reached 86. 9, 97. 4 and 97. 7 respectively. Keywords household sewage, purifying -tank, bio -filter and anaerobic degradation APPLICATION OF MICRO-ELECTROLYSIS AND BIOLOGICAL FLUIDIZED -BED IN DOMESTIC SEWAGE TREATMENTLiuKun Li Ping Lin Hai 25 Abstract By combining micro electrolysis and fluidized -bed together, a new process of micro electrolysis-biological fluidized -bed is got. The optimal parameters are as below HRT of the micro electrolysis-biologicalfluidizedis2 h, aerated value is0. 024m3 h, inflow pH is 6. 5, supporter 2 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25, No. 5,Oct. , 2007
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