前置反硝化BAF工艺处理大庆石化生活污水的应用研究

国内图书分类号：TP3 学校代码：10213

国际图书分类号：621 密级：公开

工程硕士学位论文

前置反硝化/BAF工艺处理大庆石化生活污水的

应用研究

硕士研究生：龚 起

导 师：杨基先 教授

副导师：宋男哲 教授级高工

申请学位：工程硕士

工程领域：环境工程

所 在 单 位：市政环境工程学院

答 辩 日 期：2012年6月

授予学位单位：哈尔滨工业大学

Classified Index: TP3

U.D.C: 621

Dissertation for the Master Degree in Engineering

STUDY ON THE APPLICATION OF

PRE-DENITRIFICATION/BAF PROCESSES FOR

TREATMENT OF DOMESTIC SEWAGE IN

PETROCHEMICAL AREA OF DAQING

Candidate：

Supervisor：

Associate Supervisor:

Academic Degree Applied for：

Speciality：

Affiliation：

Date of Defence： Qi Gong Prof. Jixian Yang Prof. Nanzhe Song Master of Engineering Environmental Engineering School of Municipal & Environmental Engineering

June, 2012

Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology

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摘 要

城市污水是天然水体的主要污染源之一，在污水排放前采取一定的技术进行处理，将其中对水体有危害的污染物去除，是保护水环境的必要手段之一。大庆石化地区的生活污水全部直排自然水体，对大庆市本身及下游城市的环境都会造成极大的影响。彻底解决生活污水对石化地区周围自然水体的污染，建设生活污水处理厂迫在眉睫。选择经济有效、成熟、可靠的污水处理技术是本工程的关键。

本工程采用预处理+前置反硝化（DN）+曝气生物滤池（C/N）组合工艺，原水先进入沉砂絮凝反应池，在沉砂絮凝反应池内加入适量的除磷药剂，出水与部分回流水混合进入反硝化滤池，利用原水中有机物作为反硝化碳源，反硝化池出水进入硝化池，将NH4+-N转化为NO3--N，出水部分回流，部分直排。本工程采用200%的回流比，使得前置反硝化工艺具有较强的抗冲击能力，出水水质效果良好，该工艺对TN及COD的去除具有较好的稳定性。

本污水处理厂正式投产以后，分别选取夏季和冬季对污水处理厂的除污染效果进行研究。结果表明，在夏季平均水温23.3℃的情况下，污水处理厂出水COD、BOD5、NH4+-N、TP、SS和TN监测结果的平均值分别为54.4 mg/L、15.0 mg/L、11.3 mg/L、0.91 mg/L、11.7 mg/L、15.3 mg/L，整套污水处理厂工艺对COD的平均去除率为70.4%，对BOD5的平均去除率为71.7%，对SS的平均去除率为78.9%，对TP的平均去除率为65.7%，对NH4+-N的平均去除率为63%。对TN的平均去除率为45%；在冬季平均水温9.7℃的情况下，污水处理厂出水COD、BOD5、NH4+-N、TP、SS和TN监测结果的平均值分别为54.4 mg/L、20.2 mg/L、9.8 mg/L、0.52 mg/L、16.5 mg/L、14.7 mg/L，整套污水处理厂工艺对COD的平均去除率为78.6%，对BOD5的平均去除率为81.1%，对SS的平均去除率为88.2%，对TP的平均去除率为84.7%，对NH4+-N的平均去除率为64.2%，对TN的平均去除率为60.2%。出水水质监测结果均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B标准基本控制项目最高允许排放浓度。

关键词：污水处理厂；曝气生物滤池；前置反硝化

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 Abstract Urban wastewater is one of the major polluting sources for natural water. To remove hazards pollutants by treating urban wastewater by suitable technical processes before discharge is one of the necessary means to protect the natural wate. Currently all the urban wastewater was directly discharged to natural water without any treatment in the petrochemical area of Daqing. Therefore, it is emergent to construct new wastewater treatment plant in order to solve the pollution issue of natural water around the petrochemical area and the corresponding adverse impact on residential areas. However, the choice of cost-effective, proven and reliable wastewater treatment technology is the key to the success in this project. Based on technical and economic analysis, it is extremely urgent to take into account of the environmental characteristics of Daqing petrochemical area, water quality requirements of the receiving water, and the wastewater quality characteristics of the urban wastewater in Daqing petrochemical area.

The combined processes of pre-conditioning+pre-denitrification (DN) + biological aerated filter (C/N) were employed in this project. The raw wastewater was firstly entered into the flocculation reaction-grit tank, at the same time an appropriate amount of phosphorus removal chemical was also added in the grit tank. The effluent of grit tank was mixed with the recycling water, which was entered into the de-nitrification filter, by using the original organic matter in the wastewater as de-nitrification carbon source. The denitrified effluent then went into the nitrification filter, where the NH4+-N was converted to NO3—N, meanwhile a part of the nitrified water was recycled to the denitrifying filter, and the rest part was discharged as final effluent. The recycling rate in this project was set at 200%, resulting in a strong adapting capacity to shock loading of the pre-denitrification process, and an excellent quality of the final effluent, as well as reasonable stability of the process for the TN and COD removal. Pre-denitrification BAF technology is the first case in the similar processes in China.

After practically operation, the performance of the wastewater treatment plant was investigated in both summer and winter. In summer, the average influent COD,

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BOD5, SS, TP, NH4+-N and TN of the wastewater treatment plant were 184, 53, 57,

2.65, 20.6 and 27.4 mg/L. The pretreatment unit exhibited fairly low efficiencies for the COD, BOD5 and NH4+-N, which were mainly eliminated in the pre-denitrification biological aerated filter. The pre-denitrification biological aerated filter achieved removal efficiencies of 63%, 69.4% and 57.6% for COD, BOD5 and NH4+-N, respectively. The average removal efficiencies for SS and TP also reached to 60% and 56.9%. And 45% removal of TN on average was achieved by the whole process chain. The effluent qualities could meet the maximum allowable discharging concentration as desired. In addition, the influent and effluent water qualities of the wastewater treatment plant were shown to be fairly stable; the pH of the final effluent fluctuated in the small range of 7.4 to 7.7. To a large extent, biological water purification function was influenced by the water temperature. Well at low temperature, the biological activity of microorganisms will be lowered correspondingly, and the major functional microbial community may even be changed. In Daqing, there are usually 3~5 months in a year when the water temperature of raw wastewater is as low as about 10 ℃. During January, the average influent COD, BOD5, SS, TP, NH4+-N and TN concentrations of the wastewater treatment plant were 254.6, 106.7, 65.1, 3.4, 27.4 and 32.1mg/L, respectively. Pre-denitrification biological aerated filter achieved average COD removal efficiency of 63%, average BOD5 removal efficiency of 77.4%, average SS removal efficiency of 65%, average NH4+-N removal efficiency of 52%, and average TP removal efficiency of 82.7%. The average TN removal rate by the whole process reached to 60.2%. Effluent pH fluctuated in the range of 7.2 to 7.5.

After the implementation of the project, the qualities of urban wastewater with treatment met the first level B standard of GB18918-2002. The water environment quality of the receiving water has been improved significantly.

Keywords: wastewater treatment plant, biological aerated filter, pre-denitrification

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目 录

摘 要.......................................................................................................................I ABSTRACT.............................................................................................................II

第1章 绪 论.........................................................................................................1

1.1 课题背景及研究的目的和意义................................................................1

1.1.1 课题研究的背景......................................................................................1

1.1.2 课题研究的目的和意义..........................................................................1

1.2 城市污水的主要处理方法........................................................................2

1.2.1 城市污水的化学处理法..........................................................................2

1.2.2 城市污水的物化处理法..........................................................................3

1.2.3 城市污水的生物处理法..........................................................................3

1.2.4 黑龙江省已建成城镇污水处理厂概况..................................................4

1.3 曝气生物滤池工艺的特点........................................................................6

1.3.1 曝气生物滤池的产生和发展..................................................................6

1.3.2 曝气生物滤池形成过程及特点..............................................................7

1.3.3 曝气生物滤池存在的问题......................................................................9

1.4反硝化脱氮工艺特点.............................................................................10

1.4.1 反硝化过程...........................................................................................10

1.4.2 前置反硝化工艺特点............................................................................11

1.5 本论文的研究内容.................................................................................12

1.5.1课题来源................................................................................................12

1.5.2 工艺的技术选择依据和可行性分析....................................................13

1.5.3 本文的研究内容....................................................................................15

第2章 污水处理厂的方案比选............................................................................17

2.1污水处理厂设计依据.............................................................................17

2.1.1厂址的选择............................................................................................17

2.1.2污水处理厂进水水量预测.....................................................................17

2.1.3污水处理厂进水水质估算.....................................................................19

2.1.4污水处理厂执行标准及出水水质.........................................................21

2.2 工艺比对及选择分析.............................................................................21

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2.2.1 污水处理工艺方案一............................................................................21

2.2.2 污水处理工艺方案二............................................................................22

2.2.3 污泥处理工艺分析................................................................................24

2.3 本章小结...............................................................................................25

第3章 污水处理厂各单元设计参数....................................................................26

3.1 引言......................................................................................................26

3.2 污水处理厂平面布置.............................................................................26

3.3 污水处理厂高程设计.............................................................................29

3.4 污水处理厂单体设计.............................................................................29

3.5 曝气生物滤池挂膜与启动......................................................................33

3.6 曝气生物滤池的具体启动方式..............................................................33

3.7 开工注意事项........................................................................................34

3.8 本章小结...............................................................................................36

第4章 污水处理厂稳定运行效果分析................................................................37

4.1 监测内容...............................................................................................37

4.1.1 监测项目...............................................................................................37

4.1.2实验材料与仪器.....................................................................................37

4.2夏季工艺稳定运行时的除污染效能........................................................39

4.2.1 夏季预处理工艺的除污染效能............................................................39

4.2.2 夏季前置反硝化曝气生物滤池的除污染效能.....................................42

4.2.3 污水处理厂夏季处里效能小结............................................................46

4.3冬季工艺长期稳定运行时的除污染效能................................................47

4.3.1 冬季预处理工艺的除污染效能............................................................47

4.3.2冬季前置反硝化曝气生物滤池的除污染效能......................................50

4.3.3 污水处理厂冬季处里效能小结............................................................54

4.4 本章小结...............................................................................................55

结 论.....................................................................................................................56

参考文献.................................................................................................................57

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明......................................62

致 谢.....................................................................................................................63

个人简历.................................................................................................................64

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.1.1 课题研究的背景

目前为止，我国的年均水资源总量为28100亿m3，居世界第6位。截至到2010年，我国人口为13.4亿，人均水量仅为2097m3，仅达到世界人均水量的28%。按照目前的国际标准，人均水量低于1000m3为重度缺水；人均水量低于2000m3则为中度缺水；人均水量低于3000m3即被视为轻度缺水区[1]。由此可见我国目前是世界上缺水的国家之一。我国基本水情是：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。

而与此同时近30年来，我国工业化和城镇化飞速发展，在经济高速增长同时，也付出巨大的资源和环境代价，使得我们又要面临水源大规模污染的问题。我国水环境保护现状不容乐观[2]。据2010年《中国环境状况公报》报道，我国的七大主要水系、主要湖泊水库、乃至近海海域的水体都已受到不同程度的污染。江河等水体的污染主要是有机污染，主要污染指标是氨氮、化学需氧量、高锰酸盐指数等；湖泊水库等则普遍存在富营养化问题，主要污染指标为氮、磷、高锰酸钾指数等；近岸海域的污染形势主要为重金属、氮、磷等。这些污染造成的水环境问题危害严重、影响恶劣、治理上难度也很大[3]。

1.1.2 课题研究的目的和意义

良好的水环境是构建和谐社会、维持社会经济可持续发展的重要物质基础。为解决全球普遍存在的水资源危机，我们应当树立全民意识，一方面科学合理的利用水资源，另一方面，就是采取切实可行的策略保护水资源，避免水环境的进一步污染。城市污水是天然水体的主要污染源之一，在污水排放前采取一定的技术进行处理，将其中对水体有危害的污染物去除，是保护水环境的必要手段之一。建设城市污水处理厂具有以下三方面的意义：

（1）生态方面 出水可满足纳污水体要求，满足城市规划将城市污水作为景观用水水体的要求。

（2）总量减排 有利于最大限度削减污染物排放量，达到对纳污水体和流域的保护目标。

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（3）环境质量改善 出水可作为回用水源，不但可大大减少用水量，节约宝贵的水资源。而且满足规划要求，实现污水的再利用和资源化。生活污水处理厂出水水质好，减少回用水处理的投资和运转费用。

1.2 城市污水的主要处理方法

1.2.1 城市污水的化学处理法

化学方法处理城市污水的原理是通过化学反应，使水体中的污染物质得以去除或回收利用。主要有混凝法、氧化法、电解法等。

混凝是通过向水中投加化学药剂，使水中的颗粒和胶体物质脱稳，进而形成较大的絮凝体，通过沉淀去除。混凝法可降低污水的色度和浊度，也可去除水中的大分子有机物质，以及导致水体富营养化的氮磷等物质[4]。混凝法具有设备简单、易于操作、推广维护方便等优点，但污水厂运行费用高、剩余污泥量大[5]。

传统上使用的混凝剂主要有硫酸铝、硫酸亚铁、三氯化铁等金属盐混凝剂。目前研究和应用较多的是聚合混凝剂，如聚合硫酸铝、聚合氯化铁、聚合铁铝等。有时为了改善混凝效果，也会采用聚丙烯酰胺、活性硅酸、骨胶等高分子助凝剂。

混凝法的处理效果除了受水力条件影响外，还受水温、水质等因素的影响。由于混凝剂的水解反应为吸热反应，因此水温低时不利于混凝的进行。另外，污水的pH、水中颗粒、胶体、有机物的组成与特性也会对混凝效果产生一定的影响。混凝法处理工艺所需的设备主要有混凝剂投加设备、搅拌设备、混凝反应设备等。

氧化法是利用氧化还原反应，将水中的有毒有害污染物质转化为无毒或毒性小的物质，从而达到污废水处理的目的。常见的氧化剂主要有氧、氯、臭氧、高锰酸钾、二氧化氯等[7]。

以氯作为氧化剂可以氧化去除水中的氰、硫、酚、氨氮、染料等；臭氧即可用于污废水的消毒，也可用于氧化处理。消毒的作用主要是由于臭氧具有很强的杀菌作用，不仅可以杀灭一般的细菌，对水中的病毒和芽孢也有很强的灭活作用。在工业废水处理方面，臭氧已用于石化废水酚类化合物的降解、电镀废水中氰化合物的去除、染料废水的脱色等。采用氧化法对污废水进行深度处理时，水中的COD、BOD等可处理到接近于0；对表面活性剂废水也有很好的处理效果，还可以去除水中的色度、微量油以及臭味等[7]。

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电解法是将电能转化为化学能，进而使得污废水等到处理[9]。电解法污废水处理的实际反应过程是比较复杂的，电解过程中产生多种作用，如氧化、还原、混凝、气浮等，电解槽中的污废水在多种效能下得以净化[9]。

1.2.2 城市污水的物化处理法

污废水的物化处理法主要有吸附法、膜分离法等。

吸附法是利用多孔性介质将污废水中的一种或几种污染物吸附去除，从而使污废水得以处理。吸附过程主要分为物理吸附和化学吸附，在水处理过程中，大多数吸附过程是几种吸附作用协同作用的结果。目前常见的吸附剂包括活性炭、木炭、高岭土、硅藻土、煤渣、以及活性铝等金属吸附剂，其中以活性炭应用最为广泛[10]。

活性炭吸附主要用于城市污废水的深度处理，去除水中的难生物降解有机物、色度、杀虫剂以及重金属离子如汞、镉、铅、镍等。吸附饱和后的活性炭，经再生后可重复使用。活性炭的再生方法主要有加热再生法、溶剂再生法、化学再生法、生物再生法。

离子交换是指颗粒性固体与液体的界面之间发生的离子交换过程，离子交换剂不溶于液体，同时又能与溶液进行离子交换反应的物质。离子交换剂根据其化学性质可分为无机离子交换剂（如沸石等）和有机离子交换剂（如褐煤、有机合成树脂等）[11]。树脂又可分为阳离子交换树脂、阴离子交换树脂、氧化还原树脂、螯合物树脂、两性树脂等。在水处理过程中，离子交换树脂通常采用固定床、连续床方式。在污废水处理中，离子交换法可用于含重金属、放射性物质的污废水处理与回收利用。

膜分离法是利用膜的选择性透过性能进行分离和水质净化的方法，主要包括电渗析、反渗透、纳滤、超滤、微滤等。超滤是目前给水和污水处理中常用的膜分离技术[12]。

超滤是对料液施加一定的压力，可为正压（压力驱动式膜）、也可为负压（浸没抽吸式膜），水中的颗粒、胶体、高分子物质等被膜所截留，而水和低分子量的物质则透过膜。超滤膜组件有管式、平板式、螺旋式、和中空纤维式。其中中空纤维超滤膜因膜比表面积大，占地面积显著减小，目前得到越来越多的推广和应用。

1.2.3 城市污水的生物处理法

自然界存在为数众多的以有机物为营养物质的微生物，它们可将有机物氧

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化分解成无机物，并从中获取能量、用以满足自身生长与繁殖的需要。污废水的生物处理技术就是采用一定的人工强化措施，创造有利于微生物生存的条件与环境，是微生物得以大量繁殖，从而提高微生物降解有机物效能的一种技术。污废水的生物处理法可以用来去除水中的溶解性的和胶体状态的有机物质。根据反应过程有无氧气的参与，生物处理法又可分为好氧法和厌氧法。一般而言，当水中有机物浓度低于1000 mg/L时，采用好氧生物法处理比较合适；而对于高浓度有机废水，厌氧生物法则能取得更高的处理效率。好氧生物处理技术由于处理效率高、出水效果好，目前在城市污废水处理中使用比较广泛，是生物处理法的主要方法。根据微生物的存在状态，污废水的生物处理法又可分为活性污泥法和生物膜法。其他生物处理技术还有自然生物处理如稳定塘、人工湿地等。

活性污泥法是目前应用最为广泛的一种生物处理技术。将空气鼓入含有有机污染物的污废水中，经过一段时间后，水中即可形成生物絮凝体-活性污泥

[13]。在活性污泥上生长着大量的微生物，它们以有机物为食料，将其氧化分解，

。

生物膜法主要是废水流经固体填料表面，如陶粒、碎石、塑料填料等，会并获取能量，得到不断生长与繁殖，从而使得污废水得到处理，水质得以澄清[14]在填料表面生成一层生物膜，该层污泥状的生物膜里生长繁殖着大量微生物，能起到与活性污泥一样的净化污废水中污染物质的作用[15, 16]。生物膜法有多种处理构筑物形式，包括生物滤池、生物接触氧化、生物流化床、生物转盘等[16]。

厌氧生物处理时利用专性厌氧菌和兼性厌氧菌等菌属在无氧的条件下降解水中有机物质的技术[17]。目前用于厌氧处理的最常见的构筑物形式是消化池，如厌氧滤池、厌氧污泥床等[18]。

除上述的污废水生物处理技术外，目前还出现了一些生物强化处理技术，如活性污泥的强化处理技术，固定化细胞技术，固定酶强化技术等，都是污废水高效处理的研究和发展方向。

1.2.4 黑龙江省已建成城镇污水处理厂概况

黑龙江省已建成的城镇污水处理厂采取的处理工艺和处理水量等情况见表1-1。由表可知投入使用的城镇污水处理厂共38家，其中4家采取BAF工艺，13家采取CASS技术，3家采取A2/O技术，7家采取A/O技术，其余12家分别使用SBR、活性污泥、MBR、多级过滤、人工湿地、氧化塘等方式处理。

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表1-1 已建成城镇污水处理厂

处理

工艺 处理能力(万m/d）3平均处 理水量

(万m3/d）2.14 甘河 纳污水体 城镇 名称 加格达奇

区

嫩江县

五大连池

市

讷河市

富裕县

齐齐哈尔

市

大庆市

哈尔滨市

双城市

哈尔滨市

延寿县

绥化市

东宁县

海林市 加格达奇区玉浙污水处理有限公司 活性污泥 2 嫩江县污水处理厂 A/A/O 1.5 1.15 嫩江 五大连池市污水处理厂 SBR 讷河市污水处理厂 富裕县污水处理厂 齐市南郊污水处理有限公司 大庆石油化工总厂生活污水处理厂 1 0.40 讷谟尔河 0.80 1.70 讷谟尔河 嫩江 活性污泥 1 二级生化 2 氧化沟 10 8.20 嫩江 SBR 2.5 1.70 二十里泡 32.5 28.70 松花江 清华同方水务有限公司 A/O 双城市污水处理厂 CASS 3 1.79 拉林河 松北区集乐污水处理厂 A/O 延寿县污水处理厂 2 1.48 松花江 0.70 蚂蚁河 氧化塘 2.5 绥化市污水处理厂 CASS 5 4.07 呼兰河 东宁县污水处理厂 海林市隆诚污水处理有限

公司

牡丹江同方水务有限责任

公司

穆棱市污水处理厂 多级过滤 2 CAST 2 1.60 绥芬河 1.51 海浪河 牡丹江市 穆棱市

宁安市

伊春市

佳木斯市

佳木斯市

富锦市

同江市 A/O 10 8.41 牡丹江 二级生化 2 1.89 穆棱河 宁安市污水处理厂 A/O 2 1.96 牡丹江 伊春市南岔区污水处理厂 CASS 佳木斯市东区污水处理厂(一期) 1 0.70 6 2.00 汤旺河 松花江 松花江 CASS 6 5 佳木斯市西区污水处理厂 CASS 富锦市污水处理厂 CASS 1.5 1.50 松花江 同江市污水处理厂 MBR 2 0.80 黑龙江

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续表1-1

处理

工艺 处理能力(万m/d）3平均处 理水量

(万m3/d）纳污水体 城镇 名称

鹤岗市

双鸭山市

大庆市

大庆市

大庆市

大庆市

大庆市

肇源县

肇东市

哈尔滨市

哈尔滨市

哈尔滨市

同江市

黑河市

鸡西市

虎林市 鹤岗市污水处理厂 CASS 5 3.95 鹤立河 双鸭山市城市污水处理厂 A/O 5 5.00 安邦河 八百垧污水处理厂 BAF 6 1.60 安肇新河 陈家大院泡污水处理厂 BAF 大庆市东城区污水处理厂 BAF 大庆市西城区污水处理厂 BAF 6 15 8 3.00 安肇新河 8.44 4.60 二十里泡 安肇新河 大同区污水处理厂 CASS 2 0.25 安肇新河 肇源县污水处理厂 CASS 2 0.45 松花江 肇东市污水处理厂 CAST 3 2.43 肇兰新河 阿城区污水处理厂 A/A/O 5 4.85 阿什河 呼兰区利民开发区污水处理厂 A/O 2 1.60 呼兰河 16.5 11.00 0.08 松花江 / 哈尔滨市文昌污水处理厂 A/O 洪河农场污水处理厂 人工湿地 0.1 黑河市污水处理厂 CAST 5 2.71 黑龙江 鸡西市鸡冠污水处理厂 CAST 5 3.97 穆棱河 虎林市污水处理厂 A/A/O 1 0.70 穆棱河

1.3 曝气生物滤池工艺的特点

1.3.1 曝气生物滤池的产生和发展

曝气生物滤池是20世纪80年代在普通生物滤池的基础上而开发的新型污水处理工艺。最初曝气生物滤池是用于城市污水的深度处理，后来经过发展，目前已广泛用于污水的二级生物处理。自80年代在欧洲检测世界上第一座以曝气生物滤池为主题的污水处理厂后，该工艺开始在欧美等发达国家流行。目前世界上已有数百座采用曝气生物滤池的污水处理厂。曝气生物滤池也从最初的单一工艺逐渐发展成系列组合工艺，能有效去除水中的悬浮物、COD、BOD5，

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还可进行硝化、脱氮除磷，并具有去除有毒有害物质的作用。曝气生物滤池最大的优点就是将生物降解作用和悬浮固体的截留作用置于同一个反应器中完成，这样可取消后续的二沉池，并节省了污泥回流系统，使处理工艺显著简化。此外，曝气生物滤池可承载较高的有机物负荷和水力负荷，且水力停留时间较短，具有能耗和运行成本低、操作管理简单、出水水质优良等优点[19-22]。

曝气生物滤池基于普通生物滤池而发展起来的，可看做是普通生物滤池的一种变形，也可看做是生物接触氧化法的一种变形。在曝气生物滤池中，装填比表面积较高的颗粒性填料，为微生物的生长繁殖提供所需的载体，在滤料底部进行鼓风曝气，空气、污水、和填料上生物膜三相接触，通过生物作用将污染物降解，同时颗粒状填料也可起到过滤截留的效果。

自90年代开始，我国也开始对曝气生物滤池技术开展相关研究[23-25]，目前已将该技术成功应用于多个大、中、小型的污水处理工程。曝气生物滤池的特殊有点受到学术界与工程界越来越广泛的青睐。

1.3.2 曝气生物滤池形成过程及特点

1.3.2.1 生物膜的形成

生物膜属于高度亲水的异质体系，在膜表面以及一定深度的内部生长着大量的微生物和微型动物，并形成有机污染物—细菌—原生动物—后生动物的食物链。

生物膜是由大量微生物构成的粘性物质。当污水在载体表面流过时，微生物和载体表层富含的物质相结合，并且固定。于是，载体表面逐渐形成了微生物膜，即生物膜[26]。同时，污水源源不断的流经载体，污废水中富含的有机物质作为微生物的生长的底物。通过水体搅动以及外加曝气，氧气在微生物膜内部得以传递、扩散等，这些均利于微生物对有机底物的氧化降解作用的进行。同时，生物膜中也拥有大量丝状菌，它们相互交织并延伸于废水中，使得生物膜以立体结构存在于载体表面。

根据Characklis的研究，经过物理、化学和生物过程复合作用，在载体表面逐渐积累形成生物膜。该过程主要包括：

（1）含有机底物的废水流经载体，使得生物膜吸收到有机质；

（2）含浮游微生物的废水流经载体，浮游微生物表面在载体表面形成不可逆吸附；

（3）生物膜内部的各种微生物对废水中有机物、氮磷等物质的利用与转化。 当污废水中含有充足的营养物（如可生化有机物、氮磷）、微量元素和氧气

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时，微生物在载体表面迅速生长繁殖。此外，微生物通过新陈代谢不断形成大量的分泌物，如胶质粘膜。微生物将会在这些分泌物组成的粘膜中生长繁殖。该过程使得微生物能够在载体表面向水体中不断延伸。该生长过程的结果，即生成不断加厚的生物膜。但是，当生物膜的厚度达到一定数值时，溶解氧便无法穿透生物膜内部，于是，在生物膜的最深处，形成了厌氧区，该处只有厌氧菌存活。因此，长时间运行的水处理工艺中，典型的微生物膜由两层构成，即好氧层和厌氧层。当然，其中也有大量的兼性微生物存在。但是好氧层的厚度通常有2mm左右。好氧层中的微生物由于能直接获得大量的营养物质和氧气，生长繁殖迅速，相对于厌氧层的微生物，好氧层的微生物能够降解去除水体中大多数的有机物；相对的，生长于生物膜内部的微生物只能获得相对少量的营养物质，氧气也较少或者无法获得氧气，好氧微生物生长代谢受到抑制，逐渐被厌氧微生物和兼性微生物取代，形成了厌氧层。当然，厌氧微生物以及兼性微生物只有在生物膜形成一定厚度，氧气难于到达的时候才逐渐形成。随着厌氧微生物的大量繁殖，厌氧层也逐渐加厚。

一系列的营养物质和气体的传递发生于生物膜内部、外部，以及生物膜与水层之间。通过水体自然搅动或者外加曝气使溶解氧进入水体并进入流动水层内部，融入的氧气又通过附着水层到达生物膜，为好氧微生物提供电子受体；污废水中营养物质则通过流动水层传递给附着水层，最后渗入微生物膜，在此，大量微生物进行新陈代谢将营养物质吸收转化，实现了水体的净化、污染物的去除和降解。微生物的部分代谢产物二氧化碳、硫化氢、氨气等气体融入水层并随着水体流动进入水体表面的空气。而水分子则随着附着水层流入流动水层。此时的生物膜即成熟的生物膜，特点是沿着水流方向形成生物膜，膜上由细菌、丝状菌等多种微生物甚至原生动物组成。这些生物在生态系统方面达到稳定和平衡。体现在水处理工艺方面，即有机物、氮磷等污染物的降解和去除效果最好，出水水质稳定。一般来讲，生物膜由最开始附着到稳定成熟，需经历潜伏和生长两个阶段。常规的城市生活污水生物膜法处理过程中，常温下（约20℃），历经20-30d才能形成成熟的生物膜。

但是随着生物膜上的生物不断繁殖壮大，生物膜内部生长的厌氧菌群代谢产物也不断增加。这些物质排出生物膜的过程中，影响了好氧层微生物的生存环境，削弱了生物膜的上的微生物生存环境的平衡性。同时，大量气态代谢产物的不断排出，使得微生物附着于非生命载体物质上的固定能力不断变弱，变得易于从载体上脱落。此时的生物膜上的环境对微生物生长并不利，主要体现在水处理工艺效果，即净水效能较差。此时的生物膜也称作老化生物膜。当生

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物膜固定于载体的固定能力无法抵消水流、曝气等的冲击，便从载体表面脱落，而新的生物膜将逐渐在裸露的载体表面形成。同上述过程一样，新生的生物膜同样经历膜的加厚、厌氧层的形成等这一周期过程，达到净水能力的高峰，即成熟的生物膜，随后再次老化脱落。

1.3.2.2生物滤池法除臭能力

生物滤池具有安全可靠的除臭效果，可获得接近100%的去除率。生物滤池用于污水处理过程中，降解产生的臭气经过气体收集装置集中送到生物滤池除臭单元，臭气通过微生物的生物滤层时，微生物通过对臭味物质的吸收、降解以及吸附作用将污染物降解为二氧化碳、水分子、硫酸、硝酸等无机易降解物质。

1.3.3 曝气生物滤池存在的问题

曝气生物滤池是在普通生物滤池的基础上发展起来的。普通生物滤池在实际应用中表现出多种缺陷：

（1）如采用下向流方式，通过池底自然通风，气水在滤池中逆流而行，容易在滤料中形成气泡，产生局部堵塞的现象；

（2）污水自上而下流经滤池，污水中的固体物质容易积聚于滤池表面，容易造成滤池的堵塞；

（3）采用自然通风供氧，受水温气温、滤池高度、滤料尺寸等影响较大，容易造成供氧不足、影响污水处理效果。

因此，为解决普通生物滤池在应用中存在的这些问题，可采用上向流的曝气生物滤池运行方式，即气水平行上流的流态和鼓风机曝气技术，保证供气充足、气水混合均匀，该运行方式可有效阻止气泡在滤料上的堵塞。与此同时，污水中的固体污染物能被空气卷入滤床深处，提高滤池的固体负荷率，延迟反冲洗周期，进而降低了反冲洗的频率与能耗。

此外，与普通生物滤池相比，曝气生物滤池可对滤床进行反冲洗。普通生物滤池不具备反冲洗系统，滤料堵塞之后只能移到滤池外进行清洗，或者更换滤料，操作管理复杂，费用较高，也导致滤池停用时间的延长，有时甚至需要几天的时间。而曝气生物滤池采用上向流的形式，在需要进行反冲洗的时候只需人工或自动调高水量、气量，即可实现对滤床的清洗，是滤料上老化的生物膜以及截留的固体杂质冲出滤池之外。

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1.4反硝化脱氮工艺特点

在水体中，氮的主要存在形态为有机氮和无机氮两种。（水中的有机氮和无机氮之和统称为总氮，而氨氮和有机氮又称为凯氏氮。）有机氮包含蛋白质、尿素、氨基酸、多肽等，来源于生活污水、工业废水（如羊毛加工、制革、印染等）、农业废弃物（农作物、牲畜等）。在微生物降解的作用下，有机氮可转化为无机氮。无机氮主要有氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮三种形式，这三者统称为氮化合物。水体中一部分的无机氮是源于有机氮的微生物分解，另外有一部分是由于施用氮肥的农田排水和地表径流，和某些工业废水（如焦化废水、化肥生产废水）的排放。

当将氮化合物含量较高的污水直接排放时，会对环境造成危害[28]，例如，氮化合物含量较高时会导致水体的富营养化；氨氮降解时会消耗水体的溶解氧；氮类物质会使水体产生一定的色度和气味；最近，富营养化导致的藻毒素问题也引起人们的重视。此外，若将氮含量超过1 mg/L的水用于农田灌溉是，一些农作物可能会因为过量吸收水中的氮而产生贪青倒伏的现象。

1.4.1 反硝化过程

水中氮类物质的反硝化反应是由一群异养型的微生物完成[29, 30]，在缺氧的条件下，这些微生物将亚硝酸盐氮和硝酸盐氮还原成气态氮(N2)或N2O、NO[31]。参与这一生化反应的微生物就是反硝化细菌，这种细菌在自然界中几乎无处不在，污水处理系统中常用的的反硝化细菌有变形杆菌、假单胞杆菌、小球菌等。这类反硝化细菌在有溶解氧的条件下，利用氧进行呼吸，对有机物进行好氧降解；而当水中没有分子氧、而存在硝酸盐氮和亚硝酸盐氮时，则可以硝酸盐根和亚硝酸盐根作为电子受体，从而实现对氮类物质的反硝化去除[32-34]。反硝化过程以异化作用为主，其去除的氮约占总去除量的70%~75%。

反硝化分为三级生物脱氮系统、二级生物脱氮系统和一级生物脱氮系统。所谓三级生物脱氮系统，是指污水连续经过三个单元生物处理装置，依次完成各项净化功能，最后一级实现反硝化脱氮。其中每个单元处理装置都有自己的反应池：第一级为曝气池，第二级为硝化池，第三级为反硝化池，以及二沉池和污泥回流系统等。

该工艺的优点是不同功能的菌属如好氧菌、硝化菌和反硝化菌分别生长在不同的单元构筑物之中，可根据各自的特点调节最适宜的生长环境和工况条件，所以生化反应速度较快；并且由于不同微生物种属构成的污泥分别在不同的沉

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淀池中进行沉淀分离和回流，因此运行管理比较方便，灵活性和适应性较大，容易进行掌握，运行效果也较好。但是这种三级生物脱氮系统所需的处理构筑物和设备较多，因此造价高、整体管理较为复杂，目前在实际工程中的应用已经越来越少了。

二级生物脱氮系统。这种二级系统将对有机物的氧化和对氨氮的硝化两个过程置于第一级反应器中同时完成，混合液经沉淀后在第二级中进行反硝化脱氮，然后进入最终沉淀池，进行泥水分离。二级生物脱氮系统的优点与三级生物脱氮系统较为类似，但是减少了一个中间沉淀池，整体工艺有所简化。

单级生物脱氮系统。此种系统的特点是在工艺流程中不设置中间沉淀池，仅在工艺的末位设有一个最终沉淀池。该工艺对有机污染物的去除以及氨化反应和硝化反应在同一构筑物内进行，从该构筑物流出的混合液不经过沉淀而直接进入缺氧池，利用反硝化细菌进行反硝化反应。所以该工艺的流程简单，处理构筑物和设备较少，克服了上述三级、二级生物脱氮系统的缺点，使得工程造价和运行管理复杂程度均有所降低。但是，该单级生物脱氮系统也存在着用于反硝化的有机碳源不足、难以进行调控、难以保证出水水质等问题。

1.4.2 前置反硝化工艺特点

以上的生物脱氮系统都是遵循污水有机碳氧化、氨化硝化、反硝化的顺序进行的。这种对污水顺序进行处理的三种系统都需要在硝化阶段投加碱度、而在反硝化阶段投加碳源有机物，使得运行费用增高。

因此，在80年代后期研究人员对脱氮工艺进行了改进，产生了前置反硝化工艺，即将反硝化单元置于系统之首。原污水和回流污泥首先同时进入位于系统初始的缺氧池，同时，一部分后续好氧池内已充分反应的硝化液也回流至该缺氧池（可称之为内循环或硝化液回流）。缺氧池内的反硝化菌以原废水中的有机碳为电子供体、以回流液中的硝酸盐（或亚硝酸盐）为电子受体，将硝态氮还原为气态氮，从而完成反硝化脱氮过程。在此之后，混合液进入到后续好氧池，再完成有机物氧化、硝化反应等反应[35-37]。

由于原污水是直接进入到系统之首的缺氧池，因此为缺氧池的反硝化反应提供了足够的有机物碳源，不需要再外投碳源，既节省了运行成本，又保证了反硝化过程对C/N比的要求。缺氧池设置于好氧池之前，反硝化过程也会消耗一部分的碳源有机物，减轻了后续好氧池的有机负荷，减少好氧池中有机物氧化和氨氮硝化所需的溶解氧量[38]。

在该前置反硝化系统中，缺氧池反硝化反应所产生的碱度也可以部分补偿

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后续好氧池中硝化反应所消耗的碱度[39]，因此，对于含氮浓度不高的污废水，可不必另行投加碱度[40-42]。

前置反硝化系统将好氧池设置在缺氧池后，可以进一步去除反硝化残留在水中的有机污染物，使出水水质得以改善[43-46]。而且该流程相对简单，省去了中间沉淀池，构筑物数量减少。

前置反硝化脱氮系统的好氧池和缺氧池可以合建在同一构筑物内，用隔墙将两个不同功能的池体分开即可；当然也可以建成两个独立的构筑物，以满足不同的生物处理功能需求[47]。

1.5 本论文的研究内容

1.5.1课题来源

1.5.1.1项目建设目的

大庆市位于黑龙江省南部偏西，松嫩平原中部，是全国重要的石油产地。进入九十年代以来，国家对环境保护项目日益重视，中油公司、大庆石化总厂及大庆市有关部门领导也非常重视环境保护问题。目前，大庆石化地区（龙凤、卧里屯、兴化村）的生活污水未经处理直接排入附近的泡、沟、渠等水体（主要是二十里泡、大庆湿地），对水体污染十分严重。影响附近的农田灌溉及浅层地下水体水质。并且十分影响该城区的天然环境。因此，为解决生活污水对周边环境及水域污染的问题，充分利用污水处理后的出水水质好（相比化工炼油处理后污水）的优势，中国石油集团公司投资建设生活污水处理设施。

1.5.1.2项目建设提出背景

按照建设部、科技部、国家环境保护总局对城市污水处理及污染防治技术政策的规定与要求，到2010年全国设市城市和建制镇的污水平均处理率不低于50%，设市城市的污水处理率不低于60%，重点城市的污水处理率不低于70%。目前大庆石化地区的生活污水全部直排自然水体，污水处理率为0。

1.5.1.3项目建设提出的意义

大庆市作为一个以石油为主的快速发展的中国北方新兴工业城市，如果对城市污水不能进行有效地处理，这对大庆市本身及下游城市的环境都会造成极大的影响，根本无法与日益提高的人民生活水平相适应，同时也会严重阻碍大庆市的城市发展和经济建设。

大庆石化卧里屯和兴化生活区排出的生活污水均未经处理直接排入自然水体—北二十里泡国家湿地自然保护区，平均日排生活污水2.5万吨。

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同时还有以下要求：

（1）保护湿地自然保护区，改善龙凤区域水环境质量的需要；

（2）生态市建设及形势发展的需要；

（3）消减污染物总量，为扩大生产规模振兴经济提供条件；

（4）污水回用，节约水资源。

石化地区生活污水对自然水体的影响巨大。国家有关部门对城市污水处理的相关政策和要求越来越严格。因此，响应国家政策，彻底解决生活污水对石化地区周围自然水体的污染及对居民区的不良影响，建设生活污水处理厂迫在眉睫。

1.5.2 工艺的技术选择依据和可行性分析

1.5.2.1 工艺的技术选择依据

污水处理是一项侧重环境效益和社会效益的工程，在建设和实际运行中常常受到资金的限制，因此，选择经济有效、成熟、可靠的污水处理技术是本工程的关键。本项目的技术选择积于以下几点本项目的技术选择基于以下几点：

1、环境特征及要求。公司位于大庆市龙凤区，厂区和生活区分为龙凤、卧里屯两部分，之间为龙凤区省级湿地自然保护区—北二十里泡，属敏感保护目标。公司经过四十多年的发展，可使用的征地已较少，而公司的生产生活区比较集中，欲建设的污水处理厂只能在厂区、生活区周边选择，既要使建设的污水处理厂出水水质达到国家标准、满足纳污水体的要求，又要使污水处理厂投资少、占地面积小、运行成本低、产生的异味小、不影响周边居民的正常生产生活。

2、水质特点。大庆石化在生产生活过程中产生的废水由生产废水和生活污水组成，生产废水经相应的废水处理设施处理后，通过独立的排水系统排入外环境。生活污水经生活污水管网，未经处理直排北二十里泡，本工程欲处理的废水为单一的生活污水，2006年，经化验分析，B/C在0.5-0.6之间，可生化性好。质量安全环保处组织相关部门和单位经过多次考察、专题研究、聘请专家对可选择的污水处理工艺进行了详细论证。

3、国内生活污水处理工艺现状。目前，我国已建成的生活污水处理厂大多采用传统活性污泥法及其变形工艺、氧化沟工艺、AB工艺、SBR工艺等，活性污泥法已成为污水处理的主体技术，随着人口的不断膨胀和经济的飞速发展，水体污染问题已对人类的生存和经济的发展构成了威胁[48,49]。因此，各国对污水处理要求越来越严格，虽然这几种处理工艺处理的水质都能达到排放水的一

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般要求，但其投资和占地面积大，难于管理，部分工艺处理负荷低、运行启动慢、经常出现污泥膨胀、耐冲击能力差等诸多问题[50-52]。90年代以来，废水生物处理新工艺、新技术的研究、开发、应用取得了长足进展，各种新工艺应运而生，其共同特点是高效、稳定、节能，并具有脱氮除磷等多种功能。

曝气生物滤池具有同时完成生物处理与固液分离，占地面积小，工程投资和运行费用低等优点，并可通过调整滤池结构形式而成为具有脱氮除磷功能的组合工艺[53]。在保证处理效果的前提下使处理工艺简化，同时，BAF工艺有机负荷高、水力负荷大，水力停留时间短，能耗、运行成本低，出水水质高，在污水处理过程中不易产生污泥膨胀现象。而传统的活性污泥法占地面积较大，SBR工艺虽然省去二沉池，但由于生化部分为敞开式，污水处理过程中产生的臭味对周边环境影响较大[54,55]。

根据以上分析，结合大庆石化的环境特征、纳污水体水质要求、大庆石化生活污水水质特点以及各种处理工艺的比较，最终确定应用曝气生物滤池工艺处理生活污水。

1.5.2.2 前置反硝化曝气生物滤池工艺的可行性分析

国内流行的曝气生物滤池形式是在普通生物滤池的基础上，借鉴给水滤池工艺发展起来的，BAF工艺有除碳工艺、除碳/硝化工艺、除碳/硝化/反硝化工艺、除碳/除磷/脱氮工艺等多种类型的组合工艺[56,57]。

除碳工艺主要去除污水中碳化有机物；除碳/硝化工艺主要去除污水中有机污染物，并将NH4+-N硝化处理；除碳/硝化/反硝化工艺主要有水解+BAF法和膜法硝化反硝化法，主要用于去除有机污染物并实现脱氮目的。水解+BAF工艺是基于活性污泥A/O思想，属泥法脱氮,膜法硝化反硝化法是将硝化反硝化分别设在两座BAF池中进行，需外加碳源，其加入量较难控制.

我国南方城市生活污水处理厂多采用水解+曝气生物滤池处理工艺，东北地区多采用DC+N曝气生物滤池法，大连马栏河、大庆西城、哈尔滨太平、大庆东城污水处理厂扩建部分均采用DC+N曝气生物滤池处理工艺，出水NH4+-N虽能达标，但TN不达标。

曝气生物滤池反硝化系统主要有前置反硝化和后置反硝化。随着曝气生物滤池工艺研究的深入，国内外都有试验和报道证明：BAF在运行过程中存在同步硝化反硝化现象，综合比较如下：

1、BAF同步硝化反硝化对TN的去除效果不理想，脱氮率仅为30%左右，脱氮的稳定性较差。

2、后置反硝化BAF工艺对TN的去除效果较同步硝化反硝化效果好，但

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