摘 要
我国被联合国确认为五十个严重缺水国家之一，为解决我国缺水问题，实现污水资源化是当务之急。污水的分散处理技术已经成为国内外生活污水处理的一种新理念。
试验装置在运行处理有机物的过程中，无疑会受到系统内和外在环境因素的影响。包括水质条件、水温、溶解氧、水力负荷、pH值、水力停留时间、填料及填料结构等,但在实际的运行中无法将各种因素控制在精准的范围内。该小试研究本着低耗、简易、高效的原则，选择水温、气水比、水力负荷作为试验的研究影响因素，利用正交试验设计确定各个因素对COD去除率的显著性。试验期间调试气水比的参数为10~20，水力停留时间为11 h时，分别观测进水、出水的COD值和反应器中好氧区DO值，确定本装置最佳气水比为16:1；试验期间通过比较COD去除率和进水流量来确定本装置的进水量为6.0 m3/d，最佳的水力负荷为5.0 m3/(m3·d)；试验期间生物接触氧化装置对COD和氨氮的平均去除率分别为79%和57%，TN、SS、pH、浊度、色度的去处效果很好，出水COD、氨氮等指标均达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB-1898-2002)一级B类标准。生物接触氧化装置对污水磷的去除效果并不是理想，出水水质磷的指标超标，建议后续工艺能够增加化学除磷措施。
生物接触氧化处理法具有生物稳定性好、占地面积小、操作管理方便等优点。可适用于市政管网不完善的广大城镇生活小区和周围村落相距较远、人口密度较小的农村。
关键词：接触氧化；生活污水；分散式
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目 录
第1章 绪论 ....................................................1
1.1 课题研究背景. ............................................................................................................. 1
1.2 城市生活污水处理 ...................................................................................................... 3 1.3 国内外城市污水分散处理研究状况 .......................................................................... 4 1.4 研究目标和内容 .......................................................................................................... 7 1.5 研究技术路线 .............................................................................................................. 9
第2章 生活污水分散处理理论与方法 ............................. 10
2.1 生活污水的来源及特征 ............................................................................................ 10
2.2 生活污水的危害 ........................................................................................................ 10 2.3 污水处理方法概述 .................................................................................................... 11 2.4 污水生物接触氧化法 ................................................................................................ 14 2.5 本章小结 .................................................................................................................... 25
第3章 试验研究的装置、流程及运行 ............................. 26
3.1 装置设计与试验方案 ................................................................................................ 26
3.2 装置构造 .................................................................................................................... 28 3.3 试验流程 .................................................................................................................... 30 3.4 试验污水水质 ............................................................................................................ 31 3.5 试验安排 .................................................................................................................... 31 3.6 反应器的启动及工况的确定 .................................................................................... 32 3.7 本章小结 .................................................................................................................... 36
第4章 试验结果及分析 ........................................ 37
4.1 正交试验法确定因素 ................................................................................................ 37
4.2 试验影响因素分析 .................................................................................................... 39 4.3 试验结果分析与讨论 ................................................................................................ 43 4.4本章小结 .................................................................................................................... 48
第5章 总结与展望 ............................................. 49
5.1 结论 ............................................................................................................................ 49
5.2 建议 ............................................................................................................................ 50
参考文献 ...................................................... 51致 谢 ........................................................ 53作者简介 ...................................................... 54
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第1章 绪论
1.1课题研究背景. 1.1.1 引言
地球上的水是在30亿年前形成的，水是生命之源，是地球上最丰富的物质。水既是生命体组成的基础物质，又是新陈代谢的主要介质。人类视水为生命的源泉，视水为经济的命脉，视水为宝贵的资源。水有极大的热容量，水对调节地球上的气温起着巨大的作用，因此，水是人类环境的重要组成部分。随着工业化进程和人口的不断增加，以及人类生活水平的不断提高，社会需水量大幅度增加，水资源供应矛盾日益突出[1]。
由于我国受季风气候的影响及各地所处的地理位置的不同，使得水资源在时空分布上极不均匀。如我国南方的降水集中在5~8月份，而北方的降水集中在6~9月份。地下水与地表水密切相关，地表水资源在时空上分布的不均匀从而造成了地下水资源的极不均匀，我国地下水资源的分布是南多北少 [2]。而我国的石油、煤炭和其他矿藏多分布于北方地区。因此有大量的耗水工业建在北方，水资源已成为制约我国经济发展的重要因素[3]。
工业企业的迅速发展和城市人口的高度集中导致了用水量的迅猛增长，相应地导致了工业废水和生活污水排放量的大幅度增加。据统计，我国的生活污水占城市污水的比率逐年提高，部分经济发达地区可达到与接近60%，生活污水排放量由1992年的180亿m3增加到2010年的560亿 m3 [4]。由于我国污水处理的步伐与污水水量的增长不同步，污水处理能力不能满足实际需处理能力，在市政设施建设滞后的地区将大量的未经处理的生活污水排入到自然界中，造成自然界中水体环境的恶化。
持续的人口增长、地表水和地下水的污染、水资源的不平衡分布、周期性旱灾等迫使我们考虑如何合理安全的利用有限的城市水资源。目前世界范围内的许多国家已经把城市生活污水开辟为第二淡水资源，城市生活污水在经过二级或者深度处理后，水质已经得到相当程度的改善，如果将处理后的水排放到环境中去，不能够改善自然界中的水体环境，反而造成了有限水资源的浪费。经过处理后的城市生活污水，满足城镇生活污
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水排放的水质标准后，可以用来满足除饮用水之外的用途。水的回收与再生是一种可靠、经济的选择，与此同时，还可以将节约用水、高效用水、开发和管理新水源作为补充方案。
1.1.2 城市污水再生利用 1.1.2.1 城市污水再利用的必要性
在自然界中，水是不可替代的，也是可以重复利用的资源。城市污水是通过下水管道收集到的所有排水，包括生活污水、工业废水、和雨水的混合水。各个城市污水的水质、水量存在一定的差异。主要受到城市规模、气候特点、城市类型和居民生活习惯的影响。大量清洁水被浪费于污物的输送，用于稀释污染物。因此，人们不得不采用昂贵、高耗能、技术复杂的工艺进行污水处理。随着解决缺水问题的发展和污水处理进展的研究，城市污水可作为靠的第二水源。
利用地埋式一体化设备处理分散的生活污水具有施工简单、占地面积小和管理操作简单等优点。在今天的美国，约有25%的人口和33%的新建社区采用了这种处理模式。
自20 世纪80 年代，我国的经济驶入快车道，城市缺水问题日益严重。据统计，全国669 个城市中，400 多个城市常年供水不足，110 个城市严重缺水，年缺水量达60亿m³[5]。预计到2030 年缺水量将达到 400 亿 m³~ 500 亿 m³。而目前全国城市污水排放量大约为 414 亿 m³， 城市污水处理率和二级处理率分别仅为 30%和15%， 污水回用率则更低。如果污水回用率平均达到20%，那么污水回用量可达到40 亿 m³，当城市无法从本区域找到合适水源，且又无法这可解决全国城市缺水量的一半以上[6,7]。
从别的区域调水时，用生活污水作为淡水水源不但具有不受气候影响、水源可靠、保证率高等优点，而且可以合理有效地利用本区域内的污水。 1.1.2.2 城市污水再利用的可行性
专家指出，与用水量几乎相当的城市污水中只有0.1%左右的污染物质，是完全可以经处理后再利用的。现代污水回用已有一百多年的历史，在技术上已经很成熟。经过处理后的污水进行回用可用于农业灌溉、景观绿化、市政用水、工业用水和环境目的的用水。与利用自然界中的原水相比，处理后的污水在经济上可以减少取水、饮水的费用，
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并且能够减少对有限水资源的使用。随着经济的发展和人口的增加，越来越多的国家、地区和城市在不同程度上面临水资源短缺的危机。人们日益重视科学合理地利用有限的水资源，其中城市污水的再利用已经被很多的经验证实是解决地区或城市缺水的一条有效、经济而又便捷的途径。城市污水再利用是削减水污染负荷、节约用水、促进水的循环利用、提高水的利用效率和解决城市水资源短缺的重要途径之一。城市污水再生是水自然再生的模拟与强化，而城市水资源的短缺与水的可持续发展促使城市污水的再生来满足社会经济可持续发展的需求。城市污水具有量大、集中、水质水量稳定的特点，进可使占城市用水量50%左右工业用水量的自然取水量大行适度处理后回用于工业生产，
大减少。这样可以减少对有限水资源的使用，在产生经济效益的同时产生良好的环境效益。
1.2城市生活污水处理
1.2.1 集中式污水处理
集中式污水处理系统历史悠久，它始于公元前2000年左右的希腊，后来于19世纪40年代由Edwin Chadwick用于英国。集中式污水处理系统是将区域内收集的污水送到远处的污水厂进行处理排放。在市政管网和污水处理配套的城市，污水处理厂是重要的市政设施，对城市发展和周围环境有至关重要的作用。集中式污水处理系统能够将收集的污水输送到城市以外，使污水和雨水得到深度的处理，处理后的污水排入自然水体之前得到控制。集中处理概念的关键因素是“管理”，如果水中的致病微生物没有得到有效的去除，会引发疾病，污水处理厂的排放标准超标会导致地表水质恶化。 1.2.2 分散式污水处理
随着世界人口不断的增加和工农业生产的发展，生活污水处理厂的建设有小型化分散建设的趋势。污水的分散处理技术(DESAR)已经成为国内外生活污水处理的一种新理念[8]。
分散式污水处理系统主要适应于基础设施薄弱和资金缺乏，难以在短期内建设完整的城市污水管网及集中式污水处理厂的地区和远离市政管网的旅游度假景点、部队营房、高速公路生活区收费站、高新开发区及排污未达标或有中水回用要求的广大城镇生
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活小区。分散型污水处理装置的处理对象为生活污水及与生活污水水质相似的工业废水。处理后的生活污水可作为工业用水或生活杂用水等。
分散式污水处理的方法允许以单独处理和就地土壤处理系统，作为长期的解决方案。要根本改善目前严峻的水污染现状，从水体富营养化的防治、新农村建设、城镇污水的再生利用等角度出发，有必要在城镇和农村大力推广分散型污水处理装置技术。分散式污水处理系统可以克服集中式处理的许多不便之处，运行和维护管理比较方便。可应用于各种场合和规模，处理系统投资小、见效快，并可根据回用水质要求灵活掌握污水处理的深度，易于实现水资源的就近回用目标[9]。
分散型污水处理系统一般设置在用户附近，需要的污水管道较少。污水处理系统可使用工厂生产装置化的产品，采用玻璃钢或钢筋混凝土现场施工 。
1.3 国内外城市污水分散处理研究状况
1.3.1 国外研究状况
日本、美国、欧洲等发达国家从20 世纪70 年代开始，就采用分散式污水处理方式对生活污水进行治理，取得了很好的成效。
美国的分散式污水处理来源于19 世纪中叶使用的现场污水处理系统，美国在1979年已经拥有污水回用工程536 项，年利用水量9.37 亿 m³，主要用于农灌、地下水回注，是世界上最早采用污水再生利用的国家之一[10]。美国加利福尼亚州每年利用净化污水100 万人口一年的用水量。德克萨斯州埃尔帕索的弗雷得赫维回收站，2.7 亿 m3，相当
平均每天处理3.8 万 m3生活污水。美国加州的奥兰治从1980 年起将回收水作为人工回灌的水源，每天回灌1.9 万 m3 的二级处理水[11,12,13,14]。
日本有着成熟的污水净化槽和分散式污水处理的技术和经验。日本开展污水再生利用工作已经有30 年的历史，由于日本地形比较险峻，南北狭长，主要河流的长度较短，水资源严重短缺。二战结束前，日本的污水处理基础建设非常有限。自1955 年日本经济开始高速增长，工业用水与生活用水量也日益增加，造成了日本部分地区，特别是一些大中城市频发严重的缺水、断水现象，在这样的情况下，日本投巨资不断的完善排水系统和地方性的污水处理设施。日本全国污水处理厂的年总出水量为141 亿 m3 ( 2004年底数据) ，其中大部分被排放到公共水域。日本的污水再利用的主体是厕所冲洗水、
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工业用水、河水补给和城市景观用水[15,16,17]。
位于地中海东岸的以色列，大部分为干旱和半干旱地带。一贯重视污水的回用，并通过低水价鼓励用户使用处理后的污水。处理净化后的污水主要用于农业灌溉和非饮用的生活用水。目前全国100%生活污水和72%的城市废水已经回用，共建200个废水回用工程和100多个供农业利用的废水储存库，预计2025年农业用水的65%将取自城市污水[18]。
另外，南美洲的阿根廷、巴西、智利也都有很多污水回用项目。非洲的南非、纳米比亚等国的分散污水处理研究也发展很快。 1.3.2国内研究状况
我国分散式污水处理研究和应用始于20世纪80年代末的化粪池，分散污水处理系统主要用于就近或聚集处理和处置来自独户或相对集中的一小片住宅及商业区的少量生活污水。它常被用在人口密度较小的社区或乡村。
优质饮用水供应，污水、雨水的收集以及在排入自然水体之前的深度处理是一个国家公众健康、工业发展乃至社会繁荣的重要前提。我国是个贫水的国家，随着城市人口的增加和工农业的发展，许多城市水资源不敷所需，处于缺水状态，严重制约着工农业的发展和经济建设。一方面，城市缺水严重，另一方面大量的城市污水白白流失，既浪费了资源，又污染了环境。
为了促进城镇污水处理厂的建设和管理，加强城镇污水处理厂污染物的排放控制和污水资源化，结合我国《城市污水处理及污染防治技术政策》，国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局制定和颁发了《污水综合排放标准》、《再生水用作冷却水的水质标准》、《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)。《城市杂用水水质标准》(GB 18920-2002)标准见表1-1。
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表1-1 城市杂用水水质标准
项目 冲厕 道路清扫、消防 城市绿化 车辆清洗 建筑施工
pH值 色度(°)≤
嗅
浊度(NTU)≤ 氨氮(mg/L)≤
五日生化需氧量(mg/L)≤ 溶解性总固体(mg/L)≤ 阴离子表面活性(mg/L)≤
铁(mg/L)≤ 锰(mg/L)≤ 溶解氧(mg/L)≤ 总余氯(mg/L)≤ 总大肠杆菌(个/L)≤
5 10 10 1500 1.0 0.3 0.1
6.0~ 9.0 30 无不快感
10 10 5 10 20 10 15 20 10 1500 1000 1000 1.0 1.0 0.5 — — 0.3 — — 0.1
1.0
接触30 min 后≥1.0，管网末端≥0.2
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20 20 15 — 1.0 -
我国真正意义上的城市污水回用起步较晚。据统计，我国城市污水处理率为30%，二级处理率达到10%。参照建设部《城市缺水问题研究》成果预测，2020年城市的集中废水处理率将达到60%，按保守估计，到2050年城市废水处理率将达到80%~90%以上。由此可见，城市污水再利用将极有潜力，合理规划和利用这部分潜在的水资源对缺水城市而言将非常重要。以前的城市污水的回用主要集中在农业污灌，但由于对许多灌溉污水缺乏必要的处理，造成很多农田被污染。直到80年代才将城市污水处理与利用列入国家科研课题，并相继在北京、大连、青岛、淄博等城市开展了污水回用的实验研究工作[19]。近年来，许多城市在建设水处理厂的同时，也同步建设了相应的污水回用工程。表1-2列出了目前正在建设和拟建设的城市污水回用工程。由表1-2可知，由于我国在污水处理方面，起步较晚，同时受到资金和技术的限制，我国的污水回用水平并不是太高。城市污水回用主要用于工业冷却用水、绿化、道路喷洒、建筑物的冲洗厕所、公园、市政施工等方面[20]。随着对城市污水的深度处理的研究和城市化的进程，城市污水处理厂的建设和回用工程的运行，可以控制水污染，净化水资源，保护生态环境，缓解城市水资源的短缺。
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表 1-2 我国城市污水处理与回用情况
序号 1 2 3 4 5 6 7 8
工程地点 北京高碑店 天津东郊 秦皇岛海港
区
青岛海泊河 大连市春柳河 太原杨家堡 西安西郊 广东深圳滨河
处理规模(万m³/d)
50 40 4 3 8 16 16 2.5
回用规模(万m³/d)
20 7 2 1 1 2.4 2.4 0.1
回用目标 厂内回用 工业及厂内回用 码头用水 工业及厂内回用 电厂冷却水 化工厂冷却水 工业冷却、喷洒道路
水厂自身用
为了我国经济和社会的持续发展，我们必须想法设法，竭尽全力去更快、更好、更省和更有效地减轻和消除水环境的污染，促进和利用好我国有限的水资源，根本出路在于不断地改进和革新污水处理技术。开发和应用经济、有效的污水处理技术来实现生态环境的良性循环。
1.4研究目标和内容
1.4.1研究目标
在生活污水处理的百余年的发展和应用中，生物技术发挥了巨大的作用。但必须看到，由于工业和城市的飞速发展，在世界范围内的水污染至今还是没有得到有效的控制，特别是在广大的发展中国家中。现有的生物处理技术存在以下缺点：适宜微生物生长的环境不是太好，适合处理的微生物种类少，反应效应低；生物处理技术的费用高；运行期间装置不够理想。
目前，在我国由于工业企业的迅速发展和城市人口的高度集中导致了用水量的迅猛增长，相应地导致了工业废水和生活污水排放量的大幅度增加。有些地区的城市污水处理设施落后于城市的建设，短期内不能够形成较完整的市政处理体系。目前我国拥有37334个乡镇，其中建制镇 19883个，吸纳 2亿多居民，随着我国城镇化的不断加速，预计到2020 年，小城镇居民将达到4.5 亿，占到全国总人口的 1/4[21]。我国绝大多数
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小城镇都缺乏必要的污水收集和处理系统， 污水就近直接排入水体， 造成90%以上小城镇的水体受到污染， 78%的城镇河段不宜作为饮用水水源[22,23]。在这种背景下，生活污水的分散处理和再生利用是对集中污水处理再生利用的有效补充[24]。
分散式生活污水处理是以技术先进的小型污水处理设施来实现生活污水的就近处理与利用[25]。每一种污水处理工艺都有其不足之处，将不同污水处理单元进行优化调整，利用微生物之间的有序组合，构建成一个多元的生物污水净化系统，充分利用生物的净化功能和它们之间的协同作用去除有机物，使出水水质得到提高，将是污水处理技术研究的关键之一。 1.4.2 研究内容
本研究采用的气提式生物接触氧化装置是由反应器和接触氧化相结合的一种多功能一体化装置，出水水质可稳定达到《城市污水厂污染物排放标准》中一级B 类中的标准(P 指标除外)。通过对装置运行效能的考察，并结合概率与统计学中的正交试验原理，论证影响装置处理效果因素的显著性。对进入试验装置污水流量的调整，来进一步考察试验装置的抗冲击能力。
针对气提式生物接触氧化法处理生活污水处理效果的影响因素，在实验室条件下，以某中学学生住宿区的生活污水为原水。结合概率与统计学中的正交试验原理，分析论证了影响因素对考察指标影响显著性。
(1)针对生活污水的水质、水量的特点，通过对比各种生活污水处理方法的优缺点，选用气提式生物接触氧化法工艺来处理生活污水。
(2)通过在实验室条件下，对一体化装置的效能的考察，确定装置的最佳运行参数，为以后装置的推广使用提供参数。
(3)利用正交试验与概率统计原理，分析影响因素对考察指标的影响显著性。(4)结合试验结果，对比影响因素对去除效果的影响，提出氧化装置的改进方案。
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1.5研究技术路线
生物接触氧化法处理生活污水的小试研究 课题背景、国内外状况 气提式接触氧化试验装置 利用正交试验原理确定试验方案 试验装置的启动与挂膜实验装置最佳工况的确定生物相的观察影响因素的分析影响因素显著性分析影响因素的选取实验结果分析 改进意见 结论与展望 z
图1-1研究技术路线
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第2章 生活污水分散处理理论与方法
2.1 生活污水的来源及特征
生活污水是指城市机关、学校和居民在日常生活中产生的废水，如厨房污水，粪便污水，洗涤污水及商业、医院和游乐场所的排水等。生活污水中含有大量有机物(占70%)，如纤维素、淀粉、糖类和氨基酸等；也常含有病原菌、寄生虫卵；无机盐类的氯化物、硫酸盐等。
生活污水的特征如下。
(1)分布广。生活污水是伴随人们日常活动的产生，因此生活污水是无序的点状分布。既分布于市政管网和污水处理系统配套的市区，也存在于没有配套污水处理系统的城郊和远离城区的旅游娱乐地区。
(2)水质、水量变化大。水质的变化主要受生活污染源性质的影响，如生活污水和医院等排出的污水，常含有各种病原体，传播疾病。
生活污水水量随着人类社会行为变化，对于居住区而言，早、中、晚的用水高峰期排水量大，周末和节假日的排水量也高于平时。而对餐饮业，一般在进餐时间为其排水量高峰，而其他时段较低。有时高峰期的排水量是其低峰期的10倍以上。
(3)污水可生化性高。生活污水BOD5/COD的值一般为0.4 ~ 0.7，具有较高的可生化性，可适合各类生物化学处理方法进行处理[26]。
2.2 生活污水的危害
在市政管网和污水处理不配套的城郊和远离城区的居民区，以周围的河流或湖泊作为饮用水水源。而未经处理的生活污水排放到河流中，不仅造成地表水水体环境的污染，也危害到饮用水的安全。如含洗涤剂的污水，它们经常含有一定量的氮、磷等植物营养物质，水体中含有大量的营养物质将会引起水体富营养化，造成水中溶解氧急剧变化，从而影响渔业的发展和危害人体健康。生活污水中往往不同程度地存在着大量的微生物，包括细菌、放线菌、酵母菌、霉菌、病毒等，可引起疾病的传播，流行病的暴发。
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2.3 污水处理方法概述
污水处理方法按对污染物的实施作用不同，一般可分为两类：一类是通过各种外力作用，把有害物质从中分离出来，称之为分离法；另一类是通过化学或生化的作用，使其转化为无害或可分离的物质予以去除，称之为转化法。按处理原理的不同，将处理方法分为物理法、物理化学法、化学法、生物法和土地处理系统五种方法。 2.3.1 物理处理法
污水的物理处理法通常是借助物理力或机械力使得污水中的某些污染物质得以分离的单元操作过程，在处理中不改变污染物的化学性质，与其他方法相比，具有设备简单，成本低、效果稳定等优点。物理处理采用的方法主要有筛滤、截留、水质水量调节，重力分离等。采用的处理设备或装置主要有格栅、筛网、微滤机、砂滤等方法截留各类漂浮物、悬浮物等。根据污水所需的处理程度，这些单元操作可以单独操作，也可以作为整个污水处理系统中的预处理(如格栅和沉淀等)或后处理工艺(如过滤等)。 2.3.2 物理化学处理法
物理化学法处理污水，作为污水处理的后置处理，即对其他污水处理方法处理后的污水，仍不符合要求，此时该工艺方法进行高级处理，是污水深度处理的工艺。污水的物理化学处理技术主要有：吸附法，膜分离法及离子交换法，其中吸附法是应用最多的方法。
(1)吸附法处理污水是指利用固体吸附剂的物理吸附和化学吸附性能，去除污水中污染物的过程，即将活性碳、粘土等多空物质的粉末或颗粒，与污水混合或让污水通过这些物质组成的滤床，使得污水中的污染物被吸附在多空物质的表面或被过滤去除。
(2)离子交换法是一种借助于离子交换剂上的可交换离子和污水中的其他同性离子进行交换反应而使水质净化的方法。离子交换法在工业上首先用于给水处理技术，如硬水的软化、脱碱除盐、去硅除氟、制备纯水等方法。在工业废水处理中可用于回收和去除工业废水中金、镍、镉、铜等。
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2.3.3 化学处理法
化学处理法是将污水中呈溶解态的无机物和有机物，通过化学反应氧化或还原为微毒甚至无毒物质，或者转化为易于水分离的形态，从而达到处理的目的，化学法是去除污水中污染物的方法之一。一般是配合其他污水处理的技术工艺，对某些污水的处理，如酸、碱性污水的中和，对污水的酸、碱度进行控制的预处理。化学处理法具有反应快、见效快的特点，特别适用于污水的质和量有剧烈变化的水质。 2.3.4 生物处理法
不同污水所含污染物是不同的，但都普遍含有有机物。这些有机物单靠物理处理或化学处理是无法在技术与经济都允许的条件下有效去除的，一般需要进行生物处理。生物法主要依靠微生物的新陈代谢将污水中的有机物转化为自身细胞物质和简单化合物，使水质得到净化。生物处理法可分为好氧生物处理和厌氧生物处理两类，好氧生物处理的主要对象是污水中的可降解的有机物，最终产物是水和二氧化碳。厌氧生物处理法是利用兼性厌氧和厌氧菌微生物对污水或污泥中的有机污染物进行降解，最终产物是以甲烷为主的消化气(即沼气)。
在好氧生物处理和厌氧生物处理中，有机物按照不同的机制进行转化。有机物的种类不同，转化的产物不同。
图2-1 有机物的转化机制如图所示
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污水的生物处理中，微生物以污水中的有机物为营养物质。对污水中的有机物进行分解利用，完成自身的代谢、繁殖。从而将污水的水质得到改变。污染物被微生物分解转化(降解)的难易程度叫污染物的可生化性。污染物越易被微生物分解，其可生化性越强，反之就弱。污水中的有机物种类繁多，常见的有碳水化合物(淀粉、纤维素、半纤维素)、脂肪、醇、含氮有机物(蛋白质等)、含硫有机物、含磷有机物、芳香族化合物、有机酸、醛、醚等。 2.3.5 土地处理系统
微生物、和植物等构成的生态系统，源于农田的污水灌溉，土地处理系统是由土壤、
主要用于污水的三级处理，也可用于某些污水的二级处理。土地处理系统以净化污水为目的，兼顾水肥资源的综合利用。污水进入土地处理系统之前应进行预处理，并对整个土地系统采取防渗措施，以避免造成地下水污染和植物体内有毒物质的积累。土地处理系统能够有效利用水肥资源，具有明显的经济效益。因此，土地处理系统是使污水无害化，资源化的新型处理系统，土地处理系统由污水输送、预处理(稳定塘)、贮存(水库)、灌溉和排水等部分组成[27]。
由于农业灌溉对于灌溉水质的要求不是太高，因此再生水回用于农业。可以直接用于灌溉农作物，也可以排入河道、湖泊等水体后间接回用。土地处理系统主要依靠土壤过滤、微生物代谢、植被吸收、物理或化学吸附及离子交换等过程去除有机物。当污水流经土壤时，污水中的悬浮物和胶状物质被过滤、截留和吸附在土壤颗粒的孔隙中，与水分离。由于土壤有较好的透气性，在土壤的上层存在大量的好氧微生物，在其下层有较多的兼厌氧或厌氧微生物，通过这些微生物的代谢，使水质得到净化，有机物中含有的氮、磷主要被植物吸收、微生物脱氮等方式去除。土地处理系统还可以吸附杀死病原体，有些重金属能够被植被吸附。土地处理系统的进水负荷不能过高，否则会引起土壤堵塞或污染物渗透，污染地下水。
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2.4污水生物接触氧化法
2.4.1生物接触氧化法的由来
回顾历史可以看到，水处理技术的演变是一个循环的过程，许多概念的提出和方法反反复复地得到应用，这是因为其他领域的进步带来了某一技术的改进，使其发挥新的作用。生物接触氧化法的概念由Waring等人于19世纪末提出。1912年，Closs在德国取得了专利登记。处理效果由于受到当时填料材料、曝气装置、反应池构造与设计等方面的限制并不理想，因此在当时未能获得进一步的推广和应用[28,29]。直到20世纪70年代伴随着有机新合成料的发展，许多高效率塑料填料在接触氧化工艺中逐渐被开发利用。日本的小岛贞男利用蜂窝填料生物膜接触氧化装置来净化河水取得了良好的效果
[30]
。近年来，伴随着填料材料的发展，生物接触氧化法得到更加广泛的应用[31,32]。
2.4.2生物接触氧化法的主要特征
生物接触氧化法中的填料浸没在水中，填料具有高孔隙率、大比表面积，这样微生物能够很好的附着在填料上面，生物膜的质量较高。因此，生物接触氧化池内单位容积的生物固体量高。生物接触氧化池对水质水量的变化骤变有较强的适应能力，生物接触氧化法不需要污泥回流。 2.4.3生物接触氧化法的原理
生物接触氧化法是在生物滤池的基础上通过接触曝气方式的改良而演变成的处理污水的技术之一。它具有生物膜法的基本特征，典型的工艺由池体、填料床、曝气装置、进出水装置等装置组成。即在池内设有人工曝气装置，向池内供氧搅拌混合，污水流经池内填料与生物膜接触，相当于在活性污泥法曝气池内填充供微生物附着、栖息的填料。因此生物接触氧化法兼有生物滤池与活性污泥法二者的优点。
池体、填料和布水布气装置是生物接触氧化池的主要组成部分。根据进水装置与池中布气方式的不同，生物接触氧化法的氧化池池型一般有以下四种。
底部进水、底部进气池型
原水进水装置和曝气设备安置在氧化池的底部，污水与空气从池底部进入池内，在
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曝气装置的搅拌与混合下，自下而上的流经填料床，处理水从装置的上部流出。这种类型的氧化装置池，由于曝气装置在底部能够对污水形成紊流，水中形成的剪切力能够对填料中老化的生物膜形成冲刷作用，防止填料床中填料堵塞现象的发生，有利于有机物去除率的提高。
侧部进气、上部进水池型
原水进水装置设在填料床的上部，而曝气装置设在填料床的侧部。污水利用自重流自上而下进入填料床均匀布入，流出填料床的污水再与一侧的空气充分搅动混合，进行有机物的氧化分解。设在填料床一侧的曝气装置，对进入填料床的水流并不会形成较强的紊流，因此，对于填料上老化生物膜的冲刷作用并不是太理想，但对于有机物的氧化分解比较好。
图2-2 底部进水、底部进气图2-3 侧部进气、上部进水
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图2-4 表面曝气充氧 图2-5 射流曝气充氧
表面曝气充氧池型
在氧化池的上部安装表面曝气机，原水进水装置和进气装置设在池的底部，从而使池中心形成一个曝气区，填料床设在曝气区的两侧，这样污水在表面曝气机和底部进水、气的共同作用下进入外侧充填填料的接触氧化区，处理后的水从池的顶部流出。
射流曝气充氧池型
射流曝气式充氧池型基本上同底部进水、进气式相同，原水进水装置和曝气设备安装在氧化的底部，污水与空气从池底部进入池内，并在曝气装置的搅拌与混合下，自下而上的流经填料床，处理水从装置的上部流出，在池的侧部加装了射流器。射流曝气装置将填料床上部的稳定水层再与氧进行混合，进入填料床，从而实现有机物与氧的充分接触，对有机物进行分解处理。
生物接触氧化法的工作原理主要有过滤，吸附和生物降解。首先利用反应器中的填料和生物膜对污水中的有机物进行吸附和阻留，再在有氧条件下微生物对有机物进行分解和代谢。填料具有巨大的表面积，作为微生物的栖息场所，是生物膜的载体。填料影响着微生物的生长、繁殖和脱落。生物膜含有许多亲水性物质，生物膜表面经常附着一个水层，称为附着水层(水膜)。附着水层外侧则覆盖着流动水层，两个水层之间可以进行物质交换。附着层很薄，不会影响生物膜对有机物的吸附，也不会限制有机物进入生物膜。随着有机物的降解，细胞不断合成，生物膜不断增厚。达到一定厚度时，营养物
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质和氧气向深处扩散受阻，在深处的好氧微生物死亡，生物膜出现厌氧层而老化，老化的生物膜附着力减小，在水力冲刷下脱落，完成一个生长周期[33]。“吸附-生长-脱落”的生长周期在填料上不断交替循环，这样就使其去除有机物的能力保持在较高水平上。接触氧化法净化污染物过程。
有机物 兼 氧 层 好 氧 层 附 着 水 流 氧 动 水 无机物 有机酸等 生物膜 污水 图2-6 接触氧化法净化污染物过程
生物接触氧化池内可以维持较高浓度的生物量。由于填料的大表面积，为生物栖息提供了巨大的空间，使大量微生物得以附着，因而可维持较高浓度的生物量。时填料的高孔隙率和生物膜的立体空间，使污水较方便地进入填料内部的空隙，进行生物接触氧化反应，同时也使得正常脱落的生物膜较为容易地从填料中随水流出，减少填料堵塞的出现概率。因此，接触氧化法的优点是生物膜比较稳定，易于保持和有利于生物膜的提高以及生物膜的不断更新。
传质速度快。由于曝气强度大，池内流体强烈搅动，生物膜表面的代谢物质流动和更新速度快，反应浓度梯度更大，因而加快了传质速率。
“三高一分”和接触沉淀，只要是“三高”和“一分”在起作用，使得生物接触氧化法有较高的生物反应速率，缩短了处理时间[34]。
再从生物处理的本质上讲，或从微生物的生态系统的特点来讲，生物膜法与活性污泥法相比，形成了一个更为复杂的复合生态系统。在纵向，微生物构成了一个由细菌、真菌、藻类、原生物和后生生物等多个营养级组成的复合生态系统；在横向，沿着液体
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到填料的方向。构成了一个附着好氧型、附着兼氧型和附着厌氧型的多种不同活动能力、呼吸类型、营养类型的微生物生物系统。因而接触氧化法更节能，具有更强的抗冲击负荷能力，具有较高大单位生物量，较长的固体停留时间，剩余污泥量少且易于沉淀，运行管理方便。而生物接触氧化法由于其填料特有的高比表面积和高空隙率，使得生物膜获得良好的附着和更新条件，在合理的曝气方式和曝气强度下，具有高分散和高传质的条件，因而，生物接触氧化法要比一般的生物膜法具有更高的处理效率。 2.4.4 生物接触氧化法的特点
生物接触氧化法既有生物膜工作稳定、耐冲击负荷和操作简单的特点，又有活性污泥法混合接触效果好的特点[35]。
(1) 净化效果好。由于接触氧化池中的填料由较大的比表面积、良好的水力条件、充足的氧供应，使得单位容积的微生物量比活性污泥法和生物滤池大，容积负荷高，耐冲击负荷，净化效果好。
(2)污泥量低。由于单位体积的微生物量大，容积负荷大时，污泥负荷仍较小。(3)出水水质好而稳定。接触氧化工艺能够保持有较好的出水水质，在城市污水处理中，出水外观清澈透明，可用于城市的景观园林用水。接触氧化法装置有较强的抗冲击负荷的能力，在进水浓度短期突变、毒性和pH值变化的冲击下，氧化池内的生物膜受影响小，而且恢复快。
(4)动力消耗比自然通风生物膜法大。由于采用强制通风供养，所以动力消耗比一般的生物膜法大。
(5)污泥沉降性能差。与活性污泥法和生物滤池法相比，接触氧化出水水中生物膜的老化程度高，受水力冲击变得很细碎，沉降性能较差。
(6)污泥膨胀的可能性比生物滤池大。接触氧化法一般不发生污泥膨胀，但当污水的供氧、营养、水质(毒性、pH值)和温度等条件不利时，生物膜的性能(生物相、附着能力、沉淀性能等)变差，在剧烈的水力冲刷作用下脱落，随水流失。
(7)占地面积小、管理方便。生物接触氧化法容积负荷高，氧化池容积小，又可以取较大的水深，所以占地面积比活性污泥法、生物滤池和生物转盘都小。由于没有污泥
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回流、出水回流、污泥膨胀、防雨保温和机械故障等问题，所以管理方便。 2.4.5影响生物接触氧化处理工艺的主要因素
有机物好氧氧化的实质就是微生物降解利用有机物的过程，这一过程无疑会受到系统内在和外在环境因素的影响。生物氧化接触氧化工艺从已有的试验结果来看，影响其处理结果的主要因素有水质条件、水温、溶解氧(DO)、水力负荷、pH值、水力停留时间(HRT)、填料及填料结构等。
水温
在污水的生物处理中，水温是一个重要的影响因素。水温的影响是多方面的，可以直接微生物的生长和代谢，也可以通过影响其他工艺条件间接影响微生物的生长和代谢。生物接触氧化中水温在10~35 ℃较适宜，水温过低，生物膜的活性较低，处理效果受到影响。温度升高造成溶解氧不足、污泥缺氧腐化而影响处理效果。
溶解氧(DO)
微生物的代谢过程以分子氧为受氢体，并参与部分物质的合体。没有分子氧，好氧微生物就不能生长繁殖，所以在生物接触氧化工艺中，要保持一定浓度的溶解氧。生物接触氧化工艺中曝气的作用：一方面满足反应器中微生物生长和代谢的需要；另一方面保证反应器能够保持良好的水流紊动程度，使污水能够与微生物、氧分子充分接触，保持较高的处理效能。
pH值
酶是一种两性电解质，pH值的变化影响酶的电离形式，进而影响酶的催化性能，所以pH值是影响酶活性的重要因素之一。不同的微生物有不同的酶系统，就会有不同的pH适应范围。pH值在6.5~7.5为好氧微生物的适宜范围。pH值过高或过低都会对微生物活性产生较大的影响。pH值低于6.5，有利于霉菌生长，可能会出现大量霉菌而诱发污泥膨胀；反之，pH值高于9.0，可抑制原生动物生长，使之由活跃状态转变为呆滞状态，导致出水中游离细菌增加。厌氧消化的最适宜pH值为6.6~7.5。可见，进水pH值的突然变化会对生物氧化处理产生很大的影响，这种影响不可逆转。所以保持pH值的稳定非常重要。
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填料
在接触氧化池中，填料作为生物膜的载体应具有较大的表面积、强度和孔隙率，以及较强的生物稳定性。接触氧化池中的填料受到的水力冲刷作用较强，应具有一定的粗糙度，才能牢固附着微生物。 2.4.6 填料的特征和种类
填料是生物膜附着生长的载体，其性能的好坏直接影响到生物接触氧化法效能的发挥，以及运行管理的方便与否[36]。在生物接触氧化法的基建费用中，填料的费用占较大部分，因此，填料关系到生物接触氧化法处理工艺的经济性。
接触氧化法中的填料应满足以下条件：有一定的生物膜附着力；比较大的孔隙率和比表面积；良好的水流流态；阻力小，强度高，不易发生坍塌断裂等物理性破坏；结实耐用，性质稳定；要求生物膜脱落移出方便，悬浮物截留能力低，不需频繁反冲洗，运行管理方便；不会散发出有毒物质；质量较轻；规则的形状保证形成良好的流态；物美价廉、便于运输和安装。将以上诸多要求大致归纳成如下三点：
生物膜附着性
生物膜附着还同微生物和填料表面的静电荷正负有关。一般填料表面带正电荷，有利于生物膜在填料表面的附着；反之亦然。填料的表面应采用亲水性材料，以便于生物膜的附着。所以对有的塑料填料在使用前用进行亲水处理。
水力特征
影响填料水力特征的因素有孔隙率、比表面积、形状尺寸、填充率等。孔隙率决定氧化池中水的实际停留时间和生物膜量。填料的孔隙率与比表面积成反比，氧化池内单位容积的生物膜量是由比表面积决定的。比表面积对硝化速率影响比有机物去除速率影响要大得多，这是因为硝化细菌生物膜较薄，可以尽可能增加填料比表面积和填料的填充率，以增加硝化细菌的附着量而不会发生堵塞现象。
填料的形状也是影响填料间水流流态的重要因素，一般用雷诺数Re表示。若Re(雷诺数)大于2000为紊流。在填料中的水的紊流程度越高，水与生物膜接触效率越高，污水中有机物的去除率会越高。但为了提高Re(雷诺数)，势必要增大流速，从而增加能量
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耗。
经济合理性
材质、填料形状与厚度、加工工艺过程等是影响填料成本的主要因素。在实际使用中，填料的经济合理性应与生物膜的附着性和水力条件相结合，当建设资金充足时，可考虑一次性采用性能好、使用寿命长而价格又较贵的填料；若建设资金比较短缺，建议可以先使用性能良好，价格低廉的填料，如组合填料与立体填料等，以满足污水处理的需要，而后在逐渐更换成其它理想的填料。
作为氧化池中的重要处理单元，填料应具有高的比表面积和大的空隙率，特别是早期以炉渣为填料的氧化工艺，为微生物提供了巨大的栖息空间，使大量微生物得以附着生长。目前国内运用较多的接触氧化池填料为组合填料、软性填料、蜂窝填料和弹性填料等。
图2-7 组合填料 图2-8 软性填料
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图2-9 蜂窝填料图2-10 弹性填料
组合填料
组合填料由直径80 mm的塑料环片和维沦纤维组合而成。塑料环片中心有一小孔，用醛化维沦细绳穿过此孔而形成长串。片间绳上套塑料管，是片与片之间保持一定的距离。组合填料的纤维丝在塑料环片的支撑下不结团，比表面积大，挂膜快，不堵塞，价格便宜，净化效果好。但纤维丝容易脱落，使用寿命短，后期处理效果下降。
软性填料
软性填料由中心绳和维沦纤维束构成，没有塑料环片。软性填料价格便宜，比表面积和净化效果与组合填料相仿，但纤维丝容易结团和脱落，使用寿命最短，目前使用较少。
蜂窝填料
蜂窝填料由聚丙烯或聚氯乙烯波纹片粘结而成，截面为正六边形孔洞。波纹片的尺寸一般为1000 mm * (1000~1200) mm，厚度一般在1.0 mm以下。六边形孔直径为32~50 mm。蜂窝填料使用寿命长，价格高，比表面积小，气泡易短流，充氧不均匀，处理效果较差，孔径小时易堵塞。
弹性填料
弹性填料形如试管刷，由中心绳和与之垂直交错的弹性塑料丝组成。丝的直径较粗，为0.4 mm左右。弹性塑料的直径一般为150 mm，比表面积比组合填料和软性填料小，比蜂窝填料大很多。弹性填料的价格最便宜，净化效果也较好，使用寿命长。但由
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于弹性丝对水流的阻挡作用，所以冲刷作用减弱，污水浓度较高时易发生堵塞。 2.4.7曝气系统
生物接触氧化工艺中曝气系统应具有良好的充氧效果，使污水均匀地流经氧化池和载体填料，噪音低、能耗小、操作管理方便。 曝气设备主要有鼓风曝气和机械曝气。鼓风曝气系统主要有空气净化器、鼓风机、空气输配管系统和浸没与混合液中的扩散组成。机械曝气又称表面曝气，其充气装置是安装于水面的曝气机。
目前采用较多的空气扩散装置即曝气器为隔膜曝气头、隔膜曝气管、螺旋曝气器和射流曝气器等。曝气器安装在水下近池底处，风机提供的空气通过布气管分配到各个曝气器再扩散到水中。气泡在上升过程中搅拌混合液，使微生物、污水和空气充分接触。空气中的氧气不断溶解于水中，供微生物代谢使用。 2.4.8生物接触氧化法应用研究进展与存在的问题
德国在19世纪末率先将生物接触氧化法用于污水处理，由于受到当时填料发展水平的限制，没能够得到广泛的应用。随着合成塑料工业的发展和轻质蜂窝状填料的问世，20世纪70年代初，美国、日本等开始研究和应用生物接触氧化法。我国在70年代中期开始研究此法用于城市污水和工业废水，并已在生产中应用。1975年，北京市环境保护科学研究所从城市废水处理的高效和低能耗出发，受日本小岛贞男的启发，在国内首先进行了以管式蜂窝填料的生物接触氧化法处理城市生活污水小试和处理 500 m³/d规模的中试，自主开发了两段接触氧化法和接触沉淀相结合的工艺流程，并对其高效的原理和运行中防止堵塞的方法进行了研究，在国内取得了有具有相当影响的研究成果。此后，王存海[37]等应用生物接触氧化工艺处理校园生活污水并回用以冲洗厕所及作为灌溉用水，处理效率高，占地面积小，工程投资低，处理后的出水各项指标均达国家标准。
生物接触氧化法兼有生物滤池与活性污泥法二者的优点[38]。随着新型填料的出现，生物接触氧化法不仅应用于生活污水处理，在工业废水中也有广泛的应用。如生物接触氧化法用于微污染水源水的预处理，能够有效的去除有机物和SS，成为一种新的净水方法。在对含有很多病原微生物和难降解物质的制药废水中，利用生物接触氧化法也取得了较好的效果。目前，接触氧化法技术广泛地应用于石油化工、农药、中药、抗生素
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和制药、化纤、棉纺印染、毛纺针织、丝绸、皮革、屠宰和肉类加工、饮料和食品加工、发酵酿造等。
任何一种事物都存在两面性，生物接触氧化法也存在一定的缺点和不足。如填料的性能直接影响生物接触氧化的效果，填料的寿命也决定着处理工艺的运行费用；氧化池内的生物膜随池内有机物量的变化而发生变化，生物膜过厚会使填料堵塞，从而影响整个系统的处理效能；生物接触氧化池的构造比较复杂，运行和维护费用价高。
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2.5 本章小结
本章阐述了生活污水来源，水质和水量的变化特点以及在市政污水处理设施不健全的地区生活污水排放的危害，并简单地介绍了污水处理中的物理法、物理化学法、化学法、生物法和土地处理系统五种方法。着重介绍生物接触氧化法的由来、主要特点、发展以及存在的问题。回顾历史可以看到，水处理技术的演变是一个循环的过程，许多概念的提出和方法反反复复地得到应用，是因为其他领域的进步带来了某一技术的改进，使其发挥新的作用。因此，生物接触氧化法将伴随着新型合成塑料工业的发展和分散式生活污水处理研究的进展，使其得到更加广泛的应用。
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第3章 试验研究的装置、流程及运行
3.1 装置设计与试验方案
3.1.1 基本设计思路 3.1.1.1 设计依据 (1)理论基础
已经证明生物接触氧化的流态是完全混合型，属于连续流态搅拌池式反应器(CSTR)，按照Ross E.McKinney的观点，其装置的BOD5去除常数(K)，在一级反应器的条件下，以及水质相近时，可以作为衡量处理装置净化效率的一个相对指标。K值的计算如下：
S0/Set式中：K — BOD5去除常数，1/h； KS0— 进水BOD5浓度，mg/L； Se— 出水BOD5残留浓度，mg/L；t — 停留时间，h。
(3-1)
由式可知，K值越大，则所需反应时间越短，反应器效率越高。K值与填料的比表面积成一元线性关系。也就是说，比表面积越大，则反应器的反应速度常数越大，不过应在适度的范围内有效，并且要保证足够大的孔隙率，以使脱落的生物膜能及时移出而不发生填料的堵塞现象为前提。 (2)氧的传递理论
在污水生物处理系统中，充氧设备承载了反应器尺度的供氧过程，它将空气中的氧以气泡的形式带入发酵液内。微气泡和溶解氧承载了微生物尺度的供氧过程，前者可穿过细胞聚体间的缝隙，将氧带至细胞团聚体外；后者则可进入团聚体，将氧进一步带至细胞周围。最后，溶解氧承载了分子尺度的供氧过程，它通过分子扩散进入细胞，参与细胞内的需氧代谢。如下具体过程：A、气泡内的氧气从气相主体扩散至气—液两相之间的气膜表面；B、氧穿过气膜，到达气—液两相之间的液膜表面；C、氧穿过液膜，到达液相主体；D、液相主体中氧的传递；E、氧气到达细胞团聚体外的液膜；F、氧穿
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过液膜，到达细胞团聚体表面；G、氧在细胞团聚体内传递；H氧进入细胞。要保证微生物正常代谢，供氧速率必须大于耗氧速率。
图3-1 氧的传递过程
氧气溶于水的过程是氧分子从气相传递到液相的过程，可用双膜理论加以描述。双膜理论认为，在气液界面存在着液膜和气膜，对气液相的传质形成阻力。氧扩散过程的规律可用菲克定律表示，即物质的扩散速率等于物质在某种介质中的扩散能力(取决于扩散物质和介质的特征及温度)与浓度梯度(单位长度内的浓度变化)的乘积。Fick定律说明了物质扩散速率与浓度梯度成正比关系[40]。
dc vdDldX(3-2)
式中：vd — 物质的扩散速率，在单位时间内单位截面上通过的物质数量；
Dl— 扩散系数； c— 物质浓度； X— 扩散过程的长度；
dc/dX— 浓度梯度。 (3)高效传质机理
在曝气头之间存在曝气死区或曝气不足的地方，这些区域的氧与有机物向活性污泥及生物膜转移的速率远低于主流区，故生化效果很差，为此要增加混合液在曝气池的停留时间，也就是需要加大曝气池的体积；另外由于主流区气流相对集中，不利于氧气
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向水中进行转移，使得氧的利用率很低，生化反应生成物从活性污泥、生物膜移走的速率也很低，这一细部传质成为亚微观传质。基于以上两方面的考虑，在原有曝气系统的基础上进行了改进而形成的高分散系高传质好氧生化反应系统，大大加强了三相传质，提高了氧的利用率，节约了能耗，降低了成本。高分散高传质好氧生化反应系统由生物反应器和曝气受限器组成。
图3-2 高分散系高传质好氧生化反应系统
高分散高传质好氧生化反应是通过受限曝气实现的[41]。均匀受限曝气的基本原理如下：气泡在浮力作用下主动上升，经由曝气受限器的小尺寸竖向通道时在水流中造成强烈的湍流剪切，并形成高比例、高强度的微涡流旋，这些涡旋的离心惯性效应大大增加了亚微观传质速率，使得活性污泥菌胶团及生物膜的生化反应生成物尽快从其周围移走，生化反应所消耗的氧和有机物也尽快得到补充[40]。在小尺寸竖向通道中产生强烈的湍流剪切抑制了活性污泥絮体与气泡的合并长大，使其处于高比表面积的和有利的传质状态，从而形成了曝气池内高分散、高传质的好氧生化反应环境；曝气受限器的表面也是生物膜的附着面，由于受限曝气器竖向通道中水流的强湍流剪切作用而使生物膜活性好，传质效率高，因此均匀受限曝气是高效活性污泥法与高效生物膜法的结合，并且是降低污泥负荷、防止污泥膨胀和实现硝化的有效措施。这种新的反应器已演变成复合生物反应器与受限曝气器二者的有机结合体；而其中填料既是载体又是曝气设备，两者在功能上实现了复合[42]。
3.2装置构造
分散式生活污水处理是以技术先进的小型污水处理设施来实现生活污水的就近处理与利用。每一种污水处理工艺都有其不足之处，对不同的污水处理单元进行优化组合，
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利用生物的净化功能和他们之间的协同作用，构建成为一个多元的生物处理系统。使污水中的有机物在处理系统中得到去除，净化水质，是污水处理技术研究的关键之一。
本研究所采用的装置主要由填料、气提装置、曝气装置、好氧单元组成，集物化和生化处理于一体。装置结构见图3-3。
装置结构特点
(1)填料。填料作为生物膜的载体应具有较大的表面积、强度和孔隙率，以及较强的生物稳定性。接触氧化池中的填料受到的水力冲刷作用较强，应具有一定的粗糙度能才能牢固附着微生物。本装置的反应区的填料采用玻璃钢制蜂窝状填料。见图3-4。填料的孔径为25 mm，固定安装1.5 m3，比表面积为150 m2/m³。玻璃制蜂窝状填料具有材质较轻，易组合，表面能够形成一定的粗糙度有利于微生物的附着。综合以上各种因素采用玻璃钢制蜂窝状填料。
(2)气提装置。生物接触氧化池中的曝气的主要作用是充氧，氧以氧分子的形式溶于水中，满足微生物的生长代谢的需求。曝气还能够对池中的水形成紊流，对生物膜具有冲刷的作用，促进老化生物膜的脱落，防止堵塞现象的发生。
图3-3 试验装置图
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本装置的气提安装在填料的中间，压缩空气进入气提管内与污水和部分污泥形成搅拌混合，再经套管将混合液喷射到顶部的挡水装置，成45 角向四周均匀布射，含有氧的污水流经填料回流到池底，这样循环流动。
图3-4 填料床
3.3试验流程
图3-5 试验流程图
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3.4试验污水水质
试验期间取某中学学生住宿区的生活污水为原水，进水COD浓度为30~250 mg/L，氨氮浓度为3.1~26.5 mg/L，水温10~25 ℃，pH值6.5~7.5。有机成份为：碳水化合物、蛋白质、油脂等。原水的水量和水质昼夜变化较大，峰值出现在早、晚。
3.5试验安排
3.5.1试验影响因素及影响水平的确定
试验装置在运行处理有机物的过程中，无疑会受到系统内和外在环境因素的影响。包括水质条件、水温、溶解氧(DO)、水力负荷、pH值、水力停留时间(HRT)、填料及填料结构等。但在实际的运行中无法将各种因素控制在精准的范围内。该小试研究本着低耗、简易、高效的原则，选择水温、气水比、水力负荷作为试验的研究影响因素，利用正交试验设计确定各个因素对COD去除率的显著性。 3.5.2试验安排
结合本装置的特点，选择水温、气水比、水力负荷作为试验的研究影响水平。 （1）水温
在污水生物处理工艺中，水温是影响处理效率的重要工艺条件。本文选择以下4水平，即10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃，来考察水温对COD去除效果的影响。在装置运行工况下，通过对处理装置进水进行人为水温的控制来实现。 （2）气水比
氧化池中氧的溶解浓度是影响处理结果的重要因素。除了满足微生物生长的需要，还可以提高池内水流的紊流程度。本文选择在装置运行的稳定的工况下，将进水水温控制在20 ℃，并保持装置的最佳水力负荷条件为6.0 m³/d。气水比分别取14:1、16:1、18:1、20:1，来考察气水比因素对处理效果的影响。 （3）水力负荷
本文选择在装置运行的稳定的工况下，将进水水温控制在20 ℃，并保持装置的最佳气水比为16:1。水力负荷分别取4.0 m³/d、5.0 m³/d、6.0 m³/d、7.0 m³/d、8.0 m³/d，考
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察水力负荷对COD 处理效果的影响及对装置的抗冲击能力。 3.5.3 试验测试项目与检测方法
表3-1 测试项目
项目
水温 流量 浊度 COD TP TN DO pH值 NH4+-N微生物镜检 污泥生物相
测定方法 温度计 秒表量筒法
105度烘干法 重铬酸钾法 钼锑抗分光光度法 过硫酸钾—紫外分光光度法 雷磁JPB—607便携式溶氧仪
酸度计 纳氏试剂分光光度法 显微镜
103-105 ℃烘干重量法
取样点 进水 进水 进水、出水 进水、出水 进水、出水 进水、出水 好氧区 进水、出水 进水、出水
污泥 填料
3.6反应器的启动及工况的确定
3.6.1反应器的启动
采用快速间接接种法，取某生活污水处理厂的脱水污泥，该污泥菌絮体较大，呈黄褐色，沉降性较好。第一阶段(1 d)，投加7 kg干污泥，注入新鲜污水，闷曝 24 h，DO为在2.0~ 2.4 mg/L。第二阶段(3 d)，每天间歇换水3次闷曝 ，DO为在2.0~ 2.4 mg/L 。大量的菌胶团和鞭毛虫类出现。第三阶段(3 d)，连续进水，生物相观察发现小口钟虫 ，去除率为63.6%，标志着反应器的启动成功。
为了使生物膜获得较强的附着力，改用组合填料。该填料形如试管刷，由中心绳和与之垂直交错的弹性塑料丝组成。丝的直径较粗，为0.4 mm左右。弹性塑料的直径一般为150 mm，比表面积比组合填料和软性填料小，比蜂窝填料大很多。弹性填料的价格最便宜，净化效果也较好，使用寿命长。卢保中[43]等人对组合型填料、软性填料、半软性填料、弹性立体填料作过对比性试验，也证实了这一点。挂膜前后的弹性填料如图3-6所示。
32
图3-6 挂膜前后弹性填料
3.6.2最佳气水比的确定
在氧化装置中溶解氧浓度是一个重要的控制参数。氧化装置中氧的充足供应除了满足生物膜的生长需要外，也可以促进老化的生物膜的脱落。试验期间调试气水比的的参数为10~20，进水水温保持为20 ℃，水力停留时间(HRT)为11 h时，分别观测进水、出水的COD值和反应器中好氧区中的DO值。通过比较COD去除率和DO值来确定本装置的最佳气水比。
表3-2 测定DO值的水质表
DO值
(mg/L) 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.5 6.5
HRT(h) 11 11 11 11 11 11 11
COD进水浓度
(mg/L)
58 60 43 98 75 105 120
COD出水浓度
(mg/L)
34 32 11 22 13 19 24
去除率(%)
41 48 74 78 83 81 80
33
10090COD去除率(%)8070605040302.533.54DO值(mg/L)4.55.56.5图3-10 COD去除率与DO关系图
由图3-10可知，反应器中DO值从2.5 mg/L到4.5 mg/L的不断增大，COD的去除率也在不断提高。反应器中的DO值从4.5 mg/L到6.5 mg/L之间，COD的去除率并不再随着DO值的提高。说明反应器中的溶解氧的浓度已达到了微生物的生长需要。当DO值保持在4.5 mg/L时，COD的去除率出现最高值。故保持DO值为4.5 mg/L，此时气体流量计读数为2.7~3.0 m3/h，确定最佳气水比为16:1。3.6.3最佳水力负荷的确定
表3-3 测定流量值的水质表
进水量 (m³/d) 2 3.5 4 5 6 8 10 HRT(h) COD进水浓度(mg/L) COD出浓度(mg/L) 11 11 11 11 11 11 11 53 99 132 148 75 55 62 7 3 24 18 14 18 24 去除率(%)
87 76 83 86 82 66 59 34
10090COD去除率(%)80706050403023.5456进水流量(m³/d)810图3-11 COD去除率与进水量关系图
由图3-11 COD 去除率与进水关系图可知，COD的去除率并不随着进水流量的增加而成简单的一元线性关系。在进水流量小于4.0 m3/d时，COD的去除率在下降，是由于水流的流速较小，不能对生物膜进行有效的冲刷，引起填料的堵塞而引发生物膜的老化，造成出水水质变差。当水流流量在4.0~6.0 m3/d时，COD的去除率能够保持较高的值。说明随着进水流量的增加，反应器的气提速度得到进一步的提高，水流能够产生足够强的剪切力，从而提高水的紊流程度，能够对生物膜进行有效的冲刷作用，促进微生物的新陈代谢和生物膜的脱落，防止填料的堵塞。当水流流量大于6.0 m3/d时，可能是由于气提速度的太大，水的紊流程度太高，影响了生物膜在填料上的附着，使得微生物的在反应器中的数量减少，影响了COD的去除率。考虑到生物膜的附着和试验运行的费用，试验期间进水量为6.0 m3/d，最佳的水力负荷为5.0 m3/(m3·d)。
35
3.7 本章小结
本章介绍了试验装置的设计依据、理论基础、试验装置构造、试验流程、影响试验因素水平的确定以及装置的挂膜启动和生物相的观察，并在装置稳定运行的情况下，确定了试验装置的最佳参数。结论如下：
(1) 在污水生物处理系统中，充氧设备承载了反应器尺度的供氧过程，它将空气中的氧以气泡的形式带入发酵液内。微气泡和溶解氧承载了微生物尺度的供氧过程，要保证微生物正常代谢，供氧速率必须大于耗氧速率。
(2) 高分散系高传质好氧生化反应系统是复合生物反应器与受限曝气器二者的有机结合体。填料既是载体又是曝气设备，两者在功能上实现了复合，提高了氧的利用率，节约了能耗，降低了成本。
(3)结合本装置的特点，选择水温、气水比、水力负荷作为试验的研究影响水平，利用正交试验表设计确定各个因素对COD去除率的显著性。
(4)试验期间调试气水比的参数为10~20，水力停留时间(HRT)为11 h时，分别观测进水、出水的COD值和反应器中好氧区中DO值，确定得到本装置的最佳气水比为16:1。
(5)试验期间通过比较COD去除率和进水流量来确定本装置的进水量为6.0 m3/d，最佳的水力负荷为5.0 m3/(m3·d)。
36
第4章 试验结果及分析
4.1 正交试验法确定因素
正交试验是研究多因素水平的一种设计方法[44]。正交表1944年起源于美国，第二次世界大战后在日本全国大力普及推广、应用，利用正交表，科学地安排试验和分析试验结果。正交表设计表格中，L为正交表的代号，n为试验的次数，t为水平数，c为列数，也就是可能安排最多的因素个数。实践证明，正交试验设计是促进生产率提高的一种有效工具，已广泛的应用于科学研究、产品设计及工艺改进等技术领域以及经营、计划等管理领域。
试验设计:以气水比(因素A)、水力负荷(因素B)和水温(因素C)作为考察因素，以COD去除率为考察指标，采用L9(34)正交试验表进行试验。本试验设计是三因素三水平，若做全面的试验则需要做33=27次试验。可见，利用正交表来安排试验，能够大大减少试验的次数。正交试验的因素水平表见表4-1。
表4-1 正交试验因素水平表
水平因子
1
2 3
气水比 A 14:1 16:1 18:1
水力负荷(m³/d)
B 4 5 6
水温(℃)
C 15 20 25
按照上述方法分别测定COD去除率，正交试验结果见表4-2。 严格按正交表要求，安排试验并获得数据后，需要对数据进行单项指标极差分析，以便从中找到最优(或较优)生产条件。
(1)计算第j水平的实验结果总和Kij。
K11y1y2y360.3+63.1+64.2=187.6 K12y1y4y760.3+65.3+63.7=189.3 K13y1y6y860.3+62.9+62.8=186.0K21y4y5y665.3+66.5+62.9=194.7 K22y2y5y863.1+66.5+62.8=192.4
37
(4-1) (4-2) (4-3) (4-4) (4-5)
K23y2y4y963.1+65.3+61.3=189.7K31y7y8y963.7+62.8+61.3=187.8K32y3y6y964.2+62.9+61.3=188.4
(4-6) (4-7) (4-8)
(4-9) K33y3y5y764.2+66.5+63.7=194.4
1(2)计算Kij的平均值Kij=Kij，其中t表示在第j列上，水平号i出现的次数。
t1186.0=62.0(4-11) K13K1333194.71=64.9(4-12) K21K21331192.4=64.1(4-13) K22K22331189.7=63.2 (4-14) K23K2333187.81=62.6(4-15) K31K31331188.4=62.8(4-16) K32K32331194.4=64.8(4-17) K33K3333(3)计算极差RjR1= max｛K11，K21，K31｝— min｛K11，K21，K31｝ =2.4(4-18)
其余的数据列于表4-2。 (4)选择最优生产条件
K11，K21，K31之间的差别仅仅是由A1，A2，A3引起的，而与B，C取什么水平无关。因此一般地可以通用比较K11，K21，K31……Kr1大小来确定A的最佳水平。对该试验，K21=64.9，A2最大，说明A取A2最好。类似可以确定B的最佳水平为B2，C的最佳水平为C3，由此得最优配方为A2B2C3。
由表可知，极差RJ越大，说明该因素的水平变化对试验指标的影响越大，即该因素越重要。根据试验结果直观分析可知，A2B2C3对COD的去除率为66.5%，是所有组合中的最大值。由此可以根据RJ的大小顺序排出因素的主次。所考察的3个因素对COD
38
去除率的影响，显著性大小为C>A>B。
表4-2 正交试验结果统计
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
A 1(14:1) 1 1 2(16:1) 2 2 3(18:1) 3 3 187.6 194.7 187.8 62.8 64.9 62.6 2.3 B 1(4) 2(5) 3(6) 1 2 3 1 2 3 189.3 192.4 188.4 63.1 64.1 62.8 1.3 C 1(15) 2(20) 3(25) 2 3 1 3 1 2 186.0 189.7 174.4 62.0 63.2 64.8 2.8 COD去除率(%)
60.3 63.1 64.2 65.3 66.5 62.9 63.7 62.8 61.3
K1jK2jK3jK1jK2jK3jRJ4.2 试验影响因素分析
4.2.1 水温因素影响分析
对于各种污水生物处理系统水温必然会对处理效果产生影响，原因在于所有的微生物都有一定的适宜温度范围，在各自适宜的温度条件下，活性好、自身代谢速度快，世代繁殖能力强。试验期间，通过对进入氧化池装置污水水温的控制，水温分别取10 ℃，15 ℃，20 ℃，25 ℃作为控制点分析水温因素对处理效果的影响，见图4-1。对比可知，水温在5~15 ℃之间；装置对COD和氨氮的去除效果并不明显。证明水温较低，微生物生长速度比较缓慢，活性较弱，从而影响去除率。当水温在15~20 ℃之间；微生物达到了最佳活性温度，生长繁殖加快，COD和氨氮处理效率提高，而氨氮处理效率变化更明显，但随着水温升高，去除率和处理效果并没有随之提高，而是下降。说明水温已经超出了微生物最佳活性温度。
39
160140120 1008060 4020 01015进水浓度出水浓度去除率2025100%90%80%70%60%50%40%30252015105010COD浓度(mg/l)氨氮浓度(mg/l)去除率(%)152025水温(℃)水温(℃)图4-1 水温因素影响
在对水温因素影响COD和氨氮处理效果的对比中，可以看到水温对氨氮处理效果的影响较COD处理效果要明显。当水温在15~20 ℃之间，氨氮去除率速率的增加比COD的去除率的增加要明显。说明水温因素对氨氮去除效果的影响要比COD的高。 4.2.2 气水比因素影响
氧化处理装置中溶解氧的浓度是一个重要的控制因数。适宜的通气量是决定水流是否能够形成流离效应的主要因素。试验期间通过气水比的改变，气水比分别取14:1、16:1、/d不变，来分析气水比因素对17:1、18:1、20:1并保持水温为20 ℃、水力负荷为5.0 m³
处理效果的影响，见图4-2。进行对比分析，在气水比14:1时，COD与氨氮的去除率都比较低；当气水比提高到16：1时，COD和氨氮的去除率分别达到了最高值90%和70%，表明此时溶解氧浓度能够满足氧化装置中微生物生长及代谢需要。而进一步使气水比增大，COD和氨氮的去除率降低。说明过高的气水比并不能使氧化装置中的溶解氧浓度得到提高，而过高的气水比产生的较强湍流使填料上的生物膜脱落降低微生物总量，处理效果降低[45]。能耗关系到污水处理工艺的评价指标和处理方法的可行性 。在好氧生物处理工艺中曝气设备能耗占总运行费用的比重较大，减少曝气量可以在一定程度上降低运行的费用。所以最佳气水比控制在16:1。
在对气水比因素影响的表的对比中，可以看到：当实验装置中气水比从14:1到16:1变化时，COD去除率和氨氮的去除率也随之上升，而当气水比从16:1继续上升时，COD的去除率是在缓慢的下降，氨氮的去除率也呈下降的趋势，但氨氮去除率的下降速率要高于COD 的去除的下降速率。
40
去除率(%)进水浓度出水浓度去除率100%90%80%70%60%50%40%160 140 120100 806040200141617气水比COD浓度(mg/l)去除率(%)氨氮浓度(mg/l)80%70%60%50%40%182020151050141617气水比80%70%60%50%40%1820图4-2 气水比因素影响
4.2.3水力负荷因素影响
试验期间通过进水流量的改变，使水力负荷分别为4.0 m³/d、5.0 m³/d、6.0 m³/d、7.0 m³/d、8.0 m³/d并保持水温为20 ℃、气水比为16:1不变，来分析水力负荷因素对处理效果的影响，见图4-3。对比分析，当流量在5.0 m³/d时，处理效果最佳，COD和氨氮的去除率分别为81.0%和88.8%。伴随着进水流量的不断增大，COD和氨氮的处理效果在降低。可见，处理效果与水力负荷的关系并不成简单的一元线性关系。当水力负荷在4.0~5.0 m³/d时，处理效果在不断的提高，说明水力负荷增加能加速水在池中扩散速度反应传质效应也得到提高并对填料表面老化的生物膜形成有效冲刷，促使生物膜及时更新，防止因生物膜过厚而发生堵塞现象。当水力负荷大于5.0 m³/d时，去除率在不断的减低，经分析可能是由于填料上成熟的生物膜被水流冲刷带走，而又难以在填料表面附着形成新的生物膜，从而使装置中的微生物总量降低，处理能力受限，出水水质变差。
进水浓度出水浓度去除率160 140 120100 80 6040 20045COD浓度(mg/l)氨氮浓度(mg/l)100%90%进水浓度出水浓度去除率67880%70%60%50%40%水力负荷(m³/d)30去除率(%)15105045678水力负荷(m³/d)80%70%60%50%40%图4-3 水力负荷因素影
41
去除率(%)2520100%90%去除率(%)进水浓度出水浓度去除率100%90%3025进水浓度出水浓度去除率100%90%生物接触氧化法处理生活污水的小试研究 试验期间由于中学学生住宿区的生活污水，水质和水量昼夜变化大，峰值出现在早、晚。为了试验的方便，装置的进、出水的COD和氨氮的浓度取平均值。本次试验的进水水温为10~25 ℃，pH值为6.5~ 7.5，在试验装置挂膜启动成功，负荷运行后。装置运行期间进水水质COD的浓度的平均值为110.5 mg/L，出水COD浓度为23.4 mg/L，平均去除率为79%。满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB-1898-2002)中的COD一级标准。进水水质氨氮的平均浓度为15.8 mg/L，出水氨氮的平均浓度为6.7 mg/L，平均去除率为57%。TN的去除率为45%，TP的去除率仅为28%，可见，气提式生物接触氧化法对磷的去除效果并不是太理想。出水水质中磷的指标严重超标，故应采取措施加强磷的去除。色度、浊度(NTU)、悬浮物(SS)等指标的去除效果均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB-1898-2002)中的一级标准要求，见表4-4。
表4-3 试验期间系统进、出水水质统计表 指标
最小值
COD (mg/L)
最大值 平均值 最小值
氨氮(mg/L) TN(mg/L) TP(mg/L)
色度(°) 浊度(NTU) SS(mg/L) 水温(℃)
最大值 平均值
进水 25 470 110.5 3.1 26.5 15.8 20.8 8.2 20 45 52
10~25
出水 5 50 23.4 1.36 12.8 6.7 11.3 5.9 ≤10 ≤5 8.5
去除率(%)
80 89 79 56 52 57 45 28
42
表4-4 城镇污水处理厂污染物排放标准
一级标准
项目
A标准
COD(mg/L) BOD5 (mg/L) 氨氮(mg/L) TN(mg/L) TP(mg/L) SS(mg/L) 色度(°) 浊度(NTU)
50 10 5(8) 15 0.5 10 30 —
B标准 60 20 8(15) 20 1 20 30 —
100 30 25(30) — 5 30 40 —
120 60 — — — 50 50 —
二级标准
三级标准
pH值 6~9
注：表中括号外数值为水温＞12℃时的控制指标，括号内数值为水温＜12℃时的控制指标；“—”表示无此项内容。
4.3 试验结果分析与讨论
4.3.1 COD去除效果
装置系统进水水质的波动较大。进水水质COD浓度为25~470 mg/L，出水水质COD浓度在5~23.4 mg/L之间，去除率在80%~89%之间，平均去除率为79%。可见，在气提式生物接触氧化装置生活污水处理中，COD的去除率较高。系统出水水质中COD的浓度满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB-1898-2002)中的一级B类中COD的标准。见表4-3。
气提式生物接触氧化法是气提反应器与接触氧化工艺相结合而形成的一种多功能生物接触氧化技术。技术原理为气提反应器在给布满生物载体的接触氧化池充氧曝气的同时，利用鼓风机的空气进行搅拌、提升、布水及混合液回流，污水在接触氧化池内依靠气提反应器自下而上提升布水后，又利用自身重力流的作用，使污水在接触氧化池内自上而下同填料上的生物膜充分接触，如此周而复始循环接触20~30次/d，直至污水处理达标后自出水口排出，试验期间装置进、出水COD浓度及去除率见表4-5。
43
表4-5 试验期间装置进、出水COD浓度及去除率
时间(d) HRT(h) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11
COD进水浓度
(mg/L) 101 99 121 148 62 165 98 58 96 46 55 62 228 149 130 48 128 156 132 53 58 178 120 70 43 55 460 52 130 75 99 103 110 99 105 106
COD出水浓度
(mg/L) 21 23 24 18 25 23 22 4 3 2.5 18 17 19 12 10 3 6 25 24 7 23 20 24 5 11 9 25 16 14 13 14 16 17 18 19 21
去除率(%)
79 77 80 87 60 86 78 93 97 95 67 73 92 92 92 94 95 85 82 87 60 88 80 93 74 84 94 69 89 83 86 84 85 82 81 80
44
COD进水浓度50045040035030025020015010050013579COD出水浓度去除率1009080706050403020100COD浓度(mg/L)11131517192123252729313335运行时间/d图4-4 试验期间装置进、出水COD浓度及去除率
4.3.2 NH4+-N去除效果
试验期间装置进、出水氨氮浓度及去除率见图4-5。从图中可以看到：系统对氨氮的去除效果随着试验的进展出水水质中氨氮的浓度保持在较低的水平，30天以后出水氨氮的浓度为2.1~10.0 mg/L之间，说明硝化菌的世代期较长，反应器中填料内部形成了厌氧或缺氧环境，使得污泥有较好的分解氨氮能力。硝化菌和反硝化菌对进水水质变化的反应较明显，进水水质的波动导致硝化反应缓慢。硝化菌对氧的争夺能力不如异养菌，增殖较快的异养菌总会占据生物膜的表面位置，而硝化菌则位于生物膜的内部稍浅的区域[46]。污水在接触氧化池内，通过布水装置的作用自下而上进行布水后，利用自身的重力流而流入氧化装置内的填料床，使污水同填料上的生物膜充分接触，提高了硝化效率。
45
去除率(%)表4-6 试验期间装置进、出水氨氮浓度及去除率
时间(d) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
HRT(h) 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11
氨氮进水浓度
(mg/L)
18 25 21 22 15 13 14 21 23 14 26 27 21 18 20 16 18 20 14 16 17 14 10 15 13 10 8 11 26 12 13 15 14 12 14 11
氨氮出水浓度
(mg/L)
6 9 8 6 7 8 9 11 9 12 10 11 9 12 7 14 11 16 5 8 6 5 4 7 4 3 2 4 8 10 10 8 7 5 4 2
去除率(%)
67 64 62 72 53 38 36 48 61 14 62 59 57 33 65 13 39 20 64 50 65 64 60 53 69 70 75 63 69 17 23 47 50 58 71 82
46
氨氮进水浓度3025氨氮出水浓度)去除率1009080氨氮浓度(mg/L)1510501357911131517192123252729313335运行时间/d50403020100图4-5 试验期间装置进、出水氨氮浓度及去除率
气提式生物接触氧化装置对氨氮的去除效果比较理想。试验装置系统进水水质的波动较大。氨氮进水质浓度为8~27 mg/L，氨氮出水浓度在2~14 mg/L之间，系统出水水质氨氮的浓度满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB-1898-2002)中的一级B类中氨氮的标准。见表4-3。
47
去除率(%)2070604.4 本章小结
本章阐述了影响试验装置的影响因素，并利用正交试验中的方差，分析了各影响因素对COD 去除效率的影响显著性。得到如下结论：
(1) 水温对氨氮去除效率的影响要比COD 去除效率的影响高。微生物都有一定的适宜温度，在各自适宜的温度条件下，活性好、自身代谢速度快，世代繁殖能力强。水温的过高或过低都会影响微生物酶的活性，从而影响到试验装置出水水质。
(2)气水比是影响气提式氧化装置处理效果的重要因素，主要通过溶解氧来影响处理效果。
(3)水力负荷增加适当，有利于水在池中扩散和提高反应传质效率。
(4)试验装置系统对TN、SS、pH、浊度、色度的去除效果很好，出水COD、氨氮等指标均达到了城市杂用水水质标准的要求，气提式生物接触氧化装置对污水磷的去除效果并不是理想，出水水质中的磷的指标超标。
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第5章 总结与展望
5.1 结论
试验装置在处理有机物的运行过程中，无疑会受到系统内和外在环境因素的影响。但在实际的运行中无法将各种因素控制在精准的范围内。该小试研究本着低耗、简易、高效的原则，在实验室条件下，以某中学学生住宿区的生活污水为原水。结合概率与统计学中的正交试验原理。分析论证了水温、气水比、水力负荷对考察指标COD去除率的影响显著性，经过对不同工况下试验数据的经典统计分析，得到以下结论：
(1)在污水生物处理中，曝气设备将空气中的氧分子溶解于水中的同时使水流形成紊流，水流中的剪切力能够对生物膜进行有效的冲刷作用。因此，在生物接触氧化法处理中要保证微生物正常代谢，供氧速率必须大于耗氧速率。
(2)通过对进入氧化池的装置污水水温的控制，对比不同水温下COD和氨氮的去除率，表明微生物都有一定的适宜温度，在各自适宜的温度条件下，活性好、自身代谢速度快，世代繁殖能力强。水温过低或过高会使微生物的活性降低，从而影响出水水质。
(3)气水比是影响气提式氧化装置处理效果的重要因素，主要通过溶解氧来影响处理效果，适宜的通气量是决定水流是否能够形成流离效应的主要因素。因此，在生物接触氧化工艺中，溶解氧浓度一个重要的控制参数。在水温保持为20 ℃、水力负荷为5.0 m³/d条件下，试验得到的最佳气水比为16:1。
(4)气提式氧化装置中的水力负荷是影响有机负荷的主要因素。在水力负荷增加适当的同时，污水在池中的扩散速度和装置的传质效应会得到提高。在水温保持为20 ℃、气水比为16:1条件下，试验到的最佳水力负荷为5.0 m³/d。
(5)试验期间气提式氧化装置对污水的TN、SS、pH、浊度、色度的去除效果很好，COD的平均去除率为79%，氨氮的平均去除率57%。出水水质中COD、氨氮标达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB-1898-2002)一级B类中COD、氨氮排放标准。
(6)试验期间气提式氧化装置对污水中磷的去除效果并不是理想，出水水质的磷的指标超标。
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5.2 建议
(1)试验期间装置对污水中的磷的去除率仅为28%，处理后水中磷的指标不能够达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB-1898-2002)一级B类标准。建议在实验装置的后续工艺中加设磷的去除措施。
(2)水温对生物接触氧化法处理工艺的影响较大，水温过高或过低都会影响装置的出水水质，建议冬季要采取适当的加、保温措施，确保进水水温满足处理工艺的水温条件。
(3)试验中发现当进水浓度高于300 mg/L时，填料会发生堵塞等现象，建议适当增大填料孔径。
(4)试验期间气提式氧化装置对COD、氨氮的去除率较高，出水水质均达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB-1898-2002)一级B类中COD、氨氮出水水质标准，对TN、SS、pH值、浊度、色度去除效果也较理想。建议出水消毒后用于消防、绿化、洗车、冲洗厕所、浇洒道路等场所。
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