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1、硕士研究生学位论文新 疆 大 学论文题目(中文)：气提式内循环反应器处理生活污水的试验研究论文题目(外文)：Experimental Study on Domestic Sewage Treatment by an Internal-loop Air-lift Bioreactor研究生姓名：学科、专业：环境科学研 究 方 向 ：环境管理导师姓名职称： 论文答辩日期： 2010 年 5 月 19 日 学位授予日期： 年 月 日63摘 要气提式内循环反应器是以传统生物流化床为基础的一种新型好氧生物处理工艺，该反应器吸取了化工操作中的流态紊动技术，具有污泥负荷高，抗冲击负荷能力强，结构紧凑，占地面
2、小等特点。本文对气提式内循环反应器的工作原理进行了阐述，总结了气提式内循环反应器的国内外研究现状及其在污水处理行业中的应用。试验采用气提式内循环反应器处理生活污水，利用正交实验确定反应器的最优参数，研究了反应器对COD、NH4+-N、SS、TN、TP等主要污染物的去除效果，并对反应器的抗冲击负荷能力以及活性污泥特性进行了研究。试验研究结果表明：1、通过正交实验得出气提式内循环反应器最佳运行参数为HRT10h，QL0.55m3/h，SRT5d，该工况下气提反应器出水COD、NH4+-N和SS的去除率分别为90.17%、91.45%和91.85%，出水水质符合城镇污水处理厂污染物排放标准（GB 1
3、8918-2002）二级标准。2、试验过程中，COD进水浓度最小值为229.71mg/L，最大值为595.69mg/L，平均浓度值为375.71mg/L。气提反应器COD去除率维持在64.24-94.43%，平均去除率为81.24%。COD出水浓度稳定，保持在33.16-96.17mg/L之间，平均出水浓度为63.24mg/L。污泥负荷平均为1.05kgCOD/（kgMLSSd），高于一般好氧生物处理工艺。3、气提式内循环反应器对SS的去除率维持在87.72-93.35%之间，平均去除率为89.87%。由正交实验结果可知，影响气提反应器出水SS浓度的主次顺序为SRTQLHRT，即泥龄是主要影响
4、因素，其次是曝气量，影响最小的是水力停留时间。4、气提式内循环反应器的脱氮除磷能力高于一般生物处理工艺。反应器TN、TP进水幅度分别为58.03-73.54mg/L与5.34-19.19mg/L，平均TN去除率达55.61%，高于一般生物处理工艺的20%-40%，平均TP去除率为57.72%，高于一般生物处理工艺的15%-20%。5、试验通过人为添加蔗糖的方法考察气提反应器抗水质冲击负荷能力，结果表明，在气提反应器COD平均进水浓度为707.56mg/L的情况下，出水COD浓度保持在77.28-128.65mg/L，平均出水浓度为93.92mg/L，COD去除率保持在84.95-89.66%，
5、平均去除率为86.11%。可见，即使进水COD浓度出现较大幅度的增加，气提反应器对COD依然保持着较高的去除率。6、气提式内循环反应器SV与SVI平均值分别为15%、93，试验还发现，SV曲线与SVI曲线有相似的变化趋势，随着时间的推移愈加明显，表明气提反应器活性污泥的稳定也得到加强。关键词：气提式内循环反应器；生活污水；正交实验；污泥特性AbstractInternal-loop air-lift bioreactor is a new aerobic biotreatment reactor based on traditional bio-fluidized bed, which abs
6、orbed disorderly fluidization from chemical manipulation with the character of high sludge load, strong anti-shock loading capability and compact structure. This paper summarized the operational principle of the internal-loop air-lift bioreactor and its progress at home and abroad. Experiment applie
7、d internal-loop air-lift bioreactor treating domestic sewage, and the results revealed the optimal condition by the orthogonal method. We also analyzed the removal efficiencies of COD、NH4+-N、SS、TN and TP and studied the anti-shock loading capability and sludge characteristics of the internal-loop ai
8、r-lift bioreactor.The results of experiment showed that:1. The orthogonal experimental results revealed the optimal conditions: the HRT was 10h,the QL was 0.55m3/h and the SRT was 5d.The result of experiment under those conditions shows that the average removal rate of COD, NH4+-N and SS were 90.17%
9、,91.45% and 91.85% respectively which is qualified on the second class by Discharge standard of pollutants for municipal wastewater treatment plant(GB 18918-2002).2. The maximum and minimum influent concentration of COD were 229.71mg/L and 595.69mg/L with the average of 375.71mg/L. The COD removal r
10、ate was between 64.24% and 94.43% with the average of 81.24% and the COD effluent concentration was between 33.16mg/L and 96.17mg/L with the average of 63.24mg/L. Results showed that the internal-loop air-lift bioreactor has the average sludge load of 1.05kgCOD/(kgMLSSd), which is higher than the tr
11、aditional biotreatment reactor.3. The SS removal rate was between 87.72% and 93.35% with the average of 89.87%. It revealed by orthogonal experimental results that the sequence of the effect of the parameters to SS removal rate was SRTQLHRT, that is to say the SRT was the dominant parameter, QL was
12、secondary and HRT affected least.4. The internal-loop air-lift bioreactor had higher capability of nitrogen and phosphorus removal than the traditional biotreatment bioreactor. The TN influent concentration was between 58.03mg/L and 73.54mg/L with the average removal rate of 55.61% which was higher
13、than the traditional biotreatment bioreactor (20%-40%).The TP influent concentration was between 5.34mg/L and 19.19mg/L with the average removal rate of 57.72% which was also higher than the traditional biotreatment bioreactor (15%-20%).5. Anti-shock loading capability was studied by adding sucrose,
14、 and the result revealed that the COD effluent concentration was between 77.28mg/L and 128.65mg/L while the average COD influent concentration was 707.56mg/L, and the COD removal rate was between 84.85% and 89.66% with the average of 86.11%.The result also showed that the internal-loop air-lift bior
15、eactor remained high COD removal rate in spite of the increase of the COD influent concentration.6. The average of SV and SVI were 15% and 93 respectively. The experimental result revealed that the SV curve and the SVI curve had the similar trend, and with the time going, this phenomenon was more ob
16、vious which indicated that the stability of activated sludge was enhanced.Key words：internal-loop air-lift bioreactor; domestic sewage; orthogonal experiment; sludge characteristics目 录摘 要IAbstractIII第一章 绪 论11.1 研究背景11.1.1 我国水资源及其利用现状11.1.2 我国水污染状况31.1.3 污水好氧生物处理新技术51.2 课题研究的目的91.3 课题来源及研究内容9第二章 气提式内
17、循环反应器污水处理技术与理论112.1 气提反应器的发展及研究现状112.2 气提式内循环反应器污水处理原理142.3 气提式内循环反应器特性142.3.1 载体比表面积大152.3.2 容积负荷与污泥负荷高152.3.3 耐冲击负荷能力强162.3.4 结构紧凑，占地面积小16第三章 试验材料与方法173.1 试验装置与工艺流程173.1.1 试验装置173.1.2 工艺流程183.2 试验材料183.2.1 载体183.2.2 试验菌种及污水来源203.2.3 试验设备与仪器203.3 检测项目与分析方法203.4 试验过程设计213.4.1 最佳参数的选择223.4.2 抗冲击负荷试验2
18、23.4.3 活性污泥特性研究22第四章 试验运行过程与数据分析234.1 气提式内循环反应器的启动与挂膜234.2 正交实验因素及水平的选定244.3 最佳运行参数的选择284.4 气提式内循环反应器对COD的去除效果314.5 气提式内循环反应器对SS的去除效果324.6 气提式内循环反应器的脱氮除磷性能研究334.6.1 气提式内循环反应器的脱氮性能334.6.2 气提式内循环反应器的除磷性能374.7 气提式内循环反应器抗冲击负荷分析404.7.1 抗水力冲击负荷404.7.2 抗水质冲击负荷414.7.3 气提式内循环反应器的二次启动43第五章 气提式内循环反应器活性污泥特性分析45
19、5.1 活性污泥的外观结构和微生物种群的多样性分析455.2 活性污泥的MLSS、SV及SVI505.3 活性污泥比耗氧呼吸速率SOUR53第六章 结论与建议566.1 结 论566.2 建 议57参考文献59攻读硕士学位期间发表的学术论文63致 谢64学位论文独创性声明65学位论文知识产权权属声明65新疆大学硕士学位论文第一章 绪 论1.1 研究背景1.1.1 我国水资源及其利用现状水是地球上分布最广的物质，是人类最宝贵的自然资源，是地球上一切生命赖以生存不可缺少的基本物质，也是人类生产和生活以及社会可持续发展的物质基础。从广义水资源言，全球水资源总量约为13.86108km3，分别以固态、
20、液态、气态形式分布在地球表面和大气圈、岩石圈和生物圈中，覆盖地球表面积70%以上。其中，约97.5%的水是海水，南极和北极冰封层占水量约不足2%，但都是淡水，全球淡水量约0.35108km3，仅占全球水量的2.5%，而地表水的一半存在于深度高于800m的地下蓄水层，存在于江河与湖泊的淡水和浅层地表水大约为300104km3仅占地球总水量的0.2%1。因此人类的淡水资源是十分有限的，预计到2025年，全球将有2/3的人口面临严重缺水的局面。随着水资源的日益匮乏和水环境的严重污染，人们越来越认识到：水是一种极其重要的经济及战略资源，是经济繁荣的保证，哪一个国家和地区缺少水资源，那么它的国民经济的发
21、展就会遇到种种困难；全球水资源短缺，并受到污染，不仅是一个技术和经济问题，而且是一个政治问题，更是未来国际社会稳定的一个重要因素。联合国在对全球范围内的水资源状况进行分析研究后发出警报：“世界缺水将严重制约着各国经济的发展，可能导致国家间的冲突。”全球缺水的地区无论在面积上还是数量上正在继续过大，淡水资源的可用性是当今人类所面临的主要问题之一。我国是世界上13个贫水国之一，我国淡水人均资源只有2350m3/a，为世界人均量的1/4，居世界第88位。我国不仅水资源短缺，且时空分布不均，开发利用的难度大。长江以北，中国2/5的人口中，人均淡水资源只有700m3。占38%耕地的南方拥有全国83%的水
22、资源，而黄河、淮河、海河、辽河流域虽然占有42%的耕地，却只有9%的水资源。我国617个城市中，有300个城市缺水，50多个城市严重缺水，有180个城市平均日缺水1200104m3。有些城市严重缺水，不仅工农业生产用水得不到保证，连居民生活用水也不得不采取限时、限量的供应。水资源的短缺已严重制约了我国某些城市的工业发展，制约了我国国民经济的持续发展。例如大连市每年因缺水而减少的工业产值在10亿元以上。我国国民生产总值因缺水每年减少1200亿元2。据统计我国目前水资源缺口为400108m3，仅四川一个省就缺水81108m3。据预测到2030年我国总人口将达到16亿，届时居民需水量将增加到1340
23、108m3，工业用水将增加6650108m3，水资源的缺口将扩大到4000108m3。而到本世纪的中叶，我国的用水量将达到8000108m3，占到我国可利用水资源的28%3。按照国际惯例，一个国家的用水量达到该国水资源的28%时，就容易产生水危机。也就是说到本世纪中叶，我国将面临着有史以来最为严重的水资源危机，它将是本世纪影响我国经济可持续增长的一个重要制约因素。我国本来就十分短缺的淡水资源，又面临着非常严重的浪费现象。在2000年我国的年取水量就达6000108m3，并继续保持着增长的趋势，年均用水量增长速度为10%左右。总之，我国水资源综合利用率较低。目前我国农业用水的利用率仅40%-50
24、%，不少地区的种植业采用大水漫灌，用水定额高达10555m3/（hm2a），水的浪费惊人。例如，西北地区缺水用水定额高达16500m3/（hm2a），最高甚至达32500m3/（hm2a）；东北地区达12000m3/（hm2a），而采用喷灌技术，耗水量只有3000-3150m3/（hm2a），滴灌耗水量仅为2042m3/（hm2a）4。我国农业用水量十分可观，约占全国总用水量的73%，由于大多采用漫灌的方式，致使水电损失率达60%左右。我国城市用水量也很大，居民家庭用水无节制，据统计，我国平均每人每天用水量达100-400L。我国工业用水，重复利用率低，仅20-40%，单位产品用水定额高于发达
25、国家的10倍以上。先进国家的工业水重复利用率为70-80%，甚至到达90%。我国的海水资源的利用率也很低，只有85108m3，而日本为1200108m3，美国的工业用水中有1/3利用率海水。总之，我国的低用水率更加剧烈水资源的短缺并造成了水的污染。水是人类赖以生存的基本资源，必须得到有效的保护。我国政府目前已十分重视提高水利用率的问题，为此制定了新水法并从2002年10月1日开始执行。新水法明确规定，对用水实行有偿使用和超定额累进加价的制度，以前直接从江河湖泊取水的用水单位享受到是“免费午餐”，今后这种现象将不复存在。按照新水法规定，直接从江河湖泊或者地下取用水资源的单位和个人，应按规定向水行
26、政主管部门或者流域管理机构申请领用取水许可证，并缴纳水资源费。新水法的实施为我国建立合理的用水机制创造了条件。今后，国家将根据“取之于水，用之于水”的原则，从水资源费、超计划加价水费等收费中提取一定比例的资金，用于工业节水关键技术的推广和技术改造等。为了缓解我国北方地区严重缺水情况，国家已经投资了5000亿人民币实施“南水北调”的水利工程。其中东线工程投资的650亿人民币中，有260亿人民币是用于污水处理工程。可见我国政府部门不仅关注缺水问题，而且对污水的治理和再利用也十分重视。1.1.2 我国水污染状况我国长期以来的低用水率，不仅浪费了大量有限的水资源，同时也造成了有限水资源的严重污染，使我
27、国优质水资源日趋短缺和锐减，严重影响了人民生活的质量和身体健康。我国的七大水系长江、黄河、珠江、淮河、松花江、海河、辽河，其中辽河的污染最为严重，由于辽河沿岸重工业城市多，加上水资源的短缺，辽河的污染还在加重。长江的流域面积达108104km3，年径流量为11012t，但每年沿岸向它排放的污水多达200108t，长江的干流形成了长达800km的污染带，排放的污水还在以2%-3%的速度逐年增快。据测定，长江的污染物有酚类和氰化物1800104t，重金属（砷、汞、铬、镉、铅）1630104t，石油类污染物近万吨。淮河，每年排入的污水达21108t，在枯水期中下游部分几乎成为死水，污染严重河段水电色
28、度近100，氨氮的含量几乎超过饮用水标准的数十倍，尤其是安徽段已经造成了对人民生活和工农业生产的严重危害。海河40.9%的河段受到有机物的严重污染。黄河的污染也十分严重，1997年位于宁夏银古公路桥的水质控制断面测定的氨氮污染指数还只有0.8，不到国家排放的指标1，而1998年该指标就升到了2.4，2000年达3.0。目前从该控制断面的测定来看，氨氮指标已跃为影响黄河水质的首要污染指标，而近年来以往影响黄河水质的重要污染指数COD的数值反倒基本得到控制。调查表明，全国七大水系和110个重点河段，其水源符合地面水环境质量指标一类和二类标准的仅占32%，三类的占29%，四类和五类的占39%，全国有
29、近1.7亿人的饮用水受到不同程度的污染。经对全国532条河流的检测表明，其中432条河流受到污染，污染率占82%。对全国37个主要湖泊检测的结果表明，每天排入的污水量为600104m3，约占全国废水的6%，其主要污染物为氨氮、总磷和有机污染物。个别湖泊的重金属污染严重。湖北省的二里七湖因污染而彻底报废，河北白洋淀湖有1/3的水域遭到不同程度的污染。近十年我国富营养化的湖泊、水库的比例已从5.0%上升到了55%左右，而贫富营养化的湖泊、水库的比例由3.2%减少到了0.53%。我国的海域污染也很严重。渤海、黄海、东海、南海四大海域主要受到无机氮、磷酸盐、高锰酸盐和石油类产品的污染，而且无机氮、磷的
30、指数还在呈逐年增加的趋势。我国仅沿海工厂和城市直接排入海中的污水每年就高达86108t，其中主要的有害物质就高达146104t。海洋几乎成了人们的大垃圾场。如渤海，每年向渤海排入的各种废水达28108t，1995年污染超标面积就已达4.3104km2，占渤海总面积的56%；1997年该海域的有机氮超标率就达66%，无机磷超标率为68%，油类超标率达63%，至今渤海的污染也没有好转。渤海的富营养化程度也很严重，赤潮事件频发，从1990年到1997年就发生过赤潮10余次，影响面积达数千平方公里，造成数十亿元的经济损失。1998年发生的从渤海经黄海到东海最后波及到香港海域的特大面积的赤潮，是历年来最
31、大的一次赤潮，持续时间长达一周，在全国范围内对渔场和养殖业等造成了极为严重的经济损失。总的来说，目前我国的水体污染中氮、磷已逐年上升为主要污染物。现有1/3的水不适宜鱼类等水生物的生存。据统计1997年我国的废水总量就达416108t，工业废水就达227108t，工业废水的处理率为18.9%，达标率为54.4%。我国的生活废水的处理率只有20%，也就是说全国约有1/3的工业废水和4/5的生活污水未经处理就直接排入了江、河、湖和海，从而使水环境遭受到了严重的污染，致使许多地方守着江河没水喝，致使一些海域成为无生物的海洋荒漠。改革开放以来，我国乡镇经济迅速发展，其污水不仅分散且污水浓度高，处理效率
32、低，其污水量约占全国废水排放量的8.5%，而达标率仅为14.8%。一定程度上加剧了水体的污染。我国农业灌溉污水中有70%-80%的污水未达到农业灌溉水质的要求就直接进行灌溉，这也是我国水体污染带一大要素。严重的水污染不仅造成了我国相当可观的直接经济损失和间接经济损失，严重制约了我国国民经济的可持续发展，而且危害了环境的生态平衡，造成对人民生活健康的威胁，甚至是对人民基本生活、生存条件的破坏。我们只有一个地球，地球的资源和环境遭破坏以后，往往没有十几年、几十年，甚至上百年的时间是很难恢复的，有的甚至是永远也无法恢复的。因此我们在发展经济的同时也应该保护我们赖以生存的水资源。针对我国水资源短缺和水
33、污染严重的现状，我国政府已制定了新的“污水排放收费新法规”，并已于2003年7月1日起正式执行。“污水排放收费新法规”的执行，一些污水严重超标排放的企业将受到制约。任何一个企业如果想牺牲环境和资源作为代价来换取自身经济上的暂时发展，都将会受到严厉的惩罚；未来企业的竞争重要一点就在于是否破坏环境。从企业自身的存在和长远发展目标来看，任何企业对环境问题的疏忽大意必将给企业的经营和发展甚至生存带来致命打击。1.1.3 污水好氧生物处理新技术废水生物处理是利用自然界中广泛存在的大量依靠有机物生活的微生物氧化降解废水中污染物的方法。根据参与废水处理中微生物代谢的类型，废水的生物处理技术可分为好氧生物处理
34、和厌氧生物处理两大类5。其中，在好氧生物处理工艺中，需要提供足够的空气以满足好氧微生物有足够的氧来完成有机物的降解和硝化任务，而厌氧生物处理过程中，因参与有机物降解的微生物进行无氧呼吸而应严格控制污水中氧的含量。由于好氧生物处理效率高、适应广，因而成为一种主导的污水生物处理技术，广泛的应用于多种有机废水的处理。废水的好氧生物处理，根据微生物在废水中所处的状态或存在的形式，又可分为悬浮生长型和附着生长型两大类。其中活性污泥法是典型的悬浮生长型，而生物膜法则是目前典型的附着生长型。目前，随着污水生物处理技术的不断发展和对污水处理要求的日益提高，在对传统好氧生物处理工艺不断开展研究的基础上，环保工作
35、者提出了多种具有不同功能和满足特定处理要求的新型好氧生物处理技术。1.1.3.1 氧化沟氧化沟（Oxidation ditch）又名氧化渠，因其构筑物呈封闭的沟渠形而得名，实际上它是活性污泥法的一种变型。世界上第一座氧化沟污水处理厂于1954年在荷兰Voorshoper市建成，是服务人口仅360人的小规模的间歇运行的氧化沟，曝气、沉淀和污泥的稳定过程都在一个构筑物内完成。自上世纪60年代以来，特别是近20年来，氧化沟技术不断发展与改进，从最初小规模间歇运行发展到目前可大规模，连续运行并有更高处理能力的不同类型的氧化沟。氧化沟在污水处理方面应用越来越广泛的一个重要原因是氧化技术和设备都有了突破性
36、的进展。这主要表现在3个方面：一是概念方面的突破，突破了氧化沟是属于延时活性污泥法的概念；二是对氧化沟水力学和构筑物的研究有了重大进展；三是研究开发了各类氧化沟的全套设备，保证了各类氧化沟的高校运行。目前在普通氧化沟工艺技术的基础上，开发了多种类型氧化沟新工艺，如奥贝尔（Orbal）型氧化沟、卡鲁塞尔（Carrousel）式氧化沟，交替工作型氧化沟、一体化氧化沟等。1.1.3.2 AB两段活性污泥法AB法系吸附生物降解法（Adsorption Bio-degradation）的简称，是联邦德国亚琛大学B.Bohnke教授于20世纪70年代开发的一种两段活性污泥新工艺。AB两段活性污泥法是将活性
37、污泥系统分为两个阶段，即A段和B段。它的工作原理充分利用了微生物的特性，为其创造适宜的环境，使不同的生物种群都得到良好增殖，通过生化作用来处理污水。污水进入污水处理厂，经格栅和沉砂池去除污水中粗大漂浮物和砂子，然后进入A段曝气池。污水经A段曝气池后的中间沉淀池泥水分离后，再进入B段曝气池。污水经过B段曝气池进入二沉池，固液分离后排出，二沉池沉淀物你部分回流至B段曝气池，剩余污泥排至污泥处理系统。与传统活性污泥法相比，AB法的主要特点是一般不设初沉池，处理效率高，出水水质好，A段污泥负荷高，抗冲击负荷能力强。AB法的弱点是产泥量较高，给污泥处置和出路增加了难度。1.1.3.3 序批式活性污泥法序
38、批式活性污泥法（Sequencing Batch Activated Sludge Process）是活性污泥法的一种。在序批式反应器（Sequencing Batch Reactor，简称SBR）中完成进水、反应、沉淀、滗水和闲置等工序。与其他活性污泥法相比，SBR法处理构筑物少，处理工艺流程大大简化。SBR法是活性污泥法的先驱。早在1916年Arden和Lockett首次提出的活性污泥法的操作方式就是间歇式的，当时称为充水-排水处理法。但由于受到当时的自动控制技术水平和监测水平的限制，这种间歇式操作方式只适用小规模的污水处理，使其未能得到发展和应用。近年来，随着监控与测试技术的飞速发展，大
39、量新设备被研制出来，如电动阀、气动阀、电磁阀、水位计、泥位计、自动计时器，特别是计算机自动控制系统的应用，使监控手段更趋于自动化，由此也给序批式活性污泥法带来了新的活力。20世纪70年代初，美国的Natredame大学Irvine教授对SBR进行了较为系统的研究。继Irvine之后，澳大利亚、日本等国也都进行了研究，随着SBR工艺在工程中的应用，其技术也得到长足的进步和发展，目前已在普通SBR工艺技术的基础上，发展出多种SBR变形的新工艺，如CAST、CASS、DAT-IAT、UNITANK等。1.1.3.4 好氧生物流化床依靠流体的流动作用使固体颗粒悬浮在流体中随流体一起流动的过程称为流态化
40、。流态化技术开发于20世纪30年代，随着工业生产的发展和科学技术的进步，流态化技术被广泛应用于冶金和化工的多种过程，并取得了良好的效果。在20世纪80年代，污水生物处理领域将这一技术引入，并使其成为污水好氧生物处理中的一种工艺。好氧生物流化床以砂粒、活性炭、焦炭等一类较小的惰性颗粒为载体，污水和空气以一定的流速从下向上流动，使载体处于流花状态。当污水通过附着生长有生物膜的载体时，污水中的基质在同均匀分散的生物膜相接触而得到降解去除。生物流化床内附着有生物膜的载体能够均匀分布在床内，同上升水流接触条件良好，兼具活性污泥法，具有接触所形成的高效率和生物膜发能承受负荷冲击的双重优点。在流态化运行过程
41、中，附着生长在载体上的微生物能够充分混合，强化了微生物、污水、氧气间的三相传质过程，加上气、液、固定剪切作用，加速了生物膜的更新代谢，控制了生物膜的厚度，提高了微生物的活性，因此好氧生物流化床具有良好的处理效果。1.1.3.5 曝气生物滤池曝气生物滤池（Biological Aerated Filter简称BAF）是20世纪80年代末90年代初在普通生物滤池的基础上，借鉴给水滤池工艺而开发出的污水处理新工艺，最初用于污水的三级处理，后发展为直接用于二级处理。自80年代在欧洲建成第一座曝气生物滤池污水处理厂后，曝气生物滤池已在欧美和日本等发达国家广为流行，目前全世界已有数百座大大小小的污水处理厂
42、采用了这种技术。尽管曝气生物滤池的类型以及运行方式多种多样，各有特点，但其基本原理都是以过滤为主体的赏花处理工艺，通常由配水系统、曝气系统、填料、出水、反冲洗水收集系统以及自控系统等组成。曝气生物滤池实质是一种生物膜法，在曝气池中填充生物填料，利用填料表面附着生长的生物膜来降解水中的污染物。由于所选填料的自身特点，填料表面很容易附着生物膜。生物膜表面生长着众多种属和数量的微生物，既有好氧菌，也有兼氧菌和厌氧菌，所以曝气生物滤池对污水中的各种有机物都有一个很好的去除作用，同时对氨氮也有很高的去除效果。同步生物脱氮除磷效能较低一直是曝气生物滤池的缺点之一，因此在这方面取得突破是今后研究的重要方向。
43、1.2 课题研究的目的国内现行生活污水处理工艺主要为活性污泥法，而传统活性污泥法的缺陷日益暴露出来：(1)耐水质、水量冲击负荷能力差，运行不够稳定；(2)易产生污泥膨胀；(3)污泥产量大；(4)基建和运行费用高，占地面积大等。为适应污水处理发展的要求，国内外学者不断地改进传统活性污泥法，开发了许多新型污水处理工艺。气提式内循环反应器就是在好氧生物流化床的基础上开发的一种新型污水处理工艺，其设计旨在改进传统活性污泥的不足。本课题采用气提式内循环反应器处理生活污水，丰富了国内气提式内循环反应器的研究，课题研究的目的在于：1、保证生活污水处理效果的同时更有效的提高气提反应器的三相分离效果，强化出水S
44、S达标排放；2、通过试验数据对自行设计的气提反应器的各种运行参数进行试验验证及优化，以确定最佳工况条件，为工程设计提供参考数据；3、研究气提式内循环反应器的除磷脱氮效果。1.3 课题来源及研究内容本课题由新疆维吾尔自治区重点试验室绿洲生态试验室开放课题螺旋流气提反应器设计（040079）以及新疆大学“国家大学生创新性试验计划”项目螺旋流三相分离器强化气提反应器效能试验研究（081075508）资助。课题研究的主要内容包括：1、气提式内循环反应器机理研究；2、气提式内循环反应器的控制因素研究(HRT、污泥龄、DO、有机负荷、填料体积、曝气量等)；3、气提式内循环反应器的生物脱氮除磷机理研究；4、
45、气提式内循环反应器的活性污泥相、载体微生物相研究。第二章 气提式内循环反应器污水处理技术与理论2.1 气提反应器的发展及研究现状气提反应器应用于污水处理的研究已有20多年的历史6，它是将传统活性污泥法与生物膜法相结合并引入化工流态技术的一种污水生物处理装置。而气提反应器是由好氧生物流化床发展而来的一种新型污水处理工艺，依据反应器内流体循环的方式不同可将其分为气提式内循环反应器和气提式外循环反应器，如图所示。其中气提式内循环反应器因升流区和降流区组合在一起而结构更紧凑，占地面积更小，因此，气提式内循环反应器越来越引起人们的广泛兴趣。图2-1 气提反应器类型Fig2-1 types of ail-
46、lift bioreactor气提式内循环反应器以好氧生物流化床为基础，吸取了化工操作中的流态紊动技术，成为了一种新型好氧生物处理反应器，它与传统好氧生物流化床不同之处在于反应器的反应区部分被分成了升流区和降流区，当在升流区进行曝气充氧时，由于升流区和降流区的密度差，使得废水、载体及气泡在升流区和降流区之间循环流动，整个反应器内载体受到的剪切与摩擦力基本均匀一致，因此不会出现传统好氧生物流化床内因生物膜增厚、载体变轻而在床内分层的现象，同时由于床内水力摩擦、剪切较为剧烈，故过厚的生物膜会自行脱落，从而达到控制膜厚的目的。气提式内循环反应器在国外已广泛应用于生化过程(发酵、酶反应)、化学工业、环
47、境工程、冶金及煤的液化和加工等领域。国外科技工作者较为注重气提反应器的机理研究，运用各种数学模型来解释气提反应器的气液固三相传质特性以及反应器的流体动力学性质。L.Tijhuis和B.Hijman7运用层次建模方法来研究气提反应器升流区和降流区气液界面的传质特性，模型考虑到气固两相在反应器内垂直扩散作用，相关参数采用的是平均速度和有效扩散；A.Laszuk8研究出一种适用于气提反应器的扩散模型，用以解释反应器气液及液固两相之间的传质特性，该模型还可以用于解释气相中的活性物质（氧气）分别在气相和液相中的扩散作用。具体到环境工程领域，斯洛伐克的M.Jurascik和M.Hucik等9在容积为40L
48、的气提式内循环反应器中进行试验，用以研究反应器中的存在的微生物对整个反应器的循环速率及气含率的影响，对于气液两相，作者分别采用了气体模型和液体模型，并将该试验数据和气液两相的气提反应器数据做比较，研究表明：在特定的试验条件下，气提反应器中微生物的存在对整个反应器的循环速率可以忽略不计，但是，提高微生物浓度将导致反应器的气含率下降；韩国的Jeong-Sook Kim等10在气提式内循环反应器中添加了特定菌种粪产碱菌，用来强化反应器的生物脱氮效率，研究表明，相比传统的活性污泥法，气提式内循环反应器具有更高生物脱氮能力，同时还能有效抑制温室气体N2O的排放；美国俄亥俄大学的Fengwu Bai和Darin Ridgway等11研究了气提反应器氧气的传递，研究表明，当液体粘度从1.3810-3PaS增加到3.4310-3PaS时，相应的氧传递系数将下降20%；日本的Toshiaki Kimu