微纳米气泡在活性污泥法中的应用毕业论文.pdf

I 摘 要 摘 要 本文通过微纳米气泡曝气与传统曝气（底部曝气）作比较，分别搭载在不 同的生活污水处理工艺装置中，观察分析两种曝气方式下的污水处理结果，并 进行经济性分析比较，此外还探索了将微纳米气泡联合臭氧曝气处理污水的可 能性。 1、在 A2O 小试装置污水处理工艺的好氧区曝气方式中，先后运用底部曝 气和微纳米气泡曝气，结果发现后者对污水中 SS、CODcr、氨氮、总磷和总氮 的去除率分别比前者分别高出 7.3%、10.2%、12.4%、11.5%和 11.2%。而且通 过经济性分析，在处理相同水量的情况下，微纳米气泡曝气所产生的能耗要低 于底部曝气方式。 2、当外界空气温度10时，A2O 和 MST 两种工艺装置（好氧区都采用 普通的底部曝气）在处理生活污水的污染物去除率会有所降低，特别是对氨氮 的降解，无法达到污水处理厂正常的污染物排放标准。但是将其中的曝气方式 换成微纳米气泡曝气后，氨氮的去除效率有明显提高，达到污水处理厂正常的 污染物排放标准。 3、 在探索将微纳米气泡搭载臭氧曝气处理污水的试验中， 在一定时间内， 微纳米臭氧曝气对水体中各污染物的降解效率要优于微纳米空气曝气。但随着 微纳米臭氧曝气中臭氧量积累增多，致死了水中的微生物，污水的处理效果慢 慢变差。 关键词：关键词：微纳米气泡；曝气；底部曝气；臭氧；污水 II ABSTRACT The main content of this paper is to compare the micro-nano bubble aeration and the traditional aeration(bottom aeration), dealing with the domestic sewage, carried on the different devices. Then observing and analyzing the results and make comparison through economic analysis. Besides, it also explores the possibility of micro-nano bubble aeration combined with ozone. 1. In the small sewage treatment process of A2O,we successively used the micro-nano bubble aeration and the bottom aeration in the aerobic aeration. And the results showed that the removal rates of SS，CODcr，NH3-N，TP and TN coming from micro-nano bubble technology were 7.3%、 10.2%、 12.4%、 11.5% and 11.2% higher than those from the conventional aeration technology, respectively. Additionally, through the economic analysis, the energy consumption created by the micro-nano bubble technology was lower than that from bottom aeration technology when dealing with the same amount of sewage. 2. When the air temperature of outside became lower than 10, the removal rates of pollutants in domestic sewage would be reduced in both two kinds of devices(bottom aeration adopted in aerobic zone).Especially for the degradation of NH3-N,which fundamentally could not achieve the standards for pollutants discharge of the sewage treatment plants. But the removal efficiency of NH3-N could increase obviously if we changed the aeration way into micro-nano bubble aeration technology so that it could achieve the standards for pollutants discharge of the sewage treatment plants. 3. When exploring the micro-nano bubble aeration combined with ozone to deal with sewage, we found that the degradation efficiency of pollutants was superior to the micro-nano aeration combined with air in a certain time. But the good effect above turned badly because the amount of ozone in water gathered more and more so that it killed the microorganisms in the water. KEYWORDS: micro-nano bubble; aeration; bottom aeration; ozone; sewage III 致致 谢谢 三年的研究生时光是短暂的，在此特别感谢我的导师汪家权教授的亲切关怀 和精心指导，在论文的选题及实验的开展过程中都给予了无私的帮助和指导，而 在论文的撰写过程中，汪老师也花费了大量的时间和精力提出了很多宝贵的意见， 这些都是让我终身受益的。此外，汪老师严谨的治学态度也让我受益匪浅，让我 在很多知识的学习上都能举一反三，不断进取，再次向汪老师表示感谢！ 感谢研究生期间给我指导的老师们，他们为我指点迷津，传授专业知识。感 谢胡淑恒老师在日常工作中对我的热情关心和帮助，感谢我的师兄张辉和叶勇对 我的实验给予的最大的帮助和指导，感谢吴孟文同学对本实验的大力帮忙，感谢 师弟从善畅、孟令鑫、王建在试验中的帮助，感谢程婷同学的无私关怀和帮助， 感谢室友和所有同门在我遇到困难和问题时给予的关心和帮助，谢谢你们！ 我要把最诚挚的谢意献给我的母亲和父亲，是他们养育并教导了我，在我遇 到困难和挫折的时候，父母永远是我最坚强的后盾和依靠。 感谢论文评审委员和答辩委员会委员对论文的批评与指正！ 作者：吕 宙 2014 年 4 月 1 日 IV 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 . 1 1.1 选题背景与研究意义 . 1 1.2 国内外的曝气技术及设备 . 2 1.2.1 鼓风曝气 . 2 1.2.2 机械曝气 . 3 1.2.3 潜水搅拌曝气 . 5 1.3 微纳米气泡的定义和产生 . 6 1.4 微米气泡的基本特性 . 7 1.4.1 水中停留时间长 . 7 1.4.2 带电性 . 7 1.4.3 自我增压和溶解 . 7 1.4.4 收缩性 . 8 1.4.5 界面动电势高 . 8 1.4.6 产生自由基离子 . 8 1.4.7 氧传质效率高 . 8 1.5 纳米气泡的基本特性 . 8 1.6 微纳米气泡的历史及现代应用 . 9 1.6.1 微纳米气泡的发展道路 . 9 1.6.2 微纳米气泡曝气处理废水 . 10 1.6.3 微纳米气泡结合臭氧的应用 . 10 1.6.4 微纳米气泡曝气的其他应用 . 11 1.7 课题研究主要内容 . 11 第二章第二章 微纳米气泡曝气的初步探究微纳米气泡曝气的初步探究 . 12 2.1 前言 . 12 2.2 实验材料与方法 . 12 2.2.1 实验仪器 . 12 2.2.2 检测方法 . 12 2.2.3 实验设计 . 12 2.3 结果与讨论 . 14 2.3.1 水体中 DO 浓度的变化 . 14 V 2.3.2 水体中 CODcr 浓度的变化 . 15 2.3.3 水体中氨氮浓度的变化 . 16 2.3.4 水体中总磷浓度的变化 . 17 2.3.5 水体中 SS 的变化 . 18 2.3.6 水体中总氮浓度的变化 . 19 2.4 本章小结 . 19 第三章第三章 微纳米气泡曝气在生活污水中的微纳米气泡曝气在生活污水中的探索性应用探索性应用 . 20 3.1 前言 . 20 3.2 实验材料与方法 . 20 3.2.1 实验仪器 . 20 3.2.2 实验设计 . 20 3.2.3 水质分析方法 . 21 3.3 结果与分析 . 27 3.3.1 对有机物 COD 的去除 . 27 3.3.2 对 SS 的去除 . 28 3.3.3 对氨氮的去除 . 29 3.3.4 对 TP 的去除 . 30 3.3.5 对 TN 的去除 . 31 3.4 单因素变化对微纳米气泡曝气的影响 . 31 3.4.1 不同污泥浓对去除率的影响 . 31 3.4.2 进水量变化对去除率的影响 . 32 3.5 经济性分析比较 . 33 3.6 本章小结 . 34 第四章第四章 微纳米气泡臭氧曝气的探索性应用微纳米气泡臭氧曝气的探索性应用 . 35 4.1 前言 . 35 4.2 实验材料与方法 . 35 4.2.1 实验仪器 . 35 4.2.2 实验设计 . 35 4.2.3 水质监测方法 . 35 4.3 结果与分析 . 36 4.3.1 对 COD 的去除比较 . 36 4.3.2 对氨氮的去除比较 . 37 4.3.3 对 TP 的去除比较 . 38 4.4 本章小结 . 38 VI 第五章第五章 低温时微气泡曝气对氨氮的降解效果研究低温时微气泡曝气对氨氮的降解效果研究 . 40 5.1 前言 . 40 5.2 实验 1在 A2O 工艺中的运用比较 . 40 5.2.1 实验仪器 . 40 5.2.2 实验设计和检测方法 . 40 5.2.3 实验结果与分析 . 40 5.3 实验 2在 MST 一体化装置的运用比较 . 42 5.3.1 MST 的简介 . 42 5.3.2 MST 的工作原理 . 43 5.3.3 实验介绍 . 44 5.3.4 结果与分析 . 45 5.4 本章小结 . 45 第六章第六章 结论与展望结论与展望 . 46 6.1 结论 . 46 6.2 展望 . 47 参考文献参考文献 . 48 VII 插图清单插图清单 图 1. 1 不同直径的气泡在水中的变化 . 7 图 2. 1 实验概况图 . 13 图 2. 2 水体 DO 浓度随曝气时间的变化 . 14 图 2. 3 CODcr 浓度随曝气时间的变化 . 15 图 2. 4 氨氮浓度随曝气时间的变化 . 16 图 2. 5 TP 浓度随曝气时间的变化 . 17 图 2. 6 SS 浓度随曝气时间的变化 . 18 图 2. 7 TN 浓度随曝气时间的变化 . 19 图 3. 1 现场 A2O 工艺装置 . 21 图 3. 2 CODcr 浓度随曝气时间的变化 . 27 图 3. 3 SS 浓度随曝气时间的变化 . 28 图 3. 4 氨氮浓度随曝气时间的变化 . 29 图 3. 5 TP 浓度随曝气时间的变化 . 30 图 3. 6 TN 浓度随曝气时间的变化 . 31 图 3. 7 污染物最大去除率随污泥浓度的变化 . 32 图 3. 8 最大去除率随进水流量的变化 . 33 图 4. 1 CODcr 浓度随曝气时间的变化 . 36 图 4. 2 氨氮浓度随曝气时间的变化 . 37 图 4. 3 TP 浓度随曝气时间的变化 . 38 图 5. 1 氨氮浓度随曝气时间的变化 . 41 图 5. 2 不同进水量时氨氮浓度的变化 . 42 图 5. 3 MST 一体化装置图 . 44 图 5. 4 俩种曝气方式下氨氮的去除比较 . 45 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 选题背景与研究意义 水是生命之源，它的位置任何东西都无法取代，其重要性是不言而喻的。但 是 20 世纪 50 年代以来，随着工业化进程的不断发展和城镇规模的不断扩大1，水 资源污染和短缺的问题也日趋严重。 中国作为世界上 14 个缺水国家之一，整治水资源污染的问题也刻不容缓。不 管是江河湖泊还是地下水，都因为人类活动正面临不同程度的污染2-3，表现为； 很多城市都有不同程度的缺水，西北地区尤为严重；湖泊富营养化伴随着蓝藻的 大面积爆发而日益严重；生活污水的肆意排放，农药的滥用伴随雨水径流4通过各 种方式带入到地下水后使其遭到污染。 生态环境5遭到严重破坏后也在一定程度上 削减了自然系统对水体的自净作用。 我国水体污染主要来自三个方面：一是因为盲目追求 GDP 的增长，许多高污 染项目的强行上马和工业企业超标排放工业废水，直接导致 100 多起水污染事故 的发生。二是城市的生活污水集中处理率较低，大量生活污水的无序肆意排放造 成江河湖泊的污染，造成上述情况的原因之一是污水处理设施的缺乏和滞后。三 是农业现代化发展而引起的农业废水的无序排放3， 其成分复杂且易造成地下水污 染。最近几年来，国家将治理的重点放在工业废水和农业废水上，并取得不错的 成效，但是占全国水污染问题一半以上的生活污水的问题仍然没有得到相应的重 视及改善。 如何提高生活污水和工业废水的高效处理一直是国内外环保领域的难题，而 曝气技术作为一种投资少、见效快、无二次污染的有机废水治理技术,已经越来越 受到重视6。人们经过研究发现，气泡直径的大小与曝气效率成正相关7-9，而上 世纪八十年代， 产生的气泡直径仍是毫米级， 无法到达微米级甚至是纳米级气泡。 这种情况一直持续到九十年代末期的时候，由日本的科学家首先研制出微米气泡 的发生设备，并应用在牡蛎和扇贝养殖方面，取得了良好的效果。随后，纳米级 的气泡也应运而生，人们对微纳米气泡的各种物理化学性质10-11也有了更进一步 的研究与了解，并成功将其应用在环保，水产养殖，医疗卫生，农作物生产以及 人们的日常生活方面12。尤其是在环保领域中，人们利用微纳米气泡曝气处理有 机废水13-16，取得了诸多研究成果，表现出较好的技术优势和应用前景。 一般来说，有机物是城市生活污水的主要污染物。针对城市生活污水的处置 问题，生物法17-20是当前国内外采用的重要方法之一。生物法主要分为活性污泥 法21、生物滤池两大类型，其中活性污泥法更多的被人们采用，活性污泥法有很 合肥工业大学学术硕士研究生学位论文 2 多种方式，如传统活性污泥、AB 工艺、SBR 工艺、氧化沟工艺、传统曝气法、 A2O 法、A/O 法等。而曝气方式的选择在很大程度上决定活性污泥中微生物对氧 的利用率，从而影响对污水的处理效率。 1.2 国内外的曝气技术及设备 曝气方式的选择不仅在很大程度上决定污水处理效率的高低，而且也是影响 氧化沟、 SBR池等生化池能耗的重要因素， 并直接对氧的传质效率和利用率产生影 响。据在某城市污水处理厂调研情况来看，目前城市污水处理厂大部分采用的是 各种类型的微孔鼓风曝气工艺，曝气工艺过程中所产生的能源消耗是污水处理厂 耗能最大的部分，约占整个污水处理厂总耗电量的507022-24， 。曝气技术质 量指标中，单位充氧体积所产生的能耗是重要的评价标准之一。总的来说，废水 中曝气有两种基本方式，分别是：通过浸没在污水中的扩散器或其他器材设备 将空气或者氧气引入到污水中；通过机械搅拌的方法促使外界空气更多的溶解 于污水中， 扩散空气系统主要由扩散器、 空气或纯氧主管、 鼓风机等设备组成25。 现有的曝气方法主要分为鼓风曝气，机械曝气和水下射流曝气等26-27。 1.2.1 鼓风曝气鼓风曝气 鼓风曝气体系由鼓风机、空气过滤器、空气输送管系统和淹没于液体中的扩 散器组合而成。鼓风机的作用是提供足够的风量（空气）去满足液体中的微生物 作用和化学作用所需要的氧气量，并且能使液体中的悬浮性固体处于悬浮状态 28-29。扩散器是鼓风曝气体系最为关键的部分，它的作用是通过本身扩散装置不 同的形式将空气分散成不同尺寸的气泡以满足不同的污水处理需要。国外对曝气 装置的使用和研发大抵可以分为三个时期：初期用扩散板等小孔径曝气器，不但 充氧性能较好，而且耗电量较少，可是因为阻力大且易拥塞，会致使充氧性能逐 渐下降30，后来慢慢被大孔径的曝气器取代。中期中大型气泡曝气设备比较受人 们追捧，如爪形等，虽然它们的充氧性能较小孔径曝气设备差，但是有阻力小， 安装维修方便等明显特点。20世纪70年代至今，由于能源和资源紧缺，国外又重 新投入到小孔径曝气设备的研究中，并在阻力大和风机漏油等问题上进行了技术 性的改缺改进。日本生产的一款微孔陶瓷曝气筒具有充氧力强、阻力小和安装简 单方便的特点。芬兰若庞公司是国外主要曝气设备生产商，其最新生产的微孔曝 气器是利用橡胶膜产生气泡，直径能达到1.3毫米。国内对曝气装置的开发和使用 也可以大致分为三个时期： 70年代末31， 国内污水处理厂应用较广泛的有金山型、 螺旋、散流器、密集多喷嘴和动态曝气器等曝气设备。它们的共同特点是气泡较 大，供氧性能较低，能耗较多。从80年代中期以后，我国开始研制符合我国实际 第一章 绪论 3 应用条件的微孔曝气设备32。国内曝气器(头)生产厂商有30余家，主要有江苏宜兴 天地环保的BGII型微孔陶瓷曝气器，浙江凯琪水业KBB型可变微孔曝气器等。 鼓风曝气是目前国内应用最广的曝气方式，运用在污水处理厂活性污泥、A2O、 SBR、MBR等诸多工艺中。因为微孔曝气器种类较多，所以要根据污水处理的实 际情况选用曝气器，如在水质恶劣，生产负荷较重的一级生化系统池，可选用摇 臂式微孔曝气器，具有氧传质效率高，维修方便等显著特点；而在生产负荷较低， 水质较好的二级生化系统池内可选用固定式动态曝气器，它具有稳定供氧和较长 使用寿命等特点。鼓风曝气设备的类型纷繁杂多，它的型号和性能由很多因素决 定，其中微孔曝气器是鼓风曝气设计的最主要方向和空气扩散的重要装置，决定 着供氧性能的高低，其制造材料一般有两种：一种是多孔刚性材料，如陶粒、刚 玉等，与树脂一类的粘合剂在高温下烧结而成，缺点是孔径在曝气停止时易被堵 塞；另一种材料是柔性橡胶膜类，可形成圆盘、管等多种形状，膜上的孔由激光 均匀打上，因为膜具有弹性会在曝气停止时自动闭合而避免液体回流堵塞孔口。 其他需考虑的因素如下：空气扩散装置配有较高的氧利用率，耗能较低；动 力效率较高，孔口不易堵塞，曝气设备的安装、检修维护方便。 根据实际反馈，鼓风式曝气设备在操作使用中主要存在以下问题：(1)生化反 应池内水体流速较低，微孔产生的多数气泡直接上浮并聚集到到水面一处，导致 实际的氧利用率较低，在不采取其他措施的情况下难以达到工艺要求。(2)运行参 数相对不稳。与其他曝气方式相比，运行参数不稳定，给广泛应用带来一定影响。 (3)各种参数和因素对氧传质效率的影响较大，如搅拌强度、曝气的深度、微孔口 的堵塞等等，这些都会影响鼓风曝气时氧的传质效率，最终产生能耗增加，污水 处理厂运行成本上升等实际问题。 1.2.2 机械曝气机械曝气 机械曝气机一般是利用装设在曝气池中的叶轮等设备向池中水体混合充氧的 装置33-34，是活性污泥法处理系统常用的曝气装置之一。装配在曝气池内的叶轮 等机器设备通过不停地转动，使水体产生剧烈地翻动，水体不仅滚动混合充分也 使空气中更多的氧溶于其中。国内目前应用较广的机械曝气机主要有表面曝气机 和水下曝气机两种。两者的主要差别就是叶轮等曝气设备安装的位置不同，前者 主要安装在废水表面，后者安放在水体里面。 (1)表面曝气机 水平推流型：其基本工作原理是电动机运转后，带动轴部分以一定速度回 转，通过转刷或转盘的运转，推动水体在水平层面流动，同时将空气中的氧气溶 解于水中达到充氧的目的，充氧量的大小可通过改变刷盘的数目、转数和在水中 浸没的深度来调整。 这种水平推流型曝气设备多用于A/O工艺中。 美国U S FILTER 合肥工业大学学术硕士研究生学位论文 4 ENVIREX公司作为奥贝尔A/O技术及碟式表曝机的开创者，对该机型的研发工作 已相对非常成熟并获得广泛应用，据统计，全世界目前已有700多个污水处理厂成 功采用了奥贝尔A/O工艺及碟式表曝机设备。 它的主要特点是结构简单， 维修方便， 充氧动力效率较高，动力能源消耗相对较少。但缺点也很明显，因为设备主要是 针对A/O工艺设计的，所以应用范围受到限制，而且相对于其它曝气设备，由于水 体的湍流程度较差导致进入水体的气泡体积偏大，活性污泥对氧的利用率不高， 而且容易产生较多的水雾，造成二次污染。此外设备体积过大会使电能消耗中的 较大一部分发生在机器自身的运转过程中，不利于节约成本。 垂直提升型：垂直提升式曝气设备对水体充氧的方式主要是通过三种作用： 其一，通过叶轮的提水和输水作用，使液体不断循环流动，空气与水体液面不断 更新增加溶解氧；其二，叶轮旋转时带动水飞溅形成水跃而加进空气；其三，叶 轮的叶片背面形成负气压，也起到吸入空气的作用。垂直提升式曝气机的主要型 号有倒伞型叶轮表面曝气机、泵型叶轮高强度表面曝气机及Fr浮筒式(倒伞)表面曝 气机，一般由叶轮、减速装置、升降装置、旋转轴、电机等装置构成。其共同特 点是：1、使用寿命长，可以达到5-8年，解决了同类设备寿命短的缺点。2、全数 选用耐腐材料，且抗碰撞性能强不容易毁坏，能有效防止大颗粒物沉积，并能去 除水中一部分的有机物，曝气时水体左右剧烈摆动可清除池底沉积物，避免产生 死区。3、氧利用率较高，动力效率较高且能耗较低，曝气面积较大，如需增加或 减少气量，曝气器亦可通过调节增加或减少，而不影响正常运行。4、安装维修简 单方便，无需放水的情况下可将普通曝气的进气管换为可提式，且不需要其他配 置。另外可根据废水处理的实际情况来调节表曝机的各种参数来产生不同的特点 以满足不同污水处理的需要。 表面曝气机也有明显的缺点：曝气过程中容易产生水雾造成环境的二次污染， 不适合使用在附近有居民区的地方，这在一定程度上限制了该技术的推广使用。 所以西方诸多国家大多不建议在城市的污水处理厂里使用这种曝气方式。而目前 国内有十余家生产表面曝气机的厂家。根据国内外相关文献和污水处理厂的实用 效果表明：表面曝气机对水体充氧量的大小与电机转速成正比，提高对水体的充 氧量就必须提高电机的转速，但同时能耗也会增加，这样实际上是降低了它对水 体的充氧效率，增加了污水处理的运行成本。 (2)射流式水下曝气机 射流曝气机主要由潜水泵、文丘里管、进气管和射流器等装置构成。其工作 原理是：潜水泵的高压和文丘里管的作用将水流高速推进吸气室，而空气在大气 压的作用下进入呈负压状态的吸气室25，然后水流对空气剪切形成很多直径较小 的气泡，最后通过射流器喷出，达到对水体充氧的目的。它的主要优点是不仅充 第一章 绪论 5 氧量大，而且充氧效率高。其他参数配置合理的情况下氧的传质效率较高，活性 污泥表现出良好的沉降性能，此外相对于其他曝气机造价较低，安装方便快捷， 适合中型的污水处理厂。它的主要缺点是气水混合后的曝气方向单一，而且射流 器的喷头设计受限制易发生堵塞，这会使得曝气池中的溶解氧分布不均，影响曝 气效果，曝气过多和曝气不足的问题较为明显，需要靠增加搅拌器来解决，从而 增加了能耗。另外如果增加水深就会减少空气量的吸入，如此又需要提高潜水泵 的功率，能耗也会跟着增加。国外对射流式水下曝气机的开发和研究在上个世纪 八十年代就取得了一定的成功，而国内在21世纪才慢慢重视该技术的发展应用， 目前生产厂家已达30余家。 1.2.3 潜水搅拌曝气潜水搅拌曝气 潜水搅拌曝气是目前所有曝气技术中较为先进的一种，它具有曝气和搅拌双 重功效，而且能够独立控制。潜水搅拌曝气机在使用中能使气泡和活性污泥充分 接触反应，能防止污泥沉淀，改变污泥沉降性能，有效提高曝气性