污水中溶解氧的衰减和氨氮的降解规律.pdf

! ! ! ! 化工与环保 城市生活污水中溶解氧的衰减和氨氮的降解规律 潘欣梁玉祥潘柯樾易美桂 ! 四川大学化工学院 成都 ! # # ! &# 摘#要 #本文通过建立模拟活塞流的循环管路模型! 对污水的溶解氧O .# $ 氨氮3*18 3# 等水质参数 进行了研究! 获得了不同流速和曝气量下污染物和溶解氧的浓度变化数据! 建立了溶解氧和氨氮的 一维水质模型%为改建城市下水管道和提高护城河自净能力提供了数据和理论支持% 关键词! 河流污染降解特性自净能力溶解氧 #概#述 随着我国城市化进程的加快! 排入护城河和下 水道的生活污水量急剧增加%我国大部分护城河和 城区下水道的修建! 设计的第一要素多为排污和排 洪! 而对护城河城区下水道水体中生物自净能力的 保护不够%造成了多数护城河和城区下水道在改建 后污染情况仍不容乐观%从千家万户排出的生活废 水经过城区下水道后变成了有毒$ 有害的污染水体% 护城河中的流动状况复杂! 属典型的混合流型% 因此本文在实验室建立了循环管路系统! 模拟极端 流型一维活塞流 这也是城区下水道的常见流型# ! 研究了该流型下污染物的降解特性! 建立了一维活 塞流水质模型% $#理论基础 $ 7 #水体自净过程 地面水接受污染物后! 能恢复为原有的洁净水 质! 这一过程称为水体的自净作用& % 自净作用主要包括以下几个过程( 首先! 污染物 分子从污水的主体相传递到菌体表面) 然后与菌体 表面的黏多糖粘合! 或与菌体表面的活性位点结合) 最后! 发生生物化学反应%因此! 凡是能影响传质$ 吸附稳定和生化反应的因素! 都是影响水体自净的 因素! 如温度$ 流速$ 底物浓度等等% $ 7 $#含氮有机物的转化 含氮化合物在水体中转化可分为两个阶段& $( 第一个阶段为含氮有机物如蛋白质$ 多肽$ 氨基酸和 尿素转化为无机氨氮! 称为氨化过程% 第二阶段是氨氮转化为亚硝酸盐与硝酸盐! 称 为硝化过程( 氨的氧化( 在亚硝化单胞菌的作用下3*0II 1*$ .$ 3.$LI*$. I$ *I 亚硝酸的氧化( 在硝化杆菌的作用下3. $ L I *$ .$ 3.1L 总方程(3*0II$ . $ 3.1 L I*$. I$ *I $ 7 1#水体的耗氧与复氧关系 溶解氧 是 衡 量 河 流 水 质 最 重 要 的 综 合 性 指 标& 1%其在水体中的传递过程可由图表示( $ 7 0 活塞流的流动特性以及水质模型 取水体的一个控制体积单元 见图$# ! 对其进 行质量衡算& 0( 得三维模型( + - + R Ie+ - + eI c+ - + cI + - + Oe+ $- + e $IOc+ $- + c $ 00 四川化工#第6卷#$ # # &年第!期 万方数据 IO+ $- + $L2 式中! O e O c O ! 分别为e c方向的纵向离散系 数# 2! 为单元内的污染物降解速率# 大气复氧$杂质吸附$1有机物降解$0光合 作用$&氨化作用$!硝化作用$%有机物吸附沉 淀$ 6硝酸盐被藻类吸收$/藻类产生正磷酸盐$ # 藻类利用正磷酸盐$ 藻类呼吸作用$ $藻类利用 氨氮$ 1藻类代谢生成氨氮 $ 0氨氮氧化为亚硝 酸盐$ &亚硝酸盐被氧化为硝酸盐$ !正磷酸盐 吸附氧沉淀 图溶解氧在水体中的传递途径 图$控制体积单元质量衡算 本文研究的管路模型是模拟活塞流情况% c和 方向上速度可忽略不计% 即 c#$ 横断面上 的速度分布比较均匀% 离散系数可忽略不计$ 污染物 的降解按一级反应动力学计算#则模型可简化为一 维方程! + - + R Ie+ - + eL j - 又因为R e e 所以进一步简化为! e+ - + eL -% 其中 $ j 式中! ! 污染物的降解系数%_ L# 同理可得溶氧的变化速度一维方程! e_ : _ e4 j $&-#L:L4 j&#L:R 1#实验方案及内容 研究主体是一段0 # B长的水平直管& 见图1 % 分别在& B # B & B$ # B和0 # B设置了取样点%# 米处安装曝气装置#管道两端加V型管作为液封# 主体管路采用/ # BB的N f -管% 循环回路采用 / & & BB的N f -管#由泵提供推动力% 流速仪和转 子流量计测量流速# 图1实验装置示意图 装置的设计模拟一维活塞流流动% 研究在不同 流速下污水各参数&- . O Y S 氨氮 硝基氮 总磷 与 曝气量的关系# 0 数据分析 0 7 #溶解氧的变化 图0(%表明% 曝气量的增大对管路溶氧O .随 时间R的变化关系起了较大影响#前 # B D E水体中 O .较低% 曝气传质推动力&-(: 大% 而菌体需要 一定的时间来适应曝气造成的溶氧环境的改变% 这 时复氧速度远大于- . O降解的耗氧速度# 此时!4 j $&-#L:4 j&#L:R,# 方程可简化为! _ : _ R4 j $&#L:R,4 j$&-#L : ! #( 6 # B D E%O .的上升使得溶氧推动力减小% 复氧速度减缓%- . O降解速度加快到大于复氧速 度% 使水体溶氧开始下降# &0 第!期#城市生活污水中溶解氧的衰减和氨氮的降解规律 万方数据 图0 &月 #日O .随时间的变化 图& &月 $日O .随时间的变化 图! 0月$ /日O .随时间的变化 图% &月 /日O .随时间的变化 此时!4 j $-#L:#)4 j#L:R# 方程为! _ : _ R4 j $-#L:#L4 j#L:R#)# 6 # B D E后$- . O降解到一定程度$ 耗氧推动力 #L:R# 减小$ 耗氧速度减缓$ 这时溶氧再次出现 上升趋势% 此时!4 j $-#L:#*4 j#L:R# 方程为! _ : _ R4 j $-#L:#L4 j#L:R#*# 对比在使用1曝气头和&曝气头情况下$ 溶氧 初次上升的最大值各不相同$ 曝气量越大值越大% 溶氧下降的时间出现在! # B D E左右$ 而且几乎在同 一时间达到溶氧最低点%从 6 # B D E左右$ 溶氧开 始回升%&头曝气溶氧上升速度明显大于1曝气头 情况$ 并且最终都稳定在0 B U&左右$ 这时污染物 的降解速率与复氧速率达到平衡% 图6 &月 #日3*18 3随时间的变化 图/ &月 $日3*18 3随时间的变化 图 # 0月$ /日3*18 3随时间的变化 图 &月 /日3*18 3随时间的变化 !0 四川化工#第6卷#$ # # &年第!期 万方数据 此时!4 j $-#L:#4 j#L:R# 方程可简化为! _ : _ R4 j $-#L:#L4 j#L :R# 对比流速在# 7 # ! B$下的溶氧变化情况%在 $ 0 # B D E前溶解氧都出现了明显的上升&1头曝气 时& 在上升过程会出现短暂的平衡 在&头曝气的时 候& 由于菌体的驯化期会延长& 没有出现短暂的平衡 期& 而是在! # B D E左右出现了一个波峰%$ 0 # B D E 后& 由于速度增快& 氧的传质速率提高& 复氧效率提 高& 溶 解 氧 稳 定 在& B U$左 右& 相 对 于 流 速 为 # 7 # 1 B$时的稳定值有所增加% 0 7 $#3*18 3的变化 从图6( 中可以看 出& 在# 7 # 1 B$的 流 速 下& 增大曝气量对氨氮的降解没有明显的影响%氨 氮的硝化过程和含氮有机物的氨化过程都比较缓 慢& 低流速使菌体吸附污染物后出现沉降& 导致在开 始阶段氨氮浓度轻微下降%然后浓度变化趋于平 稳% _ - _ R _L j -# 当流速提高到# 7 # ! B$时& 曝气量对氨氮的变 化影响明显增大%在1曝气头的情况下& 因为流速 的升高& 传质得到加强& 强化了硝化作用& 使氨氮浓 度明显下降 而在&头曝气的情况下& 水体中的溶氧 水平高于1头曝气& 菌体内呼吸作用得到加强& 氨氮 的硝化作用受到抑制& 氨化作用的加强& 使水体中的 氨氮浓度升高% 0 7 1#模型的建立 0 7 1 7 #对O .进行数值分析 对O .的一维模型! + : + R Ie+ : + e4 j $-#L:#L4 j-X 又因为R e e 可简化为! e+ : + eX F Le# X)F为受复氧速率和污染物降解速率影响的常 数% 对上式积分得! L 5 EF L:#X R IY Y为积分常数& 化简得! $5 E : k R I_ 其中 k) _为受复氧速率和污染物降解速率影 响的常数% 以0月$ /日的O .变化趋势为例建立数学模 型%对数值进行均值回归处理得图 $! 图 $ 0月$ /日O .变化趋势数值处理 根据一维模型的简化形式& 对上图的O .变化 趋势图进行数值处理& 用$H E :对R作图& 通过线形 拟合得到O .的一维模型方程! $5 E :L# 7 # ! 6 / R I 7 1 / / $# 7 % % / / 其中 k) _的值分别为L# 7 # ! 6 /) 7 1 / /% 0 7 1 7 $ 对3*18 3进行数值分析 在3*18 3的变化中& 由于3*18 3的生化降解 即硝化作用受- = . O降解的抑制& 起始时间较晚& 且所需的时间较长%在本次实验中由于工艺流程设 计时间较短& 所以3*18 3浓度的分布受流速的影 响较大& 其变化关系受流速) 氨化) 硝化1个因素的 综合影响& 在前面已经进行了分析& 得方程! + - + R Ie+ - + eL -I 5? U 上式中-是时间的函数& 5? U是由于循环造成的 积累量& 但由于&个取样口几乎是同时取样& 且取样 间隔时间较长& 所以曲线的变化趋势已经反映了累 积降解量的关系%对方程进行简化为! + - + R Ie+ - + e b e# be# ! 为线形多项式% 又因为R e e 得到! e+ - + e $ be# 或+ - + R $ bR# 以&月 $日氨氮变化规律为例建立数学模型% 对数值进行均值处理& 用多项式拟合方法得到氨氮 随时间的函数! -L 7 / 6 # ! R $I6 7 ! ! / 6 R I1 / 7 1 6 $ , 形加强筋板对焊缝进行加固! 加强筋板开 有应力释放孔! 并对焊缝进行 # #探伤! 经过三年 多的运行! 修理效果良好 图$改造后的三旋流程示意图 1#三旋免维护系统的操作和注意事项 为了解决三旋临界流速系统故障多的问题! 我 们采用了免维护的柔性临界流速喷嘴! 将原催化剂 收集罐改为四旋$ 见图$% ! 较好地解决了这个问题! 但在使用中还有一些问题需要注意( 1 7 尽管免维护系统已大大地减少了阀门- 法兰 数量! 但三旋本体与四旋入口联接处和进烟道前的 临界流速孔板处仍用法兰联接! 这两个法兰在开工 后先后泄漏- 被迫包箱! 因此建议尽可能使用焊接联 接方式 1 7 $ 要保证四旋料腿安装的垂直度要求四旋投 用不到一个周期! 四旋料腿一侧管壁沿轴中心线方 向有一段多次泄漏! 检修更换时发现该料腿仅这侧 冲刷严重! 其余管壁壁厚正常通过检查发现! 该料 腿安装垂直度偏差较大! 而冲刷处恰位于管壁正下 方一侧通过分析! 认为是由于料腿存在一定的倾 斜! 四旋分离下来的催化剂由于重力作用! 多贴在管 壁下方一侧向下流动- 冲刷管壁造成在检修更换 四旋料腿时重新调整了垂直度! 该料腿已运行三年! 未再因泄漏更换过 1 7 1 催化剂储罐顶部脱气线冬季运行不正常脱 气线是催化剂储罐卸压所用! 若该线不通就会引起 催化剂储罐压力升高! 四旋分离下来的催化剂无法 顺畅地经料腿翼阀进入储罐! 重新被携带进入四旋 出气管线! 引起管线和临界流速孔板加速磨损- 破 坏由于储罐