（化学工程专业论文）生物脱氮技术在焦化废水处理中的应用.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 由于国家钢铁企业污水排放标准和地方标准中都对氨氮作了规定，焦化废水氨氮处 理势在必行了。去除废水中氨氮的方法很多，有物理法、化学法和生物法。而采用硝化 一反硝化是焦化废水处理最理想的处理方法。为了本钢焦化厂改扩建的需要，需对现有 的生化装置进行改造，为此，本文通过大量的文献资料，将国内外的生物脱氮技术进行 了比较分析，找出适合于焦化废水处理的生物脱氮工艺。 全文共分六个部分。在文献综述部分，作者查阅了大量的国内外资料，对焦化厂水 质来源、特点及各种生化处理方法进行了比较说明。着重介绍了a o 、a 2 0 及s b r 等生 物脱氮技术。在第二部分对本钢焦化厂的废处理现状、发展要求及本次工艺改造的工艺 选择做了介绍。第三部分，探讨了a 2 o 工艺的理论计算方法。第四部分，对本次工艺 改造设计进行了理论验算。通过实验测定工艺的设计参数及运行参数数据值，并进行了 数据分析。第五部分，对全文进行了归纳总结。 关键词：生物脱氮；硝酸化；反硝化：污泥龄 王朋：生物脱氮技术在焦化废水处理中的应用 a p p l i c a t i o no fb i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o nt e c h n o l o g y f o rw a s t ew a t e r t r e a t i n gi nc o k i n gp l a n t a b s t r a c t i ti sn e c e s s a r yf o rw a s t e rw a t e rt ob et r e a t e db yt h ea m m o n i a nm e t h o di nc o k i n gp l a n t b e c a u s eo ft h en e wr e g u l a t i o n sf o ra m m o n i a ni nt h en a t i o n a la n dl o c a li r o n - s t e e le n t e r p r i s e s t a n d a r d sf o rw a s t e w a t e r t h e r ea r eal o to fm e t h o d st or e m o v et h ea m m o n i a ni nt h e w a s t e w a t e r , s u c ha sp h y s i c a lw a y , c h e m i c a lw a ya n db i o l o g i c a lw a y b u tt h en i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o nw a yi st h eb e s tw a ya m o n ga l lt h em e t h o d sf o rt h ec o k i n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n t i ti sr e q u i r e dt or e n o v a t et h ep r e s e n tc h e m i c a l - b i o l o g i c a ld e v i c ei no r d e rt os a t i s f yt h en e e do f e n l a r g i n gc a p a c i t yi nb e ng a n gc o k i n gp l a n t f o rt h es a k eo fa b o v ep o i n t s ，t h ew r i t e rt d e st o f i n do u tt h es u i t a b l eb i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yf o rt h ew a s t ew a t e rt r e a t m e n ti nb e n g a n gc o k i n gp l a n tb yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n g t h ed o m e s t i ca n df o r e i g nb i o l o g i c a l d e n i t r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nc o n s u l t i n gag r e a td e a li n f o r m a t i o n t h i sa r t i c l ec o n s i s to fs i xp a r t s i nt h eg e n e r a ld o c u m e n td e s c r i p t i o n ，t h ea u t h o rc o n s u l t s l o t so fd o m e s t i ca n df o r e i g ni n f o r m a t i o n ，t h e ne x p l a i n st h ew a t e rs o u r c e ，c h a r a c t e ra n dt h e v a r i o u s c h e m i c a l - b i o l o g i c a lt r e a t i n g m e t h o d c o m p a r a t i v e l y s p e c i a l l y i n t r o d u c e st h e b i o l o g i c a ld e n i t f i f i c a t i o nt e c h n o l o g ys u c h a sa o ，oa n ds b r n e x t ，t h ea u t h o r p r e s e n t su s t h ef a c t so ft h ew a s t ew a t e rt r e a t m e n t ，f u t u r ed e v e l o p i n gn e e d sa n dt h et e c h n o l o g ys e l e c t i o n d u r i n gt h i st e c h n o l o g yi n n o v a t i o ni nb e ng a n gc o k i n gp l a n t i np a r t3 ，t h ea u t h o rd i s c u s s e s t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do f a 2 0t e c h n o l o g yi nt h e o r y f o l l o w i n g ，i np a r t4 ，t h ea u t h o ra l s od o e s t h ec h e c k i n gc o m p u t a t i o n sf o rt h ed e s i g no ft h i st e c h n o l o g yi n n o v a t i o n i np a r t5 , t h ea u t h o r d e t e r m i n e st h ed e s i g np a r a m e t e ra n dr u n n i n gp a r a m e t e rb yt e s t i n ga n dm a k e sd a t aa n a l y s e i n t 1 1 ee n d t 1 1 ea u t h o rs u m su pt h ec o n t e n t sf o rt h i sa r t i c l e k e yw o r d s ：b i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o n ；n i t r i f i c a t i o n ；d e n i t r i f i c a t i o n ：d i r t ym u d l i f e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 蒸旦鱼 日期：之型! 生：l 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：杰4 遮 导师签名 埠牝 望! 型年i 月l 坚日 大连理工大学专业学位硕+ 学位论文 引言 随着我国经济的快速发展，钢铁需求量大增，本钢公司决定对炼铁厂的高炉 进行改造，增大钢铁产量。为了满足炼铁厂的焦炭供应，焦化厂将进行焦炉的改 扩建工程，焦化废水将由原来的6 0 m 3 h ，增大到1 2 0m 3 h 。现有生化处理能力已 满足不了生产的需要，需对现有的生化处理系统进行改造。而用普通的生化装置 处理焦化废水，远达不到现行国家规定的排放标准。 焦化废水所含污染物包括酚类、多环芳香族化合物及含氮、氧、硫的杂环化 合物等，是一种典型的含有难降解的有机化合物的工业废水。焦化废水中的易降 解有机物主要是酚类化合物和苯类化合物，砒咯、萘、呋喃、眯唑类属于可降解 类有机物。难降解的有机物主要有砒啶、咔唑、联苯、三联苯等o 。 由于焦化废水排放氨氮指标已纳入到国家钢铁企业污水排放标准当中，国内 外科技人员对废水脱氮技术进行了大量的研究工作，并发明了许多种处理方法及 工艺。尽管采用物理、化学的方法可以去除焦化废水中的氮化物，但却不能彻底 去除废水中的有机物，而且，还容易产生二次污染。最佳的处理工艺是即能脱氮 也能将废水中大量的有机物降解去除。所以用生物脱氮技术处理焦化废水是切实 可行的。废水中的氮在有氧的状态下进行硝化反应生成硝酸及亚硝酸物质，在无 氧或缺氧状态下进行反硝化反应，将硝酸盐及亚硝酸盐中的氮转化为氮气，从而 达到去除焦化废水中氮化物的目的。生物脱氮在脱氮的同时，也能将废水中难以 降解的大分子物质通过厌氧处理分解小分子化合化，提高其生物降解性使之易于 为好氧法处理。 本次改造基于利用现有设施、设备，降低改造投资，选择适当的工艺流程。 使出水指标达到国家排放标准要求。为此，本人选择脱氮技术在焦化废水处理中 的应用作为硕士论文选题，期望在导师的指导下，结合本钢焦化厂本次改造的实 际情况，对生物脱氮技术进行较为系统的研究，以指导今后的改造建设和以后的 开工生产。 王朋：生物脱氮技术在焦化废水处理中的应用 1 文献综述 1 1 焦化污水的来源及特点 1 1 1 焦化废水来源 焦化生产过程中排放出大量含酚、氰、油、氨氮等有毒、有害物质的废水。 焦化废水是在原煤的高温干馏、煤气净化和化工产品精制过程中产生的，焦化废 水主要来自炼焦、煤气净化过程及化工产品的精制过程。煤气净化过程产生的废 水占焦化厂总污水量的8 0 以上，煤气净化污水的水量、水质与净化流程和生产操 作条件有关。 其中以蒸氨过程中产生的剩余氨水为主要来源。蒸氨废水是混合剩余氨水蒸 馏后所排出的废水。剩余氨水是焦化厂最重要的酚氰废水源，是含氨的高浓度酚 水，由冷凝鼓风工段循环氨水泵排出，送往剩余氨水贮槽。剩余氨水主要由三部 分组成：装炉煤表面的湿存水、装炉煤干馏产生的化合水和添加入吸煤气管道和 集气管循环氧水泵内的含油工艺废水。剩余氨水总量可按装炉煤1 4 计。剩余氨水 在贮槽中与其它生产装置送来的工艺废水混合后，称为混合剩余氨水。混合剩余 氨水经脱酸蒸氨后，排到生物脱酚工段进行处理。 焦化厂还含一些其它废水，其所占比例不大，包括精苯分离水、焦油分离水 及新产品加工分离水，但其含有大量难以生物降解的有机大分子物质，也与剩余 氨水一起送到生物脱酚工段进行处理。 1 1 2 焦化废水的组成及性质 焦化废水成分复杂，其水质随原煤组成和炼焦工艺而变化。所含污染物包括 酚类、多环芳香族化合物及含氮、氧、硫的杂环化合物等，是一种典型的含有难 降解的有机化合物的工业废水。 煤气净化污水组成复杂。尤其在蒸氨废水中，如表1 1 和表1 2 所列水质外， 还含有s c n 一、s 0 4 、s ：0 。2 。、c 0 3 、c 1 、f 一、n o 。一、和n o 。等阴离子以及钙、铁和锗等 金属元素。此外，污水中还含有较多有机物如：苯、萘、茚、联苯、苊、菲和葸 等芳烃，吡啶、喹啉、吲哚、咔唑和氧芴等杂环化合物以及荧蒽、芘和苯并芘等 多环芳烃。焦化废水中的易降解有机物主要是酚类化合物和苯类化合物。砒咯、 萘、呋喃、眯唑类属于可降解类有机物。难降解的有机物主要有砒啶、咔唑、联 苯、三联苯等。焦化污水含有危害人体和污染环境的大量有害物质0 1 。 大连理t 大学专业学位硕士学位论文 表1 1 焦化厂化上车间不同工段废水的成分 t a b l e1 1w a s t ew a t e rc o m p o n e n t sp r o d u c e di nv a r i o u s o p e r a t i o n a ls e c t i o n si nc h e m i c a l w o r k s h o p so f c o k i n gp l a n t 成分氨回收工段制苯工段 焦油蒸馏t 段 表1 2 焦化厂总废水的成分 t a b l e1 2c o m p o n e n t so f t h em i x e dw a s t ew a t e ri nc o k i n gp l a n t 成分 含 量 碱度( 毫克当量升) 悬浮物( 克升)挥发的 不挥发的 同体物( 克升)挥发的 不挥发的 耗氧量( 克升) b o d s ( 克升) 氨( 克升) 挥发酚( 克升) 硫化物( 克升) 氰化物( 克升) 焦油( 克升) l o 一6 0 0 o l l _ 7 o 1 2 0 1 9 0 9 5 7 1 6 - 3 3 1 5 5 2 1 3 9 0 0 3 1 3 o 5 2 2 o 1 0 2 0 ，0 3 0 1 0 1 0 5 ( 1 ) 酚的性质及危害“ 王朋：生物脱氮技术在焦化废水处理中的应用 通常按照芳香环上所含羟级数量的多少，分为一元酚、二元酚和多元酚。 一元酚为芳香环上直接连接一个羟基者。属于一元酚的有苯酚、甲酚、二甲 酚、三甲酚、乙基苯酚、萘酚、氯苯酚、氨基苯酚等。 二元酚为芳香环上有两个氢被羟基取代者，如苯二酚、萘二酚等。 多元酚为苯环上直接连接三个或三个以上羟基的酚类物质，如苯三酚、苯六 酚等。 酚类物质也可按其能否与水共沸并和水蒸汽一起挥发，而分为挥发酚与不挥 发酚。不挥发酚又叫固定酚。苯酚、甲酚、二甲酚均属挥发酚，二元酚、多元酚 属不挥发酚。有人认为，区分挥发酚与不挥发酚以沸点2 3 0 。c 的为不挥发酚。 酚的物理性质与其分子结构有着密切关系。随着分子中羟基数目的增多，酚 类化合物的分子量、比重增加，沸点、熔点升高，在水中的溶解度增大。在常温 下酚类物质大多数呈固态存在，为无色液体，只有少数为液态。 酚类物质易溶于苯、乙醚、焦油类、醇类、酯类等有机溶剂，但溶解度不等。 由于酚类是芳香烃的羟基衍生物，故它们具有羟基反应和芳烃取代反应的性 质。酚类的羟基中的氢原子稍能电离，使酚具有弱酸性，可在强碱液中生成酚盐，但 酸性比碳酸略弱些，在生产实际中可利用此性质回收酚。 芳香烃上的磺酸基、氨基和卤素都可和羟基发生置换作用，工业上运用这些性 质来合成酚。 苯酚是种最简单也是最重要的酚类物质，它的化学反应可代表一般酚的化学 性质。在苯酚分子中，与羟基成邻位及对位的氢极为“活泼”，可以发生多种取代 作用；酚经卤素取代后生成卤代酚，可导致水溶性减小，但对身体组织的变质作用 增强，对皮肤粘膜的刺激性与腐蚀性增加，在杀菌性显著增加的同时，臭味也增加。 在卤代酚中，比较重要的是氯代酚，其杀菌性能随分子中氯原予数增加而增加。溴 水与苯酚在室温下就可发生反应，生成不溶于水的2 ，4 ，6 一三溴苯酚沉淀；利用此性 质可鉴定酚类物质。 在稀碱( 氨) 或酸( 草酸) 的作用下，酚可和醛发生缩合反应。利用这种性质 可产生热塑性、热固性酚醛树脂，用以制取清漆、粘合剂和涂料等。在废水处理中， 可利用此特性，在适当催化剂的作用下，使酚醛树脂厂的高浓度含酚废水生成热固 性树脂而予以回收。 酚类物质容易氧化。苯酚在空气中就能氧化成粉红色、红色、褐色：因此，含 酚废水一般都带有颜色。在强氧化剂作用下，酚可降解成醌、酸，直至生成最终产 人连理工大学专业学位硕士学位论文 物c 0 ：与h ：o 。邻苯二酚、对苯二酚、连苯三酚、苯六酚等都容易氧化，均可用作还 原剂。酚类还能与硝酸发生硝化反应。甲酚中引入硝基即可制成杀虫剂和杀菌剂。 此外，酚类物质还可与醋酸酐或乙酰氯在酸或碱的催化作用下生成酯，生成的 苯氧乙酸固体可用来鉴别苯酚及其它酚类。酚类又能同酯作用生成醚“。 酚类化合物是原型质毒物，它对一切生物都有毒害作用。酚可通过与人的皮 肤、粘膜接触发生化学反应，形成不溶性蛋白质，而使细胞失去活力，质量浓度 高的酚溶液还会使蛋白质凝固。酚还能向深部渗透，引起深部组织损伤、坏死。 酚可引起急性或慢性中毒，刺激呼吸中枢，诱发神经系统障碍，伤害肝、肾功能， 长期饮用被酚污染的水会引起头晕、贫血以及各种神经系统病症。3 。 水体受含酚污水污染后会产生严重不良后果。由于含酚废水耗氧量高，水体 中氧的平衡将受到破坏，水中含酚为0 0 0 2 0 0 1 5 m g l 时，鱼类有酚味，恶臭， 不能作饮用水。水体中含酚0 1 0 2 m g l 时，鱼类有酚味，浓度高时引起鱼类大 量死亡。酚类物质对鱼类毒害极限质量浓度一般在4 1 5 m g l ，但苯二酚毒性强， 质量浓度为0 2 m g l 。 用未经处理的含酚废水直接灌溉农田，会使农作物枯死和减少。 ( 2 ) 氨的性质及危害 氨对人体也有毒害。尽管废水的氨可以通过微生物的作用，绝大部分转化为 氮气，但由于在转化的过程中也残存有部分硝酸盐。成年人的耐受能力很高，即 使达到o 4 毫克公斤体重天，也能忍受。但出生4 6 个月的婴儿，对硝酸盐 的耐受能力比较低，饮用水中n 0 。一含量为9 0 1 4 0 p p m 时，即可能导致婴儿高铁血蛋 白症，使红血球不能带氧而导致婴儿窒息。 硝酸盐中毒的原理是婴儿胃内酸度低于成年人。这一条件有利于硝酸还原细 菌的发展，使硝酸盐还原成为有毒的亚硝酸盐。 硝酸盐趟堕苎至璺塑堕亚硝酸盐 血红素( f e 2 + ) 二+ 氧合血红素( 正常情况下) ( 红芦。) i存在有 i 亚硝酸盐 t 高铁血红素( f e 3 + ) ( 褐色) ( 不正常，不能带氧) 。 王朋；生物脱氮技术在焦化废水处理中的应用 当血中高铁血红素的含量达到7 0 时，即发生窒息现象。在人肠道酸性的情况 下，肠道微生物区能催化下列反应1 ： 尸觏下 r 8 c 6 h “! 一n 一2 已知n 一亚硝基化合物中的亚硝胺是高度致癌的物质，也是能造成畸胎和引起 诱变的物质。用n 一亚硝基二甲基胺5 p p m ，即能使小白鼠致癌“。可见硝酸盐对人 类存在着潜在的危险，是致癌的前体。在饮用水中硝酸盐含量一般很少高于l p p m ， 按世界卫生组织规定，饮用水中硝酸盐含量不能超过l o p p m 。 1 2 微生生物特性 1 2 1 水中主要微生物生活特性 ( 1 ) 细菌 细菌按形态可分为球菌、杆菌和螺旋菌。其大小一般都在0 5 5 微米之间。“。 分裂增殖的世代时间约为数十分钟。多数细菌对p h 值和温度变化十分敏感，一般 都喜好中性，并且都有自己的生活的最适温度范围。 自养菌能利用自然界的各种无机物，合成自身需要的各种有机物。异养菌必 须依赖自然界的有机碳作为碳源，而氮源可以是无机氮，亦可以是有机氮。在废 水处理中，就是依靠特地培养的各种异养菌，使有机污染物得以降解的。 和废水处理关系密切的细菌有菌胶团( 内含多种微生物) 、球衣菌、硫细菌、 硝化菌等。菌胶团在废水处理中的作用最大。 ( 2 ) 真菌 在活性污泥法处理中，真菌菌丝的形成的丝状体对活性污泥凝聚起骨架作用， 但是，如果丝状微生物过多，又会使污泥的沉降分离性能变坏。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 3 ) 藻类 藻类是单细胞、单细胞群体或多细胞的白养型生物。藻类能产生不愉快的气 味和颜色，它们在水面形成大的稠密的绒毛簇，出现水华和赤潮，降低水的外观 价值o 。水的富营养化就是由于水中氮和磷的过剩，引起藻类的大量繁殖。有些 藻类由于可以利用空气中的氮，故富营养化一旦产生，即便是除掉水中的氮化物 来源，也不能最终消除氮源，制止富营养化的发展。 ( 4 ) 原生动物 原生动物是动物界中最低等的能进行分裂增殖的单细胞生物。它生活在有氧 的环境中，在代谢功能方面，原生动物以固体有机物为碳源和能源。植物自养型 营养的原生动物对有机物不起净化作用，活物性营养的原生动物虽然能吞食有机 颗粒，但也大量吞食细菌、藻类和真菌等。当它吞食的细菌量不影响废水的净化 作用时，则对净化是有利的；否则是不利的。 ( 5 ) 后生动物 后生动物为多细胞动物。废水中常见的有轮虫、甲壳类及线虫等。轮虫以细 菌、原生动物和有机物颗粒为食，在废水处理中有一定的净化作用。轮虫的需氧 程度比较高，常生活在比较干净的水中。在活性污泥法里，它的数量往往是处理 效果良好的标志。但若太多，可能破坏污泥结构，使污泥松散，它是生物处理中 微生物老化的反映。 甲壳类动物以细菌和藻类为食。在自然水体或负荷很低的氧化塘中可以看见， 在污染明显的生物处理系统中不会存在。甲壳类动物的存在表明处理水中有机物 很少，溶解氧浓度较高。 线虫在废水处理中都可发现。水处理中的线虫是独立生活的。可以同化固体 有机物。自由游动的线虫都是好氧的。 1 2 2 微生物的生理特性 ( 1 ) 微生物的营养与繁殖 各种微生物体内含的元素和需要的营养元素大体上一致。所以在培养微生物 时，可按菌体的主要成分比例供给营养。 微生物对营养物的吸收转化都是在酶的催化作用下进行的，如果细菌遇到比 较简单的、溶解的物质，那么就很快吸入细胞，通过内酶的作用，迅速完成氧化、 合成等一系列生化反应。如果遇到复杂的或固体物质，它就分泌出外酶，把吸附 王朋：生物脱氮技术在焦化废水处理中的应用 在细胞周围的这些物质转化成较得意的、溶解的物质再吸入胞内，在内酶的作用 下进行氧化合成反应。 微生物的增殖特性在营养有一定控制时，细菌量的变化是由对数增殖期、 增殖衰减期及内源呼吸期组成o 。 细菌对给定基质未充分适应时，开始还有迟缓期。对数增殖期是有机物按最 大速率降解的区域。增殖衰减期是基质浓度限制生物合成率的区域。伴随着基质 的代谢其浓度不断减少，微生物的增殖率也下降。内源呼吸期基质缺乏，微生物 开始代谢自身原生质。废水处理中，主要运行范围在增殖衰减期，如要得到高度 稳定的出水，也可以利用内源呼吸期。 皿旺_ 】 桶 最 时间 图1 1细菌量的变化特性 f i g u r e l 1c h a n g e a b l ec h a r a c t e ro f b a c t e r i u mq u a n t i t y ( 2 ) 细菌的呼吸 细菌的分解代谢称为呼吸作用。通过呼吸作用，使用复杂的有机营养物转化 为c o 。、h 。0 和其它简单的有机物和无机物。好氧微生物在有溶解氧的条件下，将 有机物分解成c 0 。和h 20 。厌氧微生物在无溶解氧的条件下，将复杂的有机物分解 成简单的有机物和无机物，再被甲烷菌进一步转化成甲烷和二氧化碳等。 大连理t 大学专业学位硕士学位论文 有机物的降解过程可归纳为三个方面，首先有机物作为微生物呼吸的基质而被氧 化分解，并产生能量供本身生命活动所需。其次，有机物被初步降解或转化而成 为微生物细胞的贮藏物质，它们在外部基质消失后，便迅速地被分解。第三，有 机物被用于合成新细胞物质，当微生物进行内源呼吸时，细胞物质再被氧化。 ( 3 ) 微生物生长的环境长期条件” p h 值：细菌最适于在p h 值为7 o 7 5 的弱碱性环境中生活。好气生物处理 中p h 值可以在6 5 8 5 之间变化，厌气生物处理要求较严格些，p h 值在6 7 7 4 之间。 温度：厌气生物处理时，温度通常控制在3 0 3 5 度或5 0 5 5 度的范围内， 为此要加热保温。而好气处理时，温度多维持在1 5 2 5 度。高温处理废水，气味 明显，能源困难。低温会降低b o d 的去除率。 1 3 废水生化处理技术 对焦化污水的二级净化处理，目前多采用生化处理方法。在自然界中，存在 着依靠有机物生存的微生物，它们有氧化分解有机物的巨大能力，这些微生物能 对污水中的酚、氰等有机物进行吸附和分解以满足其生存的特点，把有机物最终 变成二氧化碳和水，这种方法处理焦化污水有很好的效果，已经在各地焦化厂得 到广泛应用。生化处理法按微生物的种类和运行方式主要有活性污泥法、生物膜 法、氧化塘法、生物接触氧化法、生物氧化沟、a o 法、a 2 o 法、生物流化床等。 1 3 ，1 活性污泥法 活性污泥法是水体自净( 包括氧化塘) 的人工强化，是使微生物群体在曝气 池内呈悬浮状，并和污水接触而使之净化的方法。活性污泥法是城市污水和有机 性工业生产污水的有效生物处理法。它于1 9 1 4 年在英国曼彻斯特市建成试验厂以 来，已有近九十年的历史。随着生产上的应用和不断改进，特别是近四十多年， 在对其生物反应和净化机理进行广泛深入研究的基础上，活性污泥法得到了很大 的发展，出现了各种工艺流程；并正在改变那种用准确性较差的经验数据进行工 艺设计和运行管理的现象，目前，它已成为有机性污水处理的主体。 在活性污泥法中起主要作用的是活性污泥。活性污泥是由具有活性的微生物 ( m 。) 、微生物自身氧化的残留物( 也) 、吸附在活性污泥上不能为生物所降解的 有机物( m 。) 和无机物( m 。) 组成。 王朋：生物脱氮技术在焦化废水处理中的应用 活性污泥微生物又是由细菌、真菌、原生动物、后生动物等多种微生物群体 相结合所组成的一个小生态系。 评价活性污泥，除进行上述生物相的观察外，还使用以下指标：混合液悬浮 固体( m l s s ) 、混合液挥发性悬浮固体( m l v s s ) 、污泥沉降比( s v ) 、污泥指 数( s v i ) 、污泥龄( o ) 。 活性污泥微生物能够连续从污水中去除有机物，是由以下几个净化过程完成 的：初期去除与吸附作用；微生物的代谢作用；絮凝体的形成与凝聚沉淀性能。 活性污泥法即由物理化学作用和生物化学作用来完成的。物理化学作用是利 用活性污泥对酚水中酚、氰等有机物的吸附能力以使酚水得到净化。这个过程是 在曝气池吸附段完成的。生物化学作用是在有氧的条件下，好氧细菌借其所分泌 的体外酶将酚水中的胶体性有机物分解为溶解性有机物，连同污水中原有的溶解 性有机物渗透到好氧细菌的细胞膜进入其细胞内部，然后细菌即通过其生理活动， 将有机物氧化、分解并部分合成新细胞，最后在细菌体内酶的作用下，使有机物 分解成二氧化碳和水。 活性污泥的影响因素主要有：b o d 负荷率、溶解氧、水温、营养物平衡、p h 值、有毒物质。 活性污泥按其运行方式主要有：普通活性污泥法、阶段曝气法、生物吸附法、 完全混合法、延时曝气法、减量曝气法、高速曝气法等。 1 3 2 生物膜法 生物膜法是使微生物例如硝化菌和反硝化菌依附在其他固体载体表面上呈膜 状生长，并与废水接触来实现生物处理的技术。这种处理法是使细菌和菌类一类 的微生物和原生动物、后生动物一类的微型动物在滤料或某些载体上生上繁育， 形成膜状生物性污泥生物膜。通过与污水的接触，生物膜上的微生物摄取污 水中的有机污染物作为营养，从而使污水得到净化。 生物膜处理法是古老的，又是发展中的污水生物处理技术。迄今为止，其中 具有代表性的处理工艺有：生物滤池、生物转盘和生物接触氧化法等等。 生物膜法的特征是：参与净化反应的微生物的多样化；在每层( 段) 都自然 形成自己独特的占优微生物；生物的食物链长；能够生长硝化菌；对水量、水质 变动有较强的适应性；在低水温条件下，也能够保持一定的净化功能；宜于固液 分离；能够处理低浓度的污水；动力费用低：产生的污泥量少；具有较好的硝化 与脱氮功能。 大连理t 大学专业学位硕士学位论文 生物膜法的工作原理是：废水通过滤池时，其中的填料( 一般称之为滤料) 截留了废水中的县浮物，同时把废水中的胶体和溶解性物质吸附在自己的表面， 其中的有机物使微生物很快繁殖起来，这些微生物又进一步吸附了废水中呈悬浮、 胶体和溶解状态的物质，逐渐形成了生物膜。生物膜成熟后，栖息在生物膜上的 微生物即摄取污水中的有机污染物作为营养，对废水中的有机物进行吸附氧化作 用，因而废水在通过生物滤池时能得到净化。 生物膜具有较大的表面积，能够大量吸附废水中的有机物，而且具有很强的 吸附作用和氧化能力。在有机物被分解的同时，微生物的机体则在不断的增大和 繁殖，增加了生物膜的数量。由于生物膜上微生物的老化死亡，生物膜将会从填 料表面脱落下来，然后随着废水流出池外。当面废水进入滤池，大填料表面流动 时，废水中的有机污染物就会从运动着的废水中转移到附着的水中去，并进一步 被生物膜所吸附。同时空气中的氧也将经过废水而进入生物膜，生物膜上的微生 物在氧的参与下对吸附在其上的有机物进行分解和机体的新陈代谢，产生了二氧 化碳、氮气等无机物沿着生物膜经过附着水排放到流动着的废水及空气中去。由 此减少了有机物的含量，使废水得以净化。 1 3 3 生物转盘 生物转盘是于六十年代在联邦德国开创的一种生物膜法污水生物处理技术。 生物转盘已被公认为是一种净化功能好、效果稳定、能源消耗低的生物处理技术 ( 8 】 我国从1 9 7 2 年开始引进生物转盘技术，开展了大量的科学研究工作，现在已 在化纤、石化、印染、制革、造纸、煤气站等行业的工业废水处理以及医院污水、 生活污水的处理中得到应用，取得了较好的效果。 生物转盘作为污水生物技术，所以能够被认为是一种效果好、效率高、便于 维护、运行费用低的工艺，是因为它在工艺和维护运行方面具有如下各项特点： 微生物浓度高、生物相分级、污泥龄长，对b o d 值达1 0 0 0 0 m g l 以上 6 1 的超高浓 度有机污水到1 0 m b j l 以下的超低浓度污水都可以采用生物转盘进行处理，并能够 得到较好的处理效果：在生物膜上的微生物的食物链较长：接触反应槽不需要曝 气，污泥也勿需回流；不需要经常调节生物污泥量，不存在产生污泥膨胀的麻烦。 干朋：生物脱氮技术在焦化废水处理中的应用 1 3 4 生物接触氧化法 就是在池内设置填料，已经充氧的污水浸没全部填料，并以一定的速度流经 填料。填料上长满生物膜，污水与生物膜相接触，在生物膜上微生物的作用下， 污水得到净化，因此，生物接触氧化法又称“淹没式生物滤池”。 生物接触氧化法，采用与曝气池相同的曝气方法，提供微生物所需的氧量， 并起搅拌与混合的作用，这样，又相当于在曝气池内投加填料，以供微生物栖息， 因此，又称为接触曝气法。 1 3 5 氧化塘 又名稳定塘或生物塘，是一种构造简单、易于维护管理、污水净化效果良好、 节省能源的污水处理法。氧化塘对污水的净化过程和自然水体的自净过程很相近， 污水在塘内经较长时间的缓慢流动、贮存，通过微生物( 细菌、真菌、藻类、原 生动物) 的代谢活动，使污水中的有机污染物降解，污水得到净化。水中的溶解 氧则主要是由塘内生长的藻类，通过光合作用提供的，塘面的复氧则起辅助作用。 氧化塘是一种古老的污水处理技术，目前全世界已有近4 0 个国家采用氧化塘 处理污水。近8 0 年来，各国的实践证明，氧化塘能够用以作为一级、二级处理， 也可以用作三级处理。 氧化塘具有一些较为突出的优点：可以充分利用地形，工程简易，基建投资 省；能够实现污水资源化，使污水净化与利用相结合：污水处理成本低廉； 氧化塘也有一定的不足之处：占地面积大；污水净化效果受季节、气温、光 照等自然因素的控制，不够稳定；地下水可能受到污染、散发臭气以及滋长蚊蝇 等。 氧化塘有：好氧氧化塘、兼氧氧化塘、厌氧氧化塘、曝气氧化塘。 1 3 6 生物流化床 进一步强化生物处理技术，提高其效率，关键的措施有二：一是提高单位体 积内的生物量，特别是活性的生物量；二是加强传质作用，强化有机底物从污水 中向细菌细胞传递的过程。 对第一个条件采取的措施，是扩大微生物栖息、生活的表面积，增加生物膜 量，但是为此必须相应的提高充氧能力。 对第二个条件采取的措旖，是扩大生物体与污水的接触面积，加大污水与生 物膜之间的相对运动。 大连理_ _ l = 人学专业学位硕士学位论文 生物膜法发展的实质，就是对这两个条件采取的具体措施的发展。 七十年代出现的生物流化床，把解决这两条件的问题，推向一个新的高度。 流化床本是和用于化工领域的一项技术，从七十年代初期开始，一些国家将 这一技术应用于生物处理领域，开展了多方面的科学研究工作，取得了良好的效 果。 流化床就是以砂、焦炭、活性炭一类的颗粒材料为载体，象给水滤池反冲洗 过程那样，水流由下而上流动，使载体处于流化状态。在载体表面生长、附着生 物膜，由于载体颗粒小，总体的表面积大( 每m 3 载体的表面积可达2 0 0 0 - - 3 0 0 0 m 2 ) ， 因此，具有较大的生物量。 由于载体处于流化状态，污水从其下部、左、右侧流过，广泛地和载体上的 生物膜相接触，从而强化了传质过程，并且由于载体不停地流动，能够有效地防 止其被生物膜所堵塞。 生物流化床处理按其生物膜特性等因素可分为好氧生物流化床和厌氧生物流 化床两大类，随着对流化床的不断研究与开发，当前已出现了许多新型的流化床。 好氧生物流化床是以微粒状填料如砂、焦炭、活性炭、玻璃珠、多孔球等作 为微生物载体，以一定流速将空气或纯氧通入床内，使载体处于流化状态，通过 载体表面上不断生长的生物膜吸附、氧化并分解废水中的有机物，从而达到对废 水中污染物的去除。 好氧生物流化床按床内气、液、固三相的混合程度的不同，以及供氧方式及 床体结构、脱膜方式等的差别可分为两相生物流化床和三相生物流化床。 厌氧生物流化床可视为特殊的气体进口速度为零的三相流化床。这是因为厌 氧反应过程分为水解酸化、产酸和产甲烷3 个阶段，床内虽无需通氧或空气，但 产甲烷菌产生的气体与床内液、固两相混和即成三相流化状态。为维持较高的上 流速度，需采用较大的回流比。厌氧生物流化床内微生物种群的分布趋于均一化， 在床中央区域生物膜的产酸活性和产甲烷活性都很高，从而使其有效负荷大大提 高。 1 3 7 生物氧化沟 氧化沟污水处理工艺，是将曝气、沉淀和污泥稳定等处理过程集于一体，问 歇运行，又名氧化渠和“帕斯维尔沟”( 该沟的开发者p a v e e r ) 1 6 o 此项技术是 活性污泥法的一种变型。因为污水和活性污泥的混合液在曝气渠道中不断循环流 动，因此有人称其为“循环曝气池”，“无终端曝气池”。氧化沟技术实质上相 王朋：生物脱氮技术在焦化废水处理中的应用 当于延时曝气法的活性污泥系统。实践表明，0 d 技术既适用于城市污水的处理， 也可用于工业废水的处理，其封闭循环式的池型尤其适用于污水的脱氮除磷。 与普通的曝气池相比，氧化沟具有基建投资省，维护管理容易，处理效果稳 定，出水水质好，污泥产量少，适应负荷冲击能力强等特点。 1 3 8a o 法 a o 工艺是一种前置反硝化工艺，属单级活性污泥脱氮工艺，即只有一个污泥 回流系统。a o 工艺的特点是原废水先经缺氧池，再进好氧池，并将好氧池的混合 液和沉淀池的污泥同时回流到缺氧池。a o 工艺与传统的多级生物脱氮工艺相比主 要有如下优点【2 6 l 。 流程简单，省去了中间沉淀池，构筑物少，大大节省了基建费用，且运行费 用低，占地面积小； 以原污水中的含碳有机物和内源代谢产物为碳源，节省了投加外碳源的费用 并可获得较高的c n 比，以确保反硝化作用的充分进行； 好氧池在缺氧池之后，可进一步去除反硝化残留的有机污染物，确保出水水 质达标排放： 缺氧池置于好氧池之前，由于反硝化消耗了原污水中一部分碳源有机物b o d ， 既可减轻好氧池的有机负荷，又可改善活性污泥的沉降性能，以利于控制污泥膨 胀，而且反硝化过程产生的碱度可以补偿硝化过程对碱度的消耗。 a o 生物脱氮工艺流程见图1 1 图1 1a o 生物脱氮工艺流程图 f i g 1 1 a o b i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o n t e c h n o l o g y f l o wc h a r t 水 b a r d e n p h o 工艺 b a r d e n p h o 工艺是由两级a o 工艺所组成，该工艺脱氮效率可达9 0 “9 5 ，同 时具有除磷功能。其流程见图1 2 甲 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图1 2b a r d e n p h o 工艺流稃图 f i g 1 2b a r d e n p h ot e c h n o l o g yf l o wc h a r t p h o r e d o x ( 五段) 工艺 p h o r e d o x 是b a r d e n p h o 工艺的改进型工艺，其典型的工艺流程见图l - 3 p h o r e d o x 工艺主要是在b a r d e n p h o 工艺前增加一个厌氧池。保证了磷的释放， 从而保证了在好氧条件下有更强的吸收磷的能力，从而提高了磷的去除效率。如 果无除磷要求，工艺前端增加的厌氧池也可作为生物选择器，来抑止丝状菌的繁 殖。 混合液回流 j - - 、出水 沉渺一 、一一一 台磷剩 余污泥 图1 3p h o r e d o x ( 五段) 工艺流程图 f i g 1 3p h o r d o x ( 5 一s e c t i o n ) t e c h n o l o g yf l o wc h a r t 1 3 9a 2 o 法： a 2 0 工艺是a n a e r o b i c a n o x i c o x i c 的简称。该工艺在a o 工艺的基础上增 设了一个厌氧( a n a e r o b i c ) 池。该工艺同时具有除磷和脱氨的功能。“厌氧”指 污水处理区内基本没有硝态氮( 其浓度小于0 3 m g l ，最好小于0 2 m g l ) ，溶解 氧( d 0 ) 浓度低于0 7 m g l ，最好是低于0 4 m g l ，“缺氧”指污水处理区内b o d 的代谢由硝态氮维持( ) ，其初始浓度不低于0 4 m g l ，溶解氧浓度低于0 7 m g l ， 最好是低于0 4 m g l 。该工艺流程见图1 4 王朋：生物脱氮技术在焦化废水处理中的应用 混合速凰流 进夺一震戛矗辱交i e 一一i 茏、一兰l ! ! 一 l 一 一， 回流污泥 含磷剩 余污泥 图1 4 工艺流程图a _ a o f i g 1 4 a - 鲥ot e c h n o l o g yf l o wc h a r t u c t 工艺：u c t ( u n i v e r s i t yo f c a p e t o w n ) 工艺是南非开普敦大学开发的一 种类似于a 2 0 工艺的一种脱氮除磷工艺。u c t 工艺与a 2 o 工艺的不同之处在于 沉淀池污泥是回流到缺氧池而不是回流到厌氧池，这样可以防止硝酸盐氮进入厌 氧池，破坏厌氧池的厌氧状态而影响系统的除磷效率，并增加了从缺氧池到厌氧 池的混合液回流。由于缺氧池向厌氧池回流的混合液中含有较多的溶解性b o d ， 而硝酸盐很少，为厌氧段内所进行的发酵等提供了最优的条件。为了使进入厌氧 池的硝态氮量尽可能少，保证污泥具有良好的沉淀性能( 回流比不能太小) ， c a p e t o w n 大学又开发了改良型的u c t 工艺，即将缺氧反应池分为两部分，第一缺 氧反应池接纳回流污泥，然后由该反应池将污泥回流至厌氧反应池。硝化混合液 回流到第二缺氧反应池，大部分反硝化反应在此区进行。此工艺最大限度地消除 了向厌氧段回流液中的硝酸盐量对摄磷产生的不利影响，优化了除磷效果，但该 工艺由于增加了缺氧段向厌氧段的回流，其运行费用较高。 1 3 1 0 膜生物反应器处理技术( m b r ) 膜生物反应器技术( m e m b r a n eb i o r e a e t o r 简称m b r ) ，是将膜分离技术与传 统的废水生物反应器相互有机地组合形成的一种新型、；高效的污水处理系统。 膜分离技术是指用天然的或人工合成的膜材料，以外界能量或化学位差等为 推动力，对溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。膜分离的特性与膜 材料的性质( 分离孑l 径的大小、亲水性等) ，及水溶液中溶质分子的大小、性质 以及推动力的类型、大小有关。根据膜的功能进行分类，膜可分为微滤( m f ) 、 超滤( u f ) 、纳滤( n f ) 、反渗透( r o ) 、电渗析( e d ) 、液膜( l m ) 、和渗透 蒸发( p v ) 等u ”。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 膜生物反应器技术通过超滤膜或微滤膜组件几乎以一种强制的机械拦截作用 将来自生物反应器的混合液中的固液进行分离，其分离效果优于传统活性污泥法 中二沉池的自由重力沉降的作用，由此强化了生化反应