（应用化学专业论文）BF填料接触氧化法化工综合废水脱氮研究.pdf

摘要 摘要 化工综合废水是一种高浓度的有机废水，污染物成分复杂，废水水量大， 且水质水量常有大的波动，水中污染物多是有害的有机物，对水体会造成严重 的污染。目前大部分化工综合污水采用传统的二级处理方法，对于氨氮的处理 效果较差，而生物接触氧化法近年来被广泛的应用于高浓度生活污水和工业废 水的处理。 本实验利用生物接触氧化法，采用新型b i o f r i n g e 填料对化工综合废水进行 了中试规模的脱氮实验研究。结果表明：工艺启动快、处理效果稳定、抗冲击 能力强、表观污泥产率低，并通过改变反应器的运行参数，确定水力停留时间、 进水碳氮比、污泥回流比及温度对c o d 卵b o d 5 、n h 3 n 及t n 等去除效果的 影响，选择了最优化运行参数。试验表明，水温是影响处理效果的重要因素； 在填料的c o d 。，、b o d 5 和n h 3 n 丝长去除负荷高达6 7 3 9 9 m d 、3 2 6 8 9 m d 和1 0 2 4 9 m d 的情况下，去除率仍为8 6 4 3 、9 5 5 5 和9 0 1 9 。 另外，本试验进行了模拟工况研究，试验表明中试的处理效果较好，这与 填料的良好性能有关。试验还发现了系统内发生了同时硝化反硝化现象，对此 进行了机理分析。 关键词：化工综合废水；b i o f r i n g e 填料；脱氮；中试 东北电力大学硕l ：学位论文 a b s t r a c t t h em i x i n gc h e m i c a lw a s t e w a t e ri so n ek i n do fh i g h l yc o n c e n t r a t e do r g a n i c w a s t e w a t e r , t h ep o l l u t i o nc o m p o n e n to fw h i c hi sc o m p l i c a t e d ，t h ev o l u m eo fw h i c h i sb i g ，m o r e o v e rm a n yp o l l u t a n t so fw h i c ha l eh a r m f u lo r g a n i cm a r e r ，w h i c hw i l l c a u s es e r i o u sp o l l u t i o nt ot h ew a t e rb o d y a tp r e s e n tt h em a j o r i t yo f m i x i n gc h e m i c a l w a s t e w a t e ru s e st h et r a d i t i o n a lt w ol e v e l so fp r o c e s s i n gm e t h o d ，w h i c hh a sw o r s e e f f e c t r e g a r d i n gt h en i t r o g e nr e m o v a l i nr e c e n ty e a r sb i o c o n t a c to x i d a t i o n p r o c e s s i n gi sw i d e l ya p p l i e dt oh i l g hc o n c e n t r a t i o nd o m e s t i cs e w a g ea n di n d u s t r i a l w a s t e w a t e rp r o c e s s i n g t h i se x p e r i m e n tw h i c ht r e a t i n gt h em i x i n gc h e m i c a lw a s t e w a t e rw i t hu s i n gt h e n e wb i o f r i n g ec a r t i e rb i o c o n t a c to x i d a t i o np r o c e s s i n ga n dt h e p i l o t - s c a l et e s to ft h e n i t r o g e nr e m o v a lw a ss t u d i e d t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ec r a f ts t a r t e dq u i c k l y ，t h e p r o c e s s i n ge f f e c tw a ss t a b l e ，t h es y s t e mh a ds t r o n gs h o c kr e s i s t a n c ea n dt h ey i e l d o b s e r v e ds l u d g e ( y o b s ) w a sl o w t h r o u g hc h a n g i n gt h ep a r a m e t e r so ft h er e a c t o r ，t h e i n f l u e n c eo fh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) ，c n ，r e c y c l er a t i o n ( r ) a n dt e m p e r a t u r e ( t ) t oc o d c r ，b o d s , n h 3 - na n dt nr e m o v i n ge f f e c t sw e r ei n v e s t i g a t e da n dt h eb e s t o p e r a t i o np a r a m e t e r sw e r ec h o s e n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et e m p e r a t u r ew a sa n i m p o r t a n tf a c t o rt ot h ep r o c e s s i n ge f f e c t w h e nt h ec o d c r ，b o d sa n dn h 3 nf r i n g e y a m r e m o v a ll o a d i n g sw e r eh i g hu pt o6 7 3 9 9 m d 、3 2 6 8 9 m da n d10 2 4 9 m d ，t h e r e m o v a le f f i c i e n c i e sw e r e8 6 4 3 、9 5 5 5 a n d9 0 19 m o r e o v e r , t h i se x p e r i m e n tc o n d u c t e do p e r a t i n gm o d er e s e a r c h ，t h ee x p e r i m e n t h a di n d i c a t e dt h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s s i n ge f f e c tw a sb e t t e r , t h i sc o n c e r n e dw i t ht h e g o o dp e r f o r m a n c eo ft h ec a r r i e r t h ee x p e r i m e n th a da l s od i s c o v e r e dt h a ti nt h e s y s t e m w h i c hh a dt h e p h e n o m e n o n o fs i m u l t a n e o u s n 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 n ( s n d ) ，a n dt h ep h e n o m e n o nw a si n v e s t i g a t e dt of i n dt h em e c h a n i s m o f n i t r o g e nr e m o v a l a b s t r a c t k e yw o r d s ：m i x i n g c h e m i c a lw a s t e w a t e r ；b fc a r r i e r ；n i t r o g e nr e m o v a l ； p i l o t - s c a l et e s t i i i 东北电力人学硕士学位论文 b o d s c o d 盯 n h 3 n t n n 0 2 二n n 0 3 - n t b p h d o s s m l s s h r t c n r t d o s s s n d y o b s 符号总表 五日生化需氧量 化学需氧量 氨态氮 总氮 亚硝态氮 硝态氮 总碱度 溶液酸碱度 溶解氧 悬浮物 污泥浓度 水力停留时间 碳氮比 回流比 温度 溶解氧 悬浮物 同步硝化反硝化 表观污泥产率 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上己属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名：! 塑：止日期：竺里! 年上月丛日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：生之止 导师签名：逝蕴 日期：丝星年立月j 生1 7 1 0 。2 m g l ，p 0 0 2 m g l ，承体就会营养化。水体中所含的氨氮，特别是 封闭水体中的氨氮最突出的危害是会造成水体的富营养化。水体富营养化后会 引起某些藻类恶性繁殖，一方面有些藻类本身有腥味会引起水质恶化使水变得 腥臭难闻，另一方面有些藻类所含的蛋白质毒索会富集在水产物体内，并通过 食物链影响人体的健康，甚至使人中毒。如海生腰鞭毛目生物( d i n o f l a g e l l a t a ) 的过度繁殖能使海水呈红色或褐色，即俗称“赤潮”；沟藻属( g o n y a u l a x ) 是形成 赤潮的常见种类，它们所产生的毒素会被贝类动物所积累，人体食用后会引起 严重的胃病甚至死亡。焉水体一旦富营养化没有几十年的时阀是很难恢复的， 有的甚至是无法恢复的。水体中大量的藻类死亡的同时会耗去水中所含的氧气， 从而引起水体中鱼虾类等水产物的大量死亡，致死湖泊退化、污泥化，甚至交 浅、变成沼泽地甚至消亡。 2 降低水体的观赏价值通常l m g 氨氮氧化成磷态氮耗4 6 m g 溶解氧。水 体中氨氮越多，耗去的溶解氧也越多，水体的黑臭现象就越发严重。这样就影 响了水体中鱼类等水产物的生存，使其易因缺氯而死亡。富营养化的水质不仅 又黑又臭，且透明度也差，仅有0 2 m ，往往影响了江河湖泊的观赏和旅游价值。 人们己无法在其中游泳、游览了，更观赏不到鱼类在其中嬉戏的情景，大大降 低了这些湖泊的利用价值。 3 危害人类及生物的生存当水体中的p h 值较高时，氨态氮往往里游离 氨的形式存在，游离氨对水体中的鱼及水生物皆有毒害作用。入体若饮用了 n 0 3 - n 10 m g l 的水，则可使人体内正常的血红强白氧化成高铁皿红蛋白，失去 第l 带绪论 血红蛋白在体内输送氧的能力，出觋缺氧的症状，尤其是婴儿。当人体高铁血 红蛋白大于7 0 时则会发生窒息现象。亚硝酸盐若长时闯作用于人体可致癌， 亚硝酸盐经水煮后还可造成浓缩，萁危害程度更大。亚硝酸盐与氨类作用生成 亚硝胺，对人体有强致癌作用，并能致畸胎。 4 增加污水处理的成本污水中n h 3 - n 的增加会增加污水处理的成本。以 氯气处理法计，出于氨氮会与氯作用生成氯胺，从而会增加氯消耗量，每增加 l g n h 3 - n 则需增加8 1 0 9 的氯气量。若以化学中和法、沉淀法处理，也会增加 化学沉淀剂的投入量。除此之外，氨还会与一些含铜及铜合金设备中的铜组分 反应弓l 起相关设备的腐蚀。 目前化工企业一般采用传统的二级处理工艺，该工艺只能去除b o d 5 和s s ， 硝化效果较差，氮的去除率仅为2 0 左右。化工综合废水中的氨氮含量一般在几 十至几百毫克每升，研究化工综合废水的脱氮具有重要的现实意义。 1 5 本课题研究的主要内容和目的 嚣前对生物脱氮工艺的研究多限于在实验室内进行入工配水试验，采用实 际废水进行的研究很少。因此，为使生物接触法脱氮工艺更好地应用于实际工 程，本论文是以中国石油某石化公司污水处理厂的化工综合废水为处理对象使 生物脱氮工艺具有现实意义。 本课题实验采用的填料为新型生物填料，因前国内对该填料的应用研究较 少。本实验将该填料魇于生物接触氧他法中进行现场中试实验，研究其对化工 综合废水的生物脱氮效果，并考察该填料的挂膜性能以及硝化液回流比和进水 负蔫等对脱氮效果的影响因素，以期通过试验研究为工程化应用提供参考。主 要通过比较控制h r t 、c n 、r 及t 等对生物脱氮的一系列影响因素，经过实验达 到以下目标：针对化工综合废水，能够成功地培养驯化生物膜；把握使污泥性 状良好的适警条件，使之对化工综合废水中的氨氮和总氮有明显的去除效果； 在给定进水浓度条件下实现最优情况；通过控制各项指标的变化，研究装有b f 填料的生物接触氧化法是否存在短程磷化反硝化和同时硝化反硝化及影响它们 发生的因素。 东北电力大学硕上学位论文 鼍舅嬲皇曼量量篁鼍黑燃皇量曼曼量舅燃i i ,i 1 l l i l l 曼曼皇量 第2 章生物脱氮原理及工艺 2 1 传统的生物脱氮 2 1 1 传统的生物脱氮原理 废水中的含氮化合物在微生物的作用下，糟继产生下列各项反应：有机氮 在氮化菌的作用下，分解转化为氨氮；氨氮通过硝化菌的作用转化为硝酸盐； 硝酸氮再通过反硝化蘸的作用还原成气态氮，从水中逸蹬【6 1 。传统生物脱氮通常 包括生物硝化和生物反硝化两个阶段，分别由硝化细菌和反硝化细菌完成。 氨化反应指在氨化菌的作用下，有机氮化合物脱氨基，生成氨气。如式( 2 1 ) 所示： 氮化菌 r c h n h 2 c o o h + 0 1 2 啼r c o o o h c 0 2 + n h 3g 1 ) 硝化反应包括两个连续而又分别独立的阶段，第一步为亚硝化过程，由亚 硝酸菌( 氨氧化菌或燕硝化菌) 将氨态氮转化为亚硝酸盐；第二步称为硝化过程， 由硝酸菌( 亚硝酸盐氧化菌或硝化菌) 将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐【1 5 】。亚硝 化过程是在好氧条件下，在亚硝酸菌的作用下，使氨( n h 4 + ) 转化为亚硝酸氮。 反应式为： 照硝酸菌 n h 4 十3 2 0 2 n 0 2 + n 2 0 + 2 h + - 2 7 8 4 2 i c l ( 2 。2 ) 亚硝酸蘸属于强好氧性自养细菌，剩用氨作为其唯一能源。硝化过程是亚 硝酸盐在硝化菌的作用下进一步转化成硝酸氮，反应式为： 硝酸蕴 n 0 2 + 1 2 0 2 _ n 0 3 。7 2 。2 7 k j( 2 3 ) 硝酸菌是以亚硝酸盐作为唯能源的特种翻养细菌。亚硝酸菌和硝酸菌通 称硝化菌，虽然有些异养生物也能进行硝化，但硝化中最主要的生物是亚硝酸 菌属和硝酸菌属。 第2 章生物脱氮原理及工艺 硝化反应的总反应式为： 硝化菌 卜m 4 1 。+ 2 0 2 n 0 3 + h 2 0 + 2 矿- 3 5 1 k j( 2 - 4 ) 硝化最佳p h 值为8 4 ，当p h 在7 8 8 9 范围时，为最佳速度的9 0 。当温度从 5 。c 提高至l j 3 0 时，硝化速度也随之不断增加，而剩余溶解氧大于1 0 m g l 就足以 维持这一反应【硒l 。硝化反应每氧化l g 氨态氮要消耗碱度7 1 4 9 ( 以c a c 0 3 计) ，每 还原l g i 肖酸盐氮就产生3 5 9 碱度( 以c a c 0 3 计) 【1 7 1 。 反硝化反应是在无氧或缺氧条件下，反硝化菌将n 0 2 和n 0 3 还原成n 2 的过 程，称为反硝化反应。反应式为： 反硝化菌 6 n 0 3 。+ 5 c h 3 0 h 5 c 0 2 + 3 n 2 + 7 i - 1 2 0 - i - 6 0 h ( 2 5 ) 反硝化细菌是由一群化能有机异养型微生物在厌氧或缺氧的条件下完成 的，它的主要作用是将硝酸盐或亚硝酸盐还原成气态氮( n o 、n 2 0 、n 2 ) 。反硝化 菌在自然界很普遍，多数是兼氧菌，在无分子态氧存在的环境下，利用硝酸盐 作为电子受体，有机物作为碳源和电子供体提供能量并被转化为c 0 2 和h 2 0 【1 8 1 。 2 1 2 传统的生物脱氮工艺 硝化和反硝化反应的进行是受到一定制约的，一方面，自养硝化菌在大量 有机物的存在下，对氧气和营养物的竞争不如好氧异氧菌，从而导致好氧异氧 菌占优势；另一方面，反硝化需要提供适当的电子供体，通常认为由于两菌对 环境条件的要求不同，两种反应不能同时进行，只能序列式进行，即硝化反应 在好氧条件下，反硝化在厌氧或缺氧条件下，从而导致了生物脱氮反应器的不 同组合，即将好氧区和缺氧区分开的分级硝化和反硝化工艺，或在两个分离的 反应器中进行，或在时间上造成交替好氧和缺氧环境的同一个反应器中进行硝 化与反硝化。 1 9 3 2 年，w u t m n a n n 【1 9 1 利用内源反硝化建立了后置反硝化工艺，废水进入前 面的好氧池以除碳和硝化，然后进入后面的缺氧池利用微生物细胞衰亡后释放 的二次性基质作为碳源进行内源反硝化。但是，内源反硝化效率很低，需要外 东北电力大学硕 ：学位论文 加碳源。而桥本工艺则利用进水通过旁路引入后面的缺氧池，为后置反硝化提 供碳源，提篱系统的脱氨效率。此工艺虽然提高了脱氮效率，工艺流程较为简 单，但出水中氮的形态为氨态氮和硝态氨，并且旁通废水流量很难控制，甚至 影响出水水质。 1 9 6 2 年l u d z a c k 和e t t i n g e r 利用迸水中的有机物为供氢体提出了前置反硝化 工艺。该系统由部分分离的2 个串联的反应器构成，利用混合作用，好氧段的硝 酸盐和污泥进入缺氧段丽被还原为。这种工艺能够利用废水中部分快速易降 解有机物作碳源，虽然可节约反硝化阶段外加碳源的费用，但是对氮的去除不 完全，废水和污泥循环比也较高。若想获得较嵩的氮去除率，则必须加大循环 比，能耗相应也增加，所以脱氨效率不理想。1 9 7 3 年b a r n a r d 结合前面两种工艺 又提出了a o ( a n o x i c a e r o b i cp r o c e s s ，即缺氧好氧法) 工艺，该工艺将缺氧 反硝化池和好氧硝化池完全分_ 丌，既保留t l u d z a e k e t t i n g e r - i - 艺前置反硝化的 优点，又克服了其混合不充分的弊端，脱氮效率大为上升1 2 0 。以后又出现了各 种改进工艺如u c t 、v i p i 艺等，这些工艺都是典型的传统硝化反硝化工艺。 c a r r o u s e l 氧化沟和三池式氧化沟工艺是利用空间的好氧、缺氧变化达到硝化、反 硝化脱氨的鼹的。w o u t e r s - - - w a s i a k 等人研究出爝氧化一还原电位实时控制生物脱 氨的新方法，这种方法利用氧化还原电位控制鼓风机的开与关，保证反应器内 的氧按要求去除碳和氮1 2 lj 。在生物膜脱氮方面，b j o mr u s t e n 等开发了一种能在 低温下有效脱氮的浮动床生物膜反应器，该反应器能在7 1 8 c 范围内有效地去除 氮【2 2 】。 2 2 脱氮研究新进展 匿前，含氮废水( 特别是低c n 废水) 生物脱氮处理所面临的最大阔题是碳源 不足，从而导致脱氮效果不佳。近年来，一些新的研究表明，自然界中存在着 多种新的氮素转化途径，如好氧反硝化、异养硝化、厌氧氨氧化或者由自养硝 化细菌引起的反硝化【2 3 l ；硝化过程不仅由自养蔼完成，某些异养菌也可以参与 硝化作用；某些微生物在好氧条件下也可以进行反硝化作用；氨氧化也可以在 厌氧条件下发生等。 传统的生物脱氮途径被认为硝化反应和反硝化反应这两个过程不能同时发 第2 章生物脱氮原理敷t 艺 i i 一一 。 一 i i 黑篡舅量曼e 舅鼍黑篡皇量曼罾暑 生，然而，生物脱氮技术新的发展却突破了传统理论的认识，近年来国内外学 者对污水生物脱氮工程实践中的闯题和现象进行了大量理论和试验研究，并提 出了一些新的观点和方法，其中短程生物脱氮法和同时硝化反硝化颇受重视， 具有重要的应用价值。 2 2 1 短程硝化一反硝化生物脱氮 短程硝化一反硝化生物脱氮( s h o r tc u tn i t r i f i c a t i o n - d e r f t r i f i c a t i o n ) ，也称篱捷 硝化或亚硝酸型硝化。 生物脱氮需要经过硝化和反硝化2 个过程。当反硝化以n 0 2 一作为电子受体 时，生物脱氮过程称为短程硝化反硝化过程，其基本原理是将硝化过程控制在 亚硝酸盐阶段，造成大量的亚硝酸根累积，然后进行反硝化【i5 1 。实现短程硝化 主要基于以下理由：硝化反应由硝酸蓠和亚硝酸菌相互配合完成，至今尚未发 现有一种细菌能直接把n h 4 + 转化为硝酸根，同时硝酸菌和亚硝酸菌在对环境因 素的敏感性和动力学参数上存在差异，因此硝化的两个步骤可以分离；豫硝酸 根和硝酸根都可作为反硝化的基质，使n h 4 + _ 喇0 2 n 2 型的短程硝化反硝化成 为可能。短程硝他的标志是持续稳定的亚硝酸根的累积，要求硝化产物中n 0 2 ( n 0 3 一+ n 0 2 。) 值至少大于o 5 t 2 射。短程生物脱氮具有以下特点：对于活性污 泥法，可节省氧供应量约2 5 ，降低能耗；节省反硝化所需碳源4 0 ，在碳 氮比一定的情况下提高礅去除率；减少污泥生成量( 硝化过程可少产污泥3 3 3 5 左右，反硝化过程中可少产污泥5 5 左右) ；减少投碱量；缩短反 应时间，反应器容积可减少3 0 - - 4 0 左右；具有较高的反硝化速率( n o a 。的 反硝化速率比, n 0 3 - 的高6 3 左右) 。因此这一方法重新受到了人们的关注【2 5 】。 影响亚硝酸盐积累的主要因素有：游离氨( f a ) 浓度、d o 、温度、州、污泥 龄及有害物质等。研究发现f a 对亚硝酸菌和硝酸菌有抑制作用，但f a 对硝酸菌 的抑制浓度远小于亚硝酸菌的抑制浓度，当f a 的浓度介于两者之间时，亚硝酸 菌能够正常增殖和氧化，硝酸菌被抑制，系统发生亚硝酸的积累；在低d o 下亚 硝酸菌能大量积累；全程硝化反应适宜的温度为2 0 - - - 3 5 c ，低于1 5 。c 硝化速率 降低，对于短程硝化脱氮反应，温度只有在高于2 8 c 时具有比较好的稳定性， 亚硝酸菌的适宜p h 在7 o 8 5 ，而硝酸菌的适宜p h 在6 0 - - 7 5 ，当p h 大于8 时利 东北电力人学硕上学位论文 i ii i i i i i i i 于亚硝酸根积累谬j 。 到目前为止，经n 0 2 途径实现生物脱氮成功应用的报道还不多见。这主要 是出于影响n 0 2 一积累的控制因素比较复杂，并且硝化菌能够迅速地将n 0 2 。转化 为n 0 3 一，所以要将n h 4 + 的氧化成功地控制在亚硝酸盐阶段并非易事。目前比较 有代表性的工艺为s h a r o n i 艺【2 6 】。s h a r o n ( s i n g l er e a c t o rh i 曲a c t i v i t y a m m o n i u mr e m o v a lo v e r n i t r i t e ) i 艺是由荷兰d e l f t 技术大学于1 9 9 7 年开发的 团j 。英基本原理是简捷硝纯一反硝纯，即将氨氮氧化控铡在亚硝化阶段，然后 进行反硝化弘引。该工艺利用了亚硝化菌和硝化菌不同的生物速率，在3 0 - - 3 5 下，亚硝化藏的生长速度大于硝化菌的生长速度，前者的最小停留时间小于后 者。s h 削姆i n 工艺把系统停留时间控制在这两个最小停留时间之间，使亚硝化 菌浓度上升，硝化菌被慢慢地自然淘汰，从而使n 0 2 。有稳定的积累，然后进行 反硝化i 驯。 2 。2 2 同时硝化一反硝化生物脱氮 同时硝化反硝化( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n ，s n d ) 是指在 低氧条件下，一个反应器同时存在硝化作用和反硝化作用，从两可以一步达到 污水脱氮的效果。同时硝化反硝化的机理可以从物理学、生物化学和微生物学 等多重角度来分析。微环境理论认为由于好氧工艺中厌氧性微环境的存在，使 得对于好氧反硝化的现象，即使从传统硝化反硝化理论的角度解释也可以理解。 中间理论认为在好氧硝化反硝化过程中产生了中间产物n o 。和n 2 0 作为气体逸 出，构成了好氧条件下一部分总氮的损失，但这一部分实际上并不是反硝化脱 氮。微生物理论认为是由于好氧反硝化菌的存在，近年来，发现了许多好氧反 硝化菌，这些好氧反硝化菌同时也是异氧硝化萤。正因为如此，能够直接把氨 转化为最终气态产物f 3 0 】。 使用同时硝化反硝化技术可大大节省设各费用，通过优化条件还可节约供 氧量与碳源，减少动力耗费与药剂费用 3 。与传统的生物脱氮工艺相比，具有 其独特的优越性：硝化反应的产物可直接成为反硝化反应的底物，避免了培 养过程n 0 2 。和n 0 3 。的积累对硝化反应的抑制，加速了硝化一反硝化反应的进程； 无需酸碱中和，反硝化反应释放出的o h 。可部分补偿硝化反应所消耗的碱，能 第2 章生物脱氮原理及t 艺 mli l l i i h 一 皇量量量 使系统中的p h 值相对稳定；硝化反应和反硝化反应可在相同的条件和系统下 进行，可简化操作的难度，大大降低投资费用和运行成本f 3 2 1 。研究表明，影响 s n d 的因素有d o 浓度、污泥絮体结构及污泥有机负荷等【3 3 1 。 目前，对s n d 生物脱氮技术的研究主要集中在氧化沟、序列式等反应器系 统。 东北电力大学颁十学位论文 皇鼍量嬲皇皇曼舅篡皇曼皇篡麓曼量曼孽i_ 。 i i i i i 量皇璺黑皇曼量鼍嬲皇曼量璺毫曼曼舅嚣薯 第3 章试验设计 本试验是在中国石油某石化公司污水厂进行了中试规模的试验，实验采用 了新型填料用生物接触氧化法进行了化工综合废水的脱氮研究，以期通过试验 研究为工程化应用提供参考。 3 1 实验装置、工艺流程及仪器 3 。 。1 试验装置 整个实验装置由一个铁制长方形的反应器和一个铁制的沉淀池组成。反应 器分为六个大小相同的廊道。其中，前两个廊道为缺氧池( 分别为a l 池和a 2 池) ，后两个廊道为好氧池( 分别为o l 池、0 2 池、0 3 池和0 4 池) 。长方体反 应器的尺寸2 4 m 3 6 m 2 7 m ( 长宽离) ，总体积2 3 3 m 3 ，每个廊道的尺寸为 2 4 m x 0 6 m 2 。7 m ( 长宽高) ，体积为3 9 m 3 。沉淀池为竖流式沉淀池，直径 1 5 m ，圆柱体高1 7 m ，锥体高o 8 m ，总高2 5 m ，体积为1 1 5 i n 3 。 l 一迸水泵2 一转子流量计3 一内循环泵4 一污泥回流泵 图3 - l 工艺流程图 第3 章试验设计 图3 - 2 爱应器俯视隧 3 1 。2 工艺流程 原水从配水井经潜水泵泵入a 1 池，在这里和来自好氧池0 4 池的硝化液充 分混合，依靠循环水流使进水和硝化回流液完全混合并在全池循环流动。由于 兼性脱氮菌的作用，利用水中c o d 嚣作为氢供给体( 有机碳源) ，将来自好氧池 混合液中的硝酸盐及亚硝酸盐还原成氮气排入大气，达到n h 3 - n 的无害化降解， 同时利用厌氧生物处理反应过程中的产酸阶段，一些复杂的大分子稠环化合物 在产酸菌的作用下被分解成低分子有机物，改善污水的可生化性能，有利予后 续好氧池的进一步处理。 进行初步反硝化后，a l 池出水依靠重力依次流入a 2 池，进行进一步反硝 化，再在0 l 池、0 2 池、0 3 池和0 4 池一方面完成缺氧渣出水剩余有机物的氧 化，另一方面通过好氧硝化菌的作用将n h 3 - n 转化为硝酸盐。 1 经0 4 池处理后的出水流入沉淀池，沉淀池泥水分离后出水排放，下部沉 淀污泥回流到a 1 池以提供反硝化所需要的硝酸盐。 根据污水厂多年的实际运行经验，硝化液和污泥分别单独回流至厌氧池与 仅回流污泥对本厂水质具有同样的处理效果，故本工艺只回流了剩余污泥。 试验所采用的b f 填料规格为0 1 0 0 m m x l 5 0 r a m ( 直径高) ，每根填料有 东北电力大学硕士学位论义 曩皇舅黼皇罾量舅嬲舅曼量嬲皇曼曼舅寰皇量量黑葛量量皇黑曼曼曩ii 皇曼量鼎笪曼曼笪舅量曼置舅舞曼曼鼍燃皇曼曼攀蔓曼量量黼皇量暑鼍嬲詈曼皇黑皇量 2 6 4 根纤维丝构成，每掇填料出中心绳固定在铁架子上置于反应器中。整个反 应器共放置了总长为1 9 5 m 的填料，a 1 池放置了长度为7 5 m 的填料，0 1 池放 置了长1 2 0 m 的填料，则整个反应器的填料负荷为8 3 6 m m 3 。 a i 池和a 2 池中间各装一台搅拌机，使厌氧池搅拌均匀。由于a 1 池两端 均放置了铁架子，无法装搅拌机，因此在a l 池出翻处设置水循环泵，将a l 涟 的出水分别循环至两个铁架子的底部，用水搅来加强a l 池的搅拌作用，避免 死角的产生。每个好氧池的池底设置了直径为1 0 0 m m 、长度为2 3 m 的曝气管， 采用全面曝气的方式，气源由污水厂提供。试验过程中，在搅拌机、水循环泵 和曝气管的作用下，缺氧池和好氧池各自进行单元内水力循环。水力循环的扰 动，不但强化了反应器的传质效果，也使得b f 填料进行一定程度的抖动，以 保证生物膜具有较高的活性。 3 1 3 实验设备 试验所用设备见表3 1 。 表3 1 实验主要设备 设备及仪器名称型号 进永泵 内循环泵 污泥回流泵 玻璃转子流量计 气体流量计 w q d 6 1 0 - 0 3 7 ( 浙江大元泵娩有限公司) w q d i 5 1 2 - 0 。2 5 ( 浙江久元泵韭有限公司 4 0 b z 6 1 5 ( 浙江人元泵业有限公司) l z b 一2 5 f ( 常州市环球南方仪表有限公司) l z b 2 5 ( 天津流量仪表有限公司) 3 1 4 实验仪器 试验所用主要仪器见表3 2 。 第3 章试验设计 表3 - 2 实验主要仪器 设舔及仪器名称 型号 精密酸度计 精密电子天平 分光光度计 紫外可见分光光度计 可调试万用电炉 不锈钢手提式压力蒸汽灭菌器 溶解氧测定仪 h a n n a p h 2 1 1 f a l 0 0 4 n 7 2 1 7 5 2 4 1 0 0 0 w y x q s g 4 6 - 2 8 0 8 y s i i 型 3 1 5 实验试剂 试验用的主要试剂为： 硫酸银，化学纯； 硫酸汞，化学纯； 碳酸钠，化学纯； 硫酸铵，化学纯： 氯化铵，化学纯； 硫酸，p = l 。8 4 9 m l ； 盐酸( 0 0 1 m o l l ) ； 氢氧化钠( 3 0 0 9 l ) ； l 淀粉溶液； 。 试亚铁灵指示剂； 酚酞指示剂； 甲基橙指示剂； 轻质氧化镁( 不含碳酸盐) ； 戴式合金( c u ：z n ：a l = 5 0 ：5 ：4 5 的粉剂) ； 重铬酸钾标液：( o 1 0 0 0 m o l l ) 称取4 9 0 3 2 9 烘干2 小时的重铬酸钾溶于 1 0 0 0 m l 永中； 东北电力大学硕十学位论文 硫酸亚铁铵标准滴定液( o 0 5 m o l l ) ：用分析天平称取2 0 9 含六个结晶水 的硫酸亚铁铵溶于5 0 0 m l 水中，加入2 0 m l 浓硫酸( h 2 s 0 4 ) 。冷却到室温艨， 稀释到1 0 0 0 m l ，摇匀： 碱性过硫酸钾溶液：称取4 0 9 过硫酸钾k 2 $ 2 0 8 ，另称取1 5 9 氢氧化钠n a o h 溶予水中稀释至1 0 0 0 m l ，溶液存放在聚乙烯瓶内最长可贮存一周； 硝酸钾标准贮备液( 1 0 0 m g l ) 硝酸钾k n 0 3 在1 0 5 - l1 0 ( 2 烘箱中于燥3 h ， 在干燥器中冷却后称取0 7 2 1 8 9 溶于水中移至1 0 0 0 m l 容量瓶中用水稀释至标 线，在o 1 0 4 c 暗处保存或加入1 - - 一2 m l 三氯甲烷保存可稳定6 个月； 硝酸钾标准使用液( 1 0 m g l ) ：将贮备液用水稀释l o 倍露褥使用时配制； 纳氏试剂：称取1 6 9 氢氧化钠( n a o h ) 溶于5 0 m l 水中冷至室温，称取7 9 碘化钾( k i ) 和1 0 9 碘化汞( h g l 2 ) 溶于水中，将此溶液在搅拌下缓慢地加入到氢氧 化钠溶液中并稀释至1 0 0 m l 贮于棕色瓶内用橡皮塞塞紧于暗处存放，有效期可 达年； 铵氮标准溶液：称取3 8 1 9 9 氯化铵( n h 4 c 0 在1 0 0 , - - - , 1 0 5 。c 干燥2 h ，溶于水 中移入1 0 0 0 m l 容量瓶中稀释至刻度； 铵氮标准使用溶液：吸取10 0 0 m l 铵氮标准溶液于10 0 0 m l 容量瓶中稀释 至刻度临用前配制； 硫代硫酸钠溶液：称取3 5 9 硫代硫酸钠( n a 2 s 2 0 3 或n a 2 s 2 0 y 5 h 2 0 ) 溶予水 再稀释至10 0 0 m l ； 磷酸盐缓冲溶液：将8 。5 9 磷酸二氢钾( k h 2 p 0 4 ) 、2 1 7 5 9 磷酸氢二钾 ( k 2 h p 0 4 ) 、3 3 4 9 七水磷酸氢二钠n a 2 h p 0 4 7 h 2 0 和1 7 9 氯化铵( n i - 1 4 c 1 ) 溶于约 5 0 0 m l 水中稀释至1 0 0 0 m l 并混合均匀。 3 。2 实验原料 3 2 1 实验用水 某石化公司污水处理厂主要有生产染料、表面活性剂、氨基酸中间体、乙 二醇等的工业废水以及该市某区的生活污水，水质成分复杂，毒性大。其中生 第3 章试验设计 活污水约占总水量的3 3 ，酸性废水约占1 7 ，有机废水约占5 0 。试验用水 取自该厂四系列配水井，为该厂经格栅、水解酸化池的出水，其水质指标如表 3 3 所示： 表3 - 3 废水水质 对原水分析结果：b o d 5 c o d 。r - 0 2 3 6 - 0 9 5 8 ，基本可满足生化需求。 3 2 2 接种污泥 取该污水处理厂四系列配泥井的剩余活性污泥为接种污泥，污泥外观呈棕 褐色，菌胶团松散，沉降性能好。污泥浓度( m l s s ) 大约为4 9 l 。 3 2 3 实验所用填料 图3 - 3b f 填料 该实验所用填料为日本n e t 株式会社生产。生物b i o f r i n g e 填料( 简称b f 填料，填料如图3 - 3 所示) 是由直径3 m m 、长1 0 0 m m 的多股线组成的单纤维 的填料。f r i n g e 纤维其材质是亲水性的丙烯纤维，这个材料是把热阻不同的3 东北电力人学硕上学位论文 根线根据部分溶融技术徽成了呈弧形的空隙很大的纤维。每根纤维丝由三根较 细的纤维丝组成，后者由许许多多烫细的纤维丝构成。纤维丝与普通填料不同， 自外而内由疏到密。竖向由一根强度为2 0 0 k g m 2 的中心绳连接，中心绳上每隔 一定距离水平方向设有纤维丝，上下两根纤维丝偏转一定的角度，在空间呈立 体分布。f r i n g e 纤维，根据空气流速与水流在纤维丝的平衡位置附近不停上下 摇动，增强传质效果，且使附着在填料上的过剩生物膜均匀脱落，表面总保持 一定的高活性的微生物f 3 。 3 3 试验监测项目及方法 3 3 ，1 整测项目 试验的主要分析指标为：c o d e r 、b o d 5 、s s 、n h 3 - n 、n 0 3 、n o ；、t n ， 同时对进出水的p h 、碱度、溶解氧( d o ) 等项题进零亍了监测。 3 ，3 2 分析方法 试验各项指标的测定主要以国家环境保护总局水和废水监测分析方法 ( 第四版) 1 4 2 j 为参考，测定方法如下： 3 3 。2 1b o 隗采用稀释与接种法。 3 3 。2 。2 瓯，采用重铬酸钾法。测c o d 科的国标法需回流2 h ，时阆过长。故采 用与国标法等同测定方法，回流时间仅需5 分钟。具体步骤为取5 m l 水样子 2 5 0 m l 的磨口锥形瓶中，然后加入硫酸汞o 3 9 ，用它来消除氯离予的干扰，再 加入5 m l 浓硫酸，摇匀，使汞溶解。最后加入1 0 m l 的0 1 m o l l 重铬酸钾，1 6 m l 浓硫酸，o 。3 9 硫酸银，加热煮沸5 分钟。冷却后，用少许水冲洗冷却器，取下 三角瓶再加水1 0 0 m l ，冷却至室温。加入三滴试亚铁灵指示荆，用以标定过的 硫酸亚铁铵标准溶液滴定到溶液由黄色经蓝绿色到红褐色，即为终点。 3 3 2 3 t b 采用滴定法。取水样1 0 0 m l ，用0 0 1 m o l l 的盐酸滴定至p h = 6 ，通 过消耗盐酸的量计算出水样的碱度。 第3 章试验设计 3 3 2 4p h 采用精密酸度计h a n n a p h 2 1 1 。 3 3 2 5d o 采用溶解氧测定仪y s i i 型测定。 3 3 2 6i n 采用过硫酸钾氧化法。 3 3 2 7n h 。一n 采用蒸馏和滴定法，g b 7 4 7 9 8 7 。 3 3 2 8n 0 3 一n 采用戴氏合金还原法。 3 3 2 9n 0 r _ n 采用n - ( 1 萘基) 一乙二胺光度法，g b 7 4 9 3 8 7 。 3 3 2 1 0s s 采用重量法。 3 3 2 1 lt 采用水银温度计测定。 2 3 东北电力大学硕士学位论文 第4 章试验结果及分析 4 1 工艺的启动 工艺的启动采用连续进水的动态自然培养挂膜方式。取污水处理厂的活性 污泥和四系列配水井的化工综合废水按1 2 ：1 的比例投入长方体反应器，初始的 污泥浓度为7 8 8 9 i n ，浸泡2 4 小时后，再闷曝1 2 小时。然后开始在h r t 为2 8 h 、 进水流量q 为o 8 3 m 3 h 的条件下连续进水进行实验。 挂膜期间的工况为：水量为o 8 3 m 3 h ，h r t = 2 8 h ，c o d ：1 0 8 - - 5 4 3 m g l ， n h 3 n ：5 4 1 9 8 9 m g l ，原水p h ：7 1 - - - 8 0 ，t ：2 0 - - 2 4 ，a 1 、a 2 池d o 0 5 m g l ，0 1 池d o ：4 - - - 5 m g l ，0 2 池0 4 池d o ：2 - - 5 m g l 。 连续进水2 0 天后，对c o d 。，和n h 3 - n 的去除率分别达到了7 0 和6 0 以 上，我们认为挂膜成功。此时细菌已经附着在填料上并形成生物膜，镜检发现 a 1 池填料上有黑色生物膜生成，0 1 池填料上有棕褐色的生物膜生成，工艺启 动较为顺利。 挂膜成功后0 1 池填料上的膜如图4 1 所示。 图4 。1 挂膜前后o l 池填料的对比图 第4 章试验结采及分析 皇曼曼燃笪笪蔓量嬲篡曼曼量鼎篁皇曼曼皇皇量量量冀皇量舅鼍黑i ii皇i量鼍曼嬲鲁墨甍 4 2 运行控制要点 4 2 1h r t 对c o d 钟、b o d 5 和n h 3 - n 的去除效率的影响 在水处理设备体积不变的情况下，进水流量直接影响到水力停留时间， 而h r t 是一个重要参数。当h r t 过短，回流污泥中的硝态氮不能充分反硝化， 影响出水效果；当h r t 过长，能够得到较好的处理效果，但阍时会增大构筑物 体积从而提高成本，因此通过试验研究确定最佳停留时间是非常必要的。 在水力停留时间分别为2 8 h 、2 4 h 、2 0 h 、1 6 h 即进水流量分别为0 8 3 m 3 h 、 0 9 7 m 3 h 、1 17 m 3 h 、1 4 7 靠m 的情况下，考查系统对c o d 。，、b o d 5 和n h 3 - n 的去除效率。为了检验b f 埃料的性能，本文去除污染物负荷的计算用填料丝 长负荷。采用此种负荷比用传统的容积负荷更能客观反映填料对于污染物的去 除效果。我们定义该负荷为单位填料长度上，在单位时间内能够去除的污染物 朐量，单位是g m d 。所有实验都是在a 1 、a 2 渣d o 1 3 时，氨氮的去除率为1 0 0