（环境工程专业论文）高强度好氧生物反应器运行特性及处理高浓度有机废水的研究.pdf

江南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to f m o d e m i n d u s t r y ，t h ea m o u n t s a sw e l la st y p e so f p o l l u t a n t si s b e c o m i n gm o r ea 1 1 dm o r e ，t h u st h ec o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ep m c e s sc o u l dn o ts a t i s f i e dt h e e l e v a t i n gr e q u i r e m e n t so f w a s t e w a t e rt r e a t m e n t s i nt h i ss t u d y ，d e v e i o p m e n ta n da p p i i c a t i o no f h i 曲r a t ea e r o b i cr e a c t o rw h i c hh a st h em o s te x t e n s i v er e c o g n i t i o ni nt h ew a s t e w a t e rc o n t r o lf i e l d w a si n v e s t i g a t e d b a s e do nt h ed o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a ls t u d j e s ，ak i n do f a e r o b i cj e t l o o pc o m p a c tr e a c t o r ( j l c r ) w a sd e s j g n e d ，a n dw a st a k e ni ti n t oo p e 阳t i o nf o ra i m o s tt w oy e a r s j l c rc o v e r e da l l c h a r a c t e r i s t i c so f j e t t i n ga e r a t i o n ，n u i d i z e db i o b e da n dd e e ph 0 1 ea e r a t i o ne t c ， t h e r e f o r ei t c o u l df u n d a m e n t a l l ys o l v et h ep r o b l e mo fs u b s t r a t e t r a n s f e ra n dt h e nc o u l dg a i nh i g h e r m a s s t r a n s m i s s i o ne m c i e n c y ，i a r g e rv o l u m e t r i cl o a d i n gr a t e ( v l r ) ，s t m n g e ro p p o s i t i o no f s u d d e nl o a d i n gr a t e ，s t e a d ye f f e c t s ，a n de t c d u r i n gt h et r e a t m e n to fp h a r m a c e u t i c a lw a s t e w a t e rw i t hj l c r ，ag o o dc o dr e m o v a l e m c i e n c yo v e r7 5 w i t ht h ei n f l u e n tc o dc o n c e n t m t i o no f 8 0 0 0m lc o u 】db eo b s e r v e dw h e n t h ei n f l u e n tc o dc o n c e n t r a t i o nw a sv a r y i n gf 而m4 0 0 0t o1o o o om l ，t h ee 用u e n tc o n c e n t r a t i o n w a sa l w a y sk e p tb e l o w2 0 0 0m g ，l a tt h es a m et i m e ，t h er e a c t o rc o u l dw i t h s t a l l daw i d er a n g eo f t e m p e r a t u r ea n dp hc h a n g e s ，a n ds h o w e das t e a d yp e r f o r m a n c e a tt h ei n n u e n tc o d c o n c e n t r a t i o no f4 0 0 0m g l ，t h er e a c t o rc o u l dr e a c h e dav l ro f2 2g c o d ( l d ) ，w h j c hi st e n t i m e sl a r g e rt h a nt r a d i t i o n a la e m b i cm e t h o d sa n di ss u i t a b l ef o rt h ep r e t r e a t m e n to fh i g hs t r e n 垂h a n dw e i lb i o d e g r a d a b l ew a s t e w a t e lh o w e v e r t h er e a c t o rc o u l d n te f f e c t i v e l yr e d u c en h 4 + 一n b e c a u s eo fe x c e s ss u b s t r a t ea n dh 培h e rv l r b e s i d e s ，t h ea c t i v a t e ds u d g eg o tah i g h e ra c t i v i t y ， l o w e rp r o d u c t i o nr a t ea n dl a 唱e rm l s sl e v e lo f8k l ，a n dt h eo u rt e s ta l s os h o w e dah i 曲e r v a l u et h a nt h a to f t h eg e n e r a la c t i v a t e ds l u d g e t h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n ss u c ha sa e r a t i o nr a t ea n dr e c i r c u l a t i o nf l o wr a t e w e r es t u d j e da n d t h eo p t i m a lv a l u eu n d e rc u r r e n to p e r a t i o nc i r c u m s t a n c e sw e r e9 m i ，ha n d4 m 3 h ，r e s p e c t i v e l y w i t ht h ec o r r e s p o n d i n gv l ro f1l k g c o d ( l d ) i na d d i t i o n ，t h er e c i r c u l a t i o ns i t u a t i o naj s o a 仃e c t e dt h ed i s s o l v i n ga b i i i t yo f o x y g e n a b o v ea l l ，j l c rc a nr e a c hab e t t e rp e r f o 肿a n c et h a nc o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ep m c e s s a n dw i l ls h o wb e t t e ro x y g e n n l l i n ga b i l i t yg i v e nt h ea d d i t i o no ft h r o a t s h a p ep i p e t h es i z eo f j e t m u z z l eh a da ni m p o r t a n te 矗e c to nt h eo x y g e n 一行i l i n ga b i l i t yo ft h ew h o l er e a c t o la n do x y g e nw a s n l l e dm o r ee f 琵c t i v e l yw “ht h ed e c r e a s i n go f t h em u z z l es i z e k e y w o r d s ：j e t i o o pc o m p a c tr c t o r ；j e ta e r a t i o n ；a c t i v e ds l u d g e ； h i g hs t r e g hw a s t e w a t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。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过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：耍率且i l日期：沙影年月咖 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 导师签名：卫圣垒：氐导师签名：上垄丝：坠 日期：卯口多年月乃日 第一章绪论 第一章绪论 由于人口的快速增加、社会经济的不断发展，不仅对用水的需求量大大增加，而且 污水的排放量亦与日俱增，而建造新污水处理设施所需土地面积相对不足，并且目前能 耗短缺；此外，随着化学工业的发展和化学品的广泛使用，大量的人工合成有机化合物 进入环境，无论生活污水还是工业废水中有机污染物质种类和数量都在不断增多川。同 时，传统的活性污泥法在处理的多功能性、高效稳定性和经济合理方面已难以满足不断 提高的要求。为了缓解这一矛盾，开发、研究和应用新型高效废水生物处理工艺，已成 为世界各国水污染控制工程领域研究的重要课题，这对于全国工业废水的处理具有极高 的实用价值和现实意义。 1 1 好氧生物处理技术的发展 好氧生物处理是污水处理的主要方法和最常用的手段，其原理是在有游离氧存在的 条件下，利用好氧和兼性异养菌的生命活动来氧化分解污水中的污染物质，使其稳定、 无害化的处理方法。微生物利用废水中存在的有机污染物( 以溶解状和胶体状为主) ， 作为营养源进行好氧呼吸代谢。这些高能位的有机物质经过一系列的生化反应，逐级释 放能量，最终以低能位的无机物质稳定下来，达到无害化的要求，以便返回自然环境或 进一步处置。 有机物+ 氧+ 微生物 ( c 、o 、h 、n 、s 、p 合成 原生质( 微生物增长) s 0 4 2 c 0 2 、 _ + 执 l 斗随水排出 图1 1 好氧生物处理过程中有机物转化示意图 f i gl la e r o b i cb i o l o g i c a l 仃e a n n e n to f o 唱a n i cw a s t e s 8 0 可降解 ， 2 0 不可降解 废水好氧生物处理的最终过程可用图1 1 表示【2 1 ，如图所示，有机物被微生物摄取后， 通过代谢活动，约有三分之一被分解、稳定，并提供其生理活动所需的能量；其余三分 之二被转化和合成为新的原生质( 细胞质) ，即进行微生物自身生长繁殖。而后者就是 废水生物处理中的活性污泥或生物膜的增长部分，通常称其剩余活性污泥或脱落的生物 江南大学硕士学位论文 膜。在废水生物处理过程中，生物污泥经固液分离后，还需进行进一步处理和处置。 好氧生物处理的反应速度较快，所需的反应时间较短，故处理构筑物的容积较小。 所以，目前对中、低浓度的有机废水，基本上采用好氧生物处理法。在废水处理工程中， 好氧生物处理技术有活性污泥法工艺和生物膜法工艺两大类【3 】。 近三十年来，随着对好氧生物反应和净化机理的广泛深入研究，以及在生产应用技 术上的不断改进和完善，好氧生物处理技术在提高污水处理效能，强化和扩大活性污泥 法的净化功能，以及开展脱氮、除磷方面的研究有了很大的发展。同时，对采用化学法 与好氧生物法相结合的处理方法，净化含有难降解有机物污水，也进行了探索。表1 1 列出几种近年来开发的废水好氧生物处理新工艺及其特征。 随着现代工业特别是石油化学工业的发展，废水的种类和组成变得越来越复杂， 已有的处理技术经常受到来自各方面要求的挑战。活性污泥法作为废水生物处理技术中 历史最长，工业化实践最多，操作运转经验最丰富的技术，其主要的优点表现在它能以 相对合理的费用得到优良的出水水质。而其缺点越来越受到人们的关注，这些问题包括： 占地面积过大与目益紧张的城市化用地问题相矛盾；处理过程中存在臭味、产生大量剩 余污泥，以及对废水中氮、磷等去除率不理想，与日益严格的环境质量标准相矛盾；相 对能耗较高，与能源的紧张相矛盾；随着产生废水数量日益增加且废水中所含污染物种 类日趋复杂化，工艺超负荷运行及运转，易出现不稳定现象 4 】。 为适应废水处理发展的要求，必须不断改进原有的活性污泥工艺，并开发出新的工 艺流程：改进曝气技术和好氧生物固定技术以提高污水处理效果，一直是好氧生物处理 领域的主要研究内容。合理的池型和高效的曝气充氧装置，是保证高负荷、高传质，实 现对污染物高效处理的技术关键。好氧生物处理技术的发展趋势主要表现在以下几个方 面。 ( 1 ) 开发各种具有高生物相浓度、高传质速度的新型反应器，有效提高微生物降解 转化污染物的能力。提高氧的传质效率，使其能够维持高负荷条件的运行方式，减少反 应器容积和占地。 ( 2 ) 发展各种耐水量、水质、毒物、p h 等冲击能力强的处理工艺，提高出水水质的 稳定性。生物处理法的特点之一是微生物对水质环境变化的反应比较灵敏，受冲击后所 需的恢复时间较长。如通过工艺设计，降低各种冲击负荷对处理效果造成的影响，对提 高处理效率和处理稳定性都有所帮助 ( 3 ) 微生物的悬浮生长方式与附着生长方式相结合，在同一反应器中利用悬浮和附 着生物的共同作用，可维持微生态系统的生物多样性。 第一章绪论 表l 一1 废水好氧生物处理新工艺及特点 1 h b l e l ln e wp r o c e s so f a e r o b i cb i o l o g i c a i t r e a t m e n ta n dc h a r a c t er i s i i c s 工艺名称类型主要特点 s b r 工艺 活性污泥法批量进水，程序化间歇操作，适_ _ j 于高浓度有 机废水处理。通过调整运行条件，具有脱氮除 磷功能。 a b 工艺活性污泥法 吸附与生化降解两段串联，耐负荷与毒物冲击 能力强，处理效果稳定。 深井曝气法活性污泥法深井或塔式曝气池，占地面积小，氧利用率高， 处理效果不受气候条件影响。 d 型氧化沟活性污泥法流态介于推流式和完全混合式之间，好氧与厌 氧交替操作，脱氮除磷效果明显。 a o 工艺活性污泥法缺氧、厌氧和好氧工艺组合，适于处理高浓度 有机废水，具有脱氮处理功能。 膜生物反应器活性污泥法用膜分离装置代替二沉池，将水力停留时间和 污泥停留时间分离，有利于世代时间长的菌体 在反应器内积累。 l i n p o r 工艺生物膜法投加悬浮生物载体粒子，使附着生长与悬浮生 长在同曝气池内进行，生物相浓度提高，脱 氮效果明显。 活性生物滤池生物膜法活性污泥法曝气池与生物滤池串联，兼具悬浮 生长和附着生长的特点，处理效率高。 软性载体生物膜法生物膜法不仅增加供微生物附着生长的比表面积和容纳 能力，而且克服了阻力大，容易堵塞，需要反 冲洗等缺点。 附着生长环流反应生物膜法 结合了附着生长和氧化沟的特点，在沟内充填 器 大粒径填料，使微生物附着生氏，避免缓慢的 菌种流失，获得更好的脱氮效果。 生物活性碳法生物膜法以粒状活性炭为填料，结合吸附与生物降解两 种特性，对难降解物质去除率高。 生物流化床生物膜法附着生物膜的载体在流化状态下运转，气液固 三相传质速度快，高负荷操作，处理效率高。 1 2 高强度好氧生物反应器的国内外研究现状 江南大学硕士学位论文 发展高效、低能耗、占地面积小的好氧生物处理新工艺一直是污水生化处理研究的 主要课题之一，其中一个重要的途径是提高好氧生物反应器中活性污泥即好氧微生物的 浓度和活性，其次就是改变曝气方式提高传质效率，下文所介绍的几种高效好氧生物处 理技术即从这个角度开展研究口j 。 1 2 1 复合式生物反应器 为了在原有活性污泥工艺基础上，提高曝气池内生物量，增强废水处理能力，克服 活性污泥膨胀，提高运行稳定性，人们发明了在曝气池中投加载体的方法，即在曝气池 中投加各种能提供微生物附着生长表面的载体，利用载体容易截留和附着生物量大的特 点，使曝气池中同时存在附着相和悬浮相生物，充分发挥两者的优越性，使之扬长避短， 相互补充1 6 j ，将这种反应器称为复合生物反应器h b r ( h y b r i db i o l o g i c a lr e a c t o r ) 。复合 式生物反应系统是将生物膜反应系统和活性污泥系统结合起来。虽然这种方法保留了原 有工艺的主体构造，但是由于填料的加入，使污水处理机理和效能都大为改变口】。在这 个系统中，微生物生存的基础环境由原来的气、液两相转变成气、液、固三相，这种转 变为微生物创造了更丰富的存在形式，形成一个更为复杂的复合式生态系统。 1 2 2 好氧生物流化床 好氧生物流化床反应器是将普通活性污泥法和生物膜法的优点有机地结合，是七十 年代开始应用于污水处理的一种高效的生物处理工艺【2 】，并引入流化技术处理有机废水 的反应装置，因而具有容积负荷高、生物降解速度快、占地面积小、基建投资和运行费 用低等优点旧1 3 】。 图1 2 三相生物流化床结构示意图 f i g l 一2s t n i c t u r eo f t j l r e e _ p h a s en u i d i z e d - b e d 生物流化床处理技术是借助流体( 液体、气体) 使表面生长着微生物的固体颗粒( 生 物颗粒) 呈流态化，同时进行去除和降解有机污染物的生物膜法处理技术。微生物生 自同拶fj、气rl，肠 +lloii ( 1 nql|!， 目弋1一蒙 第一章绪论 长在载体表面，载体则在反应器中流动，是悬浮生长型和附着生长型的复合。它可以保 持高浓度的微生物量，传质效率高，体积负荷可以比传统活性污泥法高6 - l o 倍。 图1 2 是一种三相生物流化床结构示意图，采取一体式设计。可应用于石化、制药、 食品和印染等废水的处理，并且该三相生物流化床对各种有机废水都具有很好的处理效 果，其c o d 去除率都在7 0 以上，流化床容积负荷也在5 0k g 【c 0 d 】m 3 d 以上；此外， 实验及实际运行中发现，与其他生物处理工艺相比，三相生物流化床工艺的剩余污泥产 生量很少，尤其是对于c o d 浓度较低的废水，如印染废水，剩余污泥量更少；流化床的 流化区内，活性污泥浓度达到1 0 一2 0g l ，加上生物载体表面的微生物，流化床具有很 高的微生物浓度【1 4 】。 1 2 3 c r 反应器 图1 3h c r 反应器系统图 f 嘻1 3h c rr e a c t o rs y s t e m l 一格栅；2 沉沙池；3 一h c r 反应器； 4 一二沉池；5 射流器； a 一进水泵：b 循环泵ic 一污泥回流泵。 h c r 工艺( h i 曲p e r f o n n a l l c ec o m p a c tr e a c t o r ) 是德国克劳斯塔尔( c l a u s t h a l ) 工业大学 物相传递研究所于8 0 年代发明的i l “，是第三代生物反应器( 图1 3 ) 。由于该反应器采 用高速射流曝气，具有深井曝气和流化床的特点。h c r 通过提高传质速率，以高充氧能 力和高污泥活性来满足短时间内快速降解有机物的要求，从而实现高效的目的；其氧的 转移率高，反应器的容积负荷大，水力停留时间短，是一种高效好氧生物处理方法。该 工艺的主要特点是高径比较大 16 ，”】，由于h c r 为完全混合型反应器，加上高浓度污泥的 协同作用，使进水量和浓度的大幅度波动得以充分缓和，毒害性物质也得到稀释，从而 有效提高了h c r 系统的抗冲击负荷能力【1 8 ，1 9 1 。 h c r 系统的反应效率较常规活性污泥法大大提高，接近到纯氧曝气的水平，根据挪 威“克瓦纳”公司提供的数据，h c r 的容积负荷可达5 0 7 0 埏 c o d 】m 3 d ，是常规活性污 泥法的l o 一3 0 倍，反应时间为1 2 小时，是常规活性污泥法1 2 1 4 ，污泥负荷可达5 1 0 蚝 c 0 d 】k g m l s s ，是常规活性污泥法的2 3 倍，因此h c r 系统的反应体积仅为常规活 性污泥法的1 5 0 1 3 0 【2 l j 。一般h c r 工艺所产生的剩余污泥量为0 1 5 - 0 2 埏 s s 蚝 b o d ， 比其他好氧方法平均减少4 0 左右，从而大大减少了污泥处理量【l 。 江南大学硕士学位论文 目前，h c r 工艺已在德国、挪威、法国和加拿大等国家应用于造纸废水、酵母生产 废水、屠宰废水、化工废水的处理，并取得了较好的效果。拉维克市雀斯科夫锐兹公司 ( t r e s c h o w - f r i t z e ，l a 呔) 的半化学纸浆废液，c 0 d 浓度高达2 0 0 0 0m g l ，采用h c r 工艺 处理，容积负荷为8 0 蝇 c o d ( m 3 d ) ，c o d 去除率达到7 0 ，废水中含有过氧漂白污水， 但它对于水处理效果没有任何不良影响，其剩余污泥产率约为o 2k 【s s 】k g c o d 】【2 1 1 。 1 2 4 深井曝气法 深井曝气首先由英国帝国化学工业有限公司于1 9 6 8 年发明。他们在进行利用好氧菌 生产单细胞蛋白的研究中，设计出了充氧能力很高的深井培养槽，并把这项技术应用于 废水处理中。其后，日本、美国、加拿大、法国等相继进行了研究，并相继建成了一批 生产处理装置。目前，此工艺已用于处理化工废水、制药废水、食品加工废水、造纸废 水和混合废水等。 深井被分隔为上升管和下降管两部分，污水和活性污泥沿下降管下降，再沿上升管 上升，并形成循环。深井曝气运行有水泵循环和气体循环两种方式。水泵循环为自吸进 气方式，设备少，运行控制稳定，处理后的微气泡易脱除等优点，气体循环法应用于大 井时较水泵循环方式节省能耗，在国外普遍采用气体循环方式。在国内气体循环法尚不 完善。但中国沈阳等地己建成了气体循环深井曝气装置。 深井曝气法存在的主要缺点是处理过程容易遭受变化，比普通活性污泥法要求更 高、更熟练的技术人员对它进行运行管理，否则很难正常的运行。目前，深井曝气技术 在净化理论、应用范围、运行方式等方面都得到了很大的发展。深井曝气具有效率高、 投资及运行维护费用低及占地面积小等优点，较适合我国使用。它的耐低温特点，特别 适合我国北方地区使用。 由上述可知，深井曝气法和h c r 曝气法通过改变曝气方式，提高氧的利用效率，从 而提高好氧生物反应器中微生物的活性；生物流化床是将化工过程的流态化技术应用于 污水处理，综合了活性污泥法和生物膜法两者的优点并加以发展，提高了传质效率和生 物粒子沉降性能，从而提高好氧生物反应器中微生物的浓度；复合生物反应器则是在原 有活性污泥法工艺基础上，在曝气池中投加各种能提供微生物附着生长表面的载体，利 用载体容易截留和附着生物量大的特点，使曝气池中同时存在附着相和悬浮相生物，充 分发挥两者的优越性，从而提高曝气池内微生物量，增强废水处理能力。 1 3 射流曝气器的现状与发展 射流曝气是利用射流曝气器将气流或气液混合液导入曝气池，以增加液体中氧含量 的系统。它具有下列优点 2 9 j 。 ( 1 ) 有较高的氧吸收率和充氧能力，混合搅拌作用强； ( 2 ) 污泥活性好，基质降解常数较高，提高了污泥的沉淀性能； ( ：j ) 构造简单、运转灵活、便于调节、维修管理方便 3 0 】。 第一章绪论 射流曝气器既不是种气泡扩散装置，也不是一种机械曝气设备，而是介于这二者 之问的一种设备，利用气泡扩散和水力剪切这两个作用达到曝气和混合的目的。在射流 曝气器混合部内，由于射流的紊动及能量交换作用，形成剧烈的混掺现象，不仅在瞬间 完成了氧气从气相向液相中的转移，而且射流曝气工作水流为进水和回流污泥的混合 液，因此在射流器混合部内迅速地进行着泥( 微生物) 、水( 有机物) 、气( 溶解氧) 三者 间的传质与生化反应，这是一个在特定条件下发生的快速生物反应与传质的综合过程， 是与其它任何活性污泥法不同的。1 2 圳 工作液体 图1 4w e s t 射流器 f i g 1 - 4w e s t e c t o r r _ 婚空气 l 图1 5w i l l s o n 射流 f i g 1 _ 5w i l l s o n e c t o r 气 图1 6b a y e r 射流器 f j g 1 6b a y e ri n j e c t o r 气 球 捏 合 毋 根据供气方式的不同，射流曝气可分为两大类【3 3 】。 ， ( 1 ) 强制供气：即用鼓风机向射流器供给空气，其特点是：空气由鼓风机供给，空 气量的控制比较方便，可以根据需要把射流器安装在曝气池的底部、顶部等不同的位置 射流器数量多，一般淹没在水中，安装与维修不方便。 ( 2 ) 自吸( 负压) 供气：由射流器喷嘴喷出的高速射流，使吸气室形成负压，将空气 吸人，这种射流器通常称为自吸式射流器，其特点是不需要鼓风设备。 根据结构分类： ( 1 ) 单级：又分为单喷嘴和多喷嘴两种形式。 ( 2 ) 多级：一般是两级。第一级吸气后，液气混合流在第二级再吸气，这样充分利 用射流能量。 江南大学硕士学位论文 图卜4 是1 9 6 8 年美国w e s t 和p a u l s o n 试验所采用的射流器形式及结构安装，采取压力 供气，该射流器的清水充氧试验，动力效率为2 0 8k g 0 2 k w h 。图l5 是1 9 7 0 年美国 w i l l s o n 等取消了射流器混合管及扩散管，并把喷嘴直径扩大到2 5 4 c m 以上，旨在减少设 备成本及维修费，并解决了堵塞问题。采取压力供气，动力效率达到2 5 4k g ( o ： k w h 。 1 9 6 8 年联邦德国的b a y e r 化学公司采用的射流器，单体结构见图卜6 。每单体有四个喷嘴， 设在曝气池底部，池深4 8m ，淹没深度4 2m 。这种射流器属于压力供气，喷嘴直径为8 m ， 每立方米曝气池体积设一个喷嘴。其氧利用率7 7 ，动力效率2 9 5k g 0 2 k w h 。这种 装置的缺点是构造比较复杂，制造、安装、检修比较困难。 1 4 本课题研究目的和内容 1 4 1 课题的研究目的 本课题的研究目的就在于考察各运行参数如温度、溶解氧、p h 值等对c 0 d 、b o d 、 氨氮等有机污染指标的去除效率的影响，为今后实际工程中的运行调试提供可靠的参 考；试验对各种不同类型污水的处理效果进行了应用研究，为拓宽儿c r 反应器的应用 范围奠定了基础。 ( 1 ) 分析借鉴国外的先进设备与技术，研究适合高浓度有机废水处理的新工艺、新 设旖，开发新型的环保设备和高强度生物反应器，大幅度提高c 0 d 负荷和污水处理能力； ( 2 ) 通过现场中试试验，考察反应器的水力学特性，以便及时调整运行方式以获得 最佳处理效果； ( 3 ) 对高强度好氧生物反应器的研究提供了一条提高污泥浓度、污泥活性和微生物 对污染物去除效率的新途径和新思路，使污水处理设施向一体化、设备化的方向发展。 ( 4 ) 研究的最终目的是将此技术应用推广到污水处理设施不足、土地资源紧张的工 业企业当中。 1 4 2 课题的研究内容 目前我国的水环境污染是有机污染为主，化学需氧量( c 0 d ) 和生物化学需氧量( b o d ) 现在仍然是我国污水厂二级生化处理出水重要的两相评价指标。本课题的研究内容主要 是以c o d 为考察对象，研究我们自行开发的高强度好氧生物反应器对污水的处理效果， 从试验结果中研究各运行参数对处理效果的影响。详细内容如下： ( 1 ) 高强度好氧生物反应器结构及水力学设计的研究。 ( 2 ) 高强度好氧生物反应器高效传质的试验研究。 ( 3 1 研究不同运行工况条件下系统的处理效率和运行情况。 ( 4 ) 优化高强度好氧生物反应器的设计及运行参数，提出适合的运行参数和反应器 系统的设计参数。 第= 章实验装置与实验方法 第二章试验装置与试验方法 污水好氧处理工艺是污水生物处理领域的主要技术之一，传统的活性污泥曝气法虽 已在城市污水处理中得到了广泛的应用。但存在着进水c 0 d c r 浓度不能太高、污泥负荷 较低、停留时间长、曝气池池体占地面积大、能量利用率低、基建投资高等问题。因而 高效节能型曝气设备的研制是当前污水生物处理领域面临的一个重要课题。目前大多反 应器依据亨利定律、惯性效应理论研究了传统污水好氧处理工艺传质强化过程，提高传 统工艺吸气均匀度和控制多相物系中微涡流的离心惯性效应，可有效促进物相接触传质 和相界面更替，为活性污泥( 或生物膜) 有机基质与氧气进行生化反应提供良好动力条 件，从而提高反应效率，缩短生化反应历程。 2 1 高强度好氧生物反应器的设计 高强度好氧生物反应器j l c r ( j e t 1 0 0 pc o m p a c tr e a c t o r ) 利用物质交换和生物降解的 机理发展而成，融合了当今的射流曝气技术、气液相物相强化传递、紊流剪切等技术。 这些技术的运用大大提高了氧的传质系数，加快了好氧速率。通过介质混合器( 射流器) 和循环流动使空气被剪切分散成微小的气泡，并与污水充分混合，反复充氧，足够的溶 解氧保证了好氧生物处理系统的高负荷运行。目前主要在化工、生化等领域应用较多。 2 1 1 高强度好氧生物反应器结构的确定 图2 一l 儿c r 反应器的结构及内部流态 f i g 2 - ls t 九l c t u r eo f 几c rr e a c t o ra 1 1 dt h ei 1 1 s i d en u i ds t a t ea n d 儿c r 反应器以h c r 反应器与j l r ( j e tl o o pr e a c t o r ) 反应器为基础，基于提高传质、 加快反应速度的构想，结合高速射流曝气、物相强化传递、紊流剪切等技术，通过提高 充氧能力和污泥活性来满足短时间内快速降解有机物的要求，从而实现高效的目的。由 于射流器和导流筒的作用，在喷射区能量集中，因而剪切力强，对气泡的破碎作用强大， 江南大学硕士学位论文 从而增加了接触面积，强化了传质。同时，喷嘴所产生的混合作用，加强了混合效果， 使气体在反应空间分布均匀。 j l c r 反应器基本上采用这两种反应器的结构以及原有回流的工艺，但是鉴于进一 步提高体积氧传质系数，强化反应区混合液的循环速度，使得反应区自成内循环系统， 加速氧的利用率。因此，初步确定儿c r 反应器的内部结构如图2 一l 所示。其次，儿c r 反应器采用一体式结构，占地面积小，基建费用低。整个反应器分为三个部分，下部为 核心部分反应区，导流筒以上部分为脱气区，反应器顶部为沉降区，进行泥水分离， 沉降污泥通过回流缝回流到反应区，保证反应区内有高浓度的污泥。 2 1 2 高强度好氧生物反应器尺寸的确定 2 1 2 1 反应器总体结构尺寸确定 就流体力学特征来说，环流反应器的结构尺寸决定着反应器的特性，考察结构尺寸 对反应器特性的影响，是确定最佳尺寸和进行合理设计的重要依据。确定反应区的高径 比( h ，d ) ，导流筒直径与反应器直径比( d e d ) ，根据文献资料可知2 4 ，33 1 ，大多数被 研究的反应器h ，d 值一般为7 ：1 ，国内一些研究人员也实验了低高径比的反应器，并得 出了一些优化数据。对于d e 加大多得出基本一致的结论，其值范围为：o 4 o 4 5 之间。 在这里选定的高径比h d 为：6 ：l ，筒径比d f d 为：o 4 3 。 根据文献资料和实际要求，反应器的体积v = 3 8m 3 ，导流筒直径d e = 3 0 0 m m 。 2 1 2 2 设计参数确定盼2 5 2 6 ，2 7 1 考虑各方面的因素，和参考其它文献所运行的实验情况及其实验的运行结果，大致 初步拟定儿c r 反应器运行状况，合理确定各方面的参数。 ( 1 ) 水质情况 反应器是一种高效好氧反应器，适合于处理高浓度有机废水，而且运行稳定，处理 效率都在7 0 以上。进水的c o d 浓度设定为1 0 0 0 1 0 0 0 0m l ，在实际运行过程中，可 根据情况作出合理调整，加大或减小入水c o d 浓度，以便考察反应器的运行稳定性。 其次，废水的可生化性要好。 ( 2 ) 运行参数 污泥浓度m l s s ：6 0 0 0m g 1 c o d 容积负荷：1 0k g 【c o d ( m 3 d ) c o d 污泥负荷：6 埏 c o d ( k m l s s 】d ) c o d ：6 0 0 0m g ，1 泥龄：6 5 d h r t ：2 5 h ( 3 ) 原水流量 第二章实验装置与实验方法 根据容积负荷l 。所得计算流量q - ： q = 等2 半一。川m v 反应区体积，m 3 ； l v 容积负荷，吣 c o d ( m 3 d ) ； s o 进水c o d ，m g ，l 。 ( 4 ) 空气流量q 。 假设处理效率为：7 5 ，去除每k g c o d 需氧量r = o 8 蝇0 2 l ( g c o d ，在标准状况下 空气的密度为p ：1 2 9 3 k g m 3 ，空气含氧量0 w 为：o 2 3 3 k 9 0 2 k g 空气。 需氧量r = q ( s o s 。) 一1 4 2 x e 。 其中：处理效率为7 5 ，污泥浓度x = 6 0 0 0 m 鲫，泥龄o 。= 6 5 d 。 则：r = o 1 0 1 6 o 7 5 一1 4 2 6 6 5 2 4 = o 4 k 9 0 2 h 空气流量q a = 6 r nn 为氧气传质效率 = 6 o 4 2 0 ：01 2 m 3 ，m j n ：72 m 3 ，h 2 1 2 3 反应区计算与设计 反应区的体积已经由反应器总体尺寸的确定而确定，导流筒距底部尺寸为：1 0 0 m m 。 射流头距导流筒入口的距离，参照文献并没有给出具体的尺寸，但有一点很清楚，随着 射流头与导流筒之间的距离缩短，k l a 有增大的趋势，所以暂定其为5 0 m m ，为了便于 以后调节方便，射流管做成活动装置可以上下调节。 曝气区体积 v ：里鱼二望：! ：丝! 暨：! 二! ：坠 l v 1 0 式中：v 曝气区体积，m 3 p 一平均进水流量，m 3 d s o 进水c 0 d 浓度，k m 3 s 。出水c o d 浓度，k g m 3 l v 容积负荷，k g c 0 d m 3 d 2 1 2 4 沉降区计算与设计 f 1 1 沉淀区面积与容积 沉淀池的容积，首先确定表面水力负荷，然后决定有效水深和沉淀时间来计算。表 江南大学硕士学位论文 面水力负荷q = o 3 m 3 ( m 2 h ) ，活性污泥在规范中规定一般值为：1 o 1 5m 3 ( m 2 h ) 、 沉降时间1 5 2 5 h 。有关研究表明射流曝气反应器污泥受到高度剪切，颗粒细化，沉降 性变差，再加上污泥浓度又很高，因此表面水力负荷应小于正常值。 则沉淀区的面积a t ： 爿：垒：! ：! ! ! ； 0 3 4 埘z n 1 一一一u j q ， 沉淀区h r t 采用2 2 h ，则沉淀区容积v ： v = q t = o 1 0 1 22 h = o 2 2 2 2 m 3 沉淀区的高度h l ： 矗：旦：丝弩。o 6 5 4 聊 au 3 4 棚 ( 2 ) 沉降区总直径d o b = 罕= 零“。珊 ( 3 ) 污泥回流缝尺寸确定 回流缝的流速一般在2 0 4 0 舢“s ，如果按这个流速计算，回流缝的宽度太小，为了 保证污泥能顺利通过，而不至于堵塞，则回流缝的宽度定为2 5 衄。 2 1 2 5 高强度好氧生物反应器结构 经过上述的计算，可以用c a d 画出详细尺寸图，图2 2 是我们已经确定的结构。 反应器由钢板制成，反应区直径1 2 m ，沉降区直径2 2 m ，高2 2 m ，有效体积为3 8 m 3 。 图2 2 高强度好氧生物反应器结构图 f 嘻2 2s t n i c t l l r eo f j e t1 0 0 pc o p a c tr e a c t o 2 2 射流曝气器的设计 气液两相喷嘴是喷射式内循环生物反应器的核心技术，它的高效与否直接影响反应 第= 章实验装置与实验方法 器的处理效率。常规的射流器工作模式都是柱状液体喷射，气体被柱状液流剪切成小气 泡然后剧烈混合进行传质进入水中，由于难溶气体其传递的阻力主要来自液膜，吸收速 率为液相扩散所控制，故通过改变射流器的结构增强液相的传质以提高射流器的效率在 理论上是可行的。 喷嘴的形式为液体流经环形喷嘴而气体通过中心喷嘴的中心进气式气液两相喷嘴， 基于降低液相的阻力提出的3 2 】。由于喷嘴射出的水流是空心的，以膜状形式射流，与常 规射流器射出的实心水流相比，进一步增大了气液两相的混合层、剪切层与接触面积， 强化了气液两相的卷吸与掺混作用，理论上能够获得较常规射流器高的充氧能力和动力 效率。 j ! 【气 砒 d 进气l 图2 3 射流器的结构图 f 培2 - 3s t n l c t u r es k e t c hm a po f 叫e c t o r 避水i 进气管喉管 图2 - 4 带有喉管的射流器结构 f 培2 - 4s 廿c t u r eo f 州e c t o rw i t l lt h r o a t 通常情况下，反应器内体积氧传质系数随喷嘴尺寸增大而降低”1 ，这是由于喷嘴尺 寸的增大，导致液速和气速降低的原因。综合国内外参考文献防3 0 ，3 ”，确定喷嘴口收缩 角为1 5 。为了使射流器较少的依赖工作条件，有更广泛的使用范围，采用无喉管、扩 江南大学硕士学位论文 散管射流器。同时为了方便试验运行中参数的调整，本研究中将可调节的概念引入了气 液两相喷嘴的设计中，即喷嘴吸气管相对位置可以调节，因此随着设备运行状况的变化 可以调节生物反应器的吸气量和喷射剪切强度。其具体结构如图2 3 ，中心空气管与液 相喷嘴的相对位置可以调节，图中所示的是空心管在前，这种结构不能形成良好的环形 射流束，及内部较高的真空度，导致工作水与引射空气的接触面积较小；另外由于空心 管突前，对射流束产生一定的发散作用，从而降低了工作水对引射空气的卷吸与掺混作 用，减弱了吸气室真空度，也影响了外吸气的进行。 采用射流曝气器来曝气，喉管是一个关键部件。由于引射介质为空气，按照曝气充 氧的要求，气泡被“切割”越小越好，这就要求工作介质与引射介质之间要进行剧烈的 紊动混合作用。为了进一步研究喷嘴喉管和扩散管对整个射流曝气性能的影响，我们也 采取了图2 4 的结构，在原有射流器喷嘴外管径套上一节p v c 管。喉管的加入加强了气水 混和的紊动程度，适当长度及大小的喉管对加强氧的转移作用以及为充分发挥活性污泥 的生物学特性具有重要作用。 影响射流器充氧性能的结构因素有：喷嘴深度、环缝宽度、喉管长径比( l d ) 及喉 管喷嘴面积比( d m ) 等p 。因此，我们设计了三种不同尺寸的喷嘴，以考察射流器的影 响因素。具体的喷嘴的尺寸如表2 一l 所示。 表2 一l 射流头尺寸 t a b l e 2 1d i m e n s i o no f n o z z l e 此外，在加工制作射流器组件时，为了保证射流器具有良好的水力性能，防止出现 折冲水流和漏水现象，必须保证内外管在组装或加工时必须同心，同轴( 心) 度应达到精 度等级的9 一l o 级，或控制在o 0 5 一o 4 0m m 之内，对于喷嘴和喉管这两个主要部件，为了 减少摩擦阻力损失，提高射流器效率，内壁加工光洁度应达到3 21 6 以上。 2 3 儿c r 反应器工艺流程 儿c r 反应器的模型研制是在理论和实践相结合的基础上建立起来的。通过查阅国内 外相关文献，参观应用h c r 技术的污水处理厂，总结了大量的国内外参考文献并参考考 察所获得的有关参数信息，初步设计了一个小型实验装置，如图2 5 所示。 j l c r 反应器是本处理装置的核心部件，它具有h c r 和儿r 反应器的优点，儿c r 反应器的内部