（环境工程专业论文）高效接触氧化强化混凝处理城镇污水的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ea p p l i c a t i o no fi n t e g r a t e dp r o c e s so fc o n t a c to x i d a t i o na n de n h a n c e d c o a g u l a t i o n ，l o wc o n c e n t r a t e dm u n i c i p a ls e w a g ec a nb et r e a t e dw i t hh i g he f f i c i e n c y u n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n ，t h et o t a lr e m o v a lo fp o l l u t a n t sc a nr e a c hc o d8 4 ， n h 3 - n8 5 ，t n3 8 ，t p 9 0 a n dt u r b i d i t y9 5 ，r e s p e c t i v e l y c o r r e s p o n d i n g l y t h ee f f l u e n tw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i e so fc o d 5 0 m g l ，n h 3 - n 5 m g l ，t n 2 0 m g l a n dt p n ( 2 h ) q ( 1 5 h ) t l ( 1 h ) ，而温度和进水浓度的影响 表现为使整组试验结果呈现波动。为了消除波动干扰，取整组试验的平均去除率 进行比较，结果如图3 4 所示。 装 瓣 篮 代 y = 5 2 8 3 7 x + 4 4 6 5 6 1 5 h2 h2 5 h 匮圈平均n h 3 n 去除 率 眩勿平均c o d 去除率 线性( 平均c o d 去 除率) h r t ( h ) ( a ) 低温下h r t 对n i - b n 和c o d 去除率的影响 1 3 ，l皇v埘q越博qou 0 o o 0 筋 加 坫 m 0约如加加o 如加m o 第3 章接触氧化处理城镇污水的工艺研究 9 0 8 0 7 0 6 0 嬲- e 5 0 案4 0 3 0 2 0 1 0 0 l h1 5 h2 h2 5 h h r t ( h ) ( b ) 中温下h r t 对n i - h - n 和c o d 去除率的影响 图3 4h r t 对c 、n 污染物平均去除率的影响 图3 4 表明不同温度下的h r t 对c 、n 污染物去除率的影响不同。低温环境 下c o d 去除率随h r t 线性递增，符合方程y = o 0 5 2 8 x + 4 4 6 6 ( 相关系数为 o 9 8 1 2 ) ，n h 3 - n 去除率基本不变，保持在3 0 左右；中温环境下n h b - n 去除率 随h r t 线性递增，符合方程y = 0 0 6 4 2 x + 5 2 6 9 ( 相关系数为o 9 8 2 ) ，c o d 也 随h r t 递增，线性方程为y = 0 0 4 4 4 x + 4 5 2 2 ，相关系数为0 9 6 2 2 。 拟合方程的斜率代表去除率与h r t 的关系。对于c o d 而言，低温下去除率 的增值为5 2 8 h h r t ，中温下“4 4 h h r t ，可知延长h r t 对提高低温下c o d 去除率的影响更大。 比较同一环境下h r t = 2 5 h 和l h 的污染物去除率增量，分别为c o d 约1 6 ( 低温) 和1 3 ( 中温) 、n h 3 - n 约5 ( 低温) 和2 0 ( 中温) ；比较不同环境 下相同h r t 的数据，对应c o d 去除率基本无变化，可知h r t 是c o d 去除率高 低的主要因素，而n h 3 - n 去除率增量分别约3 0 、3 5 、4 0 和4 5 ，因而n h 3 - n 去除率同时受到温度和h r t 的影响，且去除率的增加随h r t 递增，近似为 1 0 h h r t 。由于低温环境下n h 3 - n 去除受到抑制，基本保持不变，又根据中温 下图的线性方程斜率可得n h 3 - n 去除率递增与h r t 的关系为6 4 2 h h r t ，则 温度的影响程度为3 5 8 h h r t 。在温度和h r t 的交互影响中，两种因素的影 响程度比约1 8 。 通过控制h r t 可获得理想的去除效果，尤其是低温下微生态菌群较贫乏， 存在较多的空间来扩大群落和改变结构。相比之下，中温下的生态群落较丰富， h r t 起到的推动作用较小。而对于去除率在较大程度上受温度影响的n 污染物 而言，低温下即使延长h r t 也无法有效地推动微生物群落的发展。 第3 章接触氧化处理城镇污水的工艺研究 3 2 3 温度对各污染物去除效果的影响 温度是微生物生长的重要因子之一，试验主要依据菌体在不同温度阶段的活 性，考虑工程中所需处理水体的水质情况，来考察天然水温的季节性变化对污染 物去除效果的影响。研究的温度范围可分为： 4 0 m g l 的理论拐点温度分别为1 9 7 和1 9 9 。c ，对应的n h 3 - n 最高去除 率为7 1 6 8 和8 5 5 。由此可以推断，进水n h 3 - n 浓度较低时，去除率受温度 的影响小，进水浓度越高受温度的影响越大。 对于进水n h 3 - n 浓度较低的污水，f a 的抑制作用不明显，去除率较多的是 受到基质浓度扩散对硝化速率的影响【2 7 】。同时温度对生物膜反应器中硝化菌的 影响不同于悬浮生长反应器：在悬浮生长系统中，依靠流体进行的溶质交换可使 反应速率随温度升高不断增加；而固定膜反应器中的生物膜是附着在填料上的， 卯 加 加 0 第3 章接触氧化处理城镇污水的工艺研究 内部进行的硝化过程涉及到两个步骤外部溶质转移和内部溶质扩散【3 2 1 。虽 然扩散作用随温度升高促进硝化进行，但溶质在生物膜内受到的扩散阻力以及低 浓度传质动力的不足使膜内的反应速率较低，且温度对膜内微生物增长率系数的 影响也较小，这就有如上的试验结果l 进水n h 3 - n 浓度相对较低时，去除率受 温度的影响较小；反之，浓度较高时，由于细胞内外浓度梯度大，扩散影响可忽 略不计，去除率对温度的响应较大。 本试验中进水n h 3 - n 浓度较高废水的去除率表现为先随温度递增，在2 0 以后又略有下降。有研究表明【3 2 1 ，当温度升高到一定程度( 约2 0 ) 后继续上 升，对硝化作用的影响不是很明显，这是由于温度在5 2 0 时，硝化菌比亚硝 化菌生长速率高，但是随着温度升高，硝化菌的生长速率明显低于亚硝化菌【3 3 】， 此时将进入到亚硝酸盐累积阶段。而无论采用何种脱氮途径都需要经过亚硝化阶 段，尤其在s n d 或短程硝化反硝化脱氮等过程中亚硝酸盐的累积更是关键控制 步骤。对于n h 3 - n 浓度较高的污水而言，水中f a 的含量已经较高，且不断升高 的温度会使f a 继续增加，一旦f a 超过亚硝化菌抑制浓度便会使亚硝化率降低， 从而使n h 3 - n 去除率降低。且进水浓度越高( n h 3 - n 浓度 4 0 m g l 时) ，温度对 硝化菌的影响以及f a 的抑制作用越显著，因而去除率的变化趋势越明显。 又有，两条曲线的交点为( 1 1 6 c ，4 1 3 6 ) ，当温度低于1 1 6 时，进水浓 度越高，去除效果越差；当温度超过1 1 6 后，进水浓度高的去除效果佳且去除 率随温度递增的速度也快。温度和进水n h 3 - n 浓度对n h 3 n 去除率的交互影响 见表3 2 。 表3 2 温度和进水浓度的交互作用对n h ，- n 去除率的影响程度 2 0 3 0 ( m e l ) 3 0 4 0 ( m e l ) 4 0 ( m e l ) 1 1 6 ( 促进作用) 小较大大 小较大大 3 温度和c n 对n h 3 - n 去除率的交互影响 根据图3 7 的分析结果，引入c n 概念作进一步分析，结果如图3 8 所示。 相同c n 条件下均有中温下的去除率高于低温下的去除率，且温度在1 2 2 0 时 的去除率最高，约在6 5 8 0 ，其次是温度为2 0 2 6 的去除率在4 0 6 5 ， 这与图3 7 中分析的结果吻合，说明有机污染物浓度的引入对由温度引起的 n h 3 - n 去除率的整体变化趋势没有太大影响。 第3 章接触氧化处理城镇污水的工艺研究 零 槲 篮 稍 z 差 3 0 2 5 2 0 p 1 5 蜊 赠 l o 5 0 2 3 4 567 891 0 c n + 1 2 ) 去除率均随c n 递减，且温度在1 2 2 0 时的 递减趋势由急趋缓；低温时呈现非单一趋势，在c n 为4 5 和6 5 的时候出现了 两个最小值约1 5 ，c n 约5 5 时有最大值4 0 左右。 对于上述规律的解释为：硝化菌与异养菌的竞争表现为对环境因子( 溶解氧) 和生物反应器固定生物膜上的生长空间的竞争【3 4 - 4 0 1 。随着c n 的增加，进水有 机物浓度升高使反应器中的异养菌处于竞争优势地位，同时在适宜环境下，异养 活性微生物的快速生长会使生物膜的厚度不断增加，改变附着在填料表面有限空 间内的生物膜结构，使硝化菌的生长受到抑制。因而中温环境下的试验结果表现 为n h 3 n 去除率均随c n 递减；又由于异养菌的生长会在某一c n 值( 试验中 c n 约为5 ，1 2 2 0 中温环境) 达到饱和，此时有机物浓度对硝化作用的抑制 最大，从而有硝化速率在经过初始阶段的快速降低后趋于平缓，表明了有机物抑 制程度随c n 增大而减弱【”】。而低温条件下不呈现这一规律是因为微生物均受 到温度的抑制使异养菌无法取得明显优势，因而对于恶劣环境下的去除规律不能 仅从膜内生物分布的微观形态角度进行分析而必须对工艺条件和水质情况作出 综合评价。 若将去除率温度进水n h 3 - n 浓度交互影响体系进行单独分析，结果如图 3 9 所示。当c n 小于5 时，低温下( a ) m - 1 3 n 去除率的变化趋势与进水浓度相对 应；中温下( b ) 和( c ) 去除率的变化趋势与温度变化相近。但当c n 超过5 时不符 合这一规律( 图中箭头所示趋势为理想变化规律) ，说明此时的去除率受到其他 因素的影响。 舳加加m 0 第3 章接触氧化处理城镇污水的工艺研究 6 0 零5 0 墓4 0 犏3 0 茎2 0 z1 0 o l u u 摹8 0 卜 篮6 0 啪 本4 0 差2 0 0 摹 褂 篮 稍 本 差 6 0 4 0 2 0 0 23 4 567891 0 ( a ) c n 23456789 ( b ) c n 4 5 3 5 2 5 1 5 5 4 0 3 0 2 0 1 0 0 4 0 3 0 2 0 1 0 234567 r e ) c n 一去除率口温度浓度( m g l ) 图3 9 不同温度水质环境下的n h 3 - n 去除率 一般在系统所能承受范围内，n h 3 n 去除率会随进水n h 3 - n 浓度的增加而 降低【4 卜4 3 1 。( a ) n h 3 - n 去除率在c n 等于5 5 时有最大值( 约4 0 ) ，此时进水浓 度较低且水温接近抑制硝化作用的临界温度值( 由上文研究结果约为1 2 ) ，硝 化菌在抑制作用减弱或环境条件适宜时能快速恢复活性 4 4 1 。而c n 在3 5 和9 左右时也出现了去除率高值( 3 0 ) ，两种情况下的进水n h a - n 浓度均在3 5 m g l 左右，可认为该进水浓度为反应器在低温下的承载上限。一旦进水浓度超过反应 器承载上限，去除率就迅速下降( 表现为图中的两个波谷) ，且第二个波谷对应 第3 章接触氧化处理城镇污水的工艺研究 的实际进水浓度并不高，表明在连续试验中，冲击负荷对反应器造成的影响在环 境改善后仍有持续作用，反应器去除能力的恢复需以某一影响因素的改善( 温度 或进水浓度) 作为过渡来完成。 ( b ) 和( c ) 在低c n ( 5 时，由于温度递增弥补了高c n 产生的不利影 响，使n h 3 - n 去除率基本保持稳定。( c ) 当原水c o d 和n h 3 n 浓度均较大 ( n h 3 - n 3 0 m g l ) 时，c o d 对n h 3 n 去除率的影响更加明显。这是由于水温 较高时，硝化菌附着生长缓慢而异养菌生长繁殖迅速，能不断覆盖生物膜外表的 硝化剖4 2 1 ，从而使n h 3 - n 去除率明显下降。 3 2 4 溶解氧对各污染物去除效果的影响 生物接触氧化法主要是利用好氧微生物的代谢作用来降解废水中的有机污 染物和营养物质。好氧微生物的呼吸、分解合成作用需要在有游离氧供给的条件 下进行，水体中溶解氧浓度与水温和大气压均相关( 见表3 3 ) 。由于本试验在自 然环境下进行，水温是影响溶解氧浓度的主要因素。试验根据好氧生物处理所需 环境和季节性水温变化，分别将溶解氧浓度控制在：3 s m g l ( 中温) 和 8 m g l ( 低温) 。试验设计依据为，若温度已成为微生物生长的限制因子，则需通过供 给充足的溶解氧来改善微生物的恶劣生存环境，以保证工艺有效运行；而对于溶 解氧参数的研究主要考察适宜环境下微生物对污染物的去除能力。整批试验的水 温变化范围在9 3 0 ，监测h r t 为2 h 的出水水质情况，试验结果如图3 1 1 。 表3 3 标准大气压下不同温度下的溶解氧量m g l - 1 【5 3 】 温度溶解氧温度溶解氧温度溶解氧温度溶解氧 51 2 7 41 21 0 7 7 1 99 2 72 68 1 1 61 2 4 21 31 0 5 32 09 0 82 77 9 6 71 2 1 1 1 41 0 3 0 2 1 8 9 0 2 87 8 2 81 1 8 l1 51 0 0 82 28 7 32 97 6 9 第3 章接触氧化处理城镇污水的工艺研究 91 1 5 31 69 8 62 38 5 73 07 5 6 l o1 1 2 61 79 6 62 48 4 1 1 1 1 1 0 11 8 9 4 6 2 58 2 5 一、 蔷 j 蜊 矮 廊 琏 缝 1 5 1 2 0 图3 1 l 溶解氧与c 、n 污染物去除率的关系 1 0 0 8 0 6 0 零 锝 篮 4 0 稍 2 0 o 由图3 1 l 可见，三个水温阶段的溶解氧变化趋势均不相同：当温度 1 2 时 d o 基本保持在1 0 m g l ，有微小波动；中温i 为1 2 2 0 ，d o 呈现出两个拐点 分别在3 m g l 和6 5 m g l 左右；中温i i 时温度在2 0 3 0 ，d o 有一个拐点约为 5 m g l 。中温i 时d o 至第二个拐点前c o d 去除率的变化规律与中温i i 时相当， 均在临近拐点处有低值，这与活性微生物降解废水有机污染物过程中溶解氧的利 用率有关。溶解氧浓度的提高可促进好氧微生物的代谢，但当溶解氧达到一定浓 度后继续提高其值，对c o d 去除率的影响就变得不明显 4 3 , 5 3 】，如低温阶段及中 温i 第二个拐点后，其他因素的影响就较为突出。本试验中d o 的最佳有效浓度 值约在6 m g l ，而n h 3 n 去除率的无规律性明显不是d o 单一因素作用的结果。 通常溶解氧可作为污水处理过程中的控制参数，用来表现废水中活性微生物 的降解活动或易降解有机质的消耗。在对污染物去除起指示作用的同时，有机质 降解动力学中也将溶解氧作为降解速率变化的指示参数，即溶解氧对有机污染物 浓度的指示作用实质上是对有机物降解速率的反映【5 4 巧5 1 。而污染物的降解速率以 及d o 本身都是温度的函数，同时当环境温度变化时，水中饱和溶解氧的变化也 会影响溶解氧作为控制参数对污染物降解情况的判吲5 4 , 5 6 j ，因而对于本试验考虑 季节性温度变化来研究溶解氧参数的情况，必须分析温度和溶解氧的交互影响。 结合表3 3 中不同温度下的饱和溶解氧值数据，与试验过程中实际测得的溶解氧 值作图，如3 1 2 所示。 第3 章接触氧化处理城镇污水的工艺研究 051 01 52 02 53 0 温度 图3 1 2 不同温度下的饱和溶解氧值与实际值 根据图3 1 2 ，将实测溶解氧值对应的温度转换成该温度下一般水体的饱和溶 解氧浓度，以值= c 饱和溶解氧- c 实潮溶解氧来考察溶解氧和温度对污染物去除率的交 互影响，结果见图3 1 3 。 捌 耳 譬 缝 耳 鐾 终 冥 瑶 司 捌 耳 譬 缝 耳 生 麓 足 掣 司 o1 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 c o d 去除率 01 02 03 04 05 06 0 7 08 09 0l o o n i - h n 去除率 图3 1 3 溶解氧浓度对c 、n 污染物去除率的影响 2 3 6 4 2 o 8 6 4 2 o 18v越蛏噼琏缝 第3 章接触氧化处理城镇污水的工艺研究 由上图可得，试验测得的c o d 和n h 3 - n 去除率主要集中于四个值范围， 分别为 l 、1 2 、3 , - - 4 和4 , - - 6 ，对应图3 1 2 中的区域为i 、。当a i 时均可保持在3 0 哆扣7 0 ，而当a 2 ，a 值的增加可提高n t l 3 n 去除效率，由d 去除事o l j d a 可得约2 5 ，即 值每增加1 可提高2 5 的去除率。但a 4 时数据较分散，说明此时工艺去除 能力难以通过控制值来得到有效改善。综上认为，a = 2 - 3 为该工艺同步脱氮 和去除c o d 的最佳工况。 通过上述分析，温度和溶解氧对c o d 去除率的影响实质上表现为对降解速 率的影响，因而c o d 的最佳去除率与值基本无关，任意值下都可达到6 0 以 上；又由于值在不同环境下对反应速率的影响不同，使c o d 去除率在3 0 - - , 7 0 之间均有值出现。n h 3 - n 去除率受温度和溶解氧单因素的影响均较大，理论上表 现为去除率随温度递增( 见3 2 3 节) ，而d o 的影响主要体现在同步硝化反硝化 脱氮