（环境工程专业论文）铁内电解与生物法耦合同时脱氮除磷的研究.pdf

摘要 摘要 对上海市合流一期污水而言，由于其有机物浓度以及磷的浓度都较低，一 级半处理就已经可以达到要求。因此，本课题以上海友联竹园第一污水处理厂 的生活污水为处理对象，以曝气催化铁工艺作为一种新型的一级半处理工艺， 研究该工艺处理城市生活污水的可行性。并优化了m 玎、d o 等工艺运行参数。 研究表明，曝气催化铁工艺能够有效的降低出水的c o d 以及磷酸盐浓度，出水 中总铁浓度亦非常低，不会引起新的污染。当h r t 为4 5 m i n ，d o 浓度为4 m g l 左右时，可以保证装置经济有效的运行曝气催化铁装置首次尝试使用推流式 流态，既充分利用了池体空间，又延长了停留时间，强化了处理效果。 在s b r 反应器内部设置以铁刨花为原料的内电解反应装置，通过化学与生 物降解的耦合反应，实现同时脱氮除磷的目的。本文研究了一个周期内各项水 质指标的降解规律以确定反应运行周期并进行脱氮机理的分析，同时，为了优 化工艺条件，分别进行了d o 、进水氨氮负荷、进水磷酸盐浓度等影响因素的分 析。研究表明：铁内电解- - s b r 工艺启动期很短，氮、磷的去除率均很高。p h 值变化曲线上存在着“氨谷”和“硝酸盐峰”，这两点可以作为实时监测的反应 终点。该反应系统即使在较低的溶解氧条件下运行，仍然具有很好的硝化效果。 铁离子的存在可以加速硝化反应的进行，较高的铁离子浓度可以在一定程度上 刺激硝化反应过程中亚硝酸盐氮的累积，但在通常城市污水条件下，硝化段结 束后，氮元素仍然以硝酸盐氮的形式存在。 活性污泥中磷的存在形式非常复杂，清楚的了解污泥中磷的结合形态，可 以彻底的理解除磷的机理以及有效的除磷。实验中分别使用了两种方法对活性 污泥中的磷组分进行提取研究。铁离子的存在对活性污泥絮体结构造成了较大 的影响，可以通过沉降曲线、粒径分布、絮体表面形态、e p s 中阳离子以及毛细 吸水时间等测试表达， 关键词：铁内电解，祸合，同时脱氮除磷，磷形态提取 a b s t r a c t a b s t r a c t f o rt h e f i r s t - s t a g ei n t e r f l u e mw a s t e w a t e ri ns h a n g h a i ，c h e m i c a le n h a n c e d p r i m a r yt r e a t r a e n t c e p t ) i se n o n 曲b e c a u s eo fi t sl o wc o n c e n t r a t i o no fo r g a n i c c o n t a m i n a n t sa n d p h o s p h o r u s t h e r e f o r e ，ah e r a k i n do fc e p tt e c h n i q u e ， c a t a l y z e d - i r o ni n t e r n a le l e c t r o l y s i s ( e l m ) p r o c e s sw i t ha e r a t i o nw a sd e v e l o p e dt o t r e a tt h ew a s t e w a t e rf r o mz h u y u a ns e w a g et r e a t m e n tp l a n ti n s h a n g h a i ，a n dt h e f e a s i b i l n yo ft h es a i dt e c h n i q u ef o rd o m e s t i cs e w a g et r e a t m e n tw a ss t u d i e d i n a d d i t i o n , t h ep r o c e s sp a r a m e t e r so fh r ta n dd ow e r eo p t i m i z e di nt h i sp a p e r t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ec i i ep r o c e s sr e d u c e st h ec o n c e n t r a t i o no f c o d ，p h o s p h a t ei n t h ee f f i u e n te x t r e m e l y f u r t h e r m o r e ，t h ec o n c e n t r a t i o no f t o t a li r o ni nt h ee f f l u e n ti sa s l o wa st h ei n f l u e n tw h i c hc a na v o i dt h es e c o n d a r yp o l l 诚o n n e4 5 m i no fh r ta n d 4 m g lo fd oc a nm a k es u r eo ft h i sp r o c e s sr u n n i n ge c o n o m i c a l l ya n de f f e c t i v e l y t h e p u s hf l o ws t a t ew a si n 打o d u c e di n t ot h ec i i er e a c t o rf o rt h ef i r s tt i m et om a k ef u l lu s e o ft h er e a c t o rv o l u m ea n dp r o l o n gh y d r a u l i cr e t a i n i n gt i m e ，a sar e s u l t ，t h et r e a t m e n t e f f i c i e n c yw a se n h a n c e d i n n e re l e c t r o l y s i sd e v i c et h a tc o n s i s t so f i r o n - s c r a pw a ss e ti n s i d eo fs b rr e a c t o r i nt h i sr e s e a r c h s i m u l t a n e o u sr e m o v a lo fn i 仃o g e na n dp h o s p h o r u sc a nb ea c h i e v e d b yt h ec o u p l i n gb e t w e e nc h e m i c a lr e a c t i o na n db i o d e g r a d a t i o n n ed e g r a d a t i o nr u l e s o fe a c hw a t e rq u a l i t yi n d e xi no n ep e r i o dw e r es t u d i e dt od e c i d er e a c t i o nt i m ea n d a n a l y z em t r o g e nr e m o v a lm e c h a n i s m m e a n t i m e ，i no r d e rt oo p t i m i z et h i sp r o c e s s , s o m ei n f l u e n c i n gf a c t o r s , s u c ha sd o ，i n f l u e n ta m m o n i al o a d , i n f l u e n tp h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o n , h a v eb e e ni n v e s t i g a t e di nt h i sr e s e a r c h t h cr e s u l t ss h o wt h a tt h et i m e i nt h es t a r t u p s t a g eo ft h ea b o v er e a c t o ri sv e r ys h o r t , a n dt h er e m o v a lr a t e so f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa r es oh i g h t h e r ea r e a m m o n i av a l l y a n d n i t r a wa p e x ， t w oi m p o r t a n tp o i n t si np hc l l r v ew h i c hc a l lb eu s e da sr e a c t i o nt e r m i n a l s t h i s t r e a t m e n ts y s t e mc o ns t i l la c h i e v eah i g hn i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c ye v e ni nal o w d i s s o l v e do x y g e nc o n d i t i o n i r o ni o na v a i l sn 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 nc o u r s e h i g h i r o ni o nc o n c e n t r a t i o nc a nl e a dt on i t r i t ea c c u m u l a t i o ni nt h ec o u r s eo fn i t r i f i c a t i o i l a b s t r a c t b u tf o rt h eo r d i n a r ym u n i c i p a ls e w a g e t h ed e m e n tns t i l le x i s t si nt h ef o r mo f n i i r a t e - na tt h ee n do f n i t r i f i c a t i o n t h e r ea r em a n yk i n d so fc o m b i n i n gp h o s p h o r u si nt h ea c t i v a t e ds l u d g e b y p - e x t r a c t i o nf r o mt h ea c t i v a t e ds l u d g e w ec a nc l a r i f yt h em e c h a n i s m so fp h o s p h a t e e l i m i n a t i o na n dr e m o v ep h o s p h o r u sf r o mt h ew a s t e w a t e rb e t t e r t w om e t h o d sw e r e u s e dt oe x t r a c tpf r o ma c t i v a t e ds l u d g ei nt h i se x p e r i m e n t i r o ni o nh a sa ni m p o r t a n t i m p a c to ns l u d g ef l o e s , w h i c hc a l lb ee m b o d i e df r o ms e d i m e n tc u r v e , p a r t i c l es i z e d i s t r i b u d o n ，f l o e s ，c a r l o ni ne p sa n dc a p i l l a r ys u c t i o nt i m e k e yw o r d s ：i r o ni n n e re l e c t r o l y s i s ，c o u p l i n g ，s i m u l t a n e o u sr e m o v a lo fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u s ，p - - e x t r a c t i o n i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：咨肆茁 聊年月) - ) i e t 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 年月日 学位论文作者签名： 静拖 协7 年，月n 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：酝毙 w 刀年月波日 第1 章概述 1 1 铁内电解工艺的发展 1 1 1 催化铁内电解机理 第1 章概述 催化铁内电解法处理污水主要是利用双金属体系在污水中产生电位差，形 成原电池，以及由此所引起的系列反应，改变废水性质，达到废水处理目的。 铁的还原作用可以使一些大分子发色有机物降解为无色或淡色的低分子物质， 具有较强的脱色作用，同时还可以提高废水的可生化性，为后续生化处理创造 条件。催化铁内电解法处理废水过程中产生大量的f 0 2 + 和f e 3 + 离子，水解生成 的氢氧化铁胶体是很好的絮凝剂，带正电荷，它能与水体中带相反电荷的物质， 以及溶液中的电解质发生沉聚作用。这些新生成的氢氧化铁胶体比二价或三价 铁盐水解所得的f e ( o h ) a 和f e ( o h ) 3 具有更强的吸附性能。可以使水质进一步得 到净化。 1 1 2 铁内电解研究现状 同济大学的刘剑平对催化铁内电解法处理酸性橙废水的脱色降解进行 了研究，考察了进水p h 、搅拌速率、进水浓度、铁铜比、支持电解质浓度、进 水温度等因素对脱色降解的影响。通过实验确定了最优反应条件。 工业生产中排出的废水含有大量的难降解物质，它们的存在对水环境构成 了极大的危害。而催化铁内电解法是一种新型的有效处理废水的方法，它可改 善难降解有机废水的生化性，使活性艳红染料废水旺3 的b c 比从0 升高到0 1 5 。 它降低了后续生化处理中难降解有机物的负荷，并较大程度的去除了正磷酸盐 e 3 。周荣丰“1 将催化铁内电解与生化法结合处理印染废水也得到了很好的处理 效果。浙江工业大学的潘志彦晒1 等人对高浓度毛发染料中间体废水进行了处理 研究，发现采用“预处理一铁碳内电解一催化氧化一混凝沉淀”组合处理工艺 效果最佳，并提高了后续处理的可生化性。童玲”1 对废铁屑和焦炭作为主要填 第1 章概述 料处理染料生产废水进行了研究，结果表明废水的可生化性有了较大的提高， 脱色效率均达到9 0 以上。 催化铁内电解法不仅在处理染料废水上有着强大的优势，樊金红h 卜嘲等 人的研究表明：在中性和弱碱性条件下，催化铁内电解法对硝基苯废水的处理 效果明显优于铁屑内电解法。 陈海燕n 0 1 研究了利用铁炭在水中发生的微电解过程可以有效地去除处理重 金属离子的作用机理。结合工程实例，介绍了采用微电解电化学法处理电镀废 水工艺流程。处理效果表明了采用微电解电化学法处理含重金属离子废水具有 处理工艺简单、处理效果好、经济合理的优点。王书文3 等人的研究也证明了 该方法在处理电镀废水上的可行性。 国外关于零价金属体系处理受污染水体的这方面研究较多。氯代烃类化合 物对人类的健康和环境构成了极大的危害，而零价铁还原体系n 2 卜n ”可以有效 的从工业废水、地下水中去除该类有毒有机化合物。 d i k a p l a n 【1 4 3 等人研究了在零价金属铁还原体系下，连续流中c r ( v i ) 的 去除率，并将这种技术应用于地下水的修复，结果表明该种技术可以极大的降 低水体中c r ( v i ) 的浓度。 1 1 3 曝气催化铁内电解的优势 随着社会经济的快速发展，我国城市污水的排放量还将持续增加。由于我 国经济尚不发达，在目前兴建或拟建的污水厂中，往往采用先建一级处理，以 后再逐步完善二级处理的策略。但以沉淀为主的一级处理对有机物的处理率较 低，悬浮固体去除率一般为5 0 6 0 ，b o d 5 去除率仅为2 0 4 0 ，c o d 去除率为5 0 左右n ”。如果仅仅采用一级处理，难以有效的控制水污染。而化 学强化级工艺强化絮凝工艺可以较少的投入较大地提高有机物和其它污 染物的去除率c t 6 叫。化学强化一级处理工艺是在常规一级处理的基础上，投 加混凝剂强化去除污染物的一种固液分离方法，在初沉池中没有去除的污染物 为小于0 1 m m 的细小颗粒，他们处于稳定的悬浮状态，这种稳定的悬浮液可以 通过利用低分子量的金属盐或高分子聚合物的来脱稳。 c e p t 工艺虽然处理量大、费用低、效果好、能有效的去除病原体，但是依 然存在很大的问题，如较高的药剂费用，相应的加药装置以及由此而带来的较 2 第1 章概述 高的动力消耗费用，此外，c e p t 工艺产泥量大，而且产生的污泥为化学污泥， 处理困难，相应的污泥处理费用就会提高。曝气催化铁是催化铁内电解工艺的 一个变形，它在原有的催化铁内电解池中增加了曝气，加大了铁的腐蚀，且腐 蚀产物主要为f e 3 + ，充分利用新生f e 3 + 的絮凝能力，其作用相当于在化学强化 一级处理工艺中投加絮凝剂。但曝气催化铁内电解法作为新型的一级半处理工 艺，不同于传统的化学强化一级处理工艺，它不需要投加絮凝剂，因此也就不 需要配套的加药装置，节约成本，易于稳定，操作简单，效果显著。此外，传 统的投加混凝剂的方法，金属离子的强烈水解，会造成污水p h 值的剧烈下降， 使出水p h 值过低，而曝气催化铁工艺则不同，具有较强的p h 值缓冲能力。当 溶液呈酸性时，金属铁会发生析氢腐蚀，h + 被还原为h 2 ，溶液p h 值会上升； 当溶液呈碱性时，金属铁会发生吸氧腐蚀，o h 一被还原为0 2 ，溶液的p h 值会下 降。由此可见，曝气催化铁工艺不会导致p h 值的剧烈下降，当曝气催化铁工艺 作为预处理与生化法结合时，这一优势可以更好的突显出来，因为对于进水p h 值过低的废水而言，微生物的活性会受到抑制，进而影响到生化处理的效果， 而曝气催化铁可以起到很好的p n 值缓冲作用。 1 2 生物铁活性污泥法式脱氮除磷工艺 1 2 1 生物铁活性污泥法 生物铁( 或生物铁填料) 活性污泥法，是将生物处理与物理方法相结合， 利用两者的协同作用，达到高效去除污染物的目的。其基本原理是在曝气池中 投加铁盐( 氢氧化铁、氯化铁等) 或在生化池的适当位置安装铁复合填料，通 过连续不断地向反应池中补充铁离子，形成生物铁活性污泥，以提高普通活性 污泥法处理废水的效能，强化和扩大活性污泥法净化功能 2 1 1 铁是微生物生长 的必要元素，是生物氧化酶系中细胞色素的重要组成部分，在生物氧化中起着 电子传递作用，而且铁的存在可以有效的提高曝气池中的污泥浓度，同时使污 泥易于沉淀，改善混和液的分离效果。 马钢焦化厂啦! 驯化好的活性污泥特征：污泥含铁5 8 ；曝气池污泥浓度 6 8 9 ，l ；活性污泥体积指数：6 0 9 0 m l g ；污泥灰份2 7 3 8 。生物铁法具有 较强的耐冲击负荷能力，进水c o d 的最大值可以达到2 1 4 2 m g 1 。生物铁法还经 3 第1 章概述 常用于制革废水 2 3 1 和印染废水讲3 的处理。生物铁法处理高难度难降解印染废 水具有很大优势。当进水c o d 1 0 0 0 r a g 1 ， b o d 。c o d 1 j i6 0p o6 01 1 1 图3 5 铁铜填料曝气池俯视装置 初沉池与铁铜填料曝气池之间装有转子流量计，用以调节进入曝气池的流 量。曝气池尺寸为1 6 0 x 9 0 x1 3 0 ( e r a ) ，有效容积为1 3 m 3 。流态为推流式，共 三个廊道。本次实验首次选用推流式流态，是对以往试验研究的一个创新。由 1 6 第3 章曝气催化铁工艺的可行性及中试研究 于廊道较多，可以延长停留时间，起到很好的混合效果，最大限度的利用池体 空间。以往的实验研究中所用流态均为向上流式，但向上流式会使大量沉淀下 来的颗粒、杂质堵在进水口处，因此本次中试试验研究采用推流式。滤料块尺 寸为：9 0 0 x 6 0 0 x 2 8 0 ( 衄) ，共6 个滤料筐，两侧均有角钢挡水，左右两侧面 开孔率大于4 0 ，前后面不透水，下面开空率大于3 0 ，以便落渣。由于填料 的底部与池底留有段空隙( 便于落渣) ，容易导致短流现象。这一问题可以通 过曝气的方式解决。曝气时，位于池底的穿孔