（环境工程专业论文）三相内循环生物流化反应器处理有机废水研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东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了谢意。 研究生签名： 监要：堕日期：旺! 兰：! 刍 东南大学学位论文使用授权声明 东雨大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容n - - 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：医璺! ! 塾导师签名日期：p 华2 烨 东南土学硬士学位论文 摘要 本课题引进流化态技术开发了+ 种新型三相内循环生物流化反应器，将反膨器殴汁成二 个区，即升流区、降流区和沉淀区。载体与废水在升流区通过曝气流化，在升流| _ 干| | 降流医 内循环移动并完成生化反应，使废水得到净化，泥水在沉淀区分离。 试验采用轻质多孔性泡沫海绵为微生物载体，空隙率9 0 ，比表面积2 3 7 5 m 二m 3 ，拌膜 后比重略大丁水，易丁流化。投放丁反应器后，可使污泥浓度达8 0 0 0 r n l 以上，提高流化 反应器的容积负荷，可达1 2 k g c o d m 3 d 。 沉淀区为变截面，上升流速减小，污泥絮凝沉降，在重力和循环流抽吸的作用p 自动回 流。 对有机废水和印染废水进行处理，研究了有机物去除和脱氮特- 性，探索了最佳控制参数 及运行方式，使出水水质达到污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 一级排放标准。 有机废水试验表明，控制运行参数：h r t = 2 h 、d o = 2 5 m g l 和回流比r - - 2 ，当进水c o d 浓度4 0 0 8 0 0 m g l 、n h “_ _ _ n 浓度3 3 m g l 左右、t n 浓度4 2 m g l 左右时，c o d 、n 乩+ 一n 、 t n 去除率分别为8 5 9 2 、7 5 0 o - 8 1 、6 0 6 5 。印染废水试验表明，控制运行参数： a o 体积l k = 2 、h r t 总= 1 2 h ，当进水c o d 浓度1 5 0 0 m g l 左右和色度1 0 0 0 倍左右时，c o d 和色度去除率分别为9 1 9 5 、9 3 , - - 9 7 。 研究表明，三相内循环生物流化反应器为一体化装置，具有结构紧凑、高宽比小、污泥 产率低和动力消耗省等优点，可用于处理中小规模城镇生活污水和一l 业废水，一i 艺流程简单， 处理效率高：也可改造原有的处理构筑物为三相内循环生物流化反应器，提高处理能力乖处 理效果。因此三相内循环生物流化反应器是一种有发展前景的废水处理f 艺。 关键词：1 ：机废水印染废水内循环流化反膨器 东南史学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sa t t i c l ee m p o l d e r e dan e wr e a c t o r 一一t h r e ep h a s ei n t e r c i r c u l a t i n g b i o l o g i c a lf l u i d i z e dr e a c t o rw i t ht h et e c h n o l o g yo ff l u i d i tw a ss e p a r a t ei n t ot h r e e a r e a s ，a s c e n d i n ga r e a ，d e s c e n d i n ga r e a ，d e p o s i t i o na r e a w a s t e w a t e ra n dc a r r i e rw e r e f l n i d i z e db ya i ri na s c e n d i n ga r e a ，a n dw a s t e w a t e rw a sc l e a n s e di na s c e n d i n ga r e aa n d d e s c e n d i n ga r e a 鼢f e ra n ds l u d g ew e r es e p a r a t e di nd e p o s i t i o na r e a t h ee x p e r i m e n t a t i o nc a r r i e rc h o o s ep o r o u sf o a l n i t si n t e r s p a c er a t i oi s9 0 t h e p r o p o r t i o no fa r e aa n dv o l u m ei s2 3 7 5 m 2 ，m 3 i tw a sf l u i d i z e de a s i l yb e c a u s et h e d e n s i t yi sh e a v y i s h e rt h a nw a t e rw h e na n i m a l c u l eg r e wo nt h ec a r r i e r w h e nt h ef o a i n w a sp l a c e dl nt h er e a c t o r , t h ec o n s i s t e n c yo fs l u d g er e a c h e dm o r e8 0 0 0 m g l i t i m p r o v e dt h ec u b a g e1 0 a dt o1 2 k g c o d m d t h ed e p o s i t i o na r e aw a sd e s i g n e di n t og r a d u a ls e c t i o n i td i m i n i s h e dv e l o c i t yo f l i q u i d ，s l u d g es u b s i d e da n dr e f l o w e db y t h eg r a v i t ya n dt h es u c t i o no ft h er e c u r r e n t l i q u i d t h er e a c t o rw a su s e dt ot r e a to r g a n i cs e w a g ea n dd y e i n gw a s t e w a t e ra n dt h e a r t i c l es t u d i e dt h ee m c i e n c i e so ft h e r e m o v i n go r g a n i c c o n t a m i n a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o na n di tp r e f o r m e da no p t i m u mc e n t r e lp a r a m e t e ra n dr u n n i n gc o n d i t i o n a n dt h e q u a l i t yo ft r e a t e dw a t e rc a nm e e tt h e is t a n d a r do ft h en a t i o n a l s t a n d a r d ( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) t h ep r o c e s so ft h r e ep h a s ei n t e r - c i r c u l a t i n gb i o l o g i c a lf l u i d i z e dr e a c t o rw a s i n v e s t i g a t e d f o rw a s t e w a t e r 订e a t m e n t 、矾t hh r t = 2 h r d o = 2 5 m g lr = 2 i n i t i a l c o d = 4 0 0 8 0 0 m l ，n h 4 一n = 3 3 m 【l ，t n = 4 2 m l ，t h er e m o v a le f f i c i e n c i e so f c o d ，n h 4 一n ，t nw e r e8 5 - 9 2 ，7 5 - 8 1 6 0 - 6 5 t h ep r o c e s so fn l r e ep h a s ei n t e r c i r c u l a t i n gb i o l o g i c a lf 1 u i d i z e dr e a c t o rw a s i n v e s t i g a t e df o rd y e i n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n t w i t ha ov o l u m er a t i 0 2 2h r t 。2 3 0 h r ， i n i t i a lc o d = 1 5 0 0 m l ，t h ea b s o r p t i v i t yo fc h r o m ao 3 8 6 ( d i l u t i o nm u l t i p l em e t h o d 1 0 0 0 ) t h er e m o v a le 街c i e n c i e so f c o d c h r o m aw e r e9 1 9 5 8 7 - 9 2 t h ec o n e l u s i o no ft h ea r t i c l ei n d i c a t e d ：t h et e c h n i c sh a dt h ee x c e l l e n c i e so ft h e h i 血l o a d i n gr a t e t h eg o o dt r e a t m e n te f f i c i e n c ya n dt h es i n a i lh e i g h t b r e a d t hr a t ea n d i to v e r c o m e dt h eb i o l o g i c a lf l u i d i z e dr e a c t o r sd i s a d v a n t a g et h a t1 i m i t e di t s e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n i tc o u l db ed e s i g n e di n t e g r a lo ri n t e rb i o r e a c t o r i tc o u l d b ea p p l i e di n t ot r e a t i n gm u n i c i p a lw a s t e w a t e ra n ds e w a g ea n dr e b u i l d i n gs e w a g e f a r mt oi m p r o v et r e a t m e n te 街c i e n c i e sa n dc a p a b i l i t y , t h e r e f o r et h r e ep h a s e i n t e r c i r c u l a t i n gb i o l o g i c a lf l u i d i z e dr e a c t o ri sap r o c e s st h a th a sw i d ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t k e yw o r d s ：o r g a n i cs e w a g ed y e i n gw a s t e w a t e ri n t e r c i r c u l a t i n gf 1 u i d i z e dr e a c t o r t 南土叠曩士学位话文 第一章绪论 1 1 研究蜚景 我国的水资源丰富，其总量为2 ，8 万亿立方米，其中河川年平均总径流量约2 7 亿立方 米，相当于全球陆地径流总量的55 。但我国人均水资源量为2 2 4 0 立方米，仅相当于世界 人均占有量的1 4 。据测2 0 0 0 年全国缺水2 8 6 亿立方米，而预计2 0 3 0 年将缺水达5 0 0 亿立 方米，人均水资源量将下降到1 7 6 0 立方米，成为世界用水紧张国家。在我国6 7 0 座大中城 市中，有近4 0 0 座城市出现不同程度的缺水，1 1 0 座城市严重缺水，一年中因缺水造成等产、 5 艮产和停产，工业产值损失2 3 0 0 亿元。根据2 0 0 3 年中国环境状况公报，我国主要水系、 湖泊和海域污染严重，七大水系v 类和劣v 类水质达到6 1 9 ，主要湖泊氮氮、总磷和高锰 酸钾指数严重超标，营养化问题突出。因此我国未来水资源的形势是严峻的。 随着我国的工农业的迅速发展和经济的快速腾飞，越来越多的污染物被排入水体，使水 环境质量大幅下降，使生态环境遭到严重破坏，许多动植物已经灭绝或濒临灭绝。根据2 0 0 3 年中国环境状况公报，全国工业和城镇生活废水排放总量为4 6 0 0 亿吨，其中工业废水 排放量2 1 2 4 亿吨；城镇生活污水排放量2 4 7 6 亿吨。废水中化学需氧量( c o d ) 排放总量 1 3 3 3 6 万吨，其中丁业废水中c o d 排放量5 1 19 万吨；城镇生活污水中c o d 排放量8 2 1 ，7 万吨。废水中氨氮排放总量1 2 9 7 万吨，其中工业废水中氨氮排放量4 0 ，4 万吨：城镇生活污 水中氨氮排放量8 9 3 万吨。由于未经处理或处理后没有达标的废水排放，造成了水体的污 染，严重威胁人民的身心健康和影响了国民经济的发展。因此，加快水处理厂( 站) 的建设， 提高废水处理率，使废水达标排放是当前环境治理工作的首要任务。为此要研究并推广使用 切实可行的处理技术，安全经济的工艺，加强城镇生活污水和工业废水的处理，减轻水体污 染，改善生态环境。 1 2 有机废水生物处理方法 根据废水处理要根据其本身的成分、性质和处理目标等因素来决定采用何种处理方法。 废水处理方法根据处理原理可分为物理处理法、化学处理法和生物处理法三大类。由于生物 处理法具有能耗少、处理效果好利二次污染，j 、的特点，所以生物处理法是废水的主要处理方 法。 生物处理法就是利用微生物的代谢作用使污水中呈溶解、胶体状态的有机物转化为稳 定的、无害的物质。主要方法可分为两类，即利用好氧微生物作用的好氧处理法和利用厌氧 微生物作用的厌氧处理法。 好氧处理法与厌氧处理法分解均释放能量和无机养分，为微生物生| 吏所利用。好氧处理 法降解不仅彻底，反应速率也较高，因此成为生化处理技术的主体。厌氧处理法反应较缓慢， 有机物质转化所需的时间较跃，但厌氧过程有两个重要作用：一是可以降低废水中有机物质 的浓度；二是可以转化一些好氧微生物难以壹接分解利用的难降解有机物质。因此厌氧法通 常作为好氧降解的预处理。 好氧处理法有活性污泥法和生物膜法。 活性污泥法是目前应用最为广泛的污水处理方法，但活性污泥法存在着对水质变化和 冲击负荷适应性差、易发生污泥膨胀、基建和运行费用高、占地面积大和管理复杂等缺点。 生物膜法是在处理废水的反应器中添加介质( 填料) 作为微生物附着的载体，在分解有机 污染物过程中，微生物在介质的表面上生长繁殖，逐步形成粘液状的膜，然后利用同着住介 东南点学硕士学位论文 质表面的这冲微生物膜米净化污水。 当前在肚界再国推j 1 应j = | ；l 的生物膜法人毁可分为三类： 润肇j 牲物膜法：废水和空气沿乱宅或转动的接触介质表l i t l i 杓f 物膜流过，例如生 物滤池午生物转盘。 浸没刑生物膜法：接触滤料完全浸没住废水中采j ；_ j 鼓风供氧，别如接触氧化法。 流动床型生物膜法：附有生物膜的介质在曝气充氧过羁! 中，巷浮流动，例如生物移动 床和生物流化床等。 生物流化床处理污水的研究和应用始于2 0 世纪7 0 年代初，庄2 0 世纪7 0 年代末中后 期生物流化床处理城市污水希i ： 业废水在上程上开始得到推j 、。好氧生物流化床法按床内 气、液、蚓二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。蹲相生物流化床与三相生物流化床的不同之处在于废水进 入流化床之前先充氧气或空气进行预曝气，使废水中含有足够的氧气( 一般3 4 m g l ) 然 后再进入流化床，液固两相在流化床内充分混合接触进行生化反应；而三相生物流化床则直 接： 每氧气或空气、废水同时泵入流化床，造成气液固三相在流化床中混台流动并进行生物 反应。 两相生物流化床存在脱膜困难这一问题，需专门设计机械脱膜装置，使处理流程复朵 化。而内循环三相生物流化床解决了这个问题，由于载体在升流区引降流区之间的循环流动 造成的摩擦碰撞，可通过合理的设计使得较厚的生物膜白行脱落而义不至过度脱膜，有效地 控制膜厚，因而内循环三相生物流化床是目前研究和应用最普遍的生物流化床。 1 - 3 选题的目的与意义 我国水环境质量逐步恶化，严重的缺水将会对整个人类的生存造成威胁。寻求安全经 济的处理j ：艺和加强城镇生活污水和工业废水的处理已是当务之急。目前我国水处理厂( 站) 存在“三高”问题，即投资高、电耗高与运行费用高。根据环境污染治理发展趋势和经济发 展水平，有机废水水处理应采用生物处理，并且实现处理运行自动化，以减少人力消耗和维 护费用。 本课题引进流态化技术开发了一种新型三相内循环生物流化反应器以有机废水和印 染废水为处理对象，研究了有机物去除和脱氮效果，探索了最佳控制参数及运行方式，使其 出水达到污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 一级排放标准。 东南土学硬士学位论文 第二章流态化基本概念与生物流化床工艺 2 1 流态化技术的基本概念 流态化技术是指颗粒状物制与流动的气体或液体相互接触，井住后者的作用f 呈现某种 类似于流体状态的技术。流态化技术具有以t - 优点： ( 1 ) 颗粒流动平稳，类似液体流动，操作易丁实现连续化和白动化i ( 2 ) 由】_ _ _ 固体颗粒的剧烈运动和迅速混合，使装置内液体的主要指标如浓度、温度均 匀，便于调节和维持所需的操作参数： ( 3 ) 由于固体颗粒尺寸小，比表面积大，因此气体或液体与同体颗粒之间的传质速率 高。 目前流态化技术作为一门基础技术已经渗透到国民经济的许多部门，在化工、炼油、冶 金、能源、原子能、材料、轻工、生化、机械、环保等各个领域中得到广泛的应用。 1 9 7 3 年美国人j e r i s ，j o h n s 等首次将流态化技术应用于废水生化处理，现为e c o l o t r o l 公 司的专利，商品名为h y f l o 流化床。在此后的几十年里，流态化技术在废水处理中得到了 广泛的研究和应用，如先后出了流化床、移动床、浮动床和l i n p o r 二 艺。 2 2 生物流化床水处理原理 生物流化床 2 1 是以砂、活性炭、焦炭一类较小的惰性颗粒为载体，载体表面被附着生物 膜，其质变轻，以水流或气流为动力使这种附着生物膜的载体与活性污泥一起在曝气池内处 于流化：状态。载体处于流化状态，废水从其下部、左、右侧流过，广泛而频繁多次地与生物 膜接触而得到净化。 本质上来说，生物流化床是既有固着生欧法特征又具有悬浮生跃法特征的反应器，具 有两种处理方法的优点。 2 3 生物流化床的特点 生物流化床中的流化颗粒是附着生物膜的载体和包含菌胶团的活性污泥。因此生物流 化床的反应过程是一种以生物膜为主，以活性污泥为辅的生化处理过程，它具有两种方法的 特点。 与其它生物反应器相比，生物流化床法有如f 特点： ( 1 ) 生物流化床由于采用小粒径的固体颗粒载体，可以为微生物的生长提供巨大的表 面积。 表2 1 生物流化床与几种生物处理法中比表面积的比较 ( 2 ) 具有高浓度的微生物量。污泥浓度通常l o g l ，甚至可达4 0 - 5 0 9 l ，而活性污泥 法中的污泥浓度只有2 - 4 9 l 。由t - 污泥浓度高，生化反应旷常快，废水净化效率高，b o d 5 u ec o d 的容积负荷很高。 东南土季曩士孽t 薷- 文 表2 2 生物流化床与几种生物处理法的b o d s 容积负荷比较 方法名称流化床纯氧曝气活性污泥生物转盘生物滤池接触氧化 b o d 5 容积负荷 1 6 ，6 3 3 2 0 8 5 0 8 2o 4 21 0 k g b o d 5 m d 生物流化床的容积负荷虽大，但因系统内的微生物浓度高，换算成污泥负荷后仅为 o 4 k g b o d 5 k g m l s s 。d ，与活性污泥法基本一致。 ( 3 ) 传质、传热效率高。生物流化床中附着生物膜的颗粒一直处于运动状态，颗粒表 面不断被更新。流化床生物膜中的反应速度与膜间的传质速率比为0 1 0 7 ，也就是说流化 床中的传质速率大于微生物的生化速率，这是净化效率较高的一个重要因素。 ( 4 ) 生物流化床的颗粒与污泥由于处于运动状态生物膜不断更新，不可能形成很厚 的膜层，一般膜厚均在2 0 0 “m 以r ，微生物处于对数生长期，处理效率较高。镜检可见菌 落繁茂，个体丰满，原生动物也十分活跃。从污泥呼吸好氧量测定来看，同样的废水在相同 的处理条件下，普通的曝气法为o 8 m g l ，而流化床为1 2 m g l ，有的可达1 6 m g l ，为普通 曝气法的两倍，这也说明流化床污泥中的微生物大多体强力壮因而处理效果好。 ( 5 ) 生物流化床是以生物膜为主体，所以不需进行污泥的回流，因而管理简便，设备 易小型化，占地少，投资省还具有运行费用低的特点。 ( 6 ) 由于微生物浓度高，传质效果好，废水在流化床中分布均匀，所以能耐冲击负荷， 并且在受到影响后极易恢复，这对于处理复杂多变的废水较为适用。 ( 7 ) 生物流化床还可以克服因丝状菡的生艮引起污泥膨胀上浮的缺点。在流化床中， 由于条件的限制，丝状菌无法连成团，即使向水中加入大量的丝状菌也难以繁殖膨胀上浮， 这就能克服固定床所存在的丝状菌堵塞滤料的缺点。 2 4 生物流化床的发展 随着废水处理技术的不断发展，为使生物流化床发展成为高效、低能、连续处理大量废 水的新型反应器，满足废水深度处理发展要求，国内外又研究开发了一些新型生物流化床反 应器。 1 磁场生物流化床 磁场生物流化床反应器装置比较复杂，需在床体外加磁场，并且固定化细胞的载体内需 含一定的磁介质床层内存在3 种状态：散流床、链流床、磁聚床。施加磁场带来两个方面 优点： 崮相粒子可在更大的流速下才能从磁场生物流化 床冲出： 单位反应器体积所降解的污染物量明显提高。 2 。环流生物半流化床 北京化工研究院开发了一种全混型和置换叠加的环 流生物半流化床，如图2 3 所示。在一个床中实现了流化 床和固定床的串联操作，它既有利于防止流态化生物相及 生物载体的溢出，又具有良好的循环特性，克服了全混型 反应器对一些较难降解的有机物去除率低的困难。研究结 果表明，用其处理淀粉废水，停留时间小于6 h 最大c o d c 。 负荷为4 2 k g m 3 - d ，具有处理能力大、效率高的优点。 出水 ，、7 _ 、 固定床区 流化床区 、，一 鲨坐n 哩苎 图2 。3 环流生物半流化床 6 t 南土季曩士骨t 静文 3 自充氧内循环三相复合生物流化床 填 过 自 内 液 接 睡 气+ 液 图2 4 自充氧内循环三相复合生物流化床 华北工学院在复合生物流化床的基础上， 研制了一种新型内循环三相复合生物流化床， 如图2 4 所示。这种反应器下部为三相流化床， 上部带有活动式过滤安全网和填料，床上部出 水通过自充氧系统，用流动空气自动充氧后， 进入浸没式接触氧化床，经进一步反应后排 出。它具有良好的自充氧特性、兼有流化床处 理效率高和接触氧化滤床出水好的优点，而且 能耗小、适应性好、气水比低，具有电好的应 用前景。 4 m d 三相流化床 南京大学杨柳燕等人开发了一种新型好氧生物流 化床，如图2 7 所示。m d 三相流化床的沉淀区在中间， 较目前一般的外侧沉淀区流化床不同，大部分的载体呈 悬浮状态，小部分载体随着水流呈现循环状态。同全循 环的流化床相比较，其能耗相对较低，载体的损失也少。 m d 三相流化床同气升式内循环流化床相比较，具有氧 传递面大、填料间摩擦小等特点。采用鳃板式部件，使 气体不进入沉淀区，同时对进入沉淀区的废水进行整流， 有利于废水的固液分离。颗粒活性炭和活性污泥通过中 ，b 管进入曝气区，中心管可以控制循环水量的大小，因 此较回流缝式的流化床易控制。 5 三重环流生物流化床 卜日。l 、七j 、多 】| o o 图2 。7m d = 相流化床 图2 。6b a s e 生物流化床 7 东南土学硬士学位论文 化+ o 反艄比作i h 的一体化。通过凋m 部好氧区的气j i 羊麻部灯缺氲隧州小循环孔米控相 液体和生物膜f = ! e 两区间的循环，冈此不需要另加泵干循环管线。 7 c i r e o x 气升式流化床 进水 窀气 图2 5c i r c o x 气升式流化床 荷兰的f n j t e r s 等人开发了一种新璎的c i r c o x 气升式 流化床反应器。如幽2 5 所示。浚反应器有好氧和缺氧两 区，能够取得较高的液流速率和混合均匀度，因而具有 良好的c o d 去除、脱氮能力。 东南土学硕士学位论文 第三章课题的实验设计 3 1 研究路线 本课题根据我国废水处理现状及目前的处理方法，为探索经济、高效、节能、技术先进 的符合我国国情的废水处理新技术而拟定的。 当前的废水处理主要是对有机污染物的处理，忽视了对废水中氯、磷的控制，致使出现 了水体富营养化现象。水体富营养化的直接后果是鱼类的人量死亡及对r ：业、生活、灌溉削 水产生不利的影响。 本课题采用工艺：缺氧池三相内循环流化反应器j 艺处理废水，以达到在去除有 机污染物的同时，也加强对氮的控制，解决水体的富营养化问题。 图3 ，1 三相内循环生物流化反应器l 艺流稷图 该 艺缺氧池生物反应控制在水解酸化阶段，旨在厌氧条件f 利用多种产酸菌的胞外酶 分解水中长链有机物产生有机酸、醇等，污水可生化性获得提高，充分发挥后续好氧工艺的 生物降解功能。同时三相内循环生物流化反应器出水同流至缺氧池，利用池内初步降解的有 机物作电子供体，完成n o ! 、n o ，一还原反应，实现系统的脱氮功能。 好氧池为三相内循环流化反应器，反应器分流化反应区( 升流区、降流区) 及沉淀区： 丹流区由微孔曝气使载体和污水形成上升流，并完成充氧；降流区为变截面，循环水流流速 降低，有利于从填料脱落的膜在此区形成絮体：沉淀区电为变截面，水流上升速度逐渐减小， 有利丁颗粒载体沉降，沉淀的污泥全部同流至反应医。 东南土学硕士学位论文 3 2 研究内容 本溧题拟主要考察二相内循环流化反应器玄除有机物剐兑氨f 自觇律。实验任。 试装置 内进行，实验内容包括： 生活污水 ( i ) 填料挂麒阶段，膜厚与有机物左除效果的天系； ( 2 ) 有机负荷、水力停留b cr q 、气水比帛 混合液同流比等对有机物去除的影响 ( 3 )有机负荷、水力停留时间、溶解氧和混合液同流比等对氨氢年l l 总氮去除的影响。 印染废水 ( 1 )缺氧池去除有机物、去除色度、提高废水可生化性的卅f 究 ( 2 )a o 系统处理印染废水效果的研究 3 3 研究方法 3 3 1 实验装置 试验装置由有机玻璃制成，如图3 2 和图33 所示。其中缺氧池有效体积为4 0 l ，三相 内循环流化反应器的高宽比为1 ：1 ，总有效体积为4 8 l ，其中反应区体积为4 0 l ，沉淀区体 积为8 l 缺氧池和三相内循环流化反应器内均装有多孔性泡沐海绵。如图34 所示。 图3 2 三相内循环生物流化反应器装置侧视幽 东南太学硕士学位论文 图3 3三相内循环生物流化反应器装置俯视圈 3 3 2 载体的选择 载体采用多孔泡沫海绵，其外观尺寸大小为3 m i n x3 m m 3 m m ，空隙率9 0 ，比表面 积3 7 5 0 m ! m 3 ，堆积密度0 2 9 c m 3 ，挂膜后密度略大于水，易通过曝气或搅拌而在池中呈流 化态。 图3 4 挂膜斤的多孔泡沫海绵 3 3 3 实验用水 生活污k ：采j j 几i 合成废水，淀粉0 1 7 掣l ，衙萄糖01 1 l 、碳酸铵0 川l 嗣i 磷酸 氢二钾00 4 9 l 。不同c o d 浓度的污水按上述比 = | j 投加。 东南上学硕士学位论文 印染废水：采川人i 合成印染废水，值接染料0 0 3 l 、酸性染料00 2 l 、活性染料 0 o l 。d l 和淀粉o 2 6g l 。不同浓度的废水按上述比例投加。 图3 5 印染废水处理对照图 3 3 4 接种污泥 接种污泥取自南京市锁金村污水处理厂曝气池内的活性污泥，其m l s s 约为2 5 0 0 m g l s v 约为2 0 。 3 3 5 分析监测项目与方法 分析方法参照水和废水监测分析方法中国环境科学出版社 1 9 8 9 表31 分析监测项目与方法 分析项目测试方法 c o d 重铬酸钾法 b o d ； 稀释接种法 m l s s 重量法 d o 碘量法 n h ，一n 纳氏试剂比色法 t n 过硫酸钾氧化紫外分光广度法 s s 重量法 d h 精密试纸 膜厚 直接显微镜测定法 色度 分光光度法 t 南土曩嘎士蠢t 论文 第四章三相内循环生物流化反应器的开发 本课题开发研究的三相内循环生 物流化反应器是介于固定填料生物接 触氧化法和生物流化床之问的一项新 工艺，它克服了接触氧化法填料易堵 塞、生物膜过厚易结团的缺点，也解 决了生物流化床三相分离困难、高径 比大难于工程应用的问题。 【 “廖 ：厂 升， 。 流 。 流、i 如 区 。 区密 ? 。7 v 空气 。 、 = u u 、，7 j ：一 豳4 l 三相内循环生物流化反应器示意图 4 1 三相内循环生物流化反应器净化原理 在空气的提升作用下，载体和废水在反应器内不断循环移动，呈现不同的接触混合状 根据反应区内导流板两侧工艺特征和功能将反应器的反应区分为升流区和降流区。 在升流区内，具有一定压力和流量的压缩空气通过微孔曝气器由池底进入升流区，对载 体产生气提作用，升流区内的载体与液体、气体形成三相流，以一定的速率向上移动。降流 区是一沿水流方向截面逐渐增大的区域，水流速率在此区逐渐下降，在运动惯性和气体的抽 吸作用下，降流区内的水流携带气泡、载体和从沉淀区回流的污泥由导流板底部进入升流区 再次被提升，由此在反应器内形成循环流。在载体循环流动过程中，载体之间相互摩擦、碰 撞，同时由于三相流中气、液、固三相的不同步特征，空气和液体对载体表面产生较强的剪 切作用，载体表面老化的生物膜不断脱落更新，使生物膜处于高活性，维持整个反应器挣化 高效状态。由于载体的不断循环，反应区呈动平衡下的移动状态，使生物膜与废水充分接触， 强化了生物降解作用；同时在升流区内由于三相流的剧烈运动，空气中的氧得以以较快的速 率溶于水中，以及降流区水流携带气泡流动，其水接触时间长，氧转移率高，因此在反应器 具有较好的充氧效果。 4 1 1 反应器内氧传递特性 在氧生物处理过程中，微生物降解有机污染物需要氧气作为电子供体。而氧气是难溶于 水的气体，当温度为2 0 c 、压强为l a t i n 时，清水中的饱和溶解氧浓度c s 仅为9 1 7 m g l 左 右。在位生物发生激烈的生化反应时，反应器中溶解的氧气在停止曝气后几秒之内即可耗尽。 因此反应器内氧的供应和传递是生物反应器的一个重要影响因素。 氧传递的速率方程可用下式表达： r 、 睾= 置h 缸一c ) ( 4 - - 1 ) “l t t 式中二二氧转移速率，m g ( l h ) ； 讲 c s _ 一水中氧的饱和溶解度，m 叭。； c 液相主体中氧的浓度，m g l ； k l a 氧总转移系数，h 一。 东南文学硕士学位论文 由式( 4 - - i j 。丌知，为了提高d c d t 惰，叮从两膏而考虑： ( 1 ) 提高k l 。值。这样需婴加强液相主体的紊流程度，降低液膜j 宁度，加速气、液界 面的更新，增人气、液接触面积等。 ( 2 ) 提高c 。值。提高气相中的氧分压，如采州纯氧曝气深井曝气，加压曝气尊。 本课题研究的二相内循环生物流化反麻器为了使载体填料流化，需进行鼓风曝气，使得 反应区内流体紊流剧烈：反麻区内二相流不断循环流动，载体填料之间相互碰撞，加速气、 液界面不断更新，同时电降低了液膜的厚度；载体填料相互碰撞似的气泡细化，增人r 气、 液接触面积。综合上述分析，二相内循环生物流化反应器内氧的供应和l 传递是满足生化反府 的要求的，试验证明反应器内氧气充足，不是生物反应器操作的制约因素。 4 1 2 反应区内氧的分布 三相内循环生物流化反应器中，升流区内曝气使载体流化，同时也向液相中传递氧，所 以在升流区内氧气充足；在三相流进入降流区后，由于降流区断面沿水流方向不断增加，水 流流速不断下降，不能携带全部气泡进行循环移动，一部分气泡在自身浮力作用f 逸出，这 样不能完全补充微生物进行生化反应消耗的溶解氧，所以在降流区内溶解氧沿水流方向是不 断减小的，在降流区内有可能存在缺氧环境，试验结果也证明了这一点。 4 2 三相内循环生物反应器的设计 三相内循环生物反应器的总体尺寸长宽高为4 1 0 r a m x 4 0 0 m i n x 4 0 0 m m ，具体结构见各 个区的设计。材质均采用5 m m 厚的有机玻璃。 4 2 1 载体及固含率的选择 在三相内循环生物流化反应器中，载体填料的作用是提供微生物附着成膜的场所，由于 载体填料的加入，对原有气液两相的流体力学及传质性能必然有影响，这种影响包括气含率、 氧传递系数和流化态等方面。 4 2 1 1 载体的选择 生物膜载体主要分为无机类载体和有机类载体两种。常用的无机类载体有砂石、玻璃材 料、沸石、陶瓷材料、碳纤维、矿渣、活性炭等，其优点是机械强度相对较好，但比重较大， 流化有一定的困难。常州的有机类载体有p v c 、p s 、p e 、p p 、各类树脂、塑料、纤维、明 胶等，这些载体在强度、比重等各方面都具有各自明显的特点。在生物膜法中，良好的载体 有利于挂膜及生物膜在其上( 中) 的生k ，因此填料载体的选择十分重要。一般而言，载体 颗粒须具各如_ f 条件： 1 、具有均一的化学成分、表面粗糙、空隙率，具备微生物着床生陡的表面，具有较大 的比表面积。 2 、具有一定的生物、化学雨i 热力学稳定性，以防载体填料和细胞以及材料和基质之间 发生有害反应、填料变形变性。 3 、载体的粒径适当，且密度与水的差值小。 4 、具有一定的j l f o l 形状，同时具备足够的机械强度，庄流化状态| 、不易破1 i 卒， 5 、价格便宜，就地取材，便丁加r 、运输。 本课题采川轻质多扎陛泡沭海绵作为微生物载体，牍外琨尺寸人小3 m m 3 m m 3 m m 空隙率9 0 比表面积2 7 5 0 m ! m 3 ，堆积密度o2 c m l 。件膜后密度略人丁水，易r 流化， 可降低气水比，减少能耗。 车南土学硕士学位论文 4 2 1 2 固含率的选择 载体的填充鼙不汉自接关系到生物量，而且影响反应器内的传质及流体力学特性。s m i t h 等人通过实验发现，二相流化床的气含率随硎含率的增大而降低，而嘲相禽率对氧传递系数 的影响比较复杂，他给除了不同州相含率对氧传递系数的影响关联式。 k “= ( 4 5 5 + 1 1 5 0 占，一4 0 l o o e 功户5 e ( 一2 9 9 0 ( o 0 岛 o 0 3 5 ) ( 4 2 ) k “= 3 2 5 0 + 2 1 2 0 0 6 ，一2 7 0 0 0 妒5 e ( 。”o( o 0 3 5 s ， 6 0不再是控制因素。下降区( ) ， c o d 去除率随气水比增加而下降，这是 由于进气量太大，反应器内湍流程度 响曲线 增加，生物膜所受的剪切作用增强 致使一部分生物膜脱落随出水流出 导致出水c o d 去除率下降；同时气体流量过大，导致气泡聚并、增大，气体迅速从流化反应 器内逃逸，降低了氧转移速率。 5 2 4 回流比对有机物处理效果的影响 在h r t = 4 h 、g w = 4 0 条件下，将沉淀区下部泥水混合液回流至厌氧池，考察c o d 去除 率随回流比变化的情况，结果见表5 5 与图5 8 。 表5 5 不同回流比对有机物处理效果的影响 回流比进水c o d 缺氧池出水c o d 缺氧池去除率好氧池出水c o d 好氧池去除率 总去除率 m g hm g 几 i n l 9 2 9 0 8 8 ! 。e 錾8 4 粕 誊8 2 8 0 7 b 从表5 5 莆i 国5 8 可以看出，在进水 c o d 分别为3 0 0 m g l 左右和1 0 0 0 m g l 左右 时c o d 去除率与阐流比呈线性增长关系， 提高回流比有利于系统对有机物的去除，尤 其对高浓度有机物污水去除率的提高较为 明显。这是由于从沉淀r 同流到缺氧池的泥 水混合液含有活堡鉴壶盟迁：日逝超! 墨有较 高的“初划吸附作喇”，同时濉台液有机物 浓度较砥- 下暖丽西于 藕水有+ 雨稀称作 川。进入曝气池的有机物浓度较进水低了玎 、 一 广 一 一 一 j 1 一 一 m 舱 心嚣瀛椭 。 比流 幽 东南太学硕士学位论文 多使曝气池住相对较低的负甜1 、延干川i 流比不能过多的增加，闪为同流比增加，动力 消耗出增加；同时同流比增加，影响沉淀i i 的分离效果。废水处理趟酉采川同流莆l 同流比取 何值，要综合处理要求和经济效i j 来确定 东南土学硬士学位论文 5 3 三相内循环生物流化反应器的脱氮效果研究 近年来人们己经认识到，各种废水带给受纳水体的威胁不仅来白其所含有机物平氪氨， 各种形式的氮和磷是主要的“营养元素”，有时它们甚至成了污染元凶。我国k 江口、臃江 口、辽东湾、大湾、汕头一汕尾海域以及天津近海等水域赤制频频发生，作为当地重要水 源的太湖、滇池和巢湖等淡水湖泊水覆疯汝、永质恶化，给当地经济活动和社会生活造成灭 难性的后果，这些现象的出现均与水体富营养化相关。因此，严格控制总氮和总磷的排放成 了保护水资源非常重要的手段。 本课题主要针对总氮进行研究，其生物脱氮原理与常规t 艺类似，主要是建立在硝化一 反硝化机理上的，利用好氧硝化缺氧反硝化来达到脱氮的目的。 在三相内循环生物流化反应器内，通过弧硝化菌和硝化菌的作用，将氨氮氧化成皿硝化氨 ( n 0 2 一_ n ) 和硝化氮洲o ，一一n ) 的过程称为硝化过程。反应式为： t n i - i ；+ 1 - ；0 7 垩型堕斗n o ；4 - 2 + + h ，d + ( 5 8 8 4 ) 千卡 ( 5 - - 7 ) z 。 1 n o ；+ 三0 ，型堕一n o ；+ ( 1 5 。4 2 0 6 ) 千卡 ( 5 8 ) 一 2 。 总反应为： m 町+ 2 qj d i + 2 h + + h 2 d + ( 7 3 4 1 0 4 9 ) 千卡 ( 5 9 ) 硝化过程中n 也+ n 耗于异化氧化和同化合成的经典公式为： 嘭+ 1 8 3 0 2 + 1 9 8 h c 。i 寸 ( 5 l o ) 0 9 8 n 0 2 + o 0 2 1 c 5 h 7 n 0 2 + 1 8 8 h 2 c 0 3 + 1 0 4 日2 0 因此，通过计算表明硝化作用中每去除1 克n h 4 + - n ，约： 耗去4 - 3 3 克0 2 生成0 1 5 克新细胞 减少71 4 克碱度( 按c a c 0 3 计) 耗去o 0 8 克无机碳。 在缺氧池内，通过反硝化菌的作用，将氧化态氮( n 0 2 - - 或n 0 3 ) 还原成气态氮( n ! 或 n ，0 1 的过程称为反硝化反应。反应式为： n o ；+ 3 h 吨子供体有机物) 8 登丝里_ 1 2 n 2 + h2 0 + o h 一 ( 5 1 】) n o i 十6 h ( 电子供体有机物) 匡堕些! ! _ 1 2 n ，+ h 0 + o h 一 ( 5 1 2 ) 反硝化过程中亚硝酸盐和硝酸盐的转化是通过反硝化菌的同化作用和异化作j u j 来完成 的。若以甲醇为电子供体有机物，其经典反应式为： 凹+ l0 8 ( 珊) 叫+ o 2 4 皿c q 斗 ( 5 13 ) o 0 6 c 5 疗7 n 0 2 + 。4 7 n 2 + 1 6 8 h 2 0 + 日i 冈此，通过这反应式计算丧明，每1 克n o ，_ n 被反硝化： 消耗7 4 7 克甲醇( 约含3 7 克c o d ) 产生04 5 克新细胞 产生35 7 兜碱度 东击大学硕士学位论文 5 3 1 水力停留时间对氨氮去除效果的影响 由于二相内循环生物流化反