（环境工程专业论文）膜法中心岛氧化沟系统处理高氮低碳城市污水研究.pdf

四川大学工程硕士学位论文 膜法中心岛氧化沟系统处理 高氮低碳城市污水研究 环境工程专业 研究生陈国平指导教师杨平 近年来，随着全球水体的富营养化问题日益严重，污水中氮磷的去除技术 一直是污水处理领域的研究开发及应用热点。传统城市污水中的氮磷通过采用 c a s s 工艺、a 2 ，o 工艺及a z ，c 氧化沟工艺等，能够达到污水综合排放标准 ( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 级标准的要求。而对于某些高新技术开发区高氮低碳 ( c o d , j n h 3 - n i ) 的城市污水，传统工艺的处理不能达到排放要求本实验采 用膜法中心岛氧化沟工艺，对处理此种污水进行了相关研究，对今后处理高氮 低碳城市污水具有十分重要的意义 针对高凯氏氮、低有机物的特殊污水，采用延时曝气和生物膜法相结合的 膜法中心岛氧化沟装置。实验选定在传统氧化沟内放置一定量的y d t 弹性立 体填料，同时，在氧化沟中心岛设胃二沉池，使实验主体装置集氧化沟、生物 膜法、中心岛二沉池于一体。本实验研究了在此特殊水质及特殊工艺下，实验 系统的对该种高氮低碳城市污水的脱除有机物及氨氮的性能。 实验当温度为2 5 1 、氨氮容积负荷2 4 1 2 9 m 3 d ，水力停留时间8 5 小时， 氨氮的去除率达到8 3 8 ，出水可达到污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 一级标准，装置氨氮去除能力达到极限。 进水碱度需维持在5 0 0 5 5 0 m g t ( 以c a c 0 3 计) 才不致于对进水高氨氮 ( n h 3 n 为8 0 r a g l ) 的硝化反应产生不良影响；氧化沟溶氧浓度在5 m g l ，对 系统适当；y d t 填料上截留的活性污泥具有良好的沉降性能；本系统氨氮降解 旦坐世堕塑! 墅! 兰堡堡兰 过程遵循动力学方程q n ：q n 一。n ( k n + n ) ，实验宰测得氯氮降解动力学参数q n m “= 7 0 3 8 9 ( m 2 d ) ，k n = 1 6 2 7 m g l 。 系统运行正常时生物膜在填料上附着比较牢固，菌胶团结构致密，形态呈 多样性；丝状菌比较发达；游离细菌很少；浅红棕色或浅棕色。经常出现的优 势种群7 种，包括大口钟虫、褶累枝虫、杯钟虫、独缩珊瑚虫、漫游虫、循纤 虫、裸口虫、红眼旋轮虫，详见后附图片。 关键词：膜法中心岛氧化沟氧化沟中心岛 生物膜氨氮动力学 四川大学丁程埽i 十学位论文 t h er e s e a r c ho fc e n t r a li s l a n do x i d a t i o nd i t c h b i o l o g i c a lf i l ms y s t e m t ot r e a t t h eh i g h n i t r o g e nl o w c a r b o nc i t ys e w a g e m a j o r e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g g 髓d u a t es t u d e n t ：c h e ng u o p i n g s u p e r v i s o r ：p r o f y a n gp i n g i nr e c e n ty e a r s a l o n gw i t ht h ep r o b l e mo fg l o b a lw a e fb o d ye u t r o p h i c a t i o no f n i t r o g e np h o s p h o r u si ss e r i o u sd a yb yd a y , t h en i t r o g e np h o s p h o r u sr e m o v a l t e c h n o l o g ya l w a y si st h er e s e a r c hd e v e l o p sa n da p p l i e sh o ts p o ti ns e w a g et r e a t m e n t d o m a i n i nn o r m a lc i t y s e w a g en i t r o g e np h o s p h o r u sr e m o v a lu s e st h ec a s st p r o c e s s , t h ea z op r o c e s sa n da 饨p r o c e s s ，a n ds oo n c a l la c h i e v e ”s e w a g e s y n t h e s i sd i s c h a r g e ss t a n d a r d ”( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) l e v e lo fs t a n d a r d sr e q u e s t s 。b u t r e g a r d i n g c e r t a i n h i 曲- t e c hd e v e l o p m e n t z o n e h i 曲n i t r o g e n l o w - c a r b o n ( c o d c r n h 3 一ns 1 ) c i t ys e w a g e ，t r a d i t i o n a lp r o c e s sc a n n ta c h i e v et h er e q u e s t t h i s e x p e d m e u tr i s e st h em e m b r a n em e t h o dc e n t r a li s l a n do x i d a t i o nd i t c hp r o c e s s t o c o n d u c tt h ec o r r e l a t i v er e s e a r c ho ft r e a t i n gt h i sk i n do fs e w a g e ，t h i se x p e r i m e u t h a v et h ee x t r e m e l yv i t a ls i g n i f i c a n c ef o rp r o c e s st h eh i r g hn i t r o g e nl o w - c a r b o n c i t y s e w a g ef r o mn o w o n i nv i e wo ft h e h i 曲t k n ，t h el o wo r g a n i cm a t t e rs p e d a ls e w a g e u s e st h e i n t e g r a t e dc e n t r a li s l a n do x i d a t i o nd i t c hi n s t a l l m e n tw h i c he x t e n d e da e r a t i o na n d t h eb i o l o g i c a lm e m b r a n em e t h o du n i f i e s t h ee x p e r i m e n td e s i g n a t e dl a y sa s i d ea q u o t ai nt h et r a d i t i o no x i d a t i o nd i t c ht h ey d te l a s t i c i t yt h r e e d i m e n s i o n a lp a d d i n g ， s i m u l t a n e o u s l y , e s t a b l i s h e s i nt h eo x i d a t i o nd i t c hc e n t r a li s l a n d s e c o n d a r y s e d i m e n t a t i o nt a n k , c a u s e st h ee x p e r i m e n t a lm a i nb o d yi n s t a l l m e u tc o l l e c t i o n o x i d a t i o nd i t c h ，t h e b i o l o g i c a lf i l mm e t h o d ，t h ec e n t r a li s l a n ds e c o n d a r y f i i 四川大学t 程的卜学位论文 s e d i m e n t a t i o nt a n kt oab o d y t h i se x p e r i m e n t a ls t u d yu n d e rt h i ss p e c i a lw a t e r q u a l i t ya n dt h es p e c i a lp r o c e s s 。a n d t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m sp e r f o r m a n c eo f r e m o v i n gt h eo r g a n i cm a t t e ra n dt h ea m m o n i an i t r o g e nt ot h i sk i n do fh i g hn i t r o g e n l o w - c a r b o nc i t ys e w a g e 盼曲曲t h et e m p e r a t u r ea t2 5 1 c ，叠玎dt h en i - i ，- nv o l u m el o a d i n ga t2 4 1 2 9 m d ， a tt h eh r t8 5h o u r s t h en h 3 - nr e m o v i n gr a t ea c h i e v e s8 3 8 ，t h ew a t e rm a y a c h i e v e ”s e w a g es y n t h e s i sd i s c h a r g e ss t a n d a r d ”( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) l e v e lo fs t a n d a r d s ， t h ei n s t a l l m e n tn h 3 nr e m o v i n gr a t er e a c ht h el i m i to fs y s t e m t h em k m i m t yo ff e e dw a t e l h a v et om a i n m i ni n5 0 0 - - 5 5 0 m e , l ( t oc o u n t sw i t h c a c 0 3 ) ；t h eo x i d a t i o nd i t c hs u i t a b l ed oc o n c e n t r a t i o ni s5 r a g l ；t h ea c t i v es l u d g e o nt h ey d tp a d d i n gh a st h eg o o ds u b s i d e n c ep e r f o r m a n c e ；t h i ss y s t e mn h 3 一n d e g e n e r a t i o np r o c e s sf o l l o w sd y n a m i ce q u a t i o nq n - - - - q n 珊n 筠一n ) ，t h er e s e a r c h g e t sn h 3 - nd e g e n e r a t i o nd y n a m i c sp a r a m e t e rq n m x = 7 0 3 8 e j ( m 2 d ) ，k n = 1 6 2 7 m 以 d u r i n gt h e w e l l b m l a n c e dc i r c u l a t i o n p r o c e d u r e 幽es y s t e m b m m e m b r a n ei s a t t a c h i n gq u i t er e l i a b l yo nt h ep a d d i n 岛t h es t r u c t u r eo ft h ef u n g u sr u b b e rg r o u pi s c o m p a c t t h es h a p e a s s u m e s m u l t i p l i c i t y ；t h r e a d b a c t e r i u mi sd e v e l o p e d ； d i s s o c i a t i v eb a c t e r i u mt ob ev e r yf e w 7k i n d so fs u p e r i o r i t yp o p u l a t i o na p p e a r s f r e q u e n t l y , a n dt h ea t t a c h e dp i c t u r e st os h o w t h ed e t a i l s k e yw o r d ：m e m b r a n e m e t l l o dc e n t r a li s l a n do x i d a t i o nd i t c h ，o x i d a t i o n d i t c hc e n t r a li s l a n d ，b i o m e m b r a n e ，n h 3 一nd y n a m i c sp a r a m e t e r 四川大学t 稃硕士学位论文 1 引言 1 1 实验目的及意义 近年来，随着氮磷污染数量上升，环境矛盾尖锐化，越来越多的国家立法 制定了氮磷排放标准。美国、德国，南非等西方国家对氮磷的去除的研究和生 产性应用已有三十多年的历史我国近年来，由氮磷造成的水体污染也逐步上 升，华东师大与上海市政工程设计院于1 9 8 1 年在国内率先对城市污水和工业污 水的去氮进行了研究。以后，国内华北市政工程设计院，天津大学，同济大学， 清华大学，上海交大，北京环保所，哈尔滨建工学院，天津污水研究所，天津 市政设计院等几十个单位相继开展这一领域的研究。试验规模从小试扩大到中 试和生产性规模试验。处理废水的种类也从城市污水扩大到鱼品加工、焦化， 石化等废水由于科技研究工作先行，为生产性应用推广打下了坚实的基础， 上海市于1 9 8 6 年在国内首制订地方工业废水中n h 3 一n 的排放标准。其它省市 也已经实施或将要实施相应的地方排放标准。为了提高我国在这一领域的水平， 在全国土木工程学会给排水委员会的领导下，成立了全国脱氮除磷研讨会，交 流和讨论脱氮除磷的经验。目前，天津纪庄子污水处理厂，广州大坦沙污水处 理厂，上海的青浦、长桥、闵行等污水处理厂及北京、昆明、青岛、太原、大 连等市的城市污水厂以及上海焦化厂，金山石化厂、镇海炼油厂、宝钢等均已 经或准备采用脱氮除磷工艺处理本厂的工业废水。 1 2 脱氮工艺 脱氮工艺也在不断更新，有悬浮多级内碳源系统、悬浮多级外加碳源系统、 悬浮单级内碳源系统、悬浮单级外加碳源系统、生物膜工艺等工艺，而悬浮单 级内碳源系统又包括a o 工艺、氧化沟工艺、b a r d e n p h o 工艺等目前广泛应 用的脱氮工艺是a o 、氧化沟等单级悬浮脱氮工艺，这类工艺具有结构简单、 易于操作运行等优点。据国外污水处理厂出水水质统计资料，这些工艺出水t n 可控制在5 1 5 m g n 范围内。 1 2 1 悬浮多级内碳源系统 系统流程如图l l 所示，该系统土要分为两大部分，前半部分污泥在好氧 l 型盟曼燮塑 条件f 去碳、硝化，其污泥经沉淀池分离后随即回流，与后半部分不混合。硝 化后的废水进入后半部分，在缺氧条件下利用旁路进水中的碳源进行反硝化， 剩余的小部分有机物经后曝气被氧化分解。后曝气还可以吹脱污泥中的氮气， 并通过提高溶解氧水平使反硝化作用停止，以使污泥在沉淀池中很好的沉淀。 废水 图! - 1 悬浮多级污泥内碳源系统 c ：去碳n ：硝化，d n ：反硝化p a ：后曝气，s ：污泥沉淀池 1 2 2 悬浮多级污泥外加碳源系统 流程基本与上法相同，只是通过外加甲醇或含碳工业废水作为反硝化所需碳 源，详见图1 - 2 。 2 硼川大学t 程硕卜学位论文 外加c 源 外加c 源 圉i - 2 多级悬浮污泥外加碳源系统 c ：去碳，n ：硝化，d n ：反硝化，p a z 后曝气，s ：污泥沉淀池 1 2 1 3 悬浮单级污泥内碳源系统 悬浮单级污泥内碳源系统主要有4 种基本流程，即前反硝化的a o 工艺， 同时反硝化的氧化沟工艺，后反硝化的桥本工艺及四阶段的b a r d e n p h o 工艺。 它们的共同特点足去碳、硝化和反硝化在分隔或不分隔的同一系统内的不同区 段进行，整个系统只有种污泥，因此只设一个二沉池。不论其流程如何变化， 系统内总是存在着去碳和硝化的好氧段( 或好氧池) 以及进行反硝化的缺氧段 ( 或缺氧池) 这二部分。 ( 1 ) a o 工艺 a j o 工艺即为缺氧，好氧工艺，工艺流程如图1 3 所示在这种工艺中，反 硝化段是在处理系统的最前面，硝化段中的混合液以一定比例回流到反硝化段 四川大学工稃母十学位论文 混合液回流 图l - 3 a o 工艺流程图 反硝化段中的反硝化菌在无氧或低氧条件下，利用进水中的有机物作为碳 源，以回流硝化内n 0 3 中的氧作为电子受体，将n 0 3 还原为n 2 。这样，反硝 化过程中所需的有机源可直接来源于污水。不必外加。从而可以减轻硝化时的 有机物负荷，减少停留时间，并节省曝气量和碱的投加量。反硝化过程中产生 的碱度呵补偿硝化段消耗的碱度的一半左右。可见，该工艺是一种较完善的脱 氮除磷方法，它也是目前最广泛采用的工艺。 ( 2 ) 氧化沟工艺 在环状氧化沟中某一点或多点设置曝气机，污泥沿氧化沟循环流动。在曝 气机下游为好氧段，进行去碳和硝化。远离曝气机的区段直至曝气机上游为缺 氧段，废水在缺氧段起始点进入。反硝化细菌可利用废水中的碳源和好氧段来 的硝酸盐进行反硝化脱氮。处理后的废水在好氧段末端由导管引入二沉池。曝 气机常选用转刷或浸没式u 型管曝气机，转速慢，能耗低，可满足充氧并使污 泥向前流动。目前，曲欧不少国家广泛采用此工艺来处珲城再或工业废水。其 流程见图1 4 。 4 叨川大学t 程硕量- 学位论文 回流污泥 ( 3 ) 桥本工艺 在桥本工艺中反硝化的缺氧池位于好氧池后面。废水进入前面的好氧池迸 行去碳和硝化，后面的缺氧池利用旁路引入的一部分废水中的碳源以及来自前 面的好氧池的硝酸盐进行反硝化脱氮。它的工艺流程较为简单，缺点是出水中 氮的形态为氨态氮，并且旁路流入的废水量难以控制，若流量不足会影响反硝 化，流量过大会因碳源过剩影响出水水质。在缺氧后设一后曝气池，可去除残 余有机物和吹脱污泥中的氮气。其工艺流程如图l - 5 所示 图1 5 桥本工艺流程图 ( 4 ) b a r d e n p h o 工艺 四段b a r d e n p h o 工艺的前面二段类似于a o 工艺。为了进一步提高去氮率， 可将好氧池i 流出的硝酸盐导入第二个缺氧池，反硝化细菌可利用细菌衰亡后 产生的二次性基质进行反硝化，以彻底去除系统中的硝酸盐，当然缺氧池2 的 里坐型曼兰婴! 兰壁笙茎 反硝化速率较低污泥进入好氧池2 ，以吹脱氮气泡，提高污泥的沉降性能。 工艺流程如图1 - 6 所示。 图l _ 6b a r d e n p h o 工艺流程图 1 2 4 悬浮单级污泥外加碳源系统 泥 流程与悬浮单级污泥内碳源系统类似，只足在反硝化段通入外加甲醇以防 止因原水中碳源不足或低温而引起的反硝化速率过慢。外加碳源成本较高。工 艺如图 图l 一7 悬浮单级外加碳源工艺 1 3 生物膜法 最近2 0 多年来，生物膜法技术在理论和应用方面的研究很多，主要集中在 工艺、反应装置、微生物等几个方面。虽然生物膜法技术与活性污泥法相比具 有生物量多、剩余污泥产量少、运行管理方便、工艺过程稳定、动力消耗少等 很多优点，但也存在投资较高、出水较混浊还不能完全达杯等缺点。现在这几 方面的研究圭要是针对这些缺点以及进一步提高其处理效果，扩大其应用范围 的。 6 眄 l i 大学t 释顷十学协论文 1 3 1 塔式生物滤池 塔式生物滤池是1 9 5 1 年由德国化学工程师“舒尔兹”应用气体洗涤塔的原理 创造的。其基本结构与普通生物滤池相似，但塔身沿高度常分成数层，每层设 置格栅，承担填料重力。与普通生物滤池相比，塔式生物滤池高得多，一般为 8 2 4 m ，可使污水、生物膜、空气三者充分接触，水流紊动更加剧烈，改善了 通风条件，氧从空气中经过污水向生物膜内的传质过程得到加强，同时大大节 省了占地；负荷更高，抗冲击力更强：有机负荷( f m ) 可达5 k g b o d m 3 填料 ，d ，水力负荷( q ) n t 达8 0 2 0 0 m 3 ( m 2 d ) ；生物膜的增长和脱落加快，单位体积 填料去除有机物能力有很大提高，是普通生物滤池的1 0 倍。 1 3 2 生物转盘 生物转盘又称浸没式生物滤池。第一套半生产性的生物转盘实验装置予 1 9 5 4 年在西德的海尔布隆污水处理厂建成。至九十年代，在欧洲已有5 0 0 0 多 座生物转盘，日本和美国研究稍晚，但发展很快。 国内自1 9 7 2 年开始研究生物转盘以来，已在化学纤维、石油化工、印染、 皮革、煤气站等行业的工业污水处理中得到应用，效果良好，发展速度优于塔 式生物滤池。其适用处理规模国内为2 0 0 0 5 0 0 0 m 的小型污水处理厂，而日 本已有2 0 0 0 0 m a 的中型规模处理厂，美国则已在2 0 万m 3 d 以上的污水处理 厂应用。 1 3 3 生物接触氧化法 生物接触氧化法足在生物滤池的基础上，从接触曝气法改良演变而来的， 也称为浸没滤池法”、“接触曝气法。生物接触氧化法兼具活性污泥法和生物 滤池的特点，与生物滤池的主要区别在于，氧化池中的填料及附着在表面上的 微生物均淹没在污水中。 旱在1 8 9 1 年韦林( w a r i n g ) 、迪特( d i t t e r ) 等人就实验研究生物接触氧化法 处理污水。1 9 1 2 年克洛斯( c l o s s ) 获得了德国的专利登记。发展成正规的污水处 理法，是德国的贝奇( b a c h ) 和美国的布斯维尔( b u s w e l l ) 分别在埃姆 兴, ( e m s c h e r ) 、 阿尔巴纳( a l b a n a ) 处理场实现生物接触氧化法的真正发展，是在7 0 年代初， 由日本的小岛爽男开始的。他从河流自净作用出发，设想了蜂窝管式接触填料， 7 四川大学t 程硕十学位论屯 其表面积和空隙率较丈、重量轻、强度大、脱膜容易。这个方法从净化自来水 开始，已在污水和工业废水的二级、三级处理中得到应用。 近十多年来，国外特别是日本和美国，生物接触氧化法技术得到迅速发展。 首先，在使用范围上，不仅用于水体富营养化处理，而且广泛用于生活污水、 生活杂排水和食品加工、发酵等工业废水处理中1 9 8 0 年，日本将其列入在小 型污水处理中首先推荐采用的处理工艺。并公布了构造准则。1 9 8 1 1 9 8 5 年间， 日本新设置的小型污水处理装置为1 5 4 万台，而生物接触氧化法的为8 l 万台， 占全部的5 2 5 。 1 9 7 5 年北京市环境保护科学研究所首先进行了生物接触氧化法处理城市污 水实验。其b o d 去除率为8 7 ，s s 去除率为8 5 9 0 ，处理效果良好。 1 3 4 生物流化床 生物流化床足以砂、焦碳、活性碳等颗粒材料作为载体，水流由上而下使 载体流化，在载体表面附着生长着生物膜，由于附着生物膜的颗粒处于不停的 流动，从而防止生物膜可能引起的堵塞。 从7 0 年代初，美国和日本在流化床应用于生物处理方面开展了许多研究工 作，获得了较好的效果。并已开始应用于生产。由于生物流化床具有效率高、 占地少、投资省等优点，引起了人们很大的兴趣。 开始时，美、日两国都研究使这项工艺应用于污水的深度处理( 硝化、脱 氮等) ，随后又致力于研究应用于二级处理。美国e c o l o t r o l 公司经过三年研制 ( 1 9 7 3 1 9 7 5 ) 形成了应用于二，三级处理的h y - f l o 生物流化床工艺。在该工 艺中应用纯氧为氧源，砂为载体。经初次沉淀池处理后的城市污水，在生物流 化床中处理后，出水达n - - 级要求。 国内一些科研t 孥位足从1 9 7 7 年开始这项工作，采用纯氧、空气为氧源，除 好氧生物流化床外，还研究了厌氧一兼性生物流化床，均取得较好的结果。 1 4 一体化氧化沟工艺 膜法中心岛氧化沟属一体化氧化沟中的一种。美国于7 0 年代末8 0 年代初 至今一直在研究开发一体化氧化沟系统。据1 9 8 7 年统计，在美国已有9 2 座合 建式氧化沟，较有代表件的是联合工业公司( u n i t t e di n d u s t r i e si n c ) 的船式沉 四川大学t 挥硕士学恃论文 淀器( b o a t ) ：a r m c o 环境企业公司的b m t s 系统；e i m - c o 公司的c a r r o u s e l 渠内分离器；湖滨( l a k e s i d e ) 设各公司的过墙分离器以及l i g h t i n 公司的导管 式曝气内渠和过渠沉淀器，此处e m i r e v 公司亦有竖直式氧化沟。 国内对此技术的研究开发始于1 9 8 7 年，中国市政工程中南设计院1 9 8 7 年 在国内设计了内部设置斜管沉淀区的氧化沟，之后对船式沉淀稽氧化沟进行了 系统研究。1 9 8 8 年底，生产性合建式氧化沟( 内设船式沉淀槽) 在武汉投入运 行。重庆建筑大学城建学院王涛、邓荣森等人先后对中心岛式、侧沟式一体化 氧化沟污水处理技术做了研究以及沟内固液分离和回流机理做了探讨。清华大 学环境工程系江诚文、陈吕军、钱易开发了一种新型的沟内沉淀池 1 5 实验研究内容及意义 实验处理的某高氮低碳城市污水是含有高氨氮浓度( 8 0 r a g l ) ，而有机碳浓 度( 6 0 r a g l ) 又较低的一种特殊废水，出水排放要求氨氮浓度_ 1 5 m g l 根据资料 调研，此种高氮低碳废水由于缺乏碳源，不能够完全脱氮；同时，由于氨氮较 高，需采用高泥龄( s r t ) 系统才能达到良好的硝化效果，若采用常规的a o 、氧 化沟工艺，生长世代期长的硝化菌容易流失，从而影响氨氮的处理效果。因而， 本实验将氧化沟与生物膜法结合起来，同时将氧化沟的中心岛做为二沉池，从 而形成膜法中心岛氧化沟特殊的工艺对该废水进行处理。 由于采用的膜法中心岛氧化沟工艺国内报导资料不多，为了对该工艺的水 力特性及生物处理效果等有较全面的了解，建设了该工艺的小型实验装置。通 过实验来了解这种污水的生物处理效果，以及了解用生物膜法处理这种废水能 否迅速启动，了解生物膜的挂膜规律，总结实验装置的工艺运行参数，对今后 类似废水处理工艺的选择、设计及运行，具有十分重要的意义。 ! 型旦塑幽兰堡堡茎 2 原理 污水中有机氮和氨氮的总量称为凯氏氮口灯q ) 。普通城市污水中氮的存在 形式以有机氮和氨氮为主般情况下硝态氦仅为1 5m g ，l 。污水生物处理中 氮的转化包括氨化、同化、硝化及反硝化作用，详见图2 - 1 。 围 反硝化 t 一 有机碳 图2 1 氟的转化 从上述转化途径口丁知，在生物处理过程中，去除的氨氮包括被同化合成新 细胞和通过硝化反硝化被转冀成氮气这两部分。 硝化作用是在硝化细菌和亚硝化细菌的作用下。废水中的大部分氨氮被氧 化为硝态氮。考虑部分氨氮经同化作用合成新细胞，总经典反应式为： 1 0 婴! ! 查兰! 堡堡兰竺堡茎 n h 4 + + i 8 3 0 才1 9 8 h c o f 邶9 8 n 0 3 + 0 0 2 1 c 5 h t n o z - i 8 8 h 2 c o 一0 4 1 - 1 2 0 计算表明：每去除l 克n h 3 n ，约： 耗去4 3 3 克0 2 生成0 1 5 克新细胞 减少7 1 4 克碱度( 以c a c o ，) 耗去0 0 8 克无机碳 影响硝化作用的环境因素包括溶解氧、温度、p h 值、毒物等。 反硝化是指氧化态氮，通常是n 0 2 + 和n o r 被还原为气态氮n 0 2 和n 2 的过 程在该过程中有机基质作为电子供体被氧化，整个过程可表示如下： 2 n 0 3 。+ 5 h 2 a 啼n 2 + 2 0 1 - i 。+ 4 i - 1 2 0 + 5 a 根据大量研究，包括细胞合成的反硝化反应为： n 0 3 - + l - 0 8 c h 3 0 h + 0 2 4 h 2 c 0 3 斗o 0 6 c s h t n 0 2 + 0 4 7 n 2 + i 6 8 h 2 0 + h c 0 3 计算表明：每i 克n 0 3 。n 被反硝化 消耗2 4 7 克甲醇( 约合3 7 克c o d ) 产生o 4 5 克新细胞 产生3 5 7 克碱度 影响反硝化的因素包括：碳源、温度、p h 、d o 、毒物等。 旦坐查兰三堡坠兰垡堡皇 3 实验系统与方法描述 3 i 实验装置 实验系统由玻璃钢储水箱( 3 r e x 2 5 m x 2 m ) 、迸水泵、加热器、氧化沟体、 出水泵、滤池、取样箱、电控台以及压力表和若于阀门、管道组成。其工艺流 程见图3 一l 。 固一区三圈一 捧泥 图3 - i 实验工艺流程图 实验氧化沟容积1 3 6 m 3 。沟体上有4 台曝气器，每台曝气器有7 个转盘( 直 径为3 0 0 m m ) ，4 台电动机( 型号为y s 6 3 2 4 ，功率1 8 0 w ) ，4 台减速器( 传动 比为1 ：1 0 的蜗轮蜗杆减速器) 。每2 台曝气器共用1 个变频器进行调速。氧化 沟具体结构布置见图3 - 2 。 图3 - 2 氧化沟结构示意图 一婴! ! ! 奎兰! 堡壁主兰壁堡苎 3 2 材料 3 2 1 进水 取自某城市污水排水于管总排口，废水中各种污染物浓度参见表3 - 1 。 墨兰! 堕妻重查奎堕塑堡 ：= 一b o d s ( m g 1 ) c o d c r ( m g 1 ) t k n ( m g i ) n h 3 - n ( m g i i ) s s ( m g 一i ) 总排口出水 5 0 6 0 8 58 0 3 0 0 3 2 2 活性污泥 取自成都市三瓦窑污水处理厂污泥泵房的回流污泥。 3 2 3 分析方法 按照国家环保局等编写的水和废水监测分析方法( 第三版) 的要求进行测 定，见表3 2 。 表3 - 2 分析方法 分析项目 测试方法 p h p h s - 3 c 型精密p h 计 d o j p s j - 6 0 5 型溶解氧分折仪 水温 水银温度计 流速 旋浆流速测定仪 流鼍 转子流量计 c o d c , 化学耗氧量测定仪 b o d s 生化需氧量测定仪 t k n 凯氏蒸馏法 n h 3 一n 蒸馏比色法 n 0 3 n 戴氏合金还原法 t n 过硫酸钾氧化紫外分光光度法 t p 钼锑抗分光光度法 1 3 四川大学t 稃硕十学位论文 m l s s m l s s r v 氧吸收速率 s s 1 0 3 1 0 5 烘干，重量法 6 0 0 + 5 烘干，重量法 原电池法 1 0 3 一t 0 5 饿干。重量法 3 3 实验方法 3 3 1 清水实验 该装置的主体及关键部件等均为自行研制，需预先对装置的机械、水力特 性、填料的放置方式和数量，以及氧化沟内水流速度大小等做相应的研究，以 使生物实验正常运行。清水实验包括充氧实验、水速实验。 3 3 1 1 充氧实验 实验采用对自来水进行不稳定状态的再曝气。即将一定容量的水从低溶氧 浓度或不含氧的状况下再曝气到接近饱和的水平传质系数的数值不因时间而 变化。 当沟内的自来水已加到要求的深度时，需加入脱氧化学药剂。一般是使用 亚硫酸钠和氯化钴，化学反应式如下； 氯化钻催化 n a 2 s 0 3 + l 2 0 2 + n a 2 s 0 4( 3 一1 ) 按照这个反应，每去除l m g l 的溶解氧需要投加7 9 m g l 的n a 2 s 0 3 。投入 的氯化钻应足够维持沟内的最低钴离子浓度( 1 5 m g ，l ) 。沟内水的容积为 1 0 4 m ，则每次需投加1 0 0 9n a 2 s 0 3 、2 0 9 c o c l 2 ( 考虑一定的超量) 。 将清水加入氧化沟内到所需容量；测量沟内水温；校正溶解氧仪；称取 1 0 0 9 n a 2 s 0 3 和2 0 9 c o c l 2 ，投入沟内并搅拌均匀；在溶解氧为0 后。起动曝气器； 每隔1 分钟铡量溶解氧，直刘溶解氧达到饱和；改变填科填充率、曝气转碟转 速及浸深，重复上述步骤。 3 3 1 2 水速实验 将实验用长筒( 长约l 米，直径1 0 0 r a m ) 固定在所需位置；转动曝气转碟； 粤型茎兰三堡望兰壁堡塞 待水流状态稳定后。在长筒水流a d 处放开浮子，同时用秒表开始计时；仔细 观察长筒水流出1 5 1 处，当一发现浮子从长简流出，按下秒表，结束计时并记录； 改变填料填充率，重复上述步骤。 3 3 2 培养马埘化研究 3 3 2 i 装置启动： 取三瓦窑污水处理厂回流污泥0 4 5 m 3 ，放入氧化沟内，加入某地化粪池内 生活污水0 9 m 3 至转碟处，启动充氧。室内用油汀加热器加热室温，用加热器 加热迸永，保持运行温度在水温2 0 左右 第2 天至第5 天，实验装置间断进水，每天回流污泥。第6 天起连续进水， 每小时进水4 0 升。 3 3 2 2 培养驯化阶段 计划先进行微生物的富集，然后再进行微生物的驯化。根椐采集的生活污 水n h 3 一n 较高的实际情况，把微生物的富集和驯化阶段结合起来。 ( 1 ) 习u l 化的第一阶段提流量驯化期 第2 2 天起，每小时进水5 0 升；第2 7 天起，每小时进水6 0 升；第3 8 天起， 每小时进水7 0 升；第7 1 天起，每小时迸水8 0 升，氨氮浓度维持在4 0 - , - s m g l ( 2 ) 驯化的第二阶段提高氨氮进水浓度驯化期 第1 0 5 天开始加入碳氨调离生活污水进水氨氮，氨氮浓度维持在5 5 + _ 5 m 以 每小时进水8 5 升。 ( 3 ) 9 1 1 化的第三阶段直接用所处理废水配水驯化期 第1 2 6 天开始加入部分高氮低碳城f 订废水进行驯化，每小时进水8 0 升，氨氮浓 度维持在6 5 + _ s m g l ：第1 4 l 天起，氨氮浓度维持在8 0 + 5 m g l ，每小时进水9 0 升；保持氨氮浓度不变，第1 6 0 天起，每小时进水1 0 0 升；第1 6 5 天起，每小 时进水1 1 0 升；第1 8 7 天起，每小时进水1 2 0 升，连续运行1 个月，进出水各 项指标基本稳定。 3 3 3 沟内d o 对硝化作用影响研究 进水凯氏氮浓度为8 5 m g l ，进水氨氮浓度为8 0 m g l ，进水流量为1 2 0 i _ 1 h ， 沟内水温为2 5 1o c ，改变氧化沟内溶解氧，观察在不同溶解氧条件下，实验装 四，i i * 学t 捍颂十学位诒吏 置对凯氏氮、氨氮的处理效果 3 3 a 沟内污泥性能研究 实验分为四个阶段，迸水凯氏氮浓度为8 5 m g l 左右，进水氨氮浓度为 8 0 m g ，l ，流量分别控制为6 0 l d h 、9 0 l m 、1 2 0 i d h 、1 5 0 l h ，进行生物填料上吸附 的活性污泥沉降性能实验。先将进出水关闭，并将中心岛回流缝封闭，之后， 将生物填料上的活性污泥以同样强度摇晃下来，测出原废水中悬浮物浓度将 搅拌均匀的水样平稳地注入沉淀柱装置中，进行分析。 沉淀柱几何尺寸为直径1 0 0 m m ，总高1 5 0 0 m m 沉淀柱有三个取样口。 3 3 5 氨氮降解动力学参数测定 本实验过程分为四个阶段，进水凯氏氮浓度为8 5 m g l 左右，进水氨氮浓 度为8 0 m e ；：t , ，流量分别控制为6 0 1 d h 、9 0 l d h 、1 2 0 1 d h 。每个阶段运行稳定标志 为氨氮去除率基本保持不变。本实验在水温为2 5 1 ，进水a l k 及p h 值不成 为硝化反应限制条件。d o = 5 - 6 m g l 。 1 6 四川大学工程硕十学位论文 4 实验结果与分析 4 1 清水实验 4 1 1 充氧实验 实验结果如图4 1 、图4 2 及图禾3 所示 由图4 - 1 及图4 - 2 可知，随着浸深、转速的增加，曝气器的充氧能力及充 氧效率增加。这是因为转碟的充氧能力是靠转盘带动水花出水面，将空气中的 氧带入水中，同时不断更新液面而充氧，当转盘搅动水体愈剧烈，充氧效果愈 明显。 此外，由图4 3 可知，有填料时的转碟的充氧能力及充氧效率比无填料时 高，而且填料填充率愈高，充氧能力愈高。产生此现象的原因是填料使水中的 气泡再次被切割成小气泡，使氧在水中得到充分的吸收。从图6 中还可以看出， 填料水平悬挂时的充氧能力比填料垂直悬挂时的充氧能力及充氧效率高。 根据废水进出水指标可知，考虑氧传递系数a 为0 9 ，转化为清水充氧能力 约为3 0 8 k g o d d ，由图4 - 1 、图4 - 2 及图4 - 3 可知，曝气转碟的充氧能力在填料 水平放置，数量为3 x 4 和4 x 4 个时能较好地满足实验要求。 图4 一l 设备充氧能力及充氧效率随不同转碟浸深变化图 1 7 1 2 0 印m 6 0 m m 1 3 0 r p m 6 0 m m 1 4 6 r p m 6 0 m m 状态 图4 - 2 设备充氧能力及充氧效率随不同转速变化图 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 芒 5 0 篓 4 0 蹙 3 0 2 0 1 0 0 图4 3 设备充氧能力及充氧效率随不同填料布置变化图( 1 4 0 r 啪6 0 m m ) 1 8 ， _16v辟揆辟议 m舌鲫蚰m 0 5 3 5 2 5 l 5 o 3 2 l n p ，n o 昱v r 龊辱破 4 5 3 5 2 5 5 0 3 2 l o p，一。昱一r疆1毒龊 四川大学t 挥硕十学位论文 4 i 2 水速实验 在4 个曝气转碟同时工作，转速设定为1 4 0 r p m ，转碟浸深为6 0 r a m 时，得 到实验结果见表4 1 ( 当有填料时，测试位置在沟内直道的填料后部) 。 表4 - i 水速实验结果分析 由衷4 - l 可知，当氧化沟内无填料时，沟内水流平均速度为0 4 6 2 m s ，超 过一般所要求的0 3 r i d s 的水速，同时发现沟的上部水速最大，而中部水速最小。 加填料后，随着填料数量的增加，水速出现下降趋势同时，填料垂直布置比 水平布置，流速减小近0 0 4 0m s 。 根据清华大学氧化沟的实验，当其水速为o 1 3 5 m s 时，污泥分布仍比较均 匀。根据4 i 1 节实验结果，填料水平放置，数量为3 x 4 和4 x 4 个时能较好地满 足实验要求。由衷舡l ，填料水平放置，数量3 x 4 个时，水速为o 1 1 3 m s ：数量 4 x 4 个时，水速为o 1 0 8 m s ，两种布置方式均略低于清华大学实验结果。但考 虑到本实验过程中采用测速的浮予，密度略大，使得所测水速比实际水速略小， 因而认为以上两种布置方式下，水速能够满足要求。后续的生物培养驯化实验 也证明，此水速达到要求。 由上分析，填料采用水平放置，数量为3 x 4 和4 x 4 个，这样既能满足实验 的充氧能力要求，又能满足水速要求 1 9 四川大学t 程硕十学位论文 4 2 培养驯化研究 4 2 1 进出水c o d 、氨氮，碱度及p h 变化情况 图4 _ 3 为进出水c o d 变化情况；图4 - 4 为c o d 容积负荷及去除率变化情 况图4 - 5 为进出水n h 3 一n 变化情况；图4 石为n i l 3 n 容积负荷及去除率变化 情况。图4 7 为碱度变化情况。图4 - 8 为进出水p h 变化情况。 由图4 _ 4 、4 - 5 可知，在近2 0 0 天的培养驯化达标期内，进水c o d 变化范 围为1 3 8 2 3 8 4 m g r t , ，出水c o d 变化范围为1 6 1 - 6 9 6 m g l ：系统c o d 容积负 荷由6 9 1 2 9 c o d ( m s d ) 变化为2 7 5 4 9 c o d ( m 3 ，d ) ，去除率为2 6 3 7 9 7 。 由图4 - 6 、禾7 可知，n i - - l s n 进水浓度由培驯初期的4 0 m g t ，到培驯末期 的8 5m g l 左右，相应的出水n l - - l s n 浓度分别为0