（环境科学专业论文）压力曝气生物反应器及其工艺优化研究.pdf

a b s t f a c t ab s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ee n h a n c e dp r o c e s s e so fa e r o b i cb i o l o g i c a lt r e a t m e n t , s u c ha s p u r e o x y g e na e r a t i o na n dd e e p w e l la e r a t i o n ，h a v eb e e nw e l ls t u d i e db yd o m e s t i ca n d o v e r s e ae x p e r t sa n ds c h o l a r s h o w e v e r , t h e s et e c h n o l o g i e ss t i l lh a v em a n yp r o b l e m s ， s u c ha sh i g hr u n n i n ge x p e n s e ，d i f f c u l f i e si np r e p a r i n gp u r eo x y g e na n du n d e r g r o u n d w a t e rp o l l u t i o n t h ep r e s s u r i z e da e r a t i o nb i o r e a c t o rd e v e l o p e di nt h i ss t u d yw a sa c l o s e d s e a l e ds y s t e m i te n h a n c e dt h ed i s s o l v e do x y g e n ( d o ) c o n c e n t r a t i o ni nt h e m i x e dl i q u o r , t h u si n c r e a s e dt h eb i o a c t i v i t yo ft h em i c r o o r g a n i s m si na c t i v a t e ds l u d g e a n dt h ed e g r a d a t i o nr a t eo fo r g a n i c s ，a sw e l la st h ev o l u m el o a d i n gr a t eo ft h er e a c t o r t h ed y n a m i cm o d e l sf o rm a s st r a n s f e ro fo x y g e nu n d e rt h ec o n d i t i o no fp r e s s u r i z e d a e r a t i o n ，b i o d e g r a d a t i o no fo r g a n i c sa n dm i c r o o r g a n i s mg r o w t hw e r ee s t a b l i s h e di n t h i ss t u d y t h ez o o g l o e as t r u c t u r ea n da c t i v i t yv a r i a t i o no fm i c r o o r g a n i s m sw a s i n v e s t i g a t e d i na d d i t i o n ，t h ed e s i g no fr e a c t o rs t r u c t u r ea n da u x i l i a r yp r o c e s s e sw e r e s t u d i e d b ye n h a n c i n gt h ea e r a t i o np r e s s u r e ，t h ep r e s s u r i z e da e r a t i o nb i o r e a c t o rh a dt h e f o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c s ： a ne n h a n c e dd oc o n c e n t r m i o no fm i xl i q u o ra n db i o a c t i v i t yo fa c t i v a t e d s l u d g e t h em i c r o b i a lb i o m a s sa c t i v i t ya n do r g a n i cd e g r a d a t i o nr a t ew e r ed o u b l e d w h i l ei n c r e a s i n ga e r a t i o np r e s s u r eb y0 1 m p a u n d e rt h ea e r a t i o np r e s s u r eo f0 2 5m p a ， t h ev o l u m el o a d i n gr a t eo ft h eb i o r e a c t o rr e a c h e d5 0 - - 8 0k gc o d m 3 da n dt h e d e v i c ev o l u m ec o u l db er e d u c e d t h ef o r m a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g ez o o g l o e aw i t hal a r g e rs t r u c t u r e ，m o r e c o m p a c t e dt e x t u r e ，a n dh i g h e r r e l a t i v es p e c i f i c g r a v i t y w h i c hm a k ei t e a s i l y p r e c i p i t a t e d u n d e rt h ea e r a t i o np r e s s u r eo f0 2 5m p a ，t h es l u d g es v l w a s a b o u t7 5 - - 。 110a f t e rd e g a s i f i c a t i o na n dt h es l u d g ep r e c i p i t a b i l i t yw a si m p r o v e d ar e d u c e dv o l u m er a t i oo fa e r a t i o nt ow a t e rt r e a t e da n dar e d u c e dv o l u m eo f g a sc o n s u m p t i o n t h ep r e s s u r i z e da e r a t i o nb i o r e a c t o rc a nt r e a tt h ei n p u tw a t e rw i t h h i g h e rc o d a n dw a sf i tf o r t h et r e a t m e n to fm i d d l e s t r e n g t ho r g a n i cw a s t e w a t e r t t ar e d u c e do c c u p y i n gs p a c e c o m p a r e d t ot h et r a d i t i o n a lt r e a t m e n tp r o c e s s ，t h e e x c e s ss l u d g ei np r e s s u r i z e da e r a t i o nb i o r e a c t o rw a sr e d u c e da p p r o x i m a t e l yb y t w o t h i r d s t h e r e f o r e ，i ti sf i tf o r t h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t w i t hl i m i t e ds p a c e s e p a r a t i o n o ft h ea c t i v a t e df l u d g ea n dw a t e r o fm i x e dl i q u o rb y d e g a s i f i c a t i o n s e d i m e n t a t i o nt r e a t m e n tp r o c e s s f o rt h es t u d yo fr e a c t o rs t r u c t u r e ，ac i r c u l a rc y l i n d e r ( t o w e rt y p e ) s t e e l i n e s s s t m c t u r ew a sa d o p t e d ；a no p t i m a lr a t i oo fh e i g h ta n d d i a m e t e ro fr e a c t o rw a s3 ：1 ；t h e i n t e r i o rg u i d e dt u b ew a sd e s i g n e d t h em e m b r a n et y p em i c r o p o r ea e r a t o rw a sa d o p t e d t ot h eo x y g e n a t ea n dm i xl i q u o rr e c y c l e t h ep r e s s u r i z e da e r a t i o nb i o r e a c t o rh a sb e e na p p l i e di ns o m ep r a c t i c a lt r e a t m e n t p r o j e c t s ，s u c ha st h ea c e t a l d e h y d ew a s t e w a t e r t r e a t m e n t ，m o n o s o d i u mg l u t a m a t e w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，e t h y la m i n ow a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dv a n i l l i n w a s t e w a t e r t r e a t m e n ta n ds oo n t h ei d e a lt r e a t m e n te f f e c th a sb e e no b t a i n e di n a l lt h ea b o v e p r o je c t s k e yw o r d s ：p r e s s u r i z e da e r a t i o n ，m i d d l e - s t r e n g t ho r g a n i c w a s t e w a t e r , b i o c h e m i c a lt r e a t m e n t ，d e v i c es t r u c t u r e m 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：悔激 乙年6 月_ l 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。 指导刻谳孝畸学位敝储虢降淤 a 叼年么月叫日钐蛐丁6 月砂7 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。 繇触 w ，7 年6 月印 第1 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 随着经济的发展和工业化水平的提高，污水排放量逐年增加。治理污染的 速度赶不上污染增加的速度，水环境恶化趋势尚未得到根本遏制，水污染形势 依然严峻。污水排放总量增长速度较快，主要污染物排放量居高不下。据国家 环保总局统计，全国污水排放总量2 0 0 1 年为4 2 8 亿吨，2 0 0 4 年为4 8 2 亿吨，3 年增长了1 2 5 。2 0 0 4 年全国化学需氧量排放量为1 3 3 9 万吨，超过水环境容量 6 7 ；氨氮排放量为1 3 3 万吨，超过水环境容量9 0 。主要水系水质恶化趋势 没有得到控制，劣v 类水质比例仍然很高。国家环保总局提供的资料表明，2 0 0 4 年七大水系中，一半以上河段受到不同程度的污染，达不到饮用水源的标准； 3 6 6 的河段水质属于v 类、劣v 类，其中劣v 类达到2 7 9 ，已经丧失了直接 使用功能l l j 。 目前有机废水已经成为水体污染和富营养化的最主要污染源。排放到水体 的有机物在水中微生物的作用下发生一系列的生物化学反应。排放到水体中的 较低浓度的有机污染物在水中好氧微生物的降解作用下，发生分解作用，使水 体中的溶解氧浓度降低，从而影响水生生物的生存。如果排放到水体的有机污 染物浓度较高，水中的溶解氧降低至零，则有机污染物在水中厌氧微生物的作 用下发生厌氧反应，水体发臭，使水体等级下降。 排放到水体中的有机废水大致分为三类：低浓度有机废水( 如生活污水c o d 在8 0 0m g l 以下) 、中浓度有机废水( 如一些石油化工废水c o d 在1 0 0 0m g l - - 4 0 0 0m g l ) 、高浓度有机废水c o d 在4 0 0 0m g l ) 以上 2 1 。 有机废水的可生化性是决定该种废水是否可以采取生物处理的最主要的因 素。可生化有机废水可以采用生物法处理，该方法也是有机废水最主要、最有 效、处理费用最低的处理方法；不可生化废水可以采用萃取、高级氧化、膜分 离等技术处理【3 j 。 可生化的低浓度有机废水，通常采用好氧生物处理技术进行处理；可生化 的高浓度有机废水采用厌氧一好氧处理工艺处理；可生化的中浓度有机废水处 第1 章绪论 理较为困难，一般采用酸化一稀释一好氧生物处理工艺处理。但该工艺废水需 要稀释，基建费用及运行费用增高。 近几年，国内外水处理的专家学者对好氧生物处理工艺的强化做了大量的 研究，如纯氧曝气、深井曝气等新工艺。但这些技术存在运行费用高、污染地 下水等诸多问题。因此，探索研究技术可行、可承受较高进水浓度、容积负荷 率高、运行费用低的好氧生物处理技术十分必要。 1 2 好氧生物强化处理现状 微生物悬浮生长的好氧生物处理法( 活性污泥法) 的有机负荷率比较低。因 此，其水力停留时间长，曝气池容积、工程投资和运行管理费用都较大。从工 艺学的角度看，原因在于微生物悬浮生长处理法中，影响有机负荷率的两个要 素物质( 氧、有机物、营养物质) 传递速率和微生物浓度都比较低。目前，提高处 理工艺的有机负荷率的研究分为两大方面：微生物技术及处理工艺技术。 1 2 1 微生物学技术 1 颗粒污泥技术 随着对厌氧颗粒污泥形成机理研究的深入，人们发现并非仅仅是厌氧反应 器内的细菌能形成颗粒污泥，产酸菌、硝化细菌、反硝化细菌和好氧异养菌在 一定条件下也能形成颗粒污泥( 污泥颗粒直径为o 3 - 8 0m m 之间) 1 4 j ，目前，这 方面的研究尚处于起步阶段，其研究内容包括：好氧污泥形成颗粒的机理研 究，如颗粒污泥形成过程中微生物种类的变化及其影响因素；各种微生物在 污泥形成颗粒化过程中的作用。 黄翔峰等人在光合细菌法处理甜菜糖蜜酒精废水的研究中，通过在光合细 菌段反应器中部曝气的方式，减少对反应器下部污泥的扰动，使柱状反应器内 存在污泥浓度梯度和食料比f m 梯度，约经过2 5 d 培养，反应器内形成结构相 对稳定的颗粒污泥，其数量约占反应器内污泥总量的3 7 。颗粒污泥呈蛋黄色， 呈不规则形状。有椭圆形、短柱形、卵形等，直径一般为1 5 - 3 0m m ，最大可 达5m m 。污泥颗粒化后曝气器置于反应器底部。研究表明，颗粒污泥的形成对 有机物降解效率提高不显著，但大大提高了氮的处理效率，且有效降低了出水 2 第1 章绪论 悬浮物的浓度和污泥产量。试验结果表明：颗粒污泥与传统活性污泥相比，污 泥浓度提高了2 0 ，容积负荷率与传统活性污泥工艺相当，氨氦去除率提高了 1 0 5 倍，出水s s 降低了6 8 ，污泥产量下降6 4 p j 。 已有的研究表明，好氧污泥的颗粒化有下述优点：改善好氧污泥的沉降性 能，缩短泥水分离时间；提高生物反应器中的污泥浓度和污泥龄；提高有机负 荷率和处理效果( 如脱氮效果) 。因此，污泥的颗粒化技术将是一种很有前景的好 氧生物法的革新技术 6 1 。 2 生物流化床 生物流化床( b i o l o g i c a lf l u i d i z e db e d ) 是种强化的生物处理设施，是结合化 工流化技术的生物膜法。它是从生物技术和工艺学两个角度来提高微生物浓度 和物质传质速率，使其成为高效率的新型生物膜法。在生物技术方面，是通过 微生物表面吸附固定化来提高反应器中的微生物浓度。有研究表明，仅悬浮液 中的m l v s s 可高达8 - - - 4 0 l 7 1 。在工艺方面的特点包含三个方面：用小粒 径固体为载体( 如砂、活性炭、焦炭等) 来为微生物的生长与繁殖提供巨大的表面 积，以提高微生物量；通过固体颗粒流态化技术使生物颗粒处于流化状态， 实现生物颗粒与污水的界面不断更新( 即生物颗粒表面生化反应生成的惰性层不 断更新) ，以提高氧、有机物、营养物质等的传递速率( 以纯氧为氧源时氧的利用 率可达9 0 以上，水中的溶解氧达4 0r a g l ) ；流态化的生物颗粒，在床内互 相摩擦碰撞作用，使生物膜更新快、生物膜厚度小，加速了有机物向微生物膜 细胞内的传递速度。由于影响有机负荷率的两个要素一物质传递速率和微生物 浓度在生物流化床中都很高，使其成为一种高效生物处理工艺，用于处理城市 污水时，h r t 仅为4 5 m i n ，可以完成含碳b o d 5 的去除和脱氮l 引。 国内外对于好氧生物流化床己进行了大量的研究，在国外也已得到工业化 应用。例如，在金属加工废水、焦化废水和城市污水深度处理( 生物脱氮) 中都已 得到应用。在我国，好氧生物流化床还处于实验室研究阶段f 9 1 。 3 固定化微生物处理技术 固定化微生物处理技术，是一种通过微生物学与工艺学途径将悬浮生长的 微生物固着于载体上，以提高负荷率和处理效率的新型强化生物处理技术。用 于微生物的固定技术有多种，尚无统一的分类名称。目前一般是根据微生物的 固定机制来进行划分，主要有结合固定化、自身固定化、包埋固定化和交联固 定化等四种i l 。 第1 章绪论 结合固定化微生物处理技术中微生物的固定，是使微生物直接与载体表面 接触，通过微生物在载体表面的物理吸附作用附着固定于载体表面。由于这种 固定技术简单、易行，因此，结合固定化微生物处理技术在有机工业废水处理 中应用广泛。生物膜法中的生物滤池、生物转盘和生物流化床等都属于结合固 定化微生物处理技术。 好氧自身固定化微生物处理技术的典型代表为s b r 处理工艺。s b r 反应器 中的颗粒污泥是通过微生物自身固定而形成的，它们都属于自身固定化微生物 处理技术。 结合固定技术和自身固定技术已在污水处理中被广泛应用。大量生产实践 表明，这两种固定化微生物处理技术具有反应器内微生物浓度高、有机负荷高、 处理效果好、耐冲击负荷、运行稳定、污泥产率较低和易于固液分离等诸多优 点【l l 】。 包埋固定化技术是目前国外广泛研究的一种微生物固定技术，在我国污水 处理方面也开展了相应的研究【1 2 1 。 交联( 键联) 固定化是通过微生物细胞表面的反应基团( 如氨基、羟基) 与载体 表面的某些活性基团进行交联，形成共价键而使微生物固定在载体表面【1 3 1 。由 于形成共价键过程的化学反应激烈，对微生物活性影响大，且交联剂价格昂贵， 因此，此法的研究与应用也受到限制。 4 投菌法 生物制剂添加技术在酿造、食品、医药工业中的应用已有很长的历史。该 技术在污水生物处理中的应用始于2 0 世纪5 0 年代，通常称为投菌法。投菌法 是通过人为地向处理设施投加经筛选、培育的优良特殊菌种制剂，以强化生物 处理设施，提高处理效果。 目前，美国有多家工厂生产液态生物制剂，如g e s 公司生产的活性菌液 ( l l m o ，l i q u i dl i v em i c r o o r g a n i s m s ) 具有很强的活性，菌液中细菌浓度为5 1 0 7 个r n l ，隔绝氧气贮存期约为2 年左右。该菌液由七种细菌组成，它们彼 此以它方的代谢产物为营养物，呈互生协作关系。 投菌法主要特点是：提高处理效率，加速有毒有害物质和难降解物质( 如 酚、油脂、多环芳烃、硫化氢和醇类等) 的降解；加速生物硝化与反硝化作用， 提高脱氮效果；减少污泥量，改善污泥沉降性能和减少污泥处理的投药量； 提高溶解氧利用效率，降低能耗( 能耗降低3 0 - - 5 0 ) ；减轻臭味和减缓 4 第1 章绪论 管道腐蚀【1 4 1 。 投菌法多用于一些难处理的工业废水的好氧与厌氧生物处理法中，也可用 于城市沟道系统截流干管中沉积油污的去除，以及用于解决污水厂运行中的某 些问题。据报道，l l m o 的投加量为2m g l 时，可在2 - - - , 6 周内消除截流干管 和泵站中沉积的油污，并可减轻臭味和减小管道腐蚀。沉淀池中投加lm g l 的 l l m o ，2 - - 4 周内可改善初沉池污泥的絮凝性和沉降速度。对于二沉池因碳氮 比失调或d o 偏低引起的污泥膨胀，也可在2 - 4 周内消除丝状菌，使其运行恢 复正常。此外，当废水中含有洗涤剂等表面活性物质使曝气池产生大量泡沫时， 投加lm g l 的l l m o ，1 2 周内便可减少曝气池中的泡沫。l l m o 在对粘胶化 纤废水生化处理上的应用是可行的，对废水中c o d 、s s 的平均去除率可比未 投加的提高5 6 和4 4 ，其出水水质良好、稳定【1 5 1 。 使用投菌法时，必须确保投加的优良菌种在使用的系统中占优势才能发挥 其特定功能。此外，为避免优良菌株投入处理系统后因存活率降低或流失而不 占优势，不能只投加一次菌液，必须持续添加一段时间( 每天或每周几次连续投 加几周) 才能使投加的菌株在系统中占优势和发挥其特定功能。虽然投菌法有诸 多优点，但通常都还只是用于解决某些特殊废水的处理，一般的处理设施不需 人为投加菌株便可取较好的处理效果，因此，目前的使用尚不普遍。 1 2 2 处理工艺学技术 处理工艺学强化活性污泥工艺的主要思路是：采用不同的曝气方式，提高 混合液中溶解氧浓度及氧的传递速率，进而提高反应器微生物浓度及提高反应 器有机负荷率。目前采取的工艺有深水曝气、深井曝气、纯氧曝气等。 1 深水曝气处理工艺 深水曝气活性污泥法系统的主要特征是采用深度在7 m 以上的深水曝气池， 这种曝气池具有的效益是： ( 1 ) 由于水压增大，加快了氧的传递速率，提高了混合液的饱和溶解氧浓度， 有利于活性污泥微生物的增殖和对有机物的降解； ( 2 ) 曝气池向竖向深度发展，降低了占用的土地面积。 该工艺有下列两种形式曝气池： ( 1 ) 深水中层曝气池 第1 章绪论 水深在1 0 m 左右，但空气扩散装置设在深4 m 左右处，这样仍可使用风压 为5 m 的风机。 ( 2 ) 深水底层曝气池 水深仍在1 0 m 左右，空气扩散装置仍设于池底部，需使用高风压的风机， 可不设导流装置，自然在池内形成环流【l6 1 。 2 深井曝气处理工艺 深井曝气( d e e ps h a f ep r o c e s s ) 是一种新型的活性污泥处理技术，1 9 6 8 年 英国帝国化学工业有限公司在利用好氧菌生产单细胞蛋白的研究中，发明了充 氧能力很高的深井培养槽，并把该项技术应用于废水处理中。1 9 7 4 年在英国 b i l l i n g h a m 建造了世界上第一个半生产性的深井曝气装置。1 9 7 5 年前西德k s k 公司在埃姆里姆的马铃薯淀粉厂建成了世界第一座处理工业废水的深井曝气装 置。之后，日本、美国、加拿大、法国等国家相继进行了研究，并相继建成一 批生产装型r 7 1 。 根据亨利( h e n r y ) 定律，气体在水中的溶解度与水压有关，深井可使水中 的溶解氧浓度大幅度提高，氧的利用率达到5 0 - - 一9 0 ，充氧能力高达o 1 1 0 k g0 2 m 3 h ，动力效率达2 3 6 0bo j k w h ，污泥产率低o 2 o 6k g 污泥k g b o d 。 深井曝气具有效率高、能耗低、耐负荷冲击、耐低温和占地面积小等优点。 与普通活性污泥处理工艺相比，去除同等数量的c o d ，能耗节省4 0 ，占地面 积节省5 0 。深井曝气处理工艺能高效率处理高浓度有机废水，对区域废水、 生产和生活混合废水处理效果更佳。目前，欧美部分国家已将此工艺用于化工 废水、制药废水、食品工业废水、造纸废水等废水处理【l 引。 我国深井曝气处理工艺基本上是借鉴国外的研究成果，起步也较晚。近几 年研究人员采用深井曝气技术处理工业废水进行了研究。汪海涛等人采用深井 曝气活性污泥法处理环氧丙烷皂化废水。深井曝气处理装置直径2 6 m ，井深 8 0 m 。装置井的曝气压力为1 0 a ，容积负荷率为6 8k gc o d m 3 d ，动力效 率为2 3 - - , , 4 0k g0 2 k w h ，污泥产率为o 3 o 5k gm l s s k gc o d 。实际处理流 量为4 0 0m 3 h ，进水c o d 为1 1 0 0m g l ，处理出水水质达到国家三级排放标准【1 9 】。 何霞等采用深井曝气投菌工艺处理制药废水，废水中主要污染物为硝基苯。单 菌对硝基苯的去除率都在4 0 - - 一5 0 之剐2 0 1 。张朝升、张永利利用深井曝气处 理屠宰加工废水，深井直径0 8 m ，井深6 2 m ，停留时间4 h ，容积负荷3 8 5 - - 1 0 1 6 6 第1 章绪论 k gb o d j m 3 d ，经济循环流速为1 0m s ，脱气池中溶解氧浓度可达到6 7m l 。 b o d 5 的去除率达9 0 , - - 一9 3 ，c o d 去除率达到8 7 - - 9 3 ，各项出水指标均达 到行业排放标准。处理电耗为o 7 5k w h k gc o d ，是普通处理方法的3 0 - 4 0 ， 经济效益较好【2 1 1 。 3 纯氧曝气处理工艺 纯氧中的含氧量为9 0 - - 9 5 ，氧分压纯氧比空气高4 4 - - - 4 7 倍。用纯氧 进行曝气能够提高氧向混合液中的传递能力。早在4 0 年代就有人设想用氧气代 替空气进行曝气，以提高曝气池内的生化反应速率。 1 9 6 8 年在美国纽约州的巴塔维亚污水处理厂建成了一座规模为1 0 0 0 0m 3 d 的以纯氧进行曝气的曝气池，并与鼓风曝气系统进行了对比试验。现在，世界 上已有多座以纯氧曝气活性污泥法为主体处理技术的污水处理厂建成，其中美 国底特律污水处理厂的规模达2 3x 1 0 0 0m 3 d 。 、 采用纯氧曝气系统的主要效益有：氧利用率可达8 0 - - 9 0 ，而鼓风曝 气系统仅为1 0 左右；曝气池内混合液的m l s s 值可达4 0 0 0 - 7 0 0 0m g l ， 能够提高曝气池的容积负荷；曝气池混台液的s v i 值较低，一般都低于1 0 0 ， 污泥膨胀现象较少；产生的剩余污泥量少【2 2 1 。 崔连起、张健等阐述了中国石化总公司自1 9 8 4 年以来在大庆石化总厂、天 津石化公司、齐鲁石化公司、扬子石化公司先后从德国l i n d e 公司引进6 套 u n o x 纯氧曝气污水处理系统的运行状况。运行实践表明：纯氧曝气工艺确实 是一种先进、高效、节能的污水处理工艺，在石化工业废水处理中发挥了巨大 作用。生化反应池有效水深为4 - - 6 m ，h r t 为1 5 3 o h ，m l s s 为4 - - 6 9 l ，容 积负3 2 - 4 2k gb o d 5 m s d ，b o d 5 负荷为o 4 - - - 1 0k gb o d 5 k gm l s s d ，剩余 污泥量为0 3 - - 0 5k gt s s k gb o d 去除。充氧器：工作压力为0 0 9 - - 0 1 5m p a ， 此压力下废水的d o 可达4 0 - 6 0m g l 。氧利用率接近1 0 0 。日本根本佳和用 氧气活性污泥法处理焦化废水【2 3 j 。李润良等采用加压纯氧曝气生化法对较难生 化的亚铵法木浆中段水进行处理研究，在加压纯氧曝气时生化负荷可以达到通 常情况的3 - - 5 倍，c o d 去除率可达到7 5 ，得到了较理想的处理效果【2 4 1 。 4 压力曝气处理工艺 深井曝气、纯氧曝气均是对活性污泥处理工艺的强化。深井曝气通过增加 氧在气相中的分压提高传递推动力，氧利用率达到5 0 9 0 ，但该工艺对设 备建造技术要求高，一旦发生渗漏，将对地下水源产生严重污染，制约了该工 7 第1 章绪论 艺的推广应用。纯氧曝气处理工艺运行费用高，在无氧气来源处应用受到限制。 加压曝气与深井曝气供氧机理相同。实践证明，该工艺可发挥很大的生物 降解效率，其容积负荷高、占地少的特点尤其适用于我国的国情，特别受到国 内环保工作者的关注。 国外对压力曝气生物氧化技术研究的研究起步较早，继1 9 7 5 年日本筱冢等 人在水处理技术杂志上发表了压力式活性污泥法处理醋酸废水【2 习的文章后， 1 9 9 4 年7 月的给水与废水处理国际研讨会上，德国学者g w y u a n 等发表的论文 中介绍了他们的带有超滤装置的压力生物反应器，并介绍了一个中试实验流程 图；1 9 9 6 年k h k r a u t h 等研究了一种利用纳滤和超滤膜进行固液分离的压力曝 气生物反应器；1 9 9 7 年a b e r k t a y 等利用压力生物处理单元对降解b o d 、硝 化进行了研究；r p i n h e i r o 等利用压力水溶解空气改善好氧生物反应器氧的转移 效率【2 6 1 。 曹敬华等考察了压力对氧转移效率( e a ) 及转移动力效率( e p ) 的影响。 结果表明：e a 随压力增而显著提高；压力对e p 的影响与溶解氧浓度有关，在 一定的供氧条件下存在一个临界溶解氧浓度，低于该临界值的溶解氧范围内， e p 随压力的增加降低，高于该临界值的溶解氧范围内，e p 随压的增加而提高， 当达到某一最大值后随着压力的持续增加，e p 逐渐减小【2 7 j 。王凤翔等以厌氧污 泥床( u a s b ) 作为一级工艺，以加压曝气生物流化床为二级工艺，炭黑吸附为 三级工艺对丁辛醇废水进行处理，容积负荷为普通曝气法的l o 倍，进水c o d 高 达1 0 0 0 0 1 6 0 0 0m g l ，出水达到国家三级排放标准【2 引。陈立波等将加压溶氧技 术用于序批式活性污泥法，研究出一种加压曝气一序批式活性污泥反应器 ( p s b r ) 。该反应器具有容积负荷率高、有机物降解速度快、脱氮效率高等优 点，适于中高浓度有机废水及含氮废水的处理【2 9 1 。2 0 0 0 年柏承志、陈立波等采 用加压生物氧化工艺处理味精废水，设计处理水量为4 0 0 0m 3 d ，c o d 3 0 0 0 , - - - 5 0 0 0m g l ，b o d l 5 0 0 2 0 0 0m g l ，s s5 0 0 - - 1 0 0 0m g l ，n h a - n1 5 0 - - 2 5 0m g l ， 水温3 8 - - 4 2 。处理工艺设计污泥龄为5 8 d ，平均设计污泥浓度3 5 0 0 - 5 0 0 0 m g l ，加压生化塔h r t8 1 2 h ，曝气量为2 0 - - - 3 0 倍处理水量，氧利用率e a 2 2 - 3 0 ，动力效率2 5 4 0 蚝0 2 k w - h ，溶解氧浓度为2 - - 4m g l ，污泥回比为1 ：1 。 处理出水c o d 为4 0 - 6 5m g l ，设备容积负荷率5 4 - - 8 0k gc o d m a d ，n h 3 n 去除率高达9 0 - 9 5 ，出水n h 3 n 为1 0 1 5m g ；剩余污泥量少，为传统活 性污泥法的1 3 左右【3 0 1 。该工程也开创了国内采用压力曝气活性污泥处理工艺处 8 第1 章绪论 理工业废水工业化装置的先例。 1 3 压力曝气生物氧化基本原理 1 3 1 压力曝气生物氧化的物理化学原理 好氧生物处理是利用生物的新陈代谢过程，经过一系列的生物化学反应， 使废水中的有机物最终被氧化为c 0 2 、h 2 0 及其它无机物，从而使废水得到净 化，微生物在降解有机物的代谢过程中所需要的氧通过曝气的方式来供给。供 氧速率越大，系统中微生物浓度可相应提高，活性亦越大，则降解有机物的速 率越快；设备容积负荷越大，所需设备体积越小。但目前国内普遍采用的生化 处理方法，由于采用常压曝气的方法供氧速率有限，而使得污泥浓度和处理效 率的提高受到限制。因为在低压条件下，氧在水中的溶解度与压力的关系可用 亨利定律描述： c 。- h p ( 1 一1 ) 式中： c 。一氧在水中的饱和溶解度，m g l ； h 一溶解系数，随温度而变，m g l k p a ； p 一氧在水表面的分压，k p a 。 上式还可以写成为 c 。= c 。xppo(1-2) 式中：c 。一压力为p 时氧在水中的饱和溶解度，m g l , ； c 。一压力为p o 时氧在水中的饱和溶解度，m g l ； 当水中溶解氧浓度低于饱和溶解度时，氧的传递速率为：【3 1 l d c d t = k l a x ( c 。- c ) ( 1 3 ) 式中： k l 丑一氧总转移系数，h - 1 ； c 一水中实际溶解氧浓度，m g l 。 由式( 1 ) ( 3 ) 可知，压力越高，水中饱和溶解氧浓度越大，氧传递速 率越快。根据这一原理，在与普通生化法同样供气情况下，提高系统压力，可 9 第1 章绪论 使氧传递速率大为增加，从而使供给微生物生化反应所需的氧成倍增加。由于 供氧充足，系统可保持较高浓度的微生物并使微生物具有分解有机物的高活性， 因而使设备容积负荷和处理效率的提高成为可能。 1 3 2 压力曝气生物氧化的微生物学原理 压力曝气活性污泥法与常规活性污泥法一样都是利用活性污泥微生物对有 机污染物质的降解作用进行的。在曝气的作用下，活性污泥得到足够的溶解氧， 并和废水充氧接触，废水中的有机物为活性污泥所吸附，并为活性微生物群体 所分解，使废水得到净化。净化后的泥水混合物，在沉淀池中进行泥水分离， 处理水排放。活性污泥经浓缩后，以较高的浓度回流到曝气池中，剩余的污泥 从系统中排出。 1 活性污泥中的微生物 活性污泥中的微生物群体，主要是由各种化能异养型细菌和原生动物组成， 此外，还存活着真菌和后生动物【3 2 1 。原生动物以细菌为食料，后生动物则以细 菌和原生动物为食料。活性污泥中有机物、细菌、原生动物和后生动物组成了 一个小型的相对稳定的生态系统和食物链，如图1 1 所示。 代谢产物转移 图卜1 活性污泥中的小型生态系统示意图 ( 1 ) 细菌 细菌是活性污泥净化功能最活跃的成分。废水中的可溶性有机物直接为细 菌所摄取，活性污泥的净化功能主要取决于其中存活细菌的数量、种属及其活 性，在活性污泥中对有机物降解起重要作用的细菌是动胶杆菌属( z o o g l e a ) 、假单 1 0 第1 章绪论 胞菌属( p s e u d o m o n a s ) 、产碱杆菌属( a l c a l i g a n e s ) 、黄杆菌属( f l a v o b a c t e r i u m ) ) 及大 肠埃希氏杆菌( e s c h e r i c h i ac o l i ) 等【3 3 1 ，这些种属的细菌都具有如下特征：( 1 ) 多属于兼性异养型的原核细菌；( 2 ) 在有氧条件下，具有较强的分解有机物， 并将其转化为稳定的无机物质的功能；( 3 ) 在适宜的条件下，具有较高的增殖 速率；( 4 ) 动胶杆菌具有成千上万细菌结成“菌胶团 ( 生物絮凝) 的功能，其 它种属的细菌对形成微生物絮凝体也起到一定的作用。“菌胶团 是活性污泥法 处理废水的核心，只有它正常形成，发育良好，活性污泥才能发挥其净化废水 的作用。活性污泥微生物具有种群多样性、结构稳定性和功能稳定性等多种特 性。种群多样性是结构稳定性的基础，而结构稳定性是功能稳定性的前提，功 能稳定性又是底物降解的根本保证1 3 4 1 。 ( 2 ) 原生动物 运行正常的活性污泥系统，栖息在活性污泥上的原生动物，数量大约为1 0 0 个m l 。原生动物主要以悬浮的有机物和细菌为食，因此，活性污泥上的原生动 物，在种属上和数量上都随处理的水质和细菌的存活状态不同而异【3 ”。图1 2 所示是废水净化过程中活性污泥微生物在数量和种类上的变移。 ( 3 ) 后生动物 卜2 废水净化过程中活性污泥 微生物在数量和种类上的变移 在活性污泥系统中，分解废水中的 有机物的是细菌，原生动物是活性污泥 系统中的一次捕食者，而原生动物又被 后生动物所捕食，后生动物成为二次捕 食者。在活性污泥系统中出现的后生动 物主要是轮虫，线虫则偶见。出现频率 较高的轮虫是旋轮科的转轮虫和腔轮 科的腔轮虫【3 6 1 。 2 活性污泥的净化反应过程 活性污泥系统对有机底物的降解 通过以下几个阶段和一系列作用完成的。 ( 1 ) 絮凝、吸附、主动运输作用： 在正常发育的活性污泥微生物体内，存在着蛋白质，碳水化合物和核酸组 成的生物聚合物，这些生物聚合物是带有电荷的电介质。因此，由这些微生物 形成的生物絮体，都具有生物物理化学吸附作用和凝聚沉淀作用，在其与废水 第l 章绪论 中呈悬浮状和胶体状的有机污染物接触后，能使它们失稳、凝聚，并被吸附在 活性污泥表面。 活性污泥具有很大的比表面积，能够与废水中的有机物广泛接触，在较短 的时间内( 1 5 - - 4 0 m i n ) ，在吸附的作用下，能够去除废水中大量的呈悬浮和胶 体状态的有机污染物，使废水的b o d 值( 或c o d 值) 大幅度下斛”1 。 吸附在活性污泥表面的大分子有机物，首先在水解酶的作用下，水解成小 分子和废水中以小分子存在的有机物一起在细胞膜的主动运输作用下，进入细 胞体内，主动运输是所有细胞膜的最重要的特性之一。其过程是：外界的小分 子有机物先与一载体蛋白结合，然后此载体和溶质的复合物在膜中发生某些改 变，致使载体对有机物的亲和力下降，而将有机物移放至细胞内，载体又恢复 原状重复利用。废水中的有机污染物在细菌的絮凝、吸附、主动运输作用下， 进入细胞体内。小分子有机污染物在透膜酶的作用下，通过细胞膜主动运输通 过细胞膜，进入细胞体内，如图1 3 所示。 甲底麓 t 细胞外表面 吸收能量 3 图1 - 3 细胞膜主动运输示意图 ( 2 ) 微生物的代谢 被吸附在活性污泥微生物细胞表面 的有机物，在透膜酶的作用下通过细胞 膜，进入细胞体内。小分子有机物能够 直接通过细胞壁而进入微生物体内，而 大分子有机物( 如淀粉、蛋白质等) 必 须在细胞胞外酶水解作用下，被水解成 小分子再进入细胞体内【3 8 】。 进入细胞体内的有机底物，在各种 胞内酶( 如脱氢酶、氧化酶等) 的催化 作用下，微生物对其分解与合成代谢。 分解代谢：各种有机物污染物在各种酶的催化作用下，经过一系列的生物化学 反应将废水中的有机物转化成c 0 2 、h 2 0 等无机物，并产生能量用于合成代谢。 c x h y q + ( h 考一三) d 2 与嘲+ y h 2 0 一明 合成代谢：部分有机物被微生物所利用，合成新细胞物质，所需能量来自 分解代谢产生的能量。这一过程可用下列方程表示： 1 2 和阐 可闽 第1 章绪论 n c , , h y 0 ：+ n n h 3 + 刀 + i y 一号一5 ) 0 2j b ( c 5 h 7 n 0 2 ) 。+ ，? ( x 一5 ) c d 2 + x ( y 一4 ) h 2 0 一 当废水中有机物充足时，合成反应占优势，内源代谢不明显。当废水中有 机物浓度较低时，微生物的内源代谢作用为微生物提供能量，维持其生命活动 的主要方式，其过程可用下列方程表示。 ( c 5 h 7 n 0 2 ) 。+ 5 n 0 2 与5 刀2 + 2 n i l 2 0 + n n h 3 + 胡 无论是分解代谢还是合成代谢