（环境工程专业论文）氧化沟处理污水库综合化工废水.pdf

中文摘要 本试验利用c a r r o u s e l 氧化沟处理天津滨海某污水库综合化工废水，该废水 具有高含盐量、有机物浓度低和难生物降解等特点。试验分为两个阶段：第一阶 段主要考察氧化沟对有机物的去除效果，确定氧化沟去除c o d 的最佳运行条件： 第二阶段利用静态试验研究提高氨氧化效率的措施。 试验结果表明：随着氧化沟水力停留时问的延长，其对有机物的去除效果逐 渐升高，当氧化沟水力停留时间分别为3 6 h 、4 8 h 和9 6 h 时，c o d 的去除率分别 为3 7 9 、4 5 0 和5 9 2 。 考察氧化沟对有机物去除效果期间，其污泥浓度略有降低。运行一段时间后 氧化沟中污泥絮体变小，呈封闭结构，并且结构密实，沉降性能良好。 试验废水中含有苯及其取代物类物质，这些污染物会抑制氨氧化过程。延长 反应时间氨氮可以缓慢降解，氨氧化效率提高，在反应时间分别为7 2 h 、9 6 h 和 1 2 0 h 时，出水氨氮最低分别达到1 3 7 2 m g l 、9 0 m g l 和5 2 7 m g l ，但是反应时间 过长，污泥长时间缺乏营养，出现解体现象，出水水质变差。 进行静态试验阶段，氧化沟污泥浓度呈逐渐减少的趋势，由于反应时间过长， 污泥活性降低。污泥的脱氢酶活性由初期的0 0 3 7 4 m g t f ( h g v s s ) 下降到后期的 0 0 2 5 m g t f 0 a g v s s ) ，较接种时降低3 2 4 ，硝化速率由初期的1 7 5 9 m gn h 3 - n ( g m l s s h ) 降低到后期的0 9 4 1 m g n h 3 一n ( g m l s s h ) ，较接种时降低4 6 5 ，污 泥絮体微细化，后期污泥出现解体现象，出水水质变差。 关键词：c a r r o u s e l 氧化沟， 综合化工废水，水力停留时间，氨氧化 a b s t r a c t m i x e dc h e m i c a lw a s t e w a t e rf r o mas e w a g er e s e r v o i ri nb i n h a id i s t r i c to ft i a n j i n w a st r e a t e dw i t hc a r r o u s e lo x i d a t i o nd i t c h t h ew a s t e w a t e rw a sc h a r a c t e r i z e dw i t h h i g hs a l i n i t y , l o w s t r e n g t ho r g a n i cc o m p o u n d s d i f f i c u l tb i o d e g r a d a t i o na n ds oo n n e e x p e r i m e n tp r o c e s sw a ss e p a r a t e di n t ot w op h a s e s ，t h ef i r s tp h a s ef o c u s e do nt h e r e m o v a lo fo r g a n i cp o l l u t a n t sw h i c hw a si n t e n d e dt oo b t a i no p t i m a lo p e r a t i o n c o n d i t i o no fo x i d a t i o nd i t c ht or e m o v ec o d ；t h es e c o n dp h a s em a i n l yi n v e s t i g a t e d h o wt oi n c r e a s ea m m o n i ao x i d a t i o nr a t ew i t hb a t c ht e s t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fo r g a n i cp o l l u t a n t so fo x i d a t i o n d i t c hi n c r e a s e dw h e ni t sh r tw a sl o n g t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o dw a s 3 7 9 ，4 5 o ，5 9 2 w h e nt h eh r tw a s3 6 h ，4 8 h ，9 6 h ，r e s p e c t i v e l y t h es l u d g ec o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e dd u r i n gt h er e m o v a lo fo r g a n i cp o l l u t a n t s t h e s l u d g ef l o e sw e r es m a l la n d d e n s ew h i c hh a dg o o ds e d i m e n t a t i o np e r f o r m a n c ea f t e ra p e r i o do fo p e r a t i o n n ew a s t e w a t e rh a ds u b s t i t u t e db e n z e n ec o m p o u n d sw h i c hw o u l di n h i b i tt h e a m m o n i u mo x i d a t i o n n h 3 - nw o u l dd e g r a d es l o w l ya n dt h ea m m o n i ao x i d a t i o nr a t e w o u l da l s oi n c r e a s ei fw ep r o l o n g e dt h er e a c t i o nt i m e n h 3 - ni n t h ee f f l u e n tw a s 1 3 7 2 m g l ，9 0 m g l ，6 4 m g lw h e nt h er e a c t i o nt i m ew a s7 2 h ，9 6 h ，1 2 0 h ，r e s p e c t i v e l y b u tw h e nt h er e a c t i o nt i m ew a st o ol o n g ，t h ea c t i v a t e ds l u d g ef l o e sb r o k eb e c a u s e o f n u t r i t i o n a ld e f i c i e n c y ，a sar e s u l t ，t h ee f f l u e n td e t e r i o r a t e d d u r i n gt h eb a t c ht e s t , t h es l u d g ec o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e ds l o w l y b e c a u s eo fl o n g r e a c t i o nt i m e ，t h es l u d g ea c t i v i t yd e c r e a s e d t h ed e h y d r o g e n a s ea c t i v i t yo fs l u d g eg o t d o w nf r o m0 0 3 7 4 m g t f 0 a g v s s ) t o0 0 2 5 m g t f ( h g v s s ) ，w h i c hd e c r e a s e db y 3 2 4 a n dt h en i t r i f i c a t i o n e f f i c i e n c y o f s l u d g eg o t d o w nf r o m1 7 5 9 n h 3 一n ( g m l s s h ) t oo 9 41m g n h 3 - n ( g m l s s h ) ，w h i c hd e c r e a s e db y4 6 5 t h e s l u d g ef l o c sw e r ef i n ea n dd i s p e r s e d ，l a t e rt h ea c t i v a t e ds l u d g eb r o k ea n dt h ee f f l u e n t d e t e r i o r a t e d 1 ( e yw o r d s ：c a r r o u s e lo x i d a t i o nd i t c h ，m i x e dc h e m i c a lw a s t e w a t e r ，h r t , a m m o n i u mo x i d a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位做储躲孕鼋蠢 签字日期：矽哆年岳月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位做作者虢尹翠裔 导师签 一 签字日期：砂毋年6 月2 日签字日期：砂9 年6 月2 ，日 第一一章绪论 第一章绪论 1 1 化学工业综合废水防治技术现状 化学工业在国民经济中占有十分重要的地位，其发展直接影响着我国国民经 济的增长，世界上经济发达国家十分重视化学工业的发展。化学工业的发展水平 已成为衡量一个国家综合国力的重要标志之一1 。一般说来有什么样的工业生产 就会产生什么样的污染源和污染物，环境污染有7 0 来源于化学工业污染，化工 生产的特点决定了化工污染物的复杂性，化工废水的特点是【2 】：水质成分复杂， 废水中复杂成分来源于化学反应过程中由于反应不完全的副产物以及使用的各 种辅料和溶剂等：废水中的污染物浓度高，可生化性一般都较差；有毒有害等特 征污染物多，如硝基化合物、醛类、苯类、重金属催化剂、盐、酸、碱等，本身 对菌类有抑制作用或杀菌功能；有的废水色度较高，一般化工废水都有含以上特 征的一种或多种。 1 1 1 国外主要的防治技术 对于化工废水的污染防治，国内外都非常重视，国外的主要防治技术有：( 1 ) 开发和采用少废、无废技术；国外防治污染的实践证明，开采和采用少废、无废 工艺或清洁生产，是防治化学工业污染的主要途径。如共氧化法生产环氧丙剧3 1 ， 等离子体法生产硝酸，克劳斯法回收硫磺【4 1 ，离子膜法生产烧碱1 5 】，环己酮氨氧 化法制环己酮肟( 己内酰胺中间体) 等。在开发这些新工艺的同时，还考虑到产 品的更新换代或生命周期，开发少废、无废的新产品，即所谓的清洁产品或绿色 产品。( 2 ) 发展废水预处理新技术；近年来，美国、日本及欧洲等工业发达国 家都积极开发利用预处理新技术，治理化工生产中难以降解的有机废水。如湿式 催化氧化【6 1 、膜法分离m 、游离基反应、超临界水氧化i s , 9 】、光催化氧俐1 0 1 等方 法。其中某些分离、浓缩技术，可使废水中有用物质得到回收。经预处理后，提 高了废水的可生化性，完善了缓冲调节设施，增强了耐有害物质和负荷的冲击， 大幅度地减少水质的波动，为废水处理设施的正常操作和稳定运行创造了必要条 件。( 3 ) 开发新的生物技术；生物技术是当今高科技中最有吸引力的技术，利 用生物技术或生物技术与膜分离技术相结合，治理化工有毒废水已为各国关注并 大力开发利用。( 4 ) 开展区域集中治理；按区域集中处理( c w t ) 废水技术在 第章绪论 德国、日本、美国等发达国家已工业应用。但区域集中处理的形式各有不同，有 的按区域建立共同的废水处理工厂，集中处理附近各企业排出的废水和废物。( 5 ) 实施废水再资源化，提高工业用水率：不少国家如美、俄、日本等以水的重复利 用和循环回用作为保护水源、控制环境污染的重要措施。起有效办法是节约用水， 减少排污，净化处理，合理利用。推广完善废水深度处理和水质稳定技术，提高 循环水的浓缩比，建立起中水管道系统。使大部分废水经处理后，可以通过不同 的途径进行回用，提高工业用水利用率。( 6 ) 实行流程优化和操作自动化；国 外在建立废水处理装置前，通过基础性实验研究工作，结合实践，实流程优化， 单元工程优化和工艺参数优化。( 7 ) 开展和发展环保产业j 。 1 1 2 国内主要的防治技术 我国也根据化工污染物的特点及多年的运行的实践，提出化工废水的一些处 理措施：化工废水全过程处理有源头治理环节和末端治理环节，从源头控制废水 和污染物产生的措施有：( 1 ) 企业进园，废水集中治理：进入集中园区的化工企 业废水经过预处理达到接管要求后，排放到同区的污水集中处理设施进行处理， 集中处理有利于环保部门对废水的管理。( 2 ) 采取清洁生产措施，实现节水减污； 如使用无毒、低毒的原料替代高毒的原料；使用反应周期时间短、得率高的先进 生产工艺；使用一些先进的生产设备和过程控制技术，提高生产效率，提高原料 的利用率；原辅料的回收与重复利用，有利于减少废水中的污染物浓度；强化员 工的管理和环保意识的培训，也有利于降低污染物的产生。( 3 ) 对废水本身采取 污污分流措施。不同的废水采取不同的处理措施，有利于废水的处理或综合利用， 降低末端治理的成木。末端治理主要是根据不同行业的化工废水，排放的特征污 染物和有机物的浓度可能不一样，采取不同的治理措蒯】。目前国内的研究和发 展趋势主要从推行清洁生产，实现全过程治理和将化工企业向集中、联合发展以 实现废水的末端集中治理。我国的化工企业中，中小企业比例高，且大多数属于 粗放型和技术水平相对薄弱的企业，废水排放达标率仍然很低，因此，废水的末 端治理仍然是今后相当长时间内的主要任务。随着我国工业的发展，为了实现生 产企业之间的衔接、市场的集中形成、将分散点源污染集中起来也有利于环保要 求，集中化工企业进行生产的工业区将越来越多。在企业内部适当进行预处理后， 将化工废水进行集中的深度处理已经成为受到广泛关注的研究与应用方向之一 【l2 1 。 2 第一章绪论 1 2 化工废水常用的处理方法 目前化工废水常用的处理方法有【1 3 】：物理方法，化学方法，物理化学方法， 生物方法，混合方法等。 1 2 1 化工废水的物理处理方法 物理方法包括【1 4 】过滤法、重力沉淀法和气浮法等。过滤法是以具有孔粒状滤 料层截留水中杂质，主要是降低水中的悬浮物：重力沉淀法是利用水中悬浮颗粒 的可沉淀性能，在重力场作用下的自然沉降作用，以达到固液分离的一种过程； 气浮法是通过生成吸附微小气泡附裹携带悬浮颗粒而带出水面的方法。这三种物 理方法工艺简单，管理方便，但不能适用于可溶性废水成分的去除，具有很大的 局限性。近年来发展的物理技术有磁分离法【i5 1 ，声波技术和非平衡等离子体技术 【1 6 1 。 1 2 2 化工废水的化学处理方法 化学方法是利用化学反应的作用以去除水中的有机物、无机物杂质。主要有 化学混凝法，化学氧化法，铁炭微电解法等。化学混凝法作用对象主要是水中微 小悬浮物和胶体物质，通过投加化学药剂产生的凝聚和絮凝作用，使胶体脱稳形 成沉淀而去除，可以用来降低废水的浊度和色度，去除多种高分子有机物、某些 重金属和放射物质，此外混凝法还能改善污泥的脱水性能，因此混凝法在废水处 理中获得广泛应用，它既可以作为独立的处理方法，也可以和其他处理方法配合 使用作为预处理、中间处理或最终处理。混凝法与废水的其他处理法比较其优点 是设备简单操作，易于把握，处理效果好，间歇或连续运行都可以，缺点是运行 费用高，沉渣量大且脱水较困难；化学氧化法通常是以氧化剂对化工废水中的有 机污染物进行氧化去除的方洲1 7 】，化学氧化法已广泛应用于炼焦、化工石油、 轻工等废水处理中，如有机农药，染料，合成纤维，还原性无机物( 如c 、s c n 一、 s 2 _ ) 以及难于生物降解的高浓度废水的处理，化学氧化法反应速度快，控 制简单，但成本较高，通常难以将难降解的有机物一步氧化到无机物质，而且目 前对中间产物的控制研究较少，此外高温高压状态下操作存在较大的安全隐患， 需要良好的保护措施和操作培训；铁炭微电解法1 1 8 j 处理化工废水是利用铁炭合金 为滤床，废水在铁炭合金中形成许多微原电池，炭的电位高形成许多微阴极，铁 的电位低成为微阳极，由于此法i l9 】具有适用范围广，处理效果好，使用寿命长， 成本低廉及操作维护方便的特点，并且使用的铁屑多是来自切削工业的垃圾，也 不需要消耗有限的电力资源，具有“以废治废”的意义。此外，利用【2 0 t i 0 2 等半 3 第一章绪论 导体催化剂在3 0 0 - - - - 4 0 0 n m 的紫外光照射下，产生光电子空穴和形成羟基自由基 等强氧化剂的能力，将废水中的有机物氧化分解，并最终氧化为c 0 2 和h 2 0 的紫外 光催化氧化处理；高温高压下，在水溶液中将有机物氧化的湿法氧化处理技术； 在湿法氧化基础上发展的一种有毒有机固体废物和工业废水的高级氧化技术一 一超临界氧化；利用高能电子发射装置或脉冲发生装置产生的电能电子束与水分 子碰撞，形成激发态从而使有机物发生氧化降解的辐照技术等也开始应用于实践 中。 1 2 3 化工废水的物理化学处理方法 物化方法有吸附法和膜分离技术。吸附法利用多孔介质( 如活性炭、磺化媒 树脂等) 吸附废水中的非极性有机物，该法简单易行，但只能用于非极性有机物 吸附后的废水，需要进一步处理吸附质，需要再生，吸附只是一个污染物的物理 转移过程而非真正的降解；膜分离技术有电渗析，反渗透。膜分离【2 l 】优点是具有 对有机污染物去除效率高，流程简单，结构紧凑，易操作等特点，在污水深度处 理方面有着极其广阔的前景，但是膜污染问题严重阻碍着膜的应用与推广。 1 2 4 化工废水的生物处理方法 生物法【z 2 】是利用微生物的新陈代谢作用降解转化有机物的过程，随着化学工 业的发展，污染物成分日渐复杂，废水中含有大量的有机污染物，如仅采用物理 或化学的方法是很难达到治理要求的。利用微生物的新陈代谢作用，可对废水中 的有机污染物质进行转化与稳定，使其无害化。用生物法处理废水具有运行成本 低，操作管理简单，但由于微生物对p h 值、营养物质、温度等条件有一定要求， 难以适应化工废水水质变化大、成分复杂、毒性高、难降解的特点，单纯用生物 法治理化工废水达标工作难度大，所以生物化学或生物物理方法的结合成为发展 的趋势。蒋莉等【2 3 】的f e n t o n 氧化s b r 工艺处理化工废水，f e n t o n 氧化出水经 s b r i 艺处理后c o d 可控制在8 0 0 m g l 左右，达到三级排放标准，可直接进入二 级污水处理厂；李少林掣2 4 】采用“混凝气浮+ 悬浮填料a o + 催化铁内电解+ 混凝沉 淀”工艺处理某精细化工废水，整个系统对c o d 、色度、t p 的去除率分别可达8 5 、9 5 、9 l ；顾晓扬等【2 5 】的f e n t o n 试剂曝气生物滤池处理酸性玫瑰 红印染废水，该组合工艺1 2 6 】是采用f e n t o n 试剂进行氧化预处理，去除色度和部分 有机物，提高废水的可生化性。再通过后续的b a f 工艺去除大部分有机物。实验 结果表明：在原水色度为1 0 0 0 度、c o d 为1 4 0 1 6 0m g l 的情况下，最终出水的色 度低于2 0 度、c o d 低于2 0 m g l ，达到中水回用标准。此外，用筛选、驯化、诱 导、诱变和基因育种等手段培制能分解难生物降解有机物的工程菌【27 】是改进当前 4 第一章绪论 活性污泥工艺重要途径之一，高效微生物优势菌种选育，固定化细胞技术也在发 展应用，这些主要是对活性污泥系统中的污泥中微生物的改进。在探索合适的生 物法处理工艺时，一般通过筛选培养出耐高渗透压、具有良好有机物降解性能的 耐盐微生物来处理此类废水，但大多数研究处于实验配水阶段【2 8 2 9 3 0 1 。 1 3 氧化沟污水处理工艺 1 3 1 氧化沟污水处理工艺的发展情况 氧化沟( o x i d a t i o nd i t c h ) ，又称连续循环式反应器( c o n t i n u o u sl o o pr e a c t o r ) ， 是传统活性污泥法的一种改进工艺。早在1 9 2 0 年，英国s h e f f i e l d 建成的一个污水 厂可以认为是现代氧化沟的雏型，现代氧化沟的发展思想离不开荷兰卫生工程研 究所( t n o ) 在5 0 年代研制成功的沃绍登( v o o r s c h o t e n ) 城镇污水处理站氧化沟原 型，设计者为该所的p a s v e e r 博士，服务人口仅为3 6 0 人p 。该氧化沟是间歇运行 的，且曝气沉淀在同一沟内完成。沃绍登污水处理工艺可以说是最早的序批式反 应器。从理论上讲，它既具有推流反应的特征，又具有完全混合反应器的优势1 3 2 | ， 前者使其具有出水优良的条件，后者使其具有抗冲击负荷的能力，正是因为有这 个环流，且有能量分区的缘故，使它具有其它许多污水生物处理技术所拥有的众 多优势，其中最为显著的优势是工作稳定可靠，也正因为这一点，近年来外国公司 向中国推荐的工艺技术最多的和建成最多的城市污水处理厂处理工艺当属氧化 沟。6 0 年代以来氧化沟技术在欧洲、北美、南非等地得到了广泛地应用。据统计 丹麦已建成了3 0 0 多座氧化沟污水处理厂，占全国污水处理厂的4 0 ，美国有5 0 0 多座氧化沟污水处理厂，英国也有3 0 0 多座氧化沟污水处理厂1 3 3 | 。 氧化沟通常采用延时曝气，其池体结构采用环形沟渠形式，混合液在氧化沟 曝气器的推动下作水平流动( 平均流速大于0 3 m s ) ，污泥负荷和污泥龄的选取要 考虑污水硝化和污泥稳定化两个因素，一般污泥龄为1 旺3 0 d ，污泥负荷在 0 0 5 o 10 k g b o d s ( k g m l s s “3 4 ，3 5 1 。 1 3 2 氧化沟污水处理工艺的分类 目前国内外采用的氧化沟系统有【3 6 】：c a r r o u s e l 氧化沟、交替工作氧化沟、二 次沉淀池交替工作氧化沟、o r b a l 氧化沟和曝气一沉淀一体化氧化沟。 c a r r o u s e l 氧化沟是6 0 年代由荷兰某公司开发，c a r r o u s e l 氧化沟系统是由多沟 串联氧化沟及二次沉淀池污泥回流系统所组成。见图1 - 1 ： 第章绪论 网髭污铌 剩泉污泥 图1 1c a r r o u s e l 氧化沟工艺 o r b a l 氧化沟就是在p 型氧化沟的基础上派生出的一种新工艺和新设备，o r b a l 氧化沟由南非的h u i s r n a n 提出其后由e n v i r e s 公司改进加以推广。o r b a l 氧化沟是一 种多级氧化沟1 3 ，它是由3 个( 三级) p 型氧化沟的组合，典型的o r b a l 氧化沟是多 沟式椭圆型，椭圆型内设有三个环沟，污水进入第一沟后，通过水下输入口连续 地从一条沟进入下一条沟，每一条沟都是一个闭路连续循环的完全混合反应器， 每沟中的水流在排出之前，污水及污泥( 混合液) 在沟内绕了数百圈的循环后流 入下一沟，最后，污水由第三沟流入二沉池，进行固液分离。见图1 2 ： 图1 2o r b a l 氧化沟工艺 一体化氧化沟( i n t e g r a t e dq x i d a t i o nd i t c h ) 3 7 , 称合建式氧化沟，是本世纪末发 展起来的一种污水处理新技术。广义地说，一体化氧化沟就是不单独设二次沉淀 池及污泥回流设备的氧化沟。这一意义上的一体化氧化沟包括了早期间歇运行的 p a s v e e r 氧化沟、带侧支渠的氧化沟和七十年代在丹麦发展起来的p i 型氧化沟，如 v r 型氧化沟、双沟( d 型) 或三沟( t 型交替式氧化沟) 。狭义的一体化氧化沟是指 充分利用氧化沟较大的容积与水面，在不影响氧化沟正常运行的情况下，通过改 进氧化沟部分区域的结构或在沟内设置一定的装置，使泥水分离过程在沟内完成 6 第章绪论 的氧化沟。这一概念在8 0 年代初由美国最先提出，并将此类氧化沟系统称之为 i c c ( i n t e r c h a n n e lc l a r i f i e r ) 型氧化沟。到目前为止，美国已建有近百座这一类 型的一体化氧化沟，见图1 3 ： 图1 3 一体化氧化沟工艺 器 交替工作氧化沟由丹麦某公司开发，有2 池和3 池两种交替工作氧化沟系统， 三沟交替式氧化沟见图1 - 4 ： 7 嗽 i9 一 一 一 _ 一 一一 一一一一一 _ 一 一 一 一 一一 一一 争 第一章绪论 图1o 三沟交替工作氧化沟工艺 1 3 3 氧化沟污水处理工艺的特点 氧化沟工艺具有下列独特的优点 3 8 】： 兼有推流型反应池和完全混合型反应池的特点，有利于克服沟内污水的短流 现象提高缓冲能力； 具有明显的溶解氧浓度梯度，比较适合于硝化一反硝化生物处理工艺； 在整个氧化沟流程中功率密度的不均匀分布有利于氧的传质、液体的混合 和污泥絮凝； 整体体积功率密度较低，可以节约能源，降低能耗； 污水的循环量是进水的十倍甚至数十倍，具有较强的抗冲击负荷能力； 管理维护比较方便。 1 3 4c a r r o u s e l 氧化沟工艺 1 9 6 7 年，d v h 公司综合了常规污水处理系统和氧化沟的优点，发明了第一 代c a r r o u s e l 氧化沟系统。时至今日，世界范围内有近8 5 0 多个上规模的污水处理 厂投入了运行。实践证明，c a r r o u s e l 氧化沟技术是二级污水处理技术中一种最可 靠的技术之一。从1 9 6 7 年的第一座c a r r o u s e l 2 0 0 0 氧化沟到今天的带厌氧区的 c a r r o u s e l 3 0 0 0 氧化沟系统，c a r r o u s e l 氧化沟发生了巨大的变化。 与常规污水处理系统相比c a r r o u s e l 氧化沟的主要优点有【3 9 】：( 1 ) 处理某些工 业废水时尚需预处理，但在处理城市污水时不需要预处理：( 2 ) i 艺稳定可靠；( 3 ) 工艺控制简单；“) 具有较高的除磷脱氮功能；( 5 ) c a r r o u s e l 氧化沟系统不再使用 卧式转刷曝气机，而采用立式低速搅拌机，沟深可增加到5 m 甚至8 m ，从而曝气 池的面积大为缩小；( 6 ) c a r r o u s e l 氧化沟从“田径跑道”式向“同心圆式”转化， 池壁共用，降低了占地面积和工程造价；( 7 ) 污泥稳定，不需要消化池，可直接 干化。 c a r r o u s e l 氧化沟第一代为普通型c a r r o u s e l 氧化沟，该种形式氧化沟以去除 b o d 为主要目的，并具有定的除磷脱氮效果；第二代为c a r r o u s e l 2 0 0 0 氧化沟， 该种形式的氧化沟主要是针对排放标准对氮、磷的严格要求而发展起来的具有除 磷脱氮功能的工艺m 】：第三代为c a r r o u s e l 3 0 0 0 0 氧化沟，其最显著的特点是水深 加大，占地面积减少，同时具备除磷脱氮的功效【4 l 】。 普通型c a r r o u s e l 氧化沟的工艺原理是：污水经过格栅和沉砂池后，不经过 预沉淀，直接与回流污泥一起进入氧化沟系统，在充分搅拌的曝气区下游，湍流 第一章绪论 减弱，逐渐形成活塞流，水流维持在最小流速，保证活性污泥处于悬浮状态。水 流由曝气区的湍流状态变成之后的平流状态，从而改善了污泥的沉降性能，提高 了出水质量。在普通型c a r r o u s e l 系统中，b o d 降解是一个连续的过程，硝化作用 和反硝化作用发生在同一池中。使用设备并不超过一种。实际上该c a r r o u s e l 系统 就是一个模糊的a o 工艺。 表面曝气机使混合液中溶解养的浓度增大到2 3 m g l ，在这种充分掺氧的 条件下，微生物得到足够的溶解氧来去除b o d 的同时，氨被氧化成硝酸盐和亚硝 酸盐( 硝化作用) ，此时，混合液处于有氧状态。微生物的氧化过程消耗了水中的 溶解氧，直到d 0 值降为零，混合液呈缺氧状态。经过缺氧区的反硝化作用，混合 液进入有氧区，完成一次循环。普通型c a r r o u s e l 氧化沟系统对b o d 、c o d 、n 、 p 的去除率分别可达9 5 ，9 0 ，7 5 和6 5 蜊4 2 1 。 1 4 硝化作用 废水生物脱氮工艺中对氮的去除是通过硝化菌和反硝化菌共同的生物作用 - 实现的，发生的反应有氨化作用，硝化作用，反硝化作用。因而，无论采用何种 形式的处理工艺，一方面不同的环境因素都将对处理过程及处理效果产生影响， 另一方面这些因素对工艺运行中硝化和反硝化菌产生的作用又是不尽相同的。因 而，在废水生物脱氮工艺的设计和运行过程中，必须加以充分的考虑和注意【4 3 】。 1 4 1 硝化作用的原理 传统生物脱氮理论1 认为：水体中的有机氮在氨化菌的作用下，转化为氨态 氮，水体中的氨态氮在好氧的条件下通过亚硝酸菌和硝酸菌转化为n o 3 - h i ，然后 在缺氧的条件下，通过反硝化菌转化为n 2 。 有机氮化合物，在氨化菌的作用下，分解、转化为氨态氮，一般情况下这个 过程比较容易，在有氧或无氧条件下，氨化作用都可以发生。 进行硝化反应的微生物有硝酸菌和亚硝酸菌，它们都是好氧自养菌，通过氧 化处于还原态的氮来获得能量。亚硝酸菌将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，硝酸菌将亚 硝酸盐氮氧化为硝酸盐氮。反应方程如下f 4 5 j ： n h 4 + + 2 4 5 7 0 2 + 6 7 16 h c 0 3 - - - 0 114 c 5 h 7 0 2 n + 2 5 0 9 n 0 2 + i 0 3 6 h 2 0 + 6 5l3 h 2 c 0 3 n 0 2 。+ 0 0 0 1 n h 3 + + o 0 0 3 h c 0 3 。+ 0 0 1 4 h 2 c 0 3 + 0 3 3 9 0 2 + o 0 0 6 c s h 7 0 2 n + 1 3 4 8 n 0 3 。+ 0 0 0 3 h 2 0 这两个反应合到一起为： 9 第一。章绪论 n h 4 + + 6 7 0 8 h c 0 3 + 3 3 0 0 0 2 - - - * 0 1 2 9 c 5 h 7 0 2 n + 3 3 7 3 n 0 3 + 1 0 4 1 h 2 0 + 6 4 6 3 h 2 c 0 3 1 4 2 硝化作用的影响因素 由于微生物脱氮系统中的硝化反应主要是通过亚硝酸细菌和硝酸菌实现的， 因而影响这两个细菌的一些环境因子都将对整个系统的氮去除产生影响，研究表 明，影响微生物硝化作用的主要因素有以下几个方面： ( 】) 酸碱度( p h ) 的控制 硝化反应要消耗碱度，因此，如果污水中没有足够的碱度，则随着硝化的进 行，p h 会急剧下降。而硝化细菌对p h 十分敏感，亚硝酸细菌和硝酸细菌分别在 p h 为7 0 - - 7 8 和7 7 8 1 时活性最强，p h 值在这个范围以外，其活性便急剧下 降，由此可见，p h 是影响硝化速度的重要因素。在生物反应构筑物中，硝化反 应适宜的p h 范围相对要宽一些。一些研究表吲蚓，硝化细菌经过一段时间驯化 后，低p h 值比突然降低p h 值的影响小得多。经过驯化，硝化反应可在低p h 值( 如 5 5 ) 条件下进行。要使硝化反应的p h 值从7 0 降到6 0 ，约需要驯化1 0 d 。但突然 降低p h 值( 如由7 2 降到5 8 ) ，会使硝化反应速度骤降。当p h 值升高后，硝化反 应速度又会很快地恢复。 h a l t m a n 通过研究，提出了p h 对硝化菌生长速率( 地) 的影响关系式： “。 2 而而 n 。1 l l j j 式中：h 在非最佳p h 值运行时的硝化菌的生长速率( d _ 1 ) ； p 舯最佳p h 值硝化菌的生长速率( d 。1 ) ； p h 最佳p h 值； p h 运行p h 值。 ( 2 ) 溶解氧( d o ) 的控制 氨氮的硝化需要有足够的溶解氧，如果溶解氧不足，轻则好氧微生物的活性 受到影响，新陈代谢能力降低，重则微生物的生长规律受到影响甚至遭到破坏， 正常的生化反应过程将受到影响，污水中有机物的氧化不能彻底进行，处理效果 下降。硝化作用需要相当多的氧气：3 3 0 m g m gn h 3 + , 相当于l m gn h 3 + n 实际氧 化为n 0 3 - n 需要4 3 3 m 9 0 2 。其中亚硝酸菌利用3 2 2m 9 0 2 ，硝酸菌利用1 1 1 m 9 0 2 。在脱氮工艺的运行中，混合液中d o 浓度一般维持在2 一- 3 m g l i 4 7 1 ，当d o 浓度低于0 5 - - 0 7 m g l 时，氨转化为硝态氮和亚硝态氮的硝化反应过程将受到抑 l o 第一章绪论 制。g o r e a u 等人对溶解氧对硝化菌生物代谢影响的研究表明，较低的d o 浓度将 影响其代谢的产物，但是在d o 大于2 m g l 时，d o 浓度对硝化过程的影响不予考 亩1 4 8 m 凸 o ( 3 ) 温度( t ) 的控制 与其他废水生物处理过程一样，温度是影响脱氮处理效果的重要因素。硝化 反应的最适温度范围为3 0 - 3 5 。当温度在5 3 5 之间由低到高逐渐过渡时， 硝化反应的速率将随温度的增高而加快，而当温度低于5 时，硝化反应将几乎 停止。对于去碳和硝化在同一个反应器中完成的脱氮工艺而言，温度对硝化速率 的影响则更为明显。当温度低于1 5 时即发现硝化速率快速下降。低温状态将 对硝化细菌有强烈的抑制作用，如温度为1 2 1 4 时，反应器出水会出现亚硝 酸盐积累的情况。温度对亚硝酸菌和硝酸菌反应速率( r n ) 的影响可用以下方 程表示： 亚硝酸菌 r m , = ( 1 5 ) a 卜1 5 ( 1 - 2 ) 硝酸菌 = 0 7 9 1 a o 嗍n 5 ( 1 - 3 ) 式中：( n( 1 5 ) 一分别温度为t 和1 5 。c 时的亚硝酸菌最大比增长速率； r x x ( r ) 一温度为。t 时的硝酸菌的最大比增长速率； a 一常数： 卜温度。 ( 4 ) 泥龄的控制 对于生物脱氮工艺而言，污泥龄是一个重要的工艺设计参数。理论上讲，为 保证连续流反应器中数量足够且性能稳定的硝化细菌，必须使微生物在反应器中 停留时间( 即污泥龄) 应大于硝化菌的最小世代时间( 即最大比增长速率的倒 数) 。在实际运行中【4 9 】，一般应是系统中的污泥龄为硝化菌世代期的两倍以上。 根据理论分析可知【5 0 】，脱氮工艺中污泥龄主要由亚硝酸菌的世代期来确定。一般 而言，生物脱氮工艺中污泥龄应控制在3 - - - - 5 d 以上，有的可高达1 0 - - - 1 5 d 。较长的 污泥龄可增加生物硝化的能力，并可减轻有毒物质的抑制作用。但同时须注意污 泥龄不宜过长，过长的污泥龄将降低污泥的活性而影响处理效果。 ( 5 ) 有毒有害物质的控制 在废水生物脱氮处理过程中，对有毒有害物质的控制是必须注意的问题。下 表( 表1 1 ) 列出了对硝化作用有抑制性的一些化合物及其产生抑制作用的浓度 ( 表1 2 ) 。 有机物对硝化反应的抑制作用的原因有两个：一是高的有机物浓度将使异养 微生物的浓度大大超过硝化菌的浓度，前者对氧气浓度的利用将影响后者获取足 够的溶解氧，从而影响硝化的速率。一般认为，只有当系统中的b o d 5 浓度低于 第- 一章绪论 2 0m g l 时，才能发生有效而明显的硝化作用，同时系统的b o d 5 负荷也应控制在 较低的水平( o 0 6 0 1 k gb o d s ( k g m l s s d ) 。二是某些有机物对硝化菌具有直接 的毒害或抑制作用( 与硝化菌体内的酶系统中的蛋白质竞争c u 或直接嵌入酶结 构而抑制酶的作用) 。 表1 - 1 有毒有害物质列表 丙酮 烯丙基氯 二硫丙噻唑 哥罗仿 二烯丙基酯 二胍 二硫代草酰胺 碳酸胍 巯基苯丙噻唑 异硫氰酸甲酯 酚 粪类素 甲基二柳代氨基甲酸钠 硫代乙酸氨 硫脲 0 5 3 0 0 0 7 6 烯丙醇 异硫氰酸烯丙酯 二硫碳 甲酚 二氰二胺 2 ，4 _ 二硝基酚 乙醇 蝴基喹啉 盐酸甲胺 硫脲硫酸甲酯 硫氰酸钾 二硫代氨基甲酸钠 四甲秋兰姆化二硫甲 基酯 氨基硫脲 二甲胺 1 9 5 0 0 1 9 0 0 3 5 0 0 0 1 2 8 0 0 2 5 0 0 0 0 4 6 0 0 0 0 2 4 0 0 0 0 0 7 2 5 0 0 15 5 0 0 0 0 6 5 0 0 3 0 0 0 0 0 1 3 6 0 0 3 0 0 0 0 o 1 8 0 1 1 8 o 1 2 一 一 一 一 一 一 一一 一 一 一 一 第章绪论 表1 2 有毒有害物质抑制浓度列表 在所在浓度下的抑制程度( ) 化合物 5 0 抑制浓度( m g l ) 1 0 0 ( m g l )5 0 ( m g l )1 0 ( m g l ) 浓度见注 十二烷胺9 69 5 6 6 b l 苯胺 8 67 6 。8 9 d 1 0 0 苯胺 2 61 0 0 1 0 0 单宁酸2 072 2 1 5 0 单乙醇胺1 62 0 9 2 0 0 注：a 工业品b 1 m g l c 2 5m g ld 5m g l e 3 0 m g lf 1 0 0m g lg 2 0 0m g l 1 5 课题研究背景、内容、目的及意义 1 5 1 课题研究背景 试验废水取白天津滨海某污水库，该污水库始建于1 9 7 6 年，3 0 年来一直接 纳难降解、组分复杂的氯碱厂类综合化工废水，致使库区水体遭受持续重度污染， 为劣v 类，主要污染因子为c o d 和氨氮，基本丧失自净能力。并且随着该类以汞、 砷、镉等为特征的重金属和以d d t 、六六六为特征的持久性有机复合污染物常年 沉积( 经测算，目前污染沉积物总量可达3 8 0 余万1 1 1 3 ) ，库底的生态环境变得极 度恶劣，众多底栖生物无法生存，水生态系统快速退化。 第一章绪论 初步调查结果显示，污水库水质呈现高盐度、低c o d 、低b o d c o d 、高 氨氮、低c n 等典型陈腐性工业污水特征，主要污染物为难降解有机物、氨氮、 总氮等。基于以上调研结果，并结合污水库附近污水处理厂的实际情况，对污水 库的污水进行综合处理，使处理水达到城镇污水处理厂污染物排放标准( g b 1 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 规定的一级a 标准。本课题拟选择c a r r o u s e l 氧化沟工艺，研究不 同工艺参数对污水库废水中有机物处理效果的影响；研究提高氨氮的去除效率的 措施。 1 5 2 课题研究的目的和意义 ( 1 ) 本课题研究的目的是通过小试试验，研究氧化沟对综合化工废水中有机 物的去除效果，找出氧化沟降解有机物最佳的水力停留时间，同时提高试验废水 氨氧化作用的效率。 ( 2 ) 优化一种符合工业区综合化工废水实际情况的水处理方法。这样将为国 内类似的综合工业废水治理提供一个有参考价值的模式，具有良好的环境效益和 一定的社会、经济效益。探索、研究不同工艺对综合化工废水处理的适应性、处 理效果，并从机理上进行研究，具有较强的理论意义。因此本课题着手于解决工 程实际问题，又将从理论上探讨其机理，既具有现实意义和应用价值，也有一定 的理论意义。 1 5 3 研究内容 ( 1 ) 本试验废水的可生化性非常低，盐度也较高，试验利用c a r r o u s e l 氧化 沟处理工业区综合化工废水，通过调节c a r r o u s e l 氧化沟不同的运行参数，使其 对有机物的去除达到最佳效率，期间考察污泥的生长状态，研究污泥是否可以稳 定生长。 ( 2 ) 在有机物去除稳定的时候，研究提高c a r r o u s e l 氧化沟氨氮去除效率的 措施，强化氨氮去除效率。 ( 3 ) 分析废水中某些化合物对废水脱氮中氨氧化过程的抑制作用，由此研究 氨氧化过程的抑制因素。 1 4 第二章试验装置与方法 第二章试验装置与方法 2 1 试验装置与运行方式 2 1 1 试验装置 试验采用的c a r r o u s e l 氧化沟如图2 1 、2 2 所示。反应器由有机玻璃制成， 氧化沟沟槽长l1 0 c m ，共有六个沟槽，每个沟槽宽8 5 c m ，沟槽深2 4 c m ，沟槽的 有效体积为8 8 l 。氧化沟采用三个倒伞形曝气装置。氧化沟的进水、曝气，回流 及转盘的转动均采用自动控制，可由程序设定。在实际运行中，为保证进水的