（环境工程专业论文）序列间歇式活性污泥法处理油田采油废水.pdf

擅要 为使油田采油废水达到排放要求，本实验结合废水水质特点，选定并研究 了s b r 和投菌s b r 生物处理技术。对于s b r 法，通过对各实验周期的比较选 择，确定采用8 小时周期。8 小时周期运行结果稳定，污泥浓度在 2 0 0 0 3 0 0 0 m g l ，进水c o d 在2 0 0 , - - 5 0 0 m g l 范围内，平均去除率8 4 ，出水满 足行业排放标准。同时，在实验观察中发现，s b r 法具有较强的抗冲击负荷的 能力；能够有效的抑制污泥膨胀；反应过程中溶解氧浓度呈规律性变化。 通过对投菌s b r 法的考察，实验证明高效菌种与活性污泥系统结合能够取 得更好的处理效果，减少了反应所需时间，提高处理效率。同样通过三个周期 的考察，取得投菌s b r 法最佳实验周期为6 小时。 建立并推导了适于本实验基质降解的数学模型。在实验采用的浓度范围内， s b r 系统较严格地服从一级反应动力学关系式s ，= s o ( 1 1 0 i ) ，实验结果 与模型拟合较好。 关健词t 采油废水 s b r ( 序列间歇式活性污泥法) 实验周期 溶解氧 污泥膨胀 冲击负荷 投菌s b r 数学模型 a b s t r a c t i no r d e rt os a t i s f yt h er e g u l a t i o n so fd i s c h a r g i n go i l f i e l dp r o d u c e dw a s t e w a t e r , c h o o s e ss t u d ya n dd o e se x p e r i m e n t so ns b ra n db i o - a u g m e n t a t i o ns b rt e c h n o l o g y i nt h el i g h to f t h ea n a l y s i so f t h ew a s t e w a t e rq u a l i t y a st os b & e x p e r i m e n t sp r o v e8 一 h o u rc y c l et h em o s te c o n o m i ca n de f f e c t i v ei nc o m p a r i s o nw i t ht h eo t h e rt w oc y c l i c p e r i o d s ，t h e1 2 - h o u rc y c l ea n d6 - h o u rc y c l e a r e r8h o u r so p e r a t i o n ，m l s sk e e p si n 2 0 0 0 3 0 0 0 m g l ，o r g a n i c l o a do 1 加3 k g c o d k g m l s s d ，i n f l u e n t c o d 2 0 0 - 5 0 0 m g l ，a v e r a g ec o d r e m o v a lr a t ei su pt o8 4 ，a n dt h ee f f l u e n tm e e t st h e f i e l d sd i s c h a r g i n gr e g u l a t i o n s m e a n w h i l e ，t h es b rs y s t e ms h o w so t h e ra d v a n t a g e s s u c ha sc a p a c i t yf o rs h o c kl o a d ，c o n t r o lo fs l u d g eb u l k i n ga n dt h ef l u c t u a t i n gr u l eo f t h ed i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o ni nt h er e a c t o r s t h eb i o a u g m e n t a t i o ns b r , c o m b i n a t i o no ft h ea c t i v a t e ds l u d g es y s t e ma n d h i g h l ye f f i c i e n tm i c r o o r g a n i s m s , o b t a i n sab e t t e rr e m i t , w i t l lo p e r a t i o nt i m er e d u c e d a n ds y s t e me f f i c i e n c yp r o m o t e d 6 - h o r n i sd e t e r m i n e dt ob et h eb e s tc y c l i cp e r i o d m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rs u b s t a n c ed e g r a d a t i o ni sd e v e l o p e da n dp r e s e n t e d i nt h e r a n g eo fa p p l i e dc o dc o n c e n t r a t i o n , s b rs y s t e mm a t c hs t r i c t l yw i t h f i r s t - o r d e r r e a c t i o ne q u a t i o ns ，= s o ( 1 一l 萨1 ) e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w g o o da g r e e m e n t w i t h m o d e lp r e d i c t i o n k e yw o r d s ：o i l f i e l dp r o d u c e dw a s t e w a t e r s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r s ) c y c f i cp e r i o d d i s s o l v e do x y g e n s l u d g eb u l k i n g s h o c kl 0 a d b i o - a u g m e n t a t i o ns b r m a t h e m a t i c a lm o d e l 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 - 1 原水特点及处理技术概况 环境保护是我国的基本国策。世界经济发展的实践证明，为实现经济的持 续发展，必须解决好发展与环境保护的矛盾。事实上近代工业的飞速发展所带 来的严重环境问题，正直接或潜在的威胁着人类的生存和发展。 我国水污染情况当前十分严重。全国七大水系近一半的河段污染严重，海 河、辽河、松花江、淮河污染情况尤为突出。据统计，我国每年产生3 5 4 亿m 3 d 的生活污水和工业废水，并且污水的排放量仍以年均7 7 的速度增长，预计到 2 0 0 0 年将达到8 0 0 - - 0 0 0 亿m 3 d 1 1 ；我国工业废水污染物总量呈逐年上升的趋势， 1 9 9 4 年以生化需氧量c o d 所表示的有机物排放量为6 8 1 万m 3 ，比上一年增长 9 4 ( 以上数据尚不包括乡镇企业) 嘲。这些污水未经处理或只经部分处理就排入 水体，造成水体污染，水域生态环境遭到破坏，影响经济发展，危害人民健康。 一废水水质 油田的采油废水是指从地层中随原油一起开采出来的含有原油的废水。采 油废水随原油开采出来，经原油初加工将油、气、水进行分离，这部分废水不 仅携带有原油，而且在高温的油层中溶入了地层中的各种盐类和矿物质杂质： 在油气集输过程中，还掺进了各类化学药剂，水质成分十分复杂。由于采油废 水中富含有机物，又有适于微生物生存的基本环境，因此废水中还会滋生大量 的细菌。采油废水处理难度大，与一般生活污水相比，主要特点是：( 1 ) 含石 油类有机物；( 2 ) 含盐量高；( 3 ) 含悬浮物和矿物杂质。 国内采油废水的处理一般采用隔油、粗粒化、混凝、过滤、杀菌或气浮等 方法去除石油类、悬浮物、铁和细菌等杂质。处理后水用于油田注水，以驱替 出油层中油、气、水。注水使油田原油含水率逐渐增高，我国大部分油田已进 入二期或后期的开采，原油含水率高达9 5 ，采油废水的产出量大大超过注水 量需求：有些地区地层渗透率低，对注水要求很严，处理后的采油废水达不到 要求，只能注新鲜水；还有些地区注蒸汽采油，采油废水处理后达到锅炉水质 要求很困难，不宜采用。所以一部分废水被排放到环境中。由于c o d 等项污染 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 指标不影响油田注水( 见附录i 油田注水标准) ，所以采油废水的处理工艺 也基本没有考虑到c o d 的去除。根据国家规定，外排废水要达到污水综合排 放标准【7 1 ，对c o d 等指标提出了特殊的要求。 大港油田地处渤海之滨，域内已建污水处理站都是用于处理回注水的废水 处理设施，由于废水量增加，处理后的水已不能全部回注，剩余废水不得不外 排。据统计，1 9 9 8 年大港油田的工业废水排水总量已达7 5 0 6 万吨。根据1 9 9 8 年度石油企业污染物排放削减计划检查结果，大港油田属于地区国家重点控制 流域、企业污染物排放超标严重的企业之一，大部分污水处理站无法达到国家 制定的标准。以大港油田南一污水处理站为例，该站日处理量为为6 0 0 0 m 3 ，回 注4 0 0 0 m 3 ，每天外排2 0 0 0 m 3 。此污水处理站由大港油田勘测设计研究院负责 设计，采用重力沉降一浮选一过滤的方法处理，处理流程见图1 1 ，设计处理 能力1 0 0 0 0 m 3 d ，处理后含油量要求达到1 0 m g l 以下。处理后废水满足设计回 注水要求，但外排水c o d 。，不能达到g b 8 9 7 8 - 1 9 9 6 污水综合排放标准。 古油污水 图1 一l 油田采出水处理气浮流程 二采油废水处理技术 本课题所针对的主要污染指标是废水中c o d 。c o d 代表了水中受还原性物 质污染的程度，水中还原性物质包括各种有机物、亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物 等。对于油田采油废水，目前，国内外普遍采用的处理方法主要有以下几类。 2 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 一) 化学法 1 化学氧化法 化学氧化法是向废水中投放臭氧、三氧化氯、过氧化氢、高锰酸钾等氧化 剂，将废水中的有机物分解以达到转化和去除污染物的目的。其中臭氧氧化性 强，有机物分解彻底，且不产生毒副作用，是一种高效环保氧化剂1 3 1 。清华大 学1 9 9 2 年研究了焦化废水中难降解高分子有机物的去除，采用臭氧氧化的方 法。实验将水样p h 调至中性，臭氧与废水直接接触氧化，结果证明臭氧能够 改变高分子污染物的结构，使长链分子部分断裂。化学氧化法与生化方法联用， 能取得了更好的处理效果。化学氧化法出水水质较好，但操作费用高。 2 电解法 电解法属于电化学反应过程，一般只适合于处理小规模的乳化油废水。电 解法包括电解凝聚吸附法和电解浮上法。电解凝聚吸附是利用溶解性电极电解 乳化油废水。从溶解性阳极溶解出金属离子，金属离子发生水解作用生成氢氧 化物吸附、凝聚乳化油和溶解性有机物，然后经沉降除去。电解浮上分离法是 利用不溶性电极电解含乳化油和溶解油的废水，利用电解分解作用和初生态的 微小气泡的浮上作用，使乳化油破坏，并使油珠附着在气泡上浮上去除i ”。电 解法除油效率高，耗电量大、装置复杂，对导电材质要求高，电解过程有氢气 产生( 易爆) 。 ( 二) 物理化学法 1 膜分离法 膜分离法主要是指反渗透( r o ) 、超滤( u f ) 和渗析等，利用一张或一对 多7 l 薄膜对液一液分散体系中两相与固体膜表面亲和力不同而达到分离的目的。 利用超滤技术，可把废水中的微滴除去i “，利用多孔疏水膜从含油( 或有机物) 乳浊液中分离出油相来。反渗透膜与超滤膜相比，只是孔径更小，操作压力更 高，用经过处理的反渗透膜来处理含油废水，能使油完全除去【s 】。常用的膜材 质有醋酸纤维膜、芳香聚酰胺膜等。用聚砜中空纤维超滤处理含油废水，进水 含油量为1 0 0 - - - 1 0 0 0 m g l ，出水含油量低于1 0 m g l ，膜的透水速度适用于工业 应用。使用膜分离技术，设备占地面积小，但膜孔易堵塞，操作费用高，清洗 复杂，不适于大规模处理【9 】。 2 吸附法 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 吸附法利用各种促吸附材料将有机物从液相转移至吸附剂表面和内部，从 而达到去除有机物的目的。通常采用的吸附剂有活性炭、活性白土、磁铁砂、 纤维、高分子聚合物及吸附树脂等【1 0 l 。活性炭具有极大的比表面积，是目前利 用微孔吸附原理去除有机物应用最为广泛的材料之一。活性炭处理后有机物去 除率高，但再生费用较高，操作复杂，限制了它的应用。 吸附法适用于水质较好，含油浓度不太高的多级处理工艺中的后处理，进 水含油浓度最好控制在l o m g l 左右。 3 混凝处理 混凝法是向水中投加以定量的化学药剂，通过化学作用，使水中污染物形 成胶体絮凝体，再经过沉淀或气浮过程，使污染物从水中分离出来。混凝处理 能够降低废水的浊度、色度，特别是去除水中的高分子胶体有机物如乳化油等 类物质非常有效。常用的凝聚剂有硫酸铝、硫酸亚铁、三氯化铁、聚合氯化铝、 聚合硫酸铁等无机凝聚剂和聚丙烯酰胺、丙烯酰胺、二丙烯二甲基胺等有机凝 聚剂。日本开发出的高分子凝聚剂，只要加几个p p m 的用量和气浮结合起来， 可除去l 3 岬的油珠，并使油珠快速上浮【l i ) 。凝聚法处理效率高，操作简单， 但占地面积大，药剂用量较多，产生废渣，设备易腐蚀。 ( 三) 生物法 微生物以水中的有机物作为营养物质，通过吸收、吸附、氧化分解等作用， 一部分有机物转化为微生物体内的有机成分或增殖成新的微生物；另一部分有 机物被微生物氧化分解成简单的无机或有机物质，如c 0 2 、h ：0 、n 2 、c h 4 等小 分子物质，从而使废水得到净化。 一生物法从流程形式上可分为活性污泥法、生物膜法和氧化塘法，按微生物 对氧的需求上可分为好氧操作和厌氧操作。 1 好氧活性污泥法 好氧活性污泥法是以活性污泥为主体，利用好氧菌氧化分解废水中的有机 物。为了保证活性污泥法正常运行，曝气池内应保证充分供氧和足够的污泥浓 度，废水的营养配比要平衡。 活性污泥法广泛用于炼油厂废水处理中。其主要构筑物是曝气池，为提高 氧传输能力，曝气方式出现延时曝气和纯氧曝气等。活性污泥法处理效果好， 操作管理简单，是处理有机物最普遍采用的废水治理技术。但传统活性污泥法 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 占地面大、剩余污泥产量高、抗冲击负荷能力弱，对欧洲各大污水处理厂调查 表明，5 0 的水厂存在污泥膨胀问题2 】。因而，开发新型活性污泥处理系统， 充分利用微生物对有机物的降解功能，是今后生物处理技术的主要发展方向。 2 生物膜法 好氧微生物附着生长在固体填料表面，形成胶质相连的生物膜，在处理过 程中，废水中有机物和溶剂氧为生物膜所吸附，有机物不断被氧化分解而去除； 同时生物膜本身也不断新陈代谢，生长出新的生物膜，并保持生物膜整体活性。 生物膜法占地面积小，无需剩余污泥处理，污水处理效果强于传统活性污泥法。 生物膜法提高曝气池内的微生物浓度，增加了系统抗冲击负荷的能力，因此传 统活性污泥系统改造过程中，多采用生物膜法操作m 】。生物膜法按系统运行形 式可分为，生物转盘、生物滤池、接触氧化法、膜法等多种工艺。同时发展出 多种填料，如硬质填料、软性填料、半软性填料和弹性填料等。 3 氧化塘法 在天然或人工建造的浅水池塘或沟渠中，利用自然好氧微生物分解转化水 中有机物的废水处理设施称氧化塘。氧花塘一般采用水面自然复氧和藻类光合 作用复氧，也有的用人工机械曝气复氧。氧化塘优点是投资少，管理简单，缺 点是占地面极大，水中容易滋生有毒藻类。 4 厌氧生物处理 厌氧生物处理的主要特点是可以在厌氧反应器中稳定的保持足够量的厌氧 微生物菌体，使废水中的有机污染物降解为二氧化碳和甲烷气体。厌氧处理一 般经历两个阶段：酸发酵阶段和甲烷发酵阶段。酸发酵阶段是有机物在产酸菌 作用下，生成乙酸、丙酸和低级脂肪酸等中间产物。甲烷发酵阶段是在甲烷细 菌的作用下，将酸发酵阶段的产物进一步转化，生成二氧化碳和甲烷。废水的 厌氧生物处理一般只达到酸发酵阶段即可，它对提高废水的可生化性能有很好 的作用。厌氧反应器可分为厌氧活性污泥法、厌氧滤池、上流式厌氧污泥床 ( u a s b ) 、厌氧复合床等技术工艺。 总之，油田采油废水处理方法颇多，但采油废水成分较复杂，含有多种矿 物质及有机杂质，很多场合下，常和其它废水相混杂，因此，用单一的方法来 处理往往效果不佳，达不到排放要求，在实际使用中，通常几种方法组合起来， 形成多级处理工艺。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 本实验所用采油废水，经过了重力分离、浮选和过滤的处理后，含油量不 高，但有机物含量超过排放标准，所以生化处理方法成为本实验的首选方法。 如前所述，传统生化方法对于采油废水处理存在困难，因而开发使用新型高效 生物处理技术，在实际中具有广阔的应用前景。 1 2 污水生物处理中应用徽生物的研究与进展 随着工业的发展，废水成分已愈来愈复杂。某些难降解的有机物质和有毒 物质，需要运用微生物的诱发变异特性，培育、驯化适宜吸收消化这些有机物 质和有毒物质的优势细菌，进行降解，达到污水处理设定的目的。 近3 0 年来，国内外已取得不少研究成果，可称之为“应用微生物研究” 1 4 1 。 譬如利用微生物酶对生化反应的高效率催化作用( 比一般催化剂的催化速率高 1 0 s 1 0 ”倍) 和催化反应的高度专一性1 ，国内外学者从研究提纯生物酶和固化 酶到研究微生物细胞直接固定在载体上，实旌对微生物体内酶的利用，避免了 酶分离提纯成本高，并成功在废水处理中应用。研究还利用某些微生物具有絮 凝性的特性，直接将微生物细胞用作絮凝剂，或从酵母细菌、丝状真菌细胞中 提取絮凝剂。 近几年，国内外研究固定化微生物处理废水，实质是微生物连同酶一起固 定化，其相对较容易，成本较低，因而研究成果引起了关注。针对活性污泥微 生物呈游离状态，浓度难以提高，微生物世代时间短和污泥膨胀、固液分离等 问题，华南建设学院进行了活性污泥固定化颗粒制备和性能实验研究岬】。 投菌活性污泥法( a p p l i c a t i o no fb i o - a u g m c n t a t i o np r o c e s sw i t hl i q u i dl i v e m i c r o o r g a n i s m s ) 是将具有强活力的细菌投入到曝气池内，使曝气池混和液内的 各种细菌处于最佳活性状态。这样，不仅投入了曝气池内所缺少的细菌，在废 水水质不变的条件下，微生物之间的协同作用和微生物群体的分解氧化作用提 高显著。微生物适应能力增强，当污水水质水量改变，环境突异的情况下，微 生物仍能保持活性，投入菌液后使曝气池耐冲击负荷能力加强，提高废水处理 效果，改善了出水水质。 投菌活性污泥法是出自一种新的概念，在同一环境里，最适宜的细菌能自 然繁殖；同样，污水处理厂曝气池混合液内的细菌也会自然繁殖到一定数目。 6 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 自然界无处不可找到细菌，然而在同一环境里并非可以找到一切细菌”，从自 然界筛选出污水厂中的有用细菌制成液态的或固态的产品。液态菌液微生物成 活率高：固态菌使用前需先用水溶呈液态，细菌的成活率较液态菌液低，使用 时按一定比例将液态菌液投入曝气池内或投到需用处，投菌活性污泥法在国外 已收到良好的应用效果。 投菌活性污泥法是近1 0 多年国外发展起来的技术，美国已有几家厂商生产 这种特殊细菌产品，如美国公共环境科学技术公司( g e n e r a e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e c o r p o r a t i o n ，简称g e s 公司) ；帕雷白克公司( p o l y b a cc o r p o r a t i o n ) 流量实验 室( f l o w l a b o r a t o r i e s ) ；斯伯朗公司( s y r o n c o r p o r a t i o n ) ；塞莱尼斯公司( c e l a n e s e c o r p o r a t i o n ) 等。美国g e s 公司生产的活性菌液具有很强的活性，活性菌液简 称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 ) 。 工业废水处理厂经常是有用细菌不足或没有，有时细菌活性较差，以至使 废水处理厂丧失了某一方面的功能；加之工业废水中有害物质的排入，以及水 厂经常所面l 临的冲击负荷和污水中的浮油问题，使我们有必要对原有的废水处 理方法进行改进。投菌活性污泥法具有极大的推广使用空间。 1 - 3s b r 技术倚介 一工艺概述 序批式反应器( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) ，可缩写为s b r ，它是采用间歇 运行，即间歇进水、间歇出水的活性污泥反应器。s b r 反应器的主要特点是水 体体积随时间而改变；s b r 的生物反应过程与泥水分离过程发生在同一个反应 器中，因而s b r 系统经常被认为是一种单池操作过程。 二s b r 发展历史 s b r 法并不是一项全新的技术。事实上它早于连续流活性污泥法出现。 s i d w i c k 和m u r r a y 曾介绍过英国序批间歇操作到连续流操作的发展过程【1 8 i 。我 们现在所熟悉的多种多样的连续流活性污泥法的前驱即是一种分批的或“充满 与放空”的间歇操作过程。在1 9 1 4 年，a n d e m 和l o c k e t t 将污水投入的烧瓶中， 曝气阶段的末尾出现了污泥，经沉淀并排出澄清的废水后，污泥就留在反应器 7 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 中，当这种分批过程重复时，污泥增长并能在容许的反应时间内更彻底的去除 有机物9 】。虽然这种去除活性的增加是由于有生命微生物培养物的增长，而早 期的研究者并不了解其原因，他们用“活性”来表示污泥的特性，并因此而确 定它的名称。 当连续运行的要求不断增加时，这种“充水一排水”活性污泥法在实际应用 中遇到许多困难，如进行不同工序转换时复杂的阀门操作、以及曝起头阻塞等 问题。因此，到二十世纪五十年代中期，有好几位工程师开始倡议采用连续流 活性污泥系统，s b r 技术逐渐被淘汰。值得注意的是，连续流系统的建立和应 用主要是基于操作方面的考虑。单纯从运行效果来看，s b r 法无论在运行稳定 性，还是在微生物生理生态方面都要优于连续流操作系统。 随着科学技术的不断进步，尤其是近年来自动化技术的发展和计算机的广 泛应用，为间歇式活性污泥法的推广创造了良好的条件。新的硬件设备，如气 动阀、水位计、自动计时器、溶解氧自动测定仪和微处理控制仪的开发利用， 也加速了间歇式活性污泥法的推广。 出水 闲置 排水 排泥 沉淀 图l s b r 工艺基本工序时段 u 闭 搅拌 离 甘 h u 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 三s b r 工艺的工作原理与操作方式 s b r 法是一种“充满一放空”活性污泥法系统，废水按一定周期和阶段得到 处理。一个典型的s b r 运行周期包括五个工序时段：进水，反应，沉淀，出水 和闲置( 如图1 _ 2 ) 。由于是周期运行，在进水段之前，反应器已经容纳了一定 量的活性微生物体在内。如果在进水结束以前，反应器已经达到了它的最大容 量，就必须另外提供一个或多个反应器，而进行多池操作：或者，在反应器前 设调节池以供存贮多余废水。 ( 1 ) 进水阶段可以根据不同的处理目的可分为静态、搅拌和曝气三种方式。 静态进水方式能耗最小，而且在进水阶段末基质累积浓度最高。搅拌进水方式 可应用于反硝化。当亚硝酸根离子存在时，连续降低需氧量和能量输入，保持 兼性或厌氧条件可以去除磷。曝气进水方式可使污水一进入反应器就进行反应， 可以缩短反应周期。这种方式对于高浓度可生物降解有机物的处理非常薰要。 ( 2 ) 反应阶段可采用搅拌反应方式或曝气反应方式。搅拌方式可用来进行反 硝化和除磷过程。曝气方式是完全的好氧反应，若延长曝气时间，还可以减少 剩余污泥量。 ( 3 ) 沉淀阶段相当于连续流系统的二沉池的功能。反应器停止所有的曝气和 搅拌，使活性污泥沉降下来，进行泥水分离。 ( 4 ) 排水阶段是经沉淀产生的上清液作为- 出水排放的过程。系统排泥可以选 择在此阶段进行，也可以在下一阶段进行。 ( 5 ) 闲置阶段也称为待机。该阶段是处理水排放后、反应器处于停滞状态直 到下一周期开始前的时间段。 本文以下所提到的s b r 工艺，若无特殊说明均指迸水采用静态方式的s b r 工芦。 四s b r 工艺的发展 s b r 技术的复兴在七十年代，由美国i r v i n e 教授等发起倡导f 2 0 i 。在美国n o t r e d a m e 大学，他和他的同事们从生物学反应机理方面对s b r 进行了较深入的探 讨。研究表明s b r 法具有更高的灵活性和稳定性，可根据出水要求任意调节s b r 反应时间；而且，通过进出水的间歇操作和营养供给的周期变化，s b r 法可通 过作用于微生物群体上的环境压力，选择性发展有利于反应进行的微生物种类， 9 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 在不同反应阶段，不同的微生物发生作用，使有机物降解的更彻底。 在美国，s b r 技术发展得到政府密切支持。1 9 7 9 年美国政府颁布的净水法 案( c w a ) 和1 9 8 1 年的废水治理建设津贴修正案以及随之而制定的相关法律、 法规，都是诣在促进采用先进水处理技术。法案通过后，首先受益的是几个城 市的大型污水处理厂的扩建改造，他们得到了政府的资金资助。其中之一是印 地安纳9 ，1 1 的c u l v e r 市城市污水处理厂的改造工程【2 l l ，反应池改为间歇运行，设 计流量为1 3 3x1 0 6 l d ，进水b o d 为1 7 0 m g l ，s s1 5 0 m g l ，n h 32 0 m g l ；6 小时周期后出水b o d 、s s 、n h 3 分别为1 0 m g l 、5 m g l 、l m g l 。进水时间为 1 8 0m i n ，反应时间4 2m i n ，沉淀时间4 2m i n ，出水时间4 2m i n ，闲置时间6 0r a i n 。 改建后运行工况稳定，负荷在一定范围变化内波动，出水水质较好。整个流程 如图l 一3 所示。传统的污水处理工艺各处理单元分设，往往还要进行污泥回流 和污水循环，必定增加基建及管路设备投资；而s b r 工艺间歇运行，不但实现 污泥和污水的回流，使污水处理单元一体化，而且可节省占地面积，减少投资 和运行费用。 出水 一一一一 l _ _ 图l 一3c u l v e r 城市污水处理厂流程 s b r 工艺在澳大利亚发展也很迅速，近十多年来建成s b r 污水处理厂近6 0 0 座【2 2 j ，其中中型及大型的s b r 污水处理厂日益增多。在澳大利亚的南威尔士州 和维多利亚州已建成日处理量7 万吨的污水处理厂，其中s b r 单池处理量已达 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 0 0 0 m 3 d a y 。目前正在兴建的b l a c kr o c k 污水处理厂共设4 个反应池，每个池 子长为1 2 0 m 、宽为6 0 m ，池子表面积为7 2 0 0 m 2 ，池子设计最大水深为5 m ；最 大目处理能力可达2 l 万m 3 d 。进水b o d 为2 5 9 0 0 k g d ( 3 7 0 m g 1 ) 、s s 为2 5 2 0 0 k g d ( 3 6 0 m 1 ) 、t k n 为4 4 1 0 k g d ( 6 3 r a g 1 ) 、t p 为6 0 0 k g d ( 8 6 m g 1 ) 。 在近些年中，s b r 技术得到了更广泛的研究和探索，主要发展方向集中在 两个方面：一是从反应器生物组成上，着重改善微生物群体的特性；另一方面 是针对反应器结构的改进，开发多种形式的反应器以实现特定的运行功能1 2 4 】。 s b b r ( 序批式生物膜反应器s e q u e n c i n gb a t c hb i o f i l mr e a c t o r ) 由w i l d e r e r ( 1 9 9 2 ) 提出t ”1 。o o n z a l e s ( 1 9 9 6 ) 进一步考察了固定床生物膜反应器的除磷 效果【2 6 】。k a b a l l o ( 1 9 9 4 ) 对连续流生物反应器和s b b r 反应器进行了冲击负荷 的对比考察，实验发现，s b b r 通过短期延长周期反应时间成功避免冲击负荷 的破坏。 w e i c h iy i n g ( 1 9 8 7 ) 在反应器中投加颗粒活性炭i 。通过在进水阶段的吸 附过程，主要污染物，如挥发性有机物和难降解有机物可在溶液中被大量的去 除。在反应阶段，有机物降解成为主要过程，污染物得到有效处理，活性炭可 再生利用。 b e u n ( 1 9 9 9 ) 利用s b r 培养出性能良好的好氧活性污泥颗粒r q 。反应器内 污泥浓度高达1 1 9 9 l ，污泥颗粒直径3 3 啪。进水时间l m i n ，曝气反应时间 1 7 7 m i n ，沉淀时间2 r a i n ，排水时间1 m i n ，总周期时间共1 8 0 r a i n ，有机物去除 以及泥水分离效果非常显著。 s b r 法发展至今已演变出多种形式，如简称为i d e a 的间歇排水延时曝气 工艺( i n t e r m i t t e n t l yd e c a n t e de x t e n d e da e r a t i o n ) ；i d a l 间歇排水曝气塘工艺 ( i n t e r m i t t e n t l yd e c a n t e da e r a t i o nl a g o o n s ) ；i c e a s 间歇式循环延时曝气活性污 泥法( i n t e r m i t t e n tc y c l i ce x t e n d e da e r a t i o ns y s t e m ) ；c a s s 或c a s p 或c a s t 循环式活性污泥法( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ；c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s s ；c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g et e c h n o l o g y ) ；d a t - i a t 需氧( d e m a n da e r a t i o n t a n k ) 和间歇曝气池( i n t e r m i t t e n ta e r a t i o nt a n k ) 工艺。他们的共同的特点是 保持了s b r 进出水周期操作特性。但同时也结合了了其它领域的技术成果。例 如，c a s s 工艺将生物选择器与序批式活性污泥法加以有机结合，为活性污泥 吸附创造更有利的条件；i a t d a t 工艺是连续流操作与序批式操作的结合，进 灭津人学硕1 学位论文 第一章绪论 水连续的进行，使s b r 法在大型污水处理厂的应用成为可能。还有一种在丹麦 发展起来的周期操作过程，氧化沟技术，它在操作过程中恒水位连续运行，通 过周期性的变化进出水位置以实现工艺周期性的操作。 s b r 技术发展至今已具有更广泛的意义，原有定义已不适于现代的划分， 各个工序时段之间也不再有非常的明显标志。因而，相对于传统的连续流活性 污泥系统如曝气塘、生物滤池和不设选择器的完全混合系统被称为无控制的非 稳态过程，i r v i n e 教授在1 9 9 6 年i a w q 国际会议上将其统一的定义为控制的非 稳态过程】。i r v i n e 教授认为，体积流率的波动和污染物组成及浓度的变化使污 水处理经常处于非稳态的过程。传统连续流方法在设计运行时力图抵消这种变 化，如设立调节池调节水量，设计时采用高峰流量以保证运行稳定，这对流量 变化只是一种预期，并不能保持其稳定运行，相反使系统运行效率降低，同时 也造成水厂能量的大量损耗。污水中的质量和体积流率的变化是无法预期的， 特别是污染物组成和浓度的改变具有更大的随机性，最终连续流系统无法控制 这种变化，操作稳定性降低，系统很容易遭到破坏。相对的，在以s b r 为代表 的周期性操作过程中，这种变化不是被削弱而是被加强了。s b r 系统利用这种 变化创造有利于生物降解的环境，使污染物得到充分的降解，因而实现真正意 义上的控制。 五我国的研究现状 随着对处理水质要求的提高，我国也很重视新工艺的研究与应用。s b r 技 术在八十年代引入我国，科研人员作了大量的研究工作。 彭永臻( 1 9 9 6 ) 利用o r p 作为s b r 法反应时间的计算机控制参数，实现s b r 在线自动控制m i 。王宝贞总结提出s b r 控制污泥膨胀相关理论【3 8 l 。刘永淞从八 十年代至今，对于间歇活性污泥法数学模型作了进一步的研究，通过分析影响 基质积累和工作周期的各种因素，提出了间歇活性污泥法的设计参数和估算基 质浓度、污泥浓度、剩余污泥量的计算方法3 ”。 s b r 技术在我国应用的也十分广泛，包括从高浓度的工业废水到底浓度生 活污水，都有大量研究报道。华东化工学院环境工程教研室利用s b r 法进行了 上海试剂三厂废水处理的研究i 。由于生产品种繁多、批量小，因此废水的组 成、浓度、流量的变化都非常大，处理难度高。s b r 进水c o d 为2 0 0 0 m g l ， 丕翌盔堂堡兰堂垒堡兰 一苎二兰! i 鱼 经6 小时反应，c o d 去除率可达8 0 0 o d a 上，色度去除率可达9 0 以上。周岳溪 ( 】9 9 1 ) 研究s b r 法处理造漆工业废水m 1 将厌氧和好氧过程在同一池内进行， 对高浓度有机废水取得了很好的效果，并实现低温下的快速启动。此研究证明 s b r 耐冲击负荷能力强，对于水质变化幅度大、连续生产性差的工厂废水具有 很好的适应能力。天津市市政设计研究院根据国内外对s b r 的研究，开发出多 种形式的s b r 反应器以及滗水装置，为我国推广和使用大型s b r 反应池处理 城市废水奠定了良好的基础p ”。 1 - 4 本课题研究的来源、目的和意义 大港油田污水处理站主要为油田注水设计建造，设计中未充分的考虑到水 中有机物的影响，致使其现有的净化工艺不能有效的去除水中的有机物，外排 水的c o d 。，超过了国家制定的标准，若继续排放，不但污染周围的环境，而且 对油田发展和人民健康造成不可估量的后果。因此研究开发出一套经济有效的 治理油田采油废水的工艺，不仅对大港地区污染治理有重要的现实意义，而且 在整个油田系统中都会起到一个标准示范作用。 本实验主导方向是采用先进水处理技术、降低运行管理费用、节约能源和 增加处理设施的可靠性：国外对油田采油废水普遍采用活性炭吸附或膜分离等 技术以保证最后出水水质，但此工艺基建和运行费用过高，这有悖于本课题的 基本设计思路，与我国实际国情也不相符合。活性污泥法是去除水中有机物的 最经济最有效的方法。本实验废水水质、水量变化大，且水中含盐量较高，传 统的活性污泥法受到限制。较高的c l - 与n a - 浓度本身对微生物的生长具有抑 制作用：废水含盐量高时水的粘度增大，污泥颗粒与水的比重差减小，因而微 生物絮体不易在水中沉淀下来，造成活性污泥流失，恶化水质；而且由于微生 物细胞膜是选择性透过膜，受渗透压作用，高食盐量对细胞结构也会造成破坏 ”“。然而，理论上讲，生物处理高含盐量的采油废水是可行的，s b r 技术就是 其中之一”。因为s b r 特有的工艺特性确定它能够将微生物全部留在系统之中， 为微生物驯化创造条件，并使之最终适应于这种采油废水的环境。另一种可行 的方法是在s b r 反应器中投加嗜盐的菌种，改普微生物组成，增强反应主体一 一活性污泥的活性，同样会提高s b r 法的处理效果。 j l 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 因而，本课题主要任务如下： 1 实验的探索阶段 在s b r 活性污泥系统中分步投加采油废水，使系统内的含盐量缓慢提升， 让活性污泥有一个适应驯化阶段，并最终以c o d 。的去除率考察s b r 的处理效 果。 2 s b r 实验周期的选择 通过小型动态实验确定进行实验周期、溶解氧和污泥沉淀性能的考察。 3 菌种的考察 采用筛选过的适于本实验的新型菌种作投菌s b r 静态和动态实验，验证菌 种的效能。 4 数学模型的建立 对s b r 的有机物去除机理和动力学反应规律进行探讨，建立s b r 法基质降 解的数学模型，考察动力学参数的意义。 天津大学硕士学位论文 第二章实验装置、测试项目及分析方法 第二章实验装置、测试项目及分析方法 2 - 1 实验装置 本实验采用s b r 活性污泥法工艺，整个系统由高位水箱、水泵、气泵和s b r 曝气池等单元组成，其流程图如2 1 所示。 1 蓄水池2 高位水箱3 提升泵4 反应器 5 转子流量计6 气体旋转流量计7 气泵 图2 1实验装置流程图 各部分说明如下： 1 原水供水系统：原水取自大港油田污水处理站注水口。每周取水一次，用 提升泵打入高位水箱( 1 0 0 l ) 。原水靠重力流通过转子流量计计量后进入反 应器，进水时反应器内不曝气；水流靠自身流速与池内水进行混合。池内水 位达到预定位置后，停止进水。 2 供气系统：本实验使用的是市场上出售的用于养殖观赏鱼类的小型空气压缩 机，压缩空气经过旋转流量计后导入反应器。反应器底部放置4 个石英砂烧 结的曝气头，均匀曝气。 3 s b r 反应器：反应器为有机玻璃制长方体容器，有效溶积为6 0 l ( 如图2 _ 2 ) 。 进水可以从反应器底部或上部分别导入，处理后的废水靠重力由反应器侧壁 排水孔流出，排水孔分别设置在池体5 0 、6 7 5 和7 5 的高度上。反应器 鲞鲨查鲎堡主兰垒笙苎 苎三兰塞堕! 堕：! 些坚型曼堡坌堑查童 的各种工序转换都是通过手动阀门进行调节。在池底部排水孔一侧设置污泥 排放孔，定期排泥。 图2 - 2 反应器剖面图及相关尺寸单位( r a m ) 2 _ 2 分析项目及旃试方法 测试项目与分析方法 各指标的分析方法如下： 1 化学需氧量( c o d 。) ：重铬酸钾法，依据水和废水监测分析方法( 第 三版) ； 2 污泥浓度( m l s s ) ：依据水和废水监测分析方法( 第三版) ： 3 溶解氧( d o ) ：溶解氧自动测定仪，依据水和废水监测分析方法( 第 三版) ； 4 电导率：电导率仪( d d s 1 1 a ) ，依据美国水与废水标准检验法( 第 十五版) ： 5 3 0 分钟污泥沉降比( s v ) 和污泥沉降指数( s v i ) ，依据水和废水 监测分析方法( 第三版) ； 1 6 丕鲎查兰堡主堂垡笙塞 兰三童壅墼鳖曼：型蔓堡! 丝坌堑! 堕 6 p h 值：p h 试纸； 7 温度：酒精温度计( 一1 0 c 4 0 c ) ； 8 含油量：红外光度法，g b t1 6 4 8 8 1 9 9 6 ； 9 悬浮物( s s ) ：重量法，g b1 1 9 0 1 1 9 8 9 ； 1 0 生物相：光学和电子显微镜镜检( h i t a c h ix - 6 5 0s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o a n a l y z e r ) ，依据美国水与废水标准检验法( 第十五版) 。 二测试方法说明 常规测试项目有c o d 口、m l s s 、d o 、电导率、温度、p h 值和生物镜检。 悬浮物和含油量只是在每次从水站取水时进行测定。 电导率反映的是水中所含离子的浓度，本实验处理废水含盐量较高，属于高 浓度范围，因此使用的是d j s - 1 型铂黑电极。在不同当量浓度的k c l 溶液在实 验温度下的电导率见表2 一l 。使用时测定溶液的电导率，内差法换算成溶液的 离子浓度。 表2 - 1 标准k c l 溶液电导率测定 浓度 电导率s c m 1 no 1 n0 0 1 n0 0 2 n 2 1o 1 0 4 0 00 0 1 1 9 l0 0 0 1 3 0 50 0 0 2 5 5 3 2 2o 1 0 5 5 40 0 1 2 1 5o 0 0 1 3 3 20 0 0 2 6 0 6 2 30 1 0 7 8 9o 0 1 2 3 90 o o l 3 5 90 0 0 2 6 5 9 温 2 40 1 0 9 8 4o 0 1 2 6 1o 0 0 1 3 8 60 0 0 2 7 1 2 度 2 5o 1 1 1 8 lo 0 1 2 8 80 0 0 1 4 1 30 0 0 2 7 6 5 2 6 o 1 1 3 7 7 0 0 1 3 1 30 0 0 1 4 4 l 0 0 0 2 8 1 9 2 7 o 1 1 5 7 4 o 0 1 3 3 7o 0 0 1 4 6 8 0 0 0 2 8 7 3 2 80 0 1 3 6 20 0 0 1 4 9 60 0 0 2 9 2 7 2 9 0 0 1 3 8 7o 0 0 1 5 2 40