（环境工程专业论文）超声—生化法处理adc废水的试验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 a d c 发泡剂( 偶氮二甲酰胺c 2 i - h n 4 0 2 ) 废水是一种高浓度n h 3 - n 废水，成 分复杂，治理相当困难，是化工环保领域的难题之一。关于a d c 发泡剂废水的生 物处理的研究至今鲜为报道。论文就江苏索普( 集团) 有限公司生产的a d c 发泡 剂废水的治理问题展开试验研究和去除机理的探讨。在实验室自行设计了超声波 和一套能自动控制的a ，d a t 【a t 工艺废水处理装置。利用该工艺处理a d c 废水可 以取得良好的效果，目前在国内尚属首例。 整个实验分两个阶段进行。先用物化法处理a d c 废水，再用生化法处理。第 一阶段采用超声波处理a d c 发泡剂废水，确定最佳运行参数，在p h 值1 1 ，气液 比8 0 0 ：1 条件下，a d c 废水( c o d1 1 3 5m g l ，n h 3 - n2 1 8 0m g l ) 经超声辐射 2 h 后。出水c o d 约5 5 0 m g l , n h 3 - n 约1 1 2 m g l 。第二阶段包括a d a t i a t 处理 a d c 废水盼试验，a 0 处理a d e 废水的试验及比较a d a t i a t 和a o 的处理效果并 探讨机理。考察了周期、温度、c n 比对系统处理效果的影响，a d a t i a t ，i a t 池运行周期为4 h ，其中曝气2 h ，沉淀1 h ，排水1 h 时，温度为2 8 ( 2 ，c n 比4 6 。 进水c o d 浓度约为5 5 0 m g l ，n h 3 - n 浓度约为1 1 2 m g l ，经处理后出水c o d 浓 度为3 0 m g l ，n h 3 - n 浓度为1 2 3 m g l ，去除率分别为9 2 1 和9 0 2 。出水水质 良好，并达到g b 8 9 7 8 1 9 9 6 污水综合排放标准一级标准。a o 法处理污泥负 荷为o 5 9 1k g c o d 】( 蚝 m l s s d ) ，硝化负荷为o 1 0k g i n h 3 - n ( k g m l s s d ) ， 混合液回流比2 0 0 时，迸水同等条件下出水c o d 为4 3 7m g l ，n h 3 - n 为1 6 6 m g l 勉强能达标。 建立a d a t i a t 反应器模型。对硝化反应阶段进行了动力学分析和研究，表 明氨氮的去除过程可很好的服从一级反应动力学关系式。 关键词：废水，超声波，a d a t - i a t ，a o ，脱氮，a d c 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a z o d i c a r b o n a m i d e ( a d c ) w a s t e w a t e ri saw a s t e w a t e rc o n t a i n i n go fh i 曲n h 3 - n a n ds e v e r a ls a l i n i t i e sc o m p o n e n t ，w h i c hh a sn o tb e e ne l i m i n a t e de f f i c i e n t l ya n di so n eo f t h em o s td i f f i c u l tp r o b l e mi nc h e m i c a le n v i r o n m e n t a lf i e l d b e s i d e s ，t h er e s e a r c ho n t r e a t i n ga d cw a s t e w a t e rh a sn o tal i t t l ea p p e a r e di nm a g a z i n e s i nt h i sp a p e r , t h e l a b o r a t o r yr e s e a r c hh a sb e e nd o n ea n dt h et h e o r yo fb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lw a s d i s c u s s e do na d cw a s t e w a t e rp r o d u c e db yj i a n g s us o p uc h e m i c a lc o m p a n y , w e d e s i g n e saa u t o m a t i cc o n t r o ld e v i c eo fa d a t - i a tw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dt h e u l t r a s o n i cd e v i c ei nt h el a b o r a t o r y t h i st e c h n i q u et r e a t sa d cw a s t e w a t e rt oo b t a i n g o o dr e s u l t s ，w h i c hi st h ef i r s te x a m p l e a th o m e t 1 1 i sp a p e ri n v o l v e st w oe x p e r i m e n t s i tw a sd e c i d e dt od i s p o s eo f a d cw a s t e w a t e r i nt h ep r e t r e a t m e n t ，f o rd t r a s o n i ct e c h n i q u e ，t h ef i r s te x p e r i m e n t a lp h a s e ，t h et e s to n s i m u l a t i v ea d cw a s t e w a t e rw a sd o n e t h er e s u l ts h o wt h a tp h 、a m m o n i an i t r o g e n c o n c e n t r a t i o na n da i rs t n p p i n gg r e a t l yi n f l u e n c et h er e m o v e a lr a t eo fn h 3 一n 。w h e n p h sv a l u ei s1 1a n dt h er a t eo fa i rt ow a t e r8 0 0 ：la n dt h ei n f l u e n tc o n c e n t r a t i o no f c o da n dn h 3 - ni s1 1 3 5 m g l ，2 1 8 0 m g lr e s p e c t i v e l y t h ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o no f c o da n dn h 3 - ni sl e s st h e n5 5 0m e g la n d110 m g l ，r e s p e c t i v e l y i nt h es e c o n d e x p e r i m e n t a lp h a s et h et e s to na d cw a s t e w a t e rw a sd o n eb e t w e e na d a t - i a ta n d a o ，a n dd i c u s s i n gt h et h e o r yo fb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l ：i ta l s os t u d i e ds o m e f a c t o r sa f f e c t i n gt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t , s u c ha sc y c l e ( 2 2 1 ) ，t e m p e r a t u r e ( 2 8 。c ) ， a n d c n ( 4 6 、w h e n t h ei n f l u e n tc o n c e n t r a t i o no fc o da n dn h 3 - ni s 5 5 0 m g l ，1 1 2 5 m g lr e s p e c t i v e l y , t h ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o no f c o d a n dn h 3 - ni s3 2 4 m 以，1 3 7m g i lr e s p e c t i v e l yi na d a t - i a t , t h er e m o v a lr a t eo fc o d a n dn h 3 - ni s 9 2 1 9 0 2 r e s p e c t i v e l y , a n d t h e q u l i t y o fe f f l u e n tc a nm e e tt h ei n t e g r a t e d w a s t e w a t e r d i s c h a r g e s t a n d a r do f g b 8 9 7 8 1 9 9 6 c o m p a r a b l y , t h e e f f l u e n t c o n c e n t r a t i o no f c o da n dn h 3 - ni s3 4 7m e f l 。，1 6 6m g lr e s p e c t i v e l yi na ow h e nt h e s i n gl o a d ，n h 3 - nl o a da n dt h er i so 5 9 1k g c o d ( k g m l s s d ) ，o 1 0k g n h 3 n 】 ( k g m l s s d ) 2 0 0r e s p e c t i v e l y , a n a l y z f n ga n dr e s e a r c h i n gk i n e t i c si nt h ep h a s eo f n i t r a t i o ns h o w st h a tt h ep r o c e s s o f n h 3 - nr e m o v i n gc a nf o l l o ww e l lt h ef i r s tk i n e t i c so r d e r k e y w o r d s ：w a s t e w a t e r , u l t r a s o n i c ，n i t r o g e nr e m o v a l ，a d a t - i a ta o ，a d c i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密留。 学位敝作者躲历喇岳 9 舞占月烨日 。一：恬辨 彦“年月f 阳 独创性声明 y 1 0 1 3 9 2 5 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 加形年 月( 户日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 1a d c 发泡剂介绍及其废水来源 1 1 1a d c 发泡剂介绍 发泡剂a d c 1 1 化学名称为偶氮二甲酰胺，结构式：n h 2 c o n n c o n h 2 ，该化合 物为黄色粉末，易溶于二甲基亚砜，不溶于醇、汽油、苯和水，分解温度1 8 0 2 0 0 ，发气量2 3 0 2 5 0 m 垤，密度1 6 6g c m 3 ，在1 2 0 。c 以上易分解放出大量氮 气。该产品无毒、无臭、不污染、易运输，广泛用作聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、 聚酰胺、氯丁橡胶、天然橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶等塑料和橡胶加工过程中的发 泡剂。 1 1 2a d c 发泡剂的生产工艺 以氯气和烧碱为原材料反应后生成次氯酸钠，再与尿素在催化剂存在下生成 水合肼。水合肼与尿素在硫酸的催化作用下缩合成联二脲f 2 】。联二脲与氯气氧化生 成粗品a d c ，再经洗涤、干燥之后生成成品a d c 发泡剂，a d c 生产工艺流程见 图1 1 。 i 旧纂l 型马 n a o h l 合成i 竺囡一围篆 图1 1a d c 发泡剂生产t 艺 f i g u r e1 1 t h ep r o c e s so fp r o d u c i n ga d c 主要反应 ( 1 ) 缩合反应 n h 2 n h 2 吼型型! z 轴日2 c o n h n h c o n h 2 ( 1 - 1 ) 江苏大学硕士学位论文 将尿素溶解于2 水合肼溶液中，加到反应锅，在搅拌下加入硫酸使得料液 p h 值达到1 2 ，再加热，使d h 值转变为2 5 ，再缓缓加入硫酸，保持p h 值2 5 并反应数小时后，取样测定终点( 用o 1 n 1 2 溶液滴定含肼量) 。缩合成联二脲，滤 出硫酸铵母液后，用热水洗涤，供氧化工序用。 ( 2 ) 氧化反应 n h 2 c o n h n h c o n h 2 盟堂乌埘2 c o n = n h c o n h 2 ( 1 2 ) 将联二脲放入反应锅用水溶解，加入溴化钠，通入氯气，反应温度控制在3 0 5 0 ，制得的偶氮二甲酰胺先用温水洗至中性，经离心机甩干后，制得成品。 氧化工序对发泡剂a d c 的产品质量和生产成本影响最大：早期采用硝酸法和 铬酸法，由于成本和污染的原因，已经趋于淘汰。氯气一溴化钠作为氧化剂取代 铬盐氧化联二脲生产发泡剂a d c 的方法，使得产品成本降低很多嘲。 该产品的主要生产原料为：、烧碱( n a o h ) 、氯气( c 1 2 ) 、硫酸( h 2 s 0 4 ) 、尿 素( c o ( n h 2 ) 2 ) 等，生产过程中产生的副产品主要有：氯化钠、硫酸肼、硫酸钠、 硫酸铵等。 1 1 3a d c 发泡剂废水的产生及危害 江苏索普( 集团) 有限公司a ) c 废水主要来源于缩合工段排放的母液和联二 脲洗涤废水，另外，缩合工段尾气洗涤塔也排放许多废水，还有a d c 洗涤工段排 放的一部分含3 1 0 的稀盐酸与1 0 1 5 的稀盐酸的废水，合并后送漂白 装置，与漂液中和所产生的废水。该废水成分复杂，如表1 1 所示。 表1 1 过滤母液及联二腮废水的监测资料 t a b l e l 1t h em o n i t o r i n gd a t ao f w a s t e w a t e ri nf i l t r a t i o nm o t h e rl i q u e r n h ，nc o d c 1 8 0 4 2 一 s s 序号ph ( m g l ) ( m g l ) ( r a g l ) ( m g l ) ( m g l ) a d c 废水属于高浓度氨氮废水，氨氮污染的主要危害为：( 1 ) 氨氮随污水排 入水体后，可在硝化细菌作用下被氧化为亚硝酸盐和硝酸盐。硝酸盐和亚硝酸盐 有可能转化为亚硝胺，而亚硝胺是致癌、致变和致畸物质，对人体有潜在威胁。 2 江苏大学硕士学位论文 因此，污水处理厂仅处理到氨化的程度是不够的；( 2 ) 氨氮与氯作用生成氯胺， 并氧化为氮。因此当以含有高浓度氨氮的水体作水源或对含氨氮量较高的污水厂 水流进行消毒时，要增加氯的消耗量：( 3 ) 加速水体的富营养化过程。水体富营 养化后藻类的迅速繁殖，一方面会降低水的质量，使水具有色和气味，影响感观， 另一方面进行水处理时会引起溶解氧的大量消耗，并增大处理构筑物被堵塞的可 能。 1 2 研究的目的和意义 a d c 发泡剂在生产过程中产生大量的高浓度有机废水，以江苏索普( 集团) 有限公司为例，该公司每日排放的a d c 生产废水4 4 0 0 t ，其氨氮浓度平均约为 2 0 0 0 m g l ( 最高浓度可达1 3 0 0 0 m g l ) ，全年排放的氨氮3 3 0 0 多吨，c o d 的平均 浓度为2 7 0 0 m g l ( 最高浓度可达5 4 0 0 m g l ) ，并富含盐分( 如硫酸钠、氯化钠等) 。 大部分a d c 生产厂家的a d c 发泡剂废水只是通过简单的预处理，或者稀释后排 放而未达到行业废水排放标准。这些含有较高浓度的氨氮废水不经处理，直接排 入环境水系，将会对鱼类等水生动物的生存构成威胁，并刺激藻类等水生植物过 度繁殖，出现赤潮等富营养化现象。 近年来，我国水环境污染和水体富营养化现象日益严重，而氮磷是引起水体富营 养化的主要因素。随着公众环境意识的提高和国内外对氮排放标准越来越严格，以及 a d c 发泡剂生产量的逐年增加，使得a d c 发泡剂废水的污染问题更加突出，寻求采 用高效低耗的废水处理工艺已经成为a d c 发泡剂生产企业生存与发展的关键。 江苏索普( 集团) 有限公司生产废水的排放量为8 0 0 0 - - 1 0 0 0 0 m 3 d ，主要的污 染物为c o d 和n h 3 - n oa d c 废水经处理后，出水需达到g b 8 9 7 8 1 9 9 6 污水综 合排放标准一级标准：c o d i 0 时，r 。m = o ，反硝化反应基本停止。理论上只有在溶解氧为 零时，微生物的反硝化速率才达到最高，随着溶解氧浓度的上升，反硝化速率逐 渐下降。但实际上不完全如此，虽然氧对反硝化脱氮有抑制作用，但氧的存在对 能进行反硝化作用的反硝化菌确实有利，因为这类菌为兼性厌氧菌，菌体内的某 些酶系统组分只有在有氧的条件下才能合成，因而实际工艺中应该是反硝化菌( 污 泥) 交替处于好氧、缺氧环境条件下。s b r 系统为悬浮活性污泥，在反硝化阶段， 虽然有部分溶解氧的存在，由于污泥絮状体内部仍呈厌氧状态，反硝化反应仍然 可以保持较高的速率进行【1 。( n 0 3 - ) 3 的去除表达式： ( n 0 3 - ) ，一( n 0 3 - ) ：= ( r d n ) ( ) ( 。) ( t ) ( 2 一l o ) 式中：( n 0 3 - ) 1 、( n 0 3 - ) 2 进水和出水的n 0 3 - n ，m g , l ； d n ) 反硝化速率； g 。) 污泥浓度，m 班； 卜_ 停留时间，d 。 ( 4 ) 废水的c n 有机碳源是影响对系统脱氮的效果重要因素之一。如同其它生物反应器一样， s b r 的营养平衡也很重要。从反硝化作用的反应方程式可知，去除6 份n 0 3 - n ( 6 1 4 ) ，需提供5 份甲醇，折算有机碳( 1 9 甲醇相当于1 s g c o d ) 因此在生物脱氮系 统中，废水的c o d t n 必须大于5 3 2 1 5 ( 6 1 4 ) ，也即废水的c n 2 8 6 时才 江苏大学硕士学位论文 能充分满足反硝化菌对碳源的需要。在废水的c n 5 0 0 0 m g l ) 废水的理想处理工艺。它是一个无需污 泥截留的单个c s t r 反应器，在温度 2 5 ( 一般为3 0 4 06 c ) 的条件下可通过种群 筛选产生大量的亚硝化菌，并使硝化过程稳定地控制在亚硝化阶段( 以n 0 2 为硝化 终产物) ，可节省能耗及外加碳源( 电子供体) 。硝化菌能快速地：惰t n 0 2 氧化为n 0 3 。， 而在传统的工艺中则很难将硝化控制在亚硝化阶段。在s m 收o n 工艺中硝化菌的 生长速度明显低于亚硝化菌，故通过完全混合反应器并控制短暂的停留时间( 如1 d ) 及高温条件可有效控制硝化菌的生长，通过间歇曝气可实现对脱氮和p h 值的控制。 该工艺可节省2 5 的供氧和4 0 的碳源，适用于具有脱氮要求的场合。当该工艺与 甜州a n d o x 工艺联用时，仅需将5 0 的氨转化为n 0 2 ，从而不仅无需外加n 0 2 ， 而且由于大多数厌氧处理出水中含有以c 0 3 2 - 形式存在的碱度( 可补偿因完全硝化 造成的碱度消耗) 而无需外加碱度物质。 3 0 l a n d 工艺 比利时微生物生态实验室于1 9 9 8 年培养了一种用于高浓度含氨废水处理的自 1 6 江苏大学硕士学位论文 养硝化菌，其关键特征是能通过自身供氧而将硝化过程控制在亚硝化阶段，电子受 体不足时可消耗其自身( 即消耗n 0 2 ) 来氧化氨。o l a n d q - 艺即是由自养硝化菌作 为生物催化剂所发生的氧化还原除氮，为氧控自养硝化反硝化的简称“7 埔。据报 道，该工艺可比传统的硝化反硝化工艺节省供氧6 2 5 ，节省电子供体( 碳源) 1 0 0 。 在上述氧化还原反应中，亚硝化菌可获得足够的能量以维持其生长。控制该过程的 关键参数是氧浓度。目前存在的问题是，在混合菌群连续运行的条件下尚难以对氧 和污泥的p h 直进行良好的控制。若可通过化学计量方法合理地控制氧的供给，即可 使污泥处于亚硝化阶段。实验室研究表明，该工艺对 i n 的去除效率相当高 5 0 m g t n ( l d ) 】。 上述3 种新工艺均可不同程度的解决传统生物脱氮工艺运行过程中需要加碱 和碳源的弱点。目前，它们还属于研究阶段，今后将成为生物脱氮的热点和主流。 4 好氧反硝化技术 最初，反硝化被认为是一个严格豹厌氧过程，因为反硝化菌作为兼性菌优先使 用溶解氧呼吸，甚至在浓度低达0 i m g l 时也是如此，这样就阻止了使用硝酸盐和亚 硝酸盐作为最终电子受体，不过这种限制只是对专性厌氧反硝化菌起作用。2 0 世纪 8 0 年代后期以来，在生物脱氮生物学方面有了很大进展。人们曾多次观察到在没有 明显缺氧段的活性污泥法中存在脱氮现象，发现了好氧反硝化 菌 p s e u d o m o n n a s s p p ，a l c a l i g c n e s f a e c a l i s , , t h i o s p h a c r a p a n t o t r o p h a 这些好氧反硝化菌 同时也是异养硝化菌，而传统上的硝化菌是化学自养型的。这样，这类细菌就可将氨 在好氧条件下直接转化成气态产物。反硝化并不只是在厌氧条件下发生，在某些 好氧条件下也有可能发生，国外有很多的学者( k o k u f u t a 1 嘲、h o f 2 0 j 、b a m a n d 【2 ”、 m a s u d v a 2 2 1 ) 曾报道了这一现象，目前可以从三个角度来分析：( 1 ) 生物学角度。 8 0 年代发现了好氧反硝化菌，这些好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，因此，能 够直接把氨转化成最终气态产物。与厌氧反硝化细菌相比，好氧反硝化菌的的反 硝化速率慢一些，但能较好适应厌氧( 或缺氧) 好氧周期变化【蜘叫】；( 2 ) 物化学角 度【2 5 “嘲。好氧反硝化最大特征的是好氧阶段总氮的损失。一方面可以由存在好氧 反硝化菌的生物学理论予以解释，另一方面从生物化学的途径产生的中间产物来 解释一部分总氮损失的原因；( 3 ) 物理学角度( 微环境理论) 。微环境理论 2 7 1 。：认为： 微生物的体积非常微小，因此微生物个体所处的环境也是微小的。而宏观环境的 江苏大学硕士学位论文 变化往往导致微环境的变化或不均匀分布，从而影响微生物群体的活动状态，并 在某种程度上出现所谓的表里不一( 即宏观环境与微观环境不一致) 的现象。事实上 在活性污泥菌胶团和生物膜内部存在多种多样的微环境。而每一种微环境往往只适 合于某一类微生物的活动，而不适合其它微生物的活动，曝气阶段会出现某种程度 的反硝化，即好氧反硝化现象【2 8 1 。 5 同时硝化反硝化技术 当好氧环境与缺氧环境在一个反应器中同时存在，硝化和反硝化在同一反应 器中同时进行时则称为同时硝化反硝化( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n 简称s n d ) 。同时硝化反硝化不仅可以发生在生物膜反应器中，如流化床、曝气生 物滤池、生物转盘等，也可以发生在活性污泥系统中，如曝气池、氧化沟、s b r 池等。 但目前对s n d 现象的机理还没有一致的解释，一般认为三个主要机理 2 9 是： ( 1 ) 宏观环境理论：由于充氧装置的充氧不均和反应器的构造原因，造成生物反 应器形态不均，在反应器内形成缺氧、厌氧段；( 2 ) 微观环境理论：由于氧扩散 的限制，在微生物絮体内产生d o 梯度，从而可在活性污泥菌胶团或生物膜内部 形成缺氧、厌氧段；( 3 ) 生物化学作用：近年来好氧反硝化菌和异养硝化菌的发 现以及好氧反硝化、异养硝化和自养反硝化等研究的进展奠定了s n d 生物脱氮的 生物化学基础。 高廷耀等【3 0 】对几种不同的生物脱氮工艺中的s n d 现象进行了试验分析，试验 结果表明，影晌s n d 的因素有d o 浓度、污泥絮体结构及污泥有机负荷等。 6 短程硝化反硝化技术 早在1 9 7 5 年，v o e t s 就发现了硝化过程中h n o ：的积累现象并首次提出了短 程硝化一反硝化生物脱氮( s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n - d e n i t r i f i c a t i o n ) ，该方法是将硝化过程 控制在n 0 2 一阶段而终止，随后进行反硝化，即氮的转化过程为 日：_ n o ；：。实现短程硝化反硝化的关键在于将n h 3 - n 的氧化控制在n 0 2 一阶段，阻止n 0 2 一的进一步氧化，因此必须稳定的维持n 0 2 一的积累，影响n 0 2 一 积累的主要的控制因素有温度、d o 、p h 、泥龄( s r t ) 、游离氨( f a ) 等p 1 】【3 2 l 。 李春杰、顾国维等【3 3 】利用s m s b r 处理焦化废水时获得了稳定、高效的短程硝化 作用，平均亚硝化率为9 1 1 。 江苏大学硕士学位论文 2 3 方案设计 2 3 1 试验装置 2 3 1 1 超声波实验装置 厂 4 囱 u f i f 3 i 图2 7 超声吹脱去除m - n 工艺流程示意图 f i g u r e 2 7t h ee q u i p m e n to f t h ee x p e r i m e n t 1 压缩机；2 转子流量计：3 气动超声波发生器；4 吹脱塔 空气吹脱塔：塔高1 1 0 0 m m ，塔径2 5 0 m m ，内无填料。 气动超声波发生器：长3 0 0 m m ，管内径2 0 m m ，空气出口缝宽l m m ，缝长2 0 m m ，振 动片长1 5 0 m m 。 空气压缩机：j b 2 型空压机，空气压力o 2 0 4 m p a 。 空气压缩机通过转子流量控制曝气量，气动超声波发生器产生超声波。a d c 废水 在吹脱塔中通过超声及吹脱作用得到处理 2 3 1 2 生化法实验装置 自行设计的试验装置如图2 8 所示，a d a t - i a t 反应器采用有机玻璃制作，整 体尺寸为3 2 0 r a m 1 2 0 r n m 2 7 0 m m ，有效容积为9 6 l ，其中缺氧池尺寸为8 0 m m 1 2 0 r a m 2 7 0 m m ，d a t 池和i a t 池尺寸为1 2 0 m m 1 2 0 m m 2 7 0 m m 。配水系统 采用孔眼配水，前隔板在高度1 6 0 m m 处布置一排共有5 个巾6 m m 的导流孔，后隔 板在高度3 0 m m 处布置一排共有5 个中6 m m 的导流孔。 采用小型气泵曝气，经转子流量计控制气量，由池底微孑l 曝气头释放。温度 控制仪采用恒温棒，可以控制温度在0 4 0 c 范围内，另外加上水浴池，可以根据 1 9 江苏大学硕士学位论文 实验的要求将反应器保持在某一特定的温度下。整个系统由自控装置控制运行。 自控装置主要是通过可控制循环延时继电器组成，其主要控制参数为时间变量、 开关变量。时间变量主要是控制a d a t - i a t 工艺的各个阶段的时间以及整个系统 周期的循环。开关变量主要是控制进水泵、搅拌器、曝气装置、回流泵、出水泵 的开启与关闭。采用水泵为蠕动泵，可以根据试验要求精确调节流量大小。 !一一一：卫!一一一一一一!一一一一一一一一一 图2 8 试验装置图 f i g u r e2 8 t h ee q u i p m e n to f t h ee x p e r i m e n t 1 进水泵2 水浴池3 缺氧池 4 d a t 池5 i a t 池6 温度控制仪 7 温度传感器8 搅拌器9 导流孔l o 曝气头1 1 回流泵1 2 自控装置 1 3 曝气器1 4 - 转子流量计1 5 排水口1 6 出水泵1 7 排泥口 2 3 2 试验用水的来源及水质 2 3 2 1 超声波实验用水 本试验研究以a d c 发泡剂废水为研究对象，原水取自镇江市索普化工有限公 江苏大学硕士学位论文 司排放的a d c 废水，水质如下表： 表2 2 试验原水永质( m g ，l ) t a b l e 2 2 t h e w a t e rq u a l i t z o f e x p e r i m e n t o r i g i n a l w a t e r c o d n h 3 - np h s s 1 1 3 52 1 8 07 23 5 4 试验用的原水属于高浓度c o d 、n h 3 - n 和盐分废水，用自来水稀释调整n h 3 - n 达到要求。 a d c 废水试验用水 表2 3a d c 废水配水水质( r a g l ) t a b l e 2 3t h ew a t e rq u a l i t yo fa d cc o n f i g u r ew a t e r 2 3 2 2 生化法实验用水 经过超声波处理的a d c 废水水质c o d 在4 0 0 6 0 0m e l 之间、n h 3 - n 在l o o 1 2 0 m 啦之间 2 3 3 试验过程的饿计 2 3 3 1 第一阶段试验 本试验的第一阶段超声波处理a d c 废水，通过控制超声波时间2 h ，气液比等 参数取得超声波处理a d c 废水的最佳效果 本阶段研究内容重点是考察各种因素0 h ，氨氮浓度，曝气，超声时间) 对处理效 果的影响 2 3 3 2 第二阶段试验 本阶段主要研究的内容是： 1 优势菌种的培养和驯化，观察活性污泥的特征和微生物学特征 2 考察a d a t - i a t 工艺运行特性，确定最佳运行参数； 3 。考察a o 工艺运行特性，确定最佳运行参数 4 比较两种工艺的处理效果，探讨机理 2 1 江苏大学硕士学位论文 2 。3 4 试t 分析方法 本试验研究重点是a d a t - i a t 工艺对处理a d c 废水生物脱氮的能力，分析 项目主要包括n f 3 - n 、c o d 、t n 等，另外还包括各种工况的s v 、p h 、m l s s 、 温度、混合液回流比，测试项目与分析方法如表2 4 表2 4 测试项目与分析方法 t a b l e2 4t h ea n a l y z e di t e m sa n dm e t h o d 注：试验测试方法见国家环保局编制的水和废水监测分析方法( 第三版) ，中国环境 科学出版社，1 9 8 9 江苏大学硕士学位论文 第三章超声波降解氨氮的研究 超声波技术作为一种先进、高效的废水处理技术，已经引起了各国学者广泛 重视，并在实际废水处理中得到了初步应用3 5 】。 超声波废水处理技术之所以越来越受到重视，主要是它具有下列优点口6 】： 1 由于超声波特殊的物理化学效应，可以处理许多水体中的化学污染物，尤 其是有毒、难降解有机物污染物以及氨氮等； 2 。操作简单方便，易于控制； 3 降解速度快，工效高； 4 设备简单，成本低； 3 。1 超声波废水处理的机理 超声波废水处理设备主要由超声波发生器、超声波换能器及水槽三部分构成， 其中超声波发生器是决定废水处理效果的关键部件鲫。超声波发生器通过将工频 电转变成2 0 k l l z 以上( 一般为2 0 k h z 至l o k h z 的高频电信号输送到超声波换能器， 从而产生强有力的超声波震动，并传播到废水中，产生了一系列的物理和化学效 应，促进了废水中化学污染物降解。 超声波传播过程也就是波的膨胀和压缩交替的过程，在膨胀周期内超声波对 液体产生负压效应，施加于液体的负压使液体断裂而产生空穴，形成空化核，即 在液体中生成充满气体的气泡，这种现象被称为空化现象口8 1 。空化出来的气泡停 留时间很短，几乎是刚刚生成便立刻受到来自相邻压缩区的压力，造成这些气泡 在极短时间内迅速崩溃消失，并在其周围的极小空间范围内产生局部离温( 高达 5 0 0 0 k ) 和局部高压( 可达5 0 m p a ) ，伴随出现强烈的冲击波和速度高达1 0 0 m s 微射流【3 9 】，这些物理条件为废水中化学污染物降解提供了一个极为有利的物理化 学环境。一方面因气泡迅速崩溃产生的瞬时高温、高压使气泡内水分子裂解 为h 、h o 、h 0 2 和h 2 0 2 等强氧化自由基t 4 0 ： h 2 0 寸h + * h o h + o ，斗* h o ， 江苏大学硕士学位论文 2 h o - - h ，o ， 2 h 0 2o h 2 0 2 + 0 2 这些强氧化性物质直接和间接作用于水体中的化学污染物并将它们氧化成 c o ：、h 2 0 、无机离子等其它物质。另一方面由于冲击波和微射流的作用，污染物质 可进入气泡内直接进行类似燃烧化学反应的热解反应，且降解速率较大。 当水体中有氨氮存在时，自由氨可挥发进入空化气泡直接热解，同时被液相主 体的自由基氧化，生成n 2 、n 2 0 逸出，或者生成n 0 2 - 盐和n 0 3 - 盐留在废水中， 部分氧化方程式如下【3 8 】： n h ：+ o h h n h 3 + h 2 0 2 n h 3 + 6 h o n 2 + 6 h 2 0 2 n h 3 + 8 h o - - n 2 0 + 7 h 2 0n h 3 + 8 h o o n 0 3 一十5 h 2 0 + h + 2 n h 3 + 3 o 斗n 2 + 3 h 2 0 n h 3 + 4 o - - + n o ；+ h 2 0 + h + 2 n h 3 + 3 h 2 0 2 n 2 + 6 h 2 0 n h 3 + 4 h 2 0 2 - - - n 0 3 一+ 5 h 2 0 + h + 3 2 试验部分 3 2 1 p h 的影响 废水中存在如下化学平衡：n h 3 + h 2 0 = n i - h o h 。 氨水的离解常数酶= c n h 4 + x c o h _ c n m 。 若废水中氨氮浓度为c = c n m + c n h 4 + , c n h 4 + = c 。cn h 3 ， 则c n m = c c o h 7 ( k b c o h ) 。 式中： c n h 3 ：氨的浓度( m o l l ) ； c w a 4 + ：铵离子浓度( m o l l ) ； c o r , ：氢氧根离子浓度( m o l l ) ； k b ：氨水的离解常数。 从上式可以看出o h 。浓度增加，n h 3 的浓度亦增加。实际操作中必须先将废水 的p h 值提高到1 0 5 上，一般控制在1 l ，使废水中的溶解氨全部以n h 3 的形式存在。 2 4 江苏大学硕士学位论文 3 2 2 氨氯浓度的彤螭 将原水( 未曝气) 用蒸馏水配制成不同浓度，p h 值为l l ，超声辐射时间l h ， 结果如图3 1 。氨氮降解率随着氨氮浓度增加而增大，当为原水浓度时氨氮降解率 最大，其值为4 5 8 。因为氨氮浓度的增加，在一定条件下，氨氮与活性自由基 接触机会率相对也增加了，反应速率加快，引起氨氮降解率升高。 表3 1 不同浓度氨氮降解率的影响 t a b l e 3 1 e f f e c to ne x p e r i m e n t a lr e s u l t sf r o mn h r nc o n c e n t r a t i o n 5 0 4 5 4 0 童3 5 * 3 0 嚣2 5 寻2 0 萋1 5 1 0 5 0 1 0 0 0 1 5 0 0 n h 3 一n 浓度( 血l ) 图3 1 不同浓度氨氮降解率的影响 f i g u r e 3 1 e f f e c to de x p e r i m e n t a lr e s u l t sf r o mn h 3 - nc o n c e n t r a t i o n 3 2 3 曝气的影响 将a d c 废水加入水槽中，通过气体流量计控制不同曝气量，p h 值为1 1 ，超 声辐射时间1 h ，考察不同气液比( 1 0 0 ：l ，2 0 0 ：1 ，4 0 0 ：1 ，8 0 0 ：1 ，1 2 0 0 ：1 ) 对氨氮降解率的影 响。图3 2 表明，气液比较高氨氮降解率也较高，当气液比大于8 0 0 时，氨氮降解趋 于平缓。因为当进行曝气时，氨氮氧化生成的n 2 、n 2 0 以及未被氧化的气态自由 氨n h 4 很容易逸出废水；另一方面在反应不断消耗空气泡的同时由曝气不断的提 供空化泡，使得溶液中的空化核始终保持在一个较高的水平，保证了反应相对充 分1 4 ，氨氮降解迅速，极大提高了氨氮降解率。在一定声场下，如果继续增大气 液比，氨氮降解率基本不变，这是因为空气泡越多，空化作用越容易发生，但是 江苏大学硕士学位论文 在空气泡崩溃瞬间产生的温度压力极值相对减小，产生的自由基量基本不变。如 图3 3 ，超声吹脱对c o d 。，的去除率随着气液比的增加接近3 0 。对c o d 的降解 机理主要有空化理论跚和自由基理论【4 们。 表3 2 曝气吹脱对氨氮降解率的影响 t a b l e 3 2 e