臭氧高级氧化与BAF联合污水深度处理工艺比较与研究---优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

工学硕士学位论文 臭氧高级氧化与 baf 联合污水深度处理 工艺比较与研究 于德淼 哈尔滨工业大学 2006 年 6 月 国内图书分类号：x703.1 国际图书分类号：628.2 工学硕士学位论文 臭氧高级氧化与 baf 联合污水深度处理 工艺比较与研究 硕 士 研 究 生： 于德淼 导 师： 马军 教授 申 请 学 位： 工学硕士 学 科、专 业： 市政工程 所 在 单 位： 市政环境工程学院 答 辩 日 期： 2006 年 6 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 classified index: x703.1 u.d.c: 628.2 dissertation for the master degree in engineering study and comparision on the treatment and reuse of municipal wastewater by means of aops+baf technology candidate: yu demiao supervisor: prof. ma jun academic degree applied for: master of engineering speciality: municipal engineering affiliation: school of muni. and env. eng. date of defence: june, 2006 degree-conferring-institution: harbin institute of technology 摘 要 摘 要 随着社会经济的飞速发展，人们对于水资源的需求越来越强烈。然而我 国所面临的现状是：水资源总量较丰富，人均水资源拥有量少，水资源污染 严重。由于洁净水资源的匮乏，污水资源作为一种新型水资源引起人们的注 意。由于原水水质很复杂，常规的污水深度水处理技术无法较好满足回用需 求。高级氧化技术作为新型的污水深度处理技术，逐渐成为污水深度处理技 术的热点之一；曝气生物滤池（baf）也因其生物作用的高效性及自身工艺 特点，在中水回用工艺中受到广泛的重视。 试验采用北京地区某污水厂生物二级出水为原水，通过小试比较了单独 臭氧与高级氧化（催化臭氧化）的处理效能，催化臭氧化水中溶解臭氧浓度 高于单独臭氧，且波动较小，有利于对污染物质的氧化降解，对uv254的去 除率要高于codmn的去除率。考虑经济因素，过大的臭氧投量对实际工程 没有意义，主要看较小投量时（10mg/l以下）的处理效率，催化臭氧化的 目的不是尽可能多的去除有机物而是改善水质、改变有机物机构及特点，为 下段强化生物处理提供帮助。 通过中试试验评价了空气baf、纯氧baf以及混凝沉淀后接baf三种以 baf为主体的处理工艺。单独曝气生物滤池对污染物去除效果较差，抗冲击 负荷能力较差，不能达到回用水要求。纯氧曝气生物滤池水中溶解氧含量较 高，有利于微生物的生长，由于原水有机物含量低，而氨氮含量高，炭柱中 硝化菌为优势菌种，氨氮处理效率高；氧气无法改变水中有机物的结构，对 有机物去除效果没有大的影响，因此codmn的去除率同空气曝气接近。混 凝沉淀后接baf工艺中，混凝沉淀可以有效地对有机物去除，但由于水中的 藻类含量较高，产生的浊度不易沉降，所以沉后出水浊度较高，不利于baf 与砂滤池的运行，对氨氮的去除效果也没有得到加强。以上三种工艺对水中 分子量分布没有产生明显影响，没有使原水水质发生本质变化，处理效果受 冲击负荷的影响较大，在实际应用工程中受到一定的限制。 将高级氧化（催化臭氧化）与baf联合起来，充分发挥各自的优势，达 到互补的作用。高级氧化后接baf工艺对污染指标均有非常好的去除效果， 高级氧化阶段主要对有机物（如色度、codmn、uv254等指标）有较好处理 能力，利用自由基的强氧化性将有机物氧化分解；高级氧化反应可产生较多 - i - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的氧气，在高压作用下溶解于水中，所以生物滤池内do含量较高，硝化能 力很强，对氨氮处理好，通常出水氨氮值在 1mg/l以下。 比较了在不同水力负荷条件下，高级氧化与baf联用工艺的处理效率。 高级氧化工艺氧化能力强氧化速度快；baf抗冲击能力也较强。在流量分别 为 1.0m3/h、1.5m3/h、2.0m3/h时，工艺的处理效率稳定，抗冲击负荷能力 强。 将高级氧化与 baf 联用工艺与 baf、纯氧 baf、混凝沉淀后接 baf 三种工艺进行比较，得出高级氧化与 baf 联用工艺处理能力强，处理效果 稳定，出水水质较高，可完全达到回用水质指标要求，比其它的处理工艺有 明显的优势。 通过经济技术分析，高级氧化与 baf 联用工艺运行费用为：当滤池水 力负荷为 5m/h 时，每吨水处理费用为 0.704 元；当滤池水力负荷为 10m/h 时，每吨水处理费用为 0.415 元。总之，高级氧化与 baf 联用工艺不仅在 技术上可行，在经济上也可行，在今后的污水深度处理工程中会被越来越广 泛的应用。 关键词关键词 污水深度处理；高级氧化；baf；硝化反应；纯氧曝气 - ii - abstract abstract with the rapid development in our society, people need more and more water resource. however, the present situation in our country is: the gross amount of water resource is rich, but o it is scare if based on the water own by per person, and the pollution is serious. because the shortage of uncontaminated water resource, waste water resource has created a sensation as a new resource. but conventional advanced wastewater treatment can not satisfy the demand of reclamation for the complexity of the raw water quantity. aops technique has evolved as a hotspot of a new advanced wastewater treatment. we also have an extensive regard for baf because of its high efficiency and technology characteristics. the experiment takes secondary effluent of municipal sewage plant as raw water, and contrasts processing capacity between solitude ozone and aops(catalysis ozonization). the ozone concentration in water of catalysis ozonization is higher and more steady than solitude ozone. so it is propitious to oxidative degradation of pollution. and the removal of uv254 is higher than the removal of codmn. considering of economic factor, the practical operation cant use large quantities of ozone. so we mainly take care of the situation of lower content(lower than 10mg/l). the purpose of catalysis ozonization is not for organic substance removal ratio but for the improvement of water quality and the transformation of the pollutions configuration. this can help for the latter strengthen biologic treatment. this article contrasts three kinds of baf treatment technologies, which are monomer baf, pure oxygen baf, and coagulating sedimentation baf through pilot-scale experiment. monomer baf has poor removal ratio and can not bear shock loading. it cant satisfy the reclamation demand. pure oxygen baf is fit for the growth of biomass because of the high oxygen content. the raw water has low cod but high ammonia nitrogen. so the dominant species is nitrobacteria in carbon column, and this technology has high ammonia nitrogen removal, but has not distinct organic matter removal and the removal codmn ratio is closed to monomer baf. in the coagulation+baf, the coagulation can remove organic - iii - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 contamination effectively, but because the water has a great quantity of algae, the effluent turbidity is high and is not easy to subside. so it does not make for the operation of baf and sand filter and enhance the ammonia nitrogen removal. the three kinds dont have evident effect for molecular weigh distribution in water and change the quantities of raw water, so the operation effect is due to shock loading, and the practical engineering application of the technology has some limit. the combination of catalytic ozonation and baf has great effect and complementary action. the step of advanced oxidation has high organic removal ratio. the free radical can degrade the organic substance. aops can produce a large mount of oxygen, which can dissolve in water under high pressure. so the concentration of do in baf is high and the nitrifying capacity is great. the ammonia nitrogen in effluence is lower than 1mg/l. the article also compares the treatment effect of aops+baf under different hydraulic loading. the aops has better oxidability and oxidation rate. when the flow rates are 1.0m3/h、1.5m3/h、2.0m3/h, the treatment efficiency is steady and have strong capacity to resist the shock loading. contrasting among aops+baf, monomer baf ，pure oxygen baf and coagulation baf, we can get a conclusion that aops+baf has evident advantages: higher treatment capacity, more steady treatment effect and higher effluence quality. through the economic technical analysis, we have known that aops+baf is not only feasible in technique, but also in economic. when the hydraulic loading is 1m3/h, the cost of disposal is 0.704 yuan per cubic water. when hydraulic loading is 2m3/h, the cost of disposal is 0.415 yuan per cubic water. keywords advanced wastewater treatment, aops, baf, nitration, pure oxygen baf - iv - 目录 目录 摘 要.i abstract.iii 第 1 章 绪论.1 1.1 研究背景.1 1.1.1 我国水资源状况.1 1.1.2 水环境的污染.1 1.1.3 污水回用概况.2 1.2 污水回用深度处理技术与工艺概述.5 1.2.1 物理化学法.5 1.2.2 生物方法.7 1.2.3 物理化学与生物组合工艺.7 1.2.4 高级氧化技术概述.8 1.2.5 曝气生物滤池技术概述.12 1.2.6 高级氧化与生物组合技术概述.18 1.3 课题的提出与实施的意义.19 1.4 课题研究的内容和方法.20 1.4.1 课题研究内容.20 1.4.2 课题研究方法.20 第 2 章 实验材料及实验方法.21 2.1 实验流程、装置及实验用水.21 2.1.1 实验流程及装置.21 2.1.2 水源的选择.23 2.1.3 水源的水质.23 2.2 实验的方法.25 2.2.1 小试实验方法.25 2.2.2 中试实验方法.25 2.2.3 检测手段及检测指标.28 2.3 催化剂的选择.32 2.4 本章小结.32 - v - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 3 章 o3高级氧化技术.33 3.1 o3高级氧化技术的特点及其机理.33 3.1.1 o3高级氧化技术的特点.33 3.1.2 o3高级氧化技术的机理.35 3.2 o3高级氧化对水中污染物的去除.37 3.2.1 单独臭氧氧化.37 3.2.2 催化臭氧氧化.40 3.3 本章小结.42 第 4 章 曝气生物滤池工艺.44 4.1 曝气生物滤池（baf）工艺的特点及原理.44 4.1.1 baf工艺的特点.44 4.1.2 baf 工艺的原理.45 4.2 空气baf工艺.45 4.2.1 baf工艺的挂膜启动.45 4.2.2 对codmn的去除效果.46 4.2.3 对氨氮（nh3-n）的去除效果 .50 4.2.4 对uv254的去除效果.52 4.2.5 对doc的去除效果 .53 4.2.6 对分子量分布的影响.53 4.3 纯氧baf工艺.54 4.3.1 对codmn的去除效果.54 4.3.2 对氨氮（nh3-n）的去除效果 .56 4.3.3 对uv254的去除效果.58 4.3.4 对色度的去除效果.59 4.3.5 对浊度的去除效果.60 4.3.6 对doc的去除效果 .61 4.3.7 对分子量分布的影响.61 4.4 混凝沉淀与曝气生物滤池（baf）联用工艺.62 4.4.1 对codmn的去除效果.62 4.4.2 对氨氮（nh3-n）的去除效果 .65 4.4.3 对色度的去除效果.67 4.4.4 对浊度的去除效果.68 4.5 本章小结.69 - vi - 目录 第 5 章 高级氧化（臭氧催化氧化）曝气生物滤池联用工艺.71 5.1 对各污染指标的去除效果.71 5.1.1 对codmn的去除效果.71 5.1.2 对氨氮的去除效果.75 5.1.3 对uv254的去除效果.79 5.1.4 对色度去除效果.80 5.1.5 对浊度的去除效果.82 5.1.6 对doc的去除效果 .83 5.1.7 对分子量分布的影响.84 5.2 水力负荷对去除效果的影响.85 5.2.1 水力负荷对codmn去除效果的影响.85 5.2.2 水力负荷对氨氮去除效果的影响.86 5.2.3 水力负荷对uv254去除效果的影响.87 5.2.4 水力负荷对浊度去除效果的影响.88 5.3 各种不同工艺的比较.88 5.3.1 codmn处理效果的比较.89 5.3.2 氨氮处理效果的比较.90 5.3.3 uv254处理效果的比较.91 5.3.4 色度处理效果的比较.91 5.3.5 浊度处理效果的比较.92 5.3.6 doc处理效果的比较 .92 5.3.7 分子量分布的比较.93 5.3.8 反冲洗的比较.93 5.4 高级氧化+baf工艺经济技术分析.94 5.4.1 理论臭氧耗电费用.94 5.4.2 实际臭氧耗电费用.95 5.4.3 工艺运行总耗电费用.95 5.5 本章小结.96 结论.98 参考文献.100 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.108 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书.108 哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理.108 - vii - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 攻读学位期间发表的学术论文.109 致谢.110 - viii - 第 1 章 绪论 第1章 绪论 1.1 研究背景 1.1.1 我国水资源状况 水是生命活动中最重要的物质之一，是人类生存和发展的基本要素。人类 社会的不断进步、经济的可持续发展离不开和谐的水环境与丰富的水资源。 1973 年 3 月，联合国召开的水资源会议就曾庄严地宣告： “水不久将成为石油 危机之后下一个深刻的社会危机” 。为了人类可持续发展，应对水资源危机成 为全球广泛关注和研究的焦点之一。 我国是一个水资源相对匮乏的国家，尽管水资源总量较丰富，水资源总量 上居世界第 6 位，然而由于人口众多，我国人均水资源拥有量仅为世界平均值 的 1/41。我国水资源人均占有量约 2231m3，远低于世界人均占有量 6918m3 。我国水资源在时空分布上也不均衡，水资源分布大体呈南多北少的 格局，西南和东南沿海地区集中了全国人口的 54%,和水资源的 82%,北方的黄 淮海地区，东北、西北诸地区拥有全国人口的 46%,，而水资源只有全国的 18%7-8。特别是由于生态环境的破坏，水资源季节分布的不平衡，又使干旱和 洪涝灾害在我国各地频繁发生，城市供水状况日趋紧张4。据文献资料，80 年 代全国有 236 座城市缺水，缺水量 1200 万 m3/d .；90 年代缺水城市有 300 座，缺水量 1600 万m3/d5，进入新世纪后，全国缺水城市达到 400 余座，缺 水量超过 2000 万 m3/d2-3。伴随我国经济飞速发展、人们生活水平不断提高， 生活用水和工业用水量迅速增加，许多地区的缺水越来越严重。特别是首都北 京的人均水资源量只有世界人均的 1/30， 2008 年奥运会的即将到来，用水量 急剧增加，缺水态势将会愈演愈烈6。水资源短缺问题已成为我国首要解决的 问题。 1.1.2 水环境的污染 据报道9，地球上每年排放的污水约为 5000 亿 m3，其中约有 4000 亿 m3 未经妥善处理排入江河湖泊，污染了全世界径流总量的 21.4以上。美国 - 1 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 180 万 km 的河流中有 16.5 万 km、1596.8 万 hm2 湖泊中有 327.9 万 hm2 已受到污染；印度 70的地表水受到了污染；马来西亚因炼油厂和橡胶厂排 放的废水使全国 42 条河流变成死河。 在我国污染状况各国为严重，由于资金和技术原因，大量的生活污水与工 业废水没有得到相应的处理，就直接排入天然水体中，对水体造成严重的污 染，在我国进行检测的 78 条河流中，有 54 条受到较严重污染。仅 1993 年我 国年污水排放量就达 365 亿m3，其中工业废水排放量约为 220 亿m3，工业废水 中cod量为 622 万m3，氰化物排放量 2480m3，挥发酚排放量 4996m3，石油类 排放量 71399m3。其中生活污水处理排放率仅为 10%左右，而工业废水处理率 虽然可以达到 70%左右，但是只有 30%处理设施能达到出水标准10。根据国 家环保总局2001 年环境公报7，2001 年我国大部分江河湖水域受到不同 程度的污染，除个别水系支流和内陆河流外，总体上呈加重趋势，七大水系均 受到不同程度的污染，一般以上的监测断面属于类或劣水质，城市及其附 近河段污染严重，78%的城市河段不宜作饮用水水源，62%的城市地下水水位 下降，地下水三氮污染在全国各地均比较突出，而与此同时，2001 年全国工业 和城镇生活废水排放总量以达 428.4 亿m3，化学需氧量（cod）排放总量为 1406.5 万m3。 1.1.3 污水回用概况 1.1.3.1 国外污水回用情况 美国和日本等一些发达国家走在世界前列。美国在 20 世纪 20 年代已经比较系统地研究了污水的深度处理回用技术，1968 年世 界上第一个直接作为饮用水的污水高级处理厂（日产水量 6200m3）在非洲的 纳米比亚建成运行，1972 年洛杉矶建成了当时世界上最大的深度处理回用水厂 （日处理量 56800m3） ，处理工艺为石灰混凝沉淀除磷，再经氨吹脱，然后经 过滤和活性炭吸附，最后用氯消毒；1991 年经进一步改造，过滤出水经反渗透 处理，出水水质更好。目前美国有 375 个城市回用污水，再生回用点 536 个。 全国城市污水回用总量约为 9.4109m3/a。日本早在 1962 年就开始回用污 水，近年来回用量逐年增加，到 1995 年污水回用量已达 4500m3/d，濑户内海 地区污水回用量已达到该地区淡水总用量的 2/3，大大缓解了水资源严重短缺 问题11。以色列是一个以发展农业技术而著称的国家，水资源的严重短缺促进 了以色列污水回用技术的发展。目前以色列在污水净化和回收利用方面处于世 界领先地位，以色列立法规定：废水若未用尽，不可采用海水淡化，城市中的 - 2 - 第 1 章 绪论 每一滴水至少回用一次，污水回用后用于农业灌溉、工业企业、市民冲厕、河 流复苏等方面。污水再生成本是海水淡化的 1/31/5，这使人们认识到必须优 先利用污水。全国 90%的污水收集排放，80%经过处理，最后有 60%65%的 处理后的污水回用，这些再生水中有 42%用于灌溉，30%回灌地下12。 美国和日本等一些发达国家走在世界前列。美国在 20 世纪 20 年代已经 比较系统地研究了污水的深度处理回用技术，1968 年世界上第一个直接作为 饮用水的污水高级处理厂（日产水量 6200m3）在非洲的纳米比亚建成运行， 1972 年洛杉矶建成了当时世界上最大的深度处理回用水厂（日处理量 56800m3） ，处理工艺为石灰混凝沉淀除磷，再经氨吹脱，然后经过滤和活性炭 吸附，最后用氯消毒；1991 年经进一步改造，过滤出水经反渗透处理，出水水 质更好。目前美国有 375 个城市回用污水，再生回用点 536 个。全国城市污 水回用总量约为 9.4109m3/a。日本早在 1962 年就开始回用污水，近年来回 用量逐年增加，到 1995 年污水回用量已达 4500m3/d，濑户内海地区污水回 用量已达到该地区淡水总用量的 2/3，大大缓解了水资源严重短缺问题11。以 色列是一个以发展农业技术而著称的国家，水资源的严重短缺促进了以色列污 水回用技术的发展。目前以色列在污水净化和回收利用方面处于世界领先地 位，以色列立法规定：废水若未用尽，不可采用海水淡化，城市中的每一滴水 至少回用一次，污水回用后用于农业灌溉