（环境工程专业论文）螺旋升流式反应器流态特性研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 螺旋升流反应器( s p i r a lu p - f l o wr e a c t o r , s u f r ) 是一种具有机械导流系统的新 型污水处理立式反应技术，该技术从反应技术角度对生物处理反应单元进行了优 化设计。其在试验运行期间，s u f r 取得很好同步脱氮除磷效果，并有较强的运行 稳定性。本研究就是以螺旋升流式反应器为对象，运用试验和c f d 数值模拟的方 法对其流态性能进行了探索。 本研究主要在以下几个方面展开： 通过流态试验对s u f r 的流态进行初步研究； 利用大型商用软件p h o e n i c s 对s u f r 的流态进行模拟，对结果进行分析， 并与上面的流态试验结果进行比较： 根据上述试验及模拟研究分析s u f r 反应器的流态特性 通过示踪剂试验，对s u f r 系统流态进行了研究。结果显示，试验中的反应 器出明显的活塞流特性，s u f r 系统的厌氧、缺氧及好氧反应器分别相当于3 、2 、 2 5 个完全混合式反应格串联在一起的阶式c s t r 反应器。反应器中流体的特殊运 动方式，能提高基质的浓度梯度，延长基质在反应器中的停留时间，从而提高反 应器的容积利用率。 通过计算流体力学软件p h o e n i c s 建立数学模型，对s u i r 系统的流态进行了 数学模拟。通过模拟得到的踪剂浓度值c ( 0 与通过流态试验得到得c ( 0 有较高的吻 合性，说明了数值模拟结果的可靠性。 p h o e n i c s 数值模拟结果表明：s u f r 系统中流体行进方式为螺旋升流式。 其中厌氧反应器、缺氧反应器、好样反应器分别可以看作是由6 个4 个和8 个单 元反应器串联组成，其中p f r 单元反应器和c s t r 单元反应器间隔排列。可以估 算出s u f r 系统厌氧反应器、缺氧反应器和好氧反应器中推流流态的容积占有率 分别为6 5 、6 l 和6 3 。 关键词：s u f r 系统，数值模拟，流态，p h o e n i c s 软件，c f d 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t s p i r a lu p - f l o wr e a c t o r ( s u r r ) i sak i n do fn e ww a s t e - w a t e rt r e a t m e n tt e c h n i q u e w i t hu p r i g h t - r e a c t o ra n dm e c h a n i c a ld i v e r s i o ns y s t e m i t sa no l 虹n u l nd e s i g no f b i o l o g i cl a c a t m e n tc e l l d u r i n gt h eo p e r a t i n go fs u f r , h i g he t t i e i e n e yo fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a la n d c a l lb er e a c h e da n di tc 雒w o r ks t a b l y b a s e do i ln 毽c e f e x p e r i m e n ta n dp h o e n i e s3 5 ，ac o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sp r o g r a m , t h eh y d r a u l i c e l m r a e t e f i s t i e sa n df l o wm o d e lo f s p i r a l - u pf l o wl e a c t o l ru n i t1 ) i 惴i n v e s t i g a t e d t h ef o l l o w i n g sa r es t u d i e d ： s t u d y i n g o nt h ef l o w - p a t t e r no fs u f rb a s e do i lt r a c e re x p e r i m e n t ； s t u d y i n go nt h ef l o w - p a t t e r no fs u f rb yt h eu s i n go fp h o e n i e s3 5 ，a c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sp r o g r a m ； c o m p a r i n gt h er e s u l t so ft l a e e re x p e r i m e n ta n dc f ds i m u l a t i o n , a n a l y z i n gt h e h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c sa n d f l o w m o d e l o f s p i r a l - u p f l o w r e a c t o r t h et r a c e re x p e r i m e n ts h o w st h a ts u f rs y s t e mh a sf l o l n ep l u s f l o wc h a r a c t e r , t h e a n a e r o b i cr e a c t o ru n i t 、a n o x i cr c l l c t o l u n i ta n da e r o b i cr e a c t o ru n i tc o u l dr e s p e c t i v e l yb e s e e n 船t h eu n i to ft h r e e t w oa n dt w op o i n tf i v ec s t rr e a c t o r sr e s p e c t i v e l y t h e c h a r a c t e r i s t i co ff l o wp a t t e r ni ns u f ri sf a v o r a b l et oe n h a n c eg r a d i e n td i s l x i b u t i n go f t h es u b s t r a t e ，p r o l o n gt h er e t e n t i o nt i m eo ft h es u b s t r a t ei nt h er e a c t o l , a n dm a k e st h e s u f rb es i m i l a rt op l u g - f l o wr e a c t o l a n dc o u l di n c a e a s et h ec a p a c i t yu t i l i z a t i o no ft h e t e a c l o l m a t h e m a t i cm o d e l sa e s t a b l i s h e dt h r o wp h o e n i e s 3 5 t h e nf l o w e dt h es i m u l a t i o n 1 1 地c o n c e n t r a t i o nv a l u eo fl a a e e r , w l a i e hf r o mt h et r a c e l t e x p e r i m e n ti sv e r ys i m i l a rt o t h ev a l u ew h i e l af r o mc f ds i m u l a t i o n , t h i ss h o w st h er e s u l t so fs i m u l a t i o nw e l e r e l i a b l e n 圮r e s u l t ss h o wt h a tt h ef l u i di nt h er e a c t o ru n i tf l o wu p w a r db yt h es p i r a lw a y ； t h ef l o wm o d e li na n a e r o b i cr e a c t o r ，a n o x i cl e a e t o ta n da e r o b i cr e a c t o ri sr e s p e c t i v e l y m a d eu po fas e r i e so fs i x ，f o u ra n de i g h tr e a c t o ru n i t s ，w h e r eap l u gf l o wr e a c t o ri s f o l l o w e db ya c o m p l e t e - m i xr e a c t o r ；, t h ep l u gf l o wp a t t e mo c c u p a t i o nr a t eo f t h er e a c t o r v o l u m ei sr e s p e c t i v e l ya b o u t6 5 ，6 1 a n d6 3 ，a n dt h es p i r a l - u pf l o wr e a c t o ru n i t a p p e a r so b v i o u sp l u gf l o wp a t t e m k e y w o r d s ：s p i r a lu p - f l o wr e a c t o r , m a t h e m a t i cs i m u l a t i o n , f l o wp a t t e r n , p h o e n i e s ，c f d 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及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： ；名嘣q签字日期：砂1 年妇日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂 有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：雾长日姗 签字日期：加叩年厂月吖e t 导师签名：踊侬 签字日期：年 月e 1 重庆大学硕士学位论文i 引言 1引言 1 1 我国水环境面临的主要问题 在过去的2 0 多年中，中国经济以8 左右速度增长，经济总量翻了两番。由 于较短的时间完成了发达国家上百年的经济发展，致使我国的生态环境遭受了较 大的破坏，导致生态环境问题面临严峻挑战，表现在我国水资源环境上主要有两 大难题【1 】：一是水资源缺乏；二是水污染现象严重，其中突出的是水体富营养化【4 】四。 1 1 1 水资源短缺 我国是一个水资源贫乏的国家，多年平均水资源总量为2 8 x 1 0 1 2 m 3 ，居世界第 六位，但人均水资源量为2 3 0 4 m 3 a ，仅为世界平均水平的l 4 【7 】。中国多年平均降 水总量为6 2 ： 1 0 1 m 3 ，可通过水循环更新的地表水和地下水的多年平均水资源总量 为2 8 x 1 0 1 m 3 ，居世界第6 位，然而我国人口众多，人均占有水资源相当于世界人 均数的1 4 ，为世界第1 0 9 位，预计到2 0 3 0 年中国人口增至1 6 亿时，人均水资源 量将降至1 7 6 0m 3 己接近国际公认的水资源紧张标准。我国有1 4 地区属于严重缺 水地区，1 1 0 地区人均水量低于基本生存线，现已被列为世界1 3 个贫水国家之一 嗍。在全国6 0 0 多座建制市中，有近4 0 0 座城市缺水，其中缺水严重的城市1 3 0 多 个。缺水给城市工业产值造成的损失在1 2 0 0 亿元以上，且呈增长之势。据有关资 料报道 9 1 ，目前我国缺水总量为3 6 0 亿m 3 ，其中农业缺水3 0 0 亿岔，城市和工业 缺水6 0 亿m 3 。4 0 0 0 万人1 3 用水困难，每年因缺水影响工业产值2 3 0 0 多亿元。据 专家预测，中国到2 0 1 0 年供水缺口将达1 1 4 0 亿m 3 ，2 0 3 0 年缺口达2 3 0 0 亿m 3 ， 2 0 5 0 年缺口达3 7 1 0 亿m 3 t 删 1 1 2 水污染 水污染是指排入水体的污染物在数量上超过该物质在水体中的本底含量和水 体的环境容量，从而导致水体的物理性质、化学性质和生物学性质发生变化，使 水体固有的生态系统和水体功能受到破坏。我国本来就是一个缺水国家，而水污 染日益严重使得我国水资源环境更是雪上加霜。多年来，尽管我国在水污染防治 方面做了很多工作，但水污染的发展趋势不仅未得到有效控制反而有愈演愈烈之 势，许多江、河、湖泊、水库的水质仍在下降。2 0 0 5 年度七大水系监测的4 1 1 个 重点断面中，i 类水质占4 1 ，类和v 类水质占3 2 ，劣v 类水质占2 7 。 其中，七大水系干流1 0 0 个国控断面中，i 类水质断面占3 6 ，v 类占 4 0 ，劣v 类占2 4 ，各水系干流水质好于支流。七大水系污染由重到轻的顺序 依次是：海河、辽河、淮河、黄河、松花江、长江和珠江。与上年相比，污染轻 重顺序未变，污染程度相近【2 】【3 】。各大流域片的主要污染河段均集中在城市河段。 重庆大学硕士学位论文 地表水污染普遍，特别是流经城市的河段有机污染较重；主要湖泊富营养化问题 依然突出。2 0 0 5 年太湖和滇池外海均属中度富营养状态，巢湖属轻度富营养状态； 地下水受到点状或面状污染，水位下降，加剧了水资源的供需矛盾；生态破坏加 剧的趋势尚未得到有效控制。当前我国的水环境污染已从地表水延伸到地下水， 从一般污染物扩展到有毒有害污染物，形成点源与面源污染共存、生活污染和工 业排放叠加的状态。在区域和流域范围( 特别是长江、珠江三角洲以及环渤海地区) 已出现大气、水体、土壤污染相互作用的局面。水体污染物排放量大大超过水体 承载力，已进入富营养化阶段l l ”。 而另一方面，近年来我国城市化进程推进迅速，城市规模急剧扩张，城市现 有的污水处理设施日渐力不从心。据环保总局透露，截至2 0 0 5 年底，全国6 6 1 个 设市城市中还有2 7 8 个城市没有建成污水处理厂，至少有3 0 多个城市约5 0 多座 污水处理厂运行负荷率不足3 0 ，或者根本没有运行。据介绍，1 9 9 9 年以来全国 城市污水处理设施建设资金投入不断加大，在实行城市污水处理收费制度的3 2 5 个城市中，投入的建设资金达到3 8 6 亿元。截至2 0 0 5 年，全国已建成运行污水处 理厂7 0 8 座，污水处理率达到5 8 。然而这一数字与全国6 6 1 个设市城市、5 4 亿 城市人口相比，无疑是杯水车薪【1 2 】。 1 2 水体富营养化及其危害 1 2 1 水体中氮磷的来源及分类特性 水体富营养化【1 3 慨象是指过量的植物性营养元素氮、磷进入水体后，在光照 和其他环境条件适宜的情况下，使水中的藻类过量生长，在随后的藻类死亡和随 之而来的异养微生物代谢活动中，水体中的溶解氧很可能被耗尽，造成水体质量 恶化和水生生态系统结构的破坏。水体的富营养化常表现为“水华”、“赤潮”等现象， 它大大加速了湖泊等水体的退化嘲。 氮以有机氮和无机氮两种形态存在于水体中。有机氮有蛋白质、多肽、氨基酸 和尿素等，它们来源于生活污水、农业废弃物( 植物秸秆、牲畜粪便等) 和某些工艺 废水( 如羊毛加工、制革、印染、食品加工) 。水中的无机氮指氨氮、亚硝酸盐氮、 硝酸盐氮( 这三种无机氮统称为氮化合物) 。有机氮和氨氮是水体中氮的主要存在形 式，一般情况下硝态氮仅l 5 m g l 。 城市污水中所存在的含磷物质基本上都是不同形式的磷酸盐( 简称磷或总磷， 用p 或t p 表示) ，根据物理特性，污水中的磷酸盐可分成溶解性和颗粒性两类。 按化学特性则可分成正磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷酸盐，分别简称为正磷、聚 磷和有机磷。 含氮磷物质进入水体环境的来源和途径分两类：自然过程和人类活动。虽然自 2 重庆大学硕士学位论文 然过程，尤其是水体内部自身底泥等沉积物释放底氮磷对水体的二次污染作用巨 大，但真正引起水体中氮磷含量过多的原因是人类活动，人类活动是水体中氮磷 的主要外来源【1 5 l 【1 6 1 。外源氮磷主要通过面污染和点污染进入水体。大多数情况下， 氮主要是通过面源进入水体，磷主要是通过点源进入水体。常见的面污染源有： 农业面污染、城市污水面污染、气载污染物污染、水土流失、水产养殖等。常见 的点污染源有：城市污水与工业废水的直接排放、污水处理厂的尾水排放、生活 垃圾和工业废料场。对各主要污染源的分析如下： 农业面源污染 农业面源污染主要是农业施肥经流失造成的，大量未被农作物利用的肥料绝 大多数被农业排水和地表径流等途径带入地下水和地表水中，其中主要是化学肥 料，我国是一个农业大国，化肥施用量已达1 亿吨，施用化肥水平比世界化肥施 用水平高出2 6 倍，而施肥利用率仅有3 0 5 0 的水平，大量氮磷成分通过各种途 径进入水体。人工合成的化肥和农药是水体中氮、磷元素的主要来源【1 4 】。 城市雨水径流污染 城市雨水径流污染包括合流制排水系统中因暴雨期间污水溢流造成的污染， 以及分流制排水系统中初期雨水径流冲刷地表污物造成的。雨水径流中污染物含 量、形态与大气环境状态、当地人口密度、地区社会活动等因素有关。 气载污染物污染 气载污染物主要来源于工业废气、烟尘以及机动车辆尾气等排放后通过降雨 或降尘途径进入水体。农业系统中因施肥造成的氨氮溢出也是气载污染物的一个 重要来源。武汉东湖每年通过降雨进入湖中的氮占湖泊总氮量的6 o 。气载污染 物已是被人们普遍重视的一个新的水体污染源。 水土流失 水土流失使大量的氮、磷等营养物质进入水体。在污染水体的同时也会造成 水体淤积，加快水体恶化。我国水土流失严重，仅黄土高原每年因水土流失的氮 磷等养分达3 8 0 0 万吨。水土流失不可避免地迫使农业加大肥料用量，从而加大了 农业面污染。 水产养殖 浅海和湖泊水库养鱼过程中残饵、鱼药、鱼类排泄物和化肥是水体中氮、磷 污染的另一主要来源。水产养殖业的氮磷污染主要受养殖方法、养殖鱼种、养殖 密度、饵料种类及投量不同而有所区别。目前对水体危害最严重的是网箱养鱼。 点源污染 各种污水的未经处理直接排放或污水处理厂的尾水排放是主要的氮、磷点污 染源。常规的污水二级处理对氮、磷等溶解性盐的去除率仅分别为2 0 5 0 。据 3 重庆大学硕士学位论文 报道，有的水体由于污水排入水体形成的氮磷浓度比氮磷造成水体富营养化的临 界浓度一般高出一个数量级以上。 固体废物堆积场 随着城市的发展和人民生活水平的提高，产生了大量的生活垃圾和工业废料。 目前我国的城市垃圾仅基本做到清运出城市进行简易处理，其中少量的垃圾被填 埋或焚烧，其余大量垃圾长期直接裸露堆放于城郊或水体附近，随着地表径流和 雨水冲刷而污染水体或地下水，严重危及垃圾场四周人民群众的身体健康。 1 2 2 水体富营养化的危害 我国近几年来湖泊、水库以及海湾等半封闭水体富营养化现象日趋严重。在 1 9 3 3 年到1 9 7 9 年的4 6 年中仅发生过1 2 次赤潮，而1 9 9 0 年到1 9 9 4 年的5 年中就 发生了1 3 9 次赤潮，藻类污染灾害十分严重【l 毋。 富营养化的危害很大【1 9 1 2 0 1 ，影响深远，它不仅在经济上造成损失，而且危害 人类健康。富营养化水体在很多用途方面，都被认为是劣质水体。其危害主要有 以下几个方面： 影响水体的感观性状 处于富营养化的水体中，蓝、绿藻大量增殖，水体色度增加，水质浑浊，透 明度降低，并散发出腥臭味，污染居住环境，丧失水体美学价值。 影响湖泊水体的生态环境 处于富营养化污染的水体，正常的生态平衡被破坏，导致水生生物的稳定性 和多样性降低。大型水生植物群落会随着富营养程度的加剧逐渐灭绝。同时，异 常增殖的藻类所分泌的毒物，以及缺氧条件下n o s 一一n 被还原为n 0 2 一一n ，成为 致癌物，不仅威胁水生生物的生存，而且会直接或间接影响人类健康，造成可利 用水资源进一步减少。 影响供水水质，增加制水成本 处于富营养污染的水体作为供水水源时，会给净水厂的正常运行带来一系列 问题，如增加水处理费用，降低处理效果和产水率等。另外，遭受富营养化污染 的水体在一定条件下由于厌氧作用丽产生硫化氢、甲烷和氨气等有毒有害气体， 在给水处理过程中会增加相当的技术难度。 影响渔业的发展，降低水体经济价值 虽然一定程度的富营养化可能导致鱼类产量增加，但严重富营养化的水体会 由于藻类释放的毒素和溶解氧的稀缺，减少鱼类种类和数量，并直接影响鱼类质 量，从而导致经济效益大大降低。 1 2 3 污水脱氮除磷的必要性 水体富营养化引起的危害如此之多，而水体富营养化现象在世界各地均日趋 4 重庆大学硕士学位论文 严重，己成为人类所面临的严重的水环境问题之一水体富营养化的主要控制指 标是总氮( n d 和总磷( t p ) 。但是从藻类对氮、磷需要的关系看，藻类对磷的需要往 往更为重要，其生产量受磷的限制也更为明显。这是因为水中氮的缺乏可以由许 多能固氮的微生物( 如某些固氮细菌和蓝藻) 来补充，而水中的磷却不能通过这一方 式得到补充。因此，磷是限制藻类生长的最关键的因素。根据l i e b i g 最小因子定 律，降低污水中的磷含量是防止水体富营养化的主要任务。由此可见，最大限度 地控制排放进入水环境中的氮和磷，尤其是磷，是防止水体富营养化的关键【1 7 1 另外，由于地面水体和地下水中含氮污染物的增加会引起生态及人体健康等方面 的有害影响，因而氮的去除也是很重要的。 1 3 解决水资源危机的对策 当今世界，水资源危机已成为各国在政策、经济和技术上所面临的复杂问题。 解决水资源危机已经迫在眉睫。 1 3 1 提高废水资源利用程度 从可持续的观点出发，废水经适当处理后不仅可作为资源加以利用，而且还 可以节约新鲜水源，减少污水排放量，从而实现水资源的良性循环。实现水资源 的良性循环与循环经济的理念是一样的。循环经济的概念是实现可持续发展的一 个新概念，所谓循环经济是对应于过去的传统的线性经济而言。线性经济是从自 然界不断采取资源，经过加工生产后提供消费，然后将废料和废品排放，这样的 结果是资源不断耗竭，污染不断增加。2 l 世纪提倡的循环经济就是在生产的过程 中不断循环，在消费的系统中不断循环，目的是尽量减少资源消耗，废物的排放 量也将越来越少，这才是可持续发展的模式。循环经济的原则是“减量化、再利用， 再循环( r e d u c e ，坝瑚，r e c y c l e ) ”。自然界的水本来就在良性循环之中，由于人为活 动的干扰，才使得水量枯竭阻断，水质恶化破坏，严重影响了水资源的可持续利 用，因此一定要努力实现水的良性循环，城市废水资源化是实现水资源可持续利 用的重要战略措施，而水资源的可持续利用是实现我们国家经济可持续发展的重 要保障【2 i - 2 羽。由中华人民共和国建设部、世界银行和联合国工业发展组织主办、 于2 0 0 1 年1 1 月2 7 日1 1 月2 9 日在北京召开的“2 l 世纪国际城市污水处理及资源 化发展战略研讨会与展览会”将我国在水处理专业领域进行“废水资源化”提上了议 事日程。 废水资源化的方向主要有以下几种：工业上回用的冷却水、锅炉供水、生产 工艺用水等；农灌用水和水产养殖；城市生活中娱乐用水、风景区用水或城市公 共设旅用水和回灌地下水等。我国2 0 世纪5 0 年代就开始用污水灌溉，到2 0 世纪 8 0 年代，废水资源化迅速发展。为缓解所面临的淡水危机，青岛市1 9 8 2 年就将中 5 重庆大学硕士学位论文 水回用作为市政及其它杂用水。北京市1 9 8 4 年开始进行中水回用工程示范。1 9 9 5 年北京市已有中水设施1 1 5 个，回用废水量达1 2 万m a d ，中水建设已初具规模； 此外，天津、深圳、上海和大连等缺水城市的中水建设也初见成效田】。但废水资 源化是一项复杂的系统工程，在我国由于多方面的原因尚未得到普遍的应用。应 该从技术、法制、政策和宣传等方面寻找出路，促使废水资源化发挥其应有的经 济效益、环境效益和社会效益，为我国的可持续发展提供充足的淡水资源。 1 3 2 加大污水治理力度 加大污水治理力度，强调“治污为本”是保护供水水质、改善水环境的必然要求， 也是实现城市水资源与水环境协调发展的根本出路。水资源本来是可以再生的， 但水质污染使水资源不能进入再生的良性循环。我国长期以来在增加城市供水能 力的同时，未能注意防治水污染，至今全国城市废水处理率仅为5 2 ，许多城市 至今还没有污水处理厂。工业废水处理率据报告为8 7 ，实际情况远远低于此数， 许多处理设施没有正常运行，甚至基本不运行，达标排放很多流于形式【埘。大量 废水、污水的排放造成了城市水体的严重污染，直接影响人民健康和工农业生产。 经预测，如果要在2 0 1 0 年以前基本遏制城市水污染的发展趋势，保护城市供水水 源，并在2 0 3 0 年以前使水环境有明显改善，2 0 1 0 年和2 0 3 0 年城市污水的有效处 理率必须达到5 0 和9 0 以上。否则，我国的水污染不仅不能得到控制，甚至还 要继续发展。这是一个十分严重的问题，也是一项非常艰巨的任务，需要加以认 真解决。必须加大污染防治力度，增加经费投入，提高规划的城市污水处理率， 并采取有效措施修复已经受到污染的城市水环境。 由于人口的快速增加、社会经济的不断发展，不仅对用水的需求量大大增加， 而且污水的排放量亦与日俱增，从而使人类面临着更加紧迫的水量型和水质型水 资源不足问题。废水生物处理作为水污染防治和走水资源可持续利用道路中的重 要工程技术手段之一，对保护水环境和缓解水质型水资源短缺问题具有重要的作 用。 活性污泥法是世界各国普遍采用的传统废水生物处理工艺，其在防治水体污 染中已经并正在继续发挥其良好的作用。但由于废水排放量的急剧增加以及对废 水处理要求的日益严格，传统工艺在处理的多功能性、高效稳定性和经济合理性 方面已难以满足不断提高的要求。开发、研究和应用新型废水生物处理工艺和技 术，已成为世界各国水污染控制工程领域研究的重要课题。 8 0 年代以来，废水生物处理新工艺新技术的研究、开发和应用，已在全世界 范围内得到了长足的进展，并出现了许多新型的废水生物处理技术。它们的共同 特点是高效、稳定、节能，并具有对污染物去除的多功能性，大多具有脱氮除磷 6 重庆大学硕士学位论文 等深度处理的良好效能，并正朝自动化控制的方向发展1 2 4 。 污水处理不仅是城市建设的基础性工作，而且是水资源综合利用和节水的重 要措施。近年来，在各级政府有力推动下，我国城市污水处理厂的建设正以前所 未有的速度发展。据统计，到2 0 0 5 年底，我国已建成城市污水处理厂7 0 8 座，其 中二级生化污水处理厂2 8 2 座，城市污水集中处理率已达到5 2 1 目前在建的污 水处理厂还有3 0 0 余座。根据 国民经济和社会发展第十一个五年计划纲要要 求，”十一五”期间，所有设市城市都必须建设污水处理设施，全国设市城市污水处 理率不低于7 0 ，缺水城市再生水利用率达到2 0 以上。 7 重庆大学硕士学位论文 2 废水生物处理反应器原理及反应器流态研究概述 2 废水生物处理反应器原理及反应器流态研究概述 2 1 废水生物处理工艺概述 目前已经开发出多种废水生物处理工艺，它们各具特色，分别适用于不同的 实际情况。根据其工艺流程的不同，可将其分为两大类：一是空间序列的废水处 理工艺，二是时问序列的废水处理工艺，现分述如下： 2 1 1 空间序列工艺 空间序列的生物脱氮除磷工艺的主要特点是：一系列具有脱氮除磷功能微生 物的释磷、吸磷、硝化与反硝化等生化反应在不同的反应器中同时完成，整个脱 氮除磷过程是连续进行的。空间序列的生物脱氮除磷工艺典型代表有a o 工艺系 列、b a r d e n p h o 工艺系列及氧化沟工艺系列等。 a o 工艺系列【2 5 】瞄l a o 工艺可分为厌氧好氧( a n a c r o b i c o x i c ) 除磷工艺与缺氧好氧( a n o x i c o x i c ) 脱氮工艺，二者的区别可由污泥龄来控制 a o 除磷工艺可在较短的污泥龄条件下运行。通厌氧好氧循环操作，聚磷菌 在厌氧反应器释磷，在好氧反应器吸磷。其工艺流程如图2 1 所示。 图2 1 除磷a o 工艺流程图 f i g 2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f a op h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e s s 该工艺最主要的特征是高负荷运行、泥龄短、水力停留时间短、相应的污泥 产率和除磷能力也较高。由于泥龄相当短，系统往往达不到硝化，回流污泥中也 就不会携带硝酸盐至厌氧区。本工艺流程简单，既不投药，也勿需考虑内循环， 因此建设费用及运行费用都较低。 具有脱氮功能的a o 工艺在较长的污泥龄条件下运行，该工艺的流程如图2 2 所示。 这一工艺将缺氧反硝化反应与好氧硝化反应完全分开，沉淀池的污泥直接回 流到缺氧反应器，从好氧反应器到缺氧反应器的混合液回流为缺氧反硝化提供硝 态氮，并经过反硝化作用还原成氮气。该工艺的脱氮效果与回流比大小密切相关。 8 重庆大学硕士学位论文2 废水生物处理反应器原理及反应器流态研究概述 图2 2 脱氮a o 工艺流程 具有脱氮除磷功能的a o 工艺即是指a 2 o 工艺，其流程见图2 3 。 图2 3a a o 工艺流程图 f i g2 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo f a a op r o c e s s a 2 o 工艺是在a o 除磷工艺的基础上，为了达到同时除磷脱氮，在厌氧反应 器之后增设一个缺氧反应器，并使好氧反应器中的混合液回流至缺氧反应器，使 之反硝化脱氮。污水首先进入厌氧反应器，兼性发酵细菌将废水中的可生物降解 大分子有机物转化为小分子发酵产物，如v f a 。聚磷菌可将菌体内贮存的聚磷酸 盐分解，释放出能量以摄取环境中的易生物降解有机物，并以p h b 的形式贮存于 菌体内。混合液进入缺氧反应器后，反硝化细菌就利用好氧反应器中经混合液回 流而带来的硝酸盐，以及废水中可生物降解有机物进行反硝化，达到同时去除有 机物与脱氮的目的。随着废水进入好氧反应器，聚磷菌除了吸收、利用废水中残 余的可生物降解有机物外，主要是分解体内贮积的p h b ，放出能量以摄取环境中 的溶解性磷，以聚磷的形式在体内贮存起来，并实现自身的生长繁殖。废水中的 有机物经厌氧反应器、缺氧反应器分别被聚磷菌和反硝化菌利用后，进入好氧反 应器时浓度已很低，这有利于自养型硝化细菌的生长与繁殖，并将氨氮转化为硝 态氮。无超量吸磷功能的好氧型异养菌虽然也能存在，但由于它在厌氧区中受到 严重的抑制、在好氧区又不能得到充分的营养，因此在与其他生理类群的微生物 竞争中处于劣势。在排放剩余污泥中，由于含有大量能过量贮积聚磷酸盐的聚磷 9 重庆大学硕士学位论文2 废水生物处理反应器原理及反应器流态研究概述 菌，污泥中磷的含量较高，因此，与一般的好氧活性污泥系统相比，大大地提高 了磷的去除效果。 a 2 o 工艺通常在高负荷状态下运行，缺氧区的水力停留为0 5 1 5 h ，好氧区 为3 5 6 o h ，从好氧区回流到缺氧区的混合液回流比一般取值1 0 0 4 0 0 ，污 泥回流比为2 0 6 0 。这种方式的脱氮效果受混合液回流比大小的影响，除磷效 果受回流污泥中携带d o 和硝酸态氮的影响，因此脱氮除磷效率不可能很高。 p h o r e d o x ( b a r d e n p h o ) i 系列叨嗍 p h o r e d o x 工艺系列包括改良的b a r d e n p h o 工艺、u c t 工艺、改良的u c t 工艺、 v i p 工艺、改良的a a o 工艺。以u c t 工艺为例进行简要介绍，其流程见图2 4 所示。 缺氧回流 混合液回流( 1 0 0 一3 0 0 ) ( 1 0 0 一2 0 0 ) ， l 母也岖玳：芦 污泥回流( 5 0 一1 0 0 )i 剩余污泥 图2 4u c t 工艺流程图 f i g 2 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo f u c tp r o c e s s 同a 2 o 工艺相比，u c t 工艺消除了回流污泥中携带硝酸盐对工艺的不利影响， 污泥回流到缺氧区而不是厌氧区，在缺氧区和厌氧区之间提供了第二套混合液回 流，降低进入厌氧区的硝酸盐负荷，运行过程中缺氧区硝态氮浓度保持在相当低 的水平，进入厌氧区的混合液回流硝态氮量得到相应的控制。 氧化沟工艺系列口5 】圆圆p o 严格地说，氧化沟不属于专门的生物除磷脱氮工艺。但随着氧化沟技术的不 断发展，其具有多种多样的工艺参数和功能选择。通过合理的设计及选择适当的 污泥龄、池型、流态、电子供体等工艺要素与特定曝气设备的不同组合，使沟内 产生交替循环的好氧区、缺氧区和厌氧区，从而达到脱氮和除磷的目的。 氧化沟工艺具有显著的经济优势，其特有的技术经济优势和除磷脱氮的客观 需要使两者的结合成为必然，从而产生了一系列除磷脱氮技术与氧化沟技术相结 合的污水处理工艺流程。典型的结合方式是单独的厌氧池加氧化沟，硝化和反硝 化功能在氧化沟内完成，也有厌氧池与氧化沟结合为一体的。例如美国e i m c o 公 司和荷兰d h v 公司联合推出的a 2 c ，c a t o u s e l - - 2 0 0 0 工艺，建设规模为 i o 重庆大学硕士学位论文2 废水生物处理反应器原理及反应器流态研究概述 1 0 0 0 0 0 m 3 d 的广东中山中嘉污水处理厂采用了这种工艺流程。 2 1 2 时间序列工艺 时间序列工艺的典型代表是序批式反应器系统( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ， s b r ) 【3 。s b r 工艺的流行始于7 0 年代末8 0 年代初，并出现了c a s t 、d a t i a t 、 i c e a s 等多种变形工艺。近年来，s b r 系统独特的硬件设施如电动或气动调节阀、 液位传感器、自动定时器、微处理控制器和滗水器都有了长足的发展和改进，使 得s b r 工艺得以迅速发展 3 2 1 s b r 是在同一反应器中按时间顺序完成污水净化所需要的反应和沉淀分离等 工序，具有较高的浓度效应，因而具有去污效果良好、占地少、适应性强、操作 方式灵活、结构简单、投资省等优点。其处理技术的概念和操作灵活性使其易于 引入厌氧、缺氧条件，从而实现氮磷的同时去除。 目前，s b r 系列工艺存在如下一些问题，以c a s s 技术为例： 缺乏较为成熟的设计技术由于国外c a s s 技术的拥有厂家对其技术进行 保密，所以有关c a s s 工艺的资料十分有限，大多数的设计参数均是经验和半经 验数据。 关键部件的质量不过关。国内厂家生产的潜水搅拌器、曝气器、滗水器、 自控仪表等质量、可靠程度均不如国外产品，而c a s s 工艺更多地依靠设备、仪 表、仪器来实现各种功能。因此，上述关键部件的可靠程度是设计人员首先考虑 的问题。 控制问题。由于目前对c a s s 工艺的反应过程数据了解不够，所以对c a s s 工艺采用的控制方式大多是严格的时间控制，但是这种基于时间的自动控制方式 不能体现出自动化控制的特点，而且不能适应水量、水质的变化，无法保证出水 水质。 2 2 废水生物处理中对反应器技术的研究 2 2 1 废水生物处理中对反应器技术研究现状 关于反应器的研究最先出现在化学工程中。在化工生产过程中，都有一个化学 反应的生产核心部分，发生化学反应的容器称为反应器。反应器的设计涉及了流 体力学、传热、传质，特别是化学动力学的知识【3 3 】。 从二十世纪七十年代初起，在水处理工程的著作中，也引入立反应器理论。废 水处理工程沿用化工的概念，把发生化学反应或发生生化反应的池子称为反应 器。但目前的研究者倾向于将水处理中进行处理过程的一切池子和设备都称为反 应器。 反应器模型在描述各种环境系统时是非常有用的。它们通常用于模拟含流体的 重庆大学硕士学位论文2 废水生物处理反应器原理及反应器流态研究概述 容器内发生的转化过程，比如那些应用于水处理的过程。此外，它们可以用来合 理地描述几种流体被限制在一定空间内的环境系统，比如河流、湖泊和室内空气 刚。 目前，研究最广泛的是三种反应器模型：间歇式反应器( b r ) 、活塞流反应器 0 f r ) 、连续搅拌罐式反应器化s t r ) f 3 卯1 3 6 1 。 间歇式反应器( b r ) 是指一个容器内装有反应物，然后将它密封，使之不允许有 入流和出流。间歇反应器的内容物通常是混合的。间歇反应器内可能含有单一的 流体或多种流体的混合( 例如空气和水) 。在理想的间歇反应器中，每一种物质的浓 度在反应器中的每一种流体中都是均匀的。反应器中的物质浓度可能会由于受到 化学反应或流体界面间相变等转化过程的影响而随着时间变化。经过一定的反应 时间以后，将容器打开并将产物移去。 活塞流反应器( p f r ) 概念上指的是有流体流过的一根管子。其特征是流体以队 列的形式通过反应器，流体元素在流动的方向决无混合现象( 但在垂直方向上可能 有混合) 。构成活塞流反应器的充分必要条件是：反应器中每一流体元素的停留时 间都是相等的p 7 1 。 连续搅拌罐式反应器( c s t r ) 贝i j 由一个有入流和出流的流体容器组成。通常情 况下，其进出流是平衡的。容器内的物质是充分混合的。在理想化的c s t r 中， 对只有单一流体的情况，假设流体相中的物质混合都非常迅速，从而使每种物质 的浓度在整个容器中都是均匀的( 对含有多种流体的容器，假设混合是完全的并且 对每一种流体其混合都是瞬间完成的) 。因此假设其混合良好，流出物中物质的浓 度等于该物质在整个反应器内的浓度【3 8 】。 反应器研究的最终目的是确定它的经济合理性，即效率，效率越高，在实现同 一反应时反应器所需的容积就越小。根据反应器原理，前述三种反应器中，p f r 反应器的反应效率是最高的。因为b r 存在停止时间降低了它的去除效；c s t r 由 于是完全混合流态，反应器内不存在浓度梯度，降低了反应速率。据介绍在一级 反应的条件下，c s t r 的容积总是大于p f r 的容积，在污水处理中，去除百分数n ) 一般要达0 9 ，则v 。v p = 3 9 ；当胪0 9 9 时，v c | v p = 2 1 5 ；而阶式c s t r 只有 在串联的反应器数n o o 时，它的反应器容积才能与p f r 一致。可见，对反应器 进行研究对于提高污水处理效率具有重要意义。 8 0 年代以来，在全世界范围内出现了许多新型的废水生物处理技术。这些处 理技术虽然也有一部分设计涉及反应技术研究的，但是大多数并没有重视反应器 技术的研究。有的甚至改变了传统上艺反应器的高效性能。 s b r 工艺的反应器本身是完全混合流，属b r 反应器，但是从整个工艺系统看， s b r 对于时间来说是推流式处理过程，时间上的推流与空间上的推流的作用是一 重庆大学硕士学位论文2 废水生物处理反应器原理及反应器流态研究概述 致的，它们都有较高的基质浓度梯度，浓度效应明显。由于存在闲置期，s b r 反 应器容积还是理想的推式反应器容积大，但是当基质去除率超过一定值时，s b r 的体积总是比完全混合流反应器节省，是一种较为高效的反应器。现在以s b r 为 基础发展起来的污水处理技术有i c e a s 间歇式循环延时曝气活性污泥法、c a s s 循环式活性污泥法、m s b r t 系统等。这些处理技术虽然实现了连续进水的方式， 在工艺上比s b r 理想，但是这些工艺有的处理效果不理想，而有的则没了s b r 占 地省的优点，归其原因在于它们的反应技术不如s b r ，由于忽视反应器技术的作 用与研究，破坏了s b r 的时间推流流态，增加了c s t r 反应器的因素，导致这些 新工艺的反应器效率不如s b r 。 污水处理中对反应技术研究的忽视不仅存在于s b r 工艺系列，而是普遍存在 的。过去污水处理的活性污泥曝气池是按长条形的推流流态池子设计的，但是由 于对反应器研究的忽视，使得按推流概念设计的活性污泥曝气池，由于曝气池中 存在死角、短路流等的现象，造成偏离理想流型，难于得到真正的推流流态。导 致按活塞流设计的池子与按完全混合流设计的池子容积相差不大，从而失去了推 流式反应器在动力学上的优势。所以现行污水处理反应器大多数改用按完全混合 流流态设计，为c s t r 反应器。 在现有生物处理新技术中，注重了反应技术的研究，并对反应技术加以应用的 有a b 法污水处理技术和v m 工艺等几种。它们在污水处理的高效性、稳定性和 经济性上取得了良好的效果。例如v 口工艺，它与u c t 工艺相比，在流程上并没 有进行太大改变，但是与u c t 工艺不同的是其在厌氧池、缺氧池和好氧池内都有 两个以上的反应格组成，在反应器类型上变为