（环境科学专业论文）加压曝气生物氧化法处理乙醛废水的动力学研究.pdf

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， 也不包含为获得东北师范大学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：函2i日期：垒型，圭旦堕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位 论文的规定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权东北师范大学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、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：瑾l 王王一 日期：恐堡! 璺! 鱼 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名：童里 日 期：鱼! ：z 壹越丝王堂瞳 还撞型堂生工捏丕 电话： 邮编： 3 0 8 3 1 2 6 1 3 2 0 2 2 东北师范大学硕士毕业论文 针对不同的污染物，有不同的处理方法。乙醛废水处理方法基本上可以分为：物 理法、化学法、生物氧化法三大类【1 】。 1 2 1 物理法 ( 1 ) 汽提法：此种方法是利用乙醛废水中的污染物( 乙醛、巴豆醛等) 具有挥发 性的特点，保持一定水温，利用气体通过废水对污染物的吹脱作用，去除废水中 的挥发性污染物，此法只对含有较高浓度的污染物的废水有一定的处理作用，对 于污染物浓度较低的废水，处理效果不佳。 f 2 1 蒸馏法：蒸馏法是利用废水中的有机污染物的沸点与水的沸点不同的原 理，通过加热，使废水达到污染物的沸点，使污染物气化，并进行气液分离，达 到去除污染物的目的。此法对较高浓度的废水有一定的处理效果，并能回收一定 的副产品；而对较低浓度的废水，效果不明显。 f 3 膜分离法：膜分离法主要用于分离乙醛废水中的丁烯醛( 巴豆醛) 。其原理 是利用醋酸纤维膜及芳香聚酰胺，在1 7 6 m p a 的压力下操作，利用反渗透技术 从废水中去除醛类化合物。 ( 4 ) 萃取法：乙醛废水中的丁烯醛，可以用萃取法去除。利用辛醇作萃取剂， p h 在5 9 ，萃取效率达9 0 以上，但此法对乙醛及醋酸无效。 ( 5 ) 吸附法：乙醛废水可以用活性炭吸附，去除废水中的污染物质。吸附饱 和的活性炭可在温度为1 8 0 一2 0 0 ，压力为o 1 m p a 的惰性气体和水蒸汽的混合 物吹出回收，活性炭经活化后可重复使用，但此法运行费用较高。 1 2 2 化学法 ( 1 ) 中和法：乙醛废水的p h 值在3 4 左右，这主要是废水中含有乙酸所致， 因此，可以加入2 0 的氢氧化钠溶液中和废水中的乙酸，此法只是一种简单的处 理方法，只能使废水的物质秃捕j 刿越雕1 酬! 弧囊篓 x 东北师范大学硕士毕业论文 机污染物( 乙醛、乙酸、丁烯醛) 的可生化性较好。用活性污泥法处理乙醛废水时， 醛的含量可以较高。如乙醛及丁烯醛的最大允许浓度分别为1 0 0 0 及6 0 0 m g ，l 。 运行参数如下：水力停留时间8 1 2 小时、p h 值7 8 、进水c o d c r 不高于1 0 0 0 m l 、 污泥龄2 4 天、曝气量是废水体积的4 0 倍。在上述运行条件下，出水c o d c r 可 在2 0 0 i n l 以下。此法在国外( 如日本) 有实际处理工程。但在处理乙烯一步氧化 法生产乙醛的废水，原水c o d 。，太高( 大约在3 2 0 0 m 以左右) ，需稀释到进水要 求，再用上述方法进行处理。这将造成处理设备体积和处理成本成倍增加的问题。 ( 2 ) 生物膜法：普通的生物膜法处理乙醛废水也有报导，但其如同传统活性 污泥法一样，进水c o d 不能太高。资料报导，有人用生物滤池进行乙醛废水处 理试验，在低浓度的条件下，停留时间8 1 2 h 处理系统对c o d 。去除率可达8 0 左右，随着进水c o d 的增加，去除率逐渐下降至4 0 左右。当进水c 0 d 达到 2 4 0 0 i n 叭。时，生物膜自行脱落，出水水质恶化，对c o d 没有去除效果。因此， 如用普通生物膜法处理乙醛废水仍需要稀释。 1 3 好氧生物处理技术发展概述 造成水体污染的主要成份绝大部分是有机物，现行的污水生物处理技术有两 种：一种为好氧生物处理，一种是厌氧生物处理。这两种生物处理工艺都源于水 体的自净化功能原理 引。一般城市污水主要污染物是易降解有机物，所以，目前 绝大多数城市污水处理厂都采用好氧生物处理法。 1 3 1 活性污泥法的发展 活性污泥法于1 9 1 4 年在英国曼彻斯特建成试验厂开创以来，已有九十余年 的历史，随着实际生产上的广泛应用和技术上的不断革新，特别是近几十年来， 在对其生物反应机理进行深入研究探讨的基础上，活性污泥法在生物学、反应动 力学的理论方面以及工艺方面都得到了长足的发展，出现了多种能够适应各种条 件的工艺流程，当前，活性污泥法已成为生活污水、城市污水以及有机性工业废 水的主体处理技术 。 随着工业的不断发展，有机工业废水的种类和数量在不断地增长，给活性污 泥处理工艺带来了新的问题。传统活性污泥处理工艺很难满足高浓度有机废水处 理要求，因此，人们不断研究探索中、高浓度有机废水处理技术及处理工艺【5 1 。 1 3 2 强化的好氧生物处理技术 生物处理技术的扩展分为厌氧生物前处理及强化的好氧生物处理技术【6 】。几 十年来对好氧生物处理技术的强化发展迅速，其主要目的是提高供氧能力，增加 东北师范大学硕士毕业论文 曝气池混合液中的溶解氧浓度，加快有机物生物降解速度，增大反应器的容积负 荷及进水浓度，减小反应器体积及工程占地面积，脱氮，除磷。先后出现了深水 曝气活性污泥法、深井曝气活性污泥法、纯氧曝气活性污泥法等强化活性污泥处 理工艺。 ( 1 ) 纯氧曝气活性污泥法 2 0 世纪4 0 年代就有人设想用氧气代替空气进行曝气，以提高曝气池混合液 溶解氧，进而提高曝气池生化反应速率。1 9 6 8 年美国建立纯氧曝气活性污泥处 理工艺，采用纯氧曝气，氧转移效率明显提高，氧利用率可达8 0 一9 0 ；曝气 池混合液m l s s 可达4 0 0 0 7 0 0 0 m g 几，能够提高曝气池的容积负荷：曝气池混合 液s 值较低，一般低于1 0 0 ，不易发生污泥膨胀现象；剩余污泥量少】。不 足之处，纯氧费用较高，运行费用增大。 f 2 1 深水曝气活性污泥法 2 0 世纪6 0 年代出现了深水曝气活性污泥法，曝气深度大于7 m ，由于水压 增大，加快了氧的传递效率，提高了曝气池混合液的溶解氧浓度，有利于活性污 泥微生物活性的提高和有机物的降解速率；同时由于曝气池深度增大，减少占地 面积叭。但由于水深提高有限，处理效果提高幅度不大。 ( 3 ) 深井曝气活性污泥法 2 0 世纪7 0 年代出现了深井曝气活性污泥法，曝气深度5 0 一6 0 m ，充氧能力大 大加强，可达传统曝气法的1 0 倍，动力效率高，占地面积少，处理功能不受气 候条件影响。该工艺适应于处理高浓度有机废水f 1 0 1 。由于该工艺需建造深井，施 工难度大，工程造价高：长时间运行，可能污染地下水。 f 4 ) 力口压曝气生物氧化法 加压曝气生物氧化技术是传统活性污泥法的强化，是继深井曝气、纯氧曝气 等新技术后的又一次对传统活性污泥法的改进。该项技术采用加压曝气，提高供 氧能力，增大生物反应器的污泥负荷，提高进水浓度及有机物降解速率，缩小水 力停留时间，减小反应器体积，减小占地面积，降低工程造价。 近些年，出现的依据加压曝气原理而设计的废水处理工艺，也是对传统活性 污泥法的改进与强化，如：加压溶氧废水生物处理工艺、加压生物接触氧化法处 理工艺。叭1 2 东北师范大学硕上毕业论文 1 4 加压曝气生物氧化法的基本原理及发展现状 1 4 1 加压曝气生物氧化法的基本原理 ( 1 ) 物理化学原理脚 好氧生物处理是利用生物的新陈代谢过程，经过一系列的生物化学反应，使 废水中的有机物最终被氧化为c 0 2 、h 2 0 及其它无机物，从而使废水得到净化， 微生物在降解有机物的代谢过程中所需要的氧通过曝气的方式来供给。供氧速率 越大，系统中微生物浓度可相应提高，活性亦越大，则降解有机物的速率越快； 设备容积负荷越大，所需设备体积越小。但目前国内普遍采用的生化处理方法， 由于采用常压曝气的方法供氧速率有限，而使得污泥浓度和处理效率的提高受到 限制。因为在低压条件下，氧在水中的溶解度与压力的关系可用亨利定律描述： e = 日尸 ( 1 1 ) 式中：c s 一一氧在水中的饱和溶解度( m l ) ； h 一一溶解系数，随温度而变( m g ，l 妞a ) ； p 一一氧在水表面的分压( k p a ) 。 上式还可以写为： d e = e 。二( 1 - 2 ) p o 式中：c 。一一压力为p 时氧在水中的饱和溶解度( m g ，l ) ； c 。o 一一压力为p o 时氧在水中的饱和溶解度( m g 门l ) 。 当水中溶解氧浓度低于饱和溶解度时，氧的传递速率为： 睾= k 。( e c ) ( 1 3 ) 口z 式中：k 一一氧总转移系数( 1 脚； c 一一水中实际溶解氧浓度( m 鲫l ) 。 由式( 1 ) 一( 3 ) 可知，压力越高，水中饱和溶解氧浓度越大，氧传递速率越快。 根据这一原理，在与普通生化法同样供气情况下，提高系统压力，可使氧传递速 率大为增加，从而使供给微生物生化反应所需的氧成倍增加。由于供氧充足，系 统可保持较高浓度的微生物并使微生物具有分解有机物的高活性，因而使设备容 积负荷和处理效率的提高成为可能。 ( 2 ) 微生物学原理f 1 3 1 4 】 加压曝气生物氧化法与常规活性污泥法一样，都是利用活性污泥微生物对有 东北师范大学硕士毕业论文 机污染物质的降解作用。在曝气的作用下，活性污泥得到足够的溶解氧，并和废 水充分接触，废水中的有机物被活性污泥吸附，并被活性微生物群体所分解，使 废水得到净化。 活性污泥中的微生物 活性污泥中的微生物群体，主要是由各种化能异养型细菌和原生动物组成， 此外，还存活着真菌和后生动物。原生动物以细菌为食料，后生动物则以细菌和 原生动物为食料。活性污泥中有机物、细菌、原生动物和后生动物组成了一个小 型的相对稳定的生态系统和食物链，如图1 1 所示。 - 食物的转移 一代谢产物的转移 图1 。1 活性污泥中的小型生态系统示意图 细菌是活性污泥净化功能最活跃的成分。废水中的可溶性有机物直接为细菌 所摄取，活性污泥的净化功能主要取决于其中存活细菌的数量，种属及其活性， 在活性污泥中对有机物降解起重要作用的细菌是动胶杆菌属、微球菌属、芽孢杆 菌属、产碱杆菌属、无色杆菌属等，这些种属的细菌都具有如下特征：( 1 ) 多属 于兼性异养型的原核细菌；( 2 ) 在有氧条件下，具有较强的分解有机物，并将其 转化为稳定的无机物质的功能；( 3 ) 在适宜的条件下，具有较高的增殖速率；“) 其中的动胶杆菌具有使成千上万细菌结成“菌胶团”( 生物絮凝) 的功能。其它种 属的细菌对形成微生物絮凝体也起到一定的作用。“菌胶团”是活性污泥法处理 废水的核心，只有它正常形成，发育良好，活性污泥才能发挥其净化废水的作用。 运行正常的活性污泥系统中，栖息在活性污泥上的原生动物数量大约为1 0 0 个m l 。原生动物主要以悬浮的有机物和细菌为食，因此，活性污泥上的原生动 物，在种属上和数量上都随处理的水质和细菌的存活状态不同而异。活性污泥中 出现的原生动物见图1 - 2 。 在活性污泥系统中，分解废水中的有机物的是细菌，原生动物是活性污泥系 统中的一次捕食者，而原生动物又被后生动物所捕食，后生动物成为二次捕食者。 在活性污泥系统中出现的后生动物主要是轮虫，线虫则偶见。出现频率较高的轮 东北师范大学硕士毕业论文 虫是旋轮科的转轮虫和腔轮科的腔轮虫。活性污泥中出现的后生动物见图1 3 。 图1 4 所示是废水净化过程中活性污泥微生物在数量和种类上的变迁。 图1 2 活性污泥上的原生动物 1 钟虫2 小口钟虫3 大草履虫 4 尾波多虫5 盖纤虫6 片状漫游虫 7 裂口虫8 变形虫9 表壳虫 1 0 肾形虫1 1 楣纤虫 量 图1 3 活性污泥中的后生动物 1 线虫2 轮虫 时问 图l 一4 废水净化过程中活性污泥微生物 在数量和种类上的变迁 活性污泥的净化反应过程 活性污泥系统对有机底物的降解通过以下几个阶段和一系列作用完成的。 a 絮凝、吸附、主动运输作用 在正常发育的活性污泥微生物体内，存在着蛋白质、碳水化合物和核酸组成 的生物聚合物，这些生物聚合物是带有电荷的电介质。因此，由这些微生物形成 的生物絮体，都具有生物物理化学吸附作用和凝聚沉淀作用，在其与废水中呈悬 浮状和胶体状的有机污染物接触后，能使它们失稳、凝聚，并被吸附在活性污泥 表面。 活性污泥具有很大的比表面积，能够与废水中的有机物广泛接触，在较短的 时间内( 1 5 4 0 m i n ) ，在吸附的作用下，能够去除废水中大量的呈悬浮和胶体状态 的有机污染物，使废水的b o d 值( 或c o d 值) 大幅度下降。 东北师范大学硕士毕业论文 吸附在活性污泥表面的大分子有 机物，首先在水解酶的作用下，水解 成小分子和废水中以小铬弭婴饔萤薹 霎篓知旺鏊蠢冀季霎奏嚣霉黉二 囊；兰摹薹萎薹霎。童耄芝鋈蓦誊 妻塞冀薹姜妻薹冀囊一摹蒌霉 一：霉囊二蓁冀善誊三塞霉一_ ， 攀攀囊警j 囊零羹蓄墨囊霉享妻霉# 攀季妻蘩毒雾| | z 毒? 塞萋；嘉喜 菱了荨耄擎耄萋毫一喜垂誊掌雾萋 x 东北师范大学硕士毕业论文 体，但从整体来看，其增殖过程是遵循一定规律的。图l 一7 所示是微生物的增殖 曲线。 从上图可知，活性污泥微生物的增殖分为对数增殖期、减衰增殖期与内源呼 吸期。在对数增殖期，有机废物浓度很高，微生物以最大的速率氧化分解有机物 和自身增殖。氧的利用率也很高。在减衰增殖期，有机底物浓度大大下降，微生 物的增殖和有机物的降解速率也大为降低，氧的利用速率也明显降低。在内源呼 吸期，有机物浓度很低，微生物增殖速率低于自身氧化速率，致使微生物总量逐 渐减少并衰亡。 ( 3 ) 微生物活性的变化 微生物的活性，是生物化学反应速度的决定性因素，间接地反应出废水中有 机污染物被降解的速度。微生物活性大，生化反应速度快，降解有机物的速度也 加快；污泥负荷率增高，容积负荷率也同时增大，减小了设备的容积，所以提高 微生物的活性，是废水生物处理的关键。 在活性污泥法处理系统中，担任处理任务的基本上都是好氧细菌。好氧细菌 的活性与许多因素有关，如p h 值，温度、抑制剂和水中的d o 等，前三种因素 在处理系统正常运行时都可以控制在最佳值，从而提高水中的d o 是提高微生物 活性的主要因素。 菌胶团是许多细菌和原后生动物聚结在一起的聚结体，在传统曝气法中，由 于混合液中的d o 不高( 1 2 m g l ) ，氧不能传递到菌胶团内部，致使菌胶团内部有 一个没有活性的厌氧中心。由于缺氧，这部分细菌失去了活性，不能参与好氧生 化反应。因此只有外部的微生物进行污染物降解，降低了污泥负荷。 加压曝气生物氧化法正是基于提高微生物活性及满足微生物降解有机物需 氧的要求，利用压力曝气，提高混合液中的d o ( 一般在5 7 m l ) 。一方面满足 了微生物降解有机物的需要，更重要地是，由于增加了水中的d o ，使水中的溶 东北师范大学硕士毕业论文 解氧能够透过菌胶团进入其内部，使整个菌胶团都处于良好的好氧状态，提高了 菌胶团内部微生物的活性，加快了生化反应速度及有机物降解速度，提高了系统 的污泥负荷及容积负荷。这就是加压曝气生物氧化法能够直接处理中高浓度乙醛 废水的技术关键所在。 1 4 2 加压曝气生物氧化法的发展现状 f 1 ) 国外发展现状 加压曝气生物氧化技术研究最早起源于日本。1 9 7 5 年，日本筱冢等人在水 处理技术杂志上发表了压力式活性污泥法处理醋酸废水的文章。该文章采用 2 0 升的加压曝气生物反应器对醋酸废水的处理进行了研究，研究结果表明：加 压曝气生物反应器的容积负荷是传统活性污泥法的2 5 倍( 随曝气压力增加而增 大1 【l5 1 。 1 9 8 6 年9 月日本科学家桥本奖、须藤隆一在其编著的新活性污泥法一 书中，阐述了提高曝气池混合液溶解氧可以用压力曝气的方法。虽然此书中未对 加压曝气法做详细讨论，但为后来的活性污泥法的改进提供了参考【1 6 。 1 9 9 4 年7 月的给水与废水处理国际研讨会上，德国的三位学者g w 7 a n ， k h n a u m ，k f s t a a b 发表的论文中介绍了他们的带有超滤装置的压力生物反应 器，并介绍了一个中试实验流程；1 9 9 6 年硒k 舢t h 等研究了一种利用纳滤和超 滤膜进行固液分离的加压曝气生物反应器；1 9 9 7 年a b e 砌口a y k v e l l i s 等 利用压力生物处理单元对降解b o d 、硝化进行了研究；r p i i l h e i r 0 ，i b e l o ，m m o t a 等利用压力水溶解空气改善好氧生物反应器氧的转移效率。口7 。2 5 1 f 2 1 国内发展现状 9 0 年代以来，国内一些学者开始对加压曝气生物氧化技术作了一些研究。 1 9 9 2 年山东环保所和山东纺织工学院采用压力接触氧化法处理啤酒废水、增塑 剂生产废水和处理丁辛酸废水。该项研究也表明：在加压曝气条件下，反应器可 承受较高的进水c o d 浓度，同时设备具有较高的容积负荷。青岛大学和青岛建 工学院利用压力生物氧化法处理印染废水试验研究，取得了较好的处理效果。该 项研究处理可生化性较差的印染废水，处理出水水质令人满意。1 9 9 4 年国家医 药管理局沈阳医药工业环境保护研究所也对加压曝气生化法进行了研究；1 9 9 8 年青岛大学化工系采用加压曝气生物处理煤气化废水；2 0 0 1 年泰安泰山市建委 等单位利用压力生物膜法处理屠宰废水的研究；2 0 0 2 年湖南轻工业高等专科学 校等单位利用加压曝气生物法处理制浆中段废水 2 6 - 3 0 】。 1 9 9 2 年起，吉林化工学院开始进行加压曝气活性污泥法处理乙胺废水、乙 醛废水、啤酒废水和印染废水的小试、中试研究，取得了良好的处理效果。采用 1 0 东北师范大学硕士毕业论文 加压生物氧化系统处理有机废水，进水c o d c r 浓度可达2 0 0 0 一3 0 0 0 m 叽，出水 达标( c o d c r 6 0 m g l ) ，设备容积负荷率高( 5 4 8 o k g ，m 3 d ) ；对于n h 3 一n 的 去除率高达9 0 一9 5 ，出水n h 3 - n 为1 0 1 5m 班；剩余污泥量小，为处理水 量的o 5 一1 0 ；占地面积小，为传统活性污泥法的1 4 1 3 【3 1 38 1 。 1 5 生物氧化法反应动力学研究进展 活性污泥反应动力学是从2 0 世纪5 0 年代发展起来的新兴科学，它能通过数 学式定量地或半定量地揭示活性污泥系统内有机物降解、污泥增长、耗氧等作用 与各项设计参数，运行参数及环境因素之间的关系【3 9 。 加压曝气生物氧化法自上世纪7 0 年代推出以来，国内外学者对加压曝气生 物反应器的研究基本上还是停留在小试及中试研究，只有少数用于工业化生产， 但都只是注重应用研究，对加压曝气生物氧化技术的诸多理论研究较浅，如：加 压曝气条件下氧的传质效率及传质动力学、加压曝气条件下有机物降解及微生物 生长动力学等。 1 6 本论文研究目的、意义与内容 1 6 1 研究目的及意义 为能够通过数学式定量地或半定量地揭示加压条件下活性污泥系统内有机 物降解、污泥增长、耗氧等作用与各项设计参数，运行参数及环境因素之间的关 系，本论文将对上述问题做进一步的研究，以便为加压生物氧化法处理乙醛废水 的工艺设计和运行管理提供依据。实验结果对于采用加压曝气生物氧化法处理中 等浓度有机废水的工艺设计、运行管理具有一定的实际指导意义。 1 6 2 研究内容 加压曝气生物反应器处理乙醛废水，采用空气压缩机曝气。通过调整曝气量 及曝气压力，测定反应器中溶解氧浓度随曝气量、曝气压力、水温等因素变化， 研究加压曝气条件下氧的传质规律，进而建立加压曝气条件下氧的传质动力学模 型。通过调整设备的进水浓度，微生物数量、溶解氧浓度、水力停留时间、污泥 负荷、生物固体平均停留时间等参数，研究在加压曝气条件下，微生物降解有机 物的动力学规律。具体内容为： ( 1 ) 加压曝气条件下氧的传质效率及传质动力学研究； ( 2 ) 加压曝气条件下有机物降解动力学研究： ( 3 ) 加压曝气条件下微生物生长动力学研究。 东北师范大学硕士毕业论文 2 1 实验材料及装置 2 实验部分 2 1 1 实验材料 ( 1 ) 废水 实验用废水取自吉林化学工业公司电石厂乙醛车间的乙醛生产废水，废水 c o d 。，浓度为2 7 0 0 3 2 0 0 m g l ，b o d 5 c o d f 0 5 0 一0 5 5 ，p h 值为3 4 ，不含 n 、p 等营养物质。乙醛废水的水质情况，详见表2 1 。 表2 。l 乙醛废水的水质情况一览表 睾黧 随工业器量而定 呼 鬻随酱定面 躲 鬣嚣蹴 ：皂：；五 丢 嚣， 蒜嚣善 由于乙醛废水中不含微生物代谢过程所必须的n 、p 元素，因而，在实验过 程中，必须向废水中投加营养盐。实验以尿素、磷酸三钠作为补充n 、p 元素的 表2 ，2 主要实验仪器一览表 东北师范大学硕士毕业论文 ( 4 ) 药品 实验过程中使用的主要药品及试剂见表2 3 。 表2 3 主要实验药品及试剂一览表 2 1 2 实验装置及流程 ( 1 ) 实验装置 实验主体设备由配水池、吸水池、加压曝气反应器、脱气池及沉淀池构成， 辅助设备有加压水泵、污泥回流泵、空气压缩机、流量计及压力表。加压曝气反 应器为自制碳钢设备，有效容积为5 0 l ，设备之间由耐压管连接。设备一览表见 表2 4 。 表2 4 实验设备一览表 ( 2 ) 工艺流程 加压曝气生物氧化法处理乙醛废水的工艺流程简图，见图2 1 。 东北师范大学硕士毕业论文 v 一1 0 1p 一1 0 1t 一10 1 p 一1 0 2 v 一1 0 2 v 一1 0 3 - _ _ _ _ _ o _ _ - 一_ _ _ _ _ _ o _ _ _ _ - 调节池进水泵 加压生物反应 污泥回流泵 脱气池 沉淀池 图2 1 乙醛废水处理工艺流程简图 乙醛废水在配水池中调节p h 值至6 7 ，并投加营养盐，混合均匀后放入吸 水池。废水经加压水泵加压后，由水流量计控制流量，进入加压曝气生化反应器 内，同时压缩空气经流量计控制流量也打入生化反应器内。在生化反应器内，废 水中的有机物被好氧微生物分解氧化。处理后的混合液流至脱气池中气液分离， 泥水混合液进入沉淀池中泥水分离，分离后的上清液达到排放标准，外排。沉淀 的活性污泥由污泥回流泵打回加压生化反应器内，多余的污泥排出系统外。压缩 空气除供给微生物氧气外，同时还起到搅拌作用，使微生物与废水充分混合接触， 尾气由塔顶排放。 反应器内压力由压力表显示，压力大小由进出的气量来协调控制，一旦生化 塔内的压力上升到一定值时，安全阀回自动泄压，使生化反应器内的压力保持基 本稳定。 2 2 分析项目及分析方法 2 2 1 分析项目 实验过程中的分析项目、样品来源、测定频次及分析方法，见表2 5 。 蚕焉 速 解阻嗲 氧 溶宅 跚 瓣篇觥 的 饱受缚 器 中矧落慧删 曝k清力 舯一一一一一 一一一一一一 挚争旷p礁 东北师范大学硕士毕业论文 实验观察的现象可知，在同样操作条件下，扩散器在乙醛废水中产生的气泡粒经 极为细小，使空气与废水充分接触，增加了k l 。，使得氧在清水及乙醛废水中 的扩散系数基本上相同。 ； ： ： k 氧茄水k l。= 2 6 1 3 h _ 1 心j l ! 心 ； ；q n 兑瓢石e 匿规“、 蕊 k l 州= 2 5 6 1h - 1 ji & 】 ， 0 1 02 o3 o4 o5 0 6 0 7 o 8 o 9 0 溶解氧( m 班) 图3 4 脱氧清水及脱氧乙醛废水的d c d t c 曲线 3 3 加压曝气生物反应器氧传质动力学模式的确定 对于加压曝气生物氧化法处理乙醛废水，反应器的氧传质动力学模式可用氧 传递速率方程表示为： 去_ o 9 8 墨棚_ 9 3 e - c ) ( 3 - 2 ) 由式3 2 可知：为了满足生物氧化法的高耗氧速率，可从曝气设备的两个方 面加以强化。 ( 1 ) 改变曝气器的结构，即采用中微孔曝气器，在相同曝气量的条件下，提 高曝气器的k 伽从而达到提高霉的目的。 饼 ( 2 ) 提高混合液中的饱和溶解氧c s ，也可以达到提高霉的目的。 d r 提高c s 的方法如前所述有：纯氧曝气法、深井曝气法、及加压曝气法，其 中本实验采用的加压曝气法相比之下有较大的优点，是提高曝气充氧能力的有效 措施。 2 1 珊 瑚 啪 如 fq】_po口 东北师范大学硕士毕业论文 4 加压活性污泥反应动力学的研究 4 1 概述 对活性污泥反应动力学的研究始于二十世纪五、六十年代，它通过数学式定 量地或半定量地揭示活性污泥系统内有机物降解、污泥增长、耗氧等作用与各项 设计参数、运行参数及环境因素之间的关系 2 1 。其主要内容包括： ( 1 ) 有机物降解动力学，涉及有机物降解与有机物浓度，生物量等因素之间 的关系； ( 2 ) 微生物增长动力学，涉及微生物增长与有机物浓度、生物量、增长量系 数等因素间的关系； ( 3 1 有机物降解与微生物增长、有机物降解与需氧、营养要求等关系。 在研究上述动力学内容时，建立的动力学模式都是以完全混合式曝气池为基 础，并且作了以下假定：活性污泥系统运行条件绝对稳定；活性污泥在二次 沉淀池内不产生微生物代谢活动，而且其量不变；系统中不含有毒物质和抑制 物质。但是，活性污泥反应是多种基质和多种混合微生物群体参与的一系列类型 不同、产物不同的生化反应的总和，受到系统中多种环境因素的影响，因此在研 究中应加以考虑【3 】o 加压曝气生物氧化法的典型工艺就是加压活性污泥法，其反应动力学研究， 即在加压曝气条件下研究活性污泥的反应，其内容基本同于常压活性污泥系统。 其主要目的是为加压活性污泥系统的运行提供适当的活性污泥反应动力学模式。 4 2 有机物降解动力学研究 4 2 1 有机物降解速率公式 活性污泥微生物降解有机物的反应总速率取决于起主导作用的酶催化反应 速率，酶促反应遵循米门公式，j m o n n o d 以米一门公式为基础，提出了微生 物降解有机物的莫诺特方程【2 】。 u ：! 唑竺 ( 4 一1 1 k j + s 式中：u 一一有机物比降解速度，d _ l ： u 一一有机物的最大比降解速度，d _ i ； 东北师范大学硕士毕业论文 s 一一有机物浓度，m 舭。； k s 一饱和常数，在数值上等于u = ! 粤时的有机物浓度，m g l 。 4 2 2 动力学参数l s 、1 ，。的求定 对舭，驯数扈吉= 卷- 【剖专+ 毒 计算相应的i s e 及x “s o s c ) ，以l s e 为横坐标，以x 战s o s e ) 为纵坐标 作图，得一直线，直线在纵轴上的截距为1 u ，。，直线斜率为k “u 。测定的 数据列于表4 1 中，以图解法求u 。和磁，见图4 1 。 表4 1 图解法求u 。k s 的实验数据 停留时间 s o s ex s d f s e f 日x | 鲁 t h ，m 弘m 牡彰l 抽班 m g ，la n g 见 2 7 6 94 4 5 86 2 1 2 9 o 2 5 7 6 3 2 0 45 8 72 9 o 2 6 4 5 4 0 8 16 1 22 9 5 2 s2 8 5 4 2 9 0 o5 8 62 7 0 23 7 1 _ 3 4 5 7 53 0 ，0 2 7 1 43 5 3 o 6 0 03 1 - o 2 6 9 54 4 1 465 23 2 ，o 2 6 2 83 8 1 45 ，8 03 3 ，5 2 7 3 33 3 0 26 3 63 4 o 3 1 3 41 9 2 57 0 2 2 4 5 3 0 2 02 3 5 56 8 2 2 6 o 3 03 1 8 l2 3 5 67 0 6 3 1 2 32 1 3 o5 2 3 52 7 5 3 0 0 6 2 l o 36 9 22 7 ，5 3 0 1 4 2 0 0 66 8 32 8 0 3 1 0 01 8 9 o 6 7 32 9 o 3 2 3 32 1 5 o7 ，1 03 1 ，o 巡墼麴k 旨 一 讨 井 ￥ 菠 图4 - 1 图解法求口。及k s 图解求得：硌= 6 2 m 观。 ”2 5 7 】4 一。 4 3 微生物增长动力学研究 4 ? 1 微生物增长速率公式 化可三霉篓禁微生物量因增殖而增加，同时又因内源代谢而减少，其综合变 化可用下式表示：。“剧川烬代阱丽减少，其综合变 警= r 磬一髟五 舯。二黧薹。g ( 链龇g ( 懒有恸； 一之卜 主二竺篡攀蝴哪身氧花￥j 淼懒h ，； 孑一微生物净增殖速率，m 拶仉d ) ： 一”“； 羹一反应器肉微生物浓度限也v 渤，m g 如 将公式4 2 中各项除以x v ，变形得： 东北师范大学硕士毕业论文 ( 2 ) a7 值的求定 将求得的b7 值代入4 5 式得： 0 2 = a q ( s o s e ) + 0 ，1 5 4 v x ，整理得： 胄：鱼：! ! 墨二曼2 + ! ：! ! ! 墨 h 7 1 矿 r 2 4 式中：r 一一混合液耗氧速率，m g 几h ；其它同前。 测定不同进水浓度、停留时间条件下的混合液耗氧速率r ，以鱼二墅为横 f 坐标，以r 为级坐标作图，直线的斜率即为a 值。实验数据列于表4 4 中，图 解法求a7 值见图4 - 4 。 表4 - 4 不同进水浓度及停留时间的混合液耗氧速率 霉 毫 邑 出 槲 删 碎 耀 目 赵 s 刊 停留时间 s o s 。 x v r 墨盘 竺竺竺! 竺竺竺竺：竺竺竺竺竺唑：!盘 2 5 1 4 8 61 3 0 。o4 5 7 54 3 5 65 4 2 4 3 0 4 0 1 5 6 2 1 9 】7 7 4 6 4 8 o 5 2 3 5 5 1 0 8 4 0 5 0 3 8 1 8 4 9 6 0 4 6 7 0 注：表中的数据为3 次实验的平均值。 y = 0 7 1 4 x + 4 8 3 0 r = 0 9 0 7 一，i 附率9 3，7 1 4 m 星0 2 ，m g b o d 。 ，7 4 5 0 5 0 0 ( s o s 。矾( m l h ) 图4 4 图解法求a ，值 2 8 5 5 0 东北师范大学硕士毕业论文 4 6 加压活性污泥法处理乙醛废水的动力学参数及模式 4 6 1 动力学参数 加压活性污泥法处理乙醛废水的动力学参数及普通活性污泥法动力学常数 列于表4 5 。 表4 5 动力学参数一览表 由上表，加压活性污泥法处理乙醛废水与普通活性污泥法处理城市污水的反 应动力学比较研究可知，有机物的最大比降解速度u 。，处于正常范围内，饱 和常数k s ，处于较高的水平。对于某种特定废水，u 。与b 都是不变的州，因 此，同一温度条件下，乙醛废水采用生物处理时的u 。与心是一确定值，与处 理工艺无关。但采用加压工艺可以使系统承受较高的废水浓度，因而，有机物的 去除率也将提高。 活性污泥的理论产率系数y 处于较低水平，衰减常数磁超出普通活性污泥 法的水平，说明采用此工艺处理乙醛废水，去除相同量的有机物时，由于活性污 泥微生物内源代谢的自身氧化率较高，使得系统的剩余污泥量较少，能够有效减 少污泥沉淀和处理的设备，这对乙醛废水的工业化处理具有实际意义。 4 6 2 动力学模式 ( 1 ) 有机物降解速率馘u = 篆 ( 2 ) 微生物增长速率模式：= o 2 2 0 u 。一o 1 0 9 ( 3 ) 有机物降解与微生物增长关系模式：x = o 2 2 0 q ( s o s e ) 一o 1 0 9 v x v ( 4 ) 有机物降解与需氧量关系模式：0 2 = 0 7 1 4 q ( s o b s 。b ) + 0 1 5 4 v x v 东北师范大学硕士毕业论文 5 结论与建议 5 1 结论 本论文所得结论如下： ( 1 ) 乙醛废水属中高浓度，具有毒害作用的有机废水。应用加压曝气生物氧 化法可提高有机物的降解能力，减少或消除毒性物质对微生物的毒害作用。 ( 2 ) 加压曝气生物反应器可以通过提高混合液的饱和溶解氧浓度而有效提高 其曝气充氧能力，使用该反应器处理乙醛废水的供氧能力可表示为： 砉0 1 9 5 托羽9 3 e “o ) ( 3 ) 加压曝气条件下，处理乙醛废水的活性污泥反应动力学，与常压活性污 泥系统相近。各动力学模式为： 有机物降解速率模式：u = 篆 微生物增长速率模式：吉2 o - 2 2 0 虬一o 1 0 9 有机物降解与微生物增长关系模