曝气生物滤池深度净化有机废水的研究

论文摘要

作为国民经济重要支柱产业的纺织行业，是用水和产生有机污染废水的大户。印染废水组分复杂，难降解物质多，难以用常规方法进行完全处理，因此开发印染废水深度处理装置及其工艺，研究其相关基础理论，无疑具有重要的学术意义与应用价值。本文采用廉价的有较大比表面积的非吸附性材料—陶粒作为微生物附着生长的载体，并以活性炭作为最后的把关段，构建了两段式复合滤料曝气生物滤池，系统研究了该滤池深度净化印染废水的影响因素、工艺条件、运行特性及其反应动力学和净化机理；针对含重金属印染废水，研究了纤维素基重金属吸附材料的制备技术及其对重金属离子的吸附性能；得到了如下主要结论：1．系统研究了曝气生物滤池工艺参数，如气水比、水力负荷（即HRT）、温度、进水浓度、pH等对有机物去除效果的影响。结果表明：当气水比为3、水力负荷在0.52m3／（m2·h）左右、HRT为1h、温度在25℃～30℃、pH值控制在7.0～8.6之间，曝气生物滤池对污染物的去除效率达到最佳，NH4+-N、CODcr、SS、浊度、色度的去除率分别达到89％、50％、80％、80％、75％以上，出水值分别低于1.2 mg／L、50 mg／L、10 mg／L、5 NTU、40倍，满足生活杂用水回用水质标准。2．研究了曝气生物滤池深度处理废水中同步硝化反硝化的影响因素及其机理，结果表明：曝气生物滤池能够进行同步硝化反硝化脱氮的原理在于其独特的结构特征和运行方式，利用该特性来实现氨氮指标达到回用标准是可行的。实验中表现出显著的短程硝化反硝化特征。影响同步硝化反硝化的主要因素有温度、DO、pH值和CODcr／N比等，在Q=4 L／h，HRT约为1 h，温度为20-28℃，DO为0.8-1.5 mg／L，pH值为7.2-8，CODcr／N为6.9-9.2时，同步硝化反硝化作用效果最明显，TN的去除率为最大，在上述的各种条件下TN去除率的平均值分别为63.4％、66.9％、65.5％和67.2％。3．研究了曝气生物滤池运行特性与滤层高度的关系。结果表明：曝气生物滤池对CODcr、NH4+-N、SS、浊度、色度的沿层去除作用主要发生在进水端以后60cm范围内。在本实验下，填料高度为100 cm已能满足出水的要求。4．研究了曝气生物滤池的运行周期及反冲洗工艺。结果表明：反冲洗强度和反冲洗时间是影响曝气生物滤池再生的最重要参数。本试验条件下，在确保出水浊度达到回用标准前提下，反冲洗顺序及最佳设计参数为气冲强度13 L／（m2·s），气水混冲中气冲强度为11 L／（m2·s）、水冲强度为3 L／（m2·s），水冲强度为5 L／（m2·s），冲洗历时分别为2、3、5分钟。该反冲洗工艺不仅具有良好反冲效果，而且可以节省能耗。得出在满足出水浊度＜5 NTU的条件下，本实验条件下的最大水头损失为100 cm，过滤周期为5 d。5．探讨了曝气生物滤池净化机理及反应动力学。得出如下两点主要结论：（1）推导出了CODcr去除率与填料高度的关系式：H=ln（Si／S）／（H=K′lSim（Q／A）n）通过试验，求得参数Kl’=3.65，m=-0.1727，n=-0.1754，从而得出了本试验条件下CODcr去除率与填料高度的关系式：H=ln（Si／S）／3.65Si-0.1727（Q／A）-0.1754（2）建立了BAF动力学方程，通过试验求得了动力学参数和不可生物降解的物质：Vmax=44.2g／m3·h，Ks=35.4 mg／L，Sn=12.5 mg／L。得出BAF的基质（CODcr）降解动力学模型为：V=Vmax·（Sf-Sn）／（Ks+（Sf-Sn））=44.2·（Sf-12.5）／（35.4+（Sf-12.5））因此，染料废水深度处理中难以生物降解物质浓度占进水浓度的比例大于10％。在本试验中，Ks／Vmax的值趋向于1，深度处理中的染料水降解性能较差。6．开发了一种纤维素基重金属吸附材料的制备技术，初步探索了曝气生物滤池对含重金属印染废水的深度处理工艺。结晶结构为纤维素Ⅰ的天然纤维素基本不能吸附重金属离子，也难以被氧化而引入具有离子交换吸附能力的羧酸基团，本文用NaOH溶液对天然纤维素进行改性以提高其被氧化能力，以TEMPO-NaOCl-NaBr体系作为氧化剂选择性氧化纤维素葡萄糖基环的伯羟基成羧基，系统地研究了碱处理条件对TEMPO-NaOCl-NaBr体系氧化天然纤维素反应能力的影响，测试和表征了氧化产物的结构及其对Cu2+和Cd2+的吸附性能。结果表明，碱处理后，天然纤维素的C6位伯羟基能够被选择性氧化成羧基，NaOH溶液的浓度高，碱处理的时间长，均会使天然纤维素的氧化反应加快。引入羧基后，天然纤维素对重金属离子的吸附能力大大增强，平衡吸附量随羧基含量的增加而增大，但是以25 wt％NaOH溶液处理天然纤维素为原料制备的羧基含量为14.98 wt％的氧化纤维素，因为部分溶解于水而使得其吸附效率降低。氧化纤维素对Cu2+和Cd2+的吸附遵循Langmuir等温吸附模型。羧基含量同为5.12 wt％时，以25 wt％NaOH溶液处理天然纤维素为原料制备的氧化纤维素的吸附能力要稍强于以15 wt％NaOH溶液处理天然纤维素为原料制备的氧化纤维素，但前者的聚合度要大大低于后者，因而后者更适合置于曝气生物滤池的调节池中对重金属离子进行预处理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 概述
• 1.1 前言
• 1.2 含染料有机废水深度处理技术的国内外现状
• 1.2.1 物理法
• 1.2.2 化学法
• 1.2.2.1 混凝法
• 1.2.2.2 氧化法
• 1.2.2.3 电化学法
• 1.2.3 物理化学法
• 1.2.4 生物法
• 1.2.5 联用技术
• 1.2.5.1 生物活性炭（BAC）在城市污水及含染料有机废水深度处理中的应用
• 1.2.5.2 生物陶粒在水处理中的应用
• 1.3 曝气生物滤池（BAF）
• 1.3.1 曝气生物滤池的发展简介
• 1.3.2 BAF基本工作原理和工艺特点
• 1.3.3 曝气生物滤池主要形式
• 1.3.4 曝气生物滤池在废水深度处理中的应用
• 1.3.5 曝气生物滤池目前研究的重点
• 1.4 课题的提出及研究意义
• 1.5 研究对象
• 1.6 研究内容
• 1.7 研究方法
• 1.8 课题的创新性
• 参考文献
• 第二章 试验概况与研究的内容
• 2.1 试验概况
• 2.1.1 试验水质
• 2.1.2 试验装置及工艺流程
• 2.1.3 试验设备及参数表
• 2.2 试验材料
• 2.2.1 曝气生物滤池中填料的选择原则
• 2.2.2 活性炭的选择
• 2.2.3 陶粒的选择
• 2.2.4 填料组合的优点
• 2.3 试验目的与测试分析项目
• 2.3.1 试验目的
• 2.3.2 测试项目及方法
• 2.3.3 色度测试方法
• 2.3.4 有关测试标准曲线
• 参考文献
• 第三章 曝气生物滤池的启动
• La)的测定'>3.1 氧总传递系数(K_La)的测定
• 3.1.1 基本原理
• 3.1.2 试验方法
• 3.1.3 试验结果与讨论
• 3.2 曝气生物滤池的挂膜
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.2 试验方法
• 3.2.3 试验结果与讨论
• 3.3 曝气生物滤池的挂膜过程及理论分析
• 3.3.1 曝气生物滤池挂膜的启动
• 3.3.2 曝气生物滤池挂膜过程的理论分析
• 3.3.3 曝气生物滤池中微生物相的分析
• 3.4 本章结论
• 参考文献
• 第四章 曝气生物滤池运行的影响因素及工艺参数优化
• 4.1 气水比对污染物去除的影响
• 4⁺-N去除效果的影响'>4.1.1 气水比对NH₄⁺-N去除效果的影响
• 4.1.2 气水比对CODcr去除效果的影响
• 4.1.3 气水比对SS去除效果的影响
• 4.1.4 气水比对色度和浊度去除效果的影响
• 4.2 气水比理论计算和实验验证
• 4.3 水力负荷对污染物去除的影响
• 4.3.1 水力负荷对CODcr去除的影响
• 4⁺-N去除的影响'>4.3.2 水力负荷对NH₄⁺-N去除的影响
• 4.3.3 水力负荷对SS去除的影响
• 4.3.4 水力负荷对浊度、色度去除的影响
• 4.4 温度对污染物去除的影响
• 4⁺-N去除的影响'>4.4.1 温度对NH₄⁺-N去除的影响
• 4.4.2 温度对CODcr去除的影响
• 4.5 进水浓度对污染物去除效果的影响
• 4.5.1 有机物浓度对反应器去除效果的影响
• 4.5.2 氨氮浓度对反应器去除效果的影响
• 4.5.2.1 氨氮浓度对氨氮去除的影响
• 4.5.2.2 氨氮浓度对有机物去除的影响
• 4⁺-N去除的影响'>4.6 pH对CODcr及NH₄⁺-N去除的影响
• 4.7 本章结论
• 参考文献
• 第五章 曝气生物滤池中的同步硝化反硝化
• 5.1 传统生物脱氮机理
• 5.1.1 同化作用
• 5.1.2 氨化作用
• 5.1.3 硝化作用
• 5.1.4 反硝化作用
• 5.2 生物脱氮的其它理论
• 5.2.1 好氧反硝化
• 5.2.2 厌氧氨生物氧化
• 5.2.3 亚硝酸型生物脱氮
• 5.3 同时硝化反硝化
• 5.4 BAF深度废水处理中同步硝化反硝化现象及影响因素
• 5.4.1 沿程脱氮影响因素及短程硝化反硝化现象
• 5.4.1.1 试验概况
• 5.4.1.2 试验结果与分析
• 5.4.2 同时硝化反硝化（SND）影响因素
• 5.4.2.1 试验概况
• 5.4.2.2 试验结果与分析
• 5.5 BAF中同步硝化反硝化的机理探讨
• 5.5.1 同步硝化反硝化影响的机理
• 5.5.1.1 pH值
• 5.5.1.2 温度
• 5.5.1.3 DO、底物和BAF结构
• 5.5.2 生物膜中细菌种群的分布特征和各种群之间的相互关系
• 5.6 本章结论
• 参考文献
• 第六章 曝气生物滤池的运行性能与滤层高度的关系
• 6.1 污染物沿滤床深度去除效果
• 6.1.1 有机物沿滤床深度去除效果
• 4⁺-N沿滤床深度去除效果'>6.1.2 NH₄⁺-N沿滤床深度去除效果
• 6.1.3 SS沿滤床深度去除效果
• 6.1.4 浊度沿滤床深度去除效果
• 6.1.5 色度沿滤床深度去除效果
• 6.2 水力负荷对曝气生物滤池沿程去除污染物的影响
• 6.2.1 沿程对有机物去除效果的影响
• 6.2.2 对氨氮去除效果的影响
• 6.2.3 对SS去除效果的影响
• 6.2.4 对浊度去除效果的影响
• 6.2.5 对色度去除效果的影响
• 6.3 本章结论
• 参考文献
• 第七章 曝气生物滤池的运行周期及反冲洗
• 7.1 滤池的运行周期
• 7.2 运行周期的试验确定
• 7.2.1 通过水头损失判断运行周期
• 7.2.1.1 试验概况
• 7.2.1.2 试验结果
• 7.2.2 通过出水水质判断运行周期
• 7.2.2.1 试验概况
• 7.2.2.2 试验结果
• 7.3 曝气生物滤池（BAF）反冲洗
• 7.3.1 滤池反冲洗目的
• 7.3.2 滤池反冲洗原理及方式
• 7.3.2.1 单一水反冲洗技术面临的难题
• 7.3.2.2 气水反冲洗工艺原理及应用
• 7.3.3 反冲洗强度和时间的确定
• 7.3.3.1 反冲洗强度的确定
• 7.3.3.2 反冲洗时间的确定
• 7.4 反冲洗效果的评价
• 7.4.1 滤池生化恢复时间
• 7.4.2 滤池反冲洗前后微生物耗氧速率的变化
• 7.4.3 滤池反冲洗前后载体表面膜的状况
• 7.5 本章结论
• 参考文献
• 第八章 曝气生物滤池净化机理及反应动力学的探讨
• 8.1 曝气生物滤池的净化机理
• 8.1.1 生物膜降解有机物的机理
• 8.1.2 生物膜一般结构与种群分布
• 8.1.3 生物活性炭降解有机物的机理
• 8.2 曝气生物滤池（BAF）反应动力学的研究
• 8.2.1 基本方程
• 8.2.1.1 液膜扩散方程
• 8.2.1.2 基质在生物膜内的扩散传质及生物降解
• 8.2.1.3 生物膜内的微生物生长与自身氧化之间的关系
• 8.2.1.4 边界条件
• 8.2.2 曝气生物滤池动力学模型
• 8.2.2.1 几点假设
• 8.2.2.2 模型求解
• 8.2.3 模型在试验中的运用
• 8.2.3.1 CODcr去除率与填料高度关系式的确定
• 8.2.3.2 BAF降解动力学的探讨
• 8.3 本章结论
• 参考文献
• 第九章 纤维素基离子交换吸附材料的制备及其在曝气生物滤池处理含重金属有机废水中的初步应用
• 9.1 试验概况
• 9.1.1 纤维素基离子交换吸附材料的制备及其结构表征
• 9.1.1.1 原料与试剂
• 9.1.1.2 天然纤维素的碱处理改性
• 9.1.1.3 碱处理天然纤维素的氧化及其产物的处理
• 9.1.1.4 氧化产物羧基质量分数的测定
• 9.1.1.5 氧化产物的FTIR分析
• 9.1.1.6 氧化产物的广角X衍射（WAXD）分析
• 9.1.1.7 氧化产物的固相核磁共振波谱分析
• 9.1.2 氧化纤维素吸附性能的测定
• 9.1.2.1 静态吸附容量
• 9.1.2.2 等温吸附
• 9.1.3 复合式BAF滤池处理含重金属有机废水
• 9.1.3.1 试验水质
• 9.1.3.2 试验装置及工艺流程
• 9.2 结果与讨论
• 9.2.1 碱处理纤维素的氧化及其产物的结构表征
• 9.2.1.1 碱浓度对碱处理纤维素选择性氧化速率的影响
• 9.2.1.2 碱处理时间对纤维素选择性氧化速率的影响
• 9.2.1.3 碱处理纤维素氧化产物的结构表征
• 9.3 碱处理纤维素氧化产物的吸附性能及影响因素
• 9.3.1 羧基含量的影响
• 9.3.2 吸附时间的影响
• 9.3.3 纤维素浆粕的碱处理浓度的影响
• 9.4 复合式BAF处理含重金属有机废水的初步探索
• 9.5 本章结论
• 参考文献
• 第十章 全文总结
• 攻读博士学位期间发表及待发表的论文
• 致谢