污水处理过程中曝气方式对挥发性有机物排放量影响研究

摘要

针对污水处理厂逸散挥发性有机物(VOCs)会加重城市雾霾，影响大气环境。为了降低污水处理过程中挥发性有机物(VOCs)的排放总量，针对SBR处理工艺，设计了实验装置，在保证出水水质的前提下实验研究了曝气强度和曝气方式对VOCs的排放量影响。首先实验比较了污水处理过程中不同阶段产生的VOCs总量，证实了其排放主要集中在曝气阶段，然后开展了不同曝气强度、不同曝气方式（渐强、渐弱、均匀）对VOCs排放量影响试验，得到了初步结论，最后利用响应面法对试验参数(曝气强度、曝气时间、进水COD)进行了优化，研究结果可为污水处理厂以降低VOCs的排放量为目标的优化运行提供依据。
　　主要结论如下:
　　(1)曝气阶段水体不断扰动，伴随着曝气气泡的逸出，挥发性组分不断从液相扩散到气相中，VOCs从污水中被吹脱出来，曝气阶段VOCs的排放量占各阶段排放总和的88.34％，远远高于其他阶段。在曝气阶段刚开始时，VOCs逸散浓度急剧上升，在4-6分钟达到峰值，然后呈下降趋势，在50-60分钟时趋于平缓，直至曝气阶段结束。
　　(2)不同曝气强度条件下，随着曝气强度的增加，VOCs的峰值浓度也在逐步递增。不同曝气时刻的VOCs沿程浓度也随着曝气强度的增加而增加。同时，随着曝气强度的增加，VOCs的排放总量也呈现递增趋势，这跟其沿程变化图中的峰值趋势一致，进一步验证了VOCs的排放量与水体扰动的剧烈程度有关，扰动越大，VOCs的排放量越大。曝气强度在175mL/min时，不仅可以保证出水水质的去除率，还能尽可能的减少VOCs的逸散，在均匀曝气条件下，175mL/min的曝气强度是最优状态。
　　(3)不论是刚开始曝气1h内，还是整个曝气阶段，随着曝气强度的增加，水体中的TOC去除量是逐渐增加的。而在不同曝气强度下，被空气吹脱出来的VOCs的量始终占水体TOC去除量的千分之一左右。
　　(4)将均匀曝气作为渐强、渐减均为零的特殊情形，分别研究了渐强曝气、渐减曝气、均匀曝气这三种不同曝气方式下，VOCs沿程排放关系和排放量的不同情况。曝气刚开始时，渐变曝气方式的VOCs逸散浓度变化趋势与均匀曝气一致，依旧是先急剧上升，在4-6分钟达到峰值，然后呈下降趋势。当每隔一个小时变化一次曝气强度时，VOCs逸散浓度发生阶梯性的变化，且渐强曝气的VOCs逸散浓度阶梯型增加，而渐减曝气的VOCs逸散浓度阶梯性减小。均匀曝气在后续的曝气过程中，VOCs逸散浓度趋于平缓状态。
　　(5)同样的四组曝气强度，渐减曝气对VOCs的贡献量显著低于渐强曝气和均匀曝气，从VOCs的逸散角度论证了渐减曝气的优势。相较于均匀曝气和渐强曝气，渐减曝气的VOCs排放量分别减少了19.51％和17.38％，总曝气量分别减少了7％和0％，既减少了VOCs的逸散，又降低了污水处理过程中的能源消耗。
　　(6)利用响应面法对影响VOCs产生量的三个因素:曝气强度、曝气时间、COD进行优化分析并建立数学回归模型。通过方差分析模型拟合精度好，可以利用该响应面法得出的近似模型进行后续的优化研究设计。被研究的整个回归区间范围内该回归模型对试验结果的拟合度较好，试验的误差较小。曝气强度、COD、曝气时间各交互项之间均存在极其显著的交互作用。三个因素对VOCs排放量的影响为曝气强度的影响最大，其次是COD、曝气时间，且作用均极显著。
　　(7)在反应过程中控制曝气强度在175mL/min左右，通过软件优化功能，COD、曝气时间最优解分别为230mg/L、3h时，VOCs排放量的最小响应值为19.6257mg/(m3·d)。对优化所得的理论最佳条件进行验证，响应面分析法拟合出的模型较真实地表达了实际情况，方法可靠。

目录

摘要

1 绪论

1．1 综述

1．1．1 城镇污水处理厂挥发性有机物(VOCs)的特性及危害

1．1．2 污水处理产生挥发性有机物(VOCs)的国内外研究现状

1．1．3 气体检测仪测定气体中VOCs的研究

1．1．4 多因素实验优化设计方法

1．2 课题的提出

1．3 研究目的与内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

1．4 技术路线

2 曝气强度对VOCs产生的影响

2．1．1 试验装置

2．1．2 实验内容

2．1．3 接种污泥和实验用水

2．1．4 分析与计算方法

2．2 结果与讨论

2．2．1 实验的启动以及曝气强度的确定

2．2．2 SBR工艺各阶段VOCs产生量的关系比较

2．2．3 不同曝气强度VOCs沿程变化分析

2．2．4 不同曝气强度VOCs产生量分析

2．2．5 不同曝气强度下污染物变化关系分析

2．3 本章小结

3 曝气方式对VOCs产生的影响

3．1 材料与方法

3．1．1 试验装置

3．1．2 试验内容

3．1．3 试验用水和用泥

3．1．4 试验和计算方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 不同曝气方式下出水污染物去除率分析

3．2．2 不同曝气方式VOCs沿程变化分析

3．2．3 不同曝气方式VOCs产生量分析

3．2．4 污水处理厂的VOCs排放量推算

3．3 本章小结

4 基于VOCs减排的工艺参数优化

4．1 材料与方法

4．1．1 试验装置

4．1．2 试验内容

4．1．3 试验用水和用泥

4．1．4 实验方法

4．2 结果与讨论

4．2．1 构建模型及检验

4．2．2 响应曲面分析与优化

4．2．3 模型求解及验证

4．3 本章小结

5 结论与建议

5．1 结论

5．2 建议

参考文献

致谢

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