微污染水源水处理集成技术研究(气浮-生物接触氧化-沸石过滤)

摘要

对于微污染水源水，常规工艺有时不能有效去除氨氮、CODMn等以满足日益严格的水质标准。结合我国国情，本课题基于小城镇科技发展重大项目(2003BA808A17)，开发出一种处理受污染水源水的集成技术，并研究去除机理和工艺参数，为多级保障饮用水安全提供技术途径。本研究将气浮工艺与生物膜反应器集成，以防止泥沙沉积影响生物处理和利用气浮水充氧效果，并将深度处理“O3-GAC＂工艺优化为“O3-沸石-GAC”工艺。通过中试试验，研究运行参数对去除效果的影响，探讨反应动力学和去除机理。试验结果表明：高温下挂膜三周后，以CODMn和氨氮去除率与NO2-N浓度变化规律判定生物膜成熟，反应器启动较快。随溶气罐压力和回流比增大，气浮出水DO浓度增长率高达50～350％，滤罐填充溶气填料时出水DO明显提高0.8～1.5mg/L。原水浊度90％左右由气浮去除。水力负荷或浊度负荷较大时，去除负荷提高3～4倍，组合工艺出水浊度低于2NTU。集成技术对叶绿素a去除率高于90％，且以气浮为主，滤罐为辅。藻类负荷或水力负荷较高时，除藻率均90％以上。AGP受温度和加药量影响明显，高温时超出低温20倍。高温下，CODMn总去除率大于80％，出水浓度低于3.0mg/L，低温时也在50％以上。有机物分子量分布试验表明，大分子有机物以气浮去除为主，小分子量则依靠接触区和滤罐生物作用降解。气浮出水UV254和UV4l0均显著下降，沸石过滤后两者降低也较明显。集成工艺沿程DOC去除率为26～38％，气浮和接触区的去除效果较好。各区出水的吸光值均在低波长紫外段，最终出水的190～235nm吸光值显著升高，235～400nm段则降低，与原水比较分子趋向饱和化和简单化。反应器性能评价上，对灰色关联度进行改进，结果表明气浮操作条件对除浊效果影响作用由大到小依次为进水浊度、回流比、加药量、水温和水力负荷。以量纲分析和π定理，推导出滤罐过滤性能指标。利用模糊数学权重计算方法，对工况进行评价表明，HRT为1.0h时，综合指标最小，去除效果和经济性较好。集成工艺接触区出水NH3-N浓度显著下降50％以上，NO2-N和NO3-N浓度增长10倍左右。滤罐过滤后，NH-13-N去除近50％，NO2-N浓度较低，NO3-N则明显上升。进水增至1.5m3/h，接触区和滤罐的氨氮去除率仍达50％左右，前者受进水CODMn影响较大。高温期，氮挥发速率较大，风速4.5m/s时为4.8mgN/m2/d，动力学方程的KN'和a较大。分析气态氮和微气泡碰撞频率公式可知，温度越高，气泡直径越大，气体分子量越小则碰撞速率越快。硝化速率和耗氧速率试验表明，旋转填料和沸石的硝化速率在1h内均高于1.0mg/L/h，之后则显著降低，上层旋转填料和下层的沸石硝化能力较强。下层旋转填料的耗氧速率为0.7743mgO2/L/h，略高于上层，沸石的OUR则仅为接触填料50％左右。气浮去除机理方面，分形维数随加药量增加先变小后增大，投加15mg/L混凝剂时，分形维数较小，除浊效果较好。对于疏水絮体，气泡优先在絮粒表面析出，表面自由能下降较多，体系趋于稳定。析出气泡存在最小直径，上升时气泡变大以保持压力平衡。粘附率方程表明，增加气泡体积密度、提高絮粒和气泡附着几率和延长气浮时间可提高气浮去除效果。对气泡和絮体群体受力分析后，推导出上升速度和气泡最大吸附颗粒数。若颗粒数小于临界值，气泡将浮升。上升速度随附着的颗粒数变化，群体直径较大时则较快。滤罐溶气速率随时间延长而增长变缓。为了提高空气份额，可采取延长混合长度、增加湿润周界或提高摩擦系数。推导多组分空气溶解方程后发现，空气先溶解再释放后，氧气所占比例下降，滤罐空气层中可能积累O2。由滤料吸附颗粒模型可知，反应常数受活化能、温度、粘附层厚度、沸石和颗粒粒径等影响，吸附率受被吸附物浓度影响较大。建立滤层生物降解模型后可知，水力负荷对反应速率常数影响较明显，膜龄受反冲洗强度和周期影响较大，稳态生物膜量为最大饱和度与衰减系数和增殖系数商的差值。工程应用上，对泥沙沉积、反冲洗、低温强化处理等方面分析后，提出了相应措施。除螺试验表明，预加氯、加次氯酸钠和水力冲刷等方法的效果不理想，排空后再反冲洗较好，而生物接触氧化区前置气浮则完全避免长螺。某水厂作为基金示范工程以集成技术处理微污染水源水，对浊度、藻类和氨氮效果良好，有效保障了饮用水水质安全。从理论和经验上，探讨了单基质负荷法、多因子拟合法、经验作图法和基质动力学法等四种设计方法。关键词：气浮，生物接触氧化，生物沸石，微污染水源水

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 引言

1.1我国水资源现状

1.2水源污染的危害

1.2.1氨氮

1.2.2藻类

1.2.3有机物

1.3气浮工艺

1.3.1发展历史

1.3.2研究现状

1.4生物接触氧化工艺

1.5沸石应用

1.5.1特性

1.5.2研究和应用现状

1.6生物处理控制和反应器模拟研究进展

1.7研究背景

第2章 试验目的与研究内容

2.1功能组合

2.2研究目的

2.3设计要点

2.3.1功能分区

2.3.2压力和水深

2.3.3气浮卷吸

2.3.4推流

2.3.5死角

2.3.6导流墙

2.3.7流速

2.3.8溶气填料和生物滤料

2.3.9回流

2.4试验装置

2.4.1中试装置

2.4.2气浮区

2.4.3接触氧化区

2.4.4沸石滤罐

2.5研究内容

2.6技术路线

2.7试验方法

2.8创新点

2.9理论意义和实际价值

第3章 除污染效果和性能评价

3.1启动

3.1.1 CODMn、NH3-N和NO2-N

3.1.2 DO变化

3.1.3微生物相

3.2溶解氧

3.2.1需氧量

3.2.2上升气泡传质

3.2.3气体传质

3.2.4水深和压力

3.2.5气体溶解过程

3.2.6气浮回流比

3.2.7溶气罐压力

3.2.8气水比和溶气填料

3.3浊度

3.3.1气浮回流比影响

3.3.2混凝剂投加量影响

3.3.3进水浊度负荷影响

3.3.4水力负荷影响

3.4藻类

3.4.1气浮回流比影响

3.4.2混凝剂投加量影响

3.4.3进水藻负荷影响

3.4.4水力负荷影响

3.4.5藻类总数和AGP

3.5 CODMn

3.5.1酶促反应

3.5.2气水比

3.5.3进水有机负荷

3.5.4水力负荷

3.5.5 DCOD

3.6有机物

3.6.1有机物分子量分析

3.6.2 UV254和UV410

3.6.3 DOC

3.6.4紫外全波段波长

3.7 pH

3.8气浮机效果

3.9性能和水质评价

3.9.1 AHP结构模型

3.9.2改进的灰色模型

3.9.3滤罐综合性能指标

3.10本章小节

第4章 氮的形态转化和机理

4.1氮形态和转化

4.1.1存在形态

4.1.2氨氮转化途径

4.1.3氮的沿程形态变化

4.1.4气浮除氮机理

4.2氨氮挥发

4.2.1 NH3特性

4.2.2热力学

4.2.3气泡和氮碰撞模型

4.2.4气液传质扩散

4.2.5气泡内气体扩散

4.2.6挥发速率测定

4.2.7挥发动力学

4.3氨氮去除效果

4.3.1气水比影响

4.3.2水力负荷影响

4.3.3 CODMn负荷影响

4.3.4氨氮负荷影响

4.3.5氨氮去除对硝化程度影响

4.3.6滤罐回流对硝化程度影响

4.3.7悬浮填料强化接触区

4.4硝化速率

4.5 OUR

4.6本章小节

第5章 气浮机理

5.1分形理论

5.2气浮热力学

5.3微气泡析出

5.4动力学

5.4.1 Gibbs自由能

5.4.2微气泡直径和压强

5.4.3气泡和絮体碰撞

5.4.4粘附率

5.4.5上升速度

5.5本章小节

第6章 滤罐溶气和除污染机理

6.1溶气机理

6.1.1接触柱

6.1.2多组分空气

6.2生物膜传质

6.2.1氨氮扩散

6.2.2细胞膜传质

6.3离子交换

6.4沸石吸附

6.5滤层生化模型

6.6滤罐回流

6.7微生物增殖

6.8膜龄

6.9本章小节

第7章 运行管理和工程设计

7.1运行管理

7.1.1螺

7.1.2泥沙沉积

7.1.3反冲洗

7.1.4低温

7.1.5风和雨

7.1.6浮渣处置

7.2工程应用实例

7.2.1背景

7.2.2工程改造

7.3工程设计方法

7.3.1反应器形式

7.3.2去除动力学

7.3.3设计方法

7.4本章小节

第8章 结论和展望

8.1结论

8.2进一步工作的方向

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果