（礦物加工工程專業(yè)論文）磁性載體三相生物流化床性能優(yōu)化試驗研究.pdf

北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 強(qiáng)化污水生物處理，其關(guān)鍵的技術(shù)條件一是提高處理設(shè)備單位容積內(nèi)的生物量，二 是強(qiáng)化傳質(zhì)作用，加速有機(jī)物從污水中向微生物細(xì)胞的傳遞過程。三相生物流化床工藝 的應(yīng)用取得了進(jìn)一步提高污水生物處理強(qiáng)化上述兩項條件的效果，是污水生物處理技術(shù) 的一個重要發(fā)展方向。載體材質(zhì)的選擇對三相生物流化床生化處理效果起著至關(guān)重要的 作用，目前國內(nèi)外采用的生物載體都有或多或少的缺點。因此，研究探索新型載體是促 進(jìn)生物流化床技術(shù)發(fā)展的一個重要方面。 本文改變了三相生物流化床磁性載體的循環(huán)方式，考查了磁鐵礦為載體的三相生物 流化床載體外循環(huán)不同提升方式對于磁性載體三相生物流化床的影響；對于以不同粒度 的磁鐵礦貧連生體為載體的內(nèi)循環(huán)三相生物流化床進(jìn)行了試驗研究；通過建立理論模 型，從理論上分析了內(nèi)循環(huán)三相生物流化床載體密度與粒度之間的定量關(guān)系。以 0 0 4 3 0 0 7 6 m m 的磁鐵礦為載體的三相生物流化床，采用載體氣提和泵提外循環(huán)方式 處理模擬生活污水，c o d 去除率和水力停留時間同載體內(nèi)循環(huán)方式基本一致，但是總 能耗分別能減少3 5 和2 b 。采用粒度為0 0 4 3 0 0 7 6 r a m 、平均密度為3 6 9 c m 3 的磁鐵 礦貧連生體作為內(nèi)循環(huán)三相生物流化床的磁性載體，處理模擬生活污水，能在1 1 天完 成掛膜，且在氣水比為3 5 ：1 的條件下，穩(wěn)定出水c o d 為3 3 m g l ，c o d 去除率9 2 ； 流化床內(nèi)載體流化狀況良好，掛膜載體之間無團(tuán)聚現(xiàn)象，運行穩(wěn)定。 本文從理論上分析了三相生物流化床載體密度與粒度之間的定量關(guān)系，對進(jìn)一步的 研究工作具有指導(dǎo)意義。 關(guān)鍵詞：三相生物流化床，磁性載體，磁鐵礦 北京科技大學(xué)碩十學(xué)位論文 s t u d yo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h r e e - p h a s eb i o l o g i c a lf l u i d i z e db e d w i t hm a g n e t i cc a r r i e r t oi n t e n s i f yw a s m w a t e r st r e a t m e n tb yb i o l o g i c a lw a y , t h ek e yt e c h n o l o g i e sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t oi n c r e a s et h eq u a n t i t yo fm i c r o o r g a n i s mi nau n i tv o l u m e ；s e c o n d l y , t oi n t e n s i f yt h e m a t e r i a l st r a n s m i s s i o na n da c c e l e r a t et h es p e e do fo r g a n i s mf r o mw a s t e w a t e rt o m i c r o o r g a n i s m t h et h r e e - p h a s eb i o l o g i c a lf l u i d i z e db e ds t r e n g t h e n st h ep e r f o r m a n c eo ft h e t w ot e r m sa b o v e ，s oi t l lb eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si nt h ef u t u r e i t se x t r e m e l y i m p o r t a n tt h a tf c a s m l ec a r t i e ri sc h o s e nf o rt h et h r e e - p h a s eb i o l o g i c a lf l u i d i z e db e d t h e r ea r e m o r eo rl e s sd i s a d v a n t a g e so ft h ec a i t i e ru s e dn a t i o n a l l ya n di n t e r n a t i o n a l l yn o w , s ot oi m p r o v e t h et e c h n o l o g yo ft h et h r e e - p h a s eb i o l o g i c a lf l u i d i z e db e d ，o n ei m p o r t a n tt h i n gi sl o o k i n gf o r n e wf e a s i b l ec a l t i e p 3 i nt h i sp a p e r , t h ec i r c u l a t i o nw a yo ft h em a g n e t i cc a r l i c ri nt h et h r e e - p h a s eb i o l o g i c a l f l u i d i z e db e di sc h a n g e d , a n de x p e r i m e n t si nd i f f e r e n tw a y so fl i f t i n gt h em a g n e t i t ee a r l i e r o u t s i d et h eb e dh a v eb e e nd o n e s t u d yo i lt h ep e r f o r m a n c eo ft h et h r e e - p h a s eb i o l o g i c a l f i u i d i z e db e dw i t hd i f f e r e n tg r a n u l a r i t i e so ff e 3 0 4 - s i 0 2c a r r i e ri nt h ew a yo fi n t e m a lc i r c u l a t i o n h a sb e e nd o n e ，a n dt h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e n s i t ya n dg r a n u l a r i t yo ft h ec l r l - i e r h a sa l s ob e e na n a l y z e dt h e o r e t i c a l l yi nt h i sp a p e r u s i n gt h r e e - p h a s eb i o l o g i c a lf l u i d i z e db e d w i t hm a g n e t i t ec a l i i e ro f0 0 4 3 0 0 7 6 m mi nt h ew a yo fl i f t i n gt h ec a h i e rw i t ha i ro rp u m p o u t s i d et h eb e d ，t h es i m u l a n tw a s t e w a t e ri st r e a t e d ；w h i l et h er e m o v a lr a t eo fc o da n dh r ti s d o s e dt ot h ev a l u e si nt h ew a yo fl i f t i n gt h ec a r r i e ri n s i d et h eb e d , t h ec o s to fe n e r g yd e c r e a s e s r e s p e c t i v e l yb y3 5a n d2 3 a sf e 3 0 4 - s i 0 2i sc h o s e nt ob et h ec a n i e ri nt h et h r e e - p h a s e b i o l o g i c a lf l u i d i z e db e di nt h ei n t e r n a lw a yo fc i r c u l a t i o n , t h eg r a n u l a r i t yo ft h ec a r r i e ri s 0 0 4 3 0 0 7 6 r a ma n dt h ea v e r a g ed e n s i t yi s3 6 9 c m j t h er e s u l t so ft r e a t i n gt h es i m u l a n t w a s t e w a t e ra r ea sf o l l o w s ：t h ec a r r i e rc a nb ec o v e r e db yt h eb i o f i l mi n1 1d a y s ；a f t e rb e i n g c o v e r e db yt h eb i o f i l ma n dw h i l et h er a t i oo ft h eq u a n t i t yo fa i ra n dw a t e ri s3 5 ：1 ，t h ec o do f t h ee f f l u e n tf r o mt h et h r e e - p h a s eb i o l o g i c a lf l u i d i z e db e di s3 3 m g la n dt h er e m o v a lr a t eo f c o di s9 2 ：i nt h i sc o n d i t i o n , t h ec i r c u l a t i o no ft h ec a r f i e ri nt h et h r e e - p h a s eb i o l o g i c a l f l u i d i z e db e di sg o o d , t h ec a r r i e rc o v e r e db yt h eb i o f d md o e s n tr e u n i t e , a n dt h eo p e r a t i o no ft h e s y s t e mi ss t a b l e t h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e n s i t ya n dg r a n u l a r i t yo ft h ec a r r i e ri nt h et h r e e - p h a s eb i o l o g i c a lf l u i d i z e db e di sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l yi nt h i sp a p e r , w h i c hh e l p st ot h ef u r t h e r s t u d i e s k e yw o r d s ：t h r e e - p h a s eb i o l o g i c a lf l u i d i z e db e d , m a g n e t i cc a r r i e r , m a g n e t i t e 2 獨創(chuàng)性說明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方 外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得 北京科技大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同 工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表 示了謝意。 簽名： 魯醐：羋 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解北京科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨?布論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論 文。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵循此規(guī)定) 躲善翩躲硼車嘲珥塒簽名：* 導(dǎo)師簽名：弓嘩日期：塑岫 北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 引言 可利用的水資源只占地球總水量的極少部分，隨著各種污染越來越嚴(yán)重，污水的治 理和再利用是擴(kuò)大可利用水資源的重要途徑【”。生物處理在污水處理中占有及其重要的 地位。通過適當(dāng)?shù)姆治黾皩Νh(huán)境的控制，幾乎所有包含生物可降解組分的廢水都可以利 用生物處理閉。 提高生物處理各方面的性能，即減少污水停留時間和污水處理構(gòu)筑物占地面積、提 高穩(wěn)定性、降低建設(shè)和運行費用等，是近幾十年來污水處理領(lǐng)域的科技工作者們所不斷 追求的。強(qiáng)化生物處理，其關(guān)鍵的技術(shù)條件是：( 1 ) 提高處理設(shè)備單位容積內(nèi)的生物量： ( 2 ) 強(qiáng)化傳質(zhì)作用，加速有機(jī)物從污水中向微生物細(xì)胞的傳遞過程。三相生物流化床在進(jìn) 一步提高污水生物處理強(qiáng)化上述兩項條件上取得了良好的效果，因此，受到污水生物處 理領(lǐng)域?qū)＜覀兊闹匾暎⒄J(rèn)為生物流化床可能成為污水生物處理技術(shù)的發(fā)展方向【3 】。國 內(nèi)外的試驗研究結(jié)果表明，生物流化床用于污水處理具有b o d 一容積負(fù)荷率高、處理 效果好、效率高、耐有機(jī)或有毒負(fù)荷的沖擊、設(shè)備緊湊占地少以及投資省等優(yōu)點，而且 運行適當(dāng)還可取得脫氮的效果即j 。 生物流化床有厭氧和好氧之分，好氧生物流化床載體材質(zhì)的選擇對生化處理效 果起著至關(guān)重要的作用，因為對污水起降解作用的主要是附著在載體上的生物膜， 載體材料對于生物膜的生長，氧傳輸和流體動力學(xué)特征均具有重大影響。目前國內(nèi) 外采用的生物載體主要有：陶瓷、聚苯乙烯球、活性炭、無煙煤、細(xì)石英砂、黃 沙、煙道灰、爐渣、塑料球等。它們存在循環(huán)回流能耗大、載體脫膜困難、操作管 理復(fù)雜等缺點。焦炭末吸附性強(qiáng)，由于表面粗糙，掛膜容易，但是強(qiáng)度不夠，脫膜 時容易破損而流失量很大。煙道灰作為生物載體除具有同焦炭末相似的性質(zhì)外，還 因為其粒徑小而質(zhì)輕，更容易流失，需要經(jīng)常補(bǔ)充。石英砂一般來說是好氧生物流 化床技術(shù)處理廢水的較好載體，但因其表面光滑而不易掛膜。研究表明，細(xì)小、質(zhì) 輕的載體顆粒雖然比粗大的載體顆粒具有更大的比表面積，在處理效率上更具優(yōu) 勢，但難于沉降，只能在夾帶速度以下操作才能保證不將粒子帶出，所以有較高的 流失率，限制了設(shè)備操作能力；密度大的載體顆粒沉降快，但通常這類材料表面光 滑，掛膜較慢1 8 - 1 1 1 。 本試驗研究是在本校研究丌發(fā)的一體化磁性載體三相生物流化床的基礎(chǔ)上，優(yōu)化試 驗工藝及試驗參數(shù)，在保證具有較高c o d 去除率的自u 提下，提高運行效率、降低運行 費用。選用的磁性載體為磁鐵礦、磁鐵礦貧連生體。試驗?zāi)康陌ǎ? 1 ) 提高磁性載體三 北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 相生物流化床處理污水的效率；( 2 ) 降低能耗( 氣水比) ；( 3 ) 增強(qiáng)磁性載體三相生物流化 床性能的穩(wěn)定性。通過建立理論模型，從理論上分析三相生物流化床載體粒度與密度之 間的定量關(guān)系。該磁性載體三相生物流化床以磁性礦物為載體，其優(yōu)勢在于：( 1 ) 粒度可 足夠小，具有足夠大的比表面積，因而能夠提供較大的生物密度，有利于廢水的降解處 理；( 2 ) 利用載體的磁性可以控制載體的運動，使其不易流失，不需要經(jīng)常性補(bǔ)給；( 3 ) 磁 性礦物資源豐富，價廉易得。其主要的缺陷在于：磁性礦物密度一般較大，不易流化， 導(dǎo)致能耗高。本試驗研究的一部分工作就是通過載體外循環(huán)或采用密度比磁鐵礦小的磁 鐵礦貧連生體作為生物載體，降低運行能耗。 2 北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 文獻(xiàn)綜述 1 1 污水生物處理概述 1 1 1 生物處理的原理 廢水中溶解的及顆粒的含碳b o d 的去除和有機(jī)物的穩(wěn)定可以由各種微生物，主要 是細(xì)菌來完成。微生物可使溶解的及顆粒的含碳有機(jī)物氧化( 既轉(zhuǎn)化) 為簡單的最終產(chǎn) 物及生物體，有機(jī)物的好氧生物氧化反應(yīng)如下式所示： 有機(jī)物+ 0 2 + n h 3 + 磷酸鹽型：塑一新細(xì)胞+ c 0 2 + h 2 0 ( 1 1 ) 在式( 1 1 ) 中，氧( 0 2 ) 、氨( n h 3 ) 和磷酸鹽為有機(jī)物在微生物作用下轉(zhuǎn)化為簡 單的最終產(chǎn)物( 即二氧化碳和水) 所需要的養(yǎng)分?！靶录?xì)胞”一詞用來代表有機(jī)物質(zhì)氧化 產(chǎn)生的生物體1 1 2 1 。 由于生物體的相對密度大于水，所以可利用重力沉降從處理過的液體中去除。必須 注意，除非定期去除由有機(jī)物產(chǎn)生的生物體，否則處理就不能完成，因為生物體本身就 是有機(jī)物，仍會作為水中b o d 被測定出來。如果不去除處理后液體中的生物體，所達(dá) 到的唯一處理效果只是去除了進(jìn)水中原有有機(jī)物中與細(xì)菌氧化有關(guān)的一部分 2 , 1 3 q 4 。 1 1 2 生物處理的類型 廢水生物處理工藝可分為兩種主要類型舊：懸浮生長工藝與附著生長( 或生物膜) 工藝，也有兼有兩種工藝的。 ( 1 ) 懸浮生長工藝 在懸浮生長工藝中，通過適當(dāng)?shù)臄嚢璺椒ㄊ钩袚?dān)處理作用的微生物懸浮在液體中。 用于城市與工業(yè)廢水處理的各種懸浮生長工藝均處于正溶解氧濃度( 好氧) 下操作，但 也有利用懸浮生長厭氧反應(yīng)器處理含有高濃度有機(jī)物的工業(yè)廢水和有機(jī)污泥的應(yīng)用實 例。在城市污水處理中最常用的懸浮生長工藝是活性污泥法。 活性污泥工藝大約于1 9 1 3 年由c l a r k 和g a g e 在英國曼徹斯特的l a w r e n c e 試驗站 ( m e t c a l f 和e d d v ，1 9 3 0 ) ，a r d e n 和l o c k e r ( 1 9 1 4 ) 在m a s s a c h u s e e t s 污水處理廠開發(fā) 的。由于涉及到在好氧條件下可穩(wěn)定廢物的活性微生物生產(chǎn)，故將這種方法命名為活性 污泥法。在曝氣池中，廢水進(jìn)水與懸浮狀態(tài)的微生物充分混合并接觸空氣，通常指這種 懸浮微生物為混合液懸浮固體( m l s s ) ，或混合液揮發(fā)性懸浮固體( m l v s s ) 。在該 3 北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 工藝中，采用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行混合并輸送氧氣。然后，混合液進(jìn)入澄清池，并在其中使懸 浮微生物沉淀濃縮。沉淀出來的生物體，由于含有活性微生物而被稱為活性污泥，可將 其重新返回曝氣池繼續(xù)降解進(jìn)水中的有機(jī)物。由于此過程中會產(chǎn)生剩余的生物體，這些 剩余生物體與進(jìn)水中非生物降解固體一起會造成固體物積累，所以，必須每天或定期將 一部分濃縮固體排除。如果不將積累的固體排除，最終他們?nèi)詴M(jìn)入系統(tǒng)出水中。 活性污泥工藝一個重要特征是會形成5 0 2 0 蚴n 的絮體顆粒，可通過重力沉淀去 除，留下比較清凈的液體作為處理后出水。在澄清階段懸浮固體去除率一般可達(dá)到9 9 以上。 ( 2 ) 附著生長工藝 在附著生長工藝中，轉(zhuǎn)化有機(jī)物或營養(yǎng)物的微生物附著生長在一種惰性填料上。當(dāng) 廢水流過附著生長物( 也稱為生物膜) 時，有機(jī)物和營養(yǎng)物被去除。附著生長工藝中采 用的填料包括碎石、礫石、礦渣、沙礫、紅木、塑料以及其它合成材料。附著生長工藝 可在好氧或厭氧條件下操作。填料既可完全浸入水中，也可不完全浸入水中，在生物膜 液層面上留一定空間，供空氣及其它氣體流通。 生物濾池是一種最常用的好氧附著生長工藝。在生物濾池中，廢水被分布在裝有填 料的容器頂部。從生物濾池發(fā)展的歷史來看，濾池的深度一般為1 2 5 2 m ，填料通常 為碎石。目前使用的生物濾池，其高度約為5 l o m ，并采用塑料填料供生物膜附著生 長。由于塑料填料的使用，塔式生物濾池的空容積率達(dá)到9 0 9 5 。通過自然通風(fēng)或 機(jī)械通風(fēng)，使空氣在塔內(nèi)流通，為附著的生物膜中微生物提供氧氣。進(jìn)入濾池的廢水覆 蓋填料并以一種不均勻的液體膜流經(jīng)附著在填料表面的生物膜。附著生長的過量生物體 會不定期發(fā)生脫落，因此出水需要澄清，將液固分離，使懸浮物濃度達(dá)到可以接受的程 度。利用澄清池將固體污泥收集于底部，然后排往廢棄污泥處理單元。 ( 3 ) 生物流化床工藝 生物流化床則兼有懸浮生長工藝與附著生長工藝【幡1 7 1 。 強(qiáng)化生物處理技術(shù)，加強(qiáng)微生物群體降解有機(jī)物的功能，提高生物處理設(shè)備處理污 水的效率，其關(guān)鍵的技術(shù)條件是：提高處理設(shè)備單位容積內(nèi)的生物量；強(qiáng)化傳質(zhì)作 用，加速有機(jī)物從污水中向微生物細(xì)胞的傳遞過程。 流化床是以砂、活性炭、焦炭一類的較小的惰性顆粒為載體充填在床內(nèi)，載體 表面被附著生物膜，其質(zhì)變輕，污水以一定流速從下向上流動，使載體處于流化狀 態(tài)。載體顆粒小，總體的表面積大( 每m 3 載體的表面積可達(dá)2 0 0 0 3 0 0 0 m 2 ) ，以 混合液懸浮固體濃度( m i s s ) 計算的生物量高于任何一種生物處理工藝。能夠滿足 4 北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 對生物處理技術(shù)強(qiáng)化提出的第一項要求。 載體處于流化狀態(tài)，污水從其下部、左、右側(cè)流過，廣泛而頻繁多次地與生物 膜相接觸，又由于載體顆粒小，在床內(nèi)比較密集，互相摩擦碰撞，因此，生物膜的 活性也較高，強(qiáng)化了傳質(zhì)過程。又由于載體不停地在流動，還能夠有效地防止堵塞 現(xiàn)象。這樣第二項條件也得到一定程度的滿足。 因此，生物流化床工藝是一項降解污水中有機(jī)物的高效水處理工型1 s - m l 。 1 2 生物流化床概述 1 2 1 生物流化床的工藝類型 生物流化床按其本身處于好氧或厭氧狀態(tài)，可分為好氧生物流化床和厭氧生物 流化床。其中好氧生物流化床按使載體流化的動力來源分類又可分為液流動力流化 床、氣流動力流化床和機(jī)械攪動流化床等3 種類型3 】。 ( 1 ) 液流動力流化床 該工藝也稱之為二相流化床，即在流化床內(nèi)只有污水( 液相) 與載體( 固相) 相接觸。而在單獨的充氧設(shè)備內(nèi)對污水進(jìn)行充氧。 該工藝以純氧或空氣為氧源，原污水與部分回流水在專設(shè)的充氧設(shè)備中與氧氣。 或空氣相接觸，氧轉(zhuǎn)移至水中，水中溶解氧含量與使用的氧源和充氧設(shè)備不同而 異。如以純氧為氧源，而且配以壓力充氧設(shè)備，水中溶解氧含量可高達(dá)3 0 m g l 以 上。如采用一般的曝氣方式充氧，污水中溶解氧含量較低，一般大致在8 l o m g l 左右。前者在現(xiàn)階段成本較高，后者由于水中溶解氧含量較低，往往需要采用較大 的循環(huán)率，動力消耗較大，也造成成本的升高?，F(xiàn)在主要采用氣流動力流化床。 ( 2 ) 氣流動力流化床 該工藝亦稱三相好氧生物流化床，即污水( 液) 、載體( 固) 及空氣( 氣) 三 相同步進(jìn)入床體。 該工藝的流化床是由三部分組成的，在床體中心設(shè)輸送混合管，其外側(cè)為載體 下降區(qū)，其上部則為三相分離區(qū)。 空氣由輸送混合管的底部進(jìn)入，在管內(nèi)形成氣、液、固混合體，空氣起到空氣 揚(yáng)水器的作用，混合液上升，氣、液、固三相問產(chǎn)生強(qiáng)烈的混合與攪拌作用，載體 之間也產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦作用，外層生物膜脫落，輸送混合管起到了脫膜作用。 該工藝一般不采用處理水回流措旌，但當(dāng)原污水濃度較高時，可考慮處理水回 流，稀釋原污水。 5 北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 該工藝的技術(shù)關(guān)鍵之一，是防止氣泡在床內(nèi)并合，形成大氣泡，影響充氧效 果，對此，可采用減壓釋放充氧，采用射流曝氣充氧也有一定效果。 這種生物流化床設(shè)備較簡單，操作比較容易，此外，能耗也較二相流化床低， 因此對三相流化床的研究較多。經(jīng)實際運行證實具有如下各項特征：高速去除有 機(jī)污染物，b o d - - 容積負(fù)荷率可高達(dá)5k g ( m 3 d ) ，處理水b o d 值可保證在2 0 m g l 以下( 對城市污水) ；便于維護(hù)運行，對水質(zhì)、水量變動有一定的適應(yīng)性；占 地少，在同一水量水質(zhì)的條件和同一處理水質(zhì)的要求下，設(shè)備占地面積只為活性污 泥法的1 5 1 8 。 該工藝存在的主要問題是，脫落在處理水中的生物膜，顆粒細(xì)小，用單純沉淀 法難于全部去除，如在其后用混凝沉淀法或氣浮法進(jìn)行固液分離，則能夠取得優(yōu)質(zhì) 的處理水。 實踐證實，在適當(dāng)?shù)倪\行條件下，該工藝具有硝化及脫氮的功能【2 1 倒。 ( 3 ) 機(jī)械攪拌流化床 又稱懸浮粒子生物膜處理工藝。池內(nèi)分為反應(yīng)室與固液分離室兩部分，池中央 接近于底部安裝有葉片攪動器，由安裝在池面上的電動機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)動以帶動載體，使 其呈流化懸浮狀態(tài)。充填的載體為粒徑為o 1 o 4 r a m 之間的砂、焦炭或活性炭，粒 徑小于一般的載體。采用一般的空氣擴(kuò)散裝置充氧。 該工藝具有如下各項特征：降解速率高，反應(yīng)室單位容積載體的比表面積較 大，可達(dá)8 0 0 0 9 0 0 0 m 2 m 3 ；用機(jī)械攪動的方式使載體流化、懸浮，反應(yīng)可保持 均一性，生物膜與污水接觸的效率較高；m l v s s 值比較固定，勿需通過運行加以 調(diào)整。 由于氣流動力流化床( 三相好氧生物流化床) 各方面的優(yōu)點，目前研究和應(yīng)用 最普遍的是三相好氧生物流化床【弘硐。 ( 4 ) 厭氧流化床 厭氧流化床亦屬于兩相流化床，與好氧的兩相流化床相比，它不需設(shè)充氧設(shè) 備，濾床一般多采用粒徑為0 2 l 0 m m 左右的細(xì)顆粒填料，如石英砂、無煙煤、活 性炭、陶粒和沸石等，流化床密封并設(shè)有沼氣收集裝置。 厭氧流化床使用與好氧床同樣的高比表面積惰性載體，在厭氧條件下，對接種 活性污泥進(jìn)行培養(yǎng)馴化，使厭氧微生物在載體表面順利生長。掛膜的載體在流化狀 態(tài)下，對廢水中的基質(zhì)進(jìn)行吸附和厭氧發(fā)酵，從而達(dá)到去除有機(jī)物的目的。與好氧 流化床不同的是，厭氧流化床需要較大的回流比?；亓髁空歼M(jìn)水量的比例大，將一 一6 一 北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 部分出水加以回流并與進(jìn)水混合，既可使整個床內(nèi)的顆粒分布均勻，又可保持恒定 的流化速度。根據(jù)載體在不同流化速度下的膨脹比，厭氧流化床可分為膨脹床反應(yīng) 器和流化床反應(yīng)器兩類1 2 ”。 1 2 2 生物流化床國內(nèi)外研究狀況 ( 1 ) 國外研究概況 生物流化床法處理廢水技術(shù)是2 0 世紀(jì)7 0 年代初發(fā)展起來的。用供氧流化床處 理有機(jī)物的研究最早是由美國環(huán)保局在1 9 7 0 1 9 7 3 年進(jìn)行的，后因容易發(fā)生堵塞而 中斷。以后，j e r i s 成功地把厭氧流化床推廣到去除廢水中b o d 和氨氮的硝化處 理，試驗結(jié)果表明在1 6 r a i n 停留時間內(nèi)b o d 去除率達(dá)9 3 。美國e c o l o t r o l 公司于 1 9 7 5 年首次取得生物流化床處理廢水的專利，稱之為y - f l o 生物流化床工藝，應(yīng) 用于廢水的二、三級處理。其工藝的特點是以黃砂為載體，采用純氧供氧，并以水 力使黃砂流化，液流上升速度為2 5 4 0 m h ，流出液以1 0 3 6 倍的回流比進(jìn)行回 流。初沉后的城市污水經(jīng)該流化床處理后，出水可達(dá)二級處理要求。h y f l o 生物流 化床工藝需要專門的脫膜和黃砂回流裝置，流化床底部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對布水、布?xì)饩?勻度要求嚴(yán)格，流化起動困難，試驗成果難以擴(kuò)大規(guī)模運用。 其后，美國d o r r - o l i v e r 公司在流化床的實用性方面做了許多研究，尤其是在充 氧器與進(jìn)水分布系統(tǒng)上取得了很大進(jìn)展。d o r r - o l i v e r 設(shè)計了一種名為o x i t r o n 的反應(yīng) 器，在床底部的錐體部分采用噴嘴造成一種強(qiáng)有力的噴射床作為流化床的分布器， 這種無支撐板的分布器具有阻力小、無溝流現(xiàn)象等優(yōu)點，效果比篩板支持的固定床 好。此外，還采用與j e r i s 的曝氣錐相似的下向流泡沫接觸式充氧器，在1 9 6 x 1 0 4 p a 表壓下，廢水的溶解氧可達(dá)5 0 6 0 m l 盈。該種設(shè)備已成套出口，美國、加拿大已相 繼建起多套日處理廢水幾百到幾千立方米的裝置。 英國和美國的水研究中心又分別在充氧方式上進(jìn)行了改進(jìn)，英國水研究中心通 過厭氧一充氧兩段流化床對廢水進(jìn)行全面的二級處理，包括有機(jī)碳的去除、氨氮的 硝化和脫氮。該法的特點是第一段厭氧床內(nèi)的兼氣菌利用硝酸鹽中的氧作為氧源， 使廢水中部分有機(jī)碳化合物氧化，因而不需補(bǔ)充甲醇( 而單獨用厭氧床去除硝酸鹽 氮需補(bǔ)充甲醇為有機(jī)碳源) ，同時也減少了第二段好氧床的有機(jī)物負(fù)荷，降低氧 耗。利用好氧床出水中的硝酸鹽氮在厭氧床中去除，最終使排水中硝酸鹽的質(zhì)量濃 度降至5 1 0 m g l ，試驗結(jié)果令人滿意。美國水處理中心的c o o p e r 等人也把厭氧一 好氧結(jié)合起來，用二段流化床系統(tǒng)對廢水進(jìn)行處理，此后又設(shè)計了兩種自動脫膜裝 置，使流化床操作更為完善 2 s - s o l 。 7 一 北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 日本在2 0 世紀(jì)7 0 年代中期開始對生物流化床進(jìn)行研究，8 0 年代初開展了大量 的研究，有代表性的是栗田公司和三菱公司的研究成果。日本的研究著眼于中小型 工廠的廢水處理，采用空氣曝氣，有床外曝氣的兩相流化床，也有床內(nèi)曝氣的三相 流化床，裝置和脫膜方式與歐美不同，有其獨到之處。例如三菱公司研制的流動循 環(huán)曝氣反應(yīng)器，把曝氣、脫膜、循環(huán)合為一體，很有特色。 1 9 9 3 年日本h o k k a i d o 大學(xué)的學(xué)者報道了一種由顆粒流化床分離器、好氧生物 濾床和薄膜過濾器組成的新型處理系統(tǒng)，其特點是先用化學(xué)混凝法除去分子量較高 的有機(jī)物和懸浮物，再用顆粒流化床( f l u i d i z e dp u l l e tb e d ) 進(jìn)一步除去分子量較低 的有機(jī)物，因而降低了流化床的b o d 負(fù)荷，提高了系統(tǒng)的處理效率。 根據(jù)w a t e r 2 1 最新報道，荷蘭最新開發(fā)出一種復(fù)合工藝技術(shù)，在巴西 b r a h m an a v i g a n t e s 的一家麥芽糖廠利用內(nèi)循環(huán)厭氧生物流化床與c i r c o x 好氧內(nèi)循環(huán) 生物流化床及氣污分離器組成的工藝流程處理工業(yè)廢水，凈化c o d 、b o d 5 ，并進(jìn) 行硝化及反硝化脫氮。c i r c o x 能產(chǎn)生好氧顆粒污泥，如同u a s b 的厭氧顆粒污泥， 能產(chǎn)生高質(zhì)出水，出水中c o d 1 0 0 m g l ，t n 9 1 的情況下，發(fā)現(xiàn)將高 濃度的磁鐵礦和處理水混合液外循環(huán)上提，能降低1 3 2 ，3 的能耗，但不穩(wěn)定【5 5 】：北京 科技大學(xué)王慧麗在磁鐵礦表面包覆一層苯乙烯丙烯酸丁酯應(yīng)用于生物流化床，保留了 載體的磁性，密度已經(jīng)從5 9 e m 3 左右降到了1 8 7 9 e r a 3 ，對生物膜無毒無害，但載體表 面較光滑，不易掛膜，且包覆價格較高【5 6 】。 1 6 - 北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 試驗條件與試驗方法 2 1 化學(xué)試劑與試驗儀器、設(shè)備 試驗中使用的主要化學(xué)試劑見表2 1 。其中配制模擬生活污水時添加的微生物所需 的微量元素主要含有f e c l 3 ，m g s 0 4 和c , a c l 2 ，痕量元素為c u s 0 4 ，z n s 0 4 等。 表2 1 試驗化學(xué)試劑一覽表 藥劑名稱分子式純度 產(chǎn)地 碳酸氫鈉 n a h c 0 3 分析純北京化學(xué)試劑公司 葡萄糖 c 6 h i 2 0 6 分析純北京化學(xué)試劑公司 磷酸二氫鉀k i - 1 2 p 0 4 分析純北京化工廠 尿素 ( n h 2 ) 2 c o 分析純北京化工廠 濃硫酸 h e s 0 4 分析純北京化學(xué)試劑公司 氯化鉀k a分析純北京化學(xué)試劑公司 微量元素溶液多種混合配制 專用氧化劑承德華通環(huán)保儀器廠 專用催化劑承德華通環(huán)保儀器廠 專用掩蔽劑承德華通環(huán)保儀器廠 試驗中使用的主要試驗儀器、設(shè)備見表2 2 。 2 2 試驗用水和接種污泥 本試驗所用水樣為模擬生活污水，其中以葡萄糖作為微生物生長碳源，另加氮源 ( 尿素) 、磷源( 磷酸二氫鉀) 和微量元素以保證微生物的生長。配制比例按 c o d ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：1 。 接種活性污泥取自清河污水處理廠二沉池回流污泥。 1 7 北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 表2 2 試驗儀器、設(shè)備一覽表 儀器名稱型號 產(chǎn)地 棒磨機(jī) x m b 6 8 湖北省探礦機(jī)械廠 磁選機(jī) 無銘牌無銘牌 標(biāo)準(zhǔn)檢驗篩 g b 6 0 0 3 1 1 9 9 7浙江省上虞市紗篩廠 震擊式標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī) z b s x9 2 s a 浙江省上虞市紗篩廠 電磁式空氣壓縮機(jī) a c 0 0 0 2 廣東海利有限公司 蠕動泵 r d b 1 3張家港市儀表儀器總廠 轉(zhuǎn)子流量計( 氣體) l z b 一6 上海天湖儀表廠 電子天平 e s c 3 0 0 s湘儀天平儀器廠 溶氧儀 y s l 5 0 0 0 y e l l o ws p r i n g s , o h i o4 5 3 8 7u s a 電子顯微鏡 x 5 乙h 北京泰克儀器有限公司 烘箱 d e f 2 5 0 0 3 c 重慶華茂儀器有限公司 化學(xué)需氧量速測儀 c i l 一1 2承德華通環(huán)保儀器廠 電導(dǎo)率儀h 1 7 1 0上海精密科學(xué)儀器雷磁公司 p h 計 d e l t a3 2 0 梅特勒托利多儀器有限公司 2 3 試驗裝置 2 3 1 掛膜裝置 本次試驗要做不同粒度載體比較試驗，為了試驗的連續(xù)性，自制了三個相同規(guī)格的 掛膜器對載體進(jìn)行掛膜，有效容積為4 5 l 。為了曝氣均勻，掛膜器內(nèi)曝氣口接有曝氣 頭，且掛膜器的下部為漏斗型，漏斗下部接空氣壓縮機(jī)進(jìn)行曝氣。結(jié)構(gòu)簡圖如圖2 1 所 示。 2 3 2 試驗裝置 磁性載體三相生物流化床在不同試驗章節(jié)試驗中構(gòu)造不同，其結(jié)構(gòu)簡圖見圖2 2 普 通內(nèi)循環(huán)三相生物流化床、圖2 3 氣提磁鐵礦載體外循環(huán)三相生物流化床和圖2 4 泵提 磁鐵礦載體外循環(huán)三相生物流化床。不同結(jié)構(gòu)的三相生物流化床主體部分尺寸相同，由 有機(jī)玻璃制成，反應(yīng)區(qū)床體內(nèi)筒內(nèi)徑為6 0 m m ，外筒內(nèi)徑為1 0 0 m m ，內(nèi)筒上方到液面高 1 8 北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 度為1 6 0 m m ，內(nèi)筒下方到最底端為5 0 n u n ，床體高為7 8 0 m m ，反應(yīng)器總?cè)莘e為6 l ，有 效反應(yīng)區(qū)容積為4 5 l 。 圖2 1 自制掛膜裝置 1 一空氣壓縮機(jī)；2 一氣體流量計；3 一進(jìn)水管；4 一出水管；5 一沉淀池 圖2 2 普通內(nèi)循環(huán)三相生物流化床示意圖 1 9 北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 一空氣壓縮機(jī)；2 一氣體流量計；3 一進(jìn)水管；4 一出水管； 5 一沉淀池；6 一三通管；7 一氣水分離器 圖2 3 氣提磁鐵礦載體外循環(huán)三相生物流化床示意圖 2 4 試驗參數(shù)測定方法 ( 1 ) 水力停留時間 調(diào)節(jié)進(jìn)水恒流泵進(jìn)水速率，測定5 m i n 內(nèi)總出水量b 計算得出，則水力停留時間t 為： f 。堡 1 2 b 其中vn 為流化床反應(yīng)器總?cè)莘e。 2 0 ( 2 1 ) 北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 1 一空氣壓縮機(jī)；2 一氣體流量計；3 一進(jìn)水管；4 一出水管； 5 一沉淀池；6 - - 蠕動泵 圖2 4 泵提磁鐵礦載體外循環(huán)三相生物流化床示意圖 ( 2 ) 循環(huán)速度 采用脈沖法，用o 3 9 m l 的k c i 溶液作示蹤劑，每次注入1 5 m l 。由d d s 1 i d 型 數(shù)字式電導(dǎo)率儀測定響應(yīng)情況，并得出示蹤濃度變化曲線，其振幅隨時間指數(shù)遞減，頻 率與時間無關(guān)，則兩峰值間的距離所需時間為流體的平均循環(huán)時間t c ( 見圖2 5 ) 。 圖2 5 循環(huán)時闖t c 測定示意圖 - 2 1 北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 3 ) 溶解氧：溶氧儀。 ( 4 ) p h 值：p h 計。 ( 5 ) 溫度：普通溫度計。 ( 6 ) 曝氣量：玻璃轉(zhuǎn)子流量計( 氣體) 。 ( 7 ) 密度：比重瓶法。 ( 8 ) c o d ：c o d 速測儀。 2 5 試驗方法及目的 試驗主要分為兩個部分： ( 1 ) 磁鐵礦載體三相生物流化床試驗，分為磁鐵礦載體內(nèi)循環(huán)、載體氣提外循環(huán)和 泵( 蠕動泵) 提外循環(huán)三相生物流化床試驗，考察密度較大的載體外循環(huán)方式相對于內(nèi) 循環(huán)在降低能耗方面的效果。 ( 2 ) 磁體礦貧連生體內(nèi)循環(huán)三相生物流化床試驗，考察磁鐵礦貧連生體能否用于三 相生物流化床的生物載體，以及不同粒度范圍的磁鐵礦貧連生體用于生物載體處理模擬 生活污水的效果。 2 2 北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 試驗準(zhǔn)備 3 1 載體的選擇和制備 3 1 1 磁鐵礦載體的選擇和制備 磁鐵礦的基本性質(zhì)為：化學(xué)成分f e 3 0 4 ，密度5 0 9 c l l l 3 ，t f e 含量為6 8 ，相當(dāng)于 純磁鐵礦含量9 4 ，其特點是強(qiáng)磁性，無毒，表面親水。 根據(jù)王利紅、周子龍對磁鐵礦載體三相生物流化床的研究，選用 0 0 4 3 m m 、 0 0 4 3 0 0 7 6 r a m 、0 0 7 6 0 1 6 m m 、0 1 6 0 3 1 5 m m 四個粒級的磁鐵礦載體進(jìn)行處理模 擬生活污水的試驗研究，得出結(jié)論：在三相生物流化床中，綜合氣水比和出水水質(zhì)，使 用0 0 4 3 0 0 7 6 r a m 粒級的磁鐵礦作為載體綜合處理效果最好。因此，該階段試驗選用 0 0 4 3 0 0 7 6 r a m 粒級的磁鐵礦作為載體，考察不同循環(huán)方式三相生物流化床處理模擬 生活污水的綜合處理效果。 載體制備方法如下： ( 1 ) 研磨 首先用棒磨機(jī)對磁鐵礦原料進(jìn)行研磨。每次稱量3 0 0 9 磁鐵礦原料按照1 ：1 加入 3 0 0 m l 的水，根據(jù)所制備粒級的不同研磨不同的時間。般，制備0 0 4 3 0 0 7 6 r a m 的 載體需研磨1 5 塒分鐘。 ( 2 ) 磁選 研磨后的磁鐵礦再經(jīng)過磁選機(jī)在h = 2 4 k a m 條件下進(jìn)行磁選，去除其中的雜質(zhì)，尾 礦舍棄，磁選所得磁鐵礦在溫度= 8 5 c 條件下烘干，以防止磁鐵礦被氧化。 ( 3 ) 篩分并保存 用振動篩篩分烘干后的磁鐵礦，制備出足夠量粒級為0 0 4 3 0 0 7 6 m m 的磁鐵礦載 體。置于密閉玻璃瓶中保存?zhèn)溆谩?3 1 2 磁鐵礦貧連生體載體的選擇和制備 磁鐵礦貧連生體化學(xué)成分f e 3 0 4 一s i 0 2 ，具有磁性，不溶于水，無毒；f e 3 0 4 表面親 水，s i 0 2 表面稍疏水；s i 0 2 的密度比f e 3 0 4 小，因此磁鐵礦貧連生體密度比純磁鐵礦 小。 由于磁鐵礦密度較大，磁鐵礦載體內(nèi)循環(huán)三相生物流化床氣水比高，能耗大。改變 載體循環(huán)方式是降低能耗的一種方式，降低磁性載體自身的密度也能降低能耗。將磁鐵 一2 3 北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 礦貧連生體用于內(nèi)循環(huán)三相生物流化床，考察系統(tǒng)處理模擬生活污水的效果也是試驗的 一部分。 載體制備方法如下： ( 1 ) 磁選 將磁鐵礦選礦廠精選尾礦經(jīng)過磁選機(jī)在h = 2 4 k a m 條件下進(jìn)一步磁選，去除其中的 單體脈石礦物顆粒，磁選所得磁鐵礦貧連生體在溫度= 8 5 。c 條件下烘干，以防止磁鐵礦 被氧化。 ( 2 ) 篩分并保存 采用振動篩將烘干后的磁鐵礦貧連生體進(jìn)行篩分處理，制備出足夠量的四個粒級的 磁鐵礦貧連生體載體，分別記為l s t - 1 ： 0 0 4 3 m r a ；l s t - 2 ：0 0 4 3 0 0 7 6 m m ：l s t - 3 ：0 0 7 6 0 1 6 m m 和l s t - 4 ：0 1 6 0 3 1 5 n n n 。篩分后分別置于密閉玻璃瓶中保存?zhèn)?用。 ( 3 ) 密度測量 用比重瓶法測量四個粒級的磁鐵礦貧連生體載體的密度，分別為l s t - 1 ： 3 9 9 c m 3 ；l s t - 2 ：3 6 9 c m 3 ：l s t - 3 ：3 4 9 c r a 3 l s t - 4 ：3 2 9 c m 3 。 3 2 進(jìn)水p h 值調(diào)節(jié) 試驗中連續(xù)進(jìn)水時有時需要一次配夠1 天到2 天的進(jìn)水量，但配好的模擬生活污水 放置時間太長會酸化，p h 下降，水溫越高，酸化速度越快；剛配好的模擬生活污水p h 值為7 左右，在室溫為2 5 1 3 左右時，一般天后p h 值下降到6 7 左右，且天后p h 值下降速度明顯增快，到1 天半或2 天時，水中能明顯用手觸摸到粘稠狀物質(zhì)，p h 值 下降到6 5 甚至更低。大多數(shù)細(xì)菌和原生動物的最適宜p h 為8 5 9 0 ，p h 為7 0 8 0 時也能取得較好的效果。事實上，凈化污( 廢) 水的微生物適應(yīng)p h 變化的能力比較 強(qiáng)，曝氣系統(tǒng)中的p h 維持在6 5 9 0 均可。為了減小進(jìn)水p h 值變化對處理效果的影 響，同時降低污水處理成本，實驗中p h 控制在6 8 7 5 之間。試驗中進(jìn)水用兩個容 器，與流化床連接的容器中進(jìn)水為模擬生活污水，另外一個容器中為模擬生活污水加一 定量的n a h c 0 3 ，兩個容器間用連通管連接。n a h c 0 3 溶液呈弱堿性，h c 0 3 一對酸堿具 有緩沖能力，能在一定程度上調(diào)節(jié)進(jìn)水的p h 值，當(dāng)水質(zhì)酸化時，能起到中和作用，維 持進(jìn)水d h 值在7 左右p s , 5 7 - 5 9 1 。 2 4 北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 3 載體掛膜 3 3 1 磁鐵礦載體的掛膜及污泥馴化 為了使取回來的二沉池回流污泥適應(yīng)試驗中c o d 濃度約為4 0 0 m g l 的模擬生活污 水，需要對污泥進(jìn)行馴化。本試驗采用接種法馴化活性污泥，且磁性載體掛膜和污泥馴 化同步進(jìn)行。首先將0 0 4 3 0 0 7 6 m m 粒級的磁鐵礦載體加入到流化床中，再加入較少 量的清河污水處理廠取回的接種活性污泥( 有文獻(xiàn)中提到較少量的接種污泥有利于載體 的掛膜圈) 和一定量低c o d 濃度模擬生活污水。此時需要確定載體的投加量，載體投 加量的增加對于反應(yīng)器處理效果有幾方面影響：( 1 ) 載體能提供充足的表面積以供微生物 附著生長，隨著微生物增多，耗氧速率加快，液相主體與微生物表面溶解氧的濃度梯度 加大，使得溶解氧的傳遞系數(shù)也加大，從而可部分補(bǔ)償由于生物濃度增加而造成水中溶 解氧不足的不利影響：( 2 ) 由于載體的吸附作用使得反應(yīng)器緩沖能力增大，增加了反應(yīng)器 的負(fù)荷和抗沖擊能力；( 3 ) 載體濃度增加，初始流態(tài)化更加困難，并且在運行的過程中需 要的動力消耗增大。根據(jù)楊躍軍和周子龍同學(xué)的研究結(jié)論，載體濃度按照6 0 9 l 加入， 試驗使用流化