毕业论文--新型内循环生物流化床在PTA废水处理中应用的研究 10页

11毕业论文(设计)题目新型内循环生物流化床在PTA废水处理中应用的研究学生姓名唐彪学号20111362035学院环境科学与工程学院专业给水排水科学与工程指导教师黄琼二Ｏ一五年五月十五日IIn目录第一章绪论61.1课题背景61.2生物流化床的发展及其在废水处理中的应用71.2.1流化床简介71.2.2生物流化床的发展及分类81.2.3生物流化床废水处理技术91.3生物流化床载体的筛选与制备101.3.1载体颗粒筛选与制备的标准101.3.2常用的微生物载体101.4本文的研究目的和研究内容111.4.1研究目的111.4.2研究内容11第二章内循环生物流化床载体的筛选与制备122.1引言122.2载体颗粒参数分析与研究122.2.1载体颗粒参数的分析方法122.3CR-1载体的制备142.3.1实验材料142.3.2载体颗粒制备方法及工艺152.3.3CR-1载体参数的测定与分析152.4本章小结17第三章厌氧生物流化床处理PTA废水的研究193.1引言193.2试验材料与方法203.2.1实验装置与流程203.2.2PTA废水及活性污泥2010n3.2.3实验仪器与试剂213.3反应器的启动与挂膜223.4结果与分析233.4.1主要污染物去除效果与分析233.4.2载体表面生物膜SEM分析243.5本章小结25第四章结论与展望264.1结论264.2展望26参考文献：28致谢3010n新型内循环生物流化床在PTA废水处理中应用的研究唐彪南京信息工程大学环境科学与工程学院，江苏南京210044摘要：本文介绍了生物流化床的定义、特点，应用前景以及目前存在的主要问题。流化床生物载体是内循环生物流化床的核心组成部分，目前研究的重点是密度适宜、高比表面积、微生物亲和性高的载体筛选与制备及内部结构参数的优化设计。本论文进行了生物流化床污水处理技术改进的研究，主要进行了适宜密度、高比表面积、易于微生物附着生长的生物流化床载体颗粒的制备与筛选，并利用制备的载体颗粒进行了精对苯二甲酸（PTA）废水处理的研究。关键词：生物流化床；生物载体；PTA废水10nStudyontheapplicationofthenewinnercirculatingfluidizedbedinthetreatmentofPTAwastewaterBiaoTangCollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,NUIST,Nanjing210044,ChinaAbstract:Thepaperintroducesthedefinitionandcharacteristics ofbiologicalfluidizedbed, applicationprospectandproblems. Fluidizedbed biologicalcarrier isthecoreof internalcirculationbiologicalfluidizedbed isonepart,Thecurrentstudyfocuseson thesuitabledensity, specificsurface andinternalstructureoptimizationdesign parameters selectionand system support area, microbial highaffinity.Thispaperstudies theimproved biologicalfluidizedbedsewagetreatment technology,mainlyforthe preparation andselectionofsuitable density, highspecificsurfacearea tomicroorganism biologicalfluidizedbed carrierparticle growth, fineterephthalicacid bycarrier particlepreparation (PTA) on wastewatertreatment.Keywords: Biologicalfluidizedbed; Biologicalcarrier; PTAwastewater10n第一章绪论1.1课题背景近年来我国经济快速发展，已成为世界第二大经济实体，工业生产发展迅速，工业生产企业数量及规模都有了明显的增加，人均收入不断的增长，城镇化水平不断提高。工业生产的迅速发展与城镇化进程的加快造成了我国每一年排放的工业废水与生活污水的总量急剧增长。我国在1988年的废水排放总量为395亿吨，然而到2012年时候，我国的废水排放总量增长到684.8亿吨，其中工业源废水221.6亿吨，城镇生活源废水462.7亿吨，总量比1998年增长73%。目前我国污水处理达标率仍偏低，部分企业为节约成本对废水进行偷排、乱排，部分城镇污水得不到有效处理直接排入江河，致使地下水及江河湖泊受到污染，严重的危害了生态环境安全。根据有关报道在我国超过半数的城市地下水都受到较为严重污染，近三分之一的城市地下水受到较轻的污染，洁净水源占总水源的比例不到10%。2011年我国重点湖泊综合营养状态指数表明主要湖泊水质富营养化问题突出，其中滇池的水质为重度营养化，而巢湖、太湖及洪泽湖中的水质也呈现出中度富营养化；2006年到2011年间我国七大水系整体呈现的状态是轻度污染，其中辽河和海河较为严重，呈现中度污染，辽河与海河中Ⅴ类水所占比例分别达到43.2%和51.6%。大量的氮和磷等污染物存在于生活污水中，污水进入河流湖泊后，一段时间内会引起水体富营养化，水中藻类得以大量繁殖，导致水中溶氧不足，随之水生动物出现大量死亡。2007年太湖蓝藻集中爆发，水质受到严重影响，造成湖中大量鱼虾死亡，严重影响了居民正常饮水；工业废水中含有多种有毒有害污染物质，对人及其它动物都有很大的危害，工业废水中的有机物会引起人体急性或慢性中毒，严重的甚至会致癌、致突变等。伴随着水污染问题的逐渐突出，国家制订了更为严格的排放标准，与此同时在对废水排放的监管上加大了力度，我国在2008年通过的水污染防治法就以法律法规形式加强了对水体的保护的力度；在“十二五”节能减排综合工作方案中提出以下目标：到2015年全国COD的排放总量要比2010下降8%，与此同时，全国总氨氮排放量至少下降10%，在“十二五”期间城镇污水处理率要求达到85%，再生水回用率要达到15%，并且，污泥无害化处理率要有显著提高。当前，废水处理中应用最为广泛是活性污泥法，此项技术应用已有近百年的历史，工程应用案例遍布众多国家和地区，活性污泥法具有设备简单易维护、运行成本较低和低浓度废水处理效果较好等优点，但该技术存在抗10n负荷冲击能力差、占地面积大、污泥产量高等缺点。据相关统计污泥处理成本占污水处理的60%，而且目前许多国家已经禁止将不经稳定处理的污泥进行直接填埋。针对活性污泥存在的问题，生物膜法一定程度上解决了活性污泥法存在的问题，生物膜法通过将微生物固在某些载体之上，微生物附着载体表面降解水中污染物质，生物膜法具有容积负荷高，反应器抵抗冲击能力强、污泥的产率较低、装置的占地面积较小等优点。目前生物膜法也已有广泛的应用，但该技术仍存在一些问题，例如填料表面的生物膜厚度过厚，填料表面生物膜由外到内微生物均一性差，表面微生物新老更替较慢，影响微生物与水中物质的传质速率，较低的传质速率导致了废水的处理效果低。因此开发具有处理效率高、抗冲击能力强、污泥产率低、占地面积小的新型高效污水处理技术迫在眉睫。生物流化床废水处理技术是在生物膜法的基础上借鉴化工流态化技术发展而来的，载体表面的微生物在生物流化床中附着于处于流动状态，加快了微生物与废水间的传质，载体与液相间的剪切力使得颗粒表面的生物膜保持一定厚度，载体表面的微生物能够保持较高的活性。生物流化床中所用的载体颗粒多为轻质载体，在流化过程中废水和载体颗粒间相互作用力较弱，微生物细胞表面传质边界层趋向于稳定制约了传质速率，相间速度差较小，作用与载体颗粒表面的剪切力不足以使衰老的微生物及时脱落；生物流化床结构参数的优化不仅能够改善反应器内部的流化状态而且可以降低生物流化床的动力消耗；生物流化床放大过程中存在显著的非线性放大效应，这成为生物流化床工业化应用的主要限制因素。目前获得密度适宜、比表面积大、微生物亲和活性高的载体颗粒，优化反应器结构参数使相间流动的速度差与反应器的能耗达到最佳的平衡点已成为了生物流化床研究的热点。1.2生物流化床的发展及其在废水处理中的应用1.2.1流化床简介二十世纪20年代FritzW率先把流态化技术应用到了煤气化的研究中，开发出第一个粉煤流态气化装置-温克勒气化炉，在此基础之上进行了流态化技术的研究与探索。流态化现象是指在反应器中装有一定量的固体物料，流体由底部进入，通过分布板及颗粒床层向上流动，当流体流动速度不断增大达到特定的大小后，颗粒载体逐渐出现运动，随着速度增大床层中的颗粒出现如同液体属性的特征[2]。常用的流态化系统主要有气固（G-S）、液固（L-S）流态化和气液固（G-L-S）三相流态化。按其流化过程当中出现的不同状态，流化态基本可分10n为以下三类：气固易于形成聚式流态化，液固常呈现散式流态化和气液固三相流化过程中出现的三相流态化。在G-S气固两相流化过程中，可以观察到流化床内部结构存在着不稳定与不均匀性床层结构，在进入的气体速度较低的情况下，进入气体形成的气泡将是造成颗粒分布不均匀的主要因素；当进入的气体速度较高时，颗粒在反应器内部将会不停的聚集与不断崩溃相互交替，在内部的流场中颗粒相与气相分布不均匀，习惯将G-S流化过程中出现的这种现象叫做聚式流态化。在L-S液固两相的流化过程中，颗粒相在液相中的分布通常较为均匀一致，流化状态较为稳定，通常将L-G流化态叫散式流化态；对于G-L-S气液固三相同时流化的流化系统，该系统具有了液固及气固流化所具有的流化状态，将这种三相同时具备的流化系统称为三相流化态。研究表明：研究表明：流化状态可以显著提高反应器中的传质和传热率，管理一个大的颗粒分布和反应器温度的均匀性等。1.2.2生物流化床的发展及分类二十世纪70年代初罗伯特等采用活性炭吸附深度处理生化出水时发现活性炭表面吸附的有机物大部分能够被降解，该发现为实现传统活性污泥废水处理技术与生物膜法结合提供了可能。在此条件下微生物实现了在颗粒表面的附着生长，废水处理过程中通过曝气或循环水作为动力，颗粒在反应器内达到了流化状态，水流的推动使得颗粒在废水中能够达到流化的状态，颗粒表面上附着的微生物能够充分的与废水中的游离的各种有机物进行接触，显著的提高了反应器的传质速率；附着在颗粒上微生物能够保持较高的活性，衰老微生物在水流剪切力的作用下能够快速脱落，保证生物膜始终保持较高的活性，由于生物流化床废水处理技术相对传统的生物法具有显著的优势，因此受到越来越多研究者的关注。1973年JerisJ等人在传统的厌氧处理技术的基础上研究出了一种新型污水处理技术-厌氧生物流化床废水处理技术，并采用该技术进行了COD及氨氮处理的研究，结果表明较传统的处理方法处理效果显著提高。两年后美国Ecobtrol公司通过对生物流化床废水处理技术的研究提出了一种新型反应器，并将该反应器应用于废水后期生化处理。美国Dorr-Oliver公司在好氧生物流化床结构改进方面进行了工作量惊人的研究，在其研究的基础上设计了一款新型反应器，该反应器布水布气结构上进行了较多有效的改进，有力的推动了生物流化床技术的发展。当前，根据颗粒载体在流化床中循环的方式的不同，应用于废水处理中的生物流化床可以分为内循环和外循环生物流化床两种10n，图1-1中为内循环与外循环生物流化结构简图，两种装置的共同特点是颗粒在液相的推动作用下实现上升，到达三相分离器后依靠颗粒自身的重力下降。不同之处在于内循环生物流化床将升流区与降流区集中于一个反应器，颗粒离开三相反应器后沿着导流筒与反应器壁面间隙下落，外循环生物流化床则将颗粒的上升与下降过程进行了分离。内循环生物流化床具有占地面积小，结构简单等优点；外循环生物流化占地面积较大，结构复杂，但外循环生物流化床比内循环生物流化床较易维护。图1-1内循环与外循环生物流化床结构简图1.2.3生物流化床废水处理技术生物流化床废水处理技术相对于传统的生物法具有显著的优点：微生物的活性高，反应器内部传质效果好，反应器的容积负荷高，微生物抗冲击能力强，污泥产率底，占地面积小等。近些年来，生物流化床废水处理技术得到越来越多不同国家研究者的关注，各种污水处理的研究都采取生物流化床技术，例如生活污水、发酵废水、印染废水和含硫废水等。郭勇等采用高分子聚合载体进行了垃圾渗滤液厌氧氨化脱氮的研究，试验结果显示，当HRT5.5h时，进水COD浓度3000mg/L情况以下，垃圾渗滤液COD去除率为48%，进水浓度350mg/L，氨氮去除率达39.2%；MehranA等采用外循环生物流化床进行了高浓度生活污水的处理研究，在进水COD浓度1070mg/L，氨氮浓度250mg/L时，去除率分别达到了99.7%和84%，且污泥产率仅为0.017gVSS/gCOD；韦朝海等采用厌氧-好氧生物流化床进行了焦化废水的实验研究实验结果表明：厌氧生物流化床对废水中的污染进行很好降解提高废水的可生化性，好氧生物流化床对COD去除率达到了88%且酚类的去除率99%，出水中氨氮含量达到排放标准的要求；杜文鹏等进行白酒废水处理的研究，试验结果表明HRT6.0h条件下，进水中COD浓度6000mg/L时，厌氧生物流化床对COD的去除达80%。10n在对不同的废水处理的研究同时，生物流化床废水处理技术的研究方向有了极大的拓展，生物流化床流动颗粒、结构、流化态及放大等研究都有了很多的进展，在一定程度上推进了流化床的应用。1.3生物流化床载体的筛选与制备1.3.1载体颗粒筛选与制备的标准载体颗粒是生物流化床的主要组成部分之一，载体性能优劣直接影响到生物流化床的流化效果及颗粒表面附着微生物的活性，因此载体颗粒的筛选与制备过程中对载体颗粒的性能参数有严格的要求，理想的载体颗粒应具备以下特点：适宜的密度：载体颗粒的密度是影响颗粒在反应器内流化状态的一个最为重要因素，高密度载体（>2.0g/cm3）自身密度大，能够增大液相与固相间的速度差，提高相间传质速率，但高密度载体流化过程中动力消耗大；一般低密度载体（<1.0g/cm3）多为有机载体，在较小动力下既能流化，但低密度载体与液相间相对速度差小，载体表面生物膜过厚不利于相间传质，而且载体容易聚集于反应器的顶部影响了反应器利用效率。表面粗糙多孔：载体颗粒表面粗糙多孔一方面能够提高载体的比表面积，另一方面有利于微生物的附着生长，例如聚丙烯、聚乙烯等有机载体表面较光滑，不利于微生物在其表面附着生长，好氧微生物可以在载体内部结构上依靠部分丝状菌形成生物膜，但厌氧中微生物在此类载体上难以实现挂膜，因此有机载体通常用于好氧废水的处理中。不影响微生物活性：载体自身的材料组成不对表面附着的微生物活性存在抑制作用。耐磨损、价格低廉：载体颗粒在流化床中处于流动状态，相间存在一定的剪切力会对载体造成一定的磨损，因此要求载体具备耐磨损的特性，在具备以上条件的基础上，应尽量选择价格低廉的材料作为流化床载体以降低废水处理的成本。1.3.2常用的微生物载体今年来，常用的生物载体根据载体颗粒材质，一般可以分为无机载体和有机载体两类，无机载体主要包括砂粒、陶粒、瓷粒、活性炭、玻璃球等，其粒径通常为12-210mm。有机载体主要囊括聚乙烯、改性聚丙烯、聚氨酯、琼脂、海藻酸钙等，粒径一般为10-180mm。AjayP等采用火山岩作为载体颗粒进行了生活污水碳氮磷去除的研究，试验结果表明处于流动状态的火山岩载体颗粒对碳氮磷去除率明显高于非流化状态；范志庆等选用了聚氨酯泡沫作为载体，在流化床中进行高浓度丙烯酸丁酯生产废水处理，经驯化后进水COD为2000mg/L，容积负荷小于8.86kg/(m3.d)时，出水COD浓度能够始终低于100mg/L；陈涛等采用改性蛭石作为生物流化床填料，研究表明在室温条件下，氨氮浓度、COD浓度分别为50mg/L及200mg/L时，去除率可达到95%和86%。BarrosR等采用废旧轮胎粒及有机聚10