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曝气生物滤池深度净化有机废水的研究

章胜红  
【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0.52m~3/(m~2·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,NH_4~+-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、NH_4~+-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/(m~2·s),气水混冲中气冲强度为11 L/(m~2·s)、水冲强度为3 L/(m~2·s),水冲强度为5 L/(m~2·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(S_i/S)/(H=K′_lS_i~m(Q/A)~n) 通过试验,求得参数K_l’=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(S_i/S)/3.65S_i~(-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:V_(max)=44.2g/m~3·h,K_s=35.4 mg/L,S_n=12.5 mg/L。得出BAF的基质(CODcr)降解动力学模型为:V=V_(max)·(S_f-S_n)/(K_s+(S_f-S_n))=44.2·(S_f-12.5)/(35.4+(S_f-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,K_s/V_(max)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Cu~(2+)和Cd~(2+)的吸附性能。结果表明,碱处理后,天然纤维素的C_6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Cu~(2+)和Cd~(2+)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。


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