3936.低浓度大内循环厌氧氨氧化反应器设计与制作(论文).doc
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1、课程设计(论文)题 目 低浓度大内循环厌氧氨氧化反 应器的设计与制作 院 (系): 生命与环境科学学院 专 业: 环境工程 学 号: 姓 名: 指导教师: 填表日期: 2011 年 1 月 5 日摘 要目前,随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高,含氮化合物的排放量急剧增加,引起了严重的水体环境污染和水质量富营养化问题,许多湖泊水体已不能发挥其正常功能而影响了工农业和渔业生产,如近期的太湖、巢湖由于氮污染而大面机爆发蓝藻导致湖泊水质严重下降。传统的脱氮广泛采用硝化和反硝化技术来处理,但用它来处理高氨氮、低C/N比的废水时,耗能大(硝化曝气)且需要外加有机碳源和投加碱中和硝化过程产生的酸,使投
2、资和运行费用大大增加。因此, 研究人员长期以来一直在积极探索和开发新型的生物脱氮工艺, 以便能快速、高效去除废水中的氨氮。其中厌氧氨氧化由于是自养的微生物过程、不需要外加碳源以及反硝化、污泥产率低等特点正成为国内外学者研究的热点问题。关键词:厌氧氨氧化;污水处理技术;低浓度;大内循环AbstractNow, with the development of industrial and agricultural production and peoples living standards, emissions of nitrogen compounds increased dramatical
3、ly, causing serious water pollution and eutrophication of water quality problems, many of the lake water can no longer perform their normal function of the industrial and agricultural and fisheries production, such as the recent Taihu Lake, Chaohu Lake Omo machine as the outbreak of nitrogen polluti
4、on and algae cause a serious decline in lake water quality. The removal of traditional nitrification and denitrification widely used technique to deal with, but use it to deal with high ammonia, low C / N ratio of wastewater, the high energy consumption (nitrification and aeration) and need external
5、 organic carbon and alkali dosing and nitrification processes in acid to make the investment and operating costs increase greatly. Therefore, researchers have long been active in exploration and development of new biological nitrogen removal process to enable rapid and efficient removal of ammonia i
6、n wastewater. One of anammox microorganisms because it is the process of self-support, no external carbon source and denitrification, sludge production is low and so is becoming a hot issue in domestic and foreign scholars.Key words:ANAMMOX; Wastewater Treatment Technology; Low concentration; Inner
7、loop目 录引言51基本水质参数51.1 需处理原水水质指标.51.2 设计规模与水质52设计的依据和原则53污水的厌氧氨氧化处理工艺53.1厌氧氨氧化污水处理工艺流程53.2厌氧氨氧化反应的机理64厌氧氨氧化工艺应用现状64.1 两相SHARON-ANAMMOX工艺74.2 OLAND工艺74.3 CANON工艺75技术特点86低浓度、大内循环厌氧氨氧化反应器的设计依据97反应器材料与方法97.1 实验装置及结构97.2 低浓度107.3 大内循环117.4 大流量137.5 生物量截留138厌氧氨氧化反应器的优势与不足158.1 厌氧氨氧化工艺的先进性158.2 厌氧氨氧化工艺存在的主要
8、问题158.3 改进的途径及建议15总结16参考文献 17引言目前我国城市的生活污水浓度含量都较低,针对于处理低浓度的废水工艺还不是很成熟,因此研究低浓度废水的处理显得尤为重要。本次设计目的就是通过改良厌氧氨氧化反应器,在原有厌氧氨氧化工艺上添加新的设计点,使低浓度废水的处理得到解决。1 基本水质参数1.1 需处理原水水质指标进水指标表(mg/L)项目CODcrNH4+-NTNSO42-HS-指标值20020355040即低浓度废水处理。1.2 设计规模与水质反应器规模:大口径高2.44米的UASB-ANAMMOX反应器。需达到处理后污水排放指标执行国家城镇污水处理污染物排放标准(GB1891
9、8-2002)一级A标准,见下表:项目CODcrNH4+-NTNSO42-HS-指标值505(8)1510102 设计的依据和原则城市污水处理工艺方案的选择一般应体现以下总体要求:满足要求,因地制宜,技术可行,经济合理。也就是说,在保证处理效果、运行稳定,满足处理要求(排放水体或回用)的前提下,使基建造价和运行费用最为经济节省,运行管理简单,控制调节方便,占地和能耗最小,污泥量少。同时要求具有良好的安全、卫生、景观和其它环境条件。本次设计主要设计的是厌氧氨氧化反应器,即在污水的厌氧氨氧化处理工艺上进行选择。3 污水的厌氧氨氧化处理工艺3.1 厌氧氨氧化污水处理工艺流程厌氧氨氧化工艺,即在厌氧条
10、件下,微生物直接以NH4+做电子供体,以NO2-为电子受体, 将NH4+或NO2-转变成N2的生物氧化过程。由于厌氧氨氧化过程是自养的,因此不需要另加COD来支持反硝化作用,与常规脱氮工艺相比可节约100%的碳源。而且,如果把厌氧氨氧化过程与一个前置的硝化过程结合在一起,那么硝化过程只需要将部分NH4+氧化为NO2-N,这样的短程硝化可比全程硝化节省62.5%的供氧量和50%的耗碱量,并取得了良好的氨氮去除效果。3.2 厌氧氨氧化反应的机理厌氧氨氧化ANAMMOX(ANaerobic AMMonium OXidation)指的是厌氧条件下氨氮以亚硝酸氮作为电子接受体直接被氧化到氮气的过程,其分
11、解反应如下: NH4+NO-2N2+2H2O(1) 从这一反应中所产生的Gibbs自由能甚至比产生于好氧氨氧化的能量还高,所以,能够支持自养细菌生长。早在20世纪70年代中期,Broda便从自由能理论计算中预测到自然界应该存在着ANAMMOX现象,但它的现实发现是在理论预测10年之后。荷兰人Mulder首先在用于反硝化的流化床中发现了这一现象。起ANAMMOX作用的微生物已被成功地分别在实验室流化床与SBR反应器中培养、富集到一定浓度,合成培养基为氨氮与亚硝酸氮的混合物。ANAMMOX微生物的增长率与产率是非常低的,但是氮的转换率却为0.25 mgN/(mgSSd),这与传统好氧硝化的转换率相
12、当。ANAMMOX反应在1043 的温度范围内具有活性,适宜的pH为6.78.3。 4 厌氧氨氧化工艺应用现状基于ANAMMOX原理,目前已开发的工艺主要有3种:SHARON ( single reactor for high activity ammonia removal over nitrite )ANAMMOX工艺、OLAND(限氧自养硝化-反硝化,oxygen limited autotrophic nitrification and denitrification)工艺、单相CANON工艺(基于亚硝酸盐的完全自养脱氮, completely autotrophic nitrogen
13、 removal over nitrite)。这几个新工艺的研究目前主要还处于实验室研究阶段,少量应用到了实际中。4.1 两相SHARON-ANAMMOX工艺SHARON-ANAMMOX工艺是荷兰Delft大学2001年开发的一种新型的脱氮工艺。基本原理是在两个反应器内,先在一个反应器内有氧条件下,利用氨氧化细菌将氨氧化生成NO2-; 然后在另一个反应器缺氧条件下,以NH4+为电子供体,将NO2-反硝化,即ANAMMOX 工艺。SHARRON 和ANAMMOX连用,仅需将50%的氨转化为NO2-,不仅不需要投加NO2-,而且由于大多数厌氧出水中含有以重碳酸盐存在的碱度可以补偿硝化所造成的碱度消
14、耗,因而无需投加碱度物质。荷兰Delft大学采用SHANRON- ANAMMOX工艺处理污泥消化液上清液的研究表明:在不控制SHANRON反应器pH值、进水总氮负荷为0.8 kg/(m3d)的条件下,上清液中的氨被转化为NO2-产生的NO3-占总硝态氮的11%。所产生的氨和NO2-混合液适合于ANAMMOX工艺的脱氮处理, 氮的总去除率达到83%。世界上第一座生产性Sharon反应器已于1998年10月开始在荷兰DOKHAVEN 污水处理厂运行,世界上第一座Anammox反应塔也于2002年6月在该厂投入使用,主要用于处理污泥硝化液。4.2 OLAND工艺OLAND工艺是1998年由比利时根特
15、大学微生物生态实验室开发研制的,是部分硝化与厌氧氨氧化相耦联的生物脱氮反应系统。该工艺通过限氧调控(溶解氧0.10.3 mgL-1)实现了硝化阶段亚硝酸盐的稳定积累,并实现了生物脱氮在较低温度(2230)下的稳定运行。该工艺氧耗量小,比传统的硝化/反硝化工艺节省供氧62.5%,不需外加碳源,对总氮的去除效率相当高50mg TN/(Ld)。张丹等采用两阶段OLAND处理高氨氮、低COD的废水,应用内浸式多聚醚砜中空膜,实现了污泥的完全截留,阻止了生物量的大量洗脱,并通过控制溶解氧在0.10.3 mgL-1之间,实现了硝化阶段出水中氨氮与亚硝态氮浓度的比例达到最适值,从而为第二阶段的厌氧氨氧化提供
16、理想的进水,进而获得较高的脱氮率。限氧自养硝化-反硝化生物脱氮系统的一体化生物膜RBC反应系统已经在比利时安特卫普污水处理厂进行中试,运行效果比较理想。4.3 CANON工艺CANON工艺首先由于荷兰Delft大学提出。基本原理是在亚硝酸盐和氨氮同时存在的条件下,通过控制溶解氧,利用自养型的ANAMMOX细菌将氨和亚硝酸盐同时去除,产物为氮气,另外还伴随产生少量硝酸盐,由于参与反应的微生物属于自养型微生物,因此CANON工艺不需要碳源。另外由于CANON工艺只需要硝化50%的氨氮,硝化步骤只需要控制到亚硝化阶段,因此可以节约碱度50%。CANON工艺在限氧条件下进行,因此可以节约供氧量,理论上
17、可节约供氧62.5%。深圳市下坪固体废弃物填埋场渗滤液处理厂通过SBR反应器实现CANON工艺,发现溶解氧控制在1mg/L左右,进水氨氮800mg/L,氨氮负荷95%,总氮的去除率90%。5 技术特点Anammox工艺的关键是获得足量的厌氧氨氧化菌,并将其有效地保持在装置内,使反应器达到设计的厌氧氨氧化效能。在实施上,不仅要优化营养条件和环境条件,促进厌氧氨氧化菌的生长,同时要设法改善菌体的沉降性能并改进反应器的结构,促使功能菌有效持留。此工艺的技术要点主要包括以下几个方面: 温度控制 温度是影响细菌生长和代谢的重要环境条件。随着温度的升高,细胞内的生化反应加快,细菌生长加速;超过上限温度后,
18、对温度敏感的细胞组分(如蛋白质和核酸)变性加剧,细菌生长停止,甚至死亡。如果其他条件不变,细菌有一个最适生长温度。郑平的研究表明,当温度从15上升到30时,厌氧氨氧化速率随之增大,但上升到35时反应速率下降,最适温度在30左右。Jetten等认为,厌氧氨氧化的温度范围为20-43,最适温度为40。 pH控制 在厌氧氨氧化过程中,pH是一个非常重要的环境条件。它对厌氧氨氧化的影响主要来自它对细菌和基质的影响。郑平通过研究发现,当pH从6.0升至7.5时,厌氧氨氧化速率提高;但当pH继续由8.0升至9.5时,厌氧氨氧化速率下降;由此判定,最适pH在7.5到8.0附近。据Strous等人报道,厌氧氨
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