生物脱氮改造项目开题报告.doc

山东新华制药股份有限公司东园污水生物脱氮工艺改造项目开 题 报 告一、文献综述1、活性污泥法1.1 活性污泥法简介 活性污泥法是以活性污泥为主体的废水生物处理的主要方法。该法是在人工充氧条件下，对污水和各种微生物群体进行连续混合培养，形成活性污泥。利用活性污泥的生物凝聚、吸附和氧化作用，以分解去除污水中的有机污染物。然后使污泥与水分离，大部分污泥再回流到曝气池，多余部分则排出活性污泥系统。 影响活性污泥过程工作效率(处理效率和经济效益)的主要因素是处理方法的选择与曝气池和沉淀池的设计及运行。 1.2活性污泥法的基本组成 1.2.1曝气池，是反应主体，主要由池体、曝气系统和进出水口三个部分组成。活性污泥法是需氧性生物处理方法，在处理过程中，为了维持微生物的生命活动，必须保证水中有一定量的溶解氧。所谓曝气，就是不断地把空气打入水中，或利用机械搅拌作用使空气中的氧溶入水中。曝气方法主要有鼓风曝气和机械曝气。鼓风曝气，又称压缩空气曝气。采用这种方法的曝气池，多为长方形混凝土池，池内用隔墙分为几个单独进水的隔间，每一隔间又分成几条廊道。污水入池后顺次在廊道内流动，至另一端排出。空气是用空气压缩机通过管道输送到设在池底的空气扩散装置，成为气泡弥散逸出，在气液界面把氧气溶入水中。扩散装置有多孔管、固定螺旋曝气器、水射器和微孔扩散板等四种不同型式。新华制药采用的是鼓风曝气。机械曝气，一般是利用装在曝气池内的机械叶轮转动，剧烈搅动池内废水，使空气中的氧溶入水中。叶轮装在池内废水表面进行曝气的，称为表面曝气。这种装置通过叶轮的提水作用,促使池内废水不断循环流动,不断更新气液接触面以增大吸氧量。叶轮旋转时在周缘形成水跃，可有效地裹入空气；叶片后侧产生负压，可吸入空气，所以充气效果较好。叶轮浸水深度和转速可以调节，以保证最佳效果。典型的机械曝气池有圆形表面加速曝气池、标准型加速曝气池、IO型加速曝气池和方形加速曝气池等。鼓风曝气和机械曝气两种方法有时也可联用，以提高充氧能力，这适用于有机物浓度较高的污水。近年来，又创造出一些新型曝气方法，如深井曝气、纯氧或富氧曝气和配合其他生物处理方法的曝气等。深井曝气一般用直径16米、深达50150米的曝气池,利用水压来提高水中氧的移转速率,以高效去除污水中BOD（生化需氧量）。这种曝气池已在英国、德意志联邦共和国、法国、加拿大、美国、日本先后投入运行或实验运行。纯氧曝气是按鼓风曝气方法向水中鼓入纯氧或富氧空气，池型一般如鼓风曝气池,上加密封盖,以充分提高充氧效率。另外还在研究和发展一些特殊型式的曝气池，如生物接触氧化和生物膜载体流化床曝气池等。曝气池在朝着高效率、小体积、节省能源的方向发展。1.2.2二沉池，进行泥水分离，保证出水水质；保证回流污泥，维持曝气池内的污泥浓度。1.2.3回流系统，维持曝气池的污泥浓度；改变回流比，改变曝气池的运行工况。1.2.4剩余污泥排放系统，是去除有机物的途径之一；维持系统的稳定运行。 1.2.5供氧系统，提供足够的溶解氧。 1.3活性污泥系统有效运行的基本条件 1.3.1 废水中含有足够的可容性易降解有机物；1.3.2 混合液含有足够的溶解氧； 1.3.3活性污泥在池内呈悬浮状态；1.3.4活性污泥连续回流、及时排除剩余污泥，使混合液保持一定浓度的活性污泥；1.3.5无有毒有害的物质流入。1.4活性污泥法的原理典型的活性污泥法是由曝气池、沉淀池、污泥回流系统和剩余污泥排除系统组成。污水和回流的活性污泥一起进入曝气池形成混合液。从空气压缩机站送来的压缩空气，通过铺设在曝气池底部的空气扩散装置，以细小气泡的形式进入污水中，目的是增加污水中的溶解氧含量，还使混合液处于剧烈搅动的状态，形成悬浮状态。溶解氧、活性污泥与污水互相混合、充分接触，使活性污泥反应得以正常进行。 第一阶段，污水中的有机污染物被活性污泥颗粒吸附在菌胶团的表面上，这是由于其巨大的比表面积和多糖类黏性物质。同时一些大分子有机物在细菌胞外酶作用下分解为小分子有机物。 第二阶段，微生物在氧气充足的条件下，吸收这些有机物，并氧化分解，形成二氧化碳和水，一部分供给自身的增殖繁衍。活性污泥反应进行的结果，污水中有机污染物得到降解而去除，活性污泥本身得以繁衍增长，污水则得以净化处理。经过活性污泥净化作用后的混合液进入二次沉淀池，混合液中悬浮的活性污泥和其他固体物质在这里沉淀下来与水分离，澄清后的污水作为处理水排出系统。经过沉淀浓缩的污泥从沉淀池底部排出，其中大部分作为接种污泥回流至曝气池，以保证曝气池内的悬浮固体浓度和微生物浓度；增殖的微生物从系统中排出，称为“剩余污泥”。事实上，污染物很大程度上从污水中转移到了这些剩余污泥中。活性污泥法的原理形象说法：微生物“吃掉”了污水中的有机物，这样污水变成了干净的水。它本质上与自然界水体自净过程相似，只是经过人工强化，污水净化的效果更好。2 生物脱氮2.1原理生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和NH3-N转化为N2和NxO气体的过程1。 废水中存在着有机氮、NH3-N、NOx-N等形式的氮，而其中以NH3-N和有机氮为主要形式。在生物处理过程中，有机氮被异养微生物氧化分解，即通过氨化作用转化为成NH3-N，而后经硝化过程转化变为NOx-N，最后通过反硝化作用使NOx-N转化成N2，而逸入大气。由此可见，进行生物脱氮可分为氨化硝化反硝化三个步骤。由于氨化反应速度很快，在一般废水处理设施中均能完成，故生物脱氮的关键在于硝化和反硝化。2.1.1 氨化作用氨化作用是指将有机氮化合物转化为NH3-N的过程，也称为矿化作用。参与氨化作用的细菌称为氨化细菌。在自然界中，它们的种类很多，主要有好氧性的荧光假单胞菌和灵杆菌、兼性的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌等。在好氧条件下，主要有两种降解方式，一是氧化酶催化下的氧化脱氨2。例如氨基酸生成酮酸和氨：（2-1）丙氨酸 亚氨基丙酸法 丙酮酸另一是某些好氧菌，在水解酶的催化作用下能水解脱氮反应。例如尿素能被许多细菌水解产生氨，分解尿素的细菌有尿八联球菌和尿素芽孢杆菌等，它们是好氧菌，其反应式如下： (2-2)在厌氧或缺氧的条件下，厌氧微生物和兼性厌氧微生物对有机氮化合物进行还原脱氨、水解脱氨和脱水脱氨三种途径的氨化反应。 (2-3) (2-4) (2-5)2.1.2 硝化作用硝化作用是指将NH3-N氧化为NOx-N的生物化学反应，这个过程由亚硝酸菌和硝酸菌共同完成，包括亚硝化反应和硝化反应两个步骤。该反应历程为：亚硝化反应 (2-6)硝化反应 (2-7)总反应式(2-8)亚硝酸菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属。硝酸菌有硝酸杆菌属、硝酸球菌属。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌22。发生硝化反应时细菌分别从氧化NH3-N和NO2-N的过程中获得能量，碳源来自无机碳化合物，如CO32、HCO、CO2等。假定细胞的组成为C5H7NO2，则硝化菌合成的化学计量关系可表示为：亚硝化应(2-9)硝化反应 (2-10)在综合考虑了氧化合成后，实际应用中的硝化反应总方程式为： (2-11)由上式可以看出硝化过程的三个重要特征：NH3的生物氧化需要大量的氧，大约每去除1g的NH3-N需要4.2gO2；硝化过程细胞产率非常低，难以维持较高物质浓度，特别是在低温的冬季；硝化过程中产生大量的质子（H+），为了使反应能顺利进行，需要大量的碱中和，理论上大约为每氧化1g的NH3-N需要碱度5.57g(以NaCO3计)。2.1.3 反硝化作用反硝化作用是指在厌氧或缺氧（DO0.3-0.5mg/L）条件下，NOx-N及其它氮氧化物被用作电子受体被还原为氮气或氮的其它气态氧化物的生物学反应，这个过程由反硝化菌完成3-4。反应历程为： (2-12) (2-13) (2-14)H可以是任何能提供电子且能还原NOx-N为氮气的物质，包括有机物、硫化物、H+等。进行这类反应的细菌主要有变形杆菌属、微球菌属、假单胞菌属、芽胞杆菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属等兼性细菌，它们在自然界中广泛存在。有分子氧存在时，利用O2作为最终电子受体，氧化有机物，进行呼吸；无分子氧存在时，利用NOx-N进行呼吸。研究表明，这种利用分子氧和NOx-N之间的转换很容易进行，即使频繁交换也不会抑制反硝化的进行。大多数反硝化菌能进行反硝化的同时将NOx-N同化为NH3-N而供给细胞合成之用，这也就是所谓同化反硝化。只有当NOx-N作为反硝化菌唯一可利用的氨源时NOx-N同化代谢才可能发生。如果废水中同时存在NH3-N，反硝化菌有限地利用NH3-N进行合成。2.1.4同化作用在生物脱氮过程中，废水中的一部分氮（NH3-N或有机氮）被同化为异养生物细胞的组成部分。虽然微生物的内源呼吸和溶胞作用会使一部分细胞的氮又以有机氮和NH3-N形式回到废水中，但仍存在于微生物的细胞及内源呼吸残留物中的氮可以在二沉池中得以从废水中去除。2.2生物脱氮过程的主要影响因素2.2.1温度生物硝化反应的适宜温度范围为2030，15以下硝化反应速率下降，5时基本停止。反硝化适宜的温度范围为2040，15以下反硝化反应速率下降。实际中观察到，生物膜反硝化过程受温度的影响比悬浮污泥法小，另外，流化床反硝化温度的敏感性比生物转盘和悬浮污泥的小得多。2.2.2溶解氧生物消化反应器内宜保持溶解氧的浓度在2.0mg/L以上。2.2.3 pH硝化菌对pH变化十分敏感，pH在7.08.0时，亚硝酸菌的活性最好；而硝酸菌在pH值为7.78.1时活性最好。当pH降到5.5以下时，硝化反应几乎停止。2.2.4碳氮比3 流化床生物膜反应器MBBR（Moving Bed Biofilm Reactor）MBBR工艺原理是运用生物膜法的基本原理，充分利用了活性污泥法的优点，有克服了传统活性污泥法及固定式生物膜法的缺点。该方法通过向反应器中投加一定数量的悬浮载体，提高反应器中的生物量及生物种类，从而提高反应器的处理效率。由于填料密度接近于水，所以在曝气的时候，与水呈完全混合状态，微生物生长的环境为气、液、固三相。载体在水中的碰撞和剪切作用，使空气气泡更加细小，增加了氧气的利用率。另外，每个载体内外均具有不同的生物种类，内部生长一些厌氧菌或兼氧菌，外部为好养菌，这样每个载体都为一个微型反应器，使硝化反应和反硝化反应同时存在，从而提高了处理效果。MBBR工艺兼具传统流化床和生物接触氧化法两者的优点，是一种新型高效的污水处理方法，依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用使载体处于流化状态，进而形成悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜，这就使得移动床生物膜使用了整个反应器空间，充分发挥附着相和悬浮相生物两者的优越性，使之扬长避短，相互补充。与以往的填料不同的是，悬浮填料能与污水频繁多次接触因而被称为“移动的生物膜”。流化床生物膜反应器工艺（MBBR）技术的关键在于研究开发了比重接近于水，轻微搅拌下易于随水自由运动的生物填料，它具有有效比表面积大，适合微生物吸附生长的特点，适用性强，应用范围广，既可用于有机物去除，也可用于脱氮除磷；既可用于新建的污水处理厂，更可用于现有污水处理厂的工艺改造和升级换代。4 TCBS脱氮技术4.1原理 TCBS工艺是对传统SBR法进行改进，在工艺流程和结构形式上综合了Bardenpho、A2/O、氧化沟、CAST等脱氮除磷工艺的优点而开发的连续流序批式生物处理新工艺，它不仅是对传统工艺的分析总结和提高，而且是直接进行微生物生长动力学分析的结果。该工艺为各种微生物生长繁殖创造了最佳的环境条件和水力条件，使有机物的降解、氨氮的硝化、反硝化、磷的释放和吸收等生化过程一直处于高效反应状态，提高了降解效率，整个系统采用组合式联体结构，减少了占地面积，降低了运行费用。4.2厌氧/缺氧/好氧（Anaerobic /Anoxic/ Oxic）厌氧/缺氧/好氧（Anaerobic /Anoxic/ Oxic）简称A2/O工艺，是一种典型的生物脱氮工艺，得到了广泛的应用。污水首先进入厌氧区与回流污泥混合，在兼性厌氧发酵菌的作用下，将部分易生物降解的大分子有机物质转化为VFA；在缺氧区反硝化菌利用进水中的有机物质和回流中的硝酸盐进行反硝化，同时，去碳、脱氮。在好氧区，有机物浓度相当低，有利于自养硝化菌的繁殖，同时聚磷菌超量吸磷，通过污泥的排放达到除磷的目的。4.2.1好氧池就是通过曝气等措施维持水中溶解氧含量在4mg/l左右，适宜好氧微生物生长繁殖，从而处理水中污染物质的构筑物。4.2.2厌氧池就是不做曝气，污染物浓度高，因为分解消耗溶解氧使得水体内几乎无溶解氧，适宜厌氧微生物活动从而处理水中污染物的构筑物。 4.2.3缺氧池是曝气不足或者无曝气但污染物含量较低，适宜好氧和兼氧微生物生活的构筑物。不同的氧环境有不同的微生物群，微生物也会在环境改变的时候改变行为，从而达到去除不同的污染物质的目的。4.3特点4.3.1 将厌氧、缺氧、主曝气、序批区组合于一体，占地面积小，土建投资较少。4.3.2集生物脱氮、生物除磷、有机物降解、污泥沉淀及过滤功能于一体，具有高效的脱氮除磷和降解有机物的能力。4.3.3 厌氧区较高的污泥浓度加强了难降解有机物的水解发酵过程，而高污泥浓度（45g/L）和完全混合的条件，使得主曝气区具有较高的降解速率。4.3.4 TCBS工艺维护了高浓度的硝化菌，沉淀过程的继续反硝化作用进一步提高了脱氮效率。 4.3.5序批池以缺氧、好氧、沉淀循环处理曝气池混合液，较强的内源呼吸作用大大改善了污泥的絮凝沉降性能。5 污水的监测指标5.1总氮包括有机氮、氨氮、凯氏氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮。 5.2氨氮就是无机氮的一部分，也就是总氮的一部分；用NH3-N表示。 5.3有机氮是指植物、土壤和肥料中与碳结合的含氮物质的总称。如蛋白质、氨基酸、酰胺、尿素等。5.4无机氮是指植物、土壤和肥料中未与碳结合的含氮物质的总称。主要有铵态氮、硝态氮和亚硝态氮等。5.5生化需氧量（BOD），是一种环境监测指标，主要用于监测水体中有机物的污染状况。一般有机物都可以被微生物所分解，但微生物分解水中的有机化合物时需要消耗氧，如果水中的溶解氧不足以供给微生物的需要，水体就处于污染状态。 为了使检测资料有可比性，一般规定一个时间周期，在这段时间内，在一定温度下用水样培养微生物，并测定水中溶解氧消耗情况，一般采用五天时间，称为五日生化需氧量，记做BOD5。数值越大证明水中含有的有机物越多，因此污染也越严重。 5.6化学需氧量（COD），是在一定的条件下，采用一定的强氧化剂处理水样时，所消耗的氧化剂量。它是表示水中还原性物质多少的一个指标。水中的还原性物质有各种有机物、亚硝酸盐、硫化物、亚铁盐等。但主要的是有机物。因此，化学需氧量（COD）又往往作为衡量水中有机物质含量多少的指标。化学需氧量越大，说明水体受有机物的污染越严重。 化学需氧量（COD）的测定，随着测定水样中还原性物质以及测定方法的不同，其测定值也有不同。目前应用最普遍的是酸性高锰酸钾氧化法与重铬酸钾氧化法。重铬酸钾（K2Cr2O7）法，氧化率高，再现性好，适用于测定水样中有机物的总量。二、课题研究设计选题的目的和意义1、课题的来源背景、选题依据山东新华制药股份有限公司前身为山东新华制药厂，创建于1943年， 1996年底和1997年8月，分别在香港和深圳成功发行了H股和A股，现为国内三大制药企业之一，为全国最大的解热镇痛药生产和出口基地，最重要的抗感染药、中枢神经药、激素类药、心脑血管药、医药制剂及化工防腐设备生产企业。 新华制药污水有机物浓度高、色度高、含难降解和对微生物有毒性的物质、水质成分复杂、可生化性差等特点。新华制药东园污水处理系统负荷增大，原TCBS池工艺已经不适合环保要求，生物脱氮无法实现，出水氨氮达到300mg/L以上，东园污水脱氮依赖于次氯酸钠，2013年次氯酸钠使用量达到15340吨，费用519.6万元，成本高，且带来次氯酸钠异味二次污染，成为东园污水运行的最大环保隐患，影响公司正常生产。环境保护是新华生存和发展的生命线。新华制药十分重视环境保护和清洁生产，为了提高现有污水设施使用效率，降低污水运行成本，杜绝次氯酸钠异味散发，引进新工艺、新技术对现有TCBS池升级改造，将现有的缺氧池与二次沉淀池形成整体的“A/O+二沉池”的完整体系，实现生物脱氮，确保公司外排水达标排放，保障公司东园正常生产。2、国内外在本选题领域内的研究设计现状三、课题研究设计方案1课题研究设计的主要内容1.1新华制药东园污水处理系统改造工艺，将现有的TCBS池改为连续运行工艺的缺氧池与二沉池形成整体的“A/O+二沉池”的工艺。进水水质指标如下表所示：表2-1 TCBS池进水指标一览表项 目限 值CODcr2500 mg/LTN （300-400）mg/LNH3-N（200-300）mg/LTP0.5 mg/LTDS（12000-15000）mg/LpH78 B/C0.2 1.2根据新华制药东园污水站实际运行情况，TCBS池改造后出水指标达到污水排入城镇下水道水质标准（CJ343-2010）规定的排放标准。表2-2 污水排入城镇下水道水质标准（CJ343-2010）项 目限 值CODcr500 mg/LBOD5350 mg/L氨氮45 mg/LpH69SS400 mg/LTP8 mg/LTN70 mg/L2课题研究设计的目标为了提高新华制药东园现有污水设施的使用效率，降低污水运行成本，杜绝次氯酸钠异味散发，引进新工艺、新技术对现有TCBS池升级改造，实现生物脱氮，使出水达标排放，保障公司东园正常生产。3课题研究的技术路线与措施3.1现有设施工艺流程：水解缺氧池T配TCBS池回水池次氯酸钠反应池次氯酸钠二沉池次氯酸钠储罐外排水3.2改造后的生物脱氮工艺：外排水氧化二沉池水解池缺氧池1#脱氮池2#脱氮池3#脱氮池二沉池在线监测室4实施技术方案所需要的条件4.1 材料及资金情况序号材料名称数量单价总价（万元）项目合计（万元）1曝气碳钢管路DN350*6120米4.518.5曝气碳钢管路DN250*6120米4阀门、弯头施工费土建费支架等102离心风机1台13.613.625.1配电柜1台3.53.5安装费4管路、土建、电缆线43配电改造电缆线50m2*3100元/米754低压配电箱3515变压器母线101600KVA开关柜122土建、安装费204内回流泵61.16.619.1不锈钢配电箱31.54.5管路及安装费85外回流泵40.527.7不锈钢配电箱11.21.2管路及安装费4.56潜水搅拌63.614.421不锈钢配电箱31.23.6管路及安装费37脱臭玻璃钢管路1011.8支架1拆除费0.88土建、基础、开洞3