（环境工程专业论文）气浮和生化法处理化妆品废水的应用研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本论文致力于化妆品废水处理方法的应用研究，设计以及实际操作运行参数的设 定，最终达到实际运行后的良好结果。在设计初期对化妆品废水中的污染物进行了分析 和测定，选择了适宜的处理流程气浮法和生化法共同处理。根据上述研究，建立了 完整的废水处理工艺流程。根据提供的水量水质，计算出各个槽体的尺寸。作为实际工 程项目，应用a u t o c a d 绘图软件画制了流程图，安装图，配管图等一系列要求的图纸， 同时完成了现场的安装工作。现场安装结束后，为了能够安全良好的运行，进行了试运 转的调试。分析了实际操作中的各个运行参数，包括水流量，加药量和脱水机处理的水 流量等，使其能够安全良好的运行，并且达到排放的标准。 关键词：气浮，生化，化妆品废水 a b s t r a c t t h et h e s i sr e s e a r c h e st h e a p p l i c a t i o no fm e t h o do fd e a l i n g w i t hw a s t e w a t e ro f c o s m e t i c ，a n dt h ed e s i g no ft h ep a r a m e t e r so fp r a c t i c a lo p e r a t i o n ，a n dg e t sg o o dr e s u l t a f t e rt h ep r a c t i c a l o p e r a t i o n i nt h e f i s t s t a g e o ft h ed e s i g n i n gw ea n a l y z ea n dt e s tt h e p o l l u t i o n i nc o s m e t i cw a s t e w a t e r ，i nt h i ss i t u a t i o nw ec h o o s et h e a p p r o p r i a t ep r o c e s s c o m b i n a t i o no fa i r - f l o a ta n db i o c h e m i c a lm e t h o d a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ha b o v e ，w es e t u p a ne n t i r ep r o c e s s ，w i t ht h eq u a n t i t ya n d q u a l i t yo f t h ew a t e r , w ec a l c u l a t es i z e so f e a c h t a n k a sap r a c t i c a lp r o j e c t ，w eu s ea u t o c a dt od r a was e r i e so f g r a p h sf l o ws h e e t ，i n s t a l l a t i o n d r a w i n g ，p i p ed r a w i n ga n df i n i s h e dt h ei n s t a l l m e n t a f t e rt h ei n s t a l l m e n t ，i no r d e rt ol e tt h e e q u i p m e n to p e r a t ep e r f e c t l y , w ed os o m ed e b u g o ft h et e s tr u n a f t e ra n a l y z e de a c ho p e r a t i o n p a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gw a t e rf l u x ，c o n s u m p t i o nc h e m i c a la n d f i l t e rp r e s st r e a t m e n tw a t e rf l u x e c t ，w ec o u l dl e ti tr u np r o p e r l ya n da t t a i nt h ed r a i n i n gs t a n d a r d z h a ox u ( e n v i r o n m e n t e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h um a ny i n k e y w o r d ：a i r - f l o a t ，b i o c h e m i c a l ，c o s m e t i cw a s t e w a t e r 3 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文气浮和生化发处理化妆品废水的应用 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 壑垫 日期：2 z 乙 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阕：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定1 作者签名：是旭 日期：丝! ! ；! ：2 l 乙 导师签名剑幽 日 期：兰竺竺：! 兰：? b 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 水是自然界和人类赖以生存的物质基础，但水与水资源并不是同一个概念。水 资源通常是指可供人们经常使用的水量，即大陆上有大气降水补给的各种地表、地 下淡水体的储存量和动态水量。 由于人口和工业用水的增加，尤其是工业废水量的增加，城市污水的排放以及 农业施用化肥、农药等，造成了严重的水污染。因此为了保护水资源，防止水体污 染已成为我国及世界各国十分重要的问题。 为了有效的控制水体污染，我f 1 必须全面地了解所排污水以及污染物的数量、 性质和特性，以及受纳水体的水质和水量特征和净化规律，这样才能根据污水和水 体的情况，制定相应的技术标准，进而采取有效的处理方法和控制措施来防止水体 污染。 随着社会发展和人民生活水平提高，日用化学工业在整个化学工业中所占比例 逐年上升。到2 0 世纪8 0 年代，经济比较发达的国家中，洗涤剂、化妆品等日化主 要产品的销售额已占整个化学工业销售额的1 1 以上，美国已达到1 9 ，与塑料、 橡胶和合成纤维的产品总和相当，进入2 0 世纪9 0 年代，洗涤剂与化妆品工业更是 平均年增长3 4 的速度迅速发展。在我国化妆品的销售额1 9 9 5 年约2 8 亿元，2 0 0 0 年超过5 6 亿元，增长了一倍。显然进入新的世纪后，随着我国加入w t o 和人民生 活水平的进一步提高，我国的日化工业将会更上一个新的台阶。 在整个的化妆品生产过程中，产生了大量废水，必须进行废水的处理，才能达 到国家的排放标准，这样才能使一个生产化妆品的企业有更好的发展前途，所以针 对化妆品废水的处理进行研究。北京资生堂丽源化妆品有限责任公司为了保持企业 的良好形象，也为了能够有更大的发展，投资生产化妆品的同时，必须将产生的废 水进行处理，才能达到更好的经济效益。本课题针对化妆品废水的处理这一问题加 以研究。 1 2 化妆品废水背景 1 2 1 化妆品 化妆品是以涂抹、喷撒或类似方法施于人体皮肤、毛发、口唇等处，具有保护、 美容等功能的产品。目前主要有护肤化妆品、美容化妆品和发用化妆品3 大类。随 着人民精神文明和物质生活水平的提高，化妆品已由过去的奢侈品逐步成为人们日 1 华北电力大学硕士学位论文 常生活用品。发达国家化妆品的使用已成为反映人们精神面貌和物质生活水准的一 个标志，因此化妆品办是日用化学工业的一个重要组成部分，19 9 3 年全球各地的化 妆品销售总额约1 2 6 0 亿美元，到2 0 0 0 年增长到1 7 3 0 亿美元，平均年增长率4 3 。 中国化妆品的发展同样令人瞩目，1 9 8 5 年全国化妆品工业总产值仅1 0 亿元人民币， 1 9 9 5 年已达到1 9 0 亿元，1 0 年间增长1 8 倍；到2 0 0 0 年达到4 0 0 亿元，年增长1 5 2 。 化妆品中肤用化妆品应用最广泛，主要是涂敷在皮肤表面上形成薄薄的脂膜， 保护皮肤免受外界空气冷暖干湿变化的直接刺激并给皮肤表面补充适当水分和油 性成分，使皮肤湿润柔软有弹性和延缓衰老。肤用化妆品包括各种膏、霜、蜜、乳 液、化妆水、面膜等。这类护肤用品组成基本上是由油脂性柔软剂、保湿剂和水三 部分组成，配合一定的抗氧杀菌剂、表面活性剂和色素、香精等制成。 发用化妆品发展很快，种类逐渐增加，如洗发用的香波、护发素，整饰用的发 油、发蜡、发乳、发胶、摩丝，着色用的染发剂、烫发用的冷烫精及保养用的煽油 等。香波组分中常用原料有去污起泡作用的表面活性剂及其他添加剂，整饰头发用 品一般都是由油性原料、香料和抗氧剂等组成，在添加成膜性树脂可制成发胶和摩 丝；染发剂由各种染料、氧化剂、碱剂和还原剂配置而成，如对苯二胺，雷琐辛， 乙二胺四乙酸二钠盐、乙氧基地壬基酚、聚氧乙烯月桂醚硫酸盐等。 美容化妆品( 含特殊用途化妆品) 包括胭脂、唇膏、眼影、粉饼、祛斑霜、指 甲油等。这些彩色化妆品，主要是在膏、霜、乳液中掺和粉质颜料，如滑石粉、高 岭土、二氧化钛、氧化铁、氧化锌、云母粉等。祛斑化妆品中添加漂白活性成分如 过氧化氢、过氧化锌、氢醌及衍生物等。指甲油中主要包括各类树脂、硝化纤维成 膜剂、溶剂、助溶剂、颜料等。 1 2 2 化妆品的发展和现状 1 9 7 8 年党的改革开放政策为我国化妆品工业带来了新发展机遇，化妆品企业犹 如雨后春笋，拔地而起，蓬勃发展起来。企业数量迅速增加，从轻工系统扩展延伸 至民政系统、卫生系统、教育系统，大批的化妆品乡镇企业不断涌现出来，到1 9 9 8 年底，全国已领取化妆品生产许可证的企业3 5 1 4 家。1 9 8 5 年以前，我国化妆品企 业的经济所有制主要是国有和集体两种。1 9 8 5 年以后，“三资”企业和民营企业得到 了很快的发展，1 9 9 7 年据对2 5 1 9 家化妆品企业所有制结构的分析，其中国有企业 3 17 家，占全行业的1 2 3 ；集体企业1 1 1 0 家，占4 4 ；私营企业2 5 8 家，占全行 业1 0 2 ；三资企业5 3 9 家，占全行业2 1 4 、其它经济结构约占1 2 。 二十年来，化妆品工业的生产总值得到厂高速的发展。1 9 8 2 年化妆品工业生产 总值约2 亿元，到1 9 8 5 年化妆品工业生产总值为1 0 亿元。1 9 9 0 年化妆品工业生产 总值上升为4 0 亿元，五年间增长了三倍。1 9 9 3 年化妆品工业生产总值9 0 亿元，1 9 9 4 2 华北电力大学硕士学位论文 年化妆品生产总值达1 4 0 亿元，比1 9 9 3 年增长了5 6 。1 9 9 5 年化妆品工业生产总 值为1 9 0 亿元，比1 9 9 4 年增长3 6 。1 9 9 6 年化妆品生产总值为2 2 0 亿元，比1 9 9 5 年增长1 6 。1 9 9 7 年化妆品销售额为2 5 3 亿元，比1 9 9 6 年增长15 。19 9 8 年化妆 品销售额为2 7 5 亿元，比1 9 9 7 年增长8 7 ，实现利税约1 1 5 亿元，其中利润约3 8 亿元。出口创汇，实现1 1 亿美元。1 9 9 9 年完成销售额达3 0 0 亿元，比1 9 9 8 年增 长8 5 ，实现利税约1 1 5 亿元，其中利润约3 8 亿元。约实现利税1 2 5 亿元，同比 增长约9 。化妆品工业的发展速度高于全国国民经济和轻工业年增长的发展速度。 1 2 3 化妆品中有害物毒性及危害 常用化妆品主要有肤用化妆品、发用化妆品及美容化妆品( 含特殊用途化妆 品) 。肤用化妆品主要是涂敷在皮肤表面，起护肤、润肤等功能，因此这类护肤品 组成基本上是由油脂性柔软剂、保湿剂和水组成，因此这类化妆品所含化妆品成分， 基本无毒副作用。 当前含有毒化妆品化学物质的化妆品一般集中在具有特殊用途的化妆品中，例 如美容美发、染发烫发、化妆，指甲、祛斑、防晒美容治疗等化妆品。这些化妆品 原料中化工合成产品普遍使用，如染料、香精、色素等，同时在天然矿物粉中会掺 杂像铅、汞、砷等这样的有毒无机元素。目前市场上销售的各种染发剂大都含有使 细胞产生突变的活性有害成分。如氧化型染发剂中含有2 0 余种化学成分，其中1 0 种会引起细胞突变或致癌。美国伊阿华州立大学研究人员对1 2 9 8 4 名成年妇女调查 发现，在使用染发剂的女性中患白血病的是不染发女性的3 8 倍。我国市场出售的 染发剂大都是用对苯二胺氧化染料作为主染剂，对苯二胺是较强的致敏剂，可经皮 肤吸收在体内生成苯酸二亚胺，长期接触可引起变应性病变，可引起肝脏和泌尿系 统损伤。一部分苯的氨基化合物可直接作用于肝细胞，引起中毒性肝炎：而某些苯 的氨基化合物由于毒物或共代谢产物直接作用于肾脏，可引起肾脏实质性损伤，出 现肾小球及肾小管上皮细胞变性坏死。 美容化妆品粉质染料成分主要是滑石粉、高岭土、二氧化钛、氧化锌、氧化铁、 硅粉、云母粉等研磨而成。这些天然粉中或多或少地掺杂有害元素铅、汞、砷等， 可引起人体急性或慢性中毒。汞对肾脏损害最大，无机汞进入血液后大部分分布于 血浆中，主要蓄积于肾脏，其次是肝脏。无机砷的毒性作用于呼吸系统，铅中毒可 出现神经系统症状、血液系统改变、代谢内分泌障碍及胃肠道改变等。这些天然粉 状物在废水中可以吸附微量痕量的有毒污染物，而在水体中再释放出来造成二次污 染。氢醌及其衍生物添加到祛斑化妆品中用于消退面部黄褐斑、雀斑等皮肤色素沉 着。氢醌为化妆品中限用物质，在化妆品中最大允许浓度2 。氢醌的急性毒性主 要是引起细胞减少或造血器官变化。r o e 等在小鼠皮肤上每闩搽抹氢醌丙酮溶剂溶 3 华北电力大学硕士学位论文 液，总量达2 0 0 m g 时产生皮肤癌变。指甲油中所含树脂、成膜剂、溶剂、助溶剂、 着色剂、稀释剂、悬浮剂等成分对人体也有不同程度的危害性。这些成分如果不经 处理进入水体水域也会造成水体的污染并对水生生物造成危害。 另外，化妆品、牙膏等废水主要是c o d 较高，也必须处理后才能排放。 1 3 气浮法在国内外发展情况 气浮法是利用高度分散的微小气泡作为载体去粘附废水中的悬浮物，使其密度 小于水而上浮到水面以实现固液分离的过程。在水处理中，气浮法广泛应用于： 分离地面水中的细小悬浮物、藻类及微絮凝体；回收工业废水中的有用物质，如 造纸厂废水中的纸浆纤维及填料等；代替二次沉淀池，分离和浓缩活性污泥； 分离回收含油废水中的悬浮油和乳化油；分离回收以分子或离子状态存在的物 质，如表面活性物质和金属离子。 与沉淀法相比较，气浮法具有以下特点： ( 1 )由于气浮池的表面负荷最高可达1 2 m 3 ( m 2a h ) ，水在池中停留时间只需 1 0 2 0 m i n ，而且池深只需2 m ，故占地少，节省基建投资； ( 2 ) 气浮池具有预曝气作用，出水和浮渣都含有一定量的氧，有利于后续处 理或再用，泥渣不易腐化； ( 3 ) 对那些很难用沉淀法去除的低浊含藻水，气浮法处理效率高，甚至还可 去除原水中的浮游生物，出水水质好； ( 4 ) 浮渣含水率低，一般在9 6 以下，比沉淀池污泥体积减少2 l o 倍，这对 污泥的后续处理有利，并且表面刮渣也比池底排泥方便； ( 5 ) 可以回收利用有用物质； ( 6 ) 气浮法所需药剂量比沉淀法节省。 但是。气浮法电耗较大，处理每吨废水比沉淀法多耗电约0 0 2 0 0 4 k w h 。 1 3 1 气浮理论发展 气浮理论的发展可分为开拓期和发展期。开拓期始于2 0 世纪7 0 年代中期大部 分研究集中在气浮工艺条件的研究上，如气浑分离的物理化学条件；较深入的一些 研究工作也仅停留在对某些气浮过程表面现象的局部解释上。或是测定气泡的大 小、接触角、表面张力、i 电位、颗粒大小与气浮效率的关系。7 0 年代后期属于发 展期，气浮理论研究向纵深发展。气浮过程的机理、热力学和动力学的研究也日益 增多，文献逐年增加。 气浮理论认为：压力溶气水中通过溶气释放器释出的微气泡，在其气泡外层包 着一层透明的弹性水膜，除排列疏松的外层( 流动层) 泡膜在上浮过程中受浮力和阻 4 华北电力大学硕士学位论文 力的影响而流动外，其内层( 附着层) 泡膜与空气一起构成稳定的微气泡而上浮；经 过絮凝利脱稳凝聚、絮凝形成的柔性网络结构絮粒，具合一定的过剩自由能和憎水 基团。气泡和絮粒的粘附作用的形成机理主要是由以下4 种因素综合作用的结果： ( 1 ) 絮粒的网捕、包卷和架桥作用；( 2 ) 气泡絮粒碰撞粘附；( 3 ) 微气泡与微絮 粒间的共聚并人：( 4 ) 表面活性剂的参与作用。 单忠健等从“分离压”基本原理出发，通过气泡一絮粒间残留水化层性能的测定 和计算，探讨了气泡与絮粒粘附时，液膜簿化的物理化学因素，研究了气泡一絮粒 粘附过程的机理。胡斌等根据絮粒和气泡的各自特性及其粘附方式研究了气浮净水 机理。认为微粒、微气泡的尺寸和粘附牢度是影响气浮净水效果的主要因素。 k i t c h e n e r ，n e e t b l i n g 等主要从电位和水化层方面研究其粘附条件，并且提出了相应 的数学模型。 2 1 1 3 2 气浮的；争水设备发展 气浮分离方法有很多种，根据微细气泡产生的方式可分为：电解气浮法、分散 空气气浮法、溶气气浮法。分散空气气浮采用微孔扩散板或微孔管直接向气浮池通 入压缩空气或采用水力喷射器、高速叶轮等向水中充气，可分为扩散板气浮、射流 气浮和叶轮气浮，溶气气浮法使空气在一定压力下溶于水中并达到饱和状态，然后 再使废水压力突然降低，这时溶解于水中的空气使以微气泡的形式从水中放出，以 进行气浮废水处理，可分为加压消气气浮和真空溶气气浮；其中的部分回流式压力 溶气气浮是水处理中最常用的工艺，它在某些方向可以作为替代沉淀的新技术。尽 管如此，气浮工艺的设计和最佳操作仍1 日依靠中试及经验。因此，有关气浮机理、 气浮设备和工艺组合尚需进一步研究。电解气浮法是对废水进行电解，阴极产生大 量氢气泡，起浮选剂的作用，废水中的悬浮颗粒粘附在氢气泡上随其上浮而达到 净化废水的目的。 我国从2 0 世纪7 0 年代后期便积极开展气浮净水工业设备的研究，2 0 多年来取得 了可喜的成就。在加压溶气气浮工艺及设备方面，同济大学率先于1 9 7 8 年研制成功 “t s 一7 8 ”型低压溶气释放器。朱锡海研制成功高效无毒的l g i 型气浮剂及其气浮 设备，他又与郭金基、孔宪祥等人研制成功“旋流充气气浮装置”l 。其气浮速率比 一般常规压力溶气设备高1 0 多倍，能耗则减少约3 0 ，该技术及产品己出口到香港 及东南亚国家和地区、气浮装置一般应包含加压溶气系统、微气泡发生系统和悬浮 物分离系统等。其中微气泡发生系统的溶气释放器只有产生微气泡的密度较高，才 能提高气浮法的净水效果。陈林峰1 9 9 9 年研制成功高效溶气释放机。1 9 9 8 年以前所 发明的气浮净水装置基本上都是气浮池而到1 9 9 9 - - 2 0 0 0 年国内陆续发明了各种各 样用于废水处理的气浮机以及气浮柱。例如，王政研制成功的机械式气浮机和机械 华北电力大学硕士学位论文 式气浮水处阳装置；6 4 1 2 厂( 沈阳) 发明的射流一涡流复合溶气式气浮机等。丁一刚 等研制的处理造纸废水的新型环保气浮设备填料气浮柱，效果明显优于传统的气浮 池，其二次污染小，占地面积小可大幅度减小后续污泥处理设施及相应费用。 气浮法处理法已经应用到了印染废水处理、电镀( 或酸洗) 废水处理、造纸废 水处理、染色废水处理和炼油废水处理。而气浮法和生化法相结合已经应用到了炼 油废水处理的工程当中，在国外和我国都有实际工程上的应用。但是在化妆品废水 的处理上，国内外的报道还是很少，而用气浮和生化法处理就没有见到相关的报道。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 1 概述： 第二章气浮方法处理废水的概述 气浮法是一种固一液分离或液一液分离技术。它是通过某种方法产生大量的微 细气泡，使其与废水中密度接近于水的固体或液体污染物微粒粘附，形成密度小于 水的气浮体，在浮力作用下，上浮至水面形成浮渣而实现固一液或液一液分离。由 此可见，实现气浮分离必须具备以下三个条件： 第一，必须向废水中提供充足的微细气泡； 第二，必须使废水中的污染物质能形成悬浮状态； 第三，必须使气泡与悬浮颗粒物质产生粘附作用。 在水处理中，气浮法广泛应用于：分离地面水中的细小悬浮物、藻类及微絮 体：回收工业废水中的有用物质，如造纸厂废水中的纸浆纤维及填料等：代替 二次沉淀池，分离和浓缩剩余活性污泥，特别适用于那些易于产生污泥膨胀的生化 处理工艺中；分离回收含油废水中的悬浮油和乳化油；分离回收以分子或离子 状态存在的目的物，如表面活性物质和金属离子。口1 2 2 基本原理： 2 2 1 水中悬浮颗粒与微细气泡粘附的条件 气泡能否与悬浮颗粒发生有效附着主要取决于颗粒的表面性质。如果颗粒易被 水润湿，则称该颗粒为亲水性的；如果颗粒不易被水润湿，能使疏水性的。颖粒的 润湿性程度常用气一液固三相间互相接触时所形成的接触角的大小来解释。 在静止状态下，当气、液、固三相接触时，在气一液界面张力线和固一液界面 张力线之间的夹角( 对着液相的) 称为平衡接触角，用0 表示。通常0 ) 9 0 。的为 疏水性表面，易于为气泡所粘附：0 ( 9 0 。的为亲水性表面，不易为气泡所粘附。这 可从图1 中物质与水接触面积的大小清楚地看出。不论物质的湿润性如何，在三相 接触点上，三个界面张力总是处于平衡状态，即 o l s = 仃l o c o s ( 1 8 0 。- 0 ) + o g s公式( 2 - 1 ) 当气泡与颗粒共存于水中时，在其附着前，单位界面面积上的界面能之和为 e i = o l s + o l g ，附着后，单位附着面积上的界面能相应减少为e 2 = o g s ，其界面能 降低的数值为： e = e 1 e 2 = g l s + o l g c r g s公式( 2 - 2 ) 将式( 2 1 ) 代入，整理得： 7 华北电力大学硕士学位论文 e = o l g ( 1 - c o s 0 )公式( 2 3 ) 由式( 2 3 ) 可知：( 1 ) 当0 一o o ，c o s e 一1 ，( 1 c o s 0 ) - - + 0 ，则e o ，这种颗粒不 易与气泡粘附，不能用气浮法去除。( 2 ) 当e 一1 8 0 。，c o s 0 一一i ，( 1 一c o s e ) - - * 2 ，则 e - - - * 2 g l g ，这种颗粒与气泡粘附紧密，最易于用气浮法去除。( 3 ) 对o l g 值很小 的体系，虽然有利于形成气泡，但e 很小，不利于气泡与颗粒的粘附。 在实际操作当中，对于那些弱亲水性或亲水性比较强的物质的气浮处理，常需 要投加合适的化学药剂，以改变颗粒的表面性能，增强其疏水性，使其变得易于与 气泡粘附，适于用气浮法去除。1 4 j 2 2 2 化学药剂投加对气浮效果的影响 亲水性很强的物质( 如植物纤维、油珠及炭粉等) ，不投加化学药剂即可获得 满意的固( 液) 一液分离效果。而一般的疏水性或亲水性物质，均需投加化学药剂， 以改变颗粒的表面性质，增加气泡对于颗粒的吸附。这些化学药剂主要有以下几类： ( 1 )混凝剂 各种无机或有机高分子混凝剂，它不仅可以改变污水中悬浮颗粒的亲 水性能，而且还能使污水中的细小颗粒絮凝成较大的絮状体以吸附、 截留气泡，加速颗粒上浮。 ( 2 )浮选剂 浮选剂大多数由极性一非极性分子所组成。极性一非极性分子的结构 一般用符号o 一表示，圆头端表示极性基，易溶于水( 因为水是强极 性分子) ；尾端表示非极性基，难溶于水，为疏水基。在气浮过程中， 所投加的浮选剂的极性基团能选择性地被亲水性物质所吸附，非极性 端则朝向水中，从而使亲水性物质转化为疏水性物质，使其能与微细 气泡粘附。浮选剂的种类很多，如松香油、石油及煤油产品、表面活 性剂、硬脂酸盐等。 ( 3 )助凝剂 其作用是提高悬浮颗粒表面的水密性，以提高颗粒的可浮性，如聚丙 烯酰胺。 ( 4 )抑制剂 其作用是暂时或永久性地抑制某些物质的浮上性能，而又不妨碍需要 去除的悬浮颗粒的上浮，如石灰、硫化钠等。 ( 5 )调节剂 调节剂主要是调剂废水的p h 值，改进和提高气泡在水中的分散程度以 及提高悬浮颗粒与气泡的粘附能力，如各种酸、碱等。 5 - 6 1 8 华北电力大学硕士学位论文 2 3 气浮技术的分类 工业废水气浮净水法，在一定的条件下，以气泡质量( 气泡大小、分散程度等) 作为影响气浮效率的重要因素。所以，在一般以产生气泡方式进行分类，如叶轮散 气气浮法、微孔布气气浮法、电解凝集气浮及压力溶气气浮等。 23 1 叶轮散气气浮法 叶轮气浮是靠叶轮、轮子等在高速旋转时产生负压、将空气吸入水中，又被高 速旋流撞击，剪切破碎成细小气泡扩散于水中，悬浮物与上升的微气泡接触并粘附 于气泡上升至水面形成泡沫层，被刮沫机刮至槽外。由于叶轮气泡电耗较高，所产 生的气泡大小不均匀，气浮效力较差，目前仅用于个别炼油厂的含油废水的处理。 2 3 2 微孑l 布气气浮法 微孔布气气浮法是利用净化后的低压空气经微孔板切割成微孔气泡而进行的 气浮，可以大大降低能耗，但目前的微孔板孔径太大，必须投加表面活性剂方能形 成可利用的微小气泡，这样就极大的限制了它的使用范围。 2 3 3 电解凝聚气浮 电解凝聚气浮法是将正负相同的多组电极安插于废水中，当通以直流电时，产 生电解、颗粒极化、电泳、氧化还原，产生一种在比较广泛的p h 范围内可溶解的 胶体。 电解气浮过程具有电化学絮凝和氧化作用，胶体脱稳和氧化同时进行，使某些 亲水性物质容易凝集为难溶的絮体，而且电解产生的气体是新生态的，氧化能力很 强，微气泡细小，载荷能力极强，大大提高了气浮效率。 亲水性的农药、染料、涂料、脂肪类、植物油等废水，应用电解气浮效果较好。 但电解凝集气浮还存在耗电量较高，金属消耗量大，以及电极敦化等问题，因 此，较难适用于大型生产中。 2 3 ，4 压力溶气气浮法 压力溶气气浮法又可分为压缩空气供气及水喷射吸入两种。前者是在加压情况 下，使空气溶解于水中，然后在减压下，使溶解的空气从水中释放出来，使微细泡 粘附于絮粒上而得到上浮。后者是利用水喷射器，使吸入的空气溶解于水中，以微 细泡形式释放出来，供气浮使用。其中以压送空气供气的压力溶气气浮装置数量最 多，应用也最广泛。 9 华北电力犬学硕士学位论文 与上述3 种方法相比，压力溶气气浮法具有入校的优点： 1 在压力情况下，空气的溶解度大，供气浮用的气泡数量能得到很大程度 的满足，确保了气浮的效果； 2 溶入气体经骤然减压后释放出的气泡，不仅尺寸微小，大小均匀，而且 状态稳定，对液体扰动较小，特别是用于疏松絮粒、细小颗粒的固、液 分离； 3 工艺过程简单，操作与维修也较方便。 2 4 压力溶气气浮法 压力溶气气浮法与其它气浮法相比的主要优点是气泡直径较小，一般为1 5 3 0 um ，在供气相同时，气泡吸附的比表面及较大，气浮上浮速度较慢，与吸附质点 的接触时间增加，可以提高上浮效果，因此加压溶气气浮法在工业上得到广泛的应 用。 压力溶气气浮法的处理流程主要有以下3 种( 图2 一1 ) 1 全部废水加压溶气气浮流程，如图2 1 ( a ) 所示 这种流程是将全部废水加压送至溶气罐，同时在废水中加药絮凝，属气泡析出 型的气浮分离。 2 部分废水加压溶气气浮流程，如图2 1 ( b ) 所示 这种流程是将一部分废水加压溶气，其余废水直接进入气浮的混合室，与溶气 水在混合室内充分混合，然后分离。该法属气泡接触型的气浮分离。 3 部分回流废水加压溶气气浮流程，如图2 - 1 ( c ) 所示 进水 加压泵 图2 一l ( a ) 全部废水加压溶气气浮流程 1 0 尔 出一 一一一 一蒂 阀 一阀 讷 蠹 排、，放罐 l = r l r 可q ， 一_，i 。 、 溶 华北电力大学硕- = 学位论文 进变j _ 二一_ 空气三、剪气阀 药剂 。 二 一。；t e 二丁二二二= = = 二 = j l 。：；之溶气罐。一。萌茬 面1 一一! 垮加压泵 二放薹莳”_ 淳j f 进水 、j 一 图2 1 ( b ) 部分废水加压溶气气浮流程 空气，三警气阀 i 药剂l 7 ，一彳1 。f r 一r t 一 。一荽三溶气罐：、一卜聂苣谪一u j 。! 垫 加压泵 j ；j 放! ；苜”9 i 莲面 图2 1 ( c ) 部分回流废水加压溶气气浮流程 这种流程是将废水和混凝剂，经搅拌和旋流反应器充分混合后送至反应池中进 行絮凝。反应后废水流入气浮池混合室，此时水中的絮粒和微气泡相互碰撞粘附， 形成带气絮粒而上浮，并在分离区进行固、液分离，浮至水面的浮渣由刮板机送至 排渣槽排出。清净水通过多孔集水管流至集水槽流出。部分清水借回流泵送至压力 溶气罐，在罐内与来自压缩机的空气并流接触溶解，饱和溶气水从罐送至释放器。 压力溶气气浮法从以上工艺流程可知，由3 部分组成，即压力溶气系统、溶气 释放系统与气浮系统。下面以此对其技术性能和工艺过程进行讨论。 24 1 压力溶气系统 压力溶气系统目前应用较好的有两种形式：常用的一种由水泵、空气压缩机、 压力溶气罐等组成，在压力溶气罐内完成气体溶于液体的过程，容器效率的高低取 1 1 华北电力大学硕士学位论文 决于罐的构造：另一种是以喷射器与稳定罐代替上述空气压缩机与压力溶气罐。喷 射器兼具供气、碎气双重作用，稳定管实质上也是溶气罐。 ( 1 ) 压力溶气罐 压力溶气罐是密闭式压力的钢罐。为了增加紊流程度，促进气、液的充分接触， 加快气体扩散传质过程，罐内装有填料。顶部设有安全阀和压力表，填料层装有玻 璃视镜。中部装有放空阎，以排出为溶解的剩余气体。下部安有液面控制装置，还 有放尽阀，以便清洗时放空溶气罐液体。 ( 2 ) 溶气过程机理 溶气过程使指水一空气体系中发生的气体传递过程。决定气体溶于液体中大小 的关键在于和液体相接处的气相中该气体的分压大小。只要其分压大于它在溶液中 产生的分压，两者差即为气体传递过程的推动力，气体的传递速率与推动力成正比。 空气在水中溶解度达到平衡时，气体组分在溶液中的浓度和它在气相中的分压成正 比。 关于气体溶解于关于气体溶解于液相的溶气机理，应用双膜理论可给以解释， 也比较接近实际。根据双膜( 气膜、液膜) 理论，对于难溶气体( 如空气) 决定传 质过程的主要阻力来自液膜，而气膜中的传质与之相比，几可忽略不计。因此，要 强化溶气过程，除应有足够的推动力外，还应扩大液相界面或减小液膜厚度。但在 紊流剧烈的自由界面实际上很难存在稳定的层流膜，所以又提出表面不断更新理 论。即气、液相在单位时间内因涡流扩散而使气、液相在相际接触过程中，增加离 表面更新的速率，强化了传质过程。从而使理论与实际更加接近。 ( 3 ) 提高溶气效率的途径 强化溶气效率对提高气浮净水技术是非常重要的，其主要净化途径为： a 提高液相喷淋密度，可以加快液体流速，减小液膜厚度，缩短暴露 时间，从而提高传质速率。 b 采用高效填料，加剧液体紊流程度，提高表面不断更新的速率，加 快溶气速率。 24 2 溶气释放系统 一般由溶气释放器及溶气管路所组成。 溶入水中的空气以为气泡的形式释放出来， 附。 其功能是将压力溶气通过消能、减压使 并使其快速而均匀地与水中的絮粒相粘 释放压力溶气水中空气的过程是溶气的逆过程。因此，溶气过程的机理，同样 1 2 华北电力大学硕士学位论文 适合于释气过程。采用填料溶气罐以提高溶气效率，同样，采用释放器可提高释放 气效率。但对释放器要求，不仅要释出大量的气体，更重要的是释放出无数的微气 泡。从分子热运动和传质过程看，只有将溶气水的压能降低，在瞬间内转化为动能， 并使获得较大动能的空气分子，在剧烈的分子碰撞中达到很高的速度，以致能脱离 水分子的范德华引力场的作用而游离出来，并在剧烈的涡流紊动和布朗运动中，迅 速地减薄和更新控制传质释气速率的液膜，加剧气体分子的扩散传递，使高、低浓 度区很快接近，接触面积大大增加。这样，过饱和空气分子才能很快地从液相释出 相互聚集，从而高速地完成溶解空气从液相转入气相( 微气泡) 的传递释气过程， 并使绝大部分能量消耗于此过程中。 2 4 3 气浮分离系统 气浮池是压力溶气气浮系统进行固液分离的部分。一般由反应区、混合区、分 离区、刮渣机、集渣槽等组成。其功能是确保一定的容积来完成微气泡群于水中悬 浮物充分混合、接触、粘附以及带气絮粒与清水的分离。 反应区和混合区又称接触区，它是实现释气水中微气泡群与絮凝水中絮粒的混 合、碰撞、粘附的场所，能否形成具有良好的上浮、脱水和稳定性能得带气絮粒， 将直接影响到气浮的效果。因此，必须注意到： ( 1 ) 絮粒进入接触区时，不能由于水流条件的变化而造成絮粒破裂： ( 2 ) 合理布置释放器，使其作用范围均布全区，微气泡与絮粒得到充分接触； ( 3 ) 控制絮凝水的上升流速，在接触区保持r e = 2 5 0 0 5 0 0 0 紊流状态，不影 响上浮过程被水流冲出已粘附的气泡而影响分离效果。 ( 4 ) 正确选定适当的回流比。 分离区是将带气絮粒与清水进行分离的场所。由于带气絮粒向上，清水向下， 两者方向相反，做相对运动，必须注意到： ( 1 ) 择适宜的分离速率，有利于带气絮粒的上浮，对于絮粒大、密度小、不 易破碎的絮粒一般采用较大的分离速度，反之取较小速度； ( 2 ) 设计集水系统尽可能做到集水均匀合理，避免短流、局部滞留、碰壁回 流等不良现象出现； ( 3 ) 设计良好、简易的刮渣机；避免刮渣时扰动浮渣层而产生落渣现象，影 响出水水质。 24 4 气浮法与沉淀法的技术经济比较 固液分离中气浮法与沉淀法是各具特点的方法，对废水中轻飘易浮的杂质采用 气浮法是适宜的，对于密实沉重的杂质采用沉淀法也是合理的。但在某些废水中兼 华北电力大学硕士学位论文 含可沉可浮的杂质，如单独使用两者之一，交果都不理想，两者无法进行比较。若 将气浮法与沉淀法两者结合起来，可发挥各自的优势，既提高了处理效果，又节省 了投资费用和操作费用。【7 】 1 4 华北电力大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章生化方法处理废水的概述 生物化学法是利用自然界存在的各种生物特别是微生物，分解和去除废水中污 染物质的方法。由于多种情况是依靠异养菌和原生动物起主要作用，故适合采用生 物法的是以有机成分为主的废水。但有时也是利用自养菌及藻类去除无机成分，例 如去除氮、硝酸形成的氮以及铁、锰等。 由于生物法具有一系列优点，生物处理目前已成为工业废水处理的重要方法。 生物处理的主要优点有： 1 去除废水中溶解的和胶体的有机物的效率较高； 2 与化学处理法相比，其成本较低； 3 出水水质较好，一般可达到排放标准： 4 污泥的沉降性能好，有利于进一步脱水。 生物处理可分为好氧法和厌氧法。些标准处理技术，如曝气池、接触氧化池、 生物滤池等，都属好氧法。他们借助一些特殊装置，通过人工曝气或自然曝气以取 得氧气，用来强化和维持好氧微生物的生命和活动，以促进对废水中溶解的和胶体 的有机物进行降解，这是废水生物处理的主要方法。 活性污泥法是用好氧生物处理废水的方法，利用悬浮在废水中人工培养的微生 物体一一活性污泥，对废水中的有机物和某些无机物产生吸附、氧化分解而使废水 得到净化。是目前较为经济、应用广泛、处理效果较好的净化废水方法。”3 3 2 活性污泥法的基本原理阳1 引 活性污泥是在水中繁殖大量微生物凝集成的絮体，具有巨大的表面积，在表面 上还含有多糖类粘性物，当它和废水混合时，迅速将废水中有机物吸附到活性污泥 上，这一阶段称为吸附阶段，被吸附的有机物，由于酶的作用，在水中氧较充分的 条件下进行生物化学作用，将部分有机物氧化分解为简单的无机物c o ：、h 2 0 、n h 。、 s o 。、p o 。”等，并释放出细菌生长和所需的能量，而将另一部分有机物转化为生物 体所需的营养物，合成新的原生质。这样，细菌不断长大，并分裂出更多的细菌， 加快了有机物的氧化分解过程，不断增加活性污泥的量。随着活性污泥量的增加， 有机物大量消耗，水中营养物随之减少，这是部分细菌的原生质也可能进行氧化作 用放出能量进入内源呼吸。这一阶段称为氧化阶段。氧化过程要比吸附过程慢得多。 在稳定阶段内，不论是有机物的氧化分解或是原生质的合成都将消耗被活性污泥所 1 5 华北电力大学硕士学位论文 吸附的有机物，使水中的有机物得到去除。最后，由氧化过程中所合成的菌体有机 体发生凝聚和沉淀，从水中分离出去，使废水得到净化，这一阶段称为絮凝沉淀阶 段。9 ： 因此，活性污泥法由三个阶段组成，即吸附阶段、氧化阶段及絮凝沉淀阶段。 3 3 活性污泥法的基本过程 活性污泥法处理废水的基本过程如图3 一l 所示。 废水通过初沉池，主要除去泥沙和大颗粒的悬浮物( s s ) ，然后进入曝气池。 曝气池是活性污泥法最重要的部分，在池中将废水与二沉池返回的活性污泥( 回流 污泥) 混合并进行曝气。废水与活性污泥混合的液体成为混合液( m l ) ，其中的活 性污泥通常成为混合液悬浮固体( m l s s ) 。 混合液在二沉池分离出澄清液( 即出水) 和沉淀污泥。沉淀污泥中重新使用部 分，将作为回流污泥返回曝气池，其它部分则作为生于污泥排出池外，与初沉池的 生污泥一起送至浓缩池。浓缩池中除去澄清液后，将污泥进行处理和处置。 3 4 活性污泥法的运行方式 活性污泥法在工业上的应用已有8 0 多年，为了提高处理能力，适应不同处理 要求，降低投资和运行成本，经过不断的发展，已形成了如下多种运行方式。 3 。4 1 普通活胜污泥法 普通活性污泥法又称传统活性污泥法。废水和回流污泥从池前段进入，末端排 出，水流形态为推流式。按水流向又可分为并联推流式曝气池和串联推流式曝气池 两种。废水净化的吸附阶段和氧化阶段在同一池内完成，水中有机物浓度和需氧量 均沿池长而逐渐降低。 普通活性污泥法的优点，虽然曝气时间较长，但处理效率较高。其缺点是池内 有机物浓度分布不均，进水端有机物高，而氧气不足；末端有机物浓度较低，氧气 过剩，承受冲击能力较差。 3 4 2 逐步曝气法 逐步曝气法又称阶段曝气法，是从改进普通活性污泥法而发展起来的。是将废 水改由几个进口同时入池，使有机物沿池长分布比较均匀，池内需氧量也均匀，克 服了普通活性污泥法池前段供氧不足，池后段氧气过剩的弊端。此外，在逐步曝气 法中，污泥浓度沿池长也是有变化的，前段高而后段低，使曝气池排水中污泥浓度 较低，减轻了二沉池的负荷。实践证明，逐步曝气法可以提高空气利用率和曝气池 1 6 华北电力大学硕士学位论文 处理能力，可是用于大型曝气池及有机物浓度较高的废水。 3 4 ，3 渐减曝气法 此法是为改进普通活性污泥法供氧得不到充分利用的缺点而改进的。它的工艺 流程与普通活性污泥法一样，要求供气沿池长得到递减，是供氧量与需气量相适当。 具体措施是将曝气池前段至末端安装的空气扩散器由多到少，使供气量沿池长也由 多变少。 3 4 4 吸附再生曝气法 吸附再生曝气法又称生物吸附法或接触稳定法，是对普通活性污泥法的一种重 要的改进。它是将吸附与再生分别在两个池子内进行的。 此法的优点是吸附时间短，体积较普通活性污泥法小，空气用量小。由于回流 污泥量多，对负荷波动的适应性强。缺点是b o d ；去除率低，一般为8 5 9 0 左右。 回流污泥量大，增大了回流泵的容量，且剩余污泥松散，含水率高，难以处理。 3 4 5 完全混合曝气法 完全混合曝气法是目前工业上应用较多的新型活性污泥法。由于增加了大量的 进水点和回流污泥流入点，进入曝气池后立即与池内原有的混合液充分混合，进行 吸附与代谢活动，从根本上改善了长方形池中混合液的不均匀状态，可以认为该法 曝气池内混合液处于理想混合状态。 该法的优点是池内水质得到充分混合，需氧量均匀，可最大限度地承受水质的 波动，克服了传统污泥法不适应冲击负荷的弊病。其缺点是由于连续进出水，可能 发生短路带出部分有机物而影响出水永质，还易发生污泥膨胀。“” 3 5 活性污泥的性能参数 3 5 1 上清液浑浊度 一般运行性能良好活性污泥系统，浑浊度不超过3 0 度。 3 5 2 混合液悬浮固体( m l s s ) 一般活性污泥曝气池中的m l s s 值控制在2 4 9 l 。 3 53 混合液挥发性悬浮固体( m l v s s ) m l v s s m l s s 比值常在0 7 5 左右。 】7 华：b 电力大学硕士学位论文 3 5 4 污泥沉降比( s v ) s v = ( 混合液静置3 0 m i n 沉降后污泥体积所取水样的体积) 1 0 0 一般正常情况下，将活性污泥静置3 0m i n 后沉淀污泥可接近最大密度，以此 可以用沉淀3 0m i l 3 作为测定污泥沉降性能的依据。通常，生活污水处理厂的s v 可 控制在2 0 3 0 ；化工废水的s v 可控制的高一点，一般在2 5 3 5 。一般大颗粒絮 粒平均直径 5 0 0 ut l ；中粒平均直径在1 5 0 5 0 0um ；小颗粒平均直径在 1 5 0 um 。 35 5 污泥容积指数( s v i ) 5 0 s v i 1 0 0 沉淀性能好； 1 0 0 s v i 2 0 0 沉淀性能一般； 2 0 0 s v i 3 0 0 污泥已膨胀。 一般s v i 长控制在5 0 1 5 0