纯氧曝气在废水处理中的应用

纯氧曝气在废水处理中的应用

1986年，中国第一个纯氧化合水废水厂在天津石化公司成功成立。中国现有城市污水处理厂80%以上采用的是普通曝气活性污泥法,存在占地面积大、不耐冲击负荷、剩余污泥产量大等问题,难以处理成分复杂的工业废水。纯氧曝气其氧气利用率高,充氧动力效率低于普通曝气的特点,进一步降低污水处理成本。纯氧曝气现也有用于污泥消化的研究,纯氧曝气生物滤池也是污水深度处理中去除氨氮的有效工艺。因此,以纯氧代替空气曝气越来越多的受到人们的关注。至2008年中国医院废水总量达1.29×106m3/d,医院废水有来自诊疗、化验、研究室等各种不同类别的污水,含重金属、消毒剂、有机溶剂、酸、碱以及抗生素等,重金属和难生物降解的有机污染物是致癌、致畸、致突变物质,这些物质排入环境中将对环境产生长远影响;而消毒剂、抗生素等物质又会影响活性污泥法细菌的培养以致影响污水处理效果。因此,根据医疗废水水质特点和纯氧曝气的特点,采用纯氧曝气处理医疗废水可以预处理氧化有害物质、有效培养好氧菌、提高污染物质去除率、减少污泥产量。1纯氧呼吸机和其特征1.1水质、水质及氧的饱和浓度深度根据菲克定律,物质扩散的速率与其浓度是成正比的,再由双膜理论得到氧气溶解过程中的扩散速度No可以由传质速率方程式表达:N0=KLa(Cs−C)mg/(L⋅h)Ν0=ΚLa(Cs-C)mg/(L⋅h)式中:Cs为氧的饱和浓度,C为氧气在水中的实际浓度;KLa为传质总系数,它是温度、水质及气液混合强度的函数。(dcdt)w=(Kla)w(βCS−C)(KLa)W=α(KLa)(dcdt)w=(Κla)w(βCS-C)(ΚLa)W=α(ΚLa)式中:β为比例系数,其值小于1,与水中杂质种类及含量有关。对于医院污水来说,杂质含量较高,氧气溶解度较小。α为比例系数,其值也与杂质种类有关。影响氧转移的因素有:氧的饱和浓度Cs、水温、废水性质。本实验研究的医院废水含有一些表面物质和有害物质,其对氧的转移产生影响,故利用纯氧的高浓度特性可以得到较高的氧扩散速率,保证处理过程中足够的需氧量。目前认为在混合液中主要是氧先溶于溶液中,然后由生物细胞自溶液中抽提出去。其转移过程见图1。1.2氧法水处理工作原理活性污泥中起主要作用的好氧化能异养菌,大都以分子作为最终受体,分解氧化污水中有机废物。纯氧池内养料充足,菌胶团中的每一个好氧菌和兼性菌都能得足够的氧和养料。所以好氧菌及兼性菌生长繁殖快,成为污泥中的优势种,而微氧菌如球衣细菌等丝状菌受到抑制,在显微镜下,纯氧曝气池中菌胶团细小密实,丝状菌较少(见图2)。纯氧曝气活性污泥法和普通的活性污泥法相比发生了质的变化。污泥形态:菌胶团细小,密实;污泥菌胶团数目增多,总面积增大;污泥微生物组成:丝状菌少,游泳型纤毛虫多,轮虫少;污泥新陈代谢能力:酶的活性增强,物质能量代谢加快;纯氧曝气其强氧化性能够在一定程度上使得抗生素的环状母体结构断裂,这种氧化性与Fenton法预处理医院废水的作用相似,有利于活性污泥的培养;此外纯氧曝气产生的废气量少,能够起到防臭脱臭的效果。多数现场实验研究表明,在整个系统有机物负荷低的条件下处理生活污水时,纯氧和空气活性污泥系统出水的效果基本上是一样的。然而,在许多工业废水或城市与工业废水兼有的废水中,如医院废水,存在重金属、络合阳离子和难降解有机物的情况下,会干扰细胞的新陈代谢,破坏了细菌最初的氧化能力,在生物团絮凝良好的负荷下,这些物质会使系统在生物动力学上受到控制。在这种情况下,出水水质直接取决于系统中活的好氧微生物的数量,并因而直接取决于氧在生物絮体颗粒内的渗透程度。使用纯氧曝气的较强氧化性能够对有害物质有一定的抑制作用,并且在很大程度上保证了在难于降解的物质干扰下,使得絮体颗粒能够较强的好氧活性。2医院污水和生活污水的主要污染物含量及排放标准实验以某医院污水站纯氧曝气A/O工艺+变速生物滤池组合工艺为研究对象,缺氧—好氧生物处理中的缺氧段和好氧段有机地结合起来,利用缺氧段中反硝化菌的反硝化作用实现脱氮作用,利用好氧段中好氧菌对有机污染物质高效去除作用实现对有机污染物的去除。考虑到用地紧张以及对医院环境的影响,污水处理站建为地下式。污水水量变化大,时变化系数取Kh=1.5;污水量为4800m3/d,污水站工艺流程如图3。设计进出水水质(均值)及排放标准见表1。医院污水与普通生活污水水质区别在于:医院污水中的BOD5,CODCr,悬浮物含量小于生活污水,造成这种差别的原因主要是医院人均用水量大于生活用水量。经统计学检验,医院污水和生活污水的生物学、理化污染指标无统计学差异,即医院污水和生活污水的生物性污染无显著差别,只是在致病菌和抗生素等毒害物质含量上有差别。对于类似生活污水性质的医院综合污水采用生物法处理效果明显,在生化单元能够保持较高的生物持有量,可以去除大量的有机物。典型A/O工艺有6个主要控制变量:曝气量、内循环回流量、剩余污泥排量、污泥回流量、和外碳源投加量,溶氧量影响底物的降解速率,纯氧曝气池内溶解氧为可调因素,考察其变化对出水水质的影响。由之前单因素试验得到较优的水力停留时间3h,内回流比200%说,考虑到污泥膨胀等异常状况,通过调节曝气量控制好氧池内的DO分别为1.0mg/L,2.0mg/L,3.0mg/L左右,(因现场调控,只能得到一个范围故1.6～2.5定为2.0mg/L的范围,2.5～3.5定为3.0mg/L的范围)进行逐天监测,考察不同DO值,对污染物去除效果的影响(由于现场长期试验进水TP含量小,且能稳定达标,故不作为考察指标),主要考察指标为CODCr,NH3-N,TN的去除率,从而确定最佳溶解氧条件。其中CODCr,NH3-N,TN分别采用重铬酸钾法、纳氏试剂光度法、过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定。3试验结果的分析3.1试验结果1tn的去除效果mg/L时,出水CODcr,NH3-N,TN平均去除率分别为61%,25%,36%;其中去除率波动较大点处与DO波动有关,现场制氧机压力周期不稳定(如图4)。2溶解氧略高对各指标的去除效果的影响mg/L,CODCr,NH3-N,TN平均去除率分别为74%,39%,44%。图中6,7,8点当溶解氧略高于2mg/L时,各指标的去除效果有明显的改善。(如图5)3溶解氧要求对各指标去除效果的影响mg/L,CODcr,NH3-N,TN平均去除率分别为73%,50%,55%;从图中6可见,当溶解氧达到3mg/L左右的水平时候,各项指标的去除效果有明显提高,尤其是NH3-N及TN。说明较高的溶解氧水平有利于好氧硝化细菌的生长,脱氮作用明显。3.2溶解氧与氨氮去除率就因素溶解氧的变化对3个考察指标进行方差分析,可得出溶解氧对考察指标的影响是否显著(见表2-表4)。从表2,3,4可以看出,溶解氧对CODcr,NH3-N,TN去除率的影响都显著**。在好氧池内,氧是硝化反应过程中的电子受体,由上图4可见,在溶解氧低于2mg/L时各项指标的去除率很低,尤其是N的去除受到很大抑制,因为硝化细菌具有强烈的好氧性,低溶解氧制约了硝化作用。而去除有机物的好氧菌也是受到抑制,细菌活性不大。溶解氧为2mg/L,3mg/L水平CODcr的去除效果相当,证明去除有机物的好氧化能菌生长状况在这样的范围内变化不大;而氨氮,总氮的效果明显,可见在医院污水含有抗菌素等杀菌物质、重金属以及有毒有害物质污水中,使用纯氧曝气得到较高的溶解氧有利于氧化有毒有害物质,使得硝化菌和亚硝化菌生长。溶解氧与氨氮去除率线性拟合方程式为:Y=0.305x-0.256,其中相关系数R为0.895(如图8);溶解氧与CODcr去除率线性拟合方程:Y=0.255x+0.017,其中相关系数R为0.959(如图9);溶解氧与CODcr去除率线性拟合线性相关性较好,一定程度上说明了,纯氧对好氧化能菌的培养有效,对CODcr的去除有优势。4纯氧曝气池内的溶解氧对cocdr和亚硝化菌生长和去除率的影响1)在医院污水含有抗菌素等杀菌物质、重金属以及有毒有害物质的情况下,使用纯氧曝气得到较高的溶解氧有利