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        低溶解氧多功能生化系統(tǒng)強化己內酰胺生產廢水脫氮

        2022-07-21 07:15:22付春雨秦琪明
        化工環(huán)保 2022年3期
        關鍵詞:高負荷溶解氧硝化

        付春雨,孫 杰,秦琪明,張 華

        (1. 中國石化 能源管理與環(huán)境保護部,北京 100728;2. 中國石化 北京化工研究院,北京 100013;3. 邁邦(北京)環(huán)保工程有限公司,北京 100024)

        己內酰胺是一種重要的化工原料,主要用于生產尼龍-6纖維,可進一步加工生產錦綸纖維、工程塑料、薄膜等[1],用途廣泛。但己內酰胺生產工藝流程長、副產物和中間產物多,使得廢水成分復雜、毒性高,屬于高濃度含氮有機廢水,是目前石油化學工業(yè)難處理的生產廢水之一。

        《石油化學工業(yè)污染物排放標準》(GB 31571—2015)[2]中明確了TN的排放要求(40 mg/L),這就需要企業(yè)提高廢水處理工藝的脫氮效率[3]。傳統(tǒng)脫氮工藝通常采用先硝化后反硝化的分離式脫氮系統(tǒng),該系統(tǒng)對硝化池溶解氧(DO)要求較高,為實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的硝化效果,一般將曝氣池DO控制在2 mg/L以上[4],同時將硝化液回流至反硝化池。該處理方式會產生如下問題:1)硝化池DO高造成大量能耗浪費;2)龐大的污水處理構筑物增加投資成本[5];3)大量硝化液回流至反硝化池會導致反硝化池內DO偏高,不利于反硝化,為達到反硝化效果必須擴大反硝化池的容積。

        低溶解氧生化技術通過控制DO使單一池內同時存在好氧菌和缺氧菌,在相同的污泥負荷下,池容積和占地面積大幅降低,有效節(jié)省了土建和設備成本[6]。相關小試研究表明,當DO降至1.0 mg/L和0.5 mg/L時,系統(tǒng)脫氮效果仍然良好[7]。通過控制曝氣池DO,不僅可以在單一池內完成對有機物的高效去除,還可以實現(xiàn)硝化反硝化的同步進行。該技術不僅簡化了運行流程、節(jié)約了能耗、降低了對碳源的需求、提高了脫氮效率,同時避免了由于硝化時間長導致硝態(tài)氮積累而帶來的不利影響。

        本研究通過開展中試考察了低溶解氧多功能生化系統(tǒng)處理己內酰胺生產廢水的適用性,并對其抗沖擊能力進行了測試。

        1 試驗部分

        1.1 廢水

        某石化企業(yè)將己內酰胺生產過程中產生的氨肟化、羥胺肟化、己內酰胺精制及硫胺廢水預處理后與部分生活污水混合,均質調節(jié)后采用A/O工藝處理,處理后出水總氮不達標。本試驗進水為均質池混合廢水,自均質池提升泵取樣口位置取水。采用連續(xù)進水連續(xù)出水的運行方式,設計進水水質為COD 800~1 200 mg/L、NH3-N質量濃度300~400 mg/L、TN約500 mg/L、pH 6~9,設計出水水質TN<30 mg/L。

        1.2 試驗裝置

        中試裝置包括兩大部分:一部分為低溶解氧生物反應池,包括缺氧區(qū)、低氧曝氣區(qū)、快速澄清區(qū)以及空氣推流區(qū)等;另一部分為設備間,包括配電柜、鼓風機等。

        低溶解氧生物反應池外形尺寸為6.0 m×2.2 m×2.4 m,有效水深為1.8 m,生物反應池內分為快速澄清區(qū)、空氣推流區(qū)、低氧曝氣區(qū)、缺氧區(qū)4個區(qū)域,用隔離墻將反應池各區(qū)域隔開,有效容積20 m3。主要設備:哈希公司SC200型溶氧儀1臺,0~1 000 L/h轉子流量計1臺,0.37 kW潛水推流器2臺。

        設備間尺寸為3.0 m×2.2 m×2.4 m,內設鼓風機、配電柜、溶解氧-變頻控制系統(tǒng)1套,并在進出風管上設消音器和柔性接頭。

        1.3 工藝流程和運行參數(shù)

        結合進出水情況以及低溶解氧生化系統(tǒng)的自身能力,確定系統(tǒng)中試處理規(guī)模為12 m3/d,即500 L/h,停留時間為30~35 h。中試的基本工藝流程為:廢水由均質池提升泵取樣管接出,經流量計計量后進入一體化低溶解氧生物處理系統(tǒng),與大比例(>15)回流的混合液迅速混合均勻后進入缺氧區(qū),在微生物的作用下去除部分有機物及TN;出水循環(huán)進入低氧曝氣區(qū)進行處理,通過控制曝氣池中的DO,利用微生物完成對COD、NH3-N、TN等污染物的降解;經低氧曝氣生化處理后的廢水進入澄清區(qū),大部分混合液回流至進水端參與循環(huán),小部分經高效沉淀裝置進行泥水分離,污泥回流至進水端與進水混合,清水由上部的集水槽收集后進入后續(xù)處理工序。具體工藝流程見圖1。

        圖1 低溶解氧多功能生化系統(tǒng)流程

        試驗設計負荷為:COD容積負荷0.6 kg/(m3·d),TN容積負荷0.3 kg/(m3·d)。根據(jù)現(xiàn)場實際情況,通過系統(tǒng)自帶的溶解氧控制系統(tǒng)控制DO逐步從2.0 mg/L左右降至1.0 mg/L以內,并控制曝氣池末端DO在0.5~0.7 mg/L。通過定期排泥的方法,控制系統(tǒng)污泥濃度在5~8 g/L。

        1.4 碳源的選擇

        目前用于反硝化脫氮工藝的有機碳源主要包括甲醇、乙酸鈉、葡萄糖及工業(yè)生產過程中產生的有益有機物等。其中:甲醇提供的有效BOD最高,灰分最少,但具有一定的危險性;而葡萄糖由于價格昂貴、分子量較大、代謝過程略長,貢獻的BOD效率相對較低,且最終會有部分難降解物質殘留。但考慮中試現(xiàn)場的實際條件以及操作人員的情況,本次試驗碳源補充采用葡萄糖,在真正工程應用中采用甲醇。

        啟動運行階段由于接種污泥總氮較高,對原水水質摸底處于起步階段,且廢水的NO3--N濃度變化很大,因此按照碳源過量投加運行,葡萄糖投加量約為0.7~1.0 kg/m3。穩(wěn)定運行階段由于對廢水水質有了一定的了解,葡萄糖投加量根據(jù)每日分析數(shù)據(jù)有較多調整,約為0.6~1.0 kg/m3。

        1.5 分析方法

        試驗過程中,原水數(shù)據(jù)采取廠內檢測數(shù)據(jù),輔以日本共立理化學研究所WAK系列水質快速檢測試劑盒檢測。出水COD、NH3-N、NO3--N、TN等指標的測試均采用國標方法[8-11];DO采用美國哈希公司SC-200型溶解氧儀在線監(jiān)測。

        2 結果與討論

        2.1 啟動階段處理效果

        中試裝置現(xiàn)場組裝完畢后,接種企業(yè)原A/O系統(tǒng)剩余活性污泥進行污泥馴化培養(yǎng),進水流量逐步提升至45~500 L/h,DO由1.5~2.0 mg/L逐步調整為0.7~1.0 mg/L,進水COD負荷0.7 kg/(m3·d)左右,TN負荷0.3 kg/(m3·d)左右。啟動階段歷時15 d,監(jiān)測進出水COD、NH3-N、NO3--N、TN等指標濃度,結果見圖2。

        圖2 啟動階段進(a)出(b)水水質的變化

        由圖2a可知:啟動期間進水COD為605~1 352 mg/L,有較大波動性;進水NH3-N質量濃度在61~116 mg/L,波動較小。由圖2b可知,出水NH3-N質量濃度維持在5 mg/L以下,硝化系統(tǒng)運行穩(wěn)定。由于在系統(tǒng)控制參數(shù)下污泥逐步馴化為系統(tǒng)所需的活性污泥,同時通過外加碳源的方式彌補了碳源失衡的情況,NO3--N濃度在啟動階段呈現(xiàn)逐步降低的趨勢,在啟動階段后期出水NO3--N質量濃度基本維持在10 mg/L以下。隨著出水NH3-N濃度的穩(wěn)定、NO3--N濃度的逐步降低,出水TN也逐步降低并趨于穩(wěn)定,啟動階段后期基本維持在30 mg/L以下。由此,系統(tǒng)進入穩(wěn)定運行階段。

        2.2 穩(wěn)定運行階段處理效果

        中試裝置進入滿負荷穩(wěn)定運行階段時,進水水量穩(wěn)定在450~500 L/h,停留時間約30~34 h,DO控制在0.7~1.0 mg/L,進水COD負荷0.6 kg/(m3·d)左右,TN負荷0.3 kg/(m3·d)左右。穩(wěn)定運行階段進出水水質的變化見圖3。

        圖3 穩(wěn)定運行階段進(a)出(b)水水質的變化

        由圖3a可知,進水COD為540~1 260 mg/L,進水NH3-N為59~176 mg/L,與啟動階段相比波動增大。由圖3b可知,裝置出水NH3-N濃度較為穩(wěn)定,雖然實驗中期連續(xù)5 d的進水NH3-N濃度突然增高,系統(tǒng)出水NH3-N濃度也出現(xiàn)少許波動,但總體波動較小,基本維持在5 mg/L以下,硝化系統(tǒng)運行穩(wěn)定,未受到明顯沖擊。出水NO3--N濃度在穩(wěn)定運行階段比較平穩(wěn),由于進水NH3-N和NO3--N濃度的突然增加(尤其是NO3--N),導致出水NO3--N濃度有一定的波動,但系統(tǒng)很快適應該階段運行水質,出水NO3--N濃度很快降下來并恢復平穩(wěn)運行,在穩(wěn)定運行階段出水NO3--N濃度基本維持在5 mg/L以下。穩(wěn)定運行階段出水TN相對穩(wěn)定,基本維持在25 mg/L以下。

        2.3 高負荷運行階段處理效果

        在中試穩(wěn)定運行階段中期(第24~31天),均質池水質突然發(fā)生變化,NH3-N濃度、NO3--N濃度和TN均有較大增幅,系統(tǒng)在此期間進入高負荷運行階段,該階段的進出水水質變化見圖4~6,其中出水NH3-N濃度為日均值。

        圖4 高負荷運行階段進的NH3-N去除效果

        雖然系統(tǒng)進水NH3-N濃度、NO3--N濃度和TN突然增高,但出水NH3-N濃度波動較小,未受到明顯沖擊。出水NO3--N濃度和TN在高負荷運行階段初期有所上升,尤其是運行的第27天,出水TN超過了30 mg/L,原因是由于進水TN突然升高系統(tǒng)投加碳源量未能跟上,造成出水TN上升,調整碳源投加量后系統(tǒng)很快恢復平穩(wěn)運行。由此可見,低溶解氧多功能生化系統(tǒng)的抗沖擊能力較強,能夠適應廢水水質的突然變化。

        圖5 高負荷運行階段的NO3--N去除效果

        圖6 高負荷運行階段的TN去除效果

        2.4 低溶解氧多功能生化系統(tǒng)與A/O系統(tǒng)的比較

        第37~41天時,系統(tǒng)平穩(wěn)運行,低溶解氧多功能生化系統(tǒng)與企業(yè)原有A/O系統(tǒng)處理效果的比較見表1。由表1可知,低溶解氧多功能生化系統(tǒng)平均進水COD為614.2 mg/L,出水為157.4 mg/L,去除率約為74.36%。雖然低溶解氧多功能生化系統(tǒng)進水COD比企業(yè)原有A/O系統(tǒng)高出很多,且停留時間比A/O系統(tǒng)短,但出水COD比A/O系統(tǒng)更低,可見低溶解氧多功能生化系統(tǒng)在有效去除TN的同時,對COD的降解能力并未受影響,且去除率要高于A/O系統(tǒng)。同時,NH3-N去除效率低于原A/O工藝,可能是由于低氧環(huán)境導致硝化細菌活性降低,但仍可滿足工藝要求。

        表1 低溶解氧多功能生化系統(tǒng)與企業(yè)原有A/O系統(tǒng)處理效果的比較

        3 結論

        a)采用低溶解氧多功能生化系統(tǒng)對己內酰胺生產廢水進行處理,通過控制較低溶解氧濃度,實現(xiàn)同步脫氮和去除有機污染物。平均TN去除率為89.9%,出水TN低于30 mg/L,滿足設計要求;平均COD去除率達74.4%,遠高于傳統(tǒng)A/O工藝。

        b)低溶解氧多功能生化系統(tǒng)可有效提高污水處理負荷,縮短停留時間。

        c)低溶解氧多功能生化系統(tǒng)具有很高的抗沖擊能力。運行期間NH3-N進水濃度突然增高時,系統(tǒng)NH3-N和NO3--N的出水濃度波動較小,硝化系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

        d)低溶解氧多功能生化系統(tǒng)可大幅降低電耗,減少碳源投加量,節(jié)省運行成本。溶解氧控制系統(tǒng)可根據(jù)不同水質調整溶解氧控制范圍,并可將溶解氧穩(wěn)定控制在工藝要求的范圍內。

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