苯胺废水的生物处理.doc

苯胺废水的修复处理
摘要
本课题通过实验室驯化得到可以高效降解苯胺的活性污泥，采用测定COD值的方式研究苯胺废水的生物处理情况，从而在实验中获得工艺参数：水力停留时间、好氧曝气时间、污泥沉降时间等。通过对比实验选择合适的工艺：采用UASB厌氧-SBR好氧工艺结合处理苯胺废水。实验结果和工艺进行优化处理后，查有关设计手册进行了设计计算、设备选型等工作，得出日处理30吨苯胺废水所需的厌氧塔和好氧池的容量：UASB反应器的总体积为60m3,反应器总高8.59m，反应器的底面积为圆形，底面积10m2 ；SBR反应器的总体积为39m3,总高度为6m,反应器是长宽比2：1的矩形，底面积8m2。最后叙述了工艺流程，并画了整个工艺流程图。
关键词:苯胺废水;SBR ;UASB ;COD
I
目录
第一章 引言 1
1.1目的和意义 1
1.2目前苯胺的处理方法和处理现状 1
第二章 实验部分 3
2.1 实验研究内容 3
2.2 实验材料及仪器 3
2.2.1 实验废水及污泥驯化 3
2.2.2 实验药品及仪器 3
2.2.3 测定项目及方法 4
2.2.4 COD的测定步骤 4
2.2.5 实验方法及分析 4
2.3小结 7
第三章 设计计算 7
3.1 设备选型 7
3.1.1 离心泵的选择 7
3.1.2风机的选择 8
3.2 UASB系统设计 8
3.2.1 UASB反应器体积的设计 8
3.2.2 UASB反应器底面积的设计 9
3.2.3 UASB反应器中布水器的选择 9
3.2.4 验证 10
3.2.5 三相分离区 10
3.3 SBR系统设计 11
3.3.1 各工序所需的时间 11
3.3.2 曝气设备计算 11
第四章 工艺流程 13
4.1工艺流程叙述 13
4.2工艺流程图 14
第五章 结束语 14
第六章 展望 15
参考文献 16

i
第一章 引言
1.1目的和意义
苯胺是一种重要的有机化工原料和化工产品，由其制得的化工产品和中间体有300多种。在染料、医药、农药、炸药等行业中苯胺具有广泛的应用，其生产和应用过程中均排放苯胺废水[1]。
苯胺是国际上确认的环境优先控制污染物,也是我国水污染控制的重点对象。近年来,苯胺废水的排放量和浓度日益增大,苯胺本身具有高毒性 ,加之废水毒性强、可生化性差,使苯胺很难得以去除。随着化工工业的发展，进入环境的苯胺越来越多，对环境的毒害越来越大，苯胺及其化合物对环境的污染，已经逐渐引起了人们的注意。苯胺废水处理中，生物技术以其成本低、效果好、无二次污染，成为污染治理的主要手段[2]。因此,生物技术的研究日益引起研究者的重视。生物法具有经济、高效的优势，更重要的是可以实现无害化，无二次污染、处理量大的目的，是目前应用最广的废水处理技术，也是我国含苯胺类物质废水无害化处理的主要方法。本研究的目的在于：
（1）实验验证生物技术用于SBR工艺系统的必要性及可行性；
（2）通过实验所得数据，并结合设计手册设计计算日处理30吨苯胺废水（COD=1500mg/l）所需要的SBR设备容量和厌氧装置的规格；
（3）通过实验和设计计算，把生物法处理苯胺废水进一步工业化。
1.2目前苯胺的处理方法和处理现状
目前，降解水体中苯胺类物质的方法有很多，归纳起来为物理法、化学法和生物法三大类。
物理处理方法主要有：吸附法、萃取法等。徐洪秋[3]等进行了废炭黑吸附处理二苯胺生产废水的试验。邹和锋[4]对苯胺生产废水进行三级萃取,结果表明,硝基物和苯胺去除率在90 %以上,但萃取后两股废水需要合并进行生化处理后才可达排放标准,并且吸附剂达不到高效、低廉的实际效果。
化学处理方法有：光催化氧化法、超临界氧化法、二氧化氯氧化法和超声波降解法。胡春[5]等进行了ZnO催化剂对苯胺光降解的研究,考察了溶液的初始浓度、催化剂量、溶液pH值对苯胺光降解速率的影响，但研究结果表明苯胺的降解率不高。胡文勇[6]等人对在超声波、零价铁和超声波/零价铁（U/Fe0）等体系中对硝基苯胺的降解规律进行了研究，结果表明，超声波对高含量的对硝基苯胺降解效果较差。
生物处理法有：好氧—厌氧工艺、活性污泥法、高效降解菌种的筛选与培育、酶处理技术以及固定化生物技术。
生物法中应用最广的首推活性污泥法，该法作为传统的、较成熟的废水生物处理技术，在水污染治理中发挥了重要作用，但该法同时也存在对毒物承受能力低、曝气池容积负荷低、污泥产生量大等不足之处，对组成、浓度较高的含苯胺废水处理效果不理想。但采用厌氧－缺氧/好氧(A－A/O)工艺处理苯胺废水，不仅可以去除苯胺，出水的COD与NH3-N均可达标，是对现有活性污泥法处理废水的一种有效改良。
古杏红[7]等采用厌氧水解—生物接触氧化法处理苯胺类化工废水,结果表明:该工艺厌氧段能够增强系统耐冲击负荷能力,并能有效提高废水的可生化性；能有效去除废水中的苯胺, 出水达到一级排放标准。韦朝海[8]等研究了苯胺在专性好氧菌人苍白杆菌作用下的降解规律,该专性好氧菌能将苯胺完全降解而消除其污染。以上研究都说明生物法处理苯胺废水在高效、节能、环保方面都优于其他处理方法,是一种值得研究和推广的污水处理方法。
苯胺废水的处理技术在不断发展，尤其是生物技术的不断发展使通过微生物降解苯胺成为可能,从而降低了苯胺废水处理的费用。本课题就是通过实验室驯化得到可以高效降解苯胺的活性污泥处理苯胺废水，实现高效、节能、环保的处理目的，并将试验结果应用到实际生产中进行设计计算和工艺优化。设计采用A-O工艺，即UASB厌氧- SBR好氧工艺。
SBR是序列间歇式活性污泥法的简称,是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术,又称序批式活性污泥法。与传统污水处理技术不同,SBR技术采用时间分割的操作方式替代空间分割的操作方式；非稳定生化反应替代稳定生化反应；静置理想沉淀替代传统动态沉淀。它的主要特征是在运行上的有序和间歇操作[9]。UASB是上流式厌氧污泥床的简称，它能保持较高的微生物浓度，是一种处理能力大、处理效果好的新型厌氧处理设备[10]。
第二章 设计计算
2.1 设备选型
2.1.1 离心泵的选择
由于UASB是下进水上出水的结构，所以水流在反应器内的阻力很大，并且反应器空塔水流速度要求在1.0m/h以内，因此所选择的离心泵应满足流量小、扬程大的要求。根据以上要求， 查化工原理上册附录二十六知可选择ZS50-32-160型离心泵，其流量为12.5m3/h，扬程为32m[13]。由于实验中确定厌氧塔中的停留时间为48小时，所以设计两座厌氧塔交替使用，每座厌氧塔配备2台离心泵（一用一备）。因此，共需4台该型号的离心泵。
2.1.2风机的选择
风机供应的风量要满足生化反应所需的氧量并保持混合悬浮中的固体呈悬浮状态,风机则要满足克服管道系统和扩散器的磨阻损耗以及扩散器上部的静水压力。根据以上要求,本设计中的风机选择罗茨风机。罗茨风机的风量和转速成正比,而且几乎不受出口压力变化影响,当转速一定时风量可大体保持不变。所选风机的型号为ML32-20/0.50型罗茨风机，其流量为1290m3/h[14]。
2.2 UASB系统设计
UASB反应器为下进水上出水的柱形结构，分方柱形和圆柱形两种。外壁设保温层，内部从下至上为反应区和三相分离区，附配水封。UASB反应器的工艺设计包括反应区设计和三相分离区设计两部分。反应区设计包括布水器设计和有效容积计算。三相分离区设计包括沉淀室设计 [15]。UASB反应温度t=30℃，进水为原污水，出水要求COD≤200mg/l。
2.2.1 UASB反应器体积的设计
采用水力停留时间(HRT)设计UASB反应器是目前最为主要的方法。一旦HRT确定,反应器的体积(V)可以很容易根据公式V=Q·HRT计算[16]。Q ---废水流量,m3/d HRT---水力停留时间
本设计的设计任务为日处理30吨苯胺废水, 30℃时进水容积负荷0.4kgCOD/（m3.d），设空塔水流速度u≤1.0m/h，空塔沼气上升速度ug≤1.0m/h。由实验得出最佳的水力停留时间为48小时,即Q=30m3/d=1.25m3/h,HRT=2d。则UASB的体积:
V=30×2=60m3
2.2.2 UASB反应器底面积的设计
一般UASB反应器的高度在10m以下[10],取高度h=6.0m,则底面积A==10m2。
圆形反应器在同样的面积下,其周长比正方形的少12% [16],所以取反应器底面为圆形。由A=0.785D2得,直径D==3.57m。
2.2.3 UASB反应器中布水器的选择
布水器是UASB的重要组成部分，它使污水沿底面均布，在底部与污泥充分混合。本研究选用等阻力布水, 等阻力布水为连续式进水，布水管采用两分岔方式连接，且两岔管长度和直径均相等。根据流体力学的原理，此时支管阻力损失相等、流量和流速也相等[15]。出水口(或孔)朝下，离地面约0.5m。设每个布水点的服务面积S=1.3m2/个,则反应器中布水点个数n=,取n=8,布水点分布如图5所示:
d4
d3 d2

d1

图5 布水点分布图
设布水管内流速为u1=0.3m/s,u2=0.4m/s,u3=0.6m/s,u4=1.0m/s, u5=1.5m/s（管出口）,则直径d为:
d1= = =38mm
d2===24mm
d3===14mm
d4===7.5mm，取d4=8mm
d5=6mm
2.2.4 验证
空塔水流速度u=0.125m/h<1.0m/h,合理。
空塔气流速度ug= =0.0325m/h<1.0m/h,合理。
式中：C—进水与出水COD之差；
A—反应器底面积；
a—出水COD值。
2.2.5 三相分离区
3.2.5.1沉淀区
设表面负荷率q≤1.0m3/(m2×h),停留时间t=1.5-2.0h,有效水深为0.5-2.0m。
(A) 实际表面负荷率
q=Q/A=1.25/10=0.125m3/(m2×h)<1.0m3/(m2×h),合理。
(B) 有效水深
h’=t×q=2.0×0.125=0.25m
3.2.5.2三相分离区总高及UASB总高
h2=0.25+0.35+1.69=2.29m
H=6.0+2.29+0.3=8.59m<10.0m,合理。
综上所述，UASB反应器的总体积为60m3,反应器总高8.59m，反应器为圆形，底面积10m2 。
2.3 SBR系统设计
2.3.1 各工序所需的时间
2.3.1.1曝气时间TA
根据前期实验得最佳曝气时间为10小时。
2.3.1.2沉淀时间TS
TS与污泥的沉降性能及反应池的表面积有关，由于SBR系统污泥沉降性能良好，且为静止沉淀，沉淀时间一般为1－2小时[17]。实际实验中根据活性污泥界面的沉降速度确定了沉淀时间为2小时。
2.3.1.3排水时间TD
每一周期的排水时间可根据上清液排水装置的溢流负荷、排出比确定。通过增加排水装置的台数或扩大溢流负荷来缩短。反之，减少排水装置的台数，需将排水时间延长。排水时间可用下式计算： TD＝Q·TF／qD式中：qD为滗水器的排水速度排水时间不宜太短，否则会扰动泥层，降低出水质量。
2.3.1.4 排泥时间TW
排泥时间Tw根据每周期要排放的剩余污泥量及排泥设备的速度。排泥时间可用下式计算：
Tw＝Qw／qw
式中：Qw－每周期要排放的剩余污泥量；
qw－排泥设备的排放速度。
周期数可由公式算出：n＝24／（TA＋Ts十TD）
2.3.2 曝气设备计算
2.3.2.1 曝气池有效容积V
V=m3
式中：
Lr—去除的COD浓度,mg/L；
Fr—容积负荷,KgCOD/(m3.d)。
考虑到反应池的紧凑性和占地面积,池子的形状设计为矩形,池长与池宽之比为2:1,取池中有效水深H’=4m,则底面积A’=m2。池宽B=1.8m,取B=2.0m，则L=4.0m，A’=8m2,V=A’*H’=32m3。所以，取V=32 m3 。设曝气池堰边高度为2m，则池子总高度为6m,总体积为39m3 。
2.3.2.2 曝气池需氧量O
O=a’QLr+b’VNW
=0.48×1.25×1300+0.15×30×3
=793.5m3
式中：
a’—氧化每千克COD所需氧的质量（Kg），一般取0.42-0.53；
b’—污泥自身氧化的需氧率，一般为0.18-0.11；
NW —MLVSS浓度，Kg/m3 。
2.3.2.3 风管系统设计
2.3.2.3.1风管管径设计
风管系统中由风机出口至扩散器的管道选择焊接钢管。曝气池的风管联成环网，以便增加其灵活性。风管接入曝气池时，管顶应高出水面至少0.5m，以免回水。
风管中的空气流速一般用:干/支管10-15m/s,竖管/小支管4-5m/s流速不宜过高,以免产生噪音[19]。本设计取干支管空气流速为10m/s,所选风机的流量为1290m3/h,查表[18]可得,该流量和风速下的管径为200mm。
2.3.2.3.2风机验证
理论空气流量Qg=m3/h<1290m3/h，风机选择合理。
2.3.2.3.3风机配台计算
Z=N+n=2+1=3
式中:
Z—鼓风机数量,台；
N—鼓风机的设计数量,台；
n—鼓风机备用数量,台。
2.3.2.4 扩散器
扩散器(又称曝气头)是整个鼓风系统的关键部件,其作用是将空气散成空气泡,增大空气和混合液之间的接触界面,提高氧的传递速率[19]。根据风管中的风速范围,本设计中的扩散器选择小气泡扩散器。
综上所述，SBR反应器的总体积为39m3,总高度为6m,反应器是长宽比2：1的矩形，底面积6.5m。
第三章 工艺流程
3.1工艺流程叙述
工艺流程如图6所示，原水进入调节池（1）后,通过加药装置(2)调节其PH值在6.0-7.0之间,同时控制其温度在30度左右,并通过液位计保持一定的水位。然后通过ZS50-32-160型离心泵(12)将原水打入厌氧塔底部,塔底的布水器将水流均匀分散,以便水能够与厌氧污泥充分接触,并在接触过程中发生消化酸解反应,反应中产生的沼气随上升的水流作上升运动,从而带动污泥发生流化,促进了反应的进一步进行。水流通过厌氧污泥后上升进入三相分离区。此时, 气泡上升到集气管被集气装置(5)收集；悬浮的污泥在折流挡板的作用下发生沉降而返回反应区；水流通过高位水封(11)进入好氧池（SBR）。厌氧塔设置加热装置,确保厌氧水域恒温30度,每个厌氧塔自循环48小时后，排入相应的好氧池。
水流进入好氧池后,通过液位计保持一定的液位。罗茨鼓风机（13）将空气鼓入好氧池中,风管末端的扩散器将空气分散成小气泡，空气泡自下而上的运动过程中不仅增加了水中的溶氧量,还使水与池中的活性好氧污泥充分混合。活性污泥在该环境中进行硝化反硝化反应降解水体中的苯胺类物质。好氧池连续曝气10小时后，停止鼓风，沉降2小时，排去上清夜。好氧池也设有温控装置,水温保持在30度左右。
苯胺废水经过以上厌氧-好氧处理之后,水质明显改善,基本达到国家二级排放标准,可直接排放。
3.2工艺流程图
工艺流程示意图如图6所示：

图6 生物法处理苯胺废水的工艺流程图
第四章 结束语
本文主要研究了将UASB厌氧和SBR好氧工艺结合处理苯胺废水的效果，通过对实验数据的分析整理和有关设计计算可得出以下结论：
（1）对于浓度在1500—2000mg/L的苯胺废水，如果单纯用好氧法处理则需稀释，从经济和效益上是不合算的。通过实验表明，用UASB厌氧工艺和SBR好氧生化两步法处理是可行的。
（2）实验分析可知苯胺废水经过厌氧处理（停留时间48小时）后，再好氧10小时，然后静止沉降2小时，最后达标的水排出。
（3）依照实验数据，查有关手册进行了UASB，SBR设备容量等设计计算，并画出了其工艺流程图。日处理30吨苯胺废水（COD=1500mg/l）所需要的设备容量为：UASB反应器的总体积为60m3,反应器总高8.59m，反应器为圆形，底面积10m2 ；SBR反应器的总体积为39m3,总高度为6m,反应器是长宽比2：1的矩形，底面积6.5m。
第五章 展望
苯胺废水处理的发展减轻了工业生产对环境的负担，但尚未出现具有显著经济和环境优势的突破性技术。目前苯胺废水治理的发展更多的在于综合运用现有的处理方法和技术。高效微生物在废水的生化处理中起着非常重要的作用，使用高效微生物降解苯胺废水是一种非常有发展前景的方法，值得深入研究和开发。另外，本次研究仅限于处理单纯的苯胺废水且仅考虑了水样的COD值，对于含除苯胺以外的其他污染物（如硝基苯，盐类等）的废水，该工艺是否具有同样的处理效果，还有待研究。本工艺操作简单，处理费用低，用以处理高负荷的有机废水是可行的，这为厌氧技术展现了广阔的应用前景。

13
参考文献
[1] 张文慧, 王三反, 梁书凯.苯胺废水预处理组合工艺试验[J]. 工业用水与废水. 2007，38（6）：9-12.
[2] 顾加兵,雷俐玲.H.S.B微生物生化法处理苯胺污水[J].工业用水与废水,2000,31(5):20-22.
[3]徐洪秋,王思人,汪平等.用废炭黑吸附处理二苯胺生产废水[J].化工环保,1998,18(6):323—327.
{4]邹和锋.苯胺生产过程中的废水处理方法[J].东北林业大学学报,1997,25(3):93—94.
[5]胡春,刘星娟,李爽.ZnO催化剂对苯胺光降解的研究[J].环境科学学报,1998,18(1):81—85.
[6] 沈耀良，王宝贞.废水生物处理新技术一理论与应用[M].第一版.北京:中国环境科学出版社.1999.
[7]古杏红,耿书良,李峰.厌氧水解生物接触氧化法处理苯胺类化工废水[J].给水排水,2002,28(1):69—70.
[8]韦朝海,任源,吴超飞等.专性好氧菌降解苯胺废水的动力学研究[J].环境科学研究,1999,12(4):15—18.
[9]翟雅琴.ASBR-SBR两段SBR工艺处理焦化废水的研究[D].山西：太原理工大学，2006.
[10]边兴玉,肖红. UASB反应器的设计[J]. 污染防治技术.1993,6(1):14-18.
[11] 张文慧, 王三反, 梁书凯. 苯胺废水预处理组合工艺试验[J].工业用水与废水.2007,12:31-34.
[12] 国家环保局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法[M].北京:中国环境科学出版社,1989:210-213.
[13]姚玉英.化工原理[M].修订版.天津：天津科学技术出版社，2006:59-66,117-122,369-373.
[14]邬纫云,解京选,徐跃.煤炭气化与型煤厂设计[M].北京：中国矿业大学出版社.1993：225-227.
[15]袁秋笙. UASB反应器的结构与设计方法[J]. 江苏环境科技.1999,2:17-20.
[16]王凯军. UASB工艺系统设计方法探讨[J]. 中国沼气. 2002,20(2):18-23.
[17] 曾国驱，任随周，许玫英，孙国萍.微生物降解苯胺的研究现状[J]. 中国医学生物技术应用杂志，2003：18-24.
[18]徐新阳，于峰.污水处理工程设计[M]. 北京：化学工业出版社.2003：53-61.
[19]中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册[M].第三版.上海：化学工业出版社.2003：216-124.
[20]华东化工学院机械制图教研组.化工制图[M].高等教育出版社.1980：71-75.
[21]方利国，陈砺.计算机在化学化工中的应用[M].第二版.北京：化学工业出版社.2006：111-117.
[22]林大钧.简明化工制图[M].北京：化学工业出版社.2005：182-190.