1、本科毕业论文（20 届）循环曝气生物反应器的结构与其流体力学性能的研究所在学院 专业班级 化学工程与工艺 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文I摘要目前，曝气生物滤池已被用于炼厂碱渣废水的处理和高浓度废水的预处理。曝气生物滤池CBAF具有结构紧凑，占地面积小、不需要大量的污泥、高速过滤 、耐冲击能力强、等优点。流体力学性能对曝气循环曝气生物滤池生物处理效果影响很大，本文通过示踪剂脉冲法研究结构参数（曝气面积与总面积比） 、操作参数（气液比） 、填料等因素对CBAF 流体力学性能（非理想反应器多级混合模型参数N 和内循环量）的影响。研究结果表明在同一气液比下，结构尺寸
2、（曝气面积与总面积比）越小，所得的非理想反应器多级混合模型参数N越接近于1，即越接近于全混流；在一定结构参数下，N 随着气液比的增加总体是先变大再减小的趋势；填料有利于提高返混，反应器更加接近全混流。关键词：水污染；循环；废水回用；流体力学性能；结构本科生毕业论文IIAbstractAt present, the biological aerated filters have been used in refinery alkaline wastewater treatment and high concentration of wastewater pretreatment. Biologi
3、cal aerated filters CBAF with compact structure, cover an area of an area small, dont need a lot of sludge, high-speed filtering, impact resistance ability, etc. Fluid mechanics performance of aeration circulation biological aerated filters greatly influenced the biological treatment effect, this pa
4、per tracer pulse method research structure parameters (aeration area and area ratio), operating parameters (gas to liquid ratio), packing, etc CBAF fluid mechanics performance of factors (not ideal reactor multistage mixture model parameters N and internal circulation) influence. The results of the
5、study show that in the same gas to liquid ratio, the structure size (aeration area and the smaller than) total, the non-ideal reactor multistage mixture model parameters N closer to 1, namely the closer around mixed flow; In certain structure parameters, N with gas to liquid ratio increases overall
6、is first greatens again reduce trend; Packing is helpful to improve the return is closer to the mix, reactor mixed flow. keyword：Water pollution， recycling；wastewater reuse ； fluid performance；structure本科生毕业论文I目录第一章前言 .11.1 研究的目的和意义 .11.2 水资源及水环境现状 .11.2.1 水资源现状 .11.2.2 水污染现状 .21.2.3 污水处理现状 .31.2.4
7、水资源的利用效率 .31.2.5 水环境现状 .31.3 污染水回用现状 .41.4 国内外研究现状 .4第二章实验部分 .72.1 曝气生物滤池的结构和工作原理 .72.1.1 工作原理 .72.1.2 CBAF 的结构 .82.2 实验装置和仪器和药品 .82.2.1 实验仪器和药品 .82.3 实验原理和方法 .92.3.1 操作步骤 .92.3.2 数据处理 .10第三章、结果与讨论 .123.1、CBAF 结构对流体力学性能的影响 .123.2、操作条件对 CBAF 流体力学性能的影响 .133.3、填料对 CBAF 流体力学性能的影响 .143.3.1 未放置填料时的情况 .143
8、.3.2 放置填料的情况 .163.3 结果的讨论 .173.3.1 结构尺寸对 CBAF 的流体力学性能的影响 .17本科生毕业论文II3.3.2 操作条件对 CBAF 的流体力学性能的影响 .173.3.3 填料对 CBAF 的流体力学性能的影响 .18结论 .19参考文献 .20致谢 .21本科生毕业论文1第一章前言1.1 研究的目的和意义我国是一个缺水国家，再加上水资源的分布不平衡，某些炼油厂的水资源匮乏，在一定程度上已经影响到企业的生产和发展。若将其治理并回用于生产，对于节水减排、提高用水效率和保护环境具有重大的意义。化工生产中常常会产生高浓度难处理废水，例如，石油炼制企业的碱渣废水
9、，废水中含有大量对微生物有毒的含硫含酚等物质，同时 COD 值可达 20000mg/Kg 以上，不能直接进入炼厂的污水处理系统。目前，大部分炼厂将该废水用湿式氧化法预处理后再引入污水处理系统。湿式氧化法需要在温度下进行（180以上，2MPa 以上）和较高的压力，操作成本较高；一部分企业使用了一种低成本的预处理方法，即循环曝气生物滤池（CBAF ）来预处理高浓度废水。不同的工业废水，由于其污染物组成、污染物浓度不同，利用循环曝气生物氧化技术来处理废水时将存在一些问题。目前，循环曝气生物滤池已用于炼厂碱渣废水的预处理，但还未见用于炼厂高浓度焦化废水的处理。CBAF 的流体力学性能对 CBAF 生物
10、处理效果具有指导性作用，但关于 CBAF 和流体力学性能的研究还未见报道。近年来，随着水资源的日益匾乏，节水减排已成为当前企业生产与管理面临的重要任务。国家要求“ 十一五 ”期间石油和石化行业节约用水 15108t，工业水的重复利用率要提高到 95%以上，因此污水回用对解决限制企业发展的水源问题具有重要的现实意义 1-2。1.2 水资源及水环境现状1.2.1 水资源现状中国的水资源总储量为 2.810亿 m3，占全世界水资源的 6 % ，占世界第四位，然而由于人口众多，因此人均占有量十分少 。中国世界上用水量最多的国家之一，因此被联合国列为水资源紧缺国家。全国有 10 个省区人均水资源占有量不
11、足 1000 m3，(人均水资源不足1000 m3 为贫水国家，不足 500 m3 为绝对贫水国家)。仅 2002 年一年，全国淡水的使用量就是美国 1995 年淡水使应量的 1. 2 倍，大约占世界水资源的百分之 13。据统计，自 1949 2002 年，中国用水量增加了 4000 多亿 m3，可以看出大约每 10 年就要增加 1000 亿 m3，年平均增加约为 100 亿 m3。1980 年以后，全国总用水量的增长幅度略有下降，但年平均增长量仍有 62 亿 m3 左右 3。据统计，中国目前每年受旱面积 200 到 260 km2 左右 ，缺水总量约为 400 亿立方米，使工业产值 2000
12、 多亿元得影响，粮食产量 150 200 亿千克影响，缺水对环境有着严重的影响，对人的身心健康也有非常的明显伤害。目前全国还有 7000 万左右的人口面临饮水困难的问题，由人口和水资源分布情况的数据统计可以看出，我国水资源和人口南北分配的差异非常明显。长江流域及其以南地区水资源占全国的百分之 81，人口却占全国的 百分之 54，耕地面积只占全国的 1 /3； 北方水资源只占全国的百分之 19，人口占全国的百分之 46，耕地却占全国耕地的百分之 60 以上。南北水资源的不平衡，而且高强度的人类活动和自然生态进一步破坏影响，北方的水资源进一步减少，而南方水资源却进一步增加，这种趋势在最近 20 年
13、来尤其明显。 4本科生毕业论文21.2.2 水污染现状我国水环境存在的主要问题之一就是水污染。我国是一个水资源相对短缺的国家。我国的水环境形势不容乐观。随着工业化进程的持续加快，水污染已然成为一个重点、难点问题，并且困扰着各级政和相关部门。寻找解决流水污染的新理论和新方法对于保证水资源的可持续利用具有现实意义。通过简单采用行政命令来解决水污染的问题存在着明显的缺陷。据联合国全球规划署预测，到 2025 年，全球将有 2 / 3 人口将要面临中度甚至于重度用水紧缺问题，其中包括中国、印度尼西亚和印度在内的许多国家和地区，水资源短缺俨然成为限制社会经济发展的主要因素。目前，我国国内一些湖泊和河流的
14、污染情况令人堪忧。根据2002 年中国环境状况公报，我国主要水系的水质不能达到其功能的要求，七大水系 741 个重点监测断面中，43.6%为劣五类水质断面， 2 9 . 1 %为一至三类水质， 30% 属四至五类水质。 我国每天废水、污水排放量约 1 亿多吨，其中工业生产废水占 60%，生活排放污水约占40%，其中还不包括乡镇企业废水排放。相比 2005 年，2006 年全国工业 COD 排放量下降了 2.4%，但工业 废气排放量增加了 3.1%。中部地区的主要污染物排放强度高于东部和东北地区，但明显低西部地区 4、 5 。国家环保总局公布的数据显示，流经城市的地表水河段有机物质污染严重一些，
15、城市居民日常排放的生活污水和工业废水都含有不少的有机物质。其中大多工业废水还含有毒有害的有机物，如合成农药和染料等，因此在我国大多数城市，河流都存在一定程度的有机污染，直接导致城市水质下降和污水处理成本增加，最终威胁到城市居民的饮用水安全和身体健康，不仅严重影响了水资源，也对我国正在实施的可持续发展战略带来严重的负面影响。国家环保总局调查资料表明：按照综合污染指数比较，七大水系污染程度由轻到重依次为：珠江、长江、松花江、淮河、黄河、辽河、海河。主要污染指标为氨氮含量、五日 COD、高锰酸盐指数和石油类含量。七大水系 407 个重点监测断面中，I 类水质断面占 38.1，属的断面占 32.2、属
16、劣 V 类水质的断面 29.7。其中七大水系干流的 118 个断面中，53.4属于 I 类水质断面， 37.3属于、V 类水质断面， 9 . 3为劣 V 类水质断面；由此可见各水系干流水质好于支流水质。海河水系污染最为严重，占 50以上为劣 V 类水质断面；辽河水系总体水质一般，4 0. 6为劣 V 类水质断面；黄河水系总体水质较差，支流污染较为严重；淮河河流主要以类水体为主，支流及省界河段水质都比较差；松花江水系主要以类水体为主；珠江水系、长江及干流主要的一级支流水质较为良好，其它直流以类水体为主。监测的 28 个重点湖库中，只有 1 个满足类水质，占 3.6；有 6 个湖库类水质，占 21
17、.4；有 7 个湖库为 IV 类水质，占 25. 0；有 4 湖库 V 类水质，占 14.3 ；有 10 个湖库劣 V 类水质，占 35.7 4。1.2.3 污水处理现状根据建设部 2007 年城市、县城和村镇建设统计公报数据显示，2007 年末，我国已有 1206 座运行的污水处理厂，其中城市厂 883 座，323 座为县城污水处理厂。根据中国水网年度系列报告之四统计数据表明，截止 2008 年 6 月 5 日，我国已运营 1408 座的污水处理厂，其中城市污水处理厂数量为 1043 座，3 4 6 座县级及以下污水处理厂。在一年的时间里，增加了 202 座污水处理厂，平均月增 14 座，以
18、城市污水处理厂增加为主伴。随着“十本科生毕业论文3一五” 规划的逐步深入，各地区污水处理厂建设脚步也在加快，预计，截止到 2010 年底，我国至少将达到 3000 座污水处理厂。 1.2.4 水资源的利用效率农田灌溉多沿用传统方式，灌溉利用系数在 0. 45 左右，至少有一半的水被浪费。工业用水利用率也很低，中国 GDP 用水量在 730 m3， 发达国家的 GDP 用水量一般在 50 m3 。水质不容乐观，2006 年，中国废水排放总量达到 536. 8 亿 t，其中工业废水占排放总量的 44. 7 % 。废水排放居于前四位的行业依次为造纸、化工、电力和纺织，这四个行业排放的废水占重点统计企
19、业废水排放量的 53. 9 % 6。1.2.5 水环境现状水污染物排放总量居高不下，导致水体污染相当严重。2005 年，全国有一半的城市市区地下水遭到严重污染，一些地区甚至出现了“有河皆干、有水皆污”的现象。部分流域水资源的开发利用程度过高，也加剧了水污染趋势的恶化。2006，在国家环境监测网实际监测的745 个地表水监测断面中，最劣等水质占 28 %的断面。据 2006 年中国水资源公报数据显示淮河的开发利用率达到了 54 %，黄河为 60. 9 % ，海河更是达到了 74. 9 % 。过度开发使得这些河流基本没有生态流量，更严重的是这些河流在枯水期，从而大大降低了河流水体的自净能力。近几年
20、水污染事故频繁发生，2005 年，全国共发生 1406 起环境污染的事故，其中有 693 起水污染事故，占全部环境污染事故的 49. 2 %。2006 年期间发生了 842 起环境污染事故，直接造成经济损失达到了 1. 3 亿人民币。中国环境监测总站在 2006 年期间对 113 个环保重点城市月均监测取水总量为 15. 9 亿t，其中 4. 4 亿 t 不达标，占总量的 27. 7 % 。农村的状况就更为严重，据中国首次农村用水与环境卫生现状调查的结果显示农村饮用水有 44. 36 %没能够达到国际基本卫生安全标准。根据国家环保总局和国家统计局联合发布中国绿色国民经济核算研究报告，2006
21、年全国因环境污染 (包括水污染在内) 造成的经济损失为 5200 多亿元，约占当年国内生产总值的 4 %。水污染不仅造成了数额巨大的经济损失，更是直接危害了百姓的饮用水安全。全国仍有 3 亿多的农村人口饮用水不达标，其中因水污染造成 9000 多万人饮用水不安全。1.3 污染水回用现状据统计，全国 669 个城市中，常年供水不足就有 400 个城市，其中严重缺水城市有 110个。水资源短缺问题的非常严重，直接影响了人民群众的生活质量，影响到社会经济的可持续发展。我国是一个水资源短缺的国家，人均水资源占有量仅为世界平均水平的 1/4。我国城市生活污水和工业生产废水处理回用技术发展与发达国家相比起
22、步较晚。20 世纪 80 年代末，随着水资源紧缺的加剧和污水回用技术的越发成熟，污水回用的技术研究与实践才得以快速的发展。目前约有 3 个已经投产的城市污水回用工程，约为全国城市污水设计处理水量的 1% 以上，回用工程规模在 1.5105 m/d 左右。目前水资源短缺已成为制约我国经济和社会发展的重要因素。根据“十五”计划纲要的要求，到 2005 年为止我国城市污水处理率要达到 45%。到 2010 年，我国能实现污水处理回用率 60% 以上。预计到 2020 年，全国城市污水回用率预测可提高到 65% 以上。本科生毕业论文4国家“七五”八五”期间完成的重大科技攻关项目“城市污水资源化研究“相
23、继在北京等十余个重点城市建立了回用于市政景观、工业冷却水回用的示范工程，可以为我国提供污水回用技术和设计依据，并在一定成都上积累经验。目前我国没有针对污水回用的相关支持和政策。城市规划部门对污水回用没有详细的规划，相关主管部门也没有相应的工作要求、强有力的政策支持和有效的管理机制，使污水 回用得不到连续有效的贯彻实施。一种低成本的预处理方法，即循环曝气生物滤池（CBAF）来预处理高浓度废水。不同的工业废水，虽然由于污染物组成、污染物浓度不同，利用循环曝气生物氧化（CBAF）技术来处理废水时将存在一些问题，但是随着可以发展，循环曝气生物氧化（CBAF）技术将会成为一种新颖的污水处理技术 5、6
24、。1.4 国内外研究现状目前，世界炼油化工工业正面临着环保法规日益严格的要求。化工生产中往往会产生高浓度难处理污水、废水，在日本、欧美等国家应用广泛是 WAO，湿式空气氧化( wet air oxidation，简称 WAO) 一种有效的炼油碱渣废水处理方法，即中、高压空气氧化法，是在中高压和较高温度条件下，利用氧和空气将废水中的有机物氧化成二氧化碳和水，从而达到去除污染物的目的；国内炼油企业主要采用的中和法。中和法主要采用二氧化碳和硫酸中和， 废水经中和处理后排入含油污水处理场。循环曝气生物滤池作为水的需氧生物预处理方法之一。自 80 年代在欧洲建成第一座曝气生物滤池污水处理厂以来，曝气生物
25、滤池已在欧美和日本等发达国家广为流行。国内除大连马栏河污水处理厂采用外，在山东、上海等地也有应用，只是处理量较小。日前，国内采用曝气生物滤池处理工艺处理规模最大的沈阳仙女河污水处理中心建成并投入使用。曝气生物滤池处理工艺，是 20 世纪 80 年代末 90 年代初在普通生物滤池的基础上，借鉴给水滤池工艺而开发的污水处理新工艺。近十几年来，各种废水的生物氧化处理技术不断涌现，从各种改进的活性污泥法到各种生物膜法，如普通生物滤池、生物转盘、生物硫化床、生物活性碳、生物接触氧化以及曝气生物滤池等。曝气生物滤池（BAF）是在生物接触氧化工艺的基础上引入饮用水处理中过滤的思想而产生的一种需氧废水处理技术
26、，很明显的特点是在一级强化处理的基础上将生物生化和截流悬浮物联合在一起，滤池后面不需要设立沉池，利用反冲洗再生来实现反应池的周期运行。相对于生物流化床，BAF 能量消耗低，不太需要生物膜与载体颗粒的分离和载体颗粒的循环系统，运转操作起来都比较简单。与活性污泥法对比，BAF 工艺具有基建投资不高、运行负荷高、能量消耗低、产品水质高等优点；与生物滤池对比，占地面积要小得多、不易发生堵塞；与生物接触氧化法相比，生物比较膜薄，具有较高活性，并且不需要设置二沉池；由此可见，BAF 从众多生物处理法中脱颖而出。国外学者在 BAF 工艺处理污水技术方面做了大量研究调查工作，对其填料的选择、硝化和反硝化技术以
27、及脱氨氮、除磷、动力学机理还有立体力学性能包括反冲洗的各个环节都做了深入的探索和研究 46。国内在 BAF 工艺处理污水技术方面也同样做了大量研究和考察，并结合我国企业具体污水排放情况和污水处理现状对曝气生物滤池结构进行了一定程度上的改造。孙力平等通过去本科生毕业论文5掉滤头，增加沙砾层厚度并在沙砾层中放置充气扩散管改进了 BAF，在保证过滤效率的前提下，一定程度上完全防止了设备堵塞，由于空气扩散点的降低，使整个滤料层均处于有氧状态，有利于生化氧化反应进行。邹伟国等研发了一种名为 BIOSMEDI 的曝气生物滤池，它采用了脉冲空气反冲洗的方式，气水同向流动，已经能够用于处理轻微污染水，能较高效
28、率除去有机物和氨氮及 SS，反冲洗损耗水量少，运行管理简单等优点。BAF 预处理去除了源水中大部分可生物降解的有机物，一定程度上减少给水管网中细菌繁衍的可能性，增加食用水的生物稳定性；BAF 预处理技术不但可以可以直接去除水源中的污染物，还可以对接下来的常规给水处理工艺向有利的方向发展。BAF 预处理技术减少了源水中的有机物以及氨氮的含量，可以适当减少消毒过程中消毒剂的投放量，减少消毒过程中产生的消毒副产物量，增加饮用水的安全系数。自 80 年代初就在德国越来越多地用于工业设施( 如化工厂、印刷厂以及油漆喷涂车间等) 排放的挥发性有 机化合物( VOCs ) 和有毒气体的控制。目前这 种技术在
29、欧洲、日本和北美等地都有大量的研 究和实际应用，其中应用最广的形式是生物过 滤器( Biofilter) 。利用异养型微生物生命代谢过程对多种有 机物和某些无机物的降解作用，可以有效地去除工业废气中的污染物。 7用生物过滤器处除含氯较多的有机物分子难生物降解外，一般的气态污染物在生物过滤器中的降解速率约为 1 01 00g / (m 3 h ) 。生物过滤器对恶臭物质的去除率可达 99 %，对 VOCs 的去除率可达 95 % 。生物过滤器适用范围很广， 用于化工废气处理是其重要应用领域之一。国外用生物过滤器处理技术已经相当成熟有 30 多年的历史特别是在难挥发性有机废气的研究和开发。目前在荷
30、兰、德国和美国的一些化工公司已建生物过滤器工业装置有500 多座。随着欧洲各国的法规越来越严格限制 VOCs 排放，截止 1997 年为止，欧洲大部分市场销售额有多大到五千四百万美元是利用生物过滤处理废气的技术产生的。在美国，为了满足“大气清洁法”的要求许多化工公司对这项技术进行了大力研究开发和应用。 8、9现在有能力提供完整技术服务和装置设备的国外大型污水处理公司包括：C T B. V.、B G H、E V G H、H G b H、G T G H、H N G H、M C B. V.、B A G 等，主要以德国、荷兰和美国的公司为核心。比如说荷兰 C T 公司被称为 B ( R) 的生物过滤处
31、理系统，可用于处理含有乙酸乙酯、甲苯、乙醇、异丙醇、乙酸丁酯以及丁醇的污染性气体。到 1987 年为止，荷兰 VAM 废物处理公司以及 TNO 研究所研发的生物过滤填料 Vamfil已用于 30 多套生物过滤装置。比如说已得到广泛应用的内装 Vamfil 过滤材料的生物过滤器BIOBOX 就是荷兰 Comprimo 公司，已经在德国适应于含环己酮、四氢呋喃、丁酮等废气的处理；而在荷兰的鹿特丹已经被用于一家塑料加工厂，处理其中含有甲苯、双酚 A、苯酚和丙酮的废气。被美国的 Monsanto 公司称为 Dyn a Zyme 的生物过滤器的可用于去除废气中含有醇、醛、酮、甲苯、苯 乙烯、H2S 和硫醇等。其中含有恶臭物质去除率大于 99 % ，VOCs 去除率也大于 95% 。由于化工生产排放的废气量越来越大，欧美许多化学公司为满足日趋严格的法规要求都已将生物过滤器用于废气的治理。1992 年，美国 Sp ring field ( M A) 聚合物生产工厂和 Tren -ton ( MI ) 聚合物生产工厂两个工厂都有情况相似大的 VOCs 质量浓度在 400700mg / m 3 左右，含有的污染物主要为乙醇、醛类和醚类。用喷水使废气饱和在进入生物过滤器之前，温度一般严格停留在 30 35，在生物过滤器中的停留时间为 100s。过滤材料是由堆肥与
