炼油厂含油废水处理工艺设计--毕业论文 84页

'摘要随着工业进程的深入，工业化发展迅速，石油化工行业也得到了迅猛的发展。同时也带了各种环境污染问题，炼油废水排放量大，油类物质浓度高，污染物成分复杂，直接排入自然水体或土壤对环境危害巨大，因此对炼油厂含有废水进行处理与回用是及其必要的。本设计中炼油厂含油废进水水质情况：pH：6-9、石油类：300-1200mg/L、CODCr：500mg/L、BOD5：400mg/L、SS：500mg/L、NH4-N：25mg/L、S2-：20mg/L。根据炼油厂含油废水的水量、水质特点分析、结合当地自然条件、排水标准要求等因素，进行工艺比较及一系列参数论证，确定的工艺流程为：含油废水→细格栅→集水池→隔油罐→油水分离器→调节池→一级涡凹气浮、二级溶气气浮→水解酸化→初沉池→A/O反应池→二沉池→臭氧消毒→出水。含油废水通过细格栅后进入集水池，经提升泵提升后进一次进入隔油池和油水分离器，去除大部分悬浮油，一级涡凹气浮和二级溶气气浮能去除废水中剩余的悬浮油和绝大部分分散油。水解酸化池能提高含油废水的可生化性，为后续的A/O工艺提供较为稳定的进水水质，A/O反应池由缺氧池和好氧池组成，具有良好的脱氨和降解有机物能力。经二沉池沉淀和臭氧消毒后出水。污泥经浓缩脱水后外运处置。 方案预计的出水水质各项指标：pH：6-9、石油类≤3.0mg/L、CODCr≤50mg/L、BOD5≤10mg/L、SS≤50mg/L、NH4-N≤5mg/L、S2-≤0.5mg/L，达到《石油炼制工业污染物排放标准》（GB-31570-2015）中的水污染物排放要求。方案预期石油类去除率为99%以上，CODCr去除率为90%以上、BOD5去除率为97.5%以上、SS去除率为90%以上、NH4-N去除率为80%以上、S2-的去除率为97.5%以上。该工艺对炼油厂含油废水的处理具有良好的预期效果，与老工艺相比较具有明显得优点，运行稳定处理效果好，在炼油废水的处理具有广阔的应用前景。关键词：含油废水；隔油；A/O工艺 AbstractWiththedeepeningoftheindustrialprocess,industrializationhasdevelopedrapidly,andthepetrochemicalindustryhasalsodevelopedrapidly.Atthesametimewithavarietyofenvironmentalpollutionproblems,refinerywastewateremissions,oilysubstances,highconcentration,complexcompositionofpollutants,directlydischargedintonaturalwaterorsoilisveryharmfulfortheenvironment,sotherefinerycontainingwastewatertreatmentandreuseisnecessaryand.Inthisdesign,thewaterqualityofoilywastewaterinrefineryis:pH:6-9,petroleum:300-1200mg/L,CODCr:500mg/L,BOD5:400mg/L,SS:500mg/L,NH4-N:25mg/L,S2-:20mg/L.Accordingtothecharacteristicsofwaterqualityofoilrefinerywastewater,analysis,combinedwiththelocalnatural conditions,drainagestandardsandotherfactors,theprocessandaseriesofparameterargumentation,determiningthetechnologicalprocess:oilywastewater→sump→finegrid→isolationtank→oil-waterseparator→regulationpool→leveltwo,CAFdissolvedairflotation,hydrolysisacidification→primarysedimentationtank→A/Oreactor→twosedimentationtank→ozonedisinfection.Oilywastewaterbythefinegridintothesump,theliftpumpliftingabackwardintotheoilseparationtankandoil-waterseparator,removemostofthesuspendedoil,acafandtwoDAFsuspensionoftheremainingoilinthewastewaterandthevastmajorityofdispersedoil.Thebiodegradabilityofthehydrolysisacidificationpoolcanimprovethewaterqualityofoilywastewater,providemorestableforthesubsequentA/Oprocess,A/Oreactoriscomposedofanoxicandaerobicpool,withammoniaandorganicmatterdegradationabilityandgood.Aftertwosettlingtankprecipitationandozonedisinfection,effluent.Thesludgeistreatedbyconcentrationanddehydration.Theeffluentwaterqualityindicatorsprojectexpected:pH:6-9,petroleum≤3.0mg/L,CODCr≤50mg/L,BOD5≤10mg/L,SS≤50mg/L,NH4-N≤5mg/L,S2-≤0.5mg/L,toachieveindustrialpollutantemissionofpetroleumrefiningAnnotation(GB-31570-2015)requirementsinthedischargeofwaterpollutants.Theplanisexpectedtoremovemorethan99%ofpetroleum,CODCrremovalrateismorethan90%,BOD5removalrateis morethan97.5%,SSremovalrateismorethan90%,NH4-Nremovalrateismorethan80%,andS2-removalrateismorethan97.5%.Treatmentofoilrefinerywastewaterbythisprocesshastheexpectedgoodresults,comparedwiththeoldprocesshasobviousadvantagesofstableoperation,goodtreatmenteffect,andhasbroadapplicationprospectsinthetreatmentofrefinerywastewater.Keywords:oilywastewater;oilseparation;A/Oprocess目录第一章前言1第二章工艺设计要求32.1含油废水进水状况32.2.1污水来源及水量32.2.2工程设计要求32.2场址自然条件32.2.1工程地质3 2.2.2水文地质32.2.3地震烈度42.2.4气象条件4第三章炼油厂含油废水处理工艺比较选择53.1物理处理工艺53.1.1格栅53.1.2隔油池53.1.3气浮63.1.4沉淀池73.2生化处理工艺73.2.1水解酸化73.2.2生物法83.3炼油厂含油废水的消毒处理153.4炼油厂含油废水污泥处理163.5炼油厂含油废水处理工艺的确定17第四章工艺构筑物设计计算及设备选型194.1物理处理工艺设计计算19 4.1.1格栅渠194.1.2集水池214.1.3隔油罐214.1.4隔油沉淀池224.1.5调节池244.1.6二级气浮244.2二级生化处理工艺264.2.1水解酸化池264.2.2初沉池264.2.3A/O工艺反应池304.2.4二沉池364.2.5臭氧消毒系统384.3污泥处理工艺394.3.1污泥浓缩池404.3.2污泥脱水间42第五章某炼油厂含油废水处理工程总体设计435.1含油废水处理工程平面布置图43 5.2含油废水处理工程高程设计435.2.1主要构筑物水头损失43设计总结44参考文献45致谢46附录147 沈阳化工大学学位论文第一章前言5沈阳化工大学学位论文第一章前言第一章前言随着我国现代化进程深入，对石油与石油衍生产品的使用量也越来越高。这样促使了炼油行业的发展，截止2015年年底，我国炼油工业的年炼油能力达7.1亿吨。同时也产生了大量的炼油废水。由于炼油工业对新鲜水用量大，若不对废水进行处理与回用，废水直接排到自然水体会对环境造成严重的危害，同时也会增加炼油成本。因此对炼油厂含有废水进行处理与回用是及其必要的。炼油厂炼油过程中的注水、水洗、汽提、冷凝及油罐脱水的工艺流程中都有含有废水产生。含油废水所含的有机物种类复杂，其主要的污染物有油类物质、硫化物、挥发酚类、氨氮和其他有毒有害物质，而且含油废水的CODCr含量高。并含有较多难降解物质，因此，含油废水的可生化性较低。炼油厂含油废水的的特点有：⑴炼油厂含油废水排水量大。目前我国炼油行业1吨原油消耗新鲜水为0.5吨左右。⑵炼油厂含油废水中所含污染物种类复杂，含较多烃类及其衍生物，油类物质、挥发酚类、硫化物、氨氮等构成其主要的污染物。其CODCr含量较高，并含有较多难降解物质。水质的pH随水量的变化，波动较大。⑶炼油厂含油废水的油类物质油滴粒径分布不均，油滴的粒径介于100—1000nm之间在水中易形成乳化油，乳化油在水中能较为稳定的存在，不易分离；当油滴粒径超过1000nm时，呈悬浮状，浮油可根据有何水的相对密度差进行分离。炼油厂含油废水也存在着各种危害，如：⑴炼油厂含油废水直接排入自然水体，油类物质会在水体表面形成连续的油膜，阻隔大气与水体进行热量和气体交换，使水体富氧能力下降，同时水体中水生植物和藻类的光合作用也会受到影响，最终导致水体中溶解氧含量不足，水体水质恶化，以致于鱼类和水生生物不能存活。⑵炼油厂含油废水中的酚类、硫化物、难降解物质等有毒有害物质在水体中积累，危害水生生物和人类健康。⑶5 沈阳化工大学学位论文第一章前言炼油厂含有废水进入土壤环境，油类物质会吸附在土壤颗粒表面，堵塞土壤颗粒间的间隙，形成不透气不透水的油膜。改变了土壤内部的环境，破坏土层团粒结构，影响土壤内微生物的新陈代谢和土壤表植被作物的生长。⑷炼油厂含油废水排入市政排水管道时，对排水设备和市政污水处理厂都会造成影响。炼油厂含油废水，水量大、含污染物种类复杂，直接排到环境中对环境危害十分大。因此需对炼油厂的含油废水进行处理回用。5沈阳化工大学学位论文第二章工艺设计要求5 沈阳化工大学学位论文第二章工艺设计要求第二章工艺设计要求2.1含油废水进水状况2.2.1污水来源及水量①污水处理场污水来源为各生产装置和生产辅助设施排放的污水。②含油污水流量：≤200t/h。③污水处理场工程设计进水水质单位：mg/L项目pH石油类CODCrBOD5SSNH4-HS2-浓度6-9300-120050040050025202.2.2工程设计要求炼油厂含油废水经处理后要达到《石油炼制工业污染物排放标注》（GB-31570-2015）中的水污染物排放要求。本工艺设计出水水质如下，单位：mg/L项目pH石油类CODCrBOD5SSNH4-HS2-浓度6-9≤3.0≤50≤10≤50≤5≤0.52.2场址自然条件2.2.1工程地质从大范围的厂区地质看，地层纵向(南北向)变化较简单，东西坡向变化较复杂，主要为第四纪冲积层，可分耕土层、砂质粘土及粘土层、砂类层、基岩。5 沈阳化工大学学位论文第二章工艺设计要求2.2.2水文地质地下水位较高，为0.9-3.0米，在粘性土层压力下使土壤处于饱和状态。从化学组成看，地下水属酸性，有酸化侵蚀，应对基础建筑材料注意防腐。2.2.3地震烈度按辽震烈字(1982)004号文规定，该场地地震基本烈度为七度。2.2.4气象条件①气温最热月平均温度24.1℃最冷月平均温度-14℃极端最高温度40.3℃极端最低温度-35.2℃②降雨量一日最大降雨量180.3mm连续最大降雨量228.9mm年平均降雨量273.6mm③气压最高绝对大气压777.42mPa最低绝对大气压728.53mPa年平均大气压754.26mPa④相对湿度年平均相对湿度65%5 沈阳化工大学学位论文第二章工艺设计要求⑤风全年主导风向东北年平均风速3.2m/s⑥积雪最大积雪深度30.5cm最大积雪荷重45kg/m2⑦最大冻土深度1.225沈阳化工大学学位论文第三章炼油厂含油废水处理工艺比较第三章炼油厂含油废水处理工艺比较选择3.1物理处理工艺3.1.1格栅格栅由一组平行的金属栅条或者筛网制成，被安装在污水渠道、泵房给水井的进口处或者污水处理系统前的污水渠道中，用以污水中的悬浮物或漂浮物，如纤维、毛发、碎皮、木屑、果皮、蔬菜、塑料制品等，防止水泵、管道和后续处理单元中的机械设备被磨损或者堵塞，有利于后续处理单元的顺利进行，同时还能减轻后续单元的的处理负荷。由一组金属栅条组成的筛滤设备称为格栅，有金属滤网制成的筛滤设备称为筛网，两者统称为格栅。按照格栅栅条间的间隙，可将格栅分为粗格栅（50—100mm）、中格栅（10—40mm）、细格栅（3—10mm）。按照栅渣的清理方式，可分为人工清渣格栅和机械清渣格栅。考虑到炼油厂含油废水中悬浮或漂浮污染物的尺寸较小，以及炼油厂含油废水常伴有毒气体逸出，为保障人员安全，本设计选取的格栅类型为机械清渣细45 沈阳化工大学学位论文第三章炼油厂含油废水处理工艺比较格栅，另有一台人工清渣细格栅备用。3.1.2隔油池炼油厂含油废水中石油类物质的去除效果直接关系到后续生物处理单元的处理效果。本设计通过隔油罐和油水分离器（由隔油池组成）进行油水分离。常用的隔油池有平流式隔油池、斜板式隔油池和平流—斜板组合式隔油池。其优缺点和使用条件见表3-1。表3-1不同类型隔油池的比较隔油油池类型优点缺点适用条件平流式⑴隔油效果好⑵耐冲击负荷⑶施工简单⑴布水不均⑵采用刮泥机操作复杂⑶不能连续排泥，工作量大适合各种规模的污水处理厂斜板式⑴隔油效果好⑵水力负荷大⑶占地面积小⑴斜板易堵塞，增加了表面冲洗设备⑵不宜作为初次隔油设施适合中、小型污水处理厂组合式⑴隔油效果好⑵水力负荷大⑶耐冲击负荷⑴池子深度不同，施工较为复杂⑵操作较复杂适用于对水质要求较高的处理厂本设计选取隔油池类型为平流—斜板组合式隔油池。3.1.3气浮45 沈阳化工大学学位论文第三章炼油厂含油废水处理工艺比较气浮又称为浮选是固液分离或液液分离的一种技术。其工作原理是向水中通入大量的微小气泡，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，在浮力的作用下，上浮至水面形成浮渣，从而完成固液分离或液液分离。气浮法处理炼油厂含油废水，处理量大，处理效果好，广泛用于炼油厂含油废水的处理。本设计采用二级气浮，即一级涡凹气浮、二级部分回流溶气气浮，对炼油厂含油废水进行气浮除油。涡凹气浮属于散气气浮，工作原理是利用涡凹气浮机将空气输送到气浮池底部，高速转动的散气叶轮在水中形成一个真空区，空气填补真空区域，产生微气泡，并以螺旋形上升至水面。进过预处理后的含油废水进入涡凹气浮池的小型充气段，与微气泡充分混合，微气泡与水中油类物质和絮体相互粘附形成密度小于水的浮体，浮体迅速上浮至水面，刮渣机将水面浮渣刮至集渣槽内，从而完成固液分离和液液分离。溶气气浮是目前使用最为广泛的一种气浮方法，其工作原理是空气在加压条件下溶于水中，经溶气释放器减压后释放，把溶解的过饱和空气以微气泡的形式释放出来。本设计中采用的溶气气浮为部分回流溶气气浮，即将部分出水进行回流加压，加压回流的溶气废水在接触室内被释放，形成微小气泡，微气泡与含油废水中的油类物质和絮体接触相互粘附在一起，形成比重小于水的浮体，浮体上升至水面后通过刮泥机将浮渣刮至集渣内，完成固液、液液分离。3.1.4沉淀池沉淀池是水处理工艺流程中最重要，应用最为广泛的构筑物之一。根据在污水处理流程中的的位置不同，沉淀池可分为沉砂池、初沉池、二沉池和污泥浓缩池等。污水处理厂常用的沉淀池形式有：平流式沉淀池、竖流式沉淀池、辐流式沉淀池、斜板（管）沉淀池。各类型的沉淀池的优缺点及适用范围见表3-2。表3-2各类型沉淀池的比较沉淀池类型优点缺点适用范围平流式⑴沉淀效果好⑵⑴布水不易均匀⑵适用于大、中、小型污水处理厂45 沈阳化工大学学位论文第三章炼油厂含油废水处理工艺比较对冲击负荷和温度变化适应能力强⑶施工简单⑷平面结构紧凑⑷排泥设施已趋于定型采用多斗排泥时，每个泥斗需单设排泥管各自排泥，操作量大⑶采用机械排泥是，设备复杂，对施工质量要求较高竖流式⑴排泥方便、管理简单⑵占地面积小⑴池子深度大，施工困难⑵对冲击负荷和温度变化适应能力较差⑶池子不宜过大，否则导致布水不均适用于小型污水处理厂辐流式⑴多为机械排泥、运行稳定、管理简单⑵排泥设施已定型化机械排泥设备复杂，对施工质量要求较高适用于大、中型污水处理厂斜板（管）式⑴沉淀效果好⑵占地面积小⑶水力负荷高⑴斜板（管）易堵塞，需表面冲洗设备⑵不宜作为初沉池适用于中、小型污水处理厂本设计中初沉池选用平流式沉淀池，二沉池选用辐流式沉淀池。3.2生化处理工艺3.2.1水解酸化水解酸化作为有效改善废水可生化性的工艺在水处理工程中得到广泛应用。本设计中设置完全混合式水解酸化池，在厌氧条件下利用厌氧菌水解酸化作用，将炼油厂含油废水中的高分子有机物降解成小分子有机物，部分难降解物质也会被降解成可生物降解的小分子有机物，从而改善了炼油厂含油废水的可生化性，提高了含油废水的处理效果。3.2.2生物法45 沈阳化工大学学位论文第三章炼油厂含油废水处理工艺比较生物法用于处理含油废水，主要去除含有废水中的BOD5、氨氮类物质，在目前炼油厂水处理工艺中主要应用的生物法有：活性污泥处理工艺，如传统活性污泥法工艺、序批式活性污泥法工艺（SBR工艺）、氧化沟工艺、吸附——生物降解活性污泥工艺系统、A2/O法同步脱氮除磷工艺、缺氧—好氧活性污泥脱氮工艺（A/O法脱氮工艺）；生物膜法，如生物滤床法、生物接触氧化法、曝气生物滤池法（BAF）。1.含油废水活性污泥处理工艺①传统活性污泥法工艺传统活性污泥法工艺是活性污泥工艺系统中最基础的工艺流程，该工艺由活性污泥反应器——曝气池和二沉池组成（见图3-1），是早期污水处理并沿用至今的工艺流程。图3-1传统活性污泥法工艺流程图传统活性污泥法工艺的特点：传统活性污泥法工艺对一般城市污水具有较好的的处理效果，BOD545 沈阳化工大学学位论文第三章炼油厂含油废水处理工艺比较的去除率一般能达到90%以上，较适用于处理净化程度和稳定程度较高的污水。污水中的有机物在曝气中经历了个完整的降解过程，即被吸附和被降解。活性污泥有经历了完整的生长期，即从池首端的对数增长期到池子中部的减速增长期，最后到池子末端的内源呼吸期。回流的活性污泥基本处于内源呼吸期。污水中有机物浓度随池长逐渐降低，需氧速率也随池长逐渐降低。因而，在曝气池前段混合液中溶解氧量浓度较低，甚至可能出现含氧量不足的情况，溶解氧随着池长逐渐增加，在曝气池末端溶解氧可能达到2mg/l。传统活性污泥法在含油废水的处理中也等到广泛的应用.但是传统活性污泥法工艺存在着以下几个问题：曝气池首端有机物负荷较高、导致好氧速率高，为避免缺氧的问题，进水有机物负荷不能过高；由于活性污泥的耗氧速率沿池长是变化的，因而供氧速率很难与耗氧速率相吻合，在曝气池前段可能出现供氧不足的情况，在曝气池后段又可能出现供氧过剩的情况；曝气池容积大、占地面积大、基建费用高；对进水水质、水量变化的适应能力较差。针对传统活性污泥法工艺存在的问题演变出了“渐减曝气活性污泥法”和“分段进水活性污泥法”等工艺。②序批式活性污泥工艺（SBR工艺）序批式活性污泥法工艺（SBR工艺）是经传统活性污泥法改良后开发出来的工艺系统。SBR工艺是将原污水、有机物降解反应、活性污泥沉淀的泥水分离、处理水排放等各项污水处理工程集中在同一个SBR工艺反应器内完成。SBR工艺在运行上的主要特征是序列间歇式操作，序列间歇式操作包含两层含义。第一层含义是，运行操作在空间上是按序排列的间歇式，即污水是按序排列进入每一个SBR反应器（SBR工艺中至少要设置2个过多个SBR反应）；第二层含义是，SBR工艺流程的运行操作在时间上也是按序排列的间歇式，即每一个SBR反应器应按照进水、反应、沉淀、排水、待机这5个阶段运行见图3-2。45 沈阳化工大学学位论文第三章炼油厂含油废水处理工艺比较图3-2SBR反应器一个周期的运行操作SBR工艺系统的主要优点是：由于SBR工艺系统无需设置二沉池、污泥回流系统和相关的各种设备，因此SBR工艺系统流程相对于传统活性污泥法得到了显著的简化，基建和维护运行费用较低；通过对SBR工艺系统的不同操作可以进行不同方式的运行，具备达到不同的处理目的的能力，并具有良好的脱氮除磷效果；SBR工艺系统是目前公认的最不易发生污泥膨胀的工艺，本身具备良好的抑制活性污泥膨胀的条件；SBR工艺系统同样具备强大的耐冲击负荷能力以及处理高浓度有机废水和有毒废水的能力。但SBR工艺系统同样存在这以下几个缺点：反应器的容积利用率比较低；控制系统较为复杂，对运行维护要求较高；污水流量不均，排水时水头损失较大，与后续处理单元协调较为困难；不适用于大型的污水处理厂。③氧化沟活性污泥工艺45 沈阳化工大学学位论文第三章炼油厂含油废水处理工艺比较氧化沟工艺是活性污泥工艺系统的一个变形。由于该工艺的活性污泥反应器表面上呈环状沟渠形，因而得名氧化沟。污水与活性污泥的完全混合液在环状沟渠内连续曝气不停地循环流动，故又被称为“循环曝气池”。氧化沟工艺系统采用间歇的运作方式，将有机污染物的降解、泥水分离、污泥稳定等反应进程全部集中在同一个反应器内，氧化沟工艺系统污水处理效果优异，BOD5去除率能高达97%。氧化沟工艺系统的技术特点：在工艺方面的特征是工艺流程简单，运行操作灵活性强，污水处理后出水质稳定，处理效果优异；在结构方面，氧化沟一般呈环状沟渠形，平面多为椭圆或圆形，构筑物结构比较简单。④吸附——生物降解活性污泥工艺（A-B工艺）吸附——生物降解活性污泥工艺系统，是20世纪70年代中期开发出来的活性污泥水处理的新工艺，新技术。该工艺系统的基本工艺流程见图3-图3-3A-B工艺系统的工艺流程图其中A段吸附池对水中污染物的去除主要依靠生物污泥的吸附作用。某些重金属和难降解物质都能通过A段的吸附作用得到一定的去除，在一定程度上减轻了B段的负荷。B段曝气池则对污染物进行进一步的生物降解，使出水得到排放水质要求。A-B工艺系统具有一定程度上的脱氮除磷的净化系统，但根据运行数据证实，脱氮除磷的效果并不能达到标准要求，需对A-B工艺系统进行改进或增建才能够取得良好的脱氮除磷效果。A-B工艺系统具有较强的稳定性，耐冲击负荷，对进水的水量与水质具有很强的适应能力。但基建费用较高，污泥产量较大。⑤A2/O法同步脱氮除磷工艺45 沈阳化工大学学位论文第三章炼油厂含油废水处理工艺比较A2/O法同步脱氮除磷工艺，是Anaerobic-Anoxic-Oxic的首字母简称，即厌氧—缺氧—好氧法。A2/O法同步脱氮除磷工艺流程见图3-4。图3-4A2/O法同步脱氮除磷工艺流程在A2/O法同步脱氮除磷工艺流程中，原污水和从沉淀池排出来的含磷回流污泥同时进入厌氧反应器，除磷菌在厌氧反应器中发生的是释放磷和摄取有机物，同时部分有机物进行氨化。混合液从厌氧池进入缺氧池，缺氧池的首要功能是脱氮，硝态氮来源于好氧池的回流混合液，通过内循环输送的回流混合液一般为原污水流量的2倍。混合液从缺氧池进入好氧池，去除BOD的生物降解过程、硝化和除磷菌吸收磷的反应均在好氧池内进行。沉淀池主要进行泥水分离，污泥一部分回流，一部分最为剩余污泥排除，除磷通过排除剩余污泥来完成。沉淀池上清液作为出水排出，或进入下一级水处理单元。A2/O法同步脱氮除磷工艺系统的优点：A2/O法本工艺系统被称为最简单的同步脱氮除磷工艺，总水力停留时间小于其他同类型工艺；由于污水经过在厌氧、缺氧、好氧过程，丝状菌无法大量繁殖，污泥沉降性好，不用担心发生污泥膨胀；在整个运行过程中无需加药，运行费用低；污泥含磷浓度高，具有较高的肥效。同时A2/O法同步脱氮除磷工艺系统也存在着以下几点不足：脱氮除磷效果难以通过后期运行得到进一步提高；沉淀池中要保持一定浓度的溶解氧，并减小停留时间以防止污泥在厌氧状态下发生释放磷的现象，但溶解氧浓度不能过高，以防止消化液回流到缺氧池对其产生影响；构筑物较多，基建费用高，运行管理维护复杂。45 沈阳化工大学学位论文第三章炼油厂含油废水处理工艺比较⑥缺氧—好氧活性污泥法脱氮工艺（A/O法脱氮工艺）A/O法脱氮工艺，于20世纪80年代初开发出来至今，已成为采用较为广泛的脱氮工艺。A/O法脱氮工艺流程见图3-5。缺氧好氧沉淀池剩余污泥内循环进水污泥回流图3-5A/O法脱氮工艺流程图如图3-5所示，原污水和回流污泥同时进入缺氧池，在缺氧池中反硝化菌以污水中的有机物作为碳源，以内循环回流液中的硝酸盐作为电子受体，将硝态氮还原成氮气，在这个过程中无需外加碳源。反硝化过程消耗了污水中一部分有机物，减轻了好氧池的有机负荷，同时也减少了好氧池的耗氧量；反硝化菌对某些难降解有机物也具有一定的去除效果；反硝化反应产生的碱度可以补充消化反应消耗的部分碱度，所以，当处理的废水中含氮量不高时可以不需投碱调节碱度。缺氧池后面的好氧池，作为硝化反应反应器的同时进去一步去除缺氧池中残留的有机污染物，提高出水水质，而且不需要后续增设曝气池。45 沈阳化工大学学位论文第三章炼油厂含油废水处理工艺比较综上，A/O法脱氮工艺优点是流程简单，构筑物少，无需外加碳源，因而工程建设费用和运行费用较低。但是，由于好氧池出水中含有一定浓度的硝酸盐，如果二沉池运行不当，在而二沉池中可能会发生反硝化反应，使污泥上浮，导致污泥流失，出水水质恶化。2.含油废水生物膜法①生物滤床法生物滤池是生物膜反应器的最原始形式，至今已经有100多年的发展历史。在生物滤池中，原污水通过布水器均匀分布到滤池表面，一部分被吸附在滤料的表面，形成薄膜状的附着水层，另一部分渗流过滤料，形成流动水层，最后达到排水系统。污水通过生物滤床时，滤料截留原污水中的悬浮物、吸附原污水中的胶体和溶解性有机污染物，微生物利用吸附的有机物污染物生长繁殖。生物膜对污水中的有机物进行吸附氧化，生物膜上的微生物摄取污水中的有机物作为养料进行生长繁殖，从而达到净化污水的目的。污水在微生物膜中的净化过程包括：污水中的传质过程、氧的扩散与吸收、有机物的分解和微生物的新陈代谢过程。在这些过程的共同作用下，水质得以净化。目前有不少生物滤池应用于炼油厂含有废水的处理，生物滤池具有占地面积少，操作简单，运行稳定，处理效果好，产泥量少；但生物滤池的填料安装和维护复杂，易堵塞。②生物接触氧化法生物接触氧化法又称为“浸没式生物滤池”，是有生物滤池与接触氧化曝气池共同演变而来。在生物接触氧化池中进行曝气，污水浸没池中全部滤料，与滤料上的生物膜广泛接触。和生物滤池去除有机污染物的机理相似，原污水与生物膜接触的中过程中，有机污染物被生物膜上的微生物吸附，氧化分解进行生长繁殖，从而达到净化污水的目的。生物接触氧化法介于活性污泥法与生物滤池法之间，在某种意义上具有活性污泥法和生物滤池法的两个者的优点，广泛的应用于市政污水和各种工业废水的处理。45 沈阳化工大学学位论文第三章炼油厂含油废水处理工艺比较在炼油厂含油废水的处理中，生物滤池具备以下几个优点：生物接触氧化池具备很高的容积负荷，处理效果良好，占地少；无需污泥回流，也不会出现污泥膨胀的问题，操作、运行、管理方便；对水质水量具有较强的适应能力，产泥量低，而且污泥颗粒较大易于沉淀。但同时也存在以下几点不足，如有机污染物的去除效率不如活性污泥法，填料已发生堵塞；布水、曝气不均可能造成生物接触氧化池内形成局部死角，影响出水水质。③曝气生物滤池法曝气生物滤池（BAF，BiologicalAeratedFilter）又称淹没式曝气生物滤池，与活性污泥法相比曝气生物滤池填料上的生物量得到大大的提高，MLVSS值可以达到8000—23000mg/l。曝气生物滤池填料多采用粒状的陶粒、石英砂、无烟煤、膨胀岩片等，在填料表面和内部都生长着微生物膜。在运行过程中，对滤池进行曝气，原污水经过填料层，通过吸附作用，与生物膜接触，生物膜上的微生物污水中的有机污染物进行新陈代谢净化污水，同时，填料层生物膜也起到了过滤的作用截留原污水中的悬浮物质，并保障了脱落的生物膜不会随水流出。曝气生物滤池运行一段时间后，水头损失会增加，利用处理后的出水对曝气生物滤池进行反冲洗，从而释放截留的悬浮物，并起到了更新生物膜和排除剩余污泥的作用。曝气生物滤池法在炼油厂含油废水的处理中也得到了较广泛的应用，由于该工艺具有以下优点：容积负荷较高，污水处理能力强，耐冲击负荷能强；挂膜容易，启动快；占地面积小，基建费用低；自动化控制，运行管理方便。但曝气生物滤池对原污水SS要求交严格，一般进水的SS不宜超过100mg/L，最好控制在60mg/L以下；滤池水头损失较大，运行周期较短，反冲洗频繁；产生的污泥稳定性差，对污泥的进一步处理较难。3.3炼油厂含油废水的消毒处理45 沈阳化工大学学位论文第三章炼油厂含油废水处理工艺比较炼油厂含油废水经一级处理和二级处理后，虽然水质得到较好的改善，但是细菌的绝对值仍然比较大，并可能含有致病菌，如病原菌、原生动物的孢子和包囊、蠕虫及病毒等，因此在将处理后的出水排入自然水体之前应进行消毒。目前应用较为广泛的消毒方法有：液氯法、漂白粉法、臭氧法、次氯酸钠法、氯片法和紫外消毒法。各种消毒方法比较见表3-3。表3-3消毒方法的比较消毒方法优点缺点适用范围液氯消毒效果可靠，投配设备简单，药剂投加量准确，药剂便宜液氯氯化形成的余氯及某些含氯化合物在低浓度时对水生生物有害。当废水中工业废水含量较高时，氯化容易生成致癌化合物。适用于大、中型污水处理厂漂白粉药物投加简单、价格便宜同液氯消毒的缺点外，还有药物投加量不准确，溶解配制不便捷，体力劳动较大适用于消毒要求不高或间断投加的小型污水处理厂臭氧消毒效果高，并能进一步氧化分解污水中的有机物、色、嗅等，污水的pH好温度对消毒影响较小，而且没有有毒有害的副产物产生。投资大，成本高，设备管理复杂适用于出水水质、卫生要求较高的污水处理厂次氯酸钠用海水和一定浓度的盐水，可以在污水处理厂就地进行电解制备消毒剂需要专用次氯酸钠电解设备和投放设备适用于边远地区，采购消毒剂不方便的小型污水处理厂氯片设备简单，管理方便，只需定期清理消毒器内的残渣、补充氯片，基建费用低要用特质氯片和专用设备，消毒水量小适用于医院、生物制品废水处理的小型处理厂45 沈阳化工大学学位论文第三章炼油厂含油废水处理工艺比较紫外线利用紫外线照射和氯化共同作用的物理化学方法具有较高的消毒效果紫外线不具有剩余消毒能力，当处理水离开反应器后，在光复活的机制下某些微生物会复活适用于小型污水处理厂续表经过多各个消毒方案的比较，和对本设计任务的适用性分析，本设计选取的是臭氧消毒方案。3.4炼油厂含油废水污泥处理整个含油废水处理工艺中，产生的污泥和浮渣含水率在97%以上，污泥体积非常大，且呈流动状对后续的处理较为麻烦，需要对污泥进行脱水后，进行进一步处理。各个处理单元产生的污泥、浮渣排入污泥浓缩池，本设计采用重力浓缩的方式对污泥进行浓缩。通过浓缩池浓缩后，污泥的含水率下降到95%左右，通过污泥泵将污泥送至离心污泥脱水机进行脱水，脱水后的泥饼含水率为70%左右，此时污泥呈固状，且体积为原体积的1/20—1/30，有利于运输和最终的处置。污泥浓缩池上清液和离心脱水机的滤液回流至调节池。3.5炼油厂含油废水处理工艺的确定根据炼油厂含油废水的特点和出水要求，本设计采用的工艺流程见图3-6。45 沈阳化工大学学位论文第三章炼油厂含油废水处理工艺比较含油废水格栅集水池隔油罐油水分离器调节池二级气浮浮油回收水解酸化初沉池A/O池二沉池臭氧消毒出水污泥浓缩池污泥脱水外运污泥回流图3-6炼油厂含油废水处理工艺流程图45 沈阳化工大学学位论文第三章炼油厂含油废水处理工艺比较炼油厂含油废水，通过格栅，截留污水中的漂浮物和较大块悬浮物，进入集水池，保证后续污水处理系统的正常运行。集水池中的水通过提升泵，提升至隔油罐，在隔油罐内含油废水自上而下缓慢流动，由于油水密度的差异，可以去除含油废水中大部分浮油和分散油，油类浮至水面通过集油槽排除。含油废水进入油水分离器，在油水分离器中可以去除直径为60μm的油粒。隔油罐和油水分离器分离出来的浮油通过集油槽统一排入浮油回收设备。废水进入调节池，将高浓度和低浓度的含油废水进行混合，使水量与水质达到均一，稳定的水量和水质有利于后续处理单元的稳定运行。调节池内的废水经提升泵提升进入二级气浮单元，即一级涡凹气浮池、二级部分回流溶气气浮池，通过二级气浮，含油废水的油类物质含量可达到排放要求。随后污水进入水解酸化池，将炼油厂含油废水中的高分子有机物降解成小分子有机物，部分难降解物质也会被降解成可生物降解的小分子有机物，从而改善了炼油厂含油废水的可生化性，提高了含油废水的处理效果。经初沉池沉淀后，污水进入A/O反应池，回流污泥也同时进入缺氧池，在缺氧池中反硝化菌以污水中的有机物作为碳源，以内循环回流液中的硝酸盐作为电子受体，将硝态氮还原成氮气；反硝化菌对某些难降解有机物也具有一定的去除效果；缺氧池后面的好氧池，作为硝化反应反应器的同时进去一步去除缺氧池中残留的有机污染物，提高出水水质。经A/O反应池处理后的污水，进入二沉池，二沉池出水经过臭氧消毒后排入自然水体。气浮池、初沉池及二沉池排除的浮渣污泥进入污泥浓缩池，经脱水后外运至相关部门妥善处理。45沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型第四章构筑物设计计算及设备选型4.1物理处理工艺设计计算4.1.1格栅渠格栅的作用是截留含油废水中的较大的悬浮物和漂浮物，保障后续处理单元的正常稳定运行。由于含油废水水量较小，水中油类物质含量较高，因此本设计选用机械格栅配备一台，另配备一台人工格栅备用。1.设计计算①栅条间隙数n（个）n=Qmaxsinαbhν（4-1）式中：n——栅条间隙数，个；Qmax——废水最大设汁流量，m3/s；α——格栅的安装倾角，取值α=70o；b——栅条间隙，m，取值b=0.01m；h——栅前水深，m，取值h=0.4m；ν——过栅流速，m/s，设计取值ν=0.6m/s。则栅条间隙数为：n=Qmaxsinαbhν=0.06sin70o0.01×0.4×0.6=24本设计取栅条宽度：45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型S=10mm=0.01m则格栅宽度：B=Sn-1+bn=0.124-1+0.01×24+2×0.1=0.47m格栅宽度取整数，则B=500mm。②格栅槽宽度B1取格栅边框宽度，A=100mm，则：B1=B+2A=500+200=700mm③通过格栅的水头损失本设计栅条断面为锐边矩形，则h1=h0k（4-2）h0=ξν22gsinα（4-3）ξ=β(Sb)4/3（4-4）式中：h1——设计水头损失，m；h0——计算水头损失，m；g——重力加速度，g=9.8m/s2；k——系数，格栅受污染物堵塞时水头损失増大的倍数，一般取k=3；ξ——阻力系数，与栅条断面形状有关，按《给水排水设计手册》提供的计算公式和相关系数计算；β——形状系数，本设计栅条断面为锐边矩形，则β=2.42；45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型则通过格栅的水头损失：h1=β(Sb)43ν22gk∙sinα=2.420.010.01430.622×9.8×3×sin70o=0.125m④栅后槽总高度H=h+h1+h2式中：H——栅后槽总高度，m；h2——栅前渠道超高，m，本设计取h2=0.3m。则：H=h+h1+h2=0.4+0.125+0.3=0.825m⑤栅槽总长度本设计取格栅槽总长度L=6m。4.1.2集水池集水池设计结果见表4-1。表4-1集水池设计结果表项目设计结果结构地下钢砼结构数量1座尺寸长×宽×高=10×10×6m容积V总=600m3，V有效=500m3停留时间2.5h45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型集水池一级提升泵选用ZW80-65-20，配置3台，2用1备。4.1.3隔油罐隔油罐可去除含油废水中的大部分浮油和分散油，在隔油罐中含油废水自上而下缓慢流动，由于油和水的密度不同，油类物质上浮至水面，经集油罐收集后排除。为达到良好的除油效果，含油废水一般在隔油罐内停留时间较长，同时还起到了调节均化水质的作用。隔油罐设计选型结果见表4-2。表4-2隔油罐设计选型结果表项目设计结果隔油罐尺寸：Φ12×15m材料：碳钢，内外防腐数量：1个容积：V总=1600m3，V有效=1500m3旋流除油器型号：XHF-200数量：1座处理能力：200m3/h斜板填料规格：Φ40总面积：100m2安装角度：60°集油罐型号：Φ6×7m材料：碳钢，内外防腐数量：1个容积：V总=176m3污油泵型号：G40-145 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型数量：2台，1备1用续表4.1.4隔油沉淀池⑴设计计算①平流隔油池过水断面面积Ac（m2）：Ac=Qn∙v（4-5）式中：Ac——隔油池过水断面面积，m2；Q——含油废水流量，m3/h；n——平流隔油池格数，本设计取n=4；v——平流隔油池中废水水平流速，mm/s;本设计取平流隔油池的设计水平流速为v=4mm/s。则：Ac=Qn∙v=2004×4=12.5m2本设计取平流池每格宽度B，B=4.5m。则：平流隔油池有效池深h2，h2=12.54.5=2.8m则水平隔油池的设计深度为3.2m，超高为0.4m45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型②平流隔油池水面面积：水平隔油池水面面积按油粒上升速度计算，油粒上升速度μ应用修正后的stokes公式计算：u=βgd2(ρ0-ρ1)18μ（4-6）式中：u——静水中相应于直径ｄ油粒的上浮速度，cm/s；g——重力加速度，g=981cms2；d——油粒粒径，在本次计算中指可以上浮的油粒最小粒径，cm；ρ0——水的密度，g/cm3；ρ1——油的密度，g/cm3；μ——油的绝对粘度，g/cm3·s；β——水中悬浮物浓度使油粒上浮速度降低的系数，按下式计算：β=4×104+0.8s24×104+s2其中，s为废水中悬浮物的浓度，mg/L。在设计水质条件下悬浮物浓度为700mg/L，带入公式得，β=0.815。平流隔油池能去除的油粒的最小粒径为150μm，在25℃条件下，水和油的密度分别为0.998g/cm3、0.920g/cm3，此时油的绝对粘度为0.0098g/cm3·s。则：u=βgd2(ρ0-ρ1)18μ=0.815×981×0.0152（0.998-0.920）18×0.0098=0.08cm/s45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型③平流池表面积A（m2）：A=αQu（4-7）式中：Q——含油废水流量，m3/h；α——考虑池容利用系数及水流奈流状态对池表面的修正值，与v／u的比值有（v为水平流速），根据下表取值v／u20151063α1.741.641.441.371.28本设计中，vu=40.8=5，由插值法，得α=1.34A=αQu=1.34×2000.8=335m2由于本设计平流隔油池为4格，所以每一格平流隔油池的尺寸为：19×4.5×3.6。4.1.5调节池调节池，将高浓度和低浓度的含油废水进行混合，使水量与水质达到均一，稳定的水量和水质有利于后续处理单元的稳定运行。调节池内铺设曝气管，对池中的含油废水进行间歇曝气搅拌，达到水质均一的目的，并能预防调节区内发生积淤现象。调节池设计选型结果见表4-3。表4-3调节池设计选型结果项目设计结果构筑物结构：半地上钢砼结构尺寸：长×宽×高=20×10×6m45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型容积：V总=1200m3，V有效=1000m3二级提升泵型号：ZW100-100-15数量：2台，1备1用曝气搅拌系统类型：穿孔曝气管De90材料：ABS数量：1套4.1.6二级气浮⑴一级涡凹气浮池含油废水经一级提升泵提升后进入涡凹气浮处理单元，本单元有两座平行的涡凹气浮池并列同时运行，在含油废水进入涡凹气浮池之前的管道中加入PAC，经混合后进入混凝区，同时混凝区投加PAM搅拌均匀，经导流区形成向上流，流入接触区，在接触区中涡凹气浮机产生的微小气泡与含油废水充分接触，然后进入分离区，气浮形成的浮渣通过链式刮泥机刮入浮渣槽去除，浮渣最终经过排泥系统排出，经一级涡凹气浮后的含油废水进入二级溶气气浮池。一级涡凹气浮池设计选型结果见表4-4。表4-4一级涡凹气浮池设计选型项目设计选型构筑物结构：钢砼结构尺寸：长×宽×高=15×2×5m数量：2座容积：V混凝区=20m3，V接触区=20m3，V分离区=100m3PAC加药系统型号：JY-PAC-1600数量：1套PAM加药系统型号：JY-PAM-160045 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型数量：1套涡凹气浮机型号：CAF-50数量2套链式刮泥机型号：GZ-2.0数量：2台⑵二级溶气气浮池含油废水经一级涡凹气浮池气浮分离后进入二级溶气气浮池，本设计采用部分回流加压溶气气浮，两组并列运行。在上一级涡凹气浮池出水处加入PAC，流入混凝池后加入PAM进行搅拌混合，经导流区形成向上流，流入接触区，在接触区中加压回流的溶气水经减压释放后形成微小气泡与含油废水充分混合，然后进入分离区，气浮形成的浮渣通过链式刮泥机刮入浮渣槽去除，浮渣最终经过排泥系统排出。溶气气浮池设计选型结果见表4-5。表4-5二级溶气气浮池设计选型项目设计选型构筑物结构：钢砼结构尺寸：长×宽×高=15×2×5.3m数量：2座容积：V混凝区=20m3，V接触区=20m3，V分离区=100m3溶气罐尺寸：Φ0.8×3.2m数量：2台材料：碳钢防腐溶气水泵型号：ISW-50-200(I)A数量：4台，2备2用空压机型号：V-0.12/8数量：2台45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型链式刮渣机型号：GZ-2.0数量：2台溶气释放器型号：TV-Ⅱ规格：φ150数量：24套续表4.2二级生化处理工艺4.2.1水解酸化池⑴设计计算①水解酸化池容积计算V（m3）V=Q∙HRT=200×5=1000m3式中：V——水解酸化池容积计算，m3；Q——含油废水流量，m3/h；HRT——水力停留时间，h；本设计取HRT=5h②水解酸化池有效水深H（m）本设计取，H=5m③水解酸化是表面积A（m2）A=VH=10005=200m2则，本设计中的水解酸化池的尺寸为：20×10×7m45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型4.2.2初沉池⑴设计计算①平流沉淀池总表面积AA=Qmax×3600q"式中：A——平流沉淀池总表面积，m2；Qmax——最大实际秒流量，m3/s；q"——平流沉淀池表面负荷，m3/(m2∙h)；本设计取q"=1.5m3/(m2∙h)。则：A=Qmax×3600q"=0.06×36001.5=144m2②沉淀沉池淀部分有效水平流深h2h2=q"t（4-8）式中：t——含油废水在平流沉淀池中沉淀时间，h；本设计取，t=2h则：h2=q"t=1.5×2=3m③平流沉淀池沉淀部分有效容积V"V"=3600Qmaxt=3600×0.06×2=432m3④平流沉淀池池长L"45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型L"=vt×3.6（4-9）式中：v——含油废水在沉淀部分的水平流速，mm/s;本设计取，v=3.5mm/s。则：L"=vt×3.6=3.5×2×3.6=25.2m取：L"=26m⑤平流沉淀池总宽度BB=AL"=14426=5.5m取：B=6m由于平流沉淀池总宽度为6m，所以本设计仅设置一个平流沉淀池。即：池宽b=B=6m⑥校核长宽比、长深比长宽比：L"b=266=4.3，符合长宽比为3~5的范围。长深比：L"h2=263=8.7，符合长深比为8~12的范围。⑦平流沉淀池污泥部分所需总容积VV=QmaxS0f×86400×Tγ(1-ρ0)×1000（4-10）式中：V——平流沉淀池污泥部分所需总容积，m3；Qmax——最大实际秒流量，m3/s；45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型S0——含油废水进水SS浓度，t/m3；S0=500mgL=0.5kgm3；f——平流沉淀池SS去除率，%；本设计取：f=40%；T——污泥在平流沉淀池内停留时间，d；本设计取：T=2d；γ——污泥浓度，t/m3；γ=1tm3；ρ0——污泥含水率，%；本设计取：ρ0=97%。则：V=QmaxS0f×86400×Tγ1-ρ0×1000=0.06×0.5×0.4×864001×（1-0.97）×1000×2=69.12m3⑧污泥层部分厚度h4h4=VL"×B=69.1226×6=0.44m⑨平流沉淀池总高度H：H=h1+h2+h3+h4（4-11）式中：H——平流沉淀池总高度，m；h1——平流沉淀池池边超高，m；本设计取：h1=0.4m；h2——沉淀沉池淀部分有效水平流深，m；h3——平流沉淀池缓冲层高度，m；本设计取：h3=0.4m；则：H=h1+h2+h3+h4=0.4+3.0+0.4+0.44=4.24m故本设计的平流式初沉池的尺寸为：长×宽×高=26×6×4.24,坡度为0.01。45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型⑩污泥斗容积:采用污泥斗尺寸V1=13h""f1+f2+f1f2（4-12）式中：V1——污泥斗容积，m3；h""——污泥斗高度，m；f1——污泥斗上口面积，m2；f2——污泥斗下口面积，m2。h""=6.5-0.52tan60°=5.2m（4-13）V1=13h""f1+f2+f1f2=13×5.26×6+0.5×0.5+36×0.25=62.28m3⑪污泥斗以上梯形部分容积：V2=l1+l22h4"b（4-14）式中：V2——污泥斗以上梯形部分容积，m3；l1、l2——梯形上下底长度，m；l1=26.8m，l2=6.5m；h"——梯形部分的高度，m；h"=26+0.3-6.5×0.01=0.198m；V2=l1+l22h4"b=26.8+6.52×0.198×6=19.78m3污泥总容积V=V1+V2=62.28+19.78=82.06m3>69.12m3。满足设计要求。45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型4.2.3A/O工艺反应池本设计A/O工艺反应池采用合建式混凝土结构⑴设计参数:①BOD污泥负荷率:Ns=0.15kgBOD5/(kgMLSS∙d)由于当Ns≤0.18kgBOD5/(kgMLSS∙d)时，有利于消化反应进行。②污泥容积指数：本设计取，污泥容积指数：SVI=150ml/g③回流污泥浓度：Xr=106SVI∙r（4-15）式中：Xr——回流污泥浓度，mg/l；r——修正系数，与污泥在二次沉淀池中的停留时间、池深等有关，一般取值为1.2左右。本设计中，去r=1.2。则：Xr=106SVI∙r=106150×1.2=8000mg/l④污泥回流比：本设计取，污泥回流比：R=100%⑤A/O生物反应池内混合液污泥浓度：45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型X=R1+R∙Xr=11+1×8000=4000mg/l⑥总氮去除率：ηN=TN0-TNeTN0×100%（4-16）式中：ηN——总氮去除率，%；TN0——进水总氮浓度，mg/l；本设计中，TN0=25mg/l；TNe——出水总氮浓度，mg/l；本设计中，取TNe=5mg/l。则：ηN=TN0-TNeTN0×100%=25-525×100%=80%⑦A/O生物反应池内回流比：R内=ηN1-ηN=0.81-0.8×100%=400%⑵A/O生物反应池尺寸计算①A/O生物反应池有效容积：V=24QL0NsX（4-17）式中：V——A/O池生物反应池有效容积，m3；Q——污水设计流量，m3/h；45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型L0——A/O生物反应池进水BOD5浓度，kg/m3；本设计中，L0=400kgm3；Ns——生物反应池内BOD污泥负荷率，kgBOD5/(kgMLSS∙d)；X——A/O生物反应池内混合液污泥浓度，mg/l；则：V=24QL0NsXf=24×200×4000.15×4000=3200m3②有效水深：本设计取有效水深：H1=4.5m。③A/O生物反应池总面积：A=VH1=32004.5=712m2④污水在生物反应池中停留时间：t=VQ=3200200=16hA段、O段比值为1：4则，A段的停留时间为3.2h，O段的停留时间为12.8h。本设计取A/O工艺反应池超高为0.5m，则反应池高度为5m。A/O反应池尺寸：长×宽×高=60×12×5⑶计算污泥剩余量①生物污泥生成量W1=aQLr（4-18）a——污泥增值系数，kgMLSS/kgBOD5，一般取值为0.5—0.7，本设计中取a=45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型0.5kgMLSS/kgBOD5；Q——污水日处理量，m3/d；Lr——生物反应池去除BOD5浓度，kg/m3；其中：Lr=400-10=390mgl=0.39kgm3则：W1=aQLr=0.5×4800×0.39=936kg/d②活性污泥内呼吸分解量W2=bVXf（4-19）式中：b——污泥自身氧化速率，d-1；本设计取，b=0.05d-1；V——生物反应池有效容积，m3；X——A/O生物反应池内混合液污泥浓度，kg/m3；其中：X=4000mgl=4kgm3。f——生物反应池混合液中挥发性悬浮固体浓度与总悬浮固体浓度的比值，一般在0.7—0.8；本设计取，f=0.7。则：W2=bVXf=0.05×3200×4×0.7=448kg/d③不可降解和惰性悬浮物污泥量W3=50%Q∙Sr（4-20）式中：50%——不可降解和惰性悬浮固体占总悬浮固体的百分数；45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型Q——污水日处理量，m3/d；Sr——生物反应器去除的SS浓度，kg/m3；其中：Sr=500×60%-50=250mgl=0.25kgm3则：W3=50%Q∙Sr=50%×4800×0.25=600kg/d④剩余污泥量W=W1-W2+W3=936-448+600=1088kg/d其中每日生成活性污泥量：∆X=W1-W2=936-448=488kg/d⑤剩余污泥体积：本设计取，污含水率为ρ=99.7%。则：Qs=W1000(1-ρ)=10881000(1-0.997)=362.67m3/d⑥计算污泥龄θc=VXf∆X=3200×4×0.7488=18.36d>10d⑷最大需氧量O2=a"QLr+b"Nr-b"ND-C"∆X=a"QLr+b"QNko-Nke-0.12∆X-b"QNko-Nke-NOe-0.12∆X×0.56-C"∆X式中：a",b",c"——分别为1,4.6,1.4245 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型NOe——出水硝酸盐（NO3—N）浓度，mg/l；Nko,Nke——进出水凯氏氮浓度，mg/l。则：O2=1×4800×0.39+4.6×48000.025-0.005-0.12×488-4.648000.025-0.005-0-0.12×488×0.56-1.42×488=1254.82kg/d⑸曝气池设计本设计选取的网状膜空气扩散装置，因为该装置具有不宜堵塞、布气均匀、结构简单、便于管理及氧的利用率高的特点。将网状膜空气曝气装置铺设于距离池底15cm处，淹没水深为4.35m，设计计算水温为24.0℃。①曝气头出口处的绝对压力Pb=P+9.8×103H（4-21）式中：Pb——曝气头出口处的绝对压力，Pa；P——当地大气压，Pa；H——曝气头淹没水深，m。则：Pb=P+9.8×103H=1.013×105+9.8×103×4.35=1.4393×105Pa②空气离开曝气池的氧含量百分比45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型Ot=21(1-EA)79+21(1-EA)×100%（4-22）式中：EA——空气扩散器的氧转移效率，对网状膜型中微孔空气扩散器，取值12%。则：Ot=21(1-0.12)79+21(1-0.12)×100%=18.96%③设计温度条件下的平均氧气饱和度Csb(T)=CsT(Pb2.026×105+Ot42)（4-23）式中：CsbT——设计水温条件下曝气池内平均溶解氧饱和度mg/LCsT——设计水温条件下氧在清水中饱和溶解度，水温24.1℃时，Cs(24.1)=8.402。则：Csb(24.1)=Cs24.11.4393×1052.026×105+18.9642=9.76mg/L④20℃，气压1.103×105pa时，转移到曝气池混合液的总氧量SOR=AOR×Cs(20)α(βρCsbT-C)×1.024T-20（4-24）式中：45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型SOR——水温20℃，气压1.103×105pa时，转移到曝气池混合液的总氧量，㎏/hAOR——在实际条件下，转移到曝气池混合液的总氧量，㎏/h，AOR=51.3kg/hCs(20)——20℃时氧在清水中饱和溶解度，取Cs(20)=9.17mg/Lα——杂质影响修正系数，取值范围aα=0.78～0.99，本例选用aα=0.90β——含盐量修正系数，本例取bβ=0.95ρ——气压修正系数，工程所在的平均气压为1×105Pa，ρ=Pa1.013×105=1×1051.013×105=0.987C——曝气池内平均溶解氧浓度，取C=2mg/LT——设计污水温度，本设计考虑最不利水温，夏季T=24.1℃则：SOR=51.3×9.170.90(0.95×0.987×9.76-2)×1.02424.1-20=67.59kg/h⑤空气扩散器的供气量G=SOR0.3EA=67.590.3×0.12=1887.5m3h⑥布气管道的布置本设计采用相邻的两个廊道的隔墙上设两根干管，共5根干管，进水端干管上设7条配气支管，其余4根干管每根上设10条配气支管，全曝气池共设47条配气竖管。每根竖管的配气量为：1887.547=40.16m3h。设每个空气扩散器的服务面积按1.0 m2计，则所需空气扩散器的总数为：12×481=576个45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型每个配气竖管的网状膜空气扩散装置的个数为：57647=12.2个，本设计取12个。4.2.4二沉池本设计采用辐流式沉淀池⑴设计计算①辐流式沉淀池沉淀部分有效面积：F=Qmaxq（4-25）式中：F——辐流式沉淀池沉淀部分面积，m2；Qmax——水在竖流式沉淀池的最大设计流速，m3/h。其中Qmax=200m3/h；q——辐流式沉淀池表负荷。本设计取，q=1.2m3m2h。则：F=Qmaxq=2001.2=166.7m2②辐流式沉淀池直径D=4Fπ=4×166.73.14=14.6m采用悬挂式中心传动刮泥机，采用D=15m。③辐流式沉淀池沉淀部分有效水深h2=QmaxtF（4-26）45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型式中：h2——辐流式沉淀池沉淀部分有效水深，m；t——污水在辐流式沉淀池中的停流时间，h。本设计取t=2h；F——辐流式沉淀池沉淀部分面积，m2。其中F=3.14×1524=176.6m2。则：h2=QmaxtF=200×2176.6=2.26m④辐流式沉淀池沉淀部分有效容积V=h2F=2.26×176.6=399.12m3⑤污泥部分所需容积W=(s+∆X)t1（4-27）式中：W——辐流式沉淀池污泥部分所需容积，m3；s——辐流式沉淀池所去除SS量，m3/d。其中s=4800×0.1251000(1-0.99）=60m3/d。t1——污泥在辐流式沉淀池中停留时间，d。本设计取t1=1/12d。∆X——A/O反应池每日剩余污泥量，m3。则：W=st1=(60+488)×1/12=45.67m3⑥污泥斗容积45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型本设计中，取污泥斗上端断面半径r1=3m，下端断面半径r2=1m；夹角α=45°。则：h5=r1-r2tgα=3-1tg45°=2mV1=πh53r12+r1r2+r22=3.14×2332+3×1+12=27.21m3⑦污泥斗以上圆锥体部分污泥容积本设计取辐流式二沉池底径向坡度为0.05，则：h4=0.05R-r1=0.057.3-3=0.215mV2=πh43R2+Rr1+r12=3.14×0.21537.32+7.3×2+22=18.88m3⑧污泥总容积V=V1+V2=7.33+20=46.09m3>45.67m3⑨辐流式沉淀池总高度H=h1+h2+h3+h4+h5（4-28）式中：h1——辐流式沉淀池超高，m。本设计取，h1=0.3m；h2——辐流式沉淀池沉淀部分有效水深，m；h3——辐流式沉淀池缓冲层高度，m。本设计取，h3=0.5m；h4——辐流式沉淀池污泥部分圆锥体高度，m；h5——辐流式沉淀池污泥斗高度，m。H=h1+h2+h3+h4+h5=0.3+2.26+0.5+0.215+2=5.28m45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型⑩辐流式沉淀池池边高度H"=h1+h2+h3=0.3+2.26+0.5=3.06m4.2.5臭氧消毒系统臭氧消毒系统分别由电源、空压机、臭氧发生器、接触反应装置、为期消除装置组成。根据邓凤霞的研究成果，对经A/O反应池处理后的出水进行臭氧氧化的最佳条件为，pH为7.0，臭氧投加量为50mg/L，催化剂投加量为3g/l。⑴设计计算①所需臭氧量D=1.06aQ（4-29）式中：D——所需臭氧量，kgO3/h；a——臭氧投加量，kg/m3。本设计取a=0.05kg/m3；Q——设计污水流量，m3/h。本设计中，Q=200m3/h。则：D=1.06aQ=1.06×0.05×200=10.6kg/h考虑到臭氧的实际利用率只有70%—90%，所以确定臭氧样发生器的产率为：10.6÷0.7=15.14kg/h。臭氧发生器型号：XY-4000，5套4用1备。②接触池尺寸水在接触池中的停留时间为15分钟，接触池容积：V=0.25×200=50m3。设计接触池尺寸为：长×宽×高：5×5×2.5m，其中超高0.5m。45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型③导流池尺寸水在接触池中的停留时间为45分钟，接触池容积：V=0.75×200=150m3。设计接触池尺寸为：长×宽×高：15×5×2.5m，其中超高0.5m。臭氧消毒池采用接触池和导流池合建的方式，即臭氧消毒池的尺寸为：长×宽×高：20×5×2.5m，其中超高0.5m4.3污泥处理工艺本设计采用的污泥处理工艺为“污泥重力浓缩→离心污泥脱水→外运处置”。4.3.1污泥浓缩池本设计采用重力浓缩池。对污泥进行浓缩，降低污泥含水率，为后续的处理带来方便。⑴设计计算①污泥总量Q=Q1+Q2=69.12+45.67=114.79m3/d②浓缩污泥固体通量M=Q1M1+Q2M2Q（4-30）式中：M——浓缩污泥通量，kg(m2∙d)；Q1——初沉池污泥总量，m3/d；M1——初沉池固体通量，一般为100kg(m2∙d)；45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型Q2——二沉池污泥总量，m3/d；M2——二沉池固体通量，一般为30kg(m2∙d)。则：M=Q1M1+Q2M2Q=69.12×100+45.67×30114.79=72.15kg(m2∙d)③浓缩池面积A=QCM（4-31）式中：A——浓缩池面积，m2；Q——污泥总量，m3/d；C——污泥固体浓度，本设计取18.7g/L。则：A=QCM=114.79×18.772.15=29.75m2④浓缩污泥池直径D=4Aπ=4×.26π=6.15m取污泥浓缩池直径D=6.5m⑤污泥浓缩池浓缩部分深度h1=TQ24A（4-32）式中：45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型h1——污泥浓缩池浓缩部分深度，m；T——污泥浓缩时间，本设计取T=20h；则：h1=TQ24A=20×114.7924×3.252π=2.88m由于，污泥浓缩池浓缩部分最低不小于3m，所以本设计取h1=3m⑥污泥浓缩池总高度H=h1+h2+h3（4-33）式中：h2——污泥浓缩池超高，本设计取h2=0.3m；h3——污泥浓缩池缓冲层高度，本设计取h3=0.3m。H=h1+h2+h3=3+0.3+0.3=3.6m⑦浓缩后污泥体积由于污泥混合后的浓度为18.7g/L，可以近似认为浓缩池进泥的含水率为98.13%。本设计取浓缩后的污泥含水率为96%，则浓缩后的污泥体积：V=Q（1-p1）1-p2=114.79（1-0.9813）1-0.96=53.66m34.3.2污泥脱水间本设计采用离心式污泥脱水机。采用LW350A型离心式污泥脱水，加药设备的型号为JY-PAM-1600。45沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型45 沈阳化工大学学士学位论文第四章构筑物设计计算及设备选型45 沈阳化工大学学士学位论文第五章炼油厂含油废水水处理工程总体设计第五章炼油厂含油废水处理工程总体设计5.1含油废水处理工程平面布置图本工程预计占地面积约10000平方米，含油废水处理厂的平面布置应该根据炼油厂的近期与长期规划进行布置，结合厂区地形、地质条件、道路规划、排入水体等条件进行废水处理厂的平面布置。5.2含油废水处理工程高程设计5.2.1主要构筑物水头损失主要构筑物的水头损失见表5-1表5-1主要构筑物水头损失表构筑物水头损失m格栅渠0.2集水池0.2隔油罐0.15一级涡凹气浮池0.2二级溶气气浮池0.15水解酸化池0.25平流式初沉池0.35A/O工艺反应池0.35辐流式二沉池0.55臭氧消毒系统0.1545 沈阳化工大学学士学位论文第五章炼油厂含油废水水处理工程总体设计45沈阳化工大学学士学位论文第五章炼油厂含油废水水处理工程总体设计45沈阳化工大学学士学位论文设计总结设计总结本设计中炼油厂含油废进水水质情况：pH：6-9、石油类：300-1200mg/L、CODCr：500mg/L、BOD5：400mg/L、SS：500mg/L、NH4-N：25mg/L、S2-：20mg/L。通过“含油废水→细格栅→集水池→隔油罐→油水分离器→调节池→一级涡凹气浮、二级溶气气浮→水解酸化→初沉池→A/O反应池→二沉池→臭氧消毒→出水”处理程序，出水水质为：pH：6-9、石油类≤3.0mg/L、CODCr≤50mg/L、BOD5≤10mg/L、SS≤50mg/L、NH4-N≤5mg/L、S2-≤0.5mg/L，达到《石油炼制工业污染物排放标注》（GB-31570-2015）中的水污染物排放要求。本设计的主要构筑物设计结果见表6-1。表6-1设计总结表序号构筑物个数规格，mm1格栅渠1尺寸：6000×700×8252集水池1尺寸：10000×10000×60003隔油池1尺寸：Φ12000×150004隔油沉淀池4尺寸：19000×4500×36005调节池1尺寸：20000×10000×600045 沈阳化工大学学士学位论文设计总结6一级涡凹气浮池2尺寸：15000×2000×50007二级溶气气浮池2尺寸：15000×2000×53008水解酸化池1尺寸：20000×10000×70009平流式初沉池1尺寸：26000×6000×4240泥斗容积：82.06m310A/O工艺反应池1尺寸：60000×12000×500011二沉池1尺寸：Φ12000×5280泥斗容积:46.09m312臭氧消毒1尺寸：20000×5000×2500接触池容积：50m3导流池容积：150m313污泥浓缩池1尺寸：Φ6500×350014污泥脱水机1型号：LW350A型离心式污泥脱水45沈阳化工大学学士学位论文参考文献参考文献[1]张自杰．排水工程[M]．北京：中国建筑工业出版社，2015.[2]刘红．水处理工程设计[M]．北京：中国环境科学出版社，2003.[3]范瑾初，金兆丰．水质工程[M]．北京：中国建筑工业出版社，2009.[4]张自杰．排水工程[M]．北京：中国建筑工业出版社，2015.[5]化学工业出版社组织编写．水处理工程典型设计实例[M]．北京：化学工业出版社，2005.45 沈阳化工大学学士学位论文参考文献[6]张自杰．排水工程[M]．北京：中国建筑工业出版社，2015：282-300.[7].上海市政工程设计研究院主编．给水排水工程快速设计手册(9)—专用机械[M]．北京：中国建筑工业出版社，2000．[8].曾科，卜秋平，陆少鸣.污水处理厂设计与运行[M].北京：化学工业出版社，2001.[9].唐受印，戴友芝等.水处理工程师手册[M].北京：化学工业出版社，2001.[10]蒋蔚然．含油废水处理方法[J]．环境科学与管理，2011,36（8）:111-113.[11]王慧娟，吉尔格，段新耿．二级气浮+A/O法处理炼油废水[J]．工业水处理，2009,29（7）:82-83.[12]王良均，吴孟周．石油化工废水处理设汁手册[M]．北京：中国石油化工出版社，1996.45沈阳化工大学学士学位论文致谢致谢46 沈阳化工大学学士学位论文致谢经过三个多月的不断完善，终于将毕业设计完成。这是对大学四年学习成果的一次整体展现。由于认知的局限性，设计中难免会出现一些考虑不全面的地方，在此需要感谢各位老师对我的指导。首先十分感谢金飙老师对我的悉心指导，在我做毕业设计的过程中为我提供了很多帮助。解答了我在计算过程中的遇到的所有困惑和问题，对我的专业知识在最后阶段做了一个巩固，并让我对专业知识的理解与掌握有上升了一个新的台阶。多亏金老师的耐心指导，我的论文才能顺利完成。十分感谢范文玉老师、解宏端老师、王美聪老师、张舒婷老师、张茹老师在学习生活上对我的帮助。我的进步离不开老师们的教诲。46沈阳化工大学学士学位论文附录66 沈阳化工大学学士学位论文附录附录以电场强化错流膜为阴极过滤含油废水摘要外加电场通量对错流膜过滤模拟含油废水影响效果的研究使用碳纤维—碳复合材料膜作为阳极。在研究条件下，加电场相比于不加电场，极限通过率从低流量得到显著增加，通量从不加电场的70l/m2h增加到加电场时超过350l/m2h。实验中确定的增加通量与用简单模型计算出来的理论值430l/m2h表现出良好的吻合性。油滴的电泳迁移率和所应用电场的强度影响着极限通过率的增加。当强电场与高流速两者不可兼具时，要达到高的极限通过率，若没有电场则需要高流速，但只需较小强度的电场就能达到相同极限通过率。临界电场强度是通过实验获得的值与计算值对应后确定的。降低错流速度超过临界电场强度提高通量，取决于颗粒的尺寸。当时用电场时可以使用大孔径的膜，而且渗透质量也得到了一定程度的增加。使用这种膜作为阴极的主要缺点是，膜表面发泡现象会导致通量增强量减少，导电材料能耗增加。但是在没有电场的情况下，油乳剂通过过滤后施加电场来恢复通量到原始值是不可能的。因为一个间歇式的电场无法足够有效地叫通量保持在一个高的水平。1999爱思唯尔科技公司版权所有。66 沈阳化工大学学士学位论文附录关键词：电泳；污染；阴极膜；含油废水1.引言膜过滤是一种含油废水的净化工艺。然而，在膜过滤中膜污染一直是个严重的问题，提别是在处理污染废水过程中，因此需要有预防膜污染的技术。有几个研究通过增加外部直流电场控制膜污染，并在某些情况下获得了显著的成效。然而，为了降低电场过滤成本，实际工程上面缺少合适的设计样本。电场对流程影响的不确定性是限制这项技术广泛商业化应用的原因。将电极连接在任意一片错流膜的任意一侧形成电场，或在膜与另一个电极之间形成电场。目前将膜作为电极的研究非常少[1-3]。如果这种方法提高了错流膜过滤的性能，那么对错流膜过滤施加电场时，可以更简单的建立模型，并且能耗也会降低。一个电场对通量的影响主要取决于电泳，即外加电泳对粒子运动的影响。电场影响带电粒子的运动轨迹，从而防止颗粒在膜上沉积[4,5]。电泳迁移率“ue”是用来描述粒子在电场中运动的能力，ue=νeE（1）式中：νe——电泳速度；E——电场强度。电泳迁移率取决于电解质溶液的pH和离子浓度。水中大多数悬浮物，如矿物质油，都带有负电，在阳极电极对阴离子的吸附力作用下发生电泳移动，即阴离子向阳极移动。电渗析作用是，对错流膜系统施加电场后，液体在电场的推动力作用下定向运动通过相对静止的电荷表面[4,6]。当把膜作为阴极电极时，膜的电渗析效应和电位差都为零。66 沈阳化工大学学士学位论文附录除电泳和电渗析外还有其他电化学反应也会产生过滤电位，电化学反应是一个涉及电荷从电极上转移的化学过程。在水系统中，在没有贵金属离子的作用下而产生氢气是一个典型的阴极反应，在合适的条件下，阳极也会同时产生氧气。将膜作为电极时，膜上会有产生气体或者其他电化学反应发生。电化学反应对工艺流程是不利的，但有利于废水过滤，氧气可以氧化废水中的杂质。电场可以很好的用于废水过滤，但到目前为止，电场对废水过滤通量的影响还没有被广泛研究，电场对含油废水影响的研究也是少之又少[4,7]。本次研究目的是探究电场对过滤通量的影响，并确定采用错流膜为电场阴极过滤含油废水时导致通量增加的重要因素。电场对渗透质量的影响因素也进行了研究。这个研究中把基于植物油的油乳剂和洗涤剂混合液选作模拟含油废水，目前矿物质油被危害更小的植物油所取代，植物油产品的使用量呈增长趋势。虽然植物油比矿物油更容易被生物降解，但植物油是不能直接排放的，因此在含油废水的净化过程中可以有效的利用膜过滤。1.实验材料与方法1.1电场过滤理论关于电场过滤的通量预测，许多模型已经发表[4-6,8,9]。这些模型大致可分为电阻串联模型和薄膜理论模型。在本项研究中不直接使用这些模型，而是使用一个简单的方法考虑作用在粒子上的力。在错流过滤系统施加外电场，此时电场力与水流渗透压力达到动态平衡。由作用在粒子上两个力大小相等，将介质中的摩擦阻力带入根据斯托克斯定律中，可得到一下公式：QpE=6πηaνe=6πηa(J-νp)（2）式中：Qp——粒子所带净电荷；66 沈阳化工大学学士学位论文附录E——电场强度；η——介质的粘度；a——粒子的半径；νe——粒子的电泳速度，可以通过公式（1）计算；J——通量；νp——粒子向膜运动的净速度。向膜迁移的净粒子数为0时的电场强度被称为“临界电场强度”[4,6]。结合公式（1）和公式（2）可计算出临界电场强度Ecritical：Ecritical=Jue（3）当电场力决定粒子迁移时，可以用公式（3）计算所施加电场的极限通量Jlim。在一个实际系统中，其他机理同样决定了极限通量，例如布朗运动。当不施加电场时，有许多公式可以计算极限通量[10]。在电场力的推动下，电场力的增强相对于没有电场作用可以获得额外的通量增量，因而：Jlim=JlimE=0+Ecriticalue（4）根据公式（4）施加电场时导致极限通量的增加量取决于原料溶液中粒子的电泳迁移率和所施加电场的强度。1.1进料及其特征模拟废水由通常用作润滑剂的植物油浮剂（Raisio，芬兰）和植物油清洗剂（Ekoclean，Trans-Clean公司，芬兰）混合后，再用经过反渗透和超纯水过滤系统过滤生产的超纯水进行稀释。并将油剂和清洗剂用超纯水稀释后分别进行研究。66 沈阳化工大学学士学位论文附录当植物油无剧烈搅拌时可获得稳定的进料，通过测量一周内进料的粒径分布情况、电泳迁移率、电导率、化学需氧量（COD）、吸光度和pH值研究在20℃贮存条件下植物油的稳定性。用水稀释后立即测定上述指标，且所有测定结果都在其均值的10%的范围内。粒径分布与油滴的电泳迁移率用在MalvernZetasizer4设备中用ZET5110或ZET5104检测室在90°角下测量。pH值用EDTInstrumentsATCpH仪测量，用KemotronTeramatic电导率测量仪测量其电导率。进料的COD使用兰格博士的渗透方法进行分析，油浓度采用《瑞典标准分析法SS028103》进行分析[12]。用VarianDMS80分光光度计在600nm波长下测定其吸光度。描述料液特征的重要参数有：过滤电位、电泳迁移率、pH、电导率和粒径分布。油乳剂中油滴的直径范围是120nm~1000nm，而清洗剂的范围是5nm~40nm，（如表1所示）。在超纯水中油滴的平均电泳迁移率为4.1(μms)(Vcm)。这意味着粒径非常小的清洗剂的电泳迁移率不能准确可靠的测定出来，而且ZET5104检测室中的微小气泡也会干扰检测结果。确定粒子所带电荷的符号，从而确定采用膜作为阴极还是阳极来过滤清洗剂。研究发现当过滤膜带负电荷时铜梁明显增加；相比之下，当不施加电场时过滤膜带正电荷，通量显著下降。因此，粒子在清洗剂中带负电荷时造成膜污染的原因。虽然混合液中含有小粒径粒子，特别是清洗剂颗粒，但混合液和油乳剂的平均粒径时一样的。只用油乳剂过滤时，渗透质量高于混合液或者清洗剂，因此在分析所有粒径的粒子时，大粒径粒子可以被观察到而小粒径粒子则观察不到。这意味着油乳剂在0.1%的清洗剂中的电泳迁移率-0.5(μms)(Vcm)，高于油乳剂在超纯水中的电泳迁移率，这可能是由于在混合液中pH更高造成的。表1油乳剂、清洗剂和混合液的粒子参数油乳剂清洗剂混合物（150mg/l的油类物质和0.1%的清洗剂）ζ电位（mV）-55±5a—-67±5c电泳迁移率[（m/s）/（V/m）]-4.1±0.3a—-5.0±0.3c主要粒子半径（nm）370±40a15±6b350±40ca样品用超纯水稀释66 沈阳化工大学学士学位论文附录b测量的浓度梯度为100%、50%、10%c将样品用0.1%的清洗剂进行1:2稀释。1.1膜和实验装置在电化学技术研究中常以石墨和其他形式的碳作为电极材料。本实验采用的电极材料是孔径为0.05μm和0.1μm的管状无机碳纤维—碳复合膜，而大多数实验采用的孔径为0.05μm。膜的内径为5.7mm，膜面积为3480mm2。纯水在洁净的孔径为0.05μm和0.1μm膜内的透出量分别为190±15lm2hbar、760±40lm2hbar，与制造商所报的200lm2hbar、800lm2hbar十分接近。膜的清洗方法有两种，一是将膜置于原处，用50℃的1.5%的Ultrasil53或Ultrasil11（汉高艺康AB生产）清洗；二是将膜取出置于75℃的1%氢氧化钠溶液中清洗。膜的ζ电位根据Huisman等人的电滞度公式确定[13,14]。在pH为7、9时，洁净膜的ζ电位分别为-50mV、-75mV。因此，当没有电场时，膜在这种pH环境中具有很高的负电荷。本实验所使用的装置示意图如图1所示。将一个直径为2mm不锈钢电极作为阳极,位于管状膜的中心；阳极比膜要长，进口段长度为19cm，相当于50个水力直径，这样可以使水流在管状膜中充分流动。使用电脑连接膜设备可以检测到流量，跨膜压力，温度的进料和渗透通量。66 沈阳化工大学学士学位论文附录天平膜过滤装置进料槽冷凝器直流电源图1膜过滤装置示意图1.1实验过程实验进料悬浮液如表2所示。大多数过滤实验用的是油乳剂和清洗剂的混合物。含有废水经重力分离去除游离油和悬浮物后，典型的油浓度为150mg/l[15]。为了获得与实际废水相似的清洁剂浓度，首先将清洗剂稀释到制造商建议的浓度，再进一步稀释200倍。还研究了对干浓度油乳剂的处理效果，其中油浓度高达1600mg/l，清洗剂的浓度为0.5%。试验温度保持在25℃。由轴向压降导致横流速度很高，测量膜的压力使会引起系统误差[16]。通过对纯水通量的测量值，根据达西定律可确定膜的平均圧力：preal=0.0088ν2+pmeasured。对于每一个实验的通量由不同的跨膜压力值来测量。测量没有电场的情况下（膜孔径为0.05μm，电场强度为0或2.4kV/m）低流速（横向流速为0.2m/s；雷诺系数Re=820）和高流速（横向流速为2.8m/s，Re=1150066 沈阳化工大学学士学位论文附录）在不同压力下的通量。首先，将压力提升到0.3bar最高0.4bar，这是膜过滤设备获得的最大压力，然后逐步降低到0。为了让膜过滤系统达到稳定的通量，在每个压力下过滤20min。除了比较过滤前后纯进水的通量外，混合物在过滤器中的过滤通量和渗透通量也要进行比较。在没有电场的情况下，横向流速为2.8m/s时可收集到渗透物，通过逐步降低横向流速，在逐步增加来严禁横向流速的实验的影响。电压的变化范围为0~30V，电场强度根据欧姆定律计算得到[9]，Eapplied=Iλ0（5）式中：I——测得膜上的电流密度；λ0——介质的导电性。根据Wakeman和Tarleton的研究[17]，两个同心圆给系统的电场强度略高于计算值。实验通过逐步降低电压直至为零来确定临界电场强度。电压为10V时，假设供电效率为70%，电场耗能大约是0.13kW/m2。压力为2bar、横向流速为2.8m/s时泵的能耗为110kW/m2，与这相比电场的能耗就微不足道了。表2实验所用进料名称油乳剂质量浓度（mg/l）清洗剂体积浓度（%）分解的油浓度（mg/l）COD（mg/l）pH电导率（μs/cm）混合物1500.12108108.840油乳剂1500—4307.22.5油乳剂25002406407.12.5油乳剂1000085027007.26.5清洗剂00.1334209.240渗透量———1608.21066 沈阳化工大学学士学位论文附录1.实验结果与讨论1.1压力的影响如图2所示，描述了无电场低流速下的流量与压力关系曲线。对于没有电场的实验，通量随着压力的增加而增加，直到块状物开始在膜表面形成，压力的增加不再导致通量的增加。此时的压力称为“临界压力”，通量称为“极限通量”。当跨膜压力为0.5bar时，块状物开始形成。然而，若使用电场在该实验压力下是有可能避免形成块状物的。在低压条件下，通量—压力曲线稍稍弯曲，但是即使在4bar的压力下也看不到峰值。这说明，当电场强度为2.42.4kV/m时，极限通量可以从75lm2h增加到350lm2h以上。利用公式（4）计算极限通量（其中平均电泳迁移率ue=0.5(μms)(Vcm)）为430lm2h，接近于实验所得值。当用孔径为0.1μm的管状膜过滤油乳剂时，实验确定的极限通量增加到830lm2h，接近于880lm2h的计算值。这说明，极限通量增加的最重要的因素是沉降污垢的电泳迁移率和外加电场强度。改变电泳迁移率值得可能性是有限的，这限制了电过滤的使用。当进料流量高时，应为过滤设备压力的限制，孔径为0.05μm膜不能实现极限通量的增加。当膜上没有沉积物时，有无电场对极限通量的影响较小（如图3所示）。当压力从最大值降低时得到的通量水平总是低于之前实验压力增加时所得到的通量水平，这从某种程度上说明膜污染是不可逆的（如图2、图3所示）。膜污染的可逆性与无电场过滤时相似的。不可逆的膜污染可视为，过滤后的纯水通量相比于过滤前有所降低。混合物的过滤通量大大低于纯水通量。当以横流速度为0.2m/s过滤时，通量随着压力的增加几乎呈线性增加（如图2所示）。在低压下过滤混合物的通量与纯水通量相似，但明显低于纯水通量。渗透曲线说明，在低压下实际是吸附或其他形式的膜污染发导致了通量明显降低。为防止这种现象而减少电场的使用是不可能的。渗透物的粘度接近于水的粘度，因此渗透通量减小并不是由粘度效应引起的。66 沈阳化工大学学士学位论文附录图2低流量下，压力与过滤通量关系图图3高流量下，压力与过滤通量关系图1.1电场强度的影响66 沈阳化工大学学士学位论文附录根据公式（3）计算得到2bar压力下临界电场强度为1.1kV/m，1bar压力下临界电场强度为0.6kV/m。在2bar压力下，从图4中的曲线足以预测，实验临界电场强度很高。实验发现其变化范围是0.6~2.4kV/m，这与计算值一致。当所施加的电场强度高于临界电场强度时，膜内不会形成块状沉积物，再进一步增加电场强度过滤通量不会显著增加。因此，为减小能耗，阴极过滤的电场强度，不易大于临界电场强度。当使用孔径为0.1μm的膜过滤含有浓度为850mg/l的油乳剂时，通过实验确定的临界电场强度为5kV/m，接近计算值4.5kV/m。因此，若试图通过增加压力或膜孔径来增加过滤通量，那么久需要更高的电压来增加临界电场前度，这同样可以从公式（3）中看出。当通量比无电场时的极限通量还小时，由于没有沉积层，电场强度的增加对通量的影响很小。关掉电场并在半小时后恢复，电场恢复后，混合物和油乳剂过滤通量的通量恢复（可逆膜污染）较差，压力比临界压力高，通量降低。本实验所用的混合物，在1bar压力下通量可能恢复到原始值的90%，而在3bar压力下仅能恢复到55%。因此在高压力下电场对系统的影响是巨大的,但不包括功率不稳定或间歇性电场.在试验中,洗涤剂的通量能恢复到原始值的98%。这时可以在高压条件下使用间歇电场以减少能耗和电极反应。问题是，如果含油废水中清洗剂浓度较高，通量的恢复能否得到改善。66 沈阳化工大学学士学位论文附录图4使用孔径0.05μm膜时，临界电场强度与通量的关系图图5过滤时间与过滤通量关系图66 沈阳化工大学学士学位论文附录图6错流流速与通量的关系图3.3错流流速的影响在没有电场的情况下，减小错流流速会导致通量的减小（如图6.7所示）。然而，当错流流速足够高时膜内也不会产生沉积物，但是进一步增加错流流速时观察到对通量的影响并不会继续增加。过滤从低错流流速再次增加到高流速时，通量并不会恢复到原始值。因此，增加湍流和粒子上的剪切力并不能去除已经形成的沉积物。当施加一个高于临界值的电场是，粒子会向电极中心移动。这导致膜管中心粒子浓度较高。增加错流流速导致粒子向膜内低通量处迁移扩散增强。（如图7所示）当进料中油乳剂粒子直径大于100nm时，通量从460lm2h增加到530lm2h，错流流速就会从2.8m/s降低到0.2m/s。然而，对于小粒径粒子，在低流速下由于布朗运动，粒子扩散系数也是非常高的，而且错流流速不会影响混合液中小清洗剂粒子和大油乳剂粒子的通量（如图6所示）。浓度梯度对粒径小于50nm粒子的扩散影响较大，但对于粒径大于100nm粒子并无明显影响。采用低错流流速时可能降低过滤压降。66 沈阳化工大学学士学位论文附录tu图7高流量与低流量下的稳定通量与过滤时间关系图3.3进料浓度和导电率的影响如图8所示，施加电场时，油浓度范围在150~1660mg/l的进料对过滤通量并没有显著影响。在无电场过滤时可以看到，浓度增加通量减小（如图8所示）。因此实验室含油浓度不影响通量的增加。然而如果考虑进料COD，清洗剂浓度增加，对通量会有较大影响。通量剧烈下降可能是由于进料具有较高电导率在膜表面形成了气泡。过滤通量的减少，可以看作，不增加进料COD浓度下，通过加入氢氧化钠溶液使油乳剂电导率从2μm/cm增加至真实值超过1000μm/cm，此时，过滤通量会从530lm2h降至250lm2h，然而通量始终高于没有电场时的100lm2h。此时油乳剂的pH和ζ66 沈阳化工大学学士学位论文附录电位都会升高。由于局部进料的电导率降低导致电极上的泡沫、电流明显减小。由于局部电导率不能在系统中测定，因而该区域的电场强度也无法确定。虽然利用体积和电导率计算得到的电场强度比较小单，单可以将它预测为与系统在相同水平，因为通量在搞错流流速下也会下降。而且，当电场强度高于临界电场强度时，电场强度微小的减弱对过滤通量没有影响。泡沫可能是系统中另一种污染物，它对电泳迁移率的影响还是未知的。另外，当泡沫形成后会保留在膜中，而且不会迁移到阳极，甚至有负的电泳迁移率，这一现象应该进行更详细的研究。图8油乳剂和清洁剂浓度对通量的影响关系图3.3渗透质量在使用孔径为0.05μm的膜时，在低错流流速和大于临界过滤压力下，如果进料由小粒径的清洗剂和大粒径的油乳剂组成，那么有电场的渗透质量略大于没有电场的渗透质量（如表3所示），油类物质的截留率从90%提升到94%，COD的截留率也从70%提升到了78%。当仅过滤油乳剂时，在低错流流速和高于临界过滤压力的实验条件下，无电场时的COD截留率可达到94%，而且当再施加电场时截留率并得不到明显的提升。表3渗透物中油类物质和COD含量进料膜孔径μm电场强度kV/m压力bar错流流速m/s含油浓度mg/lCOD浓度mg/l66 沈阳化工大学学士学位论文附录混合物0.0501.50.220250混合物0.052.41.50.21.2180油乳剂，250mg/l0.0503.00.2—40油乳剂，250mg/l0.055.53.00.23.815油乳剂，250mg/l0.0503.12.83.717油乳剂，250mg/l0.055.53.12.8—20油乳剂，1000mg/l0.101.12.8130410油乳剂，1000mg/l0.18.91.00.25.080清洗剂0.0502.12.8—25当使用孔径为0.1μm的膜时，若只处理油乳剂，使用电场也能提高渗透质量。在2.8m/s的错流流速和1bar的实验条件下，无电场过滤3h后，油类物质和COD的截留率为85%；使用电场时，将错流流速降低至0.2m/s，过滤压力仍为1bar，油类物质和COD的截留率高达98%。无电场过滤5h后的通量为350lm2h，有电场过滤5h后的通量为620lm2h。这些值可以比得上孔径为0.05μm的膜在3bar压力下的实验结果。使用较大孔径的过滤膜可能降低泵35%的能耗。当用0.1μm的膜进行无电场过滤，过滤压力大于临界压力时，渗透质量随着错流流速的增加而增加。当使用电场时，由于湍流导致更多粒子朝膜表面扩散的情况是没有的。1.实验结果当使用电场时，模型废水的极限通量得到明显提升。使用电滤时用简单模型计算出来的极限通量的增加量，与实验值是一致。极限通量增加量的主要影响因素是油滴的电泳迁移率和所使用的电场强度。在实际含油废水过滤中，为得到良好的通量增加量，所有的沉积污染物应该你油滴具有更负的电泳迁移率。当过滤压力低于临界压力时，电场对膜滤系统的影响也是很小的。66 沈阳化工大学学士学位论文附录实验确定的临界电场强度与理论值具有良好的一致性。当电场强度高于临界值时，进一步增加的电场强度对通量没有显著影响。因此，为了降低能耗，用于阴极过滤的电场强度不应过量的大于临界电场强度。在高于临界电场强度时，降低错流流速对增加通量时没有影响的。当粒径大于100nm时，在高错流流速下近膜浓度升高会导致过滤通量降低，而且在高流速下布朗运动并不起重要作用。当进料含有油乳剂时，在没有电场的情况下，过滤后将膜的通量恢复到原始值是不可能的。这说明一个间歇性电场对含油废水的处理是没有用的。电场在一定程度上改善了渗透质量，而且当使用大孔径膜时可能达到相同的渗透质量。含油废水中油乳剂的浓度在150~1660mg/l时，电场对过滤通量的影响很小。使用过滤膜作为阴极取代电场的主要缺点是，当进料电导率增加时，在膜表面会产生气泡。在处理实际废水中气泡会降低通量的增加量还可能造成其他问题。1.符号a——粒子的半径（m）；E——电场强度（V/m）；I——电流密度（A/m2）；Jlim——极限通量（l/m2h或m/s）；ue——粒子的电泳迁移率[（m/s）/（V/m）]；νe——粒子的电泳速度（m/s）；νp——粒子运动速度（m/s）；Qp——粒子所带电荷[N/（m/s）];η——介质的粘度（Pas）；λ0——介质的导电性（A/Vm）。66 沈阳化工大学学士学位论文附录致谢感谢芬兰技术研究中心、VTT能源、北欧高级研究院和NorFA对本项研究的资金支持。参考文献[1]R.S.Bowen,R.S.Kingdon,H.A.M.Sabuni,Electricallyenhancedseparationprocesses:thebasisofinsituintermittentelectrolyticmembranecleaning(IIEMC)andinsituelectrolyticmembranerestoration(IEMR),J.Membr.Sci.40(1989)219-229.[2]C.Guizard,F.Legault,N.Idrissi,A.Larbot,L.Cot,C.Gavach,Electronicallyconductivemineralmembranesdesignedforelectro-ultrafiltration,J.Membr.Sci.41(1989)127-142.[3]A.Turner,M.Neville,P.Fennell,Cleanermembranes,Chem.Eng.11(1996)19-21.[4]J.D.Henry,L.F.Lawer,C.H.A.Kuo,Asolid/liquidseparationprocessbasedoncrossflowandelectrofiltration,AIChEJ.23(1977)851-859.[5]G.M.Rios,H.Rakotorisoa,B.TarododelaFuente,Basictransportmechanismofultrafiltrationinthepresenceofanelectricfield,J.Membr.Sci.38(1988)147-159.[6]W.R.Bowen,Electrochemicalaspectsofmicrofiltrationandultrafiltration,in:J.A.Howell,V.Sanchez,R.W.Field(Eds.),MembranesinBioprocessing,ChapmandandHall,Cambridge,1993,pp.265-292.[7]E.Cornelissen,MembraneFoulinginWasteWaterFiltration,Thesis,Entschede,66 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