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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:邱于特
研究生(外文):Eei-Tar Cho
論文名稱:利用固定式生物膜反應器系統處理煉油廠廢水之研究
論文名稱(外文):A Study for Refinery Wastewater Treated by Bench-Top Fixed-Film Bioreactor System
指導教授:周志儒周志儒引用關係
指導教授(外文):ChihJu G. Jou
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄第一科技大學
系所名稱:環境與安全衛生工程所
學門:工程學門
學類:環境工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:138
中文關鍵詞:煉油廢水生物處理固定式生物膜法水力停留時間生物擔體
外文關鍵詞:refinery wastewaterhydraulic retention timebiological treatmentbiological fixed-film reactorbiological packing
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污水處理廠工程,其主要作用就是應用物理、化學及微生物理論與反應機制來減少我們排放於自然體中的有機及無機污染物(養份),以還原水體中的原始自然狀態。故本研究選用來自美國ABS公司所提供的生物擔體,藉由生物接觸濾材附著生成生物性黏膜以氧化有機物,使用簡單的技術達成污水處理的目的。未來若欲有效的運用生物淨化作用解決國內工廠廢水中部份生物難分解物質,以全面提昇國內環境水質,利用生物固定化的方式(fixed-film bioreactor system)進行廢水處理已成為重要的研究課題。
固定式生物膜反應器複合擔體填充床係由多孔性網狀聚亞胺酯發泡體組成,另外在反應器中混入另一種開放性結構之硬質網狀塑膠圓柱體拉西環,形成混合生物觸媒填充床,可提供高濃度之固定生物質量(>8,000 mg/L)及比表面積(210 ft2 / ft3),降低空氣與水體之擾動、質傳限制、阻塞、層流等潛在問題。
本研究經實驗結果發現,利用固定式生物膜反應器能有效降低煉油廢水之污染物,系統在水力停留時間縮短至2 ~ 3小時,其COD去除率仍高達90 %左右、酚去除率也達90 %,此外煉油廢水進流水中BTEX含量,經處理後發現其濃度皆能符合放流水標準。另外經由菌相觀察發現槽內每單位cm3泡棉有高量之菌數,且經地下水直接馴化之微生物中 Acinetobacter junii 、 Ultramicrobacterium sp 及 Agromyces mediolanus 等三株優勢菌其處理效率明顯優於廢水直接馴養之微生物。另外藉由高毒性廢水試驗下,發現槽內對高酚含量(>600 mg/L),經一槽反應器處理其生物分解能力高達80 %,顯示生物槽在高毒性水質下,仍有極佳之容忍力和處理效果。
Biological fixed-film reactors(FFRs)is a very efficient and cost effective biological wastewater treatment technology . The FFR system we employ is an aerated packed-bed vessel containing an adherent(immobilized)microbial consortium. The cell mass is retained directly on and in the packing media by attaching to the packing’s fixed , solid surfaces to form a layer called the biofilm . The packing media in the FFR consists of a mixture of two plastic support systems . The use of mixed media facilitates high rates of oxygen , nutrient and pollutant transfer to and from the biomass . One packing support is a polyurethane foam(PUF)which allows a high concentration of immobilized biomass to develop . The other packing support consists of large-pore packing which is used to eliminate the problems of plugging and channeling, a major concern with other fixed-film systems , The FFR is designed as a quasi-plug flow system to minimized back-mixing and thus provide extremely low effluent pollutant concentrations .
A fixed-film reactor system was constructed with a highly porous polyurethane foam to incubate microorganism concentration up to 8,000 mg/L . The support frame of the reactor system was build from cylindrical plastic pall rings to form a packed bed of “mixed-media.” The frame support provides a high surface area-to-volume ratio (210 ft2 / ft3) . The bench-top FFR studies clearly demonstrated the highly effective nature of this fixed-film reactor for degrading the pollutants .
The study for refinery wastewater treatment by bench-top fixed-film biological system could demonstrated the highy effective for degrading the pollutions at hydraulic retention time (HRT) of 2 ~3 hours . Chemical oxygen demand(COD) removal rate more than 90 % and phenol removal rate above 90 % . Another take of a view of bacteria , find it have quantity bacteria unit per foam in the reactor system . Microganism directed by groundwater educate for Acinetobacter junii、Ultramicrobacterium sp and Agromyces mediolanus , it treatment refinery wastewater rate more than by wastewater . At a time by elevated toxicity experiment detect , microganism have 80 % resolution power in bioreactor system for phenol concentration up to 600 mg/L , so bioreactor system in high toxicity experiment have capitally for tolerate and treatment efficient .
目 錄
中文提要 ------------------------------------------------------------- Ⅰ
英文提要 ------------------------------------------------------------- Ⅱ
誌謝 ------------------------------------------------------------- Ⅳ
目錄 ------------------------------------------------------------- Ⅴ
表目錄 ------------------------------------------------------------- Ⅷ
圖目錄 ------------------------------------------------------------- Ⅹ
符號說明 ----------------------------------------------------------- ⅩⅢ
一、緒論-------------------------------------------------------------------1
1.1研究背景 --------------------------------------------------------------1
1.2研究目的 --------------------------------------------------------------5
二、文獻探討---------------------------------------------------------------6
2.1廢水生物處理原理介紹 --------------------------------------------------6
2.1.1懸浮生長式生物處理 -------------------------------------------------11
2.1.2附著生長式(生物膜法)生物處理 -------------------------------------12
2.1.3生物膜法之原理 -----------------------------------------------------14
2.1.4固定式生物膜系統中比較滴濾池及旋轉生物圓盤 -------------------------21
2.2固定式生物膜反應器介紹 -----------------------------------------------23
2.2.1固定式生物膜反應器之特性 -------------------------------------------23
2.2.2影響固定式生物膜反應器處理效果之因素 -------------------------------25
2.2.3目前開發實用之生物擔體特性 -----------------------------------------27
2.2.4生物固定化技術應用 -------------------------------------------------32
2.2.5固定式生物膜法技術之願景 -------------------------------------------35
2.3煉油廢水之特性 -------------------------------------------------------36
2.3.1廢水來源 -----------------------------------------------------------36
2.3.2 廢水種類 ----------------------------------------------------------39
2.3.3煉油廢水之水量與水質 -----------------------------------------------44
2.4煉油廢水之處理 -------------------------------------------------------47
2.4.1廢水前處理系統(攔污、除油、調勻、冷卻) ---------------------------48
2.4.2油水分離器之預處理單元 ---------------------------------------------48
2.4.3廢水初級處理系統 ---------------------------------------------------49
2.4.4物理化學處理單元 ---------------------------------------------------50
2.4.5廢水二級處理系統(生物處理) ---------------------------------------51
2.4.6生物處理單元 -------------------------------------------------------52
2.4.7廢水三級處理系統(活性碳吸附) -------------------------------------53
2.4.8特殊處理單元 -------------------------------------------------------54
2.4.9水質監測方式 -------------------------------------------------------55
2.5好氧生物處理功能診斷微生物相觀察 -------------------------------------56
2.5.1活性污泥系統之評估 -------------------------------------------------57
2.5.2生物膜系統之評估 ---------------------------------------------------61
三、實驗流程、設備和方法--------------------------------------------------63
3.1實驗流程 -------------------------------------------------------------63
3.1.1 第一階段:實驗室可行性分析 ----------------------------------------63
3.1.2 第二階段:生物膜之培養 --------------------------------------------64
3.1.3第三階段 -----------------------------------------------------------66
3.2實驗設備 -------------------------------------------------------------67
3.3實驗分析項目之設備及方法步驟 -----------------------------------------71
四、結果與討論------------------------------------------------------------85
4.1特殊菌種鑑定 ---------------------------------------------------------85
4.1.1變性梯度膠泳分析(DGGE:denaturing gradient gel eletrophoresis) -----85
4.1.2菌種之形態觀察 -----------------------------------------------------85
4.2實驗結果 -------------------------------------------------------------87
4.2.1現場水質 ----------------------------------------------------------87
4.2.2微生物生長與廢水性質關係 -------------------------------------------91
4.2.3固定式生物膜反應器啟動操作結果 -------------------------------------93
4.2.4固定生物膜反應器處理能力比較分析 -----------------------------------94
4.2.5高濃度酚量容忍測試結果 --------------------------------------------116
4.2.6微生物相的觀察 ----------------------------------------------------117
4.3既有廢水處理系統運作情況 --------------------------------------------119
4.4既有廢水處理系統與固定生物膜反應器系統之比較 -------------------------119
4.4.1廢水處理效率 ------------------------------------------------------119
4.4.2生物反應器體積 ----------------------------------------------------120
4.4.3污泥產率 ----------------------------------------------------------120
4.4.4流量及電力耗用 ----------------------------------------------------121
4.4.5反應添加物 --------------------------------------------------------122
4.4.6處理程序及設施 ----------------------------------------------------122
五、結論與建議-----------------------------------------------------------124
5.1結論 ----------------------------------------------------------------124
5.2建議 ----------------------------------------------------------------126
5.3結語 ----------------------------------------------------------------128
六、參考文獻-------------------------------------------------------------130

表 目 錄
表 2-1廢水生物處理基本程序 -----------------------------------------------8
表 2-2好氧與厭氧分解之主要差異 -------------------------------------------9
表 2-3懸浮生長與附著生長生物處理系統之比較 -------------------------------9
表 2-4活性污泥法、生物膜法及厭氧處理法之比較 -----------------------------9
表 2-5活性污泥處理負荷溶氧狀況與微生物相之關係 --------------------------10
表 2-6生物膜法處理負荷狀況與微生物相關聯表 ------------------------------15
表 2-7滴濾池及旋轉生物圓盤(RBC)之特性 -----------------------------------23
表 2-8目前開發實用之生物擔體 --------------------------------------------34
表 2-9煉油綜合廢水之水量及水質 ------------------------------------------45
表 2-10各種生物處理法處理煉油廢水之效率 ---------------------------------54
表 2-11各觀察項目所用之倍率 ---------------------------------------------56
表 3-1固定式生物膜反應器填充用生物擔體特性 ------------------------------69
表 3-2實驗方析項目之物理、化學、生物因子注意事項 ------------------------83
表 4-1現場水質分析數據 --------------------------------------------------88
表 4-2煉油廢水性質分析結果 ----------------------------------------------89
表 4-3生物分解性實驗COD降解數據 -----------------------------------------91
表 4-4生物膜培養初時之COD氧化情形 ---------------------------------------93
表 4-5不同試程下進出流水之變化 ------------------------------------------99
表 4-6 不同試程下進出流水之變化 ----------------------------------------100
表 4-7不同試程下進出流水之變化 -----------------------------------------101
表 4-8不同試程下進出流水去除率之變化 -----------------------------------102
表 4-9揮發性有機物在24小時水力負荷下進出流水之變化 ---------------------103
表 4-10揮發性有機物在12小時水力負荷下進出流水之變化 --------------------105
表 4-11揮發性有機物在6小時水力負荷下進出流水之變化 ---------------------107
表 4-12揮發性有機物在3小時水力負荷下進出流水之變化 ---------------------109
表 4-13揮發性有機物在1.5小時水力負荷下進出流水之變化 -------------------111
表 4-14揮發性有機物在無填充生物擔體進出流水之變化 ----------------------114
表4-15各類型生物反應器之比表面積及生物質量濃度比較 ---------------------123
表4-16廢水生物處理系統污泥產率 -----------------------------------------123

圖 目 錄
圖 1-1 原始自然狀態 ------------------------------------------------------3
圖 1-2 環境污染狀態 ------------------------------------------------------3
圖 2-1 微生物由河川轉移到廢水生物處理之關聯圖 ----------------------------7
圖 2-2 在活性污泥生成過程中原生動物的變遷 -------------------------------10
圖 2-3 生物膜之生長周期 -------------------------------------------------17
圖 2-4 生物膜成長及剝落的過程 -------------------------------------------18
圖 2-5 生物膜代謝模式 ---------------------------------------------------20
圖 2-6 生物膜之生化及代謝程序 -------------------------------------------22
圖 2-7 煉油製程流程圖 ---------------------------------------------------46
圖2-8石化工廠廢水曝氣槽中之微生物相,箭頭所指者為ABS顆粒(100X) --------57
圖2-9廢水曝氣槽中之微生物相,箭頭所指為包埋在污泥膠羽中之油滴(100X) ----57
圖2-10長期處於超高負荷之活性污泥微生物相,箭頭1表示數量與密度均非常高之分散狀細菌,箭頭2顯示膠羽呈現黑色厭氧狀態(100X) -------------------------------58
圖2-11將顯微倍率放大至1000倍之分散狀細菌影像 ----------------------------58
圖2.12活性污泥在衝擊負荷下之微生物相,箭頭1所指為分散狀細菌,箭頭2為已死亡但殼仍存在之下毛目纖毛蟲Chaetopira(被污泥膠羽包覆住) ------------------------59
圖2-13活性污泥低負荷之微生物相,箭頭1所指者為正攝食細菌中之有殼下毛目纖毛蟲Chaetopira,箭頭2所指者為污泥膠羽,將Chaetopira包覆住 -------------------59
圖2-14有機物去除良好之微生物相,箭頭所指者為鐘形蟲,其圍口部纖毛運動驟烈,且柄中之線筋體連續,偶而有捲屈環繞收縮再彈出之運動出現 ------------------------60
圖2-15系統遭受危害物質衝擊之微生物相,箭頭所指為閉鎖死亡、柄線筋體斷裂之鐘形蟲(400X) ----------------------------------------------------------------60
圖2-16操作正常下之微生物相,箭頭1為輪蟲,箭頭2為葡萄狀鐘形蟲,箭頭3為緊密結構之膠羽(100X) -------------------------------------------------------------60
圖2-17活性污泥有機物去除良好但有輕微污泥膨化之微生物相,箭頭1所指者為吸管蟲,箭頭2為絲狀微生物纏繞之鬆散膠羽(結聚型膠羽)(100X) -----------------------60
圖2-18活性污泥絲狀微生物大量生長中之小型纖毛蟲膜帶蟲Cyclidium(箭頭所指者)(400X) ------------------------------------------------------------------61
圖2-19生物處理系統中所出現之變形蟲(Amoeba) ----------------------------61
圖2-20 偏低負荷接觸曝氣槽所出現之樹枝狀膠團桿菌(100X) -----------------62
圖2-21負荷適當之生物膜微生物相,箭頭1所指為顠體蟲,箭頭2為輪蟲(40X) ----62
圖2-22適當負荷但開始有惡臭發生之生物膜微生物相 --------------------------62
圖 3-1 實驗流程圖 -------------------------------------------------------68
圖 3-2 Bench-Top固定式生物膜反應器處理流程圖 ----------------------------70
圖 3-3 二級廢水處理設備流程圖 -------------------------------------------71
圖 4-1 菌種培養在TSA之觀察結果 ------------------------------------------85
圖 4-2 菌種在1,000倍油鏡下之觀察 ----------------------------------------86
圖 4-3 生物分解性COD降解曲線 --------------------------------------------92
圖 4-4 生物膜培養初時之COD氧化情形 --------------------------------------93
圖 4-5 微生物消化有機物之過程 -------------------------------------------95
圖 4-6原水中揮發性有機物之濃度變化 -------------------------------------104
圖 4-7 A菌群處理揮發性有機物在24小時水力負荷下出流水之變化 -------------104
圖 4-8 B菌群處理揮發性有機物在24小時水力負荷下出流水之變化 --------------104
圖 4-9原水中揮發性有機物之濃度變化 -------------------------------------106
圖 4-10 A菌群處理揮發性有機物在12小時水力負荷下出流水之變化 ------------106
圖 4-11 B菌群處理揮發性有機物在12小時水力負荷下出流水之變化 -------------106
圖 4-12原水中揮發性有機物之濃度變化 ------------------------------------108
圖 4-13 A菌群處理揮發性有機物在6小時水力負荷下出流水之變化 -------------108
圖 4-14 B菌群處理揮發性有機物在6小時水力負荷下出流水之變化 --------------108
圖 4-15 原水中揮發性有機物之濃度變化 -----------------------------------110
圖 4-16 A菌群處理揮發性有機物在3小時水力負荷下出流水之變化 -------------110
圖 4-17 B菌群處理揮發性有機物在3小時水力負荷下出流水之變化 -------------110
圖 4-18 原水中揮發性有機物之濃度變化 -----------------------------------113
圖 4-19 A菌群處理揮發性有機物在1.5小時水力負荷下出流水之變化 -----------113
圖 4-20 B菌群處理揮發性有機物在1.5小時水力負荷下出流水之變化 -----------113
圖 4-21 原水中揮發性有機物濃度之變化 -----------------------------------115
圖 4-22揮發性有機物在無填充生物擔體出流水之變化 ------------------------115
圖 4-23 生物分解高毒性廢水之濃度變化 -----------------------------------116
圖4-24 生物反應器泡棉生質附著巨觀圖 ------------------------------------117
圖 4-25 泡棉生質菌相圖(短桿菌混合懸浮固體 400X ) -----------------------117
圖 4-26 泡棉生質菌相圖(綠藻混合懸浮固體 400X) --------------------------117
圖 4-27 泡棉生質菌相(短桿菌及輪蟲類 400X ) -----------------------------118
圖 4-28 泡棉生質菌相(纖毛蟲類 400X ) -----------------------------------118
圖 4-29 泡棉生質菌相(變形蟲 400X ) -------------------------------------118
圖 4-30生質泡棉菌相觀察(蚤類 1,000X) -----------------------------------118
圖 4-31生質泡棉菌相觀察(膠團桿菌 1,000X) -------------------------------118
圖 4-32生質泡棉菌相觀察(長鏈桿菌 1,000X) -------------------------------118
圖 4-33生質泡棉菌相觀察(分枝桿菌 1,000X) -------------------------------118
圖 4-34生質泡棉菌相觀察(長鏈桿菌 1,000X) -------------------------------118
圖 4-35生質泡棉菌相觀察(長鏈桿菌、球菌 1,000X) -------------------------118
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