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污水工艺

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工艺介绍

1、厌氧工艺
厌氧生物处理技术是在厌氧条件下,兼性厌氧和厌氧微生物群体将有机物转化为甲烷和二氧化碳的过程,又称为厌氧消化。
在相当长的一段时间内,厌氧消化在理论、技术和应用上远远落后于好氧生物处理的发展。20世纪60年代以来,世界能源短缺问题日益突出,这促使人们对厌氧消化工艺进行重新认识,对处理工艺和反应器结构的设计以及甲烷回收进行了大量研究,使得厌氧消化技术的理论和实践都有了很大进步,并得到广泛应用。厌氧消化具有下列优点:无需搅拌和供氧,动力消耗少;能产生大量含甲烷的沼气,是很好的能源物质,可用于发电和家庭燃气;可高浓度进水,保持高污泥浓度,所以其溶剂有机负荷达到国家标准仍需要进一步处理;初次启动时间长;对温度要求较高;对毒物影响较敏感;遭破坏后,恢复期较长。污水厌氧生物处理工艺按微生物的凝聚形态可分为厌氧活性污泥法和厌氧生物膜法。厌氧活性污泥法包括普通消化池、厌氧接触消化池、升流式厌氧污泥床(,UASB)、厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)等;厌氧生物膜法包括厌氧生物滤池、厌氧流化床和厌氧生物转盘。
2、技术机理
厌氧生物处理技术在水处理行业中一直都受到环保工作者们的青睐,由于其具有良好的去除效果,更高的反应速率和对毒性物质更好的适应,更重要的是由于其相对好氧生物处理废水来说不需要为氧的传递提供大量的能耗,使得厌氧生物处理在水处理行业中应用十分广泛。
但由于总体反应式基于莫诺方程的厌氧处理受到低浓度废水Ks的限制,所以厌氧在处理低浓度废水方面没有太大的空间,可最近的一些报道和试验表明,厌氧如果提供合适的外部条件,在处理低浓度废水方面仍然有非常高的处理效果。
我们可以根据厌氧反应的原理加以动力学方程推导出厌氧生物处理低浓度废水尤其在处理生活污水方面的合适条件。
一般来说,废水中复杂有机物物料比较多,通过厌氧分解分四个阶段加以降解:
(1)水解阶段:高分子有机物由于其大分子体积,不能直接通过厌氧菌的细胞壁,需要在微生物体外通过胞外酶加以分解成小分子。废水中典型的有机物质比如纤维素被纤维素酶分解成纤维二糖和葡萄糖,淀粉被分解成麦芽糖和葡萄糖,蛋白质被分解成短肽和氨基酸。分解后的这些小分子能够通过细胞壁进入到细胞的体内进行下一步的分解。
(2)酸化阶段:上述的小分子有机物进入到细胞体内转化成更为简单的化合物并被分配到细胞外,这一阶段的主要产物为挥发性脂肪酸(VFA),同时还有部分的醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等产物产生。
(3)产乙酸阶段:在此阶段,上一步的产物进一步被转化成乙酸、碳酸、氢气以及新的细胞物质。
(4)产甲烷阶段:在这一阶段,乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇都被转化成甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。这一阶段也是整个厌氧过程最为重要的阶段和整个厌氧反应过程的限速阶段。
再上述四个阶段中,有人认为第二个阶段和第三个阶段可以分为一个阶段,在这两个阶段的反应是在同一类细菌体类完成的。前三个阶段的反应速度很快,如果用莫诺方程来模拟前三个阶段的反应速率的话,Ks(半速率常数)可以在50mg/l以下,μ可以达到5KgCOD/KgMLSS.d。而第四个反应阶段通常很慢,同时也是最为重要的反应过程,在前面几个阶段中,废水的中污染物质只是形态上发生变化,COD几乎没有什么去除,只是在第四个阶段中污染物质变成甲烷等气体,使废水中COD大幅度下降。同时在第四个阶段产生大量的碱度这与前三个阶段产生的有机酸相平衡,维持废水中的PH稳定,保证反应的连续进行。
3、典型厌氧处理工艺
厌氧工艺目前使用最多的是UASB和IC工艺,具有广泛的适用性和很高的效率。
3.1 UASB简介
上流式厌氧污泥床反应器是一种处理污水的厌氧生物方法,又叫升流式厌氧污泥床,英文缩写UASB,由荷兰Lettinga教授于1977年发明。
污水自下而上通过UASB。反应器底部有一个高浓度、高活性的污泥床,污水中的大部分有机污染物在此间经过厌氧发酵降解为甲烷和二氧化碳。因水流和气泡的搅动,污泥床之上有一个污泥悬浮层。反应器上部有设有三相分离器,用以分离消化气、消化液和污泥颗粒。消化气自反应器顶部导出;污泥颗粒自动滑落沉降至反应器底部的污泥床;消化液从澄清区出水。UASB负荷能力很大,适用于高浓度有机废水的处理。运行良好的UASB有很高的有机污染物去除率,不需要搅拌,能适应较大幅度的负荷冲击、温度和pH变化。
1) UASB构造
UASB构造上的特点是集生物反应与沉淀于一体,是一种结构紧凑的厌氧反应器。反应器主要由进水配水系统,反应区,三相分离器,气室,处理水排除系统这几个部分组成。
2) UASB工作原理
UASB反应器中的厌氧反应过程与其他厌氧生物处理工艺一样,包括水解,酸化,产乙酸和产甲烷等。通过不同的微生物参与底物的转化过程而将底物转化为最终产物——沼气、水等无机物。
UASB由污泥反应区、气液固三相分离器(包括沉淀区)和气室三部分组成。在底部反应区内存留大量厌氧污泥,具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥层。要处理的污水从厌氧污泥床底部流入与污泥层中污泥进行混合接触,污泥中的微生物分解污水中的有机物,把它转化为沼气。沼气以微小气泡形式不断放出,微小气泡在上升过程中,不断合并,逐渐形成较大的气泡,在污泥床上部由于沼气的搅动形成一个污泥浓度较稀薄的污泥和水一起上升进入三相分离器,沼气碰到分离器下部的反射板时,折向反射板的四周,然后穿过水层进入气室,集中在气室沼气,用导管导出,固液混合液经过反射进入三相分离器的沉淀区,污水中的污泥发生絮凝,颗粒逐渐增大,并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沿着斜壁滑回厌氧反应区内,使反应区内积累大量的污泥,与污泥分离后的处理出水从沉淀区溢流堰上部溢出,然后排出污泥床。
3.2 IC简介
随着生产发展与资金、能耗、占地等因素间矛盾的进一步突出,水处理工作者必须努力寻求技术经济更优化的厌氧工艺,尤其是如何处理生产发展带来的新的高浓度有机废水更使得这一努力成为必要。内循环厌氧反应器(IC即是这一背景下产生的新型反应器,是厌氧废水处理理论与工程实践相结合的产物,体现了厌氧工艺自身发展要求。1985年,荷兰PAQUES公司建立了第一个IC中试反应器,1988年,第一座生产性规模的IC反应器投入运行。目前,IC反应器已成功应用于啤酒生产、食品加工等行业的生产污水处理中。由于其处理容量高、投资少、占地省、运行稳定等特点,引起了各国水处理人员的瞩目,有人视之为第三代厌氧生化反应器的代表工艺之一。进一步研究开发IC反应器、推广其应用范围已成为厌氧废水处理的热点之一。
1) IC构造
IC反应器由两个UASB反应器上下叠加串联构成,高度可达16~25m,高径比一般为4~8,由5个基本部分组成:混合区、颗粒污泥膨胀床区、精处理区、内循环系统和出水区。
其中内循环系统是IC工艺的核心结构,由一级三相分离器、沼气提升管、气液分离器和泥水下降管等组成。
2) IC工作原理
经过调节pH和温度的生产废水首先进入反应器底部的混合区,并与来自泥水下降管的内循环泥水混合液充分混合后进入颗粒污泥膨胀床进行CoD的生化降解,此处的coD容积负荷很高,大部分进水COD在此处被降解,产生大量沼气。沼气由一级三相分离器收集。
由于沼气气泡形成过程中对液体所作的膨胀功产生了气体提升作用,使得沼气、污泥和水的混合物沿沼气提升管上升至反应器顶部的气液分离器,沼气在该处与泥水分离并被导出处理系统。泥水混合物则沿泥水下降管进入反应器底部的混合区,并与进水充分混合后进入污泥膨胀床区,形成所谓内循环。根据不同的进水COD负荷和反应器的不同构造,内循环流量可达进水流量的0.5~5倍】。经膨胀床处理后的废水除一部分参与内循环外,其余污水通过一级三相分离器后,进入精处理区的颗粒污泥床区进行剩余COD降解与产沼气过程,提高和保证了出水水质。由于大部分COD已被降解,所以精处理区的COD负荷较低,产气量也较小。该处产生的沼气由二级三相分离器收集,通过集气管进入气液分离器并被导出处理系统。经过精处理区处理后的废水经二级三相分离器作用后,上清液经出水区排走,颗粒污泥则返回精处理区污泥床。
 
4、UASB和IC反应器国内外研究现状
4.1 UASB反应器国内外研究现状
UASB反应器作为如今高效厌氧反应器中应用最广泛的反应器之一,具有能耗低、造价低、能产生生物能等特点,因而是值得推广应用的一种新型生化厌氧处理反应器。长期以来被广泛应用于各种类型的废水处理,在国内外的应用研究中也常常出现。在国外如美国、芬兰、泰国、瑞士、加拿大和奥地利都曾利用UASB反应器处理各种生产废水,如甜菜制糖加工废水、啤酒和酒精加工废水、生活污水、牛奶废水的处理等,都取得了较好的处理效果。我国于1981年开始了对UASB反应器的试验研究,许多单位在处理高浓度有机废水时采用UASB反应器进行处理,已取得了较好的成效。对于UASB反应器等厌氧处理构筑物处理高浓度有机废水,其出水一般未能达到废水的最终排放要求,所以往往采取与其他处理工艺相结合的方式。在90年代末期出现了UASB与其他工艺联合使用的例子,如UASB-AF工艺处理维生素C废水,上流式厌氧污泥床过滤器处理涤纶废水等,提高了处理效果。
4.2 IC反应器国内外研究现状
从IC反应器的工程实践看,国内沈阳、上海率先采用了IC工艺处理啤酒生产废水。以沈阳华润雪花啤酒有限公司采用的IC反应器为例,反应器高16m,有效容积70m3,每天处理平均COD浓度为4300mg/L的啤酒废水400m3在COD去除率稳定在80%的条件下,容积负荷高达25~30kg/m3d。公司在解决处理生产废水问题的同时,经济上也获得较大收益:每年节省排污费75万元,沼气回收利用价值45万元,相比之下,反应器年运行费用仅为62万元??杉?,IC工艺达到了技术经济的优化。IC工艺在国外的应用以欧洲较为普遍,运行经验也较国内成熟许多,不但已在啤酒生产、土豆加工、造纸等生产领域内的废水处理上有成功应用,而且正日益扩展其应用范围,规模也越来越大。荷兰SENSUS公司就建造了容积为1100m3的IC反应器处理菊粉(inuline)生产废水,而据估算,如采用UASB反应器处理同样废水,反应器容积将达2200m3,投资及占地也将大大增加。1995年该反应器初期运行时,日处理COD浓度约为7200mg/L的废3960m3水力负荷达30kgCOD/m3·d,COD去除率稳定在70%~80%。
4.3 UASB和IC反应器异同比较
UASB在国内广泛应用,也得到许多水处理专业人士的认可。IC是一种内循环反应器,其构造就相当于将两个UASB叠加起来,可以看成UASB的衍生系统。IC反应器与UASB反应器处理相同废水的对比结果如表1:
表1  IC反应罐与UASB反应器处理相同废水的对比结果
对比指标 反应器类型
IC UASB
啤酒废水 土豆加工废水 啤酒废水 土豆加工废水
反应器体积(m3 6x162 100 1400 2x1700
反应器高度(m) 20 15 6.4 5.5
水力停留时间(h) 2.1 4.0 6 8
容积负荷kg/(m3`d) 24 48 6.8 10
进水COD(mg/L) 2000 6000~8000 1700 12000
COD去除率(%) 80 85 80 95
 
 
表1在给出IC反应器实际应用的同时,对采用UASB工艺处理相同废水进行了比较。
可以看出,IC反应器很大程度上解决了UASB的相对不足,大大提高了单位反应器容积的处理容量。
下面,我通过表格将两个系统各自优缺点进行归纳一下:
比较项目 UASB系统 IC系统
容积负荷 5-20kgCOD/m2-d 20-50kgCOD/m3-d
抗冲击符合负荷能力 原来UASB不设内循环系统,导致其抗冲击负荷能力较差;现在经过改良,增设内循环系统,提高了抗冲击符合负荷能力 有内循环系统,抗冲击负荷能抗冲击负荷能力力强,
占地面积
建设难度 工艺成熟、建设简单 结构复杂,设计施工难度高
运行控制难度 方便 难度较高
运行费用 一般 高径比大,增加进水泵动力消耗,增加运行费用
去除效率 较高 在厌氧反应中,有机负荷、产气量和处理程度三者之间存在着密切的联系和平衡关系。一般较高的有机负荷可获得较大的产气量,但处理程度会降低。因此,IC反应器的总体去除效率相比UASB反应器来讲要低
难溶物质处理 有较长的停留时间,能保证难溶解溶有机物的去除效果 发酵细菌通过胞外酶作用将不溶性有机物水解成可溶性有机物,再将可溶性的大分子有机物转化成脂肪酸和醇类等,该类细菌水解过程相当缓慢。IC反应器较短的水力停留时间势必影响不溶性有机物的去除效果
出水效果 稳定 发酵细菌通过胞外酶作用将不溶性有机物水解成可溶性有机物,再将可溶性的大分子有机物转化成脂肪酸和醇类等,该类细菌水解过程相当缓慢。IC反应器较短的水力停留时间势必影响不溶性有机物的去除效果
调试难度 调试相对简单,具备一定厌氧调试经验即可。 国内缺乏在IC反应器水力条件下培养活性和沉降性能良好的颗粒污泥关键技术。目前国内引进的IC反应器均采用荷兰进口的颗粒污泥接种,增加了工程造价。
运行的稳定性 系统构造简单实用,不易产生问题 内循环中泥水混合液的上升易产生堵塞现象,使内循环瘫痪,处理效果变差
建设投资 设备投资相对较大 设备投资成本小,但由于现在IC技术还存在许多专利,市场技术成本较高,所以整体建设成本也不低
 
 
对于以上两种典型工艺的介绍和比较,在实际运用时,需要针对废水的特点和场地等实际情况进行分析比较,选择最合适的工艺,不仅是技术上可行达标,同时也要保证投资最省、费用最低,才能取得最好的环保效益。
我公司具备多年、大量的厌氧工艺设计处理经验,根据客户的实际情况,量身定制合适的工艺产品,保证处理效果的同时,也给客户最大的环保效益。


                                                                                                                                         
                                                                                     




 
 



 

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