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污水工藝

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工藝介紹

1、厭氧工藝
厭氧生物處理技術是在厭氧條件下,兼性厭氧和厭氧微生物群體將有機物轉化為甲烷和二氧化碳的過程,又稱為厭氧消化。
在相當長的一段時間內,厭氧消化在理論、技術和應用上遠遠落后于好氧生物處理的發展。20世紀60年代以來,世界能源短缺問題日益突出,這促使人們對厭氧消化工藝進行重新認識,對處理工藝和反應器結構的設計以及甲烷回收進行了大量研究,使得厭氧消化技術的理論和實踐都有了很大進步,并得到廣泛應用。厭氧消化具有下列優點:無需攪拌和供氧,動力消耗少;能產生大量含甲烷的沼氣,是很好的能源物質,可用于發電和家庭燃氣;可高濃度進水,保持高污泥濃度,所以其溶劑有機負荷達到國家標準仍需要進一步處理;初次啟動時間長;對溫度要求較高;對毒物影響較敏感;遭破壞后,恢復期較長。污水厭氧生物處理工藝按微生物的凝聚形態可分為厭氧活性污泥法和厭氧生物膜法。厭氧活性污泥法包括普通消化池、厭氧接觸消化池、升流式厭氧污泥床(,UASB)、厭氧顆粒污泥膨脹床(EGSB)等;厭氧生物膜法包括厭氧生物濾池、厭氧流化床和厭氧生物轉盤。
2、技術機理
厭氧生物處理技術在水處理行業中一直都受到環保工作者們的青睞,由于其具有良好的去除效果,更高的反應速率和對毒性物質更好的適應,更重要的是由于其相對好氧生物處理廢水來說不需要為氧的傳遞提供大量的能耗,使得厭氧生物處理在水處理行業中應用十分廣泛。
但由于總體反應式基于莫諾方程的厭氧處理受到低濃度廢水Ks的限制,所以厭氧在處理低濃度廢水方面沒有太大的空間,可最近的一些報道和試驗表明,厭氧如果提供合適的外部條件,在處理低濃度廢水方面仍然有非常高的處理效果。
我們可以根據厭氧反應的原理加以動力學方程推導出厭氧生物處理低濃度廢水尤其在處理生活污水方面的合適條件。
一般來說,廢水中復雜有機物物料比較多,通過厭氧分解分四個階段加以降解:
(1)水解階段:高分子有機物由于其大分子體積,不能直接通過厭氧菌的細胞壁,需要在微生物體外通過胞外酶加以分解成小分子。廢水中典型的有機物質比如纖維素被纖維素酶分解成纖維二糖和葡萄糖,淀粉被分解成麥芽糖和葡萄糖,蛋白質被分解成短肽和氨基酸。分解后的這些小分子能夠通過細胞壁進入到細胞的體內進行下一步的分解。
(2)酸化階段:上述的小分子有機物進入到細胞體內轉化成更為簡單的化合物并被分配到細胞外,這一階段的主要產物為揮發性脂肪酸(VFA),同時還有部分的醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等產物產生。
(3)產乙酸階段:在此階段,上一步的產物進一步被轉化成乙酸、碳酸、氫氣以及新的細胞物質。
(4)產甲烷階段:在這一階段,乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇都被轉化成甲烷、二氧化碳和新的細胞物質。這一階段也是整個厭氧過程最為重要的階段和整個厭氧反應過程的限速階段。
再上述四個階段中,有人認為第二個階段和第三個階段可以分為一個階段,在這兩個階段的反應是在同一類細菌體類完成的。前三個階段的反應速度很快,如果用莫諾方程來模擬前三個階段的反應速率的話,Ks(半速率常數)可以在50mg/l以下,μ可以達到5KgCOD/KgMLSS.d。而第四個反應階段通常很慢,同時也是最為重要的反應過程,在前面幾個階段中,廢水的中污染物質只是形態上發生變化,COD幾乎沒有什么去除,只是在第四個階段中污染物質變成甲烷等氣體,使廢水中COD大幅度下降。同時在第四個階段產生大量的堿度這與前三個階段產生的有機酸相平衡,維持廢水中的PH穩定,保證反應的連續進行。
3、典型厭氧處理工藝
厭氧工藝目前使用最多的是UASB和IC工藝,具有廣泛的適用性和很高的效率。
3.1 UASB簡介
上流式厭氧污泥床反應器是一種處理污水的厭氧生物方法,又叫升流式厭氧污泥床,英文縮寫UASB,由荷蘭Lettinga教授于1977年發明。
污水自下而上通過UASB。反應器底部有一個高濃度、高活性的污泥床,污水中的大部分有機污染物在此間經過厭氧發酵降解為甲烷和二氧化碳。因水流和氣泡的攪動,污泥床之上有一個污泥懸浮層。反應器上部有設有三相分離器,用以分離消化氣、消化液和污泥顆粒。消化氣自反應器頂部導出;污泥顆粒自動滑落沉降至反應器底部的污泥床;消化液從澄清區出水。UASB負荷能力很大,適用于高濃度有機廢水的處理。運行良好的UASB有很高的有機污染物去除率,不需要攪拌,能適應較大幅度的負荷沖擊、溫度和pH變化。
1) UASB構造
UASB構造上的特點是集生物反應與沉淀于一體,是一種結構緊湊的厭氧反應器。反應器主要由進水配水系統,反應區,三相分離器,氣室,處理水排除系統這幾個部分組成。
2) UASB工作原理
UASB反應器中的厭氧反應過程與其他厭氧生物處理工藝一樣,包括水解,酸化,產乙酸和產甲烷等。通過不同的微生物參與底物的轉化過程而將底物轉化為最終產物——沼氣、水等無機物。
UASB由污泥反應區、氣液固三相分離器(包括沉淀區)和氣室三部分組成。在底部反應區內存留大量厭氧污泥,具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥層。要處理的污水從厭氧污泥床底部流入與污泥層中污泥進行混合接觸,污泥中的微生物分解污水中的有機物,把它轉化為沼氣。沼氣以微小氣泡形式不斷放出,微小氣泡在上升過程中,不斷合并,逐漸形成較大的氣泡,在污泥床上部由于沼氣的攪動形成一個污泥濃度較稀薄的污泥和水一起上升進入三相分離器,沼氣碰到分離器下部的反射板時,折向反射板的四周,然后穿過水層進入氣室,集中在氣室沼氣,用導管導出,固液混合液經過反射進入三相分離器的沉淀區,污水中的污泥發生絮凝,顆粒逐漸增大,并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沿著斜壁滑回厭氧反應區內,使反應區內積累大量的污泥,與污泥分離后的處理出水從沉淀區溢流堰上部溢出,然后排出污泥床。
3.2 IC簡介
隨著生產發展與資金、能耗、占地等因素間矛盾的進一步突出,水處理工作者必須努力尋求技術經濟更優化的厭氧工藝,尤其是如何處理生產發展帶來的新的高濃度有機廢水更使得這一努力成為必要。內循環厭氧反應器(IC即是這一背景下產生的新型反應器,是厭氧廢水處理理論與工程實踐相結合的產物,體現了厭氧工藝自身發展要求。1985年,荷蘭PAQUES公司建立了第一個IC中試反應器,1988年,第一座生產性規模的IC反應器投入運行。目前,IC反應器已成功應用于啤酒生產、食品加工等行業的生產污水處理中。由于其處理容量高、投資少、占地省、運行穩定等特點,引起了各國水處理人員的矚目,有人視之為第三代厭氧生化反應器的代表工藝之一。進一步研究開發IC反應器、推廣其應用范圍已成為厭氧廢水處理的熱點之一。
1) IC構造
IC反應器由兩個UASB反應器上下疊加串聯構成,高度可達16~25m,高徑比一般為4~8,由5個基本部分組成:混合區、顆粒污泥膨脹床區、精處理區、內循環系統和出水區。
其中內循環系統是IC工藝的核心結構,由一級三相分離器、沼氣提升管、氣液分離器和泥水下降管等組成。
2) IC工作原理
經過調節pH和溫度的生產廢水首先進入反應器底部的混合區,并與來自泥水下降管的內循環泥水混合液充分混合后進入顆粒污泥膨脹床進行CoD的生化降解,此處的coD容積負荷很高,大部分進水COD在此處被降解,產生大量沼氣。沼氣由一級三相分離器收集。
由于沼氣氣泡形成過程中對液體所作的膨脹功產生了氣體提升作用,使得沼氣、污泥和水的混合物沿沼氣提升管上升至反應器頂部的氣液分離器,沼氣在該處與泥水分離并被導出處理系統。泥水混合物則沿泥水下降管進入反應器底部的混合區,并與進水充分混合后進入污泥膨脹床區,形成所謂內循環。根據不同的進水COD負荷和反應器的不同構造,內循環流量可達進水流量的0.5~5倍】。經膨脹床處理后的廢水除一部分參與內循環外,其余污水通過一級三相分離器后,進入精處理區的顆粒污泥床區進行剩余COD降解與產沼氣過程,提高和保證了出水水質。由于大部分COD已被降解,所以精處理區的COD負荷較低,產氣量也較小。該處產生的沼氣由二級三相分離器收集,通過集氣管進入氣液分離器并被導出處理系統。經過精處理區處理后的廢水經二級三相分離器作用后,上清液經出水區排走,顆粒污泥則返回精處理區污泥床。
 
4、UASB和IC反應器國內外研究現狀
4.1 UASB反應器國內外研究現狀
UASB反應器作為如今高效厭氧反應器中應用最廣泛的反應器之一,具有能耗低、造價低、能產生生物能等特點,因而是值得推廣應用的一種新型生化厭氧處理反應器。長期以來被廣泛應用于各種類型的廢水處理,在國內外的應用研究中也常常出現。在國外如美國、芬蘭、泰國、瑞士、加拿大和奧地利都曾利用UASB反應器處理各種生產廢水,如甜菜制糖加工廢水、啤酒和酒精加工廢水、生活污水、牛奶廢水的處理等,都取得了較好的處理效果。我國于1981年開始了對UASB反應器的試驗研究,許多單位在處理高濃度有機廢水時采用UASB反應器進行處理,已取得了較好的成效。對于UASB反應器等厭氧處理構筑物處理高濃度有機廢水,其出水一般未能達到廢水的最終排放要求,所以往往采取與其他處理工藝相結合的方式。在90年代末期出現了UASB與其他工藝聯合使用的例子,如UASB-AF工藝處理維生素C廢水,上流式厭氧污泥床過濾器處理滌綸廢水等,提高了處理效果。
4.2 IC反應器國內外研究現狀
從IC反應器的工程實踐看,國內沈陽、上海率先采用了IC工藝處理啤酒生產廢水。以沈陽華潤雪花啤酒有限公司采用的IC反應器為例,反應器高16m,有效容積70m3,每天處理平均COD濃度為4300mg/L的啤酒廢水400m3在COD去除率穩定在80%的條件下,容積負荷高達25~30kg/m3d。公司在解決處理生產廢水問題的同時,經濟上也獲得較大收益:每年節省排污費75萬元,沼氣回收利用價值45萬元,相比之下,反應器年運行費用僅為62萬元。可見,IC工藝達到了技術經濟的優化。IC工藝在國外的應用以歐洲較為普遍,運行經驗也較國內成熟許多,不但已在啤酒生產、土豆加工、造紙等生產領域內的廢水處理上有成功應用,而且正日益擴展其應用范圍,規模也越來越大。荷蘭SENSUS公司就建造了容積為1100m3的IC反應器處理菊粉(inuline)生產廢水,而據估算,如采用UASB反應器處理同樣廢水,反應器容積將達2200m3,投資及占地也將大大增加。1995年該反應器初期運行時,日處理COD濃度約為7200mg/L的廢3960m3水力負荷達30kgCOD/m3·d,COD去除率穩定在70%~80%。
4.3 UASB和IC反應器異同比較
UASB在國內廣泛應用,也得到許多水處理專業人士的認可。IC是一種內循環反應器,其構造就相當于將兩個UASB疊加起來,可以看成UASB的衍生系統。IC反應器與UASB反應器處理相同廢水的對比結果如表1:
表1  IC反應罐與UASB反應器處理相同廢水的對比結果
對比指標 反應器類型
IC UASB
啤酒廢水 土豆加工廢水 啤酒廢水 土豆加工廢水
反應器體積(m3 6x162 100 1400 2x1700
反應器高度(m) 20 15 6.4 5.5
水力停留時間(h) 2.1 4.0 6 8
容積負荷kg/(m3`d) 24 48 6.8 10
進水COD(mg/L) 2000 6000~8000 1700 12000
COD去除率(%) 80 85 80 95
 
 
表1在給出IC反應器實際應用的同時,對采用UASB工藝處理相同廢水進行了比較。
可以看出,IC反應器很大程度上解決了UASB的相對不足,大大提高了單位反應器容積的處理容量。
下面,我通過表格將兩個系統各自優缺點進行歸納一下:
比較項目 UASB系統 IC系統
容積負荷 5-20kgCOD/m2-d 20-50kgCOD/m3-d
抗沖擊符合負荷能力 原來UASB不設內循環系統,導致其抗沖擊負荷能力較差;現在經過改良,增設內循環系統,提高了抗沖擊符合負荷能力 有內循環系統,抗沖擊負荷能抗沖擊負荷能力力強,
占地面積
建設難度 工藝成熟、建設簡單 結構復雜,設計施工難度高
運行控制難度 方便 難度較高
運行費用 一般 高徑比大,增加進水泵動力消耗,增加運行費用
去除效率 較高 在厭氧反應中,有機負荷、產氣量和處理程度三者之間存在著密切的聯系和平衡關系。一般較高的有機負荷可獲得較大的產氣量,但處理程度會降低。因此,IC反應器的總體去除效率相比UASB反應器來講要低
難溶物質處理 有較長的停留時間,能保證難溶解溶有機物的去除效果 發酵細菌通過胞外酶作用將不溶性有機物水解成可溶性有機物,再將可溶性的大分子有機物轉化成脂肪酸和醇類等,該類細菌水解過程相當緩慢。IC反應器較短的水力停留時間勢必影響不溶性有機物的去除效果
出水效果 穩定 發酵細菌通過胞外酶作用將不溶性有機物水解成可溶性有機物,再將可溶性的大分子有機物轉化成脂肪酸和醇類等,該類細菌水解過程相當緩慢。IC反應器較短的水力停留時間勢必影響不溶性有機物的去除效果
調試難度 調試相對簡單,具備一定厭氧調試經驗即可。 國內缺乏在IC反應器水力條件下培養活性和沉降性能良好的顆粒污泥關鍵技術。目前國內引進的IC反應器均采用荷蘭進口的顆粒污泥接種,增加了工程造價。
運行的穩定性 系統構造簡單實用,不易產生問題 內循環中泥水混合液的上升易產生堵塞現象,使內循環癱瘓,處理效果變差
建設投資 設備投資相對較大 設備投資成本小,但由于現在IC技術還存在許多專利,市場技術成本較高,所以整體建設成本也不低
 
 
對于以上兩種典型工藝的介紹和比較,在實際運用時,需要針對廢水的特點和場地等實際情況進行分析比較,選擇最合適的工藝,不僅是技術上可行達標,同時也要保證投資最省、費用最低,才能取得最好的環保效益。
我公司具備多年、大量的厭氧工藝設計處理經驗,根據客戶的實際情況,量身定制合適的工藝產品,保證處理效果的同時,也給客戶最大的環保效益。


                                                                                                                                         
                                                                                     




 
 



 

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