摘要: 厭氧發(fā)酵是處理工業(yè)廢水的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文從污水處理的條件及目標(biāo)出發(fā), 設(shè)計(jì)了一種有機(jī)污水處理方案, 對其工藝中的加藥單元、厭氧反應(yīng)單元、凈水單元、沼氣處理單元的機(jī)理和流程分別做了詳細(xì)介紹。特別是對其核心單元-厭氧反應(yīng)器提供了結(jié)構(gòu)和原理簡圖。經(jīng)過該工藝處理后CODCr 500 mg / L; BOD5 280 mg/ L; 為了達(dá)到國家要求的排放標(biāo)準(zhǔn), 介紹了CASS 工藝和MBR 法兩種后續(xù)工藝, 并將它們與氧化溝法和活性污泥法進(jìn)行了比較。

關(guān)鍵詞: 污水處理; CODcr ; BOD5

0  引言

在隔絕氧氣的條件下, 菌群通沼氣進(jìn)行發(fā)酵, 將廢水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成CO2 和甲烷的混合氣體, 即厭氧發(fā)酵。厭氧發(fā)酵技術(shù)有了很好的發(fā)展, 不僅涉及處理農(nóng)業(yè)的廢料、生產(chǎn)沼氣能源、減少環(huán)境污染、提高肥效; 現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展到處理工業(yè)廢水包括制漿造紙廠的蒸煮廢液、漂白廢水和白水[ 1] 。污水處理過程主要和進(jìn)出水質(zhì)、產(chǎn)量、溫度以及地方的氣候和地質(zhì)條件有關(guān)。下面介紹一種厭氧發(fā)酵的污水處理工藝流程。

1  污水處理的條件及要求達(dá)到的目標(biāo)

一級處理是采用物理方法, 主要通過格柵攔截、沉淀等手段去除廢水中大塊懸浮物和砂粒等物質(zhì)。這一處理工藝國內(nèi)外都已成熟, 差別不大, 所以從二級處理開始進(jìn)行研究討論。污水處理廠總建設(shè)規(guī)模按18 000 m3 / d 設(shè)計(jì), 具體設(shè)計(jì)時(shí)取 1. 2 倍的變化系數(shù)。

設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)為: CODCr = 3 000 mg/ L; BOD5= 900 mg/ L; TSS = 200 mg / L; AOX = 30 mg/ L; pH= 3. 5~ 5. 5; t= 50℃。

污水處理廠出水水質(zhì)應(yīng)達(dá)到: CODCr 500 mg / L; BOD5 200 mg/ L; T SS 70 mg/ L; AOX= 15 mg/ L; pH= 6~ 9。

2  工藝流程

采用厭氧處理工藝, 該工藝的核心部分是厭氧反應(yīng)器技術(shù), 其內(nèi)部的良好穩(wěn)定情況決定混合效果[ 2] 。其主要工藝流程為: 污水先經(jīng)冷卻器 ( E01) 冷卻到一定溫度( 約43℃) 后進(jìn)入集水池 ( T01) , 然后自流進(jìn)入調(diào)節(jié)池( T02) , 調(diào)節(jié)池( T02) 自流進(jìn)入循環(huán)水池( T03) , 循環(huán)池水經(jīng)由進(jìn)料泵 P01A/ B、P02A/ B 泵入?yún)捬醴磻?yīng)器( R01) , 厭氧反應(yīng)器出水自流至中水緩沖池( T04) 。經(jīng)緩沖池 ( T04) 沉淀后的廢水經(jīng)出水槽排放。厭氧反應(yīng)器底部的含污泥量較多的污水進(jìn)入污泥濃縮池, 然后用污泥泵泵至壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾[ 3] ; 厭氧反應(yīng)器頂部的沼氣通過凈化收集后, 可以通過燃燒器燃燒。

3  工藝流程分段描述

污水處理廠整體工藝包括加藥單元、沼氣處理單元、凈水單元、厭氧反應(yīng)單元等, 現(xiàn)對各工藝單元進(jìn)行詳細(xì)描述。

3. 1  加藥單元

加藥單元的工藝流程圖如圖1 所示, 它主要由以下設(shè)備組成:

( 1) 冷卻器( E01)

車間來廢水由廠內(nèi)直接輸送至冷卻器 ( E01) 。不需冷卻時(shí), 通過冷卻器進(jìn)水管道前的旁通閥門直接輸送至集水池( T 01) , 若來水溫度過高, 則需要經(jīng)冷卻器冷卻, 冷卻后的廢水出水溫度控制在43℃左右。

( 2) 集水池( T01)

集水池用來收集廢水, 沉淀一部分有機(jī)物質(zhì), 內(nèi)有格柵, 可以攔截大量的懸浮物。廢水從集水池( T 01) 靠重力流入調(diào)節(jié)池( T02) 。

( 3) 調(diào)節(jié)池( T02)

調(diào)節(jié)池( T 02) 用來添加化學(xué)藥品, 控制其pH 值于中性范圍, 以達(dá)到厭氧所需要的條件, 并接收污泥濃縮池( T 05) 上層的污水。調(diào)節(jié)廢水的水質(zhì)水量, 使各車間間斷排出的不同水質(zhì)、不同濃度、不同溫度和不同流量的廢水得到均一, 以保證整個(gè)廢水處理系統(tǒng)的平穩(wěn)安全運(yùn)行。

( 4) 循環(huán)水池( T 03)

從調(diào)節(jié)池( T02) 溢流過來的水與厭氧反應(yīng)器 ( R01) 溢流的污水進(jìn)行混合, 然后由厭氧進(jìn)料泵泵入?yún)捬醴磻?yīng)器( R01) 。

( 5) 堿儲罐( V 01)

堿儲罐( V01) 儲存質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30% 堿液。該罐有排空管, 并由一臺堿計(jì)量泵( P04) 向調(diào)節(jié)池 T02 投加NaOH 以控制其pH。

( 6) 石灰乳罐( V02)

石灰乳罐( V02) 儲存石灰乳。通過計(jì)量泵 P05 將配制好的溶液打入調(diào)節(jié)池以增加廢水厭氧所需的營養(yǎng)。工藝安排中只選擇V01 或者V02 即可。

3. 2  厭氧反應(yīng)單元

厭氧反應(yīng)單元的工藝流程圖如圖2 所示, 它主要有以下設(shè)備組成:

( 1) 污水泵( P01A/ B)

將T 03 循環(huán)水池的污水打入?yún)捬醴磻?yīng)塔。該泵周圍的控制單元比較多, 主要是對泵的輸出流量控制, 也就是對泵的電機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻控制。

( 2) 污泥濃縮池( T05A / B)

從厭氧反應(yīng)器( R01) 的底部出來的污水含有大量的污泥, 在濃縮池可以很好地沉淀。池內(nèi)的污泥用污泥泵P03 泵至壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾。經(jīng)壓濾機(jī)脫水處理后污泥中的干物質(zhì)濃度可上升至約 20% 。濃縮池的上層的污水返回到調(diào)節(jié)池T02 循環(huán)處理。

( 3) 厭氧反應(yīng)器( R01)

這是整個(gè)污水流程的核心單元, 其結(jié)構(gòu)和原理簡圖如圖3 所示。廢水自循環(huán)池( T03) 從厭氧反應(yīng)器( R01) 的底部被泵入, 在厭氧反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生生物反應(yīng)把高濃度廢水中大量的COD 轉(zhuǎn)化為沼氣。

該厭氧反應(yīng)器是內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器, 專用于廢水厭氧處理的一種反應(yīng)器。在反應(yīng)器內(nèi)接種了可以把廢水中的COD 轉(zhuǎn)化為沼氣的厭氧顆粒狀污泥。

所產(chǎn)生的沼氣是一混合氣體其主要成分為甲烷氣( CH4 ) 、二氧化碳( CO2 ) 及少量的硫化氫 ( H2S) 氣體。

其主要過程可描述如下:

COD CH4+ CO2+ 新生厭氧污泥廢水處理產(chǎn)生的沼氣通過兩級三相分離器分離并排出反應(yīng)器。

內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器可以看成疊在一起的2 個(gè)厭氧處理單元組成, 其中一個(gè)為高負(fù)荷反應(yīng)單元, 另一個(gè)為低負(fù)荷反應(yīng)單元。其特點(diǎn)是在一個(gè)豎高的反應(yīng)器中分2 步將沼氣分離。沼氣在第一步首先聚集并產(chǎn)生氣提作用引發(fā)內(nèi)循環(huán)流, 反應(yīng)器因此而得名。進(jìn)水( 12) 經(jīng)配水系統(tǒng)泵入反應(yīng)器, 在配水系統(tǒng)中進(jìn)水, 循環(huán)的污泥和出水得到良好地混合( 10) 。在反應(yīng)器第一個(gè)反應(yīng)區(qū)有一顆粒污泥膨脹床, 在此處大多數(shù)的COD 被轉(zhuǎn)化為沼氣。

在該反應(yīng)區(qū)內(nèi)所產(chǎn)生的沼氣由每一級三相分離器收集并由此產(chǎn)生氣提作用攜帶水和污泥經(jīng)上升管 ( 4) 至反應(yīng)器頂部的氣液分離器( 2) 之中, 在這里沼氣從泥水混合物中分離出來并離開反應(yīng)器 ( 11) 。泥水混合物通過中心下降管( 7) 直接向下流至反應(yīng)器的底部, 如此形成內(nèi)部循環(huán)流。

第一反應(yīng)區(qū)的出水進(jìn)入第二反應(yīng)區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步處理, 第二反應(yīng)區(qū)稱之為低負(fù)荷區(qū)( 5) , 在此去除剩余的可生化降解的COD。在上部反應(yīng)室區(qū)所產(chǎn)生的沼氣由上部的三相分離器( 3) 所收集, 同時(shí)厭氧處理出水經(jīng)溢流堰( 12) 離開反應(yīng)器。為防止泡沫積累( 如果有的話) , 在氣液分離器( 2) 設(shè)一噴淋水噴頭( 1) 用于噴淋消泡。

從厭氧反應(yīng)器溢流出的已經(jīng)厭氧處理的廢水依靠重力進(jìn)入下一工序處理。

3. 3  凈水單元

凈水單元的工藝流程圖如圖4 所示, 它主要有以下設(shè)備組成:

中水緩沖池( T 04)

從厭氧反應(yīng)器( R01) 出來的水自流至中水緩沖池( T04A) , 然后經(jīng)過沉淀一部分顆粒物后自流入緩沖池( T04B) , 最后進(jìn)入出水槽, 出水排放, 可以用來澆花或者清潔地面。

3. 4  沼氣處理單元

沼氣處理單元的工藝流程圖如圖5 所示, 它主要有以下設(shè)備組成:

在厭氧反應(yīng)器中會產(chǎn)生沼氣。沼氣的產(chǎn)氣量由施加給厭氧反應(yīng)器的COD 負(fù)荷來決定。較高的COD 負(fù)荷則產(chǎn)生較高的氣量。沼氣位于厭氧反應(yīng)器頂部的脫氣罐收集以進(jìn)一步處理。

( 1) 脫泡器( V 03)

用于脫去沼氣經(jīng)過脫泡器所產(chǎn)生的泡沫。

( 2) 沼氣柜( V04)

產(chǎn)生的沼氣由厭氧反應(yīng)器頂部的脫氣罐所收集, 然后排至沼氣柜中( V04) 。該沼氣柜的壁由經(jīng)防腐處理的碳鋼組成并帶有一可活動(dòng)的浮頂, 浮頂上設(shè)置混凝土配重使沼氣系統(tǒng)中保持250~ 300 mm H2O 的壓力。

( 3) 沼氣燃燒器( R02)

該工藝產(chǎn)生的沼氣由沼氣柜排至一沼氣燃燒器( R02) 處理。燃燒器通過沼氣柜( V04) 的氣位自動(dòng)操作, 如果沼氣儲氣柜的氣位到一設(shè)定點(diǎn)由點(diǎn)火閥自動(dòng)打開且點(diǎn)火器自動(dòng)點(diǎn)火。如果溫度探頭監(jiān)測到高溫則說明點(diǎn)火火苗已被點(diǎn)燃。

( 4) 自動(dòng)排水器( V05)

從厭氧反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣飽和水汽, 當(dāng)沼氣溫度下降時(shí)會冷凝析出水。這些冷凝水由自動(dòng)排水器( V05) 分離收集, 在冷凝水收集罐中設(shè)有水封來用于防止沼氣從排水管泄漏( 排水來自沼氣管路) 。

3. 5  工藝的故障及分析

本工藝主要針對COD 和BOD 的指標(biāo)下降來進(jìn)行設(shè)計(jì), 所以要聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)踐來按照該工藝進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。整個(gè)工藝流程的心臟是厭氧反應(yīng)器, 所以必須保證它的正常啟動(dòng)和運(yùn)行。首先需要保證一定數(shù)量的厭氧顆粒污泥, 如果接種的污泥量不足則將花費(fèi)更長的時(shí)間才能達(dá)到最終設(shè)計(jì)的負(fù)荷率。其次, 廢水處理廠進(jìn)水水質(zhì)的改變總會影響厭氧反應(yīng)器系統(tǒng)的運(yùn)行效果, 因此有必要了解廢水的特征改變的情況, 如此才可以采取預(yù)防措施。若進(jìn)水不處于厭氧反應(yīng)器的適宜范圍, 則會損害或抑制厭氧污泥并降低反應(yīng)器的運(yùn)行效率[ 4] 。

從整個(gè)工藝來看, 如果在運(yùn)行中工藝不正常, 通�？梢詮南旅娴脑蜻M(jìn)行分析: ( 1) 進(jìn)水的pH 值超出最佳范圍; ( 2) 存在有毒物質(zhì); ( 3) 在生產(chǎn)過程中化學(xué)品的改變; ( 4) 污泥床混合不均勻; ( 5) 反應(yīng)器溫度過高或過低; ( 6) 有機(jī)負(fù)荷過高; ( 7) 營養(yǎng)物不足; ( 8) 痕量元素不足; ( 9) 預(yù)酸化度超出范圍; ( 10) 進(jìn)水中顆粒物濃度過高; ( 11) 進(jìn)水中含有脂肪、油和油脂; ( 12) 進(jìn)水中鈣濃度過高。通過一一排除, 綜合考慮, 最終可以得到異常原因, 從而解決。

4  后續(xù)處理工藝

本工藝認(rèn)為經(jīng)過處理后CODCr 500 mg/ L; BOD5 280 mg/ L; 但是不能達(dá)到國家要求的排放標(biāo)準(zhǔn), 所以需要增加后續(xù)工藝, 主要介紹如下2 種方案。

4. 1  CCAS 工藝

CCAS 工藝流程如圖6 所示, 即連續(xù)循環(huán)曝氣系統(tǒng)工藝( Continuous Cycle Aeration System) , 是一種連續(xù)進(jìn)水式SBR 曝氣系統(tǒng)。這種工藝是在 SBR( Sequencing Batch Reactor, 序批式處理法) 的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成。經(jīng)過CCAS 工藝處理后, 可以使本工藝的指標(biāo)下降很多, CODCr 100 mg/ L; BOD5 30 mg / L, 從而達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)工藝由充氣-曝氣、充水-泥水分離、上清液潷除和充水- 閑置等4 個(gè)階段組成, 并形成一個(gè)周期。與SBR 工藝不同的是, CASS 工藝在沉淀階段不僅不停止進(jìn)水, 而且污泥回流也不停止。工藝流程改進(jìn)的方法主要是在反應(yīng)器R01 和中水緩沖池T04 中間加了一個(gè)曝氣、沉淀系統(tǒng)。

4. 2  膜生物反應(yīng)器(MBR) 工藝

膜生物反應(yīng)器( MBR) 工藝流程如圖7, 它集給水處理的膜法和污水處理的活性污泥法2 種技術(shù)于一體, 作為一個(gè)單元兼具有過濾機(jī)理和生化作用兩大特點(diǎn), 所以出水水質(zhì)非常穩(wěn)定, 其中 CODCr 60 mg / L; BOD5 15 mg/ L。它具有如下顯著特點(diǎn)[ 5] : ( 1) 工藝流程簡單。它將傳統(tǒng)流程中的曝氣池、二沉池和污泥濃縮池的功能集MBR 池于一體, 然后將膜浸沒到MBR 池中, 生化后過濾出水, 工藝簡單易于管理; ( 2) 節(jié)省占地。由于工藝流程簡單, 處理單元少, 水力停留時(shí)間小于傳統(tǒng)活性污泥法, 所以池容小, 結(jié)構(gòu)緊湊; ( 3) 整套設(shè)備對有機(jī)污染物COD 去除率達(dá)90% 以上, 幾乎不需排泥。由于該設(shè)備可以在污泥質(zhì)量濃度 10 g/ L 以上運(yùn)行, 有機(jī)負(fù)荷比傳統(tǒng)生物處理更低, 有機(jī)污染物在高污泥濃度的MBR 池得到較為徹底的分解, 所以剩余污泥幾乎沒有。

為了達(dá)到出水水質(zhì)的要求, 主要指COD 和 BOD 的指標(biāo)達(dá)到排放的標(biāo)準(zhǔn), 可以在厭氧工藝的基礎(chǔ)上采取許多后續(xù)方案。上面只是介紹了2 種比較先進(jìn)的方法, 有時(shí)根據(jù)實(shí)際需要, 也可以采用其他方法, 如氧化溝甚至傳統(tǒng)活性污泥法。

表1 是幾種方法的比較。

5  結(jié) 論

本厭氧法污水處理工藝主要包括加藥單元、沼氣處理單元、凈水單元、厭氧反應(yīng)單元等, 使 CODCr 從3 000 g / L 降到了500 g/ L。為了達(dá)到國家的排放標(biāo)準(zhǔn), 對該工藝采取了后續(xù)處理, 一種是CA SS 工藝, 一種是MBR 法, 同時(shí)這2 種方法也跟氧化溝法和傳統(tǒng)活性污泥法進(jìn)行了比較�？傊�, 污水處理可以單獨(dú)使用上述其中一種方法, 也可以有多種方法的組合, 具體方案的設(shè)計(jì)需要根據(jù)進(jìn)出水質(zhì)的要求、占地面積、設(shè)備費(fèi)用、運(yùn)行成本、培養(yǎng)調(diào)試以及維護(hù)管理等方面綜合考慮來確定。

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