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            廢水處理工藝比較簡述

            最早的厭氧生物處理構筑物是化糞池,近年開發的有厭氧生物濾池、厭氧接觸法、上流式厭氧污泥床反應器、分流厭氧處理法、厭氧膨脹床和厭氧流化床、厭氧生物轉盤、兩相厭氧法等。

            廢水生物處理工藝簡介

            一、生物處理工藝:

            1、厭氧工藝

            2、好氧工藝

            二、生物處理工藝方法:

            1、厭氧工藝

            最早的厭氧生物處理構筑物是化糞池,近年開發的有厭氧生物濾池、厭氧接觸法、上流式厭氧污泥床反應器、分流厭氧處理法、厭氧膨脹床和厭氧流化床、厭氧生物轉盤、兩相厭氧法等。

            一、化糞池

            化糞池用于處理來自廁所的糞便污水,曾廣泛用于不設污水處理廠的合流制排水系統,尚可用于郊區的別墅式建筑。

            二、厭氧生物過濾法

            厭氧生物濾池是密封的水池,池內放置填料。污水從池底進入,從池頂排出。微生物附著生長在濾料上,平均停留時間可長達100d左右。濾料可采用拳狀石質濾料,如碎石、卵石等,粒徑在40mm左右,也可使用塑料填料。塑料填料具有較高的孔隙率,質量也輕,但價格較貴。

            根據對一些有機污水的實驗結果,當溫度在25-35℃時,在使用拳狀濾料時,體積負荷可達到3-6kgCOD/m3·d);在使用塑料填料時,體積負荷可達到3-10kgCOD/m3·d)。

            厭氧生物濾池的主要優點是:處理能力較高;濾池內可以保持很高的微生物濃度;不需要另設泥水分離設備,出水SS較低;設備簡單、操作方便等。它的主要缺點是:濾料費用較高;濾料容易堵塞,尤其是下部,生物膜很厚,堵塞后沒有簡單有效地清洗方法。因此,懸浮固體高的污水不適用此法。

            三、厭氧接觸法

            對于懸浮固體較高的有機污水,可以采用厭氧接觸法。污水先進入混合接觸池(消化池)與回流的厭氧污泥相混合,然后經真空脫氣器流入沉淀池。接觸池中的污泥濃度要求很高,在12000-15000mg/L,因此污泥回流量很大,一般是污水流量的2-3倍。

            厭氧接觸法實質上是厭氧活性污泥法,不需要曝氣而需要脫氣。厭氧接觸法對懸浮固體高的有機污水(如肉類加工污水等)效果很好,懸浮顆粒成為微生物的載體,并且很容易在沉淀池中沉淀。在混合接觸池中,要進行適當攪拌以使污泥保持懸浮狀態。攪拌可以用機械方法,也可以用泵循環池水。據報道,肉類加工污水(BOD5,約1000-1800mg/L)在中溫消化時,經過6-12h(以污水入流量計)的厭氧接觸池消化,BOD5去除率可達90%以上。

            厭氧接觸法的優點是,由于污泥回流,厭氧反應器內能夠維持較高的污泥濃度,大大降低了水力停留時間,并使反應器具有一定的耐沖擊負荷能力。

            其缺點是,從厭氧反應器排出的混合液中的污泥有趣附著大量氣泡,在沉淀池中易于上浮到水面而被出水帶走。此外進入沉淀池的污泥仍有產甲烷菌在活動,并產生沼氣。使已沉淀的污泥上翻,固液分離效果不佳,回流污泥濃度因此降低,影響到反應器內污泥濃度的提高。對此可采取下列技術措施:

            1)在反應器與沉淀池之間設脫氣器,盡可能將混合液中的沼氣脫除。但這種措施不能抑制產甲烷菌在沉淀池內繼續產氣。

            2)在反應器與沉淀池之間設冷氣器,使混合液中的溫度由35℃降至15℃,以抑制產甲烷菌在沉淀池內活動,將冷卻器與脫氣器聯用能夠比較有效地防止產生污泥上浮現象。

            3)投加混凝劑,提高沉淀效果。

            4)用膜過濾代替沉淀池。

            四、上流式厭氧污泥床反應器

            上流式厭氧污泥床反應器(UASB)是由荷蘭Lettinga教授等在1972年研制,于1977年開發的。污水自下而上地通過厭氧污泥床反應器。在反應器的底部有一個高濃度(可達60-80g/L)、高活性的污泥層,大部分的有機物在這里被轉化為CH4CO2。由于氣態產物(消化氣)的攪動和氣泡黏附污泥,在污泥層之上形成一個污泥懸浮層。反應器的上部設有三相分離器,完成氣、液、固三相的分離。被分離的消化氣從上部導出,被分離的污泥則自動滑落到懸浮污泥層。出水則從澄清區流出。由于在反應器內可以培養出大量厭氧顆粒污泥,使反應器的負荷很大。對一般的高濃度有機污水,當水溫在30℃左右時,負荷可達10-20 kgCOD/m3·d)。

            試驗結果表明,良好的顆粒污泥床的形成,使得有機負荷和去除率高,不需要攪拌,能適合負荷沖擊和溫度與pH的變化。它是一種目前應用很廣泛的厭氧處理設備。

            五、分段厭氧處理法

            根據厭氧消化份階段進行的事實,對于固態有機物濃度高的污水,將水解、酸化和甲烷化過程分開進行。第一段的功能是:固態有機物水解為有機酸;緩沖和稀釋負荷沖擊與有害物質,截留固態難降解物質。第二段的功能是:保持嚴格的厭氧條件和pH,以利于產甲烷菌的生長:降解、穩定有機物,產生含甲烷較多的消化氣;并截留懸浮固體,以改善出水水質。

            二段式厭氧處理法的流程尚無定式,可以采用不同構筑物予以組合。例如對懸浮固體高的工業廢水,采用厭氧接觸法與上流式厭氧污泥床反應器串聯的組合已經有成功的經驗。二段式厭氧處理法具有運行穩定可靠,能承受pH、毒物等的沖擊,有機負荷高,消化氣中甲烷含量高的等特點;但這種方法也有設備較多,流程和操作復雜等缺陷。研究表明,二段式并不是對各種污水都提高負荷。例如,對于固態有機物低的污水,不論用一段式或二段式,負荷和效果都差不多。因此,研究采用什么樣的反應器以及如何組合,要根據具體的水質等情況而定。

            六、厭氧膨脹床和厭氧流化床

            床體內充填細小的骨頭顆粒填料,如石英砂、無煙煤、活性炭、陶粒和沸石等,填料粒徑一般為0.2-1mm。污水從床底部流入,為使填料層膨脹,需將部分出水用循環泵回流,提高床內水流的上升流速。一般認為膨脹率為10%-20%的為厭氧膨脹床,膨脹床的顆粒保持相互接觸;膨脹率為20%-70%的為厭氧硫化床,流化床的顆粒做無規矩的自由運動。

            其優點是,有機物容積負荷較高,水力停留時間短,耐沖擊負荷能力強,運行穩定,載體不易阻塞。缺點是耗能較大。

            七、厭氧生物轉盤

            厭氧生物轉盤的構造與好氧生物轉盤相似,不同之處在于上部加蓋密封,為收集沼氣和防止液面上的空間存氧。污水處理靠盤片表面生物膜和懸浮在反應槽中的厭氧活性污泥共同完成。盤片轉動時,作用在生物膜上的剪切力將老化的生物膜剝下,在水中呈懸浮狀態,隨水流出槽外。沼氣從槽頂排出。

            其優點是,可承受較高有機負荷和沖擊負荷,COD去除率可達90%以上,不存在載體堵塞問題,生物膜可經常保持較高活性,便于管理。其缺點是造價高。

            八、兩相厭氧法

            兩相厭氧法是一直新型的厭氧生物處理工藝。1971年戈什(Ghosh)和波蘭特(Pohland)首次提出了兩相發酵的概念,即把產酸和產甲烷兩個階段的反應分別在兩個獨立的反應器內進行,以創造各自最佳的環境條件,并將這兩個反應器串聯起來,形成兩相厭氧發酵系統。

            由于兩相厭氧發酵系統能夠承受較高的負荷,反應器容積較小,運行穩定,日益受到人們的重視。

            由于酸化和甲烷發酵是在獨立的反應器內分別進行,從而使本工藝具有下列特點:

            1)為產酸菌、產甲烷菌分別提供各自最佳的生長繁殖條件,在各自反應器能夠得到最高的反應速率。

            2)酸化反應器有一定的緩沖作用,緩解沖擊負荷對后續的產甲烷反應器的影響。

            3)酸化反應器反應進程快,水力停留時間短,COD濃度可去除20%-25%,能夠大大減輕產甲烷反應器的負荷。

            4)負荷高,反應器容積小基建費用低。

            九、厭氧微電解法

            厭氧微電解法同厭氧生物過濾法相同,所不同的是采用微電解填料作為微生物載體,在厭氧的同時微電解填料進行化學原電池反應成為腐蝕電池。體積負荷可達到10-20kgCOD/m3·d)。

            2、好氧工藝

            最早的好氧生物處理構筑物是氧化塘,近年開發的有好氧生物濾池、好氧生物接觸法、活性污泥法、序批式活性污泥法(SBR)、MBR膜生物反應器、好氧生物轉盤法(生物接觸法)、氧化溝(活性污泥法)、微電解氧化法等。

            一、活性污泥法

            活性污泥法是使具有凈化功能的絮凝體狀比表面積大的微生物增殖體,根據需要在生物反應體系由不斷地循環,而且通過人為的控制多余部分排出系統外,使反應器內的底物,即污水中的BOD物質和微生物的比值保持一定的水平,并在溶解氧存在的條件下,使底物和由不同種群微生物所形成的絮凝體充分接觸而進行微生物代謝和有機物分解的生化處理方法。

            優點:對污染物的截留能力強,生化徹底,出水水質有保證。

            缺點:占地面積較大,耐沖擊能力低,運行費用高。

            二、序批式活性污泥法(SBR

            序批式活性污泥法(SBR)是在普通活性污泥法的基礎上發展起來的,其污水處理機制與普通活性污泥法相同,主要區別在于原污水不是順次流經各個處理單元,而是放流到單一反應池內,按時間順序實現不同目的操作,SBR法對有機物的去除機理是:在反應器內預先培養馴化一定量的活性微生物(活性污泥),當廢水進入反應器與活性污泥混合接觸并有氧存在時,微生物利用廢水中的有機物進行新陳代謝,將有機污染物轉化為CO2、H2O等無機物;同時,微生物細胞增值,最后將微生物細胞物質(活性污泥)與水沉淀分離,廢水得到處理。SBR法不同于傳統活性污泥法,在流態及有機物降解上是空間推流的特點。該法在流態上屬完全混合型,而在有機物降解方面,有機基質含量是隨時間的進展而降解的。

            優點:不易產生污泥膨脹,處理構筑物的構成簡單,省去了二沉池,節省投資和占地面積。

            缺點:SBR為間歇運行,不可連續運行,管理比較麻煩。

            三、生物接觸氧化法

            生物接觸氧化法是介于活性污泥法和生物膜法之間的一種工藝。接觸氧化池內設有填料,部分微生物以生物膜的形式固著生長于填料表面,部分則以絮狀懸浮生長于水中。因此它兼有活性污泥法與生物濾池二者的特點。由于其中濾料及其上生物膜均淹沒于水中,它又被稱為淹沒式生物濾池。

            生物接觸氧化法具有以下主要特點:

            ①由于填料的比表面積大,池內的充氧條件良好,生物接觸氧化池內單位容積的生物固體量都高于活性污泥法曝氣池,因此生物接觸氧化法具有較高的容積負荷;

            ②由于相當一部分微生物固著生長在填料表面,生物接觸氧化法不需要設污泥回流系統,也不存在污泥膨脹問題,動力消耗低,運行管理方便;

            ③由于生物接觸氧化池內生物固體量多,水流屬完全混合型,因此生物接觸氧化池對水質水量的驟變有較強的適應能力;

            ④由于生物接觸氧化池內生物固體量多,當有機容積負荷較高時,其F/M比可以保持在一定水平,因此污泥產量可相當于或低于活性污泥法。

            四、微電解生物氧化法

            微電解生物氧化法是介于活性污泥法和生物接觸氧化法及化學原電池反應之間的一種工藝,是90年代初新興的一種廢水處理工藝。

            利用微生物代謝作用除去廢水中有機污染物。微生物的代謝有賴于有機物等營養物質維持其生命和增殖,而在代謝過程中,有機物則由微生物的作用得以降解,分解轉化為無機物,從而使廢水中的有機污染物得到去除。利用好氧微生物在有氧條件下的代謝作用,將廢水中復雜的有機物分解去除的方法。廢水中有機物的氧化降解分為三個階段:首先降解為單糖、氨基酸或甘油,繼而又被氧化成CO2、H2Oa-酮戊二酸和草醋酸,最后又被氧化成CO2H2O。在有機物降解的同時,微生物則發生原生質的合成反應而增殖,而合成的能量由有機物氧化過程獲得。

            基于多孔網狀高分子填料作為微生物載體,近年來,采用微電解法處理稀土廢水、冶金廢水、煉焦廢水、制藥廢水、電鍍廢水、石油、化工廢水、煤氣洗滌廢水、印染廢水、農藥廢水等的研究報道越來越多。以上各種有機工業廢水的特點是污染物種類多,毒性大,C O D值高,酸堿性變化強,大部分都是生物難降解的污染物質,對生態環境和人體健康有很大的危害。如果采用生化方法或其他單項處理技術處理此類廢水,不僅經濟上不合算,同時也難以達到良好的處理效果。微電解填料形成的微電解工藝與生化處理工藝相結合則在提高廢水可生化性,改善廢水水質,減輕后續處理負荷以及提高處理效果方面具有明顯的優勢。利用微電解法處理工業廢水因其具有以廢治廢 、效果好、投資省、適用面廣和運行成本低等優點而廣泛受到重視。 

            其微電解機理如下:

            鐵炭微電解反應的基本原理是鐵與炭在電解質溶液中形成原電池,鐵為陽極,炭為陰極,陽極在電池反應中表現為失去電子被氧化,而陰極得到電子被還原,鐵炭微電解基于電化學中的電池和陰極材料接觸在一起,浸沒在電電池反應而成為腐蝕電池,金屬陽極電極反應如下:

            陽極( F e )  

            Fe+2eFe2+   E0Fe2+/ Fe=-0.44V

            陰極( C)  

            酸性條件下, 

            2H++2e2 H】→+H2   E0 ( H+H2 )=O.00V

            當有溶解氧存在,酸性條件下反應表現為:

            02+4H++4e2H20   E0( O2 ) = 1.23V 

            當有溶解氧存在,堿性條件下:

            O2+2H2O+4e4OH-    E0( O2OH-)=0.40V

            由陰極反應可見,在酸性充氧條件下,兩者的電位差較大,腐蝕反應進行最快,這說明鐵在還原曝氣條件下處理工業有機廢水的效果應該優于不曝氣條件下的處理效果,另外 ,陰極反應消耗了大量的H, 會提高溶液的pH值。 

            1.氫的氧化還原作用

            電極反應中得到的新生態[H]具有很強的活性,能與廢水中NO2-N 、 NO3-N發生還原作用。電化學反應中產生的新生態氫具有較大的活性,能破壞發色物質的發色結構,使廢水中某些有機物的發色基團和助色基團破裂,大分子分解為小分子,達到脫色的目的,同時使廢水的組成向易于生化的方向轉變。

            2.鐵的還原作用

            鐵是活潑的金屬,在酸性或偏酸性條件下的廢水中,發生如下反應:

                    Fe+2H+ → Fe2++H2  

            當水中有氧化劑時,Fe2+可進一步被氧化成Fe3+, 其反應式為:

                    Fe2+e →  Fe3+ 

            從上式可知,酸性條件下能使一些大分子發色有機物降解為無色或淡色的低分子物質,具有脫色作用,同時也提高了廢水的可生化性,為后續生化處理創造了條件。 

            3.鐵離子的混凝作用

            從陽極得到的Fe2+在有氧和堿性的條件下,會生成Fe (OH)2Fe (OH)3,其發生的反應為:

                    Fe2+ + 2OH → Fe (OH)2                        

                    4 Fe2++8OH+O2+2H2O → 4Fe (OH)3             

              生成的Fe (OH)2是一種高效的絮凝劑,具有良好的脫色和吸附作用。而生成的Fe (OH)3 也是一種高效膠體絮凝劑,比一般的藥劑水解法得到的Fe (OH)3 吸附能力強,可強烈吸附廢水中的懸浮物、部分有色物質及微電解產生的不溶物。經過以上各反應的綜合作用,最終實現以下效果。

            1)在pH、Fe/C(質量比)及反應時間控制適當時,可實現下列反應:

                    NO2+4H+ +3e → 1/2N2+2H2

                    NO3 +6H++5e → 1/2N2+3H2

            2)在pH、Fe/C及反應時間控制不當時,就會進行如下反應:

                    NO2+8H+ +6e → NH4 + + 2H2O   

                    NO3 +10H++8e → NH4 + + 3H2O  

            從上式可知,微電解針對有機廢水處理有非常優良的效果。

            五、MBR膜生物反應器

            MBR膜生物反應器是介于活性污泥法和生物接觸氧化法及納米技術之間的一種工藝,是90年代初新興的一種廢水處理工藝。

            膜分離性能按截留分子量(MWC)大小進行評價,具有較小的 MWCs 可去除水中較小分子量的物質。RO MWCs 100200 dalton ,其截留性能最好,能去除水中絕大部分的離子,透過的幾乎是溶劑,即純水。但 RO 運行壓力高,一般為 1.5 MPa 。納濾膜的 MWCs 2002 000 dalton ,介于反滲透和超濾之間。根據 NF MWCs 推測可能有 1nm 左右的微孔結構,故稱“納濾”。NF 是一種荷電膜,其特點具有離子選擇性,一價離子可大量透過膜,但對多價離子,如鈣鎂等,具有很高的截留率。NF 的操作壓強在 0.51MPa。

            UF 孔徑范圍在 0.001 0.1μ m。UF MP 運行壓強僅為 70200kPa。

            反滲透所分離的溶質, 一般為相對分子量< 500 的糖類、鹽類等低分子,反滲透分離過程中溶液的滲透壓較高,為了克服滲透壓,因而采用較高的壓強,操作壓強一般為 210 MPa ,水透過率為 0. 12. 5 m3/ (m2·d) 。

            微濾膜所分離的組分直徑為 0. 0315μ m ,主要去除微粒和細粒物質,所用膜一般為對稱膜,操作壓強為 0. 01 0. 2 MPa ,水透過率為 10 20m3/ (m2·d) 。

            超濾膜所分離的組分直徑為 0. 00510μ m ,一般相對分子量> 500 的大分子和膠體。超濾過濾過程中溶液的滲透壓很小,因而采用較小的操作壓力,一般為 0. 10. 5 MPa ,所用膜為非對稱膜,膜的水透過率為 0. 55.0 m3/ (m2·d) 。

                納濾膜存在納米級的細孔,是超低壓反滲透技術的延續和發展??讖絺鬟f性能介于反滲透和超濾膜之間。所分離物質的分子量為 2001000 。一般操作壓強為 1MPa 左右,所用膜為非對稱膜。納濾膜對二價和多價離子以及分子量在 2001000 有機物具有較高的去除率。

                微濾和超濾可有效地去除水中微生物(如隱孢子蟲、賈第蟲、細菌和病毒) ,分離溶液中的大分子、膠體、蛋白質、顆粒等。同時,由于更多更好的超濾、微濾膜組件的開發運用,不同于反滲透和納濾需要昂的去除顆粒物的預處理,可以直接處理高懸浮固體濃度的原水,因此,膜處理過程易于實現操作過程的自控和遙控,因其運行是自動的,且運行參數難以受外界因素的影響,故運行較穩定。

                膜分離由于具有處理效率高、工藝流程短、易控制、使用靈活、膜分離水廠占地面積少,生產可實行自動化等特點,可以獲得以往傳統處理工藝從未達到的、穩定可靠的潔凈水質。是水處理領域常規處理方式所不能比擬的優點,所以膜法水處理技術在水工業中已受到特別青睞。處理水即可達到排放要求及回用要求。

            三、好氧生物處理工藝比較:

            在相同基數的情況下,每種不同的好氧生物處理都有自身的優點及缺點:



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