第9章 厌氧污水处理.docx
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第9章厌氧污水处理
第9章污水厌氧处理
MogensHenze著
污水厌氧处理不同于污泥厌氧处理,其原因在于污水厌氧处理中大部分有机物质是溶解性的,要去除污水中溶解性有机物质,就意味着必须使其与进行厌氧处理的微生物之间保持良好、充分的接触。
对污水厌氧处理而言,其水力停留时间、泥龄与污泥厌氧处理有很大不同。
第一座工业污水厌氧处理厂建于1929年丹麦的Slagelse,用于处理生产酵母的污水。
在这座污水厂运行将近30年的时间里,污水厌氧处理技术一直进展非常缓慢。
直到1980年左右,荷兰上向流厌氧活性污泥床(UASB)的引进才使该技术的发展得以走向高潮。
厌氧处理工艺运行费较低且产生有相当价值的气体,尤适宜于高浓度污水处理,因为好氧氧化有机物会增加电耗。
如果所处理的污水温度较高则更易显示此处理工艺的优越性,因为反应池的必要容积可因此而减小。
一种减小池容的方法是采用池内能够保持高浓度污泥的处理工艺,厌氧处理工艺因此也正朝着这个方向发展,例如已为大家熟知的由生物技术其它分支和化学技术发展而来的污泥床处理工艺和流化床滤池工艺[11]。
污水厌氧处理工艺一般用于处理工业废水,对城市污水的处理,该工艺的应用并不普遍,其原因是出水水质不能达标,一般都需要进一步的好氧处理。
从百分比来看,工业废水厌氧处理能去除大量的有机物质,但几乎不去除其它营养物质。
因此污水厌氧处理工艺一般用于污水的预处理,其后需要其它的处理工艺。
9.1污水厌氧处理系统的物料平衡
图9.1所示的为污水厌氧处理系统示意。
图9.1污水厌氧处理示意图
对污水厌氧处理工艺,当我们了解所采用的工艺及其动力学时,即可写出其物料平衡方程。
表9.1列出了厌氧工艺的工艺矩阵,与其它工艺矩阵一样,这是对真实情况的一种极大的简化。
表9.2的工艺矩阵就更加简化,可在负荷稳定、产甲烷为速率限制过程的情况下使用。
值得注意的是,对污水厌氧处理工艺而言,产甲烷大概是唯一能从污水中去除COD的工艺过程,其后,去除悬浮物的工艺,例如沉淀,仅能去除少量的悬浮性COD。
厌氧处理工艺矩阵表9.1
组分→
工艺过程↓
XB,S
XB,M
XI
XS
SS
SHAc
SCH4
SALK
1.有机物质水解
-1
1
2.产酸
1
3.产甲烷
1
-
4.产酸菌的衰减
-1
5.甲烷菌的衰减
-1
单位
kgCOD/m3
eqv/m3
产酸菌生物量
产甲烷菌生物量
惰性悬浮性有机物质
慢速可生物降解有机物质
易生物降解有机物质
乙酸
甲烷
碱度
厌氧处理的简化工艺矩阵(Ymax为最大总厌氧产率系数)表9.2
组分→
工艺过程↓
XB
CS
SCH4
反应速率rV,X
产甲烷
1
kgCOD/m3生物量
kgCOD/m3有机物质
kgCOD/m3甲烷
如图9.1所示,可写出污水的COD物料平衡方程(采用表9.2的简化工艺矩阵):
(9.1)
甲烷产量等于去除的COD,因此为rV,XV2。
1.悬浮污泥处理工艺
在悬浮污泥厌氧工艺中泥龄常作为设计的基础,污水处理系统要满足泥龄的设计,以便生长缓慢的甲烷菌能够存活。
由表9.1可得甲烷菌的净比生长速率μobs:
因此整个污水系统甲烷菌的物料平衡(图9.2)方程如下所示:
(9.2)
图9.2厌氧处理的悬浮工艺/悬浮污泥床工艺
进水中甲烷菌的数量Q1XB,M,1一般可假定为0,引入污泥产量FSP=Q3XB,M,3+Q5XB,M,5(见式(4.12)),污泥量MX=XB,M,2V2(见式4.10)和泥龄X,M(见式(4.14)),可得:
X,M=1/obs,M,net(9.3)
图9.3所示为必需的泥龄与温度的关系,式(9.4)中给出了池容V2。
(9.4)
图9.3污水厌氧处理厂泥龄与温度关系图
【例9.1】某厌氧接触处理厂(悬浮污泥)将用于处理来自一家糖厂的废水,已测得30℃时甲烷菌的净比生长速率为0.05d-1,求其泥龄。
由式(9.3)可得:
从图9.3中可估计出所需泥龄为20~28d,因此必需的泥龄应为一般实践范围内的较低值。
如果是55℃时的高温工艺过程,其必需的泥龄应为多少?
从图9.3可看出X,M为6~12d,如果假定甲烷菌55℃时净生长速率很高,正如30℃时的计算一样,那么必需的泥龄可估算为6d。
2.生物膜法处理工艺
污水COD的物料平衡如下所示:
(9.5)
无论是在生物膜内还是在液相中(即生物膜为全部有效的),反应速率rA,M通常可描述为零级反应。
如果生物膜的体积为A2*L2(L2为厚度),且生物膜自身的生物量浓度为XB,f,2,我们有:
式中XB,2––––厌氧池生物量的容积浓度
代入式(9.5),可得
(9.6)
生物膜内的生物量浓度XB,f,2可能较高(10~50kgCOD/m3),这意味着与整个池容相比,X2也可能比较高。
9.2污水厌氧处理系统的类型
与其它生物处理工艺一样,污水厌氧处理系统可分为悬浮污泥处理系统和生物膜法系统。
由于污水厌氧处理系统通常处理高浓度污水,有时污泥浓度很高,所以有必要对污水进行预处理,预处理可能包括对悬浮固体和溶解性固体的分离。
9.2.1厌氧处理系统的污水预处理
预处理可包括下列处理过程:
细格栅,沉淀,浮选,超滤。
可对以上处理过程进行组合,例如沉淀和超滤可组合在一起。
图9.4给出了一个污水系统布局的例子,在这里进行固相和液相的分离,因此采用了两个单独的厌氧池,污泥可在传统消化池中去除,而溶解性有机物质可采用下一章所讨论的多种形式的污水处理工艺中的任一种进行处理。
超滤法可用于浓缩低浓度污水,例如普通的生活污水;或者作为高浓度污水(工业、农业)的一项实用处理工艺。
预处理可用于任何带有滤池的污水处理厂,对进入滤池的污水有必要进行预处理以防阻塞,预处理可采用从细格栅到超滤法中的任何一种。
9.2.2悬浮污泥污水处理系统
这类处理系统类似于活性污泥污水处理系统。
污泥通过机械搅拌,或者某种情况下通过处理过程中产生的气体及污水的泵入进行搅拌。
传统的处理系统如图9.5所示,被称为接触处理工艺。
生物处理在一个很高的池子(5~10m)内进行,而污泥分离则通过沉淀、成层沉降进行,或许会需要脱气或冷却等前处理,参见图9.6。
图9.4采用两个单独的厌氧反应器的污水厌氧处理系统(适合于处理含高浓度悬浮固体的污水)
图9.5厌氧接触污水处理工艺
图9.6污水厌氧处理的污泥分离技术
脱气或气提阻止或延迟了由于产气引起的污泥上浮,这是因为脱气之后,水相充分过饱和之前,气泡会再度形成,导致污泥上浮。
脱气可采用机械脱气/水力脱气,或真空脱气。
冷却可使生物过程暂时停止并在随后一段时间内阻止了新的气泡产生。
接触处理工艺对污水厌氧处理而言是一个历史的起点。
世界上第一座这样的处理厂建于1929年丹麦的Slagelse,用于处理Destiller酵母厂的废水。
接触处理工艺应用广泛,尤其是制糖业和酒精工业。
图9.7所示为丹麦哥本哈根PectinA/S的厌氧接触工艺。
接触处理工艺的一个现代变体是上向流厌氧污泥床(UASB),如图9.8所示,该工艺由一个上向流生物池结合沉淀池组成。
图9.7丹麦哥本哈根PectinA/S,LlSkensevd厌氧接触工艺(污泥分离通过成层沉淀完成)
该厂始建于1970年左右,以后又分阶段进行扩建
图9.8厌氧污泥床反应器(该反应器顶部有一个三相分离器以分离气、水和污泥)
适于高浓度醋酸废水,如制糖业的水解废水
在一个布局合理的生物池,假如污水中的有机物质是易降解的(最好是溶解性的),微生物可形成球形颗粒,普通絮体总是不断被降解和再生,而这种球形颗粒则是持久的。
这种球形颗粒生物量浓度高,密度大,因此不仅拥有很高的容积去除率,而且留在生物池内,构成其活性部分(因为它们的沉速大于上升水流速度)。
污泥床反应器中的污泥浓度一般两倍于厌氧接触反应器,为5~15kgVSS/m3(7~20kgCOD/m3)。
污泥床反应器经常产生一些与进水及水气分离有关的水力学问题。
厌氧污泥床反应器是目前应用最为广泛的厌氧处理器,图9.9给出了该反应器的一个例子。
图9.9荷兰CSM的UASB厌氧反应器(处理制糖废水)
9.2.3厌氧滤池
厌氧处理中不同滤池(生物滤池)的设计与其它生物处理一样。
滤池一般要求污水中的悬浮固体浓度较低,否则易发生堵塞。
由于进水中的SS较少,而且污泥产量低,这就意味着出水中的SS也很低,因此,一些厌氧滤池不设终沉池;另外一个不设终沉池的原因是厌氧滤池通常用作预处理,因此沉淀或类似的处理包括在污水的最终处理中。
所有的厌氧滤池中,有一部分微生物是悬浮的,尤其是固定床上向流滤池[1]和生物转盘。
固定床滤池,如图9.10所示,是最普通的厌氧滤池反应器,采用普通的塑料滤料,是淹没式上向流滤池。
图9.10固定床厌氧生物滤池(适宜于食品工业高温废水的预处理,气体由滤池的顶部排出)
图9.11所示为其它3种滤池的布局,这3种滤池的应用还不太广泛。
流化床滤池采用砂子作为载体。
在流化床和膨胀床滤池中,需要大的回流比以保证滤料层的浮动状态。
流化床存在一些水力问题,这些问题由于厌氧产生的气泡而变得更为复杂,这些气泡能够在滤池的顶部阻止水与颗粒的分离,另外也由于它们产生于生物膜与载体之间,从而导致生物膜的脱落。
在流化床滤池中,采用机械方法清洁滤池载体以去除粘附的生物膜,同时这也是膨胀床滤池的设计目的,通过滤料颗粒间相互摩擦来达到清洁的目的,使该处理在滤池内进行。
生物转盘上生物膜脱落则通过转盘的旋转速度来控制。
图9.11国外的厌氧滤池(一般不带终沉池,排出的污泥可单独处理或与处理后的水混合)
流化床滤池的滤料层高度通过排出滤料颗粒来控制(图中未给出),这些滤料经处理之后可回用于滤池
9.2.4污水厌氧处理系统的布局
污水厌氧处理系统的布局如图9.12所示,这类污水处理系统的特点为剩余污泥稳定,可以浓缩并直接脱水。
也可将厌氧处理分为两个工艺过程(池):
一个水解池和一个产甲烷池,但使用并不广泛。
在厌氧处理之前可能需要对污水进行预处理,参见9.2.1节。
图9.12污水厌氧处理系统(适用于处理高浓度有机废水)
9.3污水厌氧处理系统的设计
污水厌氧处理系统的设计尚处于极其不发达的阶段,尤其是厌氧滤池,到目前为止有关其控制机理的知识极其有限。
一般的设计标准是,以可降解有机物的较大去除为基础的,不可能按例如50%的去除率去设计,其原因是产甲烷菌生长缓慢,不得不使负荷降低以使大多数有机物水解并转化为短链的脂肪酸。
为了避免对甲烷化的抑制作用,几乎所有的脂肪酸必须进一步转化,这就是为什么不可能达到部分处理的原因。
因此设计的目的也就是要保证产甲烷菌的存活率(见图9.3和例9.1)。
反应温度非常重要,一般污水处理厂运行温度在35℃左右(中温),高温工艺(50~60℃)应用较少,有时反而采用更低的温度(15~25℃)。
9.3.1悬浮污泥污水处理系统的设计
这种污水厂一般按COD容积负荷、COD污泥负荷或泥龄设计。
1.按容积负荷设计
容积负荷BV,COD定义如下(符号见图9.1):
(9.7)
可得(所需)池容V2:
(9.8)
注意CCOD,1是可降解COD。
容积负荷因处理工艺类型不同而异,见表9.3,污水处理厂构筑物的尺寸数据和技术参数列于表9.4中。
不同温度下污水厌氧处理的可降解COD容积负荷(COD去除率80%~90%)表9.3
处理厂类型
容积负荷kgCOD/(m3d)
15~25℃
30~35℃
50~60℃
厌氧接触工艺
0.5~2
2~6
3~9
悬浮污泥工艺
1~3
3~10
5~15
固定床滤池
1~3
3~10
5~15
生物转盘
1~3
3~10
5~15
流化床滤池
1~4
4~12
6~18
膨胀床滤池
1~4
4~12
6~18
【例9.2】按容积负荷设计一座悬浮污泥污水厌氧处理厂,处理水量为1200m3/d,污水中有机物的成份见式(2.4):
SI=0.1kgCOD/m3SS=2.5kgCOD/m3
XI=0.2kgCOD/m3XS=0.2kgCOD/m3
CCOD=3.0kgCOD/m3
池内反应温度设定为35℃,查表9.3得BV,COD=3~10kgCOD/(m3d),这里我们取BV,COD=6kgCOD/(m3∙d),由式(9.8)可得池容V2:
(9.8)
可生物降解COD浓度为2.7kgCOD/m3,因为惰性溶解性COD(SI)和无活性的悬浮性COD(XI)必须扣除。
计算可得:
厌氧处理工艺技术数据(部分依据参考文献[1][2][3][4][5][11][12])表9.4
单位
流化床滤池
膨胀床滤池
生物转盘
固定床滤池
厌氧接触
悬浮污泥
滤料类型
–
砂
活性炭
砂
砾石
塑料
塑料
砾石
石
塑料
–
–
滤料粒径
mm
0.2~1
0.3~2
1000~3000
–
–
转盘间距
cm
–
–
10~20
–
–
–
转盘转速
rpm
–
–
2~5
–
–
–
圆周速度
m/s
–
–
0.3
–
–
–
滤料淹没程度
%
100
100
75~100
100
–
–
孔隙度(无生物体)
%
–
–
–
50~98
–
–
孔隙度(有生物体)
%
–
–
–
20~90
–
–
比表面积
m2/m3
200~600
200~600
100~200
60~200
–
–
池高
m
4~8
2~3
–
3~6
5~10
2~4
池半径
m
3~4
2~3
–
(5~20)
(5~20)
(5~20)
水流上升流速
m/h
4~8
1~5
–
–
–
0.01~0.15
回流比
5~500
2~50
–
–
0.5~2
–
池中污泥浓度
kgSS/m3
10~30
10~40
5~15
5~15
3~10
5~20
池中污泥浓度
kgVSS/m3
8~25
8~30
4~12
4~12
2~8
3~16
池中污泥浓度
kgCOD/m3
10~30
10~40
5~15
5~15
3~10
5~20
滤池载体上附着的污泥
占总量%
95~100
70~90
50~80
20~80*
80~90**
0
0
悬浮污泥
占总量%
0`5
10~30
20~50
20~80*
10~20**
100
100
出水污泥浓度
gSS/m3
20~100
20~100
20~300
20~300
20~100
20~100
气体通量
Nm3/(m2d)
5~40
5~40
–
5~20
–
5~20
最大气体通量
Nm3/(m2d)
30~40
30~40
–
10~20
–
10~20
水泵能耗
Wh/m3
15~30
10~20
–
–
–
–
污水水泵能耗
Wh/m3
75~3000
20~1000
5~10
20~40
10~30
15~30
旋转能耗
Wh/(m3池)
–
–
20~80
–
–
–
搅拌能耗
Wh/(m3池)
–
–
–
–
5~15
–
注:
*上向流**下向流
2.按污泥负荷设计
污泥负荷BX,COD定义为:
BX,COD=Q1CCOD,1/MX
污泥量MX是指污泥中的活性部分,由图9.2我们有:
MX=V2X2
代入上式中得:
V2=Q1CCOD,1/(X2BX,COD)(9.9)
不同类型污水处理系统的污泥负荷是一样的,见表9.5,但厌氧反应池中污泥浓度X2因污水处理工艺类型和实际运行方式的不同而异。
污泥负荷与污水厌氧处理工艺类型无关(COD去除率80%~90%)表9.5
污水中主要有机物质
污泥负荷kgCOD/(kgVSS∙d)
15~25℃
30~35℃
50~60℃
醋酸
溶解的
悬浮的
5~3
易降解有机物质
慢速可降解有机物质
5~10
7~1.5
0.1~0.3
7~15
3~5
0.5~1
3.按泥龄设计
设计的目的是确保甲烷菌在生物池内的存活,泥龄X,M由下式给出:
X,M=MX/FSP
式中污泥量MX是指污水处理系统中直接承担厌氧去除的那部分污泥,在大多数污水厌氧处理系统中指的是厌氧反应池的污泥。
由式(9.4)可得V2:
V2=X,MFSP/XB,M,2(9.4)
泥龄θX,M可从图9.3中查得,XB,M,2为污水厂设计参数,可从表9.4中5~15kgVSS/m3(7~20kgCOD/m3)的范围进行选择或估值,而污泥产量FSP需进行计算或估计,如下所示。
污泥产量可按下式计算:
FSP=原污水中悬浮性惰性有机物质+生物处理中产生的污泥量
采用图9.2的符号可得:
FSP=Q1XI,1+Q1(C1-SS,3)Yobs(9.10)
式中SS,3––––出水中溶解性可生物降解的有机物;
C1––––进水中可生物降解有机物。
总产率系数Yobs在0.05~0.10kgCOD/kgCOD范围内变化,见第3章3.7.2节。
4.污泥分离的设计
污泥分离设计以水力表面负荷和污泥表面负荷为基础,表9.6中列出了污水厌氧处理厂中一些分离技术的负荷值。
【例9.3】按泥龄设计厌氧接触污水处理厂。
例9.2中处理后的污水继续采用厌氧接触工艺进行处理,假定出水溶解性COD浓度为0.3kg/m3,池容V2可由式(9.4)计算:
V2=θX,MFSP/XB,M,2(9.4)
由图9.3查得泥龄θX,M约为20d,由表9.4可估计污泥浓度为8kgCOD/m3。
由式(9.10)可得污泥产量:
FSP=Q1XI,1+Q1(C1-SS,3)Yobs(9.10)
式中Q1=1200m3/d;XI,1=0.2kgCOD/m3;C1=2.7kgCOD/m3
污泥分离池的典型数据(以平均小时流量Qh,av计,见参考文献[5][6])表9.6
污泥分离技术
水力表面负荷m3/(m2∙h)
污泥表面负荷kgSS/(m2∙h)
传统沉淀
0.5~1.0
2~4
成层沉淀
1.0~2.0
3~6
气/泥分离器(悬浮污泥污水厂)
0.5~1.0
–
流化床滤池顶部分离
0.5~1.0
2~4
超滤
0.005~0.040*
–
注:
*m3)/(m2膜∙h)
出水中可生物降解的有机物质浓度SS,3可由下式得,
STOT,3=SS,3+SI,3
即有SS,3=STOT,3-SI.3=0.3-0.1=0.2kgCOD/m3,在此假定SI,3约等于SI,1。
产率系数Yobs变化范围为0.05~0.10kgCOD/kgCOD,这里取值为0.08kgCOD/kgCOD。
代换之后,由式(9.10)可得污泥产量:
FSP=1200m3/d×0.2kgCOD/m3+1200m3/d×(2.7kgCOD/m3×0.2kgCOD/m3)
×0.08kgCOD/kgCOD=480kgCOD/d
将θX,M,FSP和XB,M2代入式(9.4),可得池容:
V2=(20d×480kgCOD/d)/(8kgCOD/m3)=1200m3(即水力停留时间为1d)。
如果污泥总产量和处理水一起排出,则悬浮COD浓度XCOD,3为:
XCOD,3=FSP/Q1=(480kgCOD/d)/(1,200m3/d)=0.4kgCOD/m3
总出水COD浓度CCOD,3为:
CCOD,3=SCOD,3+XCOD,3=0.3+0.4=0.7kgCOD/m3
9.3.2厌氧滤池设计
与悬浮污泥工艺相比,厌氧滤池的设计基础更不确定。
厌氧滤池可按容积负荷(式(9.8))、污泥负荷(式(9.9))、污泥比去除速率rV,X等方式设计。
1.厌氧滤池滤料面积法设计
根据式(9.6)的物料平衡,可计算出厌氧滤池的尺寸。
所需载体面积A2*为:
A2*=(Q1C1-Q3C3)/(rX,MX2*L2)(9.11)
已知去除速率rX,M,生物膜内污泥浓度X2*,以及生物膜厚度L2,所需滤池滤料面积A2*即易算出。
问题是通常我们并不知道X2*和L2。
利用载体的比表面积=A2*/V2,式(9.11)可转化为:
X2*L2ω=X2
A2*=ω(Q1C1-Q3C3)/(rX,MX2)(9.12)
厌氧滤池容积V2为:
V2=A2*/ω
或V2=(Q1C1-Q3C3)/(rX,MX2)(9.13)
载体的比表面积ω和污泥浓度X2从表9.4中查得,去除速率rX,M可从表9.7中查得。
滤池的面积和体积便能计算出。
厌氧污水处理系统污泥比去除速率rX,M表9.7
污水中主要有机物
去除速率rX,M(kgCOD(S)/kgCOD(B)∙d)
15~25℃
30~35℃
50~60℃
醋酸
溶解性易降解有机物质
悬浮性慢速可降解有机物质
7~1.5
0.3~0.7
0.05~0.15
5~5
1.2~2.5
0.25~0.5
5~7.5
1.5~3
0.5~1.0
滤池中有机物的去除量Q1C1-Q3C3可近似表示为Q1(C1-SS,3),式中C1代表进水可生物降解物质,SS,3代表出水溶解性可生物降解物质。
因此出水悬浮性有机物X3可理解为剩余污泥产率,这种近似与实际相差不太多,对那些不单独排放剩余污泥的污水厂尤其如此。
因此式(9.13)可写为:
V2=Q1(C1-SS,3)/(rX,MX2)(9.14)
上述过程清楚地表明厌氧滤池的面积并不很重要,滤料的作用是作为污泥(生物体)的载体,膜内的扩散限制几乎不存在。
这说明厌氧滤池中起决定作用的是滤池内的总污泥浓度,而滤料面积并不特别重要。
【例9.4】设计一固定床厌氧滤池,处理例9.2和例9.3的污水,假定出水水质要求与例9.3一样,滤池容积可由式(9.14)得:
V2=Q1(C1-SS,3)/(rX,MX2)(9.14)
由例9.3可知:
Q1=1200m3/d,C1=2.7kgCOD/m3,SS,3=0.2kgCOD/m3。
由表9.7可估计污泥比去除率为0.5kgCOD/(kgCODd),由表9.4可知污泥浓度X2取值10kgCOD/m3,代入式(9.14)得:
V2=(1,200m3/d)×(2
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- 第9章 厌氧污水处理 污水处理