曾 勁 松， 陳 克 復(fù)， 李 軍

( 1.華南理工大學(xué) 制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510640;2.華南理工大學(xué) 廣東省造紙技術(shù)與裝備公共實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510640 )

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；TSS≤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，通過冷卻器進(jìn)水管道前的旁通閥門直接輸送至集水池(T01)，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(T01)靠重力流入調(diào)節(jié)池(T02)。

(3) 調(diào)節(jié)池(T02)

調(diào)節(jié)池(T02)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(T05)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，以保證整個廢水處理系統(tǒng)的平穩(wěn)安全運(yùn)行。

(4) 循環(huán)水池(T03)

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(V01)

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。

E01，冷卻器；V02，石灰乳罐；V01，堿儲罐；P05，計(jì)量泵；P04，計(jì)量泵； T01，集水池；T02，調(diào)節(jié)池；T03，循環(huán)水池

(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：

P01A/B，污水泵；P03，污泥泵；R01，厭氧反應(yīng)塔；T05A/B，污泥濃縮池

(1) 污水泵(P01A/B)

將T03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。

1，噴淋水；2，氣液分離器；3，上部三相分離器；4，上升管；5，精處理室；6，下部三相分離器；7，下降管；8，膨脹污泥床區(qū)；9，進(jìn)水；10，混合區(qū)；11，沼氣；12，出水；13，取樣點(diǎn)；14，排泥口

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：

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個厭氧處理單元組成，其中一個為高負(fù)荷反應(yīng)單元，另一個為低負(fù)荷反應(yīng)單元。其特點(diǎn)是在一個豎高的反應(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：

圖4 凈水單元工藝流程圖Fig.4 Flow chart of purifying water unit

中水緩沖池(T04)

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。

V03，脫泡器；R02，沼氣燃燒器；V04，沼氣柜；V05，自動排水器

(1) 脫泡器(V03)

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)火閥自動打開且點(diǎn)火器自動點(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)沼氣溫度下降時會冷凝析出水。這些冷凝水由自動排水器(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]。

從整個工藝來看，如果在運(yùn)行中工藝不正常，通常可以從下面的原因進(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個階段組成，并形成一個周期。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中間加了一個曝氣、沉淀系統(tǒng)。

P09，風(fēng)機(jī)；T06，曝氣池；P06，循環(huán)泵；S02，潷水器

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。

P07，風(fēng)機(jī)；T08，MBR池；P08，輸送泵；S01，中空纖維膜組件

表1 各種處理方法的比較Tab.1 Comparison of different treatment methods

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CASS工藝，一種是MBR法，同時這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鬯幚砜梢詥为?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。

[1] 劉秉鉞,曹光銳. 制漿造紙節(jié)能技術(shù)[M]. 北京:中國輕工業(yè)出版社, 1999：101-112.

[2] 陳克復(fù). 紙漿造紙機(jī)械與設(shè)備：上[M]. 北京:中國輕工業(yè)出版社, 2005：361-409.

[3] 中國輕工總會. 輕工技術(shù)裝備手冊：一卷[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1995：235-284.

[4] 污水處理工藝及工程方案設(shè)計(jì)[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2004：73-88.

[5] 沈耀良. 廢水生物處理新技術(shù)[M]. 北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2006：63-74.