【污水處理工藝】污水厭氧生物處理新工藝－升流式厭氧污泥床
一、概述
隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，城市污水與工業(yè)廢水的排放量逐年增加。為了貫徹經(jīng)濟(jì)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)必須同步發(fā)展的方針，污水處理工程必定會(huì)有相應(yīng)的發(fā)展，在這種情況下，有效、經(jīng)濟(jì)、省能地解決污水處理問題，已是當(dāng)今環(huán)境工程領(lǐng)域中最迫切需要研究的課題。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑除了靠正確決策外，尚需依賴技術(shù)更新，新工藝的開發(fā)，資源、能源的合理利用等科學(xué)技術(shù)措施。
目前，污水處理工程基本上還是依靠消耗能量來改善環(huán)境質(zhì)量的一項(xiàng)技術(shù)措施。但在能源有限的條件下，人們已經(jīng)意識到，浪費(fèi)能源的生產(chǎn)和生活方式必須徹底改變，現(xiàn)今評價(jià)工程設(shè)計(jì)優(yōu)劣的立足點(diǎn)，已經(jīng)開始轉(zhuǎn)移到基建投資和運(yùn)轉(zhuǎn)管理的經(jīng)濟(jì)性，以及對能源利用的有效程度。因此，環(huán)境工程已不可避免地要與能源工程體系發(fā)生聯(lián)系。
錄求污水處理工程節(jié)能措施的技術(shù)途徑頗多，而用機(jī)污水的厭氧生物處理技術(shù)則是重要途徑之一。
厭氧生物處理是利用厭氧性微生物的代謝特性，在毋需提供外源能量的條件下，以被還原有機(jī)物作為受氫體，同時(shí)產(chǎn)生有能源價(jià)值的甲烷氣體。厭氧生物處理法不僅適用于高濃度有機(jī)廢水，進(jìn)水BOD濃度可達(dá)15000mg/l，也可適用于低濃度有機(jī)廢水，包括城市廢；厭氧生物處理法能耗低；有機(jī)容積負(fù)荷高，一般為5－10kgCOD/m3．d高的可達(dá)50kgCOD/m3．d；剩余污泥量少；產(chǎn)生的沼氣可利用；營養(yǎng)需要量少；被降解的有機(jī)物種類多；能承受較大的負(fù)荷變化和水質(zhì)變化。
顯而易見，開發(fā)厭氧生物處理新工藝用來治理有機(jī)污水的污染，無疑是一種具有良好經(jīng)濟(jì)效益的方法。近年來，污水厭氧處理工藝發(fā)展十分迅速，各種新工藝、新方法不斷出現(xiàn)，包括有厭氧接觸法、升流式厭氧污泥床、檔板式厭氧法、厭氧生物池、厭氧膨脹床和流化床、厭氧生物轉(zhuǎn)盤等，目前升流式厭氧污泥床這種新工藝由于具有厭氧過濾及厭氧活性污泥法的雙重特點(diǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)及構(gòu)筑物造價(jià)均有所下降，對于不同含固量污水的適應(yīng)性也強(qiáng)，因而已越來越受到重視，國內(nèi)外目前已設(shè)計(jì)和施工的這種工藝較多。
二、升流式厭氧污泥床工作原理
升流式厭氧污泥床有反應(yīng)區(qū)、氣液固三相分離器（包括沉淀區(qū)）和氣室三部分組成。在底部反應(yīng)區(qū)內(nèi)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(jìn)行混合接觸，污泥中的微生物分解污水中的有機(jī)物，把它轉(zhuǎn)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(dòng)形成一個(gè)污泥濃度較稀薄的污泥和水一起上升進(jìn)入三相分離器，沼氣碰到分離器下部的反射板時(shí)，折向反射板的四周，然后穿過水層進(jìn)入氣室，集中在氣室沼氣，用導(dǎo)管導(dǎo)出，固液混合液經(jīng)過反射進(jìn)入三相分離器的沉淀區(qū)，污水中的污泥發(fā)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沼著斜壁滑回厭氧反應(yīng)區(qū)內(nèi)，使反應(yīng)區(qū)內(nèi)積累大量的污泥，與污泥分離后的處理出水從沉淀區(qū)溢流堰上部溢出，然后排出污泥床。
這種工藝的基本出發(fā)占在于：（1）為污泥絮凝提供有利的物理－－化學(xué)條件，使厭氧污泥獲得并保持良好的沉淀性能；（2）良好的污泥床?？尚纬梢环N相當(dāng)穩(wěn)定的生物相，能抵抗較強(qiáng)的擾動(dòng)力。較大的絮體具有良好的沉淀性能，從而提高設(shè)備內(nèi)的污泥濃度；（3）通過在污泥床設(shè)備內(nèi)設(shè)置一個(gè)沉淀區(qū)，使污泥細(xì)顆粒在沉淀區(qū)的污泥層內(nèi)進(jìn)一步絮凝和沉淀，然后回流入污泥床內(nèi)。
三、厭氧污泥床內(nèi)的流態(tài)和污泥分布
厭氧污泥床內(nèi)的流態(tài)相當(dāng)復(fù)雜，反應(yīng)區(qū)內(nèi)的流態(tài)與產(chǎn)氣量和反應(yīng)區(qū)高度相關(guān)，一般來說，反應(yīng)區(qū)下部污泥層內(nèi)，由于產(chǎn)氣的結(jié)果，部分?jǐn)嗝嫱ㄟ^的氣量較多，形成一股上升的氣流，帶動(dòng)部分混合液（指污泥與水）作向上運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，這股氣、水流周圍的介質(zhì)則向下運(yùn)動(dòng)，造成逆向混合，這種流態(tài)造成水的短流。在遠(yuǎn)離這股上升氣、水流的地方容易形成死角。在這些死角處也具有一定的產(chǎn)氣量，形成污泥和水的緩慢而微弱的混合，所以說在污泥層內(nèi)形成不同程度的混合區(qū)，這些混合區(qū)的大小與短流程度有關(guān)。懸浮層內(nèi)混合液，由于氣體幣的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)液體以較高速度上升和下降，形成較強(qiáng)的混合。在產(chǎn)氣量較少的情況下，有時(shí)污泥層與懸浮層有明顯的界線，而在產(chǎn)氣量較多的情況下，這個(gè)界面不明顯。有關(guān)試驗(yàn)表明，在沉淀區(qū)內(nèi)水流呈推流式，但沉淀區(qū)仍然還有死區(qū)和混合區(qū)。
厭氧污泥床內(nèi)污泥濃度與設(shè)備的有機(jī)負(fù)荷率有關(guān)。是處理制糖廢水試驗(yàn)時(shí)，升流式厭氧污泥床內(nèi)污泥分布與負(fù)荷的關(guān)系。從圖中可看出污泥層污泥濃度比懸浮層污泥濃度高，懸浮層的上下部分污泥濃度差較小，說明接近完全混合型流態(tài)，反應(yīng)區(qū)內(nèi)污泥的頒，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷很高時(shí)污泥層和懸浮層分界不明顯。試驗(yàn)表明，污水通過底部0．4－0．6m的高度，已有90％的有機(jī)物被轉(zhuǎn)化。由此可見厭氧污泥具有極高的活性，改變了長期以來認(rèn)為厭氧處理過程進(jìn)行緩慢的概念。在厭氧污泥中，積累有大量高活性的厭氧污泥是這種設(shè)備具有巨大處理能力的主要原因，而這又歸于污泥具有良好的沉淀性能。
升流式厭氧污泥床具有高的容積有機(jī)負(fù)荷率，其主要原因是設(shè)備內(nèi)，特別是污泥層內(nèi)保有大量的厭氧污泥。工藝的穩(wěn)定性和高效性很大程度上取決于生成具有優(yōu)良沉降性能和很高甲烷活性的污泥，尤其是顆粒狀污泥。與此相反，如果反應(yīng)區(qū)內(nèi)的污泥以松散的絮凝狀體存在，往往出現(xiàn)污泥上浮流失，使厭氧污泥床不能在較高的負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行。
根據(jù)厭氧污泥床內(nèi)污泥形成的形態(tài)和達(dá)到的COD容積負(fù)荷，可以將污泥顆?；^程大致分為三個(gè)運(yùn)行期：
（1）投產(chǎn)運(yùn)行期：從接種污泥開始到污泥床內(nèi)的COD容積負(fù)荷達(dá)到5kgCOD/m3．d左右，此運(yùn)行期污泥沉降性能一般；
（2）顆粒污泥出現(xiàn)期：這一運(yùn)行期的特點(diǎn)是有小顆粒污泥開始出現(xiàn)。當(dāng)污泥床內(nèi)的總SS量和總VSS量降至最低時(shí)本運(yùn)行期即告結(jié)束，這一運(yùn)行期污泥沉降性能不太好；
（3）顆粒污泥形成期：這一運(yùn)行期的特點(diǎn)是顆粒污泥大量形成，由下至上逐步充滿整個(gè)厭氧污泥床。當(dāng)污泥床容積負(fù)荷達(dá)到16kgCOD/m3．d以上時(shí)，可以認(rèn)為顆粒污泥已培養(yǎng)成熟。該運(yùn)行期污泥沉降性很好。
五、污泥的流失與外部沉淀池的設(shè)置
在升流式厭氧泥床內(nèi)雖有氣液固三相分離器，混合液進(jìn)入沉淀區(qū)前已把氣體分離，但由于沉淀區(qū)內(nèi)的污泥仍具有較高的產(chǎn)甲烷活性，繼續(xù)在沉淀區(qū)內(nèi)產(chǎn)氣；或者由于沖擊負(fù)荷及水質(zhì)突然變化，可能使反應(yīng)區(qū)內(nèi)污泥膨脹，結(jié)果沉淀區(qū)固液分離不佳，發(fā)生污泥流失而影響了水質(zhì)和污泥床中污泥濃度。為了減少出水所帶的懸浮物進(jìn)入水體，外部另設(shè)一沉淀池，沉淀下來的污泥回流到污泥床內(nèi)。設(shè)外部沉淀池的好處是：（1）污泥回流可加速污泥的積累，縮短投產(chǎn)期；（2）去除懸浮物，改善出水水質(zhì)；（3）當(dāng)偶爾發(fā)生污泥大量上漂時(shí)，回收污泥保持工藝的穩(wěn)定性；（4）回流污泥可作進(jìn)一步分解，可減少剩余污泥量。
設(shè)外部沉淀池的升流式厭氧污床工藝流程。
六、升流式厭氧污泥床的設(shè)計(jì)
升流式厭氧污泥床的工藝設(shè)計(jì)主要是計(jì)算厭氧污泥床的容積、產(chǎn)氣量、剩余污泥量、營養(yǎng)需要量.
升流式厭氧污泥床的池形狀有圓形、方形、矩形。污泥床高度一般為3－8m，多用鋼筋混凝土建造。當(dāng)污水有機(jī)物濃度比較高時(shí)，需要的沉淀區(qū)面積小，反應(yīng)區(qū)的面積可采用與沉淀區(qū)相同的面積和池形。當(dāng)污水有機(jī)物濃度低時(shí)，需要的沉淀面積大，為了保證反應(yīng)區(qū)的一定高度，反應(yīng)區(qū)的面積不能太大時(shí)，則可采用反應(yīng)區(qū)的面積小于沉淀區(qū)，即污泥床上部面積大于下部的池形。
氣液固三相分離器是升流式厭氧污泥床的重要組成部分，它對污泥床的正常運(yùn)行和獲良好的出水水質(zhì)起十分重要的作用，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予特別的重視。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，三相分離器應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求：
1、混和液進(jìn)入沉淀區(qū)之關(guān)，必須將其中的氣泡予以脫出，防止氣泡進(jìn)入沉淀區(qū)影響沉淀；
2、沉淀器斜壁角度約為50o；
3、沉淀區(qū)的表面水力負(fù)荷應(yīng)在0．7m3．h以下，進(jìn)入沉淀區(qū)前，通過沉淀槽低縫的流速不大于2m/h；
4、處于集氣器的液一氣界面上的污泥要很好地使之浸沒于水中；
5、應(yīng)防止集氣器內(nèi)產(chǎn)生大量泡沫。
第2、3兩個(gè)條件可以通過適當(dāng)選擇沉淀器的深度－面積比來加以滿足。對于低濃度污水，主要用限制表面水力負(fù)荷來控制；對于中等濃度和高濃度污水，在極高負(fù)荷下，單位橫截面上釋放的氣體體積可能成為一個(gè)臨界指標(biāo)。但是直到現(xiàn)在國內(nèi)外所取得的成果表明，只要負(fù)荷率不超過20kgCOD/m3．d，厭氧污泥床高度不大于10m，可以預(yù)料沒有任何問題。
污泥與液體的分離基于污泥絮凝、沉淀和過濾作用。所以創(chuàng)造條件使污泥具有良好的絮凝、沉淀性能對于分離器的工作是具有重要意義。
特別注意是防止氣泡進(jìn)入沉淀區(qū)，要使固一液進(jìn)入沉淀區(qū)之前就與氣泡很好分離。在氣－液表面上形成浮渣能迫使一些氣泡進(jìn)入沉淀區(qū)，所以在一些情況下必須考慮設(shè)置排放這些浮渣或破壞這些浮渣的設(shè)施。
如上所述，升流式厭氧污泥床的混合是靠上流的水流和發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣泡來完成的。因此，一般采用多點(diǎn)進(jìn)水，使進(jìn)水均勻地分布在床斷面上。
升流式厭氧污泥床容積的計(jì)算一般按有機(jī)物容積負(fù)荷或水力停留時(shí)間進(jìn)行。設(shè)計(jì)時(shí)可通過試驗(yàn)決定參數(shù)或參考同類廢水用的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)。
七、升流式厭氧污泥床的啟動(dòng)
1、污泥的馴化
升流式套氧污泥床設(shè)備啟動(dòng)的最大困難是獲得大量沉降性能良好的厭氧污泥。最好的辦法加以馴化，一般需要3－6個(gè)月，如果靠設(shè)備自身積累，投產(chǎn)期可長達(dá)1－2年，初中表明，投加少量的載體，有利于厭氧菌的附著，促進(jìn)初期顆粒污泥的形成；比重大的絮狀污泥比輕的易于顆?；槐燃淄榛钚愿叩膮捬跷勰嗫煽s短啟動(dòng)期。
2、啟動(dòng)操作要點(diǎn)
（1）最好一次投加足夠量的接種污泥；
（2）從污泥床流出的污泥一般不需回流，以使特別軾的污泥連續(xù)地從污泥床流出，使較重的污泥在床內(nèi)積累，并促進(jìn)其增殖進(jìn)行顆?；?/p>
（3）啟動(dòng)開始廢水COD濃度較低時(shí)，未必泥顆?；?；
（4）最初污泥負(fù)荷率應(yīng)低于0．1－0．2kgCOD/kgTSS.d；
（5）污水中原來存在的和產(chǎn)生出來的多種揮發(fā)酸未能有效分解之前，不應(yīng)提高有機(jī)容積負(fù)荷率；
（6）可降解的COD去除率達(dá)到80％左右時(shí)，才能增加有機(jī)容積負(fù)荷率；
（7）為促進(jìn)污泥顆?；磻?yīng)區(qū)內(nèi)的最小空塔速度為1m/d，采用較高的表面水力負(fù)荷有利于小顆粒污泥與污泥絮凝分開，使小顆粒污泥發(fā)展為大顆粒。
八、升流式厭氧污泥床工藝的優(yōu)缺點(diǎn)
升流式厭氧污泥床的主要優(yōu)點(diǎn)是：
1、升流式厭氧污泥床內(nèi)污泥濃度高。平均污泥濃度為20－40gVSS/1；
2、有機(jī)負(fù)荷高。水力停留時(shí)間短。中溫發(fā)酵，容積負(fù)荷一般為10kgCOD/m3．d左右；
3、無混合攪拌設(shè)備，靠發(fā)酵過程中產(chǎn)生的沼氣的上升運(yùn)動(dòng)，使污泥床上部的污泥處于懸浮狀態(tài)，對下部的污泥層也有一定程度的攪動(dòng)；
4、污泥床不填載體，節(jié)省造價(jià)及避免因填料發(fā)生堵賽問題；
5、升流式厭氧污泥床內(nèi)設(shè)三相分離器，一般不設(shè)沉淀池，被沉淀區(qū)分離出來的污泥重新回到污泥床反應(yīng)區(qū)內(nèi)，一般無污泥回流設(shè)備。
主要缺點(diǎn)是：
1、進(jìn)水中懸浮物需要適當(dāng)控制，不宜過高，一般控制在100mg/l以下；
2、污泥床內(nèi)有短流現(xiàn)象，影響處理能力；
3、對水質(zhì)和負(fù)荷突然變化較敏感，耐沖擊力稍差。
升流式厭氧污泥床工藝近年來在國外發(fā)展很快，在國內(nèi)也已有生產(chǎn)性規(guī)模裝置，該工藝既節(jié)約了能源，基至可回收能量，又解決了環(huán)境污染問題，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。這種新工藝的研究和發(fā)展具有廣闊的應(yīng)用前景。
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