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煉油汙水厭氧生物處理技術

發布時間:2020-9-4 8:22:54  中國汙水處理工程網

  煉油汙水是一類汙染物組成複雜、懸浮物和油類汙染物含量高,且生物毒性強、生物不易降解的有機汙水。汙水經物化工藝處理去除大部分油類汙染物和懸浮物後進入生化處理工藝,通過微生物作用降解汙水中大部分COD 和氨氮等有機汙染物。生化處理技術主要是利用微生物代謝產生的水解酶,將水中的大分子有機汙染物開環、斷鍵,轉化為小分子有機物,再通過微生物的協同作用將小分子物質進一步轉化為易降解的小分子、

 H2O、CO2 及N2 等物質,從而實現汙水的淨化作用,具有基建費用低、處理水量大、降解效果顯著、適用領域廣泛等諸多優點,是現代汙水處理工藝中最主要的處理技術。

  1 厭氧生物技術

  厭氧生物技術是在沒有氧氣的條件下,通過厭氧菌群的新陳代謝活動,降解大量有機汙染物,同時生成CH 、CO 等無機物的過程 。在厭氧生物活動過程中,分子結構複雜、難降解的有機化合物開環斷鏈,轉變成分子結構簡單、易降解的化合物,並釋放一定能量。厭氧生物處理是一個由成千上萬種不同功能的微生物菌群共同參與完成的代謝過程,是一個相互影響、相互製約、同時進行的極其複雜的生物化學過程 。

  厭氧生物反應階段學說經曆了兩階段到四階段學說的發展曆程 :兩階段學說是指在厭氧技術研究初期,人們認為厭氧反應包括兩個階段,即酸性階段和堿性階段 。隨著厭氧生物技術研究不斷深入,科研學者相繼提出了厭氧反應三階段學說,認為厭氧微生物的降解過程存在水解酸化、產氫產乙酸和產甲烷三個階段。現代微生物檢測手段的成熟進一步推進厭氧微生物學研究,表明厭氧生物反應可分為四個階段,即水解階段、酸化階段、產乙酸階段和產甲烷階段。另一種說法也是四個階段,根據各個反應階段參與的微生物類型劃分為水解酸化、產氫產乙酸、耗氫產乙酸和產甲烷四個階段 。無論是兩階段學說還是發展到後來的四階段學說,對厭氧生物反應的機理研究內涵都是 :微生物先將複雜的有機物(纖維素、蛋白質、脂類)等發酵為有機酸、醇類、CO 、NH 、H 等 ;然後產酸菌將除甲酸、乙酸、甲醇外的有機酸和醇類轉化成乙酸 ;產甲烷菌再將甲酸、甲醇、乙酸、CO 等小分子轉化為甲烷 。

  汙水的厭氧生物處理技術主要應用設備包括普式消化池、厭氧接觸池、升流式厭氧汙泥床(UASB)及厭氧顆粒汙泥膨脹床(EGSB) 等。

  2 升流式厭氧汙泥床反應器(UASB)

  1977 年,荷蘭 Lettinga 教授在經過大量結構計算及試驗驗證,發明了升流式厭氧汙泥床反應器(UpflowAnaerobic Sludge Bed, UASB)[21],UASB 內的汙水自下而上流動,反應器底部由一個微生物活性極高的汙泥組成高濃度汙泥床層,汙水中的大部分有機化合物經過汙泥床與微生物菌群充分接觸,厭氧發酵為甲烷和二氧化碳等小分子化合物,反應產生的氣體通過反應器頂部三相分離器集中收集,再利用,汙泥受重力作用回到汙泥床層區。

  2.1 UASB 工藝原理

  UASB 反應器的工作原理是汙水從反應器的底部進入,向上流動過程中與汙泥床層充分接觸,水中有機物被厭氧菌群新陳代謝過程利用,降解為 CH 、CO 和小分子化合物等。厭氧過程中產生的沼氣引起反應器內汙水形成內循環,促進汙泥床內汙泥形成顆粒汙泥。同時,附著了氣體的汙泥隨水流上升至反應器頂部,氣 -水 - 泥的混合物經過三相分離器時,沼氣進入集氣室集中收集後再利用,汙泥顆粒受重力作用沉澱並回到汙泥床層,與汙水中有機物繼續反應。

  2.2 UASB 工藝的技術特點

  與早期厭氧工藝比較,UASB 具有以下優點:

  (1)汙泥濃度是早期汙泥池的十倍以上,汙染物降解效果顯著。

  (2)省去機械攪拌裝置輔件,發酵產生沼氣隨水流上升過程,迫使上部汙泥床呈現懸浮態。

  (3)省去汙泥沉澱池和回流設備,反應器頂部安裝三相分離器,隨水流上升的汙泥在三相分離器內受水力學影響重新回到汙泥床反應區。

  (4)減少設備堵塞和反衝洗操作,汙泥床無載體,節省設備造價同時避免填料堵塞等問題。

  2.3 UASB 工藝的研究與應用

  Saber A. El-Shafai等人用 UASB+ 浮萍池處理生活汙水,夏季進水 COD 濃度為 749, mg/L 時,經過 UASB處理後降到 151 mg/L,最終出水 COD 為 49, mg/L ;冬季進水COD 為 871 mg/L 時,經過 UASB 處理後將至 257, mg/L,最終出水為 73 mg/L。

  H. Nadais等人以絮凝汙泥為接種汙泥,采用間歇式 UASB 反應器處理乳品廢水。研究結果表明,間歇式 UASB 處理乳品廢水的最佳周期(COD 轉化為甲烷的最高轉化率)為 96 h(48 h 加營養物 +48 h 不加營養物),最大負載是 22 g COD/L·d,加入營養物階段等價負荷是 44 g COD/L·d。

  R. Rajakumar等研究中溫條件下(29℃~ 35℃)采用混合型升流式厭氧汙泥床(HUASB)處理家禽屠宰廢水。結果表明,最佳有機負荷為 19 kg COD/m3·d,此時 TCOD 的去除率為 70% ~ 86%,SCOD 的去除率為 80% ~ 92% ;生物氣體(最大甲烷含量為 72%)為1.1 ~ 5.2 m3/m3·d ;反應器進水有機負荷達到 9.27, kgCOD/m3·d 時,最大的甲烷產量為 0.32 m3/kg COD ;反應器運行 225 天結束實驗時,汙泥床內形成黑色成熟顆粒汙泥,顆粒粒徑在 2.5 ~ 5 mm 之間。

  3 膨脹顆粒汙泥床(EGSB)

  荷蘭 Biothane Systems 公司經 20 多年的試驗研究與實際應用,在 UASB 結構基礎上,結合厭氧流化床工藝優勢,研發了厭氧顆粒汙泥膨脹床工藝(Expanded Granular Sludge Bed, EGSB)。EGSB 工藝是基於UASB 工藝的新一代反應器,出水回流設計和塔式反應器結構進一步提升了厭氧反應能力。

  3.1 EGSB 工藝的原理

  EGSB 反應器按照功能區分,自下而上分別是進水係統、反應區、沉澱區和三相分離區。廢水在反應區以流態化狀態與顆粒汙泥充分接觸,加速厭氧反應進行 。反應器內汙水中有機底物、多種中間產物以及多種厭氧微生物生態係統間相互作用,發生一係列複雜的生物化學反應,厭氧菌群迭代更新的同時有機汙染物被分解,同時生成沼氣。EGSB 反應器的高流速不僅為有機汙染物和微生物菌群充分接觸提供保障,加速厭氧反應進程,同時進一步提高了反應器的有機負荷處理能力和抗衝擊能力。

  3.2 EGSB 工藝的技術特點

  EGSB 工藝作為第三代厭氧工藝代表,具有以下優點:

  (1)塔式結構,具有更大高徑比,節省裝置占地。

  (2)高液體上升流速,水 - 氣 - 泥充分接觸混合,促進反應進程。

  (3)出水回流係統,提高反應器抗衝擊能力及有機負荷處理能力。

  3.3 EGSB工藝的研究與應用

  目前我國對EGSB工藝的研究主要圍繞釀酒、製糖等食品類有機廢水處理領域,國外應用領域主要集中在有毒、難降解有機廢水的處理。

  Nunez等人在中溫條件下,用 EGSB 反應器處理屠宰廢水。汙水 COD 濃度:1 440 ~ 4 200, mg/L(可溶解部分占 40% ~ 60%)。在 OLR=15 kg COD/(m3·d)及 HRT=5 h 的運行條件下,各類指標去除率分別達到 COD 67%,SS 90%,脂類 85%,且顆粒汙泥未積累脂類有機物。

  S.Rebac采用EGSB 處理麥芽發酵廢水。在低溫條件下(13℃~ 16℃),進水 COD 濃度為 282 ~ 1 436, mg/L(可生物降解部分占 73%),HRT 為 2.4 h,有機負荷率為4.4 ~ 8.8 kg COD/(m3·d) 時,COD 平均去除率為 56% ;溫度為 20℃,HRT 分別為 2.4 h 和 1.5 h,有機負荷率分別為 8.8 kg COD/(m3·d) 和 14.6, kg COD/(m3·d) 時,COD 去除率分別為 66% 和 72%。

  Rebac等人利用兩級 EGSB 對麥芽汁廢水進行處理,進水濃度為 200 ~ 1 800 mg COD/L,有機負荷為 3 ~ 12 kg COD/(m3·d),溫度為 10℃~ 15℃、HRT為 3.5 h 時,去除率可達 67% ~ 78%。

  4 總結與展望

  本文主要圍繞兩種高效厭氧生物處理技術,對其典型反應器的工藝原理、優點和研究與應用展開闡述與分析。在資源匱乏、能耗不增加的環境背景下,厭氧生物處理工藝以其運行費用低、設備簡單等特點越來越受廣大環保研究人員的重視,而以厭氧生物處理技術為依托的高效厭氧生物反應器,以其占地麵積小、運行負荷高、處理效率高、能耗低等特點,已經在汙水處理的多種行業展開了大量的基礎研究和部分現場應用,盡管目前在煉油汙水中尚未出現大量應用,在解決煉油汙水生物汙泥培養難題後,將成功轉移至煉油汙水的生物處理工藝中,成為處理工藝中非常重要的一個處理環節,對煉油汙水處理工藝的節能降耗意義重大。(來源:中海油能源發展股份有限公司 / 安全環保分公司)

 

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