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污水处理工艺 污水处理工艺流程分析

日期:2019-10-06 来源:污水处理工艺 评论:

[摘要]一、工业废水(Industrial Wastewater)的含义和分类定义:指工业企业各行业生产过程中产生和排放的废水。 包括:生产污水(包括生活污水)和生产废水两大类。 二、工业废水的分类、种类、指标1分类按行业的产品...……

一、工业废水(Industrial Wastewater)的含义和分类

定义:指工业企业各行业生产过程中产生和排放的废水。 

包括:生产污水(包括生活污水)和生产废水两大类。 

二、工业废水的分类、种类、指标

1分类

按行业的产品加工对象:冶金、造纸、纺织、印染等。

按工业废水中主要污染物分:无机废水(电镀、矿物加工),有机废水(食品加工)

按废水中污染物的主要成分:酸性、碱性、含酚等

按处理难易程度和危害性分:易处理危害性小的废水,易生物降解无明显毒性的废水,难生物降解又有毒性的废水。

2工业废水造成环境污染的种类

1)含无毒物质的有机废水和无机废水的污染;

2)含有毒物质的有机废水和无机废水的污染;

3)含有大量不溶性悬浮物废水的污染;

4)含油废水产生的污染;

5)含高浊度和高色度废水产生的污染;

6)酸性和碱性废水产生的污染;

7)含有多种污染物质废水产生的污染;

8)含有氮、磷等工业废水产生的污染。

三、工业废水处理方法概述

1工业废水的物理处理 (Physical Treatment)

定义:应用物理作用没有改变废水成分的处理方法称为物理处理法; 

操作单元(Operating Units):调节(Adjust)、离心分离(CentrifugalSeparation)、除油(Oil Elimination)、过滤(Filtration)等。 

废水经过物理处理过程后并没有改变污染物的化学本性,而仅使污染物和水分离。 

2工业废水的化学处理(Chemical Treatment)

定义:应用化学原理和化学作用将废水中的污染物成分转化为无害物质,使废水得到净化的方法称为化学处理。 

操作单元(Operating Units) :中和( Neutralization)、化学沉淀( Chemical Precipitation)、药剂氧化还原(Chemical Oxidation Reduction)、臭氧氧化(Ozone Oxidation )、电解(Electrolysis)、光氧化法(Photo- Oxidation)等。 

污染物在经过化学处理过程后改变了化学本性,处理过程中总是伴随着化学变化。 

3工业废水的物理化学处理(Physic-chemicalTreatment)

定义:废水中的污染物在处理过程中是通过相转移的变化而达到去除的目的的处理方法称为物理化学处理。 

操作单元(Operating Units) :混凝(Coagulation)、气浮(Floatation)、吸附(Adsorption)、离子交换(Ion Exchange)、电渗析(Electro-dialysis)、扩散渗析(Diffusion Dialysis)、反渗透(Reverse Osmosis)、超滤(Ultra Filtrate)等。 

污染物在物化过程中可以不参与化学变化或化学反应,直接从一相转移到另一相,也可以经过化学反应后再转移。

4工业废水的生物处理(Biological Treatment)

定义:是利用微生物的代谢作用氧化、分解、吸附废水中可溶性的有机物及部分不溶性有机物,并使其转化为无害的稳定物质从而使水得到净化的方法称为生物处理。 

操作单元(Operating Units) :好氧生物处理(Aerobic Biological Treatment)、厌氧生物处理(Anaerobic Biological Treatment).

生物处理过程的实质是一种由微生物参与进行的有机物分解过程,分解有机物的微生物主要是细菌,其它微生物如藻类和原生动物也参与该过程,但作用较小。

污水处理工艺流程

现代污水处理技术,按处理程度划分,可分为一级、二级和三级处理。

一级处理,主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质,物理处理法大部分只能完成一级处理的要求。经过一级处理的污水,BOD一般可去除30%左右,达不到排放标准。一级处理属于二级处理的预处理。 

二级处理,主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质(BOD,COD物质),去除率可达90%以上,使有机污染物达到排放标准。 

污水处理工艺 污水处理工艺流程分析

A2O工艺是将生物处理厌氧段和好氧段进行了空间分割,而氧化沟则为封闭的沟渠型结构,结合了推流式和完全混合式活性污泥法的特点,集曝气、沉淀和污泥稳定于一体。污水和活性污泥的混合液不断地循环流动,系统中能够形成好氧区和缺氧区,进而实现生物脱氮除磷(如图6)。氧化沟白天进水曝气,夜间用作沉淀池。活性污泥法相比, 其具有处理工艺及构筑物简单、泥龄长、剩余污泥少且容易脱水、处理效果稳定等优势。

城市污水处理历史可追溯到古罗马时期,那个时期环境容量大,水体的自净能力也能够满足人类的用水需求,人们仅需考虑排水问题即可。而后,城市化进程加快,生活污水通过传播细菌引发了传染病的蔓延,出于健康的考虑,人类开始对排放的生活污水处进行处理。早期的处理方式采用石灰、明矾等进行沉淀或用漂白粉进行消毒。明代晚期,我国已有污水净化装置。但由于当时需求性不强,我国生活污水仍以农业灌溉为主。1762年,英国开始采用石灰及金属盐类等处理城市污水。

以史为鉴,可知兴替。回顾整个历史过程,城市生活污水处理的足迹随着人类健康的需求、水环境质量的变化、污水的处理程度在一级级的加深,同时操作管理、资金占地等成本问题又推动了水处理工艺技术的不断进化,其操作、占地、程序步骤、能源资源的投入都在一点点地简化。人们对水质的需求越来越高,而处理过程却越来越趋于简便。有趣的是,无论近几年业界所看好的厌氧生物技术还是源分离最终的土地灌溉,城市污水处理似乎又回到了它最初的形式,尽管其中蕴含的科技含量早已不可同日而语。大繁若简,最终还是归于自然。

近几十年,能源、资源的短缺已经引起了广泛的关注,进一步脱氮除磷及对能源节约及资源回收的需求成为了污水处理工艺发展的主流方向。一批新兴脱氮除磷技术得以应用。

十八世纪中叶,欧洲工业革命开始,其中,城市生活污水中的有机物成为去除重点。1881年,法国科学家发明了第一座生物反应器,也是第一座厌氧生物处理池—moris池诞生,拉开了生物法处理污水的序幕。1893年,第一座生物滤池在英国Wales投入使用,并迅速在欧洲北美等国家推广。技术的发展,推动了标准的产生。1912年,英国皇家污水处理委员会提出以BOD5来评价水质的污染程度。

交替式工作氧化沟是由丹麦克鲁格(Kruger)公司研制,该工艺造价低,易于维护,通常有双沟交替和三沟交替(T型氧化沟)的氧化沟系统和半交替工作式氧化沟。

活性污泥法诞生之初,采用的是充-排式工艺,由于当时自动控制技术与设备条件相对落后,导致其操作繁琐,易于堵塞,与生物滤池相比并无明显优势。之后连续进水的推流式活性污泥法(CAs法)(如图1)出现后很快就将其取代,但由于推流式反应器中污泥耗氧速度沿池长是变化的,供氧速率难以与其配合,活性污泥法又面临局部供氧不足的难题。1936年提出的渐曝气活性污泥法(TAAs)和1942年提出的阶段曝气法(SFAS),分别从曝气方式及进水方式上改善了供氧平衡。1950年,美国的麦金尼提出了完全混合式活性污泥法。该方法通过改变活性污泥微生物群的生存方式,使其适应曝气池中因基质浓度的梯度变化,有效解决了污泥膨胀的问题。

1970年,美国的Envirex公司投放生产了奥贝尔(Orbal)氧化沟。它由3条同心园形或椭圆形渠道组成,各渠道之间相通,进水先引入最外的渠道,在其中不断循环的同时,依次进入下一个渠道,相当于一系列完全混合反应池串联在一起,最后从中心的渠道排出。

1994年,荷兰Delft大学开发了厌氧氨氧化(ANAMMOX)技术,厌氧氨氧化菌在缺氧环境中,能够将铵离子(NH4+)用亚硝酸根(NO2-)氧化为氮气。

生物膜技术在20世纪60-70年代,随着新型合成材料的大量涌现再次发展起来,主要工艺有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物流化床等。目前,应用较多的膜处理技术主要有微滤(MF)、超滤(UF)、反渗透(RO)和膜生物反应器(MBR)技术。本世纪初的新加坡“Newwater ”水厂就是采用在二级处理后加超滤膜及反渗透膜的方式进行再生水回用处理。

早期的两段法只是将一套活性污泥法的两组构筑物串联,一段和二段曝气池体积相同,且多合并建设,大部分有机物在第一段被吸附降解,第二段的污泥负荷很低,其出水水质要优于相同体积曝气池的单级活性污泥法(如图7)。然而,由于第一段曝气池体积减小了一倍,相当于污泥负荷增加了一倍,处在易发生污泥膨胀的阶段,运行管理较为困难。

1953年,荷兰的公共卫生工程研究协会的Pasveer研究所提出了氧化沟工艺,也被称为“帕斯维尔沟”。1954年,在荷兰的伏肖汀(Voorshoten)建造了第一座氧化沟污水处理厂,当时服务人口仅为360人。60 年代,这项技术在欧洲、北美和南非等各国得到了迅速推广和应用。据统计,到1977年为止,在西欧有超过2000多座的帕斯维尔型氧化沟投入运行。

1921年,活性污泥法传播到中国,中国建设了第一座污水处理厂—上海北区污水处理厂。1926年及1927年又分别建设了上海东区及西区污水厂,当时3座水厂的日处理量共为3.55万吨。

90 年代,比利时的西格斯公司在三沟式氧化沟的基础上开发了UNITANK 系统。它由3 个矩形池组成,其中外边两侧的矩形池既可做曝气池,又可做沉淀池,中间一个矩形池只做曝气池该工艺把传统SBR的时间推流与连续系统的空间推流有效地结合了起来。

三级处理,进一步处理难降解的有机物、氮和磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。主要方法有生物脱氮除磷法,混凝沉淀法,砂率法,活性炭吸附法,离子交换法和电渗分析法等。 

整个过程为通过粗格删的原污水经过污水提升泵提升后,经过格删或者筛率器,之后进入沉砂池,经过砂水分离的污水进入初次沉淀池,以上为一级处理(即物理处理),初沉池的出水进入生物处理设备,有活性污泥法和生物膜法,(其中活性污泥法的反应器有曝气池,氧化沟等,生物膜法包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法和生物流化床),生物处理设备的出水进入二次沉淀池,二沉池的出水经过消毒排放或者进入三级处理,一级处理结束到此为二级处理,三级处理包括生物脱氮除磷法,混凝沉淀法,砂滤法,活性炭吸附法,离子交换法和电渗析法。二沉池的污泥一部分回流至初次沉淀池或者生物处理设备,一部分进入污泥浓缩池,之后进入污泥消化池,经过脱水和干燥设备后,污泥被最后利用。 

各个处理构筑物的能耗分析

1污水提升泵房

进入污水处理厂的污水经过粗格删进入污水提升泵房,之后被污水泵提升至沉砂池的前池。水泵运行要消耗大量的能量,占污水厂运行总能耗相当大的比例,这与污水流量和要提升的扬程有关。

2沉砂池

沉砂池的功能是去除比重较大的无机颗粒。沉砂池一般设于泵站前、倒虹管前,以便减轻无机颗粒对水泵、管道的磨损;也可设于初沉池前,以减轻沉淀池负荷及改善污泥处理构筑物的处理条件。常用的沉砂池有平流沉砂池、曝气沉砂池、多尔沉砂池和钟式沉砂池。

沉砂池中需要能量供应的主要是砂水分离器和吸砂机,以及曝气沉砂池的曝气系统,多尔沉砂池和钟式沉砂池的动力系统。

3初次沉淀池

初次沉淀池是一级污水处理厂的主题处理构筑物,或作为二级污水处理厂的预处理构筑物设在生物处理构筑物的前面。处理的对象是SS和部分BOD5,可改善生物处理构筑物的运行条件并降低其BOD5负荷。初沉池包括平流沉淀池,辐流沉淀池和竖流沉淀池。

初沉池的主要能耗设备是排泥装置,比如链带式刮泥机,刮泥撇渣机,吸泥泵等,但由于排泥周期的影响,初沉池的能耗是比较低的。

4生物处理构筑物

污水生物处理单元过程耗能量要占污水厂直接能耗相当大的比例,它和污泥处理的单元过程耗能量之和占污水厂直接能耗的60%以上。活性污泥法的曝气系统的曝气要消耗大量的电能,其基本上是联系运行的,且功率较大,否则达不到较好的曝气效果,处理效果也不好。氧化沟处理工艺安装的曝气机也是能耗很大的设备。生物膜法处理设备和活性污泥法相比能耗较低,但目前应用较少,是以后需要大力推广的处理工艺。

5二次沉淀池

二次沉淀池的能力消耗主要是在污泥的抽吸和污水表明漂浮物的去除上,能耗比较低。

6污泥处理

污泥处理工艺中的浓缩池,污泥脱水,干燥都要消耗大量的电能,污泥处理单元的能量消耗是相当大的,这些设备的电耗功率都很大。

针对各个处理构筑物的节能途径

1污水提升泵房

污水提升泵房要节省能耗,主要是考虑污水提升泵如何进行电能节约,正确科学的选泵,让水泵工作在高效段是有效的手段,合理利用地形,减少污水的提升高度来降低水泵轴功率N也是有效的办法,定期对水泵进行维护,减少摩擦也可以降低电耗。

2沉砂池

采用平流沉砂,避免采用需要动力设备的沉砂池,如平流沉砂池。采用重力排砂,避免使用机械排砂,这些措施都可大大节省能耗。

3初次沉淀池

初次沉淀池的能耗较低,主要能量消耗在排泥设备上,采用静水压力法无疑会明显降低能量的消耗。

4生物处理构筑物

国外的学者通过能耗和费用效益分析比较了生物处理工艺流程,他们认为处理设施大部分的能量消耗是发生在电机这类单一的设备上,因而节能应从提高全厂功率因数、选择高效机电设备及减少高峰用电要求等方面入手。他们提出的节能措施既包括改善电机的电气性能,也包括解决运转的工艺问题,还包括污水厂产物中的能量回收(Energy Recovery)。

曝气系统的能耗相当大,对曝气系统能耗能效的研究总是涉及到曝气设备的改造和革新。新型的曝气设备虽然层出不穷,但目前仍然可划分为2类:第1种是采用淹没式的多孔扩散头或空气喷嘴产生空气泡将氧气传递进水溶液的方法,第2种是采用机械方法搅动污水促使大气中的氧溶于水的方法。微孔曝气,曝气扩散头的布局和曝气系统的调节这些都是节能的有效措施。在传统活性污泥处理厂曝气池中辟出前端厌氧区,用淹没式搅拌器混合的节能、生物除磷方案。这一简单的改造可以节省近20%的曝气能耗,如果算上混合用能,节能也达到12%。自动控制系统的应用于污水处理节能,曝气系统进行阶段曝气,溶解氧存在浓度梯度,既减少了能耗,又可以改善处理效果,减少污泥量。

生物膜法处理工艺采用厌氧处理可以明显降低能量的消耗。

5二次沉淀池

二次沉淀池中对排泥设备的研究和排泥方式的改善是降低能耗的有效方法。

6污泥处理

污泥处理系统节能研究主要集中于污泥处理的能量回收。从污水污泥有机污染物中回收能量用于处理过程早在上世纪初就已投入实践,但能源危机之前一直不受重视。目前有两种回收途径:一是污泥厌氧消化气利用,一是污泥焚烧热的利用。

消化气性质稳定、易于贮存,它可通过内燃机或燃料电池转化为机械能或电能,废热还可回收于消化污泥加热。因此利用消化气能解决污水厂不同程度的能量自给问题。林荣忱等人比较了沼气发电机和燃料电池两种利用形式,认为燃料电池能量利用率高,具有很好的发展前途。对消化气的最大化利用是提高能效的主要方式。沼气发电机组并网发电的研究和应用在国内已有应用实例,是大型污水处理厂的沼气综合利用的可行途径。

另外一种能量回收方式是将城市固体废物焚烧场建在污水处理厂旁,将固废与污水污泥一起焚烧,获得的电能用于处理厂的运转。

城市污水处理的能耗分析研究与节能技术和手段的发展往往并不同步。由于污水处理能量平衡分析方法研究的欠缺,节能措施的制订和实施常常超前。而多数节能途径和手段常常由处理厂的操作管理人员结合各处理设施实际情况提出,具有经验性和个别性,不一定能适用于其他污水厂甚至是工艺相似的污水厂;另一方面,从广义上说,污水处理学科领域的技术创新、新材料和新设备的使用都蕴涵着节能增效的潜力,因而节能的途径和手段往往是很宽泛的。

四.结论

污水处理是能源密集(energy intensity)型的综合技术。一段时期以来,能耗大、运行费用高一定程度上阻碍了我国城市污水处理厂的建设,建成的一些处理厂也因能耗原因处于停产和半停产状态。在今后相当长的一段时期内,能耗问题将成为城市污水处理的瓶颈。能否解决耗污水厂的能耗问题,合理进行能源分配,已经成为决定污水处理厂运行效益好坏的关键因素。能耗是否较低,也是未来新的污水处理厂可行性分析的决定性因素,开发能效较高的污水处理技术,合理设计及运行污水处理厂,必将是未来污水处理厂设计和运行的必由之路。

城镇污水处理厂污染物排放标准 排污企业可与污水处理厂协商制定排放标准

其后,为了解决脱氮时硝化菌需要长泥龄,除磷时聚磷微生物需要短泥龄的矛盾,开发了AO-A2O工艺(如图9)。该工艺由两段相对独立的脱氮和除磷工艺组成,第一段泥龄短,主要用于除磷,第二段泥龄长、负荷低,用于脱氮。

随着在实际生产生的广泛应用和技术上的不断革新改进,20世纪40-60年代,活性污泥法逐渐取代了生物膜法,成为污水处理的主流工艺。

(SBR工艺流程)(SBR池工作时间进程)

序批式活性污泥法(SBR)工艺是在时间上将厌氧段与好氧段进行分割。20 世纪70 年代初由美国Irvine公司开发。它在流程上只有一个基本单元,集调节池、曝气池和二沉池的功能于一池,进行水质水量调节、微生物降解有机物和固液分离等。经典SBR 反应器的运行过程为:进水→曝气→沉淀→滗水→待机(如图11、12)。

1967年,荷兰DHV公司开发研制了卡鲁塞尔(Carroussel)氧化沟。它是一个由多渠串联组成的氧化沟系统。卡鲁塞尔氧化沟的发展经历了普通卡鲁塞尔氧化沟、卡鲁塞尔2000氧化沟和卡鲁塞尔3000氧化沟三个阶段。

20世纪50年代,水体富营养化问题凸显,脱氮除磷成为污水处理的另一主要诉求。于是,在活性污泥法的基础上衍生出了一系列的脱氮除磷工艺。

该工艺与传统反硝化工艺相比是完全自养,不需任何有机碳源。

MSBR法即改良型的SBR( Modified SBR),采用单池多格方式,结合了传统活性污泥法和SBR技术的优点。反应器由曝气格和两个交替序批处理格组成。主曝气格在整个运行周期过程中保持连续曝气,而每半个周期过程中,两个序批处理格交替分别作为SBR和澄清池。该工艺可连续进水且可使用更少的连接管、泵和阀门。

近十几年,随着污染加剧,水资源短缺严重,人类对水质提出了更高的要求,污水深度处理与回用技术兴起。污水处理厂的侧重点不再是核算污染物的排放量,而是如何改善水质。膜技术开始显现其独特优势。

1914年,Arden和Lokett在英国化学工学会上发表了一篇关于活性污泥法的论文,并于同年在英国曼彻斯特市开创了世界上第一座活性污泥法污水处理试验厂。两年后,美国正式建立了第一座活性污泥法污水处理厂。活性污泥法的诞生,奠定了未来100年间城市污水处理技术的基础。

1973年,Barnard在原有工艺基础上,将缺氧和好氧反应器完全分隔,污泥回流到缺氧反应器,并添加了内回流装置,缩短了工艺流程,也就现在常说的缺氧好氧(A/O)工艺。

随后,Goranzy 教授开发了CASS /CAST 工艺。与ICEAS工艺类似,在反应池前段增加了一个选择段,污水先与来自主反应区的回流混合液在选择段混合,在厌氧条件下,选择段相当于前置厌氧池,为高效除磷创造了有利条件。

1998年,荷兰Delft大学基于短程硝化反硝化原理开发了SHARON工艺,首例工程在荷兰鹿特丹DOKHAVEN水厂。其基本原理是在同一反应器内,先在有氧条件下利用亚硝化细菌将氨氧化成NO2-;然后再在缺氧条件下已有机物为电子供体将亚硝酸盐反硝化,形成氮气。工艺流程缩短且无需加碱中和。与传统活性污泥法相比可减少25%的供氧量及40%的反硝化碳源,有利于资源能源的回收利用,更适用于碳氮比浓度较低的城市废水。

目前,以SHARON工艺为硝化反应器,ANAMMOX工艺为反硝化反应器,与传统工艺相比能够节省60%的供氧和100%的碳源。

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