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A/O,SBR,氧化沟等水处理方法详解

一、A/O工艺等

1.A/O是指anoxic/oxic或者anaerobic/oxic,前者(缺氧/好氧)是一般的A/O工艺,或者说是A1/O(数字1是下标)工艺,是脱氮工艺;后者(厌氧/好氧)是除磷工艺,也可以说成A2/O(数字2是下标)工艺。A/A/O工艺,又叫A2/O(数字2是上标)是厌氧/缺氧/好氧组合工艺。

2.A/O法生物去除氨氮原理:污水中的氨氮,在充氧的条件下(O段),被硝化菌硝化为硝态氮,大量硝态氮回流至A段,在缺氧条件下,通过兼性厌氧反硝化菌作用,以污水中有机物作为电子供体,硝态氮作为电子受体,使硝态氮波还原为无污染的氮气,逸入大气从而达到最终脱氮的自的。

硝化反应:NH4++2O2→NO3-+2H++H2O
反消化反应:6NO3-+5CH3OH(有机物)→5CO2↑+7H2O+6OH-+3N2↑

3.AO工艺法也叫厌氧好氧工艺法,A(Anacrobic)是厌氧段,用与脱氮除磷;O(Oxic)是好氧段,用于除水中的有机物。

A/O法脱氮工艺的特点:
(a) 流程简单,勿需外加碳源与后曝气池,以原污水为碳源,建设和运行费用较低;
(b) 反硝化在前,硝化在后,设内循环,以原污水中的有机底物作为碳源,效果好,反硝化反应充分;
(c) 曝气池在后,使反硝化残留物得以进一步去除,提高了处理水水质;
(d) A段搅拌,只起使污泥悬浮,而避免DO的增加。O段的前段采用强曝气,后段减少气量,使内循环液的DO含量降低,以保证A段的缺氧状态。

A/O法存在的问题:
1.由于没有独立的污泥回流系统,从而不能培养出具有独特功能的污泥,难降解物质的降解率较低;
2、若要提高脱氮效率,必须加大内循环比,因而加大运行费用。从外,内循环液来自曝气池,含有一定的DO,使A段难以保持理想的缺氧状态,影响反硝化效果,脱氮率很难达到90%

3、 影响因素 水力停留时间 (硝化>6h ,反硝化<2h )循环比MLSS(>3000mg/L)污泥龄( >30d )N/MLSS负荷率( <0.03 )进水总氮浓度( <30mg/L)

二、SBR工艺简介

SBR法是序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor)的简称,又名间歇曝气,其主体构筑物是SBR反应池。SBR工艺由按一定时间顺序间歇操作运行的反应器组成。SBR工艺的一个完整的操作过程,亦即每个间歇反应器在处理废水时的操作过程包括如下5个阶段:①进水期;②反应期;③沉淀期;④排水排泥期;⑤闲置期。SBR的运行工况以间歇操作为特征。其中自进水、反应、沉淀、排水排泥至闲置期结束为一个运行周期。在一个运行周期中,各个阶段的运行时间、反应器内混合液体积的变化及运行状态等都可以根据具体污水的性质、出水水质及运行功能要求等灵活掌握。

1.1 SBR改良工艺介绍及对比
SBR运行方式灵活多变,适应性强,为满足不同的水质及实际工程的要求,可对工艺过程进行改进,随着基础研究方面的不断进展以及人们对活性污泥去除污染物质机理的逐渐了解,鉴于经典的SBR技术在实际工程应用的一定局限,为适应实际工程的需要,SBR技术逐渐衍生了各种新的形式。目前应用较多的改良工艺有:ICEAS,UNITANK,DAT-IAT,CAST(CASS)等。


ICEAS工艺原理

    


ICEAS全称为间歇式循环延时曝气活性污泥法(Intermittent Cycle Extended Aeration),其最大的特点就是在反应器的进水端增加了一个预反应区,运行方式为连续进水(沉淀期、排水期仍连续进水),间歇排水,无明显的反应阶段和闲置阶段。污水从预反应区以很低的流速进入主反应区,对主反应区的泥水分离不会产生明显影响。由于ICEAS设施简单、管理方便,尤其是处理市政污水和工业废水方面比经典的SBR系统费用更省,因此在国内外受到了广泛重视。自20世纪80年代初在澳大利亚兴起以来,目前已建成投产了300多座污水处理厂。


ICEAS的运行方式:将SBR反应池沿长度方向分为两个部分,前部为预反应区,后部为主反应区。预反应区可起调节水流的作用,主反应区是曝气、沉淀的主体。ICEAS是连续进水工艺,不但在反应阶段进水,在沉淀和滗水阶段也进水。污水进入预反应区后,通过隔墙底部的连接口以平流流态进入主反应池,在主反应池中进行间歇曝气和沉淀滗水,成为连续进水、间歇出水的SBR反应池,使配水大大简化,运行也更加灵活。ICEAS工艺中各操作单元的作用为:


A、曝气阶段由曝气系统向反应池内间歇供氧,此时有机物经微生物作用被生物氧化,同时污水中的氨氮经微生物硝化反硝化作用,达到脱氮的效果。


B、沉淀阶段 此时停止向反应池内供氧,活性污泥在静止状态下降,实现泥水分离。


C、滗水阶段在污泥沉淀到一定深度后,滗水器系统开始工作,排出反应池内上清液。在滗水过程中,由于污泥沉降于池底,浓度较大,可根据需要启动污泥泵将剩余污泥排至污泥池中,以保持反应器内一定的活性污泥浓度。滗水结束后,又进入下一个新的周期,开始曝气,周而复始,完成对污水的处理。

序批式活性污泥法(SBR-Sequencing Batch Reactor)是早在1914年英国学者Ardern和Lockett发明活性污泥法之时,首先采用的水处理工艺。70年代初,美国Natre Dame大学的R.Irvine教授采用实验室规模对SBR工艺进行了系统深入的研究,并于1980年在美国环保局(EPA)的资助下,在印地安那州的Culver城改建并投产了世界上第一个SBR法污水处理厂。80年代前后,由于自动化计算机等高新技术的迅速发展以及在污水处理领域的普及与应用,此项技术获得重大进展,使得间歇活性污泥法(也称"间歇式活性污泥法")的运行管理也逐渐实现了自动化。


2.1 工艺简介
SBR工艺的过程是按时序来运行的,一个操作过程分五个阶段:进水、曝气、沉淀、滗水、闲置。由于SBR在运行过程中,各阶段的运行时间、反应器内混合液体积的变化以及运行状态都可以根据具体污水的性质、出水水质、出水质量与运行功能要求等灵活变化。对于SBR反应器来说,只是时序控制,无空间控制障碍,所以可以灵活控制。因此,SBR工艺发展速度极快,并衍生出许多新型SBR处理工艺。90年代比利时的SEGHERS公司又开发了UNITANK系统,把经典SBR的时间推流与连续的空间推流结合了起来SBR工艺主要有以下变形。


间歇式循环延时曝气活性污泥法最大特点是:在反应器进水端设一个预反应区,整个处理过程连续进水,间歇排水,无明显的反应阶段和闲置阶段,因此处理费用比传统SBR低。由于全过程连续进水,沉淀阶段泥水分离差,限制了进水量。


好氧间歇曝气系统(主体构筑物是由需氧池DAT池和间歇曝气池IAT池组成,DAT池连续进水连续曝气,其出水从中间墙进入IAT池,IAT池连续进水间歇排水。同时,IAT池污泥回流DAT池。它具有抗冲击能力强的特点,并有除磷脱氮功能。


循环式活性污泥法将ICEAS的预反应区用容积更小,设计更加合理优化的生物选择器代替。通常CASS池分三个反应区:生物选择器、缺氧区和好氧区,容积比一般为1:5:30。整个过程连续间歇运行,进水、沉淀、滗水、曝气并污泥回流。该处理系统具有除氮脱磷功能。


UNITANK单元水池活性污泥处理系统它集合了SBR工艺和氧化沟工艺的特点,一体化设计使整个系统连续进水连续出水,而单个池子相对为间歇进水间歇排水。此系统可以灵活的进行时间和空间控制,适当的增大水力停留时间,可以实现污水的脱氮除磷。


改良式序列间歇反应器(MSBR-Modified Sequencing Batch Reactor)是80年代初期根据SBR技术特点结合A2-O工艺,研究开发的一种更为理想的污水处理系统,目前最新的工艺是第三代工艺。MSBR工艺中涉及的部分专利技术目前属于美国的Aqua-Aerobic System Inc.所有。反应器采用单池多方格方式,在恒定水位下连续运行。脱氮除磷能力更强。


2 .2 SBR工艺特点及分析
SBR工艺是通过时间上的交替来实现传统活性污泥法的整个运行过程,它在流程上只有一个基本单元,将调节池、曝气池和二沉池的功能集于一池,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。


2.3 优点
通过分析可将SBR反应器的优点归纳如表1。


2.4理论分析
SBR反应池充分利用了生物反应过程和单元操作过程的基本原理。


①流态理论
由于SBR在时间上的不可逆性,根本不存在返混现象,所以属于理想推流式反应器。


②理想沉淀理论
其沉淀效果好是因为充分利用了静态沉淀原理。经典的SBR反应器在沉淀过程中没有进水的扰动,属于理想沉淀状态。


③推流反应器理论
假设在推流式和完全混合式反应器中有机物降解服从一级反应,那么在相同的污泥浓度下,两种反应器达到相同的去除率时所需反应器容积比为:
V完全混合/V推流=[(1-(1/1-η))]/ 〔ln(1-η)〕 (1)
式中 η--去除率
从数学上可以证明当去除率趋于零时V完全混合/V推流等于1,其他情况下(V完全混合/V推流)>1,就是说达到相同的去除率时推流式反应器要比完全混合式反应器所需的体积小,表明推流式的处理效果要比完全混合式好。


④选择性准则
1973年Chudoba等人提出了在活性污泥混合培养中的动力学选择性准则[5,这个理论是基于不同种属的微生物在Monod方程中的参数(KS、μmax)不同,并且不同基质的生长速度常数也不同。Monod方程可以写成:
dX/Xdt=μ=μmax [S/(KS+S)] (2)
式中 X--生物体浓度
S--生长限制性基质浓度
KS--饱和或半速度常数
μ、μmax--分别为实际和最大比增长速率


按照Chudoba所提出的理论,具有低KS和μmax值的微生物在混合培养的曝气池中,当基质浓度很低时其生长速率高并占有优势,而基质浓度高时则恰好相反。Chudoba认为大多数丝状菌的KS和μmax值比较低,而菌胶团细菌的KS和μmax值比较高,这也解释了完全混合曝气池容易发生污泥膨胀的原因。有机物浓度在推流式曝气池的整个池长上具有一定的浓度梯度,使得大部分情况下絮状菌的生长速率都大于丝状菌,只有在反应末期絮状菌的生长没有丝状菌快,但丝状菌短时间内的优势生长并不会引起污泥膨胀。因此,SBR系统具有防止污泥膨胀的功能。


⑸微生物环境的多样性
SBR反应器对有机物去除效果好,而对难降解有机物降解效果好是因为其在生态环境上具有多样性,具体讲可以形成厌氧、缺氧等多种生态条件,从而有利于有机物的降解。


2.5传统SBR工艺的缺点
①连续进水时,对于单一SBR反应器需要较大的调节池。
②对于多个SBR反应器,其进水和排水的阀门自动切换频繁。
③无法达到大型污水处理项目之连续进水、出水的要求。
④设备的闲置率较高。
⑤污水提升水头损失较大。
⑥如果需要后处理,则需要较大容积的调节池。


2.6 SBR的适用范围
SBR系统进一步拓宽了活性污泥的使用范围。就近期的技术条件,SBR系统更适合以下情况:
1)中小城镇生活污水和厂矿企业的工业废水,尤其是间歇排放和流量变化较大的地方。
2)需要较高出水水质的地方,如风景游览区、湖泊和港湾等,不但要去除有机物,还要求出水中除磷脱氮,防止河湖富营养化。
3)水资源紧缺的地方。SBR系统可在生物处理后进行物化处理,不需要增加设施,便于水的回收利用。
4)用地紧张的地方。
5)对已建连续流污水处理厂的改造等。
6)非常适合处理小水量,间歇排放的工业废水与分散点源污染的治理。
近期来随着SBR工艺的发展,特别是连续进水、连续出水方案的改进,使SBR工艺以应用于大中心污水处理厂。

三、氧化沟


1.1氧化沟又名氧化渠,因其构筑物呈封闭的环形沟渠而得名。它是活性污泥法的一种变型。因为污水和活性污泥在曝气渠道中不断循环流动,因此有人称其为“循环曝气池”、“无终端曝气池”。氧化沟的水力停留时间长,有机负荷低,其本质上属于延时曝气系统。以下为一般氧化沟法的主要设计参数:


水力停留时间:10-40小时;
污泥龄:一般大于20天;
有机负荷:0.05-0.15kgBOD5/(kgMLSS.d);
容积负荷:0.2-0.4kgBOD5/(m3.d);
活性污泥浓度:2000-6000mg/l;
沟内平均流速:0.3-0.5m/s


1.2 氧化沟的技术特点:

氧化沟利用连续环式反应池(Cintinuous Loop Reator,简称CLR)作生物反应池,混合液在该反应池中一条闭合曝气渠道进行连续循环,氧化沟通常在延时曝气条件下使用。氧化沟使用一种带方向控制的曝气和搅动装置,向反应池中的物质传递水平速度,从而使被搅动的液体在闭合式渠道中循环。


氧化沟一般由沟体、曝气设备、进出水装置、导流和混合设备组成,沟体的平面形状一般呈环形,也可以是长方形、L形、圆形或其他形状,沟端面形状多为矩形和梯形。


氧化沟法由于具有较长的水力停留时间,较低的有机负荷和较长的污泥龄。因此相比传统活性污泥法,可以省略调节池,初沉池,污泥消化池,有的还可以省略二沉池。氧化沟能保证较好的处理效果,这主要是因为巧妙结合了CLR形式和曝气装置特定的定位布置,是式氧化沟具有独特水力学特征和工作特性:


1) 氧化沟结合推流和完全混合的特点,有力于克服短流和提高缓冲能力,通常在氧化沟曝气区上游安排入流,在入流点的再上游点安排出流。入流通过曝气区在循环中很好的被混合和分散,混合液再次围绕CLR继续循环。这样,氧化沟在短期内(如一个循环)呈推流状态,而在长期内(如多次循环)又呈混合状态。这两者的结合,即使入流至少经历一个循环而基本杜绝短流,又可以提供很大的稀释倍数而提高了缓冲能力。同时为了防止污泥沉积,必须保证沟内足够的流速(一般平均流速大于0.3m/s),而污水在沟内的停留时间又较长,这就要求沟内由较大的循环流量(一般是污水进水流量的数倍乃至数十倍),进入沟内污水立即被大量的循环液所混合稀释,因此氧化沟系统具有很强的耐冲击负荷能力,对不易降解的有机物也有较好的处理能力。


2) 氧化沟具有明显的溶解氧浓度梯度,特别适用于硝化-反硝化生物处理工艺。氧化沟从整体上说又是完全混合的,而液体流动却保持着推流前进,其曝气装置是定位的,因此,混合液在曝气区内溶解氧浓度是上游高,然后沿沟长逐步下降,出现明显的浓度梯度,到下游区溶解氧浓度就很低,基本上处于缺氧状态。氧化沟设计可按要求安排好氧区和缺氧区实现硝化-反硝化工艺,不仅可以利用硝酸盐中的氧满足一定的需氧量,而且可以通过反硝化补充硝化过程中消耗的碱度。这些有利于节省能耗和减少甚至免去硝化过程中需要投加的化学药品数量。


3) 氧化沟沟内功率密度的不均匀配备,有利于氧的传质,液体混合和污泥絮凝。传统曝气的功率密度一般仅为20-30瓦/米3,平均速度梯度G大于100秒-1。这不仅有利于氧的传递和液体混合,而且有利于充分切割絮凝的污泥颗粒。当混合液经平稳的输送区到达好氧区后期,平均速度梯度G小于30秒-1,污泥仍有再絮凝的机会,因而也能改善污泥的絮凝性能。


4) 氧化沟的整体功率密度较低,可节约能源。氧化沟的混合液一旦被加速到沟中的平均流速,对于维持循环仅需克服沿程和弯道的水头损失,因而氧化沟可比其他系统以低得多的整体功率密度来维持混合液流动和活性污泥悬浮状态。据国外的一些报道,氧化沟比常规的活性污泥法能耗降低20%-30%。


另外,据国内外统计资料显示,与其他污水生物处理方法相比,氧化沟具有处理流程简单,超作管理方便;出水水质好,工艺可靠性强;基建投资省,运行费用低等特点。


传统氧化沟的脱氮,主要是利用沟内溶解氧分布的不均匀性,通过合理的设计,使沟中产生交替循环的好氧区和缺氧区,从而达到脱氮的目的。其最大的优点是在不外加碳源的情况下在同一沟中实现有机物和总氮的去除,因此是非常经济的。但在同一沟中好氧区与缺氧区各自的体积和溶解氧浓度很难准确地加以控制,因此对除氮的效果是有限的,而对除磷几乎不起作用。另外,在传统的单沟式氧化沟中,微生物在好氧-缺氧-好氧短暂的经常性的环境变化中使硝化菌和反硝化菌群并非总是处于最佳的生长代谢环境中,由此也影响单位体积构筑物的处理能力。


氧化沟缺点

    


尽管氧化沟具有出水水质好、抗冲击负荷能力强、除磷脱氮效率高、污泥易稳定、能耗省、便于自动化控制等优点。但是,在实际的运行过程中,仍存在一系列的问题。


2.1 污泥膨胀问题
当废水中的碳水化合物较多,N、P含量不平衡,pH值偏低,氧化沟中污泥负荷过高,溶解氧浓度不足,排泥不畅等易引发丝状菌性污泥膨胀;非丝状菌性污泥膨胀主要发生在废水水温较低而污泥负荷较高时。微生物的负荷高,细菌吸取了大量营养物质,由于温度低,代谢速度较慢,积贮起大量高粘性的多糖类物质,使活性污泥的表面附着水大大增加,SVI值很高,形成污泥膨胀。


针对污泥膨胀的起因,可采取不同对策:由缺氧、水温高造成的,可加大曝气量或降低进水量以减轻负荷,或适当降低MLSS(控制污泥回流量),使需氧量减少;如污泥负荷过高,可提高MLSS,以调整负荷,必要时可停止进水,闷曝一段时间;可通过投加氮肥、磷肥,调整混合液中的营养物质平衡(BOD5:N:P=100:5:1);pH值过低,可投加石灰调节;漂白粉和液氯(按干污泥的0.3%~0.6%投加),能抑制丝状菌繁殖,控制结合水性污泥膨胀[11]。


2.2 泡沫问题
由于进水中带有大量油脂,处理系统不能完全有效地将其除去,部分油脂富集于污泥中,经转刷充氧搅拌,产生大量泡沫;泥龄偏长,污泥老化,也易产生泡沫。用表面喷淋水或除沫剂去除泡沫,常用除沫剂有机油、煤油、硅油,投量为0.5~1.5mg/L。通过增加曝气池污泥浓度或适当减小曝气量,也能有效控制泡沫产生。当废水中含表面活性物质较多时,易预先用泡沫分离法或其他方法去除。另外也可考虑增设一套除油装置。但最重要的是要加强水源管理,减少含油过高废水及其它有毒废水的进入。


2.3 污泥上浮问题
当废水中含油量过大,整个系统泥质变轻,在操作过程中不能很好控制其在二沉池的停留时间,易造成缺氧,产生腐化污泥上浮;当曝气时间过长,在池中发生高度硝化作用,使硝酸盐浓度高,在二沉池易发生反硝化作用,产生氮气,使污泥上浮;另外,废水中含油量过大,污泥可能挟油上浮。


发生污泥上浮后应暂停进水,打碎或清除污泥,判明原因,调整操作。污泥沉降性差,可投加混凝剂或惰性物质,改善沉淀性;如进水负荷大应减小进水量或加大回流量;如污泥颗粒细小可降低曝气机转速;如发现反硝化,应减小曝气量,增大回流或排泥量;如发现污泥腐化,应加大曝气量,清除积泥,并设法改善池内水力条件。


2.4 流速不均及污泥沉积问题

在氧化沟中,为了获得其独特的混合和处理效果,混合液必须以一定的流速在沟内循环流动。一般认为,最低流速应为0.15m/s,不发生沉积的平均流速应达到0.3~0.5m/s。氧化沟的曝气设备一般为曝气转刷和曝气转盘,转刷的浸没深度为250~300mm,转盘的浸没深度为480~ 530mm。与氧化沟水深(3.0~3.6m)相比,转刷只占了水深的1/10~1/12,转盘也只占了1/6~1/7,因此造成氧化沟上部流速较大(约为0.8~1.2m,甚至更大),而底部流速很小(特别是在水深的2/3或3/4以下,混合液几乎没有流速),致使沟底大量积泥(有时积泥厚度达1.0m),大大减少了氧化沟的有效容积,降低了处理效果,影响了出水水质。


加装上、下游导流板是改善流速分布、提高充氧能力的有效方法和最方便的措施。上游导流板安装在距转盘(转刷)轴心4.0处(上游),导流板高度为水深的1/5~1/6,并垂直于水面安装;下游导流板安装在距转盘(转刷)轴心3.0m处。导流板的材料可以用金属或玻璃钢,但以玻璃钢为佳。导流板与其他改善措施相比,不仅不会增加动力消耗和运转成本,而且还能够较大幅度地提高充氧能力和理论动力效率。


另外,通过在曝气机上游设置水下推动器也可以对曝气转刷底部低速区的混合液循环流动起到积极推动作用,从而解决氧化沟底部流速低、污泥沉积的问题。设置水下推动器专门用于推动混合液可以使氧化沟的运行方式更加灵活,这对于节约能源、提高效率具有十分重要的意义。