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炼油污水厌氧生物处理技术

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  炼油污水是一类污染物组成复杂、悬浮物和油类污染物含量高,且生物毒性强、生物不易降解的有机污水。污水经物化工艺处理去除大部分油类污染物和悬浮物后进入生化处理工艺,通过微生物作用降解污水中大部分COD 和氨氮等有机污染物。生化处理技术主要是利用微生物代谢产生的水解酶,将水中的大分子有机污染物开环、断键,转化为小分子有机物,再通过微生物的协同作用将小分子物质进一步转化为易降解的小分子、

 H2O、CO2 及N2 等物质,从而实现污水的净化作用,具有基建费用低、处理水量大、降解效果显著、适用领域广泛等诸多优点,是现代污水处理工艺中最主要的处理技术。

  1 厌氧生物技术

  厌氧生物技术是在没有氧气的条件下,通过厌氧菌群的新陈代谢活动,降解大量有机污染物,同时生成CH 、CO 等无机物的过程 。在厌氧生物活动过程中,分子结构复杂、难降解的有机化合物开环断链,转变成分子结构简单、易降解的化合物,并释放一定能量。厌氧生物处理是一个由成千上万种不同功能的微生物菌群共同参与完成的代谢过程,是一个相互影响、相互制约、同时进行的极其复杂的生物化学过程 。

  厌氧生物反应阶段学说经历了两阶段到四阶段学说的发展历程 :两阶段学说是指在厌氧技术研究初期,人们认为厌氧反应包括两个阶段,即酸性阶段和碱性阶段 。随着厌氧生物技术研究不断深入,科研学者相继提出了厌氧反应三阶段学说,认为厌氧微生物的降解过程存在水解酸化、产氢产乙酸和产甲烷三个阶段。现代微生物检测手段的成熟进一步推进厌氧微生物学研究,表明厌氧生物反应可分为四个阶段,即水解阶段、酸化阶段、产乙酸阶段和产甲烷阶段。另一种说法也是四个阶段,根据各个反应阶段参与的微生物类型划分为水解酸化、产氢产乙酸、耗氢产乙酸和产甲烷四个阶段 。无论是两阶段学说还是发展到后来的四阶段学说,对厌氧生物反应的机理研究内涵都是 :微生物先将复杂的有机物(纤维素、蛋白质、脂类)等发酵为有机酸、醇类、CO 、NH 、H 等 ;然后产酸菌将除甲酸、乙酸、甲醇外的有机酸和醇类转化成乙酸 ;产甲烷菌再将甲酸、甲醇、乙酸、CO 等小分子转化为甲烷 。

  污水的厌氧生物处理技术主要应用设备包括普式消化池、厌氧接触池、升流式厌氧污泥床(UASB)及厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB) 等。

  2 升流式厌氧污泥床反应器(UASB)

  1977 年,荷兰 Lettinga 教授在经过大量结构计算及试验验证,发明了升流式厌氧污泥床反应器(UpflowAnaerobic Sludge Bed, UASB)[21],UASB 内的污水自下而上流动,反应器底部由一个微生物活性极高的污泥组成高浓度污泥床层,污水中的大部分有机化合物经过污泥床与微生物菌群充分接触,厌氧发酵为甲烷和二氧化碳等小分子化合物,反应产生的气体通过反应器顶部三相分离器集中收集,再利用,污泥受重力作用回到污泥床层区。

  2.1 UASB 工艺原理

  UASB 反应器的工作原理是污水从反应器的底部进入,向上流动过程中与污泥床层充分接触,水中有机物被厌氧菌群新陈代谢过程利用,降解为 CH 、CO 和小分子化合物等。厌氧过程中产生的沼气引起反应器内污水形成内循环,促进污泥床内污泥形成颗粒污泥。同时,附着了气体的污泥随水流上升至反应器顶部,气 -水 - 泥的混合物经过三相分离器时,沼气进入集气室集中收集后再利用,污泥颗粒受重力作用沉淀并回到污泥床层,与污水中有机物继续反应。

  2.2 UASB 工艺的技术特点

  与早期厌氧工艺比较,UASB 具有以下优点:

  (1)污泥浓度是早期污泥池的十倍以上,污染物降解效果显著。

  (2)省去机械搅拌装置辅件,发酵产生沼气随水流上升过程,迫使上部污泥床呈现悬浮态。

  (3)省去污泥沉淀池和回流设备,反应器顶部安装三相分离器,随水流上升的污泥在三相分离器内受水力学影响重新回到污泥床反应区。

  (4)减少设备堵塞和反冲洗操作,污泥床无载体,节省设备造价同时避免填料堵塞等问题。

  2.3 UASB 工艺的研究与应用

  Saber A. El-Shafai等人用 UASB+ 浮萍池处理生活污水,夏季进水 COD 浓度为 749, mg/L 时,经过 UASB处理后降到 151 mg/L,最终出水 COD 为 49, mg/L ;冬季进水COD 为 871 mg/L 时,经过 UASB 处理后将至 257, mg/L,最终出水为 73 mg/L。

  H. Nadais等人以絮凝污泥为接种污泥,采用间歇式 UASB 反应器处理乳品废水。研究结果表明,间歇式 UASB 处理乳品废水的最佳周期(COD 转化为甲烷的最高转化率)为 96 h(48 h 加营养物 +48 h 不加营养物),最大负载是 22 g COD/L·d,加入营养物阶段等价负荷是 44 g COD/L·d。

  R. Rajakumar等研究中温条件下(29℃~ 35℃)采用混合型升流式厌氧污泥床(HUASB)处理家禽屠宰废水。结果表明,最佳有机负荷为 19 kg COD/m3·d,此时 TCOD 的去除率为 70% ~ 86%,SCOD 的去除率为 80% ~ 92% ;生物气体(最大甲烷含量为 72%)为1.1 ~ 5.2 m3/m3·d ;反应器进水有机负荷达到 9.27, kgCOD/m3·d 时,最大的甲烷产量为 0.32 m3/kg COD ;反应器运行 225 天结束实验时,污泥床内形成黑色成熟颗粒污泥,颗粒粒径在 2.5 ~ 5 mm 之间。

  3 膨胀颗粒污泥床(EGSB)

  荷兰 Biothane Systems 公司经 20 多年的试验研究与实际应用,在 UASB 结构基础上,结合厌氧流化床工艺优势,研发了厌氧颗粒污泥膨胀床工艺(Expanded Granular Sludge Bed, EGSB)。EGSB 工艺是基于UASB 工艺的新一代反应器,出水回流设计和塔式反应器结构进一步提升了厌氧反应能力。

  3.1 EGSB 工艺的原理

  EGSB 反应器按照功能区分,自下而上分别是进水系统、反应区、沉淀区和三相分离区。废水在反应区以流态化状态与颗粒污泥充分接触,加速厌氧反应进行 。反应器内污水中有机底物、多种中间产物以及多种厌氧微生物生态系统间相互作用,发生一系列复杂的生物化学反应,厌氧菌群迭代更新的同时有机污染物被分解,同时生成沼气。EGSB 反应器的高流速不仅为有机污染物和微生物菌群充分接触提供保障,加速厌氧反应进程,同时进一步提高了反应器的有机负荷处理能力和抗冲击能力。

  3.2 EGSB 工艺的技术特点

  EGSB 工艺作为第三代厌氧工艺代表,具有以下优点:

  (1)塔式结构,具有更大高径比,节省装置占地。

  (2)高液体上升流速,水 - 气 - 泥充分接触混合,促进反应进程。

  (3)出水回流系统,提高反应器抗冲击能力及有机负荷处理能力。

  3.3 EGSB工艺的研究与应用

  目前我国对EGSB工艺的研究主要围绕酿酒、制糖等食品类有机废水处理领域,国外应用领域主要集中在有毒、难降解有机废水的处理。

  Nunez等人在中温条件下,用 EGSB 反应器处理屠宰废水。污水 COD 浓度: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 的运行条件下,各类指标去除率分别达到 COD 67%,SS 90%,脂类 85%,且颗粒污泥未积累脂类有机物。

  S.Rebac采用EGSB 处理麦芽发酵废水。在低温条件下(13℃~ 16℃),进水 COD 浓度为 282 ~ 1 436, mg/L(可生物降解部分占 73%),HRT 为 2.4 h,有机负荷率为4.4 ~ 8.8 kg COD/(m3·d) 时,COD 平均去除率为 56% ;温度为 20℃,HRT 分别为 2.4 h 和 1.5 h,有机负荷率分别为 8.8 kg COD/(m3·d) 和 14.6, kg COD/(m3·d) 时,COD 去除率分别为 66% 和 72%。

  Rebac等人利用两级 EGSB 对麦芽汁废水进行处理,进水浓度为 200 ~ 1 800 mg COD/L,有机负荷为 3 ~ 12 kg COD/(m3·d),温度为 10℃~ 15℃、HRT为 3.5 h 时,去除率可达 67% ~ 78%。

  4 总结与展望

  本文主要围绕两种高效厌氧生物处理技术,对其典型反应器的工艺原理、优点和研究与应用展开阐述与分析。在资源匮乏、能耗不增加的环境背景下,厌氧生物处理工艺以其运行费用低、设备简单等特点越来越受广大环保研究人员的重视,而以厌氧生物处理技术为依托的高效厌氧生物反应器,以其占地面积小、运行负荷高、处理效率高、能耗低等特点,已经在污水处理的多种行业展开了大量的基础研究和部分现场应用,尽管目前在炼油污水中尚未出现大量应用,在解决炼油污水生物污泥培养难题后,将成功转移至炼油污水的生物处理工艺中,成为处理工艺中非常重要的一个处理环节,对炼油污水处理工艺的节能降耗意义重大。(来源:中海油能源发展股份有限公司 / 安全环保分公司)

 

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