勢能增氧生態(tài)凈化工藝在高濃度有機廢水處理中的應用

陳鳴釗,商衛(wèi)純,馮 騫,肖玉冰

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;2.河海大學環(huán)境學院,江蘇 南京 210098; 3.浙江省環(huán)境保護科學設計研究院,浙江 杭州 310007)

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勢能增氧生態(tài)凈化工藝在高濃度有機廢水處理中的應用

陳鳴釗1,2,商衛(wèi)純3,馮 騫1,2,肖玉冰1,2

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;2.河海大學環(huán)境學院,江蘇 南京 210098; 3.浙江省環(huán)境保護科學設計研究院,浙江 杭州 310007)

比較污水處理好氧工藝生物轉(zhuǎn)盤法和滴濾池法的優(yōu)缺點,并結(jié)合兩種廢水處理方法的優(yōu)點,設計新的工藝——勢能增氧生態(tài)凈化工藝,對南京市臘梅食品廠高濃度有機廢水進行處理。結(jié)果表明,勢能增氧生態(tài)凈化工藝設計簡單,不需鼓風曝氣,污水進入廢水處理系統(tǒng)后出水即達到所要求的水質(zhì)標準,且全部自控管理,具有廢水處理效果佳、運行費用低的特點。

勢能增氧生態(tài)凈化工藝;有機廢水;廢水處理

應用當今的各種成熟的工藝進行高濃度有機廢水處理,運行費用常常較高。探索一種成本低廉、處理效果良好的高濃度有機廢水處理工藝,是研究者們孜孜以求的夢想。

1 高濃度有機廢水處理常用工藝簡介

當前高濃度有機廢水處理的各種方法中,其工藝大致可歸納為3個環(huán)節(jié):預處理、厭氧工藝、好氧工藝。

a.預處理。該環(huán)節(jié)中,以采用高效絮凝劑為多數(shù),其他應用電解等方法。這些方法都需耗電或投藥。

b.厭氧工藝。厭氧工藝的特點是不耗能,不增加運行費用,是處理高濃度有機廢水的重要環(huán)節(jié)。提高厭氧工藝的處理效率,降低成本是該工藝環(huán)節(jié)的研究方向。在處理高濃度有機廢水方面,廢水濃度越高,厭氧工藝的優(yōu)越性越明顯,污染物去除率可達95%以上。但是厭氧工藝有一個不可逾越的障礙,即無論再好的厭氧工藝,在降低污水濃度方面有一個下限值,出水中CODCr的質(zhì)量濃度幾乎不可能降到130 mg/L以下。這是厭氧細菌的生長、生理的限制。如果要求出水中CODCr質(zhì)量濃度到100 mg/L以下,則必須要配有好氧工藝環(huán)節(jié)。

c.好氧工藝。現(xiàn)行的處理工藝中,活性污泥法、氧化溝法、SBR法、A/B法、生物接觸氧化法等都是成熟的好氧工藝,它們對生活污水處理效果達到ρ(CODCr)≤100 mg/L時的運行費用在0.8～1.4元/t之間[1]。若再加上預處理運行費用,則高濃度有機廢水處理的直接運行成本可高達2元/t以上,這對于用戶來講是一項沉重的負擔。好氧工藝需要耗能,運行費用除藥劑費之外,還有電能消耗費用及管理人員的工資。以較為流行的SBR法和生物接觸氧化法為例,它們都需要鼓風曝氣,其氣水比若采用15∶1～20∶1,則每100 m3污水需空氣曝氣量為1.0～2.0 m3/min,還要計算羅茨風機的功率消耗(大約為0.4 kW/t)。除了工藝部分的消耗之外,還有人工管理費用。根據(jù)城鄉(xiāng)建設部(85)城勞字第5號文“關于《城市建設各行業(yè)編制定員實行標準》的通知”要求:“日處理5萬t以下的二級污水處理廠,每萬t配備22人”。參考這一標準,一般情況,一個大的高濃度污水處理廠至少需12人,車間主任(兼技術(shù)員)1人,分析化驗員(兼核算員)1人,操作人員(采用5班三運轉(zhuǎn)制)每班2人,則人員工資至少為0.4元/t。

2 免去鼓風曝氣的好氧方法

當今所有污水處理好氧工藝中,除生物轉(zhuǎn)盤和滴濾池外,都需進行鼓風曝氣以供應好氧微生物呼吸和生存。生物轉(zhuǎn)盤法屬于膜法的類型,有生物轉(zhuǎn)盤、滴濾池、生物濾塔(池)、生物接觸氧化、生物流化床等工藝,其中只有生物轉(zhuǎn)盤和滴濾池法不需鼓風曝氣。

2.1 生物轉(zhuǎn)盤復氧

若在生物轉(zhuǎn)盤盤片上取一單位面積,作上彩色標志并跟蹤觀測,則可以看到,該單位面積在不斷地做出露水面、淹沒水下的周而復始運動。

當單位面積盤片淹沒水中時,其盤片(填料)上所附生物膜中的好氧微生物則分解污水,獲取食物,得以生長繁殖,同時使污水得到凈化[2-6]。衡量生物膜處理污水能力的一項指標是每立方米生物轉(zhuǎn)盤的盤片(填料)面積(稱之為單位比表面積)。盤片面積越大,則凈化污水的能力越大。最大的生物轉(zhuǎn)盤比表面積為157 m2/m3(按生物轉(zhuǎn)盤直徑為3m,兩盤之間間隙為10 mm計),比表面積不大是生物轉(zhuǎn)盤法的缺點。

在單位面積盤片出露水面期間,附在盤片上的水膜與大氣進行氧分子交換,稱之為大氣復氧效應。按照大氣復氧雙膜理論[2],一個流動的水體從大氣中吸收氧氣的過程稱為“復氧過程”,也稱“再曝氣過程”。氧的傳輸率計算公式為

(1)

式中:OS,O分別為水中溶解氧的飽和濃度和實際濃度;A,V分別為填料表面的總表面積及填料的總體積;KL為氧的質(zhì)量傳輸系數(shù)。

由式(1)可知，氧的傳輸率dO/dt除與(OS-O)成正比外,尚與水體比表面積A/V成正比。

在單位面積盤片出露水面期間,附在盤片(填料)上的水膜與大氣之間進行氧分子交換,填料的比表面積越大,大氣復氧率dO/dt也越大,這是一個應用大氣復氧取代鼓風曝氣的重要參數(shù)。

可以得出結(jié)論:不采用鼓風曝氣的環(huán)節(jié),只要能讓盤片(填料)周期性出露水面和淹沒水中,即可利用大氣復氧使填料上的水膜得到較高的溶解氧含量,同時也能分解污水中污染物。

2.2 滴濾池復氧

滴濾池也是一種不需要鼓風曝氣的好氧工藝。由于滴濾池結(jié)構(gòu)為粗顆粒填料,孔隙較大且池深較淺,當污水從布水器排出,依靠勢能自上而下流動時,其填料表面亦形成一個流動的水體,在表層形成大氣復氧,因此污水處理過程中不再耗能。筆者把它稱為勢能增氧生態(tài)凈化工藝的雛形。

當廢水進入滴濾池一定深度之后,水中的溶解氧被有機物和好氧微生物不斷消耗,進入缺氧狀態(tài),因此滴濾池池深不宜太深。

滴濾池中填料的表面附著有生物膜,當污水自上而下通過時,填料上的微生物分解污水,獲取食物,得以生長和繁殖,同時使污水得到凈化。填料的比表面積愈大,微生物量越多,對污染物的去除效果也越好。滴濾池中填料比表面積可達300～1 000 m2/m3。為提高比表面積,可減小填料的粒徑或增加濾池的池深,這就是生物濾池(塔)。生物濾池(塔)比表面積可達2 000 m2/m3。形成生物濾塔(池)后,當污水自上而下流動時,水中的溶解氧被有機物和好氧細菌不斷地消耗,在生物濾塔(池)底部形成缺氧狀態(tài)。為保障濾池(塔)中的好氧環(huán)境,在濾池(塔)底部進行鼓風曝氣。這種方式自下部供氧,在運行過程中易出現(xiàn)上部、下部好氧微生物生長、繁殖情況好,而中部好氧微生物生長、繁殖較差的情況。盡管采用這種方法得到了較好的污水去除效果,但滴濾池自然復氧、能耗低的優(yōu)點也不復存在。

在填料上再進行改進,形成生物接觸氧化法、生物流化床法、曝氣生物濾池等方法。但這樣就把滴濾池法能耗小、不需鼓風曝氣的優(yōu)點去掉了,從節(jié)能角度上看,有些可惜。

3 勢能增氧生態(tài)凈化工藝介紹

3.1 勢能增氧生態(tài)凈化工藝的設計

從對生物轉(zhuǎn)盤復氧和滴濾池復氧工藝優(yōu)缺點的分析和總結(jié),筆者設計一種勢能增氧生態(tài)凈化工藝(potential energy increasing oxygen ecological purification technology,PIEP),其核心工藝環(huán)節(jié)是“勢能增氧生態(tài)床”。

3.1.1 PIEP流程

PIEP流程是:生產(chǎn)車間污水收集溝—柵網(wǎng)過濾器—隔油池—分相厭氧池—增氧機和生態(tài)床—二沉池—溢流堰—出水。

3.1.2 工藝流程各環(huán)節(jié)的功能和設計

柵網(wǎng)過濾器可以除去大于0.5 mm的懸浮顆粒;四隔室隔油池可以除去污水中的油污;四隔室分相厭氧池可以充分發(fā)揮厭氧的處理效率,將CODCr質(zhì)量濃度降至200 mg/L左右,大大減輕好氧工藝的負荷;主要環(huán)節(jié)增氧機和生態(tài)床、二沉池是一個相互配合不可分割的整體;在溢流堰測量出水流量。

3.2 PIEP的實質(zhì)

PIEP的實質(zhì)是強化生物轉(zhuǎn)盤和滴濾池的優(yōu)點:強化生物轉(zhuǎn)盤的盤片(填料)周期性出露水面和淹沒水中的過程;強化滴濾池依靠勢能的優(yōu)點[7-9]。

a.強化生物轉(zhuǎn)盤的盤片(填料)周期性出露水面和淹沒水中的過程。PIEP生態(tài)床的結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土、磚混結(jié)構(gòu)、內(nèi)外防水粉。生態(tài)床內(nèi)部為多層淺層的箱體結(jié)構(gòu),箱體中裝滿填料(如卵石、黃沙),每一層按填料顆粒大小級配分層鋪砌,顆粒大的在下層,顆粒小的在上層。分層鋪砌是為了不讓填料堵塞,粗細顆粒填料級配是為了增加比表面積(至少可達最大的生物轉(zhuǎn)盤比表面積為157 m2/m3的3倍以上),強化了生物轉(zhuǎn)盤的盤片。每一層層高為30 cm,凈長2.9 m,凈寬1.2 m,一共設計12層?？傮w積14.6 m3,可裝填料7.0 m3。生態(tài)床下面的二沉池深90 cm,凈長4.7 m,凈寬1.2 m。PIEP增氧機加設在生態(tài)床兩頭,目的是很快吸干生態(tài)床中的水,并增加出水中的溶解氧含量。

b.強化滴濾池依靠勢能的優(yōu)點。采用自制的PVC板,PIEP增氧機加設在生態(tài)床兩頭。生態(tài)床箱體每層有1套2個增氧機,每個長0.65 m,寬0.35 m,高0.30 m,計12層, 12套,24個。該增氧機是利用水力學負壓原理,產(chǎn)生虹吸和7 m負壓,從而將30 cm水頭的勢能變?yōu)?.3 m水頭的勢能,強化了滴濾池所依靠的勢能從而節(jié)能(圖1)。

圖1 勢能增氧生態(tài)床剖面

3.3 PIEP的工作原理

當污水自第一層進入增氧機1時(圖1),由于集水廊道的存在,且箱體中的填料是大顆粒在下、小顆粒在上,污水自下而上運動,其中攜帶的懸浮物質(zhì)自下而上被截留。當水位上升到增氧機中的虹吸管頂部4并超過后,由于虹吸管作用的產(chǎn)生,污水以較大的流速自虹吸管向下一層排出,箱體中的水很快(一般設計不超過2 min)被吸干,空氣進入,進行大氣復氧。當每一層的污水被吸干后,虹吸就自動斷開。由于污水不斷進入(或上一層的污水向下一層排入),水位再次上升,再次虹吸,周而復始。每一層箱體中填料上的水膜和生物膜則獲得了不斷暴露于大氣、淹沒于水中的周期性,進行周而復始的運動[10-15]。

4 PIEP的工程應用及其效果

南京臘梅食品廠系生產(chǎn)“三鴻牌”肉松的工廠,污水排放量為100～120 m3/d,污水中CODCr的質(zhì)量濃度高達3 000 mg/L,SS的質(zhì)量濃度450～850 mg/L,植物油類的質(zhì)量濃度為300 mg/L左右。應用PIEP進行處理后,南京臘梅食品廠各項指標的質(zhì)量濃度均值已達國家允許排放一級標準:出水中ρ(COD)=100 mg/L,且十分穩(wěn)定。該套污水處理工藝簡單,操作方便,能做到均性處理,不曝氣,無噪音,不擾民,無易損件,堅固耐用,不投藥(不設專人管理),運行費用為0.24元/m3,每年節(jié)約開支約4萬元,且在運行2年后,進行大修保養(yǎng)時可看到其中的填料除第1層由于管理不善而部分發(fā)黑外,第2層以后直至底層的卵石、黃沙十分清潔,與新放填料無區(qū)別,無阻塞現(xiàn)象,厭氧池的污泥量小于或等于10 m3。

5 結(jié) 語

PIEP在南京臘梅食品廠的應用表明,該工藝無須羅茨風機鼓風曝氣,水質(zhì)可達到國家允許排放一級標準,且管理全部自動化,僅需1人已足夠,大大減少管理人員,使運行費用降為0.24元/m3,遠高于文獻[1]提出的標準,因此,PIEP是一種應用前景良好的污水處理方法。

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Application of potential energy increasing oxygen ecological purification technology in treatment of high concentration organic wastewater

CHEN Mingzhao1,2,SHANG Weichun3,FENG Qian1,2,XIAO Yubing1,2

(1.KeyLaboratoryforIntegratedRegulationandResourcesExploitationonShallowLakes,MinistryofEducation,HohaiUniversity,Nangjing210098,China;2.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nangjing210098,China;3.EnvironmentalScienceResearch&DesignInstituteofZhejiangProvince,Hangzhou310007,China)

Comparing the advantages and shortcomings of two wastewater treatment methods, aerobic process biological rotary method and trickling filter method, a new process,potential energy increasing oxygen ecological purification technology(PIEP),was designed by combining the advantages of the two wastewater treatment methods.PIEP was applied in the treatment of high concentration organic wastewater in Nanjing Lamei Food Factory.The results show that PIEP is simple in design and dosen’t need blast aeration.The effluent of wastewater flowing into the wastewater treatment system meet the required water quality standards, and the whole process is under automatic control management.PIEP has characteristics that the wastewater treatment effect is good and the operation expenses are lower.

potential energy increasing oxygen ecological purification technology; organic wastewater; wastewater treatment

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.04.017

陳鳴釗(1937—)，男，教授，主要從事環(huán)境科學與污水處理工程研究。 E-mail：ch_mz@sina.com

X703

A

1004-6933(2015)04-0094-04

2014-06-20 編輯：彭桃英)