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水解工艺处理生活污水的研究

目前最广泛采用的水解生物处理反应器有上流式污泥床反应器、悬挂填料的生物膜反应器、厌氧滤池反应器等。本试验装置采用上流式污泥床反应器形式。试验用水解池采用钢制设备,外形尺寸为:外径720mm,总高为5.24m,有效水深4.94m,悬浮污泥层高度3.5m。水解池采用十字穿孔进水管进水,上部采用平口出水堰出水,水解酸化池的有效容积为2.01m3。
1.水解池的启动和微生物驯化
水解池的启动和微生物驯化历时27d。启动期间接种污泥两次,一次是在启动初期,另一次是在启动后2周,采用两次接种主要是考虑到接种污泥量大能加快反应器的启动速度。两次共计投加接种污泥1.0m3,污泥浓度为10g/L,SV为70%。水解池初始流量为0.2m3/h,水解酸化池在驯化结束时COD去除率稳定在30%-42%,取水解池底部污泥观察,外观呈黑色球状,结构密实。
2.试验结果及分析
水解酸化池的试验共计3个月。试验共分三个阶段进行。第一阶段,水解池以上流式污泥床的形式运行,利用水解池中下部的悬浮污泥层对污水中的悬浮物进行截留和吸附,同时污泥层中的缺氧菌、兼氧菌对部分颗粒状和溶解性的有机物进行吸收和降解,该阶段控制上升流速,使污泥与水进行自然分离,不加任何增张分离效果的填料和设备。第二阶段,水解池泥水分离区上部加入高为500mm的¢50mm蜂窝斜管,以增加沉降面积,同时对在不同的水力负荷和不同水力停留条件下运行。第三阶段,水解池出水区增加高为500mm的轻质滤料,以提高固液分离效果。同时提高有机污染物的去除效果,减低后续BAF的负荷,并在保证出水效果的前提下尽可能提高水力负荷。
(1)第一阶段试验;水解酸化池以上流式污泥床的形式运行,不加任何填料,在水力停留时间分别为2h、3h、4h、5h下运行。
①水力停留时间对水解池处理效果的影响由于水解产酸菌的世代期短,往往以分钟和小时计,因此该过程十分迅速,可通过控制污水在反应器中的停留时间来将厌氧反应控制在水解酸化阶段。本试验将反应器内的水力停留时间控制在2-5h,得到如表10-3、表10-4和图10-4、图10-5所示的试验结果。

水解池水力停留时间与COD去除率的关系
水解停留时间/h CODcr
进水范围/(mg/L) 进水均值/(mg/L) 进水范围/(mg/L) 出水均值/(mg/L) 平均去除率/%
2 376.0-482.1 429.1 171.9-248.0 210.0 21.0
3 406.0-416.0 411.0 172.0-198.0 185.0 55.0
4 164.0-312.0 238.0 61.3-140.0 100.7 57.7
5 347.8-405.1 376.5 128.4-164.0 146.2 61.2
水解池水力停留时间与SS去除率的关系
水解酸化停留时间/h 进水范围/(mg/L) 进水均值/(mg/L) 进水范围/(mg/L) 出水均值/(mg/L) 平均去除率/%
2 135.0-225.0 180.0 50.0-150.0 82.3 54.3
3 142.0-210.0 176.0 70.8-120.0 77.8 55.8
4 130.0-250.0 190.0 52.0-82.0 75.4 60.3
5 158.0-347.0 252.5 60.0-90.0 79.0 68.7

由表10-3和表10-4的结果可以看出,当反应器内的水力停留时间控制在2--5h之间时,停留时间对处理效果的影响并不大。随着停留时间的增大,COD的去除率只有很小的提高。停留时间从2h上升到5h,COD的去除率只是从51.0%增大到61.2%。污水采用初沉池处理时,其COD的去除率约为30%,而本工艺的COD的去除率则可以达到50%以上。由此可见,这种厌氧水解工艺完全可以代替初沉池对城市生活污水进行处理,同时使COD的去除率大大提高,并降低了后续工艺的去除负荷。
从表10-4和图10-5可知,水解池对SS的去除率随停留时间的延长而增加,但增加的效果不是很明显,当停留时间从2h增加到5h时,SS的去除率仅从54.3%增加到了68.7%。这与水解池去除SS的原理有关。水解池去除SS主要是作初期的物理作用,包括悬浮污泥层吸附和截留。而物理作用则是一个很快的反应过程,基本上与水力停留时间没有关系。但是,水解池的悬浮污泥层在完成吸附和截留后,还要进行SS中有机物的降解,而这则与停留时间有关。对于难降解的SS,需要的停留时间较长,而对于容易降解的SS,所需的时间则较短。一般地,对于特定的水质,会有特定的停留时间,在该停留时间下,对SS的去除率最好。对于城市生活污水,从试验的结果来看,停留时间在2--5h均可,但是综合考虑有机物的降解和SS的去除及经济原因,建议水力停留时间在2.5-3.5h。
②容积负荷对处理效果的影响;对厌氧水解过程在不同容积负荷下处理效果做比较,如图10-6、图10-7所示。
由图10-6可以看出,在相同的水力停留时间下,COD的去除率随COD容积负荷的增加而增加,这表明水解池具有很强的抗冲击负荷的能力,有效地保证了出水的水质。在相同的有机负荷下,随着水力停留时间的延长,相应地COD去除率也有所增加,但效果不是很明显。水解反应的机理决定了其水力停留时间是比其COD容积负荷更为重要的参数,是主要的设计参数,图10-6中,在水力停留时间为4h的曲线上,当容积负荷为1.481 kgCOD/(m3·d)时,水解COD的去除率约为60%。在水力停留时间为2h的曲线上,当容积负荷为2.620 kgCOD/(m3·d)时,水解COD的去除率也约为60% 。而在此时,水解池的进水COD浓度是相等的。也就是说,对于同样的污水,分别采用Nv=1.481kgCOD/(m3·d)和Nv=2.620 kgCOD(m3·d)来设计水解池,水力停留时间分别为2h和4h,得到同样的去除率,而反应器的体积相差1倍。因此,对于水解池的Nv只作设计参考,不是主要的设计参数。
由图10-7可以看出,在相同的水力停留时间下,SS的去除率随SS容积负荷的增加而增加。在停留时间为4h时,SS的去除率随SS容积负荷的增加而增加的速度大于停留时间为2h时的增加逮度。当SS的容积负荷在Nv=0.5 kgSS/(m3·d)以上时,除了停留时间为2h的情况,其余SS的去除率均在65%以上。水解池对SS有很好的去除效果。
③厌氧水解处理对污水可生化性的提高;在厌氧水解作用下,除了COD、SS等污染指标得到有效的去除外。污水中的部分有机悬浮颗粒物还被降解成可溶性物质,从而提高了污水的可生化性,有利于后续的二级生物处理。厌氧水解池进出水水质对比见表10-5。

厌氧水解池进出水水质对比
水解停留时间/h 进水 出水 去除率
进水COD/(mg/L) 进水SCOD/(mg/L) 进水SCOD/COD 出水COD/(mg/L) 出水SCOD/(mg/L) 出水SCOD/COD COD去除率/% SCOD去除率/%
2 429.1 145.7 0.34 210.0 160.4 0.76 51.0 -10.1
3 411.0 178.2 0.43 185.0 122.1 0.66 55.0 34.0
4 238.0 102.9 0.43 100.7 73.1 0.72 57.7 27.4
5 376.5 147.5 0.39 146.2 94.9 0.65 61.2 35.1

由表10-5可见,经过水解作用后,污水中溶解性COD(SCOD)占总COD的比例SCOD/COD已经由进水的39.75%升高到出水的69.75%。同时,SCOD的去除率也明显低于COD的去除率,进出水的SCOD差别不大,并且还曾有过出水高于进水的情况。这些都表明,厌氧水解对可溶性的有机物去除作用不大,而主要对污水中的悬浮有机物进行增溶作用,使污水的可生化性提高。并可缩短后续好氧处理的反应时间。
由图10-8可知,对于生活污水,当水力停留时间为2-5h时,水力停留时间对出水SCOD/COD的值影响不大。
④温度对水解处理效果的影响;试验研究过程中,温度在20-36℃的范围内变化,其COD、SS的去除率如图10-9所示。从图中可以看出:温度升高对COD、SS的去除率有一定的影响。COD、SS的去除率随温度的升高而有一定的增加,但增加幅度不是很大,所以温度在20-36℃的范围内对COD、SS的去除率影响不是很大,去除率基本都在50%以上。一些人的研究表明,水解池在水温维持在10℃以上时,温度对COD、SS处理效果的影响不大,它们的去除率都能达到30%和50%以上。水解池处理效果受温度影响小的原因与水解过程有机物去除途径有关,一般认为在水解反应器中,悬浮污泥层截留和吸附污水中颗粒物质和粒状有机物质的过程是一个快速反应的物理过程,一般只要几秒钟到几十秒钟即可完成。截留下来的物质被吸附在絮状活性污泥的表面和絮体中,并随着时间的推移慢慢被分解,这就使系统内污泥停留时间要大于水力停留时间。
值得注意的是,不同温度条件下。水解反应器内污况的水解率将有一定的变化。山本康次等曾报道,在HRT为7.5h的条件下,水温30℃的污泥产率(SS/COD)为0.06kg/kg,而在水温为10℃时,这个数值为0.2kg/kg。说明在低温条件下污泥水解率降低,截留的颗粒物质和粒状有机物质没有被尽可能地消化,所以造成污泥的积累。
(2)第二阶段和第三阶段试验:第二阶段试验中,在水解池泥水分离区中加入高为500mm的斜管,其目的是进一步降低出水中的SS值,延长后续BAF池的反冲洗周期,该阶段也在水力停留时间分别为2h、3h、4h、5h下运行。该工艺是根据Hazes提出的浅层沉淀原理进行的,将该原理应用于水解池中,以提高装置截留污泥的能力,装黄中设置斜管主要起提高污泥分离沉降的作用,降低出水SS,虽然装置运行后期,在斜管上也会挂膜,但
其膜的生物处理功能是次要的。
第三阶段试验中,水解池中加入高为500mm的轻质滤料,在水力停留时间分别为2h、3h、4h、5h下运行。这种水解反应器实际上是一种结合上流式厌氧污泥床(UASB)和厌氧滤池(AF)两种工艺特点的新式水解工艺。该工艺的主要特点是在普通UASB反应器的基础上,以泡沫滤珠为填料组成的滤层代替UASB反应器中的三相分离器。该滤层层由直径为3-5mm的球状泡沫滤珠组成,滤层的填充高度为0.5m,填充体积为0.20m3。滤层上部设有滤板,起阻档滤料浮力的作用,过滤后的水流通过设在滤板上的长柄滤头而流出(滤头倒装,滤冒朝下)。该反应器装置分为悬浮污泥层区、滤层区和出水区三个部分。该工艺的运行机理是:待处理污水经过进水管均匀布水后进入悬浮污泥层区,进水中的部分有机物和SS经水解作用后,大部分有机物质被转换,污水中含有的SS在滤层区中被截留分离,滤后水经集水系统收集后流出反应器。在装置运行一定时间后,在滤料表面上也会挂膜,所以部分有机物也会经生物膜的生物处理而去除。

本次试验研究的第一、第二、第三阶段中,水解池停留时间与COD、SS的去除率关系见图10-10、图10-11。
从图10-10、图10-11中可以看出:与第一阶段相比,第二、三阶段水解池对COD和SS的去除率有明显的提高,尤其是对SS的去除率。从图中可以看出,第二、三阶段在水力停留时间为2h的情况下,对SS的去除率可达70%以上。在试验中,发现第一阶段水解池易出现漂泥现象,即水解池表面浮有一层污泥,将其清理干净后几天又浮了一层。而第二阶段出现的浮泥较少,第三阶段在运行期间则没有出现过漂泥现象。但第三阶段曾出现过堵塞,特别是当水力负荷较高时,因为泡沫小球具有可压缩性,被压缩后球与球之间的空隙减小,空隙间的水力负荷增加得更快。以水力停留时间2h为例,滤料的空隙率以40%计,滤料中的上升流速高达6.14m/h,不但出水的长柄滤头容易堵塞。而且滤板的压力也很大,操作运行不是很方便。而且随着运行时间的延长,泡沫滤珠滤料容易被截留的悬浮物和在其表面生长的生物膜所堵塞。因此设计的时候必须考虑到反冲洗。综合比较而言,在水解酸化池的上方加斜管不失为一种好方法,不但能有效降低出水SS的浓度,而且不会堵塞,不用考虑反冲洗,操作运行都很简单。
3.水解研究阶段的其他一些问题探讨
(1)水解池的污泥;在进行水解池的试验研究时,由于水解池内污泥停留时间远远大于污水的水力停留时间,污泥有足够长的时间重新分解,变成可溶性COD随水流入后续处理系统,其中还有一部分变成气体溢出,所以水解池中厌氧菌除了对污水产生厌氧水解作用外,同时对污泥产生了厌氧消化作用,因此厌氧水解池基本可对污泥的产生及消化达成平衡。从水解池底部排出的厌氧污泥除含有部分有机物外,有很大一部分为无机物,如砂石等,这些物质是由进水带入的,所以在工程设计中应充分考虑底泥的排除设施。
由于水解池中对污泥产生了厌氧消化作用,故水解池污泥产量小。在试验期间,水解池只排过一次泥。有资料介绍,水解池的污泥中有机物降解率高于硝化污泥,而脱水性能、卫生指标不亚于消化污泥。所以水解池的排泥不必再进行污泥消化。
在运行过程中,水解池内污泥层的污泥浓度上下不均匀,上部的污泥浓度约10-15g/L,而水解池底部排泥浓度为20-25g/L,但污泥内有较多泥沙等无机物。
(2)水解与厌氧硝化的比较;尽管生物相分离处理工艺中的水解酸化阶段、两相厌氧发酵工艺中的产酸相和混合厌氧硝化工艺中的产酸过程均产生有机酸,但由于三者的处理目的不同,氧化还原电位(ORP)、pH值和温度等条件的影响存在着明显的差异(见表10-6)。

生物相分离处理工艺中的水解阶段与厌氧消化的比较
项目 生物相分离技术中的水解阶段 两相厌氧消化中的产酸相 厌氧消化
氧化还原电位(ORP)/mV <+50 -100~-300 <-300
pH值 5.5-6.5 6.0-6.5 6.8-7.2
温度 通常常温
优势微生物 兼氧菌 兼氧菌+厌氧菌 厌氧菌
产气中甲烷含量 极少 少量 大量
最终产物 水溶性基质(各种有机酸、醇)、CO2 乙醇、少量低碳酸、CH4/CO2 CH4/CO2

4.水解反应的动力学研究
(1)水解反应的动力学模型;为研究方便,水解酸化池模型示意见图10-12
假定水解池为推流式反应器,则控制体物料平衡如下:

式中,Q为进水流量,m3/h;c为基质浓度,kg/m3;V为控制体的体积,m3;r为基质降解速度,kg/(m3·d)。假定水解过程对基质的降解为一级反应,则:r=-kc;V=Adx
式中, k为水解反应动力学常教,1/d;A为反应器截面积,m2。
因反应器处于稳定状态(?c/?t=0),所以式可简化为:-Qdc/dx=Akc
(2)动力学参数求解;根据水解池的水力停留时间为5h时的试验数据,用图解法来求水解池的动力学参数。根据试验数据,制得表10-7。

求解动力学参数k的计算数据
co ce lnco lnce co ce lnco lnce
416.5 156.9 6.03 5.06 569.1 210.6 6.34 5.35
482.9 181.1 6.18 5.20 199.3 75.9 5.29 4.33
557.2 207.5 6.32 5.34 346.1 129.0 5.85 4.86
482.1 181.3 6.18 5.20 454.7 167.3 6.12 5.12
492.0 179.5 6.20 5.19 219.3 76.7 5.39 4.34
408.0 154.5 6.01 5.04 312.0 117.9 5.74 4.77

根据上表,以lnco为横坐标,lnce为纵坐标做图10-13。
由图求得:k=5.04/d,因此该水解反应池动力学模型为:Ce=C0*e^-5.04‘
利用此动力学模型,可以较为准确地预测水解池出水水质。同时可以根据进出水的水质目标来确定合理的水力停留时间。

 

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