水解-好氧生物处理工艺设计指南

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水解是指有机物进入微生物细胞前、在胞外进行的生物化学反应。微生物通过释放胞外自由酶或连接在细胞外壁上的固定酶来完成生物催化反应。 酸化是一类典型的发酵过程,微生物的代谢产物主要是各种有机酸。

从机理上讲,水解和酸化是厌氧消化过程的两个阶段,但不同的工艺水解酸化的处理目的不同。


水解酸化-好氧生物处理工艺中的水解目的主要是将原有废水中的非溶解性有机物转变为溶解性有机物,特别是工业废水,主要将其中难生物降解的有机物转变为易生物降解的有机物,提高废水的可生化性,以利于后续的好氧处理。考虑到后续好氧处理的能耗问题,水解主要用于低浓度难降解废水的预处理。


混合厌氧消化工艺中的水解酸化的目的是为混合厌氧消化过程的甲烷发酵提供底物。


而两相厌氧消化工艺中的产酸相是将混合厌氧消化中的产酸相和产甲烷相分开,以创造各自的最佳环境。


水解-好氧生物处理工艺设计指南



一、预处理设施

预处理的目的之一是去除粗大固体物以及无机可沉固体,这对配水有特殊要求的水解池尤为重要。另外,不可生物降解的固体在水解反应器内的积累会占据大量的池容,反应器池容的减少最终将导致系统完全失效。一般预处理系统包括去除大的固体、较小颗粒的格栅和水力筛及去除砂和砾石的沉砂池。


(1)格栅

格栅是污水预处理的通用设施。为保证水解池布水系统不被堵塞,建议采用固定式格栅或回转筛、水力筛作补充处理。


(2)除砂池

对小型污水处理厂,由于污水流量变化较大,沉砂池设计的难点需要在变化的水量条件下保持系统中液体流速有相对不变的数值。因为较高的流速会降低无机固体在渠道中的去除效果,而较低的流速导致有机物与砂一起沉积。对于有一定规模的污水处理厂,可以考虑采用平流式沉砂池。在存在较多的砂和有机物共同沉淀的情况下,可采用体外洗砂装置,如螺旋洗砂器或水力固体螺旋洗砂器。考虑到后续水解处理工艺,一般不用曝气沉砂池作为预处理装置。


二、水解池的详细设计要求

1. 反应器池体

水解池一般可采用矩形或圆形结构。对于圆形反应器,在同样的面积下其周长比正方形的少12%,但是圆形反应器的这一优点仅仅在采用单个池子时才成立。当建立两个或两个以上反应器时,矩形反应器可以采用公用壁。对于采用公共壁的矩形反映器,池型的长宽比对造价也有较大的影响,因此如果不考虑地形和其他因素,这是一个在设计中需要优化的参数。水解池依据水力停留时间进行设计时,反应器体积可根据停留时间计算。


2. 反应器的几何尺寸

(1)反应器的高度

选择适当高度的原则应从运行上的要求和经济方面综合考虑。从运行上选择反应器的高度要考虑如下影响因素:

1) 高流速增加系统扰动,因此增加污泥与进水有机物之间的接触;

2) 过高的流速会引起污泥流失,为保持足够多的污泥,上升流速不能超过一定的限值,从而反应器的高度也就会受到限制;

3) 土方工程随池深(或深度)增加而增加,但占地面积则相反;

4) 高程选择应该使得污水(或出水)可以不用提升或降低提升高度;

5) 考虑气候和地形条件,池子建造在半地下可减少建筑费用和保温费用;

6) 反应器的经济高度(深度)一般是在4-6m之间,在大多数情况下这也是系统最优的运行范围。


(2)反应器的面积和反应器的长、宽度

高度确定后,可以计算出反应器的截面积。在确定反应器的容积和高度后,对矩形池必须确定反应器的长和宽。


在反应器面积一定的条件下,正方形池周长比矩形池小,从而矩形反应器需更多的建筑材料;从布水均匀性和经济性考虑,单个矩形池的长/宽比在2:1以下较为合适。长/宽比在4:1时费用增加十分显著;采用公用壁的(或多组)矩形池,池的长宽比对造价有较大的影响,但是影响因素相应增加,这是一个在设计中需要优化的参数。从目前的实践看,反应器的宽度<10m(单池)是成功的。反应器长度在采用渠道或管道布水时不受限制。


(3)反应器的升流速度

1) 反应器的高度与上升流速(v)之间的关系表示如下:

v=Q/A=V/(HRT·A)=H/HRT

式中V、A表示反应器的容积和截面积。

2) 水解反应器的上升流速v=0.5-1.8m/h

3) 最大上升流速在持续时间超过3h的情况下vmax≤1.8m/h


(4)反应器的分格

采用分格的反应器对运行操作和管理是有益的。首先分格的反应器的单元尺寸减小,可避免单体过大带来的布水均匀性问题;同时多池有利于维护和检修,可放空一池进行检修而不影响整个厂的运行。


三、反应器的配水系统

1. 配水孔口负荷

水解池良好运行的重要条件之一是保障污泥和废水之间的充分接触,因此系统底部的布水系统应该尽可能地均匀。水解反应器进水管的数量是一个关键的设计参数,为了使反应器底部进水均匀,有必要采用将进水均匀分配到多个进水点的分配装置。一个进水点服务的最大面积是应该进行深入研究的问题。


采用UASB处理主要含溶解性COD废水时进水管口负荷

污泥状态

每个进水口负荷面积/m2

COD负荷/【kg/(m3/d)】

凝絮状污泥干固体(DS)含量

>40kg/m3

0.5~1

1~2

2~3

<1.0

1~2

>2

中等浓度絮状污泥

120~40kg/m3

1~2

2~5

<2

>2


2. 配水方式

适当设计的进水分配系统对于一个运转良好的水解系统是至关重要的。水解池进水系统有多种形式,进水系统兼有配水和水力搅拌的功能,为了保证这两个功能的实现,需要满足如下原则:

1)确保各单位面积的进水量基本相同,以防止短路等现象发生;

2)尽可能满足水力搅拌的需要,保证进水有机物与污泥迅速混合;

3)很容易观察到进水管的堵塞状况;

4) 当发现的色后,很容易被清除。

(1)一管一孔配水方式



这种配水系统的特点是一根配水管只服务于一个配水点,只要保证每根配水管流量相等,即可取得等流量的配水要求,为了保证每一个进水点达到其应得的进水流量,建议采用高于反应器的水箱式(或渠道式)进水分配系统。这种情况下的一个好处是可以容易用肉眼观察堵塞状况。这类配水方式很容易通过在进水管或渠道与分配箱之间的三角堰来保证等量的进水,在恰当地调整每箱中三角咽水位后获得均匀的流量分配。


配水系统的形式确定后,就可进行管道布置、计算管径和水头损失,根据水头损失和反应器(或配水渠)水面至调节池(或集水池)水面高程差计算进水水泵所需的扬程,可以选择合适的水泵。在由较长的进水布水渠道分配到很多堰的情况时,沿池长由于水位差问题可能出现分配不均匀,这时可以通过适当地配置进水分布渠道的尺寸来避免。


(2)一管多孔配水方式


一管多孔配水方式


采用在反应器池底配水横管上开孔的方式布水,其中几个进水孔由一个进水管负担。为了配水均匀,要求出水流速不小于2.0m/s,使出水孔阻力损失大于空孔管的沿程阻力损失。为了增大污水在出水孔的流速,可采用脉冲间歇进水。配水管的直径最好不小于100mm,配水管中心距池底一般位20-25cm。


在一根管上均匀布水虽然在理论上是可行的,但在实际中往往是不可实现的,因为这种系统随着时间有些孔口将不可避免发生堵塞。而进水将从没有堵塞的其他孔口重新分配,从而导致在反应器池底的进水分布不均匀,因此应该尽可能避免在一个管上有过多的孔口。目前这种布水方式已较少采用。


(3)分枝式配水方式

在分枝式配水系统中配水均匀性与水头损失是一对矛盾。在中试实验中对此进行了考察,一组采用大阻力配水系统,即孔口直径较小,孔口流速较大,这时配水均匀程度很好,但水头损失较大;第二组将孔口适当扩大,这时配水均匀性没有很大改变,水头损失较小,处理效率不受影响。因此,采用小阻力配水系统,可减少水头损失和系统的复杂程度。


为了配水均匀一般采用对称布置,各支管出水口向下距池底约20cm,位于所服务面积的中心。如下图所示为15 000m3/d污水处理厂厌氧反应器的分枝式布水形式。管口对准池底所设的反射锥体,使射流向四周散开,均布于池底。这种形式的配水系统的特点是采用较长的配水支管增加沿程阻力,以达到布水均匀的目的。只要施工安装正确,配水基本能够达到均匀分布的要求。


四、管道设计

采用穿孔管布水器(一管多孔或分枝状)时,不宜采用大阻力配水系统,需考虑设反冲洗装置,采用停水分池分段反冲。用液体反冲时,压力为100-200kPa,流量为正常进水量的3-5倍;用气反冲时,反冲压力大于100kPa,气水比(5-10):1。


管道设计时需注意以下问题:

1)进水采用重力流(管道及渠道)或压力流,后者需设逆止装置;

2)水力筛缝隙>3mm,出水孔>15mm,一般在15-25mm之间;

3)单孔布水负荷0.5-1.5m2,出水孔处需设置45°导流板;

4)采用布水器时,从布水器到布水口应尽可能少地采用弯头等非直管;

5)污水通过布水器进入池内时会吸入空气,大于2.0mm的气泡以0.2-0.3m/s的速度上升,在管道垂直段的流速(或顶部)应低于这一数值;

6)管径的上部应大于下部,可适当地避免大的空气泡进入反应器;

7)反应器底部采用较小直径的管道以产生较高的流速,从而产生较强的扰动,使进水与污泥之间密切接触;

8)为了增强污泥和废水之间的接触和减少在底部进水管的堵塞,建议进水点距反应器池底100-200mm。


五、出水收集设备

1)水解池出水堰与沉淀池出水装置相同,即汇水槽上加设三角堰;

2)出水装置应设在水解池顶部,尽可能均匀地收集处理过的废水;

3)采用矩形反应器时,出水采用放射状的多槽出水方式;

4)采用圆形反应器时,可采用机组平行出水堰的多槽出水方式;

5)要避免出水堰过多,导致堰上水头低,形成三角堰配漂浮固体堵塞;

6)出水负荷参考二沉池负荷,堰上水头>25mm,水面位于齿1/2处。


六、排泥设备

一般来讲随着反应器内污泥浓度的增加,出水水质会得到改善,但污泥超过一定高度,污泥将随出水一起冲出反应器。因此,当反应器内的污泥达到某一预定最大高度之后建议排泥。污泥排泥的高度应考虑排出低活性的污泥,并将最好的高活性的污泥保留在反应器中。

1)建议清水区高度保持0.5-1.5m;

2)污泥排放可采用定时排泥方式,日排泥一般为1-2此;

3)需要设置污泥液面检测仪,可根据污泥面高度确定排泥时间;

4)剩余污泥排泥点以设在污泥区中上部为宜;

5)对于矩形池排泥应沿池纵向多点排泥;

6)由于反应器底部可能会积累颗粒物质和小砂粒,应考虑下部排泥的可能性,这样可以避免或减少在反应器内积累的砂砾;

7)在污泥龄>15d时,污泥水解率为25%(冬季)-50%(夏季);

8)污泥系统的设计流量需按冬季最不利情况考虑。

来源:水世界订阅号



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