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淺析生化處理系統方法

一、生化處理系統

1.1、水解酸化池

    水解—好氧生化處理是處理有機污水的新技術,并已有十多年較為成熟的工程實踐經驗。本文從水解機理,水解工藝的特點,水解工藝的設計要點,水解工藝性能指標,以及水解工藝適用范圍內容,對水解工藝作一簡介。

(A)水解機理

從化學角度來說,水解反應是一種常見的普遍存在的化學反應過程,可以說,絕大多數化合物,在一定條件下,與水接觸后,都會發生反應。我們討論水解反應,就是討論化合物與水的反應,也就是討論化合物分子中電子分布及其電荷與水發生的反應。絕大多數有機化合物的反應是共價鍵的形成和斷裂過程。水解反應可致共價鍵發生變化和斷裂,即使化合物在分子結構,形態上發生變化。研究水解反應,就是研究化合物的水解經路、反應產物,以及影響水解程度和速率的諸因素。

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污水處理工藝中的生物化學(生化)處理法,是處理有機污水的主要方法。水解工藝是其中的一種新開發出來的工藝過程。因此,我們這里所說的水解工藝,是有別于化學反應的生物化學反應。

化學水解的速率,在很大程度上受化合物自身的分子結構、水的PH值(即酸、堿度)和溫度影響。在這里,酸和堿是化學反應的催化劑。而生物化學領域中的水解,則是依靠生物酶起催化作用、加速水解反應。酶的催化反應效率要比相應無酶反應高106—1013倍,這是生物酶的特殊作用。

概括說,我們這里討論的指復雜的有機物分子,在水解酶參與下加以水分子分解為簡單化合物的反應。反應是在缺氧條件下進行的。

1)水解工藝與厭氧工藝的區別

要區別水解工藝與厭氧工藝的概念,先了解厭氧工藝的反應經路。

通常,我們把厭氧反應分為四個階段:第 一階段水解;二階段酸化;第三階段酸性衰退;第四階段甲烷化。

在水解階段,固體物質溶解為溶解性物質,大分子物質降解為小分子物質,難生物降解物質轉化為易生物降解物質。在酸化階段,有機物降解為各種有機酸。水解和產酸進行得較快,難以把它們分開。起作用的主要微生物是水解菌和產酸菌。

我們所說的水解工藝,就是利用厭氧工藝的前兩段,即把反應控制在二階段,不進入第三階段。為區別厭氧工藝,定名為水解(Hydrolization)工藝。水解反應器中實際上完成水解和酸化兩個過程。但為了簡化稱呼,簡稱為“水解”。

水解工藝系統中的微生物主要是兼性微生物,它們在自然界中的數量較多,繁殖速度較快。而厭氧工藝系統中的產甲烷菌則是嚴格的專性厭氧菌,它們對于環境的變化,如PH值、堿度、重金屬離子、洗滌劑、氨、硫化物和溫度等的變化,比水解菌和產酸菌要敏感得多,并且生長緩慢(世代期長)。

重要的是水解工藝和厭氧工藝中的兩類不同菌種的生態條件差異很大。水解工藝是在缺氧條件下反應,而厭氧工藝則是在厭氧條件下反應。這里說的“缺氧”(anoxic)有別于“厭氧”,所謂厭氧(annaerobic)作用是指絕 對的無氧(溶解氧DO=0),而缺氧(anoxic)作用是指無氧或微氧(DO<0.3-0.5mg/l) 。

正因為水解工藝是在缺氧條件下完成,因而在工程實施中,可將工藝后續好氧工藝串連組合在一個反應器中完成,實現水解-好氧工藝。為區別厭氧-好氧工藝,把水解(H)-好氧(O)工藝,暫定名為H/O法。

2)常見主要有機污染物的水解反應經路

(1)糖類(碳水化合物)物質的水解。糖類物質由碳、氫、氧三種元素構成,是多羥醛或羥酮及其縮合物的某些衍生物的總稱??煞譃閱翁?、低聚糖和多糖。

單糖是不能水解的,是簡單的碳水化合物,如葡萄糖、果糖。

低聚糖中,由兩個分子單糖結合而成的稱二糖,三個分子單糖結合的稱三糖。庶糖、麥芽糖和乳糖屬二糖;棉子糖屬三糖。低聚糖通過水解,生成單糖。

多糖是由多個單糖或其衍生物所組成的碳水化合物。淀粉、纖維素、瓊膠、果膠等屬多糖物質。多糖通過水解,生成原來的單糖,或其衍生物。

在有機污水中,一般以水解形式存在的物質為較多,例如淀粉。水解淀粉的酶,大致可分為四類,即a一淀粉酶,b一淀粉酶,淀粉1-6糊精酶和葡萄糖淀粉酶。淀粉在上述水解酶作用下的水解經路為:

     淀粉 → 糊精 → 麥芽糖 → 葡萄糖

當多糖類物質水解成葡萄糖后不能再水解了。如果反應條件仍處于缺氧條件,則葡萄糖會通過糖的酵解過程分解成2個丙酮酸(即1×C6→2C3)。至此,多糖類的水解(酸化)過程全部完成。進一步的降解,只能在有氧條件下才能完成即在有氧條件下丙酸酮進入三羧酸循環,達到完全的氧化:

        2CH3COCOOH + 4H+6O2 → 6CO2 + 6H2O。

  (2)蛋白質的水解。蛋白質是由多種氨基酸分子組成的復雜有機物。它由C、H、O、N等主要元素組成,有的還含有Fe、I、P、S等元素。蛋白質與糖類、脂肪類物質分子的主要不同點在于它的組分含有N素。在蛋白質中,氮的含量平均約為16%。

蛋白質不能直接被微生物利用,在進入細胞組織之前,需經蛋白質水解酶的作用,使其水解成氨基酸。其水解經路為:蛋白質 →多肽 →二肽 → 氨基酸。至此。蛋白質的水解過程完成。實際上蛋白質水解到二肽階段就可作為底物,被微生物細胞所利用。

(3)脂肪(類脂肪)物質的水解。脂肪是不含氮的有機化合物,由C、H、O等元素組成。

脂肪的降解也是在細胞外,通過脂肪水解酶發生水解,生成甘油和相應的脂肪酸。甘油的進一步降解類似于糖解過程的一部分,轉化為丙酮酸。至此,水解反應完成。水解產物脂肪酸丙酮酸的進一步降解,則需在有氧下進入三羧酸循環,達到完全的氧化。

(4)芳香族化合物的水解。盡管苯環的化學結構相當穩定,但大部分苯環物質可在微生物的作用下被降解。

降解經路大致可分為3種形式。

A生態變化。芳香族化合物從一種化合物形態轉化為另一種形態。例如芳香族硝基化合物(硝基苯)還原成苯胺。這一特性可利用到污水處理工程中。眾所周知。苯胺是可以在好氧下,予以降解,而且降解速率較快,但硝基苯則不然,它不能在好氧條件下降解??墒窍趸皆谌毖鯒l件下在兼性微生物的作用下,可轉變形態,成為苯胺,然后通過好氧生物作用,達到降解。

B苯環斷裂。在缺氧條件下,由于兼性微生物的作用,某些苯環化合物可以出現苯環裂解。苯環的裂解。包括兩個基本步驟:生成兩個鄰位羥基化合物,再發生苯環的斷裂,分裂為有機酸。當有機物降解為有機酸后,再通過好氧條件下的三羧酸循環予以降解。

C長鏈分子斷裂。在染料工業中,偶氮系列染料占有60%的比重。偶氮基系染料中的發色基團。一旦偶氮基團被降解,則染料原有的色澤將消失。在兼性微生物作用下的水解過程,會發生染料分子的裂解,使偶氮鍵斷裂,并形成新的碎片分子。因而,雖然偶氮化合物的可生化性較差,但通過水解裂解,生成的苯胺類化合物,可生化性就變得十分好,它的BOD5/CODcr比值明顯上升。甲基橙染料,系偶氮類化合物,它的可生化性較差,屬難生化物質,BOD5/CODcr比值僅為0.03-0.025,但水解反應后,形成的苯胺結構碎片分子,其BOD5/CODcr比值,上升至0.41-0.59。

(B)水解工藝的特點

(1)污水經水解處理后,BOD5/CODcr比值,有明顯升高。例如制藥廠土霉素生產廢水,進水BOD5/CODcr的比值0.34,經水解后,比值上升為0.43,可生化性得了提高。

(2)對厭氧處理而言,水解反應的水力停留時間較短。對工業污水中的有機污染物來說,根據其分子結構、分子量大小,水解反應一般在4-18小時完成。

(3)用膜法水解工藝,由于生物量大、容積負荷高,能適應進水CODcr負荷變化。一般說,進水CODcr濃度升高3-4倍,而出水CODcr的去除率,非旦不下降,反而升高,即進水濃度越高,CODcr去除率高。水解工藝有很大的耐沖擊負荷能力。

(4)水解工藝運行穩定,受外氣溫變化影響小。一般說水溫在3-40℃ 之間,因為水解菌種由中溫和低溫菌種協同作用。

(5)水解池不產生如厭氧反應那樣的臭味,水解池可設計成敞口式的。敞口的水解池,池子越深,效率越高,在地基地耐力許可的條件下,池深可達8.5-9m,可節省用地,適于用地緊張的城市內的污水站。特別是對化工企業,在消防距離不能滿足要求的情況下,水解工藝比厭氧工藝有其實際應用價值。

(6)水解菌種不同于專性厭氧菌種甲烷菌,它是一種兼性菌種,在自然界中存在的量較多,而且存在的面亦較廣,在工程實施時,容易培菌。一旦污水中有機污染物(底物)發生變化,處理裝置也能很快適應。這完全不同于厭氧處理中的甲烷菌。對甲烷菌而言,由于它是單一性菌種,只要底物發生變化,甲烷菌就在衰亡。從市場經濟的規律來說,企業的產品結構必然受市場需要所支配,生產的產品很有可能不斷更新轉換,污水中的有機污染物成分亦會相應發生變化。水解菌種的易殖性及其強適應性,使水解工藝較厭氧工藝有其突出的優點,即能適應企業產品結構的變化。

(7)水解工藝具有另一個比較突出的優點是,隨運行時間的推移,CODcr的去除率呈明顯的增長趨勢。

(8)多段H/O工藝,可實現生物脫氮,工程實踐表明,氨氮可由原水299mg/l降至5mg/l以下。

(9)一般說,各污水站都設調節池。工程實施時,可利用調節池,內加分格及纖維填料,作膜法水解池用,實現一池多用,可節省基建投資。由于水解池本身有較高的CODcr去除率,因而可作為去除CODcr的一級構筑物。對已建有機污水站來說,若將調節池改造為水解池,可使整個污水站的CODcr總去除率提高30%左右。

(C)水解工藝的設計要點

(1)控制進水PH值。水解工藝的兼性菌種對PH值的適應范圍很寬(PH值5.5-10之間)。但佳值,應與后續處理條件一并考慮。

(2)控制溶解濃度,一般來說,DO值應控制在<0.3-0.5mg/l。

(3)池形設計要造成良好的水力工況。應控制池深、池長、池寬的比例。池內分格,造成上下推流、水平推流、減少“死區。水解池是否加蓋,可視進水溫度,水力停留時間及地區冬季室外溫度等諸因素而定。

(4)根據不同有機污染物的分子結構、分子量,設計前好先小試,確定有機污染物的水解速率(水力停留時間),工程實施時,作適當放大。

(5)控制C、N、P比例。例如上海冠生園食品總廠污水缺N素,而臨安化工廠(生產染料)污水中富C素和N素。有條件的話,將生活污水引入處理系統,對平衡的環狀分子結構可連續串聯水解—好氧2至3次(即兩段H/O法或三段落H/O法)。此時,應控制水解和好氧反應水力停留時間的佳比例。

(D)解工藝性能指標

水解池的CODcr去除率為30-50%(某些工程可達60-80%);

固體懸浮物的水解率為60-65%;

水解-好氧工藝與全好氧工藝相比,能耗可節省40%左右。

占地面積比厭氧工藝或純好氧工藝節省20-30%。

水解-好氧工藝(H/O工藝)的CODcr總去除率可達到96-98%。

(E)水解工藝適用范圍

1)目前已在下列工業廢水處理站應用了水解工藝:食品生產廠廢水,啤酒廢水,涂裝廢水、含油廢水、生物制藥廢水、石油化工廢水、制革廢水、特種化工廢水、化工染料廢水、發酵、釀造工業廢水、含菌廢水、機械加工廢水及類似的生活污水。

2)可適用的工業生產污水及類似的生活污水,

采用H/O工藝目前已能處理COD進水濃度200—10000mg/l的廢水。

水解酸化池采用活性污泥法,在水解裝置中,發酵細菌將廢水中復雜有機物(包括多糖、脂肪、蛋白質等)水解為有機酸、醇類。在酸化階段產氫、產乙酸細菌將發酵產物有機酸和醇類代謝為乙酸和氫,使大分子物質降解為小分子物質,使難生化的固體物降解為易生化的可溶性物質,提高了廢水的可生化性。經水解酸化池處理后的廢水進入生物接觸氧化池,向廢水中輸送空氣進行曝氣,曝氣裝置采用D=215的膜片式微孔曝氣器。水中碳水化合物為好氧微生物提供了豐富的營養,加快了好氧微生物的新陳代謝,在其作用下水中有機物得以有效降解。

構筑物名稱:

水解酸化池

數量:

2座

構筑物材料:

鋼筋混凝土

建筑尺寸:

6.7m(L)×6m(W)×5.5m(H)

主要配套設備:

(1)潛水攪拌機

數量:

2臺

葉輪直徑:

Φ370mm

葉輪轉速:

960rpm

功率:

4KW

推力:

1200N

(2)填料

規格:

Φ150mm

數量:

160m3

1.2、 生化池

 A/O工藝將前段缺氧段和后段好氧段串聯在一起,A段DO不大于0.2mg/L,O段DO=2~4mg/L。在缺氧段異養菌將污水中的淀粉、纖維、碳水化合物等懸浮污染物和可溶性有機物水解為有機酸,使大分子有機物分解為小分子有機物,不溶性的有機物轉化成可溶性有機物,當這些經缺氧水解的產物進入好氧池進行好氧處理時,可提高污水的可生化性及氧的效率;在缺氧段,異養菌將蛋白質、脂肪等污染物進行氨化(有機鏈上的N或氨基酸中的氨基)游離出氨(NH3、NH4+),在充足供氧條件下,自養菌的硝化作用將NH3-N(NH4+)氧化為NO3-,通過回流控制返回至A池,在缺氧條件下,異氧菌的反硝化作用將NO3-還原為分子態氮(N2)完成C、N、O在生態中的循環,實現污水無害化處理。

構筑物名稱:

A池

數量:

2座

構筑物材料:

鋼筋混凝土

建筑尺寸:

3.75m(L)×7m(W)×5.0m(H)

主要配套設備:

(1)潛水攪拌機

數量:

2臺

葉輪直徑:

Φ370mm

葉輪轉速:

960rpm

功率:

4KW

推力:

1200N

(2)填料

規格:

Φ150mm

數量:

105m3

構筑物名稱:

01池

數量:

2座

構筑物材料:

鋼筋混凝土

建筑尺寸:

9.7m(L)×7m(W)×5.0m(H)

主要配套設備:

(1)填料

規格:

Φ150mm

數量:

136m3

(2)微孔曝氣器

規格:

Φ215mm

數量:

270套

構筑物名稱:

02池

數量:

2座

構筑物材料:

鋼筋混凝土

建筑尺寸:

5.4m(L)×5.4m(W)×5.0m(H)

主要配套設備:

(1)填料

規格:

Φ150mm

數量:

116m3

(2)微孔曝氣器

規格:

Φ215mm

數量:

230套

(3)回流泵

型號:

Q=100m3/h,H=7m

功率;

N=4.0kw

數量:

2臺(1用1備)

(4)曝氣風機

風量:

Q=35.6m3/min

風壓

6m

功率

55KW

數量:

2套(1用1備)


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