制糖工业废水处理工艺设计

本 科 毕 业 设 计 第 1 页 共 49 页1 引言中国的淡水资源总量占全球水资源的 6%，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有 2200 立方米，仅为世界平均水平的 1/4，在世界上名列 121 位，是全球 13 个人均水资源最贫乏的国家之一，是一个干旱缺水严重的国家。到 20 世纪末，全国 600 多座城市中，已有 400 多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达 110 个，全国城市缺水总量为 60 亿立方米。据监测，目前全国多数城市地下水受到一定程度的点状和面状污染，且有逐年加重的趋势。日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧了水资源短缺的矛盾，对中国正在实施的可持续发展战略带来了严重影响，而且还严重威胁到城市居民的饮水安全和人民群众的健康。所以，对于水的可持续利用成为国民发展的必要手段，其中对于污水的处理迫在眉睫，更是被提到重要的日程上来。对于关系到国计民生的食品行业，制糖产业一直占据着不可或缺的重要位置。但是“前门产糖，后门排污” 却给环境带来了很大压力。从工业角度看，如果按年榨甘蔗 3000 万吨计算，全国制糖及其深加工过程中将产生约100 万吨废糖蜜，约 330 万吨蔗渣，约 310 万立方米酒精废液。这样巨大的数字表明，如果对这些废物的处理不及时，排放到地表水体中，将会对我国的水资源产生很大的影响。对制糖废水进行处理后让其达标排放，可以大大减少向水体排放的污水量，减轻环境负担，实现环境效益与经济效益的统一 1。制糖工业废水 2是以甜菜或甘蔗为原料制糖过程中排出的废水，主要来自斜槽废水、榨糖废水、蒸馏废水、地面冲洗水等制糖生产过程和制糖副产品综合利用过程。我国甘蔗糖厂大多利用制糖生产的副产品糖蜜生产酒精，酒精生产过程中产生的废弃物废醪液为一种色度高（深褐色） 、PH 低（4.5 左右） 、污染物浓度高的酸性有机废水，废水中一般含有有机物和糖分，COD、BOD 很高，是糖厂对水环境的主要污染源 3。2 设计依据及原则2.1 设计依据2.1.1 工艺设计主要法律、法规（1） 中华人民共和国水法2002 年 08 月（2） 中华人民共和国环境保护法1989 年 12 月本 科 毕 业 设 计 第 2 页 共 49 页（3） 中华人民共和国水污染防治法1996 年 05 月（4） 中华人民共和国大气污染防治法2000 年 09 月（5） 中华人民共和国环境噪声污染防治法1996 年 10 月（6）国务院 31 号令关于环境保护若干问题的规定 （1996）（7） 中华人民共和国固体废物污染环境防治法1995 年 10 月2.1.2 工艺设计主要规范、标准（1） 给水排水设计手册（2）其它国家相关规范、标准（3） 污水综合排放标准GB8978-1996（4） 鼓风曝气系统设计规程CECS97-97（5） 室外排水设计规范GBJ14-87（1997 年版）2.2 设计原则（1）在污水处理工艺的采用上力求技术成熟、简单实用，保证运行与维护管理的方便性。（2）认真贯彻国家有关环境保护的各项方针政策，严格执行国家及地方环保法律法规，确保经处理后的外排污水水质达到国家有关标准要求。（3）污水处理工艺及设备选择应以排放标准为依据，选择工艺设备要求先进可靠，效率高，能耗低，操作维修简单方便，自动化程度高，能够降低废水运行成本。（4）设计中尽量选用低噪声的动力设备，适当采取消声、减震措施，防止产生噪声污染。（5）在高程布置上应尽量采用立体布局，充分利用地下空间。平面布置上要紧凑，以节省用地 4。3 工艺设计3.1 设计范围及规模本设计只包括废水处理站的处理工艺、设备选型、及管网的设计。根据国内同行业污水来源和特征，本设计规模按日最大处理水量 Q=6000m3/d 设计。本 科 毕 业 设 计 第 3 页 共 49 页3.2 污水处理站进、出水水质3.2.1 进水水质污水中主要污染物及指标见表 3.1表 3.1 主要污染物及指标排放量（m 3/d）COD（mg/L ） BOD5(mg/L) SS(mg/L) PH6000 3000 1500 400 6-73.2.2 出水水质根据国家相关法律法规及行业特征，污水处理站出水水质执行城镇污水处理厂污染物排放标准 （GB18918-2002）的一级 B 标准要求，具体指标见表 3.2。表 3.2 出水水质标准排放量（m 3/d） COD（ mg/L） BOD5（ mg/L） SS（mg/L） pH6000 60 20 20 6-93.3 工艺方案的确定3.3.1 方案比选制糖废水中大量的污染物是溶解性的有机物、糖类、酒精等，这些物质具有良好的生物可降解性，处理方法主要是生物氧化法。有以下几种常用方法处理制糖废水 5。3.3.1.1 好氧处理工艺制糖废水处理主要采用好氧处理工艺，主要由普通活性污泥法、生物滤池法、接触氧化法和 SBR 法。传统的活性污泥法由于产泥量大，脱氮除磷能力差，操作技术要求严，目前已被其他工艺代替。近年来，氧化沟和 SBR 工艺得到了很大程度的发展和应用 6。（1）氧化沟法1）Carrousel 氧化沟Carrousel 氧化沟使用定向控制的曝气和搅动装置，向混合液传递水平速度，从而使被搅动的混合液在氧化沟闭合渠道内循环流动。因此氧化沟具有特殊的水力学流态，既有完全混合式反应器的特点，又有推流式反应器的特点，沟内存在明显的溶解氧浓度梯度。本 科 毕 业 设 计 第 4 页 共 49 页普通 Carrousel 氧化沟的工艺中污水直接与回流污泥一起进入氧化沟系统。表面曝气机使混合液中溶解氧 DO 的浓度增加到大约 23mg/L。在这种充分掺氧的条件下，微生物得到足够的溶解氧来去除 BOD；同时，氨也被氧化成硝酸盐和亚硝酸盐，此时，混合液处于有氧状态。在曝气机下游，水流由曝气区的湍流状态变成之后的平流状态，水流维持在最小流速，保证活性污泥处于悬浮状态（平均流速0.3m/s） 。微生物的氧化过程硝耗了水中溶解氧，直到 DO 值降为零，混合液呈缺氧状态。经过缺氧区的反硝化作用，混合液进入有氧区，完成一次循环。该系统中，BOD 降解是一个连续过程，硝化作用和反硝化作用发生在同一池中。由于结构的限制，这种氧化沟虽然可以有效的去处 BOD，但除磷脱氮的能力有限。2）奥贝尔（Orbal）氧化沟奥贝尔（Orbal）氧化沟一般由三个同心椭圆形沟道组成，污水由外沟道进入，与回流污泥混合后，由外沟道进入中间沟道再进入内沟道，在各沟道循环达数百到数十次。最后经中心岛的可调堰门流出，至二次沉淀池。在各沟道横跨安装有不同数量水平转碟曝气机，进行供氧兼有较强的推流搅伴作用。外沟道体积占整个氧化沟体积的50%-55%，溶解氧控制趋于 0.0mg/L,高效地完成主要氧化作用；中间沟道容积一般为25%-30%,溶解氧控制在 1.0mg/L 左右，作为“摆动沟道”，可发挥外沟道或内沟道的强化作用；内沟道的容积约为总容积的 15%-20%，需要较高的溶解氧值（2.0mg/L 左右）,以保证有机物和氨氮有较高的去除率。 奥贝尔（Orbal）氧化沟特点：a、奥贝尔氧化沟具有较好的脱氮功能；b、奥贝尔氧化沟具有推流式和完全混合式两种流态的优点；c、外沟道的供氧量通常为总供氧量的 50%左右，但 80%以上的 BOD 可以在外沟道中去除；d、奥贝尔氧化沟采用的曝气转碟，其表面密布凸起的三解形齿结，使其在与水体接触时将污水打碎成细密水花，具有较高的充氧能力和动力效率。（2）SBR 工艺SBR 工艺具有以下优点：运行方式灵活，脱氮除磷效果好，工艺简单，自动化程度高，节省费用，反应推动力大，能有效防止丝状菌的膨胀。CASS 工艺(循环式活性污泥法) 是对 SBR 方法的改进。食品行业的废水一般无大本 科 毕 业 设 计 第 5 页 共 49 页的毒性,可生化性较好，所以采用 CASS 工艺比较适合。与传统活性污泥法相比，CASS法的优点是：a、工艺流程短，占地面积少。有机物去除率高，出水水质好。b、污泥产量低，污泥性质稳定。具有脱氮除磷功能，无异味。c、出水水质好，可回用于污水处理厂内的如绿化、浇地、等有关杂用用途。d、建设费用低，运转费用省，处理成本低：省去了初次沉淀池、二次沉淀池及污泥回流设备，建设费用可节省 10-25%。e、设备安装简便，施工周期短，具有较好的耐水、防腐能力，设备使用寿命长，对原水的水质水量的变化有较强的适应能力，处理效果稳定。f、管理简单，运行可靠：污水处理厂设备种类和数量较少，控制系统比较简单，工艺本身决定了不发生污泥膨胀。所以，系统管理简单，运行可靠。g、处理工艺在国内外处于先进水平，设备自动化程度高，可用微机进行操作和控制。整个工艺运转操作较为简单，维修方便，处理厂内环境好。3.3.1.2 水解好氧处理工艺水解-好氧工艺开发的目的是针对传统的活性污泥工艺具有投资大、能耗高和运转费用高等缺点，试图采用厌氧处理工艺替代传统的好氧活性污泥工艺。水解（酸化）-好氧处理工艺中的水解（酸化）段和厌氧消化的目标不同，因此是两种不同的处理方法。水解（酸化）好氧处理系统中的水解（酸化）段的目的，对于城市污水是将原水中的非溶解态有机物截留并逐步转变为溶解态有机物；对于工业废水处理，主要是将其中难生物降解物质转变为易生物降解物质，提高废水的可生化性，以利于后续的好氧生物处理。水解工艺的开发过程是从低浓度城市污水开始的，与高浓度废水的厌氧消化中的水解、酸化过程是不同的。在连续厌氧过程中水解、酸化的目的是为混合厌氧消化过程中的甲烷化阶段提供基质。水解酸化可以使制糖工业废水中的大分子难降解有机物转变成为小分子易降解的有机物，出水的可生化性能得到改善，这使得好氧处理单元的停留时间小于传统的工艺。与此同时，悬浮物质被水解为可溶性物质，使污泥得到处理。水解反应工艺式一种预处理工艺，其后面可以采用各种好氧工艺，如活性污泥法、接触氧化法、氧化沟和 SBR 等。制糖废水经水解酸化后进行接触氧化处理，具有显著的节能效果，COD/BOD 值增大，废水的可生化性增加，可充分发挥后续好氧生物处理的作用，提高本 科 毕 业 设 计 第 6 页 共 49 页生物处理制糖工业废水的效率。因此，比完全好氧处理经济一些。采用水解池较之全过程的厌氧池（消化池）具有以下的优点。a、可生物降解性一般较好，从而减少反应的时间和处理的能耗。b、工艺仅产生很少的难厌氧降解的生物活性污泥，故实现污水、污泥一次性处理，不需要经常加热的中温消化池。c、不需要密闭的池，不需要搅拌器，不需要水、气、固三相分离器，降低了造价和便于维护。d、出水无厌氧发酵的不良气味，改善处理厂的环境。3.3.1.3 厌氧好氧联合处理技术 厌氧处理技术是一种有效去除有机污染物并使其碳化的技术，它将有机化合物转变为甲烷和二氧化碳。对处理中高浓度的废水，厌氧比好氧处理不仅运转费用低，而且可回收沼气；厌氧生物处理过程能耗低，约为好氧处理工艺的 10%15%；有机容积负荷高，所需反应器体积更小；产泥量少，约为好氧处理的 10%15%；对营养物需求低；既可应用于小规模，也可应用大规模。在全社会提倡循环经济，关注工业废弃物实施资源化再生利用的今天，厌氧生物处理显然是能够使污水资源化的优选工艺。近年来，污水厌氧处理工艺发展十分迅速，各种新工艺、新方法不断出现，包括有厌氧接触法、升流式厌氧污泥床、档板式厌氧法、厌氧生物滤池、厌氧膨胀床和流化床，以及第三代厌氧工艺 EGSB 和 IC 厌氧反应器，发展十分迅速。厌氧法的缺点式不能去除氮、磷，出水往往不达标，由于制糖工业废水的特殊性质，因此常常需对厌氧处理后的废水进一步用好氧的方法进行处理，使出水达标。升流式厌氧污泥床 UASB( Up-flow Anaerobic Sludge Bed，注：以下简称 UASB）工艺由于具有厌氧过滤及厌氧活性污泥法的双重特点，作为能够将污水中的污染物转化成再生清洁能源沼气的一项技术。对于不同含固量污水的适应性也强，且其结构、运行操作维护管理相对简单，造价也相对较低，技术已经成熟，正日益受到污水处理业界的重视，得到广泛的欢迎和应用。UASB 工艺近年来在国内外发展很快，应用面很宽，在各个行业都有应用，生产性规模不等。UASB 反应器与其他反应器相比有以下优点：a、不填载体，构造简单节省造价b、污泥浓度和有机负荷高，停留时间短本 科 毕 业 设 计 第 7 页 共 49 页c、沉降性能良好，不设沉淀池，无需污泥回流d、污泥床不填载体，节省造价及避免因填料发生堵赛问题e、由于消化产气作用，污泥上浮造成一定的搅拌，因而不设搅拌设备f、UASB 内设三相分离器，通常不设沉淀池，被沉淀区分离出来的污泥重新回到污泥床反应区内，通常可以不设污泥回流设备。g、由于大幅度减少了进入好氧处理阶段的有机物量，因此降低了好氧处理阶段的曝气能耗和剩余污泥产量，从而使整个废水处理过程的费用大幅度减少。实践证明，它是污水实现资源化的一种技术成熟可行的污水处理工艺，既解决了环境污染问题，又能取得较好的经济效益，这样具有双重效益的技术具有广阔的应用前景。3.3.1.4 不同处理系统的技术经济分析综上所述，通过对不同处理技术的优缺点、经济特点进行比较，列出表 3.3。表 3.3 不同处理方法的技术、经济特点比较处理方法 主要技术优缺点、经济特点生物接触氧化法采用两级接触氧化工艺，可防止高糖含量废水引起污泥膨胀现象；但需要填料过大，不便于运输和装填，且污泥排放量大氧化沟工艺简单，运行管理方便，出水水质好，但污泥浓度高，污水停留时间长，基建投资大，曝气效率低，对环境温度要求高好氧工艺SBR 法占地面积小，机械设备少，运行费用低，操作简单，自动化程度高；但还需曝气能耗，污泥产量大。水解好氧技术节能效果显著，且 BOD/COD 值增大，废水的可生化性能增加，可缩短总水力停留时间，提高处理效率，剩余污泥量少厌氧好氧工艺UASB好氧技术技术上先进可行，投资小，运行成本低，效果好，可回收能源，产出颗粒污泥产品，由一定收益；操作要求严从表中可以看出厌氧好氧联合处理在制糖工业废水处理方面有较大优势，CASS池与 UASB 正好有缺互补，故对于本设计中所涉及到的制糖废水来说，厌氧好氧处理技术无疑是最佳的选择。因此，本设计采用 UASB-CASS 的组合处理工艺，确保污本 科 毕 业 设 计 第 8 页 共 49 页水能够达标排放 7。3.3.2 工艺流程3.3.2.1 污水处理工艺流程见图 3.13.3.2.2 流程介绍厂区生产过程中产生的污废水首先经过格栅除去较大的漂浮物，然后进入集水池，经过提升泵的提升，废水进入初沉池将比重较大的悬浮颗粒去掉，这里主要去除 SS，经调节池进入 UASB 反应器进行厌氧反应。接着通过中间水池的调节，废水进入CASS 反应池进行好氧反应，主要去除 COD 等污染物。处理后达标的污水通过滗水器排除 CASS 池。反应产生的剩余活性污泥、初沉池污泥以及 UASB 反应器中产生的污泥经过污泥浓缩池浓缩后，通过污泥泵打入污泥脱水间进行脱水。由于污泥中的有害物质少，干污泥可以再利用 8。污水处理工艺流程图详图见附图水初 1图 3.1 污水处理工艺流程4 工艺设计说明4.1 构筑物设计说明4.1.1 格栅格栅用以去除废水中较大的悬浮物、漂浮物、纤维物质和固体颗粒物质，以保证后续处理单元和水泵的正常运行，减轻后续处理单元的处理负荷，防止阻塞排泥管道。本设计设中格栅一个。废水集水池 初沉池泥饼外运提升泵上清液 风机水封沼气罐调节池 中间水池格栅排放污泥浓缩池滤液回流 CASS 池UASB 池污泥脱水间 贮泥池本 科 毕 业 设 计 第 9 页 共 49 页初步拟定格栅间尺寸：LBH=2.2m0.54m0.75m采用机械清渣，选型为GH-800型链式旋转格栅除污泥机 94.1.2 集水池与提升泵房集水池是汇集准备输送到其他构筑物去的一种小型贮水设备，设置集水池作为水量调节之用，贮存盈余，补充短缺，使生物处理设施在一日内能得到均和的进水量，保证正常运行。设一座集水池，采用钢筋砼结构。集水池与泵房合建，集水池在泵房下面，采用全地下式 10。集水池尺寸：LBH=5.25m4m3.3m提升泵房作为水泵的构筑物，面积比集水池要大，在地面建起。提升泵房尺寸：LBH=9m8m5m污水泵：选择 125WQ130-15-11 型污水泵 5 台，四用一备，见表 4.1表 4.1 125WQ130-15-11 型污水泵性能项目 参数 项目 参数流量 130m3/h 口径 125mm扬程 15m 效率 62%转速 1460r/min 功率 11KW4.1.3 初沉池沉淀池的处理对象主要是悬浮物质（SS ） ，设计其去除率约为 75%左右，同时可去除部分 BOD5（约占总 BOD5 的 20%30%，主要为悬浮性 BOD5） ，可改善生物处理构筑物的运行条件并降低 BOD5 负荷。由于本工程的处理量较小，所以采用平流式沉淀池。设计采用 4 座池子。初沉池的尺寸为 LBH=21.6m5m3m。4.1.4 调节池工业废水的水量和水质随时间的变化幅度较大，为了保证后续处理构筑物或设备的正常运行，用调节池进行均衡调节，缓冲瞬时排放的高浓度废水，同时使生产废水进行内部中和反应，从而降低运行成本，保证后继反应系统的稳定运行。水力停留时间 HRT=5(h)调节池的