生活污水的低耗高效处理研究.doc

生活污水的低耗高效处理研究城市生活污水作为一种低浓度综合污水，其处理方法相当多，可以认为任何一种好氧处理技术都可用于生活污水的处理上，并可保证COD较好地达标，但一般根据可水量的大小及所要求的排放标准不同，采用不同的处理方式。从最初的普通活性污泥法，到A-O、A-A-O、SBR、A-B法、接触氧化法、各种形式的氧化沟，都得到了相当广泛的应用，而且技术上都已成熟。但目前存在的一个较大的难点，城镇污水处理厂一般投资都相当高，而且在建成后运行费用较大，对于一个日处理1万吨城镇生活污水的处理厂，投资约在1500万元左右，年运行费用约为150200万元，因此很多厂都是建得起，运行不起，处理于半运行状况。为了根本解决这一问题，必需寻求一种投资小、运行费用低、操作简便、处理效果好的技术用于生活污水的治理中，确保已建成的污水处理厂能长期稳定正常运行。我们利用厌氧UASB对生活污水的厌氧处理进行研究，以寻求生活污水利用厌氧处理的可行性。 1 生活污水中试试验1.1 试验目的（1）观察下水道污水一年中水温的变化规律及受气温变化的影响；（2）观察不同季节、月份下水道污水一天水温、CODcr浓度的变化规律、及与气温变化的影响；（3）探讨生活污水采用厌氧处理的可行性；（4）在不同季节，UASB对生活污水CODcr浓度的去除效率，及运行稳定程度；（5）为生活污水采用UASB进行处理提供设计依据。1.2试验装置与方法（1）试验装置与流程整套实验装置包括进水系统、UASB反应器、沼气水封及计量系统。UASB反应器为筒体直径1m，总高3m碳钢加工成的反应器，其中反应区容积即有效容积为1.0m3。生活污水自下水道由潜污泵将其送至高位槽（潜污泵以高位槽内的液位计自动控制），再通过流量计自流入UASB反应器中，连续进水，所产沼气经三相分离器后通过反应器顶部导出，先由湿式气体流量计计量沼气产生量，再经水封外排。整个装置置于大气中，UASB外加保温层，实验温度为常温，所采用中试流程见图1。1.3实验方法（1）生活污水水源水质：中试用生活污水取自我院下水道污水,该污水来源于学生宿舍、食堂、图书馆、豆制品车间等。经过多天取样，每两小时取一次样，测定其一天的水质变化，其平均水质情况见表1。表1 生活污水一天的水质变化情况表取样时间CODCr浓度(mg/l)取样时间CODCr浓度(mg/l)2：009214：002794：0012116：002536：0013018：003428：0037420：0026110：0024322：0030412：0036224：00134（2）接种污泥：UASB接种污泥为某城市污水处理厂的厌氧消化污泥，菌种添加量为UASB反应器总容积的三分之一（约1m3）。菌种添加后反应器底部污泥层的污泥浓度为100gTSS/l。（3）实验方法：每天记录下水道污水的水温、及气温的数值,两者需同一时间记录，记录时间是在早上8:309:00。记录水温时，先将高位槽中的水放空，然后泵抽30分钟(使测定的水温为下水道污水真实的温度)，再记录水温。观察、记录气温也在实验现场（室外），据长时间观察，气温和生活污水水温相接近。生活污水一年的平均月水温变化情况见表2。表2 生活污水一年的平均月水温变化情况表日期水温()日期水温()1月697月29302月10118月29303月10129月22264月162210月22195月192211月15186月231512月7112）每隔两天，在进行1）操作的同时，取UASB进、出水测定CODcr浓度，并计算出CODcr的去除率；3）每隔两个月测定某一天下水道污水的变化规律，每两小时记录水温、气温，并取进水测定CODcr的浓度；2 实验的启动与运行整个实验分二个步骤进行，在冬季和夏季各进行了三个月，经过反应器的启动、污泥的驯化、负荷的增加等几个过程。2.1 UASB的启动因菌种污泥采用的是城市污水处理厂的厌氧消化污泥，同时也放置了较长时间，故先对其进行恢复活性进水。用白糖加自来水配制成CODCr为1000mg/l左右的溶液作为进料，停留时间保持24小时，观察其去除率（保持在90%以上）与产气情况，同时记录气温的变化情况，一周后再配成2000mg/l的溶液进料，其余条件不变，持续一个周，去除率与产气率也没有大的发生变化，表明污泥活性良好，后以生活污水直接进料。其产气率与COD去除率效果见图2、图3。2.2 UASB的运行（污泥的驯化、负荷的增加）整个实验分为二个周期，夏季在68月进行，冬季在111月进行，两次实验都采取了同样的步骤，并进行了相同项目的分析监测。因生活污水的COD浓度较低，故只以水力负荷的改变作为实验的操作依据。实验进行始终维持UASB连续进水，初期进水量0.5m3/d，容积负荷为0.2kg/(m3.d)，水力负荷为0.03m3/(m2.h)，稳定运行二周，然后提高进水水量至1.0m3/d，其余条件不变，稳定运行二周，随后再按0.5m3/d的程度每二周增加一次水负荷，至进水水量为3m3/d，水力负荷为0.16m3/(m2.h)，水力停留时间为8小时，实验停止。两周期实验的去除率、产气率与实验时间的关系曲线见图4、图5。从图中可看出：在夏季，三个月厌氧处理效率一直保持在80%左右，产气率为0.25 L/g CODCr去除左右，基本没有发生大的变化；在冬季，三个月厌氧去除效率在75%左右，产气率为0.15 L/g CODCr去除左右，也没有发生大的变化。在实验进行中，每次的负荷增加都不会对厌氧反应器的运行造成大的波动。3 结果与讨论此次实验是研究常温厌氧对生活污水的处理情况，故自始至终反应器的进水温度均为下水道来水温度，因此在实验中仍表现出来许多需值得注意的方面。3.1 pH值pH值在厌氧消化中对产甲烷菌有较大的影响，一般适宜范围大致为6.57.8之间，且不允许有大的波动，当pH值低于6.5时，甲烷菌就会受到抑制，使得反应器发生酸化。生活污水pH一般为中性，而且比较稳定，没有大的波动，在没有非常大的水力冲击的情况下，进水不太会对反应器造成大的影响，能维持反应器内的pH值基本稳定。在处理水量增加到3m3/d时，出水pH值仍在7.0以上。在实际工程运行中，由于生活污水的水量非常大，进水的pH值波动更小，pH值对反应器的影响更小。3.2营养物的添加生活污水中所含的各种物质比较齐全，含有微生物生长需的各种营养成份，因此在进水中无需加入微量元素，微生物也能正常生长，且能长期稳定，夏季运行后的厌氧反应器，经几个月停止运行，在冬季二次启动微生物也没有出现大的变化。3.3有机容积负荷与水力负荷本实验由于生活污水的COD浓度较低，有机容积负荷的变化较小，因此对厌氧反应器的运行很大程度上由水力负荷控制。当厌氧反应器进水量由0.5m3/d增加到3m3/d后，有机负荷由0.2kg/(m3.d)增加到1.2kg/(m3.d)，水力负荷由0.03m3/(m2.h)增加到0.16m3/(m2.h)，在每次增加负荷时去除率都没有发生下降，由此可知，在一定程度内，逐步地提高负荷不会对反应器产生影响，实验中其最大水力负荷达到0.16m3/(m2.h)，厌氧反应器水力停留时间为8小时。3.4产气率产气率在厌氧反应器的运行中，对于厌氧生物的活性及反应器的运行状况的好坏也是一个重要的监测指标。一般情况下，产气率与COD去除率有着相同的关系，去除率下降，产气率也表现为降低，但因废水在反应器中有一定的滞留时间，而产出的气体在很短的时间内既可测定，因此厌氧产气率较COD的去除率更能快速地反应厌氧的运行情况1。产气率小说明产甲烷细菌少或活性弱，反应器有可能会出现酸化（表现为厌氧出水挥发性脂肪酸浓度增高，厌氧降解反应受到抑制），因此在产气率下降时一定要注意反应器内各项指标的变化。实验中厌氧产气率一直在0.150.25 L/g COD去除左右，并一直保持稳定，反应器运行平稳。3.5温度夏季，UASB进水水温为2025，COD去除效率为85%，产气率为0.25 L/g COD去除，冬季，UASB进水水温为10左右，COD去除效率为75%，产气率为0.15 L/g COD去除。由此可见，UASB进水温度对反应器的运行有一定的影响：温度下降，COD去除率下降，产气率同时下降。因此，利用厌氧处理生活污水，进水应有一定的温度（在20以上最佳），所以，应用厌氧处理生活污水一般只能在南方适用。4 后处理的建议厌氧出水不能达到生活污水的排放要求，且水中含有一定的气味，水色较深，因此，必须在厌氧处理后增加一级好氧后处理，保证排放水的达标率。可采用的好氧处理有很多种，也有很多已直接应用于生活污水的处理，但一般其运行费用都较高。经厌氧处理后的生活污水中有机物含量已较低，如再用常规曝气方法作为后处理，投资及能源浪费都较大。因此选用无需动力消耗的依靠重力流自动旋转布水的滴滤床技术作为后处理，既能进一步对厌氧出水中的有机物进行降解，保证出水达标，又无需消耗动力2。利用厌氧滴滤床的处理工艺已在豆制品加工废水、啤酒生产废水、乳品加工废水等工业污水处理上成功应用，出水都达到国家一级排放标准。5 结论与建议（1）实验证明，用UASB处理生活污水是可行的，在常温下运行，水力停留时间为8小时，COD去除率能达到7585%；（2）从厌氧反应器的冬季二次启动表明：厌氧菌种能够在一定条件下长时间保存，再启动时只需较合适的环境，在短时间内即可恢复活性；（3）在工程应用中，利用厌氧反应器处理生活污水，与所选用的反应器类型、结构及所应用地方的气温有很大的关系，一般在南方应用较好；（4）建议采用好氧滴滤床技术作为厌氧处理生活污水的后处理工艺，无需增加运行费用，且出水能很好地保证达标率。生态建筑雨污水ICAST回用处理系统设计研究水污染及其水资源危机是制约我国当前城市建设可持续发展的重要因素，建立一个比较完善的、经济高效的生活污水回用处理系统，实现污水就地资源化和无害化,具有重大的社会、经济和环保价值。生态建筑雨污水回用是上海市科委2003年科技攻关项目专项生态建筑关键技术研究与系统集成的一个子项目，它主要是对示范工程上海建科院莘庄园区，包括环境实验楼在内的几栋建筑每日所排放出的污水及雨水进行回用处理。在比较目前的国内外主流的几种污水回用处理技术的基础上，作者采用了一种装置集约化程度高、处理能力强、运行方式灵活、自动控制和监测、维护管理方便的改进型SBRICAST （Intermittent or Cyclic Activated Sludge Technology，间歇 / 循环活性污泥技术）对生态建筑雨污水回用处理系统进行设计研究，为实施国家建设部和水利部2001年提出的“现代绿色小区40%以上的生活污水经处理后须回用”指标，以及为逐步实现小区污水零排放打下基础15。 1 污水回用处理系统设计1.1 处理装置污水回用处理装置系统如图1所示，占地约20m2，污水水源为上海建科院莘庄园区包括环境实验楼在内的几栋建筑的全部建筑污水和部分幕墙测试中心的冲墙排水及雨水，设计承担处理水量为20m3/d。该系统的污水处理主要装置包括调节池、ICAST反应池、二沉池、中间池、过滤柱及消毒池，ICAST反应池由兼氧区和好氧区（主曝气区）组成，连接管道采用PVC塑料管。主要处理装置及其材料如表1所示。表1 主要处理构筑物及其材料Tab.1 The treatment device and material 序号名 称尺寸材料1调节池4.4m0.9m2.5m200mm厚钢筋混凝土2ICAST池2.9m1.2m2.0m20mm厚有机玻璃板3二沉池1.4m，h=2.15m20mm厚有机玻璃板4中间池1.3m0.8m1.3m15 mm厚有机玻璃板5过滤池(柱)/外壳为5mm玻璃钢6清水池4.4m0.9m2.5m200mm厚钢筋混凝土1.2 工艺流程ICAST是作者基于SBR及其衍生的ICEAS、CAST/CASS/CASP处理技术发明的一种改进型的活性污泥技术。该专利技术采用灵活的运行方式，可根据实际需要自由选择间歇式或连续式的运行方式。工艺流程如图2所示，生态建筑雨污水经调节池进入ICAST反应池进行生化处理。ICAST反应池可以采用间歇式和连续式两种运行方式。考虑到维护的方便，本次设计采用连续式运行（如图3所示）。连续运行为连续进水、连续出水，流入ICAST反应池的污水，在兼氧区与活性污泥充分混合后进入主曝气区进行好氧分解，自然停留一段时间后溢流入二沉池，沉淀后上清液出水至中间池，处理过程中回流主曝气区内的部分污泥至兼氧区。这里将ICAST反应池设计分为一个较小的兼氧区和一个较大的好氧区，目的在于兼氧区不仅可有效地缓冲进水水质波动对好氧区活性污泥的冲击，而且可起到生物选择的作用，抑制丝状菌生长，控制污泥膨胀。运行过程中，兼氧区还可减轻好氧区部分的有机物负荷，使残留有机物更有效地去除。此外，考虑到进水水质可能有较大波动，因此在原污水污染物浓度较大时可在中间池加入微量混凝剂。由中间池出水经过滤柱进行过滤，并送至清水池，消毒后的出水水质可达到中水回用标准（CJ/T 952000）。在处理过程中，各工艺阶段的水质监测指标及其分析方法如表2所示。 采用ICAST技术对生态建筑雨污水进行处理，装置一体化程度高，可以节省基建费用，连续式运行时，为保证在相对较短的停留时间内取得理想的处理效果，通过增设污泥回流系统，使回流混合液NH3-N在兼氧区内利用原水中的碳源反硝化，提高脱氮效果，处理量较大。表2 水质监测指标及其方法Tab.2 Detecting methods of the characteristics of sewage序号水质指标分析方法或仪器1CODcrCOD在线监测仪2BOD5Oxi-Top压差法快速测定3SS重量法4NH3-N氨氮在线监测仪5MLSS过滤烘干水份后称重6MLVSS600灼烧30min后称重7PO43-钼酸铵抗分光光度法8pH玻璃电极法（在线监测）9DO氧电极法（在线监测）1.3 回用系统将生态建筑雨污水经调节池处理后进入ICAST池生化处理并由过滤消毒后的出水（其水质达到中水回用标准）用于回用的系统，称为中水回用系统，一般由管道、水泵及喷嘴等组成。中水经回用系统可用于生态建筑楼顶平台浇灌绿化、景观水池用水、清洁道路等。2 自动控制及监测系统利用上述污水回用处理装置，在文献6的基础上，进行处理运行和监测水质的自动控制系统设计，如图4所示。2.1 研究内容a、ICAST处理流程可以通过PLC和计算机进行自动控制。包括控制进水泵、鼓风机、过滤泵、污泥回流泵等设备的启动、运行和停止及不正常运行时的报警等。b、监控污水回用处理的整个过程，监测进出水水质的主要指标CODcr、NH3-N及浊度；ICAST生化反应池内的DO和pH值；当各工艺阶段的水质指标达不到预定目标时，可由计算机通过PLC适时调整运行参数等。c、对污水回用处理过程中的数据进行采集和定时存贮，根据需要可查询任意时刻各种设备的故障记录及仪表的历史记录，且对历史数据进行一定的分析。2.2 设计原则a、以出水水质为目标监测及控制自控系统除了监测进、出水的水质以外，应对ICAST反应池内的DO和pH值作在线监测记录，通过监测的数据确定反应池内生化反应条件与处理出水之间的关系，并以此为依据在自控界面上对ICAST反应池的运行和曝气量大小进行调整，使出水水质可达到中水回用标准。b、实用性与经济性自控系统采用进口和国产设备及电器结合，设计和编程考虑主要设备的自动运行，在保证可靠的前提下尽可能节约成本。通过对系统主要设备的选型，可使其造价比国内同类型系统价格有较大幅度的降低。c、安全性与可靠性自控系统控制部分具有故障报警及故障处理功能。从设计到设备选型和安装施工及运行维护均应尽可能确保系统的安全可靠性。2.3自控硬件及软件自动控制系统I/O量共计约38个点，目前可编程控制器（PLC）的种类有很多，如欧姆龙的CPM2A系列、西门子公司的S7200系列和S7300系列、A-B Rockwell公司及三菱公司的产品等。依据作者的选型经验及比较各设备的特点，西门子公司和A-B公司的中小型PLC质量好，但对本系统而言价格较贵；欧姆龙公司和三菱公司的小型PLC质量及价格优势明显，其性价比较高，且在同行业中应用较广泛；同时考虑到上位机组态软件的选用，因此选用欧姆龙公司的CPM2A系列。它具有处理速度可满足系统要求、基本指令丰富、程序易于修改、维护工作量小、网络组态容易等特点。监控软件是在Delphi软件的基础上进行编程，该软件可使系统维护人员在极短时间掌握，其性能在国内许多企业已经得到应用检验。此外，该软件获得技术支持容易，其性能完全满足本系统需要，而价格却比其它同类型软件要低。2.4 自控工艺2.4.1自控工艺流程打开计算机，进入自控检测界面，输入密码及相关原始设定值，开始运行，实现过程控制自动化。生态建筑雨污水经提升泵从集水井输送到调节池，根据调节池中的液位信号控制开停泵的时间，调节池低位时开泵，高位时停泵。经调节池沉淀处理后出水，由进水泵输送到ICAST生化池，进水泵根据调节池和生化池的液位信号以及设备运行状态一同控制。经连续式ICAST处理后出水则自流至二沉池去掉细小颗粒，再溢流至中间池。中间池内蓄水由过滤泵输送至微滤池进行过滤，过滤后出水加消毒剂送至消毒池停留一段时间即为中水。其中过滤泵靠中间池水位控制，高位开泵、低位停泵；加药泵与过滤泵联动。2.4.2控制系统结构及特点依据国内外常用的自控系统形式，本系统采用PC+PLC结构，与常规智能直接数字控制仪表相比，具有投资少，寿命长，易维护且故障率低等特点。现场控制站主要负责所有设备和过程的数据采集控制和参数调节，由PLC完成该功能且通过PLC承担事故预处理并与控制室计算机进行通讯。控制室可提供CRT显示及故障报警、部分参数设置、远程人工干预操作和数据存储等工作。控制室通常由1台工控机来完成，该管理机除含有现场操作功能外，还具备数据处理、报表打印等功能。2.4.3自控系统组成及功能根据地理位置及工艺功能划分，本系统由控制室和现场控制站