兩級厭氧消化工藝處理高濃度有機(jī)廢水
【關(guān)鍵詞】： 高濃度有機(jī)廢水 兩級厭氧消化 生物能攪拌 沼氣
【分類號】：X703.1
【正文快照】：
“兩級厭氧消化工藝處理高濃度有機(jī)廢水”文章導(dǎo)讀（2014年第04期）
河南天冠企業(yè)集團(tuán)有限公司在南陽市已擁有30萬t/a燃料乙醇項(xiàng)目及30萬t/a玉米深加工項(xiàng)目，在生產(chǎn)過程中都產(chǎn)生一定量的可生化性較強(qiáng)的高濃度有機(jī)廢水，對這些高濃度有機(jī)廢水進(jìn)行厭氧處理產(chǎn)生沼氣，不僅可以減少水環(huán)境污染，還可生產(chǎn)出沼氣供城市居民使用，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。南陽市城市民用沼氣工程基于這一思路而立項(xiàng)，工程概算總投資4．39億元。日處理高濃度有機(jī)廢水25 000m3，日產(chǎn)沼氣49．5萬Nm3。工程于2009年3月開工，2011年5月底竣工投產(chǎn)，具備向南陽市中心城區(qū)供應(yīng)沼氣的條件。
1 兩級厭氧處理工藝設(shè)計(jì)
1．1 進(jìn)出水水質(zhì)
天冠公司燃料乙醇項(xiàng)目有機(jī)廢水水量為10 500m3/d，水質(zhì)為：COD 55 000mg/L，BOD530 000mg/L，SS 50 000mg/L，pH 4～5，水溫80℃；玉米深加工項(xiàng)目有機(jī)廢水水量為11 000m3/d，水質(zhì)為：COD40 000mg/L，BOD522 000mg/L，SS 8 000mg/L，pH4～5，水溫40℃。
以沼氣生產(chǎn)為目的的廢水兩級厭氧處理段，設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)為以上兩種廢水混合的高濃度有機(jī)廢水，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)根據(jù)南陽酒精廠運(yùn)行中的高溫罐和中溫罐對各項(xiàng)污染物指標(biāo)的平均去除效率而擬定。兩級厭氧處理段設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表1。
1．2 厭氧生物處理技術(shù)
厭氧消化是指在無分子氧參與的條件下，通過多種微生物的協(xié)同作用，把有機(jī)物最終分解為甲烷（CH4）和CO2等產(chǎn)物的過程。厭氧生物處理技術(shù)是以保護(hù)環(huán)境和獲取能源為目的，把厭氧消化的原理應(yīng)用到有機(jī)廢水和有機(jī)固體廢物的處理過程。
厭氧生物處理是一個(gè)復(fù)雜的過程，大致可分為水解發(fā)酵階段、產(chǎn)酸脫氫階段和產(chǎn)甲烷階段。溫度是影響微生物生命活動(dòng)和代謝速率最重要的因素之一。目前應(yīng)用的厭氧工藝一般有3個(gè)不同的溫度范圍：①常溫發(fā)酵：溫度為10～30℃，一般是在自然氣溫或水溫下進(jìn)行的厭氧消化過程；②中溫發(fā)酵：溫度為35～38℃；③高溫發(fā)酵：溫度為50～55℃。
高溫厭氧消化對COD的去除率通常比中溫時(shí)高25％～50％，常溫厭氧消化的COD去除率約為中溫消化的10％～20％。厭氧消化時(shí)，溫度與有機(jī)負(fù)荷、產(chǎn)氣量關(guān)系如圖1所示。
常溫發(fā)酵因其COD去除率低、產(chǎn)氣量少、消化時(shí)間長、容積負(fù)荷低而很少用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，故采用高溫＋中溫兩級厭氧消化工藝處理天冠企業(yè)酒精生產(chǎn)中高濃度有機(jī)廢水。
采用兩級厭氧工藝，能使廢水中的有機(jī)物通過厭氧菌作用最大限度地產(chǎn)生沼氣，保證氣源量。工程實(shí)踐證明，兩級厭氧控制溫度不同，高溫和中溫厭氧發(fā)酵的微生物菌群也不盡相同，可以進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，在高溫厭氧條件下不可分解的有機(jī)物，經(jīng)中溫發(fā)酵可以得到有效地分解，使沼氣生產(chǎn)和廢水處理更加徹底。
1．3 兩級厭氧處理工藝流程
廢水兩級厭氧處理工藝流程包含物料平衡及熱量平衡，如圖2所示。
1．3．1 預(yù)處理階段
進(jìn)廠高濃度有機(jī)廢水首先進(jìn)入調(diào)節(jié)池1進(jìn)行水質(zhì)、水量的均質(zhì)和水溫的調(diào)節(jié)，再經(jīng)泵1提升至高溫厭氧發(fā)酵罐。對進(jìn)水溫度高于55℃，經(jīng)冷卻塔1冷卻達(dá)到高溫發(fā)酵所需溫度；對進(jìn)水溫度低于55℃，采用蒸汽加溫達(dá)到高溫發(fā)酵所需溫度。
1．3．2 高溫厭氧處理階段
高溫厭氧處理階段采用了厭氧生物接觸工藝（anaerobic contact process，ACP）。廢水進(jìn)入完全混合柱錐形厭氧發(fā)酵罐（水溫55℃±2～3℃）進(jìn)行厭氧分解，產(chǎn)生的沼氣收集后進(jìn)入沼氣凈化、利用系統(tǒng)。經(jīng)高溫厭氧發(fā)酵處理后的消化液進(jìn)入冷卻塔2迅速冷卻，再依次送至細(xì)格柵、沉淀池、氣浮濃縮裝置進(jìn)行泥水分離，實(shí)際運(yùn)行中可根據(jù)出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況超越氣浮濃縮裝置。沉淀池的排泥經(jīng)污泥泵房以50％的污泥回流比回流至高溫厭氧發(fā)酵罐，在高溫罐內(nèi)實(shí)現(xiàn)污泥的停留時(shí)間（SRT）大于廢水的停留時(shí)間（HRT），以提高罐內(nèi)污泥濃度，從而獲得更高的處理效率。剩余污泥排至后續(xù)污泥處理系統(tǒng)。
1．3．3 中溫厭氧處理階段
氣浮濃縮裝置出水進(jìn)入調(diào)節(jié)池2，再由泵2提升至中溫UASB反應(yīng)器（水溫35℃±2～3℃），經(jīng)中溫厭氧發(fā)酵使大部分有機(jī)污染物降解。UASB反應(yīng)器上部設(shè)三相分離器，廢水、沼氣及污泥上升流到三相分離器完成固、液、氣分離，將沼氣送至沼氣凈化、利用系統(tǒng)，出水進(jìn)入后續(xù)好氧處理系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理至達(dá)標(biāo)排放。
1．3．4 兩級厭氧段廢水處理各單元預(yù)計(jì)處理效果
兩級厭氧段廢水處理各單元預(yù)計(jì)處理效果見表2。
2 主要設(shè)備及處理構(gòu)筑物設(shè)計(jì)參數(shù)
2．1 生物能攪拌高溫厭氧發(fā)酵罐
工藝流程中，高溫段關(guān)鍵處理設(shè)備為國家專利《單體超大容積鋼制柱錐形高溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)》（專利號ZL2009 1 0062694．0），內(nèi)設(shè)生物能攪拌裝置，如圖3所示。
生物能攪拌裝置由分布傘、觀察孔、人孔、噴射嘴、分離斗、擋板等部分組成。該裝置中物料在微生物菌體的作用下，迅速產(chǎn)生沼氣，沼氣在裝置內(nèi)以鼓泡形式自下而上運(yùn)動(dòng)；氣流上升過程中挾帶物料、菌膠團(tuán)、固體顆粒，呈現(xiàn)出氣液混合流動(dòng)相；混合流漸進(jìn)噴射嘴時(shí)，流速加快，聚集在噴嘴出口處以一定的速度沖出，流體形成翻卷和渦流。另一方面由于裝置內(nèi)氣體和液體的溢出，空出的容積則被下方容器底部周圍的液體涌入而得以補(bǔ)充；由此周而復(fù)始形成環(huán)流造成大的擾動(dòng)，達(dá)到物料、溫度、酸度的均布，微生物與物料的充分混合接觸，加快消化速度，提高物料的轉(zhuǎn)化率和設(shè)備利用率。
生物能攪拌裝置的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、不耗電能、管理方便、運(yùn)行穩(wěn)定，耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。設(shè)計(jì)采用了20座生物能攪拌高溫厭氧發(fā)酵罐，單座有效容積10 000m3，進(jìn)水容積負(fù)荷6kgCOD/（m3·d），消化停留時(shí)間8d，單罐每天沼氣產(chǎn)量約為30 000m3，分析產(chǎn)氣指標(biāo)為0．5Nm3沼氣/kgCOD。
罐體為鋼制柱錐形消化罐，設(shè)計(jì)采用普通低合金鋼16MnR鋼材，平均壁厚16mm，單座用鋼量約370t。圓柱體部分直徑24m，總高度30m，其中地下部分錐體高度為5．5m。罐內(nèi)外均嚴(yán)格按有關(guān)要求進(jìn)行防腐處理；罐壁外采用巖棉保溫，保溫厚度為100mm。罐群基座為C30鋼筋混凝土整體板基礎(chǔ)。罐體要求按照《大型焊接低壓儲罐的設(shè)計(jì)與建造》（SY/T 0608—2006）技術(shù)要求進(jìn)行制造、檢查和驗(yàn)收。
2．2 中溫UASB反應(yīng)器
設(shè)計(jì)采用10座中溫UASB反應(yīng)器，單座有效容積4 000m3，進(jìn)水容積負(fù)荷3．75kgCOD/（m3·d），單罐每天沼氣產(chǎn)量約為7 500Nm3。
罐體為鋼制圓柱形罐，設(shè)計(jì)采用16MnR鋼材，平均壁厚14mm，單座用鋼量約168t。圓柱體直徑16．5m，總高度22m，上部為三相分離器。罐體防腐、保溫及罐群基礎(chǔ)設(shè)計(jì)同高溫罐。
2．3 泥水分離設(shè)施
工程中常用的泥、水分離有以下幾種方法：①在消化池和沉淀池之間設(shè)真空脫氣器，分離混合液中的沼氣；②在沉淀池之前設(shè)熱交換器，對混合液進(jìn)行急劇冷卻處置，抑制污泥在沉淀過程中繼續(xù)產(chǎn)氣，同時(shí)在混合液冷卻過程中釋放其中存在的氣體，有利于后續(xù)混合液的固液分離；③向混合液投加混凝劑促進(jìn)固液分離；④用超濾器代替沉淀池，提高固液分離效果。
方法①和④僅在小規(guī)模食品行業(yè)中有所應(yīng)用，不適用于工程規(guī)模較大、廢水濃度較高的工程。方法②能有效改善污泥沉降性能，在國內(nèi)已有中等規(guī)模酒精廠采用且效果良好，分離出的污泥為厭氧狀態(tài)、不含或只含少量絮凝劑，適用于高溫厭氧接觸工藝段的污泥回流。方法③向消化液內(nèi)投加一定量的混凝劑，可以有效改變污水中懸浮顆粒的親水性并促使細(xì)小的懸浮顆粒絮凝成較大的絮凝體，適用于氣浮固液分離段。
因此，設(shè)計(jì)采用消化液急速冷卻脫氣后重力靜置沉淀、輔以投加絮凝劑的氣浮濃縮池，促進(jìn)固液分離效果。
在高溫發(fā)酵罐后即設(shè)置工業(yè)冷卻塔1座，將消化液溫度由55℃迅速降至約35℃（滿足后續(xù)中溫消化要求），抑制消化液產(chǎn)氣，促進(jìn)污泥的凝聚沉淀，保證沉淀效果。設(shè)計(jì)采用中心進(jìn)水、周邊出水的圓形輻流式沉淀池2座，單座直徑28m，有效水深3．5m，表面負(fù)荷0．85m3/（m2·h），停留時(shí)間4h；每池設(shè)周邊傳動(dòng)半橋式單管吸泥機(jī)1臺進(jìn)行機(jī)械排泥。
在沉淀池后設(shè)規(guī)格為500m3/h的氣浮濃縮裝置2套，包含進(jìn)料泵、管式加藥反應(yīng)器、斜板溶氣氣浮機(jī)，以及配套電氣、自控、儀表等，進(jìn)一步將在沉淀池中不易沉淀分離的污泥采用投加混凝劑并氣浮法進(jìn)行固液分離。使用天冠公司現(xiàn)有酒精生產(chǎn)廢水進(jìn)行設(shè)備中試，結(jié)果表明：進(jìn)水SS為8～10g/L時(shí)，PAC投加量380mg/L，PAM投加量3～5mg/L，氣浮裝置對SS去除率可達(dá)60％～80％，單位廢水處理耗電0．23kW·h/m3（包括氣浮本體和配套設(shè)施）。為適應(yīng)進(jìn)水水質(zhì)變化并達(dá)到節(jié)能目的，沉淀池、氣浮裝置均設(shè)超越管。
3 工程運(yùn)行效果
工程于2011年5月底竣工，經(jīng)半年時(shí)間的調(diào)試運(yùn)行，開始穩(wěn)定產(chǎn)出沼氣。外供沼氣量從10萬Nm3逐步提升到目前的30萬～35萬Nm3，沼氣的應(yīng)用也從單一民用拓展到車用壓縮天然氣領(lǐng)域和生物電力項(xiàng)目，為天冠企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
根據(jù)上游酒精生產(chǎn)廢水的進(jìn)水量和COD濃度以及商品沼氣的需求量，廠內(nèi)目前啟用了16座高溫罐和10座中溫UASB反應(yīng)器。據(jù)2013年冬季1月和夏季7月的生產(chǎn)日報(bào)表，沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)主要單元的月平均處理數(shù)據(jù)見表3。分析表3可知，高溫罐實(shí)際進(jìn)水COD負(fù)荷在3～4kgCOD/（m3·d），平均為3．6kgCOD/（m3·d），COD去除率達(dá)90％，SS去除率接近40％。因高溫罐是逐對啟動(dòng)，輪流排除剩余污泥，故其中8對高溫罐內(nèi)的污泥濃度為10～115g/L不等。在罐體底部已形成顆粒污泥的，可排出并作為商品外售。污泥外回流比平均為22％，在0～50％的設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。
由于進(jìn)廠廢水為酸性、高濃度、黃漿型酒精糟液，經(jīng)高溫厭氧消化后排出的混合液性質(zhì)發(fā)生較大改變，脂肪酸分解導(dǎo)致大量碳酸根與水中Ca2＋、Mg2＋、NH＋4結(jié)合形成垢，易造成出水溢流堰及管渠堵塞。因此，高溫厭氧消化后的混合液需要回流至調(diào)節(jié)池1，以稀釋進(jìn)料濃度、中和進(jìn)料pH、調(diào)節(jié)進(jìn)料溫度。設(shè)計(jì)混合液內(nèi)回流比為50％，而實(shí)際運(yùn)行達(dá)到了70％左右，分析原因是進(jìn)水SS偏高，已經(jīng)占到進(jìn)水COD的30％以上，如不增大內(nèi)回流比稀釋進(jìn)料濃度，將會(huì)因結(jié)垢堵塞而減少高溫罐的有效容積、降低厭氧污泥的活性和COD去除率。內(nèi)回流比增大帶來的出水偏堿性的問題，可在后續(xù)好氧段投加藥劑中和得以解決。
混合液急速冷卻后進(jìn)入沉淀池，泥水分離效果良好，SS去除率達(dá)到了90％以上，出水水質(zhì)優(yōu)于設(shè)計(jì)值。氣浮裝置因電耗、藥耗較高僅間歇運(yùn)行，節(jié)省運(yùn)行成本。
中溫UASB反應(yīng)器污泥濃度為10～30g/L。進(jìn)水COD負(fù)荷實(shí)際平均為1kgCOD/（m3·d），COD去除率40％，出水水質(zhì)已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。實(shí)測進(jìn)入高溫段廢水BOD5/COD為0．47左右，可生化性較好；而進(jìn)入中溫段廢水BOD5/COD降為0．37左右，可生化性較差。由此可見，污染物降解及沼氣生產(chǎn)主要是由高溫厭氧發(fā)酵段承擔(dān)。具體參見http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
兩級厭氧發(fā)酵系統(tǒng)生產(chǎn)沼氣約30萬～35萬Nm3，其中16座高溫罐總產(chǎn)氣量為29萬～31萬Nm3，10座中溫罐總產(chǎn)氣量為2萬～3萬Nm3。檢測沼氣成分為60％CH4、40％CO2，經(jīng)降溫、洗滌、脫硫后儲存并加壓外供。
4 結(jié)論與討論
（1）廢水兩級厭氧處理工程直接費(fèi)用約2億元，折合410元/（Nm3·d），單位產(chǎn)量總成本0．32元/（Nm3·d），單位產(chǎn)量經(jīng)營成本0．22元/（Nm3·d），包含沼氣凈化儲存、加壓外供的成本。
（2）采用兩級厭氧工藝處理較大規(guī)模的高濃度有機(jī)廢水，實(shí)際運(yùn)行中，全流程的溫度控制是重點(diǎn)和難點(diǎn)。冬季需采購足量蒸汽（或電）預(yù)熱進(jìn)廠廢水；夏季冷卻塔散熱效果較差，需要在廢水進(jìn)廠均質(zhì)、高溫厭氧、中溫厭氧各工段后均設(shè)置冷卻塔，除保證高溫、中溫厭氧所需溫度外，也要確保后續(xù)好氧工段的正常運(yùn)行。操作中，應(yīng)嚴(yán)格避免溫度的大幅波動(dòng)。
（3）經(jīng)高溫厭氧消化后排出的混合液容易結(jié)垢、堵塞管渠的問題，仍然是困擾酒精廢水處理工程日常運(yùn)行管理的難題。本工程采用加大混合液回流量、稀釋進(jìn)料濃度的方法，取得初步成效。調(diào)試過程中，需要利用混合液回流比來控制COD濃度的逐步提升，提升得太快處理效果明顯下降。最終根據(jù)上游酒精生產(chǎn)所產(chǎn)生的廢水實(shí)際濃度，調(diào)試混合液回流比超過設(shè)計(jì)值達(dá)到70％左右、混合進(jìn)料COD在30 000～35 000mg/L時(shí)，獲得了比較理想的處理效果。
（4）高溫厭氧處理段為厭氧生物接觸工藝，工程中采用消化液急速冷卻脫氣后重力靜置沉淀的方法來獲得用于回流的厭氧態(tài)污泥，SS去除效果良好；但同樣是受結(jié)垢影響，兩座沉淀池不能連續(xù)接納上游來水，部分消化混合液超越到調(diào)節(jié)池2，與沉淀池出水混合均質(zhì)后再進(jìn)入中溫UASB反應(yīng)器。如用地條件允許，建議增設(shè)兩座沉淀池，清理結(jié)垢時(shí)可供切換、互為備用，以減輕UASB反應(yīng)器進(jìn)配水管路的堵塞情況。
（5）南陽市城市民用沼氣工程的成功運(yùn)行，為廢水資源化探索出一條較好的發(fā)展模式，符合國家清潔生產(chǎn)政策發(fā)展的方向，亦為類似工程提供了良好的借鑒。
