在线水质分析仪器：污水处理工艺

水中的污染物,按它们在水中的存在状态可分为悬浮物、胶体和溶解物三大类;按照它们的化学特性可分为无机物和有机物。废水处理方法一般分为物理法、化学法和生物法,每种处理方法都有各自的特点和适用条件,根据不同的原水水质和处理后的水质要求,可单独应用,亦可几种方法组合应用,通常每一种处理方法只针对去除某一类或某几类污染物。

与给水处理工艺相比,污水的处理工艺既有相似性,又有其独特性。常规的处理方法,如混凝、沉淀、过滤,在给水和污水处理中均被普遍采用。而在给水处理中较少被使用的生物处理工艺,其不管是在城镇污水还是工业废水的处理中均占据着重要的地位,且被广泛地采用。

(1)污水物理、化学处理方法

对于城镇生活污水处理,其采用的物理和化学处理方法主要有混凝、沉淀、过滤、化学氧化等方法,与第2.1 小节中的饮用水处理方法比较类似,而工业废水处理除了这几类处理方法外,还会根据废水特点及处理后水质指标要求,采用更多的处理方法。

1)化学中和:酸性和碱性工业废水的来源广泛,如化工、化纤、制药、印染、造纸和金属加工等行业都有酸性或碱性废水排水。废水中含无机酸碱或有机酸碱,并含有重金属离子、悬浮物和其他杂质。对于高浓度的酸碱废水(酸或碱含量大于3%),应首先考虑回收和综合利用途径,只有当废水无回收或综合利用价值时,才采用中和法处理。用化学法使废水pH值达到适宜范围的过程称为中和。

酸性废水的中和方法可分为:与碱性废水互相中和、药剂中和、过滤中和;碱性废水的中和方法可分为:与酸性废水互相中和、药剂中和。在污水处理中最常用的是药剂中和,通过投加碱性或酸性药剂中和废水的pH值使其达到要求的范围。

向酸性废水中投加碱性药剂,使废水pH值升高的方法称为酸性废水药剂中和法。常用的中和剂有石灰、石灰石、碳酸钠、苛性钠、氧化镁等。投加石灰乳时,氢氧化钠对废水中杂质有凝聚作用,因此适用于杂质多浓度高的酸性废水。向碱性废水中投加酸性药剂,使废水pH值降低的方法称为碱性废水的药剂中和法。常用的中和剂有硫酸、盐酸等。

2)化学沉淀:向工业废水中投加某种化学物质,使其和废水中溶解性物质发生反应,并生成难溶盐沉淀,从而将该溶解性物质从废水中去除的方法称为化学沉淀法。该法一般用以处理含金属离子和某些阴离子的工业废水。氢氧化物、硫化物和碳酸盐等常被作为沉淀剂使用。

3)氧化还原:通过氧化还原反应将废水中溶解性的污染物质去除的方法称为废水氧化还原法处理。根据废水中污染物质在氧化还原反应中被氧化或被还原的差异,废水的氧化还原处理法可分为氧化法和还原法两大类。

向废水中投加氧化剂,使废水中有毒有害物质转化为无毒无害或毒害作用小的新物质的方法称为药剂氧化法。在废水处理中常用的氧化剂有空气中的氧、臭氧、氯气、次氯酸钠、二氧化氯、过氧化氢等。氧化法主要用于去除废水中无机氰化物和有机物等污染物质。同理,若向废水中投加的是还原剂,使废水中有毒有害物质转化为无毒无害或毒害作用小的新物质的方法称为还原法。还原法主要用于去除废水中的高价重金属离子,如Cr6+等,投加的还原剂使Cr6+转化为Cr3+,再通过加入氢氧化物使其产生沉淀去除。

4)工业废水中主要污染物的处理技术:工业污染物根据我国水污染物排放标准分为两类:第1类污染物指不分行业和污水排放方式,也不分受纳水体的功能类别,一律在车间或车间处理实施排放口取样检测达标的污染物;第2类污染物指在排污单位的总排口出检测达标的污染物。主要污染物的处理方法见表2.1。

表2.1　工业污染物主要处理工艺

(2)污水生物处理方法

在自然界中,存在着大量以有机物为营养物质而生活的微生物,它们不但能够分解氧化一般的有机物并将其转化为稳定的化合物,而且还能转化某些有毒的有机物质,如酚、醛等。污水生物处理就是利用微生物分解氧化有机物的这一特性和功能,并采取一定的人工措施,创造有利于微生物生长和繁殖的环境,获得大量具有高生物活性的微生物,以提高其分解氧化有机物效率的一种污水处理方法。

污水生物处理方法分为好氧生物处理和厌氧生物处理两大类。好氧生物处理需要氧的供应,而厌氧生物处理则需保证无氧的环境。好氧生物处理工艺有活性污泥法和生物膜法。以上两种污水生物处理方法又涵盖了各种具体的工艺形式。

1)好氧活性污泥法:向容器中的生活污水进行曝气,间隔一定时间后,停止曝气,去除上层污水,保留沉淀物,更换新鲜污水,如此连续操作,持续一段时间后,在污水中就形成一种黄褐色的絮状体。在显微镜下观察,该絮状体含有多种微生物。这种絮状体在曝气时,呈悬浮状态,曝气停止后,易于沉淀,从而使污水得到净化、澄清。这种含有多种微生物的絮状体被称为“活性污泥”。以活性污泥为主体的污水生物处理工艺称为活性污泥法。

传统活性污泥法的基本工艺流程由曝气池、二沉池、曝气系统、污泥回流及剩余污泥排放5部分组成(图2.1)。曝气的作用是为微生物新陈代谢提供溶解氧及搅拌污水,使微生物和污染物充分接触,强化生化反应的传质过程。曝气池内的泥水混合液流入二沉池,进行泥水分离,活性污泥絮体沉入池底,泥水分离后的水作为处理出水。二沉池沉降下来的污泥一部分作为回流污泥返回曝气池,以维持曝气池内的微生物浓度,另一部分作为剩余污泥排除。

图2.1　传统活性污泥法的基本工艺流程示意图

2)好氧生物膜法:生物膜法是通过附着在载体或介质表面上的细菌等微生物生长繁殖,形成膜状活性生物污泥——生物膜,利用生物膜降解污水中有机物的生物处理方法。生物膜中的微生物以污水中的有机污染物为营养物质,在新陈代谢过程中将有机物降解,同时微生物自身也得到增殖。

生物膜刚开始运行时,同活性污泥法相似,也需要饲养微生物。对于城市污水,在20 ℃条件下,需要15～30 d,微生物在填料上生长、繁殖,形成稳定的生物膜。从图2.2 中可以看出,生物膜的表面上有很薄的附着水层,相对于外侧流动的水流,附着水层是静止的。由于流动水层比附着水层中的有机物浓度高,有机物的浓度梯度和水流的扰动扩散作用可使有机物、营养物和溶解氧进入附着水层,并进一步扩散到生物膜中,有机物被生物膜吸附、吸收和降解。微生物在分解有机物的过程中自身也进行合成,不断繁殖,使生物膜的厚度增加。传递进入生物膜的溶解氧很快被生物膜表层的好氧微生物所消耗,有机物的分解主要在生物膜的好氧膜中完成。随着时间的延长,滤料上的生物膜不断增厚,处于内层的生物膜由于所处环境溶解氧较低,出现厌氧的环境,厌氧产物增加,降低了生物膜在滤料上附着力,这种老化的生物膜很容易从附着的载体上脱落。在脱落的生物膜的位置上,随后又长出新的生物膜,生物膜的脱落与更新过程不断循环进行。

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图2.2　生物膜结构和有机物降解的示意图

由于生物膜法中微生物以附着的状态存在,所以固体停留时间长,这使得世代时间长、比增长速率慢的微生物在生物膜系统中更易于生长。生物膜法工艺的这个特性是区别于活性污泥法的一个重要特征。在市政污水处理中,对于世代时间相对较长的硝化细菌,在生物膜系统中显现出了较好的适用性。

3)厌氧生物处理法:自1881年人类首次使用厌氧方法处理污水,至今已有100 多年的历史。厌氧生物处理是指在无氧条件下,由厌氧和兼性微生物的共同作用,将有机物分解转化为CH4 和CO2 的过程。厌氧过程可分为3个阶段,分别为水解发酵阶段、产氢和乙酸阶段及产甲烷阶段。

厌氧生物处理方法相对于好氧生物处理法,具有去除难降解有机污染物、产生甲烷能源气体等优点,但是由于厌氧微生物生长缓慢,且易受环境条件影响,因而厌氧处理系统需要较长的启动时间,且厌氧处理后的出水难以直接达到排放标准,在实际应用中通常采用厌氧和好氧的组合处理工艺。

(3)污水生物处理工艺介绍

污水的生物处理,可供选择的工艺主要有A2O 工艺、氧化沟工艺和序批式活性污泥工艺(SBR)等以及由此衍生出的一些变形工艺形式,另外曝气生物滤池等生物膜法技术也被用于污水的二级处理或深度处理中。

1)A2O 工艺:A2O 工艺是厌氧—缺氧—好氧的简称。该工艺于20世纪70年代发展起来,可完成有机物的去除、脱氮除磷等,目前被广泛应用于我国城镇污水处理厂的二级处理工艺中。其工艺流程如图2.3所示。

污水进入污水处理厂,经预处理设施去除体积较大的悬浮物质及无机颗粒后,进入厌氧池,同时从二沉池底部回流的污泥也进入该池,此池主要功能为释放磷并吸收溶解性有机物;流入厌氧池的泥水混合液经过处理进入缺氧池,在此反硝化细菌利用污水中的有机物作为碳源,将回路混合液中带入的大量硝态氮还原为氮气释放至空气中;进入好氧池中,有机物被微生物生化降解,同时氨氮被氧化为硝态氮,污水中的磷也被污水吸收。所以A2O 工艺可以同时完成有机物的去除和脱氮除磷。

图2.3　A2O 工艺流程

2)氧化沟法:又称“循环曝气池”,污水和活性污泥法的混合液在环状曝气渠道中循环流动,属于活性污泥法的一种变形形式,由于运行成本低,构造简单且易于维护管理,出水水质好、运行稳定并可以进行脱氮除磷,受到了重视并逐步得到广泛应用。

氧化沟处理系统的基本特征是曝气池呈封闭式沟渠型,它使用一种方向控制的曝气和搅拌装置。一方面向混合液中充氧,另一方面向反应池中的物质传递水平速度,使污水和活性污泥的混合液在沟内作不停地循环流动。典型氧化沟工艺流程如图2.4所示。

图2.4　氧化沟工艺流程

混合液通过转刷后,溶解氧浓度提高,随后在渠内流动过程中溶解氧又被逐渐降低。通过设置进水、出水位置及污泥回流位置可以使氧化沟完成碳化、硝化和反硝化功能。

3)序批式活性污泥法(SBR):又称间歇式活性污泥法,其污水处理机理与传统活性污泥法完全相同。随着自控技术的进步,特别是一些在线监测仪器仪表技术的发展,如溶解氧、pH计、电导率仪、氧化还原电位仪等的使用,SBR 法得到比较快的发展和应用。

SBR 活性污泥法是将污水厂经预处理后的出水引入具有曝气功能的SBR 反应池,按时间顺序进行进水、曝气反应、沉淀、出水、待机等基本操作,从污水的流入开始到待机时间结束称为一个运行周期。这种运行周期反复进行,从而达到不断进行污水处理的目的。SBR 工艺与传统活性污泥法最大不同之处在于,传统活性污泥法工艺中,各个操作过程,如曝气、沉淀等分别在不同的构筑物或反应池内进行,而SBR 工艺中,各反应过程都在同一池子中完成,只是依时间的变化,各个操作随之变化。典型SBR 工艺流程如图2.5所示。

4)曝气生物滤池工艺:曝气生物滤池是浸没式接触氧化与过滤相结合的生物处理工艺,兼有活性污泥法和生物膜法两者的优点,将生化反应与吸附过滤两种处理过程合并于同一构筑物中。曝气生物滤池根据处理目标不同可分为除碳曝气生物滤池、硝化曝气生物滤池和反硝化生物滤池。其结构主要由滤池池体、滤料、承托层、布水系统、布气系统和反冲洗系统等几部分组成。图2.6所示为升流式曝气生物滤池的构造示意图。

图2.5　SBR 工艺流程

图2.6　升流式曝气生物滤池的构造示意图