【精选】两级厌氧消化工艺处理高浓度有机废水.doc

两级厌氧消化工艺处理高浓度有机废水作者：朱昱 陆浩洋 廖华丰 刘怀丰 刘克摘要：介绍了高温＋中温两级厌氧消化工艺处理酒精生产高浓度有机废水，两级厌氧处理对原水中 COD、SS 的去除率分别可达 90％和 80％，厌氧消化产气指标达 0．5Nm3 沼气/kgCOD，可产生 30 万～35 万 Nm3/d 的沼气用于外售，且为后续好氧处理的达标排放提供了保障，在达到较好处理效果的同时，也为企业带来了可观的经济效益关键词：高浓度有机废水 两级厌氧消化 生物能搅拌 沼气Two-stage anaerobic digestion process to treat high concentration organic wastewateryZhu Yu1，Lu Haoyang2，Liao Huafeng1，Liu Huaifeng1，Liu ke2Abstract：The two－stage anaerobic digestion process，which was operated under high－temperature and middle－temperature in different stages，was employed to treat high concentration organicwastewater from alcohol industry．It was reported that the removal rates of COD and SS were 90％and 80％respectively．The anaerobic digestion gas production index in this process was 0．5Nm3methane/kgCOD and it could produce 300 000～350 000Nm3 methane every day for selling．Thisprocess also offered security for the clean discharge of the following aerobic treatment，whichbrought significant profit to the enterprise at the precondition of satisfying treatment effects．Keywords：High concentration organic wastewater；Two－stage anaerobic digestion；Biologicalenergy mixing；Methane河南天冠企业集团有限公司在南阳市已拥有 30 万 t/a 燃料乙醇项目及 30 万 t/a 玉米深加工项目，在生产过程中都产生一定量的可生化性较强的高浓度有机废水，对这些高浓度有机废水进行厌氧处理产生沼气，不仅可以减少水环境污染，还可生产出沼气供城市居民使用，产生显著的经济效益。

南阳市城市民用沼气工程基于这一思路而立项，工程概算总投资 4．39 亿元日处理高浓度有机废水 25 000m3，日产沼气 49．5 万 Nm3工程于2009 年 3 月开工，2011 年 5 月底竣工投产，具备向南阳市中心城区供应沼气的条件1 两级厌氧处理工艺设计1．1 进出水水质天冠公司燃料乙醇项目有机废水水量为 10 500m3/d，水质为：COD 55 000mg/L，BOD530 000mg/L，SS 50 000mg/L，pH 4～5，水温 80℃；玉米深加工项目有机废水水量为 11 000m3/d，水质为：COD40 000mg/L，BOD522 000mg/L，SS 8 000mg/L，pH4～5，水温 40℃以沼气生产为目的的废水两级厌氧处理段，设计进水水质为以上两种废水混合的高浓度有机废水，设计出水水质根据南阳酒精厂运行中的高温罐和中温罐对各项污染物指标的平均去除效率而拟定两级厌氧处理段设计进出水水质见表 11．2 厌氧生物处理技术厌氧消化是指在无分子氧参与的条件下，通过多种微生物的协同作用，把有机物最终分解为甲烷（CH4）和 CO2 等产物的过程厌氧生物处理技术是以保护环境和获取能源为目的，把厌氧消化的原理应用到有机废水和有机固体废物的处理过程。

厌氧生物处理是一个复杂的过程，大致可分为水解发酵阶段、产酸脱氢阶段和产甲烷阶段温度是影响微生物生命活动和代谢速率最重要的因素之一目前应用的厌氧工艺一般有 3 个不同的温度范围：①常温发酵：温度为 10～30℃，一般是在自然气温或水温下进行的厌氧消化过程；②中温发酵：温度为 35～38℃；③高温发酵：温度为 50～55℃高温厌氧消化对 COD 的去除率通常比中温时高 25％～50％，常温厌氧消化的 COD 去除率约为中温消化的 10％～20％厌氧消化时，温度与有机负荷、产气量关系如图 1 所示［1］1．3．1 预处理阶段进厂高浓度有机废水首先进入调节池 1 进行水质、水量的均质和水温的调节，再经泵1 提升至高温厌氧发酵罐对进水温度高于 55℃，经冷却塔 1 冷却达到高温发酵所需温度；对进水温度低于 55℃，采用蒸汽加温达到高温发酵所需温度1．3．2 高温厌氧处理阶段高温厌氧处理阶段采用了厌氧生物接触工艺（anaerobic contact process，ACP）废水进入完全混合柱锥形厌氧发酵罐（水温 55℃±2～3℃）进行厌氧分解，产生的沼气收集后进入沼气净化、利用系统经高温厌氧发酵处理后的消化液进入冷却塔 2 迅速冷却，再依次送至细格栅、沉淀池、气浮浓缩装置进行泥水分离，实际运行中可根据出水水质达标情况超越气浮浓缩装置。

沉淀池的排泥经污泥泵房以 50％的污泥回流比回流至高温厌氧发酵罐，在高温罐内实现污泥的停留时间（SRT）大于废水的停留时间（HRT），以提高罐内污泥浓度，从而获得更高的处理效率剩余污泥排至后续污泥处理系统1．3．3 中温厌氧处理阶段气浮浓缩装置出水进入调节池 2，再由泵 2 提升至中温 UASB 反应器（水温 35℃±2～ 3℃），经中温厌氧发酵使大部分有机污染物降解UASB 反应器上部设三相分离器，废水、沼气及污泥上升流到三相分离器完成固、液、气分离，将沼气送至沼气净化、利用系统，出水进入后续好氧处理系统进行进一步处理至达标排放1．3．4 两级厌氧段废水处理各单元预计处理效果两级厌氧段废水处理各单元预计处理效果见表 2生物能搅拌装置由分布伞、观察孔、人孔、喷射嘴、分离斗、挡板等部分组成该装置中物料在微生物菌体的作用下，迅速产生沼气，沼气在装置内以鼓泡形式自下而上运动；气流上升过程中挟带物料、菌胶团、固体颗粒，呈现出气液混合流动相；混合流渐进喷射嘴时，流速加快，聚集在喷嘴出口处以一定的速度冲出，流体形成翻卷和涡流另一方面由于装置内气体和液体的溢出，空出的容积则被下方容器底部周围的液体涌入而得以补充；由此周而复始形成环流造成大的扰动，达到物料、温度、酸度的均布，微生物与物料的充分混合接触，加快消化速度，提高物料的转化率和设备利用率。

生物能搅拌装置的特点是结构简单、不耗电能、管理方便、运行稳定，耐冲击负荷能力强设计采用了 20 座生物能搅拌高温厌氧发酵罐，单座有效容积 10 000m3，进水容积负荷 6kgCOD/（m3·d），消化停留时间 8d，单罐每天沼气产量约为 30 000m3，分析产气指标为 0．5Nm3 沼气/kgCOD罐体为钢制柱锥形消化罐，设计采用普通低合金钢 16MnR 钢材，平均壁厚 16mm，单座用钢量约 370t圆柱体部分直径 24m，总高度 30m，其中地下部分锥体高度为 5．5m罐内外均严格按有关要求进行防腐处理；罐壁外采用岩棉保温，保温厚度为 100mm罐群基座为 C30 钢筋混凝土整体板基础罐体要求按照《大型焊接低压储罐的设计与建造》（SY/T 0608—2006）技术要求进行制造、检查和验收2．2 中温 UASB 反应器设计采用 10 座中温 UASB 反应器，单座有效容积 4 000m3，进水容积负荷3．75kgCOD/（m3·d），单罐每天沼气产量约为 7 500Nm3罐体为钢制圆柱形罐，设计采用 16MnR 钢材，平均壁厚 14mm，单座用钢量约 168t圆柱体直径 16．5m，总高度 22m，上部为三相分离器。

罐体防腐、保温及罐群基础设计同高温罐2．3 泥水分离设施工程中常用的泥、水分离有以下几种方法：①在消化池和沉淀池之间设真空脱气器，分离混合液中的沼气；②在沉淀池之前设热交换器，对混合液进行急剧冷却处置，抑制污泥在沉淀过程中继续产气，同时在混合液冷却过程中释放其中存在的气体，有利于后续混合液的固液分离；③向混合液投加混凝剂促进固液分离；④用超滤器代替沉淀池，提高固液分离效果方法①和④仅在小规模食品行业中有所应用，不适用于工程规模较大、废水浓度较高的工程方法②能有效改善污泥沉降性能，在国内已有中等规模酒精厂采用且效果良好，分离出的污泥为厌氧状态、不含或只含少量絮凝剂，适用于高温厌氧接触工艺段的污泥回流方法③向消化液内投加一定量的混凝剂，可以有效改变污水中悬浮颗粒的亲水性并促使细小的悬浮颗粒絮凝成较大的絮凝体，适用于气浮固液分离段因此，设计采用消化液急速冷却脱气后重力静置沉淀、辅以投加絮凝剂的气浮浓缩池，促进固液分离效果在高温发酵罐后即设置工业冷却塔 1 座，将消化液温度由 55℃迅速降至约 35℃（满足后续中温消化要求），抑制消化液产气，促进污泥的凝聚沉淀，保证沉淀效果设计采用中心进水、周边出水的圆形辐流式沉淀池 2 座，单座直径 28m，有效水深 3．5m，表面负荷0．85m3/（m2·h），停留时间 4h；每池设周边传动半桥式单管吸泥机 1 台进行机械排泥。

在沉淀池后设规格为 500m3/h 的气浮浓缩装置 2 套，包含进料泵、管式加药反应器、斜板溶气气浮机，以及配套电气、自控、仪表等，进一步将在沉淀池中不易沉淀分离的污泥采用投加混凝剂并气浮法进行固液分离使用天冠公司现有酒精生产废水进行设备中试，结果表明：进水 SS 为 8～10g/L 时，PAC 投加量 380mg/L，PAM 投加量 3～5mg/L，气浮装置对 SS 去除率可达 60％～80％，单位废水处理耗电 0．23kW·h/m3（包括气浮本体和配套设施）为适应进水水质变化并达到节能目的，沉淀池、气浮装置均设超越管3 工程运行效果工程于 2011 年 5 月底竣工，经半年时间的调试运行，开始稳定产出沼气外供沼气量从 10 万 Nm3 逐步提升到目前的 30 万～35 万 Nm3，沼气的应用也从单一民用拓展到车用压缩天然气领域和生物电力项目，为天冠企业带来了可观的经济效益根据上游酒精生产废水的进水量和 COD 浓度以及商品沼气的需求量，厂内目前启用了16 座高温罐和 10 座中温 UASB 反应器据 2013 年冬季 1 月和夏季 7 月的生产日报表，沼气生产系统主要单元的月平均处理数据见表 3。

分析表 3 可知，高温罐实际进水 COD 负荷在 3～4kgCOD/（m3·d），平均为 3．6kgCOD/（m3·d），COD 去除率达 90％，SS 去除率接近 40％因高温罐是逐对启动，轮流排除剩余污泥，故其中 8 对高温罐内的污泥浓度为10～115g/L 不等在罐体底部已形成颗粒污泥的，可排出并作为商品外售污泥外回流比平均为 22％，在 0～50％的设计范围之内由于进厂废水为酸性、高浓度、黄浆型酒精糟液，经高温厌氧消化后排出的混合液性质发生较大改变，脂肪酸分解导致大量碳酸根与水中 Ca2＋、Mg2＋、NH＋4 结合形成垢，易造成出水溢流堰及管渠堵塞因此，高温厌氧消化后的混合液需要回流至调节池 1，以稀释进料浓度、中和进料 pH、调节进料温度设计混合液内回流比为 50％，而实际运行达到了 70。