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2水质特性、工艺特点及研究方法
2.1水质特性
焦化废水来源于炼焦过程,废水中含有丰富的无机物和有机物,如氨氮、氰化物、硫氰化物、硫化物和酚类化合物和苯类化合物、吡啶、咔唑、联苯、三联苯等.黄源凯等统计分析了国内外74家焦化企业的焦化废水水质,结果显示不同企业因原煤性质、碳化温度、炼焦工艺选择的差异,使废水水质差别较大,COD、TN浓度分别在946~7200、233~1499.53mg·
L-1范围内波动,其余指标分布也不均匀,浓度相差数倍至10倍;
目前普遍认为,焦化废水BOD/COD均值约为0.30,属可生化处理废水,但由于首段厌氧对焦化废水COD去除有限,而好氧能够去除废水中大部分有机物的性质决定了焦化废水处理过程的高耗能.
2.2工艺特点
焦化废水处理普遍采用以生化处理为核心,物化与生化处理相结合的工艺,关键在于生化处理工艺的不同.本课题组经过对焦化废水水质及处理工艺十余年的研究,提出OHO流化床生物处理工艺.该工艺的反应器核心是基于污泥原位分离的内循环好氧生物三相流化床;
O1作为除碳和氨化单元,去除水中绝大部分的有机污染物并且转化含氮化合物为氨分子;
部分剩余难降解大分子有机物进入水解池H,通过水解酸化作用提高残余有机污染物的可生化性,为O2进一步降解有机污染物创造条件;
HO组合成一个高效的生物脱氮单元,通过强制硝化反硝化,实现高效脱氮.工艺优点有:
①运行模式多样化.根据原水水质和操作条件的不同,概括为氨化-反硝化-全程硝化,全程硝化-反硝化-全程硝化,短程硝化-反硝化-全程硝化,短程硝化-厌氧氨氧化-全程硝化等;
②节省占地面积.OHO流化床工艺省去二沉池,在工程的前期投资、占地面积和运行费用上都比传统的AAO和OAO工艺有优势.OHO系统水量平衡如图1所示.系统水量大小会影响物质流和能量流,最终影响处理能耗.
图1OHO系统水量平衡图
2.3研究方法
以当前国内外焦化废水处理工程通用模式为系统,基于污染物种类、性质及目标的不同而选择的工艺以及HRT下,以耗电设备为依据对废水处理工程能耗结构进行分解,将相同耗能单元合并归类,构成单元系统,通过分析耗能原因,用经验法、当量法、理论分析法获得各单元能耗计算公式并对其进行修正和简化,分别得到各单元系统能耗模型,进而加权得到整个工程系统综合能耗模型.利用实际OHO流化床工艺为核心的工程工况参数和水质统计数据确定模型参数,进行实际读表电耗与模型计算值校核,采用MicrosoftExcel作为计算工具,输入相关参数及水质指标,最终可以获得对应条件下各单元系统的能耗值、总能耗、吨水电耗等.
模型及参数计算说明:
①整个系统能耗除特殊说明外都指电耗;
②假设两次取样间水质均匀(夏季);
③整个研究系统在相同排放标准下;
④文中Mi、Ci为能耗系数,ki、Ki为i=1,2,…,常数;
⑤实际停留时间算法(HRT法):
根据废水在池中实际停留的时间计算能耗;
⑥24h算法:
以废水24h的停留时间计算能耗;
⑦由于O1、H、O2池污泥龄长并不需要每天排泥,所以在连续运行的能耗计算中,不考虑Qw2、Qw3、Qw4;
⑧由于带式压滤机运行过程中反冲洗水量与处理湿污泥的比例接近1:
1,因此有Qc+Qq+Qy≈1.2Qw,其中Qw=Qw1+Qw2+Qw3+Qw4+Qw5;
⑨对焦化污泥含水量取99.2%,浓缩污泥含水量取97.0%,因此经浓缩池后的污泥体积减少到
Qw.式中,A为系统外来水量(m3·
d-1);
Qw、Qw1、Qw2、Qw3、Qw4、Qw5分别为总湿污泥量、气浮池、O1、H、O2池、后混凝池的湿污泥量(m3·
Qc、Qq、Qy分别为反冲洗水量、上清液水量、压滤机出水水量(m3·
d-1).
3模型构建和参数确定
曾有报道,污水处理工程的能耗组成可主要分解为污水和污泥的提升和运输、生物处理供氧、反应池推动混合、污泥脱水、其它专用机械设备耗能、附属建筑和厂区照明等不同的部分.根据实际焦化废水处理工程系统中组成部分功能目标不同将整个工程分成气浮系统、废水输送、泥渣输送、鼓风曝气、混合、脱水、加药系统、公用系统共8个单元系统.具体分解如图2所示,并分别解析单元系统耗能计算模型.
图2焦化废水处理工程能耗模型示意图
3.1气浮系统
焦化废水含有一定的油份,会对生物处理造成影响,进入生物系统前需经气浮强化去油.目前焦化废水处理工程中除油常用的回流式压力溶气气浮主要包括溶气、释气、分离、排渣单元操作.耗能因子主要为:
空压机、回流泵、搅拌机、刮渣机.气浮系统的耗电量与所选设备配用方式相关,气浮形式确定后,系统能耗主要取决于处理规模.因此,根据经验公式并简化参数得到气浮系统能耗估算模型为:
(1)
式中,Wf指气浮系统耗电量(kWh);
x1为气浮装置处理吨水的电耗(kWh·
m-3),Q1为原水水量(m3·
赵艳霞研究了传统压力溶气气浮处理2000m3·
d-1造纸废水,其平均吨水耗电量为0.3kWh,徐晓然对20000m3·
d-1规模珠海某水厂的气浮单元进行能耗分析,得到平均吨水耗电约为0.24kWh.根据对本课题组实施的宝钢-韶钢一、二期工程现场调研,统计分析电耗数据,针对处理量约为1500m3·
d-1的焦化废水处理工程,x1定为0.32kWh·
m-3.因此,方程
(1)可以确定为:
(2)
3.2废水输送系统
废水输送是指废水的提升和运输,系统主要包括预处理过程的废水原水提升、硝化液回流、调节池到生物处理过程的综合废水输送等.由于回流污泥含水量高达99.5%~99.9%,所以将污泥回流归为废水输送系统.该单元系统的能耗主要由泵耗产生,能耗估算可由泵能耗的计算得出,其计算式如下:
(3)
式中,η=η1·
η2·
η3;
Wp指泵耗电量(kWh);
η、η1、η2、η3分别为水泵总效率、运行效率、传动效率、电机效率;
ρ为液体密度(g·
cm-3),通常取值为1;
Q为水泵输水量(m3·
k为电动机安全系数,电动机功率与安全系数关系见表1;
H为水泵总水头损失(m);
g为重力加速度(N·
m-2),取值为9.81;
N为电机功率(W);
t为工作时间(h).
表1电动机安全系数
k、η由设备确定,且变动不大,可视为常数.因此,泵耗电量公式可以简化为:
(4)式中,K为定为安全系数,
.
废水输送系统中常用泵根据功能分类有:
提升泵、硝化液回流泵、污泥回流泵,在工程中需要常开,t取24,因此,废水输送系统的能耗模型可以用如下方程式计算得出:
(5)式中,Ww为废水输送系统能耗(kWh);
Q2、Q3分别为调节池、二沉池水量;
K1、K2、K3与H1、H2、H3分别为原水提升泵或综合废水提升泵、硝化液回流泵、污泥回流泵的安全系数(
,)和水头损失(m),R、r分别为硝化液和污泥回流比.
三相流化床反应器具有良好的泥水分离效果,与传统的混合床比较,其出水含污泥量低,使得整个工艺不需要二沉池,无需污泥回流,硝化液直接从二级好氧池出口泵进水解池.由于实际工程水泵功率一般都超过5kW,因而k取值为1.15,η取值为0.5,因而,废水输送系统能耗模型优化为:
(6)
式中,Q7为二级好氧流化床的水量(m3·
3.3曝气系统
曝气系统是指采用风机为微生物提供氧,实现好氧微生物对有机物和含氮化合物的去除和转化,过程中消耗的能量即曝气系统的能耗,决定于风机的风量.
3.3.1理论需氧量
考虑到出水的安全性,出水中不能存在亚硝酸根,以亚硝酸根不存在作为假设,根据好氧池去除有机污染物和氨氮为主的功能差异,可对现有焦化废水生化处理工艺中好氧段能量需求分解为氨化碳氧化、亚硝化碳氧化、硝化碳氧化3种形式进行组合.其计算如下:
(1)氨化碳氧化
(7)
(2)亚硝化碳氧化
(8)
(3)硝化碳氧化
(9)式中,Kd为反硝化率,
;
Q为生物系统水量(m3·
a、b、c分别为氧化COD、氨氮到亚硝氮、氨氮到硝态氮的有关的耗氧系数,取值分别为1.2~1.5、3.43、4.57;
Os为好氧池理论需氧量(kg·
h-1);
CCOD为生化处理水中COD的浓度(mg·
L-1);
CDO为好氧池溶解氧浓度(mg·
KCOD为COD去除率;
Rs、Rd分别为活性污泥和硝化液回流比;
CN,CCN,CSCN分别为以脱氮为目的的好氧池中含氨氮、总氰化物、硫氰化物的量(mg·
TNi,TNo分别为脱氮系统进、出水总氮浓度(mg·
L-1).
根据式(7)~(9)可归纳总结出,影响焦化废水生化处理过程中理论需氧量的因素为水量、好氧池COD去除量、好氧池氨氮及其贡献物的去除量、氨氮转化成氮氧化物的形式、硝化液回流比、污泥回流比、溶解氧确
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