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某柠檬酸废水处理工程设计
TheDesignofCitricAcidWastewaterTreatmentProject
摘要
我国是世界上最大的柠檬酸生产和出口国,但柠檬酸生产工艺的固有特点使其生产过程中产生大量高浓度废水,成为环境的严重污染源,因此,废水治理已成为我国柠檬酸行业的当务之急。
柠檬酸废水处理方法有生产饲料酵母法、上流式厌氧污泥床(UASB)工艺、活性污泥法、光合细菌法、乳状液法及综合处理法等。
本设计着重从节省运行成本和提高处理效率角度出发,采用厌氧——二级接触好氧的处理方法。
对工艺流程中各个设备及构筑物的工作原理及特点作了详细说明;对各处理设备和构筑物进行了详细的设计计算,确定了各处理设备和构筑物的结构尺寸、废水处理工程的平面布置和高程布置,并对废水处理工程进行了工程概预算,该工程总投资为130万元,处理费用为每立方米废水0.81元。
关键词:
柠檬酸废水;废水处理;厌氧;好氧;
Abstract
Chinaistheworld'slargestproducersandexportersofcitricacid,citricacidproductionprocessbuttheinherentcharacteristicsofthe
productionprocesstoproducealargenumberofhigh-strengthwastewater,theenvironmenthasbecomeaserioussourceofpollution,therefore,wastewatertreatment,hasbecomeChina'scitricacidindustrypriority.)Citricacidwastewatertreatmentmethodoffeedyeastproductionmethod,upflowanaerobicsludgeblanket(UASB)processes,activatedsludge,photosyntheticbacterialawemulsionmethodandtheintegratedtreatmentoflaw.Focusingonthedesigntosavecostsandimproveoperation
efficiencypointofview,theuseofanaerobic-aerobicsecondary
treatmentofcontacts.Ofprocessequipmentandstructuresineachoftheworkingprincipleandcharacteristicsexplainedindetail;ontheprocessingequipmentandstructuresindetailthedesignandcalculationtodeterminethestructureoftheprocessingequipmentandthestructuresize,wastewatertreatmentworkslayoutandelevationlayout,andawastewatertreatmentworksprojectbudget,whichprojectsatotalinvestmentof130milliondealwithacostof0.81yuanpercubicmeterofwastewater.
Keywords:
CitricAcidwastewater,WastewaterTreatment,Floatation,Oxidation,Reduction
第一章绪论
1.1柠檬酸废水的来源与水质特征
在我国,柠檬酸生产主要以薯干、玉米等为原料,用薯干为原料,采用薯干粉原料深层发酵法生产柠檬酸是我国独特的先进工艺。
该工艺不需特别添加营养盐类或其他产酸促进剂,而且产量较高,且资源丰富,价格低廉。
国外生产柠檬酸主要以糖蜜为原料,糖蜜的组成复杂,一般需要进行糖蜜预处理方可进行柠檬酸正常生产。
国内柠檬酸生产的工艺流程如图1-1.
ffi3-1期干粉深层发醇曲生产柠檬醱的工艺初
Fig.2~1productionprocessofcitrieacid
在柠檬酸生产过程中,薯干粉原料在发酵罐与发酵菌混合,在通风和搅拌的条件下进行发酵反应。
发酵后的混合液中,大部分是溶解态的柠檬酸,并含有许多其他杂质与代谢产物,如薯干粉渣、蛋白质、菌丝体以及一些不能利用的糖类等。
经过板框压滤后将固体状的菌丝体和薯干粉分离出来,所形成的滤渣可以用作饲料;往滤液中投加碳酸钙,与溶解态的柠檬酸反应生成难溶性的柠檬酸钙沉淀,通过过滤可以与其他可溶性杂质分离,这一过程称为中和。
中和时一般先将滤液加温到70摄氏度以上再开始加碳酸钙,随着温度的升高,柠檬酸钙的溶解度降低,而其他杂质,如草酸钙和葡萄糖酸钙的溶解度。
1.2柠檬酸废水处理方法研究现状
1.2.1柠檬酸废水治理现状
我国是世界上最大的柠檬酸生产国,柠檬酸消费量大。
随着经济的发展,我国柠檬酸的消费水平也在不断提高,目前年消费量在60~80kt,其中90%以上用于食品工业,特别是饮料的生产。
柠檬酸生产过程中会产生高浓度有机废水,废水中主要含有淀粉质、蛋白质、各种有机酸、生产菌体所分泌的酶、发酵残留物、葡萄糖、氨氮和脂肪等有机物及N、P、S等无机物。
行业统计数据表明,每生产1t柠檬酸可产生7.5m3废水,高时可达10m3~15m3。
其COD和BOD5负荷分别达到25000m3/L~15000m3/L以上。
若以我国柠檬酸产量40万t计,每年仅柠檬酸行业的超标废水的排放量就达600万t,成为环境的严重污染源。
因此,治理废水、保护环境已成为我国柠檬酸行业的当务之急。
目前,国内主要以生物法对柠檬酸工业废水进行处理。
因为柠檬酸生产废水属于高浓度有机废水,不含有毒物质,可生化性好,因此,国内外常用的柠檬酸废水处理方法是生物法,根据作用微生物的不同,生物处理方法可分为好养处理好厌氧处理两大类。
针对我国家目前柠檬酸行业废水的处理现状的统计和调查,广泛采用的方法有以下几种:
(一)好养生物处理法。
好养生物处理是在有氧存在的条件下,通过好养微生物的作用,使废水中的污染物质得到降解。
好养微生物是以活性污泥和生物膜的形式存在并发生作用的。
好养生物法包括传统活性污泥法工艺、间歇曝气活性污泥法(SBR)、好养生物膜法、氧化沟、深井曝气法等。
(1)活性污泥法活性污泥法是废水好养生物处理常用的方法之一,是在好养条件下利用悬浮生长的微生物絮体的代谢作用,氧化、分解、吸附废水中可溶性的有机物及部分不溶性有机物,并使其转化为无害的稳定物质从而使水得到进化的技术。
贾慧利等对某电厂锅炉柠檬酸洗废水和该厂生活污水用活性污泥法联合处理进行了可行性实验研究,试验结果表明在室温下,控制污泥沉降比在30%~35%、pH7.0~7.5、溶解氧
4.0~4.5mg/L,当进水COD浓度在800~850mg/L时,出水COD及BOD5可分别小于100mg/L及30mg/L,COD和BOD5的去除率均可达90%以上。
(2)SBR法
自20世纪80年代以来,SBR法在处理间歇排放、水质水量变化大的工业废水中得到了极为广泛的应用。
SBR法分为进水、反应、沉淀、排水及闲置等几个运行阶段,使其具有厌氧法和好氧法的协同作用,水质水量变化适应性强,出水水质好,不存在活性污泥膨胀等问题;且操作简单,运行可靠,易于实现自动化控制。
张敬东等【2】利用SBR法处理柠檬酸废水,废水的COD浓度为500~2500mg/L,运行16h后,系统对COD有较好的去除效果,COD去除率在90%左右。
(3)好养生物膜法生物膜法是利用微生物群体附着在固体填料表面而形成的生物膜来处理废水的一种方法又称固定膜法。
生物膜一般呈蓬松的絮状结构,微孔较多,表面积很大,具有很强的吸附作用,有利于微生物进一步对被吸附的有机物的降解。
当生物膜增厚到一定程度时,由于受到水力冲刷而发生剥落,适当的剥落可使生物膜得到更新。
生物膜的外表层的微生物一般为好氧菌,因而称为好氧层。
层内因氧的扩散受到影响而供氧不足,厌氧菌大量繁殖称为厌氧层。
采用这种方法的构筑物有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化池和生物流化床等。
潘寻、胡文容【1】对生物活性滤池+O3深度处理柠檬酸废水做过研究,研究表明,生物活性滤池+O3工艺对柠檬酸废水的COD、色度和UV254的去除率分别为76%、93%和27%。
出水可直接回用于柠檬酸发酵过程。
(4)氧化沟法氧化沟污水生物处理技术与其他生物处理相比,有其独特的技术和经济方面的特点。
a.工艺流程简单,进水和出水装置构筑物少。
氧化沟处理工艺简化了预处理过程,污水流态可以按照完全混合-推流式考虑,悬浮状有机物和溶解性有机物可以得到比较彻底的去除。
氧化沟在流程中省略了初沉池和污泥消化池,使流程简单。
b.曝气设备和构造形式多样化,运行灵活。
氧化沟构造形式多样,曝气设备样式多,运行方便。
C.处理效果稳定、出水水质好,并可以实现脱氮。
建基投资省,运行费用低。
(二)厌氧生物法
厌氧生物处理技术是一种低成本的废水处理技术,是利用艳阳微生物的代谢过程,在无需提供氧气的情况下把有机物转化为无机物和少量的细胞物质,这些无机物包括大量的沼气和水。
对于高浓度有机废水来说,厌氧处理不仅是一种节能型的治理手段,而且是一种产能型工艺。
厌氧生物法包括厌氧消化池,厌氧接触法,厌氧生物滤池,上流式厌氧污泥床,厌氧颗粒污泥膨胀床,內循环厌氧反应器等。
(1)厌氧消化池厌氧消化池主要是借助于消化池内厌氧污泥来净化污水中的有机污染物。
广东佛山环境装备公司采用高温厌氧消化法处理柠檬酸废水,进水COD和BOD5浓
度分别是9914-17014mg/L和4882-7700mg/L,控制消化温度60C,水力停留时间48h,则出水COD和BOD5去除率分别为1314-1600mg/L和139-416mg/L,去除率达到85%和90%以上。
(2)厌氧接触法
厌氧接触工艺同厌氧消化工艺一样属于中低负荷工艺。
不过与厌氧消化工艺相比,它还是具有明显的优点:
a.厌氧接触工艺的污泥浓度较高。
其挥发性悬浮物的浓度一般为5〜10g/L,耐
冲击能力强。
3
b.有机容积负荷高。
COD容积一般为1〜5kg/(m.d),COD去除率为70%〜80%;
Q
BOD5容积负荷为0.5〜2.5kg/(m.d),去除率为80%〜90%,出水水质较好。
c.增设了沉淀池、污泥回流系统和真空脱气设备。
d.适宜处理悬浮物和有机物浓度高的废水。
(3)厌氧生物滤池
厌氧生物滤池是利用附着于在体表面的厌氧微生物所形成的生物膜净化废水中
有机物的一种方法,其处理溶解性有机废水时容积负荷高达10〜15kgCOD/(m3d)。
(4)升流式厌氧污泥床(UASB)
上流式厌氧污泥床是国内外主要采用的柠檬酸废水处理方法。
其过程为:
废水通过反应器底部进水管进入内筒,逐渐上升到反应器顶部的水分布器,通过虹吸管均匀进入外筒和中筒之间驯化好的污泥相混合,在厌氧菌的作用下,废水中有机物被分解成沼气。
通过斜板三相分离器的分离作用,水通过三相分离器上部的出水管排出,污泥留在反应器底部,沼气通过水封经管道排出,进入气柜。
UASB反应器的工艺构造和实际运行主要具有以下几个突出的特点:
1反应器中的污泥是在一定运行条件下、通过严格控制反应器中的水力学特性和有机物负荷经过一段时间的培养而形成的,它是以颗粒状形式存在的高活性颗粒污泥,其好坏直接影响到UASB反应器的运行特性。
2反应器内有能分离泥、水、气的三相分离器,它是UASB反应器的最重要设备。
这种三相分离器可以自动地将泥、水、气加以分离并起到澄清出保证集气室正常水面的功能。
3反应器中无须安装任何搅拌装置,反应器的搅拌是通过反应区产生的沼气的上升迁移作用实现的,因而具有操作管理比较简单的特性。
(三)厌氧好氧处理法为了提高厌氧处理后的出水水质,使其达到国家的排放标准,目前,在柠檬酸
废水处理的实际工程中,多采用厌氧好氧组合处理工艺,且取得了较好效果。
于凤涛等采取厌氧好氧组合工艺处理柠檬酸废水,厌氧采用UASB反应器,好氧采用接触氧化,并在厌氧好氧间设一(曝气)调节池,将厌氧出水和生产过程中排出的低浓度废水混合调节后再进接触氧化池处理。
为了改善系统的出水水质,接触氧化池后又增设一气浮池。
上述处理系统,好氧处理单元COD去除率为85%以
上,整理工艺的COD去除率为98%。
郝雯娣等采用两级UASB反应器和接触氧化工艺对柠檬酸废水进行了处理研
究。
在中温(30C)条件下,当一级反应器进水COD负荷维持在9.0〜11.0kg/(m3-d)时,COD去除率可达90%以上,反应器内厌氧污泥实现了颗粒化;厌氧出水经接触氧化处理后,整体工艺COD去除率达96%以上,出水COD浓度基本稳定在
300mg/L以下。
二级UASB反应器COD去除效果较低,仅为10%左右,但研究者认为,二级UASB反应器的设置对废水中悬浮态有机物的去除、提高一级厌氧出水水质的可生化性、稳定处理系统的运行有着不可替代的作用。
郭茂新等采用厌氧—兼氧—好氧工业处理以玉米为原料生产的废水,厌氧采用
管道厌氧消化器,兼氧池、好氧池均为接触氧化池,其中兼氧池停留时间为4h,溶
解氧浓度为0.3〜0.5mg/L。
当进水COD平均浓度为14187.5mg/L时,厌氧消化器
COD
1.2.2柠檬酸废水治理技术展望随着全球可持续发展战略的实施,循环经济和清洁生产技术越来越受到人们关注。
柠檬酸废水治理从末端治理已向清洁生产工艺、物质循环利用、废水回用等综合防治阶段发展。
未来柠檬酸废水治理将突出以下几个方面:
(1)贯彻循环经济、重视清洁生产技术的开发与应用
(2)柠檬酸废水的处理技术很多,其中生物技术是具有较大发展潜力的技术,具有成本低、效益高、不造成二次污染等优点。
在处理的同时,还可以获得一定的经济效益。
(3)
第二章工程设计
2.1工程概况
2.1.1工程概述
2.1.2设计依据
(1)建设单位提供废水量及水质数据
(2)环保部门对污染治理的指示与要求
(3)《室外排水设计规范》(GBJ14-87)
(4)《污水综合排放标准》(GB8978-1996)
(5)《给水排水工程结构设计规范》(GBJ69-84)
(6)《环境工程手册》(修订版),相关设计参数与技术要求
(7)《给水排水工程快速设计手册》中国建筑工业出版社
(8)《给水排水工程快速设计手册(5)水力计算表》中国建筑工业出版社
(9)《给水排水设计手册》中国建筑工业出版社
(10)《给水排水设计手册(第四册)》中国建筑工业出版社
2.1.3设计原则
(1)采用物理化学法处理电镀废水,技术成熟、操作简单、效果稳定可靠;
(2)含氰废水、含铬废水不能与其它重金属废水混排,必须单独进行预处理,达到预期目的后,才能进入综合处理系统;
(3)综合处理采取中和、混凝法,掌握不同的处理条件,使各项考察指标均达到国家排放标准;
(4)应用pH/ORP自动控制仪表通过传感器对各个处理环节实现自动控制,确保废水治理能稳定地进行。
2.2工艺流程及说明
2.1.1工艺流程的确定
2.1.2工艺流程说明
2.1.3工艺原理
2.3构筑物设计计算
(1)调节池总水力停留时间4h,数量1座.
尺寸4.5mx6mX10m
(2)UASB反应器单体尺寸13mX10mX7.5m;反应停留时间15h,数量2座.配置:
①三相分离器;②沼气收集器;③布水系统各2套。
(3)一级接触氧化池废水经UASB厌氧处理后,可生化性得到很大的提高,在好氧微生物的作用下,对水的有机物进一步降解。
单池有效容积324m3单池尺寸:
18mX6mX5.2m,停留时间15.6h,数量2座.
(4)中间沉淀池数量1座外形尺寸:
①8nP<8m,停留时间2.5h.
(5)二级接触氧化池有效容积172.8m3,尺寸10.5mx5.4mX5.2m,停留时间4.15h,数量1座.
(6)二沉池数量1座,外形尺寸:
①8mX7.5m,停留时间2h.
(7)污泥浓缩池数量1座,外形尺寸:
①7mx4.1m,停留时间15h.
(8)机械脱水房
2.3.1调节池
调节池亦称调节均化池,是用以尽量减少污水进水水量和水质对整个污水处理系统影响的处理构筑物。
在调节池容积计算上,应当考虑能够容纳水质变化一个周期所排放的全部水量。
当废水水质和水量都有一定的变化时,我们主要根据水质变化周期性来计算调节池容积,当然,也应根据实际情况予以考虑。
(1)设计要求[4]
1调节池一般容积较大,应适当考虑设计成半地下式,还应考虑加盖板。
2调节池入地下不宜太深,一般为进水标咼以下2米左右。
3调节池布置应与整个污水处理工程各处构筑物的布置相配合。
4调节池应以一池两格为好,便于调节池的维修保养。
5调节池的埋深与污水排放口埋深有关,如果排放口太深,调节池与排放口之间应考虑设置集水井,并设置一级泵站进行一级提升。
6调节池设计中可以不考虑大型泥斗,排泥管等,但必须设有放空管和溢流管。
必要时还应考虑设超越管。
(2)设计参数
调节池总水量为:
Qmax=1000m3/d=41.67m3/h;设计有效水深为4m;设计超高为0.5m;
(3)
计算
式中T——总水力停留时间,h,设计为4h;
:
可变系数,取0.7。
V2381尺寸设计池深h=4m,取池宽b=6m,则长I==.=9.9m,取I=iom
bh4乂6
实际容积取池超高hi=0.5m,池总高H=h+hi=4.5m,
33
V实=4.5610=270m3>238.1m3。
2.3.2升流式厌氧反应器UABS
(一)尺寸计算
(1)
式中
UASB反应器的有效容积(包括沉淀区和反应区)设计容积负荷为Nv=
UASB有效容积:
V有效二QjEJ000100.85=1530m3
Nv10
10kgCOD/(m•d)。
Q-设计进水流量,m3/d;
C0-进水有机物浓度,g/L;
E-有机物去除率;
Nv-容积负荷,kgCOD/(m3d),取10.
(2)UASB反应器的形状和尺寸反应器设2座,为矩形
(3)
①反应器有效高度h=6m,则
取池长"伽,则宽“+甞9.8,取b=10m;
单池截面积:
Si
=lb=130m2
③设计反应器的总高H=7.5m,超高h1=0.5m;
单池总容积:
Vi
二S;H'=130(7.5-0.5)=910m3
单池有效反应容积:
V有效二S;h=1306=780m3
单个反应器实际尺寸:
13m10m7.5m
反应器数量2座
总池面积:
S总二S;n=1302=260m2
反应器总容积:
V-Vi'2=9101820m3
总有效反应容积:
V有效有效n-7802=^1560m31530m3符合有机负荷要求
UASB体积有效系数:
詈0100%r.7%,在70%〜90%之间。
(4)
水力停留时间(HRT)及水力负荷率(Vr)
(二)三相分离器构造设计
(1)三相分离器的基本构造
(2)构造计算
沉淀区设计
根据一般设计要求,水流在沉淀室内的表面负荷q‘:
:
:
0.7m3/(m2h),沉淀室底部
进水表面负荷一般<2.0m3/(m2-h).本工程设计中,与短边平行,沿长边每池布置5个集气罩,构成5个分离单元,每池设置5个三相分离器,图如所示
l13
三相分离器长度B=10m,每个单元宽b=-二一=2.6m.沉淀区的沉淀面积即
55
为反应器的水平面积,即130m2。
沉淀区的表面负荷:
Q25000.4m3/(m2h):
:
1.0~2.0m3/(m2h)
S24決2"30
回流缝设计
如图所示,设:
=55。
取h3=1.2m,
h3
b-i——=0.84m,b2=b-2d=2.60.84=0.92m
tan«
b1-下三角形集气罩底的宽度,m;
式中b2-相邻两个下三角形集气罩之间的水平距离,m;
工h3—下三角形集气罩垂直高度,m;
b-单元三相分离器的宽度,m.
下三角形集气罩之间污泥回流缝中混合液的上升流速
2Q4167汇25
a1二ndl=50.9210=46m2,1i1.13m/h
a1246
1-下三角形集气罩之间污泥回流缝中混合液的上升流速,m/h;
6-下三角形集气罩回流缝的总面积,m2;
式中1-反应器的宽,即回流缝(三相分离器长);
n-三相分离器长,m;
为使回流缝水流稳定,固液分离效果好,污泥能顺利回流,一般:
1:
:
:
2m/h.
上三角形集气罩下端与下三角形斜面之间水平距离的回流缝中水流速:
设CD=b2=0.3m
'2
a2=2nbj=250.310=30m
Qi41.67/2
-2!
2.5=1.74m/h
a230
十出a?
-上三角形集气罩回流缝的总面积,m2;
式中,
b2-上三角形集气罩回流缝的宽度,m.
假定a2为控制断面Amin,一般其面积不低于反应器面积的20%。
30
岀100%=23.20%,符合要求.而要求:
12:
:
2m/h.亦符合。
130
气液分离设计由图所示
CE二CDsin55=0.3Xsin55°=0.24mCB=CDtan55°=0.43m.
设A吐0.5m,贝Uh4
=(ABcos55d)tan55=(0.5cos55-0192)tan55=1.07m
22
校核气液分离。
如图,假定气泡上升流速和水流速度不变,根据平行四边形法则,要使气泡分离不进入沉淀区的必要条件是:
—或匹
vaABAB
沿AB方向水流流速:
:
a°41.67_252.175m/h
CE汉B汇2汉N0.24汽10汇2汉5
B-三相分离器长度;
N-每池三相分离器数量
气泡上升速度:
b二騷(「J)d2,—v:
1
d-气泡直径,cm;
:
[-液体密度,g/cm3;式中订-沼气密度,g/cm3;aP-碰撞系数,取0.95;
--废水的动力粘滞系数,g/(cms);
-液体的运动粘滞系数,cm2/s.
设废水气
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