生活污水處理新工藝新技術(shù)介紹
2016-4-3 21:05:50點(diǎn)擊：
城市生活污水處理工藝有好多種，其中有化糞池與加藥，發(fā)酵等，再者就是利用活性炭過濾器對其進(jìn)行過濾處理。
1、生物化學(xué)反應(yīng)理論基礎(chǔ)
人們過去對于好氧微生物和專性厭氧微生物研究十分充分, 而對兼氧性微生物的研究不夠。各種類型有機(jī)污染物的厭氧(缺氧)、好氧降解反應(yīng)過程匯總?cè)缦隆?
好氧(缺氧)過程 厭氧(缺氧)過程
) COD®H2O＋CO2 (傳統(tǒng)好氧)
2) COD ® CH4+CO2(傳統(tǒng)厭氧)
3) NH4+ ®NO2－ ®NO3- (硝化)
4) NO3-( NO2-)® N2 (厭氧或缺氧(短程)反硝化)
5) PO4-＋生物-P ®生物-P(厭氧)
6) NH4+＋NO2－® N2 (厭氧氨氧化)
7) H2S ®S0 (微需氧或缺氧)
8) SO4= ® H2S (厭氧反應(yīng))
9) R-Cl® CO2 + Cl- (好氧反應(yīng))
10) RCCl® CH4+ CO2+ Cl- (厭氧反應(yīng))
反應(yīng)式(1、2和3)為傳統(tǒng)厭氧和好氧工藝，其他均為兼性菌的反應(yīng)。事實(shí)上，利用兼性細(xì)菌的工藝人們早已涉及，如，對去除N、P的A2O或AO工藝(反應(yīng)4、5)，利用兼性菌在好氧條件下進(jìn)行好氧代謝，而在厭氧條件下進(jìn)行厭氧代謝。在含有硫酸鹽的有機(jī)廢水中，厭氧反應(yīng)將有機(jī)物和硫酸鹽分別轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸和硫化氫(反應(yīng)8)。產(chǎn)生的硫化氫被微需氧細(xì)菌直接氧化為硫元素。這可以用來去除硫化物并回收硫元素(反應(yīng)7)。
Kuenen等發(fā)現(xiàn)某些細(xì)菌在硝化、反硝化應(yīng)用中能利用NO2-或NO3-作電子受體將NH4+氧化為N2和氣態(tài)氮化物(反應(yīng)式5)；在這一反應(yīng)的基礎(chǔ)上，正在開發(fā)ANAMMOX工藝和OLAND等工藝。最新研究表明一些在好氧狀態(tài)下難降解芳香族和鹵代烴在厭氧條件下容易分解(反應(yīng)9、10)。
以上反應(yīng)為一些新工藝的化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)，其基本原理是新工藝開發(fā)的基礎(chǔ)和生長點(diǎn)。成功的利用兼性微生物的典型工藝是北京環(huán)保所在80年代開發(fā)的水解－好氧處理工藝。水解池利用水解和產(chǎn)酸微生物，將污水中的固體、大分子和不易生物降解的有機(jī)物降解為易于生物降解的小分子有機(jī)物,使得污水在后續(xù)的好氧單元以較少的能耗和較短的停留時間下得到處理。
需要說明的是水解-好氧工藝中的水解(酸化)過程與好氧AO(HO)、A2O和AB等工藝中A段中發(fā)生的水解過程也是有較大區(qū)別的。這表現(xiàn)在以下兩個方面：首先是菌種不同，如上所述在水解工藝中的優(yōu)勢菌群是厭氧微生物，以兼性兼性微生物為主，而在好氧AO(HO)、A2O和AB等工藝中A段中的優(yōu)勢菌是以好氧菌為主。僅僅部分兼性菌參加反應(yīng)；其次，在反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度不同，水解工藝采用的是升流式反應(yīng)器，其中污泥濃度可以達(dá)到15～25g/L，而好氧AO、A2O和AB等工藝中從二沉池回流污泥濃度一般最高為5～8g/L，并且以好氧菌為主。以上的差別造成了水解工藝是完全的水解，而好氧AO(HO)、A2O和AB等工藝中A段僅僅發(fā)生部分水解。
從大量實(shí)踐來看，采用水解－活性污泥法，與傳統(tǒng)的活性污泥相比，其基建投資，能耗和運(yùn)行費(fèi)用可分別節(jié)省30%以上。從目前我們大量實(shí)踐來看：對于不要求脫氮除磷的中、小城鎮(zhèn)污水處理廠的投資為500～700元/m3(污水)；對需要脫氮除磷的污水處理廠投資在800元/m3(污水)左右。由于水解池具有改善污水可生化性的特點(diǎn)，使得工藝不僅適用于易生物降解的城市污水等。同時更適用于處理不易生物降解的某些工業(yè)廢水。
2、城市污水處理工藝的極限
對于污水處理系統(tǒng)存在三種基本類型的微生物聚集體存在的方式：固定膜(如：滴濾池)、絮狀污泥(活性污泥工藝)和懸浮生物膜顆粒(移動床、流化床和氣提反應(yīng)器，活性炭過濾等)。以上工藝開發(fā)和存在的內(nèi)在原因是人們不斷的追求高效率、低能耗、低成本和低的占地面積等高的性能指標(biāo)的不斷實(shí)踐的產(chǎn)物。而開發(fā)的不同反應(yīng)器的應(yīng)用受到了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和理論條件的限制。這些限制體現(xiàn)在對于好氧生物反應(yīng)器研究和開發(fā)，受到了生物生長特性(生物量和活性)、反應(yīng)器的形式(固定床、懸浮床和流化床)、傳質(zhì)條件(氧的供給)和固液分離(沉淀、過濾)等諸多因素的限制。這些限制條件綜合結(jié)果構(gòu)成對于好氧生物反應(yīng)器的極限，長期以來人們圍繞這些限制因素根據(jù)各個時期的理論、技術(shù)、材料等進(jìn)展，進(jìn)行了長期不懈的研究和開發(fā)工作。
通過對上述限制條件的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，代入主要的好氧系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)條件(例如：供氧能力、污泥濃度、固液分離負(fù)荷等)，圖1給出不同系統(tǒng)用于污水處理運(yùn)行條件的范圍。根據(jù)不同類型反應(yīng)器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則將濃度-流量平面劃成不同的區(qū)域。在濃度－流量相平面上不同區(qū)域的應(yīng)用條件為：
區(qū)域A：長停留時間的懸浮生長系統(tǒng)；
區(qū)域B：在高流量條件下，顆粒和絮體將被沖出，只有固定膜可以保持在系統(tǒng)中；
區(qū)域C：流量和負(fù)荷適合于顆粒污泥和懸浮生物膜顆粒反應(yīng)器；
區(qū)域D：只有可以采用分離和回流措施，流量和負(fù)荷適合于絮狀污泥(如活性污泥工藝)，這一部分與C區(qū)域存在重疊；
區(qū)域E：對于高濃度和低流量的廢水，可以采用升流式污泥床反應(yīng)器。污泥可以不需要外部的分離器而保持在系統(tǒng)中。
對于生物載體顆粒和絮體污泥假設(shè)沉淀速度分別為30m/h和5m/h，徑高比α＝5(好氧系統(tǒng)最大氧轉(zhuǎn)移速率為10kg/m3.d)。從而在圖1的C-Q平面中形成的限制生物膜顆粒和懸浮絮狀污泥應(yīng)用的區(qū)域(分別為線2和3)。
這構(gòu)成了沉淀功能對于反應(yīng)器功能擴(kuò)展的限制，不同時期人們對于沉淀池和氣浮工藝進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)。例如，70年代對于斜板沉淀池、80年代末對周邊進(jìn)水周邊出水沉淀池、90年代對于高效氣浮池(渦漩氣浮、淺池氣浮)等等工藝的開發(fā)均反映了人們在不同時期對這一限制的突破。在90年代人們逐漸從對于單一功能的研究和開放，轉(zhuǎn)化為對不同功能的綜合，例如對于生物反應(yīng)和沉淀功能的綜合，導(dǎo)致三溝式氧化溝、SBR反應(yīng)器和UNITANK的開發(fā)和應(yīng)用。還有在三相內(nèi)循環(huán)流化床中實(shí)現(xiàn)氣、固、液的分離，特別是集接觸氧化反應(yīng)和過濾為一體的曝氣生物濾池，以及利用高科技的膜生物反應(yīng)器。這一系列探索體現(xiàn)了對于反應(yīng)器固液分離、沉淀功能限制(極限)的探索和突破。
顧名思義好氧生物反應(yīng)器的基本屬性有三個即好氧條件的保持(充氧)、生物質(zhì)的保持和維持(生物量和活性)和反應(yīng)器的形式。從本質(zhì)上講反應(yīng)器的形式?jīng)]有先進(jìn)和落后之分，例如：目前食品發(fā)酵行業(yè)，如啤酒生產(chǎn)仍然延續(xù)18世紀(jì)發(fā)明的“落后的”恒化器(完全混合)反應(yīng)器。這是因?yàn)槠【粕a(chǎn)要求取得高的產(chǎn)率，在高的基質(zhì)濃度下酵母細(xì)菌趨向于自由分散生長，這一反應(yīng)器是適宜的反應(yīng)器形式，但是需要對自由生長的細(xì)胞進(jìn)行過濾分離(甚至膜分離)。對于不同的領(lǐng)域反應(yīng)器的應(yīng)用是存在高效和低效之分，對于處理生活污水生物膜反應(yīng)器和活性污泥工藝的處理負(fù)荷為1.0～2.0kgBOD/m3.d，而三相內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器可以達(dá)到5～10kgBOD/m3.d，所以對于生活污水的處理從反應(yīng)器發(fā)展趨勢角度是從生物膜反應(yīng)器、活性污泥工藝向移動床和流化床反應(yīng)器發(fā)展。
在生活污水處理工藝發(fā)展過程中，對于反應(yīng)器內(nèi)生物質(zhì)的改善是反映在從生物量和生物活性兩方面的不斷提高，城市污水(生活污水)處理技術(shù)起源與生物滴濾池，但是由于滴濾池中的填料粒徑較大，比表面積較小生物量較少，在1914年開發(fā)了活性污泥工藝，通過回流生物量可以保持在最高3～5g/L。在80年代初，我國和日本同時開發(fā)的接觸氧化工藝，這一時期的工作對填料進(jìn)行了大量的研究，開發(fā)了蜂窩填料、軟性填料、半軟性填料和彈性填料等等，通過提高比表面積達(dá)到提高生物量的目的。接觸氧化工藝的生物量可以達(dá)到5～8g/L，從而負(fù)荷比活性污泥工藝可以提高一倍以上。反應(yīng)器池容(占地)可以減少50%以上。但是從投資沒有本質(zhì)的變化，因?yàn)樘盍腺M(fèi)用的增加抵消了池容投資的節(jié)約。同時，還有使用壽命、放大和堵塞一系列問題。這導(dǎo)致移動床和流化床反應(yīng)器的開發(fā)，這也是固定床生物膜技術(shù)與懸浮生長系統(tǒng)更高一個層次的技術(shù)融合。從反應(yīng)器生物的外在形態(tài)上是懸浮狀態(tài)，而生長方式是生物膜生長。生物載體的比表面積大大提高，從接觸氧化工藝的200～300m2/m3提高到2000～3000m2/m3，從而生物量達(dá)到了20～30g/L，這是負(fù)荷可以達(dá)到5～10kgBOD/m3.d的主要原因。從固定床、懸浮生長系統(tǒng)到流化床的發(fā)展，反映了人們對于高效率、高負(fù)荷和高生物量的追求，也是對于反應(yīng)器負(fù)荷極限的挑戰(zhàn)，這構(gòu)成了生活污水處理發(fā)展趨勢之一。
最后，對于好氧反應(yīng)器充氧、傳質(zhì)性能的提高無疑是十分重要的內(nèi)容。人們首先對曝氣充氧器材進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)，從直到70年代末仍然采用簡單的穿孔管曝氣，這一時期的技術(shù)進(jìn)展表現(xiàn)為我國對于射流曝氣的開發(fā)和掌握，到80年代初國內(nèi)第一個大型城市污水處理廠引進(jìn)中剛玉盤的微孔曝氣。目前，開發(fā)采用橡膠材料的可變孔微孔曝氣裝置，體現(xiàn)了這一領(lǐng)域的進(jìn)展。另外，人們根據(jù)充氧理論采用提高氧濃度分壓方式，對純氧曝氣、富氧曝氣和深井曝氣工藝進(jìn)行了開發(fā)，體現(xiàn)了人們在提高充氧和傳質(zhì)這一領(lǐng)域追求更高和更好，向極限挑戰(zhàn)的精神。
3、曝氣生物濾池工藝
現(xiàn)代曝氣生物濾池(簡稱BAF)是在70年代末80年代初出現(xiàn)的一種膜法生物處理工藝，最初是應(yīng)用在污水處理的三級處理上。其將生物接觸氧化與過濾結(jié)合在一起，不設(shè)沉淀池，通過反沖洗再生實(shí)現(xiàn)濾池的周期運(yùn)行。在廢水的二級處理中其保持接觸氧化的高效性，同時又可通過過濾獲得高的出水水質(zhì)。90年代初得到了較大發(fā)展(圖2)。以BAF為代表的工藝主要優(yōu)點(diǎn)如下：
a) 工藝容積負(fù)荷可高達(dá)6.0kgBOD/m3.d，出水達(dá)到或接近生活雜用水標(biāo)準(zhǔn)；
b) 占地面積少：曝氣生物濾池占地是常規(guī)二級生化處理的1/5～1/10；
c) 投資�。築AF系統(tǒng)總水力停留時間短，基建投資少，同時出水水質(zhì)高。
曝氣生物濾池可以有多種運(yùn)行方式，可以下向流的方式運(yùn)行，也可以是上向流的方式運(yùn)行，采用上向流的曝氣生物濾池往往采用輕質(zhì)濾料。曝氣生物濾池工藝也可與其他生物處理工藝一樣采用多級串聯(lián)工藝。采用兩級串聯(lián)工藝為進(jìn)一步降解污水中難降解的有機(jī)污染物和達(dá)到嚴(yán)格的出水水質(zhì)提供了可靠的保證，可以獲得了優(yōu)良的處理效果，保證了出水的穩(wěn)定性。
4、三相內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器
內(nèi)循環(huán)三相流化床反應(yīng)器，作為一種新型的三相流化床，其反應(yīng)器的諸多特性主要體現(xiàn)在氣、液循環(huán)、載體流態(tài)的特殊運(yùn)行規(guī)律。其基本的工作原理也主要體現(xiàn)這幾方面的不同變化，即液體內(nèi)循環(huán)速度、有機(jī)物降解動力學(xué)、氧轉(zhuǎn)移特性、液體流態(tài)、載體流化特性等方面。
由于在內(nèi)循環(huán)三相生物流化床反應(yīng)器內(nèi)裝有大量細(xì)小的載體，并使之處于循環(huán)流化狀態(tài)，為微生物的附著生長提供巨大的表面積，同時保證良好的混合和傳質(zhì)條件(圖1)。因此本質(zhì)上該反應(yīng)器是一種生物膜法處理工藝。
三相內(nèi)循環(huán)流化床不僅具有一般好氧流化床的特點(diǎn)，還具有以下特點(diǎn)：
1) 流化性能好，反應(yīng)器處于完全混合狀態(tài)：反應(yīng)器內(nèi)大部分載體都參與循環(huán)流動，載體流化具有良好的均勻性，這為生物膜形成提供了條件；
2) 氧的轉(zhuǎn)移效率高：由于大量液體循環(huán)流動，在此過程中會夾帶一些細(xì)小的氣泡，延長氣-液接觸時間，提高了氧的轉(zhuǎn)移效率。氧利用率可達(dá)30～50%；
3) 載體流失量少，不需專門的脫膜設(shè)備，大大簡化了原來的流化床處理污水所需的輔助設(shè)備。
在投配容積負(fù)荷達(dá)10kgCOD/m3.d以內(nèi)時，可獲得70～80％左右的COD去除率，與傳統(tǒng)活性污泥相比去除污泥負(fù)荷可提高10倍左右。內(nèi)循環(huán)三相生物流化床進(jìn)入正常運(yùn)行后，COD去除率均達(dá)75%以上，尤其是進(jìn)水濃度較高時，去除率可達(dá)90%以上。這說明流化床具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。
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