生活污水處理新工藝新技術(shù)介紹
2016-4-3 21:05:50點擊：
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行過濾處理。
1、生物化學反應(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)。事實上，利用兼性細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行好氧代謝，而在厭氧條件下進行厭氧代謝。在含有硫酸鹽的有機廢水中，厭氧反應(yīng)將有機物和硫酸鹽分別轉(zhuǎn)化為有機酸和硫化氫(反應(yīng)8)。產(chǎn)生的硫化氫被微需氧細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。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物降解為易于生物降解的小分子有機物,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，能耗和運行費用可分別節(jié)省30%以上。從目前我們大量實踐來看：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，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的不斷實踐的產(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)、材料等進展，進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)學推導，代入主要的好氧系統(tǒng)的基本設(shè)計條件(例如：供氧能力、污泥濃度、固液分離負荷等)，圖1給出不同系統(tǒng)用于污水處理運行條件的范圍。根據(jù)不同類型反應(yīng)器的設(shè)計準則將濃度-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)器功能擴展的限制，不同時期人們對于沉淀池和氣浮工藝進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世紀發(fā)明的“落后的”恒化器(完全混合)反應(yīng)器。這是因為啤酒生產(chǎn)要求取得高的產(chǎn)率，在高的基質(zhì)濃度下酵母細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胞進行過濾分離(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到提高生物量的目的。接觸氧化工藝的生物量可以達到5～8g/L，從而負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，因為填料費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，從而生物量達到了20～30g/L，這是負荷可以達到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、高負荷和高生物量的追求，也是對于反應(yīng)器負荷極限的挑戰(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，通過反沖洗再生實現(xiàn)濾池的周期運行。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)點如下：
a) 工藝容積負荷可高達6.0kgBOD/m3.d，出水達到或接近生活雜用水標準；
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) 投資省：BAF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行方式，可以下向流的方式運行，也可以是上向流的方式運行，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)工藝為進一步降解污水中難降解的有機污染物和達到嚴格的出水水質(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、有機物降解動力學、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，還具有以下特點：
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。
在投配容積負荷達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荷可提高10倍左右。內(nèi)循環(huán)三相生物流化床進入正常運行后，COD去除率均達75%以上，尤其是進水濃度較高時，去除率可達90%以上。這說明流化床具有較強的抗沖擊能力。
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