生活污水處理新工藝新技術介紹
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、生物化學反應理論基礎
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)、好氧降解反應過程匯總如下。
好氧(缺氧)過程 厭氧(缺氧)過程
) COD®H2O＋CO2 (傳統好氧)
2) COD ® CH4+CO2(傳統厭氧)
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)
9) R-Cl® CO2 + Cl- (好氧反應)
10) RCCl® CH4+ CO2+ Cl- (厭氧反應)
反應式(1、2和3)為傳統厭氧和好氧工藝，其他均為兼性菌的反應。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，厭氧反應將有機物和硫酸鹽分別轉化為有機酸和硫化氫(反應8)。產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7)。
Kuenen等發現某些細菌在硝化、反硝化應用中能利用NO2-或NO3-作電子受體將NH4+氧化為N2和氣態氮化物(反應式5)；在這一反應的基礎上，正在開發ANAMMOX工藝和OLAND等工藝。最新研究表明一些在好氧狀態下難降解芳香族和鹵代烴在厭氧條件下容易分解(反應9、10)。
以上反應為一些新工藝的化學反應基礎，其基本原理是新工藝開發的基礎和生長點。成功的利用兼性微生物的典型工藝是北京環保所在80年代開發的水解－好氧處理工藝。水解池利用水解和產酸微生物，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段中發生的水解過程也是有較大區別的。這表現在以下兩個方面：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段中的優勢菌是以好氧菌為主。僅僅部分兼性菌參加反應；其次，在反應器內的污泥濃度不同，水解工藝采用的是升流式反應器，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段僅僅發生部分水解。
從大量實踐來看，采用水解－活性污泥法，與傳統的活性污泥相比，其基建投資，能耗和運行費用可分別節省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廢水。
2、城市污水處理工藝的極限
對于污水處理系統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、流化床和氣提反應器，活性炭過濾等)。以上工藝開發和存在的內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物。而開發的不同反應器的應用受到了技術、經濟和理論條件的限制。這些限制體現在對于好氧生物反應器研究和開發，受到了生物生長特性(生物量和活性)、反應器的形式(固定床、懸浮床和流化床)、傳質條件(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果構成對于好氧生物反應器的極限，長期以來人們圍繞這些限制因素根據各個時期的理論、技術、材料等進展，進行了長期不懈的研究和開發工作。
通過對上述限制條件的數學推導，代入主要的好氧系統的基本設計條件(例如：供氧能力、污泥濃度、固液分離負荷等)，圖1給出不同系統用于污水處理運行條件的范圍。根據不同類型反應器的設計準則將濃度-流量平面劃成不同的區域。在濃度－流量相平面上不同區域的應用條件為：
區域A：長停留時間的懸浮生長系統；
區域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中；
區域C：流量和負荷適合于顆粒污泥和懸浮生物膜顆粒反應器；
區域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區域存在重疊；
區域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器。污泥可以不需要外部的分離器而保持在系統中。
對于生物載體顆粒和絮體污泥假設沉淀速度分別為30m/h和5m/h，徑高比α＝5(好氧系統最大氧轉移速率為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用的區域(分別為線2和3)。
這構成了沉淀功能對于反應器功能擴展的限制，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。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，轉化為對不同功能的綜合，例如對于生物反應和沉淀功能的綜合，導致三溝式氧化溝、SBR反應器和UNITANK的開發和應用。還有在三相內循環流化床中實現氣、固、液的分離，特別是集接觸氧化反應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器。這一系列探索體現了對于反應器固液分離、沉淀功能限制(極限)的探索和突破。
顧名思義好氧生物反應器的基本屬性有三個即好氧條件的保持(充氧)、生物質的保持和維持(生物量和活性)和反應器的形式。從本質上講反應器的形式沒有先進和落后之分，例如：目前食品發酵行業，如啤酒生產仍然延續18世紀發明的“落后的”恒化器(完全混合)反應器。這是因為啤酒生產要求取得高的產率，在高的基質濃度下酵母細菌趨向于自由分散生長，這一反應器是適宜的反應器形式，但是需要對自由生長的細胞進行過濾分離(甚至膜分離)。對于不同的領域反應器的應用是存在高效和低效之分，對于處理生活污水生物膜反應器和活性污泥工藝的處理負荷為1.0～2.0kgBOD/m3.d，而三相內循環流化床反應器可以達到5～10kgBOD/m3.d，所以對于生活污水的處理從反應器發展趨勢角度是從生物膜反應器、活性污泥工藝向移動床和流化床反應器發展。
在生活污水處理工藝發展過程中，對于反應器內生物質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。反應器池容(占地)可以減少50%以上。但是從投資沒有本質的變化，因為填料費用的增加抵消了池容投資的節約。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器的開發，這也是固定床生物膜技術與懸浮生長系統更高一個層次的技術融合。從反應器生物的外在形態上是懸浮狀態，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、懸浮生長系統到流化床的發展，反映了人們對于高效率、高負荷和高生物量的追求，也是對于反應器負荷極限的挑戰，這構成了生活污水處理發展趨勢之一。
最后，對于好氧反應器充氧、傳質性能的提高無疑是十分重要的內容。人們首先對曝氣充氧器材進行了大量的研究和開發，從直到70年代末仍然采用簡單的穿孔管曝氣，這一時期的技術進展表現為我國對于射流曝氣的開發和掌握，到80年代初國內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，開發采用橡膠材料的可變孔微孔曝氣裝置，體現了這一領域的進展。另外，人們根據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，體現了人們在提高充氧和傳質這一領域追求更高和更好，向極限挑戰的精神。
3、曝氣生物濾池工藝
現代曝氣生物濾池(簡稱BAF)是在70年代末80年代初出現的一種膜法生物處理工藝，最初是應用在污水處理的三級處理上。其將生物接觸氧化與過濾結合在一起，不設沉淀池，通過反沖洗再生實現濾池的周期運行。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。90年代初得到了較大發展(圖2)。以BAF為代表的工藝主要優點如下：
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二級生化處理的1/5～1/10；
c) 投資省：BAF系統總水力停留時間短，基建投資少，同時出水水質高。
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工藝。采用兩級串聯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提供了可靠的保證，可以獲得了優良的處理效果，保證了出水的穩定性。
4、三相內循環流化床反應器
內循環三相流化床反應器，作為一種新型的三相流化床，其反應器的諸多特性主要體現在氣、液循環、載體流態的特殊運行規律。其基本的工作原理也主要體現這幾方面的不同變化，即液體內循環速度、有機物降解動力學、氧轉移特性、液體流態、載體流化特性等方面。
由于在內循環三相生物流化床反應器內裝有大量細小的載體，并使之處于循環流化狀態，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條件(圖1)。因此本質上該反應器是一種生物膜法處理工藝。
三相內循環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，反應器處于完全混合狀態：反應器內大部分載體都參與循環流動，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) 氧的轉移效率高：由于大量液體循環流動，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，不需專門的脫膜設備，大大簡化了原來的流化床處理污水所需的輔助設備。
在投配容積負荷達10kgCOD/m3.d以內時，可獲得70～80％左右的COD去除率，與傳統活性污泥相比去除污泥負荷可提高10倍左右。內循環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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