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2、城市污水处理工艺的极限 对于污水处理系统存在三种基本类型的微生物聚集体存在的方式：固定膜（如：滴滤池）、絮状污泥（活性污泥工艺）和悬浮生物膜颗粒（移动床、流化 床和气提反应器等）。以上工艺开发和存在的内在原因是人们不断的追求高效率、低能耗、低成本和低的占地面积等高的性能指标的不断实践的产物。而开发的不同 反应器的应用受到了技术、经济和理论条件的限制。这些限制体现在对于好氧生物反应器研究和开发，受到了生物生长特性（生物量和活性）、反应器的形式（固定 床、悬浮床和流化床）、传质条件（氧的供给）和固液分离（沉淀、过滤）等诸多因素的限制。这些限制条件综合结果构成对于好氧生物反应器的极限，长期以来人 们围绕这些限制因素根据各个时期的理论、技术、材料等进展，进行了长期不懈的研究和开发工作。 通过对上述限制条件的数学推导，代入主要的好氧系统的基本设计条件（例如：供氧能力、污泥浓度、固液分离负荷等），给出不同系统用于污水处理运行条件的范围。根据不同类型反应器的设计准则将浓度-流量平面划成不同的区域。在浓度－流量相平面上不同区域的应用条件为： 区域A：长停留时间的悬浮生长系统； 区域B：在高流量条件下，颗粒和絮体将被冲出，只有固定膜可以保持在系统中； 区域C：流量和负荷适合于颗粒污泥和悬浮生物膜颗粒反应器； 区域D：只有可以采用分离和回流措施，流量和负荷适合于絮状污泥（如活性污泥工艺），这一部分与C区域存在重叠； 区域E：对于高浓度和低流量的废水，可以采用升流式污泥床反应器。污泥可以不需要外部的分离器而保持在系统中。 对于生物载体颗粒和絮体污泥假设沉淀速度分别为30m/h和5m/h，径高比α＝5（好氧系统最大氧转移速率为10kg/m3.d）。从而在图1的C-Q平面中形成的限制生物膜颗粒和悬浮絮状污泥应用的区域（分别为线2和3）。 这构成了沉淀功能对于反应器功能扩展的限制，不同时期人们对于沉淀池和气浮工艺进行了大量的研究和开发。例如，70年代对于斜板沉淀池、80年 代末对周边进水周边出水沉淀池、90年代对于高效气浮池（涡漩气浮、浅池气浮）等等工艺的开发均反映了人们在不同时期对这一限制的突破。在90年代人们逐 渐从对于单一功能的研究和开放，转化为对不同功能的综合，例如对于生物反应和沉淀功能的综合，导致三沟式氧化沟、SBR反应器和UNITANK的开发和应 用。还有在三相内循环流化床中实现气、固、液的分离，特别是集接触氧化反应和过滤为一体的曝气生物滤池，以及利用高科技的膜生物反应器。这一系列探索体现 了对于反应器固液分离、沉淀功能限制（极限）的探索和突破。 顾名思义好氧生物反应器的基本属性有三个即好氧条件的保持（充氧）、生物质的保持和维持（生物量和活性）和反应器的形式。从本质上讲反应器的形 式没有先进和落后之分，例如：目前食品发酵行业，如啤酒生产仍然延续18世纪发明的“落后的”恒化器（完全混合）反应器。这是因为啤酒生产要求取得高的产 率，在高的基质浓度下酵母细菌趋向于自由分散生长，这一反应器是适宜的反应器形式，但是需要对自由生长的细胞进行过滤分离（甚至膜分离）。对于不同的领域 反应器的应用是存在高效和低效之分，对于处理生活污水生物膜反应器和活性污泥工艺的处理负荷为1.0～2.0kgBOD/m3.d，而三相内循环流化床反应器可以达到5～10kgBOD/m3.d，所以对于生活污水的处理从反应器发展趋势角度是从生物膜反应器、活性污泥工艺向移动床和流化床反应器发展。 在生活污水处理工艺发展过程中，对于反应器内生物质的改善是反映在从生物量和生物活性两方面的不断提高，城市污水（生活污水）处理技术起源与生 物滴滤池，但是由于滴滤池中的填料粒径较大，比表面积较小生物量较少，在1914年开发了活性污泥工艺，通过回流生物量可以保持在最高3～5g/L。在 80年代初，我国和日本同时开发的接触氧化工艺，这一时期的工作对填料进行了大量的研究，开发了蜂窝填料、软性填料、半软性填料和弹性填料等等，通过提高 比表面积达到提高生物量的目的。接触氧化工艺的生物量可以达到5～8g/L，从而负荷比活性污泥工艺可以提高一倍以上。反应器池容（占地）可以减少50% 以上。但是从投资没有本质的变化，因为填料费用的增加抵消了池容投资的节约。同时，还有使用寿命、放大和堵塞一系列问题。这导致移动床和流化床反应器的开 发，这也是固定床生物膜技术与悬浮生长系统更高一个层次的技术融合。从反应器生物的外在形态上是悬浮状态，而生长方式是生物膜生长。生物载体的比表面积大 大提高，从接触氧化工艺的200～300㎡/m3提高到2000～3000㎡/m3，从而生物量达到了20～30g/L，这是负荷可以达到 5～10kgBOD/m3.d的主要原因。从固定床、悬浮生长系统到流化床的发展，反映了人们对于高效率、高负荷和高生物量的追求，也是对于反应器负荷极 限的挑战，这构成了生活污水处理发展趋势之一。 最后，对于好氧反应器充氧、传质性能的提高无疑是十分重要的内容。人们首先对曝气充氧器材进行了大量的研究和开发，从直到70年代末仍然采用简 单的穿孔管曝气，这一时期的技术进展表现为我国对于射流曝气的开发和掌握，到80年代初国内第一个大型城市污水处理厂引进中刚玉盘的微孔曝气。目前，开发 采用橡胶材料的可变孔微孔曝气装置，体现了这一领域的进展。另外，人们根据充氧理论采用提高氧浓度分压方式，对纯氧曝气、富氧曝气和深井曝气工艺进行了开 发，体现了人们在提高充氧和传质这一领域追求更高和更好，向极限挑战的精神。 3、曝气生物滤池工艺 现代曝气生物滤池（简称BAF）是在70年代末80年代初出现的一种膜法生物处理工艺，最初是应用在污水处理的三级处理上。其将生物接触氧化与 过滤结合在一起，不设沉淀池，通过反冲洗再生实现滤池的周期运行。在废水的二级处理中其保持接触氧化的高效性，同时又可通过过滤获得高的出水水质。90年 代初得到了较大发展。以BAF为代表的工艺主要优点如下： a） 工艺容积负荷可高达6.0kgBOD/m3.d，出水达到或接近生活杂用水标准； b） 占地面积少：曝气生物滤池占地是常规二级生化处理的1/5～1/10； c） 投资省：BAF系统总水力停留时间短，基建投资少，同时出水水质高。 曝气生物滤池可以有多种运行方式，可以下向流的方式运行，也可以是上向流的方式运行，采用上向流的曝气生物滤池往往采用轻质滤料。曝气生物滤池 工艺也可与其他生物处理工艺一样采用多级串联工艺。采用两级串联工艺为进一步降解污水中难降解的有机污染物和达到严格的出水水质提供了可靠的保证，可以获 得了优良的处理效果，保证了出水的稳定性。 4、三相内循环流化床反应器 内循环三相流化床反应器，作为一种新型的三相流化床，其反应器的诸多特性主要体现在气、液循环、载体流态的特殊运行规律。其基本的工作原理也主要体现这几方面的不同变化，即液体内循环速度、有机物降解动力学、氧转移特性、液体流态、载体流化特性等方面。 由于在内循环三相生物流化床反应器内装有大量细小的载体，并使之处于循环流化状态，为微生物的附着生长提供巨大的表面积，同时保证良好的混合和传质条件（图1）。因此本质上该反应器是一种生物膜法处理工艺。 三相内循环流化床不仅具有一般好氧流化床的特点，还具有以下特点： 1） 流化性能好，反应器处于完全混合状态：反应器内大部分载体都参与循环流动，载体流化具有良好的均匀性，这为生物膜形成提供了条件； 2） 氧的转移效率高：由于大量液体循环流动，在此过程中会夹带一些细小的气泡，延长气-液接触时间，提高了氧的转移效率。氧利用率可达30～50%； 3） 载体流失量少，不需专门的脱膜设备，大大简化了原来的流化床处理污水所需的辅助设备。 在投配容积负荷达10kgCOD/m3.d以内时，可获得70～80％左右的COD去除率，与传统活性污泥相比去除污泥负荷可提高10倍左右。内循环三相生物流化床进入正常运行后，COD去除率均达75%以上，尤其是进水浓度较高时，去除率可达90%以上。这说明流化床具有较强的抗冲击能力。 4/5 首页上一页2345下一页尾页 |
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