工藝技術(shù)_hcr一種高效好氧生物處理技術(shù)

HCR-一種高效好氧生物處理技術(shù)摘要： HCR工藝具有所需空間少、占地省、設(shè)計(jì)集成合理、COD降解率高、空氣氧利用率高且操作便利安全等優(yōu)點(diǎn)。在紙漿和造紙工業(yè)廢水處理的工程實(shí)例中，其最大的容積負(fù)荷達(dá)到70kgCOD/(m3d)，反應(yīng)器單體最大容積為1200m3，日處理污水量近23000m3，COD的降解率達(dá)到80%，而剩余污泥的產(chǎn)率小于0.2kgSS/kgCOD。好氧生物處理工藝歷史悠久，自1914年第一座活性污泥法污水處理試驗(yàn)廠運(yùn)行以來，已經(jīng)80 多年了。近20年來，改進(jìn)曝氣技術(shù)和好氧生物固定技術(shù)以提高污水處理的效果，是好氧生物處理領(lǐng)域的主要研究內(nèi)容，HCR工藝就是這一特定時(shí)期的產(chǎn)物。1HCR工藝的主要特點(diǎn)HCR工藝(High Performance Compact Reactor)是德國克勞斯塔爾(Clausthal)工科大學(xué)物相傳遞研究所于80年代發(fā)明的。該工藝的問世是好氧生物處理技術(shù)的一個(gè)飛躍，它融合了當(dāng)今的高速射流曝氣、物相強(qiáng)化傳遞、紊流剪切等技術(shù)，并具有深井曝氣和流化污泥床的特點(diǎn)。因此，其空氣氧的轉(zhuǎn)化率高，反應(yīng)器的容積負(fù)荷大，水力停留時(shí)間短，是當(dāng)前為西方國家所廣泛接受的一種高效好氧生物處理方法。至今，已經(jīng)在德國、瑞典、加拿大、意大利、法國、韓國等國家建成了數(shù)十個(gè)HCR系統(tǒng)，并已投產(chǎn)運(yùn)行，污水處理效果普遍良好。HCR系統(tǒng)主要包括：集成反應(yīng)器、兩相噴頭、沉淀池以及配套的管路和水泵等(見圖1)。集成反應(yīng)器為圓形容器，其外筒兩端被封閉，連接著各種管道；內(nèi)筒兩端開口，兩相噴頭安裝在反應(yīng)器上部的正中央。循環(huán)水泵提升高壓水流經(jīng)噴頭射入反應(yīng)器，由于負(fù)壓作用同時(shí)吸入大量空氣。水流和氣流的共同作用又使噴頭下方形成高速紊流剪切區(qū)，把吸入的氣體分散成細(xì)小的氣泡。富含溶解氧的混合污水經(jīng)導(dǎo)流筒達(dá)到反應(yīng)器底部后，又向上返流形成環(huán)流，再經(jīng)剪切向下射流，如此循環(huán)往復(fù)運(yùn)行。于是，污水被反復(fù)充氧，氣泡和微生物菌團(tuán)被不斷剪切細(xì)化，并形成致密細(xì)小的絮凝體。由該工藝的工作原理可知，HCR的主要特點(diǎn)是：(1)系統(tǒng)占地少，基建費(fèi)用低。HCR系統(tǒng)占地一般很少，其原因主要有三：一是系統(tǒng)設(shè)計(jì)緊湊，結(jié)構(gòu)合理，減少了占地；二是反應(yīng)器高徑比大(為71)，部分被埋在地下，有效地利用了垂向空間，減少了平面上的占地；三是所需水力停留時(shí)間很短，容積負(fù)荷和污泥負(fù)荷都很高，減少了反應(yīng)器的體積。合理集成設(shè)計(jì)、少占地是減少基建投資的主要因素，反應(yīng)器和沉淀池的容積小，又節(jié)省土建投資或設(shè)備制造費(fèi)用。根據(jù)工程預(yù)算結(jié)果對(duì)比表明，采用HCR工藝處理同樣數(shù)量的污水，其基建費(fèi)用比活性污泥法工藝要減少30%以上。(2)空氣氧轉(zhuǎn)化利用率高，容積負(fù)荷和污泥負(fù)荷高。HCR工藝的曝氣方式采用射流擴(kuò)散式，并通過垂向循環(huán)混合，使溶解氧達(dá)到最大值，這一過程實(shí)際上吸取了深井曝氣依靠壓頭溶氧的優(yōu)點(diǎn)。高速噴射形成紊流水力剪切，使氣泡高度細(xì)化并均勻分散，決定了該方法對(duì)空氣氧的轉(zhuǎn)化利用率高。據(jù)試驗(yàn)測(cè)定，其空氣氧的轉(zhuǎn)化利用率可高達(dá)50%，溶解氧含量易保持在5mg/L以上。足夠的溶解氧是保證好氧生物處理系統(tǒng)高負(fù)荷運(yùn)行的條件，這也是HCR工藝的優(yōu)勢(shì)所在。一般情況下，HCR系統(tǒng)的污泥濃度在10g/L左右，最高可超過20g/L。反應(yīng)器中生物量之大，決定了其負(fù)荷值必然高。試驗(yàn)和已有工程的運(yùn)行結(jié)果顯示，HCR的容積負(fù)荷最大可達(dá)70kgBOD5/(m3d)，小試可達(dá)100 kg BOD5/(m3d)；其污泥負(fù)荷值可以超過6 kg BOD5/(kgSSd)。(3)固液分離效果好，剩余污泥量較少。HCR工藝混合污水中的微生物菌團(tuán)顆粒小，其沉降性能好，這是其顯著特點(diǎn)之一，污泥在沉淀池中的停留時(shí)間一般只需要40min左右。該工藝每降解1kg BOD所產(chǎn)生的剩余污泥量，比其他好氧方法平均減少40%左右，從而大大減少了污泥處理量。剩余污泥量較少的原因主要有兩個(gè)：其一，強(qiáng)烈曝氣使微生物代謝速度快，由此引起的生化反應(yīng)可能加大內(nèi)源消耗，剩余污泥量相對(duì)少；其二，由于反應(yīng)器中混合污水被高速循環(huán)液流剪切，微生物的團(tuán)粒被不斷分割細(xì)化，團(tuán)粒內(nèi)部的氣孔減少，使其密度相對(duì)增加，總的體積減少。(4)抗沖擊負(fù)荷的能力強(qiáng)。HCR為完全混合型運(yùn)行方式，原水先與回流污水合流，然后再進(jìn)入反應(yīng)器，并立即被快速循環(huán)混合。高濃度COD或有毒廢水沖擊系統(tǒng)時(shí)，它們?cè)谶M(jìn)入反應(yīng)器之前實(shí)際上已經(jīng)被稀釋，進(jìn)入反應(yīng)器后又被迅速均勻混合，使沖擊液流的濃度大大降低，從而有效地提高了HCR系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷的能力。此外，強(qiáng)烈曝氣使微生物的新陳代謝加快后，也可能減少?zèng)_擊所造成的部分影響。工程實(shí)踐表明，HCR工藝對(duì)甲醛廢水、含酚廢水、糖醛廢水、樹脂酸廢水都能進(jìn)行有效處理；如已有工程實(shí)例的進(jìn)水COD濃度達(dá)到了20000mg/L；該工藝還有望提高污水脫氮的效果。(5)系統(tǒng)操作簡便靈活，處理效果有保障。HCR系統(tǒng)的反應(yīng)器循環(huán)水量、補(bǔ)充曝氣量、污泥回流量等都可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，便于選擇最佳的組合效果。正因?yàn)槿绱?，采用HCR工藝容易保證較高的COD去除率。圖2顯示了HCR反應(yīng)器容積負(fù)荷與COD去除率的變化關(guān)系?？梢钥闯觯M管其容積負(fù)荷變化較大，COD去除率均達(dá)到80%左右。從目前已經(jīng)運(yùn)行的數(shù)十個(gè)工程所反饋的信息表明，HCR系統(tǒng)啟動(dòng)較快，操作管理比較方便，適應(yīng)的環(huán)境條件很寬松，運(yùn)行中很少出現(xiàn)故障，其推廣應(yīng)用正在受到越來越多的重視。2應(yīng)用實(shí)例及其效果已有HCR工程處理的廢水類型有：奶品加工廢水、酵母生產(chǎn)工藝廢水、造紙廠廢水、化工廢水、印刷業(yè)廢水、屠宰廢水、填埋場(chǎng)滲濾液及城市污水等。其中，尤以造紙廢水的處理工程最多，已分別在德國、挪威、中國、法國、加拿大等地建成投入運(yùn)行(表1)。表1HCR典型工程實(shí)例運(yùn)行參數(shù)參數(shù)處理量 (m3/d)廢水COD濃度 (mg/L)反應(yīng)器體積 (m3)水力停留時(shí)間 (h)所在國家酵母1681100025+104.99德國玻璃工藝24111000252.49德國橄欖業(yè)13840005 x 32.62意大利造紙工藝2500140002 x 2504.8挪威造紙工藝1400015002 x 3001.03加拿大造紙工藝1300017202 x 3000.90中國造紙工藝2200035002 x 11002.37挪威造紙工藝692613503001.14法國屠宰業(yè)1440017002 x 2501.2韓國造紙工藝2100030001200+8002.29挪威實(shí)例1拉維克市雀斯科夫銳茲公司(TreschowFritze, Larvik)的半化學(xué)紙漿廢液，其COD濃度高達(dá)20000mg/L，采用HCR工藝處理，其容積負(fù)荷達(dá)80 kg COD/(m3d) ，COD的降解率達(dá)CM(22到了70%。廢水中含有過氧化漂白污水，但它對(duì)于水處理的效果沒有任何不良影響，其剩余污泥的產(chǎn)率約為0.2kg SS/kg COD。實(shí)例2在威尼斯拉市的漢斯霍司公司(Hunsfos,Vennesla)，亞硫酸鹽化學(xué)紙漿濃縮液(來自化學(xué)再生系統(tǒng))COD的變化范圍為5 00010000 mg/L，污水中同時(shí)含有糖醛，因而對(duì)附近納污區(qū)的魚類構(gòu)成危害。用HCR工藝處理，容積負(fù)荷平均達(dá)60 kg COD/(m3d) ,COD的降解率為80%，糖醛的去除率達(dá)100%，剩余污泥的產(chǎn)率僅為0.15 kg SS/kg COD。表2列出了某地城市污水采用兩種方法處理的主要效果參數(shù)?？梢钥闯鯤CR工藝相對(duì)于傳統(tǒng)的活性污泥法工藝在充氧速率、容積負(fù)荷、污泥負(fù)荷、二沉池表面負(fù)荷、剩余污泥產(chǎn)率、水力停留時(shí)間等方面，都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。表2HCR工藝處理某城市污水效果對(duì)比參數(shù)活性污泥法HCR工藝充氧速率(kg/(m3h)0.060.5-3.0能耗(kg/(kWh)0.7-2.00.5-3.0容積負(fù)荷(kg BOD5/(m3d)0.75-1.040污泥濃度(kg/m3d)2.5-3.01-8污泥負(fù)荷(kg BOD5/(kg MLSSd)0.315去除率(%)958090停留時(shí)間(h)480.5耗能容積率(kW/m3)0.0512污泥指數(shù)(m3/kg)10015070二沉池表面負(fù)荷(m3/(m2h)1.528剩余污泥產(chǎn)率9kg MLSS/kg BOD51.00.63HCR工藝在中國的應(yīng)用前景分析根據(jù)HCR所具有的特點(diǎn)，我們認(rèn)為該工藝在中國有以下幾方面的應(yīng)用前景：(1)普通工業(yè)廢水的處理。中國工業(yè)企業(yè)的廢水種類很多，變化也很復(fù)雜。特別是一些中小型企業(yè)，因其廢水量不大，或因污染物濃度不太高，而且廢水中又不含明顯的有毒物(即普通工業(yè)廢水)，故一直未進(jìn)行達(dá)標(biāo)處理。根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境保護(hù)要求，這類廢水也是非治不可的。然而，原來廠區(qū)規(guī)劃又大都沒有考慮廢水處理的場(chǎng)所。鑒于這些廢水的特點(diǎn)及處理場(chǎng)所不足等矛盾，選擇占地少、適應(yīng)性強(qiáng)的HCR工藝，有望解決這類廢水的處理。(2)特殊工業(yè)廢水的處理。有一些工業(yè)廢水含有某些毒性物質(zhì)或可能致毒的組份(稱特殊工業(yè)廢水)，往往無法采用常規(guī)好氧或厭氧工藝進(jìn)行處理。如防腐產(chǎn)品工業(yè)和農(nóng)藥產(chǎn)品工業(yè)等產(chǎn)生的廢水中，多含有難降解的有機(jī)物，且對(duì)微生物具有致死的毒性。過去多采用焚燒方法或固化填埋方法進(jìn)行處理，但是成本很高，并可能產(chǎn)生二次污染。HCR工藝采用快速高效的氧傳遞轉(zhuǎn)輸方式，溶解氧多保持在5mg/L左右，反應(yīng)器中的微生物群落能快速適應(yīng)污染物種類和濃度的變化，這對(duì)于特殊工業(yè)廢水的處理十分有利。前面談到的甲醛廢水、苯酚廢水、苯甲醛廢水等，采用HCR工藝處理都獲得了很好的效果，且運(yùn)行狀況良好，就是較好的實(shí)例。(3)城市中水工程中應(yīng)用。城市中水工程所處理的原水具有水量少，變化幅度大，且COD濃度不太高等特點(diǎn)；中水工程對(duì)出水的水質(zhì)要求也不太高(主要用作沖洗水或綠地用水)。要滿足這些條件，HCR工藝是最好的方法之一。首先，它可以根據(jù)不同水量水質(zhì)的變化來靈活地設(shè)計(jì)工藝系統(tǒng)；其次，因HCR工藝采用封閉式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)產(chǎn)生的廢氣用管道收集外排，這種設(shè)計(jì)有利于城市小區(qū)的環(huán)境保護(hù)，工程附近的居民可以免遭惡臭之苦；再者，HCR系統(tǒng)充分利用了地上和地下空間，設(shè)計(jì)別致，造型美觀，容易和小區(qū)的景觀融合在一起。4幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)(1)HCR工藝采用高效的空氣氧傳遞轉(zhuǎn)輸方法，合理利用了射流曝氣技術(shù)，應(yīng)用了壓頭和快速強(qiáng)制溶氧的原理，并利用紊流剪切擴(kuò)散和均勻分布的作用，使空氣氧的傳遞轉(zhuǎn)輸率高達(dá)50 %，是一種高效的好氧生物處理技術(shù)。(2)已經(jīng)運(yùn)行的HCR工程系統(tǒng)表明，該工藝適應(yīng)范圍廣，負(fù)荷率高，COD去除率高，運(yùn)行效果好。其占地面積少，綜合經(jīng)濟(jì)效益好，具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。(3)中國工業(yè)污水的種類復(fù)雜多樣，城市中水工程正有待開發(fā)，HCR工藝在中國大有發(fā)展前景。必須提醒注意的是，應(yīng)該以技術(shù)引進(jìn)為主，盡量采用國產(chǎn)的設(shè)備和附件，使之更加符合本國的國情，以獲得最佳的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。(4)HCR工藝存在的問題：一是能耗，當(dāng)污水 COD去除率在80%及其以下時(shí)，所需能耗低且效益好；如果COD的去除率要求過高，其能耗就直線升高。因此，在實(shí)際工作中也不能盲目地選用HCR工藝。第二個(gè)問題是泡沫，HCR在處理某些廢水時(shí)，也和常規(guī)好氧工藝一樣會(huì)產(chǎn)生泡沫，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮這一因素。參考文獻(xiàn)1顧夏聲. 廢水生物處理數(shù)學(xué)模式. 清華大學(xué)出版社，19822秦麟源. 廢水生物處理. 同濟(jì)大學(xué)出版社，19893Wachsmann U,N Raebiger and A Vogelpohl. Effect of geometry on hydrodynamics and mass transfer in the compact reactor. Ger Chem Eng,1985,8. 4114184M K N Yenkie,S U Geissen and A Vogelpohl. Biokinetics of wastewater treatme nt in the high performance compact reactor (HCR). The Chemical Engineering Journ al,1992,(49). B1B125Sprehe M,E S Gaddis,A Vogilpohl. On the mass transfer in an impingingstre am reactor. Chem Eng Technol 1998,21(1):19216高廷耀主編. 水污染控制工程(下冊(cè)). 北京：高等教育出版社，19897E A Naundorf,D Subramanian,N R*biger and A Vogelpohl. Biological treatment of wastewater in the compact reactor. chem Eng Process,1985,19. 2292338Vogelpohl A. Das HCRVerfahren,ein Hochleistungsverfahren zur aeroben Abwa sserreinigung. Bioengineering 1988,3. 1411439Vogelpohl A. The HCRProcess for Compact,High Performance Waste Water Trea tment. Pollution and waste Management,1991. 14014510 U Wachsmann,N R*biger and A Vogelpohl. The compact reactor-a newly develop ed loop reactor with a high mass transfer performance. Ger Chem Eng,1984,7. 39 4411 Lbbecke S,A Vogelp