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高浓度有机废水高效处理技术装备的新进展北京市环境保护科学研究院王凯军月Jl舀通过近二十多年来科技工作者的努力,我国在水污染防治方面已研究和开发了不少新工艺、新材料和新设备。目前我国在水污染治理技术上,已能提供下列技术的工艺参数:活性污泥法技术(包括传统曝气、延时曝气、纯氧曝气、射流曝气、SBR和AB等等工艺);生物膜法技术(生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、流化床、曝气生物滤池工艺等等);厌氧技术(UABS、厌氧生物滤池、厌氧流化床等等工艺);除磷脱氮技术(A一O法、AZ一O法);水解一好氧技术等等。事实上。对污水处理工艺中所涉及的单元进行深入研究。以每一个单元设备为基础,构成污水处理的技术单元库。这样可实现不同工艺现有设备的不同的最优组合形式。因为,各种处理工艺的组成都是以一些单元技术为基础组合而成的,技术单元是以反应器为基础的。而反应器是微生物栖息的场所,应能为微生物创造适宜的条件,使微生物的生长状况最佳,其使作用得到最大的发挥。一个合理的水处理工艺的成功最后是要落实到反应器的造型和设计上。本文选择了一些近年来在我国发展迅速的(BFA、SBR工艺)、具有发展潜力(水解-好氧、三相内循环流化床)的技术,以及涉及到工业废水技术发展方向性问题(高效厌氧uASB技术)新工艺进行介绍。2厌氧UASB反应器2.1UASB反应器的原理升流式厌氧污泥床(UAS)B反应器是由Leitrnga在70年代开发。uAsB反应器包括以下几个部分:配水系统、反应器的池体和三相分离器。如果考虑整个厌氧系统还应该包括沼气收集和利用系统。在UASB反应器中最重要的设备是三相分离器,这一设备安装在反应器的顶部并将反应器分为下部的反应区和上部的沉淀区。2.ZUASB反应器新型结构和材料的开发国外发达国家的工业废水处理工程大多已采用新设备、新材料和新工艺来设计和建造,如德国利浦(iLp)P公司的双折边咬口技术和F~ict公司的拼装制罐技术。这些技术应用金属塑性加工中的加工硬化原理和薄壳结构原理,通过专用技术和设备将2~一4~镀锌或镀搪瓷钢板建造成体积为orom3一2000时的反应器。具有施工周期短、造价较低、质量高等优点,其施工周期比同样规模的混凝土罐缩短60%,比普通钢板罐节省材料达50%以上,而且耐腐蚀,不需保养维修,使用寿命要达20年以上。a)拼装制罐技术拼装技术采用高新技术制成的罐体材料,以快速低耗的现场拼装方式最终成型,使污水处理设备达到技术先进、性能优良、耐腐性好、维修便利、外表美观的效果。根据不同反应器采用软性搪瓷或其他防腐形式预制钢板。预制的钢板采用以栓接方式拼装,栓接处加特制密封材料防漏,此种预制钢板形成的保护层不仅能阻止罐体腐蚀,而且具有抗酸碱的功能。b)Lipp技术iLpp罐制作时在成型机上薄钢板上部被折成h形而下部被折成n形,在咬合机上薄钢板上部与上一层薄钢板的下部被咬合在一起的成型过程和截面形状。废水处理中被处理废水具有腐蚀性(如酸碱废水)的废水,或处理工艺过程中产生腐蚀性(如厌氧处理)的情况,通过复合机械,将镀锌卷板与0.3~厚度的不锈钢薄膜复合在一起。iLpp制罐技术是一种具有世界先进水平的制罐工艺与技术,但是需要特殊机械。80年代国内粮食系统引进多套加工机械,并且在粮仓上有大量的应用。目前也逐步应用于污水处理。c)拼装预制和iLpp制罐技术的局限性从理论上讲,罐的壁厚可比2111111小。但是,考虑到结构稳定性等因素,一般不小于Zrn们以。对于直径大、高度高的罐体,理论上可选用更厚的钢板制作。但由于国内搪瓷钢板的规格和iLpp制罐机械在机械压紧强度,咬口紧密度等方面的限制,罐体的选用材料壁厚一般最大为4~。所以,这两种技术国内制作的最大罐体直径在3Om一40m。对于特殊的超大超高的罐体,可选用高强度材料。由于价格成本和池形的限制,拼装预制和iL即一50-制罐不适用对于容积小和直径小于sm的反应器。从结构上考虑拼装和Lipp技术不适用于地下池和方形结构池。3.3三相分离器的设备化在UASB反应器中,三相分离器是最有特点和最重要的装置。该装置安装在反应器的顶部,并将反应器分为下部的反应区和上部的沉淀区。它同时具有两个功能:(l)能收集从分离器下的反应室产生的沼气;(2)使得在分离器之上的悬浮物沉淀下来。生产性装置需要考虑三相分离器的型式和水力学的一些问题以及工程放大和安装等问题。三相分离器的设计原理比较简单,只要遵循基本原理,就可设计合理实用的三相分离器。笔者承担了“九五”攻关UASB反应器设备化项目。采用设备化的三相分离器除了高效的气固液分离外,其使得UASB反应器的设计得到了最大程度的简化,并使UASB的设计标准化、规范化和简单化。图1是不同单位在“九五”攻关期间的三相分离器实用新型专利。圆形UASB池的三相分离器的模块,仍采用矩形三相分离器的形式,圆形反应器中的三相分离器制作和安装相对复杂些,特别是边角部分处理复杂、费时、费工。叹下了叹不又a)多级组装式(联合环境公司)b)以sB气固液分离器(清华大学)。)组合式(北京环科院)图1在“九五”攻关期间取得的三项三相分离器实用新型专利的原理图3水解(酸化)工艺3.1基本原理人们过去对于好氧微生物和专性厌氧微生物研究十分充分,而对兼氧性微生物的研究不够。各种类型有机污染物的厌氧(缺氧)、好氧降解反应过程汇总如下。1)eoo分HZo+eoZ(传统好氧工艺)2)eon叶eH4+COZ(传统厌氧工艺)3N)城十叶NO3一(硝化工艺)4)No3一分NZ(反硝化或缺氧工艺)5)玖S叶oS(微需氧或缺氧工艺)6)5042一分HZs(厌氧反应)7)凡el分eoZ+el一(好氧反应)s)Reel分eH4+eoZ+CI一(厌氧反应)从化学反应式(l)一(8)来看,除反应式(1、2)为传统的厌氧和好氧工艺流程外,其他均为兼性菌的反应。事实上,利用兼性细菌的工艺人们已开始有所涉及。如,对去除N、P的AZO或AO工艺(反应3、4),是利用了兼性菌在好氧条件下进行好氧代谢,而在厌氧条件下进行不同代谢反应的工艺。在含有硫酸盐的有机废水中,厌氧反应将有机物和硫酸盐分别转化为有机酸和硫化氢(反应6)。产生的硫化氢被微需氧细菌直接氧化为硫元素。这可以用来去除硫化物并回收硫元素(反应5)。最新研究表明,一些在好氧状态下难降解芳香族和卤代烃在厌氧条件下容易分解(反应7、8)。以上反应为一些新工艺的化学反应基础,其基本原理是新工艺开发的基础和生长点。A一B工艺和序批式活性污泥(SB)R工艺。前者是在A段的高吸附段,发生了水解和部分酸化反应,大分子物质降解为小分子物质。所以使得整个工艺的效率大为提高。对于后者而言,在SBR的反应过程同样历经了好氧一缺氧和厌氧的过程。成功的利用兼性微生物的典型工艺是由北京环保所在80年代开发的水解一好氧生物处理工艺。水解池利用水解和产酸微生物,将污水中的固体、大分子和不易生物降解的有机物降解为易于生物降解的小分子有机物。使得污水在后续的好氧单元以较少的能耗和较短的停留时间下得到处理。采用水解一活性污泥法,与传统的活性污泥相比,其基建一52-投资,能耗和运行费用可分别节省30甄}左右。由于水解池具有改善污水可生化性的特点,使得本工艺不仅适用于易于生物降解的城市污水等。同时更加适用于处理不易生物降解的某些工业废水,如纺织废水、印染废水、焦化废水、酿酒、化工、造纸废水等。3.2水解一好氧处理工艺示范工程(密云县污水处理厂)水解池处理量为巧ooom3ld,设计停留时间HRT=.2h5,1组由2个池子组成,每个水解池为(长X宽X水深=36X9X.44耐)。水解池污泥用管道排至集泥池进行处理。水解池运行效果见表1。表1密云污水处理厂运行结果(进水量7200.sm彻d)项项目目进水水水解出水水去除率率曝气出水水去除率率总去除率率CCCOD(mg/l)))53666283.33347.2%%%84.44470.0%%%84.3%%%BBBOD(mg/l)))17555134.55523.1%%%14.88889.0%%%91.5%%%5555(mg/l)))855518.11178.5%%%9.66647.0%%%88.6%%%BBBOD/CODDD0.33330.4777770.188888884BSR工艺的特点和发展4.1经典SBR反应器的优点SBR与连续式活性污泥系统存在一定的区别,并且有其独特的特点。在SBR的研究过程中,不同的研究人员在不同的条件下得出了不同类型SBR反应器的特点。这些结果有很多共同点,也有一些不同点。通过对以上SBR工艺特点和不同研究者的研究结果进行汇总,不考虑一些由于SBR反应器本身优点导致的直接结果,如:投资低和运行费用低等,SBR反应器的众多优点可以归纳如下:表2不同学者对SBR的不同看法「「优点一一--一-一-一’一一原因因……l、沉淀性能好好理想沉淀理论论……2、有机物去除效率高高理想推流状态态333、提高难降解废水的处理效率率多样性的生态环境(出现厌氧、缺氧和好氧氧状状状态多种状态)))444、抑制丝状菌膨胀胀选择性准则则555、可以除磷脱氮,不需要新增反应器器生态的多样性(出现厌氧、缺氧和好氧状态态多多多种状态)))666、不需二沉池和污泥回流,工艺简单单结构本身特点4.ZSBR反应器的理论分析分析SBR反应器具有以上优点的原因是多方面的因素所造成,特别是由于SBR反应器结构和运行方式的特点造成的,但是实质上SBR反应器充分利用了生物反应过程和单元操作过程以下的一些基本原理:a)流态理论:SBR反应器在时间上属于完全理想的推流状态;b)理想沉淀理论:其沉淀效果好是充分利用了静态沉淀原理,经典的SBR反应器在沉淀过程没有进水的扰动属于理想沉淀状态;c)推流反应器理论:SBR反应效率高是其属于时间上的理想推流式反应器,从单元操作理论其效率明显的高于完全混合式的反应器;d)选择性准则:SBR反应器防止污泥膨胀利用了活性污泥膨胀理论中的“选择性准则”;e)微生物环境的多样性:SBR反应器对难降解有机物降解性能好,是其在生态学上具有微生物的多样性,可以形成厌氧、缺氧和好氧等多种生态条件,有利于有机物的降解;以上的生物反应过程和单元操作过程的一些基本原理是显而易见的,有些是近年来一些最新的研究成果。4.3SBR反应器的缺点同时,经典的SBR反应器也存在一定的问题,比如:a)处理连续进水时,对于单一SBR反应器的应用需要较大的调节池;b)对于多个SBR反应器进水和排水的阀门自动切换频繁;c)无法解决大型污水处理项目连续进水、连续出水的处理要求;d)设备的闲置率较高;e)污水提升水头损失较大。4.4不同类型SBR的特点SBR在使用的过程中,不断的改进,发展了多种新型的SBR。大部分的新型SBR仍然拥有经典SBR的主要特点,并且还有自己独特的优势,但有些经典SBR的显著特点在新型SBR中就很难发现。不同类型SBR的特点总结如下:表3不同类型SBR的特点忑忑妥江江经典SBRRRICEASSSCASSSS~一{{{沉沉淀性能好处于理想沉沉是是不是是不是是不`……淀淀状态态态态态态抑抑制污泥膨胀(选择性性强强弱(通过选择池池弱(预反应段改改””一一...准则)))))改善)))葡葡葡难难降解废水效率高生态态强强马马马弱(预反应段改改“卜`””……多多样性)))))))善)))))除除磷脱氮效果(厌氧、缺缺N、PPPNNNN、PPP……氧氧和好氧等多种状劫劫劫劫劫劫由由于处于理想推流状状是是不是是不是是不是……态态,有机物去除率高高高高高高{{{不需二沉池和污泥回回是是是是需要回流流是……流流,工艺简单单单单单单}}}连续进水水不是是是是是是是……III连续出水_______不是是不是是不是是是……注:a.UNITANK的布置比较紧凑,但是流程比其他的SBR要复杂从表3可以看出所谓经典SBR工艺的优点,在新型SBR中是不一样的。对比表2可以说绝大多数经典SBR的优点,在一定程度上被弱化。同时,由于改进的SBR吸取了传统活性污泥的特点,出现了与传统活性污泥相互融合的趋势。出现了连