技術(shù)交流 | 會(huì)“生長”的污水廠

前言

針對(duì)國內(nèi)城鎮(zhèn)污水處理廠工藝現(xiàn)狀，結(jié)合生物接觸氧化工藝的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀，通過對(duì)生物接觸氧化工藝缺點(diǎn)及其機(jī)理分析，將其改進(jìn)型的FCR工藝優(yōu)勢機(jī)理進(jìn)行探討，總結(jié)了該工藝設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)及工程創(chuàng)新點(diǎn)，展望了該技術(shù)在國內(nèi)污水處理中推廣運(yùn)用需要研究和發(fā)展的方向。

目前國內(nèi)城鎮(zhèn)污水處理廠廣泛采用SBR（序批式活性污泥法）工藝、CASS（周期循環(huán)活性污泥法）工藝、A2/O（厭氧-缺氧-好氧）工藝等基于活性污泥法的處理工藝。隨著“水十條”的頒布，意味著未來污水處理廠的新建和提標(biāo)改造需遵循提高污水處理效率、降低土地占用面積、減小剩余污泥排放量的原則。生物接觸氧化工藝及其衍生技術(shù)可能將成為未來新建污水處理廠或現(xiàn)有污水處理廠提標(biāo)改造所采用的主流或首選工藝之一。

生物接觸氧化工藝的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

生物接觸氧化法起源于19世紀(jì)末的德國；與此同時(shí)，美國技術(shù)人員嘗試在活性污泥法的基礎(chǔ)上加入石棉水泥板，亦形成生物接觸氧化法的雛形。經(jīng)過多年的改進(jìn)與發(fā)展，生物接觸氧化法目前已廣泛應(yīng)用，成為國內(nèi)污水處理的主流技術(shù)之一。目前，生物接觸氧化法在國內(nèi)主要應(yīng)用于工業(yè)廢水處理和微污染源水處理；但其在城鎮(zhèn)污水處理廠應(yīng)用較少，僅有部分小型污水處理廠應(yīng)用。

在生物接觸氧化工藝中，填料掛膜的數(shù)量和質(zhì)量直接關(guān)系到污水處理的效率和耐沖擊性能。而該工藝的以往應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，上述性能與填料的單體結(jié)構(gòu)、排列方式、機(jī)械特性及比表面積等息息相關(guān)。故填料的改進(jìn)與開發(fā)是生物接觸氧化工藝目前的主要研究方向。吳春篤等經(jīng)對(duì)比試驗(yàn)認(rèn)為，多面空心球填料的布水、布?xì)庑阅茌^佳，生物膜活性高，但生物膜易脫落；彈性立體填料掛膜速度慢，但處理效果穩(wěn)定，且易于反沖洗，故綜合性能較佳。艾恒雨等認(rèn)為，懸浮型填料、生物密集型填料及固定化微生物填料將可能成為未來的主要發(fā)展方向。

生物接觸氧化工藝的缺點(diǎn)及機(jī)理

生物接觸氧化工藝是一類處理效率高、耐沖擊能力強(qiáng)、剩余污泥產(chǎn)量極少的污水處理工藝，但在該工藝的實(shí)際應(yīng)用中常會(huì)面臨一些問題。其中，生物膜脫落便是該工藝所面臨的典型問題。俞漢青指出生物膜的非正常脫落會(huì)降低污水處理系統(tǒng)的處理效果，甚至使其喪失處理能力，從而導(dǎo)致出水水質(zhì)惡化。陳永波經(jīng)過對(duì)活性污泥法與生物接觸氧化法處理乳品廢水的試驗(yàn)效果對(duì)比后指出，當(dāng)進(jìn)水COD＞1 800 mg/L時(shí)，生物接觸氧化法中的生物膜會(huì)產(chǎn)生周期性脫落，從而導(dǎo)致出水水質(zhì)不穩(wěn)定。

生物膜的自然脫落是生物接觸氧化工藝正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，使生物膜更新?lián)Q代，保證生物膜的活力持久。但生物膜的非正常脫落將會(huì)給采用生物接觸氧化工藝的污水處理系統(tǒng)帶來很大影響，乃至毀滅性打擊。生物膜的非正常脫落原因總結(jié)而言有如此幾點(diǎn)：沖擊負(fù)荷、溶解氧變化、水溫變化、pH變化及水力影響等。由于生物膜的非正常脫落會(huì)使采用生物接觸氧化工藝的污水處理系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)處理能力大打折扣甚至癱瘓，因此該工藝在一些領(lǐng)域的應(yīng)用為之所局限，城鎮(zhèn)污水處理廠便是其中之一。但鑒于生物接觸氧化工藝效率之高、剩余污泥排放之少等優(yōu)良特征，勢必普及城鎮(zhèn)污水處理領(lǐng)域，成為取代以往占地面積大且剩余污泥排放量大的基于活性污泥法的各工藝。

鑒于上述，從系統(tǒng)角度克服生物接觸氧化工藝的現(xiàn)有缺點(diǎn)是較有價(jià)值的研究和發(fā)展方向，F(xiàn)CR（Food Chain Reactor，食物鏈反應(yīng)器）工藝便是對(duì)傳統(tǒng)接觸氧化工藝進(jìn)行改進(jìn)的典型突破。

FCR工藝的構(gòu)成及結(jié)構(gòu)形式

FCR工藝的構(gòu)成

FCR工藝是一個(gè)高度集約的生態(tài)系統(tǒng)，以獨(dú)特的食物鏈反應(yīng)池為基礎(chǔ)，以特殊材料和植物根系為生物載體，通過構(gòu)建高度多樣化的生態(tài)系統(tǒng)，利用各次級(jí)生態(tài)系統(tǒng)中的各種微生物、水生植物、水生動(dòng)物等的新陳代謝作用，增強(qiáng)對(duì)水體中污染物的降解功能。FCR技術(shù)能實(shí)現(xiàn)以模塊化為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，處理規(guī)模從幾百m3/d到數(shù)十萬m3/d，系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性和抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于市政污水和工業(yè)廢水處理領(lǐng)域。FCR食物鏈反應(yīng)器工藝系統(tǒng)組成示意圖見下圖。

FCR技術(shù)的設(shè)計(jì)理念是通過創(chuàng)造高度多樣化的生物群落，加強(qiáng)生物生態(tài)系統(tǒng)提高水質(zhì)處理能力。除了傳統(tǒng)活性污泥處理法里存在的細(xì)菌之外，F(xiàn)CR處理系統(tǒng)內(nèi)的其他各種微生物以及水生植物群、動(dòng)物群等物種高達(dá)3000多種。通過自然和人工方法構(gòu)建水生態(tài)食物鏈，利用附著在植物根系和載體表面的微生物、原生動(dòng)物以及微型動(dòng)物去除污水內(nèi)的CODcr、BOD5、TN、NH3-N及TP等污染物。

FCR工藝結(jié)構(gòu)形式

與其他基于活性污泥法的方案相比，使用自然（植物）和人工（專利的生物纖維）根須結(jié)構(gòu)作為生物膜載體，能夠在每立方米的反應(yīng)器體積內(nèi)培養(yǎng)和維持三至四倍于活性污泥法的生物濃度。在系統(tǒng)中，反應(yīng)器中的生物大部分是附著生長而不是懸浮的。因此需使用“等效生物濃度”（EBC）而不采用混合液懸浮固體濃度（MLSS）來描述生物質(zhì)濃度。系統(tǒng)的等效生物濃度換算下來高達(dá)15~18kg/m3。相比之下，遠(yuǎn)高于一般活性污泥法的混合液懸浮固體濃3~5kg/m3。與典型的生物接觸氧化法相比，食物鏈反應(yīng)器中的生物數(shù)量更多表面積更大，其表面積與體積比高達(dá)12000m2/m3，使得反應(yīng)器體積內(nèi)的活性污泥高達(dá)15~18kg/m3。結(jié)果是其所需的水力停留時(shí)間（HRT）比典型的生物接觸氧化更短。與活性污泥法相比，食物鏈反應(yīng)器，在移除相同量的污染物/營養(yǎng)物質(zhì)所需的反應(yīng)器體積是活性污泥法的一半（或更�。�，節(jié)約用地效果明顯。FCR食物鏈反應(yīng)器植物與填料結(jié)合示意圖見下圖。

FCR工藝的優(yōu)勢機(jī)理討論

FCR工藝在應(yīng)用中體現(xiàn)出優(yōu)于一般生物接觸氧化法的脫氮能力、COD去除能力及更少的剩余污泥產(chǎn)生量，同時(shí)還具有優(yōu)良的運(yùn)行穩(wěn)定性，具體體現(xiàn)于對(duì)進(jìn)水的沖擊負(fù)荷、pH變化及環(huán)境溫度的變化等因素的耐受及出水水質(zhì)沒有明顯的周期性波動(dòng)等方面。這些優(yōu)勢的根本原因在于生物膜乃至整個(gè)濾池的微生態(tài)環(huán)境，具體在于以下幾個(gè)方面。

充足的溶解氧

水體的溶解氧含量直接關(guān)乎好氧微生物的活性及單體處理效率，故溶解氧對(duì)包括基于生物接觸氧化法在內(nèi)的好氧處理工藝是多多益善。FCR工藝因?yàn)V池中的水體澄清，游離于水體中的懸浮污泥極少，這使得水體的溶氧飽和度較一般接觸氧化法及活性污泥法高；且濾池底部采用密集、微孔的曝氣終端，故其水體溶解氧可達(dá)4mg/L以上，是一般接觸氧化工藝的溶解氧平均水平的2倍。充足的溶解氧能夠使構(gòu)成生物膜的微生物始終保持較高的活性，并且有利于改善生物膜內(nèi)部的缺氧狀態(tài)，從而在一定程度上增加生物膜內(nèi)層的附著力，使生物膜不易脫落。同時(shí)亦提高好氧微生物的活性，有利于COD、總氮的深度去除，該去除過程既包括自養(yǎng)硝化與好氧反硝化，亦包括異養(yǎng)同化。

巧妙的填料結(jié)構(gòu)

對(duì)上海吳淞污水處理廠采用FCR工藝進(jìn)行的提標(biāo)改造發(fā)現(xiàn)，其采用的填料單體由數(shù)萬根纖維束垂直布置組成，所述纖維束的上下兩端編織為鏤空的特定形狀，每根纖維束由近50股纖維絲組成，填料采用緊密與蓬松交替形式。在填料布置陣列中還穿插栽種植物，不難想象其栽種植物處下方有植物根系分布。

經(jīng)觀察、討論認(rèn)為，該填料的布置方式結(jié)合曝氣終端分布點(diǎn)布置可使水體在填料間呈螺旋式上升，并在植物根系處形成渦流，其水力分布及其均勻程度大不同于傳統(tǒng)接觸氧化法中的曝氣所產(chǎn)生的紊流。

經(jīng)過對(duì)該填料的單根纖維束進(jìn)一步的觀察、討論認(rèn)為，生物膜對(duì)該填料的附著形式不同于傳統(tǒng)填料，生物膜內(nèi)層可鑲嵌于填料纖維束之間隙；處于填料纖維束間隙的生物膜因夾持、支撐作用而不會(huì)輕易脫落，這樣保證在外層生物膜大面積脫落的情況下，內(nèi)層生物膜依然能保證足夠的生物量。且處于填料纖維束間隙的內(nèi)層生物膜能夠間歇進(jìn)行厭氧產(chǎn)氣，從而在填料纖維束中建立均勻但不對(duì)稱的中空通道，繼而使內(nèi)層填料能夠間歇得到氧和養(yǎng)分的補(bǔ)給而不至于因活力下降而失去附著力。綜合上述，該填料的巧妙設(shè)計(jì)和布置極有可能為該工藝中的生物膜能夠長期保持穩(wěn)定而不易定期老化脫落的重要原因。

密集生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控作用

多數(shù)從業(yè)者的直觀觀察會(huì)認(rèn)為FCR工藝中布置植物所起到的主要作用為裝飾及類似于人工濕地工藝的同化脫氮作用，但植物布置量顯然不能滿足處理水量的需求。經(jīng)筆者與農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域及微生物學(xué)領(lǐng)域?qū)W者溝通認(rèn)為，該處布置的植物在一定程度上起到微生物的種源寄居點(diǎn)及多樣性來源的作用。植物體內(nèi)存在內(nèi)生微生物，能夠隨著根系的伸展而釋放至水體中并隨水流與填料接觸，豐富構(gòu)成生物膜的微生物多樣性，從而保證生物群落的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

同時(shí)，植物根系是原生動(dòng)物、后生動(dòng)物即濾池掃除生物的良好附著與增殖場所，濾池掃除生物種類豐富且數(shù)量充足對(duì)包括FCR工藝在內(nèi)的基于接觸氧化法的處理工藝而言皆有重要意義。濾池掃除生物依其活動(dòng)方式及范圍可分為固著型、半固著型和游泳型。游泳型濾池掃除生物可清除游離于水體的懸浮污泥，固著型與半固著型濾池掃除生物可對(duì)生物膜起到“修剪”作用，從而使其在非大面積脫落的情況下仍能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。

艾恒雨等經(jīng)試驗(yàn)認(rèn)為，原生動(dòng)物和后生動(dòng)物的捕食作用不但能夠起到顯著的污泥減量作用，而且能夠改善懸浮污泥的沉降性能。該工藝對(duì)植物的選擇與要求十分講究，其所布置植物在園林景觀設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上需滿足耐高氮、高磷及其他有害物質(zhì)的要求；并要求其根系發(fā)達(dá)、不定根眾多，以提供巨大的比表面積；在上述基礎(chǔ)上優(yōu)先選擇濕生或耐水植物，從而使所布置植物能夠很好地適應(yīng)濾池環(huán)境，與附著的生物膜、填料生物膜、濾池掃除生物及宏觀生物等構(gòu)建成良性循環(huán)的微生態(tài)系統(tǒng)，亦使污水處理廠具備環(huán)境友好特性。

總結(jié)

FCR處理工藝在傳統(tǒng)接觸氧化工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行深度、系統(tǒng)地優(yōu)化，對(duì)城鎮(zhèn)污水處理領(lǐng)域的普及具有非常重大的意義。結(jié)合吳淞污水處理廠實(shí)際案例，其強(qiáng)化了預(yù)處理功能，增加了優(yōu)勢菌種的種群，提高了曝氣系統(tǒng)的應(yīng)用控制，改變了水力流態(tài)的走向，解決了傳統(tǒng)填料堵塞問題。為進(jìn)一步提高出水穩(wěn)定性，未來還有更多的研究可以進(jìn)行。

轉(zhuǎn)載：城建水業(yè)