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(lái)，已經(jīng)80多年了。近20年來(lái)，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?jī)?nèi)容，HCR工藝就是這一特定時(shí)期的產(chǎn)物。

1　HCR工藝的主要特點(diǎn)

        HCR工藝(High Performance Compact Reactor)是德國(guó)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(wèn)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(guó)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(guó)、瑞典、加拿大、意大利、法國(guó)、韓國(guó)等國(guó)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(jiàn)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(kāi)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7∶1)，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(guò)垂向循環(huán)混合，使溶解氧達(dá)到最大值，這一過(guò)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(guò)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/(m3·d)，小試可達(dá)100 kg BOD5/(m3·d)；其污泥負(fù)荷值可以超過(guò)6 kg BOD5/(kgSS·d)。

        (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(shù)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(jiǎn)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)槿绱耍捎肏CR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(lái)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(guó)、挪威、中國(guó)、法國(guó)、加拿大等地建成投入運(yùn)行(表1)。

        表1　HCR典型工程實(shí)例運(yùn)行參數(shù)

        實(shí)例1　拉維克市雀斯科夫銳茲公司(TreschowFritze, 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/(m3·d)，COD的降解率達(dá)〖CM(22〗到了70%。廢水中含有過(guò)氧化漂白污水，但它對(duì)于水處理的效果沒(méi)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(lái)自化學(xué)再生系統(tǒng))COD的變化范圍為5 000～10000 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/(m3·d),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2　HCR工藝處理某城市污水效果對(duì)比

3　HCR工藝在中國(guó)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(guó)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(guó)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(lái)廠區(qū)規(guī)劃又大都沒(méi)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(wú)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(guò)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(lái)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?gòu)?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(guó)工業(yè)污水的種類復(fù)雜多樣，城市中水工程正有待開(kāi)發(fā)，HCR工藝在中國(guó)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(guó)產(chǎn)的設(shè)備和附件，使之更加符合本國(guó)的國(guó)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(wèn)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(guò)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(wèn)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。
 

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