采用懸浮生物載體使污水再生的方案設(shè)計(jì)方案
作者：不詳
供稿單位：廣州威固環(huán)保設(shè)備有限公司
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發(fā)布時(shí)間：2008-8-28
應(yīng)用領(lǐng)域：
l、污水再生的必要性
近些年來(lái)，水環(huán)境污染和水資源的缺乏，制約了社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，將威脅著人類(lèi)本身的生存，因而污水的治理和資源化迫在眉睫。國(guó)家在這方面已制定了優(yōu)惠政策，鼓勵(lì)開(kāi)辟這個(gè)第二水源，是今后水工業(yè)發(fā)展的方向。當(dāng)前對(duì)水資源要加以保護(hù)，不能無(wú)度開(kāi)發(fā)和污染；另一方面，水資源又是可再生的，如地表水在大氣環(huán)流作用下，通過(guò)降雨補(bǔ)充，水體自凈和人為的凈化處理，供水緊張的局面是可以緩解的。水是可再生的資源，那么水工業(yè)的發(fā)展成為循環(huán)經(jīng)濟(jì)是可行的。
目前，我國(guó)城市污水約有30％的處理能力，由于各地的自然條件，水質(zhì)特點(diǎn)，投資商的意愿和經(jīng)濟(jì)實(shí)力不同，污水處理工藝呈現(xiàn)多種選擇，而處理后的出水水質(zhì)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)資源化也存在各自的問(wèn)題。另外，再生水的用處對(duì)水質(zhì)有不同的要求，所以污水深度處理工藝應(yīng)該因地制宜、有針對(duì)性的。但總的原則是采用經(jīng)濟(jì)，適用，便于管理，行之有效的凈化方案。
城市污水處理一般為二級(jí)生化處理。對(duì)于可生化的有機(jī)物能去掉絕大部分，不可生化的仍存在于水中。即使A／O及A2／0 工藝雖然能達(dá)到除磷或同時(shí)除磷脫氮的目的，但對(duì)于排入富營(yíng)養(yǎng)化限制比較嚴(yán)格的水體以及回用于工業(yè)生產(chǎn)往往是不合乎要求的，因?yàn)槲勰嗷亓魉械腘03-N影響厭氧狀態(tài)下磷的釋放。厭氧釋磷和反硝化脫氮互相爭(zhēng)奪碳源。生物濾池對(duì)于除磷脫氮的功能效果也不佳。當(dāng)前的深度處理工藝，多采用給水常規(guī)處理，只通過(guò)混凝沉淀和砂濾，對(duì)于進(jìn)一步去除污水處理廠出水中的CODcr，TN及TP的作用不大，CODcr僅能去除30％左右，TN及TP幾乎沒(méi)有去除效果。至于臭氧活性炭或膜濾法等高級(jí)水處理技術(shù)，大規(guī)模的用于污水資源化，因基建投資（1500～1700元/米3.水）和運(yùn)行成本太高（1.0～1.3元/米3.水），管理上技術(shù)復(fù)雜,難度大,推廣應(yīng)用受到限制。
2、氧化及氣浮生物懸浮載體機(jī)理
我院多年在總結(jié)常規(guī)水處理各種技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)于混凝進(jìn)行強(qiáng)化及處理單元的優(yōu)化組合，設(shè)計(jì)出“氣浮生物懸浮載體水處理工藝”。該工藝的各項(xiàng)技術(shù)環(huán)節(jié)都是成熟可靠的，是常規(guī)水處理技術(shù)的合理配置，是針對(duì)污水經(jīng)二級(jí)生化處理后的出水水質(zhì)的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。二級(jí)生化處理二次沉淀池的出水CODcr／BOD5的比值增大。CODcr反映了高分子有機(jī)物生化比較困難而殘存在水中。若將CODcr進(jìn)一步去除，可采用化學(xué)氧化的方法，使高分子有機(jī)物氧化分解為可溶的低分子有機(jī)物，提高可生化性，再進(jìn)行生化處理使其變?yōu)镃O2和H2O。氧化藥劑一般采用高錳酸鹽或二氧化氯。其投加量為2-5mg／L。反應(yīng)時(shí)間10-15分鐘。
經(jīng)二級(jí)生化處理后的凈化水，再進(jìn)一步生化處理是很難的。因?yàn)樵偕锌缮挠袡C(jī)物殘存量很低，一般CODcr 50-lOOmg／L，BOD5僅為lOmg／L左右。一些研究者為提高生化效果，認(rèn)為采用一般的生物載體會(huì)有很大希望。但是經(jīng)考察和試驗(yàn)，一般生物載體并不像所希望的那樣，能提高生化反應(yīng)的效果。因?yàn)榛|(zhì)去除速率和生物體的增量主要決定污染物基質(zhì)的濃度L，及生化曝氣時(shí)間t，如下式：
基質(zhì)濃度L越高，曝氣時(shí)間t越短，生物體X才能快速對(duì)數(shù)增長(zhǎng)，基質(zhì)去除率 也更高。而現(xiàn)行的生物載體有陶粒、塑料填料，沸石，化學(xué)纖維等，這些載體比表面積小，吸附能力很差。如陶粒比表面積為4米2／克，沸石為30米2／克，其他載體比表面積更小。再生原水中有機(jī)物濃度低，在這樣的載體上微生物生長(zhǎng)及其生化反應(yīng)速率是非常慢的，所以在其表面很難形成生物膜，CODcr僅能去除30％左右。
懸浮生物載體主體是活性炭，活性炭是水處理的高效吸附劑，比表面積一般是800-1200米2／克，其強(qiáng)烈的吸附能力，能使水中低濃度的污染質(zhì)經(jīng)吸附富集，濃縮于活性炭的孔隙中，在孔隙內(nèi)部提高了有機(jī)物的濃度。在氣浮池中由于曝氣水不斷地向水中充氧，加壓溶氣幾乎使溶解氧達(dá)到飽和的程度。水中溶解氧給微生物造成高速生長(zhǎng)繁殖的有利條件，每個(gè)活性炭細(xì)粒均充分發(fā)揮了高效生化反應(yīng)，將很快的形成生物膜。細(xì)顆粒炭表面形成的細(xì)菌生物膜內(nèi)層和外層對(duì)水處理起到不同的作用。生物膜的外層是處于好氧狀態(tài)，不斷地氧化消耗所吸附的有機(jī)物，使其無(wú)機(jī)化變?yōu)镃O2 和H2O，并產(chǎn)生硝化作用，將NH3-N變?yōu)镹03-N。生物膜的內(nèi)層是處于厭氧狀態(tài)，由于吸附富集大量有機(jī)物，提供了足夠的碳源，以及N03-N強(qiáng)烈的向內(nèi)層滲透，厭氧菌在厭氣條件下利用N03-N中的氧而產(chǎn)生反硝化，變?yōu)镹2逸出，實(shí)現(xiàn)了厭氧脫氮的作用。生物膜內(nèi)厭氧層中細(xì)菌分泌的胞外酶可大量的進(jìn)入活性炭微孔，將高分子和不溶性的有機(jī)物分解為低分子，以供外層好氧菌生化利用。另外，在厭氧條件下分解高分子有機(jī)物的作用，則化學(xué)氧化可以由生化作用所替代。
載體表面生物膜的新陳代謝和更新過(guò)程，也體現(xiàn)了活性炭的再生機(jī)理。生物膜與炭粒表面接觸的厭氧層中，不斷地產(chǎn)生N2、CO2、H2S、CH4等氣體，減少了生物膜與炭粒表面的附著力。所以生物膜在水流的作用下，周期性的脫落和重新生長(zhǎng)。與此同時(shí)活性炭孔隙中吸附的有機(jī)物也消耗殆盡，被其占據(jù)的表面積得到再生。Weber等人的研究，認(rèn)為生物再生率可達(dá)到70％左右。我國(guó)北方大慶采用的生物活性炭。已運(yùn)行了多年，因采用工程菌生化再生，其處理效果仍不見(jiàn)減弱。
生物載體除磷機(jī)理是在生化反應(yīng)過(guò)程中，菌體的大量生長(zhǎng)作為必要的營(yíng)養(yǎng)素，磷被吸收，貯存積累于體內(nèi)。在排出老化的生物膜的同時(shí)，磷也被除掉。氣浮過(guò)程中凈化水無(wú)厭氧環(huán)境，出水中含磷量低，所以本工藝生物除磷具備特殊的優(yōu)勢(shì)。為進(jìn)一步提高除磷效果，在氣浮池可投加少量的混凝劑，也更有利于微氣泡與炭粒的粘附。氣浮微氣泡與炭粒的粘附主要原因是兩者的疏水性都很強(qiáng)的特性，還有生物絮凝作用。
因?yàn)槲鬯幚韽S的出水中，懸浮物SS值一般都低于20mg／l，對(duì)活性炭的吸附作用無(wú)影響。
氣浮生物懸浮載體主要是活性炭的改型問(wèn)題。通過(guò)試驗(yàn)研究，載體的真比重與粒度決定了其使用方式。對(duì)于水質(zhì)凈化采用草本及木本為原材料生產(chǎn)的活性炭是比較適宜的。其粒度既不是常規(guī)做的濾料的粗粒活性炭，也不是單純做為吸附劑的粉末活性炭，而是采用改型的細(xì)粒活性炭。常用的活性炭的真比重最高達(dá)2．2，最低為0．8。所選擇的真比重與粒度適合的活性炭在氣浮絮凝池中處于懸浮狀態(tài)，在系統(tǒng)中循環(huán)浮上分離，形成氣、固、液三相生物流化床，充分的保證了生化反應(yīng)的有利條件，達(dá)到了使活性炭高效吸附、生化和再生的目的。
細(xì)�；钚蕴吭谙到y(tǒng)中循環(huán)使用．在氣浮池的水中活性炭維持的濃度，主要是使低濃度有機(jī)質(zhì)的濃縮，投量過(guò)高是沒(méi)必要的。僅補(bǔ)充1～5mg／L的投加量即可。用于污水處理的活性炭?jī)r(jià)格5元／公斤，則每噸水的成本僅提高0．005～0．025元／米3水。做為懸浮載體的細(xì)粒炭?jī)r(jià)格更低。
活性炭的常規(guī)使用方法有做為吸附劑的粉末炭，投加于水中隨絮體沉淀，通過(guò)排泥一次性廢掉。投加量一般為30mg／L左右。還有粒狀炭用作濾料，起到吸附和生物載體作用。當(dāng)作濾料用需要再生，一般使用半年左右就要失效，達(dá)到再生周期。活性炭再生勢(shì)必給管理上造成麻煩，而且再生費(fèi)用也比較高，約800-1000元／噸(炭)�；谏鲜銮闆r在活性炭的使用上就受到了限制。實(shí)際上活性炭的吸附及生化反應(yīng)在水質(zhì)凈化方面具備高效多功能作用。就是因?yàn)閮r(jià)格過(guò)高，這種多功能高效凈化水的作用得不到充分發(fā)揮和合理的應(yīng)用。
氣浮生物活性炭是一種生物流化床，活性炭在絮凝過(guò)程中均處于懸浮回流狀態(tài)。一部分較輕的細(xì)粒炭進(jìn)入氣浮池與微氣泡粘結(jié)上浮變?yōu)榕菽�。泡沫收集到池外，通過(guò)水力旋流器將活性炭分離出來(lái)，再回流到氣浮反應(yīng)池前部重新使用。老化的生物膜及污染質(zhì)在旋流分離器上部以泡沫的形式排掉。該項(xiàng)新工藝在活性炭的選型和使用方法上的改進(jìn)，為活性炭?jī)艋|(zhì)的領(lǐng)域開(kāi)拓了新的途徑（2004年8月我院獲得發(fā)明專(zhuān)利，ZLO11060689）氣浮池的出水SS可達(dá)5mg／L以下，C0Dcr 40mg／L以下，NH3- N<10mg／L，TP<2mg／L。如果氣浮出水再經(jīng)過(guò)濾，出水水質(zhì)可進(jìn)一步提高，CODcr<30mg／L，SS<2mg／L，NH3-N<3mg／L，BOD5<5mg／L，TP<1mg／L。這樣的水質(zhì)經(jīng)消毒后，用于生產(chǎn)冷卻水是完全可行的。
3、工程設(shè)計(jì)方案
凈化工藝流程的設(shè)計(jì)，主要是考慮投氧化劑、混凝劑、活性炭的順序及其互相影響的問(wèn)題。氧化劑要投在混凝劑之前。因氧化劑除氧化作用外，尚有助凝作用�；钚蕴康墓潭ù不蛄骰�，設(shè)在沉淀之后，濾池之前。這樣氧化滅菌作用，對(duì)生物活性炭的生化反應(yīng)無(wú)影響。
生物活性炭接觸氧化，可采用活性炭濾池固定床或氣浮流化床的形式。如二次沉淀池出水欠佳，SS>20mg/L，C0Dcr>50mg/L，除建氣浮池外，其后再建活性炭為載體的生物接觸氧化固定床。固定床對(duì)活性炭型號(hào)的選擇。不受粒徑和真比重的限制。
如二沉池出水水質(zhì)較好，可直接在氣浮池中采用氣浮生物炭流化床的形式如圖1．
氣浮池中投加特制的活性炭，就設(shè)計(jì)配置成氣浮生物炭流化床。氣浮池前的絮凝段采用微孔曝氣的反應(yīng)形式，特制的細(xì)粒炭在曝氣池中懸浮流動(dòng)，與水進(jìn)行充分接觸。曝氣絮凝池是微孔曝氣的外加能量進(jìn)行攪拌，曝氣強(qiáng)度氣水比不大于2∶1。曝氣絮凝池水流進(jìn)入氣浮池前，活性炭絕大部分進(jìn)行內(nèi)回流。老化生物膜和吸附的雜質(zhì)，以及少部分炭粒隨水進(jìn)入氣浮段(如圖1)，以泡沫的形式從氣浮池的表面排除池外。因活性炭比重較大，通過(guò)水力旋流分離出來(lái)后，再回流到氣浮反應(yīng)池前，起到生物細(xì)菌接種的作用。
生物炭固定床工藝流程如圖2所示，這種形式比較復(fù)雜．基建投資較貴。
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