未来污水处理工艺发展的若干方向.docx
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1、未来污水处理工艺发展的若干方向现代污水处理技术在经历了IOO年的发展之后迎来了新的挑战与机遇,未来污水处理发展的方向将朝着紧凑性、可持续性的方向发展,其中好氧颗粒污泥将向着连续流的方向发展,在实际应用中将会更加注重絮体与颗粒污泥之间的平衡;碳转向是今后污水处理发展的一个重要方向;主流短程脱氮技术的发展愈加深入,未来的突破可能在微生物方面的认识进展;生物膜技术的认识和应用将会更加深入,MABR技术独特的特点使得供氧效率得到极大提高。在上述工艺发展过程中,ICA的应用将更加普及,基于数据调谐的模型应用将显现出强大的力量。1污水处理工艺发展的历史回忆Ll污水处理工艺的发展1914年,英国人Arder
2、n、LoCkett发明了活性污泥工艺,这一事件成为了现代污水发展的起点和重要的标志性事件。自那以后,活性污泥工艺成为污水处理的主流处理技术,围绕着活性污泥工艺,污水处理技术获得了长足的发展,出现了百花齐放的技术格局。活性污泥工艺在经历了早期的专利权问题之后迎来了技术的空前繁荣,主要表达在基本理论的完善和各种变形工艺的出现,尤其是20世纪70年代出现的生物脱氮除磷技术(BNR)成为活性污泥工艺发展的一个重要里程碑,并在某种程度上奠定了当今污水处理技术的主要局面,同时生物膜工艺获得再次发展时机,IFAS、MBBR及BAF等工艺由于其在紧凑性方面的优势在升级改造方面获得了一定的优势。另外在20世纪末
3、,一些创新性的工艺如厌氧氨氧化、好氧颗粒污泥技术逐渐登上了历史舞台,如图1所示。在活性污泥工艺经历了100多年的发展之后,污水处理技术的大厦已经相当完善,目前的污水处理工艺在传统水质方面已经不是问题,北美的研究结果说明,生物脱氮除磷工艺的极限可以到达TN3d的活性污泥工艺,对于HRAS工艺ASM模型难以得到理想的结果。由此,近年来有关HRAS工艺的模型得到了发展,其中之一便是双基质模型用于解释HRAS工艺的特性,双基质模型的核心之处是将溶解性可生物降解有机物(SB)进一步分为快速溶解性可生物降解有机物(SBf)和慢速溶解性可生物降解有机物(SBS),双基质模型认为SBf与SBS同时被生物降解,
4、微生物利用SBf的最大比生长速率较SBS的要高,进一步的试验也验证双基质模型较双阶段模型更为准确,双阶段模型认为微生物首先利用SBf,之后再利用SBSo2.2.2HiCS工艺在对HRAS工艺机理认识不断深入的同时,一些衍生工艺也得到了发展,并展现出更好的发展势头,其中之一便是高负荷接触稳定工艺(见图5)o传统接触稳定工艺是1922年CoolnbS在英国开创,一般SRT3d,通常目的是为了减少反应池的池容。HiCS工艺的SRT一般为0.23d,是HRAS和接触稳定工艺的相互结合,生物吸附能力更强,所需的池容更小,污水的碳转向效率更高。HiCS工艺包括稳定池和接触池,进水直接进入接触池,保持在厌氧
5、或较低的DO环境,回流污泥进入稳定池开展曝气。接触池去除进水有机物的主要机理是微生物在饱食状态下的吸附与胞内贮存,而在稳定池中微生物处于饥饿阶段,大量吸附回流污泥中的颗粒态、胶体态物质。在HiCS工艺中,接触池与稳定池之间会形成一定的基质梯度,迫使微生物经历“饱食-饥饿”的环境,产生一种令微生物倾向于吸附与贮存基质的选择压,起到类似活性污泥工艺中选择器的作用。在HiCS工艺中,当接触池的泥龄为0.3d,好氧的条件下会产生较为明显的EPS,EPS的产生会提高生物絮凝性能,这对于实现能量的最大化回收以及保持良好的污泥沉降性能非常关键。在某种程度上这与好氧颗粒污泥形成的条件之一“饱食-饥饿”有着类似
6、之处。HiCS工艺的发展为实现污水处理的能量自给开辟了一条值得借鉴的方法,污水中蕴含着客观的能量,有的研究结果显示污水中所蕴含的化学能是处理所需能耗的L26倍,但目前绝大多数处理工艺是分解COD,而非回收CODo研究结果显示,HiCS工艺较传统活性污泥工艺能量回收高1倍。通常,传统活性污泥工艺的能耗是27kWh-PE(PE为人口当量),HiCS的能量回收可以到达28kWh-PE,非常有利于实现污水处理的能源自给。HiCS工艺在未来进一步发展的方向仍然是需要更深入了解吸附、贮存、生长及氧化的机理,并在工程尺度的规模上优化设计与运行。2.3主流短程脱氮技术主流短程脱氮技术包括短程硝化反硝化、厌氧氨
7、氧化、厌氧甲烷氧化。目前,厌氧甲烷氧化仍处于根底研究阶段,可能在未来相当长一段时间还难以走向实际工程应用,短程反硝化和厌氧氨氧化的蓬勃的发展势头令人关注。2.3.1现状从工程角度而言,推动短程硝化反硝化及主流厌氧氨氧化发展的动力主要来自于减少或摒弃外加碳源的需求、降低曝气能耗以及追求更小的反应池容。不同的水质特征会影响到主流短程脱氮技术的选择,如果进水碳氮比较高(CN=610)时适合传统硝化反硝化,当碳氮比处于中等水平(CN=3)适宜短程硝化反硝化,当碳氮比较低时(CN1)时适合主流厌氧氨氧化。由于主流厌氧氨氧化的前景巨大,同时短程硝化是厌氧氨氧化的一个必要前提,因此主流厌氧氨氧化成为脱氮技术
8、发展的焦点。目前,国际上主流厌氧氨氧化的技术发展路线大致有四类:颗粒污泥、絮体+颗粒污泥、生物膜/IFAS以及悬浮+生物膜的形式形式尽管主流厌氧氨氧化没有完全成熟,但由于这一技术的巨大吸引力促使世界各地的污水处理厂不断探索实践,同时主流厌氧氨氧化的一些技术措施对传统工艺也是有利,比方侧流向主流工艺的生物强化会提高主流工艺的污泥沉降性能、间歇曝气有助于降低传统工艺的出水TN等。2.3.3未来的发展或许历史中的某些现象可以给未来的发展提供一些启迪。早在1906年就有报道污水在过滤时出现氮损失的现象,特别是在处理稀释的尿液时尤为明显,滤后出水的氮浓度不到原进水的一半,Chick认为这是某种微生物起到
9、了作用。其他的研究者在上世纪30的年代也报道,当亚硝酸盐与氨氮同时存在时会发生“自动氧化”的现象。这种现象虽然难以确切地说明一定是AnanlnloX菌在起作用,但至少说明自然界的氮循环现象比我们想象的要远为复杂。因此,主流厌氧氨氧化的未知领域探索仍需深入,一方面是NOB的抑制,尤其是间歇曝气对NOB的抑制非常关键,这方面的深入研究非常关键;另外一方面是AnamnIoX菌的生长,虽然侧流向主流的生物强化在多个污水处理厂开展了实践,但其确切的机理及意义还需要进一步研究。未来的突破很可能是来自微生物学的研究进展,尤其是需要寻找到一种对亚硝酸盐氮有较强亲和力的Anammox菌,这种Anammox菌的特
10、性也许和侧流工艺中的有很大的不同。2.4生物膜技术无论从人类的伤口感染、中耳炎,还是食品的变质、输水管道内壁的微生物的附着,生物膜存在于人类生活的方方面面,其在污水处理方面的应用历史甚至比活性污泥法还长,最为典型的便是早期滴滤池在欧美各地的应用。虽然生物膜工艺在活性污泥法出现之后应用数量有所下降,但从来没有退出历史的舞台。随着对生物膜机理认识的愈加深入,尤其是在生物膜形成机理及构造稳定性方面的认识促使一些新型生物膜技术得到了发展,这一具有悠久历史的技术正重新焕发出新的光芒。2.4.1、MBBR/IFAS作为生物膜技术的典型代表,MBBR/IFAS工艺在全球有超过1200座污水处理厂45的应用,
11、在未来这种技术将得到更为广泛的应用,其应用的场合不仅限于有机物去除及硝化的目的,还可用于反硝化以及厌氧氨氧化。MBBR/IFAS工艺在未来的发展将在理解生物膜机理方面不断深入,尤其是在生物膜模型方面,目前广为承受的模型是一维模型,但实际上简单的一维模型可能很难真实反映客观世界,特别是有关生物膜水动力学方面的特征。生物膜模型的应用已经成为设计人员研究与应用的一个重要工具。另外,在某种程度上,MBBR工艺与好氧颗粒污泥有着类似之处,EPS对生物膜构造的稳定性方面扮演着重要的角色,这与其对好氧颗粒污泥的作用相似。实际上,在微生物研究者的角度来看,好氧颗粒污泥也是一种生物膜技术。而在工程应用者的角度来
12、看,两者是不同的技术。2. 4.2.MABR在传统活性污泥工艺中,40%60%的能耗用于曝气,但是鼓风曝气只能将5%25%的氧转移到水中,剩余的会以气泡的形式逸出进入大气。相反,如果能将100%的氧转移到水中,鼓风曝气的能耗将降低75%95%。因此,围绕如何有效地利用氧降低能耗始终是污水处理技术研究的一个重要内容。近些年来,在曝气利用效率方面一项颇具发展潜力的生物膜技术是MABR(即膜曝气生物膜反应器)引起业内的广为关注,并被众多研究者广为看好。MABR的主要原理是采用空气在膜丝中进入,生物膜附着于膜材料表面上(如图9所示),曝气的氧利用效率得到了极大的提高。传统微孔曝气技术的氧转移率通常为1
13、2kgO2k-Wh,而MABR可以到达6kgO2kW-h以上,节能效果非常显著。MABR工艺的另外一个特点是基质扩散的相反梯度,如图10所示。在传统的生物膜工艺中,BOD.NH3-N、DO的浓度随着由液相向生物膜的扩散过程中而浓度逐渐降低,这种情对于硝化是不利的,需要有足够的DO能够穿透进入生物膜内部,而这样对生物膜外层的异养菌反硝化又是不利的。在MABR工艺中,BOD与DO在生物膜内的变化情况正好相反,BoD从液相扩散进入到生物膜后逐渐降低,而DO从靠近膜的方向向着液相的方向逐渐降低,这样对于硝化和反硝化都有利,这样MABR工艺在脱氮方面有着独特的技术优势。在具体应用上,MABR工艺可以单独
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