HCR高效好氧生物處理技術(shù)在水處理中的應(yīng)用
HCR工藝具有所需空間少、占地省、設(shè)計(jì)集成合理、COD降解率高、空氣氧利用率高且操作便利安全等優(yōu)點(diǎn)。在紙漿和造紙工業(yè)廢水處理的工程實(shí)例中，其最大的容積負(fù)荷達(dá)到70kgCOD/(m3·d)，反應(yīng)器單體最大容積為1200m3，日處理污水量近23000m3，COD的降解率達(dá)到80%，而剩余污泥的產(chǎn)率小于0.2kgSS/kgCOD。
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。
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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?lài)娚湫纬晌闪魉羟，使氣泡高度?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?zhuān)M(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，采用HCR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。
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