水解酸化—生物接觸氧化工藝在污水處理中的進(jìn)展
1 水解酸化-生物接觸氧化工藝概述[1-2]
水解酸化-生物接觸氧化工藝是20 世紀(jì)80 年代以來開發(fā)的水處理新技術(shù)，已被廣泛地應(yīng)用于城市污水、啤酒廢水、印染廢水、合成橡膠廢水等類型的廢水處理中，并取得了較好的效果。
2 水解酸化工藝[3-7]
水解酸化工藝的探討其實(shí)是從污水厭氧生物處理開始的，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和理論分析，逐步發(fā)展為水解酸化生物處理工藝。物料的厭氧生物降解過程可以分為四個(gè)階段。一是水解階段，微生物通過釋放胞外自由酶或連接在細(xì)胞外壁上的固定酶來完成生物催化氧化反應(yīng)主要指大分子物質(zhì)分解為小分子及其水溶物。二是發(fā)酵或酸化階段，酸化菌將上述小分子轉(zhuǎn)化為更為簡單的化合物并分泌到細(xì)胞外，主要產(chǎn)物有揮發(fā)性脂肪酸、醇類、乳酸等。三是產(chǎn)乙酸階段，指上一階段產(chǎn)物被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣、碳酸及新的細(xì)胞物質(zhì)。四是產(chǎn)甲烷階段，指上一階段產(chǎn)物被轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳及新的細(xì)胞物質(zhì)。水解酸化工藝就是考慮到產(chǎn)甲烷菌與水解產(chǎn)酸菌生長速度不同，將厭氧處理控制在反應(yīng)時(shí)間較短的厭氧處理第一和第二階段，即在大量水解細(xì)菌、酸化菌作用下將不溶性有機(jī)物水解為溶性有機(jī)物，將難生物降解的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易生物降解的小分子物質(zhì)的過程。
2.1 水解酸化工藝特點(diǎn)
采用水解酸化池較之全過程的厭氧池或曝氣池具有以下特點(diǎn)：
(1)不需要曝氣系統(tǒng)，也不需要密閉池體，不需要攪拌器，也不需要三相分離器，大大降低了造價(jià)和運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用。
(2)由于水解、酸化反應(yīng)迅速，故有效水力停留時(shí)間短，水解反應(yīng)池體積小，節(jié)省了土建投資。
(3)由于反應(yīng)控制在第二階段完成前，出水無厭氧發(fā)酵的難聞氣味，改善了污水廠站的環(huán)境。
(4)能有效降解有機(jī)物，具有污泥消化池的功能，減少了污泥量，能實(shí)現(xiàn)污水、污泥一次處理。
(5)水解、酸化階段的產(chǎn)物是小分子有機(jī)物，可生化性較好，若結(jié)合后續(xù)好氧工藝使用，實(shí)踐證明具有很好的處理效果。
2.2 水解酸化在水處理中的應(yīng)用
(1)啤酒廠廢水。
采用水解酸化-接觸氧化-氣浮工藝處理，經(jīng)水解酸化處理后出水的BOD5/CODCr 由原來的0.51 提高至0.72。由于水解酸化段的這種對有機(jī)物的去除和對BOD5/CODCr 的改善，不僅有利于后續(xù)好氧處理功能的充分發(fā)揮，縮短了整個(gè)系統(tǒng)的總HRT，而且使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力而運(yùn)行穩(wěn)定。CODCr 和BOD5 去除率分別可達(dá)到96.9 %和98.7 %。
(2)屠宰廠廢水。
屠宰廠的廢水的可生化性高，但懸浮物濃度很高，需要預(yù)處理。采用的工藝為水解酸化-生物吸附再生結(jié)合處理系統(tǒng)，CODCr 去除率可達(dá)93 %以上。
(3)淀粉廠廢水。
某淀粉加工廠排放的廢水，其中大分子物質(zhì)較多，故采用水解酸化-接觸氧化工藝處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，原水經(jīng)過水解階段，BOD5/CODCr 從0.69 上升到0.82，使后續(xù)的好氧處理效率得到提高。CODCr 和BOD5 去除率分別可達(dá)到97 %和98 %。
(4)晴綸廢水。
某廠干法晴綸工藝廢水采用兩相厭氧反應(yīng)器處理，出水BOD5/CODCr 由原來的0.43 上升到0.58~0.71，可生化性得到了很大的提高。
(5)苯胺類廢水。
某化工廠廢水的可生化性不高，不太適合生化處理。但采用厭氧水解-生物接觸氧化法處理這類化工廢水。結(jié)果表明，該工藝厭氧段能增強(qiáng)系統(tǒng)耐沖擊負(fù)荷能力，并有效地提高廢水的可生化性，使BOD5/CODCr 值上升到0.4。好氧段投加特效菌STR-NiTRO 能有效地去除廢水中的苯胺。最終CODCr、BOD5 和苯胺的去除率分別為85.9 %、78 %和97.8 %。
(6)感光膠片廢水。
采用水解酸化-活性污泥法串聯(lián)處理工藝處理某膠片廠廢水，水解酸化池內(nèi)HRT 為8 h，處理效果為BOD5/CODCr 有所提高，從0.47 提高到0.55，CODCr 和BOD5 去除率分別可達(dá)到90 %和95 %。
(7)生物發(fā)酵藥廢水。
采用厭氧-好氧序列間隙式反應(yīng)器進(jìn)行處理某生物制藥廠的廢水，使其BOD5/CODCr 由原來的0.34 升高到0.6，使其可生化性大為提高，而有利于后續(xù)好氧處理功能的發(fā)揮。研究表明，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定高效，COD 總?cè)コ蔬_(dá)78.9 %~92 %，出水COD 低于250~300 mg/L。
(8)中成藥廢水。
采用水解-好氧組合生物處理工藝處理某中成制藥廠的廢水，水解池出水同進(jìn)水相比，發(fā)現(xiàn)其CODCr 并沒有降低，而是pH 降低，揮發(fā)有機(jī)酸升高，BOD5/CODCr 值提高，為后續(xù)好氧生物降解提供了保證。整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，CODCr 去除率和BOD5 去除率均大于90 %，SS 去除率大于85 %，完全達(dá)到處理目的。
(9)制漿中段廢水。
采用水解酸化-活性污泥法處理制漿中段廢水，研究表明，該工藝不僅可將難生物降解的氯代有機(jī)物降解還原，削弱乃至消除上述抑制作用，提高廢水的可生化性，而且可借助于水解酸化污泥的吸附作用使廢水中的部分木質(zhì)素沉淀去除，從而有利于提高好氧段的有機(jī)負(fù)荷并穩(wěn)定和改善處理出水水質(zhì)，CODCr 去除率可達(dá)80 %以上。
(10)龍須草制漿廢水。
龍須草制漿廢水中含有大量難降解的木質(zhì)素質(zhì)及各種有毒的木質(zhì)素降解產(chǎn)物。研究表明，單獨(dú)使用物化法、好氧法或厭氧法，都不能獲得滿意的處理效果。而采用水解酸化預(yù)處理，BOD5/CODCr 由進(jìn)水的0.5 提高到0.65 左右，出水的可生化性大為提高，為后續(xù)的好氧處理創(chuàng)造了良好的條件。
(11)漿粕黑液。
采用完全混合式生物水解池處理漿粕黑液，COD、SS 去除率分別為28 %~38 %、54 %~68 %，VFA 提高3.4~4.7 倍，BOD5/CODCr 提高13 %。染料生產(chǎn)廢水因水中含有難降解的蒽醌和蒽酮及中間體，以及磺酸鹽、醇類等溶劑物質(zhì)及和SO42-、Cl-、Br-等無機(jī)物，使得廢水難以生化處理。采用水解酸化-好氧曝氣方法來處理，水解階段降解了對生化處理有抑制作用的物質(zhì)，使得后續(xù)好氧反應(yīng)順利進(jìn)行，最終COD 去除率可以達(dá)到92 %。
(12)城市垃圾滲濾液。
研究表明，借助于水解酸化作用明顯地改善了混合廢水的可生化性，并促進(jìn)了系統(tǒng)的處理效能和運(yùn)行穩(wěn)定性。經(jīng)ABR反應(yīng)器處理后，混合廢水的BOD5/CODCr 由進(jìn)水的0.2~0.3 提高到0.4~0.6，原水的BOD5/CODCr 越低則效果更為顯著。其后續(xù)好氧處理的運(yùn)行穩(wěn)定性和處理效果比單獨(dú)采用好氧工藝時(shí)得到顯著的改善。
3 生物接觸氧化處理技術(shù)概述[8]
生物接觸氧化法是一種浸沒型生物膜法，污水與填料上的生物膜相接觸，在生物膜上的微生物作用下，污水得以凈化。生物接觸氧化處理技術(shù)的另一項(xiàng)技術(shù)實(shí)質(zhì)是采用與曝氣池相同的曝氣方法，向微生物提供其所需要的氧，并起到攪拌與混合作用，這樣，這種技術(shù)又相當(dāng)于在曝氣池內(nèi)填充供微生物棲息的填料，因此，又稱為“接觸曝氣法”。
生物接觸氧化處理裝置運(yùn)行時(shí)填料全部浸沒在污水中，利用曝氣裝置向水體充氧。生物膜絕大部分附著在固體填料上，少量懸浮于水中，其濃度小于300 mg/L。由于吸附作用，生物膜表面上附著一層滯流薄水層，空氣中氧通過滯流層進(jìn)入生物膜，有氧條件下，污水層內(nèi)有機(jī)物不斷被膜中微生物吸附、氧化分解。滯流水層內(nèi)有機(jī)物濃度遠(yuǎn)低于流動(dòng)層，在傳質(zhì)推動(dòng)力作用下，流動(dòng)層內(nèi)有機(jī)物不斷向滯流水層轉(zhuǎn)移，使流動(dòng)水層在整體流動(dòng)中逐步得到凈化，達(dá)到污水處理目的。在此期間，生物膜的增長、新陳代謝過程與溶解氧值關(guān)系密切，生物膜厚度隨著微生物濃度增加而不斷加厚，當(dāng)滯流層中溶解氧被膜表層微生物耗盡時(shí)，膜內(nèi)層就會(huì)滋生出大量厭氧微生物，造成內(nèi)層微生物群不斷死亡、解體，降低了生物膜與填料表面的粘附力，同時(shí)厭氧微生物發(fā)酵產(chǎn)生的、氣體及膜內(nèi)大量噬膜微型動(dòng)物，也會(huì)影響生物膜在填料表面的附著，使過厚的生物膜在本身重力及污水流動(dòng)力作用下脫落。
3.1 主要特征
據(jù)上所述，生物接觸氧化是一種介于活性污泥法與生物濾池兩者之間的生物處理技術(shù)，也可以說是具有活性污泥法特點(diǎn)的生物膜法，其在工藝、功能以及運(yùn)行等方面具有下列主要特征：
(1)在工藝方面的特征。
本工藝使用多種形式的填料，由于曝氣，在池內(nèi)形成液、固、氣三相共存體系，有利于氧的轉(zhuǎn)移，溶解氧充沛，適于微生物存活增值。在生物膜上微生物是豐富的，除細(xì)菌和多種種屬原生動(dòng)物和后生動(dòng)物外，還能夠生長氧化能力較強(qiáng)的球衣菌屬的絲狀菌，而無活性污泥膨脹之慮。在生物膜上能夠形成穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)與食物鏈。
填料表面全為生物膜所布滿，形成了生物膜的主體結(jié)構(gòu)，由于絲狀菌的大量滋生，有可能形成一個(gè)呈立體結(jié)構(gòu)的密集的生物網(wǎng)，污水在其中通過，起到類似“過濾”的作用，能夠有效地提高凈化效果。由于進(jìn)行曝氣，生物膜表面不斷地接受曝氣吹脫，這樣有利于保持生物膜的活性，抑制厭氧菌的增值，也宜于提高氧的利用率，因此，能夠保持較高濃度的活性生物量。正因?yàn)槿绱耍锝佑|氧化處理技術(shù)能夠接受較高的有機(jī)負(fù)荷率，處理效果較好，有利于縮小池容，減少占地面積。
(2)在運(yùn)行方面的特征。
對沖擊負(fù)荷有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，在間歇運(yùn)行條件下，仍能夠保持良好的處理效果。
操作簡單、運(yùn)行方便、易于維護(hù)管理，無需污泥回流，不產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象，也不產(chǎn)生濾池蠅。
污泥生成量少，污泥顆粒較大，易于沉淀。
(3)在功能方面的特征。
生物接觸氧化處理技術(shù)具有多重凈化功能，除有效地去除有機(jī)污染物外，還能夠用以脫氮，因此，可以作為三級(jí)處理技術(shù)。
生物接觸氧化處理技術(shù)的主要缺點(diǎn)是如設(shè)計(jì)和運(yùn)行不當(dāng)，填料可能堵塞，嚴(yán)重時(shí)影響處理水質(zhì)。此外，布水、曝氣不易均勻，可能在局部部位出現(xiàn)死角。
3.2 工藝組成
典型的生物接觸氧化處理工藝由接觸氧化池接觸氧化床或生物反應(yīng)器、生物填料載體、布水系統(tǒng)和曝氣系統(tǒng)四部分組成。目前，接觸氧化池在池體形式上，按曝氣裝置的位置，分為分流式與直流式按水流循環(huán)方式，分為填料內(nèi)循環(huán)與外循環(huán)式。分流式接觸氧化池根據(jù)曝氣裝置的位置又分為中心曝氣型與單側(cè)曝氣型兩種。
4 生物接觸氧化法中填料的應(yīng)用
4.1 生物接觸氧化對填料的要求
生物接觸氧化處理技術(shù)的核心部分為生物填料，它是生物膜的載體，污水凈化過程就是附著于填料之上以及懸浮于填料之間的微生物的新陳代謝過程。填料的特性對生物膜的性狀、氧的利用率和水力分布條件等起重要作用，是直接影響生物接觸氧化工藝處理效果的關(guān)鍵因素。
4.2 生物填料的種類及特點(diǎn)
填料可按其放置方式的不同，分為固定式、懸掛式和分散式。
(1)固定式填料。
固定式填料以蜂窩狀及波紋板狀填料為代表，多用玻璃鋼、各種薄形塑料片構(gòu)成。這種填料具有一系列的特征，其中主要是比表面積大，從133 m2/m3 到360 m2/m3(根據(jù)內(nèi)切圓直徑而定);空隙率高，達(dá)97 %~98 %;質(zhì)輕但強(qiáng)度高，堆積高度可達(dá)4~5 m;管壁光滑無死角，衰老生物膜易于脫落等。
(2)懸掛式填料。
這種填料一般是用尼龍、維綸、滌綸、晴綸等化纖編結(jié)成束并用中心繩連結(jié)而成，理論比表面積較大、空隙率大于90%，掛膜快、空隙可變，而且出水穩(wěn)定，處理效果較好，和COD 和BOD5 去除率達(dá)80 %以上。
20 世紀(jì)80 年代由北京紡織科學(xué)研究院開發(fā)的半軟性填料由填料單片、塑料套管和中心繩三部分組成，所有組成部分均采用耐酸、耐堿、耐老化性能較好的低密度聚乙烯為原料。
(3)分散式填料。
分散式填料包括懸浮式、堆積式填料，種類繁多，特點(diǎn)是無需固定和懸掛，只需將之放置于處理裝置之中，使用方便，更換簡單。其中以懸浮式填料應(yīng)用最為廣泛。懸浮式填料掛膜后密度接近于水，在曝氣池中以懸浮形式存在，其用量以體積計(jì)約為曝氣池體積的20 %~70 %。工程中應(yīng)用較多的懸浮式填料主要有多面空心球填料、內(nèi)置式懸浮球填料、Kaldnes 懸浮填料和Natrix 懸浮填料等。
曹斌采用Kaldnes 懸浮填料處理城市污水，當(dāng)HRT=5.5 h，有機(jī)負(fù)荷為0.21~0.51 kgCO/(kg 總生物量.d)時(shí)，COD、TOC和氨氮的去除率分別大于89 %、81 %和72 %。夏四清采用Natrix 懸浮填料處理石化廢水時(shí)不僅得到了較好的COD 去除效果，而且提高了氨氮的去除率。
5 生物接觸氧化處理技術(shù)在污水處理中的研究進(jìn)展
生物接觸氧化法是在接觸濾池和生物濾池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它始于十九世紀(jì)末，1912 年Closs 在德國取得了專利登記。最早應(yīng)用于實(shí)際工程是在德國巴哈和美國布斯維爾。日本學(xué)者小島貞男從河流自凈現(xiàn)象中得到啟發(fā)，他發(fā)現(xiàn)河床的礫石表面生長的一層生物膜，對水體中的污染物有明顯的凈化作用，經(jīng)試驗(yàn)研究，首先提出了“管式接觸氧化”構(gòu)想。
1988 年，Selensel 等學(xué)者對生物曝氣濾池進(jìn)行了分析研究和評(píng)價(jià);1990 年，Condren 等學(xué)者對生物曝氣濾池進(jìn)行技術(shù)評(píng)價(jià)。1994 年，Puiol 等學(xué)者提出生物濾池是一種靈活而可靠的生物反應(yīng)器;1998 年，Aesly 等學(xué)者用固定生物膜反應(yīng)器，對不同碳源有機(jī)物進(jìn)行了反硝化試驗(yàn)研究;2000 年，Wijeykoon 業(yè)學(xué)者采用固定床生物曝氣填料研究了生物硝化活性對二級(jí)出水的影響。
1999 年，鄒楊善發(fā)表文章，提出“生物接觸氧化法處理城市污水只需一小時(shí)左右”，并從理論和實(shí)踐進(jìn)行了分析;同濟(jì)大學(xué)肖羽堂、許建華采用生物接觸氧化+混凝法處理水中致突變污染物;中國礦業(yè)大學(xué)邵武、李中和采用接觸氧化+膜分離進(jìn)行中水回用;同濟(jì)大學(xué)梅翔、高廷耀對YDT、TA 及PWT3 種填料的生物接觸氧化法處理效果進(jìn)行了初步比較試驗(yàn);廣東省江門市環(huán)保局鄭展飛采用COR 處理制革廢水;2000 年，蘇州科技學(xué)院楊栓大、沈耀良采用軟性填料序批式COR 處理中小城鎮(zhèn)生活污水脫N 除P 工藝試驗(yàn);大連水產(chǎn)學(xué)院高光智、陳輔利進(jìn)行了污水處理溪流式生物接觸氧化法研究;河北理工學(xué)院劉貫一采用超濾膜作載體的COR 處理生活污水，試驗(yàn)表明，HRT 為3 h，COD、BOD5、SS、氨氮去除率分別可達(dá)83%、92 %、94 %和60 %;同濟(jì)大學(xué)畢學(xué)軍、高廷耀采用在活性污泥好氧段投放高硬度聚乙烯懸浮小球作載體，以強(qiáng)化系統(tǒng)的硝化功能，提高系統(tǒng)的脫N 除P 效率。同濟(jì)大學(xué)曹微寰、周琪采用COR 處理難降解的糖精酷化廢水;2001 年，廣東省水利水電科學(xué)研究所賴翼峰對COR 反應(yīng)內(nèi)水流的混摻特性進(jìn)行了分析研究;王寶貞等進(jìn)行了彈性填料COR 處理掛膜試驗(yàn)研究，提出水溫高，有利于掛膜，水溫低于15 ℃，自然掛膜困難;在掛膜期間，采用較小的曝氣強(qiáng)度和氣水比有利于掛膜。近20 余年來，接觸氧化技術(shù)在國內(nèi)外都得到了廣泛而深入的研究與應(yīng)用。
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