未来污水处理工艺发展的特征与方向

来源:建树环保 2019-01-25 17:10:34 917

  在展望未来之前,首先让我们回顾一下污水处理技术的发展历史。19世纪末期对污水的曝气促使了活性污泥法在1914年出现,这一事件事实上成为现代污水发展的起点;进入20世纪中后期后,污水处理的基本理论体系逐渐建立,同时出现了活性污泥法的各种变形工艺,尤其是上世纪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机会,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,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。

  从过去这100年的污水处理技术发展历程来看,污水处理技术正朝着越来越“密集化(Intensification)”的方向发展。密集化这个概念实际上是一个化工行业的术语,它是强调以化工原理和反应工程以及相关平衡特性为基础,通过采用新设备、新工艺,显著提升反应的过程速率,使工厂布局更加紧凑,提升能量效率,减少废物排放。Intensification这个词的中文翻译有强化的意思,但我觉得这个强化和污水处理技术领域经常提到的一级强化处理(CEPT)、强化生物除磷(EBPR)还不是完全一样。Intensifcation称之为密集化可能更合适一些,它的意思是工艺的发展将会使占地面积更小、能耗更低、处理能力更强、功能更多,下面通过几个具体的技术来阐述密集化的概念。

  未来的发展是建立在现有的基础上的,那么我们可以看看这个传统污水处理工艺如何走向未来。

  在污水处理领域近些年一个重要的动向是一级处理技术的发展,出现了几个新的工艺。第一个是旋转带式过滤机(RBF),占地面积非常小,只占初沉池面积的10%左右,效率和初沉池的效率差不多,BOD去除率约20~30%、SS去除率约50~60%。

  另外一个技术是滤布一级过滤(CMPF),滤布滤池在三级处理中已经应用了很多年了,但是应用于一级处理还是最近一两年的事情,滤布一级过滤可以实现75-85%的SS去除率、45-60%的BOD去除率,一级处理的占地面积减少75%,同时下游的生物处理能耗也得到了降低。

  这是加州的一个污水厂,用的是滤布一级过滤,SS去除率在80%左右。从一级处理技术发展的动向来看,密集化是一个明显的特征。

  我们再看看二级处理,下面这个图反映的是IFAS工艺促使硝化工艺更加密集化的发展,上面的曲线是考虑安全因子为2.3时的传统硝化最低泥龄曲线,下面的曲线是应用IFAS工艺之后的最低泥龄,可以看出IFAS工艺中的泥龄已经远远低于硝化的最低泥龄,这实际上是一种密集化的表现。

  这些年发展势头良好的另外一种生物膜工艺是MABR。MABR是在膜丝中打入空气,生物膜附着于膜材料的表面上。DO和COD在传统生物膜工艺上是同方向的扩散,由于传质的要求,所需的DO很高,这样不仅能耗较高同时也不利于反硝化。MABR上的生物膜与此不同,内层的硝化菌最先接触到DO,也没有COD对DO竞争,非常有利于硝化。同时外层异养菌可以首先利用低DO环境下液相中的COD进行反硝化,对反硝化也很有利。

  实际上,MABR的概念早在70年代就有人提出了,经过了30-40年的发展才出现了一些商业化的技术。MABR在应用时可以置于缺氧池内,膜丝在传氧的同时附着大量硝化菌,显著减少占地面积。

  传统微孔曝气的氧转移率约3.6-4.8kgO2/h,而MABR的氧转移率大概是6~8 kgO2/h ,节能40%左右。因此,MABR工艺较传统IFAS工艺更加密集化。

  MABR现在还处于快速发展阶段,不断从示范性项目转向工程化规模,美国第一座MABR项目规模只有1.4万吨,OTE可以达到33%,生物膜上的硝化菌达到40%。

  现在谈谈大家比较关注多的好氧颗粒污泥技术,实际上在活性污泥工艺发展的历史中有人就观察到了颗粒污泥的现象。比如70年代的时候James Barnard在接触稳定的试验中注意到,接触区的污泥浓度只有22000mg/L,接触时间15分钟,没有底流排泥,Barnard观察到了明显的颗粒污泥现象,像“粗砂”一样。

  在现实中有时候也可以看到这种现象,美国田纳西州一个处理厂,处理规模是54万吨/日,其絮体粒径约200~500um,颗粒污泥的现象很明显。中国海宁的污水厂在2010年也有报道其污泥粒径约0.5mm,SVI约48,污泥沉降性能非常好。

  现在对颗粒污泥形成的机理有非常多的研究,包括饱食-饥饿选择、有机负荷及基质的组成、剪切力、选择性排泥等等……

  那么好氧颗粒污泥的技术密集化体现在以下几个方面,首先是占地面积比较小,可以节省占地面积75%,另外能耗可以节约25~35%。

  这是荷兰北部的一座污水处理厂,经过扩建之后原有的工艺不仅占地面积大,而且只能处理45%的水量,而扩建选用的好氧颗粒污泥技术可以处理55%的水量,其占地面积比原来的还要小,另外好氧颗粒污泥的出水TN可以达到7mg/L,原有工艺的出水TN只能达到12mg/L。

  这些年发展的另外一个热点技术是主流短程脱氮,传统硝化反硝化是一个比较长的过程,需要消耗4.57g氧、4.77gCOD碳源,短程硝化反硝化相对密集化一些,消耗3.42g氧、2.86gCOD碳源。到了厌氧氨氧化,能耗更低,消耗1.9g氧,不消耗COD,密集化的程度更高。

  现在很多大学、公司都在攻克这项技术,也出现了多种技术流派,但目前还没有出现公认的重大突破或者工程性应用。但一些特殊地区的现象值得深入研究,比如新加坡樟宜再生水水厂,水温达到了将近30℃左右,总泥龄5天,好氧泥龄2.5天,在好氧区出现了明显的亚硝盐氮累积的现象,NOB得到明显抑制,而缺氧区的进出水的氨氮、亚硝酸氮同时明显降低,预示厌氧氨氧化现象的存在。但这个现象的进一步验证以及更大范围的推广还需要做很多深入工作。

  主流工艺的密集化还体现在仪表与控制方面,比如有的处理厂用的是DO的控制,DO控制很稳定不一定意味着出水氨氮很稳定,所以很多处理厂又加入了氨氮的仪表,把氨氮作为一个信号。而有的处理厂为了把总氮控制在稳定的水平,又加了硝酸盐氮仪表,仪表更多,控制系统也更加复杂。

  上面讲的是主流工艺的密集化,下面谈一谈侧流工艺的密集化,磷回收是常见的一种侧流技术。

  磷回收有多种技术,可以从消化污泥中回收磷,也可以从消化液中回收磷,还可以从焚烧的灰分中回收磷。比如常见的Airprex磷回收技术,它不仅只是为了回收磷,还可以缓解管道堵塞,提高污泥脱水效果。像我们在日常生活中吃的鱼罐头里面会有意加入磷酸盐,是为了保持水分,所以把磷拿出来也会提高污泥脱水的效果。此外还减少厂内回流液的磷负荷影响。所以,磷回收这个单元技术将很多功能集中在一个单元,这个单元技术更加功能密集化。

  这是现在磷回收全球的项目分布,欧洲和美国是绝大部分的,亚洲主要集中在日本。

  另外一个重要的侧流技术就是侧流脱氮,侧流脱氮的发展历程经历了生物强化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化几个阶段。生物强化是利用污泥消化液中氨氮浓度较高的特点,通过生物强化,提高主流工艺的硝化性能,节约主流工艺30%池容,但是依然需要足够的供氧与投加化学药剂;短程硝化、反硝化可以进一步减少供氧的需求(减少25%),另外也会减少40%左右的碳源需求。更进一步的密集化厌氧氨氧化则会减少60%的供氧需求、无需碳源。

  现在污泥处理工艺上讨论比较多的是热水解技术,热水解是污泥在高温高压条件下(150~170℃、6-9bar),经历20~30min,使污泥的性质完全改变,细胞壁破碎、EPS溶解。

  通过热水解之后污泥消化的效能得到显著提高,厌氧消化的时间大为缩短,进入消化池的污泥浓度大幅度提高,消化池的池容可以减半,同时提高脱水污泥含固率,增加一定比例的沼气产量,减少污泥臭味,这项技术将多项功能密集化集中在一个单元上。

  从上面的一级处理、主流生物处理、侧流工艺以及污泥处理工艺的发展来看,密集化的发展趋势正由过去反应器减少带来能量上升,转变为反应器减小的同时能耗降低、功能增强、全寿命周期成本更低。另外,技术的密集化发展总是有一定的周期,各种技术呈现在不同的波峰波谷之中,MABR、主流短程脱氮还停留在示范项目的阶段,好氧颗粒污泥现在基本处于第一代,像IFAS工艺已经非常成熟了。

  简单总结一下,未来的污水处理技术将朝着越来越密集化的方向发展,单个反应器的空间将越来越小、处理效率更高、能耗更低、实现的功能更加多样化、工艺控制更加精准,就像以前电话功能非常单一,现在手机的发展,体积越小,功能越多。

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