废水处理一体化生物反应器的研究进展

废水处理一体化生物反应器的研究进展

有许多生物处理装置，历史悠久。作为其中之一的新生物处理装置，综合检测器已经使用了20多年。由于投资少、土地面积小、管理运营方便等优点，深受喜爱，在各种废水处理中得到了广泛应用。1更早的一体化生物反应传统的废水处理方法通常由多个单元操作组成,但工艺流程过于复杂,针对此弊端,一体化反应器被提出和逐渐发展起来.1.1沉池水净化体系最早的一体化反应器要数一体化氧化沟,由Pasveer教授1954年在荷兰Voorschoten研制成功,当时虽并未提出一体化的概念,但其却集曝气、沉淀、泥水分离和污泥回流功能为一体,并无需建造单独的二沉池.此后,一体化氧化沟的概念在20世纪80年代初由美国提出,然后逐渐发展起来.一体化氧化沟将二沉池建在氧化沟内,减少了20%～30%的占地面积;不设污泥回流泵等相关设施,大幅度节省了基建投资,还可降低能耗和运行费用;管理方便,能承受较大的冲击负荷.其应用迅速而广泛,多用于城市污水的处理,截至2001年,美国已建有近百座一体化氧化沟.1.2sbr反应池到了20世纪70年代,序批式反应器SBR(sequencingbatchreactor)开始被研究并发展起来.其最大的特色为只有一个SBR反应池,不但具有一般曝气池降解污染物的作用,还可调节水质水量和固液分离;另外,它提供了一种在时间上进行各种目的的操作方法.由于无需再另设调节池、沉淀池及污泥回流设备,因此简化了工艺,节省了占地面积和投资运行费用;另外还能灵活适应水质的变动;具有耐冲击负荷和反应推动力大、能够有效地抑制污泥膨胀的发生、出水水质好等优点.被国内外广泛应用于生活污水和各类工业、农业污水的处理.1.3好氧生物处理法一体式膜生物反应器是膜生物反应器MBR(membranebioreactor)中的一类,1989年首先由日本学者Yamamoto开发出来.它是将膜组件置于生物反应器中进行固液分离,以此代替传统活性污泥法的二沉池.其运行能耗低,能截留大量的生物量,提高处理效率,此外还具有结构紧凑、体积小、活性污泥易于清洗等优点.一体化MBR相比于传统的活性污泥法可大幅度提高出水水质,硝化能力更强,固液分离效果更好,较适用于中小规模的污水处理,广泛应用于生活污水和工业废水的处理.但一体化MBR单位膜的处理能力小,膜的污染较严重,透水率较低.在运行稳定性、操作管理方面和膜清洗更换上不及分置式MBR.不难看出,这些早期的一体化生物反应器形式较单一,主要将生物反应与固液分离相结合来实现一体化,主体工艺多为好氧活性污泥法,在脱氮除磷方面效果较差.2体化生物反应器社会经济的不断发展导致生活污水及工业废水的污染日趋严重,由于布局分散、数量大,特别适合运行成本低、管理操作简便、占地小的一体化污水生物反应器来处理.因此,结合传统污水处理工艺,在不断的改进下,越来越多的一体化生物反应器被开发出来,并得到了广泛的应用.2.1体化反应器中的应用以活性污泥法为主体的一体化反应器,其抗冲击负荷能力一般较差,能耗大,且有剩余污泥、污泥膨胀等问题,较适合水质水量稳定的生活污水等处理.生物膜法采用细胞固定化技术,生物量大大提高,相对于活性污泥法有较强的抗冲击能力,污泥产量低且沉降性好,动力费用低,管理方便,将其应用在一体化反应器中具有特有的优势.2.1.1日处理工艺流程.日现有较多的一体化反应器采用接触氧化法作为其生化处理部分,其填料多为组合软填料,质轻、高强、物理化学性质稳定,比表面积大,生物膜附着能力强,污水与生物膜的接触效率高,处理效果好,无污泥膨胀.如某机场扩建工程污水处理厂采用的一体化污水处理设备是将一沉池、Ⅰ、Ⅱ级接触氧化池、二沉池、污泥池集中一体的设备,可设于地面上,也可埋于地下.其占地面积少,工程投资少,管理、操作简单,出水水质稳定,污泥产量少并易于处理.日污水处理量可达4000t/d,进水COD400mg/L,BOD200mg/L,SS200mg/L,出水COD120mg/L,BOD30mg/L,SS30mg/L,达到了排放标准.2.1.2生物反应器mbr华南理工大学的苏国先等结合传统的生物转盘,开发出新一代集成一体化生物转筒反应器IBDR(integralbiologicaldrumreactor).IBDR集筛滤池、流量控制器、生物转筒反应器和二沉池于一体,其核心生物转筒反应器利用比表面积大的填料代替传统生物转盘的盘片,可完成污水85%的净化.IBDR工艺简单,易于操作;污泥沉淀性能好,不产生污泥膨胀;具有良好的生物固体截留能力和高的微生物浓度;且生物相分级明显.特别适用于处理对设备的体积、易操作性要求特别苛刻的城市餐饮业污水.如处理某餐饮业废水,进水COD600～1200mg/L,出水COD150～250mg/L,处理效率高达82%,比传统生物转盘高出22%左右.2.1.3好氧好氧一体化反应器相比接触氧化法和生物转盘,生物流化床污泥浓度更高,耐冲击负荷能力更强,剩余污泥率更低,且无堵塞,混合均匀,具有较好的脱氮效果,配置形式也更灵活.杨平和黄钧等都利用好氧流化床与其他厌氧工艺相组合,设计出了高效的厌氧好氧一体化反应器,比其他形式的一体化反应器具有更高的有机负荷和更好的适应性.2.2厌氧/从氧化过程组合成网技术单独好氧法处理废水时,不但有机负荷较低,且在脱氮除磷方面表现较差,而将其与厌氧/缺氧工艺相组合,如A/O、A2/O等形式,却能达到理想的效果,且能提高系统负荷,使COD、BOD降解更为彻底,提高出水水质.一体化生物反应器也正是向着好氧、厌氧/缺氧多种工艺优化组合的方向发展的.2.2.1好氧生物反应器sbr由同济大学张亚雷等人研究开发,集反应、沉淀和污泥回流于一体.AmOn中A代表厌氧或缺氧处理,O代表好氧处理,以m、n代表处理的量或程度,A/O可灵活组合,A可在O之前,也可在O之后,亦可多段A、O交替,通过改变运行条件可以灵活地控制反应“程度”.此反应器活性污泥浓度高,耐冲击负荷能力强,能适合不同进水水质的有机废水处理,可通过自控系统的调节,沿反应进程自动调节曝气量和搅拌程度,根据要求实现脱氮和除磷.目前已成功应用于印染废水的处理.与AmOn一体化生物反应器有相似之处,其主体是一个被分隔成5个单元的矩形反应池,5池间水力相连通,每池都设有曝气和搅拌系统,交替作为曝气、搅拌和沉淀池.污水可进入除中间一池以外的任一池,通过各个池子的交替进水和边池的交替出水,在不同的时间和空间上经历厌氧、缺氧、好氧和沉淀过程,从而实现A2/O工艺的各段功能,具有良好的除磷脱氮效果,同时自动完成污泥回流.此系统布置紧凑,用地节省,自动化程度高,运行费用低,特别适合城镇或农村地区中小型污水处理.用其处理医院废水,进水COD160～245mg/L,NH3-N19～28mg/L,TN28～35mg/L,TP1.5～3mg/L,停留时间15h,各指标均能达标排放.早期的一体化氧化沟多只考虑生物处理净化与固液分离的结合,若将缺氧、厌氧和好氧合理组合,就可使其具备脱氮除磷的功能,四川新都污水处理厂就是这样一个A2/O形式的一体化氧化沟.其总设计水力停留时间为15h,其中厌氧段为1h,缺氧段为2h,好氧段为12h,厌氧区利用来自缺氧区的低硝态氮回流混合液,创造更加的除磷条件,有利于厌氧区聚磷菌的释磷.与传统A2/O工艺比较,大约可节省投资20%,占地13%,能耗20%.SBR也可以与厌氧/好氧工艺结合起来构成一体化生物反应器.反应器的上部为好氧反应池,设有曝气系统和出水堰,采用SBR运行方式,可根据需要在好氧反应池的底部设计回流缝,以使好氧生物污泥可直接进入厌氧区;下部为厌氧生物滤池,其间歇操作只有进/出水期、反应期两个步骤,通过折板与好氧反应池相通,折板的上端是气体收集罩.经分析,此一体化SBR是一种经济、高效、灵活、占地省的污水处理新工艺.重庆大学ZhangDJ等人研究开发了一种厌氧/好氧一体化MBR,反应器下部为厌氧区,接种厌氧颗粒污泥,完成大部分的COD降解;反应器上部为好氧区,内置膜主件和曝气装置,接种污水处理厂的活性污泥,通过间歇式曝气来同时达到硝化和反硝化.两者由一个带有中心孔的塞子隔开,厌氧区产生的甲烷也由此孔进入好氧区作为其反硝化的碳源.当反应器容积负荷为10.08g(COD)/Ld时,可达到99%的COD总去除率,当氨氮负荷为0.18NH+4-N/Ld时,可达到100%的去除率.2.2.2生物膜法与厌氧化氧的结合(1)体化污水处理装置的设计比较周琪等人开发的厌氧好氧一体化污水净化器,其装置为圆筒式,内筒为上流式厌氧污泥床,外筒为好氧接触氧化池及沉淀池,污水依次流经厌氧床、好氧池和沉淀池后,从沉淀池上部出水.而彭宗银开发的一体化污水处理装置,其内筒下部为上流式厌氧污泥床,上部为好氧接触氧化区,装置外筒为沉淀区.两者工艺相似,只是结构上稍有差别,上流式厌氧污泥床本来就是一种高效的污水处理装置,与好氧接触合理结合后,两种装置的处理效果良好,SS和NH+4-N去除率都较高,且投资少、占地小、管理方便.(2)a/o表现曝气生物滤池由于其在一级强化处理的基础上将生物氧化与过滤结合在一起,可不设沉淀工序这些突出特点而应用广泛.刘旭东、张健等人研究开发的A/O一体式曝气生物滤池,不但具备上述特点,还将缺氧/好氧工艺有机结合起来,采用聚乙烯悬浮有机填料,通过填料柱中曝气区和缺氧区的合理设计,不但具有很高的SS、COD、BOD5去除率,还具有良好的硝化、反硝化效果.(3)厌氧好氧一体化生物反应器cod四川大学杨平等人开发了厌氧流化床和好氧外循环流化床组合的一体化反应器,由3个同轴的圆筒组成,废水由底部进入内筒厌氧区后溢流至中筒,再在中筒自上而下进入外筒好氧区底部,然后在好氧曝气所产生的提升力作用下在外筒中自下而上流动.在以葡萄糖配水的试验中,系统总进水COD浓度均值3601.8mg/L,总容积负荷高达4.74kg(COD)/m3d,总COD去除率均值达90.6%,适合处理高浓度有机废水,且具有良好的脱氮能力.成都生物所黄钧等人研究开发的厌氧好氧一体化生物反应器,整个装置也呈圆筒形式,内筒为厌氧颗粒污泥膨胀床,外筒为好氧三相流化床,分为升流区、降流区和沉降区,系统运行时从反应器厌氧区底部进水,厌氧处理后的出水进入好氧区继续降解,然后经沉降区排水.此反应器抗冲击能力强,可耐受高达9kg(COD)/m3d的有机负荷,在处理有机发酵废水时,进水COD1829～4269mg/L,正常运行情况下可达到90%以上的去除率*.(4)a/o生物膜反应器清华大学蒋展鹏等根据A/O工艺原理设计了升流式一体化A/O生物膜反应器,装置呈圆筒式,底部为缺氧区,采用Φ70mm球形填料,上部为好氧区,采用半软性填料.在维持一定的回流比和反应器内适度的碱度可获得良好而稳定的脱氮效果.大连理工大学姜苏等人设计了另一种形式的一体化A/O生物膜反应器,在好氧区和缺氧区之间增加一缓冲区,不仅保证了缺氧区较低的DO浓度,而且增强了反应器的抗冲击能力.此外可在无外加水泵动力条件下实现硝化液的循环,具有较好的脱氮效果,节省了电耗和占地面积.DelPozoR等人采用一种一体化厌氧-好氧固定膜反应器处理屠宰场废水,反应器中的固定填料由1400根长2m内径22mm的PVC竖直波形管道构成,底部有5个分开的曝气装置,可以通过控制他们的闭合来确定厌氧与好氧区的体积比例,由曝气过渡区来将厌氧和好氧区分开.在平均有机负荷为0.77kg(COD)/m3d时,可取得93%的有机物去除率;在平均氮负荷为0.084kg(N)/m3d时,可取得67%的氮的去除率.3存在的问题废水处理一体化生物反应器发展很快,短短20多年就取得了很大的进步.首先在主体工艺上由最初的氧化沟、SBR和膜生物反应器逐渐发展到接触氧化法、生物转盘、生物流化床等生物膜法,使得一体化反应器在整体上容积负荷得到提高,抗冲击能力得到增强,能适应多样的废水处理;在工艺的组合上,好氧工艺与更多的厌氧、缺氧工艺结合起来,出现了A/O、A2/O等多形式的一体化反应器,使其在脱氮除磷方面的功能得到提高,能适应国家现在越来越严格的废水排放标准.但一体化生物反应器在短时间的发展中并不够完善,还存在很多不足的地方.(1)现有较多的一体化生物反应器存在容积负荷较低的问题,多用于处理性质较稳定的中低浓度的中小型生活污水和少数小型工业废水,而对于更多的排放量大、污染物浓度高的工业废水还不能很好的处理.杨平、黄钧研究的高效厌氧好氧一体化生物反应器虽然容积负荷大大提高,但目前处于实验室小试研究阶段,其在实际工程应用上反应器放大、工艺参数优化等问题都还有待研究.(2)现有的一些一体化反应器虽然在结构上将多种工艺合并组合在同一个设备里,但各工艺仍然是传统方法的组合,因而会存在结构不够紧凑等缺点.且大多反应器采用传统的曝气方式,动力消耗大,氧利用率低.一些国产的风机噪声大,寿命短,对周围环境造成了一定的影响.(3)目前的一体化污水处理反应器一般难以同时达到氮和磷的高去除率.因为脱氮和除磷在工艺上存在相互影响和制约的关系.在A2/O工艺中,厌氧与缺氧段污泥量的分配比、聚磷菌和反硝化菌相互争夺碳源都将影响磷释放或反硝化的效果;另外硝化菌繁殖时间长需较长污泥龄和磷通过剩余污泥的排放需较短污泥龄也存在相互制约的关系.在A/O工艺中,C/N的提高有利于提高磷的释放量和氮的反硝化率,但C/N的提高需要提高回流比以提高反硝化量,但污泥回流比的提高又势必降低总磷的排放.因此一体化生物反应器中同时脱氮除磷是一个难点,还需要更多的研究.根据现阶段我国国情,废水处理一体化生物反应器是适应社会发展的.由于其自身存在一些不足和市场需求不断增长,一体化反应器有着更广阔的发展空间,其今后的研究方向可分为以下几点.(1)面对更多的高浓