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污水处理工艺的发展分析
http://www.tianinfo.com   2018-02-12   天拓咨询整理

    现代污水处理技术在经历了100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。
    污水处理工艺发展的历史回顾
    1914年,英国人Ardern、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,主要体现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。
    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,北美的研究结果表明,生物脱氮除磷工艺的极限可以达到TN<3 mg/L、TP<0.1 mg/L。荷兰的研究结果也表明,在条件适应的情况下活性污泥工艺的技术极限可以达到TN<2.2 mg/L、TP<0.15 mg/L。
    污水处理理念的转变
    进入21世纪后,污水处理领域内出现了重大的理念变革,污水已经不再被认为是一种废物,而是一种可再生的资源,污水处理也正由过去的以卫生文明与环境保护为目标向着资源回收的方向发展。这一点无论从荷兰提出的NEWs理念,即未来污水处理厂将是营养物、能源与再生水的制造工厂,还是美国水环境联盟正式摒弃污水处理厂之称,转而统称为水资源厂,亦或是新加坡倡导的将Wastewater(污水)改称为Usedwater(旧水),无不印证着在世界范围内污水作为一种可再生资源已经深入人心。伴随着理念的变革,污水处理工艺在技术的紧凑性、可持续性、适应性方面朝着更加深入的方向发展。
    未来污水处理工艺发展的方向
    当前城市污水处理的主流技术是生物处理技术,生物处理技术如何在未来发展实际上反映了今后相当一段时间内的污水处理工艺发展方向。本文仅对未来20年内的污水处理技术发展做一些分析和判断。
    好氧颗粒污泥技术
    历史与现实中的现象
    活性污泥工艺的出现与发展实际上是采用各种方法选择微生物的过程。1914年,Ardern和Lockett将曝气后沉淀下的污泥留了下来,将不易沉降的微生物“淘洗”出去,采用这种序批式的方式,他们观察到了颗粒污泥的现象。
    1972年,James Barnard在接触稳定的试验装置中也注意到了颗粒污泥的现象,当时他用初沉池的出水进入到反应器中,接触时间15 min,排泥只从表面排泥,接触区的污泥浓度22 000 mg/L,Barnard观察到了明显的污泥颗粒,“像粗砂一样”,当时的污泥负荷非常高。
    好氧颗粒污泥的形成与选择
    活性污泥工艺从诞生至今一直不断经历着“选择”的过程,早期的污泥回流使微生物选择留在系统中,起到了最为关键的作用;此后,人们通过基本的长泥龄方式而使硝化菌在系统中选择地存在;而生物除磷工艺的出现,则是通过厌氧-好氧的交替环境选择性地使聚磷菌(PAOs)在系统中存在,可以看出对微生物的选择过程一直伴随着污水处理工艺的发展,如图2所示。当然,在这一系列的基本选择过程中,还有其他因素的影响,比如硝化过程中对DO的需求、生物除磷过程对VFA的需求等。
    好氧颗粒污泥技术的出现与发展实际上仍然是对微生物选择过程的更进一步认识,在这一认识过程伴随着对生物膜、污泥膨胀的更加深入理解。好氧颗粒污泥既可以在只去除COD的好氧环境中出现,也可以在厌氧-好氧的交替环境中去除COD及氮、磷,在这种形式的颗粒污泥中,硝化菌及普通异养菌在颗粒污泥的最外层,靠近内核部分的是反硝化菌、聚磷菌(PAOs)、聚糖菌(GAOs)。因此,好氧颗粒污泥去除营养物的机理实际上与活性污泥工艺相同,只不过并不是在不同的池子来实现,而是在颗粒污泥的不同区域来实现。
    目前一般认为主要有以下几个方面对颗粒污泥的形成具有重要的影响:
    饱食-饥饿选择,通常以外部基质用于生长的阶段称为饱食期,而以内部基质(PHB)生长的阶段称为饥饿期。与利用乙酸或葡萄糖等易生物降解有机物相比,异养微生物利用PHB或糖原等慢速可生物降解物质的生长速率较慢,利用这一现象可以获得稳定的颗粒污泥。生物除磷的厌氧-好氧过程是实现上述过程的良好方式,在厌氧阶段PAO或GAO将乙酸转换为PHB或糖原。因此,rbCOD有利于微生物的快速生长,进而转换为慢速可生物降解的胞内物质。这样在生物除磷工艺中就会相对更容易形成颗粒污泥。在饥饿阶段,基质通过颗粒内层的反硝化被降解到最低,或是在颗粒外层的好氧区域实现降解。
    有机负荷(OLR)及基质的组成对颗粒污泥的形成很重要,采用较高的负荷选择可以使基质进入颗粒污泥的内层,这样就容易形成强健的内核。基质组成的影响主要是体现在快速可生物降解COD(rbCOD)与慢速可生物降解COD(sbCOD),在饱食期rbCOD和VFA的获得对于胞内存储物质的形成很关键,而sbCOD则会导致丝状菌在好氧阶段在竞争中获得优势。
    人们在对生物膜的研究过程中,发现强的剪切力可以促使形成薄而密实的生物膜,同时伴随着剪切力相关的一个重要现象是胞外聚合物(EPS)的产生,EPS在促使细胞的“凝聚”、“粘合”方面发挥重要的功能,对于维持生物膜的整体结构方面扮演着重要的角色,在很多的研究中都可以观察到强剪切力会促使生物膜分泌更多的EPS从而维持生物膜的整体结构平衡。与生物膜类似,水力剪切力对于好氧颗粒污泥的形成也有重要的影响,强的剪切力会促使颗粒污泥的形成,而弱剪切力则不会形成颗粒污泥,只能形成蓬松的絮体结构。
    同样,EPS在对颗粒污泥的形成方面也扮演着类似的角色,强剪切力会促使颗粒污泥像生物膜那样分泌出更多的EPS来产生平衡的生物结构,这也就意味着EPS对于形成稳定的颗粒污泥非常重要。
    此外,通过选择性的排泥,将不易沉淀的污泥排出系统,沉降速度较快的颗粒留存于系统之内,提高颗粒污泥在其中的比例,这也是促成颗粒污泥形成的原因之一;其他形成颗粒污泥的因素还包括SRT、有机负荷、二价阳离子及三价阳离子等。
    目前的应用
    目前,作为好氧颗粒污泥技术的典型代表,Nereda工艺在过去10年里得到快速的发展,截至2016年全球正在设计、建设及运行的Nereda污水处理厂有32座,这些污水处理厂分布于欧洲、美洲、澳洲、非洲等地。与相同负荷的活性污泥工艺相比,Nereda好氧颗粒污泥技术可减少占地面积25%~75%,能耗降低20%~50%。
    从好氧颗粒污泥的技术发展进程来看,以Nereda为代表的好氧颗粒污泥技术实际上是一种利用内在基质选择颗粒污泥的过程,内在基质选择的一个关键因素是需要有足够高的基质浓度来形成颗粒,并促使形成较高含量的胞外聚合物(EPS)及胞内储存物,这种方式要求将沉淀较慢的絮体污泥排除系统,保留下沉淀较快的颗粒污泥,为了避免出水SS较高,可能需要有一个后置的过滤系统。Nereda这种SBR的技术形式在很大程度上限制了对现有污水处理厂的改造,因为绝大部分污水处理厂并不是SBR工艺。因此,在推流式工艺上采用外置选择器的方式在近年来得到了快速的发展,外置选择器可以是筛网或旋流器,筛网是利用颗粒的粒径来截留较大的颗粒污泥,旋流器是利用颗粒污泥密度较大的特点而在底流中获得较高比例的颗粒污泥。
    好氧颗粒污泥技术在未来可能会有以下几个发展趋势。第一,提高工艺应用的稳定性,好氧颗粒污泥技术在长期运行过程中的稳定性在某种程度上是制约这一技术应用的一个瓶颈,稳定性涉及到两个方面,一个是颗粒污泥的解体,一个是丝状菌的过度增殖,前者会导致颗粒污泥破碎为细小颗粒,后者会导致颗粒污泥蓬松,容易流失。
    第二,就如同活性污泥工艺从早期的SBR向连续流工艺发展一样,当前及今后一段时间内好氧颗粒污泥的研发及应用趋势正朝着连续流工艺的方向发展,因为现在的绝大部分污水处理厂是连续流工艺,将其转为SBR的形式所需的投资费用很高,如何能够在这些连续流的污水处理厂中应用好氧颗粒污泥技术成为这一领域的发展热点。
    第三,好氧颗粒污泥技术的进一步发展过程中,在机理与技术应用方面仍然有多个方面需要深入研究,这些方面主要包括理解促成颗粒污泥形成的内部基质特性、如何确保外置选择器能够实现良好的污泥沉降性能和生物除磷功能,以及如何将内在基质选择和外部选择的措施应用于工程化规模的污水处理厂。
 

 

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