工藝解析

生化水處理武林發展史

發布日期 : 2020-03-20 瀏覽量 :

話說天下的生化水處理技術,門派林立,武學理論浩如煙海。傳統的生化水處理武林門派,根據其對煉氣的態度,可分為好氧教派和厭氧教派。

好氧教派認為,要想治水,必須煉氣,需要不斷地供氣(氧氣)修煉,方能修得至尊武學境界。厭氧教派則認為,治水不一定非得煉氣,不憑借外物(氧氣)而處理好水質,才是好武功好技術。

好氧教派

好氧教派主要有活性污泥教和生物膜教。

1914年,雅頓(Arden)和洛凱特(Locket)發現了活性污泥具有凈化水質的作用,從而開啟了活性污泥教。活性污泥教的武學理念是,活性污泥懸浮生長于水中,在曝氣情況下,活性污泥首先吸附水中的有機污染物,然后再慢慢地把有機污染物同化,幫助污泥生長,或將有機污染物轉化為無機物;最終在二沉池泥水分離,使水質得到凈化。

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活性污泥法

活性污泥教內部對武學理念產生分歧,逐漸分成推流派和完全混合派。推流派認為,污(廢)水和回流污泥從曝氣池的一端進入,呈推流形態流到曝氣池的另一端。整個過程中推流橫斷面上各點濃度均勻,縱向不存在摻混,污染物濃度在進口端最高,在出口端最低。

完全混合派則認為,污(廢)水一進入曝氣池,在曝氣攪拌作用下,整個池子內各點污染物濃度、污泥濃度、需氧速率完全一致,這些參數只隨停留時間變化。

最早的活性污泥法采用的就是推流派的方法,很快就發現曝氣池前段供氧不足,而后段供氧過剩。推流派在解決這個問題的時候,研究出漸減曝氣(曝氣沿程漸減)、階段曝氣(分段進水)、延時曝氣(延長曝氣時間)、改良曝氣(選用生長旺盛期的活性污泥)、吸附再生(將活性污泥吸附和穩定兩階段分開)等武學新招式。

完全混合派也不甘落后,在普通完全混合曝氣池的基礎上,改進為深井曝氣、淺層曝氣、純氧曝氣等新招式。

20世紀70年代,伯恩克(Boehnke)受吸附再生法啟發,研究出了吸附-生物降解(AB法)武學秘籍。此秘籍將活性污泥反應分成兩段,A段為生物吸附段,一座吸附池,接一座中沉池;B段為生物降解段,一座曝氣池,接一座終沉池。兩段進水負荷、污泥濃度、溶解氧、水力停留時間、污泥齡、污泥回流比等條件不同,能降低能耗、耐沖擊負荷,更能方便改進。其機要就在B段,可以替代為BAF、A/O、A/A/O、SBR、氧化溝等,這樣就修成可脫氮除磷、深度處理的至高武林境界。而AB法的A段較粗獷,在這里承受污(廢)水的沖擊負荷,保護了較金貴的B段。

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AB法

繼傳統的推流派和完全混合派之后,活性污泥教又創新開創了序批派和氧化溝派。

序批派最典型的招數就是序批式活性污泥法(SBR),其特點是進水、曝氣、沉淀、潷水、閑置全部工序都在同一個池子(或反應器)內完成,只不過不同的時間干不同的事罷了。很明顯此招最大的優點就是節約占地,無需沉淀池;而且因為是序批式的(一批一批地處理),運用靈活、可防止污泥膨脹。

SBR的進水階段可視為推流式,進水時是否曝氣可決定其處于好氧、缺氧還是厭氧,靈活方便。SBR的純曝氣階段可視為完全混合式。故序批派兼收并蓄了推流派和完全混合派,武學造詣更為精進。

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SBR

序批派在SBR的基礎上,不斷追求創新,又創造了改良型SBR(MSBR,用2個或2個以上SBR池,化間歇處理為連續處理)、循環式活性污泥法(CAST,在進水處設置生物選擇區,通俗地講就是多了缺氧或厭氧,可以脫氮除磷)、間歇循環延時曝氣系統(ICEAS,延長池子長度,使出水時可以同時進水而不影響出水水質,提高效率)等最頂尖的生化水處理武學秘籍。如果一套污水廠同時掌握了MSBR、CAST和ICEAS,一定會成為一等一的武林高手。

氧化溝(Oxidation ditch)派是從推流派的延時曝氣法改進而來,其構筑物呈封閉無終端渠形,污(廢)水和活性污泥混合液依靠表面曝氣和機械推流,不斷在構筑物中循環。氧化溝中水流雖然呈推流式,但過程動力學接近完全混合式,故氧化溝派也是兼收并蓄了推流派和完全混合派的武學理念。怎么理解氧化溝具有完全混合式的特點,因為氧化溝構筑物中的水量非常大,往往是進水量的20~30倍,且在不斷循環,可視為進水一進入氧化溝就被稀釋了20~30倍,構筑物水體處于完全混合狀態。

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氧化溝

氧化溝的優勢是能耗低、抗沖擊負荷能力強、出水穩定、具有溶解氧濃度梯度(利用這一點可以脫氮除磷)。氧化溝派日益精進武藝,開創了卡魯塞爾(Carrousel)氧化溝(多溝串聯型)、奧貝爾(Orbal)氧化溝(同心圓或橢圓型)、一體化氧化溝(集曝氣、沉淀、泥水分離和污泥回流功能于一體)、交替式氧化溝(兩溝型DE和三溝型T)、導管式氧化溝、射流曝氣氧化溝等新招式。其中,交替式氧化溝結合了SBR和傳統氧化溝的武學精髓,掌握這一招式的氧化溝可以成為武林高手。

序批派和氧化溝派是活性污泥教的先進代表,隨著時間的推移,活性污泥教又新出現了投加混凝劑(助凝劑)的活性污泥法和投加高效菌種的活性污泥法。也許這些新興招式改進后,又會稱霸武林。

好,介紹完活性污泥教,接下來講講好氧教派的另一大陣營生物膜教。生物膜教的歷史可以追溯到1893年,生物膜附著在填料(或濾料)上生長,同樣是通過微生物的吸附和穩定兩個階段去除水中污染物。生物膜生物種類豐富,生物鏈長,一般由細菌(好氧、厭氧、兼性)、真菌、原生動物、后生動物和藻類,甚至是昆蟲幼蟲組成。和活性污泥教相比,生物膜教的微生物利用率更高、抗沖擊能力強、剩余污泥產量少。

生物膜教認為,水中污染物的去除需經歷污染物在液相中紊流擴散、污染物在膜界面擴散傳遞、氧向生物膜內部擴散和吸附、有機物氧化分解、微生物新陳代謝等過程。

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生物膜法

生物膜教對載體(填料或濾料)存在狀態的理解不同,劃分為固定床派和移動床派。

最早的生物膜教技術普通生物濾池(又叫低負荷生物濾池)就來自于固定床派。普通生物濾池由濾床及池體、布水設備和排水系統組成,為非浸沒式生物膜。氧氣來源于自然通風,節約了機械曝氣的動力成本。但這招破綻很明顯,容易被濾料堵塞而化解,故濾池前必須設初沉池。

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普通生物濾池


研究生物濾池的固定床派成員不斷改進生物濾池武學要義,通過出水回流,創造了高負荷生物濾池;通過多個濾床上下串聯,創造了塔式生物濾池;通過加深濾床的深度,創造了深床濾池;將非浸沒式濾床改為浸沒式濾床,并且鼓風曝氣,再氣水反沖洗,于是就創造了曝氣生物濾池(BAF)。

BAF不但掌握了生物膜教最先進生物濾池拳法,借鑒了活性污泥教劍法,還跨界學會了物化水處理界過濾教的過濾心法。不但可以用于二級生化處理,還可以用到深度處理,儼然是頂級的水處理武林高手。然而BAF并不滿足于此,將填料改成顆粒活性炭,就形成了生物活性炭濾池(BACF)。

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BAF

固定床派半浸沒式武學代表是生物轉盤。將濾料做成一系列平行的轉盤,依靠中心軸轉動,浸沒于水中的部分吸附污染物,出水時形成水膜,吸收氧氣,使得生物膜降解吸附的污染物。這就是生物轉盤的武學理念。

移動床派典型的武學招式有生物流化床(借助流體使表面生長著微生物的固體顆粒呈流態化)、生物移動床(MBBR,融合了生物濾池和生物流化床武學精華)等。

好氧教派的發展日新月異,要想在不斷發展的武林世界競爭,能夠融會貫通活性污泥教和生物膜教的武林才子才能夠立于不敗之地。除了前面介紹的BAF,還有接觸氧化法和固定生物膜—活性污泥法(IFAS)做到了融會貫通。

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接觸氧化法

這里要單獨介紹接觸氧化法,其淵源于生物膜教固定床派的浸沒式生物濾池,又融會了活性污泥教完全混合派的武學精髓,是應用非常廣泛的武學招式。接觸氧化池由池體和填料、進水布氣裝置、排泥裝置組成,容積負荷高、抗沖擊能力強、無需污泥回流。

厭氧教派

前面介紹了這么多好氧教派的內容,接下來就好好講講厭氧教派。

發展至今,厭氧教派已經經歷了三代。第一代出現在19世紀,比好氧教派出現的時間早,以化糞池、厭氧消化池和厭氧接觸反應器(借鑒了活性污泥教完全混合派的理念)為代表。第一代厭氧教派只是經驗積累,并沒有留下什么武學理念。

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化糞池

第二代厭氧教派研究出厭氧反應的武學理念,整個厭氧反應過程分為3個階段,即水解發酵階段、產氫產乙酸階段和產甲烷階段。也有不少厭氧教派認為是4個階段,比3階段武學理念多了同型產乙酸階段。第二代厭氧教派的主要招式有升流式厭氧污泥床反應器(UASB)、厭氧折流反應器、厭氧濾池(AF)、厭氧生物轉盤、厭氧膨脹床和厭氧流化床、兩相厭氧法等。

升流式厭氧污泥床反應器(UASB)誕生于1972年,深受厭氧教派的歡迎。反應器底部有污泥層,污泥層之上是懸浮污泥層,反應器頂部是三相分離器。UASB有機負荷和去除率高、適應能力強,有很大的發展前景。

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UASB

厭氧濾池(AF)是厭氧教派汲取了生物膜教生物濾池要義形成的招式;厭氧生物轉盤是厭氧教派汲取了生物膜教生物轉盤要義形成的招式;厭氧膨脹床和厭氧流化床是厭氧教派汲取了生物膜教生物流化床要義形成的招式。

兩相厭氧法是依靠厭氧教派自身的聰明才智創造的,根據厭氧教派的3階段武學理念,兩相厭氧法將產酸階段和產甲烷階段分開,創造不同的條件,分別在兩個獨立的反應器內進行。

進一步打開思路,厭氧教派只創造水解發酵階段和產氫產乙酸階段的條件,就開創了水解酸化法的招式。此招式摒棄了成本高、風險大的產甲烷階段,又能有效地提高污(廢)水的可生化性,與好氧教派的接觸氧化聯手,成為生化水處理界的最強組合搭檔。

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生化水處理發展歷程

第三代厭氧教派的招式更為高效,主要有從UASB演進而來的厭氧膨脹顆粒污泥床反應器(EGSB)和厭氧內循環反應器(IC)。

教派聯合

傳統的好氧教派和厭氧教派的基本情況就是這樣,然而,真正有志于闖蕩江湖的俠客不會僅滿足于此。膜生物反應器(MBR)就是這樣的俠客,其跨界融合了生化水處理界活性污泥教和物化水處理界膜分離教的武學招式,出水水質好、容積負荷高、剩余污泥少,也成為了武林高手。

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MBR

水處理江湖越來越殘酷,生化水處理界的各武林門派想要生存,不能單打獨斗,而是要聯起手來。克勞斯(Kraus)法就是最早的好氧教派和厭氧教派聯手的招式。該招式把厭氧消化富含氨氮的上清液加到活性污泥法回流污泥中一起曝氣硝化,既提供了氮源,硝酸鹽又作為電子受體(電子受體可以理解為氧化還原反應中的氧化物,氧化物在反應中得電子,就像接受了電子一樣,所以叫電子受體,下文還會出現這個概念),參與了有機物的降解。

在脫氮除磷領域,好氧教派和厭氧教派的聯手更是家常便飯。受克勞斯(Kraus)法和AB法啟發,他們創造了AN/O、AP/O、A2/O等先進招式。

好氧教派和厭氧教派聯合切磋武藝,研究出了生物脫氮技法和生物除磷技法。生物脫氮的理念是,生物脫氮分三步走,第一步氨化,運用好氧教派武功,將有機氮轉化為氨氮;第二步硝化,運用好氧教派武功,將氨氮轉化為亞硝酸鹽氮再轉化為硝酸鹽氮;第三步反硝化,運用厭氧教派的缺氧武功,將硝酸鹽氮轉化為亞硝酸鹽氮再轉化為氮氣。

于是,生物脫氮需要一座好氧池和一座缺氧池。武林人士通過研究和總結,將缺氧池前置,好氧池混合液回流到缺氧池,效果更好,就形成了AN/O招式。這樣的好處是缺氧反硝化能補償一部分堿度供好氧硝化使用、利用原污(廢)水碳源、利用硝酸鹽作電子受體可處理有機污染物、抑制污泥膨脹。

AN/O招式及其衍生招式、活性污泥教的序批派和氧化溝派都能脫氮。但是,在生物脫氮領域的競爭永遠是激烈的,同步硝化反硝化(硝化和反硝化在同一個池子進行)、短程硝化反硝化(有機氮和氨氮硝化成亞硝酸鹽氮后直接反硝化為氮氣)和厭氧氨氧化(缺氧條件下氨氮和亞硝酸鹽氮反應成氮氣)是最先進的武林秘籍。其中,厭氧氨氧化一旦修煉完成,必將稱霸武林。

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厭氧氨氧化機理

生物除磷的武學理念則是運用聚磷菌這種武器分兩步走,第一步,運用厭氧教派的厭氧武功,讓聚磷菌釋放磷,讓它們饑餓;第二步,運用好氧教派的武功,讓聚磷菌超量吸收磷,讓它們吃撐,再沉淀分離去除。于是,生物除磷需要一座厭氧池和一座好氧池,這就是AP/O招式。

AP/O招式及其衍生招式、活性污泥教的序批派和氧化溝派都能除磷。有沒有比這些招式更高效的除磷招式?有,但需要跨界,將生物除磷和物化水處理界化學沉淀教的招式相結合,即輔助化學除磷功夫。

那么,同時脫氮除磷的武學招式有哪些?最典型的就是A2/O招式啦。將厭氧池、缺氧池、好氧池串聯,好氧池混合液回流到缺氧池,污泥可回流到厭氧池也可回流到缺氧池,這就是A2/O招式。

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A2/O

那怎么區分好氧、缺氧和厭氧呢?根據道聽途說的說法,是根據溶解氧多少來區分的。其實不對,根據武林人士的說法,好氧具有溶解氧(氧氣)還可能有硝酸根、硫酸根等電子受體;缺氧沒有溶解氧(氧氣)但有硝酸根、硫酸根等電子受體;厭氧既沒有溶解氧(氧氣)又沒有硝酸根、硫酸根等電子受體。

同時脫氮除磷的武學招式除了A2/O招式及其衍生招式,還有序批派和氧化溝派的招式。為什么序批派的招式可以同時脫氮除磷?序批嘛,不同的時間干不同的事,前一段時間除磷,后一段時間脫氮,在整個周期內可以既除磷又脫氮;只要有2座或2座以上池子,就可以化序批為連續,不就是可以同時脫氮除磷了嘛。

為什么氧化溝派可以可以同時脫氮除磷?除了招式類似于序批派的交替式氧化溝,其它氧化溝利用的是具有溶解氧梯度和污(廢)水循環完成的。試想,一個氧化溝很大,只在一端提供曝氣,這一端就是好氧,進行硝化、聚磷菌吸收磷和排泥;水循環到氧化溝中間,沒有曝氣(氧氣),但有硝酸根,是缺氧環境,發生反硝化,消耗硝酸根;水循環到氧化溝另一端,沒有溶解氧也沒有硝酸根,是厭氧環境,聚磷菌釋放磷;厭氧端水和進水一起又循環流動到好氧端。同時脫氮除磷完成。

土地教派

以上介紹的好氧教派、厭氧教派,以及脫氮除磷領域,都是細菌做主力的武學門派。上世紀70年代,出現了一些不但利用微生物,還利用動植物和土壤的新興門派,我們姑且叫他們為土地教派。

土地教派主要有三類,穩定塘教、人工濕地教和土地處理系統教。

穩定塘教擅于利用天然的或人工構筑的池塘,以及池塘里面的細菌、藻類、原生動物、后生動物、水生植物和其它水生生物組成的生態系統,借鑒好氧教派和厭氧教派的武學理念,研發了好氧塘、兼性塘、厭氧塘、曝氣塘等武學招式。

人工濕地教認為,通過人為創造條件,營造人工濕地生態系統,利用濕地的物理、化學和生物功能可以凈化水質。人工濕地教的武學招式有敞流型、潛流型和滲流型人工濕地等。

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人工濕地

土地處理系統教則利用土壤-微生物-植物構成的陸地生態系統的功能凈化水質。該教的主要招式有慢速滲濾、快速滲濾、地表漫流和地下滲濾等。

這就是生化水處理界的武林發展史。


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