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生化水处理武林发展史

发布时间:2020-9-30 10:50:24  来源:  作者:

污(废)水处理和水质净化的技术可分为两大类,需要借助生物(微生物、植物、动物)处理的生化处理技术和依据物理、化学、物理化学原理的物化处理技术。本文只涉及生化水处理技术方面。

话说天下的生化水处理技术,门派林立,武学理论浩如烟海。传统的生化水处理武林门派,根据其对炼气的态度,可分为好氧教派和厌氧教派。

好氧教派认为,要想治水,必须炼气,需要不断地供气(氧气)修炼,方能修得至尊武学境界。厌氧教派则认为,治水不一定非得炼气,不凭借外物(氧气)而处理好水质,才是好武功好技术。

好氧教派

好氧教派主要有活性污泥教和生物膜教。

1914年,雅顿(Arden)和洛凯特(Locket)发现了活性污泥具有净化水质的作用,从而开启了活性污泥教。活性污泥教的武学理念是,活性污泥悬浮生长于水中,在曝气情况下,活性污泥首先吸附水中的有机污染物,然后再慢慢地把有机污染物同化,帮助污泥生长,或将有机污染物转化为无机物;最终在二沉池泥水分离,使水质得到净化。

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活性污泥法

活性污泥教内部对武学理念产生分歧,逐渐分成推流派和完全混合派。推流派认为,污(废)水和回流污泥从曝气池的一端进入,呈推流形态流到曝气池的另一端。整个过程中推流横断面上各点浓度均匀,纵向不存在掺混,污染物浓度在进口端最高,在出口端最低。

完全混合派则认为,污(废)水一进入曝气池,在曝气搅拌作用下,整个池子内各点污染物浓度、污泥浓度、需氧速率完全一致,这些参数只随停留时间变化。

最早的活性污泥法采用的就是推流派的方法,很快就发现曝气池前段供氧不足,而后段供氧过剩。推流派在解决这个问题的时候,研究出渐减曝气(曝气沿程渐减)、阶段曝气(分段进水)、延时曝气(延长曝气时间)、改良曝气(选用生长旺盛期的活性污泥)、吸附再生(将活性污泥吸附和稳定两阶段分开)等武学新招式。

完全混合派也不甘落后,在普通完全混合曝气池的基础上,改进为深井曝气、浅层曝气、纯氧曝气等新招式。

20世纪70年代,伯恩克(Boehnke)受吸附再生法启发,研究出了吸附-生物降解(AB法)武学秘籍。此秘籍将活性污泥反应分成两段,A段为生物吸附段,一座吸附池,接一座中沉池;B段为生物降解段,一座曝气池,接一座终沉池。两段进水负荷、污泥浓度、溶解氧、水力停留时间、污泥龄、污泥回流比等条件不同,能降低能耗、耐冲击负荷,更能方便改进。其机要就在B段,可以替代为BAF、A/O、A/A/O、SBR、氧化沟等,这样就修成可脱氮除磷、深度处理的至高武林境界。而AB法的A段较粗犷,在这里承受污(废)水的冲击负荷,保护了较金贵的B段。

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AB法

继传统的推流派和完全混合派之后,活性污泥教又创新开创了序批派和氧化沟派。

序批派最典型的招数就是序批式活性污泥法(SBR),其特点是进水、曝气、沉淀、滗水、闲置全部工序都在同一个池子(或反应器)内完成,只不过不同的时间干不同的事罢了。很明显此招最大的优点就是节约占地,无需沉淀池;而且因为是序批式的(一批一批地处理),运用灵活、可防止污泥膨胀。

SBR的进水阶段可视为推流式,进水时是否曝气可决定其处于好氧、缺氧还是厌氧,灵活方便。SBR的纯曝气阶段可视为完全混合式。故序批派兼收并蓄了推流派和完全混合派,武学造诣更为精进。

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SBR

序批派在SBR的基础上,不断追求创新,又创造了改良型SBR(MSBR,用2个或2个以上SBR池,化间歇处理为连续处理)、循环式活性污泥法(CAST,在进水处设置生物选择区,通俗地讲就是多了缺氧或厌氧,可以脱氮除磷)、间歇循环延时曝气系统(ICEAS,延长池子长度,使出水时可以同时进水而不影响出水水质,提高效率)等最顶尖的生化水处理武学秘籍。如果一套污水厂同时掌握了MSBR、CAST和ICEAS,一定会成为一等一的武林高手。

氧化沟(Oxidation ditch)派是从推流派的延时曝气法改进而来,其构筑物呈封闭无终端渠形,污(废)水和活性污泥混合液依靠表面曝气和机械推流,不断在构筑物中循环。氧化沟中水流虽然呈推流式,但过程动力学接近完全混合式,故氧化沟派也是兼收并蓄了推流派和完全混合派的武学理念。怎么理解氧化沟具有完全混合式的特点,因为氧化沟构筑物中的水量非常大,往往是进水量的20~30倍,且在不断循环,可视为进水一进入氧化沟就被稀释了20~30倍,构筑物水体处于完全混合状态。

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氧化沟

氧化沟的优势是能耗低、抗冲击负荷能力强、出水稳定、具有溶解氧浓度梯度(利用这一点可以脱氮除磷)。氧化沟派日益精进武艺,开创了卡鲁塞尔(Carrousel)氧化沟(多沟串联型)、奥贝尔(Orbal)氧化沟(同心圆或椭圆型)、一体化氧化沟(集曝气、沉淀、泥水分离和污泥回流功能于一体)、交替式氧化沟(两沟型DE和三沟型T)、导管式氧化沟、射流曝气氧化沟等新招式。其中,交替式氧化沟结合了SBR和传统氧化沟的武学精髓,掌握这一招式的氧化沟可以成为武林高手。

序批派和氧化沟派是活性污泥教的先进代表,随着时间的推移,活性污泥教又新出现了投加混凝剂(助凝剂)的活性污泥法和投加高效菌种的活性污泥法。也许这些新兴招式改进后,又会称霸武林。

好,介绍完活性污泥教,接下来讲讲好氧教派的另一大阵营生物膜教。生物膜教的历史可以追溯到1893年,生物膜附着在填料(或滤料)上生长,同样是通过微生物的吸附和稳定两个阶段去除水中污染物。生物膜生物种类丰富,生物链长,一般由细菌(好氧、厌氧、兼性)、真菌、原生动物、后生动物和藻类,甚至是昆虫幼虫组成。和活性污泥教相比,生物膜教的微生物利用率更高、抗冲击能力强、剩余污泥产量少。

生物膜教认为,水中污染物的去除需经历污染物在液相中紊流扩散、污染物在膜界面扩散传递、氧向生物膜内部扩散和吸附、有机物氧化分解、微生物新陈代谢等过程。

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生物膜法

生物膜教对载体(填料或滤料)存在状态的理解不同,划分为固定床派和移动床派。

最早的生物膜教技术普通生物滤池(又叫低负荷生物滤池)就来自于固定床派。普通生物滤池由滤床及池体、布水设备和排水系统组成,为非浸没式生物膜。氧气来源于自然通风,节约了机械曝气的动力成本。但这招破绽很明显,容易被滤料堵塞而化解,故滤池前必须设初沉池。

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普通生物滤池


研究生物滤池的固定床派成员不断改进生物滤池武学要义,通过出水回流,创造了高负荷生物滤池;通过多个滤床上下串联,创造了塔式生物滤池;通过加深滤床的深度,创造了深床滤池;将非浸没式滤床改为浸没式滤床,并且鼓风曝气,再气水反冲洗,于是就创造了曝气生物滤池(BAF)。

BAF不但掌握了生物膜教最先进生物滤池拳法,借鉴了活性污泥教剑法,还跨界学会了物化水处理界过滤教的过滤心法。不但可以用于二级生化处理,还可以用到深度处理,俨然是顶级的水处理武林高手。然而BAF并不满足于此,将填料改成颗粒活性炭,就形成了生物活性炭滤池(BACF)。

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BAF

固定床派半浸没式武学代表是生物转盘。将滤料做成一系列平行的转盘,依靠中心轴转动,浸没于水中的部分吸附污染物,出水时形成水膜,吸收氧气,使得生物膜降解吸附的污染物。这就是生物转盘的武学理念。

移动床派典型的武学招式有生物流化床(借助流体使表面生长着微生物的固体颗粒呈流态化)、生物移动床(MBBR,融合了生物滤池和生物流化床武学精华)等。

好氧教派的发展日新月异,要想在不断发展的武林世界竞争,能够融会贯通活性污泥教和生物膜教的武林才子才能够立于不败之地。除了前面介绍的BAF,还有接触氧化法和固定生物膜—活性污泥法(IFAS)做到了融会贯通。

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接触氧化法

这里要单独介绍接触氧化法,其渊源于生物膜教固定床派的浸没式生物滤池,又融会了活性污泥教完全混合派的武学精髓,是应用非常广泛的武学招式。接触氧化池由池体和填料、进水布气装置、排泥装置组成,容积负荷高、抗冲击能力强、无需污泥回流。

厌氧教派

前面介绍了这么多好氧教派的内容,接下来就好好讲讲厌氧教派。

发展至今,厌氧教派已经经历了三代。第一代出现在19世纪,比好氧教派出现的时间早,以化粪池、厌氧消化池和厌氧接触反应器(借鉴了活性污泥教完全混合派的理念)为代表。第一代厌氧教派只是经验积累,并没有留下什么武学理念。

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化粪池

第二代厌氧教派研究出厌氧反应的武学理念,整个厌氧反应过程分为3个阶段,即水解发酵阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。也有不少厌氧教派认为是4个阶段,比3阶段武学理念多了同型产乙酸阶段。第二代厌氧教派的主要招式有升流式厌氧污泥床反应器(UASB)、厌氧折流反应器、厌氧滤池(AF)、厌氧生物转盘、厌氧膨胀床和厌氧流化床、两相厌氧法等。

升流式厌氧污泥床反应器(UASB)诞生于1972年,深受厌氧教派的欢迎。反应器底部有污泥层,污泥层之上是悬浮污泥层,反应器顶部是三相分离器。UASB有机负荷和去除率高、适应能力强,有很大的发展前景。

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UASB

厌氧滤池(AF)是厌氧教派汲取了生物膜教生物滤池要义形成的招式;厌氧生物转盘是厌氧教派汲取了生物膜教生物转盘要义形成的招式;厌氧膨胀床和厌氧流化床是厌氧教派汲取了生物膜教生物流化床要义形成的招式。

两相厌氧法是依靠厌氧教派自身的聪明才智创造的,根据厌氧教派的3阶段武学理念,两相厌氧法将产酸阶段和产甲烷阶段分开,创造不同的条件,分别在两个独立的反应器内进行。

进一步打开思路,厌氧教派只创造水解发酵阶段和产氢产乙酸阶段的条件,就开创了水解酸化法的招式。此招式摒弃了成本高、风险大的产甲烷阶段,又能有效地提高污(废)水的可生化性,与好氧教派的接触氧化联手,成为生化水处理界的最强组合搭档。

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生化水处理发展历程

第三代厌氧教派的招式更为高效,主要有从UASB演进而来的厌氧膨胀颗粒污泥床反应器(EGSB)和厌氧内循环反应器(IC)。

教派联合

传统的好氧教派和厌氧教派的基本情况就是这样,然而,真正有志于闯荡江湖的侠客不会仅满足于此。膜生物反应器(MBR)就是这样的侠客,其跨界融合了生化水处理界活性污泥教和物化水处理界膜分离教的武学招式,出水水质好、容积负荷高、剩余污泥少,也成为了武林高手。

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MBR

水处理江湖越来越残酷,生化水处理界的各武林门派想要生存,不能单打独斗,而是要联起手来。克劳斯(Kraus)法就是最早的好氧教派和厌氧教派联手的招式。该招式把厌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气硝化,既提供了氮源,硝酸盐又作为电子受体(电子受体可以理解为氧化还原反应中的氧化物,氧化物在反应中得电子,就像接受了电子一样,所以叫电子受体,下文还会出现这个概念),参与了有机物的降解。

在脱氮除磷领域,好氧教派和厌氧教派的联手更是家常便饭。受克劳斯(Kraus)法和AB法启发,他们创造了AN/O、AP/O、A²/O等先进招式。

好氧教派和厌氧教派联合切磋武艺,研究出了生物脱氮技法和生物除磷技法。生物脱氮的理念是,生物脱氮分三步走,第一步氨化,运用好氧教派武功,将有机氮转化为氨氮;第二步硝化,运用好氧教派武功,将氨氮转化为亚硝酸盐氮再转化为硝酸盐氮;第三步反硝化,运用厌氧教派的缺氧武功,将硝酸盐氮转化为亚硝酸盐氮再转化为氮气。

于是,生物脱氮需要一座好氧池和一座缺氧池。武林人士通过研究和总结,将缺氧池前置,好氧池混合液回流到缺氧池,效果更好,就形成了AN/O招式。这样的好处是缺氧反硝化能补偿一部分碱度供好氧硝化使用、利用原污(废)水碳源、利用硝酸盐作电子受体可处理有机污染物、抑制污泥膨胀。

AN/O招式及其衍生招式、活性污泥教的序批派和氧化沟派都能脱氮。但是,在生物脱氮领域的竞争永远是激烈的,同步硝化反硝化(硝化和反硝化在同一个池子进行)、短程硝化反硝化(有机氮和氨氮硝化成亚硝酸盐氮后直接反硝化为氮气)和厌氧氨氧化(缺氧条件下氨氮和亚硝酸盐氮反应成氮气)是最先进的武林秘籍。其中,厌氧氨氧化一旦修炼完成,必将称霸武林。

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厌氧氨氧化机理

生物除磷的武学理念则是运用聚磷菌这种武器分两步走,第一步,运用厌氧教派的厌氧武功,让聚磷菌释放磷,让它们饥饿;第二步,运用好氧教派的武功,让聚磷菌超量吸收磷,让它们吃撑,再沉淀分离去除。于是,生物除磷需要一座厌氧池和一座好氧池,这就是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沟派都能除磷。有没有比这些招式更高效的除磷招式?有,但需要跨界,将生物除磷和物化水处理界化学沉淀教的招式相结合,即辅助化学除磷功夫。

那么,同时脱氮除磷的武学招式有哪些?最典型的就是A²/O招式啦。将厌氧池、缺氧池、好氧池串联,好氧池混合液回流到缺氧池,污泥可回流到厌氧池也可回流到缺氧池,这就是A²/O招式。

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A²/O

那怎么区分好氧、缺氧和厌氧呢?根据道听途说的说法,是根据溶解氧多少来区分的。其实不对,根据武林人士的说法,好氧具有溶解氧(氧气)还可能有硝酸根、硫酸根等电子受体;缺氧没有溶解氧(氧气)但有硝酸根、硫酸根等电子受体;厌氧既没有溶解氧(氧气)又没有硝酸根、硫酸根等电子受体。

同时脱氮除磷的武学招式除了A²/O招式及其衍生招式,还有序批派和氧化沟派的招式。为什么序批派的招式可以同时脱氮除磷?序批嘛,不同的时间干不同的事,前一段时间除磷,后一段时间脱氮,在整个周期内可以既除磷又脱氮;只要有2座或2座以上池子,就可以化序批为连续,不就是可以同时脱氮除磷了嘛。

为什么氧化沟派可以可以同时脱氮除磷?除了招式类似于序批派的交替式氧化沟,其它氧化沟利用的是具有溶解氧梯度和污(废)水循环完成的。试想,一个氧化沟很大,只在一端提供曝气,这一端就是好氧,进行硝化、聚磷菌吸收磷和排泥;水循环到氧化沟中间,没有曝气(氧气),但有硝酸根,是缺氧环境,发生反硝化,消耗硝酸根;水循环到氧化沟另一端,没有溶解氧也没有硝酸根,是厌氧环境,聚磷菌释放磷;厌氧端水和进水一起又循环流动到好氧端。同时脱氮除磷完成。

土地教派

以上介绍的好氧教派、厌氧教派,以及脱氮除磷领域,都是细菌做主力的武学门派。上世纪70年代,出现了一些不但利用微生物,还利用动植物和土壤的新兴门派,我们姑且叫他们为土地教派。

土地教派主要有三类,稳定塘教、人工湿地教和土地处理系统教。

稳定塘教擅于利用天然的或人工构筑的池塘,以及池塘里面的细菌、藻类、原生动物、后生动物、水生植物和其它水生生物组成的生态系统,借鉴好氧教派和厌氧教派的武学理念,研发了好氧塘、兼性塘、厌氧塘、曝气塘等武学招式。

人工湿地教认为,通过人为创造条件,营造人工湿地生态系统,利用湿地的物理、化学和生物功能可以净化水质。人工湿地教的武学招式有敞流型、潜流型和渗流型人工湿地等。

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人工湿地

土地处理系统教则利用土壤-微生物-植物构成的陆地生态系统的功能净化水质。该教的主要招式有慢速渗滤、快速渗滤、地表漫流和地下渗滤等。