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智慧水务浪潮下的污水处理技术发展

日期:2017-12-01    来源:中宜环科环保产业研究  作者:陈珺

国际节能环保网

2017
12/01
17:02
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关键词: 污水处理 污泥 脱氮除磷

  在污水处理技术百年的发展历程中,控制一直是一个令人关注的话题,围绕这一领域的技术发展也经历了由简单到复杂的不断演变,在进入到21世纪之后,仪表、控制及自动化(ICA)的发展更是令污水处理厂在应对负荷变化、控制出水水质、节能降耗方面展现出更加“智慧”的特点,在这一发展浪潮中污水处理工艺如何发展值得令人关注。
 
  
  陈珺 江苏省(宜兴)环保产业技术研究院总工
  
  一、污水处理技术的发展历程回顾
  
  首先,我们在展望未来污水处理技术的时候需要简单回顾一下污水处理技术的发展历程。
  
  当1882年史密斯开始研究污水曝气的时候,没有人知道将来会有活性污泥工艺,早期的污水曝气研究了30年后并没有获得什么突破性进展,直到2年后英国人英国人在污水曝气的基础上发明了活性污泥工艺(1914年),当然这30年的曝气研究并不是原地踏步,而是对一步步坚信了曝气产生的“粘泥”对污水处理具有重要的影响。
  
  1914年活性污泥工艺的出现事实上成为现代污水处理技术的起点,在经历了早期的专利纠纷之后,污水处理基础理论在50-60年代基本成型,70年代生物脱氮除磷工艺的出现成为污水处理技术发展的一个重要里程碑,同时生物膜工艺获得了再次发展的机会,IFAS、MBBR等技术由于紧凑性方面的特点在升级改造中获得明显的优势。
  
  当前,无论是在欧洲还是北美,污水生物处理在某些地区已经达到了极限水平(TN<3mg/L、TP<0.1mg/L),传统的水质要求已经不再是工艺发展的方向,而在紧凑性方面、资源能源回收方面污水处理工艺正掀开新的篇章。
 
  
  二、若干未来技术的发展方向
  
  好氧颗粒污泥
  
  现在大家谈的比较多的好氧颗粒污泥实际上在历史与现实中时有出现,早在70年代James Barnard进行接触稳定试验时就注意到了颗粒污泥的现象,Barnard形容为“像粗砂一样”。
  
  而在现实中有时候也会观察到颗粒污泥的现象,如浙江海宁污水厂曾经观察到有明显的颗粒污泥,污泥粒径约0.5mm,美国的田纳西州污水处理厂也观察到类似的现象。因此,颗粒污泥实际上存在于某些污水处理厂中,只是平时并未引起人们的过多关注。
 
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  现在比较热的Nereda颗粒污泥从早期的研究算起已经有20多年,经历了最初实验研究到后来的公司合作,然后到工业废水的示范厂,到现在的市政污水处理厂,逐步发展成为一种商业化技术。现在Nereda已经发展了40座污水处理厂,大部分用于处理市政污水。
  
  实际上,好氧颗粒污泥的形成也是一个对微生物选择的过程,微生物的选择一直伴随着污水处理工艺的发展,从早期对去除COD的异养菌、到硝化菌、聚磷菌都是对微生物世界的一步步认识深入。好氧颗粒污泥形成的主要机理有饱食—饥饿选择、有机负荷、剪切力等。
  
  饱食—饥饿选择是指微生物先在COD浓度很高的条件下进行饱食,然后经历饥饿阶段,这个过程会促使微生物把COD转化为内部储存的有机物,有利于颗粒污泥形成。较高的有机负荷有利于颗粒污泥形成强劲的内核。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。有关这方面的研究内容非常多,在此不一一列举。
 
  
  好氧颗粒污泥污水厂基本的仪表配置包括DO、ORP、温度、液位,其他的配置包括在线浊度、SS、NH3-N、PO4-P。
  
  未来好氧颗粒污泥将逐渐向着连续流工艺的方向发展,目前好氧颗粒污泥通常采用SBR形式,但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。
  
  其次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。另外就是在进一步的机理认识方面以及模型解释、预测方面。
  
  碳转向
  
  污水处理未来发展的一个重要方向是碳转向,传统污水处理过程大多是将污水中的COD去除,需要消耗大量的能源。一般正常的生活污水中所蕴含的能量是处理所需能量的4-5倍,将污水中的可生物降解有机物从二级处理转向能量回收的这一转变被称之为碳转向-carbon redirection。回收的碳可用于产能或生产基于碳的产品。
 
  
  这张图描绘了碳转向与传统处理方式的不同,目前碳转向的主要技术有传统的初沉池,化学一级强化沉淀(CEPT)、高负荷活性污泥法(HRAS)、旋转滤网。CEPT可以对颗粒性及胶体性COD获得40-80%的去除率,HRAS有两种形式,一种是只用于去除BOD的二级处理,一种是AB工艺的A段,二者有明显的不同,用于二级处理时SRT约1~4天,而作为A段时SRT一般为0.5天。
  
  HRAS工艺最早在1923年时就已经出现,但实际上并没有获得足够深入的认识,随着碳转向的发展这一领域的研究更加深入,对其机理的解释也更加深入,譬如双基质模型,另外也出现了形式更好的碳转向技术,例如高负荷接触稳定工艺。总之,实现碳转向的优点在于降低曝气所需、产生更多沼气、池容更小或者处理能力更高、向未来主流厌氧氨氧化的迈进。
  
  主流短程脱氮
  
  与碳转向呼应发展的另一个技术是主流短程脱氮,特别是主流厌氧氨氧化。早在七十年代科学家Engelbert Broda预测出自然界中存在新的途径及两种未发现微生物能够实现氮的转化,并且通过热力学原理进一步推导出转化公式。
 

 
  而在1906年就有人注意到在污水过滤时出现氮的损失现象,特别是在处理稀释的尿液时尤其明显,滤后出水的氮浓度不到原进水的一半,这虽然难以确切地表明是厌氧氨氧化现象,至少表明自然界的氮循环现象远比我们认识的要复杂。
  
  另外,在现实的污水处理厂也会观察到新的脱氮现象,如新加坡樟宜再生水厂,主流自氧生物脱氮达到30%多,台湾也有类似报道。
 
  
  主流厌氧氮氧化发展的动力有以下几个:减少或摒弃外加碳源的需求、降低曝气能耗,追求更小的反应池容。下图是传统脱氮技术与主流短程脱氮技术的能耗对比。
 
  
  现在的主流厌氧氨氧化的技术流派主要有颗粒污泥、生物膜/IFAS、絮体+颗粒污泥以及悬浮+生物膜的方式。主流厌氧氨氧化面临的主要的挑战是对NOB的抑制,主流厌氧氮氧化过程涉及四种微生物,Anammox、AOB、NOB、HTO这些微生物之间互相制约、互相影响。
  
  尽管对NOB的抑制现在已经有了一定的技术手段,比如维持出水中一定的氨氮浓度、DO控制等,但挑战依然巨大。主流厌氧氨氧化的仪表控制,主要是DO、NH3-N、NO3-N、ORP和空气流量计,在线控制策略对NOB的抑制非常关键。
  
  主流厌氧氨氧化目前还缺乏关键的突破,但并不影响其在实际工程中的应用,这主要是在一个传统的污水处理工艺中可以较好地将之“嵌入”,它的一些技术措施对传统脱氮工艺也有价值,比如生物强化提高污泥沉降性能,间歇曝气降低出水总氮。
  
  生物膜
  
  生物膜的发展历史悠久,早期人们就发现污水从山上流下来到山脚下自然就清澈了,这其实就是自然的生物膜在起作用。传统的污水处理曝气过程中,只有5-25%的氧被利用,剩余大部分氧都进入大气。近些年来生物膜出现了新的发展方向,膜曝气生物膜反应器(MABR)便是其中之一,它的原理是向膜中直接充入空气,生物膜附着在膜表面,极大地提高了氧利用率。
 
  
  传统生物膜中DO和BOD都是进入到膜内扩散,浓度同时降低,这无论是对外层异养菌的反硝化过程还是对内层的硝化过程都是不利的,外层较高的DO影响反硝化、内层较低的DO影响硝化。而对于MABR,内层硝化菌首先获得较高的DO,而外层反硝化菌可以在较低的DO情况下利用碳源进行反硝化。得益于此,MABR展现出独特的节能优势、脱氮优势以及占地节省的优势。
 
  
  模型应用
  
  从1987年到2017年,活性污泥ASM模型经过30年的发展,传统工艺的模型开发逐渐接近尾声,模拟工具已经成熟,模型应用导则已经完善。当前模型应用的最大问题是数据的调谐、修正,数据的质量关系着数据的分析,以及对工艺的直接控制,无论是哪里的污水处理厂,数据质量都是最重要的。
  
  如果数据质量不好,就难以把收集到的数据变成有价值的信息,这是现在模型需要解决的问题。另外一个动向就是动态模型和SCADA系统的整合与应用。
 
  
  资源回收
  
  我们常常讲水、能量、资源是三位一体的发展模式是未来污水处理厂的重要展现形式,水与能源的回收相对比较成熟,资源回收的大幕刚刚拉开,目前较为成熟的资源回收技术当属磷回收,磷回收发展的动力主要有降低管路堵塞、降低污泥脱水泥饼含水率、资源回收。
  
  目前,全球污水处理磷回收项目大概有七十多家污水处理厂在进行。其他方面的资源回收仍然处于起步阶段,未来的发展仍有待于进一步的观察。
 
  
  三、总结与展望
  

 
  污水处理技术的发展总会经历S形的发展过程,早最初的萌芽阶段是小试、中试,有很多需要完善的环节,然后逐渐向前发展,有的技术可能就销声匿迹,有的会走入示范期,积累更为丰富的经验,MABR、主流厌氧氨氧化现在就处于示范期。
  
  在示范期过后会逐渐成型,产生第一代技术,Nereda很可能是好氧颗粒污泥的第一代技术,未来会有更好形式的颗粒污泥技术出现。IFAS、MBBR工艺基本已经进入第二代,工艺趋于成熟,应用数量也逐渐增多。通常工艺前期发展速度慢,中期发展速度快,到了后期也会发展变慢。
  
  最后,在面对着仪表、控制与自动化快速发展的时代,我们仍然要强调工艺是污水处理厂的核心,ICA是污水处理厂的神经。污水处理厂未来将向着更加密集性的方向发展,ICA将会发挥更加重要的角色,功能也会更加强大。
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