采用悬浮生物载体使污水再生的方案设计

王永志 赵利峰 徐景颖
中国市政工程东北设计研究院

l、污水再生的必要性

　　近些年来，水环境污染和水资源的缺乏，制约了社会和经济可持续发展，将威胁着人类本身的生存，因而污水的治理和资源化迫在眉睫。国家在这方面已制定了优惠政策，鼓励开辟这个第二水源，是今后水工业发展的方向。当前对水资源要加以保护，不能无度开发和污染；另一方面，水资源又是可再生的，如地表水在大气环流作用下，通过降雨补充，水体自净和人为的净化处理，供水紧张的局面是可以缓解的。水是可再生的资源，那么水工业的发展成为循环经济是可行的。
　　目前，我国城市污水约有30％的处理能力，由于各地的自然条件，水质特点，投资商的意愿和经济实力不同，污水处理工艺呈现多种选择，而处理后的出水水质，对于实现资源化也存在各自的问题。另外，再生水的用处对水质有不同的要求，所以污水深度处理工艺应该因地制宜、有针对性的。但总的原则是采用经济，适用，便于管理，行之有效的净化方案。
　　城市污水处理一般为二级生化处理。对于可生化的有机物能去掉绝大部分，不可生化的仍存在于水中。即使A／O及A²／0 工艺虽然能达到除磷或同时除磷脱氮的目的，但对于排入富营养化限制比较严格的水体以及回用于工业生产往往是不合乎要求的，因为污泥回流水中的N0₃-N影响厌氧状态下磷的释放。厌氧释磷和反硝化脱氮互相争夺碳源。生物滤池对于除磷脱氮的功能效果也不佳。当前的深度处理工艺，多采用给水常规处理，只通过混凝沉淀和砂滤，对于进一步去除污水处理厂出水中的CODcr，TN及TP的作用不大，CODcr仅能去除30％左右，TN及TP几乎没有去除效果。至于臭氧活性炭或膜滤法等高级水处理技术，大规模的用于污水资源化，因基建投资（1500～1700元/米³.水）和运行成本太高（1.0～1.3元/米³.水），管理上技术复杂,难度大,推广应用受到限制。

2、 氧化及气浮生物悬浮载体机理

　　我院多年在总结常规水处理各种技术的基础上，对于混凝进行强化及处理单元的优化组合，设计出“气浮生物悬浮载体水处理工艺”。该工艺的各项技术环节都是成熟可靠的，是常规水处理技术的合理配置，是针对污水经二级生化处理后的出水水质的特点而设计的。二级生化处理二次沉淀池的出水COD_cr／BOD₅的比值增大。COD_cr反映了高分子有机物生化比较困难而残存在水中。若将COD_cr进一步去除，可采用化学氧化的方法，使高分子有机物氧化分解为可溶的低分子有机物，提高可生化性，再进行生化处理使其变为CO₂和H₂O。氧化药剂一般采用高锰酸盐或二氧化氯。其投加量为2-5mg／L。反应时间10-15分钟。
　　经二级生化处理后的净化水，再进一步生化处理是很难的。因为再生原水中可生化的有机物残存量很低，一般COD_cr 50-lOOmg／L，BOD₅仅为lOmg／L左右。一些研究者为提高生化效果，认为采用一般的生物载体会有很大希望。但是经考察和试验，一般生物载体并不像所希望的那样，能提高生化反应的效果。因为基质去除速率和生物体的增量主要决定污染物基质的浓度L，及生化曝气时间t，如下式：

　　

　　基质浓度L越高，曝气时间t越短，生物体X才能快速对数增长，基质去除率也更高。而现行的生物载体有陶粒、塑料填料，沸石，化学纤维等，这些载体比表面积小，吸附能力很差。如陶粒比表面积为4米²／克，沸石为30米²／克，其他载体比表面积更小。再生原水中有机物浓度低，在这样的载体上微生物生长及其生化反应速率是非常慢的，所以在其表面很难形成生物膜，CODcr仅能去除30％左右。
　　悬浮生物载体主体是活性炭，活性炭是水处理的高效吸附剂，比表面积一般是800-1200米²／克，其强烈的吸附能力，能使水中低浓度的污染质经吸附富集，浓缩于活性炭的孔隙中，在孔隙内部提高了有机物的浓度。在气浮池中由于曝气水不断地向水中充氧，加压溶气几乎使溶解氧达到饱和的程度。水中溶解氧给微生物造成高速生长繁殖的有利条件，每个活性炭细粒均充分发挥了高效生化反应，将很快的形成生物膜。细颗粒炭表面形成的细菌生物膜内层和外层对水处理起到不同的作用。生物膜的外层是处于好氧状态，不断地氧化消耗所吸附的有机物，使其无机化变为CO₂ 和H₂O，并产生硝化作用，将NH₃-N变为N0₃-N。生物膜的内层是处于厌氧状态，由于吸附富集大量有机物，提供了足够的碳源，以及N0₃-N强烈的向内层渗透，厌氧菌在厌气条件下利用N0₃-N中的氧而产生反硝化，变为N₂逸出，实现了厌氧脱氮的作用。生物膜内厌氧层中细菌分泌的胞外酶可大量的进入活性炭微孔，将高分子和不溶性的有机物分解为低分子，以供外层好氧菌生化利用。另外，在厌氧条件下分解高分子有机物的作用，则化学氧化可以由生化作用所替代。
　　载体表面生物膜的新陈代谢和更新过程，也体现了活性炭的再生机理。生物膜与炭粒表面接触的厌氧层中，不断地产生N₂、CO₂、H₂S、CH₄等气体，减少了生物膜与炭粒表面的附着力。所以生物膜在水流的作用下，周期性的脱落和重新生长。与此同时活性炭孔隙中吸附的有机物也消耗殆尽，被其占据的表面积得到再生。Weber等人的研究，认为生物再生率可达到70％左右。我国北方大庆采用的生物活性炭。已运行了多年，因采用工程菌生化再生，其处理效果仍不见减弱。
　　生物载体除磷机理是在生化反应过程中，菌体的大量生长作为必要的营养素，磷被吸收，贮存积累于体内。在排出老化的生物膜的同时，磷也被除掉。气浮过程中净化水无厌氧环境，出水中含磷量低，所以本工艺生物除磷具备特殊的优势。为进一步提高除磷效果，在气浮池可投加少量的混凝剂，也更有利于微气泡与炭粒的粘附。气浮微气泡与炭粒的粘附主要原因是两者的疏水性都很强的特性，还有生物絮凝作用。
　　因为污水处理厂的出水中，悬浮物SS值一般都低于20mg／l，对活性炭的吸附作用无影响。
　　气浮生物悬浮载体主要是活性炭的改型问题。通过试验研究，载体的真比重与粒度决定了其使用方式。对于水质净化采用草本及木本为原材料生产的活性炭是比较适宜的。其粒度既不是常规做的滤料的粗粒活性炭，也不是单纯做为吸附剂的粉末活性炭，而是采用改型的细粒活性炭。常用的活性炭的真比重最高达2．2，最低为0．8。所选择的真比重与粒度适合的活性炭在气浮絮凝池中处于悬浮状态，在系统中循环浮上分离，形成气、固、液三相生物流化床，充分的保证了生化反应的有利条件，达到了使活性炭高效吸附、生化和再生的目的。
　　细粒活性炭在系统中循环使用．在气浮池的水中活性炭维持的浓度，主要是使低浓度有机质的浓缩，投量过高是没必要的。仅补充1～5mg／L的投加量即可。用于污水处理的活性炭价格5元／公斤，则每吨水的成本仅提高0．005～0．025元／米³水。做为悬浮载体的细粒炭价格更低。
　　活性炭的常规使用方法有做为吸附剂的粉末炭，投加于水中随絮体沉淀，通过排泥一次性废掉。投加量一般为30mg／L左右。还有粒状炭用作滤料，起到吸附和生物载体作用。当作滤料用需要再生，一般使用半年左右就要失效，达到再生周期。活性炭再生势必给管理上造成麻烦，而且再生费用也比较高，约800-1000元／吨(炭)。基于上述情况在活性炭的使用上就受到了限制。实际上活性炭的吸附及生化反应在水质净化方面具备高效多功能作用。就是因为价格过高，这种多功能高效净化水的作用得不到充分发挥和合理的应用。
　　气浮生物活性炭是一种生物流化床，活性炭在絮凝过程中均处于悬浮回流状态。一部分较轻的细粒炭进入气浮池与微气泡粘结上浮变为泡沫。泡沫收集到池外，通过水力旋流器将活性炭分离出来，再回流到气浮反应池前部重新使用。老化的生物膜及污染质在旋流分离器上部以泡沫的形式排掉。该项新工艺在活性炭的选型和使用方法上的改进，为活性炭净化水质的领域开拓了新的途径（2004年8月我院获得发明专利，ZLO11060689）气浮池的出水SS可达5mg／L以下，C0Dcr 40mg／L以下，NH₃- N<10mg／L，TP<2mg／L。如果气浮出水再经过滤，出水水质可进一步提高，CODcr<30mg／L，SS<2mg／L，NH₃-N<3mg／L，BOD₅<5mg／L，TP<1mg／L。这样的水质经消毒后，用于生产冷却水是完全可行的。

3、 工程设计方案

　　净化工艺流程的设计，主要是考虑投氧化剂、混凝剂、活性炭的顺序及其互相影响的问题。氧化剂要投在混凝剂之前。因氧化剂除氧化作用外，尚有助凝作用。活性炭的固定床或流化床，设在沉淀之后，滤池之前。这样氧化灭菌作用，对生物活性炭的生化反应无影响。
　　生物活性炭接触氧化，可采用活性炭滤池固定床或气浮流化床的形式。如二次沉淀池出水欠佳，SS>20mg/L，C0Dcr>50mg/L，除建气浮池外，其后再建活性炭为载体的生物接触氧化固定床。固定床对活性炭型号的选择。不受粒径和真比重的限制。
　　如二沉池出水水质较好，可直接在气浮池中采用气浮生物炭流化床的形式如图1．

　　气浮池中投加特制的活性炭，就设计配置成气浮生物炭流化床。气浮池前的絮凝段采用微孔曝气的反应形式，特制的细粒炭在曝气池中悬浮流动，与水进行充分接触。曝气絮凝池是微孔曝气的外加能量进行搅拌，曝气强度气水比不大于2∶1。曝气絮凝池水流进入气浮池前，活性炭绝大部分进行内回流。老化生物膜和吸附的杂质，以及少部分炭粒随水进入气浮段(如图1)，以泡沫的形式从气浮池的表面排除池外。因活性炭比重较大，通过水力旋流分离出来后，再回流到气浮反应池前，起到生物细菌接种的作用。
　　生物炭固定床工艺流程如图2所示，这种形式比较复杂．基建投资较贵。