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未來已來 汙水處理工藝將去向何方?

 現代汙水處理技術在經曆了100年的發展之後迎來了新的挑戰與機遇,未來汙水處理將去向何方?

    30s光速閱讀版

    將朝著緊湊性、可持續性的方向發展,其中好氧顆粒汙泥將向著連續流的方向發展,在實際應用中將會更加注重絮體與顆粒汙泥之間的平衡;

    碳轉向是今後汙水處理發展的一個重要方向;

    主流短程脫氮技術的發展愈加深入,未來的突破可能在微生物方麵的認識進展;

    生物膜技術的認識和應用將會更加深入,MABR技術獨特的特點使得供氧效率得到極大提高;

    ICA的應用將更加普及,基於數據調諧的模型應用將顯現出強大的力量。

    啥,找小編要論據?全文約11000字,預計閱讀時間35分鍾。

    1汙水處理工藝發展的曆史回顧

    1.1汙水處理工藝的發展

    1914年,英國人Ardern、Lockett發明了活性汙泥工藝,這一事件成為了現代汙水發展的起點和重要的標誌性事件。自那以後,活性汙泥工藝成為汙水處理的主流處理技術,圍繞著活性汙泥工藝,汙水處理技術獲得了長足的發展,出現了百花齊放的技術格局。

    活性汙泥工藝在經曆了早期的專利權問題之後迎來了技術的空前繁榮,主要體現在基本理論的完善和各種變形工藝的出現,尤其是20世紀70年代出現的生物脫氮除磷技術(BNR)成為活性汙泥工藝發展的一個重要裏程碑,並在某種程度上奠定了當今汙水處理技術的主要局麵,同時生物膜工藝獲得再次發展機會,IFAS、MBBR及BAF等工藝由於其在緊湊性方麵的優勢在升級改造方麵獲得了一定的優勢。另外在20世紀末,一些創新性的工藝如厭氧氨氧化、好氧顆粒汙泥技術逐漸登上了曆史舞台,如圖1所示。

 

    在活性汙泥工藝經曆了100多年的發展之後,汙水處理技術的大廈已經相當完善,目前的汙水處理工藝在傳統水質方麵已經不是問題,北美的研究結果表明,生物脫氮除磷工藝的極限可以達到TN<3mg/L、TP<0.1mg/L。荷蘭的研究結果也表明,在條件適應的情況下活性汙泥工藝的技術極限可以達到TN<2.2mg/L、TP<0.15mg/L。

    1.2汙水處理理念的轉變

    進入21世紀後,汙水處理領域內出現了重大的理念變革,汙水已經不再被認為是一種廢物,而是一種可再生的資源,汙水處理也正由過去的以衛生文明與環境保護為目標向著資源回收的方向發展。這一點無論從荷蘭提出的NEWs理念,即未來汙水處理廠將是營養物、能源與再生水的製造工廠,還是美國水環境聯盟正式摒棄汙水處理廠之稱,轉而統稱為水資源廠,亦或是新加坡倡導的將Wastewater(汙水)改稱為Usedwater(舊水),無不印證著在世界範圍內汙水作為一種可再生資源已經深入人心。伴隨著理念的變革,汙水處理工藝在技術的緊湊性、可持續性、適應性方麵朝著更加深入的方向發展。

    2未來汙水處理工藝發展的方向

    當前城市汙水處理的主流技術是生物處理技術,生物處理技術如何在未來發展實際上反映了今後相當一段時間內的汙水處理工藝發展方向。本文僅對未來20年內的汙水處理技術發展做一些分析和判斷。

    2.1好氧顆粒汙泥技術

    2.1.1曆史與現實中的現象

    活性汙泥工藝的出現與發展實際上是采用各種方法選擇微生物的過程。1914年,Ardern和Lockett將曝氣後沉澱下的汙泥留了下來,將不易沉降的微生物“淘洗”出去,采用這種序批式的方式,他們觀察到了顆粒汙泥的現象。

    1972年,JamesBarnard在接觸穩定的試驗裝置中也注意到了顆粒汙泥的現象,當時他用初沉池的出水進入到反應器中,接觸時間15min,排泥隻從表麵排泥,接觸區的汙泥濃度22000mg/L,Barnard觀察到了明顯的汙泥顆粒,“像粗砂一樣”,當時的汙泥負荷非常高。

    2.1.2好氧顆粒汙泥的形成與選擇

    活性汙泥工藝從誕生至今一直不斷經曆著“選擇”的過程,早期的汙泥回流使微生物選擇留在係統中,起到了最為關鍵的作用;此後,人們通過基本的長泥齡方式而使硝化菌在係統中選擇地存在;而生物除磷工藝的出現,則是通過厭氧-好氧的交替環境選擇性地使聚磷菌(PAOs)在係統中存在,可以看出對微生物的選擇過程一直伴隨著汙水處理工藝的發展,如圖2所示。當然,在這一係列的基本選擇過程中,還有其他因素的影響,比如硝化過程中對DO的需求、生物除磷過程對VFA的需求等。

 

    好氧顆粒汙泥技術的出現與發展實際上仍然是對微生物選擇過程的更進一步認識,在這一認識過程伴隨著對生物膜、汙泥膨脹的更加深入理解。好氧顆粒汙泥既可以在隻去除COD的好氧環境中出現,也可以在厭氧-好氧的交替環境中去除COD及氮、磷,在這種形式的顆粒汙泥中,硝化菌及普通異養菌在顆粒汙泥的最外層,靠近內核部分的是反硝化菌、聚磷菌(PAOs)、聚糖菌(GAOs)。因此,好氧顆粒汙泥去除營養物的機理實際上與活性汙泥工藝相同,隻不過並不是在不同的池子來實現,而是在顆粒汙泥的不同區域來實現。

    目前一般認為主要有以下幾個方麵對顆粒汙泥的形成具有重要的影響:

    飽食-饑餓選擇,通常以外部基質用於生長的階段稱為飽食期,而以內部基質(PHB)生長的階段稱為饑餓期。與利用乙酸或葡萄糖等易生物降解有機物相比,異養微生物利用PHB或糖原等慢速可生物降解物質的生長速率較慢,利用這一現象可以獲得穩定的顆粒汙泥。生物除磷的厭氧-好氧過程是實現上述過程的良好方式,在厭氧階段PAO或GAO將乙酸轉換為PHB或糖原。因此,rbCOD有利於微生物的快速生長,進而轉換為慢速可生物降解的胞內物質。這樣在生物除磷工藝中就會相對更容易形成顆粒汙泥。在饑餓階段,基質通過顆粒內層的反硝化被降解到最低,或是在顆粒外層的好氧區域實現降解。

    有機負荷(OLR)及基質的組成對顆粒汙泥的形成很重要,采用較高的負荷選擇可以使基質進入顆粒汙泥的內層,這樣就容易形成強健的內核。基質組成的影響主要是體現在快速可生物降解COD(rbCOD)與慢速可生物降解COD(sbCOD),在飽食期rbCOD和VFA的獲得對於胞內存儲物質的形成很關鍵,而sbCOD則會導致絲狀菌在好氧階段在競爭中獲得優勢。

    人們在對生物膜的研究過程中,發現強的剪切力可以促使形成薄而密實的生物膜,同時伴隨著剪切力相關的一個重要現象是胞外聚合物(EPS)的產生,EPS在促使細胞的“凝聚”、“粘合”方麵發揮重要的功能,對於維持生物膜的整體結構方麵扮演著重要的角色,在很多的研究中都可以觀察到強剪切力會促使生物膜分泌更多的EPS從而維持生物膜的整體結構平衡。與生物膜類似,水力剪切力對於好氧顆粒汙泥的形成也有重要的影響,強的剪切力會促使顆粒汙泥的形成,而弱剪切力則不會形成顆粒汙泥,隻能形成蓬鬆的絮體結構。

    同樣,EPS在對顆粒汙泥的形成方麵也扮演著類似的角色,強剪切力會促使顆粒汙泥像生物膜那樣分泌出更多的EPS來產生平衡的生物結構,這也就意味著EPS對於形成穩定的顆粒汙泥非常重要。

    此外,通過選擇性的排泥,將不易沉澱的汙泥排出係統,沉降速度較快的顆粒留存於係統之內,提高顆粒汙泥在其中的比例,這也是促成顆粒汙泥形成的原因之一;其他形成顆粒汙泥的因素還包括SRT、有機負荷、二價陽離子及三價陽離子等。

    2.1.3目前的應用

    目前,作為好氧顆粒汙泥技術的典型代表,Nereda工藝在過去10年裏得到快速的發展,截至2016年全球正在設計、建設及運行的Nereda汙水處理廠有32座,這些汙水處理廠分布於歐洲、美洲、澳洲、非洲等地。與相同負荷的活性汙泥工藝相比,Nereda好氧顆粒汙泥技術可減少占地麵積25%~75%,能耗降低20%~50%。

    從好氧顆粒汙泥的技術發展進程來看,以Nereda為代表的好氧顆粒汙泥技術實際上是一種利用內在基質選擇顆粒汙泥的過程,內在基質選擇的一個關鍵因素是需要有足夠高的基質濃度來形成顆粒,並促使形成較高含量的胞外聚合物(EPS)及胞內儲存物,這種方式要求將沉澱較慢的絮體汙泥排除係統,保留下沉澱較快的顆粒汙泥,為了避免出水SS較高,可能需要有一個後置的過濾係統。Nereda這種SBR的技術形式在很大程度上限製了對現有汙水處理廠的改造,因為絕大部分汙水處理廠並不是SBR工藝。因此,在推流式工藝上采用外置選擇器的方式在近年來得到了快速的發展,外置選擇器可以是篩網或旋流器,篩網是利用顆粒的粒徑來截留較大的顆粒汙泥,旋流器是利用顆粒汙泥密度較大的特點而在底流中獲得較高比例的顆粒汙泥,如圖3所示。

 

    2.1.4未來的發展

    好氧顆粒汙泥技術在未來可能會有以下幾個發展趨勢。第一,提高工藝應用的穩定性,好氧顆粒汙泥技術在長期運行過程中的穩定性在某種程度上是製約這一技術應用的一個瓶頸,穩定性涉及到兩個方麵,一個是顆粒汙泥的解體,一個是絲狀菌的過度增殖,前者會導致顆粒汙泥破碎為細小顆粒,後者會導致顆粒汙泥蓬鬆,容易流失。

    第二,就如同活性汙泥工藝從早期的SBR向連續流工藝發展一樣,當前及今後一段時間內好氧顆粒汙泥的研發及應用趨勢正朝著連續流工藝的方向發展,因為現在的絕大部分汙水處理廠是連續流工藝,將其轉為SBR的形式所需的投資費用很高,如何能夠在這些連續流的汙水處理廠中應用好氧顆粒汙泥技術成為這一領域的發展熱點。

    第三,好氧顆粒汙泥技術的進一步發展過程中,在機理與技術應用方麵仍然有多個方麵需要深入研究,這些方麵主要包括理解促成顆粒汙泥形成的內部基質特性、如何確保外置選擇器能夠實現良好的汙泥沉降性能和生物除磷功能,以及如何將內在基質選擇和外部選擇的措施應用於工程化規模的汙水處理廠。

    2.2碳轉向

    在傳統汙水處理工藝中,COD的主要流向是被好氧分解,除此之外還用於脫氮除磷、厭氧消化及汙泥處置。目前,汙水中的碳已被廣泛認為是可貴的資源,可以被用於產生能量(厭氧消化)、開發出以碳為基礎的商品。因此,汙水中的可生物降解有機物從二級處理轉向能量回收的這一轉變被稱之為碳轉向,碳轉向是汙水處理實現能量自給的必由之路,已經成為當前及今後一段時間內汙水處理技術發展的一個重要方向。圖4反映的是COD在新舊理念下的流向。

 

    目前,碳轉向的技術主要有化學強化一級處理(CEPT)、高負荷活性汙泥工藝、厭氧處理等。CEPT對顆粒性及膠體性COD可獲得40%~80%的去除率,但對溶解性COD無法去除。雖然汙水的厭氧處理在熱帶地區有所應用,但在溫帶地區的主流工藝中由於其速率較低,同時產生的甲烷會有相當一部分溶解在出水中,因此尚難以得到廣泛的應用。

    2.2.1高負荷活性汙泥工藝

    高負荷活性汙泥工藝(HRAS)最早由Buswell和Long在1923年開創。HRAS可以設計成滿足二級處理(BOD5<30mg/L、SS<30mg/L)的目的,也可以設計AB工藝的A段用於碳吸附的目的。當用於二級處理時,HRAS的SRT一般1~4d(與溫度有關),HRT一般2~4h;當用於碳吸附時工藝參數有顯著的不同,通常SRT<1d、HRT<30min。HRAS工藝能夠用較低的能耗和占地麵積將進水中的顆粒性、膠體性、溶解性物質富集濃縮於剩餘汙泥中,通過厭氧消化或焚燒由此實現汙水處理的碳轉向。HRAS工藝實現碳轉向的關鍵所在是顆粒性COD與膠體性COD的最大化去除,同時又要最低程度的礦化和慢速可生物降解COD(sCOD)的水解。在HRAS工藝中,顆粒性COD與膠體性COD是通過生物絮凝吸附於絮體之上並通過後續的固液分離得到去除,顆粒性COD與膠體性COD的吸附與胞外聚合物(EPS)的產生有密切關係,而溶解性COD的去除是胞內物質貯存的結果。

    雖然ASM模型的曆史已有30年之久,但主要是用於SRT>3d的活性汙泥工藝,對於HRAS工藝ASM模型難以得到理想的結果。由此,近年來有關HRAS工藝的模型得到了發展,其中之一便是雙基質模型用於解釋HRAS工藝的特性,雙基質模型的核心之處是將溶解性可生物降解有機物(SB)進一步分為快速溶解性可生物降解有機物(SBf)和慢速溶解性可生物降解有機物(SBS),雙基質模型認為SBf與SBS同時被生物降解,微生物利用SBf的最大比生長速率較SBS的要高,進一步的試驗也驗證雙基質模型較雙階段模型更為準確,雙階段模型認為微生物首先利用SBf,之後再利用SBS。

    2.2.2HiCS工藝

    在對HRAS工藝機理認識不斷深入的同時,一些衍生工藝也得到了發展,並展現出更好的發展勢頭,其中之一便是高負荷接觸穩定工藝(見圖5)。傳統接觸穩定工藝是1922年Coombs在英國開創,一般SRT>3d,通常目的是為了減少反應池的池容。HiCS工藝的SRT一般為0.2~3d,是HRAS和接觸穩定工藝的相互結合,生物吸附能力更強,所需的池容更小,汙水的碳轉向效率更高。

 

    HiCS工藝包括穩定池和接觸池,進水直接進入接觸池,保持在厭氧或較低的DO環境,回流汙泥進入穩定池進行曝氣。接觸池去除進水有機物的主要機理是微生物在飽食狀態下的吸附與胞內貯存,而在穩定池中微生物處於饑餓階段,大量吸附回流汙泥中的顆粒態、膠體態物質。在HiCS工藝中,接觸池與穩定池之間會形成一定的基質梯度,迫使微生物經曆“飽食-饑餓”的環境,產生一種令微生物傾向於吸附與貯存基質的選擇壓,起到類似活性汙泥工藝中選擇器的作用。

    在HiCS工藝中,當接觸池的泥齡為0.3d,好氧的條件下會產生較為明顯的EPS,EPS的產生會提高生物絮凝性能,這對於實現能量的最大化回收以及保持良好的汙泥沉降性能非常關鍵。在某種程度上這與好氧顆粒汙泥形成的條件之一“飽食-饑餓”有著類似之處。

    HiCS工藝的發展為實現汙水處理的能量自給開辟了一條值得借鑒的方法,汙水中蘊含著客觀的能量,有的研究結果顯示汙水中所蘊含的化學能是處理所需能耗的1.2~6倍,但目前絕大多數處理工藝是分解COD,而非回收COD。研究結果顯示,HiCS工藝較傳統活性汙泥工藝能量回收高1倍。通常,傳統活性汙泥工藝的能耗是27kWh˙PE(PE為人口當量),HiCS的能量回收可以達到28kWh˙PE,非常有利於實現汙水處理的能源自給。HiCS工藝在未來進一步發展的方向仍然是需要更深入了解吸附、貯存、生長及氧化的機理,並在工程尺度的規模上優化設計與運行。

    2.3主流短程脫氮技術

    主流短程脫氮技術包括短程硝化反硝化(Nitriteshunt)、厭氧氨氧化、厭氧甲烷氧化(DAMO)。目前,厭氧甲烷氧化仍處於基礎研究階段,可能在未來相當長一段時間還難以走向實際工程應用,短程反硝化和厭氧氨氧化的蓬勃的發展勢頭令人關注。

    2.3.1現狀

    從工程角度而言,推動短程硝化反硝化及主流厭氧氨氧化發展的動力主要來自於減少或摒棄外加碳源的需求、降低曝氣能耗以及追求更小的反應池容。

    不同的水質特征會影響到主流短程脫氮技術的選擇,如果進水碳氮比較高(C/N=6~10)時適合傳統硝化反硝化,當碳氮比處於中等水平(C/N=3)適宜短程硝化反硝化,當碳氮比較低時(C/N<1)時適合主流厭氧氨氧化。由於主流厭氧氨氧化的前景巨大,同時短程硝化是厭氧氨氧化的一個必要前提,因此主流厭氧氨氧化成為脫氮技術發展的焦點。

    目前,國際上主流厭氧氨氧化的技術發展路線大致有四類:顆粒汙泥、絮體+顆粒汙泥、生物膜/IFAS以及懸浮+生物膜的形式形式,如圖6所示。

 

    上述四種技術路線各有特點,在保持Anammox菌方麵,顆粒汙泥、生物膜/IFAS及懸浮+生物膜的方式比較類似,Anammox菌生長在顆粒內或附著於填料上;絮體+顆粒汙泥的技術路線是利用旋流器或篩網分離Anammox菌;在抑製NOB方麵,主要的控製方式有出水殘留氨氮濃度、SRT控製、DO控製、瞬時缺氧等。不同的技術路線所采用的NOB抑製措施也不完全相同,顆粒汙泥路線的方式是控製曝氣的體積、出水殘留氨氮、HRT控製絮體的泥齡;生物膜/IFAS技術路線的方式保持較低的DO、生物膜厚度的控製以及出水殘留的氨氮濃度;絮體+顆粒汙泥與懸浮+生物膜的技術路線是保持較高的DO、出水殘留氨氮濃度、瞬時缺氧、主動SRT等。

    從實踐層麵來看,各種不同技術流派已經或正在中試及工程尺度規模推進主流厭氧氨氧化的實踐。目前,主流DEMON工藝在德國、奧地利、荷蘭、美國、丹麥的汙水處理廠正在探索,主流Anita-Mox在巴黎的中試試驗結果表明,在最低水溫為15℃時,出水TN可以穩定低於15mg/L。新加坡樟宜再生水廠的研究結果也表明,Anammox菌對該廠的主流脫氮貢獻達到了31%。這些不同層麵的實踐正一步步推動主流厭氧氨氧化技術向前發展。

    2.3.2目前的挑戰與現實意義

    雖然世界各地的汙水處理實踐不斷地推動和深化主流厭氧氨氧化的認識,但目前的挑戰依然巨大,這些挑戰從宏觀層麵看主要是水溫較低與基質濃度較低造成的不利影響,從微觀層麵來看實際上是如何控製不同微生物的高度共生。

    在主流厭氧氨氧化工藝中,主要有Anammox菌、AOB、NOB、普通異養菌(OHO),這些微生物共存於一個係統中,對不同的基質形成了非常複雜的競爭關係,主要有AOB與NOB對氧的競爭(DO的控製水平、曝氣的時間)、NOB與Anammox菌對亞硝酸鹽氮的競爭(不同的亞硝酸鹽氮半飽和濃度及不同的溫度敏感性)以及異養菌與NOB對亞硝酸鹽氮的競爭,如圖7所示,如何控製這些微生物處於合理的水平無論是對於微生物的認知還是控製手段的優化都是巨大的挑戰。

 

    在這些複雜的競爭關係中,如何抑製NOB成為這一技術發展的關鍵所在,從目前的認識來看,NOB遠比AG都開的一樣怎麽殺豬之前的認識複雜,抑製的難度也較大。在側流工藝中,NOB主要是Nitrobacter,對NO-2-N有較低的親和力。而在主流工藝中,NOB主要是Nitrospira,對NO-2-N有較高的親和力,如表1所示。

水汙染

水汙染

 

    Anammox菌對NO2-N的半飽和常數約0.6mgNO-2-N,這樣在與Nitrospira對NO-2-N的競爭中就會處於劣勢,最終無法實現短程脫氮。因此,雖然目前的各種手段有助於抑製NOB,但在工程規模的負荷變化中,仍然難以有效地解決這一問題。

    盡管主流厭氧氨氧化沒有完全成熟,但由於這一技術的巨大吸引力促使世界各地的汙水處理廠不斷探索實踐,同時主流厭氧氨氧化的一些技術措施對傳統工藝也是有利,比如側流向主流工藝的生物強化會提高主流工藝的汙泥沉降性能、間歇曝氣有助於降低傳統工藝的出水TN等。

    2.3.3未來的發展

    或許曆史中的某些現象可以給未來的發展提供一些啟迪。早在1906年就有報道汙水在過濾時出現氮損失的現象,特別是在處理稀釋的尿液時尤為明顯,濾後出水的氮濃度不到原進水的一半,Chick認為這是某種微生物起到了作用。其他的研究者在上世紀30的年代也報道,當亞硝酸鹽與氨氮同時存在時會發生“自動氧化”的現象。這種現象雖然難以確切地表明一定是Anammox菌在起作用,但至少表明自然界的氮循環現象比AG都開的一樣怎麽殺豬想象的要遠為複雜。

    因此,主流厭氧氨氧化的未知領域探索仍需深入,一方麵是NOB的抑製,尤其是間歇曝氣對NOB的抑製非常關鍵,這方麵的深入研究非常關鍵;另外一方麵是Anammox菌的生長,雖然側流向主流的生物強化在多個汙水處理廠進行了實踐,但其確切的機理及意義還需要進一步研究。未來的突破很可能是來自微生物學的研究進展,尤其是需要尋找到一種對亞硝酸鹽氮有較強親和力的Anammox菌,這種Anammox菌的特性也許和側流工藝中的有很大的不同。

    2.4生物膜技術

    無論從人類的傷口感染、中耳炎,還是食品的變質、輸水管道內壁的微生物的附著,生物膜存在於人類生活的方方麵麵,其在汙水處理方麵的應用曆史甚至比活性汙泥法還長,最為典型的便是早期滴濾池在歐美各地的應用。

 

    雖然生物膜工藝在活性汙泥法出現之後應用數量有所下降,但從來沒有退出曆史的舞台。隨著對生物膜機理認識的愈加深入,尤其是在生物膜形成機理及結構穩定性方麵的認識促使一些新型生物膜技術得到了發展,這一具有悠久曆史的技術正重新煥發出新的光芒。

    2.4.1MBBR/IFAS

    作為生物膜技術的典型代表,MBBR/IFAS工藝在全球有超過1200座汙水處理廠[45]的應用,在未來這種技術將得到更為廣泛的應用,其應用的場合不僅限於有機物去除及硝化的目的,還可用於反硝化以及厭氧氨氧化。

    MBBR/IFAS工藝在未來的發展將在理解生物膜機理方麵不斷深入,尤其是在生物膜模型方麵,目前廣為接受的模型是一維模型,但實際上簡單的一維模型可能很難真實反映客觀世界,特別是有關生物膜水動力學方麵的特征。生物膜模型的應用已經成為設計人員研究與應用的一個重要工具。

    另外,在某種程度上,MBBR工藝與好氧顆粒汙泥有著類似之處,EPS對生物膜結構的穩定性方麵扮演著重要的角色,這與其對好氧顆粒汙泥的作用相似。實際上,在微生物研究者的角度來看,好氧顆粒汙泥也是一種生物膜技術。而在工程應用者的角度來看,兩者是不同的技術。

    2.4.2MABR

    在傳統活性汙泥工藝中,40%~60%的能耗用於曝氣,但是鼓風曝氣隻能將5%~25%的氧轉移到水中,剩餘的會以氣泡的形式逸出進入大氣。相反,如果能將100%的氧轉移到水中,鼓風曝氣的能耗將降低75%~95%。因此,圍繞如何有效地利用氧降低能耗始終是汙水處理技術研究的一個重要內容。

    近些年來,在曝氣利用效率方麵一項頗具發展潛力的生物膜技術是MABR(MembraneAeratedBiofilmReactor,即膜曝氣生物膜反應器)引起業內的廣為關注,並被眾多研究者廣為看好。MABR的主要原理是采用空氣在膜絲中進入,生物膜附著於膜材料表麵上(如圖9所示),曝氣的氧利用效率得到了極大的提高。傳統微孔曝氣技術的氧轉移率通常為1~2kgO2/k˙Wh,而MABR可以達到6kgO2/kW˙h以上,節能效果非常顯著。

 

    MABR工藝的另外一個特點是基質擴散的相反梯度,如圖10所示。在傳統的生物膜工藝中,BOD、NH3-N、DO的濃度隨著由液相向生物膜的擴散過程中而濃度逐漸降低,這種情對於硝化是不利的,需要有足夠的DO能夠穿透進入生物膜內部,而這樣對生物膜外層的異養菌反硝化又是不利的。

 

    在MABR工藝中,BOD與DO在生物膜內的變化情況正好相反,BOD從液相擴散進入到生物膜後逐漸降低,而DO從靠近膜的方向向著液相的方向逐漸降低,這樣對於硝化和反硝化都有利,這樣MABR工藝在脫氮方麵有著獨特的技術優勢。

    在具體應用上,MABR工藝可以單獨使用,或是與傳統活性汙泥工藝相結合,在曝氣池的前部設置厭氧區用於生物除磷,在中部位置放置MABR單元,其餘部分仍然采用微孔曝氣的活性汙泥工藝(如圖11所示),這樣懸浮汙泥可以利用進水中的碳源實現反硝化,而附著於MABR膜上的生物膜完成硝化過程,從而有效地避免了有機物與硝化對DO的競爭問題,這樣的工藝設置不僅節能還能大幅度降低池容。

 

水汙染

    美國芝加哥的O′Brien再生水廠進行了相關MABR技術的中試,試驗的規模是1900m3/d,節能效果達到了30%。MABR工藝在未來的發展需要解決生物膜生長與基質及DO擴散方麵的問題,同時在應用規模上不斷擴大。

    2.5ICA與模型的應用

    ICA(儀表、控製與自動化)是未來現代化汙水處理廠的重要特征,未來的汙水處理工藝發展將越來越重視ICA與工藝的結合。從70年代DO傳感器在汙水處理領域的引入算起已經經曆了40年多年的發展,ICA在汙水處理領域中的應用獲得了長足的發展,基於各種控製原理的應用已經在世界各地的汙水處理廠得到了應用。

    未來ICA的發展將集中在以下幾個方麵,首先仍然是深入理解工藝的動態特性,工藝的幹擾因素,如何確定合理的控製變量,這些對儀表的需求無疑非常重要;其次是開發滿足工藝監測與控製的合理傳感器、儀表(包括變送器和執行器);在數據收集處理方麵,需要篩選、過濾、降噪以獲得充足、並經分析過的數據,同時將這些數據轉化成為有意義的信息。另外一個值得關注的問題是隨著物聯網和控製係統的集成,網絡安全將是一個重要的關注內容。在PLC技術和中央控製係統技術(SCADA)技術連接到互聯網實施遠程控製的情況下,對於運行的控製安全尤為重要,特別是對處理廠的設備設施的物理損壞方麵更顯得尤為迫切。同時,一些複雜性技術的應用需要高度關注,WiFi、藍牙、4G/5G的信息傳遞使汙水處理工藝的運行在安全性方麵特別令人關注。

    從1987年國際水協推出的ASM模型算起,活性汙泥數學模型已經經曆了30年的發展,基本模型已經成熟,模型的開發已經接近尾聲,但模型的應用依然任重道遠。生物動力學模型已經不再是應用的瓶頸,但數據的質量、數據的可獲得性是最大的問題,將海量數據轉化為供模型有價值的信息將成為實際模擬工作的一大挑戰。另外一個問題是不同模型之間的整合,例如將汙水管道-汙水處理廠-河流整合起來的模型。同時,動態模型的應用與SCADA係統的整合對於運行管理者將會提供更有價值的信息。

    3工藝發展的規律

    3.1創新需要長時間的積累

    汙水處理工藝的創新從來不是一夜之間的事情,某項技術的出現有著複雜的曆史背景。以活性汙泥工藝為例,雖然這項技術出現在1914年,但促成這項技術出現的因素可以追溯至30年前。1882年,史密斯開始對汙水曝氣研究,之後又有Dibdin,Kaye-Parry,Drown,Mason等眾多的研究者繼續沿著這個方向繼續研究,對汙水曝氣的研究的直接結論就是曝氣可以防止汙水腐敗。在這之後的多年裏,汙水曝氣的研究並沒有獲得處理效率的明顯改善,但在1910年的時候人們逐漸意識到汙水曝氣形成的懸浮物對於處理效果很重要,所有這些都為1914年的工藝突破奠定堅實的基礎。

    同樣,在當今被廣為看好的好氧顆粒汙泥技術在也經曆了漫長的早期發展,從早期日本學者1991年最初提出的概念到2011年第一座基於好氧顆粒汙泥設計的城市汙水處理廠在荷蘭Epe開始運行經曆了20年。

    實際上,甚至一個概念的形成也需要經曆幾十年才被最終接受。比如泥齡的概念,Garrett可能是最早意識到微生物的生長與排泥有密切的關係,他在1958年的時候對硝化現象這樣記錄:“出水的月均亞硝酸鹽氮+硝酸鹽氮隻有0.2~0.7mg/L,顯然氧化的氮很少,這可能是曝氣池裏排泥的速度超過了硝化菌自身最大的生長速度”,之後英國水汙染研究中心的Downing在1964年建立起了基於動力學概念的硝化設計理論,到了1970年,基於泥齡的硝化設計和模擬理念最終被人們所徹底接受。

    因此,創新技術的出現是自然而然、水到渠成的過程,並非一夜之間顛覆性的出現。

    3.2關鍵的突破

    工藝的發展在經曆了充分的積累之後,可能會獲得關鍵性的突破。在早期汙水經曆了31年的曝氣研究之後,Ardern和Lockett在1914年將曝氣之後形成的汙泥留存下來成為關鍵性的突破,這一突破在當時甚至被認為是離經叛道的,因為在當時人們認為汙水淨化不應該形成汙泥。

    傳統生物脫氮工藝的關鍵突破也是經曆了較長的發展階段才走向成熟,早期生物脫氮的概念在上世紀60年代逐漸出現,最初是Wuhrmann提出的後置脫氮方式,之後Ludzak&Ettinger提出了前置脫氮方式,但最為關鍵的是在70年代JamesBarnard在前置脫氮方式的基礎上引入了內回流的措施,這成為日後汙水生物脫氮的標準做法。

    3.3走向成熟的發展規律

    汙水處理技術從創新走向成熟有著內在的規律,這種規律基本是從早期的現象探索,到試驗室的研究,基本理論的提出,進一步放大的試驗,理論的進一步完善,示範性項目的出現,到最後一定數量的工程應用。如同其他技術發展的規律一樣,汙水處理技術走向成熟可以用S-曲線來反映,S-曲線描述了技術係統的生命發展周期,主要包括萌芽期、成長期、成熟期和衰退期。S-曲線的橫軸表示時間,豎軸表示技術應用參數。

    處於萌芽期的技術盡管有新的技術功能,但這一階段的技術明顯地處於初級,存在著效率低、可靠性差或一些尚未解決的問題。由於人們對它的未來比較難以把握,而且風險較大,因此隻有少數眼光獨到者才會進行投資,處於此階段的技術所能獲得人力、物力上的投入是非常有限的,例如微生物燃料電池技術。處於萌芽期的技術性能的完善非常緩慢,這一階段產生的專利級別很高,但專利數量較少,此階段的經濟收益為負。而且,有些技術難以走過萌芽期就會消失。

    進入發展期後,原來存在的各種問題逐步得到解決,效率和產品可靠性得到較大程度的提升,其價值開始獲得社會的廣泛認可,發展潛力也開始顯現,從而吸引了大量的人力、財力,大量資金的投入會推動技術係統獲得高速發展,特別是當汙水處理技術進入生產性規模的時候,其往往也進入成長期。

    在獲得大量資源的情況下,技術進從成長期快速進入成熟期,這時技術係統趨於完善,所進行的大部分工作隻是係統的局部改進和完善,現在的DEMON、ANAMMOX技術正在從成長期進入成熟期階段。

    處於成熟期的技術其性能水平達到最佳,這時仍然會產生大量的專利,但專利級別會更低,同時一些垃圾專利也會大量產生。處於此階段的產品已進入大批量生產,並獲得巨額的收益。常規的傳統活性汙泥法、氧化溝、SBR技術等基本處於這一階段。在進入成熟期後,技術將逐漸進入衰退期,此時技術已經達到極限,工藝的發展不會再有新的突破。

    汙水處理技術係統在其生命周期之中,總是沿著提高其理想度向最理想係統的方向進化,提高理想度法則代表著所有技術係統進化法則的最終方向。理想化是推動技術進化的主要動力。在當前的汙水處理技術中,主流厭氧氨氧化還處於萌芽期向成長期的發展階段,在世界上的一些地方中試正在進行,有極個別的生產性規模的汙水處理廠也正在探索。作為好氧顆粒汙泥技術的代表,Nereda工藝實際上已經進入了成長期的階段,當然其作為好氧顆粒汙泥工藝的反映,還可能處於第一代的水平,未來的發展還會出現性能更佳的好氧顆粒汙泥技術。圖12是一些汙水處理工藝在S-曲線上的位置反映。

 

    4未來汙水處理技術的應用

    汙水處理技術的發展必然是多元化的,其應用也必然是各種技術共存。前瞻性汙水處理技術的應用需要格外重視適應性的原則,工藝的適應性簡言之就是具有足夠的靈活性能夠在相當長的時間內適應汙水處理各種可能的方向發展。

    未來汙水處理廠的適應性首先需要體現在對水力性能方麵,汙水處理廠需要能夠適應最低流量、峰值流量的波動,一方麵由於節水意識和措施的深入,未來汙水處理廠的最低流量可能會比曆史上的任何時期都低,另一方麵由於氣化變化導致的極端天氣,雨季的峰值流量又會比以往更高,如何適應未來水量的這種變化是未來汙水處理廠不容忽視的一個問題。

    其次,工藝的適應性還體現在如何利用現有設施來應用新的技術。例如主流厭氧氨氧化的應用需要有碳分離過程,做到傳統工藝與發展中的工藝(主流厭氧氨氧化)在應用上的有效銜接,無疑對於如何走向未來至關重要。

    適應性還需要考慮在汙水處理廠生命周期內不同單元的更新迭代,由此產生的技術更替。GlenDaigger對汙水處理廠各個部分的壽命做了清晰的劃分,如表2所以。

水汙染

    因此,對於某一種特定的技術,其對汙水處理廠各個不同單元的配置要求以及不同單元的使用壽命也是衡量其能否適應未來的變化的重要因素。

    由於現在各地已經建設了大量的汙水處理廠,可以預計這些設施將在未來的幾十年中持續存在,如何利用現有的這些設施來嵌入新工藝的發展無疑是非常關鍵和重要的,這對新技術而言既是挑戰,更是機遇。因此,未來的一個應用挑戰將是新工藝對現有設施的適應性,如何實現營養物去除、設備配置以及運行操作的完美統一。

    5結論

    現代汙水處理技術在經曆了100年的發展之後迎來了新的挑戰與機遇。對於微生物世界認識的愈加深入使得汙水處理工藝朝著更加節能、更加緊湊的方向發展。

    好氧顆粒汙泥將朝著更加適用性及連續流的方向發展,在實際應用中將會更加注重絮體與顆粒汙泥之間的平衡,集成絮體-顆粒汙泥(IFGS)可能會是具體的技術應用形式;碳轉向是今後汙水處理發展的一個重要方向;主流短程脫氮技術的發展愈加深入,其衍生出的泥齡分離概念(SRTdecoupling)、間歇曝氣、生物強化(Bioaugumentation)不斷豐富汙水處理的理念,未來的突破可能在微生物方麵的認識進展;生物膜技術的認識和應用將會更加深入,MABR技術獨特的特點使得供氧朝著更為理想化的方向發展。在上述工藝發展過程中,ICA的應用將更加普及,基於數據調諧的模型應用將顯現出更加強大的力量。

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