环流反应沉淀一体式装置处理城市污水的进展

摘要：

本文介绍了三种新型环流反应沉淀一体式装置（RPIR），对其结构特点及在城市污水处理中的应用情况进行了论述。第一代RPIR具有溶氧效率高、反应区污泥浓度高、水力停留时间短、设备占地面积小、能耗低等特点。通过在第一代RPIR内添加悬浮填料，设计了具有强化生物脱氮除磷功能的新型环流生物反应器，通过控制适宜的操作条件，使其形成稳定的好氧－缺氧－厌氧微环境，实现同步生物脱氮和生物除磷过程，在处理低碳氮比城市污水的过程中，表现出较好的脱氮效果。第三代RPIR为环流反应与过滤一体式中水装置，集反应、沉淀、过滤于一体，具有自动反冲洗、无动力污泥回流、投资少、设备小巧紧凑、占地面积小、便于运行管理等特点，适于在建筑小区和离散型工业园区对所产生的局部废水就地处理后回用。

关键词：环流生物反应器  一体式  脱氮除磷  脱氮容量

1前言
环流生物反应器具有传质效率高、结构简单、流场均匀、剪切力小等特点[1]。自1955年Lefrancois[2]首先将气升式环流反应器用于生化反应而获得专利以来，报道气升式环流反应器应用于气液相化学反应、生物需氧发酵、废水生化处理等方面的文献越来越多。陈筛林[3]等用17L的环流生物反应器处理皂化废水的实验结果表明，对于COD1400mg/L的原水，出水COD可达到100mg/L左右，而水力停留时间仅6小时，污泥浓度高达5~9g/L。这一结果充分显示了环流生物反应器在废水处理方面的优势。然而，真正将气升式环流生物反应器应用于污水处理的实例还比较少，这主要是由于传统的环流生物反应器在放大、造价以及生化反应的性能评价等方面都存在一些问题。事实上，在废水生化处理中，系统涉及气－液－固三相传质，液体表现出非牛顿流体特性。在特性参数的选择方面，目前多以气含率作为表征参数，而在实际需氧生化反应中或反应器的放大设计中，大家更关心的是该反应器的充氧性能参数。环流生物反应器一般为圆形截面，在平面上直接放大较为困难，需采用多导流筒[4]来解决放大问题，但这样一来可能会导致反应器整体流场的不均匀。另外，当环流生物反应器用于污水处理时，一般还需分建沉淀池，并加设污泥回流设备，这样不仅占地面积增大，还要额外消耗污泥回流所需的电能。如果将反应器与沉淀池建成一体式，同时将圆形截面改为矩形截面，则可弥补上述种种不足。

2反应沉淀一体式矩形环流生物反应器（RPIR）[5]
RPIR采用矩形横截面的结构，由反应区、沉淀区、污泥斗三部分组成（如图1）。反应区由四块导流板分为升流区和降流区两个部分，在升流区下部装有曝气器。这种反应器在X方向上的放大类似于圆形环流反应器，是有一定极限的，但在Y方向上的放大是可以无限延伸的，因此其工业放大较为容易，同时矩形横截面结构的占地面积利用率最高。当对流体进行曝气时，升流区与降流区中的流体因为存在密度差而形成循环流动。经过循环曝气后的流体在沉淀区沉淀，上清液溢流排出。因为反应区与沉淀区在底部相连，沉淀污泥可自动返回到反应区，故不需要污泥回流设备也能维持较高的污泥浓度。

I—               内环流区

II—            外环流区

III—         沉淀区

IV—            缓冲区

1――外导流板

2――内导流板

3，8――反应器壳体

4――曝气器

5――污泥斗

6――缓冲折射板

7――溢流板

9――溢流槽

图1：反应沉淀一体式环流生物反应器污水处理装置图

试验发现对于环流反应沉淀一体式污水处理装置，当升流区截面长度、降流区截面长度、内导流板顶部液流截面高度三者相等时，环流速度均匀，传氧性能较好，气含率和气液循环速度也较高。在实际应用中，环流反应沉淀一体式污水处理装置在处理低浓度生活污水（进水COD为250～450mg/L）的时候，污泥浓度可以稳定保持在6000mg/L左右，COD降解率可以达到85％以上，出水COD小于60mg/L，BOD5降解率超过95％，出水BOD5小于10mg/L。通过控制运行参数，特别是控制溶解氧在1～3mg/L范围内，该反应器对脱氮除磷也具有一定的效果[6～7]。在工程应用上，环流反应沉淀一体式污水处理装置在土建、占地、运行费用和处理效果方面都比传统活性污泥法有着明显的优势。

以处理100t/d生活污水（假定进水COD为 300mg/L）为例，分别采用反应沉淀一体式矩形环流生物反应器处理与用传统活性污泥法处理，要求去除率85%，在土建、占地面积、运行和处理效果上的对比如表1所示。

表1 相同水质水量情况下不同方法的工程应用效果对比[7]

Table 1 Project effect comparison of diffrent treatments applied to identical sewage

方法	反应区(池)容积 （m3）	沉淀区（池）容积 （m3）	反应区(池)面积 （m2）	沉淀区(池)面积 （m2）	运行	效果
反应沉淀一体式矩形环流生物反应器	14.2	10.0	3.16	5	曝气与传统工艺类似，不需要污泥回流	具有同步脱氮除磷效果
传统活性污泥法	42.5	6.66	9.44	3.33	需要污泥回流	不具备同步脱氮除磷效果

注：两个方法的污泥负荷均取0.3 kgCOD/kgMLSS.d，反应沉淀一体式矩形环流生物反应器的MLSS取6000mg/L，传统活性污泥法的MLSS取2000mg/L（污泥回流比100%）；反应区（曝气池）深度取4.5m；沉淀区（池）有效水深取2m，固体负荷取120 kg/m²×d。

3  PRIR的改进
3.1投加生物填料的PRIR
生物脱氮一直被公认为是一种经济、有效的方法，一般包括硝化和反硝化两个阶段，分建多个反应池采用前置或后置反硝化的方式进行，但前置反硝化存在混合不充分，脱氮效率不高的缺点，而后置反硝化也存在内源反硝化效率低，需要外加碳源的弊端。近几年许多研究者发现同时硝化反硝化现象的存在，并对此进行了广泛的研究，F.Fdez-Polanco等[8]在流化床反应器中都实现了同时硝化反硝化过程。同时硝化反硝化将硝化和反硝化两个过程统一在一个反应器中进行，不但可节省占地面积和投资，使脱氮工艺更加经济合理，而且由于没有硝酸盐的影响，对厌氧聚磷菌的释磷也十分有利[9]。

在RPIR中，本身污泥浓度较高，在维持一定的溶解氧（DO）的情况下，可以在活性污泥菌胶团中形成好氧－缺氧－厌氧微环境，这就是反应器具有较好的脱氮除磷效果的原因。但是，这个过程不易控制，根据文献报道[10]，在反应器中加入适当的填料，并控制适宜的操作条件，使其形成稳定良好的好氧－缺氧－厌氧微环境，硝化反硝化脱氮和奢侈吸磷过程均可以实现。

用投加生物填料的PRIR处理低碳氮比城市污水{m（COD）：m（TN）}=3~5），在常温下通过控制混合液的DO为1.0左右，反应器中投加悬浮填料和不投加悬浮填料两种工艺进行对比实验，实验结果如图2所示。

图2 添加悬浮填料和未添加填料的RPIR处理低C/N比城市污水的对比

从图2可以看出，当HRT为4h,MLSS为10000mg/L左右，不投加悬浮填料时，反应器对NH3-N和TN的平均去除率分别达到65%和42%，投加悬浮填料以后，反应器对NH3-N和TN的平均去除率分别提高到77.1%和68%，出水可以达到GB18918-2002一级标准，平均脱氮容量(以每克COD去除的TN质量计，下同)从0.09提高到0.13。而Nyberg[11]报道后置脱氮工艺中甲醇的脱氮容量为0.21，IAWQ的活性污泥模型ASM-1[12]中采用0.103，Adams[13]则提出0.107，John[14]对多家污水处理厂进行调查的结果为0.035～0.071。因此，投加悬浮填料的RPIR在处理低碳氮比城市污水时COD对总氮的脱氮容量较高。

3.2 环流反应与过滤一体式中水装置[15]
  由于上述环流生物反应器出水水质主要指标已经接近杂用水标准，竖向又有一定的高差，将上述竖式环流生物反应结构上进一步改进，在下部加上一个过滤区，把出水提高到杂用水标准。同时利用压差进行微动力自动气液混合反冲洗，既节省能耗又可保证反冲效果，简化操作管理。

环流反应与过滤一体式中水装置（见图3），采用矩形截面结构，将反应区、沉淀区、污泥斗、过滤单元四部分集中在一个设备模块中，反应区由三块导流板分为升流区和降流区两个部分，原污水从反应区底部进入污泥斗，污泥斗底部存在厌氧区，污水首先进行厌氧释磷，释磷后的污水进入升流区，在升流区下部装曝气器，当对流体进行曝气时，升流区和降流区中流体因为存在密度差而形成循环流动，污染物在此得到好氧硝化；循环曝气后的污水在填料强化区（缺氧区）进行反硝化反应，达到深度脱氮的效果；经过厌氧、缺氧和好氧生物反应后的流体在沉淀区经过斜管沉淀后，活性污泥返回反应区，上清液溢流入过滤单元进行过滤。同时，沉淀区底部的活性污泥经排泥管不定时排出，达到除磷的效果。过滤单元通过溢流管道与沉淀池顶端连接，底部设清水排出管道，该管道上接通往沉淀区中下部一定位置的反冲洗管，并在过滤单元滤层以上一定位置设反冲洗出水管。正常过滤时，电磁阀1、2、6打开，经过沉淀的水经溢流管进入过滤单元进行过滤，过滤后的清水经过过滤单元底部清水管排出回用。沉淀区顶部装液位计，当过滤单元被污染，过滤阻力增大，液位上升，当上升到一定位置，电磁阀1和2关闭，电磁阀3、4、5打开，沉淀区上部起到高位水箱的作用，利用压差通过反冲洗管从底部进入过滤单元对滤料进行水反冲，同时在滤料底部进行曝气，实现气液反冲洗，反冲洗水返回到原水池 [16]。

环流反应与过滤一体式中水装置的出水再经消毒处理后，出水可以达到城市杂用水水质标准。

图3环流反应与过滤一体式中水装置

这种集反应、沉淀、过滤于一体的中水处理设备，具有自动反冲洗、无动力污泥回流、投资少、，设备小巧紧凑、占地面积小、便于运行管理等特点，适合于在建筑小区和离散型工业园区对所产生的局部废水就地回用。

4 结语
由反应沉淀一体式矩形环流生物反应器（RPIR）、投加生物填料的RPIR和环流反应与过滤一体化中水装置组成的全套技术，可以根据出水水质标准的不同，分别用于中小规模的常规类型及低碳氮比的城市污水处理排放、中小规模化工废水处理、分散建筑小区的中水回用等不同领域，与传统工艺相比，具有高效、低耗、占地省、基建费用低、运行管理方便等特点。