無污泥循環(huán)水處理工藝

論文詳細(xì)介紹了由張永明教授團(tuán)隊(duì)根據(jù)其專利技術(shù)(ZL2015 1 0510978.7和ZL2019 1 0930412.8)與福建中科三凈環(huán)保股份有限公司合作研發(fā)的無污泥循環(huán)的A/O水處理設(shè)備和工藝。該成果有望打破國外在污水處理技術(shù)方面的壟斷地位，具有重要應(yīng)用價(jià)值。

研究團(tuán)隊(duì)將缺(厭)氧和好氧的垂直折流式生物反應(yīng)器(Vertical Baffled  BioReactor, VBBR)串聯(lián)組合為一體，并將其用于城鎮(zhèn)生活污水處理。相比傳統(tǒng)的A/O水處理工藝，缺(厭)氧和好氧VBBR的組合實(shí)現(xiàn)了無污泥循環(huán)的A/O水處理工藝，在水力停留時(shí)間縮短30% ~ 50%的情況下，COD和總氮去除率提高了6%和22%，尤其是總氮的去除甚至幾乎達(dá)到了極限脫氮水平。該反應(yīng)器操作、運(yùn)行維護(hù)十分簡便，并且剩余污泥量大大減少，已在福建中科三凈股份有限公司運(yùn)維的福建永春污水處理廠成功運(yùn)行。

極限脫氮的實(shí)現(xiàn)

長期以來，活性污泥法一直都是城鎮(zhèn)生活污水處理廠的主要方法。經(jīng)過百多年的發(fā)展和改進(jìn)，倒置厭氧/好氧法(A/O)或厭氧/缺氧/好氧法(A2/O)是當(dāng)今城鎮(zhèn)污水處理的主流工藝。由于城鎮(zhèn)生活污水經(jīng)過處理后的尾水幾乎都是排放到自然環(huán)境，目前處理后的城鎮(zhèn)生活污水排放的國家標(biāo)準(zhǔn)中，總氮濃度與地表水標(biāo)準(zhǔn)相差甚大。因此，控制城鎮(zhèn)生活污水處理廠尾水中總氮濃度成為當(dāng)今世界水處理界的難點(diǎn)。通常總氮的去除主要是通過水處理系統(tǒng)中硝化和反硝化兩類不同微生物交替地在好氧和厭氧環(huán)境下的作用才能實(shí)現(xiàn)。但在傳統(tǒng)的A/O或A2/O工藝的運(yùn)行時(shí)，微生物(污泥)與水一起循環(huán)流動(dòng)，導(dǎo)致硝化菌和反硝化菌混合在一起，使得硝化和反硝化效率都降低，因此傳統(tǒng)的A/O或A2/O水處理工藝總是難以做到總氮的高效去除。

本新工藝則利用VBBR能很好地固定住微生物的特性，將缺(厭)氧與好氧VBBR串聯(lián)在一起，形成一套新穎的反應(yīng)器系統(tǒng)(如圖1所示)。該系統(tǒng)有效地克服了傳統(tǒng)A/O工藝的缺點(diǎn)，在循環(huán)過程中污泥固定不動(dòng)而只有水的循環(huán)流動(dòng)，從而大大提高了硝化和反硝化反應(yīng)的效率。此外，由于前段的缺(厭)氧反應(yīng)器(An-VBBR)可以嚴(yán)格限制溶解氧的侵入，從而可以極大地提高有機(jī)碳源的利用率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“極限脫氮”。

圖1  無污泥循環(huán)的A/O污水處理反應(yīng)器及工藝示意圖

當(dāng)將好氧VBBR(Ox-VBBR)與缺氧VBBR(An-VBBR)串聯(lián)在一起用于實(shí)際的城鎮(zhèn)污水處理時(shí)，在不同回流比(R)條件下，進(jìn)出水的COD、氨氮和總氮的濃度變化如圖2所示。從圖2可以看出，在回流比為200%時(shí)，最后出水總氮的平均濃度僅有1.5 mg/L，達(dá)到了極限脫氮的水平。

圖2  好氧與缺氧VBBR串聯(lián)處理城鎮(zhèn)污水時(shí)

進(jìn)出水濃度的變化

其中Effluent (1)和(2)分別表示

An-VBBR和Ox-VBBR的出水 

具有重要自主創(chuàng)新價(jià)值的

新型水處理工藝

張永明教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的該套設(shè)備在福建中科三凈股份有限公司運(yùn)維的福建永春污水處理廠進(jìn)行了1年的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，取得了良好的效果。尤其是經(jīng)該反應(yīng)器處理后出水的總氮平均濃度只有1.5 mgN/L，達(dá)到了地表水IV類標(biāo)準(zhǔn)。

目前，我國現(xiàn)有的污水處理設(shè)備及工藝其原創(chuàng)幾乎全部來源自于國外。例如，UASB、IC、氧化溝、流化床等最初都源自荷蘭；MBR(膜反應(yīng)器)、MBfR源自美國；生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器源自德國；活性污泥法、ABAF反硝化生物濾池源自英國，而本項(xiàng)目所涉及的組合式VBBR經(jīng)上海師范大學(xué)張永明教授團(tuán)隊(duì)多年潛心研究，并與美國工程院院士、斯德哥爾摩水獎(jiǎng)獲得者Bruce E. Rittmann教授緊密合作，屬于具有重要自主創(chuàng)新價(jià)值的新型水處理工藝，有望打破國外壟斷，為建設(shè)科技強(qiáng)國作出更大貢獻(xiàn)。

本論文得到環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué))開放基金(16K10ESPCT)的資助，環(huán)境科學(xué)2018級(jí)博士研究生陸沁園、2018級(jí)碩士研究生周雋清和2019級(jí)博士研究生朱格為共同第一作者，張永明為通訊作者，合作者包括美國工程院院士，斯德哥爾摩水獎(jiǎng)獲得者Bruce E. Rittmann教授。