北京首创有限公司高级专家刘智晓博士 :侧流生物强化技术在污水处理厂提标改造的应用

热度9票 浏览10次 时间:2018年10月05日 12:42
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刘智晓:侧流生物强化技术在污水处理厂提标改造的应用水利新闻?Hh:ip5vW

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严峻的水环境形势使得我国许多地区的污水处理厂都面临着提标改造的任务。但进水碳源不足、规划场地受限等诸多因素一直困扰升级改造工艺的选择,常规的传统应对技术又具有投资大、运行费用高等不足,因此甄选投资及运行费用低廉,且具有可持续发展特性的新工艺、新技术就迫在眉睫。近些年,侧流生物强化技术在国内外得到发展和应用。水利新闻U#U8xG,oN

KE1t'o$KeLm0来源:亚洲环保网

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严峻的水环境形势使得我国许多地区的污水处理厂都面临着提标改造的任务。但进水碳源不足、规划场地受限等诸多因素一直困扰升级改造工艺的选择,常规的传统应对技术又具有投资大、运行费用高等不足,因此甄选投资及运行费用低廉,且具有可持续发展特性的新工艺、新技术就迫在眉睫。近些年,侧流生物强化技术在国内外得到发展和应用。水利新闻E){'y;^ BE

oNQ'@],Ax1h0首创股份及其旗下的工程技术平台首创爱华(天津)市政工程有限公司,近些年掌握了在市政供水、市政污水、工业园区废水和污泥处理项目中一些领先的技术,快速拓展了创新性技术的快速工程应用能力,将先进、成熟、具有竞争力的一些革新技术应用于工程实践。首创爱华自2009年通过与丹麦Envidan公司合作,引进吸收ARP、SSH及Envistyr技术,率先将侧流生物技术引进中国,并首先应用于甘肃武威市污水处理厂脱磷除氮改造工程、淮南污水处理厂提标改造工程、白银市污水处理厂提标改造工程等项目。

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在杭州举办的“第四届长三角(苏浙沪)排水与污水处理研讨会”上,北京首创有限公司高级专家刘智晓博士,通过对欧美在侧流技术的总结及案例实施情况、结合首创爱华在国内承接的项目,对侧流生物强化技术、侧流污泥水解技术进行了深入探讨,展示了这些技术在污水处理厂提标改造中当前的应用及未来的发展方向。新技术、新工艺、新方法,从技术研发到设计、建设及运行,都在对百年活性污泥工艺进行不断丰富与改进,也让我们坚信,未来的技术会朝着更高效、更稳定、更节约的方向发展,让各地水环境得到很好的治理,恢复“小河清清大河净”的优美水系统,达到水清岸净景美的水生态。

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}2^$s!E?.p0什么叫侧流生物强化技术?上图给出了传统“主流”活性污泥处理流程和“侧流”活性污泥处理流程,可以看出,侧流工艺它的反应区独立,结构和功能独立,工艺控制条件和控制参数与主生物池也不同。这种情况下,生态控制因子也是不尽相同的,最终会使运行的机制完全不一样,通过侧反应器对特异微生物的驯化、富集,并为主流接种,这种“主-辅”模式,为主池的微生物菌群多样性和主流反应器提质增效提供了物质基础(如VFAs)和特异功能微生物(如硝化菌)保障。水利新闻^E0u-a U)p

Z n+K+y#HG AsQ0为什么在主流工艺中引用侧流工艺?主要原因是随着排放标准的日益提升,现在的主流工艺在应对高排放标准时凸显“主流”技术不足,为实现营养盐稳定达标,不得不采用多级多段,多个好氧、缺氧交替式的反应器构型。水利新闻j KBAVQm

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如上图所示项目,为实现TN达标,主生化池采用四级A/O,后续采用深床反硝化滤池,才能保证总氮的达标。实际上这种“主流”工艺,为应对严格的排放标准的提高,采用冗长的处理工艺,从项目全生命周期来看,这无疑会导致投资的和运行成本显著提升。这是我们国内目前“准四类”提标改造项目面临的共性问题,我们看到的处理流程,越来越冗长!水利新闻@6`;Z9u3}%u t6N

j Fo4Y)E0实际上,我们看看欧美在这方面的研究成果,随着标准的提高,随之而来的是投资的较大提高,运行费用则是指数性上升,从一级A到准四类、甚至近期出现“类三类”等更高的排放标准,这些高排放标准的营养盐指标,基本上类似于,美国的LOT(技术极限)了,LOT标准下的污水厂的运行费用在生命周期内是指数性上升的。

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5s.t'plH s h }\4C0这幅图是美国WERF的研究结果,可以看出这种标准提升对运行成本的影响变化趋势,从这个角度来讲,标准提高以后,整个过程中的温室气体的排放是大幅度提高的。从这个角度看,排放标准的提升会消耗更多的上游产业如混凝土、机器设备加工、各种化学药剂制造等相关行业的产品,从生态伦理角度看这显然是以释放更多的温室气体为代价的。因此,从大的环境来讲,排放标准的过度提升对总体大环境是未必可持续的,因为污水处理厂建设过程所需的材料、建造过程及处理过程将的温室气体排放量会大幅度提升,所以我们要换一个角度来考虑,怎样在排放标准和温室气体排放中间寻求和实现一种平衡和可持续!水利新闻3L \ic&_c;jV

:{5k6qZ1x0视角拉回来,具体来看,我们说说侧流技术的优势。先看看主流工艺的不足,以推流式AAO为例,我认为,传统推流式AAO反应器的优势大家熟悉,但是也存在明显不足,就是其通过不同功能的反应器分区(厌氧,缺氧,好氧)形成固定的物理池容,与污水厂进水水力负荷、污染物负荷实时变化之间的矛盾,且受限于二沉池固体负荷,MLSS难以进一步提高,从而限制了生化系统对污染物处理能力的进一步提升,水力负荷和污染负荷也就难以进一步提高,此外,暴雨峰值流量下易导致二沉池活性污泥流失,还有就是硝化菌在间断性的A/O交替及二沉池污泥层不同环境下受到的活性抑制影响。

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D$q S.T)M m |` Z&V0这里我提出一个理念和做法,面对日益提高的排放标准,与其将工艺做长,还不如将工艺做成“主-辅”工艺,提高系统的可靠性与稳定性。“主-辅”工艺是怎么来实现的?就是在侧流段加了一个侧流生物池,侧流生物池根据功能的需求,通过工艺设计和控制系统的耦合,可以实现同步的强化硝化/反硝化;也可以实现侧流回流污泥的深度厌氧水解或侧流厌氧释磷(EBPR)过程。采用侧流工艺,无需扩建生物池池容,甚至也无需投加生物膜载体,就可以大幅度提高生化系统总的MLSS,这是对传统主流处理工艺的一种技术变革!通过“主-辅”工艺的安排和设计,在侧流生物池中通过对特异功能微生物的培养,为主生物池进行接种,和对部分回流污泥的厌氧水解,实践证明,通过上述手段,能大幅度提高整个生化处理性能。按照经验,在无需后续BAF或者反硝化BAF等情况下,仅仅通过辅以侧流工艺的改良活性污泥法,就可以把总氮稳定控制到6-8mg/L。

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实际上,侧流生物技术在欧美国家已经有不下100座污水厂实际案例,但国内同行却鲜有关注!目前国外工程化和商业化的技术路线包括AT#3、BABE、IN-Nitri等,见图。这些工艺在原理上都有类似之处,都有非常成功和成熟的工程实际经验,并不是“高大上”令人望而却步的“熊猫”工艺。

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(BAR/RDN/CaRRB等工艺)

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2eJ}$YQlL0从机理方面看,侧流生物强化工艺的主要原理:现代分子生物技术分析表明,活性污泥中自养菌数量仅占总生物量的1% ~3%,只要自养菌数量有少许增加,系统的硝化性能就会有显著改善,那么对于整个系统来说,它的消化性能会得到大幅度显著的改善,见下图。

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因此根据这个原理,我们可以看出来,嫁接侧流反应池后,主流SRT会比较大幅度地降低,尤其在低温的时候,随着硝化菌补充功效,主生物池SRT会得到大幅度的降低,见下图。水利新闻NY K.X2oL\ q

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m ir#`[X'a0可以从这个图看到,侧流工艺可以有不同的运行模式,可以将污泥消化液引入侧流处理单元,处理完的混合液再回流到主生物池,那么就可以看到主曝气值SRT可以显著低于传统的按ATV计算出的硝化/反硝化总SRT。第二条曲线是硝化液,同时引入一部分的污泥混流进行曝气,也可以看到对主生物池的显著降低。水利新闻x1h(Eo q0S,M3x&H

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捷克的案例,也是做了侧流池,作为一个主流的补充。可以看到引入侧流池以后,只是靠活性污泥法就可以把出水总氮可以稳定在10mg/L以内,图上看,改造前出水水质则很难实现这个目标。

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回归我们自己的近些年的实践案例。加入侧流池以后有什么优势?简要说,引入侧流池,可以使得同样池容情况下,可以比常规活性污泥工艺(AAO,氧化沟等主流模式)保有更多的有效活性污泥数量。因为侧流池的浓度是主生物池的3-4倍,即便仅仅切出10%出来,也可使得生物池的污泥总量得到大幅度的提升。引进侧流工艺后,在污染物负荷不变或者污染物浓度基本不变的情况下,可以大幅度提高原有污水厂的处理能力。根据实践,如果按照这种来做,不新增生物池容情况下,污水厂处理能力最大就可以提高到60%;在处理水量不变的情况下,可以大幅度接收污水厂的进水污染物负荷。这无疑,侧流技术,对于中国未来污水厂的提标改造、提质增效是非常有吸引力的技术发展方向。

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"NxR/j{;I0二、侧流污泥水解技术水利新闻x$E.\6B+]ua2loCu

|*f9_8I\!V0侧流活性污泥水解大家比较陌生,但是侧流生物除磷,丹麦、瑞典、美国已经有很多项目在运行了。侧流除磷,这些国家的案例已经实现了非常稳定的生物除磷过程。

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欧美等可研人员,通过对侧流EBPR研究和分析发现,侧流EBPR工艺比主流EBPR获得了更为稳定的生物除磷效果,进一步通过现代分子生物学研究技术深入研究发现,侧流EBPR培养出一种特殊功能的Tetrasphaera,它和常规的PAOs也就是我们熟知的Accumulibacter菌发生一种非常好的共生和协同作用,两者协同作用会极大地促进整个生化过程中对磷的去除。可以参考下图丹麦的研究结果,在丹麦的采用侧流EBPR的活性污泥中,检测出的Tetrasphaera丰度显著高于传统AAO工艺。类似研究还有美国研究团队,在Water research也发表了这方面的研究论文。结论与丹麦研究结果一致,进一步验证了侧流EBPR条件下两种菌属的生物协同。

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James L. Barnard先生,被誉为“脱氮除磷之父”,2017年发表文章:Rethinking the Mechanisms of Biological Phosphorus Removal,耄耋之年,提出了对生物处理的机制进行重新的思考。他整篇文章里涉及到侧流生物处理的工艺流程。实际上,侧流EBPR现象1972年他偶然发现,如果在缺氧区(不搅拌的),通过混合液的发酵发现了侧流的厌氧发酵对主流生物处理强化效果非常明显。所以他后来又提出了几种侧流流程,活性污泥发酵和混合液发酵都是有可能实现的。

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9CS_*o3h!iIg0这是詹姆先生给出的美国的侧流生物处理实际案例,大家可以看到,侧流生物处理原来有这么多的工艺实现方式。据不完全统计,到目前为止至少有100座以上的污水厂已经采用侧流生物除磷。

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F uN6xy&uVC9WK0下图给出了国外的一些侧流案例,分享给大家,感兴趣的可以进一步查阅相关资料:

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三、案例分享水利新闻r0bNG-[$@

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丹麦N?stved WWTP,它只是把一座废弃的初沉池进行改造为侧流生物池,不增加新增用地,就大幅度提高处理能力。初沉池只占总生物池容15%,但是改造以后,水力负荷提高50%。而且水力负荷提高50%的情况下,有机负荷提高了15%,最终运行效果非常令人满意,我去过几次,发现TN一直稳定控制在5mg/L以内。并没有后续的进一步的三级反硝化深度脱氮,这种脱氮能力,在国内似乎是不可想象的。水利新闻)]I&c*q(G(jy

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9x2hx+~i[MS5OZv:y0这是丹麦另外一个厂Bjergmaken WWTP,采用交替式氧化沟。也是把前面的初沉池改造成侧流池,结果是8%的池容用于侧流,但是却提高了24%的处理能力。水利新闻ZZ!di.a

!eE MJF"I*bhU p#f0上述案例和操作,给我们以信心:通过侧流活性污泥法,辅以良好的工艺设计及过程控制,不采用三级生物膜反硝化,把总氮控制到6-8毫克/升以下是完全没有问题的。

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这是美国RWHTF的案例,它是把侧流硝化反硝化和侧流厌氧EBPR结合在一起,实现了高效硝化和反硝化同时,也实现了深度生物除磷,美国类似案例还有不少,感兴趣的朋友可以查一下资料。水利新闻W*HM ^6A E~ M

4?\%HH+oTuI s0现在分析一下近几年来国内实践的案例。第一个是侧流腐殖土活性污泥生物工艺,现在在国内叫全流程生物除臭。这个项目是2006、2007年我们在国内做的第一个案例,到现在已经做了12年了,这是国内全流程除臭的第一个案例。2010年,我们和丹麦公司合作,在丹麦政府资助下,在原来侧流腐殖土活性污泥工艺基础上,我们在这个项目进一步采用了ARP/SSH侧流技术进行了生产性试验研究,研究期间脱氮除磷效果得到显著改善。水利新闻9ZP(|W6|1U l;x

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后续我们又在淮南一污改造、甘肃白银市、武威采用ARP/SSH技术做了改造项目,且在国内首次采用基于营养盐的在线曝气控制系统,获得了满意的运行效果。

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-e(Uj Z/w#Dul0这是首创爱华在淮南的项目,2014年前后做的改造,将原来的卡鲁塞尔氧化沟的主流厌氧池部分改为侧流ARP和SS-EBPR。改造后,运行性能得到明显改善,尤其是针对污染物负荷冲击,出水指标稳定。

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四、侧流技术未来发展方向水利新闻]8Ho+DfM1r4B

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展望一下未来侧流技术的发展方向,我认为,主要的方向是实现对污水厂碳源的捕获提取,碳源提取后,要从过去以能耗能的模式转向为能源化途径,也就是把碳源转向到侧流。碳源改向到侧流为后续能源化、甚至实现污水厂的能耗自给提供物质基础。主流未来的方向是实现自养脱氮,如主流厌氧氨氧化,但是目前主流厌氧氨氧化短期内看不到工程应用前景,尚停留在试验阶段,涉及工程应用的很多技术瓶颈尚待突破,这条路看来似乎还很长。水利新闻J#F1^E^4V!tO

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v(} ] BEm#X0(基于碳捕获和碳转向的概念设计)水利新闻-db'S9i;Jv@

9i!cQjX$b)V0未来污水处理的发展方向是朝着营养物、能源及再生水“三厂合一”模式转变。研究与开发进水碳源转向及污泥增量技术,对污水中有机碳源实现高效网捕截获、浓缩及分离并转向能源化途径,是提高能量自给效率、最终实现能量平衡及碳平衡运行的物质基础。这是丹麦一个厂做的概念设计,丹麦奥胡斯市拟对Egaa厂进行技术改造,实现“150%能量概念”,所采用的主要技术路线及流程见上图,主要措施包括:预处理段的COD高效分离及捕获;主生物处理工序采用EssDe?,即低温厌氧氨氧化(Cold Anammox)侧流通过对消化液的处理培养Anammox并对主流实现接种。但是,这只是未来的一个概念设计,离工程化还有相当长的距离。

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"d9XlCD.SG4Iv!O3]0比较切合实际的,近期通过引进侧流的“主-辅”模式,侧流培养硝化菌和实现侧流EBPR除磷,实现污水厂的高效稳定和可持续运行。我们推荐的侧流“主-辅”模式,要比碳捕获-主流厌氧氨氧化等未来工艺更加适合国情,因为其运行更皮实、稳定可靠。

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#ck1^{E0也借此机会,希望各位同行关注侧流技术及侧流技术的未来持续性革新,面对日益严格的排放标准,面对未来水环境的改善,更新我们的传统思维,相信我们会有更好的一些工艺技术路线的选择,就像我今天展示的侧流技术,或许,这些工艺可能更有弹性,更加稳定、可靠和可持续,这是未来我们的希望所在,未来的努力方向所在。

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