HCR一高效好氧生物处理技术

1、HCR一高效好氧生物处理技术    摘要：HCR工艺具有所需空间少、占地省、设计集成合理、COD降解率高、空气氧利用率高且操作便利安全等优点。在纸浆和造纸工业废水处理的工程实例中，其最大的容积负荷达到70kgCOD/(m3d)，反应器单体最大容积为1200m3，日处理污水量近23000m3，COD的降解率达到80%，而剩余污泥的产率小于0.2kgSS/kgCOD。 关键词：污水 HCR工艺 好氧生物处理技术   好氧生物处理工艺历史悠久，自1914年第一座活性污泥法污水处理试验厂运行以来，已经80 多年了。近20年来，改进曝气技术和好氧生物固定

2、技术以提高污水处理的效果，是好氧生物处理领域的主要研究内容，HCR工艺就是这一特定时期的产物。 1HCR工艺的主要特点 HCR工艺(High Performance Compact Reactor)是德国克劳斯塔尔(Clausthal)工科大学物相传递研究所于80年代发明的。该工艺的问世是好氧生物处理技术的一个飞跃，它融合了当今的高速射流曝气、物相强化传递、紊流剪切等技术，并具有深井曝气和流化污泥床的特点。因此，其空气氧的转化率高，反应器的容积负荷大，水力停留时间短，是当前为西方国家所广泛接受的一种高效好氧生物处理方法。至今，已经在德国、瑞典、加拿大、意大利、法国、韩国等国家建成了数十个HCR

3、系统，并已投产运行，污水处理效果普遍良好。 HCR系统主要包括：集成反应器、两相喷头、沉淀池以及配套的管路和水泵等(见图1)。集成反应器为圆形容器，其外筒两端被封闭，连接着各种管道；内筒两端开口，两相喷头安装在反应器上部的正中央。循环水泵提升高压水流经喷头射入反应器，由于负压作用同时吸入大量空气。水流和气流的共同作用又使喷头下方形成高速紊流剪切区，把吸入的气体分散成细小的气泡。富含溶解氧的混合污水经导流筒达到反应器底部后，又向上返流形成环流，再经剪切向下射流，如此循环往复运行。于是，污水被反复充氧，气泡和微生物菌团被不断剪切细化，并形成致密细小的絮凝体。   &#

4、160;图1HCR工艺流程示意 由该工艺的工作原理可知，HCR的主要特点是： (1)系统占地少，基建费用低。HCR系统占地一般很少，其原因主要有三：一是系统设计紧凑，结构合理，减少了占地；二是反应器高径比大(为71)，部分被埋在地下，有效地利用了垂向空间，减少了平面上的占地；三是所需水力停留时间很短，容积负荷和污泥负荷都很高，减少了反应器的体积。 合理集成设计、少占地是减少基建投资的主要因素，反应器和沉淀池的容积小，又节省土建投资或设备制造费用。根据工程预算结果对比表明，采用HCR工艺处理同样数量的污水，其基建费用比活性污泥法工艺要减少30%以上。 (2)空气氧转化利用率高，容积负荷和污泥负荷

5、高。HCR工艺的曝气方式采用射流扩散式，并通过垂向循环混合，使溶解氧达到最大值，这一过程实际上吸取了深井曝气依靠压头溶氧的优点。高速喷射形成紊流水力剪切，使气泡高度细化并均匀分散，决定了该方法对空气氧的转化利用率高。据试验测定，其空气氧的转化利用率可高达50%，溶解氧含量易保持在5mg/L以上。 足够的溶解氧是保证好氧生物处理系统高负荷运行的条件，这也是HCR工艺的优势所在。一般情况下，HCR系统的污泥浓度在10g/L左右，最高可超过20g/L。反应器中生物量之大，决定了其负荷值必然高。试验和已有工程的运行结果显示，HCR的容积负荷最大可达70kgBOD5/(m3·d)，小试可达10

6、0 kg BOD5/(m3·d)；其污泥负荷值可以超过6 kg BOD5/(kgSS·d)。 (3)固液分离效果好，剩余污泥量较少。HCR工艺混合污水中的微生物菌团颗粒小，其沉降性能好，这是其显著特点之一，污泥在沉淀池中的停留时间一般只需要40min左右。该工艺每降解1kg BOD所产生的剩余污泥量，比其他好氧方法平均减少40%左右，从而大大减少了污泥处理量。剩余污泥量较少的原因主要有两个：其一，强烈曝气使微生物代谢速度快，由此引起的生化反应可能加大内源消耗，剩余污泥量相对少；其二，由于反应器中混合污水被高速循环液流剪切，微生物的团粒被不断分割细化，团粒内部的气孔减少，使其

7、密度相对增加，总的体积减少。 (4)抗冲击负荷的能力强。HCR为完全混合型运行方式，原水先与回流污水合流，然后再进入反应器，并立即被快速循环混合。高浓度COD或有毒废水冲击系统时，它们在进入反应器之前实际上已经被稀释，进入反应器后又被迅速均匀混合，使冲击液流的浓度大大降低，从而有效地提高了HCR系统抗冲击负荷的能力。此外，强烈曝气使微生物的新陈代谢加快后，也可能减少冲击所造成的部分影响。 工程实践表明，HCR工艺对甲醛废水、含酚废水、糖醛废水、树脂酸废水都能进行有效处理；如已有工程实例的进水COD浓度达到了20000mg/L；该工艺还有望提高污水脱氮的效果。 (5)系统操作简便灵活，处理效果有

8、保障。HCR系统的反应器循环水量、补充曝气量、污泥回流量等都可以根据需要进行调节，便于选择最佳的组合效果。正因为如此，采用HCR工艺容易保证较高的COD去除率。图2显示了HCR反应器容积负荷与COD去除率的变化关系。可以看出，尽管其容积负荷变化较大，COD去除率均达到80%左右。     图2容积负荷与COD去除率的关系  从目前已经运行的数十个工程所反馈的信息表明，HCR系统启动较快，操作管理比较方便，适应的环境条件很宽松，运行中很少出现故障，其推广应用正在受到越来越多的重视。 2应用实例及其效果 已有HCR工程处理的废水类型有：奶品加工废水

9、、酵母生产工艺废水、造纸厂废水、化工废水、印刷业废水、屠宰废水、填埋场渗滤液及城市污水等。其中，尤以造纸废水的处理工程最多，已分别在德国、挪威、中国、法国、加拿大等地建成投入运行(表1)。 表1HCR典型工程实例运行参数    参数    处理量(m3/d)    废水COD浓度(mg/L)    反应器体积(m3)    水力停留时间(h)    所在国家

10、    酵母    168    11000    25+10    4.99    德国    玻璃工艺    241    11000    25    2

11、.49    德国    橄榄业    138    4000    5 x 3    2.62    意大利    造纸工艺    2500    14000   &#

12、160;2 x 250    4.8    挪威    造纸工艺    14000    1500    2 x 300    1.03    加拿大    造纸工艺    13000 &#

13、160;  1720    2 x 300    0.90    中国    造纸工艺    22000    3500    2 x 1100    2.37    挪威    

14、造纸工艺    6926    1350    300    1.14    法国    屠宰业    14400    1700    2 x 250    1.2   

15、; 韩国    造纸工艺    21000    3000    1200+800    2.29    挪威 实例1拉维克市雀斯科夫锐兹公司(TreschowFritze, Larvik)的半化学纸浆废液，其COD浓度高达20000mg/L，采用HCR工艺处理，其容积负荷达80 kg COD/(m3·d) ，COD的降解率达CM(22到

16、了70%。废水中含有过氧化漂白污水，但它对于水处理的效果没有任何不良影响，其剩余污泥的产率约为0.2kg SS/kg COD。 实例2在威尼斯拉市的汉斯霍司公司(Hunsfos,Vennesla)，亚硫酸盐化学纸浆浓缩液(来自化学再生系统)COD的变化范围为5 00010000 mg/L，污水中同时含有糖醛，因而对附近纳污区的鱼类构成危害。用HCR工艺处理，容积负荷平均达60 kg COD/(m3·d) ,COD的降解率为80%，糖醛的去除率达100%，剩余污泥的产率仅为0.15 kg SS/kg COD。 表2列出了某地城市污水采用两种方法处理的主要效果参数。可以看出HCR工艺相对

17、于传统的活性污泥法工艺在充氧速率、容积负荷、污泥负荷、二沉池表面负荷、剩余污泥产率、水力停留时间等方面，都具有明显的优势。 表2HCR工艺处理某城市污水效果对比    参数    活性污泥法    HCR工艺    充氧速率(kg/(m3·h)    0.06    0.5-3.0    能耗(kg/(kW&

18、#183;h)    0.7-2.0    0.5-3.0    容积负荷(kg BOD5/(m3·d)    0.75-1.0    40    污泥浓度(kg/m3·d)    2.5-3.0    1-8    污

19、泥负荷(kg BOD5/(kg MLSS·d)    0.3    15    去除率(%)    95    8090    停留时间(h)    48    0.5    耗能容积率(kW/m3)  

20、60; 0.05    12    污泥指数(m3/kg)    100150    70    二沉池表面负荷(m3/(m2·h)    1.5    28    剩余污泥产率9kg MLSS/kg BOD5    1

21、.0    0.6 3HCR工艺在中国的应用前景分析 根据HCR所具有的特点，我们认为该工艺在中国有以下几方面的应用前景： (1)普通工业废水的处理。中国工业企业的废水种类很多，变化也很复杂。特别是一些中小型企业，因其废水量不大，或因污染物浓度不太高，而且废水中又不含明显的有毒物(即普通工业废水)，故一直未进行达标处理。根据当前的环境保护要求，这类废水也是非治不可的。然而，原来厂区规划又大都没有考虑废水处理的场所。鉴于这些废水的特点及处理场所不足等矛盾，选择占地少、适应性强的HCR工艺，有望解决这类废水的处理。 (2)特殊工业废水的处理。有一些工业废水含

22、有某些毒性物质或可能致毒的组份(称特殊工业废水)，往往无法采用常规好氧或厌氧工艺进行处理。如防腐产品工业和农药产品工业等产生的废水中，多含有难降解的有机物，且对微生物具有致死的毒性。过去多采用焚烧方法或固化填埋方法进行处理，但是成本很高，并可能产生二次污染。 HCR工艺采用快速高效的氧传递转输方式，溶解氧多保持在5mg/L左右，反应器中的微生物群落能快速适应污染物种类和浓度的变化，这对于特殊工业废水的处理十分有利。前面谈到的甲醛废水、苯酚废水、苯甲醛废水等，采用HCR工艺处理都获得了很好的效果，且运行状况良好，就是较好的实例。 (3)城市中水工程中应用。城市中水工程所处理的原水具有水量少，变化

23、幅度大，且COD浓度不太高等特点；中水工程对出水的水质要求也不太高(主要用作冲洗水或绿地用水)。要满足这些条件，HCR工艺是最好的方法之一。首先，它可以根据不同水量水质的变化来灵活地设计工艺系统；其次，因HCR工艺采用封闭式结构，系统产生的废气用管道收集外排，这种设计有利于城市小区的环境保护，工程附近的居民可以免遭恶臭之苦；再者，HCR系统充分利用了地上和地下空间，设计别致，造型美观，容易和小区的景观融合在一起。 4几点认识 (1)HCR工艺采用高效的空气氧传递转输方法，合理利用了射流曝气技术，应用了压头和快速强制溶氧的原理，并利用紊流剪切扩散和均匀分布的作用，使空气氧的传递转输率高达50 %

24、，是一种高效的好氧生物处理技术。 (2)已经运行的HCR工程系统表明，该工艺适应范围广，负荷率高，COD去除率高，运行效果好。其占地面积少，综合经济效益好，具有推广应用的价值。 (3)中国工业污水的种类复杂多样，城市中水工程正有待开发，HCR工艺在中国大有发展前景。必须提醒注意的是，应该以技术引进为主，尽量采用国产的设备和附件，使之更加符合本国的国情，以获得最佳的环境效益和经济效益。 (4)HCR工艺存在的问题：一是能耗，当污水 COD去除率在80%及其以下时，所需能耗低且效益好；如果COD的去除率要求过高，其能耗就直线升高。因此，在实际工作中也不能盲目地选用HCR工艺。第二个问题是泡沫，HC

25、R在处理某些废水时，也和常规好氧工艺一样会产生泡沫，设计时必须考虑这一因素。 参考文献 1顾夏声. 废水生物处理数学模式. 清华大学出版社，1982 2秦麟源. 废水生物处理. 同济大学出版社，1989 3Wachsmann U,N Raebiger and A Vogelpohl. Effect of geometry on hydrodynamics and mass transfer in the compact reactor. Ger Chem Eng,1985,8. 411418 4M K N Yenkie,S U Geissen and A Vogelpohl. Biokinet

26、ics of wastewater treatme nt in the high performance compact reactor (HCR). The Chemical Engineering Journ al,1992,(49). B1B12 5Sprehe M,E S Gaddis,A Vogilpohl. On the mass transfer in an impingingstre am reactor. Chem Eng Technol 1998,21(1):1921 6高廷耀主编. 水污染控制工程(下册). 北京：高等教育出版社，1989 7E A Naundorf,D Subramanian,N R*biger and A Vogelpohl. Biological treatment of wastewater in the compact reactor. chem Eng Process,1985,19. 229233 8Vogelpohl A. Das HCRVerf