江海峰，張東曙，李皓，周增炎，邱立俊
（同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

　　摘　要：HCR（High Performance Compact Reactor）工藝采用射流曝氣強(qiáng)制溶氧，具有設(shè)計(jì)集成合理、充氧效率高、傳質(zhì)效果好、CODcr降解率高且操作控制便利等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)HCR反應(yīng)器處理石化廢水進(jìn)行了試驗(yàn)研究，初步結(jié)果表明，在水力停留時(shí)間20min時(shí)，CODcr去除率達(dá)到57.3％、BOD₅去除率達(dá)到87.1％，適合作為預(yù)處理工藝。
　　關(guān)鍵詞：石油化工廢水；mR工藝；射流曝氣
　　中圖分類號(hào)：X703.1；X74
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
　　文章編號(hào)：1009－2455（2002）03－0054－03

引言

　　隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，生活污水和工業(yè)廢水水量急劇增加，但可以用來(lái)建設(shè)污水處理設(shè)施的面積卻不斷減少，為了緩解這一矛盾，世界各國(guó)的工程技術(shù)人員從各方面研究高效率的污水處理工藝，本研究涉及的HCR（High Performance Compact　Reactor）反應(yīng)器便是其中成功的一例^[1]。
　　HCR工藝是德國(guó)克勞斯塔爾（Clausthal）工業(yè)大學(xué)物相傳遞研究所于80年代發(fā)明的^[2]，通過(guò)提高充氧能力和污泥活性來(lái)滿足短時(shí)間內(nèi)快速降解有機(jī)物的要求，從而實(shí)現(xiàn)高效的目的。該工藝的主要特點(diǎn)是^[2]：系統(tǒng)占地少，基建費(fèi)用低；介質(zhì)混合器（噴頭）和循環(huán)流動(dòng)使空氣被剪切分散成微小的氣泡，并與污水充分混合，反復(fù)充氧，同時(shí)較深的池深有利于氧的充分利用。足夠的溶解氧保證了好氧生物處理系統(tǒng)的高負(fù)荷運(yùn)行；HCR為完全混合型反應(yīng)器，再加上高濃度污泥的共同作用，進(jìn)水流量和濃度的大幅度波動(dòng)得以充分緩和，毒害性物質(zhì)也得到稀釋，從而有效提高了HCR系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力。為此，上海石化股份有限公司委托我們開(kāi)展用HCR工藝處理石化廢水的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置
　　該試驗(yàn)地點(diǎn)在上海石化股份公司水質(zhì)凈化廠，HCR技術(shù)由德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)提供，試驗(yàn)裝置由德國(guó)ABMU公司贊助。
　　試驗(yàn)流程如圖1所示。原水經(jīng)隔柵進(jìn)入高位水箱，而后自流入初沉池，初沉池出水提升進(jìn)人HCR反應(yīng)器，反應(yīng)器為兩端封閉的圓形容器，頂部安裝射流器，并開(kāi)有一排氣孔。反應(yīng)器出水一部分經(jīng)二沉池沉淀后排放，另一部分出水通過(guò)循環(huán)泵加壓與進(jìn)水。回流污泥在管道中混合后進(jìn)入HCR頂部的射流器，形成高速射流，同時(shí)由于負(fù)壓作用吸人大量空氣。射流器的兩相噴頭下方形成高速紊流剪切區(qū)，將吸入的空氣切割成細(xì)微的氣泡。富含溶解氧的污水經(jīng)導(dǎo)流桶到反應(yīng)器底部后，又沿外桶壁向上返流，從而形成環(huán)流。如此循環(huán)中，微氣泡和菌膠團(tuán)充分接觸，獲得很好的傳質(zhì)效果。
　　試驗(yàn)所用HCR反應(yīng)器（見(jiàn)圖1中的3）：

　　總體積1.積1.53m³，反應(yīng)區(qū)容積1m³，總高3.84m，外徑0.6m，內(nèi)徑0.18m。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 試驗(yàn)的水質(zhì)及污泥源
　　試驗(yàn)進(jìn)水取自上海石化水質(zhì)凈化廠的曝氣沉沙池出水集水井，其水質(zhì)情況如表1。取上海石化水質(zhì)凈化廠的曝氣池污泥作為實(shí)驗(yàn)用污泥源。
1.2.2 分析項(xiàng)目及方法
　　每天對(duì)反應(yīng)器進(jìn)水和系統(tǒng)出水的BOD₅、SS、NH₄⁺-N以及污泥濃度、SVI指數(shù)測(cè)定一次，均用標(biāo)準(zhǔn)方法。白天每隔3h取1次水樣，1d取4次，分析的水樣為混合樣。進(jìn)、出水的CODcr在線監(jiān)測(cè)，取日平均值。
1.3 曝氣充氧實(shí)驗(yàn)
　　將HCR反應(yīng)器注滿清水，關(guān)閉反應(yīng)器進(jìn)、出水閥門和回流污泥閥門，只開(kāi)啟循環(huán)泵，這樣反應(yīng)器就形成一個(gè)封閉循環(huán)系統(tǒng)。
　　分別在流量為28、34、40、44、50m³／h的工況下（T＝30.2℃）測(cè)定氧傳遞速率。第三次測(cè)試后氯化鉆不再投加。
　　用DO監(jiān)測(cè)儀記錄DO變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

　　從圖2中可以看出，在射流量40－45m³/h的范圍下，充氧效率就已經(jīng)很高了，再加大射流量雖然充氧效率還能提高，但充氧能力的增長(zhǎng)將遠(yuǎn)低于能耗的增長(zhǎng)，所以我們認(rèn)為，最佳的充氧效率在40～45 m³/h的范圍內(nèi)，最后決定射流量的工況維持在40m³／h。

2 運(yùn)行結(jié)果與分析

2.1 HCR的啟動(dòng)
　　取上海石化水質(zhì)凈化廠的曝氣池污泥（MLSS約4g／L）加人HCR系統(tǒng)中，其體積占反應(yīng)器總體積的1／2（約0.5m³），然后加自來(lái)水注滿系統(tǒng)，悶曝Zh恢復(fù)活性。考慮到實(shí)驗(yàn)用污泥對(duì)石化廢水已經(jīng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，所以污泥恢復(fù)活性后即向反應(yīng)器間歇進(jìn)水（2.5m³／h），每隔8h停止進(jìn)水2h。36h后開(kāi)始連續(xù)進(jìn)、出水，并穩(wěn)定進(jìn)水流量（2.5m³／h）。
　　每日測(cè)定進(jìn)、出水的CODcr濃度以求得去除率。
　　HCR反應(yīng)器啟動(dòng)較快，從圖3中可以看到，3d后，污泥濃度就從1.25g／L上升到4.16g／L，對(duì)CODcr的去除率就達(dá)到60％（進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表1）。
　　當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定以后，污泥濃度維持在4.3g／L左右，CODcr的去除率可以達(dá)到70％。

2.2 HCR的運(yùn)行期
　　系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定以后，改變停留時(shí)間、回流比、泥齡等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)運(yùn)行條件改變時(shí)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后再取樣分析，以提高數(shù)據(jù)的可靠性。HCR 反應(yīng)器在表2所示工況下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的處理效果見(jiàn)圖4、圖5和圖6。
　　從圖4可以看出，CODcr進(jìn)水濃度在303～367mg／L的情況下，出水CODcr在120～180mg／L之間，平均去除率為57.3％。從圖5可以看出，BOD₅ 進(jìn)水濃度在129－307mg／L的情況下，出水BOD₅ 保持在40mg／L以下，平均去除率為81.7％。從圖6可以看出，NH₃－N進(jìn)水濃度在17.6～43.1mg／L 的情況下，平均去除率為10.7％。在污泥負(fù)荷3.6～4.3kg[BOD₅]／（m³·d）的情況下，HCR對(duì)NH₃－N的去除率很低。
　　表3列出了試驗(yàn)所用HCR工藝和廠里現(xiàn)在采用的兩段卡羅塞式氧化溝工藝及普通活性污泥法處理石化廢水的主要效果參數(shù)。可以看出HCR藝在停留時(shí)間、容積負(fù)荷、污泥負(fù)荷、充氧速率等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表2 HCR反應(yīng)呂的運(yùn)行參數(shù) 運(yùn)行參數(shù) 數(shù)值 射流水量/（m³.h^-1) 40 進(jìn)水流量/（m³.h^-1) 3 氣量/（m³.h^-1) 13.4-16.7 溶解氧/（mg.h^-1) 2.7-4.1 循環(huán)速率/（m.s^-1) 1.91-2.19 噴嘴壓力/10⁵Pa 1.150-1.164 溫度/℃ 28.1-32.3

表3 HCR工藝處理石化廢水效果對(duì)比

方法

參數(shù) 活性污泥法 Carroused氧化溝 HCR工藝 停留時(shí)間/h 4-8 1.8 0.33 容積負(fù)荷/（kg[BOD₅].m^-3.d^-1) 0.75-1.0 2.19 16.3 污泥負(fù)荷/（kg[BOD₅].kg^-1.[MLSS].d^-1) 0.3 0.83 3.8 去除率/% 80-85 80-85 75-85 充氧速率/（kg[O₂].m^-3.s^-1) 0.05 0.05 0.2 能耗/（kg[O₂].kWh^-1) 0.7-2.0 0.9 0.46

3 結(jié)論

　　①HCR藝采用射流曝氣技術(shù)，應(yīng)用壓力和快速?gòu)?qiáng)制溶氧的原理，利用水流的高速紊流剪切作用，空氣氧的利用率高，污泥活性好，是一種高效的好氧生物處理技術(shù)。
　　②HCR為完全混合型反應(yīng)器，再加上高濃度污泥和大比例回流的共同作用，進(jìn)水流量和濃度的大幅度波動(dòng)得以充分緩和，毒害性物質(zhì)也得到稀釋從而有效提高了HCR系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力。試驗(yàn)過(guò)程中當(dāng)進(jìn)水BOD₅在 107～334 mg／L的范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，去除率穩(wěn)定在75％－85％。
　　③HCR藝在試驗(yàn)運(yùn)行中二沉池存在浮泥問(wèn)題，主要是污泥絮體中夾雜氣泡，進(jìn)人二沉池后產(chǎn)生泡沫，影響沉淀效果。所以在選用HCR工藝處理某些工業(yè)廢水時(shí)應(yīng)考慮增加脫氣裝置。
　　④由于石化廢水的特殊性，污泥沉降性能較差。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)污泥易發(fā)生非絲狀菌膨脹，HCR反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度始終只能達(dá)到4－4.5g／L，而SVI則高達(dá)200mg/L以上，這使得污泥濃度無(wú)法進(jìn)一步提高。
　　⑤HCR藝與普通活性污泥法相比，能耗較高，當(dāng)BOD₅去除率達(dá)到85％后，能耗將直線上升，所以該工藝較適合作為預(yù)處理工藝來(lái)推廣。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]Luebbcke S，A Vogelpohl W Dewjanin.Wastewater treatment in a biological high－performance system with high biomass con centraion[J].Wat Res，1995，29（3）：793-802.
　　[2] Wachsmann U，N Raebiger and A Vogelpohl.Effect of geometry on hydrodyamics and mass transfer in the compact reactor[J].Ger Chem Eng，1985，8：411-418.

　　作者簡(jiǎn)介：汪海峰（1976-），男，浙江湖州人，在讀博士生。