FCR技術(shù)在污水處理應(yīng)用中的展望

儲(chǔ)小英

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

水是生命之源。隨著城鎮(zhèn)化、產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及人口數(shù)目的不斷膨脹，水污染物排放總量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了環(huán)境容量，我國(guó)面臨十分嚴(yán)重的水污染現(xiàn)狀。經(jīng)測(cè)算，當(dāng)前水污染總量必須要削減30% ～50%，水環(huán)境才會(huì)發(fā)生根本性的轉(zhuǎn)變。

即將出臺(tái)的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》提出的三大舉措，確定了節(jié)能、減排的三大舉措。上?！笆濉逼陂g計(jì)劃有30座城鎮(zhèn)污水處理廠須實(shí)施提標(biāo)改造，出水指標(biāo)達(dá)到一級(jí)B(或一級(jí)A)。由于現(xiàn)有污水處理廠，特別是中心城區(qū)污水處理廠普遍存在用地緊張，廠界緊鄰居民住宅，提標(biāo)改造必須考慮水質(zhì)、污泥、氣體、景觀全面達(dá)標(biāo)，所以必須拓展思路，力求尋求更高效、更有效的處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)改造過程不停水、不減質(zhì)的要求。隨著環(huán)保投資規(guī)模的加大，行業(yè)將進(jìn)入更為高速的發(fā)展期。

目前城鎮(zhèn)污水處理廠處理工藝多采用生物處理，生物處理一般分為活性污泥法和生物膜法。傳統(tǒng)活性污泥法經(jīng)改進(jìn)，形成了A/O法、UCT、MUCT、改良A/A/O、倒置A/A/O;氧化溝類及SBR等處理方法;生物膜法有生物轉(zhuǎn)盤，生物濾池，曝氣生物濾池類(BAF);生物接觸氧化法兼有了活性污泥法和生物膜法的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外已有較多運(yùn)用于污水處理廠的實(shí)例。

食物鏈反應(yīng)器FCR(Food Chain Reactor)，匈牙利奧尼卡專利技術(shù)，是一個(gè)高度集約的生態(tài)系統(tǒng)，以獨(dú)特的食物鏈反應(yīng)器為基礎(chǔ)，以特殊材料和植物根系為生物載體，形成巨大的生物膜表面，構(gòu)建高度多樣化的生態(tài)系統(tǒng)，利用各次級(jí)生態(tài)系統(tǒng)的各種微生物、水生植物、水生動(dòng)物等的交織生長(zhǎng)，增強(qiáng)對(duì)水體中污染物的降解功能。國(guó)外已有多項(xiàng)成功案例，國(guó)內(nèi)開始嘗試。

本文認(rèn)為FCR是基于生物接觸氧化技術(shù)而拓展研究的，試圖通過對(duì)生物接觸氧化技術(shù)在城鎮(zhèn)污水處理廠的應(yīng)用剖析，展望FCR技術(shù)在我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠應(yīng)用的前景。

1 生物接觸氧化技術(shù)的進(jìn)展

接觸氧化法概念最早于19世紀(jì)由Waring等人提出。1912年Closs在德國(guó)取得專利登記。同時(shí)美國(guó)也有技術(shù)人員采取在活性污泥工藝的曝氣池中設(shè)置石棉水泥板的方式，為微生物提供附著生長(zhǎng)的場(chǎng)所［1］。20世紀(jì)50年代，已發(fā)展為廣泛應(yīng)用于小型污水處理廠，但因受限于材料工業(yè)不夠發(fā)達(dá)、管理方式相對(duì)落后，生物接觸氧化工藝的處理效果不甚理想，這項(xiàng)技術(shù)的研究與應(yīng)用受到了冷落。上世紀(jì)的70年代，伴隨著材料工業(yè)的迅猛發(fā)展以及新型填料的開發(fā)成功，日本首先提出了“管式基礎(chǔ)氧化”的概念，并開發(fā)出了新的供氧方式，使得生物接觸氧化工藝的處理效果大幅度地提高，此項(xiàng)技術(shù)也重新回到人們的研究的范圍，并發(fā)展成了多種形式。

國(guó)內(nèi)在生物接觸氧化工藝的研究起步較晚，1975年開始研究城市污水COD、BOD的去除以及紡織印染廢水的脫色問題，取得了一定的成績(jī)［4］。隨后逐漸開始了對(duì)生物接觸氧化工藝的應(yīng)用和改良工作［6］，采用半軟性填料生物接觸氧化法成功處理高濃度含合成洗滌劑廢水;采用圓柱狀聚丙烯懸浮填料生物接觸氧化法用于處理煉油廢水;采用中空、柱狀聚丙烯填料生物接觸氧化法用于處理化學(xué)試劑廠難降解的生物廢水;采用填料柱+改性半軟性填料生物接觸氧化法用于處理高濃度丁酯廢水;采用組合式填料和立體彈性填料兩種不同的填料生物接觸氧化法用于處理PS廢水［9］;采用陶粒填料、YDT填料、爐渣填料生物接觸氧化用于城市污水處理廠［10］。

國(guó)外在生物接觸氧化工藝的研究起步較早，從上世紀(jì)70年代后期起，國(guó)外對(duì)生物接觸氧化工藝的應(yīng)用范圍、反應(yīng)池的設(shè)計(jì)、氧轉(zhuǎn)移效率的提高，填料材料的選擇和掛膜技術(shù)等多方面進(jìn)行了大量的研究，成功應(yīng)用也在報(bào)道中屢有出現(xiàn)［11］。Shin等人在實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模下，將廢舊輪胎經(jīng)特殊處理后制成膠條狀，將其作為填料用于生物接觸氧化工藝處理含酚廢水［12］;Sakai等人采用磁異性的管狀生物膜填料用于生物接觸氧化工藝;Rusten等人采用PLASdekSl2新型填料與填充生物反應(yīng)柱組合的方式用于污水處理。Park等報(bào)道了采用SARAN型網(wǎng)狀填料用于生物接觸氧化工藝處理石化廢水的實(shí)驗(yàn)研究;Chin等人報(bào)道了采用生物接觸氧化與生物強(qiáng)化技術(shù)工藝組合的方式處理含有苯、甲苯、二甲苯混合液(BTX)。

2 生物接觸氧化技術(shù)的特點(diǎn)

與活性污泥法比較，生物接觸氧化法具有以下主要特點(diǎn):

(1)比表面積大，可形成穩(wěn)定性較好的高密度生態(tài)體系，掛膜周期相對(duì)縮短，在處理相同水量的情況下，水力停留時(shí)間短，所需反應(yīng)池體積小，占場(chǎng)面積小。

(2)污泥濃度高，系統(tǒng)耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。一般情況下，生物接觸氧化法的容積負(fù)荷為普通活性污泥法的3～5倍，COD去除率為傳統(tǒng)生物法的2～3倍。

(3)污泥產(chǎn)量少，在操作過程中一般不會(huì)產(chǎn)生污泥膨脹，不需設(shè)置污泥回流。

(4)氧利用率高，動(dòng)力消耗低。生物接觸氧化法氧的利用率比活性污泥法高3～8倍，動(dòng)力消耗比活性污泥法減少20% ～30%［13］。

(5)操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，可間歇運(yùn)行，運(yùn)行費(fèi)用低，綜合能耗低。

(6)生物接觸氧化法存在著填料較易堵塞的問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響處理水質(zhì);布水布?xì)獠灰拙鶆?，處理效果受氣溫影響較大。

3 生物接觸氧化技術(shù)在污水處理中的運(yùn)用

生物接觸氧化工藝處理城市生活污水具有很大的市場(chǎng)潛力，較多采用生物接觸氧化池—斜管沉淀—過濾法處理城市污水并作綠化灌溉等回用，在氣水比為12∶1的條件下［14］，半軟性填料上生物膜的濃度為5～6 g/L，COD去除率為85%，BOD去除率為90%，SS去除率為85%，處理的成本為0．86元/m3。生物接觸氧化技術(shù)還運(yùn)用于處理制藥廢水，印染廢水等。

4 FCR技術(shù)的特點(diǎn)

FCR技術(shù)其設(shè)計(jì)理念是通過自然和人工辦法構(gòu)建水生態(tài)食物鏈，利用附著在植物根系和載體表面的微生物、原生動(dòng)物及微型動(dòng)物，去除污水中的COD、BOD、TN、NH3-N、TP 等污染物。

與生物接觸氧化法比較，F(xiàn)CR技術(shù)更具有以下主要特點(diǎn):

(1)FCR具有占地小的特點(diǎn)，F(xiàn)CR是綜合固定生物膜活性污泥法的一種，使用自然(植物)和人工(專利生物纖維)根須結(jié)構(gòu)作為生物膜載體，可培養(yǎng)和維持3～4倍于活性污泥法的“等效生物濃度”，與典型的生物接觸氧化法相比，F(xiàn)CR反應(yīng)器的生物數(shù)量比表面積更大，達(dá)到12 000 m2/m3，“等效生物濃度”達(dá)到15～18 kg/m3。

(2)FCR具有能耗低的特點(diǎn)，F(xiàn)CR反應(yīng)器的微生物幾乎都生長(zhǎng)在根須結(jié)構(gòu)中，使懸浮固體物濃度降低，這使得氧轉(zhuǎn)換效率系數(shù)值可提高至0．9～0．95，與典型的生物接觸氧化法相比，提高了約25%。同時(shí)植物與填料交織生長(zhǎng)，改善了根系泌氧，促進(jìn)DO在水中的運(yùn)輸［15］。

(3)FCR具有泥量少的特點(diǎn)，F(xiàn)CR反應(yīng)器的獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)聚集了從細(xì)菌、原生動(dòng)物到植物的各種次級(jí)生態(tài)，增強(qiáng)了生物降解的效率，生物食物鏈反應(yīng)結(jié)果，使污泥產(chǎn)量更低。

(4)FCR具有景觀美的特點(diǎn)，F(xiàn)CR反應(yīng)器置于陽光棚內(nèi)，外觀像座植物園，可解決傳統(tǒng)污水處理氣味大，不美觀等外觀問題。

(5)FCR實(shí)現(xiàn)處理過程的智能控制，F(xiàn)CR反應(yīng)器可以模塊化，輔以較完善的自控系統(tǒng)，研發(fā)的專利演算軟件，可不斷優(yōu)化系統(tǒng)配置，以求達(dá)到最低能耗，最短處理時(shí)間，最低污泥產(chǎn)出的狀態(tài)。

(6)FCR具有效果好的特點(diǎn)，高度生物多樣性能夠耐沖擊負(fù)荷，即使生物系統(tǒng)受到破壞，也能較快地恢復(fù)處理能力。高度多樣的生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)各次級(jí)微生物、水生植物、水生動(dòng)物的新陳代謝，使處理效果更好。

4 FCR技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用

奧尼卡生態(tài)(植物園)式處理，已在法國(guó)勒呂德市、Villa別墅/住宅區(qū)、商業(yè)及校園區(qū)、高密度住宅、法國(guó)Gencay市世界古城著名城堡旁，土耳其泰基爾達(dá)市等污水處理項(xiàng)目中被成功應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)已在深圳銀星工業(yè)園、深圳富士康、海南島7 000 m3/d、山東乳山等污水處理項(xiàng)目中開始應(yīng)用，并計(jì)劃運(yùn)用于上海中心城區(qū)污水處理廠升級(jí)改造項(xiàng)目。

5 對(duì)FCR技術(shù)運(yùn)用的展望

FCR技術(shù)也許探索實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)更好的污水處理廠的思路，但由于國(guó)內(nèi)尚較少成功實(shí)例，加上我國(guó)整體環(huán)境質(zhì)量較差，要使城鎮(zhèn)污水處理廠變成花園的愿景，還有不少的差距［17］。植物的篩選、后期運(yùn)行維護(hù)等存在諸多的不確定性，雖然在青草沙水庫(kù)、虹橋樞紐、大盧線整治等工程中已實(shí)施種植了一些植物板塊，用于水處理和防藻取得了一些成效，但缺乏處理效果的系統(tǒng)檢測(cè)，引入篩選植物全面運(yùn)用于污水處理廠工程還需從理論和實(shí)驗(yàn)全面展開積極的研究:

(1)開展復(fù)合生物反應(yīng)器(集成高度多樣化的生態(tài)系統(tǒng))技術(shù)理論研究，研究污水有機(jī)物降解機(jī)理，氧擴(kuò)散、傳遞機(jī)理，植物根系微生物和載體填料微生物的增長(zhǎng)及代謝規(guī)律。

(2)開展復(fù)合生物反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型的研究，包括動(dòng)力學(xué)模型、基質(zhì)降解模型的建立和修正、模型在設(shè)計(jì)中的放大及應(yīng)用;對(duì)復(fù)合生物反應(yīng)器流體力學(xué)、停留時(shí)間分布、氧傳遞方式及供給對(duì)水處理效果影響等研究。

(3)復(fù)合生物反應(yīng)器工藝流程及運(yùn)行條件的最優(yōu)化，綜合能耗降低的措施和技術(shù);開展模塊研制與開發(fā)。

(4)研究和其他技術(shù)組合及運(yùn)行方式的最優(yōu)化;反沖洗方式、氣水比、污水pH變化，溶解氧及工藝參數(shù)的優(yōu)化。

(5)研究污水處理過程中的智能控制技術(shù)，如專家控制系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、仿人智能控制系統(tǒng)，進(jìn)行模擬仿真和數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)不可測(cè)參數(shù)和狀態(tài)識(shí)別，對(duì)處理過程進(jìn)行模型化，離線或在線自適應(yīng)最優(yōu)化控制。

(6)對(duì)現(xiàn)有生物接觸氧化填料進(jìn)行革命性的改革，開發(fā)研制類似人工根系材料，其應(yīng)具有高比表面積、高空隙率等化學(xué)生物性穩(wěn)定等優(yōu)越性能。

(7)FCR技術(shù)對(duì)上海城鎮(zhèn)污水處理廠水質(zhì)適應(yīng)性試驗(yàn)研究。

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