HCR-一種高效好氧生物處理技術(shù)
好氧生物處理工藝歷史悠久，自1914年第一座活性污泥法污水處理試驗廠運行以來，已經(jīng)80多年了。近20年來，改進曝氣技術(shù)和好氧生物固定技術(shù)以提高污水處理的效果，是好氧生物處理領域的主要研究內(nèi)容，HCR工藝就是這一特定時期的產(chǎn)物。
1 HCR工藝的主要特點
HCR工藝(High Performance Compact Reactor)是德國克勞斯塔爾(Clausthal)工科大學物相傳遞研究所于80年代發(fā)明的。該工藝的問世是好氧生物處理技術(shù)的一個飛躍，它融合了當今的高速射流曝氣、物相強化傳遞、紊流剪切等技術(shù)，并具有深井曝氣和流化污泥床的特點。因此，其空氣氧的轉(zhuǎn)化率高，反應器的容積負荷大，水力停留時間短，是當前為西方國家所廣泛接受的一種高效好氧生物處理方法。至今，已經(jīng)在德國、瑞典、加拿大、意大利、法國、韓國等國家建成了數(shù)十個HCR系統(tǒng)，并已投產(chǎn)運行，污水處理效果普遍良好。
HCR系統(tǒng)主要包括：集成反應器、兩相噴頭、沉淀池以及配套的管路和水泵等(見圖1)。集成反應器為圓形容器，其外筒兩端被封閉，連接著各種管道；內(nèi)筒兩端開口，兩相噴頭安裝在反應器上部的正中央。循環(huán)水泵提升高壓水流經(jīng)噴頭射入反應器，由于負壓作用同時吸入大量空氣。水流和氣流的共同作用又使噴頭下方形成高速紊流剪切區(qū)，把吸入的氣體分散成細小的氣泡。富含溶解氧的混合污水經(jīng)導流筒達到反應器底部后，又向上返流形成環(huán)流，再經(jīng)剪切向下射流，如此循環(huán)往復運行。于是，污水被反復充氧，氣泡和微生物菌團被不斷剪切細化，并形成致密細小的絮凝體。
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由該工藝的工作原理可知，HCR的主要特點是：
(1)系統(tǒng)占地少，基建費用低。HCR系統(tǒng)占地一般很少，其原因主要有三：一是系統(tǒng)設計緊湊，結(jié)構(gòu)合理，減少了占地；二是反應器高徑比大(為7∶1)，部分被埋在地下，有效地利用了垂向空間，減少了平面上的占地；三是所需水力停留時間很短，容積負荷和污泥負荷都很高，減少了反應器的體積。
合理集成設計、少占地是減少基建投資的主要因素，反應器和沉淀池的容積小，又節(jié)省土建投資或設備制造費用。根據(jù)工程預算結(jié)果對比表明，采用HCR工藝處理同樣數(shù)量的污水，其基建費用比活性污泥法工藝要減少30%以上。
(2)空氣氧轉(zhuǎn)化利用率高，容積負荷和污泥負荷高。HCR工藝的曝氣方式采用射流擴散式，并通過垂向循環(huán)混合，使溶解氧達到最大值，這一過程實際上吸取了深井曝氣依靠壓頭溶氧的優(yōu)點。高速噴射形成紊流水力剪切，使氣泡高度細化并均勻分散，決定了該方法對空氣氧的轉(zhuǎn)化利用率高。據(jù)試驗測定，其空氣氧的轉(zhuǎn)化利用率可高達50%，溶解氧含量易保持在5mg/L以上。
足夠的溶解氧是保證好氧生物處理系統(tǒng)高負荷運行的條件，這也是HCR工藝的優(yōu)勢所在。一般情況下，HCR系統(tǒng)的污泥濃度在10g/L左右，最高可超過20g/L。反應器中生物量之大，決定了其負荷值必然高。試驗和已有工程的運行結(jié)果顯示，HCR的容積負荷最大可達70kgBOD5/(m3·d)，小試可達100 kg BOD5/(m3·d)；其污泥負荷值可以超過6 kg BOD5/(kgSS·d)。
(3)固液分離效果好，剩余污泥量較少。HCR工藝混合污水中的微生物菌團顆粒小，其沉降性能好，這是其顯著特點之一，污泥在沉淀池中的停留時間一般只需要40min左右。該工藝每降解1kg BOD所產(chǎn)生的剩余污泥量，比其他好氧方法平均減少40%左右，從而大大減少了污泥處理量。剩余污泥量較少的原因主要有兩個：其一，強烈曝氣使微生物代謝速度快，由此引起的生化反應可能加大內(nèi)源消耗，剩余污泥量相對少；其二，由于反應器中混合污水被高速循環(huán)液流剪切，微生物的團粒被不斷分割細化，團粒內(nèi)部的氣孔減少，使其密度相對增加，總的體積減少。
(4)抗沖擊負荷的能力強。HCR為完全混合型運行方式，原水先與回流污水合流，然后再進入反應器，并立即被快速循環(huán)混合。高濃度COD或有毒廢水沖擊系統(tǒng)時，它們在進入反應器之前實際上已經(jīng)被稀釋，進入反應器后又被迅速均勻混合，使沖擊液流的濃度大大降低，從而有效地提高了HCR系統(tǒng)抗沖擊負荷的能力。此外，強烈曝氣使微生物的新陳代謝加快后，也可能減少沖擊所造成的部分影響。
工程實踐表明，HCR工藝對甲醛廢水、含酚廢水、糖醛廢水、樹脂酸廢水都能進行有效處理；如已有工程實例的進水COD濃度達到了20000mg/L；該工藝還有望提高污水脫氮的效果。
(5)系統(tǒng)操作簡便靈活，處理效果有保障。HCR系統(tǒng)的反應器循環(huán)水量、補充曝氣量、污泥回流量等都可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，便于選擇最佳的組合效果。正因為如此，采用HCR工藝容易保證較高的COD去除率。圖2顯示了HCR反應器容積負荷與COD去除率的變化關(guān)系？梢钥闯，盡管其容積負荷變化較大，COD去除率均達到80%左右。
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從目前已經(jīng)運行的數(shù)十個工程所反饋的信息表明，HCR系統(tǒng)啟動較快，操作管理比較方便，適應的環(huán)境條件很寬松，運行中很少出現(xiàn)故障，其推廣應用正在受到越來越多的重視。
2 應用實例及其效果
已有HCR工程處理的廢水類型有：奶品加工廢水、酵母生產(chǎn)工藝廢水、造紙廠廢水、化工廢水、印刷業(yè)廢水、屠宰廢水、填埋場滲濾液及城市污水等。其中，尤以造紙廢水的處理工程最多，已分別在德國、挪威、中國、法國、加拿大等地建成投入運行(表1)。
表1 HCR典型工程實例運行參數(shù)
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實例1 拉維克市雀斯科夫銳茲公司(TreschowFritze, Larvik)的半化學紙漿廢液，其COD濃度高達20000mg/L，采用HCR工藝處理，其容積負荷達80 kg COD/(m3·d)，COD的降解率達〖CM(22〗到了70%。廢水中含有過氧化漂白污水，但它對于水處理的效果沒有任何不良影響，其剩余污泥的產(chǎn)率約為0.2kg SS/kg COD。
實例2 在威尼斯拉市的漢斯霍司公司(Hunsfos,Vennesla)，亞硫酸鹽化學紙漿濃縮液(來自化學再生系統(tǒng))COD的變化范圍為5 000～10000 mg/L，污水中同時含有糖醛，因而對附近納污區(qū)的魚類構(gòu)成危害。用HCR工藝處理，容積負荷平均達60 kg COD/(m3·d),COD的降解率為80%，糖醛的去除率達100%，剩余污泥的產(chǎn)率僅為0.15 kg SS/kg COD。
表2列出了某地城市污水采用兩種方法處理的主要效果參數(shù)？梢钥闯鯤CR工藝相對于傳統(tǒng)的活性污泥法工藝在充氧速率、容積負荷、污泥負荷、二沉池表面負荷、剩余污泥產(chǎn)率、水力停留時間等方面，都具有明顯的優(yōu)勢。
表2 HCR工藝處理某城市污水效果對比
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3 HCR工藝在中國的應用前景分析
根據(jù)HCR所具有的特點，我們認為該工藝在中國有以下幾方面的應用前景：
(1)普通工業(yè)廢水的處理。中國工業(yè)企業(yè)的廢水種類很多，變化也很復雜。特別是一些中小型企業(yè)，因其廢水量不大，或因污染物濃度不太高，而且廢水中又不含明顯的有毒物(即普通工業(yè)廢水)，故一直未進行達標處理。根據(jù)當前的環(huán)境保護要求，這類廢水也是非治不可的。然而，原來廠區(qū)規(guī)劃又大都沒有考慮廢水處理的場所。鑒于這些廢水的特點及處理場所不足等矛盾，選擇占地少、適應性強的HCR工藝，有望解決這類廢水的處理。
(2)特殊工業(yè)廢水的處理。有一些工業(yè)廢水含有某些毒性物質(zhì)或可能致毒的組份(稱特殊工業(yè)廢水)，往往無法采用常規(guī)好氧或厭氧工藝進行處理。如防腐產(chǎn)品工業(yè)和農(nóng)藥產(chǎn)品工業(yè)等產(chǎn)生的廢水中，多含有難降解的有機物，且對微生物具有致死的毒性。過去多采用焚燒方法或固化填埋方法進行處理，但是成本很高，并可能產(chǎn)生二次污染。
HCR工藝采用快速高效的氧傳遞轉(zhuǎn)輸方式，溶解氧多保持在5mg/L左右，反應器中的微生物群落能快速適應污染物種類和濃度的變化，這對于特殊工業(yè)廢水的處理十分有利。前面談到的甲醛廢水、苯酚廢水、苯甲醛廢水等，采用HCR工藝處理都獲得了很好的效果，且運行狀況良好，就是較好的實例。
(3)城市中水工程中應用。城市中水工程所處理的原水具有水量少，變化幅度大，且COD濃度不太高等特點；中水工程對出水的水質(zhì)要求也不太高(主要用作沖洗水或綠地用水)。要滿足這些條件，HCR工藝是最好的方法之一。首先，它可以根據(jù)不同水量水質(zhì)的變化來靈活地設計工藝系統(tǒng)；其次，因HCR工藝采用封閉式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)產(chǎn)生的廢氣用管道收集外排，這種設計有利于城市小區(qū)的環(huán)境保護，工程附近的居民可以免遭惡臭之苦；再者，HCR系統(tǒng)充分利用了地上和地下空間，設計別致，造型美觀，容易和小區(qū)的景觀融合在一起。
4 幾點認識
(1)HCR工藝采用高效的空氣氧傳遞轉(zhuǎn)輸方法，合理利用了射流曝氣技術(shù)，應用了壓頭和快速強制溶氧的原理，并利用紊流剪切擴散和均勻分布的作用，使空氣氧的傳遞轉(zhuǎn)輸率高達50%，是一種高效的好氧生物處理技術(shù)。
(2)已經(jīng)運行的HCR工程系統(tǒng)表明，該工藝適應范圍廣，負荷率高，COD去除率高，運行效果好。其占地面積少，綜合經(jīng)濟效益好，具有推廣應用的價值。
(3)中國工業(yè)污水的種類復雜多樣，城市中水工程正有待開發(fā)，HCR工藝在中國大有發(fā)展前景。必須提醒注意的是，應該以技術(shù)引進為主，盡量采用國產(chǎn)的設備和附件，使之更加符合本國的國情，以獲得最佳的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。
(4)HCR工藝存在的問題：一是能耗，當污水COD去除率在80%及其以下時，所需能耗低且效益好；如果COD的去除率要求過高，其能耗就直線升高。因此，在實際工作中也不能盲目地選用HCR工藝。第二個問題是泡沫，HCR在處理某些廢水時，也和常規(guī)好氧工藝一樣會產(chǎn)生泡沫，設計時必須考慮這一因素。
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