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造粒流化床技術用于污水處理的研究現狀


一、污水處理背景
  我國是一個幹旱缺水嚴重的國家。淡水資源總量為28000億立方米,占全球水資源的6%,僅次于巴西、俄羅斯和加拿大,居世界第四位,但人均隻有2300立方米,僅為世界平均水平的1/4、美國的1/5,在世界上名列121位,是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。
  據監測,目前全國多數城市地下水受到一定程度的點狀和面狀污染,且有逐年加重的趨勢。日趨嚴重的水污染不僅降低了水體的使用功能,進一步加劇了水資源短缺的矛盾,對我國正在實施的可持續發展戰略帶來了嚴重影響,而且還嚴重威脅到城市居民的飲水安全和人民群衆的健康。
  以西安市為例,2000年西安市建成區面積已達187k,人口326萬。根據《西安市排水規劃(1995年至2010年)》,西安市中心市區分為六個污水收集系統,現狀污水排放總量約80萬/d,污水處理率約34%。
  西安市現狀排水服務面積約152.2k,排水管道除老城區及東北郊部分為合流管外,其餘以分流制為主。排水管網總長約835.4km。其中污水管道490km(包括現狀合流管),普及率67%,雨水管渠345.4km,普及率45%,管渠密度約5.5km/k。目前污水管網接納城市污水量約80萬/d,已建成城市污水處理廠兩座,總處理能力27萬/d,污水處理率34%,其中北石橋污水處理廠15萬/d,鄧家村污水處理廠12萬/d。
  同時,西安市是一個水資源缺乏的城市,全市人均占有地表水資源量不足350,僅為全國和世界人均占有量的1/6和1/20,大大低于國際公認的維持一個地區社會經濟環境所需1000的臨界值,随着今後城市現代化進程的加快,水資源短缺将會影響城市供水。而污水是一種穩定可靠的、可再生利用的水資源,是解決城市缺水的一條重要途徑,污水經深度處理後可回用于工礦企業、市政環衛、園林綠化以及城市河道景觀等方面。
  二、污水處理技術現狀
  現在的污水處理一般都采用傳統的污水處理工藝,采用絮凝沉澱、砂濾系統,設計投加氯化鐵藥劑于A2/O系統終沉池配水井中,強化生物除磷,降低終沉池出水中磷的濃度。沉澱後出水經提升泵站至砂濾池,采用氣水反沖洗濾池,過濾後水至清水池,加壓後進入回用水管網。如西安市鄧家村污水處理廠,西安市北石橋污水淨化中心,西安市紡織城污水處理廠,西安市店子村污水處理廠等基本上都采用了這種污水處理系統。
  傳統的污水處理系統中,采用沉澱池進行污水凝沉澱,它不能形成顆粒凝聚的良好的條件,不能生成團粒型絮凝體,使得固液分離效率很低。
  三、污水處理新技術——造粒流化床污水處理技術
  1、流化床基本概念
    當一種流體以不同速度向上通過顆粒床層時,可能出現以下幾種情況. 固定床——當流體的速度較低時,流體隻是穿過靜止顆粒之間的空隙而流動,這 種床層稱為固定床,如下圖a所示。 初始或臨界流化床——當流體的流速增大至一定程度時,顆粒開始松動,顆粒位 置也在一定的區間内進行調整,床層略有膨脹,但顆粒仍不能自由運動,這時床層處于初始或臨界流化狀态,如下圖b所示; 流化床——如果流體的流速升高到全部顆粒剛好懸浮在向上流動的氣體或液體中而能做随機的運動,此時顆粒與流體之間的摩擦力恰與其淨重力相平 衡。此後床層高度L将随流速提高而升高。這種床層稱為流化床。如下圖 c\d所示; 稀相輸送床——若流速再升高達到某一極限值後,流化床上界面消失,顆粒分散為懸浮在氣流中,并被氣流帶走,這種床層稱為稀相輸送床。如下圖e所示。     
      不同流速時床層的變化   
(a) 固定床(b)初始或臨界流化床(c)散式流化床(d)聚式流化床(e)輸送床
  2、流化床的特點
  流化床中的氣固運動狀态很像沸騰着的液體,并且在許多方面表現出類似于液體的性質。流化床具有象液體那樣的流動性能,固體顆粒可從容器壁的小孔噴出。并象液體那樣,從一容器流入另一容器;再如,比床層密度小的物體可很容易的推入床層,而一松開,它就彈起并浮在床層表面上;當容器傾斜時,床層的上表面保持水平,而且當兩個床層連通時,它們的床面自行調整至同一水平面;床層中任意兩截面間的壓強變化大緻等于這兩截面間單位面積床層的重力。
  3、造粒型流化床污水處理技術
  自我造粒流化床是運用化學工學中準穩态操作原理和反應工程理論,結合混凝工程的實踐經驗提出的一種新型水處理技術。該技術的主要技術指标如下:
  § 初段化學混凝反應在水力混合器中完成,水力停留時間在1 min以下;
  § 自我造粒反應在上向流機械攪拌裝置内完成,機械攪拌強度(G值)在30s-1左右,水力停留時間為10-20 min;
  § 固液分離在自我造粒流化床上部的固液分離區内完成,水力停留時間為5-10 min;
  § 污泥在分離的同時自動完成濃縮過程,以無機懸浮顆粒為主的體系,分離污泥含水率可達80%~85%,有機成分和無機懸浮物共存體系,分離污泥含水率為90~95%;
  § 分離出水SS濃度通常小于5mg/L,分離區設置強化分離輔助裝置後分離出水SS濃度通常小于1 mg/L;
  § 适用範圍:原水(污水、廢水)SS濃度1,000-20,000 mg/L,COD不大于1,000 mg/L。
  該技術在特殊設計的一體化裝置得以實現。其主要特點是水力停留時間短,體積小,占地面積小,适用性廣,使用靈活,處理效率高,可同時完成固液分離和污泥濃縮。
  該技術可廣泛用于高濁度給水處理、高懸浮物濃度廢水處理與回用、水廠和城市污水廠污泥濃縮、建築工地廢水處理、災害救助水處理等。
  4、造粒型流化床污水處理技術的産業化前景
  在積極實施《全國生态環境建設規劃》的過程中,水資源的綜合利用、水資源再生以及水污染治理是尤為重要的環節。因此水處理設備的市場容量會大幅度增加,市場競争将是技術水平、适用性和價格的競争。采用該技術的系列設備具有技術先進,體積小,成本低的特點,并可按照用戶要求進行生産,在環保設備市場上将具有強競争力。設備的主要用戶将是中小工業企業的工業用水處理、廢水處理、工業水循環再利用,城鎮中小型給水處理、污水廠污泥處理等。
  該項技術先後在鄭州黃河花園口(高濁度水處理)、西安鄧家村污水處理廠(消化污泥脫水)、陝西略陽鋼鐵廠(煤氣洗滌廢水和選礦廢水處理)、深圳水務公司(沉澱池排泥水處理)進行了半生産性實驗,在此基礎上反複進行設備改進,申請了《高效固液分離器》發明專利,目前已順利通過發明專利實審,技術得到國家專利局的認定和保護。該專利技術迄今已在西安西郊熱電廠用于沖灰廢水再生回用處理,在西安市北石橋污水淨化中心用于活性污泥混合液的分離和污泥濃縮,在西安市區曲江水廠、山東棗莊市供水總公司、山東濱州市自來水公司用于生産廢水的再生回用處理,取得了良好的實際應用效果。因此,該技術具有巨大的市場和産業化前景。
  四、造粒流化床技術用于污水處理的研究現狀
   近年來自我造粒型流化床在水處理過程中得到開發應用,尤其是以污泥脫水和高濁度原水、高濃度廢液的固液分離為目的的造粒流化床研究引起了國内外水處理界的關注。在國外已經有許多專家學者開始對該技術進行了深入的研究,也有了很多研究成果。然而在國内該技術起步較晚,尚需要繼續完善!
   對造粒流化床技術的研究主要有兩個方面,一個是從實驗或實踐中研究,主要是針對造粒流化床技術應用于實踐的研究。例如,王曉昌教授的《自我造粒型流化床中顆粒流态的試驗測定》以及潘湧章的《造粒流化床技術在洗車廢水回用處理中的實驗研究》等;另一個是進行理論研究,主要是對流化床中顆粒絮凝機理的研究以及對流化床的中固液流動進行模拟計算等。例如,黃廷林教授的《結團體流化床的運動平衡》、以及王曉昌教授的《Kinetic study of fluidized pellet bed process.Development of a mathematical model》等。然而,總的來說,目前我國對該技術的研究主要還是停留在實驗研究上。
  五、造粒流化床技術用于污水處理的應用現狀
  由于造粒流化床技術具有能夠高效進行固液分離,它廣泛用于高濁度給水處理、高懸浮物濃度廢水處理與回用、水廠和城市污水廠污泥濃縮、建築工地廢水處理、災害救助水處理等。
  運用造粒型高效 固液分離技術處理高懸浮物濃度工業廢水在以下幾個方面優于傳統處理工藝 :
  (1) 處理效率高 ,效果好 。高效固液分離裝置主體設備的水力停留時間為 9 min 左右 ,加上前面水泵和管道混合 ,總水力停留時間在 10 min 以内 ,遠比傳統處理工藝所需的停留時間短 。經這樣短的處理時間 ,裝置出水濁度已滿足工業回用水質要求 。且需要的無機混凝劑投量低于傳統混凝沉澱工藝。
  (2) 分離污泥含水率低 ,無須專門濃縮處理 。高效固液分離裝置的分離污泥脫水性能非常好 ,在存泥區停留 1 h 以上 ,污泥含水率就降到 85 %以下 ,無須專門濃縮即可進行最終污泥處理 。
  ( 3) 操作靈活性強 ,能滿足不同處理需要 ,高效固液分離裝置不僅能進行廢水連續處理 ,也能進行間歇處理 , 且抗沖擊負荷能力強 , 在超過額定負荷50 %的情況下也基本上能保證處理水質。
  下面以造粒流化床技術在洗車廢水回用處理中的應用為例介紹流化床在處理工業廢水中的應用:
  随着人們生活水平不斷提高,汽車的數量也在不斷上升,因此洗車業有着龐大的市場需求。現在,大小不同的洗車場遍布全國各地,但是多數的洗車場所都沒有設置廢水處理和回收設備,洗車水也隻是經過簡單的沉澱後就直接排入市政管道,不僅浪費了水資源,而且還對城市水環境造成了一定的污染。
  針對目前洗車業水污染和水資源浪費的現狀,近年來我國市場上出現了各種洗車廢水回用設備。有的基于多介質過濾器,陶粒吸附過濾器,超濾系統的截留、吸附、篩分原理來實現洗車廢水處理後回用;有的采用常規的隔油沉澱、過濾、消毒方法。雖然經這些設備處理後的出水能達到洗車廢水水質要求,但其共同的缺點是占地面積大、建設及運行費用都比較高,在投放市場的時候遇到不少困難。
  然而,采用造粒流化床技術處理洗車廢水時,洗車廢水經過流化床裝置處理後,出水的水質可達到洗車回用水的排放标準。造粒流化床法産生的污泥的含水率明顯比常規混凝沉澱法産生的污泥低,不需要設置污泥濃縮設備。并且,造粒流化床法與傳統的處理工藝比較,具有占地面積小、設備結構簡單、投資和運行費用低等優點,因此将其用于洗車廢水的回用處理,具有廣闊的市場前景。


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