摘要：HCR工藝具有所需空間少、效好占地省、氧生設(shè)計(jì)集成合理、物處COD降解率高、理技空氣氧利用率高且操作便利安全等優(yōu)點(diǎn)。效好在紙漿和造紙工業(yè)廢水處理的氧生工程實(shí)例中，其最大的物處容積負(fù)荷達(dá)到70kgCOD/(m3•d)，反應(yīng)器單體最大容積為1200m3，理技日處理污水量近23000m3，效好COD的氧生降解率達(dá)到80%，而剩余污泥的物處產(chǎn)率小于0.2kgSS/kgCOD。
關(guān)鍵詞：污水 HCR工藝 好氧生物處理技術(shù)
好氧生物處理工藝歷史悠久，理技自1914年第一座活性污泥法污水處理試驗(yàn)廠運(yùn)行以來，效好已經(jīng)80 多年了。氧生近20年來，物處改進(jìn)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(lǐng)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(diǎn)
HCR工藝(High Performance Compact Reactor)是德國克勞斯塔爾(Clausthal)工科大學(xué)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(dāng)今的高速射流、物相強(qiáng)化傳遞、紊流剪切等技術(shù)，并具有深井和流化污泥床的特點(diǎn)。因此，其空氣氧的轉(zhuǎn)化率高，反應(yīng)器的容積負(fù)荷大，水力停留時間短，是當(dāng)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(yùn)行，污水處理效果普遍良好。
HCR系統(tǒng)主要包括：集成反應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)器，由于負(fù)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(xì)小的氣泡。富含溶解氧的混合污水經(jīng)導(dǎo)流筒達(dá)到反應(yīng)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(fù)運(yùn)行。于是，污水被反復(fù)充氧，氣泡和微生物菌團(tuán)被不斷剪切細(xì)化，并形成致密細(xì)小的絮凝體。
圖1 HCR工藝流程示意
由該工藝的工作原理可知，HCR的主要特點(diǎn)是：
(1)系統(tǒng)占地少，基建費(fèi)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(shè)計(jì)緊湊，結(jié)構(gòu)合理，減少了占地；二是反應(yīng)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(fù)荷和污泥負(fù)荷都很高，減少了反應(yīng)器的體積。
合理集成設(shè)計(jì)、少占地是減少基建投資的主要因素，反應(yīng)器和沉淀池的容積小，又節(jié)省土建投資或設(shè)備制造費(fèi)用。根據(jù)工程預(yù)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(fèi)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(fù)荷和污泥負(fù)荷高。HCR工藝的方式采用射流擴(kuò)散式，并通過垂向循環(huán)混合，使溶解氧達(dá)到最大值，這一過程實(shí)際上吸取了深井依靠壓頭溶氧的優(yōu)點(diǎn)。高速噴射形成紊流水力剪切，使氣泡高度細(xì)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(yàn)測定，其空氣氧的轉(zhuǎn)化利用率可高達(dá)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(fù)荷運(yùn)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(yīng)器中生物量之大，決定了其負(fù)荷值必然高。試驗(yàn)和已有工程的運(yùn)行結(jié)果顯示，HCR的容積負(fù)荷最大可達(dá)70kgBOD5/(m3·d)，小試可達(dá)100 kg BOD5/(m3·d)；其污泥負(fù)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(tuán)顆粒小，其沉降性能好，這是其顯著特點(diǎn)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(qiáng)烈使微生物代謝速度快，由此引起的生化反應(yīng)可能加大內(nèi)源消耗，剩余污泥量相對少；其二，由于反應(yīng)器中混合污水被高速循環(huán)液流剪切，微生物的團(tuán)粒被不斷分割細(xì)化，團(tuán)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(fù)荷的能力強(qiáng)。HCR為完全混合型運(yùn)行方式，原水先與回流污水合流，然后再進(jìn)入反應(yīng)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(jìn)入反應(yīng)器之前實(shí)際上已經(jīng)被稀釋，進(jìn)入反應(yīng)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(fù)荷的能力。此外，強(qiáng)烈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(shí)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(jìn)行有效處理；如已有工程實(shí)例的進(jìn)水COD濃度達(dá)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(yīng)器循環(huán)水量、補(bǔ)充量、污泥回流量等都可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，便于選擇最佳的組合效果。正因?yàn)槿绱?，采用HCR工藝容易保證較高的COD去除率。圖2顯示了HCR反應(yīng)器容積負(fù)荷與COD去除率的變化關(guān)系。可以看出，盡管其容積負(fù)荷變化較大，COD去除率均達(dá)到80%左右。
圖2 容積負(fù)荷與COD去除率的關(guān)系
從目前已經(jīng)運(yùn)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(yīng)的環(huán)境條件很寬松，運(yùn)行中很少出現(xiàn)故障，其推廣應(yīng)用正在受到越來越多的重視。
