摘要：HCR工藝具有所需空間少、效好占地省、氧生設計集成合理、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點。效好在紙漿和造紙工業廢水處理的氧生工程實例中，其最大的物處容積負荷達到70kgCOD/(m3•d)，反應器單體最大容積為1200m3，理技日處理污水量近23000m3，效好COD的氧生降解率達到80%，而剩余污泥的物處產率小于0.2kgSS/kgCOD。
關鍵詞：污水 HCR工藝 好氧生物處理技術
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廠運行以來，效好已經80 多年了。氧生近20年來，物處改進技術和好氧生物固定技術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容，HCR工藝就是這一特定時期的產物。
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年代發明的。該工藝的問世是好氧生物處理技術的一個飛躍，它融合了當今的高速射流、物相強化傳遞、紊流剪切等技術，并具有深井和流化污泥床的特點。因此，其空氣氧的轉化率高，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，已經在德國、瑞典、加拿大、意大利、法國、韓國等國家建成了數十個HCR系統，并已投產運行，污水處理效果普遍良好。
HCR系統主要包括：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；內筒兩端開口，兩相噴頭安裝在反應器上部的正中央。循環水泵提升高壓水流經噴頭射入反應器，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，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導流筒達到反應器底部后，又向上返流形成環流，再經剪切向下射流，如此循環往復運行。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。
圖1 HCR工藝流程示意
由該工藝的工作原理可知，HCR的主要特點是：
(1)系統占地少，基建費用低。HCR系統占地一般很少，其原因主要有三：一是系統設計緊湊，結構合理，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，又節省土建投資或設備制造費用。根據工程預算結果對比表明，采用HCR工藝處理同樣數量的污水，其基建費用比活性污泥法工藝要減少30%以上。
(2)空氣氧轉化利用率高，容積負荷和污泥負荷高。HCR工藝的方式采用射流擴散式，并通過垂向循環混合，使溶解氧達到最大值，這一過程實際上吸取了深井依靠壓頭溶氧的優點。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化利用率高。據試驗測定，其空氣氧的轉化利用率可高達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高負荷運行的條件，這也是HCR工藝的優勢所在。一般情況下，HCR系統的污泥濃度在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，強烈使微生物代謝速度快，由此引起的生化反應可能加大內源消耗，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液流剪切，微生物的團粒被不斷分割細化，團粒內部的氣孔減少，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，并立即被快速循環混合。高濃度COD或有毒廢水沖擊系統時，它們在進入反應器之前實際上已經被稀釋，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系統抗沖擊負荷的能力。此外，強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)系統操作簡便靈活，處理效果有保障。HCR系統的反應器循環水量、補充量、污泥回流量等都可以根據需要進行調節，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去除率的變化關系。可以看出，盡管其容積負荷變化較大，COD去除率均達到80%左右。
圖2 容積負荷與COD去除率的關系
從目前已經運行的數十個工程所反饋的信息表明，HCR系統啟動較快，操作管理比較方便，適應的環境條件很寬松，運行中很少出現故障，其推廣應用正在受到越來越多的重視。
