江海峰，張東曙，李皓，周增炎，邱立俊
（同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092）

　　摘　要：HCR（High Performance Compact Reactor）工藝采用射流曝氣強制溶氧，具有設計集成合理、充氧效率高、傳質效果好、CODcr降解率高且操作控制便利等優點。對HCR反應器處理石化廢水進行了試驗研究，初步結果表明，在水力停留時間20min時，CODcr去除率達到57.3％、BOD₅去除率達到87.1％，適合作為預處理工藝。
　　關鍵詞：石油化工廢水；mR工藝；射流曝氣
　　中圖分類號：X703.1；X74
　　文獻標識碼：B
　　文章編號：1009－2455（2002）03－0054－03

引言

　　隨著工農業生產的不斷發展，生活污水和工業廢水水量急劇增加，但可以用來建設污水處理設施的面積卻不斷減少，為了緩解這一矛盾，世界各國的工程技術人員從各方面研究高效率的污水處理工藝，本研究涉及的HCR（High Performance Compact　Reactor）反應器便是其中成功的一例^[1]。
　　HCR工藝是德國克勞斯塔爾（Clausthal）工業大學物相傳遞研究所于80年代發明的^[2]，通過提高充氧能力和污泥活性來滿足短時間內快速降解有機物的要求，從而實現高效的目的。該工藝的主要特點是^[2]：系統占地少，基建費用低；介質混合器（噴頭）和循環流動使空氣被剪切分散成微小的氣泡，并與污水充分混合，反復充氧，同時較深的池深有利于氧的充分利用。足夠的溶解氧保證了好氧生物處理系統的高負荷運行；HCR為完全混合型反應器，再加上高濃度污泥的共同作用，進水流量和濃度的大幅度波動得以充分緩和，毒害性物質也得到稀釋，從而有效提高了HCR系統的抗沖擊負荷能力。為此，上海石化股份有限公司委托我們開展用HCR工藝處理石化廢水的試驗研究。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置
　　該試驗地點在上海石化股份公司水質凈化廠，HCR技術由德國達姆施塔特工業大學提供，試驗裝置由德國ABMU公司贊助。
　　試驗流程如圖1所示。原水經隔柵進入高位水箱，而后自流入初沉池，初沉池出水提升進人HCR反應器，反應器為兩端封閉的圓形容器，頂部安裝射流器，并開有一排氣孔。反應器出水一部分經二沉池沉淀后排放，另一部分出水通過循環泵加壓與進水。回流污泥在管道中混合后進入HCR頂部的射流器，形成高速射流，同時由于負壓作用吸人大量空氣。射流器的兩相噴頭下方形成高速紊流剪切區，將吸入的空氣切割成細微的氣泡。富含溶解氧的污水經導流桶到反應器底部后，又沿外桶壁向上返流，從而形成環流。如此循環中，微氣泡和菌膠團充分接觸，獲得很好的傳質效果。
　　試驗所用HCR反應器（見圖1中的3）：

　　總體積1.積1.53m³，反應區容積1m³，總高3.84m，外徑0.6m，內徑0.18m。
1.2 試驗方法
1.2.1 試驗的水質及污泥源
　　試驗進水取自上海石化水質凈化廠的曝氣沉沙池出水集水井，其水質情況如表1。取上海石化水質凈化廠的曝氣池污泥作為實驗用污泥源。
1.2.2 分析項目及方法
　　每天對反應器進水和系統出水的BOD₅、SS、NH₄⁺-N以及污泥濃度、SVI指數測定一次，均用標準方法。白天每隔3h取1次水樣，1d取4次，分析的水樣為混合樣。進、出水的CODcr在線監測，取日平均值。
1.3 曝氣充氧實驗
　　將HCR反應器注滿清水，關閉反應器進、出水閥門和回流污泥閥門，只開啟循環泵，這樣反應器就形成一個封閉循環系統。
　　分別在流量為28、34、40、44、50m³／h的工況下（T＝30.2℃）測定氧傳遞速率。第三次測試后氯化鉆不再投加。
　　用DO監測儀記錄DO變化。實驗結果見圖2。

　　從圖2中可以看出，在射流量40－45m³/h的范圍下，充氧效率就已經很高了，再加大射流量雖然充氧效率還能提高，但充氧能力的增長將遠低于能耗的增長，所以我們認為，最佳的充氧效率在40～45 m³/h的范圍內，最后決定射流量的工況維持在40m³／h。

2 運行結果與分析

2.1 HCR的啟動
　　取上海石化水質凈化廠的曝氣池污泥（MLSS約4g／L）加人HCR系統中，其體積占反應器總體積的1／2（約0.5m³），然后加自來水注滿系統，悶曝Zh恢復活性。考慮到實驗用污泥對石化廢水已經具有較強的適應能力，所以污泥恢復活性后即向反應器間歇進水（2.5m³／h），每隔8h停止進水2h。36h后開始連續進、出水，并穩定進水流量（2.5m³／h）。
　　每日測定進、出水的CODcr濃度以求得去除率。
　　HCR反應器啟動較快，從圖3中可以看到，3d后，污泥濃度就從1.25g／L上升到4.16g／L，對CODcr的去除率就達到60％（進水水質見表1）。
　　當系統穩定以后，污泥濃度維持在4.3g／L左右，CODcr的去除率可以達到70％。

2.2 HCR的運行期
　　系統運行穩定以后，改變停留時間、回流比、泥齡等運行參數進行試驗。試驗運行條件改變時，待系統穩定后再取樣分析，以提高數據的可靠性。HCR 反應器在表2所示工況下穩定運行時的處理效果見圖4、圖5和圖6。
　　從圖4可以看出，CODcr進水濃度在303～367mg／L的情況下，出水CODcr在120～180mg／L之間，平均去除率為57.3％。從圖5可以看出，BOD₅ 進水濃度在129－307mg／L的情況下，出水BOD₅ 保持在40mg／L以下，平均去除率為81.7％。從圖6可以看出，NH₃－N進水濃度在17.6～43.1mg／L 的情況下，平均去除率為10.7％。在污泥負荷3.6～4.3kg[BOD₅]／（m³·d）的情況下，HCR對NH₃－N的去除率很低。
　　表3列出了試驗所用HCR工藝和廠里現在采用的兩段卡羅塞式氧化溝工藝及普通活性污泥法處理石化廢水的主要效果參數。可以看出HCR藝在停留時間、容積負荷、污泥負荷、充氧速率等方面具有明顯的優勢。

表2 HCR反應呂的運行參數 運行參數 數值 射流水量/（m³.h^-1) 40 進水流量/（m³.h^-1) 3 氣量/（m³.h^-1) 13.4-16.7 溶解氧/（mg.h^-1) 2.7-4.1 循環速率/（m.s^-1) 1.91-2.19 噴嘴壓力/10⁵Pa 1.150-1.164 溫度/℃ 28.1-32.3

表3 HCR工藝處理石化廢水效果對比

方法

參數 活性污泥法 Carroused氧化溝 HCR工藝 停留時間/h 4-8 1.8 0.33 容積負荷/（kg[BOD₅].m^-3.d^-1) 0.75-1.0 2.19 16.3 污泥負荷/（kg[BOD₅].kg^-1.[MLSS].d^-1) 0.3 0.83 3.8 去除率/% 80-85 80-85 75-85 充氧速率/（kg[O₂].m^-3.s^-1) 0.05 0.05 0.2 能耗/（kg[O₂].kWh^-1) 0.7-2.0 0.9 0.46

3 結論

　　①HCR藝采用射流曝氣技術，應用壓力和快速強制溶氧的原理，利用水流的高速紊流剪切作用，空氣氧的利用率高，污泥活性好，是一種高效的好氧生物處理技術。
　　②HCR為完全混合型反應器，再加上高濃度污泥和大比例回流的共同作用，進水流量和濃度的大幅度波動得以充分緩和，毒害性物質也得到稀釋從而有效提高了HCR系統的抗沖擊負荷能力。試驗過程中當進水BOD₅在 107～334 mg／L的范圍內波動時，去除率穩定在75％－85％。
　　③HCR藝在試驗運行中二沉池存在浮泥問題，主要是污泥絮體中夾雜氣泡，進人二沉池后產生泡沫，影響沉淀效果。所以在選用HCR工藝處理某些工業廢水時應考慮增加脫氣裝置。
　　④由于石化廢水的特殊性，污泥沉降性能較差。試驗中發現污泥易發生非絲狀菌膨脹，HCR反應器內的污泥濃度始終只能達到4－4.5g／L，而SVI則高達200mg/L以上，這使得污泥濃度無法進一步提高。
　　⑤HCR藝與普通活性污泥法相比，能耗較高，當BOD₅去除率達到85％后，能耗將直線上升，所以該工藝較適合作為預處理工藝來推廣。

參考文獻：

　　[1]Luebbcke S，A Vogelpohl W Dewjanin.Wastewater treatment in a biological high－performance system with high biomass con centraion[J].Wat Res，1995，29（3）：793-802.
　　[2] Wachsmann U，N Raebiger and A Vogelpohl.Effect of geometry on hydrodyamics and mass transfer in the compact reactor[J].Ger Chem Eng，1985，8：411-418.

　　作者簡介：汪海峰（1976-），男，浙江湖州人，在讀博士生。