造粒流化床技術(shù)用于污水處理的研究現(xiàn)狀
一、我國污水處理背景
我國是一個干旱缺水嚴(yán)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，但人均只有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(jù)監(jiān)測，目前全國多數(shù)城市地下水受到一定程度的點(diǎn)狀和面狀污染，且有逐年加重的趨勢。日趨嚴(yán)重的水污染不僅降低了水體的使用功能，進(jìn)一步加劇了水資源短缺的矛盾，對我國正在實(shí)施的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略帶來了嚴(yán)重影響，而且還嚴(yán)重威脅到城市居民的飲水安全和人民群眾的健康。
以西安市為例，2000年西安市建成區(qū)面積已達(dá)187k，人口326萬。根據(jù)《西安市排水規(guī)劃(1995年至2010年)》，西安市中心市區(qū)分為六個污水收集系統(tǒng)，現(xiàn)狀污水排放總量約80萬m3/d，污水處理率約34%。
西安市現(xiàn)狀排水服務(wù)面積約152.2k，排水管道除老城區(qū)及東北郊部分為合流管外，其余以分流制為主。排水管網(wǎng)總長約835.4km。其中污水管道490km(包括現(xiàn)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(wǎng)接納城市污水量約80萬m3/d，已建成城市污水處理廠兩座，總處理能力27萬m3/d，污水處理率34%，其中北石橋污水處理廠15萬m3/d，鄧家村污水處理廠12萬m3/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(rèn)的維持一個地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境所需1000的臨界值，隨著今后城市現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，水資源短缺將會影響城市供水。而污水是一種穩(wěn)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(jīng)深度處理后可回用于工礦企業(yè)、市政環(huán)衛(wèi)、園林綠化以及城市河道景觀等方面。
二、污水處理技術(shù)現(xiàn)狀
現(xiàn)在的污水處理一般都采用傳統(tǒng)的污水處理工藝，采用絮凝沉淀、砂濾系統(tǒng)，設(shè)計投加氯化鐵藥劑于A2/O系統(tǒng)終沉池配水井中，強(qiáng)化生物除磷，降低終沉池出水中磷的濃度。沉淀后出水經(jīng)提升泵站至砂濾池，采用氣水反沖洗濾池，過濾后水至清水池，加壓后進(jìn)入回用水管網(wǎng)。如西安市鄧家村污水處理廠，西安市北石橋污水凈化中心，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(tǒng)。
傳統(tǒng)的污水處理系統(tǒng)中，采用沉淀池進(jìn)行污水凝沉淀，它不能形成顆粒凝聚的良好的條件，不能生成團(tuán)粒型絮凝體，使得固液分離效率很低。
三、污水處理新技術(shù)——造粒流化床污水處理技術(shù)
1、流化床基本概念
當(dāng)一種流體以不同速度向上通過顆粒床層時，可能出現(xiàn)以下幾種情況. 固定床——當(dāng)流體的速度較低時，流體只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(dāng)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(qū)間內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，床層略有膨脹，但顆粒仍不能自由運(yùn)動，這時床層處于初始或臨界流化狀態(tài)，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隨機(jī)的運(yùn)動，此時顆粒與流體之間的摩擦力恰與其凈重力相平 衡。此后床層高度L將隨流速提高而升高。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(dá)到某一極限值后，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。
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2、流化床的特點(diǎn)
流化床中的氣固運(yùn)動狀態(tài)很像沸騰著的液體，并且在許多方面表現(xiàn)出類似于液體的性質(zhì)。流化床具有象液體那樣的流動性能，固體顆？蓮娜萜鞅诘男】讎姵。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(dāng)容器傾斜時，床層的上表面保持水平,而且當(dāng)兩個床層連通時，它們的床面自行調(diào)整至同一水平面；床層中任意兩截面間的壓強(qiáng)變化大致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(shù)
自我造粒流化床是運(yùn)用化學(xué)工學(xué)中準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)操作原理和反應(yīng)工程理論，結(jié)合混凝工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出的一種新型水處理技術(shù)。該技術(shù)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：
初段化學(xué)混凝反應(yīng)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(yīng)在上向流機(jī)械攪拌裝置內(nèi)完成，機(jī)械攪拌強(qiáng)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(qū)內(nèi)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(jī)懸浮顆粒為主的體系，分離污泥含水率可達(dá)80％～85％，有機(jī)成分和無機(jī)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(qū)設(shè)置強(qiáng)化分離輔助裝置后分離出水SS濃度通常小于1 mg/L；
適用范圍：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(shù)在特殊設(shè)計的一體化裝置得以實(shí)現(xiàn)。其主要特點(diǎn)是水力停留時間短，體積小，占地面積小，適用性廣，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(shù)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、建筑工地廢水處理、災(zāi)害救助水處理等。
4、造粒型流化床污水處理技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化前景
在積極實(shí)施《全國生態(tài)環(huán)境建設(shè)規(guī)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(huán)節(jié)。因此水處理設(shè)備的市場容量會大幅度增加，市場競爭將是技術(shù)水平、適用性和價格的競爭。采用該技術(shù)的系列設(shè)備具有技術(shù)先進(jìn)，體積小，成本低的特點(diǎn)，并可按照用戶要求進(jìn)行生產(chǎn)，在環(huán)保設(shè)備市場上將具有強(qiáng)競爭力。設(shè)備的主要用戶將是中小工業(yè)企業(yè)的工業(yè)用水處理、廢水處理、工業(yè)水循環(huán)再利用，城鎮(zhèn)中小型給水處理、污水廠污泥處理等。
該項(xiàng)技術(shù)先后在鄭州黃河花園口（高濁度水處理）、西安鄧家村污水處理廠（消化污泥脫水）、陜西略陽鋼鐵廠（煤氣洗滌廢水和選礦廢水處理）、深圳水務(wù)公司（沉淀池排泥水處理）進(jìn)行了半生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上反復(fù)進(jìn)行設(shè)備改進(jìn)，申請了《高效固液分離器》發(fā)明專利，目前已順利通過發(fā)明專利實(shí)審，技術(shù)得到國家專利局的認(rèn)定和保護(hù)。該專利技術(shù)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凈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(qū)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產(chǎn)廢水的再生回用處理，取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。因此，該技術(shù)具有巨大的市場和產(chǎn)業(yè)化前景。
四、造粒流化床技術(shù)用于污水處理的研究現(xiàn)狀
近年來自我造粒型流化床在水處理過程中得到開發(fā)應(yīng)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內(nèi)外水處理界的關(guān)注。在國外已經(jīng)有許多專家學(xué)者開始對該技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，也有了很多研究成果。然而在國內(nèi)該技術(shù)起步較晚，尚需要繼續(xù)完善！
對造粒流化床技術(shù)的研究主要有兩個方面，一個是從實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`中研究，主要是針對造粒流化床技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐的研究。例如，王曉昌教授的《自我造粒型流化床中顆粒流態(tài)的試驗(yàn)測定》以及潘涌章的《造粒流化床技術(shù)在洗車廢水回用處理中的實(shí)驗(yàn)研究》等；另一個是進(jìn)行理論研究，主要是對流化床中顆粒絮凝機(jī)理的研究以及對流化床的中固液流動進(jìn)行模擬計算等。例如，黃廷林教授的《結(jié)團(tuán)體流化床的運(yùn)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(shù)的研究主要還是停留在實(shí)驗(yàn)研究上。
五、造粒流化床技術(shù)用于污水處理的應(yīng)用現(xiàn)狀
由于造粒流化床技術(shù)具有能夠高效進(jìn)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、建筑工地廢水處理、災(zāi)害救助水處理等。
運(yùn)用造粒型高效 固液分離技術(shù)處理高懸浮物濃度工業(yè)廢水在以下幾個方面優(yōu)于傳統(tǒng)處理工藝 :
(1) 處理效率高 ,效果好 。高效固液分離裝置主體設(shè)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 以內(nèi) ,遠(yuǎn)比傳統(tǒng)處理工藝所需的停留時間短 。經(jīng)這樣短的處理時間 ,裝置出水濁度已滿足工業(yè)回用水質(zhì)要求 。且需要的無機(jī)混凝劑投量低于傳統(tǒng)混凝沉淀工藝。
(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(qū)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(jìn)行最終污泥處理 。
( 3) 操作靈活性強(qiáng) ,能滿足不同處理需要 ,高效固液分離裝置不僅能進(jìn)行廢水連續(xù)處理 ,也能進(jìn)行間歇處理 , 且抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng) , 在超過額定負(fù)荷50 %的情況下也基本上能保證處理水質(zhì)。
下面以造粒流化床技術(shù)在洗車廢水回用處理中的應(yīng)用為例介紹流化床在處理工業(yè)廢水中的應(yīng)用：
隨著人們生活水平不斷提高，汽車的數(shù)量也在不斷上升，因此洗車業(yè)有著龐大的市場需求，F(xiàn)在，大小不同的洗車場遍布全國各地，但是多數(shù)的洗車場所都沒有設(shè)置廢水處理和回收設(shè)備，洗車水也只是經(jīng)過簡單的沉淀后就直接排入市政管道，不僅浪費(fèi)了水資源，而且還對城市水環(huán)境造成了一定的污染。
針對目前洗車業(yè)水污染和水資源浪費(fèi)的現(xiàn)狀，近年來我國市場上出現(xiàn)了各種洗車廢水回用設(shè)備。有的基于多介質(zhì)過濾器，陶粒吸附過濾器，超濾系統(tǒng)的截留、吸附、篩分原理來實(shí)現(xiàn)洗車廢水處理后回用；有的采用常規(guī)的隔油沉淀、過濾、消毒方法。雖然經(jīng)這些設(shè)備處理后的出水能達(dá)到洗車廢水水質(zhì)要求，但其共同的缺點(diǎn)是占地面積大、建設(shè)及運(yùn)行費(fèi)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(shù)處理洗車廢水時，洗車廢水經(jīng)過流化床裝置處理后，出水的水質(zhì)可達(dá)到洗車回用水的排放標(biāo)準(zhǔn)。造粒流化床法產(chǎn)生的污泥的含水率明顯比常規(guī)混凝沉淀法產(chǎn)生的污泥低，不需要設(shè)置污泥濃縮設(shè)備。并且，造粒流化床法與傳統(tǒng)的處理工藝比較，具有占地面積小、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、投資和運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，因此將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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