HCR处理石化废水的试验研究

江海峰，张东曙，李皓，周增炎，邱立俊
（同济大学环境科学与工程学院，上海 200092）

　　摘　要：HCR（High Performance Compact Reactor）工艺采用射流曝气强制溶氧，具有设计集成合理、充氧效率高、传质效果好、CODcr降解率高且操作控制便利等优点。对HCR反应器处理石化废水进行了试验研究，初步结果表明，在水力停留时间20min时，CODcr去除率达到57.3％、BOD₅去除率达到87.1％，适合作为预处理工艺。
　　关键词：石油化工废水；mR工艺；射流曝气
　　中图分类号：X703.1；X74
　　文献标识码：B
　　文章编号：1009－2455（2002）03－0054－03

引言

　　随着工农业生产的不断发展，生活污水和工业废水水量急剧增加，但可以用来建设污水处理设施的面积却不断减少，为了缓解这一矛盾，世界各国的工程技术人员从各方面研究高效率的污水处理工艺，本研究涉及的HCR（High Performance Compact　Reactor）反应器便是其中成功的一例^[1]。
　　HCR工艺是德国克劳斯塔尔（Clausthal）工业大学物相传递研究所于80年代发明的^[2]，通过提高充氧能力和污泥活性来满足短时间内快速降解有机物的要求，从而实现高效的目的。该工艺的主要特点是^[2]：系统占地少，基建费用低；介质混合器（喷头）和循环流动使空气被剪切分散成微小的气泡，并与污水充分混合，反复充氧，同时较深的池深有利于氧的充分利用。足够的溶解氧保证了好氧生物处理系统的高负荷运行；HCR为完全混合型反应器，再加上高浓度污泥的共同作用，进水流量和浓度的大幅度波动得以充分缓和，毒害性物质也得到稀释，从而有效提高了HCR系统的抗冲击负荷能力。为此，上海石化股份有限公司委托我们开展用HCR工艺处理石化废水的试验研究。

1 试验部分

1.1 试验装置
　　该试验地点在上海石化股份公司水质净化厂，HCR技术由德国达姆施塔特工业大学提供，试验装置由德国ABMU公司赞助。
　　试验流程如图1所示。原水经隔栅进入高位水箱，而后自流入初沉池，初沉池出水提升进人HCR反应器，反应器为两端封闭的圆形容器，顶部安装射流器，并开有一排气孔。反应器出水一部分经二沉池沉淀后排放，另一部分出水通过循环泵加压与进水。回流污泥在管道中混合后进入HCR顶部的射流器，形成高速射流，同时由于负压作用吸人大量空气。射流器的两相喷头下方形成高速紊流剪切区，将吸入的空气切割成细微的气泡。富含溶解氧的污水经导流桶到反应器底部后，又沿外桶壁向上返流，从而形成环流。如此循环中，微气泡和菌胶团充分接触，获得很好的传质效果。
　　试验所用HCR反应器（见图1中的3）：

　　总体积1.积1.53m³，反应区容积1m³，总高3.84m，外径0.6m，内径0.18m。
1.2 试验方法
1.2.1 试验的水质及污泥源
　　试验进水取自上海石化水质净化厂的曝气沉沙池出水集水井，其水质情况如表1。取上海石化水质净化厂的曝气池污泥作为实验用污泥源。
1.2.2 分析项目及方法
　　每天对反应器进水和系统出水的BOD₅、SS、NH₄⁺-N以及污泥浓度、SVI指数测定一次，均用标准方法。白天每隔3h取1次水样，1d取4次，分析的水样为混合样。进、出水的CODcr在线监测，取日平均值。
1.3 曝气充氧实验
　　将HCR反应器注满清水，关闭反应器进、出水阀门和回流污泥阀门，只开启循环泵，这样反应器就形成一个封闭循环系统。
　　分别在流量为28、34、40、44、50m³／h的工况下（T＝30.2℃）测定氧传递速率。第三次测试后氯化钻不再投加。
　　用DO监测仪记录DO变化。实验结果见图2。

　　从图2中可以看出，在射流量40－45m³/h的范围下，充氧效率就已经很高了，再加大射流量虽然充氧效率还能提高，但充氧能力的增长将远低于能耗的增长，所以我们认为，最佳的充氧效率在40～45 m³/h的范围内，最后决定射流量的工况维持在40m³／h。

2 运行结果与分析

2.1 HCR的启动
　　取上海石化水质净化厂的曝气池污泥（MLSS约4g／L）加人HCR系统中，其体积占反应器总体积的1／2（约0.5m³），然后加自来水注满系统，闷曝Zh恢复活性。考虑到实验用污泥对石化废水已经具有较强的适应能力，所以污泥恢复活性后即向反应器间歇进水（2.5m³／h），每隔8h停止进水2h。36h后开始连续进、出水，并稳定进水流量（2.5m³／h）。
　　每日测定进、出水的CODcr浓度以求得去除率。
　　HCR反应器启动较快，从图3中可以看到，3d后，污泥浓度就从1.25g／L上升到4.16g／L，对CODcr的去除率就达到60％（进水水质见表1）。
　　当系统稳定以后，污泥浓度维持在4.3g／L左右，CODcr的去除率可以达到70％。

2.2 HCR的运行期
　　系统运行稳定以后，改变停留时间、回流比、泥龄等运行参数进行试验。试验运行条件改变时，待系统稳定后再取样分析，以提高数据的可靠性。HCR 反应器在表2所示工况下稳定运行时的处理效果见图4、图5和图6。
　　从图4可以看出，CODcr进水浓度在303～367mg／L的情况下，出水CODcr在120～180mg／L之间，平均去除率为57.3％。从图5可以看出，BOD₅ 进水浓度在129－307mg／L的情况下，出水BOD₅ 保持在40mg／L以下，平均去除率为81.7％。从图6可以看出，NH₃－N进水浓度在17.6～43.1mg／L 的情况下，平均去除率为10.7％。在污泥负荷3.6～4.3kg[BOD₅]／（m³·d）的情况下，HCR对NH₃－N的去除率很低。
　　表3列出了试验所用HCR工艺和厂里现在采用的两段卡罗塞式氧化沟工艺及普通活性污泥法处理石化废水的主要效果参数。可以看出HCR艺在停留时间、容积负荷、污泥负荷、充氧速率等方面具有明显的优势。

表2 HCR反应吕的运行参数 运行参数 数值 射流水量/（m³.h^-1) 40 进水流量/（m³.h^-1) 3 气量/（m³.h^-1) 13.4-16.7 溶解氧/（mg.h^-1) 2.7-4.1 循环速率/（m.s^-1) 1.91-2.19 喷嘴压力/10⁵Pa 1.150-1.164 温度/℃ 28.1-32.3

表3 HCR工艺处理石化废水效果对比

方法

参数 活性污泥法 Carroused氧化沟 HCR工艺 停留时间/h 4-8 1.8 0.33 容积负荷/（kg[BOD₅].m^-3.d^-1) 0.75-1.0 2.19 16.3 污泥负荷/（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 结论

　　①HCR艺采用射流曝气技术，应用压力和快速强制溶氧的原理，利用水流的高速紊流剪切作用，空气氧的利用率高，污泥活性好，是一种高效的好氧生物处理技术。
　　②HCR为完全混合型反应器，再加上高浓度污泥和大比例回流的共同作用，进水流量和浓度的大幅度波动得以充分缓和，毒害性物质也得到稀释从而有效提高了HCR系统的抗冲击负荷能力。试验过程中当进水BOD₅在 107～334 mg／L的范围内波动时，去除率稳定在75％－85％。
　　③HCR艺在试验运行中二沉池存在浮泥问题，主要是污泥絮体中夹杂气泡，进人二沉池后产生泡沫，影响沉淀效果。所以在选用HCR工艺处理某些工业废水时应考虑增加脱气装置。
　　④由于石化废水的特殊性，污泥沉降性能较差。试验中发现污泥易发生非丝状菌膨胀，HCR反应器内的污泥浓度始终只能达到4－4.5g／L，而SVI则高达200mg/L以上，这使得污泥浓度无法进一步提高。
　　⑤HCR艺与普通活性污泥法相比，能耗较高，当BOD₅去除率达到85％后，能耗将直线上升，所以该工艺较适合作为预处理工艺来推广。

参考文献：

　　[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.

　　作者简介：汪海峰（1976-），男，浙江湖州人，在读博士生。