儲小英

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

水是生命之源。隨著城鎮(zhèn)化、產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及人口數(shù)目的不斷膨脹，水污染物排放總量已遠遠超過了環(huán)境容量，我國面臨十分嚴重的水污染現(xiàn)狀。經(jīng)測算，當前水污染總量必須要削減30% ～50%，水環(huán)境才會發(fā)生根本性的轉(zhuǎn)變。

即將出臺的《水污染防治行動計劃》提出的三大舉措，確定了節(jié)能、減排的三大舉措。上海“十二五”期間計劃有30座城鎮(zhèn)污水處理廠須實施提標改造，出水指標達到一級B(或一級A)。由于現(xiàn)有污水處理廠，特別是中心城區(qū)污水處理廠普遍存在用地緊張，廠界緊鄰居民住宅，提標改造必須考慮水質(zhì)、污泥、氣體、景觀全面達標，所以必須拓展思路，力求尋求更高效、更有效的處理技術，實現(xiàn)改造過程不停水、不減質(zhì)的要求。隨著環(huán)保投資規(guī)模的加大，行業(yè)將進入更為高速的發(fā)展期。

目前城鎮(zhèn)污水處理廠處理工藝多采用生物處理，生物處理一般分為活性污泥法和生物膜法。傳統(tǒng)活性污泥法經(jīng)改進，形成了A/O法、UCT、MUCT、改良A/A/O、倒置A/A/O;氧化溝類及SBR等處理方法;生物膜法有生物轉(zhuǎn)盤，生物濾池，曝氣生物濾池類(BAF);生物接觸氧化法兼有了活性污泥法和生物膜法的特點，在國內(nèi)外已有較多運用于污水處理廠的實例。

食物鏈反應器FCR(Food Chain Reactor)，匈牙利奧尼卡專利技術，是一個高度集約的生態(tài)系統(tǒng)，以獨特的食物鏈反應器為基礎，以特殊材料和植物根系為生物載體，形成巨大的生物膜表面，構建高度多樣化的生態(tài)系統(tǒng)，利用各次級生態(tài)系統(tǒng)的各種微生物、水生植物、水生動物等的交織生長，增強對水體中污染物的降解功能。國外已有多項成功案例，國內(nèi)開始嘗試。

本文認為FCR是基于生物接觸氧化技術而拓展研究的，試圖通過對生物接觸氧化技術在城鎮(zhèn)污水處理廠的應用剖析，展望FCR技術在我國城鎮(zhèn)污水處理廠應用的前景。

1 生物接觸氧化技術的進展

接觸氧化法概念最早于19世紀由Waring等人提出。1912年Closs在德國取得專利登記。同時美國也有技術人員采取在活性污泥工藝的曝氣池中設置石棉水泥板的方式，為微生物提供附著生長的場所［1］。20世紀50年代，已發(fā)展為廣泛應用于小型污水處理廠，但因受限于材料工業(yè)不夠發(fā)達、管理方式相對落后，生物接觸氧化工藝的處理效果不甚理想，這項技術的研究與應用受到了冷落。上世紀的70年代，伴隨著材料工業(yè)的迅猛發(fā)展以及新型填料的開發(fā)成功，日本首先提出了“管式基礎氧化”的概念，并開發(fā)出了新的供氧方式，使得生物接觸氧化工藝的處理效果大幅度地提高，此項技術也重新回到人們的研究的范圍，并發(fā)展成了多種形式。

國內(nèi)在生物接觸氧化工藝的研究起步較晚，1975年開始研究城市污水COD、BOD的去除以及紡織印染廢水的脫色問題，取得了一定的成績［4］。隨后逐漸開始了對生物接觸氧化工藝的應用和改良工作［6］，采用半軟性填料生物接觸氧化法成功處理高濃度含合成洗滌劑廢水;采用圓柱狀聚丙烯懸浮填料生物接觸氧化法用于處理煉油廢水;采用中空、柱狀聚丙烯填料生物接觸氧化法用于處理化學試劑廠難降解的生物廢水;采用填料柱+改性半軟性填料生物接觸氧化法用于處理高濃度丁酯廢水;采用組合式填料和立體彈性填料兩種不同的填料生物接觸氧化法用于處理PS廢水［9］;采用陶粒填料、YDT填料、爐渣填料生物接觸氧化用于城市污水處理廠［10］。

國外在生物接觸氧化工藝的研究起步較早，從上世紀70年代后期起，國外對生物接觸氧化工藝的應用范圍、反應池的設計、氧轉(zhuǎn)移效率的提高，填料材料的選擇和掛膜技術等多方面進行了大量的研究，成功應用也在報道中屢有出現(xiàn)［11］。Shin等人在實驗室的規(guī)模下，將廢舊輪胎經(jīng)特殊處理后制成膠條狀，將其作為填料用于生物接觸氧化工藝處理含酚廢水［12］;Sakai等人采用磁異性的管狀生物膜填料用于生物接觸氧化工藝;Rusten等人采用PLASdekSl2新型填料與填充生物反應柱組合的方式用于污水處理。Park等報道了采用SARAN型網(wǎng)狀填料用于生物接觸氧化工藝處理石化廢水的實驗研究;Chin等人報道了采用生物接觸氧化與生物強化技術工藝組合的方式處理含有苯、甲苯、二甲苯混合液(BTX)。

2 生物接觸氧化技術的特點

與活性污泥法比較，生物接觸氧化法具有以下主要特點:

(1)比表面積大，可形成穩(wěn)定性較好的高密度生態(tài)體系，掛膜周期相對縮短，在處理相同水量的情況下，水力停留時間短，所需反應池體積小，占場面積小。

(2)污泥濃度高，系統(tǒng)耐沖擊負荷能力強。一般情況下，生物接觸氧化法的容積負荷為普通活性污泥法的3～5倍，COD去除率為傳統(tǒng)生物法的2～3倍。

(3)污泥產(chǎn)量少，在操作過程中一般不會產(chǎn)生污泥膨脹，不需設置污泥回流。

(4)氧利用率高，動力消耗低。生物接觸氧化法氧的利用率比活性污泥法高3～8倍，動力消耗比活性污泥法減少20% ～30%［13］。

(5)操作簡單，維護方便，可間歇運行，運行費用低，綜合能耗低。

(6)生物接觸氧化法存在著填料較易堵塞的問題，嚴重時會影響處理水質(zhì);布水布氣不易均勻，處理效果受氣溫影響較大。

3 生物接觸氧化技術在污水處理中的運用

生物接觸氧化工藝處理城市生活污水具有很大的市場潛力，較多采用生物接觸氧化池—斜管沉淀—過濾法處理城市污水并作綠化灌溉等回用，在氣水比為12∶1的條件下［14］，半軟性填料上生物膜的濃度為5～6 g/L，COD去除率為85%，BOD去除率為90%，SS去除率為85%，處理的成本為0．86元/m3。生物接觸氧化技術還運用于處理制藥廢水，印染廢水等。

4 FCR技術的特點

FCR技術其設計理念是通過自然和人工辦法構建水生態(tài)食物鏈，利用附著在植物根系和載體表面的微生物、原生動物及微型動物，去除污水中的COD、BOD、TN、NH3-N、TP 等污染物。

與生物接觸氧化法比較，F(xiàn)CR技術更具有以下主要特點:

(1)FCR具有占地小的特點，F(xiàn)CR是綜合固定生物膜活性污泥法的一種，使用自然(植物)和人工(專利生物纖維)根須結(jié)構作為生物膜載體，可培養(yǎng)和維持3～4倍于活性污泥法的“等效生物濃度”，與典型的生物接觸氧化法相比，F(xiàn)CR反應器的生物數(shù)量比表面積更大，達到12 000 m2/m3，“等效生物濃度”達到15～18 kg/m3。

(2)FCR具有能耗低的特點，F(xiàn)CR反應器的微生物幾乎都生長在根須結(jié)構中，使懸浮固體物濃度降低，這使得氧轉(zhuǎn)換效率系數(shù)值可提高至0．9～0．95，與典型的生物接觸氧化法相比，提高了約25%。同時植物與填料交織生長，改善了根系泌氧，促進DO在水中的運輸［15］。

(3)FCR具有泥量少的特點，F(xiàn)CR反應器的獨特生態(tài)系統(tǒng)聚集了從細菌、原生動物到植物的各種次級生態(tài)，增強了生物降解的效率，生物食物鏈反應結(jié)果，使污泥產(chǎn)量更低。

(4)FCR具有景觀美的特點，F(xiàn)CR反應器置于陽光棚內(nèi)，外觀像座植物園，可解決傳統(tǒng)污水處理氣味大，不美觀等外觀問題。

(5)FCR實現(xiàn)處理過程的智能控制，F(xiàn)CR反應器可以模塊化，輔以較完善的自控系統(tǒng)，研發(fā)的專利演算軟件，可不斷優(yōu)化系統(tǒng)配置，以求達到最低能耗，最短處理時間，最低污泥產(chǎn)出的狀態(tài)。

(6)FCR具有效果好的特點，高度生物多樣性能夠耐沖擊負荷，即使生物系統(tǒng)受到破壞，也能較快地恢復處理能力。高度多樣的生態(tài)系統(tǒng)，促進各次級微生物、水生植物、水生動物的新陳代謝，使處理效果更好。

4 FCR技術在污水處理中的應用

奧尼卡生態(tài)(植物園)式處理，已在法國勒呂德市、Villa別墅/住宅區(qū)、商業(yè)及校園區(qū)、高密度住宅、法國Gencay市世界古城著名城堡旁，土耳其泰基爾達市等污水處理項目中被成功應用。

國內(nèi)已在深圳銀星工業(yè)園、深圳富士康、海南島7 000 m3/d、山東乳山等污水處理項目中開始應用，并計劃運用于上海中心城區(qū)污水處理廠升級改造項目。

5 對FCR技術運用的展望

FCR技術也許探索實現(xiàn)了設計更好的污水處理廠的思路，但由于國內(nèi)尚較少成功實例，加上我國整體環(huán)境質(zhì)量較差，要使城鎮(zhèn)污水處理廠變成花園的愿景，還有不少的差距［17］。植物的篩選、后期運行維護等存在諸多的不確定性，雖然在青草沙水庫、虹橋樞紐、大盧線整治等工程中已實施種植了一些植物板塊，用于水處理和防藻取得了一些成效，但缺乏處理效果的系統(tǒng)檢測，引入篩選植物全面運用于污水處理廠工程還需從理論和實驗全面展開積極的研究:

(1)開展復合生物反應器(集成高度多樣化的生態(tài)系統(tǒng))技術理論研究，研究污水有機物降解機理，氧擴散、傳遞機理，植物根系微生物和載體填料微生物的增長及代謝規(guī)律。

(2)開展復合生物反應器數(shù)學模型的研究，包括動力學模型、基質(zhì)降解模型的建立和修正、模型在設計中的放大及應用;對復合生物反應器流體力學、停留時間分布、氧傳遞方式及供給對水處理效果影響等研究。

(3)復合生物反應器工藝流程及運行條件的最優(yōu)化，綜合能耗降低的措施和技術;開展模塊研制與開發(fā)。

(4)研究和其他技術組合及運行方式的最優(yōu)化;反沖洗方式、氣水比、污水pH變化，溶解氧及工藝參數(shù)的優(yōu)化。

(5)研究污水處理過程中的智能控制技術，如專家控制系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、仿人智能控制系統(tǒng)，進行模擬仿真和數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)不可測參數(shù)和狀態(tài)識別，對處理過程進行模型化，離線或在線自適應最優(yōu)化控制。

(6)對現(xiàn)有生物接觸氧化填料進行革命性的改革，開發(fā)研制類似人工根系材料，其應具有高比表面積、高空隙率等化學生物性穩(wěn)定等優(yōu)越性能。

(7)FCR技術對上海城鎮(zhèn)污水處理廠水質(zhì)適應性試驗研究。

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