技术交流 | 会“生长”的污水厂

2017-11-22张显忠中国给水排水

前言

针对国内城镇污水处理厂工艺现状，结合生物接触氧化工艺的应用与研究现状，通过对生物接触氧化工艺缺点及其机理分析，将其改进型的FCR工艺优势机理进行探讨，总结了该工艺设计方面的经验及工程创新点，展望了该技术在国内污水处理中推广运用需要研究和发展的方向。

目前国内城镇污水处理厂广泛采用SBR（序批式活性污泥法）工艺、CASS（周期循环活性污泥法）工艺、A2/O（厌氧-缺氧-好氧）工艺等基于活性污泥法的处理工艺。随着“水十条”的颁布，意味着未来污水处理厂的新建和提标改造需遵循提高污水处理效率、降低土地占用面积、减小剩余污泥排放量的原则。生物接触氧化工艺及其衍生技术可能将成为未来新建污水处理厂或现有污水处理厂提标改造所采用的主流或首选工艺之一。

生物接触氧化工艺的应用与研究现状

生物接触氧化法起源于19世纪末的德国；与此同时，美国技术人员尝试在活性污泥法的基础上加入石棉水泥板，亦形成生物接触氧化法的雏形。经过多年的改进与发展，生物接触氧化法目前已广泛应用，成为国内污水处理的主流技术之一。目前，生物接触氧化法在国内主要应用于工业废水处理和微污染源水处理；但其在城镇污水处理厂应用较少，仅有部分小型污水处理厂应用。

在生物接触氧化工艺中，填料挂膜的数量和质量直接关系到污水处理的效率和耐冲击性能。而该工艺的以往应用经验表明，上述性能与填料的单体结构、排列方式、机械特性及比表面积等息息相关。故填料的改进与开发是生物接触氧化工艺目前的主要研究方向。吴春笃等经对比试验认为，多面空心球填料的布水、布气性能较佳，生物膜活性高，但生物膜易脱落；弹性立体填料挂膜速度慢，但处理效果稳定，且易于反冲洗，故综合性能较佳。艾恒雨等认为，悬浮型填料、生物密集型填料及固定化微生物填料将可能成为未来的主要发展方向。

生物接触氧化工艺的缺点及机理

生物接触氧化工艺是一类处理效率高、耐冲击能力强、剩余污泥产量极少的污水处理工艺，但在该工艺的实际应用中常会面临一些问题。其中，生物膜脱落便是该工艺所面临的典型问题。俞汉青指出生物膜的非正常脱落会降低污水处理系统的处理效果，甚至使其丧失处理能力，从而导致出水水质恶化。陈永波经过对活性污泥法与生物接触氧化法处理乳品废水的试验效果对比后指出，当进水COD＞1 800 mg/L时，生物接触氧化法中的生物膜会产生周期性脱落，从而导致出水水质不稳定。

生物膜的自然脱落是生物接触氧化工艺正常运行的重要环节，使生物膜更新换代，保证生物膜的活力持久。但生物膜的非正常脱落将会给采用生物接触氧化工艺的污水处理系统带来很大影响，乃至毁灭性打击。生物膜的非正常脱落原因总结而言有如此几点：冲击负荷、溶解氧变化、水温变化、pH变化及水力影响等。由于生物膜的非正常脱落会使采用生物接触氧化工艺的污水处理系统在一段时间内处理能力大打折扣甚至瘫痪，因此该工艺在一些领域的应用为之所局限，城镇污水处理厂便是其中之一。但鉴于生物接触氧化工艺效率之高、剩余污泥排放之少等优良特征，势必普及城镇污水处理领域，成为取代以往占地面积大且剩余污泥排放量大的基于活性污泥法的各工艺。

鉴于上述，从系统角度克服生物接触氧化工艺的现有缺点是较有价值的研究和发展方向，FCR（Food Chain Reactor，食物链反应器）工艺便是对传统接触氧化工艺进行改进的典型突破。

FCR工艺的构成及结构形式

FCR工艺的构成

FCR工艺是一个高度集约的生态系统，以独特的食物链反应池为基础，以特殊材料和植物根系为生物载体，通过构建高度多样化的生态系统，利用各次级生态系统中的各种微生物、水生植物、水生动物等的新陈代谢作用，增强对水体中污染物的降解功能。FCR技术能实现以模块化为基础的设计，处理规模从几百m3/d到数十万m3/d，系统对环境变化的适应性和抗冲击负荷能力强，广泛应用于市政污水和工业废水处理领域。FCR食物链反应器工艺系统组成示意图见下图。

FCR技术的设计理念是通过创造高度多样化的生物群落，加强生物生态系统提高水质处理能力。除了传统活性污泥处理法里存在的细菌之外，FCR处理系统内的其他各种微生物以及水生植物群、动物群等物种高达3000多种。通过自然和人工方法构建水生态食物链，利用附着在植物根系和载体表面的微生物、原生动物以及微型动物去除污水内的CODcr、BOD5、TN、NH3-N及TP等污染物。

FCR工艺结构形式

与其他基于活性污泥法的方案相比，使用自然（植物）和人工（专利的生物纤维）根须结构作为生物膜载体，能够在每立方米的反应器体积内培养和维持三至四倍于活性污泥法的生物浓度。在系统中，反应器中的生物大部分是附着生长而不是悬浮的。因此需使用“等效生物浓度”（EBC）而不采用混合液悬浮固体浓度（MLSS）来描述生物质浓度。系统的等效生物浓度换算下来高达15~18kg/m3。相比之下，远高于一般活性污泥法的混合液悬浮固体浓3~5kg/m3。与典型的生物接触氧化法相比，食物链反应器中的生物数量更多表面积更大，其表面积与体积比高达12000m2/m3，使得反应器体积内的活性污泥高达15~18kg/m3。结果是其所需的水力停留时间（HRT）比典型的生物接触氧化更短。与活性污泥法相比，食物链反应器，在移除相同量的污染物/营养物质所需的反应器体积是活性污泥法的一半（或更小），节约用地效果明显。FCR食物链反应器植物与填料结合示意图见下图。

FCR工艺的优势机理讨论

FCR工艺在应用中体现出优于一般生物接触氧化法的脱氮能力、COD去除能力及更少的剩余污泥产生量，同时还具有优良的运行稳定性，具体体现于对进水的冲击负荷、pH变化及环境温度的变化等因素的耐受及出水水质没有明显的周期性波动等方面。这些优势的根本原因在于生物膜乃至整个滤池的微生态环境，具体在于以下几个方面。

充足的溶解氧

水体的溶解氧含量直接关乎好氧微生物的活性及单体处理效率，故溶解氧对包括基于生物接触氧化法在内的好氧处理工艺是多多益善。FCR工艺因滤池中的水体澄清，游离于水体中的悬浮污泥极少，这使得水体的溶氧饱和度较一般接触氧化法及活性污泥法高；且滤池底部采用密集、微孔的曝气终端，故其水体溶解氧可达4mg/L以上，是一般接触氧化工艺的溶解氧平均水平的2倍。充足的溶解氧能够使构成生物膜的微生物始终保持较高的活性，并且有利于改善生物膜内部的缺氧状态，从而在一定程度上增加生物膜内层的附着力，使生物膜不易脱落。同时亦提高好氧微生物的活性，有利于COD、总氮的深度去除，该去除过程既包括自养硝化与好氧反硝化，亦包括异养同化。

巧妙的填料结构

对上海吴淞污水处理厂采用FCR工艺进行的提标改造发现，其采用的填料单体由数万根纤维束垂直布置组成，所述纤维束的上下两端编织为镂空的特定形状，每根纤维束由近50股纤维丝组成，填料采用紧密与蓬松交替形式。在填料布置阵列中还穿插栽种植物，不难想象其栽种植物处下方有植物根系分布。

经观察、讨论认为，该填料的布置方式结合曝气终端分布点布置可使水体在填料间呈螺旋式上升，并在植物根系处形成涡流，其水力分布及其均匀程度大不同于传统接触氧化法中的曝气所产生的紊流。

经过对该填料的单根纤维束进一步的观察、讨论认为，生物膜对该填料的附着形式不同于传统填料，生物膜内层可镶嵌于填料纤维束之间隙；处于填料纤维束间隙的生物膜因夹持、支撑作用而不会轻易脱落，这样保证在外层生物膜大面积脱落的情况下，内层生物膜依然能保证足够的生物量。且处于填料纤维束间隙的内层生物膜能够间歇进行厌氧产气，从而在填料纤维束中建立均匀但不对称的中空通道，继而使内层填料能够间歇得到氧和养分的补给而不至于因活力下降而失去附着力。综合上述，该填料的巧妙设计和布置极有可能为该工艺中的生物膜能够长期保持稳定而不易定期老化脱落的重要原因。

密集生态系统的调控作用

多数从业者的直观观察会认为FCR工艺中布置植物所起到的主要作用为装饰及类似于人工湿地工艺的同化脱氮作用，但植物布置量显然不能满足处理水量的需求。经笔者与农业种植领域及微生物学领域学者沟通认为，该处布置的植物在一定程度上起到微生物的种源寄居点及多样性来源的作用。植物体内存在内生微生物，能够随着根系的伸展而释放至水体中并随水流与填料接触，丰富构成生物膜的微生物多样性，从而保证生物群落的稳定性和适应性。

同时，植物根系是原生动物、后生动物即滤池扫除生物的良好附着与增殖场所，滤池扫除生物种类丰富且数量充足对包括FCR工艺在内的基于接触氧化法的处理工艺而言皆有重要意义。滤池扫除生物依其活动方式及范围可分为固着型、半固着型和游泳型。游泳型滤池扫除生物可清除游离于水体的悬浮污泥，固着型与半固着型滤池扫除生物可对生物膜起到“修剪”作用，从而使其在非大面积脱落的情况下仍能够进行动态更新。

艾恒雨等经试验认为，原生动物和后生动物的捕食作用不但能够起到显著的污泥减量作用，而且能够改善悬浮污泥的沉降性能。该工艺对植物的选择与要求十分讲究，其所布置植物在园林景观设计要求的基础上需满足耐高氮、高磷及其他有害物质的要求；并要求其根系发达、不定根众多，以提供巨大的比表面积；在上述基础上优先选择湿生或耐水植物，从而使所布置植物能够很好地适应滤池环境，与附着的生物膜、填料生物膜、滤池扫除生物及宏观生物等构建成良性循环的微生态系统，亦使污水处理厂具备环境友好特性。

总结

FCR处理工艺在传统接触氧化工艺的基础上进行深度、系统地优化，对城镇污水处理领域的普及具有非常重大的意义。结合吴淞污水处理厂实际案例，其强化了预处理功能，增加了优势菌种的种群，提高了曝气系统的应用控制，改变了水力流态的走向，解决了传统填料堵塞问题。为进一步提高出水稳定性，未来还有更多的研究可以进行。

转载：城建水业

投稿邮箱：cnwater@vip.163.com

FCR花园式污水处理技术

原创2017-10-25高一军中国给水排水

题目：FCR花园式污水处理技术

报告人: 奥尼卡水处理技术公司 高一军 （业务发展总监）

主持人：天津创业环保集团股份有限公司李金河总工

高一军：

各位专家，各位同行下午好！非常荣幸可以和大家介绍奥尼卡公司以及我们的FCR技术。FCR的中文意思是食物链反应器，奥尼卡水处理技术公司致力于市政污水处理技术的整体解决方案，这个整体解决方案包括核心工艺FCR的整体方案设计，关键设备的供应选型，项目监理，培训，调试等一系列的全方位的服务，奥尼卡FCR技术的主要特点是运行费用低，占地面积地少，污泥少，美观，易维护。

这张照片这是传统的污水处理厂，我们可以看到非常不美观的生化曝气池，而且这些污水处理厂一般都建设在比较偏远地区，需要配套建设很长管路、很多的泵站把污水收集起来，这些管道可能几十公里甚至上百公里，需要耗费大量的资金，我们的想法是将来的污水处理厂是不是要建到一百万吨或者八十万吨那么大，是不是可以小型化，分散化，建在工厂或者是学校里，或者是社区里并且与所在的环境完全融合。我会在后面提出一个FCR工艺的分布式污水处理站工艺和大家分享。

这四个照片是奥尼卡公司设计的漂亮的污水处理厂的照片，是已经运行的项目，中国河源城南污水厂3万吨/天，氧化沟改造升级项目，目前产水水质达到类地表三，排入东江为香港备用水源，项目已经运行三年。另外一个是贵州安顺污水处理厂，从CASS工艺改造而来，水量为5万吨/天一级A，这个位置距离黄果树瀑布非常近，可以这个设计与当地景区环境完美的融合，贵州安顺目前调试已经结束，今年也会交付，已经开始运行。右上角是匈牙利布达佩斯八万吨的A2O改造FCR工艺。

下一张图片可以看到我们的FCR花园式污水处理厂的广泛的应用领域，学校、工厂、市中心，交通枢纽等等，可以建在任何大家想要建的地方，由于有独特的温室结构，使居民和百姓对这个污水处理厂心里反感程度非常低，所以污水处理厂缓冲区非常小，对周围居民的影响就非常小。

下面这个业绩表是在中国区今年或者明年陆续开工做的项目，目前奥尼卡FCR污水厂的全球业绩已经超过90个，可以看到中国的很多项目正在集中建设，所以现在接下来的两三年之内，这些项目都会投入生产，你会发现越来越多的花园一样污水处理厂出现在您的周围。

下面就是奥尼卡的全球布局情况，公司起源于布达佩斯，有100多人的工程技术团队全球服务，布达佩斯也建有研发中心，针对不同的水质、不同的设备进行创新，不断的对工艺技术进行优化，以适应越来越复杂的水质变化以及更加严格的排放标准。目前公司总部设在美国普林斯顿，新德里和雅加达办事处，之前上海是奥尼卡公司的办事处，为了更好的服务中国市场目前已经注册实体公司，奥尼卡公司在中国发展最快，上海办公室从两三个人到现在近三十人，同时有匈牙利的的工程技术人员来到中国参与本地工程技术调试，我们相信中国的FCR污水处理厂一定会越来越多。

接下来是奥尼卡公司的发展历程，从1998年建立，开始匈牙利国内水处理业务，发展到2007年成为匈牙利最大的水处理工程技术公司，并把部分建造的EPC公司销售给法国威立雅，保留了FCR工艺技术的知识产权，并授权威立雅在法国建造FCR污水处理厂，之后开始全球布局，2012年世界银行对奥尼卡公司进行了全面考核之后，成为奥尼卡公司最大的股东，这是2014年世界银行发给水处理技术组织的一封推荐信。

这是一个改造项目的实际情况，这个是匈牙利布达佩斯南佩斯。这是另外一个实际运行的项目，左边改造之前的样子，右边是改造完的样子。

FCR的主要优势优点第一占地面积小，目前优势主要在于取消二沉池，运行费用平均比传统减少30%，污泥产量比传统工艺下降平均30%。

下面看看奥尼卡公司比较典型的FCR污水厂的设计，这是四万吨污水厂位于广东地区一个项目，构筑物同时结合结合当地风土人情的进行设计，奥尼卡公司设计的污水厂几乎没有一模一样。

奥尼卡工艺的介绍，在传统工艺方案的反应池上加上植物支撑，过道，以及植物。植物的本身并不处理污水，我们是利用它的根系，根系就是一个载体的类型，生物膜法提供一个生物附着地方，因为植物根系大量的比表面积所以附着生物量非常大，FCR反应池大概五米深左右，为了这个池的容积，植入人工载体，植物根系新陈代谢作用使这个池里面微生物种类从八百种上升到三千种，生物质的总量也从3-5公斤上升到8-12公斤。

这是一个载体对比，可以看到植物根系成膜是非常是疏松，右边这个塑料载体成膜就比较薄。根系膜蓬松呈现漂浮状态，利于氧气的渗透传递，而塑料成膜比较薄切致密，因此氧气传递的效率大大降低。

这是一个溶氧效率曲线，横轴的TSS于纵轴溶氧效率α的关系图，MBR的TSS比较高，所以α值最低，FCR的TSS最低，所以α最高，越高氧气传递的利用就越高，需要的空气就越少也就越节约能源，请看下面两张图片对于能量，占地面积的对比。

这是我们统计的各种污水处理工艺在建造成本，运行费用，占地面积，美观程度，气味控制等各个指标的对比图。

下面两个图片是微生物种类在常规6个生化池里的分布情况，横轴就是TSS。大家有机会到广东河源，可以看到那个生化池水比较清。

这是一个典型的紧凑型设计，可以看到左边有鼓风机间，污泥处理间，控制室，泥水分离，生化池等。可以在一个建筑物理安装建造整个污水厂，节约土地，容易巡视，节省土建、公建等。

下面的图片就是这是生物模块安装照片，大家可以看一下基本安装流程。

简单介绍一下分布式污水处理站工艺，叫做奥尼卡VILLA，紧凑，美观，占地小。主要300吨到5000吨，适应于小型村镇污水处理厂，区域河道治理等项目，其特点是一种非常容易建设，容易运行，容易维护，处理效果好，投资费用低，运行费用低，环境友好型的小型化污水处理厂，今年我司接到很多客户类似的咨询项目，因此我公司迅速反应，在7月份隆重推出，这个产品是由几个集成的部分整合而成，包括预处理部分，FCR反应池部分，泥水分离部分等。目前正在和几个地方政府就区域性小城镇建设的污水处理进行沟通交流。

下面是一些案例照片，我们的工艺也可以建设在比较寒冷的地方，温室里面保证5度以上就可以保证植物的存活。

以上就是我汇报的内容，大家有任何项目需要进一步进行交流的，请随时联系我。希望有机会合作，谢谢大家。

国内花园式MBR地下污水厂，不看后悔哦！

原创2016-01-15严兴，何可人中国给水排水

作者：严兴何可人编辑：衣春敏

1 工程概况

京溪地下净水厂于2009年9月开工建设，2010年8月建成投产。占地面积1.83公顷，设计总处理能力为10万吨/日，建成厂外配套提升泵站1座。受用地狭小且厂区周边紧靠居民区等条件限制，该污水厂采用MBR工艺，全地埋式布置，尾水排放执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918－2002）一级A标准。服务范围包括沙河涌右支流流域、左支流流域、南湖风景区等，总面积16.5平方公里，服务人口约13万人。

京溪地下净水厂地面部分全景

建设中的净水厂地面部分全景

建设中的京溪地下净水厂

2 运行管理

京溪地下净水厂现有人员约70人，下设综合部、生产部、运行部3个部门。

综合办公楼大厅

鼓风机房

紫外消毒管

化验室一角

2.1 A2/O+MBR池

京溪地下净水厂采用传统A2/O和MBR膜过滤工艺，出水水质满足园林浇灌中水回用标准。其中生化池在地下负二层，在负一层完全加盖密封，通过抽风系统将废气收集到生物除臭设备统一处理，达标后外排到35米高空。

生化池

地下负一层全景

地下负二层全景

2.2 MBR膜特性

膜组件浸没于曝气池内。MBR膜区由20组独立控制产水单元组成，每条廊道设计流量为260m3／h，水力停留时间为1.6h。膜组件采用中空纤维帘式膜组件，平均膜孔径为0.1微米，膜材质为聚偏氟乙烯(PVDF)。为了降低曝气能耗，方便膜组件的安装、检修和清洗，需要对膜组件进行组装。组装后的膜组件单元内部集成产水收集部件和曝气部件，具备产水和曝气双重功能，具有良好的抗污染能力，尤其是可以很好地避免膜丝根部积泥问题，使膜组件长期保持良好的过滤性能。

PVDF膜

2.3 膜的营运管理及节能控制

京溪厂设计采用独特的系统工程及过程控制手段，解决了普通MBR系统容易污染堵塞、需要频繁化学清洗、难以长时间稳定运行的难题。具体方法有：

（1）采用独特的空气擦洗和水反洗方式，定制化学药剂配方和清洗方式，因此可适应多种进水水质；

（2）水力流程上设置为两套独立系统运行，便于一组检修时，另一套正常工作；

（3）采用双层膜架，与单层膜架相比具有占地面积小，吹扫能耗低等优点。

膜池

2.4 膜的清洗

膜的清洗是设计中容易忽略的环节，虽然部分已建工程也配备了在线清洗装置，但一般仅能进行反向清洗。当膜污染较为严重，需要对膜进行化学药剂浸泡清洗时，必须用吊装设备将其从膜池内吊出，操作复杂，劳动强度大，而且普通管理人员难以掌握清洗过程，如果操作不当很容易损伤膜。

京溪厂为了避免上述问题，选用了一体化膜清洗装置，实现正向水力清洗、反向水力清洗、正向化学清洗和反向化学清洗等四种清洗模式。一般不需要将膜组件从MBR池内拆卸下来就可完成全部清洗操作，便于工程投产使用后的维护管理。清洗装置配套储酸罐和储碱罐，可分别进行碱化学药剂清洗和酸化学药剂清洗，并可实现酸洗和碱洗的切换，管理人员根据MBR运行实际情况选择药剂种类。装置内配备水泵1台，用于膜的水力清洗。

看看工作人员的表情，工作很开心啊！

膜池平常清洗

膜池年终大清洗

2.5 膜池出水

为了保证净水厂出水流量相对稳定，京溪厂通过抽吸泵出水。

膜产水

2.6 花园式管理

京溪厂改变了传统的管理模式，通过三级卫生管理，做到厂内每个角落干净整洁。这一点有望和德国污水厂PK一下啊？

污泥脱水间

生物除臭间

曝气沉砂池

细格栅

精细格栅

3 社会功能和责任

京溪厂为周边带来了花园式的园林景观，并为河涌补充了源源不断的清洁水源，周边居民每天可以享受到清洁水源带来的乐趣。

京溪厂地面部分也会定期开放给周边居民参观、游玩，为居民带来了公园式的体验，美化了环境，体现了京溪厂作为一个利民工程的价值。

水榭走廊

出水口

居民在京溪厂“花园”游玩

京溪厂“花园”

京溪厂是国内地下污水厂的典范，曾接待过数不清批次的业内参观者。

京溪厂还成为了广州市有名的环保教育基地，看看孩子们都来了！

杂志简介

《中国给水排水》是面向全国给水排水和环境工程界的专业性科技期刊，具有较高的理论导向性和较强的工程实践性，被称为中国水行业的“首席杂志”、中文核心期刊、“中国百强科技期刊”中国精品科技期刊、中国科学引文数据库来源期刊（CSTP）。