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造粒流化床技术用于污水处理的研究现状
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摘要：造粒流化床技术具有能够高效进行固液分离，它广泛用于高浊度给水处理、高悬浮物浓度废水处理与回用、水厂和城市污水厂污泥浓缩、建筑工地废水处理、灾害救助水处理等。
关键词：造粒流化床 污水处理
造粒流化床技术用于污水处理的研究现状
一、污水处理背景
我国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6％，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2300立方米，仅为世界平均水平的1／4、美国的1／5，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。
据监测，目前全国多数城市地下水受到一定程度的点状和面状污染，且有逐年加重的趋势。日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧了水资源短缺的矛盾，对我国正在实施的可持续发展战略带来了严重影响，而且还严重威胁到城市居民的饮水安全和人民群众的健康。
以西安市为例，2000年西安市建成区面积已达187k，人口326万。根据《西安市排水规划(1995年至2010年)》，西安市中心市区分为六个污水收集系统，现状污水排放总量约80万/d，污水处理率约34%。
西安市现状排水服务面积约152.2k，排水管道除老城区及东北郊部分为合流管外，其余以分流制为主。排水管网总长约835.4km。其中污水管道490km(包括现状合流管)，普及率67%，雨水管渠345.4km，普及率45%，管渠密度约5.5km/k。目前污水管网接纳城市污水量约80万/d，已建成城市污水处理厂两座，总处理能力27万/d，污水处理率34%，其中北石桥污水处理厂15万/d，邓家村污水处理厂12万/d。
同时，西安市是一个水资源缺乏的城市，全市人均占有地表水资源量不足350，仅为全国和世界人均占有量的1/6和1/20，大大低于国际公认的维持一个地区社会经济环境所需1000的临界值，随着今后城市现代化进程的加快，水资源短缺将会影响城市供水。而污水是一种稳定可靠的、可再生利用的水资源，是解决城市缺水的一条重要途径，污水经深度处理后可回用于工矿企业、市政环卫、园林绿化以及城市河道景观等方面。
二、污水处理技术现状
现在的污水处理一般都采用传统的污水处理工艺，采用絮凝沉淀、砂滤系统，设计投加氯化铁药剂于A2/O系统终沉池配水井中，强化生物除磷，降低终沉池出水中磷的浓度。沉淀后出水经提升泵站至砂滤池，采用气水反冲洗滤池，过滤后水至清水池，加压后进入回用水管网。如西安市邓家村污水处理厂，西安市北石桥污水净化中心，西安市纺织城污水处理厂，西安市店子村污水处理厂等基本上都采用了这种污水处理系统。
传统的污水处理系统中，采用沉淀池进行污水凝沉淀，它不能形成颗粒凝聚的良好的条件，不能生成团粒型絮凝体，使得固液分离效率很低。
三、污水处理新技术——造粒流化床污水处理技术
1、流化床基本概念
当一种流体以不同速度向上通过颗粒床层时，可能出现以下几种情况. 固定床——当流体的速度较低时，流体只是穿过静止颗粒之间的空隙而流动，这 种床层称为固定床，如下图a所示。 初始或临界流化床——当流体的流速增大至一定程度时，颗粒开始松动，颗粒位 置也在一定的区间内进行调整，床层略有膨胀，但颗粒仍不能自由运动，这时床层处于初始或临界流化状态，如下图b所示； 流化床——如果流体的流速升高到全部颗粒刚好悬浮在向上流动的气体或液体中而能做随机的运动，此时颗粒与流体之间的摩擦力恰与其净重力相平 衡。此后床层高度L将随流速提高而升高。这种床层称为流化床。如下图 c\d所示； 稀相输送床——若流速再升高达到某一极限值后，流化床上界面消失，颗粒分散为悬浮在气流中，并被气流带走，这种床层称为稀相输送床。如下图e所示。
不同流速时床层的变化
(a) 固定床（b)初始或临界流化床（c)散式流化床（d)聚式流化床（e)输送床
2、流化床的特点
流化床中的气固运动状态很像沸腾着的液体，并且在许多方面表现出类似于液体的性质。流化床具有象液体那样的流动性能，固体颗粒可从容器壁的小孔喷出。并象液体那样，从一容器流入另一容器；再如，比床层密度小的物体可很容易的推入床层，而一松开，它就弹起并浮在床层表面上；当容器倾斜时，床层的上表面保持水平,而且当两个床层连通时，它们的床面自行调整至同一水平面；床层中任意两截面间的压强变化大致等于这两截面间单位面积床层的重力。
3、造粒流化床污水处理技术
自我造粒流化床是运用化学工学中准稳态操作原理和反应工程理论，结合混凝工程的实践经验提出的一种新型水处理技术。该技术的主要技术指标如下：
§ 初段化学混凝反应在水力混合器中完成,水力停留时间在1 min以下；
§ 自我造粒反应在上向流机械搅拌装置内完成，机械搅拌强度(G值)在30s-1左右，水力停留时间为10-20 min；
§ 固液分离在自我造粒流化床上部的固液分离区内完成，水力停留时间为5-10 min；
§ 污泥在分离的同时自动完成浓缩过程，以无机悬浮颗粒为主的体系，分离污泥含水率可达80％～85％，有机成分和无机悬浮物共存体系，分离污泥含水率为90～95％；
§ 分离出水SS浓度通常小于5mg/L，分离区设置强化分离辅助装置后分离出水SS浓度通常小于1 mg/L；
§ 适用范围：原水（污水、废水）SS浓度1,000-20,000 mg/L，COD不大于1,000 mg/L。
该技术在特殊设计的一体化装置得以实现。其主要特点是水力停留时间短，体积小，占地面积小，适用性广，使用灵活，处理效率高，可同时完成固液分离和污泥浓缩。
该技术可广泛用于高浊度给水处理、高悬浮物浓度废水处理与回用、水厂和城市污水厂污泥浓缩、建筑工地废水处理、灾害救助水处理等。
4、造粒型流化床污水处理技术的产业化前景
在积极实施《全国生态环境建设规划》的过程中，水资源的综合利用、水资源再生以及水污染治理是尤为重要的环节。因此水处理设备的市场容量会大幅度增加，市场竞争将是技术水平、适用性和价格的竞争。采用该技术的系列设备具有技术先进，体积小，成本低的特点，并可按照用户要求进行生产，在环保设备市场上将具有强竞争力。设备的主要用户将是中小工业企业的工业用水处理、废水处理、工业水循环再利用，城镇中小型给水处理、污水厂污泥处理等。
该项技术先后在郑州黄河花园口（高浊度水处理）、西安邓家村污水处理厂（消化污泥脱水）、陕西略阳钢铁厂（煤气洗涤废水和选矿废水处理）、深圳水务公司（沉淀池排泥水处理）进行了半生产性实验，在此基础上反复进行设备改进，申请了《高效固液分离器》发明专利，目前已顺利通过发明专利实审，技术得到国家专利局的认定和保护。该专利技术迄今已在西安西郊热电厂用于冲灰废水再生回用处理，在西安市北石桥污水净化中心用于活性污泥混合液的分离和污泥浓缩，在西安市区曲江水厂、山东枣庄市供水总公司、山东滨州市自来水公司用于生产废水的再生回用处理，取得了良好的实际应用效果。因此，该技术具有巨大的市场和产业化前景。
四、造粒流化床技术用于污水处理的研究现状
近年来自我造粒型流化床在水处理过程中得到开发应用，尤其是以污泥脱水和高浊度原水、高浓度废液的固液分离为目的的造粒流化床研究引起了国内外水处理界的关注。在国外已经有许多专家学者开始对该技术进行了深入的研究，也有了很多研究成果。然而在国内该技术起步较晚，尚需要继续完善！
对造粒流化床技术的研究主要有两个方面，一个是从实验或实践中研究，主要是针对造粒流化床技术应用于实践的研究。例如，王晓昌教授的《自我造粒型流化床中颗粒流态的试验测定》以及潘涌章的《造粒流化床技术在洗车废水回用处理中的实验研究》等；另一个是进行理论研究，主要是对流化床中颗粒絮凝机理的研究以及对流化床的中固液流动进行模拟计算等。例如，黄廷林教授的《结团体流化床的运动平衡》、以及王晓昌教授的《Kinetic study of fluidized pellet bed process.Development of a mathematical model》等。然而，总的来说，目前我国对该技术的研究主要还是停留在实验研究上。
五、造粒流化床技术用于污水处理的应用现状
由于造粒流化床技术具有能够高效进行固液分离，它广泛用于高浊度给水处理、高悬浮物浓度废水处理与回用、水厂和城市污水厂污泥浓缩、建筑工地废水处理、灾害救助水处理等。
运用造粒型高效 固液分离技术处理高悬浮物浓度工业废水在以下几个方面优于传统处理工艺 :
(1) 处理效率高 ,效果好 。高效固液分离装置主体设备的水力停留时间为 9 min 左右 ,加上前面水泵和管道混合 ,总水力停留时间在 10 min 以内 ,远比传统处理工艺所需的停留时间短 。经这样短的处理时间 ,装置出水浊度已满足工业回用水质要求 。且需要的无机混凝剂投量低于传统混凝沉淀工艺。
(2) 分离污泥含水率低 ,无须专门浓缩处理 。高效固液分离装置的分离污泥脱水性能非常好 ,在存泥区停留 1 h 以上 ,污泥含水率就降到 85 %以下 ,无须专门浓缩即可进行最终污泥处理 。
( 3) 操作灵活性强 ,能满足不同处理需要 ,高效固液分离装置不仅能进行废水连续处理 ,也能进行间歇处理 , 且抗冲击负荷能力强 , 在超过额定负荷50 %的情况下也基本上能保证处理水质。
下面以造粒流化床技术在洗车废水回用处理中的应用为例介绍流化床在处理工业废水中的应用：
随着人们生活水平不断提高，汽车的数量也在不断上升，因此洗车业有着庞大的市场需求。现在，大小不同的洗车场遍布全国各地，但是多数的洗车场所都没有设置废水处理和回收设备，洗车水也只是经过简单的沉淀后就直接排入市政管道，不仅浪费了水资源，而且还对城市水环境造成了一定的污染。
针对目前洗车业水污染和水资源浪费的现状，近年来我国市场上出现了各种洗车废水回用设备。有的基于多介质过滤器，陶粒吸附过滤器，超滤系统的截留、吸附、筛分原理来实现洗车废水处理后回用；有的采用常规的隔油沉淀、过滤、消毒方法。虽然经这些设备处理后的出水能达到洗车废水水质要求，但其共同的缺点是占地面积大、建设及运行费用都比较高，在投放市场的时候遇到不少困难。
然而，采用造粒流化床技术处理洗车废水时，洗车废水经过流化床装置处理后，出水的水质可达到洗车回用水的排放标准。造粒流化床法产生的污泥的含水率明显比常规混凝沉淀法产生的污泥低，不需要设置污泥浓缩设备。并且，造粒流化床法与传统的处理工艺比较，具有占地面积小、设备结构简单、投资和运行费用低等优点，因此将其用于洗车废水的回用处理，具有广阔的市场前景。
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