華南理工大學(xué)韋朝海教授團(tuán)隊(duì)工業(yè)廢水處理創(chuàng)新技術(shù)：O/H/O工藝系列原理與案例應(yīng)用成果

我們還初步證明了未來焦化廢水污染控制的零排放路徑，以實(shí)際工程項(xiàng)目為案例，從工藝的性能、能耗、碳足跡、實(shí)現(xiàn)零排放的挑戰(zhàn)以及基于層次循環(huán)原理的工藝創(chuàng)新等方面探討了“工藝零排放”。結(jié)果顯示，結(jié)合雙物化A/O/H/O/A（其中，A為吸附+混凝）工藝中的生化單元、預(yù)處理單元（包含沉淀-過濾單元、臭氧氧化單元和軟化-除氟單元）、膜單元和終端處理單元組成的零排放集成工藝對(duì)焦化廢水中的污染物具有很好的去除效果，實(shí)現(xiàn)污染物的零排放和98%以上的水回用。整個(gè)集成工藝的運(yùn)行費(fèi)用低于18元/m³。綜上所述，該組合工藝是一種可靠、有效的零排放集成工藝，不僅成功應(yīng)用于焦化廢水處理領(lǐng)域，而且基于A/O/H/O/A生物處理技術(shù)的零排放設(shè)計(jì)理念也適用于各種復(fù)雜工業(yè)廢水，為未來零排放水處理工藝的優(yōu)化和發(fā)展提供了典型的參考案例。換言之，廢水處理工藝的發(fā)現(xiàn)可以說是人類調(diào)控下的自然自凈化過程的強(qiáng)化，而基于A/O/H/O/A生物處理技術(shù)的零排放集成工藝將是全過程調(diào)控中*有力的武器。因此，未來的焦化廢水水處理工程應(yīng)與零排放目標(biāo)緊密結(jié)合，以層次循環(huán)驅(qū)動(dòng)和溶液性質(zhì)演變?yōu)樵瓌t，在外部能源（太陽能、風(fēng)能、位能等）輸入的條件下進(jìn)行資源的充分利用和元素的重新排列，并融入到產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)品生產(chǎn)應(yīng)用的地球化學(xué)循環(huán)全過程中。

以O(shè)/H/O工藝?yán)碚摓榛�礎(chǔ)，以原有A/A/O工藝工程的升級(jí)改造為契機(jī)，我們進(jìn)一步開發(fā)了O/H/H/O工藝，該工藝通過能量和碳源的合理分配與管理利用，實(shí)現(xiàn)了典型污染物和總氮的徹底去除。連續(xù)穩(wěn)定的工程運(yùn)行結(jié)果顯示，當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷為1.5~1.7 kg COD/(m³·d)和0.11~0.13 kg TN/(m³·d)時(shí)，COD和TN的去除率分別為97.5%和94.5%。在O/H/H/O工藝中，AMPhIX-O1在去除有機(jī)物和部分/徹底硝化方面做了主要貢獻(xiàn)，在雙AMPhIX-H中，H1和H2通過組合和耦合脫氮途徑實(shí)現(xiàn)了總氮（高濃度-低濃度）的逐級(jí)趨零驅(qū)動(dòng)，無需污泥回流，AMPhIX-O2進(jìn)一步保證了徹底的除碳與完全的硝化。全工藝的運(yùn)行成本約為9.18元/m³，工程改造通過了企業(yè)的驗(yàn)收，在達(dá)標(biāo)與滿負(fù)荷方面表現(xiàn)出了持續(xù)的穩(wěn)定性。圖3、圖4分別為工藝過程數(shù)據(jù)變化與工程單元配置實(shí)景。
圖3  A/O/H/O/A工藝各單元典型污染物COD（a）、氰化物（b）、硫化物（c）和氨氮（d）的濃度變化

                                            O/H/O工藝—功能微生物分布

針對(duì)焦化廢水處理工程上穩(wěn)定運(yùn)行的O/H/O和O/H/H/O工藝，解析不同生物反應(yīng)器中微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能是闡述工藝原理的重要科學(xué)因素。我們結(jié)合高通量測(cè)序技術(shù)，通過16S rRNA基因宏基因組分析的方法，揭示了污染物生物降解過程的微生物群落結(jié)構(gòu)及潛在的代謝功能。工程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，各生物反應(yīng)器活性污泥樣品中的微生物組成對(duì)比鮮明，O/H/O工藝中單元反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)菌屬如圖5所示�？傮w來說，反應(yīng)器中富集了高豐度的除碳脫氮功能微生物，體現(xiàn)出了強(qiáng)大的有機(jī)物去除和硝化/反硝化功能。其中，β-Proteobacteria相關(guān)菌群在AMPhIX-O1中占主導(dǎo)地位，相對(duì)豐度為56.44%，Thiobacillus菌屬的豐度為7.53%，其余豐富的優(yōu)勢(shì)菌屬如Rhodoplanes（6.58%）、Lysobacter（1.95%）和Leucobacter（1.21%）等，構(gòu)建了強(qiáng)大的生物氧化降解體系；此外，含有Anammox微生物的Planctomyces門在AMPhIX-H中保持一定豐度，表明該系統(tǒng)的水解單元可以發(fā)生Anammox反應(yīng)。顯然，四污泥體系的O/H/H/O工藝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了功能微生物的空間重組和豐度分布。全流程微生物分析表明，參與硝化作用的主要菌群有Nitrosomonas（0.7%~2.4%）和Nitrospira（0.3%~1.7%）；參與有機(jī)物水解與高效去除的細(xì)菌主要包含Ottowia（15.4%~19.6%）和Limnobacter（1.8%~7.4%）屬等的β-變形菌門微生物；參與反硝化作用的主要功能菌為Micropruina, SM1A02和Pedomicrobium等菌屬；AMPhIX系統(tǒng)中菌屬Thiobacillus的富集是O/H/H/O工藝系統(tǒng)對(duì)硫氰根離子有效去除的重要功能體現(xiàn)。由于典型工業(yè)廢水與城市生活污水的溶液性質(zhì)、工藝編輯和反應(yīng)器特征存在較大差異，因此，與城市污水廠活性污泥中常見功能菌屬相比，從焦化污泥中檢測(cè)到的主要優(yōu)勢(shì)屬在群落組成和功能分布上存在顯著差異。圖6為焦化廢水處理工程規(guī)模O/H/O工藝系統(tǒng)中細(xì)菌群落的相對(duì)豐度。
                               圖5  O/H/O的工藝化學(xué)模型與核心功能微生物

圖6  焦化廢水處理工程規(guī)模O/H/O工藝系統(tǒng)中細(xì)菌群落的相對(duì)豐度

 

微生物群落的功能分析結(jié)果表明，AMPhIX-O1中存在高豐度的有機(jī)物生物降解和代謝功能基因與其優(yōu)勢(shì)菌屬的相關(guān)性，推斷Rhodoplanes、Lysobacter和Leucobacter等優(yōu)勢(shì)屬集合了外源化合物生物降解和代謝的途徑。焦化廢水活性污泥功能微生物群落的獨(dú)特性與多樣化表明，廢水水質(zhì)特征和工程運(yùn)行參數(shù)決定了活性污泥微生物群落的組成，新型工藝所涌現(xiàn)的微生物功能網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)了單元生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，揭示了生物處理過程中細(xì)菌群落與環(huán)境變量之間的關(guān)系，即微生物功能網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性同時(shí)受到污廢水溶液性質(zhì)與環(huán)境條件的保護(hù)。

B/C比值反映了微生物在內(nèi)源因素綜合影響下對(duì)生物降解所適應(yīng)的廢水毒性與外源環(huán)境的探針作用，是異養(yǎng)菌對(duì)碳源利用的閥門，過高則導(dǎo)致大量副反應(yīng)的發(fā)生而增加能耗，過低會(huì)導(dǎo)致生物功能得不到完全釋放。B/C比值可以被應(yīng)用于研究各種廢水化合物對(duì)微生物活性的影響。理論、實(shí)驗(yàn)和工程條件下高濃度毒性廢水B/C比值的差異說明了這一指標(biāo)的可控和可管理的特征。廢水中有機(jī)物的能量提供了異養(yǎng)微生物的繁殖有利于除碳和減毒的結(jié)合，這個(gè)過程使廢水的B/C比值下降，提供低營養(yǎng)要求微生物生長(zhǎng)的水質(zhì)，即低B/C比值的廢水有利于微生物的硝化、厭氧氨氧化和自養(yǎng)反硝化脫氮；而脫氮功能微生物可能兼顧水解冗余有機(jī)物的能力。總之，廢水特性和B/C比值決定了微生物的數(shù)量、組成和功能�；�于這一思想，O/H/O工藝可以有效地通過前置好氧單元降解焦化廢水中的有毒污染物，從而提高水解菌在后續(xù)處理階段（AMPhIX-H）對(duì)難降解污染物的針對(duì)性，提高了廢水中殘余難降解有機(jī)物的B/C比值。因此，環(huán)境不僅決定了所處條件的微生物存在，相反，微生物自身創(chuàng)造條件來適應(yīng)影響它的環(huán)境。由此證明了B/C比值作為反應(yīng)、微生物、以及兩者結(jié)合的單元裝置的探針指標(biāo)作用，有助于工程設(shè)計(jì)的單元界定與微生物功能規(guī)劃。
                                                                                 O/H/O工藝—相關(guān)技術(shù)與觀點(diǎn)

上述研究工作形成的核心技術(shù)可初步描述為：（1）對(duì)污廢水進(jìn)行分質(zhì)分離與電子供體的歸一化轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)了碳源管理與脫氮目標(biāo)利用的匹配；（2）發(fā)明了方形臥式的混合-反應(yīng)-分離耦合的多功能微生物流化床水處理反應(yīng)器系統(tǒng)（AMPhIX），借助氣液固三相流態(tài)化的矢量有序化，強(qiáng)化了傳質(zhì)與功能整合，通過曳力實(shí)現(xiàn)凋亡污泥的選擇性分離，數(shù)倍提高反應(yīng)器的負(fù)荷能力與微生物功能活性；（3）O/H/O工藝系列（含O/H/H/O）實(shí)現(xiàn)三/四污泥的獨(dú)立空間運(yùn)行，提高了微生物的菌群豐度和功能目標(biāo)，減少功能冗余和目標(biāo)沖突；（4）有別于A/A/O工藝，以雙好氧結(jié)合水解脫氮的O/H/O作為新的處理單元配置，突出了元素化合物價(jià)態(tài)調(diào)控與微生物反應(yīng)功能的結(jié)合，綜合考慮除碳、氨化、亞硝化、厭氧氨氧化、硝化、自養(yǎng)反硝化、異養(yǎng)反硝化、厭氧釋磷沉淀、好氧控磷等化學(xué)反應(yīng)的工藝控制原理，基于廢水溶液性質(zhì)演變的集合目標(biāo)，優(yōu)化了過程參數(shù)，靈活應(yīng)對(duì)不同污廢水的溶液性質(zhì)與出水要求；（5）與相同規(guī)模的A/A/O工藝工程比較，焦化廢水處理的占地約為2/3，能耗約為3/4，藥耗顯著減少，能夠?qū)崿F(xiàn)出水總氮濃度的趨零。

該技術(shù)在寶武韶鋼公司焦化廢水處理應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了能耗、堿耗、藥耗及污泥產(chǎn)量的下降，具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)情況如下：

1）減排：一期、二期、三期工程總處理廢水量155 m³/h，根據(jù)目前的水質(zhì)，每年可削減COD 4560.76 t、氨氮162.13 t、氰化物40.70 t、PAHs 2.87 t。

2）減耗：平均處理1 m³廢水減少電耗約4 kWh，堿耗由約4 kg/m³（26%液堿，1200元/t）下降到2.5 kg/m³；每處理1 m³廢水合計(jì)藥劑單價(jià)從8元減少至5元以內(nèi)；污泥產(chǎn)生量下降約30%；該項(xiàng)目新技術(shù)的實(shí)施使1 m³廢水的處理費(fèi)用由15元降低到10元以內(nèi)。

3）形成新技術(shù)裝置：臥式生物流化床好氧技術(shù)、生物流化床水解技術(shù)、流態(tài)化臭氧催化氧化技術(shù)、吸附流化床技術(shù)、射流厭氧的生物流化床、多環(huán)芳烴削減、深度脫氮技術(shù)等，構(gòu)造了一體化的集成技術(shù)及其工程化生產(chǎn)應(yīng)用。

4）經(jīng)濟(jì)效益：焦化廢水改造工程每天產(chǎn)生4.0~5.0 t干污泥，所有的干污泥避免外運(yùn)及處理處置，均以焦炭/催化劑載體形式（4500元/t）產(chǎn)品化利用，每年帶來收益約657.0萬元。

5）新增工程項(xiàng)目：研發(fā)技術(shù)實(shí)施的韶鋼三期工程改造總投資合同額3940萬元；新型反應(yīng)器應(yīng)用于運(yùn)行一、二期工程項(xiàng)目投資約3400萬元，多年積累的運(yùn)行效益，使企業(yè)獲得了很好的回報(bào)。

 

                                                                      O/H/O工藝—未來的研究與發(fā)展

污廢水凈化已經(jīng)成為社會(huì)水循環(huán)的重要內(nèi)容，包含了資源屬性、工程屬性和產(chǎn)品屬性，其中的元素化合物轉(zhuǎn)化與歸趨在生物化學(xué)、工藝轉(zhuǎn)化、產(chǎn)業(yè)分配方面影響未來的地球化學(xué)行為。碳氮磷硫是生命的基石，又是經(jīng)濟(jì)運(yùn)載的物質(zhì)核心，其利用效率直接影響污廢水的溶液性質(zhì)，還需要結(jié)合新發(fā)現(xiàn)的污染物及其群集。追求水的循環(huán)利用必須兼顧這些元素及其化合物的變化，即未來的水處理工藝應(yīng)該建立在對(duì)元素的調(diào)控水平上，有益于地球化學(xué)循環(huán)。對(duì)此，有必要以厭氧氨氧化協(xié)同自養(yǎng)反硝化等反應(yīng)實(shí)現(xiàn)總氮趨零為生物轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)成為開端，根據(jù)碳源利用、磷分離與回用、硫載電子內(nèi)循環(huán)等的組合工藝原理，結(jié)合元素效應(yīng)和工藝水平，尋求污廢水資源化和污染物超低排放的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用高效途徑；有必要分析影響污廢水性質(zhì)變動(dòng)的社會(huì)和自然因素，獲知投入-產(chǎn)出數(shù)據(jù)和工藝層面的排污系數(shù)，指出污廢水排放的優(yōu)化方向；更需要結(jié)合我國的自然水體環(huán)境容量，以離心和向心的通量、物耗能耗當(dāng)量、微生物演替等為基礎(chǔ)，在社會(huì)-自然水循環(huán)的層面上思考未來的污廢水處理的工藝變革。

我們需要把人類對(duì)污廢水處理對(duì)象污染物加以重新歸納和提高認(rèn)識(shí)：以BOD、COD為代表的耗氧有機(jī)物；以TN、TP為代表的富營養(yǎng)化污染物；重金屬（放射性）和鹽分；微生物；新污染物；耗能產(chǎn)生的污染物（CO₂、NOx、SOx、PM_2.5等）；離心作用二次污染物（CH₄、N₂O、VOC_S、CO₂等）；向心作用二次污染物（Meⁿ⁺(OH)_n等、Hg(CH₃)₂等）；其他物化指標(biāo)（T、pH、SS）；等等。目標(biāo)污染物越多，水處理工藝越復(fù)雜，追求污染物的達(dá)標(biāo)去除、環(huán)境安全、生態(tài)安全、全過程友好以及碳足跡的綜合考評(píng)，成為遠(yuǎn)景。工藝平臺(tái)的構(gòu)建，要求有利于上述污染物的綜合控制，柔性應(yīng)對(duì)不同的進(jìn)水水質(zhì)與出水目標(biāo)，對(duì)此，需要加強(qiáng)A/O/H/O—O/H/O—A-O/H/O工藝應(yīng)用的針對(duì)性與選擇性，其中，存在更加豐富的理論需要深刻闡明。