FCR技术在污水处理应用中的展望

储小英

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

水是生命之源。随着城镇化、产业发展以及人口数目的不断膨胀，水污染物排放总量已远远超过了环境容量，我国面临十分严重的水污染现状。经测算，当前水污染总量必须要削减30% ～50%，水环境才会发生根本性的转变。

即将出台的《水污染防治行动计划》提出的三大举措，确定了节能、减排的三大举措。上海“十二五”期间计划有30座城镇污水处理厂须实施提标改造，出水指标达到一级B(或一级A)。由于现有污水处理厂，特别是中心城区污水处理厂普遍存在用地紧张，厂界紧邻居民住宅，提标改造必须考虑水质、污泥、气体、景观全面达标，所以必须拓展思路，力求寻求更高效、更有效的处理技术，实现改造过程不停水、不减质的要求。随着环保投资规模的加大，行业将进入更为高速的发展期。

目前城镇污水处理厂处理工艺多采用生物处理，生物处理一般分为活性污泥法和生物膜法。传统活性污泥法经改进，形成了A/O法、UCT、MUCT、改良A/A/O、倒置A/A/O;氧化沟类及SBR等处理方法;生物膜法有生物转盘，生物滤池，曝气生物滤池类(BAF);生物接触氧化法兼有了活性污泥法和生物膜法的特点，在国内外已有较多运用于污水处理厂的实例。

食物链反应器FCR(Food Chain Reactor)，匈牙利奥尼卡专利技术，是一个高度集约的生态系统，以独特的食物链反应器为基础，以特殊材料和植物根系为生物载体，形成巨大的生物膜表面，构建高度多样化的生态系统，利用各次级生态系统的各种微生物、水生植物、水生动物等的交织生长，增强对水体中污染物的降解功能。国外已有多项成功案例，国内开始尝试。

本文认为FCR是基于生物接触氧化技术而拓展研究的，试图通过对生物接触氧化技术在城镇污水处理厂的应用剖析，展望FCR技术在我国城镇污水处理厂应用的前景。

1 生物接触氧化技术的进展

接触氧化法概念最早于19世纪由Waring等人提出。1912年Closs在德国取得专利登记。同时美国也有技术人员采取在活性污泥工艺的曝气池中设置石棉水泥板的方式，为微生物提供附着生长的场所［1］。20世纪50年代，已发展为广泛应用于小型污水处理厂，但因受限于材料工业不够发达、管理方式相对落后，生物接触氧化工艺的处理效果不甚理想，这项技术的研究与应用受到了冷落。上世纪的70年代，伴随着材料工业的迅猛发展以及新型填料的开发成功，日本首先提出了“管式基础氧化”的概念，并开发出了新的供氧方式，使得生物接触氧化工艺的处理效果大幅度地提高，此项技术也重新回到人们的研究的范围，并发展成了多种形式。

国内在生物接触氧化工艺的研究起步较晚，1975年开始研究城市污水COD、BOD的去除以及纺织印染废水的脱色问题，取得了一定的成绩［4］。随后逐渐开始了对生物接触氧化工艺的应用和改良工作［6］，采用半软性填料生物接触氧化法成功处理高浓度含合成洗涤剂废水;采用圆柱状聚丙烯悬浮填料生物接触氧化法用于处理炼油废水;采用中空、柱状聚丙烯填料生物接触氧化法用于处理化学试剂厂难降解的生物废水;采用填料柱+改性半软性填料生物接触氧化法用于处理高浓度丁酯废水;采用组合式填料和立体弹性填料两种不同的填料生物接触氧化法用于处理PS废水［9］;采用陶粒填料、YDT填料、炉渣填料生物接触氧化用于城市污水处理厂［10］。

国外在生物接触氧化工艺的研究起步较早，从上世纪70年代后期起，国外对生物接触氧化工艺的应用范围、反应池的设计、氧转移效率的提高，填料材料的选择和挂膜技术等多方面进行了大量的研究，成功应用也在报道中屡有出现［11］。Shin等人在实验室的规模下，将废旧轮胎经特殊处理后制成胶条状，将其作为填料用于生物接触氧化工艺处理含酚废水［12］;Sakai等人采用磁异性的管状生物膜填料用于生物接触氧化工艺;Rusten等人采用PLASdekSl2新型填料与填充生物反应柱组合的方式用于污水处理。Park等报道了采用SARAN型网状填料用于生物接触氧化工艺处理石化废水的实验研究;Chin等人报道了采用生物接触氧化与生物强化技术工艺组合的方式处理含有苯、甲苯、二甲苯混合液(BTX)。

2 生物接触氧化技术的特点

与活性污泥法比较，生物接触氧化法具有以下主要特点:

(1)比表面积大，可形成稳定性较好的高密度生态体系，挂膜周期相对缩短，在处理相同水量的情况下，水力停留时间短，所需反应池体积小，占场面积小。

(2)污泥浓度高，系统耐冲击负荷能力强。一般情况下，生物接触氧化法的容积负荷为普通活性污泥法的3～5倍，COD去除率为传统生物法的2～3倍。

(3)污泥产量少，在操作过程中一般不会产生污泥膨胀，不需设置污泥回流。

(4)氧利用率高，动力消耗低。生物接触氧化法氧的利用率比活性污泥法高3～8倍，动力消耗比活性污泥法减少20% ～30%［13］。

(5)操作简单，维护方便，可间歇运行，运行费用低，综合能耗低。

(6)生物接触氧化法存在着填料较易堵塞的问题，严重时会影响处理水质;布水布气不易均匀，处理效果受气温影响较大。

3 生物接触氧化技术在污水处理中的运用

生物接触氧化工艺处理城市生活污水具有很大的市场潜力，较多采用生物接触氧化池—斜管沉淀—过滤法处理城市污水并作绿化灌溉等回用，在气水比为12∶1的条件下［14］，半软性填料上生物膜的浓度为5～6 g/L，COD去除率为85%，BOD去除率为90%，SS去除率为85%，处理的成本为0．86元/m3。生物接触氧化技术还运用于处理制药废水，印染废水等。

4 FCR技术的特点

FCR技术其设计理念是通过自然和人工办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、原生动物及微型动物，去除污水中的COD、BOD、TN、NH3-N、TP 等污染物。

与生物接触氧化法比较，FCR技术更具有以下主要特点:

(1)FCR具有占地小的特点，FCR是综合固定生物膜活性污泥法的一种，使用自然(植物)和人工(专利生物纤维)根须结构作为生物膜载体，可培养和维持3～4倍于活性污泥法的“等效生物浓度”，与典型的生物接触氧化法相比，FCR反应器的生物数量比表面积更大，达到12 000 m2/m3，“等效生物浓度”达到15～18 kg/m3。

(2)FCR具有能耗低的特点，FCR反应器的微生物几乎都生长在根须结构中，使悬浮固体物浓度降低，这使得氧转换效率系数值可提高至0．9～0．95，与典型的生物接触氧化法相比，提高了约25%。同时植物与填料交织生长，改善了根系泌氧，促进DO在水中的运输［15］。

(3)FCR具有泥量少的特点，FCR反应器的独特生态系统聚集了从细菌、原生动物到植物的各种次级生态，增强了生物降解的效率，生物食物链反应结果，使污泥产量更低。

(4)FCR具有景观美的特点，FCR反应器置于阳光棚内，外观像座植物园，可解决传统污水处理气味大，不美观等外观问题。

(5)FCR实现处理过程的智能控制，FCR反应器可以模块化，辅以较完善的自控系统，研发的专利演算软件，可不断优化系统配置，以求达到最低能耗，最短处理时间，最低污泥产出的状态。

(6)FCR具有效果好的特点，高度生物多样性能够耐冲击负荷，即使生物系统受到破坏，也能较快地恢复处理能力。高度多样的生态系统，促进各次级微生物、水生植物、水生动物的新陈代谢，使处理效果更好。

4 FCR技术在污水处理中的应用

奥尼卡生态(植物园)式处理，已在法国勒吕德市、Villa别墅/住宅区、商业及校园区、高密度住宅、法国Gencay市世界古城著名城堡旁，土耳其泰基尔达市等污水处理项目中被成功应用。

国内已在深圳银星工业园、深圳富士康、海南岛7 000 m3/d、山东乳山等污水处理项目中开始应用，并计划运用于上海中心城区污水处理厂升级改造项目。

5 对FCR技术运用的展望

FCR技术也许探索实现了设计更好的污水处理厂的思路，但由于国内尚较少成功实例，加上我国整体环境质量较差，要使城镇污水处理厂变成花园的愿景，还有不少的差距［17］。植物的筛选、后期运行维护等存在诸多的不确定性，虽然在青草沙水库、虹桥枢纽、大卢线整治等工程中已实施种植了一些植物板块，用于水处理和防藻取得了一些成效，但缺乏处理效果的系统检测，引入筛选植物全面运用于污水处理厂工程还需从理论和实验全面展开积极的研究:

(1)开展复合生物反应器(集成高度多样化的生态系统)技术理论研究，研究污水有机物降解机理，氧扩散、传递机理，植物根系微生物和载体填料微生物的增长及代谢规律。

(2)开展复合生物反应器数学模型的研究，包括动力学模型、基质降解模型的建立和修正、模型在设计中的放大及应用;对复合生物反应器流体力学、停留时间分布、氧传递方式及供给对水处理效果影响等研究。

(3)复合生物反应器工艺流程及运行条件的最优化，综合能耗降低的措施和技术;开展模块研制与开发。

(4)研究和其他技术组合及运行方式的最优化;反冲洗方式、气水比、污水pH变化，溶解氧及工艺参数的优化。

(5)研究污水处理过程中的智能控制技术，如专家控制系统、模糊控制系统、神经网络控制系统、仿人智能控制系统，进行模拟仿真和数据采集，实现不可测参数和状态识别，对处理过程进行模型化，离线或在线自适应最优化控制。

(6)对现有生物接触氧化填料进行革命性的改革，开发研制类似人工根系材料，其应具有高比表面积、高空隙率等化学生物性稳定等优越性能。

(7)FCR技术对上海城镇污水处理厂水质适应性试验研究。

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