好氧生物处理工艺历史悠久，自1914年第一座活性污泥法污水处理试验厂运行以来，已经80 多年了。近20年来，改进曝气技术和好氧生物固定技术以提高污水处理的效果，是好氧生物处理领域的主要研究内容，hcr工艺就是这一特定时期的产物。
1 hcr工艺的主要特点
hcr工艺(high performance compact reactor)是德国克劳斯塔尔(clausthal)工科大学物相传递研究所于80年代发明的。该工艺的问世是好氧生物处理技术的一个飞跃，它融合了当今的高速射流曝气、物相强化传递、紊流剪切等技术，并具有深井曝气和流化污泥床的特点。因此，其空气氧的转化率高，反应器的容积负荷大，水力停留时间短，是当前为西方国家所广泛接受的一种高效好氧生物处理方法。至今，已经在德国、瑞典、加拿大、意大利、法国、韩国等国家建成了数十个hcr系统，并已投产运行，污水处理效果普遍良好。
hcr系统主要包括：集成反应器、两相喷头、沉淀池以及配套的管路和水泵等(见图1)。集成反应器为圆形容器，其外筒两端被封闭，连接着各种管道；内筒两端开口，两相喷头安装在反应器上部的正中央。循环水泵提升高压水流经喷头射入反应器，由于负压作用同时吸入大量空气。水流和气流的共同作用又使喷头下方形成高速紊流剪切区，把吸入的气体分散成细小的气泡。富含溶解氧的混合污水经导流筒达到反应器底部后，又向上返流形成环流，再经剪切向下射流，如此循环往复运行。于是，污水被反复充氧，气泡和微生物菌团被不断剪切细化，并形成致密细小的絮凝体。
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| 图1 hcr工艺流程示意 |
由该工艺的工作原理可知，hcr的主要特点是：
(1)系统占地少，基建费用低。hcr系统占地一般很少，其原因主要有三：一是系统设计紧凑，结构合理，减少了占地；二是反应器高径比大(为7∶1)，部分被埋在地下，有效地利用了垂向空间，减少了平面上的占地；三是所需水力停留时间很短，容积负荷和污泥负荷都很高，减少了反应器的体积。
合理集成设计、少占地是减少基建投资的主要因素，反应器和沉淀池的容积小，又节省土建投资或设备制造费用。根据工程预算结果对比表明，采用hcr工艺处理同样数量的污水，其基建费用比活性污泥法工艺要减少30%以上。
(2)空气氧转化利用率高，容积负荷和污泥负荷高。hcr工艺的曝气方式采用射流扩散式，并通过垂向循环混合，使溶解氧达到最大值，这一过程实际上吸取了深井曝气依靠压头溶氧的优点。高速喷射形成紊流水力剪切，使气泡高度细化并均匀分散，决定了该方法对空气氧的转化利用率高。据试验测定，其空气氧的转化利用率可高达50%，溶解氧含量易保持在5mg/l以上。
足够的溶解氧是保证好氧生物处理系统高负荷运行的条件，这也是hcr工艺的优势所在。一般情况下，hcr系统的污泥浓度在10g/l左右，最高可超过20g/l。反应器中生物量之大，决定了其负荷值必然高。试验和已有工程的运行结果显示，hcr的容积负荷最大可达70kgbod5/(m3·d)，小试可达100 kg bod5/(m3·d)；其污泥负荷值可以超过6 kg bod5/(kgss·d)。
(3)固液分离效果好，剩余污泥量较少。hcr工艺混合污水中的微生物菌团颗粒小，其沉降性能好，这是其显著特点之一，污泥在沉淀池中的停留时间一般只需要40min左右。该工艺每降解1kg bod所产生的剩余污泥量，比其他好氧方法平均减少40%左右，从而大大减少了污泥处理量。剩余污泥量较少的原因主要有两个：其一，强烈曝气使微生物代谢速度快，由此引起的生化反应可能加大内源消耗，剩余污泥量相对少；其二，由于反应器中混合污水被高速循环液流剪切，微生物的团粒被不断分割细化，团粒内部的气孔减少，使其密度相对增加，总的体积减少。
(4)抗冲击负荷的能力强。hcr为完全混合型运行方式，原水先与回流污水合流，然后再进入反应器，并立即被快速循环混合。高浓度cod或有毒废水冲击系统时，它们在进入反应器之前实际上已经被稀释，进入反应器后又被迅速均匀混合，使冲击液流的浓度大大降低，从而有效地提高了hcr系统抗冲击负荷的能力。此外，强烈曝气使微生物的新陈代谢加快后，也可能减少冲击所造成的部分影响。
工程实践表明，hcr工艺对甲醛废水、含酚废水、糖醛废水、树脂酸废水都能进行有效处理；如已有工程实例的进水cod浓度达到了20000mg/l；该工艺还有望提高污水脱氮的效果。
(5)系统操作简便灵活，处理效果有保障。hcr系统的反应器循环水量、补充曝气量、污泥回流量等都可以根据需要进行调节，便于选择最佳的组合效果。正因为如此，采用hcr工艺容易保证较高的cod去除率。图2显示了hcr反应器容积负荷与cod去除率的变化关系。可以看出，尽管其容积负荷变化较大，cod去除率均达到80%左右。
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| 图2 容积负荷与cod去除率的关系 |
从目前已经运行的数十个工程所反馈的信息表明，hcr系统启动较快，操作管理比较方便，适应的环境条件很宽松，运行中很少出现故障，其推广应用正在受到越来越多的重视。
2 应用实例及其效果
已有hcr工程处理的废水类型有：奶品加工废水、酵母生产工艺废水、造纸厂废水、化工废水、印刷业废水、屠宰废水、填埋场渗滤液及城市污水等。其中，尤以造纸废水的处理工程最多，已分别在德国、挪威、中国、法国、加拿大等地建成投入运行(表1)。
表1 hcr典型工程实例运行参数
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实例1 拉维克市雀斯科夫锐兹公司(treschowfritze, larvik)的半化学纸浆废液，其cod浓度高达20000mg/l，采用hcr工艺处理，其容积负荷达80 kg cod/(m3·d) ，cod的降解率达〖cm(22〗到了70%。废水中含有过氧化漂白污水，但它对于水处理的效果没有任何不良影响，其剩余污泥的产率约为0.2kg ss/kg cod。
实例2 在威尼斯拉市的汉斯霍司公司(hunsfos,vennesla)，亚硫酸盐化学纸浆浓缩液(来自化学再生系统)cod的变化范围为5 000～10000 mg/l，污水中同时含有糖醛，因而对附近纳污区的鱼类构成危害。用hcr工艺处理，容积负荷平均达60 kg cod/(m3·d) ,cod的降解率为80%，糖醛的去除率达100%，剩余污泥的产率仅为0.15 kg ss/kg cod。
表2列出了某地城市污水采用两种方法处理的主要效果参数。可以看出hcr工艺相对于传统的活性污泥法工艺在充氧速率、容积负荷、污泥负荷、二沉池表面负荷、剩余污泥产率、水力停留时间等方面，都具有明显的优势。
表2 hcr工艺处理某城市污水效果对比
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3 hcr工艺在中国的应用前景分析
根据hcr所具有的特点，我们认为该工艺在中国有以下几方面的应用前景：
(1)普通工业废水的处理。中国工业企业的废水种类很多，变化也很复杂。特别是一些中小型企业，因其废水量不大，或因污染物浓度不太高，而且废水中又不含明显的有毒物(即普通工业废水)，故一直未进行达标处理。根据当前的环境保护要求，这类废水也是非治不可的。然而，原来厂区规划又大都没有考虑废水处理的场所。鉴于这些废水的特点及处理场所不足等矛盾，选择占地少、适应性强的hcr工艺，有望解决这类废水的处理。
(2)特殊工业废水的处理。有一些工业废水含有某些毒性物质或可能致毒的组份(称特殊工业废水)，往往无法采用常规好氧或厌氧工艺进行处理。如防腐产品工业和农药产品工业等产生的废水中，多含有难降解的有机物，且对微生物具有致死的毒性。过去多采用焚烧方法或固化填埋方法进行处理，但是成本很高，并可能产生二次污染。
hcr工艺采用快速高效的氧传递转输方式，溶解氧多保持在5mg/l左右，反应器中的微生物群落能快速适应污染物种类和浓度的变化，这对于特殊工业废水的处理十分有利。前面谈到的甲醛废水、苯酚废水、苯甲醛废水等，采用hcr工艺处理都获得了很好的效果，且运行状况良好，就是较好的实例。
(3)城市中水工程中应用。城市中水工程所处理的原水具有水量少，变化幅度大，且cod浓度不太高等特点；中水工程对出水的水质要求也不太高(主要用作冲洗水或绿地用水)。要满足这些条件，hcr工艺是最好的方法之一。首先，它可以根据不同水量水质的变化来灵活地设计工艺系统；其次，因hcr工艺采用封闭式结构，系统产生的废气用管道收集外排，这种设计有利于城市小区的环境保护，工程附近的居民可以免遭恶臭之苦；再者，hcr系统充分利用了地上和地下空间，设计别致，造型美观，容易和小区的景观融合在一起。
4 几点认识
(1)hcr工艺采用高效的空气氧传递转输方法，合理利用了射流曝气技术，应用了压头和快速强制溶氧的原理，并利用紊流剪切扩散和均匀分布的作用，使空气氧的传递转输率高达50 %，是一种高效的好氧生物处理技术。
(2)已经运行的hcr工程系统表明，该工艺适应范围广，负荷率高，cod去除率高，运行效果好。其占地面积少，综合经济效益好，具有推广应用的价值。
(3)中国工业污水的种类复杂多样，城市中水工程正有待开发，hcr工艺在中国大有发展前景。必须提醒注意的是，应该以技术引进为主，尽量采用国产的设备和附件，使之更加符合本国的国情，以获得最佳的环境效益和经济效益。
(4)hcr工艺存在的问题：一是能耗，当污水 cod去除率在80%及其以下时，所需能耗低且效益好；如果cod的去除率要求过高，其能耗就直线升高。因此，在实际工作中也不能盲目地选用hcr工艺。第二个问题是泡沫，hcr在处理某些废水时，也和常规好氧工艺一样会产生泡沫，设计时必须考虑这一因素。来源：中国城市污水处理网
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