城市污水處理工藝及其發(fā)展

城市污水處理技術(shù)作為環(huán)境學(xué)科的一個(gè)分支,就我國目前的狀況來(lái)看, 整體上已有了很大的進(jìn)步,但還落后于我國城市發(fā)展的水平。近些年來(lái), 雖然研究、開(kāi)發(fā)了一些設備和工藝, 但總體上主要是借鑒和引進(jìn)國外的一些先進(jìn)工藝、經(jīng)驗和設備。

　　1 　一級處理工藝及其發(fā)展趨勢

　　一級強化處理技術(shù)分為兩類(lèi):一類(lèi)側重于物化機理, 一類(lèi)側重于微生物的絮凝吸附原理。目前國內外研究的一級處理工藝主要如下。

　　1 .1 　活化污泥法

　　活化污泥法是根據絮凝動(dòng)力學(xué)和生物吸附理論提出“絮凝吸附—沉淀—活化”的城市污水強化一級處理工藝。該工藝對污染物去除的強化作用主要包括污泥的絮凝、吸附和生物代謝3 種, 以前兩者的作用為主。

　　該工藝的特點(diǎn)是未經(jīng)沉淀的生活污水原水與生物污泥同時(shí)進(jìn)入混合反應器(絮凝吸附池), 兩者在機械攪拌作用下充分混合, 經(jīng)充分絮凝吸附反應后,大量污染物質(zhì)被絮凝吸附進(jìn)入污泥絮體, 出水進(jìn)入沉淀池, 實(shí)現固液分離, 而沉淀池出水就是最終出水(見(jiàn)圖1)。為了恢復沉淀池飽和污泥的生物絮凝吸附活性, 將沉淀污泥短時(shí)間曝氣活化, 以部分降解吸附的有機物, 產(chǎn)生適量的微生物絮凝物質(zhì), 改善污泥的沉降性能, 同時(shí)保持污泥的好氧狀態(tài), 避免變黑、發(fā)臭。此過(guò)程在污泥活化池里進(jìn)行, 能耗遠低于二級生物氧化反應。該工藝是適用于環(huán)境狀況亟待改

　　善而經(jīng)濟欠發(fā)達地區的一種新型實(shí)用技術(shù)。

　　圖1　活化污泥法工藝流程

　　1 .2 　混凝沉淀強化法

　　混凝沉淀強化法目前主要應用于給水處理和部分工業(yè)廢水處理。由于需要投加大量的混凝劑且污水水質(zhì)常常急劇變化, 限制了其在城市污水處理領(lǐng)域中的應用, 一般僅應用于城市污水的深度處理中。近年來(lái), 隨著(zhù)許多新型、高效、廉價(jià)的混凝劑的出現和自動(dòng)化技術(shù)的廣泛應用, 混凝法與污水生物處理法相比具有了較強的競爭力。

　　例如, 對北京市城市污水進(jìn)行試驗, 結果表明,兩種傳統混凝劑(FeCl3 和聚合硫酸鐵)及一種國外引進(jìn)的混凝劑(Biofloc), 經(jīng)過(guò)混凝沉淀強化一級處理后, 污水中COD 的去除率可達50 %～ 80 %, 而處理成本僅為二級處理的1/5 ～ 1/3 , 既能有效地削減污染物總量, 又節約了治理資金, 在現階段十分符合我國國情。此外, 經(jīng)強化一級處理后的污水再進(jìn)行二級處理時(shí), 停留時(shí)間可以大大縮短, 減少能耗, 提高出水水質(zhì)。

　　1 .3 　應用及其發(fā)展趨勢

　　就我國目前的污水處理狀況來(lái)說(shuō), 污水處理率一直較低, 而解決城市污水污染的根本措施是建設以生物處理為主體工藝的二級城市污水處理廠(chǎng), 但這需要大量的投資和高額運行費用。對我國不少地區, 特別是經(jīng)濟欠發(fā)達地區和中小城市而言, 有必要應用投資低、污染物去除率較高的城市污水強化一級處理工藝。根據我國目前水處理的發(fā)展狀況, 混凝沉淀強化一級處理工藝在我國應用較多。

　　目前一級處理工藝的發(fā)展主要集中在研究和應用高效、廉價(jià)的絮凝劑以及微生物絮凝劑, 同時(shí)研究無(wú)機絮凝劑與其他各類(lèi)絮凝劑協(xié)同作用效果, 以及對一級處理工藝設備的優(yōu)化選型等方面。

　　2 　二級處理工藝及其發(fā)展趨勢

　　二級處理工藝流程的發(fā)展主要是在原有的傳統處理工藝流程上進(jìn)行某一個(gè)方面的強化處理, 使某一處理水的某一或某幾個(gè)指標達到一定的標準。

　　2 .1 　序批式工藝

　　2 .1 .1 　傳統的SBR 法

　　SBR 工藝即間歇活性污泥法, 它由一個(gè)或多個(gè)曝氣反應池組成, 污水分批進(jìn)入池中, 經(jīng)活性污泥凈化后, 上清液排出池外即完成一個(gè)運行周期。每個(gè)工作周期順序完成進(jìn)水、反應、沉淀、排放4 個(gè)工藝過(guò)程。

　　SBR 工藝的特點(diǎn)是具有一定的調節均化功能,可緩解進(jìn)水水質(zhì)、水量波動(dòng)對系統帶來(lái)的不穩定性。工藝處理簡(jiǎn)單, 處理構筑物少, 曝氣反應池集曝氣、沉淀、污泥回流于一體, 可省去初沉池、二沉池及污泥回流系統, 且污泥量少, 易于脫水, 控制一定的工藝條件可達到較好的除磷效果, 但也存在自動(dòng)控制和連續在線(xiàn)分析儀器儀表要求高的缺點(diǎn)。

　　2 .1 .2 　CASS 工藝

　　CASS 工藝是一種連續進(jìn)水式SBR 曝氣系統, 不僅具有SBR 工藝簡(jiǎn)單可靠、運行方式靈活、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn), 且除磷脫氮效果明顯。這一功能主要實(shí)現于CASS 池通過(guò)隔墻將反應池分為功能不同的區域, 在各分格中溶解氧、污泥濃度和有機負荷不同, 各池中的生物也不相同。整個(gè)過(guò)程實(shí)現了連續進(jìn)、出水。同時(shí)在傳統的SBR 池前或池中設置了選擇器及厭氧區, 提高了除磷脫氮效果(見(jiàn)圖2)。

　　圖2　CASS 工藝流程

　　CASS 工藝的特點(diǎn)是對污水預處理要求不高, 只設間隙15mm 的機械格柵和沉砂池。生物處理核心是CASS 反應池, 除磷、脫氮、降解有機物及懸浮物等功能均在該池內完成, 出水可達標排放。

　　2 .1 .3 　MSBR 法

　　MSBR工藝是20 世紀80 年代初期發(fā)展起來(lái)的污水處理工藝, 經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和發(fā)展, 目前最新的工藝是第三代工藝, 其工作原理如圖3 所示。

　　圖3 　MSBR 工藝流程

　　MSBR 工藝的特點(diǎn)是系統從連續運行的單元(如厭氧池)進(jìn)水, 從而加速了厭氧反應速率, 改善了系統承受水力沖擊負荷和有機物沖擊負荷的能力;同時(shí), 由于MSBR 工藝增加了低水頭、低能耗的回流設施, 極大地改善了系統中各個(gè)單元內MLSS 的均勻性。可見(jiàn),MSBR 系統是由A2/O 系統與SBR 系統串聯(lián)組成, 并集合了兩者的全部?jì)?yōu)勢, 因而出水水質(zhì)穩定、高效, 并有極大的凈化潛力。

　　2 .1 .4 　UNITANK 系統

　　SEGHERS 公司提出的UNITANK 系統是SBR 法的又一種變形和發(fā)展, 它集合了SBR 和傳統活性污泥法的優(yōu)點(diǎn), 一體化設計, 不僅具有SBR 系統的主要特點(diǎn), 還可以像傳統活性污泥法那樣在恒定水位下連續運行。

　　UNITANK 系統的特點(diǎn)是構筑物結構緊湊, 一體化。可根據好氧過(guò)程的DO 檢測與缺氧和厭氧過(guò)程的ORP 在線(xiàn)檢測, 通過(guò)改變供氣量, 切換進(jìn)出水閥門(mén), 改變好氧、缺氧及厭氧的反應時(shí)間等, 高水平地實(shí)現系統的時(shí)間和空間控制, 高效地去除污水中的有機物及脫氮除磷, 且水力負荷穩定。交替改變進(jìn)水點(diǎn), 可以相應改善系統各段的污泥負荷, 進(jìn)而改善污泥的沉降性能(見(jiàn)圖4)。

　　圖4　好氧UNITANK 系統流程

　　脫氮除磷過(guò)程更能通過(guò)抑制絲狀菌生長(cháng)來(lái)控制污泥膨脹。3 個(gè)池可以被完全加蓋封閉或建在地下, 廢氣可以收集處理, 既有利于布置、保溫, 又避免系統對周?chē)�環(huán)境產(chǎn)生不良影響(見(jiàn)圖5)。

　　圖5　脫氧除磷UNITANK 系統流程

　　目前, 我國石家莊高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區污水處理廠(chǎng)日處理污水10 萬(wàn)t , 就是采用的該工藝。

　　2 .1 .5 　DAT-IAT 工藝

　　DAT-IAT 工藝是一種SBR 法的變形工藝, 主體構筑物由兩個(gè)串聯(lián)的反應池組成, 即需氧池(demandaeration tank)和間歇曝氣池(intermittent aerationtank)。一般情況下DAT 池連續進(jìn)水、曝氣, 其出水進(jìn)入IAT 池, 在IAT 池完成曝氣、沉淀、潷水和排除剩余活性污泥。主要過(guò)程分為進(jìn)水、反應、沉淀、排水、閑置等幾個(gè)過(guò)程(見(jiàn)圖6)

　　圖6　DAT-IAT 工藝流程

　　DAT-IAT 工藝的特點(diǎn)是運行穩定、處理效率高、出水質(zhì)量好、處理構筑物少、處理流程簡(jiǎn)化、建設費用少、自動(dòng)化程度高、操作運行簡(jiǎn)單、調度靈活、節省占地面積, 可達到脫磷脫氮的目的。天津經(jīng)濟技術(shù)開(kāi)發(fā)區污水處理廠(chǎng)就是使用的該工藝。

　　2 .2 　脫氮除磷工藝

　　2 .2 .1 　A2/O 工藝

　　A2/O 工藝為厭氧—缺氧—好氧生物脫氮除磷工藝, 該工藝能對BOD5 , SS , 氮、磷都有很高的去除效果, 因此又稱(chēng)為生物脫氮除磷工藝。

　　A2/O 工藝將生物反應池分為厭氧段、缺氧段和好氧段。在厭氧段, 回流污泥中的聚磷菌釋放磷, 同時(shí)BOD5 得到部分去除。進(jìn)入好氧段, 聚磷菌又變本加厲地吸收磷, 污泥成為高磷污泥, 通過(guò)排放剩余污泥的方式, 將磷去除;BOD5 得到更進(jìn)一步去除, 同時(shí)NH3-N 被硝化, 通過(guò)含硝酸鹽混合液的內回流方式, 使其N(xiāo)Hx-N 在缺氧段進(jìn)行反硝化脫氮, 因而該工藝具有同時(shí)生物脫氮除磷的功能(見(jiàn)圖7)。

　　圖7　A2/ O 工藝流程

　　A2/O 工藝處理效率較高, 適用于要求脫氮除磷的大中型城市污水廠(chǎng), 但基建費和運行費均高于普通活性污泥法, 運行管理要求高, 所以對目前我國國情來(lái)說(shuō), 當處理后的污水排入封閉性水體或緩流水體引起富營(yíng)養化從而影響給水水源時(shí), 才采用該工藝。

　　2 .2 .2 　A/O 工藝

　　A/O 工藝也是城市污水生物脫氮技術(shù)的一種。這種工藝是在曝氣池前增加厭氧、全混合反應池, 原污水經(jīng)過(guò)預處理后在這個(gè)池內與回流污泥充分混合。

　　A/O 工藝的特點(diǎn)是處理的水質(zhì)好, 氮、磷的含量都較低, 且不需要再增加脫氮除磷的三級處理工藝,剩余污泥量較一般生物處理系統少, 沉降性能也好,易于脫水。但該工藝對沒(méi)經(jīng)過(guò)硝化處理的污水不適用, 同時(shí)由于回流污泥中有硝酸鹽及亞硝酸鹽的存在, 將阻礙磷在厭氧池內的溶解。

　　2 .2 .3 　UCT(University of Cape Town)工藝

　　由于在A(yíng)/O 工藝中, 污泥回流很難保證100 %不含硝酸鹽及亞硝酸鹽, 為了徹底排除硝酸鹽及亞硝酸鹽對除磷的干擾,UCT 工藝不將污泥回流到磷釋放池, 而是回流到其后的反硝化池。在硝化池內排除硝酸鹽和亞硝酸鹽后, 再引入磷釋放池與原污水混合, 接下來(lái)是一組硝化與反硝化池(見(jiàn)圖8)。

　　圖8 　UTC 工藝流程

　　2 .2 .4 　改良的UCT 工藝

　　該工藝又稱(chēng)為MUCT 工藝, 其有兩個(gè)缺氧池, 前一個(gè)接受二沉池回流污泥, 后一個(gè)接受好氧硝化混合液, 將污泥的脫氮與混合液的脫氮分開(kāi), 進(jìn)一步減少硝酸鹽進(jìn)入厭氧區的可能(見(jiàn)圖9)。

　　圖9 　MUCT 工藝流程

　　2 .2 .5 　VIP 工藝

　　VIP 工藝是UCT 工藝的改進(jìn)型, 其工藝流程與UCT 工藝相同, 但其厭氧、缺氧和好氧3 個(gè)反應器都是由多個(gè)混合反應器串聯(lián)組成。分格方式形成了有機物濃度的梯度分布, 提高了厭氧釋磷和好氧攝磷的速度。其特點(diǎn)是有機負荷高于UCT 工藝, 泥齡短, 反應器總容積小于UCT 工藝。

　　2 .3 　運用及其發(fā)展趨勢

　　城市生活污水處理主要去除懸浮物、溶解性有機物、氮和磷。對于日處理能力在20 萬(wàn)t 以上的城市污水處理廠(chǎng), 最適宜的工藝是活性污泥法及其變形工藝, 主要是鼓風(fēng)曝氣的完全混合式活性污泥法和氧化溝工藝。對于日處理能力在5 萬(wàn)～ 20 萬(wàn)t 的城市污水處理廠(chǎng), 除上述兩類(lèi)工藝外, 還可以采用序批式活性污泥法(SBR 工藝)。日處理能力在1 萬(wàn)～5 萬(wàn)t 的城市污水處理廠(chǎng)可采用的技術(shù)比較多, 近年各種新工藝不斷產(chǎn)生, 但總體應用上仍以活性污泥法為主。根據要求的不同可以分為:①以去除有機碳為目的:活性污泥法、氧化溝、SBR 工藝、生物濾池、曝氣生物濾池、接觸氧化法。②以除碳脫氮為目的:A/O 法、氧化溝、交替運行氧化溝、SBR 工藝、CASS 工藝、UNITANK 工藝等。③以除碳脫氮除磷為目的:A2/O 法、交替運行氧化溝、SBR 工藝等。

　　結合國內外目前的二級處理工藝, 其發(fā)展趨勢主要表現在:處理系統一體化的研究與開(kāi)發(fā), 組合式污水處理工藝研究, 污水的綜合處理、零排放研究,污水處理系統的過(guò)程控制研究, 污水處理系統的儀表設備研究。

　　3 　三級處理工藝及其發(fā)展趨勢

　　近年來(lái), 我國已經(jīng)開(kāi)始重視三級處理工藝的研究開(kāi)發(fā), 目前用得比較多的三級處理工藝可以分為常規工藝、MBR 技術(shù)和LM 深度處理技術(shù)。

　　3 .1 　常規工藝

　　常規的三級處理工藝是在生物處理之后增加混凝、過(guò)濾、消毒等常規處理過(guò)程, 有砂濾、膜濾、反滲透、UV 消毒、液氯、臭氧消毒等。一般來(lái)說(shuō)這些處理方式單位水處理成本比較低, 在經(jīng)濟上比較可行。

　　3 .2 　MBR技術(shù)

　　MBR 技術(shù)又稱(chēng)為膜生物反應器技術(shù), 利用了膜分離的選擇性和高效性, 同時(shí)又利用了生物處理工程的有效性和徹底性, 將水中的有害物質(zhì)最大限度地除去。MBR 工藝的特點(diǎn)是用膜分離系統代替了普通活性污泥法中的二沉池, 減少了傳統工藝大部分的處理單位, 節省了大量投資, 而且耗能和一般傳統的水處理工藝相近。污水在處理設備中的停留時(shí)間短, 對COD ,NH3-N 的去除率極高, 出水水質(zhì)達到了生活雜用水水質(zhì)的標準。

　　3 .3 　LM深度處理工藝

　　LM 深度處理工藝是一種全新的生態(tài)處理工藝,在厭氧池加好氧池的基礎上加入了改進(jìn)的曝氣氧化塘和高效濕地兩個(gè)深度處理單元, 使出水水質(zhì)達到了生活雜用水的標準。其工藝流程是:生物厭氧池—封閉好氧池—開(kāi)放好氧池—澄清池—人工濕地—UV 消毒—蓄水池—回用, 或者以接觸氧化池和生態(tài)氧化槽代替封閉好氧池和開(kāi)放好氧池。

　　LM 深度處理工藝的特點(diǎn)是剩余污泥少、運行費用低、管理方便, 還具有美化景觀(guān)的功能。該方法和其他水處理工藝相比比較經(jīng)濟。

　　3 .4 　運用狀況及其發(fā)展趨勢

　　目前我國的三級處理工藝中運用一般的常規處理工藝較多, 現階段MBR 方法也有了廣泛運用, 比如在北京長(cháng)安街生活小區的回用水處理。就我國目前的實(shí)際情況來(lái)看, 由于常規工藝處理比較方便, 且應用技術(shù)也較成熟, 一般在選取工藝時(shí)仍選用常規處理工藝。

　　國內外目前廣泛研究的主要是通過(guò)微濾和反滲透技術(shù)來(lái)處理二級處理后的污水, 以達到回用水的標準, 圖10 是該處理工藝流程的典型例子。

　　圖10　污水回用試驗工藝流程

　　濕地系統在國外有著(zhù)廣泛的應用, 目前我國也開(kāi)始了這方面的研究工作。由于我國環(huán)境污染加劇, 淡水資源巨減, 相信三級處理工藝必將越來(lái)越受到重視。