随着经济的发展、社会的进步和工农业生产能力的提高,人民生活得到进一步改善,随之而来的是不同程度的环境污染,污水造成的环境污染引起了世界各国的高度关注,治理水污染环境的课题被列入世界环保组织的工作日程。城市污水的排放量在逐年增加,但处理能力却十分有限,大部分城市污水未经任何处理直接排入自然水体,对环境造成严重的危害。同时,由于淡水资源的缺乏,人们越来越关注污水回用技术的发展,在节约用水的同时积极利用城市污水作为第二水资源。因此,增加和扩建城市污水处理厂便成为了当务之急。

1城市污水处理设施的建设与发展

我国的污水处理始于20世纪70年代。主要处理方式是利用稳定塘对污水进行净化处理,其中生活污水量占一半,其余包括石油、化工、造纸、印染等多种工业废水,此阶段我国的处理技术和设备远远落后于国外。之后我国加强了与国外的技术交流,开始逐步探索适合我国国情的污水处理技术和工艺。

80年代,随着城市化进程的加快,城市水污染问题日益受到重视,城市排水设施建设有较快的发展。此时,我国最大污水处理厂的处理规模已达26万m3/d。很多省、市也根据各自的具体情况分别建设了不同规模的污水处理厂。

“八五”、“九五”期间,随着城市环境综合治理的深化,以及各流域水污染治理力度的加大,城市污水处理设施的建设经历了一个快速发展的时期。其中对“三河”(淮河、海河和辽河)、“三湖”(太湖、巢湖、滇池)流域和“环渤海”地区的水污染治理,国家给予了相应的资金和技术上的支持。截至2000年底,全国已建成污水处理厂427座,其中二级处理厂282座,二级处理率约为15%。2000年,用于城市污水处理工程建设的总投资约为150亿元。

2城市污水处理的现状与发展

在我国现有的城市污水处理厂中,80%以上的采用活性污泥法,其余的采用一级处理、强化一级处理、稳定塘法及土地处理法等。

“七五”、“八五”、“九五”期间,我国在污水处理、污水再生利用、污泥处理等新技术研究方面都取得了可喜的进展,某些研究成果已达到国际先进水平。同时,我国引进了许多国外的新技术、新工艺、新设备,如AB法、氧化沟法、A/O工艺、A/A/O工艺、SBR法也在我国城市污水处理厂中得到了应用。污水处理的工艺技术也由过去的只注重去除有机物发展为具有除磷脱氮功能。

目前,氧化沟工艺是我国采用较多的污水处理工艺技术之一。应用较多的有奥贝尔氧化沟工艺,由我国自行设计、全套设备国产化;DE型氧化沟和三沟式氧化沟在中、高浓度的中小型城市污水处理中也有应用。随着我国对水环境质量要求的提高,修订后的国家󰀁污水综合排放标准󰀁(GB8978-1996)的指标也越来越严格,特别是对出水氮、磷的要求提高了,使得新建城市污水处理厂必须考虑氮、磷的去除。由此开发了改良A/A/O工艺和回流污泥反硝化生物除磷工艺。

从工程规模上看,一批大型污水处理厂的相继建成和投产,标志着我国污水处理事业发展到了一个崭新的阶段。我国20世纪最大污水处理厂的日处理规模达100万m3,截至目前,全国最大的城市污水处理厂的日处理规模达170万m3。

3城市污水处理的工艺技术

3.1活性污泥法

当前污水处理厂流行的工艺有:AB法、SBR法、氧化沟法、普通曝气法、A/A/O法、A/O法等,这几种工艺都是从活性污泥法派生出来的,且各有其自身的特点。

3.1.1AB法(Adsorption-Biooxidation)

该工艺对曝气池按高、低负荷分为二级供氧。A级负荷高,曝气时间短,产生污泥量大,污泥负荷2.5kgBOD/(kgMLSS/d)以上,池容积负荷在6kgBOD/(m3/d)以上;B级负荷低,污泥龄较长。A级和B级亦可分期建设,A级与B级间设中间沉淀池。两级池子的F/M(污染物量与微生物量之比)不同,形成不同的微生物群体。AB法尽管有节能的优点,但不适合低浓度水质，在污水处理厂有一定的限制。

3.1.2SBR法(SequencingBatchReactor)

此法进水、曝气、沉淀、出水在同一座池子中完成,常由3~4个池子构成一组,轮流运转,一池一池地间歇运行,故称序批式活性污泥法。这种一体化工艺的特点是工艺简单,由于只有一个反应池,不需二沉池、回流污泥及相关的设备,一般情况下不设调节池,多数情况下可省去初沉池,故节省了占地和投资,耐冲击负荷且运行方式灵活,可以从时间上安排曝气、缺氧和厌氧的不同状态,实现除磷脱氮的目的，是污水处理厂常见的方式。

3.1.3A/A/O法(Anaerobic-Anoxic-Oxic)

城市污水处理对出水有去除氮和磷的要求,此种由厌氧-缺氧-好氧组成的工艺,利用了生物处理法进行脱氮除磷,可获得优质的出水,是一种深度二级处理工艺。A/A/O法的可同步除磷脱氮机制由2部分组成:

1）除磷:污水中的磷在厌氧状态下(DO<0.3mg/L),释放出聚磷菌,在好氧状况下又将其更多地吸收,以剩余污泥的形式排出系统;2）脱氮:缺氧阶段要控制DO<0.7mg/L,由于兼氧脱氮菌的作用,利用水中BOD作为氢供给体(有机碳源),将来自好氧池混合液中的硝酸盐及亚硝酸盐还原成氮气逸入大气,达到脱氮的目的。

3.1.4普通曝气法及其变型工艺

普通曝气法出现得最早,其实际污水处理效果好,可处理大的污水量,对于大工厂或者大型污水处理厂可集中建设污泥消化池,所产生的沼气可作能源利用。传统普曝法的不足之处是只能作为常规二级处理,不具备脱氮除磷功能。近几年,在工程实践中,通过降低普通曝气池的容积负荷,可以达到脱氮的目的;在普通曝气池前设置厌氧区,可以除磷,亦可用化学法除磷。采用普通曝气法去除BOD5,在池型上有多种形式,如氧化沟,工程上称为普通曝气法的变型工艺,亦可统称为普通曝气法。

3.1.5氧化沟法

氧化沟法是在20世纪50年代初期发展而形成的,因其构造简单,易于管理,很快得到了污水处理厂推广应用,且不断创新。目前,氧化沟在应用中发展出了多种形式,比较有代表性的有:

1)帕式(Passveer),简称单沟式,表面曝气采用转刷曝气,水深一般在2.5~3.5m。

2)奥式(Orbal),简称同心圆式,实际应用的多为椭圆形的三环道组成,3个环道采用不同的DO,如外环为0、中环为1、内环为2,这有利于脱氮除磷。采用转碟曝气,水深一般在4.0~4.5m。

3)卡式(Carrousel),简称循环折流式,采用倒伞形叶轮曝气,水深一般在3.0m左右,但污泥易于沉积。

4)三沟式氧化沟(T型氧化沟),该工艺由3个池组成,中间作曝气池,左右2个池兼作沉淀池和曝气池。其特点是采用转刷曝气、水浅、占地面积大、不设厌氧池,不具备除磷功能。

3.1.6UNITANK工艺

UNITANK工艺是SBR法新的变型和发展。它集序批法、普通曝气池法以及三沟式氧化沟法的优点,克服了序批法的间歇进水、三沟式氧化沟法占地面积大、普通曝气池法设备多的缺点。典型的UNITANK工艺由3个水池组成,三池之间水力连通,每池都设有曝气系统,外侧的两池设有出水堰及污泥排放口,它们交替作为曝气池和沉淀池。污水可以进入三池中的任意一个,采用连续进水、周期交替运行。在自动化控制下,使各池处于好氧、缺氧及厌氧状态,以完成有机物和氮磷的去除。

3.2活性污泥法的新发展

到目前为止,对活性污泥法在运行方式上还没有大的突破,往往是一些局部的改进,但在曝气方式上取得了较大的进展,如纯氧曝气、深井曝气、射流曝气等,这些都增加了氧转移率、提高了氧的利用率,从而使曝气池中氧的浓度增加。活性污泥法的另一个发展趋势是朝多功能方向发展,采用的方法有:培养或驯化专用细菌,使活性污泥处理对象不局限于生活污水,还可以处理如酚类难降解的有毒有机物,甚至可以驯化专用细菌可处理氰类剧毒无机物。此外,还可以把活性污泥与其它处理方法结合起来,如活性炭-活性污泥法,它实际上是一种以活性污泥法形式的活性炭吸附、生物氧化法的综合处理工艺。固定活性污泥法是提供微生物附着的表面,如合成纤维、塑料、细沙、粘土焦炭等,使曝气池同时存在附着相和悬浮相的生物。这些新的工艺提高了活性污泥的净化效率,同时还提高了抗有毒物质等冲击负荷的能力,此外还具有脱色、脱氮、减少泡沫的效果,国外已用于合成纤维、化工印染、炼油、炼焦等工业生产的污水处理。活性污泥法与厌氧工艺结合以脱氮、脱磷等赢得了污水处理厂的喜爱,最典型的工艺是A-O(Anaerobic-Oxic)流程。

3.2.1膜分离技术的应用

用膜分离代替沉淀进行泥水分离实现污水处理,可带来活性污泥工艺的以下变化:

1)不再存在污泥膨胀问题。在调控活性污泥系统时,不必再考虑污泥的沉降性能,从而使工艺控制大大简化;

2)曝气池的污泥浓度将大大提高,MLSS可以大于20g/L,从而使系统可在超大泥龄、超低负荷状态下运行,充分满足去除各种污染物质的需要;

3)在同样的处理要求下,可使曝气池容积大大减小,节省了处理厂的占地面积;

4)污泥浓度的提高,要求较高的曝气速率,因而纯氧曝气将随着膜的分离而被大量采用。

膜分离技术以其处理效率高、出水水质好、流程简单、操作管理方便等突出的特点,使其在工业废水、生活污水以及中水回用等领域都得到了广泛的关注和应用，得到各大污水处理厂的青睐。今后,随着膜材料及膜分离技术的完善,具有抗污染性强、易清洗,能适于高温、高pH值等特点的优质膜的出现,将会使膜污染问题逐步得到解决。同时,膜质量的提高和成本的降低,也会使膜分离工艺的投资成本随之降低。通过对微滤、超滤、纳滤和反渗透等各种膜技术的有机组合,将更能充分发挥各种膜分离技术的特性,从而形成更加高效、完整的处理系统,以适应不同水质的污水处理要求,得到符合回用标准的优良出水水质。

3.2.2分子生物技术的应用

目前,分子生物技术已开始应用于污水处理领域。为探索聚磷菌除磷的生化机理,已开始用分子诊断技术获取聚磷菌的遗传信息。在活性污泥中发现了30多种丝状菌,其中只有4种被准确命名及生物分类学定位,因为这些丝状菌大部分无法进行分离和纯培养。目前,用分子诊断技术将进行这些丝状菌进行生物学定位,以进一步准确了解其特性。随着分子诊断技术的大量应用和活性污泥微生物基因库的建立,并在此基础上,采用基因技术培育具有高效活性的污泥菌种,进一步提高污水处理效果将是未来的发展方向。

3.3曝气生物滤池

曝气生物滤池实质上就是常说的生物接触氧化池,相当于在曝气池中添加了供微生物栖附的填(滤)料,在填料下鼓气,其实是具有活性污泥特点的生物膜法。生物膜法处理城市污水,在国内尚需积累经验,处理规模不宜过大。

3.4生物处理法的新进展

生物处理法是目前研究得较多、新技术层出不穷的方法之一,无论是好氧生物处理技术,还是厌氧生物处理技术,都出现了许多新工艺。

3.4.1生物膜处理法的新进展

生物膜法最早出现的工艺是将污水喷洒在粗滤料上而得以净化的普通生物滤池,经过不断改进和发展,出现了一些新的人工生物处理设备。在它的基础上,衍生出了高负荷生物滤池、塔式生物滤池、生物转盘和生物接触氧化等。近年来,又出现了一些新型的生物膜法处理技术,如生物流化床,它是以砂、焦炭、活性炭等颗粒材料作为载体,其载体表面附着生长的生物膜,充氧后的污水以一定流速自下而上流动使载体处于流化状态,载体上的生物膜可以充分地与污水接触,从而提高了污水净化效率。

此外,还有空气流床、纯氧流动床、三相流化床和厌氧兼型流化床等工艺。活性生物滤池是将生物滤池、曝气池及二沉池结合为一体的新型污水处理工艺,它的特点是将生物滤池的部分出水回流,汇同二沉池的回流污泥一起进入生物滤池,用活性生物滤池处理生活污水和食品加工废水的试验，结果表明:该系统具有处理效果好、效率高、BOD容积负荷大、不发生污泥膨胀和耐冲击负荷等优点。另外,还有空气驱动的生物转盘、生物转盘和曝气池相结合、藻类转盘等。由于生物膜法的生态环境与活性污泥法的不同,在生物膜法的生态系统中,可以生长藻类、原生动物等,甚至可以生长硝化菌、反硝化菌等,因此该方法可以用来脱氮等。

3.4.2厌氧生物处理法的新发展

厌氧生物处理法是利用厌氧微生物在无氧的条件下将有机物进行分解的技术。由于处理效率低、速度慢、甲烷菌对环境要求严格且不易控制等缺点,厌氧生物处理法长期以来一般仅用于污泥处理,它的主要工艺是化粪池、消化池等。

但是,由于近年来随着能源危机及环境污染的加重,厌氧生物处理因其产物具有能源物质而受到人们的重视,一大批新的厌氧生物处理技术相继诞生,为了提高厌氧微生物的浓度,出现了使厌氧微生物附着在载体表面的厌氧生物膜处理方法,如厌氧生物滤池、厌氧转盘、厌氧膨胀床、厌氧接触氧化、厌氧档板反应器、厌氧流化床法以及上流式厌氧污泥床反应器(UASB),UASB是一种依靠微生物之间凝聚造粒而形成自己固定化的方法。还有人为固定微生物的包埋固定化法,它是人为地把增殖速度缓慢的厌氧微生物高浓度地保持在处理系统中,进而提高处理速度、缩小处理设备并可用于处理低浓度的有机污水。目前,厌氧生物处理法的发展趋势是与其它生物处理方法联用,如厌氧-好氧复合工艺等,它们具有投资少、节省能源、污泥产量少、出水水质好等一系列优点。目前厌氧生物处理法正朝着能处理低浓度有机污水,不仅能脱磷脱氮,而且运行维护方便、经济等方面发展。



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