城市污水处理工艺及其发展

城市污水处理技术作为环境学科的一个分支,就我国目前的状况来看, 整体上已有了很大的进步,但还落后于我国城市发展的水平。近些年来, 虽然研究、开发了一些设备和工艺, 但总体上主要是借鉴和引进国外的一些先进工艺、经验和设备。

　　1 　一级处理工艺及其发展趋势

　　一级强化处理技术分为两类:一类侧重于物化机理, 一类侧重于微生物的絮凝吸附原理。目前国内外研究的一级处理工艺主要如下。

　　1 .1 　活化污泥法

　　活化污泥法是根据絮凝动力学和生物吸附理论提出“絮凝吸附—沉淀—活化”的城市污水强化一级处理工艺。该工艺对污染物去除的强化作用主要包括污泥的絮凝、吸附和生物代谢3 种, 以前两者的作用为主。

　　该工艺的特点是未经沉淀的生活污水原水与生物污泥同时进入混合反应器(絮凝吸附池), 两者在机械搅拌作用下充分混合, 经充分絮凝吸附反应后,大量污染物质被絮凝吸附进入污泥絮体, 出水进入沉淀池, 实现固液分离, 而沉淀池出水就是最终出水(见图1)。为了恢复沉淀池饱和污泥的生物絮凝吸附活性, 将沉淀污泥短时间曝气活化, 以部分降解吸附的有机物, 产生适量的微生物絮凝物质, 改善污泥的沉降性能, 同时保持污泥的好氧状态, 避免变黑、发臭。此过程在污泥活化池里进行, 能耗远低于二级生物氧化反应。该工艺是适用于环境状况亟待改

　　善而经济欠发达地区的一种新型实用技术。

　　图1　活化污泥法工艺流程

　　1 .2 　混凝沉淀强化法

　　混凝沉淀强化法目前主要应用于给水处理和部分工业废水处理。由于需要投加大量的混凝剂且污水水质常常急剧变化, 限制了其在城市污水处理领域中的应用, 一般仅应用于城市污水的深度处理中。近年来, 随着许多新型、高效、廉价的混凝剂的出现和自动化技术的广泛应用, 混凝法与污水生物处理法相比具有了较强的竞争力。

　　例如, 对北京市城市污水进行试验, 结果表明,两种传统混凝剂(FeCl3 和聚合硫酸铁)及一种国外引进的混凝剂(Biofloc), 经过混凝沉淀强化一级处理后, 污水中COD 的去除率可达50 %～ 80 %, 而处理成本仅为二级处理的1/5 ～ 1/3 , 既能有效地削减污染物总量, 又节约了治理资金, 在现阶段十分符合我国国情。此外, 经强化一级处理后的污水再进行二级处理时, 停留时间可以大大缩短, 减少能耗, 提高出水水质。

　　1 .3 　应用及其发展趋势

　　就我国目前的污水处理状况来说, 污水处理率一直较低, 而解决城市污水污染的根本措施是建设以生物处理为主体工艺的二级城市污水处理厂, 但这需要大量的投资和高额运行费用。对我国不少地区, 特别是经济欠发达地区和中小城市而言, 有必要应用投资低、污染物去除率较高的城市污水强化一级处理工艺。根据我国目前水处理的发展状况, 混凝沉淀强化一级处理工艺在我国应用较多。

　　目前一级处理工艺的发展主要集中在研究和应用高效、廉价的絮凝剂以及微生物絮凝剂, 同时研究无机絮凝剂与其他各类絮凝剂协同作用效果, 以及对一级处理工艺设备的优化选型等方面。

　　2 　二级处理工艺及其发展趋势

　　二级处理工艺流程的发展主要是在原有的传统处理工艺流程上进行某一个方面的强化处理, 使某一处理水的某一或某几个指标达到一定的标准。

　　2 .1 　序批式工艺

　　2 .1 .1 　传统的SBR 法

　　SBR 工艺即间歇活性污泥法, 它由一个或多个曝气反应池组成, 污水分批进入池中, 经活性污泥净化后, 上清液排出池外即完成一个运行周期。每个工作周期顺序完成进水、反应、沉淀、排放4 个工艺过程。

　　SBR 工艺的特点是具有一定的调节均化功能,可缓解进水水质、水量波动对系统带来的不稳定性。工艺处理简单, 处理构筑物少, 曝气反应池集曝气、沉淀、污泥回流于一体, 可省去初沉池、二沉池及污泥回流系统, 且污泥量少, 易于脱水, 控制一定的工艺条件可达到较好的除磷效果, 但也存在自动控制和连续在线分析仪器仪表要求高的缺点。

　　2 .1 .2 　CASS 工艺

　　CASS 工艺是一种连续进水式SBR 曝气系统, 不仅具有SBR 工艺简单可靠、运行方式灵活、自动化程度高的特点, 且除磷脱氮效果明显。这一功能主要实现于CASS 池通过隔墙将反应池分为功能不同的区域, 在各分格中溶解氧、污泥浓度和有机负荷不同, 各池中的生物也不相同。整个过程实现了连续进、出水。同时在传统的SBR 池前或池中设置了选择器及厌氧区, 提高了除磷脱氮效果(见图2)。

　　图2　CASS 工艺流程

　　CASS 工艺的特点是对污水预处理要求不高, 只设间隙15mm 的机械格栅和沉砂池。生物处理核心是CASS 反应池, 除磷、脱氮、降解有机物及悬浮物等功能均在该池内完成, 出水可达标排放。

　　2 .1 .3 　MSBR 法

　　MSBR工艺是20 世纪80 年代初期发展起来的污水处理工艺, 经过不断改进和发展, 目前最新的工艺是第三代工艺, 其工作原理如图3 所示。

　　图3 　MSBR 工艺流程

　　MSBR 工艺的特点是系统从连续运行的单元(如厌氧池)进水, 从而加速了厌氧反应速率, 改善了系统承受水力冲击负荷和有机物冲击负荷的能力;同时, 由于MSBR 工艺增加了低水头、低能耗的回流设施, 极大地改善了系统中各个单元内MLSS 的均匀性。可见,MSBR 系统是由A2/O 系统与SBR 系统串联组成, 并集合了两者的全部优势, 因而出水水质稳定、高效, 并有极大的净化潜力。

　　2 .1 .4 　UNITANK 系统

　　SEGHERS 公司提出的UNITANK 系统是SBR 法的又一种变形和发展, 它集合了SBR 和传统活性污泥法的优点, 一体化设计, 不仅具有SBR 系统的主要特点, 还可以像传统活性污泥法那样在恒定水位下连续运行。

　　UNITANK 系统的特点是构筑物结构紧凑, 一体化。可根据好氧过程的DO 检测与缺氧和厌氧过程的ORP 在线检测, 通过改变供气量, 切换进出水阀门, 改变好氧、缺氧及厌氧的反应时间等, 高水平地实现系统的时间和空间控制, 高效地去除污水中的有机物及脱氮除磷, 且水力负荷稳定。交替改变进水点, 可以相应改善系统各段的污泥负荷, 进而改善污泥的沉降性能(见图4)。

　　图4　好氧UNITANK 系统流程

　　脱氮除磷过程更能通过抑制丝状菌生长来控制污泥膨胀。3 个池可以被完全加盖封闭或建在地下, 废气可以收集处理, 既有利于布置、保温, 又避免系统对周围环境产生不良影响(见图5)。

　　图5　脱氧除磷UNITANK 系统流程

　　目前, 我国石家庄高新技术产业开发区污水处理厂日处理污水10 万t , 就是采用的该工艺。

　　2 .1 .5 　DAT-IAT 工艺

　　DAT-IAT 工艺是一种SBR 法的变形工艺, 主体构筑物由两个串联的反应池组成, 即需氧池(demandaeration tank)和间歇曝气池(intermittent aerationtank)。一般情况下DAT 池连续进水、曝气, 其出水进入IAT 池, 在IAT 池完成曝气、沉淀、滗水和排除剩余活性污泥。主要过程分为进水、反应、沉淀、排水、闲置等几个过程(见图6)

　　图6　DAT-IAT 工艺流程

　　DAT-IAT 工艺的特点是运行稳定、处理效率高、出水质量好、处理构筑物少、处理流程简化、建设费用少、自动化程度高、操作运行简单、调度灵活、节省占地面积, 可达到脱磷脱氮的目的。天津经济技术开发区污水处理厂就是使用的该工艺。

　　2 .2 　脱氮除磷工艺

　　2 .2 .1 　A2/O 工艺

　　A2/O 工艺为厌氧—缺氧—好氧生物脱氮除磷工艺, 该工艺能对BOD5 , SS , 氮、磷都有很高的去除效果, 因此又称为生物脱氮除磷工艺。

　　A2/O 工艺将生物反应池分为厌氧段、缺氧段和好氧段。在厌氧段, 回流污泥中的聚磷菌释放磷, 同时BOD5 得到部分去除。进入好氧段, 聚磷菌又变本加厉地吸收磷, 污泥成为高磷污泥, 通过排放剩余污泥的方式, 将磷去除;BOD5 得到更进一步去除, 同时NH3-N 被硝化, 通过含硝酸盐混合液的内回流方式, 使其NHx-N 在缺氧段进行反硝化脱氮, 因而该工艺具有同时生物脱氮除磷的功能(见图7)。

　　图7　A2/ O 工艺流程

　　A2/O 工艺处理效率较高, 适用于要求脱氮除磷的大中型城市污水厂, 但基建费和运行费均高于普通活性污泥法, 运行管理要求高, 所以对目前我国国情来说, 当处理后的污水排入封闭性水体或缓流水体引起富营养化从而影响给水水源时, 才采用该工艺。

　　2 .2 .2 　A/O 工艺

　　A/O 工艺也是城市污水生物脱氮技术的一种。这种工艺是在曝气池前增加厌氧、全混合反应池, 原污水经过预处理后在这个池内与回流污泥充分混合。

　　A/O 工艺的特点是处理的水质好, 氮、磷的含量都较低, 且不需要再增加脱氮除磷的三级处理工艺,剩余污泥量较一般生物处理系统少, 沉降性能也好,易于脱水。但该工艺对没经过硝化处理的污水不适用, 同时由于回流污泥中有硝酸盐及亚硝酸盐的存在, 将阻碍磷在厌氧池内的溶解。

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

　　由于在A/O 工艺中, 污泥回流很难保证100 %不含硝酸盐及亚硝酸盐, 为了彻底排除硝酸盐及亚硝酸盐对除磷的干扰,UCT 工艺不将污泥回流到磷释放池, 而是回流到其后的反硝化池。在硝化池内排除硝酸盐和亚硝酸盐后, 再引入磷释放池与原污水混合, 接下来是一组硝化与反硝化池(见图8)。

　　图8 　UTC 工艺流程

　　2 .2 .4 　改良的UCT 工艺

　　该工艺又称为MUCT 工艺, 其有两个缺氧池, 前一个接受二沉池回流污泥, 后一个接受好氧硝化混合液, 将污泥的脱氮与混合液的脱氮分开, 进一步减少硝酸盐进入厌氧区的可能(见图9)。

　　图9 　MUCT 工艺流程

　　2 .2 .5 　VIP 工艺

　　VIP 工艺是UCT 工艺的改进型, 其工艺流程与UCT 工艺相同, 但其厌氧、缺氧和好氧3 个反应器都是由多个混合反应器串联组成。分格方式形成了有机物浓度的梯度分布, 提高了厌氧释磷和好氧摄磷的速度。其特点是有机负荷高于UCT 工艺, 泥龄短, 反应器总容积小于UCT 工艺。

　　2 .3 　运用及其发展趋势

　　城市生活污水处理主要去除悬浮物、溶解性有机物、氮和磷。对于日处理能力在20 万t 以上的城市污水处理厂, 最适宜的工艺是活性污泥法及其变形工艺, 主要是鼓风曝气的完全混合式活性污泥法和氧化沟工艺。对于日处理能力在5 万～ 20 万t 的城市污水处理厂, 除上述两类工艺外, 还可以采用序批式活性污泥法(SBR 工艺)。日处理能力在1 万～5 万t 的城市污水处理厂可采用的技术比较多, 近年各种新工艺不断产生, 但总体应用上仍以活性污泥法为主。根据要求的不同可以分为:①以去除有机碳为目的:活性污泥法、氧化沟、SBR 工艺、生物滤池、曝气生物滤池、接触氧化法。②以除碳脱氮为目的:A/O 法、氧化沟、交替运行氧化沟、SBR 工艺、CASS 工艺、UNITANK 工艺等。③以除碳脱氮除磷为目的:A2/O 法、交替运行氧化沟、SBR 工艺等。

　　结合国内外目前的二级处理工艺, 其发展趋势主要表现在:处理系统一体化的研究与开发, 组合式污水处理工艺研究, 污水的综合处理、零排放研究,污水处理系统的过程控制研究, 污水处理系统的仪表设备研究。

　　3 　三级处理工艺及其发展趋势

　　近年来, 我国已经开始重视三级处理工艺的研究开发, 目前用得比较多的三级处理工艺可以分为常规工艺、MBR 技术和LM 深度处理技术。

　　3 .1 　常规工艺

　　常规的三级处理工艺是在生物处理之后增加混凝、过滤、消毒等常规处理过程, 有砂滤、膜滤、反渗透、UV 消毒、液氯、臭氧消毒等。一般来说这些处理方式单位水处理成本比较低, 在经济上比较可行。

　　3 .2 　MBR技术

　　MBR 技术又称为膜生物反应器技术, 利用了膜分离的选择性和高效性, 同时又利用了生物处理工程的有效性和彻底性, 将水中的有害物质最大限度地除去。MBR 工艺的特点是用膜分离系统代替了普通活性污泥法中的二沉池, 减少了传统工艺大部分的处理单位, 节省了大量投资, 而且耗能和一般传统的水处理工艺相近。污水在处理设备中的停留时间短, 对COD ,NH3-N 的去除率极高, 出水水质达到了生活杂用水水质的标准。

　　3 .3 　LM深度处理工艺

　　LM 深度处理工艺是一种全新的生态处理工艺,在厌氧池加好氧池的基础上加入了改进的曝气氧化塘和高效湿地两个深度处理单元, 使出水水质达到了生活杂用水的标准。其工艺流程是:生物厌氧池—封闭好氧池—开放好氧池—澄清池—人工湿地—UV 消毒—蓄水池—回用, 或者以接触氧化池和生态氧化槽代替封闭好氧池和开放好氧池。

　　LM 深度处理工艺的特点是剩余污泥少、运行费用低、管理方便, 还具有美化景观的功能。该方法和其他水处理工艺相比比较经济。

　　3 .4 　运用状况及其发展趋势

　　目前我国的三级处理工艺中运用一般的常规处理工艺较多, 现阶段MBR 方法也有了广泛运用, 比如在北京长安街生活小区的回用水处理。就我国目前的实际情况来看, 由于常规工艺处理比较方便, 且应用技术也较成熟, 一般在选取工艺时仍选用常规处理工艺。

　　国内外目前广泛研究的主要是通过微滤和反渗透技术来处理二级处理后的污水, 以达到回用水的标准, 图10 是该处理工艺流程的典型例子。

　　图10　污水回用试验工艺流程

　　湿地系统在国外有着广泛的应用, 目前我国也开始了这方面的研究工作。由于我国环境污染加剧, 淡水资源巨减, 相信三级处理工艺必将越来越受到重视。