城市低濃度污水處理工藝研究

陳俐

摘要：傳統(tǒng)的污水處理工藝面臨著同時(shí)高效脫氮除磷問題，而城市污水的碳源濃度較低卻使問題更加突出。文章綜述了低濃度污水處理技術(shù)研究的最新進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了生物膜法、A2/O工藝、序批式活性污泥法（SBR）、膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器（EGSB）與SBR組合工藝、厭氧折流板反應(yīng)器（ABR工藝）、人工濕地處理工藝等，并對(duì)我國(guó)城市污水脫氮除磷的研究方向提出展望。

關(guān)鍵詞：低濃度；污水處理；好氧工藝；厭氧工藝

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）10-0048-03

低濃度污水一般是指COD濃度低于1000mg·L-1或BOD濃度低于500mg·L-1的有機(jī)污水，主要由城市生活污水和各種稀釋的工業(yè)廢水等組成。低濃度污水由于碳源不足，無法為微生物提供足夠的養(yǎng)分，對(duì)生物處理中的脫氮除磷過程有著制約作用。生物除磷脫氮的原理是微生物在厭氧、缺氧、好氧的交替環(huán)境中，依靠硝化菌和反硝化菌的硝化—反硝化作用實(shí)現(xiàn)生物脫氮，依靠聚磷菌的厭氧釋磷—好氧攝磷作用實(shí)現(xiàn)生物除磷。脫氮除磷過程中的反硝化菌與聚磷菌間的矛盾主要由碳源競(jìng)爭(zhēng)引起，因?yàn)閰捬踽屃?、缺氧反硝化、好氧異養(yǎng)菌代謝都需要消耗碳源。其中反硝化和釋磷對(duì)于揮發(fā)性脂肪酸的競(jìng)爭(zhēng)尤為突出，為了充分釋磷，往往先滿足厭氧釋磷對(duì)碳源的要求，從而導(dǎo)致反硝化碳源的不足，影響處理系統(tǒng)脫氮的效果。因此，處理好低碳源條件下脫氮除磷的矛盾，進(jìn)而達(dá)到同時(shí)高效脫氮除磷的目的，成為了今后城市污水處理亟待解決的問題。

1 用于低濃度污水處理的主要工藝

一般來說，城市低濃度污水的處理多采用生物膜法、活性污泥法、厭氧處理工藝等，在環(huán)境允許的地方還可以考慮人工濕地處理方法。目前，活性污泥法等好氧工藝技術(shù)已經(jīng)研究發(fā)展得比較成熟，并應(yīng)用到了許多實(shí)際工程中，取得了比較好的成果。然而隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市污水排放量正逐年增長(zhǎng)，而好氧工藝由于使用了充氧設(shè)備，其能耗大，維護(hù)管理及運(yùn)行的費(fèi)用較高，已經(jīng)對(duì)財(cái)政造成了很大的困擾。相對(duì)于好氧工藝，厭氧生物處理法能耗少，運(yùn)行費(fèi)用低，且營(yíng)養(yǎng)鹽需要少，這對(duì)C/N小的生活污水來說尤為重要。因此在繼續(xù)挖掘好氧工藝潛力的同時(shí)，越來越多的研究者開始進(jìn)行低濃度污水的厭氧處理研究，并已取得了不錯(cuò)的成績(jī)。

1.1 序批式活性污泥工藝（SBR）

SBR法在我國(guó)城市污水處理中研究比較深入，技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。SBR工藝流程簡(jiǎn)單，污水在一個(gè)反應(yīng)池內(nèi)就可以完成生化反應(yīng)、沉淀、排水、排泥，在運(yùn)行費(fèi)用低的前提下可以取得比較高的脫氮除磷效果，耐沖擊負(fù)荷也比較強(qiáng)。然而傳統(tǒng)的SBR法存在水力時(shí)間停留過長(zhǎng)的問題，若管理不精準(zhǔn)，還會(huì)造成除磷效果不夠好，污泥膨脹等。將生化和物化兩方法協(xié)同起來，強(qiáng)化污水處理能力，成了研究人員關(guān)注的方向。往SBR反應(yīng)器內(nèi)分別投加各種無機(jī)混凝劑以組成SBR/混凝協(xié)同工藝來對(duì)城市污水處理進(jìn)行研究。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將新型復(fù)合混凝劑PISC以40mg·L-1的量在曝氣2h后投入SBR反應(yīng)器內(nèi)時(shí)對(duì)CODcr、SS和TP的去除效果最佳，分別達(dá)到了76.8%、87.8%和93.1%。此外PISC的投入可以使水力停留時(shí)間縮短1/3，有抑制污泥膨脹的效果，并能降低出水的SS。將粉末活性炭（PAC）以400mg·L-1的量投入SBR反應(yīng)器來進(jìn)行低濃度污水處理的試驗(yàn)研究。微生物能在活性炭的表面能形成一層生物膜，提高除磷效率，促使污泥沉降；不同種類的微生物形成的膜能形成好氧、缺氧和厭氧的區(qū)域，提高了反硝化效率。結(jié)果表明，投加了PAC的SBR反應(yīng)器對(duì)污水中COD、TN和TP的去除率分別為94.9%、67.7%和96.6%。

1.2 生物膜法

生物膜法可用來處理低濃度污水，對(duì)水質(zhì)水量變動(dòng)有較強(qiáng)的適應(yīng)性，其污泥沉降性能好，宜于固液分離。但生物膜法不若活性污泥法的人工強(qiáng)化，而是趨于自然凈化原理，其生物量不夠大，導(dǎo)致處理效果不夠好，更由于成本問題，生物膜法一般應(yīng)用在小型污水廠或廢水廠。為順應(yīng)當(dāng)今時(shí)代的要求，低成本的生物膜法技術(shù)吸引了研究者的眼光。他們利用透水混凝土生物膜來處理城市污水，這種生物膜是由混凝土原材料和活性材料ATV-C按一定比例組成的固體膜片，上面有預(yù)留的透水孔，其構(gòu)造成本很低。經(jīng)過試驗(yàn)研究，在進(jìn)水流量為1.1～1.25L·min-1，回流量為4.5～6L/min，停留時(shí)間為1.5h，BOD5負(fù)荷為850g/（d·m3）的條件下，對(duì)CODcr、NH3-N、BOD5的去除率分別達(dá)到了76.0%、54.1%和94.9%，但這種生物膜對(duì)TP的去除效果不明顯，需要再進(jìn)行深入研究。

1.3 A2/O工藝處理低濃度污水

A2/O生物脫氮工藝是將傳統(tǒng)的活性污泥、生物硝化工藝結(jié)合起來，取長(zhǎng)補(bǔ)短，更有效的去除水中的有機(jī)物。A2/O工藝的內(nèi)在固有缺欠就是硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有機(jī)負(fù)荷、泥齡以及碳源需求上存在著矛盾和競(jìng)爭(zhēng)，很難在同一系統(tǒng)中同時(shí)獲得氮、磷的高效去除，阻礙著生物除磷脫氮技術(shù)的應(yīng)用。西朗污水處理廠對(duì)傳統(tǒng)A2/O工藝和UCT工藝進(jìn)行改進(jìn)，綜合了它們的優(yōu)點(diǎn)，使得這個(gè)改良的工藝具有脫氮除磷效果更好的優(yōu)勢(shì)。改良A2/O工藝是在厭氧池、缺氧池和好氧池前增設(shè)了一個(gè)預(yù)缺氧池，這樣就保證了聚磷菌在厭氧段內(nèi)的釋放磷的能力及好氧段內(nèi)的吸磷能力，加強(qiáng)了除磷的效果。由預(yù)缺氧池接收沉淀池回流的污泥，從好氧池回流的混合液進(jìn)入缺氧池，這種分開回流的模式減少了進(jìn)入?yún)捬醭貎?nèi)的硝酸鹽，提高了脫氮的效率。經(jīng)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)西朗污水廠對(duì)BOD5、COD、氨氮、TN、TP的去除率分別達(dá)到了93.5%、84.7%、96.9%、61.5%、78.9%。在A2/O工藝中，污泥齡對(duì)COD、TN、氨氮等的去除不產(chǎn)生大的影響，但它是影響除磷的一個(gè)重要因素。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)污泥齡為12d時(shí)，A2/O工藝的綜合處理效果最好。而將AOA工藝與生物接觸氧化法組合起來形成一套一級(jí)強(qiáng)化生物絮凝吸附的高效、低耗新型系統(tǒng)后經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩者之間最大程度地利用了生物絮凝階段的高負(fù)荷及接觸生物膜過濾的低負(fù)荷，將各自優(yōu)勢(shì)更好地發(fā)揮出來，并增加抗沖擊負(fù)荷的能力。研究表明，在進(jìn)水體積流量為1.0m-3·d-1、吸附池F/M為2.8kgCOD·kg-1MLSS·d-1、水力停留時(shí)間為1.5h時(shí)，這個(gè)組合系統(tǒng)的效率最高，對(duì)SS、COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分別達(dá)到了84.12%、86.37%、74.18%、75.23%、42.68%。

1.4 膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器（EGSB）與SBR的組合工藝

EGSB反應(yīng)器是對(duì)常規(guī)的高效厭氧反應(yīng)器UASB進(jìn)行改善后制造出來的污水處理反應(yīng)器，它以增大流速和加快出水循環(huán)來更有效地利用反應(yīng)器空間，具有更高的運(yùn)行效率。和純粹EGSB和SBR工藝相比，EGSB-SBR組合工藝對(duì)COD，TP，TN等的去除更為徹底，其出水指標(biāo)可以達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。污水先通過調(diào)節(jié)池之后再通過EGSB反應(yīng)器，最后通過SBR反應(yīng)器，這樣能有效彌補(bǔ)這兩種工藝的缺陷，對(duì)有機(jī)物的去除，硝化和反硝化進(jìn)行合理安排。經(jīng)過試驗(yàn)研究，當(dāng)HRT為3h，COD容積負(fù)荷為3.5kg·m-3·d-1，EGSB反應(yīng)器的上升流速為6.5～7m·h-1時(shí)，COD的去除率最高，達(dá)到95%。接著用SBR反應(yīng)器對(duì)EGSB反應(yīng)器的出水作進(jìn)一步處理，以除去污水中尚未達(dá)標(biāo)的氮和磷。當(dāng)選用污泥齡為20～30d的污泥時(shí)，SBR反應(yīng)器的除磷效果最好，能達(dá)到90%以上；當(dāng)厭氧階段的DO質(zhì)量濃度控制在0.2mg·L-1以下時(shí)，SBR反應(yīng)器就能取得很好的脫氮效果，脫氮率達(dá)到了90%以上。

在厭氧條件下，污水中氨與硝酸鹽的消失是同時(shí)發(fā)生的，表現(xiàn)為5NH4++3NO3-→4N2+9H2+2H+ ΔG=-297kJ/MOL（NH4+）

即該反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行，這使得這個(gè)組合工藝的脫氮效率非常理想。而在6℃～15℃的范圍內(nèi)，EGSB-SBR組合工藝對(duì)TP的去除率能達(dá)到88.6%。

1.5 厭氧折流板反應(yīng)器（ABR工藝）

厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）是一種新型高效的處理工藝，不僅在處理高濃度有機(jī)廢水的研究和應(yīng)用方面取得了較大的進(jìn)展，而且在處理低濃度污水方面也越來越引起重視。ABR反應(yīng)器可看成是由多個(gè)上流式厭氧污泥床（UASB）的連接而成，對(duì)低濃度污水有良好的處理效率。它具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低、生物截留能力強(qiáng)、水力停留時(shí)間短、耐水力以及有機(jī)物沖擊、對(duì)有毒物質(zhì)沖擊抵抗力和恢復(fù)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。ABR的工藝設(shè)計(jì)中分格數(shù)對(duì)處理效果具有較大的影響，在處理較低濃度污水時(shí)，ABR分格數(shù)控制在3～4格較好。將進(jìn)水COD濃度控制在400mg·L-1以內(nèi)，用BOD5∶N∶P（質(zhì)量比）=（150～300）∶5∶1的葡萄糖配水模擬生活污水進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)水力停留時(shí)間、污泥濃度、有機(jī)負(fù)荷、溫度等不同程度地影響ABR反應(yīng)器運(yùn)行效率。當(dāng)平均溫度為29.6℃，水力負(fù)荷為2.93m3·m-3·d-1，HRT為0.041d時(shí)，ABR對(duì)CODcr的去除效率最高，達(dá)到了92%以上。李清雪等采用ABR-好氧組合工藝來處理COD濃度為688mg·L-1的生活污水，試驗(yàn)證明，這個(gè)組合工藝對(duì)COD的去除率能穩(wěn)定在84.2%附近，但對(duì)氨氮的去除效果

不佳。

1.6 人工濕地處理工藝

由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，建造成本低，操作及管理維護(hù)容易，運(yùn)行起來費(fèi)用低廉，有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力，能夠處理低負(fù)荷污水并能達(dá)到一定效果，人工濕地在許多地方及各種性質(zhì)的污水處理方面均有應(yīng)用。用粉煤灰和細(xì)煤渣配合使用作為基質(zhì)，再按適當(dāng)?shù)谋壤涑商盍咸幚碇鶃硖幚淼蜐舛壬钗鬯コ鼵OD的效果非常好，約70%；而用粉煤灰和空心磚磚塊配合使用作為基質(zhì)的處理柱在處理污水時(shí)，去除NH3-N和TP的綜合效率分別達(dá)到了89%和81%。深圳白泥坑人工濕地采用了蘆葦/大米草濕地、茫荼/蘆葦濕地和蘆葦/茫荼濕地串聯(lián)運(yùn)行的方式，使得BOD和NH4-N去除效果很好，分別達(dá)到了90%和50%以上。近年來，將人工濕地與其他工藝聯(lián)合起來處理城市污水也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，這樣可以有效彌補(bǔ)人工濕地處理工藝在某些方面的不足。利用 “接觸氧化+生物滴濾池+潛流人工濕地+氧化塘”的組合工藝來處理進(jìn)水COD濃度為62.36mg·L-1，TP為1.04mg·L-1，TN為18.29mg·L-1的低濃度污水，在溫度為6.0℃～11.4℃在低溫條件下取得了比較好的凈化效果。經(jīng)測(cè)試，這個(gè)組合工藝對(duì)對(duì)COD、TP和TN的去除率分別為83.6%、66.8%和55.2%。

2 結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)的城市污水處理廠進(jìn)水濃度普遍偏低，碳源不足，脫氮效率難以保證。而怎樣解決好這個(gè)問題，有學(xué)者已為我們指明了方向：清華大學(xué)的一些學(xué)者提出了以垃圾滲濾液作為碳源投加到低碳源城市污水中，該技術(shù)以廢治廢，能節(jié)約垃圾滲濾液處理費(fèi)和污水廠投加甲醇等碳源成本；另一方面，合理地選擇排水系統(tǒng)的體制，加強(qiáng)雨污聯(lián)合調(diào)控的要求，從而達(dá)到提高城市污水中的碳源濃度的目的。

在城市低濃度污水處理工藝方面，各類好氧工藝與厭氧工藝都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。以好氧活性污泥法為主的城市污水處理技術(shù)雖然對(duì)污染物的去除率高且穩(wěn)定，但占地面積大，管理運(yùn)行費(fèi)用高。而厭氧處理工藝正不斷發(fā)展和完善，其低能耗、占地少、管理簡(jiǎn)便等優(yōu)越性已逐漸為人們所認(rèn)識(shí)。厭氧生物處理具有節(jié)約能源并產(chǎn)生能源的的優(yōu)點(diǎn)，其剩余污泥量低，容積負(fù)荷大，開發(fā)和利用厭氧生物技術(shù)進(jìn)行污水處理必然能夠同時(shí)起到減輕污染和緩解能源短缺的功效。但厭氧工藝對(duì)氮、磷等的去除不夠穩(wěn)定，對(duì)病菌等的去除能力也不夠，所以厭氧處理工藝的發(fā)展應(yīng)跟好氧處理工藝相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短。

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