城鎮(zhèn)小區(qū)生活污水回用處理技術(shù)與工藝綜述

趙 娜

（沈陽(yáng)市給排水勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110021）

目前，我國(guó)城市年缺水量高達(dá)58.4 億m3，如果全國(guó)廢水回用率達(dá)到10%，就可提41.4 億m3的供水量，解決城市缺水量的70.9%。而污水再生成本是海水淡化的1/3-1/5，優(yōu)先回用污水在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)兩方面都是可行的[1-2]。由此可見(jiàn)污水的再生利用是有效緩解大批城市缺水問(wèn)題的重要措施，而小區(qū)生活污水回用是污水再生利用的重要組成部分。

小區(qū)是具有一種或多種功能的相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域，通常意義上指的是居民生活住宅。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城鄉(xiāng)結(jié)合部附近的經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)不斷出現(xiàn)，由于沒(méi)有或短期內(nèi)無(wú)法完善市政排水管網(wǎng)，大部分小區(qū)的污水就近排入地面水體，導(dǎo)致地面水體水質(zhì)惡化，污染了周?chē)h(huán)境。因此，在小區(qū)建立中水回用系統(tǒng)，既能防治污染，又能解決城市缺水問(wèn)題。小區(qū)生活雜用水的用途包括沖廁、綠化澆灌、水景、空調(diào)補(bǔ)水、洗車(chē)、地面沖洗等[2]。這些生活雜用水對(duì)水質(zhì)并無(wú)過(guò)高要求，這就為小區(qū)中水的回用提供了可能。小區(qū)污水具有數(shù)量較大、就近可得、易于收集、處理技術(shù)也相對(duì)比較成熟等特點(diǎn)，城鎮(zhèn)小區(qū)生活污水回用可減少市政供水管網(wǎng)的壓力，同時(shí)也緩解了市政排水管網(wǎng)和污水處理設(shè)施的壓力，作為小區(qū)生活雜用水的第二水源它要比長(zhǎng)距離引水更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用[3-4]

1 UCT-HMBR復(fù)合式膜生物工藝

復(fù)合式膜生物反應(yīng)器（UCT-Hybrid Membrane Reactor，UCT-HMBR），是將UCT工藝與生物膜以及膜過(guò)濾技術(shù)相結(jié)合，從工藝和生物生長(zhǎng)方式兩個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器（Membrane Bioreactor，簡(jiǎn)稱(chēng)MBR）做了改進(jìn)。

一方面，針對(duì)目前生物法一般很難達(dá)到除磷標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，采用了公認(rèn)的脫氮除磷效果較好的UCT工藝，該工藝具有流程短、效果好、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。UCT工藝與MBR系統(tǒng)相結(jié)合提高了系統(tǒng)的脫氮除磷能力，對(duì)溶解性有機(jī)物、氨氮、總氮和磷的去除主要依靠UCT活性污泥系統(tǒng)，當(dāng)活性污泥系統(tǒng)去除COD效果不佳的時(shí)候，MBR系統(tǒng)對(duì)出水起到了保證作用，去除濁度則主要靠膜的截留作用[1]。

另一方面，在好氧區(qū)投加填料構(gòu)成復(fù)合式反應(yīng)器，既減輕了膜污染，又進(jìn)一步提高了系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果和抗沖擊負(fù)荷能力。HMBR內(nèi)生物膜和懸浮污泥共同生長(zhǎng)，生物群落結(jié)構(gòu)多樣化，生物食物鏈長(zhǎng)，有效改善了污泥性狀，提高其處理能力和抗沖擊負(fù)荷能力。MBR的污泥停留時(shí)間較長(zhǎng)，而小區(qū)生活污水的有機(jī)污染物含量較少，容易引起污泥膨脹，投加填料使部分微生物附著生長(zhǎng)，改善了傳統(tǒng) MBR系統(tǒng)內(nèi)污泥絮體松散的性狀，降低了系統(tǒng)懸浮活性污泥的濃度，克服了傳統(tǒng)活性污泥MBR系統(tǒng)易膨脹、易發(fā)生膜污染等缺點(diǎn)。因生物載體的介入而形成的生物膜具有多層結(jié)構(gòu)，從外至內(nèi)因氧傳遞阻力的增加而形成氧濃度梯度，進(jìn)而構(gòu)成了外層以好氧為主，內(nèi)層以缺氧或厭氧為主的微環(huán)境，有利于提高系統(tǒng)的生物脫氮除磷能力[2]。

2 SBR反硝化除磷脫氮工藝

近年來(lái)但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的深入，使SBR在城市污水、工業(yè)廢水中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，目前SBR脫氮除磷工藝已經(jīng)成為各國(guó)競(jìng)相開(kāi)展的熱門(mén)工藝。

呂娟[3]采用厭氧（1.5 h）、好氧（1 h）、缺氧（1 h）、好氧（20 min）、缺氧（1 h）、好氧（20 min）多級(jí)交替的序批式反應(yīng)器，通過(guò)對(duì)曝氣時(shí)間、交替次數(shù)的調(diào)整對(duì)脫氮除磷效果進(jìn)行研究，即(AO)3SBR。研究結(jié)果表明該系統(tǒng)無(wú)論是對(duì)人工配水還是生活污水的脫氮除磷效果都很理想，COD、TN、TP去除率可分別達(dá)到88%、89%、99%和85%、75%、99.5%。

王羅春[4]以人工配水為研究對(duì)象，采用厭氧 1.5 h、好氧1 h、缺氧3 h、好氧0.5 h交替運(yùn)行的SBR序批式反應(yīng)器，在DO=2.5 mg/L，SRT=15 d下，獲得了理想的脫氮除磷效果，人工配水中COD、TN、TN去除率分別為90.46%、96.26%、99. 87%。

黃榮新[5]研究表明，當(dāng)NO2--N濃度大于30 mg/L時(shí)，對(duì)生物反硝化除磷存在嚴(yán)重抑制影響，而NO2--N濃度低于25 mg/L時(shí)，NO2--N不僅可以作為良好的電子受體，而且隨著NO2--N濃度的升高，在缺氧段的最大吸磷速率也逐步升高。呂娟[3]將NO2--N濃度分別控制在5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L，對(duì)缺氧狀態(tài)下磷的去除效果進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著 NO2--N含量的增加，吸磷速率明顯下降，但當(dāng)NO2--N濃度在20 mg/L時(shí)，反硝化2 h仍可去除近5 mg/L的磷，這表明，當(dāng)NO2--N濃度在20 mg/L時(shí)，并未對(duì)吸磷作用完全抑制。張超[6]使用人工配水，在SBR系統(tǒng)內(nèi)以厭氧/好氧/缺氧的運(yùn)行方式，控制 SRT=15 d，MLSS=3 200 mg/L，DO=2.5 mg/L，氮、磷去除效果最佳，TN、TP、COD去除率分別為96.26%、99.87%、90.46%。吳昌[7]采用A2/O工藝，對(duì)反硝化除磷的影響因素進(jìn)行研究，研究表明C/N比越低，缺氧吸磷占總磷比例越大，但C/N比太低會(huì)導(dǎo)致這個(gè)系統(tǒng)TN的去除率偏低。當(dāng)C/N比低于4時(shí)，反硝化除磷的比例高達(dá)60%以上，但TN的去除率僅62%。

唐艷葵[8]采用厭氧/好氧/缺氧的運(yùn)行方式，在SBR中對(duì)以反硝化聚磷菌含量可高達(dá)為優(yōu)勢(shì)菌的活性污泥進(jìn)行顆?；囼?yàn)結(jié)果表明，當(dāng)以厭氧/缺氧方式運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)具有良好的反硝化除磷性能，缺氧結(jié)束時(shí)除磷率＞96%，外加NO3--N對(duì)反硝化吸磷速率有一定的影響，而且與經(jīng)富集培養(yǎng)的反硝化聚磷污泥相比，顆粒污泥的去除效果更高，也較為穩(wěn)定。

3 BAF曝氣生物濾池工藝

曝氣生物濾池（Biological Aeratel Filter，BAF）又叫淹沒(méi)式曝氣生物濾池，由法國(guó)CGE公司開(kāi)發(fā)，國(guó)外從20世紀(jì)初開(kāi)始進(jìn)行該工藝的研究，于80年代末基本成型。90年代以來(lái)有關(guān)曝氣生物濾池的技術(shù)方法和工藝流程不斷進(jìn)行改進(jìn)和完善，應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，不僅用于污水的二級(jí)處理，也被用于污水中的除磷和硝化反硝化，甚至用于微污染水的預(yù)處理。曝氣生物濾池的類(lèi)型和操作方式有多種，各具特點(diǎn)，但其基本原理是一致的。也可以通過(guò)硝化和反硝化除氮。其工作原理主要是過(guò)濾、吸附和生物代謝。該工藝將污水生物處理過(guò)程和懸浮物去除過(guò)程結(jié)合在一起，可同時(shí)起到普通曝氣池、二沉池和砂濾池的作用[9]。

4 SBBR序批式生物膜工藝

序批式生物膜反應(yīng)器（Sequencing batch biofilm reactor，SBBR），是在SBR反應(yīng)器內(nèi)投加載體，使部分微生物附著在載體上，呈附著態(tài)和懸浮態(tài)生長(zhǎng)，同時(shí)兩種類(lèi)型的微生物達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，吸附在填料上的生物膜能保證世代時(shí)間較長(zhǎng)的硝化菌生存，利于硝化過(guò)程的正常進(jìn)行，同時(shí)生物膜載體從表面到內(nèi)部存在溶解氧濃度梯度現(xiàn)象，有利于生物自養(yǎng)脫氮的實(shí)現(xiàn)。既提高了系統(tǒng)內(nèi)微生物的濃度，又增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力[10]。

在反硝化反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，反硝化細(xì)菌可利用的碳源可分為三類(lèi)：①外加碳源，當(dāng)廢水中 BOD5：TN＜（3～5）∶1時(shí)需投加；②廢水本身的有機(jī)碳源，當(dāng)廢水中BOD5：TN＞（3～5）∶1時(shí)，不用額外投加碳源就能達(dá)到脫氮目的；③內(nèi)碳源，活性污泥和吸附在載體上的生物膜中的微生物死亡自溶后釋放出來(lái)的有機(jī)碳，也可以作為反硝化反應(yīng)的碳源，即貯存性反硝化反應(yīng)。孫永利[11]在城鎮(zhèn)污水處理廠外加碳源的選擇研究試驗(yàn)中，分別以乙酸鈉、葡萄糖和白砂糖作為外加碳源，考察了其對(duì)生物處理系統(tǒng)反硝化脫氮效果的強(qiáng)化作用。結(jié)果表明，以乙酸鈉為碳源時(shí)的反硝化速率約為以葡萄糖和白砂糖為碳源時(shí)的2倍，而在同等COD投加當(dāng)量下的有效作用時(shí)間約為葡萄糖和白砂糖的一半。王洪貞[12]針對(duì)城鎮(zhèn)污水處理中碳源不足影響系統(tǒng)脫氮能力的問(wèn)題，分別以乙酸鈉、葡萄糖、甲醇作為外加碳源，考察各碳源對(duì)活性污泥脫氮能力的影響。研究結(jié)果表明，在乙酸鈉投加量分別為 50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L的條件下，NO3--N去除率分別為 68.8%、85.8%、100%；在葡萄糖投加量 50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L的條件下NO3--N去除率分別為47.3%、64.3%、76.2%。因此，乙酸鈉可以作為高效外源性碳源用作城鎮(zhèn)污水脫氮除磷。

5 ANAMMOX厭氧氨氧化工藝

厭氧氨氧化（Anaerobic Ammonium Oxidation，ANAMMOX），工藝是迄今為止已知的最具革命性的生物脫氮新工藝。指在厭氧條件下，厭氧氨氧化菌以無(wú)機(jī)碳源為營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)，分別以NH4+-N和NO2--N為電子供體和電子受體進(jìn)行生化反應(yīng)，生成 N2和少量從而實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中氮素的脫除[13]。

鄭平[14]研究得到，在不添加有機(jī)物條件下，TN容積負(fù)荷為 0.29～0.72 kg·m-3·d-1，去除率分別為86.0%～99.7%和88.7%～99.3%。添加有機(jī)物（酵母膏100 mg?L-1）后，當(dāng)TN容積負(fù)荷低于0.43 g·m-3·d-11時(shí)，有機(jī)物對(duì)ANAMMOX反應(yīng)的影響較小，NH4+-N和NO2--N去除率均保持在94%以上；但當(dāng)TN容積負(fù)荷達(dá)到0.72 g·m-3·d-1時(shí)，有機(jī)物對(duì)ANAMMOX反應(yīng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，NH4+-N和NO2--N去除率均低于75%。停止添加有機(jī)物并降低TN容積負(fù)荷，可在短期內(nèi)有效消除有機(jī)物的抑制作用。

李祥[15]通過(guò)研究HCO3-濃度對(duì)ANAMMOX工藝脫氮效果的影響得出，當(dāng)進(jìn)水HCO3-/NH4+-N為0.21時(shí)，反應(yīng)器出水pH值將大幅度提高，嚴(yán)重抑制了厭氧氨氧化菌的活性，氮去除速率大幅度下降。但當(dāng)其比值為1.13時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)pH值可以下降到厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)所需要的范圍，氮去除速率開(kāi)始逐步增加。HCO3-對(duì)于ANAMMOX系統(tǒng)的脫氮效能和維持系統(tǒng)內(nèi) pH值具有重要影響。李捷[16]證明了適當(dāng)增加進(jìn)水中無(wú)機(jī)碳源的濃度，可以有效刺激厭氧氨氧化菌增殖，有利于ANAMMOX反應(yīng)的正常進(jìn)行，但當(dāng)其超過(guò)一定濃度時(shí)反應(yīng)速率將會(huì)急劇下降。

楊洋[17]研究得到，ANAMMOX反應(yīng)應(yīng)盡量在較高溫度（30～35 ℃）條件下進(jìn)行，當(dāng)溫度高于40 ℃或低于 30 ℃時(shí)，其活性明顯下降。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在20～30 ℃之間時(shí)，ANAMMOX反應(yīng)速率與溫度有一定的的關(guān)系，并且這種關(guān)系可以用修正的Arrhenius方程來(lái)描述。李冬[18]認(rèn)為較高的 NH4+-N濃度（約500 mg·L-1）對(duì)于長(zhǎng)期培養(yǎng)的厭氧氨氧化菌并無(wú)明顯的抑制作用。由于 NO2--N本身就是生物毒性物質(zhì)，過(guò)高濃度的 NO2--N會(huì)引起生物抑制效應(yīng)，對(duì)厭氧氨氧化菌產(chǎn)生較強(qiáng)的毒害作用，干擾其正常代謝性能，使其活性降低且很難恢復(fù)。

6 展望

生活污水的再生利用，一方面能夠?yàn)槌鞘泄┧_(kāi)辟第二水源，是解決水資源短缺的重要舉措；另一方面可以在一定程度上解決污水對(duì)水源的污染問(wèn)題，從而起到保護(hù)水源的作用。UCT-HMBR、BAF、反硝化除磷脫氮工藝、SBBR、ANAMMOX等生物脫氮除磷工藝用于小區(qū)污水回用方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，特別適合我國(guó)水處理事業(yè)所面臨的現(xiàn)狀。

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