城鎮(zhèn)污水處理工藝現(xiàn)狀及展望

南國(guó)英，郭嘉宇，郝燕飛，楊孟林，張高偉，張煥莉，代學(xué)民，任淑萍

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.張家口市政水務(wù)有限責(zé)任公司，河北 張家口 075000；3.河北省水質(zhì)工程與水資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000)

1 引言

隨著我國(guó)城市人口激增而導(dǎo)致用水需求量的不斷增加，水資源超載使用無可避免地導(dǎo)致了水資源環(huán)境日益惡化，對(duì)人類的生存環(huán)境造成了威脅[1]。目前，全國(guó)各個(gè)城市水資源短缺、污染十分嚴(yán)重，有效處理城市污水就顯得十分重要，這也是保護(hù)城市水資源的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)。本文通過對(duì)現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理工藝的研究及其優(yōu)缺點(diǎn)分析，進(jìn)行歸納總結(jié)并提出了優(yōu)化方案。

2 城鎮(zhèn)污水的特點(diǎn)

城鎮(zhèn)污水主要包括居民生活污水和工業(yè)污水，在雨污合流制排水系統(tǒng)中，還應(yīng)考慮被截留的雨水。生活污水主要來源于居住區(qū)和商業(yè)活動(dòng)區(qū)，其他來源如公用設(shè)施及娛樂設(shè)施。生活污水中的污染物主要是以蛋白質(zhì)、尿素、氨氮為代表的有機(jī)物和對(duì)人體健康有威脅的腸道病原菌，細(xì)菌和病原體將有機(jī)物作為能量來源大量繁殖，可能導(dǎo)致傳播疾病，而有機(jī)物腐化會(huì)產(chǎn)生惡臭，影響周邊生態(tài)環(huán)境。工業(yè)廢水是指在工作車間生產(chǎn)過程中排出的生產(chǎn)廢水、循環(huán)冷卻廢水以及生活綜合廢水。工業(yè)廢水由其生產(chǎn)規(guī)模的影響導(dǎo)致水質(zhì)水量變化差異大，其水質(zhì)一般具有成分復(fù)雜、濃度高、毒性大等特點(diǎn)，需要在廠內(nèi)進(jìn)行降解處理，滿足相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)方可排放到市政管網(wǎng)[2]。

3 城鎮(zhèn)污水處理方法

3.1 活性污泥法

活性污泥法是以活性污泥為主體的好氧生物處理方法，活性污泥是一種能將廢水中的有機(jī)物進(jìn)行好氧穩(wěn)定的活性微生物物質(zhì)[3]。活性污泥法是向污水中不斷通入空氣，一段時(shí)間后污水中好氧微生物繁殖形成絮凝物，其上附著以菌膠團(tuán)為主的微生物群[4]，能有效吸附分解有機(jī)物，對(duì)部分含氮、含磷的污染物也有一定的處理效果，且具有良好沉降性能。城鎮(zhèn)污水處理廠中常用的活性污泥工藝有膜分離(MBR)工藝系統(tǒng)、序批式(SBR)及其衍生工藝系統(tǒng)、氧化溝(OD)工藝系統(tǒng)、吸附—生物降解(A-B)工藝系統(tǒng)以及AAO脫氮除磷工藝系統(tǒng)。各工藝特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

(1)吸附-生物降解工藝分為A、B兩段系統(tǒng)，A段系統(tǒng)在厭氧或好氧條件下運(yùn)行，利用生物污泥吸附去除有機(jī)物并提高污水可生化性，再通過B段系統(tǒng)曝氣深度去除水中的有機(jī)污染物。AB法去除效果的好壞關(guān)鍵在A段，采用間歇曝氣方式可改善污泥上浮現(xiàn)象[5]，為提高氮、磷去除率，可在B段采用AAO工藝。

(2)氧化溝按延時(shí)曝氣方式運(yùn)行，采用較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間和污泥齡，反應(yīng)池內(nèi)溶解氧濃度呈梯度變化，污水流態(tài)介于完全混合與推流之間，流程簡(jiǎn)單且操作靈活多變。氧化溝技術(shù)的發(fā)展以時(shí)間順序安排為主和空間順序安排為主可分為交替和半交替工作式氧化溝、連續(xù)工作分建式和合建式氧化溝[6]。無論哪種變型，都是為了提高設(shè)備的利用率以及對(duì)氮、磷的去除效果，而一體化氧化溝占地少、能耗低，符合當(dāng)前污水處理工藝簡(jiǎn)化發(fā)展的趨勢(shì)[6]。

(3)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器設(shè)備的開發(fā)利用，SBR工藝得到了大力發(fā)展，該工藝適用于中、小型污水處理廠以及處理部分工業(yè)廢水，采用間歇式運(yùn)行方式，污水處理流程在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)連續(xù)完成且可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，極大地簡(jiǎn)化了處理工藝。近幾十年來，SBR工藝在進(jìn)水方式、容積利用率以及氮、磷處理效果上分別衍生出了ICEAS工藝、DAT-IAT工藝以及CAST工藝[7]?，F(xiàn)在SBR工藝的研究熱門方向有MSBR工藝以及連續(xù)流SBR工藝，都是對(duì)SBR工藝的進(jìn)一步強(qiáng)化以期達(dá)到理想處理效果。

(4)AAO工藝是一項(xiàng)能夠同步脫氮除磷的工藝，待處理污水首先進(jìn)入?yún)捬醭刂嗅尫帕?，同時(shí)進(jìn)行有機(jī)物氨化，然后進(jìn)入缺氧池進(jìn)行脫氮，而后與好氧池送回的回流污水混合再進(jìn)入好氧池中進(jìn)行硝化和吸收磷，同時(shí)去除水中的有機(jī)物。含有硝酸鹽的回流污泥回流到厭氧池會(huì)影響厭氧釋放磷的效果[8]，故AAO工藝對(duì)原水的C/N和C/P要求較高。AAO的改良工藝有以下兩種：一種是倒置AAO將缺氧池放在厭氧池的前邊，微生物對(duì)污水中磷的攝取能力加強(qiáng)，充分的釋放磷和吸收磷，從而增強(qiáng)工藝的除磷效果；另外一種是A-AAO工藝，即在原工藝前增設(shè)一個(gè)缺氧池，通過延長(zhǎng)污泥停留時(shí)間進(jìn)而增強(qiáng)脫氮除磷的能力。

(5)MBR工藝是一項(xiàng)將膜分離技術(shù)與活性污泥法相結(jié)合的新興水處理技術(shù)，通過將膜分離技術(shù)替代傳統(tǒng)的二沉池，同時(shí)采用自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)泥水分離和污泥濃縮的功能，去除病原菌并提升出水水質(zhì)。高生物量濃度使MBR工藝能以緊湊的系統(tǒng)獲得較高的有機(jī)物去除率[9]。MBR工藝的改進(jìn)方向有SMBR工藝，即淹沒式膜反應(yīng)器，通過空氣和水流的相互運(yùn)動(dòng)來降低膜的污染程度[9]，從而保護(hù)膜的有效性并增長(zhǎng)膜的使用壽命。將MBR工藝與其他工藝相結(jié)合使用往往對(duì)水處理的效果有進(jìn)一步的提升。

3.2 生物膜法

生物膜法是利用固著于濾料載體上的微生物來降解水中污染物的一種污水好氧生物處理技術(shù)[10]。其原理是污水在填料表面流動(dòng)形成膜狀污泥，能夠吸附污水中的污染物,從而達(dá)到凈化污水的目的。生物膜法中參與凈化污水的反應(yīng)微生物具有多樣性以及種屬優(yōu)勢(shì)，對(duì)水質(zhì)水量的變動(dòng)有較強(qiáng)的適應(yīng)性，在工業(yè)廢水、污水回用方面以及在農(nóng)村地區(qū)的小型污水處理廠得到合理的應(yīng)用[11]。目前在應(yīng)用中的生物膜法主要有的工藝種類、優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2所示。

表2 生物膜法衍生工藝比較

(1)曝氣生物濾池是同時(shí)具備曝氣、高速過濾、定期反沖洗功能的生物膜法污水處理技術(shù)。污水由上而下通過濾料層時(shí)在底部曝氣裝置進(jìn)行曝氣，生物膜上的微生物獲得氧氣充分降解水中污染物質(zhì)，脫落的生物膜和水中固體懸浮物被填料所截流，更能使污水進(jìn)行二次截流的處理效果。曝氣生物濾池采用陶粒作為濾料處理生活污水[12]，處理效果非常理想，曝氣過程中氣水比僅為3.3∶1[12]，有效節(jié)約了處理成本。

(2) 生物轉(zhuǎn)盤通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤以較低的線速度交替與污水和空氣接觸，穩(wěn)定運(yùn)行后，轉(zhuǎn)盤上覆蓋著一層吸附污染物的生物膜。此外，生物轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)還可以進(jìn)行硝化反應(yīng)，同步進(jìn)行脫氮除磷。生物轉(zhuǎn)盤可以通過空氣驅(qū)動(dòng)、與曝氣池合建、與沉淀池合建等操作降低生物轉(zhuǎn)盤的運(yùn)行消耗以及提高處理設(shè)備的效率[13]。生物轉(zhuǎn)盤的研究可從轉(zhuǎn)盤自身材料抗腐蝕性、強(qiáng)度等方向發(fā)展，或者可將生物轉(zhuǎn)盤技術(shù)與其他物理化學(xué)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定高效運(yùn)行。

(3)生物接觸氧化的實(shí)質(zhì)是將富含氧氣的待處理污水以一定流速通過填料，填料上布滿的生物膜降解污水污染物，由此看出生物接觸氧化實(shí)際上是一種介于活性污泥法與生物濾池之間的生物處理技術(shù)。生物接觸氧化法系統(tǒng)中填料比表面積高于同條件下的生物濾池以及生物轉(zhuǎn)盤，但與此同時(shí)其能耗低于其他工藝，污水相對(duì)流速較低，為微生物在填料上生長(zhǎng)繁殖創(chuàng)造了條件。研究表明，采用水力停留時(shí)間為5.8 h、間歇曝氣運(yùn)行方式出水水質(zhì)達(dá)到了傳統(tǒng)運(yùn)行方式的處理效果[14]，但其進(jìn)水要求需先經(jīng)過預(yù)處理，另外曝氣不均勻影響出水水質(zhì)也是常見的問題。

(4)生物流化床工藝是通過借用流體流動(dòng)時(shí)，附著微生物的生物顆粒呈流態(tài)化進(jìn)而去除污染物的生物膜法。其反應(yīng)運(yùn)行體系內(nèi)存在3種狀態(tài)：固定床、流化床以及液體輸送，為強(qiáng)化其運(yùn)行效果，可通過提高單位容積生物量或者強(qiáng)化污水與生物膜之間的接觸，增強(qiáng)傳質(zhì)作用。流化床可分為好氧和厭氧兩種，分別具有提高傳質(zhì)效率、氧氣的利用率以及容積負(fù)荷大效率高的特點(diǎn)[15]。

(5)MBBR工藝融合了流化床和生物接觸氧化法的優(yōu)勢(shì)，污水與可懸浮填料、空氣共同組成氣、液、固三相環(huán)境，促進(jìn)硝化與反硝化反應(yīng)同步進(jìn)行。MBBR工藝既具有活性污泥法的高效靈活性，也具有生物膜法耐沖擊負(fù)荷，剩余污泥少的優(yōu)點(diǎn)，處理效率更高運(yùn)行更穩(wěn)定。MBBR工藝在污水處理方面的新思路主要為組合工藝，例如二級(jí)MBBR反應(yīng)器在處理醫(yī)藥廢水方面效果顯著[16]，或者與AO等活性污泥法工藝相結(jié)合，加強(qiáng)研究并進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，為今后組分復(fù)雜污水提供解決方案[16]。

4 結(jié)論

城市污水高效、環(huán)保處理是城市用水可再生循環(huán)利用的關(guān)鍵，也是維系水資源可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。開發(fā)更高效的污、廢水處理工藝，不僅能讓城市用水水質(zhì)得到保障，也實(shí)現(xiàn)了水資源在城市功能的流通。根據(jù)不同城市污水的實(shí)際污染情況，應(yīng)該采用合適的處理工藝，對(duì)污染負(fù)荷較高、可生化性較差的污水可選擇采用水解酸化+SBR、MBBR等工藝；對(duì)脫氮除磷效果有較高的要求可采用AAO、氧化溝、生物接觸氧化、MBBR等工藝；對(duì)節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用、能耗、人力等方面可采用SBR、氧化溝等工藝；對(duì)于某些地區(qū)污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)需要達(dá)到一級(jí)A甚至地表水IV類標(biāo)準(zhǔn)，可通過采用AAO+MBR、CAST+MBBR等工藝進(jìn)一步提升處理效果。此外，對(duì)于北方低溫寒冷地區(qū)可通過增加污泥濃度、調(diào)整污泥負(fù)荷率、增加保溫材料等措施，確保水處理微生物活性不影響出水水質(zhì)效果。