淺析城市污水廠尾水深度凈化技術(shù)研究進展

徐明杰 劉 敏 王宇喆

（上?？睖y設(shè)計研究院有限公司 上海 200335）

引言

城市污水廠主要負責城市生產(chǎn)生活污廢水的集中、凈化處理和排放，具有水量大、污染物成分負責、氮磷含量高、有機物含量低等特點，對尾水的深度處理不僅有利于減少對周邊水體的影響，還能夠提升尾水的再利用程度，有效緩解當?shù)厮Y源緊張、短缺的現(xiàn)狀。深度處理后的尾水可用于城市綠化、道路清潔、公廁馬桶沖洗、消防等領(lǐng)域，提高水資源的利用率。

1 鐵碳微電解深度凈化技術(shù)

微電解工藝是一種工藝簡單、處理效果好、成本低、適用范圍廣的處理工藝，能夠有效脫除污水廠尾水中的磷酸鹽，降低尾水中的含磷量。鐵碳微電解處理工藝中將鐵作為陽極，將活性炭、焦炭或石墨作為陰極，形成電解質(zhì)溶液環(huán)節(jié)，這相當于在尾水中形成了無數(shù)個小原電池。

1.1 還原反應(yīng)

在酸性、中性環(huán)境下，鐵離子與氫離子反應(yīng)產(chǎn)生大量的二價鐵、還原性氫離子、自由電子，這些離子都有很強的還原性，能夠?qū)⑽廴境潭雀叩拇蠓肿佑袡C物還原成為污染程度更小的小分子有機物。

1.2 電泳富集

在微電解環(huán)境中，尾水會形成無數(shù)個小原電池，這使得電極之間會有無數(shù)電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，最終富集到電極附近。電子的轉(zhuǎn)移過程中帶動原本穩(wěn)定的膠體、懸浮物向電極附近富集，這一過程就是電泳，電泳帶來尾水COD 值的進一步下降。

1.3 混凝作用

微電解過程中陽極鐵產(chǎn)生的二價鐵是非常好的絮凝劑，在氧氣存在的情況下會二價鐵會轉(zhuǎn)化為氫氧化亞鐵、氫氧化鐵，或者形成二者的混合物，這些物質(zhì)都具有優(yōu)秀的絮凝能力，能夠?qū)⑽菜械碾y去除有機物、難溶物進行凝聚，以物理的途徑來進行污染物去除。

通過對比不曝氣、間歇曝氣、連續(xù)曝氣情況下鐵碳微電解對尾水中污染物的去除效果，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)尾水中磷的去除率效果最佳的是間歇曝氣，能夠?qū)樗辛缀繌?.57mg/L 降低至0.23mg/L，使尾水更加符合尾水排放或回用的需求。除了對磷含量的降低外，在應(yīng)用鐵碳微電解處理工藝時，尾水的COD 值、氮含量也有相應(yīng)的下降，平均去除率分別為55%和72%，深度處理后的出水水質(zhì)接近地表Ⅲ類水體的排放標準。在鐵碳微電解處理尾水后，技術(shù)人員需要考慮去除出水中的鐵，否則會導致出水的色度較高，對自然水體造成影響，常用的方式包括自然氧化法、接觸氧化法等氧化技術(shù)，配合過濾技術(shù)即可將氧化后的鐵沉淀物從出水中去除。

2 混凝沉淀深度凈化技術(shù)

混凝沉淀工藝是尾水深度處理中十分常見的一種處理工藝，能夠有效去除尾水中的膠體、懸浮物，包括無機物和有機物兩方面，對于降低尾水濁度、色度、有機物含量都有明顯效果。目前，國內(nèi)外水處理領(lǐng)域中所使用的混凝劑主要有無機和高分子有機兩種，比如聚合氯化鋁就是一種無機高分子混凝劑，主要通過氫氧根離子的架橋作用、陰離子的聚合作用、電中和作用等作用來進行膠體、懸浮物的凈化；又比如聚丙烯酰胺是一種有機高分子聚合物，不溶于大多數(shù)有機溶劑，具有優(yōu)秀的絮凝作用，能夠有效去除城市污水廠尾水中的膠體、懸浮物等污染物，提高尾水水質(zhì)。聚丙烯酰胺可以根據(jù)離子特性劃分為陰離子、陽離子、非離子、兩性離子四種，根據(jù)不同的深度處理對象進行絮凝劑的使用?；炷齽┩ǔ２荒苓M行單獨使用，因為這種處理方式的藥劑成本非常高，而且存在著混凝沉淀后沉淀物的后續(xù)處理問題。

3 活性炭吸附深度凈化技術(shù)

活性炭吸附技術(shù)是一種公認的成熟水處理技術(shù)，借助活性炭本身的多孔特性和巨大的比表面積，能夠形成非常有效的吸附效果，對城市污水廠尾水中的污染物都有一定的吸附和去除效果。但對于水處理領(lǐng)域而言，活性炭本身存在使用壽命短、再生能力差等問題，需要對活性炭進行相應(yīng)的改性處理。粉狀活性炭能夠有效降低尾水色度、臭味，具有促使混凝劑發(fā)揮作用、促進絡(luò)合物生成的效果，但這種狀態(tài)的活性炭不易回收，基本屬于一次性消耗品。煤質(zhì)順粒炭相較于粉狀活性炭可以重復使用，不容易流失，通過脫附處理能夠繼續(xù)再次投入使用，更適合用于尾水深度處理領(lǐng)域[1]。

4 膜生物反應(yīng)器深度處理組合工藝

膜生物反應(yīng)器是一種常見的組合工藝反應(yīng)器，其中主要應(yīng)用膜分離技術(shù)和生物處理技術(shù)，反應(yīng)器也劃分為生物處理單元和膜分離單元兩部分，協(xié)同作用完成對尾水的深度處理。膜生物反應(yīng)器已經(jīng)基本在中水回用領(lǐng)域中得到的應(yīng)用和推廣，這種設(shè)備在日本、英國等多個國家得到的應(yīng)用，我國部分城市也正在推廣這種深度凈化技術(shù)，用于住宅區(qū)、醫(yī)院等區(qū)域的污水處理。在2000 年的天津大學膜生物反應(yīng)器示范工程中，這個建成的膜生物反應(yīng)器深度凈化技術(shù)每天可處理污水25t，達到中水回用處理標準，能耗為每噸0.7kw·h。膜生物反應(yīng)器對城市污水廠尾水中的應(yīng)用，基本可以達到COD 去除率94%，對氮、磷、有機物的去除效率也完全能夠達到中水回用的標準。

5 生物濾池深度凈化技術(shù)

生物濾池是一種由碎石填料、塑料填料等物質(zhì)組成，其上附著生物膜的生物處理構(gòu)筑物，這種生物處理構(gòu)筑物為污水廠尾水和生物膜上的微生物提供接觸空間，利用生物膜上的微生物對尾水進行處理。生物濾池為了保證微生物生長過程中對氧氣的需求，通常會進行曝氣設(shè)計，形成曝氣生物濾池，簡寫為BAF。

5.1 布水與曝氣

生物濾池對尾水的深度處理效果與其曝氣、布水等方面操作方式有著緊密的聯(lián)系，科學的曝氣和布水能夠保證生物濾池的正常運行，能夠保證生物膜上微生物與尾水中的污染物進行有效接觸，保證對尾水的深度處理。根據(jù)實驗室研究可知，向下傾斜45°的曝氣管能夠有效降低曝氣管堵塞的可能性，保證生物濾池的正常運行；由上至下、5:1 氣水比的間歇布水能夠有效提高尾水與微生物的接觸效果，保證生物濾池對尾水的處理效果。

5.2 濾料處理和保護

濾料是生物濾池中比較重要的環(huán)節(jié)，為生物膜提供了重要的支撐作用，保證生物膜能夠連續(xù)工作，保證生物濾池對尾水的處理效果。濾料在生物濾池運行過程中經(jīng)常面臨堵塞和反沖洗，每次反沖洗都會帶走一部分濾料，因此，生物濾池應(yīng)用過程中需要根據(jù)需求不時添加濾料，保證濾料的正常使用。在我國境內(nèi)，BAF 的常見濾料為陶粒，這種濾料廉價、易得、性能優(yōu)秀，根據(jù)粒徑可以可知劃分為粒徑20～25mm 的內(nèi)置式陶粒和粒徑在10～15mm 的普通陶粒。根據(jù)實驗室研究可知，尾水中的有機物想要進一步被微生物利用，需要處于生物膜內(nèi)或生物膜表面，在氣水比5:1、水力停留8h 的情況下，內(nèi)置式陶粒的去除效果＞普通陶粒作為濾料時的COD、氨氮去除效果。這是因為內(nèi)置式陶粒濾料的質(zhì)量更輕，在曝氣生物濾池中始終處于半懸浮狀態(tài)，這些陶粒之間相互發(fā)生碰撞，能夠有效阻止生物膜上出現(xiàn)堵塞，加速生物膜的更新。

5.3 濾速控制

濾速指的是水體在生物濾池中的停留時間，也就是水力停留時間。如果濾速過快，水力停留時間不足會導致尾水中的污染物沒有得到有效去除就隨著出水排出濾池；如果濾速過低，水力停留時間過長會導致尾水長時間停留在生物濾池中，雖然污染物能夠得到有效去除，但會導致濾池中生物膜的更新速度不足，增加堵塞的可能性，影響生物濾池的后續(xù)正常運行。經(jīng)過實驗室進行的不同濾速下相同進水COD 濃度的去除效率，實驗人員發(fā)現(xiàn)在濾速為0.6m/h 情況下，出水COD 的去除率最高，相鄰的0.4m/h 和0.8m/h 的去除率都不如0.6m/h 理想。究其原因，0.4m/h時，尾水在生物濾池中的運動速度較低，導致生物膜上的微生物存在供氧不足的問題，影響了微生物對尾水的處理；而濾速為0.8m/h 時，尾水在生物濾池中的運動速度較高，導致生物膜在水運動下形成過快的剝落，導致生物膜厚度過薄，其上的微生物難以對尾水中的污染物進行更有效的處理，導致出水質(zhì)量得不到保障。

6 人工濕地深度凈化技術(shù)

相較于生物濾池，人工濕地是一種更復雜的模擬生態(tài)系統(tǒng)，其復雜程度、綜合程度可根據(jù)實際需求進行調(diào)整。人工濕地包括潛流式、垂直式等不同類型，不同的填料基質(zhì)、種植植物都會對人工濕地造成不同的影響，需要根據(jù)實際需求進行建設(shè)。其中潛流式人工濕地主要通過填料、植物根系、根系和填料上的生物膜來去除尾水中的污染物，處理能力優(yōu)秀，受溫度、季節(jié)的影響小，但使用、控制成本較高；垂直式人工濕地主要通過尾水從表面到底部的滲流來完成水處理，其中濾料、植物根系起到攔截作用，填料和根系上的生物膜在厭氧環(huán)境下進行硝化反應(yīng)，因此對含氨氮量較高的尾水有更好的處理效果，但同樣存在成本較高的問題。

7 尾水深度凈化技術(shù)在環(huán)保中的意義

城市污水廠主要負責城市生產(chǎn)生活污廢水的集中、凈化處理和排放，具有水量大、污染物成分負責、氮磷含量高、有機物含量低等特點，對尾水的深度處理不僅有利于減少對周邊水體的影響，還能夠提升尾水的再利用程度，有效緩解當?shù)厮Y源緊張、短缺的現(xiàn)狀。深度處理后的尾水可用于城市綠化、道路清潔、公廁馬桶沖洗、消防等領(lǐng)域，提高水資源的利用率。城市污水廠尾水深度凈化技術(shù)成為水處理領(lǐng)域研發(fā)的重點，具有重大環(huán)境效益和經(jīng)濟效益[2]。

結(jié)語

城市污水廠尾水具有排放體量大、有機物成分復雜、氮含量高、磷含量高等特點，直接排放入地表、地下水體容易引起水質(zhì)惡化，尾水深度處理技術(shù)一方面可以減輕對自然水體的污染影響，另一方面可以回用于生產(chǎn)生活領(lǐng)域中，緩解水資源短缺的問題。總而言之，高效率的污水處理對降低水污染、保護水資源環(huán)境有重大意義，最大限度的減少水資源浪費及污染可以促進資源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。