環(huán)境保護(hù)中城市污水處理措施

浙江雙益環(huán)保科技發(fā)展有限公司 汪健樺，馬敏杰，蔡瀟彥

一、曝氣生物濾池技術(shù)

曝氣生物濾池自動化程度高，所需人力少耗能低，容易上手操作簡單，污水處理效果好。它由四個類似的隔間組成，每個隔間都包含40%的無紡聚酯織物作為生物床，對所有污染物都有顯著的去除效率(p＜0.5)，在消耗少量能量的情況下去除大量的污泥，達(dá)到改善水質(zhì)的目的，是一種切實可行的污水處理技術(shù)?？梢愿鶕?jù)填充的過濾料將其分類，目前常用的有納米氣泡曝氣生物過濾器、活性炭曝氣生物過濾器、浸沒式曝氣生物過濾器、火山巖曝氣生物過濾器和組合式臭氧曝氣生物過濾器等，根據(jù)不同的地理位置和污水特性選擇不同的過濾器。

納米氣泡生物過濾器通過內(nèi)部回流和機械鼓泡操作去除污染物，其中納米氣泡制造了剪切應(yīng)力，剪切應(yīng)力能夠優(yōu)化氧氣分布，通過回流和機械鼓泡分別將出水的溶解氧提高了三倍和四倍，提高了過濾器的過濾性能。適當(dāng)?shù)募羟袘?yīng)力增強了生物膜的空間發(fā)育，促進(jìn)了納米氣泡曝氣生物膜的活性和穩(wěn)定性，改善生物膜的結(jié)構(gòu)和性能，是一種很有應(yīng)用前景的曝氣技術(shù)。

活性炭曝氣生物過濾器又可以根據(jù)活性炭的放置位置分為上流式和下流式。傳統(tǒng)的放置方式是將活性炭填料放置在下流，稱為下流式曝氣生物活性炭過濾器（DBACF）但在實際生產(chǎn)活動中存在微生物滲漏、生物降解性低等問題。因此，相關(guān)學(xué)者開發(fā)了雙介質(zhì)上流式曝氣生物活性炭過濾器新技術(shù)（UBACF），就新工藝而言，上流方式優(yōu)于下流方式。與DBACF相比，UBACF工藝在在添加消毒劑之后再進(jìn)行砂濾，在達(dá)到相同吸附效果的同時還有效解決了微生物滲漏的問題。相關(guān)學(xué)者Lu帶領(lǐng)其團(tuán)隊測試了兩項工藝的性能，研究結(jié)果顯示，UBACF對自來水中COD(Mn)和NH3-N去除率分別為54.6%和85.0%，與DBACF工藝的去除率大致相似；UBACF通過曝氣大大提高了供氧能力和傳質(zhì)速率，NH3-N去除能力從1.5mg/L顯著提高到3mg/L以上；通過陶粒層的初級過濾結(jié)合流化床技術(shù)，可以應(yīng)對濁度較高的UBACF進(jìn)水，使炭床具有小于1.0NTU的低濁度環(huán)境。也就是說，兩種工藝的反洗參數(shù)和碳磨損率幾乎相同，但是UBACF解決了DBACF所不能解決的微生物滲漏的問題。

浸沒式曝氣生物過濾器(SBAF)，雖然可以進(jìn)行硝化，但是對濃度有一定的要求。Friedrich帶領(lǐng)其團(tuán)隊做了相關(guān)研究，首先，在含有10%接種物(0.5kg-1)的實驗室規(guī)模的生物反應(yīng)器中評估SBAF對清洗狗窩海灣產(chǎn)生的污水高溶解氧(DO)濃度下的硝化作用，研究結(jié)果顯示，處理后的氨氮（12.44-29.62mgL-1）、亞硝酸鹽（0.28-0.54mgL-1)、硝酸鹽(1.75-3.55mgL-1)、pH(8.11±0.62) 和DO(9.69±0.36mgL-1)。其次，應(yīng)用多管技術(shù)定量硝化細(xì)菌顯示氨氧化細(xì)菌的值為1.4×1012MPNmL-1亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的值為9.2×1014MPNmL-1，這些值均高于在合成介質(zhì)中的值。最后，在生物反應(yīng)器樣品中提取基因組DNA，使用特定引物進(jìn)行PCR對其進(jìn)行檢測，獲得了AOB和硝化桿菌的Amo基因的目的條帶，PCRDGGE測序條帶，測序結(jié)果顯示反硝化細(xì)菌和假單胞菌屬、檸檬酸桿菌屬、陶氏菌屬、紅球菌屬、硫桿菌屬等具有高度相似性。也就是說，SBAF通過溶解氧的飽和改進(jìn)了污水處理中硝化程度，并允許檢測污水處理過程中涉及的細(xì)菌屬，可以為醫(yī)療體系中的系統(tǒng)監(jiān)測提供新思路。

火山巖曝氣生物濾池（SNAD）在SBAF的基礎(chǔ)上開展，同時兼具硝化、厭氧氨氧化和反硝化的功能。相關(guān)學(xué)者Xue帶領(lǐng)其團(tuán)隊對其展開研究，研究結(jié)果顯示，當(dāng)COD初始濃度為60mg·L-1自養(yǎng)脫氮反硝化系統(tǒng)穩(wěn)定運行67d時，最大脫氮效率、COD去除率和脫氮率分別為92.0%、82.9%和2.3kg·(m3·d)-1，總氮去除率比CANON工藝高12.6%。定量PCR檢測結(jié)果顯示，AOB的豐度略有增加，而ANAMMOX的豐度比SNAD啟動前增加了一個數(shù)量級。相比之下，反硝化菌和NOB的豐度保持在較低水平。也就是說SBAF通過播種硝化污泥和厭氧氨氧化過濾器，有利于ANAMMOX和AOB的積累，為研究功能菌的運行特性和演替提供新思路。

組合式臭氧曝氣生物過濾器可以有效去除有機物污染提高生物活性。相關(guān)學(xué)者Ding帶領(lǐng)其團(tuán)隊對其進(jìn)行了研究，臭氧化處理曝氣生物過濾器(BAF)過濾過的石油化工廢水，檢測臭氧化前后的污水指標(biāo)。研究結(jié)果顯示，加入臭氧化二次出水的過濾水在降解有機污染物方面表現(xiàn)出很高的效率。COD和NH4的去除效率在整個操作過程中，臭氧化前和臭氧化后的-N分別為6.0±3.2、48.2-18.6%和 12.5±5.8、62.1-40.9%，臭氧化和BAF的集成系統(tǒng)可以承受更高的有機負(fù)載率。當(dāng)HRT從4h降低到1h時，臭氧化前系統(tǒng)的COD去除率從12%降低到4%，但臭氧化和BAF的集成系統(tǒng)的COD去除率幾乎保持在27-32%的高水平，臭氧去除率約為20%。臭氧化后的生物量表現(xiàn)出比臭氧化前更高的蛋白酶、DHA和SOUR活性。BAF進(jìn)出水有機污染物主要為酯類化合物，但BAF很難降解酯類化合物。臭氧化前的優(yōu)勢種屬是未培養(yǎng)的 Gemmatimonadaceae、Thauera和Thiobacillus，而臭氧化后的優(yōu)勢種屬是Nitrospira、未培養(yǎng)的Gemmatimonadaceae和Flexibacter。也就是說，臭氧化和BAF的集成系統(tǒng)在有機污染物去除和微生物活性方面的表現(xiàn)優(yōu)于臭氧化前，臭氧化過程對于BAF處理石油化工二級出水至關(guān)重要。

這項技術(shù)的原理是使用不同的濾料層科學(xué)處理相應(yīng)污水中的污染物，起到過濾污染物的作用，在對附著的生物體進(jìn)行氧化和降解處理的同時，有效去除污水中的有機物和降解物。使用該項技術(shù)處理的污水，污泥保留在過濾層，凈化后的水將直接通過過濾層。該技術(shù)能夠在無需二次沉淀的情況下，封閉式高效處理城市污水。

二、活性污泥處理技術(shù)

活性污泥（WAS）不僅體積大而且氣味十分難聞，不僅難以處理而且處理費用高昂，占比污水處理廠運營總成本的50%以上。但是近年來WAS的產(chǎn)量一直在持續(xù)增加，這種不斷增長的WAS的管理和處置已成為生物污水處理領(lǐng)域最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一。然而，我國法律法規(guī)已經(jīng)明確提出了禁止土地應(yīng)用、焚燒和土地填埋的污泥處置方法。因此，在當(dāng)前時期，CAS在國內(nèi)污水處理廠（WWTP）中發(fā)揮了不可替代的作用，被廣泛應(yīng)用于處理各種市政和工業(yè)污水。

污泥的減少可以通過微生物的裂解繁殖來實現(xiàn)，微生物在從自身溶解的裂解物中生長。當(dāng)微生物細(xì)胞分解時，微生物細(xì)胞內(nèi)容物被釋放到液體中，這些有機體底物可以被反復(fù)用于代謝污泥。臭氧化、二氧化氯和超聲波處理活性污泥技術(shù)，已經(jīng)開發(fā)并廣泛應(yīng)用于原位活性污泥還原領(lǐng)域。從原位活性污泥還原的角度出發(fā)，與現(xiàn)有生物污水處理系統(tǒng)（BSTS）相結(jié)合，為活性污泥處理技術(shù)在城市污水處理環(huán)節(jié)提供了新思路。

在化學(xué)氧化細(xì)胞裂解技術(shù)中，臭氧具有很強的細(xì)胞裂解能力，是最強大的氧化劑和消毒劑。在污泥臭氧化過程中，有效殺死微生物。污泥臭氧化預(yù)處理可有效改善污泥沉降性能，促進(jìn)污泥生物降解性，減少堆積和渣滓?；钚晕勰喙に嚺c臭氧化工藝相結(jié)合的技術(shù)，能夠有效降低BSTS中過量的污泥產(chǎn)量。近年來，這種污泥臭氧化系統(tǒng)已被許多研究人員廣泛研究。相關(guān)學(xué)者He帶領(lǐng)其團(tuán)隊對其進(jìn)行了兩個階段的研究。在第一階段，進(jìn)行了一系列批次研究，以了解臭氧化對污泥性質(zhì)的影響，并在第二階段，長時間運行三個臭氧化的活性污泥的膜生物反應(yīng)器（MBR），以評估污泥臭氧化對污泥產(chǎn)量和滲透質(zhì)量的影響。研究結(jié)果顯示，臭氧會破壞細(xì)胞壁，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)釋放出血漿，溶液中可溶性有機物的含量會隨著臭氧化時間的增加而增加。隨著可溶性有機物的增加，待礦化的可溶性有機物量也隨之增加，從而降低了可溶性有機物的含量。對于這兩方面的反作用，可以實現(xiàn)偽平衡，可溶性有機物會在有限范圍內(nèi)變化。污泥臭氧化也增加了溶液中可溶性氮和磷的含量。也就是說，部分活性污泥臭氧化可顯著降低污泥產(chǎn)量，且不會因污泥臭氧化而抑制礦化和硝化的生物學(xué)性能，臭氧化裝置與MBR裝置的組合可以實現(xiàn)優(yōu)良的產(chǎn)水質(zhì)量和去除污泥的效果，污泥臭氧化是一種高效且有前途的污泥分解技術(shù)。然而，仍然有一些限制阻礙了它在全尺寸污水處理廠中的廣泛使用。臭氧作為強氧化劑，與微生物或有機物會發(fā)生無差異化反應(yīng)，這可能會降低活性污泥的氧化效率并增加運營成本，因為對其進(jìn)行更深入的研究仍十分有必要。

為了降低投入成本，其他具有成本效益的技術(shù)被視為減少多余污泥的替代方案。與臭氧相比，氯化的氧化性（Cl2）、二氧化氯（ClO2）或過氧化氫（H2O2）的氧化性較弱，但成本較低。相關(guān)學(xué)者Saby帶領(lǐng)其團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，添加0.133克Cl2可以實現(xiàn)65%的污泥減少混合液體懸浮固體（MLSS）。相關(guān)學(xué)者Wang帶領(lǐng)其團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，具有ClO的組合排序間歇反應(yīng)器（SBR）工藝兩系統(tǒng)已成功將污泥產(chǎn)量降低高達(dá)58%。也就是說，ClO(2)氧化可以成功地納入SBR以減少剩余污泥，而不會顯著損害生物反應(yīng)器的性能。相關(guān)學(xué)者He和Wei研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)enton工藝的加入可以顯著減少污泥產(chǎn)量，得到的平均污泥收率從0.15下降到0.006克MLSS/gCOD，水質(zhì)水平良好。也就是說，該MBR系統(tǒng)可以在污泥Fenton氧化過程中起到良好的作用。由于反應(yīng)器配置不同，操作條件多樣化，氧化劑的最佳用量難以達(dá)到一致性。此外，回收污泥中的強消毒劑和住宅臭氧（或其他氧化劑）可能會損害BSTS中的生物活性。同時，在氯化活性污泥過程中，會產(chǎn)生不良的氯化副產(chǎn)物，如三鹵甲烷（THMs），會對人類產(chǎn)生有害作用。因此，化學(xué)氧化劑活性污泥工藝的實際應(yīng)用將給污水處理廠帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

結(jié)合超聲波的活性污泥處理技術(shù)，操作簡單處理效果可觀，可以避免化學(xué)處理技術(shù)造成的上述缺點，提高污泥的生物降解性、脫水和生物固體質(zhì)量，縮短保留時間，對后續(xù)的污水處理起到有利作用。通過將超聲處理與其他化學(xué)/物理/生物方法相結(jié)合可以獲得更高的超聲利用效率。但是，在對WAS進(jìn)行個體超聲預(yù)處理時，液體將吸收大部分超聲波能量，會削弱施加在WAS上的超聲波能。相關(guān)學(xué)者M(jìn)a等人提出了一種超聲波和堿性物質(zhì)相結(jié)合的新方法，研究結(jié)果表明，在這個系統(tǒng)中可以減少污水中56.5%過量污泥。隨后，相關(guān)學(xué)者Yang等人根據(jù)經(jīng)濟分析這種超聲波和堿性技術(shù)相結(jié)合的污水處理技術(shù)，研究結(jié)果顯示，這種處理技術(shù)比沒有污泥預(yù)處理的傳統(tǒng)CAS系統(tǒng)有效降低了總運行成本的11.4%。綜上，雖然這種污水處理技術(shù)效益更高，但存在超聲波能量在WAS處理中利用效率的問題，對其進(jìn)行深入研究十分有必要。

微生物代謝是生化轉(zhuǎn)化的總和，包括分解代謝和合成代謝反應(yīng)的相互關(guān)系。在正常情況下，微生物的分解代謝通過傳遞產(chǎn)生的能量與合成代謝相結(jié)合。當(dāng)出現(xiàn)解耦現(xiàn)象時，ATP的合成會受到抑制，部分能量被消耗到非生長相關(guān)的反應(yīng)中。有機底物氧化產(chǎn)生的能量部分用于合成代謝。因此，當(dāng)在能量解耦代謝條件下維持微生物時，可以有效減少微生物的合成。在一些異常情況下可以誘發(fā)解耦代謝現(xiàn)象，氧化沉降厭氧（OSA）工藝是在污泥回流管路中加入了厭氧罐，是對CAS工藝的改進(jìn)。與CAS工藝相比，經(jīng)過OSA工藝處理后的污水中污泥產(chǎn)量下降了20-65%，污泥的沉降性也得到了提高。因此，在進(jìn)一步研究中將鼓勵改進(jìn)的構(gòu)建OSA工藝中同時進(jìn)行污泥處理和有機污染去除。早前的研究認(rèn)為該過程的處理機制是能量解耦理論。該理論表明，當(dāng)微生物處于缺氧和饑餓狀態(tài)時，ATP或食物儲存形式的細(xì)胞能量可能會耗盡。饑餓的微生物在有營養(yǎng)供應(yīng)的情況下恢復(fù)到有氧狀態(tài)，微生物又重新合成必要的能量儲備。因此，這種循環(huán)替代環(huán)境會將分解代謝與合成代謝分離，從而發(fā)生能量解耦以調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝。在隨后的研究中，相關(guān)學(xué)者又對該過程的處理機制提出了另一個理論，將其稱為污泥衰變理論。綜上，雖然誘導(dǎo)污泥減少的重要因素仍在討論中，但OSA工藝原位減少污泥的積極效果是顯而易見的。

根據(jù)上述能量解耦理論，人們認(rèn)為通過解耦合成代謝和分解代謝構(gòu)建的系統(tǒng)可能會誘導(dǎo)生物量的減少?；诿撱^好氧菌/厭氧菌處理的觀點，開發(fā)了一種反復(fù)耦合的好氧和厭氧過程固定床反應(yīng)器（rCAA）。與CAS工藝相比，這種污水處理方法與大孔微生物載體一起安裝的rCAA系統(tǒng)將誘導(dǎo)約30-50%的污泥減少，反復(fù)耦合的好氧菌/厭氧菌處理顯示出良好的污泥還原性能，rCAA反應(yīng)器中這種模擬耦合的需氧菌/厭氧菌條件可能導(dǎo)致微生物的能量損失。但是，能源解耦并不是減少污泥的唯一原因。雖然化學(xué)解耦器在實驗室規(guī)模的實驗中對過量污泥的減少表現(xiàn)出優(yōu)異的效果，但在實際應(yīng)用中，仍存在自身的缺陷，如所選代謝解耦器的優(yōu)化劑量需要大量的重復(fù)實驗輸入，而結(jié)果總是不一致的；長期應(yīng)用單一代謝解耦可能導(dǎo)致生物適應(yīng)現(xiàn)象，這種生物適應(yīng)可能導(dǎo)致污泥減少能力降低;代謝解偶聯(lián)器大多是異種生物的，對環(huán)境有潛在危害，對殘留代謝解偶聯(lián)劑的命運和潛在危害會威脅到生態(tài)環(huán)境、污泥生態(tài)系統(tǒng)甚至人類健康知之甚少;應(yīng)用代謝解偶聯(lián)劑會降低出水養(yǎng)分去除效率。雖然當(dāng)前沒有充分研究證實rCAA系統(tǒng)中的污泥減少機理，但該系統(tǒng)為污水處理系統(tǒng)提供了一個亮點，這種新方法將有望以較低的運營成本用于連續(xù)或完全應(yīng)用過程。

三、結(jié)論

由于我國工業(yè)和經(jīng)濟的快速發(fā)展，造成了工業(yè)和生活廢水的產(chǎn)量也在逐年增加。在實際生產(chǎn)中，污水處理廠產(chǎn)生的過量污泥已成為無法預(yù)防的負(fù)擔(dān)，阻礙著國家的發(fā)展。污水處理問題已經(jīng)成為當(dāng)前政府、公眾和科學(xué)家的熱議話題。

為保障我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)該不斷提升民眾保護(hù)自然環(huán)境的觀念，加強開發(fā)相關(guān)技術(shù)的重視程度。在水資源保護(hù)方面，政府應(yīng)該緊抓城市污水處理，重點學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)，加強相關(guān)人員的培訓(xùn)工作，倡導(dǎo)尋找能夠去除養(yǎng)分并同時從污水處理過程源頭產(chǎn)生較少多余污泥的適當(dāng)方法。以期達(dá)到污水處理效益最大化和水資源的利用率最大化的美好目標(biāo)，促使我國的城市污水處理事業(yè)得到長足的進(jìn)步和發(fā)展。