生活污水的資源化利用

＊楊文龍 郭禹杉 趙陽(yáng) 尹薇薇 劉蕓滈 皋崇竣 畢野

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)石油化工學(xué)院 遼寧 111003）

引言

生活污水就是群眾在日常生活中排放出的廢棄用水，其中主要是來(lái)自于居住社區(qū)以及公共場(chǎng)所。在這生活污水里面，主要有各類大型有機(jī)物和各種病毒原體微生物。而各類大型有機(jī)物極其不穩(wěn)定，非常容易腐爛惡化，進(jìn)而產(chǎn)生大量惡臭氣味。正是因?yàn)樯钗鬯泻写罅康挠袡C(jī)物，很多細(xì)菌以及各類病原體以此為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而大量繁殖，致使疾病得以肆虐。

但是，我國(guó)的城市污水處理系統(tǒng)在1921年才剛剛形成，起步較晚。跟現(xiàn)今世界研究技術(shù)體系相比，我國(guó)無(wú)論是技術(shù)體系還是相關(guān)政策方面都有著不小的差距。近些年來(lái)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng)，間接導(dǎo)致水體污染難題也越來(lái)越多。伴隨著研究進(jìn)展不斷推進(jìn)以及相關(guān)政策的逐漸落實(shí)，很多問(wèn)題開(kāi)始出現(xiàn)，比如各類儀表以及檢測(cè)儀的精度與國(guó)外仍然有著很大差距，生活污水管網(wǎng)鋪設(shè)較慢、投入設(shè)備有所偏移、一些生活污水處理設(shè)備裝置遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足環(huán)境保護(hù)的新要求、生活污水再生利用程度水平較低、各類投資資金不足、監(jiān)管督查落實(shí)不到位仍是根本性問(wèn)題。因此，改善并提出一套完整的生活污水處理工藝體系具有著很重要的意義。

1.生活污水處理方法

在當(dāng)今世界研究進(jìn)展中，普遍應(yīng)用采取的生活污水處理技術(shù)有電磁化法、隔膜吸附過(guò)濾法、生物降解法以及活性污泥法A/O法、AB法及氧化溝等，在這眾多方法技術(shù)里面，采取應(yīng)用最為廣泛的方法技術(shù)是活性污泥法，而這種方法技術(shù)，主要是在大型的城市污水廠中間采用較多。但是在最近這幾年，比較廣泛采用的以物化處理和微生物處理為主的脫氮除磷工藝大多數(shù)有著處理成本高，管理體系錯(cuò)綜復(fù)雜等眾多弊端，另外可能會(huì)導(dǎo)致生活污水中附有的潛在營(yíng)養(yǎng)價(jià)值丟失[1]。

(1)微藻處理污水法

在1957年Oswald提出高效藻類塘（HRAP）這一概念，并將其采取應(yīng)用于污水處理方面[2]。在此之后，有關(guān)于藻類處理其廢水的相關(guān)研究，漸漸豐富了起來(lái)。在這里面方法中，諸多皆如為氧化塘培育法（在污水池塘中培養(yǎng)藻類）[3]。

(2)自然分解法

早在20世紀(jì)，美國(guó)就開(kāi)始采取自然分解的方法，來(lái)處理污水。通過(guò)這種技術(shù)體系，需氧細(xì)菌能夠處理可使其污水中的一些可溶化學(xué)物質(zhì)，但是在其中的無(wú)法相融的懸浮顆粒形成污泥在第一階段沉淀，通過(guò)一系列操作，再以進(jìn)入密封的厭氧代謝區(qū)。另外，厭氧細(xì)菌可以將污泥進(jìn)一步分解為如甲烷、硫化氫、二氧化碳和氨等氣體。

(3)微生物凈化法

在千葉縣，日本地球環(huán)境產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究通過(guò)考研調(diào)查，選擇其與環(huán)保設(shè)備制造商進(jìn)行一系列合作，展開(kāi)了一個(gè)地下水處理試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)半年多時(shí)間，通過(guò)考察一部進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了其微生物有著很強(qiáng)的功能，可以將排放污水中的所含的三氯乙烯進(jìn)一步分離降解成無(wú)害物質(zhì)。

(4)隔膜吸附過(guò)濾法

從20世紀(jì)開(kāi)始，通過(guò)高壓力以及細(xì)網(wǎng)膜，進(jìn)而使其水分子與細(xì)流分離，進(jìn)而分離除去如鹽、鈣、氮、磷、鐳等一些雜質(zhì)固體，有著很好的過(guò)濾效果，以此達(dá)到凈化。通過(guò)這些研究，國(guó)外開(kāi)發(fā)出了一種使用陶瓷膜過(guò)濾器的污水處理系統(tǒng)，其可以適用于各類中小型水處理廠。如在西方國(guó)家采用直徑5～15μm的陶瓷晶體做成帶圓柱狀蜂窩型洞穴，以此來(lái)使其達(dá)到飲用標(biāo)準(zhǔn)。

(5)電磁化法

水體經(jīng)由磁場(chǎng)體系進(jìn)行磁化，其中大量水分子中所含的一些電子，能夠從位能較低的軌道跳躍轉(zhuǎn)移至位能較高的軌道，使水體的密度、滲透壓等物理性質(zhì)產(chǎn)生變化，并使水體擁有很多功能如除垢防垢、除銹緩蝕、抑制微生物生長(zhǎng)等。在日本，研究人員采用超導(dǎo)磁鐵和水生植物，研究開(kāi)發(fā)出了一類新型水體凈化裝置。

2.光合細(xì)菌法處理

(1)反應(yīng)原理

作為一類細(xì)菌微生物，光合細(xì)菌在水田、池塘、湖泊、活性污泥等地方都是很常見(jiàn)。在其通過(guò)光介質(zhì)來(lái)進(jìn)行光合作用的時(shí)候，其中光合細(xì)菌可以將低分子有機(jī)物等來(lái)作為供氫體與碳源等。在高含量有機(jī)廢水的處理過(guò)程中，由于異養(yǎng)微生物的大量繁殖，導(dǎo)致高分子有機(jī)物分離降解成如低級(jí)脂肪酸、氨基酸等物質(zhì)。而高分子有機(jī)物的減少，使以此為營(yíng)養(yǎng)的異養(yǎng)細(xì)菌大幅減少，但其中光合細(xì)菌卻得以大幅度增加。通過(guò)光合細(xì)菌作用，使低級(jí)脂肪酸等一系列物質(zhì)分離降解直到較低濃度。與此同時(shí)，接著活性污泥和藻類產(chǎn)生反應(yīng)，進(jìn)一步將其凈化使其能夠達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。而在它們當(dāng)中，里面所含的光合細(xì)菌大部分具有一定的脫氮作用，同時(shí)，如果有硝酸鹽，其中的光合細(xì)菌能將NO3最終還原成N2。

(2)微生物培育

經(jīng)過(guò)光合細(xì)菌法處理后的生活污水，可以培育多種微生物，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益，其中價(jià)值最高的是綠藻，在當(dāng)今世界研究也有著很重要的作用，其貯藏的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大多數(shù)為淀粉和油類等物質(zhì)。另外，與小球藻等這一類單細(xì)胞物質(zhì)相比，綠藻具有著繁生快，產(chǎn)量高，含有一定量的蛋白質(zhì)等性質(zhì)，它不僅僅可作食品，而且有時(shí)候可以用于藥用。另外，藻菌共生系統(tǒng)以及活性藻使用的方法可以拿來(lái)采取去處理各類污水。相比之下，在這類微生物中，里面的浮萍不僅作為良好的飼料，可以喂養(yǎng)豬鴨，同時(shí)，還是一些魚種的優(yōu)質(zhì)飼料。

3.脫氮處理

(1)處理機(jī)理

生活污水中氮的存在形式有很多，有機(jī)氮、氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮等，其中主要以有機(jī)氮和氨氮形成存在，有機(jī)氮的占比在40%～50%左右，而氨氮占比約為50%～60%，亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮在生活污水中的含量并不是很高，甚至沒(méi)有超過(guò)氨氮總量的1%。我們知道，常見(jiàn)的脫氮方法分別為生物法和化學(xué)法。生物法作用很強(qiáng)大，它不僅可以輕易地將有機(jī)物去除干凈，還能有效地將有機(jī)氮和氨氮通過(guò)生物硝化反硝化進(jìn)行轉(zhuǎn)化并去除；但是另一種化學(xué)法卻只能去除氨氮，處理成本和生物法相比還要高出很多，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一些不良的影響同時(shí)，還會(huì)影響自然界的生態(tài)發(fā)展，得不償失。因此，就當(dāng)前來(lái)說(shuō)，生物法還是要比化學(xué)法要實(shí)用許多，廢水生物脫氮的方法，是將氨氮進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，最終轉(zhuǎn)化為氮，從而達(dá)到通過(guò)硝酸鹽和反硝化細(xì)菌將亞硝酸鹽去除的效果。

(2)處理工藝

①ANAMMOX工藝原理

研究和數(shù)據(jù)表明，在大自然中至少存在兩種在厭氧條件下氨氧化的方式：厭氧條件下好氧氨氧化菌的氨氧化過(guò)程和厭氧氨氧化菌作用下的氨氧化過(guò)程。厭氧氨氧化菌的氨氧化速率相對(duì)很快，達(dá)到了好氧氨氧化菌的25倍。隨著社會(huì)和技術(shù)的進(jìn)步，自然生態(tài)系統(tǒng)和人工生態(tài)系統(tǒng)中的厭氧氧化過(guò)程和細(xì)菌越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

厭氧氨氧化反應(yīng)是生物氧化的過(guò)程，自養(yǎng)厭氧氨氧化細(xì)菌可以將NO2-或NO3-轉(zhuǎn)化為N2，NH4+作為電子供體，NO2-或NO3-作為電子受體[5]。Graaf，Mulder[6]等一些人證明了，NO2-電子受體在這個(gè)反應(yīng)中最為關(guān)鍵。而且他們還使用了15NH4+和14NO3-對(duì)其進(jìn)行了示蹤試驗(yàn)，初步可以斷定了ANAMMOX反應(yīng)的可能途徑。

調(diào)查的結(jié)果數(shù)據(jù)表示，ANAMMOX這種無(wú)機(jī)菌株可以進(jìn)行自養(yǎng)生長(zhǎng)。在富集培養(yǎng)中，HCO3-可以在其中作為唯一的碳源而非有機(jī)碳源；該細(xì)菌增殖的速度可以說(shuō)是十分緩慢的[7]，但與緩慢的生長(zhǎng)速度相反的是，該菌株轉(zhuǎn)化氮的能力很優(yōu)秀，它的處理效率是相當(dāng)高的。

②同時(shí)硝化反硝化脫氮工藝

眾所周知，傳統(tǒng)的硝化和反硝化是不能同時(shí)完成的，所以我們?cè)谶@個(gè)方向一直在努力地探索著。近年來(lái)我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，同步進(jìn)行硝化反硝化生物反硝化技術(shù)的研究主要是在氧化溝、SBR、流化床反應(yīng)器等系統(tǒng)上進(jìn)行大量的使用和發(fā)展。Rittmann等人[8]和Bertanza等人[9]的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)向我們證明了各種脫氮工藝的優(yōu)秀脫氮效果。同時(shí)，Yoo等人[10]也對(duì)最佳操作參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的確定。此時(shí)，氮的去除率穩(wěn)定地保持在了90%以上。而有機(jī)物的去除率更高，甚至達(dá)到穩(wěn)定在95%以上的程度。另一組團(tuán)隊(duì)，Daigger等人[11]確定工藝中同步硝化和反硝化的完成程度，也是一項(xiàng)功不可沒(méi)的研究。他們?cè)谘芯恐兴Q，Orbal氧化溝很輕易就會(huì)將硝化和反硝化同時(shí)進(jìn)行。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)也探究出了許多成果。例如，我們中國(guó)的優(yōu)秀人才高彥耀[12-13]就分析了各種生物反硝化過(guò)程中同時(shí)硝化和反硝化的現(xiàn)象。孟毅等[14]通過(guò)處理制藥廢水的一系列研究，也逐漸提高了同步硝化反硝化在制藥廢水中的應(yīng)用。他們團(tuán)隊(duì)的結(jié)果表明了，在適宜條件下，氨氮和總氮的去除率可以更高。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者也進(jìn)行了許多諸如此類的研究。

關(guān)于反硝化機(jī)理和工藝這項(xiàng)技術(shù)，我們?nèi)匀皇潜容^落后的。因此，該工藝在實(shí)際應(yīng)用中不是特別普及。

③SHARON生物脫氮工藝

此工藝簡(jiǎn)稱硝基生物脫氮，分為兩個(gè)步驟[15]，首先是控制氨氮進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將其成為我們所熟知的亞硝酸鹽氮，再進(jìn)行反硝化。在厭氧條件下，此工藝還可以通過(guò)反硝化和細(xì)菌將水中的亞硝酸鹽氮去除，使其變?yōu)楹獜U氣。這一工藝的優(yōu)點(diǎn)是，在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中甚至不會(huì)生成一點(diǎn)硝酸鹽，可以大幅度節(jié)省消耗，該工藝可節(jié)省相當(dāng)一部分的氧氣和碳源。另外，該方法可以減少產(chǎn)生的酸，運(yùn)行中可減少堿量；大大縮短了反應(yīng)時(shí)間，而且縮小了反應(yīng)器，節(jié)省了投資。在這個(gè)過(guò)程中，我們最重要的是讓氨氮在好氧條件下可以穩(wěn)定氧化為亞硝酸鹽氮。為了在這方面能夠突飛猛進(jìn)的發(fā)展，諸多學(xué)者對(duì)這一研究進(jìn)行了一系列的探討與深挖，并且收獲頗豐。

4.光合細(xì)菌法的利弊

與眾多方法相比，光合細(xì)菌法存在很多優(yōu)勢(shì)之處：

（1）通過(guò)光合細(xì)菌，高濃度含量的有機(jī)廢水可以消解處理基本達(dá)標(biāo)，但是若采用傳統(tǒng)好氧法，相應(yīng)處理同等條件下，則存在一些硬性條件，如廢水的BOD5必須稀釋到1000mg/L以下，不然的話其中過(guò)高含量的有機(jī)物濃度則會(huì)致使氧氣嚴(yán)重不足。

（2）相比傳統(tǒng)好氧法，光合細(xì)菌法所能處理的有機(jī)負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)較高，如果使其采用生物膜反應(yīng)器時(shí)，當(dāng)處在高負(fù)荷條件下，其中水體所含有機(jī)物降解速率則會(huì)增加很多。

（3）在含硫酸鹽的有較高濃度的有機(jī)廢水，運(yùn)用傳統(tǒng)好氧法處理過(guò)程中，因?yàn)榱蛩猁}的還原抑制了甲烷化過(guò)程，致使水體處理的效果不穩(wěn)定甚至變差，如果運(yùn)用光合細(xì)菌法，其中的難題可以被攻破。

（4）相比較于厭氧法，光合細(xì)菌法有著較高的排出水體質(zhì)量。

（5）在資源化利用這一方面，光合細(xì)菌法可以從有機(jī)廢水中回收很多物質(zhì)，與之相比，傳統(tǒng)好氧法則并沒(méi)有這一回收途徑。