1小城鎮污水處理技術

城市污水處理新工藝和新技術開發內在原因是人們不斷追求高效率、低能耗、低成本和低的占地面積等高性能指標的實踐結果。不同反應器的應用受到了技術、經濟和理論條件的限制。這些限制體現在對于好氧生物反應器研究和開發，受到了生物生長特性(生物量和活性)、反應器的形式(固定床、懸浮床和流化床)、傳質條件(氧的供給)和固液分離(沉淀、過濾)等諸多因素的限制。長期以來人們圍繞這些限制因素根據各個時期的理論、技術、材料等進展，進行了長期不懈的研究和開發工作。目前，在以下幾個方面的進展迅速：

① 高效反應器的發展: 生物膜反應器和活性污泥工藝的處理負荷在1.0～2.0kgBOD/m3.d之間，而以三相內循環流化床反應器為代表的移動床反應器的負荷可以達到5-10kgBOD/m3.d。所以，對生活污水的處理從反應器發展趨勢角度是從生物膜反應器、活性污泥工藝向高效的移動床和流化床發展。

② 沉淀與反應、反應與分離等技術的融合趨勢: 對生物反應和沉淀功能的組合，導致三溝式氧化溝、SBR反應器和UNITANK等新工藝的開發和應用，特別是集接觸氧化反應和過濾為一體的曝氣生物濾池，以及利用高科技形成反應和分離的膜生物反應器，充分代表了這一發展趨勢。

③ 固定床和懸浮生長系統融合的趨勢: 80年代初，我國和日本同時開發了接觸氧化工藝，但是接觸氧化沒有解決填料使用壽命、放大和堵塞一系列問題，同時，填料費用的增加抵消了池容投資的節約。這導致移動床和流化床反應器的開發，這種反應器生物外在形態上是懸浮狀態，而生長方式是生物膜生長。這是固定床生物膜技術與懸浮生長系統更高一個層次的技術融合。

④ 充氧性能的提高：從直到70年代末仍然采用簡單的穿孔管曝氣，這一時期的技術進展表現為我國對于射流曝氣的開發和掌握，到80年代初國內第一個大型城市污水處理廠引進中剛玉盤的微孔曝氣，90年代，開發橡膠材料的可變孔微孔曝氣裝置，體現了這一領域的進展。

我國城市污水處理技術研究工作從20世紀70年代末起步，經過20多年的不懈努力，在城市污水處理技術方面取得了較大的成就，成果豐碩。同時，隨著改革開放也不斷引進國外新的工藝技術。目前在水污染治理技術上，已成功廣泛使用傳統活性污泥法、延時法等新型活性污泥工藝、SBR、AB法、UNITANK和氧化溝技術、A-O法和A2-O等變形工藝。這些在我國城市污水處理廠普遍采用的工藝，是歐美等發達國家所采用的主導技術，并被證明是行之有效的水污染控制技術。這些工藝原則上也適用于小城鎮污水處理，但是，對于我國大量的小城鎮的小型城市污水處理廠，應該根據這一巨大需求開發小城鎮適用的簡易高效污水處理成套技術，重點要解決在城市污水處理廠出現的三高問題，即投資高、電耗高和運行費用高。

2小城鎮污水處理的適宜工藝

2.1SBR反應器

傳統SBR反應器在運行操作上形成了曝氣和沉淀相結合的特點，這體現了SBR反應器最為本質的特點之一。同時，這要求SBR反應器必須充分利用了現代電子和自動化技術。SBR反應器的發展過程呈現了多樣性，有CASS、CAST、ICEAS、MSBR等多種新型SBR反應器。各種SBR反應器的發展體現了與傳統活性污泥相互融合的趨勢。具體表現為從間歇進水、間歇出水的傳統SBR反應器，發展到連續進水、間歇出水和連續進水、連續出水并帶回流污泥的SBR反應器。以及出現了UNITANK這種融合氧化溝、SBR和活性污泥工藝新型的綜合性工藝。這體現了間歇式的SBR和連續式活性污泥工藝相互融合的特點。

通過對SBR工藝特點和不同研究者的研究結果進行匯總(不考慮由于SBR反應器優點導致的直接結果，如：投資低和運行費用低等)，SBR反應器眾多優點可歸納如下：

SBR反應器充分利用了生物反應過程和單元操作過程的一些基本原理(表1)。不同的SBR反應器由于流態、池型或操作方式的改變可能僅僅具有上述特點的一條或幾條。同時，經典的SBR反應器也存在一定問題，比如：

① 處理連續進水時，對于單一SBR反應器的應用需要較大的調節池；

② 對于多個SBR反應器進水和排水的閥門自動切換頻繁；

③ 無法解決大型污水處理項目連續進水、連續出水的處理要求；

④ 設備的閑置率較高和污水提升水頭損失較大等等。

2.2氧化溝工藝

氧化溝在歐美各國得到了廣泛的重視，發展速度很快。據統計到1977年為止在西歐有超過2000多座派司維爾型氧化溝投入運行。荷蘭DHV公司發明的卡魯塞爾氧化溝在全世界范圍已有800多座投入運行(1996)。法國OTV-Kurger公司開發的D型氧化溝已占丹麥氧化溝總數的80％。美國Envirex公司開發的Orbal氧化溝，最大處理規模已達90萬m3/d。

從90年代至今是我國氧化溝技術大發展的階段，預計已有上百座氧化溝污水處理廠投入運行。氧化溝技術仍然是當前污水處理的熱點。氧化溝屬于活性污泥工藝的一種變形，但是在其發展過程中也形成了其很多獨有的優點和特點：

① 構造形式具有多樣性

② 氧化溝曝氣設備的多樣性

③ 簡化了預處理和污泥處理

2.3 曝氣生物濾池工藝

現代曝氣生物濾池(簡稱BAF)是在70年代末80年代初出現的一種膜法生物處理工藝，最初是應用在污水處理的三級處理上。其將生物接觸氧化與過濾結合在一起，不設沉淀池，通過反沖洗再生實現濾池的周期運行。在廢水的二級處理中其保持接觸氧化的高效性，同時又可通過過濾獲得高的出水水質。90年代初得到了較大發展(圖1)。以BAF為代表的工藝主要優點如下：

① 工藝容積負荷可高達6.0kgBOD/m3.d，出水達到或接近生活雜用水標準；

② 占地面積少：曝氣生物濾池占地是常規二級生化處理的1/5～1/10；

③ 投資省：BAF系統總水力停留時間短，基建投資少，同時出水水質高。

曝氣生物濾池可以有多種運行方式，可以下向流的方式運行，也可以是上向流的方式運行，采用上向流的曝氣生物濾池往往采用輕質濾料。曝氣生物濾池工藝也可與其他生物處理工藝一樣采用多級串聯工藝。采用兩級串聯工藝為進一步降解污水中難降解的有機污染物和達到嚴格的出水水質提供了可靠的保證，可以獲得了優良的處理效果，保證了出水的穩定性。

2.4 三相內循環流化床反應器

內循環三相流化床反應器，作為一種新型的三相流化床，其反應器的諸多特性主要體現在氣、液循環、載體流態的特殊運行規律。由于在內循環三相生物流化床反應器內裝有大量細小的載體，并使之處于循環流化狀態，為微生物的附著生長提供巨大的表面積，同時保證良好的混合和傳質條件(圖2)。因此本質上該反應器是一種生物膜法處理工藝。

三相內循環流化床不僅具有一般好氧流化床的特點，還具有以下特點：

① 流化性能好，反應器處于完全混合狀態：反應器內大部分載體都參與循環流動，載體流化具有良好的均勻性，這為生物膜形成提供了條件；

② 氧的轉移效率高：由于大量液體循環流動，在此過程中會夾帶一些細小的氣泡，延長氣-液接觸時間，提高了氧的轉移效率。氧利用率可達30%～50%；

③ 載體流失量少，不需專門的脫膜設備，大大簡化了原來的流化床處理污水所需的輔助設備。

在投配容積負荷達10kgCOD/m3.d以內時，可獲得70%～80％左右的COD去除率，與傳統活性污泥相比去除污泥負荷可提高10倍左右。內循環三相生物流化床進入正常運行后，COD去除率均達75%以上，尤其是進水濃度較高時，去除率可達90%以上。這說明流化床具有較強的抗沖擊能力。

3 可持續發展的污水處理工藝

目前我國城市污水處理廠普遍采用的工藝是國外在水污染控制過程中，被證明是行之有效的技術。并且是歐美等發達國家所采用的主導技術，我國與歐美等國家與工藝幾乎處在同一水平上，但是我國的國民生產總值遠遠低于上述國家，采用以上技術是否能夠完全適合我國的國情，是我們需要考慮的一個問題。這需要從技術的先進性和是否代表了可持續發展的方向兩個方面來考慮。

3.1新技術、新工藝的開發

從技術發展的角度給開發新技術提供了可能性，各種類型有機污染物的厭氧(缺氧)、好氧降解反應過程匯總如下。

     好氧(缺氧)過程                              厭氧(缺氧)過程
 1) COD®H2O＋CO2 (傳統好氧)               2) COD ® CH4+CO2(傳統厭氧)
 3) NH4+ ®NO2－ ®NO3- (硝化)              4) NO3-( NO2-)® N2 (厭氧或缺氧(短程)反硝化)
 5) PO4-＋生物-P ®生物-P(厭氧)            6) NH4+＋NO2-®N2(厭氧氨氧化)
 7) H2S ®So (微需氧或缺氧)                8) SO4= ®H2S (厭氧反應)
 9) R-Cl®CO2 + Cl- (好氧反應)             10) RCCl®CH4+CO2+Cl-(厭氧反應)

以上反應為新工藝開發的化學反應基礎，是新工藝開發的基礎和生長點。人們過去對于好氧微生物和專性厭氧微生物研究十分充分, 而對兼氧性微生物的研究不夠。反應式(1、2和3)為傳統厭氧和好氧工藝，其他均為兼性菌的反應。事實上，去除 N、P的A2O或AO工藝(反應4、5)就是利用兼性菌的工藝。Kuenen等發現某些細菌在硝化、反硝化應用中能利用NO2-或NO3-作電子受體將NH4+氧化為N2和氣態氮化物(反應式5)；在這些反應的基礎上，正在開發短程反硝化、ANAMMOX和OLAND等符合可持續發展的新工藝。可以很好的與氧化溝、生物膜、SBR反應器和間歇曝氣等工藝結合。

成功的利用兼性微生物的典型工藝是北京環保所在80年代開發的水解－好氧處理工藝。水解池利用水解和產酸微生物，將污水中的固體、大分子和不易生物降解的有機物降解為易于生物降解的小分子有機物。使得污水在后續的好氧單元以較少的能耗和較短的停留時間下得到處理。從大量實踐來看，采用水解－活性污泥法與傳統活性污泥相比，基建投資、能耗和運行費均可節省30%以上。

3.2 生態處理技術

所謂生態處理技術并不是什么全新的技術，而是在農村和小縣城可以根據當地社會、經濟和自然條件，而適當采用的土地處理技術、氧化塘處理技術和人工濕地處理技術等等。土地快速滲濾或慢速滲濾污水處理系統，是利用天然或人工砂土，在一定水力負荷條件下，通過土地處理系統產生綜合的物理、化學和生物反應使污染物得以去除，其中主要是生物化學反應。滿足出水的處理目標。該技術建設和運行費用低、管理簡單和出水效果好，適合于我國國情。

而污水人工濕地處理技術，將污水有控制地投配到經人工改造的濕地上，利用土壤、植物和微生物等對污水進行處理。深圳平湖白泥坑人工濕地系統是我國九十年代具有代表性的工程。近年來，該技術研究和應用較為廣泛。穩定塘則是一種構造簡單，易于管理，處理效果穩定可靠的污水自然生物處理設施。污水在塘內通過長時間的停留，其有機物通過不同細菌的分解代謝作用用后被生物降解，穩定塘按照功能可分為以類： (1) 好氧塘；(2) 兼性氧化塘；(3) 厭氧氧化塘；(4) 曝氣氧化塘；(5) 高效氧化塘。

4小城鎮污水物化處理

4.1一級化學強化處理

國家城鎮污染技術政策建議非重點流域和非水源保護區的建制鎮，根據當地經濟條件和水污染控制要求，可先行一級強化處理，分期實現二級處理。一級物化處理有投資省、運行費用和能耗低的優點，特別是采取一級強化處理措施，在費用和能耗增加不多的條件下，較大幅度的提高有機物的去除率，以達到大量削減有機污染物總量的目的，這對于我國這樣一個發展中國家是一條值得探索的途徑，對全面實現我國水環境徹底改善的目標具有重大意義。表2是國內外一些一級強化處理工藝典型工藝的匯總表。

強化一級處理的工作的特點如下：

一級強化化學處理與絮凝劑的發展密切相關，現在由于高效、廉價絮凝劑的出現，國外在城市污水處理中已經應用。瑞典的城市污水處理廠大部分都采用了化學處理與生物處理聯用。瑞典有關部門曾對生物處理和化學處理中所需能量進行了比較，生物處理每降解1 kgBOD7需1.3kW.h。絮凝劑生產的原料、運輸和形成最終產品所需能耗為每kg產品約0.3kw·h，通常絮凝劑的投加量平均約為150g/m3，可見化學處理的藥耗能耗遠低于生物處理。一級強化處理工藝特點如下：

① 去除率高：對懸浮固體、膠體物質和磷的去除具有明顯效果，一般可去除懸浮固體達90%，BOD50%～70%，COD50%～60%，細菌80%～90%，總磷80%～90%。

② 投資效益好：能降低后續生物處理的負荷和電耗，運行穩定，所需生化池容積較小，節省用地和造價，而且近期投資環境效益較好(與一沉池比較)；

③ 除磷效果好：國內外的實際運行經驗表明，除磷效率將高于生物除磷，當結合后續生物處理時，出水的TP含量可望滿足0.5mg/L的排放要求(一級標準)。

④ 化學污泥的處理和處置：采用一級強化工藝的污水廠，化學藥劑的投加會使沉淀污泥的產量增加、濃度降低，污泥體積增大，使污泥處理處置的難度增加，初沉池產泥量將增加50%～100%。除了考慮藥劑費用外，要考慮污泥的處理處置費用。一級強化工藝增加了污泥處理處置費用相當可觀，對此需引起足夠的重視。

4.2化學除磷

隨著我國污水排放標準中對N、P的要求日趨嚴格，我國面臨著現有污水處理設施的除磷工藝改造和新建具有除磷脫氮功能的污水處理設施兩種情況。活性污泥工藝和生物接觸氧化工藝是具有代表性的兩種污水處理工藝。目前國內外普遍采用的除磷方法主要有化學除磷和生物除磷法，以及化學和生物除磷相結合的生化除磷法。化學除磷投藥量計算較為復雜，目前還沒有公開發表過技術試驗結果來描述化學除磷投藥量的計算方法。常引入藥劑投加系數β值，即：

 β＝摩爾Fe或Al/摩爾

投加系數β是受多種因素影響的，如投加地點、混合條件等，實際投加時建議通過投加試驗確定。現對中試試驗中β與TP去除效果進行分析，如圖3和圖4。

由圖3可知，要達90%以上的TP去除率，鐵鹽β值應在1.6以上。且相同β值情況下，活性污泥工藝的TP去除率優于生物接觸氧化的TP去除率。同理，對于鋁鹽β值，要達90%以上的TP去除率，對于活性污泥工藝應在1.2以上，對于生物接觸氧化工藝應在2.0以上。相同β值情況下，活性污泥工藝的TP去除率優于生物接觸氧化的TP去除率，且程度高于投加鐵鹽的效果。

5小城鎮污水處理新材料和新施工方法的應用

水污染控制技術涉及到處理技術研究開發、工程設計、工程實施、設備加工和運營管理等各方面。以往人們著重于工藝技術的開發和研究。工藝開發無疑是很重要，但是，當工藝確定以后，應該更加注重工程和制造環節，提倡新材料、新技術、新設備和新的施工方法的改進和革新。在這一方面過去沒有引起足夠的重視，事實上，過去不乏這樣的實例，例如：高效曝氣裝置的應用可以大幅度的降低能耗；如Biolock、Lipp等新的建筑材料和施工方法的應用，形成了新的工藝。

5.1設備化的小型污水處理廠

國外發達國家的工業廢水處理工程大多已采用新設備、新材料和新工藝來設計和建造，如德國利浦(Lipp)公司的雙折邊咬口技術和Farmetic公司的拼裝制罐技術。這些技術應用金屬塑性加工中的加工硬化原理和薄殼結構原理，通過專用技術和設備將2～4mm鍍鋅鋼板建造成體積為100～2000m3的反應器。具有施工周期短、造價較低、質量高等優點，其施工周期比同樣規模的混凝土罐縮短60%，比普通鋼板罐節省材料達50%以上，而且耐腐蝕，不需保養維修，使用壽命要達20年以上。

例如，Lipp制罐技術是一種具有世界先進水平的制罐工藝與技術，但是需要特殊機械。80年代國內糧食系統引進多套加工機械，并且在糧倉上有大量的應用。目前也逐步應用于城市污水處理。

5.2新型防滲施工材料應用

根據調查我國廢水處理設施資金的54%用于土建工程設施，而只有36%用于設備，造成這種投資分配格局的主要原因是工藝池大都采用價格昂貴的鋼筋混凝土池。大的鋼筋混凝土池不僅價格昂貴，而且施工難度大。但對于小城鎮許多種污水處理工藝而言，都可考慮采用土池。為了減少投資，很多公司在研究土池結構的曝氣池上做了大量工作，首先是使用HDPE防滲膜隔絕污水和地下水，其次是解決避免了在池底池壁穿孔的曝氣方式的安裝。例如，百樂卡技術采用懸掛在浮管上的微孔曝氣頭、氧化溝技術采用表面轉刷或轉碟曝氣以及采用表面曝氣的其他曝氣池等等。

百樂卡工藝是一種多級活性污泥污水處理系統。它是由最初采用天然土池作反應池而發展起來的污水處理系統。經多年研究形成了采用土池結構、利用浮在水面的移動式曝氣鏈、底部掛有微孔曝氣頭的一種具有一定特色的活性污泥處理系統。這種敷設HDPE防滲膜的土池不僅易于開挖、投資低廉，而且完全能滿足污水處理池功能上的要求，并能因地制宜，極好地適應現場的地形，存某些特殊的地質條件下，如地震多發地區、土質疏松地區，其優點得到更充分的體現。敷設HDPE防滲膜的土池使用壽命遠遠超過鋼筋混凝土池。作者: 王凱軍 來源：谷騰水網