城市污水處理技術作為環境學科的一個分支,就我國目前的狀況來看, 整體上已有了很大的進步,但還落后于我國城市發展的水平。近些年來, 雖然研究、開發了一些設備和工藝, 但總體上主要是借鑒和引進國外的一些先進工藝、經驗和設備。
1 一級處理工藝及其發展趨勢
一級強化處理技術分為兩類:一類側重于物化機理, 一類側重于微生物的絮凝吸附原理。目前國內外研究的一級處理工藝主要如下。
1 .1 活化污泥法
活化污泥法是根據絮凝動力學和生物吸附理論提出“絮凝吸附—沉淀—活化”的城市污水強化一級處理工藝。該工藝對污染物去除的強化作用主要包括污泥的絮凝、吸附和生物代謝3 種, 以前兩者的作用為主。
該工藝的特點是未經沉淀的生活污水原水與生物污泥同時進入混合反應器(絮凝吸附池), 兩者在機械攪拌作用下充分混合, 經充分絮凝吸附反應后,大量污染物質被絮凝吸附進入污泥絮體, 出水進入沉淀池, 實現固液分離, 而沉淀池出水就是比較終出水(見圖1)。為了恢復沉淀池飽和污泥的生物絮凝吸附活性, 將沉淀污泥短時間曝氣活化, 以部分降解吸附的有機物, 產生適量的微生物絮凝物質, 改善污泥的沉降性能, 同時保持污泥的好氧狀態, 避免變黑、發臭。此過程在污泥活化池里進行, 能耗遠低于二級生物氧化反應。該工藝是適用于環境狀況亟待改
善而經濟欠發達地區的一種新型實用技術。
圖1 活化污泥法工藝流程
1 .2 混凝沉淀強化法
混凝沉淀強化法目前主要應用于給水處理和部分工業廢水處理。由于需要投加大量的混凝劑且污水水質常常急劇變化, 限制了其在城市污水處理領域中的應用, 一般僅應用于城市污水的深度處理中。近年來, 隨著許多新型、高效、廉價的混凝劑的出現和自動化技術的廣泛應用, 混凝法與污水生物處理法相比具有了較強的競爭力。
例如, 對北京市城市污水進行試驗, 結果表明,兩種傳統混凝劑(FeCl3 和聚合硫酸鐵)及一種國外引進的混凝劑(Biofloc), 經過混凝沉淀強化一級處理后, 污水中COD 的去除率可達50 %～ 80 %, 而處理成本僅為二級處理的1/5 ～ 1/3 , 既能有效地削減污染物總量, 又節約了治理資金, 在現階段十分符合我國國情。此外, 經強化一級處理后的污水再進行二級處理時, 停留時間可以大大縮短, 減少能耗, 提高出水水質。
1 .3 應用及其發展趨勢
就我國目前的污水處理狀況來說, 污水處理率一直較低, 而解決城市污水污染的根本措施是建設以生物處理為主體工藝的二級城市污水處理廠, 但這需要大量的投資和高額運行費用。對我國不少地區, 特別是經濟欠發達地區和中小城市而言, 有必要應用投資低、污染物去除率較高的城市污水強化一級處理工藝。根據我國目前水處理的發展狀況, 混凝沉淀強化一級處理工藝在我國應用較多。
目前一級處理工藝的發展主要集中在研究和應用高效、廉價的絮凝劑以及微生物絮凝劑, 同時研究無機絮凝劑與其他各類絮凝劑協同作用效果, 以及對一級處理工藝設備的優化選型等方面。
2 二級處理工藝及其發展趨勢
二級處理工藝流程的發展主要是在原有的傳統處理工藝流程上進行某一個方面的強化處理, 使某一處理水的某一或某幾個指標達到一定的標準。
2 .1 序批式工藝
2 .1 .1 傳統的SBR 法
SBR 工藝即間歇活性污泥法, 它由一個或多個曝氣反應池組成, 污水分批進入池中, 經活性污泥凈化后, 上清液排出池外即完成一個運行周期。每個工作周期順序完成進水、反應、沉淀、排放4 個工藝過程。
SBR 工藝的特點是具有一定的調節均化功能,可緩解進水水質、水量波動對系統帶來的不穩定性。工藝處理簡單, 處理構筑物少, 曝氣反應池集曝氣、沉淀、污泥回流于一體, 可省去初沉池、二沉池及污泥回流系統, 且污泥量少, 易于脫水, 控制一定的工藝條件可達到較好的除磷效果, 但也存在自動控制和連續在線分析儀器儀表要求高的缺點。
2 .1 .2 CASS 工藝
CASS 工藝是一種連續進水式SBR 曝氣系統, 不僅具有SBR 工藝簡單可靠、運行方式靈活、自動化程度高的特點, 且除磷脫氮效果明顯。這一功能主要實現于CASS 池通過隔墻將反應池分為功能不同的區域, 在各分格中溶解氧、污泥濃度和有機負荷不同, 各池中的生物也不相同。整個過程實現了連續進、出水。同時在傳統的SBR 池前或池中設置了選擇器及厭氧區, 提高了除磷脫氮效果(見圖2)。
圖2 CASS 工藝流程
CASS 工藝的特點是對污水預處理要求不高, 只設間隙15mm 的機械格柵和沉砂池。生物處理核心是CASS 反應池, 除磷、脫氮、降解有機物及懸浮物等功能均在該池內完成, 出水可達標排放。
2 .1 .3 MSBR 法
MSBR工藝是20 世紀80 年代初期發展起來的污水處理工藝, 經過不斷改進和發展, 目前比較新的工藝是第三代工藝, 其工作原理如圖3 所示。
圖3 MSBR 工藝流程
MSBR 工藝的特點是系統從連續運行的單元(如厭氧池)進水, 從而加速了厭氧反應速率, 改善了系統承受水力沖擊負荷和有機物沖擊負荷的能力;同時, 由于MSBR 工藝增加了低水頭、低能耗的回流設施, 極大地改善了系統中各個單元內MLSS 的均勻性。可見,MSBR 系統是由A2/O 系統與SBR 系統串聯組成, 并集合了兩者的全部優勢, 因而出水水質穩定、高效, 并有極大的凈化潛力。
2 .1 .4 UNITANK 系統
SEGHERS 公司提出的UNITANK 系統是SBR 法的又一種變形和發展, 它集合了SBR 和傳統活性污泥法的優點, 一體化設計, 不僅具有SBR 系統的主要特點, 還可以像傳統活性污泥法那樣在恒定水位下連續運行。
UNITANK 系統的特點是構筑物結構緊湊, 一體化。可根據好氧過程的DO 檢測與缺氧和厭氧過程的ORP 在線檢測, 通過改變供氣量, 切換進出水閥門, 改變好氧、缺氧及厭氧的反應時間等, 高水平地實現系統的時間和空間控制, 高效地去除污水中的有機物及脫氮除磷, 且水力負荷穩定。交替改變進水點, 可以相應改善系統各段的污泥負荷, 進而改善污泥的沉降性能(見圖4)。
圖4 好氧UNITANK 系統流程
脫氮除磷過程更能通過抑制絲狀菌生長來控制污泥膨脹。3 個池可以被完全加蓋封閉或建在地下, 廢氣可以收集處理, 既有利于布置、保溫, 又避免系統對周圍環境產生不良影響(見圖5)。
圖5 脫氧除磷UNITANK 系統流程
目前, 我國石家莊高新技術產業開發區污水處理廠日處理污水10 萬t , 就是采用的該工藝。
2 .1 .5 DAT-IAT 工藝
DAT-IAT 工藝是一種SBR 法的變形工藝, 主體構筑物由兩個串聯的反應池組成, 即需氧池(demandaeration tank)和間歇曝氣池(intermittent aerationtank)。一般情況下DAT 池連續進水、曝氣, 其出水進入IAT 池, 在IAT 池完成曝氣、沉淀、潷水和排除剩余活性污泥。主要過程分為進水、反應、沉淀、排水、閑置等幾個過程(見圖6)
圖6 DAT-IAT 工藝流程
DAT-IAT 工藝的特點是運行穩定、處理效率高、出水質量好、處理構筑物少、處理流程簡化、建設費用少、自動化程度高、操作運行簡單、調度靈活、節省占地面積, 可達到脫磷脫氮的目的。天津經濟技術開發區污水處理廠就是使用的該工藝。
2 .2 脫氮除磷工藝
2 .2 .1 A2/O 工藝
A2/O 工藝為厭氧—缺氧—好氧生物脫氮除磷工藝, 該工藝能對BOD5 , SS , 氮、磷都有很高的去除效果, 因此又稱為生物脫氮除磷工藝。
A2/O 工藝將生物反應池分為厭氧段、缺氧段和好氧段。在厭氧段, 回流污泥中的聚磷菌釋放磷, 同時BOD5 得到部分去除。進入好氧段, 聚磷菌又變本加厲地吸收磷, 污泥成為高磷污泥, 通過排放剩余污泥的方式, 將磷去除;BOD5 得到更進一步去除, 同時NH3-N 被硝化, 通過含硝酸鹽混合液的內回流方式, 使其NHx-N 在缺氧段進行反硝化脫氮, 因而該工藝具有同時生物脫氮除磷的功能(見圖7)。
圖7 A2/ O 工藝流程
A2/O 工藝處理效率較高, 適用于要求脫氮除磷的大中型城市污水廠, 但基建費和運行費均高于普通活性污泥法, 運行管理要求高, 所以對目前我國國情來說, 當處理后的污水排入封閉性水體或緩流水體引起富營養化從而影響給水水源時, 才采用該工藝。
2 .2 .2 A/O 工藝
A/O 工藝也是城市污水生物脫氮技術的一種。這種工藝是在曝氣池前增加厭氧、全混合反應池, 原污水經過預處理后在這個池內與回流污泥充分混合。
A/O 工藝的特點是處理的水質好, 氮、磷的含量都較低, 且不需要再增加脫氮除磷的三級處理工藝,剩余污泥量較一般生物處理系統少, 沉降性能也好,易于脫水。但該工藝對沒經過硝化處理的污水不適用, 同時由于回流污泥中有硝酸鹽及亞硝酸鹽的存在, 將阻礙磷在厭氧池內的溶解。
2 .2 .3 UCT(University of Cape Town)工藝
由于在A/O 工藝中, 污泥回流很難保證100 %不含硝酸鹽及亞硝酸鹽, 為了徹底排除硝酸鹽及亞硝酸鹽對除磷的干擾,UCT 工藝不將污泥回流到磷釋放池, 而是回流到其后的反硝化池。在硝化池內排除硝酸鹽和亞硝酸鹽后, 再引入磷釋放池與原污水混合, 接下來是一組硝化與反硝化池(見圖8)。
圖8 UTC 工藝流程
2 .2 .4 改良的UCT 工藝
該工藝又稱為MUCT 工藝, 其有兩個缺氧池, 前一個接受二沉池回流污泥, 后一個接受好氧硝化混合液, 將污泥的脫氮與混合液的脫氮分開, 進一步減少硝酸鹽進入厭氧區的可能(見圖9)。
圖9 MUCT 工藝流程
2 .2 .5 VIP 工藝
VIP 工藝是UCT 工藝的改進型, 其工藝流程與UCT 工藝相同, 但其厭氧、缺氧和好氧3 個反應器都是由多個混合反應器串聯組成。分格方式形成了有機物濃度的梯度分布, 提高了厭氧釋磷和好氧攝磷的速度。其特點是有機負荷高于UCT 工藝, 泥齡短, 反應器總容積小于UCT 工藝。
2 .3 運用及其發展趨勢
城市生活污水處理主要去除懸浮物、溶解性有機物、氮和磷。對于日處理能力在20 萬t 以上的城市污水處理廠, 比較適宜的工藝是活性污泥法及其變形工藝, 主要是鼓風曝氣的完全混合式活性污泥法和氧化溝工藝。對于日處理能力在5 萬～ 20 萬t 的城市污水處理廠, 除上述兩類工藝外, 還可以采用序批式活性污泥法(SBR 工藝)。日處理能力在1 萬～5 萬t 的城市污水處理廠可采用的技術比較多, 近年各種新工藝不斷產生, 但總體應用上仍以活性污泥法為主。根據要求的不同可以分為:①以去除有機碳為目的:活性污泥法、氧化溝、SBR 工藝、生物濾池、曝氣生物濾池、接觸氧化法。②以除碳脫氮為目的:A/O 法、氧化溝、交替運行氧化溝、SBR 工藝、CASS 工藝、UNITANK 工藝等。③以除碳脫氮除磷為目的:A2/O 法、交替運行氧化溝、SBR 工藝等。
結合國內外目前的二級處理工藝, 其發展趨勢主要表現在:處理系統一體化的研究與開發, 組合式污水處理工藝研究, 污水的綜合處理、零排放研究,污水處理系統的過程控制研究, 污水處理系統的儀表設備研究。
3 三級處理工藝及其發展趨勢
近年來, 我國已經開始重視三級處理工藝的研究開發, 目前用得比較多的三級處理工藝可以分為常規工藝、MBR 技術和LM 深度處理技術。
3 .1 常規工藝
常規的三級處理工藝是在生物處理之后增加混凝、過濾、消毒等常規處理過程, 有砂濾、膜濾、反滲透、UV 消毒、液氯、臭氧消毒等。一般來說這些處理方式單位水處理成本比較低, 在經濟上比較可行。
3 .2 MBR技術
MBR 技術又稱為膜生物反應器技術, 利用了膜分離的選擇性和高效性, 同時又利用了生物處理工程的有效性和徹底性, 將水中的有害物質比較大限度地除去。MBR 工藝的特點是用膜分離系統代替了普通活性污泥法中的二沉池, 減少了傳統工藝大部分的處理單位, 節省了大量投資, 而且耗能和一般傳統的水處理工藝相近。污水在處理設備中的停留時間短, 對COD ,NH3-N 的去除率極高, 出水水質達到了生活雜用水水質的標準。
3 .3 LM深度處理工藝
LM 深度處理工藝是一種全新的生態處理工藝,在厭氧池加好氧池的基礎上加入了改進的曝氣氧化塘和高效濕地兩個深度處理單元, 使出水水質達到了生活雜用水的標準。其工藝流程是:生物厭氧池—封閉好氧池—開放好氧池—澄清池—人工濕地—UV 消毒—蓄水池—回用, 或者以接觸氧化池和生態氧化槽代替封閉好氧池和開放好氧池。
LM 深度處理工藝的特點是剩余污泥少、運行費用低、管理方便, 還具有美化景觀的功能。該方法和其他水處理工藝相比比較經濟。
3 .4 運用狀況及其發展趨勢
目前我國的三級處理工藝中運用一般的常規處理工藝較多, 現階段MBR 方法也有了廣泛運用, 比如在北京長安街生活小區的回用水處理。就我國目前的實際情況來看, 由于常規工藝處理比較方便, 且應用技術也較成熟, 一般在選取工藝時仍選用常規處理工藝。
國內外目前廣泛研究的主要是通過微濾和反滲透技術來處理二級處理后的污水, 以達到回用水的標準, 圖10 是該處理工藝流程的典型例子。具體參見污水寶商城資料或http://www.dowater.com更多相關技術文檔。
圖10 污水回用試驗工藝流程
濕地系統在國外有著廣泛的應用, 目前我國也開始了這方面的研究工作。由于我國環境污染加劇, 淡水資源巨減, 相信三級處理工藝必將越來越受到重視。
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