城市污水处理技术发展回顾与展望

城市污水解决技术发展回顾与展望喻泽斌,王敦球,张学洪(重庆大学城市建设与环境工程学院,四川重庆400045)摘要:随着水环境问题的提出,城市污水解决已经历了百年的发展历史.在回顾城市污水解决发展历史的基础上,从水质目的变化和2类城市污水解决基本方法——活性污泥法与生物膜法不断革新的历程的角度,分析了城市污水解决技术的发展过程,介绍了各种革新工艺的优缺陷以及近年来出现的几种城市污水解决新技术.最后,展望了21世纪城市污水解决技术的发展趋势.关键词:环境工程学;废物解决;城市污水;解决技术中图分类号:X703;TU992.24文献标记码:A文章编号:1001-6600(2023)02-0081-07城市污水解决技术发展历史回顾城市污水是城市发展中的产物.初期的城市污水通过污水收集系统收集并排放到附近下游水体,使其通过水体的稀释和自然净化变污为清.随着工业发展和人口膨胀,排放的污水越来越多,水质越来越复杂,水体有限的自然净化能力已不堪重负,必须在适当的位置建设污水解决设施,对污水进行净化解决.于是,随着着控制水污染的规定,城市污水的解决技术诞生了.自最早的废水生物反映器——Moris池问世以来,污水解决已有百年历史.第一个生物膜法解决设施在英国实验成功后,192023开始付诸实践,并迅速在欧洲和北美得到广泛应用.第二次世界大战后,城市污水解决技术得到了快速发展.20世纪50年代,欧洲工业的快速发展,使水环境污染日益严重,以城市污水解决为重要内容的泰晤士河和莱茵河的治理受到了重视并取得了成功的经验.随后短短的10数年时间内,水污染控制就开始从末端治理步入污染综合防治的较高级阶段.在这一阶段中,人们除继续开发、研制水污染控制技术外,更加注意环境立法、环境管理和综合防治措施的发展,从工艺改革、推行清洁生产和依靠科技进步等方面控制污染.在污染控制技术方面充足运用环境自净能力、全面考虑污染控制费用,通过系统控制工程进行区域综合控制,取得环境、经济、社会效益的统一.到70年代末,美国已投资了数万亿美元,建设了18000座的城市污水解决厂,英国、法国、德国也各兴建了7000~8000座城市污水解决厂.80年代后,这些国家的污水解决水平进一步提高,兴建了一批具有脱氮除磷的污水解决设施,这些解决设施在改善水环境质量方面起到了重要的作用[1].我国城市污水解决技术发展起步较晚,20世纪50年代前还停留在水体自净阶段;60年代进入农田利用阶段;70年代,许多城市开始注意城市污水解决问题并采用了一定的措施,但重点放在工业污染源的分散治理上,污水解决进入了分散治理阶段;进入80年代后,污水解决进展较快,进入了水污染的综合防治阶段.我国第一座大型城市污水解决厂——天津市纪庄子污水解决厂于1984年4月28日竣工投产运营,解决规模为2.6×105m3/d.在此成功经验的带动下,北京、上海、广东、广西、陕西、山西、河北、江苏、浙江、湖北、湖南等省市根据各自的具体情况分别建设了不同规模的污水解决厂几十座.到2023年终,全国已建设城市污水解决厂427座,其中二级解决厂282座,这些污水解决设施对遏止水环境污染加剧的趋势起到了重要作用.但是,不容乐观的是,我国的城市污水解决率目前还不到20%.2城市污水解决技术的发展与革新城市废水指城市内生活污水、工业废水和大气降水的混合物,其性质因城市规模、气候条件、排水体制等因素,特别是城市中工业的多少和性质、工业废水预解决限度等而异,但当对工业所排放的特殊污染物,如重金属、酸、碱、有毒物质、油类等有一定的内部治理措施时,一般的城市废水的性质是相似的.城市废水所形成的水污染,以有机污染最为严重,表现为水体中的BOD5,COD超标,还具有不少难以被生物降解的、甚至是有毒有害的有机物.此外,氮磷物质引起的富营养化污染也非常严重.传统上废水的解决方法分为物理法、化学法和生物法.物理法的去除对象是水中不溶解的悬浮物质.化学法是指向废水中投加化学物质,通过化学反映达成净化废水的目的.生物法指采用一定的人工措施,发明微生物生长、繁殖的环境,使微生物大量繁殖,从而提高微生物氧化、分解有机污染物的一种技术.生物法重要用于去除废水中呈溶解态和胶态的有机物,与物理和化学法相比,生物解决在去除废水中有机碳、硫、氮、磷等污染物质方面,存在许多优越之处.在生物解决中,溶解性污染物或者被转化为无毒形式如CO2或者NH3,或者被转化为容易分离的颗粒状微生物细胞物质.此外,微生物在生长过程中,可以吸附一些不溶性的有机物,使之可以通过物理的方法去除[2].按照微生物的生长方式,生物法又可分为以活性污泥法为代表的悬浮生长法和生物膜法为代表的附着生长法.目前,在城市废水解决中尤以活性污泥法的应用最广.但是,由于传统的活性污泥法流程复杂,基建费用高,运营中消耗大量的能源,运营费也很高,需要进行革新.为开发高效、节能的城市污水解决新技术、新流程,国内外开展了大量的研究,并取得了一定的成就.2.1从水质目的变化看技术发展2.1.1城市废水解决的任务是去除城市废水的悬浮物和BOD5.对于常规的废水解决流程来说,视其排放水质的规定不同,一般涉及3段解决工序.其中,一级解决(物理解决)重要是用于去除粗粒固体、悬浮固体、大粒径胶体等,由于一级解决仅能去除城市废水BOD5的30%,因此,还不宜排放.二级解决(生物处理)重要是运用微生物的生命活动过程,对废水中的污染物进行转移和转化作用,从而使废水得到净化.其重要特性是应用微生物特别是细菌,并在为充足发挥微生物的作用而专门设计的生化反映器中,将废水中的污染物转化为微生物细胞以及简朴形式的无机物.由于二级解决能大幅度去除水中呈胶体和溶解状态的有机污染物,BOD5的去除率可以达成90%以上,BOD5的浓度降到20~30mg/L,污水能达成排放标准.目前,世界上工业发达国家普遍采用二级生物解决流程.三级解决是对废水的深度解决,一般指去除氮、磷和其他微量的杂质.近年来,随着对环境质量规定的不断提高,为了防止水体富营养化,防止藻类的过度繁殖,对二级生化解决后的污水再进行三级解决,除去水中的残留有机物,使污水成为新的资源.2.1.2城市污水解决目的的2个阶段.阶段1:长期以来,城市污水的解决均以去除BOD5和SS为目的,并不考虑对氮、磷等无机营养物物质的去除.阶段2:随着化肥、洗涤剂和农药的普遍应用,废水中氮、磷的含量有了增长,其对环境的影响也逐渐引起了人们的注意,仅靠去除水中的有机物已局限性以保持水质,这样去除BOD5,SS和氮、磷同时成为废水解决目的.2.2从2类基本方法的应用看发展2.2.1传统活性污泥法活性污泥法自192023由Arden和Lockett开创至今,已通过90年的发展与实践,在供氧方式、运转条件、反映器形式等方面不断得到革新和改善[2].最早出现的传统活性污泥法(CAS)属于推流式曝气池,由于靠近池子进水口的基质浓度高于出口端的基质浓度,而最初的设计没有考虑到这种需氧量的变化,结果导致了一些部位氧的局限性.为改善供氧不均匀的缺陷,1936年将均匀曝气的方式改为沿推流方向逐渐曝气的方式,大部分的氧量在基质去除相称快的进水端输入,而以内源代谢和衰减为重要反映作用的出水端仅需少量的氧,这也就是传统活性污泥法比较标准的形式——逐渐曝气活性污泥法(TAAS).活性污泥法的另一个变种——阶段曝气法于1942年出现.阶段曝气法(SFAS)又称多点进水法,进水提成几股,然后几股废水从曝气池的不同点进入,从而使需氧量的分派均匀.在污泥同原水混合前,使污泥进行再曝气的想法得到了更进一步的发展.1951年出现了接触稳定活性污泥法(CSAS),它是传统活性污泥法(CAS)的此外一种发展形式.为了避免在推流式曝气池中因基质浓度梯度导致的微生物不适应,使微生物群落保持相对稳定的状态.到20世纪50年代末,出现了完全混合式活性污泥法(CMAS),这种形式的优点是梯度提供了一个有助于细菌絮体生长,不利于丝状菌生长的环境,污泥的沉降和密实性都很好,但是由于基质梯度的变化使系统容易受有毒物质的干扰.为了克服其他几种改善型式的缺陷(必须处置大量的污泥,流程的运营控制规定严格),出现了延迟曝气法(EAAS),由于有一个完整的细胞平均停留时间,所以,稳定限度相称高,然而由于经济问题的限制,它仅用于废水浓度低的小型设施.此外,还出现了纯氧曝气法、深井曝气法等.总的说来,活性污泥法的重要优点是能以相对合理的费用得到优良的出水水质,这是由于排放之前细胞物质就从废水中去除;重要缺陷是可控制性差.要达成盼望的水质,往往需要复杂的操作技能,提高微生物对环境和水质变化的适应能力.减少生化操作及运转管理的复杂性是革新活性污泥法的目的.2.2.2生物膜法生物膜法和活性污泥法同样,都是运用微生物来去除废水中有机物的方法.但在活性污泥法中,微生物处在悬浮生长的状态,所以活性污泥法解决系统又称为悬浮生长系统.而生物膜法中的微生物则附着在某些物质的表面,所以生物膜法解决系统又称为附着生长系统.生物膜法重要涉及生物滤池、生物转盘、生物流化床法等.生物膜法的基本原理是通过废水与生物膜的相对运动,使废水与生物膜接触,进行固液两相的物质交换,并在膜内进行有机物的生物氧化,使废水得到净化.生物膜法与活性污泥法是废水解决的2个重要方法,与微生物悬浮生长的活性污泥法相比,它有以下优点[2]:由于存在许多硝化细菌,因此具有较高的脱氮能力;生物膜中存在的微生物具有多样性,涉及好氧菌、厌氧菌、真菌和藻类等,使其在去除污染物方面具有广谱性;大量的微生物生长占据了整个反映器的空间,单位体积的生物量远比活性污泥法高,因此单位体积的解决能力也大;膜法中的微生物的食物链比活性污泥法长,产生的污泥大都被生物消耗,因此剩余污泥小;系统维护方便,能耗低,无须污泥回流;该系统的微生态复杂,对水力和有机负荷变化的承受能力强,操作稳定.生物滤池于19世纪末投入运营,20世纪二三十年代建造了较多的生物滤池,当时生物滤池和活性污泥法几乎并列.但由于长期以来生物滤池采用碎石作为填料(滤料),因其体积负荷和有机物去除率都较低,卫生条件也较差,加之解决构筑物又有也许被堵塞等缺陷,于是在20世纪40~60年代,生物滤池有逐渐被活性污泥法取代的趋势.然而,到了60年代,新型合成材料大量出现,很多生物滤池采用这种材料作为填料,大大提高了解决能力,使生物膜出现了重大进展.20世纪70年代末,为强化生物膜法反映器中的传质作用,流化床系统被引入生物膜解决器中,称为生物流化床.生物流化床兼有活性污泥法和生物膜法的特点,有人称其为半生物膜法和半活性污泥法系统.近年来,生物膜反映器以其独特的优势更受到广大研究者和工程师们的关注,又涌现出大量新型的单一或复合式生物膜反映器(Hybridbio-reactors)[3],如微孔膜生物反映器(MembraneBiofilmReactor)、气提式生物膜反映器(Air-liftBiofilmReactor)、移动床生物膜反映器(MovingBedBiofilmReactor)、复合式活性污泥生物膜反映器(HybridActivatedSludge-BiofilmReactor)、序批式生物膜反映器(SequencingBatchBiofilmReactor)、升流式厌氧污泥床-厌氧生物滤池(UASB-AF)及附着生长稳定塘(Attached-growthPonds),等等.由此可见,生物膜反映器发展迅速,由单一到复合,有厌氧亦有好氧,逐步形成了一套较完整的污水生物解决工艺系列.目前,生物膜法需研究改善的重要技术问题有:在理论研究上须有所发展和突破;工艺设计的优化;研究合用的轻质高强、价廉、使用寿命长的滤池滤料;生物膜法除磷脱氮的研究.2.2.3生物接触氧化法生物接触氧化法是界于活性污泥法与生物滤池之间的生物膜法工艺[1~3].接触氧化池内设有填料,部分微生物以生物膜的形式附着生长于填料表面,部分则是絮状悬浮生长于水中.因此它兼有活性污泥法与生物滤池两者的特点.由于其中滤料及其上生物膜均淹没在水中,故又称之为淹没式生物滤池.生物接触氧化装置的形式很多,根据水流状态不同可分为分流式和直流式,从供氧方式上可分为鼓风曝气式、机械83第2期喻泽斌等:城市污水解决技术发展回顾与展望曝气式、洒水式和射流曝气式.生物接触氧化池的填料大多是蜂窝状,目前应用较好的是全面曝气的网状组合填料,纤维填料具有较好的应用前景.总的来说,生物接触氧化法的特点是:具有较高的容积负荷;不存在污泥膨胀问题,运营管理简便;对水质水量的变化有较强的适应能力.事实上,早在19世纪末德国已有运用生物接触氧化法原理解决废水的方法,美国也有在活性污泥法曝气池中设立石棉水泥板等充当填料供生物附着而解决污水的装置,但由于当时缺少合适的填料等因素,未能广泛推广应用.20世纪60年代以来,新型合成材料大量生产,促进了以此材料作为填料的生物接触氧化法的进一步研究.对现代生物接触氧化法较为进一步的研究开始于1971年的日本,我国于1975年也研究成功.总的说来,传统的废水生物解决方法无论在设计理论和实际运营管理等方面,都有比较成熟的经验.但是,随着石油化工和有机化工的发展,有机物的种类和数量不断增长,需要解决的城市废水水质越来越复杂,需要研究开发新的废水解决生物技术.此外,随着水资源的日益紧张和人们环保意识的提高,进一步寻求可以高效除去生物难降解物质和氮磷营养物质也规定研究开发新的废水解决生物技术.3近年来推出的污水解决新技术近年来城市污水解决技术的发展方向重要有[1]:对传统的活性污泥法流程和技术进行革新,使之更为经济合理;研究开发可以代替活性污泥法的解决流程和技术;研究开发目的为城市废水回用的解决流程和技术,由此开发了许多废水解决的新工艺,如吸附生物降解(AB)工艺,序批式间歇反映器(SBR)、膜分离活性污泥法、氧化沟工艺等[1~3].3.1AB法AB法是吸附生物降解法(AdsorptionBio-degradation)的简称,是联邦德国亚琛大学B.Bohnke专家于20世纪70年代中期在传统两段活性污泥法(Z-A法)和高负荷活性污泥法基础上开发的一种新工艺,属超高负荷活性污泥法,在技术上有突破[3].AB工艺是一种新型的活性污泥法,具有一定的特色,对BOD5,COD,SS,氮磷的去除率高于常规活性污泥法,且可节省基建投资约20%、能耗15%左右.其突出的优点是A段负荷高,抗冲击负荷能力很强,对pH和有毒物质的影响具有很大的缓冲作用,并能破坏络合化学污染物而去除COD和BOD5,特别适合解决浓度高、水质水量变化较大的污水如纸浆厂、造纸厂、食品加工厂和印染等工业废水.此外,A段和B段可以分期建设,适合经济水平不高的中小城市.该工艺的重要缺陷是污泥产量较高.该工艺在我国一些城市已有应用,如深圳市罗芳污水解决厂.3.2SBR法SBR法是间歇式活性污泥法的简称,它是一项既古老又年轻的污水解决技术.世界上第一个间歇式运转的工艺是英国工程师SimThomasWardle于1898年发现,192023在英国的Salford市污水解决得到实际应用,后来由于该工艺运营方式操作烦琐,空气扩散装置容易堵塞以及结识方面的问题,没有得到推广.近年来,由于电子工业发展,污水解决厂的整个系统做到了自控运营,为活性污泥法的间歇式运营在技术上发明了条件[3~5].1979年以来,在美国、德国、日本、澳大利亚和加拿大等工业发达国家的污水解决领域得到广泛运用.重要变形工艺有间歇式循环延时活性污泥工艺(ICEAS)和循环式活性污泥工艺(CA-ST).SBR工艺可以实现高浓度进水、高容积负荷和高去除率,在解决高浓度有机废水方面独具特色,并且对氮、磷、硫的脱除效果好,特别适合浓度高、排放量小的各种工业有机废水,如化工、造纸、印染等,同时也适合应用于对出水水质规定较高、水量水质波动较大的旅游城市的污水解决.如昆明市第三污水解决厂就采用ICEAS工艺,扬州市污水解决厂采用了CAST工艺.84广西师范大学学报(自然科学版)第22卷3.3MSBR法MSBR(ModifiedSequencingBatchReactor)是改良式序列间歇反映器,是C.Q.Yang等人根据SBR技术特点[6~9],结合传统活性污泥法技术,研究开发的一种更为抱负的污水解决系统.MSBR法是A2/O法和SBR法工艺组合合成的工艺系统,它具有两者的一些优点,因而出水水质稳定,是20世纪80年代发展起来的解决工艺,在北美、南美和韩国均有应用,我国深圳盐田解决厂在国内初次采用该工艺[6].MSBR工艺目前被认为是最新、集约化限度最高的污水解决工艺.从系统的可靠性、土建工程量、总装机容量、节能、减少运营成本和节约用地等多方面来看,均具有明显优势.加拿大Saskatchewan的Este-van污水解决厂则为一实例[6].3.4CASSCASS(CyclicActivatedSludgeSystem)也是改良式序列间歇反映器,它是近年来国际公认的生活污水和工业废水的先进解决工艺.其重要原理是把序批式活性污泥法SBR的反映池沿长度方向分为2个部分,前部为生物选择区也称为预反映区,后部为主反映区,在主反映区的后部安装了可升降的撇水装置,曝气、沉淀等在同一池子周期循环运营,省去了常规活性污泥法的二沉池和污泥回流系统[10].CASS工艺是以生物反映动力学原理及合理的水力条件为基础而开发的一种废水解决新工艺,特别适合含较多工业废水的城市污水及规定除磷脱氮的解决.在国外的大型污水解决厂实例较多,近几年在我国开始推广应用,北京航天城工程是我国使用该工艺较早的工程之一.3.5UnitankUnitank是20世纪90年代比利时西格斯(SEGERS)公司开发的.从运营方式来看,它像是SBR法的一种变形和发展,具有SBR法和传统活性污泥法的优点,一体化设计,不仅具有SBR法的重要特点,还可以像传统活性污泥法那样在恒定水位下连续运营[11].从构筑物形式来看,Unitank系统近似于三沟式氧化沟系统,它由3个矩形池组成,其中外边两侧的矩形池既可做曝气池,又可做沉淀池.中间一个矩形池只做曝气池.该工艺是一个较为灵活、高效的解决工艺[8],在世界各地已建成100多个,但在我国应用较少,报道仅见梧州污水解决厂.Unitank属于低负荷污水解决工艺,出水水质非常好.由于负荷低,一般不再设立初沉池,二沉池往往和曝气池组合为一;由于泥龄长、污泥较稳定,一般可以不再做稳定化解决而直接解决或应用,省去了污泥稳定化设施,大大简化了工艺流程,使运营管理非常简朴,但是负荷低、泥龄长也使生化部分大大增长,增加了污水解决设施的建设投入,提高了能耗及运营成本.该工艺适合规模较小(小于2×105m3/d)、技术力量较薄弱的中小城市污水解决.3.6氧化沟(OxidationDitch)氧化沟又名氧化渠,因其构筑物呈封闭状的沟渠而得名.氧化沟工艺属于悬浮生物解决技术,在机理上类似于延时曝气工艺,常见的氧化沟有Carrousel氧化沟、交替工作式氧化沟、Orbal氧化沟、一体化氧化沟.与常规的活性污泥法或传统的活性污泥法相比,它具有以下优点[1,3,12]:工艺流程简朴,构筑物少,运行管理方便;解决效果稳定,出水水质好;基建费用低,运营费用低;污泥产生量少,污泥的性质稳定;能承受水量、水质冲击负荷,对高浓度的工业废水有很大的稀释能力;污泥停留时间较长,硝化反映容易进行,通过调节供氧量,可获得较高的脱氮效率[12,13].氧化沟工艺是我国目前采用较多的污水解决工艺技术之一.3.7A2/O法A2/O(厌氧、缺氧、好氧)法是常用的脱氮除磷工艺.其工艺原理是磷在厌氧区被释放,在好氧区被吸收,达成除磷目的;污染物在好氧区被氧化降解,去除COD和BOD5,同时在硝化菌作用下,有机氮转化的氨氮继续转化为亚硝酸氮和硝酸氮,具有硝酸氮的大量混合液回流到缺氧区进行反硝化脱氮.该工艺重要优点是生化效率高、流程简捷、管理方便、运营稳定、经济节能,缺陷是污泥回流,污泥解决工作量大,节能差.我国许多城市的污水解决厂,如广州大坦沙污水解决厂、桂林的第四污水解决厂采用了该工艺.85第2期喻泽斌等:城市污水解决技术发展回顾与展望4城市污水解决技术发展展望21世纪是水的世纪.水资源短缺、水污染等问题的加剧将对21世纪人类社会连续发展带来深刻的影响.研究新的城市污水解决技术,将解决后的水和泥变为可运用的资源,使城市污水解决事业成为一种自然资源再生和运用的新兴工业,是解决水污染和合理运用水资源的重要途径之一[14~18].作为污水解决技术的研究方向,重点在于减少能耗、改善出水水质、减少污泥量、简化与缩小解决构筑物的体积、减少占地、减少基建与运营费用、改善管理条件等[3].可以预见,随着现代科学技术的理论与方法在水污染的研究和水污染的控制应用方面不断拓宽与加深,诸如化学、生物学、生态学、系统论、控制论、信息论、耗散结构论、协同学等基础学科和理论,以及化工技术、生物技术、生态工程技术、计算机技术、遥控遥测技术等先进的技术手段的广泛应用,城市污水解决技术将会得到迅速发展.就我国目前的污水解决现状而言,污水解决技术市场需求相称大.城市污水解决的发展将表现为以下几个方面的特点[19,20]:氮、磷营养物质的去除仍为重点,也是难点;工业废水治理开始转向全过程控制,单独分散解决转为城市污水集中解决;水质控制指标越来越严;由单纯工艺技术研究转向工艺、设备、工程的综合集成与产业化及经济、政策、标准的综合性研究;污水再生运用提上日程;中小城乡污水污染与治理问题受到重视.参考文献:[1]钱易,米祥友.现代废水解决新技术[M].北京:中国科学技术出版社,1993.25—34.[2]LeslieGradyCP,JrGlenTDAigger,HenryCLim.废水生物解决[M].张锡辉,刘勇弟.北京:化学工业出版社,环境科学与工程出版中心,2023.123—142.[3]王彩霞.城市污水解决新技术[M].北京:中国建筑工业出版社,1990.15—48.[4]彭永臻.SBR法的五大优点[J].中国给水排水,1993,9(2):94—101.[5]张统.SBR及其变法污水解决与回用技术[M].北京:化学工业出版社,环境科学与工程出版中心,2023.124—125.[6]罗万申.新型污水解决工艺——MSBR[J].中国给水排水,1999,15(6):67—72.[7]KetchumLH.Firstcostanalysisofsequencingbatchbiologicalreactor[J].JWPCF,1979,51(2):1254—1260.[8]AroraML.Technologyevaluationofsequencingbatchreactor[J].JWPCF,1985,57(8):94—101.[9]NgWun-Jern.Sequencingbatchreactor(SBR)treatmentofwastewater[J].EnvironmentalSanitationReviews,1989,28(9):119—124.[10]沈耀良,王宝贞.循环式活性污泥系统(CASS)解决城市废水[J].给水排水,1999,25(11):28—33.[11]李探微,彭永臻,何金,等.UNITANK系统及污水解决研究方向的思考[J].中国给水排水,1999,15(7):56—60.[12]邓荣森,李伟民,王涛,等.从运营方式看氧化沟技术的发展[J].给水排水,2023,26(3):34—58.[13]张自杰.环境工程手册水污染(防治卷)[M].北京:高等教育出版社,1996.94—101.[14]金兆丰.21世纪的水解决[M].北京:化学工业出版社,环境科学与工程出版中心,2023.12—18.[15]MombergGA,OllermannRA.TheremovalofphosphatebyhydroxyapatitieandstruvitecrystallisationinSouthAfrica[J].WaterSciTechnol,1992,26(5):987—99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