西部地区城镇污水的处理方法和工艺

西部地区城镇污水的处理方法和工艺

目前，主要城市的废水和工业废水污染日益严重，基本上采取了一些管理措施。但中小城镇污水的处理情况就不容乐观了。全国17000多个建制镇绝大多数没有污水处理设施,西部更是如此。这不仅对当地的水环境造成了污染,而且严重阻碍了经济的发展。因此,中小城镇污水的处理势在必行。探讨适合中小城镇污水处理的工艺具有重要意义。污水处理所用的方法是基于物理、化学、物理化学、生物等原理的基础上发展起来的。物理方法主要包括有:过滤、离心、沉淀和浮上。化学方法主要包括有:混凝、中和、化学沉淀和氧化还原。物理化学方法主要包括有:吸附、离子交换、萃取和膜析。生物方法主要包括有:好氧、兼性和厌氧生物处理。中小城镇污水主要是生活污水,一般其水质为COD<500mg/L,pH=6.5～7.5,BOD5<250mg/L,SS<500mg/L,色度(稀释倍数法)<100,含有一定量的氮和磷且水质水量的波动较大,可生化性好。处理这类污水所采取的工艺,与城镇所处的地理位置有关。根据地理位置的不同,可把城镇分为两类:一类是城镇附近有坑塘洼地或滩涂;另一类是城镇附近无坑塘洼地或滩涂。对第一类城镇的污水,可利用自然生物处理达到无害化排放;对第二类城镇的污水,通过物理、化学或生物方法的组合,可使其达标排放。下面就第二类城镇污水的处理方法、工艺作详细介绍。1污水的生物处理根据中小城镇污水的水质情况,对这类污水的处理,虽然化学混凝法也可以达到比较好的处理效果,但不仅其运行费用高,而且污泥量大,后续处理有难度。通过对一些城镇污水的实地取样监测(如:四川省绵阳市的游仙镇、塘讯镇、青义镇等),其污水的BOD5/COD的比值都大于0.4,一般在0.5以上,即污水的可生化性能好,适宜采用生物法处理。又因此类污水的COD值较低,二级处理不需进行厌氧,可直接进行兼性或好氧生物处理。当然,为了脱氮除磷可添加厌氧处理单元。(1)预处理或一级处理:常采用粗细格栅、沉沙池、初沉池等,目的是去除较大的悬浮物和呈悬浮状态的有机物,以减轻后续处理的负荷,保证后续处理设施的正常运行。(2)二级处理:常用的处理工艺有A/O法、A2/O法、AB法、SBR法、传统活性污泥法、氧化沟法等。绝大部分有机物都是在这一阶段得以去除。下面就这些方法作详细介绍和比较。1.1a.o法A/O法主要由缺氧池和好氧池组成。这种方法通过缺氧、好氧交替进行达到脱氮除磷的目的。1.2艺的改进形式A2/O法主要由厌氧池、缺氧池和好氧池组成。这种工艺是A/O除磷工艺的改进形式。其工艺流程为图1。此工艺基本不存在污泥的膨胀问题。但工艺路线长,构筑物多。由于存在混合液回流和污泥回流,不仅投资较大,运行能耗高,脱氮除磷效果受到一定限制,而且对二沉池的设计有特殊要求。1.3产污水处理系统AB法为两段活性污泥法,A段为吸附段,B段为生物氧化段。A段具有很高的有机负荷,在缺氧或兼性条件下工作;B段在低负荷下工作,由于发生硝化和反硝化,活性污泥的沉降效能好,出水SS和BOD5值较低。在运行过程中,两段的活性污泥各自回流。这种方法不仅具有良好的污染物去除效果,而且具有强的抗冲击负荷能力、很好的除氮脱磷效果和投资及运转费用低的特点。国外,这种工艺在处理城市污水方面得到广泛应用。由于我国城市污水的水质较之国外有很大的差异:如欧洲,其城市污水进水的BOD5浓度多在300mg/L以上,而我国城市污水的BOD5值一般小于150mg/L。进水有机物浓度的不同将对A段的微生物相带来直接的影响,进而影响处理效果。因此,在国外已算成熟的AB工艺,在我国还处于研究和试用阶段。1.4sbr和br工艺的比较SBR法早在20世纪初已开发,由于人工管理繁琐未予推广。此法集进水、曝气、沉淀、出水在一座池子中完成,常由四个或三个池子构成一组,轮流运转,一池一池地间歇运行,故称序批式活性污泥法。这种工艺的特点是工艺简单,由于只有一个反应池,不需二沉池、回流污泥及设备,一般情况下不设调节池,多数情况下可省去初沉池,故节省土地和投资,耐冲击负荷且运行方式灵活,可以从时间上安排曝气、缺氧和厌氧的不同状态,实现除磷脱氮的目的。但因为每个池子都需要设曝气和输配水系统,采用滗水器及控制系统,间歇排水水头损失大,池容的利用率不理想,所以在这些方面还有待研究和改进。SBR工艺由于具有一体化工艺的特点,易于实现设备的集成化和自动化。就目前来说,SBR工艺不太适用于大中规模的城市污水处理厂。但经过改进的SBR工艺,由于计算机和自控技术的应用,将存在广阔的市场。(5)处理工艺的特点本工艺50年代初期发展形成,因其构造简单,易于管理,很快得到推广,且不断创新,有一定发展前景和竞争力。氧化沟在应用中发展为多种形式,比较有代表性的有:卡鲁塞尔氧化沟;交替工作式氧化沟;奥贝尔氧化沟等。氧化沟处理工艺具有以下特点。①处理流程简单、操作管理方便氧化沟一般不设初沉池,负荷低,耐冲击,污泥少。②构造形式多样、运行较为灵活氧化沟可以是圆形、椭圆形或马蹄形等;可以是单沟系统,也可以是多沟系统等。多种多样的构造形式赋予了氧化沟灵活的运行性能,使它能按任意一种活性污泥法的运行方式运行,满足不同的出水水质要求。③出水水质良好、可以实现脱氮氧化沟运行稳定性、可靠性较好,出水水质好。因氧化沟中有好氧区和缺氧区的存在,设计恰当的氧化沟可以实现脱氮。④相对占地面积较大,沟内混合液自流流程长。由于紊流导致的流速不均有可能引起污泥沉淀,影响运行效果。且为保持流速,循环水量为进水量的30～60倍,故能耗较高。因此,不适于作为中小型污水处理厂的处理工艺。2中小城镇污水处理工艺组合根据中小城镇的实际情况,其污水中有机物、悬浮物含量比较低,不含有毒有害的重金属,水质水量的波动较大等水质特点;土地尤其是耕地日趋紧张。针对这种情况,中小城镇污水的处理工艺应力求占地面积少,处理效果好,运行费用低,自动化程度高。从以上所列的处理方法,经过分析可知:SBR法的变形(统称改进SBR法),因工艺简单、运行灵活、处理效果好、易实现集成化和自动化,适于作为中小城镇污水的主要处理工艺。其处理工艺流程组合如图1所示。污水经过粗细格栅,以去除较大的悬浮物和呈悬浮状态的有机物。然后格栅出水进入沉沙池,目的是去除比重较大的无机颗粒。经过预处理后的出水进入改进型SBR反应器,经生物处理后实现达标排放。2.1运行时间及操作条件SBR(sequencingbatchreactor,序列间歇式活性污泥法)工艺由按一定时间顺序间歇操作运行的反应器组成。SBR工艺的一个完整的操作过程包括如下五个阶段:①进水期(或称充水期);②反应期;③沉淀期;④排水排泥期;⑤闲置期。图2所示为SBR处理工艺一个运行周期内的操作过程。SBR的运行工况以间歇操作为主要特征。所谓序列间歇式有两种含义:一是运行操作在空间上是按序列的、间歇的方式进行的,由于污水大多数是连续排放且流量的波动是很大的,此时间歇反应器(SBR)至少为两个池或多个池,污水连续按序列进入每个反应器,它们运行的相对关系是有次序的,也是间歇的;二是每个SBR反应器的运行操作在时间上也是按次序排列间歇运行的,一般可按运行次序分为五个阶段,如图2所示。其中自进水、反应、沉淀、排水排泥至闲置期结束为一个运行周期。在一个运行周期中,各个阶段的运行时间、反应器内混合液体积的变化及运行状态等都可以根据具体污水的性质、出水水质及运行功能要求等灵活掌握。对于单一的SBR而言,不存在空间控制上的障碍,只在时间上进行有效的控制与变换,即能达到多种功能的要求,运行非常灵活。对于间歇排污的情形,SBR处理工艺中可省去污水贮存池,将水直接引入SBR反应器,使之成为贮存污水、曝气池和二沉池使用。对于连续排污的情形,可按如图3所述使用多个SBR间歇反应单元并联运行,按操作顺序依次对每个SBR反应器进行充水。即第一个反应器充满水后,将污水接入第二个反应器,依次接入第三、第四……和第n个反应器。当处理系统中的最后一个反应器充水完成后,第一个反应器已完成整个运行周期并接着充水,如此循环往复运行。SBR工艺运行过程中,进水期接纳污水,有贮存和调蓄的功能,如果在进水期间进行曝气,则还可以起到预曝气的作用。图3所示为多个SBR反应器的运行系统操作示意图。由图3可看出,多个SBR反应器处理系统中需要较多的控制阀以根据需要进行流量和污水水流的调节和控制。这是SBR处理工艺有别于其他污水处理工艺的一个重要方面,也是为什么此工艺在活性污泥法发明之初未能得到应用的原因所在。随着自控技术的应用,也恰是这一点使SBR工艺及其改进形式易于实现自动化。改进SBR工艺是由按时空顺序操作运行的反应器组成。其完整的操作过程主要包括:进水、反应、沉淀排水排泥。整个系统实行模块化管理,可根据污水的特征自动进行时间、空间的切换,即污水在同一反应器中自动完成进水、反应、沉淀、排水排泥等环节。考虑到中小城镇和污水水质的实际情况,采用三池系统,三池之间水力相通,每池的运行过程和操作方式与SBR工艺的极其相似。此工艺不仅运行极其灵活,而且占地少、投资少、能耗和运行成本低。因此,此工艺用于处理中小城镇污水有着广阔的应用前景。2.2预处理中的污泥膨胀问题原则上,改进SBR污水处理工艺的主体设备只是一个序批式间歇反应器(SBR)。与普通的活性污泥法相比,它不需要另设二沉池、污泥回流及污泥回流设备,一般情况下也可不设调节池,多数情况下可省去初沉池。Arora等人对加拿大、美国和澳大利亚等国的八个SBR法污水处理厂的调查结果表明,其中只有一个污水处理厂设置了调节池,另两个污水处理厂设置了初次沉淀池。纵观污水人工生物处理的各种工艺方法,像SBR法这样的简易工艺绝无仅有。Ketchum等人的统计结果还表明,采用SBR法工艺处理小城镇污水时,要比普通活性污泥法节省基建投资30%以上。此外,采用如此简洁的SBR法工艺的污水处理系统还具有布置紧凑、占地面积省的优点。这是改进SBR工艺的主要特点之一。改进SBR反应器象SBR反应器一样,其中的底物浓度和微生物浓度是随反应的时间而变化的,而且反应过程是不连续的,因此其运行是典型的非稳态过程。在连续的曝气反应阶段,其底物和微生物浓度的变化是连续的。在此期间,虽然反应器内的混合液处于完全混合的状态,但其浓度的变化是随时间而逐步降低的,它有别于连续流活性污泥法中的污染物变化规律;在一个运行周期间,整个反应过程又是非连续的。反应器中活性污泥处于一种交替的吸附、吸收及生物降解和活化过程的不断变化过程。在连续流反应器中,有完全混合式(CSTR)和推流式(PF)两种极端的水流型态。在连续流完全混合式曝气池中的底物浓度等于出水的底物浓度,底物流入曝气池中的速度即为底物的降解速度。根据生化反应动力学的基本规律,由于曝气池中的底物浓度很低,其生物化学反应的推动力也很小,反应速率和有机物去除率也相应的比较低一些。在理想的推流式曝气池中污水与回流污泥形成的混合液从曝气池的首端进入,呈推流状态沿曝气池流动,至池末端流出曝气池。在此期间,在曝气池的各个端面上只有横向混合而不存在纵向的“返混”。作为生化反应推动力的底物浓度,从进水的最高值逐渐降解至出水时的最低值,整个反应过程中底物的浓度没有被稀释而尽可能的保持了最大的反应推动力。由此分析可知,改进SBR反应器是一种极为理想的处理设备。改进SBR法和SBR法处理工艺可根据具体的净化处理要求,通过不同的控制手段而比较灵活地运行。由于其在运行时间上的灵活控制,为其实现脱氮除磷提供了极为有利的条件。改进SBR工艺和SBR工艺不仅可以很容易地实现好氧、缺氧及厌氧状态交替的环境条件,而且很容易在好氧条件下增大曝气量、反应时间和污泥龄来强化硝化反应及除磷菌过量摄磷过程的顺利完成;也可以在缺氧条件下方便地投加原污水(或甲醇等)或提高污泥浓度等方式以提供有机碳源作为电子供体使反硝化过程更快地完成;还可以在进水阶段通过搅拌维持厌氧条件以促进除磷菌充分地释放磷。这里要指出的是,上述复杂的脱氮除磷过程只有在A/A/O工艺中才能完成,而在改进SBR法工艺中在单一反应器的一个运行周期中即可完成。其具体运行操作过程为:进水阶段搅拌(在厌氧状态下释放磷)→反应阶段(在好氧状态下降解有机物、硝化和磷吸收)→沉淀排水排泥阶段(通过排泥除磷、利用沉淀过程中的缺氧条件进行反硝化脱氮)→闲置阶段(再生污泥,准备进入下一个运行周期)。污泥膨胀问题是传统活性污泥法运行过程中常常发生且难以杜绝的令人棘手的问题。引起污泥膨胀的原因有90%以上的情形是由于丝状菌的过度生长所造成的。目前的研究认为,按发生污泥膨胀的难易程度来排列顺序的话,则不同活性污泥生物处理工艺发生污泥膨胀的可能性顺序为:间歇式、传统推流式、阶段曝气和完全混合式。此外,不同工艺对有机物的降解速度的高低也遵循这个排列顺序。改进SBR工艺和SBR工艺之所以能有效的控制丝状菌的过量繁殖,可以从以下四个方面加以说明。第一、反应器中存在较大的浓度梯度。提高底物浓度梯度(或F/M梯度)是控制污泥丝状菌生长的重要因素。完全混合式反应器中基本不存在浓度梯度,因而较容易发生污泥的膨胀问题;传统推流式反应器中存在着较大的浓度梯度,不易发生膨胀问题;SBR反应器在反应阶段在时间上的理想推流状态,使其具有很高的F/M梯度,因而它最不易发生污泥膨胀问题。第二、反应器中缺氧(或厌氧)和好氧状态并存。绝大多数丝状菌(如球衣菌属)都是专性好氧菌,而活性污泥中的细菌有半数以上是兼性菌。与普通活性污泥法不同的是,SBR法中进水与反应阶段的缺氧(或厌氧)与好氧状态的交替,能抑制专性好氧丝状菌的过量繁殖,而对多数菌胶团形成菌不会产生不利的影响。从而更能有效地控制污泥膨胀问题。第三、反应器中有较高的底物浓度。研究表明,由于丝状菌比菌胶团形成微生物具有更大的比表面积,其对低浓度底物的摄取能力强于菌胶团形成菌。因而,在低底物浓度的环境中,如完全混合式活性污泥法中,丝状菌的生长往往占优势。根据Chudoba等人提出的活性污泥动力学选择性准则可知,具有低Ks和μmax的丝状菌在低基质浓度下将具有较高的生长速率。在SBR工艺的整个反应阶段,不仅基质浓度较高,而且浓度梯度也大,只有在反应进入沉淀阶段的前夕其底物浓度才和完全混合曝气池相同。因此,SBR法处理工艺避免了丝状菌竞争优势的环境条件。第四、污泥龄(θc)短、比增长速率(μ)大。一般情形下,丝状菌的比增长速率比其它细菌小。在稳态的条件下,污泥龄的倒数即为污泥的比增长速率,故泥龄长的完全混合活性污泥法利于丝状菌竞争优势的发挥。由于SBR法具有理想的推流式运行状态及快速降解有机污染物的特点,使它在泥龄短又使剩余污泥的排放速率大于丝状菌的生长速率,致使丝状菌无法在反应器中生长繁殖。在一般的废水生物处理构筑物中,由于微生物对其生存环境条件要求比较严格,当进入处理系统的废水水质水量发生较大的波动时,处理效果将受到明显的影响。所以,在一般的废水生物处理工艺中,都要设计调节池以均化进水的水质水量。改进SBR反应器和SBR反应器是集调节池、曝气池和沉淀池于一体的污水处理工艺,能承受较大的水质水量的波动,具有处理效果稳定的特点。研究表明,SBR法在每一个运行周期之间以及同周期进水阶段内出现急剧的水质水量变化甚或处理负荷猛增到正常负荷的两倍以上的情况下,仍可获得良好的处理效果。刘永松等人对SBR工作稳定性的分析研究结果充分表明了这一点。理论分析亦表明,完全混合式曝气池比推流式曝气池具有更强的耐冲击负荷和抗有毒物质的能力。如上所述,改进SBR法和SBR法都是一个在同一运行周期内具有完全混合的特性,而在不同运行周期间具有理想推流式特性的处理工艺。因而虽然它对于时间来说是理想的推流式处理过程,但反应器本身的混合状态又保持了典型的完全混合特性。因此,它具有较强的耐冲击负荷能力。此外,改进SBR工艺和SBR工艺在沉淀阶段属于静止沉淀,污泥沉降性能好且不需要进行污泥回流,使反应器中维持较高的MLSS浓度。在同样条件下,较高的MLSS浓度能降低F/M值,同样使其具有良好的抗冲击负荷能力。改进SBR工艺由于具有一体化工艺的特点,易于实现设备的集成化和自动化。2.3技术特点的比较不同工艺的技术特点比较如表1所示。2.4改进sdr工艺的控制要点2.4.1合理确定采气池的数量对中小城镇的污水处理,从经济和污水的特点考虑,一般三池比较合适。2.4.2合理控制运营周期包括充水时间、曝气时间、静止沉淀时间的控制,根据水质特点,实现运行周期模块化管理。2.4.3通风类型选择如小城镇污水,因有机物浓度较低、水量较小,可采用限量曝气,以节约费用。2.