城市污水处理工艺及其发展

_ 水资源保护口2003年第 1 城市污水处理工艺及其发展 刘兴平 ，郝晓美2 (1．河海 大学宣传部 ，江苏 南 京 210098； 2．河海大学水资源环境学院，江苏 南京 21oo98) 摘要：介绍国内外目前运用较多和正在开发、研究的城市污水一级、二级、三级处理工艺流程，讨论了这些工 艺的发展状况和发展趋势，介绍了一些适用于我国城市污水处理的新st_艺。指出，在我 国，一级污水处理工 艺以混凝沉淀强化法的应用较 多。二级污水处理中，鼓风曝气的完全混合式活性污泥法和氧化沟工艺适用 于日处理能力大于20万 t的城市污水处理厂，日处理能力在 5万 一2o万 t的污水处理厂可以采用鼓风曝气 的完全混合式活性污泥法、氧化沟工艺及 SBR工艺，日处理能力在 l万 一5万 t的污水处理厂总体上以活性 污泥法为主。常规处理工艺比较适用于三级污水处理工艺。 关键词 ：城市污水 ；处理工艺；工艺流程 ；污水处理 中图分类号 ：X703．1 文献码：A 文章编号：1004—6933(2003)O1—0025—04 城市污水处理技术作为环境学科的一个分支， 就我国目前的状况来看，整体上已有了很大的进步， 但还落后于我国城市发展的水平。近些年来 ，虽然 研究、开发了一些设备和工艺，但总体上主要是借鉴 和引进国外的一些先进工艺、经验和设备。 l 一级处理工艺及其发展趋势 一 级强化处理技术分为两类 ：一类侧重于物化 机理 ，一类侧重 于微生 物的絮凝吸附原理。 目前 国 内外研究的一级处理工艺主要如下。 1．1 活化污泥法 活化污泥法是根据絮凝动力学和生物吸附理论 提出“絮凝吸附一沉淀一活化”的城市污水强化一级 处理工艺。该工艺对污染物去除的强化作用主要包 括污泥的絮凝、吸附和生物代谢 3种，以前两者的作 用为主。 该工艺的特点是未经沉淀的生活污水原水与生 物污泥同时进入混合反应器(絮凝吸附池)，两者在 机械搅拌作用下充分混合，经充分絮凝吸附反应后， 大量污染物质被絮凝吸附进入污泥絮体，出水进入 沉淀池，实现固液分离，而沉淀池出水就是最终出水 (见图 1)。为了恢复沉淀池饱和污泥的生物絮凝吸 附活性，将沉淀污泥短时间曝气活化，以部分降解吸 附的有机物，产生适量的微生物絮凝物质，改善污泥 的沉降性能，同时保持污泥的好氧状态，避免变黑、 发臭。此过程在污泥活化池里进行 ，能耗远低于二 级生物氧化反应。该工艺是适用于环境状况亟待改 善而经济欠发达地区的一种新型实用技术。 出水 图 1 活化污泥 法工艺流程 1．2 混凝沉淀强化法 混凝沉淀强化法目前主要应用于给水处理和部 分工业废水处理。由于需要投加大量的混凝剂且污 水水质常常急剧变化，限制了其在城市污水处理领 域中的应用，一般仅应用于城市污水的深度处理中。 近年来，随着许多新型、高效、廉价的混凝剂的出现 和自动化技术的广泛应用，混凝法与污水生物处理 法相比具有了较强的竞争力。 例如，对北京市城市污水进行试验，结果表明， 两种传统混凝剂(FeC13和聚合硫酸铁)及一种国外 引进的混凝剂(Biofloe)，经过混凝沉淀强化一级处 理后，污水中 COD的去除率可达 50％ 一80％。而处 理成本仅为二级处理的 1／5—1／3，既能有效地削减 污染物总量，又节约了治理资金，在现阶段十分符合 我国国情。此外，经强化一级处理后的污水再进行 二级处理时，停留时间可以大大缩短，减少能耗，提 高出水水质。 1．3 应用及其发展趋势 就我 国 目前 的污水处理状况来说 ，污水处理率 作者简介：刘兴平(1 )，男，湖北公安人．讲师，双学士，从事环境保护和污染治理研究 · 25 · 维普资讯 http://www.cqvip.com _ 一 直较低，而解决城市污水污染的根本是建设 以生物处理为主体工艺的二级城市污水处理厂，但 这需要大量的投资和高额运行费用。对我国不少地 区，特别是经济欠发达地区和中小城市而言，有必要 应用投资低、污染物去除率较高的城市污水强化一 级处理工艺。根据我 国 目前 水处理 的发展状况 ，混 凝沉淀强化一级处理工艺在我国应用较多。 目前一级处理工艺的发展主要集中在研究和应 用高效、廉价的絮凝剂以及微生物絮凝剂，同时研究 无机絮凝剂与其他各类絮凝剂协同作用效果，以及 对一级处理工艺设备的优化选型等方面。 2 二级处理工艺及其发展趋势 二级处理工艺流程的发展主要是在原有的传统 处理工艺流程上进行某一个方面的强化处理，使某 一 处理水的某一或某几个指标达到一定的。 2．1 序批式工艺 2．1．1 传统 的 SBR法 SBR工艺即间歇活性污泥法 ，它由一个或多个曝 气反应池组成，污水分批进入池中，经活性污泥净化 后，上清液排出池外即完成一个运行周期。每个工作 周期顺序完成进水 、反应、沉淀、排放 4个工艺过程。 SBR工艺的特点是具 有一定 的调 节均化功能 ． 可缓解进水水质、水量波动对系统带来的不稳定性。 工艺处理简单，处理构筑物少，曝气反应池集曝气、 沉淀 、污泥 回流于一体 ，可省去初沉池、二沉池及污 泥回流系统 ，且污泥量少 ，易于脱水 ，控制一定 的工 艺条件可达到较好的除磷效果，但也存在 自动控制 和连续在线分析仪器仪表要求高的缺点。 2．1．2 CASS工 艺 CASS工艺是一种连续进水式 SBR曝气系统 ，不 仅具有 SBR工艺简单可靠、运行方式灵活、自动化 程度高的特点，且除磷脱氮效果明显。这一功能主 要实现于 CASS池通过隔墙将反应池分为功能不 同 的区域，在各分格中溶解氧、污泥浓度和有机负荷不 同，各池中的生物也不相同。整个过程实现了连续 进、出水。同时在传统的 SBR池前或池中设置了选 择器及厌氧区，提高了除磷脱氮效果(见图 2)。 加氧 进水 排水 栅渣 栅渣 砂 ； l 浓缩池 ■一_脱水间 ■⋯‘’‘‘一 图2 CASS工艺流程 · 26 · CASS工艺的特点是对污水预处理要求不高，只 设间隙 1511111"11的机械格栅和沉砂池。生物处理核心 是 CASS反应池，除磷、脱氮、降解有机物及悬浮物 等功能均在该池内完成，出水可达标排放。 2．1．3 MSBR法 MSBR工艺是 20世纪 80年代 初期发展起来 的 污水处理工艺 ，经过不断改进和发展 ，目前最新 的工 艺是第三代工艺，其工作原理如图 3所示 图 3 MSBR工艺流 程 MSBR工艺 的特点是系统从连续运行的 (如厌氧池)进水，从而加速了厌氧反应速率，改善了 系统承受水力冲击负荷和有机物冲击负荷的能力； 同时 ，由于 MSBR工艺增加了低水头、低能耗 的回流 设施，极大地改善了系统中各个单元内 MLSS的均 匀性。可见，MSBR系统是由A2／O系统与 SBR系统 串联组成，并集合了两者的全部优势，因而出水水质 稳定、高效，并有极大的净化潜力。 2．1．4 UNrI’ANK 系统 SEG眦 RS公 司提出的 UNITANK系统是 SBR法 的又一种变形和发展，它集合了 SBR和传统活性污 泥法的优点，一体化设计，不仅具有 SBR系统的主 要特点，还可以像传统活性污泥法那样在恒定水位 下连续运行。 UNITANK系统的特点是构筑物结构紧凑，一体 化。可根据好氧过程的DO检测与缺氧和厌氧过程 的ORP在线检测，通过改变供气量，切换进出水阀 门，改变好氧、缺氧及厌氧的反应时间等，高水平地 实现系统的时间和空间控制，高效地去除污水中的 有机物及脱氮除磷，且水力负荷稳定。交替改变进 水点，可以相应改善系统各段的污泥负荷，进而改善 污泥的沉降性能(见图4)。脱氮除磷过程更能通过 抑制丝状菌生长来控制污泥膨胀。3个池可以被完 全加盖封闭或建在地下，废气可以收集处理，既有利 于布置、保温，又避免系统对周围环境产生不良影响 (见图 5)。目前 ，我国石家庄高新技术产业开发区 污水处理厂 日处理污水 l0万 t，就是采用的该工艺。 2．1．5 DAT-IAT工 艺 DAT-IAT工艺是一种 SBR法 的变形工艺，主体 构筑物由两个串联的反应池组成，即需氧池(demand 维普资讯 http://www.cqvip.com 图 4 好氧 UNITANK系统流程 剩余污泥 [二] 厌氧 E=三] 好氧 没定时间好氧、厌氧交替进行 图 5 脱氧除磷 UN1TANK系统流程 aeration tank)和间 歇 曝 气 池 (intelmittent aeration tank)。一般情况下 DAT池连续进水、曝气，其出水 进入 IAT池，在 IAT池完成曝气、沉淀、滗水和排除 剩余活性污泥。主要过程分为进水、反应、沉淀、排 水、闲置等几个过程(见图6)。 进水 粗格棚卜—一l进水泵H 细格栅H 旋流除砂池 加氧 巴氏计量槽 H DAT．IAT卜__J— 出水泵 排放出水 SBR反应 池 [至 [】_—圆 泥饼外运 图 6 DAT-IAT工艺流程 DAT-IAT工艺的特点是运行稳定、处理效率高、 出水质量好、处理构筑物少、处理流程简化、建设费 用少、自动化程度高、操作运行简单、调度灵活、节省 占地面积，可达到脱磷脱氮的 目的。天津经济技术 开发区污水处理厂就是使用的该工艺。 2．2 脱氮除磷工艺 2．2．1 A2／O工艺 A2／O工艺为厌氧一缺氧一好氧生物脱氮除磷 工艺，该工艺能对 BOD5，SS，氮、磷都有很高的去除 ， 效果，因此又称为生物脱氮除磷工艺。 A ／O工艺将生物反应池分为厌氧段、缺氧段和 好氧段。在厌氧段，回流污泥中的聚磷菌释放磷，同 时 BOD5得到部分去除。进入好氧段 ，聚磷菌又变 本加厉地吸收磷，污泥成为高磷污泥，通过排放剩余 污泥的方式，将磷去除；BOD5得到更进一步去除，同 时NH3一N被硝化，通过含硝酸盐混合液的内回流方 式，使其 Nil 一N在缺氧段进行反硝化脱氮，因而该 工艺具有同时生物脱氮除磷的功能(见图7)。 ② ④ 厂] 厂——] 进水 壹 查 亟 出水 j L⋯⋯⋯⋯⋯⋯一璺 婆． ⋯⋯⋯⋯⋯一 一塑叁望翌 图7 A2／O工艺流程 A ／0工艺处理效率较高，适用于要求脱氮除磷 的大中型城市污水厂，但基建费和运行费均高于普 通活性污泥法，运行管理要求高，所以对 目前我国国 情来说，当处理后的污水排人封闭性水体或缓流水体 引起富营养化从而影响给水水源时，才采用该工艺。 2．2．2 A／0工艺 A／O工艺也是城市污水生物脱氮技术的一种。 这种工艺是在曝气池前增加厌氧、全混合反应池，原 污水经过预处理后在这个池内与回流污泥充分混合。 A／O工艺的特点是处理的水质好，氮、磷的含量 都较低，且不需要再增加脱氮除磷的三级处理工艺， 剩余污泥量较一般生物处理系统少，沉降性能也好， 易于脱水。但该工艺对没经过硝化处理的污水不适 用，同时由于回流污泥中有硝酸盐及亚硝酸盐的存 在，将阻碍磷在厌氧池内的溶解。 2．2．3 UCT(University of Cape Town)工艺 由于在 A／O工艺中，污泥回流很难保证 100％ 不含硝酸盐及亚硝酸盐 ，为了彻底排除硝酸盐及亚 硝酸盐对除磷的干扰，UCT工艺不将污泥回流到磷 释放池，而是回流到其后的反硝化池。在硝化池内 排除硝酸盐和亚硝酸盐后，再引入磷释放池与原污 水混合，接下来是一组硝化与反硝化池(见图8)。 初沉池 磷释放 反硝化池 曝气池 二沉池 图 8 UTC工 艺流程 2．2．4 改良的 UCT工艺 该工艺又称为 MUCT工艺，其有两个缺氧池，前 一 个接受二沉池回流污泥，后一个接受好氧硝化混 合液，将污泥的脱氮与混合液的脱氮分开，进一步减 少硝酸盐进入厌氧区的可能(见图9)。 塑．流] 出水 L— L · 27 · 维普资讯 http://www.cqvip.com ■ 2．2．5 VIP工 艺 VIP工艺是 UCT工艺的改进型，其工艺流程与 UCT工艺相同，但其厌氧、缺氧和好氧 3个反应器都 是由多个混合反应器串联组成。分格方式形成了有 机物浓度的梯度分布，提高了厌氧释磷和好氧摄磷 的速度。其特点是有机负荷高于 uCT工艺，泥龄 短，反应器总容积小于 UCT工艺 。 2．3 运用及其发展趋势 城市生活污水处理主要去除悬浮物、溶解性有 机物 、氮和磷 对于 日处理能力在 20万 t以上的城 市污水处理厂，最适宜的工艺是活性污泥法及其变 形工艺，主要是鼓风曝气的完全混合式活性污泥法 和氧化沟工艺。对于 日处理能力在 5万 ～2o万 t的 城市污水处理厂，除上述两类工艺外，还可以采用序 批式活性污泥法(SBR工艺 )。 日处 理能力在 1万 ～ 5万 t的城市污水处理厂可采用的技术比较多，近年 各种新工艺不断产生，但总体应用上仍以活性污泥 法为主。根据要求的不同可以分为：①以去除有机 碳为 目的：活性污 泥法 、氧化 沟 、SBR工 艺、生 物滤 池、曝气生物滤池、接触氧化法。②以除碳脱氮为目 的：A／O法、氧化沟、交替运行氧化沟、SBR工艺、 CASS工艺、UNITANK工艺等。③以除碳脱氮除磷为 目的：A ／O法、交替运行氧化沟、SBR工艺等。 结合 国内外 目前的二级处理工艺 ，其发展趋势 主要表现在：处理系统一体化的研究与开发，组合式 污水处理工艺研究，污水的综合处理、零排放研究， 污水处理系统的过程控制研究，污水处理系统的仪 表设备研究。 3 三级处理工艺及其发展趋势 近年来，我国已经开始重视三级处理工艺的研 究开发，目前用得比较多的三级处理工艺可以分为 常规工艺、MBR技术和 LM深度处理技术。 3．1 常规工艺 常规的三级处理工艺是在生物处理之后增加混 凝、过滤、消毒等常规处理过程，有砂滤、膜滤、反渗 透、UV消毒、液氯、臭氧消毒等。一般来说这些处理 方式单位水处理成本比较低 ，在经济上比较可行。 3．2 MBR技术 MBR技术又称为膜生物反应器技术，利用了膜分 离的选择性和高效性，同时又利用了生物处理的 有效性和彻底性，将水中的有害物质最大限度地除去。 MBR工艺的特点是用膜分离系统代替了普通 活性污泥法中的二沉池，减少了传统工艺大部分的 处理单位，节省 r大量投资，而且耗能和一般传统的 水处理工艺相近。污水在处理设备中的停留时间 · 28 - 短，对 COD，NH3-N的去除率极高，出水水质达到了 生活杂用水水质的标准。 3．3 I2~1深度处理工艺 LM深度处理工艺是一种全新的生态处理工艺， 在厌氧池加好氧池 的基础上加入了改进的曝气氧化 塘和高效湿地两个深度处理单元，使出水水质达到 了生活杂用水的标准。其工艺流程是：生物厌氧池 一 封闭好氧池一开放好氧池一澄清池一人工湿地一 Uv消毒一蓄水池一回用，或者以接触氧化池和生态 氧化槽代替封闭好氧池和开放好氧池。 LM深度处理工艺的特点是剩余污泥少、运行费 用低、管理方便，还具有美化景观的功能。该方法和 其他水处理工艺相比比较经济。 3．4 运用状况及其发展趋势 目前我国的三级处理工艺中运用一般的常规处 理工艺较多，现 阶段 MBR方法 也有 了广泛运用 ，比 如在北京长安街生活小区的回用水处理。就我国目 前的实际情况来看，由于常规工艺处理比较方便，且 应用技术也较成熟，一般在选取工艺时仍选用常规 处理工艺。 国内外 目前广泛研究的主要是通过微滤和反渗 透技术来处理二级处理后的污水，以达到回用水的 标准 ，图 10是该处理工艺流程的典型例子。湿地系 统在国外有着广泛 的应用 ，目前我 国也 开始 了这方 面的研究工作。由于我国环境污染加剧，淡水资源 巨减，相信三级处理工艺必将越来越受到重视。 抑菌 剂 至污水厂排放口 至污水厂‘排放口 图 10 污水回用试验工艺流程 参考文献： [1]陆雍森．环境评价[M]．上海：同济大学出版社，2000． [2]李穗中．氧化塘污水处理技术[M]．北京：中国环境科学 出版社 ，1997． [3]张继光，李健，陈双星，等．污水脱盐处理大规模回用的 工艺技术研究[J]．给水排水，2001，27(10)：1～6． [4]左剑恶，蒙爱红．一种新型生物脱氮工艺——sHAR0N． ANAMMOX组合工艺[J]．给水排水，2001，27(10)：22～27． [5]张军，王宝贞．MBR污水处理与回用工艺的经济分析和 评价[J]．给水排水，2001，27(6)：9～11． (下转第60页) 维普资讯 http://www.cqvip.com ■ 一 基础上 ，结合河道 防洪 除涝 工程进行。同时要研 究 污泥处理措施，对清出的污泥进行妥善处理，防止造 成二次污染。 d．发展生态农业，治理面污染源。面污染源面 广量大，分布零散，其治理要与生态农业、生态农村 的建设相结合。合理使用化肥、农药，提高使用效 率，减少化肥、农药的残留量；通过治土改土，减少农 田污染物流失。积极发展中小型城镇和农村集中聚 居点，控制农村各种污染物的排放，实行集中处理。 充分利用农村各种废弃物和畜禽养殖业的废水，使 之资源化。将面污染减少到最低限度。同时，加强 水土保持工作，通过人为或 自然的作用提高河流的 自净能力。 e．划定大汶河水生态环境保护区。由于大汶河 水质好坏直接决定着南水北调东线工程的成败，因此， 必须由河道管理部门会同水利、环保、城建、土地等部 门，在科学论证的基础上，划定大汶河水生态环境保护 区。在保护区内禁止建设污染企业，严禁排放污废水、 堆放废渣和垃圾以及进行污水灌溉等，对已有的污染 企业，要限期治理，否则依法进行关、停、并、转。 4 大汶河污染治理效益评估 到2008年，如果 l4个污水处理厂全部建成，污 废水处理量将达到 85万 t／d左右，按照泰安市二级 污水处理厂的设计指标计算(4o％回用城市及工业， 6o％排人大汶河，成为灌溉用水)，每天将为城市和 工业用水提供 34万 t，为农业灌溉用水提供 5l万 t。 (上接第28页) [6]王杉．小城市污水处理工程设计的思考[J]．给水排水， 2001，27(9)：12～14． [7]聂梅生．美国污水回用技术调研分析[J]．给水排水， 2001，27(9)：1～4． [8]冯生华．黄晓东，蒋慧敏．一种占地小耗电少的污水污泥 处理新工艺[J]．给水排水，2001，27(12)：14～17． [9]王洪臣．城市污水处理厂运行控制与维护管理[M]．北 京：科学出版社，1999． [1O]邢船宏．管式膜一生物反应器处理城市污水的工艺设计 [J]．给水排水．1999，15(1)：1～4． [11]Muller E B．Aerobic domestic wastewater treaUnent in a pilot plant with complete sludge retention by CrO$$-~OW filtration[J]． Wat Res，1995，29(4)：1179～1189． [12]刘锐．一体式膜一生物反应器处理生活污水的中试研究 [J]．给水排水，1999，15(1)：1～4． [13]董秉直．超滤膜一活性炭用于优质引用水生产工艺试验 研究[J]．给水排水，2001，27(1)：15～18． [14]钱易，米祥友．现代废水处理新技术[M]．北京：中国科 · 60 · 所创造的直接效益，工农业平均按 5元／t计算，可达 425万元／d，就是 155 125万元／a。污水处理 厂的投 资费用(包括污水管网和年费用)，考虑其资金的时 间价值，2～3年就可回收。另外，河流水质的改善， 使下游湖泊的水质有明显提高，既可杜绝对南水北 调水质的污染，又为养殖业提供了优越的条件。以 东平湖为例，常年蓄水量 8．8亿 m3，按因水质提高 所增加的养殖效益 0．05元／m3计 ，每年所增加的养 殖效益为 4400万元。更重要的是 ，一方面处理后的 水再次利用，可大大减缓该流域内水资源紧缺的局 面 ；另一方面 ，大大减少 了流域 内地表水 、地 下水 污 染，改善了环境，调节了流域的小气候，增加了流域 内水体的自净能力和可利用性，形成一个水资源系 统的良性循环，自然生态环境将会大为改观，有利于 提高人民群众的健康水平。这些社会效益是无法用 数字来表示的。 再者，根据国内外的经验，河流一旦被污染，其 治理代价相当大，地下水若受到污染，其恢复相当困 难和漫长，所需代价更大。每当污染事故发生，对国 家、集体和人民群众所造成的危害和损失也相当大。 我国有的河流因水质污染所造成的损失每年可达数 亿元。因此，通过治理减少和避免重大经济损失，这 也是一种相当可观的经济效益。 参考文献： [1]庞清江．大汶河流域水体污染系统总体控制研究[J]．山 东水利专科学校学报 ，1995(4)：181～188． (收稿13期：2001—03—12 编辑：徐娟) 一 — 卜一—卜 ．-4--．-4--．-4---—- ．-4--．-4-- + “-4--· 学技术出版社，1993． [15]袁林江．短程硝化一反硝化生物脱氮[J]．给水排水， 2O0O，16(2)：29～31． [16]Hdlinga C．The sharon process：an innovative method for nitrogen removal from ammomium．rich waste water[J]．Wat Sci Tech，1998，37(9)：135～142． [17]王建龙．生物脱氮新工艺及其技术原理[J]．给水排水， 2OOO，16(2)：25～28． [18]邹利安，刘灿．二级城市污水处理厂出水直接过滤回用 的研究与实践[J]．给水排水，1997，23(8)：21～23． 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