新型高效污水處理新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和市場(chǎng)展望
一、我國面臨的主要水環(huán)境問題
1、污水處理率與投資預(yù)測(cè)
資源性短缺和水環(huán)境污染造成的水資源危機(jī)已經(jīng)成為我國社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要制約因素，目前，全國600多個(gè)城市大約有2/3的城市缺水。在某些地區(qū)，甚至對(duì)人民基本生存條件造成極大威脅。而我國水環(huán)境問題具有復(fù)雜性，北方地區(qū)面臨的水環(huán)境問題不同與南方地區(qū)的問題，主要是水資源短缺和合理利用、水污染控制和污水的回用、季節(jié)性河流的達(dá)標(biāo)(特別是功能區(qū)達(dá)標(biāo))等問題。在南方地區(qū)則水污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化，成為突出的環(huán)境問題。
我國2000年廢水排放量約480億m3/年。自90年代以來，我國的國民生產(chǎn)總值連續(xù)以8%～11%的高速率的增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)新世紀(jì)的頭20年內(nèi)我國經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)將保持在6%～9%的高、中速率穩(wěn)定發(fā)展？紤]上述因素污水量增加量按5%的速率考慮。到2010年增加污水量300億m3。
我國中小城鎮(zhèn)建設(shè)得到了很大發(fā)展。2010年，全國設(shè)市城市達(dá)到1200個(gè)左右，建制鎮(zhèn)達(dá)到2.5～3 萬個(gè)，到2010年，全國村鎮(zhèn)自來水普及率達(dá)到65%，小城鎮(zhèn)人均日用水量180升、村莊110升（依此計(jì)算新增城鎮(zhèn)年廢水量可能達(dá)到270億噸）。
綜上所述，考慮現(xiàn)狀污水量、污水增量和建制鎮(zhèn)污水量，到2010年城市污水排放總量為1050億m3。根據(jù)《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“九五”計(jì)劃和2010年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》的要求，到2010年城市污水處理率要達(dá)到50%，則需增加500億m3/a(1.4億m3/d天)的處理規(guī)模。如果按靜態(tài)投資(考慮配套管網(wǎng))處理每立方米污水投資為2000～3000元的低限值計(jì)算，則需投資3000～4000億元。
2、城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)重點(diǎn)
由于我國目前還處于社會(huì)主義發(fā)展的初級(jí)階段。大多數(shù)中小城鎮(zhèn)處于不太發(fā)達(dá)的農(nóng)村地區(qū)，造成污染的是量大面廣，是我國下一階段治理的重點(diǎn)。對(duì)于我國大量的中、小城鎮(zhèn)的小型城市污水處理廠，是我國水污染控制的難點(diǎn)。根據(jù)這一特點(diǎn)必須開發(fā)中小城鎮(zhèn)適用的簡(jiǎn)易高效污水處理成套技術(shù)，重點(diǎn)要解決城市污水處理廠的三高問題，即投資高、電耗高和運(yùn)行費(fèi)用高。國家環(huán)？偩衷岢鲂枰⑴c我國現(xiàn)階段國情相適應(yīng)的、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的先進(jìn)工藝技術(shù)的示范工程，示范工程應(yīng)該滿足：
噸水投資低，噸水造價(jià)應(yīng)該控制在800元；
運(yùn)行費(fèi)用低，噸水運(yùn)行費(fèi)應(yīng)該控制在0.3元以下；
在工程中采用國產(chǎn)化的設(shè)備，并且采用總承包和實(shí)施運(yùn)營(yíng)的機(jī)制。
這是解決我國中小城鎮(zhèn)污水處理的一種希望和要求。
二、常用城市污水處理技術(shù)介紹和分析
我國城市污水處理技術(shù)從“七五”國家科技攻關(guān)開始逐步進(jìn)行研究。經(jīng)過“七五”、“八五” 和“九五”期間的努力，我國在城市污水處理技術(shù)方面取得了較大的成就，成果豐碩。同時(shí)，近20年來，隨著改革開放也不斷引進(jìn)國外新的工藝技術(shù)。就工藝技術(shù)而言，與國際上的差距已經(jīng)縮小。目前在水污染治理技術(shù)上，已能提供下列技術(shù)的工藝參數(shù)：傳統(tǒng)活性污泥法技術(shù)包括延時(shí)法、吸附再生法等各種新型活性污泥工藝和SBR、AB法、UNITANK和氧化溝技術(shù)等；A-O法和A2-O技術(shù)；多種類型的穩(wěn)定塘技術(shù)；土地處理技術(shù)等等。這些工藝在原則上可以滿足大多數(shù)城市污水治理的要求，對(duì)于傳統(tǒng)活性污泥工藝和其變形工藝(除磷脫氮)這里不做全面的介紹，僅就這幾年在我國較為常用的工藝進(jìn)行介紹和分析。
1、沉淀和曝氣、間歇和連續(xù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的序批式(SBR)反應(yīng)器
傳統(tǒng)SBR反應(yīng)器在運(yùn)行操作上形成了曝氣和沉淀相結(jié)合的特點(diǎn)，這體現(xiàn)了SBR反應(yīng)器最為本質(zhì)的特點(diǎn)之一。同時(shí)，這要求SBR反應(yīng)器必須充分利用了現(xiàn)代電子和自動(dòng)化技術(shù)。SBR反應(yīng)器的發(fā)展過程呈現(xiàn)了多樣性，有CASS、CAST、ICEAS、MSBR等多種新型SBR反應(yīng)器。各種SBR反應(yīng)器的發(fā)展體現(xiàn)了與傳統(tǒng)活性污泥相互融合的趨勢(shì)。具體表現(xiàn)為從間歇進(jìn)水、間歇出水的傳統(tǒng)SBR反應(yīng)器，發(fā)展到連續(xù)進(jìn)水、間歇出水和連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)出水并帶回流污泥的SBR反應(yīng)器。以及出現(xiàn)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(xiàn)了間歇式的SBR和連續(xù)式活性污泥工藝相互融合的特點(diǎn)。
UNITANK從整個(gè)系統(tǒng)來看，它已經(jīng)不屬于SBR，與交替運(yùn)轉(zhuǎn)的三溝氧化溝非常相似，更接近于傳統(tǒng)的活性污泥法，這是UNITANK工藝最為顯著的一個(gè)特點(diǎn)。UNITANK在恒水位下交替運(yùn)行，總有一個(gè)池子作為沉淀池，這是UNITANK第二個(gè)特點(diǎn)。對(duì)于大型污水處理廠沉淀功能的滿足，是UNTANK工藝的制約因素。標(biāo)準(zhǔn)UNITANK系統(tǒng)三個(gè)方形池之間構(gòu)成級(jí)串的形式，彌補(bǔ)了單個(gè)反應(yīng)器完全混合的缺點(diǎn)，這是UNITANK系統(tǒng)第三個(gè)特點(diǎn)。
UNITANK最為根本的問題之一是中溝和邊溝地位不一致，邊溝有一段時(shí)間兼作沉淀池，而中溝總是曝氣。造成中池污泥濃度過低而邊池污泥濃度過高，池容利用率降低等一系列問題。UNITANK的發(fā)明人在離開SEGHERS公司之后，提出一新工藝——LUCAS工藝。LUCAS工藝最為顯著的特點(diǎn)是四個(gè)反應(yīng)器(也可用兩個(gè)或三個(gè)反應(yīng)器)作用完全對(duì)等，其采用輪換方式作為曝氣池和沉淀池。由于每一個(gè)反應(yīng)器的地位平等，所以LUCAS工藝既保留了UNITANK工藝的優(yōu)點(diǎn)，又克服了其缺點(diǎn)。
通過對(duì)SBR工藝特點(diǎn)和不同研究者的研究結(jié)果進(jìn)行匯總(不考慮由于SBR反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)致的直接結(jié)果，如：投資低和運(yùn)行費(fèi)用低等)，SBR反應(yīng)器眾多優(yōu)點(diǎn)可歸納如下：
經(jīng)典SBR反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)和原因分析
優(yōu)點(diǎn) 原因
1、沉淀性能好 在沉淀過程沒有進(jìn)水的擾動(dòng)屬于理想沉淀狀態(tài)；
2、有機(jī)物去除效率高 是理想推流式反應(yīng)器，從單元操作理論其效率明顯的高于完全混合式的反應(yīng)器
3、提高難降解廢水的處理效率 具有微生物的多樣性，可形成厭氧、缺氧和好氧等多種生態(tài)條件，有利于難降解有機(jī)物的降解
4、抑制絲狀菌膨脹 利用膨脹理論中的“選擇性準(zhǔn)則”防止污泥膨脹
5、除磷脫氮，不需要新增反應(yīng)器 生態(tài)多樣性(出現(xiàn)厭氧、缺氧和好氧狀態(tài)多種狀態(tài))
6、不需二沉池和回流，工藝簡(jiǎn)單 結(jié)構(gòu)本身特點(diǎn)
SBR反應(yīng)器充分利用了生物反應(yīng)過程和單元操作過程的一些基本原理(表4)。不同的SBR反應(yīng)器由于流態(tài)、池型或操作方式的改變可能僅僅具有上述特點(diǎn)的一條或幾條。同時(shí)，經(jīng)典的SBR反應(yīng)器也存在一定問題，比如：
a) 處理連續(xù)進(jìn)水時(shí)，對(duì)于單一SBR反應(yīng)器的應(yīng)用需要較大的調(diào)節(jié)池；
b) 對(duì)于多個(gè)SBR反應(yīng)器進(jìn)水和排水的閥門自動(dòng)切換頻繁；
c) 無法解決大型污水處理項(xiàng)目連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)出水的處理要求；
d) 設(shè)備的閑置率較高和污水提升水頭損失較大等等。
2、氧化溝工藝
氧化溝在歐美各國得到了廣泛的重視，發(fā)展速度很快。據(jù)統(tǒng)計(jì)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(yùn)行。荷蘭DHV公司發(fā)明的卡魯塞爾氧化溝在全世界范圍已有800多座投入運(yùn)行(1996)。法國OTV-Kurger公司開發(fā)的D型氧化溝已占丹麥氧化溝總數(shù)的80%。美國Envirex公司開發(fā)的Orbal氧化溝，最大處理規(guī)模已達(dá)90萬m3/d。
從90年代至今是我國氧化溝技術(shù)大發(fā)展的階段，預(yù)計(jì)已有上百座氧化溝污水處理廠投入運(yùn)行。氧化溝技術(shù)仍然是當(dāng)前污水處理的熱點(diǎn)。從應(yīng)用和研究情況來看，我國氧化溝技術(shù)水平與國際先進(jìn)水平相比差距很大。究其原因是我國沒有系統(tǒng)地研究過氧化溝技術(shù)與設(shè)備，目前我國已引進(jìn)數(shù)種氧化溝技術(shù)，有條件來分析比較和吸收消化。因此，認(rèn)真分析和總結(jié)這方面的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)顯得十分必要。
氧化溝屬于活性污泥工藝的一種變形，但是在其發(fā)展過程中也形成了其很多獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)：
a) 構(gòu)造形式具有多樣性
基本型式的氧氣溝的曝氣池呈封閉的溝渠形，溝渠形狀和構(gòu)造則多種多樣。可呈圓形和橢圓形等形狀，可為單溝或多溝系統(tǒng)，多溝系統(tǒng)可是一組同心相通的溝渠，也可是互相平行、尺寸相同的多組溝渠。有與二沉池分建，也有合建的氧化溝。多種多樣的構(gòu)造形式，賦予了氧化溝靈活機(jī)動(dòng)的運(yùn)行性能，以滿足不同的出水水質(zhì)要求。例如，結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定氧化溝從整體流態(tài)上是完全混合的，但在局部又具有推流特性。這對(duì)除磷脫氮工藝也是極其重要的，氧化溝內(nèi)可以形成缺氧和好氧交替出現(xiàn)的區(qū)域。
b) 氧化溝曝氣設(shè)備的多樣性
曝氣裝置的作用除供氧外，還要提供溝渠內(nèi)不小于0.3m/s的流速，以維持循環(huán)及活性污泥的懸浮狀態(tài)。常用的曝氣裝置有轉(zhuǎn)刷、轉(zhuǎn)盤、表面曝氣器和射流曝氣等，不同的曝氣裝置導(dǎo)致了不同的氧化溝型式。氧化溝的曝氣強(qiáng)度可通過出水溢流堰和直接調(diào)節(jié)曝氣器的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。
c) 簡(jiǎn)化了預(yù)處理和污泥處理
氧化溝的水力停留時(shí)間和污泥齡長(zhǎng)，懸浮狀有機(jī)物可以與溶解性有機(jī)物一起同時(shí)得到較徹底的穩(wěn)定，所以氧化溝不要求設(shè)置初沉池。氧化溝排出的剩余污泥已得到高度穩(wěn)定，剩余污泥量較少。因此不再需要進(jìn)行厭氧消化，而只需進(jìn)行濃縮與脫水。一體式氧化溝還可以不設(shè)二次沉淀池。
三、城市污水處理技術(shù)問題的思考
1、關(guān)于城鎮(zhèn)污水處理主導(dǎo)工藝的思考
對(duì)于引進(jìn)的工藝技術(shù)，在與國外咨詢公司合作過程中，大部分較好的實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的目標(biāo)。但是，往往我們自己設(shè)計(jì)的污水處理工程項(xiàng)目，在實(shí)施的過程中有會(huì)出現(xiàn)各種應(yīng)用不當(dāng)?shù)膯栴}。這是因?yàn)橐酝覈鬯幚砑夹g(shù)研究偏重于工藝開發(fā)研究，對(duì)一種工藝的了解缺乏足夠的系統(tǒng)性、完整性，也缺乏對(duì)整個(gè)處理工藝綜合性的比較研究和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)體系。這也造成我國城市污水處理，在技術(shù)選擇上搖擺不定、不斷刮風(fēng)。首先80年代末流行AB工藝、然后在90年代出開始流行三溝氧化溝(其他形式的氧化溝)，目前又流行SBR(或UNITANK)工藝的原因所在。缺乏全面和綜合比較能力，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)國外的新技術(shù)和新產(chǎn)品就不斷沖擊國內(nèi)市場(chǎng)，成熟技術(shù)和國產(chǎn)技術(shù)總是無法在市場(chǎng)上占有一席之地。這是我國城市污水領(lǐng)域存在的問題之一。
西方國家經(jīng)過一、二十年的治理工作，一些國家污水處理率達(dá)到90%以上。在這一時(shí)期(1960-1970年)在城市污水處理領(lǐng)域出現(xiàn)大量各種形式的污水處理新工藝，如：活性污泥的AO工藝、A2O工藝、卡魯塞爾氧化溝、奧貝爾氧化溝、SBR工藝(IECAS、CASS等等)、純氧(富氧)曝氣、深井曝氣、流化床和厭氧－好氧處理等一系列新的處理工藝。而進(jìn)入90年代，西方國家城市污水處理市場(chǎng)需求萎縮，一個(gè)國家一年僅有一、兩個(gè)城市污水處理廠的建設(shè)，所以在技術(shù)上失去了開發(fā)新工藝的動(dòng)力？蓴(shù)的新工藝的發(fā)展，也是基于這些國家老的污水處理廠超負(fù)荷改造的需要(曝氣生物濾池)和水回用的需求(膜生物反應(yīng)器)。社會(huì)需求是技術(shù)發(fā)展的最好驅(qū)動(dòng)力，而我們國家對(duì)污水處理工藝有極大的迫切的需求，我國對(duì)污水處理技術(shù)開發(fā)仍有巨大的動(dòng)力。
2、從可持續(xù)性思考城鎮(zhèn)污水處理工藝技術(shù)
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(shù)。并且是歐美等發(fā)達(dá)國家所采用的主導(dǎo)技術(shù)，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(chǎn)總值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上述國家，采用以上技術(shù)是否能夠完全適合我國的國情，是我們需要考慮的一個(gè)問題。這需要從技術(shù)的先進(jìn)性和是否代表了可持續(xù)發(fā)展的方向兩個(gè)方面來考慮。
目前政府往往簡(jiǎn)單認(rèn)為一個(gè)城市有污水處理廠，就是經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，符合了可持續(xù)發(fā)展的原則。對(duì)可持續(xù)發(fā)展全面理解應(yīng)該根據(jù)世界環(huán)境與發(fā)展委員會(huì)在《我們共同的未來》的報(bào)告中對(duì)可持續(xù)發(fā)展的定義：“可持續(xù)發(fā)展是即滿足當(dāng)代人的需求，而又不損害后代人滿足其需求的能力的發(fā)展”。從技術(shù)層面考慮需要判斷污水處理工藝是否符合可持續(xù)發(fā)展原則，需要從可持續(xù)發(fā)展的公平性原則(是否體現(xiàn)資源和環(huán)境共享)、持續(xù)性(是否滿足資源和環(huán)境的永續(xù)性利用)和共同性原則(是否有利于解決全球性環(huán)境問題)方面來考慮。
目前國內(nèi)大多采用國外引進(jìn)的延時(shí)曝氣的氧化溝、SBR等工藝。首先，這些工藝是上世紀(jì)六、七十年代開發(fā)的工藝，是根據(jù)西方，特別歐洲國家排放標(biāo)準(zhǔn)制訂的工藝。例如采用延時(shí)曝氣低負(fù)荷工藝特別適合北歐國家的氣候條件(冬季低溫)，而延時(shí)曝氣對(duì)污泥是采用好氧穩(wěn)定的方法，采用耗能的方法進(jìn)行污泥穩(wěn)定化處理。適合了這些國家的國情和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況。
事實(shí)上，低負(fù)荷曝氣池的池容和設(shè)備是中、高負(fù)荷活性污泥工藝的幾倍，在建筑材料和土地資源上是高消耗，相應(yīng)的投資要高數(shù)倍；其次，延時(shí)曝氣系統(tǒng)能耗比中、高負(fù)荷活性污泥要高40～50%左右。同時(shí)，能耗增加會(huì)帶來了直接運(yùn)行費(fèi)的增加，能耗增加也會(huì)還要增加間接投資。據(jù)資料報(bào)道目前國內(nèi)每kW發(fā)電能力除塵脫硫需要投資500～1000元，則每萬噸污水增加的脫硫投資需要25～50萬元。按脫硫投資為電站投資10%計(jì)，則增加的電廠投資為250～500萬元，是污水處理投資的50%以上。對(duì)于我國這樣一個(gè)資源不足、能源日益短缺、人口眾多的發(fā)展中國家，是否適合推廣這種低負(fù)荷的活性污泥工藝是值得推敲的問題。從可持續(xù)發(fā)展角度講，采用延時(shí)曝氣這種高資源占用和能源消耗的低負(fù)荷工藝，并以耗能的方式取得污泥的穩(wěn)定工藝是不適合可持續(xù)發(fā)展的基本原則的，也是不適合中國國情的。我們應(yīng)該開發(fā)科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少反應(yīng)器。
3、關(guān)于城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理的思考
城市污水污泥處理和處置方面在我國還剛剛起步，與國外先進(jìn)國家相比尚有較大差距。隨著大量污水處理廠的投產(chǎn)，污泥產(chǎn)量將會(huì)有大幅度的增加。污泥厭氧消化的投資高，污泥處理費(fèi)用約占污水處理廠投資和運(yùn)行費(fèi)用的20%～40%。在我國僅有的十幾座污泥消化池中，能夠正常運(yùn)行的為數(shù)不多，有些池子根本就沒有運(yùn)行。這也是導(dǎo)致我國近年大量采用帶有延時(shí)曝氣功能的氧化溝等技術(shù)的原因。采用高效(高負(fù)荷)、低耗污水處理工藝的關(guān)鍵之一是解決城市污水廠污泥處理技術(shù)和問題，可以講具有特點(diǎn)的解決我國城鎮(zhèn)污水工藝的進(jìn)步，在很大程度上取決于污泥處理和利用技術(shù)的進(jìn)步。為了解決這一問題有必要加強(qiáng)污泥處理與利用的研究。
另外，在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)、能量(糧食、蔬菜等)是從周邊地區(qū)流向中小城鎮(zhèn)，污水處理產(chǎn)生的污泥是這種流動(dòng)的結(jié)果，從生態(tài)平衡角度講這些物質(zhì)是需要回到周邊的生態(tài)系統(tǒng)中，否則長(zhǎng)期發(fā)展會(huì)造成一個(gè)區(qū)域內(nèi)土壤生態(tài)的失衡。因此從污泥最終處置的出路來看，中小城鎮(zhèn)的污泥農(nóng)用是最為可行和現(xiàn)實(shí)的處置方案。
四、城市污水處理新工藝新技術(shù)介紹
1、生物化學(xué)反應(yīng)理論基礎(chǔ)
人們過去對(duì)于好氧微生物和專性厭氧微生物研究十分充分, 而對(duì)兼氧性微生物的研究不夠。各種類型有機(jī)污染物的厭氧(缺氧)、好氧降解反應(yīng)過程匯總?cè)缦隆?/p>
好氧(缺氧)過程 厭氧(缺氧)過程
1) COD®H2O＋CO2 (傳統(tǒng)好氧)
2) COD ® CH4+CO2(傳統(tǒng)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 ®S0 (微需氧或缺氧)
8) SO4= ® H2S (厭氧反應(yīng))
9) R-Cl® CO2 + Cl- (好氧反應(yīng))
10) RCCl® CH4+ CO2+ Cl- (厭氧反應(yīng))
反應(yīng)式(1、2和3)為傳統(tǒng)厭氧和好氧工藝，其他均為兼性菌的反應(yīng)。事實(shí)上，利用兼性細(xì)菌的工藝人們?cè)缫焉婕，如，?duì)去除 N、P的A2O或AO工藝(反應(yīng)4、5)，利用兼性菌在好氧條件下進(jìn)行好氧代謝，而在厭氧條件下進(jìn)行厭氧代謝。在含有硫酸鹽的有機(jī)廢水中，厭氧反應(yīng)將有機(jī)物和硫酸鹽分別轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸和硫化氫(反應(yīng)8)。產(chǎn)生的硫化氫被微需氧細(xì)菌直接氧化為硫元素。這可以用來去除硫化物并回收硫元素(反應(yīng)7)。
Kuenen等發(fā)現(xiàn)某些細(xì)菌在硝化、反硝化應(yīng)用中能利用NO2-或NO3-作電子受體將NH4+氧化為N2和氣態(tài)氮化物(反應(yīng)式5)；在這一反應(yīng)的基礎(chǔ)上，正在開發(fā)ANAMMOX工藝和OLAND等工藝。最新研究表明一些在好氧狀態(tài)下難降解芳香族和鹵代烴在厭氧條件下容易分解(反應(yīng)9、10)。
以上反應(yīng)為一些新工藝的化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)，其基本原理是新工藝開發(fā)的基礎(chǔ)和生長(zhǎng)點(diǎn)。成功的利用兼性微生物的典型工藝是北京環(huán)保所在80年代開發(fā)的水解－好氧處理工藝。水解池利用水解和產(chǎn)酸微生物，將污水中的固體、大分子和不易生物降解的有機(jī)物降解為易于生物降解的小分子有機(jī)物,使得污水在后續(xù)的好氧單元以較少的能耗和較短的停留時(shí)間下得到處理。
需要說明的是水解-好氧工藝中的水解(酸化)過程與好氧AO(HO)、A2O和AB等工藝中A段中發(fā)生的水解過程也是有較大區(qū)別的。這表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：首先是菌種不同，如上所述在水解工藝中的優(yōu)勢(shì)菌群是厭氧微生物，以兼性兼性微生物為主，而在好氧AO(HO)、A2O和AB等工藝中A段中的優(yōu)勢(shì)菌是以好氧菌為主。僅僅部分兼性菌參加反應(yīng)；其次，在反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度不同，水解工藝采用的是升流式反應(yīng)器，其中污泥濃度可以達(dá)到15～25g/L，而好氧AO、A2O和AB等工藝中從二沉池回流污泥濃度一般最高為5～8g/L，并且以好氧菌為主。以上的差別造成了水解工藝是完全的水解，而好氧AO(HO)、A2O和AB等工藝中A段僅僅發(fā)生部分水解。
從大量實(shí)踐來看，采用水解－活性污泥法，與傳統(tǒng)的活性污泥相比，其基建投資，能耗和運(yùn)行費(fèi)用可分別節(jié)省30%以上。從目前我們大量實(shí)踐來看：對(duì)于不要求脫氮除磷的中、小城鎮(zhèn)污水處理廠的投資為500～700元/m3(污水)；對(duì)需要脫氮除磷的污水處理廠投資在800元/m3(污水)左右。由于水解池具有改善污水可生化性的特點(diǎn)，使得工藝不僅適用于易生物降解的城市污水等。同時(shí)更適用于處理不易生物降解的某些工業(yè)廢水。
2、城市污水處理工藝的極限
對(duì)于污水處理系統(tǒng)存在三種基本類型的微生物聚集體存在的方式：固定膜(如：滴濾池)、絮狀污泥(活性污泥工藝)和懸浮生物膜顆粒(移動(dòng)床、流化床和氣提反應(yīng)器等)。以上工藝開發(fā)和存在的內(nèi)在原因是人們不斷的追求高效率、低能耗、低成本和低的占地面積等高的性能指標(biāo)的不斷實(shí)踐的產(chǎn)物。而開發(fā)的不同反應(yīng)器的應(yīng)用受到了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和理論條件的限制。這些限制體現(xiàn)在對(duì)于好氧生物反應(yīng)器研究和開發(fā)，受到了生物生長(zhǎng)特性(生物量和活性)、反應(yīng)器的形式(固定床、懸浮床和流化床)、傳質(zhì)條件(氧的供給)和固液分離(沉淀、過濾)等諸多因素的限制。這些限制條件綜合結(jié)果構(gòu)成對(duì)于好氧生物反應(yīng)器的極限，長(zhǎng)期以來人們圍繞這些限制因素根據(jù)各個(gè)時(shí)期的理論、技術(shù)、材料等進(jìn)展，進(jìn)行了長(zhǎng)期不懈的研究和開發(fā)工作。
通過對(duì)上述限制條件的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，代入主要的好氧系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)條件(例如：供氧能力、污泥濃度、固液分離負(fù)荷等)，圖1給出不同系統(tǒng)用于污水處理運(yùn)行條件的范圍。根據(jù)不同類型反應(yīng)器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則將濃度-流量平面劃成不同的區(qū)域。在濃度－流量相平面上不同區(qū)域的應(yīng)用條件為：
區(qū)域A：長(zhǎng)停留時(shí)間的懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)；
區(qū)域B：在高流量條件下，顆粒和絮體將被沖出，只有固定膜可以保持在系統(tǒng)中；
區(qū)域C：流量和負(fù)荷適合于顆粒污泥和懸浮生物膜顆粒反應(yīng)器；
區(qū)域D：只有可以采用分離和回流措施，流量和負(fù)荷適合于絮狀污泥(如活性污泥工藝)，這一部分與C區(qū)域存在重疊；
區(qū)域E：對(duì)于高濃度和低流量的廢水，可以采用升流式污泥床反應(yīng)器。污泥可以不需要外部的分離器而保持在系統(tǒng)中。
對(duì)于生物載體顆粒和絮體污泥假設(shè)沉淀速度分別為30m/h和5m/h，徑高比α＝5(好氧系統(tǒng)最大氧轉(zhuǎn)移速率為10kg/m3.d)。從而在圖1的C-Q平面中形成的限制生物膜顆粒和懸浮絮狀污泥應(yīng)用的區(qū)域(分別為線2和3)。
這構(gòu)成了沉淀功能對(duì)于反應(yīng)器功能擴(kuò)展的限制，不同時(shí)期人們對(duì)于沉淀池和氣浮工藝進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)。例如，70年代對(duì)于斜板沉淀池、80年代末對(duì)周邊進(jìn)水周邊出水沉淀池、90年代對(duì)于高效氣浮池(渦漩氣浮、淺池氣浮)等等工藝的開發(fā)均反映了人們?cè)诓煌瑫r(shí)期對(duì)這一限制的突破。在90年代人們逐漸從對(duì)于單一功能的研究和開放，轉(zhuǎn)化為對(duì)不同功能的綜合，例如對(duì)于生物反應(yīng)和沉淀功能的綜合，導(dǎo)致三溝式氧化溝、SBR反應(yīng)器和UNITANK的開發(fā)和應(yīng)用。還有在三相內(nèi)循環(huán)流化床中實(shí)現(xiàn)氣、固、液的分離，特別是集接觸氧化反應(yīng)和過濾為一體的曝氣生物濾池，以及利用高科技的膜生物反應(yīng)器。這一系列探索體現(xiàn)了對(duì)于反應(yīng)器固液分離、沉淀功能限制(極限)的探索和突破。
顧名思義好氧生物反應(yīng)器的基本屬性有三個(gè)即好氧條件的保持(充氧)、生物質(zhì)的保持和維持(生物量和活性)和反應(yīng)器的形式。從本質(zhì)上講反應(yīng)器的形式?jīng)]有先進(jìn)和落后之分，例如：目前食品發(fā)酵行業(yè)，如啤酒生產(chǎn)仍然延續(xù)18世紀(jì)發(fā)明的“落后的”恒化器(完全混合)反應(yīng)器。這是因?yàn)槠【粕a(chǎn)要求取得高的產(chǎn)率，在高的基質(zhì)濃度下酵母細(xì)菌趨向于自由分散生長(zhǎng)，這一反應(yīng)器是適宜的反應(yīng)器形式，但是需要對(duì)自由生長(zhǎng)的細(xì)胞進(jìn)行過濾分離(甚至膜分離)。對(duì)于不同的領(lǐng)域反應(yīng)器的應(yīng)用是存在高效和低效之分，對(duì)于處理生活污水生物膜反應(yīng)器和活性污泥工藝的處理負(fù)荷為1.0～2.0kgBOD/m3.d，而三相內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器可以達(dá)到5～10kgBOD/m3.d，所以對(duì)于生活污水的處理從反應(yīng)器發(fā)展趨勢(shì)角度是從生物膜反應(yīng)器、活性污泥工藝向移動(dòng)床和流化床反應(yīng)器發(fā)展。
在生活污水處理工藝發(fā)展過程中，對(duì)于反應(yīng)器內(nèi)生物質(zhì)的改善是反映在從生物量和生物活性兩方面的不斷提高，城市污水(生活污水)處理技術(shù)起源與生物滴濾池，但是由于滴濾池中的填料粒徑較大，比表面積較小生物量較少，在1914年開發(fā)了活性污泥工藝，通過回流生物量可以保持在最高3～5g/L。在80年代初，我國和日本同時(shí)開發(fā)的接觸氧化工藝，這一時(shí)期的工作對(duì)填料進(jìn)行了大量的研究，開發(fā)了蜂窩填料、軟性填料、半軟性填料和彈性填料等等，通過提高比表面積達(dá)到提高生物量的目的。接觸氧化工藝的生物量可以達(dá)到5～8g/L，從而負(fù)荷比活性污泥工藝可以提高一倍以上。反應(yīng)器池容(占地)可以減少50%以上。但是從投資沒有本質(zhì)的變化，因?yàn)樘盍腺M(fèi)用的增加抵消了池容投資的節(jié)約。同時(shí)，還有使用壽命、放大和堵塞一系列問題。這導(dǎo)致移動(dòng)床和流化床反應(yīng)器的開發(fā)，這也是固定床生物膜技術(shù)與懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)更高一個(gè)層次的技術(shù)融合。從反應(yīng)器生物的外在形態(tài)上是懸浮狀態(tài)，而生長(zhǎng)方式是生物膜生長(zhǎng)。生物載體的比表面積大大提高，從接觸氧化工藝的200～300m2/m3提高到2000～3000m2/m3，從而生物量達(dá)到了20～30g/L，這是負(fù)荷可以達(dá)到5～10kgBOD/m3.d的主要原因。從固定床、懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)到流化床的發(fā)展，反映了人們對(duì)于高效率、高負(fù)荷和高生物量的追求，也是對(duì)于反應(yīng)器負(fù)荷極限的挑戰(zhàn)，這構(gòu)成了生活污水處理發(fā)展趨勢(shì)之一。
最后，對(duì)于好氧反應(yīng)器充氧、傳質(zhì)性能的提高無疑是十分重要的內(nèi)容。人們首先對(duì)曝氣充氧器材進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)，從直到70年代末仍然采用簡(jiǎn)單的穿孔管曝氣，這一時(shí)期的技術(shù)進(jìn)展表現(xiàn)為我國對(duì)于射流曝氣的開發(fā)和掌握，到80年代初國內(nèi)第一個(gè)大型城市污水處理廠引進(jìn)中剛玉盤的微孔曝氣。目前，開發(fā)采用橡膠材料的可變孔微孔曝氣裝置，體現(xiàn)了這一領(lǐng)域的進(jìn)展。另外，人們根據(jù)充氧理論采用提高氧濃度分壓方式，對(duì)純氧曝氣、富氧曝氣和深井曝氣工藝進(jìn)行了開發(fā)，體現(xiàn)了人們?cè)谔岣叱溲鹾蛡髻|(zhì)這一領(lǐng)域追求更高和更好，向極限挑戰(zhàn)的精神。
3、曝氣生物濾池工藝
現(xiàn)代曝氣生物濾池(簡(jiǎn)稱BAF)是在70年代末80年代初出現(xiàn)的一種膜法生物處理工藝，最初是應(yīng)用在污水處理的三級(jí)處理上。其將生物接觸氧化與過濾結(jié)合在一起，不設(shè)沉淀池，通過反沖洗再生實(shí)現(xiàn)濾池的周期運(yùn)行。在廢水的二級(jí)處理中其保持接觸氧化的高效性，同時(shí)又可通過過濾獲得高的出水水質(zhì)。90年代初得到了較大發(fā)展(圖2)。以BAF為代表的工藝主要優(yōu)點(diǎn)如下：
a) 工藝容積負(fù)荷可高達(dá)6.0kgBOD/m3.d，出水達(dá)到或接近生活雜用水標(biāo)準(zhǔn)；
b) 占地面積少：曝氣生物濾池占地是常規(guī)二級(jí)生化處理的1/5～1/10；
c) 投資。築AF系統(tǒng)總水力停留時(shí)間短，基建投資少，同時(shí)出水水質(zhì)高。
曝氣生物濾池可以有多種運(yùn)行方式，可以下向流的方式運(yùn)行，也可以是上向流的方式運(yùn)行，采用上向流的曝氣生物濾池往往采用輕質(zhì)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(jí)串聯(lián)工藝。采用兩級(jí)串聯(lián)工藝為進(jìn)一步降解污水中難降解的有機(jī)污染物和達(dá)到嚴(yán)格的出水水質(zhì)提供了可靠的保證，可以獲得了優(yōu)良的處理效果，保證了出水的穩(wěn)定性。
4、三相內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器
內(nèi)循環(huán)三相流化床反應(yīng)器，作為一種新型的三相流化床，其反應(yīng)器的諸多特性主要體現(xiàn)在氣、液循環(huán)、載體流態(tài)的特殊運(yùn)行規(guī)律。其基本的工作原理也主要體現(xiàn)這幾方面的不同變化，即液體內(nèi)循環(huán)速度、有機(jī)物降解動(dòng)力學(xué)、氧轉(zhuǎn)移特性、液體流態(tài)、載體流化特性等方面。
由于在內(nèi)循環(huán)三相生物流化床反應(yīng)器內(nèi)裝有大量細(xì)小的載體，并使之處于循環(huán)流化狀態(tài)，為微生物的附著生長(zhǎng)提供巨大的表面積，同時(shí)保證良好的混合和傳質(zhì)條件(圖1)。因此本質(zhì)上該反應(yīng)器是一種生物膜法處理工藝。
三相內(nèi)循環(huán)流化床不僅具有一般好氧流化床的特點(diǎn)，還具有以下特點(diǎn)：
1) 流化性能好，反應(yīng)器處于完全混合狀態(tài)：反應(yīng)器內(nèi)大部分載體都參與循環(huán)流動(dòng)，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(zhuǎn)移效率高：由于大量液體循環(huán)流動(dòng)，在此過程中會(huì)夾帶一些細(xì)小的氣泡，延長(zhǎng)氣-液接觸時(shí)間，提高了氧的轉(zhuǎn)移效率。氧利用率可達(dá)30～50%；
3) 載體流失量少，不需專門的脫膜設(shè)備，大大簡(jiǎn)化了原來的流化床處理污水所需的輔助設(shè)備。
在投配容積負(fù)荷達(dá)10kgCOD/m3.d以內(nèi)時(shí)，可獲得70～80%左右的COD去除率，與傳統(tǒng)活性污泥相比去除污泥負(fù)荷可提高10倍左右。內(nèi)循環(huán)三相生物流化床進(jìn)入正常運(yùn)行后，COD去除率均達(dá)75%以上，尤其是進(jìn)水濃度較高時(shí)，去除率可達(dá)90%以上。這說明流化床具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。
五、我國城市污水處理技術(shù)發(fā)展思路和對(duì)策
對(duì)于我國這樣一個(gè)污染嚴(yán)重、資源短缺的不發(fā)達(dá)國家，先進(jìn)的水處理工藝開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是適合我國國情、高效、低耗和低成本的污水處理技術(shù)。各類效率高、投入低、可達(dá)到一定治理深度的城市污水處理新技術(shù)，對(duì)經(jīng)濟(jì)尚不夠發(fā)達(dá)而污染亟待治理的我國，尤其是絕大多數(shù)沒有污水處理設(shè)施的17000多個(gè)建制鎮(zhèn)，在一段時(shí)期內(nèi)都將具有重要意義。以厭氧－好氧生物處理工藝、水解-好氧處理工藝、流化床和曝氣生物濾池等為代表的低耗、高效工藝有希望滿足這一需求。
水污染控制技術(shù)涉及到處理技術(shù)研究開發(fā)、工程設(shè)計(jì)、工程實(shí)施、設(shè)備加工和運(yùn)營(yíng)管理等各方面。從市場(chǎng)化和產(chǎn)業(yè)化的觀點(diǎn)，我國城市污水處理的主要任務(wù)是在以上三個(gè)方面重點(diǎn)發(fā)展：
1、大力發(fā)展先進(jìn)的水處理工藝技術(shù)
2、大力推進(jìn)水處理技術(shù)和設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化
3、大力鼓勵(lì)水處理設(shè)施運(yùn)營(yíng)產(chǎn)業(yè)化
以往人們對(duì)于工藝技術(shù)、工程建造和設(shè)備制造和設(shè)施運(yùn)營(yíng)三者之間的關(guān)系著重于工藝技術(shù)的開發(fā)和研究。工藝開發(fā)無疑是很重要，不同工藝的選取可能會(huì)很大程度的影響到污水處理廠的投資和運(yùn)行費(fèi)用(比如采用低負(fù)荷的延時(shí)曝氣系統(tǒng)和高負(fù)荷的生物曝氣濾池，兩者負(fù)荷可能會(huì)相差十倍)。但是，當(dāng)工藝確定以后，應(yīng)該注重工程和制造環(huán)節(jié)，提倡新材料、新技術(shù)、新設(shè)備和新的施工方法的改進(jìn)和革新。在這一方面過去沒有引起足夠的重視，事實(shí)上，過去不乏這樣的實(shí)例，例如：高效曝氣裝置的應(yīng)用可以大幅度的降低能耗；如Biolock工藝、Lipp制罐技術(shù)等等，是新的建筑材料和方法的應(yīng)用，形成了新的工藝。
污水處理設(shè)施的運(yùn)營(yíng)業(yè)是傳統(tǒng)的技術(shù)服務(wù)范圍；而BOT方式的引入在水處理領(lǐng)域也會(huì)逐步打破傳統(tǒng)甲、乙方概念，產(chǎn)生甲、乙方角色互換，導(dǎo)致了類似于物業(yè)管理型的技術(shù)服務(wù)需求。對(duì)技術(shù)服務(wù)提出了更高層次的要求。
采用BOT方式大大減輕地方政府當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)壓力，加快基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐，滿足全社會(huì)對(duì)公共工程和基礎(chǔ)設(shè)施的需求。目前各種基金、上市公司、投資公司和各種社會(huì)資金將加速投入這一市場(chǎng)，將加劇這一市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，但是同時(shí)無疑會(huì)促進(jìn)水污染控制市場(chǎng)的成熟和發(fā)展。因此，水污染控制市場(chǎng)具有設(shè)備化、專業(yè)化、資本化和開放性的特點(diǎn)。
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