城市低濃度污水處理工藝研究

陳俐

摘要：傳統的污水處理工藝面臨著同時高效脫氮除磷問題，而城市污水的碳源濃度較低卻使問題更加突出。文章綜述了低濃度污水處理技術研究的最新進展，重點介紹了生物膜法、A2/O工藝、序批式活性污泥法（SBR）、膨脹顆粒污泥床反應器（EGSB）與SBR組合工藝、厭氧折流板反應器（ABR工藝）、人工濕地處理工藝等，并對我國城市污水脫氮除磷的研究方向提出展望。

關鍵詞：低濃度；污水處理；好氧工藝；厭氧工藝

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）10-0048-03

低濃度污水一般是指COD濃度低于1000mg·L-1或BOD濃度低于500mg·L-1的有機污水，主要由城市生活污水和各種稀釋的工業廢水等組成。低濃度污水由于碳源不足，無法為微生物提供足夠的養分，對生物處理中的脫氮除磷過程有著制約作用。生物除磷脫氮的原理是微生物在厭氧、缺氧、好氧的交替環境中，依靠硝化菌和反硝化菌的硝化—反硝化作用實現生物脫氮，依靠聚磷菌的厭氧釋磷—好氧攝磷作用實現生物除磷。脫氮除磷過程中的反硝化菌與聚磷菌間的矛盾主要由碳源競爭引起，因為厭氧釋磷、缺氧反硝化、好氧異養菌代謝都需要消耗碳源。其中反硝化和釋磷對于揮發性脂肪酸的競爭尤為突出，為了充分釋磷，往往先滿足厭氧釋磷對碳源的要求，從而導致反硝化碳源的不足，影響處理系統脫氮的效果。因此，處理好低碳源條件下脫氮除磷的矛盾，進而達到同時高效脫氮除磷的目的，成為了今后城市污水處理亟待解決的問題。

1 用于低濃度污水處理的主要工藝

一般來說，城市低濃度污水的處理多采用生物膜法、活性污泥法、厭氧處理工藝等，在環境允許的地方還可以考慮人工濕地處理方法。目前，活性污泥法等好氧工藝技術已經研究發展得比較成熟，并應用到了許多實際工程中，取得了比較好的成果。然而隨著我國城鎮化進程的加快，城市污水排放量正逐年增長，而好氧工藝由于使用了充氧設備，其能耗大，維護管理及運行的費用較高，已經對財政造成了很大的困擾。相對于好氧工藝，厭氧生物處理法能耗少，運行費用低，且營養鹽需要少，這對C/N小的生活污水來說尤為重要。因此在繼續挖掘好氧工藝潛力的同時，越來越多的研究者開始進行低濃度污水的厭氧處理研究，并已取得了不錯的成績。

1.1 序批式活性污泥工藝（SBR）

SBR法在我國城市污水處理中研究比較深入，技術已經趨于成熟。SBR工藝流程簡單，污水在一個反應池內就可以完成生化反應、沉淀、排水、排泥，在運行費用低的前提下可以取得比較高的脫氮除磷效果，耐沖擊負荷也比較強。然而傳統的SBR法存在水力時間停留過長的問題，若管理不精準，還會造成除磷效果不夠好，污泥膨脹等。將生化和物化兩方法協同起來，強化污水處理能力，成了研究人員關注的方向。往SBR反應器內分別投加各種無機混凝劑以組成SBR/混凝協同工藝來對城市污水處理進行研究。經過試驗發現，將新型復合混凝劑PISC以40mg·L-1的量在曝氣2h后投入SBR反應器內時對CODcr、SS和TP的去除效果最佳，分別達到了76.8%、87.8%和93.1%。此外PISC的投入可以使水力停留時間縮短1/3，有抑制污泥膨脹的效果，并能降低出水的SS。將粉末活性炭（PAC）以400mg·L-1的量投入SBR反應器來進行低濃度污水處理的試驗研究。微生物能在活性炭的表面能形成一層生物膜，提高除磷效率，促使污泥沉降；不同種類的微生物形成的膜能形成好氧、缺氧和厭氧的區域，提高了反硝化效率。結果表明，投加了PAC的SBR反應器對污水中COD、TN和TP的去除率分別為94.9%、67.7%和96.6%。

1.2 生物膜法

生物膜法可用來處理低濃度污水，對水質水量變動有較強的適應性，其污泥沉降性能好，宜于固液分離。但生物膜法不若活性污泥法的人工強化，而是趨于自然凈化原理，其生物量不夠大，導致處理效果不夠好，更由于成本問題，生物膜法一般應用在小型污水廠或廢水廠。為順應當今時代的要求，低成本的生物膜法技術吸引了研究者的眼光。他們利用透水混凝土生物膜來處理城市污水，這種生物膜是由混凝土原材料和活性材料ATV-C按一定比例組成的固體膜片，上面有預留的透水孔，其構造成本很低。經過試驗研究，在進水流量為1.1～1.25L·min-1，回流量為4.5～6L/min，停留時間為1.5h，BOD5負荷為850g/（d·m3）的條件下，對CODcr、NH3-N、BOD5的去除率分別達到了76.0%、54.1%和94.9%，但這種生物膜對TP的去除效果不明顯，需要再進行深入研究。

1.3 A2/O工藝處理低濃度污水

A2/O生物脫氮工藝是將傳統的活性污泥、生物硝化工藝結合起來，取長補短，更有效的去除水中的有機物。A2/O工藝的內在固有缺欠就是硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有機負荷、泥齡以及碳源需求上存在著矛盾和競爭，很難在同一系統中同時獲得氮、磷的高效去除，阻礙著生物除磷脫氮技術的應用。西朗污水處理廠對傳統A2/O工藝和UCT工藝進行改進，綜合了它們的優點，使得這個改良的工藝具有脫氮除磷效果更好的優勢。改良A2/O工藝是在厭氧池、缺氧池和好氧池前增設了一個預缺氧池，這樣就保證了聚磷菌在厭氧段內的釋放磷的能力及好氧段內的吸磷能力，加強了除磷的效果。由預缺氧池接收沉淀池回流的污泥，從好氧池回流的混合液進入缺氧池，這種分開回流的模式減少了進入厭氧池內的硝酸鹽，提高了脫氮的效率。經監測，發現西朗污水廠對BOD5、COD、氨氮、TN、TP的去除率分別達到了93.5%、84.7%、96.9%、61.5%、78.9%。在A2/O工藝中，污泥齡對COD、TN、氨氮等的去除不產生大的影響，但它是影響除磷的一個重要因素。經研究發現，當污泥齡為12d時，A2/O工藝的綜合處理效果最好。而將AOA工藝與生物接觸氧化法組合起來形成一套一級強化生物絮凝吸附的高效、低耗新型系統后經過試驗發現，兩者之間最大程度地利用了生物絮凝階段的高負荷及接觸生物膜過濾的低負荷，將各自優勢更好地發揮出來，并增加抗沖擊負荷的能力。研究表明，在進水體積流量為1.0m-3·d-1、吸附池F/M為2.8kgCOD·kg-1MLSS·d-1、水力停留時間為1.5h時，這個組合系統的效率最高，對SS、COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分別達到了84.12%、86.37%、74.18%、75.23%、42.68%。

1.4 膨脹顆粒污泥床反應器（EGSB）與SBR的組合工藝

EGSB反應器是對常規的高效厭氧反應器UASB進行改善后制造出來的污水處理反應器，它以增大流速和加快出水循環來更有效地利用反應器空間，具有更高的運行效率。和純粹EGSB和SBR工藝相比，EGSB-SBR組合工藝對COD，TP，TN等的去除更為徹底，其出水指標可以達到城鎮污水處理廠污染物排放標準的一級標準。污水先通過調節池之后再通過EGSB反應器，最后通過SBR反應器，這樣能有效彌補這兩種工藝的缺陷，對有機物的去除，硝化和反硝化進行合理安排。經過試驗研究，當HRT為3h，COD容積負荷為3.5kg·m-3·d-1，EGSB反應器的上升流速為6.5～7m·h-1時，COD的去除率最高，達到95%。接著用SBR反應器對EGSB反應器的出水作進一步處理，以除去污水中尚未達標的氮和磷。當選用污泥齡為20～30d的污泥時，SBR反應器的除磷效果最好，能達到90%以上；當厭氧階段的DO質量濃度控制在0.2mg·L-1以下時，SBR反應器就能取得很好的脫氮效果，脫氮率達到了90%以上。

在厭氧條件下，污水中氨與硝酸鹽的消失是同時發生的，表現為5NH4++3NO3-→4N2+9H2+2H+ ΔG=-297kJ/MOL（NH4+）

即該反應可以自發進行，這使得這個組合工藝的脫氮效率非常理想。而在6℃～15℃的范圍內，EGSB-SBR組合工藝對TP的去除率能達到88.6%。

1.5 厭氧折流板反應器（ABR工藝）

厭氧折流板反應器（ABR）是一種新型高效的處理工藝，不僅在處理高濃度有機廢水的研究和應用方面取得了較大的進展，而且在處理低濃度污水方面也越來越引起重視。ABR反應器可看成是由多個上流式厭氧污泥床（UASB）的連接而成，對低濃度污水有良好的處理效率。它具有構造簡單、運行維護費用低、生物截留能力強、水力停留時間短、耐水力以及有機物沖擊、對有毒物質沖擊抵抗力和恢復力強等優點。ABR的工藝設計中分格數對處理效果具有較大的影響，在處理較低濃度污水時，ABR分格數控制在3～4格較好。將進水COD濃度控制在400mg·L-1以內，用BOD5∶N∶P（質量比）=（150～300）∶5∶1的葡萄糖配水模擬生活污水進行試驗研究，發現水力停留時間、污泥濃度、有機負荷、溫度等不同程度地影響ABR反應器運行效率。當平均溫度為29.6℃，水力負荷為2.93m3·m-3·d-1，HRT為0.041d時，ABR對CODcr的去除效率最高，達到了92%以上。李清雪等采用ABR-好氧組合工藝來處理COD濃度為688mg·L-1的生活污水，試驗證明，這個組合工藝對COD的去除率能穩定在84.2%附近，但對氨氮的去除效果

不佳。

1.6 人工濕地處理工藝

由于結構簡單，建造成本低，操作及管理維護容易，運行起來費用低廉，有較強的抗沖擊負荷能力，能夠處理低負荷污水并能達到一定效果，人工濕地在許多地方及各種性質的污水處理方面均有應用。用粉煤灰和細煤渣配合使用作為基質，再按適當的比例配成填料處理柱來處理低濃度生活污水，去除COD的效果非常好，約70%；而用粉煤灰和空心磚磚塊配合使用作為基質的處理柱在處理污水時，去除NH3-N和TP的綜合效率分別達到了89%和81%。深圳白泥坑人工濕地采用了蘆葦/大米草濕地、茫荼/蘆葦濕地和蘆葦/茫荼濕地串聯運行的方式，使得BOD和NH4-N去除效果很好，分別達到了90%和50%以上。近年來，將人工濕地與其他工藝聯合起來處理城市污水也得到了長足的發展，這樣可以有效彌補人工濕地處理工藝在某些方面的不足。利用 “接觸氧化+生物滴濾池+潛流人工濕地+氧化塘”的組合工藝來處理進水COD濃度為62.36mg·L-1，TP為1.04mg·L-1，TN為18.29mg·L-1的低濃度污水，在溫度為6.0℃～11.4℃在低溫條件下取得了比較好的凈化效果。經測試，這個組合工藝對對COD、TP和TN的去除率分別為83.6%、66.8%和55.2%。

2 結語

目前，我國的城市污水處理廠進水濃度普遍偏低，碳源不足，脫氮效率難以保證。而怎樣解決好這個問題，有學者已為我們指明了方向：清華大學的一些學者提出了以垃圾滲濾液作為碳源投加到低碳源城市污水中，該技術以廢治廢，能節約垃圾滲濾液處理費和污水廠投加甲醇等碳源成本；另一方面，合理地選擇排水系統的體制，加強雨污聯合調控的要求，從而達到提高城市污水中的碳源濃度的目的。

在城市低濃度污水處理工藝方面，各類好氧工藝與厭氧工藝都有自己的優缺點。以好氧活性污泥法為主的城市污水處理技術雖然對污染物的去除率高且穩定，但占地面積大，管理運行費用高。而厭氧處理工藝正不斷發展和完善，其低能耗、占地少、管理簡便等優越性已逐漸為人們所認識。厭氧生物處理具有節約能源并產生能源的的優點，其剩余污泥量低，容積負荷大，開發和利用厭氧生物技術進行污水處理必然能夠同時起到減輕污染和緩解能源短缺的功效。但厭氧工藝對氮、磷等的去除不夠穩定，對病菌等的去除能力也不夠，所以厭氧處理工藝的發展應跟好氧處理工藝相結合，取長補短。

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