城鎮小區生活污水回用處理技術與工藝綜述

趙 娜

（沈陽市給排水勘察設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110021）

目前，我國城市年缺水量高達58.4 億m3，如果全國廢水回用率達到10%，就可提41.4 億m3的供水量，解決城市缺水量的70.9%。而污水再生成本是海水淡化的1/3-1/5，優先回用污水在經濟和技術兩方面都是可行的[1-2]。由此可見污水的再生利用是有效緩解大批城市缺水問題的重要措施，而小區生活污水回用是污水再生利用的重要組成部分。

小區是具有一種或多種功能的相對獨立的區域，通常意義上指的是居民生活住宅。隨著城鎮化進程的加快，城鄉結合部附近的經濟技術開發區不斷出現，由于沒有或短期內無法完善市政排水管網，大部分小區的污水就近排入地面水體，導致地面水體水質惡化，污染了周圍環境。因此，在小區建立中水回用系統，既能防治污染，又能解決城市缺水問題。小區生活雜用水的用途包括沖廁、綠化澆灌、水景、空調補水、洗車、地面沖洗等[2]。這些生活雜用水對水質并無過高要求，這就為小區中水的回用提供了可能。小區污水具有數量較大、就近可得、易于收集、處理技術也相對比較成熟等特點，城鎮小區生活污水回用可減少市政供水管網的壓力，同時也緩解了市政排水管網和污水處理設施的壓力，作為小區生活雜用水的第二水源它要比長距離引水更加經濟實用[3-4]

1 UCT-HMBR復合式膜生物工藝

復合式膜生物反應器（UCT-Hybrid Membrane Reactor，UCT-HMBR），是將UCT工藝與生物膜以及膜過濾技術相結合，從工藝和生物生長方式兩個方面對傳統膜生物反應器（Membrane Bioreactor，簡稱MBR）做了改進。

一方面，針對目前生物法一般很難達到除磷標準的問題，采用了公認的脫氮除磷效果較好的UCT工藝，該工藝具有流程短、效果好、穩定性強的優點。UCT工藝與MBR系統相結合提高了系統的脫氮除磷能力，對溶解性有機物、氨氮、總氮和磷的去除主要依靠UCT活性污泥系統，當活性污泥系統去除COD效果不佳的時候，MBR系統對出水起到了保證作用，去除濁度則主要靠膜的截留作用[1]。

另一方面，在好氧區投加填料構成復合式反應器，既減輕了膜污染，又進一步提高了系統對污染物的去除效果和抗沖擊負荷能力。HMBR內生物膜和懸浮污泥共同生長，生物群落結構多樣化，生物食物鏈長，有效改善了污泥性狀，提高其處理能力和抗沖擊負荷能力。MBR的污泥停留時間較長，而小區生活污水的有機污染物含量較少，容易引起污泥膨脹，投加填料使部分微生物附著生長，改善了傳統 MBR系統內污泥絮體松散的性狀，降低了系統懸浮活性污泥的濃度，克服了傳統活性污泥MBR系統易膨脹、易發生膜污染等缺點。因生物載體的介入而形成的生物膜具有多層結構，從外至內因氧傳遞阻力的增加而形成氧濃度梯度，進而構成了外層以好氧為主，內層以缺氧或厭氧為主的微環境，有利于提高系統的生物脫氮除磷能力[2]。

2 SBR反硝化除磷脫氮工藝

近年來但隨著科學技術的發展，計算機和自動控制技術的深入，使SBR在城市污水、工業廢水中的應用越來越廣泛，目前SBR脫氮除磷工藝已經成為各國競相開展的熱門工藝。

呂娟[3]采用厭氧（1.5 h）、好氧（1 h）、缺氧（1 h）、好氧（20 min）、缺氧（1 h）、好氧（20 min）多級交替的序批式反應器，通過對曝氣時間、交替次數的調整對脫氮除磷效果進行研究，即(AO)3SBR。研究結果表明該系統無論是對人工配水還是生活污水的脫氮除磷效果都很理想，COD、TN、TP去除率可分別達到88%、89%、99%和85%、75%、99.5%。

王羅春[4]以人工配水為研究對象，采用厭氧 1.5 h、好氧1 h、缺氧3 h、好氧0.5 h交替運行的SBR序批式反應器，在DO=2.5 mg/L，SRT=15 d下，獲得了理想的脫氮除磷效果，人工配水中COD、TN、TN去除率分別為90.46%、96.26%、99. 87%。

黃榮新[5]研究表明，當NO2--N濃度大于30 mg/L時，對生物反硝化除磷存在嚴重抑制影響，而NO2--N濃度低于25 mg/L時，NO2--N不僅可以作為良好的電子受體，而且隨著NO2--N濃度的升高，在缺氧段的最大吸磷速率也逐步升高。呂娟[3]將NO2--N濃度分別控制在5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L，對缺氧狀態下磷的去除效果進行研究。試驗結果表明，隨著 NO2--N含量的增加，吸磷速率明顯下降，但當NO2--N濃度在20 mg/L時，反硝化2 h仍可去除近5 mg/L的磷，這表明，當NO2--N濃度在20 mg/L時，并未對吸磷作用完全抑制。張超[6]使用人工配水，在SBR系統內以厭氧/好氧/缺氧的運行方式，控制 SRT=15 d，MLSS=3 200 mg/L，DO=2.5 mg/L，氮、磷去除效果最佳，TN、TP、COD去除率分別為96.26%、99.87%、90.46%。吳昌[7]采用A2/O工藝，對反硝化除磷的影響因素進行研究，研究表明C/N比越低，缺氧吸磷占總磷比例越大，但C/N比太低會導致這個系統TN的去除率偏低。當C/N比低于4時，反硝化除磷的比例高達60%以上，但TN的去除率僅62%。

唐艷葵[8]采用厭氧/好氧/缺氧的運行方式，在SBR中對以反硝化聚磷菌含量可高達為優勢菌的活性污泥進行顆粒化，試驗結果表明，當以厭氧/缺氧方式運行時系統具有良好的反硝化除磷性能，缺氧結束時除磷率＞96%，外加NO3--N對反硝化吸磷速率有一定的影響，而且與經富集培養的反硝化聚磷污泥相比，顆粒污泥的去除效果更高，也較為穩定。

3 BAF曝氣生物濾池工藝

曝氣生物濾池（Biological Aeratel Filter，BAF）又叫淹沒式曝氣生物濾池，由法國CGE公司開發，國外從20世紀初開始進行該工藝的研究，于80年代末基本成型。90年代以來有關曝氣生物濾池的技術方法和工藝流程不斷進行改進和完善，應用范圍也不斷擴大，不僅用于污水的二級處理，也被用于污水中的除磷和硝化反硝化，甚至用于微污染水的預處理。曝氣生物濾池的類型和操作方式有多種，各具特點，但其基本原理是一致的。也可以通過硝化和反硝化除氮。其工作原理主要是過濾、吸附和生物代謝。該工藝將污水生物處理過程和懸浮物去除過程結合在一起，可同時起到普通曝氣池、二沉池和砂濾池的作用[9]。

4 SBBR序批式生物膜工藝

序批式生物膜反應器（Sequencing batch biofilm reactor，SBBR），是在SBR反應器內投加載體，使部分微生物附著在載體上，呈附著態和懸浮態生長，同時兩種類型的微生物達到動態平衡，吸附在填料上的生物膜能保證世代時間較長的硝化菌生存，利于硝化過程的正常進行，同時生物膜載體從表面到內部存在溶解氧濃度梯度現象，有利于生物自養脫氮的實現。既提高了系統內微生物的濃度，又增強了系統的抗沖擊負荷能力[10]。

在反硝化反應進行時，反硝化細菌可利用的碳源可分為三類：①外加碳源，當廢水中 BOD5：TN＜（3～5）∶1時需投加；②廢水本身的有機碳源，當廢水中BOD5：TN＞（3～5）∶1時，不用額外投加碳源就能達到脫氮目的；③內碳源，活性污泥和吸附在載體上的生物膜中的微生物死亡自溶后釋放出來的有機碳，也可以作為反硝化反應的碳源，即貯存性反硝化反應。孫永利[11]在城鎮污水處理廠外加碳源的選擇研究試驗中，分別以乙酸鈉、葡萄糖和白砂糖作為外加碳源，考察了其對生物處理系統反硝化脫氮效果的強化作用。結果表明，以乙酸鈉為碳源時的反硝化速率約為以葡萄糖和白砂糖為碳源時的2倍，而在同等COD投加當量下的有效作用時間約為葡萄糖和白砂糖的一半。王洪貞[12]針對城鎮污水處理中碳源不足影響系統脫氮能力的問題，分別以乙酸鈉、葡萄糖、甲醇作為外加碳源，考察各碳源對活性污泥脫氮能力的影響。研究結果表明，在乙酸鈉投加量分別為 50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L的條件下，NO3--N去除率分別為 68.8%、85.8%、100%；在葡萄糖投加量 50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L的條件下NO3--N去除率分別為47.3%、64.3%、76.2%。因此，乙酸鈉可以作為高效外源性碳源用作城鎮污水脫氮除磷。

5 ANAMMOX厭氧氨氧化工藝

厭氧氨氧化（Anaerobic Ammonium Oxidation，ANAMMOX），工藝是迄今為止已知的最具革命性的生物脫氮新工藝。指在厭氧條件下，厭氧氨氧化菌以無機碳源為營養基質，分別以NH4+-N和NO2--N為電子供體和電子受體進行生化反應，生成 N2和少量從而實現對污水中氮素的脫除[13]。

鄭平[14]研究得到，在不添加有機物條件下，TN容積負荷為 0.29～0.72 kg·m-3·d-1，去除率分別為86.0%～99.7%和88.7%～99.3%。添加有機物（酵母膏100 mg?L-1）后，當TN容積負荷低于0.43 g·m-3·d-11時，有機物對ANAMMOX反應的影響較小，NH4+-N和NO2--N去除率均保持在94%以上；但當TN容積負荷達到0.72 g·m-3·d-1時，有機物對ANAMMOX反應產生嚴重影響，NH4+-N和NO2--N去除率均低于75%。停止添加有機物并降低TN容積負荷，可在短期內有效消除有機物的抑制作用。

李祥[15]通過研究HCO3-濃度對ANAMMOX工藝脫氮效果的影響得出，當進水HCO3-/NH4+-N為0.21時，反應器出水pH值將大幅度提高，嚴重抑制了厭氧氨氧化菌的活性，氮去除速率大幅度下降。但當其比值為1.13時，系統內pH值可以下降到厭氧氨氧化菌生長所需要的范圍，氮去除速率開始逐步增加。HCO3-對于ANAMMOX系統的脫氮效能和維持系統內 pH值具有重要影響。李捷[16]證明了適當增加進水中無機碳源的濃度，可以有效刺激厭氧氨氧化菌增殖，有利于ANAMMOX反應的正常進行，但當其超過一定濃度時反應速率將會急劇下降。

楊洋[17]研究得到，ANAMMOX反應應盡量在較高溫度（30～35 ℃）條件下進行，當溫度高于40 ℃或低于 30 ℃時，其活性明顯下降。同時發現在20～30 ℃之間時，ANAMMOX反應速率與溫度有一定的的關系，并且這種關系可以用修正的Arrhenius方程來描述。李冬[18]認為較高的 NH4+-N濃度（約500 mg·L-1）對于長期培養的厭氧氨氧化菌并無明顯的抑制作用。由于 NO2--N本身就是生物毒性物質，過高濃度的 NO2--N會引起生物抑制效應，對厭氧氨氧化菌產生較強的毒害作用，干擾其正常代謝性能，使其活性降低且很難恢復。

6 展望

生活污水的再生利用，一方面能夠為城市供水開辟第二水源，是解決水資源短缺的重要舉措；另一方面可以在一定程度上解決污水對水源的污染問題，從而起到保護水源的作用。UCT-HMBR、BAF、反硝化除磷脫氮工藝、SBBR、ANAMMOX等生物脫氮除磷工藝用于小區污水回用方面具有較大的優勢，特別適合我國水處理事業所面臨的現狀。

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