生活污水處理技術

　最初的一體化污水處理設備采用的是極其簡單的物理、化學處理設施，水中的雜物經過格柵等構筑物被截流，再經絮凝沉淀等工藝，污水得到初步處理，但水中有機物等得不到有效處理，處理效果極差。特別是隨著工業發展，生活污水中污染物的成分日漸復雜，這些污染物排入地面水系后造成河流黑臭。同時科學技術的發展，也使污水處理設備技術不斷進步，現在生化處理由于其良好的處理效果和較強的實用性被普遍應用于廢水處理。
　　由于微生物具有來源廣、易培養、繁殖快、對環境適應性強、易變異等特征，在生產上較容易地采集菌種進行培養繁殖，并在特定條件下進行馴化，使之適應各種不同水質條件，從而通過微生物的新陳代謝使有機物無機化。加之微生物的生存條件溫和，新陳代謝過程中不需要高溫高壓，它是不需投加催化劑和催化反應，用生化法促使污染物的轉化工程與一般化學法相比優越得多，其處理廢水的費用低廉，運行管理較為方便，所以生化處理是廢水處理系統中最重要的過程之一，目前，這種方法已廣泛用于生活污水及工業有機廢水的二級處理。
　　生化處理法主要分為好氧處理和厭氧處理兩大類型。按照微生物的生長方式，可分為懸浮生長型和附著生長型；按照系統的運行方式可分為連續式和間隙式；按照主體設備中的水流狀態，可分為推流式和完全混合式等。
　　根據作用原理不同，生物處理大至分類如下1
　2．活性污泥法
　　活性污泥法是利用懸浮培養來處理廢水的一種生物化學工程方法，用于去除廢水中溶解的以及膠體的有機物質2。活性污泥法是一種通常所稱的二級處理方法。它接納從前一級處理工藝的來水進行需氧生物氧化處理。完整的活性污泥廠一般包括了初次沉淀池以及除砂等初次處理設備。但是，根據廢水的特性，初次沉淀池有時可以省略。基本的活性污泥法具有六個部分：
　　①發生需氧生物氧化過程的反應器。這是活性污泥法核心部分，這個反應器也就是一般所稱的曝氣池。
　　②向反應器混合液中分散空氣或純氧的氧源。空氣或氧氣以壓力態或大氣常壓態進入混合液中。
　　③對反應器中液體進行混合的設備或手段。
　　④對混合液進行固液分離的沉淀池。把混合液分成沉淀的生物固體與經處理后的廢水兩部分。這一沉淀池稱為二次沉淀池或二沉池。
　　⑤收集二次沉淀池的沉淀固體并回流到反應器的設備。
　　⑥從系統中廢棄一部分生物固體的手段。
　　(1) 普通活性污泥法
　　活性污泥法3于1914年由英國人Ardernh和Locbett實驗成功。在中低濃度有機廢水處理中，活性污泥法是使用最多、運行最可靠的一種方法。在國內，由于技術成熟，技術分支較為廣泛，且投資省、易啟動、處理效果好等優點。但傳統活性污泥法由于曝氣動力消耗大，每噸廢水處理費用居高不下，同時在用空氣曝氣時容易產生泡沫，造成難以充氧，管理不好則易產生污泥膨脹，產生大量的污泥，使其在應用上受到了限制3。參與活性污泥處理的微生物，在其生命活動過程中，與要不斷吸取其所必需的C、N、P等等多種營養物質。
　　活性污泥法是最常見的污水生物處理方法，污水在經過初步沉淀去除各種大塊顆粒之后送到好氧反應池，在池中通過曝氣或攪拌供給氧氣。在活性污泥法中，經處理后排出的水中的大部分活性污泥被沉淀下來返回反應池。這樣可以維持很高的微生物密度和活性。當污水停留在好氧反應池期間，一部分有機物被處理成無機物，即礦化；另一部分轉化為微生物細胞物質。在活性污泥法中，嚴重影響處理效果的是污泥的沉降性能。如果活性污泥沉降性能差，由于絲狀細菌和真菌的過分繁殖將導致活性污泥膨脹。雖然活性污泥的膨脹機理尚不完全清楚，但通常在碳氮比（C：N）和碳磷比（C：P）的比值較高，水中溶解的氧氣濃度較低的條件下容易產生3。為維持良好的處理效果，應當避免發生污泥膨脹，因此在活性污泥法中要嚴格控制進入系統廢水的C：N、C：P的比值，并維持較高的溶解氧水平，這樣才能維持良好運行狀態。產生的活性污泥除一部分回流利用外，其他多余的則需要另外處理。處理的方法是厭氧消化和填埋或干燥。干燥后的處理物可以用作農業肥料。
　　(2) SBR法
　　SBR法2（序列間歇式活性污泥法）是一種改進的活性污泥法，它是由原始的間歇式污泥法發展而來，與其他活性污泥法相比，SBR法沒有設置二沉池和污泥回流設備，布置更為緊湊，占地面積少，基建及運行費用較低，不易產生污泥膨脹問題，耐沖擊負荷，處理效果穩定。有資料顯示，SBR法的主要構筑物的容積為常規活性污泥法的50%~60%，運行費用及占地面積均可減少20%左右。SBR法典型的操作工序為：進水、反應、沉淀、排水、閑置等五個工序。整個工藝經厭氧、好氧缺氧三個階段。根據出水情況可隨時調整各工序的時間以達到最佳出水效果。SBR法工藝是極具發展潛力的一種處理工藝，但也存在著曝氣裝置易堵塞，自動控制技術及連續在線分析儀表要求高等缺點。
　　研究表明，SBR與常規活性污泥工藝相比具有許多優點，其優點如下：
　　①運行操作、管理控制及處理單元結構簡單，設備維護方便。
　　②可省去二沉池、污泥回流泵和復雜管道的建造，造價低、氧利用率高、節約能耗、占地面積小。
　　③耐沖擊負荷高，能適應較大幅度廢水濃度變化，運行穩定。
　　④SBR中的固液分離處于完全靜止狀態下的理想沉淀。污泥沉淀性能好，沉淀效果高，剩余污泥排放量少。
　　⑤SBR兼有厭氧、兼氧、好氧并存的功能，能抑制污泥的膨脹，同時具有高效除磷脫氮的效果。
　　⑥SBR活性污泥其微生物的核糖核酸比一般活性污泥大3~4倍，處理效率高，停留時間短，出水水質好。
　　⑦遇休假日、生產設備維修不排放廢水時，可采取饑餓曝氣、厭氧靜止、投加載體等措施，保存活性污泥的活性，最多可達3個月，運行時能迅速恢復，這是其它生化處理工藝無法解決的。
　　（3）活性污泥新工藝
　　在SBR工藝的基礎上加以優化變形，便發展形成了CASS（周期循環活性污泥工藝）、CAST（循環活性污泥工藝）、ICEAS（間歇式循環延時曝氣活性污泥法）等形式的活性污泥新工藝4.另外，AB法污水處理工藝（吸附-生物降解工藝）是將活性污泥系統分為兩個階段，即A段和B段，充分利用微生物種群的特性，分別為其創造適宜的實質環境而分為兩段，使不同的生物群得到更好的增殖，從而更好地處理污水。這些新工藝由于形式上的不同，具有了建設費用低、工藝流程短、占地面積少、運轉費用省、有機物去除率高、出水水質好、管理簡單，運行可靠、污泥產量低，污泥性質穩定、具有脫氮除磷功能、無異味等優點。
　　(4) 膜-生物反應器
　　膜-生物反應器（MBR）是90年代興起的一種廢水生化處理的新技術，它是用膜組件替代傳統的二沉池進行固液分離的一種新型高效廢水處理技術4，與傳統的活性污泥法相比，膜-生物反應器具有污染物去除率高、出水水質穩定、裝置容積負荷大、設備占地面積小、傳氧率高、污泥產量低、操作運行簡便等優點。
　　3．生物膜法
　　生物膜法是人們模仿土壤的自凈過程而創造出來的并很早被人們應用于廢水生物處理。早在十九世紀，1893年英國科貝特（Corbett）在索爾福德城創造了具有噴嘴布水裝置的生物濾池（灑滴濾池），這也就是廢水生物處理工程中最早出現的生物膜法濾池3。
　　生物膜發和活性污泥法一樣，都是利用微生物來去除廢水中的有機物的方法。但在活性污泥法中，微生物出于懸浮生長狀態，所以活性污泥法處理系統在有些教科書中稱懸浮生長系統，而生物膜法中的微生物則附著生長在某些固定表面，所以生物膜法的處理系統又稱附著生長系統，甚至有些教科書中將生物膜稱為固定膜。為生物膜提供附著生長固定表面的材料稱填料（或載體）。填料是影響生物膜法的發展和性能的重要因素。
　　生物膜處理系統的基本流程：廢水經過初次沉淀池進入生物膜反應器，廢水在生物膜反應器中經需氧生物氧化去除有機物后，再通過二次沉淀池出水。初次沉淀池的作用是防止生物膜反應器受大塊物質的堵塞，對空隙小的填料，是必要的，但對空隙大的填料也可以省略。二次沉淀池的作用是去除從填料上脫落入廢水中的生物膜。生物膜法系統中的回流并不是必不可少的，但回流可稀釋進水中的有機物濃度，提高生物膜反應器中水力負荷，從而增大水流對生物膜的沖刷，以便平衡高有機物負荷生物膜反應器中生物膜的累積5。
　　生物膜法與活性污泥法比較起來有很多的優點。例如，單位體積反應器中能夠持有的生物量較大；蛻膜的沉降性能比較好；沒有污泥膨脹現象；不存在運行中的污泥沉降性能限制等等。然而，在20世紀50年代以前，生物膜法卻一直未被人們重視，其原因主要是因為生產中最早采用的生物膜法構筑物是以碎石為填料的滴濾法。碎石的比表面積小，能夠為微生物附著生長的表面積小。因而滴濾池的負荷不可能很大，使其占地面積較大，加之廢水以噴灑方式在滴濾池表面布水，衛生狀況也不好。50年代，由于塑料工業的發展以及塑料填料引入生物膜處理系統，使生物膜法出現了許多具有重要意義的發展。塑料重量輕，可以生產泡沫塑料或加工成蜂窩形狀，比表面積較大。因此，50年代以后出現了許多新型的生物膜法設備8。
　　根據廢水和生物膜接觸方式的不同，主要有一下幾種處理方法：
　　(1) 生物濾池
　　生物濾池是在濾池中填充石子，爐渣或蜂窩狀的塑料濾料。在濾料表面覆蓋著一層生物膜，廢水沿著濾料的空隙從上而下的流動，并帶入空氣，通過與生物膜的接觸，廢水中的有機物被吸附氧化。生物濾池工藝具有以下優點：污泥生成量少，運行費用低，對進行水質、水量負荷的沖擊有較強的適應能力。但此工藝由于存在效率低，易發生濾池堵塞和環境衛生問題而影響了它的推廣應用。
　　80年代末在歐美發展起來的曝氣生物濾池是一新型污水處理技術，它的基本原理是在一級強化的基礎上，以顆粒狀填料及附著生長的生物膜為主要介質，充分發揮生物代謝作用、物理過濾作用、生物膜和填料的物理吸附作用以及反應器內食物鏈的分級捕食作用，將污染物在同一單元反應器內去除，省卻了二次沉淀設備，減小了占地面積，顯著的提高了設備利用率和處理效率6。同時，由于反應器內存在著不同的好氧、厭氧區域，可同步實現硝化和反硝化，在去除有機物的同時達到脫氮的目的。
　　曝氣生物濾池的特點是：
　　①采用小粒徑顆粒填料作為過濾主體的池型反應。
　　② 同步發揮生物氧化作用和物理截留作用。
　　③ 氧轉移和利用率高。
　　④ 具有較高的處理效率，出水水質好，能耐受較高負荷。
　　⑤ 通過反沖洗去除濾層中截留的懸浮物和生物膜，不需設二沉池。
　　⑥ 采用模塊結構設計，為擴建提供有利條件。
　　⑦ 不同的污染物可以在同一反應器內被漸次去除。
　　這種工藝在美國和日本已有較很多應用，而在國內起步卻比較晚。中冶馬鞍山設計院在普通生物濾池的基礎上，加以改進，獲得上向流曝氣生物濾池(UBAF)的專利，目前這項技術在國內已有應用。
　　滴濾池法（trickling filter）在中國雖然也稱為生物濾池，但兩者實際上是有區別的。滴濾池用的是粗填料，常見的是75~125mm的碎石，碎石之間有很大的空隙，但廢水灑布在填料上的時候，廢水從填料上的生物膜上滴流而下，當池外空氣溫度高于池內空氣溫度時，空氣則自下而上流過空隙，反之則空氣自上而下流過，以保持生物需氧氧化狀態。滴濾池一詞強調了這個滴字，因為它實際上不是濾池，并無一般所理解的過濾性能。生物濾池雖然也是接生物作用來處理廢水，但它的填料除了包括粗料外，還可以是砂、卵石等細料。這種粗濾料的生物濾池就接近一般滴濾池的概念了。所以，生物濾池的概念雖然包括了滴濾池在內，但不能用來代替滴濾池。滴濾池是一個典型的生物膜法，借生物過程以去除廢水中溶解的以及膠體的有機物。
　　(2) 生物接觸氧化法
　　生物接觸氧化法是生物膜法處理污廢水的一種，早期形式為淹沒式好氣濾池，即在曝氣的廢水流經填料層，使填料顆粒表面長滿生物膜，廢水和生物膜相接觸，生物膜吸附和氧化廢水中的有機物并同廢水進行物質交換，從而使廢水得到凈化。生物接觸氧化處理技術的另一項技術實質是采用曝氣池相同的曝氣方法，向微生物提供其所需要的氧，并起到攪拌的作用，這樣，這種技術又相當于在曝氣池充填供微生物棲息的填料，因此，又稱為“接觸曝氣法”。
　　所以可以說，生物接觸氧化是一種介于活性污泥與生物濾池兩者之間的生物技術。也可以說是具有活性污泥法特點的生物膜法，兼具兩者的優點。20世紀70年代，小島貞男成功開發了生物接觸氧化工藝8。他從河流自凈現象得到啟發，發現在河床的礫石表面生長著一層生物膜，對水體中對污染物有明顯的凈化作用，他經過多次試驗研究出接觸氧化裝置。但是，接觸氧化工藝又是一種具有一定歷史淵源的處理技術。遠在19世紀末就已經有人從事這種技術的研究工作了，其成果獲取了德國的專利。在20世紀20年代、30 年代也曾有人對其進行過研究，并在實際生產工作中運用。但這種處理技術的大發展還是從70年代開始。
　　近10-20年來，生物接觸氧化處理技術在一些國家，特別是日本、美國得到了迅速的發展和應用，廣泛地用于處理生活污水、城市污水和食品加工等工業廢水，而且還用于處理地表水源水的微污染。
　　我國從70年代開始引進生物接觸氧化處理技術，目前已并得到廣泛的應用，除生活污水和城市污水外，還應用于石油化工、農藥、印染、紡織、輕工造紙、食品加工和發酵釀造等工業廢水處理，都取得了良好的處理效果。此外，我國污水處理工程技術人員在新型填料和曝氣器的研制方面也取得了明顯的成果。
　　生物接觸氧化工藝采用固定式生物填料作為微生物的載體，生長有微生物的載體淹沒在水中，曝氣系統為反應器中的微生物供氧。由于生物接觸氧化法的微生物固定生長于生物填料上，克服了懸浮活性污泥易于流失的缺點，在反應器中能保持很高的生物量。
　　生物接觸氧化技術的主要特征是：
　　①工藝方面
　　a.由于生物接觸氧化池內生物固體量多，水流完全混合，故對沖擊負荷和水質變化的耐受性強，運行穩定。由于填料比表面積大，池內充氧條件良好，池內單位容積的生物固體量較高，因此，生物接觸氧化池具有較高的容積負荷。
　　b.生物接觸氧化法容積負荷高，占地面積小，建設費用較低。
　　c.生物接觸氧化法污泥產量較低，無需污泥回流，不存在污泥膨脹問題。
　　d.生物接觸氧化法有時脫落一些細碎生物膜，沉淀性能較差造成出水中的懸浮固體濃度稍高，一般可達到30mg/l左右。
　　②運行方面
　　a.對沖擊負荷有較強的適應能力,在間歇運行條件下,仍能夠保持良好的處理效果,對排水不均勻的企業更具有實際意義。
　　b.操作簡單、運行方便、易于維護管理,無需污泥回流,不產生污泥膨脹現象,也不產生濾池蠅.污泥生成量少,污泥顆粒較大,易于沉淀。
　　③功能方面
　　生物接觸氧化處理技術具有多種凈化功能,除有效地去除有機污染物外,如運行得當還能夠用以脫氮,因此,可以作為三級處理技術.
　　④生物接觸氧化處理技術的主要缺點是:如設計或運行不當,填料可能堵塞,此外,布水曝氣不均勻,可能在局部部位出現死角.
　　同時作為生物膜法的一種，接觸氧化法與曝氣生物濾池工藝相比，有很大的相似之處。其生物反應原理是一致的，都具有生物活性高（污泥齡短）、傳質條件好、充氧效率高、有絲狀菌存在、有較高的生物膜濃度的優點，且從曝氣方式和填料的類型來看，這兩者是完全一致的。最主要的差別是接觸氧化工藝需采用沉淀池沉淀接觸氧化池出水攜帶的生物膜殘片，而曝氣生物濾池采用的是填料過濾或輔以濾頭收水的方法去除懸浮物。
　　但這兩種工藝在城市污水處理領域的發展卻完全不同3。在接觸氧化發展初期，人們認為存在如下問題，影響到其在城市污水處理領域的應用。
　　① 主要原因一是限于當時城市污水處理中試和生產性試驗場地的源水水質濃度偏低，使得試驗結果不具有推廣的普遍性，限制這一工藝在城市污水處理領域的迅速推廣。
　　② 同時，由于當時采用的接觸沉淀池需定時反沖洗，人們認為其運行復雜，這也是影響其推廣的一個重要問題。
　　③ 另外，對于接觸氧化法的高效性，在當時僅由傳統活性污泥工藝一統天下，并且人們對于污水處理的工藝和原理接觸較少的情況下，接觸氧化工藝技術的超前性發反而阻礙了其推廣；并且工藝本身的超前性和高效性，與材料（爐渣填料）技術和自控技術的落后性不相適應。人們對接觸氧化氮工藝發展與其工藝原理的了解確實存在差距。例如，人們無法從機理上清楚解釋為什么接觸氧化的負荷可以是活性污泥的5-10倍。
　　事實上，曝氣生物濾池也存在上述問題。但非常有意思的是時隔20年后，當運行方式更加復雜、同樣需要反沖洗得BAF工藝由西歐傳入我國時，人們很快接受這一概念，并且認為將引起污水處理的一場革命。但事實上，僅從人們對于接觸氧化工藝和BAF工藝的不同接受程度，就反映出人們對國產技術和自有知識產權技術的過分苛求，從而扼殺了新興技術的推廣。在西方國家通過60~70年代大規模建設污水處理廠，水污染的宏觀控制問題已經基本解決，而我國目前的城市污水二級處理率還沒有達到10%，我國目前迫切需要適合我國國情的高效的、低能耗的處理工藝。
　　(3) 生物轉盤法
　　生物轉盤法是指一種在水平軸上裝有圓形波紋狀塑料介質的好氧附著生長式生物反應器，其中一部分（一般40%）淹沒在水中，軸以每分鐘1到2轉的速度旋轉使截止交替浸沒在水中和暴露在空氣中。微生物生長在介質上，并且代謝廢水中可以生物降解有機物和含氮化合物。和滴濾池一樣，產生的微生物從介質上脫落，被廢水帶入到沉淀池，在沉淀池中與處理后的出水分離8。該方法運轉穩定，動力消耗少，但低溫對運行影響較大，另外，采用生物轉盤和生物濾池處理廢水都要注意處理站異味擾民的問題。
　　(4) 生物流化床
　　生物流化床處理系統的基本原理：廢水和從生物流化床反應器出水的回流在沖氧設備進口處與空氣混合后，從反應器的底部進入，自下而上通過反應器，使填料保持在流化的工作狀態。經填料上的生物膜處理后的廢水，除部分回流到沖氧設備進口處外，最后流入二次沉淀池，以便沉掉懸浮的生物量，排出合格的水。生物流化床以粒狀材料為填料，一般為粒徑2.2~1.0mm的砂、焦碳、活性炭或陶粒。填料保持在流化床工作時的流化狀態與快濾池的濾料層在反沖洗時的流化狀態完全一樣。