污水处理及其再生利用行业最新技术应用状况及发展趋势与运行力预测

3、关于城镇污水处理厂污泥处理的思考

城市污水污泥处理和处置方面在我国还刚刚起步，与国外先进国家相比尚有较大差距。随着大量污水处理厂的投产，污泥产量将会有大幅度的增加。污泥厌氧消化的投资高，污泥处理费用约占污水处理厂投资和运行费用的20%～40%。在我国仅有的十几座污泥消化池中，能够正常运行的为数不多，有些池子根本就没有运行。这也是导致我国近年大量采用带有延时曝气功能的氧化沟等技术的原因。采用高效(高负荷)、低耗污水处理工艺的关键之一是解决城市污水厂污泥处理技术和问题，可以讲具有特点的解决我国城镇污水工艺的进步，在很大程度上取决于污泥处理和利用技术的进步。为了解决这一问题有必要加强污泥处理与利用的研究。

另外，在一个小区域内的物质、能量(粮食、蔬菜等)是从周边地区流向中小城镇，污水处理产生的污泥是这种流动的结果，从生态平衡角度讲这些物质是需要回到周边的生态系统中，否则长期发展会造成一个区域内土壤生态的失衡。因此从污泥最终处置的出路来看，中小城镇的污泥农用是最为可行和现实的处置方案。

四、城市污水处理新工艺新技术介绍

1、生物化学反应理论基础 

人们过去对于好氧微生物和专性厌氧微生物研究十分充分,而对兼氧性微生物的研究不够。各种类型有机污染物的厌氧(缺氧)、好氧降解反应过程汇总如下。

好氧(缺氧)过程 厌氧(缺氧)过程

1) COD®H2O+CO2 (传统好氧)

2) COD ® CH4+CO2(传统厌氧)

3) NH4+ ®NO2- ®NO3- (硝化)

4) NO3-( NO2-)® N2 (厌氧或缺氧(短程)反硝化)

5) PO4-+生物-P ®生物-P(厌氧)

6) NH4++NO2-® N2 (厌氧氨氧化)

7) H2S ®S0 (微需氧或缺氧)

8) SO4= ® H2S (厌氧反应)

9) R-Cl® CO2 + Cl- (好氧反应)

10) RCCl® CH4+ CO2+ Cl- (厌氧反应)

反应式(1、2和3)为传统厌氧和好氧工艺，其他均为兼性菌的反应。事实上，利用兼性细菌的工艺人们早已涉及，如，对去除 N、P的A2O或AO 工艺(反应4、5)，利用兼性菌在好氧条件下进行好氧代谢，而在厌氧条件下进行厌氧代谢。在含有硫酸盐的有机废水中，厌氧反应将有机物和硫酸盐分别转化为有机酸和硫化氢(反应8)。产生的硫化氢被微需氧细菌直接氧化为硫元素。这可以用来去除硫化物并回收硫元素(反应7)。Kuenen等发现某些细菌在硝化、反硝化应用中能利用 NO2-或 NO3-作电子受体将NH4+氧化为N2和气态氮化物(反应式5);在这一反应的基础上，正在开发 ANAMMOX 工艺和 OLAND 等工艺。最新研究表明一些在好氧状态下难降解芳香族和卤代烃在厌氧条件下容易分解(反应 9、10)。以上反应为一些新工艺的化学反应基础，其基本原理是新工艺开发的基础和生长点。成功的利用兼性微生物的典型工艺是北京环保所在80年代开发的水解-好氧处理工艺。水解池利用水解和产酸微生物，将污水中的固体、大分子和不易生物降解的有机物降解为易于生物降解的小分子有机物,使得污水在后续的好氧单元以较少的能耗和较短的停留时间下得到处理。

需要说明的是水解-好氧工艺中的水解(酸化)过程与好氧AO(HO)、A2O和AB等工艺中A段中发生的水解过程也是有较大区别的。这表现在以下两个方面：首先是菌种不同，如上所述在水解工艺中的优势菌群是厌氧微生物，以兼性兼性微生物为主，而在好氧AO(HO)、A2O和AB等工艺中A段中的优势菌是以好氧菌为主。仅仅部分兼性菌参加反应;其次，在反应器内的污泥浓度不同，水解工艺采用的是升流式反应器，其中污泥浓度可以达到 15～25g/L，而好氧 AO、A2O 和 AB 等工艺中从二沉池回流污泥浓度一般最高为5～8g/L，并且以好氧菌为主。以上的差别造成了水解工艺是完全的水解，而好氧 AO(HO)、A2O 和 AB 等工艺中 A 段仅仅发生部分水解。

从大量实践来看，采用水解-活性污泥法，与传统的活性污泥相比，其基建投资，能耗和运行费用可分别节省30%以上。从目前我们大量实践看：对于不要求脱氮除磷的中、小城镇污水处理厂的投资为500～700元/m3(污水);对需要脱氮除磷的污水处理厂投资在800元/m3(污水)左右。由于水解池具有改善污水可生化性的特点，使得工艺不仅适用于易生物降解的城市污水等。同时更适用于处理不易生物降解的某些工业废水。

2、城市污水处理工艺的极限

对于污水处理系统存在三种基本类型的微生物聚集体存在的方式：固定膜(如：滴滤池)、絮状污泥(活性污泥工艺)和悬浮生物膜颗粒(移动床、流化床和气提反应器等)。以上工艺开发和存在的内在原因是人们不断的追求高效率、低能耗、低成本和低的占地面积等高的性能指标的不断实践的产物。而开发的不同反应器的应用受到了技术、经济和理论条件的限制。这些限制体现在对于好氧生物反应器研究和开发，受到了生物生长特性(生物量和活性)、反应器的形式(固定床、悬浮床和流化床)、传质条件(氧的供给)和固液分离(沉淀、过滤)等诸多因素的限制。这些限制条件综合结果构成对于好氧生物反应器的极限，长期以来人们围绕这些限制因素根据各个时期的理论、技术、材料等进展，进行了长期不懈的研究和开发工作。通过对上述限制条件的数学推导，代入主要的好氧系统的基本设计条件(例如：供氧能力、污泥浓度、固液分离负荷等)，根据不同类型反应器的设计准则将浓度-流量平面划成不同的区域。在浓度-流量相平面上不同区域的应用条件为：

区域 A：长停留时间的悬浮生长系统;

区域 B：在高流量条件下，颗粒和絮体将被冲出，只有固定膜可以保持在系统中;

区域 C：流量和负荷适合于颗粒污泥和悬浮生物膜颗粒反应器;

区域 D：只有可以采用分离和回流措施，流量和负荷适合于絮状污泥(如活性污泥工艺)，这一部分与 C 区域存在重叠;

区域 E：对于高浓度和低流量的废水，可以采用升流式污泥床反应器。污泥可以不需要外部的分离器而保持在系统中。

对于生物载体颗粒和絮体污泥假设沉淀速度分别为30m/h和5m/h，径高比α=5(好氧系统最大氧转移速率为10kg/m3.d)。从而在C-Q平面中形成的限制生物膜颗粒和悬浮絮状污泥应用的区域。

这构成了沉淀功能对于反应器功能扩展的限制，不同时期人们对于沉淀池和气浮工艺进行了大量的研究和开发。例如，70年代对于斜板沉淀池、80年代末对周边进水周边出水沉淀池、90年代对于高效气浮池(涡漩气浮、浅池气浮)等等工艺的开发均反映了人们在不同时期对这一限制的突破。在90年代人们逐渐从对于单一功能的研究和开放，转化为对不同功能的综合，例如对于生物反应和沉淀功能的综合，导致三沟式氧化沟、SBR反应器和UNITANK的开发和应用。还有在三相内循环流化床中实现气、固、液的分离，特别是集接触氧化反应和过滤为一体的曝气生物滤池，以及利用高科技的膜生物反应器。这一系列探索体现了对于反应器固液分离、沉淀功能限制(极限)的探索和突破。

顾名思义好氧生物反应器的基本属性有三个即好氧条件的保持(充氧)、生物质的保持和维持(生物量和活性)和反应器的形式。从本质上讲反应器的形式没有先进和落后之分，例如：目前食品发酵行业，如啤酒生产仍然延续18世纪发明的“落后的”恒化器(完全混合)反应器。这是因为啤酒生产要求取得高的产率，在高的基质浓度下酵母细菌趋向于自由分散生长，这一反应器是适宜的反应器形式，但是需要对自由生长的细胞进行过滤分离(甚至膜分离)。对于不同的领域反应器的应用是存在高效和低效之分，对于处理生活污水生物膜反应器和活性污泥工艺的处理负荷1.0～2.0kBOD/m3.d，而三相内循环流化床反应器可以达到5～10kgBOD/m3.d，所以对于生活污水的处理从反应器发展趋势角度是从生物膜反应器、活性污泥工艺向移动床和流化床反应器发展。

在生活污水处理工艺发展过程中，对于反应器内生物质的改善是反映在从生物量和生物活性两方面的不断提高，城市污水(生活污水)处理技术起源与生物滴滤池，但是由于滴滤池中的填料粒径较大，比表面积较小生物量较少，在1914年开发了活性污泥工艺，通过回流生物量可以保持在最高 3～5g/L。在80年代初，我国和日本同时开发的接触氧化工艺，这一时期的工作对填料进行了大量的研究，开发了蜂窝填料、软性填料、半软性填料和弹性填料等等，通过提高比表面积达到提高生物量的目的。接触氧化工艺的生物量可以达到5～8g/L，从而负荷比活性污泥工艺可以提高一倍以上。反应器池容(占地)可以减少50%以上。但是从投资没有本质的变化，因为填料费用的增加抵消了池容投资的节约。同时，还有使用寿命、放大和堵塞一系列问题。这导致移动床和流化床反应器的开发，这也是固定床生物膜技术与悬浮生长系统更高一个层次的技术融合。从反应器生物的外在形态上是悬浮状态，而生长方式是生物膜生长。生物载体的比表面积大大提高，从接触氧化工艺的200～300m2/m3提高到 2000～3000m2/m3，从而生物量达到了 20～30g/L，这是负荷可以达到5～10kgBOD/m3.d 的主要原因。从固定床、悬浮生长系统到流化床的发展，反映了人们对于高效率、高负荷和高生物量的追求，也是对于反应器负荷极限的挑战，这构成了生活污水处理发展趋势之一。

最后，对于好氧反应器充氧、传质性能的提高无疑是十分重要的内容。人们首先对曝气充氧器材进行了大量的研究和开发，从直到70年代末仍然采用简单的穿孔管曝气，这一时期的技术进展表现为我国对于射流曝气的开发和掌握，到80年代初国内第一个大型城市污水处理厂引进中刚玉盘的微孔曝气。目前，开发采用橡胶材料的可变孔微孔曝气装置，体现了这一领域的进展。另外，人们根据充氧理论采用提高氧浓度分压方式，对纯氧曝气、富氧曝气和深井曝气工艺进行了开发，体现了人们在提高充氧和传质这一领域追求更高和更好，向极限挑战的精神。

3、曝气生物滤池工艺

现代曝气生物滤池(简称BAF)是在70年代末80年代初出现的一种膜法生物处理工艺，最初是应用在污水处理的三级处理上。其将生物接触氧化与过滤结合在一起，不设沉淀池，通过反冲洗再生实现滤池的周期运行。在废水的二级处理中其保持接触氧化的高效性，同时又可通过过滤获得高的出水水质。90年代初得到了较大发展。以BAF为代表的工艺主要优点下：

a) 工艺容积负荷可高达 6.0kgBOD/m3.d，出水达到或接近生活杂用水标准;

b) 占地面积少：曝气生物滤池占地是常规二级生化处理的 1/5～1/10;

c)投资省：BAF系统总水力停留时间短，基建投资少，同时出水水质高、曝气生物滤池可以有多种运行方式，可以下向流的方式运行，也可以是上向流的方式运行，采用上向流的曝气生物滤池往往采用轻质滤料。曝气生物滤池工艺也可与其他生物处理工艺一样采用多级串联工艺。采用两级串联工艺为进一步降解污水中难降解的有机污染物和达到严格的出水水质提供了可靠的保证，可以获得了优良的处理效果，保证了出水的稳定性。

4、三相内循环流化床反应器

内循环三相流化床反应器，作为一种新型的三相流化床，其反应器的诸多特性主要体现在气、液循环、载体流态的特殊运行规律。其基本的工作原理也主要体现这几方面的不同变化，即液体内循环速度、有机物降解动力学、氧转移特性、液体流态、载体流化特性等方面。

由于在内循环三相生物流化床反应器内装有大量细小的载体，并使之处于循环流化状态，为微生物的附着生长提供巨大的表面积，同时保证良好的混合和传质条件。因此本质上该反应器是一种生物膜法处理工艺。三相内循环流化床不仅具有一般好氧流化床的特点，还具有以下特点： 

1) 流化性能好，反应器处于完全混合状态：反应器内大部分载体都参与循环流动，载体流化具有良好的均匀性，这为生物膜形成提供了条件;

2) 氧的转移效率高：由于大量液体循环流动，在此过程中会夹带一些细小的气泡，延长气-液接触时间，提高了氧的转移效率。氧利用率可达 30～50%;

3) 载体流失量少，不需专门的脱膜设备，大大简化了原来的流化床处理污水所需的辅助设备、在投配容积负荷达10kgCOD/m3.d以内时，可获得70～80%左右的COD去除率，与传统活性污泥相比去除污泥负荷可提高 10倍左右。内循环三相生物流化床进入正常运行后，COD去除率均达 75%以上，尤其是进水浓度较高时，去除率可达90%以上。这说明流化床具有较强的抗冲击能力。

五、我国城市污水处理技术发展思路和对策

对于我国这样一个污染严重、资源短缺的不发达国家，先进的水处理工艺开发的标准应该是适合我国国情、高效、低耗和低成本的污水处理技术。各类效率高、投入低、可达到一定治理深度的城市污水处理新技术，对经济尚不够发达而污染亟待治理的我国，尤其是绝大多数没有污水处理设施的 17000多个建制镇，在一段时期内都将具有重要意义。以厌氧-好氧生物处理工艺、水解-好氧处理工艺、流化床和曝气生物滤池等为代表的低耗、高效工艺有希望满足这一需求。

水污染控制技术涉及到处理技术研究开发、工程设计、工程实施、设备加工和运营管理等各方面。从市场化和产业化的观点，我国城市污水处理的主要任务是在以上三个方面重点发展：

1、大力发展先进的水处理工艺技术

2、大力推进水处理技术和设备的产业化

3、大力鼓励水处理设施运营产业化

以往人们对于工艺技术、工程建造和设备制造和设施运营三者之间的关系着重于工艺技术的开发和研究。工艺开发无疑是很重要，不同工艺的选取可能会很大程度的影响到污水处理厂的投资和运行费用(比如采用低负荷的延时曝气系统和高负荷的生物曝气滤池，两者负荷可能会相差十倍)。但是，当工艺确定以后，应该注重工程和制造环节，提倡新材料、新技术、新设备和新的施工方法的改进和革新。在这一方面过去没有引起足够的重视，事实上，过去不乏这样的实例，例如：高效曝气装置的应用可以大幅度的降低能耗;如Biolock工艺、Lipp制罐技术等等，是新的建筑材料和方法的应用，形成了新的工艺。

污水处理设施的运营业是传统的技术服务范围;而BOT方式的引入在水处理领域也会逐步打破传统甲、乙方概念，产生甲、乙方角色互换，导致了类似于物业管理型的技术服务需求。对技术服务提出了更高层次的要求。采用BOT方式大大减轻地方政府当前的经济压力，加快基础设施建设步伐，满足全社会对公共工程和基础设施的需求。目前各种基金、上市公司、投资公司和各种社会资金将加速投入这一市场，将加剧这一市场的竞争，但是同时无疑会促进水污染控制市场的成熟和发展。因此，水污染控制市场具有设备化、专业化、资本化和开放性的特点。