污水处理主流技术发展史

【摘要】污水处理的需求是伴随着城市的诞生而产生的，城市污水处理技术历经数百年变迁，从最初的一级处理发展到现在的三级处理，从简单的消毒沉淀历经有机物去除、脱氮除磷再到深度处理回用；其中，活性污泥法的问世更是具有划时代的意义。本文带领大家一起回顾一下“那些年”城市污水处理主流技术走过的路。

污水处理技术发展编年史

污水处理历史可以追溯到古罗马时期，那个时期环境容量大，水体的自净能力已能够满足人类的用水需求，人们仅需考虑排水问题即可；而后伴随城市化进程加快，生活污水通过传播细菌引发了传染病的蔓延。出于健康的考虑，人类开始对排放的生活污水进行处理。早期处理方式采用石灰、明矾等沉淀及漂白粉消毒。明代晚期，我国已有污水净化装置，但由于当时需求性不强，我国生活污水仍用以农业灌溉为主。

1762年，英国开始采用石灰及金属盐类等处理城市污水。

1881年，法国科学家发明了第一座生物反应器，也是第一座厌氧生物处理池moris池诞生，拉开了生物法处理污水的序幕。

1893年，第一座生物滤池在英国Wales投入使用，并迅速在欧洲北美等国家推广。

1912年，英国皇家污水处理委员会提出以BOD5来评价水质的污染程度。技术的发展，推动了标准的产生。

1914年，自英国曼彻斯特活性污泥法二级生物处理技术问世以来，一直被世界各国广泛采用，目前发达国家已经普及二级生物处理技术。但针对活性污泥法存在的问题，各国研究人员对该技术不断进行改造和发展，先后出现了普通活性污泥法、厌氧/缺氧/好氧活性污泥法(A/O、A /A/O)、间歇式活性污泥法(SBR 法)、改良型SBR (MSBR) 法、一体化活性污泥法(UNITANK)、两段活性污泥(AB)法及各种类型的生物膜法等。

经济发达国家污水处理技术从20世纪60年代的末端治理到70 年代的防治结合，从80年代的集中治理到90年代的清洁生产，不断更新处理工艺技术、设施和设备。目前污水生物处理技术的主要发展趋势是多种技术组合为一体的新技术、新工艺。如同步脱氮除磷好氧颗粒污泥技术、电/生物耦合技术、吸附/生物再生工艺、生物吸附技术以及利用光、声、电与高效生物处理技术相结合处理高浓度有毒有害难降解有机废水的新型物化、生物处理组合工艺技术，如光催化氧化生物处理新技术、电化学高级氧化/高效生物处理技术、超声波预处理/高效生物处理技术、湿式催化氧化/ 高效生物处理技术以及辐射分解生物处理组合工艺等。许多国家在水环境污染治理目标与技术路线方面已经有了重大变化，水污染治理的目标已经由传统意义上的“污水处理、达标排放”转变为以水质再生为核心的“水的循环再利用“，由单纯的“污染控制”上升为“水生态修复”。

污水生物处理技术发展史

传统观点认为，生物处理的主要功能是分解、稳定有机物，即降低BOD。随着工业生产的发展和对水环境的长期观察与研究表明，很多人工合成的有机物具有“三致”(致癌、致畸、致突变) 的严重危害，并且难以被微生物所降解，而无机性的营养物如氮、磷则容易引起水体的富营养化。因此，水处理的要求也在不断变化，除要求水处理工艺具备脱氮除磷功能外，还要求将工业化生产、通过高温高压合成的各类污染物在污水处理过程中得到有效控制。因为这一类物质在自然界的降解需要几百年甚至上千年，还将不断富集、浓度不断增大，直接危害生态环境和人类生活的健康。生物处理技术对这种类型的污水处理是否有效？一些BOD、COD浓度很高，甚至高达数万mg/L的污水，生物处理技术能否有效？这些新的问题和要求，推动了污水生物处理技术和工艺的发展。

按照微生物的生长方式，生物法可分为以活性污泥法为代表的悬浮生长法和以生物膜法为代表的附着生长法。目前，城市污水处理以活性污泥法的应用最广。但是，由于传统活性污泥法运行需要消耗大量的能源，运行费也较高，需要进行革新。为开发高效、低耗的城市污水处理新技术、新工艺，国内外开展了大量的研究并取得了一定的成就。

1.生物处理的微生物

传统的污水生物处理技术主要依赖两大类微生物，即异养型好氧微生物和异养型厌氧微生物。近几十年来，科学家和工程师共同合作，对污水生物处理中的微生物进行比较深人的研究，取得了很多成果，例如: 对活性污泥中细菌和原生动物的不同种类和特性及其协同作用的研究，推进了AB法工艺的发展; 对于硝化、反硝化细菌的研究，以及聚磷菌特性的研究，推进了具有脱氮功能的A/O法工艺以及具有脱氮除磷功能的A/A/O法工艺的发展; 对于厌氧微生物种群和特性的研究，以及发现了厌氧微生物具有部分降解大分子合成有机物的能力，推进了厌氧生物处理工艺以及用厌氧/好氧串联流程处理含难降解有机物废水的工艺发展; 对于高效菌的筛选、培养和固定化的研究，为进一步提高污水生物处理的效能，特别是为难生物降解有机物的处理提供了有效途径。

2.生物处理的工艺

生物处理中的三大要素是微生物、氧和营养物质。反应器是微生物栖息生长的场所，是微生物对污水中的污染物加以降解、利用的主要设备。高效的反应器，要能保持最大的微生物量及其活性，要能有效地供应氧或隔绝氧，要使微生物、氧和污水中的有机物之间能充分接触良好的传质条件。反应器按其特性，大致可分为以下几类：

①悬浮生长型(如活性污泥法) 或附着生长型(如生物膜法);

②推流式或完全混合式;

③连续运行式(如传统活性污泥法) 或间歇运行式(如SBR法)。

一、活性污泥法

活性污泥法自1914 年由Arden和Lockett开创至今，已经104年的发展与实践，在供氧方式、运转条件、反应器形式等方面不断得到革新和改进。最早出现的传统活性污泥法属于推流式曝气池，由于靠近水池进水口的基质浓度高于出口端的基质浓度，而最初的设计没有考虑到需氧量的变化，结果造成了一些部位氧的不足。为改进供氧不均匀的缺点，1936 年将均匀曝气方式改为沿推流方向渐减曝气方式，大部分的氧量在基质去除相当快的进水端输人，而以内源代谢和衰减为主要反应作用的出水端仅需少量的氧，这也就是传统活性污泥法比较标准的形式一一渐减曝气活性污泥法。

活性污泥法的变种（阶段曝气法）于1942 年出现。阶段曝气法又称多点进水法，进水分成几股，然后几股污水从曝气池的不同点进人，从而使需氧量分配均匀。在污泥同原水混合前，使污泥进行再曝气的想法得到了更进一步的发展。1951年出现了接触稳定活性污泥法，它是传统活性污泥法的另外一种发展形式。为了避免在推流式曝气池中因基质浓度梯度造成的微生物不适应，使微生物群落保持相对稳定的状态。到20世纪50年代末，出现了完全混合式活性污泥法，这种形式的优点是提供了一个有利于细菌絮体生长，不利于丝状菌生长的环境，污泥的沉降和密实性都很好，但是由于基质梯度的变化使系统容易受有毒物质的千扰。为了克服其他几种改进形式的缺点(必须处置大量的污泥、流程的运行控制要求严格)，出现了延时曝气法，由于有一个完整的细胞平均停留时间，所以稳定程度相当高，然而由于经济问题的限制，它仅用于污水浓度低的小型设施。另外还出现了纯氧曝气法、深井曝气法等。

（1.1）SBR法的发展

作为传统活性污泥法的改进，SBR法有着广泛的应用前景。SBR法是序批式间歇活性污泥法(又称序批式反应器) 的简称，它是目前受到国内外广泛重视、研究和应用较多的一种污水生物处理技术，特别是随着先进的自动控制技术的发展，污水处理厂自动化管理程度大大提高，为SBR活性污泥法的推广应用提供了更为有利的条件。

SBR工艺在设计和运行中，根据不同的水质条件、使用场合和出水要求，有了许多新的变化和发展，产生了许多变型。ICEAS与传统SBR相比，增加了一个预反应区且连续进水、间歇排水，但由于在沉淀期进水影响了泥水分离，使进水水质受到了限制。DAT-IAT 工艺克服了ICEAS的缺点，将预反应区改为与SBR反应池IAT分立的预曝气池DAT, DAT 连续进水、连续曝气，主体间歇反应器IAT在沉淀阶段不受进水的影响且增加了从IAT到DAT的回流。但是对于含生物难降解有机物污水的处理，DAT-IAT并不能取得好的效果，而CASS工艺克服了这个缺点，将ICEAS的预反应区革新为容积小、设计更加优化合理的生物选择器并将主反应区的部分剩余污泥回流至选择器，沉淀阶段不进水，因而系统更加稳定，且具有良好的脱氮除磷效果。IDEA 又是CASS的发展，主要是将生物选择器改为与SBR 主体构筑物分立的预混合池。但以上工艺均只能做到进水连续而排水间歇。为了克服间歇排水的缺点，UNITANK工艺集合了SBR和三沟式氧化沟的优点，一体化设计，做到连续进水连续出水并且污泥自动回流，与CASS相比省去了污泥回流设备。但UNITANK 工艺还存在中沟污泥浓度低及过分依赖于仪表装置等缺点，如一旦进水阀门损坏，整个系统将无法工作。为了克服UNTANK 工艺的缺点，又产生了一种新型的SBR系统MSBR。它实质上是将A/A/O工艺与SBR系统串联而成，采用单池多格方式，省去了许多阀门仪表等，增加了污泥回流又保证了较高的污泥浓度，有很好的脱氮除磷效果。近几年，其他许多SBR系统的研究也得到了深人，如厌氧SBR、多级SBR等，均取得了良好的效果。随着技术的不断进步和深人研究，将出现更多的SBR改型工艺。

（1.2）氧化沟的发展

氧化沟是活性污泥法的一种改型，其曝气池呈封闭的沟渠型，污水和活性污泥的混合液在其中进行不断的循环流动，因此又被称为“环形曝气池”、“无终端的曝气系统”。氧化沟工艺形式的改进和发展与其曝气设备的开发和研究是分不开的。20 世纪60 年代末，荷兰的DHV公司将立式低速表曝机应用于氧化沟工艺，将其安装在氧化沟中心隔墙的末端，利用其所产生的搅拌推动力使水流循环流动，使氧化沟的有效水深增加至4.5m，该工艺即为Carrousel氧化沟工艺，几乎与此同期，Lecmple和Mandt 首次将水下曝气和推动系统应用于氧化沟工艺，开发了射流曝气氧化沟工艺，使氧化沟的有效水深和宽度相互独立，其深度可达7~8m。1970年，南非开发了转盘曝气机而出现了Orbal氧化沟工艺。近年来荷兰DHV公司推出了两层涡轮立式曝气机、德国Passavant 公司开发了具有抗腐蚀强、强度高、重量小的玻璃钢强化型转刷叶片; 美国USFilter Envirex公司开发了以曝气转碟(推动水流) 和粗泡曝气相结合的垂直循环流反应器(VLR) 氧化沟工艺。

（1.3）AB法的发展

AB工艺是吸附/生物降解工艺的简称。这项污水生物处理技术是由德国亚琛工业大学的BothoBohnke教授为解决传统二级生物处理系统存在的去除难降解有机物和脱氮除磷效率低及投资运行费用高等问题，在对两段活性污泥法和高负荷活性污泥法进行大量研究的基础上，于20世纪70 年代中期开发、80年代开始应用于工程实践的一项新型污水生物处理工艺。

AB工艺在我国的研究和应用经历了三个阶段。首先是对AB工艺特性、运行机理及处理过程稳定性等进行详尽的报道和研究；其次是较多单位对AB工艺处理城市污水、工业废水进行一定规模的试验研究；第三是国内部分城市污水处理厂如山东青岛市海泊河污水处理厂、泰安市污水处理厂、新疆乌鲁木齐市河东污水处理厂等在引进德国AB工艺技术的基础上，建成相当处理规模的AB法污水处理厂。AB工艺与传统活性污泥工艺相比，在处理效率、运行稳定性、工程投资和运行费用等方面均具有优势。

（1.4）A/A/O系列的发展

20世纪70年代中期，美国的Spector在研究活性污泥膨胀控制问题时，发现厌氧/好氧(Ap/O) 状态的交替循环不仅能有效防止活性污泥丝状菌的膨胀，改善污泥的沉降性能，而且具有明显的强化除磷效果。第一个生产性Ap/O (Anaerobic/Oxic) 装置于1979 年建成投产，此后许多污水处理厂在修建或改造过程中采用了该工艺。AP/O系统由活性污泥反应池和二次沉淀池构成，污水和污泥顺次经厌氧和好氧交替循环流动。反应池分为厌氧区和好氧区，两个反应区进一步划分为体积相同的格，产生推流式流态。回流污泥进人厌氧池可吸收去除一部分有机物并释放出大量磷，进人好氧池污水中可使有机物得到好氧降解，同时污泥将大量摄取污水中的磷，部分富磷污泥以剩余污泥的形式排出，实现磷的去除。

Ap/O除磷工艺流程图

AN/O (Anoxic/Oxic) 工艺是一种有回流的前置反硝化生物脱氮流程，其中前置反硝化在缺氧池中进行，硝化在好氧池中进行。