王永志 趙利峰 徐景穎
中國市政工程東北設(shè)計(jì)研究院

l、污水再生的必要性

　　近些年來，水環(huán)境污染和水資源的缺乏，制約了社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，將威脅著人類本身的生存，因而污水的治理和資源化迫在眉睫。國家在這方面已制定了優(yōu)惠政策，鼓勵(lì)開辟這個(gè)第二水源，是今后水工業(yè)發(fā)展的方向。當(dāng)前對水資源要加以保護(hù)，不能無度開發(fā)和污染；另一方面，水資源又是可再生的，如地表水在大氣環(huán)流作用下，通過降雨補(bǔ)充，水體自凈和人為的凈化處理，供水緊張的局面是可以緩解的。水是可再生的資源，那么水工業(yè)的發(fā)展成為循環(huán)經(jīng)濟(jì)是可行的。
　　目前，我國城市污水約有30％的處理能力，由于各地的自然條件，水質(zhì)特點(diǎn)，投資商的意愿和經(jīng)濟(jì)實(shí)力不同，污水處理工藝呈現(xiàn)多種選擇，而處理后的出水水質(zhì)，對于實(shí)現(xiàn)資源化也存在各自的問題。另外，再生水的用處對水質(zhì)有不同的要求，所以污水深度處理工藝應(yīng)該因地制宜、有針對性的。但總的原則是采用經(jīng)濟(jì)，適用，便于管理，行之有效的凈化方案。
　　城市污水處理一般為二級生化處理。對于可生化的有機(jī)物能去掉絕大部分，不可生化的仍存在于水中。即使A／O及A²／0 工藝雖然能達(dá)到除磷或同時(shí)除磷脫氮的目的，但對于排入富營養(yǎng)化限制比較嚴(yán)格的水體以及回用于工業(yè)生產(chǎn)往往是不合乎要求的，因?yàn)槲勰嗷亓魉械腘0₃-N影響厭氧狀態(tài)下磷的釋放。厭氧釋磷和反硝化脫氮互相爭奪碳源。生物濾池對于除磷脫氮的功能效果也不佳。當(dāng)前的深度處理工藝，多采用給水常規(guī)處理，只通過混凝沉淀和砂濾，對于進(jìn)一步去除污水處理廠出水中的CODcr，TN及TP的作用不大，CODcr僅能去除30％左右，TN及TP幾乎沒有去除效果。至于臭氧活性炭或膜濾法等高級水處理技術(shù)，大規(guī)模的用于污水資源化，因基建投資（1500～1700元/米³.水）和運(yùn)行成本太高（1.0～1.3元/米³.水），管理上技術(shù)復(fù)雜,難度大,推廣應(yīng)用受到限制。

2、 氧化及氣浮生物懸浮載體機(jī)理

　　我院多年在總結(jié)常規(guī)水處理各種技術(shù)的基礎(chǔ)上，對于混凝進(jìn)行強(qiáng)化及處理單元的優(yōu)化組合，設(shè)計(jì)出“氣浮生物懸浮載體水處理工藝”。該工藝的各項(xiàng)技術(shù)環(huán)節(jié)都是成熟可靠的，是常規(guī)水處理技術(shù)的合理配置，是針對污水經(jīng)二級生化處理后的出水水質(zhì)的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。二級生化處理二次沉淀池的出水COD_cr／BOD₅的比值增大。COD_cr反映了高分子有機(jī)物生化比較困難而殘存在水中。若將COD_cr進(jìn)一步去除，可采用化學(xué)氧化的方法，使高分子有機(jī)物氧化分解為可溶的低分子有機(jī)物，提高可生化性，再進(jìn)行生化處理使其變?yōu)镃O₂和H₂O。氧化藥劑一般采用高錳酸鹽或二氧化氯。其投加量為2-5mg／L。反應(yīng)時(shí)間10-15分鐘。
　　經(jīng)二級生化處理后的凈化水，再進(jìn)一步生化處理是很難的。因?yàn)樵偕锌缮挠袡C(jī)物殘存量很低，一般COD_cr 50-lOOmg／L，BOD₅僅為lOmg／L左右。一些研究者為提高生化效果，認(rèn)為采用一般的生物載體會有很大希望。但是經(jīng)考察和試驗(yàn)，一般生物載體并不像所希望的那樣，能提高生化反應(yīng)的效果。因?yàn)榛|(zhì)去除速率和生物體的增量主要決定污染物基質(zhì)的濃度L，及生化曝氣時(shí)間t，如下式：

　　

　　基質(zhì)濃度L越高，曝氣時(shí)間t越短，生物體X才能快速對數(shù)增長，基質(zhì)去除率也更高。而現(xiàn)行的生物載體有陶粒、塑料填料，沸石，化學(xué)纖維等，這些載體比表面積小，吸附能力很差。如陶粒比表面積為4米²／克，沸石為30米²／克，其他載體比表面積更小。再生原水中有機(jī)物濃度低，在這樣的載體上微生物生長及其生化反應(yīng)速率是非常慢的，所以在其表面很難形成生物膜，CODcr僅能去除30％左右。
　　懸浮生物載體主體是活性炭，活性炭是水處理的高效吸附劑，比表面積一般是800-1200米²／克，其強(qiáng)烈的吸附能力，能使水中低濃度的污染質(zhì)經(jīng)吸附富集，濃縮于活性炭的孔隙中，在孔隙內(nèi)部提高了有機(jī)物的濃度。在氣浮池中由于曝氣水不斷地向水中充氧，加壓溶氣幾乎使溶解氧達(dá)到飽和的程度。水中溶解氧給微生物造成高速生長繁殖的有利條件，每個(gè)活性炭細(xì)粒均充分發(fā)揮了高效生化反應(yīng)，將很快的形成生物膜。細(xì)顆粒炭表面形成的細(xì)菌生物膜內(nèi)層和外層對水處理起到不同的作用。生物膜的外層是處于好氧狀態(tài)，不斷地氧化消耗所吸附的有機(jī)物，使其無機(jī)化變?yōu)镃O₂ 和H₂O，并產(chǎn)生硝化作用，將NH₃-N變?yōu)镹0₃-N。生物膜的內(nèi)層是處于厭氧狀態(tài)，由于吸附富集大量有機(jī)物，提供了足夠的碳源，以及N0₃-N強(qiáng)烈的向內(nèi)層滲透，厭氧菌在厭氣條件下利用N0₃-N中的氧而產(chǎn)生反硝化，變?yōu)镹₂逸出，實(shí)現(xiàn)了厭氧脫氮的作用。生物膜內(nèi)厭氧層中細(xì)菌分泌的胞外酶可大量的進(jìn)入活性炭微孔，將高分子和不溶性的有機(jī)物分解為低分子，以供外層好氧菌生化利用。另外，在厭氧條件下分解高分子有機(jī)物的作用，則化學(xué)氧化可以由生化作用所替代。
　　載體表面生物膜的新陳代謝和更新過程，也體現(xiàn)了活性炭的再生機(jī)理。生物膜與炭粒表面接觸的厭氧層中，不斷地產(chǎn)生N₂、CO₂、H₂S、CH₄等氣體，減少了生物膜與炭粒表面的附著力。所以生物膜在水流的作用下，周期性的脫落和重新生長。與此同時(shí)活性炭孔隙中吸附的有機(jī)物也消耗殆盡，被其占據(jù)的表面積得到再生。Weber等人的研究，認(rèn)為生物再生率可達(dá)到70％左右。我國北方大慶采用的生物活性炭。已運(yùn)行了多年，因采用工程菌生化再生，其處理效果仍不見減弱。
　　生物載體除磷機(jī)理是在生化反應(yīng)過程中，菌體的大量生長作為必要的營養(yǎng)素，磷被吸收，貯存積累于體內(nèi)。在排出老化的生物膜的同時(shí)，磷也被除掉。氣浮過程中凈化水無厭氧環(huán)境，出水中含磷量低，所以本工藝生物除磷具備特殊的優(yōu)勢。為進(jìn)一步提高除磷效果，在氣浮池可投加少量的混凝劑，也更有利于微氣泡與炭粒的粘附。氣浮微氣泡與炭粒的粘附主要原因是兩者的疏水性都很強(qiáng)的特性，還有生物絮凝作用。
　　因?yàn)槲鬯幚韽S的出水中，懸浮物SS值一般都低于20mg／l，對活性炭的吸附作用無影響。
　　氣浮生物懸浮載體主要是活性炭的改型問題。通過試驗(yàn)研究，載體的真比重與粒度決定了其使用方式。對于水質(zhì)凈化采用草本及木本為原材料生產(chǎn)的活性炭是比較適宜的。其粒度既不是常規(guī)做的濾料的粗?；钚蕴浚膊皇菃渭冏鰹槲絼┑姆勰┗钚蕴?，而是采用改型的細(xì)?；钚蕴俊３Ｓ玫幕钚蕴康恼姹戎刈罡哌_(dá)2．2，最低為0．8。所選擇的真比重與粒度適合的活性炭在氣浮絮凝池中處于懸浮狀態(tài)，在系統(tǒng)中循環(huán)浮上分離，形成氣、固、液三相生物流化床，充分的保證了生化反應(yīng)的有利條件，達(dá)到了使活性炭高效吸附、生化和再生的目的。
　　細(xì)?；钚蕴吭谙到y(tǒng)中循環(huán)使用．在氣浮池的水中活性炭維持的濃度，主要是使低濃度有機(jī)質(zhì)的濃縮，投量過高是沒必要的。僅補(bǔ)充1～5mg／L的投加量即可。用于污水處理的活性炭價(jià)格5元／公斤，則每噸水的成本僅提高0．005～0．025元／米³水。做為懸浮載體的細(xì)粒炭價(jià)格更低。
　　活性炭的常規(guī)使用方法有做為吸附劑的粉末炭，投加于水中隨絮體沉淀，通過排泥一次性廢掉。投加量一般為30mg／L左右。還有粒狀炭用作濾料，起到吸附和生物載體作用。當(dāng)作濾料用需要再生，一般使用半年左右就要失效，達(dá)到再生周期。活性炭再生勢必給管理上造成麻煩，而且再生費(fèi)用也比較高，約800-1000元／噸(炭)?；谏鲜銮闆r在活性炭的使用上就受到了限制。實(shí)際上活性炭的吸附及生化反應(yīng)在水質(zhì)凈化方面具備高效多功能作用。就是因?yàn)閮r(jià)格過高，這種多功能高效凈化水的作用得不到充分發(fā)揮和合理的應(yīng)用。
　　氣浮生物活性炭是一種生物流化床，活性炭在絮凝過程中均處于懸浮回流狀態(tài)。一部分較輕的細(xì)粒炭進(jìn)入氣浮池與微氣泡粘結(jié)上浮變?yōu)榕菽?。泡沫收集到池外，通過水力旋流器將活性炭分離出來，再回流到氣浮反應(yīng)池前部重新使用。老化的生物膜及污染質(zhì)在旋流分離器上部以泡沫的形式排掉。該項(xiàng)新工藝在活性炭的選型和使用方法上的改進(jìn)，為活性炭凈化水質(zhì)的領(lǐng)域開拓了新的途徑（2004年8月我院獲得發(fā)明專利，ZLO11060689）氣浮池的出水SS可達(dá)5mg／L以下，C0Dcr 40mg／L以下，NH₃- N<10mg／L，TP<2mg／L。如果氣浮出水再經(jīng)過濾，出水水質(zhì)可進(jìn)一步提高，CODcr<30mg／L，SS<2mg／L，NH₃-N<3mg／L，BOD₅<5mg／L，TP<1mg／L。這樣的水質(zhì)經(jīng)消毒后，用于生產(chǎn)冷卻水是完全可行的。

3、 工程設(shè)計(jì)方案

　　凈化工藝流程的設(shè)計(jì)，主要是考慮投氧化劑、混凝劑、活性炭的順序及其互相影響的問題。氧化劑要投在混凝劑之前。因氧化劑除氧化作用外，尚有助凝作用。活性炭的固定床或流化床，設(shè)在沉淀之后，濾池之前。這樣氧化滅菌作用，對生物活性炭的生化反應(yīng)無影響。
　　生物活性炭接觸氧化，可采用活性炭濾池固定床或氣浮流化床的形式。如二次沉淀池出水欠佳，SS>20mg/L，C0Dcr>50mg/L，除建氣浮池外，其后再建活性炭為載體的生物接觸氧化固定床。固定床對活性炭型號的選擇。不受粒徑和真比重的限制。
　　如二沉池出水水質(zhì)較好，可直接在氣浮池中采用氣浮生物炭流化床的形式如圖1．

　　氣浮池中投加特制的活性炭，就設(shè)計(jì)配置成氣浮生物炭流化床。氣浮池前的絮凝段采用微孔曝氣的反應(yīng)形式，特制的細(xì)粒炭在曝氣池中懸浮流動(dòng)，與水進(jìn)行充分接觸。曝氣絮凝池是微孔曝氣的外加能量進(jìn)行攪拌，曝氣強(qiáng)度氣水比不大于2∶1。曝氣絮凝池水流進(jìn)入氣浮池前，活性炭絕大部分進(jìn)行內(nèi)回流。老化生物膜和吸附的雜質(zhì)，以及少部分炭粒隨水進(jìn)入氣浮段(如圖1)，以泡沫的形式從氣浮池的表面排除池外。因活性炭比重較大，通過水力旋流分離出來后，再回流到氣浮反應(yīng)池前，起到生物細(xì)菌接種的作用。
　　生物炭固定床工藝流程如圖2所示，這種形式比較復(fù)雜．基建投資較貴。