一、可持續(xù)發(fā)展的城市污水處理技術(shù)

1、國內(nèi)外污水處理技術(shù)的發(fā)展

　　我國城市污水處理技術(shù)研究工作從20世紀70年代末起步，經(jīng)過20多年的不懈努力，在城市污水處理技術(shù)方面取得了較大的成就，成果豐碩。同時，隨著改革開放也不斷引進國外新的工藝技術(shù)。。目前在水污染治理技術(shù)上，已成功廣泛使用傳統(tǒng)活性污泥法、延時法等新型活性污泥工藝、SBR、AB法、UNITANK和氧化溝技術(shù)、A-O法和A²-O等變形工藝。這些在我國城市污水處理廠普遍采用的工藝，是歐美等發(fā)達國家所采用的主導(dǎo)技術(shù)，并被證明是行之有效的水污染控制技術(shù)^<1><2>。
　　目前，這些技術(shù)是國外在上世紀六、七十年代開發(fā)的工藝，是根據(jù)西方，特別歐洲國家排放標準制訂的工藝，適合了這些國家的國情、社會和經(jīng)濟發(fā)展情況。例如，采用延時曝氣低負荷工藝特別適合北歐和北美國家的冬季低溫的氣候條件，并適合當時開發(fā)的氧化溝等低負荷的工藝和設(shè)備水平。從上世紀50-60年代，西方國家開始城市污水治理工作，目前一些國家污水處理率達到90%以上。在這一時期城市污水處理領(lǐng)域出現(xiàn)大量各種形式的污水處理新工藝，如：改進活性污泥工藝(AO、A²O工藝)、氧化溝工藝(卡魯塞爾、奧貝爾等氧化溝)、SBR工藝(IECAS、CASS等)、純氧(富氧)曝氣、深井曝氣和流化床等工藝。而進入90年代后，西方國家城市污水處理廠的建設(shè)市場需求萎縮，這在技術(shù)上失去了開發(fā)新工藝的動力。

2、可持續(xù)發(fā)展污水處理技術(shù)的需求

　　社會需求是技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動力，我們國家污水處理市場巨大，對新工藝有極大的迫切需求。據(jù)估算“十五”期間城市污水的投資將超過2000億。我國對污水處理新技術(shù)開發(fā)仍有巨大的需求和動力。但是，在最近一個時期內(nèi)我國城市污水廠的建設(shè)主要以延時曝氣的氧化溝和SBR工藝為主^<2>。我國的國民生產(chǎn)總值遠遠低于西方發(fā)達國家，采用以上技術(shù)是否能夠完全適合我國的國情?
　　首先，需要從是否符合可持續(xù)發(fā)展方向，“可持續(xù)發(fā)展是即滿足當代人的需求，而又不損害后代人滿足其需求的能力的發(fā)展”。從技術(shù)層面可持續(xù)發(fā)展原則包括可持續(xù)發(fā)展的公平性(是否體現(xiàn)資源和環(huán)境共享)、持續(xù)性(是否滿足資源和環(huán)境的永續(xù)性利用)和共同性等原則(是否有利于解決全球性環(huán)境問題)。同時，也要分析技術(shù)發(fā)展、社會需求和國情來綜合考慮。
　　事實上，國外采用的是低負荷處理工藝，其池容和設(shè)備是中、高負荷工藝的幾倍，因此在建筑材料和土地資源上是高消耗的，相應(yīng)的投資要高數(shù)倍；其次，國外采用延時曝氣系統(tǒng)是以耗能的方式取得污泥的穩(wěn)定工藝，延時曝氣系統(tǒng)能耗比中、高負荷活性污泥要高40～50%左右。我國能源日益短缺，高能耗的方式是對不可再生的化石能源消耗為代價；同時，能耗增加會帶來了直接運行費的增加，能耗增加也會還要增加間接污染和投資。我國主要的能源來自燃煤，這會造成嚴重的大氣污染問題。據(jù)資料報道處理能力為1萬噸的低負荷污水處理廠，比中、高負荷裝機容量增加部分的電廠間接投資是污水處理投資的50%以上。
　　總之對我國這樣一個資源不足、能源日益短缺、經(jīng)濟不發(fā)達、人口眾多的發(fā)展中國家從可持續(xù)發(fā)展角度講，采用延時曝氣這種高資源占用和能源消耗的低負荷工藝，并以耗能的方式取得污泥的穩(wěn)定工藝是不符合可持續(xù)發(fā)展的基本原則，也是不適合中國國情的。我國應(yīng)該開發(fā)經(jīng)濟效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少的城市污水處理技術(shù)。

二、城市污水處理高效工藝的極限

1、高效反應(yīng)器的發(fā)展趨勢

　　新工藝和新技術(shù)開發(fā)內(nèi)在原因是人們不斷追求高效率、低能耗、低成本和低的占地面積等高性能指標的實踐結(jié)果。不同反應(yīng)器的應(yīng)用受到了技術(shù)、經(jīng)濟和理論條件的限制。這些限制體現(xiàn)在對于好氧生物反應(yīng)器研究和開發(fā)，受到了生物生長特性(生物量和活性)、反應(yīng)器的形式(固定床、懸浮床和流化床)、傳質(zhì)條件(氧的供給)和固液分離(沉淀、過濾)等諸多因素的限制。長期以來人們圍繞這些限制因素根據(jù)各個時期的理論、技術(shù)、材料等進展，進行了長期不懈的研究和開發(fā)工作。Nicolella^<3>通過對上述限制條件進行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，代入主要好氧系統(tǒng)基本設(shè)計條件(例如：供氧能力、污泥濃度、固液分離負荷等)，將濃度-流量平面劃成不同的區(qū)域給出不同系統(tǒng)用于污水處理運行條件的范圍(圖1)。
　 　在濃度－流量相平面上不同區(qū)域的應(yīng)用條件以沉淀功能的限制為例，生物顆粒保留在反應(yīng)器(沉淀池)，液體的上升流速u＝Q/A必須小于顆粒沉淀速度(u₁)：

　　u＝Q/A＜u₁ (1)

　　對于好氧系統(tǒng)速率的限制因素是氣-液氧的傳遞，反應(yīng)器的尺寸可以設(shè)計為負荷(F=Q/C)、氧的產(chǎn)率(Y_o)和氧轉(zhuǎn)移速率(OTR)的函數(shù)。

　　V＝F/OTR=Y₀QC/OTR (2)

　　Heijnen^<4>提出僅當水力停留時間小于最大生長率的倒數(shù)，或換言之當生物反應(yīng)器中稀釋速率(D＝1/T＝Q/V大于最大生長速率(μ_max)才可能形成覆蓋載體的生物膜。假設(shè)生物反應(yīng)器的形狀是園柱形，利用反應(yīng)器的體積可以表述液體流速和反應(yīng)器徑高比α＝H/D的函數(shù)。條件(1)可以寫成:

　　Q＜πμ₁³C₂Y₀/4α²QTR² (3)

　　對于生物載體顆粒和絮體污泥假設(shè)沉淀速度分別為30m/h和5m/h，徑高比α＝5(好氧系統(tǒng)最大氧轉(zhuǎn)移速率為10kg/m³.d)，氧產(chǎn)率系數(shù)是1，最大比生長速率是1d時。從而在圖5的C-Q平面中形成的限制生物膜顆粒和懸浮絮狀污泥應(yīng)用的區(qū)域(分別為線2和3)。也可推導(dǎo)其他條件，此處省略。

圖1 采用絮體和生物膜反應(yīng)器濃度和流量相平面圖(區(qū)域A：長停留時間的懸浮生長系統(tǒng)；區(qū)域B：在高流量條件下，顆粒和絮體將被沖出，只有固定膜可以保持在系統(tǒng)中；區(qū)域C：流量和負荷適合于顆粒污泥和懸浮生物膜顆粒反應(yīng)器；區(qū)域D：只有可以采用分離和回流措施，流量和負荷適合于絮狀污泥(如活性污泥工藝，這一部分與C區(qū)域存在重疊；區(qū)域E：對于高濃度和低流量的廢水，可以采用升流式污泥床反應(yīng)器。污泥可以不需要外部的分離器而保持在系統(tǒng)中）

　　首先，從本質(zhì)上講反應(yīng)器形式?jīng)]有先進和落后之分，例如：目前啤酒生產(chǎn)仍然延續(xù)18世紀發(fā)明的“落后的”恒化器(完全混合)反應(yīng)器。這是因為啤酒生產(chǎn)要取得高的產(chǎn)率，要求運行在高的物料濃度下。在高的基質(zhì)濃度下酵母細菌趨向于自由分散生長，所以，這一反應(yīng)器是適宜的反應(yīng)器形式。因此，對于不同目的和應(yīng)用領(lǐng)域，反應(yīng)器存在高效和低效之分，例如，生物膜反應(yīng)器和活性污泥工藝的處理負荷在1.0-2.0kgBOD/m³.d之間，而三相內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器可以達到5-10kgBOD/m³.d。所以，對生活污水的處理從反應(yīng)器發(fā)展趨勢角度是從生物膜反應(yīng)器、活性污泥工藝向高效的移動床和流化床發(fā)展。

2、沉淀與反應(yīng)、反應(yīng)與分離等技術(shù)的融合趨勢

　　從圖1可知沉淀功能對于反應(yīng)器功能擴展的限制，沉淀功能是通過沉淀作用提高反應(yīng)器的功能，不同時期人們對沉淀功能的限制，進行了大量的研究和開發(fā)。例如，70年代對斜板沉淀池、80年代末對周邊進水周邊出水沉淀池、90年代對于高效氣浮池(渦漩氣浮、淺池氣浮)等工藝進行了開發(fā)和研究。在90年代人們逐漸從這種單一功能的研究和開發(fā)，轉(zhuǎn)化為對不同功能的綜合。例如，對生物反應(yīng)和沉淀功能的組合，導(dǎo)致三溝式氧化溝、SBR反應(yīng)器和UNITANK等新工藝的開發(fā)和應(yīng)用，特別是集接觸氧化反應(yīng)和過濾為一體的曝氣生物濾池，以及利用高科技形成反應(yīng)和分離的膜生物反應(yīng)器。這一系列工作體現(xiàn)了對反應(yīng)器固液分離、沉淀功能限制(極限)的探索和突破。

3、固定床和懸浮生長系統(tǒng)融合的趨勢

　　城市污水(生活污水)處理技術(shù)起源于生物滴濾池，但是由于滴濾池中的填料粒徑較大，比表面積較小生物量較少?；钚晕勰喙に囃ㄟ^回流生物量可保持在最高3-5g/L。在80年代初，我國和日本同時開發(fā)了接觸氧化工藝，這一時期開發(fā)了蜂窩填料、軟性填料、半軟性填料和彈性填料等等，通過提高比表面積達到提高生物量的目的(生物量5-8g/L)，從而負荷可以提高一倍以上。反應(yīng)器池容(占地)可以減少50%以上。但是從投資沒有本質(zhì)的變化，因為填料費用的增加抵消了池容投資的節(jié)約。接觸氧化沒有解決填料使用壽命、放大和堵塞一系列問題。
　　這導(dǎo)致移動床和流化床反應(yīng)器的開發(fā)，這種反應(yīng)器生物外在形態(tài)上是懸浮狀態(tài)，而生長方式是生物膜生長。這是固定床生物膜技術(shù)與懸浮生長系統(tǒng)更高一個層次的技術(shù)融合。流化床中載體比表面積從接觸氧化工藝的200-300m²/m³提高到2000-3000m²/m³，生物量可達到20-30g/L，使負荷可達到5-10kgBOD/m³.d。從固定床、懸浮生長系統(tǒng)到流化床的發(fā)展，反映人們對于高效率、高負荷和高生物量的追求，也是對于反應(yīng)器負荷極限的挑戰(zhàn)，構(gòu)成生活污水處理發(fā)展趨勢之一。

4、充氧性能的提高

　　最后，對于好氧反應(yīng)器充氧、傳質(zhì)性能的提高無疑是十分重要的內(nèi)容。人們首先對曝氣充氧器材進行了大量的研究和開發(fā)，從直到70年代末仍然采用簡單的穿孔管曝氣，這一時期的技術(shù)進展表現(xiàn)為我國對于射流曝氣的開發(fā)和掌握，到80年代初國內(nèi)第一個大型城市污水處理廠引進中剛玉盤的微孔曝氣，90年代，開發(fā)橡膠材料的可變孔微孔曝氣裝置，體現(xiàn)了這一領(lǐng)域的進展。另外，人們根據(jù)充氧理論采用提高氧濃度分壓方式，對純氧曝氣、富氧曝氣和深井曝氣工藝進行了開發(fā)。體現(xiàn)了人們在提高充氧和傳質(zhì)這一領(lǐng)域追求更高和更好，向極限挑戰(zhàn)的精神。

三、可持續(xù)的城市污水處理技術(shù)

1、新技術(shù)、新工藝的開發(fā)

　　從技術(shù)發(fā)展的角度給開發(fā)新技術(shù)提供了可能性，王凱軍等人^<5>將各種類型有機污染物的厭氧(缺氧)、好氧降解反應(yīng)過程匯總?cè)缦隆?/p>

好氧(缺氧)過程 厭氧(缺氧)過程

1) COD→H₂O＋CO₂ (傳統(tǒng)好氧) 2) COD → CH₄+CO₂(傳統(tǒng)厭氧)

3) NH₄⁺ →NO₂^－→NO₃^- (硝化) 4) NO₃^-( NO₂^-)→ N₂ (厭氧或缺氧(短程)反硝化)

5) PO₄^-＋生物-P →生物-P(厭氧) 6) NH₄⁺＋NO₂^-→N₂(厭氧氨氧化)

7) H₂S →S^o (微需氧或缺氧) 8) SO₄⁼→H₂S (厭氧反應(yīng))

9) R^-Cl→CO₂ + Cl^- (好氧反應(yīng)) 　10) RCCl®CH₄+CO₂+Cl^-(厭氧反應(yīng))

　　以上反應(yīng)為新工藝開發(fā)的化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)，是新工藝開發(fā)的基礎(chǔ)和生長點。人們過去對于好氧微生物和專性厭氧微生物研究十分充分, 而對兼氧性微生物的研究不夠。反應(yīng)式(1、2和3)為傳統(tǒng)厭氧和好氧工藝，其他均為兼性菌的反應(yīng)。事實上，去除 N、P的A²O或AO工藝(反應(yīng)4、5)就是利用兼性菌的工藝。Kuenen等^<6>發(fā)現(xiàn)某些細菌在硝化、反硝化應(yīng)用中能利用NO₂^-或NO₃^-作電子受體將NH₄⁺氧化為N₂和氣態(tài)氮化物(反應(yīng)式5)；在這些反應(yīng)的基礎(chǔ)上，正在開發(fā)ANAMMOX和OLAND等符合可持續(xù)發(fā)展的新工藝。
　　成功的利用兼性微生物的典型工藝是北京環(huán)保所在80年代開發(fā)的水解－好氧處理工藝。水解池利用水解和產(chǎn)酸微生物，將污水中的固體、大分子和不易生物降解的有機物降解為易于生物降解的小分子有機物。使得污水在后續(xù)的好氧單元以較少的能耗和較短的停留時間下得到處理。從大量實踐來看，采用水解－活性污泥法與傳統(tǒng)活性污泥相比，基建投資、能耗和運行費均可節(jié)省30%以上。

2、污泥處理和利用技術(shù)進步

　　城市污水污泥處理和處置方面在我國還剛剛起步，與國外先進國家相比尚有較大差距。隨著大量污水處理廠的投產(chǎn)，污泥產(chǎn)量將會有大幅度的增加。污泥厭氧消化的投資約占污水處理廠投資的20-40％。在我國僅有的十幾座污泥消化池中，能夠正常運行的為數(shù)不多，有些池子根本就沒有運行。這也是導(dǎo)致我國近年大量采用延時曝氣的氧化溝等技術(shù)的原因。采用高效(高負荷)、低耗污水處理工藝的關(guān)鍵之一是解決城市污水廠污泥處理技術(shù)和問題，可以講我國城鎮(zhèn)污水工藝的進步，將在很大程度上取決于污泥處理和利用技術(shù)的進步。
　　從生態(tài)平衡角度考慮在一個小區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)、能量(糧食、蔬菜等)是從周邊地區(qū)流向城鎮(zhèn)，污水處理產(chǎn)生的污泥是這種流動的結(jié)果，從生態(tài)平衡角度講這些物質(zhì)是需要回到周邊的生態(tài)系統(tǒng)中，否則長期發(fā)展會造成一個區(qū)域內(nèi)土壤生態(tài)的失衡。因此從污泥最終處置的出路來看，中小城鎮(zhèn)產(chǎn)生的污泥經(jīng)過好氧堆肥處理后，再應(yīng)用于農(nóng)業(yè)是可以解決低負荷曝氣系統(tǒng)的技術(shù)途徑，是污泥最為可行和現(xiàn)實的處置方案。

3、我國城市污水處理對策

　　對于我國這樣一個污染嚴重、資源短缺的不發(fā)達國家，先進的水處理工藝開發(fā)的標準應(yīng)該是適合我國國情、高效、低耗和低成本的污水處理技術(shù)。各類效率高、投入低、可達到一定治理深度的城市污水處理新技術(shù)，對經(jīng)濟尚不夠發(fā)達而污染亟待治理的我國，尤其是絕大多數(shù)沒有污水處理設(shè)施的17000多個建制鎮(zhèn)，在一段時期內(nèi)都將具有重要意義。其中以厭氧－好氧生物處理工藝、水解-好氧處理工藝、流化床和曝氣生物濾池等為代表的低耗、高效工藝有希望滿足這一需求。
　　水污染控制技術(shù)涉及到處理技術(shù)研究開發(fā)、工程設(shè)計、工程實施、設(shè)備加工和運營管理等各方面。以往人們著重于工藝技術(shù)的開發(fā)和研究，工藝開發(fā)無疑是很重要，但是，當工藝確定以后，應(yīng)該更加注重工程和制造環(huán)節(jié)，提倡新材料、新技術(shù)、新設(shè)備和新的施工方法的改進和革新，在這一方面過去沒有引起足夠的重視^<7>。事實上，過去不乏這樣的實例，例如：高效曝氣裝置的應(yīng)用可以大幅度的降低能耗；如Biolock、Lipp等新的建筑材料和施工方法的應(yīng)用，形成了新的工藝。因此要：

1、工藝創(chuàng)新：大力發(fā)展可持續(xù)發(fā)展的、先進的城市污水處理工藝；

2、技術(shù)創(chuàng)新：大力推進城市污水處理相關(guān)材料和設(shè)備；

3、體制創(chuàng)新：從體制上和提高自控技術(shù)水平解決城市污水處理廠社會化服務(wù)問題。從全面推進我國城市污水處理技術(shù)發(fā)展是在以上三個方面重點發(fā)展和推進。

參考文獻

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