可持续发展的新型、高效城市污水处理技术探讨

一、可持续发展的城市污水处理技术

1、国内外污水处理技术的发展

　　我国城市污水处理技术研究工作从20世纪70年代末起步，经过20多年的不懈努力，在城市污水处理技术方面取得了较大的成就，成果丰硕。同时，随着改革开放也不断引进国外新的工艺技术。。目前在水污染治理技术上，已成功广泛使用传统活性污泥法、延时法等新型活性污泥工艺、SBR、AB法、UNITANK和氧化沟技术、A-O法和A²-O等变形工艺。这些在我国城市污水处理厂普遍采用的工艺，是欧美等发达国家所采用的主导技术，并被证明是行之有效的水污染控制技术^<1><2>。
　　目前，这些技术是国外在上世纪六、七十年代开发的工艺，是根据西方，特别欧洲国家排放标准制订的工艺，适合了这些国家的国情、社会和经济发展情况。例如，采用延时曝气低负荷工艺特别适合北欧和北美国家的冬季低温的气候条件，并适合当时开发的氧化沟等低负荷的工艺和设备水平。从上世纪50-60年代，西方国家开始城市污水治理工作，目前一些国家污水处理率达到90%以上。在这一时期城市污水处理领域出现大量各种形式的污水处理新工艺，如：改进活性污泥工艺(AO、A²O工艺)、氧化沟工艺(卡鲁塞尔、奥贝尔等氧化沟)、SBR工艺(IECAS、CASS等)、纯氧(富氧)曝气、深井曝气和流化床等工艺。而进入90年代后，西方国家城市污水处理厂的建设市场需求萎缩，这在技术上失去了开发新工艺的动力。

2、可持续发展污水处理技术的需求

　　社会需求是技术发展的驱动力，我们国家污水处理市场巨大，对新工艺有极大的迫切需求。据估算“十五”期间城市污水的投资将超过2000亿。我国对污水处理新技术开发仍有巨大的需求和动力。但是，在最近一个时期内我国城市污水厂的建设主要以延时曝气的氧化沟和SBR工艺为主^<2>。我国的国民生产总值远远低于西方发达国家，采用以上技术是否能够完全适合我国的国情?
　　首先，需要从是否符合可持续发展方向，“可持续发展是即满足当代人的需求，而又不损害后代人满足其需求的能力的发展”。从技术层面可持续发展原则包括可持续发展的公平性(是否体现资源和环境共享)、持续性(是否满足资源和环境的永续性利用)和共同性等原则(是否有利于解决全球性环境问题)。同时，也要分析技术发展、社会需求和国情来综合考虑。
　　事实上，国外采用的是低负荷处理工艺，其池容和设备是中、高负荷工艺的几倍，因此在建筑材料和土地资源上是高消耗的，相应的投资要高数倍；其次，国外采用延时曝气系统是以耗能的方式取得污泥的稳定工艺，延时曝气系统能耗比中、高负荷活性污泥要高40～50%左右。我国能源日益短缺，高能耗的方式是对不可再生的化石能源消耗为代价；同时，能耗增加会带来了直接运行费的增加，能耗增加也会还要增加间接污染和投资。我国主要的能源来自燃煤，这会造成严重的大气污染问题。据资料报道处理能力为1万吨的低负荷污水处理厂，比中、高负荷装机容量增加部分的电厂间接投资是污水处理投资的50%以上。
　　总之对我国这样一个资源不足、能源日益短缺、经济不发达、人口众多的发展中国家从可持续发展角度讲，采用延时曝气这种高资源占用和能源消耗的低负荷工艺，并以耗能的方式取得污泥的稳定工艺是不符合可持续发展的基本原则，也是不适合中国国情的。我国应该开发经济效益好、资源消耗低、环境污染少的城市污水处理技术。

二、城市污水处理高效工艺的极限

1、高效反应器的发展趋势

　　新工艺和新技术开发内在原因是人们不断追求高效率、低能耗、低成本和低的占地面积等高性能指标的实践结果。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。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。Nicolella^<3>通过对上述限制条件进行数学推导，代入主要好氧系统基本设计条件(例如：供氧能力、污泥浓度、固液分离负荷等)，将浓度-流量平面划成不同的区域给出不同系统用于污水处理运行条件的范围(图1)。
　 　在浓度－流量相平面上不同区域的应用条件以沉淀功能的限制为例，生物颗粒保留在反应器(沉淀池)，液体的上升流速u＝Q/A必须小于颗粒沉淀速度(u₁)：

　　u＝Q/A＜u₁ (1)

　　对于好氧系统速率的限制因素是气-液氧的传递，反应器的尺寸可以设计为负荷(F=Q/C)、氧的产率(Y_o)和氧转移速率(OTR)的函数。

　　V＝F/OTR=Y₀QC/OTR (2)

　　Heijnen^<4>提出仅当水力停留时间小于最大生长率的倒数，或换言之当生物反应器中稀释速率(D＝1/T＝Q/V大于最大生长速率(μ_max)才可能形成覆盖载体的生物膜。假设生物反应器的形状是园柱形，利用反应器的体积可以表述液体流速和反应器径高比α＝H/D的函数。条件(1)可以写成:

　　Q＜πμ₁³C₂Y₀/4α²QTR² (3)

　　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)，氧产率系数是1，最大比生长速率是1d时。从而在图5的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(分别为线2和3)。也可推导其他条件，此处省略。

图1 采用絮体和生物膜反应器浓度和流量相平面图(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）

　　首先，从本质上讲反应器形式没有先进和落后之分，例如：目前啤酒生产仍然延续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取得高的产率，要求运行在高的物料浓度下。在高的基质浓度下酵母细菌趋向于自由分散生长，所以，这一反应器是适宜的反应器形式。因此，对于不同目的和应用领域，反应器存在高效和低效之分，例如，生物膜反应器和活性污泥工艺的处理负荷在1.0-2.0kgBOD/m³.d之间，而三相内循环流化床反应器可以达到5-10kgBOD/m³.d。所以，对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、活性污泥工艺向高效的移动床和流化床发展。

2、沉淀与反应、反应与分离等技术的融合趋势

　　从图1可知沉淀功能对于反应器功能扩展的限制，沉淀功能是通过沉淀作用提高反应器的功能，不同时期人们对沉淀功能的限制，进行了大量的研究和开发。例如，70年代对斜板沉淀池、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)等工艺进行了开发和研究。在90年代人们逐渐从这种单一功能的研究和开发，转化为对不同功能的综合。例如，对生物反应和沉淀功能的组合，导致三沟式氧化沟、SBR反应器和UNITANK等新工艺的开发和应用，特别是集接触氧化反应和过滤为一体的曝气生物滤池，以及利用高科技形成反应和分离的膜生物反应器。这一系列工作体现了对反应器固液分离、沉淀功能限制(极限)的探索和突破。

3、固定床和悬浮生长系统融合的趋势

　　城市污水(生活污水)处理技术起源于生物滴滤池，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。活性污泥工艺通过回流生物量可保持在最高3-5g/L。在80年代初，我国和日本同时开发了接触氧化工艺，这一时期开发了蜂窝填料、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(生物量5-8g/L)，从而负荷可以提高一倍以上。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。接触氧化没有解决填料使用寿命、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，这种反应器生物外在形态上是悬浮状态，而生长方式是生物膜生长。这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。流化床中载体比表面积从接触氧化工艺的200-300m²/m³提高到2000-3000m²/m³，生物量可达到20-30g/L，使负荷可达到5-10kgBOD/m³.d。从固定床、悬浮生长系统到流化床的发展，反映人们对于高效率、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，构成生活污水处理发展趋势之一。

4、充氧性能的提高

　　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，90年代，开发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。

三、可持续的城市污水处理技术

1、新技术、新工艺的开发

　　从技术发展的角度给开发新技术提供了可能性，王凯军等人^<5>将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 →S^o (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)

　　以上反应为新工艺开发的化学反应基础，是新工艺开发的基础和生长点。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。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，去除 N、P的A²O或AO工艺(反应4、5)就是利用兼性菌的工艺。Kuenen等^<6>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)；在这些反应的基础上，正在开发ANAMMOX和OLAND等符合可持续发展的新工艺。
　　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。从大量实践来看，采用水解－活性污泥法与传统活性污泥相比，基建投资、能耗和运行费均可节省30%以上。

2、污泥处理和利用技术进步

　　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约占污水处理厂投资的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延时曝气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，可以讲我国城镇污水工艺的进步，将在很大程度上取决于污泥处理和利用技术的进步。
　　从生态平衡角度考虑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，中小城镇产生的污泥经过好氧堆肥处理后，再应用于农业是可以解决低负荷曝气系统的技术途径，是污泥最为可行和现实的处置方案。

3、我国城市污水处理对策

　　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。其中以厌氧－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。以往人们着重于工艺技术的开发和研究，工艺开发无疑是很重要，但是，当工艺确定以后，应该更加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^<7>。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、Lipp等新的建筑材料和施工方法的应用，形成了新的工艺。因此要：

1、工艺创新：大力发展可持续发展的、先进的城市污水处理工艺；

2、技术创新：大力推进城市污水处理相关材料和设备；

3、体制创新：从体制上和提高自控技术水平解决城市污水处理厂社会化服务问题。从全面推进我国城市污水处理技术发展是在以上三个方面重点发展和推进。

参考文献

1、王凯军(1999)，曝气、沉淀一体化活性污泥工艺设计方法和问题讨论，给水排水，1999，No.3
2、王凯军(1999)，氧化沟的设计方法讨论 中国给水排水，1999年No.1，
3、C. Nicolella, M.C.M. van Loosdrecht,, J.J. Heijnen(2000)，Wastewater treatment with particulate biofilm reactors，Journal of Biotechnology，80(2000),1-33
4、Heijnen, J.J. et al. (1993) Development and scale up of an aerobic biofilm airlift suspension reactor. Water Sci. Technol. 27, 253–261
5、王凯军(1998)，厌氧(水解)-好氧处理工艺的理论与实践.中国环境科学,1998,18(4)：337-340
6、Kuenen J.G and Jetten M.S.M(2001)，Extraordinary ananerobic－ammonium bacteria，ASM News，67(9)：456-463
7、王凯军，王晓惠(1999)，中国水工业的水处理技术和设备的产业化分析，给水排水，1999年，No.6