污水處理及其再生利用行業新技術應用狀況及發展趨勢與運行力預測

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第一節 行業最新科技應用狀況

目前我國污水處理中應用較多的技術包括氧化溝工藝、SBR法、CASS工藝、接觸氧化法、曝氣生物濾池工藝(BAF)、MBR法和速分生物處理技術等。上述方法各有優缺點,選取主要方法描述如下:

A、CASS工藝

CASS(Cyclic Activated Sludge System)工藝是近年來國際公認的處理生活污水及廢水的先進工藝之一。其基本結構是:在序批式活性污泥法(SBR)的基礎上,反應池沿池長方向設計為兩部分,前部為生物選擇區也稱預反應區,后部為主反應區,其主反應區后部安裝了可升降的自動撇水裝置。整個工藝的曝氣、沉淀、排水等過程在同一池子內周期循環運行,省去了常規活性污泥法的二沉池和污泥回流系統;同時可連續進水,間斷排水。

B、MBR工藝

膜生物反應器(MBR)是一種將膜分離單元和生物處理單元結合的新型水處理技術,在近幾十年來得到迅猛發展。該工藝應用中空纖維膜取代了活性污泥法中的二沉池,進行固液分離,有效的達到了泥水分離的目的。膜的高效截留作用,可以有效截留硝化菌,使其完全截留在生物反應器內,使硝化反應得以順利進行,有效去除氨氮,避免污泥的流失,同時可以截留一時難于降解的大分子有機物,延長其在反應器的停留時間,使之得到最大限度的分解。

但是MBR工藝仍存在如下缺點:膜造價高,膜組件使用壽命短,2~3年即需更換;容易出現膜污染;能耗高,為了加大膜通量、減輕膜污染,必須增大流速,沖刷膜表面,造成MBR的能耗要比傳統的生物處理工藝高。

C、速分生物處理技術

速分生物處理技術是一種新型污水處理技術。該技術的原理是利用流體力學中的“流離”原理,突破傳統的生物處理方法,使處理系統中單一生物環境轉變為多變生物環境,使污水在集合體內多次重復發生厭氧、耗氧反應,且處理過程無需沉淀池、反沖洗和污泥處理等系統。速分生物處理技術的核心是“速分生化球”,作為生物載體,填充在專門設計的速分生化池內,附著在其上的生物膜是生化處理系統的主體作用物質。速分生化球可正常使用30年而無需更換,比傳統的生物填料節約了大量的更換、維護費用。

第二節 行業科技發展趨勢


1、具有脫氮除磷功能的污水處理工藝仍是今后發展的重點

《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)對出水氮磷有明確的要求,因此已建城鎮污水處理廠需要改建,增加設施去除污水中的氮、磷污染物,達到國家規定的排放標準,新建污水處理廠則須按照標準GB18918-2002來進行建設。目前,對污水生物脫氮除磷的機理、影響因素及工藝等的研究已是一個熱點,并已提出一些新工藝及改革工藝。


如MSBR、倒置A2/O、UCT等,并且積極引進國外新工藝。


如OCO、OOC、AOR、AOE等。對于脫氮除磷工藝,今后的發展要求不僅僅局限于較高的氮磷去除率,而且也要求處理效果穩定、可靠、工藝控制調節靈活、投資運行費用節省。目前,生物除磷脫氮工藝正是向著這一簡潔、高效、經濟的方向發展。


2、高效率、低投入、低運行成本、成熟可靠的污水處理工藝是今后污水處理廠的首選工藝

我國是一個發展中國家,經濟發展水平相對落后,而面對我國日益嚴重的環境污染,國家正加大力度來進行污水的治理,而解決城市污水污染的根本措施是建設以生物處理為主體工藝的二級城市污水處理廠,但是,建設大批二級城市污水處理廠需要大量的投資和高額運行費,這對我國來說是一個沉重的負擔。而目前我國的污水處理廠建設工作,則因為資金的缺乏很難開展,部分已建成的污水處理廠由于運行費用高昂或者缺乏專業的運行管理人員等原因而一直不能正常運行,因此對高效率、低投入、低運行成本、成熟可靠的污水處理工藝的研究是今后的一個重點研究方向。


3、對適用于小城鎮污水處理廠工藝的研究

發展小城鎮是我國城市化過程的必由之路,是具有中國特色的城市化道路的戰略性選擇。1978~2000年我國建制鎮由2178個增至20312個,目前各種規模和性質的小城鎮已近48000個。如果只注重大中城市的污水處理工程的建設,而忽視如此數量多的小城鎮的污水治理,則我國的污水治理也不能達到預定目標。而對于小城鎮的污水處理又面對著一系列的問題:小城鎮污水的特點不同于大城市;小城鎮資金短缺;運行管理人員缺乏等。因此,小城鎮的污水處理工藝應該是基建投資低、運行成本低、運行管理相對容易、運行可靠性高的工藝。目前對適用于小城鎮污水處理廠工藝的研究方向是:從現有工藝中比選出適合小城鎮污水處理廠的工藝,同時開發出適用于小城鎮污水處理廠的新工藝。


4、對產泥量少、且污泥達到穩定的污水處理工藝的研究

目前,污水處理廠所產生的污泥的處理也是我國污水處理事業中的一個重點和難點,2003年中國城市污水廠的總污水處理量約為95.9562×108/a,城市平均污水含固率為0.02%,則濕污泥產量為965.562×104t/a,并且污泥的成份很復雜,含有多種有害有毒成分,如此產量大而且含有大量有毒有害物質的污泥如果不進行有效處理而排放到環境中去,則會給環境帶來很大的破壞。目前我國污泥處理處置的現狀不容樂觀:據統計,我國已建成運行的城市污水處理廠,污泥經過濃縮、消化穩定和干化脫水處理的污水廠僅占25.68%,不具有污泥穩定處理的污水廠占55.70%,不具有污泥干化脫水處理的污水廠約占48.65%。這說明我國70%以上的污水廠中不具有完整的污泥處理工藝而對此問題進行解決的一個有效辦法是:污水處理廠采用產泥量少、且污泥達到穩定的污水處理工藝控制工程網版權所有,這樣就可以在源頭上減少污泥的產生量,并且可以得到已經穩定的剩余污泥,從而減輕了后續污泥處理的負擔。目前,我國已有部分工藝可做到這一點,如生物接觸氧化法工藝、BIOLAK工藝、水解-好氧工藝等,但是對產泥量少、且污泥達到穩定的污水處理工藝的系統研究還沒有開始。


第三節 行業發展趨勢

一、市場發展趨勢

目前,中國水務市場,雖然資本推動和行政因素特征仍然比較顯著,但是市場化的改革方向不可逆轉。隨著中國公用事業體制改革的深入,水務行業的市場化程度將不斷提高,進而為行業整合與跨區域發展提供了動力,把握機會的優勢企業將進一步鞏固其行業地位。水價改革帶來的價格上漲的動力將進一步助推水務企業成長,同時也將引致更多行業競爭對手。

中國的水務行業還處于成長期,市場集中度偏低,缺少行業領導者,地域壟斷特征明顯。依據行業吸引力和技術關聯度向產業鏈縱向延伸,以及水務一體化成為主要發展方向。運營管理能力、資本運作能力、市場開拓能力、技術應用與開發能力和風險控制能力已經成為水務行業企業的關鍵成功要素。尋求市場份額與投資收益的平衡是現階段中國水務企業成長過程中關注的焦點。

根據我國污水排放的預測,以及我國環境治理的計劃和2010年遠景規劃,我國污水處理率2010年達到45%。2010年我國污水排放量將達到763億立方米,處理45%為343.8億立方米即每日9407萬立方米,扣除2000年已經達到的日處理能力即2685萬立方米,尚需建設日處理能力6722萬立方米的污水處理廠,約需人民幣1344億元。


二、行業競爭趨勢

1、資金成為拉動污水處理發展的核心動力和產業紐帶

在國際化、市場化的背景下,水源污染嚴重、處理設備落后的行業背景下,污水處理行業呈現巨大的資金需求。工業污水處理發展由原先計劃體制下的技術拉動轉型為投資拉動,投資不僅是開拓污水處理市場的決定性砝碼,也是串起技術、工程、產品、運營產業鏈的有效手段。污水處理在巨大需求背景下的投資拉動特征,使來自國際、民營、其他社會資本得以迅速進入工業污水處理行業并成為主角。國家對城市基礎設施領域資本進入的放寬,市場金融工具的豐富,以及傳統企業的產權多元化的全面實施,將進一步加強資本在工業污水處理行業中的權重。

2、以獲得市場為動機的戰略聯盟是行業市場化程度的重要標志

市場經濟的基礎是契約,而戰略聯盟就是企業間的穩定契約形式,穩定的契約形式可以有效化解中間交易成本。世界500強企業中,平均每個企業參加60個不同性質的戰略聯盟。中國水業正處于市場化發展的前期,從行業上看是污水處理政策體系的模糊和不完善,從產業上看是企業的分散和松散。同時,水業綜合性極強,關聯度大,以規?;〉?,以投資企業為龍頭的集投資、設計、工程、運營、設備供應的縱向產業鏈戰略聯合體,將成為企業參與競爭、抵御風險、降低成本的主要手段。


三、技術發展趨勢

1、膜材料與膜應用技術的發展

國家實行的膜材料與膜技術應用國債項目帶動了我國水污染治理膜技術與膜材料的研發應用。近年來,我國在膜材料的研究開發方面取得了長足的進展,基本打破了過去發達國家對我國實行膜材料制造技術的封鎖狀態,我國水污染治理技術研發機構依靠自己的力量,開發了具有獨立知識產權的膜材料和膜組件。

2、工業廢水治理技術的發展

全國各地針對部分工業企業沒有實現廢水達標的情況,開展了剩余污染源和不合格污染治理設施的達標治理工作。在這一形勢下,促使水污染治理技術研發與服務業有了較大發展。未來的技術發展方向將是針對造紙、化工、醫藥、釀造和皮革等重點行業。

在面對環保大變革大發展的情況下,對于技術的整合創新將會是重頭戲,以下是具有實用型高新技術的發展路程,送給環保人們,希望在高壓之下能有時間品味一下這篇經典。


一、我國面臨的主要水環境問題


1、污水處理率與投資預測

資源性短缺和水環境污染造成的水資源?;丫晌夜緇?、經濟發展的重要制約因素,目前,全國600 多個城市大約有 2/3 的城市缺水。在某些地區,甚至對人民基本生存條件造成極大威脅。而我國水環境問題具有復雜性,北方地區面臨的水環境問題不同與南方地區的問題,主要是水資源短缺和合理利用、水污染控制和污水的回用、季節性河流的達標(特別是功能區達標)等問題。在南方地區則水污染和水體富營養化,成為突出的環境問題。


我國2000年廢水排放量約480億m3/年。自90年代以來,我國的國民生產總值連續以8%~11%的高速率的增長,預計新世紀的頭20年內我國經濟增長將保持在 6%~9%的高、中速率穩定發展??悸巧鮮鲆蛩匚鬯吭黽恿堪?5%的速率考慮。到 2010 年增加污水量 300億 m3。


我國中小城鎮建設得到了很大發展。2010年,全國設市城市達到1200個左右,建制鎮達到 2.5~3 萬個,到2020年,全國村鎮自來水普及率達到65%,小城鎮人均日用水量180升、村莊110升(依此計算新增城鎮年廢水量可能達到 270 億噸)。


綜上所述,考慮現狀污水量、污水增量和建制鎮污水量,到2010年城市污水排放總量為1050億m3。根據《國民經濟和社會發展“九五”計劃201年遠景目標綱要》的要求,到2010年城市污水處理率要達到50%,則需增加500億m3/a(1.4億m3/d天)的處理規模。如果按靜態投資(考慮配套管網)處理每立方米污水投資2000~3000元的低限值計算,則需投資3000~4000 億元。


2、城鎮污水處理廠建設重點

由于我國目前還處于社會主義發展的初級階段。大多數中小城鎮處于不太發達的農村地區,造成污染的是量大面廣,是我國下一階段治理的重點。對于我國大量的中、小城鎮的小型城市污水處理廠,是我國水污染控制的難點。根據這一特點必須開發中小城鎮適用的簡易高效污水處理成套技術,重點要解決城市污水處理廠的三高問題,即投資高、電耗高和運行費用高。國家環保總局曾提出需要建立與我國現階段國情相適應的、經濟實用的先進工藝技術的示范工程,示范工程應該滿足:


噸水投資低,噸水造價應該控制在 800 元;


運行費用低,噸水運行費應該控制在 0.3 元以下;


在工程中采用國產化的設備,并且采用總承包和實施運營的機制。


這是解決我國中小城鎮污水處理的一種希望和要求。


二、常用城市污水處理技術介紹和分析


我國城市污水處理技術從“七五”國家科技攻關開始逐步進行研究。經過“七五”、“八五”和“九五”期間的努力,我國在城市污水處理技術方面取得了較大的成就,成果豐碩。同時,近20 年來,隨著改革開放也不斷引進國外新的工藝技術。就工藝技術而言,與國際上的差距已經縮小。目前在水污染治理技術上,已能提供下列技術的工藝參數:傳統活性污泥法技術包括延時法、吸附再生法等各種新型活性污泥工藝和SBR、AB法、UNITANK 和氧化溝技術等;A-O法和A2-O技術;多種類型的穩定塘技術;土地處理技術等等。這些工藝在原則上可以滿足大多數城市污水治理的要求,對于傳統活性污泥工藝和其變形工藝(除磷脫氮)這里不做全面的介紹,僅就這幾年在我國較為常用的工藝進行介紹和分析。

1、沉淀和曝氣、間歇和連續相結合實現自動控制的序批式(SBR)反應器

傳統SBR反應器在運行操作上形成了曝氣和沉淀相結合的特點,這體現了SBR反應器最為本質的特點之一。同時,這要求SBR反應器必須充分利用了現代電子和自動化技術。SBR反應器的發展過程呈現了多樣性,有CASS、CAST、ICEAS、MSBR等多種新型SBR反應器、各種SBR反應器的發展體現了與傳統活性污泥相互融合的趨勢。具體表現為從間歇水、間歇出水的傳統 SBR 反應器,發展到連續進水、間歇出水和連續進水、連續出水并帶回流污泥的SBR反應器。以及出現了UNITANK這種融合氧化溝、SBR和活性污泥工藝新型的綜合性工藝。這體現了間歇式的SBR和連續式活性污泥工藝相互融合的特點。


UNITANK從整個系統來看,它已經不屬于SBR,與交替運轉的三溝氧化溝非常相似,更接近于傳統的活性污泥法,這是UNITANK工藝最為顯著的一個特點。UNITANK在恒水位下交替運行,總有一個池子作為沉淀池,這是UNITANK第二個特點。對于大型污水處理廠沉淀功能的滿足,是UNTANK工藝的制約因素。標準UNITANK系統三個方形池之間構成級串的形式,彌補了單個反應器完全混合的缺點,這是UNITANK系統第三個特點。


UNITANK最為根本的問題之一是中溝和邊溝地位不一致,邊溝有一段時間兼作沉淀池,而中溝總是曝氣。造成中池污泥濃度過低而邊池污泥濃度過高,池容利用率降低等一系列問題。


UNITANK的發明人在離開SEGHERS公司之后,提出一新工藝——LUCAS 工藝。


LUCAS工藝最為顯著的特點是四個反應器(也可用兩個或三個反應器)作用完全對等,其采用輪換方式作為曝氣池和沉淀池。由于每一個反應器的地位平等,所以LUCAS工藝既保留了UNITANK工藝的優點,又克服了其缺點。


通過對SBR工藝特點和不同研究者的研究結果進行匯總(不考慮由于SBR反應器優點導致的直接結果,如:投資低和運行費用低等),SBR反應器眾多優點可歸納如下:


經典SBR反應器的優點和原因分析

優點 原因

1、沉淀性能好在沉淀過程沒有進水的擾動屬于理想沉淀狀態;

2、有機物去除效率高,是理想推流式反應器,從單元操作理論其效率明顯的高于完全混合式的反應器;

3、提高難降解廢水的處理效率,具有微生物的多樣性,可形成厭氧、缺氧和好氧等多種生態條件,有利于難降解有機物的降解;

4、抑制絲狀菌膨脹,利用膨脹理論中的“選擇性準則”防止污泥膨脹;

5、除磷脫氮,不需要新增反應器 生態多樣性(出現厭氧、缺氧和好氧狀態多種狀態);

6、不需二沉池和回流,工藝簡單 結構本身特點。


SBR反應器充分利用了生物反應過程和單元操作過程的一些基本原理不同的SBR反應器由于流態、池型或操作方式的改變可能僅僅具有上述特點的一條或幾條。同時,經典的SBR反應器也存在一定問題,比如:


a) 處理連續進水時,對于單一SBR反應器的應用需要較大的調節池;

b) 對于多個SBR反應器進水和排水的閥門自動切換頻繁;

c) 無法解決大型污水處理項目連續進水、連續出水的處理要求;

d) 設備的閑置率較高和污水提升水頭損失較大等等。

2、氧化溝工藝

氧化溝在歐美各國得到了廣泛的重視,發展速度很快。據統計到1977年為止在西歐有超過2000多座派司維爾型氧化溝投入運行。荷蘭DHV公司發明的卡魯塞爾氧化溝在全世界范圍已有800多座投入運行(1996)。法OTV-Kurger公司開發的D型氧化溝已占丹麥氧化溝總數的80%。美國Envirex公司開發的Orbal氧化溝,最大處理規模已達90萬m3/d。從90年代至今是我國氧化溝技術大發展的階段,預計已有上百座氧化溝污水處理廠投入行。氧化溝技術仍然是當前污水處理的熱點。從應用和研究情況來看,我國氧化溝技術水平與國際先進水平相比差距很大。究其原因是我國沒有系統地研究過氧化溝技術與設備,目前我國已引進數種氧化溝技術,有條件來分析比較和吸收消化。因此,認真分析和總結這方面的經驗和教訓顯得十分必要。


氧化溝屬于活性污泥工藝的一種變形,但是在其發展過程中也形成了其很多獨有的優點和特點:


a) 構造形式具有多樣性

基本型式的氧氣溝的曝氣池呈封閉的溝渠形,溝渠形狀和構造則多種多樣??沙試殘魏屯衷殘蔚刃巫?,可為單溝或多溝系統,多溝系統可是一組同心相通的溝渠,也可是互相平行、尺寸相同的多組溝渠。有與二沉池分建,也有合建的氧化溝。多種多樣的構造形式,賦予了氧化溝靈活機動的運行性能,以滿足不同的出水水質要求。例如,結構形式決定氧化溝從整體流態上是完全混合的,但在局部又具有推流特性。這對除磷脫氮工藝也是極其重要的,氧化溝內可以形成缺氧和好氧交替出現的區域。


b) 氧化溝曝氣設備的多樣性

曝氣裝置的作用除供氧外,還要提供溝渠內不小于 0.3m/s 的流速,以維持循環及活性污泥的懸浮狀態。常用的曝氣裝置有轉刷、轉盤、表面曝氣器和射流曝氣等,不同的曝氣裝置導致了不同的氧化溝型式。氧化溝的曝氣強度可通過出水溢流堰和直接調節曝氣器的轉速調節。


c) 簡化了預處理和污泥處理

氧化溝的水力停留時間和污泥齡長,懸浮狀有機物可以與溶解性有機物一起同時得到較徹底的穩定,所以氧化溝不要求設置初沉池。氧化溝排出的剩余污泥已得到高度穩定,剩余污泥量較少。因此不再需要進行厭氧消化,而只需進行濃縮與脫水。一體式氧化溝還可以不設二次沉淀池。

圖來自網絡僅供參考

三、城市污水處理技術問題的思考


1、關于城鎮污水處理主導工藝的思考

對于引進的工藝技術,在與國外咨詢公司合作過程中,大部分較好的實現了預定的目標。但是,往往我們自己設計的污水處理工程項目,在實施的過程中有會出現各種應用不當的問題。這是因為以往我國污水處理技術研究偏重于工藝開發研究,對一種工藝的了解缺乏足夠的系統性、完整性,也缺乏對整個處理工藝綜合性的比較研究和技術經濟評價體系。這也造成我國城市污水處理,在技術選擇上搖擺不定、不斷刮風。首先 80 年代末流行AB工藝、然后在90年代出開始流行三溝氧化溝(其他形式的氧溝),目前又流行 SBR(或 UNITANK)工藝的原因所在。缺乏全面和綜合比較能力,在很長的一段時間內國外的新技術和新產品就不斷沖擊國內市場,成熟技術和國產技術總是無法在市場上占有一席之地。這是我國城市污水領域存在的問題之一。西方國家經過一、二十年的治理工作,一些國家污水處理率達到90%以上。在這一時期(1960-1970 年)在城市污水處理領域出現大量各種形式的污水處理新工藝,如:活性污泥?的AO工藝、A2O工藝、卡魯塞爾氧化溝、奧貝爾氧化溝、SBR 工藝(IECAS、CASS等等)、純氧(富氧)曝氣、深井曝氣、流化床和厭氧-好氧處理等一系列新的處理工藝。而進入90年代,西方國家城市污水處理市場需求萎縮,一個國家一年僅有一、兩個城市污水處理廠的建設,所以在技術上失去了開發新工藝的動力??墑男鹿ひ盞姆⒄?,也是基于這些國家老的污水處理廠超負荷改造的需要(曝氣生物濾池)和水回用的需求(膜生物反應器)。社會需求是技術發展的最好驅動力,而我們國家對污水處理工藝有極大的迫切的需求,我國對污水處理技術開發仍有巨大的動力。


2、從可持續性思考城鎮污水處理工藝技術

目前我國城市污水處理廠普遍采用的工藝是國外在水污染控制過程中,被證明是行之有效的技術。并且是歐美等發達國家所采用的主導技術,我國與歐美等國家與工藝幾乎處在同一水平上,但是我國的國民生產總值遠遠低于上述國家,采用以上技術是否能夠完全適合我國的國情,是我們需要考慮的一個問題。這需要從技術的先進性和是否代表了可持續發展的方向兩個方面來考慮。


目前政府往往簡單認為一個城市有污水處理廠,就是經濟和環境協調發展,符合了可持續發展的原則。對可持續發展全面理解應該根據世界環境與發展委員會在《我們共同的未來》的報告中對可持續發展的定義:“可持續發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展”。從技術層面考慮需要判斷污水處理工藝是否符合可持續發展原則,需要從可持續發展的公平性原則(是否體現資源和環境共享)、持續性(是否滿足資源和環境的永續性利用)和共同性原則(是否有利于解決全球性環境問題)方面來考慮。目前國內大多采用國外引進的延時曝氣的氧化溝、SBR等工藝。首先,這些工藝是上世紀六、七十年代開發的工藝,是根據西方,特別歐洲國家排放標準制訂的工藝。例如采用延時曝氣低負荷工藝特別適合北歐國家的氣候條件(冬季低溫),而延時曝氣對污泥是采用好氧穩定的方法,采用耗能的方法進行污泥穩定化處理。適合了這些國家的國情和社會、經濟發展情況。


事實上,低負荷曝氣池的池容和設備是中、高負荷活性污泥工藝的幾倍,在建筑材料和土地資源上是高消耗,相應的投資要高數倍;其次,延時曝氣系統能耗比中、高負荷活性污泥要高40~50%左右。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投資。據資料報道目前國內每kW發電能力除塵脫硫需要投資500~1000元,則每萬噸污水增加的脫硫投資需要25~50 萬元。按脫硫投資為電站投資10%計,則增加的電廠投資為250~500萬元,是污水處理投資的50%以上。對于我國這樣一個資源不足、能源日益短缺、人口眾多的發展中國家,是否適合推廣這種低負荷的活性污泥工藝是值得推敲的問題。從可持續發展角度講,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定工藝是不適合可持續發展的基本原則的,也是不適合中國國情的。我們應該開發科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環境污染少反應器。


3、關于城鎮污水處理廠污泥處理的思考

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,污泥產量將會有大幅度的增加。污泥厭氧消化的投資高,污泥處理費用約占污水處理廠投資和運行費用的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不多,有些池子根本就沒有運行。這也是導致我國近年大量采用帶有延時曝氣功能的氧化溝等技術的原因。采用高效(高負荷)、低耗污水處理工藝的關鍵之一是解決城市污水廠污泥處理技術和問題,可以講具有特點的解決我國城鎮污水工藝的進步,在很大程度上取決于污泥處理和利用技術的進步。為了解決這一問題有必要加強污泥處理與利用的研究。


另外,在一個小區域內的物質、能量(糧食、蔬菜等)是從周邊地區流向中小城鎮,污水處理產生的污泥是這種流動的結果,從生態平衡角度講這些物質是需要回到周邊的生態系統中,否則長期發展會造成一個區域內土壤生態的失衡。因此從污泥最終處置的出路來看,中小城鎮的污泥農用是最為可行和現實的處置方案。

四、城市污水處理新工藝新技術介紹


1、生物化學反應理論基礎

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。各種類型有機污染物的厭氧(缺氧)、好氧降解反應過程匯總如下。


好氧(缺氧)過程 厭氧(缺氧)過程

1) COD®H2O+CO2 (傳統好氧)

2) COD ® CH4+CO2(傳統厭氧)

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 ®S0 (微需氧或缺氧)

8) SO4= ® H2S (厭氧反應)

9) R-Cl® CO2 + Cl- (好氧反應)

10) RCCl® CH4+ CO2+ Cl- (厭氧反應)


反應式(1、2和3)為傳統厭氧和好氧工藝,其他均為兼性菌的反應。事實上,利用兼性細菌的工藝人們早已涉及,如,對去除 N、P的A2O或AO 工藝(反應4、5),利用兼性菌在好氧條件下進行好氧代謝,而在厭氧條件下進行厭氧代謝。在含有硫酸鹽的有機廢水中,厭氧反應將有機物和硫酸鹽分別轉化為有機酸和硫化氫(反應8)。產生的硫化氫被微需氧細菌直接氧化為硫元素。這可以用來去除硫化物并回收硫元素(反應7)。Kuenen等發現某些細菌在硝化、反硝化應用中能利用 NO2-或 NO3-作電子受體將NH4+氧化為N2和氣態氮化物(反應式5);在這一反應的基礎上,正在開發 ANAMMOX 工藝和 OLAND 等工藝。最新研究表明一些在好氧狀態下難降解芳香族和鹵代烴在厭氧條件下容易分解(反應 9、10)。以上反應為一些新工藝的化學反應基礎,其基本原理是新工藝開發的基礎和生長點。成功的利用兼性微生物的典型工藝是北京環保所在80年代開發的水解-好氧處理工藝。水解池利用水解和產酸微生物,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,使得污水在后續的好氧單元以較少的能耗和較短的停留時間下得到處理。


需要說明的是水解-好氧工藝中的水解(酸化)過程與好氧AO(HO)、A2O和AB等工藝中A段中發生的水解過程也是有較大區別的。這表現在以下兩個方面:首先是菌種不同,如上所述在水解工藝中的優勢菌群是厭氧微生物,以兼性兼性微生物為主,而在好氧AO(HO)、A2O和AB等工藝中A段中的優勢菌是以好氧菌為主。僅僅部分兼性菌參加反應;其次,在反應器內的污泥濃度不同,水解工藝采用的是升流式反應器,其中污泥濃度可以達到 15~25g/L,而好氧 AO、A2O 和 AB 等工藝中從二沉池回流污泥濃度一般最高為5~8g/L,并且以好氧菌為主。以上的差別造成了水解工藝是完全的水解,而好氧 AO(HO)、A2O 和 AB 等工藝中 A 段僅僅發生部分水解。


從大量實踐來看,采用水解-活性污泥法,與傳統的活性污泥相比,其基建投資,能耗和運行費用可分別節省30%以上。從目前我們大量實踐看:對于不要求脫氮除磷的中、小城鎮污水處理廠的投資為500~700元/m3(污水);對需要脫氮除磷的污水處理廠投資在800元/m3(污水)左右。由于水解池具有改善污水可生化性的特點,使得工藝不僅適用于易生物降解的城市污水等。同時更適用于處理不易生物降解的某些工業廢水。


2、城市污水處理工藝的極限

對于污水處理系統存在三種基本類型的微生物聚集體存在的方式:固定膜(如:滴濾池)、絮狀污泥(活性污泥工藝)和懸浮生物膜顆粒(移動床、流化床和氣提反應器等)。以上工藝開發和存在的內在原因是人們不斷的追求高效率、低能耗、低成本和低的占地面積等高的性能指標的不斷實踐的產物。而開發的不同反應器的應用受到了技術、經濟和理論條件的限制。這些限制體現在對于好氧生物反應器研究和開發,受到了生物生長特性(生物量和活性)、反應器的形式(固定床、懸浮床和流化床)、傳質條件(氧的供給)和固液分離(沉淀、過濾)等諸多因素的限制。這些限制條件綜合結果構成對于好氧生物反應器的極限,長期以來人們圍繞這些限制因素根據各個時期的理論、技術、材料等進展,進行了長期不懈的研究和開發工作。通過對上述限制條件的數學推導,代入主要的好氧系統的基本設計條件(例如:供氧能力、污泥濃度、固液分離負荷等),根據不同類型反應器的設計準則將濃度-流量平面劃成不同的區域。在濃度-流量相平面上不同區域的應用條件為:


區域 A:長停留時間的懸浮生長系統;

區域 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中;

區域 C:流量和負荷適合于顆粒污泥和懸浮生物膜顆粒反應器;

區域 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 區域存在重疊;

區域 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器。污泥可以不需要外部的分離器而保持在系統中。


對于生物載體顆粒和絮體污泥假設沉淀速度分別為30m/h和5m/h,徑高比α=5(好氧系統最大氧轉移速率為10kg/m3.d)。從而在C-Q平面中形成的限制生物膜顆粒和懸浮絮狀污泥應用的區域。


這構成了沉淀功能對于反應器功能擴展的限制,不同時期人們對于沉淀池和氣浮工藝進行了大量的研究和開發。例如,70年代對于斜板沉淀池、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)等等工藝的開發均反映了人們在不同時期對這一限制的突破。在90年代人們逐漸從對于單一功能的研究和開放,轉化為對不同功能的綜合,例如對于生物反應和沉淀功能的綜合,導致三溝式氧化溝、SBR反應器和UNITANK的開發和應用?;褂性諶嗄諮妨骰倉惺迪制?、固、液的分離,特別是集接觸氧化反應和過濾為一體的曝氣生物濾池,以及利用高科技的膜生物反應器。這一系列探索體現了對于反應器固液分離、沉淀功能限制(極限)的探索和突破。


顧名思義好氧生物反應器的基本屬性有三個即好氧條件的保持(充氧)、生物質的保持和維持(生物量和活性)和反應器的形式。從本質上講反應器的形式沒有先進和落后之分,例如:目前食品發酵行業,如啤酒生產仍然延續18世紀發明的“落后的”恒化器(完全混合)反應器。這是因為啤酒生產要求取得高的產率,在高的基質濃度下酵母細菌趨向于自由分散生長,這一反應器是適宜的反應器形式,但是需要對自由生長的細胞進行過濾分離(甚至膜分離)。對于不同的領域反應器的應用是存在高效和低效之分,對于處理生活污水生物膜反應器和活性污泥工藝的處理負荷1.0~2.0kBOD/m3.d,而三相內循環流化床反應器可以達到5~10kgBOD/m3.d,所以對于生活污水的處理從反應器發展趨勢角度是從生物膜反應器、活性污泥工藝向移動床和流化床反應器發展。


在生活污水處理工藝發展過程中,對于反應器內生物質的改善是反映在從生物量和生物活性兩方面的不斷提高,城市污水(生活污水)處理技術起源與生物滴濾池,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,在1914年開發了活性污泥工藝,通過回流生物量可以保持在最高 3~5g/L。在80年代初,我國和日本同時開發的接觸氧化工藝,這一時期的工作對填料進行了大量的研究,開發了蜂窩填料、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。接觸氧化工藝的生物量可以達到5~8g/L,從而負荷比活性污泥工藝可以提高一倍以上。反應器池容(占地)可以減少50%以上。但是從投資沒有本質的變化,因為填料費用的增加抵消了池容投資的節約。同時,還有使用壽命、放大和堵塞一系列問題。這導致移動床和流化床反應器的開發,這也是固定床生物膜技術與懸浮生長系統更高一個層次的技術融合。從反應器生物的外在形態上是懸浮狀態,而生長方式是生物膜生長。生物載體的比表面積大大提高,從接觸氧化工藝的200~300m2/m3提高到 2000~3000m2/m3,從而生物量達到了 20~30g/L,這是負荷可以達到5~10kgBOD/m3.d 的主要原因。從固定床、懸浮生長系統到流化床的發展,反映了人們對于高效率、高負荷和高生物量的追求,也是對于反應器負荷極限的挑戰,這構成了生活污水處理發展趨勢之一。


最后,對于好氧反應器充氧、傳質性能的提高無疑是十分重要的內容。人們首先對曝氣充氧器材進行了大量的研究和開發,從直到70年代末仍然采用簡單的穿孔管曝氣,這一時期的技術進展表現為我國對于射流曝氣的開發和掌握,到80年代初國內第一個大型城市污水處理廠引進中剛玉盤的微孔曝氣。目前,開發采用橡膠材料的可變孔微孔曝氣裝置,體現?了這一領域的進展。另外,人們根據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,體現了人們在提高充氧和傳質這一領域追求更高和更好,向極限挑戰的精神。


3、曝氣生物濾池工藝

現代曝氣生物濾池(簡稱BAF)是在70年代末80年代初出現的一種膜法生物處理工藝,最初是應用在污水處理的三級處理上。其將生物接觸氧化與過濾結合在一起,不設沉淀池,通過反沖洗再生實現濾池的周期運行。在廢水的二級處理中其保持接觸氧化的高效性,同時又可通過過濾獲得高的出水水質。90年代初得到了較大發展。以BAF為代表的工藝主要優點下:


a) 工藝容積負荷可高達 6.0kgBOD/m3.d,出水達到或接近生活雜用水標準;

b) 占地面積少:曝氣生物濾池占地是常規二級生化處理的 1/5~1/10;

c)投資?。築AF系統總水力停留時間短,基建投資少,同時出水水質高、曝氣生物濾池可以有多種運行方式,可以下向流的方式運行,也可以是上向流的方式運行,采用上向流的曝氣生物濾池往往采用輕質濾料。曝氣生物濾池工藝也可與其他生物處理工藝一樣采用多級串聯工藝。采用兩級串聯工藝為進一步降解污水中難降解的有機污染物和達到嚴格的出水水質提供了可靠的保證,可以獲得了優良的處理效果,保證了出水的穩定性。

4、三相內循環流化床反應器

內循環三相流化床反應器,作為一種新型的三相流化床,其反應器的諸多特性主要體現在氣、液循環、載體流態的特殊運行規律。其基本的工作原理也主要體現這幾方面的不同變化,即液體內循環速度、有機物降解動力學、氧轉移特性、液體流態、載體流化特性等方面。


由于在內循環三相生物流化床反應器內裝有大量細小的載體,并使之處于循環流化狀態,為微生物的附著生長提供巨大的表面積,同時保證良好的混合和傳質條件。因此本質上該反應器是一種生物膜法處理工藝。三相內循環流化床不僅具有一般好氧流化床的特點,還具有以下特點:


1) 流化性能好,反應器處于完全混合狀態:反應器內大部分載體都參與循環流動,載體流化具有良好的均勻性,這為生物膜形成提供了條件;

2) 氧的轉移效率高:由于大量液體循環流動,在此過程中會夾帶一些細小的氣泡,延長氣-液接觸時間,提高了氧的轉移效率。氧利用率可達 30~50%;

3) 載體流失量少,不需專門的脫膜設備,大大簡化了原來的流化床處理污水所需的輔助設備、在投配容積負荷達10kgCOD/m3.d以內時,可獲得70~80%左右的COD去除率,與傳統活性污泥相比去除污泥負荷可提高 10倍左右。內循環三相生物流化床進入正常運行后,COD去除率均達 75%以上,尤其是進水濃度較高時,去除率可達90%以上。這說明流化床具有較強的抗沖擊能力。

來自于網絡-概念圖

五、我國城市污水處理技術發展思路和對策


對于我國這樣一個污染嚴重、資源短缺的不發達國家,先進的水處理工藝開發的標準應該是適合我國國情、高效、低耗和低成本的污水處理技術。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,對經濟尚不夠發達而污染亟待治理的我國,尤其是絕大多數沒有污水處理設施的 17000多個建制鎮,在一段時期內都將具有重要意義。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。


水污染控制技術涉及到處理技術研究開發、工程設計、工程實施、設備加工和運營管理等各方面。從市場化和產業化的觀點,我國城市污水處理的主要任務是在以上三個方面重點發展:


1、大力發展先進的水處理工藝技術

2、大力推進水處理技術和設備的產業化

3、大力鼓勵水處理設施運營產業化


以往人們對于工藝技術、工程建造和設備制造和設施運營三者之間的關系著重于工藝技術的開發和研究。工藝開發無疑是很重要,不同工藝的選取可能會很大程度的影響到污水處?理廠的投資和運行費用(比如采用低負荷的延時曝氣系統和高負荷的生物曝氣濾池,兩者負荷可能會相差十倍)。但是,當工藝確定以后,應該注重工程和制造環節,提倡新材料、新技術、新設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,事實上,過去不乏這樣的實例,例如:高效曝氣裝置的應用可以大幅度的降低能耗;如Biolock工藝、Lipp制罐技術等等,是新的建筑材料和方法的應用,形成了新的工藝。


污水處理設施的運營業是傳統的技術服務范圍;而BOT方式的引入在水處理領域也會逐步打破傳統甲、乙方概念,產生甲、乙方角色互換,導致了類似于物業管理型的技術服務需求。對技術服務提出了更高層次的要求。采用BOT方式大大減輕地方政府當前的經濟壓力,加快基礎設施建設步伐,滿足全社會對公共工程和基礎設施的需求。目前各種基金、上市公司、投資公司和各種社會資金將加速投入這一市場,將加劇這一市場的競爭,但是同時無疑會促進水污染控制市場的成熟和發展。因此,水污染控制市場具有設備化、專業化、資本化和開放性的特點。

(來源:水處理觀察)