我国城市污水处理技术从“七五”国家科技攻关开始逐步进行研究。经过“七五”、“八五”和“九五”期间的努力, 我国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, 近20年来, 随着改革开放也不断引进国外新的工艺技术。就工艺技术而言, 与国际上的差距已经缩小。目前在水污染治理技术上, 已能提供下列技术的工艺参数:传统活性污泥法技术包括延时法、吸附再生法等各种新型活性污泥工艺和SBR、AB法、UNITANK和氧化沟技术等;A-O法和A2-O技术;多种类型的稳定塘技术;土地处理技术等等。这些工艺在原则上可以满足大多数城市污水治理的要求, 对于传统活性污泥工艺和其变形工艺 (除磷脱氮) 这里不做全面的介绍, 仅就这几年在我国较为常用的工艺进行介绍和分析。
传统SBR反应器在运行操作上形成了曝气和沉淀相结合的特点, 这体现了SBR反应器最为本质的特点之一。同时, 这要求SBR反应器必须充分利用了现代电子和自动化技术。SBR反应器的发展过程呈现了多样性, 有CASS、CAST、ICEAS、MSBR等多种新型SBR反应器。各种SBR反应器的发展体现了与传统活性污泥相互融合的趋势。具体表现为从间歇进水、间歇出水的传统SBR反应器, 发展到连续进水、间歇出水和连续进水、连续出水并带回流污泥的SBR反应器。以及出现了UNITANK这种融合氧化沟、SBR和活性污泥工艺新型的综合性工艺。这体现了间歇式的SBR和连续式活性污泥工艺相互融合的特点。
UNITANK从整个系统来看, 它已经不属于SBR, 与交替运转的三沟氧化沟非常相似, 更接近于传统的活性污泥法, 这是UNITANK工艺最为显著的一个特点。UNITANK在恒水位下交替运行, 总有一个池子作为沉淀池, 这是UNITANK第二个特点。对于大型污水处理厂沉淀功能的满足, 是UNTANK工艺的制约因素。标准UNITANK系统三个方形池之间构成级串的形式, 弥补了单个反应器完全混合的缺点, 这是UNITANK系统第三个特点。
UNITANK最为根本的问题之一是中沟和边沟地位不一致, 边沟有一段时间兼作沉淀池, 而中沟总是曝气。造成中池污泥浓度过低而边池污泥浓度过高, 池容利用率降低等一系列问题。UNITANK的发明人在离开SEGHERS公司之后, 提出一新工艺———LUCAS工艺。LUCAS工艺最为显著的特点是四个反应器 (也可用2个或3个反应器) 作用完全对等, 其采用轮换方式作为曝气池和沉淀池。由于每一个反应器的地位平等, 所以LU-CAS工艺既保留了UNITANK工艺的优点, 又克服了其缺点。
通过对SBR工艺特点和不同研究者的研究结果进行汇总 (不考虑由于SBR反应器优点导致的直接结果, 如:投资低和运行费用低等) , SBR反应器众多优点可归纳如下:
经典SBR反应器的优点和原因分析:
(1) 沉淀性能好。在沉淀过程没有进水的扰动属于理想沉淀状态。
(2) 有机物去除效率高。是理想推流式反应器, 从单元操作理论其效率明显的高于完全混合式的反应器。
(3) 提高难降解废水的处理效率。具有微生物的多样性, 可形成厌氧、缺氧和好氧等多种生态条件, 有利于难降解有机物的降解。
(4) 抑制丝状菌膨胀。利用膨胀理论中的“选择性准则”防止污泥膨胀。
(5) 除磷脱氮, 不需要新增反应器。生态多样性 (出现厌氧、缺氧和好氧状态多种状态) 。
(6) 不需二沉池和回流, 工艺简单, 结构本身特点。
SBR反应器充分利用了生物反应过程和单元操作过程的一些基本原理。不同的SBR反应器由于流态、池型或操作方式的改变可能仅仅具有上述特点的一条或几条。同时, 经典的SBR反应器也存在一定问题, 比如:
(1) 处理连续进水时, 对于单一SBR反应器的应用需要较大的调节池;
(2) 对于多个SBR反应器进水和排水的阀门自动切换频繁;
(3) 无法解决大型污水处理项目连续进水、连续出水的处理要求;
(4) 设备的闲置率较高和污水提升水头损失较大等等。
氧化沟在欧美各国得到了广泛的重视, 发展速度很快。据统计到1977年为止在西欧有超过2000多座派司维尔型氧化沟投入运行。荷兰DHV公司发明的卡鲁塞尔氧化沟在全世界范围已有800多座投入运行 (1996) 。法国OTV-Kurger公司开发的D型氧化沟已占丹麦氧化沟总数的80%。美国Envirex公司开发的Orbal氧化沟, 最大处理规模已达90万m3/d。
从90年代至今是我国氧化沟技术大发展的阶段, 预计已有上百座氧化沟污水处理厂投入运行。氧化沟技术仍然是当前污水处理的热点。从应用和研究情况来看, 我国氧化沟技术水平与国际先进水平相比差距很大。究其原因是我国没有系统地研究过氧化沟技术与设备, 目前我国已引进数种氧化沟技术, 有条件来分析比较和吸收消化。因此, 认真分析和总结这方面的经验和教训显得十分必要。
氧化沟属于活性污泥工艺的一种变形, 但是在其发展过程中也形成了其很多独有的优点和特点:
基本型式的氧气沟的曝气池呈封闭的沟渠形, 沟渠形状和构造则多种多样。可呈圆形和椭圆形等形状, 可为单沟或多沟系统, 多沟系统可是一组同心相通的沟渠, 也可是互相平行、尺寸相同的多组沟渠。有与二沉池分建, 也有合建的氧化沟。多种多样的构造形式, 赋予了氧化沟灵活机动的运行性能, 以满足不同的出水水质要求。例如, 结构形式决定氧化沟从整体流态上是完全混合的, 但在局部又具有推流特性。这对除磷脱氮工艺也是极其重要的, 氧化沟内可以形成缺氧和好氧交替出现的区域。
曝气装置的作用除供氧外, 还要提供沟渠内不小于0.3m/s的流速, 以维持循环及活性污泥的悬浮状态。常用的曝气装置有转刷、转盘、表面曝气器和射流曝气等, 不同的曝气装置导致了不同的氧化沟型式。氧化沟的曝气强度可通过出水溢流堰和直接调节曝气器的转速调节。
氧化沟的水力停留时间和污泥龄长, 悬浮状有机物可以与溶解性有机物一起同时得到较彻底的稳定, 所以氧化沟不要求设置初沉池。氧化沟排出的剩余污泥已得到高度稳定, 剩余污泥量较少。因此不再需要进行厌氧消化, 而只需进行浓缩与脱水。一体式氧化沟还可以不设二次沉淀池。
对于引进的工艺技术, 在与国外咨询公司合作过程中, 大部分较好的实现了预定的目标。但是, 往往我们自己设计的污水处理工程项目, 在实施的过程中有会出现各种应用不当的问题。这是因为以往我国污水处理技术研究偏重于工艺开发研究, 对一种工艺的了解缺乏足够的系统性、完整性, 也缺乏对整个处理工艺综合性的比较研究和技术经济评价体系。这也造成我国城市污水处理, 在技术选择上摇摆不定、不断刮风。首先80年代末流行AB工艺、然后在90年代出开始流行三沟氧化沟 (其他形式的氧化沟) , 目前又流行SBR (或UNITANK) 工艺的原因所在。缺乏全面和综合比较能力, 在很长的一段时间内国外的新技术和新产品就不断冲击国内市场, 成熟技术和国产技术总是无法在市场上占有一席之地。这是我国城市污水领域存在的问题之一。
西方国家经过10~20年的治理工作, 一些国家污水处理率达到90%以上。在这一时期 (1960-1970年) 在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:活性污泥的AO工艺、A2O工艺、卡鲁塞尔氧化沟、奥贝尔氧化沟、SBR工艺 (IECAS、CASS等等) 、纯氧 (富氧) 曝气、深井曝气、流化床和厌氧-好氧处理等一系列新的处理工艺。而进入90年代, 西方国家城市污水处理市场需求萎缩, 一个国家一年仅有一、两个城市污水处理厂的建设, 所以在技术上失去了开发新工艺的动力。可数的新工艺的发展, 也是基于这些国家老的污水处理厂超负荷改造的需要 (曝气生物滤池) 和水回用的需求 (膜生物反应器) 。社会需求是技术发展的最好驱动力, 而我们国家对污水处理工艺有极大的迫切的需求, 我国对污水处理技术开发仍有巨大的动力。
目前我国城市污水处理厂普遍采用的工艺是国外在水污染控制过程中, 被证明是行之有效的技术。并且是欧美等发达国家所采用的主导技术, 我国与欧美等国家与工艺几乎处在同一水平上, 但是我国的国民生产总值远远低于上述国家, 采用以上技术是否能够完全适合我国的国情, 是我们需要考虑的一个问题。这需要从技术的先进性和是否代表了可持续发展的方向两个方面来考虑。
目前政府往往简单认为一个城市有污水处理厂, 就是经济和环境协调发展, 符合了可持续发展的原则。对可持续发展全面理解应该根据世界环境与发展委员会在《我们共同的未来》的报告中对可持续发展的定义:“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”。从技术层面考虑需要判断污水处理工艺是否符合可持续发展原则, 需要从可持续发展的公平性原则 (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) 和共同性原则 (是否有利于解决全球性环境问题) 方面来考虑。
目前国内大多采用国外引进的延时曝气的氧化沟、SBR等工艺。首先, 这些工艺是上世纪60、70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。例如采用延时曝气低负荷工艺特别适合北欧国家的气候条件 (冬季低温) , 而延时曝气对污泥是采用好氧稳定的方法, 采用耗能的方法进行污泥稳定化处理。适合了这些国家的国情和社会、经济发展情况。
事实上, 低负荷曝气池的池容和设备是中、高负荷活性污泥工艺的几倍, 在建筑材料和土地资源上是高消耗, 相应的投资要高数倍;其次, 延时曝气系统能耗比中、高负荷活性污泥要高40~50%左右。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投资。据资料报道目前国内每k W发电能力除尘脱硫需要投资500~1000元, 则每万吨污水增加的脱硫投资需要25~50万元。按脱硫投资为电站投资10%计, 则增加的电厂投资为250~500万元, 是污水处理投资的50%以上。对于我国这样一个资源不足、能源日益短缺、人口众多的发展中国家, 是否适合推广这种低负荷的活性污泥工艺是值得推敲的问题。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适合可持续发展的基本原则的, 也是不适合中国国情的。我们应该开发科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少反应器。
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高, 污泥处理费用约占污水处理厂投资和运行费用的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带有延时曝气功能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, 可以讲具有特点的解决我国城镇污水工艺的进步, 在很大程度上取决于污泥处理和利用技术的进步。为了解决这一问题有必要加强污泥处理与利用的研究。
另外, 在一个小区域内的物质、能量 (粮食、蔬菜等) 是从周边地区流向中小城镇, 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, 中小城镇的污泥农用是最为可行和现实的处置方案。
摘要：随着现代社会和经济的高速发展, 环境问题日益突出, 尤其是城市水环境的恶化, 加剧了水资源的短缺, 影响着人民群众的身心健康, 已经成为城市可持续发展的严重制约因素。本文主要是城市污水处理技术介绍分析及问题的思考这几方面进行论述。
关键词：城市污水处理,技术介绍分析,问题的思考
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