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看完了你就是污水處理專家了!

 禪修纏休 2014-07-30

看完了你就是污水處理專家了!

志峰(北京)環(huán)境科技集團(tuán)

污水處理的需求是伴隨著城市的誕生而產(chǎn)生的。城市污水處理技術(shù),歷經(jīng)數(shù)百年變遷,從最初的一級(jí)處理發(fā)展到現(xiàn)在的三級(jí)處理,從簡(jiǎn)單的消毒沉淀到有機(jī)物去除、脫氮除磷再到深度處理回用。其中,活性污泥法的問世更是具有劃時(shí)代的意義,而今年正值活性污泥法誕生100周年。城市污水處理技術(shù)今后究竟將如何發(fā)展?對(duì)此,不如先讓我們回顧一下那些年城市污水處理走過的路。


一級(jí)處理階段


城市污水處理歷史可追溯到古羅馬時(shí)期,那個(gè)時(shí)期環(huán)境容量大,水體的自凈能力也能夠滿足人類的用水需求,人們僅需考慮排水問題即可。而后,城市化進(jìn)程加快,生活污水通過傳播細(xì)菌引發(fā)了傳染病的蔓延,出于健康的考慮,人類開始對(duì)排放的生活污水處進(jìn)行處理。早期的處理方式采用石灰、明礬等進(jìn)行沉淀或用漂白粉進(jìn)行消毒。明代晚期,我國已有污水凈化裝置。但由于當(dāng)時(shí)需求性不強(qiáng),我國生活污水仍以農(nóng)業(yè)灌溉為主。1762年,英國開始采用石灰及金屬鹽類等處理城市污水。


二級(jí)處理階段


有機(jī)物去除工藝


生物膜法

十八世紀(jì)中葉,歐洲工業(yè)革命開始,其中,城市生活污水中的有機(jī)物成為去除重點(diǎn)。1881年,法國科學(xué)家發(fā)明了第一座生物反應(yīng)器,也是第一座厭氧生物處理池—moris池誕生,拉開了生物法處理污水的序幕。1893年,第一座生物濾池在英國Wales投入使用,并迅速在歐洲北美等國家推廣。技術(shù)的發(fā)展,推動(dòng)了標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生。1912年,英國皇家污水處理委員會(huì)提出以BOD5來評(píng)價(jià)水質(zhì)的污染程度。


活性污泥法

1914年,Arden和Lokett在英國化學(xué)工學(xué)會(huì)上發(fā)表了一篇關(guān)于活性污泥法的論文,并于同年在英國曼徹斯特市開創(chuàng)了世界上第一座活性污泥法污水處理試驗(yàn)廠。兩年后,美國正式建立了第一座活性污泥法污水處理廠?;钚晕勰喾ǖ恼Q生,奠定了未來100年間城市污水處理技術(shù)的基礎(chǔ)。


活性污泥法誕生之初,采用的是充-排式工藝,由于當(dāng)時(shí)自動(dòng)控制技術(shù)與設(shè)備條件相對(duì)落后,導(dǎo)致其操作繁瑣,易于堵塞,與生物濾池相比并無明顯優(yōu)勢(shì)。之后連續(xù)進(jìn)水的推流式活性污泥法(CAs法)(如圖1)出現(xiàn)后很快就將其取代,但由于推流式反應(yīng)器中污泥耗氧速度沿池長是變化的,供氧速率難以與其配合,活性污泥法又面臨局部供氧不足的難題。1936年提出的漸曝氣活性污泥法(TAAs)和1942年提出的階段曝氣法(SFAS),分別從曝氣方式及進(jìn)水方式上改善了供氧平衡。1950年,美國的麥金尼提出了完全混合式活性污泥法。該方法通過改變活性污泥微生物群的生存方式,使其適應(yīng)曝氣池中因基質(zhì)濃度的梯度變化,有效解決了污泥膨脹的問題。


隨著在實(shí)際生產(chǎn)生的廣泛應(yīng)用和技術(shù)上的不斷革新改進(jìn),20世紀(jì)40-60年代,活性污泥法逐漸取代了生物膜法,成為污水處理的主流工藝。


1921年,活性污泥法傳播到中國,中國建設(shè)了第一座污水處理廠—上海北區(qū)污水處理廠。1926年及1927年又分別建設(shè)了上海東區(qū)及西區(qū)污水廠,當(dāng)時(shí)3座水廠的日處理量共為3.55萬噸。


脫氮除磷工藝


20世紀(jì)50年代,水體富營養(yǎng)化問題凸顯,脫氮除磷成為污水處理的另一主要訴求。于是,在活性污泥法的基礎(chǔ)上衍生出了一系列的脫氮除磷工藝。


除磷工藝

50年代初,攝磷菌被發(fā)現(xiàn)并用于除磷。(如圖2)


脫氮工藝

1969年,美國的Barth提出采用三段法除氮(如圖3),第一段是好氧段,主要去除有機(jī)物,第二段加堿硝化,第三段是厭氧反硝化,除氮。


1973年,Barnard在原有工藝基礎(chǔ)上,將缺氧和好氧反應(yīng)器完全分隔,污泥回流到缺氧反應(yīng)器,并添加了內(nèi)回流裝置,縮短了工藝流程,也就現(xiàn)在常說的缺氧好氧(A/O)工藝(如圖4)。


A2O工藝

70年代,美國專家在A/O工藝的基礎(chǔ)上,再加上除磷就成了A2O工藝(如圖5)。我國1986年建廠的廣州大坦沙污水處理廠,采用的就是A2O工藝,當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)處理水量為15萬噸,是當(dāng)時(shí)世界上最大的采用A2O工藝的污水處理廠。


氧化溝工藝

A2O工藝是將生物處理厭氧段和好氧段進(jìn)行了空間分割,而氧化溝則為封閉的溝渠型結(jié)構(gòu),結(jié)合了推流式和完全混合式活性污泥法的特點(diǎn),集曝氣、沉淀和污泥穩(wěn)定于一體。污水和活性污泥的混合液不斷地循環(huán)流動(dòng),系統(tǒng)中能夠形成好氧區(qū)和缺氧區(qū),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生物脫氮除磷(如圖6)。氧化溝白天進(jìn)水曝氣,夜間用作沉淀池?;钚晕勰喾ㄏ啾?, 其具有處理工藝及構(gòu)筑物簡(jiǎn)單、泥齡長、剩余污泥少且容易脫水、處理效果穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。

1953年,荷蘭的公共衛(wèi)生工程研究協(xié)會(huì)的Pasveer研究所提出了氧化溝工藝,也被稱為“帕斯維爾溝”。1954年,在荷蘭的伏肖?。╒oorshoten)建造了第一座氧化溝污水處理廠,當(dāng)時(shí)服務(wù)人口僅為360人。60 年代,這項(xiàng)技術(shù)在歐洲、北美和南非等各國得到了迅速推廣和應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì),到1977年為止,在西歐有超過2000多座的帕斯維爾型氧化溝投入運(yùn)行。


1967年,荷蘭DHV公司開發(fā)研制了卡魯塞爾(Carroussel)氧化溝。它是一個(gè)由多渠串聯(lián)組成的氧化溝系統(tǒng)??斎麪栄趸瘻系陌l(fā)展經(jīng)歷了普通卡魯塞爾氧化溝、卡魯塞爾2000氧化溝和卡魯塞爾3000氧化溝三個(gè)階段。


1970年,美國的Envirex公司投放生產(chǎn)了奧貝爾(Orbal)氧化溝。它由3條同心園形或橢圓形渠道組成,各渠道之間相通,進(jìn)水先引入最外的渠道,在其中不斷循環(huán)的同時(shí),依次進(jìn)入下一個(gè)渠道,相當(dāng)于一系列完全混合反應(yīng)池串聯(lián)在一起,最后從中心的渠道排出。


交替式工作氧化溝是由丹麥克魯格(Kruger)公司研制,該工藝造價(jià)低,易于維護(hù),通常有雙溝交替和三溝交替(T型氧化溝)的氧化溝系統(tǒng)和半交替工作式氧化溝。


兩段法工藝

早期的兩段法只是將一套活性污泥法的兩組構(gòu)筑物串聯(lián),一段和二段曝氣池體積相同,且多合并建設(shè),大部分有機(jī)物在第一段被吸附降解,第二段的污泥負(fù)荷很低,其出水水質(zhì)要優(yōu)于相同體積曝氣池的單級(jí)活性污泥法(如圖7)。然而,由于第一段曝氣池體積減小了一倍,相當(dāng)于污泥負(fù)荷增加了一倍,處在易發(fā)生污泥膨脹的階段,運(yùn)行管理較為困難。

20世紀(jì)70年代中期,德國的Botho Bohnke教授開發(fā)了AB工藝(如圖8)。該工藝在傳統(tǒng)兩段法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了第一段即A段的污泥負(fù)荷,以高負(fù)荷、短泥齡的方式運(yùn)行,而B段與常規(guī)活性污泥法相似,負(fù)荷較低,泥齡較長,A段由于泥齡短、泥量大對(duì)磷的去除效果很好,經(jīng)A段去除了大量的有機(jī)物以后B段的體積可大大減小,其低負(fù)荷的運(yùn)行方式可提高出水水質(zhì)。但是由于A段去除了大量的有機(jī)物導(dǎo)致B段碳源缺失,所以在處理低濃度的城市污水時(shí)該工藝的優(yōu)勢(shì)并不明顯。

其后,為了解決脫氮時(shí)硝化菌需要長泥齡,除磷時(shí)聚磷微生物需要短泥齡的矛盾,開發(fā)了AO-A2O工藝(如圖9)。該工藝由兩段相對(duì)獨(dú)立的脫氮和除磷工藝組成,第一段泥齡短,主要用于除磷,第二段泥齡長、負(fù)荷低,用于脫氮。

在AO-A2O工藝基礎(chǔ)上奧地利研發(fā)出了Hybrid工藝(如圖10),該工藝的兩段之間有三個(gè)內(nèi)回流裝置,可以為第一段曝氣池提供硝態(tài)氮、硝化菌以及為第二段曝氣池提供碳源。第一段主要是去除有機(jī)物和磷,第二段是硝化功能,并靠第一段曝氣池回流混合液進(jìn)行反硝化脫氮。


SBR工藝

序批式活性污泥法(SBR)工藝是在時(shí)間上將厭氧段與好氧段進(jìn)行分割。20 世紀(jì)70 年代初由美國Irvine公司開發(fā)。它在流程上只有一個(gè)基本單元,集調(diào)節(jié)池、曝氣池和二沉池的功能于一池,進(jìn)行水質(zhì)水量調(diào)節(jié)、微生物降解有機(jī)物和固液分離等。經(jīng)典 SBR 反應(yīng)器的運(yùn)行過程為:進(jìn)水→曝氣→沉淀→潷水→待機(jī)(如圖11、 12)。

80 年代初,連續(xù)進(jìn)水的 ICEAS 工藝誕生(如圖13)。該工藝在傳統(tǒng)的SBR工藝基礎(chǔ)上,在反應(yīng)池中增加一道隔墻 ,將反應(yīng)池分隔為小體積的預(yù)反應(yīng)區(qū)和大體積的主反應(yīng)區(qū),污水連續(xù)流入預(yù)反應(yīng)區(qū),然后通過隔墻下端的小孔以層流速度進(jìn)入主反應(yīng)區(qū),解決了間歇式進(jìn)水的問題。

隨后, Goranzy 教授開發(fā)了 CASS /CAST 工藝。與ICEAS工藝類似,在反應(yīng)池前段增加了一個(gè)選擇段,污水先與來自主反應(yīng)區(qū)的回流混合液在選擇段混合,在厭氧條件下,選擇段相當(dāng)于前置厭氧池,為高效除磷創(chuàng)造了有利條件。


90 年代,比利時(shí)的西格斯公司在三溝式氧化溝的基礎(chǔ)上開發(fā)了 UNITANK 系統(tǒng)。它由 3 個(gè)矩形池組成,其中外邊兩側(cè)的矩形池既可做曝氣池,又可做沉淀池,中間一個(gè)矩形池只做曝氣池該工藝把傳統(tǒng) SBR的時(shí)間推流與連續(xù)系統(tǒng)的空間推流有效地結(jié)合了起來。


MSBR法即改良型的SBR( Modified SBR),采用單池多格方式,結(jié)合了傳統(tǒng)活性污泥法和SBR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。反應(yīng)器由曝氣格和兩個(gè)交替序批處理格組成。主曝氣格在整個(gè)運(yùn)行周期過程中保持連續(xù)曝氣,而每半個(gè)周期過程中,兩個(gè)序批處理格交替分別作為SBR和澄清池。該工藝可連續(xù)進(jìn)水且可使用更少的連接管、泵和閥門。


脫氮除磷新工藝

近幾十年,能源、資源的短缺已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注,進(jìn)一步脫氮除磷及對(duì)能源節(jié)約及資源回收的需求成為了污水處理工藝發(fā)展的主流方向。一批新興脫氮除磷技術(shù)得以應(yīng)用。


ANAMMOX-SHARON 組合工藝

1994年,荷蘭Delft大學(xué)開發(fā)了厭氧氨氧化(ANAMMOX)技術(shù),厭氧氨氧化菌在缺氧環(huán)境中,能夠?qū)@離子(NH4+)用亞硝酸根(NO2-)氧化為氮?dú)狻?/p>

該工藝與傳統(tǒng)反硝化工藝相比是完全自養(yǎng),不需任何有機(jī)碳源。


1998年,荷蘭Delft大學(xué)基于短程硝化反硝化原理開發(fā)了SHARON工藝,首例工程在荷蘭鹿特丹DOKHAVEN水廠。其基本原理是在同一反應(yīng)器內(nèi),先在有氧條件下利用亞硝化細(xì)菌將氨氧化成NO2-;然后再在缺氧條件下已有機(jī)物為電子供體將亞硝酸鹽反硝化,形成氮?dú)?。工藝流程縮短且無需加堿中和。與傳統(tǒng)活性污泥法相比可減少25%的供氧量及40%的反硝化碳源,有利于資源能源的回收利用,更適用于碳氮比濃度較低的城市廢水。

目前,以SHARON工藝為硝化反應(yīng)器,ANAMMOX工藝為反硝化反應(yīng)器,與傳統(tǒng)工藝相比能夠節(jié)省60%的供氧和100%的碳源。


三級(jí)處理階段


近十幾年,隨著污染加劇,水資源短缺嚴(yán)重,人類對(duì)水質(zhì)提出了更高的要求,污水深度處理與回用技術(shù)興起。污水處理廠的側(cè)重點(diǎn)不再是核算污染物的排放量,而是如何改善水質(zhì)。膜技術(shù)開始顯現(xiàn)其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。


生物膜技術(shù)在20世紀(jì)60-70年代,隨著新型合成材料的大量涌現(xiàn)再次發(fā)展起來,主要工藝有生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物接觸氧化、生物流化床等。目前,應(yīng)用較多的膜處理技術(shù)主要有微濾(MF)、超濾(UF)、反滲透(RO)和膜生物反應(yīng)器(MBR)技術(shù)。本世紀(jì)初的新加坡“Newwater ”水廠就是采用在二級(jí)處理后加超濾膜及反滲透膜的方式進(jìn)行再生水回用處理。


以史為鑒,可知興替?;仡櫿麄€(gè)歷史過程,城市生活污水處理的足跡隨著人類健康的需求、水環(huán)境質(zhì)量的變化、污水的處理程度在一級(jí)級(jí)的加深,同時(shí)操作管理、資金占地等成本問題又推動(dòng)了水處理工藝技術(shù)的不斷進(jìn)化,其操作、占地、程序步驟、能源資源的投入都在一點(diǎn)點(diǎn)地簡(jiǎn)化。人們對(duì)水質(zhì)的需求越來越高,而處理過程卻越來越趨于簡(jiǎn)便。有趣的是,無論近幾年業(yè)界所看好的厭氧生物技術(shù)還是源分離最終的土地灌溉,城市污水處理似乎又回到了它最初的形式,盡管其中蘊(yùn)含的科技含量早已不可同日而語。大繁若簡(jiǎn),最終還是歸于自然。


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