三、城市污水處理技術(shù)問(wèn)題的思考

        1、關(guān)于城鎮(zhèn)污水處理主導(dǎo)工藝的思考

        對(duì)于引進(jìn)的工藝技術(shù)，在與國(guó)外咨詢公司合作過(guò)程中，大部分較好的實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的目標(biāo)。但是，往往我們自己設(shè)計(jì)的污水處理工程項(xiàng)目，在實(shí)施的過(guò)程中有會(huì)出現(xiàn)各種應(yīng)用不當(dāng)?shù)膯?wèn)題。這是因?yàn)橐酝覈?guó)污水處理技術(shù)研究偏重于工藝開(kāi)發(fā)研究，對(duì)一種工藝的了解缺乏足夠的系統(tǒng)性、完整性，也缺乏對(duì)整個(gè)處理工藝綜合性的比較研究和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)體系。這也造成我國(guó)城市污水處理，在技術(shù)選擇上搖擺不定、不斷刮風(fēng)。首先80年代末流行AB工藝、然后在90年代出開(kāi)始流行三溝氧化溝(其他形式的氧化溝)，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(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)國(guó)外的新技術(shù)和新產(chǎn)品就不斷沖擊國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，成熟技術(shù)和國(guó)產(chǎn)技術(shù)總是無(wú)法在市場(chǎng)上占有一席之地。這是我國(guó)城市污水領(lǐng)域存在的問(wèn)題之一。

        西方國(guó)家經(jīng)過(guò)一、二十年的治理工作，一些國(guó)家污水處理率達(dá)到90%以上。在這一時(shí)期(1960-1970年)在城市污水處理領(lǐng)域出現(xiàn)大量各種形式的污水處理新工藝，如：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(jìn)入90年代，西方國(guó)家城市污水處理市場(chǎng)需求萎縮，一個(gè)國(guó)家一年僅有一、兩個(gè)城市污水處理廠的建設(shè)，所以在技術(shù)上失去了開(kāi)發(fā)新工藝的動(dòng)力?？蓴?shù)的新工藝的發(fā)展，也是基于這些國(guó)家老的污水處理廠超負(fù)荷改造的需要(曝氣生物濾池)和水回用的需求(膜生物反應(yīng)器)。社會(huì)需求是技術(shù)發(fā)展的最好驅(qū)動(dòng)力，而我們國(guó)家對(duì)污水處理工藝有極大的迫切的需求，我國(guó)對(duì)污水處理技術(shù)開(kāi)發(fā)仍有巨大的動(dòng)力。

        2、從可持續(xù)性思考城鎮(zhèn)污水處理工藝技術(shù)

        目前我國(guó)城市污水處理廠普遍采用的工藝是國(guó)外在水污染控制過(guò)程中，被證明是行之有效的技術(shù)。并且是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家所采用的主導(dǎo)技術(shù)，我國(guó)與歐美等國(guó)家與工藝幾乎處在同一水平上，但是我國(guó)的國(guó)民生產(chǎn)總值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上述國(guó)家，采用以上技術(shù)是否能夠完全適合我國(guó)的國(guó)情，是我們需要考慮的一個(gè)問(wèn)題。這需要從技術(shù)的先進(jìn)性和是否代表了可持續(xù)發(fā)展的方向兩個(gè)方面來(lái)考慮。

        目前政府往往簡(jiǎn)單認(rèn)為一個(gè)城市有污水處理廠，就是經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，符合了可持續(xù)發(fā)展的原則。對(duì)可持續(xù)發(fā)展全面理解應(yīng)該根據(jù)世界環(huán)境與發(fā)展委員會(huì)在《我們共同的未來(lái)》的報(bào)告中對(duì)可持續(xù)發(fā)展的定義：“可持續(xù)發(fā)展是即滿足當(dāng)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)層面考慮需要判斷污水處理工藝是否符合可持續(xù)發(fā)展原則，需要從可持續(xù)發(fā)展的公平性原則(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)和共同性原則(是否有利于解決全球性環(huán)境問(wèn)題)方面來(lái)考慮。

        目前國(guó)內(nèi)大多采用國(guó)外引進(jìn)的延時(shí)曝氣的氧化溝、SBR等工藝。首先，這些工藝是上世紀(jì)六、七十年代開(kāi)發(fā)的工藝，是根據(jù)西方，特別歐洲國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)制訂的工藝。例如采用延時(shí)曝氣低負(fù)荷工藝特別適合北歐國(guó)家的氣候條件(冬季低溫)，而延時(shí)曝氣對(duì)污泥是采用好氧穩(wěn)定的方法，采用耗能的方法進(jìn)行污泥穩(wěn)定化處理。適合了這些國(guó)家的國(guó)情和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況。

        事實(shí)上，低負(fù)荷曝氣池的池容和設(shè)備是中、高負(fù)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(yīng)的投資要高數(shù)倍；其次，延時(shí)曝氣系統(tǒng)能耗比中、高負(fù)荷活性污泥要高40～50%左右。同時(shí)，能耗增加會(huì)帶來(lái)了直接運(yùn)行費(fèi)的增加，能耗增加也會(huì)還要增加間接投資。據(jù)資料報(bào)道目前國(guó)內(nèi)每kW發(fā)電能力除塵脫硫需要投資500～1000元，則每萬(wàn)噸污水增加的脫硫投資需要25～50萬(wàn)元。按脫硫投資為電站投資10%計(jì)，則增加的電廠投資為 250～500萬(wàn)元，是污水處理投資的50%以上。對(duì)于我國(guó)這樣一個(gè)資源不足、能源日益短缺、人口眾多的發(fā)展中國(guó)家，是否適合推廣這種低負(fù)荷的活性污泥工藝是值得推敲的問(wèn)題。從可持續(xù)發(fā)展角度講，采用延時(shí)曝氣這種高資源占用和能源消耗的低負(fù)荷工藝，并以耗能的方式取得污泥的穩(wěn)定工藝是不適合可持續(xù)發(fā)展的基本原則的，也是不適合中國(guó)國(guó)情的。我們應(yīng)該開(kāi)發(fā)科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少反應(yīng)器。

        3、關(guān)于城鎮(zhèn)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(guó)還剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)國(guó)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(huì)有大幅度的增加。污泥厭氧消化的投資高，污泥處理費(fèi)用約占污水處理廠投資和運(yùn)行費(fèi)用的20％～40％。在我國(guó)僅有的十幾座污泥消化池中，能夠正常運(yùn)行的為數(shù)不多，有些池子根本就沒(méi)有運(yùn)行。這也是導(dǎo)致我國(guó)近年大量采用帶有延時(shí)曝氣功能的氧化溝等技術(shù)的原因。采用高效(高負(fù)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(wèn)題，可以講具有特點(diǎn)的解決我國(guó)城鎮(zhèn)污水工藝的進(jìn)步，在很大程度上取決于污泥處理和利用技術(shù)的進(jìn)步。為了解決這一問(wèn)題有必要加強(qiáng)污泥處理與利用的研究。

        另外，在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)、能量(糧食、蔬菜等)是從周邊地區(qū)流向中小城鎮(zhèn)，污水處理產(chǎn)生的污泥是這種流動(dòng)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(zhǎng)期發(fā)展會(huì)造成一個(gè)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(lái)看，中小城鎮(zhèn)的污泥農(nóng)用是最為可行和現(xiàn)實(shí)的處置方案。

        四、城市污水處理新工藝新技術(shù)介紹

        1、生物化學(xué)反應(yīng)理論基礎(chǔ)

        人們過(guò)去對(duì)于好氧微生物和專性厭氧微生物研究十分充分, 而對(duì)兼氧性微生物的研究不夠。各種類型有機(jī)污染物的厭氧(缺氧)、好氧降解反應(yīng)過(guò)程匯總?cè)缦隆?/p>

        好氧(缺氧)過(guò)程 厭氧(缺氧)過(guò)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 ®S0 (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))

        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(shí)上，利用兼性細(xì)菌的工藝人們?cè)缫焉婕?，如，?duì)去除 N、P的A2O或AO工藝(反應(yīng)4、5)，利用兼性菌在好氧條件下進(jìn)行好氧代謝，而在厭氧條件下進(jìn)行厭氧代謝。在含有硫酸鹽的有機(jī)廢水中，厭氧反應(yīng)將有機(jī)物和硫酸鹽分別轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸和硫化氫(反應(yīng)8)。產(chǎn)生的硫化氫被微需氧細(xì)菌直接氧化為硫元素。這可以用來(lái)去除硫化物并回收硫元素(反應(yīng)7)。

        Kuenen等發(fā)現(xiàn)某些細(xì)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)；在這一反應(yīng)的基礎(chǔ)上，正在開(kāi)發(fā)ANAMMOX工藝和OLAND等工藝。最新研究表明一些在好氧狀態(tài)下難降解芳香族和鹵代烴在厭氧條件下容易分解(反應(yīng)9、10)。

        以上反應(yīng)為一些新工藝的化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)，其基本原理是新工藝開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)和生長(zhǎng)點(diǎn)。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(kāi)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(jī)物降解為易于生物降解的小分子有機(jī)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(shí)間下得到處理。

        需要說(shuō)明的是水解-好氧工藝中的水解(酸化)過(guò)程與好氧AO(HO)、A2O和AB等工藝中A段中發(fā)生的水解過(guò)程也是有較大區(qū)別的。這表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：首先是菌種不同，如上所述在水解工藝中的優(yōu)勢(shì)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(yōu)勢(shì)菌是以好氧菌為主。僅僅部分兼性菌參加反應(yīng)；其次，在反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度不同，水解工藝采用的是升流式反應(yīng)器，其中污泥濃度可以達(dá)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(fā)生部分水解。

        從大量實(shí)踐來(lái)看，采用水解－活性污泥法，與傳統(tǒng)的活性污泥相比，其基建投資，能耗和運(yùn)行費(fèi)用可分別節(jié)省30%以上。從目前我們大量實(shí)踐來(lái)看：對(duì)于不要求脫氮除磷的中、小城鎮(zhèn)污水處理廠的投資為500～700元/m3(污水)；對(duì)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(diǎn)，使得工藝不僅適用于易生物降解的城市污水等。同時(shí)更適用于處理不易生物降解的某些工業(yè)廢水。

        2、城市污水處理工藝的極限

        對(duì)于污水處理系統(tǒng)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(dòng)床、流化床和氣提反應(yīng)器等)。以上工藝開(kāi)發(fā)和存在的內(nèi)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(biāo)的不斷實(shí)踐的產(chǎn)物。而開(kāi)發(fā)的不同反應(yīng)器的應(yīng)用受到了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和理論條件的限制。這些限制體現(xiàn)在對(duì)于好氧生物反應(yīng)器研究和開(kāi)發(fā)，受到了生物生長(zhǎng)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(guò)濾)等諸多因素的限制。這些限制條件綜合結(jié)果構(gòu)成對(duì)于好氧生物反應(yīng)器的極限，長(zhǎng)期以來(lái)人們圍繞這些限制因素根據(jù)各個(gè)時(shí)期的理論、技術(shù)、材料等進(jìn)展，進(jìn)行了長(zhǎng)期不懈的研究和開(kāi)發(fā)工作。

        通過(guò)對(duì)上述限制條件的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，代入主要的好氧系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)條件(例如：供氧能力、污泥濃度、固液分離負(fù)荷等)，圖1給出不同系統(tǒng)用于污水處理運(yùn)行條件的范圍。根據(jù)不同類型反應(yīng)器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則將濃度-流量平面劃成不同的區(qū)域。在濃度－流量相平面上不同區(qū)域的應(yīng)用條件為：

        區(qū)域A：長(zhǎng)停留時(shí)間的懸浮生長(zhǎng)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(fù)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(fù)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(duì)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。