三、城市污水處理技術問題的思考

        1、關于城鎮(zhèn)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(xiàn)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(xiàn)各種應用不當?shù)膯栴}。這是因為以往我國污水處理技術研究偏重于工藝開發(fā)研究，對一種工藝的了解缺乏足夠的系統(tǒng)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(jīng)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，在很長的一段時間內國外的新技術和新產(chǎn)品就不斷沖擊國內市場，成熟技術和國產(chǎn)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(jīng)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(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(fā)新工藝的動力?？蓴?shù)的新工藝的發(fā)展，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(fā)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(fā)仍有巨大的動力。

        2、從可持續(xù)性思考城鎮(zhèn)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(fā)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(chǎn)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(xù)發(fā)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(jīng)濟和環(huán)境協(xié)調發(fā)展，符合了可持續(xù)發(fā)展的原則。對可持續(xù)發(fā)展全面理解應該根據(jù)世界環(huán)境與發(fā)展委員會在《我們共同的未來》的報告中對可持續(xù)發(fā)展的定義：“可持續(xù)發(fā)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(fā)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(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(fā)的工藝，是根據(jù)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(wěn)定的方法，采用耗能的方法進行污泥穩(wěn)定化處理。適合了這些國家的國情和社會、經(jīng)濟發(fā)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(shù)倍；其次，延時曝氣系統(tǒng)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(jù)資料報道目前國內每kW發(fā)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(fā)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(xù)發(fā)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(wěn)定工藝是不適合可持續(xù)發(fā)展的基本原則的，也是不適合中國國情的。我們應該開發(fā)科技含量高、經(jīng)濟效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少反應器。

        3、關于城鎮(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(chǎn)，污泥產(chǎn)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(shù)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(zhèn)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(qū)域內的物質、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的結果，從生態(tài)平衡角度講這些物質是需要回到周邊的生態(tài)系統(tǒng)中，否則長期發(fā)展會造成一個區(qū)域內土壤生態(tài)的失衡。因此從污泥最終處置的出路來看，中小城鎮(zhèn)的污泥農用是最為可行和現(xiàn)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(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)

        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(tǒng)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(tài)氮化物(反應式5)；在這一反應的基礎上，正在開發(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(fā)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(huán)保所在80年代開發(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物降解為易于生物降解的小分子有機物,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(fā)生的水解過程也是有較大區(qū)別的。這表現(xiàn)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(yōu)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(yōu)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(fā)生部分水解。

        從大量實踐來看，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，能耗和運行費用可分別節(jié)省30%以上。從目前我們大量實踐來看：對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(yè)廢水。

        2、城市污水處理工藝的極限

        對于污水處理系統(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(移動床、流化床和氣提反應器等)。以上工藝開發(fā)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(chǎn)物。而開發(fā)的不同反應器的應用受到了技術、經(jīng)濟和理論條件的限制。這些限制體現(xiàn)在對于好氧生物反應器研究和開發(fā)，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(jù)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(fā)工作。

        通過對上述限制條件的數(shù)學推導，代入主要的好氧系統(tǒng)的基本設計條件(例如：供氧能力、污泥濃度、固液分離負荷等)，圖1給出不同系統(tǒng)用于污水處理運行條件的范圍。根據(jù)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(qū)域。在濃度－流量相平面上不同區(qū)域的應用條件為：

        區(qū)域A：長停留時間的懸浮生長系統(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：流量和負荷適合于顆粒污泥和懸浮生物膜顆粒反應器；

        區(qū)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(qū)域存在重疊；

        區(qū)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(tǒng)中。