小城镇城市污水处理技术应用与发展趋势
1小城镇污水处理技术
城市污水处理新工艺和新技术开发内在原因是人们不断追求高效率、低能耗、低成本和低的占地面积等高性能指标的实践结果。不同反应器的应用受到了技术、经济和理论条件的限制。这些限制体现在对于好氧生物反应器研究和开发，受到了生物生长特性(生物量和活性)、反应器的形式(固定床、悬浮床和流化床)、传质条件(氧的供给)和固液分离(沉淀、过滤)等诸多因素的限制。长期以来人们围绕这些限制因素根据各个时期的理论、技术、材料等进展，进行了长期不懈的研究和开发工作。目前，在以下几个方面的进展迅速：
① 高效反应器的发展: 生物膜反应器和活性污泥工艺的处理负荷在1.0～2.0kgBOD/m3.d之间，而以三相内循环流化床反应器为代表的移动床反应器的负荷可以达到5-10kgBOD/m3.d。所以，对生活污水的处理从反应器发展趋势角度是从生物膜反应器、活性污泥工艺向高效的移动床和流化床发展。
② 沉淀与反应、反应与分离等技术的融合趋势: 对生物反应和沉淀功能的组合，导致三沟式氧化沟、SBR反应器和UNITANK等新工艺的开发和应用，特别是集接触氧化反应和过滤为一体的曝气生物滤池，以及利用高科技形成反应和分离的膜生物反应器，充分代表了这一发展趋势。
③ 固定床和悬浮生长系统融合的趋势: 80年代初，我国和日本同时开发了接触氧化工艺，但是接触氧化没有解决填料使用寿命、放大和堵塞一系列问题，同时，填料费用的增加抵消了池容投资的节约。这导致移动床和流化床反应器的开发，这种反应器生物外在形态上是悬浮状态，而生长方式是生物膜生长。这是固定床生物膜技术与悬浮生长系统更高一个层次的技术融合。
④ 充氧性能的提高：从直到70年代末仍然采用简单的穿孔管曝气，这一时期的技术进展表现为我国对于射流曝气的开发和掌握，到80年代初国内第一个大型城市污水处理厂引进中刚玉盘的微孔曝气，90年代，开发橡胶材料的可变孔微孔曝气装置，体现了这一领域的进展。
我国城市污水处理技术研究工作从20世纪70年代末起步，经过20多年的不懈努力，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，随着改革开放也不断引进国外新的工艺技术。目前在水污染治理技术上，已成功广泛使用传统活性污泥法、延时法等新型活性污泥工艺、SBR、AB法、UNITANK和氧化沟技术、A-O法和A2-O等变形工艺。这些在我国城市污水处理厂普遍采用的工艺，是欧美等发达国家所采用的主导技术，并被证明是行之有效的水污染控制技术。这些工艺原则上也适用于小城镇污水处理，但是，对于我国大量的小城镇的小型城市污水处理厂，应该根据这一巨大需求开发小城镇适用的简易高效污水处理成套技术，重点要解决在城市污水处理厂出现的三高问题，即投资高、电耗高和运行费用高。
2小城镇污水处理的适宜工艺
2.1SBR反应器
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。
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：
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(表1)。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。
2.2氧化沟工艺
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。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：
① 构造形式具有多样性
② 氧化沟曝气设备的多样性
③ 简化了预处理和污泥处理
2.3 曝气生物滤池工艺
现代曝气生物滤池(简称BAF)是在70年代末80年代初出现的一种膜法生物处理工艺，最初是应用在污水处理的三级处理上。其将生物接触氧化与过滤结合在一起，不设沉淀池，通过反冲洗再生实现滤池的周期运行。在废水的二级处理中其保持接触氧化的高效性，同时又可通过过滤获得高的出水水质。90年代初得到了较大发展(图1)。以BAF为代表的工艺主要优点如下：
① 工艺容积负荷可高达6.0kgBOD/m3.d，出水达到或接近生活杂用水标准；
② 占地面积少：曝气生物滤池占地是常规二级生化处理的1/5～1/10；
③ 投资省：BAF系统总水力停留时间短，基建投资少，同时出水水质高。
曝气生物滤池可以有多种运行方式，可以下向流的方式运行，也可以是上向流的方式运行，采用上向流的曝气生物滤池往往采用轻质滤料。曝气生物滤池工艺也可与其他生物处理工艺一样采用多级串联工艺。采用两级串联工艺为进一步降解污水中难降解的有机污染物和达到严格的出水水质提供了可靠的保证，可以获得了优良的处理效果，保证了出水的稳定性。
2.4 三相内循环流化床反应器
内循环三相流化床反应器，作为一种新型的三相流化床，其反应器的诸多特性主要体现在气、液循环、载体流态的特殊运行规律。由于在内循环三相生物流化床反应器内装有大量细小的载体，并使之处于循环流化状态，为微生物的附着生长提供巨大的表面积，同时保证良好的混合和传质条件(图2)。因此本质上该反应器是一种生物膜法处理工艺。
三相内循环流化床不仅具有一般好氧流化床的特点，还具有以下特点：
① 流化性能好，反应器处于完全混合状态：反应器内大部分载体都参与循环流动，载体流化具有良好的均匀性，这为生物膜形成提供了条件；
② 氧的转移效率高：由于大量液体循环流动，在此过程中会夹带一些细小的气泡，延长气-液接触时间，提高了氧的转移效率。氧利用率可达30%～50%；
③ 载体流失量少，不需专门的脱膜设备，大大简化了原来的流化床处理污水所需的辅助设备。
在投配容积负荷达10kgCOD/m3.d以内时，可获得70%～80％左右的COD去除率，与传统活性污泥相比去除污泥负荷可提高10倍左右。内循环三相生物流化床进入正常运行后，COD去除率均达75%以上，尤其是进水浓度较高时，去除率可达90%以上。这说明流化床具有较强的抗冲击能力。
3 可持续发展的污水处理工艺
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。
3.1新技术、新工艺的开发
从技术发展的角度给开发新技术提供了可能性，各种类型有机污染物的厌氧(缺氧)、好氧降解反应过程汇总如下。
好氧(缺氧)过程 厌氧(缺氧)过程
1) COD®H2O＋CO2 (传统好氧) 2) COD ® CH4+CO2(传统厌氧)
3) NH4+ ®NO2－ ®NO3- (硝化) 4) NO3-( NO2-)® N2 (厌氧或缺氧(短程)反硝化)
5) PO4-＋生物-P ®生物-P(厌氧) 6) NH4+＋NO2-®N2(厌氧氨氧化)
7) H2S ®So (微需氧或缺氧) 8) SO4= ®H2S (厌氧反应)
9) R-Cl®CO2 + Cl- (好氧反应) 10) RCCl®CH4+CO2+Cl-(厌氧反应)
以上反应为新工艺开发的化学反应基础，是新工艺开发的基础和生长点。人们过去对于好氧微生物和专性厌氧微生物研究十分充分, 而对兼氧性微生物的研究不够。反应式(1、2和3)为传统厌氧和好氧工艺，其他均为兼性菌的反应。事实上，去除 N、P的A2O或AO工艺(反应4、5)就是利用兼性菌的工艺。Kuenen等发现某些细菌在硝化、反硝化应用中能利用NO2-或NO3-作电子受体将NH4+氧化为N2和气态氮化物(反应式5)；在这些反应的基础上，正在开发短程反硝化、ANAMMOX和OLAND等符合可持续发展的新工艺。可以很好的与氧化沟、生物膜、SBR反应器和间歇曝气等工艺结合。
成功的利用兼性微生物的典型工艺是北京环保所在80年代开发的水解－好氧处理工艺。水解池利用水解和产酸微生物，将污水中的固体、大分子和不易生物降解的有机物降解为易于生物降解的小分子有机物。使得污水在后续的好氧单元以较少的能耗和较短的停留时间下得到处理。从大量实践来看，采用水解－活性污泥法与传统活性污泥相比，基建投资、能耗和运行费均可节省30%以上。
3.2 生态处理技术
所谓生态处理技术并不是什么全新的技术，而是在农村和小县城可以根据当地社会、经济和自然条件，而适当采用的土地处理技术、氧化塘处理技术和人工湿地处理技术等等。土地快速渗滤或慢速渗滤污水处理系统，是利用天然或人工砂土，在一定水力负荷条件下，通过土地处理系统产生综合的物理、化学和生物反应使污染物得以去除，其中主要是生物化学反应。满足出水的处理目标。该技术建设和运行费用低、管理简单和出水效果好，适合于我国国情。
而污水人工湿地处理技术，将污水有控制地投配到经人工改造的湿地上，利用土壤、植物和微生物等对污水进行处理。深圳平湖白泥坑人工湿地系统是我国九十年代具有代表性的工程。近年来，该技术研究和应用较为广泛。稳定塘则是一种构造简单，易于管理，处理效果稳定可靠的污水自然生物处理设施。污水在塘内通过长时间的停留，其有机物通过不同细菌的分解代谢作用用后被生物降解，稳定塘按照功能可分为以类： (1) 好氧塘；(2) 兼性氧化塘；(3) 厌氧氧化塘；(4) 曝气氧化塘；(5) 高效氧化塘。
4小城镇污水物化处理
4.1一级化学强化处理
国家城镇污染技术政策建议非重点流域和非水源保护区的建制镇，根据当地经济条件和水污染控制要求，可先行一级强化处理，分期实现二级处理。一级物化处理有投资省、运行费用和能耗低的优点，特别是采取一级强化处理措施，在费用和能耗增加不多的条件下，较大幅度的提高有机物的去除率，以达到大量削减有机污染物总量的目的，这对于我国这样一个发展中国家是一条值得探索的途径，对全面实现我国水环境彻底改善的目标具有重大意义。表2是国内外一些一级强化处理工艺典型工艺的汇总表。
强化一级处理的工作的特点如下：
一级强化化学处理与絮凝剂的发展密切相关，现在由于高效、廉价絮凝剂的出现，国外在城市污水处理中已经应用。瑞典的城市污水处理厂大部分都采用了化学处理与生物处理联用。瑞典有关部门曾对生物处理和化学处理中所需能量进行了比较，生物处理每降解1 kgBOD7需1.3kW.h。絮凝剂生产的原料、运输和形成最终产品所需能耗为每kg产品约0.3kw·h，通常絮凝剂的投加量平均约为150g/m3，可见化学处理的药耗能耗远低于生物处理。一级强化处理工艺特点如下：
① 去除率高：对悬浮固体、胶体物质和磷的去除具有明显效果，一般可去除悬浮固体达90%，BOD50%～70%，COD50%～60%，细菌80%～90%，总磷80%～90%。
② 投资效益好：能降低后续生物处理的负荷和电耗，运行稳定，所需生化池容积较小，节省用地和造价，而且近期投资环境效益较好(与一沉池比较)；
③ 除磷效果好：国内外的实际运行经验表明，除磷效率将高于生物除磷，当结合后续生物处理时，出水的TP含量可望满足0.5mg/L的排放要求(一级标准)。
④ 化学污泥的处理和处置：采用一级强化工艺的污水厂，化学药剂的投加会使沉淀污泥的产量增加、浓度降低，污泥体积增大，使污泥处理处置的难度增加，初沉池产泥量将增加50%～100%。除了考虑药剂费用外，要考虑污泥的处理处置费用。一级强化工艺增加了污泥处理处置费用相当可观，对此需引起足够的重视。
4.2化学除磷
随着我国污水排放标准中对N、P的要求日趋严格，我国面临着现有污水处理设施的除磷工艺改造和新建具有除磷脱氮功能的污水处理设施两种情况。活性污泥工艺和生物接触氧化工艺是具有代表性的两种污水处理工艺。目前国内外普遍采用的除磷方法主要有化学除磷和生物除磷法，以及化学和生物除磷相结合的生化除磷法。化学除磷投药量计算较为复杂，目前还没有公开发表过技术试验结果来描述化学除磷投药量的计算方法。常引入药剂投加系数β值，即：
β＝摩尔Fe或Al/摩尔
投加系数β是受多种因素影响的，如投加地点、混合条件等，实际投加时建议通过投加试验确定。现对中试试验中β与TP去除效果进行分析，如图3和图4。
由图3可知，要达90%以上的TP去除率，铁盐β值应在1.6以上。且相同β值情况下，活性污泥工艺的TP去除率优于生物接触氧化的TP去除率。同理，对于铝盐β值，要达90%以上的TP去除率，对于活性污泥工艺应在1.2以上，对于生物接触氧化工艺应在2.0以上。相同β值情况下，活性污泥工艺的TP去除率优于生物接触氧化的TP去除率，且程度高于投加铁盐的效果。
5小城镇污水处理新材料和新施工方法的应用
水污染控制技术涉及到处理技术研究开发、工程设计、工程实施、设备加工和运营管理等各方面。以往人们着重于工艺技术的开发和研究。工艺开发无疑是很重要，但是，当工艺确定以后，应该更加注重工程和制造环节，提倡新材料、新技术、新设备和新的施工方法的改进和革新。在这一方面过去没有引起足够的重视，事实上，过去不乏这样的实例，例如：高效曝气装置的应用可以大幅度的降低能耗；如Biolock、Lipp等新的建筑材料和施工方法的应用，形成了新的工艺。
5.1设备化的小型污水处理厂
国外发达国家的工业废水处理工程大多已采用新设备、新材料和新工艺来设计和建造，如德国利浦(Lipp)公司的双折边咬口技术和Farmetic公司的拼装制罐技术。这些技术应用金属塑性加工中的加工硬化原理和薄壳结构原理，通过专用技术和设备将2～4mm镀锌钢板建造成体积为100～2000m3的反应器。具有施工周期短、造价较低、质量高等优点，其施工周期比同样规模的混凝土罐缩短60%，比普通钢板罐节省材料达50%以上，而且耐腐蚀，不需保养维修，使用寿命要达20年以上。
例如，Lipp制罐技术是一种具有世界先进水平的制罐工艺与技术，但是需要特殊机械。80年代国内粮食系统引进多套加工机械，并且在粮仓上有大量的应用。目前也逐步应用于城市污水处理。
5.2新型防渗施工材料应用
根据调查我国废水处理设施资金的54%用于土建工程设施，而只有36%用于设备，造成这种投资分配格局的主要原因是工艺池大都采用价格昂贵的钢筋混凝土池。大的钢筋混凝土池不仅价格昂贵，而且施工难度大。但对于小城镇许多种污水处理工艺而言，都可考虑采用土池。为了减少投资，很多公司在研究土池结构的曝气池上做了大量工作，首先是使用HDPE防渗膜隔绝污水和地下水，其次是解决避免了在池底池壁穿孔的曝气方式的安装。例如，百乐卡技术采用悬挂在浮管上的微孔曝气头、氧化沟技术采用表面转刷或转碟曝气以及采用表面曝气的其他曝气池等等。
百乐卡工艺是一种多级活性污泥污水处理系统。它是由最初采用天然土池作反应池而发展起来的污水处理系统。经多年研究形成了采用土池结构、利用浮在水面的移动式曝气链、底部挂有微孔曝气头的一种具有一定特色的活性污泥处理系统。这种敷设HDPE防渗膜的土池不仅易于开挖、投资低廉，而且完全能满足污水处理池功能上的要求，并能因地制宜，极好地适应现场的地形，存某些特殊的地质条件下，如地震多发地区、土质疏松地区，其优点得到更充分的体现。敷设HDPE防渗膜的土池使用寿命远远超过钢筋混凝土池。
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