污水处理及其再生利用行业新技术应用状况及发展趋势与运行力预测

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第一节 行业最新科技应用状况

目前我国污水处理中应用较多的技术包括氧化沟工艺、SBR法、CASS工艺、接触氧化法、曝气生物滤池工艺(BAF)、MBR法和速分生物处理技术等。上述方法各有优缺点,选取主要方法描述如下:

A、CASS工艺

CASS(Cyclic Activated Sludge System)工艺是近年来国际公认的处理生活污水及废水的先进工艺之一。其基本结构是:在序批式活性污泥法(SBR)的基础上,反应池沿池长方向设计为两部分,前部为生物选择区也称预反应区,后部为主反应区,其主反应区后部安装了可升降的自动撇水装置。整个工艺的曝气、沉淀、排水等过程在同一池子内周期循环运行,省去了常规活性污泥法的二沉池和污泥回流系统;同时可连续进水,间断排水。

B、MBR工艺

膜生物反应器(MBR)是一种将膜分离单元和生物处理单元结合的新型水处理技术,在近几十年来得到迅猛发展。该工艺应用中空纤维膜取代了活性污泥法中的二沉池,进行固液分离,有效的达到了泥水分离的目的。膜的高效截留作用,可以有效截留硝化菌,使其完全截留在生物反应器内,使硝化反应得以顺利进行,有效去除氨氮,避免污泥的流失,同时可以截留一时难于降解的大分子有机物,延长其在反应器的停留时间,使之得到最大限度的分解。

但是MBR工艺仍存在如下缺点:膜造价高,膜组件使用寿命短,2~3年即需更换;容易出现膜污染;能耗高,为了加大膜通量、减轻膜污染,必须增大流速,冲刷膜表面,造成MBR的能耗要比传统的生物处理工艺高。

C、速分生物处理技术

速分生物处理技术是一种新型污水处理技术。该技术的原理是利用流体力学中的“流离”原理,突破传统的生物处理方法,使处理系统中单一生物环境转变为多变生物环境,使污水在集合体内多次重复发生厌氧、耗氧反应,且处理过程无需沉淀池、反冲洗和污泥处理等系统。速分生物处理技术的核心是“速分生化球”,作为生物载体,填充在专门设计的速分生化池内,附着在其上的生物膜是生化处理系统的主体作用物质。速分生化球可正常使用30年而无需更换,比传统的生物填料节约了大量的更换、维护费用。

第二节 行业科技发展趋势


1、具有脱氮除磷功能的污水处理工艺仍是今后发展的重点

《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)对出水氮磷有明确的要求,因此已建城镇污水处理厂需要改建,增加设施去除污水中的氮、磷污染物,达到国家规定的排放标准,新建污水处理厂则须按照标准GB18918-2002来进行建设。目前,对污水生物脱氮除磷的机理、影响因素及工艺等的研究已是一个热点,并已提出一些新工艺及改革工艺。


如MSBR、倒置A2/O、UCT等,并且积极引进国外新工艺。


如OCO、OOC、AOR、AOE等。对于脱氮除磷工艺,今后的发展要求不仅仅局限于较高的氮磷去除率,而且也要求处理效果稳定、可靠、工艺控制调节灵活、投资运行费用节省。目前,生物除磷脱氮工艺正是向着这一简洁、高效、经济的方向发展。


2、高效率、低投入、低运行成本、成熟可靠的污水处理工艺是今后污水处理厂的首选工艺

我国是一个发展中国家,经济发展水平相对落后,而面对我国日益严重的环境污染,国家正加大力度来进行污水的治理,而解决城市污水污染的根本措施是建设以生物处理为主体工艺的二级城市污水处理厂,但是,建设大批二级城市污水处理厂需要大量的投资和高额运行费,这对我国来说是一个沉重的负担。而目前我国的污水处理厂建设工作,则因为资金的缺乏很难开展,部分已建成的污水处理厂由于运行费用高昂或者缺乏专业的运行管理人员等原因而一直不能正常运行,因此对高效率、低投入、低运行成本、成熟可靠的污水处理工艺的研究是今后的一个重点研究方向。


3、对适用于小城镇污水处理厂工艺的研究

发展小城镇是我国城市化过程的必由之路,是具有中国特色的城市化道路的战略性选择。1978~2000年我国建制镇由2178个增至20312个,目前各种规模和性质的小城镇已近48000个。如果只注重大中城市的污水处理工程的建设,而忽视如此数量多的小城镇的污水治理,则我国的污水治理也不能达到预定目标。而对于小城镇的污水处理又面对着一系列的问题:小城镇污水的特点不同于大城市;小城镇资金短缺;运行管理人员缺乏等。因此,小城镇的污水处理工艺应该是基建投资低、运行成本低、运行管理相对容易、运行可靠性高的工艺。目前对适用于小城镇污水处理厂工艺的研究方向是:从现有工艺中比选出适合小城镇污水处理厂的工艺,同时开发出适用于小城镇污水处理厂的新工艺。


4、对产泥量少、且污泥达到稳定的污水处理工艺的研究

目前,污水处理厂所产生的污泥的处理也是我国污水处理事业中的一个重点和难点,2003年中国城市污水厂的总污水处理量约为95.9562×108/a,城市平均污水含固率为0.02%,则湿污泥产量为965.562×104t/a,并且污泥的成份很复杂,含有多种有害有毒成分,如此产量大而且含有大量有毒有害物质的污泥如果不进行有效处理而排放到环境中去,则会给环境带来很大的破坏。目前我国污泥处理处置的现状不容乐观:据统计,我国已建成运行的城市污水处理厂,污泥经过浓缩、消化稳定和干化脱水处理的污水厂仅占25.68%,不具有污泥稳定处理的污水厂占55.70%,不具有污泥干化脱水处理的污水厂约占48.65%。这说明我国70%以上的污水厂中不具有完整的污泥处理工艺而对此问题进行解决的一个有效办法是:污水处理厂采用产泥量少、且污泥达到稳定的污水处理工艺控制工程网版权所有,这样就可以在源头上减少污泥的产生量,并且可以得到已经稳定的剩余污泥,从而减轻了后续污泥处理的负担。目前,我国已有部分工艺可做到这一点,如生物接触氧化法工艺、BIOLAK工艺、水解-好氧工艺等,但是对产泥量少、且污泥达到稳定的污水处理工艺的系统研究还没有开始。


第三节 行业发展趋势

一、市场发展趋势

目前,中国水务市场,虽然资本推动和行政因素特征仍然比较显著,但是市场化的改革方向不可逆转。随着中国公用事业体制改革的深入,水务行业的市场化程度将不断提高,进而为行业整合与跨区域发展提供了动力,把握机会的优势企业将进一步巩固其行业地位。水价改革带来的价格上涨的动力将进一步助推水务企业成长,同时也将引致更多行业竞争对手。

中国的水务行业还处于成长期,市场集中度偏低,缺少行业领导者,地域垄断特征明显。依据行业吸引力和技术关联度向产业链纵向延伸,以及水务一体化成为主要发展方向。运营管理能力、资本运作能力、市场开拓能力、技术应用与开发能力和风险控制能力已经成为水务行业企业的关键成功要素。寻求市场份额与投资收益的平衡是现阶段中国水务企业成长过程中关注的焦点。

根据我国污水排放的预测,以及我国环境治理的计划和2010年远景规划,我国污水处理率2010年达到45%。2010年我国污水排放量将达到763亿立方米,处理45%为343.8亿立方米即每日9407万立方米,扣除2000年已经达到的日处理能力即2685万立方米,尚需建设日处理能力6722万立方米的污水处理厂,约需人民币1344亿元。


二、行业竞争趋势

1、资金成为拉动污水处理发展的核心动力和产业纽带

在国际化、市场化的背景下,水源污染严重、处理设备落后的行业背景下,污水处理行业呈现巨大的资金需求。工业污水处理发展由原先计划体制下的技术拉动转型为投资拉动,投资不仅是开拓污水处理市场的决定性砝码,也是串起技术、工程、产品、运营产业链的有效手段。污水处理在巨大需求背景下的投资拉动特征,使来自国际、民营、其他社会资本得以迅速进入工业污水处理行业并成为主角。国家对城市基础设施领域资本进入的放宽,市场金融工具的丰富,以及传统企业的产权多元化的全面实施,将进一步加强资本在工业污水处理行业中的权重。

2、以获得市场为动机的战略联盟是行业市场化程度的重要标志

市场经济的基础是契约,而战略联盟就是企业间的稳定契约形式,稳定的契约形式可以有效化解中间交易成本。世界500强企业中,平均每个企业参加60个不同性质的战略联盟。中国水业正处于市场化发展的前期,从行业上看是污水处理政策体系的模糊和不完善,从产业上看是企业的分散和松散。同时,水业综合性极强,关联度大,以规模化为基础的,以投资企业为龙头的集投资、设计、工程、运营、设备供应的纵向产业链战略联合体,将成为企业参与竞争、抵御风险、降低成本的主要手段。


三、技术发展趋势

1、膜材料与膜应用技术的发展

国家实行的膜材料与膜技术应用国债项目带动了我国水污染治理膜技术与膜材料的研发应用。近年来,我国在膜材料的研究开发方面取得了长足的进展,基本打破了过去发达国家对我国实行膜材料制造技术的封锁状态,我国水污染治理技术研发机构依靠自己的力量,开发了具有独立知识产权的膜材料和膜组件。

2、工业废水治理技术的发展

全国各地针对部分工业企业没有实现废水达标的情况,开展了剩余污染源和不合格污染治理设施的达标治理工作。在这一形势下,促使水污染治理技术研发与服务业有了较大发展。未来的技术发展方向将是针对造纸、化工、医药、酿造和皮革等重点行业。

在面对环保大变革大发展的情况下,对于技术的整合创新将会是重头戏,以下是具有实用型高新技术的发展路程,送给环保人们,希望在高压之下能有时间品味一下这篇经典。


一、我国面临的主要水环境问题


1、污水处理率与投资预测

资源性短缺和水环境污染造成的水资源危机已经成为我国社会、经济发展的重要制约因素,目前,全国600 多个城市大约有 2/3 的城市缺水。在某些地区,甚至对人民基本生存条件造成极大威胁。而我国水环境问题具有复杂性,北方地区面临的水环境问题不同与南方地区的问题,主要是水资源短缺和合理利用、水污染控制和污水的回用、季节性河流的达标(特别是功能区达标)等问题。在南方地区则水污染和水体富营养化,成为突出的环境问题。


我国2000年废水排放量约480亿m3/年。自90年代以来,我国的国民生产总值连续以8%~11%的高速率的增长,预计新世纪的头20年内我国经济增长将保持在 6%~9%的高、中速率稳定发展。考虑上述因素污水量增加量按 5%的速率考虑。到 2010 年增加污水量 300亿 m3。


我国中小城镇建设得到了很大发展。2010年,全国设市城市达到1200个左右,建制镇达到 2.5~3 万个,到2020年,全国村镇自来水普及率达到65%,小城镇人均日用水量180升、村庄110升(依此计算新增城镇年废水量可能达到 270 亿吨)。


综上所述,考虑现状污水量、污水增量和建制镇污水量,到2010年城市污水排放总量为1050亿m3。根据《国民经济和社会发展“九五”计划201年远景目标纲要》的要求,到2010年城市污水处理率要达到50%,则需增加500亿m3/a(1.4亿m3/d天)的处理规模。如果按静态投资(考虑配套管网)处理每立方米污水投资2000~3000元的低限值计算,则需投资3000~4000 亿元。


2、城镇污水处理厂建设重点

由于我国目前还处于社会主义发展的初级阶段。大多数中小城镇处于不太发达的农村地区,造成污染的是量大面广,是我国下一阶段治理的重点。对于我国大量的中、小城镇的小型城市污水处理厂,是我国水污染控制的难点。根据这一特点必须开发中小城镇适用的简易高效污水处理成套技术,重点要解决城市污水处理厂的三高问题,即投资高、电耗高和运行费用高。国家环保总局曾提出需要建立与我国现阶段国情相适应的、经济实用的先进工艺技术的示范工程,示范工程应该满足:


吨水投资低,吨水造价应该控制在 800 元;


运行费用低,吨水运行费应该控制在 0.3 元以下;


在工程中采用国产化的设备,并且采用总承包和实施运营的机制。


这是解决我国中小城镇污水处理的一种希望和要求。


二、常用城市污水处理技术介绍和分析


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。

1、沉淀和曝气、间歇和连续相结合实现自动控制的序批式(SBR)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(也可用两个或三个反应器)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LUCAS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

优点 原因

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:


a) 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;

b) 对于多个SBR反应器进水和排水的阀门自动切换频繁;

c) 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;

d) 设备的闲置率较高和污水提升水头损失较大等等。

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:


a) 构造形式具有多样性

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。


b) 氧化沟曝气设备的多样性

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。


c) 简化了预处理和污泥处理

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。

图来自网络仅供参考

三、城市污水处理技术问题的思考


1、关于城镇污水处理主导工艺的思考

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。西方国家经过一、二十年的治理工作,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。


2、从可持续性思考城镇污水处理工艺技术

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,这些工艺是上世纪六、七十年代开发的工艺,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kW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。


3、关于城镇污水处理厂污泥处理的思考

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。

四、城市污水处理新工艺新技术介绍


1、生物化学反应理论基础

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。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 ®S0 (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)


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,利用兼性细菌的工艺人们早已涉及,如,对去除 N、P的A2O或AO 工艺(反应4、5),利用兼性菌在好氧条件下进行好氧代谢,而在厌氧条件下进行厌氧代谢。在含有硫酸盐的有机废水中,厌氧反应将有机物和硫酸盐分别转化为有机酸和硫化氢(反应8)。产生的硫化氢被微需氧细菌直接氧化为硫元素。这可以用来去除硫化物并回收硫元素(反应7)。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);在这一反应的基础上,正在开发 ANAMMOX 工艺和 OLAND 等工艺。最新研究表明一些在好氧状态下难降解芳香族和卤代烃在厌氧条件下容易分解(反应 9、10)。以上反应为一些新工艺的化学反应基础,其基本原理是新工艺开发的基础和生长点。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。


需要说明的是水解-好氧工艺中的水解(酸化)过程与好氧AO(HO)、A2O和AB等工艺中A段中发生的水解过程也是有较大区别的。这表现在以下两个方面:首先是菌种不同,如上所述在水解工艺中的优势菌群是厌氧微生物,以兼性兼性微生物为主,而在好氧AO(HO)、A2O和AB等工艺中A段中的优势菌是以好氧菌为主。仅仅部分兼性菌参加反应;其次,在反应器内的污泥浓度不同,水解工艺采用的是升流式反应器,其中污泥浓度可以达到 15~25g/L,而好氧 AO、A2O 和 AB 等工艺中从二沉池回流污泥浓度一般最高为5~8g/L,并且以好氧菌为主。以上的差别造成了水解工艺是完全的水解,而好氧 AO(HO)、A2O 和 AB 等工艺中 A 段仅仅发生部分水解。


从大量实践来看,采用水解-活性污泥法,与传统的活性污泥相比,其基建投资,能耗和运行费用可分别节省30%以上。从目前我们大量实践看:对于不要求脱氮除磷的中、小城镇污水处理厂的投资为500~700元/m3(污水);对需要脱氮除磷的污水处理厂投资在800元/m3(污水)左右。由于水解池具有改善污水可生化性的特点,使得工艺不仅适用于易生物降解的城市污水等。同时更适用于处理不易生物降解的某些工业废水。


2、城市污水处理工艺的极限

对于污水处理系统存在三种基本类型的微生物聚集体存在的方式:固定膜(如:滴滤池)、絮状污泥(活性污泥工艺)和悬浮生物膜颗粒(移动床、流化床和气提反应器等)。以上工艺开发和存在的内在原因是人们不断的追求高效率、低能耗、低成本和低的占地面积等高的性能指标的不断实践的产物。而开发的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。这些限制条件综合结果构成对于好氧生物反应器的极限,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。通过对上述限制条件的数学推导,代入主要的好氧系统的基本设计条件(例如:供氧能力、污泥浓度、固液分离负荷等),根据不同类型反应器的设计准则将浓度-流量平面划成不同的区域。在浓度-流量相平面上不同区域的应用条件为:


区域 A:长停留时间的悬浮生长系统;

区域 B:在高流量条件下,颗粒和絮体将被冲出,只有固定膜可以保持在系统中;

区域 C:流量和负荷适合于颗粒污泥和悬浮生物膜颗粒反应器;

区域 D:只有可以采用分离和回流措施,流量和负荷适合于絮状污泥(如活性污泥工艺),这一部分与 C 区域存在重叠;

区域 E:对于高浓度和低流量的废水,可以采用升流式污泥床反应器。污泥可以不需要外部的分离器而保持在系统中。


对于生物载体颗粒和絮体污泥假设沉淀速度分别为30m/h和5m/h,径高比α=5(好氧系统最大氧转移速率为10kg/m3.d)。从而在C-Q平面中形成的限制生物膜颗粒和悬浮絮状污泥应用的区域。


这构成了沉淀功能对于反应器功能扩展的限制,不同时期人们对于沉淀池和气浮工艺进行了大量的研究和开发。例如,70年代对于斜板沉淀池、80年代末对周边进水周边出水沉淀池、90年代对于高效气浮池(涡漩气浮、浅池气浮)等等工艺的开发均反映了人们在不同时期对这一限制的突破。在90年代人们逐渐从对于单一功能的研究和开放,转化为对不同功能的综合,例如对于生物反应和沉淀功能的综合,导致三沟式氧化沟、SBR反应器和UNITANK的开发和应用。还有在三相内循环流化床中实现气、固、液的分离,特别是集接触氧化反应和过滤为一体的曝气生物滤池,以及利用高科技的膜生物反应器。这一系列探索体现了对于反应器固液分离、沉淀功能限制(极限)的探索和突破。


顾名思义好氧生物反应器的基本属性有三个即好氧条件的保持(充氧)、生物质的保持和维持(生物量和活性)和反应器的形式。从本质上讲反应器的形式没有先进和落后之分,例如:目前食品发酵行业,如啤酒生产仍然延续18世纪发明的“落后的”恒化器(完全混合)反应器。这是因为啤酒生产要求取得高的产率,在高的基质浓度下酵母细菌趋向于自由分散生长,这一反应器是适宜的反应器形式,但是需要对自由生长的细胞进行过滤分离(甚至膜分离)。对于不同的领域反应器的应用是存在高效和低效之分,对于处理生活污水生物膜反应器和活性污泥工艺的处理负荷1.0~2.0kBOD/m3.d,而三相内循环流化床反应器可以达到5~10kgBOD/m3.d,所以对于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、活性污泥工艺向移动床和流化床反应器发展。


在生活污水处理工艺发展过程中,对于反应器内生物质的改善是反映在从生物量和生物活性两方面的不断提高,城市污水(生活污水)处理技术起源与生物滴滤池,但是由于滴滤池中的填料粒径较大,比表面积较小生物量较少,在1914年开发了活性污泥工艺,通过回流生物量可以保持在最高 3~5g/L。在80年代初,我国和日本同时开发的接触氧化工艺,这一时期的工作对填料进行了大量的研究,开发了蜂窝填料、软性填料、半软性填料和弹性填料等等,通过提高比表面积达到提高生物量的目的。接触氧化工艺的生物量可以达到5~8g/L,从而负荷比活性污泥工艺可以提高一倍以上。反应器池容(占地)可以减少50%以上。但是从投资没有本质的变化,因为填料费用的增加抵消了池容投资的节约。同时,还有使用寿命、放大和堵塞一系列问题。这导致移动床和流化床反应器的开发,这也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。从反应器生物的外在形态上是悬浮状态,而生长方式是生物膜生长。生物载体的比表面积大大提高,从接触氧化工艺的200~300m2/m3提高到 2000~3000m2/m3,从而生物量达到了 20~30g/L,这是负荷可以达到5~10kgBOD/m3.d 的主要原因。从固定床、悬浮生长系统到流化床的发展,反映了人们对于高效率、高负荷和高生物量的追求,也是对于反应器负荷极限的挑战,这构成了生活污水处理发展趋势之一。


最后,对于好氧反应器充氧、传质性能的提高无疑是十分重要的内容。人们首先对曝气充氧器材进行了大量的研究和开发,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。目前,开发采用橡胶材料的可变孔微孔曝气装置,体现?了这一领域的进展。另外,人们根据充氧理论采用提高氧浓度分压方式,对纯氧曝气、富氧曝气和深井曝气工艺进行了开发,体现了人们在提高充氧和传质这一领域追求更高和更好,向极限挑战的精神。


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。以BAF为代表的工艺主要优点下:


a) 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;

b) 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;

c)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。

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。其基本的工作原理也主要体现这几方面的不同变化,即液体内循环速度、有机物降解动力学、氧转移特性、液体流态、载体流化特性等方面。


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。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。

来自于网络-概念图

五、我国城市污水处理技术发展思路和对策


对于我国这样一个污染严重、资源短缺的不发达国家,先进的水处理工艺开发的标准应该是适合我国国情、高效、低耗和低成本的污水处理技术。各类效率高、投入低、可达到一定治理深度的城市污水处理新技术,对经济尚不够发达而污染亟待治理的我国,尤其是绝大多数没有污水处理设施的 17000多个建制镇,在一段时期内都将具有重要意义。以厌氧-好氧生物处理工艺、水解-好氧处理工艺、流化床和曝气生物滤池等为代表的低耗、高效工艺有希望满足这一需求。


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。从市场化和产业化的观点,我国城市污水处理的主要任务是在以上三个方面重点发展:


1、大力发展先进的水处理工艺技术

2、大力推进水处理技术和设备的产业化

3、大力鼓励水处理设施运营产业化


以往人们对于工艺技术、工程建造和设备制造和设施运营三者之间的关系着重于工艺技术的开发和研究。工艺开发无疑是很重要,不同工艺的选取可能会很大程度的影响到污水处?理厂的投资和运行费用(比如采用低负荷的延时曝气系统和高负荷的生物曝气滤池,两者负荷可能会相差十倍)。但是,当工艺确定以后,应该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工艺、Lipp制罐技术等等,是新的建筑材料和方法的应用,形成了新的工艺。


污水处理设施的运营业是传统的技术服务范围;而BOT方式的引入在水处理领域也会逐步打破传统甲、乙方概念,产生甲、乙方角色互换,导致了类似于物业管理型的技术服务需求。对技术服务提出了更高层次的要求。采用BOT方式大大减轻地方政府当前的经济压力,加快基础设施建设步伐,满足全社会对公共工程和基础设施的需求。目前各种基金、上市公司、投资公司和各种社会资金将加速投入这一市场,将加剧这一市场的竞争,但是同时无疑会促进水污染控制市场的成熟和发展。因此,水污染控制市场具有设备化、专业化、资本化和开放性的特点。

(来源:水处理观察)

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