城市低浓度污水处理工艺的研究新进展_污水处理的新工艺研究
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城市低浓度污水处理工艺的研究新进展
摘要: 传统的污水处理工艺面临着同时高效脱氮除磷问题，而城市污水的碳源浓度较低却使问题更加突出。本文综述了低浓度污水处理技术研究的最新进展，重点介绍了生物膜法、A2/O工艺、序批式活性污泥法（SBR）、膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB）与SBR组合工艺、厌氧折流板反应器（ABR工艺）、人工湿地处理工艺等，并对我国城市污水脱氮除磷的研究方向提出展望。
关键词：低浓度；污水；好氧工艺；厌氧工艺
Research Progre for Low Strength Wastewater Treatment in urban
Abstract: Traditional wastewater treatment proce is facing the problem of nitrogen and phosphorus removal efficiency, but the low carbon sources of municipal wastewater make this problem more badly.This paper summarized the development of treatment of low strength wastewater, mainly introduced bio-film, anaerobic-anoxic-oxic proce(A2/O), sequencing batch reactor(SBR), expanded granular sludge bed(EGSB)combined with SBR proce, anaerobic baffled reactor(ABR)and constructed wetland, and puts forward prospect in nitrogen and phosphorus removal of sewage in China.Keywords: low strength;municipal wastewater;aerobic treatment;anaerobic treatment 引言
低浓度污水一般是指 COD 浓度低于1000 mg·L-1或BOD浓度低于500 mg·L-1的有机污水，主要由城市生活污水和各种稀释的工业废水等组成[1]。低浓度污水由于碳源不足，无法为微生物提供足够的养分，对生物处理中的脱氮除磷过程有着制约作用。生物除磷脱氮的原理是微生物在厌氧、缺氧、好氧的交替环境中，依靠硝化菌和反硝化菌的硝化—反硝化作用实现生物脱氮，依靠聚磷菌的厌氧释磷—好氧摄磷作用实现生物除磷。脱氮除磷过程中的反硝化菌与聚磷菌间的矛盾主要由碳源竞争引起，因为厌氧释磷、缺氧反硝化、好氧异养菌代谢都需要消耗碳源。其中反硝化和释磷对于挥发性脂肪酸的竞争尤为突出，为了充分释磷，往往先满足厌氧释磷对碳源的要求，从而导致反硝化碳源的不足，影响处理系统脱氮的效果。因此，处理好低碳源条件下脱氮除磷的矛盾，进而达到同时高效脱氮除磷的目的，成为了今后城市污水处理亟待解决的问题。用于低浓度污水处理的主要工艺
一般来说，城市低浓度污水的处理多采用生物膜法、活性污泥法、厌氧处理工艺等，在环境允许的地方还可以考虑人工湿地处理方法。目前，活性污泥法等好氧工艺技术已经研究发展得比较成熟，并应用到了许多实际工程中，取得了比较好的成果[2]-[3]。然而随着我国城镇化进程的加快，城市污水排放量正逐年增长，而好氧工艺由于使用了充氧设备，其能耗大，维护管理及运行的费用较高，已经对财政造成了很大的困扰。相对于好氧工艺，厌氧生物处理法能耗少，运行费用低，且营养盐需要少，这对C/N小的生活污水来说尤为重要。因此在继续挖掘好氧工艺潜力的同时，越来越多的研究者开始进行低浓度污水的厌氧处理研究，并已取得了不错的成绩。2.1 序批式活性污泥工艺（SBR）
SBR法在我国城市污水处理中研究比较深入，技术已经趋于成熟。SBR工艺流程简单，污水在一个反应池内就可以完成生化反应、沉淀、排水、排泥，在运行费用低的前提下可以取得比较高的脱氮除磷效果，耐冲击负荷也比较强。然而传统的SBR法存在水力时间停留过长的问题，若管理不精准，还会造成除磷效果不够好，污泥膨胀等。将生化和物化两方法协同起来，强化污水处理能力，成了研究人员关注的方向。往SBR反应器内分别投加各种无机混凝剂以组成SBR/混凝协同工艺来对城市污水处理进行研究[4]。经过试验发现，将新型复合混凝剂PISC以40 mg·L-1的量在曝气2 h后投入SBR反应器内时对CODcr、SS和TP的去除效果最佳，分别达到了76.8%、87.8%和93.1%。此外PISC的投入可以使水力停留时间缩短1/3，有抑制污泥膨胀的效果，并能降低出水的SS。将粉末活性炭（PAC）以400 mg·L-1的量投入SBR反应器来进行低浓度污水处理的试验研究。微生物能在活性炭的表面能形成一层生物膜，提高除磷效率，促使污泥沉降；不同种类的微生物形成的膜能形成好氧、缺氧和厌氧的区域，提高了反硝化效率。结果表明，投加了PAC的SBR反应器对污水中COD、TN和TP的去除率分别为94.9%、67.7%和96.6%[5]。在SBR工艺前设置短程硝化，将氨氧化控制在亚硝酸盐阶段，可以减少硝化过程所需的曝气量，节省反硝化所需的碳源[6]。Alfieri等[7]将游离氨投入污泥龄为10 d的SBR反应器中，在温度为32℃，PH值为7.2的条件下成功累积了NO2—N。2.2 生物膜法
生物膜法可用来处理低浓度污水，对水质水量变动有较强的适应性，其污泥沉降性能好，宜于固液分离。但生物膜法不若活性污泥法的人工强化，而是趋于自然净化原理，其生物量不够大，导致处理效果不够好，更由于成本问题，生物膜法一般应用在小型污水厂或废水厂。为顺应当今时代的要求，低成本的生物膜法技术吸引了研究者的眼光。他们利用透水混凝土生物膜来处理城市污水，这种生物膜是由混凝土原材料和活性材料ATV-C按一定比例组成的固体膜片，上面有预留的透水孔，其构造成本很低[8]。经过试验研究，在进水流量为1.1~1.25 L·min-1，回流量为4.5~6 L/min，停留时间为1.5h，BOD5负荷为850 g/(d·m3)的条件下，对CODcr、NH3-N、BOD5的去除率分别达到了76.0%、54.1%和94.9%，但这种生物膜对TP的去除效果不明显，需要再进行深入研究。近年来，膜分离技术成了研究热点。用超滤组合工艺对浊度的去除效果非常好，去除率最高能达到92.2%[9]。精滤-活性炭-精滤-超滤（MCM-UF）工艺对有机物的去除效果比较好[10]，因为精滤膜具有筛分截留大粒径有机物的作用，而活性炭则能吸附小粒径的有机物。膜生物反应器（MBR）的膜组件能替代二沉池，从而更利于固液分离，提高出水水质。在气温为5℃、进水COD变化大（30~197 mg·L-1）的严苛条件下，用MBR对城市生活污水进行处理，对COD、BOD5、NH4+-N和TP的去除率分别能达到75%、92%、95%和90%[11]。而将常规膜生物反应器（CMBR）和生物膜技术结合成一套复合式膜生物反应器（HMBR）工艺来处理城市污水[12]，其处理效果也很不错。当水力停留时间为10 h、污泥停留时间为10 d时，HMBR对COD和BOD5的去除率分别为95.1%和98.5%，对NH4+-N、TN和TP的平均去除率分别为98.8%、50.9%和82.2%。Elimelech[13]提出将纳滤（NF）膜与MBR组成一种新工艺。他们研制出一种两亲性接枝共聚物复合NF膜，这能在提高出水水质的情况下增加膜通量，并提高膜的抗污染性能。2.3 A2/O工艺处理低浓度污水
A2/O生物脱氮工艺是将传统的活性污泥、生物硝化工艺结合起来，取长补短，更有效的去除水中的有机物。A2/O工艺的内在固有缺欠就是硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有机负荷、泥龄以及碳源需求上存在着矛盾和竞争，很难在同一系统中同时获得氮、磷的高效去除，阻碍着生物除磷脱氮技术的应用。西朗污水处理厂对传统A2/O工艺和UCT工艺进行改进，综合了它们的优点，使得这个改良的工艺具有脱氮除磷效果更好的优势[14]。改良A2/O工艺是在厌氧池、缺氧池和好氧池前增设了一个预缺氧池，这样就保证了聚磷菌在厌氧段内的释放磷的能力及好氧段内的吸磷能力，加强了除磷的效果。由预缺氧池接收沉淀池回流的污泥，2
从好氧池回流的混合液进入缺氧池，这种分开回流的模式减少了进入厌氧池内的硝酸盐，提高了脱氮的效率。经监测，发现西朗污水厂对BOD5、COD、氨氮、TN、TP的去除率分别达到了93.5%、84.7%、96.9%、61.5%、78.9%。在A2/O工艺中，污泥龄对COD、TN、氨氮等的去除不产生大的影响，但它是影响除磷的一个重要因素。经研究发现，当污泥龄为12 d时，A2/O工艺的综合处理效果最好[15]。而将AOA工艺与生物接触氧化法组合起来形成一套一级强化生物絮凝吸附的高效、低耗新型系统后经过试验发现，两者之间最大程度地利用了生物絮凝阶段的高负荷及接触生物膜过滤的低负荷，将各自优势更好地发挥出来，并增加抗冲击负荷的能力[16]。研究表明，在进水体积流量为1.0 m-3·d-
1、吸附池F/M为2.8 kgCOD·kg-1MLSS·d-
1、水力停留时间为1.5 h时，这个组合系统的效率最高，对SS、COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分别达到了84.12%、86.37%、74.18%、75.23%、42.68%。2.4 膨胀颗粒污泥床反应器(EGSB)与SBR的组合工艺
EGSB反应器是对常规的高效厌氧反应器UASB进行改善后制造出来的污水处理反应器，它以增大流速和加快出水循环来更有效地利用反应器空间，具有更高的运行效率。和纯粹EGSB和SBR工艺相比，EGSB-SBR组合工艺对COD，TP，TN等的去除更为彻底，其出水指标可以达到城镇污水处理厂污染物排放标准的一级标准。污水先通过调节池之后再通过EGSB反应器，最后通过SBR反应器，这样能有效弥补这两种工艺的缺陷，对有机物的去除，硝化和反硝化进行合理安排[17]。经过试验研究，当HRT为3 h, COD容积负荷为3.5 kg·m-3·d-1，EGSB反应器的上升流速为6.5~7 m·h-1时，COD的去除率最高，达到95%。接着用SBR反应器对EGSB反应器的出水作进一步处理，以除去污水中尚未达标的氮和磷。当选用污泥龄为20～30 d的污泥时，SBR反应器的除磷效果最好，能达到90%以上；当厌氧阶段的DO质量浓度控制在0.2 mg·L-1以下时，SBR反应器就能取得很好的脱氮效果，脱氮率达到了90%以上。
在厌氧条件下，污水中氨与硝酸盐的消失是同时发生的[18]，表现为
5NH43NO34N29H2O2HG297kJ/mol(NH4)
即该反应可以自发进行，这使得这个组合工艺的脱氮效率非常理想。而在6~15°C的范围内，EGSB-SBR组合工艺对TP的去除率能达到88.6%。2.5 厌氧折流板反应器（ABR工艺）
厌氧折流板反应器(ABR)是一种新型高效的处理工艺，不仅在处理高浓度有机废水的研究和应用方面取得了较大的进展，而且在处理低浓度污水方面也越来越引起重视[19]。ABR反应器可看成是由多个上流式厌氧污泥床（UASB）的连接而成，对低浓度污水有良好的处理效率。它具有构造简单、运行维护费用低、生物截留能力强、水力停留时间短、耐水力以及有机物冲击、对有毒物质冲击抵抗力和恢复力强等优点[20]。ABR的工艺设计中分格数对处理效果具有较大的影响，在处理较低浓度污水时，ABR分格数控制在3~4格较好[21]。将进水COD浓度控制在400 mg·L-1以内，用BOD5∶N∶P(质量比)=(150~300)∶5∶1的葡萄糖配水模拟生活污水进行试验研究[22]，发现水力停留时间、污泥浓度、有机负荷、温度等不同程度地影响ABR反应器运行效率。当平均温度为29.6℃，水力负荷为2.93 m3·m-3·d-1，HRT为0.041 d时，ABR对CODcr的去除效率最高，达到了92%以上。李清雪[23]等采用ABR-好氧组合工艺来处理COD浓度为688 mg·L-1的生活污水，试验证明，这个组合工艺对COD的去除率能稳定在84.2%附近，但对氨氮的去除效果不佳。2.6 人工湿地处理工艺
由于结构简单，建造成本低，操作及管理维护容易，运行起来费用低廉，有较强的抗冲击负荷能力，能够处理低负荷污水并能达到一定效果，人工湿地在许多地方及各种性质的污水处理方面均有应用[24]~[26]。用粉煤灰和细煤渣配合使用作为基质，再按适当的比例配成 3
填料处理柱来处理低浓度生活污水，去除COD的效果非常好，约70%；而用粉煤灰和空心砖砖块配合使用作为基质的处理柱在处理污水时，去除NH3-N和TP的综合效率分别达到了89%和81%[27]。深圳白泥坑人工湿地采用了芦苇/大米草湿地、茫荼/芦苇湿地和芦苇/茫荼湿地串联运行的方式，使得BOD和NH4-N去除效果很好，分别达到了90%和50%以上[28]。近年来，将人工湿地与其他工艺联合起来处理城市污水也得到了长足的发展，这样可以有效弥补人工湿地处理工艺在某些方面的不足。丁志斌[29]等利用 “接触氧化+生物滴滤池+潜流人工湿地+氧化塘”的组合工艺来处理进水COD浓度为62.36 mg·L-1，TP为1.04 mg·L-1，TN为18.29 mg·L-1的低浓度污水，在温度为6.0～11.4℃在低温条件下取得了比较好的净化效果。经测试，这个组合工艺对对COD、TP和TN的去除率分别为83.6%、66.8%和55.2%。结语
目前，我国的城市污水处理厂进水浓度普遍偏低，碳源不足，脱氮效率难以保证。而怎样解决好这个问题，有学者已为我们指明了方向：清华大学的一些学者提出了以垃圾渗滤液作为碳源投加到低碳源城市污水中，该技术以废治废，能节约垃圾渗滤液处理费和污水厂投加甲醇等碳源成本；另一方面，合理地选择排水系统的体制，加强雨污联合调控的要求，从而达到提高城市污水中的碳源浓度的目的。
在城市低浓度污水处理工艺方面，各类好氧工艺与厌氧工艺都有自己的优缺点。以好氧活性污泥法为主的城市污水处理技术虽然对污染物的去除率高且稳定，但占地面积大，管理运行费用高。而厌氧处理工艺正不断发展和完善，其低能耗、占地少、管理简便等优越性已逐渐为人们所认识。厌氧生物处理具有节约能源并产生能源的的优点，其剩余污泥量低，容积负荷大，开发和利用厌氧生物技术进行污水处理必然能够同时起到减轻污染和缓解能源短缺的功效。但厌氧工艺对氮、磷等的去除不够稳定，对病菌等的去除能力也不够，所以厌氧处理工艺的发展应跟好氧处理工艺相结合，取长补短。
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