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    城市生活污水處理技術現狀及活性炭的應用

    生物質化工網—活性炭網論壇
    2009-08-03
    閱讀次數:4320
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      作者:吉建斌  段麗麗  張金鳳  (山西新華化工廠設計研究所030008)

      城市生活污水主要包括廚房洗滌水、沖廁廢水及其它生活雜水。該類廢水含大量固體懸浮物、可化學或生物降解的溶解性或膠態分散有機物(以COD和BOD表征)、含氮化合物(包括氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和有機氮)、磷酸鹽、鉀鈉及重金屬離子、菌類生物群等。若不加處理或處理程度不足而排入天然水體,會導致水體富營養化及毒性積累,導致生態環境惡化;水體中有毒物質經水生動物進入食物鏈,最終危害人體健康。目前我國法規要求生活污水最終排放水質應符合GB8978-1996污水綜合排放二級標準,隨國民環保意識的加強和綜合國力的提高,污水凈化回用目標的實現已可預期。

      城市生活污水處理工藝分三級:污水→以化學混凝為主的一級處理技術→以生物化學法為主的二級處理技術→以物理過濾為主的三級(深度)處理技術。一般來說,該類污水經一級處理(包括輔以其他技術的強化一級處理,有時稱為一級半處理)很難達標排放,經二級處理后大都能達標,三級處理的目的,是凈化水的回用而非排放。

      國內文獻中,關于城市生活污水強化一級處理技術和生化處理技術的研究報道很多(尤其是后者),深度凈化技術報道極少。隨凈化處理技術的不斷發展,新工藝的不斷開發并投入應用,活性炭這一功能性吸附劑在城市污水處理領域的應用潛力逐漸被研究者認識,已進行了許多有意義的應用研究工作。

      1、城市生活污水的一級處理技術進展

      單純的生活污水一級處理廠數量很少,僅存于一些小城鎮及部分采礦居民區。傳統的污水一級處理工藝為:污水→格柵→沉砂池→反應池(投加化學混凝劑或絮凝劑)→沉淀池→出水(排放或進入生化處理工序)。一級處理效果較好時,可降低生化處理工序的負荷,保證出水水質。近年來,我國城市化速度加快,大中型城市出現不同程度的擴張,隨著城市居民小區的不斷增建,原有生活污水廠的處理規模和能力已不勝負荷,許多城市被迫在城建規劃中要求新建居民區建設小型污水處理站以減輕污水廠負荷,這些小型污水處理站大多采用一級處理工藝。為提高一級處理能力,近年來開發了三種已成熟或接近成熟的強化一級處理新工藝。

      1.1  生物絮凝強化一級處理工藝【1】【2】

      用絮凝吸附池代替傳統工藝反應池,在投加適宜化學混凝劑的同時,投加一定量生物污泥(可取自二級污水廠消化活性污泥,或從生活污水中分離培養),機械或鼓風混合,在生物吸附絮凝和化學絮凝協同作用下,污水中懸浮狀、膠體狀和部分溶解性有機物粒子絮凝吸附進入污泥絮體,出水在沉淀池固液分離,分離出的沉淀污泥經短時曝氣活化,部分回流至絮凝吸附池再用。該工藝與傳統一級處理法相比,COD去除率可從30%提高到60~70%,SS(固體懸浮物)從45%提高至70%,BOD5和有機氮、TP(全磷)的去除率均有不同程度提高。

      1.2  磁分離法強化一級處理工藝【3】

      用連續運行的高梯度磁分離器代替傳統工藝沉淀池,反應池在投加傳統混凝藥劑的同時,投加Fe3O4磁粉,壓縮空氣強制混合,出水通過高梯度磁分離器中鋼毛填充床層時,在外加電磁場作用下,順磁性Fe3O4粉(已吸附大量有機物絮體)被強制從液相分離;當床層阻力增至預定值時,斷電,外加磁場消失,用少量水反沖床層,回收Fe3O4粉再用。該工藝對污水的COD、BOD和SS去除率較高。近年來有關于磁粉改性活性炭的報道,但尚未見將磁性活性炭用于污水處理的相關消息。

      1.3  生態濾池強化一級處理工藝【4】

      目前該類工藝中已成熟并進行過生產性規模應用實驗的只有蚯蚓生態濾池,利用在濾床中建立的人工生態系統,對城鎮生活污水中各種形態的污染物質通過蚯蚓和其他微生物的協同作用進行最經濟合理的處理和轉化。該工藝可替代傳統一級處理工藝中的反應池和沉淀池,且不需投加化學混凝劑,已在智利及中國上海成功地進行了生產性規模應用實驗,對污水CODCr、BOD5和SS去除率分別達83~88%、91~96%和85~92%,已與活性污泥生化二級處理效果相當,是一種極具發展潛力的強化一級處理工藝。

      2、城市生活污水的二級生化處理技術進展

      生活污水的生化處理基本技術為活性污泥法(AS法),其他類型如A/O法、A2/O法、SBR法、氧化溝法等都是AS法的工藝變型,目前已發展成為相對獨立的分支技術。

      2.1  傳統AS工藝及其改良技術

      傳統AS法應用最早,主要目的是去除污水中的有機物。工藝特點是利用好氧微生物進行有機物降解,活性污泥在主液相流程中不被消化,需沉淀分離后進行厭氧消化處理,能耗及運行費用較低,目前在中小型污水處理廠仍有應用。

      AB法。工藝特點是對曝氣池按高、低負荷分兩級供氧,A級負荷高,曝氣時間短,污泥產量大;B級負荷低,泥齡較長。兩級曝氣池中微生物群體有差異,A級具部分兼氧特點;B級以好氧為主。主要特點是節能,缺點是不適于處理低濃污水【5】。

      BC(生物/化學)法。工藝特點是流程中投加化學絮凝劑FeCl3,系高負荷活性污泥生物處理與化學處理相結合的處理工藝,優點是曝氣時間短、污泥沉降性能好、泥齡短、去除SS和有機物效率高,具一定的除磷能力,適合于低濃污水的處理【6】。

      PACT(AS-PAC)工藝。特點是向活性污泥系統投加粉狀活性炭,曝氣池中物理吸附與生物降解同時進行。粉狀活性炭的適量投加可改善污泥沉降性能;提高系統對難生物降解COD的去除率,加速污泥絮體的形成;強化系統對無機物的去除以避免污水中重金屬對微生物的毒害;降低出水毒性,減輕出水對魚類的毒害;具有一定的脫氮效果【7】。

      生物接觸氧化法。是具有AS法特點的生物膜法,有固定填料反應器、懸浮填料反應器和流化床反應器三種型式。固定填料反應器有生物轉盤(RBC)、生物纖維膜、微生物包埋濾料等幾種形式【8】;懸浮填料反應器有聚乙烯、聚氨酯多孔泡沫塊等多種彈性立體填料形式【9】,流化床反應器是近來發展較快的一種生物接觸氧化工藝,注重于功能性載體的研究,有用砂、粒狀活性炭作載體的中試報道【8】,還有一種將粉狀活性炭載入海綿,外裹一層工程塑料材質的球形網籠作生物膜載體的生物流化床技術專利【10】,可實現厭氧和好氧過程的一體化。

      2.2  A/O法及其改進工藝

      基本的A/O污水處理工藝有兩種,一種稱為厭氧-好氧工藝,著重于污水強化除磷;另一種稱為缺氧-好氧工藝,強化污水脫氮。

      強化厭氧處理是A/O工藝改良的方向之一。厭氧生物濾池(AF)是強化厭氧處理效率的一種方法【11】,采用硬性填料和砂石、陶粒、波爾環等作生物膜載體,部分填料在運行中呈懸浮狀,該工藝微生物濃度高、泥齡長,可承受較高的有機物負荷,常溫下處理低濃生活類有機廢水效果較好。粒狀活性炭用于AF技術的研究曾有報道,但對使用效果看法不一,分歧較大。厭氧快速吸收技術是另一種厭氧效率強化方法,是一種非穩態的污水處理工藝【12】,特點是強化了污水除磷,同時按固定P/COD比率(約1:50)去除大量有機質,該工藝厭氧吸收期僅需0.5h,COD去除率高達80~90%,且污泥沉降性能好,剩余污泥產率低。厭氧升流式污泥床反應器(UASB技術)也是一種強化厭氧處理技術,但該類型反應器的啟動時間長達2.3~12個月,應用推廣困難,有研究【13】表明,細粒狀(粒徑<0.4mm=活性炭可促進污泥的快速顆?;?,使反應器啟動時間縮短近50%,投加量應占反應器總有效體積的2~3%,顆?;钚蕴吭谖勰喑墒旎^程中起到了顆粒污泥晶核的作用,在短期內使那些易于形成顆粒污泥的細菌在活性炭表面富集,同時可明顯提高系統在啟運初期的穩定性和最大有機負荷。

      A/O雙級改良型工藝。王凱軍等【14】開發了一種連續運行的微需氧升流式污泥床(MUSB)工藝,并向其中投加少量Al2(SO4)3或Al(OH)3混凝劑,替代傳統A/O工藝的好氧曝氣工序。這種技術是與厭氧升流式污泥床(UASB)技術匹配應用的。俞庭康等【4】詳細介紹了另一種A/O雙級改良型工藝,稱為厭氧水解酸化—高負荷生物濾池技術,厭氧水解濾池取代傳統初沉池,用高負荷生物濾池替代傳統AS工序(好氧曝氣),雙級濾池均填充WY型塑料模塊填料做生物膜載體,總系統正常運行時可使出水達二級排放要求,污泥產率比傳統AS法低得多,處理流程簡單,抗沖擊負荷能力高,管理方便。

      一體化A/O改良工藝。向仁軍等人【15】設計了一種高集約性的一體化厭氧-好氧生物除磷脫氮工藝裝置,分厭氧區、好氧區和沉淀區三部分,污水泵入厭氧區,處理后自流至好氧區,反應后再自流至沉淀區進行泥水分離,上清液溢流進入集水池排放,底部污泥無泵自動回流至厭氧區,剩余污泥排出。經中試,該技術節能效果明顯,可同時實現除磷脫氮,適用于我國南方城市含氮、磷濃度不高的城市生活污水處理。

      2.3  A2/0法及其改型工藝

      A2/0法污水處理工藝可同時高效去除污水中的有機物、含氮及含磷化合物,因該工藝基建投資大,技術管理水平要求高,故多用于大型城市污水處理廠(日處理污水量>10萬立方米)【16】。典型A2/0法工藝布置為厭氧段(A1)/缺氧段(A2)/好氧段(O)。張波等【17】【18】對上述常規A2/0法工藝布置形式提出質疑,認為A1/A2/O流程形式不能使硝化菌、反硝化菌(合稱為脫氮微生物)和聚磷菌(除磷微生物)的微生物“呼吸效應”達到最佳配合狀態。他們采取A2/A1/O倒置工序,與常規工藝進行對比研究后發現,不論在何種水溫、水質條件下,前者的處理效果總優于后者,且改型后的A2/0工藝可將回流污泥與內循環合并成一個回流系統,流程比常規A2/0工藝簡捷。

      2.4  氧化溝污水處理工藝【16】

      氧化溝也是傳統AS法的一種變型,與傳統AS法相比,最大區別在于水力流態及曝氣方式。氧化溝是一種首尾相接的循環流污水處理技術,常采用延時曝氣法,在污水凈化的同時使污泥得以穩定,取消了傳統AS工藝中的初沉池和污泥消化池。具高效去除有機質能力,有一定脫氮效率,溝前加設厭氧池時可同時除磷(成為一種新的A2/0工藝型式)。多用于中小型污水廠。氧化溝工藝大致分四類:
      多溝(常為三溝)交替式氧化溝。合建式;不設單獨二沉池;轉刷曝氣;去除COD效果好,脫氮除磷效果不穩定。
      卡魯塞爾氧化溝。分建式;設單獨二沉池;表曝氣機曝氣;溝深大于多溝式;處理效果與多溝交替式氧化溝相當。
      奧貝爾氧化溝。分建式;設單獨二沉池;轉碟曝氣;溝較深;脫氮效果好,除磷效果一般。
      一體化氧化溝。合建式;沉淀池建在氧化溝內;連續進出水,不用倒換;在一些具體技術問題上尚未十分成熟。

      2.5  序批式活性污泥法(SBR)處理工藝

      SBR工藝基本特征是在一個反應池中完成污水生化反應(A2/0生化特點)、沉淀、排水、排泥,省去初沉、污泥消化池、二沉池和回流污泥泵房,基建設施具高度集約化特點,多被中小型污水廠采用。SBR現有五種基本型式【16】和一種改良型式【19】:

      傳統SBR工藝。間歇、周期性操作,脫氮除磷效果不穩定。

      ICEAS工藝,即間歇式循環延時曝氣活性污泥法。反應池分隔成前部預反應區和后部主反應區兩部分,連續進水,間歇曝氣、沉淀、出水、排泥,脫氮除磷效果不理想。

      DAT-IAT工藝,即連續曝氣和間歇曝氣相結合法。反應池分兩部分,前部DAT連續曝氣,后部IAT間歇曝氣、排水、排泥,脫氮除磷效果一般。

      CAST工藝,即循環式活性污泥法。反應池分選擇區和主反應區,進水、曝氣、沉淀、排水、排泥均間歇、周期性運行,脫氮除磷效果好。

      UNITANK工藝。三個矩形池并聯,運行周期模式類似三溝式氧化溝,采取鼓風曝氣,池深,固定堰簡化排水,處理效果亦與三溝式氧化溝相近。

      MSBR,即改良型SBR工藝。由兩個SBR反應池、兩個缺氧池、一個厭氧池、一個好氧池和一個污泥濃縮池共七個處理單元組成一體化合建式裝置,實際上是A2/O工藝與SBR系統的串聯。連續進出水,抗水力和有機沖擊負荷,具非常高的COD、BOD去除能力和脫氮除磷效率。

      3、城市生活污水的三級(深度)處理技術

      污水的三級處理目的有二,一是回用于家庭沖廁及洗滌(除廚具洗滌外)及城市綠化或一般性工業用水,要求出水水質達到二類水源水質標準;二是符合生活飲用水衛生標準,與城市自來水混合后進入供水管網。以前者為多見,目前我國只有北京市部分污水廠對少量生活污水進行三級處理,出水用于城市綠化灌溉和景觀建設。

      可用于污水三級處理的工藝方法有:無煙煤和石英砂雙濾料微絮凝過濾,纖維濾料過濾,土壤滲濾等傳統過濾方法;臭氧-生物活性炭聯用,活性炭過濾【20】等吸附過濾方法;反滲透、超濾等膜分離技術;其它如電磁技術,超聲波技術,電滲析技術等。

      4、總結

      城市生活污水一級處理多采用物理、化學方法,只能去除污水中部分懸浮物,有機物及少量含磷化合物,目前研究方向是強化一級處理技術?;钚蕴康膽蒙形匆娪谖墨I報道,但粉狀或細粒狀活性炭作為生態濾池床層填充劑,理論上可捕獲、富集污水中的有機物和溶解氧,同時保持污泥層的疏松度,這些條件對生態濾池動物群的生存繁衍都有益。是否有應用可能性,需與水處理工作者商榷。

      城市生活污水二級生化處理新技術研究和工藝開發是該領域最活躍的部分,出現許多基于活性污泥法的技術改進型式,目的是提高處理工藝的抗沖擊負荷能力,降低基建投資和運行成本,提高出水水質,避免污水對天然水體的污染。許多水處理工作者在新工藝開發中選擇活性炭這種功能性吸附劑進行研究工作,結果證明,粉狀活性炭及小粒徑的粒狀活性炭在改善污泥沉降性能,大幅度縮短裝置啟動時間,提高出水水質,降低出水毒性,提高裝置抗有機質沖擊負荷性能,增強裝置單程處理能力等方面具特殊效果,一些研究成果已進入生產運行實踐。

      城市生活污水三級深度處理回用技術是我國北方干旱缺水城市未來的有效節水措施之一,而活性炭吸附過濾工藝因技術成熟、可再生使用、投資相對較低、處理效果優良等特點,應用前景廣闊。生活污水深度處理可能是活性炭產品未來最重要的應用領域。

       參  考  文  獻

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      【4】俞庭康等。城鎮污水處理最佳實用技術新進展。環境污染治理技術與設備。2000,1(5):54-60
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