城市污水处理技术发展回顾与展望(11页).doc
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1、-城市污水处理技术发展回顾与展望喻泽斌,王敦球,张学洪(重庆大学城市建设与环境工程学院,四川重庆400045)摘 要:随着水环境问题的提出,城市污水处理已经历了百年的发展历史.在回顾城市污水处理发展历史的基础上,从水质目标变化和2类城市污水处理基本方法活性污泥法与生物膜法不断革新的历程的角度,分析了城市污水处理技术的发展过程,介绍了各种革新工艺的优缺点以及近年来出现的几种城市污水处理新技术.最后,展望了21世纪城市污水处理技术的发展趋势.关键词:环境工程学;废物处理;城市污水;处理技术中图分类号:X703;TU992.24 文献标识码:A 文章编号:1001-6600(2004)02-0081
2、-07城市污水处理技术发展历史回顾城市污水是城市发展中的产物.早期的城市污水通过污水收集系统收集并排放到附近下游水体,使其经过水体的稀释和自然净化变污为清.随着工业发展和人口膨胀,排放的污水越来越多,水质越来越复杂,水体有限的自然净化能力已不堪重负,必须在适当的位置建设污水处理设施,对污水进行净化处理.于是,伴随着控制水污染的要求,城市污水的处理技术诞生了.自最早的废水生物反应器Moris池问世以来,污水处理已有百年历史.第一个生物膜法处理设施在英国实验成功后,1900年开始付诸实践,并迅速在欧洲和北美得到广泛应用.第二次世界大战后,城市污水处理技术得到了快速发展.20世纪50年代,欧洲工业的
3、快速发展,使水环境污染日益严重,以城市污水处理为主要内容的泰晤士河和莱茵河的治理受到了重视并取得了成功的经验.随后短短的10多年时间内,水污染控制就开始从末端治理步入污染综合防治的较高级阶段.在这一阶段中,人们除继续开发、研制水污染控制技术外,更加注意环境立法、环境管理和综合防治措施的发展,从工艺改革、推行清洁生产和依靠科技进步等方面控制污染.在污染控制技术方面充分利用环境自净能力、全面考虑污染控制费用,通过系统控制工程进行区域综合控制,取得环境、经济、社会效益的统一.到70年代末,美国已投资了数万亿美元,建设了18 000座的城市污水处理厂,英国、法国、德国也各兴建了7 0008 000座城
4、市污水处理厂.80年代后,这些国家的污水处理水平进一步提高,兴建了一批具有脱氮除磷的污水处理设施,这些处理设施在改善水环境质量方面起到了重要的作用1.我国城市污水处理技术发展起步较晚,20世纪50年代前还停留在水体自净阶段;60年代进入农田利用阶段;70年代,许多城市开始注意城市污水处理问题并采取了一定的措施,但重点放在工业污染源的分散治理上,污水处理进入了分散治理阶段;进入80年代后,污水处理进展较快,进入了水污染的综合防治阶段.我国第一座大型城市污水处理厂天津市纪庄子污水处理厂于1984年4月28日竣工投产运行,处理规模为2.6105m3/d.在此成功经验的带动下,北京、上海、广东、广西、
5、陕西、山西、河北、江苏、浙江、湖北、湖南等省市根据各自的具体情况分别建设了不同规模的污水处理厂几十座.到2000年底,全国已建设城市污水处理厂427座,其中二级处理厂282座,这些污水处理设施对遏止水环境污染加剧的趋势起到了重要作用.但是,不容乐观的是,我国的城市污水处理率目前还不到20%.2 城市污水处理技术的发展与革新城市废水指城市内生活污水、工业废水和大气降水的混合物,其性质因城市规模、气候条件、排水体制等因素,特别是城市中工业的多少和性质、工业废水预处理程度等而异,但当对工业所排放的特殊污染物,如重金属、酸、碱、有毒物质、油类等有一定的内部治理措施时,一般的城市废水的性质是相似的.城市
6、废水所形成的水污染,以有机污染最为严重,表现为水体中的BOD5,COD超标,还含有不少难以被生物降解的、甚至是有毒有害的有机物.此外,氮磷物质引起的富营养化污染也非常严重.传统上废水的处理方法分为物理法、化学法和生物法.物理法的去除对象是水中不溶解的悬浮物质.化学法是指向废水中投加化学物质,通过化学反应达到净化废水的目的.生物法指采取一定的人工措施,创造微生物生长、繁殖的环境,使微生物大量繁殖,从而提高微生物氧化、分解有机污染物的一种技术.生物法主要用于去除废水中呈溶解态和胶态的有机物,与物理和化学法相比,生物处理在去除废水中有机碳、硫、氮、磷等污染物质方面,存在许多优越之处.在生物处理中,溶
7、解性污染物或者被转化为无毒形式如CO2或者NH3,或者被转化为容易分离的颗粒状微生物细胞物质.此外,微生物在生长过程中,能够吸附一些不溶性的有机物,使之能够通过物理的方法去除2.按照微生物的生长方式,生物法又可分为以活性污泥法为代表的悬浮生长法和生物膜法为代表的附着生长法.目前,在城市废水处理中尤以活性污泥法的应用最广.但是,由于传统的活性污泥法流程复杂,基建费用高,运行中消耗大量的能源,运行费也很高,需要进行革新.为开发高效、节能的城市污水处理新技术、新流程,国内外开展了大量的研究,并取得了一定的成就.2.1 从水质目标变化看技术发展2.1.1 城市废水处理的任务是去除城市废水的悬浮物和BO
8、D5.对于常规的废水处理流程来说,视其排放水质的要求不同,一般包括3段处理工序.其中,一级处理(物理处理)主要是用于去除粗粒固体、悬浮固体、大粒径胶体等,由于一级处理仅能去除城市废水BOD5的30%,因此,还不宜排放.二级处理(生物处理)主要是利用微生物的生命活动过程,对废水中的污染物进行转移和转化作用,从而使废水得到净化.其主要特征是应用微生物特别是细菌,并在为充分发挥微生物的作用而专门设计的生化反应器中,将废水中的污染物转化为微生物细胞以及简单形式的无机物.由于二级处理能大幅度去除水中呈胶体和溶解状态的有机污染物,BOD5的去除率可以达到90%以上,BOD5的浓度降到2030 mg/L,污
9、水能达到排放标准.目前,世界上工业发达国家普遍采用二级生物处理流程.三级处理是对废水的深度处理,一般指去除氮、磷和其他微量的杂质.近年来,随着对环境质量要求的不断提高,为了防止水体富营养化,防止藻类的过度繁殖,对二级生化处理后的污水再进行三级处理,除去水中的残留有机物,使污水成为新的资源.2.1.2 城市污水处理目标的2个阶段.阶段1:长期以来,城市污水的处理均以去除BOD5和SS为目标,并不考虑对氮、磷等无机营养物物质的去除.阶段2:随着化肥、洗涤剂和农药的普遍应用,废水中氮、磷的含量有了增加,其对环境的影响也逐渐引起了人们的注意,仅靠去除水中的有机物已不足以保持水质,这样去除BOD5,SS
10、和氮、磷同时成为废水处理目标.2.2 从2类基本方法的应用看发展2.2.1 传统活性污泥法活性污泥法自1914年由Arden和Lockett开创至今,已经过90年的发展与实践,在供氧方式、运转条件、反应器形式等方面不断得到革新和改进2.最早出现的传统活性污泥法(CAS)属于推流式曝气池,由于靠近池子进水口的基质浓度高于出口端的基质浓度,而最初的设计没有考虑到这种需氧量的变化,结果造成了一些部位氧的不足.为改进供氧不均匀的缺点,1936年将均匀曝气的方式改为沿推流方向逐渐曝气的方式,大部分的氧量在基质去除相当快的进水端输入,而以内源代谢和衰减为主要反应作用的出水端仅需少量的氧,这也就是传统活性污
11、泥法比较标准的形式逐渐曝气活性污泥法(TAAS).活性污泥法的另一个变种阶段曝气法于1942年出现.阶段曝气法(SFAS)又称多点进水法,进水分成几股,然后几股废水从曝气池的不同点进入,从而使需氧量的分配均匀.在污泥同原水混合前,使污泥进行再曝气的想法得到了更进一步的发展.1951年出现了接触稳定活性污泥法(CSAS),它是传统活性污泥法(CAS)的另外一种发展形式.为了避免在推流式曝气池中因基质浓度梯度造成的微生物不适应,使微生物群落保持相对稳定的状态.到20世纪50年代末,出现了完全混合式活性污泥法(CMAS),这种形式的优点是梯度提供了一个有利于细菌絮体生长,不利于丝状菌生长的环境,污泥
12、的沉降和密实性都很好,但是由于基质梯度的变化使系统容易受有毒物质的干扰.为了克服其他几种改进型式的缺点(必须处置大量的污泥,流程的运行控制要求严格),出现了延迟曝气法(EAAS),由于有一个完整的细胞平均停留时间,所以,稳定程度相当高,然而由于经济问题的限制,它仅用于废水浓度低的小型设施.另外,还出现了纯氧曝气法、深井曝气法等.总的说来,活性污泥法的主要优点是能以相对合理的费用得到优良的出水水质,这是因为排放之前细胞物质就从废水中去除;主要缺点是可控制性差.要达到期望的水质,往往需要复杂的操作技能,提高微生物对环境和水质变化的适应能力.降低生化操作及运转管理的复杂性是革新活性污泥法的目的.2.
13、2.2 生物膜法生物膜法和活性污泥法一样,都是利用微生物来去除废水中有机物的方法.但在活性污泥法中,微生物处于悬浮生长的状态,所以活性污泥法处理系统又称为悬浮生长系统.而生物膜法中的微生物则附着在某些物质的表面,所以生物膜法处理系统又称为附着生长系统.生物膜法主要包括生物滤池、生物转盘、生物流化床法等.生物膜法的基本原理是通过废水与生物膜的相对运动,使废水与生物膜接触,进行固液两相的物质交换,并在膜内进行有机物的生物氧化,使废水得到净化.生物膜法与活性污泥法是废水处理的2个主要方法,与微生物悬浮生长的活性污泥法相比,它有以下优点2:由于存在许多硝化细菌,因此具有较高的脱氮能力;生物膜中存在的微
14、生物具有多样性,包括好氧菌、厌氧菌、真菌和藻类等,使其在去除污染物方面具有广谱性;大量的微生物生长占据了整个反应器的空间,单位体积的生物量远比活性污泥法高,因此单位体积的处理能力也大;膜法中的微生物的食物链比活性污泥法长,产生的污泥大都被生物消耗,因此剩余污泥小;系统维护方便,能耗低,无须污泥回流;该系统的微生态复杂,对水力和有机负荷变化的承受能力强,操作稳定.生物滤池于19世纪末投入运行,20世纪二三十年代建造了较多的生物滤池,当时生物滤池和活性污泥法几乎并列.但由于长期以来生物滤池采用碎石作为填料(滤料),因其体积负荷和有机物去除率都较低,卫生条件也较差,加之处理构筑物又有可能被堵塞等缺点
15、,于是在20世纪4060年代,生物滤池有逐渐被活性污泥法取代的趋势.然而,到了60年代,新型合成材料大量出现,很多生物滤池采用这种材料作为填料,大大提高了处理能力,使生物膜出现了重大进展.20世纪70年代末,为强化生物膜法反应器中的传质作用,流化床系统被引入生物膜处理器中,称为生物流化床.生物流化床兼有活性污泥法和生物膜法的特点,有人称其为半生物膜法和半活性污泥法系统.近年来,生物膜反应器以其独特的优势更受到广大研究者和工程师们的关注,又涌现出大量新型的单一或复合式生物膜反应器(Hybrid bio-reactors)3,如微孔膜生物反应器(Membrane Biofilm Reactor)、
16、气提式生物膜反应器(Air-lift Biofilm Reactor)、移动床生物膜反应器(Moving Bed Biofilm Reactor)、复合式活性污泥生物膜反应器(Hybrid Activated Sludge-Biofilm Reactor)、序批式生物膜反应器(Sequencing Batch Biofilm Reactor)、升流式厌氧污泥床-厌氧生物滤池(UASB-AF)及附着生长稳定塘(Attached-growth Ponds),等等.由此可见,生物膜反应器发展迅速,由单一到复合,有厌氧亦有好氧,逐步形成了一套较完整的污水生物处理工艺系列.目前,生物膜法需研究改进的主要
17、技术问题有:在理论研究上须有所发展和突破;工艺设计的优化;研究适用的轻质高强、价廉、使用寿命长的滤池滤料;生物膜法除磷脱氮的研究.2.2.3 生物接触氧化法生物接触氧化法是界于活性污泥法与生物滤池之间的生物膜法工艺13.接触氧化池内设有填料,部分微生物以生物膜的形式附着生长于填料表面,部分则是絮状悬浮生长于水中.因此它兼有活性污泥法与生物滤池二者的特点.由于其中滤料及其上生物膜均淹没在水中,故又称之为淹没式生物滤池.生物接触氧化装置的形式很多,根据水流状态不同可分为分流式和直流式,从供氧方式上可分为鼓风曝气式、机械83第2期 喻泽斌等:城市污水处理技术发展回顾与展望 曝气式、洒水式和射流曝气式
18、.生物接触氧化池的填料大多是蜂窝状,目前应用较好的是全面曝气的网状组合填料,纤维填料具有较好的应用前景.总的来说,生物接触氧化法的特点是:具有较高的容积负荷;不存在污泥膨胀问题,运行管理简便;对水质水量的变化有较强的适应能力.实际上,早在19世纪末德国已有利用生物接触氧化法原理处理废水的方法,美国也有在活性污泥法曝气池中设置石棉水泥板等充当填料供生物附着而处理污水的装置,但由于当时缺乏合适的填料等原因,未能广泛推广应用.20世纪60年代以来,新型合成材料大量生产,促进了以此材料作为填料的生物接触氧化法的进一步研究.对现代生物接触氧化法较为深入的研究开始于1971年的日本,我国于1975年也研究
19、成功.总的说来,传统的废水生物处理方法无论在设计理论和实际运行管理等方面,都有比较成熟的经验.但是,随着石油化工和有机化工的发展,有机物的种类和数量不断增加,需要处理的城市废水水质越来越复杂,需要研究开发新的废水处理生物技术.另外,随着水资源的日益紧张和人们环保意识的提高,进一步寻求能够高效除去生物难降解物质和氮磷营养物质也要求研究开发新的废水处理生物技术.3 近年来推出的污水处理新技术近年来城市污水处理技术的发展方向主要有1:对传统的活性污泥法流程和技术进行革新,使之更为经济合理;研究开发可以代替活性污泥法的处理流程和技术;研究开发目标为城市废水回用的处理流程和技术,由此开发了许多废水处理的
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