城市污水强化一级处理新工艺——活化污泥法

蒋展鹏，尤作亮，师绍琪，祝万鹏，管运涛?
（清华大学 环境科学与工程系，北京100084）

　　摘　要： 根据絮凝动力学和生物吸附理论，提出了“絮凝吸附—沉淀—活化”的城市污水 强化一级处理工艺，即活化污泥法。工艺对污染物去除的强化作用主要包括污泥的絮凝作用、吸附作用和生物代谢作用，而以前两者的作用为主。对城市生活污水的处理试验结果表明，该工艺能够较大程度地提高SS、COD、BOD、SCOD等污染物的去除率，具有明显的强化一级处理效果。?
　　关键词：城市污水；一级处理；活化污泥；絮凝吸附
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(1999)12-0001-05

A New Process for Enhanced Primary Treatment of Municipal Wastew ater?
——Activation Sludge Process?
JIANG Zhan-peng，YOU Zuo-liang，SHI Shao-qi，?
ZHU Wan-peng，GUAN Yun-tao?
(Depart. of Environ. Sci. and Eng., Qinghua Univ., Beijing 100084, China)?

　　Abstract： Based on the theories of flocculation kinetic and biological adsor ption, a new process for enhanced primary treatment of municipal wastewater, flo cculation-adsorption-sedimentation- activation process named as “activation slu dge process”, was developed and reported in this paper. The enhancement action of the process for pollutant removal included flocculation, adsorption and biolo gic al metabolism. Among them, the first two were predominant. The results showed th at the process could increase removal efficiencies of SS, COD, SCOD, BOD and oth er pollutants in wastewater obviously.
?　Keywords:municipal wastewater;primary treatment;activation sludge;flocculation-adsorption

　　 近年来，我国城市污水排放量持续增长，1998年为194×10^８t，又比1997年 的189×10^８t有所增加，已约占全国污水排放总量的一半，但污水处理率一直较低，城市水环境普遍受到严重污染^［1、2］。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，然而，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，这对发展中国家是极为困难的。我国不少地区，特别是经济欠发达地区和中小城市，水污染控制遇到的重要难题正是污水处理厂建设和运行资金的短缺，致使一批规划中的污水处理厂迟迟不能上马，已经建成的不能正常运行，预期的环境目标无法实现。对于这些地区而言，当前首要解决的不完全是治理深度的问题，而是治理与否的问题。但投资较低的一级处理又对污染物的去除效果较差，因而，各种类型投资较低而对污染物去除率较高的城市污水强化一级处理工艺应运而生^［3］。?

1 工艺原理与工艺流程

1.1 工艺的提出
　　由絮凝动力学的分析可知，如果在污水的一级处理中引入适当大粒径的絮状颗粒物，利用其巨大的表面积对细微颗粒物质的絮凝吸附作用，能够提高絮体的沉降速度，减少污水的沉淀时间。而絮体又通过接触凝聚的原理，吸附水中的溶解性物质和悬浮固体，提高污染物的去除效果。二级生物处理能够成为城市污水的主要处理方法，很大程度上是因为微生物能够产生一种胞外聚合物，在一定条件下使微生物聚合起来成为粒度适当、沉降性能良好的生物絮体，吸附污水中的有机物质进行生物代谢，并易于从处理出水中分离。另外，微生物在生命活动中产生的某些高分子物质具有絮凝作用，即微生物絮凝物质，其作用量小且絮凝效果好。但是，专门培养絮凝性微生物并提取微生物絮凝物质，目前在工业化生产上还有一定的困难，而且费用较高，难以应用于城市污水处理。但如果将微生物絮体引入一级处理，并控制适当的环境条件，既可以发挥其生物吸附作用，又可以产生一定量的微生物絮凝物质，不必提取而直接发挥絮凝作用，从而有效提高污水一级处理的效率。由此，本文提出生物絮凝吸附强化一级处理的“絮凝吸附—沉淀—活化”工艺。?
1.2 工艺流程与工艺原理?
　　 工艺流程简图如图1。

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　　 未经沉淀的生活污水原水与生物污泥进入混合反应器（絮凝吸附池），二者在机械搅拌作用下充分混合。经絮凝吸附反应后，大量污染物质被絮凝吸附而进入污泥絮体，出水进入沉淀池，实现固液分离。沉淀池出水就是此工艺最终出水。为了恢复沉淀池饱和污泥的生物絮凝吸附活性，将沉淀污泥短时间曝气活化，以部分降解吸附的有机物，产生适量的微生物絮凝物质，改善污泥的沉降性能，同时保持污泥的好氧状态，避免变黑、发臭。完成这一过程的反应器称为污泥活化池。在活化池内发生的饱和污泥恢复活性的 反应称为活化反应，其能耗远低于二级生物氧化反应。活化池产生的具有生物絮凝吸附活性的污泥称为活化污泥。活化后的污泥回流至絮凝吸附池。剩余污泥从沉淀池底部排出。?
　　 由以上对工艺过程的分析可知，本工艺对污染物质的去除包括以下四种作用：①絮 凝吸附池中发生的污泥及微生物絮凝物质对微细颗粒污染物的絮凝作用；②絮凝吸附池中生物污泥对溶解性污染物的吸附作用；③沉淀池中发生的大颗粒悬浮固体的自然沉降作用；④污泥活化池中微生物对所吸附的溶解性有机污染物的生物代谢作用。其中，对城市污水有强化作用的是絮凝吸附池的絮凝作用、吸附作用和活化池的生物代谢作用。但活化池中的生物代谢主要是为了恢复污泥的活性，生物代谢时间和生物代谢量均较小，对污染物的去除作用较小。因而，强化一级处理的主要作用是生物污泥的絮凝吸附作用。?

2 生物絮凝吸附强化一级处理效果

2.1 试验条件
　　根据确定的工艺流程，以图2的试验装置对清华大学西北住宅小区的生活污水进行了强化一级处理试验。原水水质见表1。经对各影响因素进行静态试验和正交试验后，确定的试验工艺参数为：进水流量4 L/h，絮凝吸附池水力停留时间0.5 h，搅拌混合速度梯度为60 s^-1，沉淀池沉淀时间为1 h，污泥活化池内保持溶解氧2 mg/L，活化时间2h，污泥回流量1.2 L/h，回流比30%。试验在自然温度下进行，温度范围为10～27 ℃。?

2.2 试验结果与讨论
　　三个多月的运行综合结果列于表1。

表1 强化一级处理试验各污染物去除效果 项目 浓度（mg/L) 均值（mg/L) 平均去除率R（%） 强化去除率Re[4] 对照去除率Rc（%） 进水 出水 进水 出水 SS 120-800 5-70 370 40 86.8 48.7 74.3 COD 200-900 80-260 570 175 68.9 45.8 42.5 SCOD 50-190 20-135 109 66 41.0 35.2 8.9 BOD₅ 120-270 40-115 220 75 65.5 44.4 38 NH₃-N 45-90 40-85 73 70 4.2 　 　 有机氮 25-35 11-18 29 14 51.0 　 　 总磷 9-16 7-12 13 10 24.2 　 　

　　表中，对照去除率RC是指原污水经自然沉淀后对水 中污染物的去除率；强化去除率R_e是指强化措施对自然沉淀后出水中污染物的去除率；而 平均去除率R则是本强化工艺对污染物总去除率三个多月运行的平均值，即：

　　　　　　　R=（C₀-C）/C₀×100% （1）
　　　　　　　Rc=(C₀-Cc)/C₀×100% (2)
　　　　　　　Re=(Cc-C)/Cc×100% (3)

　　式中　C₀——原污水污染物浓度
　　　　　Cc——自然沉淀出水中污染物浓度
　　　　　C——强化工艺出水中污染物浓度

　　各污染指标的去除效果分述如下：?
　　①悬浮固体?
　　强化一级处理的主要目的是提高悬浮固体的去除率，以减小后续处理的负荷。当进水SS 为120～800mg/L，平均为370 mg/L时，处理出水SS在5～70mg/L之间，平均为40 mg/L ，平均去除率86.8%，强化去除率为48.7%。而对照自然沉淀试验的SS去除率则为74.3%，较强化处理低12.5个百分点。进水中的悬浮颗粒主要分布在2～110μm，见图3。?

　　经强化处理后，颗粒体积浓度由0.101%下降为0.004 8%，去除率为95.25%；作为对照，经自然沉淀后，颗粒体积浓度下降为0.0114%，去除率为88.71%。自然沉淀后出水颗粒的分布范围在2～50μm，最大粒径百分比由 原 水的30μm左右降为20μm左右。而强化处理出水的粒度分布出现双峰分布，第一峰出现在 2～20μm，主要是水中残留的微细颗粒；第二峰出现在50～150μm，主要是少数游离细菌和一些原生动物。在两个峰值之间，几乎没有中间粒径的颗粒存在，表明强化处理主要提高 了2～50μm粒径颗粒的去除率，其中20～50μm的颗粒基本全部去除。?
　　②COD与BOD₅
　　原水COD一般在200～900mg/L，平均570mg/L，处理出水COD80～260mg/L，平均175mg/L，平均去除率68.9%；运行初期COD去除率略低，随着运行时间的延长，去除率有增加的趋势，一个月后，基本稳定在70%左右。进水中溶解性化学需氧量(SCOD)一般在50～190m g/L，平均109mg/L，出水SCOD20～135mg/L，平均66mg/L，平均去除率为41%；非溶解颗粒性COD（PCOD）的去除率为76.5%。可见COD的去除效果主要是通过对颗粒性的非溶解性COD去除达到的。而对照自然沉淀试验的COD和SCOD的去除率分别只有42.5%和8.9%。因此，强化处理效果十分明显，COD和SCOD的去除率分别较对照试验增加了26.4和31.5个百分点，强化去除率分别为45.8%和35.2%。
　　试验中间还阶段性地测定了BOD₅。进BOD₅一般在120～270mg/L，平均220mg/L；处理后出水BOD₅ 40～115 mg/L，平均75 mg/L；平均去除率65.5%，强化去除率为44.4%。?
　　一般情况下，一级处理去除的SS中无机成分所占比例较大，所以处理出水的BOD₅/COD比值会比处理前有所增加，改善了废水的可生化性。但由于活化池内消耗了部分BOD₅ ，所以本试验中BOD₅/COD比值由原来的0.38变为0.43，增加量并不很大。
　　③氮
　　本试验进出水氨氮均在70 mg/L左右，基本没有去除效果。进水有机氮一般在25～35mg/ L，平均29 mg/L，出水有机氮11～18 mg/L，平均14 mg/L，去除率在51%左右。其原因在于 本工艺主要去除颗粒性固体，对溶解性的氨氮难以去除，同时污泥在活化曝气池中的水力停留时间短，氨氮不能得到有效的硝化，去除效果自然不好。而有机氮较多地存在于颗粒性固 体中，随着SS的去除而得到一定程度的去除。实测进水硝酸盐氮为0.27mg/L，亚硝酸盐氮 测不出；出水硝酸盐氮0.29 mg/L，亚硝酸盐氮依然测不出，说明几乎没有硝化效果。
　　④总磷
　　进水总磷9～16 mg/L，平均12.8mg/L，出水7～12 mg/L，平均9.6 mg/L，平均去除率为24.2%。

3 艺特点比较

3.1 与普通一级处理比较
　　在悬浮颗粒的沉淀过程中，如果有较大粒径的颗粒存在，可以使总的颗粒下降速度显著加快^［3］。生物絮凝吸附强化一级处理是在原污水中引入颗粒直径较大的活化污泥 絮体，不仅有一般大颗粒对悬浮固体的强化沉淀效果，更有生物絮凝吸附作用。它的实质就是直接利用微生物细胞及其代谢产物作为吸附剂和絮凝剂，通过对污染物质的物理吸附、化学吸附和生物吸附、吸收作用，以及吸附架桥、电性中和及沉淀物网捕等絮凝作用，把污水中较小的颗粒物质和一部分胶体物质转化为生物絮体的组成部分，并通过絮体沉降作用而快速去除。与普通一级处理相比，它对污染物的去除虽也以沉淀作用为主，但也伴随发生少量的生物代谢作用；由于生物絮凝吸附和生物代谢作用的存在，对与悬浮物有关的或容易与悬浮物结合的污染物的去除率较高，对以溶解状态存在的有机物质也有一定的去除作用；虽然它的产泥量较大，但生物絮凝吸附不像物化絮凝强化工艺，它在处理过程中不投加任何药剂，没有引入新的污泥形成物质，因而其产泥量比物化强化处理产泥量要少，同时生物絮凝吸附工艺产生的污泥有机质含量高、易于厌氧消化、农用价值也较大；虽然基建费用和运行费用都有所提高，但去除单位污染物质的总费用较低。
3.2 与二级生物处理（活性污泥法）比较
　　二级生物处理（活性污泥法）主要是利用污泥中大量微生物的生物合成和生物氧化作用，将溶解性有机物转化为细胞物质或矿化。其处理对象主要是溶解性有机物质，处理手段是生物代谢转化。而生物絮凝吸附强化一级处理则主要利用活化污泥中微生物絮凝物质的絮凝作用和污泥絮体的絮凝吸附作用，仅在污泥活化过程中伴有少量的生物合成和生物氧化作用 ，可以说是二级处理的前奏；活化污泥与活性污泥的区别，在于活化污泥氧化程度较低，活性微生物含量较少，污泥吸附性能不如活性污泥，但沉降性能良好。其处理对象主要是小颗粒的悬浮物质和胶体微粒，同时包含少量溶解性物质。当有条件的时候，生物絮凝吸附强化一级处理工艺很容易扩建成二级生物处理。同样，二级处理中的剩余污泥氧化程度较高，也可以用于污水的强化一级处理。对于处理负荷较高的现有二级污水处理厂，可以将剩余污泥回流到初沉池，提高初沉池的污染物去除率，以减轻曝气池的处理压力或扩大二级处理能力。
3.3 与两段活性污泥法(AB法)比较?
　　AB法是一种常见的二级生物处理法，其比较有特色的地方在于A级利用生物絮凝吸附作用和一定的生物代谢作用，快速地去除污染物质。但A级终究还是二级处理的一个组成部分，全部污水和污泥都需同时曝气，细菌处于对数生长期，游离细菌较多。同时，曝气池中的剧烈搅拌将污泥絮体打碎，不利于悬浮颗粒的沉淀，因而对SS的去除率并不高。而生物絮凝吸附强化工艺则不对污水直接曝气，不以生物代谢转化为污染物去除的主要作用，只将少量污泥集中在活化池曝气，故本质上还是一级处理。

4　 结语

　　强化一级处理是在普通一级处理的基础上，通过增加较少的投资，能较大程度地提 高污染物的去除率，削减总污染负荷，降低去除单位重量污染物的费用。它是适应于环境状 况亟待改善而经济尚欠发达地区的一种新型实用技术。本文提出了活化污泥絮凝吸附强化一 级处理的新工艺，主要利用了污泥的絮凝吸附作用和微生物絮凝物质的絮凝作用，同时，在 污泥活化过程中伴有少量的生物代谢作用。应用该工艺对城市生活污水的强化一级处理试验 结果表明，对SS、COD、BOD和SCOD等污染指标具有明显的强化处理效果。
　　强化一级处理是一种高效而低投入的新型技术，有着较高的实用价值和良好的应用前景。它既可以单独用于城市污水的一级处理，又可以用于现有二级污水处理厂的强化改造。

　　本文得到香港科技大学土木系黄汝常教授的指导与帮助，谨致谢意。

参考文献：

　　［1］邬扬善.城市污水处理发展近况和问题［J］.给水排水，1995，21(12):40-4 3.
　　［2］中国环境状况公报［N］. 中国环境报，1999-06-17.
　　［3］尤作亮，蒋展鹏，祝万鹏等.城市污水强化一级处理的研究进展［J］.中国 给水排水，1998，14(5)：28-31.
　　［4］尤作亮，蒋展鹏，师绍琪等.强化去除率在强化一级处理效果评价中的 应用［J］.中国给水排水，1999，15(8)：27-28.?

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　　作者简介：蒋展鹏(1938- )，男，浙江杭州人 ，清华大学教授，博士生导师，研究方向：水处理工程。
　　电　　话：(010)62784527(O) 62784289(H)?
　　E-mail：jzp@mail.tsinghua.edu.cn? 收稿日期：1999-08-06