废水处理技术的比较与选用

施汉昌
清华大学环境科学与工程系

　　我国是一个水资源短缺的国家，在世界缺水国家中排名第13名，占国土面积50％以上的地区干旱缺水。由于水环境的污染，使我国有限的水资源更加短缺。由于经济的高速发展，在短短20年中国民经济经历了发达国家几十年的发展历程，但与此同时我国也发生了特有的复合污染问题。水环境的复合污染表现在发达国家不同时期的水污染问题在中国短期内集中爆发，点源、面源、降雨和底泥中污染物的释放形成了对水体污染的时间和空间复合：一般碳源有机物、氮、磷等营养物质，难降解有机物和重金属等有毒物质的共存，形成了水环境的复合污染。
　　水环境的复合污染对废水处理技术提出了新的需求，这些技术需求主要集中在以下方面：
　　*应用于工业污染源控制的处理高浓度、难降解、有毒物质、高含盐和高氨氮等的废水处理技术；
　　*改善和提高城市污染水处理厂运行稳定性和处理效率的技术；
　　*适用于污水回用的深度处理技术；
　　*受微污染饮用水的处理技术。
　　一个世纪以来在水处理领域产生了各种各样的技术，特别是70年代以来废水处理技术得到了迅速的发展。当前我国的水污染控制迫切需要大量的适用技术，针对不同地：不同水污染控制问题的特点，如何选择现有技术，需要对废水处理技术进行比较研究，从而确定哪些技术是适用的废水处理技术。

分类及适用范围

　　废水处理技术可以依据处理技术的原理分为物理法、化学法、生物法或这三种方法的不同结合。也可以按处理的对象和目标分为初级处理(非水溶性物质的去除)、二级处理(溶解性有机物去除)和深度处理(营养物质、微量有毒有机物的去除)。(见图1)
　　废水处理的物理法方法最常用的是沉淀和过滤工艺，由于其运行费用低、技术成熟，被广泛应用于废水的初级处理和预处理。当废水中有机或无机的非溶早性污染物能采用沉淀法去除时，应首选沉淀分离技术。过滤、膜分离、离心分离主要应用于不宜沉淀的微小颗粒物的分离。而吸附主要应用于难降解的溶解性微量污染物的去除。
　　化学法中最常用的是化学沉淀和化学氧化法。化学沉淀法可包括用于去除微小颗粒物和肢体的混凝沉淀，利用絮凝剂的水解架桥作用与水中微颗粒和肢体形成絮体，通过沉淀实现对污染物的净化作用。此类工艺广泛应用于工业废水的预处理，近年也在特殊情况下用于城市污水的一级半处理和污水的化学除磷。另一类化学沉淀是采用无机盐，如钙盐与无机离子反应形成沉淀，主要用于去除重金属离子等污染物质。化学氧化法主要用于水中难生物降解的溶解性污染物的净化，但应用时要注意水中多种物质的竞争氧化问题，必须先去除水中易降解的有机污染物，然后有针对性地采用化学氧化。
　　生物法或称为生化法是以生物化学原理为基础利用微生物的代谢作用去除废水中的有机污染物。此类方法是目前废水处理中大量采用的工艺方法，包括各种不同的技术，主要应用于废水的二级处理和深度处理。
　　日前，宁夏银川第一污水处理厂工程顺利建成。该工程是银川市重点工程，占地128亩，一期建设规模为日污水处理能力10万吨，包括实施细格栅及曝气沉砂池、SBR反应池、污泥浓缩池、污泥均质池等12项子项工程。承担施工任务的杭州市市政工程集团有限公司充分发挥一级企业的技术优势，运用一整套成熟有效的施工管理经验，精心组织施工，确保了工程质量。
　　图为该工程SBR反应池一瞥。

比较研究

　　1.主要参数和条件
　　废水生物处理技术种类繁多应用广泛，它用于降解废水中的有机物和氮磷等引起水体富营养化的物质。这些技术可依据不同的处理对象、应用条件和工艺本身的特点分成不同的类型，并适用于不同废水的处理。废水生物处理的本质是利用微生物的代谢作用分解水中的污染物，因此在生物处理工艺中的核心是微生物生长、有机物分解和环境条件三者的关系。主要参数是比基质降解速率(污泥负荷)、微生物的比生长速率(污泥产率)，环境条件主要有氧、电位、PH、温度等。此外在评价时十分重要的是技术经济条件。(见图2)

　　2.城市生活污水处理工艺比较
　　城市生活污水处理是量大面广的水污染控制问题。主要去除的污染物是悬浮物、溶解性有机物和氮磷。由于城市污水处理要求采用廉价的处理技术，所以对于日处理能力在5万吨污水以上的处理厂，在悬浮污染物的去除上都采用了沉淀工艺。这主要是由于物理沉淀法技术简单，运行费用低。溶解性有机物和氮磷的去除多采用悬浮生长的生物处理系统，如果在日处理5万吨污水的好氧生物处理反应池中填充生物填料，不仅要增加数百万元以上的填料费，而且在维修上也十分困难。
　　城市生活污水的处理有许多种工艺可以采用，但对于日处理能力在20万吨以上的城市污水处理厂最适宜的工艺是活性污泥法及其变形工艺。主要是鼓风曝气的完全混合式活性污泥法和氧化沟工艺。完全混合式活性污泥法是一种具有广泛适用性的城市污水处理工艺，而氧化沟工艺是活性污泥法的派生工艺类型。氧化沟的优点是工艺系统简单，只用一台或几台曝气转刷或转碟以及沟形的生物氧化池。连续运行的氧化沟需要二次沉淀池，交替运行的氧化沟连二沉淀池都不需要。一般讲氧化沟出水水质好和污泥产量低的优点是有条件的，当设计采用的污泥负荷较低时，氧化沟接近于延时曝气的方法，有一部分氧被用来稳定沟中的生物污泥，在此条件下确有出水水质好旦—污泥产量少的优点，但此时处理一吨污水的能耗自然会较高，且由于设备容积的增加，基建费用也会增加。氧化沟工艺的缺点是由于转刷式曝气引起的水温损失较大，在北方寒冷地区使用时必须考虑增加防冻措施，从而会增加造价。
　　对于日处理能力在20万吨到5万吨的城市污水处理厂，除上述两类工艺都可以采用外，还可以采用序批式活性污泥法(SBR工艺)。SBR法是将一组活性污泥池分别在“进水→曝气反应→沉淀→排水→排泥”的循环顺序下运行，以达到连续进水，连续处理的目的。此类工艺之所以很少用于20万吨以上的处理厂是因为处理能力越大需要的池数越多，运行控制程序越复杂。同时由于池壁的增加，使基建投资增加。SBR法的优点是对于每一个单池既可作为曝气池又可以作为沉淀池，在不同运行阶段中可以好氧、缺氧的状态运行，起到除碳和脱氮除磷的作用。由于多池 组合及其运行条件的可变性，SBR工艺可适用于不同水质和不同的处理要求。对于含反硝化的SBR工艺，由于在同一池内进行反硝化将消耗一部分有机碳，可以节省除碳的能耗，降低运行费用。对于日处理能力5万吨以上的污水厂主要采用经典的SBR工艺，而从SBR工艺派生出来的“3A工艺”、“U-NITMJK工艺”等目前应用的经 验还较少。
　　 日处理能力在1万吨到5万吨的城市污水处理厂可采用的技术比较多，近年各种新工艺不断产生，但总体应用上仍以 活性污泥法为主。根据要求的不同可以分为：
　　(1)以去除有机碳为目的： 活性污泥法、氧化沟、SBR工艺、生物滤池、曝气生物滤池、接触氧化法。
　　(2)以除碳脱氮为目的：A／0法、氧化沟、交替运行氧化沟、SBR工艺、CAS工艺、UNI- TANK工艺等。
　　(3)以除碳脱氮除磷为目 的：A2／O法，交替运行氧沟、SBR工艺等。
　　以上工艺中值得注意的是A／O法，氧化沟和SBR法。A／O法是缺氧——好氧生物处理法，该工艺利用缺氧条件下微生物利用化合态态氧化有机碳的过程将硝酸盐还原成氮气，从而达到脱氮的目的。在脱氮的同时由于利用了化合态的氧，所以减少了后续好氧过程中氧化有机碳消耗的氧；在缺氧条件下一些颗粒性的有机物，或大分子的有机物会发生水解，有利于后续好氧生物处理过程对有机物的降解。因此，A／O法不仅能脱氮，还可以在相同条件下收到节能、改善处理效果和抑制丝状菌生长的作用。氧化沟和SBR工艺在一定的运行条件下也能达到A／O法的效果。氧化沟工艺的运行管理更简单，而SBR工艺对于每个单池在好氧氧化过程中的纯推流反应模式和沉淀时的准静置沉淀状态，使处理设施更加紧凑占地面积更小。
　　日处理能力1万吨以下的生活污水处理为了运行稳定和管理上的方便，除采用上述工艺外，还可以采用固定式生长的生物处理工艺。由于处理设施容积较小，生物填料不会增加很多基建费用。采用此类工艺可以避免微生物的流失，对于缺乏专人管理和运行经验的小型污水处理站尤为适用。在固定生长的生物处理工艺中最常用的有生物接触氧化法，曝气生物滤池和生物流化床。接触氧化法已有大量的应用实例和运行经验。生物流化床和曝气生物滤池相对较新，还缺乏大规模应用的经验。前者处理效率高，适用于土地紧缺的地区；后者出水水质较好，可在考虑污水回用的地方使用。日处理1万吨以下的规模为污水处理装置的设备化提供了发展空间，在此规模上可以设计生产出各种设备化的污水处理装置。
　　对于生活污水的除磷一般采用A2／O工艺。生物除磷工艺的除磷能力是有限的，一般可使出水总磷浓度达到1mg／L，要使出水中总磷浓度降到0.5mg/L，就需要采用化学除磷与生物除磷的联合处理方法。

厌氢生物处理技术

　　厌氧生物处理技术广泛应用于城市生活污水处理产生的污泥消化。近年从节能出发也在一些国家应用于城市生活污水的处理，但仍处于探索阶段。在废水处理中厌氧生物处理主要应用于工业废水处理。由于厌氧微生物在利用有机碳对将其转化为甲烷，单位碳源利用的微生物产量低，所以厌氧生物处理首先可用于处理高浓度易生物降解的有机废水，如啤酒生产废水、屠宰废水和养殖废水等。在处理工业废水时厌氧生物处理还具有一些特殊的用途，例如可以将庆氧生物处理作为预处理，利用一些复杂有机物在厌氧条件下的水解和分解作用，改善废水的生物可降解性：对于易产生泡沫的废水可以采用厌氧生物处理将产生泡沫的物质水解改性，然后再进行厌氧处理。

废水处理技术的发展

　　科学技术的发展给废水处理技术提供了发展的机遇。对于大规模城市污水处理由于工艺技术上基本趋于稳定，主要的发展将在污水处理厂的自动监测、运行控制与管理方面的技术。近年欧美国家通过污水厂的仪器化与自动控制已将城市污水厂的处理效率和稳定活性大幅度提高。对于中小型生活污水处理技术的发展将集中于处理系统的集成化和设备化，将发展组合式和拼装式污水处理装置，从而走向系列化标准化的生产模式。工业废水处理技术发展将集中于高浓度、难降解、高含盐等废水的处理，其中新型絮凝剂的开发，厌氧生物处理与好氧生物处理的结合应用，以及膜分离技术将成为发展的热点。对于台难降解有毒有机物的工业废水生物强化技术、即通过投加优选菌种或基因工程菌有针对性地进行降解具有良好的发展前景。