水处理技术研究进展

2013-08-15井敏莉井敏娜

水科学与工程技术 2013年3期

井敏莉，井敏娜

（1.西安市政设计研究院有限公司，西安 710068；2.西安市环境保护科学研究院，西安 710061）

我国目前所采用的以氧化沟技术和SBR反应器为主体的城市污水处理技术是西方发达国家在一定历史时期和技术发展水平下的产物。其与西方国家的自然条件和经济发展水平相适应。从可持续发展性方面进行考察认为，这些技术（特别是延时曝气）是不适合我国国情的高物质消耗和高能耗的污水处理技术。

因此，新型水处理技术主要考虑3个方面的因素：①可持续发展的污水处理工艺；②处理工艺能耗分析和节能降耗途径；③污水处理节能降耗技术的分析。

1 研究基础

钱易院士较早提出了清洁生产、循环经济和可持续发展的问题，其中在不同场合提到了国外的可持续发展的污水处理模式，论述了可持续生物除磷脱氮工艺。

聂梅生教授在《对水处理技术发展的重新认识》中提出，对传统观念重新审视，生物处理本质上是高能耗工艺，发展绿色水处理技术是一个趋势。并且，节能降耗的水处理是一个长期的任务。

2 可持续发展的污水处理技术内容

可持续发展的污水处理技术中脱氮除磷工艺包含：①持续除氮工艺;②作为磷回收的工艺;③作为工业磷回收的工艺。

传统污水处理工艺和可持续发展的污水处理工艺有以下不同：①厌氧处理，尽可能低的能源消耗、产生能源；②反硝化脱氮和除磷，要求减少污泥的产生［1］；③结合化学除磷，而不是简单地去除；④减少二氧化碳的排放及水资源回收利用；⑤要减少污泥的产生。

3 新技术研究发展

国外对水处理可持续发展的新技术研究主要有：①集中与分散的问题。聂梅生教授认为应用新技术绝对是要分散的，集中与分散相组合是科学的趋势。国外提出了一些分散处理包括可持续发展的具体模式：如固化和厌氧处理相结合，结合氧化工艺，最后在小范围里处理的工艺。②源头控制。通过下水管输送污染物是一个历史错误，现代城市污水处理系统严重缺乏可持续性和抗干扰能力，是一个脆弱的系统。往往对水资源是破坏，而不是回收利用。③厌氧处理。美国的一位专家认为厌氧技术是可持续发展的核心技术，开发厌氧城市污水处理是废水处理历史上最伟大的进步，所以提到的高度也是非常高［2］。

3.1 源头控制

源分离模式有3种典型模式：①芬兰和瑞典模式，即生态厕所。中国鄂尔多斯建有小区楼房，即按照生态厕所设计，概念简单易懂，粪便分离以后，灰水里面BOD和COD产量都非常低。北京市昌平区的一个村庄是与瑞典合作建设的，也是采用生态厕所的概念设计。从细节上看，厕所需全部改造，分离系统、运输系统要改变，因此，现有城市不容易建设。②荷兰模式。荷兰提出了荷兰模式，重点在尿液处理，把氮去除50%，即尿液分离，在便器上进行，将尿液收集到地下室，然后通过管道抽走。③日本模式。日本推行了第3种模式，把粪便单独处理，即黑水单独处理收集，收集以后，粪尿运输到粪尿处理厂，产生能源。在发展中国家，如印度，还有南美的巴西、哥伦比亚，污水处理厂大规模采用了厌氧污水处理，发展得非常迅速。

3.2 处理工艺能耗

污水处理是能源密切型的行业，仅仅侧重于处理能耗，如果从周期上看，从污水处理的下水道的传输、污水处理厂的建设、运行、拆除，如果全过程考虑污水处理的设计、工艺开发模式，则是对传统思维和工艺的巨大挑战。而国外公司，一般要求一个设计部门搞设计，必须进行全过程的生命周期的分析［3］。

不考虑管道，只是考虑建设、运行、拆除这几部分，包括运输、钢材、水泥等折算的方法，建设期间能耗为30%，运行方面能耗为70%，拆除的能耗相对比较低。按国内建设污水处理厂来看，建设部分的能耗可能会达30%～50%。原因：①建设污水处理厂耗氧部分采用延时报弃，时间比较长；②因建设部分污泥没有加上，如果把污泥加上要大得多，所以能耗比重正常，但是运行的能耗比重要相对减少。

具体分析，曝气和回流是最主要能耗。另外，污水提升也非常大，这两块加起来有80%～90%，而预处理加上运输相对较少。

另外，从生命周期分析，去除1kg的比能耗是1～1.2kW的电耗，这样生产电的污染物量非常大，包括大气污染物的排放为4kg，而固体废物为0.7kg，水为2.45kg。

从污水处理分析，主要是有机物的去除、氮磷的去除。从污泥的本质分析，有机物的去除为100%，氮磷的去除为60%，氨氮的去除为60%。

3.3 技术分析

从工艺和设计、运行和管理、设备和器材3个方面对污水处理节能降耗进行技术分析。这3个问题涉及工艺的选择，源头的控制及运行管理，主要是水量、水质和运行方面的考虑。另外，还要考虑节能、高效设备的选用。

从工艺控制分析，要强化预处理降低除氮功能的能耗，同样采用氧化沟工艺，能耗的比例不同，厌氧、化学沉淀、水解、AB工艺，或者初沉池，去除能力也不同。

从除氮工艺分析，氮的去除技术进展非常迅速。氨氧化以前需要2个反应器，现在只用1个反应器就可以完成。

在工艺方面，改变污水处理的政策，强化污泥处理。对污泥的处理，要求10万t以上采用厌氧硝化，导致了现在90%以上甚至100%的污泥处理不采用厌氧硝化。2008年以后，可能会有一、两个城市兴建了厌氧硝化，在国内外的技术非常成熟。可以热电联产，在国外可以减少50%能耗，在国内达到30%是完全可能的。

瑞典、日本已开始研究用污泥产生的沼气作为清洁燃料。瑞典提出2020年他们国家的所有公交车全部采用沼气燃料，而且现在有7个城市的公交车采用沼气燃料。2个城市间的火车采用了沼气净化以后的燃料。这些都是可持续发展概念的应用。

4 水处理技术工艺

鼓风机的风量调节技术，实质是根据流量、浓度和反应程度来控制流量。但是现阶段，我国仅仅停留在根据浓度来进行风量调节。而根据浓度调节，存在一定困难，通过试验分析，可以看到溶解氧的变化波动性非常大。如果曝气，气泡到溶解氧探头，在这里气化非常难。通过呼吸速率仪，测溶解氧的平稳气化，通过反应程度进行控制，可以达到节能效果。

全过程控制。Biolack技术，国外采用的曝气池反应器，还有用钢结构来做反应器。这都是建设阶段节能降耗的途径。而且从国外来讲，钢结构的建设和钢结构的材料，在相关行业钢铁是环境友好的材料，因为它是可以再生利用的，节省了这些组件的用料，等于节省了相关技术。

传统设备材料上仍然有很大的节能降耗潜力。以脱水机为例，现在一般采用带式脱水机。德国采用的是螺旋压榨脱水机，带式脱水机占300%的能耗，但是它比螺旋压榨脱水机高100%。同时，在脱水环节考虑合理选择混凝剂、控制投加量还有污泥量、含水率和药剂投加量的技术匹配，这也具有节能降耗的潜力。