城镇污水处理工艺现状及展望

南国英，郭嘉宇，郝燕飞，杨孟林，张高伟，张焕莉，代学民，任淑萍

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.张家口市政水务有限责任公司，河北 张家口 075000；3.河北省水质工程与水资源综合利用重点实验室，河北 张家口 075000)

1 引言

随着我国城市人口激增而导致用水需求量的不断增加，水资源超载使用无可避免地导致了水资源环境日益恶化，对人类的生存环境造成了威胁[1]。目前，全国各个城市水资源短缺、污染十分严重，有效处理城市污水就显得十分重要，这也是保护城市水资源的一项重要环节。本文通过对现有城镇污水处理工艺的研究及其优缺点分析，进行归纳总结并提出了优化方案。

2 城镇污水的特点

城镇污水主要包括居民生活污水和工业污水，在雨污合流制排水系统中，还应考虑被截留的雨水。生活污水主要来源于居住区和商业活动区，其他来源如公用设施及娱乐设施。生活污水中的污染物主要是以蛋白质、尿素、氨氮为代表的有机物和对人体健康有威胁的肠道病原菌，细菌和病原体将有机物作为能量来源大量繁殖，可能导致传播疾病，而有机物腐化会产生恶臭，影响周边生态环境。工业废水是指在工作车间生产过程中排出的生产废水、循环冷却废水以及生活综合废水。工业废水由其生产规模的影响导致水质水量变化差异大，其水质一般具有成分复杂、浓度高、毒性大等特点，需要在厂内进行降解处理，满足相应的排放标准方可排放到市政管网[2]。

3 城镇污水处理方法

3.1 活性污泥法

活性污泥法是以活性污泥为主体的好氧生物处理方法，活性污泥是一种能将废水中的有机物进行好氧稳定的活性微生物物质[3]。活性污泥法是向污水中不断通入空气，一段时间后污水中好氧微生物繁殖形成絮凝物，其上附着以菌胶团为主的微生物群[4]，能有效吸附分解有机物，对部分含氮、含磷的污染物也有一定的处理效果，且具有良好沉降性能。城镇污水处理厂中常用的活性污泥工艺有膜分离(MBR)工艺系统、序批式(SBR)及其衍生工艺系统、氧化沟(OD)工艺系统、吸附—生物降解(A-B)工艺系统以及AAO脱氮除磷工艺系统。各工艺特点对比如表1所示。

(1)吸附-生物降解工艺分为A、B两段系统，A段系统在厌氧或好氧条件下运行，利用生物污泥吸附去除有机物并提高污水可生化性，再通过B段系统曝气深度去除水中的有机污染物。AB法去除效果的好坏关键在A段，采用间歇曝气方式可改善污泥上浮现象[5]，为提高氮、磷去除率，可在B段采用AAO工艺。

(2)氧化沟按延时曝气方式运行，采用较长的水力停留时间和污泥龄，反应池内溶解氧浓度呈梯度变化，污水流态介于完全混合与推流之间，流程简单且操作灵活多变。氧化沟技术的发展以时间顺序安排为主和空间顺序安排为主可分为交替和半交替工作式氧化沟、连续工作分建式和合建式氧化沟[6]。无论哪种变型，都是为了提高设备的利用率以及对氮、磷的去除效果，而一体化氧化沟占地少、能耗低，符合当前污水处理工艺简化发展的趋势[6]。

(3)随着计算机技术和仪器设备的开发利用，SBR工艺得到了大力发展，该工艺适用于中、小型污水处理厂以及处理部分工业废水，采用间歇式运行方式，污水处理流程在一个反应器内连续完成且可实现自动化控制，极大地简化了处理工艺。近几十年来，SBR工艺在进水方式、容积利用率以及氮、磷处理效果上分别衍生出了ICEAS工艺、DAT-IAT工艺以及CAST工艺[7]。现在SBR工艺的研究热门方向有MSBR工艺以及连续流SBR工艺，都是对SBR工艺的进一步强化以期达到理想处理效果。

(4)AAO工艺是一项能够同步脱氮除磷的工艺，待处理污水首先进入厌氧池中释放磷，同时进行有机物氨化，然后进入缺氧池进行脱氮，而后与好氧池送回的回流污水混合再进入好氧池中进行硝化和吸收磷，同时去除水中的有机物。含有硝酸盐的回流污泥回流到厌氧池会影响厌氧释放磷的效果[8]，故AAO工艺对原水的C/N和C/P要求较高。AAO的改良工艺有以下两种：一种是倒置AAO将缺氧池放在厌氧池的前边，微生物对污水中磷的摄取能力加强，充分的释放磷和吸收磷，从而增强工艺的除磷效果；另外一种是A-AAO工艺，即在原工艺前增设一个缺氧池，通过延长污泥停留时间进而增强脱氮除磷的能力。

(5)MBR工艺是一项将膜分离技术与活性污泥法相结合的新兴水处理技术，通过将膜分离技术替代传统的二沉池，同时采用自动化技术实现泥水分离和污泥浓缩的功能，去除病原菌并提升出水水质。高生物量浓度使MBR工艺能以紧凑的系统获得较高的有机物去除率[9]。MBR工艺的改进方向有SMBR工艺，即淹没式膜反应器，通过空气和水流的相互运动来降低膜的污染程度[9]，从而保护膜的有效性并增长膜的使用寿命。将MBR工艺与其他工艺相结合使用往往对水处理的效果有进一步的提升。

3.2 生物膜法

生物膜法是利用固着于滤料载体上的微生物来降解水中污染物的一种污水好氧生物处理技术[10]。其原理是污水在填料表面流动形成膜状污泥，能够吸附污水中的污染物,从而达到净化污水的目的。生物膜法中参与净化污水的反应微生物具有多样性以及种属优势，对水质水量的变动有较强的适应性，在工业废水、污水回用方面以及在农村地区的小型污水处理厂得到合理的应用[11]。目前在应用中的生物膜法主要有的工艺种类、优缺点对比如表2所示。

表2 生物膜法衍生工艺比较

(1)曝气生物滤池是同时具备曝气、高速过滤、定期反冲洗功能的生物膜法污水处理技术。污水由上而下通过滤料层时在底部曝气装置进行曝气，生物膜上的微生物获得氧气充分降解水中污染物质，脱落的生物膜和水中固体悬浮物被填料所截流，更能使污水进行二次截流的处理效果。曝气生物滤池采用陶粒作为滤料处理生活污水[12]，处理效果非常理想，曝气过程中气水比仅为3.3∶1[12]，有效节约了处理成本。

(2) 生物转盘通过电机驱动转盘以较低的线速度交替与污水和空气接触，稳定运行后，转盘上覆盖着一层吸附污染物的生物膜。此外，生物转盘系统还可以进行硝化反应，同步进行脱氮除磷。生物转盘可以通过空气驱动、与曝气池合建、与沉淀池合建等操作降低生物转盘的运行消耗以及提高处理设备的效率[13]。生物转盘的研究可从转盘自身材料抗腐蚀性、强度等方向发展，或者可将生物转盘技术与其他物理化学技术相结合，实现长期稳定高效运行。

(3)生物接触氧化的实质是将富含氧气的待处理污水以一定流速通过填料，填料上布满的生物膜降解污水污染物，由此看出生物接触氧化实际上是一种介于活性污泥法与生物滤池之间的生物处理技术。生物接触氧化法系统中填料比表面积高于同条件下的生物滤池以及生物转盘，但与此同时其能耗低于其他工艺，污水相对流速较低，为微生物在填料上生长繁殖创造了条件。研究表明，采用水力停留时间为5.8 h、间歇曝气运行方式出水水质达到了传统运行方式的处理效果[14]，但其进水要求需先经过预处理，另外曝气不均匀影响出水水质也是常见的问题。

(4)生物流化床工艺是通过借用流体流动时，附着微生物的生物颗粒呈流态化进而去除污染物的生物膜法。其反应运行体系内存在3种状态：固定床、流化床以及液体输送，为强化其运行效果，可通过提高单位容积生物量或者强化污水与生物膜之间的接触，增强传质作用。流化床可分为好氧和厌氧两种，分别具有提高传质效率、氧气的利用率以及容积负荷大效率高的特点[15]。

(5)MBBR工艺融合了流化床和生物接触氧化法的优势，污水与可悬浮填料、空气共同组成气、液、固三相环境，促进硝化与反硝化反应同步进行。MBBR工艺既具有活性污泥法的高效灵活性，也具有生物膜法耐冲击负荷，剩余污泥少的优点，处理效率更高运行更稳定。MBBR工艺在污水处理方面的新思路主要为组合工艺，例如二级MBBR反应器在处理医药废水方面效果显著[16]，或者与AO等活性污泥法工艺相结合，加强研究并进行实际应用，为今后组分复杂污水提供解决方案[16]。

4 结论

城市污水高效、环保处理是城市用水可再生循环利用的关键，也是维系水资源可持续发展的重要途径。开发更高效的污、废水处理工艺，不仅能让城市用水水质得到保障，也实现了水资源在城市功能的流通。根据不同城市污水的实际污染情况，应该采用合适的处理工艺，对污染负荷较高、可生化性较差的污水可选择采用水解酸化+SBR、MBBR等工艺；对脱氮除磷效果有较高的要求可采用AAO、氧化沟、生物接触氧化、MBBR等工艺；对节约运行费用、能耗、人力等方面可采用SBR、氧化沟等工艺；对于某些地区污水处理厂出水标准需要达到一级A甚至地表水IV类标准，可通过采用AAO+MBR、CAST+MBBR等工艺进一步提升处理效果。此外，对于北方低温寒冷地区可通过增加污泥浓度、调整污泥负荷率、增加保温材料等措施，确保水处理微生物活性不影响出水水质效果。