生活污水的资源化利用

2023-01-18杨文龙郭禹杉赵阳尹薇薇刘芸滈皋崇竣毕野

当代化工研究 2022年3期

＊杨文龙郭禹杉赵阳尹薇薇刘芸滈皋崇竣毕野

（沈阳工业大学石油化工学院辽宁 111003）

引言

生活污水就是群众在日常生活中排放出的废弃用水，其中主要是来自于居住社区以及公共场所。在这生活污水里面，主要有各类大型有机物和各种病毒原体微生物。而各类大型有机物极其不稳定，非常容易腐烂恶化，进而产生大量恶臭气味。正是因为生活污水中含有大量的有机物，很多细菌以及各类病原体以此为营养物质而大量繁殖，致使疾病得以肆虐。

但是，我国的城市污水处理系统在1921年才刚刚形成，起步较晚。跟现今世界研究技术体系相比，我国无论是技术体系还是相关政策方面都有着不小的差距。近些年来国民经济的飞速增长，间接导致水体污染难题也越来越多。伴随着研究进展不断推进以及相关政策的逐渐落实，很多问题开始出现，比如各类仪表以及检测仪的精度与国外仍然有着很大差距，生活污水管网铺设较慢、投入设备有所偏移、一些生活污水处理设备装置远远不能满足环境保护的新要求、生活污水再生利用程度水平较低、各类投资资金不足、监管督查落实不到位仍是根本性问题。因此，改善并提出一套完整的生活污水处理工艺体系具有着很重要的意义。

1.生活污水处理方法

在当今世界研究进展中，普遍应用采取的生活污水处理技术有电磁化法、隔膜吸附过滤法、生物降解法以及活性污泥法A/O法、AB法及氧化沟等，在这众多方法技术里面，采取应用最为广泛的方法技术是活性污泥法，而这种方法技术，主要是在大型的城市污水厂中间采用较多。但是在最近这几年，比较广泛采用的以物化处理和微生物处理为主的脱氮除磷工艺大多数有着处理成本高，管理体系错综复杂等众多弊端，另外可能会导致生活污水中附有的潜在营养价值丢失[1]。

(1)微藻处理污水法

在1957年Oswald提出高效藻类塘（HRAP）这一概念，并将其采取应用于污水处理方面[2]。在此之后，有关于藻类处理其废水的相关研究，渐渐丰富了起来。在这里面方法中，诸多皆如为氧化塘培育法（在污水池塘中培养藻类）[3]。

(2)自然分解法

早在20世纪，美国就开始采取自然分解的方法，来处理污水。通过这种技术体系，需氧细菌能够处理可使其污水中的一些可溶化学物质，但是在其中的无法相融的悬浮颗粒形成污泥在第一阶段沉淀，通过一系列操作，再以进入密封的厌氧代谢区。另外，厌氧细菌可以将污泥进一步分解为如甲烷、硫化氢、二氧化碳和氨等气体。

(3)微生物净化法

在千叶县，日本地球环境产业技术研究通过考研调查，选择其与环保设备制造商进行一系列合作，展开了一个地下水处理试验。经过半年多时间，通过考察一部进而发现了其微生物有着很强的功能，可以将排放污水中的所含的三氯乙烯进一步分离降解成无害物质。

(4)隔膜吸附过滤法

从20世纪开始，通过高压力以及细网膜，进而使其水分子与细流分离，进而分离除去如盐、钙、氮、磷、镭等一些杂质固体，有着很好的过滤效果，以此达到净化。通过这些研究，国外开发出了一种使用陶瓷膜过滤器的污水处理系统，其可以适用于各类中小型水处理厂。如在西方国家采用直径5～15μm的陶瓷晶体做成带圆柱状蜂窝型洞穴，以此来使其达到饮用标准。

(5)电磁化法

水体经由磁场体系进行磁化，其中大量水分子中所含的一些电子，能够从位能较低的轨道跳跃转移至位能较高的轨道，使水体的密度、渗透压等物理性质产生变化，并使水体拥有很多功能如除垢防垢、除锈缓蚀、抑制微生物生长等。在日本，研究人员采用超导磁铁和水生植物，研究开发出了一类新型水体净化装置。

2.光合细菌法处理

(1)反应原理

作为一类细菌微生物，光合细菌在水田、池塘、湖泊、活性污泥等地方都是很常见。在其通过光介质来进行光合作用的时候，其中光合细菌可以将低分子有机物等来作为供氢体与碳源等。在高含量有机废水的处理过程中，由于异养微生物的大量繁殖，导致高分子有机物分离降解成如低级脂肪酸、氨基酸等物质。而高分子有机物的减少，使以此为营养的异养细菌大幅减少，但其中光合细菌却得以大幅度增加。通过光合细菌作用，使低级脂肪酸等一系列物质分离降解直到较低浓度。与此同时，接着活性污泥和藻类产生反应，进一步将其净化使其能够达到排放标准。而在它们当中，里面所含的光合细菌大部分具有一定的脱氮作用，同时，如果有硝酸盐，其中的光合细菌能将NO3最终还原成N2。

(2)微生物培育

经过光合细菌法处理后的生活污水，可以培育多种微生物，具有很高的经济效益，其中价值最高的是绿藻，在当今世界研究也有着很重要的作用，其贮藏的营养物质大多数为淀粉和油类等物质。另外，与小球藻等这一类单细胞物质相比，绿藻具有着繁生快，产量高，含有一定量的蛋白质等性质，它不仅仅可作食品，而且有时候可以用于药用。另外，藻菌共生系统以及活性藻使用的方法可以拿来采取去处理各类污水。相比之下，在这类微生物中，里面的浮萍不仅作为良好的饲料，可以喂养猪鸭，同时，还是一些鱼种的优质饲料。

3.脱氮处理

(1)处理机理

生活污水中氮的存在形式有很多，有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等，其中主要以有机氮和氨氮形成存在，有机氮的占比在40%～50%左右，而氨氮占比约为50%～60%，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮在生活污水中的含量并不是很高，甚至没有超过氨氮总量的1%。我们知道，常见的脱氮方法分别为生物法和化学法。生物法作用很强大，它不仅可以轻易地将有机物去除干净，还能有效地将有机氮和氨氮通过生物硝化反硝化进行转化并去除；但是另一种化学法却只能去除氨氮，处理成本和生物法相比还要高出很多，对环境产生一些不良的影响同时，还会影响自然界的生态发展，得不偿失。因此，就当前来说，生物法还是要比化学法要实用许多，废水生物脱氮的方法，是将氨氮进行转化，转化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，再进一步转化，最终转化为氮，从而达到通过硝酸盐和反硝化细菌将亚硝酸盐去除的效果。

(2)处理工艺

①ANAMMOX工艺原理

研究和数据表明，在大自然中至少存在两种在厌氧条件下氨氧化的方式：厌氧条件下好氧氨氧化菌的氨氧化过程和厌氧氨氧化菌作用下的氨氧化过程。厌氧氨氧化菌的氨氧化速率相对很快，达到了好氧氨氧化菌的25倍。随着社会和技术的进步，自然生态系统和人工生态系统中的厌氧氧化过程和细菌越来越受到人们的关注。

厌氧氨氧化反应是生物氧化的过程，自养厌氧氨氧化细菌可以将NO2-或NO3-转化为N2，NH4+作为电子供体，NO2-或NO3-作为电子受体[5]。Graaf，Mulder[6]等一些人证明了，NO2-电子受体在这个反应中最为关键。而且他们还使用了15NH4+和14NO3-对其进行了示踪试验，初步可以断定了ANAMMOX反应的可能途径。

调查的结果数据表示，ANAMMOX这种无机菌株可以进行自养生长。在富集培养中，HCO3-可以在其中作为唯一的碳源而非有机碳源；该细菌增殖的速度可以说是十分缓慢的[7]，但与缓慢的生长速度相反的是，该菌株转化氮的能力很优秀，它的处理效率是相当高的。

②同时硝化反硝化脱氮工艺

众所周知，传统的硝化和反硝化是不能同时完成的，所以我们在这个方向一直在努力地探索着。近年来我们在研究中发现，同步进行硝化反硝化生物反硝化技术的研究主要是在氧化沟、SBR、流化床反应器等系统上进行大量的使用和发展。Rittmann等人[8]和Bertanza等人[9]的两个团队向我们证明了各种脱氮工艺的优秀脱氮效果。同时，Yoo等人[10]也对最佳操作参数进行了进一步的确定。此时，氮的去除率稳定地保持在了90%以上。而有机物的去除率更高，甚至达到稳定在95%以上的程度。另一组团队，Daigger等人[11]确定工艺中同步硝化和反硝化的完成程度，也是一项功不可没的研究。他们在研究中所称，Orbal氧化沟很轻易就会将硝化和反硝化同时进行。与此同时，国内也探究出了许多成果。例如，我们中国的优秀人才高彦耀[12-13]就分析了各种生物反硝化过程中同时硝化和反硝化的现象。孟毅等[14]通过处理制药废水的一系列研究，也逐渐提高了同步硝化反硝化在制药废水中的应用。他们团队的结果表明了，在适宜条件下，氨氮和总氮的去除率可以更高。国内外许多学者也进行了许多诸如此类的研究。

关于反硝化机理和工艺这项技术，我们仍然是比较落后的。因此，该工艺在实际应用中不是特别普及。

③SHARON生物脱氮工艺

此工艺简称硝基生物脱氮，分为两个步骤[15]，首先是控制氨氮进行转化，将其成为我们所熟知的亚硝酸盐氮，再进行反硝化。在厌氧条件下，此工艺还可以通过反硝化和细菌将水中的亚硝酸盐氮去除，使其变为含氮废气。这一工艺的优点是，在整个反应过程中甚至不会生成一点硝酸盐，可以大幅度节省消耗，该工艺可节省相当一部分的氧气和碳源。另外，该方法可以减少产生的酸，运行中可减少碱量；大大缩短了反应时间，而且缩小了反应器，节省了投资。在这个过程中，我们最重要的是让氨氮在好氧条件下可以稳定氧化为亚硝酸盐氮。为了在这方面能够突飞猛进的发展，诸多学者对这一研究进行了一系列的探讨与深挖，并且收获颇丰。