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城市污水处理工艺选择
发布时间:2014-12-22
城市污水处理工艺选择 1、污水处理工艺选择准则 我国城市污水处理及污染防治技术政策中对污水处理的工艺选择提出了四条准则:①城市污水处理工艺应根据处理规模、水质特性、受纳水体的环境功能及当地的实际情况和要求,经全面技术经济比较后优选确定。②工艺
城市污水处理工艺选择
1、污水处理工艺选择准则
我国城市污水处理及污染防治技术政策中对污水处理的工艺选择提出了四条准则:①城市污水处理工艺应根据处理规模、水质特性、受纳水体的环境功能及当地的实际情况和要求,经全面技术经济比较后优选确定。②工艺选择的主要技术经济指标包括:处理单位水量投资、削减单位污染物投资、处理单位水量电耗和成本、削减单位污染物电耗和成本、占地面积、运行性能可靠性、管理维护难易程度、总体环境效益等。③应切合实际地确定污水进水水质,优化工艺设计参数。必须对污水的现状水质特性、污染物构成进行详细调查或测定,作出合理的分析预测。在水质构成复杂或特殊时,应进行污水处理工艺的动态试验。④积极审慎地采用高效经济的新工艺。对在国内首次应用的新工艺,必须经过中试和生产性试验,提供可靠设计参数后再进行应用。
2、处理工艺选择
(1)按城市污水处理及污染防治技术政策推荐,日处理能力在20万立方米以上(不包括20万立方米/日)的污水处理设施,一般采用常规活性污泥法。也可采用其他成熟技术;日处理能力在10-20万立方米的污水处理设施,可选用常规活性污泥法、氧化沟法、SBR法和AB法等成熟工艺;日处理能力在10万立方米以下的污水处理设施,可选用氧化沟法、SBR法、水解好氧法、AB法和生物滤池法等技术,也可选用常规活性污泥法。
(2)按城市污水处理及污染防治技术政策要求,在对氮、磷污染物有控制要求的地区,应采用具备较强的除磷脱氮功能的二级强化处理工艺。日处理能力在10万立方米以上的污水处理设施,一般选用A/O法、A/A/O法等技术。也可审慎选用其他的同效技术;日处理能力在10万立方米以下的污水处理设施,除采用A/O法、A/A/O法外,也可选用具有除磷脱氮效果的氧化沟法、SBR法、水解好氧法和生物滤池法等。
(3)按城市污水处理及污染防治技术政策许可,在严格进行环境影响评价、满足国家有关标准要求和水体自净能力要求的条件下,可审慎采用城市污水排入大江或深海的处置方法。城市污水二级处理出水不能满足水环境要求时,在有条件的地区,可利用荒地、闲地等可利用的条件,采用土地处理系统和稳定塘等自然净化技术进一步处理。
3、处理工艺介绍
3.1 常规活性污泥法
常规活性污泥法是目前应用较普遍的处理技术,又称普遍活性污泥法或传统活性污泥法,适合于食品、酿造、石油化工、城市生活污水等含有机物高的污水处理。工艺上采用沉淀、过滤、曝气和二次沉淀,曝气池和二次沉淀池是主要装置。运行条件是:供给充足的氧,适当的温度10~50℃,养料,pH值6~9,BOD5、氮、磷成一定比例,污水中毒物在细菌能承受的范围内。
活性污泥法是以悬浮生长的微生物在好氧条件下对污水中的有机物、氨氮等污染物进行降解的废水生物处理工艺。该法是在人工充氧条件下,对污水和各种微生物群体进行连续混合培养,形成活性污泥,通过对污染物的生物凝聚、吸附和氧化作用,以分解去除污水中的有机污染物。然后使污泥与水分离,大部分污泥再回流到曝气池,多余部分则排出活性污泥系统。
典型的活性污泥法是由曝气池、沉淀池、污泥回流系统和剩余污泥排除系统组成。曝气池为反应主体;沉淀池的作用是进行泥水分离,保证回流污泥,维持曝气池内的污泥浓度;回流系统用来维持曝气池的污泥浓度,并通过改变回流比,改变曝气池的运行工况;剩余污泥排放系统是去除有机物的途径之一;供氧系统主要由供氧曝气风机和专用曝气器构成向曝气池内提供足够的溶解氧。
活性污泥法的基本流程为:污水和回流的活性污泥一起进入曝气池形成混合液。从空气压缩机站送来的压缩空气,通过铺设在曝气池底部的空气扩散装置,以细小气泡的形式进入污水中,目的是增加污水中的溶解氧含量,还使混合液处于剧烈搅动的状态,形悬浮状态。溶解氧、活性污泥与污水互相混合、充分接触,使活性污泥反应得以正常进行。第一阶段,污水中的有机污染物被活性污泥颗粒吸附在菌胶团的表面上,这是由于其巨大的比表面积和多糖类黏性物质。同时一些大分子有机物在细菌胞外酶作用下分解为小分子有机物。第二阶段,微生物在氧气充足的条件下,吸收这些有机物,并氧化分解,形成二氧化碳和水,一部分供给自身的增殖繁衍。活性污泥反应进行的结果,污水中有机污染物得到降解而去除,活性污泥本身得以繁衍增长,污水则得以净化处理。经过活性污泥净化作用后的混合液进入二次沉淀池,混合液中悬浮的活性污泥和其他固体物质在这里沉淀下来与水分离,澄清后的污水作为处理水排出系统。经过沉淀浓缩的污泥从沉淀池底部排出,其中大部分作为接种污泥回流至曝气池,以保证曝气池内的悬浮固体浓度和微生物浓度;增殖的微生物从系统中排出,称为“剩余污泥”。事实上,污染物很大程度上从污水中转移到了这些剩余污泥中。
活性污泥工艺的优点是对不同性质的污水适应性强,建设费用较低。
活性污泥工艺的缺点是运行稳定性差,容易发生污泥膨胀和污泥流失,分离效果不够理想。
活性污泥法有很多种型式,使用最广泛的主要有三类:①传统活性污泥法和它的改进型A/O、A2/O工艺;②氧化沟;③SBR工艺。传统活性污泥法是应用最早的工艺,它去除有机物的效率很高,在处理过程中产生的污泥采用厌氧消化方式进行稳定处理,对消除污水和污泥的污染很有效,而且能耗和运行费用都比较低,因而得到广泛应用。
传统活性污泥法与氧化沟和SBR工艺相比最大优势是能耗较低、运营费用较低,规模越大这种优势越明显。对于大型污水厂来说,年运营费很可观,比如规模为40×104m3/d的污水厂,1m3污水节省处理费1分钱,一年就节省146万元。
传统的活性污泥法与AB法相比,处理效率、运行稳定性低于AB法,工程投资和运行费用高于AB法。
传统活性污泥法的主要缺点是处理单元多,操作管理复杂,特别是污泥厌氧消化要求高水平的管理,消化过程产生的沼气是可燃易爆气体,更要求安全操作,这些都增加了管理的难度。但由于大型污水厂背靠大城市,技术力量强,管理水平较高,能满足这种要求,因而常规活性污泥法的缺点不会成为限制使用的因素。
3.2 氧化沟法
3.2.1 一般原理
氧化沟污水处理工艺是由荷兰卫生工程研究所(TNO)在20世纪50年代研制成功的。第一家氧化沟污水处理厂于1954年在荷兰Voorshoper市建成投入使用。
从本质上看,氧化沟工艺是传统活性污泥工艺的一种变形,所以工作原理本质上与活性污泥法相同,但运行方式不同。
氧化沟工艺对传统活性污泥工艺的变形主要在以下三个方面:
(1)池改为沟。传统工艺的曝气池有推流式和完全混合式两种,推流式一般为矩形,完全混合式一般为圆形池。氧化沟则改成了封闭的环状沟,因此氧化沟也称为连续循环曝气池。污水和混合液(包括回流污泥)在沟内进行连续循环几十圈才能流出沟外。这种沟型结构,具备了推流式和完全混合式的双重特点。首先,污水一经进入池中,立即与池内混合液完全混合,经几十圈的循环,各点的污染物浓度基本一致。若某时刻进入高浓度或有毒工业废水进入沟内后,其浓度会很快被稀释,使其影响降低至最小。这是氧化沟工艺抗冲击负荷能力强的主要因素。其次,从循环一圈来看,氧化沟又有推流的特征,因为污水在沟中要循环几十圈,不产生像完全混合式那样,易发生短路。由此可见,氧化沟工艺综合了推流式和完全混合式的优点。
(2)低负荷高污泥龄。由于氧化沟运行方式,污水在沟内循环几十圈,决定了水力停留时间和曝气时间充分延长,从而使有机物负荷低污泥龄长的特点,在这样条件下运行使出水水质好,污泥在氧化沟中得以充分地稳定,不需再进行厌氧消化处理。
(3)曝气设备简化。氧化沟的曝气形式主要以表曝为主,常见的曝气设备有水平轴曝气转刷或转碟、垂直轴曝气机、射流曝气器等,与传统工艺的鼓风曝气形式相比,氧化沟的曝气系统大为简化,运行管理方便。
3.1.2 氧化沟工艺主要设计参数
氧化沟的水力停留时间长,有机负荷低,其本质上属于延时曝气系统。以下为一般氧化沟法的主要设计参数:
水力停留时间:10-40小时
污泥龄:一般大于20天
有机负荷:0.05-0.15kgBOD5/(kgMLSS.d)
容积负荷:0.2-0.4kgBOD5/(m3.d)
活性污泥浓度:2000-6000mg/l
沟内平均流速:0.3-0.5m/s
3.1.3 氧化沟的技术特点
氧化沟利用连续环式反应池(Cintinuous Loop Reator,简称CLR)作生物反应池,混合液在该反应池中一条闭合曝气渠道进行连续循环,氧化沟通常在延时曝气条件下使用。氧化沟使用一种带方向控制的曝气和搅动装置,向反应池中的物质传递水平速度,从而使被搅动的液体在闭合式渠道中循环。
氧化沟一般由沟体、曝气设备、进出水装置、导流和混合设备组成,沟体的平面形状一般呈环形,也可以是长方形、L形、圆形或其他形状,沟端面形状多为矩形和梯形。
氧化沟法由于具有较长的水力停留时间,较低的有机负荷和较长的污泥龄。因此相比传统活性污泥法,可以省略调节池、初沉池、污泥消化池,有的还可以省略二沉池。氧化沟能保证较好的处理效果,这主要是因为巧妙结合了CLR形式和曝气装置特定的定位布置,是式氧化沟具有独特水力学特征和工作特性:
(1)氧化沟结合推流和完全混合的特点,有力于克服短流和提高缓冲能力,通常在氧化沟曝气区上游安排入流,在入流点的再上游点安排出流。入流通过曝气区在循环中很好的被混合和分散,混合液再次围绕CLR继续循环。这样,氧化沟在短期内(如一个循环)呈推流状态,而在长期内(如多次循环)又呈混合状态。这两者的结合,即使入流至少经历一个循环而基本杜绝短流,又可以提供很大的稀释倍数而提高了缓冲能力。同时为了防止污泥沉积,必须保证沟内足够的流速(一般平均流速大于0.3m/s),而污水在沟内的停留时间又较长,这就要求沟内由较大的循环流量(一般是污水进水流量的数倍乃至数十倍),进入沟内污水立即被大量的循环液所混合稀释,因此氧化沟系统具有很强的耐冲击负荷能力,对不易降解的有机物也有较好的处理能力。
(2)氧化沟具有明显的溶解氧浓度梯度,特别适用于硝化-反硝化生物处理工艺。氧化沟从整体上说又是完全混合的,而液体流动却保持着推流前进,其曝气装置是定位的,因此,混合液在曝气区内溶解氧浓度是上游高,然后沿沟长逐步下降,出现明显的浓度梯度,到下游区溶解氧浓度就很低,基本上处于缺氧状态。氧化沟设计可按要求安排好氧区和缺氧区实现硝化-反硝化工艺,不仅可以利用硝酸盐中的氧满足一定的需氧量,而且可以通过反硝化补充硝化过程中消耗的碱度。这些有利于节省能耗和减少甚至免去硝化过程中需要投加的化学药品数量。
(3)氧化沟沟内功率密度的不均匀配备,有利于氧的传质,液体混合和污泥絮凝。传统曝气的功率密度一般仅为20-30瓦/米3,平均速度梯度G大于100秒-1。这不仅有利于氧的传递和液体混合,而且有利于充分切割絮凝的污泥颗粒。当混合液经平稳的输送区到达好氧区后期,平均速度梯度G小于30秒-1,污泥仍有再絮凝的机会,因而也能改善污泥的絮凝性能。
(4)氧化沟的整体功率密度较低,可节约能源。氧化沟的混合液一旦被加速到沟中的平均流速,对于维持循环仅需克服沿程和弯道的水头损失,因而氧化沟可比其他系统以低得多的整体功率密度来维持混合液流动和活性污泥悬浮状态。据国外的一些报道,氧化沟比常规的活性污泥法能耗降低20%-30%。
另外,据国内外统计资料显示,与其他污水生物处理方法相比,氧化沟具有处理流程简单,超作管理方便;出水水质好,工艺可靠性强;基建投资省,运行费用低等特点。
3.1.4 氧化沟脱氮除磷工艺
传统氧化沟的脱氮,主要是利用沟内溶解氧分布的不均匀性,通过合理的设计,使沟中产生交替循环的好氧区和缺氧区,从而达到脱氮的目的。其最大的优点是在不外加碳源的情况下在同一沟中实现有机物和总氮的去除,因此是非常经济的。但在同一沟中好氧区与缺氧区各自的体积和溶解氧浓度很难准确地加以控制,因此对除氮的效果是有限的,而对除磷几乎不起作用。另外,在传统的单沟式氧化沟中,微生物在好氧-缺氧-好氧短暂的经常性的环境变化中使硝化菌和反硝化菌群并非总是处于最佳的生长代谢环境中,由此也影响单位体积构筑物的处理能力。
3.1.4.1 脱氮除磷工艺氧化沟类型
严格地说,氧化沟不属于专门的生物除磷脱氮工艺。但是随着氧化沟技术的发展,它早已超出原先的实践范围,出现了一系列除磷脱氮技术与氧化沟技术相结合的污水处理工艺。
按照运行方式,脱氮除磷工艺氧化沟可以分为连续工作式、交替工作式和半交替工作式。
连续工作式氧化沟,如帕斯韦尔氧化沟、卡鲁塞尔氧化沟及其改进型、奥贝尔(Orbal)氧化沟及其改进型。奥贝尔氧化沟在我国应用比较多,这些氧化沟通过设置适当的缺氧段、厌氧段、好氧段都能取得较好的除磷脱氮效果。连续工作式氧化沟又可分为合建式和分建式。
交替工作式氧化沟一般采用合建式,多采用转刷曝气,不设二沉池和污泥回流设施。交替工作式氧化沟又可分为单沟式、双沟式和三沟式,交替式氧化沟兼有连续式氧化沟和SBR工艺的一些特点,可以根据水量水质的变化调节转刷的开停,既可以节约能源,又可以实现最佳的除磷脱氮效果。
(1)PI型氧化沟
PI(Phase Isolation)型氧化沟,即交替式和半交替式氧化沟,是七十年代在丹麦发展起来的,其中包括DE型、T型和VR型氧化沟,随着各国对污水处理厂出水氮,磷含量要求越来越严,因而开发出现了功能加强的PI型氧化沟,主要由Kruger公司与Demmark技术学院合作开发的,称为Bio-Denitro和Bio-Denipho工艺,这两种工艺都是根据A/O和A2/O生物脱氮除磷原理,创造缺氧/好氧,厌氧/缺氧/好氧的工艺环境,达到生物脱氮除磷的目的。
① DE型、T型氧化沟脱氮工艺
DE型氧化沟由容积相同的A、B两段组成。串联运行,交替地作为曝气池和沉淀池。一般以8h作为一个运行周期,该糸统可得到十分优秀的水质和稳定的污泥。同样不设污泥回流装置。总的曝气转刷率仅为37.5%。
T型氧化沟由同容积的A、B、C三段组成。A、C交替作为曝气池和沉淀池,中间的B一直作为曝气池。原污水交替地进入两侧的沟池,处理出水则相应地从作为沉淀池的池中流出,这样提高了曝气转刷的利用率(达59%左右),另外也有利于生物脱氮。三沟式氧化沟流程简洁,具有生物脱氮功能,但脱氮除磷效果不稳定,由于无专门的厌氧区,因此,生物除磷效果差,而且由于交替运行,总的容积利用率低,约为55%,设备总数量多,利用率低。
② VR型氧化沟脱氮工艺
VR氧化沟沟型宛如通常的环形跑道,中央有一小岛的直壁结构,氧化沟分为两个容积相当的部分,其水平形式如反向的英文字母C,污水处理通过二道拍门和二道出流堰交替起闭进行连续和恒水位运行。
③ PI型氧化沟同时脱氮除磷工艺
交替式氧化沟在脱氮效果上良好,为了达到除磷效果,通常在氧化沟前设置相应的厌氧区或构筑物或改变其运行方式。据国内外实际运行经验显示,这种同时脱氮除磷工艺只要运行时控制的好,可以取得很好的脱氮除磷效果。
西安北石桥污水净化中心采用具有脱氮除磷的D型氧化沟系统(前加厌氧池),一期工程处理能力为15万立方米/天,对各阶段处理效果实测结果表明,D型氧化沟处理城市污水效果显著。COD、TN、TP的总去除效率分别达到87.5%-91.6%,63.6%-66.9%,85.0%-93.4%,出水TN为9.0-10.1mg/l,TP为0.42-0.45mg/l,出水水质优于国家二级出水排放标准。
上述三种PI型氧化沟脱氮除磷工艺都有转刷的调速,活门、出水堰的启闭切换频繁的特点,对自动化要求高,转刷利用率低,故在经济欠发达的地区受到很大的限制。
(2)奥贝尔氧化沟
奥贝尔氧化沟通常由三个同心的沟道组成,平面上为圆形或椭圆形。沟道之间采用隔墙分开,隔墙下部设有必要面积的通水窗口。沟道断面形状多为矩形或梯形。隔墙一般使用100-150毫米厚的现浇钢筋混凝土构造。各沟道宽度由工艺设计确定,一般不大于9米。有效水深以4-4.5米,动力效率与转刷接近,现已在山东潍坊、北京黄村和合肥王小郢的城市污水处理厂应用。
污水由外沟道进入,与回流污泥混合后,由外沟道进入中间沟道再进入内沟道,在各沟道循环达数百到数十次。最后经中心岛的可调堰门流出,至二次沉淀池。在各沟道横跨安装有不同数量水平转碟曝气机,进行供氧兼有较强的推流搅伴作用。三个廊道的溶解氧分别控制为0-0.3mg/L、0.5-1.5mg/L、2-3mg/L。通常控制曝气强度是,外圈的供氧速率与好氧速率相近,保证混合液的硝化反应,氮素在外圈的反应过程是一个同步硝化反硝化过程。
它的脱氮效果很好,但除磷效率不够高,要求除磷时还需前加厌氧池。
(3)改良型奥贝尔氧化沟
典型的奥贝尔氧化沟由三个相对独立的同心椭圆形沟道组成,污水由外沟道进入沟内,然后依次进入中间沟道和内沟道,最后经中心岛流出,至二次沉淀池。三个环形沟道相对独立,溶解氧分别控制在0、1、2 mg/l,其中外沟道容积达50%~60%,处于低溶解氧状态,污水在外沟道循环约150~250圈(由水力停留时间决定)才进入中沟道,主要的有机物氧化及80%的脱氮均在外沟道完成。内沟道体积约为10%~20%,维持较高的溶解氧(2mg/l),为出水把关。在各沟道横跨安装有不同数量转碟曝气机,进行供氧兼有较强的推流搅拌作用。
由于氧化沟为圆形或椭圆形沟型,加上池中心设有中心岛,造成氧化沟占地较大,平面布置相对困难;另外设置的辐流式沉淀池亦为圆形,使得厂区无效占地比例偏高。
改良型奥贝尔氧化沟采取氧化沟与二沉池合建方案,即二沉池外层设三圈氧化沟,呈同心布置,二沉池取代了ORBAL氧化沟中心岛,具体形式见下图。

改良型ORBAI氧化沟与分体建设氧化沟相比,具有如下优势:
a.减少了无效占地。
b.氧化沟与二沉池采用共用池壁,可减少土建工程量。
c.流程顺畅,可节省氧化沟至终沉池之间的连接管道,减少氧化沟与终沉池之间的水头损失,节约能耗。
其工艺流程如下:

重庆市南川污水处理厂  工艺流程图

(4)卡鲁塞尔氧化沟


传统的卡鲁塞尔氧化沟
1——出水堰;2——曝气器

由上图可知,这是一个多沟串联系统,进水与活性污泥混合后沿箭头方向在沟内作不停的循环流动。Carrousel氧化沟采用垂直安装的低速表面曝气器,每组沟渠安装一个,均安装在同一端,因此形成了靠近曝气器下游的富氧区和曝
气器上游以及外环的缺氧区,这不仅有利于生物凝聚,还使活性污泥易于沉淀。BOD5去除率可达95~99%,脱氮效率约90%,除磷效率约为50%。
Carrousel氧化沟的表面曝气机单机功率大,其水深可达5m以上,使氧化沟面积减少土建费用降低。由于曝气机功率大,使得氧的转移效率大大提高,平均传氧效率至少达到达2.1Kg/Kw.h。因此这种氧化沟具有极强的混合搅拌耐冲击能力。当有机负荷较低时,可以停止某些气器运行,以节约能耗。
① 传统的卡鲁塞尔氧化沟工艺
卡鲁塞尔(Carrousel)氧化沟是1967年由荷兰的DHV公司开发研制的。它的研制目的是为满足在较深的氧化沟沟渠中使混合液充分混合,并能维持较高的传质效率,以克服小型氧化沟沟深较浅,混合效果差等缺陷。至今世界上已有850多座Carrousel氧化沟系统正在运行,实践证明该工艺具有投资省、处理效率高、可靠性好、管理方便和运行维护费用低等优点。Carrousel氧化沟使用立式表曝机,曝气机安装在沟的一端,因此形成了靠近曝气机下游的富氧区和上游的缺氧区,有利于生物絮凝,使活性污泥易于沉降,设计有效水深4.0-4.5米,沟中的流速0.3米/秒。BOD5的去除率可达95%-99%,脱氮效率约为90%,除磷效率约为50%,如投加铁盐,除磷效率可达95%。
② 单级卡鲁塞尔氧化沟脱氮除磷工艺
单级卡鲁塞尔氧化沟有两种形式:一是有缺氧段的卡鲁塞尔氧化沟,可在单一池内实现部分反硝化作用,使用于有部分反硝化要求,但要求不高的场合。另一种是卡鲁塞尔A/C工艺,即在氧化沟上游加设厌氧池,可提高活性污泥的沉降性能,有效控制活性污泥膨胀,出水磷的含量通常在2.0mg/l以下。以上两种工艺一般用于现有氧化沟的改造,与标准的卡鲁塞尔氧化沟工艺相比变动不大,相当于传统活性污泥工艺的A/O和A2/O工艺。
③ 合建式卡鲁塞尔氧化沟
缺氧区与好氧区合建式氧化沟式美国EIMCO公司专为卡鲁塞尔系统设计的一种先进的生物脱氮除磷工艺(卡鲁塞尔2000型)。它的构造上的主要改进是在氧化沟内设置了一个独立的缺氧区。缺氧区回流渠的端口处装有一个可调节的活门。根据出水含氮量的要求,调节活门张开程度,可控制进入缺氧区的流量。缺氧和好氧区合建式氧化沟的关键在与于对曝气设备充氧量的控制,必须保证进入回流渠处的混合液处于缺氧状态,为反硝化创造良好环境。缺氧区内有潜水搅拌器,具有混合和维持污泥悬浮的作用。
三阶段在卡鲁塞尔2000型基础上增加前置厌氧区,可以达到脱氮除磷的目的,被称为A2/C卡鲁塞尔氧化沟。


A2/C卡鲁塞尔氧化沟 工艺流程图

四阶段卡鲁塞尔Bardenpho系统在卡鲁塞尔2000型系统下游增加了第二缺氧池及再曝气池,实现更高程度的脱氮。
五阶段卡鲁塞尔Bardenpho系统在A2/C卡鲁塞尔系统的下游增加了第二缺氧池和再曝气池,实现更高程度的脱氮和除磷。


五阶段Carrousel-Bardenpho 工艺流程图

综上所述,厌氧,缺氧与好氧合建的氧化沟系统可以分为三阶段A2/O系统以及四、五阶段Bardenpho系统,这几个系统均是A/O系统的强化和反复,因此这种工艺的脱氮除磷效果很好,脱氮率达90%-95%。
另外,卡鲁塞尔3000型氧化沟也有较好的脱氮除磷效果。
(5)合建式一体化氧化沟
80年代初,美国开发了将二次沉淀池设置在氧化沟中的合建式氧化沟——BMTS型,并发展成现在所说的一体化氧化沟。一体化氧化沟工艺,是将曝气净化与固液分离合并在一个沟内,形成集曝气、沉淀、泥水分离和污泥回流功能为一体的新型反应器,它设有专门的固液分离装置和措施,因充分利用设备和空间,省去了初沉池、调节池、二沉池和消化池,具有诸多优点。运行条件与常规活性污泥法基本相同,只是一体化氧化沟在设计时要考虑:污泥龄,污泥停留时间,缺氧段到厌氧段、好氧段到缺氧段的回流比,曝气设备、水下推进器、固液分离器的功率和数量等。


图3-1  一体化氧化沟工艺

固液分离及回流机理见图3-2。


图3-2  固液分离及回流机理图

主沟内混合液在流经组件进入分离器内部时,由于特殊的分离器组件结构和水力条件,流动方向发生了多次变化,客观上消耗了液流的能量,为固液分离打下了基础。分离后的污泥通过絮凝,体积变得越来越大,在其沉降过程中,不断受到从主沟进入到分离器内的液流向上的冲击,形成污泥反冲。当这一冲击作用与污泥的重力持平时,污泥便悬浮在分离器中,保持动态静止,形成一悬浮污泥层。当混合液由下而上通过悬浮层时,混合液中的污泥便被悬浮污泥“网捕”下来,这就比传统二沉池单靠静沉作用多了一重作用。
在分离器底部,混合液受到组件下侧板的反力作用,该力可分解组件下侧板流动的两束流——上向流和下向流,因流速差的存在形成压力差,该压力差就直接导致了污泥自动回流。成都城北污水厂一年多的运行情况表明,只要保证固液分离器底部的推动力并及时排泥,就能保证稳定的分离及回流效果。
一体化氧化沟不仅在于曝气/沉淀一体化,实现了污泥无泵自动回流(见图3中的a),还在于直接将缺氧区和好氧区共壁合建实现了水力内回流。该设计的独到之处在于硝化液是通过好氧区的循环流动直接流至缺氧区,与厌氧池中的出水混合后进行反硝化反应,这样就再次省却了一道机械内回流,并充分利用了一体化氧化沟的能量分区及水力分布特点。
一体化氧化沟除一般氧化沟所具有的优点外,还有以下独特的优点:
①工艺流程短,构筑物和设备少,不设初沉池、调节池和单独的二沉池;
②污泥自动回流,投资少、能耗低、占地少、管理简便;
③造价低,建造快,设备事故率低,运行管理工作量少;
④固液分离效果比一般二次沉淀池高,使系统在较大的流量浓度范围内稳定运行。
一体化氧化沟工艺与常规活性污泥法的比较:
◆ 常规活性污泥法和一体化氧化沟法对耗氧有机物的去除都有较好效果, 一体化氧化沟法比常规活性污泥法在除氮、除磷方面有更好的效果。一体化氧化沟在设计时, 把除氮、 除磷作为重要的设计指标之一。
◆ 一体化氧化沟工艺能节约占地面积,形成立体循环,降低投资成本,处理量大,运行费用较低,适合于城市生活污水的处理。
◆ 一体化氧化沟工艺存在的弊端是系统控制、运行管理难度大,设备能耗大,设备日常维护困难。
3.1.4.2 成功案例
卡鲁塞尔氧化沟成功案例:昆明兰花沟污水处理厂、桂林市东区污水处理厂、上海龙华肉联厂。
奥贝尔氧化沟成功案例:安徽省合肥市王小郢污水处理厂、北京大兴黄村污水处理厂、山东潍坊污水处理厂。
一体化氧化沟成功案例:四川省新都污水处理厂。
多沟交替式氧化沟成功案例:西安北石桥污水厂、常熟市城北污水处理厂。
3.3 SBR法
SBR法是序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor)的简称,又名间歇曝气,其主体构筑物是SBR反应池,是美国Irvine教授在20世纪70年代开发的,是一种集调节池、初沉池、曝气池、二沉池为一池,连续进水、间歇排水,工艺流程简单,布局紧凑合理的好氧微生物污水处理技术。SBR能有效地去处废水中的有机物及其氮磷元素,适用于市政污水和中低浓度的工业废水处理。目前,SBR已在国内外广泛应用,主要应用城市污水及其味精、啤酒、制药、焦化、餐饮、造纸、印染、洗涤、屠宰等工业废水的处理。
3.3.1 SBR工艺原理
SBR工艺是活性污泥法的一种变型。SBR是在单一的反应器内,按周期循环运行,每个周期循环过程包括进水、反应(曝气)、沉淀、排放和待机(闲置)五个工序,如下图。SBR单个周期的进水、反应、沉淀、排放和待机都是可以进行控制的。每个过程与特定的反应条件相联系(混合/静止,好氧/厌氧),这些反应条件促进污水物理和化学特性有选择的改变。
第1阶段——进水期:污水在该时段内连续进入处理池,直到达到最高运行液位,并且借助于池底泵的搅动,使废水和池中活性污泥充分混合。此时活性污泥中菌胶团(由细菌、藻类、原生动物、后生动物等组成)将对废水中的有机物产生吸附作用,CODcr和BOD5为最大值。
第2阶段——反应(曝气)期:进水达到设定的液位后,开始曝气,采用推流曝气或完全混合曝气方式,使废水中的有机物与池中的微生物充分吸收氧气,水中的溶解氧(DO)达到最大值,CODcr不断降低。如果要求去处BOD5、硝化和磷的吸收则需要曝气,如果要求反硝化则应停止曝气而进行缓速搅拌。
第3阶段——静置期:既不曝气也不搅拌,反应池处于静沉状态,进行高效的泥水分离COD降为最小值,随着水中的溶解氧不断降低,厌氧反应也在进行。
第4阶段——排水期:排除曝气池沉淀后的上清液,留下活性污泥,作为下一个周期的菌种。
第5阶段——闲置期:活性污泥中微生物充分休息恢复活性,为了保证污泥的活性,防止出现污泥老化现象,还须定期排出剩余污泥,为新鲜污泥提供足够的空间生长繁殖。
3.3.2 SBR工艺特点
(1)SBR工艺只有一个反应器,进水工序均化了污水逐时变化的水质水量,一般不需设调节池,也可省去初沉池、二沉池和污泥回流系统,处理构筑物少,构筑物间的连接管道简洁,要比传统活性污泥工艺节省基建投资30%以上,而且节省用地。
(2)SBR工艺具有流程简单、管理方便、运行费用较低、处理效果好及设备国产化程度高等优点。很适合小城市采用。
(2)SBR从时间上来说是一个理想的推流式过程,可使生化反应推动力和去除污染物的效率同时达到最大,但是就反应器本身的混合状态仍属于完全混合式,因此具有耐冲击负荷和反应推动力大的优点。
(3)由于SBR具有底物浓度梯度大(即F/M大)、缺氧好氧状态并存、污泥的SVI值较低、污泥龄大且比增长速率大等特点,SBR可以有效地抑制污泥膨胀。
(4)SBR可以实现厌氧、好氧和缺氧状态的交替运行,可以通过增大曝气量、水力停留时间以及污泥龄来强化硝化和聚磷菌摄磷过程,也可以在缺氧条件下投加原污水提供有机碳源或者提高污泥浓度来促进反硝化过程,还可以在进水阶段进行搅拌维持厌氧状态,促进聚磷菌充分释磷。
(5)SBR在沉淀阶段无进水,是在静止或接近静止的状态下进行的,因此出水水质良好。
(6)SBR的运行操作、参数控制可以实施自动化管理控制。
3.3.3 SBR工艺缺点
尽管SBR有众多的优点,但自身也存在一些缺点:
(1)连续进水时,对单一SBR反应器来说需要较大的调节池。
(2)对于多个SBR反应器,进水和排水阀门切换频繁,容易造成阀门磨损,对自动化要求较高。
(3)难以达到大型污水处理项目连续进水、连续排水的要求。
(4)设备的闲置率较高。
(5)污水提升水头损失较大。
(6)操作复杂,对自控要求高,一旦自动化系统出现故障,对生产运行影响较大。
3.3.4 各种改进型SBR技术
近年来,SBR技术发展较快,衍生了众多改进型技术。目前,SBR改进型技术主要有:ICEAS、CAST/CASS/CASP、DAT-IAT、UNITANK、MSBR等。
(1)ICEAS——间歇式循环延时曝气活性污泥
ICEAS于20世纪80年代在澳大利亚兴起,其最大的特点是在反应器进水端设置了一个预反应区,运行方式为连续进水、间歇排水,无明显的反应和闲置阶段。ICEAS预反应区一般出于缺氧状态,主反应区是好氧反应场所,体积约占总体积的85~90%。运行时,污水连续进入预反应区,并通过隔墙下端的小孔以层流速度进入主反应区,沿主反应区池底扩散,主反应区同时曝气、沉淀、排水,其工艺原理如图所示。
ICEAS在沉淀阶段仍然进水,会在主反应区底部造成一定的水力紊动,从而影响泥水分离时间及出水水质,因此其进水量受到一定限制。但ICEAS设施简单,管理方便,比经典SBR费用更省,在国内外已得到广泛应用。
(2)CAST/CASS/CASP——循环式活性污泥系统
CASS是1969年美国M.C.Goronszy教授成功开发的,是将可变容积活性污泥法和生物选择器原理有机地结合起来,具有同步脱氮除磷效果,以序批曝气-非曝气方式运行的充-放式间歇活性污泥处理工艺。
CASS是将SBR反应池沿池长方向分为生物选择器、预反应区(缺氧区)和主反应区(好氧区),各区容积比一般为1:5:30。生物选择器设置在CASS前端,容积约占总容积的10%,通常在厌氧或兼氧条件下运行。生物选择器对进水水质水量具有较好的缓冲作用,通过与回流污泥及进水混合,可以加速对溶解性有机物的去除及难降解有机物的水解,同时可促进磷的释放和反硝化作用,进而改善污泥沉降性能,可有效抑制污泥膨胀。预反应区(缺氧区)可以进一步促进释磷以及反硝化作用,还可以辅助生物选择器对水质水量起调节作用。主反应区(好氧区)是去除有机物的主要场所,运行时,通常将主反应区的曝气强度加以控制,使反应区内主体溶液处于好氧状态,完成有机物的降解,而活性污泥内部则基本处于缺氧状态,溶解氧向污泥絮体内的传递受到限制,而硝态氮由污泥内向主体溶液的传递不受限制,从而使主反应区中同时发生有机物的降解以及同步硝化和反硝化作用。运行时,按进水-曝气、曝气、沉淀、滗水、进水-闲置完成一个周期,其工艺原理如图所示。
CASS工艺简单、投资省、维护方便,对水质水量适应性强,具有良好的脱氮除磷效果,其脱氮除磷效果是目前已知的SBR变型工艺中最好的,是实践证明的较为先进的污水生物处理工艺。
(3)DAT-IAT——需氧池和间歇曝气池系统
DAT-IAT一般是由一个需氧池DAT和一个间歇曝气池IAT组成。一般情况下,DAT池连续进水(需氧池)、曝气(也可间歇曝气),IAT池也是连续进水但间歇曝气,在IAT池完成曝气、沉淀、排水和排除剩余污泥。DAT池相当于一个传统活性污泥曝气池,池中水呈完全混合状态;IAT池相当于一个传统的SBR池,但进水为连续。因此,DAT-IAT介于传统活性污泥和SBR之间,其运行过程与SBR相同,由进水、反应、沉淀、排水和闲置五个阶段组成,其工艺原理如图4所示,但其容积利用率是已知SBR变型工艺中最高的,可达66.7%。
(4)UNITANK——一体化活性污泥系统
UNITANK是由比利时史格斯清水公司(SEGHERS)开发的,具有SBR和三沟式氧化沟技术的特点,由3个矩形池组成,3个池通过彼此间隔墙上的开口实现水力相通,每个单元都配有曝气系统,可以表面曝气或鼓风曝气,中间池始终作曝气池,两个边池既可作曝气池也可作沉淀池,设有溢流堰,用于排水和排放剩余污泥。污水可以交替进入任一池,可以实现连续进水连续排水。
UNITANK运行周期包括两个主体运行阶段和两个较短的过渡阶段,两个主体运行阶段运行过程完全相同,运行方向相反,如图5所示。第一个主体运行阶段包括以下过程:
①污水进入左侧池内,因该池在上个主体运行阶段作为沉淀池时积累了大量经过再生、具有较高吸附及活性的污泥,且污泥浓度较高,可以高效降解污水中的有机物;
②混合液同时自左向右通过始终作曝气池的中间池,继续曝气,有机物得到进一步降解,同时在推流过程中,左侧池内活性污泥进入中间池,再进入右侧池,使污泥在各池内重新分配;
③混合液进入作为沉淀池的右侧池,处理后出水通过溢流堰排放,也可在此排放剩余污泥。第一个主体运行阶段结束后,通过一个短暂的过渡段,即进入第二个主体运行阶段。第二个主体运行阶段过程污水流向相反,操作过程相同。此外,通过对系统时间和空间的控制,适当增加水力停留时间,可以形成厌氧、缺氧和好氧条件,实现脱氮除磷。


UNITANK最大优势在于省去了污泥回流,3个池共用池壁,布置紧凑,且占地面积较小,基建投资省,故自问世以来已在世界范围内得到广泛应用。
(5)MSBR——改良式间歇活性污泥法
MSBR是20世纪80年代初,美国Yang等结合传统连续活性污泥处理和SBR技术,研究开发出一种污水生物处理工艺。该工艺经过不断改进和发展,现已成为第3代MSBR技术,其工艺与配套设备的专利技术属于美国Aqua AerobicIn公司所有。
MSBR实质上由前端A2/O与后端SBR串联而成的单池多格一体化工艺,巧妙地将连续流的空间控制(A2/O)与间歇式的时间控制(SBR)有效地结合于一体,混合流与推流相结合,系统前端采用空间控制来保证系统的高反应速率,后端采用时间控制以有效地保证出水质量,是一种集约化程度较高的一体化SBR变型工艺。MSBR系统通常由7个单元组成,分别为厌氧池、缺氧池、好氧池、2个序批池、泥水分离池和污泥缺氧池,污水先进人厌氧池后,经缺氧进人主曝气池,好氧处理后的污水由内循环回流泵分别泵人左右二两侧的序批分池中,两池的功能相同,周期处于好氧一缺氧一厌氧的循环,剩余污泥分别经泥水分离池和前端缺氧池,由污泥泵排出反应器,回流污泥则进人厌氧池,经泥水分离池澄清后的尾水则排出反应池,其工艺流程如图6所示。MSBR从连续运行单元进水,而不是从SBR单元进水,提高了反应器利用率,同时有效地抵抗冲击负荷;活性污泥微生物置于交替厌氧、缺氧、好氧的环境中,同时完成脱氮除磷和有机物降解的目的;采用空气堰控制出水,有效地控制出水悬浮物,从而达到高效稳定地运行。

MSBR具有流程简单、控制灵活、占地面积小等优点,是较理想的生物处理工艺,目前主要在北美应用。
3.3.5 氧化沟和SBR工艺的比较
(1)SBR工艺占地少、土建费用低,设备费用高;氧化沟工艺占地多、土建费用高,设备费用低。
(2)SBR工艺适合处理中低浓度BOD的污水;氧化沟工艺对处理高浓度BOD的污水有利。
(3)SBR工艺适合处理中低浓度BOD的污水;氧化沟工艺对处理高浓度BOD的污水有利。
(4)通常氧化沟工艺的电耗要比SBR工艺大些,运营费要高些。
(5)SBR工艺是周期间歇运行,各个工序转换频繁,需要自动控制;氧化沟工艺是连续运行,不要求自动控制,只是在要求节能时用自动控制。
(6)SBR工艺是静态沉淀,氧化沟工艺是动态沉淀,因而SBR的沉淀效率更高,出水水质更好。
3.4 AB法
AB工艺是吸附——生物降解(Adsorption--Biodegradation)工艺的简称。这项污水生物处理技术是由德国Botho Bohnke教授为解决早期污水处理工艺所存在的去除难降解有机物和除氮脱磷效率低下,及投资和运行费用过高等问题,在对两段活性污泥法和高负荷活性污泥法进行大量研究的基础上,于70年代中期所开发,80年代初开始应用于工程实践的一项新型污水生物处理工艺。
3.4.1 AB法工艺流程
AB法在工艺流程上分A、B两段处理系统,其中A断为高荷段,由A段曝气池与沉淀池构成,B段为低负荷段,由B段曝气池与二沉池构成。污水先进入高负荷的A段,然后再进入低负荷的B段。A段停留时间约20-40分钟,以生物絮凝吸附作用为主,同时发生不完会氧化反应,生物主要为短世代的细菌群落,去除BOD达50%以上。B段与常规活性污泥相似,负荷较低,泥龄较长。两段串流程如下图:

从工艺流程图中可见,AB法工艺中的A、B两段需严格分开,污泥系统各段独立循环,两段串联运行。因此,可以将AB法看成是一种改进的两段生物处理技术。
AB法工艺中的A段利用活性污泥的吸附、絮凝能力将污水中有机物吸附于活性污泥上,进而将其部分降解,产生的大量生物污泥在随后设置的A段沉淀池中进行泥、水分离,大部分有机物质以剩余污泥方式被排出。
在A段系统中,经过生物吸附、絮凝、分解和污泥沉淀等作用,以较低能耗同时可除去污水中50%~60%的有机物。B段为低负荷段,经A段处理后残留于污水中的有机物在该段将被氧化甚至硝化,以保证较高的运行稳定性和污水处理效率。
A段和B段中的活性污泥,各自由A段沉淀池和B段沉淀池中分别回流。这种流程布置方式有利于利用原污水中的活性微生物,有利于在A段和B段生物处理池中保持各自的优势微生物种群,并及时以剩余污泥方式排出已截留的有机质,从而减少系统中氧的消耗。AB法工艺中的A段,可根据原污水水质等情况的变化而采用好氧或缺氧的运行方式。
3.4.2 AB法工艺的主要特征
(1)A段在很高的负荷下运行,其负荷率通常为普通活性污泥法的50~100倍,污水停留时间只有20~40min,污泥龄仅为0.3~0.5d。污泥龄较高,真核生物无法生存,只有某些世代短的原核细菌才能适应生存并得以生长繁殖,A段对水质、水量、PH值和有毒物质的冲击负荷有极好的缓冲作用。A段产生的污泥量较大,约占整个处理系统污泥产量的80%左右,且剩余污泥中的有机物含量高。
(2)B段可在很低的负荷下运行,负荷范围一般为<0.15kgBOD/(kgMLSS.d)水力停留时间为2~5h,污泥龄较长,且一般为15~20d。在B段曝气池中生长的微生物除菌胶团微生物外,有相当数量的高级真核微生物,这些微生物世代期比较长,并适宜在有机物含量比较低的情况下生存和繁殖。
(3)A段与B段各自拥有独立的污泥回流系统,相互隔离,保证了各自独立的生物反应过程和不同的微生物生态反应系统,人为地设定了A和B的明确分工。
3.4.3 AB法工作机理
(1)开放式系统原理
AB工艺中不设初沉池,从而使污水中的微生物在A段得到充分利用,并连续不断的更新,使A段形成一个开放性的、不断由原污水中生物补充的生物动态系统。
(2)微生物的生物相及其特性
A段内微生物活性强、世代期短、具有很强的吸附能力。当A段以兼氧的方式运行时,由于供氧较低,高活性微生物为了满足自身代谢能量的要求,被迫对在好氧条件下不易分解的有机物进行初步分解,起到大分子断链的作用,使其转化为较小分子的易降解有机物,从而在后续的B段好氧曝气中易于被去除。B段主要是世代期长的真核微生物,能够保证出水水质。
3.4.4 AB法工艺的优点
具有优良的污染物去除效果,较强的抗冲击负荷能力,较好的脱氮除磷效果和投资及运转费用较低等。
◆ 对有机底物去除效率高。
◆ 系统运行稳定。主要表现在:出水水质波动小,有极强的耐冲击负荷能力,有良好的污泥沉降性能。
◆ 节能。运行费用低,耗电量低,可回收沼气能源。经试验证明,AB法工艺较传统的一段法工艺节省运行费用20%~25%。
3.4.5 AB工艺的缺点
◆ A段在运行中如果控制不好,很容易产生臭气,影响附近的环境卫生,这主要是由于A段在超高有机负荷下工作,使A段曝气池运行于厌氧工况下,导致产生硫化氢、大粪素等恶臭气体。
◆ 当对除磷脱氮要求很高时,A段不宜按AB法的原来去除有机物的分配比去除BOD55%~60%,因为这样B段曝气池的进水含碳有机物含量的碳/氮比偏低,不能有效的脱氮。
◆ 污泥产率高,A段产生的污泥量较大,约占整个处理系统污泥产量的80%左右,且剩余污泥中的有机物含量高,这给污泥的最终稳定化处置带来了较大压力。
总体而言,AB法工艺适合于污水浓度高、具有污泥消化等后续处理设施的大中规模的城市污水处理厂,有明显的节能效果。对于有脱氮要求很高的城市污水处理厂,一般不宜采用。
3.4.6 AB法”工艺在我国的历史
AB法工艺在我国的研究和应用大致经历了以下三个阶段:
第一阶段:上世纪70年代末至80年代初期,我国许多专家学者对AB工艺的特性、运行机理及处理过程和稳定性等方面,进行了深入全面和系统的研究,对“AB法”工艺在我国的应用和推广起到了积极作用。
第二阶段:上世纪70年代末至80年代,我国许多大专院校纷纷开设专题研究课程,尤其是设计研究部门也对AB法处理城市污水、工业废水进行规模化的实验研究,为AB法的工程设计和工程应用取得了大量的数据和实践经验,为其在我国的工程应用起到了十分关键的作用。
第三阶段:自上世纪80年代起,国内逐步开始将“AB法”应用到城市污水处理和工业废水处理工程中,已建成相当数量的AB法工艺的城市污水处理厂,成效显著,取得了十分可观的社会效益和环境效益。
随着污水处理技术的不断发展,和环境污染的日益加剧,以及我们对于污水处理的水质净化要求的日益提高,“AB法”工艺已经从污水处理舞台的主角逐渐引退,让位于新一代的污水处理技术。但是它对于污水处理技术发展所带来的启迪和历史作用都具有深远意义,即使在今天,仍然有它的应用价值。
3.5 水解好氧法
北京市环境保护科学研究院(原北京市环境保护研究所)在20世纪80年代初开发了水解(酸化)-好氧生物处理工艺。经过十多年的开发,围绕水解好氧技术已经形成一套完整的工艺技术。相继开发了水解-好氧生物处理工艺、水解-氧化塘处理工艺和水解-土地处理工艺等处理城市污水经济可行的工艺技术,这些工艺被先后应用建成城市污水处理厂10余座,取得了较好的环境效益和经济效益。特别是北京市密云县城污水处理厂(4.5万m3/d规模)、河南安阳市豆腐营污水处理厂(规模1.0万m3/d)、新疆昌吉市污水处理厂(1.5万m3/d)和深圳宝胺安县石岩污水处理厂(2.0万m3/d)都相继采用了该处理工艺。
另外,国内同行开发了处理印染废水的水解-好氧-生物碳工艺,处理焦化废水的水解和AO工艺相结合的工艺,在啤酒废水和屠宰废水方面水解-好氧工艺相结合的工艺已是具有竞争力的一种标准工艺。水解(酸化)工艺还应用于工业废水处理中,如印染、纺织、轻工、酿酒、化工、焦化、造纸等行业的工业废水。
水解-好氧工艺在推广过程中,全国各地有关部门及行业累计建设了上百座水解-好氧工艺的污水处理厂。因此,可以讲水解-好氧生物处理工艺是我国独立自主开发的污水处理工艺,为我国的水污染控制作出了积极的贡献。
3.5.1 基本原理
水解池利用水解和产酸微生物,将污水中的固体、大分子和不易生物降解的有机物降解为易于生物降解的小分子有机物,使得污水在后续的好氧单元以较少的能耗和较短的停留时间下得到处理。
3.5.2 水解(酸化)与厌氧发酵的区别
水解(酸化)-好氧处理工艺中的水解(酸化)段与厌氧消化是两种不同的处理方法。水解(酸化)-好氧处理系统中的水解(酸化)段的目的,对于城市污水是将原水中的非溶解态有机物截留并逐步转变为溶解态有机物;对于工业废水处理,主要是将其中难生物降解物质转变为易生物降解物质,提高废水的可生化性,以利于后续的好氧生物处理。而连续厌氧过程中水解、酸化的目的是为混合厌氧消化过程中的甲烷化阶段提供基质。在两相厌氧消化中的产酸段(产酸相)是将混合厌氧消化中的产酸段和产甲烷段分开,以便形成各自的最佳环境。
表5-1  水解(酸化)-好氧处理工艺中水解(酸化)与厌氧消化的比较
工艺项目 水解(酸化)-好氧中的水解(酸化)段 厌氧消化 两相厌氧消化中的产酸相
Eh/Mv 0 <-300 -100~-300
pH值 6.5~7.5 6.8~7.2 6.0~6.5
温度 不控制 控制 控制
优势微生物 兼性菌 厌氧菌 兼性菌+厌氧菌
产气中甲烷含量 极少 大量 少量
最终产物 低浓度的有机酸 CH4/CO2 高浓度的有机酸如乙酸、少量CH4/CO2
厌氧发酵产生沼气过程可分为水解阶段、酸化阶段、乙酸化阶段和甲烷阶段等四个阶段。水解池是把反应控制在第二阶段完成之前,不进入第三阶段。
采用水解池较之全过程的厌氧池(消化池)具有以下的优点。
(1)水解、产酸阶段的产物主要为小分子有机物,可生物降解性一般较好。故水解池可以改变原污水的可生化性,从而减少反应的时间和处理的能耗。
(2)对固体有机物的降解可减少污泥量,其功能与消化池一样。工艺仅产生很少的难厌氧降解的生物活性污泥,故实现污水、污泥一次性处理,不需要经常加热的中温消化池。
(3)不需要密闭的池,不需要搅拌器,不需要水、气、固三相分离器,降低了造价和便于维护。由于这些特点,可以设计出适应大、中、小型污水处理厂所需的构筑物。
(4)反应控制在第二阶段完成之前,出水无厌氧发酵的不良气味,改善处理厂的环境。
(5)第一、第二阶段反应迅速,故水解池体积小,与初次沉淀池相当,节省基建投资。
因此,水解-好氧生物处理工艺是有自己特点的一种新型的水处理工艺。
3.5.3 水解-好氧生物处理工艺特点
(1)水解池与厌氧UASB工艺启动方式不同。水解池的启动采用了动力学控制措施,通过调整水力停留时间,利用水解细菌、产酸菌与甲烷菌生长速度不同,利用水的流动造成甲烷菌在反应器中难于繁殖的条件。
(2)水解池可取代初沉池。在停留时间相当的情况下,水解池对悬浮物的去除率显著高于初沉池,平均出水SS只有50mg/L,其COD、BOD5、蛔虫卵的去除率也显著地高于初沉池。因初沉池的去除率受水质影响较大,出水水质波动范围较大,而水解池出水水质比较稳定。在拿不出大量投资修建二级污水处理厂的地方,先采用水解池进行一级处理,出水水质将比初沉池有很大程度的改善。
(3)较好的抗有机负荷冲击能力。进水浓度越高,COD去除率越高。进水平均浓度为500mg/L时,COD去除率在45%左右。
(4)水解过程可改变污水中有机物形态及性质,有利于后续好氧处理。一般城市污水可沉COD占总COD的50%左右,经水解处理后可基本上去除可沉性COD,所以水解工艺适用于污水中含悬浮状COD比例较高的废水。如屠宰废水、啤酒废水虽然可生物降解的可溶性COD成分高,但是废水中悬浮性颗粒状COD含量也很高,所以适合采用水解处理。对于城市污水,经水解反应后,溶解性COD、BOD比例分别从进水的50%、65%提高到出水的78%、77%,不溶性COD、BOD的去除率分别为74.5%、55.3%。
(5)在低温条件下仍有较好的去除效果。水解池即使在最低水温(10℃)时仍可稳定运行。水解池属于升流式污泥床反应器,这种反应器保持大量的水解活性污泥,污泥平均浓度达到15g/L,由于生物量大,大量水解活性污泥形成的污泥层,在有机物通过时将其吸附截留,这延长了污染物在池内的停留时间,从而保证了去除率。
(6)有利于好氧后处理。水解池对有机物的去除率远远高于传统的初沉池,更为重要的是经过水解处理,污水中的有机物不但在数量上发生了很大变化,而且在理化性质上发生了更大变化,使污水更适宜后继的好氧处理,可以用较少的气量在较短的停留时间内完成净化。
3.5.4 水解工艺的不同类型
(1)水解酸化-活性污泥工艺
采用水解-好氧工艺流程,后续的活性污泥工艺设计较传统的活性污泥工艺有所不同,主要是水力停留时间缩短、曝气量减少、不采用传统污泥消化系统。应用该工艺已建的污水处理工程有北京密云县污水处理厂、新疆昌吉市水质净化厂等。
(2)水解酸化-接触氧化工艺
水解酸化+接触氧化,属于生物膜法,此工艺在工业污水处理中应用较多,如印染污水、染料污水、焦化污水处理等。
山东潍坊印染厂污水处理工程原工艺为“接触氧化+活性炭”工艺,处理规模为50000m3/d,由于存在一些难生化降解的有机物,因此出水水质一直无法达标,后在接触氧化前增加了水解酸化工艺,使原污水的可生化性得到了改善,因而使接触氧化充分地发挥了作用,在不使用活性炭的基础上,出水以达标排放。
(3)水解酸化-氧化塘处理工艺
采用水解作为预处理工艺,其氧化塘的设计参数将有较大的变化,主要是水力停留时间缩短、池塘水深较浅,同时基本解决了淤塞问题。
(4)水解酸化-土地处理工艺
采用水解-土地处理工艺,其效果相当于水解-氧化塘工艺。污水土地处理系统是利用“土壤-植物-微生物”系统的天然自净能力,也就是利用土壤的物理、化学和生物化学过程,使污水得到净化,土地处理的场地相对较大。目前山东安丘市30 000m3/d污水处理工程已采用此工艺流程。
另外,由北京市环境保护科学研究院和国内其他设计研究部门设计的工业和城市污水处理厂也采用了其他类型的工艺组合,如水解池内加填料的厌氧滤池型水解-酸化池,和好氧软性填料相结合的接触氧化工艺。从工艺研究上讲,还进行了水解池与其他工艺相结合的工艺研究与实践,如A/O和A2/O工艺。
3.5.5 水解工艺的适用范围
由于水解池具有改善污水可生化性的特点,使得该工艺不仅适用于易于生物降解的城市污水等,同时更加适用于处理不易生物降解的某些工业废水,如纺织废水、印染废水、焦化废水、酿酒废水、化工废水、造纸废水等,并视具体情况采用不同的后处理工艺。表5-2为工艺的部分应用情况。
表5-2  水解-好氧生物处理工艺应用实例
地点 水量/
(m3/d) 反应器体积
(m3) 后处理工艺 年份
北京密云 45000 2×1600 活性污泥 (二期用SBR后处理
河南安阳 10 000 2×1100 氧化沟 1989年
新疆昌吉 30 000 4×1100 活性污泥 1992年
福建长乐机场 5000 4×1800 活性污泥 1990年
山东潍坊 10 000 2×1500 活性污泥
新疆阿克苏 120 000 2×4500 活性污泥
广东石岩 20 000 4×1100 稳定塘 1990年
山东安丘 20 000 4×1100 土地处理 1996年
北京顺义酒厂 1500 1×200 活性污泥 1989年
山东潍坊印染厂 3000 4×860 接触氧化 1989年
昆明福保造纸厂 20 000 4×1100 接触氧化 1992年
河南开封啤酒厂 6000  接触氧化 1990年
山东青岛知制麦厂 2000  接触氧化 1994年
福建莆田啤酒厂 2500  接触氧化 1993年
山东滕州啤酒厂 2000  接触氧化 1990年
哈尔滨正大屠宰厂 2000  接触氧化 1996年
秦皇岛正大屠宰厂 2000  接触氧化 1996年

3.5.6 水解-好氧生物处理工艺设计
水解-好氧生物处理工艺基本流程如下图所示。

污水经水泵提升通过预处理(粗格栅、细格栅)装置,去除悬浮大颗粒物质后,污水进入沉砂池,在其中将砂粒去除。沉砂池出水进入水解反应器,水解池停留时间2.0-4.0h。经水解反应器处理后的出水进入后续(好氧)处理构筑物。后续处理可以采用多种形式的处理方式,如传统活性污泥工艺、氧化沟和SBR等方式。如采用传统曝气池,污水在曝气池的停留时间较之传统的工艺可大为缩短,气水比也可大幅度降低。经曝气池处理后的水进入二沉池,二沉池的出水即可排放。曝气池产生的剩余污泥;连续送入水解反应器,整个工艺流程的剩余污泥从水解池排出进入集泥池,污泥从集泥池用泵提升进入浓缩池,经12-24h浓缩后可脱水处理。集泥池和浓缩池的上清液流回进水集水井。采用水解-好氧生物处理技术,在污水处理过程中污泥同时好氧稳定。
从图2-24可见水解-好氧系统包括预处理部分、水解处理部分,好氧后处理部分和污泥处理部分。
(1)预处理设施
预处理的目的之一是去除粗大固体物以及无机可沉固体,这对配水有特殊要求的水解池尤为重要。另外,不可生物降解的固体在水解反应器内的积累会占据大量的池容,反应器池容的减少最终将导致系统完全失效。一般预处理系统包括去除大的固体、较小颗粒的格栅和水力筛及去除砂和砾石的沉砂池。
◆ 格栅:格栅是污水预处理的通用设施。为保证水解池布水系统不被堵塞,建议采用固定式格栅或回转筛、水力筛作补充处理。
◆ 沉砂池:对小型污水处理厂,由于污水流量变化较大,沉砂池设计的难点需要在变化的水量条件下保持系统中液体流速有相对不变的数值。因为较高的流速会降低无机固体在渠道中的去除效果,而较低的流速导致有机物与砂一起沉积。对于有一定规模的污水处理厂,可以考虑采用平流式沉砂池。在存在较多的砂和有机物共同沉淀的情况下,可采用体外洗砂装置,如螺旋洗砂器或水力固体螺旋洗砂器。考虑到后续水解处理工艺,一般不用曝气沉砂池作为预处理装置。
(2)不同类型废水的水解(酸化)工艺设计参数
在一系列实践过程中,通过对各种不同废水的应用,以及对研究、设计和应用三方面进行总结,提出了设计参数,见表5-3
见表5-3  不同废水的设计参数
废水种类 COD去除率(%) SS去除率(%) BOD/COD 水力停留时间 污泥水解率(%)
生活废水 30-50 >80 提高 2-4 30-50
造纸综合废水 30-50 >80 大为提高 4-6 50
印染废水 <10 很低 大为提高 6-10 50
焦化废水 <10 80 大为提高 4 50
啤酒废水 40-50 80-90 不变 2-4 30-50
屠宰废水 30-50 80-90 不变 2-4 30-50
(3)采用氧化沟(或SBR)后处理工艺的参数和主要构筑物计算
以10万t/d的处理规模为例(见表5-4)。
表5-4  采用氧化沟(SBR)后处理工艺参数和主要构筑物计算
项目 水解-氧化沟(或SBR)
工艺 水解-氧化沟(或SBR)
设计依据 设计结果
进水浓度
(mg/L) COD=400
BOD=200
SS=200 水解污泥龄>20d,污泥水解率=25%-50%;X=20g/L;好氧负荷Ns=0.2-0.4kgBOD5/(kgMLSS·d),污泥浓度=3-5g/L;气水比5:1;污泥产率=0.3kgMLSS/kgBOD5去除率
出水浓度
(mg/L) COD=100
BOD=20
SS=20 
集水井 HRT=5min V有效=450m3 V总=600m3
沉砂池 HRT=45s V有效=68m3 V总=80m3
水解池 HRT=2.5h V有效=13564m3 V总=16120m3
氧化沟 HRT=4.0h(或负荷) V有效=30952m3 V总=40320m3
需氧量 不考虑污泥稳定  15000kgO2/d
集泥池 HRT=24h(污泥产量15.9t/d) V有效=820m3 V总=990m3
浓缩池 HRT=18h V有效=700m3 V总=742m3
污泥脱水 脱水能力200kg/(m.h) 2台2m带式机(工作12h) 300m2
3.6 生物滤池法
生物滤池法是一种生物膜处理工艺,是利用需氧微生物对污水或有有机性废水进行生物氧化处理的方法。以淬石、焦炭、矿渣或人工滤衬等作为先填层,然后将污水连续地、均匀地喷在上面,并充分供给氧气和营养,在重力作用下,污水以水滴的形式向下渗沥,或以波状薄膜的形式向下渗流。最后,污水到达排水系统,流出滤池。
污水流过滤床时,有一部分污水、污染物和细菌附着在滤料表面上,微生物便在滤料表面大量繁殖,不久,形成一层充满微生物的粘膜,称为生物膜。这个起始阶段通常叫“挂膜”,是生物滤池的成熟期。
生物膜是由细菌(好氧、厌氧、兼性)、真菌、藻类、原生动物、后生动物以及一些肉眼可见的蠕虫、昆虫的幼虫等组成。
污水流过成熟滤床时,污水中的有机污染物被生物膜中的微生物吸附、降解,从而得到净化。生物膜表层生长的是好氧和兼性微生物,其厚度约2mm。在这里,有机污染物经微生物好氧代谢而降解,终点产物是H2O、CO2、NH3等。由于氧在生物膜表层已耗尽,生物膜内层的微生物处于厌氧状态。在这里,进行的是有机物的厌氧代谢,终点产物为有机酸、乙醇、醛和H2S等。由于微生物的不断繁殖,生物膜逐渐增厚,超过一定厚度后,吸附的有机物在传递到生物膜内层的微生物以前,已被代谢掉。此时,内层微生物因得不到充分的营养而进人内源代谢,失去其粘附在滤料上的性能,脱落下来随水流出滤池,滤料表面再重新长出新的生物膜。
为使生物滤池有效地处理污水:①微生物的繁殖,必需有足够的表面积。②必需充分供给微生物氧气。③污水需具有适于生物处理的水质。
3.6.1 生物滤池的分类
生物滤池可分为普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池。
生物膜法处理污水最初使用的装置为普通生物滤池,亦称滴滤池,为第一代生物滤池。这种装置是将污水喷洒在由粒状介质(石子等)堆积起来的滤料上,污水从上部喷淋下来,经过堆积的滤料层,滤料表面的生物膜将污水净化,供氧由自然通风完成的,氧气通过滤料的空隙,传递到流动水层、附着水层、好氧层。此种方法处理污水的负荷较低,但出水水质很好,故亦成为低负荷生物滤池。20世纪初,英国最先得到实际应用,之后欧洲和北美得到了应用。
为了提高生物滤池的处理效率,20世纪中期,出现了人工制造的滤料,由于其比表面积大,滤料之间的空隙大,质轻等优点,提高了生物滤池的负荷,减小了占地面积,高负荷生物滤池和塔式生物滤池工艺得到了发展。
3.6.2 生物滤池的构造
(1)普通生物滤池的构造
普通生物滤池由池体、滤料、布水装置和排水系统四部分组成。
① 池体:普通生物滤池在平面上多呈方形或矩形。四周围以池壁,池壁起围挡滤料的作用,一般用砖石或混凝土筑造。池壁要能承受滤料的压力,池壁高度一般应高出滤池表面0.4~0.5m。普通生物滤池的个数或分格数不应少于两个,并按同时工作设计,设计流量按平均日废水流量计算。
② 滤料:滤料是生物滤池的主体,对生物滤池的净化功能有直接的影响,对滤料的要求是:具有较大的比表面积,以利于形成较高的生物量;较大的空隙率,以利于氧的供应和氧的传递;具有较高的机械强度,耐腐蚀性强;价格低廉,能够就地取材。常用实心拳状滤料,主要有碎石、卵石、炉渣和焦炭等。滤料分为工作层和承托层,总厚度为1.5~2.0m。工作层为1.3~1.8m,粒径一般在 30~50mm;承托层厚0.2m,粒径为60~100mm。各层滤料粒径应均匀一致,对于有机物浓度较高的废水,应采用粒径较大的滤料,以防止滤料堵塞。
③ 布水系统:生物滤池布水系统的作用是向滤料表面均匀地布水。若布水不均匀,会造成某一部分滤料负荷过大,而另一部分负荷不足。普通生物滤池常用的布水系统是固定喷嘴式布水系统。
固定喷嘴式布水系统是由投配池、虹吸装置、布水管道和喷嘴四部分所组成。
污水进入配水池,当水位达到一定高度后,虹吸装置开始工作,污水进入布水管路。配水管设有一定坡度以便放空,布水管道敷设在滤池表面下0.5~0.8m,喷嘴安装在布水管上,伸出滤料表面0.15~0.2m,喷嘴的口径为15~20mm。当水从喷嘴喷出,受到喷嘴上部设有的倒锥体的阻挡,使水流向四周分散,形成水花,均匀喷洒在滤料上。当配水池水位降到一定程度时,虹吸被破坏,喷水停止。
这种布水装置的优点是运行方便,易于管理和受气候影响较小,缺点是需要的水头较大(20m)。
④ 排水系统:生物滤池的排水系统设在滤池的底部,其作用为排除处理后的污水、保证滤池有良好的通风和支撑滤料。排水系统包括渗水装置、集水沟和排水渠。
渗水装置有多种,常用的是混凝土板式渗水装置。渗水装置的作用是支撑滤料,排除滤过的污水,进入空气。渗水装置上的空隙总面积不得小于滤池总面积的20%,渗水装置与池底之间的距离不得小于0.4m。
池底以l%~2%的坡度坡向集水沟,集水沟宽0.15m,间距2.5~4.0m,并以0.5%~1.0%的坡度坡向总排水沟,总排水沟的坡度不应小于0.5%,为了通风良好,总排水沟的过水断面积应小于其总断面积的50%,沟内流速应大于0.7m/s,以免发生沉积和堵塞。小型的普通生物滤池,池底可不设集水沟,全部做成1%的坡度,坡向总排水沟。
普通生物滤池的优点是处理效果好,BOD5去除率可达90%以上,出水BOD5可下降到25mg/L以下,硝酸盐含量在10mg/L左右,出水水质稳定。缺点是占地面积大,易于堵塞,池蝇很多,影响环境卫生。
(2)高负荷生物滤池的构造
高负荷生物滤池的构造与普通生物滤池基本相同,常用的高负荷生物滤池一般由钢筋或砖石砌筑而成,池平面有矩形、圆形或多边形,其中以圆形为多,主要组成部分是滤料、池壁、排水系统和布水系统。
与普通生物滤池的不同之处有:
① 高负荷生物滤池多采用连续工作的旋转式布水器,由进水竖管和可旋转的布水横管组成,故其平面尺寸多为圆形。布水横管有2根或4根,横管中心轴距滤池地面0.15~0.25m,横管绕竖管旋转,旋转的动力可以用电机,也可用水力反冲产生。
② 高负荷生物滤池的滤料与普通生物滤池不同。其滤料粒径一般为40~100mm,大于普通生物滤池,滤料的空隙率较高,滤料层高一般为2.0m。
(3)塔式生物滤池的构造
塔式生物滤池的构造与一般生物滤池基本相似,主要不同在于采用轻质高孔隙率的塑料滤料和塔体结构。主要由塔身、滤料、布水设备、通风装置和排水系统所组成。
① 塔身:塔身起围挡滤料的作用,可用钢筋混凝土结构、砖结构、钢结构和钢框架与塑料板面的混合结构。塔身分若干层,每层设有支座以支撑滤料和生物膜的重量,另外,塔身上还开设观察窗,供观察、采样、填装滤料等用。
② 滤料:塔滤中所采用滤料大多为轻质高孔隙率的塑料滤料。其形状可做成蜂窝状;波纹状等。目前多采用经酚醛树脂固化,内切圆直径为19~25mm的纸质蜂窝滤料和玻璃布蜂窝滤料。
③ 布水装置:塔滤的布水装置与一般的生物滤池相同,也广泛使用旋转布水器,也采用固定式穿孔管。前者适用于圆形滤池,后者适用于方形滤池。
④ 通风装置:塔滤一般都采取自然通风,塔底有高度为0.4~0.6m的空间,周围留有通风孔。也可以采用人工机械通风。
⑤ 排水系统:塔滤的出水汇集于塔底的集水槽,然后通过渠道送往沉淀池进行生物膜与水的分离。
3.6.3 生物滤池的运行方式
生物过滤法系统基本上由初沉池、生物滤池、二沉池组合而成,其组合型式有单级运行系统和多级运行系统。
在确定流程时,通常要解决的问题是:①是否设初次沉淀池;②采用几级滤池;③是否采用回流,回流方式和回流比的确定。
当废水含悬浮物较多,采用拳状滤料时,需有初次沉淀池,以避免生物滤池阻塞。处理城市污水时,一般都设置初次沉淀池。
下述三种情况应考虑用二次沉淀池出水回流:①人流有机物浓度较高,可能引起供氧不足时。有人建议生物滤池的人流CODB应小于400mg/L;②水量很小,无法维持水力负荷率在最小经验值以下时;③污水中某种污染物在高浓度时可能抑制微生物生长的情况下,应考虑回流。采用回流的优点是:①增大水力负荷、促进生物膜的脱落、防止堵塞;②污水被稀释,降低了基质浓度;③可向生物滤池连续接种,促进生物膜的生长;④提高进水的溶解氧;⑤由于进水量增加,有可能采用水力旋转布水器;⑥防止滤池滋生蚊蝇。但它的缺点是:缩短污水在滤池中的停留时间;洒水量大,将降低生物膜吸附有机物的速度;回流水中难降解的物质会产生积累,以及冬天使池中水温降低等。
采用生物滤池处理污水时,应该做好滤池类型和运行系统的选择。一般说来,低负荷生物滤池的体积大、占地多、滤料的需要量大、易堵塞,常出现池蝇和臭味,目前已不常采用,仅在水量小的地区选用。目前大多数采用高负荷生物滤池。
3.6.4 生物滤池的性能
生物滤池早于活性污泥法,活性污泥法的发明之初是以生物滤池的替代工艺出现的,但生物滤池至今仍有大量应用。
与活性污泥工艺不同的是,在生物滤池中常采用出水回流,而基本不会采用污泥回流,因此从二沉池排出的污泥全部作为剩余污泥进入污泥处理流程进行进一步的处理。
3.6.5 生物滤池的适用范围
(1)微污染原水生物预处理。有效去除原水中氨氮、耗氧量物质,提高饮用水的生物稳定性;
(2)中水处理。进一步去除污水处理厂二级出水的氨氮和SS,达到城市污水再生利用景观环境用水水质标准;
(3)污水处理。形成多种组合工艺,实现有机物的降解,去除SS、COD、PO4-P的作用。
3.7 曝气生物滤池
曝气生物滤池(Biological Aerated Filter)简称BAF,被称为第三代生物滤池,是20世纪80年代末在欧美发展来的一种新型的污水处理技术,它是由滴滤池发展而来并借鉴了给水快滤池形式,在一个反应器内同时完成了生物氧化和固液分离的功能,不需设置二沉池。世界上首座曝气生物滤池于1981年诞生于法国。随着环境对出水水质要求的提高,该技术在全世界城市污水处理中获得了广泛的推广应用,目前,在全球已有数百座大小各异的污水处理厂采用了BAF技术,并取得了良好的处理效果。



3.7.1 工艺原理
曝气生物滤池是借鉴污水处理接触氧化法和给水快滤池的设计思路,将生物降解与吸附过滤两种处理过程合并在同一单元反应器中,以滤池中填装的粒状填料(如陶粒、焦炭、石英砂、活性炭等)为载体,在滤池内部进行曝气,使滤料表面生长着大量生物膜,当污水流经时,利用滤料表面上所附生物膜中高浓度的活性微生物的强氧化分解作用和滤料粒径较小的特点,充分发挥微生物的生物代谢、生物絮凝、生物膜和填料的物理吸附和截留作用以及反应器内沿水流方向食物链的分级捕食作用,实现污染物的高效清除,同时利用反应器内好氧、缺氧区域的存在,实现脱氮除磷的功能。
3.7.2 工艺特点
(1)出水水质好。BAF可去除污水中的悬浮物、COD、细菌和大部分氨氮,出水SS小于10mg/L。但它对进水SS要求较严(一般要求SS≤100mg/L,最好SS≤60mg/L),因此对进水需要进行预处理。
(2)微生物生长在粗糙多孔的滤料表面,不易流失,对有毒有害物质有一定适应性,运行可靠性高,抗冲击负荷能力强。无污泥膨胀问题。
(3)与普通活性污泥法相比,具有容积负荷Fr高(有机物的降解速度高)、占地面积小(是普通活性污泥法的1/3)、投资少(节约30%)。
(4)需进行反冲洗,反冲水量较大,且运行方式复杂,但易于实现自控。
(5)菌群结构合理。传统的活性污泥法微生物的分布相对均匀,而在BAF中沿污水流程能形成不同的优势生物菌种,可使有机物降解、硝化/反硝化能在同一个池子中发生,简化了工艺流程。在距进水端较近的滤层中,污水中的有机物浓度较高,各种异养菌占优势,主要是去除BOD;在距出水端较近的滤层中,污水中的有机物浓度已较低,自养型的硝化菌占优势,可以进行氨氮的硝化反应。在设置回流或单独设置反硝化段的情况下可以实现较好的脱氮效果。
3.7.3 国内外发展情况
世界上首座曝气生物滤池于1981年在法国投产,随后在欧洲各国得到广泛应用。美国和加拿大等美洲国家在20世纪80年代末引进此工艺,日本、韩国和中国台湾也先后引进了此项技术。目前世界上较大的环保公司如法国得利满公司、德国菲力普穆勒公司、法国VEOLIA公司均把它作为拳头产品在全世界推广。在中国内地,曝气生物滤池正处于推广阶段。大连市马栏河污水处理厂是我国第一个采用曝气生物滤池工艺的城市污水处理厂(由东北市政院设计),广东新会东郊污水处理厂采用了水解——曝气生物滤池污水处理工艺(由中冶马院设计)。我国一部分工业废水的处理也采用了此项技术。国内许多科研设计单位对曝气生物滤池也进行了试验研究。随着曝气生物滤池在世界范围内不断推广和普及,很多学者在其结构形式、功能、启动和滤料等方面进行了具体的研究,取得了很多成果。
3.7.4 常见工艺分类
(1)BIOSTYR工艺
BIOSTYR是法国OTV公司的注册水处理工艺技术,由于采用新型轻质悬浮填料--BIOSTYRENE(主要成分是聚苯乙烯,且比重小于1g/cm3)而得名。下面以去除BOD、SS并具有硝化脱氮功能的反应器为例说明其工艺结构与基本原理。
BIOSTYR工艺是一种上流生物滤池,是一种运行可靠、自动化程度高、出水水质好、抗冲击能力强和节约能耗的新一代污水处理革新工艺,工艺成熟高效。
污水通过滤料层,水体含有的污染物被滤料层截留,并被滤料上附着的生物降解转化,同时,溶解状态的有机物和特定物质也被去除,所产生的污泥保留在过滤层中,而只让净化的水通过,这样可在一个密闭反应器中达到完全的生物处理而不需在下游设置二沉池进行污泥沉降。
滤池底部设有进水和排泥管,中上部是填料层,厚度一般为2.5~3.5m,为防止滤料流失,滤床上方设置装有滤头的混凝土挡板,滤头可从板面拆下,不用排空滤床,方便维修。挡板上部空间用作反冲洗水的储水区,其高度根据反冲洗水头而定。
该区内设有回流泵用于将滤池出水泵至配水廊道,继而回流到滤池底部实现反硝化,在不需要反硝化的工艺中没有该回流系统。填料层底部与滤池底部的空间留作反冲洗再生时填料膨胀之用。
滤池供气系统分两套管路,置于填料层内的工艺空气管用于工艺曝气(主要由曝气风机提供增氧曝气),并将填料层分为上下两个区:上部为好氧区,下部为缺氧区。根据不同的原水水质、处理目的和要求,填料层的高度不同,好氧区、厌氧区所占比例也相应变化;滤池底部的空气管路是反冲洗空气管。
该工艺具有如下特点:
①上流滤池,底部渠道进配水,顶部出水;
②滤料比重小于1;
③穿孔管曝气,节省设备投资和维护费;
④滤头在滤池的顶部,与处理后水接触,易于维护;
⑤重力反冲洗,无须反冲洗水泵;
⑥工艺空气和反冲洗用气共用鼓风机;
⑦曝气管可布置在滤层中部或底部,在同一池中可完成硝化、反硝化功能。
(2)Biofor工艺
Biofor(生物过滤氧化反应池)是得利满水务继滴滤池、Biodrof干式过滤系统之后的专为污水处理厂设计的第三代生物膜反应池。
与其它类型的生物过滤工艺相比,Biofor主要具有下列特性:
①向上流生物过滤
进水自滤池底部流向顶部,上流过滤在滤池的整个高度上持续提供正压条件,与下向流过滤相比提供了许多优势。
②使用特制的过滤及生物膜支持煤介:Biolite生物滤料
确保获得较高的生物膜浓度和较大的截留能力,并加长了运行周期。
③高性能曝气
Biofor采用了特制的曝气头:它不仅能高效的供氧,而且节约能源、使用安全、易于操作和维护。
④流体完全均匀的分布
空气和水流为同向流。Biofor生物滤池的滤板配有25UB33e滤头,该滤头的防阻塞设计通过均匀的配水使过滤效果优化。
(3)BIOSMEDI工艺
上海市政院邹伟国等开发了一种名为BIOSMEDI的曝气生物滤池,它采用脉冲反冲洗、气水同向流的形式,可用于微污染源水预处理或污水深度处理。
BIOSMEDI生物滤池是上海市政工程设计研究院针对微污染原水开发的一种新型生物滤池,该滤池以轻质颗粒滤料为过滤介质,滤料比重较小,一般约在0.1左右,粒径的大小为4~5mm左右,比重及粒径的大小可根据实际需要选择确定,这种滤料具有来源广泛、滤料比表面积大、表面适宜微生物生长、价格便宜(300~500元/立方米)、化学稳定性好等一系列优点。
BIOSMEDI生物滤池原理:
滤池上部采用钢筋混凝土板(板上采用倒滤头出气和水)抵制滤料的浮力及运行的阻力。在滤层下部,用混凝土板或钢板分隔在滤层下部形成气囊,在反冲洗时下部形成空气室。
原水从进水阀进入气室,通过中空管进入滤层,在滤料阻力的作用下使滤池进水均匀,空气布气管安装在滤层下部,空气通过穿孔布气管进行布气,经过滤层去除水中的有机物、氨氮后,出水经倒滤头进入上部清水区域排出。
滤池反冲洗采用脉冲冲洗的方法,首先关闭进水阀及曝气管,打开滤池下部的反冲洗气管,在滤层下部形成一段气垫层,当气垫层达到一定高度后,此时瞬时把气垫层中的空气通过阀门或虹吸的方法迅速排空,此时滤层中从上到下冲洗的水流量瞬时忽然加大,导致滤料层忽然向下膨胀,脉冲几次后,可以把附着在滤料上的悬浮物质脱落,再打开排泥阀,利用生物滤池的出水进行水漂洗,可有效地达到清洁滤料的目的。
具有以下优点:
①较小的滤层阻力;采用气水同向流,避免了气水逆向流时水流速度和气流速度的相对抵消而造成能量的浪费,另外,滤料粒径较均匀,大大增加滤层的孔隙率,减少滤池运行时的水头损失。
②价格低、性能优的滤料;滤料具有来源广泛、滤料比表面积大、表面适宜微生物生长、价格便宜(一般价格低于500元/立方米)、化学稳定性好;滤料比表面积大,有利于氧气的传质,大大提高了充氧效率,布气可采用穿孔管布气即可,节省工程投资。
③独特的脉冲反冲洗形式;传统的水反冲、气水反冲均难以奏效,该滤池采用独特的脉冲反冲洗方式,不需要专门的反冲洗水泵及鼓风机,是一种高效、低能耗的反冲洗形式。
3.7.5 应用范围
曝气生物滤池的应用范围较为广泛,其在水深度处理、微污染源水处理、难降解有机物处理、低温污水的硝化、低温微污染水处理中都有很好的、甚至不可替代的功能。
在低温污水中,西宁第二污水处理厂由于冬季最低水温约6℃,为了解决硝化问题,在可行性研究报告报告中就推荐了曝气生物滤池+A2/O处理工艺。
在广东新会4万立方米/吨污水处理厂(BOT特许权项目)项目中,首次应用于国内生活污水处理工程中并获得成功,其工艺为水解+二级曝气生物滤池(设CN池与N池二级),该项目已经投产运行。
在难降解有机物处理中,青岛啤酒(徐州金波)有限公司废水处理工程中,再用了水解酸化+曝气生物滤池处理工艺,从运行上看,选用的工艺是满足要求的。
在中水回用中,大连马栏河污水处理厂工程,采用的是法国得利满A3D+BIOFOR工艺技术,出水水质达到三级标准,日处理污水12万吨,其中4万吨出水可回用于城市绿化,建筑施工,工业等。
山西临汾中水回用工程中,二级处理的出水作为水源,为了解决其氨氮这一指标,该工程采用曝气生物滤池作为预处理单元。
在国内,猪场粪便污水处理工程,印染废水处理工程,肠衣加工废水处理工程,淀粉废水处理工程等中都有应用。
3.7.6 问题与前景
① 对进水的SS要求较高,SS一般不超过100mg/L,最好控制在60mg/L以下,这就要求强化一级处理,往往需要投加絮凝剂,使得污泥量增加,运行费用提高。
② 生物除磷效果不好,多采用化学法除磷。
虽然曝气生物滤池技术发展较快,但其反应机理与反应动力学的研究尚待深入,有关反应机理的理论体系还有待完善,但随着现代生物检测技术的发展,有关曝气生物滤池处理机理的研究将有望取得突破。随着现代材料科学的发展,利用各种新型材料作为曝气生物滤池滤料,可使曝气生物滤池降解污染物的能力将大大提高,因此,曝气生物滤池在污水处理中将发挥更大的作用。
3.7.7 曝气生物滤池与生物接触氧化池的区别
曝气生物滤池和生物接触氧化池都是利用生物吸附、氧化作用净化水质。
曝气生物滤池不仅有生物吸附、氧化作用,还有固液分离的过滤作用,因此其工艺的污水处理系统组成需要有初沉池,但不需二沉池,填(滤)料一般应用陶粒等粒状滤料,粒径在3-8mm。系统运行需进行反冲洗,动力消耗较大,自动化程度要求高。
生物接触氧化法系统组成需要有初沉池,还必须有二沉池,一般常采用接触沉淀池。该法处理城市污水的应用以两段式居多。填(滤)料可用碎石、炉渣、焦炭、塑料等粒状填料,也可用波纹板、软性纤维、塑料蜂窝等填料。系统运行一般不需进行反冲洗。
曝气生物滤池所需要的气水比一般在10-6:1,接触氧化所需气水比在20-30:1。
生物滤池一般用在生活污水或者工业废水深度处理上,可以将COD降到30-50以下。
同样的处理效率,采用曝气生物滤池可以节约用地,减少工程投资,但是运行成本及自控管理成本增加较大。
3.8 A/O法
A/O法也称缺氧法,是1973年由Barnard在Ludzack-Ettynger工艺的基础上改进而成的生物处理工艺。A指的是缺氧、厌氧,O指的是氧化。
该工艺由缺氧池和好氧池串联而成,作用是在去除有机物的同时取得良好的脱氮效果。AO又称前置反硝化,其最显著的工艺特征是将脱氮池设置在除氮过程的前部,先将废水引入缺氧池,回流污泥中的反硝化菌利用污水中的有机物作为碳源,将回流混合液中的大量硝态氮还原成N2,从而达到脱氮的目的。然后进入后续的好氧池,进行有机物的生物氧化、有机氮的氨化和氨氮的硝化等生物反应,O段后设沉淀池,部分沉淀污泥回流至A段,以提供充足的微生物。同时,还将O段内混合液回流至A段,以保证A段有足够的硝酸盐。
A/O法采用了不同的前置反硝化工艺,可充分利用进水中的有机物促进反硝化的进行,而且可回收一部分硝化所需的碱度(硝化1克NH3-N需7.14克CaCO3碱度,反硝化l克NH3-N需4.57克CaCO3碱度)和一部分硝化所需要的氧量(氧化1克NH3-N需氧4.57克,反硝化1克NO3-N产氧2.86克),因此该法被视为一种节能型的工艺广泛应用于脱氮系统中,现在流行的各种生物脱氮工艺均是以该理论为基础。

如图,为A/O法工艺流程,其中:①格栅井的作用是将污水中较大颗粒的固体杂质去除;②调节池的作用是调节水量和均化水质,使污水能够比较均匀地进入后续处理单元,同时提高整个系统的抗冲击性能并减小后续处理单元的设计规模;③缺氧池的作用是通过微生物的生化降解以及吸附絮凝等作用,去除污水中的各种有机物。通过回流硝化液,缺氧池中污水发生反硝化反应,含氮污染物转化成氮气,有效降低氮污染;④好氧池(接触氧化池)的作用是利用附着在填料上的大量好氧微生物,进一步降解污水中的有机污染物。通过曝气提供氧源,污水中的有机物被微生物吸附、氧化降解,使水质得到净化。污水中的氨氮及有机氮化合物被氧化成硝酸盐(硝化反应),与缺氧池中的反硝化形成硝化-反硝化系统,避免了污泥在沉淀池产生大量浮渣;⑤沉淀池的作用是进行固液分离,清液流入消毒清水池;⑥消毒池的作用是通过消毒剂杀灭出水中的游离细菌;⑦污泥消化池的作用是将沉淀池来的污泥进行好氧消化,减少污泥量并使之转化为熟污泥。经好氧处理后的熟污泥经泵输送至位于地表的贮泥池,便于环卫车外运。
A/O法的特点是:容积负荷高,CODcr、BOD5、N、P去除率高,出水水质比较稳定;产泥量少,不发生污泥膨胀;由于充氧是在填料下直接曝气,气泡通过填料再次破裂提高了充氧效率,故其动力消耗要比活性污泥法小;操作简便、检修维护容易。在污水处理工程中被大量采用。
A/O工艺成熟稳定、可行有效,出水完全能够达标排放,在小型生活污水处理工程中有良好的发展前景。
3.9 A/A/O法
A/A/O工艺,又名A2/O工艺,为厌氧/缺氧/好氧组合工艺,是一种有效的除磷脱氮工艺。在除磷方面利用聚磷菌的好氧聚磷、厌氧释磷起到除磷效果。在脱氮方面通过好氧阶段硝化、缺氧阶段反硝化起到脱氮的作用。
如图,为A/A/O工艺基本流程。原污水进入厌氧池,同步进入的还有从沉淀池排出的含磷回流污泥,该池的主要功能是释放磷,同时部分有机物进行氨化。污水经过厌氧反应进入缺氧池,缺氧池的首要功能是脱氮,反硝化菌利用污水中的有机物作碳源,将回流混合液中的NO3--N和NO2--N还原为N2释放至空气,硝态氮是通过内循环由好氧池送来的。混合液从缺氧池进入好氧池,在好氧池中,有机物被微生物生化降解,有机氮被氨化继而被硝化,随着硝化过程使NO3--N的浓度增加,而P随着聚磷菌的过量摄取,也以较快的速率下降。所以,A/A/O工艺具有同时完成有机物的降解、硝化脱氮、磷的过量摄取而被去除等功能。
A/A/O工艺的特点:
1、厌氧、缺氧、好氧三种不同的环境条件和不同种类的微生物菌群的有机配合,能同时具有去除有机物、脱氮除磷功能。
2、在同时脱氮除磷去除有机物的工艺中,该工艺流程最为简单,总的水力停留时间也少于同类其它工艺。
3、在厌氧—缺氧—好氧交替运行下,丝状菌不会大量繁殖,SVI一般小于100,不会发生污泥膨胀。
4、污泥中含磷量高,一般为2.5%以上。
5、A/A/O工艺应用较为广泛,历史较长,已积累有一定的设计和运行经验,但该工艺有一定的缺点,主要表现为:①需要分别设置污泥回流系统和内回流系统,尤其是内回流系统的设计回流比往往在200%-300%左右或更大,这不仅增加投资和运行能耗,而且大量溶解氧将随内回流进入缺氧池,在一定程度上影响反硝化的效果。②在碳源和其他因素均满足的条件下,反硝化的效率尚受制于内回流比的大小。内回流主要根据进水所能提供的碳源以及在缺氧池中的反硝化能力进行控制,比较复杂。③二沉池回流污泥中一般或多或少地含有硝酸盐,A/A/O工艺中部分硝酸盐将随回流污泥直接进入厌氧池,对厌氧池中磷的释放不利,在一定程度上将影响生物除磷的效果。
3.10 稳定塘法
稳定塘旧称氧化塘或生物塘,是一种利用天然净化能力对污水进行处理的构筑物的总称。其净化过程与自然水体的自净过程过程相似。通常是将土地进行适当的人工修整,建成池塘,并设置围堤和防渗层,依靠塘内生长的微生物来处理污水。主要利用菌藻的共同作用处理废水中的有机污染物。
稳定塘法的基本原理是通过水塘中的“藻菌共生系统”进行废水净化。所谓“藻菌共生系统”是指水塘中细菌分解废水的有机物产生的二氧化碳、磷酸盐、铵盐等营养物供藻类生长,藻类光合作用产生的氧气又供细菌生长,从而构成共生系统。不同深浅的塘在净化机理上不同,可分为好氧塘、兼氧塘、厌氧塘、曝气塘、田塘(水生植物塘)和鱼塘(放养鸭、鱼等的氧化塘)。好氧塘为浅塘,整个水层处于有氧状态;兼氧塘为中深塘,上层有氧、下层厌氧;厌氧塘为深塘;除表层外绝大部分厌氧;曝气氧化塘为配备曝气机的氧化塘;田塘即种植水生植物的氧化塘;鱼塘是放养鸭、鱼等的氧化塘。
用生物塘处理污水历史悠久,第一个有记录的塘系统是美国于1901年在得克萨斯州修建的。目前,全世界已经有50多个国家在使用稳定塘系统,其中法国有稳定塘1500余座,西德2000余座,美国已有稳定塘20000余座。在发展中国家,稳定塘的应用也比较广泛。例如,马来西亚工业废水总量的40%都是利用稳定塘进行处理的。
我国利用稳定塘处理污水的研究始于50年代。我国政府对稳定塘一直采取鼓励扶植的措施。国家环保局曾拨款300万元,资助齐齐哈尔对稳定塘进行了改建和扩建。到1990年为止,我国已经建成稳定塘118座,日处理污水量190万吨。
目前,稳定塘除了用于处理中小城镇的生活污水之外,还被广泛用来处理各种工业废水,此外,由于稳定塘可以构成复合生态系统,而且塘底的污泥可以用作高效肥料,所以稳定塘在农业、畜牧业、养殖业等行业的污水处理中也得到了越来越多的应用。特别是在我国西部地区,人少地多,氧化塘技术的应用前景非常广泛。
不同类型稳定塘的去污效果见下表。
表10-1  稳定塘的去污效果
参数项 厌氧塘 兼性塘 好氧塘 曝气塘 深度处理塘
水深(m) 2.5-5 1.5-2.5 1.0-1.5 2.5-5 0.6-1
水力停留时间(d) 5-30 25-80 10-40 3-20 4-12
BOD5表面负荷(kg/ha·d) 150-1000 10-100 40-120 30-300 20-100
BOD去除率(%) 20-70 60-85 80-95 80-95 30-50
注:表中各项性能均受控于阳光辐射值、温度、养料及毒物等多种因素。因此,其具体数值也因纬度高低、气象条件和水质状况的不同而异。
3.10.1 稳定塘的类型与特点
(1)厌氧塘
厌氧塘的原理与其他厌氧生物处理过程一样,依靠厌氧菌的代谢功能,使有机底物得到降解。反应分为两个阶段:首先由产酸菌将复杂的大分子有机物进行水解,转化成简单的有机物(有机酸、醇、醛等);然后产甲烷菌将这些有机物作为营养物质,进行厌氧发酵反应,产生甲烷和二氧化碳等。

图10-1   厌氧塘作用机理示意图
厌氧塘对于高温、高浓度的有机废水有很好的去除效果,如食品、生物制药、石油化工、屠宰场、畜牧场、养殖场、制浆造纸、酿酒、农药等工业废水。对于醇、醛、酚、酮等化学物质和重金属也有一定的去除作用。对重金属也有一定的去除效果。
厌氧塘的优点是:①有机负荷高,耐冲击负荷较强;②由于池深较大,所以占地省;③所需动力少,运转维护费用低;④贮存污泥的容积较大;⑤一般置于塘系统的首端,作为预处理设施,在其后再设兼性塘、好氧塘甚至深度处理塘,做进一步处理,这样可以大大减少后续兼性塘和好氧塘的容积。
厌氧塘的缺点是:①温度无法控制,工作条件难以保证;②臭味大;③净化速率低,污水停留时间长。城市污水的水力停留时间为30~50天。
厌氧塘的适用条件:①必须严格作好防渗措施;②厌氧塘前要进行预处理;③进水水质:进水中有机负荷不能过高。有机酸在系统中的浓度应小于3000mg/L;进水硫酸盐浓度不宜大于500mg/L;进水BOD:N:P=100:2.5:1;C:N一般为20:1左右;pH值要介于6.5~7.5;进水中不得含有有毒物质,重金属和有害物质的浓度也不能过高。
(2)兼性塘
兼性塘是最常见的一种稳定塘。兼性塘的有效水深一般为1.0~2.0m,从上到下分为三层:上层好氧层、中层兼性层(也叫过渡层)、塘底厌氧层。好氧层的净化原理与好氧塘基本相同;兼性层的溶解氧的供应比较紧张,含量较低,且时有时无。其中存在着异养型兼性细菌,它们既能利用水中的少量溶解氧对有机物进行氧化分解,同时,在无分子氧的条件下,还能以NO3-、CO32-作为电子受体进行无氧代谢;厌氧层内不存在溶解氧。进水中的悬浮固体物质以及藻类、细菌、植物等死亡后所产生的有机固体下沉到塘底,形成10~15cm厚的污泥层,厌氧微生物在此进行厌氧发酵和产甲烷发酵过程,对其中的有机物进行分解。在厌氧区一般可以去除30%的BOD。
兼性塘既可用来处理城市污水,也能用于处理石油化工、印染、造纸等工业废水。

图10-2   兼性塘作用机理示意图
兼性塘的优点是:①投资省,管理方便;②耐冲击负荷较强;③处理程度高,出水水质好。
兼性塘的缺点是:①池容大,占地多;②可能有臭味,夏季运转时经常出现漂浮污泥层;③出水水质有波动。
兼性塘的适用条件:①应该建在通风、无遮蔽的地方;②预处理及对进水水质的要求:如果兼性塘作为第一级,则要求有一定的预处理措施。具体规定与厌氧塘相同,唯一不同的是兼性塘要求进水中BOD∶N∶P=100∶5∶1。
(3)好氧塘
好氧塘内有机物的降解过程,实质上是溶解性有机污染物转化为无机物和固态有机物——细菌与藻类细胞的过程。好氧细菌利用水中的氧,通过好氧代谢氧化分解有机污染物,使成为无机物CO2、NH4+、和PO43-、并合成新的细菌细胞。而藻类则利用好氧细菌所提供的二氧化碳、无机营养物以及水,借助于光能合成有机物,形成新的藻类细胞,释放出氧,从而又为好氧细菌提供代谢过程中所需的氧。在好氧塘中,藻是生产者,好氧细菌是分解者。此外,好氧塘中存在的浮游动物以细菌、藻类和有机碎屑为食物,是初级消费者。生产者、分解者和消费者,与塘水共同组成一个水生态系统,完成系统中物质与能量的循环和传递,从而使进塘的污水得到进化。塘中的藻类,除在其光合作用中为污水的好氧降解提供溶解氧以外,还能去除污水中的氮、磷营养物质,并能吸附一些有机质。


图10-3   好氧塘作用机理示意图

好氧塘适用于去除营养物,处理溶解性有机物。由于处理效果较好,多用于串联在其他稳定塘后做进一步处理,处理二级处理后的出水。
好氧塘的分类:按照不同的用途分为高负荷好氧塘、普通好氧塘和深度处理好氧塘。高负荷好氧塘有机负荷较高,HRT(水力停留时间)较短,塘水的深度较浅,出水中藻类含量高。普通好氧塘有机负荷比前者低,HRT较长,对污水起二级处理作用。深度处理好氧塘有机负荷较低,HRT也短,其目的是在二级处理系统之后,进行深度处理。
好氧塘的优点是:①投资省;②管理方便;③水力停留时间较短,降解有机物的速率很快,处理程度高。
好氧塘的缺点是:①池容大,占地面积多;②处理水中含有大量的藻类,需要对出水进行除藻处理;③对细菌的去除效果较差。
好氧塘的适用条件:①应该建在温度适宜、光照充分、通风条件良好的地方;②既可以单独使用,又可以串联在其他处理系统之后,进行深度处理;③如果好氧塘用于单独处理废水,则在废水进入好氧塘之前必须进行彻底的预处理。
(4)曝气塘
曝气塘不是依靠自然净化过程为主,而是采用人工补给方式供氧,通常是在塘面上安装曝气设备,一般采用表面曝气机,也可用鼓风曝气。塘内生长有活性污泥,污泥可回流也可不回流,有污泥回流的曝气塘实质上是活性污泥法的一种变型。
曝气塘有两种类型:完全混合曝气塘(或称好氧曝气塘)和部分混合曝气塘(或称兼性曝气塘)。完全混合曝气塘中曝气装置的强度应能使塘内的全部固体呈悬浮状态,并使塘水有足够的溶解氧供微生物分解有机污染物。部分混合曝气塘不要求保持全部固体呈悬浮状态,部分固体沉淀并进行厌氧消化。其塘内曝气机布置较完全混合曝气塘稀疏。
曝气塘出水的悬浮固体浓度较高,排放前需进行沉淀,沉淀的方法可以用沉淀池,或在塘中分割出静水区用于沉淀。若曝气塘后设置兼性塘,则兼性塘要在进一步处理其出水的同时起沉淀作用。

图10-4   曝气塘工作示意图
曝气塘适用于处理城市污水与工业废水,它的优点是:①体积小,占地省;水力停留时间短;②无臭味;③处理程度高;耐冲击负荷较强。
曝气塘的缺点是:①运行维护费用高;②由于采用了人工曝气,所以容易起泡沫,出水中含固体物质高。
曝气塘的适用条件:①排放前必须进行沉淀;②完全混合曝气塘的出水经沉淀后污泥可回流也可以不回流;③曝气塘一般宜采用表面曝气机进行曝气,但在北方要采用鼓风曝气(一般由曝气风机及曝气器组成)。
近些年来,越来越多的证据表明:如果在塘内播种水生高等植物,同样也能达到净化污水或废水的能力。这种塘称为水生植物塘(aquatic plant pond)。常用的水生植物有风眼莲、灯心草、水烛、香蒲等。美国在水生大型植物处理系统方面研究的规模最大,在加州建成的水生植物示范工程占地1.2公顷,其工艺流程为:污水→格栅→二级水生生物曝气塘→砂滤→反渗滤→粒状炭柱→臭氧消毒→出水。经过该系统的处理,出水可作为生活用水,水质达饮用水标准。在很多情况下,水生植物塘是与上述稳定塘相结合使用的,构成一种新型的稳定塘技术,即综合生物塘(multi-plicate biological pond)系统。综合生物塘具有污水净化和污水资源化双重功能,占地面积相对较小,净化效率较高,能做到“以塘养塘”。适合于中小城镇经济、技术和管理水平。
3.10.2 提高稳定塘处理效率和出水效果的一些强化措施
① 多级稳定塘工艺组合:采用多级组合工艺可以提高稳定塘的处理效果,节省处理费用。
组合方式依当地条件和具体水质情况来定,图10-5为几种典型的组合方式。

图10-5   几种典型的稳定塘组合方式
② 暖房:在稳定塘上架设聚乙烯顶盖,即能透射太阳光,又保持了稳定塘内较高的温度,特别有利于严寒冬季保温。
③ 水下架设微生物载体:可以在塘内架设软性纤维填料以吸附和截流微生物,提高稳定塘内微生物量,延长微生物与污水的接触时间,并使微生物在塘内分布均匀,提高处理率,减少占地面积。
④ 除藻措施:藻类在稳定塘中对污染物的去除具有重要作用,但过多的藻类在出水中会导致出水水质恶化,造成二次污染。现在一般采用在最后一塘中放养水生植物如浮萍、水花生、水葫芦、风眼莲等来控制藻类生长。这些水生植物一方面覆盖水面,阻隔了光照,使藻类不能进行光合作用,另一方面这些水生植物和藻类竞争营养物质,抑制藻类生长。
3.10.3 塘址选择
稳定塘占地较多,应尽可能利用不宜耕种的土地,如废旧河道、塘坝、低洼地、沼泽和贫瘠地等;若有高差,应充分利用。为了防止春、秋季翻塘时臭气的干扰,塘址应离居民区500至1000米以上,并位于其主导风下风向。当用于处理城镇污水时,应结合设计规划统一考虑污灌、污养和水的综合利用问题,以求经济、环境、社会效益的统一。
3.10.4 塘型及其组合
塘型的选择应从处理对象的水质特征出发,结合当地气候、地形条件确定。例如,在光照充足没有持续冰封期的地区,可选用好氧塘;而在处理高浓度有机废水时,应在系统中设置厌氧塘;在处理城市污水和工业废水时,应根据原水性质及处理水的用途和要求,宜采用多塘组合系统。
3.10.5 稳定塘的优缺点
(1)优点
在我国,特别是在缺水干旱的地区,是实施污水的资源化利用的有效方法,所以稳定塘处理污水近年来成为我国着力推广的一项新技术。
① 能充分利用地形,结构简单,建设费用低。采用污水处理稳定塘系统,可以利用荒废的河道、沼泽地、峡谷、废弃的水库等地段建设结构简单,大都以土石结构为主,在建设土地具有施工周期短,易于施工和基建费低等优点。污水处理与利用生态工程的基建投资约为相同规模常规污水处理厂的1/3-1/2。
② 可实现污水资源化和污水回收及再用,既节省了水资源,又获得了经济收益。稳定塘处理后的污水,可用于农业灌溉,也可在处理后的污水中进行水生植物和水产的养殖。将污水中的有机物转化为水生作物、鱼、水禽等物质,提供给人们使用或其他用途。如果考虑综合利用的收入,可能到达收支平衡,甚至有所盈余。
③ 处理能耗低,运行维护方便,成本低。风能是稳定塘的重要辅助能源之一,经过适当的设计,可在稳定塘中实现风能的自然曝气充氧,从而达到节省电能降低处理能耗的目的。此外,在稳定塘中无需复杂的机械设备和装置,这使稳定塘的运行更能稳定并保持良好的处理效果,而且其运行费用仅为常规污水处理厂的1/5-1/3。
④ 美化环境,形成生态景观。将净化后的污水引入人工湖中,用作景观和游览的水源。由此形成的处理与利用生态系统不仅将成为有效的污水处理设施,而且将成为现代化生态农业基地和游览的胜地。
⑤ 污泥产量少。稳定塘污水处理技术的另一个优点就是产生污泥量小,仅为活性污泥法所产生污泥量的1/10,前端处理系统中产生的污泥可以送至该生态系统中的藕塘或芦苇塘或附近的农田,作为有机肥加以使用和消耗。前端带有雁洋塘或碱性塘的塘系统通过其底部的污泥发酵坑使污泥发生酸化、水解和甲烷发酵,从而使有机固体颗粒转化为液体或气体,可以实现污泥等零排放。
⑥ 能承受污水水量大范围的波动,其适应能力和抗冲击和能力强。我国许多城市其污水BOD浓度很小,低于100mg/L,是活性污泥法尤其时候氧化沟无法正常运行,而稳定塘不仅能够有效的处理高浓度有机物水,也可以处理低浓度污水。
(2)缺点
① 占地面积过多。我国地少价高,稳定塘占地约为活性污泥法二级处理厂用地面积的13.3~66.7倍,因此,稳定塘建设规模不宜大。
② 气候对稳定塘的处理效果影响较大。
③ 若设计或运行管理不当,则会造成二次污染。
3.10.6 稳定塘在应用过程中面临的技术问题
⑴ 为节省费用,进入稳定塘的污水一般不进行预处理,稳定塘本身水流缓慢,水力不足以搅动污泥使之悬浮,加之缺乏有效的排泥系统,稳定塘普遍存在污泥淤积问题。如河北省保定市一座处理能力为6×104m3/d,塘深为3m的稳定塘积泥严重,淤泥已经多处露出水面。湖北鸭儿湖稳定塘由于污泥淤积,已损失库容17万m3。
⑵ 我国对稳定塘缺乏足够的基础研究,在工艺设计上没有统一的标准,大多参照有限的经验数据,而不同地区,不同运行条件的稳定塘的工艺参数相差很大,所以在设计上存在很大的模糊性和随意性。
⑶ 稳定塘在夏天或运行不稳定时会散发臭味,滋生蚊虫,造成二次污染。
⑷ 稳定塘塘底防水层防水不严可能会造成污水泄漏,污染地下水。
3.11 土地处理系统
土地处理系统(land processing system)是一种处理污水的生态工程技术,污水经过一定程度的预处理,然后有控制地投配到土地上,利用土壤—微生物—植物生态系统的自净功能和自我调控机制,通过一系列物理、化学和生物化学等过程,使污水达到预定处理效果,并对污水中氮、磷等资源加以利用,使其成为植物自身营养成分的一种污水处理技术。
土地处理系统是由若干部分组成的整体,完整的土地处理系统由预处理、水量调节与储存、配水与布水、土地处理田间工程、植物、排水及监测等七部分组成。污水土地处理系统它在设计、运行和管理方面通过低费用、低能耗的生态工程措施达到社会、经济、生态环境效益的统一。
3.11.1 土地处理系统的净化机理
废水土地处理系统是一个比较复杂的净化过程,它的净化机理包括:
① 物理过滤:土壤颗粒间的孔隙能够截留、滤除悬浮颗粒,土壤颗粒的大小颗粒间孔隙的形状和大小、孔隙分布等都会影响土壤物理过滤的净化效率。
② 物理吸附与物理沉积:废水中的部分重金属离子会被土壤胶体表面吸附,并生成难溶态物质被固定在土壤矿物的晶格中。
③ 物理化学吸附:废水中金属离子与土壤中无机和有机胶体整合而形成整合物。
④ 化学反应和沉淀:重金属离子与土壤的某些组分进行化学反应,生成难溶性化合物而沉淀。
⑤ 微生物的代谢和有机物的分解:土壤中会有大量微生物,能对土壤颗粒中的悬浮有机固体物和溶解性有机物进行生物降解。
⑥ 污水中的病原微生物有细菌、寄生虫和病毒,它们通过过滤、吸附、干化、辐照、生物捕食以及暴露在不利条件下等方式被去除。
3.11.2 污水的土地处理系统及组成
污水土地处理系统的组成部分包括:① 预处理系统;② 调节及贮存设备;③ 污水的输送、配布和控制系统;④ 土地净化田;⑤ 净化水收集、利用系统。
其中,土地净化田是土地处理系统的核心环节。
3.11.3 污水的土地处理系统的工艺类型
(1)慢速渗滤系统(SR,是SlowRate)
慢速渗滤处理系统是以表面布水或高压喷洒方式将污水投配到种有作物的土地表面,污水经地表一土壤—作物系统时得以净化的一种土地处理工艺。慢速渗滤系统的污水投配负荷一般较低,渗滤速度慢,在表层土壤中停留时间长,故净化效果非常好,出水水质优良。慢速渗滤处理系统主要由下列几部分构成:

图11-1   慢速渗率系统作用机理示意图
① 预处理系统
污水的土地处理对进水水质要求较高,所以一定要有预处理系统。预处理系统可以采用一级处理,也可采用二级处理。
② 存储系统
慢速渗滤系统实际运行时,可能出现污水量超过设计水量以及在作物种植、收获时停止运行的情况,因此需要有存储系统,起缓冲和调节水量的作用。
③ 布水系统
预处理污水通过布水系统进入土地处理田,布水是否均匀关系到处理效果的好坏。布水方式主要有三种:垄沟布水、坡面布水和喷洒布水。
④ 植物
植物是慢速渗滤系统必不可少的组成部分。植物能有效去除N、P,保持或增加污水渗透速率并获得收益。植物选择的要求是营养吸收量大,耐水性好,有一定的土质、水质变化和盐分耐受性,以及经济价值的大小。在慢速渗滤系统中常用的作物有牧草、大田作物和林木。牧草有紫云英、高羊茅草和黑麦草等;大田作物有玉米、高粱、水稻和大豆等;林木主要是硬木和松树的混合树种。
⑤排水系统
理论上,土地慢速渗滤系统工艺设计是按无处理出水进行的,污水水分主要靠蒸发和渗透来驱动循环。但在实践上为了除去过多的水分渗透到地下水中去,慢速渗滤系统一般都设有排水系统。排水系统的结构主要有两种,即排水明沟和排水暗沟。排水明沟投资少,便于管理,但其缺点是占地多,影响耕作。排水暗沟不占地但不便于维修。
(2)快速渗滤系统(RI,Rapid Infitratin)
快速渗滤系统是一种高效率低能耗的污水处理方法,适用于渗透性能非常良好的粗质地土壤如砂土。其流程是将污水投配到快速渗滤田表面,污水在向下渗透过程中由于生物吸附氧化、硝化、反硝化、过滤、沉淀等一系列作用下得到净化。RI周期性地向具有良好渗透性能的渗滤田灌水和休灌,使表层土壤处于淹水、干燥,即厌氧、好氧交替运行状态。在休灌期,表层土壤恢复为好氧状态,被土壤层截留的有机物为好氧微生物所分解,休灌期土壤层的脱水干化有利于下一个灌水期水的下渗和排除。

图11-2   快速渗透系统示意图
(3)地表漫流系统(OF,Overland Flow)
地表漫流系统是以表面布水或低压、高压喷洒形式将污水有控制地投配到生长多年生牧草、坡度和缓、土地渗透性能低的坡面上,使污水在地表沿坡面缓慢流动过程中得以充分净化的污水处理工艺类型。
OF系统的特点是:
① 用于OF系统的土壤要求渗透性较低,如黏土和壤土。
② 场地建造成均匀缓和的坡面,这样有利于水层流动,最佳坡度为2%~8%。
③ 对预处理要求低,通常经一级处理即可。
④ 布水系统。布水系统主要有三种类型:
表面布水系统:用穿孔管或平顶堰槽布水。
低压布水系统:在固定式配水管上用喷头布水,喷头工作压力为(0.3~1.5)×105Pa。高压布水系统:喷头布水压力为(25~50)×105Pa。
坡面田可用1:1000,有0.3m等高线的坡面,按地面自然坡度的主方向布置坡面田。坡面田的坡度以2%一8%为佳。坡度小于2%,水流速度慢,易出现积水现象;坡度大于8%则使水流速度太快,易产生沟流短路。当设置坡面田并联时应使坡面田之间尽可能规则一致地排列。

图11-3   地表漫流处理系统示意图
(4)污水湿地处理系统(WL,WetLand)
污水湿地处理系统是将污水有控制地投配到土壤——植物——微生物复合生态系统,并使土壤经常处于饱和状态而且生长有芦苇、香蒲等耐水植物的沼泽地上,污水在沿一定方向流动过程中在耐湿植物和土壤相互联合作用下,使污水得到净化。
湿地处理系统有以下几种类型。
① 天然湿地系统;
② 自由水面人工湿地;
③ 人工潜流湿地处理系统。

图11-4   天然湿地处理示意图

图11-5   自由水面人工湿地处理示意图

图11-6   人工潜流湿地处理示意图
(5)人工土层快速渗滤处理系统(ARl,Artificial Rapid lnfiltration)
将污水投配到具有人工配制土层的滤床表面,污水在通过人工土层向下渗滤过程中得以净化的一种处理类型。
人工土层由砂粒,草炭和耕作土配制而成。砂粒的作用是保证土层有良好的渗透性,耕作土中含有大量的微生物,可作为接种剂,草炭作为营养物质供微生物生长。ARI的运行方式类似于RI。
(6)地下渗滤土地处理系统
污水经穿孔管投加到具有一定构造,距地面约50cra深,并具有良好扩散性能的土层中,污水经毛细管作用向土层扩散,在土壤、微生物共同作用下得到净化。
此工艺设计简单,运行可靠。主要处理过程在地下,不影响环境,适于分散的小水量污水处理,如分散的居民住宅点、度假村和疗养院等。
3.11.4 污水土地系统的联合处理
各类土地处理类型工艺性能不完全相同,各有优缺点,利用两种不同类型的处理工艺联合处理可以发挥各自的优点,提高处理效率,常见的组合有以下几种:
① 筛滤——地表漫流——快速渗滤
② 物化预处理——快速渗滤——慢速渗滤
③ 物化预处理——湿地处理——地表漫流
3.11.5 土地处理系统的优势(经济合理性)
(1)基建投资费用少
土地处理为自然生态处理,工程简单,附加构筑物少、基建投资少,土地处理系统类型多样,可根据具体的地形,选择那些不适用其它开发的场地,利用一些低廉土地如荒地等作为处理场地,并选择适合的类型,工程造价低。按有关资料,传统二级生化处理(以活性污泥为例)的一次性基建投资标准为1200元/m3·d,而土地处理系统,其一次性基建投资可变动在500~700元,大体为传统二级处理的1/3~1/2。土地处理的运转费为传统二级处理的1/10~1/5。
(2)能耗低
土地处理系统在处理过程中主要依靠自然净化,充分利用了太阳能和污水中物质的化学能,由于其工艺流程短,所投加的化学药品少,节约了部分化学能,其工程简单化可以减少附加构筑物,节约附加构筑物所耗电能,这样大大节约了能耗。有关资料分析:如果把活性污泥法的能源消耗率看作100%,则土壤处理法仅为13%~14%,按处理每平方污水的耗电计算,其它方法为0.13~1.39kW·h/m3,而土地处理系统仅为0.02~0.07kW·h/m3。
(3)再生水回收率高
就水资源利用而言,工业用水的80%和生活用水的60%并不需要十分洁净的水质,土地处理系统的出水可以作为中水资源,根据不同的用水标准分别加以利用,而且土地处理系统运行过程中,植物对污水在水量、水质上都加以利用,其本身就是对中水资源的有效利用。污水地下回灌是一种利用土地处理技术实现污水间接回用的方法,国外污水农灌应用很多,以色列污水处理后42%用于农灌,污水农用保证了以色列农业的健康发展。美国用于农业灌溉回用污水总量约58亿m3/a,占回用水总量的62%。
(4)管理简单,运行方便
土地处理系统利用天然土地系统的自然净化功能,工艺流程短,处理单元少,可以省去一般传统工程措施的很多附加设施及管理人员,系统所需设备仪器简单,其检修和报废等问题相对要少得多,节省投资,减少工程占地面积,管理简单,维护方便。我国处理5~10万m3/d的二级污水处理厂,一般需要100~150人的编制,而相同规模的污水土地处理系统只需要10~15左右的人员编制;维护良好的土地处理系统的运行维护费用也只有常规处理的1/5~1/3;另外,土地处理系统使用寿命较长,一般10~20年左右。
(5)生态、社会效益显著
对于污水处理厂直接排放的模式,土地处理实现了污水的营养物和水资源的同时回收利用,在郊区或农村,处理污水的同时也可增加土壤的肥力,并能种植经济作物而产生一定的收益,同时实现了从生态角度上的物质能量循环。土地处理系统饲草品质有保证,产量提高60%多;示范项目200hm2地的青贮产量能够满足1000头奶牛的冬季饲养需要,估算每户牧民每年的净收入超过1万元。土地处理利用其土壤—植物系统的调节功能,接受污水的冲击负荷具有强大的缓冲作用,从而保护承接水体及地下水,防止二次污染。这与传统二级生化处理方法在遇到水质变动时表观为污泥膨胀、出水水质恶化相比,具有明显优势。土地处理系统运行产生的气体对周围环境产生的负面效应小。通过对土地处理系统运行过程中甲烷和N2O等温室气体的排放规律进行的初步研究结果表明,土地处理系统的运行,产生一定数量的温室气体,但是通过相应的减排措施,可以使污水土地处理系统运行时产生的温室气体大大减少,使之不对周围生态环境产生负面效应。此外,由于土地处理系统将主要构筑物设置在地下,不但不影响地面景观,还可以利用绿地植物的优点取得净化污水、美化绿化环境的双重效果,从而为一些大城市省去为美化市貌而进行提高绿化率的投资费用。台培东等对霍林河污水土地处理工程生态效应研究表明:干旱地区城市污水土地处理系统可改变局部区域内的生态环境,改善草原地区单调的自然景观,发挥其环保、旅游、生态建设等功能。
(6)政策上的支持和逐渐完善的技术体系
世界银行环境事务署规定:“当有土地可用和毒物含量足够低时,土地处理是处理污水的最简单、最经济的技术”;“在任何工业项目中,土地处理应当作为第一选择来考虑”。我国自1980年以后确定了根据我国国情与各地区的自然和社会经济情况,实行人工处理和自然处理并行的技术政策,积极推行稳定塘和土地处理等自然处理技术。1990年我国将“污水净化与资源化技术研究”列入“八五”国家科技公关计划,组织了城市污水资源化和土地处理与稳定塘系统的科技公关也建立了相应的示范工程。建设部、国家环保局、科技部联合颁布实施的《城市污水处理及污染防治技术政策》中明确指出:“在有条件的地区,可利用荒地、闲地等可利用的条件,采用各种类型的土地处理和稳定塘等自然净化技术”,“城市污水二级处理出水不能满足水环境要求时,在条件许可的情况下,可采用土地处理系统和稳定塘等自然净化技术进一步处理”。
3.11.6 应用前景
随着工业化和城市化的迅速发展,废水中污染物的种类日渐增多,二级处理难以彻底去除污水中的氮、磷等营养物质和难以生物降解的物质,需要进行高级处理(三级深度处理),但常规的污水高级处理能耗高,基建和运行费用昂贵,难以普遍实施。因此,因此寻求低成本、低污染、高效率的城市污水处理技术是解决我国乃至世界的水污染和水资源短缺问题的有效途径,土地处理系统便作为污水高级处理的代用方法被推广开来,特别适于处理中小城市的污水。
土地处理系统的经济性使其比在其它发达国家更适合我国目前的经济发展水平,与其他处理工艺相比,土地处理系统技术含量较低,这在我国污水处理技术正处于研发和逐渐成熟的现阶段具有广泛的应用前景。以其作为污水处理技术,不仅效果好,而且可以解决我国目前净水工艺存在的主要问题,减少氮、磷的排放量,减缓我国水体富营养化的趋势。它既可替代常规二级处理,又可作为污水的深度处理,已成为城市污水处理的革新/替代技术和我国污水处理技术政策的重要组成部分。加强土地处理系统的理论研究和技术工艺开发,加大力度推行并实施污水土地处理技术,将是解决我国水污染严重和水资源短缺的有效途径。
3.11.7 土地处理的缺点
主要是:处理能力低,需要的土地面积大,用于污水处理的土壤质地要求较高、土壤易发生退化等。
3.12 污泥处理及处置
在城镇污水处理过程会产生污泥,有初沉污泥(初沉池沉淀污泥)、剩余污泥(二沉池污泥)、腐殖污泥(生物膜法二沉池的污泥)、化学污泥(经化学沉淀法产生的污泥)等。城镇污水处理厂产生的污泥含水率高(75%~99%),有机物含量高,易腐烂。污泥中含有具有潜在利用价值的有机质,氮、磷、钾和各种微量元素,寄生虫卵、病原微生物等致病物质,铜、锌、铬等重金属,以及多氯联苯、二噁英等难降解有毒有害物质,如不妥善处理,易造成二次污染。
污泥的妥善处理处置是污水处理厂设计的一个重要内容。城镇污水处理厂污泥减容、减量、稳定以及无害化的过程称为污泥处理。经处理后的污泥或污泥产品在环境中或利用过程中达到长期稳定,并对人体健康和生态环境不产生有害影响的最终消纳方式称为污泥处置。
污泥处理处置的目的是实现污泥的减量化、稳定化、无害化以及资源化利用。
现有污泥处理方式有:厌氧消化、好氧消化、好氧发酵(堆肥)、浓缩、脱水、干燥等。污泥的浓缩、脱水属于污泥的预处理。
现有污泥处置方式有:土地利用、焚烧、填埋、建筑材料综合利用等。
3.12.1 污泥处理技术
3.12.1.1 污泥预处理
城镇污水处理厂污泥预处理的目的是提高污泥含固率,减少污泥体积,以利于后续处理与处置。污泥预处理及辅助设施主要包括污泥存储、浓缩、脱水、输送和计量等环节的设备、构筑物和相关辅助设施。
(1)预处理工艺流程
污水处理系统产生的初沉污泥和剩余污泥排入集泥池,经提升至污泥浓缩池或浓缩设备。通常规模较大的城镇污水处理厂产生的污泥在浓缩后进入消化池。经浓缩或消化后的污泥机械脱水后存储在堆放间,外运处理或处置。
(2)预处理工艺类型
① 污泥浓缩
污泥浓缩的目的是使污泥初步脱水、缩小污泥体积。污泥浓缩技术有重力浓缩、气浮浓缩、离心浓缩(机械浓缩)等。
◆ 重力浓缩
利用污泥自身的重力将污泥间隙中的水挤出,使污泥的含水率降低的方法,称为重力浓缩法。重力浓缩构筑物称重力浓缩池。
重力浓缩法按照运行方式可分为连续式和间歇式两种。
连续式常采用沉淀池的形式,一般为竖流式(或辐流式),多用于大、中型污水处理厂;间歇式可建成矩形或圆形,常用于小型污水处理厂。

图12-1  连续式重力浓缩池基本构造
1-中心进污泥管;2-上清液溢流堰;3-排泥管;4-刮泥机;5-搅动栅

图12-2  间歇式重力浓缩池
重力浓缩是污泥浓缩处理中使用最广泛和最简便的一种浓缩方法。
优点:运行费用低
缺点:浓缩池体积大,浓缩时间长可能引起污泥腐化;上清液BOD浓度较高,若回流到污水处理系统中,将增加其BOD负荷。
◆ 气浮浓缩
污泥的气浮浓缩是在加压情况下,将空气溶解在澄清水中,在浓缩池中降至常压后,释放出的大量微气泡附着在污泥颗粒的周围,使污泥颗粒比重减小而被强制上浮,达到浓缩的目的。因此,气浮法较适用于污泥颗粒比重接近于1的活性污泥,可将污泥含水率由99.5%降至94%~96%。其工艺流程见图5-4。
优点:停留时间较短,容积较小
避免污泥腐化发臭和脱氮上浮
缺点:运行费用较高
运行管理较复杂


图12-3  气浮浓缩工艺流程

◆ 离心浓缩
离心浓缩是利用污泥中的固体颗粒与液体的比重差,在离心力场所受到的离心力的不同而分离。由于离心力几千倍于重力,因此离心浓缩占地面积小,造价低,但运行费用与机械维修费用较高。
用于离心浓缩的离心机有转盘式离心机,卧式离心机和转鼓离心机等。
各种离心浓缩机的运行数据见表12-1,浓缩污泥为剩余活性污泥。
表12-1   离心浓缩的运行参数与效果
离心机
类型 Q0(L/s) C0(%) Cu(%) 固体回收率(%) 混凝剂量(kg/t)
转盘式 9.5 0.75~1.0 5.0~5.5 90 不用
转盘式 25.3 -- 4.0 80 不用
转盘式 3.2~5.1 0.7 5.0~7.0 93~87 不用
卧式 2.1~4.4 0.7 9.0~10 90~70 不用
转鼓式 0.63~0.76 1.5 9~13 90 不用
转鼓式 4.75~6.30 0.44~0.78 5~7 90~80 不用
转鼓式 6.9~10.1 0.5~0.7 5~8 65 不用
    85 少于2.26
    90 2.26~4.54
    95 4.54~6.8

② 污泥脱水与干化
污泥经浓缩和消化之后,其含水率仍在95%以上,体积很大,不便于运输和使用,需要进一步脱水干化处理,其主要方法有自然脱水、热干化脱水和机械脱水。
◆ 自然脱水
自然脱水,即自然干化。利用自然下渗和蒸发作用脱除污泥中的水分,其主要构筑物是干化场。

图12-4  人工滤层干化场
◆ 热干化脱水
污泥经机械脱水后,在外部加热的条件下,通过传热和传质过程,使污泥中水分蒸发,即随着相变化使水从泥中分离出去的过程。
按传质方式可分为直接加热、间接加热、直接和间接联合加热三类。
按设备形式可分为转鼓式、转盘式、带式、螺旋式、离心干化机、喷淋式多效蒸发器、流化床、多重盘管式、薄膜式、桨板式。
◆ 机械脱水
污泥的机械脱水是以过滤介质两面的压力差作为推动力,使污泥水分被强制通过过滤介质,形成滤液;而固体颗粒被截留在介质上,形成滤饼,从而达到脱水的目的。过滤基本过程见图12-5。


图12-5  过滤基本过程
1—滤饼;2—过滤介质

常用的污泥机械脱水方法有压滤法、离心法和真空吸滤法等。其基本原理相同,不同点仅在于过滤推动力的不同。真空吸滤脱水是在过滤介质的一面造成负压;压滤脱水是加压污泥把水分压过过滤介质;离心脱水的过滤推动力是离心力。
目前国内新建的处理厂,绝大部分采用带式压滤脱水机,具有出泥含水率低且稳定、能耗少、管理不复杂等特点。污泥经脱水后,其体积减至浓缩前的1/10,脱水前的1/5,大大降低了后续污泥处置的难度。
表12-2   污泥浓缩、脱水方案比较
项    目 方案一
机械浓缩、机械脱水 方案二
重力浓缩、机械脱水
主要构建筑物 污泥贮泥池、浓缩、脱水机房
污泥堆棚 污泥浓缩池、脱水机房
污泥堆棚
主要设备 污泥浓缩脱水机、加药设备 浓缩池、浓缩机、脱水机、加药设备
占地面积 小 大
絮凝剂用量 3.0~5.0kg/T·DS ≤4.0kg/T·DS
对环境影响 无大的污泥敞开式构筑物,对周围环境影响小,易除臭 污泥浓缩池露天布置,气味难闻,对周围环境影响大,不易除臭
总土建费用 小 大
设备费用 稍高 一般
投资 一般 一般
剩余污泥中
磷的释放 无 有
用水量(水费) 小 大
电费 一般 小
总体评价:两个方案投资相近。方案一在占地面积、环境保护、确保出水水质方面明显优于方案二。方案二采用重力浓缩会出现污泥中磷的释放,需要设置专门的除磷池,从而使系统复杂化;重力浓缩效率低且受水温影响、占地面积大;浓缩池的臭气需要处理,增加了除臭设备的容量。

表12-3   带机与离心机技术经济比较
项  目 带式浓缩脱水一体化机械 离心式浓缩脱水一体化机械
操作环境 较差,需设排气罩或考虑除臭措施 较好
噪声 小 较大(88dB(A))
出泥干度 20~25% 20~25%
反冲洗水 大,需设加压泵连续冲洗 很小只需开停机时清洗,无需加压
总装机容量 小 大
设备费 小 大
占用场地 稍大 较小
维护运行费 低 高
总体评价:离心机具有操作环境较好,自动化程度高,可连续运转,冲洗水用量省,出泥含水率低,不需加压等优势,但设备价格较高和装机容量较大,须采用进口设备,噪音较大。带式浓缩脱水一体机操作环境、较差,需设加压泵冲洗,但设备投资低,电耗较省,出泥含水率低且稳定。此两种设备目前国内外均有使用,运行效果较好。
3.12.1.2 污泥厌氧消化
污泥厌氧消化是指在厌氧条件下,通过微生物作用将污泥中的有机物转化为沼气,从而使污泥中有机物矿化稳定的过程。厌氧消化可降低污泥中有机物的含量,减少污泥体积,提高污泥的脱水性能。
(1)工艺流程
污泥经过浓缩池浓缩后,利用泵提升进入热交换器,然后进入厌氧消化池,在微生物作用下污泥中有机物得到降解。厌氧消化过程产生的沼气经脱水、脱硫后可作为燃料利用。消化稳定后的污泥经脱水形成泥饼外运处置。
(2)污泥厌氧消化工艺类型
① 高温厌氧消化
经过浓缩、均质后的污泥(含水率94%~97%)进入高温(53±2ºC)厌氧消化池进行厌氧消化,有机物降解率可达40%~50%,对寄生虫(卵)的杀灭率可达99%,消化时间为10~15d。高温厌氧消化池投配率以7%~10%为宜。
该工艺的特点:微生物生长活跃,有机物分解速度快,产气率高,停留时间短,但需要维持消化池的高温运行,能量消耗较大,系统稳定性较差。
② 中温厌氧消化
经过浓缩、均质后的污泥进入中温厌氧消化池进行厌氧消化。中温厌氧消化分为一级中温厌氧消化(停留时间约20d)和二级中温厌氧消化(停留时间约10d)。中温厌氧消化池投配率以5%~8%为宜。
该工艺的特点:消化速率较慢,产气率低,但维持中温厌氧的能耗较少,沼气产能能够维持在较高水平。
(3)厌氧消化的主要特点
·可以产生甲烷;
·可以使污泥中有机物浓度降低40~60%,减少污泥体积30~50%;
·完全消化使污泥无明显臭味;
·高温消化的病原体去除率高;
·基建费用高,机械设备多(部分是沼气利用设备);
需要再次处理的量大(例如对消化液需要进行除磷处理),需要加热维持消化所需要的温度等;
·管理比较麻烦,运行费用高;
·占地面积大;
·适用于规模大产生污泥量多的污水处理厂。
3.12.1.3 污泥好氧消化
污泥好氧消化实质上是活性污泥法的继续,其工作原理是污泥中的微生物有机体的内源代谢过程。通过曝气充入氧气,活性污泥中的微生物有机体自身氧化分解,转化为二氧化碳、水、氨气等,使污泥得到稳定。
与现在普遍采用的污泥厌氧消化相比,好氧消化具有下列优点:
·对悬浮固体的去除率与厌氧法大致相等;
·上清液中的BOD浓度较低(10mg/L以下);
·处理后的产物无臭、类似腐殖质,肥效较高;
·运行安全、管理方便;
·处理效率高,需要的处理设施体积小,投资较少。
由于污泥好氧消化工艺具有上述优点,因此在中小型污水处理厂颇受青睐。美国、日本、加拿大等发达国家都有不少中、小型污水处理厂采用好氧消化处理污泥,仅加拿大某省就有20个小型污水处理厂运用此法,丹麦大约有40%的污泥使用好氧法进行稳定化处理。
污泥好氧消化一般有三种工艺:CAD、A/AD、ATAD。
(1)CAD工艺
传统的好氧消化工艺(CAD,conventional aerobic digestion)的构造及设备与传统活性污泥法相似,但污泥停留时间很长,其常用的工艺流程主要有连续进泥和间歇进泥两种,如图12-6所示:

图12-6  传统的好氧消化工艺流程图
一般规模较大污水处理厂的好氧消化池采用连续进泥的方式,运行方式与活性污泥法相似。规模较小污水处理厂的好氧消化池,可采用间歇进泥,定期的进泥和排泥,通常每天一次。
(2)A/AD工艺
缺氧/好氧消化工艺(A/AD,anoxic/aerobic digestion)即在CAD工艺的前端加一段缺氧区,使污泥在该段发生反硝化反应,其产生的碱度可补偿硝化反应中所消耗的碱度,所以不必另行投碱就可使pH值保持在7左右。因在缺氧段以硝酸氮NO3-N代替O2作为最终电子受体,需氧量比CAD工艺要少。
图12-7为A/AD工艺的三种常见的流程图。其中,Ⅰ工艺可实现对间歇进泥的CAD工艺的改造,通过间歇曝气产生好氧和缺氧期,并要在缺氧期加搅拌设备而使污泥处于悬浮状态,促使污泥发生充分的反硝化。Ⅱ、Ⅲ工艺是将缺氧区和好氧区分建在两个池子里,而且两工艺都需要硝化液回流,以提供反硝化所需的硝酸盐。
A/D消化池内污泥浓度及污泥停留时间等都与CAD工艺相似。
CAD和A/AD工艺的主要缺点是供氧的动力费较高、污泥停留时间较长、特别是对病原菌的去除率低。将温度提高到高温范围(43~70℃)会大大提高对病原菌的去除,由此而开发了高温好氧消化工艺。

图12-7  缺氧/好氧消化工艺流程图
(3)ATAD工艺
自热高温好氧消化工艺(ATAD:Autoheated Thermophilic Aerobic Digestion)利用有机物好氧氧化所释放的代谢热,达到并维持高温,而不需要外加热源。由于采用较高的温度,消化时间大大缩短(约6天),高温好氧消化具有较高的悬浮固体去除率,并且能达到杀灭病原菌的目的。
达到自热高温好氧消化通常需要以下三个条件:
·进泥首先要经过浓缩,MLSS浓度达40000~60000 mg/l(或VSS浓度最少为25000mg/l),这样才能产生足够的热量。
·反应器要加盖,采用封闭的反应器,同时反应器外壁还要采取绝热措施,以减少热传导的热损失。
·采用高效氧转移设备减少蒸发热损失,有时甚至采用纯氧曝气。
图12-8为ATAD工艺的流程图。为防止短流并尽量杀灭病原菌,典型的ATAD系统一般采用间歇(分批)操作,至少两个反应器串联运行。第一段温度通常为45℃左右,一般不超过55℃。第二段温度通常为50~60℃,一般不超过70℃。


图12-8  ATAD工艺流程图

(4)好氧消化各工艺的比较及应用
污泥好氧消化各工艺比较
工艺 优点 缺点
CAD 工艺成熟 动力费用高
机械设备简单 对病原菌的灭活率低
操作运行简单 需要相当长的SRT
能够在一池中同时实现浓缩和污泥稳定 相当大的反应器体积
  由于硝化作用使pH值下降
上清液BOD含量低 消化污泥的脱水性能差
A/AD 提供pH控制 工艺较新,运行经验少
其他同CAD 动力费用仍较高
  其他同CAD
ATAD SRT短、反应器体积小 机械设备复杂
抑制硝化作用,需氧量相对少 泡沫问题
没有pH值下降 新工艺,经验少
对病原菌的杀灭效果好 动力费仍旧相当高
比CAD、A/AD能耗低 需增加浓缩工序
脱水性能可能优于CAD及A/AD 进泥中应含有足够的可降解固体

3.12.1.4 污泥好氧发酵
污泥好氧发酵是指在有氧条件下,污泥中的有机物在好氧发酵微生物的作用下降解,同时好氧反应释放的热量形成高温(>55℃)杀死病原微生物,从而实现污泥减量化、稳定化和无害化的过程。
(1)工艺流程
污泥好氧发酵通常包括前处理、好氧发酵、后处理和贮存等过程。前处理包括破碎、混合、含水率和碳氮比的调整;好氧发酵阶段通常采用一次发酵方式;后处理主要包括破碎和筛分,有时需要干燥和造粒。
(2)污泥好氧发酵工艺类型
① 条垛式好氧发酵
条垛式好氧发酵通常采用露天强制通风的发酵方式,经前处理工段处理后的混合物料被堆置在经防渗处理后的地面上,形成梯形断面的长条形条垛。条垛式好氧发酵分为静态和间歇动态两种工艺。
静态好氧发酵是指在污泥混合物料所堆放的地面上铺设供风管道系统,通过强制通风或抽气的方式为好氧发酵过程提供所需氧气。
间歇动态好氧发酵是指采用轮式或履带式等翻(抛)堆设备,定期翻堆,使混合物料与空气充分接触,保持好氧发酵过程所需氧气。
目前通常采用静态强制通风与定期翻堆相结合的条垛式好氧发酵工艺。
条垛式污泥好氧发酵采用露天方式时需考虑场地雨水。
② 发酵槽(池)式好氧发酵
发酵槽(池)式好氧发酵是指在厂房中设置若干发酵槽,槽底设供风管道和排水管道,槽壁顶部设轨道,供翻堆机械移转,定期翻堆。发酵槽(池)式好氧发酵的典型工艺为阳光棚发酵槽。
阳光棚发酵槽是指利用阳光棚的透光和保温性能,提高发酵槽内温度。发酵槽底部安装通风管道系统,通过强制通风来保证好氧发酵过程所需氧气。
3.12.2 污泥处置方法
3.12.2.1 卫生填埋
污泥的卫生填埋始于60年代,是从保护环境的角度出发,在传统填埋的基础上经过科学选址和必要的场地防护处理,具有严格管理制度的科学的工程操作方法。污泥填埋是一项比较成熟的污泥处置技术,其优点是处理容量大、见效快。但它也存在一些问题,如合适的场地不易寻找,污泥运输和填埋场地建设费用较高,填埋场容量有限,有害成分的渗漏可能会对地下水造成污染,填埋场的卫生、臭气问题造成二次污染等。在发达国家,这种方法过去采用较多,但目前可供填埋的场地越来越少,因此其所占比例也越来越小。
3.12.2.2 污泥土地利用
污泥土地利用是指将经稳定化和无害化处理后的污泥通过深耕、播撒等方式施用于土壤中或土壤表面的一种污泥处置方式。污泥中丰富的有机质和氮、磷、钾等营养元素以及植物生长必需的各种微量元素可改良土壤结构,增加土壤肥力,促进植物的生长。
污泥中含有铜、锌、镍、铬、镉、汞和铅等重金属,多以离子化合物形态存在,在土地利用过程中,应特别关注铜、锌和镉造成的环境问题。
污泥土地利用工艺类型:
◆ 园林绿化
污泥用于园林绿化是指将污泥用作景观林、花卉和草坪等的肥料、基质和营养土。污泥中矿化的有机质和营养物质提供丰富的腐殖质和可利用度高的营养物质,可改善土壤结构和组成,并使营养物质更易为植物吸收。污泥用于园林绿化时,须根据树木种类采用不同的污泥施用量。
◆ 林地利用
污泥用于林地利用是指将污泥施用于密集生产的经济林,如薪材林或人工杨树林等。将污泥施于幼林时,会出现与其他植物种类进行竞争的情况,从而降低幼树对营养物质和微量元素的摄入量,并增强杂草生长能力。
◆ 土壤修复及改良
土壤修复及改良是指将污泥用作受到严重扰动土地的修复和改良土,从而恢复废弃土地或保护土壤免受侵蚀。污泥可用在采煤场、取土坑、露天矿坑和垃圾填埋场等。
该方法的具体操作方式和环境影响取决于所施用场地的原有用途。
当目标是改善土壤质量时,可采用污泥直接施用或与其它肥料混合施用的方式。
3.12.2.3 污泥焚烧
污泥焚烧是指在一定温度和有氧条件下,污泥分别经蒸发、热解、气化和燃烧等阶段,其有机组分发生氧化(燃烧)反应生成CO2和H2O等气相物质,无机组分形成炉灰/渣等固相惰性物质的过程。
(1)工艺流程
污泥焚烧系统主要由污泥接收、贮存及给料系统、热干化系统、焚烧系统(包括辅助燃料添加系统)、热能回收和利用系统、烟气净化系统、灰/渣收集和处理系统、自动监测和控制系统及其他公共系统等组成。
(2)污泥焚烧工艺类型
① 前处理技术
污泥焚烧前处理技术通常指脱水或热干化等工艺,以提高污泥热值,降低运输和贮存成本,减少燃料和其他物料的消耗。
热干化工艺有半干化(含固率达到60%~80%)和全干化(含固率达到80%~90%)两种。热干化工艺一般仅用于处理脱水污泥,主要技术性能指标为:热能消耗 2940~4200KJ/kgH2O;电能消耗 0.04~0.90kW/kgH2O。
污泥含固率在35%~45%时,热值为4.8~6.5MJ/kg,可自持燃烧,通常后面直接接焚烧工艺。用作土壤改良剂、肥料,或作为水泥窑、发电厂和焚烧炉燃料时,须将污泥含固率提高至80%~95%。
② 单独焚烧
单独焚烧是指在专用污泥焚烧炉内单独处置污泥。
流化床焚烧炉是目前单独焚烧技术中应用最多的焚烧装置,主要有鼓泡式和循环式两种,其中尤以鼓泡流化床焚烧炉应用较多。
污泥单独焚烧时,在焚烧炉启动阶段,可通过安装启动燃烧器或向焚烧炉膛内添加辅助燃料等方式将炉膛温度预热至850°C以上,然后向焚烧炉炉膛内供给污泥。
③ 混合焚烧
污泥与生活垃圾混烧:在生活垃圾焚烧厂的机械炉排炉、流化床炉、回转窑等焚烧设备中,污泥可以以直接进料或混合进料的方式与生活垃圾混合焚烧。污泥与生活垃圾直接混合焚烧时会增加烟气和飞灰产生量,降低灰渣燃烬率,增加烟气净化系统的投资和运行成本,降低生活垃圾发电厂的发电效率和垃圾处理能力。
污泥的水泥窑协同处置:经水泥窑产生的高温烟气干化后的污泥进入水泥窑煅烧可替代部分黏土作为水泥原料,达到协同处置污泥的目的。干化后的污泥可在窑尾烟室(块状燃料)或上升烟道、预分解炉、分解炉喂料管(适用于块状燃料)等处喂料。利用水泥窑焚烧污泥的直接运行成本为60~100元/t(80%湿污泥)。
污泥的燃煤电厂协同处置:可利用燃煤电厂的循环流化床锅炉、煤粉锅炉和链条炉等焚烧炉将污泥与煤混合焚烧。为提高污泥处置的经济性,优先考虑利用电厂余热干化污泥后进行混烧。直接掺烧污泥会降低焚烧炉内温度和焚烧灰的软化点,增加飞灰产生量,增加除尘和烟气净化负荷,降低系统热效率3%~4%,并引起低温腐蚀等问题。利用火电厂焚烧污泥的单位运行成本为100~120元/t(80%湿污泥),系统改造成本约为15万元/t(80%湿污泥)。
3.12.2.4 几种污泥处置方法优缺点分析
(1)污泥的卫生填埋
这种处置方法简单、易行、成本低,污泥又不需要高度脱水,适应性强。但是污泥填埋也存在一些问题,尤指填埋渗滤液和气体的形成。渗滤液是一种被严重污染的液体,如果填埋场选址或运行不当会污染地下水环境。填埋场产生的气体主要是甲烷,若不采取适当措施会引起爆炸和燃烧。
(2)污泥的土地利用
污泥的土地利用因投资少、能耗低、运行费用低、有机部分可转化成土壤改良剂成分等优点,被认为是最有发展潜力的一种处置方式,科学合理的土地利用,可减少污泥带来的负面效应。林地和市政绿化的利用因不易造成食物链的污染而成为污泥土地利用的有效方式。污泥用于严重扰动的土地(如矿场土地、森林采伐场、垃圾填埋场、地表严重破坏区等需要复垦的土地)的修复与重建,减少了污泥对人类生活的潜在威胁,既处置了污泥又恢复了生态环境。
(3)污泥的焚烧
湿污泥干化后再直接焚烧,应用得较为普遍,没有经过干化的污泥直接进行焚烧不仅十分困难,而且在能耗上也是极不经济的。
以焚烧为核心的污泥处理方法是最彻底的污泥处理方法,它能使有机物全部碳化,杀死病原体,可最大限度地减少污泥体积;但是其缺点在于处理设施投资大,处理费用高。
3.12.3 污泥处理处置技术选择
污泥处理处置的目标是实现污泥的减量化、稳定化和无害化,《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策》要求:污泥处理处置应遵循源头削减和全过程控制原则,加强对有毒有害物质的源头控制,根据污泥最终安全处置要求和污泥特性,选择适宜的污水和污泥处理工艺,实施污泥处理处置全过程管理。
3.12.3.1 污泥处理技术路线
可在污泥浓缩、调理和脱水等实现污泥减量化的常规处理工艺基础上,根据污泥处置要求和相应的泥质标准,选择适宜的污泥处理技术路线。
(1)污泥处理可供选择的方案大致有:
① 生污泥→湿污泥池→最终处置
② 生污泥→浓缩→自然干化→堆肥(好氧发酵)→最终处置
③ 生污泥→浓缩→消化→最终处置
④ 生污泥→浓缩→消化→干化→最终处置
⑤ 生污泥→浓缩→消化→机械脱水→最终处置(对于延时曝气法,由于其污泥泥龄较长,可不进行消化处理)
⑥ 生污泥→浓缩→机械脱水→最终处置
⑦ 生污泥→浓缩→机械脱水→干燥焚烧→最终处置
污泥处理方案选择时,应根据污泥的性质与数量、资金情况与运行管理费用、环境保护要求及有关法律与法规、城市农业发展情况及当地气候条件等情况,进行综合考虑后选定。
(2)我国《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策》提出:
● 当污泥以园林绿化、农业利用为处置方式时,鼓励采用厌氧消化或好氧发酵(堆肥)等方式处理污泥。
● 当污泥以填埋为处置方式时,可采用高温好氧发酵、石灰稳定等方式处理污泥,也可添加粉煤灰和陈化垃圾对污泥进行改性。
● 当污泥以建筑材料综合利用为处置方式时,可采用污泥热干化、污泥焚烧等处理方式。
(3)我国《城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南》从减少污染物排放,高水平保护环境的角度推荐:
污泥中温厌氧消化和污泥好氧发酵为污泥处理污染防治最佳可行技术。污泥处理处置前采用浓缩、脱水等预处理方式。
● 对于实际污水处理规模大于5万m3/d的城镇二级污水处理厂,其产生的污泥宜通过中温厌氧消化进行减量化、稳定化处理,同时进行沼气综合利用。
● 对于园林和绿地等土地资源丰富的中小型城市的中小型城镇污水处理厂,可考虑采用污泥好氧发酵技术处理污泥,并采用土地利用方式消纳污泥。厂址远离环境敏感点和敏感区域时,宜选用条垛式好氧发酵工艺;厂址附近有环境敏感点和敏感区域时,可选用封闭发酵槽式(池)好氧发酵工艺。
3.12.3.2 污泥处置技术
应综合考虑污泥泥质特征、地理位置、环境条件和经济社会发展水平等因素,因地制宜地确定污泥处置方式。
污泥处置方式有土地利用、填埋、建筑材料综合利用等。
(1)我国《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策》要求:
● 鼓励符合标准的污泥进行土地利用。当污泥用于园林绿化时,泥质应满足《城镇污水处理厂污泥处置  园林绿化用泥质》(CJ248)的规定和有关标准要求;当污泥用于盐碱地、沙化地和废弃矿场等土地改良时,泥质应符合《城镇污水处理厂污泥处置 土地改良泥质》(CJ/T 291)的规定;当污泥农用时,污泥必须进行稳定化和无害化处理,并达到《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284)等国家和地方现行的有关农用标准和规定。
● 有条件的地区,应积极推广污泥建筑材料综合利用。污泥建筑材料综合利用是指污泥的无机化处理,用于制作水泥添加料、制砖、制轻质骨料和路基材料等。污泥建筑材料利用应符合国家和地方的相关标准和规范要求,并严格防范在生产和使用中造成二次污染。
● 不具备土地利用和建筑材料综合利用条件的污泥,可采用填埋处置。国家将逐步限制未经无机化处理的污泥在垃圾填埋场填埋。污泥填埋应满足《城镇污水处理厂污泥处置  混合填埋泥质》(CJ/T 249)的规定。
也就是说,污泥的最终处置应首先考虑用于土地利用和建筑材料综合利用,最后考虑采用卫生填埋方式。
(2)我国《城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南》推荐污泥土地利用和污泥干化焚烧为污泥处置污染防治最佳可行技术。
对于大中型城市且经济发达的地区、大型城镇污水处理厂或部分污泥中有毒有害物质含量较高的城镇污水处理厂,可采用污泥干化焚烧组合工艺处置污泥。应充分利用焚烧污泥产生的热量和附近稳定经济的热源干化污泥。污泥干化焚烧厂的选址应采取就近原则,避免远距离输送。污泥干化技术应和焚烧以及余热利用相结合,不鼓励对污泥进行单独热干化。
3.12.4 污泥处理处置及污染防治最佳可行技术的经济适用性
(1)污泥预处理及污染防治最佳可行技术的经济适用性
污泥预处理污染防治最佳可行技术系统包括收集系统、浓缩系统、消化系统、脱水系统、存储与输送系统、计量系统及相关辅助设施等。
机械脱水适用于大、中型城镇污水处理厂。
间歇式重力浓缩适用于小型城镇污水处理厂;连续式重力浓缩适用于大、中型城镇污水处理厂。
有脱氮除磷要求的城镇污水处理厂宜采用机械浓缩。
对采用生物除磷污水处理工艺产生的污泥,宜采用浓缩脱水一体机等设备进行处理。
(2)污泥中温厌氧消化及污染防治最佳可行技术的经济适用性
城镇二级污水处理厂可采取中温厌氧消化进行减量化、稳定化处理,同时进行沼气综合利用。
污泥中温厌氧消化污染防治最佳可行技术包括污泥预处理系统、污泥中温厌氧消化系统、沼气综合利用及净化系统、污染物控制系统。
通常情况下,污泥厌氧消化系统的工程投资占城镇污水处理厂总投资的20%~30%。厌氧消化直接运行成本约为0.05~0.10元/吨污水(不包括固定资产折旧)。考虑沼气发电回收电量后,采用厌氧消化可降低城镇污水处理厂20%~30%的电耗。
(3)污泥好氧发酵及污染防治最佳可行技术的经济适用性
污泥好氧发酵污染防治最佳可行技术包括前处理、好氧发酵、后处理及臭气污染控制。
在园林和绿地资源丰富的中小城市的中小型城镇污水处理厂,宜选用高温好氧发酵方式集中建设污泥发酵场处理污泥。
厂址远离环境敏感点和敏感区域时,可采用条垛式好氧发酵工艺;厂址附近有环境敏感点或敏感区域时,宜采用封闭发酵槽(池)式好氧发酵工艺。
在中、小规模的条垛宜使用斗式装载机或推土机;在大规模的条垛宜使用垮式翻堆机或侧式翻堆机。
设计完整的污泥好氧发酵系统的投资为30~50万元/t(80%含水率),经营成本约为80~150元/吨脱水污泥。
(4)污泥土地利用及污染防治最佳可行技术的经济适用性
污泥土地利用污染防治最佳可行技术主要是将经稳定化和无害化处理后的污泥或污泥产品进行园林绿化、林地利用或土壤修复及改良等综合利用。
在土地资源丰富的地区可考虑污泥土地利用的方式消纳污泥,处置前应进行稳定化和无害化处理。
污泥土地利用的成本与效益情况因污泥用途而异。利用污泥替代有机肥、常规基质和客土修复材料时,可节省相应的开支。
(5)污泥焚烧及污染防治最佳可行技术的经济适用性
污泥焚烧污染防治最佳可行技术主要包括污泥接收、贮存及给料系统,干化系统,焚烧系统,余热回收及热源补充系统,烟气处理系统,臭气收集及处理系统,给排水系统,压缩空气系统,通风和空调系统,电气系统和自控系统等。
在大中型城市且经济发达的地区、大型城镇污水处理厂或部分污泥中有毒有害物质含量较高的城镇污水处理厂,可采用污泥干化焚烧技术处置污泥。
污泥焚烧以流化床焚烧炉应用最为普遍。流化床焚烧炉通常适合污泥大规模集中处置。鼓泡流化床适用于焚烧热值较低的污泥,循环式流化床适用于焚烧热值较高的污泥。
若干化和焚烧系统均采用国产设备,干化焚烧项目的投资成本为30~35万/吨脱水污泥(含水率以80%计);若全部采用进口设备,干化焚烧项目的投资成本为40~50万/吨脱水污泥(含水率以80%计)。
污泥干化焚烧的直接运行成本约为100~150元/吨脱水污泥(含水率以80%计,不包括固定资产折旧)。
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