南國英，郭嘉宇，郝燕飛，楊孟林，張高偉，張煥莉，代學民，任淑萍

(1.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000；2.張家口市政水務有限責任公司，河北 張家口 075000；3.河北省水質(zhì)工程與水資源綜合利用重點實驗室，河北 張家口 075000)

1 引言

隨著我國城市人口激增而導致用水需求量的不斷增加，水資源超載使用無可避免地導致了水資源環(huán)境日益惡化，對人類的生存環(huán)境造成了威脅[1]。目前，全國各個城市水資源短缺、污染十分嚴重，有效處理城市污水就顯得十分重要，這也是保護城市水資源的一項重要環(huán)節(jié)。本文通過對現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理工藝的研究及其優(yōu)缺點分析，進行歸納總結并提出了優(yōu)化方案。

2 城鎮(zhèn)污水的特點

城鎮(zhèn)污水主要包括居民生活污水和工業(yè)污水，在雨污合流制排水系統(tǒng)中，還應考慮被截留的雨水。生活污水主要來源于居住區(qū)和商業(yè)活動區(qū)，其他來源如公用設施及娛樂設施。生活污水中的污染物主要是以蛋白質(zhì)、尿素、氨氮為代表的有機物和對人體健康有威脅的腸道病原菌，細菌和病原體將有機物作為能量來源大量繁殖，可能導致傳播疾病，而有機物腐化會產(chǎn)生惡臭，影響周邊生態(tài)環(huán)境。工業(yè)廢水是指在工作車間生產(chǎn)過程中排出的生產(chǎn)廢水、循環(huán)冷卻廢水以及生活綜合廢水。工業(yè)廢水由其生產(chǎn)規(guī)模的影響導致水質(zhì)水量變化差異大，其水質(zhì)一般具有成分復雜、濃度高、毒性大等特點，需要在廠內(nèi)進行降解處理，滿足相應的排放標準方可排放到市政管網(wǎng)[2]。

3 城鎮(zhèn)污水處理方法

3.1 活性污泥法

活性污泥法是以活性污泥為主體的好氧生物處理方法，活性污泥是一種能將廢水中的有機物進行好氧穩(wěn)定的活性微生物物質(zhì)[3]?；钚晕勰喾ㄊ窍蛭鬯胁粩嗤ㄈ肟諝猓欢螘r間后污水中好氧微生物繁殖形成絮凝物，其上附著以菌膠團為主的微生物群[4]，能有效吸附分解有機物，對部分含氮、含磷的污染物也有一定的處理效果，且具有良好沉降性能。城鎮(zhèn)污水處理廠中常用的活性污泥工藝有膜分離(MBR)工藝系統(tǒng)、序批式(SBR)及其衍生工藝系統(tǒng)、氧化溝(OD)工藝系統(tǒng)、吸附—生物降解(A-B)工藝系統(tǒng)以及AAO脫氮除磷工藝系統(tǒng)。各工藝特點對比如表1所示。

(1)吸附-生物降解工藝分為A、B兩段系統(tǒng)，A段系統(tǒng)在厭氧或好氧條件下運行，利用生物污泥吸附去除有機物并提高污水可生化性，再通過B段系統(tǒng)曝氣深度去除水中的有機污染物。AB法去除效果的好壞關鍵在A段，采用間歇曝氣方式可改善污泥上浮現(xiàn)象[5]，為提高氮、磷去除率，可在B段采用AAO工藝。

(2)氧化溝按延時曝氣方式運行，采用較長的水力停留時間和污泥齡，反應池內(nèi)溶解氧濃度呈梯度變化，污水流態(tài)介于完全混合與推流之間，流程簡單且操作靈活多變。氧化溝技術的發(fā)展以時間順序安排為主和空間順序安排為主可分為交替和半交替工作式氧化溝、連續(xù)工作分建式和合建式氧化溝[6]。無論哪種變型，都是為了提高設備的利用率以及對氮、磷的去除效果，而一體化氧化溝占地少、能耗低，符合當前污水處理工藝簡化發(fā)展的趨勢[6]。

(3)隨著計算機技術和儀器設備的開發(fā)利用，SBR工藝得到了大力發(fā)展，該工藝適用于中、小型污水處理廠以及處理部分工業(yè)廢水，采用間歇式運行方式，污水處理流程在一個反應器內(nèi)連續(xù)完成且可實現(xiàn)自動化控制，極大地簡化了處理工藝。近幾十年來，SBR工藝在進水方式、容積利用率以及氮、磷處理效果上分別衍生出了ICEAS工藝、DAT-IAT工藝以及CAST工藝[7]?，F(xiàn)在SBR工藝的研究熱門方向有MSBR工藝以及連續(xù)流SBR工藝，都是對SBR工藝的進一步強化以期達到理想處理效果。

(4)AAO工藝是一項能夠同步脫氮除磷的工藝，待處理污水首先進入?yún)捬醭刂嗅尫帕?，同時進行有機物氨化，然后進入缺氧池進行脫氮，而后與好氧池送回的回流污水混合再進入好氧池中進行硝化和吸收磷，同時去除水中的有機物。含有硝酸鹽的回流污泥回流到厭氧池會影響厭氧釋放磷的效果[8]，故AAO工藝對原水的C/N和C/P要求較高。AAO的改良工藝有以下兩種：一種是倒置AAO將缺氧池放在厭氧池的前邊，微生物對污水中磷的攝取能力加強，充分的釋放磷和吸收磷，從而增強工藝的除磷效果；另外一種是A-AAO工藝，即在原工藝前增設一個缺氧池，通過延長污泥停留時間進而增強脫氮除磷的能力。

(5)MBR工藝是一項將膜分離技術與活性污泥法相結合的新興水處理技術，通過將膜分離技術替代傳統(tǒng)的二沉池，同時采用自動化技術實現(xiàn)泥水分離和污泥濃縮的功能，去除病原菌并提升出水水質(zhì)。高生物量濃度使MBR工藝能以緊湊的系統(tǒng)獲得較高的有機物去除率[9]。MBR工藝的改進方向有SMBR工藝，即淹沒式膜反應器，通過空氣和水流的相互運動來降低膜的污染程度[9]，從而保護膜的有效性并增長膜的使用壽命。將MBR工藝與其他工藝相結合使用往往對水處理的效果有進一步的提升。

3.2 生物膜法

生物膜法是利用固著于濾料載體上的微生物來降解水中污染物的一種污水好氧生物處理技術[10]。其原理是污水在填料表面流動形成膜狀污泥，能夠吸附污水中的污染物,從而達到凈化污水的目的。生物膜法中參與凈化污水的反應微生物具有多樣性以及種屬優(yōu)勢，對水質(zhì)水量的變動有較強的適應性，在工業(yè)廢水、污水回用方面以及在農(nóng)村地區(qū)的小型污水處理廠得到合理的應用[11]。目前在應用中的生物膜法主要有的工藝種類、優(yōu)缺點對比如表2所示。

表2 生物膜法衍生工藝比較

(1)曝氣生物濾池是同時具備曝氣、高速過濾、定期反沖洗功能的生物膜法污水處理技術。污水由上而下通過濾料層時在底部曝氣裝置進行曝氣，生物膜上的微生物獲得氧氣充分降解水中污染物質(zhì)，脫落的生物膜和水中固體懸浮物被填料所截流，更能使污水進行二次截流的處理效果。曝氣生物濾池采用陶粒作為濾料處理生活污水[12]，處理效果非常理想，曝氣過程中氣水比僅為3.3∶1[12]，有效節(jié)約了處理成本。

(2) 生物轉(zhuǎn)盤通過電機驅(qū)動轉(zhuǎn)盤以較低的線速度交替與污水和空氣接觸，穩(wěn)定運行后，轉(zhuǎn)盤上覆蓋著一層吸附污染物的生物膜。此外，生物轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)還可以進行硝化反應，同步進行脫氮除磷。生物轉(zhuǎn)盤可以通過空氣驅(qū)動、與曝氣池合建、與沉淀池合建等操作降低生物轉(zhuǎn)盤的運行消耗以及提高處理設備的效率[13]。生物轉(zhuǎn)盤的研究可從轉(zhuǎn)盤自身材料抗腐蝕性、強度等方向發(fā)展，或者可將生物轉(zhuǎn)盤技術與其他物理化學技術相結合，實現(xiàn)長期穩(wěn)定高效運行。

(3)生物接觸氧化的實質(zhì)是將富含氧氣的待處理污水以一定流速通過填料，填料上布滿的生物膜降解污水污染物，由此看出生物接觸氧化實際上是一種介于活性污泥法與生物濾池之間的生物處理技術。生物接觸氧化法系統(tǒng)中填料比表面積高于同條件下的生物濾池以及生物轉(zhuǎn)盤，但與此同時其能耗低于其他工藝，污水相對流速較低，為微生物在填料上生長繁殖創(chuàng)造了條件。研究表明，采用水力停留時間為5.8 h、間歇曝氣運行方式出水水質(zhì)達到了傳統(tǒng)運行方式的處理效果[14]，但其進水要求需先經(jīng)過預處理，另外曝氣不均勻影響出水水質(zhì)也是常見的問題。

(4)生物流化床工藝是通過借用流體流動時，附著微生物的生物顆粒呈流態(tài)化進而去除污染物的生物膜法。其反應運行體系內(nèi)存在3種狀態(tài)：固定床、流化床以及液體輸送，為強化其運行效果，可通過提高單位容積生物量或者強化污水與生物膜之間的接觸，增強傳質(zhì)作用。流化床可分為好氧和厭氧兩種，分別具有提高傳質(zhì)效率、氧氣的利用率以及容積負荷大效率高的特點[15]。

(5)MBBR工藝融合了流化床和生物接觸氧化法的優(yōu)勢，污水與可懸浮填料、空氣共同組成氣、液、固三相環(huán)境，促進硝化與反硝化反應同步進行。MBBR工藝既具有活性污泥法的高效靈活性，也具有生物膜法耐沖擊負荷，剩余污泥少的優(yōu)點，處理效率更高運行更穩(wěn)定。MBBR工藝在污水處理方面的新思路主要為組合工藝，例如二級MBBR反應器在處理醫(yī)藥廢水方面效果顯著[16]，或者與AO等活性污泥法工藝相結合，加強研究并進行實際應用，為今后組分復雜污水提供解決方案[16]。

4 結論

城市污水高效、環(huán)保處理是城市用水可再生循環(huán)利用的關鍵，也是維系水資源可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。開發(fā)更高效的污、廢水處理工藝，不僅能讓城市用水水質(zhì)得到保障，也實現(xiàn)了水資源在城市功能的流通。根據(jù)不同城市污水的實際污染情況，應該采用合適的處理工藝，對污染負荷較高、可生化性較差的污水可選擇采用水解酸化+SBR、MBBR等工藝；對脫氮除磷效果有較高的要求可采用AAO、氧化溝、生物接觸氧化、MBBR等工藝；對節(jié)約運行費用、能耗、人力等方面可采用SBR、氧化溝等工藝；對于某些地區(qū)污水處理廠出水標準需要達到一級A甚至地表水IV類標準，可通過采用AAO+MBR、CAST+MBBR等工藝進一步提升處理效果。此外，對于北方低溫寒冷地區(qū)可通過增加污泥濃度、調(diào)整污泥負荷率、增加保溫材料等措施，確保水處理微生物活性不影響出水水質(zhì)效果。