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回顧污水處理工藝走過那些路
城市污水處理技術,歷經數百年變遷,從最初的一級處理發展到現在的三級處理,從簡單的消毒沉淀到有機物去除、脫氮除磷再到深度處理回用。其中,活性污泥法的問世更是具有劃時代的意義,而今年正值活性污泥法誕生100周年。城市污水處理技術今后究竟將如何發展?對此,不如先讓我們回顧一下那些年城市污水處理走過的路。
一級處理階段
它的歷史可追溯到古羅馬時期,那個時期環境容量大,水體的自凈能力也能夠滿足人類的用水需求,人們僅需考慮排水問題即可。而后,城市化進程加快,生活污水通過傳播細菌引發了傳染病的蔓延,出于健康的考慮,人類開始對排放的生活污水處進行處理。早期的處理方式采用石灰、明礬等進行沉淀或用漂白粉進行消毒。明代晚期,我國已有污水凈化裝置。但由于當時需求性不強,我國生活污水仍以農業灌溉為主。1762年,英國開始采用石灰及金屬鹽類等處理城市污水。
二級處理階段有機物去除工藝
1、生物膜法
在歐洲工業革命開始時,城市生活污水中的有機物成為去除重點。1881年,法國科學家發明了第一座生物反應器,也是第一座厭氧生物處理池—moris池誕生,拉開了生物法處理污水的序幕。1893年,第一座生物濾池在英國Wales投入使用,并迅速在歐洲北美等國家推廣。技術的發展,推動了標準的產生。
2、活性污泥法
活性污泥法誕生之初,采用的是充-排式工藝,由于當時自動控制技術與設備條件相對落后,導致其操作繁瑣,易于堵塞,與生物濾池相比并無明顯優勢。之后連續進水的推流式活性污泥法(CAs法)出現后很快就將其取代,但由于推流式反應器中污泥耗氧速度沿池長是變化的,供氧速率難以與其配合,活性污泥法又面臨局部供氧不足的難題。1936年提出的漸曝氣活性污泥法(TAAs)和1942年提出的階段曝氣法(SFAS),分別從曝氣方式及進水方式上改善了供氧平衡。1950年,美國的麥金尼提出了完全混合式活性污泥法。該方法通過改變活性污泥微生物群的生存方式,使其適應曝氣池中因基質濃度的梯度變化,有效解決了污泥膨脹的問題。
隨著在實際生產生的廣泛應用和技術上的不斷革新改進,活性污泥法逐漸取代了生物膜法,成為污水處理的主流工藝。
①脫氮除磷工藝
20世紀50年代,水體富營養化問題凸顯,脫氮除磷成為污水處理的另一主要訴求。于是,在活性污泥法的基礎上衍生出了一系列的脫氮除磷工藝。
②除磷工藝
50年代初,攝磷菌被發現并用于除磷。
③脫氮工藝
1969年,美國的Barth提出采用三段法除氮,第一段是好氧段,主要去除有機物,第二段加堿硝化,第三段是厭氧反硝化,除氮。1973年,Barnard在原有工藝基礎上,將缺氧和好氧反應器完全分隔,污泥回流到缺氧反應器,并添加了內回流裝置,縮短了工藝流程,也就現在常說的缺氧好氧(A/O)工藝。
④A2O工藝
70年代,美國專家在A/O工藝的基礎上,再加上除磷就成了A2O工藝。我國1986年建廠的廣州大坦沙污水處理廠,采用的就是A2O工藝,當時的設計處理水量為15萬噸,是當時世界上最大的采用A2O工藝的污水處理廠。
⑤氧化溝工藝
將生物處理厭氧段和好氧段進行了空間分割,而氧化溝則為封閉的溝渠型結構,結合了推流式和完全混合式活性污泥法的特點,集曝氣、沉淀和污泥穩定于一體。污水和活性污泥的混合液不斷地循環流動,系統中能夠形成好氧區和缺氧區,進而實現生物脫氮除磷。氧化溝白天進水曝氣,夜間用作沉淀池。活性污泥法相比 , 其具有處理工藝及構筑物簡單、泥齡長、剩余污泥少且容易脫水、處理效果穩定等優勢。
交替式工作氧化溝是由丹麥克魯格(Kruger)公司研制,該工藝造價低,易于維護,通常有雙溝交替和三溝交替(T型氧化溝)的氧化溝系統和半交替工作式氧化溝。
⑥兩段法工藝
早期的兩段法只是將一套活性污泥法的兩組構筑物串聯,一段和二段曝氣池體積相同,且多合并建設,大部分有機物在第一段被吸附降解,第二段的污泥負荷很低,其出水水質要優于相同體積曝氣池的單級活性污泥法(如圖7)。然而,由于第一段曝氣池體積減小了一倍,相當于污泥負荷增加了一倍,處在易發生污泥膨脹的階段,運行管理較為困難。
⑦SBR工藝
序批式活性污泥法(SBR)工藝是在時間上將厭氧段與好氧段進行分割。20 世紀70 年代初由美國Irvine公司開發。它在流程上只有一個基本單元,集調節池、曝氣池和二沉池的功能于一池,進行水質水量調節、微生物降解有機物和固液分離等。MSBR法即改良型的SBR( Modified SBR),采用單池多格方式,結合了傳統活性污泥法和SBR技術的優點。反應器由曝氣格和兩個交替序批處理格組成。主曝氣格在整個運行周期過程中保持連續曝氣,而每半個周期過程中,兩個序批處理格交替分別作為SBR和澄清池。該工藝可連續進水且可使用更少的連接管、泵和閥門。
⑧脫氮除磷新工藝
近幾十年,能源、資源的短缺已經引起了廣泛的關注,進一步脫氮除磷及對能源節約及資源回收的需求成為了污水處理工藝發展的主流方向。一批新興脫氮除磷技術得以應用。
⑨ANAMMOX-SHARON 組合工藝
1994年,荷蘭Delft大學開發了厭氧氨氧化(ANAMMOX)技術,厭氧氨氧化菌在缺氧環境中,能夠將銨離子(NH4+)用亞硝酸根(NO2-)氧化為氮氣。該工藝與傳統反硝化工藝相比是完全自養,不需任何有機碳源。目前,工藝為硝化反器應,ANAMMOX工藝為反硝化反應器,與傳統工藝相比能夠節省60%的供氧和100%的碳源。
三級處理階段
近十幾年,隨著污染加劇,水資源短缺嚴重,人類對水質提出了更高的要求,污水深度處理與回用技術興起。污水處理廠的側重點不再是核算污染物的排放量,而是如何改善水質。膜技術開始顯現其獨特優勢。
生物膜技術在20世紀60-70年代,隨著新型合成材料的大量涌現再次發展起來,主要工藝有生物濾池、生物轉盤、生物接觸氧化、生物流化床等。目前,應用較多的膜處理技術主要有微濾(MF)、超濾(UF)、反滲透(RO)和膜生物反應器(MBR)技術。本世紀初的新加坡“Newwater ”水廠就是采用在二級處理后加超濾膜及反滲透膜的方式進行再生水回用處理。
以史為鑒,可知興替。回顧整個歷史過程,城市生活污水處理的足跡隨著人類健康的需求、水環境質量的變化、污水的處理程度在一級級的加深,同時操作管理、資金占地等成本問題又推動了水處理工藝技術的不斷進化,其操作、占地、程序步驟、能源資源的投入都在一點點地簡化。人們對水質的需求越來越高,而處理過程卻越來越趨于簡便。有趣的是,無論近幾年業界所看好的厭氧生物技術還是源分離最終的土地灌溉,城市污水處理似乎又回到了它最初的形式,盡管其中蘊含的科技含量早已不可同日而語。大繁若簡,最終還是歸于自然。
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