城市污水处理技术现状和发展趋势

王凯军北京市环境保护科学研究院一、我国面临的重大水污染问题1、水污染与水资源紧缺矛盾更趋尖锐a)水资源和用水浪费；b)水污染严重；水资源缺乏和水污染问题，制约社会经济的可持续发展是一个基本的现实，也是考虑我国水环境问题的出发点。2、我国流域性水环境问题具有复杂性a)北方地区：水资源短缺和合理利用、水污染控制和污水的回用、季节性河流的达标(特别是功能区达标)等问题;b)南方地区:生态破坏引起的水患问题以及水体富营养化，成为突出的环境问题。一、我国面临的重大水污染问题3、近海海域污染日益严重4、饮用水源普遍受到污染,受污染水体的复育任务十分艰巨地表和地下水源的污染使今后相当长时期内对微污染水的净化和恢复将是一个重要研究课题。5、量大面广的城市污水污染问题，缺乏适合国情高效、低耗的技术城市污水二级处理率不足10%，适宜的技术与资金支持一、我国面临的重大水污染问题6、对一些重点污染行业水污染的控制缺乏有效的手段对造纸、染料、糖蜜、农药和焦化废水等难降解工业废水的治理有相当大的难度，要实现达标排放十分困难。7、农村城市化进程将使小流域普遍受到污染，是目前和今后面临的新问题2010年，全国设市城市达到1200个，建制镇达到2.5－3万个，依此计算，村镇年废水量可能达到270亿吨。一、我国面临的重大水污染问题8、水环境的有机污染在相当长的一个时期内仍然是水污染的重点有机污染:包括造纸、食品、皮革、酿造、化工和大量未处理的城市污水，治理难度大，所需投资高。9、城市和工业废水污泥及畜禽粪便污染是面临的新问题污泥与河流污泥沉积物畜禽规模养殖污染负荷很大a)在世界范围内，环境贸易将进入世界十大贸易领域之列b)扩大水处理产业的内涵，积极发展我国的环保产业市场c)环境咨询产业、工程和设备产业、金融和服务管理产业一、我国面临的重大水污染问题10、环保产业处于初级发展阶段，促进环保产业发展是水污染控制实施的关键二、国内城市污水处理工艺的研究1、我国城市污水处理技术从“七五”国家攻关开始逐步进行研究；2、“七五”攻关项目在氧化塘、土地处理和复合生态系统等自然处理技术方面的研究较多，建立了一些氧化塘、土地处理城市污水示范工程；3、“八五”对高负荷活性污泥、高负荷生物膜、一体化氧化沟技术进行了深入研究，研究成果已被应用于大批污水处理厂；4、“九五”期间工艺技术研究重点为中小城镇简易高效污水处理实用的成套技术，解决人工处理能耗高、自然处理占地大等问题；二、国内城市污水处理工艺的研究5、国内可提供下列技术的工艺参数：传统活性污泥法：延时曝气法、吸附再生法；各种新型活性污泥工艺，如：SBR、AB法和氧化沟技术等等；脱氮除磷工艺：A-O法和A2-O技术；酸化(水解)-好氧技术；多种类型的稳定塘技术；土地处理技术等等。三、我国城市污水处理的问题和发展1、我国城市污水处理资金渠道匮乏，投资力度不足，导致目前发达国家大批水处理环保企业采取贷款方式，大举进军我国水处理环保市场；但1998年以来，国家加大了基础设施的投入，城市基础设施成为其中重要的一部分，目前发行了近的3000亿国债中将有相当一部分用于城市基础设施建设。2、1988年以来，给水排水利用外资建设项目共约200个，总金额达78亿美元。我国城市污水处理约90％来自于国际各种贷款，基本被国际各大公司所占领；4、1998年以来，国家加大了基础设施的投入，城市基础设施成为其中重要的一部分，目前发行的1000亿国债中将有300亿用于城市基础设施建设。在地方上报建设部的给水排水建设项目中，供水项目322个、污水项目208个，总投资将达1100亿元。1999年国家增发650亿国债主要用于1998年的在建项目和一些新建项目。三、我国城市污水处理的问题和发展3、技术研究以单项优势为主，缺乏足够的系统性、完整性，也缺乏综合性的比较研究和技术经济评价体系；三、我国城市污水处理的问题和发展5、我国水污染控制的三个主要阶段a)对工业污染行业水污染的控制阶段b)对量大面广城市污水污染控制阶段c)面源污染控制阶段四、城市污水排放量分析与预测1、污水量2、预测预计新世纪的头20年内我国经济增长将保持在6～9％的高、中速率稳定发展。污水量增加考虑上述因素按5%的速率考虑。到2010年增加污水量300亿m3；自1985年以来，我国废水年排放总量一直的维持在350～400亿m3/a，1997年废水排放量达到最高值416亿m3，其中工业废水排放量227亿t，市政污水排放量189亿t。根据建设部估计2000年废水排放量为480亿m3；四、城市污水排放量分析与预测3、2010年，全国设市城市达到1200个左右，建制镇达到2.5-3万个，依此计算村镇年废水量可能达到270亿m3；4、综上所述，考虑现状污水量、污水增量和建制镇污水量，到2010年城市污水排放总量为1050亿m3。5、根据《国民经济和社会发展九五计划和2010年远景目标纲要》的要求，到2010年城市污水处理率要达到50%，城市污水污水量和投资预测见表1。表4-1污水量预测和2010年达到50%处理量投资预测年份2000年2010年(5%增长)城市污水量(亿m3/a)480780静态投资(亿元)—2500城镇污水量(亿m3/a)—270静态投资(亿元)—1500城市污水总计(亿元)4000050100150200250300350400450废水排放总量（亿t）19851986198719881989199019911992199319941995199619971998年份图11985～1998年我国废水排放总量四、城市污水排放量分析与预测1、传统活性污泥工艺3、氧化沟五、城市污水处理技术2、SBR反应器4、曝气生物滤池5、水解－好氧生物处理工艺6、化学强化一级处理总进水格栅总进水泵房水力筛沉砂池初沉池曝气池二沉池总出水加氯消毒好氧剩余污泥污泥回流净剩余污泥集池泥浓缩池污泥脱水机房泥饼外运鼓风机污水管路污泥管路上清、滤出液管路空气管路一)活性污泥生物处理工艺二）SBR工艺类型和发展进水曝气沉淀排水排泥图5-2去除碳源的典型的SBR运行程序1、经典SBR反应器2、SBR反应器3、经典SBR反应器的优点通过对以上SBR工艺特点和不同研究者的研究结果进行汇总，不考虑一些由于SBR反应器本身优点导致的直接结果，如：投资低和运行费用低等，SBR反应器的众多优点可以归纳成如下几类：1)沉淀效果好；2)可以防止污泥膨胀；3)反应效率高，特别对难降解有机物降解性能好；4)可以除磷脱氮等等。5)工艺简单，如可省去二沉池，不需污泥回流等；4、SBR反应器的理论分析1)流态理论；2)理想沉淀理论；3)推流反应器理论；4)选择性准则；5)微生物环境的多样性；6)提供了时空上的可操作性。以上的特点，从另一方面分类可以分为：a)SBR反应器的流态特点，如上面的1)、2)、3)和4)；b)生态特点(5)；c)结构特点(6)。优点原因1、沉淀性能好理想沉淀理论2、有机物去除效率高理想推流状态3、提高难降解废水的处理效率多样性的生态环境(出现厌氧、缺氧和好氧状态多种状态)4、抑制丝状菌膨胀选择性准则5、可以除磷脱氮，不需要新增反应器生态的多样性(出现厌氧、缺氧和好氧状态多种状态)6、不需二沉池和污泥回流，工艺简单结构本身特点表5-2SBR的优点汇总5、SBR反应器的优缺点分析表5-1不同学者对SBR的不同看法名称SBR的特点可能的原因Arora抗冲击负荷能力强提高曝气系统的氧的转移效率工艺简单，运转费用低变容积进水反应初期氧的推动力大SBR反应器本身特点Irvine可以抑制丝状菌的生长可以高效处理难降解废水SBR系统中微生物的活性高除磷脱氮效果好，无需投放化学药品有机物浓度变化对微生物有选择性，厌氧状态可抑制丝状菌生长微生物的RNA含量高运行方式容易改变彭永臻工艺简单，运转费用低可以防止污泥膨胀抗冲击负荷能力强省去了二沉池，无需污泥回流底物浓度梯度大，厌氧缺氧状态并存流态与连续式不同刘永凇对活性污泥膨胀有抑制作用对冲击负荷有抵抗能力厌氧好氧状态的交替出现微生物对环境条件变化的适应张志仁出水水质好对冲击负荷适应性强污泥沉降性能好污泥处理系统简便投资和占地小能耗低操作管理和维修简单沉淀性能好，可以脱氮流量变化可通过周期调节来适应存在有机物的浓度梯度污泥令长可稳定化减少初沉、二沉池和污泥消化等氧的推动力大，氧利用率高自动化程度高同时，经典的SBR反应器也操作一定的问题，比如1)对于单一SBR反应器的应用需要较大的调节池；2)对于多个SBR反应器进水和排水的阀门自动切换频繁；3)无法解决大型污水处理项目连续进水、连续出水的处理要求。4)设备的闲置率较高5)污水提升水头损失较大。正是以上这一系列问题的存在导致了对于SBR反应器的不断改进和开发。6、SBR工艺应用和认识上的误区1)初沉池的设置和污泥稳定性问题2)正确认识SBR反应器的优缺点SBR工艺把沉淀与反应集中在同一个反应池进行，虽然是SBR反应器的优点，但是在一定条件下这也可能成为SBR工艺的缺点，比如ICEAS系统。图5-1周期数对于SBR反应器池容的影响(假设HRT=24h，沉淀和滗水时间为2.0h)012345680100120140160180200周期数(n)反应器相对大小fmax以传统活性污泥法为100％（二）SBR工艺类型和发展1)经典SBR反应器进水曝气沉淀排水排泥进水进水进水预反应区主反应区沉淀(停曝)排水出水(停曝、排泥)曝气滗水器2)ICEAS工艺3)ICEAS工艺与经典SBR工艺的对比a)沉淀特性不同；b)由于连续进水损失理想推流性能和污泥膨胀的控制功能；c)连续进水便于较大型污水处理厂；d)由于池长过长水平流速会过大，这也使得ICEAS工艺的单池无法进一步扩大；e)ICEAS工艺的运行周期比较短。4)CASS工艺CASS工艺是Goronszy教授在ICEAS的基础上开发出来的(1)生物选择器(2)缺氧区(3)好氧区(4)回流污泥和剩余污泥(5)滗水器图5-4循环式活性污泥法工艺(CASS)的组成3)CASS工艺与ICEAS工艺的对比1)增加了污泥回流；2)加大了预反应区的体积；3)增加了兼氧区。通过以上三个措施，CASS反应器强化了以下的功能：1)加速对溶解性底物的去除和对难降解有机物的水解作用；2)加大兼氧区强化污泥中磷在厌氧条件下得到有效的释放；3)此外,选择器和兼氧区中还可发生比较显著的反硝化作用；4)采用多池串联运行，使废水在反应器的流动呈现出整体推流而在不同区域内为完全混合的复杂流态，保证了处理效果；5)改善污泥的沉降性能，防止污泥膨胀问题的发生。4)UNITANK系统UNITANK系统是90年代初，比利时SEGHERS公司提出一种SBR的变型工艺。图5-5UNITANK工艺图2)UNITANK系统的原理和特点1、标准的UNITANK系统是由三个正方形池所组成，三个池子之间构成了一个级串的形式，弥补了单个反应器完全混合的缺点；2、UNITANK系统在恒定水位下连续运行，出水采用固定堰而不是滗水器。3、从整个系统来看，它已经不属于SBR了，与交替运转的三沟氧化沟非常相似，更接近于传统的活性污泥法。这是UNITANK工艺最为显著的一个特点；3)UNITANK系统的缺点与三沟氧化沟的情况相类似，UNITANK工艺中三池的作用也是不均等的，存在中间池子污泥浓度高的情况，表5-395-96年实际运行情况参数1995年1996年边沟Ⅰ中沟边沟Ⅱ边沟Ⅰ中沟边沟ⅡMLSS(g/L)8.34.38.87.13.39.3SV(%)37.417.245.241.915.843.7SVI(mL/g)45404859484743.0)8.83.43.8(88.8*5.23.4*88.3*2.5n1imiXmiV2n1isiXsiVs2Xs2VmiXmiVs1Xs1Vfff5)UNITANK工艺的改进UNITANK发明人在离开SEGHERS公司之后，提出新的变