城市污水处理文献综述
倪罗意
环工0702
1.引言：
21世纪是水的世纪.水资源短缺、水污染等问题的加剧将对21世纪人类社会持续发展带来深刻的影响.（1）我国是一个水资源严重缺乏的国家，严重缺水的城市就有110个，而在不少城市缺水的同时，城市污水的排放量却逐年递增，近20年，我国城市化发展迅速，人口和产业密度向城市空间转移，生活水平和工业活动强度不断提高，水需求量也随之飞速增长，使许多城市供水紧张，城市水污染及水供需矛盾日趋尖锐，已经严重制约了城市经济的发展和，并对城市居民生活和社会造成一定的影响。
随着我国城市化率的的不断提高,我国城市污水量以每年6. 5%的速度增长,然而由于资金、能源等的限制,城市污水处理率还很低,仅为10%左右,并且现已建成的污水处理厂仍有部分不能正运转。城镇污水处理是环境保护的客观要求,有关部门出台技术政策,提出到2010年全国设市城市和建制镇均应规划建设城市污水集中处理设施。达标排放的工业区污水应纳入城市污水收集系统与生活污水合并处理。届时,全国设市城市和建制镇的污水处理率将不低于50%,设市城市污水处理率不低于60%,重点城市的污水处理率将不低于70%。在此前提下，城市污水处理设施是现代化城市经济发展和水资源保护不可或缺的组成部分。建造城市污水处理厂被证实是解决城市水污染的一条有效途径。而研究新的城市污水处理技术,将处理后的水和泥变为可利用的资源,使城市污水处理事业成为一种自然资源再生和利用的新兴工业,是解决水污染和合理利用水资源的重要途径之一.
作为污水处理技术的研究方向,重点在于降低能耗、改善出水水质、减少污泥量、简化与缩小处理构筑物的体积、减少占地、降低基建与运行费用、改善管理条件等.可以预见,随着现代科学技术的理论与方法在水污染的研究和水污染的控制应用方面不断拓宽与加深,诸如化学、生物学、生态学、系统论、控制论、信息论、耗散结构论、协同
学等基础学科和理论,以及化工技术、生物技术、生态工程技术、计算机技术、遥控遥测技术等先进的技术手段的广泛应用,城市污水处理技术将会得到迅速发展.就我国目前的污水处理现状而言,污水处理技术市场需求相当大.城市污水处理的发展将表现为以下几个方面的特点:氮、磷营养物质的去除仍为重点,也是难点;工业废水治理开始转向全过程控制,单独分散处理转为城市污水集中处理;水质控制指标越来越严;由单纯工艺技术研究转向工艺、设备、工程的综合集成与产业化及经济、政策、标准的综合性研究;污水再生利用提上日程;中小城镇污水污染与治理问题受到重视. 因此采用高效、低能耗、运行成本低、管理维护方便的处理工艺应是优选方案,它也是工程技术人员为之奋斗的目标。
2.两种传统工艺
①传统活性污泥法
活性污泥法自1914年由Arden和Lockett开创至今,已经过90年的发展与实践,在供氧方式、运转条件、反应器形式等方面不断得到革新和改进[2].最早出现的传统活性污泥法(CAS)属于推流式曝气池,由于靠近池子进水口的基质浓度高于出口端的基质浓度,而最初的设计没有考虑到这种需氧量的变化,结果造成了一些部位氧的不足.为改进供氧不均匀的缺点,1936年将均匀曝气的方式改为沿推流方向逐渐曝气的方式,大部分的氧量在基质去除相当快的进水端输入,而以内源代谢和衰减为主要反应作用的出水端仅需少量的氧,这也就是传统活性污泥法比较标准的形式——逐渐曝气活性污泥法(TAAS).活性污泥法的另一个变种——阶段曝气法于1942年出现.阶段曝气法(SFAS)又称多点进水法,进水分成几股,然后几股废水从曝气池的不同点进入,从而使需氧量的后分配均匀.在污泥同原水混合前,使污泥进行再曝气的另外一种发展形式.为了避免在推流式曝气池中因基质浓度梯度造成的微生物不适应,使微生物群落保持相对稳定的状态.到20世纪50年代末,出现了完全混合式活性污泥法(CMAS),这种形式的优点是梯度提供了一个有利于细菌絮体生长,不利于丝状菌生长的环境,污泥的沉降和密实性都很好,但是由于基质梯度的变化使系统容易受有毒物质的干扰.为了克服其他几种改进型式的缺点(必须处置大量的污泥,流程的运行控制要求严格),出现了延迟曝气法(EAAS),由于有一个完整的细胞平均停留时间,所以,稳定程度相当高,然而由于经济问题的限制,它仅用于废水浓度低的小型设施.另外,还出现了纯氧曝气法、深井曝气法等.总的说来,活性污泥法的主要优点是
能以相对合理的费用得到优良的出水水质,这是因为排放之前细胞物质就从废水中去除;
主要缺点是可控制性差.要达到期望的水质,往往需要复杂的操作技能,提高微生物对环境和水质变化的适应能力.降低生化操作及运转管理的复杂性是革新活性污泥法的目的.
②生物膜法
生物膜法和活性污泥法一样,都是利用微生物来去除废水中有机物的方法.但在活性污泥法中,微生物处于悬浮生长的状态,所以活性污泥法处理系统又称为悬浮生长系统.而生物膜法中的微生物则附着在某些物质的表面,所以生物膜法处理系统又称为附着生长系统.生物膜法主要包括生物滤池、生物转盘
生物膜法的基本原理是通过废水与生物膜的相对运动,使废水与生物膜接触,进行固液两相的物质交换,并在膜内进行有机物的生物氧化,使废水得到净化.生物膜法与活性污泥法是废水处理的2个主要方法,与微生物悬浮生长的活性污泥法相比,它有以下优点[2]:由于存在许多硝化细菌,因此具有较高的脱氮
能力;生物膜中存在的微生物具有多样性,包括好氧菌、厌氧菌、真菌和藻类等,使其在去除污染物方面具有广谱性;大量的微生物生长占据了整个反应器的空间,单位体积的生物量远比活性污泥法高,因此单位体积的处理能力也大;膜法中的微生物的食物链比活性污泥法长,产生的污泥大都被生物消耗,因此剩余
污泥小;系统维护方便,能耗低,无须污泥回流;该系统的微生态复杂,对水力和有机负荷变化的承受能力强,操作稳定.
3.城市污水处理厂新兴工艺的比较
①AB法
AB法是吸附生物降解法(Adsorption Bio-degradation)的简称,是联邦德国亚琛大学B.Bohnke教授于20世纪70年代中期在传统两段活性污泥法(Z-A法)和高负荷活性污泥法基础上开发的一种新工艺,属超高负荷活性污泥法,在技术上有突破.AB工艺是一种新
型的活性污泥法,具有一定的特色,BOD5,COD,SS,氮磷的去除率高于常规活性污泥法,且
可节省基建投资约20%、能耗15%左右.其突出的优点是A段负荷高,抗冲击负荷能力很强,对pH和有毒物质的影响具有很大的缓冲作用,并能破坏络合化学污染物而去除COD和BOD5,特别适合处理浓度高、水质水量变化较大的污水如纸浆厂、造纸厂、食品加工厂和印染等工业废水.另外,A段和B段可以分期建设,适合污水浓度高、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.该工艺的主要缺点是污泥产量较高，不适合于有脱氮要求的城市污水处理厂.该工艺在我国一些城市已有应用,如深圳市罗芳污水处理厂.（16）
②SBR法
SBR法是间歇式活性污泥法的简称,它是一项既古老又年轻的污水处理技术.世界上第
一个间歇式运转的工艺是英国工程师Sim Thomas Wardle于1898年发现,1914年在英国的Salford市污水处理得到实际应用,后来由于该工艺运行方式操作烦琐,空气扩散装置容易堵塞以及认识方面的问题,没有得到推广.近年来,由于电子工业发展,污水处理厂的整个系统做到了自控运行,为活性污泥法的间歇式运行在技术上创造了条件.1979年以来,在美国、德国、日本、澳大利亚和加拿大等工业发达国家的污水处理领域得到广泛运用.主要变形工艺有间歇式循环延时活性污泥工艺(ICEAS)和循环式活性污泥工艺
(CA-ST).SBR工艺可以实现高浓度进水、高容积负荷和高去除率,在处理高浓度有机废水方面独具特色,而且对氮、磷、硫的脱除效果好,特别适合浓度高、排放量小的各种工业有机废水,如化工、造纸、印染等,同时也适合应用于对出水水质要求较高、水量水质波动较大的旅游城市的污水处理.如昆明市第三污水处理厂就采用ICEAS工艺,扬州市污水处理厂采用了CAST工艺. SBR工艺缺点1.间歇运行，对自动化控制能力要求高；2.污泥稳定性没有厌氧消化稳定；3.容积及设备利用率低；4.变水位运行，电耗增大；5.除磷脱氮效果一般。
③UNITANK工艺
Unitank是20世纪90年代比利时西格斯(SEGERS)公司开发的.从运行方式来看,它像是
SBR法的一种变形和发展,具有SBR法和传统活性污泥法的优点,一体化设计,不仅具有SBR法的主要特点,还可以像传统活性污泥法那样在恒定水位下连续运行.从构筑物形式
来看,Unitank系统近似于三沟式氧化沟系统,它由3个矩形池组成,其中外边两侧的矩形池既可做曝气池,又可做沉淀池.中间一个矩形池只做曝气池.该工艺是一个较为灵活、高效的处理工艺,在世界各地已建成100多个,但在我国应用较少.
Unitank属于低负荷污水处理工艺,出水水质非常好.由于负荷低,一般不再设置初沉池,
二沉池往往和曝气池组合为一;由于泥龄长、污泥较稳定,一般可以不再做稳定化处理而直接处理或应用,省去了污泥稳定化设施,大大简化了工艺流程,使运行管理非常简单,但是负荷低、泥龄长也使生化部分大大增加,增
加了污水处理设施的建设投入,提高了能耗及运行成本.该工艺适合规模较小(小于2×105m3/d)、技术力量较薄弱的中小城市污水处理.
④氧化沟(Oxidation Ditch)
氧化沟又名氧化渠,因其构筑物呈封闭状的沟渠而得名.氧化沟工艺属于悬浮生物处理技术,在机理上类似于延时曝气工艺,常见的氧化沟有Carrousel氧化沟、交替工作式氧化沟、Orbal氧化沟、一体化氧化沟.与常规的活性污泥法或传统的活性污泥法相比,它具有以下优点:工艺流程简单,构筑物少,运行管理方便;处理效果稳定,出水水质好;基建费用低,运行费用低;污泥产生量少,污泥的性质稳定;能承受水量、水质冲击负荷,对高浓度的工业废水有很大的稀释能力;污泥停留时间较长,硝化反应容易进行,通过调节供氧量,可获得较高的脱氮效率.氧化沟工艺是我国目前采用较多的污水处理工艺技术之一. 氧
化沟工艺缺点1.周期运行，对自动化控制能力要求高；2.污泥稳定性没有厌氧消化稳定；
3.容积及设备利用率低；
4.脱氮效果进一步提高需要在氧化沟前设厌氧池。
⑤A20(Anaerobic／Anoxic／Oxic)"I-艺
对于有除磷脱氮要求的城市污水处理厂，传统上往往考虑首选A20工艺．A20工艺根据活性污泥微生物在完成硝化、反硝化以及生物除磷过程对环境条件要求的不同，在不同的池子区域分别设置厌氧区、缺氧区和好氧区．A20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，通过精心的控制和调节，一般可以获得较好的除磷脱氮效果，出水水质较稳定，在国内外大中型城市污水处理厂常有采用．但A20工艺也有一定的缺点，主要表明为：需分别设置污泥回流系统和内回流系统，尤其是内回流系统，共设计回流比往往在200 ～3o0 左右或更大，这将增加投资和运行能耗．而且内回流的控制较复杂，对管理的要求较高．（2）
针对上述不足，改良的A20工艺、UCT(University of Capetown)-V_艺、倒置的A20工艺及多点进水的A2O工艺等不断出现，在一定程度上或在某一方面使运行效果有所改善．尽管这类工艺流程较长，控制较复杂，投资略高，但相对成熟可靠，处理效果稳定。
4.国内外城市污水处理现状的比较
城市污水处理设施是现代化城市经济发展和水资源保护不可或缺的组成部分。城市污水处理厂在发达国家已有较成熟的经验。如英国、德国、芬兰、荷兰等欧洲国家均已投巨资对因工业革命和经济发展带来的城市水污染进行治理,日本、新加坡、美国、澳大利亚等国家也对城市污水处理给予了较大投资,特别是新加坡并没有走先污染后治理的道路,而是采取经济与环境协调发展的政策,使该国不仅在经济上进入了发达国家的行列,而且还是一个绿树成荫、蓝天碧水、环境优美的国家。
建造城市污水处理厂被证实是解决城市水污染的一条有效途径。美国平均每1万人拥有一座污水处理厂,瑞典和法国每5 000人有一座污水处理厂,英国和德国每7 000~8 000人有一座污水处理厂,而我国城市每150万人左右才拥有一座污水处理厂,而且还存在污水处理厂建设有效投资利用率及处理出水达标率低等诸多问题。表1列出了世界一些地区1989年的下水道普及率和污水处理率。当时,北京的污水处理率仅为22%,说明我国的污水处理设施建设相对于发达国家还十分落后。因此,加快城市污水处理厂建设的步伐,
完善与污水处理厂相关的政策是我国目前急需解决的问题。
表1 世界有关城市污水处理状况（1989）
国外现状
19世纪以来，经济发达的国家相继出现了环境污染和社会公害问题，许多国家的河湖水域解氧降低，水生物减少，甚至绝迹。由于水环境污染，人们发病率增加，政府开始认识到加强污水处理的必要性，并投以大量资金兴建污水处理工程。经过30多年的大力整治，付出巨大代价，才基本控制了形势，使水生物恢复生长，水环境得到改善。这种污水处理事业与经济发展不相适应的状况所造成的损失是极大的，教训是深刻的。为此，各国政府对于污水处理工作极为重视，从法律和建设资金上给予保证，并不断开拓新技术，使城市污水处理事业得以迅速发展。
美国是目前世界上污水处理厂最多的国家，平均5000人就有1座，其中78%为二级生物处理厂;英国共有处理厂约80000座，平均7000人l座，几乎全部是二级生物处理厂;日本城市废水处理厂约630座，平均20万人1座，但其中二级处理厂及高级处理厂占98.6%;瑞典是目前污水处理设施最普及的国家，下水道普及率99%以上，平均5000人l座污水处理厂，其中91%为二级生物处理厂。这些国家的经验表明，大力兴建二级处理厂对改善水体卫生情况起了很大的作用。如美国7000多条河流的水质有了明显改善;日本不符合环境标准水域，已从1971年的0.6%下降到1980年的0.05%;欧洲莱茵河的有机污染已基本控制，部分河段水质明显改善，鱼类复生;英国泰晤士河绝迹了100多年的鱼群又重新出现，目前已达119种。
截至上世纪70年代，发达国家基本上普及二级处理。但二级生物处理耗能多，运行费用高，基建投资也不低。发展中国家普遍“建不起”，或是“养不起”，因此纷纷寻求适用于本国国情的经济高效技术。就连美国也因废水处理费用的高昂引起了众多的非议，据悉，美国每年二级生物处理厂所耗能量费用已超过10亿美元，因此他们也在大力研究新技术，或改革传统的流程。
国内现状
我国城市污水处理事业开始于1921年。上海首先建立了北区污水处理厂，
1926年又建了西区和东区污水厂，总处理能力为4万吨/日。近几年来随着经济的发展，水污染控制所面临的问题也愈加严重，目前不仅大、中、小城市建设污水厂，还有些郊区县也建设污水厂，如上海市嘉定县的污水厂已投人运行十几年了，上海市青浦徐径镇、重庆市渝北区、河南省汝州市、浙江省多个县郊等几十个污水处理厂工程正在兴建中。
据2000年统计，全国城镇的污水处理率达到25%，2010年将达到50%。然而，同先进国家相比，我国城市污水处理事业从数量、规模、普及率以及机械化、自动化程度上，还都存在着较大的差距。按照《城市污水污染控制技术政策》要求，城区人口达50万以上的城市，必须建立污水处理设施;在重点流域和水资源保护区，城区人口在50万以下的中小城市及村镇，应依据当地水污染控制要求，建设污水处理设施。在宪法中也有明文规定，并组建了许多专门生产环保设备和给排水机械的专业工厂，许多产品已系列化了，但自动化仪表，检测仪与国外差距还很大，资金不足仍是根本性问题。
随着人类对环境质量要求的提高,同时受水资源短缺和能源危机等影响,未来的城市污水处理厂将向以下方向发展:
(1)污水处理普及率更高
国外城市都在为污水处理普及率达到100%而努力,如日本东京连同郊区在内制定了污
水处理普及率在2000年就要达到100%的计划。
(2)推广低能耗高性能的污水处理工艺技术
活性污泥法作为城市污水处理的主体工艺在今后相当长的一段时间内不会有太大变化。但一批低投资、低能耗、与生态处理相结合的具有深度处理功能的半自然化工艺,如土地处理法、氧化塘处理法等可能更适合第三世界国家和发展中国家,并以此在其中小城镇提高污水处理普及率。另外污水处理厂采用高效节能的污泥处理系统和回收沼气也是降低能耗的一条有效途径。
(3)水处理排放的标准提高
随着人们生活质量的提高,对环境质量的的要求也逐步提高,这就使得城市污水处理厂的排水标准越来越高,除BOD外,对氮磷等的去除要求也将提升。
(4)多功能的污水处理技术更为流行
随着城市的发展,城市用水的供需矛盾日益突出,污水处理厂不仅要承担控制污染的任务,还要承担解决城市水资源短缺的任务,污水回用量将越来越大。另外污水处理还要兼顾生态恢复,对污水热能的开发研究也将产生。
(5)有关污水处理的政策更完善
各国对城市污水处理都非常重视,建立专门管理机构以解决城市污水处理问题,污水处理设施的投资在国民生产总值中所占的比例会更大。排污收费和污水处理设施有偿使用的观念逐步为公众接受,水污染收费体制日趋健全。
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