環境保護中城市污水處理措施

浙江雙益環保科技發展有限公司 汪健樺，馬敏杰，蔡瀟彥

一、曝氣生物濾池技術

曝氣生物濾池自動化程度高，所需人力少耗能低，容易上手操作簡單，污水處理效果好。它由四個類似的隔間組成，每個隔間都包含40%的無紡聚酯織物作為生物床，對所有污染物都有顯著的去除效率(p＜0.5)，在消耗少量能量的情況下去除大量的污泥，達到改善水質的目的，是一種切實可行的污水處理技術。可以根據填充的過濾料將其分類，目前常用的有納米氣泡曝氣生物過濾器、活性炭曝氣生物過濾器、浸沒式曝氣生物過濾器、火山巖曝氣生物過濾器和組合式臭氧曝氣生物過濾器等，根據不同的地理位置和污水特性選擇不同的過濾器。

納米氣泡生物過濾器通過內部回流和機械鼓泡操作去除污染物，其中納米氣泡制造了剪切應力，剪切應力能夠優化氧氣分布，通過回流和機械鼓泡分別將出水的溶解氧提高了三倍和四倍，提高了過濾器的過濾性能。適當的剪切應力增強了生物膜的空間發育，促進了納米氣泡曝氣生物膜的活性和穩定性，改善生物膜的結構和性能，是一種很有應用前景的曝氣技術。

活性炭曝氣生物過濾器又可以根據活性炭的放置位置分為上流式和下流式。傳統的放置方式是將活性炭填料放置在下流，稱為下流式曝氣生物活性炭過濾器（DBACF）但在實際生產活動中存在微生物滲漏、生物降解性低等問題。因此，相關學者開發了雙介質上流式曝氣生物活性炭過濾器新技術（UBACF），就新工藝而言，上流方式優于下流方式。與DBACF相比，UBACF工藝在在添加消毒劑之后再進行砂濾，在達到相同吸附效果的同時還有效解決了微生物滲漏的問題。相關學者Lu帶領其團隊測試了兩項工藝的性能，研究結果顯示，UBACF對自來水中COD(Mn)和NH3-N去除率分別為54.6%和85.0%，與DBACF工藝的去除率大致相似；UBACF通過曝氣大大提高了供氧能力和傳質速率，NH3-N去除能力從1.5mg/L顯著提高到3mg/L以上；通過陶粒層的初級過濾結合流化床技術，可以應對濁度較高的UBACF進水，使炭床具有小于1.0NTU的低濁度環境。也就是說，兩種工藝的反洗參數和碳磨損率幾乎相同，但是UBACF解決了DBACF所不能解決的微生物滲漏的問題。

浸沒式曝氣生物過濾器(SBAF)，雖然可以進行硝化，但是對濃度有一定的要求。Friedrich帶領其團隊做了相關研究，首先，在含有10%接種物(0.5kg-1)的實驗室規模的生物反應器中評估SBAF對清洗狗窩海灣產生的污水高溶解氧(DO)濃度下的硝化作用，研究結果顯示，處理后的氨氮（12.44-29.62mgL-1）、亞硝酸鹽（0.28-0.54mgL-1)、硝酸鹽(1.75-3.55mgL-1)、pH(8.11±0.62) 和DO(9.69±0.36mgL-1)。其次，應用多管技術定量硝化細菌顯示氨氧化細菌的值為1.4×1012MPNmL-1亞硝酸鹽氧化細菌的值為9.2×1014MPNmL-1，這些值均高于在合成介質中的值。最后，在生物反應器樣品中提取基因組DNA，使用特定引物進行PCR對其進行檢測，獲得了AOB和硝化桿菌的Amo基因的目的條帶，PCRDGGE測序條帶，測序結果顯示反硝化細菌和假單胞菌屬、檸檬酸桿菌屬、陶氏菌屬、紅球菌屬、硫桿菌屬等具有高度相似性。也就是說，SBAF通過溶解氧的飽和改進了污水處理中硝化程度，并允許檢測污水處理過程中涉及的細菌屬，可以為醫療體系中的系統監測提供新思路。

火山巖曝氣生物濾池（SNAD）在SBAF的基礎上開展，同時兼具硝化、厭氧氨氧化和反硝化的功能。相關學者Xue帶領其團隊對其展開研究，研究結果顯示，當COD初始濃度為60mg·L-1自養脫氮反硝化系統穩定運行67d時，最大脫氮效率、COD去除率和脫氮率分別為92.0%、82.9%和2.3kg·(m3·d)-1，總氮去除率比CANON工藝高12.6%。定量PCR檢測結果顯示，AOB的豐度略有增加，而ANAMMOX的豐度比SNAD啟動前增加了一個數量級。相比之下，反硝化菌和NOB的豐度保持在較低水平。也就是說SBAF通過播種硝化污泥和厭氧氨氧化過濾器，有利于ANAMMOX和AOB的積累，為研究功能菌的運行特性和演替提供新思路。

組合式臭氧曝氣生物過濾器可以有效去除有機物污染提高生物活性。相關學者Ding帶領其團隊對其進行了研究，臭氧化處理曝氣生物過濾器(BAF)過濾過的石油化工廢水，檢測臭氧化前后的污水指標。研究結果顯示，加入臭氧化二次出水的過濾水在降解有機污染物方面表現出很高的效率。COD和NH4的去除效率在整個操作過程中，臭氧化前和臭氧化后的-N分別為6.0±3.2、48.2-18.6%和 12.5±5.8、62.1-40.9%，臭氧化和BAF的集成系統可以承受更高的有機負載率。當HRT從4h降低到1h時，臭氧化前系統的COD去除率從12%降低到4%，但臭氧化和BAF的集成系統的COD去除率幾乎保持在27-32%的高水平，臭氧去除率約為20%。臭氧化后的生物量表現出比臭氧化前更高的蛋白酶、DHA和SOUR活性。BAF進出水有機污染物主要為酯類化合物，但BAF很難降解酯類化合物。臭氧化前的優勢種屬是未培養的 Gemmatimonadaceae、Thauera和Thiobacillus，而臭氧化后的優勢種屬是Nitrospira、未培養的Gemmatimonadaceae和Flexibacter。也就是說，臭氧化和BAF的集成系統在有機污染物去除和微生物活性方面的表現優于臭氧化前，臭氧化過程對于BAF處理石油化工二級出水至關重要。

這項技術的原理是使用不同的濾料層科學處理相應污水中的污染物，起到過濾污染物的作用，在對附著的生物體進行氧化和降解處理的同時，有效去除污水中的有機物和降解物。使用該項技術處理的污水，污泥保留在過濾層，凈化后的水將直接通過過濾層。該技術能夠在無需二次沉淀的情況下，封閉式高效處理城市污水。

二、活性污泥處理技術

活性污泥（WAS）不僅體積大而且氣味十分難聞，不僅難以處理而且處理費用高昂，占比污水處理廠運營總成本的50%以上。但是近年來WAS的產量一直在持續增加，這種不斷增長的WAS的管理和處置已成為生物污水處理領域最嚴峻的挑戰之一。然而，我國法律法規已經明確提出了禁止土地應用、焚燒和土地填埋的污泥處置方法。因此，在當前時期，CAS在國內污水處理廠（WWTP）中發揮了不可替代的作用，被廣泛應用于處理各種市政和工業污水。

污泥的減少可以通過微生物的裂解繁殖來實現，微生物在從自身溶解的裂解物中生長。當微生物細胞分解時，微生物細胞內容物被釋放到液體中，這些有機體底物可以被反復用于代謝污泥。臭氧化、二氧化氯和超聲波處理活性污泥技術，已經開發并廣泛應用于原位活性污泥還原領域。從原位活性污泥還原的角度出發，與現有生物污水處理系統（BSTS）相結合，為活性污泥處理技術在城市污水處理環節提供了新思路。

在化學氧化細胞裂解技術中，臭氧具有很強的細胞裂解能力，是最強大的氧化劑和消毒劑。在污泥臭氧化過程中，有效殺死微生物。污泥臭氧化預處理可有效改善污泥沉降性能，促進污泥生物降解性，減少堆積和渣滓。活性污泥工藝與臭氧化工藝相結合的技術，能夠有效降低BSTS中過量的污泥產量。近年來，這種污泥臭氧化系統已被許多研究人員廣泛研究。相關學者He帶領其團隊對其進行了兩個階段的研究。在第一階段，進行了一系列批次研究，以了解臭氧化對污泥性質的影響，并在第二階段，長時間運行三個臭氧化的活性污泥的膜生物反應器（MBR），以評估污泥臭氧化對污泥產量和滲透質量的影響。研究結果顯示，臭氧會破壞細胞壁，導致細胞內釋放出血漿，溶液中可溶性有機物的含量會隨著臭氧化時間的增加而增加。隨著可溶性有機物的增加，待礦化的可溶性有機物量也隨之增加，從而降低了可溶性有機物的含量。對于這兩方面的反作用，可以實現偽平衡，可溶性有機物會在有限范圍內變化。污泥臭氧化也增加了溶液中可溶性氮和磷的含量。也就是說，部分活性污泥臭氧化可顯著降低污泥產量，且不會因污泥臭氧化而抑制礦化和硝化的生物學性能，臭氧化裝置與MBR裝置的組合可以實現優良的產水質量和去除污泥的效果，污泥臭氧化是一種高效且有前途的污泥分解技術。然而，仍然有一些限制阻礙了它在全尺寸污水處理廠中的廣泛使用。臭氧作為強氧化劑，與微生物或有機物會發生無差異化反應，這可能會降低活性污泥的氧化效率并增加運營成本，因為對其進行更深入的研究仍十分有必要。

為了降低投入成本，其他具有成本效益的技術被視為減少多余污泥的替代方案。與臭氧相比，氯化的氧化性（Cl2）、二氧化氯（ClO2）或過氧化氫（H2O2）的氧化性較弱，但成本較低。相關學者Saby帶領其團隊研究發現，添加0.133克Cl2可以實現65%的污泥減少混合液體懸浮固體（MLSS）。相關學者Wang帶領其團隊研究發現，具有ClO的組合排序間歇反應器（SBR）工藝兩系統已成功將污泥產量降低高達58%。也就是說，ClO(2)氧化可以成功地納入SBR以減少剩余污泥，而不會顯著損害生物反應器的性能。相關學者He和Wei研究發現，Fenton工藝的加入可以顯著減少污泥產量，得到的平均污泥收率從0.15下降到0.006克MLSS/gCOD，水質水平良好。也就是說，該MBR系統可以在污泥Fenton氧化過程中起到良好的作用。由于反應器配置不同，操作條件多樣化，氧化劑的最佳用量難以達到一致性。此外，回收污泥中的強消毒劑和住宅臭氧（或其他氧化劑）可能會損害BSTS中的生物活性。同時，在氯化活性污泥過程中，會產生不良的氯化副產物，如三鹵甲烷（THMs），會對人類產生有害作用。因此，化學氧化劑活性污泥工藝的實際應用將給污水處理廠帶來嚴峻挑戰。

結合超聲波的活性污泥處理技術，操作簡單處理效果可觀，可以避免化學處理技術造成的上述缺點，提高污泥的生物降解性、脫水和生物固體質量，縮短保留時間，對后續的污水處理起到有利作用。通過將超聲處理與其他化學/物理/生物方法相結合可以獲得更高的超聲利用效率。但是，在對WAS進行個體超聲預處理時，液體將吸收大部分超聲波能量，會削弱施加在WAS上的超聲波能。相關學者Ma等人提出了一種超聲波和堿性物質相結合的新方法，研究結果表明，在這個系統中可以減少污水中56.5%過量污泥。隨后，相關學者Yang等人根據經濟分析這種超聲波和堿性技術相結合的污水處理技術，研究結果顯示，這種處理技術比沒有污泥預處理的傳統CAS系統有效降低了總運行成本的11.4%。綜上，雖然這種污水處理技術效益更高，但存在超聲波能量在WAS處理中利用效率的問題，對其進行深入研究十分有必要。

微生物代謝是生化轉化的總和，包括分解代謝和合成代謝反應的相互關系。在正常情況下，微生物的分解代謝通過傳遞產生的能量與合成代謝相結合。當出現解耦現象時，ATP的合成會受到抑制，部分能量被消耗到非生長相關的反應中。有機底物氧化產生的能量部分用于合成代謝。因此，當在能量解耦代謝條件下維持微生物時，可以有效減少微生物的合成。在一些異常情況下可以誘發解耦代謝現象，氧化沉降厭氧（OSA）工藝是在污泥回流管路中加入了厭氧罐，是對CAS工藝的改進。與CAS工藝相比，經過OSA工藝處理后的污水中污泥產量下降了20-65%，污泥的沉降性也得到了提高。因此，在進一步研究中將鼓勵改進的構建OSA工藝中同時進行污泥處理和有機污染去除。早前的研究認為該過程的處理機制是能量解耦理論。該理論表明，當微生物處于缺氧和饑餓狀態時，ATP或食物儲存形式的細胞能量可能會耗盡。饑餓的微生物在有營養供應的情況下恢復到有氧狀態，微生物又重新合成必要的能量儲備。因此，這種循環替代環境會將分解代謝與合成代謝分離，從而發生能量解耦以調節細胞代謝。在隨后的研究中，相關學者又對該過程的處理機制提出了另一個理論，將其稱為污泥衰變理論。綜上，雖然誘導污泥減少的重要因素仍在討論中，但OSA工藝原位減少污泥的積極效果是顯而易見的。

根據上述能量解耦理論，人們認為通過解耦合成代謝和分解代謝構建的系統可能會誘導生物量的減少。基于脫鉤好氧菌/厭氧菌處理的觀點，開發了一種反復耦合的好氧和厭氧過程固定床反應器（rCAA）。與CAS工藝相比，這種污水處理方法與大孔微生物載體一起安裝的rCAA系統將誘導約30-50%的污泥減少，反復耦合的好氧菌/厭氧菌處理顯示出良好的污泥還原性能，rCAA反應器中這種模擬耦合的需氧菌/厭氧菌條件可能導致微生物的能量損失。但是，能源解耦并不是減少污泥的唯一原因。雖然化學解耦器在實驗室規模的實驗中對過量污泥的減少表現出優異的效果，但在實際應用中，仍存在自身的缺陷，如所選代謝解耦器的優化劑量需要大量的重復實驗輸入，而結果總是不一致的；長期應用單一代謝解耦可能導致生物適應現象，這種生物適應可能導致污泥減少能力降低;代謝解偶聯器大多是異種生物的，對環境有潛在危害，對殘留代謝解偶聯劑的命運和潛在危害會威脅到生態環境、污泥生態系統甚至人類健康知之甚少;應用代謝解偶聯劑會降低出水養分去除效率。雖然當前沒有充分研究證實rCAA系統中的污泥減少機理，但該系統為污水處理系統提供了一個亮點，這種新方法將有望以較低的運營成本用于連續或完全應用過程。

三、結論

由于我國工業和經濟的快速發展，造成了工業和生活廢水的產量也在逐年增加。在實際生產中，污水處理廠產生的過量污泥已成為無法預防的負擔，阻礙著國家的發展。污水處理問題已經成為當前政府、公眾和科學家的熱議話題。

為保障我國經濟的可持續發展，應該不斷提升民眾保護自然環境的觀念，加強開發相關技術的重視程度。在水資源保護方面，政府應該緊抓城市污水處理，重點學習先進技術，加強相關人員的培訓工作，倡導尋找能夠去除養分并同時從污水處理過程源頭產生較少多余污泥的適當方法。以期達到污水處理效益最大化和水資源的利用率最大化的美好目標，促使我國的城市污水處理事業得到長足的進步和發展。