生活污水处理技术—生物处理法

Posted 2023-01-13 生物

篇首语：我贪钱，大概是因为卑微到泥土里，只有它能给我一丝安全感吧.本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了生活污水处理技术—生物处理法相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

1.综述
最初的污水处理采用的是极其简单的物理、化学处理设施，水中的杂物经过格栅等构筑物被截流，再经絮凝沉淀等工艺，污水得到初步处理，但水中有机物等得不到有效处理，处理效果极差。特别是随着工业发展，生活污水中污染物的成分日渐复杂，这些污染物排入地面水系后造成河流黑臭。同时科学技术的发展，也使污水处理技术不断进步，现在生化处理由于其良好的处理效果和较强的实用性被普遍应用于废水处理。
由于微生物具有来源广、易培养、繁殖快、对环境适应性强、易变异等特征，在生产上较容易地采集菌种进行培养繁殖，并在特定条件下进行驯化，使之适应各种不同水质条件，从而通过微生物的新陈代谢使有机物无机化。加之微生物的生存条件温和，新陈代谢过程中不需要高温高压，它是不需投加催化剂和催化反应，用生化法促使污染物的转化工程与一般化学法相比优越得多，其处理废水的费用低廉，运行管理较为方便，所以生化处理是废水处理系统中最重要的过程之一，目前，这种方法已广泛用于生活污水及工业有机废水的二级处理。
生化处理法主要分为好氧处理和厌氧处理两大类型。按照微生物的生长方式，可分为悬浮生长型和附着生长型；按照系统的运行方式可分为连续式和间隙式；按照主体设备中的水流状态，可分为推流式和完全混合式等。
根据作用原理不同，生物处理大至分类如下1：

2.性污泥法
活性污泥法是利用悬浮培养来处理废水的一种生物化学工程方法，用于去除废水中溶解的以及胶体的有机物质2。活性污泥法是一种通常所称的二级处理方法。它接纳从前一级处理工艺的来水进行需氧生物氧化处理。完整的活性污泥厂一般包括了初次沉淀池以及除砂等初次处理设备。但是，根据废水的特性，初次沉淀池有时可以省略。基本的活性污泥法具有六个部分：
①发生需氧生物氧化过程的反应器。这是活性污泥法核心部分，这个反应器也就是一般所称的曝气池。
②向反应器混合液中分散空气或纯氧的氧源。空气或氧气以压力态或大气常压态进入混合液中。
③对反应器中液体进行混合的设备或手段。
④对混合液进行固液分离的沉淀池。把混合液分成沉淀的生物固体与经处理后的废水两部分。这一沉淀池称为二次沉淀池或二沉池。
⑤收集二次沉淀池的沉淀固体并回流到反应器的设备。
⑥从系统中废弃一部分生物固体的手段。
(1)普通活性污泥法
活性污泥法3于1914年由英国人Ardernh和Locbett实验成功。在中低浓度有机废水处理中，活性污泥法是使用最多、运行最可靠的一种方法。在国内，由于技术成熟，技术分支较为广泛，且投资省、易启动、处理效果好等优点。但传统活性污泥法由于曝气动力消耗大，每吨废水处理费用居高不下，同时在用空气曝气时容易产生泡沫，造成难以充氧，管理不好则易产生污泥膨胀，产生大量的污泥，使其在应用上受到了限制3。参与活性污泥处理的微生物，在其生命活动过程中，与要不断吸取其所必需的C、N、P等等多种营养物质。
活性污泥法是最常见的污水生物处理方法，污水在经过初步沉淀去除各种大块颗粒之后送到好氧反应池，在池中通过曝气或搅拌供给氧气。在活性污泥法中，经处理后排出的水中的大部分活性污泥被沉淀下来返回反应池。这样可以维持很高的微生物密度和活性。当污水停留在好氧反应池期间，一部分有机物被处理成无机物，即矿化；另一部分转化为微生物细胞物质。在活性污泥法中，严重影响处理效果的是污泥的沉降性能。如果活性污泥沉降性能差，由于丝状细菌和真菌的过分繁殖将导致活性污泥膨胀。虽然活性污泥的膨胀机理尚不完全清楚，但通常在碳氮比(C：N)和碳磷比(C：P)的比值较高，水中溶解的氧气浓度较低的条件下容易产生3。为维持良好的处理效果，应当避免发生污泥膨胀，因此在活性污泥法中要严格控制进入系统废水的C：N、C：P的比值，并维持较高的溶解氧水平，这样才能维持良好运行状态。产生的活性污泥除一部分回流利用外，其他多余的则需要另外处理。处理的方法是厌氧消化和填埋或干燥。干燥后的处理物可以用作农业肥料。
(2)SBR法
SBR法2(序列间歇式活性污泥法)是一种改进的活性污泥法，它是由原始的间歇式污泥法发展而来，与其他活性污泥法相比，SBR法没有设置二沉池和污泥回流设备，布置更为紧凑，占地面积少，基建及运行费用较低，不易产生污泥膨胀问题，耐冲击负荷，处理效果稳定。有资料显示，SBR法的主要构筑物的容积为常规活性污泥法的50%～60%，运行费用及占地面积均可减少20%左右。SBR法典型的操作工序为：进水、反应、沉淀、排水、闲置等五个工序。整个工艺经厌氧、好氧缺氧三个阶段。根据出水情况可随时调整各工序的时间以达到最佳出水效果。SBR法工艺是极具发展潜力的一种处理工艺，但也存在着曝气装置易堵塞，自动控制技术及连续在线分析仪表要求高等缺点。
研究表明，SBR与常规活性污泥工艺相比具有许多优点，其优点如下：
①运行操作、管理控制及处理单元结构简单，设备维护方便。
②可省去二沉池、污泥回流泵和复杂管道的建造，造价低、氧利用率高、节约能耗、占地面积小。
③耐冲击负荷高，能适应较大幅度废水浓度变化，运行稳定。
④SBR中的固液分离处于完全静止状态下的理想沉淀。污泥沉淀性能好，沉淀效果高，剩余污泥排放量少。
⑤SBR兼有厌氧、兼氧、好氧并存的功能，能抑制污泥的膨胀，同时具有高效除磷脱氮的效果。
⑥SBR活性污泥其微生物的核糖核酸比一般活性污泥大3～4倍，处理效率高，停留时间短，出水水质好。
⑦遇休假日、生产设备维修不排放废水时，可采取饥饿曝气、厌氧静止、投加载体等措施，保存活性污泥的活性，最多可达3个月，运行时能迅速恢复，这是其它生化处理工艺无法解决的。
(3)活性污泥新工艺
在SBR工艺的基础上加以优化变形，便发展形成了CASS(周期循环活性污泥工艺)、CAST(循环活性污泥工艺)、ICEAS(间歇式循环延时曝气活性污泥法)等形式的活性污泥新工艺4.另外，AB法污水处理工艺(吸附-生物降解工艺)是将活性污泥系统分为两个阶段，即A段和B段，充分利用微生物种群的特性，分别为其创造适宜的实质环境而分为两段，使不同的生物群得到更好的增殖，从而更好地处理污水。这些新工艺由于形式上的不同，具有了建设费用低、工艺流程短、占地面积少、运转费用省、有机物去除率高、出水水质好、管理简单，运行可靠、污泥产量低，污泥性质稳定、具有脱氮除磷功能、无异味等优点。
(4)膜-生物反应器
膜-生物反应器(MBR)是90年代兴起的一种废水生化处理的新技术，它是用膜组件替代传统的二沉池进行固液分离的一种新型高效废水处理技术4，与传统的活性污泥法相比，膜-生物反应器具有污染物去除率高、出水水质稳定、装置容积负荷大、设备占地面积小、传氧率高、污泥产量低、操作运行简便等优点。
3.物膜法
生物膜法是人们模仿土壤的自净过程而创造出来的并很早被人们应用于废水生物处理。早在十九世纪，1893年英国科贝特(Corbett)在索尔福德城创造了具有喷嘴布水装置的生物滤池(洒滴滤池)，这也就是废水生物处理工程中最早出现的生物膜法滤池3。
生物膜发和活性污泥法一样，都是利用微生物来去除废水中的有机物的方法。但在活性污泥法中，微生物出于悬浮生长状态，所以活性污泥法处理系统在有些教科书中称悬浮生长系统，而生物膜法中的微生物则附着生长在某些固定表面，所以生物膜法的处理系统又称附着生长系统，甚至有些教科书中将生物膜称为固定膜。为生物膜提供附着生长固定表面的材料称填料(或载体)。填料是影响生物膜法的发展和性能的重要因素。
生物膜处理系统的基本流程：废水经过初次沉淀池进入生物膜反应器，废水在生物膜反应器中经需氧生物氧化去除有机物后，再通过二次沉淀池出水。初次沉淀池的作用是防止生物膜反应器受大块物质的堵塞，对空隙小的填料，是必要的，但对空隙大的填料也可以省略。二次沉淀池的作用是去除从填料上脱落入废水中的生物膜。生物膜法系统中的回流并不是必不可少的，但回流可稀释进水中的有机物浓度，提高生物膜反应器中水力负荷，从而增大水流对生物膜的冲刷，以便平衡高有机物负荷生物膜反应器中生物膜的累积5。
生物膜法与活性污泥法比较起来有很多的优点。例如，单位体积反应器中能够持有的生物量较大；蜕膜的沉降性能比较好；没有污泥膨胀现象；不存在运行中的污泥沉降性能限制等等。然而，在20世纪50年代以前，生物膜法却一直未被人们重视，其原因主要是因为生产中最早采用的生物膜法构筑物是以碎石为填料的滴滤法。碎石的比表面积小，能够为微生物附着生长的表面积小。因而滴滤池的负荷不可能很大，使其占地面积较大，加之废水以喷洒方式在滴滤池表面布水，卫生状况也不好。50年代，由于塑料工业的发展以及塑料填料引入生物膜处理系统，使生物膜法出现了许多具有重要意义的发展。塑料重量轻，可以生产泡沫塑料或加工成蜂窝形状，比表面积较大。因此，50年代以后出现了许多新型的生物膜法设备8。
根据废水和生物膜接触方式的不同，主要有一下几种处理方法：
(1)生物滤池
生物滤池是在滤池中填充石子，炉渣或蜂窝状的塑料滤料。在滤料表面覆盖着一层生物膜，废水沿着滤料的空隙从上而下的流动，并带入空气，通过与生物膜的接触，废水中的有机物被吸附氧化。生物滤池工艺具有以下优点：污泥生成量少，运行费用低，对进行水质、水量负荷的冲击有较强的适应能力。但此工艺由于存在效率低，易发生滤池堵塞和环境卫生问题而影响了它的推广应用。
80年代末在欧美发展起来的曝气生物滤池是一新型污水处理技术，它的基本原理是在一级强化的基础上，以颗粒状填料及附着生长的生物膜为主要介质，充分发挥生物代谢作用、物理过滤作用、生物膜和填料的物理吸附作用以及反应器内食物链的分级捕食作用，将污染物在同一单元反应器内去除，省却了二次沉淀设备，减小了占地面积，显著的提高了设备利用率和处理效率6。同时，由于反应器内存在着不同的好氧、厌氧区域，可同步实现硝化和反硝化，在去除有机物的同时达到脱氮的目的。
曝气生物滤池的特点是：
① 采用小粒径颗粒填料作为过滤主体的池型反应。
② 同步发挥生物氧化作用和物理截留作用。
③ 氧转移和利用率高。
④ 具有较高的处理效率，出水水质好，能耐受较高负荷。
⑤ 通过反冲洗去除滤层中截留的悬浮物和生物膜，不需设二沉池。
⑥ 采用模块结构设计，为扩建提供有利条件。
⑦ 不同的污染物可以在同一反应器内被渐次去除。
这种工艺在美国和日本已有较很多应用，而在国内起步却比较晚。中冶马鞍山设计院在普通生物滤池的基础上，加以改进，获得上向流曝气生物滤池(UBAF)的专利，目前这项技术在国内已有应用。
滴滤池法(trickling filter)在中国虽然也称为生物滤池，但两者实际上是有区别的。滴滤池用的是粗填料，常见的是75～125mm的碎石，碎石之间有很大的空隙，但废水洒布在填料上的时候，废水从填料上的生物膜上滴流而下，当池外空气温度高于池内空气温度时，空气则自下而上流过空隙，反之则空气自上而下流过，以保持生物需氧氧化状态。滴滤池一词强调了这个滴字，因为它实际上不是滤池，并无一般所理解的过滤性能。生物滤池虽然也是接生物作用来处理废水，但它的填料除了包括粗料外，还可以是砂、卵石等细料。这种粗滤料的生物滤池就接近一般滴滤池的概念了。所以，生物滤池的概念虽然包括了滴滤池在内，但不能用来代替滴滤池。滴滤池是一个典型的生物膜法，借生物过程以去除废水中溶解的以及胶体的有机物。
(2)生物接触氧化法
生物接触氧化法2是生物膜法处理污废水的一种，早期形式为淹没式好气滤池，即在曝气的废水流经填料层，使填料颗粒表面长满生物膜，废水和生物膜相接触，生物膜吸附和氧化废水中的有机物并同废水进行物质交换，从而使废水得到净化。生物接触氧化处理技术的另一项技术实质是采用曝气池相同的曝气方法，向微生物提供其所需要的氧，并起到搅拌的作用，这样，这种技术又相当于在曝气池充填供微生物栖息的填料，因此，又称为“接触曝气法"。
所以可以说，生物接触氧化是一种介于活性污泥与生物滤池两者之间的生物技术。也可以说是具有活性污泥法特点的生物膜法，兼具两者的优点。20世纪70年代，小岛贞男成功开发了生物接触氧化工艺8。他从河流自净现象得到启发，发现在河床的砾石表面生长着一层生物膜，对水体中对污染物有明显的净化作用，他经过多次试验研究出接触氧化装置。但是，接触氧化工艺又是一种具有一定历史渊源的处理技术。远在19世纪末就已经有人从事这种技术的研究工作了，其成果获取了德国的专利。在20世纪20年代、30
年代也曾有人对其进行过研究，并在实际生产工作中运用。但这种处理技术的大发展还是从70年代开始。
近10-20年来，生物接触氧化处理技术在一些国家，特别是日本、美国得到了迅速的发展和应用，广泛地用于处理生活污水、城市污水和食品加工等工业废水，而且还用于处理地表水源水的微污染。
我国从70年代开始引进生物接触氧化处理技术，目前已并得到广泛的应用，除生活污水和城市污水外，还应用于石油化工、农药、印染、纺织、轻工造纸、食品加工和发酵酿造等工业废水处理，都取得了良好的处理效果。此外，我国污水处理工程技术人员在新型填料和曝气器的研制方面也取得了明显的成果。
生物接触氧化工艺采用固定式生物填料作为微生物的载体，生长有微生物的载体淹没在水中，曝气系统为反应器中的微生物供氧。由于生物接触氧化法的微生物固定生长于生物填料上，克服了悬浮活性污泥易于流失的缺点，在反应器中能保持很高的生物量。
生物接触氧化技术的主要特征是：
①工艺方面
a.由于生物接触氧化池内生物固体量多，水流完全混合，故对冲击负荷和水质变化的耐受性强，运行稳定。由于填料比表面积大，池内充氧条件良好，池内单位容积的生物固体量较高，因此，生物接触氧化池具有较高的容积负荷。
b.生物接触氧化法容积负荷高，占地面积小，建设费用较低。
c.生物接触氧化法污泥产量较低，无需污泥回流，不存在污泥膨胀问题。
d.生物接触氧化法有时脱落一些细碎生物膜，沉淀性能较差造成出水中的悬浮固体浓度稍高，一般可达到30mg/l左右。
②运行方面
a.对冲击负荷有较强的适应能力，在间歇运行条件下，仍能够保持良好的处理效果，对排水不均匀的企业更具有实际意义。
b.操作简单、运行方便、易于维护管理，无需污泥回流，不产生污泥膨胀现象，也不产生滤池蝇.污泥生成量少，污泥颗粒较大，易于沉淀。
③功能方面
生物接触氧化处理技术具有多种净化功能，除有效地去除有机污染物外，如运行得当还能够用以脱氮，因此，可以作为三级处理技术.
④生物接触氧化处理技术的主要缺点是：如设计或运行不当，填料可能堵塞，此外，布水曝气不均匀，可能在局部部位出现死角.
同时作为生物膜法的一种，接触氧化法与曝气生物滤池工艺相比，有很大的相似之处。其生物反应原理是一致的，都具有生物活性高(污泥龄短)、传质条件好、充氧效率高、有丝状菌存在、有较高的生物膜浓度的优点，且从曝气方式和填料的类型来看，这两者是完全一致的。最主要的差别是接触氧化工艺需采用沉淀池沉淀接触氧化池出水携带的生物膜残片，而曝气生物滤池采用的是填料过滤或辅以滤头收水的方法去除悬浮物。
但这两种工艺在城市污水处理领域的发展却完全不同3。在接触氧化发展初期，人们认为存在如下问题，影响到其在城市污水处理领域的应用。
① 主要原因一是限于当时城市污水处理中试和生产性试验场地的源水水质浓度偏低，使得试验结果不具有推广的普遍性，限制这一工艺在城市污水处理领域的迅速推广。
② 同时，由于当时采用的接触沉淀池需定时反冲洗，人们认为其运行复杂，这也是影响其推广的一个重要问题。
③ 另外，对于接触氧化法的高效性，在当时仅由传统活性污泥工艺一统天下，并且人们对于污水处理的工艺和原理接触较少的情况下，接触氧化工艺技术的超前性发反而阻碍了其推广；并且工艺本身的超前性和高效性，与材料(炉渣填料)技术和自控技术的落后性不相适应。人们对接触氧化氮工艺发展与其工艺原理的了解确实存在差距。例如，人们无法从机理上清楚解释为什么接触氧化的负荷可以是活性污泥的5-10倍。
事实上，曝气生物滤池也存在上述问题。但非常有意思的是时隔20年后，当运行方式更加复杂、同样需要反冲洗得BAF工艺由西欧传入我国时，人们很快接受这一概念，并且认为将引起污水处理的一场革命。但事实上，仅从人们对于接触氧化工艺和BAF工艺的不同接受程度，就反映出人们对国产技术和自有知识产权技术的过分苛求，从而扼杀了新兴技术的推广。在西方国家通过60～70年代大规模建设污水处理厂，水污染的宏观控制问题已经基本解决，而我国目前的城市污水二级处理率还没有达到10%，我国目前迫切需要适合我国国情的高效的、低能耗的处理工艺。
(3)生物转盘法
生物转盘法是指一种在水平轴上装有圆形波纹状塑料介质的好氧附着生长式生物反应器，其中一部分(一般40%)淹没在水中，轴以每分钟1到2转的速度旋转使截止交替浸没在水中和暴露在空气中。微生物生长在介质上，并且代谢废水中可以生物降解有机物和含氮化合物。和滴滤池一样，产生的微生物从介质上脱落，被废水带入到沉淀池，在沉淀池中与处理后的出水分离8。该方法运转稳定，动力消耗少，但低温对运行影响较大，另外，采用生物转盘和生物滤池处理废水都要注意处理站异味扰民的问题。
(4)生物流化床
生物流化床处理系统的基本原理：废水和从生物流化床反应器出水的回流在冲氧设备进口处与空气混合后，从反应器的底部进入，自下而上通过反应器，使填料保持在流化的工作状态。经填料上的生物膜处理后的废水，除部分回流到冲氧设备进口处外，最后流入二次沉淀池，以便沉掉悬浮的生物量，排出合格的水。生物流化床以粒状材料为填料，一般为粒径2.2～1.0mm的砂、焦碳、活性炭或陶粒。填料保持在流化床工作时的流化状态与快滤池的滤料层在反冲洗时的流化状态完全一样。生物流化床运行室，废水中的有机物与处在流化状态的生物颗粒(长满生物膜的细料填料)接触而被去除。如果生物流化床用于需氧处理，则向废水中供氧是有必要的。氧源可以是纯氧，也可以是空气。如果采用纯氧，供氧的方式通常采用在床外与废水混合后再进入流化床，如利用空气，则既可以在床外与废水混合，也可以直接向床内供气。在生物流化床的运行中，为方便床内填料流化，回流往往是有必要的4。
4.生活污水处理的前景
水资源紧缺的现状，使我们认识到污水处理事业的任重道远。目前国家加大对环境的保护力度，特别是2008年奥运会在首都北京举行，至少在最近五年内，我国环保业将会得到前所未有的迅猛发展。
生活污水经处理达标后，可用于洗车、冲厕、灌溉等，不仅减少污染，还可以节约大量的水资源。因此小区中水回用具有特别重要的意义，目前，在一些用水紧张的地区，这种技术已有所应用，在今后几年中，有望得到更快发展。
另外，以下几种途径有望使水污染状况得到改善：
(1)提高城市自来水水价。长期以来，我国自来水水价仅收取处理费用，对于日益紧缺的原水其水费和污水处理费用并未收取。而国外的实践表明上调水价对于节约用水及加快污水处理设施建设具有明显作用。
(2)政府部门加大对水资源保护力度，严格执行国家的各种污染物排放标准。对于废水未经处理达标排放的单位或个人予以一定的惩罚。对于新建或已建的住宅小区或工厂严格要求其建造相应的污水预处理设施。
(3)加大对污水处理事业的投资，兴建城市污水处理厂，可使生活污水得到有效处理。对于目前我国现状，污水处理厂可以逐步采用BOT或TOT模式，吸引更多形式的资金到公共事业上来。