城市污水强化一级处理的研究进展①

出　　自： 《中国给水排水》 1998年第5期第28页
发表时间： ： 1998-5

尤作亮；蒋展鹏；祝万鹏；师绍琪

( 清华大学)

城市污水是城市水环境污染的主要来源之一，解决城市污水污染的根本措施是建设集中式城市污水处理厂，一般发展中国家都采用先建设一级处理以后再逐步完善二级处理的策略。但以自然沉淀为主体的一级处理污染物去除率较低，难以有效地控制水环境污染，为了提高其去除率，必须加以强化处理。而已建成的二级生物处理厂，由于其高昂的运行费和高能耗，也希望能够通过强化一级处理，减轻二级处理的负荷，降低能耗。近年来，一级处理强化技术的研究已成为新的热点，引起了国内外水处理工程界的关注和重视。

1 我国城市污水处理概况

城市污水处理是水环境污染控制的一个重要内容。发达国家的城市二级污水处理厂相当普及，处理率可达90%或更高；由于经济的原因，发展中国家的城市污水处理率较低，由此引起的城市水环境污染也较严重。
我国经济发展较快，城市化率不断提高，污水排放量持续增加，城市水环境受到严重污染。1994年城市污水排放量200.1×10 8 m 3 ，处理率仅为6.7% [1] ，同年工业废水处理率则为75.0%。可见，我国的城市污水还处于较低的处理水平，提高城市污水的处理率已成为当务之急。
我国的城市污水处理厂以二级生物处理为主，特别是近年建成的城市污水处理厂多是二级生物处理。全国117座城市污水处理厂中仅有24座为一级处理，约占总数的20.5%、总处理能力的17%；二级处理厂有93座，约占总数的79.5%、总处理能力的83%。由于能耗大，运行费用高，相当数量的污水处理厂没有正常运行，实际处理能力远低于设计能力。
我国中小城镇多，分布面广，污水排放量大(约占城市污水总量的70%)，资金缺乏，废水处理任务十分艰巨。因而，这些城市的污水处理厂应分批建设，在近期内先大力发展并逐步普及一级处理厂，经过强化一级处理，以较少的投资削减较大量的污染负荷，到条件成熟后再建设二级处理工艺。这对我国这样经济尚不发达而环境污染又较严重的国家，具有十分重要的现实意义。发达国家的历史经验已证明了这一点。其他发展中国家也采取了类似的分期建设方案 [2] 。

2 城市污水强化一级处理工艺与效果

2.1 物理化学法强化一级处理
物化法强化一级处理与絮凝剂的发展密切相关。由于城市污水水量大，投加絮凝剂运行费用较高，在一级处理中应用较少。近年来，由于新型、高效、廉价絮凝剂的不断出现，在城市污水一级处理中已有所应用。
2.1.1 无机絮凝剂
在城市污水一级处理的物化强化技术研究中，采用的无机絮凝剂主要有铝盐、铁盐、石灰等。
早在60、70年代，就开始了无机絮凝剂强化一级处理的研究。以色列城市污水污染物浓度较高，为减轻后续处理的负担，进行了絮凝沉淀强化处理研究。以石灰和三氯化铁为絮凝剂，BOD去除率53%，SBOD(溶解性BOD)去除率14%，COD去除率68%，SCOD(溶解性COD)去除率32%，浊度去除率达到99%。
埃及F.A.EI-Gohary等(1991)采用硫酸铝、氯化铁和石灰三种絮凝剂处理城市污水，投加量分别为250mg/L、200mg/L和800mg/L，浊度去除率约为60%，COD去除率约为80%，对磷的去除效果也很好。英国的M.P.Gambrill等(1992)采用石灰处理热带地区的城市污水 [4] ，石灰投加量为720mg/L，水力停留时间8.8h，浊度和SS的去除率为91%，COD的去除率为89%，总磷去除率为96%，但出水pH偏高达11.5左右。
我国台湾的Chen Chiu-Yang(1993)研究了城市污水排海前的一级处理强化技术。投加硫酸铝和聚合氯化铝(PAC)各30mg/L，沉淀1h，SS和BOD的去除率分别为70%和60%，比强化处理前的45%和25%各提高了25和35个百分点。
由以上研究结果不难看出，投加无机絮凝剂能够大幅度地提高悬浮物和有机物的去除效率，强化效果明显。但无机絮凝剂的投加量一般较多，运行费较高，产污泥量较大。
2.1.2 有机高分子絮凝剂及其复配使用
有机高分子絮凝剂具有絮凝速度快，用量少等优点，其主要种类有合成高分子絮凝剂如聚丙烯酰胺(PAM)和天然高分子絮凝剂如壳聚糖等。由于有机高分子絮凝剂价格较高，为了减少药剂投加量，充分发挥不同絮凝剂间的协同作用，往往与无机絮凝剂复配使用。
日本的Suzuki等以一种弱阴离子高聚物1～2mg/L，与10～15mg/L(以Al 2 O 3 计)的PAC复配，采用颗粒流化床强化城市污水的一级处理，可以去除BOD79%，COD74%，SBOD10%，使后续生物处理的水力停留时间减为1h。
杨旭等以PAM改性制成的SW-101阳离子絮凝剂与PAC复配使用，可使废水COD去除率提高到60 %左右。宫世国等研制的一种含阴、阳离子的复合型天然高分子絮凝剂ASD-Ⅱ，用于处理城市生活污水，COD和BOD 5 去除率70%左右，SS去除率高达90%。处理效果优于对比的氧化沟法，而运行费用较低。
美国洛杉矶市的Hyperion污水处理厂，采用一种阴离子高聚物0.15mg/L，与10mg/L的FeCl 3 复配处理城市污水，连续运行6年，SS和BOD的一级处理去除率稳定在83%和51%左右，同时对磷和重金属的去除效果也很好，而其基建费和运行费却只有二级处理厂的30%左右。
表1 城市污水物化法强化一级处理效果

2.1.3 微生物絮凝剂
微生物絮凝剂是由微生物产生的具有高效絮凝作用的天然高分子物质，其化学本质主要是微生物代谢产生的各种多聚糖类、蛋白质或多肽。由于微生物絮凝剂絮凝效果好、投加量少、适用面广、无二次污染、絮体易于分离等优点而备受关注。
微生物絮凝剂在废水脱色、油水分离、污泥脱水、畜牧场废水处理、瓦厂废水处理等方面已有所应用，效果显著。但在城市污水处理中的应用尚未见报道，其原因在于目前微生物絮凝剂的研究尚处于实验室阶段，生产成本很高，无法适应城市污水处理的要求。
2.1.4 其它
在城市污水的一级强化处理中，还有一些因地制宜、以废治废或利用其它作用的强化技术。我国哈尔滨市马家沟，采用当地电厂的废物粉煤灰处理城市污水，能够去除COD30%～40 %，色度90%～98%，重金属30%～80%。其基建投资约为二级污水处理厂的1/3，运行费约为1/5。此外，还有以粘土、膨润土、沸石、泥炭、松树皮、木屑、磁化处理等强化一级处理的研究，均取得了较好的处理效果，但也存在一定的应用局限性。
2.2 生物絮凝吸附法强化一级处理
利用微生物的絮凝吸附作用强化一级处理，与二级生物处理的本质区别在于二级生物处理主要利用生物氧化作用，将有机物矿化；而生物法强化一级处理则主要利用微生物的絮凝吸附作用快速去除污染物质，同时伴有少量的生物氧化。这就决定了它必然要比二级生物处理产生更多的污泥，但由于不投加任何药剂，其产泥量比物化处理产泥量少。
二级生物处理也利用生物絮凝吸附作用，在曝气池中形成絮体，并在二沉池中实现固液分离。为了维持絮体悬浮和满足供氧的要求，曝气池中水流的速度梯度G一般在100～200s -1 左右，而絮凝反应的最佳G值应在10～100s -1[3、4、5] 。过度强烈地混合，使得生物絮体的破碎过程远强于絮体的形成过程，难于沉降的细碎颗粒数目增加，固液分离效果不好。因而，二级生物处理没有提供合适的絮凝条件。
由絮凝动力学可知，n个直径为d的颗粒的沉降去除半衰期t 1/2 为:

式中 α 0 ——颗粒粘连次数占碰撞总次数的分数
Φ——颗粒总体积
du/dz——速度梯度
可见，t 1/2 与Φ成反比，即与d 3 成反比。在颗粒沉淀开始时，如果有较大直径的颗粒存在，必然使t 1/2 大为减小，也就是使总的颗粒下降速度显著加快。因而，在原污水中引入颗粒直径较大的生物絮体，能够提高悬浮颗粒的去除效率，起到强化一级处理的效果。
生物絮体不仅具有一般大颗粒的强化沉淀效果，还有生物絮凝吸附作用。其去除机理既有污染物质的物理吸附、化学吸附和生物吸附、吸收作用，又有吸附架桥、沉淀物网捕等絮凝作用，相互作用十分复杂。迄今为止，已提出了多种机理解释，其中广为接受的是聚合物架桥理论。一般认为，对重金属离子的去除以物化吸附作用为主，对悬浮颗粒的去除以生物絮凝作用为主，絮凝作用的主要物质是胞外聚合物(ECP)，不同微生物表面间细微成分和结构的差别也可以导致絮凝，大量微生物形成的絮体又可以通过接触凝聚等作用去除水中的污染物质。二价阳离子在絮凝吸附过程中起着重要的架桥作用。
2.2.1 好氧生物絮凝吸附
活性污泥对废水的净化是通过两个阶段——吸附阶段和氧化阶段完成的，吸附阶段能在10～30min内去除70%～90%的有机质，其去除机理是絮凝和吸附。据此，分别于50年代和70年代提出了两种改进的活性污泥处理法:吸附再生法和AB法。这两个方法都不设初沉池，分别在吸附池和A段完成悬浮物质和胶体物质的生物絮凝吸附过程，水力停留时间一般为30min左右，负荷高，泥龄短，产泥量大。
受AB法运行机理的启发，我国学者研究了城市污水的一级半处理方法。采用高负荷生物接触氧化工艺，在容积负荷10～30kgCOD/m 3 ·d，HRT为30～45min的运行条件下，处理模拟城市污水，COD去除率60%～80%，污泥产率0.55～0.73kgSS/kgBOD 5 (去除)，有机物去除可达17kgCOD/m 3 ·d。
利用生物絮凝提高城市污水初沉池处理效果的想法早已提出，但一直未能引起足够的重视。英国有很多城市污水厂把二沉池的剩余污泥回流到初沉池，但其目的只是节省剩余污泥的浓缩装置。近年来，直接利用生物作用强化一级处理的研究也已有所报道。日本是以生物絮凝与斜板沉淀池结合处理生活污水，MLSS1000～2000mg/L，HRT约1h，SS去除率达70%，SCOD去除30%以上。韩国学者提出的FCS系统即絮凝——澄清——稳定系统，作为增强型一级处理工艺。絮凝池采用机械混合，HRT为37 min；稳定池连续曝气，DO控制2 mg/L，MLSS1000～1400mg/L，SRT3d，HRT约3h；澄清池HRT1.7h，处理人工合成污水，COD和SS的去除率为71%左右。污泥SVI在61～102之间，沉降性能良好。法国Pujol等研究发现，活性污泥吸附能力随着SVI的增加而显著提高，并受污泥的曝气条件、温度和废水组成的影响；丝状菌具有较强的吸附能力。
2.2.2 厌氧生物絮凝吸附
R.Riffat等采用厌氧吸附反应器间歇处理合成污水 [6] ，MLSS10g/L，HRT15min，即可去除40%的有机物质。Shimizu等以厌氧颗粒流化床生物反应器(AFPB)代替初沉池 [7] ，投加PAC1 0mg/L(以Al 2 O 3 计)和一种弱阴离子高聚物2mg/L，以形成污泥颗粒。HRT为2h，对SS和COD的去除率高达96%和93%(表2)。
表2 生物絮凝吸附强化一级处理实例

有研究表明，好氧污泥与厌氧污泥ECP的产量和成分存在着显著的差异(表3)。好氧污泥ECP产量约为厌氧污泥ECP产量的4～7倍；好氧污泥的ECP以碳水化合物为主，而厌氧污泥则以蛋白质和聚脂多糖为主，特别是蛋白质的含量更高。另外，两种污泥表面都带负电荷，但活性污泥的负电性更强。从好氧污泥和厌氧污泥ECP的不同和负电性的差异，推测其絮凝作用和机理可能存在着较大的差异。
无论好氧污泥还是厌氧污泥，都对重金属离子有较强的吸附能力。其吸附等温式一般符合Freundlich式，也有一些符合Langmuir吸附等温式。重金属与污泥的亲和力由大到小的顺序为Cr 3+ >Cu 2+ >Ni 2+ >Co 2+ 。污泥龄和细胞表面特性是影响吸附的重要因素。金属离子的吸附主要依赖于金属离子和微生物表面的理化特性，而与微生物的代谢活性关系不大，推测这主要是一个被动的过程。
表3 好氧污泥与厌氧污泥的ECP与电性比较

2.3 改善反应器性能强化一级处理
近年来，对沉淀池的技术理论没有大的突破，其主要发展在机械化和自动化程度的提高，但同时也有一些局部的技术革新。如法国人研究一种Le Densedeg的新型高效澄清池 [8] ，利用斜板沉降，通过直接脱水使污泥浓缩，沉降速度可达20～40m/h，出水水质好，已在城市污水沉淀中有所应用。J.Coma等利用细砂填料流化床强化一级沉淀 [9] ，停留时间15min即可去除60%的SS。日本人以射流混合分离器(JMS)处理城市污水 [10] ，利用多孔隔板的射流作用使污水均匀混合，其絮凝与沉淀作用同时发生，可在HRT<1h的情况下有效提高污染物的去除率。波兰的J.Kurbiel等研究了管式絮凝器的应用 [11] ，以之代替传统的絮凝池和搅拌装置，利用管中的涡流保证适宜的混合条件，絮凝时间50～100 s，比传统絮凝时间短得多，絮凝效果也很好，工程投资和运行费用得以有效降低。
总之，无论发达国家还是发展中国家，对城市污水一级处理强化工艺的研究都很重视，并已取得了一定的成果，但多数研究还停留在小试探索阶段，工艺技术很不成熟。

3 发展趋势分析

环境污染的加剧和经济发展的水平决定了在相当长的一段时间内，一级处理应是我国中、小城市污水处理的重要方式。强化一级处理、提高单位投入污染物的去除率，也必将是污水处理的重要研究内容之一。
一级处理强化技术中，无机絮凝剂因其投药量大、产泥量多、运行费用高而缺乏竞争力，但如与其它种类的絮凝剂复配使用则可以发挥协同作用，达到较好的处理效果，这可能是其在城市污水处理中最具生命力的方面。有机絮凝剂和微生物絮凝剂投加量一般较少，但由于产品价格较高，大量应用仍有一定的困难。优选廉价、高效絮凝剂应是目前最迫切的任务。
生物絮凝吸附不必投加任何外部药剂，污泥产量相对较少，运行费用较低，应用前景广阔。但目前尚没有应用实例，对其运行机理、影响因素、控制参数等也都缺乏系统深入的研究，特别是对厌氧生物絮凝吸附研究更少。考虑到一级处理HRT短，SS含量大，而厌氧微生物代谢期较长，能否经受长期运行特别是在冬季低温条件下的考验还有待证实。因而，应进一步研究生物絮凝吸附的机理，探索适宜的处理工艺和运行参数，为工程应用提供坚实的理论和技术基础。

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作者通讯处:100084 北京 清华大学环境工程系
(收稿日期 1998-02-18)

①国家“九五”科技攻关项目