废水生物处理工艺技术的工艺改进及其应用发展

摘要：本文对废水生物处理进行了介绍，主要简介了活性污泥法及其改型工艺、生物膜法、厌氧工艺及强化脱氮除磷工艺。

关键词：活性污泥法，生物膜法，厌氧工艺，强化脱氮除磷工艺

水是生命之源。随着人类社会不断的发展，水污染情况越来越严重。污水（废水）的总体的量逐步增大，水质成分愈来愈复杂。为应对污染造成的恶果，人类积极采取了污水处理的方法，逐步控制其影响。水处理发展大致分为三个阶段：萌芽、发展、提高[1,2]。

1. 第一阶段：萌芽阶段（18世纪～19世纪末）

初期人们利用地表水和降水进行生活，后来由于疾病的传播和水体的天然污染，人们开始利用简单的过滤方式和消毒方式进行净化，这就是早期的给水。伴随着人们居住的集中，工业革命的开始，对水的需求增大，同时污染也开始显现。利用前期的经验和囿于技术的限制，人们开始主要是依据物理处理原理设计的格栅、沉砂池、沉淀池，以及依据化学处理原理设计的中和调节池、混凝池等。此阶段的水处理以防治水疾病的传播为主，着重于给水处理[1]。

2. 第二阶段：发展阶段(19世纪末～20世纪70年代)

工业革命以后，水污染日益严重，水体中污染物成分更加复杂。欧洲的莱茵河水质变差；英国的泰晤士河鱼类绝迹；美国的密西西比河水生物大量死亡；日本水俣镇的水俣病；日本神东川的骨痛病，等等。面临这么严重的水体污染情况，人们开始积极探索。
2.1 活性污泥法[3,4]

2.1.1 传统活性污泥法

最早于1914年由英国人Ardern和WT.Lockett创立，常称为传统活性污泥法，曝气池呈狭长型，水流严格推流前进，进入池中的有机物浓度随时间或池长而降低。传统活性污泥法处理效率高，但也存在一些缺陷。主要表现在以下几个方面：抗冲击负荷的能力较差，进水水质变化对活性污泥影响较大；所供应的氧气不能充分利用，增加了动力费用，造成浪费；曝气池占地大，体积符合率低。随着技术改革，后来在传统活性污泥法基础上出现了多种运行方式。

2.1.2 渐减曝气活性污泥法

为了克服传统活性污泥法中供氧速率与需氧速率间不平衡的矛盾，20世纪40年代首先在美国纽约城市污水处理厂出现了“渐减曝气活性污泥法”的新运行方式和工艺，逐步曝气法可以提高空气的利用率和曝气池的工作能力，改善二沉池的工作情况。

2.1.3 吸附再生活性污泥法

为了充分利用好氧微生物在去除有机物过程中具有吸附和稳定两个阶段的规律，提高系统中曝气池的利用效果及缩短曝气时间，在40年代和60年代分别在美国与我国出现了“生物吸附活性污泥法”，新工艺又称接触稳定法。吸附再生法与传统活性污泥法相比，吸附再生池的总容积较传统活性污泥法的曝气池要小得多(甚至可能小于50%)；抗冲击负荷能力较强；但吸附再生法也有缺点，它的处理效率不及传统活性污泥法，回流污泥量大。

2.1.4 完全混合活性污泥法

为了适应城市污水在水量、水质变化的规律，人们采取措施以增大污水处理系统中的耐冲击负荷能力。因而在50年代国外出现了“完全混和活性污泥法”新工艺，这种新工艺在曝气池中建立了多点进水、多点进入回流污泥的新运行方式。这样完全混合法曝气池中各部位需氧量均匀；另外，完全混合法较能适应冲击负荷的变化。完全混合法的主要缺点是连续出水时，可能产生短流并在出水水质比较稳定和在目前常用的负荷条件下出水水质往往不及传统活性污泥法。

2.1.5 延时曝气活性污泥法

为减少污泥产量，在20世纪50年代由荷兰卫生工程研究所研制成功利用延时曝气原理的氧化沟工艺。延时曝气法所用曝气时间较长，动力费用高；曝气池容积大，污泥龄长，基建费用也较高。

2.1.6 深水曝气活性污泥法、纯氧曝气活性污泥法

为了提高曝气池运行中的饱和溶解氧浓度，以便加快氧转入液相的速度，相应增大有机污染物的降解速度。因而在60年代，出现了“深水曝气活性污泥法”、“纯氧曝气活性污泥法”等新的运行方式。
2.2 生物膜法[5,6]

生物膜是微生物高度密集的物质，由好氧菌、厌氧菌、兼性菌、真菌、原生动物等组成的生态系统，主要用于去除废水中呈溶解的和胶体状有机污染物。20世纪60年代，由于新型的有机合成材料的大量生产，使用聚乙烯、聚苯乙烯和聚酰胺等做成的有机人工合成填料，生物膜法获得了新的发展。

根据不同的处理装置，又分为生物滤池法、生物转盘法、生物接触氧化池法、流化床生物膜法等。它广泛应用于石油、印染、造纸、农药、食品等工业废水的处理，具有不存在污泥膨胀问题；对废水水质、水量的变化有较好的适应性；剩余污泥量少等优点。

2.2.1 生物滤池[7]

生物滤池是以土壤自净原理为依据发展起来的，滤池内有固定滤料，污水流过时与滤料相接触，微生物在滤料表面形成生物膜。生物滤池操作简单、费用低，适用于中小城镇和边远地区。 生物滤池分为普通生物滤池、 高负荷生物滤池和塔式生物滤池及曝气生物滤池等。

2.2.2 生物转盘法

生物转盘法又称浸没式生物滤池，通过传动装置驱动生物转盘以一定的速度在接触反应槽内转动，交替与空气和污水接触。每一周期完成吸附—吸氧—氧化分解的过程，通过不断转动，使污水中的污染物不断分解氧化。生物转盘的使用范围广泛，对生活污水和各种工业废水都能适用，同时生物转盘的动力消耗低，抗冲击负荷能力强，管理维护简单。

2.2.3 生物接触氧化法

生物接触氧化法也称淹没式生物滤池。在池内设置滤料，使已经充氧的污水浸没全部滤料，并以一定速度流经滤料。生物接触氧化法对冲击负荷有较强的适应能力，污泥生产量少，可保证出水水质。

2.2.4 生物流化床

生物流化床是采用相对密度大于1的细小惰性颗粒，如砂、焦炭、活性炭、陶粒等作为载体，微生物在载体表面附着生长，形成生物膜，充氧污水自上而下使载体处于流化状态，生物膜与污水充分接触。生物流化床处理效率高、适应较大冲击负荷、占地小。

目前更多研究结合了生物膜法和其他强化脱氮除磷工艺，如许玫英[8]等利用生物膜法和SBR法的结合对制药废水进行研究；李亚新[9] 等利用生物膜法和A2/O2法结合处理焦化废水进行研究。

3. 第三阶段：提高阶段(20世纪70年代～至今)

20世纪70年代以后，由于大量施用化肥和农药，水体受到了氮、磷等营养元素的污染，一些湖泊、海湾，如日本琵琶湖、濑户内海等相继发生富营养化现象[1]。近期，中国的太湖、巢湖和滇池富营养化也是愈演愈烈。这就要求了对脱氮除磷的新型工艺的研究与应用。

3.1 A2/O工艺

A2/O工艺由厌氧反应器，缺氧反应器，好氧反应器—曝气池构成主体，国内实践表明A2/O工艺有较好脱氮除磷效果[10]。

由于脱氮除磷难以进一步提高，现实中应用了倒置A2/O。倒置A2/O对脱氮除磷有好的效果，分析原因主要是由于A2区前置，反硝化优先获得碳源，倒置A2/O工艺的脱氮能力大为提高；同时其A1区厌氧环境更加充分，强化了聚磷微生物过度吸磷能力，使其除磷功能获得改善[11]。

最近，对生物除磷有了新的认识，即可以在反硝化(或缺氧)条件下除磷[12]。

3.2 SBR工艺[13,14]

SBR工艺反应按照一定的顺序进行，按进水、反应、沉淀、排放和闲置的顺序周期运行，间歇式进、出水。国内外已报道了SBR法在城市污水、食品工业污水和化工污水处理方面的研究和应用实例，由于其厌氧(缺氧)和好氧过程交替发生，泥龄短且活性高，同时脱氮除磷。有研究表明SBR向PBCSBR发展等其他方式进行改型和完善。

在实际的发展进程中，对反应器的完善在不断的进行。对于脱氮除磷工艺一直在改善，不仅仅表现在以上两种工艺，像氧化沟工艺也能达到脱氮除磷的效果，这就说明更加关注在反应器对不同水质的除污性能的匹配上，同时我们知道伴随科技的进步，反应器的开发和完善也会越来越快、好，于此从多角度、多方面来考虑强化反应器除污能力。

3.3 UASB工艺[15-18]

由于对高浓度废水的处理净化，同时面临能源紧张的情况，厌氧工艺越来越得到研究和应用。厌氧生物处理又被称为厌氧消化、厌氧发酵，是指在厌氧条件下由多种(厌氧或兼性)微生物的共同作用下，使有机物分解并产生CH4和CO2的过程。

1974年，荷兰Wagninge农业大学的Lettinga教授领导的研究小组研究和开发了升流式厌氧污泥床(UASB)反应器，UASB反应器集生物反应与污泥沉淀于一体，是一种结构十分紧凑的高效厌氧反应器。UASB反应器最大的特点是通常能形成沉降性能良好的颗粒污泥，从而在没有填料和载体的条件下完成生物相的固定化，节省了装载填料的空间和建设费用，同时使反应器内水力停留时间与污泥停留时间分离开，从而可以在反应器内维持较高的污泥浓度。

为更加有针对性和提高除污能力，1982年Jewell开发厌氧固定膜膨胀床(AAFEB)反应器；20世纪80年代初由美国Stanford大学的McCarty等提出ABR反应器；1984年加拿大的Guiot在AF和UASB的基础上开发出来的上流式污泥床—过滤器反应器。

好氧生物处理工艺相比较，厌氧生物处理工艺具有如下优点:能耗大大降低，而且还可以回收生物能(沼气)；污泥产量低，厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多；厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解；同样伴随着不同的缺点：对有毒物质较敏感；对温度、pH等环境因素较敏感；反应过程较为复杂等。

4 展望

水处理经历了两个世纪来的发展，由初级到高级、由简易到完善、由治理到预防控制，逐渐形成了一门科学，走上了产业化发展的道路，并遵循可持续发展的内涵发展成为水工业的重要组成部分，未来水处理将围绕着科技的革新向着低能耗、高效率、资源化的方向发展。[1]

(1)结合不同的工艺如改良的A2/O与生物膜结合，生物膜与SBR结合，等等.

(2)对机理进行更多的研究，以此为实际工艺改善，改进提供理论支撑。如短程硝化反硝化的问题[19]，胞外聚合物的影响[20]，颗粒的污泥的应用研究[21]，等等。

5 参考文献

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