环境保护中城市污水处理措施

浙江双益环保科技发展有限公司 汪健桦，马敏杰，蔡潇彦

一、曝气生物滤池技术

曝气生物滤池自动化程度高，所需人力少耗能低，容易上手操作简单，污水处理效果好。它由四个类似的隔间组成，每个隔间都包含40%的无纺聚酯织物作为生物床，对所有污染物都有显着的去除效率(p＜0.5)，在消耗少量能量的情况下去除大量的污泥，达到改善水质的目的，是一种切实可行的污水处理技术。可以根据填充的过滤料将其分类，目前常用的有纳米气泡曝气生物过滤器、活性炭曝气生物过滤器、浸没式曝气生物过滤器、火山岩曝气生物过滤器和组合式臭氧曝气生物过滤器等，根据不同的地理位置和污水特性选择不同的过滤器。

纳米气泡生物过滤器通过内部回流和机械鼓泡操作去除污染物，其中纳米气泡制造了剪切应力，剪切应力能够优化氧气分布，通过回流和机械鼓泡分别将出水的溶解氧提高了三倍和四倍，提高了过滤器的过滤性能。适当的剪切应力增强了生物膜的空间发育，促进了纳米气泡曝气生物膜的活性和稳定性，改善生物膜的结构和性能，是一种很有应用前景的曝气技术。

活性炭曝气生物过滤器又可以根据活性炭的放置位置分为上流式和下流式。传统的放置方式是将活性炭填料放置在下流，称为下流式曝气生物活性炭过滤器（DBACF）但在实际生产活动中存在微生物渗漏、生物降解性低等问题。因此，相关学者开发了双介质上流式曝气生物活性炭过滤器新技术（UBACF），就新工艺而言，上流方式优于下流方式。与DBACF相比，UBACF工艺在在添加消毒剂之后再进行砂滤，在达到相同吸附效果的同时还有效解决了微生物渗漏的问题。相关学者Lu带领其团队测试了两项工艺的性能，研究结果显示，UBACF对自来水中COD(Mn)和NH3-N去除率分别为54.6%和85.0%，与DBACF工艺的去除率大致相似；UBACF通过曝气大大提高了供氧能力和传质速率，NH3-N去除能力从1.5mg/L显着提高到3mg/L以上；通过陶粒层的初级过滤结合流化床技术，可以应对浊度较高的UBACF进水，使炭床具有小于1.0NTU的低浊度环境。也就是说，两种工艺的反洗参数和碳磨损率几乎相同，但是UBACF解决了DBACF所不能解决的微生物渗漏的问题。

浸没式曝气生物过滤器(SBAF)，虽然可以进行硝化，但是对浓度有一定的要求。Friedrich带领其团队做了相关研究，首先，在含有10%接种物(0.5kg-1)的实验室规模的生物反应器中评估SBAF对清洗狗窝海湾产生的污水高溶解氧(DO)浓度下的硝化作用，研究结果显示，处理后的氨氮（12.44-29.62mgL-1）、亚硝酸盐（0.28-0.54mgL-1)、硝酸盐(1.75-3.55mgL-1)、pH(8.11±0.62) 和DO(9.69±0.36mgL-1)。其次，应用多管技术定量硝化细菌显示氨氧化细菌的值为1.4×1012MPNmL-1亚硝酸盐氧化细菌的值为9.2×1014MPNmL-1，这些值均高于在合成介质中的值。最后，在生物反应器样品中提取基因组DNA，使用特定引物进行PCR对其进行检测，获得了AOB和硝化杆菌的Amo基因的目的条带，PCRDGGE测序条带，测序结果显示反硝化细菌和假单胞菌属、柠檬酸杆菌属、陶氏菌属、红球菌属、硫杆菌属等具有高度相似性。也就是说，SBAF通过溶解氧的饱和改进了污水处理中硝化程度，并允许检测污水处理过程中涉及的细菌属，可以为医疗体系中的系统监测提供新思路。

火山岩曝气生物滤池（SNAD）在SBAF的基础上开展，同时兼具硝化、厌氧氨氧化和反硝化的功能。相关学者Xue带领其团队对其展开研究，研究结果显示，当COD初始浓度为60mg·L-1自养脱氮反硝化系统稳定运行67d时，最大脱氮效率、COD去除率和脱氮率分别为92.0%、82.9%和2.3kg·(m3·d)-1，总氮去除率比CANON工艺高12.6%。定量PCR检测结果显示，AOB的丰度略有增加，而ANAMMOX的丰度比SNAD启动前增加了一个数量级。相比之下，反硝化菌和NOB的丰度保持在较低水平。也就是说SBAF通过播种硝化污泥和厌氧氨氧化过滤器，有利于ANAMMOX和AOB的积累，为研究功能菌的运行特性和演替提供新思路。

组合式臭氧曝气生物过滤器可以有效去除有机物污染提高生物活性。相关学者Ding带领其团队对其进行了研究，臭氧化处理曝气生物过滤器(BAF)过滤过的石油化工废水，检测臭氧化前后的污水指标。研究结果显示，加入臭氧化二次出水的过滤水在降解有机污染物方面表现出很高的效率。COD和NH4的去除效率在整个操作过程中，臭氧化前和臭氧化后的-N分别为6.0±3.2、48.2-18.6%和 12.5±5.8、62.1-40.9%，臭氧化和BAF的集成系统可以承受更高的有机负载率。当HRT从4h降低到1h时，臭氧化前系统的COD去除率从12%降低到4%，但臭氧化和BAF的集成系统的COD去除率几乎保持在27-32%的高水平，臭氧去除率约为20%。臭氧化后的生物量表现出比臭氧化前更高的蛋白酶、DHA和SOUR活性。BAF进出水有机污染物主要为酯类化合物，但BAF很难降解酯类化合物。臭氧化前的优势种属是未培养的 Gemmatimonadaceae、Thauera和Thiobacillus，而臭氧化后的优势种属是Nitrospira、未培养的Gemmatimonadaceae和Flexibacter。也就是说，臭氧化和BAF的集成系统在有机污染物去除和微生物活性方面的表现优于臭氧化前，臭氧化过程对于BAF处理石油化工二级出水至关重要。

这项技术的原理是使用不同的滤料层科学处理相应污水中的污染物，起到过滤污染物的作用，在对附着的生物体进行氧化和降解处理的同时，有效去除污水中的有机物和降解物。使用该项技术处理的污水，污泥保留在过滤层，净化后的水将直接通过过滤层。该技术能够在无需二次沉淀的情况下，封闭式高效处理城市污水。

二、活性污泥处理技术

活性污泥（WAS）不仅体积大而且气味十分难闻，不仅难以处理而且处理费用高昂，占比污水处理厂运营总成本的50%以上。但是近年来WAS的产量一直在持续增加，这种不断增长的WAS的管理和处置已成为生物污水处理领域最严峻的挑战之一。然而，我国法律法规已经明确提出了禁止土地应用、焚烧和土地填埋的污泥处置方法。因此，在当前时期，CAS在国内污水处理厂（WWTP）中发挥了不可替代的作用，被广泛应用于处理各种市政和工业污水。

污泥的减少可以通过微生物的裂解繁殖来实现，微生物在从自身溶解的裂解物中生长。当微生物细胞分解时，微生物细胞内容物被释放到液体中，这些有机体底物可以被反复用于代谢污泥。臭氧化、二氧化氯和超声波处理活性污泥技术，已经开发并广泛应用于原位活性污泥还原领域。从原位活性污泥还原的角度出发，与现有生物污水处理系统（BSTS）相结合，为活性污泥处理技术在城市污水处理环节提供了新思路。

在化学氧化细胞裂解技术中，臭氧具有很强的细胞裂解能力，是最强大的氧化剂和消毒剂。在污泥臭氧化过程中，有效杀死微生物。污泥臭氧化预处理可有效改善污泥沉降性能，促进污泥生物降解性，减少堆积和渣滓。活性污泥工艺与臭氧化工艺相结合的技术，能够有效降低BSTS中过量的污泥产量。近年来，这种污泥臭氧化系统已被许多研究人员广泛研究。相关学者He带领其团队对其进行了两个阶段的研究。在第一阶段，进行了一系列批次研究，以了解臭氧化对污泥性质的影响，并在第二阶段，长时间运行三个臭氧化的活性污泥的膜生物反应器（MBR），以评估污泥臭氧化对污泥产量和渗透质量的影响。研究结果显示，臭氧会破坏细胞壁，导致细胞内释放出血浆，溶液中可溶性有机物的含量会随着臭氧化时间的增加而增加。随着可溶性有机物的增加，待矿化的可溶性有机物量也随之增加，从而降低了可溶性有机物的含量。对于这两方面的反作用，可以实现伪平衡，可溶性有机物会在有限范围内变化。污泥臭氧化也增加了溶液中可溶性氮和磷的含量。也就是说，部分活性污泥臭氧化可显着降低污泥产量，且不会因污泥臭氧化而抑制矿化和硝化的生物学性能，臭氧化装置与MBR装置的组合可以实现优良的产水质量和去除污泥的效果，污泥臭氧化是一种高效且有前途的污泥分解技术。然而，仍然有一些限制阻碍了它在全尺寸污水处理厂中的广泛使用。臭氧作为强氧化剂，与微生物或有机物会发生无差异化反应，这可能会降低活性污泥的氧化效率并增加运营成本，因为对其进行更深入的研究仍十分有必要。

为了降低投入成本，其他具有成本效益的技术被视为减少多余污泥的替代方案。与臭氧相比，氯化的氧化性（Cl2）、二氧化氯（ClO2）或过氧化氢（H2O2）的氧化性较弱，但成本较低。相关学者Saby带领其团队研究发现，添加0.133克Cl2可以实现65%的污泥减少混合液体悬浮固体（MLSS）。相关学者Wang带领其团队研究发现，具有ClO的组合排序间歇反应器（SBR）工艺两系统已成功将污泥产量降低高达58%。也就是说，ClO(2)氧化可以成功地纳入SBR以减少剩余污泥，而不会显着损害生物反应器的性能。相关学者He和Wei研究发现，Fenton工艺的加入可以显着减少污泥产量，得到的平均污泥收率从0.15下降到0.006克MLSS/gCOD，水质水平良好。也就是说，该MBR系统可以在污泥Fenton氧化过程中起到良好的作用。由于反应器配置不同，操作条件多样化，氧化剂的最佳用量难以达到一致性。此外，回收污泥中的强消毒剂和住宅臭氧（或其他氧化剂）可能会损害BSTS中的生物活性。同时，在氯化活性污泥过程中，会产生不良的氯化副产物，如三卤甲烷（THMs），会对人类产生有害作用。因此，化学氧化剂活性污泥工艺的实际应用将给污水处理厂带来严峻挑战。

结合超声波的活性污泥处理技术，操作简单处理效果可观，可以避免化学处理技术造成的上述缺点，提高污泥的生物降解性、脱水和生物固体质量，缩短保留时间，对后续的污水处理起到有利作用。通过将超声处理与其他化学/物理/生物方法相结合可以获得更高的超声利用效率。但是，在对WAS进行个体超声预处理时，液体将吸收大部分超声波能量，会削弱施加在WAS上的超声波能。相关学者Ma等人提出了一种超声波和碱性物质相结合的新方法，研究结果表明，在这个系统中可以减少污水中56.5%过量污泥。随后，相关学者Yang等人根据经济分析这种超声波和碱性技术相结合的污水处理技术，研究结果显示，这种处理技术比没有污泥预处理的传统CAS系统有效降低了总运行成本的11.4%。综上，虽然这种污水处理技术效益更高，但存在超声波能量在WAS处理中利用效率的问题，对其进行深入研究十分有必要。

微生物代谢是生化转化的总和，包括分解代谢和合成代谢反应的相互关系。在正常情况下，微生物的分解代谢通过传递产生的能量与合成代谢相结合。当出现解耦现象时，ATP的合成会受到抑制，部分能量被消耗到非生长相关的反应中。有机底物氧化产生的能量部分用于合成代谢。因此，当在能量解耦代谢条件下维持微生物时，可以有效减少微生物的合成。在一些异常情况下可以诱发解耦代谢现象，氧化沉降厌氧（OSA）工艺是在污泥回流管路中加入了厌氧罐，是对CAS工艺的改进。与CAS工艺相比，经过OSA工艺处理后的污水中污泥产量下降了20-65%，污泥的沉降性也得到了提高。因此，在进一步研究中将鼓励改进的构建OSA工艺中同时进行污泥处理和有机污染去除。早前的研究认为该过程的处理机制是能量解耦理论。该理论表明，当微生物处于缺氧和饥饿状态时，ATP或食物储存形式的细胞能量可能会耗尽。饥饿的微生物在有营养供应的情况下恢复到有氧状态，微生物又重新合成必要的能量储备。因此，这种循环替代环境会将分解代谢与合成代谢分离，从而发生能量解耦以调节细胞代谢。在随后的研究中，相关学者又对该过程的处理机制提出了另一个理论，将其称为污泥衰变理论。综上，虽然诱导污泥减少的重要因素仍在讨论中，但OSA工艺原位减少污泥的积极效果是显而易见的。

根据上述能量解耦理论，人们认为通过解耦合成代谢和分解代谢构建的系统可能会诱导生物量的减少。基于脱钩好氧菌/厌氧菌处理的观点，开发了一种反复耦合的好氧和厌氧过程固定床反应器（rCAA）。与CAS工艺相比，这种污水处理方法与大孔微生物载体一起安装的rCAA系统将诱导约30-50%的污泥减少，反复耦合的好氧菌/厌氧菌处理显示出良好的污泥还原性能，rCAA反应器中这种模拟耦合的需氧菌/厌氧菌条件可能导致微生物的能量损失。但是，能源解耦并不是减少污泥的唯一原因。虽然化学解耦器在实验室规模的实验中对过量污泥的减少表现出优异的效果，但在实际应用中，仍存在自身的缺陷，如所选代谢解耦器的优化剂量需要大量的重复实验输入，而结果总是不一致的；长期应用单一代谢解耦可能导致生物适应现象，这种生物适应可能导致污泥减少能力降低;代谢解偶联器大多是异种生物的，对环境有潜在危害，对残留代谢解偶联剂的命运和潜在危害会威胁到生态环境、污泥生态系统甚至人类健康知之甚少;应用代谢解偶联剂会降低出水养分去除效率。虽然当前没有充分研究证实rCAA系统中的污泥减少机理，但该系统为污水处理系统提供了一个亮点，这种新方法将有望以较低的运营成本用于连续或完全应用过程。

三、结论

由于我国工业和经济的快速发展，造成了工业和生活废水的产量也在逐年增加。在实际生产中，污水处理厂产生的过量污泥已成为无法预防的负担，阻碍着国家的发展。污水处理问题已经成为当前政府、公众和科学家的热议话题。

为保障我国经济的可持续发展，应该不断提升民众保护自然环境的观念，加强开发相关技术的重视程度。在水资源保护方面，政府应该紧抓城市污水处理，重点学习先进技术，加强相关人员的培训工作，倡导寻找能够去除养分并同时从污水处理过程源头产生较少多余污泥的适当方法。以期达到污水处理效益最大化和水资源的利用率最大化的美好目标，促使我国的城市污水处理事业得到长足的进步和发展。