污水处理需要较大的投资和运营费用,在目前我国还不富裕的条件下,怎样用最少的费用达到治理水污染的目的是各级政府和广大专业人员十分关心的问题。在污水处理厂的建设中关键的措施是优选工艺,这关系到处理效果能否达到预期目标,关系到基建费用和运行费用是否最省,归根结底,关系到污水处理厂建设的成败。笔者根据多年的实践经验,对中、小型城市污水处理厂怎样优选工艺的问题进行了探讨,谈了自己的一些看法和体会。
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1城市污水处理厂的规模划分
根据我国的实际情况,大体上可分为大型、中型和小型污水处理厂。
规模>10×104m3/d的是大型污水厂,一般建在大城市,基建投资以亿元计,年运营费用以千万元计,目前全国已建成十多座,最大的是北京高碑店污水处理厂,规模达100×104m3/d。
中型污水处理厂的规模为(1～10)×104m3/d,一般建于中、小城市和大城市的郊县,基建投资几千万至上亿元,年运营费用几百万到上千万元,目前全国已建成几十座,正建的有上百座,今后一段时间还将大量增加。
规模<1×104m3/d的是小型污水处理厂,一般建于小城镇,基建投资几百万到上千万,年运营费用几十万到上百万;由于经济条件的限制,目前这类污水厂刚刚在沿海地区经济发达的小城镇出现,今后会越来越多,最终小型污水厂的数量将超过大中型污水厂。
2城市污水处理厂的主要工艺
城市污水的主要污染物是有机物,因此目前国内外大多采用生物法。也有采用化学法的,比如四川遂宁市的污水就采用化学强化一级处理,但这种工艺的去除率不高,出水达不到国家规定的标准,只适用于某些特定的对出水水质要求不高的地方。
在生物法中,有活性污泥法和生物滤池两大类,生物滤池的处理效率不高,卫生条件较差,我国只有少数几座生物滤池城市污水处理厂,而活性污泥法占绝大多数。
活性污泥法有很多种型式,使用最广泛的主要有三类:①传统活性污泥法和它的改进型A/O、A2/O工艺,②氧化沟,③SBR工艺。
传统活性污泥法是应用最早的工艺,它去除有机物的效率很高,在处理过程中产生的污泥采用厌氧消化方式进行稳定处理,对消除污水和污泥的污染很有效,而且能耗和运行费用都比较低,因而得到广泛应用。近20年来,水体富营养化的危害越来越严重,去除氮、磷列入了污水处理的目标,于是出现了活性污泥法的改进型A/O法和A2/O法。A/O法有两种,一种是用于除磷的厌氧—好氧工艺,一种是用于脱氮的缺氧—好氧工艺;A2/O法则是既脱氮又除磷的工艺。
氧化沟是活性污泥法的一种变型,在水力流态上不同于传统活性污泥法,是一种首尾相接的循环流,通常采用延时曝气,在污水净化的同时污泥得到稳定。它不设初沉池和污泥消化池,处理设施大大简化。氧化沟具有传统活性污泥法的优点,去除有机物的效率很高,也具有脱氮的功能。如果在沟前增设厌氧池,还可同时除磷。氧化沟这种高效、简单的特点,使它在中小型城市污水处理厂中得到广泛应用。
SBR是序批式活性污泥法,它的基本特征是在一个反应池中完成污水的生化反应、沉淀、排水、排泥,不仅省去了初沉池和污泥消化池,还省去了二沉池和回流污泥泵房,处理设施比氧化沟还要简单,而且处理效果好,有的SBR工艺还具有很强的脱氮除磷功能。SBR工艺对自控要求高,过去自控设备不过关,这种工艺无法推广,近年来自控技术和仪表应用于污水处理已经过关,我国昆明第三、第四污水厂采用SBR工艺已成功运行数年,因而SBR工艺得到大力推广,成为业内人士十分关注的一种工艺。
3大型城市污水处理厂的优选工艺
大型城市污水处理厂的优选工艺是传统活性污泥法及其改进型A/O法、A2/O法。目前世界上绝大多数国家(包括我国)的大型污水厂大多采用传统活性污泥法、A/O和A2/O法,我国的北京高碑店污水厂、天津纪庄子污水厂和东郊污水厂、沈阳市北部污水厂、郑州市污水厂、杭州市四堡污水厂、成都市三瓦窑污水厂等都采用这种工艺,这不是偶然的,因为这种工艺对大型污水厂具有难以替代的优点:
① 传统活性污泥法、A/O和A2/O法与氧化沟和SBR工艺相比最大优势是能耗较低、运营费用较低,规模越大这种优势越明显。对于大型污水厂来说,年运营费很可观,比如规模为40×104m3/d的污水厂,1m3污水节省处理费1分钱,一年就节省146万元。
这种工艺的能耗和运营费低的原因是:a.设置初沉池,利用物理法以最小的能耗和费用去除污水中相当一部分有机物和悬浮物,降低二级处理的负荷,显著节省能耗;b.污泥采用厌氧消化,它比氧化沟和SBR工艺的同步好氧消化显著节省能耗,是一种公认的节能工艺。
这种工艺的基建投资一般情况下比氧化沟和SBR工艺高,但随着规模的增大,氧化沟和SBR的基建费也成倍增加,而常规活性污泥法的投资则以较小的比例增加,两者的差距越来越小。当污水厂达到一定规模后,常规活性污泥法的投资比氧化沟与SBR还省,所以,污水厂规模越大,常规活性污泥法的优势就越大。② 常规活性污泥法、A/O和A2/O法的主要缺点是处理单元多,操作管理复杂,特别是污泥厌氧消化要求高水平的管理,消化过程产生的沼气是可燃易爆气体,更要求安全操作,这些都增加了管理的难度。但由于大型污水厂背靠大城市,技术力量强,管理水平较高,能满足这种要求,因而常规活性污泥法的缺点不会成为限制使用的因素。
根据我国目前的现实情况,城市污水处理处于起步阶段,法规和制度都不够健全,对污泥的稳定化要求没有明确的规定,同时由于排水管网系统不够完善,大多数城市污水的有机成分不高,加之污泥厌氧消化的管理和沼气的利用还缺乏成熟的经验,这些因素都降低了包含污泥厌氧消化工序的常规活性污泥法、A/O和A2/O法的经济性。因此,对于规模为(10～20)×104m3/d的城市污水处理厂,有时可能采用SBR和氧化沟工艺更为经济,在这种情况下,有必要对各种工艺进行详细的技术经济比较,以确定最佳工艺。
4中、小型城市污水处理厂的优选工艺
中、小型城市污水处理厂的优选工艺是氧化沟和SBR,它们的共同特点是:
① 去除有机物效率很高,有的还能脱氮、除磷或既脱氮又除磷,而且处理设施十分简单,管理非常方便,是目前国际上公认的高效、简化的污水处理工艺,也是世界各国中小型城市污水处理厂的优选工艺。
② 在10×104m3/d规模以下,氧化沟和SBR法的基建费用明显低于常规活性污泥法、A/O和A2/O法;对于规模为(5～10)×104m3/d的污水厂,氧化沟与SBR法的基建费用通常要低10%～15%。规模越小,两者差距越大,这对缺少资金建污水厂的中小城市很有吸引力。即使在10×104m3/d规模以下,氧化沟和SBR法的电耗和年运营费用仍高于常规活性污泥法,但如果与基建费用一起来比较,基建费加上20年的运营费总计还是比常规活性污泥法低些。规模越小,低得越多,规模越大,差距越小,当规模为10×104m3/d时,两类工艺的总费用大致相当。因此,对于中小型污水厂采用氧化沟与SBR法在经济上是有利的。
③ 氧化沟与SBR工艺通常都不设初沉池和污泥消化池,整个处理单元比常规活性污泥法少50%以上,操作管理大大简化,这对于技术力量相对较弱、管理水平相对较低的中小型污水处理厂很合适。
延伸阅读：
④ 氧化沟和SBR工艺的设备基本上实现了国产化,在质量上能满足工艺要求,价格比国外设备便宜好几倍,而且也省去了申请外汇进口设备的种种麻烦。
⑤ 氧化沟和SBR工艺的抗冲击负荷能力比常规活性污泥法好得多,这对于水质、水量变化剧烈的中小型污水厂很有利。
正是由于上述种种原因,氧化沟和SBR在国内外都发展很快。美国环保局(EPA)把污水处理厂的建设费用或运营费用比常规活性污泥法节省15%以上的工艺列为革新替代技术,由联邦政府给予财政资助,SBR和氧化沟工艺因此得以大力推广,已经建成的污水厂各有几百座。欧州的氧化沟污水厂已有上千座,澳大利亚近10多年建成SBR工艺污水厂近600座。在国内,氧化沟和SBR工艺已成为中小型污水处理厂的首选工艺。
5氧化沟工艺的主要分类和特点
氧化沟工艺大体上可以分为四类:
① 多沟交替式氧化沟,它的特点是合建式,没有单独的二沉池,采用转刷曝气。它有单沟、双沟和三沟式,最典型的是邯郸三沟式氧化沟。这种氧化沟具有SBR工艺的特点,也可算是SBR的一种类型,它的脱氮除磷效果不稳定,如果要求脱氮除磷,需增加一些设施。
② 卡鲁塞尔氧化沟,它是分建式,有单独的二沉池,采用表曝机曝气,沟深大于多沟交替式氧化沟,长沙水质净化二厂就是这种工艺,它的脱氮除磷效果也不够理想,如果要求脱氮除磷,也需增加一些设施。
③ 奥贝尔氧化沟,它也是分建式,有单独二沉池,采用转碟曝气,沟深也较大,现在四川、北京、山东、浙江等地都在采用,它的脱氮效果很好,但除磷效率不够高,要求除磷时还需采取一些措施。
④ 一体化氧化沟,是合建式,沉淀池建在氧化沟内,已在四川成都市新都污水厂和山东高密市污水厂应用。它既是连续进出水,又是合建式,且不用倒换功能,从理论上讲最经济合理,但在一些具体技术问题上还不十分成熟,因此影响了它的推广使用。
6SBR工艺的主要分类和特点
SBR工艺主要有以下几种类型:
① 传统式SBR工艺,它的所有操作都是间歇的、周期性的,四川巴中污水厂就是这种工艺。它的脱氮除磷效果不够稳定,如要求脱氮除磷,需做一些改进。
② ICEAS工艺,即间歇式循环延时曝气活性污泥法,它用隔墙将反应池分为两部分,前面是预反应区,后面是主反应区,采用连续进水,间歇曝气、沉淀、排水、排泥,已用在昆明第三、第四污水厂。它可以脱氮除磷,但效果不够理想。
③ DAT—IAT工艺,即连续曝气和间歇曝气相结合的工艺,反应池中部用隔墙分为两部分,前边的DAT连续曝气,后边的IAT间歇曝气、沉淀、排水、排泥,已用于天津开发区污水处理厂。它的脱氮除磷功能一般,需增加设施才能提高脱氮除磷效率。
④ CAST工艺,即循环式活性污泥法,它的反应池用隔墙分为选择区和主反应区,进水、曝气、沉淀、排水、排泥都是间歇周期性运行。它的脱氮除磷效果好,防止污泥膨胀的性能好,目前深圳、天津和云南的一些污水处理厂都采用此种工艺。
⑤ UNITANK工艺,是三个矩形池并联,按照类似三沟式氧化沟的周期运行模式工作,但把转刷曝气改为鼓风曝气,可加大池深,把出水可调堰改为固定堰,简化了排水,上海石洞口污水处理厂就是采用这种工艺,它的功能和三沟式氧化沟类似。
7氧化沟和SBR工艺的比较
氧化沟和SBR工艺有很多共同特点,也有各自的特点和适用性,在选定方案时需要仔细分析。
① 从基建投资看,SBR工艺是合建式,一般情况下征地费和土建费较氧化沟低,而设备费较氧化沟高,总造价的高低则要视具体情况决定。a.地价高,对氧化沟不利。b.进水BOD浓度高,反应容积与沉淀容积的比值高,对氧化沟有利;BOD浓度低,反应容积与沉淀容积的比值低,对SBR有利。
② 从运营费用看,SBR工艺通常用鼓风曝气,氧化沟工艺通常用机械曝气。一般说来,在供氧量相同的情况下,鼓风曝气比机械曝气省电;第二方面,SBR工艺是合建式,不用污泥回流(有的少量回流),氧化沟工艺是分建式要大量回流,电耗较大;第三方面,SBR工艺是变水位运行,增大了进水提升泵站的扬程。综合考虑,通常氧化沟工艺的电耗要比SBR工艺大些,运营费要高些。
③ 氧化沟工艺是连续运行,不要求自动控制,只是在要求节能时用自动控制;SBR工艺是周期间歇运行,各个工序转换频繁,需要自动控制。
④ SBR工艺是静态沉淀,氧化沟工艺是动态沉淀,因而SBR的沉淀效率更高,出水水质更好。
参考文献:
[1]周雹.试论城市污水处理厂工艺选择[J].中国给水排水,1995,11(增刊)
延伸阅读：
原标题：中、小型城市污水处理厂的优选工艺
