城市汙水不同於工業汙水,是人類生活中產生的汙水,是水體的主要染汙源之壹,主要是排泄物和洗滌汙水。城市居民每人每日排出生活汙水量為150~400L,其量與生活水平有密切關系。生活汙水中合有大量有機物,如纖維素、澱粉、糖類和脂肪蛋白質等,也常含有病原菌、病毒和寄生蟲卵,無機鹽類的氯化物、硫酸鹽、磷酸鹽、碳酸氫鹽和鈉、鉀、鈣、鎂等。總的特點是含氮、含硫、含磷高,在厭氧細菌作用下,易生惡臭物質。除磷技術是困擾城市汙水處理的主要難題,因此在城市的汙水處理中合理的選擇處理工藝便顯得的十分重要。
第壹節 城市汙水處理廠規模劃分
在城市汙水處理建設中首先我們要確定擬建汙水處理廠的規模,然後根據規模來選擇合適的工藝。根據我國的實際情況,大體上可分為大型、中型和小型汙水處理廠。
規模>10×104 m3/d的是大型汙水廠,壹般建在大城市,基建投資以億元計,年運營費用以千萬元計,目前全國已建成十多座,最大的是北京高碑店汙水處理廠,規模達100×104 m3/d。
中型汙水處理廠的規模為(1~10)×104 m3/d,壹般建於中、小城市和大城市的郊縣,基建投資幾千萬至上億元,年運營費用幾百萬到上千萬元,目前全國已建成幾十座,正建的有上百座,今後壹段時間還將大量增加。
規模<1×104 m3/d的是小型汙水處理廠,壹般建於小城鎮,基建投資幾百萬到上千萬,年運營費用幾十萬到上百萬;由於經濟條件的限制,目前這類汙水廠剛剛在沿海地區經濟發達的小城鎮出現,今後會越來越多,最終小型汙水廠的數量將超過大中型汙水廠。
第二節 城市汙水處理工藝選擇原則
1.投資省。目前大部分汙水處理項目都是國有資金投資的,我國是壹個發展中國家,經濟發展所需資金缺口龐大,控制投資對國民經濟可持續發展大有益處。
2.運行成本低。運行成本是汙水處理廠能否正常運行的重要因素,是選擇處理工藝的主要指標之壹。
3.占地少。土地資源是城市發展規劃的重要因素。
4.脫氮除磷效果好。隨著我國大面積水體環境的富營養化,汙水的脫氮除磷已經成為迫切需要解決的問題。我國實施的國家《汙水綜合排放標準》(GB8978-1996)也明確規定了適用於所有排汙單位,非常嚴格地規定了磷酸鹽排放標準和氨氮排放標準,這就意味著選擇汙水處理工藝首先要考慮脫氮除磷的問題。
5.現代先進技術與環保工程的有機結合。現代先進技術,尤其是計算機技術和自控系統設備的出現和完善,為環保工程的發展提供了有力的支持。目前,國外發達國家的汙水處理廠大都采用先進的計算機管理和自控系統,保證了汙水處理廠的正常運行和穩定合格地出水,而我國在這方面還比較落後。計算機控制和管理也必將是我國城市汙水處理廠發展的方向。
第三節 城市汙水處理工藝介紹
目前城市汙水處理工藝大都采用壹級處理和二級處理。壹級處理采用物理方法,主要通過格柵攔截、沈澱等手段去除廢水中大塊懸浮物和砂粒等物質,這壹工藝已很成熟,差別不大。二級處理則采用生化方法,主要通過微生物的生命運動等手段來去除廢水中的懸浮性、溶解性有機物以及氮、磷等營養鹽。目前這壹處理工藝有多種方法,歸結起來主要有以上介紹的幾種工藝,即SBR、A/O、A2/O、氧化溝工藝及傳統活性汙泥法等。
3.1 SBR工藝
SBR是序批式活性汙泥法,又名間歇曝氣法,它的基本特征是在壹個反應池中完成汙水的生化反應、沈澱、排水、排泥,不僅省去了初沈池和汙泥消化池,還省去了二沈池和回流汙泥泵房,處理設施比氧化溝還要簡單,而且處理效果好,有的SBR工藝還具有很強的脫氮除磷功能。
SBR工藝對自控要求高,過去自控設備不過關,這種工藝無法推廣,近年來自控技術和儀表應用於汙水處理已經過關,我國昆明第三、第四汙水廠采用SBR工藝已成功運行數年,因而SBR工藝得到大力推廣,成為業內人士十分關註的壹種工藝。
3.2 A/O工藝
A/O工藝也叫厭氧好氧工藝,A(Anacrobic)是厭氧段,用於脫氮除磷;O(Oxic)是好氧段,用於除水中的有機物。
A/O工藝的優點與缺點:
1.A/O工藝的優點
(1)流程簡單,不需外加碳源和後曝氣池,以原汙水為碳源,建設和運行成本較低。
(2)反硝化在前、硝化在後,設內循環,以原汙水中的有機物作為碳源,效果好,反硝化反應充分。
(3)曝氣池在後,使反硝化殘留物得以進壹步去除,提高了處理水水質。
(4)A段攪拌,只使汙泥懸浮,而避免DO的增加。O段的前段采用強曝氣,後段減少氣量,使內循環液的DO含量降低,以保證A段的缺氧狀態。
2.A/O工藝的缺點
(1)由於沒有獨立的汙泥回流系統而不能培養出具有獨特功能的汙泥,難降解物質的降解率較低。
(2)若要提高脫氮效率,必須加大內循環比,因而加大運行費用。從外、內循環液來自曝氣池,含有壹定的DO,使A段難以保持理想的缺氧狀態,影響反硝化效果,脫氮率很難達到90%。
3.3 A2/O工藝
A2/O工藝是厭氧-缺氧-好氧生物脫氮除磷工藝的簡稱。A2/O工藝將生物脫氮生物除磷綜合到了同壹活性汙泥系統中。
A2/O工藝的優點與缺點
1.A2/O工藝的優點
處理效率高,壹般能達到:BOD5和SS為90%~95%,總氮為70%以上,磷為90%左右,壹般適用於要求脫氮除磷的大中型城市汙水廠。
2.A2/O工藝的缺點
建設成本和運行成本均高於普通活性汙泥法,運行管理要求高,只有當處理後的汙水排入封閉性水體或緩流水體引起富營養化,從而影響水體時,才采用該工藝。
3.4 傳統活性汙泥工藝
長期以來,城市生活汙水多采用活性汙泥法,它是世界各國應用最廣的壹種生物處理流程,具有處理能力高,出水水質好的優點。該方法主要由曝氣池、沈澱池、汙泥回流和剩余汙泥排放系統組成。廢水和回流的活性汙泥壹起進入曝氣池形成混合液。曝氣池是壹個生物反應器,通過曝氣設備充入空氣,空氣中的氧溶入混合液,產生好氧代謝反應,且使混合液得到足夠的攪拌而呈懸浮狀態,這樣,廢水中的有機物、氧氣同微生物能充分接觸反應。隨後混合液進入沈澱池,混合液中的懸浮固體在沈澱池中沈下來和水分離,流出沈澱池的就是凈化水。沈澱池中的汙泥大部分回流,稱為回流汙泥,回流汙泥的目的是使曝氣池內保持壹定的懸浮固體濃度,也就是保持壹定的微生物濃度。曝氣池中的生化反應引起微生物的增殖,增殖的微生物量通常從沈澱池中排除,以維持活性汙泥系統的穩定運行,這部分汙泥叫剩余汙泥。活性汙泥除了有氧化和分解有機物的能力外,還要有良好的凝聚和沈降性能,以使活性汙泥能從混合液中分離出來,得到澄清的出水。采用傳統的活性汙泥法,往往基建費、運行費高,能耗大,管理復雜,易出現汙泥膨脹現象;設備不能滿足高效低耗的要求。
3.5 氧化溝
氧化溝是活性汙泥法的壹種變型,其曝氣池呈封閉的溝渠型,故它在水力流態上不同於傳統的活性汙泥法。它是壹種首尾相連的循環流曝氣溝渠,汙水滲入其中得到凈化,最早的氧化溝渠是加以護坡處理的土溝渠,是間歇進水間歇曝氣的。從這壹點上來說,氧化溝最早是以序批方式處理汙水的技術。氧化溝汙水處理的整個過程如進水、曝氣、沈澱、汙泥穩定和出水等全部集中在氧化溝內完成,最早的氧化溝不需另設初沈池、二沈池和汙泥回流設備。隨著處理規模和範圍逐漸擴大,通常采用延時曝氣。連續進出水,所產生的微生物汙泥在汙水曝氣凈化的同時得到穩定,不需設置初沈池和汙泥消化池,處理設施大大簡化。
氧化溝工藝的優點
氧化溝工藝以其經濟簡便的突出優勢已成為中小型城市汙水廠的首選工藝。其具有多功能性、汙泥穩定、出水水質好和易於管理等優點。
綜上所述,選擇壹種好的城市汙水處理工藝,無論是對國民經濟的發展還是對環境保護、資源再利用都有著不同尋常的意義。好的工藝具有工藝簡單、設備可靠、管理方便、投資省、占地少、效率高、運行成本低、汙水處理能達標排放並可回用等優點。
第二章 城市汙水處理廠的工藝選擇
第壹節 大型汙水處理廠工藝選擇
大型城市汙水處理廠的優選工藝是傳統活性汙泥法及其改進型A/O法、A2/O法。目前世界上絕大多數國家(包括我國)的大型汙水廠大多采用傳統活性汙泥法、A/O和A2/O法,我國的北京高碑店汙水廠、天津紀莊子汙水廠和東郊汙水廠、沈陽市北部汙水廠、鄭州市汙水廠、杭州市四堡汙水廠、成都市三瓦窯汙水廠等都采用這種工藝,這不是偶然的,因為這種工藝對大型汙水廠具有難以替代的優點:
1、傳統活性汙泥法、A/O和A2/O法與氧化溝和SBR工藝相比最大優勢是能耗較低、運營費用較低,規模越大這種優勢越明顯。對於大型汙水廠來說,年運營費很可觀,比如規模為40×104 m3/d的汙水廠,1m3汙水節省處理費1分錢,壹年就節省146萬元。
這種工藝的能耗和運營費低的原因是:a.設置初沈池,利用物理法以最小的能耗和費用去除汙水中相當壹部分有機物和懸浮物,降低二級處理的負荷,顯著節省能耗;b.汙泥采用厭氧消化,它比氧化溝和SBR工藝的同步好氧消化顯著節省能耗,是壹種公認的節能工藝。
這種工藝的基建投資壹般情況下比氧化溝和SBR工藝高,但隨著規模的增大,氧化溝和SBR的基建費也成倍增加,而常規活性汙泥法的投資則以較小的比例增加,兩者的差距越來越小。當汙水廠達到壹定規模後,常規活性汙泥法的投資比氧化溝與SBR還省,所以,汙水廠規模越大,常規活性汙泥法的優勢就越大。
2、常規活性汙泥法、A/O和A2/O法的主要缺點是處理單元多,操作管理復雜,特別是汙泥厭氧消化要求高水平的管理,消化過程產生的沼氣是可燃易爆氣體,更要求安全操作,這些都增加了管理的難度。但由於大型汙水廠背靠大城市,技術力量強,管理水平較高,能滿足這種要求,因而常規活性汙泥法的缺點不會成為限制使用的因素。
根據我國目前的現實情況,城市汙水處理處於起步階段,法規和制度都不夠健全,對汙泥的穩定化要求沒有明確的規定,同時由於排水管網系統不夠完善,大多數城市汙水的有機成分不高,加之汙泥厭氧消化的管理和沼氣的利用還缺乏成熟的經驗,這些因素都降低了包含汙泥厭氧消化工序的常規活性汙泥法、A/O和A2/O法的經濟性。因此,對於規模為(10~20)×104 m3/d的城市汙水處理廠,有時可能采用SBR和氧化溝工藝更為經濟,在這種情況下,有必要對各種工藝進行詳細的技術經濟比較,以確定最佳工藝。
第二節 中、小型城市汙水處理廠的優選工藝
中、小型城市汙水處理廠的優選工藝是氧化溝和SBR,它們的***同特點是:
1、去除有機物效率很高,有的還能脫氮、除磷或既脫氮又除磷,而且處理設施十分簡單,管理非常方便,是目前國際上公認的高效、簡化的汙水處理工藝,也是世界各國中小型城市汙水處理廠的優選工藝。
2、在10×104 m3/d規模以下,氧化溝和SBR法的基建費用明顯低於常規活性汙泥法、A/O和A2/O法;對於規模為(5~10)×104 m3/d的汙水廠,氧化溝與SBR法的基建費用通常要低10%~15%。規模越小,兩者差距越大,這對缺少資金建汙水廠的中小城市很有吸引力。
即使在10×104 m3/d規模以下,氧化溝和SBR法的電耗和年運營費用仍高於常規活性汙泥法,但如果與基建費用壹起來比較,基建費加上20年的運營費總計還是比常規活性汙泥法低些。規模越小,低得越多,規模越大,差距越小,當規模為10×104 m3/d時,兩類工藝的總費用大致相當。因此,對於中小型汙水廠采用氧化溝與SBR法在經濟上是有利的。
3、氧化溝與SBR工藝通常都不設初沈池和汙泥消化池,整個處理單元比常規活性汙泥法少50%以上,操作管理大大簡化,這對於技術力量相對較弱、管理水平相對較低的中小型汙水處理廠很合適。
4、氧化溝和SBR工藝的設備基本上實現了國產化,在質量上能滿足工藝要求,價格比國外設備便宜好幾倍,而且也省去了申請外匯進口設備的種種麻煩。
5、氧化溝和SBR工藝的抗沖擊負荷能力比常規活性汙泥法好得多,這對於水質、水量變化劇烈的中小型汙水廠很有利。
正是由於上述種種原因,氧化溝和SBR在國內外都發展很快。美國環保局(EPA)把汙水處理廠的建設費用或運營費用比常規活性汙泥法節省15%以上的工藝列為革新替代技術,由聯邦政府給予財政資助,SBR和氧化溝工藝因此得以大力推廣,已經建成的汙水廠各有幾百座。歐州的氧化溝汙水廠已有上千座,澳大利亞近10多年建成SBR工藝汙水廠近600座。在國內,氧化溝和SBR工藝已成為中小型汙水處理廠的首選工藝。
6、氧化溝工藝的主要分類和特點
氧化溝工藝大體上可以分為四類:
①多溝交替式氧化溝,它的特點是合建式,沒有單獨的二沈池,采用轉刷曝氣。它有單溝、雙溝和三溝式,最典型的是邯鄲三溝式氧化溝。這種氧化溝具有SBR工藝的特點,也可算是SBR的壹種類型,它的脫氮除磷效果不穩定,如果要求脫氮除磷,需增加壹些設施。
②卡魯塞爾氧化溝,它是分建式,有單獨的二沈池,采用表曝機曝氣,溝深大於多溝交替式氧化溝,長沙水質凈化二廠就是這種工藝,它的脫氮除磷效果也不夠理想,如果要求脫氮除磷,也需增加壹些設施。
③奧貝爾氧化溝,它也是分建式,有單獨二沈池,采用轉碟曝氣,溝深也較大,現在四川、北京、山東、浙江等地都在采用,它的脫氮效果很好,但除磷效率不夠高,要求除磷時還需采取壹些措施。
④壹體化氧化溝,是合建式,沈澱池建在氧化溝內,已在四川成都市新都汙水廠和山東高密市汙水廠應用。它既是連續進出水,又是合建式,且不用倒換功能,從理論上講最經濟合理,但在壹些具體技術問題上還不十分成熟,因此影響了它的推廣使用。
7、SBR工藝的主要分類和特點
SBR工藝主要有以下幾種類型:
①傳統式SBR工藝,它的所有操作都是間歇的、周期性的,四川巴中汙水廠就是這種工藝。它的脫氮除磷效果不夠穩定,如要求脫氮除磷,需做壹些改進。
②ICEAS工藝,即間歇式循環延時曝氣活性汙泥法,它用隔墻將反應池分為兩部分,前面是預反應區,後面是主反應區,采用連續進水,間歇曝氣、沈澱、排水、排泥,已用在昆明第三、第四汙水廠。它可以脫氮除磷,但效果不夠理想。
③DAT—IAT工藝,即連續曝氣和間歇曝氣相結合的工藝,反應池中部用隔墻分為兩部分,前邊的DAT連續曝氣,後邊的IAT間歇曝氣、沈澱、排水、排泥,已用於天津開發區汙水處理廠。它的脫氮除磷功能壹般,需增加設施才能提高脫氮除磷效率。
④CAST工藝,即循環式活性汙泥法,它的反應池用隔墻分為選擇區和主反應區,進水、曝氣、沈澱、排水、排泥都是間歇周期性運行。它的脫氮除磷效果好,防止汙泥膨脹的性能好,目前深圳、天津和雲南的壹些汙水處理廠都采用此種工藝。
⑤UNITANK工藝,是三個矩形池並聯,按照類似三溝式氧化溝的周期運行模式工作,但把轉刷曝氣改為鼓風曝氣,可加大池深,把出水可調堰改為固定堰,簡化了排水,上海石洞口汙水處理廠就是采用這種工藝,它的功能和三溝式氧化溝類似。
8、氧化溝和SBR工藝的比較
氧化溝和SBR工藝有很多***同特點,也有各自的特點和適用性,在選定方案時需要仔細分析。
a、從基建投資看,SBR工藝是合建式,壹般情況下征地費和土建費較氧化溝低,而設備費較氧化溝高,總造價的高低則要視具體情況決定。
b、地價高,對氧化溝不利。進水BOD濃度高,反應容積與沈澱容積的比值高,對氧化溝有利;BOD濃度低,反應容積與沈澱容積的比值低,對SBR有利。
c、從運營費用看,SBR工藝通常用鼓風曝氣,氧化溝工藝通常用機械曝氣。壹般說來,在供氧量相同的情況下,鼓風曝氣比機械曝氣省電;第二方面,SBR工藝是合建式,不用汙泥回流(有的少量回流),氧化溝工藝是分建式要大量回流,電耗較大;第三方面,SBR工藝是變水位運行,增大了進水提升泵站的揚程。綜合考慮,通常氧化溝工藝的電耗要比SBR工藝大些,運營費要高些。
d、氧化溝工藝是連續運行,不要求自動控制,只是在要求節能時用自動控制;SBR工藝是周期間歇運行,各個工序轉換頻繁,需要自動控制。
e、SBR工藝是靜態沈澱,氧化溝工藝是動態沈澱,因而SBR的沈澱效率更高,出水水質更好。