城市污水強(qiáng)化一級(jí)處理新工藝——活化污泥法

蔣展鵬，尤作亮，師紹琪，祝萬鵬，管運(yùn)濤?
（清華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，北京100084）

　　摘　要： 根據(jù)絮凝動(dòng)力學(xué)和生物吸附理論，提出了“絮凝吸附—沉淀—活化”的城市污水 強(qiáng)化一級(jí)處理工藝，即活化污泥法。工藝對污染物去除的強(qiáng)化作用主要包括污泥的絮凝作用、吸附作用和生物代謝作用，而以前兩者的作用為主。對城市生活污水的處理試驗(yàn)結(jié)果表明，該工藝能夠較大程度地提高SS、COD、BOD、SCOD等污染物的去除率，具有明顯的強(qiáng)化一級(jí)處理效果。?
　　關(guān)鍵詞：城市污水；一級(jí)處理；活化污泥；絮凝吸附
　　中圖分類號(hào)：X703.1
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1000-4602(1999)12-0001-05

A New Process for Enhanced Primary Treatment of Municipal Wastew ater?
——Activation Sludge Process?
JIANG Zhan-peng，YOU Zuo-liang，SHI Shao-qi，?
ZHU Wan-peng，GUAN Yun-tao?
(Depart. of Environ. Sci. and Eng., Qinghua Univ., Beijing 100084, China)?

　　Abstract： Based on the theories of flocculation kinetic and biological adsor ption, a new process for enhanced primary treatment of municipal wastewater, flo cculation-adsorption-sedimentation- activation process named as “activation slu dge process”, was developed and reported in this paper. The enhancement action of the process for pollutant removal included flocculation, adsorption and biolo gic al metabolism. Among them, the first two were predominant. The results showed th at the process could increase removal efficiencies of SS, COD, SCOD, BOD and oth er pollutants in wastewater obviously.
?　Keywords:municipal wastewater;primary treatment;activation sludge;flocculation-adsorption

　　 近年來，我國城市污水排放量持續(xù)增長，1998年為194×10^８t，又比1997年 的189×10^８t有所增加，已約占全國污水排放總量的一半，但污水處理率一直較低，城市水環(huán)境普遍受到嚴(yán)重污染^［1、2］。解決城市污水污染的根本措施是建設(shè)以生物處理為主體工藝的二級(jí)城市污水處理廠，然而，建設(shè)大批二級(jí)城市污水處理廠需要大量的投資和高額運(yùn)行費(fèi)，這對發(fā)展中國家是極為困難的。我國不少地區(qū)，特別是經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)和中小城市，水污染控制遇到的重要難題正是污水處理廠建設(shè)和運(yùn)行資金的短缺，致使一批規(guī)劃中的污水處理廠遲遲不能上馬，已經(jīng)建成的不能正常運(yùn)行，預(yù)期的環(huán)境目標(biāo)無法實(shí)現(xiàn)。對于這些地區(qū)而言，當(dāng)前首要解決的不完全是治理深度的問題，而是治理與否的問題。但投資較低的一級(jí)處理又對污染物的去除效果較差，因而，各種類型投資較低而對污染物去除率較高的城市污水強(qiáng)化一級(jí)處理工藝應(yīng)運(yùn)而生^［3］。?

1 工藝原理與工藝流程

1.1 工藝的提出
　　由絮凝動(dòng)力學(xué)的分析可知，如果在污水的一級(jí)處理中引入適當(dāng)大粒徑的絮狀顆粒物，利用其巨大的表面積對細(xì)微顆粒物質(zhì)的絮凝吸附作用，能夠提高絮體的沉降速度，減少污水的沉淀時(shí)間。而絮體又通過接觸凝聚的原理，吸附水中的溶解性物質(zhì)和懸浮固體，提高污染物的去除效果。二級(jí)生物處理能夠成為城市污水的主要處理方法，很大程度上是因?yàn)槲⑸锬軌虍a(chǎn)生一種胞外聚合物，在一定條件下使微生物聚合起來成為粒度適當(dāng)、沉降性能良好的生物絮體，吸附污水中的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行生物代謝，并易于從處理出水中分離。另外，微生物在生命活動(dòng)中產(chǎn)生的某些高分子物質(zhì)具有絮凝作用，即微生物絮凝物質(zhì)，其作用量小且絮凝效果好。但是，專門培養(yǎng)絮凝性微生物并提取微生物絮凝物質(zhì)，目前在工業(yè)化生產(chǎn)上還有一定的困難，而且費(fèi)用較高，難以應(yīng)用于城市污水處理。但如果將微生物絮體引入一級(jí)處理，并控制適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件，既可以發(fā)揮其生物吸附作用，又可以產(chǎn)生一定量的微生物絮凝物質(zhì)，不必提取而直接發(fā)揮絮凝作用，從而有效提高污水一級(jí)處理的效率。由此，本文提出生物絮凝吸附強(qiáng)化一級(jí)處理的“絮凝吸附—沉淀—活化”工藝。?
1.2 工藝流程與工藝原理?
　　 工藝流程簡圖如圖1。

?

　　 未經(jīng)沉淀的生活污水原水與生物污泥進(jìn)入混合反應(yīng)器（絮凝吸附池），二者在機(jī)械攪拌作用下充分混合。經(jīng)絮凝吸附反應(yīng)后，大量污染物質(zhì)被絮凝吸附而進(jìn)入污泥絮體，出水進(jìn)入沉淀池，實(shí)現(xiàn)固液分離。沉淀池出水就是此工藝最終出水。為了恢復(fù)沉淀池飽和污泥的生物絮凝吸附活性，將沉淀污泥短時(shí)間曝氣活化，以部分降解吸附的有機(jī)物，產(chǎn)生適量的微生物絮凝物質(zhì)，改善污泥的沉降性能，同時(shí)保持污泥的好氧狀態(tài)，避免變黑、發(fā)臭。完成這一過程的反應(yīng)器稱為污泥活化池。在活化池內(nèi)發(fā)生的飽和污泥恢復(fù)活性的 反應(yīng)稱為活化反應(yīng)，其能耗遠(yuǎn)低于二級(jí)生物氧化反應(yīng)?；罨禺a(chǎn)生的具有生物絮凝吸附活性的污泥稱為活化污泥?；罨蟮奈勰嗷亓髦列跄匠?。剩余污泥從沉淀池底部排出。?
　　 由以上對工藝過程的分析可知，本工藝對污染物質(zhì)的去除包括以下四種作用：①絮 凝吸附池中發(fā)生的污泥及微生物絮凝物質(zhì)對微細(xì)顆粒污染物的絮凝作用；②絮凝吸附池中生物污泥對溶解性污染物的吸附作用；③沉淀池中發(fā)生的大顆粒懸浮固體的自然沉降作用；④污泥活化池中微生物對所吸附的溶解性有機(jī)污染物的生物代謝作用。其中，對城市污水有強(qiáng)化作用的是絮凝吸附池的絮凝作用、吸附作用和活化池的生物代謝作用。但活化池中的生物代謝主要是為了恢復(fù)污泥的活性，生物代謝時(shí)間和生物代謝量均較小，對污染物的去除作用較小。因而，強(qiáng)化一級(jí)處理的主要作用是生物污泥的絮凝吸附作用。?

2 生物絮凝吸附強(qiáng)化一級(jí)處理效果

2.1 試驗(yàn)條件
　　根據(jù)確定的工藝流程，以圖2的試驗(yàn)裝置對清華大學(xué)西北住宅小區(qū)的生活污水進(jìn)行了強(qiáng)化一級(jí)處理試驗(yàn)。原水水質(zhì)見表1。經(jīng)對各影響因素進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)和正交試驗(yàn)后，確定的試驗(yàn)工藝參數(shù)為：進(jìn)水流量4 L/h，絮凝吸附池水力停留時(shí)間0.5 h，攪拌混合速度梯度為60 s^-1，沉淀池沉淀時(shí)間為1 h，污泥活化池內(nèi)保持溶解氧2 mg/L，活化時(shí)間2h，污泥回流量1.2 L/h，回流比30%。試驗(yàn)在自然溫度下進(jìn)行，溫度范圍為10～27 ℃。?

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
　　三個(gè)多月的運(yùn)行綜合結(jié)果列于表1。

表1 強(qiáng)化一級(jí)處理試驗(yàn)各污染物去除效果 項(xiàng)目 濃度（mg/L) 均值（mg/L) 平均去除率R（%） 強(qiáng)化去除率Re[4] 對照去除率Rc（%） 進(jìn)水 出水 進(jìn)水 出水 SS 120-800 5-70 370 40 86.8 48.7 74.3 COD 200-900 80-260 570 175 68.9 45.8 42.5 SCOD 50-190 20-135 109 66 41.0 35.2 8.9 BOD₅ 120-270 40-115 220 75 65.5 44.4 38 NH₃-N 45-90 40-85 73 70 4.2 　 　 有機(jī)氮 25-35 11-18 29 14 51.0 　 　 總磷 9-16 7-12 13 10 24.2 　 　

　　表中，對照去除率RC是指原污水經(jīng)自然沉淀后對水 中污染物的去除率；強(qiáng)化去除率R_e是指強(qiáng)化措施對自然沉淀后出水中污染物的去除率；而 平均去除率R則是本強(qiáng)化工藝對污染物總?cè)コ嗜齻€(gè)多月運(yùn)行的平均值，即：

　　　　　　　R=（C₀-C）/C₀×100% （1）
　　　　　　　Rc=(C₀-Cc)/C₀×100% (2)
　　　　　　　Re=(Cc-C)/Cc×100% (3)

　　式中　C₀——原污水污染物濃度
　　　　　Cc——自然沉淀出水中污染物濃度
　　　　　C——強(qiáng)化工藝出水中污染物濃度

　　各污染指標(biāo)的去除效果分述如下：?
　?、賾腋」腆w?
　　強(qiáng)化一級(jí)處理的主要目的是提高懸浮固體的去除率，以減小后續(xù)處理的負(fù)荷。當(dāng)進(jìn)水SS 為120～800mg/L，平均為370 mg/L時(shí)，處理出水SS在5～70mg/L之間，平均為40 mg/L ，平均去除率86.8%，強(qiáng)化去除率為48.7%。而對照自然沉淀試驗(yàn)的SS去除率則為74.3%，較強(qiáng)化處理低12.5個(gè)百分點(diǎn)。進(jìn)水中的懸浮顆粒主要分布在2～110μm，見圖3。?

　　經(jīng)強(qiáng)化處理后，顆粒體積濃度由0.101%下降為0.004 8%，去除率為95.25%；作為對照，經(jīng)自然沉淀后，顆粒體積濃度下降為0.0114%，去除率為88.71%。自然沉淀后出水顆粒的分布范圍在2～50μm，最大粒徑百分比由 原 水的30μm左右降為20μm左右。而強(qiáng)化處理出水的粒度分布出現(xiàn)雙峰分布，第一峰出現(xiàn)在 2～20μm，主要是水中殘留的微細(xì)顆粒；第二峰出現(xiàn)在50～150μm，主要是少數(shù)游離細(xì)菌和一些原生動(dòng)物。在兩個(gè)峰值之間，幾乎沒有中間粒徑的顆粒存在，表明強(qiáng)化處理主要提高 了2～50μm粒徑顆粒的去除率，其中20～50μm的顆?；救咳コ?。?
　?、贑OD與BOD₅
　　原水COD一般在200～900mg/L，平均570mg/L，處理出水COD80～260mg/L，平均175mg/L，平均去除率68.9%；運(yùn)行初期COD去除率略低，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，去除率有增加的趨勢，一個(gè)月后，基本穩(wěn)定在70%左右。進(jìn)水中溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)一般在50～190m g/L，平均109mg/L，出水SCOD20～135mg/L，平均66mg/L，平均去除率為41%；非溶解顆粒性COD（PCOD）的去除率為76.5%?？梢奀OD的去除效果主要是通過對顆粒性的非溶解性COD去除達(dá)到的。而對照自然沉淀試驗(yàn)的COD和SCOD的去除率分別只有42.5%和8.9%。因此，強(qiáng)化處理效果十分明顯，COD和SCOD的去除率分別較對照試驗(yàn)增加了26.4和31.5個(gè)百分點(diǎn)，強(qiáng)化去除率分別為45.8%和35.2%。
　　試驗(yàn)中間還階段性地測定了BOD₅。進(jìn)BOD₅一般在120～270mg/L，平均220mg/L；處理后出水BOD₅ 40～115 mg/L，平均75 mg/L；平均去除率65.5%，強(qiáng)化去除率為44.4%。?
　　一般情況下，一級(jí)處理去除的SS中無機(jī)成分所占比例較大，所以處理出水的BOD₅/COD比值會(huì)比處理前有所增加，改善了廢水的可生化性。但由于活化池內(nèi)消耗了部分BOD₅ ，所以本試驗(yàn)中BOD₅/COD比值由原來的0.38變?yōu)?.43，增加量并不很大。
　　③氮
　　本試驗(yàn)進(jìn)出水氨氮均在70 mg/L左右，基本沒有去除效果。進(jìn)水有機(jī)氮一般在25～35mg/ L，平均29 mg/L，出水有機(jī)氮11～18 mg/L，平均14 mg/L，去除率在51%左右。其原因在于 本工藝主要去除顆粒性固體，對溶解性的氨氮難以去除，同時(shí)污泥在活化曝氣池中的水力停留時(shí)間短，氨氮不能得到有效的硝化，去除效果自然不好。而有機(jī)氮較多地存在于顆粒性固 體中，隨著SS的去除而得到一定程度的去除。實(shí)測進(jìn)水硝酸鹽氮為0.27mg/L，亞硝酸鹽氮 測不出；出水硝酸鹽氮0.29 mg/L，亞硝酸鹽氮依然測不出，說明幾乎沒有硝化效果。
　?、芸偭?br> 　　進(jìn)水總磷9～16 mg/L，平均12.8mg/L，出水7～12 mg/L，平均9.6 mg/L，平均去除率為24.2%。

3 藝特點(diǎn)比較

3.1 與普通一級(jí)處理比較
　　在懸浮顆粒的沉淀過程中，如果有較大粒徑的顆粒存在，可以使總的顆粒下降速度顯著加快^［3］。生物絮凝吸附強(qiáng)化一級(jí)處理是在原污水中引入顆粒直徑較大的活化污泥 絮體，不僅有一般大顆粒對懸浮固體的強(qiáng)化沉淀效果，更有生物絮凝吸附作用。它的實(shí)質(zhì)就是直接利用微生物細(xì)胞及其代謝產(chǎn)物作為吸附劑和絮凝劑，通過對污染物質(zhì)的物理吸附、化學(xué)吸附和生物吸附、吸收作用，以及吸附架橋、電性中和及沉淀物網(wǎng)捕等絮凝作用，把污水中較小的顆粒物質(zhì)和一部分膠體物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物絮體的組成部分，并通過絮體沉降作用而快速去除。與普通一級(jí)處理相比，它對污染物的去除雖也以沉淀作用為主，但也伴隨發(fā)生少量的生物代謝作用；由于生物絮凝吸附和生物代謝作用的存在，對與懸浮物有關(guān)的或容易與懸浮物結(jié)合的污染物的去除率較高，對以溶解狀態(tài)存在的有機(jī)物質(zhì)也有一定的去除作用；雖然它的產(chǎn)泥量較大，但生物絮凝吸附不像物化絮凝強(qiáng)化工藝，它在處理過程中不投加任何藥劑，沒有引入新的污泥形成物質(zhì)，因而其產(chǎn)泥量比物化強(qiáng)化處理產(chǎn)泥量要少，同時(shí)生物絮凝吸附工藝產(chǎn)生的污泥有機(jī)質(zhì)含量高、易于厭氧消化、農(nóng)用價(jià)值也較大；雖然基建費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用都有所提高，但去除單位污染物質(zhì)的總費(fèi)用較低。
3.2 與二級(jí)生物處理（活性污泥法）比較
　　二級(jí)生物處理（活性污泥法）主要是利用污泥中大量微生物的生物合成和生物氧化作用，將溶解性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為細(xì)胞物質(zhì)或礦化。其處理對象主要是溶解性有機(jī)物質(zhì)，處理手段是生物代謝轉(zhuǎn)化。而生物絮凝吸附強(qiáng)化一級(jí)處理則主要利用活化污泥中微生物絮凝物質(zhì)的絮凝作用和污泥絮體的絮凝吸附作用，僅在污泥活化過程中伴有少量的生物合成和生物氧化作用 ，可以說是二級(jí)處理的前奏；活化污泥與活性污泥的區(qū)別，在于活化污泥氧化程度較低，活性微生物含量較少，污泥吸附性能不如活性污泥，但沉降性能良好。其處理對象主要是小顆粒的懸浮物質(zhì)和膠體微粒，同時(shí)包含少量溶解性物質(zhì)。當(dāng)有條件的時(shí)候，生物絮凝吸附強(qiáng)化一級(jí)處理工藝很容易擴(kuò)建成二級(jí)生物處理。同樣，二級(jí)處理中的剩余污泥氧化程度較高，也可以用于污水的強(qiáng)化一級(jí)處理。對于處理負(fù)荷較高的現(xiàn)有二級(jí)污水處理廠，可以將剩余污泥回流到初沉池，提高初沉池的污染物去除率，以減輕曝氣池的處理壓力或擴(kuò)大二級(jí)處理能力。
3.3 與兩段活性污泥法(AB法)比較?
　　AB法是一種常見的二級(jí)生物處理法，其比較有特色的地方在于A級(jí)利用生物絮凝吸附作用和一定的生物代謝作用，快速地去除污染物質(zhì)。但A級(jí)終究還是二級(jí)處理的一個(gè)組成部分，全部污水和污泥都需同時(shí)曝氣，細(xì)菌處于對數(shù)生長期，游離細(xì)菌較多。同時(shí)，曝氣池中的劇烈攪拌將污泥絮體打碎，不利于懸浮顆粒的沉淀，因而對SS的去除率并不高。而生物絮凝吸附強(qiáng)化工藝則不對污水直接曝氣，不以生物代謝轉(zhuǎn)化為污染物去除的主要作用，只將少量污泥集中在活化池曝氣，故本質(zhì)上還是一級(jí)處理。

4　 結(jié)語

　　強(qiáng)化一級(jí)處理是在普通一級(jí)處理的基礎(chǔ)上，通過增加較少的投資，能較大程度地提 高污染物的去除率，削減總污染負(fù)荷，降低去除單位重量污染物的費(fèi)用。它是適應(yīng)于環(huán)境狀 況亟待改善而經(jīng)濟(jì)尚欠發(fā)達(dá)地區(qū)的一種新型實(shí)用技術(shù)。本文提出了活化污泥絮凝吸附強(qiáng)化一 級(jí)處理的新工藝，主要利用了污泥的絮凝吸附作用和微生物絮凝物質(zhì)的絮凝作用，同時(shí)，在 污泥活化過程中伴有少量的生物代謝作用。應(yīng)用該工藝對城市生活污水的強(qiáng)化一級(jí)處理試驗(yàn) 結(jié)果表明，對SS、COD、BOD和SCOD等污染指標(biāo)具有明顯的強(qiáng)化處理效果。
　　強(qiáng)化一級(jí)處理是一種高效而低投入的新型技術(shù)，有著較高的實(shí)用價(jià)值和良好的應(yīng)用前景。它既可以單獨(dú)用于城市污水的一級(jí)處理，又可以用于現(xiàn)有二級(jí)污水處理廠的強(qiáng)化改造。

　　本文得到香港科技大學(xué)土木系黃汝常教授的指導(dǎo)與幫助，謹(jǐn)致謝意。

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　　作者簡介：蔣展鵬(1938- )，男，浙江杭州人 ，清華大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：水處理工程。
　　電　　話：(010)62784527(O) 62784289(H)?
　　E-mail：jzp@mail.tsinghua.edu.cn? 收稿日期：1999-08-06