出　　自： 《中國給水排水》 1998年第5期第28頁
發(fā)表時間： ： 1998-5

尤作亮；蔣展鵬；祝萬鵬；師紹琪

( 清華大學)

城市污水是城市水環(huán)境污染的主要來源之一，解決城市污水污染的根本措施是建設(shè)集中式城市污水處理廠，一般發(fā)展中國家都采用先建設(shè)一級處理以后再逐步完善二級處理的策略。但以自然沉淀為主體的一級處理污染物去除率較低，難以有效地控制水環(huán)境污染，為了提高其去除率，必須加以強化處理。而已建成的二級生物處理廠，由于其高昂的運行費和高能耗，也希望能夠通過強化一級處理，減輕二級處理的負荷，降低能耗。近年來，一級處理強化技術(shù)的研究已成為新的熱點，引起了國內(nèi)外水處理工程界的關(guān)注和重視。

1 我國城市污水處理概況

城市污水處理是水環(huán)境污染控制的一個重要內(nèi)容。發(fā)達國家的城市二級污水處理廠相當普及，處理率可達90%或更高；由于經(jīng)濟的原因，發(fā)展中國家的城市污水處理率較低，由此引起的城市水環(huán)境污染也較嚴重。
我國經(jīng)濟發(fā)展較快，城市化率不斷提高，污水排放量持續(xù)增加，城市水環(huán)境受到嚴重污染。1994年城市污水排放量200.1×10 8 m 3 ，處理率僅為6.7% [1] ，同年工業(yè)廢水處理率則為75.0%。可見，我國的城市污水還處于較低的處理水平，提高城市污水的處理率已成為當務(wù)之急。
我國的城市污水處理廠以二級生物處理為主，特別是近年建成的城市污水處理廠多是二級生物處理。全國117座城市污水處理廠中僅有24座為一級處理，約占總數(shù)的20.5%、總處理能力的17%；二級處理廠有93座，約占總數(shù)的79.5%、總處理能力的83%。由于能耗大，運行費用高，相當數(shù)量的污水處理廠沒有正常運行，實際處理能力遠低于設(shè)計能力。
我國中小城鎮(zhèn)多，分布面廣，污水排放量大(約占城市污水總量的70%)，資金缺乏，廢水處理任務(wù)十分艱巨。因而，這些城市的污水處理廠應(yīng)分批建設(shè)，在近期內(nèi)先大力發(fā)展并逐步普及一級處理廠，經(jīng)過強化一級處理，以較少的投資削減較大量的污染負荷，到條件成熟后再建設(shè)二級處理工藝。這對我國這樣經(jīng)濟尚不發(fā)達而環(huán)境污染又較嚴重的國家，具有十分重要的現(xiàn)實意義。發(fā)達國家的歷史經(jīng)驗已證明了這一點。其他發(fā)展中國家也采取了類似的分期建設(shè)方案 [2] 。

2 城市污水強化一級處理工藝與效果

2.1 物理化學法強化一級處理
物化法強化一級處理與絮凝劑的發(fā)展密切相關(guān)。由于城市污水水量大，投加絮凝劑運行費用較高，在一級處理中應(yīng)用較少。近年來，由于新型、高效、廉價絮凝劑的不斷出現(xiàn)，在城市污水一級處理中已有所應(yīng)用。
2.1.1 無機絮凝劑
在城市污水一級處理的物化強化技術(shù)研究中，采用的無機絮凝劑主要有鋁鹽、鐵鹽、石灰等。
早在60、70年代，就開始了無機絮凝劑強化一級處理的研究。以色列城市污水污染物濃度較高，為減輕后續(xù)處理的負擔，進行了絮凝沉淀強化處理研究。以石灰和三氯化鐵為絮凝劑，BOD去除率53%，SBOD(溶解性BOD)去除率14%，COD去除率68%，SCOD(溶解性COD)去除率32%，濁度去除率達到99%。
埃及F.A.EI-Gohary等(1991)采用硫酸鋁、氯化鐵和石灰三種絮凝劑處理城市污水，投加量分別為250mg/L、200mg/L和800mg/L，濁度去除率約為60%，COD去除率約為80%，對磷的去除效果也很好。英國的M.P.Gambrill等(1992)采用石灰處理熱帶地區(qū)的城市污水 [4] ，石灰投加量為720mg/L，水力停留時間8.8h，濁度和SS的去除率為91%，COD的去除率為89%，總磷去除率為96%，但出水pH偏高達11.5左右。
我國臺灣的Chen Chiu-Yang(1993)研究了城市污水排海前的一級處理強化技術(shù)。投加硫酸鋁和聚合氯化鋁(PAC)各30mg/L，沉淀1h，SS和BOD的去除率分別為70%和60%，比強化處理前的45%和25%各提高了25和35個百分點。
由以上研究結(jié)果不難看出，投加無機絮凝劑能夠大幅度地提高懸浮物和有機物的去除效率，強化效果明顯。但無機絮凝劑的投加量一般較多，運行費較高，產(chǎn)污泥量較大。
2.1.2 有機高分子絮凝劑及其復配使用
有機高分子絮凝劑具有絮凝速度快，用量少等優(yōu)點，其主要種類有合成高分子絮凝劑如聚丙烯酰胺(PAM)和天然高分子絮凝劑如殼聚糖等。由于有機高分子絮凝劑價格較高，為了減少藥劑投加量，充分發(fā)揮不同絮凝劑間的協(xié)同作用，往往與無機絮凝劑復配使用。
日本的Suzuki等以一種弱陰離子高聚物1～2mg/L，與10～15mg/L(以Al 2 O 3 計)的PAC復配，采用顆粒流化床強化城市污水的一級處理，可以去除BOD79%，COD74%，SBOD10%，使后續(xù)生物處理的水力停留時間減為1h。
楊旭等以PAM改性制成的SW-101陽離子絮凝劑與PAC復配使用，可使廢水COD去除率提高到60 %左右。宮世國等研制的一種含陰、陽離子的復合型天然高分子絮凝劑ASD-Ⅱ，用于處理城市生活污水，COD和BOD 5 去除率70%左右，SS去除率高達90%。處理效果優(yōu)于對比的氧化溝法，而運行費用較低。
美國洛杉磯市的Hyperion污水處理廠，采用一種陰離子高聚物0.15mg/L，與10mg/L的FeCl 3 復配處理城市污水，連續(xù)運行6年，SS和BOD的一級處理去除率穩(wěn)定在83%和51%左右，同時對磷和重金屬的去除效果也很好，而其基建費和運行費卻只有二級處理廠的30%左右。
表1 城市污水物化法強化一級處理效果

2.1.3 微生物絮凝劑
微生物絮凝劑是由微生物產(chǎn)生的具有高效絮凝作用的天然高分子物質(zhì)，其化學本質(zhì)主要是微生物代謝產(chǎn)生的各種多聚糖類、蛋白質(zhì)或多肽。由于微生物絮凝劑絮凝效果好、投加量少、適用面廣、無二次污染、絮體易于分離等優(yōu)點而備受關(guān)注。
微生物絮凝劑在廢水脫色、油水分離、污泥脫水、畜牧場廢水處理、瓦廠廢水處理等方面已有所應(yīng)用，效果顯著。但在城市污水處理中的應(yīng)用尚未見報道，其原因在于目前微生物絮凝劑的研究尚處于實驗室階段，生產(chǎn)成本很高，無法適應(yīng)城市污水處理的要求。
2.1.4 其它
在城市污水的一級強化處理中，還有一些因地制宜、以廢治廢或利用其它作用的強化技術(shù)。我國哈爾濱市馬家溝，采用當?shù)仉姀S的廢物粉煤灰處理城市污水，能夠去除COD30%～40 %，色度90%～98%，重金屬30%～80%。其基建投資約為二級污水處理廠的1/3，運行費約為1/5。此外，還有以粘土、膨潤土、沸石、泥炭、松樹皮、木屑、磁化處理等強化一級處理的研究，均取得了較好的處理效果，但也存在一定的應(yīng)用局限性。
2.2 生物絮凝吸附法強化一級處理
利用微生物的絮凝吸附作用強化一級處理，與二級生物處理的本質(zhì)區(qū)別在于二級生物處理主要利用生物氧化作用，將有機物礦化；而生物法強化一級處理則主要利用微生物的絮凝吸附作用快速去除污染物質(zhì)，同時伴有少量的生物氧化。這就決定了它必然要比二級生物處理產(chǎn)生更多的污泥，但由于不投加任何藥劑，其產(chǎn)泥量比物化處理產(chǎn)泥量少。
二級生物處理也利用生物絮凝吸附作用，在曝氣池中形成絮體，并在二沉池中實現(xiàn)固液分離。為了維持絮體懸浮和滿足供氧的要求，曝氣池中水流的速度梯度G一般在100～200s -1 左右，而絮凝反應(yīng)的最佳G值應(yīng)在10～100s -1[3、4、5] 。過度強烈地混合，使得生物絮體的破碎過程遠強于絮體的形成過程，難于沉降的細碎顆粒數(shù)目增加，固液分離效果不好。因而，二級生物處理沒有提供合適的絮凝條件。
由絮凝動力學可知，n個直徑為d的顆粒的沉降去除半衰期t 1/2 為:

式中 α 0 ——顆粒粘連次數(shù)占碰撞總次數(shù)的分數(shù)
Φ——顆粒總體積
du/dz——速度梯度
可見，t 1/2 與Φ成反比，即與d 3 成反比。在顆粒沉淀開始時，如果有較大直徑的顆粒存在，必然使t 1/2 大為減小，也就是使總的顆粒下降速度顯著加快。因而，在原污水中引入顆粒直徑較大的生物絮體，能夠提高懸浮顆粒的去除效率，起到強化一級處理的效果。
生物絮體不僅具有一般大顆粒的強化沉淀效果，還有生物絮凝吸附作用。其去除機理既有污染物質(zhì)的物理吸附、化學吸附和生物吸附、吸收作用，又有吸附架橋、沉淀物網(wǎng)捕等絮凝作用，相互作用十分復雜。迄今為止，已提出了多種機理解釋，其中廣為接受的是聚合物架橋理論。一般認為，對重金屬離子的去除以物化吸附作用為主，對懸浮顆粒的去除以生物絮凝作用為主，絮凝作用的主要物質(zhì)是胞外聚合物(ECP)，不同微生物表面間細微成分和結(jié)構(gòu)的差別也可以導致絮凝，大量微生物形成的絮體又可以通過接觸凝聚等作用去除水中的污染物質(zhì)。二價陽離子在絮凝吸附過程中起著重要的架橋作用。
2.2.1 好氧生物絮凝吸附
活性污泥對廢水的凈化是通過兩個階段——吸附階段和氧化階段完成的，吸附階段能在10～30min內(nèi)去除70%～90%的有機質(zhì)，其去除機理是絮凝和吸附。據(jù)此，分別于50年代和70年代提出了兩種改進的活性污泥處理法:吸附再生法和AB法。這兩個方法都不設(shè)初沉池，分別在吸附池和A段完成懸浮物質(zhì)和膠體物質(zhì)的生物絮凝吸附過程，水力停留時間一般為30min左右，負荷高，泥齡短，產(chǎn)泥量大。
受AB法運行機理的啟發(fā)，我國學者研究了城市污水的一級半處理方法。采用高負荷生物接觸氧化工藝，在容積負荷10～30kgCOD/m 3 ·d，HRT為30～45min的運行條件下，處理模擬城市污水，COD去除率60%～80%，污泥產(chǎn)率0.55～0.73kgSS/kgBOD 5 (去除)，有機物去除可達17kgCOD/m 3 ·d。
利用生物絮凝提高城市污水初沉池處理效果的想法早已提出，但一直未能引起足夠的重視。英國有很多城市污水廠把二沉池的剩余污泥回流到初沉池，但其目的只是節(jié)省剩余污泥的濃縮裝置。近年來，直接利用生物作用強化一級處理的研究也已有所報道。日本是以生物絮凝與斜板沉淀池結(jié)合處理生活污水，MLSS1000～2000mg/L，HRT約1h，SS去除率達70%，SCOD去除30%以上。韓國學者提出的FCS系統(tǒng)即絮凝——澄清——穩(wěn)定系統(tǒng)，作為增強型一級處理工藝。絮凝池采用機械混合，HRT為37 min；穩(wěn)定池連續(xù)曝氣，DO控制2 mg/L，MLSS1000～1400mg/L，SRT3d，HRT約3h；澄清池HRT1.7h，處理人工合成污水，COD和SS的去除率為71%左右。污泥SVI在61～102之間，沉降性能良好。法國Pujol等研究發(fā)現(xiàn)，活性污泥吸附能力隨著SVI的增加而顯著提高，并受污泥的曝氣條件、溫度和廢水組成的影響；絲狀菌具有較強的吸附能力。
2.2.2 厭氧生物絮凝吸附
R.Riffat等采用厭氧吸附反應(yīng)器間歇處理合成污水 [6] ，MLSS10g/L，HRT15min，即可去除40%的有機物質(zhì)。Shimizu等以厭氧顆粒流化床生物反應(yīng)器(AFPB)代替初沉池 [7] ，投加PAC1 0mg/L(以Al 2 O 3 計)和一種弱陰離子高聚物2mg/L，以形成污泥顆粒。HRT為2h，對SS和COD的去除率高達96%和93%(表2)。
表2 生物絮凝吸附強化一級處理實例

有研究表明，好氧污泥與厭氧污泥ECP的產(chǎn)量和成分存在著顯著的差異(表3)。好氧污泥ECP產(chǎn)量約為厭氧污泥ECP產(chǎn)量的4～7倍；好氧污泥的ECP以碳水化合物為主，而厭氧污泥則以蛋白質(zhì)和聚脂多糖為主，特別是蛋白質(zhì)的含量更高。另外，兩種污泥表面都帶負電荷，但活性污泥的負電性更強。從好氧污泥和厭氧污泥ECP的不同和負電性的差異，推測其絮凝作用和機理可能存在著較大的差異。
無論好氧污泥還是厭氧污泥，都對重金屬離子有較強的吸附能力。其吸附等溫式一般符合Freundlich式，也有一些符合Langmuir吸附等溫式。重金屬與污泥的親和力由大到小的順序為Cr 3+ >Cu 2+ >Ni 2+ >Co 2+ 。污泥齡和細胞表面特性是影響吸附的重要因素。金屬離子的吸附主要依賴于金屬離子和微生物表面的理化特性，而與微生物的代謝活性關(guān)系不大，推測這主要是一個被動的過程。
表3 好氧污泥與厭氧污泥的ECP與電性比較

2.3 改善反應(yīng)器性能強化一級處理
近年來，對沉淀池的技術(shù)理論沒有大的突破，其主要發(fā)展在機械化和自動化程度的提高，但同時也有一些局部的技術(shù)革新。如法國人研究一種Le Densedeg的新型高效澄清池 [8] ，利用斜板沉降，通過直接脫水使污泥濃縮，沉降速度可達20～40m/h，出水水質(zhì)好，已在城市污水沉淀中有所應(yīng)用。J.Coma等利用細砂填料流化床強化一級沉淀 [9] ，停留時間15min即可去除60%的SS。日本人以射流混合分離器(JMS)處理城市污水 [10] ，利用多孔隔板的射流作用使污水均勻混合，其絮凝與沉淀作用同時發(fā)生，可在HRT<1h的情況下有效提高污染物的去除率。波蘭的J.Kurbiel等研究了管式絮凝器的應(yīng)用 [11] ，以之代替?zhèn)鹘y(tǒng)的絮凝池和攪拌裝置，利用管中的渦流保證適宜的混合條件，絮凝時間50～100 s，比傳統(tǒng)絮凝時間短得多，絮凝效果也很好，工程投資和運行費用得以有效降低。
總之，無論發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，對城市污水一級處理強化工藝的研究都很重視，并已取得了一定的成果，但多數(shù)研究還停留在小試探索階段，工藝技術(shù)很不成熟。

3 發(fā)展趨勢分析

環(huán)境污染的加劇和經(jīng)濟發(fā)展的水平?jīng)Q定了在相當長的一段時間內(nèi)，一級處理應(yīng)是我國中、小城市污水處理的重要方式。強化一級處理、提高單位投入污染物的去除率，也必將是污水處理的重要研究內(nèi)容之一。
一級處理強化技術(shù)中，無機絮凝劑因其投藥量大、產(chǎn)泥量多、運行費用高而缺乏競爭力，但如與其它種類的絮凝劑復配使用則可以發(fā)揮協(xié)同作用，達到較好的處理效果，這可能是其在城市污水處理中最具生命力的方面。有機絮凝劑和微生物絮凝劑投加量一般較少，但由于產(chǎn)品價格較高，大量應(yīng)用仍有一定的困難。優(yōu)選廉價、高效絮凝劑應(yīng)是目前最迫切的任務(wù)。
生物絮凝吸附不必投加任何外部藥劑，污泥產(chǎn)量相對較少，運行費用較低，應(yīng)用前景廣闊。但目前尚沒有應(yīng)用實例，對其運行機理、影響因素、控制參數(shù)等也都缺乏系統(tǒng)深入的研究，特別是對厭氧生物絮凝吸附研究更少。考慮到一級處理HRT短，SS含量大，而厭氧微生物代謝期較長，能否經(jīng)受長期運行特別是在冬季低溫條件下的考驗還有待證實。因而，應(yīng)進一步研究生物絮凝吸附的機理，探索適宜的處理工藝和運行參數(shù)，為工程應(yīng)用提供堅實的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

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作者通訊處:100084 北京 清華大學環(huán)境工程系
(收稿日期 1998-02-18)

①國家“九五”科技攻關(guān)項目