欒兆坤1， 張錦華2， 孔凡銘3， 韓德來3
(1.中國科學院生態環境研究中心環境水化學國家重點實驗室， 北京100085；
2.浙江省路橋污水處理有限公司， 浙江臺州318050；3.曲阜市污水處理廠， 山東曲阜273100)

　　 摘 要： 依據近年來的研究結果，詳細地闡述了城鎮污水的基本特性、二級生化處理的經濟 分析以及國內外強化絮凝處理工藝技術發展狀況與技術經濟特點。在此基礎上，提出將強化絮凝工藝技術作為我國現階段水環境污染治理及城鎮污水過渡處理的措施，這對緩解各地政府由于資金嚴重不足而無法開展區域性水環境污染治理以及城鎮污水處理的局面具有重要而實際的意義。
　　關鍵詞： 水環境污染； 城鎮污水； 強化絮凝工藝； CEPT法
　　中圖分類號：X703.1
　　文獻標識碼：B
　　文章編號： 1000-4602(2002)01-0030-04

　　強化絮凝技術(簡稱CEPT法)是在一級處理工藝基礎上，通過投加化學絮凝劑等強化措施去除污水中各種污染物，它可在短時間內以較少的投資和較低的運行費用大幅度削減污染負荷，緩解當前我國亟待解決的水環境污染問題。

1 污水基本特性

　　城鎮污水中的大多數污染物都是以顆粒形態存在，依據顆粒大小可將污水中的污染物質分為溶解態、膠體態、超膠體態和懸浮態，其分布范圍及性質見表1。

表1 城市污水中污染物的性質 顆粒直徑(μm) ＜10^-5 10^-5 10^-4 10^-3 10 ^-2 10^-1 1 10 100 1 000 ＞1 000 顆粒分類 溶解態 膠體態 大分子膠體態 超膠體態 懸浮態 所占比例(%) 31.2 13.7 25 32 預處理難易程度 處理 沉淀 易沉淀 可生化性能 惰性 直接生化 可生化降解 生化降解緩慢 惰性不可降解 生物化學氧化速率常數(d-1、以10為底的指數) 0.39 0.22 0.09 0.08

　　圖1是不同處理工藝對城市污水COD的去除率。

　　一般來講，一級沉淀處理過程主要依賴于顆粒沉降速率和沉淀時間。若廢水中污染物的平均密度為1.2g/m³、水溫為25 ℃、初級沉淀池設計負荷為32～48m³/(m²·d)、能夠通過初級沉淀去除的最小粒徑為54～67μm的污染物，則COD去除率一般在20%～30%。生化處理過程對COD的去除率為60%～80%(取決于BOD/COD比值)，一般生化降解速率還與顆粒粒徑及分子結構有關，只有分子質量＜1000u的溶解態有機物(BOD組分)才能被微生物迅速降解，高分子量或顆粒態有機物則要經過水解轉化成溶解態才能被微生物降解，這成為生物降解速率的限制因素并且影響生物膜厚度、介質表面以及溶解氧的擴散。通常，廢水中0.1～10 μm的膠體污染物處于穩定懸浮狀態，一般難以沉淀或降解，采用CEPT法 能夠快速將其凝聚成粗大絮體顆粒而沉降去除。

2 二級生化處理綜合效益分析

　　我國目前城市污水普遍采用二級生化處理工藝，該法處理效果好，但投資大(1000～1 500元/m³)、運行費用高(1.0～1.5 元/m3)、建設周期長、占地面積大。以建設處理能力為10×10⁴m³/d的城市污水處理廠為例，約需投資1.0～1.2億元，占地8～10 hm2，加上污水管網投資與建設，總投資接近或超過2億元，且2～3年后才能正常運行。如目前北京污水處理量為104×10⁴m³/d(占其總量的40%)，直接運行費用為1.8 億元/a，約合0. 5元/m³，維修更新費用為2.1億元/a，總計3.9億元/a，平均運行費用為1.04 元/m3 。而小規模污水處理廠投資、運行費用更高，尤其是2×10⁴m³/d以下的污水處理廠，投資費用高達2000元/m³，運行費用則要1.2～1.5元/m³。
　　發達國家城鎮污水主要是生活污水，工業廢水所占比例相對較少且必須處理達標才能進入城市污水管網，因而BOD/COD比值相對較高，易生化處理。我國城鎮污水是生活污水與工業廢水混合組成，一般工業廢水比例較高(約占50%以上)，而且工業廢水治理排放達標率較低，即使處理達到行業標準，但由于多數采用生化處理，污水的BOD/COD比值相對較低(一般在0.3以下)，不易生化處理，必須加大生化停留時間或延時曝氣和采取保溫 措施才能得到有效處理，這勢必使處理廠投資與運行費用進一步增大。此外，我國南方城市污水COD值一般較低(在200 mg/L)，而氮磷含量較高，傳統生化法對氮磷去除率很低，只有增加處理容積，增大回流比，才能提高氮磷去除率，這也導致投資與運行費用顯著增加。

3 CEPT工藝發展與技術、經濟分析

3.1 國內外發展狀況
　　瑞典、挪威、芬蘭等北歐國家的中小城鎮污水處理廠大部分采用化學處理，以較低投資和運 行費用達到或接近生化處理效果，尤其磷去除率明顯超過生 化處理(達到90%以上)。如挪威現有2/3的城鎮污水采用CEPT法處理，其中最大污水處理廠(O slo west)處理能力為40×10⁴m³/d，COD和總磷去除率分別超過70%和90%。
　　美國、加拿大等城市也采用CEPT法或結合生化工藝處理城市污水。如美國圣地亞哥和洛杉磯污水處理廠連續運行5年，SS、總磷、重金屬去除率一直均保持在85%以上，BOD去除率為51%～56%，而基建投資和運行費用卻只有二級生化處理廠的30%～40%。其他一些污水處理廠通過采用CEPT與生化法結合，不僅大幅度提高了SS、BOD及磷的去除率，同時又顯著削減了運行費用。
　　我國臺灣、香港等地是研究和利用CEPT法處理城市污水的典型城市，根據香港環境署研究報告，利用CEPT技術可使污水SS、總磷去除率提高到85%以上，BOD去除率很容易達到50%以上，可節省投資40%～50%。因此，目前香港昂船洲污水處理廠一期采用FeCl3強化絮凝處理，處理量為350×10⁴m³/d，并在此基礎上加建生化處理(二期)。我國內地目前仍處于研究探討階段，尚無實際工程范例。
3.2 處理效率及影響因素分析
　　大量國內外試驗與運行結果表明，CEPT法可顯著去除城鎮污水中各種有毒有害污染物，如SS、重金屬、磷等的去除率可達90%以上，難降解有機物的去除率達到80%以上，雖然它對 BOD的去除效率低于傳統二級生化處理工藝，但仍可去除20%～50%，且能明顯提高污水可生化性。最近對COD含量為150～800 mg/L、總磷含量為4～10 mg/L的深圳、上海、北京、山東、江蘇、云南等城市污水進行的CEPT法處理試驗表明，一般SS去除率可達90 %以上、COD去除率達47%～76%、總磷去除率達70%～85%、總氮去除率為20%～30%、各類重金屬離子去除率在80%～100%，處理后出水中的8種陰、陽離子濃度基本沒有變化。因此，CEPT工藝達到了顯著降低水中大部分污染負荷的效果。
　　實際處理效果與污水污染物種類及含量有關。圖2、3是采用CEPT法處理多種城鎮污水所得到的COD去除率及其與BOD/COD比值的相關關系。

　　由圖2、3可見，COD含量或BOD/COD比值越低，處理效果越好。對于COD含量在250 mg/L以下、BOD/COD＜0.3的污水，采用復合型聚鋁絮凝劑進行強化絮凝處理，處理后出水COD一般可降至50 mg/L以下，基本達到國家一級排放標準。
　　對于BOD/COD＜0.3、COD含量在250 mg/L以下、總磷含量為5～8 mg/L的污水，復合型聚鋁絮凝劑投加量在20～30 mg/L時，COD值可降低到50 mg/L以下，但總磷僅降低至3～4mg/L，只有絮凝劑量達到40～50 mg/L以上時，才能使污水總磷含量降低到1 mg/L 以下。根據復合型絮凝劑市場售價(1800～2000 元/t)估算，投加20～30 mg/L時，絮凝劑費用為0.05～0.07元/m³；投加50～60 mg/L，絮凝劑費用為0.09～0.12元/m³。再加上電耗、人工費用等，綜合運行成本為0.20～0.30元/m³左右。
　　為了進一步推廣和驗證CEPT法對小流域納污河道的治理效果，對深圳龍崗、觀瀾和燕川等污水河進行了試驗研究。結果表明，對COD為120～200 mg/L、總磷為3～6 mg/L、SS為150～180 mg/L的3條納污河污水，處理后出水指標除了氨氮外均達到地表水五類標準。由 于采用該法在短時間內可有效改善并緩解廣東東江水質污染加劇狀況，因而得到深圳市政府的極大重視和支持，決定在流量為(3～4)×10⁴m³/d的污水河(河水水質呈黑褐、惡臭狀 ，COD、氮、磷、SS含量分別為200～300 mg/L、18～30 mg/L、5～7 mg/L、200 ～300 mg/L)進行中試試驗，利用河道構筑簡易攔水壩和水力混凝反應設施，處理出水水質呈清澈透明狀，COD降至60 mg/L、磷降至0.8～1.2 mg/L、SS降至15 mg/L以下。
3.3 污泥產量分析
　　CEPT法產生的污泥量及污泥處置是人們所關注的問題。與生化處理相比，加入混凝劑將會增加處理過程的污泥量。污泥產生量可用下式表示：
　　SP=SS_in-SS_out+K_prec×D
　　式中　SP——污泥產生量，(g/m³)
　　　　　SSin、SSout——分別為進、出水中懸浮固體濃度，g/m³
　　　　　Kprec——污泥產率系數，g/g，對于鐵系混凝劑為4～5，鋁系為6～7
　　　　　D——金屬混凝劑投量，g/m³
　　從上式可見，如果保持污染物去除率同時減少污泥產生量，只有減小K值或D值。在實際應用中，混凝劑投加量在很大程度上決定于對除磷的要求。一般情況下，由于絮凝劑投加量很少，污泥增加量并不比生化法多，而且強化絮凝產生的污泥密實性、脫水性、沉降性均比生化法好。一般生化污泥生成率約為40%，污泥含水率在98%以上；而強化絮凝污泥生成率為45%～50%，污泥含水率為92%～95%。雖然強化絮凝生成的污泥量略大于生化處理工藝，但易于脫水且不需要添加有機高分子絮凝劑，污泥可直接填埋或加以綜合利用。
3.4 絮凝劑的開發
　　目前世界各國(地區)城市污水CEPT法處理的絮凝劑大多采用傳統鋁、鐵鹽凝聚劑與石灰或有機高分子絮凝劑配伍使用，與石灰配伍所需投加量大(100～300 g/t)、生成污泥量也較大，而與有機聚合物配伍使用可顯著降低藥劑投加量、減少污泥量，但因有機聚合物售價較高，運行費用并不能得到明顯降低。我國主要采用具有資源和技術優勢的無機高分子聚合鋁或聚合鐵絮凝劑，凈化處理效果顯著且運行費用低，尤其近年中科院研制開發了高效價廉礦物復合型無機高分子絮凝劑、管式渦旋反應器以及攔截沉淀等適配的強化絮凝工藝技術，效果顯著。

4 CEPT工藝亟待推廣

4.1 必要性及緊迫性
　　目前我國對于量大面廣的城市污水污染問題缺乏適合國情的高效、低耗處理技術。城市污水處理廠所采用的技術與設備幾乎與發達國家在同一水平，部分設備由國外進口，耗資巨大。據統計，我國目前污水排放量為1.37×10⁸m³/d，僅有10%得到處理。按國家“十五” 環保規劃，到2005年我國城市污水處理率要達到50%以上，需開工建設的城市污水處理廠多達200個，總投資逾千億元，加上市政管網建設費用，總投資將超過2000億元，年運行費約在250億元以上。作為只能帶來環境與社會效益而無經濟效益的污水處理廠，面對如此龐大的基建投資及運行費用，如不采取與現階段經濟發展水平相適應的處理技術，盲目攀比而投資建設將是十分危險的。以淮河治理為例，由于城市二級污水廠的巨額投資，致使目前已規劃的52座污水處理廠遲遲不能開工，或因運行費高昂而無法正常運行，以致預期的淮河水環 境污染治理目標短期內無法實現。
　　隨著小城鎮建設的迅速發展，各地流域水質污染狀況進一步惡化，小城鎮污水處理廠規模大多在(2～3)×10⁴m³/d以下，如仍沿用傳統生化處理工藝，必將成為當地政府的沉重財 政負擔，推廣簡易實用的強化絮凝處理工藝是切實可行的。
　　納污河流治理往往需要投入大量費用。強化絮凝工藝具有適應天然河道水力及污染物負荷變化大的特點，特別是去除磷與COD污染物的效果更明顯，這對減輕我國南方區域性河流和湖泊富營養化具有重要應用價值。因此，暫時利用這些納污河道進行人工強化絮凝凈化處理，尤其是枯水期在其上游構筑簡易強化絮凝凈化處理設施，或在下游修建小型強化絮凝處理廠作為水環境污染治理的應急工程，這對于緩解由于治理資金嚴重不足而無法開展治理區 域性水環境污染的困難局面具有十分重要的意義。如深圳觀瀾河的30×10⁴m³/d枯水期 強化絮凝處理示范工程已投入運行，處理費用不超過0.15元/m³。
4.2 改革城鎮污水運營方式
　　長期以來，我國市政建設及運營管理基本都是采取國家及地方財政全包承攬方式，污水處理廠需耗用大量地方財政補貼。因此，建立市場經濟條件下的新的管理運營體制，鼓勵水處理 工程設施運行服務產業化勢在必行。深圳在這方面的經驗值得借鑒，項目采用招標形式，政府投資，環保公司按政府額定的工程投資和噸水處理費用承建應急工程設施并運營管理，由環保部門執法監督。這樣政府既節省了大量投資和運營費用，又有效地保證了處理水質達標。這種市場運營機制是我國環保產業發展的必然趨勢。
4.3 加強強化絮凝工藝研究
　　強化絮凝工藝是近年來國外城市污水深度處理研究的熱點，國內也需要加強這方面的科學研究。首先是研究開發適用于化學強化處理的高效、廉價絮凝劑規模化產業化技術；二是研究強化水力反應設備及構筑物的優化設計；三是開發在線自控投藥與監控技術系統并建立示范工程，使示范工程成為推廣CEPT法的有力范例。

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　　收稿日期：2001-08-06