陳珺：未來(lái)污水處理技術(shù)的發(fā)展方向及特征

特征與方向

各位同行下午好，這個(gè)題目看起來(lái)有點(diǎn)大，講這個(gè)多少有些忐忑，我們大概知道今天下午發(fā)生什么事情，但是要說(shuō)未來(lái)確定會(huì)發(fā)生什么，確實(shí)存在很大的不確定性。所以今天講的內(nèi)容并不是去預(yù)言未來(lái)污水處理工藝會(huì)是什么，而是從過(guò)去以及當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展特征總結(jié)、歸納出未來(lái)污水處理技術(shù)發(fā)展的大致特征與方向。

在展望未來(lái)之前，首先讓我們回顧一下污水處理技術(shù)的發(fā)展歷史。19世紀(jì)末期對(duì)污水的曝氣促使了活性污泥法在1914年出現(xiàn)，這一事件事實(shí)上成為現(xiàn)代污水發(fā)展的起點(diǎn)；進(jìn)入20世紀(jì)中后期后，污水處理的基本理論體系逐漸建立，同時(shí)出現(xiàn)了活性污泥法的各種變形工藝，尤其是上世紀(jì)70年代出現(xiàn)的生物脫氮除磷技術(shù)（BNR）成為活性污泥工藝發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，并在某種程度上奠定了當(dāng)今污水處理技術(shù)的主要局面；同時(shí)生物膜工藝獲得再次發(fā)展機(jī)會(huì)，IFAS、MBBR及BAF等工藝由于其在緊湊性方面的優(yōu)勢(shì)在升級(jí)改造方面獲得了一定的優(yōu)勢(shì)。另外在20世紀(jì)末，一些創(chuàng)新性的工藝如厭氧氨氧化、好氧顆粒污泥技術(shù)逐漸登上了歷史舞臺(tái)。

從過(guò)去這100年的污水處理技術(shù)發(fā)展歷程來(lái)看，污水處理技術(shù)正朝著越來(lái)越“密集化（Intensification）”的方向發(fā)展。密集化這個(gè)概念實(shí)際上是一個(gè)化工行業(yè)的術(shù)語(yǔ)，它是強(qiáng)調(diào)以化工原理和反應(yīng)工程以及相關(guān)平衡特性為基礎(chǔ)，通過(guò)采用新設(shè)備、新工藝，顯著提升反應(yīng)的過(guò)程速率，使工廠布局更加緊湊，提升能量效率，減少?gòu)U物排放。Intensification這個(gè)詞的中文翻譯有強(qiáng)化的意思，但我覺(jué)得這個(gè)強(qiáng)化和污水處理技術(shù)領(lǐng)域經(jīng)常提到的一級(jí)強(qiáng)化處理（CEPT）、強(qiáng)化生物除磷（EBPR）還不是完全一樣。Intensifcation稱之為密集化可能更合適一些，它的意思是工藝的發(fā)展將會(huì)使占地面積更小、能耗更低、處理能力更強(qiáng)、功能更多，下面通過(guò)幾個(gè)具體的技術(shù)來(lái)闡述密集化的概念。

未來(lái)的發(fā)展是建立在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上的，那么我們可以看看這個(gè)傳統(tǒng)污水處理工藝如何走向未來(lái)。

在污水處理領(lǐng)域近些年一個(gè)重要的動(dòng)向是一級(jí)處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了幾個(gè)新的工藝。第一個(gè)是旋轉(zhuǎn)帶式過(guò)濾機(jī)（RBF），占地面積非常小，只占初沉池面積的10%左右，效率和初沉池的效率差不多，BOD去除率約20~30%、SS去除率約50~60%。

另外一個(gè)技術(shù)是濾布一級(jí)過(guò)濾（CMPF），濾布濾池在三級(jí)處理中已經(jīng)應(yīng)用了很多年了，但是應(yīng)用于一級(jí)處理還是最近一兩年的事情，濾布一級(jí)過(guò)濾可以實(shí)現(xiàn)75-85%的SS去除率、45-60%的BOD去除率，一級(jí)處理的占地面積減少75%，同時(shí)下游的生物處理能耗也得到了降低。

這是加州的一個(gè)污水廠，用的是濾布一級(jí)過(guò)濾，SS去除率在80%左右。從一級(jí)處理技術(shù)發(fā)展的動(dòng)向來(lái)看，密集化是一個(gè)明顯的特征。

我們?cè)倏纯炊��?jí)處理，下面這個(gè)圖反映的是IFAS工藝促使硝化工藝更加密集化的發(fā)展，上面的曲線是考慮安全因子為2.3時(shí)的傳統(tǒng)硝化最低泥齡曲線，下面的曲線是應(yīng)用IFAS工藝之后的最低泥齡，可以看出IFAS工藝中的泥齡已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硝化的最低泥齡，這實(shí)際上是一種密集化的表現(xiàn)。

這些年發(fā)展勢(shì)頭良好的另外一種生物膜工藝是MABR。MABR是在膜絲中打入空氣，生物膜附著于膜材料的表面上。DO和COD在傳統(tǒng)生物膜工藝上是同方向的擴(kuò)散，由于傳質(zhì)的要求，所需的DO很高，這樣不僅能耗較高同時(shí)也不利于反硝化。MABR上的生物膜與此不同，內(nèi)層的硝化菌最先接觸到DO，也沒(méi)有COD對(duì)DO競(jìng)爭(zhēng)，非常有利于硝化。同時(shí)外層異養(yǎng)菌可以首先利用低DO環(huán)境下液相中的COD進(jìn)行反硝化，對(duì)反硝化也很有利。

實(shí)際上，MABR的概念早在70年代就有人提出了，經(jīng)過(guò)了30-40年的發(fā)展才出現(xiàn)了一些商業(yè)化的技術(shù)。MABR在應(yīng)用時(shí)可以置于缺氧池內(nèi)，膜絲在傳氧的同時(shí)附著大量硝化菌，顯著減少占地面積。

傳統(tǒng)微孔曝氣的氧轉(zhuǎn)移率約3.6-4.8kgO2/h，而MABR的氧轉(zhuǎn)移率大概是6~8 kgO2/h，節(jié)能40%左右。因此，MABR工藝較傳統(tǒng)IFAS工藝更加密集化。

MABR現(xiàn)在還處于快速發(fā)展階段，不斷從示范性項(xiàng)目轉(zhuǎn)向工程化規(guī)模，美國(guó)第一座MABR項(xiàng)目規(guī)模只有1.4萬(wàn)噸，OTE可以達(dá)到33%，生物膜上的硝化菌達(dá)到40%。

現(xiàn)在談?wù)劥蠹冶容^關(guān)注多的好氧顆粒污泥技術(shù)，實(shí)際上在活性污泥工藝發(fā)展的歷史中有人就觀察到了顆粒污泥的現(xiàn)象。比如70年代的時(shí)候James Barnard在接觸穩(wěn)定的試驗(yàn)中注意到，接觸區(qū)的污泥濃度只有22000mg/L，接觸時(shí)間15分鐘，沒(méi)有底流排泥，Barnard觀察到了明顯的顆粒污泥現(xiàn)象，像“粗砂”一樣。

在現(xiàn)實(shí)中有時(shí)候也可以看到這種現(xiàn)象，美國(guó)田納西州一個(gè)處理廠，處理規(guī)模是54萬(wàn)噸/日，其絮體粒徑約200~500um，顆粒污泥的現(xiàn)象很明顯。中國(guó)海寧的污水廠在2010年也有報(bào)道其污泥粒徑約0.5mm，SVI約48，污泥沉降性能非常好。

現(xiàn)在對(duì)顆粒污泥形成的機(jī)理有非常多的研究，包括飽食-饑餓選擇、有機(jī)負(fù)荷及基質(zhì)的組成、剪切力、選擇性排泥等等……

那么好氧顆粒污泥的技術(shù)密集化體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，首先是占地面積比較小，可以節(jié)省占地面積75%，另外能耗可以節(jié)約25~35%。

這是荷蘭北部的一座污水處理廠，經(jīng)過(guò)擴(kuò)建之后原有的工藝不僅占地面積大，而且只能處理45%的水量，而擴(kuò)建選用的好氧顆粒污泥技術(shù)可以處理55%的水量，其占地面積比原來(lái)的還要小，另外好氧顆粒污泥的出水TN可以達(dá)到7mg/L，原有工藝的出水TN只能達(dá)到12mg/L。

這些年發(fā)展的另外一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)是主流短程脫氮，傳統(tǒng)硝化反硝化是一個(gè)比較長(zhǎng)的過(guò)程，需要消耗4.57g氧、4.77gCOD碳源，短程硝化反硝化相對(duì)密集化一些，消耗3.42g氧、2.86gCOD碳源。到了厭氧氨氧化，能耗更低，消耗1.9g氧，不消耗COD，密集化的程度更高。

現(xiàn)在很多大學(xué)、公司都在攻克這項(xiàng)技術(shù)，也出現(xiàn)了多種技術(shù)流派，但目前還沒(méi)有出現(xiàn)公認(rèn)的重大突破或者工程性應(yīng)用。但一些特殊地區(qū)的現(xiàn)象值得深入研究，比如新加坡樟宜再生水水廠，水溫達(dá)到了將近30℃左右，總泥齡5天，好氧泥齡2.5天，在好氧區(qū)出現(xiàn)了明顯的亞硝鹽氮累積的現(xiàn)象，NOB得到明顯抑制，而缺氧區(qū)的進(jìn)出水的氨氮、亞硝酸氮同時(shí)明顯降低，預(yù)示厭氧氨氧化現(xiàn)象的存在。但這個(gè)現(xiàn)象的進(jìn)一步驗(yàn)證以及更大范圍的推廣還需要做很多深入工作。

主流工藝的密集化還體現(xiàn)在儀表與控制方面，比如有的處理廠用的是DO的控制，DO控制很穩(wěn)定不一定意味著出水氨氮很穩(wěn)定，所以很多處理廠又加入了氨氮的儀表，把氨氮作為一個(gè)信號(hào)。而有的處理廠為了把總氮控制在穩(wěn)定的水平，又加了硝酸鹽氮儀表，儀表更多，控制系統(tǒng)也更加復(fù)雜。

上面講的是主流工藝的密集化，下面談一談側(cè)流工藝的密集化，磷回收是常見(jiàn)的一種側(cè)流技術(shù)。

磷回收有多種技術(shù)，可以從消化污泥中回收磷，也可以從消化液中回收磷，還可以從焚燒的灰分中回收磷。比如常見(jiàn)的Airprex磷回收技術(shù)，它不僅只是為了回收磷，還可以緩解管道堵塞，提高污泥脫水效果。像我們?cè)谌粘Ｉ�活中吃的魚(yú)罐頭里面會(huì)有意加入磷酸鹽，是為了保持水分，所以把磷拿出來(lái)也會(huì)提高污泥脫水的效果。此外還減少?gòu)S內(nèi)回流液的磷負(fù)荷影響。所以，磷回收這個(gè)單元技術(shù)將很多功能集中在一個(gè)單元，這個(gè)單元技術(shù)更加功能密集化。

這是現(xiàn)在磷回收全球的項(xiàng)目分布，歐洲和美國(guó)是絕大部分的，亞洲主要集中在日本。

另外一個(gè)重要的側(cè)流技術(shù)就是側(cè)流脫氮，側(cè)流脫氮的發(fā)展歷程經(jīng)歷了生物強(qiáng)化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化幾個(gè)階段。生物強(qiáng)化是利用污泥消化液中氨氮濃度較高的特點(diǎn)，通過(guò)生物強(qiáng)化，提高主流工藝的硝化性能，節(jié)約主流工藝30%池容，但是依然需要足夠的供氧與投加化學(xué)藥劑；短程硝化、反硝化可以進(jìn)一步減少供氧的需求（減少25%），另外也會(huì)減少40%左右的碳源需求。更進(jìn)一步的密集化厭氧氨氧化則會(huì)減少60%的供氧需求、無(wú)需碳源。

現(xiàn)在污泥處理工藝上討論比較多的是熱水解技術(shù)，熱水解是污泥在高溫高壓條件下（150~170℃、6-9bar），經(jīng)歷20~30min，使污泥的性質(zhì)完全改變，細(xì)胞壁破碎、EPS溶解。

通過(guò)熱水解之后污泥消化的效能得到顯著提高，厭氧消化的時(shí)間大為縮短，進(jìn)入消化池的污泥濃度大幅度提高，消化池的池容可以減半，同時(shí)提高脫水污泥含固率，增加一定比例的沼氣產(chǎn)量，減少污泥臭味，這項(xiàng)技術(shù)將多項(xiàng)功能密集化集中在一個(gè)單元上。

從上面的一級(jí)處理、主流生物處理、側(cè)流工藝以及污泥處理工藝的發(fā)展來(lái)看，密集化的發(fā)展趨勢(shì)正由過(guò)去反應(yīng)器減少帶來(lái)能量上升，轉(zhuǎn)變?yōu)榉磻?yīng)器減小的同時(shí)能耗降低、功能增強(qiáng)、全壽命周期成本更低。另外，技術(shù)的密集化發(fā)展總是有一定的周期，各種技術(shù)呈現(xiàn)在不同的波峰波谷之中，MABR、主流短程脫氮還停留在示范項(xiàng)目的階段，好氧顆粒污泥現(xiàn)在基本處于第一代，像IFAS工藝已經(jīng)非常成熟了。

簡(jiǎn)單總結(jié)一下，未來(lái)的污水處理技術(shù)將朝著越來(lái)越密集化的方向發(fā)展，單個(gè)反應(yīng)器的空間將越來(lái)越小、處理效率更高、能耗更低、實(shí)現(xiàn)的功能更加多樣化、工藝控制更加精準(zhǔn)，就像以前電話功能非常單一，現(xiàn)在手機(jī)的發(fā)展，體積越小，功能越多。

原標(biāo)題:給水排水 |陳珺：未來(lái)污水處理技術(shù)的發(fā)展方向及特征