一體化污水處理設(shè)備的研究現(xiàn)狀

董 景 翟宇超 周湘杰

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，成都，610065）

我國(guó)水資源缺乏，目前人均水資源量不足世界人均水平的1／3，近三分之二的城市不同程度缺水。在水資源短缺的同時(shí)，我國(guó)水環(huán)境的質(zhì)量也令人堪憂。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市人口的增加，我國(guó)污水排放量呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，2011年全國(guó)污水排放量達(dá)到652.1億噸。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年全國(guó)地表水總體為輕度污染，湖泊（水庫）富營(yíng)養(yǎng)化問題仍突出［1］，水環(huán)境形勢(shì)依然十分嚴(yán)峻。截至2010年底，中國(guó)已建成投運(yùn)城鎮(zhèn)污水處理廠2832座，全國(guó)城市污水處理率達(dá)到77.4%。這些污水處理廠的有效運(yùn)行，都是依賴城市完善的排水管網(wǎng)系統(tǒng)。而對(duì)于那些城市污水收集管道難于延伸的區(qū)域（如農(nóng)村、小城鎮(zhèn)、城郊生活區(qū)等），污水處理率仍然很低。2000年，建設(shè)部、國(guó)家環(huán)保局和科技部聯(lián)合頒布的《城市污水處理及污染防治技術(shù)政策》規(guī)定對(duì)不能納入城市污水收集系統(tǒng)的居民區(qū)、旅游景區(qū)、度假村、療養(yǎng)院、機(jī)場(chǎng)、鐵路車站、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)等分散的人群聚居地排放的污水和獨(dú)立工礦區(qū)的工業(yè)廢水應(yīng)就地處理達(dá)標(biāo)排放［2］。這就為小型一體化污水處理設(shè)備的應(yīng)用和發(fā)展提供了廣闊的空間。對(duì)于污水不能進(jìn)入城市收集管網(wǎng)的地區(qū)來說，研發(fā)工藝簡(jiǎn)單、投資和運(yùn)行費(fèi)用少、處理效率高、節(jié)能的一體化污水處理設(shè)備具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。作者旨在介紹一體化污水處理設(shè)備的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，為未來污水處理設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 一體化污水處理設(shè)備及其優(yōu)勢(shì)

1.1 一體化污水處理設(shè)備簡(jiǎn)介

一體化污水處理設(shè)備是以生化反應(yīng)為基礎(chǔ)，將預(yù)處理、生化、沉淀、消毒、污泥回流等多個(gè)功能不同的單元有機(jī)的結(jié)合在一個(gè)設(shè)備之中而形成的污水處理組合體。該設(shè)備不僅適用于城市排水管網(wǎng)難以覆蓋的城市邊緣地帶和新區(qū)以及經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后的廣大農(nóng)村、小城鎮(zhèn)地區(qū)，還可以處理與城市生活污水性質(zhì)類似的部分工業(yè)廢水和醫(yī)院、涉外賓館等城市特種廢水。國(guó)家有關(guān)政策規(guī)定城市特種廢水未經(jīng)處理不得直接排入市政排水管網(wǎng)［3］。

1.2 一體化污水處理設(shè)備的優(yōu)勢(shì)

與大型的污水處理廠相比，一體化污水處理設(shè)備具有不可替代的優(yōu)勢(shì)：（1）投資和運(yùn)行費(fèi)用少。一體化污水處理設(shè)備投資少，操作和管理方便，不需對(duì)操作人員進(jìn)行專門的培訓(xùn)，只需適時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，所以，運(yùn)行費(fèi)用也很低。（2）節(jié)約空間。城市土地資源日益緊缺，大型的污水處理廠占地面積大，增加了城市用地壓力。而一體化污水處理設(shè)備體積較小，節(jié)約空間，搬運(yùn)靈活。一些設(shè)備還可以埋于地下，不占用地表面積。（3）緩解城市排水管網(wǎng)建設(shè)壓力。完善的城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)是污水處理廠正常運(yùn)行的基礎(chǔ)條件。對(duì)于人群聚居較分散的區(qū)域，一般離城市中心較遠(yuǎn)，建設(shè)排水管網(wǎng)并不現(xiàn)實(shí)，這就給一體化污水處理設(shè)備提供了應(yīng)用的空間。這些地區(qū)產(chǎn)生的污水可以經(jīng)污水處理設(shè)備處理后直接排放到附近的接納水體中，而不需經(jīng)排水管網(wǎng)收集進(jìn)行集中處理，極大地緩解了建設(shè)市政污水管網(wǎng)的壓力。（4）污水回用效率較高。污水處理廠的污水回用系統(tǒng)一般較復(fù)雜，管網(wǎng)規(guī)模大，管理維護(hù)難度較大。而一體化污水處理設(shè)備不需安裝大規(guī)模的管網(wǎng)系統(tǒng)，可以靈活布置污水回用節(jié)點(diǎn)，比傳統(tǒng)的大型污水處理系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)。

2 一體化污水處理設(shè)備研究現(xiàn)狀

一體化污水處理設(shè)備迄今已有30多年的研究歷史，目前日本、歐美等國(guó)家和地區(qū)已將其廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)生活污水和部分工業(yè)廢水處理。我國(guó)在這方面也取得了較大的成績(jī)，近年來我國(guó)學(xué)者對(duì)一體化污水處理設(shè)備進(jìn)行了廣泛的研究，設(shè)備采用的工藝從原來單一的活性污泥法或生物膜法逐漸發(fā)展到多種方法結(jié)合的復(fù)合工藝。

2.1 一體化生物接觸氧化反應(yīng)器

當(dāng)要求以有機(jī)物為主要去除對(duì)象時(shí)，可采用接觸氧化工藝。生物接觸氧化工藝兼具活性污泥法和生物膜法兩者的特點(diǎn)，具有水力停留時(shí)間短，有機(jī)物負(fù)荷高，耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，剩余污泥少，出水水質(zhì)好，管理方便等優(yōu)點(diǎn)。生物接觸氧化工藝已被廣泛用于處理生活污水、工業(yè)廢水、活性表面劑類廢水以及含油廢水等［4］。研究表明，多級(jí)接觸氧化反應(yīng)器的處理效率要高于單級(jí)接觸氧化反應(yīng)器［5］。

于1994年開發(fā)的WSZ地埋式生活污水處理裝置的核心處理單元就是接觸氧化池，池內(nèi)安裝半軟性填料，污水停留時(shí)間為2.5～3.2h，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該設(shè)備處理效果好，對(duì)氨氮也有良好的去除率［6］。該設(shè)備自研發(fā)至今，已在我國(guó)有較多的推廣和應(yīng)用。嚴(yán)榮等［7］對(duì)一體化接觸氧化反應(yīng)器處理某景區(qū)生活污水的效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。該反應(yīng)器內(nèi)裝填生物膜組合填料，采用間歇曝氣，在好氧—厭氧環(huán)境的不斷交替下，達(dá)到脫氮的效果。實(shí)驗(yàn)表明，反應(yīng)器對(duì)COD、NH3－N和TN的去除率分別可達(dá)80.82%、69.12%和63.16%，處理成本約為0.25元／m3。近年來也有學(xué)者將接觸氧化法和活性污泥法結(jié)合，如楊云平［8］開發(fā)了一種活性污泥－接觸氧化氣提式內(nèi)循環(huán)一體化反應(yīng)器，將組合填料置于曝氣區(qū)，通過曝氣動(dòng)力實(shí)現(xiàn)了混合液的內(nèi)循環(huán)。

2.2 一體化生物流化床

生物流化床是以粒徑為0.3～3.0mm的活性炭、沸石、磁環(huán)及多孔高分子聚合物等為載體，污水為流化介質(zhì)，通過載體生物膜的吸附降解作用去除有機(jī)污染物［9］。與接觸氧化工藝相比，生物流化床污泥濃度更高、耐沖擊能力更強(qiáng)、剩余污泥更少、無濾料堵塞難題，而且生物流化床具有流程緊湊、占地面積小、出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)。但是，流化床必須在高速運(yùn)行下才能使載體流態(tài)化，故能耗較高、運(yùn)行管理較復(fù)雜，并不適合分散生活污水的處理。目前，生物流化床反應(yīng)器形式多樣：按循環(huán)方式可分內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)流化床；按床內(nèi)物相可分為二相、三相流化床；按微生物需氧環(huán)境可分為好氧、厭氧以及厭氧－好氧流化床。隨著研究的進(jìn)展，一些新型流化床反應(yīng)器不斷涌現(xiàn)，如MBBR移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器、BASE三相生物流化床、Circox氣提式生物流化床、磁場(chǎng)生物流化床、固定化－流化床生物反應(yīng)器等。

近年來，一體化生物流化床成為國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。肖鴻等［10］將多孔聚合物載體用于厭氧－好氧一體化生物流化床反應(yīng)器中處理高濃度有機(jī)廢水。在新型一體化生物流化床反應(yīng)器中添加多孔聚合物載體處理高濃度有機(jī)廢水，是一種創(chuàng)新的嘗試。當(dāng)進(jìn)水COD在2700～4653mg／L時(shí)，反應(yīng)器對(duì)COD的去除率均值可達(dá)90.6%；當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度為280.3～350.7mg／L時(shí)，對(duì)氨氮的平均去除率為81.0%。

2.3 SBR反應(yīng)器

SBR反應(yīng)器是由英國(guó)學(xué)者Arden和Locket于1914年發(fā)明的，而它的研究發(fā)展始于20世紀(jì)70年代。SBR反應(yīng)器將進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水和閑置五個(gè)階段按時(shí)間順序集中在一個(gè)裝置中完成。它的主要特點(diǎn)是在一個(gè)池內(nèi)完成污水處理的全過程，所以節(jié)省占地面積，基建費(fèi)用少。同時(shí)，SBR反應(yīng)器抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，處理效果較好，對(duì)氮、磷也有一定的去除效果，不易產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象，適合小水量的污水處理。有研究表明，SBR反應(yīng)器能實(shí)現(xiàn)分散式生活污水處理的達(dá)標(biāo)排放［11］。

隨著SBR反應(yīng)器研究的進(jìn)行，出現(xiàn)了很多可以處理不同性質(zhì)污水的改進(jìn)工藝，如CASS、ICEAS、SBBR、MSBR、UNITANK、DAT－IAT 等。其中，DAT－IAT是典型的SBR改進(jìn)工藝。DAT－IAT一體化設(shè)備的主體構(gòu)筑物由需氧池（DAT）和間歇曝氣池（IAT）組成。其中，DAT池連續(xù)進(jìn)水，持續(xù)曝氣；在IAT池完成曝氣、沉淀、潷水、排泥過程。DAT－IAT一體化設(shè)備既有SBR的靈活性，又有傳統(tǒng)活性污泥法的連續(xù)性和高效性，已在生活污水和工業(yè)廢水處理方面有所應(yīng)用。秦皇島某交通酒店采用地埋式DAT－IAT一體化設(shè)備對(duì)其生活污水進(jìn)行處理，該設(shè)備一直穩(wěn)定運(yùn)行，無需專人管理，可實(shí)現(xiàn)厭氧、缺氧和好氧狀態(tài)，對(duì)生活污水和洗滌廢水處理效果良好［12］。也有學(xué)者在DAT－IAT工藝基礎(chǔ)上前置一個(gè)缺氧池，形成A／DAT－IAT工藝，增強(qiáng)了脫氮除磷的效果。

近年來SBR與其他工藝相結(jié)合而成的復(fù)合工藝發(fā)展也比較迅速。SBR與A／O或A2／O工藝相結(jié)合的一體化設(shè)備，具有良好的脫氮除磷功能。序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR）是一種新型的變型SBR工藝，其將填料裝填在SBR反應(yīng)器內(nèi)，為生物提供了更有利的生存環(huán)境，大大提高了設(shè)備的處理能力和穩(wěn)定性。目前國(guó)內(nèi)對(duì)SBBR的研究主要集中在工業(yè)廢水和部分城市生活污水處理上，將其用于一體化污水處理設(shè)備具有廣闊的前景。

2.4 一體化氧化溝

一體化氧化溝的主要特點(diǎn)是船型的二沉池被合建于氧化溝內(nèi)。按二沉池置于氧化溝的部位，可分為溝內(nèi)式、側(cè)溝式和中心島式一體化氧化溝。一體化氧化溝不用另建單獨(dú)的沉淀池，無需污泥回流系統(tǒng)，大大節(jié)省了占地面積和基建費(fèi)用；抗沖擊能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，可以脫氮除磷，運(yùn)行管理方便。一體化氧化溝的這些優(yōu)點(diǎn)使其特別適用于小區(qū)域污水的集中處理。

有學(xué)者將一體化氧化溝和厭氧、缺氧及好氧工藝合理組合，加強(qiáng)裝置的脫氮除磷作用。如立體循環(huán)氧化溝（IODVC），它由曝氣轉(zhuǎn)刷、上下兩層溝道和沉淀區(qū)組成［11］。上層溝道為好氧區(qū)，下層溝道為缺氧區(qū)，水流在上下兩層豎直循環(huán)，大大節(jié)省了占地面積；沉淀池建在氧化溝的一端，沉淀的污泥可以自動(dòng)回流到氧化溝，無需污泥回流設(shè)備，節(jié)省了投資和能耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，立體循環(huán)氧化溝處理城市生活污水是可行的，對(duì)COD的去除率可達(dá)95%，NH3－N和TN的去除率也分別達(dá)到99%和90%以上［13］。在此基礎(chǔ)上開發(fā)的一種新型一體化立體循環(huán)污水生物脫氮除磷反應(yīng)器（IBNPRVC），通過排出厭氧區(qū)富磷上清液，可在脫氮的同時(shí)達(dá)到良好的除磷效果［5］。江蘇金山環(huán)保有限公司發(fā)明了一種一體化多功能立體循環(huán)氧化溝設(shè)備，氧化溝內(nèi)設(shè)有三塊隔板，將其自上而下分為一級(jí)好氧區(qū)、二級(jí)好氧區(qū)、缺氧區(qū)及厭氧區(qū)四個(gè)隔室，二沉池安裝在溝的兩側(cè)，在二沉池上部出水口處設(shè)有消毒裝置，氧化溝頂部設(shè)有生物除臭裝置［14］。本設(shè)備集脫氮、除磷、除臭和消毒與一體，具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，尤其適用于城市生活社區(qū)生活污水的處理。

2.5 一體化膜生物反應(yīng)器

一體化膜生物反應(yīng)器（MBR）是結(jié)合膜分離技術(shù)和生物處理工藝而開發(fā)的新型污水處理裝置，它具有處理效果好、能耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、剩余污泥少、易于自動(dòng)管理等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著膜污染的問題。目前MBR技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)很多大型污水處理廠，在20m3／d以下的小型污水處理工程中應(yīng)用較少。肖珊等［15］用小型一體化MBR設(shè)備對(duì)鄭州某農(nóng)家樂4m3／d的生活污水進(jìn)行了處理，去除效果穩(wěn)定，對(duì) COD、BOD、SS、和 NH3－N 的去除率均在90%以上。2008北京奧運(yùn)香港馬術(shù)比賽場(chǎng)就采用了“一體化膜生物反應(yīng)器”處理來自比賽馬匹集中點(diǎn)的馬糞尿、清洗污水及工作人員生活污水，該設(shè)備占地面積小、空間緊湊、節(jié)能效率高，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)上的水質(zhì)和運(yùn)行程序全自動(dòng)在線監(jiān)控［16］。

缺氧－好氧膜生物反應(yīng)器（A／O－MBR）具有良好的脫氮能力，廣泛應(yīng)用于分散聚居區(qū)回用水處理［17］。按缺氧區(qū)和好氧區(qū)分布形式，一般可分為并式、立式一體化 A／O－MBR。立式一體化 A／OMBR占地面積小，具備將其投入工程應(yīng)用的潛質(zhì)。重慶大學(xué)的Zhang DJ等［18］開發(fā)了一種立式一體化A／O－MBR，膜組件置于好氧區(qū)，污水以升流形式依次通過厭氧區(qū)和好氧區(qū)，厭氧區(qū)產(chǎn)生的甲烷進(jìn)入好氧區(qū)作為反硝化的碳源。結(jié)果表明，該反應(yīng)器對(duì)COD和氨氮的去除率分別可達(dá)99%和100%。

隨著廣大學(xué)者對(duì)一體化膜生物反應(yīng)器的深入研究，現(xiàn)在出現(xiàn)了很多MBR與其他工藝相結(jié)合的復(fù)合一體化反應(yīng)器。王星驊等［19］將 MBR與 MBBR（移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器）結(jié)合，開發(fā)了一體化新型移動(dòng)床膜生物反應(yīng)器 M－MBBR；蘇錦明等［20］將 MBR與CASS工藝結(jié)合開發(fā)了一種新型的一體化MCASS設(shè)備；哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境生物技術(shù)中心［21］開發(fā)了一體式UASB－MBR反應(yīng)器，適于水量和污染物濃度變化較大的工業(yè)廢水處理；還有學(xué)者將MBR與SBR工藝結(jié)合發(fā)明了序批式一體化膜生物反應(yīng)器（SBMBR）。這些新型的一體化復(fù)合式膜生物反應(yīng)器出水水質(zhì)更穩(wěn)定，管理運(yùn)行方便，在處理分散生活污水和部分工業(yè)廢水領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

2.6 一體化A／O或A2／O設(shè)備

A／O或A2／O工藝是污水處理最常用的工藝，具有出水水質(zhì)好，耐沖擊能力強(qiáng)，運(yùn)行成本低，管理容易等優(yōu)點(diǎn)。一體化A／O設(shè)備的外形多為筒式或套筒式。筒式設(shè)備的各功能區(qū)是上下分層布置的，污水以升流方式依次流經(jīng)厭氧區(qū)、好氧區(qū)和沉淀區(qū)；套筒式設(shè)備各功能區(qū)水平布置，內(nèi)筒一般為厭氧區(qū)，中筒為好氧區(qū)，外筒為沉淀區(qū)，污水由內(nèi)向外依次流經(jīng)厭氧區(qū)、好氧區(qū)和沉淀區(qū)。

而A2／O工藝脫氮除磷效果好，適合處理含復(fù)雜有機(jī)物和氮組分的工業(yè)廢水。由丹麥開發(fā)的一體化OCO設(shè)備是一種變形的A2／O套筒式設(shè)備，曝氣池由三個(gè)相互聯(lián)接的圓形結(jié)構(gòu)和帶有半圓形隔板的結(jié)構(gòu)組成，里圈、外圈隔墻為圓形，中圈為半圓形，分為厭氧區(qū)（內(nèi)區(qū)）、缺氧區(qū)（中區(qū)）和好氧區(qū)（外區(qū)），水流循環(huán)不需泵，由每區(qū)水下攪拌器控制水的混合程度［22］。李德豪等［23］在此基礎(chǔ)上發(fā)明了一體化膜泥法OCO污水處理裝置，主要特點(diǎn)是將二沉池合建于OCO反應(yīng)器中，實(shí)現(xiàn)了污泥的自動(dòng)回流，減少了投資和運(yùn)行費(fèi)用。該設(shè)備的除磷效果良好，除磷效率可達(dá)90%以上［24］。有學(xué)者［22］將一體化 OCO設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)（即一體化MOCO設(shè)備），分別將半圓形隔墻的兩末端延伸60°，使隔墻弧度增至300°，加大了缺氧區(qū)的有效容積，減少了混合區(qū)的體積，脫氮除磷效果較OCO工藝明顯提高，活動(dòng)導(dǎo)流墻代替了回流攪拌器，明顯降低能耗。

針對(duì)不同類型的廢水，一些A／O或A2／O裝置多與活性污泥法或生物膜法結(jié)合，或科學(xué)的在厭氧段或好氧段的前、后加上其他處理工藝，以強(qiáng)化處理效果。

2.7 其他一體化污水處理設(shè)備

除上述一體化污水處理設(shè)備外，將各種物理、化學(xué)與生化反應(yīng)相結(jié)合的一體化設(shè)備也開始出現(xiàn)。一體化生物電化學(xué)反應(yīng)器（BER）就是典型的代表，它將電凝聚和電氣浮等電化學(xué)反應(yīng)與生化反應(yīng)相結(jié)合，在去除水中的有機(jī)物、細(xì)菌、有毒重金屬和其他毒物的同時(shí)，還能降低濁度［25］。Gonzalez O 等［26］用Fenton－SBBR一體化設(shè)備處理含抗生素廢水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)SBBR水力停留時(shí)間為8h時(shí)，總碳去除率可達(dá)75.7%，氮的去除效果也良好，利用該設(shè)備處理抗生素制藥廢水是一種有效的方法。

3 結(jié)論及建議

一體化污水處理設(shè)備因具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地小、投資及運(yùn)行費(fèi)用小、工藝簡(jiǎn)單、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)，在城市排水管網(wǎng)難以覆蓋的區(qū)域具有廣闊的應(yīng)用和推廣前景。一體化污水處理設(shè)備采用的處理工藝較多，針對(duì)不同類型的污水，可以合理組合各種工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)?？v觀現(xiàn)有的一體化污水處理設(shè)備，作者對(duì)未來一體化污水處理技術(shù)的研究提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）應(yīng)強(qiáng)化一體化污水處理設(shè)備脫氮除磷的功能，減輕河流、湖泊等水體富營(yíng)養(yǎng)化的污染形勢(shì)，保障居民飲用水的安全。

（2）現(xiàn)有的一體化污水處理設(shè)備多是幾種傳統(tǒng)工藝的結(jié)合，僅僅實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的一體化，存在著設(shè)備過多或結(jié)構(gòu)不緊湊等缺點(diǎn)，今后應(yīng)在工藝的選擇和結(jié)合方面多作研究，設(shè)計(jì)出工藝更加合理、結(jié)構(gòu)更緊湊、去除效率更高的一體化污水處理設(shè)備。

（3）今后的一體化污水處理設(shè)備應(yīng)向著高度集中化、自動(dòng)化、系列化、成套化等方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)備的現(xiàn)代化。

［1］2011中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)，中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部，2012－06－06.

［2］吳慧芳，孔火良，金杭.城鎮(zhèn)小型生活污水處理設(shè)備及其展望［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2003，29（5）：17－20.

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