汙水處理主流技術發展史

北極星水處理網訊:【摘要】汙水處理的需求是伴隨著城市的誕生而產生的，城市汙水處理技術歷經數百年變遷，從最初的一級處理發展到現在的三級處理，從簡單的消毒沉澱歷經有機物去除、脫氮除磷再到深度處理回用；其中，活性汙泥法的問世更是具有劃時代的意義。本文帶領大家一起回顧一下「那些年」城市汙水處理主流技術走過的路。

汙水處理技術發展編年史

汙水處理歷史可以追溯到古羅馬時期，那個時期環境容量大，水體的自淨能力已能夠滿足人類的用水需求，人們僅需考慮排水問題即可；而後伴隨城市化進程加快，生活汙水通過傳播細菌引發了傳染病的蔓延。出於健康的考慮，人類開始對排放的生活汙水進行處理。早期處理方式採用石灰、明礬等沉澱及漂白粉消毒。明代晚期，我國已有汙水淨化裝置，但由於當時需求性不強，我國生活汙水仍用以農業灌溉為主。

1762年，英國開始採用石灰及金屬鹽類等處理城市汙水。

1881年，法國科學家發明了第一座生物反應器，也是第一座厭氧生物處理池moris池誕生，拉開了生物法處理汙水的序幕。

1893年，第一座生物濾池在英國Wales投入使用，並迅速在歐洲北美等國家推廣。

1912年，英國皇家汙水處理委員會提出以BOD5來評價水質的汙染程度。技術的發展，推動了標準的產生。

1914年，自英國曼徹斯特活性汙泥法二級生物處理技術問世以來，一直被世界各國廣泛採用，目前發達國家已經普及二級生物處理技術。但針對活性汙泥法存在的問題，各國研究人員對該技術不斷進行改造和發展，先後出現了普通活性汙泥法、厭氧/缺氧/好氧活性汙泥法(A/O、A /A/O)、間歇式活性汙泥法(SBR 法)、改良型SBR (MSBR) 法、一體化活性汙泥法(UNITANK)、兩段活性汙泥(AB)法及各種類型的生物膜法等。

經濟發達國家汙水處理技術從20世紀60年代的末端治理到70 年代的防治結合，從80年代的集中治理到90年代的清潔生產，不斷更新處理工藝技術、設施和設備。目前汙水生物處理技術的主要發展趨勢是多種技術組合為一體的新技術、新工藝。如同步脫氮除磷好氧顆粒汙泥技術、電/生物耦合技術、吸附/生物再生工藝、生物吸附技術以及利用光、聲、電與高效生物處理技術相結合處理高濃度有毒有害難降解有機廢水的新型物化、生物處理組合工藝技術，如光催化氧化生物處理新技術、電化學高級氧化/高效生物處理技術、超聲波預處理/高效生物處理技術、溼式催化氧化/ 高效生物處理技術以及輻射分解生物處理組合工藝等。許多國家在水環境汙染治理目標與技術路線方面已經有了重大變化，水汙染治理的目標已經由傳統意義上的「汙水處理、達標排放」轉變為以水質再生為核心的「水的循環再利用「，由單純的「汙染控制」上升為「水生態修復」。

汙水生物處理技術發展史

傳統觀點認為，生物處理的主要功能是分解、穩定有機物，即降低BOD。隨著工業生產的發展和對水環境的長期觀察與研究表明，很多人工合成的有機物具有「三致」(致癌、致畸、致突變) 的嚴重危害，並且難以被微生物所降解，而無機性的營養物如氮、磷則容易引起水體的富營養化。因此，水處理的要求也在不斷變化，除要求水處理工藝具備脫氮除磷功能外，還要求將工業化生產、通過高溫高壓合成的各類汙染物在汙水處理過程中得到有效控制。因為這一類物質在自然界的降解需要幾百年甚至上千年，還將不斷富集、濃度不斷增大，直接危害生態環境和人類生活的健康。生物處理技術對這種類型的汙水處理是否有效？一些BOD、COD濃度很高，甚至高達數萬mg/L的汙水，生物處理技術能否有效？這些新的問題和要求，推動了汙水生物處理技術和工藝的發展。

按照微生物的生長方式，生物法可分為以活性汙泥法為代表的懸浮生長法和以生物膜法為代表的附著生長法。目前，城市汙水處理以活性汙泥法的應用最廣。但是，由於傳統活性汙泥法運行需要消耗大量的能源，運行費也較高，需要進行革新。為開發高效、低耗的城市汙水處理新技術、新工藝，國內外開展了大量的研究並取得了一定的成就。

1.生物處理的微生物

傳統的汙水生物處理技術主要依賴兩大類微生物，即異養型好氧微生物和異養型厭氧微生物。近幾十年來，科學家和工程師共同合作，對汙水生物處理中的微生物進行比較深人的研究，取得了很多成果，例如: 對活性汙泥中細菌和原生動物的不同種類和特性及其協同作用的研究，推進了AB法工藝的發展; 對於硝化、反硝化細菌的研究，以及聚磷菌特性的研究，推進了具有脫氮功能的A/O法工藝以及具有脫氮除磷功能的A/A/O法工藝的發展; 對於厭氧微生物種群和特性的研究，以及發現了厭氧微生物具有部分降解大分子合成有機物的能力，推進了厭氧生物處理工藝以及用厭氧/好氧串聯流程處理含難降解有機物廢水的工藝發展; 對於高效菌的篩選、培養和固定化的研究，為進一步提高汙水生物處理的效能，特別是為難生物降解有機物的處理提供了有效途徑。

2.生物處理的工藝

生物處理中的三大要素是微生物、氧和營養物質。反應器是微生物棲息生長的場所，是微生物對汙水中的汙染物加以降解、利用的主要設備。高效的反應器，要能保持最大的微生物量及其活性，要能有效地供應氧或隔絕氧，要使微生物、氧和汙水中的有機物之間能充分接觸良好的傳質條件。反應器按其特性，大致可分為以下幾類：

①懸浮生長型(如活性汙泥法) 或附著生長型(如生物膜法);

②推流式或完全混合式;

③連續運行式(如傳統活性汙泥法) 或間歇運行式(如SBR法)。

一、活性汙泥法

活性汙泥法自1914 年由Arden和Lockett開創至今，已經104年的發展與實踐，在供氧方式、運轉條件、反應器形式等方面不斷得到革新和改進。最早出現的傳統活性汙泥法屬於推流式曝氣池，由於靠近水池進水口的基質濃度高於出口端的基質濃度，而最初的設計沒有考慮到需氧量的變化，結果造成了一些部位氧的不足。為改進供氧不均勻的缺點，1936 年將均勻曝氣方式改為沿推流方向漸減曝氣方式，大部分的氧量在基質去除相當快的進水端輸人，而以內源代謝和衰減為主要反應作用的出水端僅需少量的氧，這也就是傳統活性汙泥法比較標準的形式一一漸減曝氣活性汙泥法。

活性汙泥法的變種（階段曝氣法）於1942 年出現。階段曝氣法又稱多點進水法，進水分成幾股，然後幾股汙水從曝氣池的不同點進人，從而使需氧量分配均勻。在汙泥同原水混合前，使汙泥進行再曝氣的想法得到了更進一步的發展。1951年出現了接觸穩定活性汙泥法，它是傳統活性汙泥法的另外一種發展形式。為了避免在推流式曝氣池中因基質濃度梯度造成的微生物不適應，使微生物群落保持相對穩定的狀態。到20世紀50年代末，出現了完全混合式活性汙泥法，這種形式的優點是提供了一個有利於細菌絮體生長，不利於絲狀菌生長的環境，汙泥的沉降和密實性都很好，但是由於基質梯度的變化使系統容易受有毒物質的千擾。為了克服其他幾種改進形式的缺點(必須處置大量的汙泥、流程的運行控制要求嚴格)，出現了延時曝氣法，由於有一個完整的細胞平均停留時間，所以穩定程度相當高，然而由於經濟問題的限制，它僅用於汙水濃度低的小型設施。另外還出現了純氧曝氣法、深井曝氣法等。

（1.1）SBR法的發展

作為傳統活性汙泥法的改進，SBR法有著廣泛的應用前景。SBR法是序批式間歇活性汙泥法(又稱序批式反應器) 的簡稱，它是目前受到國內外廣泛重視、研究和應用較多的一種汙水生物處理技術，特別是隨著先進的自動控制技術的發展，汙水處理廠自動化管理程度大大提高，為SBR活性汙泥法的推廣應用提供了更為有利的條件。

SBR工藝在設計和運行中，根據不同的水質條件、使用場合和出水要求，有了許多新的變化和發展，產生了許多變型。ICEAS與傳統SBR相比，增加了一個預反應區且連續進水、間歇排水，但由於在沉澱期進水影響了泥水分離，使進水水質受到了限制。DAT-IAT 工藝克服了ICEAS的缺點，將預反應區改為與SBR反應池IAT分立的預曝氣池DAT, DAT 連續進水、連續曝氣，主體間歇反應器IAT在沉澱階段不受進水的影響且增加了從IAT到DAT的回流。但是對於含生物難降解有機物汙水的處理，DAT-IAT並不能取得好的效果，而CASS工藝克服了這個缺點，將ICEAS的預反應區革新為容積小、設計更加優化合理的生物選擇器並將主反應區的部分剩餘汙泥回流至選擇器，沉澱階段不進水，因而系統更加穩定，且具有良好的脫氮除磷效果。IDEA 又是CASS的發展，主要是將生物選擇器改為與SBR 主體構築物分立的預混合池。但以上工藝均只能做到進水連續而排水間歇。為了克服間歇排水的缺點，UNITANK工藝集合了SBR和三溝式氧化溝的優點，一體化設計，做到連續進水連續出水並且汙泥自動回流，與CASS相比省去了汙泥回流設備。但UNITANK 工藝還存在中溝汙泥濃度低及過分依賴於儀表裝置等缺點，如一旦進水閥門損壞，整個系統將無法工作。為了克服UNTANK 工藝的缺點，又產生了一種新型的SBR系統MSBR。它實質上是將A/A/O工藝與SBR系統串聯而成，採用單池多格方式，省去了許多閥門儀表等，增加了汙泥回流又保證了較高的汙泥濃度，有很好的脫氮除磷效果。近幾年，其他許多SBR系統的研究也得到了深人，如厭氧SBR、多級SBR等，均取得了良好的效果。隨著技術的不斷進步和深人研究，將出現更多的SBR改型工藝。

（1.2）氧化溝的發展

氧化溝是活性汙泥法的一種改型，其曝氣池呈封閉的溝渠型，汙水和活性汙泥的混合液在其中進行不斷的循環流動，因此又被稱為「環形曝氣池」、「無終端的曝氣系統」。氧化溝工藝形式的改進和發展與其曝氣設備的開發和研究是分不開的。20 世紀60 年代末，荷蘭的DHV公司將立式低速表曝機應用於氧化溝工藝，將其安裝在氧化溝中心隔牆的末端，利用其所產生的攪拌推動力使水流循環流動，使氧化溝的有效水深增加至4.5m，該工藝即為Carrousel氧化溝工藝，幾乎與此同期，Lecmple和Mandt 首次將水下曝氣和推動系統應用於氧化溝工藝，開發了射流曝氣氧化溝工藝，使氧化溝的有效水深和寬度相互獨立，其深度可達7~8m。1970年，南非開發了轉盤曝氣機而出現了Orbal氧化溝工藝。近年來荷蘭DHV公司推出了兩層渦輪立式曝氣機、德國Passavant 公司開發了具有抗腐蝕強、強度高、重量小的玻璃鋼強化型轉刷葉片; 美國USFilter Envirex公司開發了以曝氣轉碟(推動水流) 和粗泡曝氣相結合的垂直循環流反應器(VLR) 氧化溝工藝。

（1.3）AB法的發展

AB工藝是吸附/生物降解工藝的簡稱。這項汙水生物處理技術是由德國亞琛工業大學的BothoBohnke教授為解決傳統二級生物處理系統存在的去除難降解有機物和脫氮除磷效率低及投資運行費用高等問題，在對兩段活性汙泥法和高負荷活性汙泥法進行大量研究的基礎上，於20世紀70 年代中期開發、80年代開始應用於工程實踐的一項新型汙水生物處理工藝。

AB工藝在我國的研究和應用經歷了三個階段。首先是對AB工藝特性、運行機理及處理過程穩定性等進行詳盡的報導和研究；其次是較多單位對AB工藝處理城市汙水、工業廢水進行一定規模的試驗研究；第三是國內部分城市汙水處理廠如山東青島市海泊河汙水處理廠、泰安市汙水處理廠、新疆烏魯木齊市河東汙水處理廠等在引進德國AB工藝技術的基礎上，建成相當處理規模的AB法汙水處理廠。AB工藝與傳統活性汙泥工藝相比，在處理效率、運行穩定性、工程投資和運行費用等方面均具有優勢。

（1.4）A/A/O系列的發展

20世紀70年代中期，美國的Spector在研究活性汙泥膨脹控制問題時，發現厭氧/好氧(Ap/O) 狀態的交替循環不僅能有效防止活性汙泥絲狀菌的膨脹，改善汙泥的沉降性能，而且具有明顯的強化除磷效果。第一個生產性Ap/O (Anaerobic/Oxic) 裝置於1979 年建成投產，此後許多汙水處理廠在修建或改造過程中採用了該工藝。AP/O系統由活性汙泥反應池和二次沉澱池構成，汙水和汙泥順次經厭氧和好氧交替循環流動。反應池分為厭氧區和好氧區，兩個反應區進一步劃分為體積相同的格，產生推流式流態。回流汙泥進人厭氧池可吸收去除一部分有機物並釋放出大量磷，進人好氧池汙水中可使有機物得到好氧降解，同時汙泥將大量攝取汙水中的磷，部分富磷汙泥以剩餘汙泥的形式排出，實現磷的去除。

Ap/O除磷工藝流程圖

AN/O (Anoxic/Oxic) 工藝是一種有回流的前置反硝化生物脫氮流程，其中前置反硝化在缺氧池中進行，硝化在好氧池中進行。

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