向污水宣战
作者:王峥 胡敬时间:2015-06-05 09:14 来源:中国科技人才杂志


城镇污水是城市发展和社会进步的必然产物,随着城镇化进程的不断加快,城镇污水所引起的环境污染问题逐渐引起了社会的关注。

普通活性污泥法作为城镇污水处理的重要技术手段于20世纪60年代在欧美等发达国家得到普及,从而有效控制了有机物污染问题,但水体黑臭问题并没有从根本上得到解决。

进入90年代,我国的水污染和水质富营养化问题继续加剧,尤其是21世纪初期,太湖、巢湖、滇池等流域水污染事件频发,对城镇污水处理的关注度再次提升,提高城镇污水处理厂污染物排放标准已成为必然趋势。

2007年太湖流域水污染事件是我国城镇污水处理厂提标改造的重要里程碑事件,自此,重点流域大量城镇污水处理厂进入题标改造程序。截至2014年年底,我国一级A排放标准城镇污水处理厂的数量和规模分别达到了1080座和3771万m3/d,占全国总数量和规模的26.9%和23.6%。

但是,根据最新发布的《水污染防治行动计划》(水十条),“敏感区域(重点湖泊、重点水库、近岸海域汇水区域)城镇污水处理设施应于2017年年底前全面达到一级A排放标准。建成区水体水质达不到地表水Ⅳ类标准的城市,新建城镇污水处理设施要执行一级A排放标准”。这几乎意味着全国大部分城镇污水处理厂都将面临着按照一级A标准进行提标改造的问题,改造任务依然十分艰巨。

长期以来,我国城镇污水处理技术市场复杂,环保行业准入门槛较低,再加上多数城市处于大建设时期,城市排水管网不完善,导致污水处理厂进水泥沙含量高、碳氮比低等问题十分突出,国外大量成熟的技术和设备在我国也出现了严重的“水土不服”现象。行业专家很早就预见到我国城镇污水处理厂提标改造将面临的一系列技术、政策和管理瓶颈问题。

国家城市给水排水工程技术研究中心总工程师郑兴灿指出:“随着污水处理事业的发展,今后执行一级A排放标准的污水处理厂也会不断增加,但不容忽视的是,不断提升的处理规模和严格的排放标准背后,是我国污水处理技术、运营、管理能力的明显滞后,怎样在保障处理规模的前提下使出水水质稳定达标,越来越成为制约我国污水处理能力的瓶颈。”

结合我国城镇污水水质水量变化特征,研发适合的污水处理技术和设备,强化设备配套和工艺技术的精细化管理成为时代发展的必然选择。为此,时任国家863计划资源环境领域专家组成员的郑兴灿于2007年筹划了国家863计划“城镇污水处理关键设备研制”项目,重点就高排放标准城镇污水处理工艺所需的一系列核心设备进行了技术攻关。

开发新型高效格栅 解决缠绕物问题

格栅是污水处理厂的一个重要环节和工序,其设备性能与配置将直接影响到污水中颗粒物和缠绕物的去除,从而直接影响整个污水处理系统的功效。2007年之前,我国常用的城镇污水处理厂格栅多为宽间距、粗放式结构,这种形式的格栅对缠绕物和颗粒物的拦截能力较差,导致大量的头发丝、纤维织物、塑料与橡胶碎片、瓜子皮、卫生用品等进入污水处理厂内,在水力相对静止区域内形成各种“杂质”堆,对污水处理厂的感官效果造成影响,而头发丝、纤维织物等物质缠绕在水泵、搅拌器及其他设备或仪表上,造成设备仪表失灵、磨损或堵塞,影响设备的正常运行,对高排放标准城镇污水处理厂形成了巨大的挑战。随着排放标准的不断提升,各种城镇污水处理新工艺和设备的不断涌现,污水处理行业对格栅类设备的革新呼声较高,需求性较强。

基于此,在国家863等科技计划的支持下,中国市政工程华北设计研究总院有限公司组织研究团队,与江苏一环集团等国内优势企业合作,开展了小孔径超细格栅的联合技术攻关,成功研发了不同规格的0.75~1.5mm孔径转鼓式、内进流式和平板式拦污格栅,形成了系列化、标准化生产能力,产品性能达到国际同类产品水平,并以相对低廉的市场价格迅速占领国内市场,成为高排放标准城镇污水处理厂的基本单元设备,目前该产品已经成为MBR、反硝化滤池等污水处理新工艺的基本保障单元,在大多数一级A排放标准城镇污水处理厂中得到应用。

挖掘内部碳源 缓解碳源不足问题

污水处理厂的碳源(BOD5)除了维持微生物生长需要外,还有一个重要的使命就是脱氮除磷,因此,可以说充足的碳源是污水处理厂氮磷稳定达标的关键所在。根据国内外研究经验,生物反硝化系统所需的BOD5/TN约为6~7,如考虑通过初沉污泥和剩余污泥外排的影响,生物反硝化所需的BOD5/TN通常约为5~6,但是我国3000多座城镇污水处理厂的统计结果表明,BOD5/TN年均值达到5以上的不足20%,其中40%以上的污水处理厂BOD5/TN长期不足3.0,碳源不足将在很大程度上影响工艺运行。因此,投加甲醇、乙酸、乙酸钠等外部碳源已经成为近年来大部分高排放标准城市污水处理厂的无奈之选,导致污水处理厂一方面需要去除营养物,一方面需要向系统中投加营养物,因此,合理开发和充分利用内部碳源成为研究热点。

郑兴灿指导的研究团队通过大量工程案例的调研发现,我国大量城镇污水处理工程在设计和运行上存在内部碳源浪费问题,例如反复的跌水充氧导致本不应该出现溶解氧的区域形成了高溶解氧区域,从而使大量碳源损失;大部分城镇污水处理厂好氧混合液携带着高溶解氧进入缺氧池(正常情况下应属于无氧或低氧区)内,与脱氮微生物竞争碳源,进一步加剧碳源损失。研究结果表明,大部分污水处理厂上述问题导致的碳源损失量不低于10mg/L。结合上述问题,提出了加盖控制跌水复氧、设置消氧区降低回流混合液溶解氧等一系列工程举措,并开发了初沉发酵池新型工艺系统,在大量污水处理工程设计和改造中得到实施,取得了较好的工程效果。

研发新型初沉池 解决进水泥沙问题

受城镇化发展现状、不合理的道路布局、城市绿地破坏以及居民生活习惯等因素的影响,我国的城镇污水处理厂进水普遍存在泥砂含量高的问题。在污水生物系统中,泥砂是无生物活性的组分,因此,过多的泥砂含量将在一定程度上影响生物系统的效能,并引发一系列技术难题。在发达国家的城镇污水处理厂进水中,代表泥砂无机物与有机物含量比值的SS/BOD5参数值通常在1.1,而我国只有不足40%的污水处理厂进水SS/BOD5比值低于1.1,甚至有20%的污水处理厂该比值达到或超过2.0,导致污水生物处理系统活性差、效率低。

城镇污水处理厂的工艺布局中,沉砂池和初沉池是泥砂的主要去除单元,但是在这两个单元上,国内外相关研究较为薄弱,国内污水处理厂相关工艺单元运行效能相对较差。

结合国内城镇污水处理厂初沉池设计和运行的实际问题,在国家科技支撑等计划课题的支持下,国家城市给水排水工程技术研究中心的研究团队提出了“初沉(发酵)池”的概念,将传统的污泥沉降和有机物水解有效融合,通过低速旋转的污泥层,形成各种切割、剥离和网捕作用,实现有机物和无机物的有效分离,有效改善污水处理厂的进水水质。除了功能改进外,其最大特征在于停留时间大大缩短,仅为传统初沉池停留时间的30%~50%,大大节省工程占地。2万m3/d以下规模中小城镇污水处理设施可直接提供一体化装备服务,节省占地和工程建设投资。

添加悬浮载体填料 提高活性生物比例

污泥活性组分含量低是我国中部和南方地区大部分城镇污水处理厂的主要特点,导致生物系统实际运行效能变差,这种情况在冬季低温季节尤为显著,将直接影响到城镇污水处理厂出水氨氮的稳定达标。因此通过工程措施或技术手段提高冬季运行效能,将直接影响污水处理厂稳定达标。

在国家863等科技计划的支持下,国家城市给水排水工程技术研究中心联合青岛思普润水处理有限公司等单位共同开展了悬浮填料的工程应用研究,并于2008年成功应用于无锡市芦村污水处理厂的提标改造工程,实现了该种类型悬浮填料在大型城镇污水处理厂的首次成功应用。其最主要特征是,悬浮载体填料为生物细菌,尤其是世代时间相对较长的硝化细菌提供了特殊的生长环境,另外由于悬浮填料处于流化状态,具有缠绕物切割、老旧生物膜自动脱落等特点,较适合在我国城镇污水处理厂应用。

目前该工艺技术已经在我国大量城镇污水处理厂提标改造工程中得到广泛应用,跟踪测试结果表明,在推荐的填充比下,多数悬浮填料工艺污水处理厂悬浮填料附着生长微生物的反应活性已经达到甚至远远超过同比例活性污泥的活性,其中最显著的特征在于世代时间较长的硝化菌在悬浮填料表面具有相对较高的比重,从而有效降低了污水处理厂临时性大量排泥导致硝化反应破坏、氨氮不达标的风险,能有效保障冬季低温条件下的稳定达标。

工程转化纤维转盘过滤设备 解决悬浮物超标问题

水量波动、污泥上浮或漂浮物引起的悬浮物超标是城镇污水处理厂提标改造时需要关注的一个问题,常规的混凝/沉淀/过滤,或其他砂滤工艺虽然存在稳定性和可靠性高等技术优势,但由于工程占地等问题,在污水处理厂改造中的应用相对较少。为解决稳定达标和工程占地的技术矛盾,在国家863等科技计划的支持下,该技术团队推动国内优势企业研发和持续改进纤维转盘过滤设备,并在国内城镇污水处理工程改造中进行广泛的推广应用。

污水处理厂出水悬浮物以有机物或活性微生物为主,含有数量可观的COD、TN和TP,因此,悬浮物去除的同时,也提高了上述物质的去除效率,为污水处理厂相关指标的稳定达标提供了保障。另外,纤维转盘过滤设备占地面积仅为传统砂滤系统的10%~15%,能耗较传统砂滤系统节省90%以上,达到了节能、省地的目的。

目前,纤维转盘过滤设备在上百个污水处理厂获得应用,事实证明能够有效保障污水处理系统出水水质和达标稳定性。

曾有人说,下一个10年,最火爆的产业就是环保产业,污水处理作为其中一个重要分支将再度引发新技术研发、新装备研制、新装备开发的热潮。

郑兴灿指出,污水处理厂工艺技术的精细化和技术设备的集成化将成为行业发展的主要方向,通过科研、设计和设备制造企业的共同合作,可以为城镇污水处理提供先进可靠的工艺技术路线、成套技术方案和个性化选择,为管理部门的技术决策提供基础依据,为工程设计和建设单位提供各种经济合理、技术先进的技术方案,最终为社会环境保护和节能减排做一些贡献。未来,随着社会的发展、城镇数量的不断增加,还需要有更多人投身这场与污水之间的战役,还需要有更多技术的更新来堆砌城市文明的高度。