污水处理那些事儿--城市污水处理技术发展史

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污水处理的需求是伴随着城市的诞生而产生的。城市污水处理技术，历经数百年变迁，从一级处理发展到现在的三级处理，从简单的消毒沉淀到有机物去除、脱氮除磷再到现在深度处理回用。其中，活性污泥法的提出更是具有划时代的意义，今年正值活性污泥法诞生100周年，曲久辉等六位专家提出了建设引领未来的中国城市污水处理概念厂的想法。城市污水处理技术今后究竟将如何发展？对此，不如先让我们回顾一下那些年城市污水处理走过的路。

====一级处理阶段====

城市污水处理可追溯到古罗马时期，这个时期环境容量大，水体的自净能力能够满足人类的用水需求，人们仅需考虑排水问题即可。而后，城市聚集，生活污水通过传播细菌引发了传染病的蔓延，出于健康的考虑，人类开始对排放的生活污水处进行处理。早期的处理方式为采用石灰、明矾等进行沉淀或用漂白粉进行消毒。明代晚期，我国已有污水净化装置。但由于当时需求性不强，我国生活污水仍以农业灌溉为主。1762年，英国开始采用石灰及金属盐类等处理城市污水。

====二级处理阶段====

一、有机物去除工艺

1、生物膜法

十八世纪中叶，工业革命开始，城市生活污水中有机物成为去除重点。1881年，法国科学家发明了一座生物反应器，也是一座厌氧生物处理池—moris池诞生，拉开了生物法处理污水的序幕。1893年，一座生物滤池在英国Wales投入使用，并迅速在欧洲北美等国家推广。技术的发展，推动了标准的产生。1912年，英国皇家污水处理委员会提出以BOD5来评价水质的污染程度。

2、活性污泥法

1914年，Arden和Lokett在英国化学工学会发表活性污泥法的论文，并于同年在英国曼彻斯特市开创了世界上一座活性污泥法污水处理试验厂，两年后，美国正式建立了一座活性污泥法污水处理厂。活性污泥法的诞生奠定了未来100年间城市污水处理技术的基础。

活性污泥法诞生之初，采用的是充-排式工艺，由于当时自动控制技术与设备条件落后，导致其操作繁琐，易于堵塞，与生物滤池相比并无明显优势。之后连续进水的推流式活性污泥法（CAs法）（如图1）出现后很快就将其取代，但由于推流式反应器中污泥耗氧速度沿池长是变化的，供氧速率难以与其配合，活性污泥法又面临局部供氧不足的难题。1936年提出的渐曝气活性污泥法(TAAs)和1942年提出的阶段曝气法(SFAS)分别从曝气方式及进水方式上改善了供氧平衡。1950年，美国麦金尼提出完全混合式活性污泥法。该方法通过改变活性污泥微生物群的生存方式使其适应曝气池中因基质浓度的梯度变化，有效解决了污泥膨胀的问题。

图1 传统活性污泥法工艺流程

随着在实际生产生的广泛应用和技术上的不断革新改进，20世纪40-60年代，活性污泥法逐渐取代了生物膜法，成为污水处理的主流工艺。

1921年，活性污泥法传播到中国，中国建设了一座污水处理厂—上海北区污水处理厂。1926年及1927年又分别建设了上海东区及西区污水厂，当时3座水厂的日处理量共为3.55万吨。

二、脱氮除磷工艺

20世纪50年代，水体富营养化问题凸显，脱氮除磷成为污水处理的另一主要诉求。于是，在活性污泥法的基础上衍生出了一系列的脱氮除磷工艺。

1、除磷工艺

50年代初，摄磷菌被发现并用于除磷。（如图2）

图2 生物除磷工艺

2、脱氮工艺

1969年，美国的Barth提出采用三段法除氮（如图3），一段是好氧段，主要去除有机物，第二段加碱硝化，第三段是厌氧反硝化，除氮。

图3 三段法脱氮工艺流程

1973年，Barnard在原有工艺基础上，将缺氧和好氧反应器完全分隔，污泥回流到缺氧反应器，并添加了内回流装置，缩短了工艺流程，也就现在常说的缺氧好氧（A/O）工艺（如图4）。

图4 A/O脱氮工艺流程

3、A2O工艺

70年代，美国专家在A/O工艺的基础上再加上除磷就成了A2O工艺（如图5）。我国1986年建厂的广州大坦沙污水处理厂，采用的就是A2O工艺，当时的设计处理水量为15万吨，是当时世界上采用A2O工艺的污水处理厂。

图5 A2O脱氮工艺流程

4、氧化沟工艺

A2O工艺是将生物处理厌氧段和好氧段进行了空间分割，而氧化沟则为封闭的沟渠型结构，结合了推流式和完全混合式活性污泥法的特点，集曝气、沉淀和污泥稳定于一体。污水和活性污泥的混合液不断地循环流动，系统中能够形成好氧区和缺氧区，进而实现生物脱氮除磷（如图6）。氧化沟白天进水曝气，夜间用作沉淀池。活性污泥法相比 , 其具有处理工艺及构筑物简单、泥龄长、剩余污泥少且容易脱水、处理效果稳定等优势。

图6 氧化沟工艺流程

1953年，荷兰的公共卫生工程研究协会的Pasveer研究所提出了氧化沟工艺，也被称为“帕斯维尔沟”。1954年，在荷兰的伏肖汀（Voorshoten）建造了一座氧化沟污水处理厂，当时服务人口仅为360人。60 年代，这项技术在欧洲、北美和南非等各国得到了迅速推广和应用。据统计到1977年为止在西欧有超过2000多座帕斯维尔型氧化沟投入运行。

1967年，荷兰DHV公司开发研制了卡鲁塞尔（Carroussel）氧化沟 。它是一个由多渠串联组成的氧化沟系统。卡鲁塞尔氧化沟的发展经历了普通卡鲁塞尔氧化沟、卡鲁塞尔2000氧化沟和卡鲁塞尔3000氧化沟三个阶段。

卡鲁塞尔氧化沟

1970年，美国的Envirex公司投放生产了奥贝尔（Orbal）氧化沟 。它由3条同心园形或椭圆形渠道组成，各渠道之间相通，进水先引入外的渠道，在其中不断循环的同时，依次进入下一个渠道，相当于一系列完全混合反应池串联在一起，从中心的渠道排出。

奥贝尔（Orbal）氧化沟

交替式工作氧化沟是由丹麦克鲁格（Kruger）公司研制，该工艺造价低，易于维护，通常有双沟交替和三沟交替（T型氧化沟）的氧化沟系统和半交替工作式氧化沟。

5、两段法工艺

早期的两段法只是将一套活性污泥法的两组构筑物串联，一段和二段曝气池体积相同，且多合并建设，大部分有机物在一段被吸附降解，第二段的污泥负荷很低，其出水水质要优于相同体积曝气池的单级活性污泥法（如图7）。然而，由于一段曝气池体积减小了一倍，相当于污泥负荷增加了一倍，处在易发生污泥膨胀的阶段，运行管理较为困难。

图7 传统两段法工艺流程

20世纪70年代中期，德国的Botho Bohnke教授开发AB工艺（如图 8）。该工艺在传统两段法的基础上进一步提高了一段即A段的污泥负荷，以高负荷、短泥龄的方式运行，而B段与常规活性污泥法相似，负荷较低，泥龄较长，A段由于泥龄短、泥量大对磷的去除效果很好，经A段去除了大量的有机物以后B段的体积可大大减小，其低负荷的运行方式可提高出水水质。但是由于A段去除了大量的有机物导致B段碳源缺失，所以在处理低浓度的城市污水时该工艺的优势并不明显。

其后，为了解决脱氮时硝化菌需要长泥龄，除磷时聚磷微生物需要短泥龄的矛盾，开发了AO-A2O工艺（如图9）该工艺由两段相对独立的脱氮和除磷工艺组成，一段泥龄短，主要用于除磷，第二段泥龄长、负荷低，用于脱氮。

图9 AO-A2O工艺流程

在AO-A2O工艺基础上奥地利研发出Hybrid工艺（如图10），该工艺的两段之间有三个内回流装置，可以为一段曝气池提供硝态氮、硝化菌以及为第二段曝气池提供碳源。一段主要是去除有机物和磷，第二段是硝化功能，并靠一段曝气池回流混合液进行反硝化脱氮。