印刷廢水處理不可忽視

1.1污水處理工藝的發(fā)展

1914年，英國人Ardern、Lockett發(fā)明了活性污泥工藝，這一事件成為了現(xiàn)代污水發(fā)展的起點和重要的標(biāo)志性事件。自那以后，活性污泥工藝成為污水處理的主流處理技術(shù)，圍繞著活性污泥工藝，污水處理技術(shù)獲得了長足的發(fā)展，出現(xiàn)了百花齊放的技術(shù)格局。

活性污泥工藝在經(jīng)歷了早期的zhuanli權(quán)問題之后迎來了技術(shù)的空前繁榮，主要體現(xiàn)在基本理論的完善和各種變形工藝的出現(xiàn)，尤其是20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，同時生物膜工藝獲得再次發(fā)展機(jī)會，IFAS、MBBR及BAF等工藝由于其在緊湊性方面的優(yōu)勢在升級改造方面獲得了一定的優(yōu)勢。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，如圖1所示。

在活性污泥工藝經(jīng)歷了100多年的發(fā)展之后，污水處理技術(shù)的大廈已經(jīng)相當(dāng)完善，目前的污水處理工藝在傳統(tǒng)水質(zhì)方面已經(jīng)不是問題，北美的研究結(jié)果表明，生物脫氮除磷工藝的極限可以達(dá)到TN<3 mg/L、TP<0.1 mg/L。荷蘭的研究結(jié)果也表明，在條件適應(yīng)的情況下活性污泥工藝的技術(shù)極限可以達(dá)到TN<2.2 mg/L、TP<0.15 mg/L。

1.2污水處理理念的轉(zhuǎn)變

進(jìn)入21世紀(jì)后，污水處理領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)了重大的理念變革，污水已經(jīng)不再被認(rèn)為是一種廢物，而是一種可再生的資源，污水處理也正由過去的以衛(wèi)生文明與環(huán)境保護(hù)為目標(biāo)向著資源回收的方向發(fā)展。這一點無論從荷蘭提出的NEWs理念，即未來污水處理廠將是營養(yǎng)物、能源與再生水的制造工廠，還是美國水環(huán)境聯(lián)盟正式摒棄污水處理廠之稱，轉(zhuǎn)而統(tǒng)稱為水資源廠，亦或是新加坡倡導(dǎo)的將Wastewater（污水）改稱為Usedwater（舊水），無不印證著在世界范圍內(nèi)污水作為一種可再生資源已經(jīng)深入人心。伴隨著理念的變革，污水處理工藝在技術(shù)的緊湊性、可持續(xù)性、適應(yīng)性方面朝著更加深入的方向發(fā)展。

2未來污水處理工藝發(fā)展的方向

當(dāng)前城市污水處理的主流技術(shù)是生物處理技術(shù)，生物處理技術(shù)如何在未來發(fā)展實際上反映了今后相當(dāng)一段時間內(nèi)的污水處理工藝發(fā)展方向。本文僅對未來20年內(nèi)的污水處理技術(shù)發(fā)展做一些分析和判斷。

2.1好氧顆粒污泥技術(shù)

2.1.1歷史與現(xiàn)實中的現(xiàn)象

活性污泥工藝的出現(xiàn)與發(fā)展實際上是采用各種方法選擇微生物的過程。1914年，Ardern和Lockett將曝氣后沉淀下的污泥留了下來，將不易沉降的微生物“淘洗”出去，采用這種序批式的方式，他們觀察到了顆粒污泥的現(xiàn)象。

1972年，James Barnard在接觸穩(wěn)定的試驗裝置中也注意到了顆粒污泥的現(xiàn)象，當(dāng)時他用初沉池的出水進(jìn)入到反應(yīng)器中，接觸時間15 min，排泥只從表面排泥，接觸區(qū)的污泥濃度22 000 mg/L，Barnard觀察到了明顯的污泥顆粒，“像粗砂一樣”，當(dāng)時的污泥負(fù)荷非常高。

2.1.2好氧顆粒污泥的形成與選擇

活性污泥工藝從誕生至今一直不斷經(jīng)歷著“選擇”的過程，早期的污泥回流使微生物選擇留在系統(tǒng)中，起到了最為關(guān)鍵的作用；此后，人們通過基本的長泥齡方式而使硝化菌在系統(tǒng)中選擇地存在；而生物除磷工藝的出現(xiàn)，則是通過厭氧-好氧的交替環(huán)境選擇性地使聚磷菌（PAOs）在系統(tǒng)中存在，可以看出對微生物的選擇過程一直伴隨著污水處理工藝的發(fā)展，如圖2所示。當(dāng)然，在這一系列的基本選擇過程中，還有其他因素的影響，比如硝化過程中對DO的需求、生物除磷過程對VFA的需求等。

好氧顆粒污泥技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展實際上仍然是對微生物選擇過程的更進(jìn)一步認(rèn)識，在這一認(rèn)識過程伴隨著對生物膜、污泥膨脹的更加深入理解。好氧顆粒污泥既可以在只去除COD的好氧環(huán)境中出現(xiàn)，也可以在厭氧-好氧的交替環(huán)境中去除COD及氮、磷，在這種形式的顆粒污泥中，硝化菌及普通異養(yǎng)菌在顆粒污泥的最外層，靠近內(nèi)核部分的是反硝化菌、聚磷菌（PAOs）、聚糖菌（GAOs）。因此，好氧顆粒污泥去除營養(yǎng)物的機(jī)理實際上與活性污泥工藝相同，只不過并不是在不同的池子來實現(xiàn)，而是在顆粒污泥的不同區(qū)域來實現(xiàn)。

目前一般認(rèn)為主要有以下幾個方面對顆粒污泥的形成具有重要的影響：

飽食-饑餓選擇，通常以外部基質(zhì)用于生長的階段稱為飽食期，而以內(nèi)部基質(zhì)（PHB）生長的階段稱為饑餓期。與利用乙酸或葡萄糖等易生物降解有機(jī)物相比，異養(yǎng)微生物利用PHB或糖原等慢速可生物降解物質(zhì)的生長速率較慢，利用這一現(xiàn)象可以獲得穩(wěn)定的顆粒污泥。生物除磷的厭氧-好氧過程是實現(xiàn)上述過程的良好方式，在厭氧階段PAO或GAO將乙酸轉(zhuǎn)換為PHB或糖原。因此，rbCOD有利于微生物的快速生長，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為慢速可生物降解的胞內(nèi)物質(zhì)。這樣在生物除磷工藝中就會相對更容易形成顆粒污泥。在饑餓階段，基質(zhì)通過顆粒內(nèi)層的反硝化被降解到最低，或是在顆粒外層的好氧區(qū)域?qū)崿F(xiàn)降解。

有機(jī)負(fù)荷（OLR）及基質(zhì)的組成對顆粒污泥的形成很重要，采用較高的負(fù)荷選擇可以使基質(zhì)進(jìn)入顆粒污泥的內(nèi)層，這樣就容易形成強(qiáng)健的內(nèi)核?；|(zhì)組成的影響主要是體現(xiàn)在快速可生物降解COD（rbCOD）與慢速可生物降解COD（sbCOD），在飽食期rbCOD和VFA的獲得對于胞內(nèi)存儲物質(zhì)的形成很關(guān)鍵，而sbCOD則會導(dǎo)致絲狀菌在好氧階段在競爭中獲得優(yōu)勢。

人們在對生物膜的研究過程中，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)的剪切力可以促使形成薄而密實的生物膜，同時伴隨著剪切力相關(guān)的一個重要現(xiàn)象是胞外聚合物（EPS）的產(chǎn)生，EPS在促使細(xì)胞的“凝聚”、“粘合”方面發(fā)揮重要的功能，對于維持生物膜的整體結(jié)構(gòu)方面扮演著重要的角色，在很多的研究中都可以觀察到強(qiáng)剪切力會促使生物膜分泌更多的EPS從而維持生物膜的整體結(jié)構(gòu)平衡。與生物膜類似，水力剪切力對于好氧顆粒污泥的形成也有重要的影響，強(qiáng)的剪切力會促使顆粒污泥的形成，而弱剪切力則不會形成顆粒污泥，只能形成蓬松的絮體結(jié)構(gòu)。

同樣，EPS在對顆粒污泥的形成方面也扮演著類似的角色，強(qiáng)剪切力會促使顆粒污泥像生物膜那樣分泌出更多的EPS來產(chǎn)生平衡的生物結(jié)構(gòu)，這也就意味著EPS對于形成穩(wěn)定的顆粒污泥非常重要。

此外，通過選擇性的排泥，將不易沉淀的污泥排出系統(tǒng)，沉降速度較快的顆粒留存于系統(tǒng)之內(nèi)，提高顆粒污泥在其中的比例，這也是促成顆粒污泥形成的原因之一；其他形成顆粒污泥的因素還包括SRT、有機(jī)負(fù)荷、二價陽離子及三價陽離子等。

2.1.3目前的應(yīng)用

目前，作為好氧顆粒污泥技術(shù)的典型代表，Nereda工藝在過去10年里得到快速的發(fā)展，截至2016年全球正在設(shè)計、建設(shè)及運(yùn)行的Nereda污水處理廠有32座，這些污水處理廠分布于歐洲、美洲、澳洲、非洲等地。與相同負(fù)荷的活性污泥工藝相比，Nereda好氧顆粒污泥技術(shù)可減少占地面積25%～75%，能耗降低20%～50%。

從好氧顆粒污泥的技術(shù)發(fā)展進(jìn)程來看，以Nereda為代表的好氧顆粒污泥技術(shù)實際上是一種利用內(nèi)在基質(zhì)選擇顆粒污泥的過程，內(nèi)在基質(zhì)選擇的一個關(guān)鍵因素是需要有足夠高的基質(zhì)濃度來形成顆粒，并促使形成較高含量的胞外聚合物（EPS）及胞內(nèi)儲存物，這種方式要求將沉淀較慢的絮體污泥排除系統(tǒng)，保留下沉淀較快的顆粒污泥，為了避免出水SS較高，可能需要有一個后置的過濾系統(tǒng)。Nereda這種SBR的技術(shù)形式在很大程度上限制了對現(xiàn)有污水處理廠的改造，因為絕大部分污水處理廠并不是SBR工藝。因此，在推流式工藝上采用外置選擇器的方式在近年來得到了快速的發(fā)展，外置選擇器可以是篩網(wǎng)或旋流器，篩網(wǎng)是利用顆粒的粒徑來截留較大的顆粒污泥，旋流器是利用顆粒污泥密度較大的特點而在底流中獲得較高比例的顆粒污泥，如圖3所示。

2.1.4未來的發(fā)展

好氧顆粒污泥技術(shù)在未來可能會有以下幾個發(fā)展趨勢。第一，提高工藝應(yīng)用的穩(wěn)定性，好氧顆粒污泥技術(shù)在長期運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性在某種程度上是制約這一技術(shù)應(yīng)用的一個瓶頸，穩(wěn)定性涉及到兩個方面，一個是顆粒污泥的解體，一個是絲狀菌的過度增殖，前者會導(dǎo)致顆粒污泥破碎為細(xì)小顆粒，后者會導(dǎo)致顆粒污泥蓬松，容易流失。

第二，就如同活性污泥工藝從早期的SBR向連續(xù)流工藝發(fā)展一樣，當(dāng)前及今后一段時間內(nèi)好氧顆粒污泥的研發(fā)及應(yīng)用趨勢正朝著連續(xù)流工藝的方向發(fā)展，因為現(xiàn)在的絕大部分污水處理廠是連續(xù)流工藝，將其轉(zhuǎn)為SBR的形式所需的投資費(fèi)用很高，如何能夠在這些連續(xù)流的污水處理廠中應(yīng)用好氧顆粒污泥技術(shù)成為這一領(lǐng)域的發(fā)展熱點。

第三，好氧顆粒污泥技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展過程中，在機(jī)理與技術(shù)應(yīng)用方面仍然有多個方面需要深入研究，這些方面主要包括理解促成顆粒污泥形成的內(nèi)部基質(zhì)特性、如何確保外置選擇器能夠?qū)崿F(xiàn)良好的污泥沉降性能和生物除磷功能，以及如何將內(nèi)在基質(zhì)選擇和外部選擇的措施應(yīng)用于工程化規(guī)模的污水處理廠。