王永志 趙利峰 徐景穎
中國市政工程東北設計研究院

l、污水再生的必要性

　　近些年來，水環(huán)境污染和水資源的缺乏，制約了社會和經濟可持續(xù)發(fā)展，將威脅著人類本身的生存，因而污水的治理和資源化迫在眉睫。國家在這方面已制定了優(yōu)惠政策，鼓勵開辟這個第二水源，是今后水工業(yè)發(fā)展的方向。當前對水資源要加以保護，不能無度開發(fā)和污染；另一方面，水資源又是可再生的，如地表水在大氣環(huán)流作用下，通過降雨補充，水體自凈和人為的凈化處理，供水緊張的局面是可以緩解的。水是可再生的資源，那么水工業(yè)的發(fā)展成為循環(huán)經濟是可行的。
　　目前，我國城市污水約有30％的處理能力，由于各地的自然條件，水質特點，投資商的意愿和經濟實力不同，污水處理工藝呈現(xiàn)多種選擇，而處理后的出水水質，對于實現(xiàn)資源化也存在各自的問題。另外，再生水的用處對水質有不同的要求，所以污水深度處理工藝應該因地制宜、有針對性的。但總的原則是采用經濟，適用，便于管理，行之有效的凈化方案。
　　城市污水處理一般為二級生化處理。對于可生化的有機物能去掉絕大部分，不可生化的仍存在于水中。即使A／O及A²／0 工藝雖然能達到除磷或同時除磷脫氮的目的，但對于排入富營養(yǎng)化限制比較嚴格的水體以及回用于工業(yè)生產往往是不合乎要求的，因為污泥回流水中的N0₃-N影響厭氧狀態(tài)下磷的釋放。厭氧釋磷和反硝化脫氮互相爭奪碳源。生物濾池對于除磷脫氮的功能效果也不佳。當前的深度處理工藝，多采用給水常規(guī)處理，只通過混凝沉淀和砂濾，對于進一步去除污水處理廠出水中的CODcr，TN及TP的作用不大，CODcr僅能去除30％左右，TN及TP幾乎沒有去除效果。至于臭氧活性炭或膜濾法等高級水處理技術，大規(guī)模的用于污水資源化，因基建投資（1500～1700元/米³.水）和運行成本太高（1.0～1.3元/米³.水），管理上技術復雜,難度大,推廣應用受到限制。

2、 氧化及氣浮生物懸浮載體機理

　　我院多年在總結常規(guī)水處理各種技術的基礎上，對于混凝進行強化及處理單元的優(yōu)化組合，設計出“氣浮生物懸浮載體水處理工藝”。該工藝的各項技術環(huán)節(jié)都是成熟可靠的，是常規(guī)水處理技術的合理配置，是針對污水經二級生化處理后的出水水質的特點而設計的。二級生化處理二次沉淀池的出水COD_cr／BOD₅的比值增大。COD_cr反映了高分子有機物生化比較困難而殘存在水中。若將COD_cr進一步去除，可采用化學氧化的方法，使高分子有機物氧化分解為可溶的低分子有機物，提高可生化性，再進行生化處理使其變?yōu)镃O₂和H₂O。氧化藥劑一般采用高錳酸鹽或二氧化氯。其投加量為2-5mg／L。反應時間10-15分鐘。
　　經二級生化處理后的凈化水，再進一步生化處理是很難的。因為再生原水中可生化的有機物殘存量很低，一般COD_cr 50-lOOmg／L，BOD₅僅為lOmg／L左右。一些研究者為提高生化效果，認為采用一般的生物載體會有很大希望。但是經考察和試驗，一般生物載體并不像所希望的那樣，能提高生化反應的效果。因為基質去除速率和生物體的增量主要決定污染物基質的濃度L，及生化曝氣時間t，如下式：

　　

　　基質濃度L越高，曝氣時間t越短，生物體X才能快速對數(shù)增長，基質去除率也更高。而現(xiàn)行的生物載體有陶粒、塑料填料，沸石，化學纖維等，這些載體比表面積小，吸附能力很差。如陶粒比表面積為4米²／克，沸石為30米²／克，其他載體比表面積更小。再生原水中有機物濃度低，在這樣的載體上微生物生長及其生化反應速率是非常慢的，所以在其表面很難形成生物膜，CODcr僅能去除30％左右。
　　懸浮生物載體主體是活性炭，活性炭是水處理的高效吸附劑，比表面積一般是800-1200米²／克，其強烈的吸附能力，能使水中低濃度的污染質經吸附富集，濃縮于活性炭的孔隙中，在孔隙內部提高了有機物的濃度。在氣浮池中由于曝氣水不斷地向水中充氧，加壓溶氣幾乎使溶解氧達到飽和的程度。水中溶解氧給微生物造成高速生長繁殖的有利條件，每個活性炭細粒均充分發(fā)揮了高效生化反應，將很快的形成生物膜。細顆粒炭表面形成的細菌生物膜內層和外層對水處理起到不同的作用。生物膜的外層是處于好氧狀態(tài)，不斷地氧化消耗所吸附的有機物，使其無機化變?yōu)镃O₂ 和H₂O，并產生硝化作用，將NH₃-N變?yōu)镹0₃-N。生物膜的內層是處于厭氧狀態(tài)，由于吸附富集大量有機物，提供了足夠的碳源，以及N0₃-N強烈的向內層滲透，厭氧菌在厭氣條件下利用N0₃-N中的氧而產生反硝化，變?yōu)镹₂逸出，實現(xiàn)了厭氧脫氮的作用。生物膜內厭氧層中細菌分泌的胞外酶可大量的進入活性炭微孔，將高分子和不溶性的有機物分解為低分子，以供外層好氧菌生化利用。另外，在厭氧條件下分解高分子有機物的作用，則化學氧化可以由生化作用所替代。
　　載體表面生物膜的新陳代謝和更新過程，也體現(xiàn)了活性炭的再生機理。生物膜與炭粒表面接觸的厭氧層中，不斷地產生N₂、CO₂、H₂S、CH₄等氣體，減少了生物膜與炭粒表面的附著力。所以生物膜在水流的作用下，周期性的脫落和重新生長。與此同時活性炭孔隙中吸附的有機物也消耗殆盡，被其占據(jù)的表面積得到再生。Weber等人的研究，認為生物再生率可達到70％左右。我國北方大慶采用的生物活性炭。已運行了多年，因采用工程菌生化再生，其處理效果仍不見減弱。
　　生物載體除磷機理是在生化反應過程中，菌體的大量生長作為必要的營養(yǎng)素，磷被吸收，貯存積累于體內。在排出老化的生物膜的同時，磷也被除掉。氣浮過程中凈化水無厭氧環(huán)境，出水中含磷量低，所以本工藝生物除磷具備特殊的優(yōu)勢。為進一步提高除磷效果，在氣浮池可投加少量的混凝劑，也更有利于微氣泡與炭粒的粘附。氣浮微氣泡與炭粒的粘附主要原因是兩者的疏水性都很強的特性，還有生物絮凝作用。
　　因為污水處理廠的出水中，懸浮物SS值一般都低于20mg／l，對活性炭的吸附作用無影響。
　　氣浮生物懸浮載體主要是活性炭的改型問題。通過試驗研究，載體的真比重與粒度決定了其使用方式。對于水質凈化采用草本及木本為原材料生產的活性炭是比較適宜的。其粒度既不是常規(guī)做的濾料的粗?；钚蕴浚膊皇菃渭冏鰹槲絼┑姆勰┗钚蕴?，而是采用改型的細?；钚蕴俊３Ｓ玫幕钚蕴康恼姹戎刈罡哌_2．2，最低為0．8。所選擇的真比重與粒度適合的活性炭在氣浮絮凝池中處于懸浮狀態(tài)，在系統(tǒng)中循環(huán)浮上分離，形成氣、固、液三相生物流化床，充分的保證了生化反應的有利條件，達到了使活性炭高效吸附、生化和再生的目的。
　　細?；钚蕴吭谙到y(tǒng)中循環(huán)使用．在氣浮池的水中活性炭維持的濃度，主要是使低濃度有機質的濃縮，投量過高是沒必要的。僅補充1～5mg／L的投加量即可。用于污水處理的活性炭價格5元／公斤，則每噸水的成本僅提高0．005～0．025元／米³水。做為懸浮載體的細粒炭價格更低。
　　活性炭的常規(guī)使用方法有做為吸附劑的粉末炭，投加于水中隨絮體沉淀，通過排泥一次性廢掉。投加量一般為30mg／L左右。還有粒狀炭用作濾料，起到吸附和生物載體作用。當作濾料用需要再生，一般使用半年左右就要失效，達到再生周期。活性炭再生勢必給管理上造成麻煩，而且再生費用也比較高，約800-1000元／噸(炭)?；谏鲜銮闆r在活性炭的使用上就受到了限制。實際上活性炭的吸附及生化反應在水質凈化方面具備高效多功能作用。就是因為價格過高，這種多功能高效凈化水的作用得不到充分發(fā)揮和合理的應用。
　　氣浮生物活性炭是一種生物流化床，活性炭在絮凝過程中均處于懸浮回流狀態(tài)。一部分較輕的細粒炭進入氣浮池與微氣泡粘結上浮變?yōu)榕菽?。泡沫收集到池外，通過水力旋流器將活性炭分離出來，再回流到氣浮反應池前部重新使用。老化的生物膜及污染質在旋流分離器上部以泡沫的形式排掉。該項新工藝在活性炭的選型和使用方法上的改進，為活性炭凈化水質的領域開拓了新的途徑（2004年8月我院獲得發(fā)明專利，ZLO11060689）氣浮池的出水SS可達5mg／L以下，C0Dcr 40mg／L以下，NH₃- N<10mg／L，TP<2mg／L。如果氣浮出水再經過濾，出水水質可進一步提高，CODcr<30mg／L，SS<2mg／L，NH₃-N<3mg／L，BOD₅<5mg／L，TP<1mg／L。這樣的水質經消毒后，用于生產冷卻水是完全可行的。

3、 工程設計方案

　　凈化工藝流程的設計，主要是考慮投氧化劑、混凝劑、活性炭的順序及其互相影響的問題。氧化劑要投在混凝劑之前。因氧化劑除氧化作用外，尚有助凝作用?；钚蕴康墓潭ù不蛄骰玻O在沉淀之后，濾池之前。這樣氧化滅菌作用，對生物活性炭的生化反應無影響。
　　生物活性炭接觸氧化，可采用活性炭濾池固定床或氣浮流化床的形式。如二次沉淀池出水欠佳，SS>20mg/L，C0Dcr>50mg/L，除建氣浮池外，其后再建活性炭為載體的生物接觸氧化固定床。固定床對活性炭型號的選擇。不受粒徑和真比重的限制。
　　如二沉池出水水質較好，可直接在氣浮池中采用氣浮生物炭流化床的形式如圖1．

　　氣浮池中投加特制的活性炭，就設計配置成氣浮生物炭流化床。氣浮池前的絮凝段采用微孔曝氣的反應形式，特制的細粒炭在曝氣池中懸浮流動，與水進行充分接觸。曝氣絮凝池是微孔曝氣的外加能量進行攪拌，曝氣強度氣水比不大于2∶1。曝氣絮凝池水流進入氣浮池前，活性炭絕大部分進行內回流。老化生物膜和吸附的雜質，以及少部分炭粒隨水進入氣浮段(如圖1)，以泡沫的形式從氣浮池的表面排除池外。因活性炭比重較大，通過水力旋流分離出來后，再回流到氣浮反應池前，起到生物細菌接種的作用。
　　生物炭固定床工藝流程如圖2所示，這種形式比較復雜．基建投資較貴。