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(guó)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(diǎn)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(zhǎng)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(lái)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(gè)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(shí)生物膜工藝獲得再次發(fā)展機(jī)會(huì)，IFAS、MBBR及BAF等工藝由于其在緊湊性方面的優(yōu)勢(shì)在升級(jí)改造方面獲得了一定的優(yōu)勢(shì)。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(tái)，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(diǎn)無(wú)論從荷蘭提出的NEWs理念，即未來(lái)污水處理廠將是營(yíng)養(yǎng)物、能源與再生水的制造工廠，還是美國(guó)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(wú)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(lái)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(lái)發(fā)展實(shí)際上反映了今后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)的污水處理工藝發(fā)展方向。本文僅對(duì)未來(lái)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(shí)中的現(xiàn)象

活性污泥工藝的出現(xiàn)與發(fā)展實(shí)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(lái)，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(yàn)裝置中也注意到了顆粒污泥的現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)他用初沉池的出水進(jìn)入到反應(yīng)器中，接觸時(shí)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(shí)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(zhǎng)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(duì)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(duì)DO的需求、生物除磷過程對(duì)VFA的需求等。

好氧顆粒污泥技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展實(shí)際上仍然是對(duì)微生物選擇過程的更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，在這一認(rèn)識(shí)過程伴隨著對(duì)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(yíng)養(yǎng)物的機(jī)理實(shí)際上與活性污泥工藝相同，只不過并不是在不同的池子來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是在顆粒污泥的不同區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)。

目前一般認(rèn)為主要有以下幾個(gè)方面對(duì)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(zhǎng)的階段稱為飽食期，而以內(nèi)部基質(zhì)（PHB）生長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)，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(huì)相對(duì)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(duì)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(duì)于胞內(nèi)存儲(chǔ)物質(zhì)的形成很關(guān)鍵，而sbCOD則會(huì)導(dǎo)致絲狀菌在好氧階段在競(jìng)爭(zhēng)中獲得優(yōu)勢(shì)。

人們?cè)趯?duì)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(shí)的生物膜，同時(shí)伴隨著剪切力相關(guān)的一個(gè)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(duì)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(huì)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(duì)于好氧顆粒污泥的形成也有重要的影響，強(qiáng)的剪切力會(huì)促使顆粒污泥的形成，而弱剪切力則不會(huì)形成顆粒污泥，只能形成蓬松的絮體結(jié)構(gòu)。

同樣，EPS在對(duì)顆粒污泥的形成方面也扮演著類似的角色，強(qiáng)剪切力會(huì)促使顆粒污泥像生物膜那樣分泌出更多的EPS來(lái)產(chǎn)生平衡的生物結(jié)構(gòu)，這也就意味著EPS對(duì)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(jià)陽(yáng)離子及三價(jià)陽(yáng)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(jì)、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(lái)看，以Nereda為代表的好氧顆粒污泥技術(shù)實(shí)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(gè)關(guān)鍵因素是需要有足夠高的基質(zhì)濃度來(lái)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(chǔ)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(gè)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(duì)現(xiàn)有污水處理廠的改造，因?yàn)榻^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(lái)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(lái)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(diǎn)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(lái)的發(fā)展

好氧顆粒污泥技術(shù)在未來(lái)可能會(huì)有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。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(zhǎng)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(gè)瓶頸，穩(wěn)定性涉及到兩個(gè)方面，一個(gè)是顆粒污泥的解體，一個(gè)是絲狀菌的過度增殖，前者會(huì)導(dǎo)致顆粒污泥破碎為細(xì)小顆粒，后者會(huì)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(shí)間內(nèi)好氧顆粒污泥的研發(fā)及應(yīng)用趨勢(shì)正朝著連續(xù)流工藝的方向發(fā)展，因?yàn)楝F(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(diǎn)。

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(gè)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。