浅谈城市水处理技术

浅谈城市水处理技术

随着城市人口的剧增，给有限的水资源带来的压力越来越大，水体污染也日益严重，水中有害物质逐年增多，同时随着水质分析技术逐渐改进，水源水和饮用水中能够测得的微量污染物质的种类也不断增加，导致水体中的污染问题越来越严重而且越来越多样化，导致很难处理。为了应对这些现象，满足净水处理要求以及污水排放要求，必须根据原水状况，采用有针对性的水处理技术，力求将原水处理到能够满足人们以及环境的要求。本文着重介绍强化混凝技术、臭氧—活性炭技术、UNITANK技术、Carrousel技术和CASS技术五种普遍应用的水处理技术。

1 给水处理中技术

1.1 强化混凝技术

1.1.1 强化混凝技术的定义及发展

强化混凝( enhanced coagulation 简称 EC)是指在常规处理工艺流程中在混凝处理时投加过量的混凝剂、新型混凝剂或助凝剂或者是其他的药剂并控制一定的pH值，通过加强混凝与絮凝作用，从而提高常规处理中天然有机物(NOM)的去除效果，最大限度地去除消毒副产物的前体物(DBPFP)，保证饮用水消毒副产物符合饮用水标准的方法。与增加深度处理及 生物预处理相比，强化常规水处理具有投资省、不需建造新的构造物、不占土地以及经常运行费用低等优点，更适合对原有系统的改造。

美国最早提出并应用强化混凝于饮用水处理行业中，其主要目标是提高饮用水中消毒、 消毒副产物(D/DBP)先质的去除率。美国环境保护局(USEPA)把EC列为在D/DBP条例第一实施阶段控制NOM的最佳方法。强化混凝有两个目的：第一个目的是达到D/ DBP条例要求的TOC去除率，第二个目的是充分去除D/DBP的前驱物质，使得当用氯气作主消毒剂，且在配水系统中维持一定余氯量时，各种DBP的最大含量(MCL值)不超出D/DBP条例第一实施阶段的标准。许多国家的科研人员的研究表明，通过强化混凝，可使总有机碳TOC总的去除率达到 60% 以上，而常规工艺的去除率只有13%。研究人员先后对强化混凝法、新增加处理工艺的粒状活性炭吸附法和膜滤法进行了实验室试验及模拟生产试验，并进行了技术和经济比较，认为采用强化混凝法来提高NOM的去除率更具经济可行性。近年来，我国的水处理工作者对强化混凝的研究也越来越深入，有关强化混凝法去除饮用水中NOM的研究报道也愈来愈多。

1.1.2 EC的机理以及常用方法

强化混凝主要是通过改善混凝条件使有机物去除范围和去除率进一步扩大和提高，其作用机理阐述如下：胶体稳定性的增加是由于大分子天然有机物在无机胶体颗粒表面形成有机保护层，造成空间位阻或双电层排斥作用。混凝的主要作用是去除水中悬浮颗粒和胶体微粒。 一般认为混凝过程是混凝剂水解产物对水中胶体进行电中和使其脱稳，从而形成细小的颗粒，继而絮凝为大而密实的矾花，并通过吸附架桥或网捕作用使脱稳的胶体生成粒度较大的絮凝体，再通过沉淀与过滤进行分离去除。而水中分子质量较小、溶解度较大的有机物(主要是腐殖酸类中的富里酸等)在一般混凝条件下去除率很低。

主要原因是由于其具有良好的亲水性而不易被混凝剂的水解产物——金属氢氧化物所吸附，有机物不但增加了胶体表面电荷，而且造成空间位阻效应。但是，如果通过改善混凝处理条件，即在低pH、高混凝剂用量的强化混凝条件下形成大量金属氢氧化物，改善混凝剂水解产物的形态且使其正电荷密度上升，同时低pH条件会影响有机物离解度和改变水中有机物存在形态。有机物质子化程度提高，电荷密度降低，进而降低其溶解度及亲水性，成为较易被吸附的形态。

Randtke认为强化混凝去除有机物的机理主要包括胶体状自然有机物(NOM)的电中和作用，腐殖酸和富里酸聚合体的沉淀作用，以及吸附于金属氢氧化物表面上的共沉淀作用。对水中溶解性的有机物而言，依靠后一种作用即吸附于混凝剂的金属沉淀物上而去除。例如北京第九水厂的生产实践表明，在相同加药量下，机械搅拌澄清池对有机物和消毒副产物前体物的去除效果要优于反应池—沉淀池工艺，其原因就是在机械搅拌澄清池中大量保持的矾花可以充分发挥其吸附作用，而反应—沉淀工艺中矾花形成后即被沉淀去除，其吸附潜力尚未完全发挥。

强化混凝作为一种经济有效的去除有机物的技术，常用的工艺流程有以下几种：1）加大混凝剂投量；2）投加有机或无机絮凝剂；3）调整pH值；4）投加氧化剂；5）改善混合絮凝设施；6）铝盐混凝剂改为铁盐混凝剂。

1.2 臭氧—活性炭技术

臭氧活性炭技术主要介绍位于上海市周家渡的水厂中的工艺。该水厂在2000年进行改造，建成两条平行的处理流程。其中一条采用预臭氧—常规处理—后臭氧—活性炭（流程1），另一条采用生物陶粒滤池—常规处理—后臭氧—活性炭（流程2）。

1.2.1 臭氧系统

周家渡水厂的臭氧系统(见图1)包括：进气部分、臭氧发生器、按触池部分和尾气处理部分。臭氧加注分预臭氧和后臭氧两种方式，预臭氧的投加点位于常规处理之前，后臭氧的投加点位于常规处理之后 。

1.2.2 臭氧系统的特点
1.采用氧气制备，提高臭氧浓度和产量。

周家渡水厂臭氧设备以氧气为原料，采用氧气的优点是：①提高臭氧浓度，增加臭氧产量，降低电耗；臭氧的生成是采用无声放电法，空气中氧的含量为21 %，而氧气中氧的含量为90 %以上，则可加大臭氧生成浓度和产量。国产以空气为原料的臭氧发生器的臭氧质量分数(浓度) 一般为1%左右，而该设备为6 %。浓度提高，每根放电管的产量就会提高，电耗相应降低。②简化设备，减小设备体积和占地面积。③加快氧化速度，因为臭氧氧化其他物质的速度和臭氧浓度成正比。④气站采用设备租赁方式，节约了基建投资。

2.发生器采用先进的变频技术

臭氧发生器放电管采用不锈钢管和带内涂层的复合材料管，采用变频技术使产量提高， 电耗降低，并可根据水质情况调节臭氧生成量。

3.增加了冷却水循环系统

本系统增加冷却水循环系统可以保证水的及时冷却，有利于臭氧的生成。冷却水系统包括KSB循环泵2台，1用1备，AFA LAV散热器1台，高位水箱1只。

4.电热式尾气破坏装置

接触池上部的气体中含有剩余臭氧，超过环境排放规定( 0.3 ppm)，必须分解为氧气后才能排放。尾气分解有化学法和电热分解法。本系统采用电热分解法，优点是速度快，效果好，便于自动运行。装置型号VOD300，处理能力为50 m3/ h。工作温度400 ℃，排放不超过0.1ppm。

1.2.3 臭氧预处理

1.预处理作用与原理

预臭氧工艺中臭氧的作用为氧化铁、锰等重金属；去除色度；除嗅味；改进微絮凝效果， 增加过滤速度和效果，并减少絮凝剂投加量和反冲洗水量；因为取代前加氯，可减少TTHM 等氯的消毒副产物；促进水中的自然氧化降解；氧化水中无机物质如氰化物、碳化物、硝化物等。臭氧可氧化水中的2价铁为3价铁，根据下式，理论上，氧化1 mgFe ，需要0.43mg 臭氧，氧化1mgM n需要0.88MG臭氧。  

另外，臭氧可氧化氨氮和亚硝酸盐为硝酸盐、氧和水。

1.2.4 臭氧后处理

1.后臭氧作用 后臭氧的作用为氧化水中有机物质如苯酚、洗涤剂、农药和生物难降解有机物；将COD 转化为BOD；增加水中的溶解氧，有利于后续的生物活性炭滤池工作。

1.2.5 活性炭滤池

活性炭滤池规模1万m3/ d，设1座，建在已有的沉淀池旁边，平面尺寸为16.16 m×14. 8 0 m，池顶标高为7.15m，底标高为2.50m，池深4. 65 m，上部为砖混结构。活性炭滤池的池壁、底板在沉淀池施工时已建好，并且老池壁上已预留钢筋，滤池共分4格，单格面积 16 m2。

每2格为一组独立单元(规模5000m3/ d)，两组成双排对称布置，中间为管廊。滤速6. 8 m/ h，滤料厚度为1.8 m，空床停留时间为15 mi n。滤料采用活性炭，粒径为0. 5～0. 7 mm，冲洗周期约 5 ～7 d。滤池的清水出水采用电动闸阀，按时间控制其开启度，以保持运行水位的相对恒定。滤池冲洗采用单气冲加单水冲，气冲强度55 m3/( m2·h)。气源用水厂内原有鼓风机。水冲强度为25 m3/ ( m2·h)，来自新建反冲洗水泵房，水冲总管上设流量仪1台。

1.2.6 运行效果

周家渡的预臭氧工艺可以降低色度和紫外吸光度30%以上，降低氨氮、铁、锰和亚硝酸盐20 %左右，并可以提高溶解氧约42.59 %。对耗氧量和浊度的去除率不到10%，但有利于后续构筑物的运行和处理效果。

2 污水处理技术

2.1 UNITANK工艺

UNITANKDD工艺是1987年INTERBREW与K·U·Leuven 基于三沟式氧化沟结构提出的一种活性污泥法污水处理新技术，该工艺集合了传统活性污泥法和SBR运行模式的优点，把连续系统的空间推流与SBR法的时间推流生化处理过程合二为一，整个系统连续进水和连续出水，而单个池子相对为间歇进水和间歇排水，通过灵活的时间和空间控制，适 当改变曝气搅拌方式和增大水力停留时间，可达到脱氮除磷效果1989 年这项技术被比利时SEGHERS 环境工程公司拥有并于1995年开始推广应用，因其一体化程度高、占地省的独特优点，近年来应用越来越广泛，目前在国内外均有已建成的成熟工艺，在欧洲及亚洲已建成近200座此种工艺的污水处理厂。

2.1.1 工艺结构及运行方式

典型的UNITANK工艺共有三个矩形反应池，如下：

三池之间通过隔墙开口实现水力导通，每个单元池中设有曝气系统和搅拌器，可采用鼓风微气泡曝气也可采用机械表面曝气，在两侧单元池设固定溢流出水堰和剩余污泥排放口，该二池交替作为曝气池和沉淀池，但中间单元池只作曝气池。在两侧单元池中可采用平流式沉淀方式，也可利用浅池沉淀理论采用在池中间部分设置斜板或斜管加强沉淀作用。

好氧运行方式每周期包括两个主要运行阶段和两个较短的过渡阶段，两个主要运行阶段运行相同但方向相反。第一主要运行阶段：

（1）污水进入单元池A并进行曝气，该池在上个主要运行阶段作为沉淀池时积累了大量经过再生、吸附性强的高浓度活性泥，因此有机物得到初期吸附去除和部分消解；

（2）混合污水通过隔墙开口流入持续曝气的单元池B，有机物进一步降解；

（3）经过A、B两单元池处理后的混合污水进入单元池C，在单元池C中既不曝气也不搅拌，污泥沉降，澄清水从溢流出水排出，同时排除老化的剩余污泥。在空间推流过程中，单元池A内部分活性污泥进入单元池B再部分进入单元池C活性污泥在各池内得到重新分配。

第一过渡阶段，为防止单元池A和单元池B的活性污泥被水冲走及单元池C内活性污泥积累排出，调整水流方向，单元池B开始进水，单元池A和单元C池同时作为沉淀池，经过短暂的过渡后进入第二主要运行阶段.第二主要运行阶段和第二过渡阶段仅水流方向发生180°改变，其流程和原理完全同于第一主要运行阶段和第一过渡阶段。

与好氧运行方式类似，脱氮除磷运行方式每周期包括运行相同、方向相反的两个主要运行阶段和两个较短的过渡阶段。在主要运行阶段，污水连续进入其中一个边池，通过进行间隔周期性曝气和搅拌产生交替的好氧、厌氧和缺氧状态，能够完成BOD去除和硝化、反硝化过程，取得优异的BOD去除与脱氮效果，且有一定的除磷效果。第一主要运行阶段：

（1）污水进入仅搅拌不曝气的单元池A，单元池A形成缺氧厌氧状态，反硝化细菌以进水中的有机污染物作为碳源将上一阶段累积的硝酸盐反硝化为氮气而脱氮，当反硝化完成时，聚磷菌释放磷；混合污水流入持续曝气的单元B池，有机物得到降解，硝化细菌进行硝化，聚磷菌吸收磷，最后进入单元池C沉淀，出水并排除剩余污泥；

（2）进水不变，单元池A由搅拌无曝气状态改为边曝气边搅拌，好氧条件下，有机污染物得到降解，硝化细菌将氨氮硝化为硝酸盐，聚磷菌吸收磷，B、C两池不变；

（3）进水不变，单元池 A 由边曝气边搅拌状态改为搅拌无曝气运行方式，A池处于缺氧状态，进行反硝化脱氮，B、C两池不变。

第一过渡阶段，单元池A停止进水和搅拌，处于沉淀状态，单元池B开始进水，C池不变，经过短暂的过渡准备进入第二主要运行阶段。类似地，第二主要运行阶段和第二过渡阶段仅水流方向发180°改变，其流程和原理完全同于第一主要运行阶段和第一过渡阶段。

2.1.2 工艺特点
（1）与传统活性污泥法相比，UNlTANK系统小省去了污泥回流，节省了太量的投资，运行费用较低。
（2）所有的池体均采用矩形，可以共用池壁，而且3个池之间水力押通，中间池擘水受单向水压，因而土建省，同时占地面积小。
（3）系统在恒定水位下运行，水力负荷稳定，不仅可以充分利用反应池的有效容积，而且可以降低对管道阀等设备的要求。同时，在恒定水位下运行，曝气系统可以采用表面曝气设备，使曝气系统的管理和维护较为方便；采用构造简单的固定出水堰代替价格昂贵的滗水器，节省了投资。
（4）可以根据反应池内的溶解氧、氧化还原电位等在线监测数据，通过改变供氧量，切换进出水阀门，以及改变好氧、缺氧及厌氧反应时间等控制手段，在空间上营造合适的反应条件，高效地去除污水中的碳源有机物，以及脱氮除磷。

2.2 Carrousel氧化沟
卡鲁赛尔(Carrousel)氧化沟简称循环折流式氧化沟，采用表面曝气机曝气，如曝气转刷、曝气转蝶、倒伞曝气机等。随着污水处理中对脱氮除磷的要求，carrousel 氧化沟自1967年由荷兰DHV公司发明的第一代的普通的carrousel氧化沟发展为具有脱氮除磷功能的carrousel2000型氧化沟，后又发展为第三代的carrousel3000型氧化沟。国内许多污水处理厂使用的情况证明，氧化沟工艺是一种工艺流程简单、管理方便、投资省、运行费用低、工艺稳定性高的污水处理技术。

2.2.1 Carrousel氧化沟结构
carrousel氧化沟是1967年由荷兰的dhv公司开发研制。在原carrousel氧化沟的基础上dhv公司和其在美国的专利特许公司eimco又发明了carrousel 2000系统（见下图），实现了更高要求的生物脱氮和除磷功能。至今世界上已有850多座carrousel氧化沟和carrousel 2000系统正在运行。
由下图可见，carrousel氧化沟使用定向控制的曝气和搅动装置，向混合液传递水平速度，从而使被搅动的混合液在氧化沟闭合渠道内循环流动。
因此氧化沟具有特殊的水力学流态，既有完全混合式反应器的特点，又有推流式反应器的特点，沟内存在明显的溶解氧浓度梯度。氧化沟断面为矩形或梯形，平面形状多为椭圆形，沟内水深一般为2.5～4.5m，宽深比为2:1，亦有水深达7m的，沟中水流平均速度为0.3m/s。氧化沟曝气混合设备有表面曝气机、曝气转刷或转盘、射流曝气器、导管式曝气器和提升管式曝气机等，近年来配合使用的还有水下推动器。

2.2.2 处理原理
最初的普通carrousel氧化沟的工艺中污水直接与回流污泥一起进入氧化沟系统。表面曝气机使混合液中溶解氧DO的浓度增加到大约2～3mg/l。在这种充分掺氧的条件下，微生物得到足够的溶解氧来去除BOD；同时，氨也被氧化成硝酸盐和亚硝酸盐，此时，混合液处于有氧状态。在曝气机下游，水流由曝气区的湍流状态变成之后的平流状态，水流维持在最小流速，保证活性污泥处于悬浮状态（平均流速>0.3m/s）。微生物的氧化过程消耗了水中溶解氧，直到do值降为零，混合液呈缺氧状态。经过缺氧区的反硝化作用，混合液进入有氧区，完成一次循环。该系统中，bod降解是一个连续过程，硝化作用和反硝化作用发生在同一池中。由于结构的限制，这种氧化沟虽然可以有效的去处bod，但除磷脱氮的能力有限。

为了取得更好的除磷脱氮的效果，Carrousel2000系统在普通Carrousel氧化沟前增加了一个厌氧区和绝氧区（又称前反硝化区）。全部回流污泥和10-30%的污水进入厌氧区，可将回流污泥中的残留硝酸氮在缺氧和10-30%碳源条件下完成反硝化，为以后的绝氧池创造绝氧条件。同时，厌氧区中的兼性细菌将可溶性BOD转化成VFA，聚磷菌获得VFA将其同化成PHB，所需能量来源于聚磷的水解并导致磷酸盐的释放。厌氧区出水进入内部安装有搅拌器的绝氧区，所谓绝氧就是池内混合液既无分子氧，也无化合物氧（硝酸根），在此绝氧环境下，70-90%的污水可提供足够的碳源，使聚磷菌能充分释磷。绝氧区后接普通Carrousel氧化沟系统，进一步完成去除BOD、脱氮和除磷。最后，混合液在氧化沟富氧区排出，在富氧环境下聚磷菌过量吸磷，将磷从水中转移到污泥中，随剩余污泥排出系统。这样，在Carrousel2000系统内，较好的同时完成了去除BOD、COD和脱氮除磷。

2.3 CASS工艺
CASS(Cyclic Activated Sludge System)是周期循环活性污泥法的简称，又称为循环活性污泥工艺。该工艺最早在国外应用，为了更好地将其引进，开发出适合我国国情的新型污水处理新工艺，有关科研机构在实验室进行了整套系统的模拟试验，分别探讨了CASS工艺处理常温生活污水、低温生活污水、制药和化工等工业废水的机理和特点以及水处理过程中脱氮除磷的效果，获得了宝贵的设计参数和对工艺运行的指导性经验。
将研究成果成功地应用于处理生活污水及不同种工业废水的工程实践中，取得了良好的经济、社会和环境效益。并开发的CASS工艺与ICEAS工艺相比，负荷可提高1-2倍，节省占地和工程投资近30%。

2.3.1 结构及原理
在序批式活性污泥法（SBR）的基础上，反应池沿池长方向设计为两部分，前部为生物选择区也称预反应区，后部为主反应区，其主反应区后部安装了可升降的自动撇水装置。
整个工艺的曝气、沉淀、排水等过程在同一池子内周期循环运行，省去了常规活性污泥法的二沉池和污泥回流系统；同时可连续进水，间断排水。

在预反应区内，微生物能通过酶的快速转移机理迅速吸附污水中大部分可溶性有机物，经历一个高负荷的基质快速积累过程，这对进水水质、水量、PH和有毒有害物质起到较好的缓冲作用，同时对丝状菌的生长起到抑制作用，可有效防止污泥膨胀；随后在主反应区经历一个较低负荷的基质降解过程。CASS工艺集反应、沉淀、排水、功能于一体，污染物的降解在时间上是一个推流过程，而微生物则处于好氧、缺氧、厌氧周期性变化中，从而达到对污染物去除作用，同时还具有较好的脱氮、除磷功能。

在反应器的前部设置了生物选择区，后部设置了可升降的自动滗水装置。
其工作过程可分为曝气、沉淀、滗水、闲置四个阶段，周期循环进行。污水连续进入预反应区，经过隔墙底部进入主反应区，在保证供氧的条件下，使有机物被池中的微生物降解。
根据进水水质可对运行参数进行调整。原理图如下：

曝气阶段：
由曝气装置向反应池内充氧，此时有机污染物被微生物氧化分解，同时污水中的NH3
-N通过微生物的硝化作用转化为NO3--N。

沉淀阶段：
此时停止曝气，微生物利用水中剩余的DO进行氧化分解。
反应池逐渐由好氧状态向缺氧状态转化，开始进行反硝化反应。活性污泥逐渐沉到池底，上层水变清。

滗水阶段：
沉淀结束后，置于反应池末端的滗水器开始工作，自上而下逐渐排出上清液。
此时反应池逐渐过渡到厌氧状态继续反硝化。

闲置阶段：
闲置阶段即是滗水器上升到原始位置阶段。

3 结束语

以上几种水处理技术已经成熟，我国很多水厂中都采用了这些技术，运行处理效果也好；但是随着社会的进步，这些技术肯定需要不断改进，或者寻找出其他高效的处理技术。所以作为给排水的一员，要不断的去了解当今国内外的一些新兴技术，不断开阔自己的眼界。