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水處理中的污水處理工藝

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概述
國內外污水處理主要技術、基本原理和工藝流程 
污水處理工藝的關鍵技術、指標分析及運行基礎知識
城鎮污水處理設施建設中面臨的主要問題、運營管理、常見故障識別與處理

水污染現狀
      90％以上的城市水域受到污染
        50％左右地下水水質受到污染
        50％以上的重點城鎮飲用水源不符合標準
        特別嚴重的水系：三河：淮河、海河、遼河
        湖泊富營養化嚴重：滇池、巢湖、太湖
    
污水的種類及來源
按其來源及產生途徑污水主要分為生活污水、工業廢水、雨水與滲流、農業污水、自然界中其它被污染水。
工廠排污口
工業污染源
污水處理技術，就是采用各種方法將污水中所含有的污染物分離出來，或將其轉化為無害和穩定購物質，從而使污水得到凈化。現代的污水處理技術，按其作用原理可分為物理處理法、化學處理法和生物處理法三類。
物理處理法
利用物理作用分離污水中主要呈懸浮狀態的污染物質，在處理過程中污染物質的化學性質不發生改變。主要有：利用污染物質與水的密度差異借重力沉降作用使其從水中分離的沉淀法，利用篩濾介質截流污水中的懸浮物的篩濾法；利用氣浮處理設備在污水中形成的微小氣泡上浮時將密度接近于水的微小顆粒狀的污染物質粘附去除的氣浮法；利用反滲透膜將污染物截留的反滲透法等。主要處理設施包括格柵、沉砂池、沉淀池、氣浮池等。

直棒式柵條格柵
格柵工藝流程圖
   物理處理法常用的處理設施圖
   （1）格柵
   
（2）沉砂池
    新建的污水處理廠多以曝氣沉砂池為主

曝氣式沉砂池
曝氣式沉砂池工藝流程圖
平流沉淀池
（2）沉淀池
      主要包括平流式、豎流式、曝氣式和渦流式沉砂池，過去的沉砂池大多采用平流式，新建的處理廠則以曝氣式為主。今年來渦流式沉砂池也有增多的趨勢，而豎流沉砂池一般很少采用。
池型呈長方形，廢水從池的一端進入，水平方向流過池子，從池的另一端流出。在池的進口處底部設貯泥斗，其他部位池底有坡度，傾向貯泥斗。
豎流沉淀池
池型多為圓形，亦有長方形或多角形，廢水從設在池中央的中心管進入，從中心管下端經過反射板后均勻緩慢地分布在池的橫斷面上，由于出水口設置在池面或池墻四周，故水的流向基本由下向上。污泥淤積在底部的污泥斗。

輻
流
式
沉
淀
池
剖
面

中心進水
周邊進水
原水
原水
平流式氣浮池工藝流程圖
豎流式氣浮池工藝流程圖
 化學處理法
利用化學反應作用來分離、回收污水中的污染物。主要有：混凝法(通過向水中投加帶有與膠體狀污染物質相反電荷的電解質(混凝劑)改變膠體顆粒穩定性從而使其凝聚沉淀去除)、中和法(通過向酸性廢水中投加堿性物質或向堿性廢水中投加酸性物質改變污水PH值)、氧化還原法(向廢水中投加氧化劑或還原劑通過氧化還原作用使污染物質轉變為無害的物質，主要用于處理含酚、氰污木和含鉻、含汞污水)、電解法(在污水中插入電極，在陽極相陰極分別發生氧化還原反應，主要用于處理含鉻和含氰污水)、吸附法(通過團體吸附劑將污水中的溶解性有機或無機污染物吸附)、電滲析法(通過由陰、陽離子交換膜組成的電滲析器使污水中的陰、陽離子得到分離)、汽提法、吹脫法、牟取法等。
生物處理法
利用微生物的新陳代謝功能使污水中呈溶解和膠體狀態的有機污染物被溶解并轉化為無害的物質，包括好氧和厭氧生物處理兩種方式。其中，好氧生物處理對COD的去除效果較好。好氧生物處理法主要分為活性污泥法和生物膜法。這兩種方法中活性污泥法、氧化溝、SBR、A2/O、曝氣生物濾池、生物接觸氧化、生物流化床幾種工藝在國內外應用的較廣泛。
活性污泥法
活性污泥對有機物的降解主要在曝氣階段進行，可分為兩個階段，吸附階段和穩定階段。在吸附階段，主要是污水中的有機物轉移到活性污泥上去，這是由于活性污泥具有巨大的比表面積，而表面上含有多糖類的粘性物質所致。在穩定階段，主要是轉移道活性污泥上的有機物為微生物所利用。當污水中有機物處于懸浮狀態和膠態時，吸附階段很短，一般在15-45min左右，而穩定階段較長。
活性污泥法的基本流程
圖 
氧化溝
氧化溝是一種簡易的活性污泥系統，屬于延時曝氣法。其曝氣設備為轉刷，設置在氧化溝的直段上，轉刷旋轉，推動混合液在池內循環流動，并使活性污泥處于懸浮狀態。污水進入反應池，通常需要循環幾十圈，才能流出溝外。
氧化溝工藝布置 
SBR法
SBR技術本身是活性污泥法的一種，去除污染物的機理與傳統的活性污泥法完全一致，但其操作過程又與活性污泥法完全不同。
SBR作為序批式活性污泥法兼有推流、厭氧—好氧操作、間斷進水的特點。實際上，SBR是一種半連續—間歇式裝置，它與傳統的充放式曝氣池不同。從進水方式看，可以是間歇的，也可以是連續的。而排水一般是間歇的；從曝氣方式看，可以來用充水期不曝氣的限制曝氣方式、充水期曝氣的非限制曝氣方式或充水后期曝氣的半限制曝氣方式。
泵房
細格柵
沉淀池
SBR 反應池
初格柵
脫水
濃縮
制肥
排放
進水
A2/O法
在厭氧/好氧除磷系統和缺氧/好氧脫氮系統原理的基礎上，人們提出的A2/O污水處理系統，即將兩個處理系統結合起來，使污水經過厭氧(Anaerobic)、缺氧(Anoxic)及好氧(Oxic)三個生物處理過程(簡稱A2/O))，達到同時去除BOD、氮和磷的目的。
除磷原理
除磷是通過磷的厭氧釋放和好氧吸附兩個過程完成的。污水進入厭氧池使污泥中的好氧微生物處于壓抑狀態，以釋放出貯存在菌體內的多聚磷酸鹽，同時釋放出能量，可供處于壓抑狀態下生物活動的需要。聚磷細胞厭氧釋放的前提是水中既無分子態氧又無結合態氧，在厭氧狀態下。聚磷細胞中磷的釋放越充分，體內貯存的聚—β羥基丁酸鹽也越多，進入好氧狀態后磷的吸收量也越大。有試驗資料表明，厭氧狀態下每釋放1mg磷，進入好氧狀態后就可吸收2.0一2.4mg磷。細胞內吸收了大量磷的高磷污泥最后以剩余污泥的形式排出系統，從而完成除磷過程。
脫氮原理
它同缺氧A/O法一樣。脫氮過程為零級反應，反硝化速率與水中硝態氮濃度無關，因此為充分利用水中有機質，一般均采用前置缺氧脫氮流程。硝態氮由硝化后的混合液回流提供。
回流污泥（含磷污泥）
剩余污泥
釋放磷、氨化
硝化吸收磷、去除BOD
脫氮
沉淀池
曝氣生物濾池
污水通過補水設備連續地、均勻的噴灑道濾床表面，在重力作用下，污水以水滴的形式向下滲析，或以波狀薄膜的形式向下滲流。最后，污水到達排水系統，流出濾池。污水流經濾床時，有一部分污水、污染物和細菌附著在濾床表面上，微生物便在濾料表面大量繁殖，不久，形成一層充滿微生物的粘膜，稱為生物膜。這個起始階段通常叫“掛膜”，是生物濾池的成熟期。污水流經成熟濾床時，污水中有機污染物唄生物膜重的微生物吸附、降解，從而得到凈化。
生物曝氣濾池(BAF)的構造圖
  曝氣生物濾池的工藝組成
  曝氣生物濾池主體可分為布水系統、布氣系統、承托層、生物填料層、反沖洗等五個部分。
  曝氣生物濾池的運行方式
  曝氣生物濾池的流向
(a) 采用濾頭的下向流濾池   (b) 不采用濾頭的下向流濾池   (c) 上向流的曝氣生物濾池
升流式和下向流方式的曝氣生物濾池工藝圖
帶回流的升流式曝氣生物濾池工藝圖
曝氣生物濾床的串聯
生物接觸氧化法
生物接觸氧化池內設置填料，填料淹沒在廢水中，填料上長滿生物膜，廢水與生物膜接觸過程中，水中的有機物被微生物吸附、氧化分解和轉化為新的生物膜。從填料上脫落的生物膜，隨水流到二沉池后被去除，廢水得到凈化。在接觸氧化池中，微生物所需要的氧氣來自水中，而廢水則自鼓入的空氣不斷補充失去的溶解氧。空氣是通過設在池底的穿孔布氣管進入水流，當氣泡上升時向廢水供應氧氣，有時并借以回流池水。
生物流化床
以砂、焦炭或活性炭等細小惰性材料作為生物膜載體，廢水(先經充氧或床內充氧)自下向上流過濾床使載體層呈流動狀態，加大了生物膜表面積與廢水和氧的接觸，提高了處理效率。
流化床工藝流程
圖 
The biological fluidized bed reactor is an important part of breaking down perchlorate contamination. (Photo courtesy of Tulsa District)
關鍵技術
曝氣理論、設備及曝氣池
指標分析
技術指標分析
經濟指標分析
一、氣體傳遞原理
二、曝氣設備
三、曝氣池池型
備注：30
dm/dt——氣體傳遞速率；
KL——氣體擴散系數；
A——氣液界面接觸面積，m2
Cs，——液相氧的飽和濃度,mg/L；
c——液相內氧的實際濃度,mg/L
KLa——總的傳質系數
備注：31
一些廢水的α及β值	一些廢水的α及β值	一些廢水的α及β值
廢? 水? 名? 稱	α	β
紙板廢水牛皮紙漿木紙漿廢水漂染廢水印染廢水煉油廢水	0.53~0.640.45~0.790.60.3~0.50.50.72	0.8~0.85
生活污水（新鮮）生活污水（腐化）	0.26~0.46
0.16~0.19	0.9（一般生活污水）
備注：32
 
其中
溫度、氣壓的影響
若
供氧速度=耗氧速度rr
則
氧吸收率
W——實際供氣量
備注：33
曝氣設備的類型
1、鼓風曝氣
（1）小氣泡擴散器  
（2）中氣泡擴散器
（3） 大氣泡擴散器
（4）微氣泡擴散器 
衡量曝氣設備曝氣效率的兩個指標
氧吸收率（或利用率）：向混合液供給1千克氧時，水中所能獲得的氧千克數，多用于鼓風曝氣裝置評價；
動力效率：單位動力在單位時間內所轉移的氧量，多用于機械曝氣設備評價
2、機械曝氣
（1）豎式曝氣機
（2）臥式曝氣刷
備注：34
 
1、鼓風曝氣
小氣泡擴散器 特點是氧利用率高，但阻力大，易阻塞 。
中氣泡擴散器 其特點是氧利用率低，但空氣壓力損失較小； 
大氣泡擴散器 特點是氣泡大，分布不勻，氧利用率低，不易堵塞； 
備注：35
鼓風曝氣設備性能資料

氣泡大小(mm)

氧傳遞速率(mg/L.h)

氧吸收率(%)

動力效率(kgO2/kW.h)

?小氣泡(<1.5)?中氣泡(1.5~1.3)?大氣泡(>3)?微氣泡(<0.1)

40-6020-3010-2040-120

11-126.2-7.96.2-7.1

1.6~2.61.0-1.60.6-1.21.2-2.4

氧傳遞速率  動力效率
備注：36
 
2、機械曝氣
備注：37
 
注:標準狀態是用清水, 水溫20℃, 大氣壓力為101.325kPa,最初水中的溶解氧濃度為0。現場試驗用的是污水，水溫15 ℃ ，海拔150m， α=0.85，β=0.9。 
備注：38
 
1、鼓風曝氣與推流式曝氣池 
備注：39
1、鼓風曝氣與推流式曝氣池 
推流式曝氣池長寬比一般大于4～5 ，寬深比不大于2 ，深度一般取3~5m。鼓風曝氣系統由空氣凈化器，鼓風機，空氣輸配管系統和擴散器組成。 
備注：40
 
1、鼓風曝氣與推流式曝氣池 ——淺層曝氣池
在氧轉移率相同的情況下，淺層曝氣耗電省。一般在曝氣池中設垂直導流板，上緣與曝氣管齊，下緣距池底0.6～0.8m。曝氣時混合液饒導流板循環流動。淺層曝氣的供氣量為30～40m3/m3(水)·h。風壓約1kPa,動力效率2.3～2.9kg(O2)/kWh。 　　
淺層曝氣池與一般曝氣池相比，空氣量增大了，而風壓僅為一般曝氣池的1/3～1/4,電耗略有下降，適于中小型污水廠采用。
備注：41
 
1、鼓風曝氣與推流式曝氣池——深井曝氣
備注：42
 
2、葉輪曝氣與完全混合曝氣池
（1） 分建式  曝氣池和沉淀池分別設置，既可使用表曝機，也可用鼓風曝氣裝置。采用泵形葉輪時，曝氣池直徑與葉輪直徑之比為4.5~7.5。采用倒傘形和平板形葉輪時，曝氣池直徑與葉輪直徑之比為3~5。
（2）合建式  靠表曝機的提升力使污泥循環，一般回流比較大，R＞ 1，甚至達到5。
備注：43
 
鼓風曝氣與葉輪曝氣的優缺點和適用條件  一般地說，表面機械曝氣的氧吸收率高（約為15～25%），鼓風曝氣低（僅為6～10%）,所以前者耗電較后者少。鼓風曝氣所用設備較多。但是當廢水量很大，曝氣池需要設置相當多的曝氣葉輪時，則費用劇增，超過鼓風曝氣。因此，葉輪曝氣適用于水量較小的小型曝氣池，鼓風曝氣適用于大水量的大型曝氣池。
?當廢水中存在大量的產生泡沫的物質（如表面活性劑，堿等）時，若無有效的消沫措施，則不宜采用表面曝氣。
?安裝曝氣葉輪時，安裝深度要適當：浸沒深度過小，水面擾動雖然劇烈，但提升作用小；浸沒深度過大，其結果正好相反，兩者均要降低充氧效果。葉輪的周邊線速度一般為3～6m/s, 線速度過小，充氧能力減弱；線速度過大，易破壞污泥絮體，影響沉降分離。
三、曝氣池池型
備注：44
 
3、兩種池形的結合
備注：45
城鎮污水污水處理廠常用的工藝有8大類:普通活性污泥工藝、水解一好氧工藝、AB工藝、A/O工藝、A2/O工藝、氧化溝工藝、SBR及其改進工藝、土地處理工藝。針對這8大類工藝進行了技術經濟指標分析。
技術指標指普通污染物去除效率、除磷脫氮效果、運行穩定性及自控要求等；經濟指標評價包括能耗、投資、運行費用以及占地面積。
對COD，BOD和SS的去除效率進行了調查。普通曝氣工藝、水解一好氧工藝、A/O工藝、A/A/O工藝、氧化溝系列工藝、SBR系列工藝、AB工藝相差不多，土地處理效率最低，但各工藝在合理的設計下都能夠達到出水達標排放要求。
A為普通曝氣工藝；B為水解一好氧工藝；C為AB工藝；D為A/O工藝；E為尸/O工藝；F為卡式氧化溝；G為奧式氧化溝；H為交替式氧化溝；；I為一體化氧化溝； l為SBR工藝；K為MSBR工藝；I為IDEA工藝；M為ICEAS工藝；N為CASS工藝；O為UNITANK工藝；P為蘆葦濕地處理。
各工藝BOD去除效率對比
從下圖可以看出，A/O工藝、A/A/O工藝明顯具有優勢;氧化溝系列工藝、SBR系列工藝、水解一好氧工藝、蘆葦濕地工藝相對來講也可以根據實際情況選擇采用;AF;工藝和普通曝氣工藝在這方面顯得相對不足。
A為普通曝氣工藝；B為水解一好氧工藝；C為AB工藝；D為A/O工藝；E為尸/O工藝；F為卡式氧化溝；G為奧式氧化溝；H為交替式氧化溝；；I為一體化氧化溝； l為SBR工藝；K為MSBR工藝；I為IDEA工藝；M為ICEAS工藝；N為CASS工藝；O為UNITANK工藝；P為蘆葦濕地處理。
普通曝氣工藝運行經驗積累豐富，運行穩定性最高；A/ O工藝、A/A/O工藝、氧化溝系列工藝(除一體化氧化溝),SBR系列工藝(除UNITANK工藝)、蘆葦濕地工藝運行穩定性良好，相對的，水解-好氧工藝與AB工藝、一體化氧化溝工藝和UNITANK工藝的運行穩定性尚無確切保證。
 工藝的自控要求高低直接影響運行穩定性、工程投資、員工素質等。自控要求低(定性評價分值高)相對工藝來講穩定性高，投資省，員工素質要求較低，反之亦然。由圖可見氧化溝系列工藝自控水平要求相對低，而SBR系列工藝無一例外自控水平要求高；普通曝氣工藝自控水平要求非常高，因為目前普通曝氣工藝主要應用于大型和超大型污水處理項目中的緣故。 
各工藝能耗本身相差不大，這是因為能耗很大部分在于提升泵房和鼓風機房的電耗，而提升泵房的電耗主要取決于受納水體水面高程，進水管底標高以及工藝水力損失，鼓風機房的電耗主要取決于進出水水質情況。相對而言，土地處理工藝能耗較低。
經濟指標——投資
在投資方面，各種工藝除蘆葦濕地工藝以及Biolak工藝和多級A/O工藝采用土工構筑物較小外，其他工藝相差不大。這是因為工藝研究伊始，經濟性是決定其能否被廣泛使用的最根本也是最關鍵的因素之一。 
運行費用與投資一樣，是決定該工藝能否被廣泛使用最根本也是最關鍵的因素之一。除蘆葦濕地工藝外，其他工藝運行費用相差無幾。
經濟指標——占地面積
占地面積是制約工藝適用范圍的關鍵因素之一，尤其是對于城市用地緊張的特點，占地面積對于城市污水處理工藝的選擇至關重要。SBR系列工藝也正是因為占地面積節省的突出特點，在近幾年被廣為采用。
從圖5中可以看出，除SBR系列工藝外，水解一好氧工藝、A/O工藝、A/A/O工藝、一體化氧化溝工藝等占地面積較小，而蘆葦濕地工藝占地面積最大。
城鎮污水處理設施建設中面臨的主要問題
一是污水處理設施建設滯后，能力不足，水平不高，適應不了發展需求；
二是污水管網與污泥處理等配套設施建設不同步， 環境效益沒有充分發揮；
三是污水處理費征收不到位，運行機制尚未完善，運營效率需要提高。
運營管理、常見故障識別與處理污水處理廠想取得良好的處理效果，必須使各類設備經常處于良好的工作狀況和保持應有的技術性能，正確操作、保養、維修設備是污水處理廠正常運轉的先決條件。設備管理應注意以下幾個方面：
（1）使用好設備  嚴格按照說明書和操作規程進行操作。
（2）保養好設備  各種設備都應根據出廠說明書和現場情況制定保養條例。保養條例要包括清潔、調整、緊固、潤滑金和防腐等內容。
（3）檢修好設備  對主要設備制定檢修標準，通過檢修，恢復技術性能。
（4）管理好設備  做好設備購置、安裝、調試、驗收、使用、保養、檢修、報廢以及更新全過程的管理工作。
在污水處理廠，格柵、除砂設備、刮泥機污泥濃縮機、表面曝氣機、吸泥機、潛水推流器、潷水器等為運行工藝上重要的大型設備。只有保證這些設備安全、正常運行、充分發揮這些設備的工作潛能，才能使整個污水處理廠正常運行起來。這些設備在運行管理和維護方面應注意以下幾個問題。
（1）熟悉所管理的設備
（2）確定設備運行最佳方案
（3）做好設備的巡回檢查
（4）保持設備良好的潤滑狀態
（5）做好設備日常維護與管理

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