水处理技术:1. 前言
污水处理设施是现代化经济发展和水资源保护不可或缺的组成部分。在美国、英国、荷兰、日本等发达国家，已经普遍实行了污水的集中二级处理；近年来，我国中央政府、各级地方政府及有关部门对城市十分重视，同时加大了对的资金投入和治理力度，使我国在污水处理厂的建设方面取得了巨大进展。截至2003年，我国已建成运行的污水处理厂有516座，污水处理能力3284万m3/d。并且，国家“七五”、“八五”、“九五”科技攻关课题的建立，使我国污水处理的新技术取得了可喜的科研成果，某些项目达到了国际先进水平。
2. 我国城市污水处理厂技术工艺的应用发展现状
自我国第一座采用活性污泥工艺的城市污水处理厂1921年在上海建成以来[1]，污水处理事业在我国得到了迅速的发展，也是层出不穷[2]。目前我国所采用的类型主要有以下几种：传统活性污泥处理工艺、AB工艺、A/O及A2/O工艺、水解-好氧工艺、氧化沟工艺、SBR及其变型工艺、曝气生物滤池工艺、生物接触氧化工艺、氧化塘、BIOLAK®及土地处理工艺。
2.1 传统活性污泥处理工艺
我国20世纪80年代及其以前建设的污水处理厂，由于当时没有对出水氮磷含量的要求，生物处理工艺主要采用传统活性污泥工艺及其改良工艺，其主要功能是大幅度去除污水中呈胶体态和溶解态的有机污染物，使经处理的污水BOD达到排放标准，而对污水中氮磷的去除率非常低[3][4]。同时，水体富营养化问题在我国已日益严重，为适应国家对氮磷的排放要求，保护水环境，一些采用传统活性污泥处理工艺的污水厂已对现有工艺进行改造，增设了除磷脱氮功能。
2.2 AB工艺
我国在20世纪80年代相继开展了对AB工艺的特性、运行机理及处理过程的稳定性的研究，并将其用于工程实际，且得到了一定规模的应用，如青岛海泊河污水处理厂、淄博污水处理厂、深圳滨河污水处理厂等。AB工艺具有抗冲击负荷能力强、对pH值变化和有毒物质具有明显缓冲作用、可分期建设的特点。但其对低浓度城市污水的处理效果较差，并且此工艺产泥量大，目前污水处理厂普遍面临的一个问题是污泥的处理处置难，因此限制了AB工艺的发展应用。
2.3 A/O及A2/O工艺
20世纪80年代末90年代初，A/O工艺、A2/O工艺因其较好的除磷脱氮效果而逐渐应用于城市污水处理之中，并且成为主流。在此阶段，氮磷污染物控制与去除技术的研究及相关技术的应用成为水环境污染控制日益紧迫的重要课题。A/O工艺包括A/O除磷工艺和A/O脱氮工艺，它们对磷、氮的去除率分别达到90%以上和80%左右；而A2/O工艺不能同时高效除磷脱氮。20世纪90年代以来，随着具有脱氮除磷功能的研究应用，发现A2/O工艺本身存在的缺陷，即硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有机负荷、泥龄以及碳源需求上存在着矛盾和竞争，很难在同一系统中同时获得氮、磷的高效去除，阻碍着生物除磷脱氮技术的应用，因此为解决这些工艺矛盾，研究者们进行了大量研究来进行工艺改进，开发出倒置A2/O、UCT、A+A2/O等工艺[5]，尤其对倒置A2/O进行了大量研究，现已完成了对其原理与特点、运行参数的研究，并通过生产试验研究[6][7][8]，现已有部分污水厂已采用该工艺并取得了良好的运行效果，如常州北城污水厂、青岛团岛污水厂、青岛李村河污水处理厂等。
2.4 水解-好氧工艺
针对传统活性污泥工艺基建投资高、运行费用高以及电耗高等问题，北京市科学研究院在20世纪80年代初开发了水解-好氧生物处理工艺。经过十多年的开发，围绕水解-好氧技术已经形成一套完整的工艺技术。相继开发了水解-活性污泥处理工艺、水解-氧化沟处理工艺、水解-接触氧化处理工艺、水解-土地处理工艺和水解-氧化塘处理工艺，，目前，全国各地建设了上百座水解-好氧工艺的污水处理厂，如北京密云污水处理厂、深圳石岩河污水处理厂、新疆昌吉污水处理厂等。其具有较好的抗有机负荷冲击能力、在低温条件下仍有较好的去除效果、已达到对剩余污泥稳定、出水水质稳定等特点[2][9]，并且也很适用于我国小城镇的污水处理。
2.5 氧化沟工艺
20世纪90年代中期，氧化沟工艺因其良好的脱氮效果且无需开始被推广，此时期建设的大型污水处理项目基本上采用氧化沟工艺。近几年来，国内对各种类型氧化沟的除磷脱氮的效果、设计、充氧设备及运行控制等方面进行了大量的研究。对多种氧化沟都进行了一定的革新，如Carrousel氧化沟由第一代的普通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[10]。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[11]，目前国内较多采用的氧化沟主要有Orbal氧化沟、Carrousel氧化沟、T型氧化沟、DE型氧化沟、一体化氧化沟等。
2.6 SBR及其变型工艺
近年来，随着工业和自动化控制技术的飞速发展，特别是监控技术的自动化程度以及污水处理厂自动化管理要求的日益提高，为SBR进一步的研究和应用，提供了有利的条件[12]。
我国于80年代中期开始对SBR进行研究，目前，对SBR自控系统、等设备[13][14][15][16]的研究开发，对SBR系统脱氮除磷的研究[17][18][19]都为SBR工艺在我国的应用创造了条件，天津市市政工程设计研究院、天津水工业工程设备有限开发的DAT-IAT工艺在天津经济技术开发区的成功应用[20]以及同济大学开发出的MSBR[21]在深圳盐田污水处理厂的成功应用，表明了我国对SBR工艺的研究已达到了日臻成熟的阶段，目前，我国对SBR工艺的应用很广泛，主要有CASS、CAST、UNITANK、ICEAS、DAT-IAT、MSBR等。
2.7 曝气生物滤池工艺
我国是20世纪90年代以后才开始曝气生物滤池工艺的研究，其主要可分为以下三种形式：BIOCARBON、BIOFOR和BIOSTYR，由于BIOCARBON具有负荷不高、容易堵塞、运行周期短的缺点，而BIOFOR和BIOSTYR则克服了这些缺点[22]，成为目前所研究的曝气滤池的主要形式。近年来，国内已有BIOSTYR和BIOFOR曝气生物滤池的中试研究[23][24]，以及曝气生物滤池的短程硝化反硝化机理研究的报导。目前，国内曝气生物滤池的研究开发方兴未艾，工艺形式也不断推陈出新，如厌氧曝气生物滤池、Biofly工艺[25]等。曝气生物滤池有占地面积小，基建投资省，出水水质高的特点[26]，在我国已得到了一定规模的应用，如大连马栏河污水处理厂采用的是BIOFOR工艺，广东南海污水处理厂采用的是BIOSTYR工艺，沈阳仙女河采用的是上流式两段曝气生物滤池。
2.8 生物接触氧化工艺
生物接触氧化法具有能耗低、剩余污泥量少、出水水质好等优点。近年来，性能更为优越、运行更加可靠的新型生物填料的开发，使此工艺的应用在国内更为迅速，如太原殷家堡污水净化厂，太原古交镇城底污水处理厂，太原成古交中心污水处理厂等。太原地区最早建成的生物接触氧化法污水处理厂至今已连续运行了十几年,积累了较丰富的运行管理经验,太原市市政工程设计研究院编制了《生物接触氧化法设计规范》，使此工艺更加规范化、标准化，因此生物接触氧化工艺得到了全面广泛的推广和应用[27]。
2.9 稳定塘
20世纪80到90年代是我国稳定塘处理技术迅速发展的时期。近代的塘系统已由直接利用天然坑塘挖地稍加修整发展为规范化的处理设施；由传统塘型发展为各种、高效的新型塘及其组合系统；由单纯依靠自然净化发展为自然净化与人工强化技术相结合的工艺形式；由仅有净化功能的污水处理设施发展为具有多功能的、综合利用的良性生态系统。1985年有30余座稳定塘，1988年增为80余座，90年代后期发展为120余座。目前，大约有几百个城市污水和工业处理塘在城市和工业区运行。如齐齐哈尔污水生态塘处理系统、东营生态塘处理系统等[28]。
实践证明，塘系统能有效处理污水及一些有机工业、对有机物和病原体有很好的去除效果，尤其在气候温暖、阳光充足的地区，可作为一级处理、二级处理甚至三级处理方法。当然它也存在着一些问题，如[29]占地面积大，氮磷去除效果不稳定，渗漏对地下水质的影响等。如能在条件适合的地区，在设计中通过采取相应的有效措施如多点进水、多点出水使水流均匀；与其它工艺相结合，采用可调节的人工强化除磷脱氮方法；采取部分出水回流抑制臭气，采取良好的防渗措施等，塘系统则能得到更好地应用。
2.10 BIOLAK工艺
BIOLAK工艺是在20世纪末期引入我国的，它具有基建费用及运行费用低、剩余污泥已基本得到稳定、净化效果稳定、净化程度高、系统构造非常简单、故障发生率低、容易维护等特点[30]，因此在短短几年内迅速得到发展和应用，如山东招远污水处理厂、深圳龙田污水处理厂、江苏省高邮市污水处理厂等。通过山东招远污水处理厂的运行效果的分析，BIOLAK工艺具有良好的处理效果：BOD5去除率达到95%，对总氮的去除率达到59%，对总磷的去处率达到91%[31]。但目前国内对BIOLAK工艺的试验研究还鲜见报导，设计时所选用的参数也是仅仅凭经验确定，今后还应该注重对此工艺的运行特性、工艺机理以及设计参数的研究。
2.11 土地处理
我国目前所采用的污水处理工艺投资和运行费用昂贵，对我国这样一个发展中国家来说是一个沉重的负担。而人工湿地因其具有效率高、投资、运行及维护费用低、适用面广、耐冲击负荷强等优点，比二级污水处理工艺具有更好的生态效益和经济效益，在我国必将有广泛的应用前景[32]。
我国湿地处理废水发展较晚[33]，“七五”期间我国开展人工湿地的研究，分别在北京昌平、深圳白泥坑、天津等地建成不同处理规模的人工湿地处理工程[33]。近几年来，已有不少单位对人工湿地处理系统的机理、动力学模型、水生植物以及设计参数等有关问题开展了初步的研究工作[34][35]。现在已有部分污水处理厂采用此工艺，如深圳沙田人工湿地系统，沈阳满堂河生态污水处理示范厂，深圳石岩河污水处理工程、深圳沙田人工湿地系统等。
2.12 其它
传统活性污泥法与氧化沟的结合工艺：如OOC、OCO、AOR、AOE等工艺，如南宁市琅东污水处理厂采用的为OOC工艺，采用OCO工艺的污水处理厂目前还没有建成，沈阳市北部污水处理厂采用的为AOR工艺，成都市污水处理厂二期工程即采用的是AOE工艺。生物膜法与活性污泥法的结合工艺，如大连春柳河污水处理厂采用的为LINPOR工艺[36]；由北京市环科院自行研制开发的污水处理工艺—交替式内循环活性污泥工艺[2]（Alternated Internal Cyclic System，简称AICS），目前已在新疆阿克苏污水处理厂中得到成功的应用，并取得了满意的处理效果[37]；同时，一级强化处理工艺在我国也有应用，如上海竹园第一污水处理厂采用的是化学生物絮凝工艺[38]；折流淹没式生物膜法工艺在韶山市污水处理厂得到了了应用[39]。
总体上讲，目前我国污水处理厂工艺的应用已经摒弃了以前所谓的一阵风的现象，而是处于一种百花齐放的状态，即各种污水处理工艺都在我国得到了一定规模的应用，其中以A/O、A2/O及其变形工艺、氧化沟、SBR为主，其它工艺也正在不断发展。
3. 我国城市污水处理厂的工艺发展趋势探讨
3.1 具有脱氮除磷功能的污水处理工艺仍是今后发展的重点
《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）对出水氮磷有明确的要求，因此已建城镇污水处理厂需要改建，增加设施去除污水中的氮、磷污染物，达到国家规定的排放标准，新建污水处理厂则须按照标准GB18918-2002来进行建设。目前，对污水生物脱氮除磷的机理、影响因素及工艺等的研究已是一个热点，并已提出一些新工艺及改革工艺，如MSBR、倒置A2/O、UCT等，并且积极引进国外新工艺，如OCO、OOC、AOR、AOE[30]等。对于脱氮除磷工艺，今后的发展要求不仅仅局限于较高的氮磷去除率，而且也要求处理效果稳定、可靠、工艺控制调节灵活、投资运行费用节省。目前，生物除磷脱氮工艺正是向着这一简洁、高效、经济的方向发展[40]。
3.2 高效率、低投入、低运行成本、成熟可靠的污水处理工艺是今后污水处理厂的首选工艺
我国是一个发展中国家，经济发展水平相对落后，而面对我国日益严重的环境污染，国家正加大力度来进行污水的治理，而解决城市污水污染的根本措施是建设以生物处理为主体工艺的二级城市污水处理厂，但是，建设大批二级城市污水处理厂需要大量的投资和高额运行费，这对我国来说是一个沉重的负担。而目前我国的污水处理厂建设工作，则因为资金的缺乏很难开展，部分已建成的污水处理厂由于运行费用高昂或者缺乏专业的运行管理人员等原因而一直不能正常运行，因此对高效率、低投入、低运行成本、成熟可靠的污水处理工艺的研究是今后的一个重点研究方向。
3.3 对适用于小城镇污水处理厂工艺的研究
发展小城镇是我国城市化过程的必由之路，是具有中国特色的城市化道路的战略性选择。1978~2000年我国建制镇由2178个增至20312个，目前各种规模和性质的小城镇已近48000个[41]。如果只注重大中城市的污水处理工程的建设，而忽视如此数量多的小城镇的，则我国的污水治理也不能达到预定目标。而对于小城镇的污水处理又面对着一系列的问题：小城镇污水的特点不同于大城市；小城镇资金短缺；运行管理人员缺乏等。因此，小城镇的污水处理工艺应该是基建投资低、运行成本低、运行管理相对容易、运行可靠性高的工艺。目前对适用于小城镇污水处理厂工艺的研究方向是：从现有工艺中比选出适合小城镇污水处理厂的工艺，同时开发出适用于小城镇污水处理厂的新工艺。
3.4 对产泥量少、且污泥达到稳定的污水处理工艺的研究
目前，污水处理厂所产生的污泥的处理也是我国污水处理事业中的一个重点和难点，2003年中国城市污水厂的总污水处理量约为95.9562×108/a，城市平均污水含固率为0.02%，则湿污泥产量为965.562×104t/a[42]，并且污泥的成份很复杂，含有多种有害有毒成分[43]，如此产量大而且含有大量有毒有害物质的污泥如果不进行有效处理而排放到环境中去，则会给环境带来很大的破坏。目前我国污泥处理处置的现状不容乐观：据统计，我国已建成运行的城市污水处理厂，污泥经过浓缩、消化稳定和干化脱水处理的污水厂仅占25.68%，不具有污泥稳定处理的污水厂占55.70%，不具有污泥干化脱水处理的污水厂约占48.65%。这说明我国70%以上的污水厂中不具有完整的污泥处理工艺[44]。
而对此问题进行解决的一个有效办法是：污水处理厂采用产泥量少、且污泥达到稳定的污水处理工艺，这样就可以在源头上减少污泥的产生量，并且可以得到已经稳定的剩余污泥，从而减轻了后续污泥处理的负担。目前，我国已有部分工艺可做到这一点，如生物接触氧化法工艺、BIOLAK工艺、水解-好氧工艺等，但是对产泥量少、且污泥达到稳定的污水处理工艺的系统研究还没有开始。
4. 结论
随着污水处理事业的发展，已有多种污水处理工艺在我国污水处理厂中得到了应用，其中以A/O、A2/O及其变形工艺、氧化沟、SBR及其变型工艺为主，其它工艺如AB工艺、曝气生物滤池、水解-好氧工艺、生物接触氧化工艺、稳定塘、BIOLAK工艺、土地处理等污水处理工艺也有一定规模的应用。同时，随着我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的实施，以及我国污水处理事业所面临的如下问题：如污水处理厂建设运行费用高的问题、小城镇的水污染问题以及污泥处理问题。使我国的污水处理工艺向着具有脱氮除磷功能、高效低耗、成熟可靠、适用于小城镇污水处理厂、污泥产量少且能使污泥达到稳定的方向发展。