1.2　降低運行費用方法的分析和研究

進(jìn)入21世紀(jì)后，我國污水處理主要方向已由高濃度工業(yè)大戶的廢水處理轉(zhuǎn)向城市生活污水處理。投資的重心已由工業(yè)的點污染源誰污染誰處理轉(zhuǎn)向由政府投資治理城市生活污水。大中城市的行政領(lǐng)導(dǎo)也日益重視對城市生活污水的處理，因而21世紀(jì)將成為我國城市生活污水處理的世紀(jì)。這對污水處理提出更高的標(biāo)準(zhǔn)［2003年7月1日實施《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）］，要求處理后水質(zhì)達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠一級A類標(biāo)準(zhǔn)。尋找一種投資少、運行費用低的污水處理方法也將成為21世紀(jì)污水處理方法的研究重心。

1.2.1　厭氧工藝

厭氧生物處理技術(shù)發(fā)展至今已有100多年歷史。最早是在1860年Mouras采用厭氧方法處理經(jīng)過沉淀的固態(tài)物質(zhì)。1904年德國的Karl Imhoff發(fā)明了沿用至今的Imhoff雙倍沉淀池。

20世紀(jì)70年代以來，污水厭氧生物處理技術(shù)以其具有運行費用低、有可以利用的能源（沼氣）產(chǎn)生以及在處理高濃度廢水方面的一系列優(yōu)越性而得到較快的發(fā)展。隨后，出現(xiàn)了第二代厭氧反應(yīng)器——升流式厭氧化污泥床反應(yīng)器（UASB）、厭氧濾池（AF）。

第二代厭氧反應(yīng)器AF運行的關(guān)鍵是高效、穩(wěn)定和易操作管理的填料的使用。高效的填料成本高，而廉價的填料則易造成反應(yīng)器的堵塞。UASB運行的關(guān)鍵是三相分離器的合理設(shè)計和培養(yǎng)性能良好的顆粒污泥。三相分離器的設(shè)計，在國內(nèi)尚無成熟的方法，而顆粒污泥的培養(yǎng)雖然在國外已經(jīng)有成功的經(jīng)驗，但在國內(nèi)還處于探索和深入研究階段。

第三代厭氧反應(yīng)器的開發(fā)研究是20世紀(jì)80年代中后期開始的，主要有荷蘭Wageningen農(nóng)業(yè)大學(xué)的厭氧顆粒污泥膨脹床反應(yīng)器（EGSB）及厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器（IC），美荷Biothane系統(tǒng)國際公司的厭氧升流式流化床（UFB BIOBED）和美國MaCarty等的厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）等。

近年來，將厭氧工藝環(huán)節(jié)引入城市生活污水處理是城市生活污水處理的一大進(jìn)步。厭氧工藝不耗能，不需運行費用，是一種好的方法。幾年前風(fēng)靡一時的應(yīng)用于城市小區(qū)生活污水處理的方法，俗稱“無動力”化糞池，起過積極作用。遺憾的是數(shù)年來大量的工程實踐證明，其出水COD濃度始終在150～200mg/L徘徊，不能滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）中的一級標(biāo)準(zhǔn)（COD≤100mg/L），這是采用厭氧工藝的技術(shù)上的“障礙”。無論怎樣設(shè)法提高“厭氧”工藝的處理效率，其只能在高濃度方向體現(xiàn)巨大的優(yōu)點，而在低濃度方向，將COD濃度降到100mg/L以下似乎是不太可能的事，這是由厭氧細(xì)菌的生活條件決定的，是自然規(guī)律。

因此，當(dāng)國家允許污水排放標(biāo)準(zhǔn)提高到排放一級B標(biāo)準(zhǔn)后，城市（包括小區(qū)在內(nèi)）生活污水處理必須要求有動力，“無動力”化糞池是不合乎國家要求的。

本書不對于厭氧作深入研究。

1.2.2　好氧工藝

在自然界存在著大量依靠有機物生活的微生物，它們有氧化分解有機物并將其轉(zhuǎn)化為無機物的巨大能力。生物處理法就是利用這一功能并采取一定的人工措施，創(chuàng)造有利于微生物生長、繁殖的環(huán)境，使微生物大量增殖，以提高微生物氧化分解有機物效率的一種污水處理方法。我們所研究的是污水處理，所關(guān)心的是水體中的微生物，是水體生態(tài)環(huán)境中生長的微生物，創(chuàng)造有利于微生物生長、繁殖的水體生態(tài)環(huán)境可使水體中微生物的生態(tài)食物鏈恢復(fù)，從而恢復(fù)到?jīng)]有受到污染時的水體狀態(tài)，恢復(fù)到天然水體狀態(tài)。水體生態(tài)環(huán)境中有許多生存因子，其中起決定性作用的是限制因子，對于水生生物來說其限制因子是水中的氧氣。

水體中的微生物也依照其對氧氣的需求分為好氧微生物和厭氧微生物。所以，生物處理法也就分為好氧和厭氧兩大類。由于好氧生物處理效率高，使用廣泛，它已成為生物處理法的主流。本書重點放在好氧生物處理的研究。

好氧生物處理又分為活性污泥法和生物膜法兩種。

活性污泥法是水體自凈（包括氧化塘）的人工強化，是使微生物群體在曝氣池內(nèi)呈懸浮狀，并和污水接觸而使之凈化的方法。

生物膜法則是土地自凈（如灌溉田）的人工強化，是使微生物群體附著在其他物體表面上呈膜狀，并讓它和污水接觸而使之凈化的方法。

生物處理法主要用來去除污水中溶解性和膠體性有機物，同樣也可有效地處理某些含酚、腈、醛等有毒物質(zhì)的工業(yè)污水。

1.2.2.1　活性污泥法體系

（1）活性污泥法的基本原理　活性污泥法是城市污水和有機性工業(yè)污水的有效生物處理法。它于1914年在英國曼徹斯特市建成試驗廠以來，已有100多年歷史。隨著生產(chǎn)上的應(yīng)用和不斷改進(jìn)，特別是近十多年來，在對其生物反應(yīng)和凈化機理進(jìn)行廣泛深入研究的基礎(chǔ)上，活性污泥法得到了很大發(fā)展，出現(xiàn)了各種工藝流程。特別是計算機的迅速發(fā)展，將電腦用于自動控制工藝流程的運轉(zhuǎn)，在降低投資費用和運行費用方面有了很大進(jìn)展，目前，它已成為有機性污水生物處理的主體，被廣泛應(yīng)用。只有深入了解該法，才能全面理解本書提出的勢能大氣復(fù)氧理論是怎樣在前人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的和其實際意義。

①活性污泥法的概念與流程　向生活污水注入空氣進(jìn)行曝氣，并持續(xù)一段時間后，污水中即生成一種絮凝體。這種絮凝體主要由大量繁殖的微生物群體所構(gòu)成，它易于沉淀分離，并使污水得到澄清，這就是“活性污泥”（activates sludge）?；钚晕勰喾▌t是以活性污泥為主體的生物處理方法。

活性污泥是以大量的活性微生物為主體，主要由菌膠團細(xì)菌、原生動物和后生動物組成，此外，還有一些無機物、未被微生物分解的有機物和微生物自身代謝的殘留物?；钚晕勰嘟Y(jié)構(gòu)疏松、表面積很大，對有機污染物有著強烈的吸附凝聚和氧化分解能力，同時它的自身凝聚和沉降性能也很好。

活性污泥法是以包含于污水中的有機物為培養(yǎng)基，在有溶解氧的條件下，連續(xù)地培養(yǎng)活性污泥，再利用其吸附凝聚和氧化分解作用使污水得以凈化。普通活性污泥法的處理工藝流程見圖1-11，它由以下幾個部分組成。

a.初沉池——用以除去污水中原生懸浮物。懸浮物少時，可以不設(shè)。

b.曝氣池——使污水中的有機污染物與活性污泥充分接觸，并吸附和氧化分解有機污染物質(zhì)。

c.曝氣系統(tǒng)——供給曝氣池生物反應(yīng)所必需的氧氣，并起混合攪拌作用。

d.二沉池——用以分離曝氣池出水中的活性污泥。

e.污泥回流系統(tǒng)——把二沉池中的一部分沉淀污泥再回流到曝氣池，以保證曝氣池有足夠的微生物濃度。

f.剩余污泥排放系統(tǒng)——在曝氣池內(nèi)，污泥不斷增殖，這部分凈增的污泥量構(gòu)成所謂剩余污泥，通過排放系統(tǒng)將其排放。

②活性污泥法的凈化過程與機理　活性污泥對污水中懸浮性或溶解性有機污染物（少數(shù)無機污染物）的凈化，是由活性污泥吸附凝聚、氧化合成兩個活性作用完成的。要使活性污泥維持良好的狀態(tài)，吸附凝聚和氧化合成應(yīng)保持適當(dāng)?shù)钠胶?。只要條件適當(dāng)，活性污泥在與污水初期接觸的20～30min，就可以去除75％以上的BOD，這種現(xiàn)象稱為活性污泥的初期吸附或生物吸附。

這種初期高速去除現(xiàn)象是吸附作用所引起的。由于活性污泥表面積很大（介于2000～10000m²/m³），且表面具有多糖類黏質(zhì)層。因此，污水中懸浮的和膠體的物質(zhì)能被吸附與凝聚而迅速去除。同時吸附還需和氧化合成保持適當(dāng)?shù)钠胶?。若氧化分解充分，即原吸附于污泥上的有機物代謝徹底，初期去除率就高，反之則低。但由于過分自身氧化也會失去活性，同樣也會降低初期去除率。

污水中的有機物通過生物降解，一部分氧化分解形成二氧化碳和水，一部分合成細(xì)胞物質(zhì)成為菌體。如果形成菌體的有機物不從污水中分離出去，這樣的凈化不能算結(jié)束。為了使菌體從水中分離出來，在曝氣池之后必須設(shè)立二沉池，應(yīng)用重力沉淀法將其分離。如果每個菌體都處于松散狀態(tài)，由于其大小與膠體顆粒大體相同，那就要保持穩(wěn)定懸浮狀態(tài)，沉淀分離是不可能的。因此，必須要使菌體凝聚成為易于沉淀的絮凝體，稱為生物絮體（biofloc）。易于形成絮凝體的細(xì)菌有動膠菌屬、產(chǎn)堿桿菌、無色桿菌、黃桿菌和假單胞菌等。

（2）污泥處置與污泥處理　在污水處理過程中，產(chǎn)生大量的污泥，其數(shù)量占處理水量的0.3％～0.5％（含水率以97％計）。污泥處置的目的在于使污水處理廠能夠正常運行，有毒物質(zhì)得到及時處置，有用物質(zhì)得到利用。污泥處置費用占全廠運行費用的20％～50％。

（3）活性污泥法的新進(jìn)展　活性污泥法是污水生物處理的主要方法。20世紀(jì)90年代以前已對其凈化機理和曝氣原理進(jìn)行了大量的試驗研究，使活性污泥法在設(shè)計和運行方面有了很大改進(jìn)。90年代以后，在計算機高速發(fā)展的帶動下，又有了進(jìn)一步的改進(jìn)，自動化程度增加并上了一個臺階。下面將介紹這兩個時期的改進(jìn)情況。

①20世紀(jì)90年代之前的改進(jìn)　活性污泥法發(fā)展到這個時期以前還存在著很多問題，如處理構(gòu)筑物龐大、基建投資過大、占地面積過大、電耗過多、管理復(fù)雜、處理成本較高等，此外，在凈化功能方面也有待提高。經(jīng)過針對上述問題的深入研究，上述問題已有了很大改進(jìn)。

a.工藝方面的改進(jìn)

Ⅰ.純氧曝氣法：這是在提高供氧能力上的改進(jìn)。純氧曝氣法就是以氧氣代替空氣。

Ⅱ.深水（井）曝氣法：根據(jù)亨利定律，氣體在水中的溶解度與水壓有關(guān)，深水曝氣可使氧的轉(zhuǎn)移率和水中溶解氧濃度大幅度提高。該法優(yōu)點是節(jié)約了能耗，使運行費用降低，縮短了曝氣時間，減少了剩余污泥量等。

Ⅲ.Z-A法：這是二段活性污泥法。第一段稱“粗處理”，第二段稱“精處理”，基建投資基本上相當(dāng)于普通活性污泥法。

Ⅳ.粉末活性炭-活性污泥法。

b.凈化功能方面的進(jìn)展

Ⅰ.脫氮、除磷功能：20世紀(jì)90年代后才有了重大進(jìn)展。

Ⅱ.對有機化合物的去除：20世紀(jì)90年代后才有重大進(jìn)展。

（2）20世紀(jì)90年代之后的進(jìn)展　20世紀(jì)90年代之后由于計算機的飛速發(fā)展，活性污泥法系統(tǒng)中的SBR技術(shù)也得到廣泛應(yīng)用，這是一大進(jìn)步。

a.SBR污水生物處理技術(shù)　序批式（間歇）活性污泥法（Sequencing Batch Reactor，SBR），是20世紀(jì)90年代之后在國內(nèi)外引起廣泛重視和研究日趨增多的一種廢水處理工藝，且目前有很多生產(chǎn)裝置在運行中。1914年英國學(xué)者Ardem和Locket發(fā)明活性污泥法時，采用的就是這種處理系統(tǒng)。

20世紀(jì)70年代初，美國進(jìn)行了實驗室規(guī)模研究。1980年在印第安納州投產(chǎn)了世界上第一個SBR法污水處理廠，繼而日本、德國、法國、澳大利亞等國也都對SBR工藝進(jìn)行了應(yīng)用研究。澳大利亞是應(yīng)用SBR最多的國家之一，現(xiàn)已建成SBR法污水處理廠600多座。

我國于20世紀(jì)80年代中期開始時SBR污水處理工藝進(jìn)行研究和應(yīng)用。

Ⅰ.SBR工藝的技術(shù)特征及操作。SBR反應(yīng)器在處理廢水時的操作過程包括五個階段：進(jìn)水期、反應(yīng)期、沉淀期、排水排泥期、閑置期。SBR的運行工藝是以間歇操作為主要特征。序批式有兩種含義：一是運行操作在空間上是按次序排列、間歇的。二是每個SBR反應(yīng)器的運行操作在時間上也是按次序排列、間歇的。完成上述五個階段稱為一個運行周期（圖1-12），周而復(fù)始運行。

Ⅱ.五個階段的功能如下所述。SBR工藝廢水的降解主要發(fā)生在進(jìn)水期和反應(yīng)期。

進(jìn)水期：進(jìn)水期是反應(yīng)池接納污水的過程，一般為幾個小時。

反應(yīng)期：反應(yīng)期是在進(jìn)水期結(jié)束后或SBR反應(yīng)器充滿水后，進(jìn)行曝氣或攪拌以達(dá)到處理的目的（去除BOD、硝化、脫氮除磷）。

沉淀期：沉淀工序相當(dāng)于傳統(tǒng)活性污泥法的二沉池，具有沉降時間短、沉淀效率高的優(yōu)點。沉淀期所需的時間一般為1～2h。

排水排泥期：排出活性污泥沉淀后的上清液，作為處理出水，一直排放到最低水位。SBR反應(yīng)器中的活性污泥數(shù)量占反應(yīng)器容積的30％左右。

閑置期：閑置期的作用是通過攪拌、曝氣或靜置使微生物恢復(fù)活性，并起到一定的反硝化作用而進(jìn)行脫氮，為下一個運行周期創(chuàng)造良好的初始條件。它是保證SBR工藝處理出水水質(zhì)的重要階段。

b.SBR工藝改進(jìn)型

Ⅰ.ICEAS工藝：ICEAS（Intermittent Cyclic Extended Aeration System）工藝是間歇循環(huán)延時曝氣活性污泥法的簡稱，其最大特點是在反應(yīng)器的進(jìn)水端增加了一個預(yù)反應(yīng)區(qū)，運行方式為連續(xù)進(jìn)水（沉淀期和排水期仍保持進(jìn)水）、間歇排水，沒有明顯的反應(yīng)階段和閑置階段。

Ⅱ.DAT-IAT工藝：DAT-IAT工藝的主體構(gòu)筑物由兩個串聯(lián)的反應(yīng)池組成，即需氧池（Demand Aeration Tank，DAT）和間歇曝氣池（Intermittent Aeration Tank，IAT），一般情況下DAT池連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)曝氣，其出水進(jìn)入IAT池，在此完成曝氣、沉淀、潷水和排出剩余污泥工序。

Ⅲ.CASS（CAST，CASP）工藝：CASS（Cyclic Activated Sludge System）或CAST（Cyclic Activated Sludge Technology）或CASP（Cyclic Activated Sludge Process）工藝全稱為循環(huán)式活性污泥法。CASS的整個工藝為一間歇反應(yīng)器，在此反應(yīng)器中活性污泥法過程按曝氣和非曝氣階段不斷重復(fù)，將生物反應(yīng)過程和泥水分離過程結(jié)合在一個池子中進(jìn)行。每一CASS反應(yīng)器至少由兩個區(qū)域組成，即生物選擇區(qū)和主反應(yīng)區(qū)，但也可以在主反應(yīng)區(qū)前設(shè)置一兼氧區(qū)。

Ⅳ.UNITANK工藝：UNITANK工藝的外形是一矩形體，里面被分割成三個相等的矩形單元池，相鄰的單元池之間以開孔的公共墻相隔，以使單元池之間彼此水力貫通。在3個單元池內(nèi)全部配有曝氣擴散裝置，其中外側(cè)的兩個池具有雙重功能，既作曝氣池，也作沉淀池，兩池上還設(shè)有固定出水堰及剩余污泥排放口，中間池始終作曝氣池使用。進(jìn)入系統(tǒng)的污水通過進(jìn)水閘控制可分時序分別進(jìn)入三個矩形池中任意一池。

Ⅴ.MSBR工藝：改良式序列間歇反應(yīng)器（Modified Sequencing Batch Reactor，MSBR）。MSBR無需設(shè)置初淀池、二沉池，且在恒定水位下連續(xù)運行。采用單池多格方式，無需間斷流量，還省去了多池工藝所需的更多連接管、泵和閥門。

1.2.2.2　生物膜法體系

污水生物處理的生物膜法是使細(xì)菌、菌類等微生物和原生動物、后生動物等微型動物在濾料或某些載體上生長繁育，形成膜狀生物性污泥——生物膜。通過與污水的接觸，生物膜上的微生物攝取污水中的有機污染物作為營養(yǎng)，從而使污水得到凈化。

（1）概述

①生物膜的形成　在日常生活中，只要注意到家中的洗碗池，就可以看到在池壁上會出現(xiàn)黏乎乎的一層?xùn)|西，這就是生物膜。要想清除洗滌，用自來水高壓沖不掉，必須要用清洗劑，還要用刷子，甚至要用鋼絲刷才能清洗掉。也就是說如果污水經(jīng)常（或長期）與濾料或某種載體流動接觸（或間斷接觸），則在濾料或載體的表面上將形成生物膜，并逐漸成熟。

生物膜成熟的標(biāo)志是生物膜沿水流方向的分布、生物膜上由細(xì)菌及各種微生物組成的生態(tài)系統(tǒng)和對有機物的降解功能都達(dá)到了平衡和穩(wěn)定狀態(tài)。從開始到成熟，生物膜要經(jīng)過潛伏和生長兩個階段，一般城市污水，在15～20℃條件下，大致需要30天的時間。

生物膜是高度親水的物質(zhì)，在污水不斷流動的條件下，在其外側(cè)總是存在著一層附著水層。生物膜又是微生物高度密集的物質(zhì)，在膜的表面上和一定深度的內(nèi)部生長繁殖著大量各種類型的微生物和微型動物，并形成有機污染物→細(xì)菌→原生動物（后生動物）的食物鏈。

生物膜最初直接在濾料或填料表面上形成，在其形成并成熟后，由于微生物的不斷增殖，生物膜的厚度不斷增加，增加到一定程度，在氧氣不能透入的里側(cè)深部轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)，形成厭氧性膜。這樣，生物膜便由好氧和厭氧兩層組成，好氧層厚度一般為2mm左右，有機物的降解主要是在好氧層內(nèi)進(jìn)行。

在生物膜內(nèi)、外，生物膜與水層之間進(jìn)行著多種物質(zhì)的傳遞過程?？諝庵械难鯕馊芙庥诹鲃拥乃畬又?，并通過附著水層傳遞給生物膜，供微生物呼吸；污水中的有機污染物，由流動水層傳遞給附著水層，再進(jìn)入生物膜，并通過細(xì)菌的代謝活動而被降解。這樣就使流動水層在其不斷的流動過程中逐步得到凈化。

當(dāng)厭氧性層還不厚時，它與好氧層保持一種平衡穩(wěn)定關(guān)系，好氧層能夠保持良好的凈化功能。當(dāng)厭氧層逐漸加厚，會打破平衡，使生物膜呈老化狀態(tài)，又因厭氧層中氣態(tài)代謝產(chǎn)物的不斷逸出，減弱了生物膜在濾料或載體上的固著力，促使了生物膜脫落。老化生物膜脫落后，又開始生成新的生物膜。

②生物膜法的特征

a.微生物相方面特征　生物膜法的各種處理工藝，都具有適于微生物生長、棲息、繁殖的安靜穩(wěn)定環(huán)境。生物膜一般都是固著在濾料、載體或者填料上的，其上能夠生長世代時間較長的即比增殖速度很小的微生物，如硝化菌等。在生物膜上還可能大量出現(xiàn)絲狀菌，而且沒有污泥膨脹之虞。線蟲類、輪蟲類以及寡毛蟲類的微型動物出現(xiàn)的頻率較高，在日光照射的部位能夠出現(xiàn)藻類。

故此，在生物膜上生長繁育的生物，類型豐富、種類繁多，食物鏈長且復(fù)雜。從表1-3可看到生物膜法和活性污泥法出現(xiàn)的微生物比較。

生物膜法多分段處理，在每段都生長繁育與進(jìn)入本段污水水質(zhì)相適應(yīng)的微生物，且自然地成為優(yōu)勢種類，對有機污染物降解非常有利。

在生物膜上生長繁育的生物中，動物性營養(yǎng)者所占比例較大，微型動物的存活率亦高，生物的食物鏈長。在生物膜上能夠生息高層次營養(yǎng)水平的生物，在輔食性纖毛蟲、輪蟲類、線蟲類之上還生長棲息著寡毛類和昆蟲。由于微生物固著于固體表面從而構(gòu)成了穩(wěn)定的生態(tài)系。高營養(yǎng)級的微生物越多，污泥量自然就越少，少于活性污泥法。

生物膜法的生物膜中對于像硝化菌這樣世代比較長的細(xì)菌也能增殖。

b.處理工藝方面特征　生物膜法的各種工藝，對流入水水質(zhì)、水量的變動都具有較強的適應(yīng)性，這已為多數(shù)運行的處理設(shè)備所證實，即使中間停止一段時間供水，對生物膜的凈化功能也不會帶來明顯地傷害，能夠很快捷地得到恢復(fù)。

生物膜法在低水溫條件下，仍能保持較為良好的凈化功能。

生物膜法從生物膜上脫落下來的生物污泥，所含動物成分較多，相對密度較大，宜于固液分離。

生物膜法對于濃度低的污水，也能取得較好的處理效果，而且具有良好的硝化與脫氮功能。

生物膜法產(chǎn)生的污泥量少，一般來說，產(chǎn)生的污泥量較活性污泥法能夠少1/4。

生物膜法的動力費用低。

本書的勢能大氣復(fù)氧理論不只是研究大氣復(fù)氧，而且還與生物膜法的研究產(chǎn)生非常緊密的聯(lián)系。從生物膜法特征的敘述中已經(jīng)可以看到，該法在生物相方面食物鏈較長，優(yōu)于活性污泥法；而且在工藝方面，適應(yīng)性強、抗低溫、污泥易沉淀、污泥量小、動力費用低等，優(yōu)于活性污泥法。為什么生物膜法在實踐生產(chǎn)的應(yīng)用中沒有活性污泥法那樣流行？為什么在水處理的機理研究、改進(jìn)提高處理效率、降低生產(chǎn)成本的研究等方面沒有活性污泥法那么深入和廣泛？深入研究生物膜法，詳細(xì)了解生物膜法的處理機理，找出其沒有活性污泥法應(yīng)用廣泛的原因是非常重要的。本書將詳細(xì)介紹各種生物膜法。

（2）生物濾池　生物濾池是以土地自凈原理為依據(jù)，在污水灌溉實踐的基礎(chǔ)上，經(jīng)間歇砂濾池和接觸濾池而發(fā)展起來的人工生物處理法。

1893年在英國試行將污水在粗濾料上噴灑進(jìn)行凈化的試驗，取得成功。由于污水是采取噴灑方式灑在粗填料上，故稱為滴濾池（frickling filter），在中國則稱為生物濾池（biological filter），兩者實際上是有區(qū)別的。

1900年以后，這種方法得到公認(rèn)，命名為生物過濾法，構(gòu)筑物則稱為生物濾池，開始用于污水處理實踐，并迅速地在歐洲一些國家得到廣泛應(yīng)用。

污水長期以滴狀灑布在塊狀濾料的表面上，在污水流經(jīng)的表面上就會形成生物膜。生物膜成熟后，棲息在生物膜上的微生物即攝取污水中的有機污染物質(zhì)作為營養(yǎng)，從而使污水得到凈化。

生物濾池是生物膜法處理污水的一種裝置，由于有過濾性質(zhì)，濾料易堵塞，故前面需設(shè)前處理，視污水水質(zhì)不同而采用不同的前處理。例如，對懸浮物前處理設(shè)立初沉池等。

生物濾池濾料上的生物膜不斷脫落更新，脫落的生物膜隨處理水流出，因此，生物濾池后也應(yīng)設(shè)沉淀池予以截留。

生物濾池也用于處理工業(yè)生產(chǎn)污水，實踐證明，生物濾池完全能夠有效地去除酚、醛等有機化合物。

①普通生物濾池　普通生物濾池又名滴濾池，是生物濾池早期出現(xiàn)的類型，即第一代生物濾池。它的結(jié)構(gòu)大體由池體、濾料、布水裝置和排水系統(tǒng)四部分組成（圖1-13）。

生物濾池也用于處理工業(yè)生產(chǎn)污水，實踐證明，生物濾池完全能夠有效地去除酚、醛等有機化合物。

a.池體部分主要是承受濾料壓力并排出處理后的污水。

b.濾料是生物濾池的主體部分。濾料選擇在一般性能上應(yīng)考慮質(zhì)堅、高強、耐腐蝕、抗冰凍和就地取材，還要具有較高的比表面積和適宜的空隙率。

Ⅰ.比表面積　濾料表面是生物膜形成、固著的部位，較大的表面積是保持較大生物量的必要條件之一，也是控制生物處理設(shè)備凈化功能的關(guān)鍵條件之一。表面積常用比表面積來衡量，即應(yīng)用單位容積濾料所具有的表面積。

通常生物膜總能全部固著在濾料表面（也有不能全部固著生物膜的材料，則不能用，選擇濾料時應(yīng)先做這方面的試驗。詳見第2章1995年無錫某太湖水廠應(yīng)用經(jīng)驗）。

比表面積越大，固著在濾料表面上的生物量越大，處理效率越高，去除BOD負(fù)荷也越大。比如請客吃飯，一桌飯菜為固定的數(shù)量，若請8人吃正好，10人吃則不夠；若請8位老人吃則吃不了，若請8個年輕小伙子吃則不夠吃。第一種情況是生物量問題，生物量越大（即吃飯人越多）則污染物去除越多（即一桌飯菜為固定數(shù)量）；第二種情況是比表面積問題，同樣是8人一桌，但老人的消化能力差（比表面積?。?，則吃不了，而年輕小伙子能吃（比表面積大），則不夠吃。

Ⅱ.適宜的空隙率　空隙率是單位容積濾料中所持有的空間所占有的百分率。濾料之間的空間是生物膜、污水及空氣三相接觸的部位，是供氧和氧的傳遞的重要部位。

比表面積和空隙率是互相矛盾的兩個方面，比表面積高，空隙率則低，空隙率高，其表面積必然減少?？障堵什灰诉^高或過低，以適宜為好。

c.布水裝置是向濾池表面均勻地撒布污水的設(shè)備，應(yīng)該具有不受風(fēng)雪的影響、適應(yīng)水量的變化、不易堵塞和易于清通等特征。

d.排水系統(tǒng)的作用，一是排除處理后的污水；二是保證濾池通風(fēng)良好。排水系統(tǒng)包括滲水裝置、匯水溝和總排水溝等。

普通生物濾池設(shè)計時，應(yīng)掌握以下兩種負(fù)荷值。

Ⅰ.水力負(fù)荷：在保證處理水達(dá)到要求水質(zhì)的前提下，1平方米濾料表面在1日內(nèi)所能接受的污水水量（m³），其單位為m³/（m²·d）。

Ⅱ.BOD₅容積負(fù)荷：在保證達(dá)到要求水質(zhì)的前提下，1立方米濾料在1日內(nèi)所能接受的BOD₅的量，其單位為g/（m³·d）。

參數(shù)數(shù)值：水力負(fù)荷為1～4m³/（m²·d）；BOD₅容積負(fù)荷為100～200g/（m³·d）（年平均氣溫為3～10℃以上時）。

②高負(fù)荷生物濾池　高負(fù)荷生物濾池是生物濾池的第二代工藝。它的BOD容積負(fù)荷高于普通生物濾池6～8倍，水力負(fù)荷則為10倍。

高負(fù)荷生物濾池的高濾率是通過限制進(jìn)水BOD₅值和在運行上采取處理水回流等措施而達(dá)到的。進(jìn)入濾池污水的BOD₅值必須低于200mg/L，否則應(yīng)用處理水回流稀釋。它能夠產(chǎn)生以下效果：可稀釋進(jìn)水，并可均化與穩(wěn)定進(jìn)水水質(zhì)；提高進(jìn)水量，加大水力負(fù)荷，及時沖刷過厚和老化的生物膜，促進(jìn)生物膜更新，抑制厭氧層發(fā)育，使生物膜經(jīng)常保持活性；抑制臭味的產(chǎn)生和濾池蠅的過度滋長。

③塔式生物濾池　塔式生物濾池（簡稱塔濾）屬于第三代生物濾池。塔式生物濾池一般高達(dá)8～24m，直徑1～3.5m，直徑與高度比介于1:6～1:8。這種形式如塔的構(gòu)造，使濾池內(nèi)部形成較強的拔風(fēng)狀態(tài)，因此通風(fēng)良好。污水自上而下滴落，水量負(fù)荷高，濾池內(nèi)水流紊動強烈，從而使污水、空氣、生物膜三者的接觸非常充分，大大地加快了污染物質(zhì)的傳質(zhì)速度。

塔式生物濾池適于處理生活污水、城市污水、有機性的工業(yè)廢水和含氯、腈、酚以及醛廢水。它只適于少量污水處理和小型污水處理廠。

建塔身時要分層建造，每層以<2m為宜，塔頂上緣應(yīng)高出上層濾料的表面約0.5m（圖1-14）。

通風(fēng)采取自然通風(fēng)，塔底有0.4～0.6m的空間，周圍留有通風(fēng)孔，其有效面積不得小于濾池面積的7.5％～10％。也可采用機械通風(fēng)，機械通風(fēng)時，按汽水比例為（100～150）:1的要求選風(fēng)機。

（3）生物轉(zhuǎn)盤　1964年德國斯圖加特工業(yè)大學(xué)勃別爾和哈特曼教授發(fā)表了題為《生物轉(zhuǎn)盤的設(shè)計、計算與性能》的科研報告，從而奠定了生物轉(zhuǎn)盤發(fā)展的基礎(chǔ)，現(xiàn)已得到國際上廣泛應(yīng)用。

①生物轉(zhuǎn)盤的凈化作用原理　生物轉(zhuǎn)盤處理系統(tǒng)的核心處理構(gòu)筑物是生物轉(zhuǎn)盤，其他還有初沉池和二沉池。二沉池的作用是去除經(jīng)生物轉(zhuǎn)盤處理后污水所挾帶的脫落生物膜。

生物轉(zhuǎn)盤由盤片、接觸反應(yīng)槽、轉(zhuǎn)軸及驅(qū)動裝置等組成（圖1-15）。

a.生物轉(zhuǎn)盤是由盤片串聯(lián)成一組，中心貫以轉(zhuǎn)軸，盤片多為圓形，直徑一般多介于2.0～3.6m，大者可達(dá)直徑5.0m。盤片間距的標(biāo)準(zhǔn)值為30mm，如采用多級生物轉(zhuǎn)盤，則前數(shù)級間距為25～35mm，后數(shù)級間距為10～20mm。盤片材料多為聚氯乙烯塑料。國外用低發(fā)泡聚苯乙烯板材，則厚度僅為3～7mm，盤片直徑可達(dá)4.4m，軸長達(dá)8m。

串聯(lián)的盤片轉(zhuǎn)軸的兩端安設(shè)在半圓形接觸反應(yīng)槽的支座上。轉(zhuǎn)盤的40％～50％浸沒在槽內(nèi)的污水中，轉(zhuǎn)軸高出水面10～25cm。

b.接觸反應(yīng)槽。一般為半圓形，生物轉(zhuǎn)盤盤片直徑的40％浸沒于接觸反應(yīng)槽的污水中。接觸反應(yīng)槽的各部尺寸和長度，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)盤直徑和軸長決定，盤片邊緣與槽內(nèi)面應(yīng)留有不小于150mm的間距。槽底應(yīng)考慮有放空管，槽的兩側(cè)設(shè)有進(jìn)水和出水設(shè)備。

c.轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動裝置。轉(zhuǎn)軸是支承盤片并帶動其旋轉(zhuǎn)的重要部件。轉(zhuǎn)軸長度一般應(yīng)控制在0.5～7.0m，不能太長，否則往往由于同心度加工欠佳，易于撓曲變形，發(fā)生磨斷或扭斷，其直徑一般介于50～80mm。

驅(qū)動裝置包括動力設(shè)備、減速裝置以及轉(zhuǎn)動鏈條等，多用電動機驅(qū)動。

轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動速度是重要的運行參數(shù)，減速裝置要與設(shè)計轉(zhuǎn)速匹配。轉(zhuǎn)速不可過高，過高則有損于設(shè)備的機械強度，增加電耗，又由于轉(zhuǎn)速過高在盤片表面產(chǎn)生較大的剪切力，易使生物膜過早剝離。一般轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速以0.8～3.0r/min，線速度以10～20m/min為宜。

生物轉(zhuǎn)盤運行時，一般以較低的線速度在槽內(nèi)轉(zhuǎn)動，并交替地和空氣與污水相接觸。當(dāng)轉(zhuǎn)盤浸沒于水中時，污水中的有機物為轉(zhuǎn)盤上生物膜吸附和微生物吸收分解，而當(dāng)轉(zhuǎn)盤離開污水時，盤片表面上形成一層薄薄的水層。水層則與空氣中的氧氣進(jìn)行大氣復(fù)氧，而被生物膜吸附的有機污染物則為生物膜上的微生物所分解。因此，轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)動一周，即進(jìn)行一次吸附-復(fù)氧-氧化分解過程。轉(zhuǎn)盤不斷地轉(zhuǎn)動，使污染物不斷地被分解氧化，同時，轉(zhuǎn)盤附著的水層中的氧氣是過飽和的，它把氧氣帶入接觸反應(yīng)槽，使槽中污水的溶解氧含量不斷增加，微生物不斷地增加，生物膜不斷地增厚，衰老的生物膜在污水水流與盤片之間產(chǎn)生的剪切力作用下剝落，并隨水流流入下一級轉(zhuǎn)盤，最終在二沉池被截留，由于生物膜脫落形成的污泥具有較高的密度，易于沉淀。

生物轉(zhuǎn)盤除了能去除有機污染物質(zhì)外，還具有硝化、脫氮、除磷的功能。

②生物轉(zhuǎn)盤的特征　生物轉(zhuǎn)盤在工藝和維護(hù)運行方面具有如下特點。

a.微生物濃度高。最初幾級的生物轉(zhuǎn)盤上的生物膜量如折算成曝氣池的MLVSS，可達(dá)40000～60000mg/L（接觸反應(yīng)槽容積），F/M為0.05～0.1，這是生物轉(zhuǎn)盤高效率的一項主要原因。

b.生物相分級。在每級轉(zhuǎn)盤生長著適應(yīng)于流入該級污水性質(zhì)的生物相，這種現(xiàn)象對微生物的生長繁育、有機物降解是非常有利的。

c.污泥齡長。在轉(zhuǎn)盤上能夠增殖世代時間長的微生物，如硝化菌等。因此，生物轉(zhuǎn)盤具有硝化、反硝化的功能。

d.對BOD值達(dá)10000mg/L以上的超高濃度有機污水到10mg/L以下的超低濃度污水都可以采用生物轉(zhuǎn)盤進(jìn)行處理，并能夠得到較好的處理效果。因此，本法可耐沖擊負(fù)荷。

e.在生物膜上的微生物的食物鏈較長，因此，產(chǎn)生的污泥量較少，約為活性污泥處理系統(tǒng)的1/2左右。在水溫為5～20℃的范圍內(nèi)，BOD去除率為90％的條件下，去除1kgBOD的產(chǎn)泥量約為0.25kg。污泥質(zhì)密，易于沉淀。

f.不曝氣，污泥不回流，因此，動力消耗低是本法最突出的特征之一。每去除1kgBOD的耗電量約為0.7kW·h，運行費用低。

g.不需要經(jīng)常調(diào)節(jié)新鮮的污泥量，不存在產(chǎn)生污泥膨脹的麻煩，復(fù)雜的機械設(shè)備少，因此，便于維護(hù)管理。

h.設(shè)計合理。運行正常的生物轉(zhuǎn)盤，不產(chǎn)生濾池蠅，不散發(fā)臭味，不出現(xiàn)泡沫，也不產(chǎn)生噪聲，因此，不存在發(fā)生二次污染的現(xiàn)象。

i.生物轉(zhuǎn)盤的流態(tài)，從一個生物轉(zhuǎn)盤單元來看是完全混合型，接觸反應(yīng)槽內(nèi)污水也因轉(zhuǎn)盤不斷轉(zhuǎn)動得到較好的混合，多級轉(zhuǎn)盤是推流式，因此，生物轉(zhuǎn)盤的流態(tài)，應(yīng)按完全混合-推流來考慮。

③生物轉(zhuǎn)盤布置、工藝流程及設(shè)計　生物轉(zhuǎn)盤布置、工藝流程及設(shè)計在此僅僅介紹與本書理論有關(guān)的內(nèi)容，其余詳情請參考有關(guān)參考文獻(xiàn)。

a.生物轉(zhuǎn)盤布置　布置的形式主要根據(jù)污水的水質(zhì)、水量、凈化要求達(dá)到的程度以及設(shè)置轉(zhuǎn)盤場地現(xiàn)場條件等因素決定。實踐證明，對同一污水，如盤片面積不變，將轉(zhuǎn)盤分為多級串聯(lián)運行，能夠提高出水水質(zhì)和水中溶解氧含量。

b.工藝流程　生物轉(zhuǎn)盤的基本工藝流程見圖1-16。

根據(jù)不同的污水水質(zhì)及處理要求可改變基本程序。例如，將高濃度BOD由數(shù)千毫克每升降至20mg/L，則可設(shè)中間沉淀池，前面轉(zhuǎn)盤級數(shù)加多組數(shù)，后面轉(zhuǎn)盤可減少級數(shù)組數(shù)。如果為去除氮磷，則可加入淹沒式轉(zhuǎn)盤或投加藥品等。

c.生物轉(zhuǎn)盤設(shè)計　生物轉(zhuǎn)盤設(shè)計的主要內(nèi)容是計算所需轉(zhuǎn)盤的總面積、盤片總片數(shù)，接觸氧化槽的容積、轉(zhuǎn)軸長度以及污水在接觸反應(yīng)槽內(nèi)的停留時間等。其最重要的是確定所需轉(zhuǎn)盤的總面積。

用于生物轉(zhuǎn)盤計算的各項參數(shù)中，最重要的有如下幾種。

（a）BOD面積負(fù)荷（FA）；

（b）水力負(fù)荷（F_S）；

（c）平均接觸時間；

（d）容積面積比（G值）；

（e）轉(zhuǎn)盤的設(shè)計。

（4）生物接觸氧化法　生物接觸氧化法就是在池內(nèi)設(shè)置填料，采用曝氣的方法對污水充氧，已經(jīng)充氧的污水浸泡全部填料，并以一定的速度流經(jīng)填料。填料上長滿生物膜，污水與生物膜接觸，在生物膜上好氧微生物的作用下，使污水得到凈化，因此生物接觸氧化法又稱“淹沒式生物濾池”。由于采用了與曝氣池相同的曝氣方法，提供微生物所需的氧量，并起攪拌與混合的作用，這樣相當(dāng)于在曝氣池內(nèi)投加填料，以供微生物棲息，因此又稱為接觸曝氣法。

生物接觸氧化法是一種介于活性污泥法與生物濾池兩者之間的生物處理法，也可以說是具有活性污泥法特點的生物膜法，它兼有兩者的優(yōu)點。

生物接觸氧化法的主要特征如下。

①使用蜂窩式或列管式填料，上下貫通，污水在管內(nèi)流動。每一個孔管都像是一條靜靜流動的小河。由于水力條件好，又加上充沛的氧量和有機物，適于微生物的棲息增殖。因此，生物膜上的生物相是豐富的，除細(xì)菌外，球衣菌類的絲狀菌也能大量生長，能夠充分利用此類微生物的氧化能力。在生物膜上還能增殖多種種類的原生動物和后生動物，能夠形成穩(wěn)定的生態(tài)系。

②填料表面被生物膜所布滿可保持高濃度的生物量，形成了生物膜的主體結(jié)構(gòu)；能夠提高充氧能力和氧的利用率；每平方米填料表面上的活性生物膜量可達(dá)125g。

③對沖擊負(fù)荷有較強的適應(yīng)能力，污泥生成量少，不產(chǎn)生污泥膨脹的危害，不需污泥回流，不產(chǎn)生濾池蠅，不散發(fā)臭氣。

④除能去除有機物外，還可用來脫氮和除磷。

（5）生物膜法的新進(jìn)展　生物膜法發(fā)展的指導(dǎo)思想，傳統(tǒng)的看法是認(rèn)為進(jìn)一步強化生物處理技術(shù)，提高其效率。關(guān)鍵措施有兩點：一是提高單位體積內(nèi)的生物量，特別是活性生物量；二是加強傳質(zhì)作用，強化污染物在污水中向細(xì)菌細(xì)胞傳遞的過程。

對第一個條件采取的措施是擴大微生物棲息、生活的表面積，增加生物膜量，但是為此必須相應(yīng)地提高充氧能力。對第二個條件采取的措施是擴大生物體與污水的接觸面積，加大污水與生物膜之間的相對運動。

20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的生物流化床，把生物膜法推向一個新的高度。流化床就是以砂、焦炭、活性炭一類的顆粒材料為載體，像給水濾池反沖洗過程那樣，水流由下而上流動，使載體處于流化狀態(tài)。在載體表面生長、附著生物膜，由于載體顆粒小，總體的表面積大（1m²載體的表面積可達(dá)2000～3000m²），因此具有較大的生物量。由于載體處于流化狀態(tài)，污水從其下部、左、右側(cè)流過，廣泛地和載體上的生物膜相接觸，從而強化了傳質(zhì)過程，并且由于載體不停地流動，能夠有效地防止被生物膜所堵塞。國內(nèi)、外試驗研究結(jié)果表明，生物流化床具有BOD容積負(fù)荷高、處理效果好、效率高、占地少以及投資省等特點。現(xiàn)將活性污泥法中的主要工藝及生物流化床的主要運行參數(shù)列于表1-4。

對生物轉(zhuǎn)盤改進(jìn)的發(fā)展不大顯著，有空氣驅(qū)動生物轉(zhuǎn)盤、藻類轉(zhuǎn)盤以及與其他處理構(gòu)筑物相組合，例如與沉淀池組合，與曝氣池組合等，不再介紹。

1.2.2.3　自然生物處理法

自然生物處理法是利用大自然本身的生物進(jìn)行處理，有天然氧化塘、土地處理和人工濕地等。

（1）氧化塘　氧化塘，又名穩(wěn)定塘或生物塘。氧化塘對污水的凈化過程與自然水體的自凈過程很相近，污水在塘內(nèi)經(jīng)較長時間地緩緩流動，貯存，通過微生物（細(xì)菌、真菌、藻類、原生動物）的代謝活動，使污水中的有機污染物降解，污水得到凈化。水中的溶解氧由塘面的復(fù)氧、風(fēng)的吹動以及塘內(nèi)生長的藻類的光合作用等來提供。很重要的一個問題是污染物負(fù)荷不可太大，必須注意有機物的耗氧總量必須小于各種增氧原因的增氧量的總和。若有機物的耗氧總量太大，則氧化塘就變?yōu)閰捬跆?、臭水塘?/p>

氧化塘是一種構(gòu)造簡單、易于施工、易于維護(hù)管理、污水凈化效果良好、節(jié)省能源、污水處理成本低廉的污水處理方法。

氧化塘是一種古老的污水處理技術(shù)，但在二次世界大戰(zhàn)后才取得較快發(fā)展，我國20世紀(jì)50年代后也開始應(yīng)用。

氧化塘適用于用地比較寬闊、人口不大稠密的農(nóng)村或城鎮(zhèn)，可利用農(nóng)業(yè)開發(fā)利用價值不高的舊河道、沼澤地、峽谷等地段修建。另外，能夠?qū)⑻幚砗蟮奈鬯糜谵r(nóng)業(yè)灌溉，充分利用污水的水肥資源。氧化塘內(nèi)能夠形成藻菌、水生植物、浮游生物、底棲動物以及魚、蝦、水禽等多級的食物鏈，組成復(fù)合的生態(tài)系統(tǒng)。有一定的環(huán)境效益和社會效益。

①好氧塘　好氧塘的深度一般在0.5m左右，陽光能透入池底，采用較低的有機負(fù)荷值，塘內(nèi)存在著藻-菌及原生動物的共生系統(tǒng)，在陽光照射時間內(nèi)，塘內(nèi)生長的藻類在光合作用下，釋放出大量的氧氣，塘表面也由于風(fēng)力的攪動進(jìn)行自然復(fù)氧，這一切使塘水保持良好的好氧狀態(tài)。

這種類型的氧化塘，有機污染降解速度快，污水在塘內(nèi)的停留時間短，一般僅3～4天。

在好氧塘內(nèi)，白晝藻類光合作用所放出的氧，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過藻類和細(xì)菌所需要的量，因此塘水中氧的含量很高，可達(dá)到飽和狀態(tài)，晚間光合作用停止，由于生物的呼吸所耗，水中溶解氧濃度下降，在凌晨時達(dá)最低，陽光照射后又開始光合作用，DO再回升。

好氧塘內(nèi)的生物相是豐富的，屬于植物性的微生物有藻類和菌類，屬于動物性的則有原生動物、后生動物等微型動物。

好氧塘的設(shè)計，除池深在0.5m左右，每塊塘面積不宜大于4ha，長寬比以（2～3）:1為宜，塘堤坡度為3:1～6:1。另外要考慮冬季以及塘泥積累問題。

②兼性塘及厭氧塘　兼性塘深度在1.0～2.0m，厭氧塘深度為1.0～3.6m，大者可達(dá)2.5～4.5m。與本書關(guān)聯(lián)不大，不作介紹。

③曝氣氧化塘及其他氧化塘　曝氣氧化塘是在塘面上安裝人工曝氣設(shè)備，并作為主要的供氧源，實質(zhì)上是介于氧化塘和活性污泥法中延時曝氣法之間的污水處理技術(shù)。

水生植物氧化塘是在塘內(nèi)種植水葫蘆、水蔥及水浮蓮等一類除污性較強的水生植物（接納一級處理水）；接納二級處理水的氧化塘則種植蘆葦、荷、蓮等。

養(yǎng)魚氧化塘是經(jīng)過藻類→動物性浮游生物→魚類這一食物鏈，污水被凈化，魚類得以生長。

（2）污水土地處理　利用污水灌溉農(nóng)田的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益是十分明顯的：能夠充分利用污水中的水肥資源，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；能夠得到污水中的腐殖質(zhì)，有利于改良土壤；能夠減輕水體的污染負(fù)荷，有利于保持良好的生態(tài)平衡。

但是，如果污水灌溉使用不當(dāng)，反而能夠使作物減產(chǎn)、惡化土壤、傳染疾病、破壞生態(tài)平衡，危害國家經(jīng)濟發(fā)展和人民的身體健康。其關(guān)鍵在于正確、嚴(yán)格地控制用于灌溉農(nóng)田的污水水質(zhì)，使之符合農(nóng)作物正常生長，保護(hù)農(nóng)田土壤與地下水源。

污水土地處理對污水的凈化作用大約有以下幾方面的性能：有物理方面的過濾；有吸附功能；能在微生物代謝作用下分解有機物，是土壤具有強大自凈能力的原因。

對于滲水性能良好的砂質(zhì)土壤，氣候濕潤地區(qū)可采用慢速滲濾系統(tǒng)，對農(nóng)作物進(jìn)行灌溉利用；對于滲水性非常良好的土壤，如砂土、砂質(zhì)壤土，可采用快速滲濾系統(tǒng)，以凈化的水來補充地下水，使污水可再生回用；對于透水性較差的黏土或亞黏土，該系統(tǒng)凈化污水的效果差。

（3）人工濕地　人工濕地是近年來迅速發(fā)展的生物-生態(tài)治污技術(shù)，可處理多種工業(yè)廢水。

人工濕地的原理是利用自然生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)和生物的三重共同作用來實現(xiàn)對污水的凈化。其結(jié)構(gòu)一般來說是整理一定的長、寬比以及地面有坡度的洼地，將土壤和填料（如卵石等）混合組成填料床，并在床體表面種植處理性能好、成活率高的水生植物（如蘆葦?shù)龋?，形成一個獨特的動植物生態(tài)環(huán)境，對污染水進(jìn)行處理。

混合組成的填料床混有卵石等，可使污染水在床體的填料縫隙中曲折地流動或在床體表面流動。對廢水中不溶性有機物具有沉淀、過濾作用，在其被截留后可被微生物利用分解，廢水中可溶性有機物則可通過植物根系上生物膜的吸附及生物代謝降解過程而被分解去除。隨著處理過程不斷進(jìn)行，濕地床中的微生物也繁殖生長，通過對濕地床填料的定期更換及對濕地植物的收割而將新生的有機物體從系統(tǒng)中去除，同時植物對氮、磷也可去除。由于這種處理系統(tǒng)的出水水質(zhì)好，適合于處理飲用水源，或結(jié)合景觀設(shè)計種植觀賞植物，改善風(fēng)景區(qū)的水質(zhì)狀況，其造價及運行費用低于常規(guī)處理技術(shù)。國內(nèi)外已有不少實例。

（4）氧化溝　氧化溝是活性污泥法的一種改型，其曝氣池呈封閉的溝渠型，故將其稱為氧化溝。為了與氧化塘能有明顯的區(qū)別，將本節(jié)設(shè)置在自然生物處理法的氧化塘章節(jié)之后。氧化溝與氧化塘（包括曝氣氧化塘）是截然不同的兩種處理工藝，前者以人工強化作用為主，而后者則是以自然生物處理為主。

氧化溝（Oxidation Dictch，OD）污水處理工藝是由荷蘭衛(wèi)生工程研究所在20世紀(jì)50年代研究成功的。第一家氧化溝污水處理廠于1954年在荷蘭的Voorshoper市投入使用。它將曝氣、沉淀和污泥穩(wěn)定等處理過程集于一體，間歇運行。

氧化溝的曝氣池呈封閉的溝渠型，污水和活性污泥的混合液在其中不斷循環(huán)流動，因此又被稱為“環(huán)形曝氣池”、“無終端的曝氣系統(tǒng)”。通常在延時曝氣條件下運行，水力停留時間長（10～40h），有機負(fù)荷低［0.05～0.15kg/（kg·d）］。

氧化溝的發(fā)展過程主要是對充氧、推進(jìn)和攪動的系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)的過程。最初用Kessenser轉(zhuǎn)刷，溝深為1.5m；再改進(jìn)為水下曝氣和推動系統(tǒng)，稱射流曝氣氧化溝，溝深可達(dá)7～8m；然后又改用立式低速表曝機，溝深達(dá)4.5m以上。目前，我國的污水處理形勢嚴(yán)峻，經(jīng)濟實力相對薄弱，開展這種高效低耗處理工藝的研究，應(yīng)作為不容忽視的課題和方向。

氧化溝根據(jù)其構(gòu)造和運行特征，并根據(jù)不同的發(fā)明者和專利情況分為不同的類型。當(dāng)前應(yīng)用較多的有Carrousel氧化溝、交替式氧化溝（又分為除磷脫氮雙溝式氧化溝和三溝式氧化溝）、Orbal氧化溝、一體化氧化溝等。這四種氧化溝形式都有其不同的設(shè)計計算方式。本書介紹氧化溝的一般概念，是為了從其去除機理上吸取營養(yǎng)，并不推薦氧化溝工藝，故此不作設(shè)計計算介紹。

1.2.3　降低運行費用的方法研究

現(xiàn)行的水處理工藝有活性污泥法、氧化溝法、SBR法、A-B法等，都是成熟的工藝。這些工藝的噸水造價在1500～2000元/t，運行費用在0.8～1.4元/t。按照上述統(tǒng)計測算，污水處理廠已經(jīng)成為政府的一個沉重的負(fù)擔(dān)。2003年3月10日《中國環(huán)境報》刊登“污水處理廠急需治‘血栓'”文章：各級政府耗巨資建成的污水處理廠不能發(fā)揮應(yīng)有的作用，半停半開甚至白白閑置，例如河南省的焦作污水處理廠、禹州市污水處理廠、長葛市污水處理廠等。記者了解到，類似的情況在全國不少城市都存在。

現(xiàn)行的水處理工藝屬于活性污泥法體系，其運行費用組成如下。

①鼓風(fēng)曝氣，按照工藝上要求，水氣比總在1:15～1:20，按這樣測算，處理1t污水應(yīng)用羅茨風(fēng)機至少需耗電0.4～0.8kW·h。

②管理人員工資在運行費用中占據(jù)較大的比例，小工程的比例可達(dá)總運行費用的50％以上，大型工程也要占總運行費用的5％～10％。

③污泥處置在運行費用中占全廠運行費用的20％～50％。

上述諸項都是城市生活污水的處理運行費用居高不下的主要原因。若進(jìn)一步要求達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中一級A類標(biāo)準(zhǔn)，則其運行費用更高。這是我們從技術(shù)上必須逾越的門檻。

根據(jù)清華大學(xué)水業(yè)政策研究中心主任傅濤在北京舉行的“2008年城市水業(yè)戰(zhàn)略論壇”上介紹，城市生活污水處理的投資費用見表1-5。

由表1-5可見，污水處理廠建設(shè)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中一級B標(biāo)準(zhǔn)，投資最低為1500元/t，最高為2500元/t，平均為2000元/t。若要求達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中一級A標(biāo)準(zhǔn)，則平均投資將大于2750元/t。

研究上述各種好氧處理方法發(fā)現(xiàn)，除了生物轉(zhuǎn)盤法和滴濾池法不需要鼓風(fēng)曝氣以外，所有其他方法都需要鼓風(fēng)曝氣以增加污水中溶解氧，讓好氧細(xì)菌可以繁殖，分解污水。

1.2.3.1　鼓風(fēng)曝氣

鼓風(fēng)曝氣是應(yīng)用風(fēng)機將空氣鼓入水中形成氣泡，在氣泡上浮的過程中進(jìn)行大氣復(fù)氧，使水中的溶解氧增加，給水中的好氧細(xì)菌和好氧微生物提供一個好氧的環(huán)境，以便生長、繁殖，分解污水，使污水得到凈化。由于氣泡進(jìn)入污水后立即上浮，在氣泡上浮的過程中與污水之間產(chǎn)生相對運動。遵循大氣復(fù)氧雙膜理論，一個流動的水體從大氣中吸收氧氣的過程稱為“復(fù)氧過程”，也稱“再曝氣過程”?？捎檬剑?-35）表達(dá)。

由式（1-35）可知氧的傳輸率dO/dt與污水中溶解氧的飽和差（O_S-O）成正比，還與氣泡的比表面積A/V有關(guān)（其中A、V分別為氣泡表面的總表面積及氣泡的總體積）。氣泡的比表面積越大，其大氣復(fù)氧率dO/dt也越大，所以為了提高鼓風(fēng)曝氣的氧的傳輸率，人們就應(yīng)用微孔曝氣（氣泡越小，比表面積A/V越大）。

鼓風(fēng)曝氣，按照工藝上要求，水氣比總在1:15～1:20之間，按這樣測算，處理1t污水應(yīng)用羅茨風(fēng)機至少需耗電0.4～0.8kW·h（若按電費1kW·h為0.6元計算，則需0.24～0.48元），該羅茨風(fēng)機噪聲很大，又需增加消除噪聲的費用和建風(fēng)機房及增設(shè)管理人員費用（這兩項是鼓風(fēng)曝氣除耗電外額外增加的費用）。

現(xiàn)行的水處理成熟的工藝，都必須采用鼓風(fēng)曝氣。鼓風(fēng)曝氣的傳質(zhì)要經(jīng)過以下幾個過程：氣泡內(nèi)部空氣由氣相進(jìn)入水相是一次傳質(zhì)；氣泡表面氧氣擴散到水體是二次傳質(zhì)；氣泡從生物絮凝體表面擴散到微生物是三次傳質(zhì)。氣泡上升過程中氧氣分壓不斷減低是沿程損失，氣泡上升經(jīng)過幾個氣泡高度后，氣泡內(nèi)外的氧氣分壓就達(dá)到平衡，再往上升都是無效的、不能大氣復(fù)氧的氣泡；氣泡一出水面就破裂，故希望氣泡上浮的速度較慢，因而不能應(yīng)用加大鼓風(fēng)量的方法來加大曝氣量；采用微孔曝氣會增加氣壓損失，也同樣有上述氣泡上升的問題等，這就限制了鼓風(fēng)曝氣的供氧效率的提高。所以鼓風(fēng)曝氣的動能利用率很低僅有10％～15％。

特別是出水要求達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中一級A類標(biāo)準(zhǔn)時，鼓風(fēng)曝氣時間要加長，運行費用也要成倍增加。這就是污水處理廠運行費用居高不下的主要原因，也是好氧生物處理工藝共同的特點，是我們從技術(shù)上必須突破的障礙。

1.2.3.2　生物轉(zhuǎn)盤（不用鼓風(fēng)曝氣）

我們?nèi)粼谏镛D(zhuǎn)盤盤片上取一單位面積，作上彩色標(biāo)志并跟蹤觀測，則可以看到，該單位面積在不斷地作出露水面、淹沒水下的周而復(fù)始運動。

①當(dāng)單位面積盤片淹沒水中時，其盤片（填料）上所附生物膜中的好氧微生物則分解污水，獲取食物，得以生長繁殖，同時使污水得到凈化。衡量生物膜處理污水能力的一項指標(biāo)是每1m³生物轉(zhuǎn)盤的盤片（填料）面積，稱之為單位比表面積。盤片面積愈大則凈化污水的能力也越大。最大的生物轉(zhuǎn)盤比表面積為157m²/m³（按生物轉(zhuǎn)盤直徑為3m，兩盤之間間隙為10mm計）。比表面積不大是生物轉(zhuǎn)盤法的缺點。

②在單位面積盤片出露水面期間，由于盤片與水體的相對運動，附在盤片上的水膜與大氣之間進(jìn)行氧分子交換，也就相當(dāng)于一個流動的水體從大氣中吸收氧氣的過程，稱為“復(fù)氧過程”，也稱“再曝氣過程”。遵循大氣復(fù)氧雙膜理論，也可用式（1-35）表達(dá)。

也就是說不采用鼓風(fēng)曝氣的環(huán)節(jié)，亦可以增加污水中的溶解氧含量，這是生物轉(zhuǎn)盤法的優(yōu)點。

1.2.3.3　滴濾池復(fù)氧分析

滴濾池也是一種不需要鼓風(fēng)曝氣的好氧工藝。這是由于滴濾池結(jié)構(gòu)為粗顆粒填料，孔隙較大且池不深，當(dāng)污水從布水器排出，依靠勢能自上而下流動時，其填料表面亦形成一個流動的水體，表層形成大氣復(fù)氧。污水處理過程中，不再耗能，我們把它稱為勢能增氧生態(tài)凈化工藝的雛形。

當(dāng)水體進(jìn)入滴濾池一定深度之后，水中的溶解氧被有機物和好氧微生物不斷消耗，會進(jìn)入缺氧狀態(tài)，故其池深不宜太深。

滴濾池中的填料，其表面附著有生物膜，當(dāng)污水自上而下通過時，其上的微生物分解污水，獲取食物，得以生長、繁殖，同時使污水得到凈化，填料的比表面積越大，微生物量也越多，對污染物的去除效果也越好。滴濾池中填料比表面積可達(dá)300～1000m²/m³。為提高比表面積，還可減小填料的粒徑或增加濾池的池深，這就是生物濾池（塔）。

生物濾池（塔）比表面積可達(dá)2000m²/m³。形成生物濾塔（池）后，當(dāng)污水自上而下流動時，水中的溶解氧被有機物和好氧細(xì)菌不斷地消耗，底部即缺氧。為保障濾池（塔）中的好氧環(huán)境，在濾池（塔）底部設(shè)置鼓風(fēng)曝氣成為較普遍的一種方式（又稱為曝氣生物濾池）。這種方式自下部供氧，在運行過程中易出現(xiàn)上部、下部好氧微生物生長、繁殖好，中部較差的情況。這樣盡管也得到了較好的去除效果，但滴濾池自然復(fù)氧、能耗低的優(yōu)點也不復(fù)存在。

人們在填料上再進(jìn)行改進(jìn)，這就是生物接觸氧化法、生物流化床法、曝氣生物濾池等。這樣就把滴濾池法能耗小、不需鼓風(fēng)曝氣的優(yōu)點改掉了，從節(jié)能角度上看很可惜。

1.2.3.4　一種小區(qū)生活污水處理的實例

上海東南模板廠所在小區(qū)位于上海市浦東區(qū)川沙鎮(zhèn)。該廠區(qū)的南面圍墻外不遠(yuǎn)處是一個不小的污水塘，匯集了該小區(qū)和廠區(qū)的全部化糞池出水。雖然污水塘在墻外，陰天或氣溫一高，就有一陣陣臭氣進(jìn)入廠區(qū)。該廠應(yīng)用“勢能增氧生態(tài)凈化工藝”進(jìn)行處理，建造了一個污水處理的小樣板。

（1）勢能增氧生態(tài)凈化工藝的工藝流程和結(jié)構(gòu)　本書將介紹勢能增氧生態(tài)凈化工藝（Potential Energy Increasing Oxygen Ecological Purification Technology，PIEP工藝），該凈化工藝強化了生物轉(zhuǎn)盤法的優(yōu)點，其核心工藝是“勢能增氧生態(tài)床”，應(yīng)用于上海東南模板廠的生活污水處理工程，是一種革除應(yīng)用羅茨風(fēng)機鼓風(fēng)曝氣的方法。

①PIEP工藝流程　生活污水收集水塘—柵網(wǎng)過濾器—簡易隔油池—分相兼氧池—增氧機和生態(tài)床—二沉池—濕地—出水。

②勢能增氧生態(tài)床的結(jié)構(gòu)　勢能增氧生態(tài)床的結(jié)構(gòu)見圖1-17。

③工藝流程各環(huán)節(jié)功能和設(shè)計

a.柵網(wǎng)過濾器，可以除去大于0.5mm的懸浮顆粒；b.簡易隔油池，小區(qū)生活污水的油污較少，所以采用簡易隔油池；c.分相兼氧池，墻外不遠(yuǎn)處是一個污水塘，已經(jīng)相當(dāng)于一個不小的厭氧池，設(shè)立分相兼氧池是期望將COD濃度降至100mg/L左右，大大減輕好氧工藝的污染負(fù)荷。主要環(huán)節(jié)是增氧機、生態(tài)床和二沉池，三者是一個相互配合不可分割的整體（其工作原理在后面專門闡述）。

（2）勢能增氧生態(tài)凈化工藝的實質(zhì)　強化了生物轉(zhuǎn)盤的盤片（或填料）周期性出露水面和淹沒水中的過程的優(yōu)點就得到PIEP工藝。

本工藝生態(tài)床的結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，磚混結(jié)構(gòu)，內(nèi)外刷防水粉。內(nèi)部為淺層、多層的箱體結(jié)構(gòu)。箱體中裝滿填料（可用卵石、黃砂），在每一層中按顆粒大（在下）?。ㄔ谏希┘壟浞謱愉伷?。分層鋪砌是為了不讓填料堵塞，粗、細(xì)顆粒填料級配是為了增加比表面積（至少可達(dá)最大生物轉(zhuǎn)盤比表面積157m²/m³的3倍以上），強化了生物轉(zhuǎn)盤的盤片。一共有2個單元模塊，每一個單元模塊設(shè)計8層，每一層層高為30cm，凈長2.5m，凈寬1.2m，總體積12.0m³，可裝填料6.7m³，2個單元模塊裝填料13.4m³，其下面的二沉池深為90cm，凈長3.5m，凈寬1.2m。其中2.0m被隔斷為上清液水池。

本工藝的增氧機加設(shè)在生態(tài)床兩頭，目的是很快吸干生態(tài)床中的水，并增加出水中的溶解氧含量。增氧機應(yīng)用PVC板，PVC管自制。一共有2個單元模塊，每層有1套、2個，每個長0.60m、寬0.30m、高0.30m，共計8層，2個單元模塊、16套、32個。該增氧機是利用水力學(xué)中的負(fù)壓原理，產(chǎn)生虹吸，產(chǎn)生7m的負(fù)壓，從而將30cm水頭的勢能變?yōu)?.3m水頭的勢能，強化了勢能從而節(jié)能，見圖1-17。

小區(qū)生活污水用水泵提升進(jìn)入PIEP工藝設(shè)施。通過柵網(wǎng)過濾器、簡易隔油池進(jìn)入分相兼氧池停留6h后，用水泵提升進(jìn)入一級增氧生態(tài)床，處理后進(jìn)入其下面的二沉池，其中2.0m被隔斷為上清液水池，用水泵將上清液水池的水提升進(jìn)入二級增氧生態(tài)床，處理后進(jìn)入其下面的二級二沉池、上清液水池，經(jīng)過濕地出水，即達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠一級A類標(biāo)準(zhǔn)。

本工藝不投藥，全部自控?zé)o需專人管理，僅有二次水泵提升的電費，若按電費為0.6元/度計算，可將污水處理的直接運行成本降為0.3元/t左右。

（3）勢能增氧生態(tài)床工作原理　當(dāng)污水自第一層進(jìn)入增氧機1時（圖1-17），由于集水廊道的存在，并且由于箱體中的填料是大顆粒在下、小顆粒在上，污水則自下而上運動，且其中攜帶的懸浮物質(zhì)自下而上被截留。

當(dāng)水位上升到增氧機中的虹吸管頂部4并超過后，由于虹吸管的作用，污水以較大的流速自虹吸管中向下一層排出，箱體中的水很快（一般設(shè)計不超過2min）被吸干，空氣進(jìn)入，進(jìn)行大氣復(fù)氧。當(dāng)每一層的污水被吸干后，虹吸就自動停止。由于污水不斷地進(jìn)入（或上一層的污水，向下一層排入），水位再次上升，再次虹吸，周而復(fù)始。每一層箱體中填料上的水膜和生物膜，即獲得了不斷暴露于大氣、淹沒于水中的周期性，周而復(fù)始地運動。

（4）勢能增氧生態(tài)凈化工藝的優(yōu)點

①可以根據(jù)所在小區(qū)的狀況進(jìn)行靈活的設(shè)計。由于PIEP工藝建立在東南模板廠院內(nèi)，勢能增氧生態(tài)床不能建立太高，還要注意外觀的協(xié)調(diào)。所以高度在3m以內(nèi)，外觀像一間平房，有噴泉射向正面墻，正面墻前為一塊濕地。

②長期使用填料也不會堵塞。由于虹吸流速較大，且虹吸管的吸水管口在箱體的下部，裝滿填料的箱體中污水很順暢地自上而下、由小顆粒向大顆粒方向運動，并沿集水廊道通向虹吸管，被截留在填料中的懸浮物（包括脫落的生物膜）也順暢地由上而下進(jìn)入集水廊道被虹吸管排出，因而長期使用填料也不會堵塞。南京臘梅食品廠的污水處理工程運行2年后翻修時發(fā)現(xiàn)，第二層以后的填料完整如新。

③形成充分好氧的環(huán)境。由于虹吸流速較大，裝滿填料的箱體中污水很快被吸干，大氣也隨著進(jìn)入，使得填料表面水膜中的溶解氧迅速增加［見式（1-40），比表面積項，為最大生物轉(zhuǎn)盤的3倍以上］。而且由于水膜很薄（大氣復(fù)氧雙膜理論的另一個重要參數(shù)），大氣復(fù)氧時間很充分，其中的溶解氧很快向飽和值接近，污水中的溶解氧也迅速增加，使得填料上所附的生物膜處于良好的好氧狀態(tài)，好氧微生物得以在充分好氧的環(huán)境中生長、繁殖，分解污水，使其得到凈化。

④多層的箱體中溶解氧是遞增的，微生物分解污水也是遞增的。污水不斷地自上一層向下一層傳遞，每傳遞一層，下一層箱體中的填料都是新增加的填料，這些填料上水膜的大氣復(fù)氧量和生物膜的數(shù)量也要新增加一次。層次越多（同時填料的生物膜也越多，勢能利用也越多）溶解氧增加越多，進(jìn)一步分解污水的次數(shù)也越多，水質(zhì)變好越快，達(dá)到的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)也越高。

⑤它的特色是充分利用了水泵的有效水頭，將勢能轉(zhuǎn)為動能進(jìn)行大氣復(fù)氧及吹脫，不需曝氣再耗能，故運行費用較低，并且無噪聲，無泡沫，不堵塞，污泥量小。全部自控?zé)o需專人管理。

（5）勢能增氧生態(tài)凈化工藝的實際效果　本書介紹的方法已經(jīng)不是實驗，而是已有許多工程實例的成果。詳見第2章。上海東南模板廠的污水處理工程僅僅是小區(qū)生活污水處理的一個實例。