城鎮(zhèn)水污染治理技術(shù)及研究進(jìn)展

馮 堅(jiān)，陽小成

成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院，四川成都 610059

城鎮(zhèn)水污染治理技術(shù)及研究進(jìn)展

馮 堅(jiān)，陽小成

成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院，四川成都 610059

隨著我國城鎮(zhèn)的發(fā)展的人民生活水平的提高，城鎮(zhèn)污水排放量呈快速增長趨勢(shì)，較低的污水處理率導(dǎo)致城鎮(zhèn)水環(huán)境趨于惡化，城鎮(zhèn)水污染迫切需要治理。本文簡(jiǎn)述了我國城鎮(zhèn)污水處理的現(xiàn)狀，對(duì)SBR、氧化溝傳統(tǒng)污水處理技術(shù)和新興的人工濕地、蚯蚓生態(tài)濾池、生物浮島和人工水草凈化技術(shù)等幾種具有代表性的污水處理新技術(shù)的工藝原理、研究進(jìn)展和應(yīng)用情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，認(rèn)為它們是我國城鎮(zhèn)水污染治理所需要的經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能，且運(yùn)行可靠的污水處理技術(shù)。

城鎮(zhèn)；水污染；治理技術(shù)；研究進(jìn)展

1 我國城鎮(zhèn)污水排放及處理現(xiàn)狀

目前，水污染在中國已成為不容忽視的重大環(huán)境問題。大量的湖泊、河流被污染，特別是流經(jīng)城鎮(zhèn)的河段污染更加嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，流經(jīng)中小城鎮(zhèn)的河段有36.2%為Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)，達(dá)到Ⅳ至Ⅴ類水質(zhì)的河段則有63.8%之多[1]。上述現(xiàn)象源于大量的城鎮(zhèn)污水未經(jīng)處理、凈化就直接排放進(jìn)入天然水體。以2004年為例，我國該年城市污水處理率達(dá)到了45.7%，而中小城鎮(zhèn)的污水處理率只有11.2%[2]。

改革開放以來，我國城鎮(zhèn)化速度進(jìn)一步加快，隨之而來的環(huán)境問題亦愈加突出，如城鎮(zhèn)生活污水的排放量日益增加，預(yù)計(jì)我國2010年以后城鎮(zhèn)污水排放總量將超過300億t。我國水污染治理重點(diǎn)已經(jīng)由大中型城市向廣大中小城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，并且在局部城鎮(zhèn)由水污染所帶來的環(huán)境危害也已經(jīng)初步顯現(xiàn)。據(jù)日前長江水利委員會(huì)發(fā)布的信息，2008年長江全流域（涵括長江干、支流沿岸的城市和城鎮(zhèn)）污水排放量超過325億t，相當(dāng)于長江每秒“喝下”1 028t污水。數(shù)據(jù)顯示出大力發(fā)展我國城鎮(zhèn)污水處理事業(yè)已經(jīng)刻不容緩。為了盡可能避免再走國內(nèi)外大城市走過的“先污染、后治理”的老路，必須盡早做好城鎮(zhèn)水污染綜合治理工作。而從發(fā)展的角度來看，能否將城鎮(zhèn)水污染治理好，能否發(fā)展出高效、低投入的城鎮(zhèn)污水處理技術(shù)，業(yè)已關(guān)系到廣大人民群眾的切身利益，也關(guān)系到我國未來的環(huán)境狀況和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的貫徹、落實(shí)。

近年來，中央和各級(jí)地方政府加大了節(jié)能減排工作的監(jiān)督執(zhí)行力度，推動(dòng)著我國城鎮(zhèn)污水處理能力不斷提升，使我國城鎮(zhèn)污水處理事業(yè)進(jìn)入蓬勃發(fā)展時(shí)期。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前我國在建的城鎮(zhèn)污水處理廠就有接近2 000座。與之形成對(duì)比的是，目前可供選擇的城鎮(zhèn)污水處理工藝不多，且城鎮(zhèn)污水處理廠多是沿襲城市大型污水處理廠所采用的處理工藝。城市污水處理工藝原則上也適用于城鎮(zhèn)污水處理。但是，考慮到我國大量的中小城鎮(zhèn)眼下面臨著城鎮(zhèn)規(guī)模偏小、專項(xiàng)資金缺乏、管網(wǎng)建設(shè)滯后、水量波動(dòng)大[3]等問題，完全照搬城市污水處理模式不適合我國當(dāng)前國情。另外，我國城鎮(zhèn)污水處理廠面臨著技術(shù)工藝過時(shí)，設(shè)備老化等問題。當(dāng)前我國城鎮(zhèn)絕大多數(shù)污水處理廠所采用的都是低負(fù)荷的傳統(tǒng)活性污泥法。這些工藝普遍都有建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用高，反應(yīng)時(shí)間長、占地面積大等缺點(diǎn)。許多污水處理廠建成后因?yàn)槿狈?jīng)費(fèi)而不能正常運(yùn)行[4]。這在很大程度上制約著城鎮(zhèn)污水處理技術(shù)的更新、發(fā)展。

2 城鎮(zhèn)污水處理傳統(tǒng)工藝

目前，SBR工藝和氧化溝工藝被認(rèn)為是城鎮(zhèn)污水處理工藝的首選[5-6]。下面就以具有代表意義且應(yīng)用較為廣泛的SBR工藝和氧化溝工藝進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2.1 SBR工藝

SBR是序列間歇式活性污泥的簡(jiǎn)稱，是一種按間歇曝氣方式來運(yùn)行的活性污泥污水處理技術(shù)。SBR的工藝特征是在一個(gè)反應(yīng)池中完成污水的混合、沉淀、排水、排泥，整個(gè)過程由自動(dòng)控制設(shè)備調(diào)控，進(jìn)行間歇循環(huán)運(yùn)行。

SBR工藝流程簡(jiǎn)單，可省去調(diào)節(jié)池和二沉池及其污泥回流設(shè)備，因而造價(jià)相對(duì)較低；去除有機(jī)物速率快，靜止沉淀的效率高，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，不易污泥膨脹；SBR本身也適合于組合式構(gòu)造方法，利于污水處理廠的擴(kuò)建和改造。由于上述技術(shù)特點(diǎn)，SBR進(jìn)一步拓寬了活性污泥法的使用范圍，是值得研究推廣的城鎮(zhèn)污水處理工藝。

SBR近些年來在國內(nèi)外得到深入的研究與廣泛的應(yīng)用，發(fā)展出多種類型的新工藝，如ICEAS、CASS、CAST、MSBR等多種新型SBR反應(yīng)器。這些新型工藝是在與傳統(tǒng)活性污泥法、氧化溝法相互融合的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的[7]。與傳統(tǒng)SBR工藝相比較，它們可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)水、間歇出水和連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)出水并帶回流污泥。但這些工藝也存在缺點(diǎn)，處理單元多，流程長，操作管理復(fù)雜，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用相對(duì)較高，在應(yīng)用于中小規(guī)模污水廠時(shí)應(yīng)該慎重。這些新工藝在我國已有應(yīng)用的實(shí)例，如揚(yáng)州市污水處理廠采用CAST工藝；深圳鹽田污水處理廠采用了MSBR工藝；廣西梧州污水處理廠采用的是UNITANK工藝。

2.2 氧化溝工藝

氧化溝又名連續(xù)環(huán)狀反應(yīng)器，因其構(gòu)筑物呈封閉狀的溝渠而得名，從嚴(yán)格意義上來說氧化溝工藝是活性污泥法的一種變形。氧化溝工藝屬于懸浮生物處理技術(shù)，其水力停留時(shí)間長，有機(jī)負(fù)荷低，在機(jī)理上類似于延時(shí)曝氣工藝。

氧化溝經(jīng)過近50年的實(shí)踐和發(fā)展，在工藝和構(gòu)造上不斷地進(jìn)行著發(fā)展和改進(jìn)，被評(píng)價(jià)為處理效果可靠、基建費(fèi)用低而運(yùn)行費(fèi)用又較省的污水處理方法，特別是其封閉循環(huán)式的池型尤其適用于污水的脫氮除磷。

目前，國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的氧化溝類型包括：帕斯韋爾氧化溝、卡魯塞爾氧化溝、奧貝爾氧化溝、三溝式氧化溝、一體式氧化溝。在我國應(yīng)用較多的是卡魯塞爾氧化溝和奧貝爾氧化溝，而前者相對(duì)更多一些?？斎麪栄趸瘻犀F(xiàn)已發(fā)展到第三代[8]，相對(duì)之前其脫氮除磷能力更強(qiáng)，運(yùn)行成本更低。奧貝爾氧化溝在近些年引起了研究者的重視，研究表明其可在高有機(jī)負(fù)荷情況下正常運(yùn)行，并且對(duì)難降解有機(jī)物有很高的去除率。值得注意的是，一體式氧化溝在我國近幾年推廣較為迅速。該工藝具有處理效率高、流程短、運(yùn)行穩(wěn)定、管理操作方便、投資和運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，在城鎮(zhèn)污水處理方面有較好的應(yīng)用前景[9，10]。

3 城鎮(zhèn)污水處理新興工藝

對(duì)于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)以及規(guī)模相對(duì)較小的城鎮(zhèn)，迫切需要低建設(shè)費(fèi)用、低運(yùn)行管理費(fèi)用、低操作管理需求，同時(shí)二次污染物排放少的污水處理技術(shù)，即環(huán)境友好型的“三低一少”污水處理技術(shù)。我國城鎮(zhèn)污水處理“三低一少”技術(shù)在研究開發(fā)和工程運(yùn)用方面已取得一些重要進(jìn)展[11]，特別是對(duì)人工濕地、蚯蚓生態(tài)濾池、生物浮島和人工水草凈化技術(shù)等新興工藝或技術(shù)的研究應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注。

3.1 人工濕地生態(tài)系統(tǒng)

人工濕地是一種人為建造、干預(yù)形成的綜合的生態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)將污水有控制地投配到經(jīng)人工改造的濕地上，利用土壤、植物和微生物等對(duì)污水進(jìn)行處理。它利用自然生態(tài)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的凈化處理[12]。人工濕地具有對(duì)有機(jī)物去除效果好（BOD5、COD去除率達(dá)80%以上[13-14]、氮磷去除能力強(qiáng)（TN和TP的去處率達(dá)60%和90%[15]）、工程基建和運(yùn)行費(fèi)用低以及對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)能力較強(qiáng)等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的污水處理工藝比較而言，人工濕地處理技術(shù)在經(jīng)濟(jì)投資以及環(huán)境影響方面都具有很大的優(yōu)勢(shì)，因而在我國具有廣闊的應(yīng)用前景。

人工濕地按進(jìn)水在濕地床的流動(dòng)狀態(tài)可分為：表面流濕地、潛流濕地、垂直流濕地。這幾種類型的人工濕地在污水處理效果、運(yùn)行控制等方面存在差異，且以前兩種濕地類型的應(yīng)用居多。目前人工濕地的構(gòu)建趨向于幾種濕地類型的組合或某一類型的交替應(yīng)用，即復(fù)合流人工濕地系統(tǒng)，從而達(dá)到比單一結(jié)構(gòu)處理效果更為優(yōu)越的目的。崔玉波等利用兩級(jí)逆向垂直潛流人工濕地處理污水，發(fā)現(xiàn)TP的去除率達(dá)到了97%以上[16]；黃娟等采用三段式潛流濕地的研究發(fā)現(xiàn)，由于改善了濕地供氧情況，COD、氨氮和TN的最高去除率分別達(dá)到了92%、70%和56%，優(yōu)于傳統(tǒng)水平流濕地[17]。近些年來，人工濕地在我國應(yīng)用實(shí)例較多，如在將人工濕地系統(tǒng)與景觀建設(shè)結(jié)合方面，有成都活水公園這樣的典型實(shí)例。成都府南河活水公園是世界上第一座集污水凈化、城市景觀及環(huán)境教育于一體的人工濕地活水公園，它的出現(xiàn)極具示范意義，為今后人工濕地的推廣、應(yīng)用提供了新思路。

3.2 蚯蚓生態(tài)濾池

蚯蚓生態(tài)濾池是利用在濾床中建立的人工生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)污水中的污染物質(zhì)通過蚯蚓和其他微生物的協(xié)同作用進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)化。以蚯蚓為代表的微型生物在該系統(tǒng)扮演著“清道夫”的角色，這些微型生物對(duì)污水污染物質(zhì)進(jìn)行吞噬、分解，從而達(dá)到對(duì)污水凈化的目的[18]。該工藝可以高效、低能耗地去除污水中的污染物質(zhì)（CODCr去除率83%～88%，BOD5去除率高達(dá)91%～96%，SS去除率可達(dá)85%～92%[19]），幾乎沒有剩余污泥排放，是一種綠色環(huán)保的污水處理工藝。

蚯蚓生態(tài)濾池以其顯著特點(diǎn)得到科研工作者的關(guān)注。楊鍵等[20]將蚯蚓生物濾池與活性污泥法的處理工藝環(huán)境影響和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行了比較，指出蚯蚓生物濾池優(yōu)于活性污泥法。蚯蚓生態(tài)濾池已在我國成功地進(jìn)行了中型試驗(yàn)和生產(chǎn)性規(guī)模的應(yīng)用，并且出現(xiàn)了一些與其他工藝結(jié)合的改進(jìn)型工藝。比如：由南京大學(xué)自主研發(fā)出塔式蚯蚓生態(tài)濾池，試驗(yàn)出水水質(zhì)指標(biāo)可以達(dá)到《GB8978-1996國家污水排放標(biāo)準(zhǔn)》要求[21]，該工藝在江蘇的幾個(gè)技術(shù)示范點(diǎn)取得良好的應(yīng)用效果，預(yù)計(jì)很快會(huì)在江蘇得到大面積推廣；同濟(jì)大學(xué)研發(fā)的厭氧水解—高負(fù)荷生物濾池和蚯蚓生態(tài)濾池組合工藝對(duì)上海城市合流污水進(jìn)行處理試驗(yàn)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行了約1年，出水各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求[22]。

3.3 生物浮島技術(shù)

如前所述，流經(jīng)城鎮(zhèn)的河段以及其它水體普遍受到污染，水體富營養(yǎng)程度嚴(yán)重，加劇了周邊生態(tài)環(huán)境的惡化，也給城鎮(zhèn)水污染治理工作帶來困難。目前國內(nèi)外已出現(xiàn)多種凈化富營養(yǎng)化水體的處理技術(shù)，如生物浮島技術(shù)、人工水草凈化技術(shù)。

生物浮島也稱人工浮島技術(shù)，這種技術(shù)模仿植物自然生長規(guī)律，在水面上設(shè)置浮體，將一些喜水植物種植于浮體上，利用植物的根部吸附和吸收作用，將水中的氮、磷等污染成分去除，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的效果，同時(shí)又可營造水上景觀[23]。生物浮島技術(shù)對(duì)富營養(yǎng)化的河流、湖泊有明顯凈化作用，可削減富營養(yǎng)化水體中50%左右的COD值，對(duì)水體中的TN、TP去除效果好，并且可以為水生生物的自然恢復(fù)、生存和繁衍營造良好的水環(huán)境條件[24]。生物浮島技術(shù)具有投入費(fèi)用低、治理效果好、對(duì)周圍環(huán)境影響小、應(yīng)用靈活方便、適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)。生物浮島技術(shù)因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和可操作性，為治理城鎮(zhèn)水污染提供了一條有效途徑。

3.4 人工水草凈化技術(shù)

人工水草是美國研制成功的一種有著水草形狀的人造聚合物[25]，它比天然水草表面積大得多。人工水草鋪設(shè)在富營養(yǎng)化水體中，形成一個(gè)高比表面的生物附著環(huán)境，在促使各種有益微生物生長的同時(shí)能抑制有害微生物生長，使不同等級(jí)的水生動(dòng)植物在此環(huán)境下形成食物鏈。最終水中的有機(jī)物通過這個(gè)食物鏈被吸收轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)或被綜合利用，使水體得到凈化。據(jù)已有數(shù)據(jù)，人工水草凈化技術(shù)對(duì)水體中的TN、TP的去除率為20%～40%，葉綠素可降低50%左右，水體透明度增加0.5m～1.2m。該技術(shù)為純生態(tài)方法，具有投入費(fèi)用低，易操作，且效果持久等特點(diǎn)，使其成為治理富營養(yǎng)化水體的有效手段。目前，我國廣州、中山、湖州等地已有人工水草凈化技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例。

4 結(jié)論

我國城鎮(zhèn)迫切需要經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能、技術(shù)先進(jìn)而可靠的水污染治理工藝和技術(shù)。雖然我國的城鎮(zhèn)污水處理工藝研究已取得了長足進(jìn)步，但對(duì)一些工藝的凈水機(jī)理、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理了解還不夠深入，新技術(shù)、新工藝的創(chuàng)新水平不夠理想，這些不足需要在以后的研究工作中加以完善。SBR工藝和氧化溝工藝通過在我國多年的研究與應(yīng)用，被證明是行之有效的水污染控制技術(shù)，將繼續(xù)在我國城鎮(zhèn)水污染治理工作中發(fā)揮重要作用。

目前，國內(nèi)外對(duì)運(yùn)用各種生態(tài)工程技術(shù)治理污染水體的研究較多，并且取得了較好的效果。但在實(shí)際的水污染治理工作中采用的生態(tài)技術(shù)手段還比較單一，推廣應(yīng)用的范圍也比較小。人工濕地與蚯蚓生態(tài)濾池等技術(shù)在我國興起的時(shí)間還比較短，在應(yīng)用與推廣中還有一些問題需要考慮和解決。如，目前人工濕地與蚯蚓生態(tài)濾池進(jìn)行的多是中試和生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)，規(guī)模較小，今后主要的問題是工藝參數(shù)的設(shè)定，運(yùn)行參數(shù)的采集，以及各地的適應(yīng)性試驗(yàn)。

展望未來，環(huán)境友好型和可持續(xù)發(fā)展型的污水處理工藝將是今后國內(nèi)外研究發(fā)展的重點(diǎn)。其中，人工濕地生態(tài)系統(tǒng)和生物浮島等技術(shù)正是在這一理念下發(fā)展起來的綠色、環(huán)保污水處理工藝的典范，他們特別適合經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)或污水處理規(guī)模較小的城鎮(zhèn)優(yōu)先考慮采用?？梢灶A(yù)見，人工濕地、蚯蚓生態(tài)濾池等新興技術(shù)與其他工藝相結(jié)合，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的綜合污水處理系統(tǒng)是今后的發(fā)展方向。

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Treatment Technology and its Research Progress of Water Pollution in Towns

FENG Jian，YANG Xiaocheng College of Material and Chemistry & Chemical Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China

With the development of towns and the improvement of people’ s living standards in China，there is more and more town sewage which is discharged into river or lake at a high increasingly rate.Furthermore，a low rate of sewage treatment led to deterioration of town water environment.Water contamination in towns should be treated as soon as possible.This paper concisely summarizes the actual situation of waste water treatment in towns of our country.On the technical characteristics，research advances and application of several representative sewage treatment technologies，such as SBR，oxidation channel，artificial wetland ecosystem et al，were briefly introduced.Such technologies are required to water pollution treatment in China because of the characters of economy，efficiency， energy-saving，technologically advanced and reliable.

town; water pollution; treatment technology; study approach

X703

A

1674-6708（2010）32-0024-03