王凱軍
北京市環境保護科學研究院

　　關鍵詞：城市污水、水解反應器、活性污泥工藝
　　摘要：本文對城市污水處理工藝等問題進行了探討，傳統活性污泥工藝由于基建投資高，能耗高和運行維護費用高，在實踐應用中受到了限制。水解-好氧生物處理工藝是近年來國內具有突破性進展的新工藝，是處理城市污水十分有吸引力的新工藝。其中水解反應器因為僅僅發生水解和產酸反應具有停留時間很短，其對懸浮物的去除率很高。由于水解出水污染物的降低和易降解有機物的增加，使好氧處理的停留時間可以縮短。本文對水解-好氧生物處理工藝的研究和應用進行了闡述。

The Problem Discussion of Municipal Wastewater Treatment

and Hydrolysis - Aerobic Biological Wastewater Treatment Process

Wang Kaijun
Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection

　　Key Words: Muncipal Wastewater, Hydrolysis Reactor，Activated Sludge Process
　　Abstract：The current situations of municipal wastewater treatment has been discussed in this paper, the disadvantages of high investment cost, hign energy consumption and hign maintenance cost of conventional activated sludge process, which limited the application municipal wastewater treatment in China. The break through has been achieved of hydrolysis-aerobic biological process. It is an alternative process for municipal wastewater treatment. As only hydrolysis and acidification stages have taken place, the hydrolysis reactor has advantages of short hydraulic retention time and high suspended solids removal efficiency. As the lower pollutants concentration and readily biodegradable matter increased in effluent, it results the retention time decreased. The research and application of hydrolysis - aerobic biological process has been introduced.

一、城市污水處理問題討論

1、概述
　　在當前水污染治理中，亟待解決的問題之一是城市污水處理廠的建設問題。城市污水污染在我國各地已成為嚴重的環境問題。它不僅污染環境，影響人民身體健康和工農業生產，而且也直接造成經濟和資源損失。水污染已經成為限制工農業生產和國民經濟進一步發展的一個突出問題。因此，盡快控制水污染的發展，改善環境質量已成為迫在眉睫的問題，日益引起人們的關注。目前我國城市污水年處理能力38.1億m³，城市污水的處理率僅達13.6%(其中二級處理率為8.4%)。我國目前城市污水排放總量已達350億m³/年，據初步估計目前全國城市污水要全部達標排放，需要投資1500億元以上，每年需要150億元的運行管理費用。如此高的投資和運轉管理費用對一般城市來講是一個沉重負擔。對中小城市來說，更難承擔。因此，城市污水處理問題不僅僅是環境問題，同時還涉及到經濟、技術和政策等各個方面，需要認真加以研究解決。
2、傳統活性污泥工藝存在的問題
　　國內外的經驗都表明以活性污泥法為主的好氧生物處理工藝，由于其出水水質好，對于解決城市污水的污染，是一種行之有效的方法。而且人們在長期實踐過程中，在設計和運行管理等方面積累了豐富的經驗，已廣泛為人們所接受。因此，長期以來它一直是城市污水處理工藝的主流。但是傳統的活性污泥處理工藝存在著以下的缺點：
　　1) 污水處理廠的基建投資大，即使按全國目前的污水量，靠傳統的二級處理工藝，若全部污水均達標排放，需要投入1500～2000億元的建設資金。而北京市污水至少需要投入60億元的建設資金(按單位投資1500～2000元/m³.污水計)；
　　2) 污水處理的電耗高，據報導一般西方工業發達國家污水處理能耗占全國總能耗的1％以上。消耗能源只能進一步增加了環境壓力；電耗大不僅僅增加了處理費用，消耗了大量能源，同時還增大了電廠、電網以及變電系統的投資。電廠脫硫的投資占電廠總投資的15%以上，近年來隨著技術進步，費用雖然有所下降，但仍然超過10％。對于大城市大氣污染所需要的治理投資，甚至會超過水污染的投資^{[1] [2]}。
　　3) 運轉管理費用高，以我國目前已運行污水處理廠的經驗，年運轉費用占投資額的10%。全國需要150億元運行費用(運行費以0.50元/m³.污水計)^[3]。
3、技術引進帶來問題
　　我國城市污水的建設從80年代初開始起步，是以天津紀莊子26萬m³/d的污水處理廠的建設為標志。全部采用國產技術和設備。80年代后期，由于城市污水處理建設資金不足，開始利用歐洲發達國家政府貸款(用于買貸款國的設備)，這雖然推動了一批現代化污水處理廠的建設。但是，這種國外引進的意義僅僅是資金的引進，技術上的引進的意義極低。這是因為引進的是技術的末端成果——產品(設備)。引進結果是增加了工程投資(設備是國內設備4-6倍)和日常維護費用(需要外匯更新配件)，在今后相當長的一個時期，還有還貸的包袱。這也嚴重抑制了國內污水處理設備制造業的發展，由于技術和資金投入不足使國內污水處理設備無法達到國際水平。
　　目前，引進結果是主要的技術仍然掌握在國外少數幾個公司的手里，以城市污水處理技術中的氧化溝技術為例，目前中國的環保企業并沒有通過技術引進而掌握美國的奧貝爾氧化溝、荷蘭的卡魯塞爾氧化溝和丹麥的交替式氧化溝這些技術關鍵。由于我們沒有利用機會吸收所引進的技術單元，所以只好依賴于一次又一次地重復引進。這也是我們近年來，首先流行AB工藝，然后流行三溝氧化溝，以及其他形式的氧化溝，目前又在流行SBR工藝的原因所在，國內的研究和設計單位也是跟著這種潮流跑。由于缺乏技術吸收和創新的機制和能力，在很長的一段時間內國外的技術就會不斷沖擊國內市場，自己的技術總是無法在市場上占有一席之地。這樣在一次引進后，國外又有其他新的技術，我們又要進行新的一輪引進。在電廠煙氣脫硫和垃圾處理等的環境保護領域也存在類似問題。

二、水解--好氧生物處理工藝開發和應用

1、工藝原理和開發
　　因此從我國的實際出發，根據污水的性質及用途，研究效率高、投資少、能耗低、占地少、運轉費用低的污水處理工藝是當前的一個重要課題。針對以上問題，北京市環境保護科學研究院經過十余年的不懈努力，在此問題上獲得了突破性的進展。開發了水解—好氧生物處理工藝，該工藝的研究工作是從污水的厭氧-好氧生物處理小試驗開始，經過反復實驗和理論分析，逐步發展為水解(酸化)-好氧生物處理工藝。厭氧發酵從工程上可分為：水解、酸化和甲烷化階段三個階段。水解池是把反應控制在第二階段完成之前，不進入第三階段。采用水解池較之全過程的厭氧消化具有以下的優點：
　　1. 水解、產酸階段產物主要為小分子有機物，可生物降解性較好。固水解池可改變原污水的可生化性，從而減少反應時間和處理的能耗；
　　2. 對固體有機物的降解減少污泥產量，功能與消化池一樣。故實現污水、污泥一次處理，不需要經常加熱的中溫消化池；
　　3. 不需要密閉的池，不需要攪拌器，不需要水、氣、固三相分離器，降低了造價、便于維護和放大。可以設計出適應大、中、小型污水廠所需的構筑物；
　　4. 第一，第二階段反應迅速，水解池體積小，與初次沉淀池相當，基建投資省。
　　因此，水解-好氧生物處理工藝是一種新型的污水處理工藝。水解中試從85年8月開始，在北京高碑店建成處理1800m³/d的水解-好氧工藝示范工程。工藝中主要構筑物及設備利用原有設備，經過必要改建整修后形成新的工藝。整個實驗經歷了春、夏、秋、冬四季，水溫從13～31^oC，連續運行了3年以上。在水解池平均停留時間為2.7h.，COD、BOD和SS去除率分別為44%、32%和84%。整個實驗是在常溫下進行的，當水溫最低在13℃時，水解池也可穩定運行，效果令人滿意。平均COD濃度為495mg/L，變化范圍177～1530mg/L。整個實驗水解COD平均去除率為49.6%，總去除率為84.6%，水解BOD去除率為32.3%，總去除率為92%; 水解SS去除率為84%，總去除率為94%，最終出水COD為99mg/L，BOD為15mg/L，SS為17mg/L，全部達到二級排放標準。用氣量比傳統工藝減少70%，水解-好氧系統污泥產量比傳統工藝減少30～40%。試驗研究在1986年通過北京市科委和計委主持的鑒定，隨后該技術獲得了國家發明專利及北京市科技進步一等獎，該項研究的主要結論如下^[4]：
　　1) 采用水解池取代了傳統的初沉池，水解池對各類有機物的去除率遠遠高于傳統初沉池。因此，從數量上降低了后繼構筑物的負荷；
　　2) 經過水解池處理后，污水中有機物不但在數量上發生了很大變化，而且在理化性質上也發生了很大變化，提高了污水的可生化性，使污水更適于后繼的好氧處理，可用較短時間和較低電耗完成凈化過程，使工藝具有效率高、能耗低的特點；
　　3) 新工藝由于采用厭氧處理技術，在處理水的同時，也完成了對污泥的處理，使污水、污泥處理一元化，簡化了傳統處理工藝流程；
　　4) 通過新的處理工藝和傳統活性污泥法的技術經濟比較可知，前者基建投資費用可節省38.4％，總電耗可節省34.0%，總運轉費用可節省39.7％；
2、密云示范工程
　　在1986年北京市計委，為了在今后北京污水處理建設上采用水解－好氧生物處理工藝并積累生產性經驗。在北京其他污水處理廠沒有上馬的情況下，推薦在密云、懷柔和大興三個縣城的污水處理廠采用水解―好氧工藝。其中密云縣污水處理廠水質和預計的處理效果如表2。密云縣污水處理廠一期工程處理能力為15000m³/d(遠期45000m³/d)。其工藝流程見圖1所示。下面將結合圖1對水解－好氧工藝流程作進一步詳細說明：
　　污水通過水泵提升通過格柵預處理裝置，去除懸浮的大顆粒物質后。污水進入沉砂池，在其中將大顆粒的沙粒去除。沉砂池出水進入水解反應器，水解池停留時間2.5h.。經過水解池后BOD5(五天生化需氧量)去除率可達25～35％；COD(化學需氧量)，去除率達30～45％，SS(懸浮物)去除率70～80％。污泥在反應器中的水解率為25～50％(冬季數值為25％)。經水解反應器處理后的出水進入后繼(好氧)處理構筑物。后繼處理可以采用多種形式的處理方式，如傳統活性污泥工藝，氧化溝和SBR等等方式。如采用傳統曝氣池，污水在曝氣池的停留時間較之傳統的工藝可大為縮短，氣水比也可大幅度降低；經曝氣池處理后的水進入二沉池。最終出水BOD₅≤20mg/L，COD≤100mg/L，SS≤20mg/L。曝氣池產生的剩余污泥連續送入水解反應器，整個工藝流程的剩余污泥從水解池排出，進入濃縮池，經12～24小時濃縮后可脫水處理。

表1 密云污水廠水質設計條件 項 目 原污水 水解處理 好氧處理 出 水 去除率 出 水 去除率 COD 450mg/L 292mg/L 35% 100mg/L 66% BOD 200mg/L 160mg/L 25% 20mg/L 87.5% SS 300mg/L 60mg/L 80% 20mg/L 67%

　　其中水解池設計平行的3組，每組處理量為15000m³/d，總變化系數K₂＝1.5。一期先建1組池子，設計停留時間HRT＝2.5h，每組由2個池子組成，每個水解池為(長×寬×水深)36m×9m×4.4m。配水采用上流式配水方式，出水采用矩形堰，經水解池處理后的污水送到曝氣池。曝氣池總體為1500m³(單池)，HRT＝4h；回流比為50%，根據中試結果氣水比5:1。水解池污泥用管道排至集泥池，進行污泥處理，污泥量為210m³/d、污泥濃度10～15g/L。為了防止配水管堵塞，在水解池旁設有反沖洗泵1臺。
3、示范工程結果
　　在經過了20-30天左右的啟動運行階段后，92年9月中旬以后，密云污水處理系統逐漸進入正常運行的狀態，這一階段各項出水指標，逐漸穩定并接近和達到了設計要求，表2為污水處理廠啟動期間近120天的運行各項指標的平均值。水解池COD、BOD和SS去除率分別為31.2%、33.2%和76.5%，這一數值已經接近中試的結果。圖2是以密云污水廠1996年COD為例給出周平均運行結果圖。

表2 正常運行時各段運行效果(92年9月10日－93年1月份) 構筑物

項目 進水 水解池 曝氣池 總去除率 (％) 出水 去除率 出水 去除率 COD(mg/L) 360 247.9 31.2％ 69.8 72.0％ 80.6 BOD(mg/L) 153 102.0 33.2％ 21.8 79.0％ 85.7 SS (mg/L) 127 29.9 76.5％ 16.4 45.0％ 87.1

　　由圖2可見，總進水COD濃度的波動較大，但是水解池出水濃度變化幅度不大，總出水的變化更小，僅從70mg/l增大到90mg/l，增加28％，這說明系統抗沖擊負荷能力較強，特別是水解池對于原水的激烈波動起到了非常大的緩沖作用；從而保障了后續好氧系統不受較大的沖擊，因而保障了整個系統的出水穩定。

三、水解工藝的技術經濟比較

　　為了更好地說明水解--好氧工藝流程技術經濟特點，特將該工藝與傳統活性污泥法， 進行投資和運行費用的比較。水解--活性污泥法工藝的投資費用，采用密云污水廠的92年決算費用值，由于投資中包括了部分二、三期工程的費用，因此污水處理廠的處理規模按15000m³/d考慮時扣除了二、三期的相應費用(一期處理規模為15000m³/d)。同傳統活性污泥法相比，北京密云污水處理廠的主要運行參數如表3所示。

表3 工藝參數比較 項 目 傳統活性污泥法工藝 水解--活性污泥法工藝 水解池或初沉池 HRT=2.0h HRT=2.5～3.0h 曝氣池 HRT=8.0h，氣水比15:1 HRT=4.0h， 氣水比5～8:1 二沉池 HRT=2.0h HRT=2.0h 污泥消化 有 無

　　由表3可見，由于采用水解池替代了傳統的初沉池，不僅使整個系統水力停留時間(HRT)縮短，曝氣池氣水比降低，而且出水水質也優于傳統工藝，同時使污泥和污水得到一次處理并取消了傳統的污泥消化系統，這樣既降低了總投資及其日常運行費用，同時也簡化了操作管理。在以上數據基礎上進行費用分析(見下表4)。

表4 費用分析表（1992年） 項目 單位 傳統活性污泥 水解－活性污泥 節約比例（％） 水量 萬噸 1.5 1.5 基建投資 萬元 2218.7 1362.5 38.6 綜合折舊費(4％) 萬元 88.75 54.50 38.6 維修費（2％） 萬元 44.24 27.25 38.6 工資福利 萬元 40.58 36.00 11.3 藥劑費 萬元 38.67 20.69 46.5 動力費 萬元 107.83 71.17 34.0 總運行費 萬元 319.79 209.61 34.5 直接費用 萬元 231.79 155.11 33.1 處理成本 元/m³污水 0.50 0.33 34.0 處理成本(不含折舊) 元/m³污水 0.33 0.23 30.3 處理電耗 kWh/m³污水 0.25 0.16 36.0 單位水量投資 元/m³污水 1474.58 908.34 38.4 注: 基建投資包括土建、設備、儀表、廠區總平面、附屬設施等，未包括廠外污水管線

　　從上表分析可知，水解--好氧生物處理工藝基建投資，較傳統活性污泥工藝可節約投資38.6%，處理廠占地也可相應減少，總電耗可節約46.5%，處理成本為0.23元/m³污水，較傳統工藝節約34.0%。98年10月，由國家環保總局主持鑒定了《城市污水水解—好氧生物處理工藝示范工程研究》，廣泛邀請了國內著名高校、設計院、研究院、建設部和污水處理廠等單位的專家學者作為鑒定委員，與會代表給示范工程以極高的評價，一致認為該技術已達國際領先水平。

四、水解－好氧工藝的應用

　　水解—好氧生物處理工藝開發十余年來，國家和北京市各級科研計劃給予了大力支持，先后被列入國家“七五”攻關、建設部開發項目和北京市的重點科研計劃。該技術先后獲得了國家發明專利及北京市科技進步一等獎等各級政府獎勵十余項，也被國家環保總局列為最佳實用技術。迄今為止，水解—好氧生物處理工藝已應用于10余座城市污水廠，累計投資10億元，形成了20萬m³/d的處理能力(最終可達50萬m³/d)。水解工藝既適用于城市污水，也廣泛應用于工業廢水處理，如印染、紡織、輕工、釀酒、化工、焦化、造紙等行業。表5是我院采用水解－好氧工藝的應用實例。

表5　　　 水解－好氧生物處理工藝的應用 地點 處理能力

(m³/d) 反應器體積

(m²) 后處理工藝 階段 年代 北京密云

河南安陽

新疆昌吉

北京大興

北京懷柔

山東濰坊

廣東石巖 15000

10000

11000

40000

15000

3000

20000 2×1600

2×1100

2×1100

4×1800

4×860

2×1200

4×1100 活性污泥

過濾和穩定塘

穩定塘和活性污泥

活性污泥

活性污泥

接觸氧化

穩定塘 運轉

運轉

運轉

設計

設計

運轉

建設 1991

1989

1992

1990 昆明福保

山東章丘 20000

20000 4×1100

4×1100 接觸氧化

土地處理 運轉

運轉 1992 福建福州 5000 2×1500 活性污泥 運轉 1997

　　北京市環科院十多年來圍繞水解―好氧技術已經形成一套完整的工藝技術。相繼開發了水解-好氧生物處理工藝、水解-氧化塘處理工藝和水解-土地處理工藝等處理城市污水經濟可行的工藝技術，為我國的水污染控制作出了貢獻，創造了良好的社會效益和環境效益，為目前城市污水處理廠的建設提供了一條新的切實可行的技術途徑。經過開發單位十余年的不懈努力，該工藝日趨完善。目前，國家正加強城市污水治理的投入，大力興建城市污水處理廠，水解—好氧生物處理工藝一定會發揮出自身的優勢，為改善我國的水污染現狀作出貢獻！

參考文獻

1、王凱軍,許曉鳴和鄭元景,水解-好氧生物處理工藝應用實例,1991,環境工程,9(4):3
2、李彩亭，曾光明，中國中小型燃煤鍋爐脫硫技術現狀，1998,環境工程,16(2):33
3、Wang Kaijun, Integrated Anaerobic and Aerobic Treatment of Sewage, DEN HAAG
4、王凱軍編著(1991)，低濃度污水厭氧(水解)處理, 中國環境科學出版社

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王凱軍 博士，北京市環境保護科學研究院，副總工程師，副研究員，北京市環境保護科學研究院，阜外北二巷，100037
　　從事水污染控制的研究和設計工作，曾承擔國家“七五”、“八五”、“九五”攻關課題和北京市科研項目多項。獲得各種成果獎十余項。其中水解－好氧工藝研究曾榮獲北京市科技進步一等獎并獲國家發明專利，水解－氧化塘工藝項目獲國家環保局二等獎。并主持過北京市和其它省市多項設計工程，多共發表中外文論著50余篇。