一体化污水处理设备的研究现状

董 景 翟宇超 周湘杰

（四川大学建筑与环境学院，成都，610065）

我国水资源缺乏，目前人均水资源量不足世界人均水平的1／3，近三分之二的城市不同程度缺水。在水资源短缺的同时，我国水环境的质量也令人堪忧。随着社会经济的快速发展和城市人口的增加，我国污水排放量呈逐年增长趋势，2011年全国污水排放量达到652.1亿吨。据统计，2011年全国地表水总体为轻度污染，湖泊（水库）富营养化问题仍突出［1］，水环境形势依然十分严峻。截至2010年底，中国已建成投运城镇污水处理厂2832座，全国城市污水处理率达到77.4%。这些污水处理厂的有效运行，都是依赖城市完善的排水管网系统。而对于那些城市污水收集管道难于延伸的区域（如农村、小城镇、城郊生活区等），污水处理率仍然很低。2000年，建设部、国家环保局和科技部联合颁布的《城市污水处理及污染防治技术政策》规定对不能纳入城市污水收集系统的居民区、旅游景区、度假村、疗养院、机场、铁路车站、经济开发区等分散的人群聚居地排放的污水和独立工矿区的工业废水应就地处理达标排放［2］。这就为小型一体化污水处理设备的应用和发展提供了广阔的空间。对于污水不能进入城市收集管网的地区来说，研发工艺简单、投资和运行费用少、处理效率高、节能的一体化污水处理设备具有十分重要的现实意义。作者旨在介绍一体化污水处理设备的研究现状和应用情况，为未来污水处理设备的进一步发展提供参考依据。

1 一体化污水处理设备及其优势

1.1 一体化污水处理设备简介

一体化污水处理设备是以生化反应为基础，将预处理、生化、沉淀、消毒、污泥回流等多个功能不同的单元有机的结合在一个设备之中而形成的污水处理组合体。该设备不仅适用于城市排水管网难以覆盖的城市边缘地带和新区以及经济相对落后的广大农村、小城镇地区，还可以处理与城市生活污水性质类似的部分工业废水和医院、涉外宾馆等城市特种废水。国家有关政策规定城市特种废水未经处理不得直接排入市政排水管网［3］。

1.2 一体化污水处理设备的优势

与大型的污水处理厂相比，一体化污水处理设备具有不可替代的优势：（1）投资和运行费用少。一体化污水处理设备投资少，操作和管理方便，不需对操作人员进行专门的培训，只需适时对设备进行维护和保养，所以，运行费用也很低。（2）节约空间。城市土地资源日益紧缺，大型的污水处理厂占地面积大，增加了城市用地压力。而一体化污水处理设备体积较小，节约空间，搬运灵活。一些设备还可以埋于地下，不占用地表面积。（3）缓解城市排水管网建设压力。完善的城市排水管网系统是污水处理厂正常运行的基础条件。对于人群聚居较分散的区域，一般离城市中心较远，建设排水管网并不现实，这就给一体化污水处理设备提供了应用的空间。这些地区产生的污水可以经污水处理设备处理后直接排放到附近的接纳水体中，而不需经排水管网收集进行集中处理，极大地缓解了建设市政污水管网的压力。（4）污水回用效率较高。污水处理厂的污水回用系统一般较复杂，管网规模大，管理维护难度较大。而一体化污水处理设备不需安装大规模的管网系统，可以灵活布置污水回用节点，比传统的大型污水处理系统更具优势。

2 一体化污水处理设备研究现状

一体化污水处理设备迄今已有30多年的研究历史，目前日本、欧美等国家和地区已将其广泛应用于城镇生活污水和部分工业废水处理。我国在这方面也取得了较大的成绩，近年来我国学者对一体化污水处理设备进行了广泛的研究，设备采用的工艺从原来单一的活性污泥法或生物膜法逐渐发展到多种方法结合的复合工艺。

2.1 一体化生物接触氧化反应器

当要求以有机物为主要去除对象时，可采用接触氧化工艺。生物接触氧化工艺兼具活性污泥法和生物膜法两者的特点，具有水力停留时间短，有机物负荷高，耐冲击负荷能力强，剩余污泥少，出水水质好，管理方便等优点。生物接触氧化工艺已被广泛用于处理生活污水、工业废水、活性表面剂类废水以及含油废水等［4］。研究表明，多级接触氧化反应器的处理效率要高于单级接触氧化反应器［5］。

于1994年开发的WSZ地埋式生活污水处理装置的核心处理单元就是接触氧化池，池内安装半软性填料，污水停留时间为2.5～3.2h，结果发现该设备处理效果好，对氨氮也有良好的去除率［6］。该设备自研发至今，已在我国有较多的推广和应用。严荣等［7］对一体化接触氧化反应器处理某景区生活污水的效果进行了实验研究。该反应器内装填生物膜组合填料，采用间歇曝气，在好氧—厌氧环境的不断交替下，达到脱氮的效果。实验表明，反应器对COD、NH3－N和TN的去除率分别可达80.82%、69.12%和63.16%，处理成本约为0.25元／m3。近年来也有学者将接触氧化法和活性污泥法结合，如杨云平［8］开发了一种活性污泥－接触氧化气提式内循环一体化反应器，将组合填料置于曝气区，通过曝气动力实现了混合液的内循环。

2.2 一体化生物流化床

生物流化床是以粒径为0.3～3.0mm的活性炭、沸石、磁环及多孔高分子聚合物等为载体，污水为流化介质，通过载体生物膜的吸附降解作用去除有机污染物［9］。与接触氧化工艺相比，生物流化床污泥浓度更高、耐冲击能力更强、剩余污泥更少、无滤料堵塞难题，而且生物流化床具有流程紧凑、占地面积小、出水水质好等优点。但是，流化床必须在高速运行下才能使载体流态化，故能耗较高、运行管理较复杂，并不适合分散生活污水的处理。目前，生物流化床反应器形式多样：按循环方式可分内循环、外循环流化床；按床内物相可分为二相、三相流化床；按微生物需氧环境可分为好氧、厌氧以及厌氧－好氧流化床。随着研究的进展，一些新型流化床反应器不断涌现，如MBBR移动床生物膜反应器、BASE三相生物流化床、Circox气提式生物流化床、磁场生物流化床、固定化－流化床生物反应器等。

近年来，一体化生物流化床成为国内学者研究的热点。肖鸿等［10］将多孔聚合物载体用于厌氧－好氧一体化生物流化床反应器中处理高浓度有机废水。在新型一体化生物流化床反应器中添加多孔聚合物载体处理高浓度有机废水，是一种创新的尝试。当进水COD在2700～4653mg／L时，反应器对COD的去除率均值可达90.6%；当进水氨氮浓度为280.3～350.7mg／L时，对氨氮的平均去除率为81.0%。

2.3 SBR反应器

SBR反应器是由英国学者Arden和Locket于1914年发明的，而它的研究发展始于20世纪70年代。SBR反应器将进水、反应、沉淀、排水和闲置五个阶段按时间顺序集中在一个装置中完成。它的主要特点是在一个池内完成污水处理的全过程，所以节省占地面积，基建费用少。同时，SBR反应器抗冲击负荷能力强，处理效果较好，对氮、磷也有一定的去除效果，不易产生污泥膨胀现象，适合小水量的污水处理。有研究表明，SBR反应器能实现分散式生活污水处理的达标排放［11］。

随着SBR反应器研究的进行，出现了很多可以处理不同性质污水的改进工艺，如CASS、ICEAS、SBBR、MSBR、UNITANK、DAT－IAT 等。其中，DAT－IAT是典型的SBR改进工艺。DAT－IAT一体化设备的主体构筑物由需氧池（DAT）和间歇曝气池（IAT）组成。其中，DAT池连续进水，持续曝气；在IAT池完成曝气、沉淀、滗水、排泥过程。DAT－IAT一体化设备既有SBR的灵活性，又有传统活性污泥法的连续性和高效性，已在生活污水和工业废水处理方面有所应用。秦皇岛某交通酒店采用地埋式DAT－IAT一体化设备对其生活污水进行处理，该设备一直稳定运行，无需专人管理，可实现厌氧、缺氧和好氧状态，对生活污水和洗涤废水处理效果良好［12］。也有学者在DAT－IAT工艺基础上前置一个缺氧池，形成A／DAT－IAT工艺，增强了脱氮除磷的效果。

近年来SBR与其他工艺相结合而成的复合工艺发展也比较迅速。SBR与A／O或A2／O工艺相结合的一体化设备，具有良好的脱氮除磷功能。序批式生物膜反应器（SBBR）是一种新型的变型SBR工艺，其将填料装填在SBR反应器内，为生物提供了更有利的生存环境，大大提高了设备的处理能力和稳定性。目前国内对SBBR的研究主要集中在工业废水和部分城市生活污水处理上，将其用于一体化污水处理设备具有广阔的前景。

2.4 一体化氧化沟

一体化氧化沟的主要特点是船型的二沉池被合建于氧化沟内。按二沉池置于氧化沟的部位，可分为沟内式、侧沟式和中心岛式一体化氧化沟。一体化氧化沟不用另建单独的沉淀池，无需污泥回流系统，大大节省了占地面积和基建费用；抗冲击能力强，运行稳定，可以脱氮除磷，运行管理方便。一体化氧化沟的这些优点使其特别适用于小区域污水的集中处理。

有学者将一体化氧化沟和厌氧、缺氧及好氧工艺合理组合，加强装置的脱氮除磷作用。如立体循环氧化沟（IODVC），它由曝气转刷、上下两层沟道和沉淀区组成［11］。上层沟道为好氧区，下层沟道为缺氧区，水流在上下两层竖直循环，大大节省了占地面积；沉淀池建在氧化沟的一端，沉淀的污泥可以自动回流到氧化沟，无需污泥回流设备，节省了投资和能耗。实验结果表明，立体循环氧化沟处理城市生活污水是可行的，对COD的去除率可达95%，NH3－N和TN的去除率也分别达到99%和90%以上［13］。在此基础上开发的一种新型一体化立体循环污水生物脱氮除磷反应器（IBNPRVC），通过排出厌氧区富磷上清液，可在脱氮的同时达到良好的除磷效果［5］。江苏金山环保有限公司发明了一种一体化多功能立体循环氧化沟设备，氧化沟内设有三块隔板，将其自上而下分为一级好氧区、二级好氧区、缺氧区及厌氧区四个隔室，二沉池安装在沟的两侧，在二沉池上部出水口处设有消毒装置，氧化沟顶部设有生物除臭装置［14］。本设备集脱氮、除磷、除臭和消毒与一体，具有结构紧凑、占地少、结构简单等特点，尤其适用于城市生活社区生活污水的处理。

2.5 一体化膜生物反应器

一体化膜生物反应器（MBR）是结合膜分离技术和生物处理工艺而开发的新型污水处理装置，它具有处理效果好、能耗低、结构紧凑、剩余污泥少、易于自动管理等优点，但也存在着膜污染的问题。目前MBR技术已广泛应用于国内很多大型污水处理厂，在20m3／d以下的小型污水处理工程中应用较少。肖珊等［15］用小型一体化MBR设备对郑州某农家乐4m3／d的生活污水进行了处理，去除效果稳定，对 COD、BOD、SS、和 NH3－N 的去除率均在90%以上。2008北京奥运香港马术比赛场就采用了“一体化膜生物反应器”处理来自比赛马匹集中点的马粪尿、清洗污水及工作人员生活污水，该设备占地面积小、空间紧凑、节能效率高，实现了互联网上的水质和运行程序全自动在线监控［16］。

缺氧－好氧膜生物反应器（A／O－MBR）具有良好的脱氮能力，广泛应用于分散聚居区回用水处理［17］。按缺氧区和好氧区分布形式，一般可分为并式、立式一体化 A／O－MBR。立式一体化 A／OMBR占地面积小，具备将其投入工程应用的潜质。重庆大学的Zhang DJ等［18］开发了一种立式一体化A／O－MBR，膜组件置于好氧区，污水以升流形式依次通过厌氧区和好氧区，厌氧区产生的甲烷进入好氧区作为反硝化的碳源。结果表明，该反应器对COD和氨氮的去除率分别可达99%和100%。

随着广大学者对一体化膜生物反应器的深入研究，现在出现了很多MBR与其他工艺相结合的复合一体化反应器。王星骅等［19］将 MBR与 MBBR（移动床生物膜反应器）结合，开发了一体化新型移动床膜生物反应器 M－MBBR；苏锦明等［20］将 MBR与CASS工艺结合开发了一种新型的一体化MCASS设备；哈尔滨工业大学环境生物技术中心［21］开发了一体式UASB－MBR反应器，适于水量和污染物浓度变化较大的工业废水处理；还有学者将MBR与SBR工艺结合发明了序批式一体化膜生物反应器（SBMBR）。这些新型的一体化复合式膜生物反应器出水水质更稳定，管理运行方便，在处理分散生活污水和部分工业废水领域有广阔的应用前景。

2.6 一体化A／O或A2／O设备

A／O或A2／O工艺是污水处理最常用的工艺，具有出水水质好，耐冲击能力强，运行成本低，管理容易等优点。一体化A／O设备的外形多为筒式或套筒式。筒式设备的各功能区是上下分层布置的，污水以升流方式依次流经厌氧区、好氧区和沉淀区；套筒式设备各功能区水平布置，内筒一般为厌氧区，中筒为好氧区，外筒为沉淀区，污水由内向外依次流经厌氧区、好氧区和沉淀区。

而A2／O工艺脱氮除磷效果好，适合处理含复杂有机物和氮组分的工业废水。由丹麦开发的一体化OCO设备是一种变形的A2／O套筒式设备，曝气池由三个相互联接的圆形结构和带有半圆形隔板的结构组成，里圈、外圈隔墙为圆形，中圈为半圆形，分为厌氧区（内区）、缺氧区（中区）和好氧区（外区），水流循环不需泵，由每区水下搅拌器控制水的混合程度［22］。李德豪等［23］在此基础上发明了一体化膜泥法OCO污水处理装置，主要特点是将二沉池合建于OCO反应器中，实现了污泥的自动回流，减少了投资和运行费用。该设备的除磷效果良好，除磷效率可达90%以上［24］。有学者［22］将一体化 OCO设备进行了改进（即一体化MOCO设备），分别将半圆形隔墙的两末端延伸60°，使隔墙弧度增至300°，加大了缺氧区的有效容积，减少了混合区的体积，脱氮除磷效果较OCO工艺明显提高，活动导流墙代替了回流搅拌器，明显降低能耗。

针对不同类型的废水，一些A／O或A2／O装置多与活性污泥法或生物膜法结合，或科学的在厌氧段或好氧段的前、后加上其他处理工艺，以强化处理效果。

2.7 其他一体化污水处理设备

除上述一体化污水处理设备外，将各种物理、化学与生化反应相结合的一体化设备也开始出现。一体化生物电化学反应器（BER）就是典型的代表，它将电凝聚和电气浮等电化学反应与生化反应相结合，在去除水中的有机物、细菌、有毒重金属和其他毒物的同时，还能降低浊度［25］。Gonzalez O 等［26］用Fenton－SBBR一体化设备处理含抗生素废水，实验结果表明，当SBBR水力停留时间为8h时，总碳去除率可达75.7%，氮的去除效果也良好，利用该设备处理抗生素制药废水是一种有效的方法。

3 结论及建议

一体化污水处理设备因具有结构紧凑、占地小、投资及运行费用小、工艺简单、处理效果好等优点，在城市排水管网难以覆盖的区域具有广阔的应用和推广前景。一体化污水处理设备采用的处理工艺较多，针对不同类型的污水，可以合理组合各种工艺进行设计。纵观现有的一体化污水处理设备，作者对未来一体化污水处理技术的研究提出以下几点建议：

（1）应强化一体化污水处理设备脱氮除磷的功能，减轻河流、湖泊等水体富营养化的污染形势，保障居民饮用水的安全。

（2）现有的一体化污水处理设备多是几种传统工艺的结合，仅仅实现了结构上的一体化，存在着设备过多或结构不紧凑等缺点，今后应在工艺的选择和结合方面多作研究，设计出工艺更加合理、结构更紧凑、去除效率更高的一体化污水处理设备。

（3）今后的一体化污水处理设备应向着高度集中化、自动化、系列化、成套化等方向发展，实现一体化设备的现代化。

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