董 景 翟宇超 周湘杰

（四川大學建筑與環(huán)境學院，成都，610065）

我國水資源缺乏，目前人均水資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。在水資源短缺的同時，我國水環(huán)境的質量也令人堪憂。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市人口的增加，我國污水排放量呈逐年增長趨勢，2011年全國污水排放量達到652.1億噸。據(jù)統(tǒng)計，2011年全國地表水總體為輕度污染，湖泊（水庫）富營養(yǎng)化問題仍突出［1］，水環(huán)境形勢依然十分嚴峻。截至2010年底，中國已建成投運城鎮(zhèn)污水處理廠2832座，全國城市污水處理率達到77.4%。這些污水處理廠的有效運行，都是依賴城市完善的排水管網(wǎng)系統(tǒng)。而對于那些城市污水收集管道難于延伸的區(qū)域（如農村、小城鎮(zhèn)、城郊生活區(qū)等），污水處理率仍然很低。2000年，建設部、國家環(huán)保局和科技部聯(lián)合頒布的《城市污水處理及污染防治技術政策》規(guī)定對不能納入城市污水收集系統(tǒng)的居民區(qū)、旅游景區(qū)、度假村、療養(yǎng)院、機場、鐵路車站、經(jīng)濟開發(fā)區(qū)等分散的人群聚居地排放的污水和獨立工礦區(qū)的工業(yè)廢水應就地處理達標排放［2］。這就為小型一體化污水處理設備的應用和發(fā)展提供了廣闊的空間。對于污水不能進入城市收集管網(wǎng)的地區(qū)來說，研發(fā)工藝簡單、投資和運行費用少、處理效率高、節(jié)能的一體化污水處理設備具有十分重要的現(xiàn)實意義。作者旨在介紹一體化污水處理設備的研究現(xiàn)狀和應用情況，為未來污水處理設備的進一步發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 一體化污水處理設備及其優(yōu)勢

1.1 一體化污水處理設備簡介

一體化污水處理設備是以生化反應為基礎，將預處理、生化、沉淀、消毒、污泥回流等多個功能不同的單元有機的結合在一個設備之中而形成的污水處理組合體。該設備不僅適用于城市排水管網(wǎng)難以覆蓋的城市邊緣地帶和新區(qū)以及經(jīng)濟相對落后的廣大農村、小城鎮(zhèn)地區(qū)，還可以處理與城市生活污水性質類似的部分工業(yè)廢水和醫(yī)院、涉外賓館等城市特種廢水。國家有關政策規(guī)定城市特種廢水未經(jīng)處理不得直接排入市政排水管網(wǎng)［3］。

1.2 一體化污水處理設備的優(yōu)勢

與大型的污水處理廠相比，一體化污水處理設備具有不可替代的優(yōu)勢：（1）投資和運行費用少。一體化污水處理設備投資少，操作和管理方便，不需對操作人員進行專門的培訓，只需適時對設備進行維護和保養(yǎng)，所以，運行費用也很低。（2）節(jié)約空間。城市土地資源日益緊缺，大型的污水處理廠占地面積大，增加了城市用地壓力。而一體化污水處理設備體積較小，節(jié)約空間，搬運靈活。一些設備還可以埋于地下，不占用地表面積。（3）緩解城市排水管網(wǎng)建設壓力。完善的城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)是污水處理廠正常運行的基礎條件。對于人群聚居較分散的區(qū)域，一般離城市中心較遠，建設排水管網(wǎng)并不現(xiàn)實，這就給一體化污水處理設備提供了應用的空間。這些地區(qū)產(chǎn)生的污水可以經(jīng)污水處理設備處理后直接排放到附近的接納水體中，而不需經(jīng)排水管網(wǎng)收集進行集中處理，極大地緩解了建設市政污水管網(wǎng)的壓力。（4）污水回用效率較高。污水處理廠的污水回用系統(tǒng)一般較復雜，管網(wǎng)規(guī)模大，管理維護難度較大。而一體化污水處理設備不需安裝大規(guī)模的管網(wǎng)系統(tǒng)，可以靈活布置污水回用節(jié)點，比傳統(tǒng)的大型污水處理系統(tǒng)更具優(yōu)勢。

2 一體化污水處理設備研究現(xiàn)狀

一體化污水處理設備迄今已有30多年的研究歷史，目前日本、歐美等國家和地區(qū)已將其廣泛應用于城鎮(zhèn)生活污水和部分工業(yè)廢水處理。我國在這方面也取得了較大的成績，近年來我國學者對一體化污水處理設備進行了廣泛的研究，設備采用的工藝從原來單一的活性污泥法或生物膜法逐漸發(fā)展到多種方法結合的復合工藝。

2.1 一體化生物接觸氧化反應器

當要求以有機物為主要去除對象時，可采用接觸氧化工藝。生物接觸氧化工藝兼具活性污泥法和生物膜法兩者的特點，具有水力停留時間短，有機物負荷高，耐沖擊負荷能力強，剩余污泥少，出水水質好，管理方便等優(yōu)點。生物接觸氧化工藝已被廣泛用于處理生活污水、工業(yè)廢水、活性表面劑類廢水以及含油廢水等［4］。研究表明，多級接觸氧化反應器的處理效率要高于單級接觸氧化反應器［5］。

于1994年開發(fā)的WSZ地埋式生活污水處理裝置的核心處理單元就是接觸氧化池，池內安裝半軟性填料，污水停留時間為2.5～3.2h，結果發(fā)現(xiàn)該設備處理效果好，對氨氮也有良好的去除率［6］。該設備自研發(fā)至今，已在我國有較多的推廣和應用。嚴榮等［7］對一體化接觸氧化反應器處理某景區(qū)生活污水的效果進行了實驗研究。該反應器內裝填生物膜組合填料，采用間歇曝氣，在好氧—厭氧環(huán)境的不斷交替下，達到脫氮的效果。實驗表明，反應器對COD、NH3－N和TN的去除率分別可達80.82%、69.12%和63.16%，處理成本約為0.25元／m3。近年來也有學者將接觸氧化法和活性污泥法結合，如楊云平［8］開發(fā)了一種活性污泥－接觸氧化氣提式內循環(huán)一體化反應器，將組合填料置于曝氣區(qū)，通過曝氣動力實現(xiàn)了混合液的內循環(huán)。

2.2 一體化生物流化床

生物流化床是以粒徑為0.3～3.0mm的活性炭、沸石、磁環(huán)及多孔高分子聚合物等為載體，污水為流化介質，通過載體生物膜的吸附降解作用去除有機污染物［9］。與接觸氧化工藝相比，生物流化床污泥濃度更高、耐沖擊能力更強、剩余污泥更少、無濾料堵塞難題，而且生物流化床具有流程緊湊、占地面積小、出水水質好等優(yōu)點。但是，流化床必須在高速運行下才能使載體流態(tài)化，故能耗較高、運行管理較復雜，并不適合分散生活污水的處理。目前，生物流化床反應器形式多樣：按循環(huán)方式可分內循環(huán)、外循環(huán)流化床；按床內物相可分為二相、三相流化床；按微生物需氧環(huán)境可分為好氧、厭氧以及厭氧－好氧流化床。隨著研究的進展，一些新型流化床反應器不斷涌現(xiàn)，如MBBR移動床生物膜反應器、BASE三相生物流化床、Circox氣提式生物流化床、磁場生物流化床、固定化－流化床生物反應器等。

近年來，一體化生物流化床成為國內學者研究的熱點。肖鴻等［10］將多孔聚合物載體用于厭氧－好氧一體化生物流化床反應器中處理高濃度有機廢水。在新型一體化生物流化床反應器中添加多孔聚合物載體處理高濃度有機廢水，是一種創(chuàng)新的嘗試。當進水COD在2700～4653mg／L時，反應器對COD的去除率均值可達90.6%；當進水氨氮濃度為280.3～350.7mg／L時，對氨氮的平均去除率為81.0%。

2.3 SBR反應器

SBR反應器是由英國學者Arden和Locket于1914年發(fā)明的，而它的研究發(fā)展始于20世紀70年代。SBR反應器將進水、反應、沉淀、排水和閑置五個階段按時間順序集中在一個裝置中完成。它的主要特點是在一個池內完成污水處理的全過程，所以節(jié)省占地面積，基建費用少。同時，SBR反應器抗沖擊負荷能力強，處理效果較好，對氮、磷也有一定的去除效果，不易產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象，適合小水量的污水處理。有研究表明，SBR反應器能實現(xiàn)分散式生活污水處理的達標排放［11］。

隨著SBR反應器研究的進行，出現(xiàn)了很多可以處理不同性質污水的改進工藝，如CASS、ICEAS、SBBR、MSBR、UNITANK、DAT－IAT 等。其中，DAT－IAT是典型的SBR改進工藝。DAT－IAT一體化設備的主體構筑物由需氧池（DAT）和間歇曝氣池（IAT）組成。其中，DAT池連續(xù)進水，持續(xù)曝氣；在IAT池完成曝氣、沉淀、潷水、排泥過程。DAT－IAT一體化設備既有SBR的靈活性，又有傳統(tǒng)活性污泥法的連續(xù)性和高效性，已在生活污水和工業(yè)廢水處理方面有所應用。秦皇島某交通酒店采用地埋式DAT－IAT一體化設備對其生活污水進行處理，該設備一直穩(wěn)定運行，無需專人管理，可實現(xiàn)厭氧、缺氧和好氧狀態(tài)，對生活污水和洗滌廢水處理效果良好［12］。也有學者在DAT－IAT工藝基礎上前置一個缺氧池，形成A／DAT－IAT工藝，增強了脫氮除磷的效果。

近年來SBR與其他工藝相結合而成的復合工藝發(fā)展也比較迅速。SBR與A／O或A2／O工藝相結合的一體化設備，具有良好的脫氮除磷功能。序批式生物膜反應器（SBBR）是一種新型的變型SBR工藝，其將填料裝填在SBR反應器內，為生物提供了更有利的生存環(huán)境，大大提高了設備的處理能力和穩(wěn)定性。目前國內對SBBR的研究主要集中在工業(yè)廢水和部分城市生活污水處理上，將其用于一體化污水處理設備具有廣闊的前景。

2.4 一體化氧化溝

一體化氧化溝的主要特點是船型的二沉池被合建于氧化溝內。按二沉池置于氧化溝的部位，可分為溝內式、側溝式和中心島式一體化氧化溝。一體化氧化溝不用另建單獨的沉淀池，無需污泥回流系統(tǒng)，大大節(jié)省了占地面積和基建費用；抗沖擊能力強，運行穩(wěn)定，可以脫氮除磷，運行管理方便。一體化氧化溝的這些優(yōu)點使其特別適用于小區(qū)域污水的集中處理。

有學者將一體化氧化溝和厭氧、缺氧及好氧工藝合理組合，加強裝置的脫氮除磷作用。如立體循環(huán)氧化溝（IODVC），它由曝氣轉刷、上下兩層溝道和沉淀區(qū)組成［11］。上層溝道為好氧區(qū)，下層溝道為缺氧區(qū)，水流在上下兩層豎直循環(huán)，大大節(jié)省了占地面積；沉淀池建在氧化溝的一端，沉淀的污泥可以自動回流到氧化溝，無需污泥回流設備，節(jié)省了投資和能耗。實驗結果表明，立體循環(huán)氧化溝處理城市生活污水是可行的，對COD的去除率可達95%，NH3－N和TN的去除率也分別達到99%和90%以上［13］。在此基礎上開發(fā)的一種新型一體化立體循環(huán)污水生物脫氮除磷反應器（IBNPRVC），通過排出厭氧區(qū)富磷上清液，可在脫氮的同時達到良好的除磷效果［5］。江蘇金山環(huán)保有限公司發(fā)明了一種一體化多功能立體循環(huán)氧化溝設備，氧化溝內設有三塊隔板，將其自上而下分為一級好氧區(qū)、二級好氧區(qū)、缺氧區(qū)及厭氧區(qū)四個隔室，二沉池安裝在溝的兩側，在二沉池上部出水口處設有消毒裝置，氧化溝頂部設有生物除臭裝置［14］。本設備集脫氮、除磷、除臭和消毒與一體，具有結構緊湊、占地少、結構簡單等特點，尤其適用于城市生活社區(qū)生活污水的處理。

2.5 一體化膜生物反應器

一體化膜生物反應器（MBR）是結合膜分離技術和生物處理工藝而開發(fā)的新型污水處理裝置，它具有處理效果好、能耗低、結構緊湊、剩余污泥少、易于自動管理等優(yōu)點，但也存在著膜污染的問題。目前MBR技術已廣泛應用于國內很多大型污水處理廠，在20m3／d以下的小型污水處理工程中應用較少。肖珊等［15］用小型一體化MBR設備對鄭州某農家樂4m3／d的生活污水進行了處理，去除效果穩(wěn)定，對 COD、BOD、SS、和 NH3－N 的去除率均在90%以上。2008北京奧運香港馬術比賽場就采用了“一體化膜生物反應器”處理來自比賽馬匹集中點的馬糞尿、清洗污水及工作人員生活污水，該設備占地面積小、空間緊湊、節(jié)能效率高，實現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)上的水質和運行程序全自動在線監(jiān)控［16］。

缺氧－好氧膜生物反應器（A／O－MBR）具有良好的脫氮能力，廣泛應用于分散聚居區(qū)回用水處理［17］。按缺氧區(qū)和好氧區(qū)分布形式，一般可分為并式、立式一體化 A／O－MBR。立式一體化 A／OMBR占地面積小，具備將其投入工程應用的潛質。重慶大學的Zhang DJ等［18］開發(fā)了一種立式一體化A／O－MBR，膜組件置于好氧區(qū)，污水以升流形式依次通過厭氧區(qū)和好氧區(qū)，厭氧區(qū)產(chǎn)生的甲烷進入好氧區(qū)作為反硝化的碳源。結果表明，該反應器對COD和氨氮的去除率分別可達99%和100%。

隨著廣大學者對一體化膜生物反應器的深入研究，現(xiàn)在出現(xiàn)了很多MBR與其他工藝相結合的復合一體化反應器。王星驊等［19］將 MBR與 MBBR（移動床生物膜反應器）結合，開發(fā)了一體化新型移動床膜生物反應器 M－MBBR；蘇錦明等［20］將 MBR與CASS工藝結合開發(fā)了一種新型的一體化MCASS設備；哈爾濱工業(yè)大學環(huán)境生物技術中心［21］開發(fā)了一體式UASB－MBR反應器，適于水量和污染物濃度變化較大的工業(yè)廢水處理；還有學者將MBR與SBR工藝結合發(fā)明了序批式一體化膜生物反應器（SBMBR）。這些新型的一體化復合式膜生物反應器出水水質更穩(wěn)定，管理運行方便，在處理分散生活污水和部分工業(yè)廢水領域有廣闊的應用前景。

2.6 一體化A／O或A2／O設備

A／O或A2／O工藝是污水處理最常用的工藝，具有出水水質好，耐沖擊能力強，運行成本低，管理容易等優(yōu)點。一體化A／O設備的外形多為筒式或套筒式。筒式設備的各功能區(qū)是上下分層布置的，污水以升流方式依次流經(jīng)厭氧區(qū)、好氧區(qū)和沉淀區(qū)；套筒式設備各功能區(qū)水平布置，內筒一般為厭氧區(qū)，中筒為好氧區(qū)，外筒為沉淀區(qū)，污水由內向外依次流經(jīng)厭氧區(qū)、好氧區(qū)和沉淀區(qū)。

而A2／O工藝脫氮除磷效果好，適合處理含復雜有機物和氮組分的工業(yè)廢水。由丹麥開發(fā)的一體化OCO設備是一種變形的A2／O套筒式設備，曝氣池由三個相互聯(lián)接的圓形結構和帶有半圓形隔板的結構組成，里圈、外圈隔墻為圓形，中圈為半圓形，分為厭氧區(qū)（內區(qū)）、缺氧區(qū)（中區(qū)）和好氧區(qū)（外區(qū)），水流循環(huán)不需泵，由每區(qū)水下攪拌器控制水的混合程度［22］。李德豪等［23］在此基礎上發(fā)明了一體化膜泥法OCO污水處理裝置，主要特點是將二沉池合建于OCO反應器中，實現(xiàn)了污泥的自動回流，減少了投資和運行費用。該設備的除磷效果良好，除磷效率可達90%以上［24］。有學者［22］將一體化 OCO設備進行了改進（即一體化MOCO設備），分別將半圓形隔墻的兩末端延伸60°，使隔墻弧度增至300°，加大了缺氧區(qū)的有效容積，減少了混合區(qū)的體積，脫氮除磷效果較OCO工藝明顯提高，活動導流墻代替了回流攪拌器，明顯降低能耗。

針對不同類型的廢水，一些A／O或A2／O裝置多與活性污泥法或生物膜法結合，或科學的在厭氧段或好氧段的前、后加上其他處理工藝，以強化處理效果。

2.7 其他一體化污水處理設備

除上述一體化污水處理設備外，將各種物理、化學與生化反應相結合的一體化設備也開始出現(xiàn)。一體化生物電化學反應器（BER）就是典型的代表，它將電凝聚和電氣浮等電化學反應與生化反應相結合，在去除水中的有機物、細菌、有毒重金屬和其他毒物的同時，還能降低濁度［25］。Gonzalez O 等［26］用Fenton－SBBR一體化設備處理含抗生素廢水，實驗結果表明，當SBBR水力停留時間為8h時，總碳去除率可達75.7%，氮的去除效果也良好，利用該設備處理抗生素制藥廢水是一種有效的方法。

3 結論及建議

一體化污水處理設備因具有結構緊湊、占地小、投資及運行費用小、工藝簡單、處理效果好等優(yōu)點，在城市排水管網(wǎng)難以覆蓋的區(qū)域具有廣闊的應用和推廣前景。一體化污水處理設備采用的處理工藝較多，針對不同類型的污水，可以合理組合各種工藝進行設計?？v觀現(xiàn)有的一體化污水處理設備，作者對未來一體化污水處理技術的研究提出以下幾點建議：

（1）應強化一體化污水處理設備脫氮除磷的功能，減輕河流、湖泊等水體富營養(yǎng)化的污染形勢，保障居民飲用水的安全。

（2）現(xiàn)有的一體化污水處理設備多是幾種傳統(tǒng)工藝的結合，僅僅實現(xiàn)了結構上的一體化，存在著設備過多或結構不緊湊等缺點，今后應在工藝的選擇和結合方面多作研究，設計出工藝更加合理、結構更緊湊、去除效率更高的一體化污水處理設備。

（3）今后的一體化污水處理設備應向著高度集中化、自動化、系列化、成套化等方向發(fā)展，實現(xiàn)一體化設備的現(xiàn)代化。

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