1.2　降低运行费用方法的分析和研究

进入21世纪后，我国污水处理主要方向已由高浓度工业大户的废水处理转向城市生活污水处理。投资的重心已由工业的点污染源谁污染谁处理转向由政府投资治理城市生活污水。大中城市的行政领导也日益重视对城市生活污水的处理，因而21世纪将成为我国城市生活污水处理的世纪。这对污水处理提出更高的标准［2003年7月1日实施《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）］，要求处理后水质达到城镇污水处理厂一级A类标准。寻找一种投资少、运行费用低的污水处理方法也将成为21世纪污水处理方法的研究重心。

1.2.1　厌氧工艺

厌氧生物处理技术发展至今已有100多年历史。最早是在1860年Mouras采用厌氧方法处理经过沉淀的固态物质。1904年德国的Karl Imhoff发明了沿用至今的Imhoff双倍沉淀池。

20世纪70年代以来，污水厌氧生物处理技术以其具有运行费用低、有可以利用的能源（沼气）产生以及在处理高浓度废水方面的一系列优越性而得到较快的发展。随后，出现了第二代厌氧反应器——升流式厌氧化污泥床反应器（UASB）、厌氧滤池（AF）。

第二代厌氧反应器AF运行的关键是高效、稳定和易操作管理的填料的使用。高效的填料成本高，而廉价的填料则易造成反应器的堵塞。UASB运行的关键是三相分离器的合理设计和培养性能良好的颗粒污泥。三相分离器的设计，在国内尚无成熟的方法，而颗粒污泥的培养虽然在国外已经有成功的经验，但在国内还处于探索和深入研究阶段。

第三代厌氧反应器的开发研究是20世纪80年代中后期开始的，主要有荷兰Wageningen农业大学的厌氧颗粒污泥膨胀床反应器（EGSB）及厌氧内循环反应器（IC），美荷Biothane系统国际公司的厌氧升流式流化床（UFB BIOBED）和美国MaCarty等的厌氧折流板反应器（ABR）等。

近年来，将厌氧工艺环节引入城市生活污水处理是城市生活污水处理的一大进步。厌氧工艺不耗能，不需运行费用，是一种好的方法。几年前风靡一时的应用于城市小区生活污水处理的方法，俗称“无动力”化粪池，起过积极作用。遗憾的是数年来大量的工程实践证明，其出水COD浓度始终在150～200mg/L徘徊，不能满足《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）中的一级标准（COD≤100mg/L），这是采用厌氧工艺的技术上的“障碍”。无论怎样设法提高“厌氧”工艺的处理效率，其只能在高浓度方向体现巨大的优点，而在低浓度方向，将COD浓度降到100mg/L以下似乎是不太可能的事，这是由厌氧细菌的生活条件决定的，是自然规律。

因此，当国家允许污水排放标准提高到排放一级B标准后，城市（包括小区在内）生活污水处理必须要求有动力，“无动力”化粪池是不合乎国家要求的。

本书不对于厌氧作深入研究。

1.2.2　好氧工艺

在自然界存在着大量依靠有机物生活的微生物，它们有氧化分解有机物并将其转化为无机物的巨大能力。生物处理法就是利用这一功能并采取一定的人工措施，创造有利于微生物生长、繁殖的环境，使微生物大量增殖，以提高微生物氧化分解有机物效率的一种污水处理方法。我们所研究的是污水处理，所关心的是水体中的微生物，是水体生态环境中生长的微生物，创造有利于微生物生长、繁殖的水体生态环境可使水体中微生物的生态食物链恢复，从而恢复到没有受到污染时的水体状态，恢复到天然水体状态。水体生态环境中有许多生存因子，其中起决定性作用的是限制因子，对于水生生物来说其限制因子是水中的氧气。

水体中的微生物也依照其对氧气的需求分为好氧微生物和厌氧微生物。所以，生物处理法也就分为好氧和厌氧两大类。由于好氧生物处理效率高，使用广泛，它已成为生物处理法的主流。本书重点放在好氧生物处理的研究。

好氧生物处理又分为活性污泥法和生物膜法两种。

活性污泥法是水体自净（包括氧化塘）的人工强化，是使微生物群体在曝气池内呈悬浮状，并和污水接触而使之净化的方法。

生物膜法则是土地自净（如灌溉田）的人工强化，是使微生物群体附着在其他物体表面上呈膜状，并让它和污水接触而使之净化的方法。

生物处理法主要用来去除污水中溶解性和胶体性有机物，同样也可有效地处理某些含酚、腈、醛等有毒物质的工业污水。

1.2.2.1　活性污泥法体系

（1）活性污泥法的基本原理　活性污泥法是城市污水和有机性工业污水的有效生物处理法。它于1914年在英国曼彻斯特市建成试验厂以来，已有100多年历史。随着生产上的应用和不断改进，特别是近十多年来，在对其生物反应和净化机理进行广泛深入研究的基础上，活性污泥法得到了很大发展，出现了各种工艺流程。特别是计算机的迅速发展，将电脑用于自动控制工艺流程的运转，在降低投资费用和运行费用方面有了很大进展，目前，它已成为有机性污水生物处理的主体，被广泛应用。只有深入了解该法，才能全面理解本书提出的势能大气复氧理论是怎样在前人基础上发展起来的和其实际意义。

①活性污泥法的概念与流程　向生活污水注入空气进行曝气，并持续一段时间后，污水中即生成一种絮凝体。这种絮凝体主要由大量繁殖的微生物群体所构成，它易于沉淀分离，并使污水得到澄清，这就是“活性污泥”（activates sludge）。活性污泥法则是以活性污泥为主体的生物处理方法。

活性污泥是以大量的活性微生物为主体，主要由菌胶团细菌、原生动物和后生动物组成，此外，还有一些无机物、未被微生物分解的有机物和微生物自身代谢的残留物。活性污泥结构疏松、表面积很大，对有机污染物有着强烈的吸附凝聚和氧化分解能力，同时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机物为培养基，在有溶解氧的条件下，连续地培养活性污泥，再利用其吸附凝聚和氧化分解作用使污水得以净化。普通活性污泥法的处理工艺流程见图1-11，它由以下几个部分组成。

a.初沉池——用以除去污水中原生悬浮物。悬浮物少时，可以不设。

b.曝气池——使污水中的有机污染物与活性污泥充分接触，并吸附和氧化分解有机污染物质。

c.曝气系统——供给曝气池生物反应所必需的氧气，并起混合搅拌作用。

d.二沉池——用以分离曝气池出水中的活性污泥。

e.污泥回流系统——把二沉池中的一部分沉淀污泥再回流到曝气池，以保证曝气池有足够的微生物浓度。

f.剩余污泥排放系统——在曝气池内，污泥不断增殖，这部分净增的污泥量构成所谓剩余污泥，通过排放系统将其排放。

②活性污泥法的净化过程与机理　活性污泥对污水中悬浮性或溶解性有机污染物（少数无机污染物）的净化，是由活性污泥吸附凝聚、氧化合成两个活性作用完成的。要使活性污泥维持良好的状态，吸附凝聚和氧化合成应保持适当的平衡。只要条件适当，活性污泥在与污水初期接触的20～30min，就可以去除75％以上的BOD，这种现象称为活性污泥的初期吸附或生物吸附。

这种初期高速去除现象是吸附作用所引起的。由于活性污泥表面积很大（介于2000～10000m²/m³），且表面具有多糖类黏质层。因此，污水中悬浮的和胶体的物质能被吸附与凝聚而迅速去除。同时吸附还需和氧化合成保持适当的平衡。若氧化分解充分，即原吸附于污泥上的有机物代谢彻底，初期去除率就高，反之则低。但由于过分自身氧化也会失去活性，同样也会降低初期去除率。

污水中的有机物通过生物降解，一部分氧化分解形成二氧化碳和水，一部分合成细胞物质成为菌体。如果形成菌体的有机物不从污水中分离出去，这样的净化不能算结束。为了使菌体从水中分离出来，在曝气池之后必须设立二沉池，应用重力沉淀法将其分离。如果每个菌体都处于松散状态，由于其大小与胶体颗粒大体相同，那就要保持稳定悬浮状态，沉淀分离是不可能的。因此，必须要使菌体凝聚成为易于沉淀的絮凝体，称为生物絮体（biofloc）。易于形成絮凝体的细菌有动胶菌属、产碱杆菌、无色杆菌、黄杆菌和假单胞菌等。

（2）污泥处置与污泥处理　在污水处理过程中，产生大量的污泥，其数量占处理水量的0.3％～0.5％（含水率以97％计）。污泥处置的目的在于使污水处理厂能够正常运行，有毒物质得到及时处置，有用物质得到利用。污泥处置费用占全厂运行费用的20％～50％。

（3）活性污泥法的新进展　活性污泥法是污水生物处理的主要方法。20世纪90年代以前已对其净化机理和曝气原理进行了大量的试验研究，使活性污泥法在设计和运行方面有了很大改进。90年代以后，在计算机高速发展的带动下，又有了进一步的改进，自动化程度增加并上了一个台阶。下面将介绍这两个时期的改进情况。

①20世纪90年代之前的改进　活性污泥法发展到这个时期以前还存在着很多问题，如处理构筑物庞大、基建投资过大、占地面积过大、电耗过多、管理复杂、处理成本较高等，此外，在净化功能方面也有待提高。经过针对上述问题的深入研究，上述问题已有了很大改进。

a.工艺方面的改进

Ⅰ.纯氧曝气法：这是在提高供氧能力上的改进。纯氧曝气法就是以氧气代替空气。

Ⅱ.深水（井）曝气法：根据亨利定律，气体在水中的溶解度与水压有关，深水曝气可使氧的转移率和水中溶解氧浓度大幅度提高。该法优点是节约了能耗，使运行费用降低，缩短了曝气时间，减少了剩余污泥量等。

Ⅲ.Z-A法：这是二段活性污泥法。第一段称“粗处理”，第二段称“精处理”，基建投资基本上相当于普通活性污泥法。

Ⅳ.粉末活性炭-活性污泥法。

b.净化功能方面的进展

Ⅰ.脱氮、除磷功能：20世纪90年代后才有了重大进展。

Ⅱ.对有机化合物的去除：20世纪90年代后才有重大进展。

（2）20世纪90年代之后的进展　20世纪90年代之后由于计算机的飞速发展，活性污泥法系统中的SBR技术也得到广泛应用，这是一大进步。

a.SBR污水生物处理技术　序批式（间歇）活性污泥法（Sequencing Batch Reactor，SBR），是20世纪90年代之后在国内外引起广泛重视和研究日趋增多的一种废水处理工艺，且目前有很多生产装置在运行中。1914年英国学者Ardem和Locket发明活性污泥法时，采用的就是这种处理系统。

20世纪70年代初，美国进行了实验室规模研究。1980年在印第安纳州投产了世界上第一个SBR法污水处理厂，继而日本、德国、法国、澳大利亚等国也都对SBR工艺进行了应用研究。澳大利亚是应用SBR最多的国家之一，现已建成SBR法污水处理厂600多座。

我国于20世纪80年代中期开始时SBR污水处理工艺进行研究和应用。

Ⅰ.SBR工艺的技术特征及操作。SBR反应器在处理废水时的操作过程包括五个阶段：进水期、反应期、沉淀期、排水排泥期、闲置期。SBR的运行工艺是以间歇操作为主要特征。序批式有两种含义：一是运行操作在空间上是按次序排列、间歇的。二是每个SBR反应器的运行操作在时间上也是按次序排列、间歇的。完成上述五个阶段称为一个运行周期（图1-12），周而复始运行。

Ⅱ.五个阶段的功能如下所述。SBR工艺废水的降解主要发生在进水期和反应期。

进水期：进水期是反应池接纳污水的过程，一般为几个小时。

反应期：反应期是在进水期结束后或SBR反应器充满水后，进行曝气或搅拌以达到处理的目的（去除BOD、硝化、脱氮除磷）。

沉淀期：沉淀工序相当于传统活性污泥法的二沉池，具有沉降时间短、沉淀效率高的优点。沉淀期所需的时间一般为1～2h。

排水排泥期：排出活性污泥沉淀后的上清液，作为处理出水，一直排放到最低水位。SBR反应器中的活性污泥数量占反应器容积的30％左右。

闲置期：闲置期的作用是通过搅拌、曝气或静置使微生物恢复活性，并起到一定的反硝化作用而进行脱氮，为下一个运行周期创造良好的初始条件。它是保证SBR工艺处理出水水质的重要阶段。

b.SBR工艺改进型

Ⅰ.ICEAS工艺：ICEAS（Intermittent Cyclic Extended Aeration System）工艺是间歇循环延时曝气活性污泥法的简称，其最大特点是在反应器的进水端增加了一个预反应区，运行方式为连续进水（沉淀期和排水期仍保持进水）、间歇排水，没有明显的反应阶段和闲置阶段。

Ⅱ.DAT-IAT工艺：DAT-IAT工艺的主体构筑物由两个串联的反应池组成，即需氧池（Demand Aeration Tank，DAT）和间歇曝气池（Intermittent Aeration Tank，IAT），一般情况下DAT池连续进水、连续曝气，其出水进入IAT池，在此完成曝气、沉淀、滗水和排出剩余污泥工序。

Ⅲ.CASS（CAST，CASP）工艺：CASS（Cyclic Activated Sludge System）或CAST（Cyclic Activated Sludge Technology）或CASP（Cyclic Activated Sludge Process）工艺全称为循环式活性污泥法。CASS的整个工艺为一间歇反应器，在此反应器中活性污泥法过程按曝气和非曝气阶段不断重复，将生物反应过程和泥水分离过程结合在一个池子中进行。每一CASS反应器至少由两个区域组成，即生物选择区和主反应区，但也可以在主反应区前设置一兼氧区。

Ⅳ.UNITANK工艺：UNITANK工艺的外形是一矩形体，里面被分割成三个相等的矩形单元池，相邻的单元池之间以开孔的公共墙相隔，以使单元池之间彼此水力贯通。在3个单元池内全部配有曝气扩散装置，其中外侧的两个池具有双重功能，既作曝气池，也作沉淀池，两池上还设有固定出水堰及剩余污泥排放口，中间池始终作曝气池使用。进入系统的污水通过进水闸控制可分时序分别进入三个矩形池中任意一池。

Ⅴ.MSBR工艺：改良式序列间歇反应器（Modified Sequencing Batch Reactor，MSBR）。MSBR无需设置初淀池、二沉池，且在恒定水位下连续运行。采用单池多格方式，无需间断流量，还省去了多池工艺所需的更多连接管、泵和阀门。

1.2.2.2　生物膜法体系

污水生物处理的生物膜法是使细菌、菌类等微生物和原生动物、后生动物等微型动物在滤料或某些载体上生长繁育，形成膜状生物性污泥——生物膜。通过与污水的接触，生物膜上的微生物摄取污水中的有机污染物作为营养，从而使污水得到净化。

（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会出现黏乎乎的一层东西，这就是生物膜。要想清除洗涤，用自来水高压冲不掉，必须要用清洗剂，还要用刷子，甚至要用钢丝刷才能清洗掉。也就是说如果污水经常（或长期）与滤料或某种载体流动接触（或间断接触），则在滤料或载体的表面上将形成生物膜，并逐渐成熟。

生物膜成熟的标志是生物膜沿水流方向的分布、生物膜上由细菌及各种微生物组成的生态系统和对有机物的降解功能都达到了平衡和稳定状态。从开始到成熟，生物膜要经过潜伏和生长两个阶段，一般城市污水，在15～20℃条件下，大致需要30天的时间。

生物膜是高度亲水的物质，在污水不断流动的条件下，在其外侧总是存在着一层附着水层。生物膜又是微生物高度密集的物质，在膜的表面上和一定深度的内部生长繁殖着大量各种类型的微生物和微型动物，并形成有机污染物→细菌→原生动物（后生动物）的食物链。

生物膜最初直接在滤料或填料表面上形成，在其形成并成熟后，由于微生物的不断增殖，生物膜的厚度不断增加，增加到一定程度，在氧气不能透入的里侧深部转变为厌氧状态，形成厌氧性膜。这样，生物膜便由好氧和厌氧两层组成，好氧层厚度一般为2mm左右，有机物的降解主要是在好氧层内进行。

在生物膜内、外，生物膜与水层之间进行着多种物质的传递过程。空气中的氧气溶解于流动的水层中，并通过附着水层传递给生物膜，供微生物呼吸；污水中的有机污染物，由流动水层传递给附着水层，再进入生物膜，并通过细菌的代谢活动而被降解。这样就使流动水层在其不断的流动过程中逐步得到净化。

当厌氧性层还不厚时，它与好氧层保持一种平衡稳定关系，好氧层能够保持良好的净化功能。当厌氧层逐渐加厚，会打破平衡，使生物膜呈老化状态，又因厌氧层中气态代谢产物的不断逸出，减弱了生物膜在滤料或载体上的固着力，促使了生物膜脱落。老化生物膜脱落后，又开始生成新的生物膜。

②生物膜法的特征

a.微生物相方面特征　生物膜法的各种处理工艺，都具有适于微生物生长、栖息、繁殖的安静稳定环境。生物膜一般都是固着在滤料、载体或者填料上的，其上能够生长世代时间较长的即比增殖速度很小的微生物，如硝化菌等。在生物膜上还可能大量出现丝状菌，而且没有污泥膨胀之虞。线虫类、轮虫类以及寡毛虫类的微型动物出现的频率较高，在日光照射的部位能够出现藻类。

故此，在生物膜上生长繁育的生物，类型丰富、种类繁多，食物链长且复杂。从表1-3可看到生物膜法和活性污泥法出现的微生物比较。

生物膜法多分段处理，在每段都生长繁育与进入本段污水水质相适应的微生物，且自然地成为优势种类，对有机污染物降解非常有利。

在生物膜上生长繁育的生物中，动物性营养者所占比例较大，微型动物的存活率亦高，生物的食物链长。在生物膜上能够生息高层次营养水平的生物，在辅食性纤毛虫、轮虫类、线虫类之上还生长栖息着寡毛类和昆虫。由于微生物固着于固体表面从而构成了稳定的生态系。高营养级的微生物越多，污泥量自然就越少，少于活性污泥法。

生物膜法的生物膜中对于像硝化菌这样世代比较长的细菌也能增殖。

b.处理工艺方面特征　生物膜法的各种工艺，对流入水水质、水量的变动都具有较强的适应性，这已为多数运行的处理设备所证实，即使中间停止一段时间供水，对生物膜的净化功能也不会带来明显地伤害，能够很快捷地得到恢复。

生物膜法在低水温条件下，仍能保持较为良好的净化功能。

生物膜法从生物膜上脱落下来的生物污泥，所含动物成分较多，相对密度较大，宜于固液分离。

生物膜法对于浓度低的污水，也能取得较好的处理效果，而且具有良好的硝化与脱氮功能。

生物膜法产生的污泥量少，一般来说，产生的污泥量较活性污泥法能够少1/4。

生物膜法的动力费用低。

本书的势能大气复氧理论不只是研究大气复氧，而且还与生物膜法的研究产生非常紧密的联系。从生物膜法特征的叙述中已经可以看到，该法在生物相方面食物链较长，优于活性污泥法；而且在工艺方面，适应性强、抗低温、污泥易沉淀、污泥量小、动力费用低等，优于活性污泥法。为什么生物膜法在实践生产的应用中没有活性污泥法那样流行？为什么在水处理的机理研究、改进提高处理效率、降低生产成本的研究等方面没有活性污泥法那么深入和广泛？深入研究生物膜法，详细了解生物膜法的处理机理，找出其没有活性污泥法应用广泛的原因是非常重要的。本书将详细介绍各种生物膜法。

（2）生物滤池　生物滤池是以土地自净原理为依据，在污水灌溉实践的基础上，经间歇砂滤池和接触滤池而发展起来的人工生物处理法。

1893年在英国试行将污水在粗滤料上喷洒进行净化的试验，取得成功。由于污水是采取喷洒方式洒在粗填料上，故称为滴滤池（frickling filter），在中国则称为生物滤池（biological filter），两者实际上是有区别的。

1900年以后，这种方法得到公认，命名为生物过滤法，构筑物则称为生物滤池，开始用于污水处理实践，并迅速地在欧洲一些国家得到广泛应用。

污水长期以滴状洒布在块状滤料的表面上，在污水流经的表面上就会形成生物膜。生物膜成熟后，栖息在生物膜上的微生物即摄取污水中的有机污染物质作为营养，从而使污水得到净化。

生物滤池是生物膜法处理污水的一种装置，由于有过滤性质，滤料易堵塞，故前面需设前处理，视污水水质不同而采用不同的前处理。例如，对悬浮物前处理设立初沉池等。

生物滤池滤料上的生物膜不断脱落更新，脱落的生物膜随处理水流出，因此，生物滤池后也应设沉淀池予以截留。

生物滤池也用于处理工业生产污水，实践证明，生物滤池完全能够有效地去除酚、醛等有机化合物。

①普通生物滤池　普通生物滤池又名滴滤池，是生物滤池早期出现的类型，即第一代生物滤池。它的结构大体由池体、滤料、布水装置和排水系统四部分组成（图1-13）。

生物滤池也用于处理工业生产污水，实践证明，生物滤池完全能够有效地去除酚、醛等有机化合物。

a.池体部分主要是承受滤料压力并排出处理后的污水。

b.滤料是生物滤池的主体部分。滤料选择在一般性能上应考虑质坚、高强、耐腐蚀、抗冰冻和就地取材，还要具有较高的比表面积和适宜的空隙率。

Ⅰ.比表面积　滤料表面是生物膜形成、固着的部位，较大的表面积是保持较大生物量的必要条件之一，也是控制生物处理设备净化功能的关键条件之一。表面积常用比表面积来衡量，即应用单位容积滤料所具有的表面积。

通常生物膜总能全部固着在滤料表面（也有不能全部固着生物膜的材料，则不能用，选择滤料时应先做这方面的试验。详见第2章1995年无锡某太湖水厂应用经验）。

比表面积越大，固着在滤料表面上的生物量越大，处理效率越高，去除BOD负荷也越大。比如请客吃饭，一桌饭菜为固定的数量，若请8人吃正好，10人吃则不够；若请8位老人吃则吃不了，若请8个年轻小伙子吃则不够吃。第一种情况是生物量问题，生物量越大（即吃饭人越多）则污染物去除越多（即一桌饭菜为固定数量）；第二种情况是比表面积问题，同样是8人一桌，但老人的消化能力差（比表面积小），则吃不了，而年轻小伙子能吃（比表面积大），则不够吃。

Ⅱ.适宜的空隙率　空隙率是单位容积滤料中所持有的空间所占有的百分率。滤料之间的空间是生物膜、污水及空气三相接触的部位，是供氧和氧的传递的重要部位。

比表面积和空隙率是互相矛盾的两个方面，比表面积高，空隙率则低，空隙率高，其表面积必然减少。空隙率不宜过高或过低，以适宜为好。

c.布水装置是向滤池表面均匀地撒布污水的设备，应该具有不受风雪的影响、适应水量的变化、不易堵塞和易于清通等特征。

d.排水系统的作用，一是排除处理后的污水；二是保证滤池通风良好。排水系统包括渗水装置、汇水沟和总排水沟等。

普通生物滤池设计时，应掌握以下两种负荷值。

Ⅰ.水力负荷：在保证处理水达到要求水质的前提下，1平方米滤料表面在1日内所能接受的污水水量（m³），其单位为m³/（m²·d）。

Ⅱ.BOD₅容积负荷：在保证达到要求水质的前提下，1立方米滤料在1日内所能接受的BOD₅的量，其单位为g/（m³·d）。

参数数值：水力负荷为1～4m³/（m²·d）；BOD₅容积负荷为100～200g/（m³·d）（年平均气温为3～10℃以上时）。

②高负荷生物滤池　高负荷生物滤池是生物滤池的第二代工艺。它的BOD容积负荷高于普通生物滤池6～8倍，水力负荷则为10倍。

高负荷生物滤池的高滤率是通过限制进水BOD₅值和在运行上采取处理水回流等措施而达到的。进入滤池污水的BOD₅值必须低于200mg/L，否则应用处理水回流稀释。它能够产生以下效果：可稀释进水，并可均化与稳定进水水质；提高进水量，加大水力负荷，及时冲刷过厚和老化的生物膜，促进生物膜更新，抑制厌氧层发育，使生物膜经常保持活性；抑制臭味的产生和滤池蝇的过度滋长。

③塔式生物滤池　塔式生物滤池（简称塔滤）属于第三代生物滤池。塔式生物滤池一般高达8～24m，直径1～3.5m，直径与高度比介于1:6～1:8。这种形式如塔的构造，使滤池内部形成较强的拔风状态，因此通风良好。污水自上而下滴落，水量负荷高，滤池内水流紊动强烈，从而使污水、空气、生物膜三者的接触非常充分，大大地加快了污染物质的传质速度。

塔式生物滤池适于处理生活污水、城市污水、有机性的工业废水和含氯、腈、酚以及醛废水。它只适于少量污水处理和小型污水处理厂。

建塔身时要分层建造，每层以<2m为宜，塔顶上缘应高出上层滤料的表面约0.5m（图1-14）。

通风采取自然通风，塔底有0.4～0.6m的空间，周围留有通风孔，其有效面积不得小于滤池面积的7.5％～10％。也可采用机械通风，机械通风时，按汽水比例为（100～150）:1的要求选风机。

（3）生物转盘　1964年德国斯图加特工业大学勃别尔和哈特曼教授发表了题为《生物转盘的设计、计算与性能》的科研报告，从而奠定了生物转盘发展的基础，现已得到国际上广泛应用。

①生物转盘的净化作用原理　生物转盘处理系统的核心处理构筑物是生物转盘，其他还有初沉池和二沉池。二沉池的作用是去除经生物转盘处理后污水所挟带的脱落生物膜。

生物转盘由盘片、接触反应槽、转轴及驱动装置等组成（图1-15）。

a.生物转盘是由盘片串联成一组，中心贯以转轴，盘片多为圆形，直径一般多介于2.0～3.6m，大者可达直径5.0m。盘片间距的标准值为30mm，如采用多级生物转盘，则前数级间距为25～35mm，后数级间距为10～20mm。盘片材料多为聚氯乙烯塑料。国外用低发泡聚苯乙烯板材，则厚度仅为3～7mm，盘片直径可达4.4m，轴长达8m。

串联的盘片转轴的两端安设在半圆形接触反应槽的支座上。转盘的40％～50％浸没在槽内的污水中，转轴高出水面10～25cm。

b.接触反应槽。一般为半圆形，生物转盘盘片直径的40％浸没于接触反应槽的污水中。接触反应槽的各部尺寸和长度，应根据转盘直径和轴长决定，盘片边缘与槽内面应留有不小于150mm的间距。槽底应考虑有放空管，槽的两侧设有进水和出水设备。

c.转轴与驱动装置。转轴是支承盘片并带动其旋转的重要部件。转轴长度一般应控制在0.5～7.0m，不能太长，否则往往由于同心度加工欠佳，易于挠曲变形，发生磨断或扭断，其直径一般介于50～80mm。

驱动装置包括动力设备、减速装置以及转动链条等，多用电动机驱动。

转盘的转动速度是重要的运行参数，减速装置要与设计转速匹配。转速不可过高，过高则有损于设备的机械强度，增加电耗，又由于转速过高在盘片表面产生较大的剪切力，易使生物膜过早剥离。一般转盘转速以0.8～3.0r/min，线速度以10～20m/min为宜。

生物转盘运行时，一般以较低的线速度在槽内转动，并交替地和空气与污水相接触。当转盘浸没于水中时，污水中的有机物为转盘上生物膜吸附和微生物吸收分解，而当转盘离开污水时，盘片表面上形成一层薄薄的水层。水层则与空气中的氧气进行大气复氧，而被生物膜吸附的有机污染物则为生物膜上的微生物所分解。因此，转盘每转动一周，即进行一次吸附-复氧-氧化分解过程。转盘不断地转动，使污染物不断地被分解氧化，同时，转盘附着的水层中的氧气是过饱和的，它把氧气带入接触反应槽，使槽中污水的溶解氧含量不断增加，微生物不断地增加，生物膜不断地增厚，衰老的生物膜在污水水流与盘片之间产生的剪切力作用下剥落，并随水流流入下一级转盘，最终在二沉池被截留，由于生物膜脱落形成的污泥具有较高的密度，易于沉淀。

生物转盘除了能去除有机污染物质外，还具有硝化、脱氮、除磷的功能。

②生物转盘的特征　生物转盘在工艺和维护运行方面具有如下特点。

a.微生物浓度高。最初几级的生物转盘上的生物膜量如折算成曝气池的MLVSS，可达40000～60000mg/L（接触反应槽容积），F/M为0.05～0.1，这是生物转盘高效率的一项主要原因。

b.生物相分级。在每级转盘生长着适应于流入该级污水性质的生物相，这种现象对微生物的生长繁育、有机物降解是非常有利的。

c.污泥龄长。在转盘上能够增殖世代时间长的微生物，如硝化菌等。因此，生物转盘具有硝化、反硝化的功能。

d.对BOD值达10000mg/L以上的超高浓度有机污水到10mg/L以下的超低浓度污水都可以采用生物转盘进行处理，并能够得到较好的处理效果。因此，本法可耐冲击负荷。

e.在生物膜上的微生物的食物链较长，因此，产生的污泥量较少，约为活性污泥处理系统的1/2左右。在水温为5～20℃的范围内，BOD去除率为90％的条件下，去除1kgBOD的产泥量约为0.25kg。污泥质密，易于沉淀。

f.不曝气，污泥不回流，因此，动力消耗低是本法最突出的特征之一。每去除1kgBOD的耗电量约为0.7kW·h，运行费用低。

g.不需要经常调节新鲜的污泥量，不存在产生污泥膨胀的麻烦，复杂的机械设备少，因此，便于维护管理。

h.设计合理。运行正常的生物转盘，不产生滤池蝇，不散发臭味，不出现泡沫，也不产生噪声，因此，不存在发生二次污染的现象。

i.生物转盘的流态，从一个生物转盘单元来看是完全混合型，接触反应槽内污水也因转盘不断转动得到较好的混合，多级转盘是推流式，因此，生物转盘的流态，应按完全混合-推流来考虑。

③生物转盘布置、工艺流程及设计　生物转盘布置、工艺流程及设计在此仅仅介绍与本书理论有关的内容，其余详情请参考有关参考文献。

a.生物转盘布置　布置的形式主要根据污水的水质、水量、净化要求达到的程度以及设置转盘场地现场条件等因素决定。实践证明，对同一污水，如盘片面积不变，将转盘分为多级串联运行，能够提高出水水质和水中溶解氧含量。

b.工艺流程　生物转盘的基本工艺流程见图1-16。

根据不同的污水水质及处理要求可改变基本程序。例如，将高浓度BOD由数千毫克每升降至20mg/L，则可设中间沉淀池，前面转盘级数加多组数，后面转盘可减少级数组数。如果为去除氮磷，则可加入淹没式转盘或投加药品等。

c.生物转盘设计　生物转盘设计的主要内容是计算所需转盘的总面积、盘片总片数，接触氧化槽的容积、转轴长度以及污水在接触反应槽内的停留时间等。其最重要的是确定所需转盘的总面积。

用于生物转盘计算的各项参数中，最重要的有如下几种。

（a）BOD面积负荷（FA）；

（b）水力负荷（F_S）；

（c）平均接触时间；

（d）容积面积比（G值）；

（e）转盘的设计。

（4）生物接触氧化法　生物接触氧化法就是在池内设置填料，采用曝气的方法对污水充氧，已经充氧的污水浸泡全部填料，并以一定的速度流经填料。填料上长满生物膜，污水与生物膜接触，在生物膜上好氧微生物的作用下，使污水得到净化，因此生物接触氧化法又称“淹没式生物滤池”。由于采用了与曝气池相同的曝气方法，提供微生物所需的氧量，并起搅拌与混合的作用，这样相当于在曝气池内投加填料，以供微生物栖息，因此又称为接触曝气法。

生物接触氧化法是一种介于活性污泥法与生物滤池两者之间的生物处理法，也可以说是具有活性污泥法特点的生物膜法，它兼有两者的优点。

生物接触氧化法的主要特征如下。

①使用蜂窝式或列管式填料，上下贯通，污水在管内流动。每一个孔管都像是一条静静流动的小河。由于水力条件好，又加上充沛的氧量和有机物，适于微生物的栖息增殖。因此，生物膜上的生物相是丰富的，除细菌外，球衣菌类的丝状菌也能大量生长，能够充分利用此类微生物的氧化能力。在生物膜上还能增殖多种种类的原生动物和后生动物，能够形成稳定的生态系。

②填料表面被生物膜所布满可保持高浓度的生物量，形成了生物膜的主体结构；能够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达125g。

③对冲击负荷有较强的适应能力，污泥生成量少，不产生污泥膨胀的危害，不需污泥回流，不产生滤池蝇，不散发臭气。

④除能去除有机物外，还可用来脱氮和除磷。

（5）生物膜法的新进展　生物膜法发展的指导思想，传统的看法是认为进一步强化生物处理技术，提高其效率。关键措施有两点：一是提高单位体积内的生物量，特别是活性生物量；二是加强传质作用，强化污染物在污水中向细菌细胞传递的过程。

对第一个条件采取的措施是扩大微生物栖息、生活的表面积，增加生物膜量，但是为此必须相应地提高充氧能力。对第二个条件采取的措施是扩大生物体与污水的接触面积，加大污水与生物膜之间的相对运动。

20世纪70年代出现的生物流化床，把生物膜法推向一个新的高度。流化床就是以砂、焦炭、活性炭一类的颗粒材料为载体，像给水滤池反冲洗过程那样，水流由下而上流动，使载体处于流化状态。在载体表面生长、附着生物膜，由于载体颗粒小，总体的表面积大（1m²载体的表面积可达2000～3000m²），因此具有较大的生物量。由于载体处于流化状态，污水从其下部、左、右侧流过，广泛地和载体上的生物膜相接触，从而强化了传质过程，并且由于载体不停地流动，能够有效地防止被生物膜所堵塞。国内、外试验研究结果表明，生物流化床具有BOD容积负荷高、处理效果好、效率高、占地少以及投资省等特点。现将活性污泥法中的主要工艺及生物流化床的主要运行参数列于表1-4。

对生物转盘改进的发展不大显著，有空气驱动生物转盘、藻类转盘以及与其他处理构筑物相组合，例如与沉淀池组合，与曝气池组合等，不再介绍。

1.2.2.3　自然生物处理法

自然生物处理法是利用大自然本身的生物进行处理，有天然氧化塘、土地处理和人工湿地等。

（1）氧化塘　氧化塘，又名稳定塘或生物塘。氧化塘对污水的净化过程与自然水体的自净过程很相近，污水在塘内经较长时间地缓缓流动，贮存，通过微生物（细菌、真菌、藻类、原生动物）的代谢活动，使污水中的有机污染物降解，污水得到净化。水中的溶解氧由塘面的复氧、风的吹动以及塘内生长的藻类的光合作用等来提供。很重要的一个问题是污染物负荷不可太大，必须注意有机物的耗氧总量必须小于各种增氧原因的增氧量的总和。若有机物的耗氧总量太大，则氧化塘就变为厌氧塘、臭水塘。

氧化塘是一种构造简单、易于施工、易于维护管理、污水净化效果良好、节省能源、污水处理成本低廉的污水处理方法。

氧化塘是一种古老的污水处理技术，但在二次世界大战后才取得较快发展，我国20世纪50年代后也开始应用。

氧化塘适用于用地比较宽阔、人口不大稠密的农村或城镇，可利用农业开发利用价值不高的旧河道、沼泽地、峡谷等地段修建。另外，能够将处理后的污水用于农业灌溉，充分利用污水的水肥资源。氧化塘内能够形成藻菌、水生植物、浮游生物、底栖动物以及鱼、虾、水禽等多级的食物链，组成复合的生态系统。有一定的环境效益和社会效益。

①好氧塘　好氧塘的深度一般在0.5m左右，阳光能透入池底，采用较低的有机负荷值，塘内存在着藻-菌及原生动物的共生系统，在阳光照射时间内，塘内生长的藻类在光合作用下，释放出大量的氧气，塘表面也由于风力的搅动进行自然复氧，这一切使塘水保持良好的好氧状态。

这种类型的氧化塘，有机污染降解速度快，污水在塘内的停留时间短，一般仅3～4天。

在好氧塘内，白昼藻类光合作用所放出的氧，远远超过藻类和细菌所需要的量，因此塘水中氧的含量很高，可达到饱和状态，晚间光合作用停止，由于生物的呼吸所耗，水中溶解氧浓度下降，在凌晨时达最低，阳光照射后又开始光合作用，DO再回升。

好氧塘内的生物相是丰富的，属于植物性的微生物有藻类和菌类，属于动物性的则有原生动物、后生动物等微型动物。

好氧塘的设计，除池深在0.5m左右，每块塘面积不宜大于4ha，长宽比以（2～3）:1为宜，塘堤坡度为3:1～6:1。另外要考虑冬季以及塘泥积累问题。

②兼性塘及厌氧塘　兼性塘深度在1.0～2.0m，厌氧塘深度为1.0～3.6m，大者可达2.5～4.5m。与本书关联不大，不作介绍。

③曝气氧化塘及其他氧化塘　曝气氧化塘是在塘面上安装人工曝气设备，并作为主要的供氧源，实质上是介于氧化塘和活性污泥法中延时曝气法之间的污水处理技术。

水生植物氧化塘是在塘内种植水葫芦、水葱及水浮莲等一类除污性较强的水生植物（接纳一级处理水）；接纳二级处理水的氧化塘则种植芦苇、荷、莲等。

养鱼氧化塘是经过藻类→动物性浮游生物→鱼类这一食物链，污水被净化，鱼类得以生长。

（2）污水土地处理　利用污水灌溉农田的经济效益和环境效益是十分明显的：能够充分利用污水中的水肥资源，有利于农业生产；能够得到污水中的腐殖质，有利于改良土壤；能够减轻水体的污染负荷，有利于保持良好的生态平衡。

但是，如果污水灌溉使用不当，反而能够使作物减产、恶化土壤、传染疾病、破坏生态平衡，危害国家经济发展和人民的身体健康。其关键在于正确、严格地控制用于灌溉农田的污水水质，使之符合农作物正常生长，保护农田土壤与地下水源。

污水土地处理对污水的净化作用大约有以下几方面的性能：有物理方面的过滤；有吸附功能；能在微生物代谢作用下分解有机物，是土壤具有强大自净能力的原因。

对于渗水性能良好的砂质土壤，气候湿润地区可采用慢速渗滤系统，对农作物进行灌溉利用；对于渗水性非常良好的土壤，如砂土、砂质壤土，可采用快速渗滤系统，以净化的水来补充地下水，使污水可再生回用；对于透水性较差的黏土或亚黏土，该系统净化污水的效果差。

（3）人工湿地　人工湿地是近年来迅速发展的生物-生态治污技术，可处理多种工业废水。

人工湿地的原理是利用自然生态系统中物理、化学和生物的三重共同作用来实现对污水的净化。其结构一般来说是整理一定的长、宽比以及地面有坡度的洼地，将土壤和填料（如卵石等）混合组成填料床，并在床体表面种植处理性能好、成活率高的水生植物（如芦苇等），形成一个独特的动植物生态环境，对污染水进行处理。

混合组成的填料床混有卵石等，可使污染水在床体的填料缝隙中曲折地流动或在床体表面流动。对废水中不溶性有机物具有沉淀、过滤作用，在其被截留后可被微生物利用分解，废水中可溶性有机物则可通过植物根系上生物膜的吸附及生物代谢降解过程而被分解去除。随着处理过程不断进行，湿地床中的微生物也繁殖生长，通过对湿地床填料的定期更换及对湿地植物的收割而将新生的有机物体从系统中去除，同时植物对氮、磷也可去除。由于这种处理系统的出水水质好，适合于处理饮用水源，或结合景观设计种植观赏植物，改善风景区的水质状况，其造价及运行费用低于常规处理技术。国内外已有不少实例。

（4）氧化沟　氧化沟是活性污泥法的一种改型，其曝气池呈封闭的沟渠型，故将其称为氧化沟。为了与氧化塘能有明显的区别，将本节设置在自然生物处理法的氧化塘章节之后。氧化沟与氧化塘（包括曝气氧化塘）是截然不同的两种处理工艺，前者以人工强化作用为主，而后者则是以自然生物处理为主。

氧化沟（Oxidation Dictch，OD）污水处理工艺是由荷兰卫生工程研究所在20世纪50年代研究成功的。第一家氧化沟污水处理厂于1954年在荷兰的Voorshoper市投入使用。它将曝气、沉淀和污泥稳定等处理过程集于一体，间歇运行。

氧化沟的曝气池呈封闭的沟渠型，污水和活性污泥的混合液在其中不断循环流动，因此又被称为“环形曝气池”、“无终端的曝气系统”。通常在延时曝气条件下运行，水力停留时间长（10～40h），有机负荷低［0.05～0.15kg/（kg·d）］。

氧化沟的发展过程主要是对充氧、推进和搅动的系统进行改进的过程。最初用Kessenser转刷，沟深为1.5m；再改进为水下曝气和推动系统，称射流曝气氧化沟，沟深可达7～8m；然后又改用立式低速表曝机，沟深达4.5m以上。目前，我国的污水处理形势严峻，经济实力相对薄弱，开展这种高效低耗处理工艺的研究，应作为不容忽视的课题和方向。

氧化沟根据其构造和运行特征，并根据不同的发明者和专利情况分为不同的类型。当前应用较多的有Carrousel氧化沟、交替式氧化沟（又分为除磷脱氮双沟式氧化沟和三沟式氧化沟）、Orbal氧化沟、一体化氧化沟等。这四种氧化沟形式都有其不同的设计计算方式。本书介绍氧化沟的一般概念，是为了从其去除机理上吸取营养，并不推荐氧化沟工艺，故此不作设计计算介绍。

1.2.3　降低运行费用的方法研究

现行的水处理工艺有活性污泥法、氧化沟法、SBR法、A-B法等，都是成熟的工艺。这些工艺的吨水造价在1500～2000元/t，运行费用在0.8～1.4元/t。按照上述统计测算，污水处理厂已经成为政府的一个沉重的负担。2003年3月10日《中国环境报》刊登“污水处理厂急需治‘血栓'”文章：各级政府耗巨资建成的污水处理厂不能发挥应有的作用，半停半开甚至白白闲置，例如河南省的焦作污水处理厂、禹州市污水处理厂、长葛市污水处理厂等。记者了解到，类似的情况在全国不少城市都存在。

现行的水处理工艺属于活性污泥法体系，其运行费用组成如下。

①鼓风曝气，按照工艺上要求，水气比总在1:15～1:20，按这样测算，处理1t污水应用罗茨风机至少需耗电0.4～0.8kW·h。

②管理人员工资在运行费用中占据较大的比例，小工程的比例可达总运行费用的50％以上，大型工程也要占总运行费用的5％～10％。

③污泥处置在运行费用中占全厂运行费用的20％～50％。

上述诸项都是城市生活污水的处理运行费用居高不下的主要原因。若进一步要求达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中一级A类标准，则其运行费用更高。这是我们从技术上必须逾越的门槛。

根据清华大学水业政策研究中心主任傅涛在北京举行的“2008年城市水业战略论坛”上介绍，城市生活污水处理的投资费用见表1-5。

由表1-5可见，污水处理厂建设达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中一级B标准，投资最低为1500元/t，最高为2500元/t，平均为2000元/t。若要求达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中一级A标准，则平均投资将大于2750元/t。

研究上述各种好氧处理方法发现，除了生物转盘法和滴滤池法不需要鼓风曝气以外，所有其他方法都需要鼓风曝气以增加污水中溶解氧，让好氧细菌可以繁殖，分解污水。

1.2.3.1　鼓风曝气

鼓风曝气是应用风机将空气鼓入水中形成气泡，在气泡上浮的过程中进行大气复氧，使水中的溶解氧增加，给水中的好氧细菌和好氧微生物提供一个好氧的环境，以便生长、繁殖，分解污水，使污水得到净化。由于气泡进入污水后立即上浮，在气泡上浮的过程中与污水之间产生相对运动。遵循大气复氧双膜理论，一个流动的水体从大气中吸收氧气的过程称为“复氧过程”，也称“再曝气过程”。可用式（1-35）表达。

由式（1-35）可知氧的传输率dO/dt与污水中溶解氧的饱和差（O_S-O）成正比，还与气泡的比表面积A/V有关（其中A、V分别为气泡表面的总表面积及气泡的总体积）。气泡的比表面积越大，其大气复氧率dO/dt也越大，所以为了提高鼓风曝气的氧的传输率，人们就应用微孔曝气（气泡越小，比表面积A/V越大）。

鼓风曝气，按照工艺上要求，水气比总在1:15～1:20之间，按这样测算，处理1t污水应用罗茨风机至少需耗电0.4～0.8kW·h（若按电费1kW·h为0.6元计算，则需0.24～0.48元），该罗茨风机噪声很大，又需增加消除噪声的费用和建风机房及增设管理人员费用（这两项是鼓风曝气除耗电外额外增加的费用）。

现行的水处理成熟的工艺，都必须采用鼓风曝气。鼓风曝气的传质要经过以下几个过程：气泡内部空气由气相进入水相是一次传质；气泡表面氧气扩散到水体是二次传质；气泡从生物絮凝体表面扩散到微生物是三次传质。气泡上升过程中氧气分压不断减低是沿程损失，气泡上升经过几个气泡高度后，气泡内外的氧气分压就达到平衡，再往上升都是无效的、不能大气复氧的气泡；气泡一出水面就破裂，故希望气泡上浮的速度较慢，因而不能应用加大鼓风量的方法来加大曝气量；采用微孔曝气会增加气压损失，也同样有上述气泡上升的问题等，这就限制了鼓风曝气的供氧效率的提高。所以鼓风曝气的动能利用率很低仅有10％～15％。

特别是出水要求达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中一级A类标准时，鼓风曝气时间要加长，运行费用也要成倍增加。这就是污水处理厂运行费用居高不下的主要原因，也是好氧生物处理工艺共同的特点，是我们从技术上必须突破的障碍。

1.2.3.2　生物转盘（不用鼓风曝气）

我们若在生物转盘盘片上取一单位面积，作上彩色标志并跟踪观测，则可以看到，该单位面积在不断地作出露水面、淹没水下的周而复始运动。

①当单位面积盘片淹没水中时，其盘片（填料）上所附生物膜中的好氧微生物则分解污水，获取食物，得以生长繁殖，同时使污水得到净化。衡量生物膜处理污水能力的一项指标是每1m³生物转盘的盘片（填料）面积，称之为单位比表面积。盘片面积愈大则净化污水的能力也越大。最大的生物转盘比表面积为157m²/m³（按生物转盘直径为3m，两盘之间间隙为10mm计）。比表面积不大是生物转盘法的缺点。

②在单位面积盘片出露水面期间，由于盘片与水体的相对运动，附在盘片上的水膜与大气之间进行氧分子交换，也就相当于一个流动的水体从大气中吸收氧气的过程，称为“复氧过程”，也称“再曝气过程”。遵循大气复氧双膜理论，也可用式（1-35）表达。

也就是说不采用鼓风曝气的环节，亦可以增加污水中的溶解氧含量，这是生物转盘法的优点。

1.2.3.3　滴滤池复氧分析

滴滤池也是一种不需要鼓风曝气的好氧工艺。这是由于滴滤池结构为粗颗粒填料，孔隙较大且池不深，当污水从布水器排出，依靠势能自上而下流动时，其填料表面亦形成一个流动的水体，表层形成大气复氧。污水处理过程中，不再耗能，我们把它称为势能增氧生态净化工艺的雏形。

当水体进入滴滤池一定深度之后，水中的溶解氧被有机物和好氧微生物不断消耗，会进入缺氧状态，故其池深不宜太深。

滴滤池中的填料，其表面附着有生物膜，当污水自上而下通过时，其上的微生物分解污水，获取食物，得以生长、繁殖，同时使污水得到净化，填料的比表面积越大，微生物量也越多，对污染物的去除效果也越好。滴滤池中填料比表面积可达300～1000m²/m³。为提高比表面积，还可减小填料的粒径或增加滤池的池深，这就是生物滤池（塔）。

生物滤池（塔）比表面积可达2000m²/m³。形成生物滤塔（池）后，当污水自上而下流动时，水中的溶解氧被有机物和好氧细菌不断地消耗，底部即缺氧。为保障滤池（塔）中的好氧环境，在滤池（塔）底部设置鼓风曝气成为较普遍的一种方式（又称为曝气生物滤池）。这种方式自下部供氧，在运行过程中易出现上部、下部好氧微生物生长、繁殖好，中部较差的情况。这样尽管也得到了较好的去除效果，但滴滤池自然复氧、能耗低的优点也不复存在。

人们在填料上再进行改进，这就是生物接触氧化法、生物流化床法、曝气生物滤池等。这样就把滴滤池法能耗小、不需鼓风曝气的优点改掉了，从节能角度上看很可惜。

1.2.3.4　一种小区生活污水处理的实例

上海东南模板厂所在小区位于上海市浦东区川沙镇。该厂区的南面围墙外不远处是一个不小的污水塘，汇集了该小区和厂区的全部化粪池出水。虽然污水塘在墙外，阴天或气温一高，就有一阵阵臭气进入厂区。该厂应用“势能增氧生态净化工艺”进行处理，建造了一个污水处理的小样板。

（1）势能增氧生态净化工艺的工艺流程和结构　本书将介绍势能增氧生态净化工艺（Potential Energy Increasing Oxygen Ecological Purification Technology，PIEP工艺），该净化工艺强化了生物转盘法的优点，其核心工艺是“势能增氧生态床”，应用于上海东南模板厂的生活污水处理工程，是一种革除应用罗茨风机鼓风曝气的方法。

①PIEP工艺流程　生活污水收集水塘—栅网过滤器—简易隔油池—分相兼氧池—增氧机和生态床—二沉池—湿地—出水。

②势能增氧生态床的结构　势能增氧生态床的结构见图1-17。

③工艺流程各环节功能和设计

a.栅网过滤器，可以除去大于0.5mm的悬浮颗粒；b.简易隔油池，小区生活污水的油污较少，所以采用简易隔油池；c.分相兼氧池，墙外不远处是一个污水塘，已经相当于一个不小的厌氧池，设立分相兼氧池是期望将COD浓度降至100mg/L左右，大大减轻好氧工艺的污染负荷。主要环节是增氧机、生态床和二沉池，三者是一个相互配合不可分割的整体（其工作原理在后面专门阐述）。

（2）势能增氧生态净化工艺的实质　强化了生物转盘的盘片（或填料）周期性出露水面和淹没水中的过程的优点就得到PIEP工艺。

本工艺生态床的结构为钢筋混凝土，砖混结构，内外刷防水粉。内部为浅层、多层的箱体结构。箱体中装满填料（可用卵石、黄砂），在每一层中按颗粒大（在下）小（在上）级配分层铺砌。分层铺砌是为了不让填料堵塞，粗、细颗粒填料级配是为了增加比表面积（至少可达最大生物转盘比表面积157m²/m³的3倍以上），强化了生物转盘的盘片。一共有2个单元模块，每一个单元模块设计8层，每一层层高为30cm，净长2.5m，净宽1.2m，总体积12.0m³，可装填料6.7m³，2个单元模块装填料13.4m³，其下面的二沉池深为90cm，净长3.5m，净宽1.2m。其中2.0m被隔断为上清液水池。

本工艺的增氧机加设在生态床两头，目的是很快吸干生态床中的水，并增加出水中的溶解氧含量。增氧机应用PVC板，PVC管自制。一共有2个单元模块，每层有1套、2个，每个长0.60m、宽0.30m、高0.30m，共计8层，2个单元模块、16套、32个。该增氧机是利用水力学中的负压原理，产生虹吸，产生7m的负压，从而将30cm水头的势能变为7.3m水头的势能，强化了势能从而节能，见图1-17。

小区生活污水用水泵提升进入PIEP工艺设施。通过栅网过滤器、简易隔油池进入分相兼氧池停留6h后，用水泵提升进入一级增氧生态床，处理后进入其下面的二沉池，其中2.0m被隔断为上清液水池，用水泵将上清液水池的水提升进入二级增氧生态床，处理后进入其下面的二级二沉池、上清液水池，经过湿地出水，即达到城镇污水处理厂一级A类标准。

本工艺不投药，全部自控无需专人管理，仅有二次水泵提升的电费，若按电费为0.6元/度计算，可将污水处理的直接运行成本降为0.3元/t左右。

（3）势能增氧生态床工作原理　当污水自第一层进入增氧机1时（图1-17），由于集水廊道的存在，并且由于箱体中的填料是大颗粒在下、小颗粒在上，污水则自下而上运动，且其中携带的悬浮物质自下而上被截留。

当水位上升到增氧机中的虹吸管顶部4并超过后，由于虹吸管的作用，污水以较大的流速自虹吸管中向下一层排出，箱体中的水很快（一般设计不超过2min）被吸干，空气进入，进行大气复氧。当每一层的污水被吸干后，虹吸就自动停止。由于污水不断地进入（或上一层的污水，向下一层排入），水位再次上升，再次虹吸，周而复始。每一层箱体中填料上的水膜和生物膜，即获得了不断暴露于大气、淹没于水中的周期性，周而复始地运动。

（4）势能增氧生态净化工艺的优点

①可以根据所在小区的状况进行灵活的设计。由于PIEP工艺建立在东南模板厂院内，势能增氧生态床不能建立太高，还要注意外观的协调。所以高度在3m以内，外观像一间平房，有喷泉射向正面墙，正面墙前为一块湿地。

②长期使用填料也不会堵塞。由于虹吸流速较大，且虹吸管的吸水管口在箱体的下部，装满填料的箱体中污水很顺畅地自上而下、由小颗粒向大颗粒方向运动，并沿集水廊道通向虹吸管，被截留在填料中的悬浮物（包括脱落的生物膜）也顺畅地由上而下进入集水廊道被虹吸管排出，因而长期使用填料也不会堵塞。南京腊梅食品厂的污水处理工程运行2年后翻修时发现，第二层以后的填料完整如新。

③形成充分好氧的环境。由于虹吸流速较大，装满填料的箱体中污水很快被吸干，大气也随着进入，使得填料表面水膜中的溶解氧迅速增加［见式（1-40），比表面积项，为最大生物转盘的3倍以上］。而且由于水膜很薄（大气复氧双膜理论的另一个重要参数），大气复氧时间很充分，其中的溶解氧很快向饱和值接近，污水中的溶解氧也迅速增加，使得填料上所附的生物膜处于良好的好氧状态，好氧微生物得以在充分好氧的环境中生长、繁殖，分解污水，使其得到净化。

④多层的箱体中溶解氧是递增的，微生物分解污水也是递增的。污水不断地自上一层向下一层传递，每传递一层，下一层箱体中的填料都是新增加的填料，这些填料上水膜的大气复氧量和生物膜的数量也要新增加一次。层次越多（同时填料的生物膜也越多，势能利用也越多）溶解氧增加越多，进一步分解污水的次数也越多，水质变好越快，达到的水质标准也越高。

⑤它的特色是充分利用了水泵的有效水头，将势能转为动能进行大气复氧及吹脱，不需曝气再耗能，故运行费用较低，并且无噪声，无泡沫，不堵塞，污泥量小。全部自控无需专人管理。

（5）势能增氧生态净化工艺的实际效果　本书介绍的方法已经不是实验，而是已有许多工程实例的成果。详见第2章。上海东南模板厂的污水处理工程仅仅是小区生活污水处理的一个实例。