城市污水廠一級A排放標準提標改造工藝設計
摘 要 隨著我國城市水環境提升、黑臭河道治理等行動計劃加速，污水廠一級A標準正全面推行，但同時也面臨著污水處理工藝流程延長、藥耗能耗增加等嚴峻形勢，而工藝設計的合理選擇將直接關系到工程投資和運行成本，并影響污水廠高效低耗、安全穩定運行。為此，文中總結了污水廠一級A排放標準提標改造工藝設計難點和設計原則，論述了污水廠出水提標至一級A標準的技術手段，對比分析了深度處理工藝主要構筑物選型及特點，并對污水廠未來發展方向提出了建議，以期為污水廠提標改造工藝的選擇與設計提供借鑒。
根據污水處理的目標與程度，城市污水處理廠的發展主要經歷了3個階段。(1)以去除懸浮物、較大顆粒物為主的一級污水廠，處理工藝一般為沉砂池、初沉池，該類污水廠主要建于20世紀初期，對污水中BOD5、SS的去除率分別約為30%與50%，目前一級污水廠僅在特殊情況下采用或作為更高級污水廠分期建設的第一階段。(2)以生物處理為主體的二級污水廠，即一般在預處理的基礎上新增曝氣反應池和二沉池，該類污水廠在20世紀50年代以后得到快速發展，可去除水中可生物降解的有機物、懸浮固體以及部分營養物質(氮、磷)等，尤其是對污水中COD、BOD5的去除率可分別達到80%與90%[1-2]，二級生物處理主要包括活性污泥法(AO工藝、AAO工藝、氧化溝OD工藝以及SBR工藝等)和生物膜法(生物濾池等)，目前兩者共同覆蓋了我國城鎮污水處理設施主體工藝的90%以上[3]。(3)以“混凝-沉淀-過濾”深度處理工藝為代表的三級污水廠，該類污水廠在20世紀60年代末開始建設，至90年代逐漸得到重視，主要用來進一步去除污水中剩余的懸浮固體、氮磷等營養物質以及其他微量有機物，三級污水廠出水大大降低了污染負荷，對于控制水體富營養化、改善水環境質量具有重要意義。城市污水處理廠工藝流程如圖1所示。
近年來，由于城市水環境綜合治理的需求不斷提升，作為城市水環境保護的末端屏障——污水處理廠的作用愈加凸顯。相應地，污水廠的水質排放標準要求也不斷提高，城市污水處理廠提標改造受到了更多重視[4]。污水處理廠提標改造是指，在其現有處理規模基本保持不變的情況下，通過工藝改進或增加深度處理設施[5]，使污水廠出水水質滿足更高等級的污水排放標準。本文從實際工程出發，論述了污水廠出水提標至一級A標準的技術手段，對比分析了深度處理工藝主要構筑物選型及特點，以期為污水廠提標改造工藝的選擇與設計提供借鑒。
1 污水廠排放水質標準
目前，我國現行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)將基本控制項目的常規污染物標準值分為三級標準，其中一級標準分為A標準和B標準。統計資料顯示，截至2016年底，我國已累計建成污水處理廠3 552座，出水水質執行一級A標準比例約27%。根據《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)與《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)相關規定，污水廠出水水質若要由一級B標準提升至一級A標準，除了需要進一步降低水中SS、BOD5、COD等物質的濃度外，重點在于脫氮除磷；另一方面，污水廠一級A標準出水較地表Ⅴ類水體水質還有一定的差距，若要滿足水體富營養化控制要求，污水廠需采用深度處理工藝，降低TN、TP排放。此外，隨著國家“水十條”的發布，水污染的防治力度切實加大，部分地區制定了更為嚴格的地方標準，將排入地表水體氮、磷等污染物的排放限值規定進一步接近或達到地表Ⅳ類水體水質，但結合我國實際發展情況，大部分地區還應以一級A標準為污水處理的主要目標，因地制宜地實施污水處理廠的升級改造。
2 污水廠一級A提標改造工藝
2.1 污水廠現狀問題分析
我國污水廠一級A排放標準提標改造工藝面臨的主要難點包括以下幾點。
(1)已建生物反應池脫氮除磷效率不高，原因為[6-7]：①進水C/N偏低，導致反硝化脫氮時碳源不足，除磷效果變差；②低溫條件限制，尤其是冬季水溫低于12 ℃，嚴重影響反硝化速率；③水力停留時間不足，微生物降解作用不充分，不利于脫氮除磷。
(2)二級生物處理本身較難保證出水SS、TP及TN同時達到一級A標準。
針對上述問題，在實際工程中需采取強化二級生物處理工藝或增加深度處理工藝的方法進行提標改造，以確保污水廠出水水質達到一級A標準。
此外，由于不同地區污水廠運行現狀各不相同，提標改造工藝設計時應重點進行污水廠實際進出水水質分析，并結合一級A標準出水水質要求，確定污水廠提標改造主要污染物去除重點與優先控制次序。通常污水廠水質提標時，已建生物反應池脫氮除磷能力可能不足，尤其是TN，需要進行生物反應池改造強化生物脫氮、增加后置反硝化脫氮工藝和碳源補充措施等；而對于TP，目前普遍采用生物除磷和化學輔助除磷相結合，用于化學除磷的藥劑主要有鐵鹽和鋁鹽，兩者相比，鐵鹽形成的礬花密實、沉降性能較好，但鐵鹽過量投加易引起出水色度增加，影響紫外線投射率，且三氯化鐵腐蝕性較強，對設備防腐要求較高，因此,工程設計中宜綜合比選確定。
2.2 工藝選擇
(1)污水生物脫氮除磷原理
在傳統的生物脫氮除磷工藝中，污水中氮的去除通過有機物氧化、氨化、硝化和反硝化過程實現，認為硝化與反硝化兩個過程相對獨立；污水中磷的去除利用聚磷菌在厭氧條件下釋放磷，在好氧條件下過量吸收磷，最后通過排除富磷污泥實現。在工程應用中，同一反應池中生物脫氮與生物除磷過程易受各種因素影響(包括溫度、pH、碳源、溶解氧、污泥齡、混合液或污泥回流比等)，并相互制約，實際上很難同時獲得較高的生物脫氮、生物除磷效率。因此，在污水廠提標改造時，對現有二級生物處理工藝脫氮除磷效率進行分析，深入挖掘傳統工藝脫氮除磷能力，減少后續工藝流程長度，是十分必要的。不同工藝生物脫氮除磷特性如表1所示。
(2)提標改造工藝選擇
污水廠二級處理出水中TN以氨氮、硝酸鹽氮為主[8]；TP以溶解態的正磷酸鹽為主[9]，是水質進一步提標的主要去除對象。根據水質提標脫氮除磷要求，工藝設計方案可分為3種：僅需脫氮、僅需除磷以及需要同時脫氮除磷。工程上，若要進行生物脫氮或生物除磷，一般要求進水BOD5/TKN>4或BOD5/TP>17，才能保證碳源充足；若要同步脫氮除磷，所需C/N、C/P更高，原因在于污水生物脫氮與生物除磷之間存在碳源競爭[10]，碳源不足可能成為限制生物脫氮除磷效率提高的關鍵因素。隨著厭氧氨氧化、短程硝化反硝化和反硝化除磷等新型生物脫氮除磷工藝研究的應用，污水處理過程中的碳源、能源消耗可大大減少。
但上述工藝在國內實際工程應用的還較少。因此，現階段我國污水處理廠提標改造工藝設計的一般原則仍然是優先生物脫氮、強化生物除磷、輔助化學除磷，同時宜考慮碳源補充措施。
2.3 工藝設計
2.3.1 已建處理單元改造
(1)初沉池改造
污水廠中初沉池主要用來降低懸浮固體(TSS的去除率為50%～70%，圖2)的含量，保證后續生物處理系統的正常運行，但另一方面，初沉池對碳源也有一定比例的去除(BOD的去除率為25%～40%，圖2)，造成污水廠生物反應池進水碳源不足問題更加突出，影響生物脫氮除磷效率。目前，針對污水廠已建初沉池，結合具體工程條件，若需要進行改造，其一是將初沉池改為厭氧區或(預)缺氧區，增加生物反應池水力停留時間；其二是利用初沉池污泥發酵產生揮發性脂肪酸(VFA)，充分利用內部碳源，提高系統脫氮除磷效果。楊敏等[11]研究表明，初沉發酵池宜在進水BOD5/TN偏低(BOD5/TN<4)、SS/BOD5偏高(SS/BOD5>1.2)時設置，可有效提高生物系統的污泥活性，減少外部碳源投加量。
(2)生物反應池改造
污水廠提標改造工藝設計時，應結合現狀水質分析，按設計進出水水質對已建生物反應池池容進行復核，通過技術改造，充分發揮二級生物處理功能，提高生物脫氮除磷效率。目前，已建生物反應池改造常用的方法有：①調整功能分區，若已建生物反應池容積基本滿足要求，可通過新增土建隔墻或結合初沉池改造的方式，將原池內各段分區進行調整，或改為倒置AAO工藝、五段Bardenpho工藝、UCT工藝等；②MBBR工藝改造，即一般在優先保證厭、缺氧區容積的條件下，通過好氧區投加懸浮填料富集微生物，實現活性污泥法與生物膜法聯用，保證二級生物處理效果，該方法比較適用于用地限制、不增加反應池容積的老廠改造；③擴容減量改造，通過核減已建生物反應池處理規模，減小負荷、延長水力停留時間，同時另外新建生物反應池，滿足污水處理水量要求。
2.3.2 增加深度處理工藝
目前，在污水廠二級生物處理出水之后增加深度處理工藝，是保證出水水質穩定達到一級A標準的重要一步。根據工程設計進出水水質分析及主要污染物控制目標，深度處理工藝設計一般可分為4類，如圖3所示。工程設計時，若二級處理出水水質指標接近或可達到一級A標準，且達標率較高、污水廠進水水質也趨于穩定，可采用直接過濾(混凝-絮凝-過濾)或接觸過濾(混凝-過濾)工藝；若二級處理出水中NH3-N、TN較低，TP和SS指標相對較高，可采用混凝-絮凝-沉淀-過濾工藝，出水經消毒處理后，確保達到一級A標準；其次，若二級處理出水水質相對一級A標準差距較大，NH3-N和TN也較高，可采用曝氣生物濾池強化脫氮，后續增加混凝-絮凝-沉淀-過濾-消毒工藝，確保出水水質穩定達標；最后，若二級處理出水仍需進行脫氮除磷，污水廠用地又十分緊張，出水標準也較高(或高于一級A標準)，則可采用MBR工藝，出水經消毒處理后達標排放。
污水廠提標改造方法還包括氣浮、臭氧氧化、活性炭吸附等，由于污水廠實際情況各不相同，出水標準要求也不同，最終設計方案需通過綜合比選后確定(表2)。但工藝設計時，宜優先考慮強化二級生物處理脫氮除磷效率，減少后續工藝流程長度，否則可能會造成工程投資增大、運行成本增加，也不符合污水廠節能減排的要求。
2.3.3 污泥處理工藝改造
污水廠提標改造由于設計規模和進水水質基本不變，新增污泥主要為化學除磷過程中產生的化學污泥，其產量相對剩余污泥較小，可沿用污水廠已建污泥處理設施。但近年來國內環保要求愈加嚴格，污泥處置方式也已發生轉變，因此，污水廠水質提標的同時,還應注重老廠現狀污泥處理設施的改造。
并配套除臭裝置等，以滿足城市環境衛生和污泥最終處置出路的要求。Hao等[18]的研究表明，剩余污泥填埋及污泥農用方式越來越受到限制，污泥脫水、干化后直接焚燒的處置方式具有較明顯的優勢，對工程實踐具有重要參考意義。
2.4 主要構筑物設計
(1)高效沉淀池
高效沉淀池是一種集混凝、絮凝和沉淀于一體的新型沉淀池，由于該池具有占地小、水力負荷高、污染物去除效果好等特點，被廣泛應用于污水廠提標改造深度處理工藝中。高效沉淀池一般包括快混區、絮凝區和沉淀區3部分，通過投加化學藥劑，可有效去除COD、SS和TP，去除率可分別達60%、80%與90%。根據《城鎮污水再生利用工程設計規范》(GB 50335—2016)，高效沉淀池主要設計參數：混合時間宜為0.5～1.0 min，絮凝時間宜為8～15 min，沉淀池表面負荷宜為10～20 m3/(m2·h)，污泥回流比宜為3%～6%。近年來，出現了磁粉或微砂等介質強化高效沉淀池，通過投加磁粉或微砂，可提高絮體密實度，縮短沉降時間，減少化學藥劑的投加量，但工程應用時還需重點關注流失磁粉或微砂對后續污泥處理處置的影響。
(2)過濾工藝
過濾單元作為污水廠深度處理工藝的核心，是保證出水水質達標的關鍵。目前，工程上過濾工藝的可選方案包括纖維濾布濾池、V型濾池、微過濾器、反硝化深床濾池以及曝氣生物濾池等(表3)。其中，前三者一般僅有過濾功能，以去除SS為主；而反硝化深床濾池、曝氣生物濾池兼有過濾和生物脫氮功能，尤其是曝氣生物濾池，通過設計不同的池型，可對BOD5、SS、NH3-N、TN等產生較好的去除效果。工藝設計時，宜將曝氣生物濾池置于化學除磷之前，保證進水磷酸鹽等營養充足；此外，硝化濾池還要特別注意控制進水氨氮濃度，保證冬季硝化細菌的正常生長。
注：*根據提供產品解決方案的廠商不同，濾料形式及濾床厚度各有區別，并直接影響濾池的性能
3 結論
(1)城市污水廠未來將更加注重污水的深度處理以及再生回用，污水廠提標改造需結合不同地區的現狀差異，充分研究、因地制宜，確定合理的出水標準與技術方案，發揮污水廠的最大工程效益。
(2)城市污水廠一級A排放標準提標改造應先對其現狀進出水水質進行分析，并結合水質提標要求，確定目標去除污染物，以便在后續工藝設計中予以重點考慮；深度處理工藝設計需進行方案綜合比選。對于TP超標，化學除磷是必要的措施；對于TN超標，宜優先考慮已建生物反應池改造，減少后續工藝流程長度，必要時還可增加后置反硝化脫氮工藝，并設外加碳源補充措施。此外，在提標改造過程中，還應重視老廠污泥、臭氣的處理，以新帶老，實現污水廠水、泥、氣同步治理達標。
(3)城市污水廠正面臨新形勢下的技術升級挑戰，以厭氧氨氧化、反硝化除磷為代表的新型生物處理工藝的工程應用成為迫切需求。為此，通過技術升級提高生物處理效率，實現更高標準的出水水質，并減少藥耗、能耗成本，探索能源的可持續性，對污水廠未來發展具有重要意義。
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