□文/閻 健 劉曉磊

近年來我國加快了污水治理設(shè)施的建設(shè)步伐，污水廠數(shù)量逐年增加。然而，很多早期建造的污水處理廠對氮、磷的去除效率較低，出水水質(zhì)無法達到GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準》要求。在此形勢下，通過必要的升級與改造，使已建污水處理廠達到脫氮除磷要求，已成為我國新一輪污水治理工作的重點。

針對城鎮(zhèn)污水處理廠的升級改造工作，歸納探討了幾個常見問題并提出相應(yīng)的解決對策，以期為我國城鎮(zhèn)污水處理廠的升級改造提供技術(shù)支撐和經(jīng)驗參考。

1 污水中碳源不足

1.1 低碳源水質(zhì)特性

在城鎮(zhèn)污水處理廠升級改造中遇到的主要水質(zhì)問題是碳源不足，即污水的COD/TN值較低。我國部分城鎮(zhèn)污水的有機污染物濃度較低。一般認為，在污水生物脫氮過程中，如果BOD5/TN＞3，即可認為污水中有足夠的碳源供反硝化菌進行反硝化，但部分城鎮(zhèn)污水無法達到該要求，呈現(xiàn)明顯的低碳源特性。因此，在城鎮(zhèn)污水處理廠的升級改造工程設(shè)計時，必須充分注意系統(tǒng)內(nèi)碳源的合理利用與分配問題。

1.2 解決對策

1）尋找快速可替代有機碳源。在多數(shù)城鎮(zhèn)污水中，溶解性BOD5僅占BOD總量的40%～60%，其余為顆粒性有機物。經(jīng)初沉池處理，顆粒有機物一般可去除60%，如采取有效措施，這些沉積在初沉污泥中的顆粒性有機物可轉(zhuǎn)化為快速生物降解碳源。尋找快速可替代有機碳源就是充分利用初沉污泥中的顆粒性有機物，通過微生物的厭氧水解發(fā)酵作用使之轉(zhuǎn)化為快速生物降解有機物，增加系統(tǒng)中可生物降解碳源數(shù)量，提高生物脫氮除磷效果。污水生物脫氮除磷系統(tǒng)中反硝化菌和聚磷菌所需要的碳源主要為快速生物降解有機物(VFA)，去除1 mg磷一般需要7～9 mg的VFA，反硝化過程的需要量更多。然而，城鎮(zhèn)污水中可利用的快速生物降解碳源僅占有機物含量的10%～15%，不能滿足脫氮除磷所需。初沉污泥發(fā)酵技術(shù)可為生物脫氮除磷過程提供更多的VFA。美國的初沉污泥發(fā)酵研究表明，通過12 d的發(fā)酵，可向進水提供400 mg/L的VFA。日本有研究表明，可發(fā)酵有機物達到最大轉(zhuǎn)化率的最佳固體停留時間為3 d左右，約30%的初沉污泥有機物可轉(zhuǎn)化成VFA。目前，有兩種可為生物脫氮除磷增加快速生物降解碳源的發(fā)酵設(shè)計流程，一種是深池型初沉池，另一種是另設(shè)發(fā)酵池，兩者還可用于污泥濃縮。發(fā)酵池的污泥回流提供了更有效的固體轉(zhuǎn)化并使溶解性BOD釋放到初沉池出水中。

2）合理優(yōu)化碳源分配。傳統(tǒng)A2/O工藝是根據(jù)硝化菌、反硝化菌和聚磷菌生長適宜的微生物環(huán)境進行空間分區(qū)以實現(xiàn)脫氮除磷的目的。在低碳源條件下，由于可利用有機物有限，反硝化菌與聚磷菌對基質(zhì)競爭使系統(tǒng)氮、磷(尤其是磷)去除效果變差。為實現(xiàn)反硝化和釋磷過程合理分配碳源，出現(xiàn)了一些改良型的脫氮除磷工藝。倒置A2/O工藝、改良A2/O工藝、UCT工藝、改良UCT工藝、VIP工藝、MSBR工藝。

這些改良工藝都是在傳統(tǒng)生物脫氮除磷理論基礎(chǔ)上，為避免低碳源條件下反硝化菌與聚磷菌因競爭基質(zhì)導(dǎo)致氮、磷去除效果降低而開發(fā)的，在一定程度上強化了低碳源污水的氮、磷去除效果，其空間順序、回流方式等都有重要借鑒價值。此外，如進水水質(zhì)允許，在不改變傳統(tǒng)工藝流程的基礎(chǔ)上也可進行碳源優(yōu)化分配，一是取消初沉池，讓原水經(jīng)沉砂池后直接進入?yún)捬醭?；二是適當(dāng)延長厭氧池停留時間，使原水中復(fù)雜的有機物厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化成小分子的溶解性有機物。

3）尋求污水處理新技術(shù)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對傳統(tǒng)生物脫氮除磷系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象和新過程進行了大量理論和試驗研究并提出了一些可節(jié)省碳源消耗的生物脫氮除磷新理論和新技術(shù)。目前，上述部分污水處理新技術(shù)已在國外得到工程應(yīng)用，如短程硝化反硝化技術(shù)已被用于處理污泥消化液。基于這些新技術(shù)，國外學(xué)者也研究開發(fā)了一些生物脫氮除磷新工藝，如基于反硝化除磷原理開發(fā)的BCFS單污泥工藝、A2N雙污泥工藝，基于短程硝化反硝化和厭氧氨氧化原理開發(fā)的SHARON-ANAMMOX聯(lián)用工藝，其中BCFS工藝已在實際工程中應(yīng)用，而A2N工藝和SHARON-ANAMMOX聯(lián)用工藝距工程應(yīng)用尚有一定距離[1～2]。

2 工藝選擇

污水處理廠的技術(shù)升級改造一般包括水力改造、設(shè)備改造和工藝升級改造等，其中污水處理工藝升級改造是提高出水水質(zhì)的關(guān)鍵。與新建污水處理廠不同，污水處理廠升級改造的工藝選擇問題相對復(fù)雜，通常情況下要考慮3個問題：

1）盡量利用原有構(gòu)筑物，投資少；

2）工藝運行可靠，靈活性強；

3）處理效率高，能耗低。

就處理功能而言，化學(xué)除磷、生物脫氮除磷和深度處理等工藝均可實現(xiàn)工藝升級改造的目的[3]。

2.1 化學(xué)除磷

在沉淀池或污水處理反應(yīng)池內(nèi)投加金屬鹽和聚合物等化學(xué)藥劑，通過化學(xué)反應(yīng)和凝聚作用凝聚膠體顆粒，生成沉淀物以達到強化除磷效果。

2.2 生物脫氮除磷

1）雙污泥系統(tǒng)?；陔p污泥理論，增設(shè)生物膜法硝化池，使之獨立于活性污泥法缺氧、厭氧和好氧池之外，為除磷和脫氮微生物創(chuàng)造各自最佳生長環(huán)境，克服傳統(tǒng)活性污泥法存在的泥齡、碳源等矛盾，實現(xiàn)高效脫氮除磷。

2）活性污泥和生物膜復(fù)合工藝。將生物載體直接投加到已建曝氣池中形成活性污泥和生物膜復(fù)合生物處理工藝，使活性污泥主要負責(zé)有機物去除，生物膜主要負責(zé)硝化，提高曝氣池內(nèi)生物量，增強系統(tǒng)硝化性能，提高系統(tǒng)抗沖擊負荷能力，節(jié)省占地和投資。

3）增加反應(yīng)區(qū)容積。通過在普通曝氣池外增設(shè)厭氧、缺氧區(qū)，可以將普通活性污泥法升級改造為Bardenpho工藝、A2/O工藝、改良A2/O工藝、倒置A2/O工藝和VIP工藝，以達到脫氮除磷目的。

4）調(diào)整反應(yīng)區(qū)容積。在生物反應(yīng)池容積允許的條件下，將普通曝氣池分隔成厭氧、缺氧和好氧區(qū)，使之升級為脫氮除磷工藝。

2.3 深度處理

污水深度處理升級改造措施主要包括應(yīng)用新型過濾、吸附、混凝、沉淀、氣浮及消毒工藝；采用曝氣生物濾池工藝；應(yīng)用膜技術(shù)；應(yīng)用膜生物反應(yīng)器技術(shù)。一般來說，對于常規(guī)城鎮(zhèn)污水水質(zhì)，為使出水水質(zhì)達到一級B標(biāo)準，將傳統(tǒng)二級生物處理工藝升級為生物脫氮除磷工藝即可實現(xiàn)；但出水水質(zhì)如若執(zhí)行一級A標(biāo)準，則處理難度相對較大。根據(jù)國內(nèi)已建污水處理廠的實際設(shè)計與運行經(jīng)驗，利用三級過濾工藝可以提高對SS和有機物的去除率，利用化學(xué)除磷可以強化對TP的去除，利用以強化脫氮為主的脫氮除磷工藝可以提高對TN的去除率。

3 節(jié)能降耗

城鎮(zhèn)污水處理是高能耗行業(yè)，我國二級污水處理廠的標(biāo)準電耗為0.15～0.28 kW·h/m3。有資料表明，我國污水處理廠單位耗電量約為0.262 kW·h/m3，從表面上看與日本的全國平均值(0.26 kW·h/m3)相近，比美國的(0.2 kW·h/m3)稍高，但日本沉砂池普遍有洗砂、通風(fēng)、脫臭等設(shè)施，約耗電0.01 kW·h/m3；美、日兩國對污泥都進行硝化、脫水、焚燒處理，美國還進行氣浮處理，約耗電0.05～0.1 kW·h/m3，而回收的能源均未計算在內(nèi)。另外，美、日兩國自控設(shè)備數(shù)量較多，照明、空調(diào)等耗電量也比我國高[4]?？梢姡覈鬯幚淼哪芎南鄬^高，如果污水處理可節(jié)省能耗0.01 kW·h/m3，則全國可節(jié)省運行費用＞1億元/a，節(jié)能潛力巨大。污水處理廠的能耗主要用于生物處理、污水提升和污泥處理，節(jié)能主要從節(jié)省曝氣量、選擇高效處理技術(shù)和高效設(shè)備等方面考慮。

3.1 控制曝氣量

曝氣量控制的目標(biāo)是根據(jù)污水處理廠的實際運行狀況，按需供氣，防止過量曝氣，降低污水處理能耗。曝氣量控制方法主要包括按程序、進水比例和溶解氧控制等。其中，程序控制是根據(jù)歷史水質(zhì)、水量變化特性，再由經(jīng)驗確定曝氣量與時間的關(guān)系控制曝氣量；按進水比例控制是按一定氣水比，根據(jù)進水量調(diào)節(jié)曝氣量；按溶解氧控制是根據(jù)溶解氧的在線監(jiān)測結(jié)果和設(shè)定的DO目標(biāo)值，及時調(diào)節(jié)曝氣量[4]。最近有研究者提出了優(yōu)化和節(jié)省曝氣量的新途徑，如低氧處理工藝、曝氣量智能控制系統(tǒng)等，但距實際應(yīng)用尚有一定差距。

3.2 采用高效低耗處理技術(shù)

在污水處理廠升級改造過程中，通過系統(tǒng)的經(jīng)濟技術(shù)分析和比較，選擇適合具體污水處理廠特點的高效低耗污水、污泥處理技術(shù)。污水處理技術(shù)盡量選擇以高效率、低能耗見長的生物處理工藝，如條件允許，在前期試驗研究的基礎(chǔ)上，不妨嘗試采用節(jié)能效果顯著的污水處理新技術(shù)。污泥處理盡量選擇可最大程度回收與利用能源的厭氧消化技術(shù)。

3.3 選用高效設(shè)備

污水處理廠設(shè)備陳舊、效率低是造成我國污水處理行業(yè)能耗高居不下的重要原因之一。因此，在升級改造過程中，為節(jié)約處理能耗，必須選用高效設(shè)備，特別是高效水泵、風(fēng)機、電機、曝氣裝置及污泥處理設(shè)備等。

4 安全運行

污水生物處理系統(tǒng)的運行經(jīng)常受到異常問題的干擾，特別是對于采用脫氮除磷工藝的污水處理廠來說，其情況尤甚。據(jù)不完全統(tǒng)計，歐洲各國每年約有50%的城市污水處理廠發(fā)生污泥膨脹，20%受到泡沫的長期影響，50%受到周期影響，采用延時曝氣法的污水處理廠中有87%受到泡沫影響；美國約有60%采用活性污泥法的城市污水處理廠每年都發(fā)生污泥膨脹；澳洲污水廠的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，65%～92%的污水處理廠有泡沫問題，其中60%還受到污泥膨脹的影響。我國的情況與之相類似，幾乎所有的城鎮(zhèn)污水處理廠每年都存在不同程度的絲狀菌污泥膨脹問題，采用活性污泥法的污水處理廠近50%出現(xiàn)過不同程度的泡沫問題。每年春夏和冬春交替的季節(jié)，上海市一些具有硝化脫氮功能的活性污泥法污水處理廠內(nèi)均發(fā)生過生物浮沫現(xiàn)象。

目前，國內(nèi)外針對污水處理廠的異常運行問題，常采用的控制技術(shù)見表1。

表1 污水處理廠異常運行控制技術(shù)

5 結(jié)語

隨著我國對環(huán)境污染治理的日益重視，污水處理程度不斷提高已成為必然的發(fā)展趨勢，很多污水處理廠都面臨著升級改造問題。在污水處理廠升級改造的規(guī)劃和設(shè)計階段，必須在充分利用原有構(gòu)筑物的前提下，深入考慮進水水質(zhì)、節(jié)能降耗、安全穩(wěn)定運行等問題，選擇合理的升級改造工藝，建立可適應(yīng)不同環(huán)境條件和不同處理要求的科學(xué)運行方案，以保證升級改造工程的高效、低耗、穩(wěn)定運行。

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