污水处理厂升级改造问题探讨

□文/阎 健 刘晓磊

近年来我国加快了污水治理设施的建设步伐，污水厂数量逐年增加。然而，很多早期建造的污水处理厂对氮、磷的去除效率较低，出水水质无法达到GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》要求。在此形势下，通过必要的升级与改造，使已建污水处理厂达到脱氮除磷要求，已成为我国新一轮污水治理工作的重点。

针对城镇污水处理厂的升级改造工作，归纳探讨了几个常见问题并提出相应的解决对策，以期为我国城镇污水处理厂的升级改造提供技术支撑和经验参考。

1 污水中碳源不足

1.1 低碳源水质特性

在城镇污水处理厂升级改造中遇到的主要水质问题是碳源不足，即污水的COD/TN值较低。我国部分城镇污水的有机污染物浓度较低。一般认为，在污水生物脱氮过程中，如果BOD5/TN＞3，即可认为污水中有足够的碳源供反硝化菌进行反硝化，但部分城镇污水无法达到该要求，呈现明显的低碳源特性。因此，在城镇污水处理厂的升级改造工程设计时，必须充分注意系统内碳源的合理利用与分配问题。

1.2 解决对策

1）寻找快速可替代有机碳源。在多数城镇污水中，溶解性BOD5仅占BOD总量的40%～60%，其余为颗粒性有机物。经初沉池处理，颗粒有机物一般可去除60%，如采取有效措施，这些沉积在初沉污泥中的颗粒性有机物可转化为快速生物降解碳源。寻找快速可替代有机碳源就是充分利用初沉污泥中的颗粒性有机物，通过微生物的厌氧水解发酵作用使之转化为快速生物降解有机物，增加系统中可生物降解碳源数量，提高生物脱氮除磷效果。污水生物脱氮除磷系统中反硝化菌和聚磷菌所需要的碳源主要为快速生物降解有机物(VFA)，去除1 mg磷一般需要7～9 mg的VFA，反硝化过程的需要量更多。然而，城镇污水中可利用的快速生物降解碳源仅占有机物含量的10%～15%，不能满足脱氮除磷所需。初沉污泥发酵技术可为生物脱氮除磷过程提供更多的VFA。美国的初沉污泥发酵研究表明，通过12 d的发酵，可向进水提供400 mg/L的VFA。日本有研究表明，可发酵有机物达到最大转化率的最佳固体停留时间为3 d左右，约30%的初沉污泥有机物可转化成VFA。目前，有两种可为生物脱氮除磷增加快速生物降解碳源的发酵设计流程，一种是深池型初沉池，另一种是另设发酵池，两者还可用于污泥浓缩。发酵池的污泥回流提供了更有效的固体转化并使溶解性BOD释放到初沉池出水中。

2）合理优化碳源分配。传统A2/O工艺是根据硝化菌、反硝化菌和聚磷菌生长适宜的微生物环境进行空间分区以实现脱氮除磷的目的。在低碳源条件下，由于可利用有机物有限，反硝化菌与聚磷菌对基质竞争使系统氮、磷(尤其是磷)去除效果变差。为实现反硝化和释磷过程合理分配碳源，出现了一些改良型的脱氮除磷工艺。倒置A2/O工艺、改良A2/O工艺、UCT工艺、改良UCT工艺、VIP工艺、MSBR工艺。

这些改良工艺都是在传统生物脱氮除磷理论基础上，为避免低碳源条件下反硝化菌与聚磷菌因竞争基质导致氮、磷去除效果降低而开发的，在一定程度上强化了低碳源污水的氮、磷去除效果，其空间顺序、回流方式等都有重要借鉴价值。此外，如进水水质允许，在不改变传统工艺流程的基础上也可进行碳源优化分配，一是取消初沉池，让原水经沉砂池后直接进入厌氧池；二是适当延长厌氧池停留时间，使原水中复杂的有机物厌氧发酵转化成小分子的溶解性有机物。

3）寻求污水处理新技术。近年来，国内外学者针对传统生物脱氮除磷系统中发现的新现象和新过程进行了大量理论和试验研究并提出了一些可节省碳源消耗的生物脱氮除磷新理论和新技术。目前，上述部分污水处理新技术已在国外得到工程应用，如短程硝化反硝化技术已被用于处理污泥消化液。基于这些新技术，国外学者也研究开发了一些生物脱氮除磷新工艺，如基于反硝化除磷原理开发的BCFS单污泥工艺、A2N双污泥工艺，基于短程硝化反硝化和厌氧氨氧化原理开发的SHARON-ANAMMOX联用工艺，其中BCFS工艺已在实际工程中应用，而A2N工艺和SHARON-ANAMMOX联用工艺距工程应用尚有一定距离[1～2]。

2 工艺选择

污水处理厂的技术升级改造一般包括水力改造、设备改造和工艺升级改造等，其中污水处理工艺升级改造是提高出水水质的关键。与新建污水处理厂不同，污水处理厂升级改造的工艺选择问题相对复杂，通常情况下要考虑3个问题：

1）尽量利用原有构筑物，投资少；

2）工艺运行可靠，灵活性强；

3）处理效率高，能耗低。

就处理功能而言，化学除磷、生物脱氮除磷和深度处理等工艺均可实现工艺升级改造的目的[3]。

2.1 化学除磷

在沉淀池或污水处理反应池内投加金属盐和聚合物等化学药剂，通过化学反应和凝聚作用凝聚胶体颗粒，生成沉淀物以达到强化除磷效果。

2.2 生物脱氮除磷

1）双污泥系统。基于双污泥理论，增设生物膜法硝化池，使之独立于活性污泥法缺氧、厌氧和好氧池之外，为除磷和脱氮微生物创造各自最佳生长环境，克服传统活性污泥法存在的泥龄、碳源等矛盾，实现高效脱氮除磷。

2）活性污泥和生物膜复合工艺。将生物载体直接投加到已建曝气池中形成活性污泥和生物膜复合生物处理工艺，使活性污泥主要负责有机物去除，生物膜主要负责硝化，提高曝气池内生物量，增强系统硝化性能，提高系统抗冲击负荷能力，节省占地和投资。

3）增加反应区容积。通过在普通曝气池外增设厌氧、缺氧区，可以将普通活性污泥法升级改造为Bardenpho工艺、A2/O工艺、改良A2/O工艺、倒置A2/O工艺和VIP工艺，以达到脱氮除磷目的。

4）调整反应区容积。在生物反应池容积允许的条件下，将普通曝气池分隔成厌氧、缺氧和好氧区，使之升级为脱氮除磷工艺。

2.3 深度处理

污水深度处理升级改造措施主要包括应用新型过滤、吸附、混凝、沉淀、气浮及消毒工艺；采用曝气生物滤池工艺；应用膜技术；应用膜生物反应器技术。一般来说，对于常规城镇污水水质，为使出水水质达到一级B标准，将传统二级生物处理工艺升级为生物脱氮除磷工艺即可实现；但出水水质如若执行一级A标准，则处理难度相对较大。根据国内已建污水处理厂的实际设计与运行经验，利用三级过滤工艺可以提高对SS和有机物的去除率，利用化学除磷可以强化对TP的去除，利用以强化脱氮为主的脱氮除磷工艺可以提高对TN的去除率。

3 节能降耗

城镇污水处理是高能耗行业，我国二级污水处理厂的标准电耗为0.15～0.28 kW·h/m3。有资料表明，我国污水处理厂单位耗电量约为0.262 kW·h/m3，从表面上看与日本的全国平均值(0.26 kW·h/m3)相近，比美国的(0.2 kW·h/m3)稍高，但日本沉砂池普遍有洗砂、通风、脱臭等设施，约耗电0.01 kW·h/m3；美、日两国对污泥都进行硝化、脱水、焚烧处理，美国还进行气浮处理，约耗电0.05～0.1 kW·h/m3，而回收的能源均未计算在内。另外，美、日两国自控设备数量较多，照明、空调等耗电量也比我国高[4]。可见，我国污水处理的能耗相对较高，如果污水处理可节省能耗0.01 kW·h/m3，则全国可节省运行费用＞1亿元/a，节能潜力巨大。污水处理厂的能耗主要用于生物处理、污水提升和污泥处理，节能主要从节省曝气量、选择高效处理技术和高效设备等方面考虑。

3.1 控制曝气量

曝气量控制的目标是根据污水处理厂的实际运行状况，按需供气，防止过量曝气，降低污水处理能耗。曝气量控制方法主要包括按程序、进水比例和溶解氧控制等。其中，程序控制是根据历史水质、水量变化特性，再由经验确定曝气量与时间的关系控制曝气量；按进水比例控制是按一定气水比，根据进水量调节曝气量；按溶解氧控制是根据溶解氧的在线监测结果和设定的DO目标值，及时调节曝气量[4]。最近有研究者提出了优化和节省曝气量的新途径，如低氧处理工艺、曝气量智能控制系统等，但距实际应用尚有一定差距。

3.2 采用高效低耗处理技术

在污水处理厂升级改造过程中，通过系统的经济技术分析和比较，选择适合具体污水处理厂特点的高效低耗污水、污泥处理技术。污水处理技术尽量选择以高效率、低能耗见长的生物处理工艺，如条件允许，在前期试验研究的基础上，不妨尝试采用节能效果显著的污水处理新技术。污泥处理尽量选择可最大程度回收与利用能源的厌氧消化技术。

3.3 选用高效设备

污水处理厂设备陈旧、效率低是造成我国污水处理行业能耗高居不下的重要原因之一。因此，在升级改造过程中，为节约处理能耗，必须选用高效设备，特别是高效水泵、风机、电机、曝气装置及污泥处理设备等。

4 安全运行

污水生物处理系统的运行经常受到异常问题的干扰，特别是对于采用脱氮除磷工艺的污水处理厂来说，其情况尤甚。据不完全统计，欧洲各国每年约有50%的城市污水处理厂发生污泥膨胀，20%受到泡沫的长期影响，50%受到周期影响，采用延时曝气法的污水处理厂中有87%受到泡沫影响；美国约有60%采用活性污泥法的城市污水处理厂每年都发生污泥膨胀；澳洲污水厂的调查数据显示，65%～92%的污水处理厂有泡沫问题，其中60%还受到污泥膨胀的影响。我国的情况与之相类似，几乎所有的城镇污水处理厂每年都存在不同程度的丝状菌污泥膨胀问题，采用活性污泥法的污水处理厂近50%出现过不同程度的泡沫问题。每年春夏和冬春交替的季节，上海市一些具有硝化脱氮功能的活性污泥法污水处理厂内均发生过生物浮沫现象。

目前，国内外针对污水处理厂的异常运行问题，常采用的控制技术见表1。

表1 污水处理厂异常运行控制技术

5 结语

随着我国对环境污染治理的日益重视，污水处理程度不断提高已成为必然的发展趋势，很多污水处理厂都面临着升级改造问题。在污水处理厂升级改造的规划和设计阶段，必须在充分利用原有构筑物的前提下，深入考虑进水水质、节能降耗、安全稳定运行等问题，选择合理的升级改造工艺，建立可适应不同环境条件和不同处理要求的科学运行方案，以保证升级改造工程的高效、低耗、稳定运行。

[1]郝晓地.可持续污水-废物处理技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[2]沈耀良，王宝贞.废水生物处理新技术——理论与应用[M].2版.北京：中国环境科学出版社，2006.

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