污水處理廠升級改造問題探討

□文/閻 健 劉曉磊

近年來我國加快了污水治理設施的建設步伐，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)酵設計流程，一種是深池型初沉池，另一種是另設發(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?；二是適當延長厭氧池停留時間，使原水中復雜的有機物厭氧發(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。近年來，國內(nèi)外學者針對傳統(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。目前，上述部分污水處理新技術已在國外得到工程應用，如短程硝化反硝化技術已被用于處理污泥消化液。基于這些新技術，國外學者也研究開發(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用，而A2N工藝和SHARON-ANAMMOX聯(lián)用工藝距工程應用尚有一定距離[1～2]。

2 工藝選擇

污水處理廠的技術升級改造一般包括水力改造、設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 化學除磷

在沉淀池或污水處理反應池內(nèi)投加金屬鹽和聚合物等化學藥劑，通過化學反應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合生物處理工藝，使活性污泥主要負責有機物去除，生物膜主要負責硝化，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）增加反應區(qū)容積。通過在普通曝氣池外增設厭氧、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)整反應區(qū)容積。在生物反應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；應用膜技術；應用膜生物反應器技術。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、脫臭等設施，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、日兩國自控設備數(shù)量較多，照明、空調(diào)等耗電量也比我國高[4]。可見，我國污水處理的能耗相對較高，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、選擇高效處理技術和高效設備等方面考慮。

3.1 控制曝氣量

曝氣量控制的目標是根據(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)果和設定的DO目標值，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，但距實際應用尚有一定差距。

3.2 采用高效低耗處理技術

在污水處理廠升級改造過程中，通過系統(tǒng)的經(jīng)濟技術分析和比較，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。污水處理技術盡量選擇以高效率、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上，不妨嘗試采用節(jié)能效果顯著的污水處理新技術。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。

3.3 選用高效設備

污水處理廠設備陳舊、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，必須選用高效設備，特別是高效水泵、風機、電機、曝氣裝置及污泥處理設備等。

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，常采用的控制技術見表1。

表1 污水處理廠異常運行控制技術

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，建立可適應不同環(huán)境條件和不同處理要求的科學運行方案，以保證升級改造工程的高效、低耗、穩(wěn)定運行。

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