先進(jìn)污水處理工藝節(jié)能減排效果比較與分析

趙高偉 康 雅

(1．中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450052;2．鄭州自來水投資控股有限公司，河南鄭州 450007)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展、城市規(guī)模的迅速擴(kuò)大、人民生活水平的不斷提高，全國(guó)各大中城市的水污染物排放總量也在迅猛增加，從而給城市周邊有限的河湖水資源環(huán)境造成了嚴(yán)重的氮磷富營(yíng)養(yǎng)化污染，不僅加劇了淡水資源的短缺、城市飲用水源地水源污染問題，也破壞了水體生態(tài)平衡，造成了大量的魚蝦死亡，以及難以估量的巨額國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響了人民的生活環(huán)境。對(duì)此，原國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局于2006年通過修改并制定更嚴(yán)格的城市污水排放標(biāo)準(zhǔn)——GB 18918-2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，要求城鎮(zhèn)污水處理廠出水排入國(guó)家和省確定的重點(diǎn)流域及湖泊、水庫等封閉、半封閉水域時(shí)，執(zhí)行一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，排入GB 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中三類功能水域(劃定的飲用水水源保護(hù)區(qū)和游泳區(qū)除外)、GB 3097-1982海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中海水二類功能水域時(shí)，執(zhí)行一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。而現(xiàn)階段，全國(guó)范圍內(nèi)除了個(gè)別一線城市的部分污水處理廠通過有效的技術(shù)改造可以達(dá)到一級(jí)A或B標(biāo)準(zhǔn)外，其他大多數(shù)城市的污水處理廠屬于20世紀(jì)建設(shè)的老舊工藝，只限于對(duì)有機(jī)污染物的去除，基本不具備有效的脫氮除磷能力，其處理后的尾水指標(biāo)只能達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)此，本文從節(jié)能減排與合理高效(一級(jí)達(dá)標(biāo)排放或回用)的角度出發(fā)，對(duì)近年來比較流行的且極具有發(fā)展前景的幾類先進(jìn)活性污泥法同步脫氮除磷污水處理工藝進(jìn)行效果比較與技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，并提出合理的建議，以供各位同行參考。

1 分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝

1．1 工程實(shí)踐

以下對(duì)某市污水處理廠工藝改造項(xiàng)目進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，改造所選工藝為四段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝。改造前的設(shè)計(jì)規(guī)模為20萬t/d，A/O(除磷)工藝，運(yùn)行穩(wěn)定，出水水質(zhì)達(dá)到GB 8978-1996污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)的二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。污水水質(zhì)濃度較高，冬季水溫偏低，碳氮比(C/N)偏低。改造后的尾水除回用部分執(zhí)行一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，其余出水執(zhí)行一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。為節(jié)約投資，改造中對(duì)老舊工藝的構(gòu)筑物進(jìn)行了充分的利用。具體流程見圖1。

圖1 四段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝

1．2 試驗(yàn)研究

本工藝通常由2段～5段缺氧/好氧順序排列組成。關(guān)于此工藝對(duì)氮、磷的去除效果及特性，很多高校相繼成功地開展了大量的中試試驗(yàn)研究。據(jù)文獻(xiàn)［1］報(bào)道，北京某高校對(duì)類似工藝3段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝的中試試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)水碳氮比高于5∶1時(shí)，系統(tǒng)對(duì)氮和磷的去除率分別達(dá)到83%和88%，當(dāng)進(jìn)水TP約為5 mg/L時(shí)，可以保證尾水TP低于1 mg/L，達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，其他指標(biāo)均可高于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)進(jìn)水碳氮比低于5∶1時(shí)，則需另設(shè)輔助除磷化學(xué)投藥系統(tǒng)以保證除磷效果。

1．3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

相對(duì)于A2/O(除磷脫氮)工藝的優(yōu)越性:1)不需設(shè)混合液內(nèi)回流，節(jié)能效果明顯;2)各缺氧段分別按比例進(jìn)水，原水中的有機(jī)物被充分的用于反硝化，節(jié)約了曝氣量;當(dāng)原水中有機(jī)物足夠時(shí)，理論脫氮率可達(dá)90%，大大削減污水中TN的排放量;3)對(duì)于改造工程，原有處理構(gòu)筑物可得到充分利用，大幅節(jié)省基建投資。

工藝弊端:1)進(jìn)水點(diǎn)較多，各段進(jìn)水流量及溶解氧控制較嚴(yán)格，需設(shè)置比較多的流量計(jì)、DO在線檢測(cè)儀表及控制回路，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高;2)各好氧池的曝氣量控制要求高，若控制不當(dāng)，將造成曝氣量過剩，浪費(fèi)能量，甚至影響下游相鄰缺氧段缺氧環(huán)境的形成。

2 改良JHB與流動(dòng)生物膜法組合工藝

2．1 工程實(shí)踐

以下對(duì)某市開發(fā)區(qū)污水處理廠工程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，整體了解改良JHB與流動(dòng)生物膜法組合工藝的脫氮除磷效果。

本污水處理廠處理規(guī)模為6萬t/d;主要收集處理工業(yè)開發(fā)區(qū)排放的污水，進(jìn)水中難降解有機(jī)物所占的比例較大，要求出水達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。本工藝的實(shí)質(zhì)是在改良JHB的基礎(chǔ)上，向好氧池中投加一定量的可供生物生長(zhǎng)附著的流動(dòng)載體。改良JHB工藝也常被稱為前置預(yù)反硝化A2/O工藝，相對(duì)于常規(guī)A2/O工藝，當(dāng)污泥齡控制合理時(shí)，其除磷能力可得到優(yōu)先保障，當(dāng)進(jìn)水C/N比為3～5的情況下，常溫下即可實(shí)現(xiàn)良好的脫氮與除磷效果，如西部某城市污水廠改造工程，日處理規(guī)模達(dá)到10萬t，泥齡控制合理時(shí)，出水總磷常年可保持在1 mg/L以下。但此工藝的主要缺陷是，冬季低溫條件下(污水溫度在13℃左右或更低)，泥齡控制難以把握，除磷效果與硝化效果不易兼顧，控制不當(dāng)則使出水氨氮、總氮超標(biāo)，甚至沒有硝化效果。需在改良JHB工藝好氧池的末端增設(shè)硫酸鋁投藥裝置，以確保冬季低溫條件下的除磷效果。

通過向改良JHB工藝的好氧池中引入流動(dòng)生物膜，進(jìn)行合理組合，可有效保證整個(gè)系統(tǒng)低溫條件下的同步脫氮除磷效果。在好氧池中投加足夠數(shù)量的環(huán)形流動(dòng)填料，起到有效固定硝化菌的作用，避免其在頻繁排泥時(shí)隨剩余污泥流失的弊端。改良JHB與流動(dòng)生物膜法組合工藝的流程圖見圖2。

圖2 改良JHB與流動(dòng)生物膜法組合工藝

2．2 試驗(yàn)研究

據(jù)文獻(xiàn)［1］報(bào)道，哈爾濱某高校對(duì)流動(dòng)生物膜法與傳統(tǒng)A2/O組合工藝的中試試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)BOD5，CODCr，氨氮，TN，TP的平均去除率分別為 96．3%，92．66%，97．95%，84．53%，81．77%。實(shí)踐表明，在同等進(jìn)水水質(zhì)條件下，改良JHB工藝的同步脫氮除磷效果要顯著好于傳統(tǒng)A2/O工藝，因此，將改良JHB與流動(dòng)生物膜法進(jìn)行組合，其脫氮除磷效果會(huì)更好。

2．3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

本組合工藝流程簡(jiǎn)單，構(gòu)筑物少，可操作性強(qiáng)，節(jié)省占地，可大大節(jié)約改造投資費(fèi)用，并且從根本上解決了單一活性污泥法硝化泥齡與除磷泥齡在低溫條件下難以統(tǒng)一的致命弱點(diǎn)，值得推廣，尤其適用于北方冬季低溫環(huán)境。

3 二段復(fù)合活性污泥法工藝

3．1 工程實(shí)踐

二段復(fù)合活性污泥法是AB活性污泥法的改進(jìn)版，改進(jìn)后使原A段兼?zhèn)涑啄芰?，原B段兼?zhèn)涿摰芰?。以下?duì)東部某市污水廠改造工程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，以概要了解本工藝的高效脫氮除磷效果。

本改造項(xiàng)目的設(shè)計(jì)規(guī)模為7萬t/d，原二級(jí)處理工藝為常規(guī)活性污泥法。本廠進(jìn)水主要為生活污水，以及少部分工業(yè)廢水，出水要求達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。本工藝類似于AB法的分段方式，主要分為兩段。中沉池連同上游的好氧池、厭氧池一起主要完成除碳、除磷、部分硝化與反硝化功能;終沉池連同其上游的好氧池及缺氧池一起主要完成除碳、部分除磷、硝化和反硝化功能。改造采用的工藝流程見圖3(圖中示意的分流0．3Q為筆者對(duì)改造工藝提出的改進(jìn)建議，不屬于原改造工程內(nèi)容)。

圖3 二段復(fù)合活性污泥法

改造后的工藝出水水質(zhì)除了TN指標(biāo)比較高外，其他指標(biāo)均能達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)或A標(biāo)準(zhǔn)。從流程圖可以定性得出，總氮去除效果差(出水總氮高達(dá)20 mg/L)的主要原因是，二曝池缺氧段可供反硝化菌脫氮所用的大部分溶解性碳源在一曝池內(nèi)被消耗，接著又在中沉池內(nèi)被進(jìn)一步沉淀去除。對(duì)此，筆者認(rèn)為應(yīng)將原水進(jìn)行分流，將約30%的原水分流到二曝池缺氧段，以有效提供反硝化所需足夠的碳源，降低出水TN。實(shí)際運(yùn)行中，二曝池內(nèi)對(duì)TP的去除量占整個(gè)系統(tǒng)除磷量的45%。由此可見，將30%的原水分流進(jìn)入二曝池不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的除磷能力造成過多的影響。

3．2 工藝原理

工藝設(shè)計(jì)的主要理念是，將系統(tǒng)中的聚磷活性污泥和硝化活性污泥在一定程度上分離出來，分別控制其生長(zhǎng)在一曝段和二曝段，僅通過少量的循環(huán)回流1，2建立一定的污泥接種關(guān)系，前段主要完成除磷除碳，后段則主要實(shí)現(xiàn)硝化反硝化。二段的剩余污泥很少，通過循環(huán)回流1將二段的混合液輸送到一段，借助于中沉池完成排泥。

3．3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

在不須引入生物膜法的情況下，本工藝成功地解決了傳統(tǒng)活性污泥法工藝面臨的低溫環(huán)境下硝化菌和除磷菌的泥齡不易統(tǒng)一的矛盾，且脫氮除磷效果顯著，操作運(yùn)行簡(jiǎn)單，出水各項(xiàng)指標(biāo)可穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是，回流管線比較多，多于常規(guī)脫氮除磷工藝如JHB工藝3個(gè)回流，構(gòu)筑物及設(shè)備比較多，基建投資大，運(yùn)行所需動(dòng)力費(fèi)用高出常規(guī)工藝15%～20%。綜合考慮，本工藝比較適合于寒冷的北方地區(qū)對(duì)AB活性污泥法工藝的提標(biāo)改造。

4 OWASA活性污泥法工藝

4．1 工程實(shí)踐

OWASA活性污泥法工藝的特點(diǎn)是，在A2/O工藝二級(jí)生化池前增設(shè)初沉池，并配套設(shè)置初沉污泥發(fā)酵池，通過專設(shè)管線將發(fā)酵之后的上清液分別引入?yún)捬醵魏腿毖醵?。本工藝的處理尾水可穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)B或A標(biāo)準(zhǔn)，其在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，節(jié)能減排效果顯著，具體流程見圖4。

圖4 OWASA活性污泥法工藝

4．2 工藝原理

在進(jìn)水C/N比較低的情況下，進(jìn)水中大顆粒懸浮態(tài)有機(jī)物在初沉池中被有效沉淀去除，然后在發(fā)酵池中被分解為易降解揮發(fā)性脂肪酸。富含大量揮發(fā)性脂肪酸的上清液被引入缺氧段和厭氧段，使進(jìn)水中C/TN和C/TP被大幅提高，為除磷菌和反硝化菌額外增加了食料，進(jìn)而使系統(tǒng)的反硝化及除磷能力得到了提高。

4．3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

針對(duì)進(jìn)水中易降解有機(jī)物含量偏低，工業(yè)廢水含量高的城市污水，本工藝實(shí)現(xiàn)了對(duì)原水中難降解有機(jī)物的分解產(chǎn)物——揮發(fā)性脂肪酸的有效利用，為系統(tǒng)中的反硝化菌和除磷菌提供了足夠的易降解有機(jī)物，變廢為寶，出水氮磷達(dá)標(biāo)，節(jié)能減排效果顯著。同時(shí)，工藝流程簡(jiǎn)明，便于操控，特別適合于對(duì)老污水廠的提標(biāo)改造，改造工程量小，基建投資省，運(yùn)行費(fèi)用略有增加，但不很大，值得在改造工程中推廣應(yīng)用。

5 結(jié)語

1)應(yīng)用分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝處理常規(guī)污水，實(shí)現(xiàn)了對(duì)原水中碳源的高效利用，使污水中TN，TP得到高效去除，適合于對(duì)傳統(tǒng)推流式曝氣池的提標(biāo)改造，且改造成本比較低。2)應(yīng)用改良JHB與流動(dòng)生物膜法組合工藝處理低溫污水，根本上解決了單一活性污泥法脫氮泥齡與除磷泥齡難以統(tǒng)一的問題，適合于對(duì)A2/O工藝的提標(biāo)改造，投資成本較低，尤其適用于低溫環(huán)境。3)應(yīng)用二段復(fù)合活性污泥法工藝，在不引入生物膜法的情況下成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)聚磷菌和硝化菌泥齡的分段控制，顯著提高了系統(tǒng)對(duì)污水中氮磷的有效去除，適合于寒冷地區(qū)對(duì)傳統(tǒng)AB兩段法的提標(biāo)改造。4)OWASA活性污泥法工藝對(duì)原水沉淀污泥發(fā)酵產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)酸進(jìn)行了充分的利用，有效彌補(bǔ)了系統(tǒng)脫氮除磷所需碳源的不足，實(shí)現(xiàn)了高效的脫氮除磷。該工藝運(yùn)行簡(jiǎn)單，節(jié)能減排效果顯著，適用于對(duì)原水中工業(yè)廢水含量高的城市污水處理廠的提標(biāo)改造。

［1］徐 娟．污水處理節(jié)能減排新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010:70，221．