污水處理廠污水深度處理工藝綜述與案例分析

曾木海

(昆明市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，云南昆明 650041)

根據(jù)中國(guó)城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒，近20年來，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理事業(yè)蓬勃發(fā)展，污水處理廠數(shù)量、處理能力和處理率均有顯著增加(圖1)。截至2019年，全國(guó)累計(jì)建成城市污水處理廠2 471座，年污水處理量達(dá)525.85×108m3，污水處理率已達(dá)到96.81%。研究表明，截至2019年，全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠中執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的占53.2%[1]。隨著國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)工作的持續(xù)推進(jìn)，“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念已逐漸深入人心，水污染防治、水生態(tài)治理與保護(hù)對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠尾水水質(zhì)提出了新的更高需求，各地政府也對(duì)其排放提出了新的嚴(yán)格要求(表1)，出水水質(zhì)優(yōu)于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的城鎮(zhèn)污水處理廠越來越多。此外，污水再生回用已成為全球公認(rèn)的第二水源，污水廠尾水作為再生水進(jìn)行回收利用是緩解水資源供需矛盾的有效途徑之一。因此，對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠污水進(jìn)行深度處理、提升尾水水質(zhì)是必要的。

圖1 2000年—2019年我國(guó)城市污水處理情況Fig.1 China's Urban Wastewate Treatment during 2000 to 2019

表1 污水處理廠部分排放標(biāo)準(zhǔn)主要指標(biāo)對(duì)比表Tab.1 Contrast of Main Indicators in Some Discharge Standards of WWTP

表2 污水處理廠主要水污染物處理方法Tab.2 Treatment of Main Pollutants in WWTP

1 深度處理重難點(diǎn)分析

由表1可知，污水深度處理的主要控制指標(biāo)是CODCr、BOD5、SS、NH3-N、TN和TP。由表2可知，BOD5、NH3-N、SS和TP的深度處理較易實(shí)現(xiàn)，TN和CODCr是污水處理廠深度處理的重點(diǎn)和難點(diǎn)[2]。

2 TN深度處理技術(shù)

TN的去除以生物脫氮為主，通過好氧硝化和缺氧反硝化2個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，充分的硝化作用通過將凱氏氮轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮能夠去除絕大部分NH3-N，而TN的去除則需將前一環(huán)節(jié)的硝態(tài)氮進(jìn)一步還原成氮?dú)鈁3]。當(dāng)污水中TN降至一定程度時(shí)，由于碳源的缺乏、堿度的消耗和有毒有害物質(zhì)的積累，生物脫氮難以繼續(xù)自發(fā)進(jìn)行。因此，一般需增加專用深度脫氮工藝。

2.1 反硝化深床濾池工藝

反硝化深床濾池是一種集生物脫氮功能和表面過濾功能為一體的處理單元，濾料既可以作為反硝化微生物掛膜的介質(zhì)，又可以發(fā)揮過濾作用。普通濾池表層易堵塞或板結(jié)、過濾水頭消耗快，而反硝化深床濾池含污能力強(qiáng)、截留效果好，且無竄流或穿透現(xiàn)象。

圖2 清溪污水處理廠工藝流程圖Fig.2 Process Flow Chart of Qingxi WWTP

合肥市清溪污水處理廠[4]設(shè)計(jì)規(guī)模為20×104m3/d，進(jìn)水TN設(shè)計(jì)值為50 mg/L，出水TN執(zhí)行地表水類Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(TN≤5 mg/L)。工藝流程如圖2所示，清溪廠深度脫氮單元采用反硝化深床濾池，共1座16組，單組平面尺寸為23.9 m×3.6 m，池深為6.6 m。濾料采用1.7～3.35 mm的均質(zhì)石英砂，濾床厚度為1.83 m，平均濾速為6.42 m/h，峰值濾速為8.35 m/h，水頭損失為2.0～2.5 m。投入運(yùn)行后，清溪廠2017年11月出水TN實(shí)測(cè)值平均為3.84 mg/L，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.2 MBR工藝

MBR工藝由生物池和膜池組成，是膜分離技術(shù)和生物凈水技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。MBR工藝中污泥齡不受水力停留時(shí)間影響，繁殖世代時(shí)間較長(zhǎng)的反硝化細(xì)菌得以富集，脫氮效果好；生物池中活性污泥濃度達(dá)8～12 g/L，容積負(fù)荷高、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)；固液分離效果好。

秦皇島賈河污水處理廠[5]設(shè)計(jì)規(guī)模為7×104m3/d，進(jìn)水TN設(shè)計(jì)值為70 mg/L，出水TN執(zhí)行地表水類Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(TN≤10 mg/L)。工藝流程如圖3所示，提標(biāo)改造工程中新建2座AAO生物池，污泥齡為17.2 d，污泥濃度為8～10 g/L。生物池有效水深為6.5 m，水力停留時(shí)間為12.55 h，其中，厭氧池為1.82 h、缺氧池為4.95 h、好氧池為5.78 h。MBR膜池膜通量為18.27 L/(m2·h)。膜池至好氧池的混合液回流比為500%，好氧池至缺氧池的混合液回流比為400%，缺氧池至厭氧池的混合液回流比為200%。污水廠建成運(yùn)行后，2016年11月—2017年5月出水TN實(shí)測(cè)值平均為7.58 mg/L，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 賈河污水處理廠工藝流程圖Fig.3 Process Flow Chart of Jiahe WWTP

2.3 生物倍增工藝

生物倍增工藝是一種高效活性污泥處理技術(shù)，其最大特點(diǎn)是低溶解氧、高污泥濃度(5～9 g/L)和大流量循環(huán)回流(≥20Q)，生化區(qū)溶解氧精確控制在0.1～0.3 mg/L[6]。生物倍增工藝反應(yīng)池一般由氣提區(qū)、生化區(qū)和澄清區(qū)3部分組成，工藝流程短、布局緊湊、能耗低。

石家莊上莊污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為5×104m3/d，進(jìn)水TN設(shè)計(jì)值為50 mg/L，出水TN執(zhí)行地表水類Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(TN≤10 mg/L)。工藝流程如圖4所示，上莊污水廠提標(biāo)改造工程深度處理單元采用生物倍增工藝反應(yīng)池，共1座2組，總處理能力為2 083 m3/h，有效水深為4.5 m，曝氣區(qū)有效容積為7 614 m3，污泥濃度為6 g/L，污泥負(fù)荷為0.055 kg COD/(kg MLSS·d)，溶解氧濃度為0.3 mg/L，氧傳遞效率為40%。投入運(yùn)行后，上莊污水廠2019年3月—4月出水TN實(shí)測(cè)值平均為6.5 mg/L，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖4 上莊污水處理廠工藝流程圖Fig.4 Process Flow Chart of Shangzhuang WWTP

2.4 多級(jí)AO類工藝

理論上，多級(jí)AO類工藝包括AAO+后置AO生物池、Bardenpho生物池及其改良型、分段進(jìn)水多級(jí)AO生物池及其改良型。傳統(tǒng)AO工藝脫氮效果的提高有賴于硝化液回流量的增加，但過大的回流量不僅會(huì)導(dǎo)致處理能耗增加，還會(huì)破壞反硝化區(qū)的缺氧環(huán)境。因此，《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)》(GB 50014—2006)建議缺氧/好氧法脫氮生物池硝化液回流比宜為100%～400%。多級(jí)AO類工藝在傳統(tǒng)AO工藝的基礎(chǔ)上增加后置反硝化功能區(qū)，污水從前一級(jí)好氧池進(jìn)入后一級(jí)缺氧池，實(shí)現(xiàn)了硝化液的低回流比和TN的高去除率[7]。此外，采用分段進(jìn)水時(shí)還能夠充分利用原水中有機(jī)碳源，節(jié)省動(dòng)力費(fèi)和藥劑費(fèi)。

北京某污水處理廠[8]設(shè)計(jì)規(guī)模為4×104m3/d，進(jìn)水TN設(shè)計(jì)值為60 mg/L，出水TN執(zhí)行北京市地標(biāo)A標(biāo)準(zhǔn)。工藝流程如圖5所示，二級(jí)生物處理單元采用改良Bardenpho工藝，生物池按預(yù)缺氧區(qū)/厭氧區(qū)/前缺氧區(qū)/前好氧區(qū)/后缺氧區(qū)/后好氧區(qū)的順序布置，多點(diǎn)進(jìn)水。生物池平面尺寸約80 m×75.3 m，有效水深為6.0 m，總有效池容為34 560 m3，水力停留時(shí)間為20.74 h，混合液回流比為300%，污泥回流比為100%。2015年9月—2016年9月出水TN實(shí)測(cè)值平均為6.35 mg/L，優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

圖5 北京某污水處理廠工藝流程圖Fig.5 Process Flow Chart of a WWTP in Beijing

3 難降解COD深度處理技術(shù)

隨著處理深度的推進(jìn)，污水中易降解有機(jī)物均已得到充分降解，殘余有機(jī)物主要是原污水?dāng)y帶的難降解有機(jī)物和微生物自身的內(nèi)源代謝產(chǎn)物，且二者都難以繼續(xù)被生物降解[9-10]。對(duì)于這部分可生化性差的COD，可通過預(yù)處理增大BOD的比例或者采用針對(duì)性的深度處理工藝。

3.1 化學(xué)氧化工藝

化學(xué)氧化工藝通過向污水中投加強(qiáng)氧化劑把水中有機(jī)污染物徹底氧化成CO2和H2O，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。根據(jù)氧化劑的類別可分為高錳酸鉀氧化法、臭氧氧化法、芬頓氧化法、氯氧化法和電化學(xué)氧化法，根據(jù)氧化過程是否產(chǎn)生自由基又可分為普通氧化法和高級(jí)氧化法。污水深度處理中常用的是臭氧直接氧化技術(shù)和高級(jí)氧化技術(shù)，直接氧化技術(shù)由臭氧氧化有機(jī)物，高級(jí)氧化技術(shù)由臭氧在催化作用下產(chǎn)生的·OH氧化有機(jī)物。

天津張貴莊污水處理廠[2]設(shè)計(jì)規(guī)模為20×104m3/d，進(jìn)水CODCr設(shè)計(jì)值為500 mg/L，出水COD執(zhí)行天津市地標(biāo)A標(biāo)準(zhǔn)。工藝流程如圖6所示,COD深度降解采用臭氧催化氧化技術(shù)，對(duì)水中難降解有機(jī)物進(jìn)行徹底氧化，并同步去除水中色度。CODCr去除量按20 mg/L設(shè)計(jì)，水力停留時(shí)間為60 min，最大臭氧投加量為200 kg/h(約24 mg/L)，臭氧制備系統(tǒng)采用5臺(tái)(4用1備)臭氧發(fā)生器，單臺(tái)制備能力為40 kg/h。試驗(yàn)結(jié)果顯示，出水CODCr為16.3 mg/L，優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

圖6 張貴莊污水處理廠工藝流程圖Fig.6 Process Flow Chart of Zhangguizhuang WWTP

3.2 活性炭(焦)吸附工藝

污水中的有機(jī)污染物含有大量羥基、羧基、氨基等官能團(tuán)，活性炭(焦)粒徑小、比表面積大、內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)。污水流經(jīng)活性炭(焦)表面時(shí)，污染物在范德華力、庫(kù)侖力和表面張力等的作用下從液相轉(zhuǎn)移至固相，最后通過活性炭的更換或再生從處理系統(tǒng)中去除。

鄭州馬頭崗污水處理廠[11]設(shè)計(jì)規(guī)模為60×104m3/d，現(xiàn)狀出水COD執(zhí)行國(guó)標(biāo)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，提標(biāo)后出水COD執(zhí)行地表水類Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(CODCr≤20 mg/L)。工藝流程如圖7所示，工程共設(shè)計(jì)4組升流式活性焦吸附池，單組吸附池內(nèi)設(shè)置48座5 m×5 m×9.5 m的活性焦吸附塔，濾床厚7 m?；钚越沽綖?～5 mm，設(shè)計(jì)濾速約為6.7 m/h，空床停留時(shí)間約為60 min?，F(xiàn)場(chǎng)中試結(jié)果顯示，活性焦吸附池出水CODCr可達(dá)5.8 mg/L，優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

圖7 馬頭崗污水處理廠工藝流程圖Fig.7 Process Flow Chart of Matougang WWTP

3.3 改善可生化性的預(yù)處理工藝

污水處理廠污水中難降解COD以溶解態(tài)為主，預(yù)氧化技術(shù)對(duì)其進(jìn)行不徹底氧化，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐捉到庥袡C(jī)物，以利于后續(xù)的碳化處理，從而達(dá)到COD深度降解的目的[12]。

福州江陰工業(yè)集中區(qū)污水處理廠[13]近期設(shè)計(jì)規(guī)模為4×104m3/d，原污水以工業(yè)廢水為主，進(jìn)水CODCr平均為443 mg/L，提標(biāo)改造后CODCr設(shè)計(jì)出水水質(zhì)由150 mg/L提升至100 mg/L。工藝流程如圖8所示，深度處理工藝為“臭氧接觸池+絮凝沉淀池+曝氣生物濾池”，臭氧接觸池設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間為40 min，進(jìn)出水B/C分別為0.22和0.56，可生化性提高1.54倍。2013年實(shí)測(cè)出水CODCr年均值為74.4 mg/L，優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

圖8 福州某污水處理廠工藝流程圖Fig.8 Process Flow Chart of a WWTP in Fuzhou

此外，水解酸化工藝也常用于可生化性較差的污水的處理。江蘇無錫某工業(yè)園區(qū)污水處理廠進(jìn)水中工業(yè)廢水占比超過70%，可生化性極差，采用水解酸化工藝預(yù)處理后進(jìn)水B/C穩(wěn)定在0.3以上，可生化性大大改善[14]。

4 小結(jié)

目前，常用的深度脫氮工藝有反硝化深床濾池、MBR工藝、生物倍增工藝和多級(jí)AO類工藝，深度降解COD工藝主要有化學(xué)氧化工藝、活性炭(焦)吸附工藝和能夠改善可生化性的預(yù)處理技術(shù)，如表3所示。處理工藝的選擇不僅影響處理目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，更影響污水廠日后的經(jīng)營(yíng)和運(yùn)維，因此，各工程應(yīng)結(jié)合自身特點(diǎn)，經(jīng)充分論證分析乃至現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后合理選用適合自身的工藝。各工藝既能單獨(dú)使用也能組合使用，如呼和浩特班定營(yíng)污水處理廠采用多級(jí)AO+MBR工藝把出水TN由國(guó)標(biāo)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)提升至地表水類Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(TN≤10 mg/L)[15]，天津某污水廠采用“水解酸化池+AAO生物池+MBR膜池+臭氧接觸氧化池”工藝將出水CODCr由國(guó)標(biāo)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)提升至天津市地標(biāo)A標(biāo)準(zhǔn)[16]。

表3 國(guó)內(nèi)部分高標(biāo)準(zhǔn)污水處理工程案例Tab.3 Cases of Some Domestic High-Standard Sewage Treatment Projects

5 結(jié)論與展望

從國(guó)家及各地排放要求來看，對(duì)污水處理廠污水進(jìn)行深度處理是必要的。由于BOD5、NH3-N、SS和TP較易去除，污水深度處理的重點(diǎn)和難點(diǎn)是TN和CODCr。從目前的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，我國(guó)污水深度處理領(lǐng)域仍面臨以下問題。

(1)水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀較差，末端處理壓力大?！跋任廴竞笾卫怼钡陌l(fā)展模式導(dǎo)致我國(guó)水生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工作歷史欠賬太多，為積極配合現(xiàn)階段水環(huán)境治理工作，污水處理成為水污染防治工作首當(dāng)其沖的突破口和著力點(diǎn)。片面地過分倚重末端處理環(huán)節(jié)，導(dǎo)致深度處理工作面臨的壓力越來越大。水資源的使用、處理與排放具有緊密的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，水環(huán)境治理應(yīng)堅(jiān)持過程管理和末端處理相結(jié)合、外源管控和內(nèi)源整治相結(jié)合的模式，不應(yīng)讓污水處理廠理所當(dāng)然地成為最終的兜底單元。

(2)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)作用缺位。雖然已有部分地區(qū)結(jié)合本地區(qū)污染防治要求和污水處理實(shí)踐，制定并實(shí)施了地方性污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，但是大部分地區(qū)尚未開展該項(xiàng)工作，大多數(shù)污水深度處理工程的出水水質(zhì)要求參照?qǐng)?zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。但是《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》差異較大，在參照?qǐng)?zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》時(shí)，處理要求過高。例如：《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》基本控制指標(biāo)只有12項(xiàng)，而《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》基本控制指標(biāo)有24項(xiàng)；《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》最高級(jí)別的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)要求出水TN≤15 mg/L，而《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》最低級(jí)別的Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)要求TN≤2 mg/L，現(xiàn)有污水處理工藝極難達(dá)到。為了更好地開展污水深度處理工作，相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)不可或缺。

(3)污水深度處理技術(shù)有待突破，常規(guī)污水處理技術(shù)力不從心。根據(jù)現(xiàn)有的污水深度處理實(shí)踐，深度脫氮仍以生物法為主，COD的深度降解以物化法為主，尤以化學(xué)氧化法應(yīng)用較多。這些工藝一則處理程度有限，二則能耗大、藥耗多、處理成本高，安全可靠、經(jīng)濟(jì)可行的深度處理新工藝亟待研發(fā)。以生物倍增工藝為例，雖然工程實(shí)踐表明該工藝能夠把出水TN降至10 mg/L以內(nèi)，部分案例甚至降至5 mg/L以內(nèi)，但其理論構(gòu)建仍有待深入研究。