高排放標準下我國城鎮(zhèn)污水廠A²/O工藝升級改造研究進展

韋政 楊燕梅 翁蕊 何巖 黃民生

摘要： 以“十一五”和“十二五”期間的A²/O升級改造技術成果為基礎， 結(jié)合當前運行良好且具有代表性的改良A²/O工藝， 從原位優(yōu)化改造和深度處理等方面總結(jié)了高排放標準下城鎮(zhèn)污水廠A²/O工藝升級改造的技術對策. 介紹了具有代表性的A²/O升級改造示范工程的運行情況， 并對A²/O工藝的優(yōu)化和推廣使用提供建議.

關鍵詞： 高排放標準; 城鎮(zhèn)污水廠; A²/O; 升級改造; 工程示范

中圖分類號： X522 文獻標志碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1000-5641.2021.04.007

A review of the upgrading technology for the A²/O process of municipal wastewater treatment plants under high discharge standards in China

WEI Zheng1，2，3，4， YANG Yanmei1，2，3，4， WENG Rui1，2，3，4， HE Yan1，2，3，4， HUANG Minsheng1，2，3，4

（1. Shanghai Key Laboratory for Urban Ecological Processes and Eco-Restoration， School of Ecological and Environmental Sciences， East China Normal University， Shanghai 200241， China; 2. Institute of EcoChongming， Shanghai 202162， China; 3. Shanghai Engineering Research Center of Biotransformation of Organic Solid Waste， Shanghai 200041， China; 4. Technology Innvation Center for Land Spatial EcoRestoration in Metropolitan Area（Ministry of Natural Resources）， Shanghai 200062， China）

Abstract： This paper provides an overview of the technical achievements in A²/O upgrading during the 11th and 12th Five-Year Plans as well as the current successful operation of the improved A²/O process. We summarize the measures used for upgrading the A²/O process of municipal wastewater treatment plants under high discharge standards with respect to in-situ optimization and advanced treatment. Finally， we review the operating state of representative A²/O upgrade demonstration projects and offer suggestions for optimization and promotion of the A²/O process.

Keywords： high discharge standard; municipal wastewater treatment plant; A²/O; upgrading; demonstration project

0 引 言

城鎮(zhèn)污水廠在水污染預防和水環(huán)境保護方面承擔著重要角色， 也是城鎮(zhèn)可持續(xù)發(fā)展中重要的組成部分[1]. 在2015年《水污染防治行動計劃》和2019年《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案（2019—2021年）》等一系列水環(huán)境政策實施的大背景下， 全國重點區(qū)域及流域均對污水處理提出了更高要求，高排放標準下許多城鎮(zhèn)污水廠都面臨著提標改造的現(xiàn)實需求. A²/O（厭氧—缺氧—好氧）工藝因其技術的成熟性和運行的穩(wěn)定性而成為我國城鎮(zhèn)污水廠的主流工藝[2-3]. 然而， 由于傳統(tǒng)A²/O工藝存在碳源競爭、泥齡矛盾和回流污泥中硝酸鹽及溶解氧（DO）殘余對厭氧釋磷的干擾， 特別是我國污水廠普遍存在進水低碳氮比（C/N）[4]、冬季低溫硝化性能下降等問題， 致使傳統(tǒng)A²/O工藝已經(jīng)難以滿足當前的高排放標準要求[5].

為了滿足更加嚴格的排放標準， 削減污染物的排放， 國內(nèi)外大多數(shù)污水廠都進行了升級改造. 國外污水廠升級改造工作開始得較早， 升級改造前的工藝多為傳統(tǒng)活性污泥法， 改造措施多采用投加懸浮填料[6-8]、耦合膜生物反應器[9]、增設生物濾池和人工濕地等深度處理工藝[10-12]. 相比較之下我國污水廠提標改造開始得較晚， 集中在“十一五”和“十二五”時期， 現(xiàn)行的升級改造措施和國外的有較多相似之處.

因此， 本研究以“十一五”和“十二五”水專項相關研究成果為基礎， 結(jié)合現(xiàn)有運行良好的A²/O改造工藝， 系統(tǒng)總結(jié)了高排放標準下城鎮(zhèn)污水廠A²/O工藝升級改造技術優(yōu)化方法， 為我國城鎮(zhèn)污水廠提標增效工程的有效實施提供技術支撐.

1 城鎮(zhèn)污水廠工藝升級改造的現(xiàn)實需求

1.1 日趨嚴格的排放標準

在水環(huán)境保護要求日趨嚴格的背景下， 全國大部分區(qū)域及流域相繼頒布和實施了嚴于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準的地方標準. 以巢湖流域、太湖流域和滇池流域為例， 巢湖流域的安徽省、太湖流域的江蘇省和浙江省以及滇池所在地的昆明市先后在2016年、2018年和2020年頒布了最新的地方排放標準（見表1）， 這些標準的頒布和實施均對污水處理廠的處理能力提出了更高要求.

1.2 A²/O工藝提標改造面臨的問題

當前城鎮(zhèn)污水廠采用的主流處理工藝有A²/O、氧化溝和序批式活性污泥法（SBR）等[18]. A²/O工藝相較于其他污水處理工藝具有能耗和運行管理費用較低的優(yōu)勢， 這種優(yōu)勢會隨著處理規(guī)模的增加而變得更加明顯[19]. 在污水提倡集約化高效處理的背景下， 我國大中型污水廠的數(shù)量逐漸增加， A²/O工藝也因此得到了廣泛應用.

1.2.1 反硝化脫氮和厭氧釋磷對碳源的競爭問題

以小分子有機物為主的碳源是A²/O工藝反硝化脫氮和厭氧釋磷的主要電子供體[20]. 在生物除磷過程中， 聚磷菌在厭氧環(huán)境下將有機物轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸， 并將能量以聚b羥基丁酸（PHB）的形式貯存在細胞內(nèi)， 貯存的PHB在后續(xù)的好氧環(huán)境中水解， 為聚磷菌的過量吸磷提供能量[21]. 與此同時，反硝化細菌也會利用有機碳源進行反硝化， 消耗體系中的有機碳源. 因此， 如果碳源配置不合理， 異養(yǎng)反硝化菌和聚磷菌等主要功能菌群對碳源的劇烈競爭將會導致A²/O工藝的脫氮除磷性能不佳， 在當前高排放標準條件下， 合理配置碳源以滿足反硝化脫氮和厭氧釋磷對碳源的需求顯得尤為重要.

1.2.2 回流污泥中硝酸鹽和DO對厭氧釋磷的干擾

傳統(tǒng)A²/O體系中的回流污泥會全部進入?yún)捬醵危?為了維持較低的污泥負荷， 常會選擇較大的回流比， 而回流污泥中含有大量的硝酸鹽和DO. 硝酸鹽進入?yún)捬醭睾螅?反硝化菌會與聚磷菌形成競爭，優(yōu)先利用體系內(nèi)的碳源進行反硝化作用， 聚磷菌無法獲得充足的碳源， 釋磷過程將受到抑制， 同時回流的污泥中攜帶的溶解氧會破壞厭氧環(huán)境， 進一步影響聚磷菌釋磷， 進而影響到A²/O工藝的除磷效果. 因此， 在當前高排放標準條件下， 如何緩解回流污泥中硝酸鹽和DO對厭氧釋磷的干擾以實現(xiàn)高效除磷是需要關注的問題.

1.2.3 冬季低溫問題

冬季低溫特別是我國北方冬季氣溫偏低， 當環(huán)境溫度過低時， A²/O體系中的多數(shù)功能細菌的活性會出現(xiàn)下降甚至進入休眠狀態(tài)， 這將會對生活污水的處理產(chǎn)生不利影響. 有大量研究表明， 當環(huán)境溫度低于10℃時， A²/O工藝中的硝化細菌和反硝化細菌等主要功能細菌的活性會受到抑制[22-23].例如， 通常認為反硝化菌的最適生長溫度為25 ～ 35℃[24]， 低溫環(huán)境會嚴重降低反硝化菌的活性， 進而影響體系的脫氮效果. 此外， 水體中的溶解氧含量會隨著溫度的降低而升高， 低溫環(huán)境會使體系的溶解氧呈現(xiàn)過飽和狀態(tài)， 進而抑制缺氧反硝化過程的進行[25]. 因此， 在當前高排放標準條件下， 如何緩解冬季低溫產(chǎn)生的不利影響， 以滿足出水達標要求是值得關注的問題.

1.2.4 碳源不足的問題

通常認為污水廠進水C/N達到4時剛好能夠滿足體系的脫氮除磷需求， 而我國大多數(shù)城鎮(zhèn)生活污水廠都存在進水低C/N的問題[26]， 進水碳源不足會加劇反硝化脫氮和厭氧釋磷對碳源的競爭， 加大A²/O工藝脫氮的難度. 外加碳源的解決途徑目前還存在成本增加以及出水殘留碳源的二次風險.在當前高排放標準條件下， 如何解決碳源不足的問題， 以更好地滿足A²/O工藝脫氮除磷對碳源的需求是需要考慮的問題.

2 A²/O處理工藝升級改造優(yōu)化技術集成

通過對“十一五”和“十二五”期間的A²/O升級改造技術成果的系統(tǒng)分析， 發(fā)現(xiàn)當前我國針對A²/O工藝升級改造的方法主要從原位優(yōu)化改造和深度處理兩個方面開展.

2.1 原位優(yōu)化改造

為了滿足高排放標準出水的要求， 我國污水廠主要通過優(yōu)化碳源利用、優(yōu)化微生物自固定和優(yōu)化工藝流程的方式來進行原位升級改造.

2.1.1 碳源利用方式的優(yōu)化

高排放標準下污水廠碳源利用方式的優(yōu)化主要可以分為原水碳源的合理分配和外部碳源的優(yōu)化利用兩個方面[27]. 污水廠A²/O工藝的原水碳源利用優(yōu)化主要有分段進水和工藝改良等方法. 在A²/O體系中設置多個進水點， 根據(jù)實時數(shù)據(jù)的反饋來調(diào)整各個進水點的進水比例， 合理分配原水中的碳源.分段進水因其對碳源的合理化利用而被廣泛使用[28]. 青島城陽污水廠在升級改造中采用了多點進水的方式， 實現(xiàn)了對體系碳源的最大化利用， 有效降低了進水低C/N帶來的影響[29]. 為了優(yōu)化碳源利用而進行的改良工藝中， 倒置A²/O具有一定的代表性. 宜興市和橋污水廠原采用A²/O工藝， 在實際運行中存在進水碳源不足的問題， 為緩解碳源不足對體系脫氮除磷的影響， 升級改造中將厭氧池和缺氧池互換， 讓進水優(yōu)先為反硝化脫氮提供碳源[30]， 充分滿足體系的脫氮需求.

投加外碳源能在短時間內(nèi)增加體系所需的有機物， 保證體系脫氮除磷的順利進行. 升級改造中對外部碳源的優(yōu)化利用主要可以分為常規(guī)碳源的投加優(yōu)化和新型碳源的篩選兩個方面， 常規(guī)碳源的優(yōu)化多是在投加點位、投加方式和投加量上的優(yōu)化. 某濱海工業(yè)園區(qū)污水廠通過對碳源投加點位和投加量的精細化控制， 避免了碳源過度投加帶來的不良影響， 節(jié)約了經(jīng)濟成本[31]. 在提倡可持續(xù)發(fā)展的大背景下， 為實現(xiàn)廢物的資源化利用， 相關學者也研究了秸稈發(fā)酵液和剩余污泥水解酸化產(chǎn)生的有機質(zhì)等廢棄物作為新型外加碳源的可行性[32-35]. 這些廢棄物中含有大量揮發(fā)性脂肪酸， 若可作為城鎮(zhèn)污水廠的新型外加碳源， 在實現(xiàn)廢物的資源化利用的同時也解決了污水廠進水碳源不足的問題.

2.1.2 強化脫氮的工藝流程優(yōu)化

隨著污水排放標準的不斷提高， 總氮（TN）逐漸成為污水廠出水達標的限制性因素， 因此以強化脫氮為目的的工藝流程優(yōu)化成為多數(shù)污水廠升級改造中的重點. 高排放標準下A²/O工藝強化脫氮的工藝流程優(yōu)化主要可以總結(jié)為工藝前端優(yōu)化和工藝后端優(yōu)化兩種. 前端優(yōu)化中的典型工藝有AA²/O工藝， A-A²/O工藝中預缺氧池的設置可以讓部分原水進入預缺氧段， 強化體系反硝化脫氮. 蘇北某污水廠為解決出水難以穩(wěn)定達標的問題， 升級改造中將傳統(tǒng)A²/O改造成多點進水的A-A²/O工藝， 并附加濾布濾池深度處理， 出水穩(wěn)定達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》的一級A標準[36].

后端工藝優(yōu)化主要是通過增設多段A/O工藝強化硝化反硝化， 后端增設缺氧池和好氧池可以讓污水多次經(jīng)歷缺氧好氧環(huán)境， 強化體系硝化反硝化， 提升出水水質(zhì). 天津市某污水廠在提標改造過程中， 將原有的A²/O工藝改造成A²/O+A/O工藝， 并附加超濾膜過濾系統(tǒng)， 出水可以達到天津市《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》的A級標準[37]. 此外， 若污水處理廠在規(guī)劃之初預留有建筑用地， 可選擇在原有的工藝基礎上擴容新建生物池， 減小污泥負荷， 強化體系脫氮除磷能力. 合肥市陶沖污水廠在原有基礎上擴建10萬t/d， 將原A²/O改造成5段A/O工藝， 強化了體系的生物處理能力[38].

2.1.3 微生物自固定方式的優(yōu)化

聚磷菌、硝化菌和反硝化菌等細菌是A²/O工藝脫氮除磷的主要功能微生物， 功能微生物的數(shù)量和活性決定著體系脫氮和除磷的效果. 通過往A²/O工藝生物池體中添加固定填料或懸浮填料， 可以提高池體中功能菌群的生物量， 強化體系的脫氮和除磷能力， 由此形成了A²/O-MBBR、IFSA（固定生物膜-活性污泥）和泥膜耦合的A3/O等工藝. 四川某污水廠因受用地限制， 在升級改造中往好氧池中投加懸浮填料構成A²/O-MBBR工藝， 好氧MBBR池中的懸浮填料呈流化態(tài)， 流化態(tài)的懸浮填料在與污水的不斷接觸碰撞中強化了體系的硝化能力[39]. 西安市第四污水廠升級改造過程中在厭氧池、缺氧池和好氧池中均投加了聚乙烯塑料懸浮填料， 是國內(nèi)首例在所有二級生物池體中均投加懸浮填料的工程實例[40].

2.2 深度處理

除了原位優(yōu)化改造之外， 為了進一步強化并提升出水水質(zhì)， 國內(nèi)一些污水廠會選擇在二級處理單元后增設深度處理工藝. 高排放標準下城鎮(zhèn)污水廠升級改造的深度處理主要是從強化SS去除、強化TN去除和穩(wěn)定水質(zhì)達標排放3個方面進行.

2.2.1 強化懸浮物（SS）去除的深度處理

為去除水中的SS， 降低濁度和色度， 污水廠在升級改造中會在二級生物后增加混凝沉淀過濾等工藝， 常用的混凝沉淀工藝有高效沉淀池、混凝沉淀池和磁混凝沉淀池， 常用的過濾工藝有濾布濾池、V/D濾池和活性炭過濾濾池. 重慶市某污水廠為使出水實現(xiàn)由一級B到一級A的提升， 在提標改造中保留原生物處理工藝不變， 在后端添加高效沉淀池和砂濾池過濾工藝[41]. 嘉興市聯(lián)合污水處理廠為使出水水質(zhì)能穩(wěn)定達到一級A標準， 升級改造中在原有工藝后增設高效沉淀池、濾布濾池等深度處理單元[42].

2.2.2 強化TN去除的深度處理

TN作為高排放標準下污水廠出水穩(wěn)定達標的限制性因素， 針對TN的強化去除顯得尤為重要，目前污水廠出水TN超標的風險主要集中在硝態(tài)氮. 污水廠在深度處理中為強化體系的反硝化， 降低出水硝氮的含量， 常采用的深度處理工藝有反硝化生物濾池、反硝化深床濾池等. 海寧丁橋污水廠為解決出水TN和SS難以達標的問題， 升級改造中在現(xiàn)有工藝后增設反硝化深床濾池， 出水水質(zhì)達到錢塘江流域所要求的一級A標準[43]. 此外， 人工濕地技術因其可以通過截留吸附和微生物分解等作用進一步降低水中的氮磷含量， 實現(xiàn)尾水的無害化處理而被廣泛使用[44]. 升級改造中人工濕地技術多用于小型污水處理廠的深度處理， 常用的濕地類型有潛流人工濕地和表面流人工濕地. 武進區(qū)太湖灣污水廠在出水后增加表面流人工濕地和垂直流人工濕地， 經(jīng)過人工濕地處理后的出水NH3-N濃度低于1 mg/L， 總磷（TP）濃度低于0.1 mg/L， 其削減率均大于40%.

2.2.3 穩(wěn)定出水達標的深度處理

深度處理工藝是污水處理中的重要一環(huán)， 針對污水深度處理工藝的研究也正在不斷深入， 為使污水廠出水穩(wěn)定達標， 膜生物反應器（MBR）、移動床生物膜反應器（MBBR）等生物處理工藝以及BAF等新型高效的處理工藝也逐漸被應用于尾水的深度處理中. 其中， MBR工藝是高排放標準下污水廠尾水深度處理中應用較多的一種生物處理工藝， 通過在A²/O工藝出水后增設膜生物反應器， 可以進一步提升出水水質(zhì). 無錫市碩放污水廠在A²/O/A工藝后附加MBR工藝， 出水水質(zhì)優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準[45].

基于以上的歸納和總結(jié)， 形成了高排放標準下污水廠A²/O工藝升級改造技術路線圖， 如圖1所示.

3 A²/O升級改造技術工程應用案例

以蘇州市和宜興市某兩座污水廠為例， 污水廠主體生化工藝采用A²/O工藝且均在2018年完成升級改造， 改良后的A²/O工藝具有一定代表性， 出水水質(zhì)均能達到江蘇省《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》的一、二級保護區(qū)標準.

3.1 蘇州市某污水處理廠

蘇州市某污水廠目前設計水處理能力為8萬t/d， 其中， 一期1.5萬t/d， 二期2.5萬t/d， 以處理工業(yè)廢水為主; 三期4萬t/d， 以處理生活污水為主， 采用傳統(tǒng)A²/O工藝.

如圖2所示， 在升級改造過程中， 污水廠在原A²/O工藝的厭氧池前添加預缺氧池， 將深度處理中單元更換為活性炭過濾濾池. 污水經(jīng)過預缺氧池、厭氧池、缺氧池、好氧池、聚合氯化鋁（PAC）加藥、二沉池、活性炭過濾、紫外消毒池后， 出水穩(wěn)定達標.

經(jīng)過提標改造后， 該污水廠2019年全年出水COD、NH3-N、TN和TP的平均值分別為27.73 mg/L、0.35 mg/L、9.57 mg/L和0.13 mg/L， 達到江蘇省《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》中的一、二級保護區(qū)排放標準， COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分別為89.02%、98.68%、71.56%和93.44%.

3.2 宜興市某污水處理廠

宜興市某污水廠的設計規(guī)模為7.5萬t/d， 采用多點進水、多點回流的改良型A²/O工藝. 生物反應池包括厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、兼氧區(qū)、好氧區(qū)和后缺氧、后好氧區(qū)， 可根據(jù)實際水質(zhì)實現(xiàn)多種模式的靈活運行. 經(jīng)過生物處理系統(tǒng)后， 深度處理采用高效沉淀池和濾布濾池， 污水廠尾水經(jīng)過MBR超濾膜深度處理后， 可達到高品質(zhì)再生水的標準要求， 部分未經(jīng)MBR深度處理的尾水排入人工濕地進行進一步處理.

該污水廠升級改造工程是“宜興市水環(huán)境改善技術集成與綜合應用示范項目”. 升級改造中對A²/O生物處理系統(tǒng)進行了優(yōu)化， 如圖3所示， 污水廠調(diào)整了缺氧和好氧段的水力停留時間， 優(yōu)化進水方式和進水比例， 將深度處理中的高效沉淀池更換為磁混凝沉淀池.

經(jīng)過提標改造后， 該污水廠2020年1 月— 10月的出水COD、NH3-N、TN和TP平均值分別為24.7 mg/L、0.57 mg/L、8.51 mg/L和0.15 mg/L， 達到江蘇省《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》中的一、二級保護區(qū)排放標準， COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分別為89.51%、96.82%、71.00%和96.38%， 運行穩(wěn)定.

4 結(jié)論與建議

（1）高排放標準下污水廠A²/O的升級改造主要有原位優(yōu)化改造和尾水深度處理兩種方式. 原位升級改造主要是對碳源利用方式、微生物自固定方式和強化脫氮的工藝流程的優(yōu)化. 尾水的深度處理工藝以混凝沉淀過濾為主， 一些常規(guī)的生物、生態(tài)處理工藝和新型高效的處理工藝也被應用到深度處理中.

（2） A²/O工藝的進一步優(yōu)化改造應當集中在內(nèi)碳源的強化利用、剩余污泥水解酸化產(chǎn)生的有機質(zhì)等廢棄物作為外加碳源的可行性研究和脫氮新途徑在污水廠的實際應用.

（3）高排放標準下A²/O的升級改造應當結(jié)合實際進出水水質(zhì)、處理規(guī)模和占地面積等因素， 最大化地利用原有工藝， 減小升級改造帶來的影響， 節(jié)約經(jīng)濟成本.

（4）在日益嚴格的高排放標準下， 未來污水廠處理應該對于抗生素、雌激素和微量有機污染物等新興污染物的去除給予重視.

[參 考 文 獻]

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（責任編輯： 張 晶）