根據(jù)污水處理的目標(biāo)和程度，城市污水處理工廠的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段。

(1)一級污水廠，主要去除懸浮物和較大顆粒，一般采用沉砂池和初沉池。這類污水處理廠主要建于20世紀(jì)初，污水中BOD5和SS的去除率分別為30%和50%左右。目前，一級污水廠僅在特殊情況下使用，或作為更高級污水廠分期建設(shè)的第一階段。

(2)以生物處理為主體的二級污水廠，即一般在預(yù)處理的基礎(chǔ)上增加曝氣反應(yīng)池和二級沉淀池。這類污水處理廠在20世紀(jì)50年代后發(fā)展迅速，能去除水中可生物降解的有機(jī)物、懸浮物和部分營養(yǎng)物質(zhì)(氮、磷)，特別是污水中COD和BOD5的去除率分別可達(dá)80%和90%。二級生物處理主要包括活性污泥法(AO法、AAO法、氧化溝OD法、SBR法等。)和生物膜法(生物濾池等。).目前兩者都覆蓋了國內(nèi)90%以上的城市污水處理設(shè)施主體流程。

(3)“混凝沉淀過濾”深度處理工藝是三級污水處理廠的代表。這種污水處理廠于20世紀(jì)60年代末開始建設(shè)，90年代逐漸受到重視。主要用于進(jìn)一步去除廢水中剩余的懸浮物、氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)以及其他微量有機(jī)物。三級污水處理廠的出水大大降低了污染負(fù)荷，對控制水體富營養(yǎng)化和改善水環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。

City 污水處理工廠的工藝流程如圖1所示。

近年來，由于城市水環(huán)境綜合治理的需求日益增加，作為城市水環(huán)境保護(hù)末端屏障的污水處理植物的作用日益凸顯。相應(yīng)地，污水廠的水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)要求也不斷提高，城市污水處理廠的升級改造也越來越受到重視。污水處理工廠升級是指在現(xiàn)有處理規(guī)模基本不變的情況下，通過工藝的改進(jìn)或增加深度處理設(shè)施，使污水廠的出水水質(zhì)達(dá)到更高的污水排放標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合實際工程，探討了污水處理廠出水升級至一級A標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)手段，并對深度處理工藝中主要構(gòu)筑物的選擇和特點(diǎn)進(jìn)行了對比分析，為污水處理廠升級工藝的選擇和設(shè)計提供參考。

I .廢水處理廠的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

目前，我國現(xiàn)行的《城市污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)將基本控制項目的常規(guī)污染物標(biāo)準(zhǔn)值分為三個標(biāo)準(zhǔn)，其中第一個標(biāo)準(zhǔn)分為A標(biāo)準(zhǔn)和B標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2016年底，中國共建設(shè)了3552污水處理座工廠，出水水質(zhì)達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)的比例約為27%。根據(jù)《城市污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》( GB18918—2002)和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》( GB3838—2002)的相關(guān)規(guī)定，如果污水廠的出水水質(zhì)要從B級標(biāo)準(zhǔn)提升到A級標(biāo)準(zhǔn)，則應(yīng)進(jìn)一步降低水中SS、BOD5、COD等物質(zhì)的濃度，重點(diǎn)是脫氮除磷。另一方面，污水廠一級A標(biāo)準(zhǔn)出水與地面V類水質(zhì)還有一定差距。為了滿足水體富營養(yǎng)化控制的要求，污水處理廠需要采用深度處理技術(shù)來減少總氮和總磷的排放。此外，隨著國家“水十條”的發(fā)布，切實加強(qiáng)了水污染防治，部分地區(qū)制定了更加嚴(yán)格的地方標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步接近或達(dá)到了氮、磷等污染物的地表水體水質(zhì)。但結(jié)合我國實際發(fā)展情況，大部分地區(qū)應(yīng)以一級A標(biāo)準(zhǔn)為主要目標(biāo)，因地制宜實施污水處理廠。

二、污水處理廠一級a升級改造工藝

2.1污水處理廠現(xiàn)狀及問題分析

我國污水廠一級A排放標(biāo)準(zhǔn)升級的主要難點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)。

(1)已建生物反應(yīng)池的脫氮除磷效率不高，因為:

①進(jìn)水C/N比低導(dǎo)致反硝化過程中碳源不足，除磷效果差；

②低溫的限制，尤其是冬季12℃以下的水溫，嚴(yán)重影響反硝化速率；

③水力停留時間不足，微生物降解不充分，不利于脫氮除磷。

(2)二級生物處理本身難以保證出水SS、TP、TN同時達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。

針對以上問題，需要在實際工程中加強(qiáng)二級生物處理工藝或增加深度處理工藝進(jìn)行升級達(dá)標(biāo)，以保證污水處理廠出水水質(zhì)達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。

此外，由于不同地區(qū)污水廠運(yùn)行狀況不同，在升級改造的工藝設(shè)計中應(yīng)分析污水廠實際進(jìn)出水水質(zhì)，結(jié)合一級A標(biāo)準(zhǔn)出水水質(zhì)要求，確定污水廠升級改造中主要污染物的去除重點(diǎn)和優(yōu)先控制順序。通常污水處理廠水質(zhì)升級時，已建生物反應(yīng)池的脫氮除磷能力可能不足，尤其是對TN，需要對生物反應(yīng)池進(jìn)行改造，強(qiáng)化生物脫氮，增加后置脫氮工藝，補(bǔ)充碳源。關(guān)于TP，目前常用的有生物除磷和化學(xué)輔助除磷，化學(xué)除磷所用的藥劑主要有鐵鹽和鋁鹽。兩者相比，鐵鹽形成的明礬致密，沉降性能更好，但鐵鹽過量加入容易導(dǎo)致出水顏色增加，影響紫外線投射率。而且氯化鐵腐蝕性強(qiáng)，對設(shè)備耐腐蝕性要求高。因此，在工程設(shè)計中應(yīng)綜合選擇和確定。

2.2流程選擇

(1)污水生物脫氮除磷原理

在傳統(tǒng)的生物脫氮除磷工藝中，污水中氮的去除是通過有機(jī)物氧化、氨化、硝化和反硝化實現(xiàn)的，這些過程被認(rèn)為是相對獨(dú)立的。污水中中等磷的去除是利用聚磷菌在厭氧條件下釋放磷，在好氧條件下過量吸收磷，然后去除富磷污泥來實現(xiàn)的。在工程應(yīng)用中，同一反應(yīng)池中的生物脫氮除磷過程容易受到各種因素的影響(包括溫度、pH、碳源、溶解氧、污泥齡、混合液或污泥的回流比等。)且兩者相互制約，實際上很難同時獲得生物脫氮和生物除磷的高效率。因此，有必要對現(xiàn)有二級生物處理工藝的脫氮除磷效率進(jìn)行分析，深入挖掘傳統(tǒng)工藝的脫氮除磷能力，在污水處理廠升級改造時縮短后續(xù)工藝的長度。不同工藝的生物脫氮除磷特性見表1。

(2)升級工藝的選擇

二級污水處理廠出水的TN主要是氨氮和硝酸鹽氮；TP主要是溶解的正磷酸鹽，這是進(jìn)一步水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的主要去除對象。根據(jù)水質(zhì)升級對脫氮除磷的要求，工藝設(shè)計方案可分為三種:只脫氮除磷、同時脫氮除磷。在工程上，如果要進(jìn)行生物脫氮除磷，一般要求進(jìn)水BOD5/TKN >:或4 BOD5/TP >: 17，以保證足夠的碳源；對于同步脫氮除磷，所需的C/N和C/P較高，因為生物脫氮和生物除磷之間存在碳源競爭，碳源不足可能是限制生物脫氮除磷效率提高的關(guān)鍵因素。隨著厭氧氨氧化、短程硝化反硝化、反硝化除磷等新型生物脫氮除磷工藝的應(yīng)用，可大幅降低污水處理過程的碳源和能耗。

但上述工藝在國內(nèi)實際工程中應(yīng)用較少。因此，現(xiàn)階段我國污水處理廠升級改造的工藝設(shè)計總原則仍是以生物脫氮為主，強(qiáng)化生物除磷，輔助化學(xué)除磷，同時宜考慮碳源補(bǔ)充措施。

2.3流程設(shè)計

2.3.1現(xiàn)有處理裝置的改造

(1)初沉池改造

污水廠的初沉池主要用于降低懸浮物的含量(TSS去除率為50%~70%，圖2)，保證后續(xù)生物處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行。另一方面，初沉池也去除了一定比例的碳源(BOD去除率為25%~40%，圖2)，使得污水廠生物反應(yīng)池進(jìn)水碳源不足的問題更加突出，影響了生物脫氮除磷的效率。目前，針對污水處理廠現(xiàn)有的初沉池，如果需要根據(jù)具體工程條件進(jìn)行改造，一是將初沉池改為厭氧區(qū)或(預(yù))缺氧區(qū)，增加生物反應(yīng)池的水力停留時間；其次，初沉池污泥發(fā)酵產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸(VFA)，充分利用內(nèi)部碳源，提高系統(tǒng)的脫氮除磷效果。楊敏的研究表明，在進(jìn)水BOD5/TN較低時(BOD5/TN1.2)，應(yīng)設(shè)置初沉發(fā)酵罐，可有效提高生物系統(tǒng)的污泥活性，減少外加碳源的投加量。

(2)生物反應(yīng)池改造

在廢水升級改造的工藝設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)設(shè)計的進(jìn)出水水質(zhì)，結(jié)合現(xiàn)狀水質(zhì)分析，對已建生物反應(yīng)池的容量進(jìn)行復(fù)核。通過技術(shù)改造，充分發(fā)揮二級生物處理功能，提高生物脫氮除磷效率。目前，對已建生物反應(yīng)池改造常用的方法有:①調(diào)整功能區(qū)。如果已建生物反應(yīng)池容積基本滿足要求，可通過增加土建隔墻或結(jié)合初沉池改造對原池內(nèi)的分區(qū)進(jìn)行調(diào)整，或改為倒置AAO工藝、五級Bardenpho工藝、UCT工藝等。②MBBR工藝改造，即一般在優(yōu)先考慮厭氧區(qū)和缺氧區(qū)容積的情況下，在好氧區(qū)投加懸浮填料，富集微生物，實現(xiàn)活性污泥法和生物膜法的結(jié)合，保證二級生物處理效果。這種方法更適用于用地有限、不增加反應(yīng)池容積的老廠改造；(3)擴(kuò)減改造，通過降低現(xiàn)有生物反應(yīng)池的處理規(guī)模，降低負(fù)荷，延長水力停留時間，同時新建生物反應(yīng)池，滿足污水處理水量要求。

2.3.2增加深度處理工藝。

目前，在污水廠二級生物處理后增加深度處理工藝是保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)的重要步驟。根據(jù)工程設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)分析和主要污染物控制目標(biāo)，深度處理工藝設(shè)計一般可分為四類，如圖3所示。在工程設(shè)計中，若二級處理出水水質(zhì)指標(biāo)接近或能達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)，且達(dá)標(biāo)率高，且污水廠進(jìn)水水質(zhì)趨于穩(wěn)定，可采用直接過濾(混凝-過濾)或接觸過濾(混凝-過濾)工藝；如果二級處理出水的NH3-N和TN較低，TP和SS指標(biāo)較高，可采用混凝-絮凝-沉淀-過濾工藝。消毒后，出水可達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。其次，如果二級處理的出水水質(zhì)遠(yuǎn)未達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)，NH3-N、TN也較高，可采用曝氣生物濾池強(qiáng)化脫氮，再增加混凝-絮凝-沉淀-過濾-消毒工藝，保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。后期如果二級處理的出水還需要脫氮除磷，污水處理廠用地很緊張，出水標(biāo)準(zhǔn)也高(或者高于一級A標(biāo)準(zhǔn))，可以采用MBR工藝，出水消毒后排放。

污水處理廠的升級改造方法還包括氣浮、臭氧氧化、活性炭吸附等。由于各污水處理廠的實際情況不同，出水標(biāo)準(zhǔn)要求也不同，因此最終的設(shè)計方案需要經(jīng)過綜合比選后確定(表2)。但在工藝設(shè)計中，應(yīng)優(yōu)先加強(qiáng)二級生物處理的脫氮除磷效率，減少后續(xù)工藝流程的長度，否則可能會增加工程投資和運(yùn)行費(fèi)用，也不符合污水廠節(jié)能減排的要求。

2.3.3污泥處理工藝的改進(jìn)

由于污水提質(zhì)工程的設(shè)計規(guī)模和進(jìn)水水質(zhì)基本不變，新增污泥主要是化學(xué)除磷過程中產(chǎn)生的化學(xué)污泥，其產(chǎn)量與剩余污泥相比相對較少，因此可以利用污水處理廠現(xiàn)有的污泥處理設(shè)施。但近年來，國內(nèi)環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，污泥處置方式也發(fā)生了變化。因此，在提升污水廠水質(zhì)的同時，還應(yīng)注意改造老廠現(xiàn)有的污泥處理設(shè)施，并提供除臭裝置等。，以滿足城市環(huán)境衛(wèi)生和污泥最終處置的要求。郝等人的研究表明，剩余污泥的填埋和污泥的農(nóng)用方法日益受到限制，而污泥脫水干燥和直接焚燒的處置方法具有明顯的優(yōu)勢，對工程實踐具有重要的參考意義。

2.4主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計

(1)高效沉淀池

高效沉淀池是一種集混凝、絮凝、沉淀于一體的新型沉淀池。由于其占地面積小、水力負(fù)荷高、污染物去除效果好，被廣泛應(yīng)用于污水處理廠升級改造的深度處理工藝中。高效沉淀池一般包括三個部分:快速混合區(qū)、絮凝區(qū)和沉淀區(qū)。通過投加化學(xué)藥劑，可以有效去除COD、SS和TP，去除率分別可達(dá)60%、80%和90%。根據(jù)《城市污水回用工程設(shè)計規(guī)范》(GB50335—2016)，高效沉淀池的主要設(shè)計參數(shù)為:攪拌時間宜為0.5~1.0min，絮凝時間宜為8~15min，沉淀池表面負(fù)荷宜為10 ~ 20 m3/(m2 & # 8226；h)，污泥回流比應(yīng)為3%~6%。近年來，出現(xiàn)了用磁粉或微砂強(qiáng)化的高效沉淀池。通過添加磁粉或微砂，可以提高絮體密度，縮短沉降時間，減少化學(xué)藥劑用量。但在工程應(yīng)用中，應(yīng)注意丟失的磁粉或微砂對后續(xù)污泥處理處置的影響。

(2)過濾過程

過濾單元作為污水廠深度處理工藝的核心，是保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵。目前工程過濾工藝的選擇有纖維濾布濾池、V型濾池、微濾、脫氮深床濾池和曝氣生物濾池(表3)。其中前三種一般只有過濾功能，主要是去除SS；脫氮深床濾池和曝氣生物濾池兼有過濾和生物脫氮的功能，尤其是曝氣生物濾池。通過設(shè)計不同的池型，可以對BOD5、SS、NH3-N、TN等產(chǎn)生較好的去除效果。在工藝設(shè)計上，曝氣生物濾池應(yīng)置于化學(xué)除磷之前，以保證進(jìn)水中磷酸鹽等營養(yǎng)物質(zhì)充足；此外，還應(yīng)特別注意控制硝化過濾器進(jìn)水中的氨氮濃度，以保證硝化細(xì)菌在冬季的正常生長。

三。結(jié)論

(1)未來城市污水處理廠將更加重視污水的深度處理和回用。污水處理廠的升級改造應(yīng)結(jié)合不同地區(qū)現(xiàn)狀的差異，通過充分研究和因地制宜，確定合理的出水標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)方案，以充分發(fā)揮污水處理廠更大的工程效益。

(2)城鎮(zhèn)污水處理廠一級A排放標(biāo)準(zhǔn)的提升，應(yīng)首先分析其進(jìn)出水水質(zhì)現(xiàn)狀，結(jié)合水質(zhì)提升要求確定污染物去除目標(biāo)，以便在后續(xù)工藝設(shè)計中優(yōu)先考慮；深度處理工藝設(shè)計需要全面的方案比選。對于TP超標(biāo)，化學(xué)除磷是必要措施；若TN超標(biāo)，宜優(yōu)先對現(xiàn)有生物反應(yīng)池進(jìn)行改造，縮短后續(xù)工藝流程長度，必要時增加后脫氮工藝，并設(shè)置額外的碳源補(bǔ)充措施。此外，在升級達(dá)標(biāo)的過程中，還要重視老廠區(qū)污泥和臭氣的處理，以舊帶新，實現(xiàn)污水廠水、污泥、氣同步處理達(dá)標(biāo)。

(3)城市污水處理廠面臨新形勢下技術(shù)升級的挑戰(zhàn)，以厭氧氨氧化和反硝化除磷為代表的新型生物處理工藝的工程化應(yīng)用成為迫切需要。因此，通過技術(shù)升級，提高生物處理效率，實現(xiàn)更高標(biāo)準(zhǔn)的出水水質(zhì)，降低藥劑消耗和能耗成本，探索能源的可持續(xù)性，對污水處理廠的未來發(fā)展具有重要意義。(來源:上海市市政工程設(shè)計研究院<集團(tuán)>有限公司；同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院)

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