城镇污水处理厂一级A稳定达标的工艺流程分析与建议

城镇污水处理厂一级A稳定达标的工艺流程分析与建议郑兴灿，尚巍，孙永利，廖飞凤，游佳，李鹏峰，黄鹏，宁冰（国家城市给水排水工程技术研究中心，天津300074）摘要：依据太湖流域多座城镇污水处理厂实际运行情况的调查分析，特别是进水水质特性和出水达标情况的分析研究，结合江苏省太湖流域城镇污水处理厂一级A提标的除磷脱氮技术改造需求，总结分析了城镇污水处理厂一级A稳定达标所需的代表性工艺操作单元选择。在此基础上，提出了适合城镇污水处理厂一级A稳定达标处理的基本工艺流程和扩展工艺流程，阐述了工艺流程中工艺单元的组合方式、关键控制参数和设计选择重点。关键词：城镇污水；除磷脱氮；排放标准；工艺流程；深度处理；太湖流域国家环境保护总局2006年第21号公告[1]提出，城镇污水处理厂出水排入国家和省确定的重点流域及湖泊、水库等封闭、半封闭水域时，执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级标准的A标准。这在一定程度上意味着一级A标准在全国范围内的推行，特别是太湖、巢湖、滇池等重点流域的城镇污水处理厂。在GB18918-2002的制订过程中，设立一级标准A标准的目的是，在国家相关再生水水质标准未出台之前，作为再生水水质的过渡性标准与参考基准。某种意义上说，一级A标准的初衷不是作为排放标准，而是再生水水质的基本要求[2]。因此，可以认为，城镇污水处理厂出水一级A达标的工艺流程实际上相当于城镇污水再生处理工艺流程，是污水二级强化处理、三级处理、高级处理和消毒的不同组合与集成。污水二级强化处理是一级A稳定达标的关键工艺单元，其选取既要考虑二级处理出水中的主要水质指标（TN、NH3-N、COD、TP）能否达到一级A排放标准，更要考虑后续深度处理对前处理工艺的要求，前处理和后处理工艺能够相互补充以增强整个工艺流程的总体效能。1一级A稳定达标的主要工艺单元考虑从技术可行性和经济合理性角度考虑，有机物（COD、BOD5）和氮、磷的达标去除应尽量在污水二级生物处理工艺单元中完成，特别是TN和NH3-N的去除。二级（强化）处理应确保有机物、悬浮固体和氮磷营养物有足够高的去除率，一般采用生物除磷和生物硝化/反硝化方法，必要时增加化学协同除磷。特殊（微量）污染物和有毒有害物质应尽量在工业企业源头加以控制，必要时在深度处理工艺流程中设置针对特定水质指标的处理单元。表1汇总了城镇污水处理厂一级A稳定达标处理中可供选择采用的代表性工艺操作单元。二级（强化）处理之后的深度处理应以过滤工艺为核心单元、混凝沉淀为强化手段，起到高效去除悬浮固体和胶体物质的作用，降低处理水的浊度和消除病原体，必要时通过调整混凝剂优选和剂量同步完成化学除磷。高级处理是达标深度处理的选用单元，通过物理、化学或生物方法更充分地去除水中某些特定的成分，例如反硝化滤池去除硝态氮，活性炭吸附和臭氧化去除难生物降解有机物及脱色、反渗透法去除溶解性固体。消毒处理是达标的必备单元，也是深度处理流程的最后一个单元，其功能是利用物理、化学或生物的方法去除和灭活水中的各种病原体。表1城镇污水深度（再生）处理的代表性工艺单元2一级A稳定达标的工艺单元选择针对太湖流域城镇污水处理厂的除磷脱氮改造需求，结合代表性城镇污水的水质特点和水质处理要求，以表1所列出的工艺单元为基础，按图1所示的工艺选择过程组合出适合该区域城镇污水处理厂出水一级A稳定达标的基本工艺流程及变化方式。图1城镇污水处理厂一级A稳定达标的工艺流程及单元组合在城镇污水一级A稳定达标处理工艺流程中，粗格栅、细格栅、提升泵站和沉砂池是必备的前处理工艺单元，二级生物处理采用膜生物反应器（MBR）时，还需要在前端设置超细格栅（1mm间距）。除非进水悬浮物浓度很低或进水SS/BOD5比值较低，否则，常规初沉池或高负荷沉淀池应该成为必选工艺单元，以尽量去除进水中的无机悬浮固体。后续生物处理单元存在碳源不足时，可考虑初沉污泥的产酸发酵以补充优质碳源，或者部分时段超越初沉池直接进入生物处理池。二级生物处理工艺的选择是一级A稳定达标的最重要环节，特别是TN和NH3-N的稳定达标去除，对于氮磷去除，建议采用回流污泥反硝化生物除磷脱氮（改良A/O）及其变型工艺作为基本工艺流程，目前已经得到较为广泛的工程应用。可采取的主要工艺控制及改进措施为：（1）污水生物处理系统采用15d以上的设计泥龄，考虑进水水质水量的变动和运行操作的调节能力限制，实际运行过程中应尽量控制在12～20d的范围内，以保障冬季低水温（例如10℃）条件下生物处理池有足够数量的硝化菌与硝化能力。（2）可采用环形沟道生物反应池（氧化沟）池型构造，较高倍率的循环流量形成快速混合作用，加上多个沟道的串联，可以明显减小进水水质水量的时变化峰值系数（由3～10倍降低到1.5倍左右），相应降低出水NH3-N浓度的波动，有效发挥硝化菌的作用，有利于NH3-N稳定达标。（3）进水水质水量的波动和碳氮比偏低是影响TN稳定达标的最主要因素，进水水质水量的波动通过沟道串联布置来缓解，碳源不足可通过初沉污泥发酵进行一定程度的补充；必要时，补充外部碳源（例如甲醇、醋酸钠、醋酸等）强化生物反硝化效果。（4）强化前端预处理以去除尽量多的进水无机悬浮固体，降低活性污泥的惰性组分含量，以提高生物池的反硝化速率，缩短反硝化所需时间或提高反硝化总量；部分沟（渠）道可按亏氧方式运行，促进同时硝化反硝化及部分短程硝化反硝化的实现，提高碳源利用效率和TN去除总量。（5）冬季低温到来之前，在秋季提前逐步提高整个污水生物处理系统的活性污泥总量，增加实际运行泥龄，系统中累积硝化菌和反硝化菌的总量，以改进和保障冬季的硝化和反硝化效果。在二级处理出水TN和NH3-N稳定达到一级A排放标准的情况下，可采用直接过滤或者混凝过滤的工艺单元进一步降低出水的COD、BOD5、SS和TP浓度，使其稳定达标。化学混凝有助于强化COD、BOD5、SS和TP的去除以及后续过滤单元的稳定运行。过滤方式可以有多种选择，包括砂滤池、机械过滤器和膜过滤系统，主要取决于出水水质的具体要求和达标考核方式、处理出水的出路与用途、工程造价和运行成本、操作管理与运行调整难易等方面。在二级处理出水TN和NH3-N不能稳定达到一级A标准的情况下，需要采用反硝化滤池和曝气生物滤池系统，将TN和NH3-N的进一步稳定去除与过滤处理相结合，但这种方式的出水浊度和SS含量要高于砂滤、机械过滤和膜滤，另外，反硝化滤池需要投加外部碳源（甲醇），去除1mg/L硝态氮一般需要投加3mg/L甲醇。采用膜生物反应器（MBR）时，生物处理与膜滤结合为一体，占地面积较小，出水感官指标好，适合处理出水的直接再利用，但运行成本和工程投资高，曝气能耗会有明显的升高。3一级A稳定达标的基本工艺流程建议3.1基本工艺流程的构成一级A稳定达标的基本工艺流程为：二级强化处理＋化学混凝（沉淀）＋介质过滤＋消毒。这一工艺流程选择基于二级强化处理出水的TN和NH3-N已经能够稳定达到一级A标准，COD稳定达到一级B标准，碳源BOD5一般在12mg/L以下。其中，化学混凝（沉淀）过滤工艺包括以下三种主要组合方式：①混凝沉淀过滤：快速混合＋絮凝＋沉淀＋过滤。在快速混合池或进水管道内完成快速混合，经过絮凝反应过后，在澄清池中沉淀处理，沉淀出水进入滤池过滤。在二级处理出水SS不稳定或需要化学除磷的情况下，需要采用该工艺组合，以确保出水的全面稳定达标。②化学絮凝过滤：快速混合＋絮凝＋过滤；在快速混合池或进水管道内完成快速混合，经过一定时间的絮凝反应，不经沉淀，直接进入滤池过滤。一般采用聚铝或硫酸铝作为化学除磷药剂。③微絮凝过滤：管道混合＋过滤；通过快速混合器或管道内部混合器完成化学药剂的投加与快速混合，絮凝过程在深床上向流滤池的底部或深床重力流滤池的顶部完成，不设置中间沉淀段。采用聚铝作为除磷药剂时，需要一定的化学沉淀反应时间，否则除化学磷效果会受到一定影响。3.2化学混凝处理深度处理工艺流程中设置化学混凝剂投加系统，其核心目的是提高后续过滤工艺的颗粒去除性能，以增强悬浮物、胶体物质、磷酸盐和病原体的去除；混凝剂包括铝盐、铁盐、石灰、复合药剂和聚合物等。如果深度处理工艺系统在不投加化学药剂的情况下就能稳定达到TP去除要求和3NTU的浊度，则允许混凝剂投加系统停止运行，但化学药剂投加系统必须每月至少保持运行两次，以保证需要时整个加药系统能够投入正常运行。如果混凝工艺之后采用粒状滤料滤池工艺，则化学混凝工艺应至少满足：①连续监测和记录生物处理出水的浊度值，以便后续混凝剂投加设备能依据进水水质的变化自动调整混凝剂的投加量。②除微絮凝过滤外，设计中应提供包括快速混合和絮凝池在内的化学处理设施，必要时增加中间沉淀设施，以确保所有运行条件下均能达到后续过滤水质的要求。③深度处理设施的每个处理工艺单元（凝聚或快速搅拌以及絮凝等）应至少设置两套，以确保某一套设备停机维修、保养或反冲洗时，能连续进行再生处理。④投加混凝剂的同时，提供足够的初期快速混合或等效措施，以确保混凝剂在污水中的有效扩散和高效利用，促进后续絮凝反应的高效完成。⑤在絮凝反应池中一般需要提供促进絮体粒子形成的模式。要通过慢速搅拌控制水流的紊流或搅拌强度，既要防止絮体粒子的沉淀，也要防止絮体的破碎与解体。⑥工艺控制中不得出现絮凝时间不足，以防过滤出水中继续发生絮凝而影响出水水质。⑦投加混凝剂后需要一定的时间才能形成肉眼可见的絮体，根据污水性质以及所选混凝剂的不同，絮体形成的时间也有所不同，可能需要5min或更长时间。要提供充足的絮凝反应停留时间，以确保絮体在污水过滤之前全部形成，而不是过滤之后继续形成。絮凝反应停留时间应根据试验测定结果或参照同类工程运行数据。⑧不同污水处理厂的生物处理出水水质会有一定程度的不同，每个拟建项目都需要进行前期试验，合理选择混凝剂和聚合物类型，以及相应的设计投加量。⑨采用絮凝后直接过滤方式时，建议快速混合单元的停留时间小于30s，絮凝单元的停留时间20~45min。3.3过滤处理过滤处理是达一级A达标处理的重要组成部分，可以在消毒之前去除固体物质、TP和浊度，从而能提高后续消毒效果，使病原微生物失活或去除。过滤技术的选择不仅体现在出水水质的好坏，而且也需要考虑操作难易程度、运行的限制条件、系统构件的可靠性以及对流速和负荷变化的适应性问题。粒状滤料过滤是应用时间最长，也是应用效果最好的城市污水过滤处理技术。浊度是混凝－絮凝沉淀－过滤工艺处理效果的主要度量参数，虽然不能用于度量病原体的去除程度，但浊度却是出水消毒效果的重要控制指标。滤池可采用双层滤料滤池、单层滤料滤池均质滤料滤池等。3.4消毒处理对于净化处理水的消毒，其卫生学与环境性能目标包括：将微生物病原体的浓度降低到水质标准规定的最低浓度标准值以下，达到国家规定的排入受纳水体的水质要求；不会因处理水的排放而增加用水过程与环境中有毒物质的浓度；消毒效果稳定可靠且经济有效；消毒剂或副产物的运输、储存或处置过程不会对公众健康或环境造成额外风险。可供应用的消毒方法包括化学消毒（例如氯化或臭氧消毒）、物理消毒（例如紫外消毒）、生物法消毒（例如滞留蓄水塘或生态净化处理）等，膜滤技术也有较好的病原体去除效果。三种典型消毒技术的特点为：①氯化消毒：氯对E.coli等肠道细菌的消毒非常有效，但对其他微生物种属的消毒效果就没有那么好，因此，使用大肠杆菌度量消毒效果时，应考虑不同病原体类群对氯化消毒的敏感度。氯化消毒效果取决于pH、氯浓度和接触时间，并受氨和悬浮固体的影响。氯化消毒的不足之处是，余氯对水生生物有毒害作用，还可能形成具有较大毒性、持久性和生物累积性的有机氯衍生物。②臭氧消毒：与氯化消毒相比，臭氧对病毒和细菌的消毒效果要好得多，但如果条件不理想，灭菌的效果也会出现问题。臭氧在水中的溶解度较低，使其消毒能力明显降低；另外，由于其反应活性高，难以维持残留臭氧，这可能导致微生物的再次生长。③紫外消毒：UV消毒的效率主要取决于消毒前净化处理水的物理化学水质特征，水质越好，UV消毒的效率越高。UV进行消毒的优势在于消毒速度