城镇污水处理厂提标改造中的几个关键问题

全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集II-7江苏无锡2010年7月城镇污水处理厂提标改造中的几个关键问题孙永利，郑兴灿（国家城市给水排水工程技术研究中心，天津300074）摘要：结合我国城镇污水处理厂提标改造的实际需求，从城镇污水处理厂稳定达标的全流程设计和运行管理角度出发，分别对格栅、沉砂池和初沉池等预处理构筑物的设计和运行，生物系统内碳源的合理利用和商业碳源的选取、生物厌/缺/好氧区的合理分配与精确控制、悬浮填料强化低温季节和超负荷阶段生物段功能等生物强化手段，以及化学强化除磷、反硝化滤池强化生物脱氮、过滤强化悬浮物和部分有机质去除等深度处理工艺等不同功能区和工艺单元的强化处理手段进行了分析，并对部分工艺的选择和影响因素进行了剖析，供高标准城镇污水处理厂设计与运行人员参考。关键词：污水处理；提标改造；常规预处理；生物功能区；强化国家环境保护总局环发[2005]110号“关于严格执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》的通知”中第一次提出，“为防止水域发生富营养化，城镇生活污水处理厂出水排入国家和省确定的重点流域及湖泊、水库等封闭式、半封闭水域时，应执行《标准》中一级标准的A标准”。2006年第21号公告提出再次重申了这个问题，这实际上在法规层面上将GB18918-2002一级标准A标准的适用范围直接扩大到绝大多数城镇污水处理厂，城镇污水处理厂一级A提标改造在许多流域和省市大量实施。由于我国大量污水处理厂是在“九五”、“十五”期间建成的，排放标准要求相对较低，在改造为高排放标准污水处理厂的过程中，不可避免的出现许多比较难以抉择的问题，现就其中部分问题及可采取的技术手段进行简单讨论，供工程设计与运行人员参考。1常规预处理功能区的强化对于以COD、BOD和SS去除为主要目的的城镇污水处理厂，预处理构筑物的设计和运行可以采用粗放模式，其效果对后续生物系统的影响较低；但随着标准的提高，如何进一步发挥预处理构筑物功能，通过预处理设施改造，提高后续生物系统碳源含量和池容的有效利用率，如何降低悬浮性颗粒物质对设备运行及出水水质的影响，都是需要在设计和运行过程中考虑的问题。1.1格栅的选取与功能强化格栅是城镇污水处理厂的最基本配置之一，能有效的拦截城市排水中的各种大块悬浮或漂浮状污染物（垃圾），以防止大块漂浮物或缠绕物对后续生物系统及出水水质造成不利影响，或悬挂在仪器仪表上，导致仪表失灵，影响工艺自动控制系统的运行。格栅除渣的主要原理为物理拦截。随着我国城镇居民生活水平的提高和生活习惯的改变，污水中的毛发、织物细纤维、塑料与橡胶碎片等越来越多，因此格栅在城镇污水处理厂中的左右越来越显现。目前我国城镇污水处理厂使用的格栅类型众多，作为一种机械拦污设备，各种类型格栅均有各自不同的功效，且不同形式格栅的使用对后续生物系统也具有很大的影响。一般污水处理厂采用的齿耙式格栅对污水中的的毛发、织物细纤维、塑料与橡胶碎片等物质的去除效果很差，基本不能去除这类物质。旋转式全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集II-8江苏无锡2010年7月细格栅能够去除这类物质，但当采用栅条结构时，一些片状或丝状物质会顺着栅条间隙流入后续系统中；另外旋转式细格栅设备结构存在清理上的难题，很容易在栅前拦截的物质通过旋转进入栅后，而后直接进入到后续的生物系统中，从而影响后续生物系统部分功能的发挥，尤其是缠绕仪表或堵塞泵头等问题，这也是我国城镇污水处理厂自控仪器仪表使用寿命短以及经常失灵的原因之一。结构分析与实验结果表明，编织网或孔板结构在保证相同的过水通量的情况下，能更大限度的拦截塑料片和头发丝等影响后续生物系统功能的杂质，尤其是对后续工艺中采用了BAF、MBBR、MBR、滤布滤池等对悬浮颗粒物质含量要求较高的工艺，编织网或孔板结构类型格栅将具有更好的市场前景。1.2沉砂池功能的强化目前规范和设计中对沉砂池的主要功效要求是去除污水中0.1~0.2mm颗粒，采用较为广泛的沉砂池主要包括旋流沉砂池和曝气沉砂池两种类型，当沉砂池不能正常发挥功效时，污水中的大量砂粒进入后续系统，不仅会在生物系统中形成沉积，严重影响污水处理或污泥处理过程的运行效率，同时也会导致机械设备磨损和管道堵塞，并间接的影响到生物处理系统的污泥活性以及整个系统的能耗。对于曝气沉砂池功能的强化，可以考虑延长池长，优化水力旋转效果，并合理的确定提砂方式方法，但由于我国城镇污水处理厂碳源严重不足的实际情况，在选用曝气沉砂池时，还是应该考虑如何合理的降低充氧量和有机物去除率的问题；旋流沉砂池的强化更重要的是应该考虑如何进行设备整体优化以适应城镇污水水质水量波动特征，另一方面是如何克服现有许多旋流沉砂池顶部低流速、底部高流速的不合理流场分布特征，可实施的技术路线主要包括旋流沉砂池进水渠的水量波动自适应调节、搅拌器高度及搅拌角度的合理设计。由于后续生物系统对碳源的需求，强化对沙砾表面有机物的分离与回收也是需要着重考虑的问题。在沉砂池功能强化的同时，砂水分离器的功效也应该引起足够的重视。由于内部流态和结构设计不合理，部分砂水分离器的砂回收率很低，导致大量沙砾又通过进水渠返回到进水系统中，从而在系统中形成了无效循环，不仅增加了设备负担，而且浪费了大量能源。1.3常规初沉池的取舍进水无机悬浮固体含量高和碳氮比明显偏低是我国城镇污水普遍存在的特有水质特点，与发达国家的城镇污水水质有比较明显的差异。我国城镇污水处理厂进水SS/BOD5比值处于超高比值（＞2.0）和高比值（1.4~2.0）的数量分别高达32%和16%。与美国城镇污水的SS/BOD5比值为1.1左右相比，我国城镇污水SS/BOD5比值高于1.1的污水处理厂数量高达78%，如高进水SS/BOD5污水处理厂不设置初沉池，则大量的无机悬浮固体可能进入后续生物处理系统中，从而造成生物处理系统的MLVSS/MLSS比值明显偏低，目前许多城镇污水处理厂的MLVSS/MLSS实际运行比值低于0.4，甚至低至0.3左右；而另一方面，大部分污水处理厂进水BOD5/TN比值仅3~4，明显低于发达国家的5~6，导致的反硝化碳源不足问题相当突出。在设置常规初沉池的情况下，由于初沉池较长的停留时间和较低的表面溢流负荷率，悬浮物中的部分胶体或颗粒状有机物实现了协同沉淀，而溶解性的氮磷等去除率却较低，导致碳氮比偏低的问题会更加突出，有些情况下，BOD5/TN比值可能降低到2.5~3的水平，明显影响后续除磷脱氮系统的运行效能。全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集II-9江苏无锡2010年7月城镇污水处理厂改造过程中，由于受到占地面积和可利用土地量的影响，许多工程都采用了拆除初沉池，改造为生物系统的做法，其实，综合权衡，这种改造方案并不一定是真正意义上的提高生物处理效果，更有可能出现的是大量的无机物进入生物系统并形成积累，从而在很大程度上降低了后续生物系统的池容利用率，总体效果下降。从另一个角度，我国以前的污水处理厂排放标准中重要的考核指标是COD，而对TN和TP的要求不高，初沉池在很大程度上起到了降低后续生物系统BOD负荷的功效；但随着标准的提高，TN和TP的去除对碳源的需求越来越高，如何更加合理的设计初沉池，以降低对COD的去除，同时提高TN和TP的去除率，应将是后期一个重要的研究议题。2生物处理系统的合理布局与精准控制在现行的技术手段下，污水处理厂的TN基本上是通过生物处理得以去除的，对于出水TN要求较高的污水处理厂，如何通过生物系统功能区的合理优化布局、精细管理和准确控制实现TN的有效去除，是污水处理厂设计和运行过程中必须考虑的问题。2.1内碳源利用与商业碳源的选择我国城镇污水处理厂碳源不足问题严重，根据2009年的抽样统计分析，我国城镇污水处理厂BOD5/TN平均仅为3.49，明显低于发达国家的5~6水平，其中仅有10%的污水处理厂BOD5/TN比值达到6以上，基本可以满足城镇污水处理厂脱氮除磷的碳源需求；60%以上的污水处理厂BOD5/TN比值低于4，甚至40%以上的污水处理厂BOD5/TN比值不足3，TN达标难度较大，对于这部分碳源严重不足的污水处理厂，如不能合理设计碳源利用，并对功能区进行精准控制，TN稳定达标的难度更大。但是，另一方面，我国在城镇污水处理厂运行过程中也存在着碳源不合理利用，甚至浪费的现象，如以往的初沉污泥携带大量的有机物，不仅造成碳源浪费，同时也增大了初沉污泥的处理难度，恶臭问题滋生；缺氧池设计不合理，原水进入缺氧池后没有很好的实现完全混合，在整体推流的作用下，短时间反应后进入了后续生物系统，造成碳源浪费，而内回流比设计过大，同样更容易造成原水在缺氧池的实际停留时间不足。由于我国城镇污水处理厂碳源不足的实际问题，目前许多污水处理厂已经考虑了投加碳源强化生物脱氮除磷的问题。目前应用的碳源以甲醇、乙酸、乙酸钠等小分子有机物为主，但这些物质也各有优劣，如甲醇和乙酸的使用存在安全性问题，乙酸钠的使用存在运输和预处理的问题等。关于外碳源投加点，多数人认为，既然是为了强化生物脱氮，应投加到缺氧区，但实际上，这并不一定是最佳的方案，由于有机物投加到活性污泥系统中，首先完成的是生物吸附作用，而后才开始降解，当投加到缺氧池时，容易导致部分降解不完全的有机物进入后续好氧区，不仅造成碳源浪费，而且增加了能源需求量，建议可适当的将碳源投加调整到预缺氧池（如果有）或者厌氧区，这样即使过量的碳源进入缺氧区，也不会造成太多的浪费。2.2厌/缺/好氧区的合理分配与精确控制为了确保污水生物处理系统中的优势菌群有较好的生长环境，以及较好的有机物去除和硝化效果，通常认为以BOD（COD）和氨氮去除为主要目标的传统污水处理厂的厌缺氧区的停留时间不应超过好氧区。但是随着对TN和TP去除要求的进一步提升，许多原有的设计思路和理念因该全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集II-10江苏无锡2010年7月有所调整，生物系统的优势菌群中也需要增加反硝化菌和释磷菌类菌群结构，同时需要通过增加厌氧/缺氧停留时间来强化反硝化和厌氧释磷效果，对于厌缺氧和好氧停留时间的合理比例问题就需要进一步重新考虑。严格意义上，厌氧池中是不应该有NO3--N存在的，但实际上回流污泥中不可避免的携带少量的DO或NO3--N，当回流污泥与原水混合进入厌氧区时，溶解氧或NO3--N将首先快速利用原水中的快速可生物降解性有机物，从而在一定程度上削减厌氧池的释磷效果。国家城市给水排水工程技术研究中心在90年代提出的前置预缺氧区的工艺流程在很大程度上缓解了这个问题，而倒置A2/O工艺虽然在一定程度上解决了厌氧区NO3--N影响的问题，但另一方面却降低了厌氧区的污泥浓度，并缩短了厌氧区的实际停留时间，并不一定从总体上提升厌氧区的实际功效。混合液回流点的选取与DO的控制对于缺氧区碳源的利用也具有重要的影响。通常情况下，城镇污水处理厂都将混合液回流点设置于生物系统好氧区末端，而为了确保出水DO浓度，并避免二沉池出现严重的浮泥（含反硝化浮泥和厌氧浮泥）现象，生物好氧区末端通常保持较高的溶解氧浓度，这样不可避免的大量高溶解氧进入到缺氧区，首先利用原水中的有机物，影响反硝化效果。因此为确保更优的碳源利用效果和缺氧区反硝化脱氮效果，在今后的污水处理工程设计中需要考虑在好氧区中后部设置一个低溶解氧回流区。2.3低温季节及超高负荷阶段生物功能的保持与强化目前我国对城镇污水处理厂出水水质的环保监测是采用瞬时取样方式的，但是，城镇污水处理厂的效果不仅受到了进水水质水量剧烈波动的影响，而且生物系统的微生物活性也在很大程度上受环境温度的影响，因此在系统设计和运行中通常需要考虑缓冲水质水量变化以及削减微生物受温度影响的问题。为了缓解冬季低温问题对生物系统的影响，多数冬季低温区污水处理厂均采用不同季节，不同运行模式和污泥浓度的方式运行，在秋末冬初就开始储备污泥，通过增加活性生物浓度的方式缓解生物活性冬季降低导致的处理效果低下问题，同时考虑硝化细菌对温度的敏感性更强的问题，部分污水处理厂设置了过渡段，过渡段夏季