李 激1,2,3* 王 燕1,4,5 羅國兵6 李冰冰1
（1.江南大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院；2.江蘇省厭氧生物技術(shù)重點實驗室；3.江蘇高校水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心；4.江蘇杰爾科技股份有限公司；5.無錫普匯環(huán)�？萍加邢薰�；6.江蘇省無錫市城市供排水監(jiān)測站）
研究背景
2007年太湖藍藻暴發(fā)事件揭開了全國城鎮(zhèn)污水處理廠執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱“一級A標(biāo)準(zhǔn)”)提標(biāo)改造的序幕。根據(jù)國家和江蘇省對太湖流域水污染防治工作的總體部署，明確太湖流域新建城鎮(zhèn)污水處理廠全面執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)，且2007年6月底前已建、在建的169座城鎮(zhèn)污水處理廠限期內(nèi)全部提標(biāo)至一級A標(biāo)準(zhǔn)，此項工作涉及污水總處理規(guī)模398萬t/d。截至2012年底，所有169座城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造項目全部完成。據(jù)《全國城鎮(zhèn)污水處理管理信息系統(tǒng)》統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2019年底，全國共有2913座城鎮(zhèn)污水處理廠執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)，占全國城鎮(zhèn)污水處理廠總數(shù)的53.2%，一級A標(biāo)準(zhǔn)已成為目前國內(nèi)城鎮(zhèn)污水處理廠執(zhí)行最廣泛的排放標(biāo)準(zhǔn)。但迄今為止，對一級A標(biāo)準(zhǔn)的提標(biāo)改造成效和運行情況的系統(tǒng)總結(jié)鮮有報道。
2012年北京市率先發(fā)布了北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB 11/890—2012《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，要求北京市城鎮(zhèn)污水處理廠在一級A標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上再次提標(biāo)。隨后，河南、天津、安徽、昆明、江蘇和浙江等省市均發(fā)布了新的地方標(biāo)準(zhǔn)，要求提標(biāo)至類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類或類Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)(TN除外)。在此基礎(chǔ)上，各地污水處理廠均需開展新一輪提標(biāo)改造工作，但如何選擇科學(xué)可行的提標(biāo)技術(shù)路線困擾著相關(guān)設(shè)計和決策人員。
本文研究團隊從2013年開始對太湖流域204座執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)的城鎮(zhèn)污水處理廠進行深度調(diào)研，并在全國100多座城鎮(zhèn)污水處理廠開展現(xiàn)場全流程分析工作，全面了解和掌握一級A標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠運行情況。基于以上工作，本文系統(tǒng)評估城鎮(zhèn)污水處理廠執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)的成效，提出了城鎮(zhèn)污水處理廠在運行管理中存在的問題，優(yōu)化了運行措施，并重點探討新一輪提標(biāo)改造工作中重難點問題，給出相應(yīng)對策，為全國城鎮(zhèn)污水處理廠的運行管理提供技術(shù)指導(dǎo)。
摘 要
截至2019年底，全國共有2913座城鎮(zhèn)污水處理廠執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級A標(biāo)準(zhǔn)，占全國城鎮(zhèn)污水處理廠總數(shù)的53.2%，一級A標(biāo)準(zhǔn)已成為目前國內(nèi)城鎮(zhèn)污水處理廠執(zhí)行最廣泛的排放標(biāo)準(zhǔn)。通過對近6年太湖流域204座執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)污水處理廠的深入調(diào)研，結(jié)合全國100多座污水處理廠的全流程分析工作成果，首先系統(tǒng)評估了執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)的城鎮(zhèn)污水處理廠的運行成效，其中太湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠在一級A提標(biāo)改造后由于進水量的不斷增加和出水濃度的不斷降低，污染物削減總量顯著提高，對太湖流域有機物、氮、磷減排及太湖富營養(yǎng)化控制做出了積極貢獻。然后總結(jié)了城鎮(zhèn)污水處理廠在運行過程中的常見問題，在進水水質(zhì)、工藝設(shè)計、設(shè)備設(shè)施選擇和維護以及活性污泥功能菌群性能調(diào)控等方面仍有進一步完善和優(yōu)化空間，并提出了針對性的優(yōu)化運行措施。最后重點探討新一輪提標(biāo)改造工作的重難點和對策，提出在新一輪提標(biāo)改造中，應(yīng)當(dāng)重視污水收集系統(tǒng)的提質(zhì)增效，提高管網(wǎng)質(zhì)量和輸送效率，并建議提標(biāo)改造前先開展現(xiàn)有工藝的全流程分析，再在此基礎(chǔ)上確定采取工藝優(yōu)化或工程措施。
01
一級A提標(biāo)改造成效與存在問題
1.一級A提標(biāo)改造宏觀成效
1.1 顯著提升了污染物削減總量
以太湖流域為例，經(jīng)過一級A提標(biāo)改造后，各污染物去除效率顯著提高，出水各污染物指標(biāo)均有較大幅度下降。與2007年相比，2017年COD、BOD5、SS、TP、TN和NH3-N指標(biāo)的平均下降幅度分別達到44%、44%、58%、65%、38%和88%。同時，太湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠近11年來實際處理水量呈顯著增長趨勢，年處理水量從2007年的7.6×108m3增長到2017年的2.1×19m3，增長了近1.8倍。由于進水量的逐年上升和出水污染物濃度的不斷下降，污染物總量削減效果顯著(圖1)。
圖1 2008—2017年太湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠污染物
削減總量增長率(與2007年相比)
1.2 有效促進了流域水環(huán)境的改善
以太湖流域為例，通過對城鎮(zhèn)污水處理廠一級A標(biāo)準(zhǔn)的提標(biāo)改造，有效削減了排入太湖的污水處理廠尾水中各類污染物總量。如圖2所示，太湖湖體總體水質(zhì)從2007年的劣Ⅴ類水體提升到2014年的Ⅳ類(不計TN，參照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，下同)，高錳酸鹽指數(shù)年均濃度由Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)提升到Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，TN年均濃度由劣Ⅴ類提升到Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，TP年均濃度也符合Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)有了大幅改善。
圖2 2007—2017太湖湖體水質(zhì)變化
圖3為2010年以來太湖流域15條主要入湖河流水質(zhì)變化情況。可知：2010年僅有4條河流平均水質(zhì)符合Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，1條河流水質(zhì)為劣Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，其余處于Ⅳ類和Ⅴ類；2017年，已有11條年均水質(zhì)符合Ⅲ類，占73.3%；其余4條河流水質(zhì)為Ⅳ類。太湖流域的15條主要入湖河流的水質(zhì)也得到了明顯改善。
圖3 2010—2017年太湖主要入湖河流水質(zhì)變化
1.3 大幅提升了城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施運行管理水平
近年來，我國住建行業(yè)主管部門在推進一級A提標(biāo)改造工作的同時，也帶動了全國城鎮(zhèn)污水處理廠運行管理水平的不斷提高。國家、省市相繼出臺了城鎮(zhèn)污水處理廠運行管理和考核辦法，采取了技術(shù)指導(dǎo)、現(xiàn)場考核等多種措施，并將污水處理達標(biāo)率、考核結(jié)果等與污水處理運行經(jīng)費掛鉤，有效地促進了污水處理行業(yè)的健康發(fā)展和持續(xù)進步，大幅提升了城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施運行管理水平。河南省鄭州市馬頭崗污水處理廠、江蘇省常州市江邊污水處理廠等獲得“全國城鎮(zhèn)污水處理廠十佳運營單位”稱號，江蘇省無錫市太湖新城污水處理廠、常州市城北污水處理廠、昆山市污水處理公司、蘇州市吳江污水處理廠、木瀆污水處理廠等也獲得了“全國城鎮(zhèn)污水處理廠優(yōu)秀運營單位”稱號。
1.4 穩(wěn)步提高了城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)技術(shù)水平
為科學(xué)實施太湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠一級A提標(biāo)改造，江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳于2008年組織開展了太湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠除磷脫氮提標(biāo)改造技術(shù)攻關(guān)研究，并根據(jù)研究成果匯編了《江蘇省太湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》(以下簡稱《導(dǎo)則》)，其對太湖流域乃至全國城鎮(zhèn)污水處理廠的一級A提標(biāo)改造均起到了較好的技術(shù)指導(dǎo)作用。
2018年6月1日，DB 32/1072—2018《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》正式實施，該標(biāo)準(zhǔn)明確要求江蘇省太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠在一級A排放標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上再提標(biāo)。為科學(xué)指導(dǎo)太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠在一級A排放標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上再提標(biāo)，2019年，江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳再次組織編制了《江蘇省太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠DB32/1072提標(biāo)技術(shù)指引(2018版)》(以下簡稱《指引》)，用以科學(xué)指導(dǎo)太湖地區(qū)及全國城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)建設(shè)工程的設(shè)計、施工和運行管理等工作。
2.一級A標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行中存在問題和對策
2.1 進水水質(zhì)特征
調(diào)研中發(fā)現(xiàn)進水水質(zhì)濃度低、碳氮比低、無機懸浮物濃度高是當(dāng)前全國城鎮(zhèn)污水處理廠普遍存在的問題。圖4為全國、北京市、太湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠進水COD平均值年變化圖�？芍喝珖吞饔虺擎�(zhèn)污水處理廠2007—2017年進水COD濃度逐年降低，至2017年進水ρ(COD)僅250～300 mg/L，遠低于生活污水理論COD濃度，主要原因可能是進水中接納了企業(yè)預(yù)處理后的低濃度工業(yè)廢水，且地下管網(wǎng)存在滲漏現(xiàn)象，地下水位低，導(dǎo)致河水和地下水等倒灌污水管網(wǎng)。北方代表城市北京地區(qū)進水COD濃度較高，且較為穩(wěn)定，主要因為北京地區(qū)地下水位低，管網(wǎng)質(zhì)量較好，工業(yè)廢水含量少。
圖4 全國、北京市、太湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠COD進水平均值年變化
如圖5所示：全國城鎮(zhèn)污水處理廠進水BOD5/TN近11年的波動范圍為3～4，雖然污水處理中進水理論BOD5/TN達到2.86可滿足生物脫氮，但在實際運行中需達到4～5才能滿足脫氮需求，因此我國的水質(zhì)C/N相對偏低，生物脫氮存在碳源不足的問題。
圖5 全國、北京市、太湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠BOD5/TN進水平均值年變化
如圖6所示：全國城鎮(zhèn)污水處理廠進水SS/BOD5近11年的年平均值波動范圍為1.4～1.6，且存在逐年上升趨勢。發(fā)達國家污水處理廠進水SS/BOD5約為1.1，而我國近65%的城鎮(zhèn)污水處理廠中的進水ρ(SS)/ρ(BOD5)>1.1，有43%的進水超過了1.5，部分城市甚至高于2.0，說明我國進水無機砂含量偏高。
圖6 全國、北京市、太湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠SS/BOD5進水平均值年變化
針對上述進水水質(zhì)特征，在執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠的設(shè)計和運行過程中，建議：
1)有必要在污水處理廠設(shè)計階段開展基礎(chǔ)調(diào)研分析，詳細調(diào)研進水水質(zhì)水量情況；
2)合理設(shè)置預(yù)處理單元，盡可能多地去除無機SS，保留進水中的BOD5，優(yōu)化進水水質(zhì)；
3)在工藝運行中，生物段設(shè)置多點進水，靈活調(diào)配，同時好氧段合理控制DO，保證碳源有效利用；
4)針對含工業(yè)廢水較多的城鎮(zhèn)污水處理廠，對上游來水進行科學(xué)監(jiān)管，及時掌握變化情況，在受沖擊時及時調(diào)控相關(guān)工藝參數(shù)，降低沖擊影響。
2.2 工藝設(shè)計
工藝設(shè)計是污水處理廠的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，調(diào)研發(fā)現(xiàn)工藝設(shè)計環(huán)節(jié)存在的常見問題有：
1)實際進水水質(zhì)、水量和設(shè)計值相差較大。表1為太湖流域10座城鎮(zhèn)污水處理廠2017—2019年進水COD均值及負荷率情況�？芍哼@10座污水處理廠COD濃度負荷僅為設(shè)計值的30%～72%，和設(shè)計值相差較大。污水處理廠進水水質(zhì)、水量過低造成了活性污泥難以正常生長繁殖，處理效率降低；也帶來了運行管理難度加大，設(shè)備閑置或者低效運轉(zhuǎn)，如實際風(fēng)機運行風(fēng)量超出風(fēng)機調(diào)節(jié)范圍，風(fēng)機長期不在設(shè)計點運行，能耗增加；此外，還存在碳源投加費用增加等問題。
表1 10座城鎮(zhèn)污水處理廠2017—2019年進水COD均值及負荷率
2)設(shè)計功能單元實際運行中并未發(fā)揮對應(yīng)效果。調(diào)研中對近100座污水處理廠開展工藝沿程指標(biāo)特征分析，結(jié)果表明：約30%的污水處理廠設(shè)計的具有反硝化作用的缺氧段并沒有發(fā)生反硝化作用，設(shè)計有厭氧釋磷功能的厭氧段也沒有發(fā)揮釋磷作用。
3)設(shè)計過程設(shè)備的選型問題。污水處理從預(yù)處理到生物處理再到深度處理，過程中使用攔截、過濾等功能設(shè)備較多，設(shè)備選型是否合理對工藝運行起著至關(guān)重要的作用。
綜合以上3個方面的問題，建議在設(shè)計過程中：
1)設(shè)計前詳細調(diào)研基礎(chǔ)水量水質(zhì)，科學(xué)預(yù)估污水處理廠的水質(zhì)水量。
2)設(shè)計時采用靈活的設(shè)備和設(shè)施組合，合理選擇格柵、鼓風(fēng)機、推流器等設(shè)備類型，保證工藝系統(tǒng)的高效穩(wěn)定對污水處理廠出水穩(wěn)定達標(biāo)尤為重要。
2.3 設(shè)備設(shè)施選擇與維護
對于執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)的城鎮(zhèn)污水處理廠，從預(yù)處理到生物處理到深度處理，不僅流程長，而且設(shè)備多。污水處理廠絕大部分設(shè)備設(shè)施需要24 h 連續(xù)運行，故設(shè)備設(shè)施的正常運轉(zhuǎn)對污水處理廠的穩(wěn)定運行尤為重要。通過對100多座一級A標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，設(shè)備設(shè)施選擇和運行過程尚存在一些問題。具體調(diào)研問題和優(yōu)化對策見表2。
表2 執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)的城鎮(zhèn)污水處理廠關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施常見問題和優(yōu)化對策
2.4 活性污泥菌群性能調(diào)控
活性污泥是微生物群體及它們所依附的有機物質(zhì)和無機物質(zhì)的總稱，活性污泥中含有各種能降解污染物的微生物。這些微生物中，具備降解功能的菌群主要包括硝化菌、反硝化菌和聚磷菌等，可對污水中的污染物進行利用和生物降解，因此可通過測試污水處理廠活性污泥菌群性能分析污水處理廠的運行情況。
全國58座污水處理廠實測活性污泥菌群性能參數(shù)，硝化速率為0.46～7.86 mg/(g·h)，平均為2.90 mg/(g·h)；反硝化速率為0～5.18 mg/(g·h)，平均為1.33 mg/(g·h)；反硝化潛力為1.05～20.80 mg/(g·h)，平為6.68 mg/(g·h)；釋磷潛力為0.01～23.98 mg/(g·h)，平均為2.48 mg/(g·h)，可見不同的污水處理廠活性污泥的菌群活性相差較大。
活性污泥菌群性能指標(biāo)(硝化速率、反硝化速率和釋磷速率)是污水處理廠工藝設(shè)計重點參數(shù)，設(shè)計時常根據(jù)這些參數(shù)的理論值核算停留時間等參數(shù)，根據(jù)GB 50014—2006《室外排水設(shè)計規(guī)范》換算，MLVSS/MLSS按0.45計，理論硝化速率應(yīng)>4 mg/(g·h)，反硝化速率應(yīng)為3～5 mg/(g·h)。但由表4中58座污水處理廠不同活性污泥菌群性能速率范圍的數(shù)量占比可知：大部分污水處理廠功能菌群性能較設(shè)計值低，且不同廠活性污泥菌群活性差別較大。
表4 58座污水處理廠不同活性污泥菌群性能速率范圍的數(shù)量占比
上述現(xiàn)象主要和功能菌群的生長環(huán)境因素有關(guān)，建議污水處理廠重點從活性污泥功能菌群的生長條件角度出發(fā)進行工藝調(diào)控，為功能菌群提供良好的生長環(huán)境，從而提高污染物的去除能力。
02
新一輪提標(biāo)改造重難點分析
近年來，因全國各大流域水污染物環(huán)境容量已嚴重超載，污染物減排壓力巨大，污水處理廠提標(biāo)排放是實現(xiàn)污染減排途徑之一。2012年以來，北京、河南、天津、安徽、江蘇和浙江等省市均相繼發(fā)布了新的地方標(biāo)準(zhǔn)(表5)。還有某些地方城市因為地方園區(qū)污染物總量控制需求，也再次提升了城鎮(zhèn)污水處理廠出水要求，如江蘇無錫新區(qū)，城鎮(zhèn)污水處理廠出水要求提升至ρ(COD)≤20 mg/L，ρ(TN)≤5 mg/L，ρ(NH3-N)≤2 mg/L，ρ(TP)≤0.2 mg/L。在此基礎(chǔ)上，各地污水處理廠均需開展新一輪提標(biāo)改造工作，但是采用工藝優(yōu)化即可達到新標(biāo)準(zhǔn)要求，還是需要采用工程措施，如何選擇科學(xué)合理的提標(biāo)技術(shù)路線，這些問題困擾著相關(guān)設(shè)計和決策人員。研究團隊對污水收集系統(tǒng)、各地污水處理廠已提標(biāo)技術(shù)路線和工藝優(yōu)化提標(biāo)主要存在問題進行了詳細調(diào)研分析，并提出了針對性措施。
表5 全國代表性省市新一輪城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放地方標(biāo)準(zhǔn)
1.污水收集系統(tǒng)存在問題與對策
對太湖流域204座污水處理廠進出水水質(zhì)調(diào)研分析，由于處理水量的增長和污染物去除率的提高，一級A提標(biāo)改造后各污染物指標(biāo)的削減總量呈逐年增長趨勢。但由于進水濃度的降低，每噸水COD、BOD5、SS、TP削減量卻呈整體下降趨勢，分別下降24.8%、8.5%、22.0%、47.0%。進水水質(zhì)濃度的降低原因主要有：太湖流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，大部分重污染企業(yè)退出；對排污企業(yè)監(jiān)管日益嚴格，導(dǎo)致偷排現(xiàn)象大幅減少；地下管網(wǎng)存在滲漏現(xiàn)象，地下水位低，導(dǎo)致河水和地下水等倒灌排水管網(wǎng)，使水量增加，水質(zhì)變“淡”。
在新一輪城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造過程中，應(yīng)當(dāng)將管網(wǎng)的提質(zhì)增效作為重點前提條件，根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案》(2019—2021年)要求，編制科學(xué)可行的實施方案指導(dǎo)實踐，同時確保資金投入，提高管網(wǎng)建設(shè)質(zhì)量和維護水平，提升和穩(wěn)定管網(wǎng)水質(zhì)，從而提升城鎮(zhèn)污水處理廠高標(biāo)準(zhǔn)下運行的穩(wěn)定性和處理效率。
2.新一輪提標(biāo)改造技術(shù)選擇誤區(qū)分析
在從一級B到一級A標(biāo)準(zhǔn)的提標(biāo)過程中，大部分城鎮(zhèn)污水處理廠均需要通過升級改造以提升常規(guī)的5項指標(biāo)(COD、NH3-N、TN、TP和SS)的去除效果。而目前針對從一級A標(biāo)準(zhǔn)提升到更高等級的類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類或Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)時，不同的城鎮(zhèn)污水處理廠因進水水質(zhì)或現(xiàn)有處理工藝不同，需要提標(biāo)的指標(biāo)類別或提升幅度差別更大。因此，在新一輪的提標(biāo)改造中，需根據(jù)各個污水處理廠的具體問題指標(biāo)和提升幅度來制定具體技術(shù)路線。這其中，主要的問題指標(biāo)為COD、TN、NH3-N和TP等。
2.1 當(dāng)前再提標(biāo)城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造技術(shù)選擇中存在的誤區(qū)
表6為根據(jù)調(diào)研匯總的已再提標(biāo)城鎮(zhèn)污水處理廠針對不同的強化去除污染物對象所采用的不同深度處理技術(shù)路線，但該表中的技術(shù)組合也存在一些不盡合理之處。建議需強化硝化能力的城鎮(zhèn)污水處理廠優(yōu)先考慮采用懸浮填料，其次考慮使用曝氣生物濾池。因此，在考慮技術(shù)路線的可行性上需重點考慮設(shè)備設(shè)施組合的相互影響和制約。
表6 部分再提標(biāo)城鎮(zhèn)污水處理廠采用的深度處理技術(shù)路線及其存在問題匯總
2.2 提標(biāo)改造工藝路線選擇建議
為克服當(dāng)前已再提標(biāo)城鎮(zhèn)污水處理廠各類提標(biāo)改造技術(shù)線路存在的不足，進一步優(yōu)化新一輪再提標(biāo)(提標(biāo)至類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類或類Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)(TN除外))的升級改造方案，根據(jù)本研究團隊對全國100座污水處理廠所開展的全流程分析和對太湖流域204座一級A標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠進行深度調(diào)研，筆者推薦的整體提標(biāo)改造工藝路線方案和生物處理單元AAAOAO流程分別如圖7和圖8所示。
圖7 推薦的提標(biāo)改造工藝路線
圖8 生物處理單元AAAOAO流程[9]
3.污水處理工藝優(yōu)化運行問題與對策
2019年2月，江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳發(fā)布了《關(guān)于做好太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠新一輪提標(biāo)工作的通知》，其中提出“抓緊做好城鎮(zhèn)污水處理廠本地調(diào)查，按照《江蘇省太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠DB32/1072提標(biāo)技術(shù)指引(2018版)》確定的工作流程，自行組織或委托專業(yè)機構(gòu)盡快開展全流程技術(shù)評估，結(jié)合水質(zhì)、水量特征和設(shè)施本底情況，科學(xué)制定‘一廠一策’技術(shù)方案”。本研究團隊先后對全國不同區(qū)域58座城鎮(zhèn)污水處理廠進行技術(shù)評估并提出了相應(yīng)改造意見。結(jié)果表明，其中約60%執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)的城鎮(zhèn)污水處理廠無須通過工程改造，僅通過優(yōu)化運行即可達類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)(ρ(TN)≤10 mg/L)。這些城鎮(zhèn)污水處理廠日常管理運行規(guī)范，能嚴格執(zhí)行排放標(biāo)準(zhǔn)。通過對這些城鎮(zhèn)污水處理廠進行全流程評估，發(fā)現(xiàn)其主要的問題指標(biāo)為氨氮、TN和TP，只需在優(yōu)化過程中重點強化硝化、反硝化和除磷效果即可達到提標(biāo)目的。
3.1 硝化效果優(yōu)化
氨氮去除是通過活性污泥硝化菌硝化作用將NH3-N轉(zhuǎn)化為硝化菌為自養(yǎng)菌，化能自養(yǎng)菌，世代周期長，對環(huán)境和毒性物質(zhì)比較敏感，故硝化菌活性易受環(huán)境條件影響，導(dǎo)致硝化效果降低，出水氨氮超標(biāo)。通過對58座城鎮(zhèn)污水處理廠硝化影響因素進行分析，得出的主要影響因素為DO控制、攪拌環(huán)境、水溫、進水沖擊和停留時間等，影響硝化效果的因素在58座城鎮(zhèn)污水處理廠的占比如表7所示。
表7 影響硝化效果的因素在58座污水處理廠的占比
建議通過以下對策優(yōu)化硝化效果。
1)針對DO調(diào)控：可完善在線監(jiān)測儀表設(shè)備，根據(jù)池內(nèi)污染物變化情況合理控制DO濃度變化；設(shè)計時，應(yīng)考慮曝氣器的梯度分布；確保風(fēng)機風(fēng)量充足，選擇調(diào)節(jié)范圍寬廣的風(fēng)機類型，條件允許時考慮精確曝氣控制系統(tǒng)；
2)針對攪拌環(huán)境調(diào)控：注重攪拌推流設(shè)備的設(shè)計與運行，必要時進行清淤；
3)針對低溫應(yīng)對：提前做好硝化能力提升措施，污泥濃度、DO提升。必要時可考慮外加懸浮填料提高硝化效果；
4)針對進水沖擊：建議先開展曝氣實驗驗證沖擊程度；如硝化抑制，則進行源頭控制，提高DO，悶曝，必要時外加堿度；如系統(tǒng)崩潰，硝化速率接近0，則需源頭控制的同時進行換泥培菌，同時采取其他應(yīng)急措施。
3.2 反硝化效果優(yōu)化
反硝化是指在反硝化細菌的作用下，以硝酸鹽作為電子受體進行的無氧呼吸過程，將硝酸鹽還原為N2，實現(xiàn)脫氮反應(yīng)的最終步驟。反硝化效果的優(yōu)劣直接影響出水TN達標(biāo)。通過對58座城鎮(zhèn)污水處理廠反硝化影響因素進行分析，得出的主要影響因素為碳源、內(nèi)回流比、回流DO、攪拌等，具體各影響因素在58座污水處理廠的占比如表8所示。
表8 影響反硝化效果的因素在58座污水處理廠的占比
針對上述影響因素，建議通過以下對策優(yōu)化反硝化效果。
1)針對碳源投加：優(yōu)選碳源種類，注重投加位點的選擇，有條件的增設(shè)智能加藥控制系統(tǒng)；
2)針對內(nèi)回流控制：確保內(nèi)回流泵可調(diào)有余量，運行中加強過程硝態(tài)氮檢測，根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整內(nèi)回流比；
3)針對DO控制：建議曝氣器梯度分布，有條件的在好氧區(qū)末端設(shè)置消氧區(qū)；
4)針對攪拌效果：缺氧區(qū)的攪拌混合效果對脫氮效果影響較大，建議攪拌推流器合理選型，保障正常運行。
3.3 除磷效果優(yōu)化
污水處理廠的除磷主要通過生物除磷和化學(xué)除磷，大部分污水處理廠是2種除磷方式的組合。生物除磷主要通過聚磷菌在厭氧條件下釋磷和好氧條件下過量吸磷，然后通過排出剩余污泥使得污水中的磷得到有效去除�；瘜W(xué)除磷是通過投加鋁鹽和鐵鹽等無機金屬鹽類絮凝劑，使其與水中的磷酸鹽反應(yīng)，生成惰性磷酸鹽化學(xué)沉淀，從而達到從水相中去除磷酸鹽的目的。通過對58座城鎮(zhèn)污水處理廠除磷影響因素進行分析，得出的主要影響因素為除磷藥劑的投加、藥劑混合反應(yīng)效果、厭氧區(qū)硝態(tài)氮、厭氧區(qū)攪拌效果、化學(xué)除磷對生物除磷的抑制以及進水沖擊等。具體各影響因素在58座污水處理廠的占比如表9所示。
表9 影響釋磷效果的因素在58座污水處理廠的占比
建議通過以下對策優(yōu)化除磷效果。
1)針對除磷藥劑的投加：可依據(jù)進水水質(zhì)情況，通過燒杯實驗確定最佳除磷藥劑種類及合適的投加量，實現(xiàn)優(yōu)化運行與節(jié)能降耗目的；
2)針對厭氧區(qū)高硝態(tài)氮對厭氧釋磷的抑制：在厭氧區(qū)前設(shè)置預(yù)缺氧區(qū)，降低進入?yún)捬鯀^(qū)的硝態(tài)氮濃度；當(dāng)進水C/N低導(dǎo)致厭氧或預(yù)缺氧區(qū)硝態(tài)氮過高時，可外加商業(yè)碳源，降低高濃度硝態(tài)氮對生物除磷的影響，逐步恢復(fù)和強化生物除磷作用；
3)針對化學(xué)除磷對生物除磷的抑制：建議合理控制化學(xué)除磷藥劑投加量，減少過量值，有條件的優(yōu)先采用后置化學(xué)除磷方式；
4)針對存在外源性有機磷沖擊：建議加強源頭管控，必要時增設(shè)強氧化劑或臭氧等高級氧化單元，實現(xiàn)有機磷的降解。
03
結(jié) 論
1)太湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠在一級A提標(biāo)改造后，由于進水量的不斷增加和出水濃度的不斷降低，污染物削減總量顯著提高，對太湖流域有機物、氮、磷減排及太湖富營養(yǎng)化控制做出了積極的貢獻。同時，也帶來了城鎮(zhèn)污水處理廠的污水處理設(shè)施運行管理和建設(shè)技術(shù)水平的大幅度提升。
2)在執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)的城鎮(zhèn)污水處理廠運行過程中，受各地經(jīng)濟發(fā)展水平、污水處理區(qū)域發(fā)展水平及運行管理水平等因素制約，進水水質(zhì)、工藝設(shè)計、設(shè)備設(shè)施選擇和維護以及活性污泥功能菌群性能調(diào)控等方面仍有進一步完善和優(yōu)化空間。
3)在新一輪提標(biāo)改造中，應(yīng)當(dāng)重視污水收集系統(tǒng)的提質(zhì)增效，提高管網(wǎng)質(zhì)量和輸送效率；同時，建議提標(biāo)改造前先開展現(xiàn)有工藝的全流程分析，掌握各功能單元運行現(xiàn)狀，確定關(guān)鍵重難點指標(biāo)，然后在此基礎(chǔ)上確定采取工藝優(yōu)化或工程措施。提標(biāo)改造工作建議優(yōu)先考慮工藝優(yōu)化，其次工程措施。在選擇工程措施時需重點考慮設(shè)備設(shè)施組合之間的相互影響和制約，盡可能達到彼此間的平衡。
