題目：從幾個常見現(xiàn)象談污水處理廠設計和運行的精細化問題
報告人: 中國市政工程華北設計研究總院有限公司 城市環(huán)境研究院 孫永利 副院長
主持人：天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保集團股份有限公司 李金河 總工
下一個報告的題目是從幾個常見現(xiàn)象談污水處理廠設計和運行的精細化問題。報告人是中國市政工程華北設計研究總院有限公司 城市環(huán)境研究院孫永利 副院長。有請!
孫永利：
非常高興《中國給水排水》雜志社給我這個機會向大家交流和分享一下我們團隊這兩年在城市污水處理廠調研和技術研究當中發(fā)現(xiàn)的一些現(xiàn)象，以及基于這些現(xiàn)象所做的一些研究工作。這些研究成果很多已經(jīng)發(fā)表在《中國給水排水》雜志上，后面我會告訴大家這些論文的具體在哪一期，有興趣的代表可以直接與《中國給水排水》雜志社聯(lián)系。
前面有很多專家都講到了污水處理廠的提標改造問題，一級A甚至更高排放標準已經(jīng)成為我國污水處理行業(yè)的發(fā)展趨勢。其實對于一級A標準或更高標準，我們最關心的是氮磷問題，也就是說以深度脫氮除磷為核心的技術改造將成為污水處理行業(yè)的發(fā)展重點。但與此同時大家也都知道，我國的城鎮(zhèn)污水處理廠普遍面臨著脫氮除磷所需碳源不足的問題。根據(jù)我們對全國城鎮(zhèn)污水信息管理系統(tǒng)中2014年3000多座污水處理廠的統(tǒng)計分析結果，約70%的污水處理廠COD/TN比值低于8，換算成BOD/TN可能只有4 ~ 5的水平，遠低于污水處理廠脫氮除磷所需要的碳氮比水平。
面對碳源不足問題，我們更需要研究我們的碳源是不是很好的得到了利用，工程中是否有明顯的無效浪費現(xiàn)象，也就是我們在從傳統(tǒng)的以碳去除為核心的低排放標準，向以氮磷去除為核心的高標準轉變過程當中，我們的設計和運行方面是否存在碳源無效損失的問題。針對這個問題，我們這兩年選擇全國30多座污水處理廠進行了詳細的調研分析，下面將重點從以下方面向各位介紹我們這方面的研究成果。
首先是預處理單元跌水復氧造成的碳源損耗問題，相關論文發(fā)表在2017年8月《中國給水排水》雜志上。這個現(xiàn)象也是我們偶然發(fā)現(xiàn)的，根據(jù)我們最初的理解，污水經(jīng)管網(wǎng)并由集水井出來后，應該是厭氧狀態(tài)的，也就是比較低的溶解氧才對，結果調研測試的時候發(fā)現(xiàn)很多污水處理廠泵后水渠內(nèi)都有一定的溶解氧值，溯源后發(fā)現(xiàn)溶解氧主要來自于跌水點前后，跌水形成的復氧問題非常明顯，每一次跌水基本上能形成3到4 mg/L，甚至更高的溶解氧增量。據(jù)此推算，大部分污水處理廠預處理單元跌水可能就要消耗6~ 8 mg/L，甚至更高的可生物降解COD，而這些都是我們比較珍貴的碳源。因為這里面消耗的COD可能是我們最優(yōu)質的碳源。
那么到底為什么跌水會形成這么高一個復氧水平，我們開始也咨詢了很多業(yè)內(nèi)專家，很多專家認為不可能，有的專家認為我們測試方法有問題，有的提出說我們的研究結論跟國際上的相關說法不太一致，為此也給我們提出了很多進一步研究和驗證的建議。為此，我們就選擇實際工程，進行了相關的生產(chǎn)性測試。在南方某污水處理廠泵池出口的跌水區(qū)選擇了5個檢測點，如圖中所示，其中4號和5號點分別位于跌水前和跌水后的區(qū)域。分別對5個點的表層水和深層水進行了溶解氧的測試，結果表明，1~ 4號點表層和深層的溶解氧沒有明顯差別，證明表面復氧量相對較小。但是4號和5號之間出現(xiàn)明顯差別，也就是說跌水點前后出現(xiàn)明顯的溶解氧濃度差。
為了進一步說明跌水復氧產(chǎn)生的原因，我們提出了一個污水跌落瞬間復氧的假說，并通過一定的測試手段進行了驗證。首先，受水的表面張力影響，污水跌落過程中的表面復氧現(xiàn)象并不明顯，但是跌落的過程會帶動周邊空氣運動，并在半封閉的跌水池中形成旋流，通過這種旋流實現(xiàn)了跌水池內(nèi)氣體與外界大氣的溝通與置換，因此跌水池內(nèi)空氣中的氧含量并不低。另外，旋流的空氣會隨著跌水過程進入到跌水池的污水里面，與此同時跌水形成的巨大沖擊力導致水珠的表面張力被破壞，使氧更容易與水混合。這可能是跌水復氧形成的最重要原因。
那么針對這個問題，我們就有兩個可以考慮的思路，或者阻止其跌水，或者阻止跌水區(qū)域和外界的空氣交流�；诖耍覀冊诔Ｖ葑隽艘粋�阻止空氣對流的工程性實驗，利用工程本身半封閉的自然條件，通過在走道板上部加設密封油氈的形式，有效的實現(xiàn)了對該區(qū)域空氣對流的阻斷，一天左右的時間，跌水區(qū)域的氧濃度由5~6 mg/L降低至1~2 mg/L甚至更低水平，基本實現(xiàn)了預期目標。當然考慮到該區(qū)域低溶解氧可能導致的安全問題，我們在油氈上也預留了通氣孔等通風措施。
今天也有專家講過反硝化濾池上的溶解氧問題，其實我們獲得的工程結果可能遠高于前面專家提到的溶解氧值，但其實這個現(xiàn)象并不僅僅是反硝化濾池本身跌水復氧造成的。給大家提供一組二沉池出水之后的溶解氧變化曲線，大家會發(fā)現(xiàn)，這個DO值其實是多次跌水之后的綜合結果，然后到了反硝化濾池里面就相對非常高了，8 mg/L左右是多數(shù)反硝化濾池的正常水平。
上述是關于跌水復氧方面的研究成果，那么第二部分給大家介紹一下我們在內(nèi)回流混合液溶解氧控制方面的研究成果和最新進展。今天也有部分專家提到過這個問題，看來這個問題越來越引起大家的關注了，這部分的研究成果我們也是2015年發(fā)表在《中國給水排水》11月的期刊上了。當然也要感謝《中國給水排水》編輯部及各位評委和讀者，該論文還在2016年獲得了《中國給水排水》編輯部的一個論文特等獎。這個事情也很簡單，大家都知道我們好氧池的混合液是有兩個出口的，一個要到二沉池，一個是要回流到缺氧池，這兩個出口通常是不分開的。為了避免二沉池反硝化浮泥，通常會在好氧池末端保持相對較高的溶解氧水平，那么這樣相當于是回流到缺氧池的混合液也具有相對較高的溶解氧水平，從而導致缺氧池不缺氧的現(xiàn)象。下表是我對部分污水處理廠的測試結果。
從數(shù)據(jù)也不難看出，我們?nèi)毖醭厝肟诔龅膬?nèi)回流混合液溶解氧還是比較高的，當然大家也會說第一個不是很高，只有0.86 mg/L，可以明確告訴大家，這個是我們技術改造之后的結果，改造之前該廠的值大概在4 mg/L。
那么這個內(nèi)回流混合液到底對缺氧池，或者說對我們的脫氮量是什么影響，可否量化。我們也查閱了一些資料，發(fā)現(xiàn)當時文獻表述不多，為此我們也希望能建立一個理論計算公式，首先大家都比較清楚，根據(jù)氧化還原反應的電子關系理論計算結果，每1 mg的溶解氧會影響0.35mg的硝酸鹽氮去除量。那么我們首先進行了一下靜態(tài)實驗，驗證一下這個0.35是否成立，方法很簡單，就是兩個燒杯，一個有4.5 mg/L的溶解氧濃度，一個基本上沒有。攪拌并連續(xù)監(jiān)測硝酸鹽濃度，并繪制曲線計算兩個反應器內(nèi)硝酸鹽去除量的差值。結果發(fā)現(xiàn)實驗差值高于我們根據(jù)理論推導出的1.58 mg/L理論差值，表明還有其他因素影響，需要研究修正系數(shù)。
為了進一步說明跌水復氧產(chǎn)生的原因，我們提出了一個污水跌落瞬間復氧的假說，并通過一定的測試手段進行了驗證。首先，受水的表面張力影響，污水跌落過程中的表面復氧現(xiàn)象并不明顯，但是跌落的過程會帶動周邊空氣運動，并在半封閉的跌水池中形成旋流，通過這種旋流實現(xiàn)了跌水池內(nèi)氣體與外界大氣的溝通與置換，因此跌水池內(nèi)空氣中的氧含量并不低。另外，旋流的空氣會隨著跌水過程進入到跌水池的污水里面，與此同時跌水形成的巨大沖擊力導致水珠的表面張力被破壞，使氧更容易與水混合。這可能是跌水復氧形成的最重要原因。
那么針對這個問題，我們就有兩個可以考慮的思路，或者阻止其跌水，或者阻止跌水區(qū)域和外界的空氣交流。基于此，我們在常州做了一個阻止空氣對流的工程性實驗，利用工程本身半封閉的自然條件，通過在走道板上部加設密封油氈的形式，有效的實現(xiàn)了對該區(qū)域空氣對流的阻斷，一天左右的時間，跌水區(qū)域的氧濃度由5~6 mg/L降低至1~2 mg/L甚至更低水平，基本實現(xiàn)了預期目標。當然考慮到該區(qū)域低溶解氧可能導致的安全問題，我們在油氈上也預留了通氣孔等通風措施。
今天也有專家講過反硝化濾池上的溶解氧問題，其實我們獲得的工程結果可能遠高于前面專家提到的溶解氧值，但其實這個現(xiàn)象并不僅僅是反硝化濾池本身跌水復氧造成的。給大家提供一組二沉池出水之后的溶解氧變化曲線，大家會發(fā)現(xiàn)，這個DO值其實是多次跌水之后的綜合結果，然后到了反硝化濾池里面就相對非常高了，8 mg/L左右是多數(shù)反硝化濾池的正常水平。
上述是關于跌水復氧方面的研究成果，那么第二部分給大家介紹一下我們在內(nèi)回流混合液溶解氧控制方面的研究成果和最新進展。今天也有部分專家提到過這個問題，看來這個問題越來越引起大家的關注了，這部分的研究成果我們也是2015年發(fā)表在《中國給水排水》11月的期刊上了。當然也要感謝《中國給水排水》編輯部及各位評委和讀者，該論文還在2016年獲得了《中國給水排水》編輯部的一個論文特等獎。這個事情也很簡單，大家都知道我們好氧池的混合液是有兩個出口的，一個要到二沉池，一個是要回流到缺氧池，這兩個出口通常是不分開的。為了避免二沉池反硝化浮泥，通常會在好氧池末端保持相對較高的溶解氧水平，那么這樣相當于是回流到缺氧池的混合液也具有相對較高的溶解氧水平，從而導致缺氧池不缺氧的現(xiàn)象。下表是我對部分污水處理廠的測試結果。
從數(shù)據(jù)也不難看出，我們?nèi)毖醭厝肟诔龅膬?nèi)回流混合液溶解氧還是比較高的，當然大家也會說第一個不是很高，只有0.86 mg/L，可以明確告訴大家，這個是我們技術改造之后的結果，改造之前該廠的值大概在4 mg/L。
那么這個內(nèi)回流混合液到底對缺氧池，或者說對我們的脫氮量是什么影響，可否量化。我們也查閱了一些資料，發(fā)現(xiàn)當時文獻表述不多，為此我們也希望能建立一個理論計算公式，首先大家都比較清楚，根據(jù)氧化還原反應的電子關系理論計算結果，每1 mg的溶解氧會影響0.35mg的硝酸鹽氮去除量。那么我們首先進行了一下靜態(tài)實驗，驗證一下這個0.35是否成立，方法很簡單，就是兩個燒杯，一個有4.5 mg/L的溶解氧濃度，一個基本上沒有。攪拌并連續(xù)監(jiān)測硝酸鹽濃度，并繪制曲線計算兩個反應器內(nèi)硝酸鹽去除量的差值。結果發(fā)現(xiàn)實驗差值高于我們根據(jù)理論推導出的1.58 mg/L理論差值，表明還有其他因素影響，需要研究修正系數(shù)。
我們用這個模型對幾個污水處理廠進行了簡單的測算，也就會發(fā)現(xiàn)回流混合液的溶解氧會導致污水處理廠出現(xiàn)1~ 5 mg/L的硝酸鹽氮去除損失量。這個損失量對于部分污水處理廠是巨大的，因為必須投加相應量的碳源，如果能很好的控制溶解氧問題，部分污水處理廠就可以省掉碳源的問題。
那么我們第二步就開始研究怎么樣能把這個回流混合液的溶解氧控制下來，或者說怎么讓流向二沉池的混合液和回流到缺氧池的混合液分開。我們團隊就提出了一個在好氧池末端分割出消氧區(qū)的思路，該思路不同于傳統(tǒng)的增加池體，而只是在末端設置隔墻，將原有的4Q混合液分開成2個2Q混合液，實際停留時間不變，其中2Q混合液的消氧區(qū)中通過攪拌實現(xiàn)消氧，而2Q的好氧區(qū)繼續(xù)保持曝氣狀態(tài)。這也就相當于是在不影響總體停留時間的情況下實現(xiàn)了回流混合液和二沉池混合液在功能上的有效分離，通過這個消氧區(qū)基本上可以將內(nèi)回流混合液對缺氧池反硝化脫氮的影響降低到最低水平，使整個缺氧池真正實現(xiàn)一個缺氧狀態(tài)。我們已經(jīng)利用這個思路對江蘇省部分污水處理廠進行了運行優(yōu)化，效果顯著。當然我們最近設計的幾個污水處理廠也直接應用了該技術。
很多人會關心，這個消氧池到底需要多長停留時間。那么也給大家共享一下我們的研究結論，按照我們的測試結果，大部分污水處理廠好氧池末端混合液大概15分鐘左右就可以從3 mg/L降低到0左右。那么也就是說如果是2Q，工程設計停留時間30min左右也就差不多了。關于更進一步的研究內(nèi)容，大家可以下載我們相關的論文。
今天還要跟大家交流一個化學協(xié)同除磷的問題，這個問題也是發(fā)表在我們《中國給水排水》2015年10月的期刊上了。我們的研究是起源于我們所承擔的一個863污泥磷回收課題，當時我們在太湖流域某化學協(xié)同除磷污水處理廠開展污泥系統(tǒng)釋磷實驗，結果發(fā)現(xiàn)我們超量投加了優(yōu)質碳源，但是磷的濃度卻很低，只有酸堿調理的時候才有磷釋放。而同期其他課題組在非化學協(xié)同除磷污水處理廠同步進行的試驗磷濃度卻很高，因此我們覺得化學協(xié)同除磷一定程度上影響了我們生物除磷功能。為此，我們首先研究了一下全國有多少污水廠在用到化學除磷藥劑，結果發(fā)現(xiàn)上千座污水處理廠都在投加除磷藥劑，不管是協(xié)同除磷還是后置除磷。那么既然這么多，我們就要研究一下藥劑投加量和除磷量的關系，為此我們查閱了相關材料，感覺直接相關的公式并不好用，因此我們根據(jù)理論反應公式，試圖建立一個兩者摩爾當量的計算公式，并利用這個公式對上面提到的近千座化學除磷污水處理廠進行了藥劑投加量和除磷量摩爾當量的計算。
計算結果表明，60%以上的化學除磷污水處理廠所投加的化學除磷藥劑量超過除磷需要的劑量水平。也就是說化學除磷對生物除磷系統(tǒng)的影響可能是一個需要普遍關注的話題。
那么再回到化學協(xié)同除磷的問題，我們需要研究為什么化學協(xié)同除磷影響了生物除磷，或者說在二沉池末端投加過量的除磷藥劑，到底怎么對生物除磷造成了影響。為此我們又做了一組模擬實驗，選擇不同污水處理廠，在三個反應器中分別加入“污水原水+二沉污泥”、“優(yōu)質碳源+二沉污泥”、“磷酸鹽+二沉污泥”并測試磷酸鹽的變化情況。第一組數(shù)據(jù)是我們模擬二沉池污泥與原水混合的磷酸鹽測定結果，根據(jù)混合液磷酸鹽理論加權平均值和實測值的對比結果，化學除磷藥劑投加量較大的A、B、C污水廠，基本無明顯的厭氧釋磷現(xiàn)象，而投加量相對較小的E廠仍具有明顯的釋磷現(xiàn)象，D廠摩爾當量為月均值，該試驗階段處于過量加藥期，不具有代表性。
第二組數(shù)據(jù)改為二沉污泥過量加入優(yōu)質碳源，測試強化厭氧釋磷效果，結果發(fā)現(xiàn)A、B、C廠仍沒有厭氧釋磷，而D、E廠厭氧釋磷現(xiàn)象明顯。
那么我們第三個實驗，我們主要是想看看二沉池中化學藥劑的過量問題，也就是往二沉池污泥中加入磷酸鹽，看看會不會沉淀去除掉。結果發(fā)現(xiàn)，A、B、C三個廠加入磷酸鹽并混合后的濾后樣實際測定結果均低于加權平均后的計算結果，也就表明加入的磷酸鹽被除磷藥劑沉淀去除了。但是D、E廠投加后的去除效果并不顯著。
上述實驗數(shù)據(jù)為我們推斷為什么化學協(xié)同除磷污水處理廠厭氧池不釋磷提供了一定的數(shù)據(jù)基礎。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，我們就能知道雖然我們是在二沉池投加的，但是到了好氧末端，磷酸鹽濃度相對是比較低的，此時除磷藥劑是過量的，那么過量的藥劑首先是與污泥發(fā)生絮凝沉淀反應，而后隨著回流污泥進入到厭氧池中，這時候即使厭氧池有釋磷功能或現(xiàn)象，所釋放的磷酸鹽也要與除磷藥劑發(fā)生化學反應，生成磷酸鹽沉淀。也就是說化學協(xié)同除磷污水處理廠的厭氧池出來的混合液實際上是沒有磷酸鹽，或者低磷酸鹽的。而后這些混合液進入到好氧池，就沒有辦法完成吸磷了，因為沒有磷酸鹽可以吸了。那么既然不能吸磷了，后續(xù)自然也沒法釋磷了，因為釋磷是要以釋磷所產(chǎn)生PHB作為驅動力的。然后好氧池不吸磷，自然也沒有“聚磷”產(chǎn)生，自然后續(xù)也就沒法“釋磷”。也就是說厭氧釋磷與好氧吸磷是互相的，影響其一反應，必將影響到另一個反應。
當然我們這里做了個假設，就是所形成的磷酸鹽化學沉淀，對生物除磷菌來說是一種不可逆的，化學磷酸鹽沉淀無法參與到生物除磷反應中。這個假設是否成立，我們目前還在研究階段，后續(xù)還有很多值得研究的內(nèi)容。那么可以研究什么，個人認為進一步的研究關注磷酸鹽濃度變化已經(jīng)沒有太大意義了，研究厭氧污泥中是否有聚磷菌似乎也沒有太多的科學意義，如果有興趣的高�；蚩蒲袡C構可以考慮從另一個副產(chǎn)物入手，也就是PHB來開展研究，因為就目前來看，可能只有PHB是最有代表性，且影響因素最少的指標了。
既然化學協(xié)同除磷已經(jīng)影響了我們生物除磷功能，那么似乎我們的厭氧/好氧模式也就會受到影響了，就需要考慮一定的應對或補救措施。為此，我們對以前部分專家也提到過的厭氧池側流除磷進行了一定的工程研究。大家都知道，我們沒有化學協(xié)同除磷的時候，很多污水處理廠厭氧池都有比較高的磷酸鹽濃度，基于這個濃度大概測算一下，如果把厭氧池20%到30%的混合液拿出來做化學除磷處理，這樣會去除2-5毫克升的磷酸鹽去除量，基于此提出一個化學除磷理念。
這樣在實際工程中，我們只需要在厭氧池末端形成一個簡單的沉淀區(qū)，在這個區(qū)域里，不一定要把SS降低到很低的水平，100~200 mg/L都是可以接受的。然后這部分沉淀上清液單獨做化學除磷處理，這樣有一定的SS對于形成化學沉淀也是有利的;另外，出水的磷酸鹽也不用太低，2 mg/L即可，這樣也就回避了低濃度的時候，藥劑投加量與除磷量的非線性問題。這種思路基本可以解決我們整個污水處理廠的磷去除問題，而且除磷藥劑與主工藝無交集，與污泥系統(tǒng)也可無交集，不會影響到工藝運行。然后這里我們也需要講一下出水SS和TP的關系問題，如果通過側流把TP去掉了，那么SS中磷酸鹽的濃度必然降低，SS將不再是影響出水TP穩(wěn)定達標的主要因素。
最后再給大家交流一下反硝化除磷的工程強化問題。要研究怎么工程強化，我們首先要研究一下反硝化除磷到底是怎么回事。那么我們首先看看缺氧池中到底有什么，以A2/O類工藝為例，缺氧池主要接納了好氧池混合液、原水、厭氧池混合液，那么這里面都有什么成分大家就都清楚了，在這里就不一一解釋了。
這些物質之間可能發(fā)生的反應也都給大家列出來了。那么基于這些反應關系，我們可以知道，反硝化除磷需要強化的是硝酸鹽和磷酸鹽之間的反應，那么，我們就應該盡量限制與這兩種物質有關的其他反應，否則就容易與反硝化除磷反應形成競爭。這樣一分析，實際工程就簡單了，首先我們要控制有機物不能進到反硝化除磷單元，第二個要控制溶解氧不要進來，這樣逐漸培養(yǎng)就容易形成有利于反硝化除磷菌生長的環(huán)境。基于此思路，我們研究團隊對太湖流域部分污水處理廠進行了工程性優(yōu)化，結果遠遠超過預期，當條件控制住后，反硝化除磷的效果非常明顯。
那么，回到工程上我們怎么強化，我們建議在常規(guī)缺氧池前端單獨做一段出來，作為反硝化除磷池使用。在這個所謂反硝化除磷池里，我們不加入原水或外加碳源，解決有機物的競爭問題;另外，回流混合液來自于消氧池，解決溶解氧的抑制問題，當然如果回流的混合液仍存在一定的溶解氧，只是會局部影響反硝化除磷效果。
今天給大家講了這么多，那么我們怎么結合到一個工程中，或者結合到完整的工藝技術路線上，真正實現(xiàn)碳源節(jié)約和一碳多用。為此，我們也提出了生物處理單元的核心工藝技術路線。在這個路線中，我首先強調好氧池要設置一個消氧區(qū)，解決回流混合液的溶解氧問題;然后缺氧池區(qū)分反硝化除磷區(qū)和反硝化脫氮區(qū);原水和外加碳源盡量進入?yún)捬醭�，強化生物除磷效果，并將高磷酸鹽混合液進行側流化學除磷，富磷化學污泥單獨處理，寡磷清液進入好氧池處理;厭氧池的相對高濃度、高PHB含量污泥進入反硝化除磷區(qū)，進一步強化反硝化除磷效果，這樣就最大限度的發(fā)揮了生物處理單元的功能，實現(xiàn)污水處理廠碳源的最大化利用。
這是我們團隊最近兩年在污水處理方面的一些主要研究成果，希望對各位的工程設計、運行和管理有所幫助，如有不到之處，敬請批評指正。謝謝。
