中國市政中南院萬年紅：脫氮除磷新技術(shù)在污水領(lǐng)域的研究及應(yīng)用

“在排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格的情況下，特別對于現(xiàn)有污水廠的提標(biāo)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注于挖掘二級生化處理潛能，通過優(yōu)化各反應(yīng)區(qū)關(guān)鍵指標(biāo)控制點(diǎn)，強(qiáng)化氮、磷去除性能，在不新增構(gòu)筑物的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)出水水質(zhì)提升。”

9月5日，中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司(簡稱:中國市政中南院)總工程師萬年紅在“2024(第十六屆)上海水業(yè)熱點(diǎn)論壇”上，以“減污降碳協(xié)同增效背景下污水廠強(qiáng)化二級處理新工藝及應(yīng)用”為題，作了主題發(fā)言。

萬年紅

萬年紅表示，自2019年以來，我國污水處理領(lǐng)域經(jīng)歷了前所未有的深刻變革，從基礎(chǔ)的污染治理到當(dāng)前聚焦的減污降碳協(xié)同增效，標(biāo)志著我國污水處理已邁入高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量發(fā)展的新紀(jì)元，體現(xiàn)在污水處理廠的就是各地的排放標(biāo)準(zhǔn)在不斷提高，其中重點(diǎn)是對氮和磷的去除，也是目前高排放要求下的處理瓶頸。

在此背景下，2018年以來，中國市政中南院圍繞污水處理的主流工藝和排水系統(tǒng)做了一系列研究，相繼建成了國家級、省部級和市級、企業(yè)級等多個科研平臺，并在武漢、上虞、深圳等地成立了多座試驗(yàn)基地，為行業(yè)技術(shù)革新、科研成果轉(zhuǎn)化、專業(yè)人才培訓(xùn)、企業(yè)競爭力提升提供保障和支撐。

強(qiáng)化脫氮除磷技術(shù)研究

萬年紅表示，二級生化處理是氮、磷去除的主要功能區(qū)，在排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格的情況下，特別對于現(xiàn)有污水廠的提標(biāo)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注于挖掘二級生化處理潛能，通過優(yōu)化各反應(yīng)區(qū)關(guān)鍵指標(biāo)控制和加強(qiáng)運(yùn)行管理，強(qiáng)化氮、磷去除性能，在不新增構(gòu)筑物的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)出水水質(zhì)提升。

研究路線

中國市政中南院污水處理試驗(yàn)基地涵蓋了從CSO-預(yù)處理、一級強(qiáng)化處理、二級處理、深度處理到尾水生態(tài)處理的全過程工藝優(yōu)化探索，并對工業(yè)園區(qū)廢(污)水處理和硫自養(yǎng)反硝化等熱點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行專題研究，實(shí)現(xiàn)了全鏈條的布局，每個環(huán)節(jié)都圍繞著行業(yè)的需求開展科研工作。

以下為中國市政中南院在強(qiáng)化脫氮除磷技術(shù)方面的研究課題：

1、污水處理廠低碳高效生化處理技術(shù)研究

工藝流程

該技術(shù)是為應(yīng)對多工況、多地域、多成分條件下的進(jìn)水水量及水質(zhì)變化，針對城鎮(zhèn)污水廠生化脫氮除磷工藝，通過參數(shù)調(diào)整、運(yùn)行優(yōu)化及池型改造等措施，深度挖掘處理潛能，優(yōu)化氮、磷去除性能，減少無效曝氣，優(yōu)化碳源投加，促進(jìn)節(jié)能碳減排，實(shí)現(xiàn)出水穩(wěn)定達(dá)到或優(yōu)于一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。

與武漢市排水發(fā)展有限公司和中信清水入江公司武漢江夏污水廠合作，針對五段Bardenpho與多級AO工藝對比試驗(yàn)及優(yōu)化運(yùn)行研究;多點(diǎn)進(jìn)水微氧控制強(qiáng)化脫氮除磷工藝技術(shù);多點(diǎn)回流多級AO-MBR工藝技術(shù)三項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)開展相關(guān)中試試驗(yàn)研究。

2、深度脫氮與超深度脫氮外加碳源優(yōu)化技術(shù)

該技術(shù)是針對污水處理廠反硝化脫氮外加碳源成本高的問題，研究不同常用外加碳源的效果，探索最佳運(yùn)行參數(shù)，為污水處理廠如何選擇經(jīng)濟(jì)高效的外加碳源以及如何減少外加碳源用量提供參考依據(jù)。

試驗(yàn)工藝流程

主要研究內(nèi)容：(1)不同碳源的自然掛膜啟動對比;(2)不同負(fù)荷下，不同碳源反硝化性能、碳源利用率、反沖洗周期對比;(3)沿程污染物去除效果及反硝化動力學(xué)分析;(4)不同碳源技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

3、藻基水處理體系碳中和與液體肥料生產(chǎn)技術(shù)研究

技術(shù)路線

該技術(shù)針對中試規(guī)模(340噸/日)工藝中的運(yùn)行參數(shù)對污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、藻-菌生物互作關(guān)系、微藻 CO2還原生化轉(zhuǎn)化特性及液體肥料肥力特性的影響規(guī)律和機(jī)理開展研究，獲得 CO2固定模型、污染物深度降解機(jī)制和液體肥料生產(chǎn)調(diào)控手段。

主要研究內(nèi)容：(1)藻基二級水處理和深度水處理中試規(guī)模工藝調(diào)控策略;(2)藻基水處理體系多組分污染物遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制研究;(3)藻基污水處理過程抗性基因的轉(zhuǎn)移與去除機(jī)制;(4)藻基水處理體系內(nèi)藻-菌生物互作關(guān)系;(5)藻基水處理體系碳中和與液體生物肥料生產(chǎn)特性。

預(yù)期目標(biāo)：(1)建立中試規(guī)模工藝固碳動力學(xué)模型，獲得不同環(huán)境參數(shù)對 CO2固定效率的作用規(guī)律;(2)獲得微藻生物質(zhì)液體肥料產(chǎn)量和質(zhì)量特性變化規(guī)律;(3)揭示藻基水處理體系碳中和與液體肥料生產(chǎn)工藝中污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、藻-菌生物互作關(guān)系、微藻CO2還原生化轉(zhuǎn)化特性及液體肥料產(chǎn)出特性。

4、污水處理廠PAC優(yōu)化生物系統(tǒng)污泥的機(jī)理及調(diào)控研究

該技術(shù)是針對城鎮(zhèn)污水處理廠二級處理階段化學(xué)強(qiáng)化除磷過程中，可能存在的除磷藥劑投加過量的現(xiàn)象，同時(shí)長期投加除磷藥劑可能會造成殘余金屬離子的累積，對生化系統(tǒng)的生物群落的組成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生波動影響，項(xiàng)目選取實(shí)際污水，以實(shí)驗(yàn)室和中試探究除磷藥劑和運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化控制，并開展長期投加PAC過程中的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行策略研究，為污水處理廠實(shí)際運(yùn)行提供參考。

研究的主要內(nèi)容：(1)除磷藥劑PAC投量和運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化研究;(2)生物系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行策略研究;(3)除磷藥劑PAC對污泥性能的影響研究;(4)圖像識別技術(shù)評估污泥沉降性能。

主要結(jié)論：(1)在進(jìn)水一致的前提下，確定同步沉淀化學(xué)除磷劑PAC的最佳投加量，實(shí)現(xiàn)對化學(xué)除磷過程更為合理的控制;(2)明確了同步化學(xué)強(qiáng)化除磷過程中，不同運(yùn)行工況下微生物群落結(jié)構(gòu)的演替和生化系統(tǒng)污染物降解能力的差異性;(3)明確了長期投加除磷劑對生化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)影響;(4)開發(fā)了一種基于圖像識別技術(shù)的污泥沉降快速檢測裝置及一種污泥健康程度評價(jià)方法。

5、大型城市污水廠低碳運(yùn)行模擬優(yōu)化研究

該研究是為應(yīng)對中部某大型污水廠節(jié)能降耗低碳運(yùn)行需求，針對污水廠現(xiàn)有工藝開展現(xiàn)狀調(diào)研，基于GPS-X建立概化數(shù)學(xué)模型，參照類似工程參數(shù)及該廠歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，提出可操作和經(jīng)濟(jì)合理的優(yōu)化運(yùn)行方案，提出綜合最優(yōu)運(yùn)行工況及相應(yīng)節(jié)能降耗空間。

研究內(nèi)容：(1)污水廠現(xiàn)狀調(diào)研及并聯(lián)工藝對比分析;(2)MBR工藝基于同類案例及工程經(jīng)驗(yàn)的節(jié)能降耗潛力分析及優(yōu)化方案;(3)A/A/O工藝基于數(shù)學(xué)模型預(yù)測的節(jié)能降耗潛力評估及優(yōu)化方案;(4)節(jié)能降耗低碳運(yùn)行方案驗(yàn)證及污水廠模型應(yīng)用性評估。

強(qiáng)化脫氮除磷新技術(shù)新工藝及其應(yīng)用

此外，萬年紅還闡述了中國市政中南院在污水處理領(lǐng)域的實(shí)際貢獻(xiàn)，特別是在強(qiáng)化脫氮除磷技術(shù)上，其新技術(shù)和新工藝的應(yīng)用實(shí)踐取得了不錯的成果，已在多個項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，并形成了中國市政中南院特色的技術(shù)路線和解決方案。

1、RPIR快速生化污水處理技術(shù)

該技術(shù)采用反應(yīng)沉淀一體式環(huán)流生物反應(yīng)器，將曝氣池和二沉池合二為一，利用氣升動力使污泥環(huán)流，同時(shí)實(shí)現(xiàn)污泥的截留和無動力自動全回流反應(yīng)，縮短了污水處理的工藝流程。

具有“低成本、高效率、簡管理、優(yōu)出水、少占地”的特點(diǎn)，適用于各種可生化污廢水的處理，特別適應(yīng)于高標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)急污水處理和市政污水提標(biāo)、改造。

目前，已經(jīng)在深圳固戍水質(zhì)凈化廠(一期)水量提升擴(kuò)容項(xiàng)目(6萬m³/d;出水一級A，原一級B)、武漢東西湖區(qū)機(jī)場河流域臨時(shí)分散式水處理服務(wù)項(xiàng)目(10萬m³/d;出水一級A)等項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。中國市政中南院主編的該技術(shù)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)布。

2、以芽孢桿菌為優(yōu)勢菌的生物反應(yīng)器(BBR)

芽孢桿菌(Bacillus)具有繁殖快速、生命力強(qiáng)、生存范圍廣、高效去除污染物、消除惡臭等特性，可高效去除污水中的有機(jī)污染物、脫氮、除磷，也可以分解產(chǎn)生惡臭氣體的有機(jī)物質(zhì)、有機(jī)硫化物、有機(jī)氮等，從根源上解決惡臭問題。

該技術(shù)將生物膜法(生物轉(zhuǎn)盤裝置)和活性污泥法相結(jié)合，利用芽孢桿菌作為系統(tǒng)優(yōu)勢菌屬，對溶解氧和碳氮比的需求較低，無需額外添加碳源，停留時(shí)間短、占地面積小，可在低溫下高效運(yùn)行。

滄州市運(yùn)東污水處理廠提標(biāo)改造項(xiàng)目

目前，該技術(shù)已在滄州市運(yùn)東污水處理廠提標(biāo)改造為代表的大量項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)模10萬m³/d，改造工藝為BBR生化處理工藝，改造后出水標(biāo)準(zhǔn)為河北省地標(biāo)《黑龍港及運(yùn)東流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB13/ 2797-2018)中對重點(diǎn)控制區(qū)排放限值的相關(guān)要求(其中SS仍執(zhí)行GB18918 -2002中的一級A標(biāo)準(zhǔn))。中國市政中南院主編的該技術(shù)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)正在編制中。

3、生物倍增工藝

該工藝集曝氣、沉淀、泥水分離和污泥回流功能于一身，并運(yùn)用空氣提推技術(shù)實(shí)現(xiàn)高回流比，具有低溶解氧，能耗大大降低;高污泥濃度，除污效率高;工藝流程短、占地節(jié)省40%以上等特點(diǎn)。

該工藝在石家莊鹿泉某市政污水處理廠實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，項(xiàng)目規(guī)模50000m³/d，因提標(biāo)擴(kuò)容需求，新建30000m³/d生化池，處理后出水主要指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)到國家IV類水體標(biāo)準(zhǔn)TN<5mg/L，目前3萬噸原水直接進(jìn)入生化池，擴(kuò)容2萬噸尚未接入，生化噸水運(yùn)行電耗0.12 kWh/噸污水。中國市政中南院主編的該技術(shù)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)正在編制中。

4、高濃度復(fù)合粉末載體生物流化床技術(shù)(HPB)

該技術(shù)是向生化池中投加微米級的復(fù)合粉末載體(多為20~50μm)，其比表面積大，可提高生物池污泥濃度和容積負(fù)荷，其優(yōu)勢為：可構(gòu)建懸浮生長和附著生長的“雙泥”系統(tǒng)，并通過載體的高效分離回收，實(shí)現(xiàn)“雙泥齡”，強(qiáng)化同步脫氮除磷效果;原位改造，占地面積小。

為實(shí)現(xiàn)武漢南湖“活水保質(zhì)”的目標(biāo)，龍王嘴污水處理廠啟動“南湖生態(tài)活水項(xiàng)目尾水再生利用工程”，二級處理段，在不改造現(xiàn)狀廠區(qū)構(gòu)筑物主體結(jié)構(gòu)、不停產(chǎn)的情況下，采用HPB工藝，對龍王嘴污水處理廠二、三期生化池進(jìn)行改造升級(30萬m³/d)，提升生化系統(tǒng)處理能力和抗沖擊負(fù)荷能力，深度處理段。

中國市政中南院開展了系列極限脫氮除磷實(shí)驗(yàn)，在龍王嘴污水廠五期提標(biāo)改造工程中采用，HPB改造(二、三期生物池)+兩級反硝化生物濾池+氣浮池工藝，最終實(shí)現(xiàn)出水達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》IV類(湖、庫)標(biāo)準(zhǔn)，其中TN小于1.5mg/L。

5、連續(xù)流厭氧/好氧/缺氧(AOA)

該工藝將缺氧區(qū)后置，省去內(nèi)回流，形成厭氧-好氧-缺氧的生物處理流程，在厭氧段將進(jìn)水的COD轉(zhuǎn)化為細(xì)胞的內(nèi)碳源，在缺氧區(qū)利用這些內(nèi)碳源進(jìn)行反硝化，同步脫氮除磷，減少對外加碳源的消耗。

具有提質(zhì)增效(TN去除率 85% 以上)、節(jié)能降耗(節(jié)省電耗>25%、除磷藥劑節(jié)省40%~100%)、污泥減量 30% 以上、節(jié)省占地>30%四大優(yōu)勢，目前已在深圳福永水質(zhì)凈化廠二期工程中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。在GWI全球水獎評選中，該項(xiàng)目成功入圍“年度最佳市政污水項(xiàng)目”，成為2023年全球四個入圍的市政污水項(xiàng)目之一。

6、膜曝氣生物膜反應(yīng)器(MABR)

MABR工藝原理

MABR是將氣體膜技術(shù)與生物膜技術(shù)相結(jié)合的一種新型污水處理技術(shù)，是以透氧膜為微生物載體并為其表面的生物膜無泡傳輸氧氣，氧氣和污染物分別從生物膜兩側(cè)擴(kuò)散進(jìn)入生物膜并被逐漸消耗的生物膜法污水處理系統(tǒng)。

目前該工藝已在南京某污水處理廠提質(zhì)增容(25000噸/日)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，一期設(shè)計(jì)處理規(guī)模10萬噸/日，四組生化系統(tǒng)，單組規(guī)模2.5萬噸/日，采用強(qiáng)化脫氮改良型A2/O工藝+反硝化深床濾池+消毒工藝，停留時(shí)間15小時(shí)，出水執(zhí)行GB18918-2002中一級A標(biāo)準(zhǔn)。自建成以來，出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。中國市政中南院聯(lián)合主編的該技術(shù)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)正在編制中。

7、好氧顆粒污泥技術(shù)(AGS)

好氧顆粒污泥(AGS)，是通過微生物自凝聚作用形成的顆粒狀活性污泥，具有致密的結(jié)構(gòu)與較大的粒徑，能夠進(jìn)行各種好氧、厭氧代謝活動。具有沉降性能好，生物量質(zhì)含量高，同時(shí)具備多種微生物功能，剩余污泥量少;運(yùn)行能耗低、占地面積小等優(yōu)勢。目前國內(nèi)采用準(zhǔn)好氧顆粒污泥(重質(zhì)或致密顆粒污泥DAS)的項(xiàng)目已有數(shù)十項(xiàng)。

該工藝在龍游縣城南工業(yè)污水處理廠(2萬噸/日)、荊州雷家垱裝配式凈水項(xiàng)目(4萬噸/日)落地投產(chǎn)。該技術(shù)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)正在申報(bào)中。

最后萬年紅表示，在污水處理廠的中，應(yīng)綜合考慮項(xiàng)目規(guī)模、進(jìn)出水水質(zhì)要求、建設(shè)用地、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等因素，選用合適的工藝方新、改、擴(kuò)建項(xiàng)目案，為二級處理段的工藝選擇提供新思路，助力高排放標(biāo)準(zhǔn)下污水廠的集約、高效、低碳化運(yùn)行。