先進污水處理工藝節能減排效果比較與分析

趙高偉 康 雅

(1．中國核電工程有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450052;2．鄭州自來水投資控股有限公司，河南鄭州 450007)

隨著國民經濟持續快速發展、城市規模的迅速擴大、人民生活水平的不斷提高，全國各大中城市的水污染物排放總量也在迅猛增加，從而給城市周邊有限的河湖水資源環境造成了嚴重的氮磷富營養化污染，不僅加劇了淡水資源的短缺、城市飲用水源地水源污染問題，也破壞了水體生態平衡，造成了大量的魚蝦死亡，以及難以估量的巨額國民經濟損失，嚴重影響了人民的生活環境。對此，原國家環境保護總局于2006年通過修改并制定更嚴格的城市污水排放標準——GB 18918-2002城鎮污水處理廠污染物排放標準，要求城鎮污水處理廠出水排入國家和省確定的重點流域及湖泊、水庫等封閉、半封閉水域時，執行一級A標準，排入GB 3838-2002地表水環境質量標準中三類功能水域(劃定的飲用水水源保護區和游泳區除外)、GB 3097-1982海水水質標準中海水二類功能水域時，執行一級B標準。而現階段，全國范圍內除了個別一線城市的部分污水處理廠通過有效的技術改造可以達到一級A或B標準外，其他大多數城市的污水處理廠屬于20世紀建設的老舊工藝，只限于對有機污染物的去除，基本不具備有效的脫氮除磷能力，其處理后的尾水指標只能達到二級標準。

對此，本文從節能減排與合理高效(一級達標排放或回用)的角度出發，對近年來比較流行的且極具有發展前景的幾類先進活性污泥法同步脫氮除磷污水處理工藝進行效果比較與技術經濟分析，并提出合理的建議，以供各位同行參考。

1 分段進水多級A/O工藝

1．1 工程實踐

以下對某市污水處理廠工藝改造項目進行簡要介紹，改造所選工藝為四段進水多級A/O工藝。改造前的設計規模為20萬t/d，A/O(除磷)工藝，運行穩定，出水水質達到GB 8978-1996污水綜合排放標準的二級排放標準。污水水質濃度較高，冬季水溫偏低，碳氮比(C/N)偏低。改造后的尾水除回用部分執行一級A標準，其余出水執行一級B標準。為節約投資，改造中對老舊工藝的構筑物進行了充分的利用。具體流程見圖1。

圖1 四段進水多級A/O工藝

1．2 試驗研究

本工藝通常由2段～5段缺氧/好氧順序排列組成。關于此工藝對氮、磷的去除效果及特性，很多高校相繼成功地開展了大量的中試試驗研究。據文獻［1］報道，北京某高校對類似工藝3段進水多級A/O工藝的中試試驗結果表明，當進水碳氮比高于5∶1時，系統對氮和磷的去除率分別達到83%和88%，當進水TP約為5 mg/L時，可以保證尾水TP低于1 mg/L，達到一級B標準，其他指標均可高于一級A標準。當進水碳氮比低于5∶1時，則需另設輔助除磷化學投藥系統以保證除磷效果。

1．3 技術經濟分析

相對于A2/O(除磷脫氮)工藝的優越性:1)不需設混合液內回流，節能效果明顯;2)各缺氧段分別按比例進水，原水中的有機物被充分的用于反硝化，節約了曝氣量;當原水中有機物足夠時，理論脫氮率可達90%，大大削減污水中TN的排放量;3)對于改造工程，原有處理構筑物可得到充分利用，大幅節省基建投資。

工藝弊端:1)進水點較多，各段進水流量及溶解氧控制較嚴格，需設置比較多的流量計、DO在線檢測儀表及控制回路，運行維護費用高;2)各好氧池的曝氣量控制要求高，若控制不當，將造成曝氣量過剩，浪費能量，甚至影響下游相鄰缺氧段缺氧環境的形成。

2 改良JHB與流動生物膜法組合工藝

2．1 工程實踐

以下對某市開發區污水處理廠工程進行簡要介紹，整體了解改良JHB與流動生物膜法組合工藝的脫氮除磷效果。

本污水處理廠處理規模為6萬t/d;主要收集處理工業開發區排放的污水，進水中難降解有機物所占的比例較大，要求出水達到一級B標準。本工藝的實質是在改良JHB的基礎上，向好氧池中投加一定量的可供生物生長附著的流動載體。改良JHB工藝也常被稱為前置預反硝化A2/O工藝，相對于常規A2/O工藝，當污泥齡控制合理時，其除磷能力可得到優先保障，當進水C/N比為3～5的情況下，常溫下即可實現良好的脫氮與除磷效果，如西部某城市污水廠改造工程，日處理規模達到10萬t，泥齡控制合理時，出水總磷常年可保持在1 mg/L以下。但此工藝的主要缺陷是，冬季低溫條件下(污水溫度在13℃左右或更低)，泥齡控制難以把握，除磷效果與硝化效果不易兼顧，控制不當則使出水氨氮、總氮超標，甚至沒有硝化效果。需在改良JHB工藝好氧池的末端增設硫酸鋁投藥裝置，以確保冬季低溫條件下的除磷效果。

通過向改良JHB工藝的好氧池中引入流動生物膜，進行合理組合，可有效保證整個系統低溫條件下的同步脫氮除磷效果。在好氧池中投加足夠數量的環形流動填料，起到有效固定硝化菌的作用，避免其在頻繁排泥時隨剩余污泥流失的弊端。改良JHB與流動生物膜法組合工藝的流程圖見圖2。

圖2 改良JHB與流動生物膜法組合工藝

2．2 試驗研究

據文獻［1］報道，哈爾濱某高校對流動生物膜法與傳統A2/O組合工藝的中試試驗結果表明，系統對BOD5，CODCr，氨氮，TN，TP的平均去除率分別為 96．3%，92．66%，97．95%，84．53%，81．77%。實踐表明，在同等進水水質條件下，改良JHB工藝的同步脫氮除磷效果要顯著好于傳統A2/O工藝，因此，將改良JHB與流動生物膜法進行組合，其脫氮除磷效果會更好。

2．3 技術經濟分析

本組合工藝流程簡單，構筑物少，可操作性強，節省占地，可大大節約改造投資費用，并且從根本上解決了單一活性污泥法硝化泥齡與除磷泥齡在低溫條件下難以統一的致命弱點，值得推廣，尤其適用于北方冬季低溫環境。

3 二段復合活性污泥法工藝

3．1 工程實踐

二段復合活性污泥法是AB活性污泥法的改進版，改進后使原A段兼備除磷能力，原B段兼備脫氮能力。以下對東部某市污水廠改造工程進行簡要介紹，以概要了解本工藝的高效脫氮除磷效果。

本改造項目的設計規模為7萬t/d，原二級處理工藝為常規活性污泥法。本廠進水主要為生活污水，以及少部分工業廢水，出水要求達到一級B標準。本工藝類似于AB法的分段方式，主要分為兩段。中沉池連同上游的好氧池、厭氧池一起主要完成除碳、除磷、部分硝化與反硝化功能;終沉池連同其上游的好氧池及缺氧池一起主要完成除碳、部分除磷、硝化和反硝化功能。改造采用的工藝流程見圖3(圖中示意的分流0．3Q為筆者對改造工藝提出的改進建議，不屬于原改造工程內容)。

圖3 二段復合活性污泥法

改造后的工藝出水水質除了TN指標比較高外，其他指標均能達到一級B標準或A標準。從流程圖可以定性得出，總氮去除效果差(出水總氮高達20 mg/L)的主要原因是，二曝池缺氧段可供反硝化菌脫氮所用的大部分溶解性碳源在一曝池內被消耗，接著又在中沉池內被進一步沉淀去除。對此，筆者認為應將原水進行分流，將約30%的原水分流到二曝池缺氧段，以有效提供反硝化所需足夠的碳源，降低出水TN。實際運行中，二曝池內對TP的去除量占整個系統除磷量的45%。由此可見，將30%的原水分流進入二曝池不會對系統的除磷能力造成過多的影響。

3．2 工藝原理

工藝設計的主要理念是，將系統中的聚磷活性污泥和硝化活性污泥在一定程度上分離出來，分別控制其生長在一曝段和二曝段，僅通過少量的循環回流1，2建立一定的污泥接種關系，前段主要完成除磷除碳，后段則主要實現硝化反硝化。二段的剩余污泥很少，通過循環回流1將二段的混合液輸送到一段，借助于中沉池完成排泥。

3．3 技術經濟分析

在不須引入生物膜法的情況下，本工藝成功地解決了傳統活性污泥法工藝面臨的低溫環境下硝化菌和除磷菌的泥齡不易統一的矛盾，且脫氮除磷效果顯著，操作運行簡單，出水各項指標可穩定達到一級B標準。缺點是，回流管線比較多，多于常規脫氮除磷工藝如JHB工藝3個回流，構筑物及設備比較多，基建投資大，運行所需動力費用高出常規工藝15%～20%。綜合考慮，本工藝比較適合于寒冷的北方地區對AB活性污泥法工藝的提標改造。

4 OWASA活性污泥法工藝

4．1 工程實踐

OWASA活性污泥法工藝的特點是，在A2/O工藝二級生化池前增設初沉池，并配套設置初沉污泥發酵池，通過專設管線將發酵之后的上清液分別引入厭氧段和缺氧段。本工藝的處理尾水可穩定達到一級B或A標準，其在世界范圍內得到了廣泛的應用，節能減排效果顯著，具體流程見圖4。

圖4 OWASA活性污泥法工藝

4．2 工藝原理

在進水C/N比較低的情況下，進水中大顆粒懸浮態有機物在初沉池中被有效沉淀去除，然后在發酵池中被分解為易降解揮發性脂肪酸。富含大量揮發性脂肪酸的上清液被引入缺氧段和厭氧段，使進水中C/TN和C/TP被大幅提高，為除磷菌和反硝化菌額外增加了食料，進而使系統的反硝化及除磷能力得到了提高。

4．3 技術經濟分析

針對進水中易降解有機物含量偏低，工業廢水含量高的城市污水，本工藝實現了對原水中難降解有機物的分解產物——揮發性脂肪酸的有效利用，為系統中的反硝化菌和除磷菌提供了足夠的易降解有機物，變廢為寶，出水氮磷達標，節能減排效果顯著。同時，工藝流程簡明，便于操控，特別適合于對老污水廠的提標改造，改造工程量小，基建投資省，運行費用略有增加，但不很大，值得在改造工程中推廣應用。

5 結語

1)應用分段進水多級A/O工藝處理常規污水，實現了對原水中碳源的高效利用，使污水中TN，TP得到高效去除，適合于對傳統推流式曝氣池的提標改造，且改造成本比較低。2)應用改良JHB與流動生物膜法組合工藝處理低溫污水，根本上解決了單一活性污泥法脫氮泥齡與除磷泥齡難以統一的問題，適合于對A2/O工藝的提標改造，投資成本較低，尤其適用于低溫環境。3)應用二段復合活性污泥法工藝，在不引入生物膜法的情況下成功地實現了對聚磷菌和硝化菌泥齡的分段控制，顯著提高了系統對污水中氮磷的有效去除，適合于寒冷地區對傳統AB兩段法的提標改造。4)OWASA活性污泥法工藝對原水沉淀污泥發酵產生的揮發性有機酸進行了充分的利用，有效彌補了系統脫氮除磷所需碳源的不足，實現了高效的脫氮除磷。該工藝運行簡單，節能減排效果顯著，適用于對原水中工業廢水含量高的城市污水處理廠的提標改造。

［1］徐 娟．污水處理節能減排新技術、新工藝、新設備［M］．北京:化學工業出版社，2010:70，221．