污水處理廠污水深度處理工藝綜述與案例分析

曾木海

(昆明市規劃設計研究院，云南昆明 650041)

根據中國城市建設統計年鑒，近20年來，我國城鎮污水處理事業蓬勃發展，污水處理廠數量、處理能力和處理率均有顯著增加(圖1)。截至2019年，全國累計建成城市污水處理廠2 471座，年污水處理量達525.85×108m3，污水處理率已達到96.81%。研究表明，截至2019年，全國城鎮污水處理廠中執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準的占53.2%[1]。隨著國家生態文明建設工作的持續推進，“綠水青山就是金山銀山”的發展理念已逐漸深入人心，水污染防治、水生態治理與保護對城鎮污水處理廠尾水水質提出了新的更高需求，各地政府也對其排放提出了新的嚴格要求(表1)，出水水質優于一級A標準的城鎮污水處理廠越來越多。此外，污水再生回用已成為全球公認的第二水源，污水廠尾水作為再生水進行回收利用是緩解水資源供需矛盾的有效途徑之一。因此，對城鎮污水處理廠污水進行深度處理、提升尾水水質是必要的。

圖1 2000年—2019年我國城市污水處理情況Fig.1 China's Urban Wastewate Treatment during 2000 to 2019

表1 污水處理廠部分排放標準主要指標對比表Tab.1 Contrast of Main Indicators in Some Discharge Standards of WWTP

表2 污水處理廠主要水污染物處理方法Tab.2 Treatment of Main Pollutants in WWTP

1 深度處理重難點分析

由表1可知，污水深度處理的主要控制指標是CODCr、BOD5、SS、NH3-N、TN和TP。由表2可知，BOD5、NH3-N、SS和TP的深度處理較易實現，TN和CODCr是污水處理廠深度處理的重點和難點[2]。

2 TN深度處理技術

TN的去除以生物脫氮為主，通過好氧硝化和缺氧反硝化2個環節實現，充分的硝化作用通過將凱氏氮轉化成硝態氮能夠去除絕大部分NH3-N，而TN的去除則需將前一環節的硝態氮進一步還原成氮氣[3]。當污水中TN降至一定程度時，由于碳源的缺乏、堿度的消耗和有毒有害物質的積累，生物脫氮難以繼續自發進行。因此，一般需增加專用深度脫氮工藝。

2.1 反硝化深床濾池工藝

反硝化深床濾池是一種集生物脫氮功能和表面過濾功能為一體的處理單元，濾料既可以作為反硝化微生物掛膜的介質，又可以發揮過濾作用。普通濾池表層易堵塞或板結、過濾水頭消耗快，而反硝化深床濾池含污能力強、截留效果好，且無竄流或穿透現象。

圖2 清溪污水處理廠工藝流程圖Fig.2 Process Flow Chart of Qingxi WWTP

合肥市清溪污水處理廠[4]設計規模為20×104m3/d，進水TN設計值為50 mg/L，出水TN執行地表水類Ⅳ類標準(TN≤5 mg/L)。工藝流程如圖2所示，清溪廠深度脫氮單元采用反硝化深床濾池，共1座16組，單組平面尺寸為23.9 m×3.6 m，池深為6.6 m。濾料采用1.7～3.35 mm的均質石英砂，濾床厚度為1.83 m，平均濾速為6.42 m/h，峰值濾速為8.35 m/h，水頭損失為2.0～2.5 m。投入運行后，清溪廠2017年11月出水TN實測值平均為3.84 mg/L，完全達到設計要求。

2.2 MBR工藝

MBR工藝由生物池和膜池組成，是膜分離技術和生物凈水技術的有機結合。MBR工藝中污泥齡不受水力停留時間影響，繁殖世代時間較長的反硝化細菌得以富集，脫氮效果好；生物池中活性污泥濃度達8～12 g/L，容積負荷高、抗沖擊負荷能力強；固液分離效果好。

秦皇島賈河污水處理廠[5]設計規模為7×104m3/d，進水TN設計值為70 mg/L，出水TN執行地表水類Ⅴ類標準(TN≤10 mg/L)。工藝流程如圖3所示，提標改造工程中新建2座AAO生物池，污泥齡為17.2 d，污泥濃度為8～10 g/L。生物池有效水深為6.5 m，水力停留時間為12.55 h，其中，厭氧池為1.82 h、缺氧池為4.95 h、好氧池為5.78 h。MBR膜池膜通量為18.27 L/(m2·h)。膜池至好氧池的混合液回流比為500%，好氧池至缺氧池的混合液回流比為400%，缺氧池至厭氧池的混合液回流比為200%。污水廠建成運行后，2016年11月—2017年5月出水TN實測值平均為7.58 mg/L，滿足設計要求。

圖3 賈河污水處理廠工藝流程圖Fig.3 Process Flow Chart of Jiahe WWTP

2.3 生物倍增工藝

生物倍增工藝是一種高效活性污泥處理技術，其最大特點是低溶解氧、高污泥濃度(5～9 g/L)和大流量循環回流(≥20Q)，生化區溶解氧精確控制在0.1～0.3 mg/L[6]。生物倍增工藝反應池一般由氣提區、生化區和澄清區3部分組成，工藝流程短、布局緊湊、能耗低。

石家莊上莊污水處理廠設計規模為5×104m3/d，進水TN設計值為50 mg/L，出水TN執行地表水類Ⅳ類標準(TN≤10 mg/L)。工藝流程如圖4所示，上莊污水廠提標改造工程深度處理單元采用生物倍增工藝反應池，共1座2組，總處理能力為2 083 m3/h，有效水深為4.5 m，曝氣區有效容積為7 614 m3，污泥濃度為6 g/L，污泥負荷為0.055 kg COD/(kg MLSS·d)，溶解氧濃度為0.3 mg/L，氧傳遞效率為40%。投入運行后，上莊污水廠2019年3月—4月出水TN實測值平均為6.5 mg/L，達到設計要求。

圖4 上莊污水處理廠工藝流程圖Fig.4 Process Flow Chart of Shangzhuang WWTP

2.4 多級AO類工藝

理論上，多級AO類工藝包括AAO+后置AO生物池、Bardenpho生物池及其改良型、分段進水多級AO生物池及其改良型。傳統AO工藝脫氮效果的提高有賴于硝化液回流量的增加，但過大的回流量不僅會導致處理能耗增加，還會破壞反硝化區的缺氧環境。因此，《室外排水設計規范(2016年版)》(GB 50014—2006)建議缺氧/好氧法脫氮生物池硝化液回流比宜為100%～400%。多級AO類工藝在傳統AO工藝的基礎上增加后置反硝化功能區，污水從前一級好氧池進入后一級缺氧池，實現了硝化液的低回流比和TN的高去除率[7]。此外，采用分段進水時還能夠充分利用原水中有機碳源，節省動力費和藥劑費。

北京某污水處理廠[8]設計規模為4×104m3/d，進水TN設計值為60 mg/L，出水TN執行北京市地標A標準。工藝流程如圖5所示，二級生物處理單元采用改良Bardenpho工藝，生物池按預缺氧區/厭氧區/前缺氧區/前好氧區/后缺氧區/后好氧區的順序布置，多點進水。生物池平面尺寸約80 m×75.3 m，有效水深為6.0 m，總有效池容為34 560 m3，水力停留時間為20.74 h，混合液回流比為300%，污泥回流比為100%。2015年9月—2016年9月出水TN實測值平均為6.35 mg/L，優于設計要求。

圖5 北京某污水處理廠工藝流程圖Fig.5 Process Flow Chart of a WWTP in Beijing

3 難降解COD深度處理技術

隨著處理深度的推進，污水中易降解有機物均已得到充分降解，殘余有機物主要是原污水攜帶的難降解有機物和微生物自身的內源代謝產物，且二者都難以繼續被生物降解[9-10]。對于這部分可生化性差的COD，可通過預處理增大BOD的比例或者采用針對性的深度處理工藝。

3.1 化學氧化工藝

化學氧化工藝通過向污水中投加強氧化劑把水中有機污染物徹底氧化成CO2和H2O，從而達到凈化水質的目的。根據氧化劑的類別可分為高錳酸鉀氧化法、臭氧氧化法、芬頓氧化法、氯氧化法和電化學氧化法，根據氧化過程是否產生自由基又可分為普通氧化法和高級氧化法。污水深度處理中常用的是臭氧直接氧化技術和高級氧化技術，直接氧化技術由臭氧氧化有機物，高級氧化技術由臭氧在催化作用下產生的·OH氧化有機物。

天津張貴莊污水處理廠[2]設計規模為20×104m3/d，進水CODCr設計值為500 mg/L，出水COD執行天津市地標A標準。工藝流程如圖6所示,COD深度降解采用臭氧催化氧化技術，對水中難降解有機物進行徹底氧化，并同步去除水中色度。CODCr去除量按20 mg/L設計，水力停留時間為60 min，最大臭氧投加量為200 kg/h(約24 mg/L)，臭氧制備系統采用5臺(4用1備)臭氧發生器，單臺制備能力為40 kg/h。試驗結果顯示，出水CODCr為16.3 mg/L，優于設計要求。

圖6 張貴莊污水處理廠工藝流程圖Fig.6 Process Flow Chart of Zhangguizhuang WWTP

3.2 活性炭(焦)吸附工藝

污水中的有機污染物含有大量羥基、羧基、氨基等官能團，活性炭(焦)粒徑小、比表面積大、內部孔隙結構發達。污水流經活性炭(焦)表面時，污染物在范德華力、庫侖力和表面張力等的作用下從液相轉移至固相，最后通過活性炭的更換或再生從處理系統中去除。

鄭州馬頭崗污水處理廠[11]設計規模為60×104m3/d，現狀出水COD執行國標一級A標準，提標后出水COD執行地表水類Ⅲ類標準(CODCr≤20 mg/L)。工藝流程如圖7所示，工程共設計4組升流式活性焦吸附池，單組吸附池內設置48座5 m×5 m×9.5 m的活性焦吸附塔，濾床厚7 m。活性焦粒徑為2～5 mm，設計濾速約為6.7 m/h，空床停留時間約為60 min。現場中試結果顯示，活性焦吸附池出水CODCr可達5.8 mg/L，優于設計要求。

圖7 馬頭崗污水處理廠工藝流程圖Fig.7 Process Flow Chart of Matougang WWTP

3.3 改善可生化性的預處理工藝

污水處理廠污水中難降解COD以溶解態為主，預氧化技術對其進行不徹底氧化，將其轉變為易降解有機物，以利于后續的碳化處理，從而達到COD深度降解的目的[12]。

福州江陰工業集中區污水處理廠[13]近期設計規模為4×104m3/d，原污水以工業廢水為主，進水CODCr平均為443 mg/L，提標改造后CODCr設計出水水質由150 mg/L提升至100 mg/L。工藝流程如圖8所示，深度處理工藝為“臭氧接觸池+絮凝沉淀池+曝氣生物濾池”，臭氧接觸池設計水力停留時間為40 min，進出水B/C分別為0.22和0.56，可生化性提高1.54倍。2013年實測出水CODCr年均值為74.4 mg/L，優于設計要求。

圖8 福州某污水處理廠工藝流程圖Fig.8 Process Flow Chart of a WWTP in Fuzhou

此外，水解酸化工藝也常用于可生化性較差的污水的處理。江蘇無錫某工業園區污水處理廠進水中工業廢水占比超過70%，可生化性極差，采用水解酸化工藝預處理后進水B/C穩定在0.3以上，可生化性大大改善[14]。

4 小結

目前，常用的深度脫氮工藝有反硝化深床濾池、MBR工藝、生物倍增工藝和多級AO類工藝，深度降解COD工藝主要有化學氧化工藝、活性炭(焦)吸附工藝和能夠改善可生化性的預處理技術，如表3所示。處理工藝的選擇不僅影響處理目標的實現，更影響污水廠日后的經營和運維，因此，各工程應結合自身特點，經充分論證分析乃至現場試驗后合理選用適合自身的工藝。各工藝既能單獨使用也能組合使用，如呼和浩特班定營污水處理廠采用多級AO+MBR工藝把出水TN由國標一級B標準提升至地表水類Ⅴ類標準(TN≤10 mg/L)[15]，天津某污水廠采用“水解酸化池+AAO生物池+MBR膜池+臭氧接觸氧化池”工藝將出水CODCr由國標一級A標準提升至天津市地標A標準[16]。

表3 國內部分高標準污水處理工程案例Tab.3 Cases of Some Domestic High-Standard Sewage Treatment Projects

5 結論與展望

從國家及各地排放要求來看，對污水處理廠污水進行深度處理是必要的。由于BOD5、NH3-N、SS和TP較易去除，污水深度處理的重點和難點是TN和CODCr。從目前的工程實踐經驗來看，我國污水深度處理領域仍面臨以下問題。

(1)水環境質量現狀較差，末端處理壓力大。“先污染后治理”的發展模式導致我國水生態保護和建設工作歷史欠賬太多，為積極配合現階段水環境治理工作，污水處理成為水污染防治工作首當其沖的突破口和著力點。片面地過分倚重末端處理環節，導致深度處理工作面臨的壓力越來越大。水資源的使用、處理與排放具有緊密的內在關聯，水環境治理應堅持過程管理和末端處理相結合、外源管控和內源整治相結合的模式，不應讓污水處理廠理所當然地成為最終的兜底單元。

(2)相關規范和標準的指導作用缺位。雖然已有部分地區結合本地區污染防治要求和污水處理實踐，制定并實施了地方性污水處理廠污染物排放標準，但是大部分地區尚未開展該項工作，大多數污水深度處理工程的出水水質要求參照執行《地表水環境質量標準》。但是《城鎮污水處理廠污染物排放標準》和《地表水環境質量標準》差異較大，在參照執行《地表水環境質量標準》時，處理要求過高。例如：《城鎮污水處理廠污染物排放標準》基本控制指標只有12項，而《地表水環境質量標準》基本控制指標有24項；《城鎮污水處理廠污染物排放標準》最高級別的一級A標準要求出水TN≤15 mg/L，而《地表水環境質量標準》最低級別的Ⅴ類水標準要求TN≤2 mg/L，現有污水處理工藝極難達到。為了更好地開展污水深度處理工作，相關規范和標準的指導不可或缺。

(3)污水深度處理技術有待突破，常規污水處理技術力不從心。根據現有的污水深度處理實踐，深度脫氮仍以生物法為主，COD的深度降解以物化法為主，尤以化學氧化法應用較多。這些工藝一則處理程度有限，二則能耗大、藥耗多、處理成本高，安全可靠、經濟可行的深度處理新工藝亟待研發。以生物倍增工藝為例，雖然工程實踐表明該工藝能夠把出水TN降至10 mg/L以內，部分案例甚至降至5 mg/L以內，但其理論構建仍有待深入研究。