城鎮污水處理廠升級改造分析*

蒙小俊

(安康學院旅游與資源環境學院，陜西 安康 725000)

隨著我國城鎮化和工業化程度的不斷提升，工業廢水和生活污水的排放為城鎮水環境改善帶來了巨大壓力。據統計，我國生活污水排放量以每年6%的速度不斷上升，大量未經處理的污水排入河道，水體中的COD、氨氮、TP等污染物嚴重超標，造成水體富營養化和導致河流水體黑臭等水污染現象，破壞水環境生態系統[1-4]。污水處理設施是提升基本環境公共服務、改善水環境質量的重大環保民生工程，加大污水處理設施建設是城鎮污染減排的重要舉措[5]。近年來，我國城鎮污水處理廠投運量大幅增加，由2008年的1 445座迅速增長至2018年的3 919座。

目前，我國城鎮污水處理廠的污水處理工藝以A2/O、氧化溝、序批活性污泥法(SBR)及其變形工藝(連續進水循環式活性污泥法(CASS)、間歇進水循環活性污泥法(CAST))為主，隨排放標準的提升，出水水質難以穩定達標，特別是低溫條件下污染物的去除效率較低?！端廴痉乐涡袆佑媱潯访鞔_要求要因地制宜對現有城鎮污水處理設施進行改造，達到相應排放標準或再生利用要求[6]，改造目標基本可分為兩大類：一類為處理規模達標，出水水質不達標的設施，另一類為處理規模、出水水質均不達標的設施[7]。依據區域環境保護目標應執行相應的污水排放標準，改造要基于城鎮污水處理廠實際運行現狀，確定進水水質，指出水質達標難點，明確改造后的工藝單元和工藝流程，工藝改造中要考慮對設備和水力同時改造，生物池改造是恢復和提升城鎮污水處理廠功能的核心，工藝改造后要重新匹配與之相應的工藝參數。為確保改造工藝可行，滿足污水處理要求，且處理效果穩定可靠，需對改造后的工藝進行模擬分析和評價，而改造前后的處理效果和運行成本分析是衡量改造成功與否的重要依據。

為此，本研究通過整理大量文獻數據，對城鎮污水處理廠進水水質、水質達標難點、升級改造技術及工藝、工藝運行參數和升級改造模擬與評價進行了綜合分析，介紹了典型的升級改造工藝案例，以期為城鎮污水處理廠的升級改造提供科學參考。

1 城鎮污水處理廠進水水質

城鎮污水處理廠進水水質考察指標主要有COD、BOD5、懸浮固體(SS)、氨氮、TN和TP，設計進水水質多以現狀年調查的水質為基礎，保證率常選取90%或95%并做適當調整。各指標比值在污水處理過程中具有重要的工程意義，BOD5/COD可預測污水的生物降解性，一般要求進水BOD5/COD>3，若BOD5/COD過低則要設置水解酸化池提高污水的生化性；若要進行生物脫氮或生物除磷，一般要求進水BOD5/TN>4或BOD5/TP>17，才能保證碳源充足；若同步脫氮除磷，需要的碳氮比、碳磷比更高[8]，若碳源不足，則影響生物脫氮除磷效果；SS/BOD5>1.5時，表明進水中無機固體組分含量偏高，則需設置初沉池或具有同等功能的設施，以強化對進水SS的去除[9]。從全國范圍來看，污水處理廠平均進水COD、BOD5、SS、氨氮、TN和TP分別為219.97、81.64、148.54、22.83、30.36、3.70 mg/L，根據污水處理廠進水BOD5/COD、BOD5/TN、BOD5/TP、SS/BOD5等指標，我國98%的樣本污水處理廠進水都適用于生化處理，有機物滿足生物除磷需求，但大多數情況下需添加甲醇、葡萄糖、乙酸和乙酸鈉等彌補反硝化的碳源不足[10-11]。

2 城鎮污水處理廠水質達標難點識別

一般地，城鎮污水處理由預處理單元、生物處理單元和深度處理單元三級處理組成。預處理單元以去除SS和較大顆粒物為主，污水中BOD5、SS的去除率分別約為30%、50%；生物處理單元可去除COD、BOD5、SS和部分氮磷，其中COD、BOD5的去除率可分別達到80%、90%左右；深度處理單元主要用來進一步去除污水中剩余的SS、氮磷營養物質以及其他微量有機物[12]。污水處理過程中，COD主要通過好氧分解、脫氮除磷、厭氧消化和污泥處置等環節去除，BOD5的去除和COD類似；氮主要在生物處理單元的氨化、硝化、反硝化和污泥處置環節去除；SS在預處理、生物處理和深度處理單元均有一定去除；磷主要通過生物與深度處理單元結合達到去除目的；生物處理單元是整個處理過程的核心。

城鎮污水排放主要執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)，不同污水處理廠根據其處理目標執行不同級別排放標準。目前，大部分城鎮污水處理廠要求執行的排放標準與實際污水處理廠工藝不相符，致使出水水質難以達標。部分城鎮污水處理廠要求執行GB 18918—2002一級A標準，但卻采用二級處理工藝，如具有同步脫氮除磷功能的A2/O工藝(及其各種改良工藝)、氧化溝、SBR、曝氣生物濾池(BAF)等，除受進水水質超標影響外，其出水基本可滿足GB 18918—2002一級B標準[13]21。對于A2/O工藝，執行GB 18918—2002一級A標準時，出水TP和SS是達標難點；對于氧化溝、SBR、CAST、CASS等工藝，SS、氨氮、TN和TP為達標難點[14-16]。

依據區域發展情況和保護環境的要求，北京、天津、江蘇、浙江等地區均制定了相應的地方標準，江蘇地方標準《太湖地區城鎮污水處理廠及重點工業行業主要水污染物排放限值》(DB32/1072—2018)和浙江地方標準《城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》(DB33/2169—2018)雖未對BOD5和SS兩大指標提出具體要求，但COD、TN、氨氮和TP相比GB 18918—2002一級A標準總體更加嚴格。北京地方標準《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(DB11/890—2012)、天津地方標準《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(DB12/599—2015)和上海地方標準《上海市污水排放標準》(DB31/199—2018)均對COD、TN、氨氮、BOD5和SS提出了具體要求，其中北京、天津地方標準中A標準的一些指標達到甚至超過《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)的Ⅳ類水域水質標準(COD、BOD5、TN、氨氮、TP分別為30、6、1.5、1.5、0.3 mg/L)。對更加嚴格的地方標準，在不含難降解有機物的情況下，氨氮、TN和TP均為達標難點。不同地方標準的使用范圍、指標排放限值匯總見表1。

表1 污水排放標準及主要污染指標Table 1 Sewage discharge standards and main pollution indicators

3 城鎮污水處理廠升級改造

3.1 升級改造技術及工藝

由生活污水、工業廢水和雨水組成的城鎮污水水質水量變化較大，難降解有機物濃度高，BOD5/TN偏低，而SS/BOD5偏高，同時低溫會引起TN、氨氮、TP和SS去除率降低。為達到更高排放標準，依據污水達標難點，城鎮污水處理廠應對超標污染物進行有效去除，各單元COD、SS、氨氮、TN和TP的主要改造手段見表2[17-22],[23]26。預處理單元設置調節池可均衡水質水量，增設水解酸化池可提高后續生物處理單元水質生物降解，增設初沉池可提高COD、SS的去除；生物處理單元可通過添加填料等手段提高生物量，強化COD、TN、TP、氨氮和SS的去除；深度處理單元可通過增設O3氧化等手段進一步去除COD，通過添加除磷藥劑強化磷的去除，利用濾布濾池等提高SS的去除，利用反硝化濾池并投加碳源提高TN的去除。

污水處理廠總體改造原則為先優化運行，后工程措施；先內部碳源，后外加碳源；先生物除磷，后化學除磷，合理控制成本和運行費用。生物單元強化通常是改造的核心，常用強化途徑見表3[13]23。生物處理單元中，可以通過添加填料形成MBBR來提高生物量，提升處理負荷，強化處理效果，實現原池提量，對低碳源污水有較好的去除效果。有研究表明，在針對GB 18918—2002一級A的提標改造中，添加SPR-Ⅱ型懸浮載體的MBBR中硝化菌豐度為6.08%，是其在污泥中的6倍，反硝化菌的豐度為13.40%，未投加碳源情況下，MBBR中通過同步硝化反硝化(SND)途徑去除TN的貢獻率可達13.20%[24-25]。低溫下城鎮污水處理廠水質不易達標，但6～8 ℃下改造的MBBR工藝出水氨氮始終保持在5 mg/L以下，去除率達到94.2%，系統具有較好的耐低溫性能[26]。無建設用地時，A2/O、SBR和氧化溝工藝均能較易改造成MBBR，在好氧池或缺氧池原位原池進行，對工藝流程影響小。

表3 強化生物處理途徑Table 3 Enhanced biological treatment approaches

改造應因地制宜，充分利用現有處理設施，盡量減少新增設施，工藝的選取應力求運行安全可靠、技術先進成熟、出水水質優良、抗沖擊負荷能力強、易于維護管理、高效節能，且宜減少工程投資及運行成本，常用改造工藝路線為強化預處理+生物處理運行優化及投加填料+同步化學除磷+深度處理，經深度處理后出水SS、BOD5、COD、氨氮、TN和TP分別不大于5、4、20、2、10、0.3 mg/L[13]21,[27]，出水水質達到相應污水排放標準。

3.2 改造工藝運行參數設置

工藝升級改造時需依據原有工藝的組成和特點重置與之匹配的水力負荷、有機負荷、混合液懸浮固體濃度(MLSS)、污泥齡(SRT)、回流比和水力停留時間(HRT)等運行參數，參數對工藝穩定運行、污染物去除和節能降耗有重要影響。水力負荷過低使HRT過長，影響處理規模，水力負荷過高使HRT過短，污染物去除效率降低，同時對二沉池泥水分離產生不利；高有機負荷將加快有機物降解，產生更多剩余污泥，加重企業處理負擔，低有機負荷需加大池容，與實際處理需求不符；維持適宜的MLSS，可以保證足量的生物濃度和活性，MLSS過低生物數量不足，廢水處理效果不高，MLSS過高則使SRT延長，活細胞濃度降低，同時影響泥水分離和傳質效果；SRT決定活性污泥中微生物的種類，世代時間長于SRT的微生物在污泥中不能成為優勢菌種，脫氮除磷微生物對SRT要求不同，脫氮相比除磷需更長的SRT，SRT越長則有機負荷越低，硝化效果越好；通過調控回流比可以維持MLSS在適宜水平和二沉池穩定，回流比過高會降低二沉池污泥沉淀效率，使出水水質下降，回流污泥濃度相應降低，回流比過低則生物池MLSS不足，出水水質降低；HRT要與污染物的去除和功能微生物的時代周期相適應，HRT過短水質下降甚至惡化。我國城鎮污水運行溫度冬季10～16 ℃，夏季24～30 ℃[28]，冬季低溫條件下COD、BOD5、TN、TP、氨氮和SS去除率有所降低，水質難以穩定達標。適當降低有機負荷，提高污水HRT，增大回流比以及提高SRT可應對低溫的不利影響。

3.3 升級改造工藝的評價與優化

通常依據經驗或者使用簡單傳統的計算即可完成城鎮污水處理廠的升級改造與參數設計，但對于排放標準較嚴格的污水處理廠，基于經驗和計算的升級改造通常難以滿足設計要求，為確保升級改造后污水處理達到效果，且運行穩定可靠，需對升級改造的工藝進行模擬分析、診斷和優化。利用活性污泥數學(ASM)模型對污水處理過程進行模擬可對升級改造后的工藝進行評價和優化[29]1119，在設備選型上篩選出節能高效設備，使之能夠有效應對生產運行中的水量波動，實現節能降耗。常用的ASM模型主要包括ASM1、ASM2、ASM2D、ASM3 4個[30]，在污水處理廠工藝評價和優化中發揮了重要作用。龐洪濤等[31]利用BioWin軟件對某城市污水處理廠懸浮填料生物膜工藝的運行問題進行模擬診斷，結果表明調整DO≥4.5 mg/L、排泥量≤250 m3/d或回流比≥50%均可使出水氨氮達到排放標準；將填料投配于生化池的后段能夠改善硝化效果；參數調節的優先次序依次是排泥量、回流比、投配方式和DO。胡志榮等[32]利用GPS-X軟件對采用傳統方法設計的污水SBR處理工藝進行了評價，結果表明利用傳統方法設計的SBR工藝的循環設置并不能滿足所有運行條件下的出水水質要求，可以通過模擬分析技術優化SBR的循環設置使得出水水質滿足設計要求。馬昭等[33]利用ASM2D模型對實際奧貝爾氧化溝工藝進行建模，并校準與驗證模型，通過優化氧化溝的回流比與BOD5污泥負荷率以達到對工藝的優化，結果表明當污泥回流比為55%～60%、污泥負荷為0.056～0.060 kg/(kg·d)時，奧貝爾氧化溝工藝可取得較好的污染物去除率。

4 城鎮污水處理廠升級改造案例

4.1 A2/O類工藝改造

福建某污水處理廠主體工藝為A2/O工藝，設計規模為5.0×104m3/d，設計進水水質BOD5、COD、氨氮、TN、TP、SS分別為225、380、35、50、4.0、250 mg/L，出水水質執行GB 18918—2002一級A標準，現要求出水提高GB 3838—2002 Ⅳ類水域水質標準(TN除外)，根據工藝流程，高效沉淀池及纖維轉盤濾池主要去除SS和TP，TN和氨氮是該污水處理廠出水達標的難點。該廠擬采用兩種方案進行改造并設置相應的工藝參數，方案1為改良Bardenpho工藝，即在現有A2/O后增加A/O工藝；方案2為在二沉池后增設反硝化濾池，即A2/O+反硝化濾池工藝。在GPS-X模擬軟件平臺中建立兩種方案的工藝模型流程(見圖1)，模擬不同進水溫度下的兩種改造方案的處理效果，結果表明方案1出水TN、氨氮濃度更低，脫氮性能更好，更能有效保證出水TN及氨氮達標。鑒于該污水處理廠需要重點保證脫氮效果，因此擬定提標工藝為改良Bardenpho工藝。對改良Bardenpho工藝進行優化模擬，選擇排泥量為1 050 m3/d，優化后工藝混合液回流比和污泥回流比分別由原來的200%、100%降至160%、80%，出水COD、BOD5、氨氮、TN和TP均達到GB 3838—2002 Ⅳ類水域水質標準[34]。

圖1 改造工藝的模擬流程Fig.1 Simulation of improved technical processes

4.2 氧化溝類工藝改造

浙江某污水處理廠一期設計處理規模為6.0萬m3/d (實際進水5.4萬～7.2萬m3/d)，二期擴建6.0萬m3/d，深度處理總規模為12.0萬m3/d[23]25。該污水處理廠進水中工業廢水含量高，生活污水和工業廢水體積比約為47∶53，進水COD、SS、氨氮、TN、TP分別為422、188、33.9、41.1、5.82 mg/L，主體工藝為調節池+厭氧水解池+氧化溝+高密度沉淀池+轉盤濾池工藝，出水水質執行GB 18918—2002一級A標準。改造前，該污水處理廠進水各污染因子濃度比設計值稍高，厭氧水解池未設厭氧污泥回流，氧化溝池深較深，氧利用率不高，能耗較高，曝氣效果欠佳，整個流程脫氮除磷功能分區不明確，未投加碳源和同步化學除磷。因此，難降解COD、TN、TP為該污水處理廠達標的難點?；谠泄に嚱Y構，設計改造工藝為調節池+水解酸化+多段式強化脫氮A2/O生化+O3氧化+高效沉淀+生物濾池+消毒工藝，改造后的工藝流程見圖2。

圖2 浙江某污水處理廠提標改造工藝流程Fig.2 Technical process for upgrading of a sewage treatment plant in Zhejiang

在提標改造過程中，該項目增設原有厭氧水解污泥回流設施，確保池內污泥濃度，提高效果；氧化溝增加同步化學除磷和投加碳源措施，同時投加懸浮填料，以提高池內污泥濃度，出水穩定達到GB 3838—2002 Ⅳ類水標準(TN除外)。改造總工程費用29 632.01萬元，設計直接處理成本為1.72元/m3，污水處理廠單位水量電耗為1.4 (kW·h)/m3；實際運行時直接處理成本為1.40元/m3，污水處理廠單位水量電耗為1.0 (kW·h)/m3。

4.3 SBR類工藝改造

呼和浩特市某污水處理廠采用CAST工藝，設計規模5×104m3/d，出水劣于GB 18918—2002一級B標準[35]。該污水處理廠出水氨氮偏高，且現況設計未考慮TN，脫氮是達標難點。因廠區用地緊張，綜合考慮工程投資等因素，在保證出水水質的前提下，利用現況設施，減少新增工程量降低造價，節約成本，同時預留再次提標余地，擬采用MBBR+活性砂濾池工藝進行提標改造。改造后污水處理廠平均出水COD、BOD5、氨氮、TN、TP分別為23.5、4.5、1.58、12.3、0.28 mg/L，出水水質達到GB 18918—2002一級A標準。

河北省張家口市某城鎮污水處理廠設計處理規模為1.5×104m3/d，實際處理規模為8 000～12 000 m3/d[29]1121，實際進水COD、BOD5、氨氮、TN、SS分別為(400±50)、(160±20)、(70±10)、(80±10)、(200±20)mg/L，原主體工藝采用CASS，出水水質執行GB 18918—2002一級B標準。該污水處理廠實際進水氨氮遠高于設計值，COD低于設計值，實際進水碳氮比約4.75，碳源不足導致出水TN不達標?；贏SM模型采用GPS-X軟件構建了該廠CASS工藝提標改造模型，分別對污泥回流比、反應區體積比、充水比、運行周期和不同水溫的CASS運行方案進行數值模擬優化，綜合模擬結果提出以下改造方案：常溫(20 ℃)下，缺氧區與好氧區體積比為12.8%，在進水的同時，主反應區打開攪拌器進行反硝化，時間為90 min；污泥回流比設為200%，進水結束后曝氣，曝氣時間120 min，沉淀60 min，潷水60 min，潷水深度1.25 m，排泥30 min；溫度降至15 ℃時，延長30 min攪拌時間。冬季溫度在8 ℃以下時，額外增加30 min曝氣時間。升級改造之后的實際運行效果表明，冬、春季的出水TN分別為(9.83±1.40)、(11.45±1.15)mg/L，可穩定達到GB 18918—2002一級 A 標準，基于ASM模擬優化的升級改造方案切實可行。

5 結論與展望

污水處理廠升級改造要依據工程實際，對進水水質、水質達標難點、工程存在的現狀問題、經濟水平等進行全面分析，改造技術和工藝的選取要因地制宜，在參考類似工藝改造經驗的基礎上盡可能結合現有設施，升級改造工藝的處理效果和運行成本分析要基于數學模型的模擬和優化進行。當前大部分改造工藝均憑借經驗或者簡單的傳統計算完成，對于更嚴格的污水排放標準在設備的選擇、工藝評價和優化、節能降耗和全周期調度管理等方面很難實現精細化和智慧化。未來城鎮污水處理廠升級改造應從以下方面開展：(1)基于ASM模型的多功能軟件的開發和應用；(2)開發高效經濟的傳統技術和新技術復合的新工藝；(3)充分運用建筑信息模型、信息化技術和人工智能技術，探索數字化污水處理廠建設。