城市污水厂一级A排放标准提标改造工艺设计
摘 要 随着我国城市水环境提升、黑臭河道治理等行动计划加速，污水厂一级A标准正全面推行，但同时也面临着污水处理工艺流程延长、药耗能耗增加等严峻形势，而工艺设计的合理选择将直接关系到工程投资和运行成本，并影响污水厂高效低耗、安全稳定运行。为此，文中总结了污水厂一级A排放标准提标改造工艺设计难点和设计原则，论述了污水厂出水提标至一级A标准的技术手段，对比分析了深度处理工艺主要构筑物选型及特点，并对污水厂未来发展方向提出了建议，以期为污水厂提标改造工艺的选择与设计提供借鉴。
根据污水处理的目标与程度，城市污水处理厂的发展主要经历了3个阶段。(1)以去除悬浮物、较大颗粒物为主的一级污水厂，处理工艺一般为沉砂池、初沉池，该类污水厂主要建于20世纪初期，对污水中BOD5、SS的去除率分别约为30%与50%，目前一级污水厂仅在特殊情况下采用或作为更高级污水厂分期建设的第一阶段。(2)以生物处理为主体的二级污水厂，即一般在预处理的基础上新增曝气反应池和二沉池，该类污水厂在20世纪50年代以后得到快速发展，可去除水中可生物降解的有机物、悬浮固体以及部分营养物质(氮、磷)等，尤其是对污水中COD、BOD5的去除率可分别达到80%与90%[1-2]，二级生物处理主要包括活性污泥法(AO工艺、AAO工艺、氧化沟OD工艺以及SBR工艺等)和生物膜法(生物滤池等)，目前两者共同覆盖了我国城镇污水处理设施主体工艺的90%以上[3]。(3)以“混凝-沉淀-过滤”深度处理工艺为代表的三级污水厂，该类污水厂在20世纪60年代末开始建设，至90年代逐渐得到重视，主要用来进一步去除污水中剩余的悬浮固体、氮磷等营养物质以及其他微量有机物，三级污水厂出水大大降低了污染负荷，对于控制水体富营养化、改善水环境质量具有重要意义。城市污水处理厂工艺流程如图1所示。
近年来，由于城市水环境综合治理的需求不断提升，作为城市水环境保护的末端屏障——污水处理厂的作用愈加凸显。相应地，污水厂的水质排放标准要求也不断提高，城市污水处理厂提标改造受到了更多重视[4]。污水处理厂提标改造是指，在其现有处理规模基本保持不变的情况下，通过工艺改进或增加深度处理设施[5]，使污水厂出水水质满足更高等级的污水排放标准。本文从实际工程出发，论述了污水厂出水提标至一级A标准的技术手段，对比分析了深度处理工艺主要构筑物选型及特点，以期为污水厂提标改造工艺的选择与设计提供借鉴。
1 污水厂排放水质标准
目前，我国现行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)将基本控制项目的常规污染物标准值分为三级标准，其中一级标准分为A标准和B标准。统计资料显示，截至2016年底，我国已累计建成污水处理厂3 552座，出水水质执行一级A标准比例约27%。根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)与《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)相关规定，污水厂出水水质若要由一级B标准提升至一级A标准，除了需要进一步降低水中SS、BOD5、COD等物质的浓度外，重点在于脱氮除磷；另一方面，污水厂一级A标准出水较地表Ⅴ类水体水质还有一定的差距，若要满足水体富营养化控制要求，污水厂需采用深度处理工艺，降低TN、TP排放。此外，随着国家“水十条”的发布，水污染的防治力度切实加大，部分地区制定了更为严格的地方标准，将排入地表水体氮、磷等污染物的排放限值规定进一步接近或达到地表Ⅳ类水体水质，但结合我国实际发展情况，大部分地区还应以一级A标准为污水处理的主要目标，因地制宜地实施污水处理厂的升级改造。
2 污水厂一级A提标改造工艺
2.1 污水厂现状问题分析
我国污水厂一级A排放标准提标改造工艺面临的主要难点包括以下几点。
(1)已建生物反应池脱氮除磷效率不高，原因为[6-7]：①进水C/N偏低，导致反硝化脱氮时碳源不足，除磷效果变差；②低温条件限制，尤其是冬季水温低于12 ℃，严重影响反硝化速率；③水力停留时间不足，微生物降解作用不充分，不利于脱氮除磷。
(2)二级生物处理本身较难保证出水SS、TP及TN同时达到一级A标准。
针对上述问题，在实际工程中需采取强化二级生物处理工艺或增加深度处理工艺的方法进行提标改造，以确保污水厂出水水质达到一级A标准。
此外，由于不同地区污水厂运行现状各不相同，提标改造工艺设计时应重点进行污水厂实际进出水水质分析，并结合一级A标准出水水质要求，确定污水厂提标改造主要污染物去除重点与优先控制次序。通常污水厂水质提标时，已建生物反应池脱氮除磷能力可能不足，尤其是TN，需要进行生物反应池改造强化生物脱氮、增加后置反硝化脱氮工艺和碳源补充措施等；而对于TP，目前普遍采用生物除磷和化学辅助除磷相结合，用于化学除磷的药剂主要有铁盐和铝盐，两者相比，铁盐形成的矾花密实、沉降性能较好，但铁盐过量投加易引起出水色度增加，影响紫外线投射率，且三氯化铁腐蚀性较强，对设备防腐要求较高，因此,工程设计中宜综合比选确定。
2.2 工艺选择
(1)污水生物脱氮除磷原理
在传统的生物脱氮除磷工艺中，污水中氮的去除通过有机物氧化、氨化、硝化和反硝化过程实现，认为硝化与反硝化两个过程相对独立；污水中磷的去除利用聚磷菌在厌氧条件下释放磷，在好氧条件下过量吸收磷，最后通过排除富磷污泥实现。在工程应用中，同一反应池中生物脱氮与生物除磷过程易受各种因素影响(包括温度、pH、碳源、溶解氧、污泥龄、混合液或污泥回流比等)，并相互制约，实际上很难同时获得较高的生物脱氮、生物除磷效率。因此，在污水厂提标改造时，对现有二级生物处理工艺脱氮除磷效率进行分析，深入挖掘传统工艺脱氮除磷能力，减少后续工艺流程长度，是十分必要的。不同工艺生物脱氮除磷特性如表1所示。
(2)提标改造工艺选择
污水厂二级处理出水中TN以氨氮、硝酸盐氮为主[8]；TP以溶解态的正磷酸盐为主[9]，是水质进一步提标的主要去除对象。根据水质提标脱氮除磷要求，工艺设计方案可分为3种：仅需脱氮、仅需除磷以及需要同时脱氮除磷。工程上，若要进行生物脱氮或生物除磷，一般要求进水BOD5/TKN>4或BOD5/TP>17，才能保证碳源充足；若要同步脱氮除磷，所需C/N、C/P更高，原因在于污水生物脱氮与生物除磷之间存在碳源竞争[10]，碳源不足可能成为限制生物脱氮除磷效率提高的关键因素。随着厌氧氨氧化、短程硝化反硝化和反硝化除磷等新型生物脱氮除磷工艺研究的应用，污水处理过程中的碳源、能源消耗可大大减少。
但上述工艺在国内实际工程应用的还较少。因此，现阶段我国污水处理厂提标改造工艺设计的一般原则仍然是优先生物脱氮、强化生物除磷、辅助化学除磷，同时宜考虑碳源补充措施。
2.3 工艺设计
2.3.1 已建处理单元改造
(1)初沉池改造
污水厂中初沉池主要用来降低悬浮固体(TSS的去除率为50%～70%，图2)的含量，保证后续生物处理系统的正常运行，但另一方面，初沉池对碳源也有一定比例的去除(BOD的去除率为25%～40%，图2)，造成污水厂生物反应池进水碳源不足问题更加突出，影响生物脱氮除磷效率。目前，针对污水厂已建初沉池，结合具体工程条件，若需要进行改造，其一是将初沉池改为厌氧区或(预)缺氧区，增加生物反应池水力停留时间；其二是利用初沉池污泥发酵产生挥发性脂肪酸(VFA)，充分利用内部碳源，提高系统脱氮除磷效果。杨敏等[11]研究表明，初沉发酵池宜在进水BOD5/TN偏低(BOD5/TN<4)、SS/BOD5偏高(SS/BOD5>1.2)时设置，可有效提高生物系统的污泥活性，减少外部碳源投加量。
(2)生物反应池改造
污水厂提标改造工艺设计时，应结合现状水质分析，按设计进出水水质对已建生物反应池池容进行复核，通过技术改造，充分发挥二级生物处理功能，提高生物脱氮除磷效率。目前，已建生物反应池改造常用的方法有：①调整功能分区，若已建生物反应池容积基本满足要求，可通过新增土建隔墙或结合初沉池改造的方式，将原池内各段分区进行调整，或改为倒置AAO工艺、五段Bardenpho工艺、UCT工艺等；②MBBR工艺改造，即一般在优先保证厌、缺氧区容积的条件下，通过好氧区投加悬浮填料富集微生物，实现活性污泥法与生物膜法联用，保证二级生物处理效果，该方法比较适用于用地限制、不增加反应池容积的老厂改造；③扩容减量改造，通过核减已建生物反应池处理规模，减小负荷、延长水力停留时间，同时另外新建生物反应池，满足污水处理水量要求。
2.3.2 增加深度处理工艺
目前，在污水厂二级生物处理出水之后增加深度处理工艺，是保证出水水质稳定达到一级A标准的重要一步。根据工程设计进出水水质分析及主要污染物控制目标，深度处理工艺设计一般可分为4类，如图3所示。工程设计时，若二级处理出水水质指标接近或可达到一级A标准，且达标率较高、污水厂进水水质也趋于稳定，可采用直接过滤(混凝-絮凝-过滤)或接触过滤(混凝-过滤)工艺；若二级处理出水中NH3-N、TN较低，TP和SS指标相对较高，可采用混凝-絮凝-沉淀-过滤工艺，出水经消毒处理后，确保达到一级A标准；其次，若二级处理出水水质相对一级A标准差距较大，NH3-N和TN也较高，可采用曝气生物滤池强化脱氮，后续增加混凝-絮凝-沉淀-过滤-消毒工艺，确保出水水质稳定达标；最后，若二级处理出水仍需进行脱氮除磷，污水厂用地又十分紧张，出水标准也较高(或高于一级A标准)，则可采用MBR工艺，出水经消毒处理后达标排放。
污水厂提标改造方法还包括气浮、臭氧氧化、活性炭吸附等，由于污水厂实际情况各不相同，出水标准要求也不同，最终设计方案需通过综合比选后确定(表2)。但工艺设计时，宜优先考虑强化二级生物处理脱氮除磷效率，减少后续工艺流程长度，否则可能会造成工程投资增大、运行成本增加，也不符合污水厂节能减排的要求。
2.3.3 污泥处理工艺改造
污水厂提标改造由于设计规模和进水水质基本不变，新增污泥主要为化学除磷过程中产生的化学污泥，其产量相对剩余污泥较小，可沿用污水厂已建污泥处理设施。但近年来国内环保要求愈加严格，污泥处置方式也已发生转变，因此，污水厂水质提标的同时,还应注重老厂现状污泥处理设施的改造。
并配套除臭装置等，以满足城市环境卫生和污泥最终处置出路的要求。Hao等[18]的研究表明，剩余污泥填埋及污泥农用方式越来越受到限制，污泥脱水、干化后直接焚烧的处置方式具有较明显的优势，对工程实践具有重要参考意义。
2.4 主要构筑物设计
(1)高效沉淀池
高效沉淀池是一种集混凝、絮凝和沉淀于一体的新型沉淀池，由于该池具有占地小、水力负荷高、污染物去除效果好等特点，被广泛应用于污水厂提标改造深度处理工艺中。高效沉淀池一般包括快混区、絮凝区和沉淀区3部分，通过投加化学药剂，可有效去除COD、SS和TP，去除率可分别达60%、80%与90%。根据《城镇污水再生利用工程设计规范》(GB 50335—2016)，高效沉淀池主要设计参数：混合时间宜为0.5～1.0 min，絮凝时间宜为8～15 min，沉淀池表面负荷宜为10～20 m3/(m2·h)，污泥回流比宜为3%～6%。近年来，出现了磁粉或微砂等介质强化高效沉淀池，通过投加磁粉或微砂，可提高絮体密实度，缩短沉降时间，减少化学药剂的投加量，但工程应用时还需重点关注流失磁粉或微砂对后续污泥处理处置的影响。
(2)过滤工艺
过滤单元作为污水厂深度处理工艺的核心，是保证出水水质达标的关键。目前，工程上过滤工艺的可选方案包括纤维滤布滤池、V型滤池、微过滤器、反硝化深床滤池以及曝气生物滤池等(表3)。其中，前三者一般仅有过滤功能，以去除SS为主；而反硝化深床滤池、曝气生物滤池兼有过滤和生物脱氮功能，尤其是曝气生物滤池，通过设计不同的池型，可对BOD5、SS、NH3-N、TN等产生较好的去除效果。工艺设计时，宜将曝气生物滤池置于化学除磷之前，保证进水磷酸盐等营养充足；此外，硝化滤池还要特别注意控制进水氨氮浓度，保证冬季硝化细菌的正常生长。
注：*根据提供产品解决方案的厂商不同，滤料形式及滤床厚度各有区别，并直接影响滤池的性能
3 结论
(1)城市污水厂未来将更加注重污水的深度处理以及再生回用，污水厂提标改造需结合不同地区的现状差异，充分研究、因地制宜，确定合理的出水标准与技术方案，发挥污水厂的最大工程效益。
(2)城市污水厂一级A排放标准提标改造应先对其现状进出水水质进行分析，并结合水质提标要求，确定目标去除污染物，以便在后续工艺设计中予以重点考虑；深度处理工艺设计需进行方案综合比选。对于TP超标，化学除磷是必要的措施；对于TN超标，宜优先考虑已建生物反应池改造，减少后续工艺流程长度，必要时还可增加后置反硝化脱氮工艺，并设外加碳源补充措施。此外，在提标改造过程中，还应重视老厂污泥、臭气的处理，以新带老，实现污水厂水、泥、气同步治理达标。
(3)城市污水厂正面临新形势下的技术升级挑战，以厌氧氨氧化、反硝化除磷为代表的新型生物处理工艺的工程应用成为迫切需求。为此，通过技术升级提高生物处理效率，实现更高标准的出水水质，并减少药耗、能耗成本，探索能源的可持续性，对污水厂未来发展具有重要意义。