中国城市污水处理厂脱氮除磷工艺的应用与运行现状

1中国城市污水处理厂脱氮除磷工艺的应用与运行现状王秀蘅，李楠，任南琪，张坤(哈尔滨工业大学环境生物技术研究中心哈尔滨150090)摘要：介绍了中国河流湖泊海洋的氮磷污染现状、来源、程度，国家控制水体氮磷污染的水环境标准，城市污水的水质现状和提升污水处理厂脱氮除磷能力的紧迫性。综述了中国现有污水处理厂的发展概况，传统的脱氮除磷工艺如A/O、A2/O、氧化沟和SBR工艺，近年来发展的SBR变型工艺如DAT-IAT、CASS、CAST，引进技术如UNITANK、BIOLAK和中国特有的工艺倒置A2/O，改进AB工艺在中国污水处理厂的应用。通过对国内一些已投入运行的污水厂的脱氮除磷运行现状分析和总结，为今后城市污水处理厂进行脱氮除磷工艺设计和运行提供参考。关键词：氮磷污染；城市污水处理厂；运行；脱氮；除磷BiologicalNutrientRemovalofWWTPinChinaXiuhengWang*，NanLi，NanqiRen*，KunZhang（ResearchCenterofEnvironment&Biotechnology，HarbinInstituteofTechnology，Harbin，150090，PRChina)Abstract:Withtheadvancementofcivilizationandincreaseofwaterenvironmentpollution,therequirementforthewastewatertreatmentbecomestringentyearbyyearinChina.Theremovalofnutrient,suchasnitrogenandphosphorusfromwastewater,hasbecomeimportantduetonewgovernmentregulationsaimedatreducingtheimpactofthesenutrientsonenvironmentalecosystem.Thecurrentsituationofwaterecosystempollution,urbanwastewatercharacteristics,governmentregulationonnutrientsinChinaisintroduced.InformationispresentedonthebiologicalnutrientremovaltechnologyapplicationinChinaforthetreatmentofmunicipalwastewatersbyreviewingthedesignandoperationofWWTP.Commonapplicationsaretheuseofoxidationditch，A/O、A2/OandSBRprocess.NewdevelopmentsoftheSBRprocesses,suchasDAT-IAT,CASS,CAST,UNITANK，BIOLAKandthereverseA2/Oprocess,themodifiedABprocessinitiatedinChinaarehighlypromisingfornutrientremoval.Theseprocessesaredescribedinthispaperintermoftheapplication;thestageofdevelopmentandfutureresearchneedsparticulartoChina.Keywords:WWTP;BNR;WastewaterTreatment;Nitrogen;Phosphorus;Operation随着中国经济飞速发展，污水量增加，水体污染加剧。污水处理厂的规划与建设正在紧锣密鼓的进行。1995年，我国建成城市污水处理厂169座，其中二级生化处理厂116座，年处理污水17.49亿m3，处理率8.69％[1]。2000年，全国城市污水排放量21亿吨，COD总量740万吨，已建设城市污水处理厂427座，其中二级处理厂282座，城市污水的处理率仅为18.6%，2二级处理率约为15％[2]。根据2002年的调研结果，我国现有城市污水处理厂应用工艺共有8大类，30.6％采用普通活性污泥法，氧化沟工艺占13.9%，其它工艺占55.5%，包括AB法、A/O工艺、A2/O工艺、水解—好氧工艺、SBR及其改进工艺和土地处理工艺[3]。还有少量采用一级处理或强化一级处理。随着我国对水环境质量要求的提高，中国城镇污水厂污染物排放标准(GB18918-2002)对污水厂的出水越来越严，特别提高了氮磷的标准，新建城市污水处理厂必须考虑氮磷去除问题，已运行的一些污水处理厂也正在进行改造，增加或强化脱氮和除磷功能。因此对目前的污水处理厂的脱氮除磷工艺的应用和运行效果进行综述是非常必要的，供新建和改造污水厂参考。1我国氮磷污染的现状与水环境标准1.1水体氮磷污染状况我国的江河湖库及近海海域普遍受到不同程度的污染，总体上呈加重的趋势。监测表明：中国七大水系中，不适合作为饮用水源的河段接近40%，城镇河段中78%的河段不适合作饮用水源，城市地下水50%受到污染[4]。通过1960年到2000年对黄河312个监测点氮含量的连续监测，从1960年，尤其1990年以后一直在增加。上游TN1.0mg/L，NH4+-N0.10mg/L，下游TN4.0mg/L，NH4+-N0.10mg/L；一些支流甚至达到TN=50-250mg/L，NH4+-N=10-20mg/L[5]。珠江1998年的监测结果表明：氮污染主要是以NO3-N形式存在，浓度0.30-0.50mg/L；氮磷比30-300；叶绿素a含量0.8-7.8mg/m3，河口的富营养化的限制因子是浊度和磷浓度[6]。全国湖泊和水库氮磷污染有加重趋势，水体藻类大量繁殖，且生存期长，覆盖面广，爆发次数多。太湖八十年代初以中营养为主，八十年代后期中营养-中富营养，九十年代中期大部分已为中富营养-富营养，目前中富营养化面积占75%左右，夏季富营养或重度富营养占全湖面积10%左右[7]。我国已有约20万km2的近海海域受到氮磷污染影响，约4万km2的海域水质已不能满足水产养殖、海上运动娱乐及滨海旅游的要求。1999年中国海域共记录15起赤潮，2000年28次，面积累计超过1万km2；2001年28次[8]。发生频次增加，面积扩大。1.2水体中氮磷的主要来源我国水体氮磷污染来自生活污染、农业污染及工业污染源。生活氮磷污染来自城市人口的排泄物、食品废物和合成洗涤剂。农用化肥大量流失，如太湖流域化肥用量达300万t/年以上；上海郊区化肥消耗量在80万ｔ/年，流失率大于40%[9]。食品加工企业、化肥生产企业等工业废水中含有大量氮，磷化工行业排放含磷废水[10]。此外，畜禽养殖、水产养殖、旅游、航运等也对流域水体富营养化造成了压力。1.3我国控制氮磷污染的水环境标准我国的环境标准工作是从1973年开始，有水环境质量标准和水污染物排放标准。表1列出水环境质量标准中对氮磷均作出规定，其中地表水和海水的水质标准对不同功能区类别的水域的氮磷标准值均提出了明确要求。为控制湖库的富营养化，根据我国湖库目前的水质状况，参照美国的基准和OECD的TSI综合指数，湖库项目标准规定了总氮、总磷、透明度、叶绿素a等四项特定项目。表2列出各类水污染物排放标准，以不同行业的水污染物处理技术为依据，分别规定了氮磷的最高允许排放浓度。3表1控制氮磷的水环境质量标准序号标准名称及标准号氮磷控制指标实施日期1《渔业水质标准》（GB11607-89）非离子氨、凯氏氮总磷1990-3-12《农田灌溉水质标准》(GB5084-92)凯氏氮总磷1992-2-13《地下水水质标准》（GB/T14848-93）硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮—1994-10-14《海水水质标准》（GB3097-1997）无机氮、非离子氨活性磷酸盐1998-7-15《地表水环境质量标准》（GHZB1-1999）硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、非离子氨、凯氏氮，总氮，透明度，叶绿素a总磷2000-1-1表2控制氮磷的水污染物排放标准序号标准名称及标准号氮磷控制指标实施日期1《纺织染整工业水污染物排放标准》（GB4287-93）氨氮—1992-7-12《钢铁工业水污染物排放标准》（GB13456-92）氨氮—1992-7-13《肉类加工工业水污染物排放标准》（GB13457-92）氨氮—1992-7-14《合成氨工业水污染物排放标准》（GB13458-92）氨氮—1992-7-15《航天推进剂水污染物排放标准》（GB14374-93）氨氮—1993-12-16《磷肥工业水污染物排放标准》（GB15580-95）—磷酸盐1996-7-17《污水综合排放标准》（GB8978-1996）氨氮总磷1998-1-18《城镇污水厂污染物排放标准》(GB18918-2002)总氮，氨氮总磷2003-7-12中国污水处理厂除磷脱氮工艺的历史沿革与发展方向19世纪70年代中后期，我国开始建设城市污水处理厂。第一座大型城市污水处理厂—天津市纪庄子污水处理厂1984年投入运行，处理规模为26万m3/d，其后陆续有几十座污水处理厂开工建设。这些污水厂均采用了传统推流曝气二级生物处理，主要处理目标是有机污染物和悬浮物，对于氮磷的去除率非常低[11]。80年代初，上海对一些污水处理新工艺进行试验后用于工程设计。1981年莘庄污水厂采用A/O工艺，1982年大观园污水厂采用转刷型氧化沟，41983年吴淞肉联厂污水厂采用SBR工艺，龙华肉联厂污水厂采用垂直轴曝气叶轮氧化沟，乳品五厂采用三槽式交替氧化沟[11]。进入九十年代，水体中各种污染物尤其是氮磷的标准更为严格，新建城市污水厂必须考虑对氮磷污染物的控制，老水厂进行了脱氮除磷技术改造。3污水脱氮除磷工艺在中国的应用与改进污水同步除磷脱氮工艺一方面能满足传统处理去除有机物、悬浮物的要求；另一方面又能除磷，并经过硝化、反硝化作用而达到脱氮目的。现行各工艺均包含着空间或时间上厌氧、缺氧、好氧三种状态的交替，通过组合和优化三种状态的组合方式及其数量的时空分布以及回流方式、位置而达到高效脱氮除磷的目的[12]。我国的污水处理厂设计采用的脱氮除磷工艺主要有5大类：AB改进工艺、A/O工艺、A2/O工艺，氧化沟工艺、SBR及其改进工艺，并就我国的应用效果提出或实施了相应的设计和运行改进。3.1AB改进工艺AB污水处理工艺，即生物吸附-生物降解两段活性污泥法，80年代初开始在我国应用于工程实践，在国内水厂的应用情况见表3。AB法具有抗冲击负荷能力强、对pH值变化和有毒物质具有明显缓冲作用的特点，主要应用于污水浓度高、水质水量变化较大，特别是工业废水所占比例较高的城市污水处理厂。传统的AB工艺对氮磷的去除效果不佳，一些学者提出了改进方法，如ADMONT工艺[13]。我国强化AB法脱氮除磷普遍做法是将B段改为A/O或A2/O[14]，如深圳市罗芳污水处理厂[15][16]，滕州市污水处理厂[17]。在工业废水所占比例偏大的山东泰安城市污水处理厂应用A+A2/O工艺，具有较好的抗冲击负荷能力和避免污泥膨胀。山东椒江污水厂采用改进的AB工艺，将10%原污水引入B段，并采用化学除磷措施进行辅助[18]。表3AB工艺在中国的应用[15][16][19][20]编号厂名规模（万m3/d）应用年份改进1淄博市污水处理厂1419922青岛市海泊河污水处理厂819933新疆乌鲁木齐河东污水处理厂2019994滕州市污水处理厂82001B段，硝化/反硝化脱氮氧化沟5深圳市罗芳污水处理厂102002B段，A2/O3.2A/O工艺A/O工艺即厌氧／好氧工艺，通过聚磷菌在厌氧和好氧的循环实现磷的去除。也有部分A/O工艺以缺氧／好氧方式运行，通过硝化菌和反硝化菌实现脱氮。A/O工艺流程简单、占地少、不需外加碳源脱氮，易于控制污泥膨胀，投资和运行费用较低，在我国污水厂中