城镇污水处理厂升级改造问题探讨3bb1237ca26925c52cc5bf15

2008年给水厂、污水厂运行与管理及升级改造高级研讨会论文集-118-城镇污水处理厂升级改造问题探讨张辰，谭学军（上海市政工程设计研究总院，上海20092）摘要：为满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）要求，我国很多污水处理厂正在进行技术升级与改造。本文针对我国城镇污水处理厂升级改造中可能面临的问题，围绕污水水质、工艺选择、节能降耗、安全运行等方面，对城镇污水处理厂升级改造问题进行分析与探讨，并提出相应的解决措施与技术方法。关键词：污水处理厂；升级改造；低碳源；节能降耗；安全运行DiscussionontheUpgradingandRetrofittingofWastewaterTreatmentPlantsZHANGChen,TANXue-jun（ShanghaiMunicipalEngineeringDesignGeneralInstitute,Shanghai200092，China）Abstract:Inordertomeet‘DischargeStandardofPollutantsforMunicipalWastewaterTreatmentPlant’(GB18918-2002),manymunicipalwastewatertreatmentplantsinChinaarebeingupgradedandretrofitted.Inthispaper,theproblemswhichwereoftenmetintheupgradeandretrofitofwastewatertreatmentplants,includinglowcarbonsource,processchoice,energysavingandconsumptionreducing,safeoperation,werediscussed.Inaddition,someresolvingtechnologiesandmeasureswerealsointroduced.Keywords:wastewatertreatmentplant;upgradingandretrofitting;lowcarbonsource;energysavingandconsumptionreducing;safeoperation1前言氮、磷的排放是导致受纳水体富营养化的主要原因之一。为改善水环境质量，许多发达国家对污水中氮、磷的排放都做了限定[1、2]，我国颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）也对污水处理厂出水氮、磷浓度提出了严格的要求。近年来我国加快了污水治理设施建设步伐，污水厂数量逐年增加。然而，很多早期建造的污水处理厂对氮、磷的去除效率较低，无法达到排放标准要求。在此形式下，通过必要的升级与改造，使已建污水处理厂达到脱氮除磷要求，已成为我国新一轮污水治理工作的重点。本文针对我国城镇污水处理厂升级改造工作，归纳探讨了几个常见问题，并提出相应的解决对策，以期为我国城镇污水处理厂的升级改造提供技术支撑和经验参考。2污水碳源不足问题2008年给水厂、污水厂运行与管理及升级改造高级研讨会论文集-119-2.1低碳源水质特性在我国，升级改造中遇到的主要水质问题是碳源不足，即污水的COD/（N+P）值比较低。表1~3分别以上海、深圳、郑州部分污水厂进水为例来说明城镇污水的低碳源问题。表1上海曲阳污水处理厂进水水质年份CODcr/(mg·L-1)BOD5/(mg·L-1)SS/(mg·L-1)NH4+-N/(mg·L-1)TN/(mg·L-1)TP/(mg·L-1)BOD5/TN2001年306.7158.0123.231.066.16.42.392002年310.0146.3116.831.255.04.82.66表2深圳市部分污水厂设计进水水质污水处理厂CODcr/(mg·L-1)BOD5/(mg·L-1)SS/(mg·L-1)NH4+-N/(mg·L-1)TN/(mg·L-1)TP/(mg·L-1)BOD5/TN宝安固戍污水厂260130180354542.89横岗荷坳污水厂260160170—554.52.91表3郑州王新庄污水处理厂进水水质年份BOD5/(mg·L-1)NH4+-N/(mg·L-1)TN/(mg·L-1)TP/(mg·L-1)BOD5/TN2004年215.552.6769.62.842005年164.945.6667.92.50由表1~3可见，我国部分城镇污水的有机污染物较低。一般认为，在污水生物脱氮过程中，如果BOD5/TN＞3，即可认为污水有足够的碳源供反硝化菌利用，进行反硝化。但上述城镇污水无法达到该要求，呈现明显的低碳源特性。因此，在城镇污水处理厂的升级改造工程设计时，必须充分注意系统内碳源的合理利用与分配问题。2.2解决对策2.2.1寻找快速可替代有机碳源在多数城镇污水中，溶解性BOD仅占BOD总量的40%~60%，其余为颗粒性有机物。经初沉池处理，颗粒有机物一般可以沉淀去除60%，如采用有效措施，这些沉积在初沉污泥中的颗粒性有机物（慢速生物降解碳源）能转化为快速生物降解碳源。寻找快速可替代有机碳源就是充分利用初沉污泥中的颗粒性有机物，通过微生物的厌氧水解发酵作用使之转化为快速生物降解有机物，增加系统中可生物降解碳源数量，提高生物脱氮除磷效果。污水生物脱氮除磷系统中反硝化菌和积磷菌所需要的碳源主要为快速生物降解有机物（挥发性脂肪酸VFA）。去除1mg的磷一般需要7~9mgVFA，反硝化过程的需要量更多。然而，城镇污水可利用的快速生物降解碳源仅占有机物含量的10%~15%，不能满足脱氮除磷所需。初沉污泥发酵技术可为生物脱氮除磷过程提供更多的VFA。美国的初沉污泥发酵研究表明，通过12d的发2008年给水厂、污水厂运行与管理及升级改造高级研讨会论文集-120-酵，可向进水提供400mg/L的VFA。日本有研究表明，可发酵有机物昀大转化率的昀佳固体停留时间为3天左右，约30%的初沉污泥可转化成VFA。目前，有两种可为生物脱氮除磷增加快速生物降解碳源的发酵设计流程，一种是深池型初沉池，另一种是另设发酵池，两者还可用于污泥浓缩，发酵池的污泥回流提供了更有效的固体转化，并使溶解性BOD释放到初沉池出水中。具体流程见图1。进水初沉出水初沉池(深池)发酵污泥回流剩余污泥发酵污泥回流剩余污泥浓缩/发酵池上清液初沉池初沉出水进水a.单设发酵池b.深池发酵法图1初沉池污泥发酵工艺图2.2.2合理优化碳源分配传统A2/O工艺是根据硝化菌、反硝化菌和积磷菌生长适宜的微生物环境来进行空间分区以实现脱氮除磷的目的。在低碳源条件下，由于可利用有机物有限，反硝化菌与积磷菌对基质竞争致使系统氮磷去除效果变差，尤其是磷。为实现反硝化和释磷过程合理分配碳源，出现了一些改良型的脱氮除磷工艺，如表4所示。表4生物脱氮除磷改良工艺名称工艺特性倒置A2/O工艺缺氧段位于工艺的首端，使回流混合液以及回流污泥中的NO3--N首先进行反硝化，减少对后续释磷过程的影响改良A2/O工艺在厌氧池前增设厌氧/缺氧调节池，避免回流污泥中NO3--N对厌氧区释磷的影响UCT工艺污泥回流设置缺氧段并增加了从缺氧段至厌氧段的缺氧混合液回流改良UCT工艺缺氧段分为两部分：只用于还原回流泥中硝酸盐的第一缺氧段和用于对硝化段混合液回流进行反硝化的第二缺氧段VIP工艺厌氧、缺氧和好氧反应器都是由多个完全混合反应器串连而成，形成了有机物浓度梯度，提高了厌氧释磷和好氧吸磷速度MSBR工艺通过设置污泥浓缩区，增加缺氧与好氧工况次数和回流系统个数来加强氮磷去除效果这些改良工艺都是在传统生物除磷脱氮理论基础上，为避免低碳源条件下反硝化菌与积磷菌因竞争基质而导致氮磷去除效果降低所开发的，在一定程度上强化了低碳源污水的氮磷去除效果，其空间顺序、回流方式等都有重要借鉴价值。此外，如进水水质条件允许，在不改变传统工艺流程的基础上也可以进行碳源优化分配。一是取消初沉池，让原污水经沉砂池后直接进入厌氧池；二是适当延长厌氧池停留时间，使原污水中复杂的有机物厌氧发酵转化成小分子的溶解性有机物。2008年给水厂、污水厂运行与管理及升级改造高级研讨会论文集-121-2.2.3寻求污水处理新技术近年来，国内外学者针对传统生物脱氮除磷系统中发现的新现象和新过程进行了大量理论和试验研究，并提出了一些可节省碳源消耗的生物脱氮除磷新理论和新技术，如表5所示。表5可节省碳源消耗的污水处理新技术技术名称技术原理节省碳源节省能耗反硝化除磷（DenitrifyingDephosphatation）在厌氧过程中，反硝化除磷菌释磷并在细胞内合成PHB；在缺氧过程中，反硝化除磷菌以硝酸氮取代氧作为胞内PHB氧化的电子受体，并完成磷的吸收。50%30%短程硝化反硝化（SHARON）通过控制反应条件，将硝化过程控制在亚硝化阶段，并以亚硝酸氮为电子受体进行反硝化脱氮。脱氮节省40%脱氮节省25%厌氧氨氧化（ANAMMOX）在严格厌氧条件下，以亚硝酸氮为电子受体，利用自养菌将氨氮直接转化为氮气。脱氮节省100%脱氮节省62.5%目前，上述部分污水处理新技术已在国外得到工程应用，如短程硝化反硝化技术已经被用于处理污水厂污泥消化液。基于这些新技术，国外学者也研究开发了一些生物脱氮除磷新工艺，如基于反硝化除磷原理开发的BCFS单污泥工艺、A2N双污泥工艺，基于短程硝化反硝化和厌氧氨氧化原理开发的SHARON-ANAMMOX联用工艺，其中BCFS工艺已在实际工程中应用，而A2N工艺和SHARON-ANAMMOX联用工艺距离工程应用尚有一定距离[3,4]。3工艺选择问题污水处理厂的技术升级改造一般包括水力改造、设备改造和工艺升级改造等，其中污水处理工艺升级改造是提高出水水质的关键。与新建污水处理厂不同，污水处理厂升级改造的工艺选择问题相对复杂，通常情况下要考虑三个问题：①尽量利用原有构筑物，投资少；②工艺运行可靠，灵活性强；③处理效率高，能耗低。就处理功能而言，化学除磷、生物脱氮除磷和深度处理等工艺均可实现工艺升级改造的目的[5]。3.1化学除磷在沉淀池或污水处理反应池内投加金属盐和聚合物等化学药剂，通过化学反应和凝聚作用来凝聚胶体颗粒，生成沉淀物以达到强化除磷效果。3.2生物脱氮除磷（1）双污泥系统基于双污泥理论，增设生物膜法硝化池，使之独立于活性污泥法缺氧、厌氧和好氧池之外，为除磷和脱氮微生物创造各自昀佳生长环境，克服传统单活性污泥法存在的泥龄、碳源等矛盾，实现高效脱氮除磷。（2）活性污泥和生物膜复合工艺2008年给水厂、污水厂运行与管理及升级改造高级研讨会论文集-122-将生物载体直接投加到已建曝气池中形成活性污泥和生物膜复合生物处理工艺，使活性污泥主要负责有机物去除，生物膜主要负责硝化，提高曝气池内生物量，增强系统硝化性能，提高系统抗冲击负荷能力，节省占地和投资。（3）增加反应区容积通过在普通曝气池外增设厌氧、缺氧区，可以将普通活性污泥法升级改造为Bardenpho工艺、A2/O工艺、改良A2/O工艺、倒置A2/O工艺和VIP工艺，以达到脱氮除磷目的。（4）调整反应区容积在生物反应池容积允许的条件下，将普通曝气池分隔成厌氧、缺氧和好氧区，使之升级为脱氮除磷工艺。3.3深度处理污水深度处理升级改造措施主要包括：应用新型过滤、吸附、混凝、沉淀、气浮及消毒工艺；采用曝气生物滤池工艺；应用膜技术；应用膜生物反应器技术。一般来说，对于常规城镇污水水质，为使出水水质达到一级B标准要求，将传统二级生物处理工艺升级为生物脱氮除磷工艺即可实现。但出水水质如若执行一级A标准，处理难度相对较大，根据国内已建污水处理厂的实际设计与运行经验，利用三级过滤工艺可以增加SS和有机物的去除，利用化学除磷可以强化TP的去除，利用以强化脱氮为主的脱氮除磷工艺可以提高TN的去除。4节能降耗问题城镇污水处理是高能耗行业，我国二级污水处理厂每立方米污水的电耗标准为0.15~0.28kW·h。有资料表明，我国污水处理厂处理单位污水耗电量约0.2