先进污水处理工艺节能减排效果比较与分析

赵高伟 康 雅

(1．中国核电工程有限公司郑州分公司，河南郑州 450052;2．郑州自来水投资控股有限公司，河南郑州 450007)

随着国民经济持续快速发展、城市规模的迅速扩大、人民生活水平的不断提高，全国各大中城市的水污染物排放总量也在迅猛增加，从而给城市周边有限的河湖水资源环境造成了严重的氮磷富营养化污染，不仅加剧了淡水资源的短缺、城市饮用水源地水源污染问题，也破坏了水体生态平衡，造成了大量的鱼虾死亡，以及难以估量的巨额国民经济损失，严重影响了人民的生活环境。对此，原国家环境保护总局于2006年通过修改并制定更严格的城市污水排放标准——GB 18918-2002城镇污水处理厂污染物排放标准，要求城镇污水处理厂出水排入国家和省确定的重点流域及湖泊、水库等封闭、半封闭水域时，执行一级A标准，排入GB 3838-2002地表水环境质量标准中三类功能水域(划定的饮用水水源保护区和游泳区除外)、GB 3097-1982海水水质标准中海水二类功能水域时，执行一级B标准。而现阶段，全国范围内除了个别一线城市的部分污水处理厂通过有效的技术改造可以达到一级A或B标准外，其他大多数城市的污水处理厂属于20世纪建设的老旧工艺，只限于对有机污染物的去除，基本不具备有效的脱氮除磷能力，其处理后的尾水指标只能达到二级标准。

对此，本文从节能减排与合理高效(一级达标排放或回用)的角度出发，对近年来比较流行的且极具有发展前景的几类先进活性污泥法同步脱氮除磷污水处理工艺进行效果比较与技术经济分析，并提出合理的建议，以供各位同行参考。

1 分段进水多级A/O工艺

1．1 工程实践

以下对某市污水处理厂工艺改造项目进行简要介绍，改造所选工艺为四段进水多级A/O工艺。改造前的设计规模为20万t/d，A/O(除磷)工艺，运行稳定，出水水质达到GB 8978-1996污水综合排放标准的二级排放标准。污水水质浓度较高，冬季水温偏低，碳氮比(C/N)偏低。改造后的尾水除回用部分执行一级A标准，其余出水执行一级B标准。为节约投资，改造中对老旧工艺的构筑物进行了充分的利用。具体流程见图1。

图1 四段进水多级A/O工艺

1．2 试验研究

本工艺通常由2段～5段缺氧/好氧顺序排列组成。关于此工艺对氮、磷的去除效果及特性，很多高校相继成功地开展了大量的中试试验研究。据文献［1］报道，北京某高校对类似工艺3段进水多级A/O工艺的中试试验结果表明，当进水碳氮比高于5∶1时，系统对氮和磷的去除率分别达到83%和88%，当进水TP约为5 mg/L时，可以保证尾水TP低于1 mg/L，达到一级B标准，其他指标均可高于一级A标准。当进水碳氮比低于5∶1时，则需另设辅助除磷化学投药系统以保证除磷效果。

1．3 技术经济分析

相对于A2/O(除磷脱氮)工艺的优越性:1)不需设混合液内回流，节能效果明显;2)各缺氧段分别按比例进水，原水中的有机物被充分的用于反硝化，节约了曝气量;当原水中有机物足够时，理论脱氮率可达90%，大大削减污水中TN的排放量;3)对于改造工程，原有处理构筑物可得到充分利用，大幅节省基建投资。

工艺弊端:1)进水点较多，各段进水流量及溶解氧控制较严格，需设置比较多的流量计、DO在线检测仪表及控制回路，运行维护费用高;2)各好氧池的曝气量控制要求高，若控制不当，将造成曝气量过剩，浪费能量，甚至影响下游相邻缺氧段缺氧环境的形成。

2 改良JHB与流动生物膜法组合工艺

2．1 工程实践

以下对某市开发区污水处理厂工程进行简要介绍，整体了解改良JHB与流动生物膜法组合工艺的脱氮除磷效果。

本污水处理厂处理规模为6万t/d;主要收集处理工业开发区排放的污水，进水中难降解有机物所占的比例较大，要求出水达到一级B标准。本工艺的实质是在改良JHB的基础上，向好氧池中投加一定量的可供生物生长附着的流动载体。改良JHB工艺也常被称为前置预反硝化A2/O工艺，相对于常规A2/O工艺，当污泥龄控制合理时，其除磷能力可得到优先保障，当进水C/N比为3～5的情况下，常温下即可实现良好的脱氮与除磷效果，如西部某城市污水厂改造工程，日处理规模达到10万t，泥龄控制合理时，出水总磷常年可保持在1 mg/L以下。但此工艺的主要缺陷是，冬季低温条件下(污水温度在13℃左右或更低)，泥龄控制难以把握，除磷效果与硝化效果不易兼顾，控制不当则使出水氨氮、总氮超标，甚至没有硝化效果。需在改良JHB工艺好氧池的末端增设硫酸铝投药装置，以确保冬季低温条件下的除磷效果。

通过向改良JHB工艺的好氧池中引入流动生物膜，进行合理组合，可有效保证整个系统低温条件下的同步脱氮除磷效果。在好氧池中投加足够数量的环形流动填料，起到有效固定硝化菌的作用，避免其在频繁排泥时随剩余污泥流失的弊端。改良JHB与流动生物膜法组合工艺的流程图见图2。

图2 改良JHB与流动生物膜法组合工艺

2．2 试验研究

据文献［1］报道，哈尔滨某高校对流动生物膜法与传统A2/O组合工艺的中试试验结果表明，系统对BOD5，CODCr，氨氮，TN，TP的平均去除率分别为 96．3%，92．66%，97．95%，84．53%，81．77%。实践表明，在同等进水水质条件下，改良JHB工艺的同步脱氮除磷效果要显著好于传统A2/O工艺，因此，将改良JHB与流动生物膜法进行组合，其脱氮除磷效果会更好。

2．3 技术经济分析

本组合工艺流程简单，构筑物少，可操作性强，节省占地，可大大节约改造投资费用，并且从根本上解决了单一活性污泥法硝化泥龄与除磷泥龄在低温条件下难以统一的致命弱点，值得推广，尤其适用于北方冬季低温环境。

3 二段复合活性污泥法工艺

3．1 工程实践

二段复合活性污泥法是AB活性污泥法的改进版，改进后使原A段兼备除磷能力，原B段兼备脱氮能力。以下对东部某市污水厂改造工程进行简要介绍，以概要了解本工艺的高效脱氮除磷效果。

本改造项目的设计规模为7万t/d，原二级处理工艺为常规活性污泥法。本厂进水主要为生活污水，以及少部分工业废水，出水要求达到一级B标准。本工艺类似于AB法的分段方式，主要分为两段。中沉池连同上游的好氧池、厌氧池一起主要完成除碳、除磷、部分硝化与反硝化功能;终沉池连同其上游的好氧池及缺氧池一起主要完成除碳、部分除磷、硝化和反硝化功能。改造采用的工艺流程见图3(图中示意的分流0．3Q为笔者对改造工艺提出的改进建议，不属于原改造工程内容)。

图3 二段复合活性污泥法

改造后的工艺出水水质除了TN指标比较高外，其他指标均能达到一级B标准或A标准。从流程图可以定性得出，总氮去除效果差(出水总氮高达20 mg/L)的主要原因是，二曝池缺氧段可供反硝化菌脱氮所用的大部分溶解性碳源在一曝池内被消耗，接着又在中沉池内被进一步沉淀去除。对此，笔者认为应将原水进行分流，将约30%的原水分流到二曝池缺氧段，以有效提供反硝化所需足够的碳源，降低出水TN。实际运行中，二曝池内对TP的去除量占整个系统除磷量的45%。由此可见，将30%的原水分流进入二曝池不会对系统的除磷能力造成过多的影响。

3．2 工艺原理

工艺设计的主要理念是，将系统中的聚磷活性污泥和硝化活性污泥在一定程度上分离出来，分别控制其生长在一曝段和二曝段，仅通过少量的循环回流1，2建立一定的污泥接种关系，前段主要完成除磷除碳，后段则主要实现硝化反硝化。二段的剩余污泥很少，通过循环回流1将二段的混合液输送到一段，借助于中沉池完成排泥。

3．3 技术经济分析

在不须引入生物膜法的情况下，本工艺成功地解决了传统活性污泥法工艺面临的低温环境下硝化菌和除磷菌的泥龄不易统一的矛盾，且脱氮除磷效果显著，操作运行简单，出水各项指标可稳定达到一级B标准。缺点是，回流管线比较多，多于常规脱氮除磷工艺如JHB工艺3个回流，构筑物及设备比较多，基建投资大，运行所需动力费用高出常规工艺15%～20%。综合考虑，本工艺比较适合于寒冷的北方地区对AB活性污泥法工艺的提标改造。

4 OWASA活性污泥法工艺

4．1 工程实践

OWASA活性污泥法工艺的特点是，在A2/O工艺二级生化池前增设初沉池，并配套设置初沉污泥发酵池，通过专设管线将发酵之后的上清液分别引入厌氧段和缺氧段。本工艺的处理尾水可稳定达到一级B或A标准，其在世界范围内得到了广泛的应用，节能减排效果显著，具体流程见图4。

图4 OWASA活性污泥法工艺

4．2 工艺原理

在进水C/N比较低的情况下，进水中大颗粒悬浮态有机物在初沉池中被有效沉淀去除，然后在发酵池中被分解为易降解挥发性脂肪酸。富含大量挥发性脂肪酸的上清液被引入缺氧段和厌氧段，使进水中C/TN和C/TP被大幅提高，为除磷菌和反硝化菌额外增加了食料，进而使系统的反硝化及除磷能力得到了提高。

4．3 技术经济分析

针对进水中易降解有机物含量偏低，工业废水含量高的城市污水，本工艺实现了对原水中难降解有机物的分解产物——挥发性脂肪酸的有效利用，为系统中的反硝化菌和除磷菌提供了足够的易降解有机物，变废为宝，出水氮磷达标，节能减排效果显著。同时，工艺流程简明，便于操控，特别适合于对老污水厂的提标改造，改造工程量小，基建投资省，运行费用略有增加，但不很大，值得在改造工程中推广应用。

5 结语

1)应用分段进水多级A/O工艺处理常规污水，实现了对原水中碳源的高效利用，使污水中TN，TP得到高效去除，适合于对传统推流式曝气池的提标改造，且改造成本比较低。2)应用改良JHB与流动生物膜法组合工艺处理低温污水，根本上解决了单一活性污泥法脱氮泥龄与除磷泥龄难以统一的问题，适合于对A2/O工艺的提标改造，投资成本较低，尤其适用于低温环境。3)应用二段复合活性污泥法工艺，在不引入生物膜法的情况下成功地实现了对聚磷菌和硝化菌泥龄的分段控制，显著提高了系统对污水中氮磷的有效去除，适合于寒冷地区对传统AB两段法的提标改造。4)OWASA活性污泥法工艺对原水沉淀污泥发酵产生的挥发性有机酸进行了充分的利用，有效弥补了系统脱氮除磷所需碳源的不足，实现了高效的脱氮除磷。该工艺运行简单，节能减排效果显著，适用于对原水中工业废水含量高的城市污水处理厂的提标改造。

［1］徐 娟．污水处理节能减排新技术、新工艺、新设备［M］．北京:化学工业出版社，2010:70，221．