城镇污水处理厂升级改造分析*

蒙小俊

(安康学院旅游与资源环境学院，陕西 安康 725000)

随着我国城镇化和工业化程度的不断提升，工业废水和生活污水的排放为城镇水环境改善带来了巨大压力。据统计，我国生活污水排放量以每年6%的速度不断上升，大量未经处理的污水排入河道，水体中的COD、氨氮、TP等污染物严重超标，造成水体富营养化和导致河流水体黑臭等水污染现象，破坏水环境生态系统[1-4]。污水处理设施是提升基本环境公共服务、改善水环境质量的重大环保民生工程，加大污水处理设施建设是城镇污染减排的重要举措[5]。近年来，我国城镇污水处理厂投运量大幅增加，由2008年的1 445座迅速增长至2018年的3 919座。

目前，我国城镇污水处理厂的污水处理工艺以A2/O、氧化沟、序批活性污泥法(SBR)及其变形工艺(连续进水循环式活性污泥法(CASS)、间歇进水循环活性污泥法(CAST))为主，随排放标准的提升，出水水质难以稳定达标，特别是低温条件下污染物的去除效率较低。《水污染防治行动计划》明确要求要因地制宜对现有城镇污水处理设施进行改造，达到相应排放标准或再生利用要求[6]，改造目标基本可分为两大类：一类为处理规模达标，出水水质不达标的设施，另一类为处理规模、出水水质均不达标的设施[7]。依据区域环境保护目标应执行相应的污水排放标准，改造要基于城镇污水处理厂实际运行现状，确定进水水质，指出水质达标难点，明确改造后的工艺单元和工艺流程，工艺改造中要考虑对设备和水力同时改造，生物池改造是恢复和提升城镇污水处理厂功能的核心，工艺改造后要重新匹配与之相应的工艺参数。为确保改造工艺可行，满足污水处理要求，且处理效果稳定可靠，需对改造后的工艺进行模拟分析和评价，而改造前后的处理效果和运行成本分析是衡量改造成功与否的重要依据。

为此，本研究通过整理大量文献数据，对城镇污水处理厂进水水质、水质达标难点、升级改造技术及工艺、工艺运行参数和升级改造模拟与评价进行了综合分析，介绍了典型的升级改造工艺案例，以期为城镇污水处理厂的升级改造提供科学参考。

1 城镇污水处理厂进水水质

城镇污水处理厂进水水质考察指标主要有COD、BOD5、悬浮固体(SS)、氨氮、TN和TP，设计进水水质多以现状年调查的水质为基础，保证率常选取90%或95%并做适当调整。各指标比值在污水处理过程中具有重要的工程意义，BOD5/COD可预测污水的生物降解性，一般要求进水BOD5/COD>3，若BOD5/COD过低则要设置水解酸化池提高污水的生化性；若要进行生物脱氮或生物除磷，一般要求进水BOD5/TN>4或BOD5/TP>17，才能保证碳源充足；若同步脱氮除磷，需要的碳氮比、碳磷比更高[8]，若碳源不足，则影响生物脱氮除磷效果；SS/BOD5>1.5时，表明进水中无机固体组分含量偏高，则需设置初沉池或具有同等功能的设施，以强化对进水SS的去除[9]。从全国范围来看，污水处理厂平均进水COD、BOD5、SS、氨氮、TN和TP分别为219.97、81.64、148.54、22.83、30.36、3.70 mg/L，根据污水处理厂进水BOD5/COD、BOD5/TN、BOD5/TP、SS/BOD5等指标，我国98%的样本污水处理厂进水都适用于生化处理，有机物满足生物除磷需求，但大多数情况下需添加甲醇、葡萄糖、乙酸和乙酸钠等弥补反硝化的碳源不足[10-11]。

2 城镇污水处理厂水质达标难点识别

一般地，城镇污水处理由预处理单元、生物处理单元和深度处理单元三级处理组成。预处理单元以去除SS和较大颗粒物为主，污水中BOD5、SS的去除率分别约为30%、50%；生物处理单元可去除COD、BOD5、SS和部分氮磷，其中COD、BOD5的去除率可分别达到80%、90%左右；深度处理单元主要用来进一步去除污水中剩余的SS、氮磷营养物质以及其他微量有机物[12]。污水处理过程中，COD主要通过好氧分解、脱氮除磷、厌氧消化和污泥处置等环节去除，BOD5的去除和COD类似；氮主要在生物处理单元的氨化、硝化、反硝化和污泥处置环节去除；SS在预处理、生物处理和深度处理单元均有一定去除；磷主要通过生物与深度处理单元结合达到去除目的；生物处理单元是整个处理过程的核心。

城镇污水排放主要执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)，不同污水处理厂根据其处理目标执行不同级别排放标准。目前，大部分城镇污水处理厂要求执行的排放标准与实际污水处理厂工艺不相符，致使出水水质难以达标。部分城镇污水处理厂要求执行GB 18918—2002一级A标准，但却采用二级处理工艺，如具有同步脱氮除磷功能的A2/O工艺(及其各种改良工艺)、氧化沟、SBR、曝气生物滤池(BAF)等，除受进水水质超标影响外，其出水基本可满足GB 18918—2002一级B标准[13]21。对于A2/O工艺，执行GB 18918—2002一级A标准时，出水TP和SS是达标难点；对于氧化沟、SBR、CAST、CASS等工艺，SS、氨氮、TN和TP为达标难点[14-16]。

依据区域发展情况和保护环境的要求，北京、天津、江苏、浙江等地区均制定了相应的地方标准，江苏地方标准《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》(DB32/1072—2018)和浙江地方标准《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》(DB33/2169—2018)虽未对BOD5和SS两大指标提出具体要求，但COD、TN、氨氮和TP相比GB 18918—2002一级A标准总体更加严格。北京地方标准《城镇污水处理厂污染物排放标准》(DB11/890—2012)、天津地方标准《城镇污水处理厂污染物排放标准》(DB12/599—2015)和上海地方标准《上海市污水排放标准》(DB31/199—2018)均对COD、TN、氨氮、BOD5和SS提出了具体要求，其中北京、天津地方标准中A标准的一些指标达到甚至超过《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的Ⅳ类水域水质标准(COD、BOD5、TN、氨氮、TP分别为30、6、1.5、1.5、0.3 mg/L)。对更加严格的地方标准，在不含难降解有机物的情况下，氨氮、TN和TP均为达标难点。不同地方标准的使用范围、指标排放限值汇总见表1。

表1 污水排放标准及主要污染指标Table 1 Sewage discharge standards and main pollution indicators

3 城镇污水处理厂升级改造

3.1 升级改造技术及工艺

由生活污水、工业废水和雨水组成的城镇污水水质水量变化较大，难降解有机物浓度高，BOD5/TN偏低，而SS/BOD5偏高，同时低温会引起TN、氨氮、TP和SS去除率降低。为达到更高排放标准，依据污水达标难点，城镇污水处理厂应对超标污染物进行有效去除，各单元COD、SS、氨氮、TN和TP的主要改造手段见表2[17-22],[23]26。预处理单元设置调节池可均衡水质水量，增设水解酸化池可提高后续生物处理单元水质生物降解，增设初沉池可提高COD、SS的去除；生物处理单元可通过添加填料等手段提高生物量，强化COD、TN、TP、氨氮和SS的去除；深度处理单元可通过增设O3氧化等手段进一步去除COD，通过添加除磷药剂强化磷的去除，利用滤布滤池等提高SS的去除，利用反硝化滤池并投加碳源提高TN的去除。

污水处理厂总体改造原则为先优化运行，后工程措施；先内部碳源，后外加碳源；先生物除磷，后化学除磷，合理控制成本和运行费用。生物单元强化通常是改造的核心，常用强化途径见表3[13]23。生物处理单元中，可以通过添加填料形成MBBR来提高生物量，提升处理负荷，强化处理效果，实现原池提量，对低碳源污水有较好的去除效果。有研究表明，在针对GB 18918—2002一级A的提标改造中，添加SPR-Ⅱ型悬浮载体的MBBR中硝化菌丰度为6.08%，是其在污泥中的6倍，反硝化菌的丰度为13.40%，未投加碳源情况下，MBBR中通过同步硝化反硝化(SND)途径去除TN的贡献率可达13.20%[24-25]。低温下城镇污水处理厂水质不易达标，但6～8 ℃下改造的MBBR工艺出水氨氮始终保持在5 mg/L以下，去除率达到94.2%，系统具有较好的耐低温性能[26]。无建设用地时，A2/O、SBR和氧化沟工艺均能较易改造成MBBR，在好氧池或缺氧池原位原池进行，对工艺流程影响小。

表3 强化生物处理途径Table 3 Enhanced biological treatment approaches

改造应因地制宜，充分利用现有处理设施，尽量减少新增设施，工艺的选取应力求运行安全可靠、技术先进成熟、出水水质优良、抗冲击负荷能力强、易于维护管理、高效节能，且宜减少工程投资及运行成本，常用改造工艺路线为强化预处理+生物处理运行优化及投加填料+同步化学除磷+深度处理，经深度处理后出水SS、BOD5、COD、氨氮、TN和TP分别不大于5、4、20、2、10、0.3 mg/L[13]21,[27]，出水水质达到相应污水排放标准。

3.2 改造工艺运行参数设置

工艺升级改造时需依据原有工艺的组成和特点重置与之匹配的水力负荷、有机负荷、混合液悬浮固体浓度(MLSS)、污泥龄(SRT)、回流比和水力停留时间(HRT)等运行参数，参数对工艺稳定运行、污染物去除和节能降耗有重要影响。水力负荷过低使HRT过长，影响处理规模，水力负荷过高使HRT过短，污染物去除效率降低，同时对二沉池泥水分离产生不利；高有机负荷将加快有机物降解，产生更多剩余污泥，加重企业处理负担，低有机负荷需加大池容，与实际处理需求不符；维持适宜的MLSS，可以保证足量的生物浓度和活性，MLSS过低生物数量不足，废水处理效果不高，MLSS过高则使SRT延长，活细胞浓度降低，同时影响泥水分离和传质效果；SRT决定活性污泥中微生物的种类，世代时间长于SRT的微生物在污泥中不能成为优势菌种，脱氮除磷微生物对SRT要求不同，脱氮相比除磷需更长的SRT，SRT越长则有机负荷越低，硝化效果越好；通过调控回流比可以维持MLSS在适宜水平和二沉池稳定，回流比过高会降低二沉池污泥沉淀效率，使出水水质下降，回流污泥浓度相应降低，回流比过低则生物池MLSS不足，出水水质降低；HRT要与污染物的去除和功能微生物的时代周期相适应，HRT过短水质下降甚至恶化。我国城镇污水运行温度冬季10～16 ℃，夏季24～30 ℃[28]，冬季低温条件下COD、BOD5、TN、TP、氨氮和SS去除率有所降低，水质难以稳定达标。适当降低有机负荷，提高污水HRT，增大回流比以及提高SRT可应对低温的不利影响。

3.3 升级改造工艺的评价与优化

通常依据经验或者使用简单传统的计算即可完成城镇污水处理厂的升级改造与参数设计，但对于排放标准较严格的污水处理厂，基于经验和计算的升级改造通常难以满足设计要求，为确保升级改造后污水处理达到效果，且运行稳定可靠，需对升级改造的工艺进行模拟分析、诊断和优化。利用活性污泥数学(ASM)模型对污水处理过程进行模拟可对升级改造后的工艺进行评价和优化[29]1119，在设备选型上筛选出节能高效设备，使之能够有效应对生产运行中的水量波动，实现节能降耗。常用的ASM模型主要包括ASM1、ASM2、ASM2D、ASM3 4个[30]，在污水处理厂工艺评价和优化中发挥了重要作用。庞洪涛等[31]利用BioWin软件对某城市污水处理厂悬浮填料生物膜工艺的运行问题进行模拟诊断，结果表明调整DO≥4.5 mg/L、排泥量≤250 m3/d或回流比≥50%均可使出水氨氮达到排放标准；将填料投配于生化池的后段能够改善硝化效果；参数调节的优先次序依次是排泥量、回流比、投配方式和DO。胡志荣等[32]利用GPS-X软件对采用传统方法设计的污水SBR处理工艺进行了评价，结果表明利用传统方法设计的SBR工艺的循环设置并不能满足所有运行条件下的出水水质要求，可以通过模拟分析技术优化SBR的循环设置使得出水水质满足设计要求。马昭等[33]利用ASM2D模型对实际奥贝尔氧化沟工艺进行建模，并校准与验证模型，通过优化氧化沟的回流比与BOD5污泥负荷率以达到对工艺的优化，结果表明当污泥回流比为55%～60%、污泥负荷为0.056～0.060 kg/(kg·d)时，奥贝尔氧化沟工艺可取得较好的污染物去除率。

4 城镇污水处理厂升级改造案例

4.1 A2/O类工艺改造

福建某污水处理厂主体工艺为A2/O工艺，设计规模为5.0×104m3/d，设计进水水质BOD5、COD、氨氮、TN、TP、SS分别为225、380、35、50、4.0、250 mg/L，出水水质执行GB 18918—2002一级A标准，现要求出水提高GB 3838—2002 Ⅳ类水域水质标准(TN除外)，根据工艺流程，高效沉淀池及纤维转盘滤池主要去除SS和TP，TN和氨氮是该污水处理厂出水达标的难点。该厂拟采用两种方案进行改造并设置相应的工艺参数，方案1为改良Bardenpho工艺，即在现有A2/O后增加A/O工艺；方案2为在二沉池后增设反硝化滤池，即A2/O+反硝化滤池工艺。在GPS-X模拟软件平台中建立两种方案的工艺模型流程(见图1)，模拟不同进水温度下的两种改造方案的处理效果，结果表明方案1出水TN、氨氮浓度更低，脱氮性能更好，更能有效保证出水TN及氨氮达标。鉴于该污水处理厂需要重点保证脱氮效果，因此拟定提标工艺为改良Bardenpho工艺。对改良Bardenpho工艺进行优化模拟，选择排泥量为1 050 m3/d，优化后工艺混合液回流比和污泥回流比分别由原来的200%、100%降至160%、80%，出水COD、BOD5、氨氮、TN和TP均达到GB 3838—2002 Ⅳ类水域水质标准[34]。

图1 改造工艺的模拟流程Fig.1 Simulation of improved technical processes

4.2 氧化沟类工艺改造

浙江某污水处理厂一期设计处理规模为6.0万m3/d (实际进水5.4万～7.2万m3/d)，二期扩建6.0万m3/d，深度处理总规模为12.0万m3/d[23]25。该污水处理厂进水中工业废水含量高，生活污水和工业废水体积比约为47∶53，进水COD、SS、氨氮、TN、TP分别为422、188、33.9、41.1、5.82 mg/L，主体工艺为调节池+厌氧水解池+氧化沟+高密度沉淀池+转盘滤池工艺，出水水质执行GB 18918—2002一级A标准。改造前，该污水处理厂进水各污染因子浓度比设计值稍高，厌氧水解池未设厌氧污泥回流，氧化沟池深较深，氧利用率不高，能耗较高，曝气效果欠佳，整个流程脱氮除磷功能分区不明确，未投加碳源和同步化学除磷。因此，难降解COD、TN、TP为该污水处理厂达标的难点。基于原有工艺结构，设计改造工艺为调节池+水解酸化+多段式强化脱氮A2/O生化+O3氧化+高效沉淀+生物滤池+消毒工艺，改造后的工艺流程见图2。

图2 浙江某污水处理厂提标改造工艺流程Fig.2 Technical process for upgrading of a sewage treatment plant in Zhejiang

在提标改造过程中，该项目增设原有厌氧水解污泥回流设施，确保池内污泥浓度，提高效果；氧化沟增加同步化学除磷和投加碳源措施，同时投加悬浮填料，以提高池内污泥浓度，出水稳定达到GB 3838—2002 Ⅳ类水标准(TN除外)。改造总工程费用29 632.01万元，设计直接处理成本为1.72元/m3，污水处理厂单位水量电耗为1.4 (kW·h)/m3；实际运行时直接处理成本为1.40元/m3，污水处理厂单位水量电耗为1.0 (kW·h)/m3。

4.3 SBR类工艺改造

呼和浩特市某污水处理厂采用CAST工艺，设计规模5×104m3/d，出水劣于GB 18918—2002一级B标准[35]。该污水处理厂出水氨氮偏高，且现况设计未考虑TN，脱氮是达标难点。因厂区用地紧张，综合考虑工程投资等因素，在保证出水水质的前提下，利用现况设施，减少新增工程量降低造价，节约成本，同时预留再次提标余地，拟采用MBBR+活性砂滤池工艺进行提标改造。改造后污水处理厂平均出水COD、BOD5、氨氮、TN、TP分别为23.5、4.5、1.58、12.3、0.28 mg/L，出水水质达到GB 18918—2002一级A标准。

河北省张家口市某城镇污水处理厂设计处理规模为1.5×104m3/d，实际处理规模为8 000～12 000 m3/d[29]1121，实际进水COD、BOD5、氨氮、TN、SS分别为(400±50)、(160±20)、(70±10)、(80±10)、(200±20)mg/L，原主体工艺采用CASS，出水水质执行GB 18918—2002一级B标准。该污水处理厂实际进水氨氮远高于设计值，COD低于设计值，实际进水碳氮比约4.75，碳源不足导致出水TN不达标。基于ASM模型采用GPS-X软件构建了该厂CASS工艺提标改造模型，分别对污泥回流比、反应区体积比、充水比、运行周期和不同水温的CASS运行方案进行数值模拟优化，综合模拟结果提出以下改造方案：常温(20 ℃)下，缺氧区与好氧区体积比为12.8%，在进水的同时，主反应区打开搅拌器进行反硝化，时间为90 min；污泥回流比设为200%，进水结束后曝气，曝气时间120 min，沉淀60 min，滗水60 min，滗水深度1.25 m，排泥30 min；温度降至15 ℃时，延长30 min搅拌时间。冬季温度在8 ℃以下时，额外增加30 min曝气时间。升级改造之后的实际运行效果表明，冬、春季的出水TN分别为(9.83±1.40)、(11.45±1.15)mg/L，可稳定达到GB 18918—2002一级 A 标准，基于ASM模拟优化的升级改造方案切实可行。

5 结论与展望

污水处理厂升级改造要依据工程实际，对进水水质、水质达标难点、工程存在的现状问题、经济水平等进行全面分析，改造技术和工艺的选取要因地制宜，在参考类似工艺改造经验的基础上尽可能结合现有设施，升级改造工艺的处理效果和运行成本分析要基于数学模型的模拟和优化进行。当前大部分改造工艺均凭借经验或者简单的传统计算完成，对于更严格的污水排放标准在设备的选择、工艺评价和优化、节能降耗和全周期调度管理等方面很难实现精细化和智慧化。未来城镇污水处理厂升级改造应从以下方面开展：(1)基于ASM模型的多功能软件的开发和应用；(2)开发高效经济的传统技术和新技术复合的新工艺；(3)充分运用建筑信息模型、信息化技术和人工智能技术，探索数字化污水处理厂建设。