城市污水廠一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)提標(biāo)改造工藝設(shè)計(jì)
摘 要 隨著我國(guó)城市水環(huán)境提升、黑臭河道治理等行動(dòng)計(jì)劃加速，污水廠一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)正全面推行，但同時(shí)也面臨著污水處理工藝流程延長(zhǎng)、藥耗能耗增加等嚴(yán)峻形勢(shì)，而工藝設(shè)計(jì)的合理選擇將直接關(guān)系到工程投資和運(yùn)行成本，并影響污水廠高效低耗、安全穩(wěn)定運(yùn)行。為此，文中總結(jié)了污水廠一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)提標(biāo)改造工藝設(shè)計(jì)難點(diǎn)和設(shè)計(jì)原則，論述了污水廠出水提標(biāo)至一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)手段，對(duì)比分析了深度處理工藝主要構(gòu)筑物選型及特點(diǎn)，并對(duì)污水廠未來發(fā)展方向提出了建議，以期為污水廠提標(biāo)改造工藝的選擇與設(shè)計(jì)提供借鑒。
根據(jù)污水處理的目標(biāo)與程度，城市污水處理廠的發(fā)展主要經(jīng)歷了3個(gè)階段。(1)以去除懸浮物、較大顆粒物為主的一級(jí)污水廠，處理工藝一般為沉砂池、初沉池，該類污水廠主要建于20世紀(jì)初期，對(duì)污水中BOD5、SS的去除率分別約為30%與50%，目前一級(jí)污水廠僅在特殊情況下采用或作為更高級(jí)污水廠分期建設(shè)的第一階段。(2)以生物處理為主體的二級(jí)污水廠，即一般在預(yù)處理的基礎(chǔ)上新增曝氣反應(yīng)池和二沉池，該類污水廠在20世紀(jì)50年代以后得到快速發(fā)展，可去除水中可生物降解的有機(jī)物、懸浮固體以及部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(氮、磷)等，尤其是對(duì)污水中COD、BOD5的去除率可分別達(dá)到80%與90%[1-2]，二級(jí)生物處理主要包括活性污泥法(AO工藝、AAO工藝、氧化溝OD工藝以及SBR工藝等)和生物膜法(生物濾池等)，目前兩者共同覆蓋了我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施主體工藝的90%以上[3]。(3)以“混凝-沉淀-過濾”深度處理工藝為代表的三級(jí)污水廠，該類污水廠在20世紀(jì)60年代末開始建設(shè)，至90年代逐漸得到重視，主要用來進(jìn)一步去除污水中剩余的懸浮固體、氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及其他微量有機(jī)物，三級(jí)污水廠出水大大降低了污染負(fù)荷，對(duì)于控制水體富營(yíng)養(yǎng)化、改善水環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。城市污水處理廠工藝流程如圖1所示。
近年來，由于城市水環(huán)境綜合治理的需求不斷提升，作為城市水環(huán)境保護(hù)的末端屏障——污水處理廠的作用愈加凸顯。相應(yīng)地，污水廠的水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)要求也不斷提高，城市污水處理廠提標(biāo)改造受到了更多重視[4]。污水處理廠提標(biāo)改造是指，在其現(xiàn)有處理規(guī)模基本保持不變的情況下，通過工藝改進(jìn)或增加深度處理設(shè)施[5]，使污水廠出水水質(zhì)滿足更高等級(jí)的污水排放標(biāo)準(zhǔn)。本文從實(shí)際工程出發(fā)，論述了污水廠出水提標(biāo)至一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)手段，對(duì)比分析了深度處理工藝主要構(gòu)筑物選型及特點(diǎn)，以期為污水廠提標(biāo)改造工藝的選擇與設(shè)計(jì)提供借鑒。
1 污水廠排放水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)
目前，我國(guó)現(xiàn)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)將基本控制項(xiàng)目的常規(guī)污染物標(biāo)準(zhǔn)值分為三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其中一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分為A標(biāo)準(zhǔn)和B標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)計(jì)資料顯示，截至2016年底，我國(guó)已累計(jì)建成污水處理廠3 552座，出水水質(zhì)執(zhí)行一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)比例約27%。根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)相關(guān)規(guī)定，污水廠出水水質(zhì)若要由一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)提升至一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，除了需要進(jìn)一步降低水中SS、BOD5、COD等物質(zhì)的濃度外，重點(diǎn)在于脫氮除磷；另一方面，污水廠一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)出水較地表Ⅴ類水體水質(zhì)還有一定的差距，若要滿足水體富營(yíng)養(yǎng)化控制要求，污水廠需采用深度處理工藝，降低TN、TP排放。此外，隨著國(guó)家“水十條”的發(fā)布，水污染的防治力度切實(shí)加大，部分地區(qū)制定了更為嚴(yán)格的地方標(biāo)準(zhǔn)，將排入地表水體氮、磷等污染物的排放限值規(guī)定進(jìn)一步接近或達(dá)到地表Ⅳ類水體水質(zhì)，但結(jié)合我國(guó)實(shí)際發(fā)展情況，大部分地區(qū)還應(yīng)以一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)為污水處理的主要目標(biāo)，因地制宜地實(shí)施污水處理廠的升級(jí)改造。
2 污水廠一級(jí)A提標(biāo)改造工藝
2.1 污水廠現(xiàn)狀問題分析
我國(guó)污水廠一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)提標(biāo)改造工藝面臨的主要難點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)。
(1)已建生物反應(yīng)池脫氮除磷效率不高，原因?yàn)閇6-7]：①進(jìn)水C/N偏低，導(dǎo)致反硝化脫氮時(shí)碳源不足，除磷效果變差；②低溫條件限制，尤其是冬季水溫低于12 ℃，嚴(yán)重影響反硝化速率；③水力停留時(shí)間不足，微生物降解作用不充分，不利于脫氮除磷。
(2)二級(jí)生物處理本身較難保證出水SS、TP及TN同時(shí)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。
針對(duì)上述問題，在實(shí)際工程中需采取強(qiáng)化二級(jí)生物處理工藝或增加深度處理工藝的方法進(jìn)行提標(biāo)改造，以確保污水廠出水水質(zhì)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。
此外，由于不同地區(qū)污水廠運(yùn)行現(xiàn)狀各不相同，提標(biāo)改造工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行污水廠實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)分析，并結(jié)合一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)出水水質(zhì)要求，確定污水廠提標(biāo)改造主要污染物去除重點(diǎn)與優(yōu)先控制次序。通常污水廠水質(zhì)提標(biāo)時(shí)，已建生物反應(yīng)池脫氮除磷能力可能不足，尤其是TN，需要進(jìn)行生物反應(yīng)池改造強(qiáng)化生物脫氮、增加后置反硝化脫氮工藝和碳源補(bǔ)充措施等；而對(duì)于TP，目前普遍采用生物除磷和化學(xué)輔助除磷相結(jié)合，用于化學(xué)除磷的藥劑主要有鐵鹽和鋁鹽，兩者相比，鐵鹽形成的礬花密實(shí)、沉降性能較好，但鐵鹽過量投加易引起出水色度增加，影響紫外線投射率，且三氯化鐵腐蝕性較強(qiáng)，對(duì)設(shè)備防腐要求較高，因此,工程設(shè)計(jì)中宜綜合比選確定。
2.2 工藝選擇
(1)污水生物脫氮除磷原理
在傳統(tǒng)的生物脫氮除磷工藝中，污水中氮的去除通過有機(jī)物氧化、氨化、硝化和反硝化過程實(shí)現(xiàn)，認(rèn)為硝化與反硝化兩個(gè)過程相對(duì)獨(dú)立；污水中磷的去除利用聚磷菌在厭氧條件下釋放磷，在好氧條件下過量吸收磷，最后通過排除富磷污泥實(shí)現(xiàn)。在工程應(yīng)用中，同一反應(yīng)池中生物脫氮與生物除磷過程易受各種因素影響(包括溫度、pH、碳源、溶解氧、污泥齡、混合液或污泥回流比等)，并相互制約，實(shí)際上很難同時(shí)獲得較高的生物脫氮、生物除磷效率。因此，在污水廠提標(biāo)改造時(shí)，對(duì)現(xiàn)有二級(jí)生物處理工藝脫氮除磷效率進(jìn)行分析，深入挖掘傳統(tǒng)工藝脫氮除磷能力，減少后續(xù)工藝流程長(zhǎng)度，是十分必要的。不同工藝生物脫氮除磷特性如表1所示。
(2)提標(biāo)改造工藝選擇
污水廠二級(jí)處理出水中TN以氨氮、硝酸鹽氮為主[8]；TP以溶解態(tài)的正磷酸鹽為主[9]，是水質(zhì)進(jìn)一步提標(biāo)的主要去除對(duì)象。根據(jù)水質(zhì)提標(biāo)脫氮除磷要求，工藝設(shè)計(jì)方案可分為3種：僅需脫氮、僅需除磷以及需要同時(shí)脫氮除磷。工程上，若要進(jìn)行生物脫氮或生物除磷，一般要求進(jìn)水BOD5/TKN>4或BOD5/TP>17，才能保證碳源充足；若要同步脫氮除磷，所需C/N、C/P更高，原因在于污水生物脫氮與生物除磷之間存在碳源競(jìng)爭(zhēng)[10]，碳源不足可能成為限制生物脫氮除磷效率提高的關(guān)鍵因素。隨著厭氧氨氧化、短程硝化反硝化和反硝化除磷等新型生物脫氮除磷工藝研究的應(yīng)用，污水處理過程中的碳源、能源消耗可大大減少。
但上述工藝在國(guó)內(nèi)實(shí)際工程應(yīng)用的還較少。因此，現(xiàn)階段我國(guó)污水處理廠提標(biāo)改造工藝設(shè)計(jì)的一般原則仍然是優(yōu)先生物脫氮、強(qiáng)化生物除磷、輔助化學(xué)除磷，同時(shí)宜考慮碳源補(bǔ)充措施。
2.3 工藝設(shè)計(jì)
2.3.1 已建處理單元改造
(1)初沉池改造
污水廠中初沉池主要用來降低懸浮固體(TSS的去除率為50%～70%，圖2)的含量，保證后續(xù)生物處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行，但另一方面，初沉池對(duì)碳源也有一定比例的去除(BOD的去除率為25%～40%，圖2)，造成污水廠生物反應(yīng)池進(jìn)水碳源不足問題更加突出，影響生物脫氮除磷效率。目前，針對(duì)污水廠已建初沉池，結(jié)合具體工程條件，若需要進(jìn)行改造，其一是將初沉池改為厭氧區(qū)或(預(yù))缺氧區(qū)，增加生物反應(yīng)池水力停留時(shí)間；其二是利用初沉池污泥發(fā)酵產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸(VFA)，充分利用內(nèi)部碳源，提高系統(tǒng)脫氮除磷效果。楊敏等[11]研究表明，初沉發(fā)酵池宜在進(jìn)水BOD5/TN偏低(BOD5/TN<4)、SS/BOD5偏高(SS/BOD5>1.2)時(shí)設(shè)置，可有效提高生物系統(tǒng)的污泥活性，減少外部碳源投加量。
(2)生物反應(yīng)池改造
污水廠提標(biāo)改造工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)狀水質(zhì)分析，按設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)對(duì)已建生物反應(yīng)池池容進(jìn)行復(fù)核，通過技術(shù)改造，充分發(fā)揮二級(jí)生物處理功能，提高生物脫氮除磷效率。目前，已建生物反應(yīng)池改造常用的方法有：①調(diào)整功能分區(qū)，若已建生物反應(yīng)池容積基本滿足要求，可通過新增土建隔墻或結(jié)合初沉池改造的方式，將原池內(nèi)各段分區(qū)進(jìn)行調(diào)整，或改為倒置AAO工藝、五段Bardenpho工藝、UCT工藝等；②MBBR工藝改造，即一般在優(yōu)先保證厭、缺氧區(qū)容積的條件下，通過好氧區(qū)投加懸浮填料富集微生物，實(shí)現(xiàn)活性污泥法與生物膜法聯(lián)用，保證二級(jí)生物處理效果，該方法比較適用于用地限制、不增加反應(yīng)池容積的老廠改造；③擴(kuò)容減量改造，通過核減已建生物反應(yīng)池處理規(guī)模，減小負(fù)荷、延長(zhǎng)水力停留時(shí)間，同時(shí)另外新建生物反應(yīng)池，滿足污水處理水量要求。
2.3.2 增加深度處理工藝
目前，在污水廠二級(jí)生物處理出水之后增加深度處理工藝，是保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的重要一步。根據(jù)工程設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)分析及主要污染物控制目標(biāo)，深度處理工藝設(shè)計(jì)一般可分為4類，如圖3所示。工程設(shè)計(jì)時(shí)，若二級(jí)處理出水水質(zhì)指標(biāo)接近或可達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，且達(dá)標(biāo)率較高、污水廠進(jìn)水水質(zhì)也趨于穩(wěn)定，可采用直接過濾(混凝-絮凝-過濾)或接觸過濾(混凝-過濾)工藝；若二級(jí)處理出水中NH3-N、TN較低，TP和SS指標(biāo)相對(duì)較高，可采用混凝-絮凝-沉淀-過濾工藝，出水經(jīng)消毒處理后，確保達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)；其次，若二級(jí)處理出水水質(zhì)相對(duì)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)差距較大，NH3-N和TN也較高，可采用曝氣生物濾池強(qiáng)化脫氮，后續(xù)增加混凝-絮凝-沉淀-過濾-消毒工藝，確保出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)；最后，若二級(jí)處理出水仍需進(jìn)行脫氮除磷，污水廠用地又十分緊張，出水標(biāo)準(zhǔn)也較高(或高于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn))，則可采用MBR工藝，出水經(jīng)消毒處理后達(dá)標(biāo)排放。
污水廠提標(biāo)改造方法還包括氣浮、臭氧氧化、活性炭吸附等，由于污水廠實(shí)際情況各不相同，出水標(biāo)準(zhǔn)要求也不同，最終設(shè)計(jì)方案需通過綜合比選后確定(表2)。但工藝設(shè)計(jì)時(shí)，宜優(yōu)先考慮強(qiáng)化二級(jí)生物處理脫氮除磷效率，減少后續(xù)工藝流程長(zhǎng)度，否則可能會(huì)造成工程投資增大、運(yùn)行成本增加，也不符合污水廠節(jié)能減排的要求。
2.3.3 污泥處理工藝改造
污水廠提標(biāo)改造由于設(shè)計(jì)規(guī)模和進(jìn)水水質(zhì)基本不變，新增污泥主要為化學(xué)除磷過程中產(chǎn)生的化學(xué)污泥，其產(chǎn)量相對(duì)剩余污泥較小，可沿用污水廠已建污泥處理設(shè)施。但近年來國(guó)內(nèi)環(huán)保要求愈加嚴(yán)格，污泥處置方式也已發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此，污水廠水質(zhì)提標(biāo)的同時(shí),還應(yīng)注重老廠現(xiàn)狀污泥處理設(shè)施的改造。
并配套除臭裝置等，以滿足城市環(huán)境衛(wèi)生和污泥最終處置出路的要求。Hao等[18]的研究表明，剩余污泥填埋及污泥農(nóng)用方式越來越受到限制，污泥脫水、干化后直接焚燒的處置方式具有較明顯的優(yōu)勢(shì)，對(duì)工程實(shí)踐具有重要參考意義。
2.4 主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)
(1)高效沉淀池
高效沉淀池是一種集混凝、絮凝和沉淀于一體的新型沉淀池，由于該池具有占地小、水力負(fù)荷高、污染物去除效果好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于污水廠提標(biāo)改造深度處理工藝中。高效沉淀池一般包括快混區(qū)、絮凝區(qū)和沉淀區(qū)3部分，通過投加化學(xué)藥劑，可有效去除COD、SS和TP，去除率可分別達(dá)60%、80%與90%。根據(jù)《城鎮(zhèn)污水再生利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50335—2016)，高效沉淀池主要設(shè)計(jì)參數(shù)：混合時(shí)間宜為0.5～1.0 min，絮凝時(shí)間宜為8～15 min，沉淀池表面負(fù)荷宜為10～20 m3/(m2·h)，污泥回流比宜為3%～6%。近年來，出現(xiàn)了磁粉或微砂等介質(zhì)強(qiáng)化高效沉淀池，通過投加磁粉或微砂，可提高絮體密實(shí)度，縮短沉降時(shí)間，減少化學(xué)藥劑的投加量，但工程應(yīng)用時(shí)還需重點(diǎn)關(guān)注流失磁粉或微砂對(duì)后續(xù)污泥處理處置的影響。
(2)過濾工藝
過濾單元作為污水廠深度處理工藝的核心，是保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵。目前，工程上過濾工藝的可選方案包括纖維濾布濾池、V型濾池、微過濾器、反硝化深床濾池以及曝氣生物濾池等(表3)。其中，前三者一般僅有過濾功能，以去除SS為主；而反硝化深床濾池、曝氣生物濾池兼有過濾和生物脫氮功能，尤其是曝氣生物濾池，通過設(shè)計(jì)不同的池型，可對(duì)BOD5、SS、NH3-N、TN等產(chǎn)生較好的去除效果。工藝設(shè)計(jì)時(shí)，宜將曝氣生物濾池置于化學(xué)除磷之前，保證進(jìn)水磷酸鹽等營(yíng)養(yǎng)充足；此外，硝化濾池還要特別注意控制進(jìn)水氨氮濃度，保證冬季硝化細(xì)菌的正常生長(zhǎng)。
注：*根據(jù)提供產(chǎn)品解決方案的廠商不同，濾料形式及濾床厚度各有區(qū)別，并直接影響濾池的性能
3 結(jié)論
(1)城市污水廠未來將更加注重污水的深度處理以及再生回用，污水廠提標(biāo)改造需結(jié)合不同地區(qū)的現(xiàn)狀差異，充分研究、因地制宜，確定合理的出水標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)方案，發(fā)揮污水廠的最大工程效益。
(2)城市污水廠一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)提標(biāo)改造應(yīng)先對(duì)其現(xiàn)狀進(jìn)出水水質(zhì)進(jìn)行分析，并結(jié)合水質(zhì)提標(biāo)要求，確定目標(biāo)去除污染物，以便在后續(xù)工藝設(shè)計(jì)中予以重點(diǎn)考慮；深度處理工藝設(shè)計(jì)需進(jìn)行方案綜合比選。對(duì)于TP超標(biāo)，化學(xué)除磷是必要的措施；對(duì)于TN超標(biāo)，宜優(yōu)先考慮已建生物反應(yīng)池改造，減少后續(xù)工藝流程長(zhǎng)度，必要時(shí)還可增加后置反硝化脫氮工藝，并設(shè)外加碳源補(bǔ)充措施。此外，在提標(biāo)改造過程中，還應(yīng)重視老廠污泥、臭氣的處理，以新帶老，實(shí)現(xiàn)污水廠水、泥、氣同步治理達(dá)標(biāo)。
(3)城市污水廠正面臨新形勢(shì)下的技術(shù)升級(jí)挑戰(zhàn)，以厭氧氨氧化、反硝化除磷為代表的新型生物處理工藝的工程應(yīng)用成為迫切需求。為此，通過技術(shù)升級(jí)提高生物處理效率，實(shí)現(xiàn)更高標(biāo)準(zhǔn)的出水水質(zhì)，并減少藥耗、能耗成本，探索能源的可持續(xù)性，對(duì)污水廠未來發(fā)展具有重要意義。