摘要：污水處理廠原規(guī)劃控制用地指標多按照二級標準預留，隨著國家“水十條”發(fā)布，加速了城鎮(zhèn)污水處理設施建設與改造。污水、污泥、除臭等處理要求不斷提高，在現(xiàn)有用地上，既要滿足規(guī)劃遠期處理量，又要滿足提標改造的需要，用地已是十分緊張。在這種情況下，占地面積小，處理能力強的三級處理工藝被迫切需求。

作者：姚崑（上海巴安水務股份有限公司，上海201716）

前言

水資源是人類賴以生存的最重要資源，然而隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增多，水污染的加劇，水與人之間的矛盾更加突出，如何更好地利用水資源、保護水資源已經(jīng)成為我們亟待解決的問題之一。城市污水處理廠作為污水處理的最重要的設施越來越受到人們的關注。充分發(fā)揮污水處理廠的作用才能有效地減輕水環(huán)境的壓力，實現(xiàn)資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。隨著國家“水十條”發(fā)布，加速了城鎮(zhèn)污水處理設施建設與改造�，F(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理設施，要因地制宜進行改造，2020年底前達到相應排放標準或再生利用要求。建成區(qū)水體水質(zhì)達不到地表水Ⅳ類標準的城市，新建城鎮(zhèn)污水處理設施要執(zhí)行一級A排放標準。按照國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃要求，到2020年，全國所有縣城和重點鎮(zhèn)具備污水收集處理能力，縣城、城市污水處理率分別達到85%、95%左右。因此，城鎮(zhèn)污水處理廠提標改造已刻不容緩。

1城市污水處理廠提標改造分析

為了避免城市污染處理水廠尾水成為新的污染源，必須加強對污水處理廠的出水指標控制。污水處理廠的進出廠水質(zhì)主要與以下幾個方面有關：

1.1與城市經(jīng)濟發(fā)展水平相關

不同的城市所在地域和經(jīng)濟發(fā)展水平不同，城市污染水的水質(zhì)也不同。比如南方沿海地區(qū)和南方城市用水量比較大，污水濃度比較低；北方城市特別是西部地區(qū)的降雨少，用水量也相對比較少，所以污水的濃度比較高。工業(yè)比重較大的城市，工業(yè)廢水排入地下水的濃度比較高，因此城市污染水的濃度也比較高。

1.2工業(yè)廢水水質(zhì)

按照我國制定的工業(yè)廢水排放要求，所有排入城市污水下水道的水必須經(jīng)過污水處理廠的處理，只有工業(yè)廢水達到了排放標準，才能排到城市管網(wǎng)。但是目前我國城市工業(yè)廢水排放的手段和管理制度還不健全。一些工廠，為了降低生產(chǎn)成本，工業(yè)廢水不經(jīng)過處理，直接排放到地下水道的現(xiàn)象時有發(fā)生。

1.3其它污染源

城市污水除了工業(yè)廢水和生活污水污染源外，還包括垃圾處理廠填埋滲濾液、農(nóng)牧業(yè)廢水等等。

目前，我國城市污水廠提標改造主要是從原來的一級B標準提高到一級A標準，其主要的污染物指標削減如表1所示。

表1主要污染物削減量要求（單位：mg/L）

注：括號外數(shù)值為水溫＞12℃時的控制指標；括號內(nèi)數(shù)值為水溫≤12℃時的控制指標。

通過表1可見，一級排放標準A標準中：①BOD5、NH3-N、SS、CODCr控制要求提高。②TN控制要求非常高，冬天水溫12℃時仍要控制在15mg/L以下。③TP的控制進一步加強，由1mg/L降低到0.5mg/L。

對于以上BOD5、NH3-N、CODCr和TN指標可以通過對城鎮(zhèn)污水廠目前普遍采用的二級處理工藝進行強化來進一步去除，但對于SS和TP必須采用三級處理工藝才能實現(xiàn)達標排放。以為常規(guī)的生物除磷很難使TP的去除達到0.5mg/L的限值，必須采用化學除磷；而為了不影響現(xiàn)有的生化工藝，化學除磷應考慮放在三級處理工藝中進行。此外，城市污水處理廠二級處理中常規(guī)重力沉淀也很難保證SS的穩(wěn)定達標排放，因此也應考慮采用三級處理。

2城市污水廠提標改造工藝路線選擇

城市污水處理廠提標改造前，需要結合各種因素，綜合對比分析，明確改造的重點和難點，最后確定最終的提標改造工藝路線。a.應先充分理解現(xiàn)狀及污水廠的原設計要點，包括原設計的進水指標，各工藝單元的主要設計參數(shù)；b.要全面了解污水廠現(xiàn)階段的運行狀況，主要出水指標數(shù)據(jù)分析，確定不達標指標有哪些；c.結合原設計及現(xiàn)狀世紀運行情況，確定提標改造的工藝路線。

2.1二級工藝的改造方案

對于現(xiàn)狀城市污水廠的提標改造可以分為以下幾部分：一是對現(xiàn)狀污水廠普遍采用的二級處理工藝進行改造，來強化處理效果；二是新建三級處理構筑物，來進一步去除污染物，進而做到達標排放；三是新技術膜生物反應器(membranebioreactor，MBR)的運用，MBR出水不需經(jīng)三級處理即可實現(xiàn)達標排放和滿足直接回用要求。

二級處理工藝的改造，主要是為了提高對BOD、COD、和氮磷的去除效果，因此改造的重點在于生化池。目前，城市污水廠的生化池采用的形式主要有A/A/O和氧化溝。因此對于生化池的改造主要有減荷增效和泥法-膜法聯(lián)用。

2.1.1生化池減荷增效

在污水的生化處理中，根據(jù)活性污泥法的反應器理論[1]，當生化池進水污染物負荷降低時，能夠有效提高微生物的去污效果，使出水中污染物的各類指標進一步降低。目前工程中通常采用的措施有：(1)進水的分流量減荷；(2)生化池的擴容減荷。

1)分流量減荷

當平面布置允許時，可以通過新建生化池來達到分流量，最終實現(xiàn)生化池負荷的降低。此方案最大的優(yōu)點是不影響污水廠現(xiàn)有工藝的正常運行，大大降低了因改造而對污水廠帶來的損失和不便，做到生產(chǎn)和改造同步進行。

2)擴容減荷

生化池的擴容主要是降低負荷，延長污泥泥齡和水力停留時間，進而提高生物處理效果。具體措施有：(1)擴大原有生化池的容積，其前提是必須有足夠的場地；(2)把原有初沉池改造成生化池，初沉池對BOD5有20％～30％的去除率[2]，降低了進入生化池的BOD濃度，碳氮比的下降不利于脫氮。因此把初沉池改造成生化池，不僅有利于TN的去除，同時平面布置和高程銜接上也無任何困難。此方案最大的優(yōu)點是充分利用了現(xiàn)有構筑物，做到了挖潛增效。

2.1.2泥法-膜法聯(lián)用

在污水的生物處理中，主要有懸浮生物法，簡稱泥法（即常見的活性污泥法）和固定膜生物法，簡稱膜法。目前城市污水廠采用的主流工藝是活性污泥法，主要是固定膜生物法需要設置填料，而填料的費用一般較高。但是在微污染飲用水的生物預處理中，生物膜法已經(jīng)得到廣泛運用，并取得了顯著的效果[3]。生物膜法的主要優(yōu)點是生物量大，污泥齡長，抗沖擊負荷，具有良好的硝化功能，尤其在低溫季節(jié)，生物膜法的脫氮效果明顯比活性污泥法要好。活性污泥法的優(yōu)點是運行靈活，可靠，出水質(zhì)量高，抗短時有機負荷和水力負荷能力比較強[4]。在城市污水廠的提標改造中，可以在原有生化池中設置填料，充分利用兩者的優(yōu)點，做到取長補短，優(yōu)勢互補。
 

1)生化池增設填料

生化池中增設填料就是在活性污泥曝氣池中投加懸浮型填料作為微生物附著生長的載體。由于填料的加入，使污水處理機理和效能都大為改變。在這種系統(tǒng)中，微生物生存的基礎環(huán)境由原來的氣、液兩相轉(zhuǎn)變?yōu)闅�、液、固三相，載體表面的生物膜與液相中的懸浮污泥共同發(fā)揮作用，各自發(fā)揮降解優(yōu)勢，形成了一個更復雜的復合式生態(tài)系統(tǒng)。在復合系統(tǒng)中由于曝氣的作用，懸浮狀態(tài)和填料表面附著狀態(tài)的微生物處于好氧狀態(tài)，主要由去除有機物的異養(yǎng)菌和硝化、亞硝化菌組成。從填料表面的好氧區(qū)到填料的內(nèi)部，由于受到氧轉(zhuǎn)移的影響，形成中間兼氧區(qū)、內(nèi)部厭氧區(qū)，存在兼性反硝化細菌，將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化成氮氣，起到去除總氮的作用。

2)增設曝氣生物濾池

曝氣生物濾池(biologicalaeratedfilter，BAF)是將接觸氧化與過濾工藝有機結合在一起的一種好氧生物膜法處理工藝。反應器內(nèi)存在著不同的好氧、缺氧區(qū)域，可同步實現(xiàn)硝化和反硝化，對廢水中的有機物、氨氮、磷等都有較好的去除效果，同時該工藝具有容積負荷高、水力負荷大、水力停留時間短、所需基建投資少、占地面積小、出水水質(zhì)好等特點[5]。

2.2三級處理工藝的新建方案

三級處理工藝的新建主要是為了去除二級處理中不能有效穩(wěn)定去除的污染物，如SS和TP。二沉池出水中的SS一般波動較大，很難達到良好的去除率；而TP的去除在二級處理中主要依靠生化池的生物效應，而冬季水溫一般較低，單獨的生物效應很難保證達標排放。為實現(xiàn)中水回用和達標排放的目的，二級處理出水必須進行深度處理。

2.2.1混凝-沉淀-過濾

混凝-沉淀-過濾是目前自來水廠采用的主流工藝，當用于污水三級處理時其各處理單元的主要作用有：混凝主要是：(1)澄清降濁；(2)化學除磷。沉淀主要是：減輕后續(xù)過濾單元的負荷，防止濾料阻塞，減少濾池反沖洗次數(shù)。過濾主要是：進一步去除水中的固體懸浮物，確保出水穩(wěn)定達標。

2.2.2微絮凝-過濾

微絮凝-過濾就是原水加藥混合經(jīng)過絮凝后不經(jīng)沉淀而直接過濾的工藝。當污水廠二級處理中SS去除效果較好，同時工藝運行穩(wěn)定，但需要進一步有效除磷的，后續(xù)三級處理工藝可以考慮采用微絮凝-過濾。通過加藥微絮凝過程使二級處理出水中溶解態(tài)的磷酸離子形成難溶性的磷酸鹽，再通過后續(xù)的過濾單元得到進一步去除。本工藝減少了沉淀單元，使得工程造價減少，同時工藝流程簡潔，運行簡單。

2.2.3直接過濾

直接過濾就是二級處理出水直接通過濾池過濾。在污水廠二級處理出水水質(zhì)較好，并能穩(wěn)定運行，三級處理可以采用直接過濾。該工藝流程簡單，運行費用節(jié)省。

從以上三種工藝可以看出：過濾單元是三級處理工藝的核心，是保障出水水質(zhì)的把關措施。目前，過濾在實際工程中普遍采用V型濾池。V型濾池的特點是：過濾周期長，采用均質(zhì)深層砂濾料，濾料層利用率高，截污能力強、濾速高、濾后水質(zhì)好，反沖洗方式為氣水反沖加表面掃洗，反沖洗強度小，節(jié)省沖洗水量和電耗，反沖洗效果好。此外還有翻板濾池和D型濾池，以及最近從國外引進的轉(zhuǎn)盤過濾器和濾布濾池等。

2.3膜生物反應器(MBR)的運用

MBR[6,7]是將超、微濾膜技術與污水處理中的生物反應器相結合的一種新的污水處理裝置。超、微濾膜截留活性污泥混合液中微生物絮體，使之停留在生化池內(nèi)，使生化池內(nèi)活性污泥濃度大大提高，并延長了污泥齡，極大提高了微生物對有機物的降解，同時超、微濾膜作為泥水分離單元，可以完全取代二沉池。MBR工藝適用于需要除磷脫氮，同時用地緊張，出水水質(zhì)要求高或有回用要求的場合。目前MBR工藝的工程投資及運行成本還是相對較高，但隨著膜材料研究的不斷深入，MBR工藝也將更具有實用價值。

3城市污水廠提標改造困境及對策分析

3.1存在的困難和問題

3.1.1建設用地制約

污水處理廠原規(guī)劃控制用地指標多按照二級標準預留，近年來，污水、污泥、除臭等處理要求不斷提高，在現(xiàn)有用地上，既要滿足規(guī)劃遠期處理量，又要滿足提標改造的需要，用地已是十分緊張。隨著城市發(fā)展的不斷擴張，污水處理廠廠址從最初的城市邊緣逐漸向城市中心靠攏，周邊被民用、商用等各種建筑包圍，污水廠周邊新征用地不僅受到環(huán)保距離約束，拆遷也存在較大難度。在這種情況下，污水廠管理企業(yè)多被要求在原廠址范圍內(nèi)進行擴建、提標等建設任務，這無疑給設計、施工、運營帶來了相當?shù)膲毫�和難度。

3.1.2建設、運營資金的增加

根據(jù)對江蘇、上海等地提標改造典型工程的實地調(diào)查獲知，深度處理常規(guī)工藝混凝沉淀池、濾池等處理單元，投資均在100元/噸水以上。以一個10萬噸/天污水廠為例，從一級B提標至一級A，主要工藝采用生物池投加填料+混凝沉淀池+濾布濾池方案，則主要大型設備需要增加5000萬元左右投資，運行成本也相應增加。

3.1.3技術瓶頸

（1）進水水質(zhì)存在著較嚴重的工業(yè)廢水沖擊。原則上工業(yè)廢水必須經(jīng)過處理后達到“污水排入城市下水道水質(zhì)標準”后才可納入城市管網(wǎng)，最終進入污水處理廠。但由于目前我國對點源污染的管理體制和手段尚未健全，工業(yè)廢水不經(jīng)處理后直接排入城市下水道的現(xiàn)象屢有發(fā)生，因此在確定污水處理廠提標改造進水水質(zhì)時，必須充分考慮該因素的影響。而根據(jù)幾家城市污水處理廠主要污染物來源調(diào)查研究，經(jīng)進水水質(zhì)水量特性分析后發(fā)現(xiàn)，工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)廢水排放已經(jīng)對城市污水處理廠進水水質(zhì)和出水穩(wěn)定達標產(chǎn)生了不同程度的影響，例如垃圾滲濾液等廢水、重金屬、有毒有害有機物、硝化抑制物和含氮雜環(huán)化合物（不可氨化有機氮）工業(yè)廢水直接影響到微生物的生存。這些廢水不加以禁止或者總量控制，對進水水質(zhì)波動很大、對生物處理系統(tǒng)造成不可逆的影響，因此如果不加強污染物源頭控制，污水處理廠升級改造想要達到預期目標很難得到保障。（2）進水有機濃度低（低碳源）特性。進水水質(zhì)水量特性和出水水質(zhì)標準的確定是污水處理工藝方案選擇的關鍵環(huán)節(jié)，也是我國當前污水處理工程設計中存在的薄弱環(huán)節(jié)之一。調(diào)查結果表明，大多數(shù)情況是實際進水水質(zhì)低于設計值，造成部分污水處理廠未進行升級改造前，大部分出水指標就己經(jīng)達到要求，但同時由于進水有機污染物濃度（碳源）偏低，導致微生物缺乏營養(yǎng)基質(zhì)，生物處理效果較差，脫氮除磷效果不理想，影響出水指標很難穩(wěn)定達標。在目前國內(nèi)污水廠升級改造過程中，進水低濃度已成為一個共性問題，在水質(zhì)構成復雜或特殊時，有必要進行工藝動態(tài)試驗或中試研究，否則即便選擇合理的工藝，進水濃度偏低也將成為制約提標改造能否成功的關鍵因素之一。

3.2因廠而異，選擇合適的工藝

目前國內(nèi)污水廠提標改造生物核心工藝段采用生物脫氮除磷工藝以及膜生物反應器技術較多，而污水廠的提標改造一般包括水力改造、設備改造和工藝提標改造等，其中污水處理工藝升級改造是提高出水水質(zhì)的關鍵。與新建污水處理廠不同，污水處理廠升級改造的工藝選擇問題相對復雜，通常情況下要考慮三個問題：①盡量利用原有構筑物，投資少；②工藝運行可靠，靈活性強；③處理效率高，能耗低。就處理功能而言，生物脫氮除磷和膜生物反應器技術均可實現(xiàn)工藝升級改造的目的，但從運行成本、管理和節(jié)能等方面綜合考慮，對工藝的選擇仍是提標改造的關鍵所在。

4解決污水廠提標改造土地制約新方案

雖然目前的城市污水廠提標改造工藝路線中，常用的三級處理工藝可滿足污水廠外排水對磷及懸浮物的要求，但土地制約問題突出，很多城市污水廠根本沒有多余的土地去新建三級處理設施，在這種情況下，占地面積小，處理能力強的三級處理工藝被迫切需求。

4.1KWI氣浮深度除磷新工藝（DephoPackTM）

隨著污水處理的排放標準不斷提高，要求排入重點流域及湖泊、水庫等水域時，執(zhí)行一級A標準總磷限值為0.5mg/L，甚至對于某些敏感水體如滇池，周邊污水處理廠總磷限值達到了0.05mg/L，現(xiàn)有污水處理廠除磷技術不足以改善水質(zhì)達到總磷限值標準。在這種情況下，污水廠的提標改造，需要通用以及穩(wěn)定可靠、占地面積小、運行成本低的深度除磷工藝。來自于溶氣氣浮鼻祖奧地利KWI的浮濾一體化除磷工藝DephorPack™能夠滿足這三方面要求。

圖1.KWI的浮濾一體化除磷工藝DephorPack™

環(huán)境工程工藝師開發(fā)出新工藝利用化學混凝絮凝、沉淀、過濾、浮選的組合機制可產(chǎn)生低于0.01mg/L的出水正磷酸鹽(PO4-P)濃度，總磷濃度通常小于0.10mg/L。

4.2ItN陶瓷平板膜應用于MBR

與許多傳統(tǒng)的生物水處理工藝相比，MBR具有以下主要特點：

一、出水水質(zhì)優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定

由于膜的高效分離作用，分離效果遠好于傳統(tǒng)沉淀池，處理出水極其清澈，懸浮物和濁度接近于零，細菌和病毒被大幅去除。

同時，膜分離也使微生物被完全被截流在生物反應器內(nèi)，使得系統(tǒng)內(nèi)能夠維持較高的微生物濃度，不但提高了反應裝置對污染物的整體去除效率，保證了良好的出水水質(zhì)，同時反應器對進水負荷（水質(zhì)及水量）的各種變化具有很好的適應性，耐沖擊負荷，能夠穩(wěn)定獲得優(yōu)質(zhì)的出水水質(zhì)。

二、剩余污泥產(chǎn)量少

該工藝可以在高容積負荷、低污泥負荷下運行，剩余污泥產(chǎn)量低（理論上可以實現(xiàn)零污泥排放），降低了污泥處理費用。

三、占地面積小，不受設置場合限制

生物反應器內(nèi)能維持高濃度的微生物量，處理裝置容積負荷高，占地面積大大節(jié)�。辉摴に嚵鞒毯唵�、結構緊湊、占地面積省，不受設置場所限制，適合于任何場合，可做成地面式、半地下式和地下式。

四、可去除氨氮及難降解有機物

由于微生物被完全截流在生物反應器內(nèi)，從而有利于增殖緩慢的微生物如硝化細菌的截留生長，系統(tǒng)硝化效率得以提高。同時，可增長一些難降解的有機物在系統(tǒng)中的水力停留時間，有利于難降解有機物降解效率的提高。

五、操作管理方便，易于實現(xiàn)自動控制

該工藝實現(xiàn)了水力停留時間（HRT）與污泥停留時間（SRT）的完全分離，運行控制更加靈活穩(wěn)定，是污水處理中容易實現(xiàn)裝備化的新技術，可實現(xiàn)微機自動控制，從而使操作管理更為方便。

六、易于從傳統(tǒng)工藝進行改造

該工藝可以作為傳統(tǒng)污水處理工藝的深度處理單元，在城市二級污水處理廠出水深度處理（從而實現(xiàn)城市污水的大量回用）等領域有著廣闊的應用前景。

傳統(tǒng)的膜-生物反應器也存在一些不足。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

o膜污染容易出現(xiàn)，給操作管理帶來不便；

o能耗高：首先MBR泥水分離過程必須保持一定的膜驅(qū)動壓力，其次是MBR池中MLSS濃度非常高，要保持足夠的傳氧速率，必須加大曝氣強度，還有為了加大膜通量、減輕膜污染，必須增大流速，沖刷膜表面，造成MBR的能耗要比傳統(tǒng)的生物處理工藝高。

與傳統(tǒng)的有機聚合物MBR相比，ItN陶瓷平板膜應用于MBR主要有以下優(yōu)勢：

o不需要進行離線化學清洗（極少的人工和維護成本）；

o占地面積小，穩(wěn)定的高質(zhì)量產(chǎn)水；

o極長的工作壽命（大于20年）；

o高通量（35-60LMH）；

o較低的反洗頻率和化學清洗頻率導致很低的運行成本（節(jié)省超過50%）；

o在10年以上的運行后仍然可以通過反洗/化學清洗達到接近100%的通量恢復能力。

KWI的浮濾一體化設備用于城市污水廠三級處理工藝，不僅可以使尾水的SS及TP達標排放，由于占地面小，可滿足于受土地制約影響的污水處理廠的提標改造；ItN陶瓷平板膜應用于MBR，不僅可以彌補傳統(tǒng)有機聚合物MBR的不足，還可以使MBR的占地面積更小。當土地成為制約因素的時候，地價從30萬到100萬，mbr工藝代替二級和深度處理是有投資優(yōu)勢的。

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