編者按

 

嚴(yán)峻的水環(huán)境形勢(shì)使得我國(guó)許多地區(qū)的污水處理廠都面臨著提標(biāo)改造的任務(wù)。但進(jìn)水碳源不足、規(guī)劃場(chǎng)地受限等諸多因素一直困擾升級(jí)改造工藝的選擇，常規(guī)的傳統(tǒng)應(yīng)對(duì)技術(shù)又具有投資大、運(yùn)行費(fèi)用高等不足，因此甄選投資及運(yùn)行費(fèi)用低廉，且具有可持續(xù)發(fā)展特性的新工藝、新技術(shù)就迫在眉睫。近些年，側(cè)流生物強(qiáng)化技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到發(fā)展和應(yīng)用。

首創(chuàng)股份及其旗下的工程技術(shù)平臺(tái)首創(chuàng)愛(ài)華（天津）市政工程有限公司，近些年掌握了在市政供水、市政污水、工業(yè)園區(qū)廢水和污泥處理項(xiàng)目中一些領(lǐng)先的技術(shù)，快速拓展了創(chuàng)新性技術(shù)的快速工程應(yīng)用能力，將先進(jìn)、成熟、具有競(jìng)爭(zhēng)力的一些革新技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)踐。首創(chuàng)愛(ài)華自2009年通過(guò)與丹麥Envidan公司合作，引進(jìn)吸收ARP、SSH及Envistyr技術(shù)，率先將側(cè)流生物技術(shù)引進(jìn)中國(guó)，并首先應(yīng)用于甘肅武威市污水處理廠脫磷除氮改造工程、淮南污水處理廠提標(biāo)改造工程、白銀市污水處理廠提標(biāo)改造工程等項(xiàng)目。

 

在杭州舉辦的“第四屆長(zhǎng)三角（蘇浙滬）排水與污水處理研討會(huì)”上，北京首創(chuàng)有限公司高級(jí)專(zhuān)家劉智曉博士，通過(guò)對(duì)歐美在側(cè)流技術(shù)的總結(jié)及案例實(shí)施情況、結(jié)合首創(chuàng)愛(ài)華在國(guó)內(nèi)承接的項(xiàng)目，對(duì)側(cè)流生物強(qiáng)化技術(shù)、側(cè)流污泥水解技術(shù)進(jìn)行了深入探討，展示了這些技術(shù)在污水處理廠提標(biāo)改造中當(dāng)前的應(yīng)用及未來(lái)的發(fā)展方向。新技術(shù)、新工藝、新方法,從技術(shù)研發(fā)到設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)行，都在對(duì)百年活性污泥工藝進(jìn)行不斷豐富與改進(jìn)，也讓我們堅(jiān)信，未來(lái)的技術(shù)會(huì)朝著更高效、更穩(wěn)定、更節(jié)約的方向發(fā)展，讓各地水環(huán)境得到很好的治理，恢復(fù)“小河清清大河凈”的優(yōu)美水系統(tǒng)，達(dá)到水清岸凈景美的水生態(tài)。

 

   劉智曉

 

什么叫側(cè)流生物強(qiáng)化技術(shù)？上圖給出了傳統(tǒng)“主流”活性污泥處理流程和“側(cè)流”活性污泥處理流程，可以看出，側(cè)流工藝它的反應(yīng)區(qū)獨(dú)立，結(jié)構(gòu)和功能獨(dú)立，工藝控制條件和控制參數(shù)與主生物池也不同。這種情況下，生態(tài)控制因子也是不盡相同的，最終會(huì)使運(yùn)行的機(jī)制完全不一樣，通過(guò)側(cè)反應(yīng)器對(duì)特異微生物的馴化、富集，并為主流接種，這種“主-輔”模式，為主池的微生物菌群多樣性和主流反應(yīng)器提質(zhì)增效提供了物質(zhì)基礎(chǔ)（如VFAs）和特異功能微生物（如硝化菌）保障。

為什么在主流工藝中引用側(cè)流工藝？主要原因是隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的日益提升，現(xiàn)在的主流工藝在應(yīng)對(duì)高排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)凸顯“主流”技術(shù)不足，為實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)鹽穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，不得不采用多級(jí)多段，多個(gè)好氧、缺氧交替式的反應(yīng)器構(gòu)型。

（項(xiàng)目案例圖）

如上圖所示項(xiàng)目，為實(shí)現(xiàn)TN達(dá)標(biāo)，主生化池采用四級(jí)A/O，后續(xù)采用深床反硝化濾池，才能保證總氮的達(dá)標(biāo)。實(shí)際上這種“主流”工藝，為應(yīng)對(duì)嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，采用冗長(zhǎng)的處理工藝，從項(xiàng)目全生命周期來(lái)看，這無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致投資的和運(yùn)行成本顯著提升。這是我們國(guó)內(nèi)目前“準(zhǔn)四類(lèi)”提標(biāo)改造項(xiàng)目面臨的共性問(wèn)題，我們看到的處理流程，越來(lái)越冗長(zhǎng)！

實(shí)際上，我們看看歐美在這方面的研究成果，隨著標(biāo)準(zhǔn)的提高，隨之而來(lái)的是投資的較大提高，運(yùn)行費(fèi)用則是指數(shù)性上升，從一級(jí)A到準(zhǔn)四類(lèi)、甚至近期出現(xiàn)“類(lèi)三類(lèi)”等更高的排放標(biāo)準(zhǔn)，這些高排放標(biāo)準(zhǔn)的營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)，基本上類(lèi)似于，美國(guó)的LOT（技術(shù)極限）了，LOT標(biāo)準(zhǔn)下的污水廠的運(yùn)行費(fèi)用在生命周期內(nèi)是指數(shù)性上升的。

這幅圖是美國(guó)WERF的研究結(jié)果，可以看出這種標(biāo)準(zhǔn)提升對(duì)運(yùn)行成本的影響變化趨勢(shì)，從這個(gè)角度來(lái)講，標(biāo)準(zhǔn)提高以后，整個(gè)過(guò)程中的溫室氣體的排放是大幅度提高的。從這個(gè)角度看，排放標(biāo)準(zhǔn)的提升會(huì)消耗更多的上游產(chǎn)業(yè)如混凝土、機(jī)器設(shè)備加工、各種化學(xué)藥劑制造等相關(guān)行業(yè)的產(chǎn)品，從生態(tài)倫理角度看這顯然是以釋放更多的溫室氣體為代價(jià)的。因此，從大的環(huán)境來(lái)講，排放標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)度提升對(duì)總體大環(huán)境是未必可持續(xù)的，因?yàn)槲鬯�處理廠建設(shè)過(guò)程所需的材料、建造過(guò)程及處理過(guò)程將的溫室氣體排放量會(huì)大幅度提升，所以我們要換一個(gè)角度來(lái)考慮，怎樣在排放標(biāo)準(zhǔn)和溫室氣體排放中間尋求和實(shí)現(xiàn)一種平衡和可持續(xù)！

 視角拉回來(lái)，具體來(lái)看，我們說(shuō)說(shuō)側(cè)流技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。先看看主流工藝的不足，以推流式AAO為例，我認(rèn)為，傳統(tǒng)推流式AAO反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)大家熟悉，但是也存在明顯不足，就是其通過(guò)不同功能的反應(yīng)器分區(qū)（厭氧，缺氧，好氧）形成固定的物理池容，與污水廠進(jìn)水水力負(fù)荷、污染物負(fù)荷實(shí)時(shí)變化之間的矛盾，且受限于二沉池固體負(fù)荷，MLSS難以進(jìn)一步提高，從而限制了生化系統(tǒng)對(duì)污染物處理能力的進(jìn)一步提升，水力負(fù)荷和污染負(fù)荷也就難以進(jìn)一步提高，此外，暴雨峰值流量下易導(dǎo)致二沉池活性污泥流失，還有就是硝化菌在間斷性的A/O交替及二沉池污泥層不同環(huán)境下受到的活性抑制影響。

這里我提出一個(gè)理念和做法，面對(duì)日益提高的排放標(biāo)準(zhǔn)，與其將工藝做長(zhǎng)，還不如將工藝做成“主-輔”工藝，提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。“主-輔”工藝是怎么來(lái)實(shí)現(xiàn)的？就是在側(cè)流段加了一個(gè)側(cè)流生物池，側(cè)流生物池根據(jù)功能的需求，通過(guò)工藝設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的耦合，可以實(shí)現(xiàn)同步的強(qiáng)化硝化/反硝化；也可以實(shí)現(xiàn)側(cè)流回流污泥的深度厭氧水解或側(cè)流厭氧釋磷（EBPR）過(guò)程。采用側(cè)流工藝，無(wú)需擴(kuò)建生物池池容，甚至也無(wú)需投加生物膜載體，就可以大幅度提高生化系統(tǒng)總的MLSS，這是對(duì)傳統(tǒng)主流處理工藝的一種技術(shù)變革！通過(guò)“主-輔”工藝的安排和設(shè)計(jì)，在側(cè)流生物池中通過(guò)對(duì)特異功能微生物的培養(yǎng)，為主生物池進(jìn)行接種，和對(duì)部分回流污泥的厭氧水解，實(shí)踐證明，通過(guò)上述手段，能大幅度提高整個(gè)生化處理性能。按照經(jīng)驗(yàn)，在無(wú)需后續(xù)BAF或者反硝化BAF等情況下，僅僅通過(guò)輔以側(cè)流工藝的改良活性污泥法，就可以把總氮穩(wěn)定控制到6-8mg/L。

實(shí)際上，側(cè)流生物技術(shù)在歐美國(guó)家已經(jīng)有不下100座污水廠實(shí)際案例，但國(guó)內(nèi)同行卻鮮有關(guān)注！目前國(guó)外工程化和商業(yè)化的技術(shù)路線包括AT#3、BABE、IN-Nitri等，見(jiàn)圖。這些工藝在原理上都有類(lèi)似之處，都有非常成功和成熟的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，并不是“高大上”令人望而卻步的“熊貓”工藝。

 （BAR/RDN/CaRRB等工藝）

從機(jī)理方面看，側(cè)流生物強(qiáng)化工藝的主要原理：現(xiàn)代分子生物技術(shù)分析表明，活性污泥中自養(yǎng)菌數(shù)量?jī)H占總生物量的１％ ～３％，只要自養(yǎng)菌數(shù)量有少許增加，系統(tǒng)的硝化性能就會(huì)有顯著改善，那么對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它的消化性能會(huì)得到大幅度顯著的改善，見(jiàn)下圖。

因此根據(jù)這個(gè)原理，我們可以看出來(lái)，嫁接側(cè)流反應(yīng)池后，主流SRT會(huì)比較大幅度地降低，尤其在低溫的時(shí)候，隨著硝化菌補(bǔ)充功效，主生物池SRT會(huì)得到大幅度的降低，見(jiàn)下圖。

可以從這個(gè)圖看到，側(cè)流工藝可以有不同的運(yùn)行模式，可以將污泥消化液引入側(cè)流處理單元，處理完的混合液再回流到主生物池，那么就可以看到主曝氣值SRT可以顯著低于傳統(tǒng)的按ATV計(jì)算出的硝化/反硝化總SRT。第二條曲線是硝化液，同時(shí)引入一部分的污泥混流進(jìn)行曝氣，也可以看到對(duì)主生物池的顯著降低。

捷克的案例，也是做了側(cè)流池，作為一個(gè)主流的補(bǔ)充�？梢钥吹揭�入側(cè)流池以后，只是靠活性污泥法就可以把出水總氮可以穩(wěn)定在10mg/L以?xún)?nèi)，圖上看，改造前出水水質(zhì)則很難實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。

回歸我們自己的近些年的實(shí)踐案例。加入側(cè)流池以后有什么優(yōu)勢(shì)？簡(jiǎn)要說(shuō)，引入側(cè)流池，可以使得同樣池容情況下，可以比常規(guī)活性污泥工藝（AAO，氧化溝等主流模式）保有更多的有效活性污泥數(shù)量。因?yàn)閭?cè)流池的濃度是主生物池的3-4倍，即便僅僅切出10%出來(lái)，也可使得生物池的污泥總量得到大幅度的提升。引進(jìn)側(cè)流工藝后，在污染物負(fù)荷不變或者污染物濃度基本不變的情況下，可以大幅度提高原有污水廠的處理能力。根據(jù)實(shí)踐，如果按照這種來(lái)做，不新增生物池容情況下，污水廠處理能力最大就可以提高到60%；在處理水量不變的情況下，可以大幅度接收污水廠的進(jìn)水污染物負(fù)荷。這無(wú)疑，側(cè)流技術(shù)，對(duì)于中國(guó)未來(lái)污水廠的提標(biāo)改造、提質(zhì)增效是非常有吸引力的技術(shù)發(fā)展方向。

側(cè)流活性污泥水解大家比較陌生，但是側(cè)流生物除磷，丹麥、瑞典、美國(guó)已經(jīng)有很多項(xiàng)目在運(yùn)行了。側(cè)流除磷，這些國(guó)家的案例已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了非常穩(wěn)定的生物除磷過(guò)程。

歐美等可研人員，通過(guò)對(duì)側(cè)流EBPR研究和分析發(fā)現(xiàn)，側(cè)流EBPR工藝比主流EBPR獲得了更為穩(wěn)定的生物除磷效果，進(jìn)一步通過(guò)現(xiàn)代分子生物學(xué)研究技術(shù)深入研究發(fā)現(xiàn)，側(cè)流EBPR培養(yǎng)出一種特殊功能的Tetrasphaera，它和常規(guī)的PAOs也就是我們熟知的Accumulibacter菌發(fā)生一種非常好的共生和協(xié)同作用，兩者協(xié)同作用會(huì)極大地促進(jìn)整個(gè)生化過(guò)程中對(duì)磷的去除�？梢詤⒖枷聢D丹麥的研究結(jié)果，在丹麥的采用側(cè)流EBPR的活性污泥中，檢測(cè)出的Tetrasphaera豐度顯著高于傳統(tǒng)AAO工藝。類(lèi)似研究還有美國(guó)研究團(tuán)隊(duì)，在Water research也發(fā)表了這方面的研究論文。結(jié)論與丹麥研究結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了側(cè)流EBPR條件下兩種菌屬的生物協(xié)同。

James L. Barnard先生，被譽(yù)為“脫氮除磷之父”，2017年發(fā)表文章：Rethinking the Mechanisms of Biological Phosphorus Removal，耄耋之年，提出了對(duì)生物處理的機(jī)制進(jìn)行重新的思考。他整篇文章里涉及到側(cè)流生物處理的工藝流程。實(shí)際上，側(cè)流EBPR現(xiàn)象1972年他偶然發(fā)現(xiàn)，如果在缺氧區(qū)（不攪拌的），通過(guò)混合液的發(fā)酵發(fā)現(xiàn)了側(cè)流的厭氧發(fā)酵對(duì)主流生物處理強(qiáng)化效果非常明顯。所以他后來(lái)又提出了幾種側(cè)流流程，活性污泥發(fā)酵和混合液發(fā)酵都是有可能實(shí)現(xiàn)的。

這是詹姆先生給出的美國(guó)的側(cè)流生物處理實(shí)際案例，大家可以看到，側(cè)流生物處理原來(lái)有這么多的工藝實(shí)現(xiàn)方式。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到目前為止至少有100座以上的污水廠已經(jīng)采用側(cè)流生物除磷。

下圖給出了國(guó)外的一些側(cè)流案例，分享給大家，感興趣的可以進(jìn)一步查閱相關(guān)資料：

丹麥N?stved WWTP，它只是把一座廢棄的初沉池進(jìn)行改造為側(cè)流生物池，不增加新增用地，就大幅度提高處理能力。初沉池只占總生物池容15%，但是改造以后，水力負(fù)荷提高50%。而且水力負(fù)荷提高50%的情況下，有機(jī)負(fù)荷提高了15%，最終運(yùn)行效果非常令人滿(mǎn)意，我去過(guò)幾次，發(fā)現(xiàn)TN一直穩(wěn)定控制在5mg/L以?xún)?nèi)。并沒(méi)有后續(xù)的進(jìn)一步的三級(jí)反硝化深度脫氮，這種脫氮能力，在國(guó)內(nèi)似乎是不可想象的。

這是丹麥另外一個(gè)廠Bjergmaken WWTP，采用交替式氧化溝。也是把前面的初沉池改造成側(cè)流池，結(jié)果是8%的池容用于側(cè)流，但是卻提高了24%的處理能力。

上述案例和操作，給我們以信心：通過(guò)側(cè)流活性污泥法，輔以良好的工藝設(shè)計(jì)及過(guò)程控制，不采用三級(jí)生物膜反硝化，把總氮控制到6-8毫克/升以下是完全沒(méi)有問(wèn)題的。

 這是美國(guó)RWHTF的案例，它是把側(cè)流硝化反硝化和側(cè)流厭氧EBPR結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了高效硝化和反硝化同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了深度生物除磷，美國(guó)類(lèi)似案例還有不少，感興趣的朋友可以查一下資料。

現(xiàn)在分析一下近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)實(shí)踐的案例。第一個(gè)是側(cè)流腐殖土活性污泥生物工藝，現(xiàn)在在國(guó)內(nèi)叫全流程生物除臭。這個(gè)項(xiàng)目是2006、2007年我們?cè)趪?guó)內(nèi)做的第一個(gè)案例，到現(xiàn)在已經(jīng)做了12年了，這是國(guó)內(nèi)全流程除臭的第一個(gè)案例。2010年，我們和丹麥公司合作，在丹麥政府資助下，在原來(lái)側(cè)流腐殖土活性污泥工藝基礎(chǔ)上，我們?cè)谶@個(gè)項(xiàng)目進(jìn)一步采用了ARP/SSH側(cè)流技術(shù)進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗(yàn)研究，研究期間脫氮除磷效果得到顯著改善。

后續(xù)我們又在淮南一污改造、甘肅白銀市、武威采用ARP/SSH技術(shù)做了改造項(xiàng)目，且在國(guó)內(nèi)首次采用基于營(yíng)養(yǎng)鹽的在線曝氣控制系統(tǒng)，獲得了滿(mǎn)意的運(yùn)行效果。

這是首創(chuàng)愛(ài)華在淮南的項(xiàng)目，2014年前后做的改造，將原來(lái)的卡魯塞爾氧化溝的主流厭氧池部分改為側(cè)流ARP和SS-EBPR。改造后，運(yùn)行性能得到明顯改善，尤其是針對(duì)污染物負(fù)荷沖擊，出水指標(biāo)穩(wěn)定。

展望一下未來(lái)側(cè)流技術(shù)的發(fā)展方向，我認(rèn)為，主要的方向是實(shí)現(xiàn)對(duì)污水廠碳源的捕獲提取，碳源提取后，要從過(guò)去以能耗能的模式轉(zhuǎn)向?yàn)槟茉椿�途徑，也就是把碳源轉(zhuǎn)向到側(cè)流。碳源改向到側(cè)流為后續(xù)能源化、甚至實(shí)現(xiàn)污水廠的能耗自給提供物質(zhì)基礎(chǔ)。主流未來(lái)的方向是實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)脫氮，如主流厭氧氨氧化，但是目前主流厭氧氨氧化短期內(nèi)看不到工程應(yīng)用前景，尚停留在試驗(yàn)階段，涉及工程應(yīng)用的很多技術(shù)瓶頸尚待突破，這條路看來(lái)似乎還很長(zhǎng)。

     （基于碳捕獲和碳轉(zhuǎn)向的概念設(shè)計(jì)）

未來(lái)污水處理的發(fā)展方向是朝著營(yíng)養(yǎng)物、能源及再生水“三廠合一”模式轉(zhuǎn)變。研究與開(kāi)發(fā)進(jìn)水碳源轉(zhuǎn)向及污泥增量技術(shù)，對(duì)污水中有機(jī)碳源實(shí)現(xiàn)高效網(wǎng)捕截獲、濃縮及分離并轉(zhuǎn)向能源化途徑，是提高能量自給效率、最終實(shí)現(xiàn)能量平衡及碳平衡運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)。這是丹麥一個(gè)廠做的概念設(shè)計(jì)，丹麥奧胡斯市擬對(duì)Egaa廠進(jìn)行技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)“150%能量概念”，所采用的主要技術(shù)路線及流程見(jiàn)上圖，主要措施包括：預(yù)處理段的COD高效分離及捕獲；主生物處理工序采用EssDe?，即低溫厭氧氨氧化（Cold Anammox）側(cè)流通過(guò)對(duì)消化液的處理培養(yǎng)Anammox并對(duì)主流實(shí)現(xiàn)接種。但是，這只是未來(lái)的一個(gè)概念設(shè)計(jì)，離工程化還有相當(dāng)長(zhǎng)的距離。

比較切合實(shí)際的，近期通過(guò)引進(jìn)側(cè)流的“主-輔”模式，側(cè)流培養(yǎng)硝化菌和實(shí)現(xiàn)側(cè)流EBPR除磷，實(shí)現(xiàn)污水廠的高效穩(wěn)定和可持續(xù)運(yùn)行。我們推薦的側(cè)流“主-輔”模式，要比碳捕獲-主流厭氧氨氧化等未來(lái)工藝更加適合國(guó)情，因?yàn)槠溥\(yùn)行更皮實(shí)、穩(wěn)定可靠。

也借此機(jī)會(huì)，希望各位同行關(guān)注側(cè)流技術(shù)及側(cè)流技術(shù)的未來(lái)持續(xù)性革新，面對(duì)日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，面對(duì)未來(lái)水環(huán)境的改善，更新我們的傳統(tǒng)思維，相信我們會(huì)有更好的一些工藝技術(shù)路線的選擇，就像我今天展示的側(cè)流技術(shù)，或許，這些工藝可能更有彈性，更加穩(wěn)定、可靠和可持續(xù)，這是未來(lái)我們的希望所在，未來(lái)的努力方向所在。