隨著城市水環(huán)境綜合治理的需求，污水處理廠一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)全面推行，而提標(biāo)改造工程的工藝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。
那么如何合理地進(jìn)行工藝選擇？設(shè)備工藝如何設(shè)計(jì)改造？
本文從實(shí)際工程出發(fā)，總結(jié)國(guó)內(nèi)污水廠一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)提標(biāo)改造的工藝設(shè)計(jì)特點(diǎn)，討論了污水廠出水提標(biāo)至一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)手段，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(lái)發(fā)展方向提出了建議。
城市污水處理廠發(fā)展
城市污水處理廠的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段。
第一階段：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。
第二階段：以生物處理為主體二級(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、BOD的去除率分別可達(dá)到80%與90%。
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。
第三階段：以“混凝-沉淀-過(guò)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(kāi)始建設(shè)，至90年代逐漸得到重視，主要用來(lái)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)以及其它微量有機(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所示。
污水處理廠的提標(biāo)改造
統(tǒng)計(jì)資料顯示，截至2016年底，我國(guó)已累計(jì)建成污水處理廠共3 552座，出水水質(zhì)執(zhí)行一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)比例約為27%。隨著水污染的防治力度的加大，部分地區(qū)制定了嚴(yán)格的地方標(biāo)準(zhǔn)，將排入地表水體N、P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。
通常污水廠水質(zhì)提標(biāo)時(shí)，可能存在已建生物反應(yīng)池脫氮除磷能力可能不足，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)等問(wèn)題。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，確保污水廠出水水質(zhì)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。例如TN，需要進(jìn)行生物反應(yīng)池改造強(qiáng)化生物脫氮，同時(shí)增加后置反硝化脫氮工藝和碳源補(bǔ)充措施等。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合不同地區(qū)污水處理廠運(yùn)行的實(shí)際情況、污水廠實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)分析等，因地制宜，合理地進(jìn)行工藝選擇。
淮安經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)污水處理廠擴(kuò)建及提標(biāo)改造工程
一級(jí)A提標(biāo)改造工藝選擇
在傳統(tǒng)的生物脫氮除磷工藝中，污水中氮的去除通過(guò)有機(jī)物氧化、氨化、硝化和反硝化過(guò)程實(shí)現(xiàn)，認(rèn)為硝化與反硝化兩個(gè)過(guò)程相對(duì)獨(dú)立。但是，在實(shí)際工程應(yīng)用中，同一反應(yīng)池中生物脫氮與生物除磷過(guò)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，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。
在實(shí)際工程應(yīng)用中，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，保證碳源充足；若要同步脫氮除磷，由于污水生物脫氮與生物除磷之間存在碳源競(jìng)爭(zhēng)，所需C/N、C/P值更高。因此，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(guò)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。
一級(jí)A提標(biāo)改造工藝設(shè)計(jì)與改造
已建處理單元改造
?。?）初沉池改造
污水廠中初沉池主要用來(lái)降低懸浮固體的含量，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%），造成污水廠生物反應(yīng)池進(jìn)水碳源不足問(wèn)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，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；二是利用初沉池污泥發(fā)酵產(chǎn)生VFA（揮發(fā)性脂肪酸），充分利用內(nèi)部碳源，提高系統(tǒng)脫氮除磷效果。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
在提標(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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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。
增加深度處理工藝
在二級(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。
（1）如二級(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(guò)濾（混凝-絮凝-過(guò)濾）或接觸過(guò)濾（混凝-過(guò)濾）工藝。
?。?）如二級(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(guò)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)；
（3）如二級(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(guò)濾-消毒工藝，確保出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)；
?。?）如二級(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(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比選后確定。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。
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(guò)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。但由于近年來(lái)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。剩余污泥填埋等方式越來(lái)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。
主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)
?。?）高效沉淀池
高效沉淀池一般包括快混區(qū)、絮凝區(qū)和沉淀區(qū)三部分，通過(guò)投加化學(xué)藥劑，可有效去除COD、SS和TP，去除率分別可達(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)為：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）-1，污泥回流比宜為3%~6%。近年來(lái)，出現(xiàn)了磁粉或微砂等介質(zhì)強(qiáng)化高效沉淀池，通過(guò)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(guò)濾工藝
目前，工程上過(guò)濾工藝的可選方案包括纖維濾布濾池、V型濾池、微過(guò)濾器、反硝化深床濾池以及曝氣生物濾池等，其中前三者一般僅有過(guò)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(guò)濾和生物脫氮功能，尤其是曝氣生物濾池，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的池型，可對(duì)BOD5、SS、NH3-N、TN等具有較好的去除效果，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)。
城市污水廠未來(lái)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，最大發(fā)揮污水廠的工程效益。
