未来城镇污水处理厂工艺技术选择的几点思考

Posted 2023-01-12 工艺

篇首语：于今腐草无萤火，终古垂杨有暮鸦。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了未来城镇污水处理厂工艺技术选择的几点思考相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

这是第二次参加在宜兴举办的概念厂专题研讨。在去年的研讨会上，我做过一个发言，发言会更侧重于国内城镇污水处理发展情况，并结合这些情况思考一下，下一步我们应该怎么做。对未来城镇污水处理厂的探讨，除了理念和概念方面，还需要特别注意国内特有的一些问题。
一、初期雨水何时全面纳入城镇污水处理厂服务范围？
表1是我国城镇污水处理厂工程建设的大致历程及发展预测：从最早的几座污水处理厂到现在的3800多座。个人预计，到2015年年底会接近5000座；到2020年应该达到万座以上；到2030年肯定会过2万座。数量虽然是增加的，但总体处理规模并不是线性增加的，也就是说当前及今后的污水处理厂平均单座规模会越来越小。在2020年到2030年之间，还会有一个重要的变化特征：我们会把雨水尤其是初期雨水考虑在内，这就会带来很多大型和超大型城市的污水处理厂设计处理能力至少要扩增50%以上。只不过这个过程可能还需要20年到30年甚至更长的时间。

表1：城镇污水处理厂工程建设发展趋势
我们可以预计，到2020年左右，会有一部分城市实施初期雨水的净化处理，经过10年左右的时间，我想有可能达到5000万m3/d以上的规模。当然也有这种可能：按照我国近年来的发展特点，如果经济条件具备，就会有更高的发展速度！这会带来怎样的新问题呢？未来的污水处理厂不仅需要考虑当前已经存在的诸多问题，还要考虑今后雨水纳入后如何进一步解决的问题。
二、新建和已有污水处理厂提标建设的差异在哪？
另一个要思考的问题是，现有污水处理厂和新建污水处理厂的提标建设有何差异？首先，随着排放标准和环境质量要求的普遍提高，已有的城市污水处理厂都面临着原地提标改造或异地搬迁这两种模式的抉择。从总体上来讲，在超大和大型城市中，异地搬迁新建扩建的较多，也较典型，比如成都、天津、杭州等地都出现了这种情况，多厂归并和超大型化。国际上，新加坡也很典型，原先有十几座污水处理厂，他们的目标是将其转变成两座超大型的污水处理厂（再生水厂）。另外一种类型就是原地提标改造，但需要同时解决标准提升和景观环境建设（邻避）问题。
我国今后新建的污水处理厂大部分都是村镇级别的，相对来说，单座设计规模非常小。也正是因为规模小、数量多，一方面为新技术的推广应用带来了各种各样的契机，不管是厌氧氨氧化还是其他新技术，都会有很多不同的实施模式，这些模式及工艺技术组合不仅为大型公司，也为创新型的中小公司带来很多的创新发展机会。
另一方面，从长远来看，这些污水处理厂如果都是几百立方米、几十立方米的话，是不可能长久生存的，迟早要走向归并，归并到日处理能力上万立方米，甚至5万立方米这样的水平。我曾经提到的奥地利Strass污水处理厂，也就是尝试做主流工艺厌氧氨氧化生产性试验的那个厂，就是一个由十几个小城镇污水归并起来的污水处理厂，由十几个镇共同分担资金、建设运行，正常情况下日处理规模大致3万立方米，存在季节性的变化。我想，类似这样的发展趋势在国内也会同样出现。
三、未来的污染物排放标准应该是怎样的？
表2是北京市颁布的城镇污水处理厂污染物排放标准。可以看出，所有新建、改建和扩建的污水处理厂，都要达到所谓的“Ⅳ类水”标准。而所说的“Ⅳ类水”其实是假Ⅳ类水，并不是真正意义上的Ⅳ类水，因为总磷和总氮的限值明显没有达到Ⅳ类水的标准要求，而且即便算是Ⅳ类水的标准，也是河流的水质标准，不是湖库的水质标准。而对绝大部分城市水体来讲，不管这个河道有多长，都已经不是真正意义上的河，而只是一个河道形状的湖库系统。那么河道形的湖库水体系统执行的照理应该是湖库水质标准，而这个河流水质标准就偏低得多。
就北京地区来讲，考虑到现有的城镇污水处理厂执行的标准和现在的国标是完全一样的，可以直白地说，北京的Ⅳ类水并不是真实的，大部分污水处理厂并没有实现“Ⅳ类水”的标准，只有新建和改建之后，才算是少数指标达到河流Ⅳ类水要求的准“Ⅳ类水”。北京这个“Ⅳ类水”标准考虑得比较合理的地方是，提高氨氮排放标准，把总氮排放标准值控制在比较合理可行的水平。但把CODcr排放标准值分别调整为30mg/L和20mg/L，就属于比较荒谬且缺乏足够科学依据的。
表2北京市城镇污水处理厂污染物排放标准（摘）

注：新（改、扩）建城镇污水处理厂：排入Ⅱ、Ⅲ类水体，执行A标准；排入Ⅳ、Ⅴ类水体，执行B标准。现有城镇污水处理厂：基本控制项目限值与国标相同，排放水体类别与新改扩建相同。
再看看天津（表3），这是2015年最新颁布的地方排放标准，与北京标准相比，CODcr最低限值为30mg/L不是20mg/L，其他指标与北京标准类似。天津要求所有现有污水处理厂从2018年1月1号开始执行这一标准，而北京没有明确的实施期限。这些地方标准的颁布应该说有其必要性和合理之处，但个人认为，这些标准中存在的一些误导性问题也是非常值得关注的。
表3天津市城镇污水处理厂污染物排放标准（摘）

注：新（改、扩）建城镇污水处理厂：设计规模≥10000吨/日时，执行A标准；10000吨/日>设计规模≥1000吨/日，执行B标准；设计规模<1000吨/日，执行C标准。现有城镇污水处理厂自2018年1月1日起执行。
站在长远的角度上看，我们应该采用什么样的排放标准呢？如果将CODcr、BOD5和SS这几项常规指标考虑进去，CODcr到底应该多少合适呢？15、20还是50mg/L？BOD5是多少？SS是多少？总氮又应该是多少……我认为，对我们现在的污水处理技术来讲，就达标监控来说，对于城镇污水有机物的去除，只要控制一个指标就够了——氨氮指标。
如果氨氮指标能低于1mg/L或2mg/L的话，所有的CODcr、BOD5、SS都可以达到合理的标准值要求，或者达到经济合理、可行的技术极限值。处理出水中剩余的都是溶解性不可生物降解的CODcr，对环境本身除了产生一定色度之外，如果是天然物质，基本不会有什么坏处，更不会造成水体的黑臭。所以，如果强制要求CODcr达到20mg/L或者30mg/L的标准，尤其在未来污水浓度越来越高的条件下，除了极为特殊的情况，这样的标准似乎有些过于劳民伤财了。当然，对一些特殊的工业园区则是例外，因为可能含有不同类型及未知的有毒有害及持久性微量污染物。
当我们考虑氨氮指标时，必然要考虑到总氮去除，生物反硝化属于节能过程。总氮和氨氮指标对水体环境质量均有很大的影响。氨氮是直接耗氧污染物，总氮可促进水体生物量的形成。从理想目标来讲，总氮的标准限值应该是越低越好，但并不绝对。国际上也有一些研究：城市景观水体和一般性水体中，如果有足够的硝酸盐含量，水体是不会黑臭的。
某种程度来讲，水体的硝酸盐含量较高，对景观水体的水质不见得是一件坏事。当然，从饮用水水源或者其他生态环境影响的角度，还是越低越好。但任何环境问题都是和经济指标相关的，设计达到什么样的水平，就有什么样的资金投入需求，不可能没有投入就有相应的预想结果。既然考虑到总氮了，那么总氮是不是最重要的呢？我这里提出的观点可能会与国内一些专家不一样，但与国际上通行的观点是基本一致的，我认为氨氮之后就要考虑总磷，总磷和总氮对水体水质的主要影响是导致藻类的过度生长。我们都知道，藻类生长所需的氮磷是有比例关系的，那么这种比例关系会是怎样的呢？
根据我们从不同文献资料中归纳的大致数据可知，造成富营养化的蓝绿藻含氮约9%，含磷量约0.9%，那么其比值大概是10:1。可以大致说明氮磷会对水体和藻类的生长造成什么样的影响，不难看出，按照潜在耗氧量指数来判断，大致是140：10：1。也就是说，1mg/L的总磷可以产生耗氧量（CODcr）为140mg/L的生物量；与此类似，1mg/L的总氮可以产生耗氧量为10mg/L的生物量。他们之间大概就是这样的关系，如果水中总磷为0.05mg/L，总氮0.5mg/L，那么形成的藻类耗氧量（CODcr）大致为5mg/L；总磷是0.1mg/L的时候，形成的耗氧量为10mg/L；总磷0.2mg/L时，形成的耗氧量是20mg/L。总磷浓度达到多少的条件下就可能出现太湖那样的藻类大暴发呢？答案是，总磷达到0.1mg/L以上时就可能。
因此，我们需要水体总磷浓度控制到0.05mg/L以及更低的水平。从这个角度来看，如果总磷没有得到很好的控制，总氮再低也是解决不了问题的。如果要达到总磷0.05mg/L的同等控藻效果，总氮就需要达到0.5mg/L才行。这样，我们可以看到，未来对水体的富营养化控制，一个最重要的指标就是总磷。总磷是第一位的，氨氮是第二位的，总氮是第三位的，控制了这三个指标，CODcr、BOD5和SS等常规指标就控制住了，也就不需要严格限定了，甚至可以说，在正常城镇污水的高排放标准中，取消这三个指标或取消其达标监管也是合理的。当然，总磷中还要区分可生物利用磷和不可生物利用磷，正磷酸盐容易被藻类利用，而金属磷酸盐就难以被藻类利用。因此，未来的城镇污水处理厂出水标准中，周或月平均总磷0.1mg/L应成为目标限值。
另外，今后的城镇污水处理厂还要考虑非常规污染物，特别是持久性微量有机污染物的去除能力，一旦考虑这些指标的纳入，就会影响排放标准的指标项和污水处理工艺技术路线的选择。
四、城镇污水处理工艺技术选择情况如何？
在工艺技术选择方面，图1为几年前统计的城镇污水处理厂工艺技术类型分布情况，这里按传统表述方法归纳，在实际工程中，工艺技术类型及组合很多，下面举若干例子。随着城市建成区边界的不断扩展，周边环境影响及邻避问题日益突出，异地搬迁新建的方式使得天津纪庄子污水处理厂已经不复存在，而纪庄子污水处理厂在我国城市污水处理发展过程中是占据很重要位置的，历经多次的升级与扩建，从普通活性污泥法到除磷脱氮，再到高等级再生水，2000年左右，还跟新加坡同期使用了微滤膜再生水技术。
新加坡站在国家战略需求的高度，大力发展再生水利用，之后有很快的规模化发展及国际影响力。而天津和北京因为诸多原因，再生水发展规模有限，失去了形成国际影响力的好机会。但无论如何，在从传统的砂滤到膜滤及反渗透的发展过程中，我们已经积累了十几年的工程实践经验，膜过滤设备产品也完全实现了国产化和规模化发展。
从除磷脱氮这块来讲，最早应用A2/O工艺的是广州的一家污水处理厂，但这座污水处理厂的进水水质缺乏典型城市污水特征。其主要原因在于进水CODcr浓度不到200mg/L，而按当时的设计规范确定的进水BOD5为200mg/L，相当于CODcr450mg/L左右。后来的泰安污水处理厂则比较典型，进水浓度较高，但碳氮比相当低，要比国际上低得多，所以回流污泥中的硝酸盐对生物除磷性能有非常大的影响。经过现场试验研究之后，泰安污水处理厂第一次使用了多点进水、预反硝化的改良A2/O工艺流程。
另一个除磷脱氮工程的成功案例是青岛李村河污水处理厂。这个厂大家可能不是很了解，它是上世纪90年代初建设的，此厂的工艺选择是我们与GlenDaiger（国际水协前主席）共同合作的产物，当时我们坚持要用我们建议的改良A2/O工艺流程，他则坚持推荐他们的VIP工艺流程，经过不断的讨论和意见交换，最后决定把两种不同的工艺过程全部结合在一起，为便于论证通过，对外宣称是A/O工艺，但实际上它是一种集成的工艺流程，有多种可以灵活调整的运行模式，虽然建设于上世纪90年代，但直到现在也不落后。该厂的污水浓度比较高，前几年进行了一级A提标改造，在好氧区融入了IFAS工艺单元，取得非常成功的实效，出水稳定达到一级A标准。
青岛海泊河污水处理厂则是国内非常成功的AB法污水处理厂，上世纪90年代初建成投产，进水浓度高，污泥厌氧消化系统也一直运行较好。遗憾的是，这个厂在升级改造中做了较大的工艺改变。如果能够一直保留下来，是可以作为主流工艺厌氧氨氧化生产性试验研究的好场所的。
在微信朋友圈中曾有过这样的讨论：我们的污水处理厂除了设计好以外，运行好也是很重要的。有人问，未来的概念厂是不是都应该由博士、硕士来运行呢？我们确实需要一批博士、硕士进入污水处理厂。欧美国家，有些污水处理厂的厂长就是博士，正是因为他们个人有兴趣，污水处理厂才能有更多更好的试验研究与生产性验证。青岛在上世纪90年代初开始建设三座大型污水处理厂，当时引进的新毕业生中就有一批硕士及名牌大学的本科生，促进了后来的更好发展。
另外一个典型案例是，2007年，我们完成了无锡芦村污水处理厂的提标改造工程设计。其实，早在一期工程建设时期（上世纪80年代中期），就推荐使用A2/O工艺，但业主没有采纳，专家意见也不一致。到90年代中期，二期工程建设时，大家已经意识到除磷脱氮的重要性，采用了A2/O工艺，但采用的实际泥龄较短，影响了后来的提标改造，特别是生物池的池容明显不足。在该厂的一级A提标改造工程设计中，全面强化预处理功能（格栅与初沉池）的同时，将原有生物池改造为改良A2/O工艺并在好氧区部分区段投加可流化的悬浮填料，形成活性污泥-生物膜复合的IFAS工艺系统，着重解决了冬季低温时段硝化能力不足的问题，同时提高了反硝化区的容积比例，增强生物脱氮能力，后续深度处理部分则采用机械过滤和膜过滤技术，处理出水达到一级A标准。
青岛团岛污水处理厂也是一个比较典型的案例（图3），最初采用改良A2/O工艺，德国污水处理设备，设计规模10万m3/d，后来做一级A提标改造设计时，在改良A2/O工艺中融入IFAS工艺单元，出水水质稳定达到一级A要求。总体来说，青岛的三个污水处理厂（海泊河、团岛、李村河）都运行得不错。而团岛污水处理厂的最大特征是进水总氮浓度非常高。
实际上，这个厂对预测未来的污水处理厂具有一定的代表性意义。基本上以生活污水为主，进水浓度比较高，总氮也比较高，前端污水管网系统比较完善，基本没有设置化粪池。目前他们正在做侧流厌氧氨氧化工艺的应用试验，采用生物膜方式，年内大概会启动，未来两年内应该会建成运行。如果建成并稳定运行，就可以为该厂开展主流工艺厌氧氨氧化的生产性试验提供很好的条件和场地。
二十多年来，国际上典型的城市污水处理工艺技术都在国内进行了本土化的开发和创新发展，形成了比较成熟和稳定可靠的适用技术。在这些成熟技术的基础上，天津津南的污水处理厂又采用了什么样的技术方案呢？在这个工艺技术方案中，采用了更复杂更稳定可靠的除磷脱氮工艺系统，可达到的稳定出水水质，正常是一级A，运行优化之后要优于一级A，同时继续沿用双膜法进行高等级再生水的生产。另一方面，如图4所示，污泥采用高浓度厌氧消化，污泥不仅来自本厂，也来自外部污水处理厂，在这个厂进行了较多的新尝试，例如沼液的磷酸盐回收，沼液的厌氧氨氧化脱氮，产生的沼气用于污泥热干化和生产液化石油气，如果全部建成并成功运行的话，会是一个综合性的新技术综合应用示范项目。
结合以上案例分析，以及近年来国际上新出现的发展变化，我们可以简单地总结，污水处理工艺技术有这么几个基本的变化趋势：
第一，考虑能源化利用，由全部好氧处理转向部分厌氧处理。第二，从污泥的低浓度厌氧消化转向高浓度污泥厌氧消化，并对污泥进行破解预处理。第三是资源利用，主要是磷酸盐的回收利用，氮的回收也在考虑。磷的回收有不同的方式，到底是采用化学除磷还是生物除磷，对磷酸盐的回收过程有不同的影响。
德国倾向于从污泥焚烧灰渣中回收，其他一些国家倾向于沼液磷酸盐回收。污水再生利用是我们熟悉的，国内技术已经成熟，规模也是世界一流的，技术产品质量也挺高。第四，除磷脱氮工艺方面，如何由传统除磷脱氮工艺开始转向厌氧氨氧化的应用。侧流这块目前比较成熟了，主流工艺这块，据我所知，目前国内有五六个团队开始做这方面的研究开发。
第五，好氧颗粒化污泥和其他更多的组合，将会有通过更多不同的工艺组合或融合方式来实现。这个看上去非常理想，实际的情况是我们将面临着很多需要解决的难题，而这些问题会影响我们在污水处理发展过程中对工艺技术的应用和选择。
都有哪些主要问题呢？首先我们来看一下，从目前总体发展趋势来讲，国内的工艺需求和国外的工艺需求存在一定的区别。就拿主流工艺厌氧氨氧化来说，欧美国家是追求能源化和碳中和这样的理想目标的，同时适当考虑磷酸盐之类的资源化利用，没有太多考虑污水再生利用。在中国，城镇污水处理厂能不能做到真正的能源平衡呢？
个人观点是不太可能。原因如下：在国内，能做到低碳低耗就很不错了，任何时候我们的首要目标都是出水的稳定达标，而且排放标准会越来越高，这跟欧美国家较低的排放标准及弹性的监管政策是明显不一样的。而且，这样的观念和监管实践在短期内不会发生根本性的变化。从技术上来讲，厌氧技术是回归了，而我们也面临一些难题要解决。AB法将要回归了，但仅仅有AB法也是远远不够的。任何时候，达标都是第一位的，能源化和资源化利用，尤其能量平衡，必须建立在稳定达标的基础上，因此，任重而道远。五、污水处理厂运行性能主要受制于哪些因素？
有几个问题我们逃避不了，比如城市污水水质水量在时空上的明显变化，城市污水的碳氮比普遍偏低，进水无机悬浮固体组分普遍较高，以及低水温与工业废水，都是很重要的影响因素。在这些影响因素里面，我们来看看，进水SS/BOD5比值是很高的，正常应该是1.0到1.1，很多污水处理厂进水SS/BOD5比值是1.5到2.0，甚至更高。
这个厂的情况是平均比值基本在1.5到2.0之间，造成活性污泥的MLVSS/MLSS比值平均在0.4左右（范围0.3～0.5），初沉池改进运行之后，MLVSS/MLSS能达到0.5的水平。如果初沉池不运行，有时会低到0.3左右。这是我们的城镇污水处理厂进水水质跟国际上明显的不同的地方，国际上欧美国家污水处理厂活性污泥MLVSS/MLSS比值大部分可以达到0.7以上，而我们就算达到0.4，也不到他们60%的水平。
简单来讲，国内城镇污水的平均碳氮比是国际上的50%左右，因此，要达到同样的总氮去除要求，就会遇到很多的困难。在这种困难条件下，国内已经开始采用例如初沉发酵池或初沉污泥发酵的工艺技术，尽量把无机悬浮固体排除掉，尽量使初沉污泥中的有机物进入到后续的生物处理工艺单元中；在后续的改良A2/O工艺的基础上，新的一些工艺流程在后头又增加了较短水力停留时间的缺氧/好氧单元，来考虑外部碳源的投加和深度脱氮，当然这个投加及脱氮时间可以很短，是非常有效的一个途径（方法）。不过，这就需要投加外部碳源，增加运行成本。
我们也有一些新的研究结果，更倾向于将外部碳源投加在厌氧段。因为大部分醋酸盐类的碳源，投加在厌氧池时非常有利于生物除磷，这对出水总磷的降低是非常有好处的，同时又不影响总体碳氮比和脱氮效果，这就可以达到一碳两用、一碳多用的效果。此外，有越来越多的污水处理厂采用以下两种工艺技术：一种是活性污泥和填料相结合的IFAS工艺，另外一种是MBR，两者都能达到省地的效果。MBR能耗相对比较高，从目前情况来看，有时候，属于不得不采用的工艺流程。
那么在当前的条件下，我们开始考虑的未来污水处理厂工艺流程应该是什么样的呢？如刚才专家委员会的发言中提到的那样，把厌氧氨氧化作为最主要的工艺单元融合进来？如何融合进来呢？这里面必不可少的就是我们正在探讨的一些工艺过程。其中有一点自然是必不可少的，首先是碳氮磷的分离，然后是主流工艺厌氧氨氧化脱氮，同时我们还要继续有效解决泥沙分离的问题、低温影响的问题……这时，我们还必须考虑碳源的合理配置问题。如果总氮要达到5mg/L左右的水平，那么还会有大量的碳源可供污泥厌氧消化和能源化利用吗？估计很多地方是没有的，但北京、天津这样的特大城市则有可能。
所以我个人认为，一定程度上，对中国未来的污水处理厂发展，即使采取主流厌氧氨氧化工艺进行有效脱氮，在一定程度上也仍然要牺牲诸如能源化和碳中和这样的理想目标，以切实保证处理出水的稳定达标。总之，不管怎么说，任何一个新的工艺技术，你都要想办法怎么有效地把新型的工艺单元融入到已有的工艺系统中去。这里给出其中的一种模式，这种模式中的碳分离很重要，碳分离目前有几种类型：第一种就是AB法的A段，当然也可以采用化学法，但我们更倾向于在一定条件下采取化学与生物相结合的一种模式。这种模式能高效地实现碳氮磷的分离，这对处理出水的稳定达标和能源的回收都是非常有利的。
另外一个例子是，我们在主流工艺流程中，充分考虑磷回收可能的话，可以把生物除磷与生物脱氮分离，然后与主流工艺厌氧氨氧化相结合。实际上，在未来的可能实施模式中，会有各种各样的组合，这都会有利于我们未来污水处理技术的新发展。在座的各位可以充分发挥下自己的想象力和才智，利用自己的资源，做不同的尝试。这里所举的例子，也正是我们正在进行探讨和研究的，并准备在今后尽快实现工程化的一个目标和可能的工艺流程。当然，这个工艺流程还会结合诸如污泥厌氧消化之类的技术，并最终成为重要的组成部分。
有这样一句话：你可以跨越历史，但不能切断联系。我们一定要在已有技术和工程实践的基础上，不断创新，不断扩展和完善，未来才能有更好的解决方案，才能有更好更快的发展。
（本文来自：郑兴灿在“2015(第三届）中国环保技术与产业发展推进会”概念厂分论坛上的发言整理）
郑兴灿：中国市政工程华北设计研究总院有限公司总工程师