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东莞市污水处理厂升级改造工艺路线初探

摘要:针对东莞市38个污水处理厂实际情况，经过对现在城市污水处理厂常见二级处理工艺进行技术升级改造时可能采取深度处理工艺技术综合分析比较，推荐了NPR、CNR、人工湿地三种工艺作为尾水深度处理备选技术，提出了东莞市污水处理厂升级改造应优先采取CNR工艺，并可为中国不一样地域、不一样发展时期满足不一样水质需求进行污水处理厂工艺升级改造提供技术支持。
关键词:东莞市;污水处理厂;升级改造;污水深度处理
1 东莞市城市污水处理厂概况
以来，东莞市大规模地建设了城市污水处理厂。现在全市30多家城市污水处理厂普遍采取工艺为A2/O、氧化沟和CASS。污水处理厂出水水质均采取《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918- ）中一级B排放标准。即使这些污水处理厂投入运行后显著地缓解了东莞市河涌污染情况，不过按一级B标准排放尾水水质仍远劣于地表水Ⅳ类水质标准。在非雨季，东莞市内多条河涌和多个水库关键补充水源是城市污水处理厂尾水。这些河涌水质通常要求达成地表水Ⅳ或Ⅲ类标准。而城市污水处理厂排放尾水属于低碳源、高氮磷污水。在这种情况下，因为河涌和水库补充水水质很差，造成水体富营养化风险极大。尤其是东莞市工业十分发达，还会有工业废水排入市政管网系统，这就造成了污水处理厂尾水中肯定含有重金属等有毒有害物质，带来了新地表水污染隐患。尤其是作为备用水源部分水库，水质受尾水影响将会更大。所以东莞市面临着污水处理厂技术升级改造问题。
东莞市面临城市污水处理厂升级改造问题在全国普遍存在。现在中国各大城市全部建设了城镇污水处理厂及截污管网，不过依据中国环境监测总站《全国环境质量情况》数据，在中国七大水系197条河流 407个水质监测断面中，靠近城市周围河流水质普遍最差。这是因为中国很多城市污水处理厂在建设时，出于节省投资考虑，普遍采取较低排放标准，使得排放尾水中氨氮、总氮、总磷等指标高出地面水环境质量标准10～20倍。另外，中国很多受纳水体生态系统已经遭到破坏，水环境容量很小，自净能力很差或完全丧失，不能有效地自净污水处理厂尾水中污染物，很轻易造成水质恶化。所以污水处理厂升级改造就十分必需，应立即研发出适合于中国污水处理现实状况投资少、见效快工艺提升改造技术。
2 中国污水处理厂升级改造采取传统工艺
2.1 普遍采取传统工艺及升级改造
2.1.1 混凝沉淀过滤工艺
（1）混凝沉淀过滤工艺特点
混凝沉淀过滤工艺关键能有效去除污水中呈胶体和微小悬浮状态有机和无机污染物。从表观而言，就是能够有效去除污水色度、浊度及磷。混凝沉淀过滤只能够少许地除污水中部分有机物，但不能去除水中溶解有机物及氮。
采取混凝沉淀过滤工艺关键是混凝剂选择，通常要经过试验筛选出适宜混凝剂和确定投加剂量。如要利用混凝法去除污水中有机物就必需大量投加混凝剂和絮凝剂。
（2）作为升级改造工艺优缺点
以采取A2/O工艺污水处理厂升级改造为例，升级改造采取混凝沉淀工艺，改造后工艺步骤见图1（图中虚线框部分为工艺升级改造部分）。
依据混凝沉淀过滤工艺特点，该工艺能够很好地去除SS及磷，但对氮及溶解性污染物去除效果较差。尤其是采取混凝沉淀作为深度处理技术时，工艺步骤较长，工程投资成本较高；工艺操作过程复杂、维护管理工作量大；因为混凝剂使用量大，还会产生大量含水率很高污泥，给污泥处理带来很大困难，同时还会显著增加处理成本、提升运行成本。

图1 A2/O+混凝沉淀过滤工艺步骤
2.1.2 BAF（生物滤池）工艺
（1）生物滤池工艺
生物滤池底部设有进水管和排泥管，中上部是填料层，填料顶部装有挡板并安装有出水滤头。其内设有回流泵用以将滤池出水回流到滤池底部实现反硝化。置于填料层内空气管用于曝气供氧。生物滤池上部为好氧区，下部为缺氧区。污水处理厂二级处理出水和经过硝化后滤池出水根据回流比混合后经过滤池进水管进入滤池底部，并向上首先流经填料层缺氧区进行反硝化。填料上微生物利用进水中溶解氧和反硝化过程中生成氧降解BOD，同时，SS被填料及其上面生物膜吸附截留在滤床内，NH3-N发生硝化反应。流出填料层净化水经过滤池挡板上滤头排出滤池。选择生物滤池工艺对采取氧化沟工艺污水处理厂进行升级改造，改造后工艺步骤见图2。

图2 氧化沟+BAF 工艺步骤
（2）生物滤池工艺优点
1）采取生物滤池对污水处理厂二级出水进行处理优点是在去除SS同时还能够有效地去除污水中溶解性有机物和氮；2）生物滤池内生物量大，处理负荷高，水处理构筑物容积小，占地省；3）出水水质稳定，品质优良。
（3）作为升级改造工艺缺点
 1）生物滤池对进水SS要求较高，理论上应确保 SS低于100mg/L以下，实际应低于60mg/L，不然会堵塞生物滤池，极难正常运行；2）生物滤池工艺水头损失大，进水出水升级改造部分二级出水 BAF 沉淀池氧化池消毒池二沉池格栅间图2 氧化沟+BAF 工艺步骤动力消耗大，造成运行成本增加；3）生物滤池工艺因为必需定时进行反冲洗，当多池并联运行时，必需自动化控制，造成维护管理工作量大，维护成本增加；4）工程投资较大。
2.1.3 MBR工艺
（1）MBR结构及工作机理
MBR是一个将污水生物处理和膜过滤技术相结合高效废水生物处理工艺。它把膜分离技术和生物技术结合起来，采取膜组件替换常规二级生化处理工艺中二沉池、砂滤、消毒等单元，用超（微）滤膜对曝气池出水直接进行过滤。
常见一体式MBR结构图3。将膜组件直接置入生物反应器内，曝气器放在膜组件下面，经过真空泵进行抽吸，得到过滤液。MBR作为污水经二级处理后深度处理工艺步骤见图4。

图3 一体式MBR结构示意

图4 A2/O+MBR工艺步骤
 （2）MBR作为升级改造工艺优缺点
MBR工艺关键优点是：1）对悬浮物去除率高，抵御污泥膨胀能力强，出水水质稳定，而且可去除部分细菌、病毒，是一个对原水处理后无须消毒工艺；2）实现了悬浮固体停留时间（SRT）和水力停留时间（HRT）根本分离，运行控制愈加灵活、稳定，易于实现自动控制； 3）因为膜组件对混合液高效分离，活性污泥几乎没有流失，大大提升了曝气池中活性污泥（MLSS）浓度， MLSS可达成10～20g／L（好氧型），比传统MLSS浓度高出近10倍，提升容积负荷，设备占地省；4）SRT延长，有利于增殖缓慢细菌生长（如硝化细菌），可使硝化细菌在曝气池内积累，从而提升系统硝化能力，还能够提升难降解有机物降解速率；5）剩下污泥产生量少，污泥处理费用较低。
MBR工艺关键缺点为：1）对悬浮物、有机物等去除效果很好，不过对N、P去除效果不够理想；2）因为膜生物反应器寿命较短，膜更换成本高，造成设备维护费用较高；3）膜易污染，造成堵塞，必需定时采取化学药品清洗，造成操作过程复杂，运行成本升高；4）膜组件在运行时，为了确保膜表面不易被生物污染或堵塞，必需确保高汽水比（汽水比通常需25:1），这么造成了能耗升高，水处理成本增加。
总而言之，中国现在对污水处理厂出水深度处理采取这些常规工艺技术，不管在操作运行管理，还是在工程投资，处理成本方面全部不够理想，所以，开发更为经济有效污水深度处理工艺技术含有十分关键意义。
3 未来可能工程化应用新技术
3.1 NPR工艺技术
（1）NPR工艺机理 NPR技术是A2/O和BAF工艺技术有机结合。该工艺特点是高效地处理了脱氮除磷问题。NPR工艺可分为两个主体生化段，第一主体生化段设置有厌氧段、缺氧段和好氧保持段三部分，和A2/O基础相同。污水在厌氧段释放磷、部分有机物进行降解，在缺氧段进行反硝化脱氮，同时去除大部分有机物。好氧段为氧保持段，不进行硝化反应，只进行部分有机物降解。好氧段出水经二沉池沉降处理后，进入第二主体生物段。该段安装有新型生物填料，对污水中有机物、氨氮、磷深入吸附和生物降解。生物滤池出水一部分排放，另一部分回流到前置缺氧反应池中进行反硝化。二沉池产生污泥一部分回流到厌氧段，另一部分剩下污泥排出系统后进行脱水处理。在NPR工艺中，大量有机物在缺氧段被去除；好氧段曝气时间仅为A2/O工艺曝气段1/5～ 1/4，短时间曝气不产生硝化反应，仅去除剩下部分有机物；因为好氧段曝气时间缩短，污泥龄短，排出污泥中含磷量高，能够显著提升系统对磷去除率。其工艺步骤见图5。在NPR工艺中，生物滤池内无需设置缺氧区，仅设置好氧区，这么其操作过程和施工安装全部极其简单。

图5 NPR工艺步骤
（2）NPR技术优点
1）NPR工艺好氧段和A2/O好氧段完全不一样， NPR工艺中好氧段实质上是溶解氧保持段，水力停留时间仅为A2/O工艺1/5～1/4，容积很小，对应降低了占地面积及工程造价；2）NPR工艺中好氧段因为不进行硝化，混合液中硝态氮极少，所以，在二沉池中几乎没有反硝化发生，也不产生N2，这么改善了污泥沉降性能，使污泥不易上浮，二沉池表面负荷也可显著提升，水力停留时间缩短，池容减小，出水中SS降低； 3）NPR工艺中因为二沉池分离出回流污泥中不含硝酸盐和亚硝酸盐，当其回流至厌氧段后，无氧释放过程，从而轻易形成良好厌氧过程，提升了回流污泥中微生物对磷释放效果，也同时改善了好氧段聚磷菌对磷摄取作用。尤其是NPR工艺中污泥龄很短，污泥产出率相对提升，这么大大提升了磷去除效果。依据实际工程应用结果，总磷去除率可达成80%以上；4） NPR工艺是A2/O工艺和BAF工艺相结合产物，二沉池出水中SS浓度通常可低于40mg/L。这么就确保了BAF进水中SS浓度低于60mg/L要求，有效地避免了生物滤池堵塞问题，同时NPR工艺又充足利用了生物滤池中能够内装对NH3-N含有吸附作用滤料，生物量能够提升， NH3-N硝化过程能够强化，有利于对污水进行深度处理，从而确保了出水品质。通常而言能够使出水水质达成中水回用水平，和传统三级处理工艺相比（二级生化，一级物化）大大缩短了工艺步骤，省去了混凝加药过程，大幅度地降低了污水处理成本；5）在NPR工艺中，NH3-N硝化过程是在后置生物滤池中完成，硝化液回流到前置缺氧段中；这么省去了经典BAF工艺在生物滤池中设置缺氧层进行反硝过复杂过程，简化了操作，提升了脱氮效果，依据实际运行结果，总氮去除率可达成90%以上；6）即使NPR工艺中在二沉池以后增加了生物滤池，在选择专用填料条件下，其水力停留时间仅为1.5～2h。全步骤总水力停留时间为 4～5h，和传统A2/O工艺相比，池容积并未增加，只是空间上进行了分割，构筑物增加了一个，并未增加工程投资和运行成本。这么在支付了A2/O二级处理效果成本条件下却得到了三级处理高品质用水；7）NPR工艺中硝化液从生物滤池回流到缺氧段，和A2/O工艺中硝化液从曝气池末端回流相比，并不增加投资和动力费用；8）NPR中硝化液回流后，二沉池系统应增加水力负荷，不过因为进入二沉池污泥沉降性能改善，表面负荷提升，二沉池容积几乎不增加。所以，NPR工艺工程投资、运行成本费几乎和A2/O相同，但其出水水质比A2/O大大提升。
（3）NPR技术缺点
1）生物滤池工艺部分水头损失大，动力消耗大； 2）生物滤池工艺部分因为必需定时反冲洗，当多池并联运行时，必需自动控制，造成维护管理复杂。
（4）NPR技术应用前景
依据试验研究结果和对国外已运行工程实地考察分析，NPR工艺是由两个在中国已经长久运行成熟工艺有机组合形成新工艺，其工程应用比较成熟可靠。NPR工艺和传统活性污泥工艺相比，在相同投资费用和运行成本条件下，能够直接将城市污水处理成回用水水质，生物除磷效果能够提升2倍以上，脱氮效率能够提升50%～70%。所以，NPR工艺在中国含有宽广应用前景。
3.2 CNR（纤毛状生物膜脱氮除磷）工艺
（1）CNR技术介绍
CNR技术是在活性污泥法好氧池中经过使用有选择性吸附NH4+离子能力纤毛状生物填料增加好氧池中总生物量（关键是硝化菌类），达成强化生物深度脱氮除磷一个新型工艺技术。作为一个适宜于对现有污水处理厂进行改造强化工艺，因其简单易行，能够广泛地应用于需要污水深度处理工艺技术改造中。
CNR工艺在好氧池中填充有高效纤毛状生物膜填料。这种纤毛状生物膜填料能有效地固定增殖速度较慢硝化微生物，可显著提升硝化反应速率。在装填有这种填料反应池中，依靠附着微生物和分散浮游微生物提升污染物去除效率。微生物在纤毛中含有优良附着和脱落能力，不易产生堵塞现象。纤毛状生物膜填料见图6，CNR工艺步骤见图7。

图6 纤毛状生物填料微生物附着示意

图7 CNR工艺步骤
 （2）纤毛填料特点
1）改良直毛状生物填料比表面积大（1000m2/m3以上），附着生物量多，处理效率高。所以水力停留时间短；工程投资省；2）微生物轻易挂膜、脱膜，无堵塞现象，不需要反冲洗，维护和管理简单轻易；3）耐久性强，不用更换；4）含有对NH4+强吸附能力；硝化能力强，脱氮率高。
（3）CNR工艺优点
1）抗冲击能力强，出水水质稳定。其抗冲击负荷强优势关键来自以下多个作用：纤毛状生物膜中大量附着微生物和大量分散浮游微生物协同作用，确保了稳定地高效处理多种污水及其耐冲击能力；纤毛状生物膜生物种群和水膜作用，在低水温（7℃～10℃）环境下，仍能保持高处理效率。
2）用于污水深度处理工程投资少，运行成本较低。其经济优势关键来自以下几方面：停留时间短（HRT≤6h），所以需要水处理构筑物占地面积小，工程投资少；由附着微生物膜内部缺氧区域产生反硝化作用，不需要大量硝化液回流，和其它工艺相比，对于污水深度处理不会显著增加动力消耗，从而降低了运行成本；因为这种工艺排出污泥中磷含量显著增加，提升了生物除磷效果，和需要化学除磷其它工艺相比，节省了运行成本。
3）CNR工艺用于处理污水时，附着在填料上微生物和后生动物协同作用会引发有机物深度氧化，和常规处理工艺相比，可使污泥产生量降低20%～30%。
4）CNR工艺操作方便，维护管理简单。CNR工艺和 A2/O工艺全部为连续流，不需要反冲洗过程，所以操作过程十分简单；直毛状纤维生物膜含有比表面积大、耐久性强优势；而且含有挂膜轻易、脱膜快特点，无堵塞现象，不需要常常更换，降低了维护工作，也降低了运行成本。
（3）CNR技术缺点
该填料现在仍在国产化阶段，所以需要从国外进口才能满足中国市场需要。
（4）CNR技术应用前景
依据试验研究结果和对国外已运行工程实地考察分析，CNR技术工程应用已经比较成熟可靠。CNR技术用于污水深度处理，含有显著优势。尤其是CNR技术用于二级污水处理厂升级改造时和传统其它工艺相比，基础上只需在好氧池中增设填料，在工程投资极少（300元/m3）和运行成本和二级污水处理成本相差不多条件下，就能够直接将城市污水处理成回用标准水水质，生物除磷效果可提升2倍以上，脱氮效率可提升50%。所以，CNR工艺技术在中国含有宽广应用前景。
3.3 人工湿地
（1）人工湿地技术介绍
人工湿地技术是由人工基质、水生植物和微生物组成水处理构筑物。人工基质为微生物生长提供了稳定依附表面，为水生植物提供载体。人工湿地经过一系列物理、化学、生物作用净化污水。水生植物除直接吸收、富集、利用污水中有毒有害物质外，还有输送氧气到根区和维持水力传输作用；微生物代谢作用是污水中有机物降解关键机制。
人工湿地曾用于直接处理生活污水，但因为易发生堵塞等问题，造成处理效果不好。现在普遍认为人工湿地技术适适用于处理低浓度、微污染含有易降解有机污染物污水。也适适用于处理污水处理厂排出尾水，也就是说可作为污水处理厂升级改造备选技术。近几年来，人工湿地技术在中国得到快速发展，也被大量用于地表水体修复。
（2）人工湿地技术优点
1）工程投资较少；运行成本较低；2）在进行污水处理同时还可增加绿地面积，改善生态环境，含有良好景观效果；3）人工湿地植物不仅能净化污水，收割后还有较高利用价值，能够带来一定经济效益； 4）工艺过程简单，运行维护方便。
（3）人工湿地技术缺点
1）占地面积较大；2）轻易发生堵塞。作为污水处理厂升级改造后续工艺时，要求污水处理厂出水SS浓度不能太高，以预防人工湿地堵塞；3）要求适宜自然气候条件，比较适适用于南方地域，不适合北方严寒地域使用。
（4）人工湿地技术应用前景
现在，中国绝大部分污水处理厂尾水全部是直接排入地表水体中。即使排放尾水水质达成一级A标准，也不能满足地表水体水质要求。尤其是尾水中氮磷浓度较高，已成为排入地表水体约束指标。采取其它工艺技术削减这种低浓度氮磷全部不经济，人工湿地工艺则更为适宜。为了预防污水处理厂尾水排入地表水体后造成富营养化，采取人工湿地工艺是一个行之有效工程技术手段，所以人工湿地工艺在中国污水处理厂排放尾水深度处理中含有宽广应用前景。
4 东莞市污水处理厂升级改造技术路线
东莞市绝大部分污水处理厂排放尾水全部直接进入东莞运河或其它河涌，这些尾水水质远劣于地表水水质要求，尤其是作为备用水源部分水库，水质受尾水影响将会更大。所以东莞市面临着污水处理厂技术升级改造问题。
鉴于东莞市几十座污水处理厂绝大多数采取全部是 BOT建设模式，基础采取了A2/O、CASS、氧化沟三种工艺，地表水体水质要求应优于Ⅳ类水质。尤其是考虑到污水处理厂升级改造经济成本，为了尽可能降低政府经济负担，对于这些污水处理厂升级改造技术方面最为有效、经济方面最为节省工艺应是CNR工艺技术。这种工艺只需在原有工艺好氧反应池中安装特种生物填料，在其后加一个过滤设施即可达成一级A出水标准。处理每吨水技改工程总投资不超出500元，运行成本不超出0.2元。
5 结论
（1）鉴于现在东莞市污水处理厂排放尾水普遍是一级B标准，而这些排放尾水又是东莞运河关键补充水源，这种尾水水质和东莞运河地表水水质要求相差甚远，从而使东莞运河面临水体富营养化及水质不能达标风险，所以，对这些污水处理厂进行升级改造使其排放尾水水质满足东莞运河或水库受纳水体要求十分必需，势在必行。
（2）经过对现在中国污水处理厂升级改造普遍采取传统工艺和现在新开发在未来含有宽广应用前景多个工艺综合分析比较发觉，CNR工艺含有技改工程投资少、运行成本低、操作管理方便优点，而且已经有十多座污水处理厂改造运行经验，对于污水处理厂升级改造含有较多优势；NPR工艺对于新建污水处理厂要求直接将污水处理成一级A或回用标准污水处理工程更为适宜；人工湿地更适适用于对污水处理厂排放尾水进行更高标准深度处理。
（3）鉴于东莞市污水处理厂采取采取CNR工艺含有技改工程投资少，运行成本低，操作管理方便优点，东莞市城市污水处理厂升级改造应优先选择CNR工艺。
（4）东莞市是一个被水污染严重困扰城市，在全国含有代表性和经典性，同时东莞市含有较强经济实力，应该主动推进城市污水处理厂升级改造，为东莞市水环境根本改善奠定基础，为全国水污染防治积累更多经验。