從幾個常見現(xiàn)象談污水處理廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行的精細(xì)化問題

原創(chuàng)2017-10-18孫永利中國給水排水

題目：從幾個常見現(xiàn)象談污水處理廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行的精細(xì)化問題

報(bào)告人: 中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司城市環(huán)境研究院 孫永利 副院長

主持人：天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保集團(tuán)股份有限公司李金河總工

下一個報(bào)告的題目是從幾個常見現(xiàn)象談污水處理廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行的精細(xì)化問題。報(bào)告人是中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 城市環(huán)境研究院孫永利 副院長。有請！

孫永利：

非常高興《中國給水排水》雜志社給我這個機(jī)會向大家交流和分享一下我們團(tuán)隊(duì)這兩年在城市污水處理廠調(diào)研和技術(shù)研究當(dāng)中發(fā)現(xiàn)的一些現(xiàn)象，以及基于這些現(xiàn)象所做的一些研究工作。這些研究成果很多已經(jīng)發(fā)表在《中國給水排水》雜志上，后面我會告訴大家這些論文的具體在哪一期，有興趣的代表可以直接與《中國給水排水》雜志社聯(lián)系。

前面有很多專家都講到了污水處理廠的提標(biāo)改造問題，一級A甚至更高排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為我國污水處理行業(yè)的發(fā)展趨勢。其實(shí)對于一級A標(biāo)準(zhǔn)或更高標(biāo)準(zhǔn)，我們最關(guān)心的是氮磷問題，也就是說以深度脫氮除磷為核心的技術(shù)改造將成為污水處理行業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)。但與此同時大家也都知道，我國的城鎮(zhèn)污水處理廠普遍面臨著脫氮除磷所需碳源不足的問題。根據(jù)我們對全國城鎮(zhèn)污水信息管理系統(tǒng)中2014年3000多座污水處理廠的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，約70%的污水處理廠COD/TN比值低于8，換算成BOD/TN可能只有4 ~ 5的水平，遠(yuǎn)低于污水處理廠脫氮除磷所需要的碳氮比水平。

面對碳源不足問題，我們更需要研究我們的碳源是不是很好的得到了利用，工程中是否有明顯的無效浪費(fèi)現(xiàn)象，也就是我們在從傳統(tǒng)的以碳去除為核心的低排放標(biāo)準(zhǔn)，向以氮磷去除為核心的高標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)變過程當(dāng)中，我們的設(shè)計(jì)和運(yùn)行方面是否存在碳源無效損失的問題。針對這個問題，我們這兩年選擇全國30多座污水處理廠進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)研分析，下面將重點(diǎn)從以下方面向各位介紹我們這方面的研究成果。

首先是預(yù)處理單元跌水復(fù)氧造成的碳源損耗問題，相關(guān)論文發(fā)表在2017年8月《中國給水排水》雜志上。這個現(xiàn)象也是我們偶然發(fā)現(xiàn)的，根據(jù)我們最初的理解，污水經(jīng)管網(wǎng)并由集水井出來后，應(yīng)該是厭氧狀態(tài)的，也就是比較低的溶解氧才對，結(jié)果調(diào)研測試的時候發(fā)現(xiàn)很多污水處理廠泵后水渠內(nèi)都有一定的溶解氧值，溯源后發(fā)現(xiàn)溶解氧主要來自于跌水點(diǎn)前后，跌水形成的復(fù)氧問題非常明顯，每一次跌水基本上能形成3到4 mg/L，甚至更高的溶解氧增量。據(jù)此推算，大部分污水處理廠預(yù)處理單元跌水可能就要消耗6~ 8 mg/L，甚至更高的可生物降解COD，而這些都是我們比較珍貴的碳源。因?yàn)檫@里面消耗的COD可能是我們最優(yōu)質(zhì)的碳源。

那么到底為什么跌水會形成這么高一個復(fù)氧水平，我們開始也咨詢了很多業(yè)內(nèi)專家，很多專家認(rèn)為不可能，有的專家認(rèn)為我們測試方法有問題，有的提出說我們的研究結(jié)論跟國際上的相關(guān)說法不太一致，為此也給我們提出了很多進(jìn)一步研究和驗(yàn)證的建議。為此，我們就選擇實(shí)際工程，進(jìn)行了相關(guān)的生產(chǎn)性測試。在南方某污水處理廠泵池出口的跌水區(qū)選擇了5個檢測點(diǎn)，如圖中所示，其中4號和5號點(diǎn)分別位于跌水前和跌水后的區(qū)域。分別對5個點(diǎn)的表層水和深層水進(jìn)行了溶解氧的測試，結(jié)果表明，1~ 4號點(diǎn)表層和深層的溶解氧沒有明顯差別，證明表面復(fù)氧量相對較小。但是4號和5號之間出現(xiàn)明顯差別，也就是說跌水點(diǎn)前后出現(xiàn)明顯的溶解氧濃度差。

為了進(jìn)一步說明跌水復(fù)氧產(chǎn)生的原因，我們提出了一個污水跌落瞬間復(fù)氧的假說，并通過一定的測試手段進(jìn)行了驗(yàn)證。首先，受水的表面張力影響，污水跌落過程中的表面復(fù)氧現(xiàn)象并不明顯，但是跌落的過程會帶動周邊空氣運(yùn)動，并在半封閉的跌水池中形成旋流，通過這種旋流實(shí)現(xiàn)了跌水池內(nèi)氣體與外界大氣的溝通與置換，因此跌水池內(nèi)空氣中的氧含量并不低。另外，旋流的空氣會隨著跌水過程進(jìn)入到跌水池的污水里面，與此同時跌水形成的巨大沖擊力導(dǎo)致水珠的表面張力被破壞，使氧更容易與水混合。這可能是跌水復(fù)氧形成的最重要原因。

那么針對這個問題，我們就有兩個可以考慮的思路，或者阻止其跌水，或者阻止跌水區(qū)域和外界的空氣交流�；�于此，我們在常州做了一個阻止空氣對流的工程性實(shí)驗(yàn)，利用工程本身半封閉的自然條件，通過在走道板上部加設(shè)密封油氈的形式，有效的實(shí)現(xiàn)了對該區(qū)域空氣對流的阻斷，一天左右的時間，跌水區(qū)域的氧濃度由5~6 mg/L降低至1~2 mg/L甚至更低水平，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。當(dāng)然考慮到該區(qū)域低溶解氧可能導(dǎo)致的安全問題，我們在油氈上也預(yù)留了通氣孔等通風(fēng)措施。

今天也有專家講過反硝化濾池上的溶解氧問題，其實(shí)我們獲得的工程結(jié)果可能遠(yuǎn)高于前面專家提到的溶解氧值，但其實(shí)這個現(xiàn)象并不僅僅是反硝化濾池本身跌水復(fù)氧造成的。給大家提供一組二沉池出水之后的溶解氧變化曲線，大家會發(fā)現(xiàn)，這個DO值其實(shí)是多次跌水之后的綜合結(jié)果，然后到了反硝化濾池里面就相對非常高了，8 mg/L左右是多數(shù)反硝化濾池的正常水平。

上述是關(guān)于跌水復(fù)氧方面的研究成果，那么第二部分給大家介紹一下我們在內(nèi)回流混合液溶解氧控制方面的研究成果和最新進(jìn)展。今天也有部分專家提到過這個問題，看來這個問題越來越引起大家的關(guān)注了，這部分的研究成果我們也是2015年發(fā)表在《中國給水排水》11月的期刊上了。當(dāng)然也要感謝《中國給水排水》編輯部及各位評委和讀者，該論文還在2016年獲得了《中國給水排水》編輯部的一個論文特等獎。這個事情也很簡單，大家都知道我們好氧池的混合液是有兩個出口的，一個要到二沉池，一個是要回流到缺氧池，這兩個出口通常是不分開的。為了避免二沉池反硝化浮泥，通常會在好氧池末端保持相對較高的溶解氧水平，那么這樣相當(dāng)于是回流到缺氧池的混合液也具有相對較高的溶解氧水平，從而導(dǎo)致缺氧池不缺氧的現(xiàn)象。下表是我對部分污水處理廠的測試結(jié)果。

從數(shù)據(jù)也不難看出，我們?nèi)毖醭厝肟诔龅膬?nèi)回流混合液溶解氧還是比較高的，當(dāng)然大家也會說第一個不是很高，只有0.86 mg/L，可以明確告訴大家，這個是我們技術(shù)改造之后的結(jié)果，改造之前該廠的值大概在4 mg/L。

那么這個內(nèi)回流混合液到底對缺氧池，或者說對我們的脫氮量是什么影響，可否量化。我們也查閱了一些資料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)時文獻(xiàn)表述不多，為此我們也希望能建立一個理論計(jì)算公式，首先大家都比較清楚，根據(jù)氧化還原反應(yīng)的電子關(guān)系理論計(jì)算結(jié)果，每1 mg的溶解氧會影響0.35mg的硝酸鹽氮去除量。那么我們首先進(jìn)行了一下靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證一下這個0.35是否成立，方法很簡單，就是兩個燒杯，一個有4.5 mg/L的溶解氧濃度，一個基本上沒有。攪拌并連續(xù)監(jiān)測硝酸鹽濃度，并繪制曲線計(jì)算兩個反應(yīng)器內(nèi)硝酸鹽去除量的差值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)差值高于我們根據(jù)理論推導(dǎo)出的1.58 mg/L理論差值，表明還有其他因素影響，需要研究修正系數(shù)。

為此我們又做了動態(tài)試驗(yàn)。這個動態(tài)試驗(yàn)也不是很復(fù)雜，就是讓反應(yīng)器中的連續(xù)流動起來，然后進(jìn)行跟蹤測試和計(jì)算。并結(jié)合物料關(guān)系進(jìn)行理論計(jì)算和實(shí)際檢測，按照理論計(jì)算結(jié)果，應(yīng)該是0.033 mg/min的差值，但是實(shí)際測試結(jié)果該差值為0.043，也就是說兩者之間應(yīng)該存在一個1.2~1.3的k值系數(shù)。

很多人也問道為什么會有這個系數(shù)，我個人覺得這個系數(shù)應(yīng)該是與曝氣之后，混合液中的ORP值增高，也就是混合液中氧化性物質(zhì)含量提高有關(guān)，當(dāng)然具體原理和影響因素還有待進(jìn)一步研究。但是這樣我們就可以建立一個簡單的理論公式，進(jìn)行內(nèi)回流混合液溶解氧對缺氧池反硝化脫氮影響的簡單測算。這個公式中的各個參數(shù)也就很簡單了。當(dāng)然我會強(qiáng)調(diào)一下r的問題，也就是說如果回流混合液有DO的問題，r值提高不一定就是對脫氮有利的，尤其是缺氧池碳源不足的時候。

我們用這個模型對幾個污水處理廠進(jìn)行了簡單的測算，也就會發(fā)現(xiàn)回流混合液的溶解氧會導(dǎo)致污水處理廠出現(xiàn)1~ 5 mg/L的硝酸鹽氮去除損失量。這個損失量對于部分污水處理廠是巨大的，因?yàn)楸仨毻都酉鄳?yīng)量的碳源，如果能很好的控制溶解氧問題，部分污水處理廠就可以省掉碳源的問題。

那么我們第二步就開始研究怎么樣能把這個回流混合液的溶解氧控制下來，或者說怎么讓流向二沉池的混合液和回流到缺氧池的混合液分開。我們團(tuán)隊(duì)就提出了一個在好氧池末端分割出消氧區(qū)的思路，該思路不同于傳統(tǒng)的增加池體，而只是在末端設(shè)置隔墻，將原有的4Q混合液分開成2個2Q混合液，實(shí)際停留時間不變，其中2Q混合液的消氧區(qū)中通過攪拌實(shí)現(xiàn)消氧，而2Q的好氧區(qū)繼續(xù)保持曝氣狀態(tài)。這也就相當(dāng)于是在不影響總體停留時間的情況下實(shí)現(xiàn)了回流混合液和二沉池混合液在功能上的有效分離，通過這個消氧區(qū)基本上可以將內(nèi)回流混合液對缺氧池反硝化脫氮的影響降低到最低水平，使整個缺氧池真正實(shí)現(xiàn)一個缺氧狀態(tài)。我們已經(jīng)利用這個思路對江蘇省部分污水處理廠進(jìn)行了運(yùn)行優(yōu)化，效果顯著。當(dāng)然我們最近設(shè)計(jì)的幾個污水處理廠也直接應(yīng)用了該技術(shù)。

很多人會關(guān)心，這個消氧池到底需要多長停留時間。那么也給大家共享一下我們的研究結(jié)論，按照我們的測試結(jié)果，大部分污水處理廠好氧池末端混合液大概15分鐘左右就可以從3 mg/L降低到0左右。那么也就是說如果是2Q，工程設(shè)計(jì)停留時間30min左右也就差不多了。關(guān)于更進(jìn)一步的研究內(nèi)容，大家可以下載我們相關(guān)的論文。

今天還要跟大家交流一個化學(xué)協(xié)同除磷的問題，這個問題也是發(fā)表在我們《中國給水排水》2015年10月的期刊上了。我們的研究是起源于我們所承擔(dān)的一個863污泥磷回收課題，當(dāng)時我們在太湖流域某化學(xué)協(xié)同除磷污水處理廠開展污泥系統(tǒng)釋磷實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)我們超量投加了優(yōu)質(zhì)碳源，但是磷的濃度卻很低，只有酸堿調(diào)理的時候才有磷釋放。而同期其他課題組在非化學(xué)協(xié)同除磷污水處理廠同步進(jìn)行的試驗(yàn)磷濃度卻很高，因此我們覺得化學(xué)協(xié)同除磷一定程度上影響了我們生物除磷功能。為此，我們首先研究了一下全國有多少污水廠在用到化學(xué)除磷藥劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)上千座污水處理廠都在投加除磷藥劑，不管是協(xié)同除磷還是后置除磷。那么既然這么多，我們就要研究一下藥劑投加量和除磷量的關(guān)系，為此我們查閱了相關(guān)材料，感覺直接相關(guān)的公式并不好用，因此我們根據(jù)理論反應(yīng)公式，試圖建立一個兩者摩爾當(dāng)量的計(jì)算公式，并利用這個公式對上面提到的近千座化學(xué)除磷污水處理廠進(jìn)行了藥劑投加量和除磷量摩爾當(dāng)量的計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果表明，60%以上的化學(xué)除磷污水處理廠所投加的化學(xué)除磷藥劑量超過除磷需要的劑量水平。也就是說化學(xué)除磷對生物除磷系統(tǒng)的影響可能是一個需要普遍關(guān)注的話題。

那么再回到化學(xué)協(xié)同除磷的問題，我們需要研究為什么化學(xué)協(xié)同除磷影響了生物除磷，或者說在二沉池末端投加過量的除磷藥劑，到底怎么對生物除磷造成了影響。為此我們又做了一組模擬實(shí)驗(yàn)，選擇不同污水處理廠，在三個反應(yīng)器中分別加入“污水原水+二沉污泥”、“優(yōu)質(zhì)碳源+二沉污泥”、“磷酸鹽+二沉污泥”并測試磷酸鹽的變化情況。第一組數(shù)據(jù)是我們模擬二沉池污泥與原水混合的磷酸鹽測定結(jié)果，根據(jù)混合液磷酸鹽理論加權(quán)平均值和實(shí)測值的對比結(jié)果，化學(xué)除磷藥劑投加量較大的A、B、C污水廠，基本無明顯的厭氧釋磷現(xiàn)象，而投加量相對較小的E廠仍具有明顯的釋磷現(xiàn)象，D廠摩爾當(dāng)量為月均值，該試驗(yàn)階段處于過量加藥期，不具有代表性。

第二組數(shù)據(jù)改為二沉污泥過量加入優(yōu)質(zhì)碳源，測試強(qiáng)化厭氧釋磷效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)A、B、C廠仍沒有厭氧釋磷，而D、E廠厭氧釋磷現(xiàn)象明顯。

那么我們第三個實(shí)驗(yàn)，我們主要是想看看二沉池中化學(xué)藥劑的過量問題，也就是往二沉池污泥中加入磷酸鹽，看看會不會沉淀去除掉。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，A、B、C三個廠加入磷酸鹽并混合后的濾后樣實(shí)際測定結(jié)果均低于加權(quán)平均后的計(jì)算結(jié)果，也就表明加入的磷酸鹽被除磷藥劑沉淀去除了。但是D、E廠投加后的去除效果并不顯著。

上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為我們推斷為什么化學(xué)協(xié)同除磷污水處理廠厭氧池不釋磷提供了一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，我們就能知道雖然我們是在二沉池投加的，但是到了好氧末端，磷酸鹽濃度相對是比較低的，此時除磷藥劑是過量的，那么過量的藥劑首先是與污泥發(fā)生絮凝沉淀反應(yīng)，而后隨著回流污泥進(jìn)入到厭氧池中，這時候即使厭氧池有釋磷功能或現(xiàn)象，所釋放的磷酸鹽也要與除磷藥劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成磷酸鹽沉淀。也就是說化學(xué)協(xié)同除磷污水處理廠的厭氧池出來的混合液實(shí)際上是沒有磷酸鹽，或者低磷酸鹽的。而后這些混合液進(jìn)入到好氧池，就沒有辦法完成吸磷了，因?yàn)闆]有磷酸鹽可以吸了。那么既然不能吸磷了，后續(xù)自然也沒法釋磷了，因?yàn)獒屃资且�以釋磷所產(chǎn)生PHB作為驅(qū)動力的。然后好氧池不吸磷，自然也沒有“聚磷”產(chǎn)生，自然后續(xù)也就沒法“釋磷”。也就是說厭氧釋磷與好氧吸磷是互相的，影響其一反應(yīng)，必將影響到另一個反應(yīng)。

當(dāng)然我們這里做了個假設(shè)，就是所形成的磷酸鹽化學(xué)沉淀，對生物除磷菌來說是一種不可逆的，化學(xué)磷酸鹽沉淀無法參與到生物除磷反應(yīng)中。這個假設(shè)是否成立，我們目前還在研究階段，后續(xù)還有很多值得研究的內(nèi)容。那么可以研究什么，個人認(rèn)為進(jìn)一步的研究關(guān)注磷酸鹽濃度變化已經(jīng)沒有太大意義了，研究厭氧污泥中是否有聚磷菌似乎也沒有太多的科學(xué)意義，如果有興趣的高�；蚩蒲袡C(jī)構(gòu)可以考慮從另一個副產(chǎn)物入手，也就是PHB來開展研究，因?yàn)榫湍壳皝砜�，可能只有PHB是最有代表性，且影響因素最少的指標(biāo)了。

既然化學(xué)協(xié)同除磷已經(jīng)影響了我們生物除磷功能，那么似乎我們的厭氧/好氧模式也就會受到影響了，就需要考慮一定的應(yīng)對或補(bǔ)救措施。為此，我們對以前部分專家也提到過的厭氧池側(cè)流除磷進(jìn)行了一定的工程研究。大家都知道，我們沒有化學(xué)協(xié)同除磷的時候，很多污水處理廠厭氧池都有比較高的磷酸鹽濃度，基于這個濃度大概測算一下，如果把厭氧池20%到30%的混合液拿出來做化學(xué)除磷處理，這樣會去除2-5毫克升的磷酸鹽去除量，基于此提出一個化學(xué)除磷理念。

這樣在實(shí)際工程中，我們只需要在厭氧池末端形成一個簡單的沉淀區(qū)，在這個區(qū)域里，不一定要把SS降低到很低的水平，100~200 mg/L都是可以接受的。然后這部分沉淀上清液單獨(dú)做化學(xué)除磷處理，這樣有一定的SS對于形成化學(xué)沉淀也是有利的；另外，出水的磷酸鹽也不用太低，2 mg/L即可，這樣也就回避了低濃度的時候，藥劑投加量與除磷量的非線性問題。這種思路基本可以解決我們整個污水處理廠的磷去除問題，而且除磷藥劑與主工藝無交集，與污泥系統(tǒng)也可無交集，不會影響到工藝運(yùn)行。然后這里我們也需要講一下出水SS和TP的關(guān)系問題，如果通過側(cè)流把TP去掉了，那么SS中磷酸鹽的濃度必然降低，SS將不再是影響出水TP穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的主要因素。

最后再給大家交流一下反硝化除磷的工程強(qiáng)化問題。要研究怎么工程強(qiáng)化，我們首先要研究一下反硝化除磷到底是怎么回事。那么我們首先看看缺氧池中到底有什么，以A2/O類工藝為例，缺氧池主要接納了好氧池混合液、原水、厭氧池混合液，那么這里面都有什么成分大家就都清楚了，在這里就不一一解釋了。

這些物質(zhì)之間可能發(fā)生的反應(yīng)也都給大家列出來了。那么基于這些反應(yīng)關(guān)系，我們可以知道，反硝化除磷需要強(qiáng)化的是硝酸鹽和磷酸鹽之間的反應(yīng)，那么，我們就應(yīng)該盡量限制與這兩種物質(zhì)有關(guān)的其他反應(yīng)，否則就容易與反硝化除磷反應(yīng)形成競爭。這樣一分析，實(shí)際工程就簡單了，首先我們要控制有機(jī)物不能進(jìn)到反硝化除磷單元，第二個要控制溶解氧不要進(jìn)來，這樣逐漸培養(yǎng)就容易形成有利于反硝化除磷菌生長的環(huán)境�；�于此思路，我們研究團(tuán)隊(duì)對太湖流域部分污水處理廠進(jìn)行了工程性優(yōu)化，結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期，當(dāng)條件控制住后，反硝化除磷的效果非常明顯。

那么，回到工程上我們怎么強(qiáng)化，我們建議在常規(guī)缺氧池前端單獨(dú)做一段出來，作為反硝化除磷池使用。在這個所謂反硝化除磷池里，我們不加入原水或外加碳源，解決有機(jī)物的競爭問題；另外，回流混合液來自于消氧池，解決溶解氧的抑制問題，當(dāng)然如果回流的混合液仍存在一定的溶解氧，只是會局部影響反硝化除磷效果。

今天給大家講了這么多，那么我們怎么結(jié)合到一個工程中，或者結(jié)合到完整的工藝技術(shù)路線上，真正實(shí)現(xiàn)碳源節(jié)約和一碳多用。為此，我們也提出了生物處理單元的核心工藝技術(shù)路線。在這個路線中，我首先強(qiáng)調(diào)好氧池要設(shè)置一個消氧區(qū)，解決回流混合液的溶解氧問題；然后缺氧池區(qū)分反硝化除磷區(qū)和反硝化脫氮區(qū)；原水和外加碳源盡量進(jìn)入?yún)捬醭�，�?qiáng)化生物除磷效果，并將高磷酸鹽混合液進(jìn)行側(cè)流化學(xué)除磷，富磷化學(xué)污泥單獨(dú)處理，寡磷清液進(jìn)入好氧池處理；厭氧池的相對高濃度、高PHB含量污泥進(jìn)入反硝化除磷區(qū)，進(jìn)一步強(qiáng)化反硝化除磷效果，這樣就最大限度的發(fā)揮了生物處理單元的功能，實(shí)現(xiàn)污水處理廠碳源的最大化利用。

這是我們團(tuán)隊(duì)最近兩年在污水處理方面的一些主要研究成果，希望對各位的工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行和管理有所幫助，如有不到之處，敬請批評指正。謝謝。

來源 ：