陳珺：污水處理升級改造的5個關鍵問題
我國污水處理領域在近幾年得到快速發(fā)展，日處理能力大幅提高，處于世界前列,已成為污水處理大國，但在技術選型、升級改造、能耗控制及運行管理方面，仍然距污水處理強國有較大的差距。因此，現(xiàn)有污水處理廠的科學合理升級改造、優(yōu)化運行已成為行業(yè)長期發(fā)展的目標，需不斷持續(xù)改進。
近日，江蘇(宜興)環(huán)保產(chǎn)業(yè)研究院總工陳珺，在《亞洲環(huán)保》主辦的“第四屆長三角(蘇浙滬)排水與污水處理研討會”上做了題為“污水處理升級改造的5個關鍵問題”，陳總工從實際處理能力的評估、生物處理工藝選型、生化池優(yōu)化設計、二沉池的優(yōu)化以及污水處理廠水力優(yōu)化五個方面，結合污水處理廠運行和管理經(jīng)驗，對污水處理目前運營過程中存在的問題進行了全面剖析，并介紹了污水處理升級改造的具體措施，深入顯出，條理清晰，用數(shù)據(jù)說話更有說服力，這五個問題也可能是您非常關注的問題，因為污水處理的提標改造和運營優(yōu)化到企業(yè)的生存及水環(huán)境的改善�；诖�，我們可以不斷擴展和創(chuàng)新，引領行業(yè)向前發(fā)展。
污水處理升級改造涉及的面非常廣，包括水量水質(zhì)的變化、工藝選型、排放標準、設備更新、投資與運行成本、占地、能耗及控制等等，遠非一個報告所能完全覆蓋。這里僅和大家交流一下在污水處理升級改造的過程中涉及到五個主要方面的問題，這些問題包括：實際處理能力的評估、生物處理工藝選型、生化池優(yōu)化設計、二沉池的優(yōu)化以及污水處理廠水力優(yōu)化的問題。
一、實際處理能力的評估
實際處理能力評估是污水處理升級改造過程中最為重要的事情。只有在清楚了解目前污水處理廠的實際處理能力才能有的放矢地進行下一步的升級改造。這個“實際處理能力”涉及到很多方面，包括污水水量水質(zhì)特性、設備設施狀況、處理要求、工藝控制策略、運行維護等等，這些因素互相交織在一起，形成了真正的實際處理能力，而非通常所指的設計規(guī)模。
實際處理能力不是一成不變的，它會隨著時間的推移而發(fā)生變化，比如由于人口的增加導致進水量的持續(xù)上升需要提高實際處理能力，最簡單的方法就是擴容;另外，不合理的運行維護會使污水處理廠隨著歲月的流逝而降低其處理能力。標準提高是污水處理廠發(fā)展過程中經(jīng)常遇到的事情，為了達到新的標準，在既有的設施情況下其處理能力可能就會降低。同時，我們還可以看到另外一些情景，某些卓越的污水廠會在其歷史發(fā)展過程中不斷優(yōu)化自身的情況，突破瓶頸的限制，以最小的投入實現(xiàn)處理能力的提高，實現(xiàn)污水處理的可持續(xù)發(fā)展。
因此，在進行污水處理升級改造之前的一個重要步驟是對實際處理能力的評估。我們對全國四千多座污水處理廠中的3300座污水處理廠的實際進水COD、TN濃度做了一些分析，可以看出絕大多數(shù)污水廠的COD濃度并不是很高，COD高于400mg/L的污水處理廠只占很小一部分，進水氮的濃度低的并不是很多。
我們做了一些實際污水廠的進水設計值與實際值的比較，可以看出從南到北很多污水處理廠的COD設計值與實際值有較大的差距，實際進水COD遠遠低于設計值，只有50%左右，氮的值也會低一些，但低的并不是很多。所以，很多污水處理廠的池容是有冗余的，這種冗余的潛力在升級改造時就可能得到利用，當然這會涉及到其他單元的問題，比如沉淀池的問題、進水管線的問題等等，需要進行實際評估。
實際處理能力評估需要用到一些方法，這些方法一般包括開會討論分析、全廠實際測試、工藝模擬分析。開會討論分析通常是相關方坐在一起討論，這種方式天然上來說是比較保守的，因為在沒有確切數(shù)據(jù)和依據(jù)的情況下，人都是保守的，只能憑經(jīng)驗。第二種方法是實際測試，實際測試包括沉淀池負荷測試、氧轉(zhuǎn)移測試、示蹤劑測試以及在線監(jiān)測等，實際測試的好處是因地制宜，找出關鍵參數(shù)，明確制約瓶頸。其中，負荷測試包括預處理、曝氣池、沉淀池、污泥脫水單元等方面的測試，需要明確各個單元的實際處理能力，當然測試期間不能影響出水水質(zhì)。這里舉一個曝氣效率方面測試的例子，大家知道α值是混合液中氧轉(zhuǎn)移效率與清水中氧轉(zhuǎn)移效率之比，是曝氣計算過程的一個關鍵參數(shù)，國內(nèi)設計規(guī)范是0.8-0.85，美國在80年代之前也是基本采用0.8，但實際運行中發(fā)現(xiàn)這個值差別較大，α值和泥齡、水質(zhì)等參數(shù)有關系，低的能到0.3。實際上，最為可靠的方法是用尾氣法測試獲得實際的α值，這是我們在一個污水廠正在做的尾氣法測試的照片，美國已經(jīng)有數(shù)百個污水廠采用了這種方法。通過這種方法獲得真實的參數(shù)為設備選型提供更加科學合理的依據(jù)。
其他測試方法還包括針對水質(zhì)的反硝化速率測試、示蹤劑測試沉淀池效率等，限于時間關系不再一一贅述。
第三種實際處理能力的評估方法是工藝模擬，尤其是動態(tài)模擬，這個無論是對實際污水廠的升級改造還是優(yōu)化運行都很有益。動態(tài)模擬可以根據(jù)進水動態(tài)負荷的變化而做出準確的模擬，確保在峰值負荷期間出水水質(zhì)依然達標，同時可以優(yōu)選出合理的工藝和參數(shù)實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的，這種方法是傳統(tǒng)EXCEL設計計算所無法實現(xiàn)的。
下面這個圖可以是一個穩(wěn)態(tài)模擬的反映，可以看出在曝氣池廊道的前端氨氮就已經(jīng)很低了，曝氣池有一定的冗余能力，我們可以通過動態(tài)模擬來確定其可利用的池容潛力。
下面這幾個圖反映了減少不同比例曝氣池池容后的出水氨氮動態(tài)變化，這就為具體的池容利用提供了可靠的依據(jù)。
當然工藝模擬并非是一件簡單的事情，需要對水質(zhì)特性、工藝參數(shù)有深入的了解，也并非是購買一套軟件就能解決的，污水處理工藝模擬背后反映的是污水處理龐大知識體系的積累，需要有對這方面深入了解的技術人員。
二、生物處理工藝選型
生物處理工藝的選型是一件很復雜的事情，涉及的面很廣，這里僅對目前常見的做法做一些探討。
A2O是最常用的工藝，受制于實際內(nèi)回流比的影響，即使在碳源充足的情況下，A2O工藝的脫氮率最高一般就在70%左右。所以如果進水TN小于50mg/L，出水TN達到15mg/L是可以的，但要求達到10mg/L以下是非常困難的。這是一個大型A2O工藝的污水處理廠進出水TN曲線圖，這個廠的進水碳源很充足，脫氮率一般就在70%左右。
這些年另外常見的一種工藝是多級AO工藝，多級AO工藝實際上是早期多點進水(Step-feed)工藝的改進，多點進水工藝是1935年Rid Gould最先提出，并應用在紐約的一座污水處理廠，這種工藝的本質(zhì)目的是為了降低曝氣池前后廊道供氧差異、降低峰值水量的沖擊，通過不同進水點流量的分配，在生物池從前到后的廊道上形成由高到低的污泥濃度梯度，降低進入二沉池的入流固體通量，從而避免在雨季期間大量污泥的流失。多級AO工藝的本意也是如此，它并不能顯著提高脫氮率，因為在實際工程中不可能設置無限多的進水點，一般最常用的是3級或4級。
這是一座改造為多級AO工藝的污水廠，改造時將曝氣池前面的一部分曝氣頭拆掉，用粗孔曝氣的方式進行缺氧攪拌，當然最好是安裝攪拌器進行攪拌。為了獲得較高的脫氮效果，實際上Bardenpho工藝是很好的方法，出水總氮達到3-10mg/L之間是沒有問題，但中國很多污水處理廠缺乏碳源，所以需要投加外部投加碳源，一般來說較常見的外加碳源是乙酸鈉，其反硝化速率較快，所需的第二缺氧池容也相對較小。
下面這個圖是山東某污水處理廠的Bardenpho工藝實際出水水質(zhì)，該廠的進水COD約200mg/L、進水TN約35mg/L，通過在Bardenpho工藝中投加乙酸鈉后，出水TN可以低于5mg/L。
另外一種改造模式是A2O+反硝化濾池，反硝化濾池雖然有很高的脫氮率，但做的好的反硝化濾池投資還是比對活性污泥工藝改進的投入要高，另外反硝化濾池需要在二沉池之后專門設置水泵的再次提升以滿足水頭的需要，而一些上向流的反硝化濾池在實際運行中堵塞的現(xiàn)象比較明顯，這些都是需要考慮的地方。
現(xiàn)在還比較常見的一種改造形式是在生物池中投加填料，一般我們稱之為IFAS工藝，曝氣池中既有活性污泥也有附著在填料之上的生物膜，當然也有回流污泥。而MBBR是沒有污泥回流，生物池中以附著在填料上的生物膜生長為主，懸浮的MLSS很低。我們應該明確區(qū)分這兩種工藝。IFAS或MBBR工藝主要是用于在占地面積較小或水溫較低的情況下，在不顯著增加池容的情況下實現(xiàn)穩(wěn)定的硝化效果。
IFAS工藝有固定式填料和移動式填料，兩種形式各有利弊，固定式填料改造起來相對簡單，有的以框架的形式直接放在曝氣池中，其他需要考慮的環(huán)節(jié)較少，但固定式填料容易滋生蠕蟲，需要定期采取措施清除。下面這個圖是北京某污水處理廠采用的固定式填料的IFAS工藝，改造后的效果很好。
移動式填料IFAS工藝的優(yōu)點是填料的比表面積大，但設計不當會出現(xiàn)很多問題，比如填料流失、填料堵塞篩網(wǎng)、填料在池內(nèi)角落堆積、曝氣設置的問題等等，這些方面涉及很多工程細節(jié)，主要是生物池水力流態(tài)方面的問題，需要格外注意。
三、生化池優(yōu)化設計
很多污水處理廠到了冬春季節(jié)，曝氣池上都會產(chǎn)生大量的浮泥泡沫，嚴重的污水處理廠二沉池上全是浮泥，有的甚至大量翻泥，引起出水水質(zhì)的嚴重超標，連現(xiàn)在的標準都達不到，就更不要說新的標準了。這種現(xiàn)象并非個別，在全國各地實際上是一種長期、普遍的現(xiàn)象，各地的污水處理運行同行深有感受.
很多年來我們一直對各地的這種現(xiàn)象進行分析和調(diào)查，實際上這種現(xiàn)象與污泥膨脹、低溫有密切的關系，這些調(diào)查包括微生物方面的鑒定與水質(zhì)方面的分析。我們發(fā)現(xiàn)在很多污水廠冬季出現(xiàn)的這種現(xiàn)象是Microthrix Parvicella(微絲菌)這種絲狀菌的過度繁殖造成的，這種微生物在泥齡較長、生物脫氮除磷工藝、水溫低于15度的環(huán)境中容易大量出現(xiàn)，這種情況和歐洲的很多污水廠類似。
而且微絲菌在泡沫中豐度遠遠比在混合液中的要高，一種務實的方法是選擇性地將這些微生物排除出系統(tǒng)，排除的速率要比它的生長速率高，這樣才能解決問題。所以需要對生物池進行優(yōu)化的設計以控制這種現(xiàn)象的發(fā)生，首先需要在曝氣池出口處進行擋板的設置，不能讓大量泡沫進入二沉池，其次是需要在曝氣池廊道的轉(zhuǎn)彎處形成自由移動的表面，廊道的轉(zhuǎn)彎開口不能只在水下，改造前后的效果很明顯。
四、二沉池優(yōu)化
二沉池是生物處理的關鍵，生物處理是在曝氣池內(nèi)完成，但最終水質(zhì)的表現(xiàn)是在二沉池體現(xiàn)出來。但是很遺憾國內(nèi)對二沉池的研究、優(yōu)化并不特別重視，往往在二沉池之后再增加一個高密度沉淀池，形成沉淀+沉淀的單元堆砌，從邏輯上來說不是很合理，另外還有一些實際運行中存在的各種弊端。實際上歐美的污水廠很少有在二級出水之后用高密度沉淀池，一般都是用在一級處理方面，歐美對二沉池的優(yōu)化非常重視。
二沉池優(yōu)化的一個重要工具是CFD模擬，通過CFD的模擬可以對二沉池內(nèi)部的流態(tài)進行科學的分析，從而采用有針對性的合理措施來改進其實際效果。
這是山東某污水處理廠的周邊進水、周邊出水的二沉池的CFD模擬，通過模擬發(fā)現(xiàn)，進水裙板的高度對二沉池的流態(tài)有重要的影響，加長了裙板以后，出水SS就會降低很多，把污泥層的界面也降低很多。
二沉池另外一個常見的現(xiàn)象是在出水槽外側(cè)靠近池壁這一側(cè)的SS比較高，而在內(nèi)側(cè)比較低，這其實是一種異重流的現(xiàn)象。對于已經(jīng)建好的二沉池來說，通過CFD的模擬，在池壁上設置一定的水力擋板可以有效地改善這種情況，將上升的SS折回到池中心。對于這種所以有些情況，我們可以根據(jù)實際情況做一些水泥的擋板。
五、水力的優(yōu)化
水力的優(yōu)化實際上涉及的面比較多，這里僅從DO對厭氧、缺氧的影響、進水與回流污泥、混合液回流的混合、反應池部分區(qū)域的短流簡單舉兩個例子。比如，在厭氧池設計的時候，往往是進水管、回流污泥口一起進入?yún)捬鯀^(qū)，實際上比較好的做法設置一個混合區(qū)，讓污泥與水進行充分的混合。另外，進水是要從底部、上部同時進，這樣的話降低了進水帶入的DO。
下面這個例子是一個多級AO工藝的污水廠，由于上一級好氧池的影響，在第二缺氧池、第三缺氧池的三分之一到四分之一廊道的DO在1毫克/升以上，這無疑會降低有效的缺氧池容，投加的碳源也會形成無謂的浪費。
針對這種情況，可以在上一級好氧區(qū)的末端做一個消氧區(qū)。因為水力問題通常涉及到具體的項目，情況也不完全相同，需要針對性地分析。
原標題:陳珺：污水處理升級改造的5個關鍵問題
