我國城市污水處理現(xiàn)狀及城市污水處理廠提標(biāo)改造路徑分析
近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的增多，我國水污染問題日益加劇，湖泊富營養(yǎng)化問題更加突出，如何控制水體污染，更好地利用水資源成為我們亟待解決的問題.城市污水處理廠作為污水處理的重要設(shè)施受到人們的關(guān)注，然而我國早期建設(shè)的污水處理廠由于缺乏脫氮除磷的設(shè)施，導(dǎo)致出水水質(zhì)氮磷超標(biāo)，氮磷元素的大量存在，嚴(yán)重破壞了水體，水體富營養(yǎng)化日趨嚴(yán)重，導(dǎo)致環(huán)境壓力進(jìn)一步增大，因此，對早期建設(shè)的污水處理廠進(jìn)行提標(biāo)改造，提高對污水氮磷的去除率，對我國水環(huán)境問題的改善具有重大意義.由于我國各個(gè)城市污水處理廠處理的水量、進(jìn)水水質(zhì)、出水標(biāo)準(zhǔn)等實(shí)際情況各不相同，處理工藝千差萬別，如何選擇合適的提標(biāo)改造路徑是城市污水處理廠提標(biāo)改造過程中需要解決的首要問題.
1我國城市污水處理現(xiàn)狀
隨著我國第一座以活性污泥為工藝的污水廠1921年在上海建成污水處理事業(yè)在我國得到了迅速的發(fā)展.1984年，第一座大型城市污水廠天津紀(jì)莊子污水廠開始運(yùn)營，標(biāo)志著我國城市污水事業(yè)正快速發(fā)展.我國早期城市污水基本處理手段是稍加修整郊區(qū)的坑塘洼地、沼澤或者廢河道，再者是圍堤筑壩，建成穩(wěn)定塘.我國污水處理最早研究的是傳統(tǒng)活性污泥法，并在研究基礎(chǔ)上得到了工程應(yīng)用，該法可以在低成本情況下，得到良好的出水水質(zhì)，是我國大部分城市污水廠使用的處理工藝.基于傳統(tǒng)活性污泥法工藝、接觸氧化工藝、氧化溝工藝及AB法工藝的生化處理工藝因效果穩(wěn)定，易于操作管理、且成本費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，在我國得到廣泛應(yīng)用.
隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市水污染問題日益突出，城鎮(zhèn)污水的排放量呈現(xiàn)遞增趨勢.具不完全統(tǒng)計(jì)[2]，從1990年至2003年我國污水總排放量增加100億m3，2003年污水排放量460億m3，2011年我國城鎮(zhèn)污水排放量高達(dá)1050億m3，其中中小城鎮(zhèn)在城鎮(zhèn)污水排放量在城鎮(zhèn)污水排放量中占到30%.
一大批新的污水處理廠的建設(shè)和運(yùn)行[3]，體現(xiàn)出我國對于城市污水問題的重視，也表明了政府改善城市污水現(xiàn)狀的決心.至2010年末，我國90%以上的城市均建有污水處理廠，截至2010年底，我國城鎮(zhèn)生活污水設(shè)施處理能力已達(dá)到1.25億m3/d，城市污水處理率已達(dá)77.5%，2014年我國城鎮(zhèn)污水處理廠共3900余座，日處理能力1.55億m3/d，其中一級A項(xiàng)目860個(gè)，日處理能力2925萬m3.近幾年僅遼寧省就陸續(xù)建設(shè)了許多不同規(guī)模的污水廠，污水得到一定程度治理，但治理污水的任務(wù)仍相當(dāng)繁重。
表1為國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對二級污水處理廠的出水水質(zhì)要求，隨著“十二五”節(jié)能減排目標(biāo)的推進(jìn)，我國對城市污水處理廠出水水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，城鎮(zhèn)污水處理廠出水排入國家和省確定的重點(diǎn)流域及湖泊、水庫等封閉、半封閉水域時(shí)，執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn).基于傳統(tǒng)活性污泥法為主要處理工藝的早期投建的城市污水處理廠迫于政策和環(huán)境壓力，對污水處理廠進(jìn)行提標(biāo)改造勢在必行。
我國的污水處理事業(yè)迅速發(fā)展的同時(shí)也面臨著許多問題和挑戰(zhàn)，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，①建設(shè)資金缺乏建設(shè)污水處理廠需要很大的資金投入因此資金的缺乏就成了限制污水治理的一大障礙.隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人們環(huán)保意識的提高，會有越來越多的資金投入到城市污水處理廠的建設(shè)當(dāng)中.②污水處理廠運(yùn)行費(fèi)用高，導(dǎo)致污水處理廠的很多設(shè)備成為擺設(shè).針對這一問題，政府處理加大對污水處理廠的資金投入外，還相應(yīng)的改革了運(yùn)行機(jī)制，多元化的管理模式如:TOT模式，
托管運(yùn)行模式、BOT模式等，將是我國城市污水處理廠未來發(fā)展趨勢[6].③污水處理廠處理后的水直接排放，一方面造成下游河道污染，另一方面浪費(fèi)了可再次利用的水資源.對于再生水的利用我國還需要不斷引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)多種途徑.④早期建設(shè)的城市污水處理廠雖然去除有機(jī)物、懸浮物的效果較好，但對氮、磷的去除效果并不明顯，已經(jīng)達(dá)不到目前我國對于城市污水的排放標(biāo)準(zhǔn)—《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002).目前我國大部分的污水處理廠面臨提標(biāo)改造的問題.如何提高氮、磷營養(yǎng)物的去除率成為城市污水廠運(yùn)行和控制的熱點(diǎn)問題.
3城市污水處理廠提標(biāo)改造路徑分析
提標(biāo)改造就是在現(xiàn)有污水處理廠不進(jìn)行大規(guī)模的改、擴(kuò)建的前提下，通過改進(jìn)原工藝或者增建污水處理設(shè)施，增加污水的處理能力和處理效率，尤其是提高污水中氮、磷的去除率，從而滿足我國城市污水排放新標(biāo)準(zhǔn)。
對于污水處理廠來說提標(biāo)改造主要分為如下5個(gè)方面[13]:①以提標(biāo)水質(zhì)為目的的主體工藝改造②主體工藝改造而造成的附帶工藝的改造，如在保持污泥消化系統(tǒng)不動(dòng)的前提下，污水處理系統(tǒng)改造后，污泥處理系統(tǒng)需要相應(yīng)的增加或原有構(gòu)筑物需要改造③污泥終極處置工藝改造：如污泥的深度處理，污泥的資源化利用;④除臭工藝改造;⑤設(shè)備的更新及升級.我國城市污水處理廠的升級改造則多以主體工藝改造為主，主要思路包括對原工藝進(jìn)行改造即強(qiáng)化生物處理和增加深度處理兩個(gè)方面.
3.1對原工藝進(jìn)行改造
將原有的生物處理工藝升級改造是我國大多數(shù)污水處理廠提標(biāo)改造的主要方式，主要是將原工藝增加脫氮除磷的功能.污水脫氮除磷工藝中，最常用的方法是活性污泥法，通過微生物代謝作用完成水質(zhì)凈化過程.根據(jù)原工藝狀況，同時(shí)要充分考慮污水中氮磷的去除，在提標(biāo)改造過程中要首先考慮帶有同步除磷脫氮功能的污水處理工藝.在我國應(yīng)用較多的脫氮除磷工藝主要有A2/O工藝、懸鏈?zhǔn)交钚晕勰喾�、倒置A2/O工藝、UCT工藝、MUCT工藝、氧化溝工藝、SBR、CASS工藝等工藝，且各工藝的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)比較成熟，都可以達(dá)到脫氮處理的要求，其中氧化溝、懸鏈?zhǔn)狡貧饣钚晕勰�、SBR、A2/O及其改進(jìn)型工藝，在工程投資、處理成本、處理效果等方面比較理想，在我國污水處理廠提標(biāo)改造過程中得到廣泛應(yīng)用.
3.1.1A2/O及其改進(jìn)型工藝
A2/O工藝是普遍使用的一種生物除磷脫氮工藝，國內(nèi)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)最為豐富，也是最常用于城市污水處理廠提標(biāo)改造中的改進(jìn)工藝，其工藝流程圖如圖1所示.對A2/O工藝的變型工藝改良是在A2/O工藝前端添加厭氧/缺氧調(diào)節(jié)池，污泥回流至前端添加厭氧/缺氧調(diào)節(jié)池里，當(dāng)進(jìn)水氮磷濃度高或建設(shè)規(guī)模較大的情況下可以考慮改良A2O工藝.濟(jì)南市第一污水處理廠一期工程采用的傳統(tǒng)的活性污泥工藝，設(shè)計(jì)處理水量為22萬m3/d，出水達(dá)到二級排放標(biāo)準(zhǔn)，在升級改造中把處理能力提高到30萬m3/d，把傳統(tǒng)的活性污泥工藝改造為具有脫氮除磷能力的A2/O工藝，同時(shí)增加深度處理工藝，出水完全達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到了升級改造的目的.另外該工藝還應(yīng)用在保定市魯崗污水處理廠的改造工程、揚(yáng)州市六圩污水處理廠二期工程和清河污水處理廠二期工程.
3.1.2氧化溝工藝及其改進(jìn)工藝
氧化溝工藝作為活性污泥工藝的改型具有構(gòu)筑物簡單、耐沖擊負(fù)荷強(qiáng)、處理效果和運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[15]，在我國的應(yīng)用廣泛，在我國南方城市應(yīng)用較多.圖2為典型側(cè)溝式一體化氧化溝，該裝置混合液在流經(jīng)側(cè)溝時(shí)一部分經(jīng)過導(dǎo)流板均勻進(jìn)入側(cè)溝，固液分離后，上清液通過出水口流走，下沉污泥在重力作用下經(jīng)側(cè)溝自動(dòng)下滑，回流至主溝，污水經(jīng)過如此循環(huán)而得到凈化，并能取得較好的脫氮效果[16].從處理效果上講，氧化溝工藝的工程應(yīng)用效果比較可觀.昆明市第一污水處理廠的運(yùn)行效果表明，TN去除率可以達(dá)到70%，TP去除率近90%左右.對于新型氧化溝，如DE型氧化溝和三溝式氧化溝也有相關(guān)的工程應(yīng)用實(shí)例，更適于中高污染物濃度的中小型城市污水處理，效果較好，如四川省新都污水處理廠，出水中TP濃度達(dá)到0.5mg/L以下.我國四川新都污水處理廠、山東梁山縣污水處理廠、北京大興縣黃村污水處理廠等目前都在運(yùn)用此工藝.
3.1.3SBR及其改良工藝
SBR工藝也稱為序批式間歇式反應(yīng)器法[17]主要包括進(jìn)水、曝氣、沉淀、排水、待機(jī)五個(gè)過程，限制曝氣進(jìn)水與非限制曝氣進(jìn)水是兩種基本的運(yùn)行方式且該工藝不會發(fā)生污泥膨脹.根據(jù)運(yùn)行方式改進(jìn)后具有除磷脫氮功能的主要有ICEAS、DAT-IAT(曝氣池+反應(yīng)池)工藝、CASS工藝等.國際上較多的中小型污水處理廠常采用CAST工藝，循環(huán)曝氣活性污泥法CAST是SBR工藝的變型工藝，屬于間歇式活性污泥法.與傳統(tǒng)SBR相比，CAST池在主反應(yīng)池前端設(shè)置生物反應(yīng)器用于污泥回流，污泥回流泵將主反應(yīng)區(qū)的活性污泥回流到生物選擇器中，圖3為CAST工藝構(gòu)造圖.生物選擇器中溶解氧濃度低于0.5mg/L，選擇器呈缺氧-厭氧環(huán)境狀態(tài).SBR工藝及其改良工藝在我國浙江遵義市污水處理廠、河南山陽縣污水處理廠、江西宜賓市南岸污水處理廠及四川五通橋區(qū)污水處理廠(二期)等均有應(yīng)用.
3.1.4懸鏈?zhǔn)交钚晕勰喾?/strong>
懸鏈?zhǔn)交钚晕勰喙に囈脖环Q作百樂克工藝(BLOLAK)，該工藝作為活性污泥處理特色系統(tǒng)，已經(jīng)在國內(nèi)外有了廣泛的應(yīng)用，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)成熟，不僅可以達(dá)到去除有機(jī)物的目的，也能滿足污水對氮磷指標(biāo)的排放要求，圖4為百樂克工藝流程.懸鏈?zhǔn)交钚晕勰喙に嚨姆磻?yīng)池型比較靈活，可以根據(jù)地形，采用投資低廉、池易于開挖的土地結(jié)構(gòu)，鋪設(shè)HDPE防滲透膜以保護(hù)地下水與污水的隔絕.但該工藝降低了土地利用率，適用于工廠企業(yè)的生產(chǎn)廢水處理，投資少，效率高.九臺市污水處理廠(1.0×104m3/d)，2009年投入使用，污泥負(fù)荷過低，反應(yīng)停留時(shí)間長達(dá)20h，經(jīng)過控制參數(shù)調(diào)整，運(yùn)行效果良好，可以達(dá)標(biāo)。
3.2增加深度處理
污水深度處理是一種新的污水處理技術(shù)，主要是在污水預(yù)處理及主處理的基礎(chǔ)上，用物理化學(xué)處理法、生物處理法及膜處理法去除二級出水中存留的細(xì)菌、重金屬等危害人體健康的有害有毒物[19-22].對于常規(guī)城鎮(zhèn)污水水質(zhì)，為使出水達(dá)到一級B質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)污水的回收和利用的一種處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將二級生物處理工藝升級為具有生物脫氮除磷的工藝即可完成，但如果出水水質(zhì)執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)的話，處理難度會加大，就需要考慮增加深度處理環(huán)節(jié).根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，利用新型過濾工藝可以提高對SS和有機(jī)物的去除率，化學(xué)除磷可以強(qiáng)化對TP的去除，強(qiáng)化脫氮工藝可以提高TN的去除率.常用的深度處理方法主要有混凝沉淀法、砂濾法、臭氧氧化法、離子交換法、膜處理法、活性炭法、催化氧化法、曝氣生物濾池技術(shù)等.
3.2.1混凝沉淀法
該方法是通過投加混凝劑將二級處理出水中呈膠體和微小懸浮狀態(tài)的有機(jī)和無機(jī)污染物凝聚成大顆粒的絮團(tuán)，在沉降設(shè)備中進(jìn)行絮團(tuán)和水的分離.我國大多數(shù)污水處理廠在進(jìn)行升級改造中都使用此方法[3].張中亮[23]對四種常用的混凝劑:聚合硫酸鐵(PFS)、聚合氯化鋁(PAC)、硫酸亞鐵和硫酸鋁處理效果進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)處理效果依次為PAC>硫酸鋁>PFS>硫酸亞鐵，其中PAC的混凝效果最好，在投加量為25mg/L時(shí)，可使?jié)岫葟?.95降到0.808，去除率可達(dá)83.7%，可以對生活污水處理廠出水進(jìn)行深度凈化.
3.2.2膜處理法
膜處理法分為納濾、超濾、微濾和反滲透，是用一定的具有選擇性分離功能的材料來分離膜處理法水中污染物質(zhì)，由于膜處理對水質(zhì)適用性強(qiáng)，并且運(yùn)行穩(wěn)定，在運(yùn)行過程中不需要投加其它物質(zhì)，因而不改變分離物質(zhì)的性質(zhì).李萌等利用納濾技術(shù)研究了膜對不同離子的截留效果，結(jié)果表明:通過運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化可以使納濾膜對Mg2+的去除率達(dá)90.69%對Mn2+的去除率達(dá)89.72%對Ca2+截留率最高，高達(dá)100%.超濾技術(shù)在廢水深度處理中主要用于工業(yè)廢水的處理.由于膜處理法投資較大，適用于處理量較小要求標(biāo)準(zhǔn)很高的污廢水.遼寧省遼陽市中心污水處理廠在2013年提標(biāo)改造工程中，增加了膜處理單元，運(yùn)行兩年以來出水穩(wěn)定達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn).
3.2.3臭氧氧化法
該法是利用臭氧的強(qiáng)氧化性，氧化污水中的有機(jī)物，能去除異味和臭味，主要優(yōu)點(diǎn)就是沒有二次污染，且流程簡單，反應(yīng)迅速.在污水處理中，一般將臭氧作為預(yù)氧化劑，現(xiàn)在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的工藝為:O3(預(yù)處理)+生物活性濾池.張金松[27]等對此工藝研究表明，此工藝比普通的活性炭工藝的去除COD(去除率高達(dá)68%)更有效.臭氧可作為廢水的深度處理主要是臭氧在高pH(9～10)下誘發(fā)臭氧產(chǎn)生強(qiáng)氧化能力的羥基來氧化廢水中的氨氮.
4結(jié)語
城市污水處理廠提標(biāo)改造方式除對原工藝進(jìn)行改造，增加深度處理兩個(gè)方面外還可以選擇采用化學(xué)除磷等方法，同時(shí)還要注重污水的源頭控制.總的來說二級污水處理廠的提標(biāo)改造路徑的選擇要充分利用原有工藝，選用投資少、效果佳、運(yùn)行方便的路徑，改造過程中除了要重視污泥的無害化資源化利用外，還要考慮再生水的回用問題，從而真正實(shí)現(xiàn)污水處理廠的可持續(xù)發(fā)展.
