中小城鎮(zhèn)污水處理廠生物除磷脫氮工藝的選擇
一 概述
改革開放以來，在我國的大中型城市中，建設(shè)了一批污水處理設(shè)施，對于保護大中型城市的環(huán)境，治理水污染起到了很大作用。隨著我國城鄉(xiāng)經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平的顯著提高，我國農(nóng)村城市化的速度將大大加快，大量的小城鎮(zhèn)將迅速興起，預計到本世紀末，全國設(shè)市城市將達1200個左右，建制鎮(zhèn)25000～3O000個左右，全國城鎮(zhèn)人口達6.8億左右，城市化水平約為45%，其中小城鎮(zhèn)人口所占比例達65%左右。從發(fā)展眼光看，今后我國的大部分人口將生活在中小城鎮(zhèn)。
目前全國共有1700O個建制鎮(zhèn)，絕大多數(shù)沒有排水和污水處理設(shè)施，而且，由于二十幾年來，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的蓬勃發(fā)展，造成一些中小城鎮(zhèn)尤其是經(jīng)濟比較發(fā)達的中小城鎮(zhèn)，污染嚴重，已經(jīng)影響到人民的生活和健康。
從另一方面講，中小城鎮(zhèn)和大中城市在水系上是相通的，而且往往處于大中城市的上游，中小城鎮(zhèn)的污水治理工作做不好，大中城市水環(huán)境的質(zhì)量也不會有明顯改善，因此，中小城市的環(huán)境保護問題越來越引起人們的重視。針對目前的情況，國家提出至2010年我國污水處理率要達到4O%，因此，未來一段時間內(nèi)我國將會集中在中小城鎮(zhèn)建設(shè)一大批污水處理廠，這些污水處理廠的規(guī)模，小的只有每日幾十噸，大的每日幾萬噸，因此在規(guī)模上和大型污水處理廠相差較大，而且，由于這些中小城鎮(zhèn)和大中城市經(jīng)濟發(fā)展水平、排水體制，基礎(chǔ)資料，融資渠道有很大不同，因此以往建設(shè)大型污水處理廠的經(jīng)驗只有借鑒的意義，不可能也不應該把大中城市的污水治理工藝、技術(shù)裝備等搬用到城鎮(zhèn)級的污水處理廠中去，否則目前在大中城市中出現(xiàn)的“建的起，用不起”的局面將會在中、小城鎮(zhèn)更加強烈的表現(xiàn)出來，甚至會演變成“既建不起，更用不起”的局面，因此探索適合中小城鎮(zhèn)的經(jīng)濟實用的污水處理工藝，以較少的投資建成污水處理廠，以較低的運行費用運轉(zhuǎn)污水處理廠，達到消除污染、保護環(huán)境的目的是擺在給排水工作者面前的一個挑戰(zhàn)。
考慮到1998年1月1日之后，已經(jīng)開始實行《污水排放綜合標準》(GB8978-1996)，因此中小城鎮(zhèn)的污水處理廠在選擇處理工藝時都要考慮除磷脫氮，本文謹就適合于中小城鎮(zhèn)城市污水處理廠的生物除磷脫氮工藝談一些粗淺的看法，供大家參考，不妥之處請指正。
二 可供選擇的工藝
各種除磷脫氮工藝一般都是除碳、除氮、除磷三種流程的有機組合，得利滿公司提出了“SARAOE”概念，來描述用于除磷脫氮的不同區(qū)域。
1.選擇區(qū)(Selectorzone)
設(shè)置選擇區(qū)的目的主要是為了避免污泥膨脹。
2.厭氧區(qū)(Anaerobiczone)
設(shè)置厭氧區(qū)是為了提供一個使聚磷菌釋放磷的環(huán)境，為后續(xù)的好氧吸磷創(chuàng)造條件。
3.再活化區(qū)(Reactivationzone)
設(shè)置再活化區(qū)用于再活化回流污泥。
4.缺氧區(qū)(Anoxiczone)
設(shè)置缺氧區(qū)，提供一個缺氧環(huán)境，使硝酸鹽氮被還原為氮氣。
5.好氧區(qū)(Oxidationzone)
該區(qū)為主反應區(qū)，在該反應區(qū)內(nèi)完成碳的氧化和氨氮的硝化。
6.內(nèi)源呼吸區(qū)(Endogenouszono)
在該區(qū)內(nèi)進一步完成硝酸鹽氮的反硝化。
在實際的工程設(shè)計中，根據(jù)受納水體的要求和其它一些實際情況，生物除磷脫氮工藝可以分成以下幾個層次：
1、去除有機物、氨氮和硝酸鹽氮，因?qū)偟獰o要求，可以采用生物硝化工藝，生物硝化工藝與傳統(tǒng)活性污泥法工藝流程完全相同，不過采用延時曝氣。
2、去除有機物和總氮(包括有機氮、氨氮及硝酸鹽氮)，因要去除總氮，因此應該采用生物反硝化工藝，需要在反應池前增設(shè)一個缺氧段，將好氧段中含有硝酸鹽的混合夜回流到缺氧段，在缺氧的條件下，將硝酸鹽反硝化成氮氣。
3、去除有機物、氨氮和有機氮，磷。這時，應該采用除磷的硝化工藝，在反應地前增設(shè)一個厭氧段，在厭氧段內(nèi)完成磷的釋放，在好氧段內(nèi)實現(xiàn)磷的超量吸收、有機物的氧化、有機氮及氨氮的硝化。
4、去除有機物、總氮和磷。對于這種情況，應該采用完全的生物除磷脫氮工藝。在反應池前既要增設(shè)一個厭氧段又要增設(shè)一個缺氧段，以同時實現(xiàn)生物除磷脫氮。
三 適合于中小型污水處理廠的除磷脫氧工藝
A/O工藝、A2/O工藝、各種氧化溝工藝、SBR工藝這些從活性污泥法派生出來的工藝都可以實現(xiàn)除碳、除氮、除磷三種流程的組合，都是比較實用的除磷脫氮工藝。
由于磷的去除是通過排放剩余污泥實現(xiàn)的。SRT小，剩余污泥排放量也就多，在污泥含磷量一定的情況下，除磷量也就越多。生物硝化工藝需要較低的負荷，較長的泥齡，因此，除磷脫氮對某些工藝參數(shù)的要求是互相矛盾的，為實現(xiàn)同時除磷脫氮，研究者開發(fā)了不少新工藝，如Bardenphor工藝(四區(qū)工藝)、Phoredox工藝(改良BardenPhor工藝)，UCT工藝，MUCT工藝等，這些工藝克服了除磷脫氮的一些沖突，可以同時取得較好的除磷脫氮效果，但這些工藝的缺點也是顯而易見的，處理單元多，流程長，操作管理復雜，運轉(zhuǎn)費用高，在應用于中小規(guī)模污水處理廠時應該慎重。
進水水質(zhì)濃度和對出水水質(zhì)的要求是選擇除磷脫氮工藝的一個重要因素。對于大部分城市污水，為了達到排放標準，應該選用具有除磷和硝化功能的二級處理，對于二級排放標準，可以采用生物除磷方式；對于一級排放標準，可以采用生物除磷與化學除磷相結(jié)合的方式。對于某些低濃度或超低濃度污水，單獨生物除磷效果不好，須采用生物除磷和化學除磷相結(jié)合的方式。
在上述各種除磷脫氮工藝中，對中小污水廠來講，比較有發(fā)展前途的工藝是SBR工藝、氧化溝工藝。因為這兩種工藝一般都不設(shè)初沉地，SBR工藝和合建式氧化溝工藝也不需要二沉地、污泥回流設(shè)施，因此，水、泥處理流程大為簡化，可以達到占地少、能耗低、投資省。運行管理方便的目的，符合當前污水處理工藝合建、簡化發(fā)展的總趨勢。采用延時曝氣的SBR工藝和氧化溝工藝產(chǎn)生的剩余污泥已經(jīng)基本達到好氧穩(wěn)定，剩余污泥經(jīng)過濃縮脫水后就可以直接應用于農(nóng)田、填埋或者焚燒，不需要搞污泥消化，因此建設(shè)、運轉(zhuǎn)的費用大為減少，這一點對中小城鎮(zhèn)污水廠來說，是非常有吸引力的。
四 氧化溝工藝的特點、各種形式和適用情況
氧化溝實際上是活性污泥法的一種變形，它的水力流態(tài)和普通活性污泥法相差較大，是一種首尾相接的循環(huán)流，通常采用延時曝氣。氧化溝是荷蘭人二戰(zhàn)后為處理小城鎮(zhèn)污水而開發(fā)的，由于氧化溝處理污水經(jīng)濟、簡單和管理方便，所以它問世以來，發(fā)展很快。
嚴格地說，氧化溝不屬于專門的生物除磷脫氮工藝。但是隨著氧化溝技術(shù)的發(fā)展，它早已超出原先的實踐范圍，出現(xiàn)了一系列除磷脫氮技術(shù)與氧化溝技術(shù)相結(jié)合的污水處理工藝流程。
按照運行方式，氧化溝可以分為連續(xù)工作式、交替工作式和半交替工作式。連續(xù)工作式氧化溝如帕斯韋爾氧化溝、卡魯塞爾氧化溝。奧貝爾氧化溝在我國應用比較多，這些氧化溝通過設(shè)置適當?shù)娜毖醵巍捬醵、好氧段都能取得較好的除磷脫氮效果。連續(xù)工作式氧化溝又可分為合建式和分建式。
交替工作式氧化溝一般采用合建式，多采用轉(zhuǎn)刷曝氣，不設(shè)二沉池和污泥回流設(shè)施。交替工作式氧化溝又可分為單溝式、雙溝式和三溝式，交替式氧化溝兼有連續(xù)式氧化溝和SBR工藝的一些特點，可以根據(jù)水量水質(zhì)的變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)刷的開停，既可以節(jié)約能源，又可以實現(xiàn)最佳的除磷脫氮效果。廣東雁田污水廠(近期規(guī)模1.5萬噸/d)采用的是雙溝式氧化溝工藝。邯鄲東污水廠(一期工程規(guī)模6.6萬噸)采用的是三溝式氧化溝工藝。
一般交替式氧化溝工藝的設(shè)備閑置率比較高，容積利用率比較低，如邯鄲東污水廠的設(shè)計污泥星系數(shù)為O.55，實際為O.48，D型氧化溝曝氣轉(zhuǎn)刷的實際利用率只有37.5%。
五 SBR工藝的特點、各種形式和適用情況
SBR工藝的基本特征是在一個反應池中完成污水的生化反應、沉淀、排水、排泥，處理設(shè)施比一般氧化溝還要簡單。SBR工藝的概念和操作靈活性使其易于引入?yún)捬?好氧除磷過程或缺氧/好氧除氮過程，通過調(diào)整運行周期以及控制各工序時間的長短，可實現(xiàn)對氮磷的高效去除。
SBR工藝有很多種類型，除了常規(guī)SBR工藝之外，還有DAT-IAT工藝，Unitank工藝、CAST及CASS工藝、ICEAS工藝等。ICEAS工藝和DAT-IAT工藝均采用連續(xù)進水方式，使進水的控制系統(tǒng)變得簡單，但是因為主反應區(qū)前面缺乏一個厭氧段，因此，除磷的效果不夠理想，DAT-IAT工藝的回流比比較大，運行費用偏高。上海石洞口污水處理廠采用的是Unitank工藝；昆明第三污水處理廠采用的是ICEAS工藝；天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)污水處理廠(設(shè)計規(guī)模10萬噸/日)采用的是DAT-IAT工藝。
和合建式氧化溝一樣，因為在一個較長停留時間的曝氣系統(tǒng)內(nèi)，只有50%左右的池容用于曝氣，SBR工藝的容積利用率也不高。
六 SBR工藝和氧化溝工藝的比較
如前所述，SBR工藝和氧化溝工藝都比較適合于中小型污水廠，如果設(shè)計管理的好，都可以取得比較好的除磷脫氮效果。但是這兩種工藝又各有優(yōu)缺點，分別適用于不同的情況。
1.SBR工藝由于采用合建式，不需要設(shè)置二沉地，同時由于采用微孔曝氣，可以采用的水深一般為4～6m，比一般氧化溝的水深(3～4m)要深，因此在同樣的負荷條件下，SBR工藝的占地面積小，如果污水處理廠所在地的征地費用比較高，對SBR工藝有利。
2.SBR工藝中一個周期的沉淀時間是由活性污泥界面的沉速、MLSS濃度、水溫等因素確定的，渾水時間是由潷水器的長度、上清液的潷除速率等因素決定的，對于一個固定的反應系統(tǒng)，沉淀時間和潷水時間的和基本上是固定的，一般都不應小于2小時，因此，每個周期的時間短，反應時間所占的比例就低，反應池的容積利用系數(shù)降低。對于對污泥穩(wěn)定要求不高的污水廠，選擇SBR工藝不利。(合建式氧化溝工藝也有這個缺點)。
3.SBR工藝和交替式氧化溝需要頻繁地開停進水閥門，曝氣設(shè)備，潷水器等，因此，對自控設(shè)備的要求比較高，目前，某些國產(chǎn)設(shè)備的質(zhì)量尚不過關(guān)，如果考慮進口，自控系統(tǒng)所占的投資比例將增加，而且將增大維修費用。
4.在寒冷的氣候條件下，因為表面爆氣器會造成表面冷卻或者結(jié)冰，降低污水的溫度，而污水的溫度降低，對生化反應尤其是硝化反應的影響較大，所以，在寒冷地區(qū)，采用氧化溝工藝，需要采取一些特殊措施，如將氧化溝加蓋，而這些措施都使氧化溝工藝在和其它工藝競爭中，處于不利的地位。
5.在一些水量非常小的小城鎮(zhèn)，夜間幾乎沒有污水產(chǎn)生，這時候SBR工藝和交替式氧化溝工藝有優(yōu)越性，曝氣設(shè)備可以白天運轉(zhuǎn)，夜間停止運行。
七 SBR工藝和氧化溝工藝比較的一個實例
某開發(fā)區(qū)污水處理廠工程，設(shè)計規(guī)模5萬噸/日，變化系數(shù)1.40，設(shè)計進出水水質(zhì)如下：
采用氧化溝工藝(CAST工藝)和三溝式氧化溝工藝進行工藝比較，結(jié)果如下表：
項目 CAST工藝 氧化溝工藝 備注
總泥齡(d) 25 25
設(shè)備總功率(KW) 908 1695
實際使用功率(KW) 585 732
設(shè)備利用系數(shù) 0.64 0.43
日電耗(度/日) 10418 13036
單位電耗(Kw/m3) 0.21 0.26
處理廠占地(m2) 34400 41064 二級處理
工程總投資(萬元) 6301.27 6692.87 廠內(nèi)工程
單位成本(元/m3) 0.69 0.81
單位運行成本(元/m3) 0.35 0.46
對于上例的具體情況，經(jīng)過投資估算比較和經(jīng)濟評價，采用SBR工藝優(yōu)于三溝式氧化溝工藝。
應該提出的是：選擇污水廠的處理工藝，是一件復雜的事情，目前的各種處理工藝，都各有優(yōu)缺點，只有最適合某個工程的工藝，并不存在最先進的工藝。設(shè)計者應該根據(jù)進出水水質(zhì)、污水廠的規(guī)模、當?shù)氐慕?jīng)濟條件、氣候情況、廠址情況、地質(zhì)條件、電價等情況，因地制宜地選擇污水處理工藝，努力達到投資少，運轉(zhuǎn)費用低，運行管理簡單，在這些因素難以平衡的條件下，應該優(yōu)選運轉(zhuǎn)費用低，運行簡單的工藝，同時，根據(jù)中小城鎮(zhèn)排水的具體特點，也可以大膽地嘗試一些雖然在國內(nèi)目前應用較少，但比較適合中小城鎮(zhèn)特點的污水處理工藝，如生物膜法。
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