東莞市污水處理廠升級改造工藝路線初探
摘要:針對東莞市38個污水處理廠的實際情況，通過對目前城市污水處理廠常用的二級處理工藝進行技術升級改造時可能采用的深度處理工藝技術的綜合分析比較，推薦了NPR、CNR、人工濕地三種工藝作為尾水的深度處理備選技術，提出了東莞市污水處理廠升級改造應優先采用CNR工藝，并可為我國不同地區、不同發展時期滿足不同的水質需求進行污水處理廠工藝升級改造提供技術支持。
關鍵詞:東莞市;污水處理廠;升級改造;污水深度處理
1 東莞市城市污水處理廠概況
2005年以來，東莞市大規模地建設了城市污水處理廠。目前全市的30多家城市污水處理廠普遍采用的工藝為A2/O、氧化溝和CASS。污水處理廠出水水質均采用《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918- 2002）中的一級B排放標準。雖然這些污水處理廠投入運行后明顯地緩解了東莞市河涌的污染狀況，但是按一級B標準排放的尾水水質仍遠劣于地表水Ⅳ類水質標準。在非雨季，東莞市內的多條河涌和多個水庫的主要補充水源是城市污水處理廠的尾水。這些河涌的水質一般要求達到地表水Ⅳ或Ⅲ類標準。而城市污水處理廠排放的尾水屬于低碳源、高氮磷污水。在這種情況下，由于河涌和水庫的補充水水質很差，造成水體富營養化的風險極大。特別是東莞市的工業十分發達，還會有工業廢水排入市政管網系統，這就導致了污水處理廠尾水中必然含有重金屬等有毒有害物質，帶來了新的地表水污染隱患。尤其是作為備用水源的一些水庫，水質受尾水的影響將會更大。因此東莞市面臨著污水處理廠技術升級改造的問題。
東莞市面臨的城市污水處理廠升級改造的問題在全國普遍存在。目前我國各大城市都建設了城鎮污水處理廠及截污管網，但是根據中國環境監測總站《2008年全國環境質量狀況》的數據，在我國七大水系197條河流的 407個水質監測斷面中，靠近城市附近的河流水質普遍最差。這是由于我國的很多城市污水處理廠在建設時，出于節約投資的考慮，普遍采用較低的排放標準，使得排放的尾水中的氨氮、總氮、總磷等指標高出地面水環境質量標準10～20倍。另外，我國很多受納水體的生態系統已經遭到破壞，水環境容量很小，自凈能力很差或完全喪失，不能有效地自凈污水處理廠尾水中的污染物，很容易造成水質惡化。因此污水處理廠的升級改造就十分必要，應盡快研發出適合于我國污水處理現狀的投資少、見效快的工藝提升改造技術。
2 國內污水處理廠升級改造采用的傳統工藝
2.1 普遍采用的傳統工藝及升級改造
2.1.1 混凝沉淀過濾工藝
（1）混凝沉淀過濾工藝特點
混凝沉淀過濾工藝主要能有效去除污水中呈膠體和微小懸浮狀態的有機和無機污染物。從表觀而言，就是能夠有效去除污水的色度、濁度及磷。混凝沉淀過濾只可以少量地除污水中的一些有機物，但不能去除水中溶解的有機物及氮。
采用混凝沉淀過濾工藝的關鍵是混凝劑的選用，通常要通過試驗篩選出合適的混凝劑和確定投加劑量。如要利用混凝法去除污水中的有機物就必須大量投加混凝劑和絮凝劑。
（2）作為升級改造工藝的優缺點
以采用A2/O工藝的污水處理廠升級改造為例，升級改造采用混凝沉淀工藝，改造后工藝流程見圖1（圖中虛線框部分為工藝升級改造部分）。
根據混凝沉淀過濾工藝的特點，該工藝可以很好地去除SS及磷，但對氮及溶解性污染物的去除效果較差。特別是采用混凝沉淀作為深度處理技術時，工藝流程較長，工程投資成本較高；工藝操作過程復雜、維護管理工作量大；由于混凝劑的使用量大，還會產生大量的含水率很高的污泥，給污泥處置帶來很大困難，同時還會明顯增加處理成本、提高運行成本。
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| 圖1 A2/O+混凝沉淀過濾工藝流程 |
2.1.2 BAF（生物濾池）工藝
（1）生物濾池工藝
生物濾池底部設有進水管和排泥管，中上部是填料層，填料頂部裝有擋板并安裝有出水濾頭。其內設有回流泵用以將濾池出水回流到濾池底部實現反硝化。置于填料層內的空氣管用于曝氣供氧。生物濾池上部為好氧區，下部為缺氧區。污水處理廠二級處理出水與經過硝化后的濾池出水按照回流比混合后通過濾池進水管進入濾池底部，并向上首先流經填料層的缺氧區進行反硝化。填料上的微生物利用進水中的溶解氧和反硝化過程中生成的氧降解BOD，同時，SS被填料及其上面的生物膜吸附截留在濾床內，NH3-N發生硝化反應。流出填料層的凈化水通過濾池擋板上的濾頭排出濾池。選擇生物濾池工藝對采用氧化溝工藝的污水處理廠進行升級改造，改造后工藝流程見圖2。
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| 圖2 氧化溝+BAF 工藝流程 |
（2）生物濾池工藝的優點
1）采用生物濾池對污水處理廠的二級出水進行處理的優點是在去除SS的同時還可以有效地去除污水中的溶解性有機物和氮；2）生物濾池內生物量大，處理負荷高，水處理構筑物容積小，占地省；3）出水水質穩定，品質優良。
（3）作為升級改造工藝的缺點
1）生物濾池對進水SS的要求較高，理論上應保證 SS低于100mg/L以下，實際應低于60mg/L，否則會堵塞生物濾池，很難正常運行；2）生物濾池工藝水頭損失大，進水出水升級改造部分二級出水 BAF 沉淀池氧化池消毒池二沉池格柵間圖2 氧化溝+BAF 工藝流程動力消耗大，造成運行成本增加；3）生物濾池工藝由于必須定期進行反沖洗，當多池并聯運行時，必須自動化控制，導致維護管理工作量大，維護成本增加；4）工程投資較大。
2.1.3 MBR工藝
（1）MBR的結構及工作機理
MBR是一種將污水的生物處理和膜過濾技術相結合的高效廢水生物處理工藝。它把膜分離技術和生物技術結合起來，采用膜組件取代常規二級生化處理工藝中二沉池、砂濾、消毒等單元，用超（微）濾膜對曝氣池出水直接進行過濾。
常見的一體式MBR的結構如圖3。將膜組件直接置入生物反應器內，曝氣器放在膜組件的下面，通過真空泵進行抽吸，得到過濾液。MBR作為污水經二級處理后的深度處理工藝流程見圖4。
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| 圖3 一體式MBR結構示意 |
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| 圖4 A2/O+MBR工藝流程 |
（2）MBR作為升級改造工藝的優缺點
MBR工藝的主要優點是：1）對懸浮物去除率高，抵抗污泥膨脹能力強，出水水質穩定，而且可去除部分細菌、病毒，是一種對原水處理后不必消毒的工藝；2）實現了懸浮固體停留時間（SRT）和水力停留時間（HRT）的徹底分離，運行控制更加靈活、穩定，易于實現自動控制； 3）由于膜組件對混合液的高效分離，活性污泥幾乎沒有流失，大大提高了曝氣池中活性污泥的（MLSS）濃度， MLSS可達到10～20g／L（好氧型），比傳統的MLSS濃度高出近10倍，提高容積負荷，設備占地省；4）SRT延長，有利于增殖緩慢的細菌生長（如硝化細菌），可使硝化細菌在曝氣池內積累，從而提高系統的硝化能力，還可以提高難降解有機物的降解速率；5）剩余污泥產生量少，污泥處置費用較低。
MBR工藝的主要缺點為：1）對懸浮物、有機物等的去除效果較好，但是對N、P的去除效果不夠理想；2）由于膜生物反應器的壽命較短，膜更換成本高，造成設備的維護費用較高；3）膜易污染，造成堵塞，必須定期采用化學藥品清洗，導致操作過程復雜，運行成本升高；4）膜組件在運行時，為了保證膜表面不易被生物污染或堵塞，必須保證高的汽水比（汽水比一般需25:1），這樣造成了能耗升高，水處理成本增加。
綜上所述，我國目前對污水處理廠出水深度處理采用的這些常規工藝技術，無論在操作運行管理，還是在工程投資，處理成本方面都不夠理想，因此，開發更為經濟有效的污水深度處理工藝技術具有十分重要的意義。
3 未來可能工程化應用的新技術
3.1 NPR工藝技術
（1）NPR工藝機理 NPR技術是A2/O與BAF工藝技術的有機結合。該工藝的特點是高效地解決了脫氮除磷問題。NPR工藝可分為兩個主體生化段，第一主體生化段設置有厭氧段、缺氧段和好氧保持段三部分，與A2/O基本相似。污水在厭氧段釋放磷、部分有機物進行降解，在缺氧段進行反硝化脫氮，同時去除大部分有機物。好氧段為氧保持段，不進行硝化反應，只進行部分有機物降解。好氧段出水經二沉池沉降處理后，進入第二主體生物段。該段安裝有新型生物填料，對污水中的有機物、氨氮、磷進一步吸附和生物降解。生物濾池出水一部分排放，另一部分回流到前置的缺氧反應池中進行反硝化。二沉池產生的污泥一部分回流到厭氧段，另一部分剩余污泥排出系統后進行脫水處理。在NPR工藝中，大量的有機物在缺氧段被去除；好氧段曝氣時間僅為A2/O工藝曝氣段的1/5～ 1/4，短時間的曝氣不產生硝化反應，僅去除剩余的部分有機物；由于好氧段曝氣時間縮短，污泥齡短，排出的污泥中含磷量高，可以明顯提高系統對磷的去除率。其工藝流程見圖5。在NPR工藝中，生物濾池內無需設置缺氧區，僅設置好氧區，這樣其操作過程以及施工安裝都極其簡單。
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| 圖5 NPR工藝流程 |
（2）NPR技術優點
1）NPR工藝好氧段與A2/O的好氧段完全不同， NPR工藝中好氧段實質上是溶解氧的保持段，水力停留時間僅為A2/O工藝的1/5～1/4，容積很小，相應減少了占地面積及工程造價；2）NPR工藝中好氧段由于不進行硝化，混合液中硝態氮很少，因此，在二沉池中幾乎沒有反硝化發生，也不產生N2，這樣改善了污泥的沉降性能，使污泥不易上浮，二沉池表面負荷也可明顯提高，水力停留時間縮短，池容減小，出水中SS降低； 3）NPR工藝中由于二沉池分離出的回流污泥中不含硝酸鹽和亞硝酸鹽，當其回流至厭氧段后，無氧的釋放過程，從而容易形成良好的厭氧過程，提高了回流污泥中微生物對磷的釋放效果，也同時改善了好氧段聚磷菌對磷的攝取作用。特別是NPR工藝中污泥齡很短，污泥產出率相對提高，這樣大大提高了磷的去除效果。根據實際工程應用結果，總磷去除率可達到80%以上；4） NPR工藝是A2/O工藝與BAF工藝相結合的產物，二沉池出水中SS濃度一般可低于40mg/L。這樣就保證了BAF進水中SS濃度低于60mg/L的要求，有效地避免了生物濾池堵塞問題，同時NPR工藝又充分利用了生物濾池中可以內裝對NH3-N具有吸附作用的濾料，生物量可以提高， NH3-N硝化過程可以強化，有利于對污水進行深度處理，從而保證了出水的品質。一般而言可以使出水水質達到中水回用水平，與傳統的三級處理工藝相比（二級生化，一級物化）大大縮短了工藝流程，省去了混凝加藥過程，大幅度地降低了污水處理成本；5）在NPR工藝中，NH3-N的硝化過程是在后置的生物濾池中完成，硝化液回流到前置的缺氧段中；這樣省去了典型的BAF工藝在生物濾池中設置缺氧層進行反硝過的復雜過程，簡化了操作，提高了脫氮效果，根據實際運行結果，總氮去除率可達到90%以上；6）雖然NPR工藝中在二沉池之后增加了生物濾池，在選用專用填料的條件下，其水力停留時間僅為1.5～2h。全流程總的水力停留時間為 4～5h，與傳統A2/O工藝相比，池容積并未增加，只是空間上進行了分割，構筑物增加了一個，并未增加工程投資與運行成本。這樣在支付了A2/O二級處理效果成本的條件下卻得到了三級處理的高品質用水；7）NPR工藝中硝化液從生物濾池回流到缺氧段，與A2/O工藝中硝化液從曝氣池末端回流相比，并不增加投資和動力費用；8）NPR中硝化液回流后，二沉池系統應增加水力負荷，但是由于進入二沉池的污泥沉降性能改善，表面負荷提高，二沉池的容積幾乎不增加。因此，NPR工藝的工程投資、運行成本費幾乎與A2/O相同，但其出水水質比A2/O大大提高。
（3）NPR技術的缺點
1）生物濾池工藝部分的水頭損失大，動力消耗大； 2）生物濾池工藝部分由于必須定期反沖洗，當多池并聯運行時，必須自動控制，導致維護管理復雜。
（4）NPR技術的應用前景
根據實驗研究結果以及對國外已運行工程的實地考察分析，NPR工藝是由兩個在我國已經長期運行成熟的工藝有機組合形成的新工藝，其工程應用比較成熟可靠。NPR工藝與傳統的活性污泥工藝相比，在同等的投資費用和運行成本條件下，可以直接將城市污水處理成回用水水質，生物除磷效果可以提高2倍以上，脫氮效率可以提高50%～70%。因此，NPR工藝在我國具有廣闊的應用前景。
3.2 CNR（纖毛狀生物膜脫氮除磷）工藝
（1）CNR技術簡介
CNR技術是在活性污泥法好氧池中通過使用有選擇性吸附NH4+離子能力的纖毛狀生物填料增加好氧池中總生物量（主要是硝化菌類），達到強化生物深度脫氮除磷的一種新型的工藝技術。作為一種適宜于對現有污水處理廠進行改造的強化工藝，因其簡單易行，可以廣泛地應用于需要污水深度處理的工藝技術改造中。
CNR工藝在好氧池中填充有高效纖毛狀生物膜填料。這種纖毛狀生物膜填料能有效地固定增殖速度較慢的硝化微生物，可明顯提高硝化反應速率。在裝填有這種填料的反應池中，依靠附著微生物和分散的浮游微生物提高污染物的去除效率。微生物在纖毛中具有優良的附著和脫落能力，不易產生堵塞現象。纖毛狀生物膜填料見圖6，CNR工藝流程見圖7。
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| 圖6 纖毛狀生物填料微生物附著示意 |
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| 圖7 CNR工藝流程 |
（2）纖毛填料的特點
1）改良的直毛狀生物填料比表面積大（1000m2/m3以上），附著的生物量多，處理效率高。因此水力停留時間短；工程投資省；2）微生物容易掛膜、脫膜，無堵塞現象，不需要反沖洗，維護和管理簡單容易；3）耐久性強，10年不用更換；4）具有對NH4+強吸附能力；硝化能力強，脫氮率高。
（3）CNR工藝的優點
1）抗沖擊能力強，出水水質穩定。其抗沖擊負荷強的優勢主要來自以下幾種作用：纖毛狀生物膜中大量附著的微生物和大量分散浮游的微生物的協同作用，保證了穩定地高效處理各種污水及其耐沖擊能力；纖毛狀生物膜的生物種群和水膜作用，在低水溫（7℃～10℃）環境下，仍能保持高的處理效率。
2）用于污水深度處理工程的投資少，運行成本較低。其經濟優勢主要來自以下幾方面：停留時間短（HRT≤6h），因此需要的水處理構筑物占地面積小，工程投資少；由附著微生物膜內部的缺氧區域產生反硝化作用，不需要大量的硝化液回流，與其他工藝相比，對于污水深度處理不會明顯增加動力消耗，從而減少了運行成本；由于這種工藝排出的污泥中磷含量明顯增加，提高了生物除磷效果，與需要化學除磷的其他工藝相比，節約了運行成本。
3）CNR工藝用于處理污水時，附著在填料上的微生物和后生動物的協同作用會引起有機物的深度氧化，與常規處理工藝相比，可使污泥產生量減少20%～30%。
4）CNR工藝操作方便，維護管理簡單。CNR工藝與 A2/O工藝全部為連續流，不需要反沖洗過程，因此操作過程十分簡單；直毛狀纖維生物膜具有比表面積大、耐久性強的優勢；而且具有掛膜容易、脫膜快的特點，無堵塞現象，不需要經常更換，減少了維護工作，也降低了運行成本。
（3）CNR技術的缺點
該填料目前仍在國產化階段，因此需要從國外進口才能滿足國內市場需要。
（4）CNR技術的應用前景
根據實驗研究結果以及對國外已運行工程的實地考察分析，CNR技術工程應用已經比較成熟可靠。CNR技術用于污水深度處理，具有明顯的優勢。特別是CNR技術用于二級污水處理廠升級改造時與傳統的其他工藝相比，基本上只需在好氧池中增設填料，在工程投資很少（300元/m3）以及運行成本與二級污水處理成本相差不多的條件下，就可以直接將城市污水處理成回用標準水的水質，生物除磷效果可提高2倍以上，脫氮效率可提高50%。因此，CNR工藝技術在我國具有廣闊的應用前景。
3.3 人工濕地
（1）人工濕地技術簡介
人工濕地技術是由人工基質、水生植物和微生物組成的水處理構筑物。人工基質為微生物的生長提供了穩定的依附表面，為水生植物提供載體。人工濕地通過一系列的物理、化學、生物的作用凈化污水。水生植物除直接吸收、富集、利用污水中的有毒有害物質外，還有輸送氧氣到根區和維持水力傳輸的作用；微生物的代謝作用是污水中有機物降解的主要機制。
人工濕地曾用于直接處理生活污水，但由于易發生堵塞等問題，導致處理效果不好。目前普遍認為人工濕地技術適用于處理低濃度、微污染的含有易降解有機污染物的污水。也適用于處理污水處理廠排出的尾水，也就是說可作為污水處理廠升級改造的備選技術。近幾年來，人工濕地技術在我國得到迅速發展，也被大量用于地表水體的修復。
（2）人工濕地技術的優點
1）工程投資較少；運行成本較低；2）在進行污水處理的同時還可增加綠地面積，改善生態環境，具有良好的景觀效果；3）人工濕地植物不僅能凈化污水，收割后還有較高的利用價值，能夠帶來一定的經濟效益； 4）工藝過程簡單，運行維護方便。
（3）人工濕地技術的缺點
1）占地面積較大；2）容易發生堵塞。作為污水處理廠升級改造的后續工藝時，要求污水處理廠出水的SS濃度不能太高，以防止人工濕地堵塞；3）要求適宜的自然氣候條件，比較適用于南方地區，不適合北方寒冷地區使用。
（4）人工濕地技術的應用前景
目前，我國絕大部分污水處理廠的尾水都是直接排入地表水體中。即使排放的尾水水質達到一級A標準，也不能滿足地表水體的水質要求。尤其是尾水中氮磷濃度較高，已成為排入地表水體的約束指標。采用其他工藝技術削減這種低濃度的氮磷都不經濟，人工濕地工藝則更為適宜。為了防止污水處理廠尾水排入地表水體后造成的富營養化，采用人工濕地工藝是一個行之有效的工程技術手段，因此人工濕地工藝在我國污水處理廠排放的尾水深度處理中具有廣闊的應用前景。
4 東莞市污水處理廠升級改造技術路線
東莞市絕大部分污水處理廠排放的尾水都直接進入東莞運河或其他河涌，這些尾水水質遠劣于地表水水質的要求，尤其是作為備用水源的一些水庫，水質受尾水的影響將會更大。因此東莞市面臨著污水處理廠技術升級改造的問題。
鑒于東莞市幾十座污水處理廠絕大多數采用的都是 BOT的建設模式，基本采用了A2/O、CASS、氧化溝三種工藝，地表水體的水質要求應優于Ⅳ類水質。特別是考慮到污水處理廠升級改造的經濟成本，為了盡可能減少政府經濟負擔，對于這些污水處理廠升級改造技術方面最為有效、經濟方面最為節約的工藝應是CNR工藝技術。這種工藝只需在原有工藝的好氧反應池中安裝特種生物填料，在其后加一個過濾設施即可達到一級A的出水標準。處理每噸水的技改工程總投資不超過500元，運行成本不超過0.2元。
5 結論
（1）鑒于目前東莞市污水處理廠排放的尾水普遍是一級B標準，而這些排放的尾水又是東莞運河的主要補充水源，這種尾水的水質與東莞運河地表水的水質要求相差甚遠，從而使東莞運河面臨水體富營養化及水質不能達標的風險，因此，對這些污水處理廠進行升級改造使其排放的尾水水質滿足東莞運河或水庫受納水體的要求十分必要，勢在必行。
（2）通過對目前國內污水處理廠升級改造普遍采用的傳統工藝以及目前新開發的在未來具有廣闊應用前景的幾種工藝的綜合分析比較發現，CNR工藝具有技改工程投資少、運行成本低、操作管理方便的優點，而且已經有十多座污水處理廠改造運行的經驗，對于污水處理廠的升級改造具有較多的優勢；NPR工藝對于新建污水處理廠要求直接將污水處理成一級A或回用標準的污水處理工程更為適宜；人工濕地更適用于對污水處理廠排放的尾水進行更高標準的深度處理。
（3）鑒于東莞市污水處理廠采用采用CNR工藝具有技改工程投資少，運行成本低，操作管理方便的優點，東莞市城市污水處理廠的升級改造應優先選擇CNR工藝。
（4）東莞市是一個被水污染嚴重困擾的城市，在全國具有代表性和典型性，同時東莞市具有較強的經濟實力，應當積極推動城市污水處理廠升級改造，為東莞市水環境的徹底改善奠定基礎，為全國的水污染防治積累更多的經驗。
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