探討城市污水處理廠設計的若干問題
為了加強城市污水治理，保護水環境，中央增加了投資力度。1998年分二批下達的城市污水治理項目達117項，投資約300億元。1999年又下達近百億國家債券資金，支持城市污水處理廠建設。為了確保污水處理廠建設后的正常運行，國家已明確在水價中增收排污費。一年多來，全國有上百座城市污水處理廠正在建設，按照“七大流域、三大湖泊和重點沿海城市及 其近岸海域要新增城市集中式污水處理能力2000×10４m3/d”和“非農業人口50萬以上城市都要建設城市污水處理廠”的目標，在2000年年底前，還有上百座城市污 水處理 廠正立項要求建設。我國現有668個城市中，僅有123個城市有307座不同處理等級的 城市污水處理廠，其中城市污水二級處理率10%左右，全國17000個建制鎮，絕大多 數沒有排 水和污水處理設施。縱觀世界各國，排水系統和污水處理率均有一個逐步發展和逐步完善的 過程。國家提出至2000年我國污水處理率要求達到25%，2010年達到40%，這是根據國家(包括地方)財力，在各方面作出努力后爭取達到的目標。為使來之不易的投資取得實實在在的 效益，針對目前城市污水處理中有關建設規模和工藝技術談一些個人的看法。
1 合理確定建設規模
對一個城市來說，需根據城市總體規劃和排水規劃，分期分批地建設污水管網和污水處理廠，要根據水環境保護的目標，分期實施，逐步到位。城市排水工程建設是一項系統工程，涉及城區管渠改造，污水的收集、輸送(包括泵站)，污水處理和排放利用，以及污泥處置等問題；在河網城市，還需考慮上游、下游和水體自凈問題。
合理地確定設計的污水水量和污水水質，直接涉及工程的投資、運行費用和費用效益。不少城市由于市區污水管道未形成系統，缺乏長期積累的污水水質水量資料，一般采取按規劃面 積、人口和工業發展的預測來推導污水量，并提出生活污水量、工業廢水量和公建、商業污 水量各占的比例，其不確定因素較多，因此提出的設計污水量往往偏大。實際上，按規劃計 算的污水量與可能有污水量、實際可能收集到的污水量和根據需要與可能進行處理的污水量 是不同的，設計的污水量在很大程度上取決于污水管網普及率和實際可能收集到的近、遠期 污水量，并分期建設污水處理廠。要充分認識城區內管網改造的復雜性和艱巨性，有的取決 于 舊城市的改造和道路的改造，有的埋了干管，支管遲遲未建成，致使許多已建成的污水處理 廠在相當一段時間內“吃不飽”。對設計的污水水質，應該對現有實測的水質資料進行分 析(包括工業廢水正在限期達標排放的水質水量變化和管渠內地下水的滲入量)，對雨污合流 和老城區排水系 統需科學地確定污水管道的截流倍數(干管和支管可采用不同的截流倍數)。現在設計的需 處理污水水質偏高的問題是普遍存在的，設計的污水水量和污水水質要通盤考慮，留余地過大，既增加投資亦會使設備閑置或低效運行。
2 城市污水處理廠的工藝選擇
污水處理廠的工藝選擇應根據原水水質、出水要求、污水廠規模，污泥處置方法及當地溫度、工程地質、征地費用、電價等因素作慎重考慮。污水處理的每項工藝技術都有其優點、特點、適用條件和不足之處，不可能以一種工藝代替其他一切工藝，也不宜離開當地的具體 條 件和我國國情。同樣的工藝，在不同的進水和出水條件下，取用不同的設計參數，設備的選型并不是一成不變的。
具體工程的選擇要求包括：
① 技術合理。技術先進而成熟，對水質變化適應性強，出水達標且穩定性高，污泥易于處理。
② 經濟節能。耗電小，造價低，占地少。
③ 易于管理。操作管理方便，設備可靠。
④ 重視環境。廠區平面布置與周圍環境相協調，注意廠內噪聲控制和臭氣的治理，綠化、道路與分期建設結合好。
2.1 關于活性污泥法
當前流行的污水處理工藝有：AB法、SBR法、氧化溝法、普通曝氣法、A/A/O法、A/O 法等，這幾種工藝都是從活性污泥法派生出來的，且各有其特點。
① AB法(Adsorption—Biooxidation)
該法由德國Bohuke教授首先開發。該工藝對曝氣池按高、低負荷分二級供氧，A級負荷高，曝氣時間短，產生污泥量大，污泥負荷2.5kgBOD/(kgMLSS·d)以上，池容積負荷6kgBOD/(m3·d)以上；B級負荷低，污泥齡較長。A級與B級間設中間沉淀池。二級池子F/M(污染物量與微生物量之比)不同，形成不同的微生物群體。AB法盡管有節能的優點，但不適 合低濃度水質，A級和B級亦可分期建設。
② SBR法(Sequencing Batch Reactor)
SBR法早在20世紀初已開發，由于人工管理繁瑣未予推廣。此法集進水、曝氣、沉淀、出水 在一座池子中完成，常由四個或三個池子構成一組，輪流運轉，一池一池地間歇運行，故稱 序批式活性污泥法。現在又開發出一些連續進水連續出水的改良性SBR工藝，如ICEAS法、CASS法、IDEA法等。這種一體化工藝的特點是工藝簡單，由于只有一個反應池，不需二沉池、 回流污泥及設備，一般情況下不設調節池，多數情況下可省去初沉池，故節省占地和投資 ，耐沖擊負荷且運行方式靈活，可以從時間上安排曝氣、缺氧和厭氧的不同狀態，實現除磷 脫氮的目的。但因每個池子都需要設曝氣和輸配水系統，采用潷水器及控制系統，間歇排水 水頭損失大，池容的利用率不理想，因此，一般來說并不太適用于大規模的城市污水處理廠 。
③ A/A/O法(Anaerobic—Anoxic—Oxic)
由于對城市污水處理的出水有去除氮和磷的要求，故國內10年前開發此厭氧—缺氧—好氧組 成的工藝。利用生物處理法脫氮除磷，可獲得優質出水，是一種深度二級處理工藝。
A/A/O法的可同步除磷脫氮機制由兩部分組成：一是除磷，污水中的磷在厭氧狀態下(DO<0.3mg/L)，釋放出聚磷菌，在好氧狀況下又將其更多吸收，以剩余污泥的形式排出系統。 二是脫氮，缺氧段要控制DO<0.7 mg/L，由于兼氧脫氮菌的作用，利用水中BOD作為氫供給體(有機碳源)，將來自好氧池混合液中的硝酸鹽及亞硝酸鹽還原成氮氣逸入大氣，達到脫氮的目的。為有效脫氮除磷，對一般的城市污水，COD/TKN為3.5～7.0(完全脫氮COD/TKN>12.5)，BOD/TKN為1.5～3.5，COD/TP為30～60，BOD/TP為16～40(一般應＞20)。
若降低污泥濃度、壓縮污泥齡、控制硝化，以去除磷、BOD5和COD為主，則可用A/O 工藝。
有的城市污水處理的出水不排入湖泊，利用大水體深水排放或灌溉農田，可將脫氮除 磷放在下一步改擴建時考慮，以節省近期投資。
④ 普通曝氣法及其變法
本工藝出現最早，至今仍有較強的生命力。普曝法處理效果好，經驗多，可適應大的污水量 ，對于大廠可集中建污泥消化池，所產生沼氣可作能源利用。傳統普曝法的不足之 處是只能作為常規二級處理，不具備脫氮除磷功能。
近幾年在工程實踐中，通過降低普通曝氣池容積負荷，可以達到脫氮的目的；在普曝池前設置厭氧區，可以除磷，亦可用化學法除磷。采用普通曝氣法去除BOD5，在池型上有多種形 式(如下文所述的氧化溝)，工程上稱為普通曝氣法的變法，亦可統稱為普通曝氣法。
⑤ 氧化溝法
本工藝50年代初期發展形成，因其構造簡單，易于管理，很快得到推廣，且不斷創新，有發展前景和競爭力，當前可謂熱門工藝。氧化溝在應用中發展為多種形式，比較有代表性的有：
帕式(Passveer)簡稱單溝式,表面曝氣采用轉刷曝氣,水深一般在2.5～3.5m,轉刷動力效率1.6～1.8kgO2/(kW·h)。
奧式(Orbal)簡稱同心圓式，應用上多為橢圓形的三環道組成，三個環道用不同的D
O(如外環為0，中環為1，內環為2)，有利于脫氮除磷。采用轉碟曝氣，水深一般在4.0～4.5m,動力效率與轉刷接近，現已在山東濰坊、北京黃村和合肥王小郢的城市污水處理廠應用 。若能將氧化溝進水設計成多種方式，能有效地抵抗暴雨流量的沖擊，對一些合流制排水系 統的城市污水處理尤為適用。
卡式(Carrousel)簡稱循環折流式，采用倒傘形葉輪曝氣，從工藝運行來看，水深一般在3.0m左右，但污泥易于沉積，其原因是供氧與流速有矛盾。
三溝式氧化溝(T型氧化溝)，此種型式由三池組成，中間作曝氣池，左右兩池兼作沉淀池和 曝氣池。T型氧化溝構造簡單，處理效果不錯，但其采用轉刷曝氣，水深淺，占地面積大，復雜的控制儀表增加了運行管理的難度。不設厭氧池，不具備除磷功能。
氧化溝一般不設初沉池，負荷低，耐沖擊，污泥少。建設費用及電耗視采用的溝型而變，如 在轉碟和轉刷曝氣形式中，再引進微孔曝氣，加大水深，能有效地提高氧的利用率(提高20%)和動力效率［達2.5～3.0 kgO2/(kW·h)］。
2.2 關于曝氣生物濾池
曝氣生物濾池實質上是常說的生物接觸氧化池，相當于在曝氣池中添加供微生物棲附的填 (濾)料，在填料下鼓氣，是具有活性污泥特點的生物膜法。曝氣生物濾池(BAF)70年代末起 源于歐洲大陸，已發展為法、英等國設備制造公司的技術和設備產品。由于選用的填料 不同，以及是否有脫氮要求，設計的工藝參數是不同的,如要求處理出水BOD5、SS＜20mg/L,去除BOD5達90%以上的工藝，其容積負荷為0.7～3.0 kgBOD5/(m3·d)，水力停留時間1～2h；以硝化(90%以上)為主的工藝，其容積負荷為0.5～2.0kgBOD5/(m3·d)，水力停留時間2～3h。
一般認為，生物膜法處理城市污水，在國內尚需積累經驗，處理規模不宜過大，約5×104m3/d左右為宜。國外(主要在歐洲)處理水量有達到36×104m3/d的，這與其填料材質、自控手段和先進的反沖洗裝置有關，也與其有長期積累的運行 管理經驗有關。
2.3 關于UNITANK工藝
UNITANK工藝和類似的TCBS工藝、MSBR工藝一樣，都是SBR法新的變型和發展。它集“序批法”、“普通曝氣池法”及“三溝式氧化溝法”的優點，克服了“序批法”間歇進水、“三溝式氧化溝法”占地面積大、“普通曝氣池法”設備多的缺點。
典型的UNITANK工藝是三個水池，三池之間水力連通，每池都設有曝氣系統，外側的兩池設有出水堰及污泥排放口，它們交替作為曝氣池和沉淀池。污水可以進入三池中的任意一個， 采用連續進水、周期交替運行。在自動控制下使各池處在好氧、缺氧及厭氧狀態，以完 成有機物和氮磷的去除。
UNITANK工藝由比利時Seghers公司首先建在我國的澳門特區，處理水量14×104m3/d(不下雨時平均處理水量為7×104m3/d)，池型封閉，設計采用的容積負荷為0.58kgBOD/(m3·d)，總的反應池體積為46800m3，曝氣池水力停留時間為8h，出水的BOD5、SS＜20mg/L。
這類一體化工藝是傳統活性污泥工藝的變形，可以采用活性污泥工藝的設計方法對不同的污染物加以去除，如考慮硝化，其負荷一般在0.05～0.10 kgBOD5/(kgMLSS·d)，硝化率視污水溫度而異。而要求污泥穩定化，其污泥負荷和污泥齡要遠遠超過硝化時的數值。
容積利用率低是此類一體化工藝共同的主要問題，就是說在一個較長停留時間的曝氣系統內,有50%左右的池容用于沉淀。
UNITANK工藝的成功與否有賴于系統采用穩定可靠的儀表及設備，因此引進技術，消化、吸 收和開發先進的自控系統是應用此工藝的關鍵問題。一般認為，UNITANK工藝不太適用于大 型(>10×104m3 /d)的城市污水處理廠。
3 科學地進行工藝方案比較
城市污水處理投資大，運行費用高，如不包括引進處理設備和引進沼氣發電設備，每處理1m3污水投資宜控制在1000元，運行費(包括折舊費)宜控制在0.5元/m3左右。由于現在 污水處理率還不高，按用水量的0.8計算污水量，收0.2～0.3元/m3排水費，基本上能維持處理 設備的運行。
為了降低投資和運行成本，因地制宜地進行工藝方案(主要是生物處理方案)比較是必要的。進行多種工藝方案的比較，說明處理工藝技術的發展，是好事。現在經常碰到的問題是，工藝方案比較往往不夠科學，有的對工藝已有傾向和愛好，先入為主，對傾向的工藝只 說優點，對不贊成的工藝強調缺點；有的把自己的小型試驗數據與別的已上工程的工藝比；有的是將處理BOD5為主的工藝與處理BOD5同時進行脫氮除磷的工藝比。實際已運行的不少 污水處理廠，其出水水質較好與其進水水量和水質遠未達到設計指標有關，各廠情況不同 ，不可簡單地比較出水指標；有的投資包括廠外工程費用(如道路、電負荷增容等)；有的投資包括征地費用(而此費用在各地出入很大)；有的工藝建設投資低，運行費用高； 有的工藝投資高，運行費用低；有的工藝處理污水的投資低，而污泥量較多增加了污泥的處 理成本。應該看到，同樣的工藝，采用的設計參數不同，其結果也是不同的。作為負責任的 單位，對工藝方案的比較力求客觀全面，在同等進水、出水條件下，其設計參數應包括對 各種污染物的去除率、曝氣時間、污泥負荷和容積負荷、曝氣量和氧的利用率(及動力效率)、污泥產量(及污泥指數)等作全面分析，數據豐富就可以集思廣益，揚長避短，根據技術上 合理，經濟上合算，管理方便，運行可靠且有利于近、遠期結合的原則，進行工藝方案的優 化抉擇。
對一定規模(如10 ×104m3 /d)以上的城市污水處理廠，應作污泥穩定處理，通常采 用中溫消化，沼氣利用，有條件的可設沼氣發電(如北京高碑店、天津東郊)，這要花費不少投資，技術設備相當復雜，設備需要引進。不處置由污水處理帶來的污泥，污水處理是不完 整的，脫水后污泥的最終處置要具體落實，不留后患。
國內有些環保公司提出對污水處理廠投資采用多方集資和融資方案(如環保公司和業主出資50%，其余50%資金由銀行貸款)，然后通過收取的排污費逐年償還，這種方法是有積極意義的。但有兩個問題需要明確：一個是出資的環保公司采用的工藝和設計參數需要通過評議，選用 的設備需通過招標，正如國外貸款(包括政府貸款)其工藝和設備需評議和招標一樣；另一個是要明確污水處理廠的股權和產權問題，需制訂相應的政策和協議。
有的環保公司在報上一再宣傳采用曝氣生物濾池和氣浮池替代沉淀池技術處理城市污水，投資可減至400 元/m3，占地可減少4/5，運轉費用可減少一半，操作人員可減少9/10，這完 全是誤導。建設部要求城市污水廠綠化占全廠1/3面積，再加上道路及輔助設施、辦公生活 設施，總面積約占全廠的1/2。減少曝氣池和沉淀池面積絕不可能使總的面積減少一半。從技術上看，用氣浮池代替沉淀池，對代替初沉池來說是行不通的，對于代替二沉池需作具體 比較(包括土建、設備、電耗、管理等方面)。另外，還應對大規模氣浮裝置的技術可行性作出評估。
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