天津市市政工程設計研究院
趙樂軍

　　一　概述

　　改革開放以來，在我國的大中型城市中，建設了一批污水處理設施，對于保護大中型城市的環境，治理水污染起到了很大作用。隨著我國城鄉經濟的發展，人民生活水平的顯著提高，我國農村城市化的速度將大大加快，大量的小城鎮將迅速興起，預計到本世紀末，全國設市城市將達1200個左右，建制鎮25000～3O000個左右，全國城鎮人口達6.8億左右，城市化水平約為45%，其中小城鎮人口所占比例達65%左右。從發展眼光看，今后我國的大部分人口將生活在中小城鎮。
　　目前全國共有1700O個建制鎮，絕大多數沒有排水和污水處理設施，而且，由于二十幾年來，鄉鎮企業的蓬勃發展，造成一些中小城鎮尤其是經濟比較發達的中小城鎮，污染嚴重，已經影響到人民的生活和健康。
　　從另一方面講，中小城鎮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，中小城鎮的污水治理工作做不好，大中城市水環境的質量也不會有明顯改善，因此，中小城市的環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，未來一段時間內我國將會集中在中小城鎮建設一大批污水處理廠，這些污水處理廠的規模，小的只有每日幾十噸，大的每日幾萬噸，因此在規模上和大型污水處理廠相差較大，而且，由于這些中小城鎮和大中城市經濟發展水平、排水體制，基礎資料，融資渠道有很大不同，因此以往建設大型污水處理廠的經驗只有借鑒的意義，不可能也不應該把大中城市的污水治理工藝、技術裝備等搬用到城鎮級的污水處理廠中去，否則目前在大中城市中出現的“建的起，用不起”的局面將會在中、小城鎮更加強烈的表現出來，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的經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污水處理廠，達到消除污染、保護環境的目的是擺在給排水工作者面前的一個挑戰。
　　考慮到1998年1月1日之后，已經開始實行《污水排放綜合標準》(GB8978-1996)，因此中小城鎮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域。
　　1.選擇區(Selectorzone)
　　設置選擇區的目的主要是為了避免污泥膨脹。
　　2.厭氧區(Anaerobiczone)
　　設置厭氧區是為了提供一個使聚磷菌釋放磷的環境，為后續的好氧吸磷創造條件。
　　3.再活化區(Reactivationzone)
　　設置再活化區用于再活化回流污泥。
　　4.缺氧區(Anoxiczone)
　　設置缺氧區，提供一個缺氧環境，使硝酸鹽氮被還原為氮氣。
　　5.好氧區(Oxidationzone)
　　該區為主反應區，在該反應區內完成碳的氧化和氨氮的硝化。
　　6.內源呼吸區(Endogenouszono)
　　在該區內進一步完成硝酸鹽氮的反硝化。
　　在實際的工程設計中，根據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，因對總氮無要求，可以采用生物硝化工藝，生物硝化工藝與傳統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，在反應地前增設一個厭氧段，在厭氧段內完成磷的釋放，在好氧段內實現磷的超量吸收、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一個厭氧段又要增設一個缺氧段，以同時實現生物除磷脫氮。

　　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的要求是互相矛盾的，為實現同時除磷脫氮，研究者開發了不少新工藝，如Bardenphor工藝(四區工藝)、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，運轉費用高，在應用于中小規模污水處理廠時應該慎重。
　　進水水質濃度和對出水水質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、簡化發展的總趨勢。采用延時曝氣的SBR工藝和氧化溝工藝產生的剩余污泥已經基本達到好氧穩定，剩余污泥經過濃縮脫水后就可以直接應用于農田、填埋或者焚燒，不需要搞污泥消化，因此建設、運轉的費用大為減少，這一點對中小城鎮污水廠來說，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，它的水力流態和普通活性污泥法相差較大，是一種首尾相接的循環流，通常采用延時曝氣。氧化溝是荷蘭人二戰后為處理小城鎮污水而開發的，由于氧化溝處理污水經濟、簡單和管理方便，所以它問世以來，發展很快。
　　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的發展，它早已超出原先的實踐范圍，出現了一系列除磷脫氮技術與氧化溝技術相結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工作式、交替工作式和半交替工作式。連續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，這些氧化溝通過設置適當的缺氧段、厭氧段、好氧段都能取得較好的除磷脫氮效果。連續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，多采用轉刷曝氣，不設二沉池和污泥回流設施。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式氧化溝和SBR工藝的一些特點，可以根據水量水質的變化調節轉刷的開停，既可以節約能源，又可以實現最佳的除磷脫氮效果。廣東雁田污水廠(近期規模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備閑置率比較高，容積利用率比較低，如邯鄲東污水廠的設計污泥星系數為O.55，實際為O.48，D型氧化溝曝氣轉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厭氧/好氧除磷過程或缺氧/好氧除氮過程，通過調整運行周期以及控制各工序時間的長短，可實現對氮磷的高效去除。
　　SBR工藝有很多種類型，除了常規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工藝均采用連續進水方式，使進水的控制系統變得簡單，但是因為主反應區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；天津經濟技術開發區污水處理廠(設計規模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內，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，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降低。對于對污泥穩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，曝氣設備，潷水器等，因此，對自控設備的要求比較高，目前，某些國產設備的質量尚不過關，如果考慮進口，自控系統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，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，夜間幾乎沒有污水產生，這時候SBR工藝和交替式氧化溝工藝有優越性，曝氣設備可以白天運轉，夜間停止運行。

　　七　SBR工藝和氧化溝工藝比較的一個實例

　　某開發區污水處理廠工程，設計規模5萬噸/日，變化系數1.40，設計進出水水質如下：

　 BOD₅ COD SS NH₃-N TP 進水 160 400 250 35 2 出水 30 120 30 25 1

　　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，結果如下表：

項目 CAST工藝 氧化溝工藝 備注 總泥齡(d) 25 25 　 設備總功率(KW) 908 1695 　 實際使用功率(KW) 585 732 　 設備利用系數 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，經過投資估算比較和經濟評價，采用SBR工藝優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。設計者應該根據進出水水質、污水廠的規模、當地的經濟條件、氣候情況、廠址情況、地質條件、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，應該優選運轉費用低，運行簡單的工藝，同時，根據中小城鎮排水的具體特點，也可以大膽地嘗試一些雖然在國內目前應用較少，但比較適合中小城鎮特點的污水處理工藝，如生物膜法。

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