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鄭興燦:未來城鎮污水處理廠工藝技術選擇的幾點思考

日期:2017-12-12  


一、初期雨水何時全面納入城鎮污水處理廠服務范圍?


表 1 是我國城鎮污水處理廠工程建設的大致歷程及發展預測:從最早的幾座污水處理廠到現在的3800多座。個人預計,到2015年年底會接近5000座;到2020年應該達到萬座以上;到2030年肯定會過2萬座。數量雖然是增加的,但總體處理規模并不是線性增加的,也就是說當前及今后的污水處理廠平均單座規模會越 來越小。在2020年到2030年之間, 還會有一個重要的變化特征:我們會把雨水尤其是初期雨水考慮在內,這就會帶來很多大型和超大型城市的污水處理廠設計處理能力至少要擴增50% 以上。只不過這個過程可能還需要20年到30年甚至更長的時間。



我們可以預計,到 2020 年左右,會有一部分城市實施初期雨水的凈化處理,經過 10 年左右的時間,我想有可能達到 5000 萬 m3/d 以上的規模。當 然也有這種可能:按照我國近年來的發 展特點,如果經濟條件具備,就會有更 高的發展速度!這會帶來怎樣的新問題 呢?未來的污水處理廠不僅需要考慮當 前已經存在的諸多問題,還要考慮今后 雨水納入后如何進一步解決的問題。


二、新建和已有污水處理廠提標建設的差異在哪?


另一個要思考的問題是,現有污水處理廠和新建污水處理廠的提標建設有何差異?首先,隨著排放標準和環境質量要求的普遍提高,已有的城市污水處理廠都面臨著原地提標改造或異地搬遷這兩種模式的抉擇。從總體上來講,在超大和大型城市中,異地搬遷新建擴建 的較多,也較典型,比如成都、天津、 杭州等地都出現了這種情況,多廠歸并和超大型化。國際上,新加坡也很典型,原先有十幾座污水處理廠,他們的目標是將其轉變成兩座超大型的污水處理廠(再生水廠)。另外一種類型就是原地提標改造,但需要同時解決標準提升和景觀環境建設(鄰避)問題。


我國今后新建的污水處理廠大部分都是村鎮級別的,相對來說,單座設計規模非常小。也正是因為規模小、數量多,一方面為新技術的推廣應用帶來了各種各樣的契機,不管是厭氧氨氧化還是其他新技術,都會有很多不同的實施模式,這些模式及工藝技術組合不僅為大型公司,也為創新型的中小公司帶來很多的創新發展機會。另一方面,從長遠來看,這些污水處理廠如果都是幾百立方米、幾十立方米的話,是不可能長久生存的,遲早要走向歸并,歸并到日處理能力上萬立方米,甚至5萬立方米這樣的水平。我曾經提到的奧地利Strass污水處理廠,也就是嘗試做主流工藝厭氧氨氧化生產性試驗的那個廠,就是一個由十幾個小城鎮污水歸并起來的污水處理廠,由十幾個鎮共同分擔資金、建設運行,正常情況下日處理 規模大致3萬立方米,存在季節性的變化。我想,類似這樣的發展趨勢在國內也會同樣出現。


三、未來的污染物排放標準應 該是怎樣的?


表 2 是北京市頒布的城鎮污水處理廠污染物排放標準。可以看出,所有新建、改建和擴建的污水處理廠,都要達到所謂的“Ⅳ類水”標準。而所說的“Ⅳ 類水”其實是假Ⅳ類水,并不是真正意義上的Ⅳ類水,因為總磷和總氮的限值明顯沒有達到Ⅳ類水的標準要求,而且即便算是Ⅳ類水的標準,也是河流的水質標準,不是湖庫的水質標準。而對絕大部分城市水體來講,不管這個河道有多長,都已經不是真正意義上的河,而只是一個河道形狀的湖庫系統。那么河道形的湖庫水體系統執行的照理應該是 湖庫水質標準,而這個河流水質標準就 偏低得多。就北京地區來講,考慮到現有的城鎮污水處理廠執行的標準和現在的國標是完全一樣的,可以直白地說, 北京的Ⅳ類水并不是真實的,大部分污水處理廠并沒有實現“Ⅳ類水”的標準, 只有新建和改建之后,才算是少數指標 達到河流Ⅳ類水要求的準“Ⅳ類水”。 北京這個“Ⅳ類水”標準考慮得比較合理的地方是,提高氨氮排放標準,把總氮排放標準值控制在比較合理可行的水 平。但把CODcr 排放標準值分別調整為30 mg/L和20mg/L,就屬于比較荒謬且缺乏足夠科學依據的。


現有城鎮污水處理廠:基本控制項目限值與國標相同,排放水體類別與新改擴建相同。


再看看天津(表3),這是2015年最新頒布的地方排放標準,與北京標準相比,CODcr最低限值為30 mg/ L不是20 mg/L,其他指標與北京標準類似。天津要求所有現有污水處理廠從2018年1月1號開始執行這一標準,而北京沒有明確的實施期限。這些地方標準的頒布應該說有其必要性和合理之處,但個人認為,這些標準中存在的一些誤導性問題也是非常值得關注的。


站在長遠的角度上看,我們應該采用什么樣的排放標準呢?如果將CODcr、BOD5 和SS 這幾項常規指標 考慮進去,CODcr 到底應該多少合適呢?15、20 還是50mg/L ? BOD5 是多少?SS是多少?總氮又應該是多少……我認為,對我們現在的污水處理技術來講,就達標監控來說,對于城鎮污水有機物的去除,只要控制一個指標就夠了——氨氮指標。如果氨氮指標能低于 1mg/L 或 2mg/L 的 話,所有的CODcr、BOD5、SS 都可以達到合理的標準值要求,或者達到經濟合理、可行的技術極限值。處理出水中剩余的都是溶解性不可生物降 解的 CODcr,對環境本身除了產生一定色度之外,如果是天然物質,基本不會有什么壞處,更不會造成水體的黑臭。所以,如果強制要求 CODcr 達到20mg/L 或者30mg/L 的標準,尤其在未來污水濃度越來越高的條件下,除了極為特殊的情況,這樣的標準似乎有些過于勞民傷財了。當然,對一些特殊的工業園區則是例外,因為可能含有不同類型及未知的有毒有害及持久性微量污染物。


當我們考慮氨氮指標時,必然要考慮到總氮去除,生物反硝化屬于節能過程。總氮和氨氮指標對水體環境 質量均有很大的影響。氨氮是直接耗氧污染物,總氮可促進水體生物量的形成。從理想目標來講,總氮的標準限值應該是越低越好,但并不絕對。國際上也有一些研究:城市景觀水體和一般性水體中,如果有足夠的硝酸鹽含量,水體是不會黑臭的。某種程度來講,水體的硝酸鹽含量較高,對景觀水體的水質不見得是一件壞事。當然,從飲用水水源或者其他生態環境影響的角度,還是越低越好。但任何環境問題都是和經濟指標相關的,設計達到什么樣的水平,就有什么樣的資金投入需求,不可能沒有投入就有相應的預想結果。既然考慮到總氮了,那么總氮是不是最重要的呢?我這里提出的觀點可能會與國內一些專家不一樣,但與國際上通行的觀點是 基本一致的,我認為氨氮之后就要考慮總磷,總磷和總氮對水體水質的主要影響是導致藻類的過度生長。我們都知道,藻類生長所需的氮磷是有比例關系的,那么這種比例關系會是怎樣的呢?


根據我們從不同文獻資料中歸納的大致數據可知,造成富營養化的藍綠藻含氮約9%,含磷量約 0.9%,那么其比值大概是10:1。可以大致說明氮磷會對水體和藻類的生長造成什么樣的影響,不難看出,按照潛在耗氧量指數來判斷,大致是 140:10:1。也就是說,1mg/L 的總磷可以產生耗氧量(CODcr)為 140mg/L 的 生 物 量;與此類似,1mg/L 的總氮可以產生耗氧量為 10mg/L 的生物量。他們之間大概就是這樣的關系,如果水中總磷為 0.05mg/L,總氮0.5mg/L,那么形成的藻類耗氧量(CODcr)大致為 5mg/L;總磷是 0.1mg/L 的時候,形成的耗 氧 量 為 10 mg/L;總磷 0.2 mg/L 時,形成的耗氧量是20 mg/L。總磷濃度達到多少的條件下就可能出現太湖那樣的藻類大暴發呢?答案是,總磷達到 0.1 mg/L 以上時就可能。


因此,我們需要水體總磷濃度控制到 0.05mg/L 以及更低的水平。從這個角度來看,如果總磷沒有得到很好的控制,總氮再低也是解決不了問題的。如果要達到總磷 0.05mg/L 的同等控藻效果,總氮就需要達到 0.5mg/L 才行。這樣,我們可以看到,未來對水體的富營養化控制,一個最重要的指標就是總磷。總磷是第一位的,氨氮是第二位的,總氮是第三位的,控制了這三個指標,CODcr、BOD5 和 SS 等常規指標就控制住了,也就不需要嚴格限定了,甚至可以說,在正常城鎮污水的高排放標準中,取消這三個指標或取消其達標監管也是合理的。當然,總磷中還要區分可生物利用磷和不可生物利用磷,正磷酸鹽容易被藻類利用,而金屬磷酸鹽就難以被藻類利用。因此,未來的城鎮污水處理廠出水標準中,周或月平均總磷 0.1mg/L 應成為目標限值。


另外,今后的城鎮污水處理廠還要考慮非常規污染物,特別是持久性微量有機污染物的去除能力,一旦考慮這些指標的納入,就會影響排放標準的指標項和污水處理工藝技術路線的選擇。


四、城鎮污水處理工藝技術選 擇情況如何?


在工藝技術選擇方面,圖1為幾年前統計的城鎮污水處理廠工藝技術類型分布情況,這里按傳統表述方法歸納,在實際工程中,工藝技術類型及組合很多,下面舉若干例子。隨著城市建成區邊界的不斷擴展,周邊環境影響及鄰避問題日益突出,異地搬遷新建的方式使得天津紀莊子污水處 理廠已經不復存在,而紀莊子污水處理廠在我國城市污水處理發展過程中是占據很重要位置的,歷經多次的升級與擴建,從普通活性污泥法到除磷脫氮,再到高等級再生水,2000 年左右,還跟新加坡同期使用了微濾膜再生水技術。新加坡站在國家戰略需求的高度,大力發展再生水利用,之后有很快的規模化發展及國際影響力。而天津和北京因為諸多原因,再生水發展規模有限,失去了形成國際影響力的好機會。但無論如何,在從傳統的砂濾到膜濾及反滲透的發展過程中,我們已經積累了十幾年的工程實踐經驗,膜過濾設備產品也完全實現了國產化和規模化發展。



從除磷脫氮這塊來講,最早應用A2/O工藝的是廣州的一家污水處理廠,但這座污水處理廠的進水水質缺乏典型城市污水特征。其主要原因在于進水 CODcr 濃度不到 200mg/L,而按當時的設計規范確定的進水BOD5 為 200 mg/L,相當于 CODcr 450 mg/L 左右。后來的泰安污水處理廠則比較典型,進水濃度較高,但碳氮比相當低,要比國際上低得多,所以回流污泥中的硝酸鹽對生物除磷性能有非常大的影響。經過現場試驗研究之后,泰安污水處理廠第一次使用了多點進水、預反硝化的改良 A2/O 工藝流程。


另一個除磷脫氮工程的成功案例是青島李村河污水處理廠。這個廠大 家可能不是很了解,它是上世紀 90 年代初建設的,此廠的工藝選擇是我們與Glen Daiger(國際水協前主席)共同合作的產物,當時我們堅持要用我們建議的改良 A2/O 工藝流程,他則堅持推薦他們的 VIP 工藝流程,經過不斷的討論和意見交換,最后決定把兩種不同的工藝過程全部結合在一 起,為便于論證通過,對外宣稱是 A/O 工藝,但實際上它是一種集成的工藝 流程,有多種可以靈活調整的運行模式,雖然建設于上世紀90年代,但直到現在也不落后。該廠的污水濃度 比較高,前幾年進行了一級 A 提標改造,在好氧區融入了 IFAS 工藝單元,取得非常成功的實效,出水穩定達到一級 A 標準。



青島海泊河污水處理廠則是國內非常成功的 AB 法污水處理廠,上世紀90年代初建成投產,進水濃度高,污泥厭氧消化系統也一直運行較好。遺憾的是,這個廠在升級改造中做了較大的工藝改變。如果能夠一直保留下來,是可以作為主流工藝厭氧氨氧化生產性試驗研究的好場所的。


在微信朋友圈中曾有過這樣的討論:我們的污水處理廠除了設計好以外,運行好也是很重要的。有人問,未來的概念廠是不是都應該由博士、碩士來運行呢?我們確實需要一批博士、碩士進入污水處理廠。歐美國家, 有些污水處理廠的廠長就是博士,正是因為他們個人有興趣,污水處理廠 才能有更多更好的試驗研究與生產性驗證。青島在上世紀 90 年代初開始建設三座大型污水處理廠,當時引進的新畢業生中就有一批碩士及名牌大學的本科生,促進了后來的更好發展。


另外一個典型案例是,2007 年,我們完成了無錫蘆村污水處理廠的提標改造工程設計。其實,早在一期工程建設時期(上世紀80年代中期), 就推薦使用A2/O工藝,但業主沒有采納,專家意見也不一致。到90年代中期,二期工程建設時,大家已經意 識到除磷脫氮的重要性,采用了A2/O工藝,但采用的實際泥齡較短,影響了后來的提標改造,特別是生物池的 池容明顯不足。在該廠的一級A提標改造工程設計中,全面強化預處理功 能(格柵與初沉池)的同時,將原有生物池改造為改良 A2/O 工藝并在好氧區部分區段投加可流化的懸浮填料, 形成活性污泥 - 生物膜復合的 IFAS 工 藝系統,著重解決了冬季低溫時段硝化能力不足的問題,同時提高了反硝化區的容積比例,增強生物脫氮能力, 后續深度處理部分則采用機械過濾和膜過濾技術,處理出水達到一級 A 標準。


青島團島污水處理廠也是一個比較典型的案例(圖 3),最初采用改良 A2/O 工藝,德國污水處理設備,設計 規模 10萬 m3/d,后來做一級 A 提標 改造設計時,在改良 A2/O 工藝中融入 IFAS 工藝單元,出水水質穩定達到一 級 A 要求。總體來說,青島的三個污水處理廠(海泊河、團島、李村河)都運行得不錯。而團島污水處理廠的最大特征是進水總氮濃度非常高。實際上,這個廠對預測未來的污水處理廠具有一定的代表性意義。基本上以生活污水為主,進水濃度比較高,總氮也比較高,前端污水管網系統比較完善,基本沒有設置化糞池。目前他們正在做側流厭氧 氨氧化工藝的應用試驗,采用生物膜方式,年內大概會啟動,未來兩年內應該 會建成運行。如果建成并穩定運行,就可以為該廠開展主流工藝厭氧氨氧化的生產性試驗提供很好的條件和場地。



二十多年來,國際上典型的城市污水處理工藝技術都在國內進行了本土化的開發和創新發展,形成了比較成熟和穩定可靠的適用技術。在這些成熟技術的基礎上,天津津南的污水處理廠又采用了什么樣的技術方案呢?在這個工藝技術方案中,采用了更復雜更穩定可靠的除磷脫氮工藝系統,可達到的穩定出水水質,正常是一級A,運行優化之后 要優于一級 A,同時繼續沿用雙膜法進行高等級再生水的生產。另一方面,如圖 4 所示,污泥采用高濃度厭氧消化,污泥不僅來自本廠,也來自外部污水處理廠,在這個廠進行了較多的新嘗試, 例如沼液的磷酸鹽回收,沼液的厭氧氨氧化脫氮,產生的沼氣用于污泥熱干化和生產液化石油氣,如果全部建成并成功運行的話,會是一個綜合性的新技術綜合應用示范項目。



結合以上案例分析,以及近年來國際上新出現的發展變化,我們可以簡單地總結,污水處理工藝技術有這么幾個基本的變化趨勢:


第一, 考慮能源化利用,由全部好氧處理轉向部分厭氧處理。

第二, 從污泥的低濃度厭氧消化轉向高濃度污泥厭氧消化,并對污泥進行破解預處理。

第三是資源利用,主要是磷酸鹽的回收利用,氮的回收也在考慮。磷的回收有不同的方式,到底是采用化學除磷還是生物除磷,對磷酸鹽的回收過程有不同的影響。德國傾向于從污泥焚 燒灰渣中回收,其他一些國家傾向于沼液磷酸鹽回收。污水再生利用是我們熟悉的,國內技術已經成熟,規模也是世界一流的,技術產品質量也挺高。

第四,除磷脫氮工藝方面,如何由傳統除磷脫氮工藝開始轉向厭氧氨氧化的應用。側流這塊目前比較成熟了,主流工藝這塊,據我所知,目前國內有五六個團隊開始做這方面的研究開發。

第五,好氧顆粒化污泥和其他更多的組合,將會有通過更多不同的工藝組合或融合方式來實現。這個看上去非常理想,實際的情況是我們將面臨著很多需要解決的難題,而這些問題會影響我們在污水處理發展 過程中對工藝技術的應用和選擇。


都有哪些主要問題呢?首先我們來看一下,從目前總體發展趨勢來講,國內的工藝需求和國外的工藝需求存在一定的區別。就拿主流工藝厭氧氨氧化來說,歐美國家是追求能源化和碳中和這樣的理想目標的,同時適當考慮磷酸鹽之類的資源化利用,沒有太多考慮污水再生利用。在中國,城鎮污水處理廠能 不能做到真正的能源平衡呢?個人觀點 是不太可能。原因如下:在國內,能做到低碳低耗就很不錯了,任何時候我們的首要目標都是出水的穩定達標,而且排放標準會越來越高,這跟歐美國家 較低的排放標準及彈性的監管政策是明顯不一樣的。而且,這樣的觀念和監管實踐在短期內不會發生根本性的變化。從技術上來講,厭氧技術是回歸了,而我們也面臨一些難題要解決。AB 法將 要回歸了,但僅僅有 AB 法也是遠遠不夠的。任何時候,達標都是第一位的,能源化和資源化利用,尤其能量平衡,必須建立在穩定達標的基礎上,因此,任重而道遠。


五、污水處理廠運行性能主要受制于哪些因素?


有幾個問題我們逃避不了,比如城市污水水質水量在時空上的明顯變化,城市污水的碳氮比普遍偏低,進水無機懸浮固體組分普遍較高,以及低水溫與工業廢水,都是很重要的影響因素。在這些影響因素里面,我們來看看,進水SS/BOD5 比值是很高的,正常應該是1.0到1.1,很多污水處理廠進水SS/BOD5比值是1.5到2.0,甚至更高。圖5是一個有初沉池的污水 處理廠在清理生物曝氣池的時候,底下 沉積的泥沙。這個廠的情況是平均比值 基本在 1.5 到2.0之間,造成活性污泥 的 MLVSS/MLSS 比值平均在 0.4 左右(范圍 0.3~0.5),初沉池改進運行之后,MLVSS/MLSS 能達到0.5的水平。如果初沉池不運行,有時會低到0.3 左右。這是我們的城鎮污水處理廠進水水質跟國際上明顯的不同的地方,國際上歐美國家污水處理廠活性污泥 MLVSS/MLSS 比值大部分可以達到0.7以上,而我們就算達到0.4,也不到他們 60% 的水平。

簡單來講,國內城鎮污水的平均碳氮比是國際上的 50%左右,因此,要達到同樣的總氮去除要求,就會遇到很多的困難。在這種困難條件下,國內已經開始采用例如初沉發酵池或初沉污泥發酵的工藝技術,盡量把無機懸浮固體排除掉,盡量使初沉污泥中的有機物進入到后續的生物處理工藝單元中;在后續的改良 A2/O 工藝的基礎上,新的一些工藝流程在后頭又增加了較短水力停 留時間的缺氧 / 好氧單元,來考慮外部 碳源的投加和深度脫氮,當然這個投加及脫氮時間可以很短,是非常有效的一個途徑(方法)。不過,這就需要投加外部碳源,增加運行成本。我們也有一些新的研究結果,更傾向于將外部碳源投加在厭氧段。因為大部分醋酸鹽類的碳源,投加在厭氧池時非常有利于生物除磷,這對出水總磷的降低是非常有好處的,同時又不影響總體碳氮比和脫氮效果,這就可以達到一碳兩用、一碳多用的效果。此外,有越來越多的污水處理廠采用以下兩種工藝技術:一種是活性污泥和填料相結合的 IFAS 工藝,另外一種是 MBR,兩者都能達到省地的效果。MBR 能耗相對比較高,從目前情況來看,有時候,屬于不得不采用的工藝流程。


那么在當前的條件下,我們開始考慮的未來污水處理廠工藝流程應該是什么樣的呢?如剛才專家委員會的發言中提到的那樣,把厭氧氨氧化作為最主要的工藝單元融合進來?如何融合進來呢?這里面必不可少的就是我們正在探 討的一些工藝過程。其中有一點自然是必不可少的,首先是碳氮磷的分離,然后是主流工藝厭氧氨氧化脫氮,同時我們還要繼續有效解決泥沙分離的問題、低溫影響的問題……這時,我們還必須考慮碳源的合理配置問題。如果總氮要達到 5mg/L 左右的水平,那么還會有大量的碳源可供污泥厭氧消化和能源化利用嗎?估計很多地方是沒有的,但北京、天津這樣的特大城市則有可能。所以我個人認為,一定程度上,對中國未來的污水處理廠發展,即使采取主流厭氧氨氧化工藝進行有效脫氮,在一定程度上也仍然要犧牲諸如能源化和碳中和這樣的理想目標,以切實保證處理出水的穩定達標。總之,不管怎么說,任何 一個新的工藝技術,你都要想辦法怎么 有效地把新型的工藝單元融入到已有的 工藝系統中去。這里給出其中的一種模式,這種模式中的碳分離很重要,碳分離目前有幾種類型:第一種就是AB 法的A段,當然也可以采用化學法,但我們更傾向于在一定條件下采取化學與生物相結合的一種模式。這種模式能高效地實現碳氮磷的分離,這對處理出水的穩定達標和能源的回收都是非常有利的。


另外一個例子是,我們在主流工藝流程中,充分考慮磷回收可能的話,可以把生物除磷與生物脫氮分離,然后與主流工藝厭氧氨氧化相結合。實際上, 在未來的可能實施模式中,會有各種各樣的組合,這都會有利于我們未來污水處理技術的新發展。在座的各位可以充 分發揮下自己的想象力和才智,利用自己的資源,做不同的嘗試。這里所舉的例子,也正是我們正在進行探討和研究的,并準備在今后盡快實現工程化的一個目標和可能的工藝流程。當然,這個工藝流程還會結合諸如污泥厭氧消化之 類的技術,并最終成為重要的組成部分。


有這樣一句話:你可以跨越歷史,但不能切斷聯系。我們一定要在已有技術和工程實踐的基礎上,不斷創新,不斷擴展和完善,未來才能有更好的解決 方案,才能有更好更快的發展。



來源: 編輯整理/魯蒂 中宜環科環保產業研究

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