市政工业污水解决方案

关键词：城镇污水；除磷脱氮；排放标准；工艺流程；深度处理

国家环境保护总局 2006 年第 21 号公告 [1]提出，城镇污水处理厂出水排入国家和省确定的重点流域及湖泊、水库等封闭、半封闭水域时，执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）。这在某种程度上意味着标准在我国范围内的推行，等重点流域的城镇污水处理厂。在GB  18918-2002  的制订过程中，设立“A标准"的目的是，在国家相关再生水水质标准未出台之前，作为再生水水质的过渡性标准 与参考基准。某种意义上说，标准的初衷不是作为排放标准，而是再生水水质的基本要求  [2]。 因此，可以认为，城镇污水处理厂出水达标的工艺流程实际上相当于城镇污水再生处理工 艺流程，是污水二级强化处理、三级处理、高级处理和消毒的不同组合与集成。污水二级强化处 理是稳定达标的关键工艺单元，其选取既要考虑二级处理出水中的主要水质指标（TN、 NH3-N、COD、TP）能否达到排放标准，更要考虑后续深度处理对前处理工艺的要求，前 处理和后处理工艺能够相互补充以增强整个工艺流程的总体效能。 

1   稳定达标的主要工艺单元考虑 

从技术可行性和经济合理性角度考虑，有机物（COD、BOD  5）和氮、磷的达标去除应尽量在 污水二级生物处理工艺单元中完成，特别是TN和NH  3-N的去除。二级（强化）处理应确认有机物、 悬浮固体和氮磷营养物有足够高的去除率，一般采用生物除磷和生物硝化/反硝化方法，需要时增 加化学协同除磷。特殊（微量）污染物和有毒有害物质应尽量在工业企业源头加以控制，需要时 在深度处理工艺流程中设置针对特定水质指标的处理单元。表1  汇总了城镇污水处理厂稳 定达标处理中可供选择采用的工艺操作单元。 

二级（强化）处理之后的深度处理应以过滤工艺为核心单元、混凝沉淀为强化手段，起到高 效去除悬浮固体和胶体物质的作用，降低处理水的浊度和消除病原体，需要时通过调整混凝剂优 选和剂量同步完成化学除磷。高级处理是达标深度处理的选用单元，通过物理、化学或生物方法 更充分地去除水中某些特定的成分，例如反硝化滤池去除硝态氮，活性炭吸附和臭氧化去除难生 物降解有机物及脱色、反渗透法去除溶解性固体。消毒处理是达标的单元，也是深度处理流程的至后一个单元，其功能是利用物理、化学或生物的方法去除和灭活水中的各种病原体。 

表 1  城镇污水深度（再生）处理的工艺单元 

2   稳定达标的工艺单元选择 

针对太湖流域城镇污水处理厂的除磷脱氮改造需求，结合城镇污水的水质特点和水质处理要求，以表 1 所列出的工艺单元为基础，按图 1 所示的工艺选择过程组合出适合该区域城 镇污水处理厂出水稳定达标的基本工艺流程及变化方式。 

图 1  城镇污水处理厂稳定达标的工艺流程及单元组合

在城镇污水稳定达标处理工艺流程中，粗格栅、细格栅、提升泵站和沉砂池是前处理工艺单元，二级生物处理采用膜生物反应器（MBR）时，还需要在前端设置特细格栅（1mm 间距）。除非进水悬浮物浓度很低或进水SS/BOD  5比值较低，否则，常规初沉池或高负荷沉淀池应该成为必选工艺单元，以尽量去除进水中的无机悬浮固体。后续生物处理单元存在碳源不足时，可考虑初沉污泥的产酸发酵以补充优质碳源，或者部分时段初沉池直接进入生物处理池。 

二级生物处理工艺的选择是稳定达标的至重要环节，特别是TN和NH  3-N的稳定达标去 除，对于氮磷去除，建议采用回流污泥反硝化生物除磷脱氮（改良A /O）及其变型工艺   作为基 本工艺流程，目前已经得到较为广泛的工程应用。可采取的主要工艺控制及改进措施为： 

（  1）污水生物处理系统采用 15d 以上的设计泥龄，考虑进水水质水量的变动和运行操作的调节能力限制，实际运行过程中应尽量控制在 12～20 d 的范围内，以保冬季低水温（例如 10℃） 条件下生物处理池有足够数量的硝化菌与硝化能力。 

（  2）可采用环形沟道生物反应池（氧化沟）池型构造，较高倍率的循环流量形成快的混合作 用，加上多个沟道的串联，可以明显减小进水水质水量的时变化峰值系数（由 3～10 倍降低到 1.5 倍左右），相应降低出水NH  3-N浓度的波动，发挥硝化菌的作用，有利于NH  3-N稳定达标。 

（  3）进水水质水量的波动和碳氮比偏低是影响 TN 稳定达标的至主要因素，进水水质水量的波动通过沟道串联布置来缓解，碳源不足可通过初沉污泥发酵进行某些程度的补充；有需要时，补充外部碳源（例如甲醇、醋酸钠、醋酸等）强化生物反硝化效果。 

（  4）强化前端预处理以去除尽量多的进水无机悬浮固体，降低活性污泥的惰性组分含量，以增高生物池的反硝化速率，缩短反硝化所需时间或增加反硝化总量；部分沟（渠）道可按亏氧方式运行，增进同时硝化反硝化及部分短程硝化反硝化的实现，增高碳源利用效率和 TN 去除总量。 

（5）冬季低温到来之前，在秋季提前逐步增加整个污水生物处理系统的活性污泥总量，增加实际运行泥龄，系统中累积硝化菌和反硝化菌的总量，以改进冬季的硝化和反硝化效果。 

在二级处理出水TN和NH 3-N稳定达到排放标准的情况下，可采用直接过滤或者混凝过 滤的工艺单元进一步降低出水的COD、BOD  5、SS和TP浓度，使其稳定达标。化学混凝有助于强化COD、BOD  5、SS和TP的去除以及后续过滤单元的稳定运行。过滤方式可以有多种选择，包括砂滤池、机械过滤器和膜过滤系统，主要取决于出水水质的具体要求和达标考核方式、处理出水的出路与用途、工程造价和运行成本、操作管理与运行调整难易等方面。 

在二级处理出水TN和NH 3-N不能稳定达到标准的情况下，需要采用反硝化滤池和曝气生物滤池系统，将TN和NH  3-N的进一步稳定去除与过滤处理相结合，但这种方式的出水浊度和SS含量要高于砂滤、机械过滤和膜滤，另外，反硝化滤池需要投加外部碳源（甲醇），去除 1mg/L硝态氮一般需要投加 3mg/L甲醇。 

采用膜生物反应器（MBR）时，生物处理与膜滤结合为一体，占地面积较小，出水感官指标好，适合处理出水的直接再利用，但运行成本和工程投资高，曝气能耗会有明显的升高。 

3  稳定达标的基本工艺流程建议 

3.1  基本工艺流程的构成 

稳定达标的基本工艺流程为：二级强化处理＋化学混凝（沉淀）＋介质过滤＋消毒。 

这一工艺流程选择基于二级强化处理出水的TN和NH  3-N已经能够稳定达到A标准，COD稳定达到B标准，碳源BOD  5一般在 12mg/L以下。 

其中，化学混凝（沉淀）过滤工艺包括以下三种主要组合方式： 

①混凝沉淀过滤：快混合＋絮凝＋沉淀＋过滤。在快混合池或进水管道内完成快混合， 经过絮凝反应过后，在澄清池中沉淀处理，沉淀出水进入滤池过滤。在二级处理出水 SS 不稳定或 需要化学除磷的情况下，需要采用该工艺组合，以确定出水的全面稳定达标。 

②化学絮凝过滤：快混合＋絮凝＋过滤；在速混合池或进水管道内完成快混合，经过 某些时间的絮凝反应，不经沉淀，直接进入滤池过滤。一般采用聚铝或硫酸铝作为化学除磷药剂。 

③微絮凝过滤：管道混合＋过滤；通过快混合器或管道内部混合器完成化学药剂的投加与 快混合，絮凝过程在深床上向流滤池的底部或深床重力流滤池的顶部完成，不设置中间沉淀段。 

采用聚铝作为除磷药剂时，需要某些的化学沉淀反应时间，否则除化学磷效果会受到某些影响。 

3.2  化学混凝处理 

深度处理工艺流程中设置化学混凝剂投加系统，其核心目的是增强后续过滤工艺的颗粒去除 性能，以增强悬浮物、胶体物质、磷酸盐和病原体的去除；混凝剂包括铝盐、铁盐、石灰、复合药剂和聚合物等。 

如果深度处理工艺系统在不投加化学药剂的情况下就能稳定达到 TP 去除要求和 3  NTU 的浊度，则允许混凝剂投加系统停止运行，但化学药剂投加系统须每月至少保持运行两次，以保需要时整个加药系统能够投入正常运行。 

如果混凝工艺之后采用粒状滤料滤池工艺，则化学混凝工艺应至少满足： 

①连续监测和记录生物处理出水的浊度值，以便后续混凝剂投加设备能依据进水水质的变化 自动调整混凝剂的投加量。 

②除微絮凝过滤外，设计中应提供包括快混合和絮凝池在内的化学处理设施，需要时增加 中间沉淀设施，以确定每种运行条件下均能达到后续过滤水质的要求。 

③深度处理设施的每个处理工艺单元（凝聚或快搅拌以及絮凝等）应至少设置两套，以确 保某一套设备停机维修、保养或反冲洗时，能连续进行再生处理。 

④投加混凝剂的同时，提供足够的初期快混合或等效措施，以确认混凝剂在污水中的扩散和利用，增进后续絮凝反应的完成。 

⑤在絮凝反应池中一般需要提供增进絮体粒子形成的模式。要通过慢速搅拌控制水流的紊流 或搅拌强度，既要预防絮体粒子的沉淀，也要预防絮体的破碎与解体。 

⑥工艺控制中不得出现絮凝时间不足，以防过滤出水中继续发生絮凝而影响出水水质。 

⑦投加混凝剂后需要某些的时间才能形成肉眼可见的絮体，根据污水性质以及所选混凝剂的 不同，絮体形成的时间也有所不同，可能需要 5min 或更长时间。要提供充足的絮凝反应停留时间，以确定絮体在污水过滤之前全形成，而不是过滤之后继续形成。絮凝反应停留时间应根据试验测定结果或参照同类工程运行数据。 

⑧不同污水处理厂的生物处理出水水质会有某些程度的不同，每个拟建项目都需要进行前期 试验，合理选择混凝剂和聚合物类型，以及相应的设计投加量。 

⑨采用絮凝后直接过滤方式时，建议快混合单元的停留时间小于30s，絮凝单元的停留时 间20 ~ 45 min。

3.3  过滤处理 

过滤处理是达达标处理的重要组成部分，可以在消毒之前去除固体物质、TP 和浊度，从而能增强后续消毒效果，使病原微生物失活或去除。过滤技术的选择不仅体现在出水水质的好 坏，而且也需要考虑操作难易程度、运行的限制条件、系统构件的可靠性以及对流速和负荷变化 的适应性问题。粒状滤料过滤是应用时间至长，也是应用效果至好的城市污水过滤处理技术。 

浊度是混凝－絮凝沉淀－过滤工艺处理效果的主要度量参数，虽然不能用于度量病原体的去 除程度，但浊度却是出水消毒效果的重要控制指标。滤池可采用双层滤料滤池、单层滤料滤池均质滤料滤池等。 

3.4  消毒处理 

对于净化处理水的消毒，其卫生学与环境性能目标包括：将微生物病原体的浓度降低到水质 标准规定的至低浓度标准值以下，达到国家规定的排入受纳水体的水质要求；不会因处理水的排 放而增加用水过程与环境中有毒物质的浓度；消毒效果稳定可靠且经济效果好；消毒剂或副产物的 运输、储存或处置过程不会对公众健康或环境造成额外风险。可供应用的消毒方法包括化学消毒 （例如氯化或臭氧消毒）、物理消毒（例如紫外消毒）、生物法消毒（例如滞留蓄水塘或生态净化 处理）等，膜滤技术也有较好的病原体去除效果。 

三种典型消毒技术的特点为： 

①氯化消毒：氯对 E.coli  等肠道细菌的消毒很好，但对其他微生物种属的消毒效果就没 有那么好，因此，使用大肠杆菌度量消毒效果时，应考虑不同病原体类群对氯化消毒的敏感度。 

氯化消毒效果取决于 pH、氯浓度和接触时间，并受氨和悬浮固体的影响。氯化消毒的不足之处是， 余氯对水生生物有毒害作用，还可能形成具有较大毒性、持续性和生物累积性的有机氯衍生物。 

②臭氧消毒：与氯化消毒相比，臭氧对病毒和细菌的消毒效果要好得多，但如果条件不理想， 灭菌的效果也会出现问题。臭氧在水中的溶解度较低，使其消毒能力明显降低；另外，由于其反 应活性高，难以维持残留臭氧，这可能导致微生物的再次生长。 

③紫外消毒：UV 消毒的效率主要取决于消毒前净化处理水的物理化学水质特征，水质越好， UV 消毒的效率越高。UV 进行消毒的优势在于消毒速度快，而且不会增加处理水的毒性。与臭氧 一样，UV  消毒不会在水中产生持续的残存。需要经长距离和长时间输送或储存时，可能存在微 生物再次繁殖的风险。 

4  达标排放与再生利用兼顾的工艺流程 

考虑到再生水利用的水质可靠性和稳定性要求较高，达标排放与再生水生产相结合的 基本工艺流程为：二级强化生物处理＋膜过滤（多层滤料过滤）＋消毒，需要时膜过滤之前增加 混凝沉淀预处理。有化学除磷需求，或者生物处理出水 SS 浓度偏高时，应采取混凝沉淀预处理。 

4.1  混凝沉淀 

可选用铝盐、铁盐、石灰、聚合物等作为化学混凝剂。不同污水处理厂的生物处理出水水质 会有某些程度的不同，每个拟建项目都需要进行初期试验研究，以合理选择混凝剂和聚合物类型 及设计投加量。 

作为 SS 的达标控制措施时，如果进水浊度低于 10NTU，可以不投加化学药剂。作为化学除磷的达标控制措施时，应保持加药系统的运行，除非进水磷浓度已经低于限定的标准值。投加铁 盐或铝盐进行化学除磷的摩尔比一般为 2 ~ 3，通常通过试验确定。化学除磷和生物除磷均尽量安 排在生物处理工序完成，以降低处理成本和药剂消耗量。 

在絮凝反应池中一般需要提供某些增进絮体粒子形成的方式。通过慢速搅拌控制水流的紊流 或搅拌强度，既要预防絮体粒子的沉淀，也要预防絮体的破碎与解体。要提供某些的絮凝反应停 留时间，一般为 10 ~ 20 min，具体根据试验测定结果或参照同类工程的生产性运行数据。 

沉淀工序采用平流沉淀池时，沉淀时间可选用 2.0 ~ 4.0 h，水平流速可采用 l.0 ~ 10.0 mm/s。如采 用澄清池，上升流速可选用 0.4 ~ 0.6 mm/s。需要连续监测和记录生物处理出水的浊度值，以便后 续混凝剂投加设备能依据进水水质的变化自动调整混凝剂的投加量。 

4.2  膜过滤 

经过前端工序处理后进行膜过滤（微滤、纳滤等），采用微滤膜过滤时，主要技术参数为： 

①微滤膜孔径宜选择 0.2  mm 或 0.1 ~ 0.2  mm。 

②二级处理出水进入微滤装置前，应投加适量抑菌剂；如果没有混凝沉淀预处理，应进行粗 过滤处理（500  mm）。 

③微滤系统宜设置在线监测微滤膜完整性的自动测试装置和自动反冲洗系统；可以采用气水 反冲系统，也可根据膜材料采用其他冲洗措施。 

④微滤系统宜采用自动控制系统，在线监测过膜压力，控制反冲洗过程和化学清洗周期，多数处理系统的技术参数为：反冲洗周期 30 ~ 60 min，化学清洗周期：20 ~ 40 d。 

⑤要求微滤或其他等效膜过滤的出水浊度不大于 0.5 NTU。 

4.3  消毒处理 

膜过滤能很好的去除微粒、细菌、某些病毒、藻类和原生动物。原生动物一般大于  0.2  mm， 通过微滤可以去除，这使得该方法优于其他技术。粒径大于 0.2  mm 的病毒（包括多数肠道 病毒）也能得到好的去除。但反冲洗液中含有大量的微生物污染。膜滤出水需要进一步消毒处理， 可以采用氯化或紫外线消毒，或其他等效方法，要求消毒出水的粪大肠菌群数小于 3 MPN/L。 

5  低浓度和高浓度城镇污水的达标工艺流程 

5.1  低氮磷生物处理出水的达标处理工艺 

部分中低浓度污水和进水水质特性较好的中等浓度污水，其二级处理出水的TN、NH  3-N已经 能够达到标准，TP、COD和BOD  5接近标准，只要直接进行过滤处理，出水水质就可 以全面达到标准的要求，过滤方式包括砂滤池、机械过滤器或膜过滤系统等。 

5.2  稳定达标工艺流程的功能扩展 

在二级强化生物处理＋化学混凝（沉淀）＋过滤的基本工艺流程的出水水质难以稳定达到一 级 A 标准的情况下，需要在基本工艺流程的基础上扩展某些功能。例如：在二级强化生物处理部 分，主要包括好氧生物池添加填料增强硝化能力和硝化稳定性，缺氧段投加碳源增加反硝化能力及其稳定性，初沉污泥发酵和剩余污泥破解补充碳源。在二级强化生物处理之后，主要包括去除氨氮的曝气生物滤池，去除 TN 的反硝化滤池，去除 COD 的活性碳吸附，脱除色度的臭氧氧化， 脱除盐分的反渗透，以及膜生物反应器的应用，等等。

需要特别注意的是，采用投加外部碳源的方式强化生物脱氮效果时，对于进水总氮浓度高、[5] 碳氮比低的城镇污水处理厂，其工程投资和运行费用可能出现大幅度的增加，使得单位资金投 入的减排效果并不显著，此时应该特别加强源头控制，一是降低排入污水管网的原水总氮浓度， 二是适当降低存在优质碳源的工业污水（例如生物发酵行业排水）的BOD5排放要求，以增加城镇 污水处理厂进水的碳氮比和优质碳源（可快生物降解有机物）比例。