污水处理厂污水深度处理工艺综述与案例分析

曾木海

(昆明市规划设计研究院，云南昆明 650041)

根据中国城市建设统计年鉴，近20年来，我国城镇污水处理事业蓬勃发展，污水处理厂数量、处理能力和处理率均有显著增加(图1)。截至2019年，全国累计建成城市污水处理厂2 471座，年污水处理量达525.85×108m3，污水处理率已达到96.81%。研究表明，截至2019年，全国城镇污水处理厂中执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准的占53.2%[1]。随着国家生态文明建设工作的持续推进，“绿水青山就是金山银山”的发展理念已逐渐深入人心，水污染防治、水生态治理与保护对城镇污水处理厂尾水水质提出了新的更高需求，各地政府也对其排放提出了新的严格要求(表1)，出水水质优于一级A标准的城镇污水处理厂越来越多。此外，污水再生回用已成为全球公认的第二水源，污水厂尾水作为再生水进行回收利用是缓解水资源供需矛盾的有效途径之一。因此，对城镇污水处理厂污水进行深度处理、提升尾水水质是必要的。

图1 2000年—2019年我国城市污水处理情况Fig.1 China's Urban Wastewate Treatment during 2000 to 2019

表1 污水处理厂部分排放标准主要指标对比表Tab.1 Contrast of Main Indicators in Some Discharge Standards of WWTP

表2 污水处理厂主要水污染物处理方法Tab.2 Treatment of Main Pollutants in WWTP

1 深度处理重难点分析

由表1可知，污水深度处理的主要控制指标是CODCr、BOD5、SS、NH3-N、TN和TP。由表2可知，BOD5、NH3-N、SS和TP的深度处理较易实现，TN和CODCr是污水处理厂深度处理的重点和难点[2]。

2 TN深度处理技术

TN的去除以生物脱氮为主，通过好氧硝化和缺氧反硝化2个环节实现，充分的硝化作用通过将凯氏氮转化成硝态氮能够去除绝大部分NH3-N，而TN的去除则需将前一环节的硝态氮进一步还原成氮气[3]。当污水中TN降至一定程度时，由于碳源的缺乏、碱度的消耗和有毒有害物质的积累，生物脱氮难以继续自发进行。因此，一般需增加专用深度脱氮工艺。

2.1 反硝化深床滤池工艺

反硝化深床滤池是一种集生物脱氮功能和表面过滤功能为一体的处理单元，滤料既可以作为反硝化微生物挂膜的介质，又可以发挥过滤作用。普通滤池表层易堵塞或板结、过滤水头消耗快，而反硝化深床滤池含污能力强、截留效果好，且无窜流或穿透现象。

图2 清溪污水处理厂工艺流程图Fig.2 Process Flow Chart of Qingxi WWTP

合肥市清溪污水处理厂[4]设计规模为20×104m3/d，进水TN设计值为50 mg/L，出水TN执行地表水类Ⅳ类标准(TN≤5 mg/L)。工艺流程如图2所示，清溪厂深度脱氮单元采用反硝化深床滤池，共1座16组，单组平面尺寸为23.9 m×3.6 m，池深为6.6 m。滤料采用1.7～3.35 mm的均质石英砂，滤床厚度为1.83 m，平均滤速为6.42 m/h，峰值滤速为8.35 m/h，水头损失为2.0～2.5 m。投入运行后，清溪厂2017年11月出水TN实测值平均为3.84 mg/L，完全达到设计要求。

2.2 MBR工艺

MBR工艺由生物池和膜池组成，是膜分离技术和生物净水技术的有机结合。MBR工艺中污泥龄不受水力停留时间影响，繁殖世代时间较长的反硝化细菌得以富集，脱氮效果好；生物池中活性污泥浓度达8～12 g/L，容积负荷高、抗冲击负荷能力强；固液分离效果好。

秦皇岛贾河污水处理厂[5]设计规模为7×104m3/d，进水TN设计值为70 mg/L，出水TN执行地表水类Ⅴ类标准(TN≤10 mg/L)。工艺流程如图3所示，提标改造工程中新建2座AAO生物池，污泥龄为17.2 d，污泥浓度为8～10 g/L。生物池有效水深为6.5 m，水力停留时间为12.55 h，其中，厌氧池为1.82 h、缺氧池为4.95 h、好氧池为5.78 h。MBR膜池膜通量为18.27 L/(m2·h)。膜池至好氧池的混合液回流比为500%，好氧池至缺氧池的混合液回流比为400%，缺氧池至厌氧池的混合液回流比为200%。污水厂建成运行后，2016年11月—2017年5月出水TN实测值平均为7.58 mg/L，满足设计要求。

图3 贾河污水处理厂工艺流程图Fig.3 Process Flow Chart of Jiahe WWTP

2.3 生物倍增工艺

生物倍增工艺是一种高效活性污泥处理技术，其最大特点是低溶解氧、高污泥浓度(5～9 g/L)和大流量循环回流(≥20Q)，生化区溶解氧精确控制在0.1～0.3 mg/L[6]。生物倍增工艺反应池一般由气提区、生化区和澄清区3部分组成，工艺流程短、布局紧凑、能耗低。

石家庄上庄污水处理厂设计规模为5×104m3/d，进水TN设计值为50 mg/L，出水TN执行地表水类Ⅳ类标准(TN≤10 mg/L)。工艺流程如图4所示，上庄污水厂提标改造工程深度处理单元采用生物倍增工艺反应池，共1座2组，总处理能力为2 083 m3/h，有效水深为4.5 m，曝气区有效容积为7 614 m3，污泥浓度为6 g/L，污泥负荷为0.055 kg COD/(kg MLSS·d)，溶解氧浓度为0.3 mg/L，氧传递效率为40%。投入运行后，上庄污水厂2019年3月—4月出水TN实测值平均为6.5 mg/L，达到设计要求。

图4 上庄污水处理厂工艺流程图Fig.4 Process Flow Chart of Shangzhuang WWTP

2.4 多级AO类工艺

理论上，多级AO类工艺包括AAO+后置AO生物池、Bardenpho生物池及其改良型、分段进水多级AO生物池及其改良型。传统AO工艺脱氮效果的提高有赖于硝化液回流量的增加，但过大的回流量不仅会导致处理能耗增加，还会破坏反硝化区的缺氧环境。因此，《室外排水设计规范(2016年版)》(GB 50014—2006)建议缺氧/好氧法脱氮生物池硝化液回流比宜为100%～400%。多级AO类工艺在传统AO工艺的基础上增加后置反硝化功能区，污水从前一级好氧池进入后一级缺氧池，实现了硝化液的低回流比和TN的高去除率[7]。此外，采用分段进水时还能够充分利用原水中有机碳源，节省动力费和药剂费。

北京某污水处理厂[8]设计规模为4×104m3/d，进水TN设计值为60 mg/L，出水TN执行北京市地标A标准。工艺流程如图5所示，二级生物处理单元采用改良Bardenpho工艺，生物池按预缺氧区/厌氧区/前缺氧区/前好氧区/后缺氧区/后好氧区的顺序布置，多点进水。生物池平面尺寸约80 m×75.3 m，有效水深为6.0 m，总有效池容为34 560 m3，水力停留时间为20.74 h，混合液回流比为300%，污泥回流比为100%。2015年9月—2016年9月出水TN实测值平均为6.35 mg/L，优于设计要求。

图5 北京某污水处理厂工艺流程图Fig.5 Process Flow Chart of a WWTP in Beijing

3 难降解COD深度处理技术

随着处理深度的推进，污水中易降解有机物均已得到充分降解，残余有机物主要是原污水携带的难降解有机物和微生物自身的内源代谢产物，且二者都难以继续被生物降解[9-10]。对于这部分可生化性差的COD，可通过预处理增大BOD的比例或者采用针对性的深度处理工艺。

3.1 化学氧化工艺

化学氧化工艺通过向污水中投加强氧化剂把水中有机污染物彻底氧化成CO2和H2O，从而达到净化水质的目的。根据氧化剂的类别可分为高锰酸钾氧化法、臭氧氧化法、芬顿氧化法、氯氧化法和电化学氧化法，根据氧化过程是否产生自由基又可分为普通氧化法和高级氧化法。污水深度处理中常用的是臭氧直接氧化技术和高级氧化技术，直接氧化技术由臭氧氧化有机物，高级氧化技术由臭氧在催化作用下产生的·OH氧化有机物。

天津张贵庄污水处理厂[2]设计规模为20×104m3/d，进水CODCr设计值为500 mg/L，出水COD执行天津市地标A标准。工艺流程如图6所示,COD深度降解采用臭氧催化氧化技术，对水中难降解有机物进行彻底氧化，并同步去除水中色度。CODCr去除量按20 mg/L设计，水力停留时间为60 min，最大臭氧投加量为200 kg/h(约24 mg/L)，臭氧制备系统采用5台(4用1备)臭氧发生器，单台制备能力为40 kg/h。试验结果显示，出水CODCr为16.3 mg/L，优于设计要求。

图6 张贵庄污水处理厂工艺流程图Fig.6 Process Flow Chart of Zhangguizhuang WWTP

3.2 活性炭(焦)吸附工艺

污水中的有机污染物含有大量羟基、羧基、氨基等官能团，活性炭(焦)粒径小、比表面积大、内部孔隙结构发达。污水流经活性炭(焦)表面时，污染物在范德华力、库仑力和表面张力等的作用下从液相转移至固相，最后通过活性炭的更换或再生从处理系统中去除。

郑州马头岗污水处理厂[11]设计规模为60×104m3/d，现状出水COD执行国标一级A标准，提标后出水COD执行地表水类Ⅲ类标准(CODCr≤20 mg/L)。工艺流程如图7所示，工程共设计4组升流式活性焦吸附池，单组吸附池内设置48座5 m×5 m×9.5 m的活性焦吸附塔，滤床厚7 m。活性焦粒径为2～5 mm，设计滤速约为6.7 m/h，空床停留时间约为60 min。现场中试结果显示，活性焦吸附池出水CODCr可达5.8 mg/L，优于设计要求。

图7 马头岗污水处理厂工艺流程图Fig.7 Process Flow Chart of Matougang WWTP

3.3 改善可生化性的预处理工艺

污水处理厂污水中难降解COD以溶解态为主，预氧化技术对其进行不彻底氧化，将其转变为易降解有机物，以利于后续的碳化处理，从而达到COD深度降解的目的[12]。

福州江阴工业集中区污水处理厂[13]近期设计规模为4×104m3/d，原污水以工业废水为主，进水CODCr平均为443 mg/L，提标改造后CODCr设计出水水质由150 mg/L提升至100 mg/L。工艺流程如图8所示，深度处理工艺为“臭氧接触池+絮凝沉淀池+曝气生物滤池”，臭氧接触池设计水力停留时间为40 min，进出水B/C分别为0.22和0.56，可生化性提高1.54倍。2013年实测出水CODCr年均值为74.4 mg/L，优于设计要求。

图8 福州某污水处理厂工艺流程图Fig.8 Process Flow Chart of a WWTP in Fuzhou

此外，水解酸化工艺也常用于可生化性较差的污水的处理。江苏无锡某工业园区污水处理厂进水中工业废水占比超过70%，可生化性极差，采用水解酸化工艺预处理后进水B/C稳定在0.3以上，可生化性大大改善[14]。

4 小结

目前，常用的深度脱氮工艺有反硝化深床滤池、MBR工艺、生物倍增工艺和多级AO类工艺，深度降解COD工艺主要有化学氧化工艺、活性炭(焦)吸附工艺和能够改善可生化性的预处理技术，如表3所示。处理工艺的选择不仅影响处理目标的实现，更影响污水厂日后的经营和运维，因此，各工程应结合自身特点，经充分论证分析乃至现场试验后合理选用适合自身的工艺。各工艺既能单独使用也能组合使用，如呼和浩特班定营污水处理厂采用多级AO+MBR工艺把出水TN由国标一级B标准提升至地表水类Ⅴ类标准(TN≤10 mg/L)[15]，天津某污水厂采用“水解酸化池+AAO生物池+MBR膜池+臭氧接触氧化池”工艺将出水CODCr由国标一级A标准提升至天津市地标A标准[16]。

表3 国内部分高标准污水处理工程案例Tab.3 Cases of Some Domestic High-Standard Sewage Treatment Projects

5 结论与展望

从国家及各地排放要求来看，对污水处理厂污水进行深度处理是必要的。由于BOD5、NH3-N、SS和TP较易去除，污水深度处理的重点和难点是TN和CODCr。从目前的工程实践经验来看，我国污水深度处理领域仍面临以下问题。

(1)水环境质量现状较差，末端处理压力大。“先污染后治理”的发展模式导致我国水生态保护和建设工作历史欠账太多，为积极配合现阶段水环境治理工作，污水处理成为水污染防治工作首当其冲的突破口和着力点。片面地过分倚重末端处理环节，导致深度处理工作面临的压力越来越大。水资源的使用、处理与排放具有紧密的内在关联，水环境治理应坚持过程管理和末端处理相结合、外源管控和内源整治相结合的模式，不应让污水处理厂理所当然地成为最终的兜底单元。

(2)相关规范和标准的指导作用缺位。虽然已有部分地区结合本地区污染防治要求和污水处理实践，制定并实施了地方性污水处理厂污染物排放标准，但是大部分地区尚未开展该项工作，大多数污水深度处理工程的出水水质要求参照执行《地表水环境质量标准》。但是《城镇污水处理厂污染物排放标准》和《地表水环境质量标准》差异较大，在参照执行《地表水环境质量标准》时，处理要求过高。例如：《城镇污水处理厂污染物排放标准》基本控制指标只有12项，而《地表水环境质量标准》基本控制指标有24项；《城镇污水处理厂污染物排放标准》最高级别的一级A标准要求出水TN≤15 mg/L，而《地表水环境质量标准》最低级别的Ⅴ类水标准要求TN≤2 mg/L，现有污水处理工艺极难达到。为了更好地开展污水深度处理工作，相关规范和标准的指导不可或缺。

(3)污水深度处理技术有待突破，常规污水处理技术力不从心。根据现有的污水深度处理实践，深度脱氮仍以生物法为主，COD的深度降解以物化法为主，尤以化学氧化法应用较多。这些工艺一则处理程度有限，二则能耗大、药耗多、处理成本高，安全可靠、经济可行的深度处理新工艺亟待研发。以生物倍增工艺为例，虽然工程实践表明该工艺能够把出水TN降至10 mg/L以内，部分案例甚至降至5 mg/L以内，但其理论构建仍有待深入研究。