“化学一级强化＋悬浮填料活性污泥法”处理城市污水适用性分析

熊建英¹，雷震珊¹，许晓天²，曹达文²
（1 上海市政工程设计研究院，上海 200092；2 上海嘉定环境建设管理有限公司，上海 201800）

　　摘要：本文以上海市正在建设的安亭中心镇污水处理厂为例，对化学一级强化处理工艺及悬浮填料活性污泥法作了简单的介绍，并且就这两种工艺结合组成的二级强化处理工艺在工程实践中的应用作了技术可靠性和经济合理性分析。
　　关键词：化学一级强化；悬浮填料活性污泥法；城市污水

1 化学一级强化工艺简介

　　常规的化学絮凝强化一级处理工艺流程如图1所示。化学药剂投加到混合池与原污水快速混合，并发生沉淀反应，凝聚作用，然后进入反应池，在此，主要发生化学絮凝作用，最后入沉淀池进行固液分离。

图1 化学絮凝强化一级处理工艺流程

　　国内外大量文献报道表明：采用单纯的化学絮凝强化一级工艺处理城市污水，COD去除率可达50% ～ 65%，SS、TP去除率可达80%以上。但该工艺对NH₃-N没什么去除作用，有时还会出现出水NH₃–N值比进水高的现象，这是因为城市污水中或多或少都含有一定量可降解的有机氮，经一级强化处理后，部分有机氮会降解为NH₃-N。单纯采用化学絮凝强化一级工艺，污泥含磷浓度相当高，因此，出水磷浓度受SS影响较大，要保证较好的除磷效果，出水SS也应控制在较低水平。
　　近些年来，化学絮凝强化一级处理工艺以其流程简单，处理构筑物少，投资省，效果明显，运行费用低等优势而受到我国污水处理专家的重视，并将它作为尾水排入大水体的首选污水处理工艺。比如在上海、广东等一些沿江沿海城市，污水厂尾水大都排入江海等大水体，这类水体对COD、BOD₅、NH₃-N的排放标准不是特别严格，而为了减少水体富营养化引起的赤潮，对污水中磷的排放有所限制，这种情况下，化学一级强化工艺表现出绝对优势。上海同济大学顾国维教授课题组和高廷耀教授课题组曾先后在上海合流一期预处理厂进行了化学一级强化工艺生产性试验^[1,2]，研究结果表明：上海合流一期污水水质浓度较淡，采用化学一级强化处理工艺，出水各项水质指标除NH₃–N外，其它均可达到上海市污水排放标准中的二级排放标准。这说明化学一级强化处理工艺在上海合流污水处理工艺方案比选中是比较有优势的。目前上海在建的2座大型城市污水处理厂—竹园第一污水处理厂和白龙港污水处理厂采用的处理工艺均是化学一级强化工艺。
　　另外，化学一级强化工艺也可用于老厂改造，以达到除磷目标。我国城市污水处理厂的处理程度一般是根据受纳水体的环境要求来定的。上个世纪八十年代已建的一百多座城市污水厂，绝大多数采用的是传统活性污泥法。随着污水排放标准的提高，对磷排放指标也有一定要求，在现有生物处理设施的基础上增加一套投药系统，即可达到除磷目的，而由此增加的费用相对生物技改来说要少得多。

2 悬浮填料活性污泥法简介

　　悬浮填料活性污泥法是一种在活性污泥系统中投加填料的污水处理工艺，其实质就是在常规活性污泥系统的生物反应池内投加密度接近于1的填料，使之悬浮在混合液中，通过填料上附着微生物来提高生物反应池的污泥浓度，从而达到高效率去除有机污染物和NH₃-N目的。该工艺对磷的去除效果同常规活性污泥法一样，仅靠微生物增殖消耗一部分磷元素，对污水中磷的去除十分有限。从悬浮填料活性污泥法的机理来看，它比较适合常规活性污泥法污水处理厂的改造，以挖掘现有污水厂的处理潜力。
　　另外，悬浮填料活性污泥法也适合处理低浓度废水，例如合流制排水系统中的污染物指标往往较低，BOD₅只有70 mg/L左右，从理论上来讲，这样的进水水质浓度很难培养出大量的活性污泥。而通过在生物反应池中投加悬浮填料，由于填料的附着作用，微生物不易随出水流失，可使生物反应池内的微生物维持在一定浓度范围。进水BOD₅较低情况下还特别有利于硝化细菌的增殖并附着于填料上。从上海同济大学高廷耀教授课题组在上海曲阳污水处理厂进行的“化学一级强化＋悬浮填料活性污泥法”的中试研究结果来看，尽管悬浮填料活性污泥池中仅在填料上附着生长一层薄薄的膜，悬浮在池中的污泥量特别少，但系统对NH₃-N的去除效果相当好，出水NH₃-N基本低于10 mg/L。悬浮在液体中的污泥主要是从填料上脱落下来的老化污泥，在二沉池中不易自然沉降，因此需投加少量化学药剂以提高泥水分离效果。

3 “化学一级强化＋悬浮填料活性污泥法”在工程实践中的应用

　　目前，国内外城市污水处理厂的污水处理工艺还没有采用“化学一级强化＋悬浮填料活性污泥法”的工程实例，仅上海同济大学高廷耀教授课题组有该工艺的中试研究，上海安亭中心镇污水处理厂是首座采用该工艺的城镇污水处理厂。
3.1 工艺选择背景
　　安亭中心镇污水处理厂设计规模5万m³/d，设计进、出水水质如表1。由上海同济环保（集团）有限公司采取BOT方式建设，这也是上海市首座较大规模城市污水处理厂BOT工程。

表1 安亭中心镇污水处理厂设计进、出水水质

　　采取企业运作方式的安亭中心镇污水处理厂的建设突破了以往的市政污水项目由政府统一建设、统一管理的传统模式。为更好地发挥该工程的环境效益、社会效益和经济效益，建设单位充分利用了自身的技术储备和资源优势，通过综合分析污水厂当前的进水水质特点、排放要求及今后可能出现的水质变化情况，果断地将“新技术”应用到工程实践中。
3.2 工艺技术可靠性和经济合理性分析
　　下面就具体分析一下安亭中心镇污水处理厂采用“化学一级强化＋悬浮填料活性污泥法”这一污水处理工艺的技术可靠性和经济合理性。
　　图2为安亭中心镇污水处理厂的污水处理工艺流程图。表2为污水厂主要设计参数，污水厂生物反应池设计水力停留时间（HRT）为5.2 hr，较其它的生物处理构筑物HRT要小得多。
　　由图2可以看出：安亭中心镇污水厂处理工艺运行灵活性比较大，通过超越管的设计，可以形成以下几种运行模式：
　　① 按单纯的化学一级强化工艺流程运行，污水超越悬浮填料活性污泥池和二沉池，初沉池代替沉淀池功能，初沉池出水直接排放。
　　② 按无初沉池的悬浮填料活性污泥系统工艺流程运行，即原污水经泵站提升后，超越混合反应池和初沉池。
　　③ 按有初沉池的悬浮填料活性污泥系统工艺流程运行，即原污水经泵站提升后，超越前段的混合反应池，直接进入初沉池，然后再进悬浮填料活性污泥池。
　　④ 按“化学一级强化＋悬浮填料活性污泥法”工艺流程运行，即污水流经图2所示中的所有构筑物。

图2 安亭中心镇污水处理厂工艺流程图

表2 安亭中心镇污水处理厂主要构筑物设计参数

　　运行模式 ① 适合进水各污染物浓度较低，在春、冬季节对NH₃-N排放要求不是很高的场合。安亭镇以发展汽车工业为主，目前纳入城市污水管道的污水量约2.5万m³/d，污水性质组成中，工业废水占了相当大的比例。经水质分析调查研究，现状污水COD_Cr、BOD₅的浓度并不高，COD_Cr只有150 ～ 200 mg/L，BOD₅仅60 ～ 100 mg/L，NH₃-N指标也远远远小于设计值。随着安亭国际汽车城的开发建设，污水水质会有一个逐步提高的过程。安亭中心镇污水处理厂建成通水初期，实际进水水质远小于设计值情况下，采用模式 ① 运行，成本最经济，处理出水水质也能达到设计要求。
　　运行模式 ② 适合进水各污染物浓度较低或接近设计值，在夏、秋季节对NH₃-N排放要求比较高的场合。一般来说，夏、秋季节对NH₃-N的排放标准要求较严格，这主要是为了控制NH₃-N消耗受纳水体中的氧。当安亭中心镇污水厂进水NH₃-N高于排放标准，而其它污染物指标又相对较低时，采用模式 ② 运行是最经济的，处理出水水质同样能达到设计要求（若磷超标，可在悬浮填料活性污泥池末端投加少量化学药剂）。
　　运行模式 ③ 适合进水SS较高，超过设计值，其它水质指标偏低或接近设计值，对NH₃-N排放要求比较高的场合。污水流经初沉池，主要是去除一部分SS，以降低后续悬浮填料活性污泥系统的产泥量。
　　运行模式 ④ 适合进水各污染物指标大于设计值的场合。随着安亭地区房产的开发建设，城市污水组成中，居民生活污水量所占比例会越来越高，污水水质会逐渐变浓。当进水BOD₅浓度达到200 mg/L甚至更高时，若采用模式 ③ 运行，悬浮填料活性污泥池中5.2 h的停留时间难以满足完全生物降解需要，此时则必须按模式 ④ 运行。通过化学一级强化去除50%左右的有机污染物负荷，剩余污染物则通过悬浮填料活性污泥系统去除。为保证悬浮填料活性污泥池中的C、N、P的平衡，化学一级强化处理阶段，药剂投加摩尔比（化学药剂实际投加量与除磷理论需求量之比）可取低一些，一般取1 ～ 1.5。这样，出水同样能达标排放。
　　由上述分析可见，“化学一级强化＋悬浮填料活性污泥法”具有工程投资省、处理效果稳定、流程操作灵活，适应进水水质变化等特点。安亭中心镇污水处理厂在工艺流程的设计中，针对近期进水水质较淡的特点，采用“化学一级强化＋悬浮填料活性污泥法”这一灵活工艺，可充分发挥该工程的环境效益和经济效益，最大限度地降低污水厂运行和管理成本。
3.3 存在问题
　　由于“化学一级强化＋悬浮填料活性污泥法”在国内外还没有实际运行经验，安亭中心镇污水处理厂建成通水后，不同季节、不同进水水质条件下的运行工况有一个逐步摸索，积累经验的过程，为以后类似工程的优化设计提供宝贵的资料。

4 主要结论

　　化学一级强化处理工艺对SS、P去除效果较好，可作为尾水排入大水体的首选处理工艺。
　　悬浮填料活性污泥法因填料的附着作用，可提高生物反应池内的污泥浓度，适合处理污染物浓度较高或较低污水，也可作为现有常规活性污泥法污水处理厂挖潜改造的首选工艺。
　　安亭中心镇污水处理厂BOT工程采用“化学一级强化＋悬浮填料活性污泥法”这一处理工艺，具有工程投资省、适应水质变化，操作灵活等优点，近期水质较淡的情况下，有一部分处理构筑物闲置，需加强对闲置构筑物设备的维护。另外，该工艺的实际运行管理经验还有待一个逐步积累的过程。

参考文献

[1] 上海市污水治理二期工程高效、低能耗污水除磷技术研究, 上海市城市排水有限公司、同济大学. 1998年.

[2] 上海竹园第一污水处理厂污水处理工艺优化研究报告. 上海水环境建设有限公司、同济大学等, 2002年6月.