城市污水处理工程设计中值得探讨的几个问题
水是我们人类所共有的、有限的资源。大气中的水分变成雨水降到地表，其中一部分蒸发或者渗入地下，而大部分泄入江河，流到大海，再通过江、海、河、湖返回大气中，形成完整的大自然水循环体系。在这一循环过程中，人类所利用的水被污染，而被污染的水只有经过处理得到净化，才能重新回到大自然的水循环体系中。因此，污水处理的作用是极为重要的，是保护人类水环境，提供舒适的生活空间及作为资源有效利用所必须的和必不可少的重要环节。
城市污水处理工程设计是一个综合性极强的系统工程，涉及的学科多，相关部门多，其中任何一个环节不合理都会给工程设计带来影响和造成不同程度的损失。
(一)城市污水处理工程设计基本条件处
（1）处理规模：
处理规模的确定主要与下列因素有关：
★城市人口：
包括常住人口和流动人口。通常是根据城市总体规划近、远期及远景人口预测来确定的。当城市总体规划编制年限较早，尚未修编或修编中，需对现状人口核实并进行合理的分析和预测。同时，确定人口时，要特别注意旅游城市在旅游旺季出现人口峰值的特点及对城市污水量变化系数的影响。
★城市性质及经济水平
城市所在地域、自然条件、经济发达程度、人民生活习惯及住房条件不同，城市居民用水量标准不同，因而城市污水量亦不同。
★城市排水体制
城市排水体制分为分流制和合流制。一般新建城市、扩建新区、新建开发区及经济条件较好的城市宜采用分流制；一些大中型城市中已建成的旧城区由于历史原因，一般为合流制，可改造成截流式合流制。根据城市具体情况，同一城市的不同地区可采用不同的排水体制。
城市排水体制的选择直接影响污水量规模，当采用分流制时，设计污水量全部为城市污水（包括生活污水和工业废水等），当采用截流式合流制和分流制组合系统时，必须考虑截流式合流系统中排入的雨水量，该雨水量与设计截流倍数有关，应进行科学分析后合理确定。
★工业废水量
由于城市结构各异,工业类型和工业比重不同，因而，工业废水量及水质量不相同。
根据“城市污水处理工程项目建设标准”，工业废水经工厂内自行处理，达到“污水排入城市下水道水质标准”（cj3082-1999）后，优先考虑纳入城市污水收集系统，与城市生活污水合并处理。因此，工业废水量是城市污水处理厂确定处理规模的重要组成部分，必须对其废水量进行充分调查研究，合理确定工业废水量。
★污水管网完善程度
污水管网完善程度对城市污水处理厂设计规模确定十分重要。管网的作用主要是承担城市污水的收集和输送。目前我国各城市管网建设程度不同，输送能力则不相同，如果将其定义为“污水收集率”，则各城市现状污水收集率和规划污水收集率均不相同。当设计流域范围内处理污水量确定后，必须乘以污水收集率才能得到排入污水处理厂的实际污水量，换句话说，当需要保证该处理厂具有一定处理能力时，必须有相应规模的配套污水管网同步建成。
★规划年限
规划年限是合理确定污水处理厂近、远期及远景处理规模的重要因素。应与城市总体规划期限相一致。根据“城市排水工程规划规范”（1997年版）对规划年限条文的说明，设 城市一般为20年，建制镇一般为15～20年。规划年限分期，原则上应与城市总体规划和排水专项规划相一致。一般近期按3～5年，远期按8～10年考虑。
综上所述，将各相关因素进行全面的有机的综合分析后，便可合理的确定处理规模。
（2）污水处理厂进水水质
污水处理厂进水水质主要与下列因素有关：
★城市性质及经济水平
如处理规模部分中所述，由于城市所在地域及经济发展程度不同，污水的水质亦不相同。例如沿海发达城市和南方城市用水量较大，污水浓度较低；北方城市特别是西部地区用水量较少，相对浓度较高；工业比重大的城市，由于工业废水排入下水道的浓度较高，致使城市污水浓度较高等。
★工业废水水质
原则上工业废水必须经过厂内处理后达到“污水排入城市下水道水质标准”后才可纳入城市管网，最终进入污水处理厂。但由于目前我国对点源污染的管理体制和手段尚未健全，工业废水不经处理后直接排入城市下水道的现象屡有发生；因此在确定污水处理厂设计进水水质时，必须充分考虑该因素的影响而留有余地。
★其它污染源
除生活污水和工业废水污染源外，常常还有农牧业污染和城市垃圾卫生填埋场内渗滤液的纳入等因素。因此在确定污水处理厂进水水质时，应对上述水量及水质进行综合平衡计算。
★排水体制
当排水体制采用全部或部分截流式合流制时，应注意由于截流倍数、截流水量而造成的污水浓度的变化给进水水质确定带来的影响。
（3）处理厂出水水质
处理厂出水水质应根据排入受纳水体的环境功能要求，水体上下游用途及水体稀释和自净能力等，使出水口水质符合国家或地方有关标准。当排入封闭或半封闭水体（包括湖泊、水库、江河入海口）时，为防止富营养化发生，应注意控制出水中TN和TP的浓度。
我国北方地区一些河流常年没有补给水源，基本属排污河，排入该河流的污水处理厂处理水应执行的标准需与环保部门研究商定。
由于目前水资源严重不足，各城市都在积极推广污水回用，如果二级处理后出水作为回用水输送至用户时，应根据用户对水质要求及国家或地方的相关标准等制定污水处理厂出水水质。
（4）污水、污泥资源化
选择技术工艺方案时应同时考虑污水和污泥综合利用。污水作为水资源已逐步被排水领域业内人士所接受，污水回用势在必行。新建城市污水处理厂时，应将污水净化和污水回用一并考虑，根据回用水用户对水量和水质的需求，按照国家和地方回用水水质标准，进行包括回用水处理工艺在内的全流程工艺设计。
同时，随着污水处理设施的完善污泥产量呈增加的趋势，特别是大型污水处理厂，污泥的处置已成沉重的包袱，因此污泥利用也逐渐受到重视。在达到稳定化无害化标准的前提下，优先考虑制肥，利用于农田或绿化，或可作建筑材料及能源利用。为此污泥利用也要进行用户需求和市场调查。
（二）不同规模的城市污水处理厂处理工艺选择
（1）选择主要原则
根据污水水量、水质和处理水排放出路（受纳水体或污水回用），结合当地自然条件、经济状况、技术水平及管理人员素质，进行多方案技术经济比选后再行确定，至少考虑三个比选方案为宜。选择主要原则如下：
★首先应采用能够保证处理要求和处理效果的技术合理、成熟可靠的处理工艺。同时可结合处理厂所在城市的具体情况和工程性质，积极稳妥的采用污水处理新技术和新工艺，对在国内首次选用的新工艺、新技术、必须经过中试或生产性实验，提供可靠的设计参数后方可采用。
★工程造价低，省能耗，省运行费及占地少。
★运行管理简单，控制环节少，易于操作。
★因地制宜，结合处理厂所在地区特点，污水处理可分期、分级实施。
（2）不同规模污水处理厂工艺选择
★建设规模
根据城市污水处理工程项目建设标准（修订）建设规模类别如下：
I类 50~100万m3/d
Ⅱ类 20~50万m3/d
Ⅲ类 10~20万m3/d
Ⅳ类 5~10万m3/d
Ⅴ类 1~5万m3/d
2002年2月机械科学研究院调查资料列举我国已建、扩建、新建污水处理厂248座，其中Ⅰ类6座，Ⅱ类31座，Ⅲ类90座，Ⅳ类66座，Ⅴ类50座，＜1万m3/d5座。可以看出，Ⅱ类至Ⅴ类数量较多，其中Ⅲ类Ⅳ类最多，即5万m3/d~20万m3/d规模的污水处理厂比重最大。
★处理工艺选择
根据上述规模分析，笔者将建设规模的划分定位于≥20万m3/d，10～20万m3/d和5～10万m3/d三个类别。
另外，由于处理工艺选择相关影响因素较多，如处理水质目标值，处理厂所在地经济水平，土地资源，自然条件及管理水平等。为方便选择，本文拟将除磷脱氮功能要求和占地面积紧张程度作为主要比选条件。现将目前国内常用的工艺技术比选列表如下：
不同处理规模工艺技术方案选择表
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注：图中“○”为优，“△”为良，“×”为可。
*传统氧化沟法包括单沟、双沟、三沟、DE型和卡罗塞尔型氧化沟。
从表中可以看出，国内污水处理工艺大多采用活性污泥法。活性污泥法主要分为以下几大类：
(1)传统活性污泥法及其改进型（A/O，A2/O等）
(2)氧化沟法（卡罗塞尔型，三沟式，双沟式，DE型，奥贝尔型等）及其改进型（各类型氧化沟前设置厌氧池或选择池等）
(3)SBR法及其改进型（CASS，C-TECH，DAT-IAT，MSBR等）
(4)AB法及其改进型（AB(A/O),AB(A2/O),AB(氧化沟),AB( SBR),AB(BAF)）
(5)其它类型，如UNITANK，水解酸化-好氧法等。
上述改进型，均为除磷脱氮要求而逐渐发展起来的新技术。
各种处理工艺技术都有着各自的适用条件和特点，大规模污水处理厂宜选用传统活性污泥法及其改进型。其原因：
★去除有机物或N、P效率高；
★工艺流程中设有初沉池；
★厌氧、缺氧、好氧功能分区明确；
★污泥采用中温厌氧消化；
★处理规模超过一定量后，基建费可降低。
因此，传统活性污泥法及改进型出水水质稳定，处理全流程能耗小，运行费用较低，并且规模越大，优势越明显。
而中小规模污水处理厂，特别当规模≤10万m3/d时，宜选用氧化沟法及其改进型和SBR法及其改进型。其原因：
★去除有机物及N、P效率高；
★抗冲击负荷能力强；
★不设初沉池或不设初沉池及二沉池，设施简单，省基建费，方便管理；
★基建费低，且规模越小，优势越明显；
★处理设备基本可实现国产化，设备费大幅降低。
由于中小城市水量、水质负荷变化大，经济水平有限，技术力量相对薄弱，管理水平相对较低等特点，采用SBR和氧化沟及其改进型是适宜的。
在10～20万m3/d类别范围内除上表列出的常用处理工艺外,笔者推荐两种目前还未广泛应用的处理工艺。其一为氧化沟型的微孔曝气生物法，该工艺将氧化沟表曝型改为底曝型，即氧化沟内设置水下搅拌机和非满布的微孔曝气器，既保留了氧化沟沿水流方向间断曝气和循环流的特点，又克服了氧化沟因采用表面曝气机而占地面积大、充氧效率低、水流断面流速不均、池底易沉淀等不足，在有条件的地区可推广使用。其二为水下曝气器型生物法（OKI），即将池底部的微孔曝气器改为水下曝气器，因该曝气器兼有曝气切割气泡和混合搅拌的多种功能，既避免了微孔曝气堵塞后充氧效率下降的缺点，又可适应实际运行中水质的变化而改变各池运行工况，形成厌、缺、好多种排列组合方式运行，操作灵活，适应性强。该工艺曝气气泡属于小气泡，与微气泡相比，氧的利用率低，但其设置水深可达十二米，提高了氧的分压，从而提高了氧的利用率。设计选用时，上述两种工艺可根据不同地区情况，经技术经济比选后确定。该工艺已在厦门海仓投资区嵩屿污水处理厂使用并投产运行。
(三)污水处理工程设计中值得探讨的几个问题
目前，我国排水领域在污水处理工程设计方面已渐趋规范化，各设计阶段的深度及工程设计内容基本满足国家有关规定，设计参数的选择也基本符合国家和各部门的相关标准和规范，但仍然有一些问题需予以重视并值得探讨。
（1）污水管网设计
城市污水管网担负着城市污水的收集和输送，是连接污水产生源和污水处理厂的重要的、不可缺少的环节，拟研讨的主要因素有以下几个方面：
★污水管网规划年限
一般污水主干管或次干管都沿城市主干道或支干道敷设，而且由于大多为重力流，较其它市政管线埋设深度深，因此改建和扩建较为困难。一般应按远期污水量设计，在一些大城市和经济发达城市可按远景污水量设计。此外，根据管线重要性不同，设计年限亦有差异，一般城市主干管设计年限长，一次建成后相当长时间不再扩建，次干管、支管和接户管等设计年限可依次降低。
根据“城市排水工程规划规范”GB50318-2000，城市排水工程规划的期限应与城市总体规划期限相一致，设市城市一般为20年，建制镇一般为15～20年。笔者认为污水管网在城市主要道路下铺设时，至少按20年考虑，大城市和经济发达城市宜采用年限更长，而不可与污水处理厂远期建设年限（一般为10年）相同，具体规划年限应与当地规划部门及相关部门研究后确定。
另外，由于污水处理厂设计年限一般采用近期5年，远期10年，而污水管网≥20年，因此在设计城市污水管网时，必须用污水处理厂近、远期设计污水量对管网设计进行校核，特别需注意管内流速及考虑防止淤积所采取的有效措施。
★排水体制
一般说，凡在新建市、区或扩建新区建设污水处理工程时，宜采用分流制；在已建成合流制排水系统的旧城区、小城镇等，宜将原合流制直泄式排水系统改造成截流式合流系统；在雨量稀少地区，如我国西北的部分地区或者边远小城镇，由于污水处理规模小，街道狭窄，两侧建筑密集，施工复杂，无条件修建分流制排水系统，也可考虑采用合流制排水系统。
目前我国较多城镇既有历史上已形成合流制的老城区，其建筑密集，街道狭小，难以改造成分流制；又有已建成或正在扩建的分流制的新城区。在这种情况下，可在同一污水处理工程服务范围（或流域范围）内，采用不同的排水体制，即新建区和扩建区采用分流制，而旧城区采用截流式合流制。
采用截流式合流制时，需注意截流倍数no的选择，一般说no的确定需根据所在城市水文、气象条件，水体环境功能要求及旱季污水量、水质和总变化系数等因素经计算确定。笔者认为在我国no可采用1～3，当旱季污水水质较浓或溢流口在城市上游时，no值宜采用较大值，相反则采用较小值。
值得注意的是，当截流倍数较大时，旱季和雨季污水量相差较大，污水处理厂的进水水量及水质都随之发生相应波动，造成冲击负荷，因此在污水处理厂工艺流程设计和设计参数选择时应对该水量、水质变化进行必要的分析和校核，保证处理厂出水稳定达标。
（2）垃圾渗滤液对污水处理厂的影响
目前，我国处理城市垃圾的主要手段为卫生填埋法。国外设计垃圾卫生填埋场时，进厂垃圾预先经过分类处理，将可焚烧、宜堆肥及回收的垃圾分别收集，使进入卫生填埋场的垃圾绝大部分为无机物，因而产生的渗滤液中有机物浓度较低。而在我国由于垃圾分类迟迟未能推广，绝大多数城市采用混合垃圾卫生填埋，因而进厂垃圾有机成分较高，尤其是氨氮可高达数百甚至上千，给渗滤液处理带来极大困难，目前业内人士千方百计实验和研究，寻求一种在技术上和经济上合理可行的处理工艺，但其结果均不乐观。因此，国内一些城市，特别是中小城镇，当垃圾处理规模不大，且距城市污水处理厂较近时，往往将垃圾渗滤液经预处理或不经处理直接排入城市污水处理厂。这种情况下，设计城市污水处理厂时，需十分注意由于垃圾渗滤液高浓度废水的进入而给处理厂进水带来的水质变化。处理厂规模越小，其影响越大，渗滤液处理量与污水处理厂处理规模的比值越大，对设计参数选择、设备选型及工程费、运行费等影响越大。
(4)生物除磷脱氮
随着水体对富营养化的主要影响因素氮、磷指标的严格控制，生物除磷脱氮工艺已广泛应用于污水处理设计中。鉴于生物除磷和脱氮存在一定矛盾，比如脱氮过程中所需的硝化菌世代期长，污泥龄长；而除磷则通过剩余污泥的排除而实现磷的去除，污泥龄短。因此，设计时，如选用短泥龄，则硝化过程不完全，脱氮效果低下；反之，若选用长泥龄，也会导致糖质积累，使非聚磷微生物增长而降低了除磷效果。当前设计中在选择泥龄时多采用兼顾的方法，但除磷脱氮均不能达到最佳效果。当然，随着生物除磷脱氮技术的发展，除原有传统A2/O，A/O工艺外，又陆续开发了UCT倒置A2/O，OCO等实用工程新技术，使除磷脱氮效果有很大提高，最近又有新的研究成果－反硝化除磷，使反硝化脱氮与生物除磷有机的结合，是很好的可持续处理技术。但以工程设计而言，尚有以下几点看法仅供讨论：
★ 防止富营养化的主要因素是氮和磷，但是在这二者之间。磷的去除更为重要，这是因为自然界藻类中兰藻的部分种类有着固氮能力，不仅能将水中的NH4__ N，NO3_N固定其中，而且可吸收空气中氮气，作为自身营养源；也就是说，即使处理水中降低了NO3 _N浓度，兰藻仍可从大气中获得氮源；而磷则不同，一旦将其去除是不可逆反的。为此，为破坏藻类繁殖时所需营养盐的平衡，在除磷脱氮二者之间选择除磷作为重点是合理的。
★水中存在的总磷（TP），除正磷酸盐（PO4-P）以外，还有粒状磷和溶解性有机磷，其中粒状磷主要存在于微生物和SS中。当A/O除磷系统处理后出水SS较高时，由于粒状磷随水排出，往往不能达到预期的除磷效果。根据日本高度处理设施手册（草案），若要达到出水TP＜1mg/l，二沉池出水SS浓度则需＜10mg/l。因此，在A/O生物除磷工艺设计时，应根据最终出水SS浓度的要求，选用相适应的合理的设计参数，以保证除磷的效果。
★目前采用生物除磷工艺的多数设计中，均能充分考虑相关因素对除磷的影响，如进水BOD5/TP值，绝氧状态（既无O2也无NOX-N）污泥龄等，但有的设计往往忽略污泥处理系统磷的再释放现象，比如，仍采用重力浓缩池，上清液重又回入污水系统中，造成再释放的磷返回原系统而未得到去除。一般说，大型污水处理厂设有初沉池时，初沉池污泥可采用重力浓缩，剩余污泥则采用机械浓缩，中小规模污水处理厂，可一并采用机械浓缩；当大型污水处理厂污泥处理采用厌氧消化时，可将消化池上清液集中单独处理，该处理方法一般多采用化学法（如铁盐，铝盐，石灰法）。
（4）幅流式二沉池表面水力负荷
活性污泥系统二沉池是以分离生物处理过程中产生的污泥，使处理水得到澄清为主要目的。设计二沉池的影响因素很多，而其中表面水力负荷和出水堰负荷为主要设计参数。
我国1997年版“室外排水设计规范”中规定活性污泥法后二沉池采用表面水力负荷为1.0～1.5m3/m2.h，美国标准规定高峰流量时为2.0m3/m2.h，日本1994年版“下水道设计指针与解说”中为0.8～1.2 m3/m2.h。（20～30m3/m2.d）。
从理论上讲，按沉淀类型分，二沉池沿水深自上而下原则上分为四个区：自由沉淀区、絮凝沉淀区、成层沉淀区、压缩区，其中自由沉淀过程较短，很快便过渡到絮凝沉淀阶段，沉淀池内大部分时间属于成层沉淀和压缩沉淀阶段。因此，必须有足够的停留时间，或者说必须保证应去除颗粒群的最小流速，才能产生良好的沉淀效果。而表面水力负荷与颗粒沉降速度在数值上是相同的，因此选用二沉池（中间进水周边出水）表面水力负荷值时，不宜过高。
从处理流程看，二沉池是污水处理系统最后一道工序，是泥水分离效果好坏的关键把关工序，表面水力负荷采用较低值更为安全，即使处理系统运行工况发生变化，仍可得到稳定可靠的出水效果。
从除磷要求来讲，如前所述，由于出水中SS所携带粒状磷的影响，宜采用较低负荷值。
综上所述，笔者建议：以平均设计污水量计算，在活性污泥法系统中当设有初沉池时，二沉池表面水力负荷宜选用0.8～1.0m3/m2.h，不设初沉池的活性污泥法系统中二沉池表面水力负荷宜选用0.5～0.7m3/m2.h，我国"氧化沟设计规程"中提出的氧化沟法沉淀池表面水力负荷宜采用0.5～0.75m3/m2.h的数值是适宜的。
(6)除臭：
随着我国对环境质量要求的提高和污水处理技术的发展，在设计污水处理厂的同时，考虑除臭设施已提到议事日程。目前我国制定的“城镇污水处理厂污染物排放标准”（报批稿）中已纳入有关大气污染排放标准，主要控制项目为氨、硫化氢、臭气浓度和甲烷气，监测采样点设在城镇污水处理厂下风向有臭气方位的厂界或防护林边缘敏感点处。
城市污水处理厂臭气产生的特点如下：
★臭气种类多，属复合性臭气；
★臭气浓度低；
★臭气源范围广，整个污水处理厂均为臭气发生源；
★臭气呈变化态 ★臭气发生时间是连续的（24h不停止）
虽然污水处理厂臭气面广，臭气浓度较低，但在处理厂内不同处理区臭气浓度和臭气量不同。一般说城市污水处理厂臭气较严重的地区为预处理区、一级处理区和污泥处理区，该区域臭气产生量相对不多，但臭气浓度较高，应作为主要除臭对象区域。
根据日本有关资料中的测定数据，污泥处理区硫化氢浓度和氨浓度分别是预处理区和一级处理区的50倍和5倍，因此可以看出污泥处理区更是重中之重，设计时应优先予以考虑。另外，根据上海市政工程设计研究院为杭州四堡污水处理厂设计的生物脱臭系统的计算，若以污水处理厂总臭气量100%计，预处理区、一级处理区和污泥处理区的臭气量比例分别为12.5 %，12.5%和12.5%，而生物处理区为62.5%;但是，臭气浓度则相反，预处理区、一级处理区、生物处理区和污泥处理区的臭气强度分别为5000、9000、2000和6000。因此，建议在大城市、经济发达城市和重要旅游城市或因特殊原因厂址选择不能满足国家规定的卫生防护距离要求时，宜设置除臭设施。同时鉴于我国经济状况，宜将除臭设施建在预处理区，一级处理区和污泥处理区。
除臭方法常用有活性炭吸附法、化学药剂吸收法、土壤法及生物法。由于活性炭吸附法去除高浓度臭气效率低且价格高；化学药剂吸收法臭气去除效率低且操作管理复杂；土壤法则适合低浓度臭气去除及占地面积大等不足，目前国内外广泛采用生物除臭法，即利用微生物除臭。该法具有适合于各种臭气浓度的脱除，且具有效率高，不产生二次污染及运行费用低等优点。因此，在我国建议采用生物除臭更为经济合理。
(7)受纳水体的洪水位及高潮位
这是因为其标准选择与下列工程设计直接有关：
★处理厂地面高程；
★处理工艺水力流程和确定进水泵扬程；
★处理厂事故排放管的设计高程
★处理厂超越管的设计高程；
★处理厂防洪设施设置的标准；
一般说，污水处理厂洪水位的确定应与城市防洪标准一致，建议大城市采用50年一遇，100 年校核；小城镇采用20年一遇，50年校核的设计标准。
（8）关于污水回用标准中电导率指标
日本滋贺县立大学奥野长晴教授在污水回用研究课题中，对日本东京都新宿区和福冈市的中水回用设施进行了调查，发现回用水金属管道严重腐蚀，特别是不同金属材料接口处更为严重，造成管道和阀门堵塞，而影响用户使用。堵塞的主要物质为铁、铁锈和生物泥。其腐蚀原因如下：
★余氯和O2浓度高；
★氯离子和硫酸根浓度高；
★不同材质金属结合处易发生电腐蚀；
因此，除采用塑料管道代替金属管道和控制余氯浓度等措施外，对电导率提出了限制标准。一般普通未污染河流电导率约为200μS/cm，东京都新宿区电导率约为400μS/cm，未发现腐蚀现象。而福冈市电导率为1500μS/cm，腐蚀极为严重。研究结果认为，电导率指标宜小于500μS/cm，才能避免腐蚀现象发生。
建议我国在制定污水回用标准时认真考虑电导率的控制指标。
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