中小城镇污水处理厂生物除磷脱氮工艺的选择
一 概述
改革开放以来，在我国的大中型城市中，建设了一批污水处理设施，对于保护大中型城市的环境，治理水污染起到了很大作用。随着我国城乡经济的发展，人民生活水平的显著提高，我国农村城市化的速度将大大加快，大量的小城镇将迅速兴起，预计到本世纪末，全国设市城市将达1200个左右，建制镇25000～3O000个左右，全国城镇人口达6.8亿左右，城市化水平约为45%，其中小城镇人口所占比例达65%左右。从发展眼光看，今后我国的大部分人口将生活在中小城镇。
目前全国共有1700O个建制镇，绝大多数没有排水和污水处理设施，而且，由于二十几年来，乡镇企业的蓬勃发展，造成一些中小城镇尤其是经济比较发达的中小城镇，污染严重，已经影响到人民的生活和健康。
从另一方面讲，中小城镇和大中城市在水系上是相通的，而且往往处于大中城市的上游，中小城镇的污水治理工作做不好，大中城市水环境的质量也不会有明显改善，因此，中小城市的环境保护问题越来越引起人们的重视。针对目前的情况，国家提出至2010年我国污水处理率要达到4O%，因此，未来一段时间内我国将会集中在中小城镇建设一大批污水处理厂，这些污水处理厂的规模，小的只有每日几十吨，大的每日几万吨，因此在规模上和大型污水处理厂相差较大，而且，由于这些中小城镇和大中城市经济发展水平、排水体制，基础资料，融资渠道有很大不同，因此以往建设大型污水处理厂的经验只有借鉴的意义，不可能也不应该把大中城市的污水治理工艺、技术装备等搬用到城镇级的污水处理厂中去，否则目前在大中城市中出现的“建的起，用不起”的局面将会在中、小城镇更加强烈的表现出来，甚至会演变成“既建不起，更用不起”的局面，因此探索适合中小城镇的经济实用的污水处理工艺，以较少的投资建成污水处理厂，以较低的运行费用运转污水处理厂，达到消除污染、保护环境的目的是摆在给排水工作者面前的一个挑战。
考虑到1998年1月1日之后，已经开始实行《污水排放综合标准》(GB8978-1996)，因此中小城镇的污水处理厂在选择处理工艺时都要考虑除磷脱氮，本文谨就适合于中小城镇城市污水处理厂的生物除磷脱氮工艺谈一些粗浅的看法，供大家参考，不妥之处请指正。
二 可供选择的工艺
各种除磷脱氮工艺一般都是除碳、除氮、除磷三种流程的有机组合，得利满公司提出了“SARAOE”概念，来描述用于除磷脱氮的不同区域。
1.选择区(Selectorzone)
设置选择区的目的主要是为了避免污泥膨胀。
2.厌氧区(Anaerobiczone)
设置厌氧区是为了提供一个使聚磷菌释放磷的环境，为后续的好氧吸磷创造条件。
3.再活化区(Reactivationzone)
设置再活化区用于再活化回流污泥。
4.缺氧区(Anoxiczone)
设置缺氧区，提供一个缺氧环境，使硝酸盐氮被还原为氮气。
5.好氧区(Oxidationzone)
该区为主反应区，在该反应区内完成碳的氧化和氨氮的硝化。
6.内源呼吸区(Endogenouszono)
在该区内进一步完成硝酸盐氮的反硝化。
在实际的工程设计中，根据受纳水体的要求和其它一些实际情况，生物除磷脱氮工艺可以分成以下几个层次：
1、去除有机物、氨氮和硝酸盐氮，因对总氮无要求，可以采用生物硝化工艺，生物硝化工艺与传统活性污泥法工艺流程完全相同，不过采用延时曝气。
2、去除有机物和总氮(包括有机氮、氨氮及硝酸盐氮)，因要去除总氮，因此应该采用生物反硝化工艺，需要在反应池前增设一个缺氧段，将好氧段中含有硝酸盐的混合夜回流到缺氧段，在缺氧的条件下，将硝酸盐反硝化成氮气。
3、去除有机物、氨氮和有机氮，磷。这时，应该采用除磷的硝化工艺，在反应地前增设一个厌氧段，在厌氧段内完成磷的释放，在好氧段内实现磷的超量吸收、有机物的氧化、有机氮及氨氮的硝化。
4、去除有机物、总氮和磷。对于这种情况，应该采用完全的生物除磷脱氮工艺。在反应池前既要增设一个厌氧段又要增设一个缺氧段，以同时实现生物除磷脱氮。
三 适合于中小型污水处理厂的除磷脱氧工艺
A/O工艺、A2/O工艺、各种氧化沟工艺、SBR工艺这些从活性污泥法派生出来的工艺都可以实现除碳、除氮、除磷三种流程的组合，都是比较实用的除磷脱氮工艺。
由于磷的去除是通过排放剩余污泥实现的。SRT小，剩余污泥排放量也就多，在污泥含磷量一定的情况下，除磷量也就越多。生物硝化工艺需要较低的负荷，较长的泥龄，因此，除磷脱氮对某些工艺参数的要求是互相矛盾的，为实现同时除磷脱氮，研究者开发了不少新工艺，如Bardenphor工艺(四区工艺)、Phoredox工艺(改良BardenPhor工艺)，UCT工艺，MUCT工艺等，这些工艺克服了除磷脱氮的一些冲突，可以同时取得较好的除磷脱氮效果，但这些工艺的缺点也是显而易见的，处理单元多，流程长，操作管理复杂，运转费用高，在应用于中小规模污水处理厂时应该慎重。
进水水质浓度和对出水水质的要求是选择除磷脱氮工艺的一个重要因素。对于大部分城市污水，为了达到排放标准，应该选用具有除磷和硝化功能的二级处理，对于二级排放标准，可以采用生物除磷方式；对于一级排放标准，可以采用生物除磷与化学除磷相结合的方式。对于某些低浓度或超低浓度污水，单独生物除磷效果不好，须采用生物除磷和化学除磷相结合的方式。
在上述各种除磷脱氮工艺中，对中小污水厂来讲，比较有发展前途的工艺是SBR工艺、氧化沟工艺。因为这两种工艺一般都不设初沉地，SBR工艺和合建式氧化沟工艺也不需要二沉地、污泥回流设施，因此，水、泥处理流程大为简化，可以达到占地少、能耗低、投资省。运行管理方便的目的，符合当前污水处理工艺合建、简化发展的总趋势。采用延时曝气的SBR工艺和氧化沟工艺产生的剩余污泥已经基本达到好氧稳定，剩余污泥经过浓缩脱水后就可以直接应用于农田、填埋或者焚烧，不需要搞污泥消化，因此建设、运转的费用大为减少，这一点对中小城镇污水厂来说，是非常有吸引力的。
四 氧化沟工艺的特点、各种形式和适用情况
氧化沟实际上是活性污泥法的一种变形，它的水力流态和普通活性污泥法相差较大，是一种首尾相接的循环流，通常采用延时曝气。氧化沟是荷兰人二战后为处理小城镇污水而开发的，由于氧化沟处理污水经济、简单和管理方便，所以它问世以来，发展很快。
严格地说，氧化沟不属于专门的生物除磷脱氮工艺。但是随着氧化沟技术的发展，它早已超出原先的实践范围，出现了一系列除磷脱氮技术与氧化沟技术相结合的污水处理工艺流程。
按照运行方式，氧化沟可以分为连续工作式、交替工作式和半交替工作式。连续工作式氧化沟如帕斯韦尔氧化沟、卡鲁塞尔氧化沟。奥贝尔氧化沟在我国应用比较多，这些氧化沟通过设置适当的缺氧段、厌氧段、好氧段都能取得较好的除磷脱氮效果。连续工作式氧化沟又可分为合建式和分建式。
交替工作式氧化沟一般采用合建式，多采用转刷曝气，不设二沉池和污泥回流设施。交替工作式氧化沟又可分为单沟式、双沟式和三沟式，交替式氧化沟兼有连续式氧化沟和SBR工艺的一些特点，可以根据水量水质的变化调节转刷的开停，既可以节约能源，又可以实现最佳的除磷脱氮效果。广东雁田污水厂(近期规模1.5万吨/d)采用的是双沟式氧化沟工艺。邯郸东污水厂(一期工程规模6.6万吨)采用的是三沟式氧化沟工艺。
一般交替式氧化沟工艺的设备闲置率比较高，容积利用率比较低，如邯郸东污水厂的设计污泥星系数为O.55，实际为O.48，D型氧化沟曝气转刷的实际利用率只有37.5%。
五 SBR工艺的特点、各种形式和适用情况
SBR工艺的基本特征是在一个反应池中完成污水的生化反应、沉淀、排水、排泥，处理设施比一般氧化沟还要简单。SBR工艺的概念和操作灵活性使其易于引入厌氧/好氧除磷过程或缺氧/好氧除氮过程，通过调整运行周期以及控制各工序时间的长短，可实现对氮磷的高效去除。
SBR工艺有很多种类型，除了常规SBR工艺之外，还有DAT-IAT工艺，Unitank工艺、CAST及CASS工艺、ICEAS工艺等。ICEAS工艺和DAT-IAT工艺均采用连续进水方式，使进水的控制系统变得简单，但是因为主反应区前面缺乏一个厌氧段，因此，除磷的效果不够理想，DAT-IAT工艺的回流比比较大，运行费用偏高。上海石洞口污水处理厂采用的是Unitank工艺；昆明第三污水处理厂采用的是ICEAS工艺；天津经济技术开发区污水处理厂(设计规模10万吨/日)采用的是DAT-IAT工艺。
和合建式氧化沟一样，因为在一个较长停留时间的曝气系统内，只有50%左右的池容用于曝气，SBR工艺的容积利用率也不高。
六 SBR工艺和氧化沟工艺的比较
如前所述，SBR工艺和氧化沟工艺都比较适合于中小型污水厂，如果设计管理的好，都可以取得比较好的除磷脱氮效果。但是这两种工艺又各有优缺点，分别适用于不同的情况。
1.SBR工艺由于采用合建式，不需要设置二沉地，同时由于采用微孔曝气，可以采用的水深一般为4～6m，比一般氧化沟的水深(3～4m)要深，因此在同样的负荷条件下，SBR工艺的占地面积小，如果污水处理厂所在地的征地费用比较高，对SBR工艺有利。
2.SBR工艺中一个周期的沉淀时间是由活性污泥界面的沉速、MLSS浓度、水温等因素确定的，浑水时间是由滗水器的长度、上清液的滗除速率等因素决定的，对于一个固定的反应系统，沉淀时间和滗水时间的和基本上是固定的，一般都不应小于2小时，因此，每个周期的时间短，反应时间所占的比例就低，反应池的容积利用系数降低。对于对污泥稳定要求不高的污水厂，选择SBR工艺不利。(合建式氧化沟工艺也有这个缺点)。
3.SBR工艺和交替式氧化沟需要频繁地开停进水阀门，曝气设备，滗水器等，因此，对自控设备的要求比较高，目前，某些国产设备的质量尚不过关，如果考虑进口，自控系统所占的投资比例将增加，而且将增大维修费用。
4.在寒冷的气候条件下，因为表面爆气器会造成表面冷却或者结冰，降低污水的温度，而污水的温度降低，对生化反应尤其是硝化反应的影响较大，所以，在寒冷地区，采用氧化沟工艺，需要采取一些特殊措施，如将氧化沟加盖，而这些措施都使氧化沟工艺在和其它工艺竞争中，处于不利的地位。
5.在一些水量非常小的小城镇，夜间几乎没有污水产生，这时候SBR工艺和交替式氧化沟工艺有优越性，曝气设备可以白天运转，夜间停止运行。
七 SBR工艺和氧化沟工艺比较的一个实例
某开发区污水处理厂工程，设计规模5万吨/日，变化系数1.40，设计进出水水质如下：
采用氧化沟工艺(CAST工艺)和三沟式氧化沟工艺进行工艺比较，结果如下表：
项目 CAST工艺 氧化沟工艺 备注
总泥龄(d) 25 25
设备总功率(KW) 908 1695
实际使用功率(KW) 585 732
设备利用系数 0.64 0.43
日电耗(度/日) 10418 13036
单位电耗(Kw/m3) 0.21 0.26
处理厂占地(m2) 34400 41064 二级处理
工程总投资(万元) 6301.27 6692.87 厂内工程
单位成本(元/m3) 0.69 0.81
单位运行成本(元/m3) 0.35 0.46
对于上例的具体情况，经过投资估算比较和经济评价，采用SBR工艺优于三沟式氧化沟工艺。
应该提出的是：选择污水厂的处理工艺，是一件复杂的事情，目前的各种处理工艺，都各有优缺点，只有最适合某个工程的工艺，并不存在最先进的工艺。设计者应该根据进出水水质、污水厂的规模、当地的经济条件、气候情况、厂址情况、地质条件、电价等情况，因地制宜地选择污水处理工艺，努力达到投资少，运转费用低，运行管理简单，在这些因素难以平衡的条件下，应该优选运转费用低，运行简单的工艺，同时，根据中小城镇排水的具体特点，也可以大胆地尝试一些虽然在国内目前应用较少，但比较适合中小城镇特点的污水处理工艺，如生物膜法。
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