城镇污水处理厂高排放标准处理工艺案例分析
导语：近年来，我国城镇污水在处理能力、处理工艺等方面都有了长足的发展。截至2020年,共有污水处理厂4 326座，其中城市污水处理厂2 618座，县城污水处理厂1 708座，污水处理能力约为2.3亿m3/d，处理率达到97%，其中大部分都已执行国家现行标准《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中最严格的一级A标准。目前，污水处理重点已从快速的量增阶段向提质增效、节能降耗、更高排放标准方向转变。部分省、市或区域陆续出台了更严格的地方标准，这有利于改善水环境质量，但对污水处理工艺也提出了更高的要求。本文对各地高排放标准进行梳理，对典型案例进行分析，提出了高排放标准处理工艺的设计思路和应注意的问题，为类似工程设计及运行管理提供参考。
01高排放标准概况
城镇污水处理厂污染物排放国家标准、典型的地方标准、地表水环境质量标准如表1所示。
表1 相关水质标准
高排放标准一般是在一级A标准基础上，对有机物、氮、磷、SS等提出更高的要求，其中较多采用“准Ⅳ类”(CODCr、氨氮、TP等达到地表水Ⅳ类标准，TN一般由一级A标准的15 mg/L提高至10 mg/L)，如天津A标准、浙江新建污水处理厂、湖南一级标准等；部分水环境敏感地区采用更严格的“准Ⅲ类”，即CODCr、BOD5、氨氮、TP达到地表水Ⅲ类标准，TN限值为10 mg/L (昆明地标中水温>12 ℃时为5 mg/L)，如北京A标准、昆明A级等。高排放标准的确定主要考虑受纳水体功能要求、生态敏感程度、工程规模、工业废水比例等因素。
其中,(1)《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中，水质浓度取样频率为至少每2 h一次，取24 h混合样，以日均值计;《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)要求水样采集后自然沉降30 min，取上层非沉降部分检测，水质指标值中带括号的，括号内为湖、库标准。(2)北京地标DB 11/890—2012中，氨氮在12月1日—次年3月31日执行括号内的排放限值;天津、浙江地标中氨氮、TN括号内数值为每年11月1日—次年3月31日执行；湖南、江苏太湖、安徽巢湖、昆明地标括号内数值为水温≤12 ℃时的控制指标。(3)江苏太湖地标中，工业废水量占比大于60%时，可按企业污水中最严的行业标准执行；昆明地标共分A、B、C、D、E5级，本表仅列其中标准较高的A、B级。
02、工艺选择
高排放标准一般是对有机物、氮、磷等的去除提出更高要求，依靠执行一级A标准时的常规“预处理+生物处理+深度处理”工艺难以稳定达标。因此，应根据进水水质及排放标准的具体要求，完善预处理，减少大颗粒杂质、水质水量波动、油污和工业废水中重金属等对后续处理工艺的影响；强化生物处理，提高脱氮除磷效果；合理选择深度处理工艺单元，确保稳定达标。
根据高排放标准中CODCr、氨氮、TN、TP等的去除要求，可有针对性地选择相应的处理工艺。
(1)CODCr
生物处理是CODCr去除的最重要环节。城镇污水处理厂常用的生物处理工艺包括AAO、氧化沟、序列间歇式活性污泥法(SBR)、膜生物反应器(MBR)、移动床生物膜反应器(MBBR)等，以及各种优化、改良、组合工艺，对碳、氮、磷等污染物都有较好的去除效果。在执行“准Ⅳ类”甚至“准Ⅲ类”标准时，尽可能使CODCr、BOD5、氨氮等通过生物处理达标，并最大程度地去除TN、TP。
在工业废水含量较大、溶解性难降解有机物含量较高等情况下，达到“准Ⅳ类”标准难度较大，尤其是在要求达到“准Ⅲ类”标准时，可以增设臭氧高级氧化、活性炭吸附、生物滤池、膜分离等深度处理强化单元。
(2)TN
由于TN主要通过生物处理去除，生物处理阶段需重点考虑脱氮，可以采用延长缺氧停留时间、多级AO、多点进水优化碳源分配、调整回流点及回流量、外加碳源、投加填料、降低运行负荷、改善曝气设施、优化池体功能区等方式强化脱氮效果。当要求TN<10 mg/L时，可增加反硝化生物滤池等深度处理单元。
(3)TP
深度处理常用“混凝+沉淀+过滤”，或“混凝+沉淀” “微絮凝+过滤” “气浮”等，对SS、TP有较好的去除效果，并可以进一步去除CODCr等污染物。
另外，根据不同水质特征进行相应预处理，可以有效提升污水处理效果。预处理包括粗格栅、细格栅、超细格栅、沉砂池等，水质水量波动较大时宜设置调节池；含有对污水处理系统影响较大的工业废水时，应根据水质特征进行预处理；含油量较大的污水应采取除油措施；考虑碳源不足，一般可不设初沉池。
03、案例分析
3.1工程案例概况
我国部分高排放标准污水处理厂概况如表2所示。由表2可知，高排放标准处理工艺中，主要采用了“预处理+生物处理+深度处理”的工艺路线，其中，预处理一般采用格栅、沉砂池等；生物处理采用AAO、氧化沟、MBR等常见工艺或其组合、改良、强化工艺，包括Bardenpho、多级AO、改良式序列间歇反应器(MSBR)、MBBR等；深度处理采用混凝沉淀过滤、膜分离等去除TP、SS，采用生物滤池进一步去除TN，采用臭氧氧化、芬顿氧化、活性炭吸附等去除难降解有机物，根据污水处理厂的水质情况，可以选择几种工艺进行组合。
表2 高排放标准工程案例
3.2典型案例分析
(1)天津市津沽污水处理厂
天津市津沽污水处理厂是我国第一座大型市政污水处理厂——纪庄子污水处理厂的迁建工程，工程规模为55万m3/d，远期规划为100万m3/d。工厂于2014年投产运行，出水原执行国标一级A标准，2017年进行提标改造后，执行天津地标A标准。
提标改造时，难点主要为TN和CODCr，其他指标可以通过工艺优化达标，经方案论证确定提标改造工艺流程为“多级AAO+高效沉淀+反硝化深床滤池+臭氧+紫外消毒”。提标改造后，各项指标均能达到天津地标A标准。在进水低C/N(平均为7.6)情况下，为保证出水TN质量浓度≤10 mg/L，需外加碳源。
(2)东营五六干合排污水处理厂
东营五六干合排污水处理厂总规模为5万m3/d，一期工程规模为2.5万m3/d，负责处理东营市西城区约1/5的生活污水。污水处理采用“改良Bardenpho+混合沉淀池+反硝化滤池+浸没式超滤”工艺，设计出水水质执行地表水“准IV类”标准，其中BOD5、CODCr、SS、氨氮、TN、TP质量浓度分别为6、30、5、1.5、10、0.3 mg/L。实际运行出水各项指标均优于设计标准。工程总投资约为1.2亿元，其中工程费用为8 880万元，吨水电耗为0.60 kW·h，单位经营成本为0.90元/m3，单位总成本为1.41元/m3。
(3)温岭市北城污水处理厂
温岭市北城污水处理厂一期工程设计规模为0.5万m3/d。设计进水80%为生活污水，20%为工业废水，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标准。采用“AAO +二沉池+深床反硝化滤池+混合絮凝+沉淀+超滤”工艺进行提标扩容，出水水质达到“准Ⅳ类”标准，其中CODCr、TN、氨氮、TP质量浓度分别为30、12、1.5、0.3 mg/L。该提标扩容工程总投资为3 657.46万元，其中建设投资为3 362.89万元。运行成本为2.41元/m3，其中电费为0.35元/m3、人工费为0.18元/m3、药剂费[包括醋酸钠、聚合氯化铝(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)、氯酸钠以及盐酸]为1.5元/m3、污泥外运处置费为0.38元/m3，出水稳定达标。由于进水C/N偏低，生物脱氮需投加大量碳源，增加了运行成本。优化二级生化段、深床反硝化滤池分段定量投加方式，提高碳源利用率，可以有效降低运行成本。
(4)长沙经开区城南污水处理厂
长沙经开区城南污水处理厂设计总规模为14万m3/d，其中一期工程为7万m3/d，已于2015年建成投入运行，采用改良型(AAO)氧化沟工艺，出水执行国标一级B标准。2017年启动二期提标扩建工程，出水执行“准Ⅳ类”标准，采用“预处理+改良氧化沟+二沉池+反硝化滤池+浸没式超滤膜”处理工艺。建成投产后，出水水质优于设计指标。通过智能控制实现了碳源、PAC等药剂的精准投加。
(5)深圳市坂雪岗水质净化厂
深圳市坂雪岗水质净化厂二期工程规模为12万m3/d，全厂污水处理构筑物区域采用组合式布置，顶部加盖覆土建设市政公园，设计出水BOD5、CODCr、SS、氨氮、TN、TP质量浓度分别为6、30、5、1.5、10、0.3 mg/L。污水处理工艺为“预沉砂池+粗格栅及提升泵房+细格栅及曝气沉砂池+速沉池+精细格栅+AAO生化池+MBR膜池+紫外线消毒池”。调试运行后出水水质稳定达标，出水氨氮质量浓度稳定在0.025 mg/L以下，TN质量浓度约为9 mg/L并随进水水质变化波动，出水TN控制是该工艺的关键。工程费用为3.81亿元，吨水投资为3 692元，污水处理经营成本为0.73元/m3，其中电费为0.27元/m3(电耗为0.27 kW·h/m3)、药剂费为0.098元/m3。
(6)北京市沙河再生水厂
北京市沙河再生水厂一期工程规模为3万m3/d，二期扩建提标工程规模为6万m3/d，建成后总规模为9万m3/d。采用“预处理+AAO+MBR+臭氧”工艺，出水达到北京地标B标准，臭氧投加量为10 mg/L，采用空气源臭氧设备，臭氧处理单元设置超越措施。
由上述典型案例可知，为达到更高排放标准，需从预处理、生物处理、深度处理阶段系统强化，并优化运行控制。其中生物处理阶段可采用脱氮处理效果较好的强化工艺(如多级AAO、Bardenpho、改良AAO等)或组合工艺(如AAO +MBR等)；深度处理阶段针对TN去除要求可设置反硝化滤池；为确保CODCr达标，可增加臭氧氧化。
04、问题与思考
(1)系统治理水环境
水环境治理是一个系统性问题，应从源头、污水收集管网、污水处理厂、排放水体等进行系统治理，重点关注“污水管网全覆盖、全收集、全处理”，系统关注面源、农业、大气等污染问题，不能仅依托污水处理厂提标，需合理确定污水排放标准。若过于追求高标准，污水处理厂建设成本高、运行难度大、能源消耗大，总体而言可能不利于节能减排。
(2)污水处理厂进水
目前，较多污水处理厂存在进水水量不足、进水有机污染物浓度低、C/N失调等问题，严重影响污水处理厂的运行效率。应从管网普及率、管径大小、源头雨污分流、混错接、管网破损、地下水渗漏等方面加强排查和整改，有效提高污水收集率和污水处理效率。
(3)改造项目中现状设施的评估与优化
目前，污水处理厂大多已执行一级A排放标准，工艺多采用“预处理+生物处理+深度处理”。当生活污水比例大、运行管理较好时，通过现状设施及运维方案的改造、优化，一般都具备提标至“准Ⅳ类”的潜力。在提标改造时，应对现状设施进行系统评估，优先管理性提标，再工程性提标，“一厂一策”，提出合理的优化方案。新建项目中，应优先考虑污染物处理效率高的生物处理工艺及运行参数。
(4)高排放标准处理系统的运行管理
运行过程中，“准Ⅳ类”“准Ⅲ类”高排放标准需要精细化管理，应根据水质、水量变化情况，适时调整运行工况，将重点放在预处理、生物处理及运行成本相对较低的“混凝、沉淀、过滤”深度处理工艺单元，确保既达标又节能。部分强化深度处理工艺单元可设置超越管，若采用了臭氧、粉末活性炭等药剂作为“兜底”措施，根据需要确定投加时间及投加量。冬季水温较低时，微生物活性、脱氮效果会下降，设计和运行中应考虑预留应对措施。
(5)水质检测
污水处理厂排放标准中，对水污染物检测要求一般是取样频率为至少每2 h一次，取24 h混合样，以日均值计。但在实际考核时，往往是取瞬时样，这就要求出水每时都达标，运行管理要求高。另外，根据《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》(HJ 828—2017)，CODCr重铬酸钾法检出限为4 mg/L、测定下限为16 mg/L，当要求出水CODCr质量浓度低于20 mg/L时准确测定的难度较大。
05、结论
为了改善水环境质量、缓解水资源缺乏的压力，北京、天津、浙江等地陆续出台了高于国家标准的污水处理厂排放地方标准，这对削减氮、磷营养物和有机污染物排放量、提升水体水质起到了积极作用，但对污水处理工艺也提出了更高的要求。
在执行高排放标准时，“预处理+生物处理+深度处理”仍应是主要的技术路线。其中生物处理是最重要的环节，可根据需要采用优化、改良、组合的生物处理工艺，例如Bardenpho工艺等；深度处理阶段，可根据水质特征及排放标准要求，在混凝、沉淀、过滤的基础上，选用臭氧氧化、活性炭吸附、反硝化生物滤池、膜分离等有针对性的强化工艺单元。
水环境应从源头、管网、污水处理厂、排放水体等进行系统治理，重点关注污水管网“全覆盖、全收集、全处理”；加快推进污水收集处理的提质增效；系统关注面源、农业、大气等污染问题，不能仅将重点放在污水处理厂提标上。确定污水排放标准时，既要考虑受纳水体的环境容量，也要考虑建设及运行的难度和经济性。
