中小型城市污水處理廠工藝選擇
技術(shù)支持
走進(jìn)新的千年，我國(guó)污水處理事業(yè)迎來了高速發(fā)展的階段，不僅大城市、很多中小城市，甚至發(fā)達(dá)地區(qū)有的鄉(xiāng)鎮(zhèn)都開始修建污水處理廠，這是改革開放、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然結(jié)果，也是保護(hù)環(huán)境造福人民的具體體現(xiàn)，必將對(duì)我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展起巨大推動(dòng)作用。
污水處理需要較大的投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，在目前我國(guó)還不富裕的條件下，怎樣用最少的費(fèi)用達(dá)到治理水污染的目的是各級(jí)政府和廣大專業(yè)人員十分關(guān)心的問題。在污水處理廠的建設(shè)中關(guān)鍵的措施是優(yōu)選工藝，這關(guān)系到處理效果能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)：關(guān)系到基建費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用是否最省。歸根結(jié)底，關(guān)系到污水處理廠建設(shè)的成敗。本文根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)中小型城市污水處理廠怎樣優(yōu)選工藝的問題進(jìn)行深討，談?wù)勔恍┛捶ê腕w會(huì)。
1 城市污水處理廠規(guī)模的劃分
城市污水處理廠的規(guī)模差異很大，小的只有每日幾十噸、幾百噸，大的可達(dá)到每日幾十萬噸、幾百萬噸。根據(jù)我國(guó)的實(shí)際情況，大體上可分為大型、中型和小型污水處理廠：
規(guī)模大于10萬噸/日的是大型污水廠，它們一般建在大城市，基建投資以億元計(jì)，年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用以千萬元計(jì)，目前全國(guó)已建成十多座，最大的是北京高碑店污水處理廠，規(guī)模達(dá)100萬噸/日，在建的還有高于此規(guī)模的。
規(guī)模小于10萬噸/日，大于1萬噸/日的是中型污水處理廠，它們一般建于中、小城市和大城市的郊縣，基建投資幾千萬到上億元，年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用幾百萬到上千萬元，目前全國(guó)己建成幾十座，正建的有上百座，今后一段時(shí)間還將大量增加。
規(guī)模小于1萬噸/日的是小型污水處理廠，它們一般建于更小的城鎮(zhèn)，基建投資幾百萬到上千萬，年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用幾十萬到上百萬：由于經(jīng)濟(jì)條件的限制，目前這類污水廠剛剛在沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的小城鎮(zhèn)出現(xiàn)，今后會(huì)越來越多，最終小型污水廠的數(shù)量將超過大中型污水廠。
2 城市污水處理廠的主要工藝
城市污水的主要污染物是有機(jī)物，因此目前國(guó)內(nèi)外大多采用生物法。也有采用化學(xué)法的，如四川遂寧市的污水就采用化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理，但這種工藝的去除率不高，出水達(dá)不到國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，只適用于某些特定的對(duì)出水水質(zhì)要求不高的地方。
在生物法中，有活性污泥法和生物濾池兩大類，生物濾池的處理效率不高，衛(wèi)生條件較差，我國(guó)只有少數(shù)幾座生物濾池城市污水處理廠，活性污泥法占絕大多數(shù)。
活性污泥法有很多種型式，使用最廣泛的主要有二：類：一類是傳統(tǒng)活性污泥法和它的改進(jìn)型A/O、A2/O工藝，一類是氧化溝，一類是SBR工藝。
傳統(tǒng)活性污泥法是應(yīng)用最早的工藝，它去除有機(jī)物的的效率很高，在處理過程中產(chǎn)生的污泥采用厭氧消化方式進(jìn)行穩(wěn)定處理，對(duì)消除污水和污泥的污染很有效，而且能耗和運(yùn)行費(fèi)用都比較低，因而得到廣泛應(yīng)用。近二十年來，水體富營(yíng)養(yǎng)化的危害越來越嚴(yán)重，去除氮、磷列入了污水處理的目標(biāo)，于是出現(xiàn)了活性污泥法的改進(jìn)型A/O法和A2/O法。A/O法有兩種，一種是用子除磷的厭氧-好氧工藝，一種是用于脫氮的缺氧-好氧工藝，A2/O法則是既脫氮又除磷的工藝。
氧化溝是活性污泥法的一種變型，它在水力流態(tài)上不同于傳統(tǒng)活性污泥法，是一種首尾相接的循環(huán)流，通常采用延時(shí)曝氣，在污水凈化的同時(shí)污泥得到穩(wěn)定，它不設(shè)初沉池和污泥消化池，處理設(shè)施大大簡(jiǎn)化。氧化溝具有傳統(tǒng)活性污泥法的優(yōu)點(diǎn)，去除有機(jī)物的效率很高，也具有脫氮功能，如果在溝前增設(shè)厭氧池，還可同時(shí)除磷。氧化溝這種高效、簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，使它在中小型城市污水處理廠中得到廣泛應(yīng)用。
SBR是序批式活性污泥法，它的基本特征是在一個(gè)反應(yīng)池中完成污水的生化反應(yīng)、沉淀、排水、排泥，不僅省去了初沉池和污泥消化池，還省去了二沉池和回流污泥泵房，處理設(shè)施比氧化溝還要簡(jiǎn)單，而且處理效果好，有的SBR工藝還具有很強(qiáng)的脫氮除磷功能。SBR工藝對(duì)自控要求高，過去自控設(shè)備不過關(guān)，這種工藝無法推廣，近年來自控技術(shù)和儀表應(yīng)用于污水處理已經(jīng)過關(guān)，我國(guó)昆明第三、第四污水廠采用SBR工藝已成功運(yùn)行數(shù)年，因而SBR工藝得到大力推廣，成為業(yè)內(nèi)人士十分關(guān)注的一種工藝。
3 大型城市污水處理廠的優(yōu)選工藝
大型城市污水處理廠的優(yōu)選工藝是傳統(tǒng)活性污泥法及其改進(jìn)型A/O法，A2/O法，目前世界上絕大多數(shù)國(guó)家的大型污水廠較多采用，我國(guó)的北京高碑店污水廠、天津紀(jì)莊子污水廠和東郊污水廠、沈陽市北部污水廠、鄭州市污水廠、杭州市四堡污水廠、成都市三瓦窯污水廠等都是這種工藝。普遍采用的原因是因?yàn)檫@種工藝對(duì)大型污水廠具有難以替代的優(yōu)點(diǎn)：
（1）傳統(tǒng)活性污泥法、A/O、A2/O法與氧化溝和SBR工藝相比最大優(yōu)勢(shì)是能耗較低，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用較低，規(guī)模越大。這種優(yōu)勢(shì)越明顯，對(duì)于大型污水廠來說，年運(yùn)營(yíng)費(fèi)很可觀，每方污水處理費(fèi)用節(jié)省一點(diǎn)，一年就節(jié)省很多，比如規(guī)模為40萬噸/日的污水廠，每方污水節(jié)省處理費(fèi)1分錢，一年就節(jié)省146萬元。該工藝的能耗和運(yùn)營(yíng)費(fèi)低的原因是：
①設(shè)置初沉池，利用物理法以最小的能耗和費(fèi)用去除污水中相當(dāng)一部分有機(jī)物和懸浮物，降低二級(jí)處理的負(fù)荷，顯著節(jié)省能耗。
②污泥采用厭氧消化，它比氧化溝和SBR工藝的同步好氧消化顯著節(jié)省能耗，是一種公認(rèn)的節(jié)能工藝。
該工藝的基建投資一般情況下比氧化溝和SBR工藝高，但隨著規(guī)模的增大，氧化溝和SBR的基建費(fèi)成倍增加，而常規(guī)活性污泥法的投資則以較小的比例增加，兩者的差距越來越小，當(dāng)污水廠達(dá)到一定規(guī)模后，常規(guī)活性污泥法的投資比氧化溝與SBR還省。因此，隨著污水廠規(guī)模的增大，常規(guī)活性污泥法的優(yōu)勢(shì)就越大。
（2）常規(guī)活性污泥法、A/O、A2/O的主要缺點(diǎn)是處理單元多，操作管理復(fù)雜，特別是污泥厭氧消化要求高水平的管理，消化過程產(chǎn)生的沼氣是可燃易爆氣體更要求安全操作，這些都增加了管理的難度。但由于大型污水廠背靠大城市，技術(shù)力量強(qiáng)，管理水平較高，能滿足這種要求，因而常規(guī)活性污泥法的缺點(diǎn)不會(huì)成為限制使用的因素。
根據(jù)我國(guó)目前的實(shí)際情況，城市污水處理處于起動(dòng)階段，法規(guī)和要求都不夠健全，對(duì)污泥的穩(wěn)定化要求沒有明確的規(guī)定，同時(shí)由于排水管網(wǎng)系統(tǒng)不夠完善，大多數(shù)城市的污水水質(zhì)不高，加之污泥厭氧消化的管理和沼氣的利用還缺乏成熟的經(jīng)驗(yàn)，這些因素都降低了包含污泥厭氧消化工序的常規(guī)活性污泥法、A/O法和A2/O法的經(jīng)濟(jì)性。因此，對(duì)于規(guī)模0-20萬噸/日的城市污水處理廠，有時(shí)可能采用SBR和氧化溝工藝更為經(jīng)濟(jì)，在這種情況下，有必要對(duì)各種工藝進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，以確定最佳工藝。
4 中、小型城市污水處理廠的優(yōu)選工藝
中、小型城市污水處理廠的優(yōu)選工藝是氧化溝和SBR，它們的共同特點(diǎn)是：
（1）去除有機(jī)物效率高，有的還能脫氮、除磷或既脫氮又除磷，而且處理設(shè)施十分簡(jiǎn)單，管理非常方便，是目前國(guó)際上公認(rèn)的高效、簡(jiǎn)化的污水處理工藝，也是世界各國(guó)中小型城市污水處廠的優(yōu)選工藝。
（2）在10萬噸/日規(guī)模以下，氧化溝和SBR的基建費(fèi)用明顯低于常規(guī)活性污泥法、A/O、A2/O法，對(duì)于規(guī)模為5-10萬噸/日的污水廠，氧化溝與SBR的基建費(fèi)用通常要低10-15%，規(guī)模越大兩者差距越大，這對(duì)缺少資金建污水廠的中小城市很有吸引力。
即使在10萬噸/日規(guī)模以下，氧化溝和SBR的電耗和年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用仍高于常規(guī)活性污泥法，但如果與基建費(fèi)用起來比較，基建費(fèi)加上20年的運(yùn)營(yíng)費(fèi)總計(jì)還是比常規(guī)活性污泥法低些，規(guī)模越小，低得越多，規(guī)模越大，差距越小，當(dāng)規(guī)模為10萬噸/日時(shí)，兩類工藝的總費(fèi)用大致相當(dāng)，因此，對(duì)于中小型污水廠氧化溝與SBR在經(jīng)濟(jì)上是有利的。
（3）氧化溝與SBR工藝通常都不設(shè)初沉池和污泥消化池，整個(gè)處理單元比常規(guī)活性污泥法少半多，操作管理大大簡(jiǎn)化，這對(duì)于技術(shù)力量相對(duì)較弱，管理水平相對(duì)較低的中小型污水處理廠很合適。
（4）氧化溝和SBR工藝的設(shè)備基本上實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，可以用人民幣在國(guó)內(nèi)采購(gòu)，不需用外匯到國(guó)外去購(gòu)買，國(guó)產(chǎn)設(shè)備在質(zhì)量上能滿足工藝要求，但價(jià)格比國(guó)外設(shè)備便宜好幾倍，而且也省去了申請(qǐng)外匯進(jìn)口設(shè)備的種種麻煩。
（5）氧化溝和SBR工藝的抗沖擊負(fù)荷能力比常規(guī)活性污泥法好得多，這對(duì)于水質(zhì)、水量變化劇烈的中小型污水廠很有利。
由于上述種種原因，氧化溝和SBR在國(guó)內(nèi)外發(fā)展都很快。美國(guó)環(huán)保局（EPA）把污水處理廠的建設(shè)費(fèi)用或運(yùn)營(yíng)費(fèi)用比常規(guī)活性污泥法節(jié)省15%以上的工藝列為革新替代技術(shù)，由聯(lián)邦政府給予財(cái)政資助，SBR和氧化溝因此得以大力推廣，已經(jīng)建成的污水廠各有幾百座，歐洲的氧化溝污水廠已有上千座，澳大利亞近十多年建成SBR污水廠近600座。在國(guó)內(nèi)，氧化溝和SBR已成為中小型污水處理廠的首選工藝。
5 氧化溝工藝的主要分類和特點(diǎn)
氧化溝工藝大體上可以分為四類：
（1）多溝交替式氧化溝，其特點(diǎn)是合建式，沒有單獨(dú)的二沉池，采用轉(zhuǎn)刷曝氣。有單溝、雙溝和三溝式，最典型的是邯鄲三溝式氧化溝。這種氧化溝具有SBR的特點(diǎn)，也可算是SBR的一種類型。其脫氮除磷效果不穩(wěn)定，如果要求脫氮除磷，需增加一些設(shè)施。
（2）卡魯塞爾氧化溝，為分建式，有單獨(dú)的二沉池，采用表曝機(jī)曝氣，溝深大于多溝交替式氧化溝，長(zhǎng)沙水質(zhì)凈化二廠就是這種工藝，其脫氮除磷效果也不夠理想，如果要求脫氮除磷，也需增加一些設(shè)施。
（3）奧貝爾氧化溝，亦為分建式，有單獨(dú)二沉池，采用轉(zhuǎn)碟曝氣，溝深也較大，現(xiàn)在四川、北京、山東、浙江等地都在采用，其脫氮效果很好，但除磷效率不夠高，要求除磷時(shí)還需采取一些措施。
（4）一體化氧化溝，為合建式，沉淀池就建在氧化溝內(nèi)，己在四川成都市新都污水廠和山東高密市污水廠應(yīng)用。連續(xù)進(jìn)出水，是合建式又不用倒換功能，從理論上講最經(jīng)濟(jì)最合理，但在一些具體技術(shù)問題上還不十分成熟，因此影響了它的推廣使用。
6 SBR工藝的主要分類和特點(diǎn)
SBR工藝主要有以下幾種類型：
（1）傳統(tǒng)式SBR工藝，其所有操作都是間歇的、周期性的。四川巴中污水廠就是這種工藝。它的脫氮除磷效果不夠穩(wěn)定，如要求脫氮除磷，需做一些改進(jìn)。
（2）ICEAS工藝，即間歇式循環(huán)延時(shí)曝氣活性污泥法。它用隔墻將反應(yīng)池分為兩部分，前面預(yù)反應(yīng)區(qū)，后面為主反應(yīng)區(qū)，采用連續(xù)進(jìn)水，間歇曝氣、沉淀、排水、排泥。己用在昆明第三、第四污水廠。它可以脫氮除磷，但效果不夠理想。
（3）DAT-IAT工藝，即連續(xù)曝氣和間歇曝氣相結(jié)合的工藝。反應(yīng)池中部用隔墻分為兩部分，前邊的DAT連續(xù)曝氣，后邊的IAT間歇曝氣、沉淀、排水、排泥，己用于天津開發(fā)區(qū)污水處理，它的脫氮除磷功能一般，需增加設(shè)施才能提高脫氮除磷效率。
（4）CAST工藝，即循環(huán)式活性污泥法，它的反應(yīng)池用隔墻分為選擇區(qū)和主反應(yīng)區(qū)，進(jìn)水、曝氣、沉淀、排水、排泥都是間歇周期性運(yùn)行。它的脫氮除磷效果好，防止污泥膨脹的性能好，目前深圳、天津和云南的一些污水處理廠都采培此種工藝。
（5）UNITANK，它是三個(gè)矩形池并聯(lián)，按照類似三溝式氧化溝的周期運(yùn)行模式工作，但把轉(zhuǎn)刷改為鼓風(fēng)曝氣，可加大池深，把出水可調(diào)堰改為固定堰，簡(jiǎn)化了排水。上海石洞口污水處理廠就是采用這種工藝。其功能和三溝式氧化溝類似。
7 氧化溝和SBR的比較
氧化溝和SBR有很多共同特點(diǎn)，也有各自的特點(diǎn)和適用性，在選定方案時(shí)需要仔細(xì)分析。
（1）從基建投資看，SBR工藝是合排式，一般情況下征地費(fèi)和土建費(fèi)較氧化溝低，而設(shè)備費(fèi)較氧化溝高，總造價(jià)的高低則要視具體情況決定。
①地價(jià)高，對(duì)氧化溝不利。
②進(jìn)水BOD濃度高，反應(yīng)容積與沉淀容積的比值高，對(duì)氧化溝有利，BOD濃度低，反應(yīng)容積與沉淀容積的比值低，對(duì)SBR有利。
（2）從運(yùn)營(yíng)費(fèi)用看，SBR通常用鼓風(fēng)曝氣，氧化溝通常用機(jī)械曝氣，一般說來，在供氧量相同的情況下，鼓風(fēng)曝氣比機(jī)械曝氣省電;第二方面，SBR是合建式不用污泥回流（有的少量回流），氧化溝是分建式要大量回流，電耗較大;第三方面，SBR是變水位運(yùn)行，增大進(jìn)水提升泵站的揚(yáng)程。綜合考慮，通常氧化溝的電耗要比SBR大些，運(yùn)營(yíng)費(fèi)要高些。
（3）氧化溝是連續(xù)運(yùn)行，不要求自動(dòng)控制，只是在要求節(jié)能時(shí)用自動(dòng)控制，SBR是周期間歇運(yùn)行，各個(gè)工序轉(zhuǎn)換頻繁，需要自動(dòng)控制。
（4）SBR為靜態(tài)沉淀，氧化溝為動(dòng)態(tài)沉淀，因而SBR的沉淀效率更高，出水水質(zhì)更好。
（5）在要求脫氮除磷時(shí)要選擇脫氮除磷效能高的工藝，其中有SBR工藝，也有氧化溝工藝。
