楊晨宵，盛銘軍，黃繼會，林振鋒，郭永福

（1.蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇蘇州215009；2.蘇州市供排水管理處，江蘇蘇州215004；3.蘇州市排水有限公司，江蘇蘇州215021；4.蘇州蘇凈環(huán)保工程有限公司，江蘇蘇州215122）

為響應2015年國務院印發(fā)的《水污染防治行動計劃》和2019年住建部等三部委印發(fā)的《城鎮(zhèn)污水處理提質增效三年行動方案（2019—2021）》，推進生態(tài)文明建設，我國各地區(qū)都面臨著城鎮(zhèn)污水管網的整治和污水處理廠新一輪的提標改造工作。重點流域地區(qū)或水環(huán)境敏感地區(qū)頒布的城鎮(zhèn)污水排水標準中，除TN以 外 的CODCr、BOD5、NH3-N及TP等 指標，基本接近或等同于《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）中的Ⅳ類水標準（簡稱“準Ⅳ類”標準）。

“準Ⅳ類”標準的制定，意味著許多原執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 8918—2002）一級A（以下簡稱“一級A”）標準的污水處理廠必須進行提標改造。在運行管理或技術改造方面必須尋求有效的工藝或措施，以應對日益嚴格的排放標準。

1 “準Ⅳ類”標準下的提標難點分析

1.1 “準Ⅳ類”標準下排放指標的變化

近年來北京、天津等地相繼出臺了高質量提標改造的地方標準，其目標遠遠高于“一級A”標準，如表1所示。雖然各城市頒布的“準Ⅳ類”地方標準在部分指標上略有差異，但與“一級A”相比，CODCr、NH3-N、TN及TP等指標均明顯提高〔1〕。其中，北京地標的A標準在CODCr、BOD5、SS、NH3-N及TP指標上，已經超過了“準Ⅳ類”水。以筆者所在的蘇州市為例，2018年蘇州市政府印發(fā)的《關于高質量推進城鄉(xiāng)生活污水治理三年行動計劃（2018—2020年）的實施意見》中明確要求，蘇州的城鎮(zhèn)污水處理廠需以“蘇州特別排放限值”為新的排放標準，其部分指標也基本接近“準Ⅳ類”水質要求。

表1 部分地區(qū)污水排放標準mg/L

1.2 污水處理廠的提標難點分析

對于生活污水比例大、工藝運行成熟、管理水平高且設施有余量的污水處理廠，通過二級生化+深度處理工藝，在穩(wěn)定達到“一級A”排放標準的基礎上，完全具有提標至“準Ⅳ類”的潛力。

然而由于我國生活用水習慣和管網滲漏等問題，污水處理廠的進水中有機物濃度與碳氮比均表現出偏低的現象〔2〕，對我國各地的127家污水處理廠的調研結果表明，這些污水廠的大部分進水BOD5/TN＜2.59，80%的污水處理廠進水BOD5/TN＜3.6，僅有10%的污水處理廠BOD5/TN＞4.0〔3〕。尤其對于雨水、地下水充沛的南方地區(qū)更是如此，太湖流域的207家污水處理廠進水BOD5/TN平均值僅為3.86〔4〕。原水中有機物濃度的不足，會嚴重制約生化段對總氮的脫除效率。鑒于蘇州部分污水處理廠進水CODCr與BOD5平均濃度均偏低的情況，蘇州市水務局印發(fā)了《關于進一步提高城鎮(zhèn)污水處理廠進水濃度工作的通知》，并就各方面的工作進行了明確要求。因此如何解決污水處理廠進水有機物濃度偏低的問題將成為提標改造中的一個難點。

通常情況下，生物處理技術在所有的碳源均用于反硝化反應的理想情況下，轉化1 g硝態(tài)氮所需的碳源量約為2.86 g〔5〕，即進水中的BOD5/TN大于2.86時，才有可能進行完全的脫氮。實際應用中進水BOD5/TN大于4時才能保證較高的脫氮率。因為厭氧釋磷、好氧硝化等均會消耗碳源，而反硝化過程僅在碳源充足的前提下才屬于零級反應〔6〕。也就是碳源充足時，反應速率只與微生物量有關，與硝態(tài)氮濃度無關；相反，碳源不足時，反應速率會受限于碳源的量，碳源越少，反硝化速率越低。這也是許多污水處理廠的總氮去除率相對其他指標較低的原因之一。另外，當冬季水溫低于15℃時，微生物活性會下降，反應速率會降低；水溫低于12℃時，微生物活性將降低50%以上，此時總氮的去除率會大打折扣〔7〕。因此進一步提高脫氮效率是提標改造中的另一個難點與重中之重。

2 針對進水有機物濃度偏低的措施

污水處理廠進水中有機物濃度偏低甚至過低的主要原因是配套管網的功能性和結構性存在問題，針對不同問題，應采取相應的措施進行調整。

首先是管網長期運行引起的破損和滲漏問題。管道的破損容易導致地表水、地下水進入管網而稀釋原水，致使進入污水處理廠的水量變大，負荷變高，而水中有機物濃度卻下降，這也間接提高了污水處理廠的處理難度和制水成本；其次是管網存在的雨污混接與錯接的問題。一方面雨水易通過混接的管段進入污水管網，導致進水中的有機物濃度降低〔8〕，另一方面污水進入雨水管網后會直接排入水體，導致水體污染〔9〕，此外部分雨污管網分流不徹底的現象也會使進廠水質波動過大，碳氮磷比例規(guī)律性變差，從而帶來晴雨天交替的水質沖擊問題，間接提高了污水處理廠的運行和維護難度。

污水處理廠進水濃度偏低的源頭問題若能得到有效解決，對污水處理廠進水水質結構的優(yōu)化、處理難度和處理成本的降低，均具有重要的意義〔10〕。但其工作量之大、工作難度之高也是顯而易見的。建議采取的主要措施有：（1）開展管網摸底調查，及時發(fā)現存在問題的管網，尤其是老城區(qū)和年代久遠的管網系統(tǒng)，完善管網的運維管護。（2）加快管網改造，推進廠網一體化，加快建立管網的日常運維機制，保障管網高效運作。（3）現有地區(qū)仍采用一般合流制系統(tǒng)的，應根據城鎮(zhèn)排水規(guī)劃，制定改造計劃，逐年進行截留式合流制改造或雨污分流改造。目前暫不具備條件的區(qū)域，可結合海綿城市建設，控制徑流污染。（4）新建污水窨井，應禁止使用磚砌井；若位于綠化帶內，井口高度建議高于地面高程10 cm以上。（5）有條件的情況下，污水管道驗收前應進行嚴格閉水試驗，包括新建小區(qū)，在無居民入住的情況下，污水管中的流量應接近于零；埋深超過4 m或臨河污水管道驗收前宜做入滲水試驗。

3 低碳氮比情況下提高總氮去除率的措施

為改善碳源利用效率，提高總氮去除率，同時控制成本，污水處理廠在提標改造時，應綜合自身情況采取適宜策略。對于“準Ⅳ類”標準達標率較高、工藝運行成熟、管理水平高且設施有余量的污水處理廠，從成本上考慮，應優(yōu)先采取管理性優(yōu)化措施，通過對工藝運行參數的調整和投加外部碳源等改善運行效果。

若管理性措施仍然無法解決出水的總氮問題或投藥成本過高時，則以開發(fā)內部碳源和優(yōu)化碳源分配為主要思路，通過工程性措施進行改造，如改變進水點/回流點、優(yōu)化池體功能區(qū)、增加水力停留時間、改善曝氣設施等。

若以上措施仍然不能解決脫氮問題并且用地存在余裕的情況下，可選取合適工藝進行新建，并與原有工藝有機結合，進一步強化脫氮。

3.1 管理性優(yōu)化措施

宏觀上微生物脫氮的主要影響因素為水溫、污泥濃度、水力停留時間、硝化液回流比和碳源等。為強化反硝化脫氮、提高原水中碳源的利用效率，在保證出水氨氮達標的情況下，應適當增加硝化液回流比，延長缺氧段水力停留時間，保證反硝化階段對碳源的充分利用和反硝化的充分反應。水溫較低時，可適當增加污泥濃度，降低污泥負荷，有助于抵消低溫帶來的不利影響〔11〕。但一般污水處理廠投產運行后，隨著時間的推移和運行管理的不斷完善，工藝運行參數也會趨于穩(wěn)定，運行參數上的調控對總體的優(yōu)化幅度有限。

另一種方便有效的措施是投加易降解的外部碳源如甲醇、乙酸、乙酸鈉、葡萄糖等，以提供反硝化反應所需的碳源，保證其反應進行的速率，提高總氮脫除率。碳源投加要考慮水廠的自身情況和以下3方面：（1）碳源種類。甲醇存在運輸和儲存的危險性以及高濃度會對微生物的活性產生抑制，葡萄糖則難以降解且易引起亞硝態(tài)氮的積累，而乙酸會帶來堿度過度消耗的問題〔12〕。相比較而言，乙酸鈉是更為合適的外加碳源。（2）碳源投加點。碳源投加點設置在缺氧區(qū)前端，可以有效節(jié)約成本〔13〕，并保證充足的停留時間，避免CODCr的超標。（3）投加量的控制。應建設一套完整的碳源計量投加設備，并以2.86為標準碳氮比對脫氮所需的碳源進行計算和精確投加，再結合尾水CODCr的變化進行調整，最終建立一套碳源精準投加方案。

3.2 工程性優(yōu)化措施

工程應用表明，我國污水處理廠二級處理工藝主要以AAO、氧化溝以及SBR三種基本的活性污泥法為主，其中以運用較為廣泛且成熟的AAO工藝為主〔14〕。迄今為止，已經發(fā)展出了眾多的改良型AAO工藝，并逐步應用到提標改造中。這些改良型AAO工藝的總體思路是以強化反硝化反應、解決碳源分配矛盾為主，旨在開發(fā)內部碳源，間接減少投藥成本。

（1）前置預缺氧段。在普通AAO工藝前增設預缺氧池和回流點，延長缺氧段水力停留時間，使得一部分硝化液優(yōu)先接觸進水中的優(yōu)質碳源，可以產生良好的內源脫氮效果，并緩解厭氧段硝態(tài)氮濃度過高而影響釋磷的問題，還可以保證低溫下的脫氮效果〔15〕。鄭州馬頭崗污水處理廠采用了分點進水的前置預缺氧AAO工藝，并與普通倒置AAO工藝進行了對比，前者的處理能力全面優(yōu)于后者，并且總氮去除率達到了81.39%，其他指標更是達到了“Ⅲ類水”標準〔16〕。

（2）倒置AAO與多點進水。多點進水和倒置缺氧與厭氧區(qū)，使原水中的一部分優(yōu)質碳源直接與回流的硝化液進行接觸，能有效提升原水中碳源用于脫氮的效率，從而將碳源優(yōu)先用于反硝化；同時，另一部分原水則進入厭氧區(qū)保證釋磷環(huán)境，一定程度上緩解微生物之間對碳源的競爭。若輔以外部碳源或與MBR工藝聯合，可進一步提高處理效果〔17〕。由于倒置AAO仍然存在生物除磷效果不佳的情況，加上后續(xù)的化學除磷成本較高，故目前的應用不多。

（3）后置AO段。后置AO段旨在進一步削減二級處理尾水中濃度較高的硝態(tài)氮。一般可通過控制好氧段末端曝氣強度，追加后置缺氧區(qū)，同時輔以投加外部碳源，有效進行二次脫氮，同時末端的好氧區(qū)不僅可結合生物膜法和MBR工藝進行配合處理，也有利于增加尾水中溶解氧濃度，防止二沉池出現二次釋磷。北京市門頭溝第二再生水廠采用了AAO-AO-MBR工藝，總氮的平均去除率達到87%，出水總氮均值為7.5 mg/L。即使是冬季，在后置AO并輔以碳源投加的情況下，出水總氮也能穩(wěn)定控制在10 mg/L以下，實際運行時，尾水水質達到北京地區(qū)的“A標準”〔18〕。

（4）多級AO工藝。多級AO工藝一般水力停留時間較長，對碳源的利用率較高，硝化液回流量少。另外通過減少生物池的曝氣量，使溶解氧控制在較低水平，還能大大降低多級AO的能耗和運行成本。北京碧水污水處理廠和天津市張貴莊污水處理廠均采用分段進水的多級AO工藝用于升級改造，充分利用該工藝缺氧段和好氧段交替運行、正常運行時每一段的水力負荷相同的特點，既便于管理，也縮小了池容，節(jié)省了基建投資，并且與傳統(tǒng)AO工藝相比，在總氮去除方面具有更大的優(yōu)勢〔19-20〕。

上述同樣的思路也可應用于氧化溝和間歇曝氣式活性污泥法，即將原有工藝改造為帶回流污泥反硝化的生物除磷脫氮工藝及其變形工藝。如氧化溝工藝采用多點進水分配碳源、設置預缺氧段、后置缺氧好氧段、改變曝氣方式和回流量等，均可實現尾水的提質增效〔21〕；對于間歇曝氣式活性污泥法如SBR、CASS及CAST工藝，已有污水處理廠通過增設內部隔墻、新建池體和分段進水〔22〕的方式，分離出厭氧和缺氧功能區(qū)，實現硝化液的回流，完成了提標改造，同樣具備提標至“準Ⅳ類”標準的潛力〔23〕。

除此之外，對于進水中難降解有機物含量較高的污水處理廠，也可增設初沉厭氧發(fā)酵池和厭氧水解池，將原水中難降解有機物轉化為易降解的物質，以開發(fā)內部碳源，提高對原水中有機物的利用率，為二級處理補充碳源〔24〕。

綜上所述，為強化反硝化脫氮，主要措施為優(yōu)化二級處理功能區(qū)配比，延長缺氧段水力停留時間；同時盡量使反硝化區(qū)接納部分原水，利用原水中的優(yōu)質碳源保證反硝化反應速率；此外，還可采用多點進水的方式分配碳源，以緩解缺氧反硝化與厭氧釋磷對碳源的競爭。以上措施在一定程度上充分提升了內部碳源的利用效率，同時結合外部碳源的投加，使二級生物處理工藝能最大程度地展現其脫氮能力。

3.3 新建工藝推薦

應用于提標改造的工藝種類繁多，主要是以提高污泥濃度、培養(yǎng)優(yōu)勢菌種、提高微生物活性周期為思路的生物膜法與活性污泥法的組合工藝和MBR工藝，以及以處理尾水硝態(tài)氮，結合投加外部碳源為思路的深度反硝化生物濾池工藝。

3.3.1 生物膜法

生物膜法是以投加生物填料，使微生物附著生長為思路的生物處理工藝，相比活性污泥法擁有更高的污泥濃度和更小的占地面積。然而傳統(tǒng)的生物膜法和生物濾池技術已無法滿足目前的處理要求，而通過與活性污泥法相結合的生物膜法，尤其是在其基礎上發(fā)展起來的新技術如移動床生物膜反應器（MBBR），對于目前的提標改造具有重要的參考意義。

移動床生物膜反應器（MBBR）相比于傳統(tǒng)生物膜反應器，選擇了與水密度相當的懸浮填料。在曝氣和攪拌推流的作用下，懸浮填料處于流化狀態(tài)，微生物種類則由于氣液固三相生長環(huán)境而得到豐富，水中的污泥濃度可達普通活性污泥法的5~10倍，處理效率得到了明顯提高。近期不少污水處理廠將活性污泥法工藝與MBBR工藝進行耦合處理生活污水，工程應用表明該工藝能有效緩解聚磷菌與硝化菌在碳源和泥齡上的競爭關系，具有抗沖擊負荷強、運營維護簡便、出水水質好且效果穩(wěn)定等特點，并且在原有AAO工藝的基礎上改造時方便可行〔25-27〕。在不新增占地的情況下，山西某污水處理廠采用改良AAOMBBR工藝進行一級A提標改造，采用“鑲嵌”理念，將原厭氧區(qū)分割為預缺氧區(qū)和厭氧區(qū)，同時將原好氧區(qū)分割為缺氧區(qū)和好氧區(qū)，并在好氧區(qū)投加懸浮填料，經歷水質劇烈波動和冬季低溫等階段仍然能穩(wěn)定達到“一級A”標準，而且部分指標也能達到“準Ⅳ類”水質〔28〕。浙江某污水處理廠也采用Bardenpho-MBBR工藝進行升級改造，生化段出水由一級B提升至“準Ⅳ類”標準，總氮與總磷平均值分別為8.43 mg/L和0.48 mg/L，大大減輕了后續(xù)深度處理工藝的負荷〔29〕。漢中市城市污水處理廠將原DE氧化溝改造為FBC-MBBR工藝，克服了BOD5/TN過低（小于1.6）的問題，在全年未投加外部碳源的情況下達到了“準Ⅳ類”標準〔30〕。此外也有學者將單獨的反硝化MBBR工藝應用于處理二沉池出水，經過長期的運行，證明即使是單獨的MBBR工藝也具有良好的反硝化能力〔31〕。

基于以上案例可知，生物膜法的優(yōu)勢在于能有效地將微生物固定在填料上，在一段時間的培養(yǎng)后形成較厚的生物膜，好氧微生物處于表層，而兼性菌和厭氧菌處于內層。即使在好氧區(qū)的曝氣環(huán)境下，仍然有一定的反硝化能力；另外與活性污泥法不同之處在于，微生物的分相培養(yǎng)使其所處的環(huán)境不會變化，因此不必經歷抑制—復蘇—抑制—復蘇這一不斷重復的過程，微生物長期處于最佳的生理狀態(tài)，相比單獨的活性污泥法具有更高的效率〔32〕；另外生物膜法能保證冬季低溫狀態(tài)下的脫氮效率，配合碳源投加還可進一步提高脫氮效率〔33〕。

在實際應用中，生物填料的使用不但會增加基建投資，而且也存在一些其他的缺陷。例如，為避免填料的流失，通常會在生物池出水處設置格柵，但這一舉措卻會增加填料對出水口堵塞的風險；另外若曝氣管道設置不當或者池體結構設計不合理，也易造成填料在池體內的局部堆積，從而導致處理效果不佳。因此在投入使用前，應對生物膜法工藝進行必要的預試驗，以優(yōu)化池體結構和水力特性，在解決問題的同時也降低能耗，提高經濟效益。

3.3.2 MBR工藝

MBR工藝是活性污泥法和膜分離技術的結合，利用膜分離技術代替二沉池，借助膜組件截留污泥和微生物，在生物池內可形成高達8 000~12 000 mg/L的活性污泥〔34〕，提高了生物降解效率，并且出水水質高，廣泛應用于北京、天津等地區(qū)的再生水廠以及建筑中水回用。

呼和浩特市班定營污水處理廠在升級改造中將氧化溝工藝改為多級AO聯合MBR工藝，多級AO的應用優(yōu)化了碳源的分配，提高了碳源的利用率。高濃度活性污泥保證了反應的高效進行，出水總氮低于10 mg/L〔35〕；北京地區(qū)的沙河再生水廠〔36〕和通州河東再生水廠〔37〕均采用AAO-MBR作為二級處理工藝，調試過程中克服了MBR工藝管理水平要求高和運行成本高于傳統(tǒng)工藝的難點，最終運行穩(wěn)定，出水水質達到了北京地區(qū)的“B標準”。

MBR工藝簡便可行、占地面積小、出水品質高〔38〕，目前已經成為AAO工藝在工程性提標改造方面的主要選擇。除此以外，MBR工藝還實現了HRT和SRT的完全分離，配合高濃度的活性污泥，延長的HRT使生長周期較長的微生物得以大量增殖，一定程度上對碳源中難降解有機物也能有所削減，這也是提高原水中碳源利用率的有效措施。

MBR工藝的缺陷主要體現在管理和成本兩方面。膜組件的加入使MBR工藝對參數的監(jiān)控和調整過程稍顯復雜，也對相關人員的知識水平、工作經驗等提出了更高的要求。同時在工藝運行過程中，膜的更換和清洗費用，也使污水處理廠的處理成本有所增加。

3.3.3 反硝化生物濾池工藝

目前廣泛應用于污水處理廠的深度處理工藝仍以物化處理為主。然而隨著出水標準的進一步提高，深度生物處理工藝也逐步投入應用。由于二級處理的出水有機物濃度低，活性污泥很難再次培養(yǎng)，并且活性污泥法出水的SS易造成后續(xù)工藝負荷變高和產泥量增加而間接提高處理成本，因此深度生物處理應以生物膜法為主要選擇。

反硝化生物濾池，作為一種針對深度脫氮而開發(fā)的工藝，具有處理高固體負荷的能力，能截留二級出水的微生物和懸浮物。截留的微生物通過附著在高比表面的濾料上可對二級出水中的硝酸鹽進行降解。反硝化濾池作為深度脫氮的保障手段，目前在許多污水處理廠得到了廣泛的應用。

上海市某城鎮(zhèn)污水處理廠為達到“一級A”標準，實現總氮的控制，采用反硝化濾池工藝進行升級改造，運行結果表明：該系統(tǒng)對硝態(tài)氮和總氮有明顯的控制效果，出水總氮穩(wěn)定在10 mg/L以下〔39〕。天津市津沽污水處理廠在低碳氮比條件下，保留多點進水并優(yōu)化內回流和曝氣系統(tǒng)，結合反硝化深床濾池作為脫氮保障，除冬季需要額外投加碳源外，其余季節(jié)出水總氮均低于10 mg/L〔40〕。合肥陶沖污水處理廠則在五段式AO工藝之后采用反硝化V型濾池作為深度生物處理工藝，對比反硝化深床濾池，V型濾池池型施工難度低，表面掃洗的輔助節(jié)省了沖洗水量和能耗，并且輔以絮凝劑，兼具過濾和化學除磷的功效，可作為高標準下城鎮(zhèn)污水處理廠的末端保障工藝之一〔41〕。筆者于蘇州市相城城區(qū)污水處理廠采用反硝化活性砂濾池進行了生物掛膜和反硝化脫氮的中試研究（水量40 m3/h），于秋季末耗時約1個月完成了自然掛膜，即使在冬季也有一定程度的脫氮能力。該池型的特點是采用連續(xù)氣提代替周期性反沖洗，管理運行更為方便。池體為模塊化設計，適用于中小型污水處理廠。

由于污水處理廠二級生化出水存在CODCr與BOD5低，而硝態(tài)氮濃度較高的特點〔42-43〕，因此利用后續(xù)反硝化濾池進行深度脫氮時，必須投加外部碳源，一定程度上增加了處理成本。在實際應用時，反硝化菌在濾池中會優(yōu)先利用碳源與溶解氧進行反應和增殖，其次才會消耗硝態(tài)氮，因此為提高碳源利用效率和反硝化效率，可通過調整二級處理好氧末端的曝氣強度，或者調整管線避免跌水復氧，以降低反硝化濾池進水的溶解氧含量來實現。此外，反硝化濾池工藝出水中易含有脫落的生物膜，需要后續(xù)進一步的過濾處理。

4 總結與建議

通過對比分析“準Ⅳ類”標準和我國污水處理廠現狀可知，在“準Ⅳ類”標準下污水處理廠提標改造的主要難點是總氮的去除，而攻克此難點的關鍵在于解決進水碳源不足的問題。

一方面，要從源頭做起，實施城鎮(zhèn)污水管網修復改造，推進廠網一體化，建立日常運維機制，同時做好新建和監(jiān)督工作。另一方面，還可從以下三方面入手：（1）通過調整生物處理功能區(qū)和原水配比，保證缺氧段碳源充足，從而有效提高脫氮效率；（2）可結合生物膜法和MBR工藝，提高活性污泥濃度，培養(yǎng)優(yōu)勢菌種，保證充足的反應速率，進一步降解原水中的有機物；（3）通過新建池體，降低二級處理負荷，延長水力停留時間，保證反硝化反應的充分進行。

提標改造是污水處理廠獲得提升的一次重要改變，污水處理廠應借此機會，對自身工藝、設施等進行全面的評估，優(yōu)先管理性提標，再工程性提標，堅持“一廠一策”，不僅要達到新標準，更要找到成本更低、效果更好的策略。