从几个常见现象谈污水处理厂设计和运行的精细化问题

原创2017-10-18孙永利中国给水排水

题目：从几个常见现象谈污水处理厂设计和运行的精细化问题

报告人: 中国市政工程华北设计研究总院有限公司城市环境研究院 孙永利 副院长

主持人：天津创业环保集团股份有限公司李金河总工

下一个报告的题目是从几个常见现象谈污水处理厂设计和运行的精细化问题。报告人是中国市政工程华北设计研究总院有限公司 城市环境研究院孙永利 副院长。有请！

孙永利：

非常高兴《中国给水排水》杂志社给我这个机会向大家交流和分享一下我们团队这两年在城市污水处理厂调研和技术研究当中发现的一些现象，以及基于这些现象所做的一些研究工作。这些研究成果很多已经发表在《中国给水排水》杂志上，后面我会告诉大家这些论文的具体在哪一期，有兴趣的代表可以直接与《中国给水排水》杂志社联系。

前面有很多专家都讲到了污水处理厂的提标改造问题，一级A甚至更高排放标准已经成为我国污水处理行业的发展趋势。其实对于一级A标准或更高标准，我们最关心的是氮磷问题，也就是说以深度脱氮除磷为核心的技术改造将成为污水处理行业的发展重点。但与此同时大家也都知道，我国的城镇污水处理厂普遍面临着脱氮除磷所需碳源不足的问题。根据我们对全国城镇污水信息管理系统中2014年3000多座污水处理厂的统计分析结果，约70%的污水处理厂COD/TN比值低于8，换算成BOD/TN可能只有4 ~ 5的水平，远低于污水处理厂脱氮除磷所需要的碳氮比水平。

面对碳源不足问题，我们更需要研究我们的碳源是不是很好的得到了利用，工程中是否有明显的无效浪费现象，也就是我们在从传统的以碳去除为核心的低排放标准，向以氮磷去除为核心的高标准转变过程当中，我们的设计和运行方面是否存在碳源无效损失的问题。针对这个问题，我们这两年选择全国30多座污水处理厂进行了详细的调研分析，下面将重点从以下方面向各位介绍我们这方面的研究成果。

首先是预处理单元跌水复氧造成的碳源损耗问题，相关论文发表在2017年8月《中国给水排水》杂志上。这个现象也是我们偶然发现的，根据我们最初的理解，污水经管网并由集水井出来后，应该是厌氧状态的，也就是比较低的溶解氧才对，结果调研测试的时候发现很多污水处理厂泵后水渠内都有一定的溶解氧值，溯源后发现溶解氧主要来自于跌水点前后，跌水形成的复氧问题非常明显，每一次跌水基本上能形成3到4 mg/L，甚至更高的溶解氧增量。据此推算，大部分污水处理厂预处理单元跌水可能就要消耗6~ 8 mg/L，甚至更高的可生物降解COD，而这些都是我们比较珍贵的碳源。因为这里面消耗的COD可能是我们最优质的碳源。

那么到底为什么跌水会形成这么高一个复氧水平，我们开始也咨询了很多业内专家，很多专家认为不可能，有的专家认为我们测试方法有问题，有的提出说我们的研究结论跟国际上的相关说法不太一致，为此也给我们提出了很多进一步研究和验证的建议。为此，我们就选择实际工程，进行了相关的生产性测试。在南方某污水处理厂泵池出口的跌水区选择了5个检测点，如图中所示，其中4号和5号点分别位于跌水前和跌水后的区域。分别对5个点的表层水和深层水进行了溶解氧的测试，结果表明，1~ 4号点表层和深层的溶解氧没有明显差别，证明表面复氧量相对较小。但是4号和5号之间出现明显差别，也就是说跌水点前后出现明显的溶解氧浓度差。

为了进一步说明跌水复氧产生的原因，我们提出了一个污水跌落瞬间复氧的假说，并通过一定的测试手段进行了验证。首先，受水的表面张力影响，污水跌落过程中的表面复氧现象并不明显，但是跌落的过程会带动周边空气运动，并在半封闭的跌水池中形成旋流，通过这种旋流实现了跌水池内气体与外界大气的沟通与置换，因此跌水池内空气中的氧含量并不低。另外，旋流的空气会随着跌水过程进入到跌水池的污水里面，与此同时跌水形成的巨大冲击力导致水珠的表面张力被破坏，使氧更容易与水混合。这可能是跌水复氧形成的最重要原因。

那么针对这个问题，我们就有两个可以考虑的思路，或者阻止其跌水，或者阻止跌水区域和外界的空气交流。基于此，我们在常州做了一个阻止空气对流的工程性实验，利用工程本身半封闭的自然条件，通过在走道板上部加设密封油毡的形式，有效的实现了对该区域空气对流的阻断，一天左右的时间，跌水区域的氧浓度由5~6 mg/L降低至1~2 mg/L甚至更低水平，基本实现了预期目标。当然考虑到该区域低溶解氧可能导致的安全问题，我们在油毡上也预留了通气孔等通风措施。

今天也有专家讲过反硝化滤池上的溶解氧问题，其实我们获得的工程结果可能远高于前面专家提到的溶解氧值，但其实这个现象并不仅仅是反硝化滤池本身跌水复氧造成的。给大家提供一组二沉池出水之后的溶解氧变化曲线，大家会发现，这个DO值其实是多次跌水之后的综合结果，然后到了反硝化滤池里面就相对非常高了，8 mg/L左右是多数反硝化滤池的正常水平。

上述是关于跌水复氧方面的研究成果，那么第二部分给大家介绍一下我们在内回流混合液溶解氧控制方面的研究成果和最新进展。今天也有部分专家提到过这个问题，看来这个问题越来越引起大家的关注了，这部分的研究成果我们也是2015年发表在《中国给水排水》11月的期刊上了。当然也要感谢《中国给水排水》编辑部及各位评委和读者，该论文还在2016年获得了《中国给水排水》编辑部的一个论文特等奖。这个事情也很简单，大家都知道我们好氧池的混合液是有两个出口的，一个要到二沉池，一个是要回流到缺氧池，这两个出口通常是不分开的。为了避免二沉池反硝化浮泥，通常会在好氧池末端保持相对较高的溶解氧水平，那么这样相当于是回流到缺氧池的混合液也具有相对较高的溶解氧水平，从而导致缺氧池不缺氧的现象。下表是我对部分污水处理厂的测试结果。

从数据也不难看出，我们缺氧池入口出的内回流混合液溶解氧还是比较高的，当然大家也会说第一个不是很高，只有0.86 mg/L，可以明确告诉大家，这个是我们技术改造之后的结果，改造之前该厂的值大概在4 mg/L。

那么这个内回流混合液到底对缺氧池，或者说对我们的脱氮量是什么影响，可否量化。我们也查阅了一些资料，发现当时文献表述不多，为此我们也希望能建立一个理论计算公式，首先大家都比较清楚，根据氧化还原反应的电子关系理论计算结果，每1 mg的溶解氧会影响0.35mg的硝酸盐氮去除量。那么我们首先进行了一下静态实验，验证一下这个0.35是否成立，方法很简单，就是两个烧杯，一个有4.5 mg/L的溶解氧浓度，一个基本上没有。搅拌并连续监测硝酸盐浓度，并绘制曲线计算两个反应器内硝酸盐去除量的差值。结果发现实验差值高于我们根据理论推导出的1.58 mg/L理论差值，表明还有其他因素影响，需要研究修正系数。

为此我们又做了动态试验。这个动态试验也不是很复杂，就是让反应器中的连续流动起来，然后进行跟踪测试和计算。并结合物料关系进行理论计算和实际检测，按照理论计算结果，应该是0.033 mg/min的差值，但是实际测试结果该差值为0.043，也就是说两者之间应该存在一个1.2~1.3的k值系数。

很多人也问道为什么会有这个系数，我个人觉得这个系数应该是与曝气之后，混合液中的ORP值增高，也就是混合液中氧化性物质含量提高有关，当然具体原理和影响因素还有待进一步研究。但是这样我们就可以建立一个简单的理论公式，进行内回流混合液溶解氧对缺氧池反硝化脱氮影响的简单测算。这个公式中的各个参数也就很简单了。当然我会强调一下r的问题，也就是说如果回流混合液有DO的问题，r值提高不一定就是对脱氮有利的，尤其是缺氧池碳源不足的时候。

我们用这个模型对几个污水处理厂进行了简单的测算，也就会发现回流混合液的溶解氧会导致污水处理厂出现1~ 5 mg/L的硝酸盐氮去除损失量。这个损失量对于部分污水处理厂是巨大的，因为必须投加相应量的碳源，如果能很好的控制溶解氧问题，部分污水处理厂就可以省掉碳源的问题。

那么我们第二步就开始研究怎么样能把这个回流混合液的溶解氧控制下来，或者说怎么让流向二沉池的混合液和回流到缺氧池的混合液分开。我们团队就提出了一个在好氧池末端分割出消氧区的思路，该思路不同于传统的增加池体，而只是在末端设置隔墙，将原有的4Q混合液分开成2个2Q混合液，实际停留时间不变，其中2Q混合液的消氧区中通过搅拌实现消氧，而2Q的好氧区继续保持曝气状态。这也就相当于是在不影响总体停留时间的情况下实现了回流混合液和二沉池混合液在功能上的有效分离，通过这个消氧区基本上可以将内回流混合液对缺氧池反硝化脱氮的影响降低到最低水平，使整个缺氧池真正实现一个缺氧状态。我们已经利用这个思路对江苏省部分污水处理厂进行了运行优化，效果显著。当然我们最近设计的几个污水处理厂也直接应用了该技术。

很多人会关心，这个消氧池到底需要多长停留时间。那么也给大家共享一下我们的研究结论，按照我们的测试结果，大部分污水处理厂好氧池末端混合液大概15分钟左右就可以从3 mg/L降低到0左右。那么也就是说如果是2Q，工程设计停留时间30min左右也就差不多了。关于更进一步的研究内容，大家可以下载我们相关的论文。

今天还要跟大家交流一个化学协同除磷的问题，这个问题也是发表在我们《中国给水排水》2015年10月的期刊上了。我们的研究是起源于我们所承担的一个863污泥磷回收课题，当时我们在太湖流域某化学协同除磷污水处理厂开展污泥系统释磷实验，结果发现我们超量投加了优质碳源，但是磷的浓度却很低，只有酸碱调理的时候才有磷释放。而同期其他课题组在非化学协同除磷污水处理厂同步进行的试验磷浓度却很高，因此我们觉得化学协同除磷一定程度上影响了我们生物除磷功能。为此，我们首先研究了一下全国有多少污水厂在用到化学除磷药剂，结果发现上千座污水处理厂都在投加除磷药剂，不管是协同除磷还是后置除磷。那么既然这么多，我们就要研究一下药剂投加量和除磷量的关系，为此我们查阅了相关材料，感觉直接相关的公式并不好用，因此我们根据理论反应公式，试图建立一个两者摩尔当量的计算公式，并利用这个公式对上面提到的近千座化学除磷污水处理厂进行了药剂投加量和除磷量摩尔当量的计算。

计算结果表明，60%以上的化学除磷污水处理厂所投加的化学除磷药剂量超过除磷需要的剂量水平。也就是说化学除磷对生物除磷系统的影响可能是一个需要普遍关注的话题。

那么再回到化学协同除磷的问题，我们需要研究为什么化学协同除磷影响了生物除磷，或者说在二沉池末端投加过量的除磷药剂，到底怎么对生物除磷造成了影响。为此我们又做了一组模拟实验，选择不同污水处理厂，在三个反应器中分别加入“污水原水+二沉污泥”、“优质碳源+二沉污泥”、“磷酸盐+二沉污泥”并测试磷酸盐的变化情况。第一组数据是我们模拟二沉池污泥与原水混合的磷酸盐测定结果，根据混合液磷酸盐理论加权平均值和实测值的对比结果，化学除磷药剂投加量较大的A、B、C污水厂，基本无明显的厌氧释磷现象，而投加量相对较小的E厂仍具有明显的释磷现象，D厂摩尔当量为月均值，该试验阶段处于过量加药期，不具有代表性。

第二组数据改为二沉污泥过量加入优质碳源，测试强化厌氧释磷效果，结果发现A、B、C厂仍没有厌氧释磷，而D、E厂厌氧释磷现象明显。

那么我们第三个实验，我们主要是想看看二沉池中化学药剂的过量问题，也就是往二沉池污泥中加入磷酸盐，看看会不会沉淀去除掉。结果发现，A、B、C三个厂加入磷酸盐并混合后的滤后样实际测定结果均低于加权平均后的计算结果，也就表明加入的磷酸盐被除磷药剂沉淀去除了。但是D、E厂投加后的去除效果并不显著。

上述实验数据为我们推断为什么化学协同除磷污水处理厂厌氧池不释磷提供了一定的数据基础。根据上述数据，我们就能知道虽然我们是在二沉池投加的，但是到了好氧末端，磷酸盐浓度相对是比较低的，此时除磷药剂是过量的，那么过量的药剂首先是与污泥发生絮凝沉淀反应，而后随着回流污泥进入到厌氧池中，这时候即使厌氧池有释磷功能或现象，所释放的磷酸盐也要与除磷药剂发生化学反应，生成磷酸盐沉淀。也就是说化学协同除磷污水处理厂的厌氧池出来的混合液实际上是没有磷酸盐，或者低磷酸盐的。而后这些混合液进入到好氧池，就没有办法完成吸磷了，因为没有磷酸盐可以吸了。那么既然不能吸磷了，后续自然也没法释磷了，因为释磷是要以释磷所产生PHB作为驱动力的。然后好氧池不吸磷，自然也没有“聚磷”产生，自然后续也就没法“释磷”。也就是说厌氧释磷与好氧吸磷是互相的，影响其一反应，必将影响到另一个反应。

当然我们这里做了个假设，就是所形成的磷酸盐化学沉淀，对生物除磷菌来说是一种不可逆的，化学磷酸盐沉淀无法参与到生物除磷反应中。这个假设是否成立，我们目前还在研究阶段，后续还有很多值得研究的内容。那么可以研究什么，个人认为进一步的研究关注磷酸盐浓度变化已经没有太大意义了，研究厌氧污泥中是否有聚磷菌似乎也没有太多的科学意义，如果有兴趣的高校或科研机构可以考虑从另一个副产物入手，也就是PHB来开展研究，因为就目前来看，可能只有PHB是最有代表性，且影响因素最少的指标了。

既然化学协同除磷已经影响了我们生物除磷功能，那么似乎我们的厌氧/好氧模式也就会受到影响了，就需要考虑一定的应对或补救措施。为此，我们对以前部分专家也提到过的厌氧池侧流除磷进行了一定的工程研究。大家都知道，我们没有化学协同除磷的时候，很多污水处理厂厌氧池都有比较高的磷酸盐浓度，基于这个浓度大概测算一下，如果把厌氧池20%到30%的混合液拿出来做化学除磷处理，这样会去除2-5毫克升的磷酸盐去除量，基于此提出一个化学除磷理念。

这样在实际工程中，我们只需要在厌氧池末端形成一个简单的沉淀区，在这个区域里，不一定要把SS降低到很低的水平，100~200 mg/L都是可以接受的。然后这部分沉淀上清液单独做化学除磷处理，这样有一定的SS对于形成化学沉淀也是有利的；另外，出水的磷酸盐也不用太低，2 mg/L即可，这样也就回避了低浓度的时候，药剂投加量与除磷量的非线性问题。这种思路基本可以解决我们整个污水处理厂的磷去除问题，而且除磷药剂与主工艺无交集，与污泥系统也可无交集，不会影响到工艺运行。然后这里我们也需要讲一下出水SS和TP的关系问题，如果通过侧流把TP去掉了，那么SS中磷酸盐的浓度必然降低，SS将不再是影响出水TP稳定达标的主要因素。

最后再给大家交流一下反硝化除磷的工程强化问题。要研究怎么工程强化，我们首先要研究一下反硝化除磷到底是怎么回事。那么我们首先看看缺氧池中到底有什么，以A2/O类工艺为例，缺氧池主要接纳了好氧池混合液、原水、厌氧池混合液，那么这里面都有什么成分大家就都清楚了，在这里就不一一解释了。

这些物质之间可能发生的反应也都给大家列出来了。那么基于这些反应关系，我们可以知道，反硝化除磷需要强化的是硝酸盐和磷酸盐之间的反应，那么，我们就应该尽量限制与这两种物质有关的其他反应，否则就容易与反硝化除磷反应形成竞争。这样一分析，实际工程就简单了，首先我们要控制有机物不能进到反硝化除磷单元，第二个要控制溶解氧不要进来，这样逐渐培养就容易形成有利于反硝化除磷菌生长的环境。基于此思路，我们研究团队对太湖流域部分污水处理厂进行了工程性优化，结果远远超过预期，当条件控制住后，反硝化除磷的效果非常明显。

那么，回到工程上我们怎么强化，我们建议在常规缺氧池前端单独做一段出来，作为反硝化除磷池使用。在这个所谓反硝化除磷池里，我们不加入原水或外加碳源，解决有机物的竞争问题；另外，回流混合液来自于消氧池，解决溶解氧的抑制问题，当然如果回流的混合液仍存在一定的溶解氧，只是会局部影响反硝化除磷效果。

今天给大家讲了这么多，那么我们怎么结合到一个工程中，或者结合到完整的工艺技术路线上，真正实现碳源节约和一碳多用。为此，我们也提出了生物处理单元的核心工艺技术路线。在这个路线中，我首先强调好氧池要设置一个消氧区，解决回流混合液的溶解氧问题；然后缺氧池区分反硝化除磷区和反硝化脱氮区；原水和外加碳源尽量进入厌氧池，强化生物除磷效果，并将高磷酸盐混合液进行侧流化学除磷，富磷化学污泥单独处理，寡磷清液进入好氧池处理；厌氧池的相对高浓度、高PHB含量污泥进入反硝化除磷区，进一步强化反硝化除磷效果，这样就最大限度的发挥了生物处理单元的功能，实现污水处理厂碳源的最大化利用。

这是我们团队最近两年在污水处理方面的一些主要研究成果，希望对各位的工程设计、运行和管理有所帮助，如有不到之处，敬请批评指正。谢谢。

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