陈珺：污水处理升级改造的5个关键问题
我国污水处理领域在近几年得到快速发展，日处理能力大幅提高，处于世界前列,已成为污水处理大国，但在技术选型、升级改造、能耗控制及运行管理方面，仍然距污水处理强国有较大的差距。因此，现有污水处理厂的科学合理升级改造、优化运行已成为行业长期发展的目标，需不断持续改进。
近日，江苏(宜兴)环保产业研究院总工陈珺，在《亚洲环保》主办的“第四届长三角(苏浙沪)排水与污水处理研讨会”上做了题为“污水处理升级改造的5个关键问题”，陈总工从实际处理能力的评估、生物处理工艺选型、生化池优化设计、二沉池的优化以及污水处理厂水力优化五个方面，结合污水处理厂运行和管理经验，对污水处理目前运营过程中存在的问题进行了全面剖析，并介绍了污水处理升级改造的具体措施，深入显出，条理清晰，用数据说话更有说服力，这五个问题也可能是您非常关注的问题，因为污水处理的提标改造和运营优化到企业的生存及水环境的改善。基于此，我们可以不断扩展和创新，引领行业向前发展。
污水处理升级改造涉及的面非常广，包括水量水质的变化、工艺选型、排放标准、设备更新、投资与运行成本、占地、能耗及控制等等，远非一个报告所能完全覆盖。这里仅和大家交流一下在污水处理升级改造的过程中涉及到五个主要方面的问题，这些问题包括：实际处理能力的评估、生物处理工艺选型、生化池优化设计、二沉池的优化以及污水处理厂水力优化的问题。
一、实际处理能力的评估
实际处理能力评估是污水处理升级改造过程中最为重要的事情。只有在清楚了解目前污水处理厂的实际处理能力才能有的放矢地进行下一步的升级改造。这个“实际处理能力”涉及到很多方面，包括污水水量水质特性、设备设施状况、处理要求、工艺控制策略、运行维护等等，这些因素互相交织在一起，形成了真正的实际处理能力，而非通常所指的设计规模。
实际处理能力不是一成不变的，它会随着时间的推移而发生变化，比如由于人口的增加导致进水量的持续上升需要提高实际处理能力，最简单的方法就是扩容;另外，不合理的运行维护会使污水处理厂随着岁月的流逝而降低其处理能力。标准提高是污水处理厂发展过程中经常遇到的事情，为了达到新的标准，在既有的设施情况下其处理能力可能就会降低。同时，我们还可以看到另外一些情景，某些卓越的污水厂会在其历史发展过程中不断优化自身的情况，突破瓶颈的限制，以最小的投入实现处理能力的提高，实现污水处理的可持续发展。
因此，在进行污水处理升级改造之前的一个重要步骤是对实际处理能力的评估。我们对全国四千多座污水处理厂中的3300座污水处理厂的实际进水COD、TN浓度做了一些分析，可以看出绝大多数污水厂的COD浓度并不是很高，COD高于400mg/L的污水处理厂只占很小一部分，进水氮的浓度低的并不是很多。
我们做了一些实际污水厂的进水设计值与实际值的比较，可以看出从南到北很多污水处理厂的COD设计值与实际值有较大的差距，实际进水COD远远低于设计值，只有50%左右，氮的值也会低一些，但低的并不是很多。所以，很多污水处理厂的池容是有冗余的，这种冗余的潜力在升级改造时就可能得到利用，当然这会涉及到其他单元的问题，比如沉淀池的问题、进水管线的问题等等，需要进行实际评估。
实际处理能力评估需要用到一些方法，这些方法一般包括开会讨论分析、全厂实际测试、工艺模拟分析。开会讨论分析通常是相关方坐在一起讨论，这种方式天然上来说是比较保守的，因为在没有确切数据和依据的情况下，人都是保守的，只能凭经验。第二种方法是实际测试，实际测试包括沉淀池负荷测试、氧转移测试、示踪剂测试以及在线监测等，实际测试的好处是因地制宜，找出关键参数，明确制约瓶颈。其中，负荷测试包括预处理、曝气池、沉淀池、污泥脱水单元等方面的测试，需要明确各个单元的实际处理能力，当然测试期间不能影响出水水质。这里举一个曝气效率方面测试的例子，大家知道α值是混合液中氧转移效率与清水中氧转移效率之比，是曝气计算过程的一个关键参数，国内设计规范是0.8-0.85，美国在80年代之前也是基本采用0.8，但实际运行中发现这个值差别较大，α值和泥龄、水质等参数有关系，低的能到0.3。实际上，最为可靠的方法是用尾气法测试获得实际的α值，这是我们在一个污水厂正在做的尾气法测试的照片，美国已经有数百个污水厂采用了这种方法。通过这种方法获得真实的参数为设备选型提供更加科学合理的依据。
其他测试方法还包括针对水质的反硝化速率测试、示踪剂测试沉淀池效率等，限于时间关系不再一一赘述。
第三种实际处理能力的评估方法是工艺模拟，尤其是动态模拟，这个无论是对实际污水厂的升级改造还是优化运行都很有益。动态模拟可以根据进水动态负荷的变化而做出准确的模拟，确保在峰值负荷期间出水水质依然达标，同时可以优选出合理的工艺和参数实现节能降耗的目的，这种方法是传统EXCEL设计计算所无法实现的。
下面这个图可以是一个稳态模拟的反映，可以看出在曝气池廊道的前端氨氮就已经很低了，曝气池有一定的冗余能力，我们可以通过动态模拟来确定其可利用的池容潜力。
下面这几个图反映了减少不同比例曝气池池容后的出水氨氮动态变化，这就为具体的池容利用提供了可靠的依据。
当然工艺模拟并非是一件简单的事情，需要对水质特性、工艺参数有深入的了解，也并非是购买一套软件就能解决的，污水处理工艺模拟背后反映的是污水处理庞大知识体系的积累，需要有对这方面深入了解的技术人员。
二、生物处理工艺选型
生物处理工艺的选型是一件很复杂的事情，涉及的面很广，这里仅对目前常见的做法做一些探讨。
A2O是最常用的工艺，受制于实际内回流比的影响，即使在碳源充足的情况下，A2O工艺的脱氮率最高一般就在70%左右。所以如果进水TN小于50mg/L，出水TN达到15mg/L是可以的，但要求达到10mg/L以下是非常困难的。这是一个大型A2O工艺的污水处理厂进出水TN曲线图，这个厂的进水碳源很充足，脱氮率一般就在70%左右。
这些年另外常见的一种工艺是多级AO工艺，多级AO工艺实际上是早期多点进水(Step-feed)工艺的改进，多点进水工艺是1935年Rid Gould最先提出，并应用在纽约的一座污水处理厂，这种工艺的本质目的是为了降低曝气池前后廊道供氧差异、降低峰值水量的冲击，通过不同进水点流量的分配，在生物池从前到后的廊道上形成由高到低的污泥浓度梯度，降低进入二沉池的入流固体通量，从而避免在雨季期间大量污泥的流失。多级AO工艺的本意也是如此，它并不能显著提高脱氮率，因为在实际工程中不可能设置无限多的进水点，一般最常用的是3级或4级。
这是一座改造为多级AO工艺的污水厂，改造时将曝气池前面的一部分曝气头拆掉，用粗孔曝气的方式进行缺氧搅拌，当然最好是安装搅拌器进行搅拌。为了获得较高的脱氮效果，实际上Bardenpho工艺是很好的方法，出水总氮达到3-10mg/L之间是没有问题，但中国很多污水处理厂缺乏碳源，所以需要投加外部投加碳源，一般来说较常见的外加碳源是乙酸钠，其反硝化速率较快，所需的第二缺氧池容也相对较小。
下面这个图是山东某污水处理厂的Bardenpho工艺实际出水水质，该厂的进水COD约200mg/L、进水TN约35mg/L，通过在Bardenpho工艺中投加乙酸钠后，出水TN可以低于5mg/L。
另外一种改造模式是A2O+反硝化滤池，反硝化滤池虽然有很高的脱氮率，但做的好的反硝化滤池投资还是比对活性污泥工艺改进的投入要高，另外反硝化滤池需要在二沉池之后专门设置水泵的再次提升以满足水头的需要，而一些上向流的反硝化滤池在实际运行中堵塞的现象比较明显，这些都是需要考虑的地方。
现在还比较常见的一种改造形式是在生物池中投加填料，一般我们称之为IFAS工艺，曝气池中既有活性污泥也有附着在填料之上的生物膜，当然也有回流污泥。而MBBR是没有污泥回流，生物池中以附着在填料上的生物膜生长为主，悬浮的MLSS很低。我们应该明确区分这两种工艺。IFAS或MBBR工艺主要是用于在占地面积较小或水温较低的情况下，在不显著增加池容的情况下实现稳定的硝化效果。
IFAS工艺有固定式填料和移动式填料，两种形式各有利弊，固定式填料改造起来相对简单，有的以框架的形式直接放在曝气池中，其他需要考虑的环节较少，但固定式填料容易滋生蠕虫，需要定期采取措施清除。下面这个图是北京某污水处理厂采用的固定式填料的IFAS工艺，改造后的效果很好。
移动式填料IFAS工艺的优点是填料的比表面积大，但设计不当会出现很多问题，比如填料流失、填料堵塞筛网、填料在池内角落堆积、曝气设置的问题等等，这些方面涉及很多工程细节，主要是生物池水力流态方面的问题，需要格外注意。
三、生化池优化设计
很多污水处理厂到了冬春季节，曝气池上都会产生大量的浮泥泡沫，严重的污水处理厂二沉池上全是浮泥，有的甚至大量翻泥，引起出水水质的严重超标，连现在的标准都达不到，就更不要说新的标准了。这种现象并非个别，在全国各地实际上是一种长期、普遍的现象，各地的污水处理运行同行深有感受.
很多年来我们一直对各地的这种现象进行分析和调查，实际上这种现象与污泥膨胀、低温有密切的关系，这些调查包括微生物方面的鉴定与水质方面的分析。我们发现在很多污水厂冬季出现的这种现象是Microthrix Parvicella(微丝菌)这种丝状菌的过度繁殖造成的，这种微生物在泥龄较长、生物脱氮除磷工艺、水温低于15度的环境中容易大量出现，这种情况和欧洲的很多污水厂类似。
而且微丝菌在泡沫中丰度远远比在混合液中的要高，一种务实的方法是选择性地将这些微生物排除出系统，排除的速率要比它的生长速率高，这样才能解决问题。所以需要对生物池进行优化的设计以控制这种现象的发生，首先需要在曝气池出口处进行挡板的设置，不能让大量泡沫进入二沉池，其次是需要在曝气池廊道的转弯处形成自由移动的表面，廊道的转弯开口不能只在水下，改造前后的效果很明显。
四、二沉池优化
二沉池是生物处理的关键，生物处理是在曝气池内完成，但最终水质的表现是在二沉池体现出来。但是很遗憾国内对二沉池的研究、优化并不特别重视，往往在二沉池之后再增加一个高密度沉淀池，形成沉淀+沉淀的单元堆砌，从逻辑上来说不是很合理，另外还有一些实际运行中存在的各种弊端。实际上欧美的污水厂很少有在二级出水之后用高密度沉淀池，一般都是用在一级处理方面，欧美对二沉池的优化非常重视。
二沉池优化的一个重要工具是CFD模拟，通过CFD的模拟可以对二沉池内部的流态进行科学的分析，从而采用有针对性的合理措施来改进其实际效果。
这是山东某污水处理厂的周边进水、周边出水的二沉池的CFD模拟，通过模拟发现，进水裙板的高度对二沉池的流态有重要的影响，加长了裙板以后，出水SS就会降低很多，把污泥层的界面也降低很多。
二沉池另外一个常见的现象是在出水槽外侧靠近池壁这一侧的SS比较高，而在内侧比较低，这其实是一种异重流的现象。对于已经建好的二沉池来说，通过CFD的模拟，在池壁上设置一定的水力挡板可以有效地改善这种情况，将上升的SS折回到池中心。对于这种所以有些情况，我们可以根据实际情况做一些水泥的挡板。
五、水力的优化
水力的优化实际上涉及的面比较多，这里仅从DO对厌氧、缺氧的影响、进水与回流污泥、混合液回流的混合、反应池部分区域的短流简单举两个例子。比如，在厌氧池设计的时候，往往是进水管、回流污泥口一起进入厌氧区，实际上比较好的做法设置一个混合区，让污泥与水进行充分的混合。另外，进水是要从底部、上部同时进，这样的话降低了进水带入的DO。
下面这个例子是一个多级AO工艺的污水厂，由于上一级好氧池的影响，在第二缺氧池、第三缺氧池的三分之一到四分之一廊道的DO在1毫克/升以上，这无疑会降低有效的缺氧池容，投加的碳源也会形成无谓的浪费。
针对这种情况，可以在上一级好氧区的末端做一个消氧区。因为水力问题通常涉及到具体的项目，情况也不完全相同，需要针对性地分析。
原标题:陈珺：污水处理升级改造的5个关键问题
