郑兴灿：城镇污水处理厂提标建设之路

8月23日，在2018(第十届)上海水业热点论坛上，中国市政工程华北设计研究总院有限公司总工程师郑兴灿发表了题为“城镇污水处理厂提标建设之路”的主题演讲。

来源：中国水网   整理：洪翩翩

上世纪80年代至今，随着排放标准日趋严格，我国城镇污水处理厂迎来了一轮又一轮的建设和改造。究竟什么样的提标改造之路是真正适合中国国情的？值得水业同仁探讨。8月23日，在2018(第十届)上海水业热点论坛上，中国市政工程华北设计研究总院有限公司（以下简称“华北市政总院”）总工程师郑兴灿发表了题为“城镇污水处理厂提标建设之路”的主题演讲。

郑兴灿

以下内容根据郑兴灿现场发言整理，未经本人审核。

一、城镇污水处理厂污染物排放标准演变

郑兴灿介绍，纵观我国城镇污水处理厂污染物排放标准的演变，大致经历了以下几个时间节点：

1988年，我国最早的国家级城市污水处理厂污染物排放标准颁布，其核心指标是COD、BOD5和SS。1996年，在特殊时期下颁布了新版国标，但由于不同部门之间的争议较大，没有得到严格执行。2002年，《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)颁布，于次年正式执行。2006年，当时的国家环保部在太湖流域强制推行了一级A标准，经过十几年的发展，一级A标准已经无法满足一些地方的实际需求，北京、天津等地又相继出台了更为严格的地方标准。

整体来看，排放标准日趋严格，不仅核心指标递增，同时排放标准值也越来越严格，更重要的是考核还要求所有样品稳定达标。郑兴灿比喻，这好比考大学，不仅要求考上，还要求每门一百分才能毕业，无疑难上加难，这也导致了在现行的考核方式下，要达到一级A的排放标准，实际出水水质就需要达到所谓的准Ⅳ类水的要求。

二、城镇污水处理厂工艺技术发展

不同时期的排放标准对工艺技术的要求不同。郑兴灿表示，上世纪80年代的二级标准，主要是控制有机物，采用二级生物处理（CAS）即可达标，当时主要受工业废水和设备产品质量的影响。2002年的一级B标准，主要控制有机物和氮磷，采用常规的二级强化（BNR）工艺即可实现；到了一级A标准，实际上是达到再生水的基本水质要求，就需要采用二级强化（EBNR）加深度处理的工艺流程，此时对设计和运行管理提出了更精细化的要求。如今，北京、天津、太湖、滇池等地方标准相继颁布，污水处理开始面临超高排放要求，不仅要满足再生水的生产与综合利用，还需要通过处理水提高接纳水体的水环境容量，最终实现水环境质量的改善，为了稳定达标排放，进一步催生了膜过滤与反渗透、高标准除磷脱氮、化学高级氧化与脱色等工艺单元技术的工程应用。

三、城镇污水处理工艺构成与工程实施模式

大家有目共睹，这些年为了实现稳定达标排放，各种各样的城镇污水处理工艺技术和改造方法层出不穷，很难判断其优劣与适用性，但就工艺构成和实施方式来讲，所有的工艺过程都可以通过一条基本原则——主要去除目标是有机物、磷、氮来划分工艺类型。

郑兴灿提出，总体来看，污水处理厂工艺构成与实施方式主要包括如下几个重要因素：一是围绕去除目标来选择相应的泥龄，这是前提，比如去除有机物的泥龄一般为3天，氨氮的硝化需要7天，要达到一级A标准泥龄则需要15~20天。第二，电子受体的供给方式及分布，即厌氧、缺氧，好氧在时间和空间上的分布状态，这是核心工艺组分。第三，污泥产率，它对系统影响也非常大。此外，反应池流态、典型曝气设备的选择、固液分离方式，以及业主的偏好等方面的选择都是工艺实施的重要构成部分。

总结起来即为：“泥龄是前提、分布是核心、产率是关键、流态是要素、实施是选择、选择是偏好。”

四、适合我国城市污水的改良A2/O工艺示例

实际上，我国的城镇污水特征具有中国特色，因此，很多国外的技术在引进来时并不适应中国国情，比如对于传统的A2/O生物除磷脱氮工艺来说，我国城镇污水的C/N偏低、回流污泥硝态氮偏高等问题就会明显影响生物除磷脱氮效果，因此需要进行本土化改良。

1.多点进水回流污泥反硝化改良A2/O除磷脱氮工艺

郑兴灿表示，随着这几年的发展，尤其是一级A提标改造浪潮来临之后，当前的我国的A2/O工艺已经针对我国城镇污水的特点进行了一系列的改良，演变成了确有成效且较为复杂的系统，但他认为，适合我国城市污水处理工艺改良的关键一点还是在于如何实现多点进水和多点回流。以下为上世纪80年代末开发的多点进水回流污泥反硝化改良A2/O除磷脱氮工艺的具体流程，上世纪90年代开始得到较为广泛的应用：

2.城镇污水处理厂高标准除磷脱氮工艺流程示例

会上，在多点进水回流污泥反硝化改良A2/O除磷脱氮工艺的基础上，郑兴灿还详细介绍了华北市政总院在城镇污水处理厂高标准除磷脱氮工艺改良上的探索和实践，并给出了具体示例。先看示例的整体流程图，如下：

郑兴灿介绍，针对高标准的脱氮除磷要求，一方面，工艺在前端设置了超细格栅处理，提高了后续单元运营的稳定性和可靠性。二来，还增加了初沉发酵池来强化无机悬浮固体的去除，这类工艺十几年前在国外污水处理厂已经得到关注，近几年国内也开始慢慢重视。他表示，实践中发现，在碳源不足的情况下，仅仅改变A2/O工艺本身，总氮不能达到5~6mg/L的水平，因此需要考虑外加碳源，同时，还在原先系统上增加了短停留时间的后续缺氧池和好氧池，这样只要出水总氮不是不低于5mg/L的要求，基本都可以实现。值得注意的是，高标准脱氮除磷工艺改良的一个基本原则是，氮磷的去除尽量在生物处理段解决，而不是在后续的深度处理段。

郑兴灿特别强调，一个技术在不同的情景下，它可能适用的范围会发生很大的变化。比如，如果要达到一级A标准，滤布滤池是一个很好的技术选择，水头损失小、占地面积小、能耗非常低，但如果要求SS稳定达到5mg/L以下，总磷稳定达到0.3mg/L以下的话，该技术就可能不太适合。对于COD的去除也是一样。一些污水处理厂难生物降解的COD用臭氧氧化非常管用，但也并不是所有的都管用，活性炭对于一些工业废水管用，对于另一些也会失效。不过值得一提的是，由于臭氧氧化技术既可以去除COD，又可以去除色度，同时也是新兴非常规污染物去除的一个非常重要的途径和方法，郑兴灿建议，如果有一定的条件，大部分的污水处理厂可以将臭氧氧化作为消毒措施或者进一步氧化的标准配置。

 对于工艺改造的原则，郑兴灿总结为一句话，即“先源头控制，后强化处理；先运行优化，后工程改造；先生物强化，后物化辅助”。他表示，对于新一轮的提标改造而言，需要优先考虑投资问题，树立优化运行的概念。例如，当现有的工艺系统能够按照一级A标准稳定运行的话，如果要提升到新的、更高的标准，比如总氮要达到10mg/L以下、总磷要0.3 mg/L以下时，适当增加投药量和碳源的投加量等优化运行的方式即可解决，不需要工程改造或增加设施。而对于一些小型的SBR系统，尤其早期建设的系统，改造的费用可能远大于推倒重来，此时多个厂合并可能是更合适的方法之一。每个厂的情况不一，有通用的法则，也要因地制宜，切实实际。

五、我国城镇污水特有的复杂水质特征及主要成因

会上，郑兴灿还总结了我国城镇污水特有的五大特征，包括：

一是低碳氮比C/N，即BOD5/TN明显偏低。碳源40%以上的缺失是因为化粪池，15%以上则由于污水管网的漏损，合计可达到50%以上。

二是泥沙含量高，即SS/BOD5明显偏高，泥沙主要来源于清洗加工、土壤流失、泥浆、地表废弃物、沙尘沉降、河水倒灌等。

三是冬季低温，尤其是长江下游区域。成因主要是季节性气温变化、地表水供水水源、淮河以南冬季无法定的供暖服务等。

四是由于用户用水差异、工业影响等导致的进水水质水量波动。

五是由于工业废水的管控失灵导致预处理未达标、非法排放等对污水处理厂进水水质产生影响。

六、生物脱氮除磷效果的关键影响因素及改进措施

郑兴灿给出了我国城镇污水C/N的具体数据。他表示，通过全国的数据分析可知，我国城镇污水C/N普遍低于4，而发达国家则高于5，这是国内外水质的本质差别。严重的碳源不足导致除磷脱氮效果不理想。

郑兴灿提到，我国很多污水处理厂的SS/BOD5比值在2左右，是发达国家的1.5~3倍，污水泥沙惰性悬浮固体含量高带来了大量的泥沙沉淀。而随着进水SS/ BOD5比值的上升，污泥产量明显上升，污泥活性的明显下降，我国正常的污泥活性是欧美国家的一半。因此，对泥沙的控制是关键因素之一。

从生物除磷角度而言，优质碳源浓度及比例是生物除磷能力的关键影响因素，然而现实情况中由于回流污泥硝酸盐、低pH、过度曝气等原因，生物除磷能力遭到了破坏，所以可以通过增强反硝化除磷，节省碳源和能源消耗，但存在较明显的地域差异。

另外，完全硝化系统是保障系统稳定运行的关键因素。郑兴灿指出，污水生物脱氮受完全硝化能力和反硝化能力的保障与功能的均衡、所需的C/N及碳源优化配置等多重因素的影响。

郑兴灿表示，目前，有些设计院还是按照硝化速率来设计，这是错误的。系统的硝化能力与泥龄、温度有关，与硝化速率无关。硝化速率的高低和进水的C/N相关，另一方面，C/N是反硝化能力的决定性因素，而碳源构成是影响反硝化速率的最主要因素，合适的C/N和碳源质量，带来快速的碳源和反硝化反应，而C/N严重不足的条件下，设计得再好，也解决不了问题。

污水生物脱氮的关键控制因素

下图为实际测定的反硝化反应的三个不同速率阶段，初始10分钟左右去除6mg/L的硝酸盐，之后60多分钟再去除6mg/L，然后是缓慢的反硝化，约4个小时再去除6mg/L，可以看出，在很多工艺系统中，大部分时间反硝化速率处于很低的阶段，有些设计人员认为可以通过无限增加泥龄的方式来解决总氮去除率提升的问题，但实际上，缺氧端每增加1小时的停留时间，总氮的去除仅能增加1mg/L左右，考虑到硝化菌和反硝化菌之间的均衡，真正需要的时间可能是2小时。两个小时的停留时间才增加1mg/L，从投资和运行成本来讲，还不如适当的投加外部碳源，因为每去除3mg/L左右的总氮，碳源费用大概是0.1元。

另外，郑兴灿还提到了最近几年用得比较多的悬浮填料强化硝化工艺系统，他表示，该工艺可以突破非曝气污泥量比值的限制，解决冬季低温运行问题的同时提高反硝化能力。

七、城镇污水处理厂工程应用实例

1.天津纪庄子污水处理厂&津沽污水处理厂

天津纪庄子污水处理厂是华北市政总院设计的我国第一座大型二级处理厂，后因城市发展需要于2015年关闭迁建，目前变身为天津津沽污水处理厂。郑兴灿介绍，该污水厂现在执行一级A标准，很快将提标至天津地标，也就是所谓的准Ⅳ类水标准。同时，该厂周边还建成了再生水厂和污泥处理厂，实现了高等级再生水的利用和污泥的资源化能源化。

2.无锡芦村污水处理厂

无锡芦村污水处理厂是华北市政总院设计的我国首座采用一级A标准的污水厂。郑兴灿介绍，作为首座采用一级A标准的改造工程，芦村污水处理厂采用了改良的A2/O+IFAS/MBBR。该厂最早使用的活性污泥法，后改造成A2/O，目前使用了改良A2/O+国内首个大型IFAS/MBBR系统，并设置了初沉发酵池。该厂不仅实现了冬季氨氮的达标，同时，在碳源的投加下实现了总氮的达标。至今，该工程已稳定运行10年，非常成功。

3.地埋式污水处理厂: 太原晋阳

上图为太原晋阳地埋式污水处理厂。郑兴灿表示，地下厂运行的稳定性和灵活性调控非常关键。

4.宜兴污水资源概念厂-生态综合体

宜兴污水概念厂是我国第一座面向2030～2040年的城市污水概念厂，该厂以“水质永续、能量自给、资源回收、环境友好”为目标，目前正在工程设计中。

郑兴灿表示，希望通过大家共同的努力，不断探索我国城镇污水处理工艺向着更生态、更强化生物作用、能耗更少，同时可以实现非常规污染物去除的方向发展。

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编辑 | 李艳茹、洪翩翩

统筹 | 谷林