东莞市污水处理厂升级改造工艺路线初探
摘要:针对东莞市38个污水处理厂的实际情况，通过对目前城市污水处理厂常用的二级处理工艺进行技术升级改造时可能采用的深度处理工艺技术的综合分析比较，推荐了NPR、CNR、人工湿地三种工艺作为尾水的深度处理备选技术，提出了东莞市污水处理厂升级改造应优先采用CNR工艺，并可为我国不同地区、不同发展时期满足不同的水质需求进行污水处理厂工艺升级改造提供技术支持。
关键词:东莞市;污水处理厂;升级改造;污水深度处理
1 东莞市城市污水处理厂概况
2005年以来，东莞市大规模地建设了城市污水处理厂。目前全市的30多家城市污水处理厂普遍采用的工艺为A2/O、氧化沟和CASS。污水处理厂出水水质均采用《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918- 2002）中的一级B排放标准。虽然这些污水处理厂投入运行后明显地缓解了东莞市河涌的污染状况，但是按一级B标准排放的尾水水质仍远劣于地表水Ⅳ类水质标准。在非雨季，东莞市内的多条河涌和多个水库的主要补充水源是城市污水处理厂的尾水。这些河涌的水质一般要求达到地表水Ⅳ或Ⅲ类标准。而城市污水处理厂排放的尾水属于低碳源、高氮磷污水。在这种情况下，由于河涌和水库的补充水水质很差，造成水体富营养化的风险极大。特别是东莞市的工业十分发达，还会有工业废水排入市政管网系统，这就导致了污水处理厂尾水中必然含有重金属等有毒有害物质，带来了新的地表水污染隐患。尤其是作为备用水源的一些水库，水质受尾水的影响将会更大。因此东莞市面临着污水处理厂技术升级改造的问题。
东莞市面临的城市污水处理厂升级改造的问题在全国普遍存在。目前我国各大城市都建设了城镇污水处理厂及截污管网，但是根据中国环境监测总站《2008年全国环境质量状况》的数据，在我国七大水系197条河流的 407个水质监测断面中，靠近城市附近的河流水质普遍最差。这是由于我国的很多城市污水处理厂在建设时，出于节约投资的考虑，普遍采用较低的排放标准，使得排放的尾水中的氨氮、总氮、总磷等指标高出地面水环境质量标准10～20倍。另外，我国很多受纳水体的生态系统已经遭到破坏，水环境容量很小，自净能力很差或完全丧失，不能有效地自净污水处理厂尾水中的污染物，很容易造成水质恶化。因此污水处理厂的升级改造就十分必要，应尽快研发出适合于我国污水处理现状的投资少、见效快的工艺提升改造技术。
2 国内污水处理厂升级改造采用的传统工艺
2.1 普遍采用的传统工艺及升级改造
2.1.1 混凝沉淀过滤工艺
（1）混凝沉淀过滤工艺特点
混凝沉淀过滤工艺主要能有效去除污水中呈胶体和微小悬浮状态的有机和无机污染物。从表观而言，就是能够有效去除污水的色度、浊度及磷。混凝沉淀过滤只可以少量地除污水中的一些有机物，但不能去除水中溶解的有机物及氮。
采用混凝沉淀过滤工艺的关键是混凝剂的选用，通常要通过试验筛选出合适的混凝剂和确定投加剂量。如要利用混凝法去除污水中的有机物就必须大量投加混凝剂和絮凝剂。
（2）作为升级改造工艺的优缺点
以采用A2/O工艺的污水处理厂升级改造为例，升级改造采用混凝沉淀工艺，改造后工艺流程见图1（图中虚线框部分为工艺升级改造部分）。
根据混凝沉淀过滤工艺的特点，该工艺可以很好地去除SS及磷，但对氮及溶解性污染物的去除效果较差。特别是采用混凝沉淀作为深度处理技术时，工艺流程较长，工程投资成本较高；工艺操作过程复杂、维护管理工作量大；由于混凝剂的使用量大，还会产生大量的含水率很高的污泥，给污泥处置带来很大困难，同时还会明显增加处理成本、提高运行成本。
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| 图1 A2/O+混凝沉淀过滤工艺流程 |
2.1.2 BAF（生物滤池）工艺
（1）生物滤池工艺
生物滤池底部设有进水管和排泥管，中上部是填料层，填料顶部装有挡板并安装有出水滤头。其内设有回流泵用以将滤池出水回流到滤池底部实现反硝化。置于填料层内的空气管用于曝气供氧。生物滤池上部为好氧区，下部为缺氧区。污水处理厂二级处理出水与经过硝化后的滤池出水按照回流比混合后通过滤池进水管进入滤池底部，并向上首先流经填料层的缺氧区进行反硝化。填料上的微生物利用进水中的溶解氧和反硝化过程中生成的氧降解BOD，同时，SS被填料及其上面的生物膜吸附截留在滤床内，NH3-N发生硝化反应。流出填料层的净化水通过滤池挡板上的滤头排出滤池。选择生物滤池工艺对采用氧化沟工艺的污水处理厂进行升级改造，改造后工艺流程见图2。
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| 图2 氧化沟+BAF 工艺流程 |
（2）生物滤池工艺的优点
1）采用生物滤池对污水处理厂的二级出水进行处理的优点是在去除SS的同时还可以有效地去除污水中的溶解性有机物和氮；2）生物滤池内生物量大，处理负荷高，水处理构筑物容积小，占地省；3）出水水质稳定，品质优良。
（3）作为升级改造工艺的缺点
1）生物滤池对进水SS的要求较高，理论上应保证 SS低于100mg/L以下，实际应低于60mg/L，否则会堵塞生物滤池，很难正常运行；2）生物滤池工艺水头损失大，进水出水升级改造部分二级出水 BAF 沉淀池氧化池消毒池二沉池格栅间图2 氧化沟+BAF 工艺流程动力消耗大，造成运行成本增加；3）生物滤池工艺由于必须定期进行反冲洗，当多池并联运行时，必须自动化控制，导致维护管理工作量大，维护成本增加；4）工程投资较大。
2.1.3 MBR工艺
（1）MBR的结构及工作机理
MBR是一种将污水的生物处理和膜过滤技术相结合的高效废水生物处理工艺。它把膜分离技术和生物技术结合起来，采用膜组件取代常规二级生化处理工艺中二沉池、砂滤、消毒等单元，用超（微）滤膜对曝气池出水直接进行过滤。
常见的一体式MBR的结构如图3。将膜组件直接置入生物反应器内，曝气器放在膜组件的下面，通过真空泵进行抽吸，得到过滤液。MBR作为污水经二级处理后的深度处理工艺流程见图4。
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| 图3 一体式MBR结构示意 |
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| 图4 A2/O+MBR工艺流程 |
（2）MBR作为升级改造工艺的优缺点
MBR工艺的主要优点是：1）对悬浮物去除率高，抵抗污泥膨胀能力强，出水水质稳定，而且可去除部分细菌、病毒，是一种对原水处理后不必消毒的工艺；2）实现了悬浮固体停留时间（SRT）和水力停留时间（HRT）的彻底分离，运行控制更加灵活、稳定，易于实现自动控制； 3）由于膜组件对混合液的高效分离，活性污泥几乎没有流失，大大提高了曝气池中活性污泥的（MLSS）浓度， MLSS可达到10～20g／L（好氧型），比传统的MLSS浓度高出近10倍，提高容积负荷，设备占地省；4）SRT延长，有利于增殖缓慢的细菌生长（如硝化细菌），可使硝化细菌在曝气池内积累，从而提高系统的硝化能力，还可以提高难降解有机物的降解速率；5）剩余污泥产生量少，污泥处置费用较低。
MBR工艺的主要缺点为：1）对悬浮物、有机物等的去除效果较好，但是对N、P的去除效果不够理想；2）由于膜生物反应器的寿命较短，膜更换成本高，造成设备的维护费用较高；3）膜易污染，造成堵塞，必须定期采用化学药品清洗，导致操作过程复杂，运行成本升高；4）膜组件在运行时，为了保证膜表面不易被生物污染或堵塞，必须保证高的汽水比（汽水比一般需25:1），这样造成了能耗升高，水处理成本增加。
综上所述，我国目前对污水处理厂出水深度处理采用的这些常规工艺技术，无论在操作运行管理，还是在工程投资，处理成本方面都不够理想，因此，开发更为经济有效的污水深度处理工艺技术具有十分重要的意义。
3 未来可能工程化应用的新技术
3.1 NPR工艺技术
（1）NPR工艺机理 NPR技术是A2/O与BAF工艺技术的有机结合。该工艺的特点是高效地解决了脱氮除磷问题。NPR工艺可分为两个主体生化段，第一主体生化段设置有厌氧段、缺氧段和好氧保持段三部分，与A2/O基本相似。污水在厌氧段释放磷、部分有机物进行降解，在缺氧段进行反硝化脱氮，同时去除大部分有机物。好氧段为氧保持段，不进行硝化反应，只进行部分有机物降解。好氧段出水经二沉池沉降处理后，进入第二主体生物段。该段安装有新型生物填料，对污水中的有机物、氨氮、磷进一步吸附和生物降解。生物滤池出水一部分排放，另一部分回流到前置的缺氧反应池中进行反硝化。二沉池产生的污泥一部分回流到厌氧段，另一部分剩余污泥排出系统后进行脱水处理。在NPR工艺中，大量的有机物在缺氧段被去除；好氧段曝气时间仅为A2/O工艺曝气段的1/5～ 1/4，短时间的曝气不产生硝化反应，仅去除剩余的部分有机物；由于好氧段曝气时间缩短，污泥龄短，排出的污泥中含磷量高，可以明显提高系统对磷的去除率。其工艺流程见图5。在NPR工艺中，生物滤池内无需设置缺氧区，仅设置好氧区，这样其操作过程以及施工安装都极其简单。
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| 图5 NPR工艺流程 |
（2）NPR技术优点
1）NPR工艺好氧段与A2/O的好氧段完全不同， NPR工艺中好氧段实质上是溶解氧的保持段，水力停留时间仅为A2/O工艺的1/5～1/4，容积很小，相应减少了占地面积及工程造价；2）NPR工艺中好氧段由于不进行硝化，混合液中硝态氮很少，因此，在二沉池中几乎没有反硝化发生，也不产生N2，这样改善了污泥的沉降性能，使污泥不易上浮，二沉池表面负荷也可明显提高，水力停留时间缩短，池容减小，出水中SS降低； 3）NPR工艺中由于二沉池分离出的回流污泥中不含硝酸盐和亚硝酸盐，当其回流至厌氧段后，无氧的释放过程，从而容易形成良好的厌氧过程，提高了回流污泥中微生物对磷的释放效果，也同时改善了好氧段聚磷菌对磷的摄取作用。特别是NPR工艺中污泥龄很短，污泥产出率相对提高，这样大大提高了磷的去除效果。根据实际工程应用结果，总磷去除率可达到80%以上；4） NPR工艺是A2/O工艺与BAF工艺相结合的产物，二沉池出水中SS浓度一般可低于40mg/L。这样就保证了BAF进水中SS浓度低于60mg/L的要求，有效地避免了生物滤池堵塞问题，同时NPR工艺又充分利用了生物滤池中可以内装对NH3-N具有吸附作用的滤料，生物量可以提高， NH3-N硝化过程可以强化，有利于对污水进行深度处理，从而保证了出水的品质。一般而言可以使出水水质达到中水回用水平，与传统的三级处理工艺相比（二级生化，一级物化）大大缩短了工艺流程，省去了混凝加药过程，大幅度地降低了污水处理成本；5）在NPR工艺中，NH3-N的硝化过程是在后置的生物滤池中完成，硝化液回流到前置的缺氧段中；这样省去了典型的BAF工艺在生物滤池中设置缺氧层进行反硝过的复杂过程，简化了操作，提高了脱氮效果，根据实际运行结果，总氮去除率可达到90%以上；6）虽然NPR工艺中在二沉池之后增加了生物滤池，在选用专用填料的条件下，其水力停留时间仅为1.5～2h。全流程总的水力停留时间为 4～5h，与传统A2/O工艺相比，池容积并未增加，只是空间上进行了分割，构筑物增加了一个，并未增加工程投资与运行成本。这样在支付了A2/O二级处理效果成本的条件下却得到了三级处理的高品质用水；7）NPR工艺中硝化液从生物滤池回流到缺氧段，与A2/O工艺中硝化液从曝气池末端回流相比，并不增加投资和动力费用；8）NPR中硝化液回流后，二沉池系统应增加水力负荷，但是由于进入二沉池的污泥沉降性能改善，表面负荷提高，二沉池的容积几乎不增加。因此，NPR工艺的工程投资、运行成本费几乎与A2/O相同，但其出水水质比A2/O大大提高。
（3）NPR技术的缺点
1）生物滤池工艺部分的水头损失大，动力消耗大； 2）生物滤池工艺部分由于必须定期反冲洗，当多池并联运行时，必须自动控制，导致维护管理复杂。
（4）NPR技术的应用前景
根据实验研究结果以及对国外已运行工程的实地考察分析，NPR工艺是由两个在我国已经长期运行成熟的工艺有机组合形成的新工艺，其工程应用比较成熟可靠。NPR工艺与传统的活性污泥工艺相比，在同等的投资费用和运行成本条件下，可以直接将城市污水处理成回用水水质，生物除磷效果可以提高2倍以上，脱氮效率可以提高50%～70%。因此，NPR工艺在我国具有广阔的应用前景。
3.2 CNR（纤毛状生物膜脱氮除磷）工艺
（1）CNR技术简介
CNR技术是在活性污泥法好氧池中通过使用有选择性吸附NH4+离子能力的纤毛状生物填料增加好氧池中总生物量（主要是硝化菌类），达到强化生物深度脱氮除磷的一种新型的工艺技术。作为一种适宜于对现有污水处理厂进行改造的强化工艺，因其简单易行，可以广泛地应用于需要污水深度处理的工艺技术改造中。
CNR工艺在好氧池中填充有高效纤毛状生物膜填料。这种纤毛状生物膜填料能有效地固定增殖速度较慢的硝化微生物，可明显提高硝化反应速率。在装填有这种填料的反应池中，依靠附着微生物和分散的浮游微生物提高污染物的去除效率。微生物在纤毛中具有优良的附着和脱落能力，不易产生堵塞现象。纤毛状生物膜填料见图6，CNR工艺流程见图7。
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| 图6 纤毛状生物填料微生物附着示意 |
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| 图7 CNR工艺流程 |
（2）纤毛填料的特点
1）改良的直毛状生物填料比表面积大（1000m2/m3以上），附着的生物量多，处理效率高。因此水力停留时间短；工程投资省；2）微生物容易挂膜、脱膜，无堵塞现象，不需要反冲洗，维护和管理简单容易；3）耐久性强，10年不用更换；4）具有对NH4+强吸附能力；硝化能力强，脱氮率高。
（3）CNR工艺的优点
1）抗冲击能力强，出水水质稳定。其抗冲击负荷强的优势主要来自以下几种作用：纤毛状生物膜中大量附着的微生物和大量分散浮游的微生物的协同作用，保证了稳定地高效处理各种污水及其耐冲击能力；纤毛状生物膜的生物种群和水膜作用，在低水温（7℃～10℃）环境下，仍能保持高的处理效率。
2）用于污水深度处理工程的投资少，运行成本较低。其经济优势主要来自以下几方面：停留时间短（HRT≤6h），因此需要的水处理构筑物占地面积小，工程投资少；由附着微生物膜内部的缺氧区域产生反硝化作用，不需要大量的硝化液回流，与其他工艺相比，对于污水深度处理不会明显增加动力消耗，从而减少了运行成本；由于这种工艺排出的污泥中磷含量明显增加，提高了生物除磷效果，与需要化学除磷的其他工艺相比，节约了运行成本。
3）CNR工艺用于处理污水时，附着在填料上的微生物和后生动物的协同作用会引起有机物的深度氧化，与常规处理工艺相比，可使污泥产生量减少20%～30%。
4）CNR工艺操作方便，维护管理简单。CNR工艺与 A2/O工艺全部为连续流，不需要反冲洗过程，因此操作过程十分简单；直毛状纤维生物膜具有比表面积大、耐久性强的优势；而且具有挂膜容易、脱膜快的特点，无堵塞现象，不需要经常更换，减少了维护工作，也降低了运行成本。
（3）CNR技术的缺点
该填料目前仍在国产化阶段，因此需要从国外进口才能满足国内市场需要。
（4）CNR技术的应用前景
根据实验研究结果以及对国外已运行工程的实地考察分析，CNR技术工程应用已经比较成熟可靠。CNR技术用于污水深度处理，具有明显的优势。特别是CNR技术用于二级污水处理厂升级改造时与传统的其他工艺相比，基本上只需在好氧池中增设填料，在工程投资很少（300元/m3）以及运行成本与二级污水处理成本相差不多的条件下，就可以直接将城市污水处理成回用标准水的水质，生物除磷效果可提高2倍以上，脱氮效率可提高50%。因此，CNR工艺技术在我国具有广阔的应用前景。
3.3 人工湿地
（1）人工湿地技术简介
人工湿地技术是由人工基质、水生植物和微生物组成的水处理构筑物。人工基质为微生物的生长提供了稳定的依附表面，为水生植物提供载体。人工湿地通过一系列的物理、化学、生物的作用净化污水。水生植物除直接吸收、富集、利用污水中的有毒有害物质外，还有输送氧气到根区和维持水力传输的作用；微生物的代谢作用是污水中有机物降解的主要机制。
人工湿地曾用于直接处理生活污水，但由于易发生堵塞等问题，导致处理效果不好。目前普遍认为人工湿地技术适用于处理低浓度、微污染的含有易降解有机污染物的污水。也适用于处理污水处理厂排出的尾水，也就是说可作为污水处理厂升级改造的备选技术。近几年来，人工湿地技术在我国得到迅速发展，也被大量用于地表水体的修复。
（2）人工湿地技术的优点
1）工程投资较少；运行成本较低；2）在进行污水处理的同时还可增加绿地面积，改善生态环境，具有良好的景观效果；3）人工湿地植物不仅能净化污水，收割后还有较高的利用价值，能够带来一定的经济效益； 4）工艺过程简单，运行维护方便。
（3）人工湿地技术的缺点
1）占地面积较大；2）容易发生堵塞。作为污水处理厂升级改造的后续工艺时，要求污水处理厂出水的SS浓度不能太高，以防止人工湿地堵塞；3）要求适宜的自然气候条件，比较适用于南方地区，不适合北方寒冷地区使用。
（4）人工湿地技术的应用前景
目前，我国绝大部分污水处理厂的尾水都是直接排入地表水体中。即使排放的尾水水质达到一级A标准，也不能满足地表水体的水质要求。尤其是尾水中氮磷浓度较高，已成为排入地表水体的约束指标。采用其他工艺技术削减这种低浓度的氮磷都不经济，人工湿地工艺则更为适宜。为了防止污水处理厂尾水排入地表水体后造成的富营养化，采用人工湿地工艺是一个行之有效的工程技术手段，因此人工湿地工艺在我国污水处理厂排放的尾水深度处理中具有广阔的应用前景。
4 东莞市污水处理厂升级改造技术路线
东莞市绝大部分污水处理厂排放的尾水都直接进入东莞运河或其他河涌，这些尾水水质远劣于地表水水质的要求，尤其是作为备用水源的一些水库，水质受尾水的影响将会更大。因此东莞市面临着污水处理厂技术升级改造的问题。
鉴于东莞市几十座污水处理厂绝大多数采用的都是 BOT的建设模式，基本采用了A2/O、CASS、氧化沟三种工艺，地表水体的水质要求应优于Ⅳ类水质。特别是考虑到污水处理厂升级改造的经济成本，为了尽可能减少政府经济负担，对于这些污水处理厂升级改造技术方面最为有效、经济方面最为节约的工艺应是CNR工艺技术。这种工艺只需在原有工艺的好氧反应池中安装特种生物填料，在其后加一个过滤设施即可达到一级A的出水标准。处理每吨水的技改工程总投资不超过500元，运行成本不超过0.2元。
5 结论
（1）鉴于目前东莞市污水处理厂排放的尾水普遍是一级B标准，而这些排放的尾水又是东莞运河的主要补充水源，这种尾水的水质与东莞运河地表水的水质要求相差甚远，从而使东莞运河面临水体富营养化及水质不能达标的风险，因此，对这些污水处理厂进行升级改造使其排放的尾水水质满足东莞运河或水库受纳水体的要求十分必要，势在必行。
（2）通过对目前国内污水处理厂升级改造普遍采用的传统工艺以及目前新开发的在未来具有广阔应用前景的几种工艺的综合分析比较发现，CNR工艺具有技改工程投资少、运行成本低、操作管理方便的优点，而且已经有十多座污水处理厂改造运行的经验，对于污水处理厂的升级改造具有较多的优势；NPR工艺对于新建污水处理厂要求直接将污水处理成一级A或回用标准的污水处理工程更为适宜；人工湿地更适用于对污水处理厂排放的尾水进行更高标准的深度处理。
（3）鉴于东莞市污水处理厂采用采用CNR工艺具有技改工程投资少，运行成本低，操作管理方便的优点，东莞市城市污水处理厂的升级改造应优先选择CNR工艺。
（4）东莞市是一个被水污染严重困扰的城市，在全国具有代表性和典型性，同时东莞市具有较强的经济实力，应当积极推动城市污水处理厂升级改造，为东莞市水环境的彻底改善奠定基础，为全国的水污染防治积累更多的经验。
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