摘要：污水处理厂原规划控制用地指标多按照二级标准预留，随着国家“水十条”发布，加速了城镇污水处理设施建设与改造。污水、污泥、除臭等处理要求不断提高，在现有用地上，既要满足规划远期处理量，又要满足提标改造的需要，用地已是十分紧张。在这种情况下，占地面积小，处理能力强的三级处理工艺被迫切需求。
作者：姚崑（上海巴安水务股份有限公司，上海201716）
前言
水资源是人类赖以生存的最重要资源，然而随着我国经济的发展和人口的增多，水污染的加剧，水与人之间的矛盾更加突出，如何更好地利用水资源、保护水资源已经成为我们亟待解决的问题之一。城市污水处理厂作为污水处理的最重要的设施越来越受到人们的关注。充分发挥污水处理厂的作用才能有效地减轻水环境的压力，实现资源环境可持续发展。随着国家“水十条”发布，加速了城镇污水处理设施建设与改造。现有城镇污水处理设施，要因地制宜进行改造，2020年底前达到相应排放标准或再生利用要求。建成区水体水质达不到地表水Ⅳ类标准的城市，新建城镇污水处理设施要执行一级A排放标准。按照国家新型城镇化规划要求，到2020年，全国所有县城和重点镇具备污水收集处理能力，县城、城市污水处理率分别达到85%、95%左右。因此，城镇污水处理厂提标改造已刻不容缓。
1城市污水处理厂提标改造分析
为了避免城市污染处理水厂尾水成为新的污染源，必须加强对污水处理厂的出水指标控制。污水处理厂的进出厂水质主要与以下几个方面有关：
1.1与城市经济发展水平相关
不同的城市所在地域和经济发展水平不同，城市污染水的水质也不同。比如南方沿海地区和南方城市用水量比较大，污水浓度比较低；北方城市特别是西部地区的降雨少，用水量也相对比较少，所以污水的浓度比较高。工业比重较大的城市，工业废水排入地下水的浓度比较高，因此城市污染水的浓度也比较高。
1.2工业废水水质
按照我国制定的工业废水排放要求，所有排入城市污水下水道的水必须经过污水处理厂的处理，只有工业废水达到了排放标准，才能排到城市管网。但是目前我国城市工业废水排放的手段和管理制度还不健全。一些工厂，为了降低生产成本，工业废水不经过处理，直接排放到地下水道的现象时有发生。
1.3其它污染源
城市污水除了工业废水和生活污水污染源外，还包括垃圾处理厂填埋渗滤液、农牧业废水等等。
目前，我国城市污水厂提标改造主要是从原来的一级B标准提高到一级A标准，其主要的污染物指标削减如表1所示。
表1主要污染物削减量要求（单位：mg/L）
注：括号外数值为水温＞12℃时的控制指标；括号内数值为水温≤12℃时的控制指标。
通过表1可见，一级排放标准A标准中：①BOD5、NH3-N、SS、CODCr控制要求提高。②TN控制要求非常高，冬天水温12℃时仍要控制在15mg/L以下。③TP的控制进一步加强，由1mg/L降低到0.5mg/L。
对于以上BOD5、NH3-N、CODCr和TN指标可以通过对城镇污水厂目前普遍采用的二级处理工艺进行强化来进一步去除，但对于SS和TP必须采用三级处理工艺才能实现达标排放。以为常规的生物除磷很难使TP的去除达到0.5mg/L的限值，必须采用化学除磷；而为了不影响现有的生化工艺，化学除磷应考虑放在三级处理工艺中进行。此外，城市污水处理厂二级处理中常规重力沉淀也很难保证SS的稳定达标排放，因此也应考虑采用三级处理。
2城市污水厂提标改造工艺路线选择
城市污水处理厂提标改造前，需要结合各种因素，综合对比分析，明确改造的重点和难点，最后确定最终的提标改造工艺路线。a.应先充分理解现状及污水厂的原设计要点，包括原设计的进水指标，各工艺单元的主要设计参数；b.要全面了解污水厂现阶段的运行状况，主要出水指标数据分析，确定不达标指标有哪些；c.结合原设计及现状世纪运行情况，确定提标改造的工艺路线。
2.1二级工艺的改造方案
对于现状城市污水厂的提标改造可以分为以下几部分：一是对现状污水厂普遍采用的二级处理工艺进行改造，来强化处理效果；二是新建三级处理构筑物，来进一步去除污染物，进而做到达标排放；三是新技术膜生物反应器(membranebioreactor，MBR)的运用，MBR出水不需经三级处理即可实现达标排放和满足直接回用要求。
二级处理工艺的改造，主要是为了提高对BOD、COD、和氮磷的去除效果，因此改造的重点在于生化池。目前，城市污水厂的生化池采用的形式主要有A/A/O和氧化沟。因此对于生化池的改造主要有减荷增效和泥法-膜法联用。
2.1.1生化池减荷增效
在污水的生化处理中，根据活性污泥法的反应器理论[1]，当生化池进水污染物负荷降低时，能够有效提高微生物的去污效果，使出水中污染物的各类指标进一步降低。目前工程中通常采用的措施有：(1)进水的分流量减荷；(2)生化池的扩容减荷。
1)分流量减荷
当平面布置允许时，可以通过新建生化池来达到分流量，最终实现生化池负荷的降低。此方案最大的优点是不影响污水厂现有工艺的正常运行，大大降低了因改造而对污水厂带来的损失和不便，做到生产和改造同步进行。
2)扩容减荷
生化池的扩容主要是降低负荷，延长污泥泥龄和水力停留时间，进而提高生物处理效果。具体措施有：(1)扩大原有生化池的容积，其前提是必须有足够的场地；(2)把原有初沉池改造成生化池，初沉池对BOD5有20％～30％的去除率[2]，降低了进入生化池的BOD浓度，碳氮比的下降不利于脱氮。因此把初沉池改造成生化池，不仅有利于TN的去除，同时平面布置和高程衔接上也无任何困难。此方案最大的优点是充分利用了现有构筑物，做到了挖潜增效。
2.1.2泥法-膜法联用
在污水的生物处理中，主要有悬浮生物法，简称泥法（即常见的活性污泥法）和固定膜生物法，简称膜法。目前城市污水厂采用的主流工艺是活性污泥法，主要是固定膜生物法需要设置填料，而填料的费用一般较高。但是在微污染饮用水的生物预处理中，生物膜法已经得到广泛运用，并取得了显著的效果[3]。生物膜法的主要优点是生物量大，污泥龄长，抗冲击负荷，具有良好的硝化功能，尤其在低温季节，生物膜法的脱氮效果明显比活性污泥法要好。活性污泥法的优点是运行灵活，可靠，出水质量高，抗短时有机负荷和水力负荷能力比较强[4]。在城市污水厂的提标改造中，可以在原有生化池中设置填料，充分利用两者的优点，做到取长补短，优势互补。
1)生化池增设填料
生化池中增设填料就是在活性污泥曝气池中投加悬浮型填料作为微生物附着生长的载体。由于填料的加入，使污水处理机理和效能都大为改变。在这种系统中，微生物生存的基础环境由原来的气、液两相转变为气、液、固三相，载体表面的生物膜与液相中的悬浮污泥共同发挥作用，各自发挥降解优势，形成了一个更复杂的复合式生态系统。在复合系统中由于曝气的作用，悬浮状态和填料表面附着状态的微生物处于好氧状态，主要由去除有机物的异养菌和硝化、亚硝化菌组成。从填料表面的好氧区到填料的内部，由于受到氧转移的影响，形成中间兼氧区、内部厌氧区，存在兼性反硝化细菌，将硝酸盐氮转化成氮气，起到去除总氮的作用。
2)增设曝气生物滤池
曝气生物滤池(biologicalaeratedfilter，BAF)是将接触氧化与过滤工艺有机结合在一起的一种好氧生物膜法处理工艺。反应器内存在着不同的好氧、缺氧区域，可同步实现硝化和反硝化，对废水中的有机物、氨氮、磷等都有较好的去除效果，同时该工艺具有容积负荷高、水力负荷大、水力停留时间短、所需基建投资少、占地面积小、出水水质好等特点[5]。
2.2三级处理工艺的新建方案
三级处理工艺的新建主要是为了去除二级处理中不能有效稳定去除的污染物，如SS和TP。二沉池出水中的SS一般波动较大，很难达到良好的去除率；而TP的去除在二级处理中主要依靠生化池的生物效应，而冬季水温一般较低，单独的生物效应很难保证达标排放。为实现中水回用和达标排放的目的，二级处理出水必须进行深度处理。
2.2.1混凝-沉淀-过滤
混凝-沉淀-过滤是目前自来水厂采用的主流工艺，当用于污水三级处理时其各处理单元的主要作用有：混凝主要是：(1)澄清降浊；(2)化学除磷。沉淀主要是：减轻后续过滤单元的负荷，防止滤料阻塞，减少滤池反冲洗次数。过滤主要是：进一步去除水中的固体悬浮物，确保出水稳定达标。
2.2.2微絮凝-过滤
微絮凝-过滤就是原水加药混合经过絮凝后不经沉淀而直接过滤的工艺。当污水厂二级处理中SS去除效果较好，同时工艺运行稳定，但需要进一步有效除磷的，后续三级处理工艺可以考虑采用微絮凝-过滤。通过加药微絮凝过程使二级处理出水中溶解态的磷酸离子形成难溶性的磷酸盐，再通过后续的过滤单元得到进一步去除。本工艺减少了沉淀单元，使得工程造价减少，同时工艺流程简洁，运行简单。
2.2.3直接过滤
直接过滤就是二级处理出水直接通过滤池过滤。在污水厂二级处理出水水质较好，并能稳定运行，三级处理可以采用直接过滤。该工艺流程简单，运行费用节省。
从以上三种工艺可以看出：过滤单元是三级处理工艺的核心，是保障出水水质的把关措施。目前，过滤在实际工程中普遍采用V型滤池。V型滤池的特点是：过滤周期长，采用均质深层砂滤料，滤料层利用率高，截污能力强、滤速高、滤后水质好，反冲洗方式为气水反冲加表面扫洗，反冲洗强度小，节省冲洗水量和电耗，反冲洗效果好。此外还有翻板滤池和D型滤池，以及最近从国外引进的转盘过滤器和滤布滤池等。
2.3膜生物反应器(MBR)的运用
MBR[6,7]是将超、微滤膜技术与污水处理中的生物反应器相结合的一种新的污水处理装置。超、微滤膜截留活性污泥混合液中微生物絮体，使之停留在生化池内，使生化池内活性污泥浓度大大提高，并延长了污泥龄，极大提高了微生物对有机物的降解，同时超、微滤膜作为泥水分离单元，可以完全取代二沉池。MBR工艺适用于需要除磷脱氮，同时用地紧张，出水水质要求高或有回用要求的场合。目前MBR工艺的工程投资及运行成本还是相对较高，但随着膜材料研究的不断深入，MBR工艺也将更具有实用价值。
3城市污水厂提标改造困境及对策分析
3.1存在的困难和问题
3.1.1建设用地制约
污水处理厂原规划控制用地指标多按照二级标准预留，近年来，污水、污泥、除臭等处理要求不断提高，在现有用地上，既要满足规划远期处理量，又要满足提标改造的需要，用地已是十分紧张。随着城市发展的不断扩张，污水处理厂厂址从最初的城市边缘逐渐向城市中心靠拢，周边被民用、商用等各种建筑包围，污水厂周边新征用地不仅受到环保距离约束，拆迁也存在较大难度。在这种情况下，污水厂管理企业多被要求在原厂址范围内进行扩建、提标等建设任务，这无疑给设计、施工、运营带来了相当的压力和难度。
3.1.2建设、运营资金的增加
根据对江苏、上海等地提标改造典型工程的实地调查获知，深度处理常规工艺混凝沉淀池、滤池等处理单元，投资均在100元/吨水以上。以一个10万吨/天污水厂为例，从一级B提标至一级A，主要工艺采用生物池投加填料+混凝沉淀池+滤布滤池方案，则主要大型设备需要增加5000万元左右投资，运行成本也相应增加。
3.1.3技术瓶颈
（1）进水水质存在着较严重的工业废水冲击。原则上工业废水必须经过处理后达到“污水排入城市下水道水质标准”后才可纳入城市管网，最终进入污水处理厂。但由于目前我国对点源污染的管理体制和手段尚未健全，工业废水不经处理后直接排入城市下水道的现象屡有发生，因此在确定污水处理厂提标改造进水水质时，必须充分考虑该因素的影响。而根据几家城市污水处理厂主要污染物来源调查研究，经进水水质水量特性分析后发现，工业企业生产废水排放已经对城市污水处理厂进水水质和出水稳定达标产生了不同程度的影响，例如垃圾渗滤液等废水、重金属、有毒有害有机物、硝化抑制物和含氮杂环化合物（不可氨化有机氮）工业废水直接影响到微生物的生存。这些废水不加以禁止或者总量控制，对进水水质波动很大、对生物处理系统造成不可逆的影响，因此如果不加强污染物源头控制，污水处理厂升级改造想要达到预期目标很难得到保障。（2）进水有机浓度低（低碳源）特性。进水水质水量特性和出水水质标准的确定是污水处理工艺方案选择的关键环节，也是我国当前污水处理工程设计中存在的薄弱环节之一。调查结果表明，大多数情况是实际进水水质低于设计值，造成部分污水处理厂未进行升级改造前，大部分出水指标就己经达到要求，但同时由于进水有机污染物浓度（碳源）偏低，导致微生物缺乏营养基质，生物处理效果较差，脱氮除磷效果不理想，影响出水指标很难稳定达标。在目前国内污水厂升级改造过程中，进水低浓度已成为一个共性问题，在水质构成复杂或特殊时，有必要进行工艺动态试验或中试研究，否则即便选择合理的工艺，进水浓度偏低也将成为制约提标改造能否成功的关键因素之一。
3.2因厂而异，选择合适的工艺
目前国内污水厂提标改造生物核心工艺段采用生物脱氮除磷工艺以及膜生物反应器技术较多，而污水厂的提标改造一般包括水力改造、设备改造和工艺提标改造等，其中污水处理工艺升级改造是提高出水水质的关键。与新建污水处理厂不同，污水处理厂升级改造的工艺选择问题相对复杂，通常情况下要考虑三个问题：①尽量利用原有构筑物，投资少；②工艺运行可靠，灵活性强；③处理效率高，能耗低。就处理功能而言，生物脱氮除磷和膜生物反应器技术均可实现工艺升级改造的目的，但从运行成本、管理和节能等方面综合考虑，对工艺的选择仍是提标改造的关键所在。
4解决污水厂提标改造土地制约新方案
虽然目前的城市污水厂提标改造工艺路线中，常用的三级处理工艺可满足污水厂外排水对磷及悬浮物的要求，但土地制约问题突出，很多城市污水厂根本没有多余的土地去新建三级处理设施，在这种情况下，占地面积小，处理能力强的三级处理工艺被迫切需求。
4.1KWI气浮深度除磷新工艺（DephoPackTM）
随着污水处理的排放标准不断提高，要求排入重点流域及湖泊、水库等水域时，执行一级A标准总磷限值为0.5mg/L，甚至对于某些敏感水体如滇池，周边污水处理厂总磷限值达到了0.05mg/L，现有污水处理厂除磷技术不足以改善水质达到总磷限值标准。在这种情况下，污水厂的提标改造，需要通用以及稳定可靠、占地面积小、运行成本低的深度除磷工艺。来自于溶气气浮鼻祖奥地利KWI的浮滤一体化除磷工艺DephorPack™能够满足这三方面要求。
图1.KWI的浮滤一体化除磷工艺DephorPack™
环境工程工艺师开发出新工艺利用化学混凝絮凝、沉淀、过滤、浮选的组合机制可产生低于0.01mg/L的出水正磷酸盐(PO4-P)浓度，总磷浓度通常小于0.10mg/L。
4.2ItN陶瓷平板膜应用于MBR
与许多传统的生物水处理工艺相比，MBR具有以下主要特点：
一、出水水质优质稳定
由于膜的高效分离作用，分离效果远好于传统沉淀池，处理出水极其清澈，悬浮物和浊度接近于零，细菌和病毒被大幅去除。
同时，膜分离也使微生物被完全被截流在生物反应器内，使得系统内能够维持较高的微生物浓度，不但提高了反应装置对污染物的整体去除效率，保证了良好的出水水质，同时反应器对进水负荷（水质及水量）的各种变化具有很好的适应性，耐冲击负荷，能够稳定获得优质的出水水质。
二、剩余污泥产量少
该工艺可以在高容积负荷、低污泥负荷下运行，剩余污泥产量低（理论上可以实现零污泥排放），降低了污泥处理费用。
三、占地面积小，不受设置场合限制
生物反应器内能维持高浓度的微生物量，处理装置容积负荷高，占地面积大大节省；该工艺流程简单、结构紧凑、占地面积省，不受设置场所限制，适合于任何场合，可做成地面式、半地下式和地下式。
四、可去除氨氮及难降解有机物
由于微生物被完全截流在生物反应器内，从而有利于增殖缓慢的微生物如硝化细菌的截留生长，系统硝化效率得以提高。同时，可增长一些难降解的有机物在系统中的水力停留时间，有利于难降解有机物降解效率的提高。
五、操作管理方便，易于实现自动控制
该工艺实现了水力停留时间（HRT）与污泥停留时间（SRT）的完全分离，运行控制更加灵活稳定，是污水处理中容易实现装备化的新技术，可实现微机自动控制，从而使操作管理更为方便。
六、易于从传统工艺进行改造
该工艺可以作为传统污水处理工艺的深度处理单元，在城市二级污水处理厂出水深度处理（从而实现城市污水的大量回用）等领域有着广阔的应用前景。
传统的膜-生物反应器也存在一些不足。主要表现在以下几个方面：
o膜污染容易出现，给操作管理带来不便；
o能耗高：首先MBR泥水分离过程必须保持一定的膜驱动压力，其次是MBR池中MLSS浓度非常高，要保持足够的传氧速率，必须加大曝气强度，还有为了加大膜通量、减轻膜污染，必须增大流速，冲刷膜表面，造成MBR的能耗要比传统的生物处理工艺高。
与传统的有机聚合物MBR相比，ItN陶瓷平板膜应用于MBR主要有以下优势：
o不需要进行离线化学清洗（极少的人工和维护成本）；
o占地面积小，稳定的高质量产水；
o极长的工作寿命（大于20年）；
o高通量（35-60LMH）；
o较低的反洗频率和化学清洗频率导致很低的运行成本（节省超过50%）；
o在10年以上的运行后仍然可以通过反洗/化学清洗达到接近100%的通量恢复能力。
KWI的浮滤一体化设备用于城市污水厂三级处理工艺，不仅可以使尾水的SS及TP达标排放，由于占地面小，可满足于受土地制约影响的污水处理厂的提标改造；ItN陶瓷平板膜应用于MBR，不仅可以弥补传统有机聚合物MBR的不足，还可以使MBR的占地面积更小。当土地成为制约因素的时候，地价从30万到100万，mbr工艺代替二级和深度处理是有投资优势的。
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