摘要：本文討論了在城市污水處理廠提升泵房、沉砂池、二沉池和污泥消化池的設計與運行中的幾點經驗。同時對脫氮除磷工藝的選擇以及污泥的處理與處置提出了幾點建議。
關鍵詞：污水處理廠；設計與運行；脫氮除磷；污泥處置
1 提升泵房的設計與運行
提升泵房的電耗一般占污水處理廠總電耗的10%～20%，是污水廠節能的重點。提升泵房的節能首先要從設計入手，尤其是水泵的選型要科學；在實際運行中也要使水泵常在高效區運行，科學合理地創造最佳運行工況。
1.1 污水提升泵的選型應以平均時低水位確定水泵的揚程
在常規設計中，一般取極限最低水位和最高水位作為確定水泵揚程的選型依據。這就造成除在最低水位以外的絕大多數工況下，實際揚程低于設計揚程，導致水泵的運行工況在平時大部分時間里都偏離水泵運行的高效區以外，從而水泵運行效率較低，造成能量的浪費。更有甚者，如果按最低水位和最高水位確定水泵揚程所選水泵的所配電機的運行功率隨水泵實際流量的增大而升高的曲線時，由于在平時的運行中水泵的實際揚程比設計揚程小，固其實際流量增大，由此引起電機的實際運行功率上升而超負荷運行，從而導致電機的經常跳閘停機，這種頻繁的啟停對于電機和水泵造成極大的損壞。如圖1所示，實線表示選定的型號及參數，箭頭表示實際運行情況。
所以必須采取科學的水泵選型方法，在設計和運行中總結出的經驗如下：
（1）以平均時低水位作為確定水泵揚程的選擇依據，再以極限最低水位對其校核，如此則能滿足實際需求，且能保證水泵在其高效區范圍內運行，節省能耗（一般污水處理廠的提升泵房后為沉砂池，其水位相對恒定，所以提升泵的揚程取決于提升泵房集水井的水位）；
（2）選擇功率曲線比較平緩的全揚程水泵，這樣可以保證在實際揚程與設計揚程不符時電機仍能正常運行，避免頻繁啟停對電機和水泵的損害，并節省能耗（電機和水泵的啟動電流遠大于正常運行時的電流）。如圖2所示，實線表示選定的型號及參數，箭頭表示實際運行情況。
1.2 提升水泵應在高水位時啟動以保證其在正常水位內高效運行
由于污水廠的進水流量變化較大，使水泵井的水位變化較大。如果在水泵井的水位達到水泵的設計運行水位時即啟動，則由于污水從管道中來水的速度遠小于水泵的抽水速度，這樣水泵井的水位就會下降很快，當低于設計水位時，水泵就要停止運行以等待來水，到設計水位時再行啟動。由此造成水泵和電機的頻繁啟停，對其造成嚴重損害，并增加了能耗。
通過在實際運行中總結的經驗，提倡水泵要在水泵井處于高水位（可以達到最高水位）時方才啟動，這樣即使來水速度遠小于抽水速度，由于在最高水位啟動相當于儲備了備用水量，這樣就可以保證水泵在其正常水位內高效運行，節省能耗，并避免頻繁的啟停對水泵和電機的損害。同時由于在高水位下管道中為滿流，提高了污水在管道中的流速，避免了管道淤積，減少了大量管道疏通的工作量。
2 沉砂池的設計與運行
沉砂池的功能是去除比重較大（其相對密度約為2.65）、粒徑大于0.2mm的無機顆粒如泥砂、煤渣等。沉砂池一般設于泵站、倒虹管前，以便減輕無機顆粒對水泵、管道的磨損；也可以設于初次沉淀池前，以減輕沉淀池負荷及改善污泥處理構筑物的處理條件。
沉砂池的效率對于后續處理效果有很大的影響，然而大多污水廠在建成后沒有嚴格校核其沉砂效率，以至于運行后發現沉砂池的沉砂效果不佳，對后續的水泵及二級生化處理造成不良影響。如采用CAST工藝的污水處理廠，其旋流沉砂池的后續構筑物為曝氣池，如果沉砂池沉砂效果不理想，則砂粒會在曝氣池內逐漸累積，對活性污泥或生物膜的正常生長、繁殖及其對污染物的降解產生一定的破壞，影響曝氣池的處理效果；另外，會造成沉淀污泥中無機顆粒比重超標，影響污泥的進一步處理效果，如脫水對污泥脫水機的損害或影響污泥堆肥的效果和污泥的肥力。
所以，污水處理廠建成后，在工藝調試的單機調試和設備聯動調試階段有必要對沉砂池的沉砂效果作嚴格的校核。以下根據實際經驗對沉砂池沉砂效果的檢測校核方法作一說明。
以采用CAST工藝的某污水處理廠的旋流沉砂池為例。旋流沉砂池是替代傳統沉砂池及其刮砂設備的新型裝置。旋流沉砂器通過水力旋流作用，并依靠機械攪拌輔助加強旋流而產生離心力，達到離心分離污水中固體顆粒的作用。其檢測校核方法如下：
啟動CAST池回流泵（利用清水試驗后的曝氣池中的清水回流入沉砂池）和攪拌機，使沉砂池處于工作狀態。從沉砂池進水口處投入砂礫（細格柵后），并采取水樣（沉砂池進口閘板后），測定進水中0.2mm的砂礫重量；在沉砂池出口處（巴氏槽處）采取水樣，測定出水中0.2mm砂礫重量，以此計算沉砂池對粒徑0.2mm以上的砂礫去除率。
計算方法為：P＝（W1－W2）/W1×100％
其中：P——沉砂池對0.2mm以上的砂礫去除率；
W1——進水水樣中0.2mm的砂礫重量；
W2——出水水樣中0.2mm的砂礫重量。
當砂粒直徑Φ≥0.30mm時，除砂效率P≥95％；
當砂粒直徑Φ≥0.20mm時，除砂效率P≥85％；
當砂粒直徑Φ≥0.15mm時，除砂效率P≥60％。
一般情況下，沉砂池對于粒徑0.2mm以上砂粒的去除率需要達到85％方能滿足要求。
3 在生物脫氮除磷工藝中優先選擇A/O(+化學除磷)工藝
當前能夠進行脫氮除磷的工藝很多，其中使用最為廣泛的是A/O工藝（早期）、A2/O工藝（近期）。由于當前對氮和磷的指標必須兼顧，A/O工藝雖然在脫氮或除磷中有很好的效果，但是不能同時脫氮除磷，所以近年來能夠同時進行生物脫氮除磷的A2/O工藝更是為大多設計者所采用，而A/O工藝應用越來越少。
按傳統生物脫氮除磷機理，要達到同時脫氮除磷的效果，則必須創造相對獨立的厭氧、缺氧和好氧環境，并讓各反應必須具備的因素（一定量的細菌，反應物如氨氮、硝酸鹽、作為碳源或能源的有機物，O2等）在該環境下實現。常規A2/O工藝（厭氧-缺氧-好氧）及其各種改良型工藝（增設預缺氧池的兩點進水A2/O工藝和兩點進泥A2/O工藝，缺氧池前置的倒置A2/O工藝，以UCT工藝為代表的其它工藝）的流程是設立三個獨立的反應區以分別實現厭氧、缺氧和好氧環境，通過污泥回流和混合液的回流使各反應的細菌和對應的反應物在各環境下完成各自功能。
以下就A2/O工藝的缺陷及其各種改良型工藝的不足和A/O(+化學除磷)工藝的相對優勢做一番有益的探討：
（1）常規A2/O工藝的缺陷
1）污泥齡方面不可調和的矛盾。
硝化菌的世代周期較長，則脫氮必須具有較長的污泥齡；除磷是利用聚磷菌將磷貯存在體內然后通過排出剩余污泥的方式排出系統的，所以除磷要求較短的污泥齡。這是一對不可調和的矛盾，工藝中所能采取的一切措施皆只能在其間找到一個合適的平衡點，不能取得兩者俱佳的效果。另外，硝化需要長泥齡以保證硝化菌的數量，而反硝化則需較短泥齡，以促進反硝化菌的更新并保持高活性。所以，在硝化和反硝化容量的配置間存在著泥齡的矛盾。
2）混合液回流方面的矛盾。
好氧池位于流程的末端，氨氮基本上完全氧化，出水中氮的主要形式是硝酸鹽氮。從理論上說，好氧池混合液回流比越大，則出水硝酸鹽氮越少，去除總氮的效果越好。但是過大的回流比會使硝酸鹽混合液中攜帶的溶解氧對缺氧環境的破壞愈趨明顯，而在有分子氧條件下，脫氮菌優先利用游離氧而不是硝酸鹽氮作為電子受體，從而反硝化受到阻礙。在運行中有時要保持好氧池末端低溶解氧濃度以保證脫氮除磷的效果，但是這引起另一個問題：即較低的溶解氧濃度使二沉池容易處于厭氧狀態，沉淀的污泥會重新將磷釋放到水體中，而且會發生內源反硝化，造成高磷污泥上浮，影響出水水質，尤其是總磷。同時，高回流比使動力消耗增加，運行費用升高。
3）污泥回流方面的矛盾。
污泥回流是為了保證各反應池中有一定數量的完成各自功能的細菌。理論上說，參與釋磷吸磷的聚磷菌越多，參與反硝化和和硝化的細菌越多，則除磷脫氮效果越好。但是，除磷是通過排出高磷污泥來實現的。這樣剩余污泥的排放量就和污泥回流量發生了矛盾。并且，回流污泥中攜帶的硝酸鹽氮會對厭氧釋磷效率產生抑制，導致好氧吸磷動力不足，從而降低除磷效率。
4）在碳源競爭方面的矛盾。
碳是微生物生長需要要最大的營養元素。在脫氮除磷系統中，碳源大致上消耗于釋磷、反硝化和異養菌正常代謝等方面。從上述脫氮除磷機理可以看出，釋磷和反硝化的反應速率都與進水碳源中的易降解部分，尤其是揮發性有機脂肪酸（VFA）的數量關系很大。一般來說，城市污水中易降解碳源有機物的數量是十分有限的。以脫氮來說，只有當進水中C/N比達到8時，其中的易降解碳源有機物部分才能保證高反硝化效率所需的碳源是充足的。所以，在A2/O工藝中（尤其是進水C/N比較低時）的釋磷和反硝化之間，存在著因碳源不足而引發的競爭性矛盾。
5）對水質、水量變化很敏感
（2）各種改良型A2/O工藝的不足之處
常規A2/O工藝中的缺陷在各種改良型A2/O工藝中仍然存在。除此之外，各種改良型A2/O工藝還存在如下問題：
1）兩點進水改良型A2/O工藝在常規型的厭氧池前增設了預缺氧池，雖然可以消除回流污泥中的硝態氮對后續厭氧池聚磷菌釋磷的影響，同時也能保證厭氧池嚴格的厭氧環境以提高釋磷效率。然而，其增設預缺氧池要求兩套配水系統，基建投資加大，運行管理趨于復雜；且使整體流程更長，水力停留時間增大，處理效率和運行費用提高。
2）兩點進泥改良型A2/O工藝也增設預缺氧池，并將大部分回流污泥回流至缺氧池，將少部分污泥回流至預缺氧池。這種方式只能減輕回流污泥中的硝態氮對厭氧釋磷效率的影響，而且使參與厭氧釋磷的污泥量減少，影響最終的除磷效率。
3）缺氧區前置的倒置A2/O工藝使回流混合液和回流污泥中的硝態氮優先利用進水中的有機物進行反硝化，保證很高的脫氮效率，同時也消除了硝態氮對厭氧釋磷的影響，并使后續厭氧池能夠形成嚴格厭氧環境。但是先進行反硝化將進水中易降解有機物消耗殆盡，使后續厭氧池中聚磷菌的厭氧釋磷過程由于缺少碳源而釋磷不充分甚至不釋磷（只降解貯存的糖原獲得能量），則后續的好氧吸磷動力嚴重不足，影響最終的除磷效率。
4）UCT工藝把常規A2/O工藝的缺氧區分為前后兩個部分，將硝化混合液回流至缺氧區，再將缺氧區前部的混合液回流至厭氧區；回流污泥先進入缺氧區前部。這種作法實際上是劃出一個小的缺氧區專門消耗回流污泥中的硝酸鹽，故避免了回流污泥中的硝酸鹽對厭氧區的沖擊，改善了聚磷菌的釋磷環境。但是，進入缺氧區前部的回流污泥只有一小部分進入厭氧池經歷了釋磷過程，其實際除磷效果因此顯著降低。
（3）A/O(+化學除磷)工藝的相對優勢
1）A/O(+化學除磷)工藝不必在生物脫氮除磷系統中同時兼顧脫氮和除磷二者都具有很高的去除率，只用考慮脫氮取得高去除率同時有一定的除磷效果（一般可以達到50％）即可，再通過設置化學除磷系統保證磷的去除率。所以在A2/O工藝及其各種改良型工藝中存在的缺陷和不足都可以得到很好的解決：脫氮和除磷的污泥齡方面的矛盾基本不存在，混合液回流和污泥回流中的硝態氮對聚磷菌釋磷的影響可以通過化學除磷來解決，混合液回流中攜帶的溶解氧對缺氧環境的破壞可以通過降低好氧池末端的溶解氧達到降到最低，脫氮和除磷對碳源的競爭導致的碳源不足問題基本不存在。所以，A/O(+化學除磷)工藝在保證脫氮除磷效果的前提下，具有流程簡單、占地少、運行管理方便、投資和運轉費用較低的優點。
2）西方國家在生物脫氮除磷方面的理論研究比國內深入，運行經驗比國內豐富。當氮、磷要求嚴格時，鑒于傳統脫氮除磷理論下二者的矛盾，普遍采用生物脫氮+化學除磷的工藝。所以我們國內的污水處理廠在工藝的選擇上不能不深入分析，能用工藝流程精簡、能耗較低、運行管理比較方便的A/O(+化學除磷)工藝，就不用A2/O工藝及其各種改良型工藝。
3）當前在脫氮和除磷研究發面發現了很多新現象，由此產生了很多新理論如：短程反硝化（亞硝酸鹽型反硝化）理論、厭氧氨氧化理論（氨氮和亞硝酸鹽氮直接反應轉化為氮氣）、好氧反硝化（在好氧條件下，由異養型硝化菌和好氧反硝化菌同時完成硝化和反硝化）理論、DPB菌（反硝化除磷菌）在缺氧條件下的同時反硝化除磷理論。在這些新理論基礎上開發出的新工藝表現出的共同點在于工藝流程精簡，能耗較小，運行管理方便。所以采用A/O(+化學除磷)工藝在流程上更接近于新工藝，只需變換運行參數和適當變化即可，有利于新工藝應用后的改造或者擴建。
選擇污水廠的處理工藝是一件復雜的事情，目前的各種處理工藝，都各有優缺點，只有最適合某個工程的工藝，并不存在最先進的工藝。設計者應該優先選擇運行管理簡單、運轉費用低的工藝。
根據設計經驗和對當前眾多使用A2/O工藝及其各種改良型工藝的污水處理廠的實際運行情況的總結和研究，我們認為：A2/O工藝及其各種改良型工藝在理論上雖然可以達到很好的同時脫氮除磷的效果，但是其流程長，運行管理復雜，能耗大，運轉費用高，且在實際運行中很難實現最佳運行條件，往往是脫氮與除磷的效果不能兩全。而相比來說，A/O(+化學除磷)工藝流程精簡、占地少，投資和運轉費用較低，運行管理比較方便，并且便于在新理論基礎上開發的工藝應用到工程實踐后的改造。所以我們推薦使用A/O(+化學除磷)工藝。
4 二沉池的設計與運行
二次沉淀池的主要功能是進行泥水分離以及污泥的貯存和濃縮，它處于整個生化處理系統的末端，其設計和運行的效果對出水水質具有直接而重大的影響。尤其是當前對總磷的排放標準愈趨嚴格的情況下，其設計和運行的效果對總磷指標影響很大。因為除磷是通過排出高磷剩余污泥實現的，若二沉池設計運行不善，則出水SS升高，而SS實際上是高磷污泥，嚴重影響出水總磷指標。所以，更應該深入研究實際情況，使二沉池的設計更科學。
活性污泥的特點是質輕，易被出水帶走，并容易產生二次流和異重流。而進出水方式以及進水的布水均勻性和出水堰口負荷是影響二沉池運行效果的重要因素。根據我們的在設計和運行中的經驗，我們推薦使用周邊進水和周邊出水的方式，進水要做到均勻布水，出水堰口負荷應盡可能小，當實際出水流量達不到設計出水流量時可以考慮多加幾周出水堰的方式解決。闡述如下：
（1）進水出方式
圖3為中心進水周邊出水（A）和周邊進水周邊出水（B）的沉淀池示意圖。可以看出，周邊進水周邊出水方式與中心進水周邊出水方式相比，出水的流程更長，有更長的時間完成泥水分離的過程，且二次流、異重流的影響相對較小，沉淀效果更好。
（2）進水的布水均勻性
進水的均勻性非常重要，對于沉淀池水流流態和運行穩定性具有重大影響。所以，在設計進水槽時要盡量嚴格，計算精確，另外輔助以試驗，以保證布水的均勻性。但由于進水流量的不穩定，則必要時，運行中可以在進水槽內設置潛水攪拌器進行推流以保證配水的均勻。
（3）出水堰口負荷
出水堰口負荷是影響二沉池運行效果的重要設計參數，其大小對堰口附近水的流態有直接影響，進而對下層水體造成擾動，影響泥水分離效果，出水水質變差。在保證水的流態和處理量的前提下，推薦出水堰口負荷應取盡可能小值，當實際出水流量達不到設計值時，可以考慮多加一道或多道出水堰。
5 污泥的處理與處置
城市污水的污泥問題是一直困擾著城市污水處理廠的棘手問題。污泥的處理處置涉及到的問題很多，錯綜復雜。在此不再贅述，以下僅根據以往的認識和經驗談談幾點看法。
（1）對于污泥的最終處置途徑堅決主張施用于農田。
污泥中的有機物分解產生的腐殖質可以改良土壤結構，避免板結，而其中豐富的N、P、K等營養元素和Ca、Mg、Zn、Cu、Fe等微量元素是植物生長必需的，施用于農田能夠增加土壤肥力、促進農作物的生長。所以將污泥從污染物轉化為一種可利用的資源是一種科學而且成本低的處置方式，符合經濟循環發展的思想。
（2）呼吁并主張從上游污染源頭上嚴格控制排入城市污水處理廠的重金屬、有毒有害物質的標準。
為了保證污泥的無害化和施用于農田的最終處置途徑，提議城市污水處理廠應加強自己的水質化驗能力：首先搞清楚各上游污染源排放污水的水質并限定其排放標準，然后嚴格、日常性地監測進水水質，一旦發現某項指標不正常，則可以找到其源頭，配合政府制定相關政策標準對該污染源單位進行處罰。通過這種方式保證污泥的重金屬、有毒有害物質被控制在允許范圍內。
（3）污泥的穩定化處理首選厭氧消化。
一般來說，污泥量小時用好氧消化，污泥量大時則用厭氧消化。污泥厭氧消化可以使有機物消化分解，污泥不再腐敗；同時，通過中溫消化，大部分病原菌、蛔蟲卵被殺滅并作為有機物被降解。經此處理后污泥達到穩定化、無害化的目的，伴生的沼氣可作為能源加以利用。污泥厭氧消化在發達國家被廣泛采用，歐美、日本、獨聯體等國家，用厭氧消化處理污泥占污泥總量的一半以上。
對于污泥消化工藝的運行談幾點經驗：
1）污泥的投配采用溢流式。濃縮后的生污泥直接通過輸送管道進入消化池，由于消化池的容積一定，則消化后的熟污泥隨即溢流出消化池，進入的生污泥量和溢流出的熟污泥量是相同的。溢流式投配方式避免了閥門式投配系統的繁瑣和操作不便的缺點，易于控制。
2）污泥加熱采取先將生污泥投入消化池，然后再從池中抽出混合污泥循環加熱的方式。由于生污泥溫度較低，如果直接對其加熱，由于需在熱交換管道中停留較長時間容易使其在管道中板結，而對混合污泥加熱則比較方便。
3）攪拌采取利用消化產生的沼氣直接循環進行連續攪拌的方式。一般用沼氣進行攪拌的系統，在設計中都設置一個沼氣貯存罐，將消化產生的沼氣先收集并貯存在罐中，然后再從沼氣罐中配送沼氣對消化池進行攪拌。這種方式存在很大弊端：首先沼氣罐在壓力的變化下存在突然被壓扁的隱患；其次系統復雜，管道、閥門和風機系統配置較多，故障點增多，也不易于控制。所以，提倡采用將消化產生的沼氣收集后直接循環進入消化池進行攪拌的方式，以精簡系統，便于控制。
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