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高源禹
“在排放標準日趨嚴格的情況下，特別對于現有污水廠的提標，應重點關注于挖掘二級生化處理潛能，通過優化各反應區關鍵指標控制點，強化氮、磷去除性能，在不新增構筑物的同時，實現出水水質提升。”
9月5日，中國市政工程中南設計研究總院有限公司(簡稱:中國市政中南院)總工程師萬年紅在“2024(第十六屆)上海水業熱點論壇”上，以“減污降碳協同增效背景下污水廠強化二級處理新工藝及應用”為題，作了主題發言。
萬年紅表示，自2019年以來，我國污水處理領域經歷了前所未有的深刻變革，從基礎的污染治理到當前聚焦的減污降碳協同增效，標志著我國污水處理已邁入高標準、高質量發展的新紀元，體現在污水處理廠的就是各地的排放標準在不斷提高，其中重點是對氮和磷的去除，也是目前高排放要求下的處理瓶頸。
在此背景下，2018年以來，中國市政中南院圍繞污水處理的主流工藝和排水系統做了一系列研究，相繼建成了國家級、省部級和市級、企業級等多個科研平臺，并在武漢、上虞、深圳等地成立了多座試驗基地，為行業技術革新、科研成果轉化、專業人才培訓、企業競爭力提升提供保障和支撐。
強化脫氮除磷技術研究
萬年紅表示，二級生化處理是氮、磷去除的主要功能區，在排放標準日趨嚴格的情況下，特別對于現有污水廠的提標，應重點關注于挖掘二級生化處理潛能，通過優化各反應區關鍵指標控制和加強運行管理，強化氮、磷去除性能，在不新增構筑物的同時，實現出水水質提升。
中國市政中南院污水處理試驗基地涵蓋了從CSO-預處理、一級強化處理、二級處理、深度處理到尾水生態處理的全過程工藝優化探索，并對工業園區廢(污)水處理和硫自養反硝化等熱點技術進行專題研究，實現了全鏈條的布局，每個環節都圍繞著行業的需求開展科研工作。
以下為中國市政中南院在強化脫氮除磷技術方面的研究課題：
1、污水處理廠低碳高效生化處理技術研究
該技術是為應對多工況、多地域、多成分條件下的進水水量及水質變化，針對城鎮污水廠生化脫氮除磷工藝，通過參數調整、運行優化及池型改造等措施，深度挖掘處理潛能，優化氮、磷去除性能，減少無效曝氣，優化碳源投加，促進節能碳減排，實現出水穩定達到或優于一級A排放標準。
與武漢市排水發展有限公司和中信清水入江公司武漢江夏污水廠合作，針對五段Bardenpho與多級AO工藝對比試驗及優化運行研究;多點進水微氧控制強化脫氮除磷工藝技術;多點回流多級AO-MBR工藝技術三項關鍵性技術開展相關中試試驗研究。
2、深度脫氮與超深度脫氮外加碳源優化技術
該技術是針對污水處理廠反硝化脫氮外加碳源成本高的問題，研究不同常用外加碳源的效果，探索最佳運行參數，為污水處理廠如何選擇經濟高效的外加碳源以及如何減少外加碳源用量提供參考依據。
主要研究內容：(1)不同碳源的自然掛膜啟動對比;(2)不同負荷下，不同碳源反硝化性能、碳源利用率、反沖洗周期對比;(3)沿程污染物去除效果及反硝化動力學分析;(4)不同碳源技術經濟比較。
3、藻基水處理體系碳中和與液體肥料生產技術研究
該技術針對中試規模(340噸/日)工藝中的運行參數對污染物遷移轉化規律、藻-菌生物互作關系、微藻 CO2還原生化轉化特性及液體肥料肥力特性的影響規律和機理開展研究，獲得 CO2固定模型、污染物深度降解機制和液體肥料生產調控手段。
主要研究內容：(1)藻基二級水處理和深度水處理中試規模工藝調控策略;(2)藻基水處理體系多組分污染物遷移轉化機制研究;(3)藻基污水處理過程抗性基因的轉移與去除機制;(4)藻基水處理體系內藻-菌生物互作關系;(5)藻基水處理體系碳中和與液體生物肥料生產特性。
預期目標：(1)建立中試規模工藝固碳動力學模型，獲得不同環境參數對 CO2固定效率的作用規律;(2)獲得微藻生物質液體肥料產量和質量特性變化規律;(3)揭示藻基水處理體系碳中和與液體肥料生產工藝中污染物遷移轉化規律、藻-菌生物互作關系、微藻CO2還原生化轉化特性及液體肥料產出特性。
4、污水處理廠PAC優化生物系統污泥的機理及調控研究
該技術是針對城鎮污水處理廠二級處理階段化學強化除磷過程中，可能存在的除磷藥劑投加過量的現象，同時長期投加除磷藥劑可能會造成殘余金屬離子的累積，對生化系統的生物群落的組成和結構穩定性產生波動影響，項目選取實際污水，以實驗室和中試探究除磷藥劑和運行參數的優化控制，并開展長期投加PAC過程中的穩態運行策略研究，為污水處理廠實際運行提供參考。
研究的主要內容：(1)除磷藥劑PAC投量和運行參數的優化研究;(2)生物系統的穩態運行策略研究;(3)除磷藥劑PAC對污泥性能的影響研究;(4)圖像識別技術評估污泥沉降性能。
主要結論：(1)在進水一致的前提下，確定同步沉淀化學除磷劑PAC的最佳投加量，實現對化學除磷過程更為合理的控制;(2)明確了同步化學強化除磷過程中，不同運行工況下微生物群落結構的演替和生化系統污染物降解能力的差異性;(3)明確了長期投加除磷劑對生化系統的穩態影響;(4)開發了一種基于圖像識別技術的污泥沉降快速檢測裝置及一種污泥健康程度評價方法。
5、大型城市污水廠低碳運行模擬優化研究
該研究是為應對中部某大型污水廠節能降耗低碳運行需求，針對污水廠現有工藝開展現狀調研，基于GPS-X建立概化數學模型，參照類似工程參數及該廠歷史運行數據，提出可操作和經濟合理的優化運行方案，提出綜合最優運行工況及相應節能降耗空間。
研究內容：(1)污水廠現狀調研及并聯工藝對比分析;(2)MBR工藝基于同類案例及工程經驗的節能降耗潛力分析及優化方案;(3)A/A/O工藝基于數學模型預測的節能降耗潛力評估及優化方案;(4)節能降耗低碳運行方案驗證及污水廠模型應用性評估。
強化脫氮除磷新技術新工藝及其應用
此外，萬年紅還闡述了中國市政中南院在污水處理領域的實際貢獻，特別是在強化脫氮除磷技術上，其新技術和新工藝的應用實踐取得了不錯的成果，已在多個項目實現應用，并形成了中國市政中南院特色的技術路線和解決方案。
1、RPIR快速生化污水處理技術
該技術采用反應沉淀一體式環流生物反應器，將曝氣池和二沉池合二為一，利用氣升動力使污泥環流，同時實現污泥的截留和無動力自動全回流反應，縮短了污水處理的工藝流程。
具有“低成本、高效率、簡管理、優出水、少占地”的特點，適用于各種可生化污廢水的處理，特別適應于高標準應急污水處理和市政污水提標、改造。
目前，已經在深圳固戍水質凈化廠(一期)水量提升擴容項目(6萬m³/d;出水一級A，原一級B)、武漢東西湖區機場河流域臨時分散式水處理服務項目(10萬m³/d;出水一級A)等項目實現應用。中國市政中南院主編的該技術團體標準已發布。
2、以芽孢桿菌為優勢菌的生物反應器(BBR)
芽孢桿菌(Bacillus)具有繁殖快速、生命力強、生存范圍廣、高效去除污染物、消除惡臭等特性，可高效去除污水中的有機污染物、脫氮、除磷，也可以分解產生惡臭氣體的有機物質、有機硫化物、有機氮等，從根源上解決惡臭問題。
該技術將生物膜法(生物轉盤裝置)和活性污泥法相結合，利用芽孢桿菌作為系統優勢菌屬，對溶解氧和碳氮比的需求較低，無需額外添加碳源，停留時間短、占地面積小，可在低溫下高效運行。
目前，該技術已在滄州市運東污水處理廠提標改造為代表的大量項目中實現應用。該項目設計規模10萬m³/d，改造工藝為BBR生化處理工藝，改造后出水標準為河北省地標《黑龍港及運東流域水污染物排放標準》(DB13/ 2797-2018)中對重點控制區排放限值的相關要求(其中SS仍執行GB18918 -2002中的一級A標準)。中國市政中南院主編的該技術團體標準正在編制中。
3、生物倍增工藝
該工藝集曝氣、沉淀、泥水分離和污泥回流功能于一身，并運用空氣提推技術實現高回流比，具有低溶解氧，能耗大大降低;高污泥濃度，除污效率高;工藝流程短、占地節省40%以上等特點。
該工藝在石家莊鹿泉某市政污水處理廠實現應用，項目規模50000m³/d，因提標擴容需求，新建30000m³/d生化池，處理后出水主要指標穩定達到國家IV類水體標準TN<5mg/L，目前3萬噸原水直接進入生化池，擴容2萬噸尚未接入，生化噸水運行電耗0.12 kWh/噸污水。中國市政中南院主編的該技術團體標準正在編制中。
4、高濃度復合粉末載體生物流化床技術(HPB)
該技術是向生化池中投加微米級的復合粉末載體(多為20~50μm)，其比表面積大，可提高生物池污泥濃度和容積負荷，其優勢為：可構建懸浮生長和附著生長的“雙泥”系統，并通過載體的高效分離回收，實現“雙泥齡”，強化同步脫氮除磷效果;原位改造，占地面積小。
為實現武漢南湖“活水保質”的目標，龍王嘴污水處理廠啟動“南湖生態活水項目尾水再生利用工程”，二級處理段，在不改造現狀廠區構筑物主體結構、不停產的情況下，采用HPB工藝，對龍王嘴污水處理廠二、三期生化池進行改造升級(30萬m³/d)，提升生化系統處理能力和抗沖擊負荷能力，深度處理段。
中國市政中南院開展了系列極限脫氮除磷實驗，在龍王嘴污水廠五期提標改造工程中采用，HPB改造(二、三期生物池)+兩級反硝化生物濾池+氣浮池工藝，最終實現出水達到《地表水環境質量標準》IV類(湖、庫)標準，其中TN小于1.5mg/L。
5、連續流厭氧/好氧/缺氧(AOA)
該工藝將缺氧區后置，省去內回流，形成厭氧-好氧-缺氧的生物處理流程，在厭氧段將進水的COD轉化為細胞的內碳源，在缺氧區利用這些內碳源進行反硝化，同步脫氮除磷，減少對外加碳源的消耗。
具有提質增效(TN去除率 85% 以上)、節能降耗(節省電耗>25%、除磷藥劑節省40%~100%)、污泥減量 30% 以上、節省占地>30%四大優勢，目前已在深圳福永水質凈化廠二期工程中實現穩定運行。在GWI全球水獎評選中，該項目成功入圍“年度最佳市政污水項目”，成為2023年全球四個入圍的市政污水項目之一。
6、膜曝氣生物膜反應器(MABR)
MABR是將氣體膜技術與生物膜技術相結合的一種新型污水處理技術，是以透氧膜為微生物載體并為其表面的生物膜無泡傳輸氧氣，氧氣和污染物分別從生物膜兩側擴散進入生物膜并被逐漸消耗的生物膜法污水處理系統。
目前該工藝已在南京某污水處理廠提質增容(25000噸/日)實現應用，一期設計處理規模10萬噸/日，四組生化系統，單組規模2.5萬噸/日，采用強化脫氮改良型A2/O工藝+反硝化深床濾池+消毒工藝，停留時間15小時，出水執行GB18918-2002中一級A標準。自建成以來，出水穩定達標，系統運行穩定。中國市政中南院聯合主編的該技術團體標準正在編制中。
7、好氧顆粒污泥技術(AGS)
好氧顆粒污泥(AGS)，是通過微生物自凝聚作用形成的顆粒狀活性污泥，具有致密的結構與較大的粒徑，能夠進行各種好氧、厭氧代謝活動。具有沉降性能好，生物量質含量高，同時具備多種微生物功能，剩余污泥量少;運行能耗低、占地面積小等優勢。目前國內采用準好氧顆粒污泥(重質或致密顆粒污泥DAS)的項目已有數十項。
該工藝在龍游縣城南工業污水處理廠(2萬噸/日)、荊州雷家垱裝配式凈水項目(4萬噸/日)落地投產。該技術團體標準正在申報中。
最后萬年紅表示，在污水處理廠的中，應綜合考慮項目規模、進出水水質要求、建設用地、技術經濟性等因素，選用合適的工藝方新、改、擴建項目案，為二級處理段的工藝選擇提供新思路，助力高排放標準下污水廠的集約、高效、低碳化運行。
原標題：中國市政中南院萬年紅：脫氮除磷新技術在污水領域的研究及應用
