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一、难点解析 标准要求水质非常接近于地表水四类水质，因此惯称类四类水体。 且不去分析标准本身是否合理，因为评论标准本身不是技术话题。那么，我们搞技术的人就要扪心自问了，新地标来了，我们如何应对？大幅度增加成本？不现实！采用超长工艺流程？不经济！保守设计，少说话多干活？不担当！其实说到底，对于新地标我们要解决的就是如何低成本的去实现，也就是我们常说的技术经济可行性。 大话少说，直奔主题，先来数说达标难点。随着“水十条”和新环保法的颁布，水质超标按日计罚和追究刑责堪称史上最严，又迎来新地标的实施可谓是雪上加霜。很多污水处理厂搞运营的朋友天天谨小慎微，寝食难安。污水处理厂又面临进水水质水量多变，按照标准要求达到365天天天达标实为不易。新地标和原有标准以及地标水标准主要水质指标对比如下表： 1、COD 化学需氧量，出水中残存的COD多为难降解成份，主要来源分两个方面即微生物代谢产物、原水难降解成份，实践表明微生物代谢产物贡献值不足10mg/L，这一点在很多市政大型污水处理厂可以得到验证，在来水条件好的情况下，经过二级生化以及三级加药混凝、过滤处理后COD往往能够降至10mg/L左右。那么COD的问题就简化了，主要需应对来水中的难降解成份，而这些成份多来源于工业废水，诚然对于污水处理来讲源头控制是最理想的，但水来之则要安之，难降解COD如何解决，请继续关注问题解决篇，且听下回分解@！ 2、BOD 我相信搞运行的人不会担心BOD，因为活性污泥最擅长消灭BOD，BOD甚至是大家心中的宝贝，BOD等于钱！是的，应该说BOD的达标不是问题。但是，为了TN的达标，很多设计者喜欢在三级处理段增设末端反硝化设施，这里需要投加大量碳源，也就是末端投BOD，于是问题来了，出水BOD的达标不是取决于二级生化段的运行优劣，而主要取决于末端反硝化段的投加量能否做到合理，笔者认为难！这好比用纱布兜细沙，你永远阻挡不了沙子的穿透，这是自己在给自己设置绊脚石，这是必须要解决的问题！ 3、氨氮 氨氮确实不是难题，水温在10℃以上绝无压力，还有认为氨氮很难的吗？ 4、悬浮物&总磷 絮凝剂可以同时去除总磷和悬浮物，因此此二位作为1个问题。运行经验表明，普通的三级处理设施对此老两位去除效果极佳，悬浮物达到5mg/L以下，总磷达到0.2mg/L压力不大，但絮凝剂确实是高成本，实际运行中应该适度增强二级生化段对于总磷的去除率。可以说最大的困难是低成本化学除磷的方法。好在除磷药剂费用还基本能够控制在可接受的范围，但新地表下悬浮物的达标仍存隐忧，隐忧还是来源于末端反硝化工艺，如反硝化滤池，反硝化滤池为了生物挂膜需要选用大直径滤料，这便带来了反硝化滤池过滤空隙当量的增大，这好比竹篮打水，滤池如果不保险了，悬浮物也便成了问题，这也是必须要解决的问题！ 5、总氮 终于说到总氮了，标准制定者显然充分考虑到了总氮达标的可行性。类四类和真四类的唯一区别就是总氮，为什么从1.5mg/L放宽的10mg/L，而北京类四类地标实际总氮要求15mg/L，标准制定者为何唯独对总氮放宽要求？显然是因为总氮很难，确实很难，难题榜榜首。前文所说的末端反硝化技术甚至不惜牺牲BOD和悬浮物指标来保总氮也是蛮拼的！总氮的达标，尤其总氮的低成本达标是否可行？且听下文分解@！ 二、现状分析 首先引用一句名言——没有无缘无故的爱，也没有无缘无故的恨！感谢此言作者@！笔者与AAO工艺、多级AO工艺、反硝化滤池工艺等本无爱也无恨，下文如有伤及无辜，还望海涵，更加欢迎不同意见，可关注“水技术”后直接留言。 下面进入正题，包括生物膜法在内的活性污泥法等现有工艺类型看似千变万化，实则只有三种类型，即好氧、缺氧、厌氧。好氧是存在分子态氧的状态，可以测出DO值，DO大于零就是好氧，因为DO本身就是分子氧输入与消耗动态平衡后剩余量的体现；缺氧是没有或绝少存在分子氧但存在化合态氧的状态；厌氧则是既没有分子态氧也没有化合态氧的状态，理想的厌氧环境ORP（氧化还原电位）应达到-400mV以下。这一数值为经验值，与大家分享，在此范围内生物除磷效果极佳。正是好氧、缺氧、厌氧在时间和空间上的排列组合产生了现有各类生物脱氮除磷工艺如：氧化沟系列、SBR系列、MBR系列、AAO系列、多级AO系列、SND（同步硝化反硝化）技术等等。实际万变不离其宗，既然总氮居难题榜榜首，这里就典型生物脱氮工艺AAO、多级AO、SND、反硝化滤池在新地标要求下存在的问题进行讨论。 图2-1 AAO工艺流程 AAO通过好氧段末端硝化液的回流至缺氧段实现生物脱氮。该工艺的总氮去除率受内外回流量的影响，若回流比r（回流量/进水量）为300%，外回流比R（外回流量/进水量）为100%时总氮理论最大去除率为：E0=(R+r)/(R+r+1)=80%，但实际上内回流同时带来氧气回流，回流比越大氧气回流也越大，实际工程运行中是无法达到理论去除率的，实际运行中总氮去除率一般只能达到40-60%。  图2-2 多级AO工艺流程 多级AO工艺将进水段分为若干个，每一段进水中的碳源用于完成前一段硝态氮的反硝化，以四段进水为例，假设平均每段进水25%，为减少总氮放弃率，第四段可适当减少配水比例，但为了保证对前一段硝态氮进行充分反硝化，也不宜过少，如果配水20%，这20%水中的TN将面临没有反硝化段对其进行脱总氮的尴尬，因此末点配水就意味着这部分TN的放弃，刻意减少配水量比如10%又会造成对前一段反硝化的不彻底，实际运行中总氮去除率一般只能达到70-80% 。 SND从技术层面可以说是伟大的发现，但是其工艺控制要求非常严格，在实际工程应用中也就大打折扣。但SND所发现的好氧反硝化现象却非常值得深入研究并已有重大突破，在此埋一伏笔，且听后文详解@！ 反硝化滤池工艺的问题在第1篇中已有说明，这里不再赘述。 至此，有必要引出两个概念：碳源利用率和总氮放弃率。 碳源利用率：生物脱氮所涉及到的主要成本是鼓风电耗和碳源药耗成本。可以认为凡是DO直接氧化rbCOD（易降解COD）就造成了上述两种成本的同时增加。那么，生物脱氮工艺的极致化目标应该是完全没有rbCOD直接与氧气反应和所有的rbCOD都用于反硝化，对于生物脱氮工艺的优劣也可通过与该目标的差距来考量。碳源的利用率就是rbCOD用于反硝化的比例。提高碳源利用率是工艺选型和运行管理两个方面的事，应双向努力，双管齐下。可以认为在新地标要求下，过量曝气和曝气设备的粗放型控制是有罪的，但曝气量关联因素众多并大多难以测准，在此背景下的曝气量精确控制的实现则需采用模糊控制的手段。模糊控制具体说明将在问题解决篇详述。 总氮放弃率：通俗来说总氮放弃率是指假设在碳源极大充足的情况下，工艺仍无法去除的总氮。总氮放弃率的存在是现有常用二级脱氮工艺的通病。这也是反硝化滤池流行的内在原因。 三、问题解决之总氮 先来算一笔账，去除10mg/L总氮投加碳源（这里顺便插曲说一下碳源，并无所指，尽义务尔！任何形式的碳源BOD/TN和BOD/TP都应该远大于进水中的这两项比值，并且难降解成份不宜太高，否则单看BOD、COD数值再高也是枉然！）的BOD当量至少30mg/L，以普遍使用的乙酸钠为例，BOD有效量仅为40%，以2700元/吨计算吨水成本为0.2元，对于10万吨/天规模的污水厂一天成本就是2万元，一年七百余万元！我坚信运营单位都是好人，但想必好人都会被饿死的，所以劝工艺设计者逼良为娼的事就不要做了。当然，后接纯碳源缺氧段和好氧段对于某些缺少占地的改造项目也存在困难，这也是分离式硝化-反硝化的问题之一。 下面进入正题，在第2篇现状分析中已经提到现有生化工艺的脱氮效率极限为80%，对于进水总氮大于50mg/L的污水厂达到类四类水体地标均无望！低成本的解决总氮从概念角度讲是两个方面：一要降低工艺对总氮的放弃率；二要提高来水中碳源的利用率。向刚才所说的分离式硝化-反硝化工艺做到了第一点，总氮放弃率低了，但是第二点没有做到，也就是来水中有部分碳源被浪费掉同时末端又要投加碳源，这是它的症结所在。总氮放弃率和碳源利用率的概念请参见“水技术”公众平台分享的《类四类水体下的技术对策第2篇——现状分析》。 好吧，干货来了！好氧反硝化，虽然好氧反硝化现象在SND（同步硝化反硝化）的技术研究中已被发现，但这个意义上的好氧反硝化只是低氧环境下实现的，其实多数学者甚至认为这种反硝化只是发生在菌胶团内部无分子氧的微观区域。偶然的机缘，与搞生物工程的草根基友聊到好氧反硝化，瞬间跨专业的结合的火花便产生了，原来搞个菌种分离对人家来说不叫个事@！通过对好氧反硝化菌种的深入研究，发现该菌种在一定条件刺激下会大幅度加速繁殖速率，而能够完成好氧反硝化的酶系统要在好氧、缺氧交替的环境下才能完全形成！那么，当好氧反硝化菌种的种群密度提高上来之后，神奇的现象便产生了，在DO达到2mg/L左右的好氧段居然发生着稳定而强烈的反硝化，其争夺碳源的能力甚至高于普通的好氧异养菌，我们戏称其为开着外挂的反硝化菌！ 先来说说这一技术的实现方式，好氧反硝化来源于SND但与SND又有本质的区别，它的实现需要缺氧、好氧环境的交替，更像是多级AO工艺，工艺形式就是带侧流段的多级AO，因此命名为改良多级AO工艺，流程图如下：
其中，侧流段菌种选择与分离器整体HRT小于1小时，因此改造难度非常低。在实际应用中通过菌种的一次性投放和持续侧流强化培养，使其在生化系统中长期保持优势地位，即可实现长期稳定的好氧反硝化。该工艺同时保留原有缺氧反硝化的脱氮能力，加上好氧反硝化的强化脱氮，大幅度降低了碳源的浪费也即提高了碳源利用率，同时大幅度降低了总氮的放弃率，姑且称之为生物脱氮工艺中的生化极致工艺，如有更优工艺随时让贤@！ 这项技术在某12万吨/天的多级AO工艺中进行了生产性试用，同时与在进水水质完全相同的情况下在同一厂内与普通多级AO工艺进行同步对比，从2013年11月至2014年8月试用期间9个月的运行数据如下： 如图2，进水COD平均值283mg/L，BOD5平均值146mg/L，B/C平均0.52。
如图3，进水TN平均49mg/L，进水BOD/TN平均2.99，进水COD/TN平均5.78
如图4，改良多级AO工艺出水TN平均6.2mg/L；同样水质对比普通多级AO工艺出水TN平均16.4mg/L。
可见同等碳氮比条件下，改良多级AO具有如下优势： 1、运行电耗更低，这得益于更多的硝态氮参与了反硝化，使得化合态氧气更多的参与COD的氧化，从而节约了曝气量。 2、改良多级AO较普通多级AO可以多脱除10mg/L的TN，相当于节约30mg/LBOD当量的碳源，以乙酸钠计折合节约碳源成本0.2元/吨。 3、改良多级AO可使TN稳定达到10mg/L以下，而普通多级AO则无法突破瓶颈，而这一点比节约运行成本更为重要。 4、即使在不得不采用分离式硝化-反硝化工艺时，改良多级AO仍可以减轻纯碳源反硝化段的压力，从而降低电耗和碳源药耗。 声明：该技术已申请国家专利，同时澄清提高碳源利用率不等于完全不需要外加碳源，当进水中碳氮比实在太低时外加碳源也是必要的，但同等条件下投加量是可以降低的！ 俗话说好马配好鞍，好的工艺设计还需要好的运行管理才能发挥出它最大的效能，不同的运行管理者必然有不同的管理水平，能够不断集成最先进管理水平并普及应用的手段就是工业机器人。下篇预告《类四类水体下的技术对策第4篇——问题解决之运行智能化》！ 四、问题解决之运行智能化 污水厂进水由提升泵提升，运行中进水泵的台数在一天之内会有很大的变化，当进水泵数量变化时进水量也随之变化。此外，进水水质受昼夜差距，工作日、休息日差距，以及个别偷排现象的影响也是随时变化的。对于这些变化的进水参数，在新环保法按日计罚和超标可入刑的新形势下，污水处理厂的运行压力空前增大，单纯依靠工艺工程师每天上班时间对工艺参数的人工调节已经不能满足新形势下污水厂稳定达标的需求。 假设一个污水处理厂有一名非常优秀的工艺工程师，他上班时间可以把所有工艺调整到合理水平，但只要是人就需要休息，难以做到24小时不间断调整，除非有2名甚至更多的优秀的工艺工程师轮班倒，这显然不太现实，污水处理厂开的工资好像对这些优秀的工艺工程师也没有那么大的吸引力，玩笑@！ 那么问题来了，在人力资源有限的情况下如何实现污水处理厂的稳定运行？答案就是运行智能化，所谓运行智能化就是将工艺工程师对工艺的调整策略表达到电脑上，让电脑代替人去执行工艺调整指令。在这一思路指导下，运行智能化走过了由精确控制到模糊控制的历程，先说精确控制是符合常人思维的，大家都想严谨一些，精确一些再精确一些，但污水的特点就是不精确，每时每刻都在变化。从小的方面，比如某位同志某一天上火了或者好东西吃多了，那他们家排放的COD可能就会高一些，这种情况污水处理厂当然是无法预测的，再比如上游企业间歇性排放污水了，这种冲击也是很难预料的。污水的复杂性决定了精确控制的目标实际很难实现，实际应用中也印证了这一点，很多依靠数学模型和大量在线仪表运算的精确控制系统在实际应用中都出现了难以稳定运行的尴尬局面，对于仪表完好率和准确度的依赖性极高，对于来水变化的反应力很差。其实，工艺工程师在调整工艺时也并没有进行太多精确计算，人的思维模式实际上是一种大局分析模式，简单说就是对于某个工艺控制量人会比较容易作出该值是偏高了或偏低了的判断，但究竟应该是多少往往是说不准的，但有这个判断就够了，俗话说蹚水试着来，偏高了往下调一点看看呗，对了，这就是模糊控制，把复杂的定量计算转为简易的定型判断，然后再进行不断的重复性调整，使得调整值不断的向合理区间靠近，最终便实现了相对的精确，只要这种相对精确能够将水质控制在一定的范围内那也就足够了。 说了这么多废话，终于隆重推出——工艺管理机器人（PMR系统），基本原理是基于控制工程领域的模糊控制理论，对于多变的或测不准的控制目标避开直接计算目标值，根据选定的在线调控因子对目标值进行模糊控制，通过数据选择性采集、模糊化分析、解模糊和周期性调整，使得控制值不断自动趋近于合理区间。这种控制方式与机器人制造时采用的模糊控制理论相同，因此也可称为工艺管理“机器人”。这里需澄清机器人只针对工艺关键点，不等于无人值守。 PMR系统已发展包括了曝气总量智能控制系统、曝气分量智能控制系统、配水量智能控制系统、污泥回流量智能控制系统、加药量智能控制系统、加氯量智能控制系统。这六种控制系统根据现场条件进行集成设置或分别设置均可，也可以部分设置发挥单项调控功能，同时支持云端管理、WEB发布和远程调控功能，实现互联网+智能管理。 PMR系统在污水处理厂整体自控系统中所处位置如下图： 采用以太网通讯，即插即用，可以非常便利的在现有或新建污水处理厂应用。在实际应用的工程中，对于20万吨/天规模的污水处理厂，达到一级A标准时每年节约运行成本达900余万元，同时稳定的工艺参数也有效的促进了各项水质指标的稳定达标，实现达标与节能降耗的双赢。由于模糊控制进行的是定性判断，这一点使得系统对仪表的准确性和完好率的要求大幅度降低了，比如对于流量计的要求仅仅是水量增大的时候它测得数会变大，反之会变小就足够了，至于它测量是否非常准确并不需要严格要求，降低对仪表的依赖带来的直接好处就是系统的运行稳定性大幅度增强，同时也给仪表维修提供了便利，在实际应用中出现过仪表故障率达到50%的情况PMR系统仍可以稳定运行，这是常规精确控制系统所无法企及的。 PMR系统的WEB发布和云端管理功能可以使管理者通过电脑、手机等便利的访问控制系统，随时随地参与工艺控制，也可以使水务集团的核心技术人员实行对全集团污水处理厂的集中掌控，更加有利于先进技术的富集和更新，使得污水处理厂运行走上智能、高效、稳定、节能的康庄大道。 我们惊奇的发现原来污水厂也可以玩移动式办公@！必须再次重申，智能化管理不等于无人值守，PMR只针对工艺控制关键环节，厂内设备设施维护、安保等工作还是需要考人员巡视来完成，PMR虽然对在线仪表完好率要求降低了，但加入仪表全故障也是无法运行的，因此对于仪器仪表正常的维修保养也是必须的。 五、问题解决之COD 今天主要谈COD的解决方案，但在此之前必需要谈一下人工智能与围棋大师之间的对战，人工智能已经获得两连胜，这说明人工智能在某一专门领域的能力是非常具有潜力的，有人因此而恐慌，我认为大可不必。比如汽车，现在人们都用，汽车在奔跑能力上早就超越了人类和任何一种生物，所以人类早就在体力方面输给了机器，那么现在在智力方面输给机器也是科技发展的必然结果了。这又好比将和王的区别，将在武力和用兵上往往强于王，但王却可以牢牢控制住将，人工智能好比将，人类好比王，大家做好自己的王，不要随便嫉妒将，各司其职，各取所长，在鸟尽那天之前弓还是要用的！ 转入正题，在第1篇中已经分析，COD主要难点在于难降解COD的去除，难降解COD又多为大分子，现有难降解COD去除主要包括高级氧化、活性炭吸附、水解酸化及其组合工艺。研究表明，高级氧化在成本可行的情况下实际上只能起到断链和氧化个别发色基团的作用，如果使用高级氧化做COD完全氧化其经济性基本无法接受，折衷的办法是高级氧化断链后接活性炭吸附，活性炭的特点是擅长吸附小分子有机物，但这样做的成本对于一些小规模工业水厂基本能够接受，但万吨级以上达到新地标A级的厂将是巨大的挑战。 那么COD低成本解决的出路在哪，给大家推荐一种新型吸附材料——生物焦！ 生物焦孔径不固定，这决定了它对于各种分子量有机物均具有广谱的吸附效果，同时可再生次数多，其运行和再生成本低于单活性炭吸附工艺，却可以达到高级氧化+活性炭的去除效果，因此在新地标改造中具有巨大潜力。工艺流程如下： 该工艺应用于某含大分子有机物的化工企业废水处理获得了很高的COD去除效果，运行数据如下图： 可以看出，COD去除率能够稳定的达到50%以上，且运行成本低于0.1元/吨，对于大多数污水厂该工艺也可以作为应急工艺，正常COD利用生化处理能够达标时该工艺可超越，如果来水产生较大冲击可随时启用，以增大出水COD的稳定性。 六、整体解决方案 天津市新地标对脱氮除磷要求的提高以及大部分污水厂碳源的缺乏，在整体方案设计中降低碳源的浪费显得非常关键，碳源浪费除前文中提到的过量曝气消耗、氧气回流消耗之外还有预处理段的消耗比如曝气沉砂池预曝气消耗、初沉池底部污泥带走部分碳源消耗。因此在达到新标准的设计中，一级处理段应避免采用曝气沉砂池，初沉池HRT可取较小值以减少有机成分的沉淀，使用改良多级AO时则可免去初沉池，进水SS尤其无机SS过高时初沉池则可正常设置。 二级处理段推荐工艺为改良多级AO，该工艺可非常便利的切入现有AAO、多级AO、SBR、CASS、氧化沟、MBR等工艺，改造成本较低，改造后对碳源的节约非常明显，可有效降低运行成本。改良多级AO工艺也已被纳入“天津节能环保技术超市”，并作为主推工艺。在辅助设施方面应设置配水量自动控制装置以及曝气量自动控制装置，以提高工艺管理水平，提高处理水质的达标率和工艺的整体抗冲击能力。建议设置PMR工艺智能管理系统，加强对工艺的科学控制，该系统成本回收期一般不超过1年，在节能和达标方面具有显著的优势。PMR技术也已被纳入“天津节能环保技术超市”，并作为主推工艺。 三级处理段没有了反硝化压力可选工艺范围变得更为宽广，加药除磷建议选在三级处理段，因为加药除磷的同时可以去除SS一举两得。三级处理段加药除磷时投药量小，除磷效果好，运行中在生物池加药除磷比三级处理段加药除磷的加药量要高2-3倍，因此从经济性考虑三级处理段建议设置加药絮凝反应、沉淀池。目前较为先进的沉淀工艺已经可以满足SS＜5mg/L的要求，此时可不必设置滤池。若采用普通沉淀池可设置沙滤或膜过滤以及其它形式的过滤工艺，关键因素为工艺的过滤孔径当量够用即可，传统沙滤完全可以满足需求，膜过滤根据具体情况也可作为备选工艺，因为在末端采用膜过滤比在二级段采用膜过滤在水质保证和膜寿命方面都具有巨大优势，整体成本也比用在二级处理段低得多。对于部分含难降解COD高、色度高的厂推荐采用活性焦吸附工艺，该材料对各种分子量有机物具有广谱的吸附能力，吸附效果优于高级氧化+活性炭的组合工艺，运行成本低于单活性炭吸附，也可作为应急工艺，当上游受到高COD冲击时可随时投用，以备不时之需，生物焦工艺也已纳入“天津节能环保技术超市”，并作为主推工艺。 “水技术”所推荐的新地标背景下的水质低成本达标整体解决方案如下图：  图6-1 整体解决方案 该方案在碳氮比（BOD/TN）大于2.5的厂，达到新地标A级时的运行成本可与达到一级A标准持平，即使在碳氮比较低的厂也可以有效降低碳源投加量，较常规工艺可降低0.2元/吨*10mgTN的碳源成本，具有非常强的推广价值。 该方案是新环保法、水十条、新地标、低价竞争背景下污水处理厂稳定运行达标的一剂良药，实践是检验真理的唯一标准，希望这些技术应够应用到更多的污水处理厂，为我国的水处理事业做出更多更大的贡献！ 来源： 魏彬 水技术 |
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