脱氮除磷新技术在污水领域的研究及应用

来源：中国水网

“在排放标准日趋严格的情况下，特别对于现有污水厂的提标，应重点关注于挖掘二级生化处理潜能，通过优化各反应区关键指标控制点，强化氮、磷去除性能，在不新增构筑物的同时，实现出水水质提升。”

9月5日，中国市政工程中南设计研究总院有限公司(简称:中国市政中南院)总工程师万年红在“2024(第十六届)上海水业热点论坛”上，以“减污降碳协同增效背景下污水厂强化二级处理新工艺及应用”为题，作了主题发言。

万年红

万年红表示，自2019年以来，我国污水处理领域经历了前所未有的深刻变革，从基础的污染治理到当前聚焦的减污降碳协同增效，标志着我国污水处理已迈入高标准、高质量发展的新纪元，体现在污水处理厂的就是各地的排放标准在不断提高，其中重点是对氮和磷的去除，也是目前高排放要求下的处理瓶颈。

在此背景下，2018年以来，中国市政中南院围绕污水处理的主流工艺和排水系统做了一系列研究，相继建成了国家级、省部级和市级、企业级等多个科研平台，并在武汉、上虞、深圳等地成立了多座试验基地，为行业技术革新、科研成果转化、专业人才培训、企业竞争力提升提供保障和支撑。

强化脱氮除磷技术研究

万年红表示，二级生化处理是氮、磷去除的主要功能区，在排放标准日趋严格的情况下，特别对于现有污水厂的提标，应重点关注于挖掘二级生化处理潜能，通过优化各反应区关键指标控制和加强运行管理，强化氮、磷去除性能，在不新增构筑物的同时，实现出水水质提升。

研究路线

中国市政中南院污水处理试验基地涵盖了从CSO-预处理、一级强化处理、二级处理、深度处理到尾水生态处理的全过程工艺优化探索，并对工业园区废(污)水处理和硫自养反硝化等热点技术进行专题研究，实现了全链条的布局，每个环节都围绕着行业的需求开展科研工作。

以下为中国市政中南院在强化脱氮除磷技术方面的研究课题：

1、污水处理厂低碳高效生化处理技术研究

工艺流程

该技术是为应对多工况、多地域、多成分条件下的进水水量及水质变化，针对城镇污水厂生化脱氮除磷工艺，通过参数调整、运行优化及池型改造等措施，深度挖掘处理潜能，优化氮、磷去除性能，减少无效曝气，优化碳源投加，促进节能碳减排，实现出水稳定达到或优于一级A排放标准。

与武汉市排水发展有限公司和中信清水入江公司武汉江夏污水厂合作，针对五段Bardenpho与多级AO工艺对比试验及优化运行研究;多点进水微氧控制强化脱氮除磷工艺技术;多点回流多级AO-MBR工艺技术三项关键性技术开展相关中试试验研究。

2、深度脱氮与超深度脱氮外加碳源优化技术

该技术是针对污水处理厂反硝化脱氮外加碳源成本高的问题，研究不同常用外加碳源的效果，探索最佳运行参数，为污水处理厂如何选择经济高效的外加碳源以及如何减少外加碳源用量提供参考依据。

试验工艺流程

主要研究内容：(1)不同碳源的自然挂膜启动对比;(2)不同负荷下，不同碳源反硝化性能、碳源利用率、反冲洗周期对比;(3)沿程污染物去除效果及反硝化动力学分析;(4)不同碳源技术经济比较。

3、藻基水处理体系碳中和与液体肥料生产技术研究

技术路线

该技术针对中试规模(340吨/日)工艺中的运行参数对污染物迁移转化规律、藻-菌生物互作关系、微藻 CO2还原生化转化特性及液体肥料肥力特性的影响规律和机理开展研究，获得 CO2固定模型、污染物深度降解机制和液体肥料生产调控手段。

主要研究内容：(1)藻基二级水处理和深度水处理中试规模工艺调控策略;(2)藻基水处理体系多组分污染物迁移转化机制研究;(3)藻基污水处理过程抗性基因的转移与去除机制;(4)藻基水处理体系内藻-菌生物互作关系;(5)藻基水处理体系碳中和与液体生物肥料生产特性。

预期目标：(1)建立中试规模工艺固碳动力学模型，获得不同环境参数对 CO2固定效率的作用规律;(2)获得微藻生物质液体肥料产量和质量特性变化规律;(3)揭示藻基水处理体系碳中和与液体肥料生产工艺中污染物迁移转化规律、藻-菌生物互作关系、微藻CO2还原生化转化特性及液体肥料产出特性。

4、污水处理厂PAC优化生物系统污泥的机理及调控研究

该技术是针对城镇污水处理厂二级处理阶段化学强化除磷过程中，可能存在的除磷药剂投加过量的现象，同时长期投加除磷药剂可能会造成残余金属离子的累积，对生化系统的生物群落的组成和结构稳定性产生波动影响，项目选取实际污水，以实验室和中试探究除磷药剂和运行参数的优化控制，并开展长期投加PAC过程中的稳态运行策略研究，为污水处理厂实际运行提供参考。

研究的主要内容：(1)除磷药剂PAC投量和运行参数的优化研究;(2)生物系统的稳态运行策略研究;(3)除磷药剂PAC对污泥性能的影响研究;(4)图像识别技术评估污泥沉降性能。

主要结论：(1)在进水一致的前提下，确定同步沉淀化学除磷剂PAC的最佳投加量，实现对化学除磷过程更为合理的控制;(2)明确了同步化学强化除磷过程中，不同运行工况下微生物群落结构的演替和生化系统污染物降解能力的差异性;(3)明确了长期投加除磷剂对生化系统的稳态影响;(4)开发了一种基于图像识别技术的污泥沉降快速检测装置及一种污泥健康程度评价方法。

5、大型城市污水厂低碳运行模拟优化研究

该研究是为应对中部某大型污水厂节能降耗低碳运行需求，针对污水厂现有工艺开展现状调研，基于GPS-X建立概化数学模型，参照类似工程参数及该厂历史运行数据，提出可操作和经济合理的优化运行方案，提出综合最优运行工况及相应节能降耗空间。

研究内容：(1)污水厂现状调研及并联工艺对比分析;(2)MBR工艺基于同类案例及工程经验的节能降耗潜力分析及优化方案;(3)A/A/O工艺基于数学模型预测的节能降耗潜力评估及优化方案;(4)节能降耗低碳运行方案验证及污水厂模型应用性评估。

强化脱氮除磷新技术新工艺及其应用

此外，万年红还阐述了中国市政中南院在污水处理领域的实际贡献，特别是在强化脱氮除磷技术上，其新技术和新工艺的应用实践取得了不错的成果，已在多个项目实现应用，并形成了中国市政中南院特色的技术路线和解决方案。

1、RPIR快速生化污水处理技术

该技术采用反应沉淀一体式环流生物反应器，将曝气池和二沉池合二为一，利用气升动力使污泥环流，同时实现污泥的截留和无动力自动全回流反应，缩短了污水处理的工艺流程。

具有“低成本、高效率、简管理、优出水、少占地”的特点，适用于各种可生化污废水的处理，特别适应于高标准应急污水处理和市政污水提标、改造。

目前，已经在深圳固戍水质净化厂(一期)水量提升扩容项目(6万m³/d;出水一级A，原一级B)、武汉东西湖区机场河流域临时分散式水处理服务项目(10万m³/d;出水一级A)等项目实现应用。中国市政中南院主编的该技术团体标准已发布。

2、以芽孢杆菌为优势菌的生物反应器(BBR)

芽孢杆菌(Bacillus)具有繁殖快速、生命力强、生存范围广、高效去除污染物、消除恶臭等特性，可高效去除污水中的有机污染物、脱氮、除磷，也可以分解产生恶臭气体的有机物质、有机硫化物、有机氮等，从根源上解决恶臭问题。

该技术将生物膜法(生物转盘装置)和活性污泥法相结合，利用芽孢杆菌作为系统优势菌属，对溶解氧和碳氮比的需求较低，无需额外添加碳源，停留时间短、占地面积小，可在低温下高效运行。

沧州市运东污水处理厂提标改造项目

目前，该技术已在沧州市运东污水处理厂提标改造为代表的大量项目中实现应用。该项目设计规模10万m³/d，改造工艺为BBR生化处理工艺，改造后出水标准为河北省地标《黑龙港及运东流域水污染物排放标准》(DB13/ 2797-2018)中对重点控制区排放限值的相关要求(其中SS仍执行GB18918 -2002中的一级A标准)。中国市政中南院主编的该技术团体标准正在编制中。

3、生物倍增工艺

该工艺集曝气、沉淀、泥水分离和污泥回流功能于一身，并运用空气提推技术实现高回流比，具有低溶解氧，能耗大大降低;高污泥浓度，除污效率高;工艺流程短、占地节省40%以上等特点。

该工艺在石家庄鹿泉某市政污水处理厂实现应用，项目规模50000m³/d，因提标扩容需求，新建30000m³/d生化池，处理后出水主要指标稳定达到国家IV类水体标准TN<5mg/L，目前3万吨原水直接进入生化池，扩容2万吨尚未接入，生化吨水运行电耗0.12 kWh/吨污水。中国市政中南院主编的该技术团体标准正在编制中。

4、高浓度复合粉末载体生物流化床技术(HPB)

该技术是向生化池中投加微米级的复合粉末载体(多为20~50μm)，其比表面积大，可提高生物池污泥浓度和容积负荷，其优势为：可构建悬浮生长和附着生长的“双泥”系统，并通过载体的高效分离回收，实现“双泥龄”，强化同步脱氮除磷效果;原位改造，占地面积小。

为实现武汉南湖“活水保质”的目标，龙王嘴污水处理厂启动“南湖生态活水项目尾水再生利用工程”，二级处理段，在不改造现状厂区构筑物主体结构、不停产的情况下，采用HPB工艺，对龙王嘴污水处理厂二、三期生化池进行改造升级(30万m³/d)，提升生化系统处理能力和抗冲击负荷能力，深度处理段。

中国市政中南院开展了系列极限脱氮除磷实验，在龙王嘴污水厂五期提标改造工程中采用，HPB改造(二、三期生物池)+两级反硝化生物滤池+气浮池工艺，最终实现出水达到《地表水环境质量标准》IV类(湖、库)标准，其中TN小于1.5mg/L。

5、连续流厌氧/好氧/缺氧(AOA)

该工艺将缺氧区后置，省去内回流，形成厌氧-好氧-缺氧的生物处理流程，在厌氧段将进水的COD转化为细胞的内碳源，在缺氧区利用这些内碳源进行反硝化，同步脱氮除磷，减少对外加碳源的消耗。

具有提质增效(TN去除率 85% 以上)、节能降耗(节省电耗>25%、除磷药剂节省40%~100%)、污泥减量 30% 以上、节省占地>30%四大优势，目前已在深圳福永水质净化厂二期工程中实现稳定运行。在GWI全球水奖评选中，该项目成功入围“年度最佳市政污水项目”，成为2023年全球四个入围的市政污水项目之一。

6、膜曝气生物膜反应器(MABR)

MABR工艺原理

MABR是将气体膜技术与生物膜技术相结合的一种新型污水处理技术，是以透氧膜为微生物载体并为其表面的生物膜无泡传输氧气，氧气和污染物分别从生物膜两侧扩散进入生物膜并被逐渐消耗的生物膜法污水处理系统。

目前该工艺已在南京某污水处理厂提质增容(25000吨/日)实现应用，一期设计处理规模10万吨/日，四组生化系统，单组规模2.5万吨/日，采用强化脱氮改良型A2/O工艺+反硝化深床滤池+消毒工艺，停留时间15小时，出水执行GB18918-2002中一级A标准。自建成以来，出水稳定达标，系统运行稳定。中国市政中南院联合主编的该技术团体标准正在编制中。

7、好氧颗粒污泥技术(AGS)

好氧颗粒污泥(AGS)，是通过微生物自凝聚作用形成的颗粒状活性污泥，具有致密的结构与较大的粒径，能够进行各种好氧、厌氧代谢活动。具有沉降性能好，生物量质含量高，同时具备多种微生物功能，剩余污泥量少;运行能耗低、占地面积小等优势。目前国内采用准好氧颗粒污泥(重质或致密颗粒污泥DAS)的项目已有数十项。

该工艺在龙游县城南工业污水处理厂(2万吨/日)、荆州雷家垱装配式净水项目(4万吨/日)落地投产。该技术团体标准正在申报中。

最后万年红表示，在污水处理厂的中，应综合考虑项目规模、进出水水质要求、建设用地、技术经济性等因素，选用合适的工艺方新、改、扩建项目案，为二级处理段的工艺选择提供新思路，助力高排放标准下污水厂的集约、高效、低碳化运行。