污水一級處理的新概念與新機遇

污水一級處理的新概念與新機遇現(xiàn)代污水處理在經(jīng)歷百年發(fā)展之后迎來了理念與技術(shù)重大變革，從處理向資源回收轉(zhuǎn)變成為時代發(fā)展的主旋律。污水中的碳已被廣泛認為是可貴的資源，可用于產(chǎn)生能量（厭氧消化），或開發(fā)出以碳為基礎(chǔ)的商品。污水中的可生物降解有機物從二級處理轉(zhuǎn)向能量回收的這一轉(zhuǎn)變被稱之為碳轉(zhuǎn)向（CarbonRedirection）。碳轉(zhuǎn)向是污水處理實現(xiàn)能量自給的必由之路，已經(jīng)成為當前及今后一段時間內(nèi)污水處理技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。

碳轉(zhuǎn)向的重點在于一級處理的高效利用。一級處理是污水處理的經(jīng)典工藝單元，主要目的是去除進水中的懸浮物和脂肪、油、油脂（FOG）。在現(xiàn)代污水處理一個多世紀的發(fā)展歷程中，一級處理始終占據(jù)著重要的歷史地位。同時，污水處理技術(shù)越來越朝著密集化的方向發(fā)展，節(jié)能與占地緊湊成為鮮明的技術(shù)特征。在此背景下，污水一級處理領(lǐng)域出現(xiàn)了新的技術(shù)動向，這一技術(shù)動向總體上符合上述宏觀的歷史發(fā)展背景，由此催生了一級處理技術(shù)的新概念。

1一級處理技術(shù)的現(xiàn)狀

傳統(tǒng)上，一級處理普遍的應(yīng)用技術(shù)是初沉池，這一技術(shù)比活性污泥法的歷史還要悠久，在歐美的污水處理廠有大量的應(yīng)用。初沉池可以有效地削減二級處理的進水負荷，對SS的去除率可以達到50%～70%、BOD的去除率為25%～40%。同時初沉池可以有效地應(yīng)對暴雨時的峰值水量，避免對二級處理的沖擊，初沉池對無機懸浮物（ISS）及漂浮物的去除還可以有效地提高生物處理的效能。當然，傳統(tǒng)初沉池也存在著造價高、占地面積大等明顯的弊端。

化學強化一級處理（CEPT）在提高初沉池的效率方面有著顯著的效果，化學強化一級處理可以獲得60%～90%的SS去除率、BOD的去除率為35%～75%，在一些國家沿海污水處理廠中廣為使用。同時，化學強化一級處理也用于一些發(fā)展中國家的污水處理和暴雨期間溢流污水的處理?；瘜W強化一級處理的主要弊端是產(chǎn)生大量的一級污泥，這些一級污泥較難濃縮與脫水，同時化學強化一級處理對于出水氮磷要求較高的地區(qū)難以達到理想的效果。

此外，高速沉淀（Highrateclarification）也是應(yīng)用較多的一種一級處理技術(shù)，高速沉淀是將混凝、絮凝、斜板沉淀以及污泥回流集成在一起的技術(shù)單元。在國外，高速沉淀主要用于雨季期間合流污水的溢流控制，典型的專利技術(shù)包括Actiflo、DensaDeg等。

2一級處理技術(shù)發(fā)展的新概念

無論是傳統(tǒng)初沉池，還是化學強化一級沉淀，或是高速沉淀，其核心在于沉淀。而近些年來，在一級處理領(lǐng)域出現(xiàn)了一些新的技術(shù)動向，其核心技術(shù)概念是：一級過濾取代一級沉淀，這一概念的出現(xiàn)正在對傳統(tǒng)一級處理產(chǎn)生重要的影響。目前，一級過濾的技術(shù)形式主要包括一級出水過濾、一級過濾以及旋轉(zhuǎn)帶式過濾機（Rotatingbeltfilter，RBF）等。

2.1一級出水過濾

一級出水過濾的概念實際上在20世紀80年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是傳統(tǒng)砂濾在這方面的應(yīng)用并不理想。后來出現(xiàn)濾布濾池，并在三級處理方面的應(yīng)用獲得了巨大的成功，在世界各地的大量污水處理廠中都可以看到濾布濾池的身影。近些年來，新型的濾布濾池已悄然用于一級出水的過濾。一級出水過濾后的污水進入二級生物處理單元后，可以提高二級處理的處理能力、降低曝氣能耗。對于有厭氧消化的污水處理廠，過濾截留下的固體物質(zhì)可以提高厭氧產(chǎn)能，提高污水處理廠的能源自給率。新型濾布濾池的過濾材料不同于以往，堆狀的過濾結(jié)構(gòu)使得濾布具有3～5mm的有效過濾深度，可以實現(xiàn)在很寬的范圍內(nèi)對顆粒物的截留，這種濾池往往又被稱為深層濾布濾池（Clothdepthfilter）。

美國加州Linda再生水廠從2013~2015年進行了為期2年的一級出水過濾中試研究，濾布濾池及可壓縮濾料濾池被用于污水的一級過濾，數(shù)據(jù)表明一級出水過濾的效果穩(wěn)定，SS的去除率約為45%左右（如圖2所示），BOD、COD的去除率為30%左右，反沖洗水量約為5%～10%。

不僅濾布濾池用于一級出水的過濾，其他一些專利性的過濾技術(shù)也正在這方面一展身手，這種專利性的技術(shù)通常是一類為可壓縮濾料的過濾技術(shù)，主要包括FuzzyFilterTM、FlexFilterTM等商業(yè)性技術(shù)，其濾料為人工合成物，具有較強的彈性和多孔性，密度較水輕。這類過濾技術(shù)的主要特點是濾速較高，一級出水過濾時的濾速可以達到24～60m/h，反沖洗水量一般低于10%。

2.2一級過濾

一級出水過濾的成功應(yīng)用也推動了原污水的直接一級過濾，上文述及的Linda再生水廠在對一級出水過濾的概念驗證之后，又于2017年開始了原污水的直接一級過濾概念的生產(chǎn)性規(guī)模驗證，這一項目得到了加州能源委員會（CEC）的資助，CEC的項目除此之外，兩個中試規(guī)模的研究分別在Manteca污水處理廠和Laner再生水廠展開，以研究不同的特點的污水水質(zhì)及不同工藝帶來的性能影響。

Linda污水處理廠的設(shè)計規(guī)模為1.9萬m3/d，該廠的處理工藝由格柵、初沉池、硝化反硝化、二沉池、三級過濾、污泥厭氧消化組成。2017年的平均處理水量為5000m3/d，由于收集了附近另外城市的污水到2018年底處理水量達到了9700m3/d。生產(chǎn)性規(guī)模的測試分為兩個階段，第一階段是在2018年秋季前全部的污水經(jīng)預(yù)處理后跨越初沉池直接進入一級過濾單元，然后再進入生物處理單元；第二階段是由于進水量提高了將近1倍，50%的污水直接進行一級過濾，如圖3所示。表1為該廠一級過濾效果。

Linda生產(chǎn)性規(guī)模的試驗結(jié)果表明，一級過濾的SS平均去除率達到了86%，遠遠高于傳統(tǒng)初沉池的SS去除效率（50%～60%）。相比于傳統(tǒng)初沉池，一級過濾減少了75%的占地面積，提高了15%～20%的生物處理能力，沼氣產(chǎn)量提高了30%～40%。Linda再生水廠近些年生產(chǎn)性規(guī)模的一級過濾試驗研究對于北美污水處理提倡的碳轉(zhuǎn)向具有重要的風向標意義。

2.3旋轉(zhuǎn)帶式過濾機/微篩

與一級出水過濾、一級過濾相比，旋轉(zhuǎn)帶式過濾機/微篩從本世紀初期已經(jīng)用于一級過濾，主要是在歐洲地區(qū)。旋轉(zhuǎn)帶式過濾機/微篩與濾布過濾的不同之處在于過濾孔徑不同，旋轉(zhuǎn)帶式過濾機/微篩的孔徑通常為200～400μm，而深層濾布過濾或彈性濾料過濾的孔徑通常小于10μm。

旋轉(zhuǎn)帶式過濾機通常需要設(shè)置在格柵和沉砂池之后，水中的懸浮物在環(huán)形旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)上截留下來，旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)速度可調(diào)，截留下的污泥含固率約3%～8%，可無需進一步濃縮而直接進行脫水（見圖4）。

旋轉(zhuǎn)帶式過濾機對SS、BOD的去除率與進水水質(zhì)有關(guān)，一般情況下BOD的去除率可以達到20%～40%、SS的去除率約50%～60%，占地面積僅為初沉池的1/10，投資費用較傳統(tǒng)初沉池節(jié)約30%～60%。旋轉(zhuǎn)帶式過濾機已經(jīng)應(yīng)用于歐洲的Tiendeholmen污水處理廠、Breivika污水處理廠、Bangsund污水處理廠、NedreRomerike污水處理廠的一級處理。旋轉(zhuǎn)帶式過濾機的濾速與SS去除率有關(guān)，一般為144～240m/h。

微篩是一般是轉(zhuǎn)鼓或盤式過濾的方式，用于一級過濾時一般需要上游處理設(shè)施設(shè)置必要的格柵、沉沙、除油單元，占地面積為初沉池的10%～20%，在不加藥劑的情況下SS的去除率約為50%，BOD的去除率約為30%，與初沉池的效能基本相當。歐盟POWERSTEP項目的技術(shù)報告顯示，包括瑞典、挪威、法國、德國的幾個污水處理廠從2003年起逐漸開始在一級處理中應(yīng)用微篩。

從上述一級處理的技術(shù)發(fā)展動向來看，設(shè)備化、人工材料的過濾方式在今天這個追求碳轉(zhuǎn)向與設(shè)施老化并存的時代背景下，已經(jīng)在國外一些地區(qū)開始取代龐大的傳統(tǒng)初沉池，并逐漸成為行業(yè)明顯的發(fā)展方向。

3中國污水一級處理技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展機遇

3.1國內(nèi)污水一級處理技術(shù)的現(xiàn)狀

長期以來中國污水處理領(lǐng)域內(nèi)忽視一級處理，絕大多數(shù)污水處理廠不設(shè)初沉池。而北美的技術(shù)觀點認為從污水處理廠的全壽命周期費用來看，規(guī)模大于3.8萬m3/d（10MGD）的污水廠設(shè)置初沉池是經(jīng)濟劃算的。

不設(shè)置初沉池會嚴重降低生物處理工藝的實際效能，特別是進水中的無機懸浮物（ISS）不經(jīng)過初沉池而在曝氣池內(nèi)積累，導(dǎo)致生物處理工藝段的MLVSS/MLSS遠遠低于正常值，所需的生物池池容相對較大，這種情況對于進水無機懸浮物較高的污水處理廠尤為明顯。

生物處理單元的MLVSS/MLSS是衡量生物處理單元效率高低的一個重要參數(shù)。MLVSS的組成共有3部分，分別是活性微生物部分（MXH）、內(nèi)源代謝殘留物（MXE）、進水不可生物降解VSS（MXI），如式（1）所示。

式中Q——進水流量，m3/d；

Sin——進水COD，mg/L；

θ——泥齡，d；

fUS——溶解態(tài)不可生物降解COD比例；

fUP——顆粒態(tài)不可生物降解COD比例；

f——內(nèi)源殘留物比例；

b——衰減系數(shù)，d-1；

fCV,P——進水VSS的COD當量，mgCOD/mgVSS。

在MLSS的構(gòu)成中，會有一部分來自于進水的無機懸浮物（ISS），這樣MLSS的構(gòu)成可表示為式（2）：

式中XISS——進水的無機懸浮物，ISS=TSS-VSS。

MLVSS/MLSS的比例可由上述兩式計算得出，以進水COD=300mg/L、ISS=20～100mg/L的變化為例，說明ISS對MLVSS/MLSS的影響，其他參數(shù)采用典型值，如表2所示。計算結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，在進水COD一定情況下，進水無機懸浮物對MLVSS/MLSS的影響很大，ISS越高MLVSS/MLSS越低。顯然，ISS的去除對于提高生物處理單元的效率至關(guān)重要。王洪臣對全國467座污水處理廠的調(diào)查結(jié)果也顯示，60%的污水處理廠的MLVSS/MLSS低于0.5，在某種程度上與不設(shè)初沉池有密切關(guān)系。

另外一個業(yè)界關(guān)心的問題是一級處理單元的設(shè)置會導(dǎo)致生物脫氮除磷所需的碳源不足，實際上這一觀點并非如此。生物脫氮所需的碳源是易生物可降解COD（RBCOD），這種COD絕大部分是溶解狀態(tài)，而初沉池所去除的基本為顆粒態(tài)COD，如圖6所示。

為了評估初沉池對生物脫氮除磷的影響，以1座處理規(guī)模為10萬m3/d、進水COD=400mg/L、TN=50mg/L、TP=5mg/L的污水處理廠為例，對無初沉池、有初沉池、初沉污泥發(fā)酵3種模式下的AAO工藝進行模擬分析。3種模式下的工藝建模見圖7，各項參數(shù)見表3、表4。

從圖8、圖9可以看出，有無初沉池其實對出水氮磷水質(zhì)并無顯著的影響，無初沉池的情況會比有初沉池的情況略好一些。JamesBarnard也認為處于優(yōu)化運行狀態(tài)下的初沉池不會去除顯著的易生物降解COD。

但是當采用初沉池+發(fā)酵模式時，出水溶解性磷酸鹽、總磷較其他兩種情況有明顯的好轉(zhuǎn)。沒有初沉池或只有初沉池時，出水的TP分別為2.0mg/L和1.9mg/L，而采用初沉+發(fā)酵模式時，出水的TP可降低至1mg/L。這是由于初沉污泥在發(fā)酵過程中沉淀的顆粒態(tài)COD產(chǎn)生VFA促進生物除磷的結(jié)果。

實際上，初沉污泥發(fā)酵開發(fā)內(nèi)部碳源的技術(shù)應(yīng)用在歐美已經(jīng)屢見不鮮，在過去30年里，初沉污泥發(fā)酵技術(shù)成功地用于北美、歐洲、南非、澳大利亞、新西蘭的眾多污水處理廠。

一級過濾截留下來的污泥與初沉污泥類似，并且由于停留時間更短，厭氧導(dǎo)致的COD損失更少。Rusten對旋轉(zhuǎn)帶式過濾機對后續(xù)生物脫氮碳源的影響進行了深入的研究，研究結(jié)果表明即使是用33μm的過濾孔徑，旋轉(zhuǎn)帶式過濾機對生物脫氮沒有顯著的負面影響。在歐盟的智慧廠（SMART-Plant）項目中，意大利Carbonera污水處理廠已經(jīng)開始嘗試用旋轉(zhuǎn)帶式過濾機來進行碳分離，同時將分離后的一級污泥進行發(fā)酵產(chǎn)生碳源供后續(xù)生物處理所需。

3.2未來的發(fā)展機遇

毋庸置疑，設(shè)置初沉池的弊端是顯然易見的，占地面積大、造價高是其主要的缺點。然而，由于一級過濾技術(shù)的不斷實踐成功，這種情況可能會有所改變。一級過濾技術(shù)可以在占地面積很小的情況下，降低生物處理能耗、提高生物處理效能，同時一級過濾技術(shù)大幅度降低了傳統(tǒng)初沉池的建設(shè)成本。在國內(nèi)污水處理廠布局已經(jīng)成型、沒有多余土地可利用的情況下，如何提質(zhì)增效效能儼然已經(jīng)是一個不能回避的問題，顯然新型一級處理技術(shù)的發(fā)展為當前的局面提供了值得借鑒的技術(shù)手段。

因此，重新反思一級處理的