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【摘要】随着人口增长和经济的快速发展，我国正面临越来越严重的污染问题。清新的空气、干净的水已经变成奢侈品。近年来，国家加强对污染的治理力度，力图改善环境污染的现状。早期建造的污水厂处理能力不能达到现有日益严格的排放要求，因此很多污水厂需要进行提标改造。由于各地区水质污染情况等各不相同，处理工艺导致处理水准也不尽相同。本文通过对二级处理工艺的介绍及对比分析，包括MBR工艺、CASS及AAO工艺，结合当地的客观条件及实际的工程经验，选择合适的工艺流程改造模式，达到对目标污水的预处理、以及对污水深度处理等工艺阶段，解决工业废水和生活污水污染的问题。
【关键词】污水厂改造；二级处理；工艺；对比分析
通过对工程项目背景的介绍与分析，深入了解了目前逊克县污水基本的情况及现状，从而引出我们亟需要进行改善的原因；对于此次污水厂如何改善的对策，我们根据实际情况结合总体思路和改善原则，对现有处理设施进行分析后制定了新建二级处理设施的方案，文中提出三种常用工艺流程，并逐一分析、优比论证，选择最适合的工艺对逊克县污水处理厂进行改造。
1、工程背景
逊克县污水处理厂接纳的污水由生活污水和工业废水两部分组成。其中生活污水按照综合生活用水定额预测，工业废水根据工业用地用水指标确定。根据《室外给水设计规范》、《逊克县边疆镇污水管网工程可行性研究报告》，逊克县综合生活用水定额（最高日）取160L/（人·d），日变化系数1.2；污水收集率按远期（2030年）考虑取90%。按照《逊克县边疆镇总体规划》人口规模预测，2015年逊克县人口达到4.5万人，2020年人口规模可达5.1万人，2030年人口规模可达6.5万人。根据污水量预测可以看出，现状污水量约6600m3/d，至2020年污水量约7600m3/d，至远期2030年，污水量约9800m3/d。
2、二级处理方案论证
根据总体改造原则和思路，本次改造项目二级处理工艺首先需要充分利用现有处理设施，现有设施处理能力不足的部分利用新建的二级处理设施处理，现有和新建处理设施并行联合运行达到处理要求。
2.1污水处理厂原有设施利用方案论证
逊克县现有污水处理厂污水处理主工艺采用曝气生物滤池（BAF）工艺，该工艺是一种发展较快的新型污水生物处理技术，根据水质及使用条件的不同，该工艺可运用于目标污水的预处理、以及污水二级或深度处理等工艺阶段。
2.2 新增二级处理简介
根据本次改造原则，二级处理工艺需要采用具有脱氮除磷功能的生物处理工艺。生物脱氮除磷工艺都包含厌氧、缺氧、好氧三个不同过程的交替循环。传统的工艺有活性污泥法工艺和生物膜法工艺，随着膜技术的发展和完善，膜生物反应器（MBR）开始引入城市污水及工业废水处理领域。每种工艺各有其特点，都可以作为逊克县污水处理厂的改造工艺。
从处理效果来看，以上工艺系列均可满足處理要求，但每种处理工艺均各有侧重，在工程特点、使用范围和适用条件上还是存在一定的差别。考虑到生物膜法预处理要求高，运行维护比较复杂，所以本次改造项目新建构筑物不采用生物膜法处理工艺，结合项目技术先行性的客观要求和东北地区的项目案例，本工程拟对MBR工艺、活性污泥法中的AAO工艺、CASS工艺进行技术经济比较。
2.2.1 MBR工艺
MBR又称膜生物反应器（Membrane Bio-Reactor），是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术。根据膜组件和生物反应器的组合方式，可将膜生物反应器分为外置式和浸没式。
反应器不同于在生物反应和沉淀后采用的膜法深度处理，在外置式系统中，膜完全独立于生物反应器，进水进入含有微生物的生物反应器中，混合液被泵送入环路中的膜单元，渗透液排放，截留液回流至反应池，限制膜操作的膜驱动压力和错流速率均由泵产生。
浸没式系统的不同之处是在生物反应器中进行分离而无需环路，膜驱动压力由高于膜的水头提供。MBR膜有具独特结构的MBR平片膜，其占地面积小、智能化程度高和简便操作的优点，大大提高了水处理系统固态和液体分离的能力，使水质处理能力和容积负荷都有相当程度上的增强作用，其再生水则可直接作为新生水源循环利用。典型的MBR膜生物反应工艺见图1。
2.2.2 CASS工艺
循环式活性污泥法工艺（Cyclic Activated Sludge System）简称CASS工艺，是间歇式活性污泥法的一种先进变型，是目前国际上较多地应用于大中型污水处理厂的间歇运行的活性污泥法工艺。由于循环式活性污泥法工艺按照“注水-排水”以及“曝气-非曝气”顺序完成处理过程，因此属于序批式活性污泥法的一种变型工艺，CASS工作原理如图2。
与传统序批式SBR工艺不同，在循环式活性污泥法中，通过设置选择器可以允许以任意进水速率进水而不会产生污泥膨胀，故无需如传统序批式SBR工艺设置进水贮水池。通过严格控制溶解氧浓度可以实现同步硝化反硝化，故无需设置缺氧搅拌阶段。
其主要缺点：对自动控制的依赖程度高；风机动力效率较低；由于变水头运行与后续深度处理构筑物（如絮凝沉淀、过滤等）衔接困难。
2.2.3 AAO工艺
AAO工艺即厌氧（Anaerobic）-缺氧（Anoxic）-好氧（Oxic）活性污泥法。是20世纪后期发展起来的一种污水处理新技术，是在厌氧/好氧除磷系统和缺氧/好氧脱氮系统的基础上提出的。即将两个系统组合起来，使污水经过厌氧、缺氧及好氧三个生物处理过程，达到同时去除BOD5、磷及氮的目的。
目前，AAO工艺处理城市污水已在我国多个城市污水处理厂运用，具有出水水质稳定的优点。该工艺对污水处理有比较理想的效果，一般均能保持BOD590%的去除率，对氨氮、总氮、总磷的去除率也能保持在85%，AAO工艺流程框图如图3。 厌氧、缺氧和好氧活性污泥法生物脱氮由硝化与反硝化作用两个生物反应过程组成。
硝化作用指在好氧条件下，硝化菌将氨氮氧化成硝态氮（NO3-）的过程，硝化菌有强烈的好氧性，且对pH值的变化十分敏感，在硝化过程中，要将1克氮完全氧化成硝态氮，需要4.57克氧和7.1克碱度（以CaCO3计）。另外，由于硝化菌是一类自养型菌，与降解有机物（BOD5）的异养型菌相比，繁殖速度较慢，要使其在硝化过程中有良好的生长环境，必须适当降低BOD5负荷，保持较长的污泥龄。
反硝化作用为异养型兼性厌氧菌，在缺氧条件下将硝态氮还原成氮气的过程，其总反应式为：4NO3- +5C（有机碳）+2H2O→2N2+5CO2+4OH-反硝化菌为异养型兼性厌氧菌，在缺氧条件下将硝态氮还原成氮气，主要利用废水中的有机碳作为电子供体。因此，在反硝化过程中，废水中必须要提供足够量的有机碳，才能保证反硝化反应的进行。
厌氧、缺氧和好氧活性污泥法生物除磷是通过厌氧、好氧交替变化的条件下进行的。在厌氧环境，聚磷菌受到压抑，将储于体内的聚磷酸盐分解，并以溶解态单磷酸盐的形式释放出来。在聚磷菌释磷和聚磷过程中，均伴有有机物的降解反应，废水中的磷通过排放富磷剩余污泥来去除。
2.3二级处理主工艺比选
从上表可以看出，从出水水质的角度MBR工艺最为理想，但是MBR工艺对自动控制系统的要求较CASS工艺和AAO工艺要高得多，膜系统的日常维护量较大，包括膜组件的定期反洗和每半年至一年的化学清洗， 其次MBR工艺经济性明显低于其余比选工艺，一方面MBR膜组件本身价格昂贵，并且存在3～5年的使用寿命限制到期必须跟换，另一方面MBR工艺运行费用高，需要两套曝气系统，一套用于为生物系统曝气，另一套用于对膜面的冲刷，同时明显高于AAO工艺的外回流比设定带来更大的能量消耗。因此本项目不建议采用MBR工艺。
与AAO工藝相比，CASS工艺的优点在于省去了二沉池，因此CASS工艺流程简单，占地面积小，投资较低。然而CASS工艺对水量的变化较敏感，进水高峰时会超过单格反应池上限，进水量小时反应池不能充分利用。尽管与SBR工艺相比有所改进，CASS反应池仍旧按曝气、沉淀、排水和闲置四个阶段根据时间依次进行，对污水厂工作人员的素质和自动控制水平要求较高。从国内CASS工艺运行的实际效果来看，冬季低温天气和高海拔地区对CASS工艺的影响较大，尤其表现为脱氮效果不佳，这主要与异养菌相比，硝化菌比生长速率慢，对温度更敏感，而曝气的顺序为先氧化有机物而后进行硝化作用，CASS间歇曝气设置及没有内回流限制了脱氮必须的硝化和反硝化过程。虽然AAO工艺在冬季同样面对微生物活性下降的问题，对此本工程对AAO反应池设置了多点进水模式，在脱氮效果不佳时让部分进水直接进入缺氧区为反硝化提供充足的碳源，同时可以灵活的根据进水条件调节内外回流比，为脱氮除磷创造最优条件。
根据上述理论对比和实际工程经验，本工程新增部分采用AAO作为二级处理工艺。
结语：
城镇污水处理工艺应根据处理的规模、水质特点、周围环境及当地的实际情况和目标值，全方位比较以及进行详细调查或检测之后择优确定。如水质构成有复杂或特殊的情况，应对污水处理工艺进行动态试验，必要时需展开研究。在项目进行时，因根据实际情况，不断地优化工艺流程。以上分析结果，我们将在对逊克县污水厂实际处理的过程中，进行进一步分析和总结，希望对处理其它污水厂有借鉴的作用。
参考文献：
[1]宋乾武，白璐，秦琪，等.东莞市污水处理厂升级改造工艺路线初探[J].中国环保产业，2010（3）：56-61.
[2]朱石清，George Lee，尚爱安，等.大型污水处理厂工艺优化及改造案例分析[J].中国给水排水，2007，23（14）：29-32.
【关键词】污水厂改造；二级处理；工艺；对比分析
通过对工程项目背景的介绍与分析，深入了解了目前逊克县污水基本的情况及现状，从而引出我们亟需要进行改善的原因；对于此次污水厂如何改善的对策，我们根据实际情况结合总体思路和改善原则，对现有处理设施进行分析后制定了新建二级处理设施的方案，文中提出三种常用工艺流程，并逐一分析、优比论证，选择最适合的工艺对逊克县污水处理厂进行改造。
1、工程背景
逊克县污水处理厂接纳的污水由生活污水和工业废水两部分组成。其中生活污水按照综合生活用水定额预测，工业废水根据工业用地用水指标确定。根据《室外给水设计规范》、《逊克县边疆镇污水管网工程可行性研究报告》，逊克县综合生活用水定额（最高日）取160L/（人·d），日变化系数1.2；污水收集率按远期（2030年）考虑取90%。按照《逊克县边疆镇总体规划》人口规模预测，2015年逊克县人口达到4.5万人，2020年人口规模可达5.1万人，2030年人口规模可达6.5万人。根据污水量预测可以看出，现状污水量约6600m3/d，至2020年污水量约7600m3/d，至远期2030年，污水量约9800m3/d。
2、二级处理方案论证
根据总体改造原则和思路，本次改造项目二级处理工艺首先需要充分利用现有处理设施，现有设施处理能力不足的部分利用新建的二级处理设施处理，现有和新建处理设施并行联合运行达到处理要求。
2.1污水处理厂原有设施利用方案论证
逊克县现有污水处理厂污水处理主工艺采用曝气生物滤池（BAF）工艺，该工艺是一种发展较快的新型污水生物处理技术，根据水质及使用条件的不同，该工艺可运用于目标污水的预处理、以及污水二级或深度处理等工艺阶段。
2.2 新增二级处理简介
根据本次改造原则，二级处理工艺需要采用具有脱氮除磷功能的生物处理工艺。生物脱氮除磷工艺都包含厌氧、缺氧、好氧三个不同过程的交替循环。传统的工艺有活性污泥法工艺和生物膜法工艺，随着膜技术的发展和完善，膜生物反应器（MBR）开始引入城市污水及工业废水处理领域。每种工艺各有其特点，都可以作为逊克县污水处理厂的改造工艺。
从处理效果来看，以上工艺系列均可满足處理要求，但每种处理工艺均各有侧重，在工程特点、使用范围和适用条件上还是存在一定的差别。考虑到生物膜法预处理要求高，运行维护比较复杂，所以本次改造项目新建构筑物不采用生物膜法处理工艺，结合项目技术先行性的客观要求和东北地区的项目案例，本工程拟对MBR工艺、活性污泥法中的AAO工艺、CASS工艺进行技术经济比较。
2.2.1 MBR工艺
MBR又称膜生物反应器（Membrane Bio-Reactor），是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术。根据膜组件和生物反应器的组合方式，可将膜生物反应器分为外置式和浸没式。
反应器不同于在生物反应和沉淀后采用的膜法深度处理，在外置式系统中，膜完全独立于生物反应器，进水进入含有微生物的生物反应器中，混合液被泵送入环路中的膜单元，渗透液排放，截留液回流至反应池，限制膜操作的膜驱动压力和错流速率均由泵产生。
浸没式系统的不同之处是在生物反应器中进行分离而无需环路，膜驱动压力由高于膜的水头提供。MBR膜有具独特结构的MBR平片膜，其占地面积小、智能化程度高和简便操作的优点，大大提高了水处理系统固态和液体分离的能力，使水质处理能力和容积负荷都有相当程度上的增强作用，其再生水则可直接作为新生水源循环利用。典型的MBR膜生物反应工艺见图1。
2.2.2 CASS工艺
循环式活性污泥法工艺（Cyclic Activated Sludge System）简称CASS工艺，是间歇式活性污泥法的一种先进变型，是目前国际上较多地应用于大中型污水处理厂的间歇运行的活性污泥法工艺。由于循环式活性污泥法工艺按照“注水-排水”以及“曝气-非曝气”顺序完成处理过程，因此属于序批式活性污泥法的一种变型工艺，CASS工作原理如图2。
与传统序批式SBR工艺不同，在循环式活性污泥法中，通过设置选择器可以允许以任意进水速率进水而不会产生污泥膨胀，故无需如传统序批式SBR工艺设置进水贮水池。通过严格控制溶解氧浓度可以实现同步硝化反硝化，故无需设置缺氧搅拌阶段。
其主要缺点：对自动控制的依赖程度高；风机动力效率较低；由于变水头运行与后续深度处理构筑物（如絮凝沉淀、过滤等）衔接困难。
2.2.3 AAO工艺
AAO工艺即厌氧（Anaerobic）-缺氧（Anoxic）-好氧（Oxic）活性污泥法。是20世纪后期发展起来的一种污水处理新技术，是在厌氧/好氧除磷系统和缺氧/好氧脱氮系统的基础上提出的。即将两个系统组合起来，使污水经过厌氧、缺氧及好氧三个生物处理过程，达到同时去除BOD5、磷及氮的目的。
目前，AAO工艺处理城市污水已在我国多个城市污水处理厂运用，具有出水水质稳定的优点。该工艺对污水处理有比较理想的效果，一般均能保持BOD590%的去除率，对氨氮、总氮、总磷的去除率也能保持在85%，AAO工艺流程框图如图3。 厌氧、缺氧和好氧活性污泥法生物脱氮由硝化与反硝化作用两个生物反应过程组成。
硝化作用指在好氧条件下，硝化菌将氨氮氧化成硝态氮（NO3-）的过程，硝化菌有强烈的好氧性，且对pH值的变化十分敏感，在硝化过程中，要将1克氮完全氧化成硝态氮，需要4.57克氧和7.1克碱度（以CaCO3计）。另外，由于硝化菌是一类自养型菌，与降解有机物（BOD5）的异养型菌相比，繁殖速度较慢，要使其在硝化过程中有良好的生长环境，必须适当降低BOD5负荷，保持较长的污泥龄。
反硝化作用为异养型兼性厌氧菌，在缺氧条件下将硝态氮还原成氮气的过程，其总反应式为：4NO3- +5C（有机碳）+2H2O→2N2+5CO2+4OH-反硝化菌为异养型兼性厌氧菌，在缺氧条件下将硝态氮还原成氮气，主要利用废水中的有机碳作为电子供体。因此，在反硝化过程中，废水中必须要提供足够量的有机碳，才能保证反硝化反应的进行。
厌氧、缺氧和好氧活性污泥法生物除磷是通过厌氧、好氧交替变化的条件下进行的。在厌氧环境，聚磷菌受到压抑，将储于体内的聚磷酸盐分解，并以溶解态单磷酸盐的形式释放出来。在聚磷菌释磷和聚磷过程中，均伴有有机物的降解反应，废水中的磷通过排放富磷剩余污泥来去除。
2.3二级处理主工艺比选
从上表可以看出，从出水水质的角度MBR工艺最为理想，但是MBR工艺对自动控制系统的要求较CASS工艺和AAO工艺要高得多，膜系统的日常维护量较大，包括膜组件的定期反洗和每半年至一年的化学清洗， 其次MBR工艺经济性明显低于其余比选工艺，一方面MBR膜组件本身价格昂贵，并且存在3～5年的使用寿命限制到期必须跟换，另一方面MBR工艺运行费用高，需要两套曝气系统，一套用于为生物系统曝气，另一套用于对膜面的冲刷，同时明显高于AAO工艺的外回流比设定带来更大的能量消耗。因此本项目不建议采用MBR工艺。
与AAO工藝相比，CASS工艺的优点在于省去了二沉池，因此CASS工艺流程简单，占地面积小，投资较低。然而CASS工艺对水量的变化较敏感，进水高峰时会超过单格反应池上限，进水量小时反应池不能充分利用。尽管与SBR工艺相比有所改进，CASS反应池仍旧按曝气、沉淀、排水和闲置四个阶段根据时间依次进行，对污水厂工作人员的素质和自动控制水平要求较高。从国内CASS工艺运行的实际效果来看，冬季低温天气和高海拔地区对CASS工艺的影响较大，尤其表现为脱氮效果不佳，这主要与异养菌相比，硝化菌比生长速率慢，对温度更敏感，而曝气的顺序为先氧化有机物而后进行硝化作用，CASS间歇曝气设置及没有内回流限制了脱氮必须的硝化和反硝化过程。虽然AAO工艺在冬季同样面对微生物活性下降的问题，对此本工程对AAO反应池设置了多点进水模式，在脱氮效果不佳时让部分进水直接进入缺氧区为反硝化提供充足的碳源，同时可以灵活的根据进水条件调节内外回流比，为脱氮除磷创造最优条件。
根据上述理论对比和实际工程经验，本工程新增部分采用AAO作为二级处理工艺。
结语：
城镇污水处理工艺应根据处理的规模、水质特点、周围环境及当地的实际情况和目标值，全方位比较以及进行详细调查或检测之后择优确定。如水质构成有复杂或特殊的情况，应对污水处理工艺进行动态试验，必要时需展开研究。在项目进行时，因根据实际情况，不断地优化工艺流程。以上分析结果，我们将在对逊克县污水厂实际处理的过程中，进行进一步分析和总结，希望对处理其它污水厂有借鉴的作用。
参考文献：
[1]宋乾武，白璐，秦琪，等.东莞市污水处理厂升级改造工艺路线初探[J].中国环保产业，2010（3）：56-61.
[2]朱石清，George Lee，尚爱安，等.大型污水处理厂工艺优化及改造案例分析[J].中国给水排水，2007，23（14）：29-32.