杨晨宵，盛铭军，黄继会，林振锋，郭永福

（1.苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州215009；2.苏州市供排水管理处，江苏苏州215004；3.苏州市排水有限公司，江苏苏州215021；4.苏州苏净环保工程有限公司，江苏苏州215122）

为响应2015年国务院印发的《水污染防治行动计划》和2019年住建部等三部委印发的《城镇污水处理提质增效三年行动方案（2019—2021）》，推进生态文明建设，我国各地区都面临着城镇污水管网的整治和污水处理厂新一轮的提标改造工作。重点流域地区或水环境敏感地区颁布的城镇污水排水标准中，除TN以 外 的CODCr、BOD5、NH3-N及TP等 指标，基本接近或等同于《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中的Ⅳ类水标准（简称“准Ⅳ类”标准）。

“准Ⅳ类”标准的制定，意味着许多原执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 8918—2002）一级A（以下简称“一级A”）标准的污水处理厂必须进行提标改造。在运行管理或技术改造方面必须寻求有效的工艺或措施，以应对日益严格的排放标准。

1 “准Ⅳ类”标准下的提标难点分析

1.1 “准Ⅳ类”标准下排放指标的变化

近年来北京、天津等地相继出台了高质量提标改造的地方标准，其目标远远高于“一级A”标准，如表1所示。虽然各城市颁布的“准Ⅳ类”地方标准在部分指标上略有差异，但与“一级A”相比，CODCr、NH3-N、TN及TP等指标均明显提高〔1〕。其中，北京地标的A标准在CODCr、BOD5、SS、NH3-N及TP指标上，已经超过了“准Ⅳ类”水。以笔者所在的苏州市为例，2018年苏州市政府印发的《关于高质量推进城乡生活污水治理三年行动计划（2018—2020年）的实施意见》中明确要求，苏州的城镇污水处理厂需以“苏州特别排放限值”为新的排放标准，其部分指标也基本接近“准Ⅳ类”水质要求。

表1 部分地区污水排放标准mg/L

1.2 污水处理厂的提标难点分析

对于生活污水比例大、工艺运行成熟、管理水平高且设施有余量的污水处理厂，通过二级生化+深度处理工艺，在稳定达到“一级A”排放标准的基础上，完全具有提标至“准Ⅳ类”的潜力。

然而由于我国生活用水习惯和管网渗漏等问题，污水处理厂的进水中有机物浓度与碳氮比均表现出偏低的现象〔2〕，对我国各地的127家污水处理厂的调研结果表明，这些污水厂的大部分进水BOD5/TN＜2.59，80%的污水处理厂进水BOD5/TN＜3.6，仅有10%的污水处理厂BOD5/TN＞4.0〔3〕。尤其对于雨水、地下水充沛的南方地区更是如此，太湖流域的207家污水处理厂进水BOD5/TN平均值仅为3.86〔4〕。原水中有机物浓度的不足，会严重制约生化段对总氮的脱除效率。鉴于苏州部分污水处理厂进水CODCr与BOD5平均浓度均偏低的情况，苏州市水务局印发了《关于进一步提高城镇污水处理厂进水浓度工作的通知》，并就各方面的工作进行了明确要求。因此如何解决污水处理厂进水有机物浓度偏低的问题将成为提标改造中的一个难点。

通常情况下，生物处理技术在所有的碳源均用于反硝化反应的理想情况下，转化1 g硝态氮所需的碳源量约为2.86 g〔5〕，即进水中的BOD5/TN大于2.86时，才有可能进行完全的脱氮。实际应用中进水BOD5/TN大于4时才能保证较高的脱氮率。因为厌氧释磷、好氧硝化等均会消耗碳源，而反硝化过程仅在碳源充足的前提下才属于零级反应〔6〕。也就是碳源充足时，反应速率只与微生物量有关，与硝态氮浓度无关；相反，碳源不足时，反应速率会受限于碳源的量，碳源越少，反硝化速率越低。这也是许多污水处理厂的总氮去除率相对其他指标较低的原因之一。另外，当冬季水温低于15℃时，微生物活性会下降，反应速率会降低；水温低于12℃时，微生物活性将降低50%以上，此时总氮的去除率会大打折扣〔7〕。因此进一步提高脱氮效率是提标改造中的另一个难点与重中之重。

2 针对进水有机物浓度偏低的措施

污水处理厂进水中有机物浓度偏低甚至过低的主要原因是配套管网的功能性和结构性存在问题，针对不同问题，应采取相应的措施进行调整。

首先是管网长期运行引起的破损和渗漏问题。管道的破损容易导致地表水、地下水进入管网而稀释原水，致使进入污水处理厂的水量变大，负荷变高，而水中有机物浓度却下降，这也间接提高了污水处理厂的处理难度和制水成本；其次是管网存在的雨污混接与错接的问题。一方面雨水易通过混接的管段进入污水管网，导致进水中的有机物浓度降低〔8〕，另一方面污水进入雨水管网后会直接排入水体，导致水体污染〔9〕，此外部分雨污管网分流不彻底的现象也会使进厂水质波动过大，碳氮磷比例规律性变差，从而带来晴雨天交替的水质冲击问题，间接提高了污水处理厂的运行和维护难度。

污水处理厂进水浓度偏低的源头问题若能得到有效解决，对污水处理厂进水水质结构的优化、处理难度和处理成本的降低，均具有重要的意义〔10〕。但其工作量之大、工作难度之高也是显而易见的。建议采取的主要措施有：（1）开展管网摸底调查，及时发现存在问题的管网，尤其是老城区和年代久远的管网系统，完善管网的运维管护。（2）加快管网改造，推进厂网一体化，加快建立管网的日常运维机制，保障管网高效运作。（3）现有地区仍采用一般合流制系统的，应根据城镇排水规划，制定改造计划，逐年进行截留式合流制改造或雨污分流改造。目前暂不具备条件的区域，可结合海绵城市建设，控制径流污染。（4）新建污水窨井，应禁止使用砖砌井；若位于绿化带内，井口高度建议高于地面高程10 cm以上。（5）有条件的情况下，污水管道验收前应进行严格闭水试验，包括新建小区，在无居民入住的情况下，污水管中的流量应接近于零；埋深超过4 m或临河污水管道验收前宜做入渗水试验。

3 低碳氮比情况下提高总氮去除率的措施

为改善碳源利用效率，提高总氮去除率，同时控制成本，污水处理厂在提标改造时，应综合自身情况采取适宜策略。对于“准Ⅳ类”标准达标率较高、工艺运行成熟、管理水平高且设施有余量的污水处理厂，从成本上考虑，应优先采取管理性优化措施，通过对工艺运行参数的调整和投加外部碳源等改善运行效果。

若管理性措施仍然无法解决出水的总氮问题或投药成本过高时，则以开发内部碳源和优化碳源分配为主要思路，通过工程性措施进行改造，如改变进水点/回流点、优化池体功能区、增加水力停留时间、改善曝气设施等。

若以上措施仍然不能解决脱氮问题并且用地存在余裕的情况下，可选取合适工艺进行新建，并与原有工艺有机结合，进一步强化脱氮。

3.1 管理性优化措施

宏观上微生物脱氮的主要影响因素为水温、污泥浓度、水力停留时间、硝化液回流比和碳源等。为强化反硝化脱氮、提高原水中碳源的利用效率，在保证出水氨氮达标的情况下，应适当增加硝化液回流比，延长缺氧段水力停留时间，保证反硝化阶段对碳源的充分利用和反硝化的充分反应。水温较低时，可适当增加污泥浓度，降低污泥负荷，有助于抵消低温带来的不利影响〔11〕。但一般污水处理厂投产运行后，随着时间的推移和运行管理的不断完善，工艺运行参数也会趋于稳定，运行参数上的调控对总体的优化幅度有限。

另一种方便有效的措施是投加易降解的外部碳源如甲醇、乙酸、乙酸钠、葡萄糖等，以提供反硝化反应所需的碳源，保证其反应进行的速率，提高总氮脱除率。碳源投加要考虑水厂的自身情况和以下3方面：（1）碳源种类。甲醇存在运输和储存的危险性以及高浓度会对微生物的活性产生抑制，葡萄糖则难以降解且易引起亚硝态氮的积累，而乙酸会带来碱度过度消耗的问题〔12〕。相比较而言，乙酸钠是更为合适的外加碳源。（2）碳源投加点。碳源投加点设置在缺氧区前端，可以有效节约成本〔13〕，并保证充足的停留时间，避免CODCr的超标。（3）投加量的控制。应建设一套完整的碳源计量投加设备，并以2.86为标准碳氮比对脱氮所需的碳源进行计算和精确投加，再结合尾水CODCr的变化进行调整，最终建立一套碳源精准投加方案。

3.2 工程性优化措施

工程应用表明，我国污水处理厂二级处理工艺主要以AAO、氧化沟以及SBR三种基本的活性污泥法为主，其中以运用较为广泛且成熟的AAO工艺为主〔14〕。迄今为止，已经发展出了众多的改良型AAO工艺，并逐步应用到提标改造中。这些改良型AAO工艺的总体思路是以强化反硝化反应、解决碳源分配矛盾为主，旨在开发内部碳源，间接减少投药成本。

（1）前置预缺氧段。在普通AAO工艺前增设预缺氧池和回流点，延长缺氧段水力停留时间，使得一部分硝化液优先接触进水中的优质碳源，可以产生良好的内源脱氮效果，并缓解厌氧段硝态氮浓度过高而影响释磷的问题，还可以保证低温下的脱氮效果〔15〕。郑州马头岗污水处理厂采用了分点进水的前置预缺氧AAO工艺，并与普通倒置AAO工艺进行了对比，前者的处理能力全面优于后者，并且总氮去除率达到了81.39%，其他指标更是达到了“Ⅲ类水”标准〔16〕。

（2）倒置AAO与多点进水。多点进水和倒置缺氧与厌氧区，使原水中的一部分优质碳源直接与回流的硝化液进行接触，能有效提升原水中碳源用于脱氮的效率，从而将碳源优先用于反硝化；同时，另一部分原水则进入厌氧区保证释磷环境，一定程度上缓解微生物之间对碳源的竞争。若辅以外部碳源或与MBR工艺联合，可进一步提高处理效果〔17〕。由于倒置AAO仍然存在生物除磷效果不佳的情况，加上后续的化学除磷成本较高，故目前的应用不多。

（3）后置AO段。后置AO段旨在进一步削减二级处理尾水中浓度较高的硝态氮。一般可通过控制好氧段末端曝气强度，追加后置缺氧区，同时辅以投加外部碳源，有效进行二次脱氮，同时末端的好氧区不仅可结合生物膜法和MBR工艺进行配合处理，也有利于增加尾水中溶解氧浓度，防止二沉池出现二次释磷。北京市门头沟第二再生水厂采用了AAO-AO-MBR工艺，总氮的平均去除率达到87%，出水总氮均值为7.5 mg/L。即使是冬季，在后置AO并辅以碳源投加的情况下，出水总氮也能稳定控制在10 mg/L以下，实际运行时，尾水水质达到北京地区的“A标准”〔18〕。

（4）多级AO工艺。多级AO工艺一般水力停留时间较长，对碳源的利用率较高，硝化液回流量少。另外通过减少生物池的曝气量，使溶解氧控制在较低水平，还能大大降低多级AO的能耗和运行成本。北京碧水污水处理厂和天津市张贵庄污水处理厂均采用分段进水的多级AO工艺用于升级改造，充分利用该工艺缺氧段和好氧段交替运行、正常运行时每一段的水力负荷相同的特点，既便于管理，也缩小了池容，节省了基建投资，并且与传统AO工艺相比，在总氮去除方面具有更大的优势〔19-20〕。

上述同样的思路也可应用于氧化沟和间歇曝气式活性污泥法，即将原有工艺改造为带回流污泥反硝化的生物除磷脱氮工艺及其变形工艺。如氧化沟工艺采用多点进水分配碳源、设置预缺氧段、后置缺氧好氧段、改变曝气方式和回流量等，均可实现尾水的提质增效〔21〕；对于间歇曝气式活性污泥法如SBR、CASS及CAST工艺，已有污水处理厂通过增设内部隔墙、新建池体和分段进水〔22〕的方式，分离出厌氧和缺氧功能区，实现硝化液的回流，完成了提标改造，同样具备提标至“准Ⅳ类”标准的潜力〔23〕。

除此之外，对于进水中难降解有机物含量较高的污水处理厂，也可增设初沉厌氧发酵池和厌氧水解池，将原水中难降解有机物转化为易降解的物质，以开发内部碳源，提高对原水中有机物的利用率，为二级处理补充碳源〔24〕。

综上所述，为强化反硝化脱氮，主要措施为优化二级处理功能区配比，延长缺氧段水力停留时间；同时尽量使反硝化区接纳部分原水，利用原水中的优质碳源保证反硝化反应速率；此外，还可采用多点进水的方式分配碳源，以缓解缺氧反硝化与厌氧释磷对碳源的竞争。以上措施在一定程度上充分提升了内部碳源的利用效率，同时结合外部碳源的投加，使二级生物处理工艺能最大程度地展现其脱氮能力。

3.3 新建工艺推荐

应用于提标改造的工艺种类繁多，主要是以提高污泥浓度、培养优势菌种、提高微生物活性周期为思路的生物膜法与活性污泥法的组合工艺和MBR工艺，以及以处理尾水硝态氮，结合投加外部碳源为思路的深度反硝化生物滤池工艺。

3.3.1 生物膜法

生物膜法是以投加生物填料，使微生物附着生长为思路的生物处理工艺，相比活性污泥法拥有更高的污泥浓度和更小的占地面积。然而传统的生物膜法和生物滤池技术已无法满足目前的处理要求，而通过与活性污泥法相结合的生物膜法，尤其是在其基础上发展起来的新技术如移动床生物膜反应器（MBBR），对于目前的提标改造具有重要的参考意义。

移动床生物膜反应器（MBBR）相比于传统生物膜反应器，选择了与水密度相当的悬浮填料。在曝气和搅拌推流的作用下，悬浮填料处于流化状态，微生物种类则由于气液固三相生长环境而得到丰富，水中的污泥浓度可达普通活性污泥法的5~10倍，处理效率得到了明显提高。近期不少污水处理厂将活性污泥法工艺与MBBR工艺进行耦合处理生活污水，工程应用表明该工艺能有效缓解聚磷菌与硝化菌在碳源和泥龄上的竞争关系，具有抗冲击负荷强、运营维护简便、出水水质好且效果稳定等特点，并且在原有AAO工艺的基础上改造时方便可行〔25-27〕。在不新增占地的情况下，山西某污水处理厂采用改良AAOMBBR工艺进行一级A提标改造，采用“镶嵌”理念，将原厌氧区分割为预缺氧区和厌氧区，同时将原好氧区分割为缺氧区和好氧区，并在好氧区投加悬浮填料，经历水质剧烈波动和冬季低温等阶段仍然能稳定达到“一级A”标准，而且部分指标也能达到“准Ⅳ类”水质〔28〕。浙江某污水处理厂也采用Bardenpho-MBBR工艺进行升级改造，生化段出水由一级B提升至“准Ⅳ类”标准，总氮与总磷平均值分别为8.43 mg/L和0.48 mg/L，大大减轻了后续深度处理工艺的负荷〔29〕。汉中市城市污水处理厂将原DE氧化沟改造为FBC-MBBR工艺，克服了BOD5/TN过低（小于1.6）的问题，在全年未投加外部碳源的情况下达到了“准Ⅳ类”标准〔30〕。此外也有学者将单独的反硝化MBBR工艺应用于处理二沉池出水，经过长期的运行，证明即使是单独的MBBR工艺也具有良好的反硝化能力〔31〕。

基于以上案例可知，生物膜法的优势在于能有效地将微生物固定在填料上，在一段时间的培养后形成较厚的生物膜，好氧微生物处于表层，而兼性菌和厌氧菌处于内层。即使在好氧区的曝气环境下，仍然有一定的反硝化能力；另外与活性污泥法不同之处在于，微生物的分相培养使其所处的环境不会变化，因此不必经历抑制—复苏—抑制—复苏这一不断重复的过程，微生物长期处于最佳的生理状态，相比单独的活性污泥法具有更高的效率〔32〕；另外生物膜法能保证冬季低温状态下的脱氮效率，配合碳源投加还可进一步提高脱氮效率〔33〕。

在实际应用中，生物填料的使用不但会增加基建投资，而且也存在一些其他的缺陷。例如，为避免填料的流失，通常会在生物池出水处设置格栅，但这一举措却会增加填料对出水口堵塞的风险；另外若曝气管道设置不当或者池体结构设计不合理，也易造成填料在池体内的局部堆积，从而导致处理效果不佳。因此在投入使用前，应对生物膜法工艺进行必要的预试验，以优化池体结构和水力特性，在解决问题的同时也降低能耗，提高经济效益。

3.3.2 MBR工艺

MBR工艺是活性污泥法和膜分离技术的结合，利用膜分离技术代替二沉池，借助膜组件截留污泥和微生物，在生物池内可形成高达8 000~12 000 mg/L的活性污泥〔34〕，提高了生物降解效率，并且出水水质高，广泛应用于北京、天津等地区的再生水厂以及建筑中水回用。

呼和浩特市班定营污水处理厂在升级改造中将氧化沟工艺改为多级AO联合MBR工艺，多级AO的应用优化了碳源的分配，提高了碳源的利用率。高浓度活性污泥保证了反应的高效进行，出水总氮低于10 mg/L〔35〕；北京地区的沙河再生水厂〔36〕和通州河东再生水厂〔37〕均采用AAO-MBR作为二级处理工艺，调试过程中克服了MBR工艺管理水平要求高和运行成本高于传统工艺的难点，最终运行稳定，出水水质达到了北京地区的“B标准”。

MBR工艺简便可行、占地面积小、出水品质高〔38〕，目前已经成为AAO工艺在工程性提标改造方面的主要选择。除此以外，MBR工艺还实现了HRT和SRT的完全分离，配合高浓度的活性污泥，延长的HRT使生长周期较长的微生物得以大量增殖，一定程度上对碳源中难降解有机物也能有所削减，这也是提高原水中碳源利用率的有效措施。

MBR工艺的缺陷主要体现在管理和成本两方面。膜组件的加入使MBR工艺对参数的监控和调整过程稍显复杂，也对相关人员的知识水平、工作经验等提出了更高的要求。同时在工艺运行过程中，膜的更换和清洗费用，也使污水处理厂的处理成本有所增加。

3.3.3 反硝化生物滤池工艺

目前广泛应用于污水处理厂的深度处理工艺仍以物化处理为主。然而随着出水标准的进一步提高，深度生物处理工艺也逐步投入应用。由于二级处理的出水有机物浓度低，活性污泥很难再次培养，并且活性污泥法出水的SS易造成后续工艺负荷变高和产泥量增加而间接提高处理成本，因此深度生物处理应以生物膜法为主要选择。

反硝化生物滤池，作为一种针对深度脱氮而开发的工艺，具有处理高固体负荷的能力，能截留二级出水的微生物和悬浮物。截留的微生物通过附着在高比表面的滤料上可对二级出水中的硝酸盐进行降解。反硝化滤池作为深度脱氮的保障手段，目前在许多污水处理厂得到了广泛的应用。

上海市某城镇污水处理厂为达到“一级A”标准，实现总氮的控制，采用反硝化滤池工艺进行升级改造，运行结果表明：该系统对硝态氮和总氮有明显的控制效果，出水总氮稳定在10 mg/L以下〔39〕。天津市津沽污水处理厂在低碳氮比条件下，保留多点进水并优化内回流和曝气系统，结合反硝化深床滤池作为脱氮保障，除冬季需要额外投加碳源外，其余季节出水总氮均低于10 mg/L〔40〕。合肥陶冲污水处理厂则在五段式AO工艺之后采用反硝化V型滤池作为深度生物处理工艺，对比反硝化深床滤池，V型滤池池型施工难度低，表面扫洗的辅助节省了冲洗水量和能耗，并且辅以絮凝剂，兼具过滤和化学除磷的功效，可作为高标准下城镇污水处理厂的末端保障工艺之一〔41〕。笔者于苏州市相城城区污水处理厂采用反硝化活性砂滤池进行了生物挂膜和反硝化脱氮的中试研究（水量40 m3/h），于秋季末耗时约1个月完成了自然挂膜，即使在冬季也有一定程度的脱氮能力。该池型的特点是采用连续气提代替周期性反冲洗，管理运行更为方便。池体为模块化设计，适用于中小型污水处理厂。

由于污水处理厂二级生化出水存在CODCr与BOD5低，而硝态氮浓度较高的特点〔42-43〕，因此利用后续反硝化滤池进行深度脱氮时，必须投加外部碳源，一定程度上增加了处理成本。在实际应用时，反硝化菌在滤池中会优先利用碳源与溶解氧进行反应和增殖，其次才会消耗硝态氮，因此为提高碳源利用效率和反硝化效率，可通过调整二级处理好氧末端的曝气强度，或者调整管线避免跌水复氧，以降低反硝化滤池进水的溶解氧含量来实现。此外，反硝化滤池工艺出水中易含有脱落的生物膜，需要后续进一步的过滤处理。

4 总结与建议

通过对比分析“准Ⅳ类”标准和我国污水处理厂现状可知，在“准Ⅳ类”标准下污水处理厂提标改造的主要难点是总氮的去除，而攻克此难点的关键在于解决进水碳源不足的问题。

一方面，要从源头做起，实施城镇污水管网修复改造，推进厂网一体化，建立日常运维机制，同时做好新建和监督工作。另一方面，还可从以下三方面入手：（1）通过调整生物处理功能区和原水配比，保证缺氧段碳源充足，从而有效提高脱氮效率；（2）可结合生物膜法和MBR工艺，提高活性污泥浓度，培养优势菌种，保证充足的反应速率，进一步降解原水中的有机物；（3）通过新建池体，降低二级处理负荷，延长水力停留时间，保证反硝化反应的充分进行。

提标改造是污水处理厂获得提升的一次重要改变，污水处理厂应借此机会，对自身工艺、设施等进行全面的评估，优先管理性提标，再工程性提标，坚持“一厂一策”，不仅要达到新标准，更要找到成本更低、效果更好的策略。