上世紀80年代至今，隨著排放標準日趨嚴格，我國城鎮汙水處理廠迎來了一輪又一輪的建設和改造。究竟什麼樣的提標改造之路是真正適合中國國情的？值得水業同仁探討。8月23日，在2018（第十屆）上海水業熱點論壇上，中國市政工程華北設計研究總院有限公司（以下簡稱“華北市政總院”）總工程師鄭興燦發表了題為“城鎮汙水處理廠提標建設之路”的主題演講。
鄭興燦
以下內容根據鄭興燦現場發言整理，未經本人稽核。
一、城鎮汙水處理廠汙染物排放標準演變
鄭興燦介紹，縱觀我國城鎮汙水處理廠汙染物排放標準的演變，大致經歷了以下幾個時間節點：
1988年，我國最早的國家級城市汙水處理廠汙染物排放標準頒佈，其核心指標是COD、BOD5和SS。1996年，在特殊時期下頒佈了新版國標，但由於不同部門之間的爭議較大，沒有得到嚴格執行。2002年，《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》（GB 18918-2002）頒佈，於次年正式執行。2006年，當時的國家環保部在太湖流域強制推行了一級A標準，經過十幾年的發展，一級A標準已經無法滿足一些地方的實際需求，北京、天津等地又相繼出臺了更為嚴格的地方標準。
整體來看，排放標準日趨嚴格，不僅核心指標遞增，同時排放標準值也越來越嚴格，更重要的是考核還要求所有樣品穩定達標。鄭興燦比喻，這好比考大學，不僅要求考上，還要求每門一百分才能畢業，無疑難上加難，這也導致了在現行的考核方式下，要達到一級A的排放標準，實際出水水質就需要達到所謂的準Ⅳ類水的要求。
二、城鎮汙水處理廠工藝技術發展
不同時期的排放標準對工藝技術的要求不同。鄭興燦表示，上世紀80年代的二級標準，主要是控制有機物，採用二級生物處理（CAS）即可達標，當時主要受工業廢水和裝置產品質量的影響。2002年的一級B標準，主要控制有機物和氮磷，採用常規的二級強化（BNR）工藝即可實現；到了一級A標準，實際上是達到再生水的基本水質要求，就需要採用二級強化（EBNR）加深度處理的工藝流程，此時對設計和執行管理提出了更精細化的要求。如今，北京、天津、太湖、滇池等地方標準相繼頒佈，汙水處理開始面臨超高排放要求，不僅要滿足再生水的生產與綜合利用，還需要透過處理水提高接納水體的水環境容量，最終實現水環境質量的改善，為了穩定達標排放，進一步催生了膜過濾與反滲透、高標準除磷脫氮、化學高階氧化與脫色等工藝單元技術的工程應用。
三、城鎮汙水處理工藝構成與工程實施模式
大家有目共睹，這些年為了實現穩定達標排放，各種各樣的城鎮汙水處理工藝技術和改造方法層出不窮，很難判斷其優劣與適用性，但就工藝構成和實施方式來講，所有的工藝過程都可以透過一條基本原則——主要去除目標是有機物、磷、氮來劃分工藝型別。
鄭興燦提出，總體來看，汙水處理廠工藝構成與實施方式主要包括如下幾個重要因素：一是圍繞去除目標來選擇相應的泥齡，這是前提，比如去除有機物的泥齡一般為3天，氨氮的硝化需要7天，要達到一級A標準泥齡則需要15~20天。第二，電子受體的供給方式及分佈，即厭氧、缺氧，好氧在時間和空間上的分佈狀態，這是核心工藝組分。第三，汙泥產率，它對系統影響也非常大。此外，反應池流態、典型曝氣裝置的選擇、固液分離方式，以及業主的偏好等方面的選擇都是工藝實施的重要構成部分。
總結起來即為：“泥齡是前提、分佈是核心、產率是關鍵、流態是要素、實施是選擇、選擇是偏好。”
四、適合我國城市汙水的改良A2/O工藝示例
實際上，我國的城鎮汙水特徵具有中國特色，因此，很多國外的技術在引進來時並不適應中國國情，比如對於傳統的A2/O生物除磷脫氮工藝來說，我國城鎮汙水的C/N偏低、迴流汙泥硝態氮偏高等問題就會明顯影響生物除磷脫氮效果，因此需要進行本土化改良。
1.多點進水迴流汙泥反硝化改良A2/O除磷脫氮工藝
鄭興燦表示，隨著這幾年的發展，尤其是一級A提標改造浪潮來臨之後，當前的我國的A2/O工藝已經針對我國城鎮汙水的特點進行了一系列的改良，演變成了確有成效且較為複雜的系統，但他認為，適合我國城市汙水處理工藝改良的關鍵一點還是在於如何實現多點進水和多點回流。以下為上世紀80年代末開發的多點進水迴流汙泥反硝化改良A2/O除磷脫氮工藝的具體流程，上世紀90年代開始得到較為廣泛的應用：
2.城鎮汙水處理廠高標準除磷脫氮工藝流程示例
會上，在多點進水迴流汙泥反硝化改良A2/O除磷脫氮工藝的基礎上，鄭興燦還詳細介紹了華北市政總院在城鎮汙水處理廠高標準除磷脫氮工藝改良上的探索和實踐，並給出了具體示例。先看示例的整體流程圖，如下：
鄭興燦介紹，針對高標準的脫氮除磷要求，一方面，工藝在前端設定了超細格柵處理，提高了後續單元運營的穩定性和可靠性。二來，還增加了初沉發酵池來強化無機懸浮固體的去除，這類工藝十幾年前在國外汙水處理廠已經得到關注，近幾年國內也開始慢慢重視。他表示，實踐中發現，在碳源不足的情況下，僅僅改變A2/O工藝本身，總氮不能達到5~6mg/L的水平，因此需要考慮外加碳源，同時，還在原先系統上增加了短停留時間的後續缺氧池和好氧池，這樣只要出水總氮不是不低於5mg/L的要求，基本都可以實現。值得注意的是，高標準脫氮除磷工藝改良的一個基本原則是，氮磷的去除儘量在生物處理段解決，而不是在後續的深度處理段。
鄭興燦特別強調，一個技術在不同的情景下，它可能適用的範圍會發生很大的變化。比如，如果要達到一級A標準，濾布濾池是一個很好的技術選擇，水頭損失小、佔地面積小、能耗非常低，但如果要求SS穩定達到5mg/L以下，總磷穩定達到0。3mg/L以下的話，該技術就可能不太適合。對於COD的去除也是一樣。一些汙水處理廠難生物降解的COD用臭氧氧化非常管用，但也並不是所有的都管用，活性炭對於一些工業廢水管用，對於另一些也會失效。不過值得一提的是，由於臭氧氧化技術既可以去除COD，又可以去除色度，同時也是新興非常規汙染物去除的一個非常重要的途徑和方法，鄭興燦建議，如果有一定的條件，大部分的汙水處理廠可以將臭氧氧化作為消毒措施或者進一步氧化的標準配置。
對於工藝改造的原則，鄭興燦總結為一句話，即“先源頭控制，後強化處理；先執行最佳化，後工程改造；先生物強化，後物化輔助”。他表示，對於新一輪的提標改造而言，需要優先考慮投資問題，樹立最佳化執行的概念。例如，當現有的工藝系統能夠按照一級A標準穩定執行的話，如果要提升到新的、更高的標準，比如總氮要達到10mg/L以下、總磷要0。3 mg/L以下時，適當增加投藥量和碳源的投加量等最佳化執行的方式即可解決，不需要工程改造或增加設施。而對於一些小型的SBR系統，尤其早期建設的系統，改造的費用可能遠大於推倒重來，此時多個廠合併可能是更合適的方法之一。每個廠的情況不一，有通用的法則，也要因地制宜，切實實際。
五、我國城鎮汙水特有的複雜水質特徵及主要成因
會上，鄭興燦還總結了我國城鎮汙水特有的五大特徵，包括：
一是低碳氮比C/N，即BOD5/TN明顯偏低。碳源40%以上的缺失是因為化糞池，15%以上則由於汙水管網的漏損，合計可達到50%以上。
二是泥沙含量高，即SS/BOD5明顯偏高，泥沙主要來源於清洗加工、土壤流失、泥漿、地表廢棄物、沙塵沉降、河水倒灌等。
三是冬季低溫，尤其是長江下游區域。成因主要是季節性氣溫變化、地表水供水水源、淮河以南冬季無法定的供暖服務等。
四是由於使用者用水差異、工業影響等導致的進水水質水量波動。
五是由於工業廢水的管控失靈導致預處理未達標、非法排放等對汙水處理廠進水水質產生影響。
六、生物脫氮除磷效果的關鍵影響因素及改進措施
鄭興燦給出了我國城鎮汙水C/N的具體資料。他表示，透過全國的資料分析可知，我國城鎮汙水C/N普遍低於4，而發達國家則高於5，這是國內外水質的本質差別。嚴重的碳源不足導致除磷脫氮效果不理想。
鄭興燦提到，我國很多汙水處理廠的SS/BOD5比值在2左右，是發達國家的1。5~3倍，汙水泥沙惰性懸浮固體含量高帶來了大量的泥沙沉澱。而隨著進水SS/ BOD5比值的上升，汙泥產量明顯上升，汙泥活性的明顯下降，我國正常的汙泥活性是歐美國家的一半。因此，對泥沙的控制是關鍵因素之一。
從生物除磷角度而言，優質碳源濃度及比例是生物除磷能力的關鍵影響因素，然而現實情況中由於迴流汙泥硝酸鹽、低pH、過度曝氣等原因，生物除磷能力遭到了破壞，所以可以透過增強反硝化除磷，節省碳源和能源消耗，但存在較明顯的地域差異。
另外，完全硝化系統是保障系統穩定執行的關鍵因素。鄭興燦指出，汙水生物脫氮受完全硝化能力和反硝化能力的保障與功能的均衡、所需的C/N及碳源最佳化配置等多重因素的影響。
鄭興燦表示，目前，有些設計院還是按照硝化速率來設計，這是錯誤的。系統的硝化能力與泥齡、溫度有關，與硝化速率無關。硝化速率的高低和進水的C/N相關，另一方面，C/N是反硝化能力的決定性因素，而碳源構成是影響反硝化速率的最主要因素，合適的C/N和碳源質量，帶來快速的碳源和反硝化反應，而C/N嚴重不足的條件下，設計得再好，也解決不了問題。
汙水生物脫氮的關鍵控制因素
下圖為實際測定的反硝化反應的三個不同速率階段，初始10分鐘左右去除6mg/L的硝酸鹽，之後60多分鐘再去除6mg/L，然後是緩慢的反硝化，約4個小時再去除6mg/L，可以看出，在很多工藝系統中，大部分時間反硝化速率處於很低的階段，有些設計人員認為可以透過無限增加泥齡的方式來解決總氮去除率提升的問題，但實際上，缺氧端每增加1小時的停留時間，總氮的去除僅能增加1mg/L左右，考慮到硝化菌和反硝化菌之間的均衡，真正需要的時間可能是2小時。兩個小時的停留時間才增加1mg/L，從投資和執行成本來講，還不如適當的投加外部碳源，因為每去除3mg/L左右的總氮，碳源費用大概是0。1元。
另外，鄭興燦還提到了最近幾年用得比較多的懸浮填料強化硝化工藝系統，他表示，該工藝可以突破非曝氣汙泥量比值的限制，解決冬季低溫執行問題的同時提高反硝化能力。
七、城鎮汙水處理廠工程應用例項
1.天津紀莊子汙水處理廠&津沽汙水處理廠
天津紀莊子汙水處理廠是華北市政總院設計的我國第一座大型二級處理廠，後因城市發展需要於2015年關閉遷建，目前變身為天津津沽汙水處理廠。鄭興燦介紹，該汙水廠現在執行一級A標準，很快將提標至天津地標，也就是所謂的準Ⅳ類水標準。同時，該廠周邊還建成了再生水廠和汙泥處理廠，實現了高等級再生水的利用和汙泥的資源化能源化。
2.無錫蘆村汙水處理廠
無錫蘆村汙水處理廠是華北市政總院設計的我國首座採用一級A標準的汙水廠。鄭興燦介紹，作為首座採用一級A標準的改造工程，蘆村汙水處理廠採用了改良的A2/O+IFAS/MBBR。該廠最早使用的活性汙泥法，後改造成A2/O，目前使用了改良A2/O+國內首個大型IFAS/MBBR系統，並設定了初沉發酵池。該廠不僅實現了冬季氨氮的達標，同時，在碳源的投加下實現了總氮的達標。至今，該工程已穩定執行10年，非常成功。
3.地埋式汙水處理廠: 太原晉陽
上圖為太原晉陽地埋式汙水處理廠
。鄭興燦表示，地下廠執行的穩定性和靈活性調控非常關鍵。
4.宜興汙水資源概念廠-生態綜合體
宜興汙水概念廠
宜興汙水概念廠是我國第一座面向2030～2040年的城市汙水概念廠，該廠以“水質永續、能量自給、資源回收、環境友好”為目標，目前正在工程設計中。
鄭興燦表示，希望透過大家共同的努力，不斷探索我國城鎮汙水處理工藝向著更生態、更強化生物作用、能耗更少，同時可以實現非常規汙染物去除的方向發展。