取代初沉池？污水一級處理的新概念與新機遇！

水處理網(wǎng)訊:導讀：在污水處理理念轉(zhuǎn)變的時代背景下，一級過濾成為一級處理明顯的技術發(fā)展方向，占地面積小、分離效率高、降低后續(xù)曝氣能耗是其鮮明的技術優(yōu)點。由于歷史的原因忽略初沉池導致生物處理效率低下成為我國污水處理一個普遍的問題。在提質(zhì)增效的需求下，一級過濾為國內(nèi)污水處理一級處理的發(fā)展提供了新的發(fā)展機會。

前言

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（Carbon Redirection）。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特征。在此背景下，污水一級處理領域出現(xiàn)了新的技術動向，這一技術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的新概念。

1 一級處理技術的現(xiàn)狀

傳統(tǒng)上，一級處理最普遍的應用技術是初沉池，這一技術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。化學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（High rate clarification）也是應用較多的一種一級處理技術，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，典型的專利技術包括Actiflo、DensaDeg等。

2 一級處理技術發(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，在一級處理領域出現(xiàn)了一些新的技術動向，其核心技術概念是：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（Rotating belt filter，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)砂濾在這方面的應用并不理想。后來出現(xiàn)濾布濾池，并在三級處理方面的應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3～5 mm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（Cloth depth filter）。

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也正在這方面一展身手，這種專利性的技術通常是一類為可壓縮濾料的過濾技術，主要包括Fuzzy FilterTM、FlexFilterTM等商業(yè)性技術，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24～60 m/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5 000 m³/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9 700 m³/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200～400 μm，而深層濾布過濾或彈性濾料過濾的孔徑通常小于10 μm。

旋轉(zhuǎn)帶式過濾機通常需要設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，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)應用于歐洲的Tiendeholmen污水處理廠、Breivika污水處理廠、Bangsund污水處理廠、Nedre Romerike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，一般為144～240 m/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施設置必要的格柵、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用微篩。

從上述一級處理的技術發(fā)展動向來看，設備化、人工材料的過濾方式在今天這個追求碳轉(zhuǎn)向與設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的現(xiàn)狀與發(fā)展機遇

3.1 國內(nèi)污水一級處理技術的現(xiàn)狀

長期以來中國污水處理領域內(nèi)忽視一級處理，絕大多數(shù)污水處理廠不設初沉池。而北美的技術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）的污水廠設置初沉池是經(jīng)濟劃算的。

不設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=300 mg/L、ISS=20～100 mg/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初沉池有密切關系。

另外一個業(yè)界關心的問題是一級處理單元的設置會導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=400 mg/L、TN=50 mg/L、TP=5 mg/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。James Barnard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2.0 mg/L和1.9 mg/L，而采用初沉+發(fā)酵模式時，出水的TP可降低至1 mg/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)部碳源的技術應用在歐美已經(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33 μm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，設置初沉池的弊端是顯然易見的，占地面積大、造價高是其最主要的缺點。然而，由于一級過濾技術的不斷實踐成功，這種情況可能會有所改變。一級過濾技術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，同時一級過濾技術大幅度降低了傳統(tǒng)初沉池的建設成本。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的發(fā)展為當前的局面提供了值得借鑒的技術手段。

因此，重新反思一級處理的問題、挑戰(zhàn)及未來的發(fā)展意義重大，及早展開一級過濾技術在我國污水處理領域內(nèi)的實踐也非常必要，不僅關系到當前污水處理的提質(zhì)增效，更關系隨著未來管網(wǎng)收集系統(tǒng)逐漸完善，進水水質(zhì)濃度的逐步提高，生物處理系統(tǒng)如何實現(xiàn)可持續(xù)的發(fā)展。

4 結(jié)論

在追求污水處理密集化的時代背景下，污水一級處理領域出現(xiàn)了一些新的技術動向，過濾取代沉淀成為明顯的技術發(fā)展方向。由于歷史的原因，中國絕大多數(shù)污水處理廠忽略了一級處理，導致生物處理效能低下，隨著污水處理的提質(zhì)增效及可持續(xù)的發(fā)展需求，一級過濾技術為中國污水一級處理在錯失了歷史發(fā)展機遇之后又帶來了新的曙光。

原標題:給水排水 |取代初沉池？污水一級處理的新概念與新機遇！