（企业管理专业论文）城市污水处理工艺方案分析及其选择优化模型应用研究.pdf

中文摘要 随着污水处理技术水平的提高，城市污水处理有更多的工艺方案可供选择， 确定合理的优化方案对投资费用、运行费用、操作管理等起着决定性作用。但 是，在我国当前城市污水处理可行性研究中，由于还没有形成一整套工艺选择 的评判方法，在方案比较和选择时主要凭概算得到的费用和方案设计人员对各 工艺方案的主观认识进行，因此存在较大的主观随意性。 本文引入了层次分析( a h p ) ，采用天津大学管理学院管理学研究所制作的 a h p 软件系统，对各评价指标应用了权重的概念，建立了城市污水处理厂的工艺 方案选择的优化模型。其与现行的城市污水处理厂可行性分析中以经济数据为 主的方案选择相比，更能客观地反映系统要素的全面影响，使评价结果更为科 学合理，为污染源控制的优化选择提供了较好的科学依据。一般方案的评价指 标有定量和定性两种指标，多目标决策模型就是通过把定性指标量化，并与定 量指标相结合，得到混合型的量化标度，确定方案的优劣，因而具有一定的科 学性与实用价值。 本文采用该优化模型应用于长春市第二污水处理厂的工艺方案优化选择 中，工艺成熟度、基建费用和处理费用的权重最大，操作管理次之，占地面积 和除磷脱氮的权重最小：优化选择结果是缺氧好氧法为最优方案，双氧化沟法 为次优方案。 本文对于城市污水处理厂的工艺方案选择和设计仅供参考。 关键词：污水处理、层次分析法、工艺方案选择、水环境 a b s t r a c t t h e r ea r eal o to fp r o c e s ss c h e m e sw o u l db es e l e c t e df o ru r b a nw a s t e w a t e r t r e a t m e n ta l o n gw i t hi m p r o v i n go fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y s e l e c t i o no ft h e f a v o u r a b l ep r o c e s ss c h e m ei so n eo fm o s ti m p o r t a n ts t a g e si nt h ec o n s t r u c to fu r b a n w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ，w h i c hd e c i d e si n v e s t m e n tc o s t ，r u n n i n gc o s t ，e f f l u e n t q u a l i t y ，o p e r a t i o ns u p e r v i s i o na n ds oo n i nt h ef a c t ，b e c a u s eo fn of o r m i n gac o m p l e t e s e to fe v a l u a t i o nm e t h o d c o s to f b u d g e te s t i m a t ea n ds u b j e c t i v ek n o wo fd e s i g n e ra r e c r u c i a lf a c t o r so fe l e c t i o no f p r o c e s ss c h e m ei nt h ef e a s i b i l i t ys t u d yo fo u rc o u n t r y b yi n d u c t i n ga n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) ，d e f i n i t i o no fw e i g h t ，a n o p t i m i z e de v a l u a t i o nm o d e lo fp l a n n i n go fu r b a nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ti s e s t a b l i s h e d c o m p a r i n gw i t hc u r r e n ts e l e c t i o no fp r o c e s ss c h e m ew h i c hi sd e c i d e db y e c o n o m i cd a t d ，t h em o d e lc a l lr e f l e c to b j e c t l yc o m p l e t ei n f l u e n c eo fs y s t e mf a c t o r s a n dm a k ee v a l u a t i o nr e s u l tm o r er e a s o n a b l e ，w h i c ho f f e rb e r e rs c i e n t i f i cr e f e r e n c ef o r s e l e c t i o no fc o r t r o ls c h e m eo fp o l l u t i o ns o u r c e c o m m o n l y ，e v a l u a t i n gi n d i c a t o r so f s c h e m ei n c l u d e q u a n t i t a t i v e a n dq u a li t a t i v e i n d i c a t o r , t h em u l t i p l eo b j e c t i v e s d e c i s i o n 。m a k i n gs c r e e n i n g m o d e la r r i v e da tt h e h y b r i d t y p eq u a n t i f i c a t i o n i n d i c a t o r s y n t h e s i sr e l a t i o n a ll e v e lb ym a k i n gq u a l i t a t i v ei n d i c a t o rq u a n t i f i e da n d i n t e g r a t i n gt w ok i n do fi n d i c a t o r s ，s os e l e c t i o no fp r o c e s ss c h e m ew a sm o r es c i e n t i f i c a n dp r a c t i c a l t h em o d e lw a s a p p l i e dt os e l e c t i o no fp r o c e s ss c h e m eo fc h a n gc h u n2 “du r b a n w a s t e w a t e rt r e a t m e np l a n t t h el e v e lo fa d u l td e g r e eo fp r o c e s s ，c a p i t a lc o s ta n d t r e a t m e n tc o s tw a sb i g g e rt h a nt h a to fo p e r a t i o ns u p e r v i s i o na n de f f l u e n ts t e a b i l i t y , a n dt h ej e v e lo ff l o o rs p a c ea n dr e m o v a lo fna n dpw a st h es m a l l e s t t h er e s u l to f o p t i m i z e ds e l e c t i o nw a sa sf o l l o w s ：a op r o c c e sw a st h eb e s ts c h e m e ，a n do x i d a t i o n d i t c hw a ss e c o n d t h ep a p e rw i l lp r o v i d er e f e r e n c et os e l e c t i o na n dd e s i g no fp r o c e s ss c h e m eo f u r b a nw a s t e w a t e rt r e a t m e np l a n t k e yw o r d s ：w a s t e w a t e r t r e a t m e n t ，a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) ，s e l e c t i o n o fp r o c e s ss c h e m e ，w a t e re n v i r o n m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞基鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 刀 学位论文作者签名：j 象1 幻i 签字日期：z 矿略年岁月2 矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：叁盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：壹二、习j 导师签名： 签字日期：幺诉1 - 月勿日 签字目期：纱纠乒年一月即日 ，似 n ，y 1 v 第一章导论 1 1 选题背景及意义 第一章导论 城市污水处理投资大，运行费用高。为了降低投资和运行成本，因地制 宜地进行以生物处理为主的工艺方案比较、选择是必要的。长期以来，污水 处理工艺系统的设计方案均采用传统的单体设计方法来获得。工程设计人员 通常是根据工程经验或直觉判断，在设计规范指导下拟定有限的备选设计方 案，然后在其中通过经济指标核算并筛选出认为技术合理、经济可行的最终 设计方案。但是，这种工艺方案比较往往不够科学，有的对工艺己有倾向和 爱好，先人为主，对倾向的工艺只说优点，对不赞成的工艺强调缺点；有的 把小型试验数据与别的已上工程的工艺相比较；有的是将处理b o d 5 为主的 工艺与处理b o d 5 同时进行脱氮除磷的工艺相比较；有的投资包括厂外工程 费用( 如道路、电负荷增容等) ；有的投资包括征地费用( 而此费用在各地出入 很大) ；有的工程建设投资低，运行费用高；有的工程建设投资高，运行费 用低；有的工艺处理污水的投资低，而污泥量较多增加了污泥的处理成本。 因此，对工艺方案的比较力求客观全面，在同等进水、出水条件下，根据技 术上合理，经济上合算，管理方便，运行可靠且有利于近、远期结合的原则， 进行工艺方案的优化抉择。 本课题采用成熟先进的层次分析法( a h p ) 建立城市污水处理厂工艺方 案选择的优化模型，减少了方案选择中个人主观作用的影响，对城市污水处 理厂工艺方案选择有一定的参考意义。 1 2 本文研究内容及研究路线 1 2 1 研究内容： 城市污水处理厂工艺选择 1 ) 城市污水处理厂主要工艺及其适应性 2 ) 城市污水处理厂的工艺选择 3 ) 采用层次分析法( a h p ) 建立工艺选择的优化模型 实例分析：长春市第二污水处理厂工艺方案选择 第章导论 1 2 2 研究路线 本文通过对城市污水处理厂主要工艺及其适应性的相关分析，引入了层次 分析( a h p ) 法，对各评价指标应用了权重的概念，把定性指标量化，并与定量 指标相结合，应用特定的数学方法得到混合型的量化标度，确定方案的优劣， 实现城市污水处理厂的工艺方案选择优化模型应用研究。具有一定的科学性与 实用价值。本文研究思路如图1 1 污水处工艺方主要工层次 理现状案选择艺方案分析 城市与趋势原则及实用法城市 污水 888 污水 处理处理 工艺工艺 方案 方案 选择 选择 的提 的确 出数据统计分析定 图1 - - 1 研究思路图 第二章城市污农处理现状及发展趋势 第二章城市污水处理现状及发展趋势 2 1 全国水环境状况 由于国家及各级 断建立与完善井付 全国地表水总体水j 监测断面中( 其中， 劣v 类水质的断面l 数、氨氮和石油类! 相关的法律法规不 ：遏制，至2 0 0 6 年， 的7 4 5 个地表水 一类，、v 类， ” 指标为高锰酸盐指 持稳定。见图2 1 图2 - l2 0 0 6 年七大水系水质类别比例 其中长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河等七大水系总体水 质与上年基本持平。国控列七大水系的1 9 7 条河流4 0 8 个监测断面中，i 类，、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为4 6 、2 8 和2 6 。其中，珠江、 长扛水质良好，松花江、黄河、淮河为中度污染，辽河、海河为重度污染。主 要污染指标为高锰酸盐指数、石油类和氨氮。七大水系监测的9 8 个国控省界断 面中，i 类，、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为4 3 、3 t 和2 6 。 海河和淮河水系的省界断面水体为中度污染。见表2 12 0 0 6 年七大水系水质娄 别比例 表2 12 0 0 6 年七大水系水质类别比例 * 汀 昔河 球汀 糌荐汀 濉 j 了河 黾蚀 第二章城市污水处理现状及发展趋势 综上所述，我国水环境污染治理工作仍是箭在弦上，不能松懈。在“节能减 排”作为基本国策，国民环保意识不断提高的前提下，科学的兴建污水处理设施， 将污水进行无害化处理，循环使用已成为国家发展进程中的一件大事。 重视“环境保护”始于7 0 年代，在此期间兴建了一批污水处理设施和城市 污水处理厂。特别是改革开放以来，在工业废水治理和城市污水处理取得了一定 的进展。据1 9 9 5 年统计，在全国6 4 5 座城市中，已经投入数百亿资金建成大中 型污水处理厂1 6 7 座，其中包括像天津纪庄子污水处理厂、北京高碑店污水处理 厂、上海苏州河污水截留设施等国内外知名的特大型城市污水治理项目，这些污 水治理项目已经在降低水体污染、改善水体环境方面发挥了突出作用，并推动了 我国城市污水处理技术发展和积累了大量建设管理经验。但这些进展与我国社会 经济发展的速度相比还很不适应，与环境治理发达国家相比还有很大差距。全国 城市污水处理率目前只有5 7 ，2 0 0 6 年中国环境状况公报全国废水排放总量 4 3 9 5 亿吨，其中工业废水排放2 0 7 亿吨，城镇生活污水排放2 3 2 5 亿吨，废水中化学 需氧量排放1 4 2 8 2 万吨，比上年增加1 5 。这一状况与国家提出“至2 0 1 0 年使 整体环境质量有所改善”的发展目标是不相称的。根据国家建设部、国家环保总 局、科技部2 0 0 0 年5 月发布的城市污水处理及防治技术政策规定，到2 0 1 0 年，全国建制镇的污水处理率不低于5 0 ，设市城市的污水处理率不低于6 0 ， 重点城市的污水处理率不低于7 0 ，而我国污水处理现状与这一政策要求还有 很大距离。全国城市污水处理状况见表2 - 2 表2 2 全国城市污水处理状况表 年度 指宥1 9 8 01 9 9 01 9 9 52 0 0 0 2 0 1o 污水排放总量( 亿m 3 年) 4 02 9 93 5 34 0 25 1 4 污水平均增长率( ) 3 43 33 32 5 污水处理总量( 1 0 0 万m 3 6 31 9 45 3 82 7 5 35 6 4 0 年) 污水处理率( ) 1 12 45 62 5 4 0 污水厂数量( 座) 5 2l3 52 3 44 2 7 约6 9 0 2 2 城市污水处理设施的建设与发展 我国解决污水净化问题始于二十世纪7 0 年代，一些城市利用郊区的坑塘洼 地、废河道、沼泽地等稍加整修或围堤筑坝，建成稳定塘，对城市污水进行净化 第二章城市污水处理现状及发展趋势 处理，其中生活污水量占一半，其余为包括石油、化工、造纸、印染等多种工业 废水。此阶段开始重视引进国外先进技术和设备，开展与国外的技术交流，逐步 探索适合我国国情的工程技术和设计，为以后的建设奠定了基础。 8 0 年代，随着城市化进程的加快和城市水环境受到重视，城市排水设施建 设有较快发展。国家适时调整政策，规定在城市政府担保还贷条件下，准许使用 国际金融组织、外国政府和设备供应商的优惠贷款，由此推动大批城市污水处理 设施的兴建。我国第一座大型城市污水处理厂一天津市纪庄子污水处理厂于 1 9 8 2 年破土动工，1 9 8 4 年4 月2 8 日竣工投产运行，处理规模为2 6 万m 3 d 在 此成功经验的带动下，北京、上海、广东、广西、陕西、山西、河北、江苏、浙 江、湖北、湖南等省市根据各自的具体情况分别建设了不同规模的污水处理厂几 十座。 “八五”期间，随着城市环境综合治理的深化以及各流域水污染治理力度的 加大，城市污水处理设施的建设经历了一个发展高潮时期。到1 9 9 5 年，我国城 市排水系统排水管道长度约为1 0 0 6 2 k m ，按服务面积计算，城市排水管网普及率 为6 4 8 。与19 9 0 年相比，城市排水管道增加5 4 3 7 3 k m ，平均每年增长10 8 7 4 k m ， 与1 9 9 0 年相比，城市污水处理厂增加9 9 座，平均每年建污水处理厂近2 0 座。 “九五期间，我国正式启动对“三河( 淮河、海河和辽河) 、“三湖”( 太 湖、巢湖、滇池) 流域和“环渤海”地区的水污染治理，国家给予相应资金和技 术上的支持。1 9 9 6 - 1 9 9 9 年竣工投入运行的城市污水处理项目有2 2 个，投资5 9 5 8 亿元，日处理规模3 7 1 7 万m 3 ：在建项目1 0 9 个，计划投资1 6 1 8 3 亿元。据统计， 到2 0 0 0 年底，全国已建设城市污水处理厂4 2 7 座，其中二级处理厂2 8 2 座，二 级处理率约为1 5 ，2 0 0 0 年用于城市污水处理工程建设的总投资约为1 5 0 亿元。 但目前绝大多数小城镇尚未建污水处理设施。 “十五环境保护计划指标没有全部实现，化学需氧量排放由2 0 0 0 年的1 4 4 5 万吨减少到2 0 0 5 年的1 4 1 4 万吨，仅减少2 1 未完成削减1 0 达到1 3 0 0 万吨的 控制目标。“三河三湖 等重点流域和区域的治理任务只完成计划目标的6 0 左 右。主要污染物排放量远远超过环境容量，环境污染严重。全国2 6 的地表水国 控( 国家重点监控) 断面劣于水环境v 类标准，6 2 的断面达不到i i i 类标准； 流经城市9 0 的河段受到不同程度污染，7 5 的湖泊出现富营养化；3 0 的重点 城市饮用水源地水质达不到i i l 类标准；近岸海域环境质量不容乐观；4 6 的设 区城市空气质量达不到二级标准，一些大中城市灰霾天数有所增加，酸雨污染程 度没有减轻。 第二章城市污水处理现状及发展趋势 “十一五 环境保护计划指标中化学需氧量排放总量要从2 0 0 5 年的1 4 1 4 万吨的基础上削减1 0 到2 0 1 0 年减少到1 2 7 0 万吨。五年中，地表水国控断面劣 v 类水质的比例( ) 由2 6 1 减少到低于2 2 ，七大水系国控断面好于类的 比例( ) 由4 1 提高到4 3 。加快城市污水处理与再生利用工程建设。到2 0 1 0 年，所有城市都要建设污水处理设施，城市污水处理率不低于7 0 ，全国城市污 水处理能力达到l 亿吨日。污水处理厂的建设要坚持集中和分散相结合，因地 制宜，优化布局，大力推进技术进步和推广先进适用技术。污水处理设施建设要 厂网并举、管网优先，并与供水、用水、节水和污水再生利用统筹考虑。切实重 视污水处理厂的污泥处置，实现污泥稳定化、无害化。加强污水处理厂的监管， 所有污水处理厂全部安装在线监测装置，实现对污水处理厂运行和排放的实时监 控。不断提高城镇污水收集的能力和污水处理设施的运行效率，保证污水处理厂 投入运行后的实际处理负荷，在一年内不低于设计能力的6 0 ，三年内不低于设 计能力的7 5 。加强工业废水治理。严格执行水污染物排放标准和总量控制制度， 加快推行排污许可证制度。重点抓好占工业化学需氧量排放量6 5 的国控重点企 业的废水达标排放和总量削减。加快淘汰小造纸、小化工、小制革、小印染、小 酿造等不符合产业政策的重污染企业。进一步强化工业节水工作，制定高耗水行 业废水排放限额标准，提高工业用水重复利用率。以造纸、酿造、化工、纺织、 印染行业为重点，加大污染治理和技术改造力度。在钢铁、电力、化工、煤炭等 重点行业推广废水循环利用，努力实现废水少排放或零排放。严格按照有关标准 监测排入城镇排水系统的工业废水水质和水量，保证污水处理厂安全运行。为实 现化学需氧量减少1 0 的目标，必须通过工程措施削减化学需氧量4 0 0 万吨，其 中：需新增城市污水处理能力4 5 0 0 万吨日，形成化学需氧量削减能力3 0 0 万吨； 工业污水治理削减化学需氧量l o o 万吨。水污染治理是投资的重中之重。“十 一五”环保产业优先发展水污染防治技术与装备：重点发展富营养化污染防治、 污废水回用、饮用水中有机物与微污染去除、高负荷生物脱氮除磷、高效厌氧好 氧生物处理、高盐度及难降解有毒有机废水处理、污泥稳定化与资源化、河口与 海岸溢油和化学事故应急控制等。 2 3 城市污水处理工艺技术现状与发展趋势 工艺技术现状 我国现有城市污水处理厂8 0 以上采用的是活性污泥法，其余采用一级处 理、强化一级处理、稳定塘法及土地处理法等。 “七五、“八五、“九五 国家科技攻关课题的建立与完成，使我国在 第二章城市污水处理现状及发展趋势 污水处理新技术、污水再生利用新技术和污泥处理新技术等方面都取得了可喜 的科研成果，某些研究成果达到国际先进水平；同时，借助于外贷城市水处理 工程项目的建设，国外许多新技术、新工艺、新设备被引进到我国，a b 法、 氧化沟法、m o i 艺、m a o 工艺、s b r 法在我国城市污水处理厂中均得到应 用。污水处理工艺技术由过去只注重去除有机物发展为具有除磷脱氮功能。国 外一些先进、高效的污水处理专用设备也进人了我国污水处理行业市场，如格 栅机、潜水泵、除砂装置、刮泥机、曝气器、鼓风机、污泥泵、脱水机、沼气 发电机、沼气锅炉、污泥消化搅拌系统等大型设备与装置。 我国8 0 年代以前建设的城市污水处理厂大部分采用普通曝气法活性污泥 处理工艺，由于该工艺主要以去除b o d 和s s 为主要目标，对氮磷的去除率非常 低。为了适应水环境及排放要求，一些污水处理厂正在进行改造，增加或强 化脱氮和除磷功能。 a b 法污水处理工艺于8 0 年代初开始在我国应用于工程实践。由于其具有 抗冲击负荷能力强、对p h 变化和有毒物质具有明显缓冲作用的特点，故主要应 用于污水浓度高、水质水量变化较大，特别是工业污水所占比例较高的城市污 水处理 目前氧化沟工艺是我国采用较多的污水处理工艺技术之一。应用较多的 有奥贝尔氧化沟工艺，由我国自行设计、全套设备国产化，己有成功实例。d e 型氧化沟和三沟式氧化沟在中小型城市污水处理中也有应用。采用卡罗塞尔氧 化沟工艺处理城市污水也较多。多种类型的s b r 工艺在我国均有应用，如属第 二代s b r z 艺的i c e a s i 艺，属第三代的c a s t 工艺、u n i t a n k 工艺等。 随着我国对水环境质量要求的提高，修订后的国家污水综合排放标准 ( g b 8 9 7 8 - - 1 9 9 6 ) 2 及城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 也越 来越严，特别是对出水氮、磷的要求提高，使得新建城市污水处理厂必须考虑 氮磷的去除问题。由此开发了改良a o 、刖a o 等工艺，并已开始在实际工程 中应用。如天津东郊污水处理厂、北京清河污水处理厂等。 从工程规模上看，一批大型污水处理厂的相继建成投产标志着我国污水处 理事业发展到一个崭新的阶段。如：我国2 0 世纪最大的污水处理厂高碑店污水 处理厂，处理规模1 0 0 万m 3 d ；目前全国最大的城市污水处理厂上海竹园污水 处理厂正在设计之中，其规模为l7 0 万m 3 d 发展趋势 目前我国新建及在建的城市污水处理厂所采用的工艺中，各种类型的活性 污泥法仍为主流，占9 0 以上，其余则为一级处理、强化级处理、生物膜法 及与其他处理工艺相结合的自然生态净化法等污水处理工艺技术。 第二章城市污水处理现状及发展趋势 从国情出发，我国城市污水处理发展趋势： 1 ) 氮、磷营养物质的去除仍为重点也是难点， 2 ) 1 业废水治理开始转向全过程控制； 3 ) 单独分散处理转为城市污水集中处理； 4 ) 水质控制指标越来越严； 5 ) 由单纯工艺技术研究转向工艺、设备、工程的综合集成与产业化及经济、 政策、标准的综合性研究； 6 ) 污水再生利用提上日程； 7 ) 中小城镇污水污染与治理问题开始受到重视。 第三章城市污水处理厂工艺选择 第三章城市污水处理厂工艺选择 随着我国社会和经济的高速发展，环境问题日益突出，尤其是城市水环境 的恶化啪2 1 船1 ，加剧了水资源的短缺。已经成为城市可持续发展的严重制约 因素。近年来，国家和地方政府非常重视污水处理事业，正以前所未有的速度 推进城市污水处理工程的建没，有数百座污水处理厂正在工程设计和建设中， 预计到2 0 1 0 年，我国要新建城市污水处理厂一千余座，污水厂的投资将达1 8 0 0 亿元。在这一进程中，城市污水处理工艺的优化选择，将是工程界面临的首要 问题。 3 1 城市污水处理厂工艺选择的原则 城市污水处理厂工艺选择的关键原则可概括为 指标先进 这里主要指具备高效的处理效果达到或优于国家标准规定的处理水质指 标。这是污水处理最重要的目标。也是污水处理厂产品的质量要求。在必要的 场合，应该充分考虑氮、磷等营养物的去除效率，这对保护水环境和污水的再 生利用有着重要意义。 经济节能 节省工程投资是城市污水处理厂建设的重要前提，合理确定处理标准。选 择简捷紧凑的处理工艺，尽可能地减少占地，力求降低地基处理和土建造价。 同时，必须充分考虑节省电耗和药耗，把运行费用减至最低。对于我国现有的 经济承受能力来说，这一点尤为重要。较低的经济指标同样是先进性的重要体 现。 成熟可靠 合理把握工艺先进性和成熟性( 可靠性) 的辨证关系，一方面，应当重视技 术经济指标的先进性，同时必须充分考虑适合中国的国情和工程的性质。城市 污水处理工程不同于一般点源治理项目，它作为城市基础设施工程，具有规模 大、投资高的特点，且是百年大计，应该确保百分之百的成功。工艺的选择必 须注重成熟性和可靠性。因此，必须把技术的风险降到最小程度。在最近颁布 的城市污水处理的技术政策中规定“对在国内首次应用的新工艺，必须经过中 第三章城市污水处理厂工艺选择 试和生产性试验，提供可靠设计参数后再进行应用。也是强调了可靠性原则。 易于管理 城市污水处理是我国的新兴行业，专业人才相对缺乏。在工艺选择过程中， 必须充分考虑到我国现有的运行管理水平，尽可能做到设备简单，维护方便。 适当采用可靠实用的自动化技术。应特别注重工艺本身对水质变化的适应性及 处理出水的稳定性。某些工艺尽管技术经济指标先进，但对运行管理有过分精 细的要求，或完全依赖于全自动化运行，在现阶段可能并不适应国情，尤其难 以适用于中小城镇。事实上，任何一种工艺总是有利有弊，关键在于适用性如 何，在工程实践中，应该具体情况具体分析，因地制宜，综合比较，取长补短， 做出较为优化的选择。 3 2 城市污水处理厂主要工艺及其适用性 城市污水的主要污染物是有机物，因此目前国内外大多采用生物法。也有 采用化学法的，但这种工艺的去除率不高，出水达不到国家规定的标准，只适 用于某些特定的对出水水质要求不高的地方。 在生物法中，有活性污泥法和生物滤池两大类，生物滤池的处理效率不高， 卫生条件较差，我国只有少数几座生物滤池城市污水处理厂，而活性污泥法占 绝大多数。活性污泥法有很多种型式，使用最广泛的主要有四类：传统活性 污泥工艺和其改进型a o 、a a o - i - _ 艺，( g ) a b 工艺， ) s b r 及其改进工艺， 氧化沟及其改进工艺。下面简要介绍这四类工艺，对一些新的改进型工艺作比 较详尽的介绍。 3 2 1 传统活性污泥工艺 3 】1 4 和其改进型a o 、a a o 工艺 传统活性污泥法是应用最早的工艺，它去除有机物的效率很高，在处理过 程中产生的污泥采用厌氧消化方式进行稳定处理，对消除污水和污泥的污染很 有效，而且能耗和运行费用都比较低，因而得到广泛应用。但是它对氮磷的去 除效果不高。近2 0 年来，水体富营养化的危害越来越严重，去除氮、磷列入了 污水处理的目标，于是出现了活性污泥法的改进型a o 法和a a o 法。a o 法有 两种，一种是用于除磷的厌氧一好氧工艺，一种是用于脱氮的缺氧一好氧工 艺；a a o 法则是既脱氮又除磷的工艺1 5 】 o 工艺 这种工艺对于大型活性污泥法污水厂来说，处理效果较稳定，且实现了脱 氮或除磷的目标，能耗和运营费也较低，但处理单元多，管理较复杂，且不能 同步脱氮和除磷。用于除磷的a o 工艺的最主要特征是高负荷运行、泥龄短、 第三章城市污水处理厂工艺选择 水力停留时间短。用于脱氮的刖o 工艺的负荷很低，泥龄长、水力停留时间长。 a 几v o 工艺 对于有除磷脱氮要求的城市污水处理厂，传统上往往考虑首选 a o 工艺。 该工艺根据活性污泥微生物在完成硝化、反硝化以及生物除磷过程对环境条件 要求的不同，在不同的池子区域分别设置厌氧区、缺氧区和好氧区。o 工 艺应用较为广泛，历史较长，己积累有一定的设计和运行经验，通过精心的控 制和调节，一般可以获得较好的除磷脱氮效果，出水水质较稳定，在国内外大 中型城市污水处理厂常有采用。但o 工艺也有一定的缺点，主要表现为需 分别设置污泥回流系统和内回流系统，尤其是内回流系统，根据脱氮的要求设 计回流比。而且内回流的控制较复杂，对管理的要求较高。 针对上述不足，改良的m m o 工艺、u c t 工艺、倒置的0 工艺、多点 进水的a a o 工艺及有自主知识产权双污泥脱氮除磷技术等不断出现，在一定 程度上或在某一方面使运行效果有所改善。 尽管这类工艺流程较长，控制较复杂，投资略高，但相对成熟可靠，处理 效果稳定，一般适用于较大规模，具有较高运行管理水平的城市污水处理厂。 3 2 2a b 法工艺 a b 法工艺由德国b b o h n k e 教授首先开发。该工艺将曝气池分为高低负荷 两段，各有独立的沉淀和污泥回流系统。高负荷a 段停留时间约2 0 - 4 0 分钟， 以生物絮凝吸附作用为主，同时发生不完全氧化反应，生物主要为短世代的细 菌群落，去除b o d 达5 0 以上。b 段与常规活性污泥法相似，负荷较低，泥龄 较长。 a b 法a 段效率很高，并有较强的缓冲能力。b 段起到出水把关作用，处理 稳定性较好。对于高浓度的污水处理，a b 法具有很好的适用性，并有较高的 节能效益。尤其在污泥处理采用消化和沼气利用工艺时，优势最为明显。 但是，a b 法污泥产量较大，a 段污泥有机物含量极高，污泥后续稳定化处 理将增加一定的投资和费用。另外，由于a 段去除了较多的b o d ，可能造成碳 源不足，难以实现脱氮工艺。对于污水浓度较低的场合，b 段运行较为困难， 也难以发挥优势。a b 法工艺对运行管理有较高的要求，尤其是污泥厌氧消化 和沼气利用部分，目前国内成功运行的不多。 目前有仅采用a 段的做法，效果要好于一级处理，作为种过渡型工艺， 在性能价格比上有较好的优势。一般适用于排海和暂时对水质要求不高的场 合。 总体而言，a b 法工艺较适合于污水浓度高、具有污泥消化等后续处理设 第三章城市污水处理厂工艺选择 施的大中规模的城市污水处理厂，有明显的节能效果。对于有脱氮要求的城市 污水处理厂，般不宜采用。 3 2 3s b r 及其改进工艺 s b r 工艺早在2 0 世纪初已有应用，由于人工管理的困难和烦琐未能推广应 用。此法集进水、曝气、沉淀、排水、闲置功能在一个池子中完成。一般由多 个池子构成一组，各池工作状态轮流变换，单池由撒水器间歇出水，故又称为 序批式活性污泥法。 该工艺将传统的曝气池、沉淀池由空间上的分布改为时间上的分布，形成 一体化的集约构筑物，并利于实现紧凑的模块布置，最大的优点是节省占地。 另外，可以减少污泥回流量，有节能效果。s b r 工艺沉淀时停止进水，静止沉 淀可以获得较高的沉淀效率和较好的水质。但是它的脱氮除磷效果不够稳定， 如要求脱氮除磷，需做一些改进1 6 】。 s b r 经过不断演变和改良，又产生或同期发展为i c e a s 、c a s s 和c a s t 等 以及l a t _ d a t 工艺和u n i t a n k 工艺，进一步增强了除磷脱氮效果或降低了设备 闲置率。特别是在处理难降解废水中得到广泛应用【7 】，随着自动化技术的发展 和p l c 控制系统的普及化，s b r 类工艺的工程应用又进人了一个新的时代。 但是，s b r 类工艺毕竟对自动化控制要求很高，并需要大量的电控阀门和 机械撇水器，稍有故障将不能运行，一般须引进部分关键设备。由于一池有多 种功能，相关设备在一段时间内不得己而闲置，曝气头的数量和鼓风机装机功 率必须增大。另外，由于撇水深度通常有1 2 2 m ，出水的水位必须按最低撇 水位设计，加之撇水器本身水头损失较高，故总的提升扬程较其他工艺要高， 水力能耗略有增加。 对于中小规模、可以引进部分关键设备、具有一定管理水平的城市污水厂， 改进的s b r 不失为一种优选工艺，可以发挥节省用地、提高出水指标的优势。 i c e a s i 艺 i c e a s ( i n t e r m i t e n tc y c l i ce x t e n d e da e r a t i o ns y s t e m ) - - _ 艺的全称为间歇循 环延时曝气活性污泥工艺。它于加世纪8 0 年代初在澳大利亚兴起，是s b r 的改 良工艺。 i c e a s 与传统的s b r 相比，最大的特点是在反应器的进水端增加了一个预反 应区，运行方式为连续进水( 沉淀期和排水期仍保持进水) ，间歇排水，没有明 显的反应阶段和闲置阶段。这种系统在处理市政污水和工业废水方面比传统的 s b r 系统费用更省、管理更方便。但是由于进水贯穿于整个运行周期的每个阶 段，沉淀期进水在主反应区底部造成水力紊动而影响泥水分离时间，因而，进 水量受到了一定限制。通常水力停留时间较长。它可以脱氮除磷，但效果不够 第三章城市污水处理厂工艺选择 理想。 ( 参c a s s ( c a s t ，c a s p ) 工艺 c a s s ( c y c l i c a c t i a v a t e d s l u d g es y s t e m ) 或c a s t ( t e c h n o l o g y ) 或 c a s p ( p r o c e s ) t 艺是一种循环式活性污泥法。该工艺的前身为i c e a s 工艺，由 g o r o n s z y 开发并在美国和加拿大获得专利。 与i c e a s 工艺相比，预反应区容积较小，是设计更加优化合理的生物反应 器。该工艺将主反应区中部分剩余污泥回流至选择器中，在运作方式上沉淀阶 段不进水，使排水的稳定性得到保障。 c a s s 工艺适用于含有较多工业废水的城市污水及要求脱氮除磷的处理。 它的脱氮除磷效果好，防止污泥膨胀的性能好，目前深圳、天津和云南的一些 污水处理厂都采用此种工艺。 ( 变) d a t - i a t 工艺 d a t i a t 工艺是利用单一s b r 池实现连续运行的新型工艺，介于传统活性 污泥法与典型的s b r 工艺之间，是连续曝气和间歇曝气相结合的工艺，既有传 统活性污泥法的连续性和高效性，又具有s b r 法的灵活性，适用于水质水量大 的情况。d a 卜i a t 工艺主体构筑物由需氧池( d a t ) 和间歇曝气池( i a t ) 组成， 一般情况下d a t 连续进水，连续曝气，其出水进入i a t ，在此可完成曝气、沉 淀、排水和排出剩余污泥工序，是s b r 的又一变型。已用于天津开发区污水处 理厂。它的脱氮除磷功能一般，需增加设施才能提高脱氮除磷效率。 u n i t a n k i 艺 u n i t a n k 工艺一般由一矩形池子组成，内分三格，三格在水力上是连 通的。池子外侧二格即第一格和第三格交替作为曝气池和沉淀池，第二格始终 作为曝气池。在每一格池子中设置曝气装置，可以为表面曝气设备，也可以是 鼓风曝气系统。在第一格和第三格中另需设置周边出水堰( 所需堰长如同传统 二沉池) 。由于受池子沉淀功能( 即需要一定的池子表面积) 的制约，一般一组 u n i t a n k 工艺的处理能力在2 1 0 4m 3 d 左右。 u n i t a n k 工艺采用矩形池形式，不需另设沉淀池，故布置紧凑，节省占 地。在设备方面，省去了刮泥桥和污泥回流系统，采用固定堰槽出水，避免了 撤水器造成的水位损失和机械故障。采用微孔曝气时有一定的节能效果。因此， u n i t a n k 作为一种新工艺在国内开始推广应用。如，上海石洞口污水处理厂( 4 0 1 0 4m 3 d ) ，石家庄开发区污水处理厂( 8 1 0 4m 3 d ) 等均采用这一工艺，目前 正在建设之中。 按照一分为二的观点，该工艺可能存在有以下不足： 第三章城市污水处理厂工艺选择 从工艺机理方面分析，该工艺实际上是一个无污泥回流的连续流活性污泥 法系统，污水从池子第一格朝第三格方向流动时，将把大量污泥带入到第三格 中。 在污水处理的主体部分即第一格和第二格中的污泥量逐渐减少浓度的降 意味着整个系统不能充分地利用池子中的活性污泥( 系统中至少约有1 3 以上 污泥不能有效利用) ，与此同时，大量活性污泥将被水流挟带至第三格中，将 直接导致沉淀池中污泥泥面的上升，有可能使出水水质变差。当出现峰值流量 时，这种缺陷则更为突出，大量污泥将迅速转移至作为沉淀池的池子中去。 由于u n i t a n k 工艺中，当第一格或第三格作为沉淀池功能时，其池子构 造并不专门为二沉池功能所设计，故系统并不在一个较佳的水力条件下进行泥 水分离。而且污泥泥面在池子底部的分布是不均匀的，靠入流侧的污泥泥面将 显著地提高，污泥颗粒容易随出水流出系统。 在设备方面，u n i t a n k 虽通过固定堰槽出水，但在曝气阶段堰槽内存有 混合液，排水前必须先进行冲洗，增加了相应设备，另外，该工艺管道系统布 置较为复杂，且需要大量的电动进水阀门、电动空气阀门( 当采用鼓风曝气时) 以及剩余污泥阀门。该系统完全依赖于自动控制运行，对管理维护的要求较高， 也存在着设备闲置问题，一次性设备投资有所增加。 该工艺可以将生物处理和沉淀系统合为一体，布置紧凑，节省占地。在用 地十分紧缺或必须室内布置情况下，适宜采用该工艺。 m s b r 工艺 m s b r i i j 改良型m s b r ( m o d i f i e dm s b r ) ，其工艺经过不断改进和发展己成 为s b r 的第三代技术。m s b r 系统实质是由a a o 工艺与s b r 系统串联而成， 不需要初沉池和二沉池，又能在反应器全充满并在恒定液位下连续进水运行。 采用单池多格方式，结合了传统活性污泥法和s b r 技术的优点，还省去了多池 工艺所需要的更多的连接管、泵和阀门。 m s b r 是一种可连续进水、高效的污水处理工艺，且简单，容积小，单池。 易于实现计算机自动控制。在较低的投资和运行费用下，能有效地去除含高浓 度b o d ，t s s ，氮和磷的污水。系统在低h r t 、低m l s s 和低温情况下，具有 优异的处理能力。深圳市盐田污水处理厂采用了m s b i 江艺，其工艺设计方案 及配套设备均由美i 虱a u q a 公司提供。深圳市盐田污水处理厂近期处理规模为1 2 x1 0 4m 3 d ，远期规模为2 0 1 0 4i t l 3 d ，污水性质为城市污水。 3 2 4 氧化沟及其改进工艺哺1 氧化沟是活性污泥法的一种变型，在水力流态上不同于传统活性污泥法， 是种首尾相接的循环流，通常采用延时曝气，在污水净化的同时污泥得到稳 定。它不设初沉池和污泥消化池，处理设施大大简化。氧化沟具有传统活性 第三章城市污水处理厂工艺选择 污泥法的优点，去除有机物的效率很高，也具有脱氮的功能。如果在沟前增设 厌氧池，还可同时除磷。氧化沟这种高效、简单的特点，使它在中小型城市污 水处理厂中得到广泛应用。 氧化沟工艺大体上可以分为四类： 交替工作式氧化沟 交替工作式氧化沟是指在一沟或多沟中按时间顺序在空间上对氧化沟的 曝气操作和沉淀操作作出调整换位，以取得最佳的或要求的处理效果。其特点 是，氧化沟曝气、沉淀交替轮作，不设二沉池，不需污泥回流装置。基本类型 有a 、d 、v r 和t 型四种。 a 型氧化沟是单沟交替工作式氧化沟，主要用于b o d 的去除和硝化，且限 于较小的处理场合应用，规模不超过2 0 0 0 人口当量，各个工作时段持续时间的 长短，取决于污水间歇排放的周期。 d 型氧化沟为双沟交替工作式氧化沟，一般由池容完全相同的两个氧化沟 组成，两沟串联交替地作为曝气池和沉淀池，主要也是用于b o d 的去除和硝化。 d 型系统出水水质十分稳定，处理能力在1 5 0 0 - - - 2 0 0 0 0 人口